(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
配線基板上の接続パッドと半導体素子の電極端子に設けた金バンプとが接合されて成る半導体装置であって、前記金バンプは前記電極端子に接合された径大の基部と該基部上に立設され、前記接続パッドに接合された径小の突起部とを有し、前記接続パッドは前記突起部と接合された部位の幅が前記突起部の直径よりも狭いことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記接続パッドの表面に金めっき層が被着されており、該金めっき層と前記突起部とが直接接合されていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
前記接続パッドが前記突起部内に埋入していることを特徴とする請求項２記載の半導体装置。
【請求項４】
前記突起部と前記接続パッドとが半田を介して接合されていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項５】
配線基板上の接続パッドと半導体素子の電極端子に設けた金バンプとが接続されて成る半導体装置の製造方法であって、前記金バンプとして、半導体素子の電極端子に接合された径大の基部と該基部上に立設された径小の突起部とを有する金バンプを設けるとともに、前記接続パッドとして、前記突起部の直径よりも狭い幅を有する接続パッドを形成し、次に前記突起部と前記接続パッドとを接合することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記接続パッドの表面に金めっき層を被着させておくとともに、該金めっき層と前記突起部とを直接接合することを特徴とする請求項５記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記接続パッドが前記突起部内に埋入するように接合することを特徴とする請求項６記載の半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記突起部と前記接続パッドとを半田を介して接合することを特徴とする請求項５記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体装置およびその製造方法に関し、より詳細には、配線基板上の接続パッドと半導体素子の電極端子に設けた金バンプとが接合されて成る半導体装置およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、半導体装置として、フリップチップ型の半導体装置がある。フリップチップ型の半導体装置とは、配線基板上に設けた接続パッドと半導体素子の電極端子とを対向させ、これらを例えば半導体素子の電極端子に予め設けておいた金バンプを介して電気的に接続した半導体装置である。
【０００３】
図８は、従来のフリップチップ型の半導体装置の例を示す概略断面図であり、１１０は配線基板、１２０は半導体素子である。また図９は、配線基板１１０の上面図である。配線基板１１０は例えばガラスクロスに熱硬化性樹脂を含浸させて成る絶縁板１０１ａの両面に銅から成る配線導体１０２および熱硬化性樹脂から成る複数の絶縁層１０１ｂが積層されて成り、さらに最表層の絶縁層１０１ｂおよび配線導体１０２の上には配線導体１０２の一部を露出させるようにして熱硬化性樹脂から成るソルダーレジスト層１０３が被着されており、このソルダーレジスト層１０３から露出する配線導体１０２の一部が半導体素子１２０との電気的な接続を行なうための接続パッド１０７を形成している。接続パッド１０７は図９に示すように半導体素子１２０の外周部に対応する位置に並んだ長方形である。
【０００４】
半導体素子１２０は、下面に電極端子１２１を有しており、この電極端子１２１には金バンプ１２２が設けられている。そして、この金バンプ１２２と配線基板１１０の接続パッド１０７とが接合されることによってフリップチップ型の半導体装置が構成されている。なお、通常であれば、配線基板１１０の上面と半導体素子１２０との間に熱硬化性樹脂から成るアンダーフィル（不図示）が充填されている。
【０００５】
金バンプ１２２は、図１０に図８の要部拡大図で示すように、電極端子１２１に接合された径大の基部１２２ａとこの基部１２２ａに立設された径小の突起部１２２ｂとを有しており、電極端子１２１のピッチが狭い場合には、この突起部１２２ｂが配線基板１１０の接続パッド１０７に接合されている。なお、配線基板１１０の接続パッド１０７は、金バンプ１２２の突起部１２２ｂの直径と同じかそれよりも広い幅で形成されており、その表面には金めっきが施されている。そして、金バンプ１２２の突起部１２２ｂを接続パッド１０７の上面に当接させるとともに適当な熱および荷重をかけながら超音波振動を付与することにより突起部１２２ｂと接続パッド１０７とが超音波溶着されて接合される。
