(57)【要約】【課題】落下衝撃時に半田接合界面において発生するクラックによる接続不良を抑制し、実装強度が高い半導体装置の製造方法及び半導体装置を提供する。【解決手段】半導体チップ２１を一方の面Ｓ１に載置した配線基板１１の他方の面Ｓ２上に形成された電極端子１２ｂを被膜する金属膜１４上の一部に凸部１５を形成し、凸部１５を含む金属膜１４上に半田を載置または塗布した後にリフローして、凸部１５を含む金属膜１４上に半田バンプ１６を形成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体チップを一方の面に載置した配線基板の他方の面に形成された電極端子を被膜した金属膜上の一部に凸部を形成するステップと、
前記凸部を含む前記金属膜上に半田を載置又は塗布した後に、リフローして前記金属膜上に半田バンプを形成するステップと、
を有する半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記凸部を前記金属膜上に複数個形成する請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記凸部を前記半田バンプの直径の６０％の高さまで形成する請求項１又は２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記凸部を形成するステップは、ワイヤボンディング装置により行われ、
金線で形成されたボンディングワイヤの一端を加熱し、このボンディングワイヤの一端に金ボールを形成するステップと、
前記金ボールを前記金属膜に接合するステップと、
前記ボンディングワイヤから前記金ボールを切り離して、前記金属膜上に前記凸部を形成するステップと、を含む請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
加重により前記凸部を前記金属膜に接合する請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
加熱により前記凸部を前記金属膜に熱圧着させる請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
超音波接合により前記凸部を記金属膜に接合する請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記凸部は、金又は銅により形成される請求項１〜３，５〜７のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項９】
半導体チップと、
一方の面に前記半導体チップを載置し、他方の面に金属膜を被膜した電極端子を有する配線基板と、を備え、
前記金属膜上の一部に凸部が形成され、当該凸部を含む前記金属膜上に半田バンプが形成された半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置の製造方法及び半導体装置に関する。詳しくは、半導体装置の表面にバンプを形成した半導体装置の製造方法及び半導体装置チップに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置においては、小型薄型化、高性能化、高速処理化、高信頼性化或いは多機能化が求められており、半導体装置の実装構造として従来のピン挿入型から直接実装する表面実装型への移行が図られている。表面実装型の半導体装置としては、例えば、ＢＧＡ（Ball Grid Array）型やＬＧＡ（Land Grid Array）型の半導体装置がある。
【０００３】
例えば、ＢＧＡ型の半導体装置は、図１５に示すような構造を有している。具体的には、半導体装置１００は、多層の配線基板１０１を有し、この配線基板１０１の表面Ｓ１には図示しない接着剤を介して半導体チップ１０２が載置されている。配線基板１０１の表面Ｓ１上には電極端子１０３が形成され、半導体チップ１０２上には電極端子１０４が形成されており、電極端子１０３及び電極端子１０４は金線１０５により電気的に接続されている。また、配線基板１０１の表面Ｓ１、半導体チップ１０２及び金線１０５は封止樹脂１０６により封止されている。
【０００４】
一方、配線基板１０１の裏面Ｓ２には、電極端子１０７が形成されている。この電極端子１０７上には、ニッケル（Ｎｉ）層又はニッケル（Ｎｉ）層／金（Ａｕ）層からなる金属膜１０８が形成され、この金属膜１０８上に半田バンプ１０９が形成されている。このとき、半田接合界面１１０では、ニッケル（Ｎｉ）と半田との合金であるＳｎ−Ｎｉ合金が形成され、半田バンプ１０９と金属膜１０８とが合金接続された状態となっている。そして、半導体装置１００は、図１６に示すように、半田バンプ１０９を介してマザーボード１１１に実装されるようになっている。
【０００５】
