(57)【要約】【課題】半導体チップの電極に金属の突起電極を形成し、基板の電極ランドと半導体チップの突起電極とを半田付け等の方法によって接合するようにしたフェイスダウン実装において、半導体チップの突起電極と基板の電極ランドとの接合部の熱サイクルによる破壊を防止する。【解決手段】実装基板１２の表面であって配線２０上の所定の位置に柱状電極から成る電極ランド２１を形成し、半導体チップ１１の電極パッド１６上に形成された突起電極１７を上記柱状電極２１に接合する。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体チップの電極パッドに突起電極を形成するとともに、前記半導体チップを実装する基板の電極ランドを柱状構造となし、しかも該柱状構造が絶縁材料によって囲まれ、
前記半導体チップの電極パッド上の突起電極を前記基板の柱状構造の電極ランドに直接接合するようにした半導体チップの実装構造。
【請求項２】
前記半導体チップと前記基板との間の隙間を絶縁樹脂によって封止することを特徴とする請求項１に記載の半導体チップの実装構造。
【請求項３】
半導体チップの電極パッドと接合される電極ランドを表面に設けて成る実装基板において、
配線の所定の位置に柱状構造をなす電極ランドを設けるとともに、該電極ランドの外周囲を絶縁材料によって囲むようにしたことを特徴とする実装基板。
【請求項４】
前記電極ランドがほぼ逆円錐台状または逆角錐台状をなすことを特徴とする請求項３に記載の実装基板。
【請求項５】
前記電極ランドの表面に金属メッキが施されるか、防錆処理がなされることを特徴とする請求項３に記載の実装基板。
【請求項６】
前記電極ランドの表面に施すメッキが前記電極ランドと半導体チップの突起電極の接合に用いられる溶融金属と同一の金属であることを特徴とする請求項５に記載の実装基板。
【請求項７】
表面に所定の配線が形成された基板の表面のほぼ全面にメッキシード層を形成する工程と、
前記メッキシード層の上にメッキレジスト層を形成する工程と、
電極ランドを形成する位置のメッキレジストを除去する工程と、
前記メッキレジストを除去した部位に電気メッキをよって金属を充填する工程と、
表面のほぼ全体に前記メッキされた金属が完全に覆われるように絶縁層を形成する工程と、
前記メッキされた金属の部分が露出するように前記絶縁層の表面を除去する工程と、
を具備し、前記メッキされた金属が柱状の電極ランドを構成することを特徴とする電極ランドの形成方法。
【請求項８】
前記絶縁層の表面の除去が研磨によって行なわれることを特徴とする請求項７に記載の電極ランドの形成方法。
【請求項９】
絶縁層が絶縁樹脂であって、該絶縁樹脂によって前記電極ランドの周囲が囲まれることを特徴とする請求項７に記載の電極ランドの形成方法。
【請求項１０】
表面に所定の配線が形成された基板の表面のほぼ全面に絶縁層を形成する工程と、
電極ランドを形成する位置の絶縁層を除去する工程と、
前記絶縁層の表面のほぼ全体にメッキシード層を形成する工程と、
前記絶縁層を除去した部分が埋まるようにメッキシード層の上に電気メッキによって金属層を形成する工程と、
前記絶縁層の表面が露出するように前記金属層を除去する工程と、
を具備し、前記絶縁層を除去した部分に残存する金属によって柱状の電極ランドを形成することを特徴とする電極ランドの形成方法。
【請求項１１】
前記金属層の表面を除去する工程が研磨によって行なわれることを特徴とする請求項１０に記載の電極ランドの形成方法。
【請求項１２】
前記電極ランドの表面に錆にくい金属のメッキを施すか防錆処理を行なうことを特徴とする請求項１０に記載の電極ランドの形成方法。
【請求項１３】
