(57)【要約】【課題】バンプの形成及びパッケージの相互接続の際に、応力集中の原因である２層の中間反応生成物の形成を抑制することができるバンプボールを有する半導体パッケージを提供する。【解決手段】外部接続端子としてバンプボール３０を含み、バンプボール３０が、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、またはこれらの組合せを含有するコア層３１と、コア層３１を取り囲み、スズ、スズ合金、またはこれらの組合せを含有するシェル層３２とを含む。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部接続端子としてバンプボールを含み、
前記バンプボールが、
銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、またはこれらの組合せを含有するコア層と、
前記コア層を取り囲み、スズ、スズ合金、またはこれらの組合せを含有するシェル層とを含む、バンプボールを有する半導体パッケージ。
【請求項２】
前記コア層は、銅合金を含むことを特徴とする、請求項１に記載のバンプボールを有する半導体パッケージ。
【請求項３】
前記コア層は、銅を含む第１層と、前記第１層を取り囲み、銅合金を含有する第２層とを含むことを特徴とする、請求項１に記載のバンプボールを有する半導体パッケージ。
【請求項４】
前記銅合金は、ＣｕＺｎ、ＣｕＣｏ、ＣｕＮｉ、またはこれらの組合せであることを特徴とする、請求項１に記載のバンプボールを有する半導体パッケージ。
【請求項５】
前記コア層は、さらに、Ｚｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、またはこれらの組合せを含むことを特徴とする、請求項１に記載のバンプボールを有する半導体パッケージ。
【請求項６】
前記コア層はＣｕＺｎを含み、前記ＣｕＺｎの成分組成は、４０〜９９．９重量％のＣｕと０．１〜６０重量％のＺｎとを含むことを特徴とする、請求項１に記載のバンプボールを有する半導体パッケージ。
【請求項７】
前記コア層はＣｕＣｏを含み、前記ＣｕＣｏの成分組成は、０．１〜９９．９重量％のＣｕと０．１〜９９．９重量％のＣｏとを含むことを特徴とする、請求項１に記載のバンプボールを有する半導体パッケージ。
【請求項８】
前記コア層はＣｕＮｉを含み、前記ＣｕＮｉの成分組成は、０．１〜９９．９重量％のＣｕと０．１〜９９．９重量％のＮｉとを含むことを特徴とする、請求項１に記載のバンプボールを有する半導体パッケージ。
【請求項９】
前記銅合金は、ＣｕＺｎ、ＣｕＣｏ、ＣｕＮｉ、またはこれらの組合せであることを特徴とする、請求項３に記載のバンプボールを有する半導体パッケージ。
【請求項１０】
前記第２層はＣｕＺｎを含み、前記ＣｕＺｎの成分組成は、０．１〜９９．９重量％のＣｕと０．１〜９９．９重量％のＺｎとを含むことを特徴とする、請求項３に記載のバンプボールを有する半導体パッケージ。
【請求項１１】
前記第２層はＣｕＣｏを含み、前記ＣｕＣｏの成分組成は、０．１〜９９．９重量％のＣｕと０．１〜９９．９重量％のＣｏとを含むことを特徴とする、請求項３に記載のバンプボールを有する半導体パッケージ。
【請求項１２】
前記第２層はＣｕＮｉを含み、前記ＣｕＮｉの成分組成は、０．１〜９９．９重量％のＣｕと０．１〜９９．９重量％のＮｉとを含むことを特徴とする、請求項３に記載のバンプボールを有する半導体パッケージ。
【請求項１３】
前記コア層がアルミニウムまたはアルミニウム合金を含む場合、前記バンプボールは、前記コア層とシェル層との間にニッケルを含有する中間層をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載のバンプボールを有する半導体パッケージ。
【請求項１４】