しかしながら、半田接合界面１１０に形成されたＳｎ−Ｎｉ合金は脆いため、半導体装置１００が落下等により衝撃を受けると、図１７に示すように、半田接合界面１１０においてひび割れ（以下、「クラック」という。）１１５が発生し、その結果、マザーボード１１１との接続不良が発生する場合があった。
【０００６】
そこで、半田接合界面におけるクラックの発生を抑制するための技術が提案されている。例えば、特許文献１には、半田ボールを形成する半田材料に、例えば、マグネシウム（Ｍｇ）やイットリウム（Ｙ）等の金属元素を加えることで、半田ボールの延性を高め、半田のバルク強度を下げる技術が提案されている。これにより、半田接合界面に集中していた落下時の衝撃を半田ボールが吸収することで、落下衝撃時の半田接合界面におけるクラックの発生を防止している。
【０００７】
また、特許文献２には、電極端子上にニッケル（Ｎｉ）層や金（Ａｕ）層等の金属膜を形成する代わりに有機半田保存剤（ＯＳＰ：Organic Solderability Preservatives）を塗布する技術が提案されている。この半田保存剤を塗布した電極端子上に半田を形成することで、半田接合界面におけるクラックの発生を防止している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００５−２５４２９８号公報
【特許文献２】特開２００６−２４８８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１や特許文献２に記載の技術を採用すると、例えば、温度サイクル試験（ＴＣ）等の信頼性試験に対する試験結果が悪化する問題が発生する。
【００１０】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、上述した方法を用いることなく、半田接合界面におけるクラックによる接続不良を防止することができる半導体装置の製造方法及び半導体装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、半導体チップを一方の面に載置した配線基板の他方の面に形成された電極端子を被膜した金属膜上の一部に凸部を形成するステップと、前記凸部を含む前記金属膜上に半田を載置又は塗布した後に、リフローして前記金属膜上に半田バンプを形成するステップと、を有する半導体装置の製造方法とした。
【００１２】
また、請求項２に係る発明は、請求項１に記載の半導体装置の製造方法において、前記凸部を前記金属膜上に複数個形成することとした。
【００１３】
また、請求項３に係る発明は、請求項２に記載の半導体装置の製造方法において、前記凸部を前記半田バンプの直径の６０％の高さまで形成することとした。
【００１４】
また、請求項４に係る発明は、１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法において、前記凸部を形成するステップは、ワイヤボンディング装置により行われ、
金線で形成されたボンディングワイヤの一端を加熱し、このボンディングワイヤの一端に金ボールを形成するステップと、記金ボールを前記金属膜に接合するステップと、前記ボンディングワイヤから前記金ボールを切り離して、前記金属膜上に前記凸部を形成するステップと、を含むこととした。
【００１５】
また、請求項５に係る発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法において、加重により前記凸部を前記金属膜に接合することとした。
【００１６】
また、請求項６に係る発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法において、加熱により前記凸部を前記金属膜に熱圧着させることとした。
【００１７】
また、請求項７に係る発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法において、超音波接合により前記凸部を記金属膜に接合することとした。
【００１８】
また、請求項８に係る発明は、請求項１〜３，５〜７のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法において、前記凸部は、金又は銅により形成されることとした。
【００１９】
また、請求項９に係る発明は、半導体チップと、一方の面に前記半導体チップを載置し、他方の面に金属膜を被膜した電極端子を有する配線基板と、を備え、前記金属膜上の一部に凸部が形成され、当該凸部を含む前記金属膜上に半田バンプが形成された半導体装置とした。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、多層金属膜上に凸部を形成し、この凸部を含む多層金属膜上に半田バンプを形成するようにしたので、落下衝撃時の半田接合界面におけるクラックによる接続不良を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の一実施形態に係る半導体装置の断面構造を示す図である。
