(57)【要約】【課題】リフロー時に上段の半田バンプが脱落するのを防止する。【解決手段】表裏両面に半導体チップ２１が実装された中間基板２４の表裏両面の周辺部に、層間接続用電極パッド２２ａ，２２ｂを形成する。層間接続用電極パッド２２ａ上には樹脂系ボール２９の周囲を半田層３０で被覆した半田バンプ２５を形成し、層間接続用電極パッド２２ｂ上には金属ボール２７の周囲を融点が半田層３０よりも高い半田層２８で被覆した半田バンプ２６を形成する。融点が低い半田層３０を有する半田バンプ２５を下側として、２枚の中間基板２４，２４の半田バンプ２５と半田バンプ２６とを重ねて、下側の半田層３０が溶融する一方上側の半田層２８が溶融しない温度条件で溶融接続する。こうして、半田バンプ２６の半田層２８が溶融して、上側の半田バンプ２６が層間接続用電極パッド２２ｂから脱落することを防止する。【選択図】  図１
2005005358.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体回路素子が表面実装されると共に表面に半田バンプが形成された２以上の基板を、互いの半田バンプを略垂直方向に重ね合わせて融着することによって、積層してなる半導体モジュールの積層基板間接続構造であって、
上記半田バンプは、核とこの核よりも低融点の半田層とで構成されており、
上記融着の際に上側に位置する半田バンプを構成する半田層の融点が、下側に位置する半田バンプを構成する半田層の融点よりも高くなっている
ことを特徴とする半導体モジュールの積層基板間接続構造。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体モジュールの積層基板間接続構造において、
上記融着の際に上側に位置する半田バンプを構成する半田層の融点は２２０℃以上である
ことを特徴とする半導体モジュールの積層基板間接続構造。
【請求項３】
請求項１に記載の半導体モジュールの積層基板間接続構造において、
上記融着の際に下側に位置する半田バンプを構成する半田層の融点は１８５℃以下である
ことを特徴とする半導体モジュールの積層基板間接続構造。
【請求項４】
請求項１に記載の半導体モジュールの積層基板間接続構造において、
上記融着の際に上側に位置する半田バンプを構成する半田層の融点は２２１℃であり、上記核は銅およびニッケルの何れか一方でなる金属ボールであり、
上記融着の際に下側に位置する半田バンプを構成する半田層の融点は１８３℃であり、上記核はジビニルベンゼン架橋共重合体でなる樹脂系ボールである
ことを特徴とする半導体モジュールの積層基板間接続構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、複数の半導体回路素子が高密度に表面実装された複数の中間基板を積層して成る半導体モジュールの積層基板間接続構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年における電子機器の小型化や薄型化の要求に応えるために、半導体集積回路の高密度実装方法として、複数の半導体チップやチップ部品を中間基板に実装して成るモジュール基板を複数段積層することが行われている。一般に、このような積層体モジュールの形成方法として、互いに対向している２つのモジュール基板を半田ボールによって電気的に接続する方法が知られている。
【０００３】
以下、従来におけるこの種の半導体モジュールの積層基板間接続構造について図３に従って説明する。図３において、１は半導体チップ、２は中間基板、３は層間接続用の電極パッド、４は半田バンプである。
【０００４】
上記半導体チップ１は中間基板２の片面にフリップチップ実装され、半導体チップ１側の電極（図示せず）と中間基板２側の電極（図示せず）とが電気的に接続されている。さらに、中間基板２における周辺部の表裏両面に層間接続用の電極パッド３，３が設けられ、中間基板２に形成されたスルーホール（図示せず）を介して接続されて、モジュール基板５が形成されている。そして、各モジュール基板５，５は、モジュール基板５の厚さ方向に積層され、各モジュール基板５，５の層間接続用の電極パッド３，３を互いに対向させると共に、両電極パッド３，３の間に半田バンプ４を介在させることによって両モジュール基板５，５間を電気的に接続している。
【０００５】
同様にして、３個以上のモジュール基板５を積層して成る複数段の半導体モジュールを形成することも可能である。
【０００６】
