JP2006054360A

JP2006054360A - 半導体装置とその製造方法

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Publication number: JP2006054360A
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Inventors: Akira Tomono; 章友野
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Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2004-08-13
Filing date: 2004-08-13
Publication date: 2006-02-23
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Abstract

【課題】フラックス機能を有する封止樹脂を用いてフリップチップ接続した半導体装置において、回路基板の反り戻しによるバンプ接続部の断線を抑制する。
【解決手段】半導体素子１１は第１の電極パッド１２上に第１の低融点半田層１６を介して形成された半田バンプ１５を有する。回路基板１３は第１の電極パッド１２に対応する第２の電極パッド１４を有し、第２の電極パッド１４上には第２の低融点半田層１７が形成されている。これら半導体素子１１と回路基板１３とは、フラックス機能を有する封止樹脂１８を用いてフリップチップ接続される。
【選択図】図１

Description

本発明はフリップチップ接続を適用した半導体装置とその製造方法に関する。

近年、半導体素子（半導体素子）の多ピン化、ファインピッチ化、信号速度の高速化等に対応するために、配線・接続長の短い実装方式としてフリップチップ接続が利用されている。フリップチップ接続に用いる半導体素子は、例えばエリア状に形成された電極パッドと、これら電極パッド上に形成された半田バンプとを有している。一方、半導体素子が実装される回路基板は、半導体素子の電極パッドと対応する位置に形成された電極パッドを有している。フリップチップ接続は、上記した半導体素子と回路基板の電極パッド同士が対向するように位置合せした後、半田バンプを加熱・溶融することによって、半導体素子と回路基板の電極パッド間を接続する方法である。

通常は半田バンプの酸化被膜を還元するために、フラックス剤を回路基板の表面に塗布した後、回路基板上に半導体素子を位置合せして搭載する。次に、リフロー炉で半田バンプを加熱・溶融させて電極パッド間を接続し、さらにフラックス剤を洗浄する。この後、回路基板と半導体素子との間に封止樹脂（アンダフィル剤）を注入して硬化させる。このようにしてフリップチップ接続を適用した半導体装置が作製される。さらに、接続工程を簡易化するために、フラックス機能を有する封止樹脂、いわゆるノーフローアンダフィル剤を用いたフリップチップ接続も実施されている。フラックス機能を有する封止樹脂を用いた接続工程は、フラックス剤の洗浄工程や封止樹脂の注入工程を省くことで、工程の簡易化や低コスト化を図るものである。

フラックス機能を有する封止樹脂を用いた接続工程について、図１２〜図１４を参照して説明する。まず、図１２に示すように、半導体素子１の電極パッド２上にＳｎ−Ａｇ半田（融点：221℃）等の高融点半田からなる半田バンプ３を形成する。一方、半導体素子１を実装する回路基板４の電極パッド５上には、Ｓｎ−Ｂｉ半田（融点：139℃）等からなる低融点半田層６を形成する。このような回路基板４上にフラックス機能を有する封止樹脂７を塗布する。ここで、回路基板４は一般的に実装エリア（15〜20mm角）内で20〜50μm程度の反りを有している。

次に、図１３に示すように、半導体素子１を実装ツール８で吸着保持する。実装ツール８は低融点半田層６のみが溶融する温度（例えば139℃以上221℃未満）に予熱されている。半導体素子１の電極パッド２と回路基板４の電極パッド５とを位置合せした後、半導体素子１を封止樹脂７の上から回路基板４に押し付ける。この加圧状態を維持しつつ実装ツール８で封止樹脂７および低融点半田層６を加熱する。加熱して活性化された封止樹脂７のフラックス機能で接合界面の酸化膜や異物を除去しつつ、低融点半田層６のみを溶融して半田バンプ３に濡れ上がらせる。この段階では、回路基板４は加圧力により平行な状態とされている。このようにして半導体素子１と回路基板４とを仮接続する。

この後、実装ツール８から半導体素子１を解放する。この段階で半導体素子１に加えられていた加圧力が取り除かれるため、回路基板４は図１４に示すように反り戻される。加圧を解除した直後の低融点半田層６はまだ溶融状態であるため、回路基板４の反り戻し量によっては図１５に拡大して示すように低融点半田層６が引きちぎれる現象が発生する。この後、封止樹脂７をキュアして硬化させるため、半田バンプ３を加熱、溶融する本接続工程を経ても、低融点半田層６が引きちぎれた部分では断線が発生する。このように、フラックス機能を有する封止樹脂を用いたフリップチップ接続工程においては、回路基板４の反りに起因して断線が発生しやすいことが問題となっている。