前記電極ランドの表面に施すメッキが前記電極ランドと前記半導体チップの突起電極の接合に用いられる溶融金属と同一の金属であることを特徴とする請求項１２に記載の電極ランドの形成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体チップの実装構造、実装基板、および電極ランドの形成方法に係り、とくに半導体のベアチップをインターポーザ基板等の実装基板に実装する実装構造、およびこのような実装が行なわれる実装基板、および実装基板における電極ランドの形成方法に係り、半導体チップの回路面を配線基板に対向させてボンディングを行なう、いわゆるフェイスダウン実装に用いて好適なものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の電子機器の軽薄短小化や多機能化に伴って、半導体チップを高密度に実装する必要性が高まっている。このような必要性に対して、半導体チップを直接配線基板に実装するフェイスダウン実装が注目されるようになっている。フェイスダウン実装は、半導体チップの電極に金属の突起電極（バンプ）を形成し、基板の電極ランドと半導体チップの突起電極とを半田付け、金属拡散、あるいは接触によって電気的に接合する工法である。
【０００３】
このようなフェイスダウン実装の一具体案を図６〜図８によって説明する。半導体チップ１は例えばインターポーザ基板等の実装基板２の上に直接フェイスダウン実装される。ここで図７および図８に示すように、半導体チップ１の電極パッド３の表面には半田バンプから成る突起電極４が形成され、この突起電極４が実装基板２の電極ランド５に接触するとともに半田付けされる。そして封止樹脂７によって半導体チップ１と実装基板２との間の隙間の部分が封止される。
【０００４】
このようにフェイスダウン実装においては、図８に示すように半導体チップ１の突起電極４と実装基板２の電極ランド５の接合部８に熱膨張および収縮によって応力がかかる。このような応力を緩和するために、半導体チップ１と実装基板２との間の隙間に封止樹脂７を充填している。
【０００５】
しかしながら近年は、半導体チップの電極数が増加するとともに、半導体プロセスの進化によって、半導体チップのサイズが縮小化し、この結果として半導体チップの電極ピッチが狭くなり、半導体チップの電極サイズも小さくなっている。
【０００６】
このような半導体チップ１をフェイスダウン実装する場合において、半導体チップ１の突起電極４と実装基板２のランド５の接合部は微細化しているために、半導体チップ１と実装基板２との間の熱膨張係数の違いによって上記接合部８に加わる応力を吸収することが困難になり、熱サイクルによって上記接合部８が破壊され、接続不良を発生する問題が生じている。
【０００７】
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであって、上記の問題を解消する半導体チップの実装構造、このような実装構造を行なうための実装基板、およびその電極ランドの形成方法を提供することを目的とする。すなわち半導体チップの突起電極と実装基板の電極ランドとの接合部に加わる応力を緩和するために、とくに実装基板側の電極ランドを工夫し、この電極ランドを横方向に変形可能にし、これによって接合部に加わる応力を緩和するようにしたものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本願の主要な発明は、
半導体チップの電極パッドに突起電極を形成するとともに、前記半導体チップを実装する基板の電極ランドを柱状構造となし、しかも該柱状構造が絶縁材料によって囲まれ、
前記半導体チップの電極パッド上の突起電極を前記基板の柱状構造の電極ランドに直接接合するようにした半導体チップの実装構造に関するものである。
【０００９】
ここで前記半導体チップの回路が形成されている表面を基板の表面に対向させて実装を行なうフェイスダウン実装であることが好適である。また前記半導体チップと前記基板との間の隙間を絶縁樹脂によって封止することが好ましい。
【００１０】
実装基板に関する主要な発明は、
半導体チップの電極パッドと接合される電極ランドを表面に設けて成る実装基板において、
配線の所定の位置に柱状構造をなす電極ランドを設けるとともに、該電極ランドの外周囲を絶縁材料によって囲むようにしたことを特徴とする実装基板に関するものである。
【００１１】
