(57)【要約】【課題】半導体素子と配線基板との接続を行う場合、接合時の高温加熱による過大な熱応力によって接合部が剥離する等の問題があった。【解決手段】配線基板上にピット状の電極を形成し、その電極内に半導体素子上の突起電極を超音波振動を印加しながら挿入して接続する。【効果】配線基板上に形成したピット状電極に半導体素子上の突起電極が超音波振動を伴い挿入する際に、超音波振動との相乗によりピット状の電極の周囲の金属膜との摩擦が促進されることにより両者の新生面が露出されて接合されるために接合温度の低温化が可能で、その結果、接合部に過大な熱応力を生じることがないため剥離等の問題が無くなるという効果がある。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の突起電極が形成された半導体素子が、上記突起電極に相対する位置に電極が形成された配線基板上にフェイスダウンで接続される半導体装置において、配線基板上に金属膜で周囲が覆われたピット状の電極が形成され、上記ピット状の電極内に突起電極が超音波振動を伴って挿入されて電気的接続が成され、上記半導体素子と配線基板との間隙に樹脂が配設されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
請求項１において、突起電極がピット状の電極に接触している両者の間に少なくとも樹脂以外に介在する物質が存在しないことを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項１において、突起電極の周囲がピット状の電極の周囲に接触して電気的接続が成されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
請求項１において、突起電極の最表面が金，銅，ニッケル，アルミニウム，錫，銀のいずれかの金属で形成されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
請求項１において、ピット状の周囲を覆っている金属膜の最表面が金，銅，ニッケル，アルミニウム，錫，銀のいずれか単体の金属あるいは上記金属の組み合わせで２種以上の合金で形成されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項６】
複数の突起電極が形成された半導体素子を、上記突起電極に相対する位置に電極が形成された配線基板上にフェイスダウンで接続される半導体装置の製造方法において、配線基板上に金属膜で周囲が覆われたピット状の電極を設け、上記ピット状の電極内に突起電極が超音波振動を伴って挿入されて突起電極とピット状の電極が接触して電気的接続が成された後に、上記半導体素子と配線基板との間隙に樹脂を注入して製造する半導体装置の製造方法。
【請求項７】
複数の突起電極が形成された半導体素子を、上記突起電極に相対する位置に電極が形成された配線基板上にフェイスダウンで接続される半導体装置の製造方法において、配線基板上に金属膜で周囲が覆われたピット状の電極を設け、上記配線基板上に樹脂を塗布し、上記ピット状の電極内に突起電極が超音波振動を伴って挿入されて突起電極とピット状の電極が接触して電気的接続が成されて製造する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、電極を有する半導体素子を配線基板に接続して構成される半導体装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年の電子機器の小型化，高性能化，低コスト化に対応して、半導体素子の実装は、フェイスダウンで半導体素子上の突起電極と配線基板上のリード電極とを直接接続するフリップチップ接続方法が用いられている。突起電極とリード電極とが金属接合して接続する方式の場合の突起電極は、金ワイヤの先端を溶融しボールにして電極パッド上に接合して形成するスタッドバンプならびに金めっきによるめっきバンプが一般的である。配線基板は低コスト化ならびに多ピン化に対応するため樹脂をコアとして、基板の表層に樹脂を積み上げ配線パターンおよびビアホールを形成したビルドアップ基板が用いられている。基板表面に形成された電極リードは、ビアホールの一端から延長されたもので、一般に銅配線上にニッケルその上に金がめっきによって形成されている。フリップチップ接続方法は、接合時に半導体素子および配線基板を加熱し、半導体素子を配線基板に加圧して接続する熱圧着方式である。接合時の加熱は突起電極とリード電極の両者の金の拡散を促進するための必須条件である。