【図２】半導体装置とマザーボードとの接合部分を示す図である。
【図３】凸部を複数個形成した例を示す図である。
【図４】凸部を高さ方向に大きく形成した例を示す図である。
【図５】半導体装置をマザーボードに搭載した状態を示す図である。
【図６】ワイヤボンディング装置を示す図である。
【図７】本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造工程を示す図である。
【図８】図７に続く工程を示す図である。
【図９】図８に続く工程を示す図である。
【図１０】図９に続く工程を示す図である。
【図１１】図１０に続く工程を示す図である。
【図１２】図１１に続く工程を示す図である。
【図１３】図１２に続く工程を示す図である。
【図１４】図１３に続く工程を示す図である。
【図１５】従来の半導体装置の断面構造を示す図である。
【図１６】従来の半導体装置をマザーボードに搭載した状態を示す図である。
【図１７】クラックの発生を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、発明を実施するための形態（以下、「実施形態」とする）について説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
１．半導体装置の構成
２．半導体装置の製造方法
【００２３】
［１．半導体装置の構成］
まず、本発明の一実施形態に係る半導体装置の構成について図面を参照して詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の断面構造を示すものである。なお、本実施形態の半導体装置の特徴的な部分は配線基板に形成された電極端子上の部分であり、他の部分は従来技術と同様であるため説明を省略する。
【００２４】
図１に示すように、本実施形態における半導体装置１は、少なくとも２層以上の配線基板１１を有している。この配線基板１１の一方の面Ｓ１上には、図示しない接着剤等を介して半導体チップ２１が載置されている。配線基板１１の一方の面Ｓ１及び半導体チップ２１上には、それぞれ電極端子１２ａ，２２が形成されており、電極端子１２ａと電極端子２２とは金線３１により電気的に接続されている。また、配線基板１１の一方の面Ｓ１、半導体チップ２１及び金線３１はエポキシ樹脂等の封止樹脂１３によりを封止されている。
【００２５】
一方、配線基板１１の他方の面Ｓ２上には電極端子１２ｂが形成されており、この電極端子１２ｂは、金属膜１４により被覆された状態となっている。また、金属膜１４上には凸部１５が形成され、さらに、凸部１５を含む各金属膜１４上には半田バンプ１６が形成されている。
【００２６】
金属膜１４は、電極端子１２ｂを被覆するものであり、例えば、二層の金属層により構成され、下層が５μｍ程度のニッケル（Ｎｉ）、上層が０．５μｍ程度の金（Ａｕ）により形成されている。この金属膜１４は、例えば、電解メッキや無電解メッキにより形成される。
【００２７】
凸部１５は、半導体装置１の実装強度を高めるものであり、電極端子１２ｂを被覆する金属膜１４上の任意の位置に形成（ここでは一例として、金属膜１４上の一部に形成）されている。この凸部１５は、例えば、金（Ａｕ）や銅（Ｃｕ）により構成されており、金属膜１４と合金接合している。そのため、例えば、図２に示すように、半導体装置１がマザーボード５０に実装された状態で、落下等により衝撃を受けたとき、この半田内部に存在する凸部１５が半田バンプ１６のコアとなる。
【００２８】
凸部１５を金属膜１４上に形成することで、半田バンプが形成される領域であって凸部１５が形成されていない金属膜１４上での領域（以下、「半田接合界面１７」とする。）においてクラック１８が発生した場合であっても、凸部１５によってクラック１８の進行が抑制され、半導体装置１とマザーボード５０との接続不良が抑制される。また、凸部１５と半田バンプ１６とは合金接続により接合される。これにより、凸部１５と半田バンプとの接合強度が高められ、半導体装置１とマザーボード５０との接続不良が抑制される。
【００２９】
特に、凸部１５の材料を銅（Ｃｕ）とし、半田バンプ１６の材料をスズ(Ｓｎ)系の材料とすることで、凸部１５と半田バンプ１６との接合強度を高めることができ、落下衝撃時の半田接合界面１７に発生したときにクラック１８による接続不良を防止することができる
【００３０】
また、凸部１５は金属膜１４の端部に配置することもでき、凸部１５を金属膜１４の端部に配置することで、クラック１８の発生を抑制することができる。
【００３１】
また、凸部１５は、図３に示すように、金属膜１４上に複数個（例えば、４個）形成することもできる。凸部１５を複数個形成する場合には、凸部１５を金属膜１４上に１個形成する場合に比べて、凸部１５と金属膜１４との接合面積を大きくすることができ、クラック１８の発生及びクラック１８による接続不良をさらに抑制することができる。また、この凸部１５の数に応じてクラック１８発生及びクラック１８による接続不良を防止の抑制効果を高めることができ、凸部１５の数を多く形成することで、クラックの発生及びクラック１８による接続不良をさらに抑制することができる。