また、半導体素子のさらなるファインピッチ化や高速化に対応するために、配線の低抵抗化を実現するＣｕ配線、および配線間容量を低減する低誘電率の絶縁膜（low-κ膜）の適用が進められている。しかしながら、low-κ膜の構成材料は一般的に機械的強度や密着強度等が低いという難点を有している。このため、フリップチップ接続工程で半導体素子と回路基板との熱膨張係数の差に基づいて発生する熱応力によって、low-κ膜自体もしくは界面にクラックや剥離等が生じやすい。特に、Ｓｎ−Ａｇ半田等の鉛フリー半田を用いた場合、半田バンプのリフロー工程で大きな熱応力が発生するため、機械的強度や密着強度が低いlow-κ膜に起因してクラックや剥離等が生じやすくなる。

なお、半田バンプの構成や半導体素子の半田付け法に関しては、従来から種々の提案が成されている。例えば、特許文献１には回路基板側から順に形成された高融点半田金属層、中融点半田金属層、低融点半田金属層を有するバンプ電極構造が記載されている。これは回路基板側に高強度の高融点半田金属層を形成することによって、半導体素子と回路基板との熱膨張差に基づく熱応力をバンプ電極内で緩和させるものである。このようなバンプ構造では、半導体素子に対する応力の緩和効果は得られても、回路基板の反り戻しによる断線に対しては十分な効果を得ることはできない。

特許文献２には、高融点の導電材からなる支柱の両端部に半田層を形成し、この両端部の半田層を半導体素子および基板の電極パッドに粘着力を有するフラックスで仮留めした後、両端の半田層を溶融・固化させて半田付けする方法が記載されている。しかしながら、このような半田付け法は多ピン化された半導体素子のフリップチップ接続には到底適用することができない。特許文献３には、半導体素子側に設けられた金属パンプと回路基板側に設けた高融点半田バンプとを、低融点の半田層を介して接続する構造が記載されている。このような接続構造では回路基板の反り戻しによる断線に対して十分な効果を得ることはできず、また応力の緩和効果も期待できない。
特開平10-294337号公報特開平10-209626号公報特開平10-12659号公報

上述したように、フラックス機能を有する封止樹脂を用いたフリップチップ接続は、接続工程の簡易化や低コスト化等が図れる反面、従来の接続工程では回路基板側の低融点半田層が固化する前に加圧力が解放されるため、回路基板の反り戻しによりバンプ接続部に断線が生じやいという問題がある。なお、低融点半田層を冷却・固化してから加圧力を解放すれば低融点半田層の断線は抑制されるものの、これでは接続時間や接続コストが大幅に増加することになる。さらに、low-κ膜を有する半導体素子にフリップチップ接続を適用した場合、機械的強度や密着強度が低いlow-κ膜に起因してクラックや剥離等が生じやすいという問題がある。これらはフリップチップ接続を適用した半導体装置の製造歩留りや信頼性の低下要因となっている。

本発明はこのような課題に対処するためになされたもので、フラックス機能を有する封止樹脂を用いたフリップチップ接続を適用するにあたって、回路基板の反り戻しによるバンプ接続部の断線を効果的に抑制することを可能にした半導体装置およびその製造方法を提供することを目的としている。

本発明の一態様に係る半導体装置は、半導体素子本体と、前記半導体素子本体に設けられた第１の電極パッドと、前記第１の電極パッド上に形成された第１の低融点半田層とを有する半導体素子と、前記第１の電極パッドに対応する第２の電極パッドと、前記第２の電極パッド上に形成された第２の低融点半田層とを有する回路基板と、前記第１および第２の低融点半田層から選ばれる一方の低融点半田層上に形成され、かつ高融点半田からなる半田バンプを有し、他方の低融点半田層に接合された前記半田バンプを介して前記第１の電極パッドと前記第２の電極パッドとを接続する接続部と、前記半導体素子と前記回路基板との間に前記接続部を封止するように充填され、かつフラックス機能を有する封止樹脂とを具備することを特徴としている。

本発明の一態様に係る半導体装置の製造方法は、半導体素子の第１の電極パッド上に第１の低融点半田層を形成する工程と、回路基板の第２の電極パッド上に第２の低融点半田層を形成する工程と、前記第１および第２の低融点半田層から選ばれる一方の低融点半田層上に高融点半田からなる半田バンプを形成する工程と、前記半導体素子および前記回路基板から選ばれる少なくとも一方の表面に、フラックス機能を有する封止樹脂を塗布する工程と、前記半導体素子の第１の電極パッドと前記回路基板の第２の電極パッドとを位置合せした後、前記封止樹脂の上から前記半導体素子を前記回路基板に当接させる工程と、前記半導体素子に加圧力を加えつつ、前記第１および第２の低融点半田層のみを溶融させて、前記半田バンプと前記第１および第２の低融点半田層から選ばれる他方の低融点半田層とを接合する工程と、前記半導体素子への加圧力を解除した後、前記封止樹脂を硬化させる工程とを具備することを特徴としている。

本発明の一態様による半導体装置およびその製造方法によれば、フラックス機能を有する封止樹脂を用いたフリップチップ接続工程で回路基板の反り戻しが発生しても、この回路基板の反り戻しに対して半導体素子側および回路基板側に形成した低融点半田層がそれぞれ追従して伸びる。これによって、回路基板の反り戻しによるバンプ接続部の断線を効果的に抑制することが可能となる。