【０００３】
図６は従来の熱圧着方式によるフリップチップ接続方法およびこの方法による半導体装置の概略の断面図である。次に、図に基づいてフリップチップ接続方法について説明する。まず、半導体素子１上に形成されている電極パッド２上に設けられた金にて成る突起電極３と、配線基板４上に形成された金にて成るリード電極５との位置合わせを行う（図６（ａ））。
【０００４】
次に、半導体素子１ならびに配線基板４を加熱した状態で、半導体素子１を配線基板４上に加圧して突起電極３とリード電極５とを接続する。そして、突起電極３とリード電極５との界面にて、熱圧着による金−金固相拡散が生じ接合部が形成され、突起電極３とリード電極５とは接合されることになる（図６（ｂ））。次に、半導体素子１と配線基板４との隙間にディスペンサーにより接着樹脂６を注入し硬化させて完成する（図６（ｃ））。
【０００５】
また、半導体装置が実装される基板上に予め樹脂を供給し、半導体装置の突起電極を基板の実装用パッドに押し付けて、突起電極の先端を変形させた後、樹脂を硬化させる実装方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特開平９−９７８１６号公報（請求項１等）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来の熱圧着方式のフリップチップ接続方法による半導体装置は、半導体素子上の突起電極と配線基板上の平坦なリード電極とが接触し、加熱によって両者の金の拡散が促進され接合が成されている。すなわち、良好な接合を達成するためには接合時に半導体素子ならびに配線基板を２５０℃〜４００℃の高い温度に加熱しなければならず、そのため接合界面にはシリコンである半導体素子と樹脂である配線基板との熱膨張率の差に基づく応力が発生し、接合後の温度低下の際に場合によっては接合部が剥離するという問題があった。また、高温に加熱することによって、半導体素子と配線基板との熱膨張率の差に基づく突起電極とリード電極との位置ずれの問題もあった。最近、生産性を高めるために、接合する前に接着樹脂を配線基板上のリード電極に塗布し、その後半導体素子を配線基板に接続する方法が行われているが、従来技術のリード電極は平坦なため突起電極が接着樹脂を突き破ることができずに導通が取れないという問題があった。さらに、突起電極ならびにリード電極は高価な金で形成されており、熱圧着方式では金以外の代替材は困難でコスト高の問題があった。
【０００８】
この発明は上記のような問題点を解消するためになされたもので、半導体素子上の突起電極と配線基板上の電極との接合の際に、接合界面の剥離ならびに接合時の位置ずれが無く、良好な半導体装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明は配線基板表面に周囲が金属膜で覆われたピット状の電極を形成し、このピット状の電極に半導体素子上の突起電極を超音波振動を伴って挿入することによって突起電極とピット状の電極とが接触し電気的接続を得ることにある。ピット状の電極ならびに超音波振動を印加することによって、接合時に半導体素子および配線基板の加熱を必要としない。すなわち、突起電極がピット状の電極に挿入される際に、超音波振動を印加することによって挿入し易くなること、またピット状の電極であることにより突起電極とピット状電極の周囲の金属膜との摩擦面が大きく超音波振動との相乗により両者の新生面が露出され易くなり接合が促進される。この場合の接合は従来の熱圧着式の熱による金原子の拡散で行われておらず、新生面同士の摩擦による凝着が主体である。したがって、接合時に半導体素子ならびに配線基板の加熱を全く必要としないか、最小限にすることが可能なことにより、接合部に発生する熱応力を抑制できるため剥離の問題ならびに位置ずれの問題が無くなるという効果がある。さらに、半導体素子を配線基板上に接続する前に、接着樹脂を配線基板上のピット状の電極に塗布し、その後半導体素子を配線基板に接続する方法の場合では基板上の電極がピット状であるため、接着樹脂を塗布したときにピットの内部には接着樹脂が浸透せず、したがって突起電極とピット状の電極間に接着樹脂を介在することなく接続できるため、高い導通性が得られる。また、従来の突起電極ならびに配線基板上のリード電極は、いずれの場合も高価な金で形成されていたが、本発明においては突起電極がピットの電極膜との摩擦を経て圧接状態で接続されるため、特に両者の材質として金にこだわらず、安価な銅等でも問題ないので低コスト化が図れる。