(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
配線基板と、この配線基板上にフリップチップ方式により実装された半導体チップとを備えた半導体装置において、
前記配線基板上に形成された配線基板電極と、
この配線基板電極上に形成されたＡｇバンプと、
このＡｇバンプが形成された配線基板電極上に形成されたＮｉ／Ａｕメッキ層と、
前記半導体チップ上に形成された前記Ｎｉ／Ａｕメッキ層を介して前記Ａｇバンプと接続されるＡｌからなるチップ電極と
を備えてなることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
Ａｇバンプは、Ａｇペーストをスクリーン印刷することによって形成されたものであることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
前記配線基板電極は、Ｃｕからなることを特徴とする請求項１又は２記載の半導体装置。
【請求項４】
前記配線基板と前記半導体チップとは、異方性導電フィルム、異方性導電ぺースト及び絶縁樹脂のうちの一つを塗布、貼付又は充填することにより接着されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の半導体装置。
【請求項５】
配線基板上に配線基板電極を形成する工程と、この工程で形成された配線基板電極上にＡｇバンプを形成する工程と、この工程でＡｇバンプが形成されたＣｕの配線基板電極上にＮｉメッキを施した後、Ａｕメッキを施す工程と、前記Ｎｉ／Ａｕメッキ層が表面に形成された前記Ａｇバンプと半導体チップのＡｌからなるチップ電極とを位置合わせして熱圧着することにより前記半導体チップを前記配線基板上にフリップチップ実装する工程とを備えてなることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記配線基板上にＡｇバンプを形成する工程は、Ａｇペーストを前記配線基板電極上にスクリーン印刷して形成する工程であることを特徴とする請求項５記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体チップを配線基板上にフリップチップ実装してなる半導体装置、その製造方法、実装装置及び実装方法並びにそれに用いられるフリップチップ実装用基板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、半導体チップを配線基板上に実装する方法として、ワイヤボンディングによらず、半導体チップ側にバンプを形成し、配線基板側にパッドを形成して半導体チップを配線基板にフェースダウン方式で直接実装すると同時にバンプとパッドとを接続するフリップチップ実装方法が知られている。
【０００３】
図１２に、従来のフリップチップ実装構造を示す。同図（ａ）に示すように、半導体チップ１００の表面には、Ａｌ等からなる複数のパッド１０１が形成されており、これらのパッド１０１上にはＡｕ等からなるボールバンプ１０２が形成されている。一方、配線基板１０３の表面にも、例えばＣｕ等からなる複数のパッド１０４が半導体チップ１００のパッド１０１に対向するように配置されている。配線基板１０３上に異方性導電膜（ＡＣＦ）等の封止樹脂を配置し、半導体チップ１００のボールバンプ１０２がパッド１０４と対向するように半導体チップ１００をフェースダウンさせて加圧及び加熱することにより、ボールバンプ１０２とパッド１０４とが接合され、半導体チップ１００のフリップチップ実装が完了する。
【０００４】
上述したボールバンプ１０２としては、パッド１０１上に、例えばＣｒ−Ｃｕ−Ａｕの中間蒸着膜を形成した後、Ｐｂ，Ｓｎ等を順次蒸着して、不活性雰囲気中で加熱反応させて得られる共晶半田バンプを用いることがなされているが、蒸着法は、製造プロセスが煩雑で製造コストがかかるという問題がある。この問題を解決するため、半導体チップ１００のパッド１０１上にＡｕワイヤによるワイヤボールボンディングを施してＡｕのボールバンプ１０２を形成する方式も用いられている。
【０００５】