上記従来の半導体モジュールの積層基板間接続構造においては、単機能デバイスを構成する場合が多く、信号数および端子数が少ないために、隣接する電極パッド３，３間のピッチ寸法を大きく設定して、各半田バンプ４として比較的多量の半田を用いることができる。したがって、層間接続端子としての電極パッド３間の高さを十分に高くすることができ、製造時における被接続電極パッド３，３間のオープン不良や隣接電極パッド３，３間のショート不良を生じることは少ない。
【０００７】
ところが、近年の小型化・高機能化に伴って中間基板２に実装される回路素子の数および個々の回路素子の電極数が増加し、中間基板２の周辺に設けられた層間接続用の電極パッド３の数も増えるの対して、電極パッド３数の増加に伴う中間基板２の面積増大を抑制するために、電極パッド３の面積および隣接電極パッド３，３間ピッチが小さくなる傾向にある。そのために、積層された２枚の中間基板２，２間において、互いに対向する電極パッド３，３を接続する半田バンプの高さが低くなり、半導体チップ１の厚み以上の十分な実装高さを積層中間基板２，２間に確保することができなくなる。さらに、上記中間基板の表裏両面に回路素子を実装したモジュール基板を積層して層間接続を行う場合には、実装高さを確保することがより一層困難になる。
【０００８】
このような問題を解決するために、金属コアを内装する半田バンプを垂直方向に２段重ねした部品の接続構造が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この部品の接続構造は、図４に示すような構造を有している。すなわち、図４において、１１はマルチチップモジュール、１２は接続構造、１３はマザーボード、１４はパッケージ基板、１５は電子部品、１６ａはパッケージ基板１４上に配置された電極パッド、１６ｂはマザーボード１３上に配置された電極パッド、１７は半田層、１８ａおよび１８ｂは金属ボールである。
【０００９】
上記接続構造１２は、上記パッケージ基板１４上の電極パッド１６ａとマザーボード１３上の電極パッド１６ｂとの間に垂直方向に重ね合わせて配置された２個の金属ボール１８ａ，１８ｂを、低融点の半田層１７で覆って構成されている。こうして、上側に位置するパッケージ基板１４上の電極パッド１６ａと下側に位置するマザーボード１３上の電極パッド１６ｂとの間を、機械的・電気的に接続している。
【００１０】
【特許文献１】
特開平８‐１７９７２号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の特許文献１に開示された部品の接続構造には、以下のような問題がある。すなわち、図４に示す接続構造１２は、電極パッド１６ａに形成された金属ボール１８ａを内装する上段の半田バンプと、電極パッド１６ｂに形成された金属ボール１８ｂを内装する下段の半田バンプとを、互いに対向させてリフロー処理を行って両半田バンプの半田層１７，１７を再溶融させることによって形成される。
【００１２】
ところが、上記半田層１７を再溶融させた場合に、複数の接続構造１２において、総ての金属ボール１８ａ，１８ｂが垂直方向に一直線上に並ぶとは限らない。そして、垂直方向に一直線上に並ばない金属ボール１８ａ，１８ｂが存在する場合には、パッケージ基板１４に荷重を掛けると、溶融した半田層１７の中において上記垂直方向に一直線上に並んでいない金属ボール１８ａ，１８ｂ相互の位置関係が大きく崩れ、上段に位置すべき金属ボール１８ａが電極パッド１６ａから脱落する場合が生ずる。
【００１３】
その場合には、被接続電極パッド１６ａ，１６ｂ間のオープン不良や隣接電極パッド間のショート不良を引き起こす要因となる。
【００１４】
そこで、この発明の目的は、垂直方向に重ね合わせた半田バンプをリフローして積層基板間を接続するに際して、リフロー時に上段の半田バンプが脱落することを防止できる半導体モジュールの積層基板間接続構造を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、この発明は、半導体回路素子が表面実装されると共に表面に半田バンプが形成された２以上の基板を，互いの半田バンプを略垂直方向に重ね合わせて融着することによって，積層してなる半導体モジュールの積層基板間接続構造であって、上記半田バンプは核とこの核よりも低融点の半田層とで構成されており、上記融着の際に上側に位置する半田バンプを構成する半田層の融点が下側に位置する半田バンプを構成する半田層の融点よりも高くなっている。
【００１６】
上記構成によれば、上記２以上の基板における互いの半田バンプを略垂直方向に重ね合わせて融着して、上記２以上の基板が積層されてなる半導体モジュールを形成する際に、上記融着の温度を、下側に位置する半田層の融点以上で且つ上側に位置する半田層の融点未満とすることによって、上記融着の際に、上側に位置する半田バンプを構成する半田層が溶融して上側の半田バンプが脱落することが防止される。