前記アルミニウム合金は、ＡｌＣｕ、ＡｌＺｎ、ＡｌＳｉ、ＡｌＭｎ、ＡｌＭｇ、またはこれらの組合せであることを特徴とする、請求項１に記載のバンプボールを有する半導体パッケージ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はバンプボールを有する半導体パッケージに係り、より詳しくは、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、またはこれらの組合せを含有するコア層と、前記コア層を取り囲み、スズ、スズ合金、またはこれらの組合せを含有するシェル層とを含む、バンプボールを有する半導体パッケージに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電子製品及び部品の小型化、薄型化への傾向が加速化しつつあり、これにより、最近は、ウエハレベルパッケージについての研究開発が盛んに行われており、これを応用した製品が市場に続々と出ている。ウエハレベルパッケージ技術を用いたモジュールの具現において、最も大きな技術的なイシュー（問題点）は、ウエハ（ダイ）と印刷回路基板との間の熱膨張係数（ＣＴＥ：Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ  ｏｆ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｅｘｐａｎｓｉｏｎ）、剛性の差により発生する応力と歪みを最小化することである。
【０００３】
一方、ウエハの表面に半田ボール及び半田ペーストの材料を用いて、印刷／メッキ／ボールアタッチ法等を通じて、パッケージ相互接続のための半田バンプを形成し、これらのバンプを介して、パッケージモジュールの具現のために、印刷回路基板と接合するようになるが、この際、接合部の半田バンプは、一部または全体が溶融後凝固しながら、ウエハの各ダイに形成されたＵＢＭ（Ｕｎｄｅｒ  Ｂｕｍｐ  Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ）の表面及び印刷回路基板の接合パッドの表面との溶解及び拡散反応により、中間反応生成物を形成するようになる。形成された中間反応生成物は、生成の際に体積縮小及びＣＴＥの不整合により、応力が集中して破壊に至るようになる。
【０００４】
以下、図１を参照して、従来のバンプボールを有する半導体基板の接続パッドとの付着状態について説明する。
【０００５】
図１に示すように、従来技術によるバンプボール１０は、応力緩和及びバンプ高さの向上のために、内部に、ポリマーコア１１と、ポリマーコア１１を取り囲むニッケル層１２と、ニッケル層１２を取り囲む銅層１３と、銅層１３を取り囲む半田層１４とからなる。バンプボール１０の半田層１４は、半導体基板２０、実質的には、半導体基板２０に形成された接続パッド領域２１と付着されている。半導体基板２０において、バンプボール１０の接合部分を除いた領域は、保護層２２で保護されている。
【０００６】
しかしながら、このような形態のバンプボール１０は、半田接合の信頼性の向上に限界がある。バンプボール１０は、銅層１３と半田層１４が接触形成されているので、バンプボール１０を半導体基板２０に付着させる過程で、バンプボール１０に加えられる熱による溶解及び拡散反応により、銅層１３と半田層１４が相互作用し、これらの接合界面に２層の中間反応生成物層、例えば、（Ｃｕ６Ｓｎ５／Ｃｕ３Ｓｎ）層が形成される。
【０００７】
前記２層の中間反応生成物は、その強度において壊れやすい特性があり、バンプボール１０の付着後、クラックの発生の原因として作用する。また、接合工程の進行の際、バンプボール１０を半導体基板２０に付着させる過程で、バンプボール１０に加えられる熱により、銅層１３の溶解及び拡散が半田層１４に発生し、溶解及び拡散した銅（Ｃｕ）は、拡散作用を介して、バンプボール１０と接続パッド領域２１との間、より正確には、バンプボール１０と半導体基板２０の接続パッド領域２１との接合界面に拡散移動し、この部分にも、２層の中間反応生成物層１５を形成し、バンプボール１０と接続パッド領域２１との間の密着力を弱化させる。接続パッド領域２１が銅（Ｃｕ）で構成された場合、接合界面に拡散移動した銅（Ｃｕ）により、２層の中間反応生成物層の形成がさらに容易になる。