また、図１２（ｂ）に示すように、配線基板１０３側のパッド１０４に、例えばＡｇペースト等をスクリーン印刷法により形成してこれをバンプ１０５とする方式も提案されている。この方式は、上述した方式よりも更に製造工程を簡略化でき、高さのバラツキなども少ないという利点がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
近年、半導体チップの小型化、配線パターンの微細化が進み、配線基板と半導体チップとの接続の信頼性向上が益々大きな課題となってきた。これに対し、上述した従来例のうち、ワイヤボールボンディングによる方法では、バンプの高さのバラツキや配線基板のうねり等の影響で接続が不安定になったり、チップそのものへのボンディング形成が困難になるという問題がある。
【０００７】
また、Ａｇバンプをスクリーン印刷により形成する方式では、ＡｇバンプとＡｌのパッドとの接合部が高湿環境下で局部電池を形成し、電気化学的腐食を起こして接続不良を発生させるという問題がある。
【０００８】
この発明は、このような問題点に鑑みてなされたもので、フリップチップ実装が微細化されても半導体チップと配線基板との接続信頼性を損なわない半導体装置、その製造方法及びそれに用いられるフリップチップ実装用基板を提供することを第１の目的とする。
この発明は、また、フリップチップ実装の際に十分な接続信頼性を確保することができる半導体装置の実装装置及び実装方法を提供することを第２の目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る第１の半導体装置は、配線基板と、この配線基板上にフリップチップ方式により実装された半導体チップとを備えた半導体装置において、前記配線基板上に形成された配線基板電極と、この配線基板電極上に形成されたＡｇバンプと、このＡｇバンプが形成された配線基板電極上に形成されたＮｉ／Ａｕメッキ層と、前記半導体チップ上に形成された前記Ｎｉ／Ａｕメッキ層を介して前記Ａｇバンプと接続されるＡｌからなるチップ電極とを備えてなることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明に係る第１の半導体装置の製造方法は、配線基板上に配線基板電極を形成する工程と、この工程で形成された配線基板電極上にＡｇバンプを形成する工程と、この工程でＡｇバンプが形成されたＣｕの配線基板電極上にＮｉメッキを施した後、Ａｕメッキを施す工程と、前記Ｎｉ／Ａｕメッキ層が表面に形成された前記Ａｇバンプと半導体チップのＡｌからなるチップ電極とを位置合わせして熱圧着することにより前記半導体チップを前記配線基板上にフリップチップ実装する工程とを備えてなることを特徴とする。
【００１２】
この発明によれば、ＡｇバンプはＮｉ／Ａｕメッキ層を介してＡｌチップ電極と接触することになるので、電池反応を抑制することができ、経時的な信頼性を高めることができる。しかも、配線基板上にＣｕの配線基板電極を形成する工程に続けてＡｇバンプを形成し、続いてＮｉ／Ａｕメッキ層を形成するようにしているので、従来の工程を殆ど変更せずに、しかもＣｕ電極が酸化する前にＡｇバンプを形成し、表面をメッキすることができるので、電極の酸化防止にも有効である。なお、ここでＡｇバンプは、例えばＡｇペーストをスクリーン印刷することによって形成されたものである。また、Ｎｉメッキ層の厚さは、望ましくは３μｍ〜５μｍであり、Ａｕメッキ層の厚さは、望ましくは０．０３μｍ以上である。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、この発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置を製造工程順に示した断面図、図２は、この半導体装置の製造工程を示すフローチャートである。