ここで前記電極ランドがほぼ逆円錐台状または逆角錐台状をなすことが好適である。また前記電極ランドの表面に金属メッキが施されるか、防錆処理がなされることが好ましい。また前記電極ランドの表面に施すメッキが前記電極ランドと半導体チップの突起電極の接合に用いられる溶融金属と同一の金属、例えば半田等の溶融金属であることが好ましい。
【００１２】
電極ランドの形成方法に関する主要な発明は、
表面に所定の配線が形成された基板の表面のほぼ全面にメッキシード層を形成する工程と、
前記メッキシード層の上にメッキレジスト層を形成する工程と、
電極ランドを形成する位置のメッキレジストを除去する工程と、
前記メッキレジストを除去した部位に電気メッキをよって金属を充填する工程と、
表面のほぼ全体に前記メッキされた金属が完全に覆われるように絶縁層を形成する工程と、
前記メッキされた金属の部分が露出するように前記絶縁層の表面を除去する工程と、
を具備し、前記メッキされた金属が柱状の電極ランドを構成することを特徴とする電極ランドの形成方法に関するものである。
【００１３】
ここで前記絶縁層の表面の除去が研磨によって行なわれることが好適である。また絶縁層が絶縁樹脂であって、該絶縁樹脂によって前記電極ランドの周囲が囲まれることが好ましい。
【００１４】
電極ランドの形成方法に関する別の主要な発明は、
表面に所定の配線が形成された基板の表面のほぼ全面に絶縁層を形成する工程と、
電極ランドを形成する位置の絶縁層を除去する工程と、
前記絶縁層の表面のほぼ全体にメッキシード層を形成する工程と、
前記絶縁層を除去した部分が埋まるようにメッキシード層の上に電気メッキによって金属層を形成する工程と、
前記絶縁層の表面が露出するように前記金属層を除去する工程と、
を具備し、前記絶縁層を除去した部分に残存する金属によって柱状の電極ランドを形成することを特徴とする電極ランドの形成方法に関するものである。
【００１５】
ここで前記金属層の表面を除去する工程が研磨によって行なわれることが好ましい。また前記電極ランドの表面に錆にくい金属のメッキを行なうか防錆処理を行なうことが好適である。また前記電極ランドの表面に施すメッキが前記電極ランドと前記半導体チップの突起電極の接合に用いられる溶融金属と同一の金属であることが好ましい。
【００１６】
このような発明によれば、とくに半導体チップの実装構造に関する発明によれば、半導体チップのフェイスダウン実装における基板の電極ランドの構造的な特徴によって、次のような効果を奏する。すなわち半導体チップを基板にフェイスダウン実装する場合において、半導体チップと基板の熱膨張係数の違いによって生ずる半導体チップの突起電極と基板の電極ランドとの接合部の応力が、柱状電極によって分散される。従って熱サイクルによる半導体チップの突起電極と基板の電極ランドとの接合部の破壊を防ぐことができ、熱応力に対して半導体チップの基板への実装の信頼性を飛躍的に向上させることが可能になる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下本願に含まれる発明の半導体チップのフェイスダウン実装における基板の電極ランドの構造およびその形成方法について、図に示す実施の形態に基いて詳細に説明する。
【００１８】
図１は半導体チップの実装構造の全体の構造を示しており、ベアチップから成る半導体チップ１１はインターポーザ基板を構成する実装基板１２上に半導体チップ１１の回路面を実装基板１２の表面に対して対向するようにして直接マウントされ、半導体チップ１１の半田バンプから成る突起電極１７が実装基板１２の柱状電極から成る電極ランド２１に直接接続されている。とくにこの柱状電極から成る電極ランド２１を実装基板１２に設けたことが大きな特徴である。
【００１９】