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。なお、以下では本発明の実施形態を図面に基づいて述べるが、それらの図面は図解のみの目的のために提供されるものであり、本発明はそれらの図面に限定するものではない。

図１は本発明の第１の実施形態による半導体装置の概略構造を示す断面図である。同図に示す半導体装置（半導体モジュール）１０は、半導体素子１１に設けられた第１の電極パッド１２と回路基板１３に設けられた第２の電極パッド１４とを、半田バンプ１５を有する接続部で電気的および機械的に接続した構造、いわゆるフリップチップ接続構造を具備している。半田バンプ１５は高融点半田からなり、第１の電極パッド１２上に第１の低融点半田層１６を介して形成されている。さらに、半田バンプ１５は第２の電極パッド１４上に形成された第２の低融点半田層１７に接合されている。すなわち、第１の電極パッド１２と第２の電極パッド１４とは、第１の低融点半田層１６、半田バンプ１５および第２の低融点半田層１７を介して電気的に接続されている。

半導体素子１１と回路基板１３との間のギャップ部には、アンダフィル剤として封止樹脂１８が充填されている。封止樹脂１８はキュア処理により硬化されている。このような封止樹脂１８によって、半田バンプ１５と第１および第２の電極パッド１２、１４は気密に封止されている。封止樹脂１８はフラックス機能を有するものであり、いわゆるノーフローアンダフィル剤である。このようなフラックス機能を有する封止樹脂１８には、例えばエポキシ系樹脂、アクリル系樹脂、アミン系樹脂、シリコーン系樹脂、ポリイミド系樹脂等に、フラックス機能を付与する酸無水物等を配合した樹脂組成物が用いられる。

上述した半導体装置１０の詳細について、半導体装置１０の製造工程を含めて以下に説明する。半導体装置１０の一方の構成要素である半導体素子１１は、図２に示すように、その表面側に形成された複数の第１の電極パッド１２を有しており、これら第１の電極パッド１２は図示を省略した内層回路と電気的に接続されている。第１の電極パッド１２上にはそれぞれ第１の低融点半田層１６が形成されており、これら第１の低融点半田層１６上に高融点半田からなる半田バンプ１５が形成されている。半田バンプ１５は多ピン化に対応するために、例えば所定の領域内にマトリクス状に配列されている。

ここで言う低融点半田および高融点半田とは、低融点半田の融点をＭp1、高融点半田の融点をＭp2としたとき、Ｍp1＜Ｍp2の条件を満足するものである。低融点半田層１６は半田バンプ１５を構成する高融点半田の融点Ｍp2より低い融点Ｍp1を有するものであればよいが、実用的には高融点半田の融点Ｍp2より20℃以上低い融点Ｍp1を有していることが好ましい。半田バンプ１５を構成する高融点半田と第１の低融点半田層１６には、このような条件を満足する各種の半田金属を適用することができる。第２の低融点半田層１７についても同様である。

半田バンプ１５の構成材料としては、例えばＳｎ−Ａｇ半田合金（融点：221℃）、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ半田合金（融点：217℃）、Ｓｎ−Ｚｎ半田合金（融点：199℃）、Ｓｎ−Ｐｂ半田合金（融点：183℃）等が挙げられる。これらのうちでも、Ｐｂは環境への負荷や人体への影響等を考慮して使用量の削減が求められていることから、Ｐｂを実質的に含まない半田金属（Ｐｂフリー半田）を使用することが好ましい。その中でもＳｎ−Ａｇ系半田合金（Ｓｎ−Ａｇ半田合金やＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ半田合金）は実用性が高く、半田バンプ１５の構成材料として好適である。

第１および第２の低融点半田層１６、１７は、例えばＳｎ−Ｂｉ半田合金（融点：139℃）、Ｓｎ−Ｂｉ−Ａｇ半田合金（融点：138℃）、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉ半田合金（融点：190℃）、Ｂｉ−Ｉｎ半田合金（融点：72.4℃）、Ｂｉ−Ｐｄ半田合金（融点：126℃）、Ｓｎ−Ｉｎ半田合金（融点：118℃）、Ｉｎ−Ａｇ半田合金（融点：144℃）等により形成される。また、半田バンプ１５の構成材料として列挙した半田合金であっても、実際の半田バンプ１５より融点が低い半田合金であれば第１および第２の低融点半田層１６、１７に適用することができる。これらのうちでも、半田バンプ１５を構成する高融点半田と合金化した際に融点の向上等が期待できるＢｉを含むＢｉ系半田合金を使用することが好ましい。