【０００６】
このような方法で金バンプ１２２と接続パッド１０７とを接続する場合、超音波溶着する際の温度、荷重、超音波振動の出力等を細かく制御する必要がある。しかしながら、通常、配線基板１１０には多少の反りやうねりがあり、これらの反りやうねり等に起因して接続パッド１０７の高さにばらつきが生じている。さらに、金バンプ１２２自体も通常は金ワイヤの一端を半導体素子１２０の電極端子１２１にボールボンディングした後、これを引きちぎることにより形成されており、その高さに多少のばらつきを有している。したがって、これらを超音波溶着する際の温度、荷重、超音波振動の出力等をいかに細かく制御したとしても全ての金バンプ１２２の突起部１２２ｂと配線基板１１０の接続パッド１０７とを良好に接合することは極めて困難であり、突起部１２２ｂが接続パッド１０７との摩擦で起きる塑性変形により大きく潰れて隣接する接続パッド１０７やそれに接合された金バンプ１２２に接触して電気的な短絡を引き起こしたり、突起部１２２ｂと接続パッド１０７とが十分に接合せずに両者間で剥離が発生して電気的な断線を引き起こしたりするという問題点があった。
【特許文献１】特開２００２−２４６４１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の課題は、配線基板の接続パッドと半導体素子の電極端子とが金バンプを介して良好に接続された半導体装置およびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者は、上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、配線基板の接続パッドの幅を半導体素子の電極端子に設けられた金バンプの突起部の直径よりも狭いものとすることにより、半導体素子の金バンプと配線基板の接続パッドとを超音波溶着する際の温度、荷重、超音波振動の出力等を細かく制御することなく、例え配線基板の接続パッドや半導体素子の金バンプに多少の高さばらつきがあったとしても、全ての金バンプと接続パッドとを電気的な短絡や断線を引き起こすことなく良好に接合できるという新たな知見を見出し、本発明を完成するに至った。
【０００９】
すなわち、本発明における半導体装置は、以下の構成からなる。
（１）配線基板上の接続パッドと半導体素子の電極端子に設けた金バンプとが接合されて成る半導体装置であって、前記金バンプは前記電極端子に接合された径大の基部と該基部上に立設され、前記接続パッドに接合された径小の突起部とを有し、前記接続パッドは前記突起部に接合された部位の幅が前記突起部の直径よりも狭いことを特徴とする半導体装置。
（２）前記接続パッドの表面に金めっき層が被着されており、該金めっき層と前記突起部とが直接接合されていることを特徴とする前記（１）に記載の半導体装置。
（３）前記接続パッドが前記突起部内に埋入していることを特徴とする前記（２）に記載の半導体装置。
（４）前記突起部と前記接続パッドとが半田を介して接合されていることを特徴とする前記（１）記載の半導体装置。
【００１０】
また、本発明における半導体装置の製造方法は、以下の構成からなる。
（５）配線基板上の接続パッドと半導体素子の電極端子に設けた金バンプとが接続されて成る半導体装置の製造方法であって、前記金バンプとして、半導体素子の電極端子に接合された径大の基部と該基部上に立設された径小の突起部とを有する金バンプを設けるとともに、前記接続パッドとして、前記突起部の直径よりも狭い幅を有する接続パッドを形成し、次に前記突起部と前記接続パッドとを接合することを特徴とする半導体装置の製造方法。
（６）前記接続パッドの表面に金めっき層を被着させておくとともに、該金めっき層と前記突起部とを直接接合することを特徴とする前記（５）に記載の半導体装置の製造方法。
（７）前記接続パッドが前記突起部内に埋入するように接合することを特徴とする前記（６）に記載の半導体装置の製造方法。
（８）前記突起部と前記接続パッドとを半田を介して接合することを特徴とする前記（５）に記載の半導体装置の製造方法。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の半導体装置およびその製造方法によれば、配線基板の接続パッドが半導体素子の電極端子に設けた金バンプの突起部の直径よりも幅が狭いことから、配線基板の接続パッドに半導体素子の金バンプを超音波溶着する際に金バンプの突起部の塑性変形は主として突起部の直径よりも幅の狭い接続パッドと接する部分のみに起きるので、大きな荷重をかけた場合であっても、金バンプの突起部内に接続パッドが埋入された状態となるまで突起部が変形するものの、接続パッドの周囲では突起部に大きな塑性変形が起きることがないので、突起部がそれ以上大きく潰れることはない。
