JP2014229623A - Semiconductor device and manufacturing method of the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は半導体装置およびその製造技術に関し、例えばフリップチップ接続を採用した半導体装置に好適に利用できるものである。 The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing technique thereof, and can be suitably used for, for example, a semiconductor device employing flip-chip connection.
半導体チップの主面に形成された複数のチップ電極と、配線基板の上面に形成された複数のリード電極とをはんだを介して接続するフリップチップ接続がある。 There is a flip chip connection in which a plurality of chip electrodes formed on a main surface of a semiconductor chip and a plurality of lead electrodes formed on an upper surface of a wiring substrate are connected via solder.
例えば特開2006−005322号公報(特許文献1)には、円錐台形状の銅核とそれを覆う球殻状のはんだとからなるバンプが形成された配線基板と、ペースト状のフラックス樹脂膜によって覆われた電極パッドが形成された半導体チップとを位置合わせした後、加熱して、フラックス樹脂膜を垂れ下がらせて硬化させる技術が開示されている。これにより、接合部の機械的強度を大きくすることができる。 For example, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-005322 (Patent Document 1), a wiring substrate on which bumps made of a truncated cone-shaped copper core and a spherical shell-shaped solder covering the same are formed, and a paste-like flux resin film is used. A technique is disclosed in which a semiconductor chip on which a covered electrode pad is formed is aligned and then heated to cause the flux resin film to hang and harden. Thereby, the mechanical strength of a junction part can be enlarged.
また、特開2006−202969号公報(特許文献2)には、半導体基板上に設けられた柱状電極を第1径を有する第1柱状部と、第1柱状部の上面に配置された第1径よりも小さい第2径を有する第2柱状部とで構成し、第1および第2柱状部よりも融点の低い低融点層を第2柱状部の上面に接合することで、第1柱状部の側面への低融点層の濡れを防止する技術が開示されている。 Japanese Patent Laying-Open No. 2006-202969 (Patent Document 2) discloses a columnar electrode provided on a semiconductor substrate having a first columnar portion having a first diameter and a first columnar portion disposed on an upper surface of the first columnar portion. The first columnar part is composed of a second columnar part having a second diameter smaller than the diameter, and a low melting point layer having a lower melting point than the first and second columnar parts is bonded to the upper surface of the second columnar part. A technique for preventing the low-melting point layer from getting wet on the side surface is disclosed.
また、特開平7−193099号公報(特許文献3)には、半導体チップに設けられた電極パッドと配線基板に設けられた搭載パッドとを、配線基板と半導体チップとの間の反りよりも高いバンプによって接続することにより、接続不良の発生を防止する技術が開示されている。 Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-193099 (Patent Document 3) discloses that the electrode pad provided on the semiconductor chip and the mounting pad provided on the wiring board are higher than the warp between the wiring board and the semiconductor chip. A technique for preventing the occurrence of connection failure by connecting with bumps is disclosed.
近年、フリップチップ接続では、狭いピッチ接続が可能であることから、半導体チップの主面に形成されるチップ電極として柱状電極、例えばCPB(Copper Pillar Bump:以下Cuピラーと記す)が採用されている。しかし、柱状電極と配線基板に形成されたリード電極とをはんだを介して接続すると、半導体チップと配線基板との熱膨張の違いにより柱状電極とリード電極との接合部に応力が生じ、この応力が、例えば柱状電極の付け根部分に掛かり、柱状電極とリード電極との接合部が破壊するという問題が生じていた。 In recent years, since flip-chip connection allows narrow pitch connection, a columnar electrode, for example, CPB (Copper Pillar Bump) is adopted as a chip electrode formed on the main surface of a semiconductor chip. . However, when the columnar electrode and the lead electrode formed on the wiring board are connected via solder, stress is generated at the joint between the columnar electrode and the lead electrode due to the difference in thermal expansion between the semiconductor chip and the wiring board. However, there has been a problem that the joint portion between the columnar electrode and the lead electrode is broken, for example, at the base of the columnar electrode.
その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。 Other problems and novel features will become apparent from the description of the specification and the accompanying drawings.
一実施の形態の半導体装置は、半導体チップの主面に形成された柱状電極と、配線基板の上面に形成されたリード電極とのはんだ層を介した接合部において、リード電極と対向する柱状電極の下面に形成される第1金属間化合物層と、柱状電極と対向するリード電極の上面に形成される第2金属間化合物層との間にSnリッチ層である中間層を有し、さらに、その中間層にくびれが設けられている。 A semiconductor device according to an embodiment includes a columnar electrode facing a lead electrode at a joint portion via a solder layer between a columnar electrode formed on a main surface of a semiconductor chip and a lead electrode formed on an upper surface of a wiring board. An intermediate layer that is a Sn-rich layer between the first intermetallic compound layer formed on the lower surface of the first electrode and the second intermetallic compound layer formed on the upper surface of the lead electrode facing the columnar electrode; A constriction is provided in the intermediate layer.
一実施の形態によれば、柱状電極を有するフリップチップ接続を採用した半導体装置の信頼性を向上させることができる。 According to one embodiment, the reliability of a semiconductor device that employs flip-chip connection having columnar electrodes can be improved.
以下の実施の形態において、便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。 In the following embodiments, when necessary for the sake of convenience, the description will be divided into a plurality of sections or embodiments. However, unless otherwise specified, they are not irrelevant to each other, and one is the other. There are some or all of the modifications, details, supplementary explanations, and the like.
また、以下の実施の形態において、要素の数等(個数、数値、量、範囲等を含む)に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でも良い。 Further, in the following embodiments, when referring to the number of elements (including the number, numerical value, quantity, range, etc.), especially when clearly indicated and when clearly limited to a specific number in principle, etc. Except, it is not limited to the specific number, and may be more or less than the specific number.
また、以下の実施の形態において、その構成要素(要素ステップ等も含む)は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。 Further, in the following embodiments, the constituent elements (including element steps) are not necessarily indispensable unless otherwise specified and clearly considered essential in principle. Needless to say.
また、「Aからなる」、「Aよりなる」、「Aを有する」、「Aを含む」と言うときは、特にその要素のみである旨明示した場合等を除き、それ以外の要素を排除するものでないことは言うまでもない。同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。 In addition, when referring to “consisting of A”, “consisting of A”, “having A”, and “including A”, other elements are excluded unless specifically indicated that only that element is included. It goes without saying that it is not what you do. Similarly, in the following embodiments, when referring to the shapes, positional relationships, etc. of the components, etc., the shapes are substantially the same unless otherwise specified, or otherwise apparent in principle. And the like are included. The same applies to the above numerical values and ranges.
また、以下の実施の形態で用いる図面においては、平面図であっても図面を見易くするためにハッチングを付す場合もある。また、以下の実施の形態を説明するための全図において、同一機能を有するものは原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。以下、本実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。 Further, in the drawings used in the following embodiments, hatching may be added to make the drawings easy to see even if they are plan views. In all the drawings for explaining the following embodiments, components having the same function are denoted by the same reference numerals in principle, and repeated description thereof is omitted. Hereinafter, the present embodiment will be described in detail with reference to the drawings.
(課題についての詳細な説明)
配線基板に形成されるランド・パッド(リード電極の一部であって、半導体チップの主面に形成されたチップ電極が接続される部分を言う)には、基本的にはソルダ・マスク定義(Solder Mask Defined:SMD)・パッドと非ソルダ・マスク定義(Non Solder Mask Defined:NSMD)・パッドとがある。
(Detailed explanation of the issue)
Basically, a land mask (a part of a lead electrode, which is a part to which a chip electrode formed on the main surface of a semiconductor chip is connected) is formed with a solder mask definition ( There are Solder Mask Defined (SMD) pads and Non Solder Mask Defined (NSMD) pads.
SMDパッド構造では、ソルダ・マスクに形成された開口部をランド・パッドの直径よりも小さくして、ソルダ・マスクがランド・パッドの周縁部にオーバーラップするように、ソルダ・マスクに開口部が形成される。SMDパッド構造では、ランド・パッド側面へのはんだの回り込みは生じないが、ランド・パッド毎に開口部を形成するため、例えば100μm以下の狭ピッチの接合部を実現することが難しい。また、ソルダ・マスクがランド・パッドの周縁部にオーバーラップしているので、はんだのぬれ面積が相対的に小さくなる。 In the SMD pad structure, the opening formed in the solder mask is made smaller than the diameter of the land pad, and the opening is formed in the solder mask so that the solder mask overlaps the peripheral edge of the land pad. It is formed. In the SMD pad structure, solder does not wrap around the side surface of the land pad. However, since an opening is formed for each land pad, it is difficult to realize a joint portion having a narrow pitch of, for example, 100 μm or less. Further, since the solder mask overlaps with the peripheral edge of the land pad, the wetted area of the solder becomes relatively small.
これに対して、NSMDパッド構造では、ソルダ・マスクに形成された開口部をランド・パッドの直径よりも大きくして、ソルダ・マスクがランド・パッドの周縁部にオーバーラップしないように、ソルダ・マスクに開口部が形成される。NSMDパッド構造では、ランド・パッドの周縁部や側面にもはんだがぬれるため、はんだのぬれ面積が相対的に大きくなる。 In contrast, in the NSMD pad structure, the opening formed in the solder mask is made larger than the diameter of the land pad so that the solder mask does not overlap the peripheral edge of the land pad. An opening is formed in the mask. In the NSMD pad structure, since the solder is also wet on the peripheral edge and the side surface of the land pad, the wet area of the solder is relatively large.
NSMDパッド構造では、一つのソルダ・マスクの開口部から複数のランド・パッドを露出させてもよい。ランド・パッド毎に開口部を形成していない、換言すると互いに隣り合う接合部位の間にソルダ・マスクなどの絶縁物を形成していないので、例えば60μm程度の狭ピッチの接合部を実現することができる。 In the NSMD pad structure, a plurality of land pads may be exposed from the opening of one solder mask. An opening is not formed for each land pad, in other words, an insulator such as a solder mask is not formed between adjacent bonding portions, so that, for example, a bonding portion having a narrow pitch of about 60 μm is realized. Can do.
そこで、本願発明者らは、狭ピッチの接合部を実現するために、一つのソルダ・マスクの開口部に複数のパッドを有する配線基板とCuピラーとを用いたフリップチップ接続について検討した。しかし、以下に説明する種々の技術的課題が存在することが明らかとなった。 Accordingly, the inventors of the present application have studied flip-chip connection using a wiring board having a plurality of pads in an opening of one solder mask and a Cu pillar in order to realize a narrow pitch joint. However, it has become clear that there are various technical problems described below.
上述したように、NSMDパッド構造では、半導体チップの主面に形成されたCuピラーと、配線基板の上面に形成されたリード電極の一部(Cuピラーが接続される部分)であるランド・パッドとを、はんだにより接続する際、はんだがランド・パッドの側面に回り込む。そのため、隣り合うランド・パッドがはんだで接続しないように、はんだの供給量を調整する必要がある。 As described above, in the NSMD pad structure, the Cu pillar formed on the main surface of the semiconductor chip and the land pad that is a part of the lead electrode (portion to which the Cu pillar is connected) formed on the upper surface of the wiring substrate. Are connected to the side surfaces of the land pads. Therefore, it is necessary to adjust the supply amount of solder so that adjacent land pads are not connected by solder.
しかし、図24(a)に示すように、はんだの供給量が少なくなると、CuピラーCBの下面と、ランド・パッドLPの上面との距離が短くなる。特に生産性に有利であることから採用されている荷重制御のフリップチップ接続、または接合不良を回避するために押し込み量を多めに設定したフリップチップ接続においては、両者間の距離は著しく短くなる。 However, as shown in FIG. 24A, when the supply amount of solder decreases, the distance between the lower surface of the Cu pillar CB and the upper surface of the land pad LP becomes shorter. In particular, in the load-controlled flip-chip connection that is adopted because it is advantageous for productivity, or in the flip-chip connection in which the pushing amount is set to be large in order to avoid the bonding failure, the distance between the two becomes remarkably short.
フリップチップ接続の際には、その熱履歴により、CuピラーCBの下面およびランド・パッドLPの上面および側面に、錫(Sn)と銅(Cu)とを主成分とする金属間化合物(Intermetallic Compound)層IMCが形成される。金属間化合物は、構成金属元素の原子数比が整数比の化合物(ただし、実際の原子数比は完全な整数比ではなく、整数比からはずれた原子数比も存在する)であり、固溶体(錫(Sn)中に添加金属が固溶したもの)と比較して硬く、脆い性質を有する。また、金属間化合物は、固溶体よりも融点が高く、電気抵抗も高い。なお、金属間化合物に含まれる錫(Sn)ははんだに由来し、銅(Cu)ははんだ中の添加元素、CuピラーCB、または銅(Cu)からなるリード電極のいずれか1つ以上に由来する。 At the time of flip-chip connection, due to the thermal history, an intermetallic compound containing tin (Sn) and copper (Cu) as main components is formed on the lower surface of the Cu pillar CB and the upper surface and side surfaces of the land pads LP. ) Layer IMC is formed. An intermetallic compound is a compound in which the atomic ratio of the constituent metal elements is an integer ratio (however, the actual atomic ratio is not a perfect integer ratio, and an atomic ratio deviating from the integer ratio exists), and is a solid solution ( It is harder and more brittle than tin (Sn) in which the added metal is dissolved. In addition, intermetallic compounds have a higher melting point and higher electrical resistance than solid solutions. In addition, tin (Sn) contained in the intermetallic compound is derived from solder, and copper (Cu) is derived from any one or more of an additive element in the solder, a Cu pillar CB, or a copper (Cu) lead electrode. To do.
そのため、CuピラーCBの下面側から形成される金属間化合物と、ランド・パッドLPの上面側から形成される金属間化合物とが互いに重なると、CuピラーCBの下面とランド・パッドLPの上面との間に、固溶体よりも硬い1つの金属間化合物層IMCが形成される。このような状態になると、半導体チップと配線基板との熱膨張の違いによりCuピラーCBとランド・パッドLPとの接合部に生じる応力が、例えばCuピラーCBの底面(下面と反対側の面、付け根部分)に掛かり、CuピラーCBが底部において剥離する危険性が高くなる。 Therefore, when the intermetallic compound formed from the lower surface side of the Cu pillar CB and the intermetallic compound formed from the upper surface side of the land pad LP overlap each other, the lower surface of the Cu pillar CB and the upper surface of the land pad LP In the meantime, one intermetallic compound layer IMC harder than the solid solution is formed. In such a state, the stress generated in the joint portion between the Cu pillar CB and the land pad LP due to the difference in thermal expansion between the semiconductor chip and the wiring substrate is, for example, the bottom surface of the Cu pillar CB (the surface opposite to the lower surface, The risk of the Cu pillar CB peeling off at the bottom increases.