第１の低融点半田層１６は、例えばメッキ法により形成することができる。また、第１の電極パッド１２を除いて半導体素子１１の表面にマスクを形成し、低融点半田ペーストを塗布して第１の低融点半田層１６を形成してもよい。半田バンプ１５は、例えばメッキ法で形成したり、高融点半田からなる微小ボールを用いて形成される。半田バンプ１５は、第１の低融点半田層１６上にフラックスを塗布し、その上に高融点半田からなる微小ボールを搭載した後、低融点半田の融点以上で高融点半田の融点未満の温度に加熱し、低融点半田層１６のみを溶融させ、高融点半田からなる微小ボールを固定することにより形成することができる。なお、第１の低融点半田層１６の塗布工程に続いて高融点半田からなる微小ボールを搭載した場合には、フラックスの塗布工程を省略することができる。

半田バンプ１５および第１の低融点半田層１６による突起形状は、特に限定されるものではないが、例えば突起部の高さＨ（半田バンプ１５と第１の低融点半田層１６との合計高さ）を半田バンプ１５の最大径Ｄの75〜100％の範囲とすることが好ましい。突起部の高さＨが半田バンプ１５の最大径Ｄの75％未満であると、半田バンプ１５と第１の低融点半田層１６の比率を一定にした場合、突起部の高さＨに比例して第１の低融点半田層１６の体積も小さくなり、加圧解放後の回路基板１３の反り戻しに追従できないおそれがある。また、第１の低融点半田層１６の体積を一定にした場合、相対的に半田バンプ１５の体積比率が下がるため、最終的に半田バンプ１５を溶融して形成する接続合金の融点が低下し、熱サイクル特性や信頼性等が低下する。一方、突起部の高さＨが半田バンプ１５の最大径Ｄの100％を超えると、接続工程で封止樹脂１８にエアを巻き込みやすくなり、それに基づくボイド不良が発生しやすくなる。

半田バンプ１５および第１の低融点半田層１６が形成される半導体素子（素子本体）１１は、例えば図３の拡大図に示すように、Ｃｕ配線２１と低誘電率絶縁膜（low-κ膜）２２とで構成された回路部を有している。低誘電率絶縁膜２２には、例えば比誘電率が3.5以下の材料が用いられる。このような低誘電率絶縁膜２２としては、フッ素がドープされた酸化ケイ素膜（ＳｉＯＦ膜）、炭素がドープされた酸化ケイ素膜（ＳｉＯＣ膜）、有機シリカ（organic-silica）膜、ＨＳＱ（hydrogen silsesquioxane）膜、ＭＳＱ膜（methyl silsesquioxane膜）、ＢＣＢ（benzocyclobutene）膜、ＰＡＥ（polyarylether）膜、ＰＴＦＥ（polytetrafluoroethylene）膜、さらにはこれらの多孔質膜等が例示される。

Ｃｕ配線２１のバンプ接続部には、Ｃｕパッド２３が形成されており、さらにその上にＡｌパッド２４が形成されている。これらＣｕパッド２３とＡｌパッド２４との積層膜によって、半導体素子１１の電極パッド１２が構成されている。なお、図中２５はＳｉＯ₂やＳｉ₃Ｎ₄等からなるパッシベーション膜である。また、Ａｌパッド２４と第１の低融点半田層１６との間には、必要に応じてバリアメタル層が形成される。バリアメタル層はＡｌパッド２４と第１の低融点半田層１６との密着性（半田の濡れ性）を高めると共に、半田金属が半導体素子１１の電極材料内に拡散することを防止するものである。バリアメタルとしては、Ｔｉ膜／Ｃｕ膜／Ｎｉ膜構造の積層膜やＴｉ膜／Ｎｉ膜／Ｐｄ膜構造の積層膜等が用いられる。

上述したような低誘電率絶縁膜２２は配線間容量の低減およびそれに基づく信号配線の高速化やファインピッチ化等に寄与する反面、機械的強度や密着強度が低いという欠点を有している。具体的には、低誘電率絶縁膜２２同士や半導体素子１１を構成する半導体基板、金属膜、絶縁膜等に対する低誘電率絶縁膜２２の密着強度は15J/m²以下となる。低誘電率絶縁膜２２は前述したように半導体素子１１と回路基板１２との熱膨張係数の差に基づく応力等によって、膜自体もしくは積層界面からクラックや剥離等が生じやすい。この実施形態の半導体装置１０は後に詳述するように、このような低誘電率絶縁膜２２に起因するクラックや剥離等の抑制に対して効果を示すものである。ただし、半導体素子１１は低誘電率絶縁膜２２を有するものに限られるものでなく、当然ながら低誘電率絶縁膜を有さない半導体素子を適用することも可能である。

半導体素子１１が実装される回路基板１３には、樹脂基板、セラミックス基板、ガラス基板等、各種の材料からなる基板を適用することができる。樹脂基板としては一般的な多層銅張積層板（多層プリント配線板）等が使用される。回路基板１３は図４に示すように、半導体素子１１をフリップチップ接続した際に、半田バンプ１５に対応する位置に第２の電極パッド１４を有している。回路基板１３の第２の電極パッド１４上にも、半導体素子１１と同様に低融点半田層１７が形成されている。この第２の低融点半田層１７の構成材料や形成方法は第１の低融点半田層１６と同様である。