また、接続パッドの表面に金めっき層が被着されている場合は、接続パッドと金バンプとが金めっき層を介して強固に接合される。
さらに、接続パッドが突起部内に埋入している場合は、接続パッドと突起部とが立体的な接合面を介して接合されるので極めて強固に接合される。
また、突起部と接続パッドとを半田を介して接続する場合は、半田は径小の突起部と該突起部の直径よりも幅の狭い接続パッドとの間に留まるので横に大きく広がることがない。
したがって、本発明の半導体装置およびその製造方法によれば、半導体素子の金バンプと配線基板の接続パッドとを超音波溶着する際の温度、荷重、超音波振動の出力等を細かく制御することなく、例え配線基板の接続パッドや半導体素子の金バンプに多少の高さばらつきがあったとしても、全ての金バンプと接続パッドとが電気的な短絡や断線を引き起こすことなく良好に接合された半導体装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明にかかる半導体装置およびその製造方法の一実施形態について図面を参照して詳細に説明する。図１は、ペリフェラル型の半導体素子をフリップチップ接続により搭載する本実施形態にかかる半導体装置を示す概略断面図であり、図２は、図１の半導体装置における配線基板を示す上面図である。また図３は、図１における要部拡大部、図４は図２における要部拡大図である。
【００１３】
本実施形態にかかる半導体装置は、図１に示すように、配線基板１０の上面に半導体素子２０を搭載して成る。配線基板１０は、その上面から下面にかけて主として銅から成る配線導体２ａが配設された絶縁板１ａの上下面に絶縁層１ｂと主として銅めっきからなる配線導体２ｂとが交互に積層され、さらに、その最表面には保護用のソルダーレジスト層３が被着されて成る。
【００１４】
絶縁板１ａは、厚みが０．３〜１．５ｍｍ程度であり、例えばガラス繊維束を縦横に織ったガラスクロスにビスマレイミドトリアジン樹脂やエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を含浸させた電気絶縁材料から成り、配線基板１０のコア部材として機能する。
【００１５】
絶縁板１ａには、その上面から下面にかけて直径が０．０５〜０．３ｍｍ程度の複数のスルーホール４が形成されており、絶縁板１ａの上下面およびスルーホール４の内面には、配線導体２ａが被着されている。配線導体２ａは、絶縁板１ａの上下面では、主として銅箔から形成されており、スルーホール４内面では、無電解銅めっきおよびその上の電解銅めっきから形成されている。
【００１６】
また、スルーホール４内部には、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂から成る埋め込み樹脂５が充填されており、絶縁板１ａの上下面に形成された配線導体２ａ同士がスルーホール４内の配線導体２ａを介して電気的に接続されている。
【００１７】
このような絶縁板１ａは、ガラス織物に未硬化の熱硬化性樹脂を含浸させたシートの上下面に配線導体２ａ用の銅箔を貼着した後、そのシートを熱硬化させ、これに上面から下面にかけてスルーホール４用のドリル加工を施すことにより製作される。
【００１８】
また配線導体２ａは、絶縁板１ａ用のシートの上下全面に、厚みが３〜５０μｍ程度の銅箔を貼着しておくとともに、これらの銅箔および絶縁板１ａにスルーホール４を穿孔した後、このスルーホール４の内面および銅箔表面に無電解銅めっきおよび電解銅めっきを順次施し、次にスルーホール４内を埋め込み樹脂５で充填した後、この上下面の銅箔および銅めっきをフォトリソグラフィ技術を用いて所定のパターンにエッチング加工することにより絶縁板１ａの上下面およびスルーホール４の内面に形成される。
【００１９】
埋め込み樹脂５は、スルーホール４を塞ぐことによりスルーホール４の直上および直下に絶縁層１ｂを形成可能とするためのものであり、未硬化のペースト状の熱硬化性樹脂をスルーホール４内にスクリーン印刷法により充填し、これを熱硬化させた後、その上下面を略平坦に研磨することにより形成される。
【００２０】
絶縁板１ａの上下面に積層された絶縁層１ｂは、それぞれの厚みが２０〜６０μｍ程度であり、絶縁板１ａと同様にガラスクロスに熱硬化性樹脂を含浸させた電気絶縁材料や、あるいはエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂に酸化ケイ素等の無機フィラーを分散させた電気絶縁材料から成る。また、各絶縁層１ｂには、直径が３０〜１００μｍ程度の複数のビアホール６が形成されている。
【００２１】
