(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回路素子が形成され周囲に外部と接続用の電極パッドが形成される半導体チップと、一面側に、前記半導体チップの電極パッドと接続される部分に一端部を有し、他端部が中央部側に導かれる配線が形成され、他面側に、該配線の他端部と接続して外部接続端子が形成される絶縁性基板とからなり、前記半導体チップの電極パッド上にＡｕからなるバンプが形成され、前記配線がＣｕ膜と表面に形成されるＡｕ膜とからなり、前記バンプの表面または前記配線の接続部のみにスポット的に設けられる０.５〜３μｍ厚のＳｎ被膜により、前記バンプと前記絶縁性基板の配線の一端部とが、Ａｕ-Ｓｎ合金層を介して接合されると共に、該接合される部分の面積の半分以上はＡｕが６５ｗｔ％以上のＡｕ-Ｓｎ合金層となるよう接合され、前記絶縁性基板の前記半導体チップが設けられた側のほぼ全面に、前記半導体チップを完全に被覆するように樹脂が設けられることによりパッケージが形成されてなる半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体チップとその半導体チップの周囲に設けられる電極パッドを半導体チップの面積内に分散させる絶縁性基板とが接続された半導体装置に関する。さらに詳しくは、半導体チップの温度をあまり上げないで、また、強い圧力で押し付けなくても、しかも隣接する電極パッド同士をショートさせないで確実に接続することができる構造の半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ＩＣやＬＳＩのような半導体チップは、半導体層内に回路素子を回路が形成されるように形成し、外部回路と接続用の電極端子を半導体チップ周囲に電極パッドとして引き出し、ワイヤボンディングなどにより外部リードと接続できるようにすることにより形成されている。最近では、電子部品の小形化、組立の省力化などの点からワイヤボンディングを使用しないで、電極パッドにバンプを形成し、バンプを直接相手の端子またはリードなどと接続する構造が採られてきている。しかし、半導体チップの高集積化、複雑化に伴い、電極パッドの数が非常に増え、その間隙も非常に狭くなってきており、直接バンプや接着剤などにより接続しようとすると、隣接する電極パッド同士がショートしたり、接着時の温度上昇や圧力などにより、半導体チップに形成された素子に悪影響を及ぼすという問題がある。
【０００３】
一方、半導体チップを実装する場合、半導体チップの電極パッドが形成された外周部より中心側は空き空間になっている。そのため、その空き空間を有効に利用すべく、図３に示されるように、ポリイミドなどからなる絶縁性フィルム（基板）２の一方の面に半導体チップ１の電極パッド１１上のバンプ１２と位置合せした配線２１を形成し、絶縁性フィルム２の他方の面にその配線２１と接続して面内の全体に分散してハンダボール２２を形成するチップサイズパッケージ（ＣＳＰ）と呼ばれる半導体装置が実用化されてきている。
【０００４】
この半導体チップ１と絶縁性フィルム２との接続は、たとえば異方導電性接着剤（ＡＣＦ）８を絶縁性フィルム２の配線２１上に塗布し、半導体チップ１を押し付けることにより、バンプ１２により出っ張っている部分では、異方導電性樹脂８が横側に押し出され、バンプ１２部分では、配線２１との間に導電性粒子８１を挟み込み、導電性粒子８１を介して、バンプ１２と配線２１とを電気的に接続する。一方、横方向に関しては、導電性粒子８１と接着剤とが混ざった状態であるため、導電性は遮断され接続しない。そのため、狭い間隔の電極端子でも、隣接する電極端子同士をショートさせることなく、対向する配線との間のみで接続することができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前述のような半導体チップと絶縁性フィルムとを接続するＣＳＰタイプの半導体装置では、両者の接続が異方導電性接着剤により接着することにより行われれている。しかし、異方導電性接着剤による接着では、接着時に１バンプ当り２０〜５０ｇ程度の圧力で圧接しながら、２０秒程度の長時間加熱しなければならない。両者の接着時にこのような圧力を長時間印加すると、生産性が低下すると共に、電極パッド下の半導体層に直接その圧力が加わり、その半導体層に形成された回路素子（半導体素子）に異常を来すという問題もある。そのため、その電極パッドの下や周辺には素子を形成することができず、軽薄短小化で、高集積化される半導体チップという要請に応えられないという問題がある。