【００３２】
さらに、半田ボールを搭載して半田バンプ１６を形成する場合、凸部１５を複数個形成し、図３（ｂ）に示すように、金属膜１４の中央部を避けて凸部１５を配置することで、半田ボールの搭載が容易となり、しかも半田ボールの位置ズレを防止して半田バンプ１６の形成を精度よく行うことができる。
【００３３】
また、凸部１５は、図４（ａ）に示すように、高さ方向に大きく形成することもできる。例えば、凸部１５の高さを、半田バンプ１６の直径の６０％の高さとなるように形成する場合には、図４（ｂ）に示すように、クラック１８による接続不良の抑制に加え、半田バンプ１６の高さ方向中央付近における半田バンプ１６のクラック１９による接続不良が抑制される。
【００３４】
上述のとおり、凸部１５を高さ方向に大きく形成することで、半田バンプ１６内の高さ方向に対する凸部１５の占有度を高めることができ、半田バンプ１６内におけるクラック１８，１９の発生を抑制することができる。しかしながら、凸部１５が高く形成されることは、半導体装置１をマザーボード５０に実装する際の弊害となるため、凸部１５の高さは、例えば、半田バンプ１６の直径の約６０％程度の高さまでが目安となる。
【００３５】
半導体チップ２１は、その内部に、例えばマイクロプロセッサやメモリ等のような所望の集積回路を構成するための集積回路素子が形成されたものである。
【００３６】
半田バンプ１６は、半導体装置１とマザーボード５０とを接続するための接続部となるものであり、凸部１５を含む各金属膜１４上に形成される。半田材料としては、スズ（Ｓｎ）からなる半田ボールや半田ペーストが用いられる。例えば、凸部１５を高さ方向に大きく形成する場合には、半田材料として半田ペーストを用いることが好適である。高く形成された凸部１５上に半田バンプ１６を形成することが容易になるためである。
【００３７】
上述した半導体装置１は、図５に示すように、半田バンプ１６を介して、例えば、所望のマザーボード５０に実装されるようになっている。
【００３８】
［２．半導体装置の製造方法］
次に、図６〜図１４を参照して上記半導体装置の製造方法について説明する。なお、凸部１５及び半田バンプ１６を形成する工程以外の工程は、従来技術と同様であるため説明を省略する。また、凸部１５の形成方法の一例としてワイヤボンディング法による製造方法について説明する。
【００３９】
［２．１  ワイヤボンディング装置について］
まず、ワイヤボンディング法で用いるワイヤボンディング装置について説明する。図６に示すように、ワイヤボンディング装置は、キャピラリ４３、ワイヤクランパ４１、超音波ホーン及びトーチ電極（ともに図示せず）を備えて構成されている。
【００４０】
キャピラリ４３は、中心軸に対して回転対称な筒形状をしており、その中にボンディングワイヤである金線４２が挿通されるようになっている。また、キャピラリ４３は上下方向に駆動可能に設けられており、後述する金ボール４４を金属膜１４に接合する際には、金ボール４４を加重し、金属膜１４に押し付け、金ボール４４を金属膜１４圧着接合する機能も有している。
【００４１】
ワイヤクランパ４１は、金線４２を保持するためのものであり、キャピラリ４３と一体的に動作するよう設けられている。このワイヤクランパ４１を閉じることで、金線４２はワイヤクランパ４１に保持された状態となる。一方、ワイヤクランパ４１を開けることで、金線４２の保持状態は解除され、キャピラリ４３の筒形状の軸方向に沿って移動可能な状態となる。
【００４２】
トーチ電極は、金線４２の先端部に金ボール４４を形成するものであり、キャピラリ４３の周辺部に設けられている。例えば、図示しない電源によりトーチ電極と金線４２との間に電圧を印加することで、金線４２の先端部を加熱し、金線４２の先端部に金ボール４４を形成するようにしている。また、熱接合により金ボール４４を金属膜１４に接合する場合には、金ボール４４を加熱する機能も有している。
【００４３】
超音波ホーンは、キャピラリ４３に超音波振動を伝えるものであり、この超音波ホーンの先端にはキャピラリ４３が取り付けられている。超音波接合により金ボール４４を金属膜１４に接合する場合には、キャピラリ４３を介して金線４２の先端部に超音波振動を伝えることで、金ボール４４を金属膜１４に接合するようになっている。
【００４４】
以上説明したワイヤボンディング装置を用いることで、本実施形態の半導体装置に係る凸部１５が形成される。以下、凸部１５の製造方法について具体的に説明する。
【００４５】
［２．２  凸部１５の形成方法の説明］
まず、図７に示すように、ワイヤクランパ４１を閉じ、金線４２を保持した状態で、電源からトーチ電極と金線４２との間に電圧を印加することで、金線４２の先端部は加熱されて溶融し、図８に示すように、例えば、直径約４０μｍ程度の金ボール４４を形成する。このとき、半導体チップ２１が搭載された配線基板１１は、裏面Ｓ２を上向きにした状態で待機している。