そこで、図24(b)に示すように、はんだ供給量を増加させることで、CuピラーCBの下面と、ランド・パッドLPの上面との距離を長くすることを検討した。しかし、一つのソルダ・マスクの開口部から複数のランド・パッドLPを露出させる構造においては、互いに隣り合うランド・パッドLP間にソルダ・マスクなどが形成されていないため、はんだSOLが隣り合うCuピラーCB間で繋がるリスクが大きくなってしまう。さらに、NSMDパッド構造ではランド・パッドLPの側面にはんだが回り込むため、増加したはんだ供給量の一部しかCuピラーCBの下面と、ランド・パッドLPの上面との間の距離の確保には寄与しない。このような制約下において、CuピラーCBの下面に形成される第1金属間化合物層IMC1と、ランド・パッドLPの上面に形成される第2金属間化合物層IMC2との間では、はんだSOLの幅に対する厚さの比(厚さ/幅)を十分に大きくすることは難しいため、はんだSOLによる十分な応力緩和効果は得られなかった。 Therefore, as shown in FIG. 24B, it was studied to increase the distance between the lower surface of the Cu pillar CB and the upper surface of the land pad LP by increasing the solder supply amount. However, in the structure in which the plurality of land pads LP are exposed from the opening of one solder mask, no solder mask or the like is formed between the adjacent land pads LP. The risk of connection between pillar CBs increases. Further, in the NSMD pad structure, since the solder wraps around the side surface of the land pad LP, only a part of the increased solder supply amount contributes to securing the distance between the lower surface of the Cu pillar CB and the upper surface of the land pad LP. do not do. Under such a restriction, the solder SOL is between the first intermetallic compound layer IMC1 formed on the lower surface of the Cu pillar CB and the second intermetallic compound layer IMC2 formed on the upper surface of the land pad LP. Since it is difficult to sufficiently increase the ratio of thickness to width (thickness / width), a sufficient stress relaxation effect by the solder SOL cannot be obtained.
さらに、半導体チップの配線間容量を低減するために、配線層間膜に酸化シリコン膜に代えて誘電率の低いlow−k膜の使用が検討されているが、low−k膜は酸化シリコン膜よりも応力によって破壊され易い。そのため、low−k膜を使用した場合、Cuピラーとリード電極との接合部に応力が生じると、Cuピラーが接続されている部分に近接するlow−k膜が破壊されて、Cuピラーがその底面において容易に剥離してしまう。 Further, in order to reduce the capacitance between wirings of a semiconductor chip, the use of a low-k film having a low dielectric constant instead of a silicon oxide film as a wiring interlayer film has been studied. Are easily broken by stress. Therefore, when a low-k film is used, if a stress is generated at the joint between the Cu pillar and the lead electrode, the low-k film adjacent to the portion where the Cu pillar is connected is destroyed, and the Cu pillar is It peels easily at the bottom.
また、PoP(Package On Package)では、半導体装置に加わる熱履歴が増えるので、Cuピラーの剥離の問題は深刻である。 In PoP (Package On Package), the heat history applied to the semiconductor device increases, so the problem of Cu pillar peeling is serious.
(実施の形態)
本実施の形態は、半導体チップの主面の中央部および外周部(半導体チップの縁から内側の一部)に配置された複数の柱状電極と、配線基板に形成された複数のリード電極とをはんだを介してフリップチップ接続する技術に関するものであり、特にはんだ層の形状およびフリップチップ接続のプロセスに特徴を有する。ここで、柱状電極とは、半導体チップの主面上を覆う表面保護膜から突出した、はんだより融点が高い金属からなる突起状の電極を言う。本実施の形態では、柱状電極としてCuピラーを例示するが、これに限定されるものではない。
(Embodiment)
In the present embodiment, a plurality of columnar electrodes arranged at the center and outer periphery of the main surface of a semiconductor chip (a part inside from the edge of the semiconductor chip) and a plurality of lead electrodes formed on a wiring board The present invention relates to a technique for flip chip connection via solder, and is particularly characterized by the shape of the solder layer and the flip chip connection process. Here, the columnar electrode refers to a protruding electrode made of a metal having a melting point higher than that of solder, protruding from a surface protective film covering the main surface of the semiconductor chip. In the present embodiment, a Cu pillar is exemplified as the columnar electrode, but the present invention is not limited to this.
≪半導体装置≫
本実施の形態による半導体装置について図1〜図10を用いて説明する。図1は、半導体装置を示す要部平面図である。図2は、半導体装置を示す要部断面図(図1のA−A´線における要部断面図)である。図3は、フリップチップ接続する前の半導体チップを示す要部平面図である。図4は、フリップチップ接続する前の半導体チップの一部を拡大して示す要部断面図(図3のD−D´線における要部断面図)である。図5Aは、フリップチップ接続する前の配線基板の上面に形成された複数のリード電極の配置を示す要部平面図、図5Bは、配線基板の下面に形成された複数の外部接続端子を示す要部平面図である。図6は、フリップチップ接続する前の配線基板の上面に形成された複数のリード電極の変形例を示す要部平面図である。図7は、半導体チップと配線基板とをフリップチップ接続した際の半導体チップの主面に形成された複数のCuピラーと配線基板の上面に形成された複数のリード電極とが接続された領域の一部を拡大して示す要部平面図である。図8は、配線基板の上面に半導体チップを搭載した半導体装置の一部を拡大して示す要部断面図である。図9Aは、Cuピラーとリード電極との接合部を拡大して示す要部断面図であり、リード電極の延伸方向と配線基板の上面において直交する方向に沿った要部断面図(図1のB−B´線における要部断面図)、図9Bは、Cuピラーとリード電極との接合部を拡大して示す要部断面図であり、リード電極の延伸方向に沿った要部断面図(図1のC−C´線における要部断面図)である。図10(a)および(b)は、はんだのくびれ形状を説明するためのCuピラーとリード電極との接合部を拡大して示す要部断面図であり、(a)はCuピラーとリード電極との位置ズレが比較的小さい場合の要部断面図、(b)はCuピラーとリード電極との位置ズレが比較的大きい場合の要部断面図である。
≪Semiconductor device≫
A semiconductor device according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a main part plan view showing a semiconductor device. FIG. 2 is a main part cross-sectional view (a main part cross-sectional view taken along the line AA ′ of FIG. 1) showing the semiconductor device. FIG. 3 is a plan view of an essential part showing the semiconductor chip before flip chip connection. 4 is an essential part cross-sectional view (a main part cross-sectional view taken along the line DD ′ of FIG. 3) showing a part of the semiconductor chip before flip-chip connection. FIG. 5A is a main part plan view showing the arrangement of a plurality of lead electrodes formed on the upper surface of the wiring board before flip-chip connection, and FIG. 5B shows the plurality of external connection terminals formed on the lower surface of the wiring board. It is a principal part top view. FIG. 6 is a plan view of a principal part showing a modification of a plurality of lead electrodes formed on the upper surface of the wiring board before flip chip connection. FIG. 7 shows a region in which a plurality of Cu pillars formed on the main surface of the semiconductor chip and a plurality of lead electrodes formed on the upper surface of the wiring substrate are connected when the semiconductor chip and the wiring substrate are flip-chip connected. It is a principal part top view which expands and shows a part. FIG. 8 is an enlarged cross-sectional view showing a main part of a semiconductor device in which a semiconductor chip is mounted on the upper surface of the wiring board. FIG. 9A is an enlarged cross-sectional view of a main part showing a joint portion between a Cu pillar and a lead electrode, and is a cross-sectional view of the main part along a direction orthogonal to the extending direction of the lead electrode and the upper surface of the wiring board (in FIG. FIG. 9B is an enlarged cross-sectional view of the main portion showing the joint portion between the Cu pillar and the lead electrode, and is a cross-sectional view of the main portion along the extending direction of the lead electrode. It is principal part sectional drawing in the CC 'line of FIG. 10 (a) and 10 (b) are enlarged cross-sectional views showing the main part of the joint between the Cu pillar and the lead electrode for explaining the constricted shape of the solder, and FIG. 10 (a) is the Cu pillar and the lead electrode. FIG. 6B is a cross-sectional view of the main part when the positional deviation between the Cu pillar and the lead electrode is relatively large.
1.半導体装置の構造
図1に、半導体装置の要部平面図を示し、図2に、半導体装置の要部断面図(図1のA−A´線における要部断面図)を示す。
1. 1. Structure of Semiconductor Device FIG. 1 shows a plan view of the main part of the semiconductor device, and FIG. 2 shows a cross-sectional view of the main part of the semiconductor device (a cross-sectional view of the main part taken along the line AA ′ in FIG. 1).
半導体装置SMは、配線基板ISの互いに反対側に位置する上面および下面のうち、上面側に半導体チップSCを搭載し、下面側にボール状の外部接続端子(またはアウターボールとも言う)BSを複数配置したパッケージ構造となっている。 The semiconductor device SM has a semiconductor chip SC mounted on the upper surface side of the upper surface and the lower surface located on the opposite sides of the wiring board IS, and a plurality of ball-shaped external connection terminals (also referred to as outer balls) BS on the lower surface side. It has an arranged package structure.
半導体チップSCの主面と、配線基板ISの上面とが対向するように、配線基板ISの上面に半導体チップSCが搭載されている。半導体チップSCの主面には、半導体素子と電気的に接続された複数の電極パッドCPが配置されている。これら複数の電極パッドCPは、半導体チップSCの多層配線のうちの最上層の配線からなり、半導体チップSCの表面保護膜PIにそれぞれの電極パッドCPに対応して形成された開口部により露出している。 The semiconductor chip SC is mounted on the upper surface of the wiring substrate IS so that the main surface of the semiconductor chip SC and the upper surface of the wiring substrate IS face each other. On the main surface of the semiconductor chip SC, a plurality of electrode pads CP electrically connected to the semiconductor elements are arranged. The plurality of electrode pads CP are composed of the uppermost layer wiring of the multilayer wiring of the semiconductor chip SC, and are exposed through openings formed in the surface protective film PI of the semiconductor chip SC corresponding to the respective electrode pads CP. ing.
さらに、複数の電極パッドCPの表面にはそれぞれ柱状電極、例えばCuピラーCBが接続されており、はんだ層SOを介して、半導体チップSCの主面に形成された複数のCuピラーCBと配線基板ISの上面に形成された複数のリード電極LEとが電気的に接続されている。 Further, columnar electrodes, for example, Cu pillars CB, are connected to the surfaces of the plurality of electrode pads CP, respectively, and the plurality of Cu pillars CB and the wiring board formed on the main surface of the semiconductor chip SC via the solder layer SO. A plurality of lead electrodes LE formed on the upper surface of the IS are electrically connected.
配線基板ISの上面と半導体チップSCの主面との間には、アンダーフィル樹脂UFが充填されており、複数の電極パッドCP、複数のCuピラーCB、複数のはんだ層SO、および複数のリード電極LEなどを保護している。 An underfill resin UF is filled between the upper surface of the wiring board IS and the main surface of the semiconductor chip SC, and a plurality of electrode pads CP, a plurality of Cu pillars CB, a plurality of solder layers SO, and a plurality of leads. The electrode LE and the like are protected.
2.半導体チップ
図3に、フリップチップ接続する前の半導体チップの要部平面図を示し、図4に、フリップチップ接続する前の半導体チップの一部を拡大した要部断面図(図3のD−D´線における要部断面図)を示す。
2. Semiconductor Chip FIG. 3 is a plan view of a main part of a semiconductor chip before flip chip connection, and FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view of a main part of the semiconductor chip before flip chip connection (D-- in FIG. 3). The principal part sectional drawing in D 'line is shown.
半導体チップSCは、半導体素子が形成された主面と、主面と反対側の裏面とを有し、その厚さ方向と交差する平面形状は四角形である。 The semiconductor chip SC has a main surface on which a semiconductor element is formed and a back surface opposite to the main surface, and the planar shape intersecting the thickness direction is a quadrangle.
半導体チップSCは、これに限定されないが、主に、単結晶シリコン(Si)からなる半導体基板SSと、この半導体基板SSの主面に形成された複数の半導体素子からなる内部回路ICと、この半導体基板SSの主面の中央部および周辺部に形成された電源、グランドなどが接続される固定電位入出力回路、信号などが接続される入出力バッファ回路(Input Output Buffer)IOとを有している。入出力バッファ回路IOは、入出力動作のために特化した機能ブロックであり、入出力回路およびESD(Electro Static Discharge)保護素子などを含んでいる。 The semiconductor chip SC is not limited to this, but mainly includes a semiconductor substrate SS made of single crystal silicon (Si), an internal circuit IC made of a plurality of semiconductor elements formed on the main surface of the semiconductor substrate SS, and this It has a fixed potential input / output circuit to which a power source, a ground, etc. connected to the central portion and the peripheral portion of the main surface of the semiconductor substrate SS are connected, and an input / output buffer circuit (Input Output Buffer) IO to which signals are connected. ing. The input / output buffer circuit IO is a functional block specialized for input / output operations, and includes an input / output circuit and an ESD (Electro Static Discharge) protection element.
さらに、半導体チップSCは、半導体基板SSの主面において絶縁層と配線層とをそれぞれ複数段積み重ねた多層配線MLと、この多層配線MLを覆うようにして形成された表面保護膜PIとを有する構成になっている。上記絶縁層は、例えば比誘電率3.0以下の低誘電率(Low−k)膜で形成されている。上記配線層は、例えばアルミニウム(Al)または銅(Cu)等の金属膜で形成されている。上記表面保護膜PIは、例えばポリイミド等の有機絶縁膜、あるいは酸化シリコン(SiO2)膜または窒化シリコン(SiNx)膜等のシリコン(Si)を含む無機絶縁膜、あるいは前記シリコン(Si)を含む無機絶縁膜上に上記ポリイミド等の有機絶縁膜が形成された積層構造で形成されている。 Furthermore, the semiconductor chip SC has a multilayer wiring ML in which a plurality of insulating layers and wiring layers are stacked on the main surface of the semiconductor substrate SS, and a surface protective film PI formed so as to cover the multilayer wiring ML. It is configured. The insulating layer is formed of, for example, a low dielectric constant (Low-k) film having a relative dielectric constant of 3.0 or less. The wiring layer is formed of a metal film such as aluminum (Al) or copper (Cu). The surface protective film PI includes, for example, an organic insulating film such as polyimide, an inorganic insulating film containing silicon (Si) such as a silicon oxide (SiO 2 ) film or a silicon nitride (SiNx) film, or the silicon (Si). It is formed of a laminated structure in which an organic insulating film such as polyimide is formed on an inorganic insulating film.