ここで、回路基板１３は一般的に15〜20mm角の実装エリア（第２の電極パッド１４を有する領域）に対して20〜50μmの反りを有している。回路基板１３の反りはその製造工程や形成材料等に起因するものであり、通常は避けられないものである。このような回路基板１３の表面（電極パッド１４を有する表面）には、接続工程の前工程でフラックス機能を有する封止樹脂１８が塗布される。なお、フラックス機能を有する封止樹脂１８は半導体素子１１の表面に塗布してもよいが、封止樹脂１８の塗布量を確保する上で回路基板１３の表面に塗布することが好ましい。

上述した半導体素子１１と回路基板１３とのフリップチップ接続は、以下のようにして実施される。まず、図５に示すように、回路基板１３を実装ステージ３１上に載置する。一方、半導体素子１１を実装ツール３２で吸着保持する。実装ツール３２は半導体素子１１を吸着保持する吸着孔３３と半導体素子１１を加熱する加熱機構３４とを備えている。なお、実装ツール３２は低融点半田層１６、１７のみが溶融する温度（低融点半田の融点Ｍp1以上で高融点半田の融点Ｍp2未満の温度）に予熱されている。次いで、半導体素子１１の第１の電極パッド１２と回路基板１３の第２の電極パッド１４とを位置合せした後、半導体素子１１を封止樹脂１８の上から回路基板１３に押し当てる。

第１の低融点半田層１６と高融点半田からなる半田バンプ１５と第２の低融点半田層１７とは、半田バンプ１５の体積と第１の低融点半田層１６と第２の低融点半田層の合計体積との比が4：1〜1：1の範囲になると共に、第１の低融点半田層１６の体積と第２の低融点半田層１７の体積との比が1：1.6〜1.6：1の範囲となるように、各層１６、１５、１７の量を設定することが好ましい。高融点半田からなる半田バンプ１５の体積比（半田層１５、１６、１７全体に対する体積比）が50％未満になると、最終的に半田バンプ１５を溶融して形成する接続合金の融点が低下し、半導体装置１０を適用した部品の熱サイクル特性や信頼性等が低下する。一方、半田バンプ１５の体積比が80％を超えると、第１および第２の低融点半田層１６、１７による断線抑制効果や応力緩和効果が低下する。また、第１の低融点半田層１６と第２の低融点半田層１７のどちらか一方の体積に対する他方の体積の比が1.6を超えると、体積が少ない方の低融点半田層における断線抑制効果や応力緩和効果が低下する。

さらに、第１および第２の低融点半田層１６、１７の厚さは、回路基板１３の実装エリア内の反り量に対してそれぞれ50〜80％の範囲であることが好ましい。低融点半田層１６、１７の各厚さが回路基板１３の反り量に対して50％未満であると、回路基板１３の反り戻しに対する低融点半田層１６、１７の追従が不足するおそれがある。一方、低融点半田層１６、１７の各厚さが回路基板１３の反り量に対して80％を超えると、相対的に半田バンプ１５を構成する高融点半田の量が減少するため、半導体装置１０を適用した部品の熱サイクル特性や信頼性等が低下する。第１の低融点半田層１６と第２の低融点半田層１７の合計厚さは、回路基板１３の実装エリア内の反り量に対して100〜160％の範囲とすることが好ましい。

半導体素子１１を加圧して回路基板１３に押し付けた状態を維持しつつ、封止樹脂１８と第１および第２の低融点半田層１６、１７を加熱する。この段階では回路基板１３は加圧力により平行な状態とされている。加熱温度は上述したように低融点半田層１６、１７のみが溶融する温度、すなわち低融点半田の融点Ｍp1以上で高融点半田の融点Ｍp2未満の温度とする。加熱して活性化された封止樹脂１８のフラックス機能で接合界面の酸化膜や異物を除去しつつ、第１および第２の低融点半田層１６、１７のみを溶融して半田バンプ１５と接合する。具体的には、溶融した第２の低融点半田層１７を半田バンプ１５の側面に濡れ上がらせることによって、半田バンプ１５と第２の低融点半田層１７とを接合する。このようにして、半導体素子１１と回路基板１３とを仮接続する。

なお、封止樹脂１８と第１および第２の低融点半田層１６、１７の加熱は、実装ステージ３１側に設けた加熱機構を用いて実施してもよい。実装ステージ３１側の加熱機構は、実装ツール３２に設けられた加熱機構３４と併用して使用してもよい。すなわち、封止樹脂１８と第１および第２の低融点半田層１６、１７の加熱は、実装ツール３２に設けられた加熱機構３４および実装ステージ３１に設けられた加熱機構の少なくとも一方を用いて実施することができる。