【００４６】
次に、ワイヤクランパ４１を開いて金線４２の保持状態を解除した後、キャピラリ４３を下降させて、図９に示すように、キャピラリ４３の先端部で金ボール４４を金属膜１４に押しつけ、金ボール４４を金属膜１４に圧着接合する。
【００４７】
また、金ボール４４と金属膜１４との接合は、上述した圧着接合の他に、例えば、キャピラリ４３を介して金線４２の先端部に超音波振動を伝えることで、超音波接合により金ボール４４と金属膜１４とを接合することができる。さらに、その他には、金線４２の先端部を加熱することで、金ボール４４と金属膜１４とを熱接合することもできる。
【００４８】
また、上述した圧着接合、超音波接合及び熱接合を組み合わせた接合方法を用いることもできる。例えば、圧着接合と熱接合とを組み合わせた熱圧着接合や、熱圧着接合と超音波接合とを組み合わせた超音波併用熱圧着接合により金ボール４４と金属膜１４とを接合することもできる。このように、複数の接合方法を組み合わせることで、金ボール４４と金属膜１４との接合強度を高めることが可能となる。
【００４９】
次に、図１０に示すように、金ボール４４を金属膜１４に接合し、ワイヤクランパ４１を閉じた後、図１１に示すように、キャピラリ４３を上昇させて金属膜１４に接合した金ボール４４を金線４２から切り離し、凸部１５を形成する。このとき、凸部１５の高さは、例えば、５０μｍ程度となるようにする。
【００５０】
以上のようにして、図１２に示すように、配線基板１１の金属膜１４上に凸部１５が形成される。また、上述した図７〜図１１の工程を複数回（例えば４回）繰り返すことにより、図３に示すように、凸部１５を複数個（例えば４個）形成することができる。
【００５１】
上述の方法により凸部１５が形成されると、続いて、図１３に示すように、例えば、凸部１５を含む金属膜１４上に、例えば、直径約３００μｍの半田バンプ１６を形成する。このとき、半田材料として半田ボールを用いる場合には、例えば、直径約５００μｍの半田ボールを、凸部１５を含む金属膜１４上に搭載し、例えば、約２5０℃でリフローすることで半田バンプ１６が形成される。また、半田材料として半田ペーストを用いる場合には、半田ペーストを、凸部１５を含む金属膜１４上に塗布した後、例えば、約２5０℃でリフローすることで半田バンプ１６が形成される。
【００５２】
上述した方法により、図１に示す半導体装置１は形成することができる。続いて、図１４に示すように、この半導体装置１は、マザーボード５０に実装される。例えば、半田バンプ１６を介して半導体装置１をマザーボード５０に搭載した後、約２５０℃でリフローすることで、半導体装置１はマザーボード５０に実装される。
【００５３】
このように、本実施の形態に係る半導体装置の製造方法では、金属膜１４上に凸部１５を形成するようにしたので、半導体装置１の実装強度を高めることができる。特に、落下衝撃時の半田接合界面１７におけるクラック１８の発生及びクラック１８による接続不良を抑制することができる。
【００５４】
また、凸部１５を金属膜１４上に複数個形成する場合には、半田接合界面１７でのクラック１８よる接続不良を抑制することができる。また、金属膜１４の中央を避けて凸部１５を配置することで、半田ボールの金属膜１４上への搭載を容易にし、さらに半田バンプを搭載するときの半田バンプの位置ずれを防止することもできる。
【００５５】
また、凸部１５の高さ方向に高く形成することで、半田バンプ１６の高さ方向に対する占有部を大きくすることができ、半田バンプ１６内におけるクラック１９の発生及びクラック１９による接続不良を抑制することができる。
【００５６】
また、凸部１５の材料を銅（Ｃｕ）とし、半田バンプ１６の材料をスズ(Ｓｎ)系の材料とすることで、凸部１５と半田バンプ１６との間で接合強度に優れた合金を形成することができ、半田接合界面１７におけるクラック１８の発生及びクラック１８による接続不良をさらに抑制することができる。
【００５７】
以上説明したように、本実施の形態に係る半導体装置の製造方法では、ワイヤボンディング法により凸部１５を形成するようにしたが、これには限定されず、例えば、電解メッキ等のメッキ技術により凸部１５を形成することもできる。
【符号の説明】
【００５８】
１  半導体装置
１１  配線基板
１２ａ，１２ｂ，２２  電極端子
１３  封止樹脂
１４  金属膜
１５  凸部
１６  半田バンプ
１７  半田接合界面
１８  クラック
２１  半導体チップ
３１  金線
４１  ワイヤクランパ
４２  金線
４３  キャピラリ
４４  金ボール
５０  マザーボード
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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