半導体チップSCの主面の中央部および外周部には、最上層の配線の一部からなる複数の電極パッド(最上層の配線の一部であって、CuピラーCBが接続される部分を言う)CPが配置されている。本実施の形態では、電極パッドCPを最上層の配線の一部によって構成したが、これに限定されるものではない。例えば最上層の配線の上層にさらに、最上層の配線を構成する導電性材料とは異なる導電性材料によって、最上層の配線に電気的に接続する電極を形成し、これを電極パッドCPとすることもできる。 A central portion and an outer peripheral portion of the main surface of the semiconductor chip SC are a plurality of electrode pads (part of the uppermost layer wiring, which is a portion to which the Cu pillar CB is connected). ) CP is arranged. In the present embodiment, the electrode pad CP is configured by a part of the uppermost layer wiring, but is not limited to this. For example, an electrode electrically connected to the uppermost layer wiring is formed on the uppermost layer wiring by a conductive material different from the conductive material constituting the uppermost layer wiring, and this is used as an electrode pad CP. You can also
電極パッドCPは、最上層の配線の他部および導電性材料が埋め込まれた引出しビアCVを介して、最上層の配線の1つ下層の配線と電気的に接続されている。引出しビアCVは、最上層の配線と、その1つ下層の配線との間に形成された絶縁層を貫通して形成されており、その内部に埋め込まれた導電性材料は、最上層の配線と一体に形成される接続部材であってもよく、または、最上層の配線とは一体に形成されず、引出しビアCVの内部のみに埋め込まれた接続部材であってもよい。 The electrode pad CP is electrically connected to the lower layer wiring of the uppermost layer wiring via the other portion of the uppermost layer wiring and the lead via CV in which the conductive material is embedded. The lead-out via CV is formed through an insulating layer formed between the uppermost layer wiring and one lower layer wiring, and the conductive material embedded in the lead via CV is the uppermost layer wiring. The connection member may be formed integrally with the uppermost wiring, or may be a connection member that is not formed integrally with the uppermost wiring and is embedded only inside the lead-out via CV.
さらに、電極パッドCPは、最上層の配線よりも下層の各配線、および各絶縁層に形成されたビアの内部に埋め込まれた導電性材料を介して、入出力バッファ回路IOと電気的に接続されている。入出力バッファ回路IOと内部回路ICとは、最上層の配線よりも下層の配線によって電気的に接続されている。 Further, the electrode pad CP is electrically connected to the input / output buffer circuit IO via each wiring below the uppermost wiring and a conductive material embedded in a via formed in each insulating layer. Has been. The input / output buffer circuit IO and the internal circuit IC are electrically connected by a lower layer wiring than the uppermost layer wiring.
電極パッドCPは、表面保護膜PIに形成された開口部CROから露出している。この電極パッドCPにそれぞれ密着性向上効果または金属元素の拡散バリア機能を有する下地膜UCBを介してCuピラーCBが電気的に接続されている。下地膜UCBは、例えばチタン(Ti)または銅(Cu)からなる。 The electrode pad CP is exposed from the opening CRO formed in the surface protective film PI. Cu pillars CB are electrically connected to the electrode pads CP via a base film UCB having an adhesion improving effect or a metal element diffusion barrier function. The base film UCB is made of, for example, titanium (Ti) or copper (Cu).
CuピラーCBは突起状の電極であり、円柱形状または直方体形状からなる。CuピラーCBの表面保護膜PIの表面からの高さは、例えば30μm程度であり、円柱形状の場合の平面視におけるその直径は、例えば30μm〜35μm程度、直方体形状の場合の平面視におけるその一辺の長さは、例えば30μm〜35μm程度である。 The Cu pillar CB is a protruding electrode and has a cylindrical shape or a rectangular parallelepiped shape. The height of the Cu pillar CB from the surface of the surface protective film PI is, for example, about 30 μm, and its diameter in a plan view in the case of a cylindrical shape is, for example, about 30 μm to 35 μm, and its one side in a plan view in the case of a rectangular parallelepiped shape. The length of is, for example, about 30 μm to 35 μm.
本実施の形態において、表面保護膜PIに形成された開口部CROの開口径はCuピラーCBの径より小さく形成されている。これにより、図4に示すように、CuピラーCBの周縁部は少なくとも一部が表面保護膜PI上に乗り上げた構造とすることができ、接合部に生じた応力の一部を表面保護膜PIの変形によって緩和することができる。 In the present embodiment, the opening diameter of the opening CRO formed in the surface protective film PI is smaller than the diameter of the Cu pillar CB. As a result, as shown in FIG. 4, the peripheral portion of the Cu pillar CB can have a structure in which at least a part thereof rides on the surface protective film PI. It can be relieved by deformation.
CuピラーCBは、下地膜UCBを介して電極パッドCPと接続する第1面(底面)CBS1と、この第1面(底面)CBS1と反対側の第2面(下面)CBS2を有し、第2面(下面)CBS2には、鉛(Pb)フリーはんだ(例えば錫(Sn)−1.5wt.%銀(Ag)はんだ)SO1が形成されている。はんだSO1のCuピラーCBの第2面(下面)CBS2からの厚さは、例えば12μm〜15μm程度である。 The Cu pillar CB has a first surface (bottom surface) CBS1 connected to the electrode pad CP through the base film UCB, and a second surface (bottom surface) CBS2 opposite to the first surface (bottom surface) CBS1. Lead (Pb) -free solder (for example, tin (Sn) -1.5 wt.% Silver (Ag) solder) SO1 is formed on the second surface (lower surface) CBS2. The thickness of the solder SO1 from the second surface (lower surface) CBS2 of the Cu pillar CB is, for example, about 12 μm to 15 μm.
3.配線基板
図5Aに、フリップチップ接続する前の配線基板の上面に形成された複数のリード電極の配置を説明する要部平面図を示し、図5Bに、配線基板の下面に形成された複数の外部接続端子の配置を説明する要部平面図を示す。
3. Wiring board FIG. 5A shows a plan view of a main part for explaining the arrangement of a plurality of lead electrodes formed on the upper surface of the wiring board before flip-chip connection, and FIG. 5B shows a plurality of wiring electrodes formed on the lower surface of the wiring board. The principal part top view explaining arrangement | positioning of an external connection terminal is shown.
配線基板ISは、上面と、上面と反対側の下面とを有し、多層配線構造からなる。配線基板ISは、その厚さ方向と交差する平面形状が四角形になっており、第1辺LS1と、第1辺LS1と直交する第2辺LS2と、第1辺LS1と対向する第3辺LS3と、第2辺LS2と対向する第4辺LS4とを有している。 The wiring board IS has an upper surface and a lower surface opposite to the upper surface, and has a multilayer wiring structure. The wiring board IS has a quadrangular planar shape intersecting the thickness direction, the first side LS1, the second side LS2 orthogonal to the first side LS1, and the third side facing the first side LS1. It has LS3 and a fourth side LS4 facing the second side LS2.
図5Aに示すように、配線基板ISの上面は、保護膜(図5A中、ハッチングで示す領域)SR1により覆われており、この保護膜SR1に形成された開口部SRO1からそれぞれ複数のリード電極LEが露出している。しかし、開口部SRO1は、複数のリード電極LEのそれぞれに対して形成されているのではなく、1つの開口部SRO1から複数のリード電極LEが露出している。 As shown in FIG. 5A, the upper surface of the wiring board IS is covered with a protective film SR1 (region shown by hatching in FIG. 5A), and a plurality of lead electrodes are respectively formed from the openings SRO1 formed in the protective film SR1. LE is exposed. However, the opening SRO1 is not formed for each of the plurality of lead electrodes LE, but the plurality of lead electrodes LE are exposed from one opening SRO1.
本実施の形態では、2つの開口部SRO1が形成された配線基板ISを例示しており、中央部に一の開口部SRO1が形成され、一の開口部SRO1と離間して、一の開口部SRO1を囲むように他の開口部SRO1が形成されている。なお、開口部SRO1の数および形状は、これに限定されるものではなく、例えば、配線基板ISの各辺に沿ってそれぞれ1つの開口部SRO1を形成し、それぞれの開口部SRO1から複数のリード電極LEを露出させてもよい。 In the present embodiment, the wiring board IS in which two openings SRO1 are formed is illustrated, and one opening SRO1 is formed in the central portion, separated from the one opening SRO1, and one opening. Another opening SRO1 is formed so as to surround SRO1. Note that the number and shape of the openings SRO1 are not limited to this. For example, one opening SRO1 is formed along each side of the wiring board IS, and a plurality of leads is formed from each opening SRO1. The electrode LE may be exposed.
リード電極LEの延伸する方向(第1方向)と配線基板ISの上面において直交する方向(第2方向)の幅は一定であり、その幅は、例えばリード電極LEの電気抵抗、および半導体チップSCの主面に形成されたCuピラーCBとの接続信頼性等の観点から設定される。ここで、一定の幅とは、加工精度等によるばらつきを考慮した範囲も含まれる。 The width in the direction in which the lead electrode LE extends (first direction) and the direction orthogonal to the upper surface of the wiring board IS (second direction) is constant, and the width is, for example, the electrical resistance of the lead electrode LE and the semiconductor chip SC. It is set from the viewpoint of connection reliability with the Cu pillar CB formed on the main surface of the. Here, the constant width includes a range in consideration of variations due to processing accuracy and the like.
上記一の開口部SOR1からは、配線基板ISの第2辺LS2側から第4辺LS4側へ、または第4辺LS4側から第2辺側LS2へ延伸するリード電極LEが露出している。 From the one opening SOR1, the lead electrode LE extending from the second side LS2 side to the fourth side LS4 side or from the fourth side LS4 side to the second side LS2 of the wiring board IS is exposed.
また、上記他の開口部SOR1のうち、配線基板ISの第1辺LS1に近接する部位からは、平面視において第1辺LS1と直交する方向に(第1辺LS1側から第3辺LS3側へ、または第3辺LS3側から第1辺LS1側へ)延伸する複数のリード電極LEが露出している。 Also, from the portion of the other opening SOR1 that is close to the first side LS1 of the wiring board IS, in a direction orthogonal to the first side LS1 in plan view (from the first side LS1 side to the third side LS3 side) Or a plurality of lead electrodes LE extending from the third side LS3 side to the first side LS1 side are exposed.
同様に、上記他の開口部SOR1のうち、配線基板ISの第2辺LS2に近接する部位からは、平面視において第2辺LS2と直交する方向に(第2辺LS2側から第4辺LS4側へ、または第4辺LS4側から第2辺LS2側へ)延伸する複数のリード電極LEが露出している。 Similarly, from the portion of the other opening SOR1 that is close to the second side LS2 of the wiring board IS, in a direction orthogonal to the second side LS2 in plan view (from the second side LS2 side to the fourth side LS4). A plurality of lead electrodes LE extending to the side or from the fourth side LS4 side to the second side LS2 side are exposed.
同様に、上記他の開口部SOR1のうち、配線基板ISの第3辺LS3に近接する部位からは、平面視において第3辺LS3と直交する方向に(第3辺LS3側から第1辺LS1側へ、または第1辺LS1側から第3辺LS3側へ)延伸する複数のリード電極LEが露出している。 Similarly, from the portion of the other opening SOR1 that is close to the third side LS3 of the wiring board IS, in a direction orthogonal to the third side LS3 in plan view (from the third side LS3 side to the first side LS1). A plurality of lead electrodes LE extending to the side or from the first side LS1 side to the third side LS3 side are exposed.
同様に、上記他の開口部SOR1のうち、配線基板ISの第4辺LS4に近接する部位からは、平面視において第4辺LS4と直交する方向に(第4辺LS4側から第2辺LS2側へ、または第2辺LS2側から第4辺LS4側へ)延伸する複数のリード電極LEが露出している。 Similarly, from the part close to the fourth side LS4 of the wiring board IS in the other opening SOR1, the second side LS2 from the fourth side LS4 side in a direction orthogonal to the fourth side LS4 in plan view. A plurality of lead electrodes LE extending to the side or from the second side LS2 side to the fourth side LS4 side are exposed.
さらに、複数のリード電極LEには、前述の図3に示した複数のCuピラーCBがそれぞれ電気的に接続される。よって、複数のリード電極LEのうち、複数のCuピラーCBと接続する部分、いわゆるランド・パッドLPの配置は、半導体チップSCの主面と裏面とを反転した場合の複数のCuピラーCBの配置と同様となる。 Further, the plurality of Cu pillars CB shown in FIG. 3 are electrically connected to the plurality of lead electrodes LE, respectively. Therefore, portions of the plurality of lead electrodes LE that are connected to the plurality of Cu pillars CB, so-called land pads LP, are disposed when the main surface and the back surface of the semiconductor chip SC are inverted. It will be the same.
複数のリード電極LEの露出した表面(上面および側面)には、鉛(Pb)フリーはんだ(例えば錫(Sn)はんだ)SO2が形成されている。リード電極LEの一部であるランド・パッドLPにおけるはんだSO2のリード電極LEの上面からの厚さは、リード電極LEの他部におけるはんだSO2のリード電極LEの上面からの厚さよりも厚く、例えば12μm〜15μm程度である。 Lead (Pb) -free solder (for example, tin (Sn) solder) SO2 is formed on the exposed surfaces (upper surface and side surfaces) of the plurality of lead electrodes LE. The thickness of the solder SO2 from the upper surface of the lead electrode LE in the land pad LP which is a part of the lead electrode LE is larger than the thickness of the solder SO2 from the upper surface of the lead electrode LE in the other part of the lead electrode LE. It is about 12 μm to 15 μm.
