(57)【要約】【課題】半導体素子１０が半田バンプ１３を介して配線板２０に、確実にフリップチップ実装されている半導体モジュール１を提供する。【解決手段】半導体モジュール１は、複数の半田バンプ１３を接合面１０ＳＡに有する半導体素子１０と、半導体素子１０のそれぞれの半田バンプ１３と接合されている接合電極２１を実装面２０ＳＡに有する配線板２０と、を具備し、  接合電極２１が、半導体素子１０の半田が入り込んでいる凹部２３の上に配設されており、半導体素子１０の接合面１０ＳＡと配線板２０の実装面２０ＳＡとの間隔を規定する凸部２２が実装面２０ＳＡにある。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の半田バンプを接合面に有する半導体素子と、
前記半導体素子のそれぞれの半田バンプと接合されている接合電極を実装面に有する配線板と、を具備する半導体モジュールであって、
前記接合電極が、前記半導体素子の半田が入り込んでいる凹部の上に配設されており、
前記半導体素子の接合面と前記配線板の実装面との間隔を規定する凸部が、前記接合面又は前記実装面にあることを特徴とする半導体モジュール。
【請求項２】
前記配線板の前記凹部の周囲に、前記半田が広がっていないことを特徴とする請求項１に記載の半導体モジュール。
【請求項３】
前記配線板の前記凹部の平面視形状の外周が円形であることを特徴とする請求項２に記載の半導体モジュール。
【請求項４】
前記配線板の前記凹部の平面視形状が額縁状であることを特徴とする請求項３に記載の半導体モジュール。
【請求項５】
前記凸部が、前記配線板の外周部に配設されていることを特徴とする請求項３、又は請求項４に記載の半導体モジュール。
【請求項６】
前記凸部が、前記凹部の中央部に配設されていることを特徴とする請求項４に記載の半導体モジュール。
【請求項７】
前記凸部が、前記半導体素子の前記半田バンプの中央部に配設されていることを特徴とする請求項３、又は請求項４に記載の半導体モジュール。
【請求項８】
前記凹部の内部に入り込んでいる前記半田の下側の空間と外部の空間とを挿通する挿通部があることを特徴とする請求項２から請求項７のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
【請求項９】
前記半田バンプが、半田ペーストの印刷により前記半導体素子の前記接合面に配設されていることを特徴とする請求項２から請求項８のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子が半田バンプを介して配線板にフリップチップ実装されている半導体モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子（半導体チップ）と配線板とを電気的に接続する方法として、ワイヤによって接続するワイヤボンディング法に替えて、フリップチップ実装法が用いられるようになっている。フリップチップ実装法では、半導体素子の接合面に２次元アレイ状に配設されたバンプと呼ばれる突起状の端子によって配線板と接続する。フリップチップ実装法は、ワイヤボンディング法に比べて実装面積を小さく、配線が短いために電気的特性が良い。また、半田バンプでは、リフロー処理等により多数のバンプを一括で接続できるため、生産性に優れている。
【０００３】
半導体素子への半田バンプの形成方法として、例えば印刷法が用いられている。印刷法では、半田の粉末にフラックス等を加えて、適当な粘度にした半田ペーストを、メタルマスクを介して半導体素子の接合面に印刷する。
【０００４】
しかし、リフロー処理時、すなわち、半田が溶融した状態で、半導体素子の接合面と、配線板の実装面とを平行に、かつ、所定間隔で保持する必要がある、
【０００５】
また、印刷法によるバンプは、多数のバンプを一括して形成できるが、メタルマスクの開口を介して印刷された半田ペーストの体積、すなわち、バンプの大きさにバラツキが生じやすい。すると、アレイ状に配設されたバンプのうち、小さいバンプが接合不良となったり、大きいバンプが隣り合うバンプと短絡したりするおそれがあった。
【０００６】
特開２００２−３２９７４５号公報には、バンプの直径より小さい直径の金属粒とベースフラックスとからなるフラックスペーストを用い、接合後にフラックスを除去することで、バンプのばらつきの許容範囲を広げたり、半導体素子の接合面と配線板の実装面との間に所定の空間を確保したりする方法が開示されている。
【０００７】
