(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁性基板の一方の主面に搭載された半導体素子と他方の主面に形成された電極パッドとが電気的に接続され、前記電極パッド上に突起電極が形成された半導体装置において、前記突起電極は、前記電極パッド上に形成された第１の突起電極部と、前記第１の突起電極部の先端に、これよりも低融点の金属材料で形成された第２の突起電極部とによって構成され、前記第２の突起電極部の先端は略鼓状であり、前記絶縁性基板の他方の主面には絶縁膜が形成され、前記第１の突起電極部は前記絶縁膜よりも薄く形成されたことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記第１の突起電極部は、前記電極パッドから鉛直方向に離れるにしたがって細くなる略円錐形状および略角錐形状のいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記第２の突起電極部は略球状体であり、前記突起電極は、第１および第２の突起電極部の接合部近傍がくびれた略鼓状であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
【請求項４】
絶縁性基板の一方の主面に搭載された半導体素子と他方の主面に形成された電極パッドとが電気的に接続され、前記電極パッド上に突起電極が形成された半導体装置の製造方法において、絶縁性基板の他方の主面に絶縁膜を形成する工程と、前記電極パッドが露出するように、前記絶縁膜の表面側が狭まった逆テーパ孔を開口する工程と、前記逆テーパ孔に前記絶縁膜よりも薄く金属材料を充填して第１の突起電極部を形成する工程と、前記第１の突起電極部上に、これよりも低融点の金属材料で第２の突起電極部を形成する工程とからなることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記絶縁膜はポジ形のホトレジストで形成され、前記逆テーパ孔は、前記ホトレジスト上にホトマスクを形成する工程と、前記ホトマスクの前記電極パッドと対向する位置に開口を形成する工程と、前記ホトマスクの開口部から前記ホトレジストを合焦点位置よりも後で露光する工程とからなることを特徴とする請求項４に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記逆テーパ孔は、相対的に径の小さい開口を有する絶縁膜の上に径の大きい開口を有する絶縁膜を、各開口の中心が略一致するように積層して形成されることを特徴とする請求項４に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
絶縁性基板の一方の主面に半導体素子が搭載され、他方の主面の第１の電極パッド上に突起電極が形成された半導体装置を、表面に第２の電極パッドが形成された回路基板上に、前記突起電極と第２の電極パッドとが接合されるように実装してなる半導体実装装置において、前記突起電極は、前記第１の電極パッド上に形成された第１の突起電極部と、前記第１の突起電極部の先端に、これよりも低融点の金属材料で形成された第２の突起電極部とによって構成され、前記絶縁性基板の他方の主面には絶縁膜が形成され、前記第１の突起電極部が前記絶縁膜よりも薄く形成されたことを特徴とする半導体装置。
【請求項８】
前記第２の電極パッドは、前記突起電極のくびれ部の断面積よりも小さくないことを特徴とする請求項７に記載の半導体実装装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置およびその製造方法ならびに半導体実装装置に係り、特に、インターポーザ基板の一方の主面に半導体素子が搭載され、他方の主面に突起電極が形成された半導体装置およびその製造方法、ならびに回路基板上に前記半導体装置が突起電極を介して実装された半導体実装装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子機器の高集積化に伴って様々な半導体装置が提案されているが、その中でも、ＢＧＡ（ボール・グリッド・アレイ）あるいはＬＧＡ（ランド・グリッド・アレイ）と称される半導体装置が注目されている。
【０００３】