各絶縁層１ｂの表面およびビアホール６内面には、無電解銅めっきおよびその上の電解銅めっきから成る配線導体２ｂが被着形成されている。そして、絶縁層１ｂを挟んで上層に位置する配線導体２ｂと下層に位置する配線導体２ｂとをビアホール６内の配線導体２ｂを介して電気的に接続することにより高密度配線が立体的に形成される。
【００２２】
複数の配線導体２ｂのうち、配線基板１０の上面側における最外層の絶縁層１ｂ上に被着された一部が半導体素子２０の電極端子２１と金バンプ２２を介して電気的に接続される半導体素子接続用の接続パッド７を形成し、配線基板１０の下面側における最外層の絶縁層１ｂ上に被着された一部が、外部電気回路基板の配線導体と電気的に接続される外部接続用の接続パッド８を形成している。なお、外部接続用の接続パッド８には外部電気回路基板の配線導体と接合される半田ボール９が溶着されている。
【００２３】
そして、半導体素子接続用の接続パッド７は、図２に示すように、半導体素子２０の外周部に対応する位置を半導体素子２０の外周辺に対して直角な方向に延びるようにして所定のピッチで複数並んで設けられており、その中央部がくびれて細くなっている。その上に半導体素子２０の電極端子２１が金バンプ２２を介して接合されている。
【００２４】
このような接続パッド７を含む配線導体２ｂは、セミアディティブ法といわれる方法により形成される。セミアディティブ法は、例えば、ビアホール６が形成された絶縁層１ｂの表面に電解めっき用の下地金属層を無電解銅めっきにより形成し、その上に配線導体２ｂに対応した開口を有するめっきレジスト層を形成し、次に、下地金属層を給電用の電極として開口から露出する下地金属層上に電解銅めっきを施し配線導体２ｂを形成し、めっきレジストを剥離した後、露出する下地金属層をエッチング除去することによって各配線導体２ｂを電気的に独立させる方法である。
【００２５】
そして、最外層の絶縁層１ｂおよびその上の配線導体２ｂ上には、ソルダーレジスト層３が被着されている。ソルダーレジスト層３は、最外層の配線導体２ｂを熱や外部環境から保護するための保護膜であり、上面側のソルダーレジスト層３は、接続パッド７を露出させるようにして、また下面側のソルダーレジスト層３は、接続パッド８を露出させるようにして、それぞれ被着されている。
【００２６】
また、上面側のソルダーレジスト層３は、図２に示すように、接続パッド７を露出させるスリット状の開口部３ａを有しており、該開口部３ａの幅に対応した長さで配線導体２ｂの一部を露出させることにより所定形状の接続パッド７を画定している。
【００２７】
半導体素子２０は、例えば半導体集積回路素子であり、その下面の外周部に多数の電極端子２１を有しており、電極端子２１には金バンプ２２が設けられている。金バンプ２２は図３に示すように、電極端子２１に接合された直径が５０〜８０μｍ程度の径大の基部２２ａと該基部２２ａに立設された直径が２０〜４０μｍ程度の径小の突起部２２ｂとを有している。そして、この径小の突起部２２ｂと接続パッド７とが超音波溶着により接合されている。
【００２８】
本発明の半導体装置においては、図３および図４に示すように、配線基板１０の接続パッド７の金バンプ２２と接合された部位の幅が金バンプ２２の突起部２２ｂの直径よりも狭くなっており、このことが重要である。このような構成をとることにより、後述するように、配線基板１０の接続パッド７に半導体素子２０の金バンプ２２を超音波溶着する際に金バンプ２２の突起部２２ｂを大きく潰すことなく接続パッド７に良好に接合させることができる。したがって、突起部２２ｂが隣接する接続パッド７やそれに接合された金バンプ２２に接触して電気的な短絡を引き起こしたり突起部２２ｂと接続パッド７とが剥離して電気的な断線を引き起こしたりすることはない。なお、接続パッド７の金バンプ２２と接合された部位の幅が突起部２２ｂの直径の０．７倍を超えると、金バンプ２２と接続パッド７とを突起部２２ｂに大きな潰れを発生させることなく接合することが困難となる傾向にあり、０．２倍未満であると、超音波溶着の際に接続パッド７に剥がれや断線が発生する危険性が高くなる。したがって、接続パッド７の金バンプ２２と接続された部位の幅は突起部２２ｂの直径の０．２〜０．７倍の範囲であることが好ましい。さらに、接続パッド７が金バンプ２２の突起部２２ｂに埋入された状態であると、接続パッド７と突起部２２ｂとの接合面が立体的となるので両者が極めて強固に接合される。したがって接続パッド７は金バンプ２２の突起部２２ｂに埋入された状態であることが好ましい。
【００２９】
