(57)【要約】【課題】アンダーバンプメタルでの電流密度集中によるエレクトロマイグレーションを抑制し、信頼性の高いはんだバンプ電極構造を提供する。【解決手段】素子基板２２上に形成された端子２３と、端子２３の一部を露出させる開口２５を形成した保護膜２４と、開口部２５内において端子２３を覆い、かつ保護膜２４上に周縁部を位置させた状態で形成されたアンダーバンプメタル２６と、アンダーバンプメタル２６上に形成されたはんだバンプ２７とを備える、はんだバンプ電極構造２１において、保護膜２４の開口部２５を規定する端縁部がスロープ２９を形成していて、このスロープ２９の角度θは、好ましくは、３０度以上かつ９０度未満とされ、より好ましくは、５０度以上かつ６０度以下とされる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
素子基板上に形成された端子と、
前記端子の一部を露出させる開口部を形成した状態で前記端子上に形成された保護膜と、
前記開口部内において前記端子を覆い、かつ前記保護膜上に周縁部を位置させた状態で形成されたアンダーバンプメタルと、
前記アンダーバンプメタル上に形成されたはんだバンプと
を備え、
前記保護膜の前記開口部を規定する端縁部が、前記保護膜が形成されている前記端子の主面に対して、スロープを形成している、
はんだバンプ電極構造。
【請求項２】
前記スロープは、前記端子の主面に垂直な方向に対して３０度以上かつ９０度未満の角度をもって傾斜している、請求項１に記載のはんだバンプ電極構造。
【請求項３】
前記スロープは、前記端子の主面に垂直な方向に対して５０度以上かつ６０度以下の角度をもって傾斜している、請求項１に記載のはんだバンプ電極構造。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載のはんだバンプ電極構造を備えるはんだバンプ付き電子部品素子が実装された、電子部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、はんだバンプ電極構造およびそれを備える電子部品に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体ＩＣやＳＡＷフィルタなどのデバイスにおいて、フリップチップ実装（フェースダウンボンディング）を可能とするために、パッド状の端子の上にはんだバンプを設けたはんだバンプ電極構造がしばしば採用されている。
【０００３】
この発明にとって興味あるはんだバンプ電極構造がたとえば特開平９−２１３７００号公報（特許文献１）に記載されている。図４には、この特許文献１に記載されたはんだバンプ電極構造１が示されている。
【０００４】
図４に示したはんだバンプ電極構造１は、半導体ＩＣの一部をなすもので、半導体からなる素子基板２上に形成されたパッド状の端子３と、端子３の一部を露出させる開口部４を形成した状態で端子３上に形成された電気絶縁性材料からなる保護膜５とを備えている。また、開口部４内において端子３を覆い、かつ保護膜５上に周縁部を位置させた状態でアンダーバンプメタル６が形成される。そして、アンダーバンプメタル６上に、はんだバンプ７が形成される。なお、上述のアンダーバンプメタル６は、特許文献１では、端子３に含まれる金属の拡散に対してバリア効果を有する下側金属膜とはんだバンプ７および下側金属膜の双方に対する濡れ性の良好な上側金属膜とからなる複合膜で構成されている。
【０００５】
図５には、図４の円８で囲んだ部分が拡大されて示されている。
【０００６】
図５に示すように、保護膜５の開口部４を規定する端縁部は、端子３の主面９に対してほぼ垂直方向に延びている。そのため、保護膜５の開口部４を規定する端縁部と保護膜５の主面１０とは、ほぼ９０度で交わるエッジ１１を形成し、この形状に相関する形状が、保護膜５上に形成されるアンダーバンプメタル６にも与えられる。
【０００７】
上述のような形態を有するアンダーバンプメタル６に電流が流されると、エッジ１１の近傍といった急な角度で折れ曲がった箇所では、電流密度が他の箇所より高くなり、この電流密度の集中によって、エレクトロマイグレーションが発生しやすくなる。特にパワーデバイスのような高温下で大電流を通電する場合には、エレクトロマイグレーションの発生がより顕著になる。
【０００８】
エレクトロマイグレーションとは、通電部断面積が小さい導体に通電した場合に、導体中の金属イオンが通電電子の衝突のために移動することによって、より生じやすくなるもので、ボイド（空孔）やヒロック（結晶が成長してできる山またはこぶ）を引き起こし、断線不良の原因となる。この通電部断面積に注目したとき、はんだバンプ電極構造１おいては、実装状態にあるとき、アンダーバンプメタル６の、保護膜５の開口部４内に位置する部分が断面積の最も小さい部分となる。このことも、電流密度の上昇をもたらし、エレクトロマイグレーションをより生じやすくしている。
【特許文献１】特開平９−２１３７００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