これらの半導体装置では、インターポーザ（あるいはチップ・キャリア）基板の表面に半導体素子が搭載され、外部接続用電極パッドが裏面に形成されることから、従来の半導体装置であるＱＦＰ（クワッド・フラット・パッケージ）と比較した場合、そのサイズを大幅に縮小できるという利点がある。さらに、外部接続用電極パッドのピッチも、ＱＦＰの０．３〜０．５ｍｍに対して１．２７〜１．５ｍｍと広くできるため、回路基板への実装が容易になるという利点もある。
【０００４】
図７は、従来の一般的なＢＧＡの実装状態における構成を示した断面図であり、図８は、その一部分を拡大した断面図である。ＢＧＡ１０は、インターポーザ基板２の表面に半導体素子１を搭載して構成され、ＢＧＡ１０が実装される回路基板３と前記インターポーザ基板２とは、インターポーザ基板２の裏面に予め形成された突起電極４を介して、電気的および機械的に接続される。インターポーザ基板２と突起電極４とは、インターポーザ基板２の裏面に形成された電極パッド５を介して接続され、回路基板３と突起電極４とは、回路基板３の表面に形成された電極パッド６を介して接続される。
【０００５】
ＢＧＡ１０に関しては、その使用目的や要求性能によって多くのパッケージ構造が提案されている。その中でも、高発熱半導体素子に対応しなけれならないＢＧＡや、インターポーザ基板２に高密度・高精細配線が要求されるＢＧＡでは、インターポーザ基板２としてアルミナセラミックス等のセラミックス基板を用いることが提案されている。しかしながら、アルミナセラミックス等からなるインターポーザ基板２では、その熱膨張係数が６〜７ｐｐｍ／℃程度であるのに対して、ＢＧＡ１０が実装される回路基板３は一般的にガラスエポキシから構成され、その熱膨張係数は１５〜２０ｐｐｍ／℃程度である。
【０００６】
このように両者の熱膨張係数が大きく異なると、ＢＧＡ１０を回路基板３に搭載した半導体実装装置では、半導体素子１の動作時に発生する熱により両者の熱膨張係数の差に起因した大きな熱応力が発生する。この熱応力は、ＢＧＡ１０と回路基板３との間の突起電極４に集中し、最悪の場合は突起電極４の接合部およびその近傍に疲労破壊が生じる。
【０００７】
一般的に、熱膨張係数の差に起因する応力は、ＢＧＡ１０および回路基板３と突起電極４との接合界面付近の外周部分に集中するため、疲労破壊もこの部分から生じることが多い。
【０００８】
このような問題点を解決するためには、例えば特開平８−３１６６２８号公報では、突起電極４を鼓状に形成して変形し易くすることで接合界面付近の応力を緩和する方法が提案されている。また、Ｓｎ５−Ｐｂ９５やＳｎｌ−Ｐｂ９７．５−Ａｇｌ．５のような高融点はんだ（融点３００℃以上）が耐熱疲労性に優れることに着目すれば、突起電極４を高融点のはんだ金属で形成することも考えられる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記したように、▲１▼突起電極４を鼓状に形成すること、▲２▼突起電極４を高融点のはんだ金属で形成すること、が疲労破壊を防止する上で効果的であることから、鼓状の突起電極４を高融点のはんだ金属で形成すれば、疲労破壊に対する耐力が飛躍的に向上するものと期待できる。しかしながら、突起電極４はＢＧＡを回路基板３へはんだ付けする際に溶融する必要があるために、突起電極４には、熱疲労特性に優れる高融点はんだを使用することができないという問題があった。
【００１０】
なお、特開平８−２２２５７３号公報では、高融点はんだと低融点はんだとを組み合わせた突起電極について開示しているが、加熱後は突起電極形状が球形となるために応力を十分に緩和することができない。また、特開平９−２０５０９６号公報では、高融点はんだで形成した円柱状突起電極の特定部分に低融点はんだの突起電極を形成する方法が示されているが、はんだ付け品質を良くするためにフラックスを使用して低融点はんだの突起電極を溶融すると、突起電極の側面にまで低融点はんだが流れてしまい、突起電極が球形状となってしまうという問題があった。
【００１１】
本発明の目的は、上記した従来技術の問題点を解決し、突起電極の接合部およびその近傍の疲労寿命や接合強度が大幅に向上した半導体装置およびその製造方法ならびに半導体実装装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、本発明では以下のような手段を講じた。