【００１７】
こうして、被接続電極パッド間のオープン不良や隣接電極パッド間のショート不良の発生が防止される。さらに、上記層間接続後において上側の半田バンプの核と下側の半田バンプの核とを垂直方向に一直線上に重ねることができ、十分な実装高さ（積層された上記基板の間隔）が確保される。
【００１８】
また、１実施例の半導体モジュールの積層基板間接続構造では、上記融着の際に上側に位置する半田バンプを構成する半田層の融点は２２０℃以上である。
【００１９】
この実施例によれば、上側に位置する半田バンプを構成する半田層の融点を２２０℃以上と高めに設定しているので、下側に位置する半田バンプを構成する半田層の融点の選択範囲が広められる。さらに、下側に位置する半田バンプを構成する半田層の融点を低めに設定すれば両半田層の融点差が大きくなり、上記２以上の基板における互いの半田バンプを重ね合わせて融着する際におけるリフロー炉内の温度分布の影響が排除される。こうして、上側に位置する半田層を溶融させることなく、下側に位置する半田層のみが確実に溶融される。
【００２０】
また、１実施例の半導体モジュールの積層基板間接続構造では、上記融着の際に下側に位置する半田バンプを構成する半田層の融点は１８５℃以下である。
【００２１】
この実施例によれば、下側に位置する半田バンプを構成する半田層の融点を１８５℃以下と低めに設定しているので、上側に位置する半田バンプを構成する半田層の融点の選択範囲が広められる。さらに、上側に位置する半田バンプを構成する半田層の融点を高めに設定すれば両半田層の融点差が大きくなり、上記リフロー炉内の温度分布の影響が排除されて下側に位置する半田層のみが確実に溶融される。
【００２２】
また、１実施例の半導体モジュールの積層基板間接続構造では、上記融着の際に上側に位置する半田バンプを構成する半田層の融点は２２１℃であり、上記核は銅およびニッケルの何れか一方でなる金属ボールであり、上記融着の際に下側に位置する半田バンプを構成する半田層の融点は１８３℃であり、上記核はジビニルベンゼン架橋共重合体でなる樹脂系ボールである。
【００２３】
この実施例によれば、上側・下側に位置する両半田バンプ共、核の融点は半田層の融点よりも高い。したがって、上記基板の表面に両半田バンプを形成する際に半田層を溶融しても核に対しては熱的影響が無く、上記融着の際に実装高さを確保すると言う上記核の機能が消滅することはない。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。図１は、本実施の形態の半導体モジュールの積層基板間接続構造を示す断面拡大図である。図１において、２１は半導体チップ、２２ａ，２２ｂは層間接続用電極パッド、２３はソルダーレジスト、２４は中間基板、２５，２６は半田バンプである。
【００２５】
上記中間基板２４の表裏両面には、複数の半導体チップ２１がフリップチップ実装されている。その際に、半導体チップ２１の電極（図示せず）と中間基板２４の電極（図示せず）とが電気的に接続されると共に、半導体チップ２１と中間基板２４との隙間にはアンダーフィル材（図示せず）が注入されて半導体チップ２１が中間基板２４に強固に固着されている。また、中間基板２４の表裏両面における周辺部には層間接続用電極パッド２２ａ，２２ｂが形成されて、配線パターン（図示せず）によって同一中間基板２４に実装されている半導体チップ２１と電気的に接続されている。
【００２６】
さらに、上記中間基板２４の上面に設けられた層間接続用電極パッド２２ａ上には半田バンプ２５が形成されており、中間基板２４の下面に設けられた層間接続用電極パッド２２ｂ上には半田バンプ２６が形成されている。
【００２７】
上述のように構成された２つの中間基板２４，２４は、下側の中間基板２４における層間接続用電極パッド２２ａと上側の中間基板２４における層間接続用電極パッド２２ｂとが、互いに対向するように位置合わせして積層されている。そして、層間接続は、層間接続用電極パッド２２ｂ上に形成された半田バンプ２６と層間接続用電極パッド２２ａ上に形成された半田バンプ２５とを垂直方向に重ね合わせて接続することによって行われている。
【００２８】
上記半田バンプ２６は、核として金属ボール２７を有しており、その周りを半田層２８で被覆して構成されている。尚、金属ボール２７として、半田層２８よりも融点が高くて半田に対して濡れ性が良好な銅またはニッケルを用いている。これに対して、半田バンプ２５は、核として樹脂系ボール２９を有しており、その周りを半田層３０で被覆して構成されている。尚、樹脂系ボール２９として、半田層３０の融点であっても高耐熱性を有する材料（例えば、ジビニルベンゼン架橋共重合体）を用いている。尚、半田層２８，３０の材料としては、半田層２８の融点が半田層３０の融点よりも高くなるような材料が用いられている。その場合、リフロー炉内の温度分布の影響を考慮して、半田層２８と半田層３０との融点の差が大きい材料を選択することが好ましい。