【０００６】
本発明はこのような状況に鑑みてなされたもので、ＣＳＰタイプの半導体装置において、半導体チップと絶縁性基板との接続時に、長時間大きな圧力を印加することなく接続することにより、生産性が向上し、かつ、電極パッドの下やその近傍まで回路素子を形成することができ、高集積化し得る構造の半導体装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明による半導体装置は、回路素子が形成され周囲に外部と接続用の電極パッドが形成される半導体チップと、一面側に、前記半導体チップの電極パッドと接続される部分に一端部を有し、他端部が中央部側に導かれる配線が形成され、他面側に、該配線の他端部と接続して外部接続端子が形成される絶縁性基板とからなり、前記半導体チップの電極パッド上にＡｕからなるバンプが形成され、前記配線がＣｕ膜と表面に形成されるＡｕ膜とからなり、前記バンプの表面または前記配線の接続部のみにスポット的に設けられる０.５〜３μｍ厚のＳｎ被膜により、前記バンプと前記絶縁性基板の配線の一端部とが、Ａｕ-Ｓｎ合金層を介して接合されると共に、該接合される部分の面積の半分以上はＡｕが６５ｗｔ％以上のＡｕ-Ｓｎ合金層となるよう接合され、前記絶縁性基板の前記半導体チップが設けられた側のほぼ全面に、前記半導体チップを完全に被覆するように樹脂が設けられることによりパッケージが形成されている。
【０００８】
ここに回路素子とは、トランジスタ、ダイオード、キャパシタなどの半導体層や層間絶縁膜の間などに形成される集積回路を構成する半導体素子などの素子を意味する。また、絶縁性基板とは、撓みにくいハードな基板の他、ポリイミドなどの可撓性フィルムも含む意味である。
【０００９】
この構造にすることにより、半導体チップと絶縁性基板との接続が２８０〜３００℃程度の温度に上昇するだけで、Ｓｎが溶融しＡｕが拡散するため、Ａｕ-Ｓｎ共晶合金が形成され、１秒程度、すなわち従来のＡＣＦを用いる場合の１／２０程度の時間で融着することができる。その結果、生産性が非常に向上すると共に、回路素子に影響を及ぼすような高い圧力を長時間印加する必要がなく、圧力による回路素子への悪影響は生じない。しかも接合部以外の配線などは、融点の高いＡｕなどからなっているため、実装時のハンダ付け温度などでは全く支障を来すこともない。
【００１３】
【発明の実施の形態】
つぎに、図面を参照しながら本発明の半導体装置について説明をする。本発明による半導体装置は、図１にその一実施形態である断面説明図が示されるように、半導体チップ１に、回路素子（半導体素子）が形成され、表面の周囲に外部と接続用の電極パッドが形成されている。一方、絶縁性基板２の一面側に配線２１が形成され、他面側に配線２１と接続してハンダボールなどの外部接続端子２２が形成されている。この半導体チップ１の電極パッド１１と配線２１との接続部が、Ａｕ-Ｓｎ合金層３により接合されていることに特徴がある。
【００１４】
図１に示される例では、半導体チップ１の外部と接続する電極パッド１１の表面にバンプ１２がメッキなどにより１０〜３０μｍ程度の厚さに形成されている。バンプ１２自身は、従来と同様に形成され、たとえば図１（ｂ）に接合前の接合部の部分拡大図が示されるように、Ａｌなどからなる電極端子１１上に、中間金属層１４が２層または３層構造で形成され、中間金属層１４の第１層にはＴｉまたはＣｒが、第２層にはＷ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉなどが、第３層にはＡｕなどが用いられる。そして、その上にバンプ１２が、Ａｕ、Ｃｕなどにより形成される。中間金属層１４は、バンプ１２の下地とするもので、この例に限らず、第１層をＴｉ-Ｗ合金層などで構成し、第２層にＡｕ層などを用いることができる。なお、第３層または第２層のＡｕ層は、その上に設けられるＡｕバンプとの密着性を向上させるためのもので、Ａｕバンプが設けられた後では、Ａｕ層が単独で残存するものではない。１７は絶縁膜である。この回路素子（半導体素子）や半導体基板の表面に形成される配線、電極パッド、絶縁膜などは、通常の半導体装置の製造工程と同様に形成される。