【００１３】
(1) 絶縁性基板の一方の主面に搭載された半導体素子と他方の主面に形成された電極パッドとが電気的に接続され、前記電極パッド上に突起電極が形成された半導体装置において、前記突起電極を、前記電極パッド上に形成された第１の突起電極部と、前記第１の突起電極部の先端に、これよりも低融点の金属材料で形成された第２の突起電極部とによって構成し、その先端と前記電極パッド側の端部との間にくびれ部を有する略鼓状とし、記絶縁性基板の他方の主面には、前記第１の突起電極部の少なくとも一部が覆われるように絶縁膜を形成した。
【００１４】
(2) 絶縁性基板の一方の主面に搭載された半導体素子と他方の主面に形成された電極パッドとが電気的に接続され、前記電極パッド上に突起電極が形成された半導体装置の製造方法において、絶縁性基板の他方の主面に絶縁膜を形成する工程と、前記電極パッドが露出するように、前記絶縁膜の表面側が狭まった逆テーパ孔を開口する工程と、前記逆テーパ孔に金属材料を充填して第１の突起電極部を形成する工程と、前記第１の突起電極部上に、これよりも低融点の金属材料で第２の突起電極部を形成する工程とを設けた。
【００１５】
(3) 絶縁性基板の一方の主面に半導体素子が搭載され、他方の主面の第１の電極パッド上に突起電極が形成された半導体装置を、表面に第２の電極パッドが形成された回路基板上に、前記突起電極と第２の電極パッドとが接合されるように実装してなる半導体実装装置において、前記突起電極を、前記第１の電極パッド上に形成された第１の突起電極部と、前記第１の突起電極部の先端に、これよりも低融点の金属材料で形成された第２の突起電極部とによって構成し、その先端と前記第１の電極パッド側の端部との間にくびれ部を有する略鼓状とし、前記絶縁性基板の他方の主面には、前記第１の突起電極部の少なくとも一部が覆われるように絶縁膜を形成した。
【００１６】
上記した構成(1) によれば、突起電極は、その先端のみが低融点金属で形成され、当該先端と電極パッド側との間には、耐熱疲労性に優れた高融点金属によるくびれ部が形成された鼓形状となる。
【００１７】
上記した構成(2) によれば、先端のみが低融点金属で形成され、当該先端と電極パッド側との間に、耐熱疲労性に優れた高融点金属によるくびれ部を有する略鼓状の突起電極が形成される。
【００１８】
上記した構成(3) によれば、一方の主面に半導体素子が搭載された半導体装置が突起電極を介して回路基板上に実装された半導体実装装置において、その突起電極を、その先端のみが低融点金属で形成され、耐熱疲労性に優れた高融点金属によるくびれ部を当該先端と電極パッド側との間に有する鼓形状にすることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明を詳細に説明する。図１は、本発明の第１実施形態である半導体装置（ＢＧＡ）およびその突起電極の形成方法を示した断面図であり、前記と同一の符号は同一または同等部分を表している。
【００２０】
本実施形態では、インターポーザ基板２としてアルミナセラミック製の基板を利用し、はじめに、タングステン、モリブデン等の高融点金属によって電極パッド５が形成された主面に感光性のレジスト層７を形成する［同図(a) ］。前記レジスト層７は、その後の接合工程における熱に耐え得る十分な耐熱性を有している。なお、電極パッド５の表面には、はんだ付け性を向上させる目的でＮｉ，Ａｕ等のバリアメタル層（図示せず）を形成しても良い。
【００２１】
次いで、フォトマスク１０を用いた周知の露光・現像工程により、電極パッド５上の不要なレジスト７を除去する［同図(b) ］。この時、露光工程おいて意図的にフォーカスをずらし（具体的には、合焦点位置をレジスト７の表面よりも光源側にずらす）、露光光の回折散乱を発生させることにより、レジスト層７の断面形状を、その表面側が狭くなるような逆テーパ状にする［同図(c) ］。
【００２２】
次いで、耐熱疲労特性に優れた高融点はんだＳｎ５−Ｐｂ９５（融点約３１０℃）による第１の突起電極部８を、例えば電解めっきにより電極パッド５上に形成する［同図(d) ］。前記レジスト層７内での第１の突起電極部８は、当該電極パッド５から鉛直方向へ離れるにしたがって細くなる円錐形状もしくは角錐形状となる。
