JP2011077308A - 半導体装置の実装方法 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体装置の実装後において、半導体チップと基板の接合部の融点が高くなる半導体装置の実装方法を提供する。
【解決手段】半導体チップ１１を基板１５へフリップチップ実装する半導体装置の実装方法であって、半導体チップ１１のＡｕバンプとＳｎ−Ｂｉ系はんだ１８を接触させる工程と、Ｓｎ−Ｂｉ系はんだ１８を融点以上１８０℃以下に３０分以上加熱する工程と、を備えることを特徴とする半導体装置の実装方法。
【選択図】図４

Description

フリップチップ及び基板からなる半導体装置の実装方法に関する。

半導体装置のローコスト化、高密度化の要求により、電極のファインピッチ化に適したフリップチップ構造を有する半導体チップが開発された。ここで、フリップチップ構造とは、半導体素子の電極上に導電性のバンプを配置したことを特徴とする構造である。
その後、フリップチップ構造を有する半導体チップを基板に接合する方法について、複数の方法が提案された（特許文献１参照。）。そのなかに、基板側の電極上のパッドと、フリップチップ構造を有する半導体チップ側の電極上のバンプを接合する際に、はんだを接点材として用いる接合方法がある。
上記の接合方法においては、はんだ溶融工程に伴う熱処理が行われる。その熱処理によって、例えば、シリコン等からなる半導体チップとガラスエポキシ等からなる基板との熱膨張係数差に起因した熱変形が、基板側の電極及び半導体チップのバンプの接合部に発生する。さらに、基板側の電極及び半導体チップのバンプのファインピッチ化により接合部が縮小し、接合強度が不足すると、上記の接点部に破断が多発することとなった。

そこで、はんだ溶融工程における熱処理の温度を引き下げるのため、低融点を有する低融点はんだの採用が検討された（特許文献２、特許文献３、特許文献４。）。しかし、半導体チップを基板に実装した後に行われる、その他の部品の実装工程では、低融点はんだの融点より高い温度で熱処理が行われている。そうすると、その他の部品の実装工程における熱処理により、接点部のはんだが再溶融することになる。そこで、接点部のまわりに充填されているアンダーフィル材にボイドが存在すると、はんだがボイドの中に流れだすことになる。その結果、流れだしたはんだにより、電極と、それに隣接する電極との間に電気的なショートが発生していた。また、はんだが流れだした電極でははんだ量が不足することとなり、基板側の電極と半導体チップのバンプとの接合が維持できないこととなる場合があった。

特開２００２−１７０８５３号公報 特開２００６−２４５１８６号公報 特開２００３−２９８０５６号公報 特開２００１−２７４１９５号公報

上記を解決するため、半導体装置の実装前における基板の電極上のバンプの融点より、半導体装置の実装後における、半導体チップと基板の接合部の融点が高くなる半導体装置の実装方法及びその方法により実現する実装構造を提供することを目的とする。

半導体チップの金（Ａｕ）バンプと錫（Ｓｎ）−ビスマス（Ｂｉ）系はんだを接触させる工程と、錫（Ｓｎ）−ビスマス（Ｂｉ）系はんだを融点以上１８０℃以下に３０分以上加熱する工程と、を備えることを特徴とする半導体装置の実装方法。

本発明に関わる半導体装置の実装方法によれば、実装後に、半導体チップと基板の接合部の融点が高くなる半導体装置の実装方法及びその実装方法で実現する実装構造を提供することができる。

図１Ａ、図１Ｂ、図１Ｃ、図１Ｄ、図１Ｅ、図１Ｆ、図１Ｇ、図１Ｈは、実施例１の半導体装置の実装構造を実現する方法の内、半導体チップの電極構造及び基板の電極構造を形成する工程までを示すフローチャート及び各工程を説明する図である。 図２は錫（Ｓｎ）−ビスマス（Ｂｉ）の状態図を示す。 図３Ａ、図３Ｂ、図３Ｃ、図３Ｄは、実施例１の半導体装置の実装構造を実現する方法の内、半導体チップ側の電極構造１０と基板側の電極構造２０を接合する接合工程までを示すフローチャート及び各工程を説明する図である。 図４Ａ、図４Ｂ、図４Ｃは、実施例１の半導体装置の実装構造を実現する方法の内、ビスマス（Ｂｉ）偏析層形成工程を示すフローチャート及びその工程を説明する図である。 図５Ａ、図５Ｂは、ビスマス（Ｂｉ）偏析層形成工程において、ビスマス（Ｂｉ）偏析層の形成と熱処理条件の関係を示す実験データを示す図である。 図６は、ビスマス（Ｂｉ）偏析層形成工程後において、接合部（元の金属バンプ２１、元のはんだ１８）について熱分析を行った結果をグラフにしたものを示す。 図７Ａ、図７Ｂ、図７Ｃ、図７Ｄは、実施例２における半導体装置の実装構造を実現する方法に関するフローチャート及び各工程を説明する図である。 図８Ａ、図８Ｂは、実施例３における半導体装置の実装構造を実現する方法を説明する図である。

