(57)【要約】【課題】半導体装置１と基板７とを接続するバンプ５、６のうち外縁部に配置された第１のバンプ５が破壊されることなく、また、半導体装置１に振動や機械的外力が印加されても半導体装置１と基板７とがずれない半導体装置の実装構造を提供する。【解決手段】半導体装置１と基板７とを接続する接続部のうち、半導体装置１と基板７とによる大きな熱応力が繰り返し印加される外縁部に、半導体装置１の作動温度範囲内に融点を有し、半導体装置１が作動している間に少なくとも一度は液相状態になる材質で構成された第１のバンプ５を配置し、外縁部の内側、つまり第１のバンプ５が配置される内側に、半導体装置１の作動温度範囲より高い温度に融点を有し、半導体装置１が作動している間においても固相状態である材質で構成された第２のバンプ６を配置する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の第１のパッド（３）が多角形状を構成するようにして配置された一面を有する半導体装置（１）と、
前記半導体装置（１）に配置された前記複数の第１のパッド（３）のそれぞれと対向する位置に複数の第２のパッド（９）が配置された一面を有する基板（７）と、
前記第１のパッド（３）と前記第２のパッド（９）とを接続するバンプ（５、６）と、
前記第１のパッド（３）と前記バンプ（５、６）との間に配置され、前記第１のパッド（３）と前記バンプ（５、６）とを接続する第１の金属接合層（４）と、
前記第２のパッド（９）と前記バンプ（５、６）との間に配置され、前記第２のパッド（９）と前記バンプ（５、６）とを接続する第２の金属接合層（１０）と、を備え、
前記半導体装置（１）の前記一面と前記基板（７）の前記一面とを対向するように配置し、複数の対向する前記第１のパッド（３）および前記第２のパッド（９）それぞれの間にバンプ（５，６）を配置することにより前記半導体装置（１）と前記基板（７）とを接続する半導体装置の実装構造であって、
前記バンプ（５、６）のうち、対向する複数の前記第１のパッド（３）および前記第２のパッド（９）が構成する前記多角形状の外縁部と対応する位置に配置されたものを第１のバンプ（５）とし、前記第１のバンプ（５）よりも前記多角形状の内側に配置されたものを第２のバンプ（６）とし、
前記第１のバンプ（５）は前記半導体装置（１）の作動温度範囲内に融点を有し、前記半導体装置（１）が作動している間に少なくとも一度は液相状態になる材質で構成され、前記第２のバンプ（６）は前記半導体装置（１）の作動温度範囲より高い温度に融点を有し、前記半導体装置（１）が作動している間において固相状態である材質で構成されていることを特徴とする半導体装置の実装構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置を基板上に搭載し、半導体装置と基板とを複数のバンプを介して接続した半導体装置の実装構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電子機器の小型化が要求されるにつれ、半導体パッケージの小型化、高集積化が進められている。そこで、半導体装置と電子回路基板との接続において、半導体装置を電子回路基板上に搭載し、半導体装置と電子回路基板とを複数のはんだバンプを介して接続する半導体装置の実装構造が知られている。
【０００３】
しかしながら、このような半導体装置の実装構造においては、半導体装置と電子回路基板とでは構成材料が異なるため線膨張係数の差による熱応力が接続部であるはんだバンプに印加されることになる。そして、半導体装置と電子回路基板とを接続するはんだバンプのうち外縁部に配置されたはんだバンプには大きな熱応力が繰り返し印加されることになる。このため、外縁部に配置されたはんだバンプには熱疲労により亀裂が発生する場合があり、この亀裂が発展することではんだバンプが破壊されてしまうという問題がある。
【０００４】
そこで、この問題を解決する方法として、半導体装置と電子回路基板との間を補強樹脂で封止してはんだバンプに印加される熱応力を緩和してはんだバンプの寿命を向上させる半導体装置の実装構造が知られている。
【０００５】