しかし、上記方法は、特殊なフラックスペーストを準備する必要があり、さらに、金属粒の残留による短絡発生等のおそれがあった。このため、半導体素子と配線板とが、より確実に接合された半導体モジュールが求められていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００２−３２９７４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、半導体素子が半田バンプを介して配線板に、確実にフリップチップ実装されている半導体モジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の実施形態の半導体モジュールは複数の半田バンプを接合面に有する半導体素子と、前記半導体素子のそれぞれの半田バンプと接合されている接合電極を実装面に有する配線板と、を具備する半導体モジュールであって、
前記接合電極が、前記半導体素子の半田が入り込んでいる凹部の上に配設されており、前記半導体素子の接合面と前記配線板の実装面との間隔を規定する凸部が、前記接合面又は前記実装面にある。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、半導体素子が半田バンプを介して配線板に、確実にフリップチップ実装されている半導体モジュールを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第１実施形態の半導体モジュールの上面図である。
【図２】第１実施形態の半導体モジュールの図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。
【図３】第１実施形態の半導体モジュールの断面図である。
【図４】第１実施形態の半導体モジュールの接合方法を説明するための断面図である。
【図５】第１実施形態の半導体モジュールの配線板の上面図である。
【図６Ａ】第１実施形態の半導体モジュールの接合部の断面図である。
【図６Ｂ】第１実施形態の半導体モジュールの接合部の断面図である。
【図７Ａ】第１実施形態の変形例１の半導体モジュールの接合部の断面図である。
【図７Ｂ】第１実施形態の変形例２の半導体モジュールの接合部の断面図である。
【図８】第２実施形態の半導体モジュールの配線板の上面図である。
【図９】第２実施形態の半導体モジュールの配線板の図８のＩＸ−ＩＸ線に沿った断面図である。
【図１０】第２実施形態の半導体モジュールの接合部の断面図である。
【図１１】第３実施形態の半導体モジュールの接合方法を説明するための断面図である。
【図１２】第４実施形態の半導体モジュールの接合方法を説明するための断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
＜第１実施形態＞
図１〜図３に示すように、本実施形態の半導体モジュール１は、半導体素子１０が半田バンプ（以下「バンプ」ともいう）１３を介して配線板２０にフリップチップ実装されている。
【００１４】
半導体素子１０は、例えばシリコンウエハに公知の半導体プロセスを用いて多数の半導体回路を形成後に、ダイシングにより個片化される。このため、半導体素子１０の平面視形状は略矩形である。半導体素子１０の接合面１０ＳＡには、アレイ状に複数のバンプ１３が形成されている。
【００１５】
図４に示すように、バンプ１３は、半田ペーストの印刷により形成されている。すなわち、接合面１０ＳＡにアレイ状に配置されている下地導電性パッド１１の上に、メタルマスクの開口を介して印刷によって半田ペーストを配置し、その後、加熱して半田ペーストを溶融させることよって、パッド１１の上に半球状、又は球状のバンプ１３が形成されている。
【００１６】
下地導電性パッド１１は、例えば、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｕ等からなる。半田ペーストの、半田の組成及び粒径等は目的に応じて選択される。バンプ１３の直径は例えば１００μｍから２００μｍであり、バンプとバンプとの間は、例えば５０μｍから１００μｍである。
【００１７】
一方、配線板２０の実装面２０ＳＡには、半導体素子１０のバンプ１３の配置に対応した位置にアレイ状に、複数の接合電極２１がそれぞれの凹部２３の上に形成されている。また、配線板２０の外周部の４箇所には、半導体素子１０の接合面１０ＳＡと配線板２０の実装面２０ＳＡとの間隔を規定する高さＨの凸部２２がある。なお、配線板２０の接合電極２１以外の導体は図示していない。
【００１８】