本発明は、以下に説明する実施例に対し、当業者が想到可能な、設計上の変更が加えられたもの、及び、実施例に現れた構成要素の組み換えが行われたものも含む。また、本発明は、その構成要素が同一の作用効果を及ぼす他の構成要素へ置き換えられたもの等も含み、以下の実施例に限定されない。

図１Ａから図１Ｈまでは実施例１の半導体装置の実装構造を実現する方法の内、半導体チップの電極構造及び基板の電極構造を形成する工程までを示すフローチャート及び各工程を説明する図である。なお、半導体装置は、半導体チップ１１とそれを実装する基板１５を含む。

図１Ｈは半導体チップの電極構造及び基板の電極構造を形成する工程までを示すフローチャートを示す図である。
図１Ａから図１Ｇまでは、半導体チップ１１の電極構造を形成する工程中における、半導体チップの電極周辺の断面図を示す。
半導体チップ１１の電極構造は、準備ステップｏｐ１、電極形成ステップｏｐ２、窓開け工程ｏｐ３、及び、金属バンプ形成工程ｏｐ４によって形成される。ここで、半導体チップ１１の電極構造とは電極１２、絶縁層１３、及び、金属バンプ１４を含む電極１２回りの構造をいう。
図１Ａは半導体チップ１１の断面を示す断面図である。準備ステップｏｐ１は、通常の半導体チップ製造プロセスにより形成された、半導体素子、配線、及び、配線を電気的に絶縁する絶縁層を含む半導体チップ１１を準備するステップである。なお、半導体チップ１１はシリコン（Ｓｉ）からなる半導体基板であるが、ガリウム−砒素等の化合物半導体基板、又は、その他の半導体基板であってもよい。
図１Ｂは半導体チップ上に電極１２を形成した後の断面を示す断面図である。電極形成ステップｏｐ２は、半導体チップ１１の配線に接続し、外部より信号を受け取る電極１２を形成する電極形成ステップｏｐ２である。電極形成ステップｏｐ２は、絶縁層上にアルミニウム（Ａｌ）からなる金属層を形成し、金属層を電極の形状に加工することにより、電極１２が形成されるステップである。
図１Ｃは、電極１２を絶縁する絶縁層１３を形成し、窓開けを行った後の断面を示す断面図である。窓開け工程ｏｐ３は、有機物絶縁層からなる絶縁層１３を電極１２上及び半導体チップ１１上に形成し、その絶縁層１３に電極１２に達する窓を開ける工程である。
図１Ｄは金属バンプ１４を形成する金属バンプ形成した後の断面を示す断面図である。金属バンプ形成工程ｏｐ４は、電極１２の窓に金（Ａｕ）を主成分とする金属ワイヤをボンディングし、金属ワイヤを押しつぶし、窓内に金属玉を形成し、金属玉から突き出た金属ワイヤを切断することにより、金属バンプ１４を形成する工程である。
金属バンプ形成工程が終了すると、半導体チップ側の電極構造１０が出来上がる。