先ず、図１（ａ）に示すように、配線基板１上に、Ｃｕからなる所定の導電パターンと共に導電パッド（配線基板電極）２を形成する（Ｓ１）。続いて図１（ｂ）に示すように、導電パッド２上にＡｇペーストをスクリーン印刷して、硬化させることにより凸形状のＡｇバンプ３を形成する（Ｓ２）。次に、図１（ｃ）に示すように、Ａｇバンプ３が形成された導電パッド２にＮｉメッキを施してＮｉメッキ層４を形成し、続いてその上にＡｕメッキを施してＡｕメッキ層５を形成する（Ｓ３）。Ｎｉメッキ層４の厚みは、好適には３μｍ〜５μｍであり、Ａｕメッキ層５の厚みは、好適には０．０３μｍ以上である。なお、これらの工程は、一連のフリップチップ実装用基板の製造工程として連続的に行われることが望ましい。これにより、Ａｇバンプ３の形成と、Ｃｕの導電パッド２に対する表面酸化防止処理とを同時に実現できるからである。
【００２８】
このようにして得られたフリップチップ実装用基板に対して、次に図１（ｄ）に示すように、異方性導電膜（ＡＣＦ：Anisotropic Conductive Film）又は異方性導電ペースト（ＡＣＰ：Anisotropic Conductive Paste）からなる封止樹脂６を貼付又は塗布する（Ｓ４）。そして、図１（ｅ）に示すように、別途工程でＡｌ製の導電パッド（チップ電極）７が形成された半導体チップ８を、Ａｇバンプ３と導電パッド７とが一致するように位置合わせして熱圧着することにより、半導体装置が完成する（Ｓ５）。
【００２９】
この第１の実施形態の半導体装置及びその製造方法によれば、導電パッド２上にＡｇバンプ３を形成したのち、Ｎｉメッキ層４を下地層としてＡｕメッキ層５を形成し、半導体チップ８側の導電パッド７とを接続するようにしているので、簡易且つ安価に腐食等を防止することができ、接続信頼性を向上させることができる。そのことを証明するために、本発明者は半導体装置の高温高湿放置試験を行い、抵抗値の変化の様子を測定した。その結果を図３に示す。
【００３０】
図３（ａ）に示すように、半導体チップ８側の導電パッド７とＡｇバンプ３を直接接続した場合の試験結果によれば、試験開始から５００時間経過時位までを目処に抵抗値は増え続け（約５０ｍΩ→約８００ｍΩ）、腐食等が急激に進行することが分かり、その後も徐々にではあるが腐食し続け、接続信頼性が著しく損なわれるということが判明した。一方、図３（ｂ）に示すように、Ａｇバンプ３にＮｉメッキ層４及びＡｕメッキ層５を形成してから接続した場合の試験結果によれば、抵抗値は試験開始から１０００時間を経過しても約１００ｍΩ以下であり、腐食等による影響を受けにくいことが判明した。また、その後も非常に緩やかにしか抵抗値が増えないため、その差は歴然としたものであり、この半導体装置及びその製造方法によれば腐食等を防止し接続信頼性を向上することが確認された。
【００３１】
図４は、参考形態に係る半導体装置を示す断面図である。図４（ａ）に示す参考形態では、配線基板１１上に形成された導電パッド１２側にＡｕワイヤからなる第１のボールバンプ１３が形成され、半導体チップ１４上に形成された導電パッド１５側にＡｕワイヤからなる第２のボールバンプ１６が形成され、配線基板１１と半導体チップ１４とが、ＡＣＦ、ＡＣＰ等の封止樹脂１７によって接着されている。第１のボールバンプ１３の硬度は、第２のボールバンプ１６の硬度よりも低く、第１のボールバンプ１３の大きさは、第２ボールバンプ１６よりも大きく設定されている。
【００３２】
この参考形態によれば、硬度の低い第１のボールバンプ１３が硬度の高い第２のボールバンプ１６に食い込まれることで、バンプの高さのバラツキや基板の反りを吸収して確実な接続が得られる。第１のボールバンプ１３としては、例えば田中電子工業（株）製ＦＡタイプ（硬さ：５４Ｈｖ，φ１００μｍ）のＡｕワイヤを使用し、第２のボールバンプ１６としては、同じくＧＢタイプ（硬さ：７３Ｈｖ，φ７０μｍ）のＡｕワイヤを使用することができる。
【００３３】
図４（ｂ）は、配線基板１１側の第１のボールバンプ１８を高い硬度で小さく形成し、半導体チップ１４側の第２のボールバンプ１９を低い硬度で大きく形成した例である。この例でも、同図（ｃ）に示すように、配線基板１１と半導体チップ１４とを熱圧着したときに、第１のボールバンプ１８が第２のボールバンプ１９側に食い込むので、バンプの高さのバラツキや基板の反りを吸収して確実な接続が得られる。
【００３４】