【００２９】
以下、上記構成を有する半導体モジュールの積層基板間接続構造の形成方法について説明する。図２は、上記半導体モジュールの積層基板間接続構造の形成方法における一例を示す工程図である。先ず、複数の半導体チップ２１がフリップチップ実装された中間基板２４を用意する。そして、図２（ａ）に示すように、基板積層時に下側になる面を上側に向けて、層間接続用電極パッド２２ｂにフラックスを塗布して半田ボール２６’を搭載する。この半田ボール２６’は、核に銅またはニッケルから成る金属ボール２７を有し、その周りを融点が２２１℃の半田層２８で被覆して構成されている。
【００３０】
次に、この状態において、融点が２２１℃である半田層２８が溶融する条件でリフロー処理を行う。そうすると、金属ボール２７の周りを球状に被覆していた半田層２８が溶融して下側に向って流れ出し、金属ボール２７と層間接続用電極パッド２２ｂとの間を埋める。こうして、層間接続用電極パッド２２ｂ上に電気的・機械的に接続された半田バンプ２６（図１参照）が形成されるのである。その際に、半田濡れ性の悪いソルダーレジスト２３が層間接続用電極パッド２２ｂの周辺に設けられているので、流れ出した半田は層間接続用電極パッド２２ｂによってせき止められる。したがって、溶融した半田が隣接した層間接続用電極パッドまで広がってショートすることが防止される。
【００３１】
次に、図２（ｂ）に示すように、上記層間接続用電極パッド２２ａが上面になるように中間基板２４が裏返される。そして、層間接続用電極パッド２２ａにフラックスを塗布して半田ボール２５’を搭載する。この半田ボール２５’は、核に樹脂系ボール２９を有し、その周りを融点が１８３℃の半田層３０で被覆して構成されている。この状態で、半田層３０が溶融して半田バンプ２６の半田層２８が溶融しない温度、つまり１８３℃以上で且つ２２１℃未満の温度条件で、リフロー処理を行うことによって、層間接続用電極パッド２２ａ上に電気的・機械的に接続された半田バンプ２５（図１参照）が形成される。
【００３２】
この場合にも、上記半田バンプ２６の場合と同様に、ソルダーレジスト２３の効果によって、溶融した半田が隣接した層間接続用電極パッドまで広がってショートすることが防止される。また、この場合のリフロー条件は、半田バンプ２６の半田層２８における融点以下に設定されている。したがって、半田バンプ２６の半田層２８が再溶融して、半田バンプ２６が層間接続用電極パッド２２ｂから脱落することを防止できる。
【００３３】
次に、図２（ｃ）に示すように、図２（ｂ）に示すごとく表裏に半田バンプ２５，２６が形成された状態の２枚の中間基板２４を半田バンプ２６側を下にして基板の厚さ方向に積層し、下側に位置する中間基板２４の層間接続用電極パッド２２ａと上側に位置する中間基板２４の層間接続用電極パッド２２ｂとが重なり合うように位置合せを行い、半田バンプ２６と半田バンプ２５とが重なって垂直方向に一直線上に並ぶようにする。この場合における位置合せは、例えば、各中間基板２４に設けた貫通穴に位置決めピンを挿通することによって行うようにすればよい。尚、重なっている半田バンプ２６と半田バンプ２５との間に、フラックスを塗布しても構わない。
【００３４】
次に、上記半田バンプ２５の半田層３０が再溶融する一方、半田バンプ２６の半田層２８が再溶融しない温度、つまり１８３℃以上で且つ２２１℃未満の温度条件で、リフロー処理を行うことによって、半田層３０が再溶融される。その際における上記リフロー条件は、半田バンプ２６の半田層２８の融点未満に設定されている。したがって、半田バンプ２６の半田層２８が再溶融して、半田バンプ２６が層間接続用電極パッド２２ｂから脱落することを防止できる。
【００３５】
そうした後、上記再溶融した半田バンプ２５の半田層３０が、表面張力と半田バンプ２６の半田層２８への濡れ性とによって、図１に示すように半田層２８の表面に沿って上昇して行き、半田バンプ２６と半田バンプ２５とが機械的・電気的に接続されるのである。
【００３６】
以上のごとく、本実施の形態においては、表裏両面に複数の半導体チップ２１がフリップチップ実装された中間基板２４の表裏両面の周辺部に、層間接続用電極パッド２２ａ，２２ｂを形成する。そして、層間接続用電極パッド２２ａ上には樹脂系ボール２９の周囲を半田層３０で被覆した半田バンプ２５を形成し、層間接続用電極パッド２２ｂ上には金属ボール２７の周囲を融点が半田層３０よりも高い半田層２８で被覆した半田バンプ２６を形成する。