図１Ｅから図１Ｇまでは、基板１５の電極構造を形成する工程中における、基板１５の電極周辺の断面図を示す。基板１５の電極構造１０は、準備ステップｏｐ５、金属皮膜形成ステップｏｐ６、はんだ形成ステップｏｐ７によって形成される。ここで、基板１５の電極構造１０とは電極１６、金属皮膜１７、はんだ１８を含む電極１６回りの構造をいう。
図１Ｅは基板１５の断面を示す断面図である。そして、準備ステップｏｐ５は、絶縁基板、電極１６が形成されている基板１５上の表面配線層、絶縁基板間に挟まれている配線層、絶縁基板を貫通し、配線層間を接続する貫通配線を含む基板１５を準備するステップである。なお、基板１５の表面配線層及び配線層は銅（ｃｕ）を含む金属から形成されている。また、基板１５の絶縁基板はガラエポ樹脂から構成されているが、その他の絶縁性樹脂であってもよいし、樹脂中にカーボン、インバー等の熱導伝性が高い材料がふくまれていてもよい。
図１Ｆは基板１５上の表面配線層によって形成されている電極１６に金属皮膜１７を形成した後の断面図を示す。金属皮膜形成ステップは、銅（Ｃｕ）を含む電極１６に電解メッキを施すことにより、ニッケル（Ｎｉ）と金（Ａｕ）２層からなる皮膜を電極１６に被着させる金属皮膜形成ステップである。銅（Ｃｕ）を含む電極１６にニッケル（Ｎｉ）を被着させるのは、金（Ａｕ）との密着強度をあげるためである。その上にさらに、金（Ａｕ）を被着させるのは、後に説明するように、電極１６状のはんだ１８を形成し、はんだ１８を溶融させた場合に、良好な形状をはんだ１８に保たせるためである。良好な形状が保たれるのは、金（Ａｕ）の表面特性（例えば、表面張力など）が溶融したはんだ１８と相性がよいからである。
図１Ｇは、電極１６上にはんだ１８を形成した後の断面図を示す。はんだ１８を形成するステップは、電極１６上に窓が開いたマスクを、基板１５上に形成し、電極１６の表面に無電解メッキ法、又は、スキージ法により、はんだ層を被着させた後、マスクを剥がして、はんだ１８を形成するはんだ形成ステップである。ここで、はんだ１８は錫（Ｓｎ）とビスマス（Ｂｉ）の共晶合金からなる。そして、はんだ１８における錫とビスマスの重量比率は、共晶合金としての融点（共晶温度）が１３９℃から１５０℃となるような重量比率であることが望ましい。なお、錫（Ｓｎ）とビスマス（Ｂｉ）の共晶合金からなるはんだ１８の融点（共晶温度）が１３９℃と、最低温度となるため、錫（Ｓｎ）に対して、含有されるビスマス（Ｂｉ）の重量比率が５７％であることが望ましい。はんだ形成ステップが終了すると、基板側の電極構造２０が出来上がる。但し、はんだ形成ステップはこれに限らず、金属バンプ１４にはんだペーストを転写するステップを採用しても良い。

図２は錫（Ｓｎ）−ビスマス（Ｂｉ）からなる共晶合金の状態図を示す。状態図の横軸はビスマス（Ｂｉ）の重量比率（ｗｔ％）である。また、状態図の縦軸は温度（℃）である。図２の状態図によれば、錫（Ｓｎ）−ビスマス（Ｂｉ）からなる共晶合金は、ビスマス０ｗｔ％のときに２３２℃の溶融温度をもち、ビスマスの重量比率があがりるに従って溶融温度は単調に減少する。そして、ビスマスの重量比率は５７ｗｔ％のときに溶融温度は約１３２℃となる。その後、ビスマスの重量比率が増加するに従い、溶融温度は上昇し、ビスマスの重量比率が１００ｗｔ％となると、溶融温度は約２７２℃となる。
図２に示す錫（Ｓｎ）−ビスマス（Ｂｉ）からなる共晶合金の状態図より、錫（Ｓｎ）とビスマス（Ｂｉ）の合金が融点１３９℃から１５０℃となる、ビスマス（Ｂｉ）の重量比率はおよそ５０から６３ｗｔ％である。