次に、図６に示すように、実装ツール３２から半導体素子１１を解放する。この段階で半導体素子１１に加えられていた加圧力が取り除かれるため、回路基板１３は反り戻される。加圧を解除した直後の第１および第２の低融点半田層１６、１７は溶融状態であるが、図７に示すように、第１および第２の低融点半田層１６、１７がそれぞれ回路基板１３の反り戻しに追従して伸びる。このように、第１および第２の低融点半田層１６、１７が伸びることで、回路基板１３の反り戻しに対する追従量を増加させることができる。これによって、加圧解除直後の回路基板１３の反り戻しによるバンプ接続部の断線を大幅に抑制することが可能となる。

さらに、第１および第２の低融点半田層１６、１７のみを溶融する接合工程（仮接続工程）においても、半導体素子１１と回路基板１２との熱膨張係数の差に基づく熱応力が半導体素子１１側に加わる。この段階で生じる熱応力は小さいものの、機械的強度や密着強度が低い低誘電率絶縁膜２２を有する半導体素子１１を適用した場合には、低誘電率絶縁膜２２に起因してクラックや剥離等が生じるおそれがある。このような点に対して、この実施形態の半導体装置１１は第１および第２の低融点半田層１６、１７がそれぞれ応力緩和層として機能するため、低誘電率絶縁膜２２に起因するクラックや剥離等の発生を抑制することが可能となる。

この後、フラックス機能を有する封止樹脂１８をキュアして硬化させることによって、図１に示した半導体装置１０が得られる。この実施形態の半導体装置１０は、第１および第２の低融点半田層１６、１７のみを加熱溶融して半田バンプ１５に接合し、かつ封止樹脂１８を硬化させた状態を有するものである。このような半導体装置１０は、その後の外部電極を形成する半田リフロー工程の熱で半田バンプ１５と第１および第２の低融点半田層１６、１７が溶融され、半導体素子１１と回路基板１３とが本接続される。この本接続においても半導体素子１１に熱応力が加わるが、仮接続工程と同様に第１および第２の低融点半田層１６、１７がそれぞれ応力緩和層として機能するため、低誘電率絶縁膜２２に起因するクラックや剥離等の発生を抑制することができる。

上述した実施形態の半導体装置１０においては、高融点半田からなる半田バンプ１５と第１および第２の電極パッド１２、１４との間にそれぞれ低融点半田層１６、１７を配置している。このため、フラックス機能を有する封止樹脂１８を用いたフリップチップ接続工程において、接続のための加圧力を解除した直後に回路基板１３が反り戻しても、第１および第２の低融点半田層１６、１７がそれぞれ回路基板１３の反り戻しに追従して伸びる。これによって、回路基板１３の反り戻しによるバンプ接続部の断線を大幅に抑制することが可能となる。この断線の抑制はフラックス機能を有する封止樹脂を用いた半導体装置の製造歩留りの向上に大きく寄与するものである。

さらに、第１および第２の低融点半田層１６、１７は、仮接続工程（フリップチップ接続工程）および本接続工程（半田バンプの溶融工程）で応力緩和層として機能する。このため、機械的強度や密着強度が低い低誘電率絶縁膜２２を有する半導体素子１１を適用した場合においても、低誘電率絶縁膜２２に起因するクラックや剥離等の発生を抑制することができる。これによって、半導体装置１０の製造工程における不良発生率を抑制することが可能となると共に、実使用時における信頼性を高めることができる。特に、融点がＳｎ−Ｐｂ共晶半田より高いＰｂフリー半田で半田パンプ１５を形成した場合においても、低誘電率絶縁膜２２に起因するクラックや剥離等を再現性よく抑制することができる。

次に、本発明の第２の実施形態による半導体装置について、図８ないし図１１を参照して説明する。第２の実施形態による半導体装置は、高融点半田からなる半田バンプを回路基板側に形成したものである。半導体装置の一方の構成要素である半導体素子４１は、図８に示すように、その表面側に形成された複数の第１の電極パッド４２を有している。これら第１の電極パッド４２上には、それぞれ第１の低融点半田層４３が形成されている。半導体素子４１は、例えば前述した第１の実施形態と同様に、Ｃｕ配線と低誘電率絶縁膜とで構成された回路部を有している。ただし、これに限られるものではない。

半導体素子４１が実装される回路基板４４は、図９に示すように、半導体素子１１をフリップチップ接続した際に、第１の電極パッド４２に対応する位置に第２の電極パッド４５が形成されている。回路基板４４の第２の電極パッド４５上には低融点半田層４６が形成されており、この第２の低融点半田層４６上に高融点半田からなる半田バンプ４７が形成されている。第１および第２の低融点半田層４３、４６や半田バンプ４７の構成材料には、前述した第１の実施形態と同様な半田金属が用いられる。また、これら各層４３、４６、４７の形成方法や形状、さらに第１および第２の低融点半田層４３、４６と半田バンプ４７との体積比等についても、第１の実施形態と同様とすることが好ましい。