【００３７】
そして、一方の中間基板２４の半田バンプ２５と他方の中間基板２４の半田バンプ２６とを重ねて位置合せを行い、リフロー処理によって半田バンプ２５と半田バンプ２６とを溶融接続して、一方の中間基板２４の層間接続用電極パッド２２ａと他方の中間基板２４の層間接続用電極パッド２２ｂとを機械的・電気的に接続する。
【００３８】
その際に、融点が低い半田層３０を有する半田バンプ２５を下側とし、リフロー温度条件を下側の半田層３０が溶融する一方上側の半田層２８が溶融しない温度としている。したがって、半田バンプ２６の半田層２８が溶融して、上側の半田バンプ２６が層間接続用電極パッド２２ｂから脱落することを防止できる。
【００３９】
すなわち、この実施の形態によれば、被接続電極パッド２２ａ，２２ｂ間のオープン不良や隣接電極パッド間のショート不良の発生が効果的に防止される。さらに、半田バンプ２５内には樹脂系ボール２９を設ける一方、半田バンプ２６内には金属ボール２７を設け、層間接続後において金属ボール２７と樹脂系ボール２９とを垂直方向に一直線上に重ねることができる。したがって、表裏両面に複数の半導体チップ２１が実装された中間基板２４を積層して層間接続する場合であっても、比較的小さい半田バンプを用いて十分な実装高さを確保することができる。
【００４０】
以上のごとく、この実施の形態によれば、電極パッドの狭ピッチ化に適し、接続の信頼性に優れた半導体モジュールの積層基板間接続構造を提供することができるのである。
【００４１】
尚、上記実施の形態においては、上記半田バンプ２５には樹脂系ボール２９を内装し、半田バンプ２６には金属ボール２７を内装している。しかしながら、この発明はこれに限定されるものではなく、両半田バンプ２５，２６に内装するボール状の核は、金属ボールおよび樹脂ボールの何れであっても差し支えない。
【００４２】
また、上記実施の形態においては、上記中間基板２４の表裏両面に半導体チップ２１を実装しているが、表面および裏面の何れか一方のみに形成しても一向に差し支えない。また、上記実施の形態においては、上記中間基板２４の表裏両面に層間接続用電極パッド２２ａ，２２ｂを形成しているが、２枚の中間基板２４のみを積層する場合には、片面にのみ層間接続用電極パッド２２を形成しても構わない。
【００４３】
【発明の効果】
以上より明らかなように、この発明の半導体モジュールの積層基板間接続構造は、表面に半田バンプが形成された２以上の基板を、互いの半田バンプを略垂直方向に重ね合わせて融着することによって積層して形成された半導体モジュールにおいて、上記半田バンプを核とこの核よりも低融点の半田層とで構成すると共に、上記融着の際に上側に位置する半田バンプを構成する半田層の融点を下側に位置する半田バンプを構成する半田層の融点よりも高くしたので、上記融着の温度を、下側に位置する半田層の融点以上で且つ上側に位置する半田層の融点未満とすることによって、上記融着の際に、上側に位置する半田バンプを構成する半田層が溶融して上側の半田バンプが脱落することを防止できる。
【００４４】
したがって、被接続電極パッド間のオープン不良や隣接電極パッド間のショート不良の発生を防止することができる。また、上記層間接続後において上側の半田バンプの核と下側の半田バンプの核とを垂直方向に一直線上に重ねることができ、半導体回路素子が上記基板の表裏に実装されていても十分な実装高さ（積層された上記基板の間隔）を確保することができる。
【００４５】
すなわち、この発明によれば、電極パッドの狭ピッチ化に適し、接続の信頼性に優れた半導体モジュールの積層基板間接続構造を提供することができるのである。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の半導体モジュールの積層基板間接続構造における断面図である。
【図２】図１に示す積層基板間接続構造の形成方法を示す工程図である。
【図３】従来の半導体モジュールの積層基板間接続構造における断面図である。
【図４】図３とは異なる従来の半導体モジュールの積層基板間接続構造における断面図である。
【符号の説明】
２１…半導体チップ、
２２ａ，２２ｂ…層間接続用電極パッド、
２３…ソルダーレジスト、
２４…中間基板、
２５，２６…半田バンプ、
２７…金属ボール、
２８，３０…半田層、
２９…樹脂系ボール。
【図１】
2005005358.tif 000003
【図２】
2005005358.tif 000004
【図３】
2005005358.tif 000005
【図４】
2005005358.tif 000006