図３Ａから図３Ｄは、実施例１の半導体装置の実装構造を実現する方法の内、半導体チップ側の電極構造１０と基板側の電極構造２０を接合する接合工程までを示すフローチャート及び各工程を説明する図である。半導体チップ１１の金属バンプ１４と、基板１５のはんだ１８とを接触させ、はんだ１８に対して熱を加えるはんだ溶融ステップｏｐ８と、金属バンプ１４と基板１５側の電極１６を近接させる近接ステップｏｐ９と、半導体チップ１１と基板１５との間にアンダーフィル材１９を注入し、半導体チップ１１と基板１５を固定ためアンダーフィル材を固化するアンダーフィル注入ステップｏｐ１０からなっている。
図３Ａは半導体チップ側の電極構造１０と基板側の電極構造２０を接合する接合工程までを示すフローチャートを示す。
図３Ａは基板１５の電極構造２０及び半導体チップ１１の電極構造１０を向かい合わせるように接触させたところを示す断面図である。
そこで、はんだ溶融ステップｏｐ８は、図３Ａに示す状態において、はんだ１８が溶融する温度で熱処理をするステップである。はんだ１８の合金としての融点（共晶温度）が１３９℃から１５０℃であるから、熱処理ステップの熱処理温度はその融点を超える温度により熱処理が行われることが望ましい。
図３Ｂははんだ１８の溶融状態において、電極１６及び金属バンプ１４を近接させた後の断面図を示す。
近接ステップｏｐ９は、基板１５及び半導体チップ１１間の距離を狭めることにより、電極１６と金属バンプ１４とを、近接させるステップである。
はんだ溶融ステップｏｐ８により与えられた温度は維持したまま、この近接ステップは行われる。そうすると、溶解した状態のはんだ１８に金属バンプ１４が挿入され、金属バンプ１４の先端が基板１５側の電極１６に近接する。
はんだ溶融ステップｏｐ８により与えられた温度は維持するには、半導体チップ１１を支持する実装装置の治具に保温機能を持たせることで行われる。
電極１６と金属バンプ１４とを、近接させるには、半導体チップ１１を支持する実装装置の治具を基板１５に近接させることで行ってもよいし、半導体１１と実装装置の治具の自重を利用して行ってもよい。
なお、金属バンプ１４の先端は、電極１６に対して０μｍから約３０μｍ程度の範囲内で離間していることが望ましい。電極１６と金属バンプ１４が離間していると、金属バンプ１４とはんだ１８の接触面積が増加し、金属バンプ１４中の金（Ａｕ）とはんだ１８中の錫（Ｓｎ）との金属化合物化がより進行しやすくなるためである。また、離間距離が、約３０μｍ程度までとしたのは、後に説明する金−錫（Ａｕ−Ｓｎ）金属間化合物に必要な錫（Ｓｎ）の供給量が金属間化合物が形成されるのに適するものとなるからである。次いで、基板１５及び半導体チップ１１全体をはんだ１８の融点以下に冷却する。
図３Ｃは基板１５及び半導体チップ１１間にアンダーフィル材を注入した後の断面図を示す。
アンダーフィル注入ステップｏｐ１０は、半導体チップ１１と基板１５との間にアンダーフィル材１９を注入するステップである。また、アンダーフィル材１９を加熱して固化させるステップでもある。アンダーフィル材１９は、加熱により固化する樹脂であればよいが、例えば、エポキシ樹脂が用いられる。また、アンダーフィル材１９には、絶縁性の玉状体であるフィラーが含まれていてもよい。

図４Ａ、図４Ｂ、図４Ｃは実施例１の半導体装置の実装構造を実現する方法の内、ビスマス（Ｂｉ）偏析層形成工程を示すフローチャート及びその工程を説明する図である。なお、半導体装置の実装構造を実現する方法を実行することにより、半導体チップ１１の電極構造１０と基板１５の電極構造２０とが結合して出来上がった構造を実装構造であるとする。
図図４Ｂはアンダーフィル材１９を基板１５と半導体チップ１１との間に注入した後の半導体装置の接合部の断面図である。図Ｋには、半導体チップ１１、電極１２、金属バンプ１４、基板１５、電極１６、金属皮膜１７、はんだ１８、アンダーフィル材１９が示されている。
ビスマス（Ｂｉ）偏析層形成工程ｏｐ１１は、所定条件の熱処理を、基板１５及び半導体チップ１１に対して行う工程である。その熱処理条件は、１５０℃程度であれば６０分以上、１８０℃であれば３０分以上が望ましい。すなわち、錫（Ｓｎ）−ビスマス（Ｂｉ）系はんだを融点以上１８０℃以下に３０分以上加熱することが望ましい。なお、熱処理条件についての詳細は図５において説明する。そこで、図４Ｂの示す状態の基板１５と半導体チップ１１に対して、ビスマス（Ｂｉ）偏析層形成工程ｏｐ１１を行うと、図４Ｃに示す状態となる。
図４Ｃは、ビスマス（Ｂｉ）偏析層形成工程を行った後に、ビスマス偏析層を含む接合部の断面図である。図Ｌによれば、ビスマス（Ｂｉ）偏析層形成工程後において、元の金属バンプ１４中に、金属バンプ部２１と、その表面に金−錫（Ａｕ−Ｓｎ）金属間化合物層２２とが形成されている。また、元のはんだ１８部分には、ビスマス偏析層２３が形成されている。
また、アンダーフィル材１９も１５０℃程度であれば６０分以上、１８０℃であれば３０分以上の熱処理によって硬化している。
金属バンプ２１は金（Ａｕ）から構成されている。金−錫（Ａｕ−Ｓｎ）金属間化合物層２２は金と錫の金属間化合物からなり、錫の重量比率が８０％以上である。ビスマス（Ｂｉ）偏析層はビスマス（Ｂｉ）の重量比率９９％以上である。以下、図４及び図５を用いて、ビスマス（Ｂｉ）偏析層形成工程を行うことにより、接合部において、金−錫（Ａｕ−Ｓｎ）金属間化合物層２２とビスマス偏析層２３が形成される点を検証する。