【００２３】
次いで、前記第１の突起電極部８上に、クリーム状またはプリフォーム状の低融点はんだＳｎ６３−Ｐｂ３７（融点１８３℃）を、例えばスクリーン印刷またはデイスペンサにより所定量だけ供給［同図(e) ］した後、全体を前記第１の突起電極部８の融点を超えない温度で加熱することにより、第２の突起電極部９を略球状に形成する［同図(f) ］。この結果、インターポーザ基板２の一方の主面には、回路基板に接合される側の先端のみが低融点金属で形成され、当該先端と電極パッド５側との間に、高融点金属によるくびれ部を有する略鼓状の突起電極３０が形成される。
【００２４】
また、本実施形態によれば、第１の突起電極部８の側面の一部あるいは全体が、第２の突起電極部９を形成する際に与えられる温度領域において耐熱性を有する絶縁膜７で被覆されているので、第２の突起電極部９を形成する低融点はんだが第１の突起電極部８側へ流れて球形状となることが防止される。
【００２５】
図２は、本発明の第２実施形態である半導体装置（ＢＧＡ）およびその突起電極の形成方法を示した断面図であり、前記と同一の符号は同一または同等部分を表している。
【００２６】
本実施形態では、はじめに電極パッド５が形成されたインターポーザ基板２の主面に感光性のレジスト層７ａを薄く形成する［同図(a) ］。次いで、フォトマスク１０ａを用いた周知の露光・現像工程により、電極パッド５上の不要なレジストを除去する［同図 (b),(c)］。次いで、再び全面にレジスト層７ｂを形成した後、前記フォトマスク１０ａに設けた開口よりも小さい開口を有するフォトマスク１０ｂを用いて前記と同様に、電極パッド５上の不要なレジストを除去する［同図(d),(e) ］。
【００２７】
さらに、再び全面にレジスト層７ｃを形成した後、前記フォトマスク１０ｂに設けた開口よりも小さい開口を有するフォトマスク１０ｃを用いて前記と同様に電極パッド５上の不要なレジストを除去する［同図(d),(e) ］。以下同様に、所望の厚さのレジスト７が形成されるまで上記した処理を繰り返して逆テーパ状の孔を開設する。その後は、前記第１実施形態と同様にして第１および第２の電極部８、９を形成して鼓状の突起電極３０を完成する。
【００２８】
図３は、本発明の第３実施形態である半導体装置（ＢＧＡ）およびその突起電極の形成方法を示した断面図であり、前記と同一の符号は同一または同等部分を表している。
【００２９】
本実施形態では、はじめに、電極パッド５が形成されたインターポーザ基板２の主面に感光性のレジスト層７を形成する［同図(a) ］。次いで、フォトマスク１０を用いた周知の露光・現像工程により、電極パッド５上の不要なレジスト７を除去する［同図(b) ］。この時、露光工程おいて意図的にフォーカスをずらして光の回折散乱を発生させることにより、レジスト層７の断面形状を、その表面側が狭くなるような逆テーパ状にする［同図(c) ］。
【００３０】
次いで、電極パッド５上に高融点はんだＳｎ５−Ｐｂ９５による第１の突起電極部８ａを、例えば電解めっきにより形成する［同図(d) ］。このとき、上記した第１および第２実施形態では、高融点はんだがレジスト層７の開口部から盛り上がるように形成したが、本実施形態では、高融点はんだがレジスト層７の開口部外へ露出しないように、前記めっき時間を短くする。
【００３１】
次いで、前記第１の突起電極部８ａ上に、クリーム状またはプリフォーム状の低融点はんだＳｎ６３−Ｐｂ３７を、例えばスクリーン印刷またはデイスペンサにより所定量だけ供給［同図(e) ］した後、全体を前記第１の突起電極部８ａの融点を超えない温度で加熱することにより、第２の突起電極部９ａを略球状に形成する［同図(f) ］。この結果、インターポーザ基板２の一方の主面には、回路基板３に接合される側の先端が低融点半田で形成され、当該先端と電極パッド５側との間にくびれ部を有する略鼓状の突起電極３０が形成される。
【００３２】
前記第１および第２実施形態のように、第１の突起電極部８をレジスト層７よりも厚く形成すると、レジスト層７からはみ出した部分がマッシュルーム状となり、その形状がめっき条件の変動によって大きく変化してしまう。これに対して、本実施形態のように、第１の突起電極部８ａをレジスト層７よりも薄く形成すれば、その形状を比較的容易にコントロールすることができる。
【００３３】