また、例えば、特許文献１では、半導体装置が作動している際に液相となる材料をバンプとして用い、このバンプを介して半導体装置と電子回路基板とを接続する半導体装置の実装構造が開示されている。
【特許文献１】特開平３−１５６９４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、半導体装置と電子回路基板との間に補強樹脂を配置する半導体装置の実装構造では、外縁部に配置されたはんだバンプに印加される熱応力を完全に緩和することはできないため、外縁部に配置されたはんだバンプには亀裂が発生する場合があり、この場合には亀裂が発展することではんだバンプが破壊されてしまうという問題がある。また、半導体装置と電子回路基板との間を補強樹脂で封止するため、半導体装置のリペアが著しく困難であるという問題がある。
【０００７】
一方、上記特許文献１の半導体装置の実装構造においては、半導体装置が作動している際にバンプが液相であるため、外縁部に配置されたバンプに大きな熱応力が印加されてもバンプが破壊されることはないという優れた効果を有している。しかしながら、このようなバンプでは半導体装置と電子回路基板との電気的な接続を行うことはできるが機械的な接続を行うことができないため、半導体装置に振動や外力が印加された場合には半導体装置と電子回路基板とがずれてしまうという問題がある。
【０００８】
本発明は上記点に鑑みて、半導体装置と電子回路基板とを接続するバンプのうち外縁部に配置されたバンプが破壊されることなく、また、半導体装置に振動や機械的外力が印加されても半導体装置と電子回路基板とがずれない半導体装置の実装構造を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、半導体装置（１）の一面に複数の第１のパッド（３）を多角形状が構成されるように配置すると共に、基板（７）の一面のうち複数の第１のパッド（３）と対向する位置に複数の第２のパッド（９）を配置し、半導体装置（１）のうち第１のパッド（３）が配置された一面と基板（７）のうち第２のパッド（９）が配置された一面とを対向するように配置して、複数の対向する第１のパッド（３）および第２のパッド（９）それぞれの間にバンプ（５，６）を配置することにより第１のパッド（３）および第２のパッド（９）を介して半導体装置（１）と基板（７）とを接続し、第１のパッド（３）とバンプ（５、６）との間に第１の金属接合層（４）を配置すると共に、第２のパッド（９）とバンプ（５、６）との間に第２の金属接合層を配置した半導体装置の実装構造であって、バンプ（５、６）のうち、対向する複数の第１のパッド（３）および第２のパッド（９）が構成する多角形状の外縁部と対応する位置に配置したものを第１のバンプ（５）とし、第１のバンプ（５）よりも多角形状の内側に配置したものを第２のバンプ（６）とし、第１のバンプ（５）を半導体装置（１）の作動温度範囲内に融点を有し、かつ半導体装置（１）が作動している間に少なくとも一度は液相状態になる材質で構成し、第２のバンプ（６）を半導体装置（１）の作動温度範囲より高い温度に融点を有し、かつ半導体装置（１）が作動している間において固相状態である材質で構成していることを特徴としている。
【００１０】
このような半導体装置の実装構造によれば、半導体装置（１）と基板（７）との接続部のうち大きな熱応力が繰り返し印加される外縁部に、半導体装置（１）が作動している間に少なくとも一度は液相状態になる第１のバンプ（５）が配置されており、第１のバンプ（５）が液相状態である際には半導体装置（１）と電子回路基板（７）との熱疲労により第１のバンプ（５）が破壊されることはない。
【００１１】
また、第１のバンプ（５）が固相である際に第１のバンプ（５）に熱応力が繰り返し印加されたとしても、第１のバンプ（５）は半導体装置（１）が作動している間に少なくとも一度は液相状態になるため、第１のバンプ（５）は液相状態になった際に印加された熱応力を解放することができ、第１のバンプ（５）が破壊されることを防止することができる。
【００１２】
なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
（第１実施形態）