図５Ａ、図５Ｂは、ビスマス（Ｂｉ）偏析層形成工程において、ビスマス（Ｂｉ）偏析層の形成と熱処理条件の関係を示す実験データを示す図である。
図５Ａは、ビスマス（Ｂｉ）偏析層形成工程において、１４０℃１０秒以下の温度条件の熱処理を行った後に、はんだ１８、及び、金属バンプ１４について断面を観察した結果である。図５Ａによれば、金（Ａｕ）からなる金属バンプ１４及び錫−ビスマス（Ｓｎ−Ｂｉ）からなるはんだ１８に変質がみられない。温度が１４０℃程度の場合、はんだ１８は溶融するが、金属バンプ１４中の金と錫との化合物反応が進まないためと考えられる。
図５Ｂは、ビスマス（Ｂｉ）偏析層形成工程において、１５０℃６０分以上の条件で熱処理を行った後に、はんだ１８、及び、金属バンプ１４からなる接合部について断面を観察した結果である。図５Ｂによれば、元の金属バンプ１４において、金属バンプ部２１と、その表面に金属間化合物層（後に説明する金−錫（Ａｕ−Ｓｎ）金属間化合物層２２）とが形成されている。また、元のはんだ１８部分には、はんだ１８とは異なる層（後に説明するビスマス偏析層２３）が形成されている。従って、温度が１５０℃程度から金属バンプ１４中の金とはんだ１８中の錫との金属化合物反応が開始するものと推定される。なお、発明者は、ビスマス（Ｂｉ）偏析層形成工程において、１８０℃３０分以上の条件で熱処理を行った時にも、図５Ｂと同様のビスマス偏析層がはんだ１８中に形成されていることを観測している。

図６は、（Ｂｉ）偏析層形成工程後において、１５０℃６０分以上の条件で熱処理を行った後に、接合部（元の金属バンプ２１、元のはんだ１８）について熱分析を行った結果をグラフにしたものを示す。
上記のグラフにおいて、横軸は熱処理時間(min)、右側縦軸はＴＧ（thermo-gravimetry ％:加熱時の重量変化）、左側の第1縦軸は温度(℃)、左側の第２縦軸はＤＴＡ（Differentialthermal analysis:μV）を示す。
ＤＴＡの結果、接合部（元の金属バンプ１４と元のはんだ１８）の最初の溶融温度は、２３２℃程度、次の溶融温度は２７６℃、さらに、次の溶融温度は２９５℃となったことがわかる。すなわち、はんだ１８の溶融温度が１３９℃から１５０℃であったことを考えると、大幅に接点部（元の金属バンプ１４と元のはんだ１８）の溶融温度が上昇している。
ここで、金（Ａｕ）の融点は１０００℃程度、及び、金−錫（Ａｕ−Ｓｎ）金属間化合物の融点は３００℃程度、ビスマス（Ｂｉ）は２７０℃程度である。一方、錫（Ｓｎ）の融点は２３０℃程度である。従って、ＤＴＡの結果において、最初の溶融温度が２３２℃程度、次の溶融温度は２７０℃程度であることから、錫（Ｓｎ）とビスマス（Ｂｉ）が分離していることがわかる。また、金−錫（Ａｕ−Ｓｎ）金属間化合物ができていることもわかる。
そうすると、接合部（元の金属バンプ１４と元のはんだ１８）において、はんだ１８中の錫（Ｓｎ）が金属バンプ１４中の金（Ａｕ）と金属間化合物を形成すべく、金属バンプ１４よりに移動し、その表面に金−錫（Ａｕ−Ｓｎ）金属間化合物層２２ができ、さらに金−錫（Ａｕ−Ｓｎ）金属間化合物層２２近くに錫（Ｓｎ）が集まっていると考えられる。さらに、元の金属バンプ１４のコア部分は金属バンプ２１となったものと考えられる。また、はんだ１８中のビスマス（Ｂｉ）は、表面に押し出され、元のはんだ１８の表面近くにビスマス偏析層２３が形成されたと考えられる。
以上より、ビスマス（Ｂｉ）偏析層形成工程において、１５０℃から１８０℃、３０分以上の熱処理を、基板１５及び半導体チップ１１に対して行うと、接合部において、金属バンプ２１と、金−錫（Ａｕ−Ｓｎ）金属間化合物層２２と、ビスマス（Ｂｉ）偏析層が形成されていることがわかる。また、溶融温度についてさらに分析をおこなうと、金−錫（Ａｕ−Ｓｎ）金属間化合物層２２において錫の重量比率が８０％以上であり、ビスマス（Ｂｉ）偏析層においてビスマス（Ｂｉ）の重量比率９９％以上であることも推定される。