図２はこの半導体チップ１１のフェイスダウン実装において用いられる基板１２側の電極ランド２１の構造を拡大して示したものである。すなわち基板１２の配線２０上に、半導体チップ１１の突起電極１７と対向する位置に柱状の電極ランド２１を形成するとともに、その外周囲を絶縁樹脂２２で覆うようにしている。柱状の電極ランド２１の形状は、半導体チップ１１の突起電極１７の形状によって最適化され、円柱状、四角柱状等の形状をなしている。なお電極ランド２１は必ずしもこのような形状に限定されることなく、必要に応じて任意の形状に変更可能である。本実施の形態においては、逆円錐台状または逆角錐台状の形状を採用している。また柱状電極から成る電極ランド２１の表面は、その接合方法によって、ＡｕメッキやＳｎメッキ等の金属メッキを施すか、あるいは防錆処理を施すことが好ましい。
【００２０】
図３はこのような構造に係る実装基板１２の電極ランド２１に半導体チップ１１をフェイスダウン実装した構造を拡大して断面で示している。すなわち電極ランド２１と半導体チップ１１の電極パッド１６上に形成された突起電極（半田バンプ）１７が互いに接合され、これによって電気的な接続が達成される。しかも半導体チップ１１と実装基板１２との間の隙間は封止樹脂２３で封止されている。
【００２１】
図３に示すような構造にすることによって、とくに半導体チップ１１の突起電極１７と接続される実装基板１２の電極ランド２１を柱状電極とすることによって、半導体チップ１１と基板１２との間の熱膨張係数の違いによって生ずる半導体チップ１１の突起電極１７と実装基板１２の電極ランド２１との接合部２６の応力が、柱状電極２１によって分散され、熱サイクルによる接合部２６の破壊を防止できる。
【００２２】
例えば半導体チップ１１が熱膨張係数が３ｐｐｍのシリコンであって、実装基板１２が熱膨張係数が１７ｐｐｍのガラスエポキシ基板であった場合は、半導体チップ１１と基板１２との間の熱膨張係数差は１４ｐｐｍとなる。熱サイクルにさらされた場合においては、この熱膨張係数差によって、図３に示す接合部２６に応力が発生する。封止樹脂２３は接合部２６にかかる応力を、半導体チップ１１と実装基板１２との間の全体に分散する機能をもっているが、近年の接合部の微細化によって、樹脂２３による応力分散のみでは、接合部２６の破壊を防止することができない。
【００２３】
ところが本実施の形態のように実装基板１２の配線２０上に柱状電極から成る電極ランド２１を形成すると、この柱状電極２１の横方向の撓み変形によって応力分布が分散されるために、接合部２６の破壊を防止することができる。これによって熱応力に対して半導体チップ１１の実装基板１２への実装信頼性を飛躍的に向上させることが可能になる。
【００２４】
なお実装基板１２の柱状電極２１の寸法は、その直径が例えば１０〜５０μｍであって、高さが５〜３０μｍの範囲であることが好ましい。このような柱状電極２１によると、そのピラー効果で電極ランド２１が横に傾くために、その変形によって応力を吸収でき、接合部２６の破壊が防止されることになる。なおこのような破壊防止効果を高めるためには、柱状電極２１の外周囲に配される絶縁樹脂２２としてはあまり硬いものを使うことは好ましくなく、むしろ軟らかい樹脂であることが好ましい。一般にはエポキシ系の樹脂やアクリル系の樹脂を絶縁樹脂２２として用いることが好適である。
【００２５】
次にこのような実装基板１２上のとくに柱状電極２１の形成方法について図４を参照して順に説明する。まず図４Ａに示すようにその上に配線２０が形成されて配線工程を終了した実装基板１２上にメッキの核となるメッキシード層３０を形成する。メッキシード層３０は、スパッタ法あるいは化学的方法によって形成し、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｃｕあるいはそれらの複合層から構成される。このようなシード層３０が導電層となって電気メッキの付着を可能にする。
【００２６】
次に図４Ｂに示すように、メッキレジスト３１を形成する。レジスト層３１は、スピンコート、ラミネートフィルム、印刷等の方法によって形成される。
【００２７】
次に図４Ｃに示すように、レジスト層３１上において半導体チップ１１の突起電極１７と対応する位置に穴３２を形成する。メッキレジスト層３１の材料が感光性である場合には、露光、現像によって穴３２を形成する。それ以外の方法としては、レーザ光を照射してレーザビアとして穴３２を形成することもできる。
【００２８】