【００１５】
絶縁性基板２は、たとえばポリイミドフィルムなどの可撓性フィルムからなっているが、ポリイミドフィルムでなくても、ガラスエポキシなどからなるプリント基板やセラミック基板などの誘電体基板でもよい。半導体装置の小形化の点からも絶縁性基板２はできるだけ薄い方が好ましい。この絶縁性基板２の表面（一方の面）には、通常のフィルム基板やプリント基板と同様に、基板表面に蒸着などにより全面に設けられたＣｕ膜などをパターニングし、さらにＡｕなどを電解メッキなどにより設けることにより、Ｃｕ膜２１ａおよびＡｕ膜２１ｂからなる配線２１が形成されている。配線２１の一端部は、半導体チップ１の電極パッド１１（バンプ１２）と接続するように形成され、他端部は絶縁性基板２の中央部側に導かれ、絶縁性基板２のスルーホールを介して絶縁性基板２の裏面に形成されている外部接続端子２２に接続されている。
【００１６】
配線２１のバンプ１２との接続部には、図１（ｂ）に拡大図が示されるように、さらに無電解メッキまたはスパッタリングなどによりＳｎ被膜３ａが０.５〜３μｍ程度の厚さに設けられている。このＳｎ被膜３ａは、バンプ１２との接続部のみに設けられる。Ｓｎ被膜３ａが、配線２１の接続部のみにスポット的に設けられることにより、金属拡散を制御することができるため好ましい。一方、接合部にＳｎ被膜３ａが設けられることにより、Ａｕの融点は、１０６４℃程度（Ａｕバンプ同士の接合の場合、同一金属同士であるため、加圧しながら加熱することにより、４５０℃程度で融着する）であるのに対して、Ｓｎの融点は、２３２℃程度であり、２３０℃程度になると溶融し、Ａｕと共晶を形成して合金化し、２８０℃程度でＡｕ-Ｓｎ合金からなる合金層３がその接合面に形成されて、バンプ１２と配線２１とが溶着する。すなわち、半導体基板に形成される回路素子などに対しては支障のない低い温度でバンプ１２と配線２１とを融着させることができる。
【００１７】
合金層３は、ＡｕとＳｎとの合金化により形成され、完全な共晶合金になっておれば、Ａｕ８０ｗｔ％、Ｓｎ２０ｗｔ％となるが、接合部全体が共晶合金になっていなくても、また、均一な合金層になっていなくてもよい。本発明者の鋭意検討の結果、Ａｕが６５ｗｔ％以上の合金層が接合部（接合面積）の半分以上あれば接合力に問題はなかった。
【００１８】
この半導体チップ１と絶縁性基板２との接続は、たとえば絶縁性基板２を加熱し得る基板ステージ上に載置し、マウンターにより半導体チップ１をそのバンプ１２と配線２１の一端部に設けられているＳｎ被膜３ａとが一致するように位置合せをして、加圧しながら３００℃程度に加熱することにより、Ｓｎ被膜３ａが溶融し、バンプ１２のＡｕと共晶を形成し、合金層３を形成する。この合金層３は３００℃程度で溶融状態にあるため、バンプ１２と配線２１の一端部とは合金層３の溶融状態で接触しており、加熱を解除することにより、固化して接着する。
【００１９】
半導体チップ１と絶縁性基板２との隙間には、エポキシ樹脂またはエラストマーなどからなる絶縁性樹脂７が充填され、しっかりと固着される。このままでも半導体装置として利用され得るが、図２に示されるように、通常の半導体装置の製造と同様に、絶縁性基板２の半導体チップ１側をエポキシ樹脂などによりモールドしてパッケージ４を形成することもできる。この形状にすることにより、通常の半導体装置と同様の形状で、プリント基板などとの接続部は半導体装置の裏面全面に分散された外部接続端子２２により直接回路基板などに、ハンダ付けにより実装することができる半導体装置が得られる。なお、図２において、図１と同じ部分には同じ符号を付してその説明を省略する。
【００２０】