以上より、実施例１の半導体装置の実装構造を実現する方法は、
半導体チップ１１に接続する電極１２及び電極１２に接続し、金からなる金属バンプ１４を形成する工程と、
基板１５上に接続する電極１６及び前記電極１６に接続する錫（Ｓｎ）−ビスマス（Ｂｉ）を含むはんだ１８部を積層する工程と、
前記はんだ１８部を溶融する工程と、
溶融した前記はんだ１８部中に金属バンプ１４を挿入し、金属バンプ１４と電極１６を近接させる工程と、
基板１５と半導体チップ１１間にアンダーフィル材１９を注入する工程と、
アンダーフィル材１９を固化させる工程と、
金属バンプ１４中の金とはんだ１８中の錫（Ｓｎ）とから金属間化合物を形成するような条件で熱処理を行う工程と、を備える特徴とする半導体装置の実装構造を実現する方法である。
さらに、実施例１の半導体装置の実装構造を実現する方法は、溶融した前記はんだ部中に前記金属バンプを挿入し、前記金属バンプと第２電極を近接させる工程において、前記金属バンプと前記第２電極の間隔は３０μｍ以下とすることを特徴とする半導体装置の実装構造を実現する方法である。
さらに、実施例１の半導体装置の実装方法は、前記錫（Ｓｎ）及びビスマス（Ｂｉ）を含むはんだ部の融点が１５０℃以下となるように錫（Ｓｎ）の重量とビスマス（Ｂｉ）の重量の比率が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を実現する方法である。
さらに、実施例１の半導体装置の実装方法は、前記金属バンプ中の金と前記はんだ部中の錫（Ｓｎ）とから金属間化合物を形成するような条件で熱処理を行う工程中の熱処理によって、前記はんだ部の融点が２３０℃を超えることを特徴とする半導体装置の実装構造を実現する方法である。
なお、アンダーフィル材１９を固化させる工程と、金属バンプ１４中の金とはんだ１８中の錫（Ｓｎ）とから金属間化合物を形成するような条件で熱処理を行う工程と、は別々に行う必要はなく、同一の熱処理工程で同時に行うこともできる。
また、実施例１の半導体装置の実装構造は、
半導体チップ１１上に接続する電極１２及び金からなる金属バンプ２１と、
基板１５に接続する電極１６及び電極１６に接続し、錫及びビスマスを含むはんだ１８と、
はんだ１８と金属バンプ２１との間に形成された金と錫からなる金属間化合物層と、
はんだ１８中に含まれるビスマス偏析層と、を備える実装構造である。
金属バンプ１４中の金とはんだ１８中の錫（Ｓｎ）による金属間化合物の形成により、はんだ１８中の錫（Ｓｎ）のほとんどが金属バンプ１４中へ移動する。その結果、金属バンプ１４は金属バンプ２１と錫（Ｓｎ）と金（Ａｕ）の金属間化合物となる。また、はんだ１８においては、錫（Ｓｎ）とビスマス（Ｂｉ）とは合金状態ではなくなる。その結果、基板１５に半導体チップ１１を実装した後、それらの接合部（金属バンプ１４とはんだ１８）の溶融温度が、実装前に比較して上昇する。具体的には、基板１５と半導体チップ１１とを、それぞれの電極構造により接合するときには、１５０℃から１８０℃の温度で接合ができあがる。はんだ１８の溶融温度は１５０℃以下だからである。しかし、できあがった実装構造は、２３０℃以上でなければ、溶融しない。
従って、基板１５への半導体チップ１１の実装が終了いた後に行われる、他の部品を基板１５に実装する際の熱処理によっては、基板１５と半導体チップ１１間の実装構造は溶融しない。そのため、はんだ１８が溶融することによる、隣接電極との電気的なショートは発生しない。また、はんだ１８において形成されたビスマス偏析層が、他の部品を基板１５に実装する際に、溶融しないため、基板１５と半導体チップ１１の接合状態は維持される。