すなわち、接合電極２１は凹部２３を覆うように配設されている。接合電極２１は、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｕ等の金属膜であり、複数の金属膜を積層した積層膜であってもよい。接合電極２１は配線板の実装面２０ＳＡに凹部を形成した後に、スパッタ法、又は、めっき法等により凹部２３の上に成膜される。なお、図３等に示すように、配線板２０が複数の導体層が、それぞれ絶縁層で絶縁されている多層配線板の場合には、接合電極２１の一部を導体層で構成してもよい。
【００１９】
半導体モジュール１では、半導体素子１０のバンプと配線板２０の接合電極２１とを位置合わせした状態で、半導体素子１０と配線板２０とを加圧加熱することで接合する。
【００２０】
すでに説明したように、半導体素子１０のバンプは印刷法により形成されているため、大きさにバラツキがある。接合時、すなわち、半導体素子１０と配線板２０とが加熱されて、半田が溶融したとき、大きなバンプには接合に必要な量を超えた過剰な半田が生じる。しかし、半導体モジュール１では、過剰な半田は凹部２３の内部に流れ込んで収容される。すなわち、過剰な半田は、半田だまりである凹部２３に留まり周囲に広がらず、周囲のバンプと短絡することがない。
【００２１】
なお、図４に示すように、凹部２３の平面視形状は額縁状、すなわち、外周及び内周が円形のドーナツ状である。そして、接合電極２１は、凹部２３の内面だけでなく、中央部の上面にも配設されている。すなわち、接合電極２１の中央部２１Ｘは、凹部２３の周囲の実装面２０ＳＡと同じ平坦面である。
【００２２】
そして、図６Ａに示すように、凸部２２の高さＨは、最も小さいバンプが接合電極２１と確実に接合できるように設定されている。一方、図６Ｂに示すように、凹部２３の大きさ（体積）は、最も大きいバンプの半田が凹部２３の周囲に広がらないように設定されている。
【００２３】
凸部２２は、配線板２０の一部（絶縁層／導体層）でもよいし、永久レジスト等の樹脂、めっき法により形成される金属膜、又は、ピンなどの配線板２０とは別の部材を実装面２０ＳＡに配設してもよい。
【００２４】
なお、凸部２２の数は、半導体素子１０と配線板２０の間隔を均一に接合するため、１個の凸部２２が１点の間隔を規定する場合には、３個以上であればよいが、好ましくは４個である。凸部２２は配線板の外周部に配設されていることが好ましい。複数の凸部２２の配設位置は、互いに離れていることが、間隔を均一に保持するために好ましいからである。
【００２５】
凸部２２の数の上限は、配置スペースを確保する必要があるため、例えば、１０個である。
なお、凸部が細長い形状で２点の間隔を規定できる場合、又は、接合電極２１が配置されている中央領域を取り囲むように配置されている額縁形状の凸部場合等には、凸部の数は３個未満でもよい。
【００２６】
半導体モジュール１は、半導体素子１０の接合面１０ＳＡと配線板２０の実装面２０ＳＡとの間に均一な所定間隔の空間が確保できると同時に、高密度にバンプを配置しても、隣り合うバンプが短絡するおそれがない。すなわち、半導体モジュール１は、半導体素子１０が半田バンプ１３を介して配線板２０に、確実にフリップチップ実装されている。
【００２７】
＜第１実施形態の変形例＞
配線板２０の凹部２３の形状はドーナツ状に限られるものではなく、各種の変形が可能である。
【００２８】
例えば、図７Ａに示す変形例１の半導体モジュール１Ａでは、配線板２０Ａの凹部２３Ａは、内部が円柱状の空間となっている。また、図７Ｂに示す変形例２の半導体モジュール１Ｂでは、配線板２０Ｂの凹部２３Ｂは、内部が三角錐状の空間となっている。
【００２９】
半導体モジュール１Ａ、１Ｂは、半導体モジュール１の効果を有し、さらに、配線板２０Ａ、２０Ｂは、配線板２０よりも作製が容易である。
【００３０】
なお、凹部の外周形状は、高密度にバンプを配置するためには、円形が好ましいが、矩形、又は多角形等でもよい。額縁形状の凹部の内周形状も、円形が好ましいが、矩形、又は多角形等でもよい。
【００３１】
＜第２実施形態＞
次に、第２実施形態の半導体モジュール１Ｃについて説明する。半導体モジュール１Ｃは、半導体モジュール１等と類似しているので、同じ機能の構成要素には同じ符号を付し説明は省略する。
【００３２】
図８、図９、図１０に示すように、半導体モジュール１Ｃの配線板２０Ｃの凹部２３Ｃは、外周形状が矩形で、中心部形状が円形の額縁状である。そして、それぞれの凹部２３Ｃと隣り合う凹部２３Ｃとは挿通部２３Ｓにより挿通している。すなわち、凹部２３Ｃの内部に入り込んでいる半田の下側の空間は密閉されていない。言い替えれば、半田の下側の空間と外部の空間とを挿通する挿通部２３Ｓがある。