さらに、接続の低温化が図られることにより、製造プロセスも簡略化でき低コスト化が可能である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の半導体装置の製造方法および半導体装置を具体的な実施の形態に基づいて説明する。図１はこの発明の実施の形態１による半導体装置の断面図ならびにこの半導体装置の製造方法を示したものである。図２はピット状の電極が形成された配線基板を示す平面図である。図１において、１は半導体素子、２はこの半導体素子１上に形成された電極パッド、３はこの電極パッド２上に形成され、金，銅，ニッケル，アルミニウム，錫，銀のいずれかの金属単体か、あるいは銅にニッケルめっきさらにその上に金めっきを形成して成る突起電極である。これらの突起電極は、例えばめっきなどにて容易に形成することができる。４は配線基板で、例えば有機樹脂ならびにセラミック等にて形成することができる。７はこの配線基板４に形成された周囲が金属膜で覆われたピット状の電極で、樹脂基板をコアとしたビルドアップ工法のビアホールを設ける方法と同様にレーザー等で容易に形成できる。ピット状の電極は配線として使用されている銅単体か、あるいはその銅上にニッケルめっきさらにその上に金めっきをして形成できる。また、銅上にアルミニウム，錫，銀をめっき等で形成できる。次に、上記のように形成された実施の形態１の半導体装置の製造方法について説明する。まず、半導体素子１上の突起電極３と配線基板４上のピット状の電極７とを相対させるための位置合わせを行う（図１（ａ））。次に半導体素子１を配線基板４上から加圧して、突起電極３をピット状の電極７内に超音波振動を印加しながら挿入する（図１（ｂ））。接合の際の半導体素子１ならびに配線基板４の加熱は特に必要とせず、超音波振動は振幅が数μｍ程度でよい。また、突起電極はピット状電極に１／５〜１／３程度の深さに挿入されていればよい。次に、半導体素子１と配線基板４との間隙に接着樹脂６を注入し、その配線基板４を加熱して接着樹脂６を硬化させて完成する（図１（ｃ））。接着樹脂６を注入する前には、半導体素子１を接続した配線基板４を乾燥し、接着樹脂６の硬化は１００℃に加熱して行う。上記のように行われた実施の形態１の半導体装置は、突起電極がピット状の電極に挿入される際に、超音波振動を印加することによって挿入し易くなること、またピット状の電極であることにより突起電極とピット状電極の周囲の金属膜との摩擦面が大きく超音波振動との相乗により両者の新生面が露出され接合されるため、接合時に半導体素子ならびに配線基板の加熱を必要としない。したがって、接合部に過大な熱応力を生じることがないため剥離等の問題ならびに突起電極とピット状電極との位置ずれの問題が無くなるという効果がある。
【００１１】
図３は本発明の実施の形態２による半導体装置の断面図である。この発明の半導体装置は、前記の実施の形態１で示したものと同じであるが、突起電極３がスタッドバンプで形成された半導体装置である。突起電極がめっきバンプの場合は微細配線に適しているが、配線が粗い場合は低コストで突起電極が形成されるスタッドバンプが適している。スタッドバンプは金で、金ワイヤの先端を溶融してボールにし、ワイヤボンドで電極パッド２上に接合して形成する。この実施の形態の半導体装置の製造方法ならびに突起電極以外の構成は、前記実施の形態１と同様である。
【００１２】
図４は本発明の実施の形態３による半導体装置の断面図ならびにその半導体装置の製造方法を示したものである。前記本発明の実施の形態１による半導体装置は、半導体素子１を配線基板４に接続した後に、半導体素子１と配線基板４との間隙に接着樹脂６を注入、硬化して製造する方法であるが、半導体素子と配線基板との間隙が狭い場合、接着樹脂の注入に時間を要する。本発明の実施の形態３による半導体装置は、予め配線基板上に接着樹脂を塗布して製造することにある。まず、半導体素子１上の突起電極３と配線基板４上のピット状の電極７とを相対させるための位置合わせを行い、配線基板４上に接着樹脂６を塗布する（図４（ａ））。次に半導体素子１ならびに配線基板４の加熱は特に必要としないが、加熱する場合は、接着樹脂６がピット状の電極７内に浸透しない範囲の粘度を得るような温度に設定する。次に半導体素子１を超音波振動を印加しながら配線基板４上から加圧して、突起電極３をピット状の電極７内に挿入する（図４（ｂ））。この時、突起電極３がピット表面の接着樹脂６を突き破りピット状の電極７に接続される。接着樹脂６はピット状の電極内に浸透していないため、突起電極３とピット状の電極７との間に接着樹脂６を介在することなしに接続できる。次に、半導体素子１が接続された配線基板４を加熱して、接着樹脂を硬化させて完成する。なお、この発明の形態の半導体装置の突起電極３ならびにピット状の電極７の構成は、前記の発明の実施の形態１と同様である。