そこで、この発明の目的は、上述のようなエレクトロマイグレーション発生の原因となる電流密度の集中を緩和し、それによって信頼性が高められたはんだバンプ電極構造を提供しようとすることである。
【００１０】
この発明の他の目的は、上述のはんだバンプ電極構造を用いて構成された電子部品を提供しようとすることである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この発明は、素子基板上に形成された端子と、端子の一部を露出させる開口部を形成した状態で端子上に形成された保護膜と開口部内において端子を覆い、かつ保護膜上に周縁部を位置させた状態で形成されたアンダーバンプメタルと、アンダーバンプメタル上に形成されたはんだバンプとを備える、はんだバンプ電極構造にまず向けられるものであって、上述した技術的課題を解決するため、保護膜の開口部を規定する端縁部が、保護膜が形成されている端子の主面に対して、スロープを形成していることを特徴としている。
【００１２】
上記スロープは、端子の主面に垂直な方向に対して３０度以上かつ９０度未満の角度をもって傾斜していることが好ましく、５０度以上かつ６０度以下の角度をもって傾斜していることがより好ましい。
【００１３】
この発明は、また、上述のこの発明に係るはんだバンプ電極構造を備えるはんだバンプ付き電子部品素子が実装された、電子部品にも向けられる。
【発明の効果】
【００１４】
エレクトロマイグレーションの発生は通電電流密度に依存する。この発明に係るはんだバンプ電極構造において、通電部断面積が最も小さくなるのは、アンダーバンプメタルの保護膜の開口部内に位置する部分であり、この箇所において、通電電流密度が他の箇所に比べて高くなり、エレクトロマイグレーションが生じやすい。また、アンダーバンプメタル内での電流密度を見たとき、前述したように、保護膜の開口部を規定する端縁部と保護膜の主面とが交わるエッジの近傍において、電流密度がより高くなる。
【００１５】
このような状況の下、本件発明者は、保護膜の開口部を規定する端縁部の、保護膜の形成されている端子の主面に対する角度を変えることにより、上述のエッジの近傍における電流密度分布が変化することを見出した。すなわち、保護膜の開口部を規定する端縁部が、保護膜が形成されている端子の主面に対して、スロープを形成していると、上述のエッジの近傍での電流集中が緩和されることを見出した。
【００１６】
したがって、この発明によれば、上述のように、保護膜の開口部を規定する端縁部が、保護膜が形成されている端子の主面に対して、スロープを形成しているので、上述のエッジの近傍での電流集中が緩和され、電流集中による通電電流密度の増加が抑制され、そのため、耐エレクトロマイグレーション性が向上する。その結果、この発明に係るはんだバンプ電極構造を備えるはんだバンプ付き電子部品素子が実装された電子部品によれば、その通電時の信頼性を向上させることができる。
【００１７】
この発明に係るはんだバンプ電極構造において、スロープが、端子の主面に垂直な方向に対して３０度以上かつ９０度未満をもって傾斜していると、上述の電流集中緩和の効果をより確実に得ることができる。
【００１８】
また、スロープが、端子の主面に垂直な方向に対して５０度以上の角度をもって傾斜していると、電流集中緩和の効果が一層確実に発揮される。なお、スロープの角度が６０度を越えて、大きくなればなるほど、保護膜の開口部を規定する端縁部付近の厚みをより薄くしなければならず、製造上の困難性をもたらすことになる。そのため、スロープが、端子の主面に垂直な方向に対して６０度以下の角度をもって傾斜していると、６０度を超える角度をもって傾斜している場合に比べて、保護膜の形成をより容易なものとすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
図１は、この発明の一実施形態によるはんだバンプ電極構造２１の断面構造を示す正面図である。
【００２０】
はんだバンプ電極構造２１は、たとえばＳｉやＧａＡｓなどからなる半導体ウエハをもって構成された素子基板２２上に形成された、パッド状の端子２３を備えている。端子２３は、たとえばＡｕを主成分としている。
【００２１】
また、保護膜２４が、端子２３の一部を露出させる開口部２５を形成した状態で端子２３上に形成されている。保護膜２４は、たとえば、厚さ０．５μｍのＳｉＮｘ、ＳｉＯＮまたはＳｉＯ２のような電気絶縁性材料からなる膜をもって構成される。開口部２５は、たとえば直径５０μｍ程度の大きさを有し、上述の保護膜２４の、端子２３上に位置する部分をエッチングすることによって形成される。
【００２２】
また、上述の開口部２５内において端子２３を覆い、かつ保護膜２４上に周縁部を位置させた状態で、アンダーバンプメタル２６が形成される。アンダーバンプメタル２６は、たとえば、厚さ５μｍ程度であり、蒸着またはめっきによって形成される。また、アンダーバンプメタル２６は、好ましくは積層構造を有していて、たとえば、端子２３側から、Ｔｉ層、Ｎｉ層、Ｃｕ層およびＡｕ層を積層した構造を有している。
【００２３】