【００３３】
なお、半導体モジュール１Ｃでは挿通部２３Ｓは、凹部と外部の空間とを挿通するとともに、隣り合う凹部２３の間を挿通していた。しかし、挿通部は、それぞれの凹部と外部の空間とを挿通していればよい。すなわち、凹部が、それぞれの挿通部を有していてもよい。
【００３４】
挿通部２３Ｓには、フッ素系樹脂又は金属酸化物等の半田濡れ性の悪い材料からなる撥半田層２９が配設されている。このため、挿通部２３Ｓには溶融した半田が流れ込むことがない。なお、撥半田層２９は必須ではなく、配線板２０の樹脂層が挿通部２３Ｓに露出していてもよい。
【００３５】
半導体モジュール１Ｃは、半導体モジュール１等の効果を有し、更に、凹部の内部に溶融した半田が流れ込むときに、凹部の内部の空気が挿通部２３Ｓを介して速やかに排出されるため、半田が周囲に広がりにくい。また半導体モジュール１Ｃは、接合後に、凹部の内部に入り込んでいる半田の下側の空間には空気が閉じ込められていることがないため、信頼性が高い。
【００３６】
＜第３実施形態＞
次に、第３実施形態の半導体モジュール１Ｄについて説明する。半導体モジュール１Ｄは、半導体モジュール１等と類似しているので、同じ機能の構成要素には同じ符号を付し説明は省略する。
【００３７】
図１１に示すように、半導体モジュール１Ｄでは、半導体素子１０の接合面１０ＳＡと配線板２０Ｄの実装面２０ＳＡとの間隔を規定する凸部２２Ｄが、配線板２０Ｄの凹部２３の中央部２１Ｘに配設されている。
【００３８】
凸部２２Ｄは、導体で形成されていることが好ましく、半田リフロー時に溶融しない金属、例えばニッケルなどで構成されていることが特に好ましい。凸部２２Ｄは円柱状ではなく、例えば、球状であってもよい。
【００３９】
なお、凸部２２Ｄは、全ての凹部２３に配設されている必要はなく、例えば、外周領域の少なくとも３個の凹部２３に配設されていればよい。
【００４０】
半導体モジュール１Ｄは半導体モジュール１と同様の効果を有し、凸部が専有する配設スペースが不要であるため、半導体素子１０及び配線板２０Ｄの平面視寸法（面積）が小さい。
【００４１】
＜第４実施形態＞
次に、第４実施形態の半導体モジュール１Ｅについて説明する。半導体モジュール１Ｅは、半導体モジュール１等と類似しているので、同じ機能の構成要素には同じ符号を付し説明は省略する。
【００４２】
図１２に示すように、半導体モジュール１Ｅでは、半導体素子１０の接合面１０ＳＡと配線板２０の実装面２０ＳＡとの間隔を規定する凸部１３Ｅが、半導体素子１０のバンプ１３の中央部に配設されている。
【００４３】
凸部１３Ｅは、導体で形成されていることが好ましく、半田リフロー時に溶融しない金属、例えばニッケルなどで構成されていることが特に好ましい。凸部１３Ｅは円柱状ではなく、例えば、球状又は半球状等であってもよい。
【００４４】
また、凸部１３Ｅは、一括して多数の半導体素子を作製する工程であるウエハプロセスにおいて作製しておいてもよい。
【００４５】
なお、凸部１３Ｅは、全てのバンプ１３に配設されている必要はなく、例えば、外周の少なくとも３個のバンプ１３に配設されていればよい。
【００４６】
半導体モジュール１Ｅは半導体モジュール１と同様の効果を有し、更に半導体素子１０Ｅ及び配線板２０の平面視寸法（面積）が小さい。
【００４７】
本発明は上述した実施形態等に限定されるものではなく、本発明の要旨を変えない範囲において、種々の変更、組み合わせ、改変等ができる。
【符号の説明】
【００４８】
１、1Ａ〜1Ｅ・・・半導体モジュール
１０・・・半導体素子
１０ＳＡ・・・接合面
１１・・・下地導電性パッド
１３・・・半田バンプ
２０・・・配線板
２０ＳＡ・・・実装面
２１・・・接合電極
２１Ｘ・・・中央部
２２・・・凸部
２３・・・凹部
２３Ｓ・・・挿通部
【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６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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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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