【０００８】
以下、図１のＡ部分を拡大して示した図２を参考して、２層の中間反応生成物層が形成された様子を説明する。
【０００９】
図２に示すように、バンプボール１０の銅層１３と半田層１４の接合界面には、２層の中間反応生成物層１５が形成され、また、拡散を通じて、半田層１４と半導体基板２０の接続パッド領域２１との間の接合界面にも、２層の中間反応生成物層１５が形成される。このような２層の中間反応生成物層１５は、銅の拡散現象により発生するが、上述した２層の中間反応生成物層１５は壊れやすいという特性があり、バンプボールと半導体基板との間の半田接合の信頼性が低下する。また、従来技術によるポリマーコアの場合、通常、バンプボールに用いられるその他の金属成分とその材料特性が異なり、作製及び適用が容易ではないという短所があった。
【００１０】
したがって、金属成分のコアを適用すると共に、上述した２層の中間反応生成物の形成を抑制し、単層の安定した界面を形成することができるバンプボールの開発が早急に求められている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
そこで、本発明では、上述した問題点を解決するために、広範囲な研究を重ねた結果、バンプボールのコア層を特定の金属または金属合金に代替し、２層の中間反応生成物の生成を抑制することにより、接合部に集中する応力を緩和し、クラックの発生を低減させることができることを見出し、本発明は、これに基づき完成された。
【００１２】
したがって、本発明はこのような問題点に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、バンプの形成及びパッケージの相互接続の際に、応力集中の原因である２層の中間反応生成物の形成を抑制することができるバンプボールを有する半導体パッケージを提供することにある。
【００１３】
本発明の他の目的は、特定の金属コア層に半田成分のみを適用しても、優れたパッケージ接合信頼特性を示すバンプボールを有する半導体パッケージを提供することにある。
本発明のさらに他の目的は、熱衝撃及びドロップ特性に優れたバンプボールを有する半導体パッケージを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、外部接続端子としてバンプボールを含み、前記バンプボールが、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、またはこれらの組合せを含有するコア層と、前記コア層を取り囲み、スズ、スズ合金、またはこれらの組合せを含有するシェル層とを含む、バンプボールを有する半導体パッケージが提供される。
【００１５】
前記バンプボールを有する半導体パッケージにおいて、より好ましくは、前記コア層は、銅合金からなってもよい。より好ましくは、前記コア層は、銅からなる第１層と、前記第１層を取り囲み、銅合金を含有する第２層とからなってもよい。
【００１６】
前記銅合金は、好ましくは、ＣｕＺｎ、ＣｕＣｏ、ＣｕＮｉ、またはこれらの組合せである。
【００１７】
前記コア層は、さらに、Ｚｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、またはこれらの組合せを含んでもよい。
【００１８】
第１実施例によると、前記コア層は、ＣｕＺｎからなり、前記ＣｕＺｎの成分組成は、４０〜９９．９重量％のＣｕと０．１〜６０重量％のＺｎとを含む。
【００１９】
第２実施例によると、前記コア層は、ＣｕＣｏからなり、前記ＣｕＣｏの成分組成は、０．１〜９９．９重量％のＣｕと０．１〜９９．９重量％のＣｏとを含む。
【００２０】
第３実施例によると、前記コア層は、ＣｕＮｉからなり、前記ＣｕＮｉの成分組成は、０．１〜９９．９重量％のＣｕと０．１〜９９．９重量％のＮｉとを含む。
【００２１】
また、第１実施例によると、前記第２層は、ＣｕＺｎからなり、前記ＣｕＺｎの成分組成は、０．１〜９９．９重量％のＣｕと０．１〜９９．９重量％のＺｎとを含む。
【００２２】