本発明の半導体装置によれば、半導体チップのバンプと絶縁性基板の配線との接続が、Ａｕ-Ｓｎ合金層により接着されているため、Ａｕなどの融点の高い金属材料によりバンプを形成しながら、２８０〜３００℃程度の低い温度で、しかも１秒程度と従来のＡＣＦを用いる場合の１／２０程度の短時間で接合することができる。その結果、非常に生産性が向上すると共に、合金化により接合しているため、半導体装置を回路基板などにハンダ付けする場合などに２６０℃程度に温度が上昇しても、合金層が溶けて接着部が剥れることはない。しかも３００℃程度の低温度で短時間に接着されるため、半導体基板に形成される半導体素子（回路素子）に機械的または熱的ストレスが加わることはなく、素子特性に変動を来すことは全くない。そのため、非常に信頼性の高い半導体装置が得られる。
【００２１】
一方、半導体チップのバンプおよび配線の接合部以外の部分には、Ａｕ層がそのまま残存したり、合金化してもＳｎの割合が小さく、３００℃程度に温度を上昇させて外力を加えることにより、バンプや配線の機械的強度を充分に維持しながら、接合部のみが溶融して容易に剥離することができる。すなわち、ハンダリフローの温度では、溶融する部分があっても非常に薄い層であり、外力が加わらないため分離しないが、半導体チップを取り替えたい場合などには、３００℃程度に温度を上昇させて外力を加えることにより、容易に分離することができ、半導体チップを取り替えることができる。
【００２２】
図１に示される例は、配線２１の接続部にＳｎ被膜３ａが設けられていたが、このＳｎ被膜３ａは、半導体チップ１のバンプ１２の表面に形成されていてもよい。また、Ｓｎ被膜が設けられないで、直接Ａｕ-Ｓｎ合金層がいずれかに設けられ、その合金層を利用して接合してもよい。この場合、バンプや配線の表面にＡｕ層がなく、Ｃｕ層のままでもＡｕ-Ｓｎ合金が、Ｃｕ層などに拡散して金属間結合により接合することができる。さらに、半導体チップには、バンプ１２が形成されないで、電極パッド１１の表面にＡｕメッキなどを施して、直接配線２１などと接合する構造にしてもよい。要は、その接合部をＡｕ-Ｓｎ合金で接合することにより、低い温度で接合しながら、半導体装置の実装時などのハンダリフロー温度などに対しても強力な接合を得ることができる。
【００２３】
前述の各例では、１個の絶縁性基板に１個の半導体チップをボンディングするだけの構造の半導体装置であったが、２個以上の複数個の半導体チップを１個の絶縁性基板上にボンディングする場合でも同様である。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ＣＳＰタイプの半導体装置における、半導体チップと絶縁性基板（フィルム基板）とを接合する際に、非常に短時間で接合することができるため、生産性が大幅に向上すると共に、圧力を加える必要がないため、半導体チップに形成される回路素子に影響を及ぼす虞れはなく、回路素子の信頼性を非常に向上させることができる。さらに、電極パッドの下またはその近傍まで、回路素子を形成することができ、高集積化に寄与する。
【００２５】
また、３００℃以下で分離しやすい金属層を介して接合されているため、半導体チップを取り替える場合に、温度を上げすぎて半導体チップにダメージを与えることなく、非常に簡単に取替を行うことができる。しかも、接合後の実装時などにおけるハンダリフローなどによっては、全く分離することがなく、半導体チップおよびその接合の信頼性が非常に向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による半導体装置の一実施形態を示す断面説明図および接合前の両者の部分拡大説明図である。
【図２】図１に示される半導体装置にパッケージを形成した例の断面説明図である。
【図３】従来のＣＳＰタイプの半導体装置を示す断面説明図である。
【符号の説明】
１    半導体チップ
２    絶縁性基板
３    Ａｕ-Ｓｎ合金層
３ａ  Ｓｎ被膜
１１    電極パッド
１２    バンプ
２１    配線
２２    外部接続端子
【図１】
0003947436.tif 000002
【図２】
0003947436.tif 000003
【図３】
0003947436.tif 000004