このように配線基板１０の接続パッド７と半導体素子２０の金バンプ２２とを接合するには、図５（ａ）に示すように、配線基板１０の接続パッド７上に半導体素子２０の金バンプ２２の突起部２２ｂを当接させるとともに、半導体素子２０の上面側から０．１９６〜１．４７Ｎ（２０〜１５０ｇｆ）程度の荷重を加えながら振動数が４０〜６０ＫＨｚ程度で出力が０．５〜２Ｗ程度の超音波振動を水平方向に加えることにより図５（ｂ）に示すように、突起部２２ｂの接続パッド７と当接する部位を超音波振動の摩擦により塑性変形させて接続パッド７に溶着するとともに接続パッド７を突起部２２ｂ内に埋入させる方法が採用される。このとき、突起部２２ｂの塑性変形は主として突起部２２ｂの直径よりも幅の狭い接続パッド７と接する部分のみに起きるので、大きな荷重をかけて超音波溶着しても金バンプ２２の突起部２２ｂ内に接続パッド７が埋入された状態となるまで突起部２２ｂが変形するものの、接続パッド７の周囲では突起部２２ｂに大きな塑性変形が起きることがないので、突起部２２ｂはそれ以上大きく潰れることはない。したがって、本発明の半導体装置の製造方法によると半導体素子２０の金バンプ２２と配線基板１０の接続パッド７とを超音波溶着する際の温度、荷重、超音波振動の出力等を細かく制御することなく、例え配線基板１０の接続パッド７や半導体素子２０の金バンプ２２に多少の高さばらつきがあったとしても、全ての金バンプ２２と接続パッド７とが電気的な短絡や断線を引き起こすことなく良好に接合するとこができる。
【００３０】
なお、配線基板１０の接続パッド７の表面に金めっき層を０．０２〜１．５μｍの厚みに被着させておくと、配線基板１０の接続パッド７と半導体素子２０の金バンプ２２との接合を金−金の金属接合により極めて強固なものとすることができる。したがって、配線基板１０の接続パッド７の表面には金めっき層を０．０２〜１．５μｍの厚みに被着させておくことが好ましい。
【００３１】
さらに通常であれば、半導体素子２０と配線基板１０との間の隙間にエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂から成るアンダーフィル（不図示）を充填し、半導体素子２０が配線基板１０上に実装された半導体装置となる。
【００３２】
なお、本発明は、上述の実施の形態例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲であれば種々の変更は可能であり、例えば上述の実施形態例では、接続パッド７をその中央部がくびれた形状とし、このくびれた部位が直線状の並びとなるように各接続パッド７を形成したが、例えば図６に示すように、接続パッド７のくびれた部位が千鳥状の並びとなるように各接続パッド７を形成してもよい。
【００３３】
さらに、上述の実施形態例では配線基板１０の接続パッド７と半導体素子２０の金バンプ２２とを超音波溶着により直接接合したが、図７に示すように、配線基板１０の接続パッド７と半導体素子２０の金バンプ２２とを半田２３を介して接合してもよい。この場合、半田２３は径小の突起部２２ｂと該突起部２２ｂの直径よりも幅の狭い接続パッド７との間に留まるので横に大きく広がることがない。したがって、この場合も、全ての金バンプ２２と接続パッド７とが電気的な短絡や断線を引き起こすことなく良好に接合された半導体装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】ペリフェラル型の半導体素子をフリップチップ接続により搭載する本発明の一実施形態にかかる半導体装置を示す概略断面図である。
【図２】図１における配線基板を示す平面図である。
【図３】図１に示す半導体装置の要部拡大図である。
【図４】図２に示す配線基板の要部拡大図である。
【図５】（ａ），（ｂ）は、図１に示す半導体装置を製造する方法を説明するための概略断面図である。
【図６】本発明にかかる半導体装置の他の実施例を示す図４に相当する要部拡大図である。
【図７】本発明にかかる半導体装置のさらに他の実施形態例を示す図３に相当する要部拡大図である。
【図８】従来の半導体装置の例を示す概略断面図である。
【図９】図８における配線基板を示す平面図である。
【図１０】図７の配線基板を示す平面図である。
【符号の説明】
【００３５】
７：接続パッド
１０：配線基板
２０：半導体素子
２１：電極端子
２２：金バンプ
２２ａ：基部
２２ｂ：突起部
２３：半田
【図１】
0005106197.tif 000002
【図２】
0005106197.tif 000003
【図３】
0005106197.tif 000004
【図４】
0005106197.tif 000005
【図５】
0005106197.tif 000006
【図６】
0005106197.tif 000007
【図７】
0005106197.tif 000008
【図８】
0005106197.tif 000009
【図９】
0005106197.tif 000010
【図１０】
0005106197.tif 000011