第２実施例によると、前記第２層は、ＣｕＣｏからなり、前記ＣｕＣｏの成分組成は、０．１〜９９．９重量％のＣｕと０．１〜９９．９重量％のＣｏとを含む。
【００２３】
第３実施例によると、前記第２層は、ＣｕＮｉからなり、前記ＣｕＮｉの成分組成は、０．１〜９９．９重量％のＣｕと０．１〜９９．９重量％のＮｉとを含む。
【００２４】
前記コア層のアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる場合、前記バンプボールは、前記コア層とシェル層との間にニッケルを含有する中間層をさらに含んでもよい。
【００２５】
前記アルミニウム合金は、好ましくは、ＡｌＣｕ、ＡｌＺｎ、ＡｌＳｉ、ＡｌＭｎ、ＡｌＭｇ、またはこれらの組合せである。
【発明の効果】
【００２６】
本発明の好ましい一実施形態によるバンプボールを有する半導体パッケージは、通常の拡散防止層を用いなく、コア層に直接スズ系半田成分を適用しても、パッケージ接合信頼性に悪影響を及ぼす２層の中間反応生成物の形成及びカーケンドールボイドの抑制が可能である。
【００２７】
また、中間反応生成物の形成及び成長制御を通じて、熱衝撃及びドロップ特性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】従来技術によるバンプボールを有する半導体パッケージの一例を示す概略断面図である。
【図２】図１のＡ部分の拡大図である。
【図３】本発明の好適な一実施形態によるバンプボールを有する半導体パッケージを示す概略断面図である。
【図４】本発明の好適な他の一実施形態によるバンプボールを有する半導体パッケージを示す概略断面図である。
【図５】本発明の好適なさらに他の一実施形態によるバンプボールを有する半導体パッケージを示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
本発明の特徴及び利点は、以下の記述と添付図面から明らかにされるだろう。これに先立って、本明細書及び請求の範囲に用いられた用語や単語は、通常的かつ辞典的な意味で解釈されてはならず、発明者が、自身の発明を最善の方法で説明するために、用語の概念を適宜定義することができるという原則に即して、本発明の技術的思想に符合する意味と概念で解釈されなければならない。
【００３０】
添付図面において、同一または対応する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。また、本発明を説明するにあたって、発明の特徴部を明確にすると共に、説明の便宜のために、その他の公知技術についての具体的な説明は省略され得る。本明細書において、第１、第２等の用語は、一つの構成要素を他の構成要素から区別するために用いられるものであり、構成要素が前記用語により制限されるものではない。
【００３１】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。図３乃至図５は、本発明の３つの好適な実施形態による半導体パッケージのバンプボールの構造を説明するための概略断面図である。
【００３２】
これらの図面では、該当実施例の特徴部を除いた半導体基板のその他の詳細な構成要素を省略して概略的に示しているが、当業者であれば、当業界に公知された全ての半導体パッケージの構造であれば、特に限定されず、本発明によるバンプボールの構造が適用され得ることが充分理解されるだろう。
【００３３】
以下、図３を参照して、本発明の好適な一実施形態によるバンプボールを有する半導体パッケージについて説明する。
【００３４】
本発明の好適な一実施形態による半導体パッケージは、ウエハのような半導体基板２０の接続パッド領域２１上に外部接続端子として、銅、銅合金、アルミニウム、またはアルミニウム合金を含有するコア層３１と、前記コア層３１を取り囲み、スズまたはスズ合金を含有するシェル層３２とを含むバンプボール３０を有する。前記シェル層３２は、特に限定されず、電解メッキ、無電解メッキ、ディッピング等、当業界に公知されたコーティング法により形成され得る。
【００３５】