次に図４Ｄに示すように、レジスト層３１に形成された穴３２内に電気メッキによって銅等の金属を充填する。電気メッキの厚みが、メッキレジスト層３１の厚みを超えると、メッキされた金属が横方向に拡がってその形状が不安定になる。そこで電気メッキの厚みはレジスト層３１の厚み以下にすることが好ましい。この後図４Ｅに示すように、メッキレジスト３１およびメッキシード層３０を除去する。
【００２９】
次に図４Ｆに示すように、絶縁層２２を電気メッキ部２１を完全に覆うように形成する。絶縁層２２はエポキシ樹脂等の絶縁樹脂をスピンコート、ラミネートフィルム、印刷等の方法によって供給することで形成する。供給後に加熱等の方法によって上記の樹脂を完全に硬化させる。
【００３０】
次に図４Ｇに示すように、電気メッキ部２１が完全に露出するまで、絶縁層２２を表面より研磨を行なうことによって、柱状の電極ランド２１が形成される。上記の研磨は、グラインダ等の機械的研磨によって行なうことが好ましい。また柱状の電極ランド２１の表面には、ＡｕメッキやＳｎメッキ、あるいは防錆処理等の半導体チップの実装方法によって適した表面処理を施す。以上の工程によって周囲が絶縁樹脂２２によって覆われた柱状の電極ランド２１が形成される。
【００３１】
図５は本実施の形態の半導体チップ１１のフェイスダウン実装における実装基板１２の電極ランド２１の別の形成方法を示している。この方法においては、まず図５Ａに示すように、配線工程を完了して配線２０が形成された基板１２上に絶縁層２２を形成する。絶縁層２２は、液状、あるいはシート状の樹脂を用いる。液状である場合には、スピンコート法あるいは印刷法等によって形成される。またシート状の場合にはラミネートフィルム法等によって形成される。
【００３２】
次に図５Ｂに示すように半導体チップ１１の突起電極１７と対応する位置に穴３２を形成する。すなわち絶縁層２２が感光性のものである場合には、露光、現像によって穴３２を形成する。またレーザ光を照射してレーザビアによって穴３２を形成してもよい。
【００３３】
次に図５Ｃに示すように、穴３２を含めた絶縁層２２の表面の全体に、メッキシード層３０を形成する。このメッキシード層３０は、スパッタ法あるいは化学的に形成し、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｃｕ、あるいはその複合層が構成されてよい。
【００３４】
次に図５Ｄに示すように、メッキシード層３０の上面であってその全体に、電気メッキによってメッキ層３５を形成する。ここでメッキ層３５の厚みは、穴３２の深さよりも厚くすることが好ましい。なお電気メッキによるメッキ層３５としては、一般的には銅によって形成される。
【００３５】
そしてこの後図５Ｅに示すように、絶縁層２２の表面全体が露出するまで、メッキ層３５の上面より研磨を行なう。研磨方法としては、機械的研磨、あるいはＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）に応じて行なう。以上の工程によって形成された柱状の電極ランド２１の表面は、ＡｕメッキやＳｎメッキ、あるいは防錆処理等の半導体チップ１１の実装方式によって適した表面処理を施すことが好ましい。以上の工程によって、周囲を絶縁樹脂２２によって覆われた柱状の電極ランド２１が実装基板１２の配線２０の上に形成される。
【００３６】
以上本願に含まれる発明を図示の実施の形態によって説明したが、本願に含まれる発明は上記実施の形態によって限定されることなく、本願に含まれる発明の技術的思想の範囲内において、各種の変更が可能である。例えば上記実施の形態は実装基板１２としてインターポーザ基板の例で説明したが、柱状電極から成る電極ランド２１が形成される基板は必ずしもインターポーザ基板である必要がなく、モジュール基板、ＳＩＰ（Ｓｙｓｔｅｍ  ｉｎ  Ｐａｃｋａｇｅ）基板、マザー基板等の各種の実装基板であってよい。また実装基板１２上の電極ランド２１の形状や高さ方向の寸法と横方向の寸法の比等は要求される性能や目的に応じて各種の変更が可能である。
【００３７】
【発明の効果】