本発明の一実施形態を適用した半導体装置の実装構造について説明する。図１（ａ）は、本発明の第１実施形態にかかる半導体装置としての半導体素子の実装構造の断面図、図１（ｂ）は図１（ａ）に示す半導体素子をＡ方向から見た場合のレイアウトを示す図である。図１に基づいて本実施形態の半導体装置の実装構造について説明する。
【００１４】
図１（ａ）に示されるように、半導体素子１の一面に第１の保護膜２が配置されている。また、半導体素子１の第１の保護膜２が配置された一面には複数の第１のパッド３が第１の保護膜から露出するように配置されており、それぞれの第１のパッド３には第１の保護膜２から露出するように第１の金属接合層４が配置されている。第１の金属接合層４は、第１のパッド３と後述する第１のバンプ５および第２のバンプ６との間に配置され、第１のパッド３と第１のバンプ５および第２のバンプ６とを接続するためのものである。第１の金属接合層４にはクロム−ニッケル−金等を用いることができ、第１のパッド３にはＡｌ等を用いることができる。
【００１５】
また、図１（ｂ）に示されるように、半導体素子１の一面に配置された複数の第１のパッド３は四角形状が構成されるようにして配置されている。
【００１６】
電子回路基板７には第１のパッド３が配置された半導体素子１の一面と対向する一面に第２の保護膜８が配置されており、この一面のうち複数の第１のパッド３のそれぞれと対向する部分には複数の第２のパッド９が第２の保護膜８から露出するように配置されている。そして、第２のパッド９には第２の保護膜８から露出するように第２の金属接合層１０が配置されている。第２の金属接合層１０も第１の金属接合層４と同様に、第２のパッド９と後述する第１のバンプ５および第２のバンプ６との間に配置され、第２のパッド９と第１のバンプ５および第２のバンプ６とを接続するためのものである。また、第２の金属接合層１０にはスズめっき、もしくはニッケル−金めっき等を用いることができ、第２のパッド９にはＣｕ等を用いることができる。なお、本実施形態では電子回路基板７が本発明における基板に相当している。
【００１７】
そして、対向する複数の第１のパッド３と第２のパッド９それぞれの間には第１のバンプ５および第２のバンプ６が配置されており、第１のバンプ５および第２のバンプ６を介して第１のパッド３と第２のパッド９とが接続されている。具体的には、対向する複数の第１のパッド３および第２のパッド９が構成する四角形状における外縁部と対応する位置に第１のバンプ５が配置されており、四角形状における外縁部の内側、つまり第１のバンプ５が配置される部分よりも内側（以下、内縁側という）と対応する位置に第２のバンプ６が配置されている。つまり、図１（ｂ）に示されるように、点線よりも外側の第１のパッド３が第１の金属接合層４を介して第１のバンプ５と接続されており、点線よりも内側の第１のパッド３が第１の金属接合層４を介して第２のバンプ６と接続されている。
【００１８】
第１のバンプ５は、半導体素子１の作動温度範囲内の温度に融点を有し、かつ半導体素子１が作動している間に少なくとも一度は液相状態になり、第１のバンプ５が液相状態になった際に濡れ拡がらないように凝集性が高い材質、例えば、Ｇａで構成されている。また、第２のバンプ６は半導体素子１の作動温度範囲より高い温度に融点を有し、半導体素子１が作動している間においても固相状態である材質、例えば、Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕはんだで構成されている。ここで、半導体素子１の作動温度範囲とは半導体素子１が作動する際に取り得る温度範囲のことであり、本実施形態の半導体素子１が、例えば、車両に搭載される場合、車両の使用環境から想定される温度範囲に対して半導体素子１の発熱による温度上昇を考慮した温度範囲が作動温度範囲となり、例えば、約−４０℃〜１１０℃が作動温度範囲となる。
【００１９】
次に本実施形態の半導体装置を実装した基板の製造方法について説明する。
【００２０】