より好ましくは、前記コア層３１は、銅合金からなってもよく、さらに好ましくは、前記コア層３１は、ＣｕＺｎ、ＣｕＣｏ、ＣｕＮｉ、及びこれらの組合せのいずれか一つの銅合金からなってもよい。
【００３６】
最も好ましくは、第１実施例により、前記コア層３１は、ＣｕＺｎからなり、前記ＣｕＺｎの成分組成は、４０〜９９．９重量％のＣｕと０．１〜６０重量％のＺｎとを含むことが、２層の中間反応生成物の生成抑制及び接合信頼性の側面でよい。
【００３７】
第２実施例によると、前記コア層３１は、ＣｕＣｏからなり、前記ＣｕＣｏの成分組成は、０．１〜９９．９重量％のＣｕと０．１〜９９．９重量％のＣｏとを含むことが、２層の中間反応生成物の生成抑制及び接合信頼性の側面でよい。
【００３８】
第３実施例によると、前記コア層３１は、ＣｕＮｉからなり、前記ＣｕＮｉの成分組成は、０．１〜９９．９重量％のＣｕと０．１〜９９．９重量％のＮｉとを含むことが、２層の中間反応生成物の生成抑制及び接合信頼性の側面でよい。
【００３９】
前記コア層３１は、さらに、Ｚｎ、Ｃｏ、Ｎｉのいずれか一つまたは２つ以上の組合せを含んでもよい。
【００４０】
上述した実施形態によるバンプボールを有する半導体パッケージは、通常の中間反応生成物の生成抑制のための拡散防止層、例えば、ニッケル含有層を省略し、スズ系半田成分からなるシェル層を直接適用しても、半導体パッケージ接合信頼性に影響を及ぼす２層の中間反応生成物層、例えば、（Ｃｕ６Ｓｎ５／Ｃｕ３Ｓｎ）層の形成を抑制することができる。
【００４１】
すなわち、２層の中間反応生成物の生成及び成長は、２相の形成の際に、体積収縮、熱的不整合、及びカーケンドールボイドにより、パッケージ接合信頼性に悪影響を及ぼすが、本実施形態によると、これらの２層の中間反応生成物の生成を抑制することにより、より優れた接合信頼性が得られる。
【００４２】
特に、ＣｕＺｎ、ＣｕＣｏ、ＣｕＮｉのような銅合金をコア層として用いる場合、各組成により予想される中間反応生成物は、以下の通りである。
【００４３】
ＣｕＺｎ：Ｃｕ６Ｓｎ５、ＣｕＺｎ（Ｃｕ５Ｚｎ８）
ＣｕＣｏ：Ｃｕ６Ｓｎ５、ＣｏＳｎ２、（Ｃｕ，Ｃｏ）６Ｓｎ５
ＣｕＮｉ：（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５、（Ｃｕ，Ｎｉ）３Ｓｎ４
【００４４】
このように、共通的に、２層の（Ｃｕ６Ｓｎ５／Ｃｕ３Ｓｎ）のような中間反応生成物層が形成されず、カーケンドールボイドの発生を抑制することができる。
【００４５】
また、Ｚｎ、Ｃｏ、Ｎｉ等の元素を添加する場合、コア層３１とシェル層３２との間に生成する中間反応生成物の成長を抑制することができ、別途の拡散防止層を構成しなくても、目的とする接合信頼性が得られる。
【００４６】
以下、図４を参照して、本発明の好適な他の一実施形態によるバンプボールを有する半導体パッケージについて説明する。
【００４７】
本発明の好適な他の一実施形態による半導体パッケージは、半導体基板２０の接続パッド領域２１上に、外部接続端子として、銅からなる第１層４１と、前記第１層４１を取り囲み、銅合金を含有する第２層４２とからなるコア層、及び前記コア層を取り囲み、スズまたはスズ合金を含有するシェル層４３を含むバンプボール４０を有する。前記第２層４２及びシェル層４３は、特に限定されず、電解メッキ、無電解メッキ、ディッピング等、当業界に公知されたコーティング法により形成され得る。
【００４８】
より好ましくは、前記第２層４２は、ＣｕＺｎ、ＣｕＣｏ、ＣｕＮｉ、及びこれらの組合せのいずれか一つの銅合金からなってもよい。
【００４９】
最も好ましくは、第１実施例により、前記第２層４２は、ＣｕＺｎからなり、前記ＣｕＺｎの成分組成は、０．１〜９９．９重量％のＣｕと０．１〜９９．９重量％のＺｎとを含むことが、２層の中間反応生成物の生成抑制及び接合信頼性の側面でよい。
【００５０】
第２実施例によると、前記第２層４２は、ＣｕＣｏからなり、前記ＣｕＣｏの成分組成は、０．１〜９９．９重量％のＣｕと０．１〜９９．９重量％のＣｏとを含むことが、２層の中間反応生成物の生成抑制及び接合信頼性の側面でよい。