また、図5Bに示すように、配線基板ISの下面は、保護膜SR2により覆われており、この保護膜SR2に形成された開口部SRO2から複数のランド・パッドBLRが露出している。これら複数のランド・パッドBLRにはそれぞれ、外部接続端子BSが接続されている。 Further, as shown in FIG. 5B, the lower surface of the wiring board IS is covered with the protective film SR2, and a plurality of land pads BLR are exposed from the opening SRO2 formed in the protective film SR2. An external connection terminal BS is connected to each of the plurality of land pads BLR.
図6に、複数のリード電極の変形例を説明する要部平面図を示す。 FIG. 6 is a plan view of a principal part for explaining a modification example of a plurality of lead electrodes.
前述の図5Aでは、リード電極LEの延伸する方向と配線基板ISの上面において直交する方向の幅が一定(加工精度等によるばらつきを考慮した範囲を含む)のリード電極LEを例示したが、これに限定されるものではない。例えばリード電極LEの延伸する方向と配線基板ISの上面において直交する方向におけるランド・パッドLPの幅のみをリード電極LEの他の部分の幅よりも大きくしてもよい。これにより、半導体チップSCの主面に形成されたCuピラーCBとの接続信頼性がより向上する。特にランド・パッドLPの幅をリード電極LEの他の部分の幅よりも1.5倍より大きく、かつ3.0倍より小さくすることで、狭ピッチでの接続において高い接続信頼性を得ることができる。 In FIG. 5A described above, the lead electrode LE in which the width of the direction in which the lead electrode LE extends and the direction orthogonal to the upper surface of the wiring board IS is constant (including a range in which variation due to processing accuracy and the like is taken into consideration) is illustrated. It is not limited to. For example, only the width of the land pad LP in the direction orthogonal to the extending direction of the lead electrode LE and the direction orthogonal to the upper surface of the wiring board IS may be made larger than the width of the other part of the lead electrode LE. Thereby, connection reliability with Cu pillar CB formed in the main surface of semiconductor chip SC improves more. In particular, by making the width of the land pad LP larger than 1.5 times and smaller than 3.0 times the width of the other part of the lead electrode LE, high connection reliability can be obtained in connection with a narrow pitch. Can do.
4.半導体チップと配線基板とをフリップチップ接続した半導体装置
図7に、半導体チップの主面に形成された複数のCuピラーと配線基板の上面に形成された複数のリード電極とを複数のはんだを介してそれぞれ接続した領域の一部を拡大した要部平面図を示す。
4). FIG. 7 shows a semiconductor device in which a semiconductor chip and a wiring board are flip-chip connected. In FIG. 7, a plurality of Cu pillars formed on the main surface of the semiconductor chip and a plurality of lead electrodes formed on the upper surface of the wiring board are connected via a plurality of solders. The principal part top view which expanded a part of area | region which connected respectively is shown.
例えば前述の図1に示したように、半導体チップSCの中央部および外周部にはそれぞれ、複数のCuピラーCBが配列している。これら複数のCuピラーCBは、配線基板ISの上面を覆う保護膜SR1に形成された開口部SRO1から露出する複数のリード電極LEと、複数のはんだを介してそれぞれ電気的に接続されている。 For example, as shown in FIG. 1 described above, a plurality of Cu pillars CB are arranged in each of the central portion and the outer peripheral portion of the semiconductor chip SC. The plurality of Cu pillars CB are electrically connected to the plurality of lead electrodes LE exposed from the opening SRO1 formed in the protective film SR1 covering the upper surface of the wiring board IS via a plurality of solders.
図8に、配線基板の上面に半導体チップを搭載した半導体装置の一部を拡大した要部断面図を示す。 FIG. 8 shows an enlarged cross-sectional view of a main part of a semiconductor device in which a semiconductor chip is mounted on the upper surface of the wiring board.
配線基板ISは、コア材(基材)Cと、このコア材Cの表面Cxに形成された配線(配線基板ISにおける上から2層目の配線(第2配線ML2))と、この第2配線ML2を覆うように形成された上層絶縁膜IUと、この上層絶縁膜IUの表面に形成された配線(配線基板ISにおける最上層の配線(第1配線ML1))とを有している。ここで、第1配線ML1の一部からなる複数のリード電極LEが、この第1配線ML1を覆うようにして形成された保護膜SR1から露出している。 The wiring board IS includes a core material (base material) C, wirings formed on the surface Cx of the core material C (wiring in the second layer from the top (second wiring ML2) in the wiring board IS), and the second It has an upper insulating film IU formed so as to cover the wiring ML2, and a wiring (the uppermost wiring (first wiring ML1) in the wiring board IS) formed on the surface of the upper insulating film IU. Here, a plurality of lead electrodes LE made of a part of the first wiring ML1 are exposed from the protective film SR1 formed so as to cover the first wiring ML1.
さらに、配線基板ISは、このコア材Cの表面Cxと反対側の裏面Cyに形成された配線(配線基板ISにおける上から3層目の配線(第3配線ML3))と、この第3配線ML3を覆うように形成された下層絶縁膜IDと、この下層絶縁膜IDの表面に形成された配線(配線基板ISにおける最下層の配線(第4配線ML4))とを有している。ここで、第4配線ML4の一部からなる複数のランド・パッドBLRが、この第4配線ML4を覆うようにして形成された保護膜SR2から露出している。 Furthermore, the wiring board IS includes a wiring (third wiring (third wiring ML3) from the top in the wiring board IS) formed on the back surface Cy opposite to the front surface Cx of the core material C, and the third wiring. It has a lower insulating film ID formed so as to cover ML3, and wiring (lowermost wiring (fourth wiring ML4) in the wiring board IS) formed on the surface of the lower insulating film ID. Here, a plurality of land pads BLR made of a part of the fourth wiring ML4 are exposed from the protective film SR2 formed so as to cover the fourth wiring ML4.
ここで、コア材Cはエポキシ基を有する樹脂を含む。この樹脂の内部にはガラスクロスが形成されている。上層絶縁膜IUおよび下層絶縁膜IDはエポキシ基を有する樹脂を含む。コア材Cと同様に、上層絶縁膜IUおよび下層絶縁膜IDも、その樹脂の内部にガラスクロスが形成されていても良い。また、コア材Cの厚さは上層絶縁膜IUの厚さより大きく、かつ下層絶縁膜IDの厚さよりも大きい。 Here, the core material C includes a resin having an epoxy group. A glass cloth is formed inside the resin. The upper insulating film IU and the lower insulating film ID include a resin having an epoxy group. Similar to the core material C, the upper insulating film IU and the lower insulating film ID may also have a glass cloth formed inside the resin. The thickness of the core material C is larger than the thickness of the upper insulating film IU and larger than the thickness of the lower insulating film ID.
また、配線基板ISの各配線ML1,ML2,ML3,ML4は、例えば銅(Cu)を主成分とする金属膜で形成されている。配線基板ISの上面側の保護膜SR1は、例えば絶縁樹脂を主成分としたソルダーレジストであり、埃、熱、または湿気などの外部環境から、配線基板ISの最上層に形成された第1配線ML1を保護し、第1配線ML1の絶縁性を維持する機能を有している。同様に、配線基板ISの下面側の保護膜SR2は、例えば絶縁樹脂を主成分としたソルダーレジストであり、埃、熱、または湿気などの外部環境から、配線基板ISの最下層に形成された第4配線ML4を保護し、第4配線ML4の絶縁性を維持する機能を有している。 In addition, each of the wirings ML1, ML2, ML3, and ML4 of the wiring board IS is formed of, for example, a metal film containing copper (Cu) as a main component. The protective film SR1 on the upper surface side of the wiring board IS is, for example, a solder resist mainly composed of an insulating resin, and the first wiring formed on the uppermost layer of the wiring board IS from an external environment such as dust, heat, or moisture. It has a function of protecting ML1 and maintaining the insulation of the first wiring ML1. Similarly, the protective film SR2 on the lower surface side of the wiring board IS is, for example, a solder resist mainly composed of an insulating resin, and is formed in the lowermost layer of the wiring board IS from an external environment such as dust, heat, or moisture. It has a function of protecting the fourth wiring ML4 and maintaining the insulation of the fourth wiring ML4.
また、第1配線ML1と第2配線ML2とは、上層絶縁膜IUに形成された貫通孔(ビア)VUを介して電気的に接続されている。第2配線ML2と第3配層ML3とは、コア材Cの表面Cxから裏面Cyに向かって形成された貫通孔(ビア)VIを介して電気的に接続されている。第3配線ML3と第4配線ML4とは、下層絶縁膜IDに形成された貫通孔(ビア)VDを介して電気的に接続されている。 The first wiring ML1 and the second wiring ML2 are electrically connected via a through hole (via) VU formed in the upper insulating film IU. The second wiring ML2 and the third distribution layer ML3 are electrically connected via a through-hole (via) VI formed from the front surface Cx of the core material C toward the rear surface Cy. The third wiring ML3 and the fourth wiring ML4 are electrically connected via a through hole (via) VD formed in the lower insulating film ID.
また、前述の図1に示したように、配線基板ISの上面には、複数のリード電極LEが、半導体チップSCの中央部および外周部に対向する位置にそれぞれ形成されている。これら複数のリード電極LEは、保護膜SR1に複数のリード電極LEに対応して形成された開口部SRO1によりそれぞれ露出している。 Also, as shown in FIG. 1 described above, a plurality of lead electrodes LE are formed on the upper surface of the wiring board IS at positions facing the central portion and the outer peripheral portion of the semiconductor chip SC, respectively. The plurality of lead electrodes LE are respectively exposed through openings SRO1 formed in the protective film SR1 corresponding to the plurality of lead electrodes LE.
また、配線基板ISの下面には、前述したように、複数のランド・パッドBLRが形成されている。これら複数のランド・パッドBLRは、保護膜SR2に複数のランド・パッドBLRに対応して形成された複数の開口部SRO2によりそれぞれ露出しており、それぞれに外部接続端子BSが接続されている。 Further, as described above, a plurality of land pads BLR are formed on the lower surface of the wiring board IS. The plurality of land pads BLR are exposed through a plurality of openings SRO2 formed in the protective film SR2 corresponding to the plurality of land pads BLR, and the external connection terminals BS are connected to the respective openings.
半導体チップSCは、配線基板ISの上面と半導体チップSCの主面とが対向して、配線基板ISの上面に搭載されており、半導体チップSCの主面に形成された複数の電極パッドCPにそれぞれ接続された複数のCuピラーCBと、配線基板ISの上面に形成された複数のリード電極LEとが、複数のはんだ層SOによってそれぞれ電気的に接続されている。 The semiconductor chip SC is mounted on the upper surface of the wiring substrate IS such that the upper surface of the wiring substrate IS and the main surface of the semiconductor chip SC are opposed to each other, and a plurality of electrode pads CP formed on the main surface of the semiconductor chip SC. A plurality of Cu pillars CB connected to each other and a plurality of lead electrodes LE formed on the upper surface of the wiring board IS are electrically connected to each other by a plurality of solder layers SO.
5.Cuピラーとリード電極との接合部
図9Aおよび図9Bに、Cuピラーとリード電極との接合部を拡大した要部断面図を示す。
5. Junction between Cu Pillar and Lead Electrode FIGS. 9A and 9B are enlarged cross-sectional views of the main part of the junction between the Cu pillar and the lead electrode.
半導体チップSCの主面に形成された電極パッドCPに下地膜UCBを介して接続するCuピラーCBと、配線基板ISの上面に形成されたリード電極LEとは、錫(Sn)を主成分とするはんだ層SOを介して接続されている。CuピラーCBの第2面(下面)CBS2とリード電極LEの上面との距離L1は、例えば10μm程度である。 The Cu pillar CB connected to the electrode pad CP formed on the main surface of the semiconductor chip SC via the base film UCB and the lead electrode LE formed on the upper surface of the wiring board IS are mainly composed of tin (Sn). Are connected via a solder layer SO. A distance L1 between the second surface (lower surface) CBS2 of the Cu pillar CB and the upper surface of the lead electrode LE is, for example, about 10 μm.
以下に、CuピラーCBとリード電極LEとの接合部の具体的な構造を説明する。 Below, the specific structure of the junction part of Cu pillar CB and the lead electrode LE is demonstrated.
CuピラーCBの第2面(下面)CBS2には、錫(Sn)と銅(Cu)とからなる金属間化合物を主成分とする第1金属間化合物層IMC1が形成されており、リード電極LEの上面には、錫(Sn)と銅(Cu)とからなる金属間化合物を主成分とする第2金属間化合物層IMC2が形成されている。 On the second surface (lower surface) CBS2 of the Cu pillar CB, a first intermetallic compound layer IMC1 mainly composed of an intermetallic compound composed of tin (Sn) and copper (Cu) is formed, and the lead electrode LE is formed. A second intermetallic compound layer IMC2 mainly composed of an intermetallic compound composed of tin (Sn) and copper (Cu) is formed on the upper surface of the substrate.
これら第1金属間化合物層IMC1および第2金属間化合物層IMC2を構成する金属間化合物は、例えばフリップチップ接続の際の熱履歴により形成される。また、その組成は、例えばCu3SnまたはCu6Sn5であり、Cu/金属間化合物が0.5以上となる銅(Cu)の原子数比を有する。また、以下に説明する中間層ISOに比べて融点が高く(例えば400℃以上)、硬度も高い。 The intermetallic compounds constituting the first intermetallic compound layer IMC1 and the second intermetallic compound layer IMC2 are formed by, for example, a thermal history at the time of flip chip connection. Moreover, the composition is Cu3Sn or Cu6Sn5, for example, and has an atomic ratio of copper (Cu) in which the Cu / intermetallic compound is 0.5 or more. In addition, the melting point is higher (for example, 400 ° C. or higher) and the hardness is higher than the intermediate layer ISO described below.
しかし、第1金属間化合物層IMC1と第2金属間化合物層IMC2とは繋がっておらず、第1金属間化合物層IMC1と第2金属間化合物層IMC2との間、およびリード電極LEの側面に、錫(Sn)、あるいは銅(Cu)または銀(Ag)などが固溶した錫(Sn)からなる中間層ISOが形成されている。中間層ISOの一部には孤立した金属間化合物粒を含んでいてもよい。 However, the first intermetallic compound layer IMC1 and the second intermetallic compound layer IMC2 are not connected, and between the first intermetallic compound layer IMC1 and the second intermetallic compound layer IMC2 and on the side surface of the lead electrode LE. An intermediate layer ISO made of tin (Sn) in which tin (Sn), copper (Cu), silver (Ag), or the like is dissolved is formed. A part of the intermediate layer ISO may contain isolated intermetallic compound grains.