実施例１では、アンダーフィル材を半導体チップと基板の間に注入した後に、ビスマス（Ｂｉ）偏析層形成工程を行っている。しかし、実施例２に示すように、金属バンプ１４と基板１５側の電極１６を近接させる近接ステップを行った後に、ビスマス（Ｂｉ）偏析層形成工程を行い、その後に、アンダーフィル材を半導体チップと基板の間に注入する工程を行ってもよい。

図７Ａ、図７Ｂ、図７Ｃ、図７Ｄは、実施例２における半導体装置の実装構造を実現する方法に関するフローチャート及び各工程を説明する図である。実施例２における半導体装置の実装構造を実現する方法の内、半導体チップ側の電極構造１０と基板側の電極構造２０を接合する接合工程における、金属バンプ１４と基板１５側の電極１６を近接させる近接ステップｏｐ９までは、実施例１と同様な工程又はステップである。
図７Ａは半導体装置の実装構造を実現する方法に関するフローチャートを示す。
図７Ｂは金属バンプ１４と基板１５側の電極１６を近接させる近接ステップｏｐ９を終了した直後の半導体チップ及び基板の状態を示す図である。なお、図７Ａには、チップ１１、電極１２、金属バンプ１４、はんだ１８、アンダーフィル材１９、電極１６、基板１５が示されている。
この後、実施例２における半導体装置の実装構造を実現する方法では、ビスマス（Ｂｉ）偏析層形成工程ｏｐ１１を行う。
図７Ｃはビスマス（Ｂｉ）偏析層形成工程を終了した直後の半導体チップ及び基板の状態を示す図である。図７Ｃには、チップ１１、電極１２、金属バンプ１４、金属化合物層２２、ビスマス偏析層２３、電極１６、基板１５が示されている。
実施例２における半導体装置の実装構造を実現する方法では、その後に、アンダーフィル材を半導体チップと基板の間に注入する工程ｏｐ１０を行って、実装構造が完成する。
図７Ｄはアンダーフィル材１９を半導体チップと基板の間に注入する工程を終了した直後の半導体チップ及び基板の状態を示す図である。図７Ｄには、チップ１１、アンダーフィル材１９、基板１５が示されている。
以上より、実施例２の半導体装置の実装構造を実現する方法によっても、実施例１の半導体装置の実装構造と同様な実装構造を実現することができる。