【００５１】
第３実施例によると、前記第２層４２は、ＣｕＮｉからなり、前記ＣｕＮｉの成分組成は、０．１〜９９．９重量％のＣｕと０．１〜９９．９重量％のＮｉとを含むことが、２層の中間反応生成物の生成抑制及び接合信頼性の側面でよい。
【００５２】
前記第２層４２は、さらに、Ｚｎ、Ｃｏ、Ｎｉのいずれか一つまたは２つ以上の組合せを含んでもよい。
【００５３】
上述した実施形態によるバンプボールを有する半導体パッケージは、半導体パッケージ接合信頼性に影響を及ぼす２層の中間反応生成物層、例えば、（Ｃｕ６Ｓｎ５／Ｃｕ３Ｓｎ）層の形成を抑制することができ、また、カーケンドールボイドの生成を抑制することができる。
【００５４】
以下、図５を参照して、本発明の好適なさらに他の一実施形態によるバンプボールを有する半導体パッケージについて説明する。
【００５５】
本発明の好適なさらに他の一実施形態による半導体パッケージは、半導体基板２０の接続パッド２１上に、外部接続端子として、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなるコア層５１と、前記コア層５１を取り囲み、ニッケルを含有する中間層５２と、前記中間層５２を取り囲み、スズまたはスズ合金を含有するシェル層５３とを含むバンプボール５０を有する。前記中間層５２は、通常の拡散防止層の役割をすることができる。前記中間層５２及びシェル層５３は、特に限定されず、電解メッキ、無電解メッキ、ディッピング等、当業界に公知されたコーティング法により形成され得る。
【００５６】
前記アルミニウム合金は、好ましくは、ＡｌＣｕ、ＡｌＺｎ、ＡｌＳｉ、ＡｌＭｎ、ＡｌＭｇ、及びこれらの組合せのいずれか一つからなってもよい。
【００５７】
上述した実施形態によるバンプボールを有する半導体パッケージは、半導体パッケージ接合の信頼性に影響を及ぼす２層の中間反応生成物層の形成を抑制することができ、また、カーケンドールボイドの生成を抑制することができる。
【００５８】
それだけではなく、アルミニウム系コアをコア層（コアボール）として用いる場合、一定の水準以上の剛性度が得られ、特定の水準以上の強度及び／またはバンプ高さが要求される半導体パッケージの構造に適用することができるという利点がある。
【００５９】
上述のように、本発明によると、半導体パッケージのバンプボールにポリマーコアの代わりに、銅、銅合金、アルミニウム、または、アルミニウム合金を含有するコア層を導入し、接合工程後（加速試験後）の接合信頼性に悪影響を及ぼす中間反応生成物の種類及び成長速度等を調節することができる。
【００６０】
以上、本発明を、具体的な実施例を通じて詳述したが、これは、本発明を具体的に説明するためのものであり、本発明によるバンプボールを有する半導体パッケージは、これに限定されず、本発明の技術的思想内において、当分野の通常の知識を有する者により、その変形や改良が可能であることが明白である。本発明の単純な変形乃至変更は、全て、本発明の領域に属するものであり、本発明の具体的な保護範囲は、添付の特許請求の範囲により明確になるだろう。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明に係るバンプボールを有する半導体パッケージは、ウエハレベルパッケージ技術を用いたパッケージモジュールの具現において、好適に利用することができる。
【符号の説明】
【００６２】
２０    ウエハまたは半導体基板
２１    接続パッド領域
２２    保護層
３０    バンプボール
３１    コア層
３２    シェル層
４０    バンプボール
４１    第１コア層
４２    第２コア層
４３    シェル層
５０    バンプボール
５１    コア層
５２    中間層
５３    シェル層
【図１】
2010087456.tif 000003
【図２】
2010087456.tif 000004
【図３】
2010087456.tif 000005
【図４】
2010087456.tif 000006
【図５】
2010087456.tif 000007