ここで、回路基板４４は一般的に15〜20mm角の実装エリア（第２の電極パッド４５を有する領域）に対して20〜50μmの反りを有している。このような回路基板４４の表面（半田バンプ４７を有する表面）には、接続工程の前工程でフラックス機能を有する封止樹脂４８が塗布される。封止樹脂４８には第１の実施形態と同様なフラックス機能を有する封止樹脂が用いられる。フラックス機能を有する封止樹脂４８は、半田バンプ４７による凹凸を埋めるように塗布される。このように、半田バンプ４７を有する回路基板４４に封止樹脂４８を塗布することによって、接続工程におけるエアーの巻き込みおよびそれに基づくボイドの発生を抑制することができる。

上述した半導体素子４１と回路基板４４とのフリップチップ接続は、以下のようにして実施される。まず、図１０に示すように、回路基板４４を実装ステージ３１上に載置する。一方、半導体素子４１を実装ツール３２で吸着保持する。実装ツール３２は低融点半田層４３、４６のみが溶融する温度（低融点半田の融点Ｍp1以上で高融点半田の融点Ｍp2未満の温度）に予熱されている。次いで、半導体素子４１の第１の電極パッド４２と回路基板４４の第２の電極パッド４５とを位置合せした後、半導体素子４１を封止樹脂４８の上から回路基板４４に押し当てる。

半導体素子４１を加圧して回路基板４４に押し付けた状態を維持しつつ、封止樹脂４８と第１および第２の低融点半田層４３、４６を加熱する。この段階では回路基板４４は加圧力により平行な状態とされている。加熱温度は低融点半田層４３、４６のみが溶融する温度とする。加熱して活性化された封止樹脂４８のフラックス機能で接合界面の酸化膜や異物を除去しつつ、第１および第２の低融点半田層４３、４６のみを溶融して半田バンプ４７と接合する。すなわち、溶融した第１の低融点半田層４３を半田バンプ４７の側面に濡れ広がらせることによって、半田バンプ４７と第１の低融点半田層４３とを接合する。なお、封止樹脂４８と第１および第２の低融点半田層４３、４６の加熱は、実装ツール３２に設けられた加熱機構３４および実装ステージ３１側に設けられた加熱機構の少なくとも一方を用いて実施される。

次に、実装ツール３２から半導体素子４１を解放する。この段階で半導体素子４１に加えられていた加圧力が取り除かれるため、回路基板４４は反り戻される。加圧を解除した直後の第１および第２の低融点半田層４３、４６は溶融状態であるが、図７に示した状態と同様に、第１および第２の低融点半田層４３、４６がそれぞれ回路基板４４の反り戻しに追従して伸びる。このように、第１および第２の低融点半田層４３、４６が伸びることで、回路基板４４の反り戻しに対する追従量を増加させることができる。これによって、加圧解除直後の回路基板４４の反り戻しによるバンプ接続部の断線を大幅に抑制することが可能となる。

この後、フラックス機能を有する封止樹脂４８をキュアして硬化させることによって、図１１に示した半導体装置５０が得られる。すなわち、この実施形態の半導体装置５０は、半導体素子４１に設けられた第１の電極パッド４２と回路基板４４に設けられた第２の電極パッド４５とが、高融点半田からなる半田バンプ４７と半田バンプ４７に接合された第１および第２の低融点半田層４３、４６とを介して、電気的および機械的に接続された構造（フリップチップ接続構造）を具備している。半導体素子４１と回路基板４４との間のギャップ部には、アンダフィル剤として封止樹脂４８が充填されている。この封止樹脂４８はキュア処理により硬化されている。

この実施形態の半導体装置５０は、第１および第２の低融点半田層４３、４６のみを加熱溶融して半田バンプ４７に接合し、かつ封止樹脂４８を硬化させた状態を有するものである。このような半導体装置５０は、その後の外部電極を形成する半田リフロー工程の熱で半田バンプ４７と第１および第２の低融点半田層４３、４６が溶融され、半導体素子４１と回路基板４４とが本接続される。

上述した第２の実施形態の半導体装置５０においては、高融点半田からなる半田バンプ４７と第１および第２の電極パッド４２、４５との間にそれぞれ低融点半田層４３、４６を配置している。このため、フラックス機能を有する封止樹脂４８を用いたフリップチップ接続工程において、接続のための加圧力を解除した直後に回路基板４４が反り戻しても、第１および第２の低融点半田層４３、４６がそれぞれ回路基板４４の反り戻しに追従して伸びる。これによって、回路基板４４の反り戻しによるバンプ接続部の断線を大幅に抑制することが可能となる。この断線の抑制はフラックス機能を有する封止樹脂を用いた半導体装置の製造歩留りの向上に大きく寄与するものである。