図２は、本実施形態の第２のバンプ６が備えられた半導体素子１の製造工程を示す断面図である。図２（ａ）に示されるように、半導体素子１の一面に複数の第１のパッド３を四角形状が構成されるように配置し、その後、第１のパッド３が覆われるように第１の保護膜２を成膜する。そして、第１の保護膜２のうち第１のパッド３上に形成された部分をフォトリソグラフィにて除去することにより第１のパッド３を露出させ、この露出した部分にスパッタリング法等により第１の金属接合層４を配置する。
【００２１】
続いて、図２（ｂ）に示されるように、第１のパッド３で構成された四角形状のうち内縁側の部分に、第１の金属接合層４に第２のバンプ６を配置し、図２（ｃ）に示されるように、アニール処理等により、第２のバンプ６を第１の金属接合層４を介して第１のパッド３に接続することで、第２のバンプ６を備えた半導体素子１が製造される。
【００２２】
図３は、本実施形態の第１のバンプ５が備えられた電子回路基板７の製造工程を示す断面図である。図３（ａ）に示されるように、第１のパッド３が配置されている半導体素子１の一面と電子回路基板７の一面とを対向させた際に、電子回路基板７の一面のうち複数の第１のパッド３のそれぞれと対向する部分に複数の第２のパッド９を配置し、その後、第２のパッド９が覆われるように第２の保護膜８を成膜する。そして、第２の保護膜８のうち第２のパッド９上に形成された部分をフォトリソグラフィにて除去することにより、第２のパッド９を露出させ、この露出した部分にめっきにより第２の金属接合層１０を配置する。
【００２３】
そして、図３（ｂ）に示されるように、第２のパッド９が形成された電子回路基板７の一面と第１のパッド３が形成された半導体素子１の一面とを対向するように配置した際に、第２のバンプ６が配置されていない第１のパッド３と対向する位置に配置された第２のパッド９、つまり第２のパッド９で構成された四角形状のうち外縁側に配置された第２のパッド９が露出されるように第１の開口部１１が備えられたステンレス等で構成されたマスク１２を配置する。この第１の開口部１１はマスク１２のうち半導体素子１側の径が大きくされたテーパ構造とされている。そして、マスク１２のうち電子回路基板７に配置された一面と反対の一面には第２の開口部１３が形成されたステンシル１４が配置されており、このステンシル１４は第２の開口部１３が第１の開口部１１と一致するように配置されている。
【００２４】
続いて、図３（ｃ）に示されるように、ステンシル１４に形成された第２の開口部１３にディスペンサ１５を密着させ、第１のバンプ５を構成する材料を第２の開口部１３から圧入していく。
【００２５】
そして、図３（ｄ）に示されるように、第１のバンプ５を構成する材料を第１の開口部１１および第２の開口部１３内に圧入した状態で、ステンシル１４をマスク１２に対してスライドさせて第１の開口部１１と第２の開口部１３とをずらし、第１の開口部１１内に圧入されている第１のバンプ５を構成する材料と第２の開口部１３内に圧入されている第１のバンプ５を構成する材料とを分離させる。
【００２６】
そして、図３（ｅ）に示されるように、ステンシル１４とディスペンサ１５を取り除き、アニール処理等により、第１の開口部１１内に圧入された第１のバンプ５を構成する材料と第２のパッド９とを第２の金属接合層１０を介して接続させる。
【００２７】
その後、図３（ｆ）に示されるように、電子回路基板７の一面からマスク１２を取り除くことで第１のバンプ５が配置された電子回路基板７が製造される。
【００２８】
図４は、本実施形態の半導体装置を実装した基板の製造工程を示す断面図である。
【００２９】
図４（ａ）に示されるように、第１のパッド３が形成されている半導体素子１の一面と第２のパッド９が形成されている電子回路基板７の一面とを対向するように配置する。そして、図４（ｂ）に示されるように、アニール処理等により、第１のバンプ５を第１の金属接合層４を介して第１のパッド３と接続し、第２のバンプ６を第２の金属接合層１０を介して第２のパッド９と接続することで、図４（ｃ）に示されるように、半導体素子１と電子回路基板７とが第１のバンプ５および第２のバンプ６で接続された半導体装置の実装構造とすることができる。
【００３０】
このような半導体装置の実装構造によれば、半導体素子１と電子回路基板７との接続部のうち大きな熱応力が繰り返し印加される外縁部に半導体素子１が作動している間に少なくとも一度は液相状態になる第１のバンプ５が配置されており、第１のバンプ５が液相状態である際には半導体素子１と電子回路基板７との熱疲労により第１のバンプ５が破壊されることはない。