なお、上記した各実施形態では、第１の突起電極部８、８ａの側面を覆うように、レジスト層７をインターポーザ基板２の全面に被着するものとして説明したが、図６に示したように、各第１の突起電極部８，８ａの周囲のみが覆われるように、機械的研磨やレーザー照射などの物理的方法あるいはエッチングなどの化学的方法によって不要部分を除去することで島状に形成しても良い。
【００３４】
このような構造とすることにより、熱膨張係数差による応力が加わった時に、レジスト層７が第１の突起電極部８、８ａを水平方向に固定する力が弱まって突起電極３０の柔軟性が向上するので、応力緩和効果がさらに向上する。また、上記した構成によれば、比較的柔軟性に劣る絶縁材料をレジスト７として使用することが可能になる。
【００３５】
図４は、上記した各半導体装置（ＢＧＡ）が突起電極３０を介して実装された半導体実装装置の拡大断面図であり、前記と同一の符号は同一または同等部分を表している。ここでは、前記図３に関して説明した第３実施形態のＢＧＡが搭載された半導体実装装置を例して説明する。
【００３６】
本実施形態では、回路基板３側の電極パッド６上に、前記突起電極３０の第２の突起電極部９ａが接合されている。前記電極パッド６の面積は、少なくとも前記突起電極３０のくびれ部での断面積よりも小さくないようにすることが望ましい。このような構成によれば、電極パッド６と第２の突起電極部９ａとの角度θが、少なくとも極端な鋭角とならないので、疲労寿命や接合強度が大幅に向上する。
【００３７】
これに対して、図５に示したように、電極パッド６の面積を小さくすると、前記角度θが極端な鋭角を示すので、電極パッド６と突起電極３０との接合部における疲労寿命や強度を向上させることが難しくなる。
【００３８】
なお、上記した各実施形態では、セラミックス基板で構成されるＢＧＡを用いて説明したが、本発明はこれのみに限定されるものではなく、突起電極を利用して回路基板に実装される。例えばフリップチップ構造の半導体装置にも同様に適用することができる。
【００３９】
さらに、上記した各実施形態では第１の突起電極の電極材としてＳｎ５−Ｐｂ９５はんだを採用し、第２の突起電極の電極材としてＳｎ６３−Ｐｂ３７はんだを採用したが、第１の突起電極としては、Ａｕ，Ｃｕ，Ｎｉ等の融点が３００℃以上ではんだ付けが可能な金属単体あるいは合金を採用することができる。同様に、第２の突起電極としては、ＳｎおよびＰｂ以外にＩｎ、Ｂｉ等を添加した金属材料を用いても良い。
【００４０】
【発明の効果】
本発明によれば、以下のような効果が達成される。
(1) 突起電極を、その主要部が疲労破壊に対する耐力に優れた高融点材料で形成された鼓状にすることができるので、突起電極の疲労寿命や接合強度が大幅に向上する。
(2) 突起電極の側面を柔軟性を有する樹脂材料で覆うようにしたので、突起電極の水平方向に関する柔軟性が向上する。
(3) 突起電極が接合される回路基板側の電極パッドの面積を、少なくとも鼓状突起電極のくびれ部での断面積よりも大きくし、接合面の角度が極端な鋭角とならないようにしたので、突起電極と回路基板との接合面における疲労寿命や接合強度が大幅に向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態である半導体装置およびその突起電極の形成方法を示した断面図である。
【図２】本発明の第２実施形態である半導体装置およびその突起電極の形成方法を示した断面図である。
【図３】本発明の第３実施形態である半導体装置およびその突起電極の形成方法を示した断面図である。
【図４】本発明の第４実施形態である半導体実装装置の主要部の断面図である。
【図５】本発明の第４実施形態である半導体実装装置の主要部の断面図である。
【図６】本発明の変形例の断面図である。
【図７】従来の半導体実装装置の断面図である。
【図８】従来の半導体実装装置の主要部の拡大断面図である。
【符号の説明】
２…インターポーザ基板、５、６…電極パッド、７…レジスト層、１０…フォトマスク、８…第１の突起電極、９…第２の突起電極
【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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