さらに、第１および第２の低融点半田層４３、４６は、仮接続工程（フリップチップ接続工程）および本接続工程（半田バンプの溶融工程）で応力緩和層として機能する。このため、機械的強度や密着強度が低い低誘電率絶縁膜を有する半導体素子４１を適用した場合においても、低誘電率絶縁膜に起因するクラックや剥離等の発生を抑制することができる。これによって、半導体装置５０の製造工程における不良発生率を抑制することが可能となると共に、実使用時における信頼性を高めることができる。特に、融点がＳｎ−Ｐｂ共晶半田より高いＰｂフリー半田で半田パンプ４７を形成した場合においても、低誘電率絶縁膜に起因するクラックや剥離等を再現性よく抑制することが可能となる。

なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、フラックス機能を有する封止樹脂を用いてフリップチップ接続した各種の半導体装置に適用することができる。そのような半導体装置についても、本発明に含まれるものである。また、本発明の実施形態は本発明の技術的思想の範囲内で拡張もしくは変更することができ、この拡張、変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれるものである。

本発明の第１の実施形態による半導体装置の概略構成を示す図である。図１に示す半導体装置に適用した半導体素子の概略構成を示す図である。図２に示す半導体素子の要部構成を示す断面図である。図１に示す半導体装置に適用した回路基板の概略構成を示す図である。図１に示す半導体装置の製造工程における低融点半田層の加熱溶融工程を示す図である。図５に示す加熱溶融工程後に半導体素子への加圧力を解除した状態を示す図である。図１に示す半導体装置の接続部構造を拡大して示す断面図である。本発明の第２の実施形態による半導体装置に適用した半導体素子の概略構成を示す図である。本発明の第２の実施形態による半導体装置に適用した回路基板の概略構成を示す図である。本発明の第２の実施形態における低融点半田層の加熱溶融工程を示す図である。本発明の第２の実施形態による半導体装置の概略構成を示す図である。従来の半導体装置に適用される半導体素子および回路基板の構成例を示す図である。従来の半導体装置の製造工程における低融点半田層の加熱溶融工程を示す図である。図１３に示す加熱溶融工程後に半導体素子への加圧力を解除した状態および従来の半導体装置の構成を示す図である。図１４に示す半導体装置の接続部構造を拡大して示す断面図である。

符号の説明

１０，５０…半導体装置、１１，４１…半導体素子、１２，４２…第１の電極パッド、１３，４４…回路基板、１４，４５…第２の電極パッド、１５，４７…高融点半田からなる半田バンプ、１６，４３…第１の低融点半田層、１７，４６…第２の低融点半田層、１８，４８…フラックス機能を有する封止樹脂、２２…低誘電率絶縁膜。

Claims

半導体素子本体と、前記半導体素子本体に設けられた第１の電極パッドと、前記第１の電極パッド上に形成された第１の低融点半田層とを有する半導体素子と、
前記第１の電極パッドに対応する第２の電極パッドと、前記第２の電極パッド上に形成された第２の低融点半田層とを有する回路基板と、
前記第１および第２の低融点半田層から選ばれる一方の低融点半田層上に形成され、かつ高融点半田からなる半田バンプを有し、他方の低融点半田層に接合された前記半田バンプを介して前記第１の電極パッドと前記第２の電極パッドとを接続する接続部と、
前記半導体素子と前記回路基板との間に前記接続部を封止するように充填され、かつフラックス機能を有する封止樹脂と
を具備することを特徴とする半導体装置。
請求項１記載の半導体装置において、
前記半田バンプの体積と前記第１の低融点半田層と前記第２の低融点半田層の合計体積との比が4：1〜1：1の範囲であり、かつ前記第１の低融点半田層の体積と前記第２の低融点半田層の体積との比が1：1.6〜1.6：1の範囲であることを特徴とする半導体装置。
請求項１または請求項２記載の半導体装置において、
前記第１および第２の低融点半田層は前記回路基板の実装エリア内の反り量に対してそれぞれ50〜80％の範囲の厚さを有することを特徴とする半導体装置。
請求項１ないし請求項３のいずれか１項記載の半導体装置において、
前記半田バンプと前記一方の低融点半田層とで形成される突起部は、前記半田バンプの最大径に対して75〜100％の範囲の高さを有することを特徴とする半導体装置。
半導体素子の第１の電極パッド上に第１の低融点半田層を形成する工程と、
回路基板の第２の電極パッド上に第２の低融点半田層を形成する工程と、
前記第１および第２の低融点半田層から選ばれる一方の低融点半田層上に高融点半田からなる半田バンプを形成する工程と、
前記半導体素子および前記回路基板から選ばれる少なくとも一方の表面に、フラックス機能を有する封止樹脂を塗布する工程と、
前記半導体素子の第１の電極パッドと前記回路基板の第２の電極パッドとを位置合せした後、前記封止樹脂の上から前記半導体素子を前記回路基板に当接させる工程と、
前記半導体素子に加圧力を加えつつ、前記第１および第２の低融点半田層のみを溶融させて、前記半田バンプと前記第１および第２の低融点半田層から選ばれる他方の低融点半田層とを接合する工程と、
前記半導体素子への加圧力を解除した後、前記封止樹脂を硬化させる工程と
を具備することを特徴とする半導体装置の製造方法。