中間層ISOに含まれる錫(Sn)の原子数比は、第1金属間化合物層IMC1および第2金属間化合物層IMC2に含まれる錫(Sn)の原子数比よりも大きく、例えば0.84以上、好ましくは0.9以上のSn/Cu原子数比を有する。これにより、中間層ISOは第1金属間化合物層IMC1および第2金属間化合物層IMC2よりも延展性に富む性質を有する。 The atomic ratio of tin (Sn) contained in the intermediate layer ISO is larger than the atomic ratio of tin (Sn) contained in the first intermetallic compound layer IMC1 and the second intermetallic compound layer IMC2, for example 0.84 As described above, the Sn / Cu atomic ratio is preferably 0.9 or more. Thus, the intermediate layer ISO has a property that is more extendable than the first intermetallic compound layer IMC1 and the second intermetallic compound layer IMC2.
ところで、実際には第1金属間化合物層IMC1または第2金属間化合物層IMC2と繋がっていても、CuピラーCBとリード電極LEとの接合部を一つの断面で見た場合に、中間層ISOに第1金属間化合物層IMC1または第2金属間化合物層IMC2とは分離した、浮島状に観察される金属間化合物の塊が現れることがある。これは、第1金属間化合物層IMC1および第2金属間化合物層IMC2が針状または板状の析出物を含むことがあるためである。ここで、浮島状に観察される金属間化合物の塊は、それが繋がる第1金属間化合物層IMC1または第2金属間化合物層IMC2の一部と見なすこともできるが、針状または板状の析出物の、はんだ層SO全体における機械的強度への影響は小さいため、ここでは中間層ISOの一部と見なすこととする。 By the way, when the junction between the Cu pillar CB and the lead electrode LE is viewed in one cross section even though it is actually connected to the first intermetallic compound layer IMC1 or the second intermetallic compound layer IMC2, the intermediate layer ISO. In some cases, a lump of intermetallic compounds separated from the first intermetallic compound layer IMC1 or the second intermetallic compound layer IMC2 appears in a floating island shape. This is because the first intermetallic compound layer IMC1 and the second intermetallic compound layer IMC2 may contain needle-like or plate-like precipitates. Here, the lump of intermetallic compound observed in a floating island shape can be regarded as a part of the first intermetallic compound layer IMC1 or the second intermetallic compound layer IMC2 to which the lump is connected. Since the influence of the precipitate on the mechanical strength of the entire solder layer SO is small, it is considered here as a part of the intermediate layer ISO.
本実施の形態では、第1金属間化合物層IMC1、中間層ISO、および第2金属間化合物層IMC2からなる部分をはんだ層SOと言い、例えば前述の図4に示したCuピラーCBの第2面(下面)CBS2に形成されるはんだSO1および前述の図5Aに示したリード電極LEの上面に形成されるはんだSO2とは異なる。なお、第1金属間化合物層IMC1または第2金属間化合物層IMC2と中間層ISOとの境界は、例えばSEM(Scanning Electron Microscope)または光学顕微鏡による観察において、容易に確認することができる。 In the present embodiment, a portion composed of the first intermetallic compound layer IMC1, the intermediate layer ISO, and the second intermetallic compound layer IMC2 is referred to as a solder layer SO. For example, the second portion of the Cu pillar CB shown in FIG. The solder SO1 formed on the surface (lower surface) CBS2 is different from the solder SO2 formed on the upper surface of the lead electrode LE shown in FIG. 5A. Note that the boundary between the first intermetallic compound layer IMC1 or the second intermetallic compound layer IMC2 and the intermediate layer ISO can be easily confirmed by, for example, observation with a scanning electron microscope (SEM) or an optical microscope.
このように、第1金属間化合物層IMC1と第2金属間化合物層IMC2との間に延展性に富む錫(Sn)リッチ層である中間層ISOを設けることにより、半導体チップSCと配線基板ISとの熱膨張の違いによりCuピラーCBとリード電極LEとの接合部に生じる応力を中間層ISOによって緩和することができる。 As described above, by providing the intermediate layer ISO, which is a tin (Sn) -rich layer having excellent extensibility, between the first intermetallic compound layer IMC1 and the second intermetallic compound layer IMC2, the semiconductor chip SC and the wiring board IS. The intermediate layer ISO can relieve the stress generated at the joint between the Cu pillar CB and the lead electrode LE due to the difference in thermal expansion from the intermediate layer ISO.
さらに、中間層ISOは「くびれ」を有する。すなわち、中間層ISOは、CuピラーCBの第2面(下面)CBS2とリード電極LEの上面との間の中ほどで細く狭まっている部分を有する。 Further, the intermediate layer ISO has a “neck”. That is, the intermediate layer ISO has a portion that narrows in the middle between the second surface (lower surface) CBS2 of the Cu pillar CB and the upper surface of the lead electrode LE.
図10に、はんだのくびれ形状を説明するためのCuピラーとリード電極との接合部を拡大した要部断面図を示す。 FIG. 10 is an enlarged cross-sectional view of a main part illustrating a joint portion between the Cu pillar and the lead electrode for explaining the constricted shape of the solder.
図10(a)に示すように、はんだ層SOの形状は、点線で示すような樽形状ではなく、中間層ISOの一部にくびれを有している(図10(a)に矢印で示す部分)。ここでくびれとは、リード電極LEの延伸方向と配線基板ISの上面において直交する方向(リード電極LEの幅方向)の断面において、中間層ISOの一方の側面が、一方の側面の2点に外接する線よりも他方の側面側に位置し、かつ中間層ISOの他方の側面が、他方の側面の2点に外接する線よりも一方の側面側に位置することを言う。 As shown in FIG. 10A, the shape of the solder layer SO is not a barrel shape as shown by a dotted line, but has a constriction in a part of the intermediate layer ISO (indicated by an arrow in FIG. 10A). portion). Here, the constriction means that one side surface of the intermediate layer ISO has two points on one side surface in a cross section in a direction orthogonal to the extending direction of the lead electrode LE and the upper surface of the wiring board IS (width direction of the lead electrode LE). It means that the other side surface of the intermediate layer ISO is located on the one side surface side than the line circumscribing two points on the other side surface with respect to the other side surface side with respect to the circumscribing line.
図10(b)に示すように、CuピラーCBとリード電極LEとの位置がずれた場合でも、中間層ISOはくびれを有している(図10(b)に矢印で示す部分)。このくびれは、図10(a)に示したはんだ層SOと同様、リード電極LEの延伸方向と配線基板ISの上面において直交する方向(リード電極LEの幅方向)の断面において、中間層ISOの一方の側面が、一方の側面の2点に外接する線よりも他方の側面側に位置し、かつ中間層ISOの他方の側面が、他方の側面の2点に外接する線よりも一方の側面側に位置している。 As shown in FIG. 10B, even when the positions of the Cu pillar CB and the lead electrode LE are shifted, the intermediate layer ISO has a constriction (portion indicated by an arrow in FIG. 10B). Similar to the solder layer SO shown in FIG. 10A, this constriction occurs in the cross section in the direction (width direction of the lead electrode LE) perpendicular to the extending direction of the lead electrode LE and the upper surface of the wiring board IS. One side surface is positioned on the other side surface than the line circumscribing two points on the one side surface, and the other side surface of the intermediate layer ISO is one side surface than the line circumscribing the two points on the other side surface. Located on the side.
このように、中間層ISOにくびれを設けることにより、半導体チップSCと配線基板ISとの熱膨張の違いによりCuピラーCBとリード電極LEとの接合部に生じる応力を中間層ISOに設けたくびれによって緩和することができる。 As described above, by providing the constriction in the intermediate layer ISO, the constriction in which the stress generated in the joint portion between the Cu pillar CB and the lead electrode LE due to the difference in thermal expansion between the semiconductor chip SC and the wiring board IS is provided in the intermediate layer ISO. Can be relaxed.
従って、第1金属間化合物層IMC1と第2金属間化合物層IMC2との間に延展性に富む錫(Sn)リッチ層である中間層ISOを設けること、およびその中間層ISOにくびれを設けることにより、その中間層ISOに外部応力による変形(可逆)を担わせることができる。これにより、CuピラーCBの底部などに掛かる応力が低減して、CuピラーCBの剥離等などによるCuピラーCBとリード電極LEとの接合部における破壊を回避することができる。 Therefore, providing the intermediate layer ISO, which is a tin (Sn) -rich layer with excellent spreadability, between the first intermetallic compound layer IMC1 and the second intermetallic compound layer IMC2, and providing a constriction in the intermediate layer ISO Thus, the intermediate layer ISO can be deformed (reversible) due to external stress. As a result, the stress applied to the bottom of the Cu pillar CB and the like can be reduced, and breakage at the joint between the Cu pillar CB and the lead electrode LE due to peeling of the Cu pillar CB or the like can be avoided.
≪半導体装置の変形例≫
本実施の形態によるはんだ材料の変形例を図11を用いて説明する。図11は、リード電極の延伸方向と配線基板の上面において直交する方向(リード電極LEの幅方向)に沿ったCuピラーおよびリード電極を拡大して示す要部断面図であり、(a)ははんだ材料の第1変形例を説明する要部断面図、(b)ははんだ材料の第2変形例を説明する要部断面図である。
≪Semiconductor device modification≫
A modification of the solder material according to this embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 11 is an enlarged cross-sectional view of the main part showing the Cu pillar and the lead electrode along a direction orthogonal to the extending direction of the lead electrode and the direction orthogonal to the upper surface of the wiring board (width direction of the lead electrode LE). The principal part sectional view explaining the 1st modification of solder material, (b) is the principal part sectional view explaining the 2nd modification of solder material.
前述の図4に示したCuピラーCBでは、CuピラーCBの第2面(下面)CBS2に直接はんだSO1を形成したが、図11(a)に示す第1変形例では、CuピラーCBの第2面(下面)CBS2にニッケル(Ni)膜NIを介してはんだSO1を形成する。はんだSO1は、例えば錫(Sn)−1.5wt.%銀(Ag)はんだであり、リード配線LEの上面および側面に形成されるはんだSO2は、例えば錫(Sn)はんだである。 In the Cu pillar CB shown in FIG. 4 described above, the solder SO1 is formed directly on the second surface (lower surface) CBS2 of the Cu pillar CB. However, in the first modification shown in FIG. Solder SO1 is formed on the second surface (lower surface) CBS2 via a nickel (Ni) film NI. The solder SO1 is, for example, tin (Sn) -1.5 wt. The solder SO2 formed on the upper surface and the side surface of the lead wiring LE is, for example, tin (Sn) solder.
このように、CuピラーCBとはんだSO1との間にニッケル(Ni)膜NIを形成することにより、フリップチップ接続した際に、CuピラーCBの第2面(下面)CBS2に形成される第1金属間化合物層IMC1の厚さが(例えば前述の図9A参照)、ニッケル(Ni)膜NIを形成しない場合よりも薄くなるので、CuピラーCBとリード電極LEとの接合部の破壊を抑制する効果が向上する。 Thus, by forming the nickel (Ni) film NI between the Cu pillar CB and the solder SO1, the first surface formed on the second surface (lower surface) CBS2 of the Cu pillar CB when flip-chip connection is performed. Since the thickness of the intermetallic compound layer IMC1 (for example, refer to FIG. 9A described above) is thinner than the case where the nickel (Ni) film NI is not formed, the destruction of the joint portion between the Cu pillar CB and the lead electrode LE is suppressed. The effect is improved.
また、前述の図5Aに示したリード電極LEでは、リード電極LEの上面および側面に、錫(Sn)はんだからなるはんだSO2を用いたが、図11(b)に示す第2変形例では、ニッケル(Ni)が添加されたはんだ、例えばニッケル(Ni)が添加された錫(Sn)−3.5wt.%銀(Ag)はんだからなるはんだSO3を用いる。 Further, in the lead electrode LE shown in FIG. 5A described above, the solder SO2 made of tin (Sn) solder is used on the upper surface and side surfaces of the lead electrode LE. In the second modification shown in FIG. Solder to which nickel (Ni) is added, for example, tin (Sn) to which nickel (Ni) is added-3.5 wt. Solder SO3 made of% silver (Ag) solder is used.
このように、リード電極LEの上面および側面にニッケル(Ni)が添加されたはんだSO3を用いることにより、リード電極LEの上面および側面に形成される第2金属間化合物層IMC2の厚さが(例えば前述の図9A参照)、ニッケル(Ni)を添加しないはんだSO2を用いた場合よりも薄くなるので、CuピラーCBとリード電極LEとの接合部の破壊を抑制する効果が向上する。 Thus, by using the solder SO3 in which nickel (Ni) is added to the upper surface and the side surface of the lead electrode LE, the thickness of the second intermetallic compound layer IMC2 formed on the upper surface and the side surface of the lead electrode LE is ( For example, refer to FIG. 9A described above), which is thinner than the case of using solder SO2 to which nickel (Ni) is not added, so that the effect of suppressing the breakage of the joint between the Cu pillar CB and the lead electrode LE is improved.
また、CuピラーCBの第2面(下面)CBS2にニッケル(Ni)膜NIを介して、錫(Sn)−1.5wt.%銀(Ag)はんだからなるはんだSO1を形成し、さらにリード電極LEの上面および側面に例えばニッケル(Ni)が添加された錫(Sn)−3.5wt.%銀(Ag)はんだからなるはんだSO3を形成してもよい。 Further, the second surface (lower surface) CBS2 of the Cu pillar CB is tin (Sn) -1.5 wt. Tin (Sn) -3.5 wt. 1 in which a solder SO1 made of% silver (Ag) solder is formed and nickel (Ni) is added to the upper surface and side surfaces of the lead electrode LE. Solder SO3 made of% silver (Ag) solder may be formed.
これにより、第1金属間化合物層IMC1および第2金属間化合物層IMC2の両方の厚さが薄くなるので、CuピラーCBとリード電極LEとの接合部の破壊をより抑制することができる。 Thereby, since both the thickness of 1st intermetallic compound layer IMC1 and 2nd intermetallic compound layer IMC2 becomes thin, destruction of the junction part of Cu pillar CB and the lead electrode LE can be suppressed more.