本願の主要な発明は、半導体チップの電極パッドに突起電極を形成するとともに、半導体チップを実装する基板の電極ランドを柱状構造となし、しかも該柱状構造が絶縁材料によって囲まれ、半導体チップの電極パッド上の突起電極を基板の柱状構造の電極ランドに直接接合するようにしたものである。
【００３８】
従ってこのような半導体チップの実装構造によれば、半導体チップの電極パッド上の突起電極が直接接合される基板の電極ランドが柱状構造をなしているために、このような柱状構造のピラー効果によって横に傾くように変形し、このような傾きによって応力を吸収することができる。従って半導体チップの突起電極と実装基板の電極ランドとの接合部に応力が集中することがなく、その部分における破壊が防止され、熱応力に対して半導体チップの基板への実装信頼性を向上させることが可能になる。
【００３９】
電極パッドの形成方法に関する主要な発明は、表面に所定の配線が形成された基板の表面のほぼ全面にメッキシード層を形成する工程と、メッキシード層の上にメッキレジスト層を形成する工程と、電極ランドを形成する位置のメッキレジストを除去する工程と、メッキレジストを除去した部位に電気メッキをよって金属を充填する工程と、表面のほぼ全体にメッキされた金属が完全に覆われるように絶縁層を形成する工程と、メッキされた金属の部分が露出するように絶縁層の表面を除去する工程と、を具備し、メッキされた金属が柱状の電極ランドを構成するようにしたものである。
【００４０】
従ってこのような電極ランドの形成方法によれば、基板の半導体チップの突起電極と対応する位置に効果的に柱状電極から成る電極ランドを形成することが可能になる。しかもこのような柱状電極は、メッキレジストを除去した部位に形成される電気メッキから構成されるために、必要最小限の電気メッキによって容易に電極ランドが形成される。
【００４１】
また別の形成方法は、表面に所定の配線が形成された基板の表面のほぼ全面に絶縁層を形成する工程と、電極ランドを形成する位置の絶縁層を除去する工程と、絶縁層の表面のほぼ全体にメッキシード層を形成する工程と、絶縁層を除去した部分が埋まるようにメッキシード層の上に電気メッキによって金属層を形成する工程と、絶縁層の表面が露出するように金属層を除去する工程と、を具備し、絶縁層を除去した部分に残存する金属によって柱状の電極ランドを形成するようにしたものである。
【００４２】
従ってこのような電極ランドの形成方法によれば、基板の半導体チップの突起電極と対応する位置に柱状電極から成る電極ランドを効率的に形成することが可能になる。しかもこのような方法によれば、メッキレジストの工程を必要とせず、このために工程の短縮化が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】一実施の形態の半導体チップの実装構造を示す正面図である。
【図２】実装基板上に形成される柱状電極から成る電極ランドの縦断面図である。
【図３】柱状電極から成る電極ランドを用いた実装構造を示す拡大断面図である。
【図４】実装基板上に柱状電極を形成する工程を示す断面図である。
【図５】実装基板上に柱状電極を形成する別の工程を示す縦断面図である。
【図６】従来のフェイスダウン実装を示す全体の外観斜視図である。
【図７】同正面図である。
【図８】同実装構造を示す要部拡大断面図である。
【符号の説明】
１‥‥半導体チップ、２‥‥実装基板（インターポーザ基板）、３‥‥電極パッド、４‥‥突起電極、５‥‥電極ランド、７‥‥封止樹脂、８‥‥接合部、１１‥‥半導体チップ、１２‥‥実装基板（インターポーザ基板）、１６‥‥電極パッド、１７‥‥突起電極（半田バンプ）、２０‥‥配線（導体パターン）、２１‥‥電極ランド（柱状電極）、２２‥‥絶縁樹脂、２３‥‥封止樹脂、２６‥‥接合部、３０‥‥メッキシード層、３１‥‥レジスト層、３２‥‥穴、３５‥‥メッキ層
【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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