【００３１】
また、第１のバンプ５が固相である際に第１のバンプ５に熱応力が繰り返し印加されたとしても、第１のバンプ５は半導体素子１が作動している間に少なくとも一度は液相状態になるため、第１のバンプ５は液相状態になった際に印加された熱応力を解放することができ、第１のバンプ５が破壊されることを防止することができる。
【００３２】
さらに、第１のバンプ５が固相である際に第１のバンプ５に亀裂が発生したとしても、第１のバンプ５は液相状態に変化した際にこの亀裂を修復することができるので、第１のバンプ５が破壊されることを防止することができる。
【００３３】
また、半導体素子１と電子回路基板７とは第１のバンプ５および第２のバンプ６により接続されており、第２のバンプ６は半導体素子１が作動している間においても固相であるため、半導体素子１と電子回路基板７とを機械的に接続することができ、半導体素子１に振動や外力が印加されても半導体素子１と電子回路基板７とがずれることもない。
【００３４】
そして、本実施形態の半導体装置の実装構造によれば、半導体素子１と電子回路基板７との間を樹脂で封止することなく、半導体素子１と電子回路基板７とを接続する接続部のうち外縁部に配置された第１のバンプ５の破壊を防止することができるので、半導体素子１のリペアが困難になることもない。
【００３５】
（他の実施形態）
上記第１実施形態では、半導体素子１に複数の第１のパッド３が四角形状を構成するようにして配置された半導体装置の実装構造を例に挙げて説明したが、もちろん第１のパッド３を他の多角形状が構成されるように配置してもよく、例えば、六角形状としてもよい。この場合は、第１のパッド３および第２のパッド９が構成する六角形状における外縁部と対応する位置に第１のバンプ５を配置し、六角形状における外縁部の内側、つまり第１のバンプ５が配置される内側に第２のバンプ６を配置すればよい。
【００３６】
また、上記第１実施形態では、半導体素子１に第２のバンプ６を配置し、電子回路基板７に第１のバンプ５を配置した半導体素子１を実装した電子回路基板７の製造方法を説明したが、半導体素子１に第１のバンプ５を配置し、電子回路基板７に第２のバンプ６を配置して半導体素子１の実装を行ってもよい。
【００３７】
さらに、上記第１実施形態では、半導体装置として半導体素子１を例に挙げて説明したが、半導体装置としてＢＧＡやＣＳＰ等を用いることもできる。この場合、第１のパッド３にはＣｕ等を用いることが好ましく、第１の金属接合層４にはニッケル−金めっき等を用いることが好ましい。
【００３８】
また、上記第１実施形態では、第１のバンプ５を構成する材料としてＧａを例に挙げて説明したが、これに限定されるものではなくＨｇなどを用いることができ、第１のバンプ５は半導体装置の作動温度範囲内に融点を有し、半導体装置が作動している間に少なくとも一度は液相状態になる材料で構成されていればよい。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】（ａ）は本発明の第１実施形態にかかる半導体装置の実装構造の断面図を示す図であり、（ｂ）は（ａ）に示した半導体装置をＡ方向から見た場合のレイアウトを示す図である。
【図２】図１に示した第２のバンプを備えた半導体装置の製造工程の断面図を示す図である。
【図３】図１に示した第１のバンプを備えた基板の製造工程の断面図を示す図である。
【図４】図１に示した半導体装置を実装した基板の製造工程の断面図を示す図である。
【符号の説明】
【００４０】
１      半導体素子
３      第１のパッド
４      第１の金属接合層
５      第１のバンプ
６      第２のバンプ
７      電子回路基板
９      第２のパッド
１０    第２の金属接合層      
【図１】
2009194188.tif 000003
【図２】
2009194188.tif 000004
【図３】
2009194188.tif 000005
【図４】
2009194188.tif 000006