本実施の形態による半導体装置の変形例を図12を用いて説明する。図12は、半導体装置を示す要部断面図である。 A modification of the semiconductor device according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 12 is a cross-sectional view of a principal part showing a semiconductor device.
図12に示す半導体装置SMPは、複数のパッケージを積層したPoPの一例である。第1パッケージPK1上に第2パッケージPK2が積層されており、第1パッケージPK1の配線基板IS1と第2パッケージPK2の配線基板IS2との間に形成された外部接続端子(またはアウターボールとも言う)BSPによって、両者間は電気的に接続されている。 The semiconductor device SMP illustrated in FIG. 12 is an example of PoP in which a plurality of packages are stacked. A second package PK2 is stacked on the first package PK1, and external connection terminals (also referred to as outer balls) formed between the wiring board IS1 of the first package PK1 and the wiring board IS2 of the second package PK2. The two are electrically connected by the BSP.
第1パッケージPK1は、前述した半導体装置SM(前述の図1および図2参照)と同様の半導体装置SM1であり、半導体チップSC1の主面に形成された複数のCuピラー(図示は省略)と配線基板IS1の上面に形成された複数のリード電極(図示は省略)とが、はんだ層SOを介して接続されている。また、第2パッケージPK2は、例えば配線基板IS2の下面(半導体チップSC2が搭載された上面と反対側の面)に複数の外部接続端子BSPを有するBGA(Ball Grid Array)型の半導体装置SM2である。 The first package PK1 is a semiconductor device SM1 similar to the semiconductor device SM (see FIGS. 1 and 2 described above), and includes a plurality of Cu pillars (not shown) formed on the main surface of the semiconductor chip SC1. A plurality of lead electrodes (not shown) formed on the upper surface of the wiring board IS1 are connected via a solder layer SO. The second package PK2 is, for example, a BGA (Ball Grid Array) type semiconductor device SM2 having a plurality of external connection terminals BSP on the lower surface of the wiring board IS2 (surface opposite to the upper surface on which the semiconductor chip SC2 is mounted). is there.
半導体装置SM2の構造の一例について以下に簡単に説明するが、これに限定されるものではない。 An example of the structure of the semiconductor device SM2 will be briefly described below, but is not limited thereto.
半導体装置SM2は、配線基板IS2の上面と半導体チップSC2の裏面とを対向させて、配線基板IS2の上面に接着材CMを介して半導体チップSC2が搭載された構造を有している。半導体チップSC2の主面に形成された複数のチップ電極(図示は省略)と配線基板IS2の上面に形成された複数のリード電極(図示は省略)とがそれぞれ複数の導電性ワイヤCWを介して接続されている。さらに、半導体チップSC2および導電性ワイヤCWなどを覆うようにモールドレジンMRが配線基板IS2の上面に形成されている。配線基板IS2の下面には、配線基板IS2の上面に形成された複数のリード電極とそれぞれ電気的に接続された複数のランド・パッド(図示は省略)が形成されており、このランド・パッドにそれぞれ複数の外部接続端子BSPが接続されている。 The semiconductor device SM2 has a structure in which the upper surface of the wiring board IS2 and the back surface of the semiconductor chip SC2 are opposed to each other, and the semiconductor chip SC2 is mounted on the upper surface of the wiring board IS2 via an adhesive CM. A plurality of chip electrodes (not shown) formed on the main surface of the semiconductor chip SC2 and a plurality of lead electrodes (not shown) formed on the upper surface of the wiring board IS2 are respectively connected via a plurality of conductive wires CW. It is connected. Further, a mold resin MR is formed on the upper surface of the wiring board IS2 so as to cover the semiconductor chip SC2 and the conductive wire CW. A plurality of land pads (not shown) electrically connected to a plurality of lead electrodes formed on the upper surface of the wiring board IS2 are formed on the lower surface of the wiring board IS2. A plurality of external connection terminals BSP are connected to each other.
PoPを採用することにより、実装面積を減らすことができるとともに、配線長を短縮することができる。一方で、PoPでは、第1パッケージPK1の配線基板IS1と第2パッケージPK2の配線基板IS2との間を外部接続端子BSPによって接続する工程、すなわち熱処理が必要となり、パッケージを積層するために加わる熱履歴が単層のパッケージの場合よりも増える。そのため、第1パッケージPK1を構成する半導体装置SM1に用いられたCuピラーCBの剥離の問題が深刻になる。 By adopting PoP, the mounting area can be reduced and the wiring length can be shortened. On the other hand, in PoP, a process of connecting the wiring board IS1 of the first package PK1 and the wiring board IS2 of the second package PK2 by the external connection terminal BSP, that is, heat treatment is necessary, and heat applied to stack the packages. The history is increased compared to a single-layer package. For this reason, the problem of peeling of the Cu pillar CB used in the semiconductor device SM1 constituting the first package PK1 becomes serious.
しかし、本実施の形態では、第1パッケージPK1を構成する半導体装置SM1のフリップチップ接続されたはんだ接合部(Cuピラーとリード電極との接合部)において、前述したように(例えば前述の図9Aおよび図9B参照)、第1金属間化合物層IMC1と第2金属間化合物層IMC2との間に錫(Sn)リッチ層である中間層ISOを設けること、およびその中間層ISOにくびれを設けることにより、接合部に外部応力による変形(可逆)を担わせることができる。従って、PoPにCuピラーCBを有する半導体装置SM1を用いても、CuピラーCBの剥離等などによるCuピラーCBとリード電極LEとの接合部における破壊を回避することができる。 However, in the present embodiment, as described above (for example, the above-described FIG. 9A) in the flip-chip connected solder joint portion (joint portion between the Cu pillar and the lead electrode) of the semiconductor device SM1 constituting the first package PK1. 9B), providing an intermediate layer ISO that is a tin (Sn) rich layer between the first intermetallic compound layer IMC1 and the second intermetallic compound layer IMC2, and providing a constriction in the intermediate layer ISO. Thus, the joint can be deformed (reversible) due to external stress. Therefore, even when the semiconductor device SM1 having the Cu pillar CB in PoP is used, it is possible to avoid the destruction at the junction between the Cu pillar CB and the lead electrode LE due to the peeling of the Cu pillar CB or the like.
本実施の形態によるCuピラーの変形例を図25を用いて説明する。図25(a)および(b)はそれぞれ、Cuピラーの上面図およびCuピラーの要部断面図(図25(a)のI−I´線における要部断面図)である。 A modification of the Cu pillar according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIGS. 25A and 25B are a top view of the Cu pillar and a cross-sectional view of the main part of the Cu pillar (a cross-sectional view of the main part taken along the line II ′ of FIG. 25A), respectively.
変形例において、表面保護膜PIに形成された開口部CROの開口径はCuピラーCBの径より大きく形成されている。これにより、CuピラーCBの底面は、表面保護膜PI上に乗り上げることなく、電極パッドCP上に形成された領域を含む。このような構造においては、接合部に生じた応力の一部を表面保護膜PIの変形によって緩和することができないため、CuピラーCBの剥離等による接合部の破壊を、くびれを設けた中間層ISOに外部応力による変形を担わせることで回避することが非常に有効となる。 In the modification, the opening diameter of the opening CRO formed in the surface protective film PI is formed larger than the diameter of the Cu pillar CB. Thereby, the bottom surface of the Cu pillar CB includes a region formed on the electrode pad CP without running on the surface protective film PI. In such a structure, since a part of the stress generated in the joint portion cannot be relieved by the deformation of the surface protective film PI, the intermediate layer provided with the constriction is destroyed by the peeling of the Cu pillar CB or the like. It is very effective to prevent the ISO from being deformed by external stress.
本実施の形態による半導体装置の変形例を図26を用いて説明する。図26は、半導体装置を示す要部断面図である。 A modification of the semiconductor device according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 26 is a cross-sectional view of main parts showing a semiconductor device.
図26には、有機基板ORSの上に配線基板ISおよび半導体チップSCが搭載された半導体装置を例示する。変形例においては、配線基板ISはシリコン(Si)からなる基部を有し、その上面にランド・パッドが形成されている。この場合であっても、配線基板ISとその周辺の他の部材との間の熱膨張係数の違いにより配線基板ISは反りなどの熱変形が発生する。この変形に伴い、配線基板ISの上面に形成されたランド・パッドと半導体チップSCの主面に形成されたCuピラーCBとの間の接合部に応力が掛かる。 FIG. 26 illustrates a semiconductor device in which the wiring substrate IS and the semiconductor chip SC are mounted on the organic substrate ORS. In the modification, the wiring board IS has a base portion made of silicon (Si), and a land pad is formed on the upper surface thereof. Even in this case, the wiring board IS undergoes thermal deformation such as warping due to a difference in thermal expansion coefficient between the wiring board IS and other members around the wiring board IS. Along with this deformation, stress is applied to the joint between the land pad formed on the upper surface of the wiring board IS and the Cu pillar CB formed on the main surface of the semiconductor chip SC.
このような構成において、半導体チップSCの電極パッドも、配線基板ISのランド・パッドも、シリコン(Si)からなる基部上に形成された形となるが、半導体チップSCの電極パッドの側面にははんだが形成されない。これに対して、配線基板ISの上面のランド・パッドの側面にはぬれ拡がったはんだが形成されている。この結果、配線基板ISの上面のランド・パッドの側が相対的に強固に固定されるため、半導体チップSCの電極パッドの側でCuピラーCBが底部において破壊されやすくなる。 In such a configuration, both the electrode pad of the semiconductor chip SC and the land pad of the wiring board IS are formed on the base portion made of silicon (Si). Solder is not formed. On the other hand, wet solder is formed on the side surface of the land pad on the upper surface of the wiring board IS. As a result, since the land pad side on the upper surface of the wiring board IS is relatively firmly fixed, the Cu pillar CB is easily broken at the bottom on the electrode pad side of the semiconductor chip SC.
具体的に説明すると、配線基板ISと半導体チップSCとの間に、CuピラーCBとはんだとランド・パッドからなる梁が形成された形とみなせる。応力による配線基板ISの変形を、梁および梁の上下の付け根部分の微少な変形により吸収できない場合は、梁に破断または剥離が生じる。特に、配線基板ISは有機基板ORSに比べると硬く(ヤング率が大きく)、また弾性変形域が狭い。このため、梁の配線基板IS側の付け根部分の変形による応力吸収効果は有機基板ORSの場合に比べて小さくなる。さらに、梁の一方の側の強度が他方の側の強度よりも極端に大きい場合は、他方の側の変形が大きくなるため、双方が同程度の場合よりも他方の側の破壊または剥離が発生しやすくなる。 More specifically, it can be considered that a beam composed of a Cu pillar CB, solder, and a land pad is formed between the wiring board IS and the semiconductor chip SC. When the deformation of the wiring board IS due to the stress cannot be absorbed by the slight deformation of the beam and the upper and lower base portions of the beam, the beam is broken or peeled off. In particular, the wiring board IS is harder (Young's modulus is larger) than the organic substrate ORS and has a narrow elastic deformation range. For this reason, the stress absorption effect due to the deformation of the base portion of the beam on the wiring board IS side becomes smaller than that of the organic substrate ORS. In addition, if the strength of one side of the beam is extremely greater than the strength of the other side, the deformation on the other side will be larger, so that the other side will break or peel off than if both are comparable. It becomes easy to do.
例えばランド・パッドの幅がCuピラーCBの付け根部分の幅よりも大きい場合、またはランド・パッドの側面にのみはんだが形成される一方で、CuピラーCBの側面にはんだが形成されない場合などがこれに該当し、梁の配線基板IS側の強度が相対的に極端に大きくなるため、CuピラーCBの付け根部分(半導体チップSC側)での破壊を加速する懸念がある。あるいは、半導体チップSC側が多孔質のlow−k膜の場合も相対的な強度差が大きくなる。 For example, when the width of the land pad is larger than the width of the base portion of the Cu pillar CB, or when the solder is formed only on the side surface of the land pad, the solder is not formed on the side surface of the Cu pillar CB. Since the strength of the beam on the wiring board IS side becomes relatively large, there is a concern of accelerating the destruction at the base portion of the Cu pillar CB (on the semiconductor chip SC side). Alternatively, when the semiconductor chip SC side is a porous low-k film, the relative strength difference becomes large.
このような形態においても、くびれを設けた中間層ISOによりCuピラーCBの剥離等による接合部の破壊を抑制することができる。 Even in such a configuration, it is possible to suppress the breakage of the joint due to the peeling of the Cu pillar CB or the like by the intermediate layer ISO provided with the constriction.
特に、図27(a)および(b)に示すように、配線基板ISに複数のスルー・シリコン・ビア(Through Silicon Via:TSV)が形成されている場合などでは、配線基板ISの厚さが半導体チップSCの厚さより小さいため、配線基板ISの反りが大きくなる傾向があり、くびれを設けた中間層ISOを含む本構成が有効となる。 In particular, as shown in FIGS. 27A and 27B, when a plurality of through silicon vias (TSV) are formed on the wiring board IS, the thickness of the wiring board IS is small. Since it is smaller than the thickness of the semiconductor chip SC, the warping of the wiring board IS tends to increase, and this configuration including the intermediate layer ISO provided with the constriction is effective.
図27(a)は、ランド・パッドの直下にスルー・シリコン・ビアを有する場合のCuピラーとランド・パッドとの接合部を拡大して示す要部断面図であり、例えば前述の図26に示す有機基板ORSに搭載する前の要部断面図である。図中に示す符号TSVはスルー・シリコン・ビア、符号SFはシード金属膜、符号HBUはバンプ下地膜、符号HBははんだボールである。また、図27(b)は、ランド・パッドとスルー・シリコン・ビアとの位置がずれている場合のCuピラーとランド・パッドとの接合部を拡大して示す要部断面図であり、例えば前述の図26に示す有機基板ORSに搭載する前の要部断面図である。図中に示す符号TSVはスルー・シリコン・ビア、符号SBLはランド、符号SBははんだ、符号MFは配線層である。 FIG. 27 (a) is an enlarged cross-sectional view of the principal part showing a joint portion between the Cu pillar and the land pad when a through silicon via is provided immediately below the land pad. For example, FIG. It is principal part sectional drawing before mounting in the organic substrate ORS shown. In the figure, reference numeral TSV is a through silicon via, reference numeral SF is a seed metal film, reference numeral HBU is a bump base film, and reference numeral HB is a solder ball. FIG. 27 (b) is a cross-sectional view of the main part showing an enlarged joint portion between the Cu pillar and the land pad when the position of the land pad and the through silicon via is shifted. It is principal part sectional drawing before mounting in organic substrate ORS shown in above-mentioned FIG. In the figure, reference sign TSV is a through silicon via, reference sign SBL is a land, reference sign SB is solder, and reference sign MF is a wiring layer.