上述したアンダーバンプメタル２６上には、ほぼ球状のはんだバンプ２７が形成されている。はんだバンプ２７は、たとえば、Ｓｎを主成分とするはんだからなり、直径１００μｍ程度の寸法を有している。また、はんだバンプ２７は、たとえば、ソルダペースト法、めっき法または蒸着法によって形成される。
【００２４】
このような構造のはんだバンプ電極構造２１において、保護膜２４の開口部２５を規定する端縁部が、保護膜２４が形成されている端子２３の主面２８に対して、スロープ２９を形成していることを特徴としている。このようなスロープ２９を形成するため、たとえば、ドライエッチングにより開口部２５を形成した後、ウエットエッチングによりスロープ２９を形成する方法を採用することができる。
【００２５】
上述したスロープ２９の、端子２３の主面２８に垂直な方向に対する角度θは、以下に説明するように、３０度以上かつ９０度未満であることが好ましい。
【００２６】
図２は、有限要素法を用いて、各スロープごとでの電流密度分布を解析し、ある１点での電流密度変化をグラフ化したものであり、上記角度θと電流密度との関係を示している。図２に示した電流密度は、保護膜２４の開口部２５を規定する端縁部と保護膜２４の主面３０とが交わるエッジ３１の近傍でのアンダーバンプメタル２６の通電電流密度を表しており、上述のスロープ２９の角度θが０度のときの値を基準とした百分率で示されている。
【００２７】
図２からわかるように、スロープ２９の角度θが３０度以上の場合に、電流密度の十分な低下の効果が得られている。なお、角度θが３０度以上であれば、電流密度は概ね一定である。また、図２からわかるように、スロープ２９の角度θが５０度以上となれば、電流密度の低下の効果が一層確実に得られている。なお、角度θが６０度越えても、低い電流密度を維持しているが、このように角度θを大きくするほど、保護膜２４の開口部２５を規定する端縁部付近の厚みを限りなく薄くしなければならず、製造上の困難性をもたらすことになる。そのため、角度θは６０度以下であることがより好ましい。
【００２８】
このように、スロープ２９の角度θがたとえば３０度以上かつ９０度未満とされることにより、アンダーバンプメタル２６のエッジ３１近傍での電流密度の集中が緩和され、そのため、エレクトロマイグレーションが抑制され、通電時の信頼性が向上する。
【００２９】
一例として、図１に示すようなはんだバンプ電極構造２１を備えるはんだバンプ付き半導体ＩＣにおいて、保護膜２４の開口部２５の直径を５２μｍとしながら、スロープ２９の角度θを１０度および６０度にそれぞれ設定した各試料について、環境温度１５０℃の下で０．２Ａの電流を通電した際のＭＴＴＦ（平均故障寿命）を評価したところ、角度θが１０度の試料では２．８×１０８時間であったのに対し、角度θが６０度の試料では７．５×１０１５時間というように、１０７倍以上の信頼性向上が認められた。
【００３０】
図３には、以上説明したはんだバンプ電極構造２１を備えるはんだバンプ付き電子部品素子３４が実装された、電子部品３５が示されている。このはんだバンプ付き電子部品素子３４としては、上記の評価においては、具体的にはＳｉ系半導体素子を用いたが、それに限定されるものではなく、たとえばＧａＡｓ半導体素子やタンタル酸リチウム圧電素子やニオブ酸リチウム圧電素子であってもよい。電子部品３５は、電子部品素子３４を実装するための、ガラスエポキシ基板等の樹脂基板あるいはセラミック基板等からなる実装基板３６を備え、実装基板３６には、導電ランド３７が形成されている。電子部品素子３４は、そのはんだバンプ電極構造２１を構成している側を実装基板３６側に向けた状態で、はんだバンプ２７がランド３７に対向するように搭載され、その状態でリフロー法などが適用されることによって、はんだバンプ２７が導電ランド３７に接合された状態となる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】この発明の一実施形態によるはんだバンプ電極構造２１の断面構造を示す正面図である。
【図２】図１に示した保護膜２４の開口部２５を規定する端縁部が与えるスロープ２９の角度θとアンダーバンプメタル２６のエッジ３１近傍での電流密度との関係を示す図である。
【図３】図１に示したはんだバンプ電極構造２１を備えるはんだバンプ付き電子部品素子３４が実装された、電子部品３５の一部の断面構造を示す正面図である。
【図４】この発明にとって興味ある従来のはんだバンプ電極構造１の断面構造を示す正面図である。
【図５】図４の円８で囲まれた部分を示す拡大図である。
【符号の説明】
【００３２】
２１  はんだバンプ電極構造
２２  素子基板
２３  端子
２４  保護膜
２５  開口部
２６  アンダーバンプメタル
２７  はんだバンプ
２８  端子の主面
２９  スロープ
３４  はんだバンプ付き電子部品素子
３５  電子部品
【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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