【００１３】
上記のように行われた実施の形態３の半導体装置の製造方法およびこの方法により製造した半導体装置は、配線基板４上に接着樹脂６を塗布した状態で半導体素子１を配線基板４上に接続するので、生産性に優れ、かつ、接着樹脂６がピット状の電極７内に浸透しないため、突起電極３とピット状の電極７との間に接着樹脂６を介在することなく接続できるため、高い導通性を得ることができる。
【００１４】
図５は本発明の実施の形態４による半導体装置の断面図ならびにその半導体装置の製造方法を示したものである。この発明の半導体装置は、前記の実施の形態２で示した突起電極３がスタッドバンプで形成された半導体装置で、前記実施の形態３と同様に半導体素子１を配線基板４上に接続する前に、配線基板４上のピット状の電極７に接着樹脂６を塗布する方法で製造したものである。この実施の形態の半導体装置の構成は、突起電極以外、前記実施の形態１と同じで、製造方法は前記実施の形態３と同様である。
【００１５】
上記のように行われた実施の形態４の半導体装置の製造方法およびこの方法により製造した半導体装置は、突起電極３にスタッドバンプを適用することにより低コストが図られ、また、配線基板４上に接着樹脂６を塗布した状態で半導体素子１を配線基板４上に接続するので、生産性に優れ、かつ、接着樹脂６がピット状の電極７内に浸透しないため、突起電極３とピット状の電極７との間に接着樹脂を介することなく接続できるため高い導通性を得ることができる。
【００１６】
【発明の効果】
以上のように本発明によると、配線基板上にピット上の電極を形成し、その配線基板上に突起電極を設けた半導体素子をフェイスダウンで押し付けて、半導体素子上の突起電極をピット状の電極内に超音波振動を印加しながら挿入し、ピット状の電極の周囲の金属膜との摩擦により両者の新生面が露出されて圧接状態で接合されるために接合の低温化が可能で、その結果、突起電極とピット状の電極との接合部に過大な熱応力が発生せず、剥離等の問題が起こらないという効果がある。
【００１７】
また、本発明は、ピット状の電極を形成した配線基板上に接着樹脂を塗布した後に、その配線基板上に突起電極を設けた半導体素子をフェイスダウンで押し付けて、半導体素子上の突起電極をピット状の電極内に超音波振動を印加しながら挿入して製造されるが、ピット状の電極内には接着樹脂が浸透しないため、突起電極とピット状の電極との間に接着樹脂を介在することなく接続できるため、高い導通性が得られるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１において、めっきで形成した突起電極を有する半導体素子をピット状の電極が形成された配線基板上にフェイスダウンで接続し、その後に半導体素子と配線基板の間隙に接着樹脂を注入して半導体装置を製造する工程およびその方法による半導体装置の説明図。
【図２】ピット状の電極が形成された配線基板を示す平面図。
【図３】実施の形態２において、金のスタッドバンプで形成した突起電極を有する半導体素子をピット状の電極が形成された配線基板上にフェイスダウンで接続し、その後に半導体素子と配線基板の間隙に接着樹脂を注入して半導体装置を製造する工程およびその方法による半導体装置の説明図。
【図４】実施の形態３において、めっきで形成した突起電極を有する半導体素子を、接着樹脂を塗布したピット状の電極が形成された配線基板上にフェイスダウンで接続して半導体装置を製造する工程およびその方法による半導体装置の説明図。
【図５】実施の形態４において、金のスタッドバンプで形成した突起電極を有する半導体素子を、接着樹脂を塗布したピット状の電極が形成された配線基板上にフェイスダウンで接続して半導体装置を製造する工程およびその方法による半導体装置の説明図。
【図６】従来のフェイスダウンで半導体装置を製造する工程およびその方法による半導体装置の説明図。
【符号の説明】
１…半導体素子、２…電極パッド、３…突起電極、４…配線基板、５…リード電極、６…接着樹脂、７…ピット状の電極。
【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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