≪半導体装置の製造方法≫
本実施の形態による半導体装置の製造方法を図13〜図23を用いて工程順に説明する。図13、図15、図16、図18、図19、図21、図22、および図23は、半導体装置の製造工程中の半導体装置を示す要部断面図である。図14は、リード電極の形状を説明する図であり、(a)はリード電極の上面図、(b)はリード電極の延伸方向に沿ったリード電極の要部断面図(図14(a)のE−E´線における要部断面図)、および(c)はリード電極の延伸方向と配線基板の上面において直交する方向に沿ったリード電極の要部断面図(図14(a)のF−F´線における要部断面図)である。図17は、Cuピラーの形状を説明する図であり、(a)はCuピラーの上面図、(b)はリード電極の延伸方向に沿ったCuピラーの要部断面図、および(c)はリード電極の延伸方向と配線基板の上面において直交する方向に沿ったCuピラーの要部断面図(図17(a)のH−H´線における要部断面図)である。図20はフリップチップ接続の一連の動作を説明する図である。
≪Semiconductor device manufacturing method≫
A method of manufacturing a semiconductor device according to the present embodiment will be described in the order of steps with reference to FIGS. 13, FIG. 15, FIG. 16, FIG. 18, FIG. 19, FIG. 21, FIG. 22, and FIG. 23 are fragmentary cross-sectional views showing the semiconductor device during the manufacturing process of the semiconductor device. 14A and 14B are diagrams for explaining the shape of the lead electrode, where FIG. 14A is a top view of the lead electrode, and FIG. 14B is a cross-sectional view of the main part of the lead electrode along the extending direction of the lead electrode (FIG. 14A). (C) is a cross-sectional view of the main part of the lead electrode along the direction orthogonal to the extending direction of the lead electrode and the upper surface of the wiring board (F in FIG. 14A). It is principal part sectional drawing in the -F 'line | wire. 17A and 17B are views for explaining the shape of the Cu pillar, where FIG. 17A is a top view of the Cu pillar, FIG. 17B is a cross-sectional view of the main part of the Cu pillar along the extending direction of the lead electrode, and FIG. It is principal part sectional drawing of the Cu pillar along the direction orthogonal to the extending | stretching direction of a lead electrode and the upper surface of a wiring board (essential sectional drawing in the HH 'line of Fig.17 (a)). FIG. 20 is a diagram for explaining a series of operations for flip chip connection.
まず、図13に示すように、配線基板ISを準備する。配線基板ISの上面には複数のリード電極LEが形成されており、保護膜SR1に形成した開口部SRO1から複数のリード電極LEのそれぞれの一部が露出している。また、保護膜SR1に形成した開口部SRO1から露出した複数のリード電極LEのそれぞれの一部の上面および側面には、第2はんだSOL2が形成されている。 First, as shown in FIG. 13, a wiring board IS is prepared. A plurality of lead electrodes LE are formed on the upper surface of the wiring board IS, and a part of each of the plurality of lead electrodes LE is exposed from the opening SRO1 formed in the protective film SR1. Further, a second solder SOL2 is formed on a part of the upper surface and the side surface of each of the plurality of lead electrodes LE exposed from the opening SRO1 formed in the protective film SR1.
次に、配線基板ISをアンダーフィル・ステージST1上に載置し、配線基板ISの上面に液状の熱硬化性樹脂であるアンダーフィル樹脂UFを塗布する。アンダーフィル樹脂UFは、これに限定されるものではないが、例えばフィラ−が添加された酸化膜除去機能を有するエポキシ系樹脂である。 Next, the wiring board IS is placed on the underfill stage ST1, and an underfill resin UF that is a liquid thermosetting resin is applied to the upper surface of the wiring board IS. The underfill resin UF is not limited to this, but is, for example, an epoxy resin having an oxide film removing function to which a filler is added.
配線基板ISの主面に形成された複数のリード電極LEは、例えば前述の図6に示したリード電極LEと同様である。すなわち、ここでは、図14(a)、(b)および(c)に示すように、ランド・パッドLP(リード電極LEの一部であり、Cuピラーが接続される部分)の幅W1が、リード電極LEの他部の幅W2よりも大きいリード電極LEを用いている。しかし、ランド・パッドLPの幅W1は、例えば15μmであり、Cuピラーの直径よりもランド・パッドLPの幅W1が狭くなるように、リード電極LEは形成されている。なお、前述の図5Aに示したランド・パッドLPの幅が、リード電極LEの他部の幅と同じ、すなわち一定の幅を有するリード電極LEを用いてもよい。 The plurality of lead electrodes LE formed on the main surface of the wiring board IS are the same as the lead electrodes LE shown in FIG. 6, for example. That is, here, as shown in FIGS. 14A, 14B, and 14C, the width W1 of the land pad LP (part of the lead electrode LE, to which the Cu pillar is connected) is A lead electrode LE larger than the width W2 of the other part of the lead electrode LE is used. However, the width W1 of the land pad LP is, for example, 15 μm, and the lead electrode LE is formed so that the width W1 of the land pad LP is narrower than the diameter of the Cu pillar. Note that a lead electrode LE having the same width as that of the other part of the lead electrode LE, that is, a constant width, may be used as shown in FIG. 5A.
リード電極LEの上面および側面には、例えば錫(Sn)、またはニッケル(Ni)が微量添加された錫(Sn)−3.5wt.%銀(Ag)からなる第2はんだSOL2が形成されている。また、ランド・パッドLPの上面に形成された第2はんだSOL2はその中央部が盛り上がった凸形状をしており、ランド・パッドLPの上面に形成された第2はんだSOL2の最も厚い箇所のランド・パッドLPの上面からの厚さ(図14(b)および(c)に示す厚さT2)は、例えば12μm〜15μm程度である。 On the top and side surfaces of the lead electrode LE, for example, tin (Sn) or 3.5 wt. A second solder SOL2 made of% silver (Ag) is formed. Further, the second solder SOL2 formed on the upper surface of the land pad LP has a convex shape with a raised central portion, and the land of the thickest portion of the second solder SOL2 formed on the upper surface of the land pad LP is formed. The thickness from the upper surface of the pad LP (thickness T2 shown in FIGS. 14B and 14C) is, for example, about 12 μm to 15 μm.
次に、図15に示すように、配線基板ISをプレヒート・ステージST2上に載置し、例えば50℃以上110℃以下、好ましくは70℃の温度で熱処理を行い、配線基板ISおよびアンダーフィル樹脂UFに含まれる水分を減らす。 Next, as shown in FIG. 15, the wiring board IS is placed on the preheat stage ST2, and heat treatment is performed at a temperature of, for example, 50 ° C. or higher and 110 ° C. or lower, preferably 70 ° C. Reduce moisture in UF.
次に、図16に示すように、配線基板ISをボンディング・ステージST3上に載置する。さらに、例えば前述の図3および図4を用いて説明した半導体チップSCを準備する。 Next, as shown in FIG. 16, the wiring board IS is placed on the bonding stage ST3. Further, for example, the semiconductor chip SC described with reference to FIGS. 3 and 4 is prepared.
続いて、半導体チップSCをボンディング・ツールBTで保持し、配線基板ISの上方に移動させる。そして、配線基板ISの上面と半導体チップSCの主面とを対向させて、配線基板ISの上面に形成されたリード電極LEの一部であるランド・パッドLPと、半導体チップSCの主面に形成されたCuピラーCBとの位置が合うように、アライメント(位置制御)を行う。複数のCuピラーCBの第2面(下面)のそれぞれには、第1はんだSOL1が形成されている。 Subsequently, the semiconductor chip SC is held by the bonding tool BT and moved above the wiring board IS. Then, with the upper surface of the wiring board IS and the main surface of the semiconductor chip SC opposed to each other, the land pads LP that are part of the lead electrodes LE formed on the upper surface of the wiring board IS and the main surface of the semiconductor chip SC. Alignment (position control) is performed so that the position with the formed Cu pillar CB matches. A first solder SOL1 is formed on each of the second surfaces (lower surfaces) of the plurality of Cu pillars CB.
図17(a)、(b)および(c)に示すように、CuピラーCBの表面保護膜PIの表面からの高さH1は、例えば30μm程度であり、CuピラーCBが円柱形状の場合の平面視におけるその直径は、例えば30μm〜35μm程度、CuピラーCBが直方体形状の場合の平面視におけるその一辺の長さは、例えば30μm〜35μm程度である。 As shown in FIGS. 17A, 17B, and 17C, the height H1 of the Cu pillar CB from the surface of the surface protective film PI is, for example, about 30 μm, and the Cu pillar CB has a cylindrical shape. The diameter in plan view is about 30 μm to 35 μm, for example, and the length of one side in plan view when the Cu pillar CB is a rectangular parallelepiped shape is about 30 μm to 35 μm, for example.
CuピラーCBの下地膜UCBを介して電極パッドCPと接続する第1面(底面)CBS1と反対側の第2面(下面)CBS2には、例えば錫(Sn)−1.5wt.%銀(Ag)からなる第1はんだSOL1が形成されている。また、CuピラーCBの第2面(下面)CBS2に形成された第1はんだSOL1はその中央部が盛り上がった凸形状をしており、第1はんだSOL1の最も厚い箇所のCuピラーCBの第2面(下面)CBS2からの厚さT1は、例えば12μm〜15μm程度である。なお、CuピラーCBと第1はんだSOL1との間にニッケル(Ni)膜を形成してもよい。 The second surface (bottom surface) CBS2 opposite to the first surface (bottom surface) CBS1 connected to the electrode pad CP via the base film UCB of the Cu pillar CB has tin (Sn) -1.5 wt. A first solder SOL1 made of% silver (Ag) is formed. Further, the first solder SOL1 formed on the second surface (lower surface) CBS2 of the Cu pillar CB has a convex shape with a raised central portion, and the second Cu pillar CB at the thickest portion of the first solder SOL1. A thickness T1 from the surface (lower surface) CBS2 is, for example, about 12 μm to 15 μm. A nickel (Ni) film may be formed between the Cu pillar CB and the first solder SOL1.
CuピラーCBの第2面(下面)CBS2に形成された第1はんだSOL1の最も厚い箇所のCuピラーCBの第2面(下面)CBS2からの厚さT1と、ランド・パッドLPの上面に形成された第2はんだSOL2の最も厚い箇所のランド・パッドLPの上面からの厚さT2とは、ほぼ同じとなるように、第1はんだSOL1および第2はんだSOL2を形成することが好ましい。 A thickness T1 from the second surface (lower surface) CBS2 of the Cu pillar CB at the thickest portion of the first solder SOL1 formed on the second surface (lower surface) CBS2 of the Cu pillar CB and the upper surface of the land pad LP. It is preferable to form the first solder SOL1 and the second solder SOL2 so that the thickness T2 from the upper surface of the land pad LP at the thickest portion of the second solder SOL2 is substantially the same.
次に、図18に示すように、半導体チップSCを降下させる。半導体チップSCの第2面(下面)に形成された第1はんだSOL1がアンダーフィル樹脂UFに接触した後も、CuピラーCBの第2面(下面)に形成された第1はんだSOL1とランド・パッドLPの上面に形成された第2はんだSOL2との物理的な接触が検知されるまで、半導体チップSCを降下させる。この際の第1はんだSOL1および第2はんだSOL2の温度は、共にはんだ融点以下である。 Next, as shown in FIG. 18, the semiconductor chip SC is lowered. Even after the first solder SOL1 formed on the second surface (lower surface) of the semiconductor chip SC contacts the underfill resin UF, the first solder SOL1 formed on the second surface (lower surface) of the Cu pillar CB and the land The semiconductor chip SC is lowered until physical contact with the second solder SOL2 formed on the upper surface of the pad LP is detected. The temperatures of the first solder SOL1 and the second solder SOL2 at this time are both below the solder melting point.
ここで、第1はんだSOL1、第2はんだSOL2の少なくとも一方は、その表面形状が、例えば図4、図11(a)、図11(b)、図14(b)、図14(c)、図17(b)、図17(c)のいずれかに示すように、他方のはんだに向かって凸形状を有することが好ましい。これにより、後述する効果に加え、第1はんだSOL1と第2はんだSOL2との間のアンダーフィル樹脂UFの排出を容易にし、接合不良防止の効果も得られる。 Here, at least one of the first solder SOL1 and the second solder SOL2 has a surface shape of, for example, FIG. 4, FIG. 11 (a), FIG. 11 (b), FIG. 14 (b), FIG. As shown in either FIG. 17B or FIG. 17C, it is preferable to have a convex shape toward the other solder. As a result, in addition to the effects described later, the discharge of the underfill resin UF between the first solder SOL1 and the second solder SOL2 is facilitated, and the effect of preventing poor bonding is also obtained.
このような表面の凸形状は、例えばリード電極LE上またはCuピラーCB上に電解めっき法などで形成したはんだ層をリフローなどで溶融させ、その表面張力により凸形状とした後に凝固させることで得ることができる。あるいはリード電極LEまたはCuピラーCBのはんだ接合される領域の表面を凸形状に形成し、その上にその凸形状が残るようにはんだ層を形成してもよい。 Such a convex shape on the surface is obtained by, for example, melting a solder layer formed on the lead electrode LE or the Cu pillar CB by electrolytic plating or the like by reflowing, forming the convex shape by the surface tension, and then solidifying the solder layer. be able to. Or the surface of the area | region where the lead electrode LE or Cu pillar CB is solder-joined may be formed in a convex shape, and a solder layer may be formed so that the convex shape remains on it.