図５は、別の参考形態に係る半導体装置を製造工程順に示す断面図である。この参考形態では、同図（ａ）に示すように、配線基板２１に導電パッド２２を形成すると共に、半導体チップ２３の導電パッド２４にワイヤボールボンディング法によりバンプ２５を形成する。但し、バンプ２５はその形状に特徴がある。この参考形態では、ボンディング時にＡｕワイヤを引きちぎってバンプ２５を形成する。このため、先端が尖った形状となっている。次に同図（ｂ）に示すように、配線基板２１の導電パッド２２上にＡＣＦ２６を貼り付ける。そして、同図（ｃ）に示すように、配線基板２１に半導体チップ２３を熱圧着により実装してバンプ２５と導電パッド２２とを接続する。
【００３５】
図６には、実際に下記表１の条件にて形成されたバンプ２５の形状が拡大表示されている。
【００３６】
【表１】
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【００３７】
なお、このバンプ２５は、松下電器製ＳＴＢボンダを使用して、日鉄マイクロメタル製Ｔ３  ２５μｍのＡｕワイヤを使用した。バンプ２５の基端部の球状部の径は６５±５μｍ、高さは８０μｍであった。
【００３８】
この参考形態によれば、バンプ２５の形状は、本発明者の実験により得られたもので先端部と球状部とを有し、先端部は尖っておりある程度の高さもあるため、バンプ２５自体の高さや配線基板、半導体チップの製品精度に多少のバラツキがあっても接続側の電極に十分接触し導通を得ることができる。また、先端部が尖っていることで、配線基板と半導体チップとを接着する封止樹脂を突き破り確実に接続することができる。従って、通常の絶縁フィルムや絶縁ペーストを使用しても導通を得ることができるため、異方性導電フィルム等の高価な絶縁樹脂を使用する必要がなく、生産コストを抑えることができる。更に、例えば高価な異方性導電フィルム等を使用した場合でも、図７に示すパッドとバンプとの接続部分の断面図からも分かるように、バンプの先端部が潰れる際に導電粒子を抱き込んで接続されるため、より確実な導通を得ることができ接続信頼性を向上することができる。ちなみに、図８に示すように、従来のバンプ２５´の形状は先端部が潰された形状であった。これはバンプ先端が平坦である方がＡＣＦの導電粒子がより捕捉し易いと考えられたためであるが、このために製品精度のバラツキ等を吸収して接続性を得ることが困難であった。また、封止樹脂の厚さや種類等により接続安定性にかなり影響を受けていた。更に、先端部を潰して接続面の面積を拡大し接続性を向上させようとしても、例えば異方性導電フィルム等の導電粒子は接続の際に接続面から離れてしまい、却って接続性を落としてしまう傾向にあるということも分かってきた。この参考例に係るバンプ２５は、これら従来の問題点を全てコストの上昇を伴わずに解決することが可能なものである。
【００３９】
は、本発明の別の参考形態に係る半導体装置を製造工程順に示す断面図である。この参考形態では、同図（ａ）に示すように、配線基板２１に導電パッド２２を形成し、ワイヤボールボンディング法によりバンプ２７を形成すると共に、半導体チップ２３の導電パッド２４を形成する。なお、バンプ２７は図５のバンプ２５と同一構造を有し、同一方法で形成されたものである。次に同図（ｂ）に示すように、配線基板２１の導電パッド２２及びバンプ２７上にＡＣＦ２６を貼り付ける。そして、同図（ｃ）に示すように、配線基板２１に半導体チップ２３を熱圧着により実装してバンプ２７と導電パッド２２とを接続する。
【００４０】
この参考形態によれば、ワイヤボールボンディングによるバンプの形成を半導体チップ側ではなく配線基板側に対して行うため、例えば半導体チップの小型化に伴うハンドリングの困難性が増大したり、半導体チップの材質がＧａＡｓのように衝撃に弱い場合であっても半導体チップと配線基板を確実に接続することができ、製造工程が簡略化されて製品歩留まりも向上することができる。なお、この参考例では、バンプ２７は図５のバンプ２５と同一構造を有し、同一方法で形成されたものであるが、本参考形態は、配線基板２１側にバンプを形成することを主眼とするものであるから、バンプの形状は、上述した形状に限定されない。