図８Ａ、図８Ｂは、実施例３における半導体装置の実装構造を実現する方法を説明する図である。実施例３における半導体装置の実装構造を実現する方法の内、半導体チップ側の電極構造１０と基板側の電極構造２０を接合する接合工程における、はんだ溶融ステップｏｐ８までは、実施例１の半導体装置の実装構造を実現する方法と同様である。
図８Ａははんだ１８が溶融する温度で熱処理をするはんだ溶融ステップｏｐ８が終了した後の断面図を示す。はんだ１８が溶融する熱処理温度は１３９℃から１５０℃である。
図８Ｂは近接ステップを行った後の断面図を示す。ここで、近接ステップは基板１５と半導体チップ１１を近接させるステップであるが、実施例１の近接ステップと異なる点は、はんだ１８の外周と金属バンプ１４の外周との距離を３０μｍ程度とする距離調整をする点、及び、はんだ１８の重量に対する、台座を除く金属バンプ１４の金の重量を、重力比率で３０％以下とする重量比率調整を行う点である。すなわち、はんだ１８の外周と金属バンプ１４の外周との距離を３０μｍ程度とするには、近接ステップにおいて、電極１６と金属バンプ１４の先端との距離も３０μｍ程度とすることになる。
なお、上記では距離調整及び重量比率調整を、電極１６と金属バンプ１４の先端との距離を調整することにより行ったが、半導体チップ１１の電極構造の形成工程及び基板１５の電極構造の形成工程において、金属バンプ１４の形状又はばんぷ１８の形状を調整することによって、上記の距離調整及び重量比率調整をおこなってもよい。
金属バンプ１４の台座を除いた金の重量と、はんだ１８の重量の比率を３０％以下とすると、以下のような利点がある。まず、はんだ１８の溶融温度が１３９℃から１５０℃であることから、はんだ１８に対する錫（Ｓｎ）の重量比率の範囲は、その溶融温度に見合った重力比率の範囲となる。そこで、はんだ１８に対する金属バンプ１４の金（Ａｕ）の重量比率を３０％以下とすると、はんだ１８中の錫（Ｓｎ）に対する金属バンプ１４の金（Ａｕ）の重量比率も一定の範囲となる。そうすると、はんだ１８中の錫（Ｓｎ）の殆どが金（Ａｕ）と金属間化合物を形成し、元のはんだ１８において、ビスマス（Ｂｉ）偏析層の形成が容易となる。また、元のはんだ１８において、錫（Ｓｎ）とビスマス（Ｂｉ）とが合金状態ではなくなる。その結果、接合部（元のはんだ１８、金属バンプ１４）の溶融温度が上昇する。
なお、電極１６と金属バンプ１４の先端との距離も３０μｍ程度としたのは、金属バンプ１４中の金（Ａｕ）に、錫（Ｓｎ）が熱拡散により到達できる範囲が３０μｍ程度となるからである。錫（Ｓｎ）が金（Ａｕ）の部分に到達できなければ、金属間化合物の形成ができないからである。

以上より、実施例３の半導体装置の実装構造を実現する方法は、実施例1の半導体装置の実装構造を実現する方法の近接ステップにおいて、電極１６と金属バンプ１４の先端との距離を３０μｍ程度とすることを特徴とするものである。その結果、はんだ１８に対する金属バンプ１４の金（Ａｕ）の重量比率を３０％以下となるとともに、金属バンプ１４の外周とハンダ１８の外周との距離も３０μｍ程度になる。
その結果、金属バンプ１４中の金と錫（Ｓｎ）による金属間化合物の形成により、はんだ１８中の錫（Ｓｎ）のほとんどが金属バンプ１４中へ移動するため、はんだ１８においては、錫（Ｓｎ）とビスマス（Ｂｉ）とは合金状態ではなくなる。その結果、接合部（金属バンプ１４とはんだ１８）の溶融温度が上昇する。

本発明に関わる半導体装置の実装構造を実現する方法によれば、実装後に、半導体チップと基板の接合部の融点が高くなる半導体装置の実装構造を実現することができる。

１０ 半導体チップの電極構造
１１ 半導体チップ
１２ 電極
１３ 絶縁層
１４ 金属バンプ
１５ 基板
１６ 電極
１７ 金属皮膜
１８ はんだ
１９ アンダーフィル材
２０ 基板側の電極構造
２１ 金属バンプ
２２ 金属間化合物層
２３ Ｂｉ偏析層

Claims (3)

1. 半導体チップを基板へフリップチップ実装する半導体装置の実装方法であって、
   半導体チップのＡｕバンプとＳｎ−Ｂｉ系はんだを接触させる工程と、
   前記Ｓｎ−Ｂｉ系はんだを融点以上１８０℃以下に３０分以上加熱する工程と、
   を備えることを特徴とする半導体装置の実装方法。
2. 前記基板と前記半導体チップ間にアンダーフィル材を注入する工程をさらに備え、
   前記Ｓｎ−Ｂｉ系はんだの加熱と前記アンダーフィル材の硬化を同時に行うことを特徴とする請求項１記載の半導体装置の実装方法。
3. 前記Ｓｎ−Ｂｉ系はんだの加熱の際に、前記Ａｕバンプと前記基板との間に３０μｍ以下の間隔を持たせることを特徴とする請求項１記載の半導体装置の実装方法。