【００４１】
図１０は、一参考例に係る半導体装置の実装装置の装置構成例を示す図である。配線基板搭載テーブル３１は、その所定の位置にパッドが形成された配線基板３２を搭載する。半導体チップ支持ヘッド３３は、先端部にＡＴＣ（Auto-ToolChange Collet）３４を有し、このＡＴＣ３４でバンプが形成されたベアＩＣチップ等の半導体チップ３５をバキュームにより支持し、配線基板搭載テーブル３１の配線基板３２位置に半導体チップ３５を移動させる。半導体チップ３５と配線基板３２との精密な位置合わせは、配線基板３２の裏面側にあるＸ線発生装置３７からのＸ線照射をチップ支持ヘッド３３上部にあるＸ線撮像装置３８により撮像して行う。即ち、Ｘ線発生装置３７からのＸ線は、配線基板３２や半導体チップ３５のバンプや各電極等を透過してこれらの透過像を生成するため、この透過像をＸ線撮像装置３８にて撮像し、撮像されたバンプや各電極等の位置をモニタ装置３９により参照しながら位置合わせ実装処理部４０の位置補正制御によりチップ支持ヘッド３３に支持された半導体チップ３５の位置を微調整して半導体チップ３５と配線基板３２との位置合わせを行い、チップ支持ヘッド３３のヒータ３６により熱圧着を実行してフリップチップ実装を行う。
【００４２】
ちなみに従来の半導体実装装置では、例えばＣＣＤカメラを複数台使用して配線基板３２と半導体チップ３５のバンプや各電極等を撮像し、その複数の映像に基づきバンプ等の真の位置を演算により割り出して位置合わせを行っていたため、精度の高い位置合わせを行うことは難しく、また、実装後の接続部の様子は、ＣＣＤカメラでは撮像できなかったため検査作業を別工程で行う必要等があり、実装作業が煩雑なものとなっていた。
【００４３】
しかし、この参考例に係る半導体実装装置は、上述したようにＸ線を使用して、図１１に示すように、配線パターン、各パッド及びバンプの状態等の透過像を確認しながらバンプや各電極等の位置合わせを行うことができるため、フリップチップ実装の精度を向上することができる。しかも、Ｘ線による配線パターンの確認や実装状態の検査も同時に行うことができるため、検査作業を簡略化し製品の信頼性を高めることが可能となる。
【００４４】
【発明の効果】
以上述べたように、この発明の第１の半導体装置及び半導体装置の製造方法によれば、ＡｇバンプはＮｉ／Ａｕメッキ層を介してＡｌチップ電極と接触することになるので、電池反応を抑制することができ、経時的な信頼性を高めることができると共に、配線基板上にＣｕの配線基板電極を形成する工程に続けてＡｇバンプを形成し続いてＮｉ／Ａｕメッキ層を形成するようにしているので、従来の工程を殆ど変更せずに、しかもＣｕ電極が酸化する前にＡｇバンプを形成し表面をメッキすることができるので、電極の酸化防止にも有効であるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の第１の実施形態に係る半導体装置を製造工程順に示した断面図である。
【図２】  同半導体装置の製造工程を示すフローチャートである。
【図３】  同半導体装置の効果を説明するための図である。
【図４】  この発明の参考形態に係る半導体装置を製造工程順に示した断面図である。
【図５】  この発明の別の参考形態に係る半導体装置を製造工程順に示した断面図である。
【図６】  同半導体装置のバンプの拡大斜視図である。
【図７】  同半導体装置のバンプによる接続部の拡大図である。
【図８】  従来のワイヤボールボンディングによるバンプの拡大斜視図である。
【図９】  この発明の別の参考形態に係る半導体装置を製造工程順に示した断面図である。
【図１０】  一参考例に係る半導体装置の実装装置の一例を示す図である。
【図１１】  同実装装置で得られる画像を示す図である。
【図１２】  従来の半導体装置の断面図である。
【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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