図28、図29、および図30に、リード電極の、はんだ接合される領域の表面を凸形状とした例を示す。図28(a)および(b)はそれぞれ、第1の例におけるリード電極の要部断面図およびCuピラーを接合したリード電極の要部断面図を示す。図29(a)および(b)はそれぞれ、第2の例におけるリード電極の要部断面図およびCuピラーを接合したリード電極の要部断面図を示す。図30(a)および(b)はそれぞれ、第3の例におけるリード電極の要部断面図およびCuピラーを接合したリード電極の要部断面図を示す。 28, 29, and 30 show examples in which the surface of the lead electrode in the region to be soldered has a convex shape. FIGS. 28A and 28B are a cross-sectional view of the main part of the lead electrode and a cross-sectional view of the main part of the lead electrode joined with the Cu pillar in the first example, respectively. 29 (a) and 29 (b) respectively show a cross-sectional view of the main part of the lead electrode and a cross-sectional view of the main part of the lead electrode joined with the Cu pillar in the second example. FIGS. 30A and 30B are a cross-sectional view of main parts of a lead electrode and a cross-sectional view of main parts of a lead electrode joined with a Cu pillar in the third example, respectively.
第1の例では、サブトラクティブ法またはアディティブ法などの公知の方法でリード電極LEのパタン形成を行った後に、エッチングにより角部を所定量除去することで、図28に示す凸形状を得ることができる。 In the first example, after the pattern formation of the lead electrode LE is performed by a known method such as a subtractive method or an additive method, a predetermined amount of corner portions are removed by etching to obtain the convex shape shown in FIG. Can do.
また、第2の例では、サブトラクティブ法やアディティブ法などの公知の方法でリード電極LEのパタン形成を行った後に、はんだ接合される領域に対応する位置に開口部を備えためっきレジストを形成し、この開口部に選択的にめっきを行うことで、図29に示す凸形状を得ることができる。 In the second example, after the pattern formation of the lead electrode LE is performed by a known method such as a subtractive method or an additive method, a plating resist having an opening at a position corresponding to a region to be soldered is formed. And the convex shape shown in FIG. 29 can be obtained by selectively plating the opening.
また、第3の例では、基材またはプリプレグ層の上面のうち、はんだ接合される領域に対応する位置に選択的に有機体などの絶縁物パタンPISを形成する。この絶縁物パタンPISの形成は、例えば写真製版法やインクジェット法などで容易に行うことができる。次に、この絶縁物パタンPISの上面を含めて無電解めっき技術などを用いてシード層を形成する。次に、シード層の上に、リード電極LEのパタンに対応する開口を有するめっきレジストを形成し、この開口内を充填するようにリード電極LEの材料、例えば銅(Cu)をめっき形成することで、図30に示す凸形状を得ることができる。 In the third example, an insulator pattern PIS such as an organic substance is selectively formed at a position corresponding to a region to be soldered on the upper surface of the base material or the prepreg layer. The formation of the insulator pattern PIS can be easily performed by, for example, a photolithography method or an ink jet method. Next, a seed layer is formed using an electroless plating technique including the upper surface of the insulator pattern PIS. Next, a plating resist having an opening corresponding to the pattern of the lead electrode LE is formed on the seed layer, and a material of the lead electrode LE, for example, copper (Cu) is formed by plating so as to fill the inside of the opening. Thus, the convex shape shown in FIG. 30 can be obtained.
次に、図19に示すように、半導体チップSCを保持したボンディング・ステージST3の温度を、例えば80℃〜200℃に上昇させ、ボンディング・ツールBTの温度を、例えば300℃に上昇させて、第1はんだSOL1および第2はんだSOL2を加熱溶融しつつ、半導体チップSCを予め定めた距離だけ下降させる。これにより、第1はんだSOL1と第2はんだSOL2とが接合し、一体化して、はんだ接合部が形成される。CuピラーCBの第2面(下面)とリード電極LEの上面との距離は、例えば10μm程度である。 Next, as shown in FIG. 19, the temperature of the bonding stage ST3 holding the semiconductor chip SC is increased to, for example, 80 ° C. to 200 ° C., and the temperature of the bonding tool BT is increased to, for example, 300 ° C. The semiconductor chip SC is lowered by a predetermined distance while heating and melting the first solder SOL1 and the second solder SOL2. As a result, the first solder SOL1 and the second solder SOL2 are joined and integrated to form a solder joint. The distance between the second surface (lower surface) of the Cu pillar CB and the upper surface of the lead electrode LE is, for example, about 10 μm.
ここで、前述の図16を用いて説明したCuピラー位置決め工程、前述の図18を用いて説明したはんだ接触工程、および前述の図19を用いて説明したはんだ加熱・接合工程の一連の動作について図20を用いて詳細に説明する。 Here, a series of operations of the Cu pillar positioning process described with reference to FIG. 16, the solder contact process described with reference to FIG. 18, and the solder heating / joining process described with reference to FIG. This will be described in detail with reference to FIG.
まず、図20に示すCuピラー位置決め工程(前述の図16参照)では、CuピラーCBの第2面(下面)に形成された第1はんだSOL1とランド・パッドLPの上面に形成された第2はんだSOL2とは所定の間隔を有して離れており、第1はんだSOL1および第2はんだSOL2の第1温度は、はんだ融点よりも低い。 First, in the Cu pillar positioning step shown in FIG. 20 (see FIG. 16 described above), the first solder SOL1 formed on the second surface (lower surface) of the Cu pillar CB and the second solder formed on the upper surface of the land pad LP. The first temperature of the first solder SOL1 and the second solder SOL2 is lower than the solder melting point.
次の図20に示すはんだ接触工程(前述の図18参照)では、ボンディング・ツールBTに保持された半導体チップSCを降下させて、半導体チップSCと配線基板ISとの間隔を徐々に近づける。そして、CuピラーCBの第2面(下面)に形成された第1はんだSOL1とランド・パッドLPの上面に形成された第2はんだSOL2との接触を検知した時点で、半導体チップSCを降下を停止させて、半導体チップSCの主面と配線基板ISの上面との間を第1間隔で維持する。はんだ接触工程においても第1はんだSOL1および第2はんだSOL2の温度は、はんだ融点よりも低い第1温度である。 In the next solder contact step shown in FIG. 20 (see FIG. 18 described above), the semiconductor chip SC held by the bonding tool BT is lowered to gradually reduce the distance between the semiconductor chip SC and the wiring board IS. When the contact between the first solder SOL1 formed on the second surface (lower surface) of the Cu pillar CB and the second solder SOL2 formed on the upper surface of the land pad LP is detected, the semiconductor chip SC is lowered. It stops and maintains between the main surface of the semiconductor chip SC and the upper surface of the wiring board IS at a first interval. Also in the solder contact process, the temperature of the first solder SOL1 and the second solder SOL2 is the first temperature lower than the solder melting point.
次の図20に示すはんだ加熱工程(前述の図19参照)では、第1はんだSOL1と第2はんだSOL2とを接触させた状態で、半導体チップSCを保持しているボンディング・ツールBTの温度を徐々に上昇させることによって、第1はんだSOL1および第2はんだSOL2の温度を徐々に上昇させて、はんだ融点よりも低い第1温度からはんだ融点よりも高い第2温度、例えば300℃とする。 In the next solder heating step shown in FIG. 20 (see FIG. 19 described above), the temperature of the bonding tool BT holding the semiconductor chip SC is set while the first solder SOL1 and the second solder SOL2 are in contact with each other. By gradually raising the temperature, the temperature of the first solder SOL1 and the second solder SOL2 is gradually raised to a first temperature lower than the solder melting point to a second temperature higher than the solder melting point, for example, 300 ° C.
第1はんだSOL1および第2はんだSOL2の温度を徐々に上昇させる際、第1はんだSOL1および第2はんだSOL2の温度がはんだ融点以上となった後、半導体チップSCを予め定めた距離だけ下降させて、所定の深さまで第1はんだSOL1を第2はんだSOL2へ押し込み、半導体チップSCの主面と配線基板ISの上面との間を第2間隔で維持する。ここでは、所定の荷重で押し込む荷重制御ではなく、所定の深さまで押し込む位置制御を適用する。これにより、CuピラーCBの第2面(下面)とランド・パッドLPの上面との距離の制御が可能である。 When the temperature of the first solder SOL1 and the second solder SOL2 is gradually increased, the semiconductor chip SC is lowered by a predetermined distance after the temperature of the first solder SOL1 and the second solder SOL2 becomes equal to or higher than the solder melting point. The first solder SOL1 is pushed into the second solder SOL2 to a predetermined depth, and the space between the main surface of the semiconductor chip SC and the upper surface of the wiring board IS is maintained at a second interval. Here, not the load control for pushing with a predetermined load, but the position control for pushing to a predetermined depth is applied. Thus, the distance between the second surface (lower surface) of the Cu pillar CB and the upper surface of the land pad LP can be controlled.
第1はんだSOL1および第2はんだSOL2の温度を徐々に上昇させる際には、同時にアンダーフィル樹脂UFの温度も徐々に上昇する。その結果、架橋反応が生じて粘度が高くなり、アンダーフィル樹脂UFは硬化状態となる。 When the temperature of the first solder SOL1 and the second solder SOL2 is gradually increased, the temperature of the underfill resin UF is also gradually increased. As a result, a crosslinking reaction occurs to increase the viscosity, and the underfill resin UF is in a cured state.
次の図20に示すはんだ接合工程(前述の図19参照)では、はんだ融点よりも高い第2温度、例えば300℃で所定の時間加熱し、これにより、第1はんだSOL1と第2はんだSOL2とを接合させて、はんだ層SOを形成する。 Next, in the solder joining step shown in FIG. 20 (see FIG. 19 described above), heating is performed for a predetermined time at a second temperature higher than the solder melting point, for example, 300 ° C., whereby the first solder SOL1 and the second solder SOL2 Are joined to form a solder layer SO.
この第1はんだSOL1と第2はんだSOL2との接合においては、例えば前述した図9Aおよび図9Bに示したように、CuピラーCBの第2面(下面)には第1金属間化合物層IMC1が形成され、ランド・パッドLPの上面および側面には第2金属間化合物層IMC2が形成される。そして、第1金属間化合物層IMC1と第2金属間化合物層IMC2との間には、くびれを有し、錫(Sn)を主成分とする中間層ISOが形成される。 In the joining of the first solder SOL1 and the second solder SOL2, for example, as shown in FIGS. 9A and 9B described above, the first intermetallic compound layer IMC1 is formed on the second surface (lower surface) of the Cu pillar CB. The second intermetallic compound layer IMC2 is formed on the upper surface and the side surface of the land pad LP. An intermediate layer ISO having a constriction and containing tin (Sn) as a main component is formed between the first intermetallic compound layer IMC1 and the second intermetallic compound layer IMC2.
前述したように、所定の深さまで第1はんだSOL1を第2はんだSOL2へ押し込む際、荷重制御ではなく、位置制御によってCuピラーCBの第2面(下面)とランド・パッドLPの上面との距離を制御しているので、第1金属間化合物層IMC1と第2金属間化合物層IMC2との間に確実に中間層ISOを形成することができる。 As described above, when the first solder SOL1 is pushed into the second solder SOL2 to a predetermined depth, the distance between the second surface (lower surface) of the Cu pillar CB and the upper surface of the land pad LP is not controlled by load but by position control. Therefore, the intermediate layer ISO can be reliably formed between the first intermetallic compound layer IMC1 and the second intermetallic compound layer IMC2.
また、上述のように、第1はんだSOL1、第2はんだSOL2の少なくとも一方は、他方のはんだに向かって凸の表面形状を有するので、第1はんだSOL1と第2はんだSOL2との接触において、凸形状の頂点部位置が、その周辺部より先行して他方のはんだと接触する形となる。このため、中間層ISOの位置にくびれを形成することができる。 Further, as described above, since at least one of the first solder SOL1 and the second solder SOL2 has a convex surface shape toward the other solder, in the contact between the first solder SOL1 and the second solder SOL2, a convex shape is formed. The apex position of the shape comes into contact with the other solder prior to the peripheral portion. Therefore, a constriction can be formed at the position of the intermediate layer ISO.
また、第1はんだSOL1および第2はんだSOL2は硬化反応が進んだアンダーフィル樹脂UFによって覆われているので、第1はんだSOL1および第2はんだSOL2のそれぞれの形状の一部を残して接合することから、中間層ISOに「くびれ」を得ることができる。 In addition, since the first solder SOL1 and the second solder SOL2 are covered with the underfill resin UF that has undergone a curing reaction, the first solder SOL1 and the second solder SOL2 are to be joined while leaving a part of their respective shapes. Therefore, it is possible to obtain a “neck” in the intermediate layer ISO.
すなわち、アンダーフィル樹脂UFが無い場合または硬化反応が進んでいないアンダーフィル樹脂UFにより覆われている場合は、第1はんだSOL1および第2はんだSOL2は表面張力により丸くなろうとするため、くびれは消失するが、硬化反応が進み、粘性が増したアンダーフィル樹脂UFによって、第1はんだSOL1および第2はんだSOL2のそれぞれの側面は抑えられているので、第1はんだSOL1および第2はんだSOL2のそれぞれの形状の一部を残すことができる。 That is, when there is no underfill resin UF or when it is covered with an underfill resin UF in which the curing reaction has not progressed, the first solder SOL1 and the second solder SOL2 tend to be rounded due to surface tension, so that the constriction disappears. However, since the side surface of each of the first solder SOL1 and the second solder SOL2 is suppressed by the underfill resin UF whose viscosity has increased and the viscosity has increased, each of the first solder SOL1 and the second solder SOL2 Part of the shape can be left.
また、アンダーフィル樹脂UFの硬化反応の開始より後に、第1はんだSOL1および第2はんだSOL2の双方を完全に溶融(それぞれのはんだ材の液相線温度より高い温度まで昇温)させることにより、第1はんだSOL1と第2はんだSOL2との接合界面を残さない高信頼かつ低抵抗の接合状態と、「くびれ」を有する中間層ISOとを同時に得ることができる。 Further, after the start of the curing reaction of the underfill resin UF, by completely melting both the first solder SOL1 and the second solder SOL2 (heating up to a temperature higher than the liquidus temperature of each solder material), A highly reliable and low resistance bonding state that does not leave the bonding interface between the first solder SOL1 and the second solder SOL2, and the intermediate layer ISO having “necking” can be obtained at the same time.
次に、図21に示すように、第1はんだSOL1と第2はんだSOL2とが接合したはんだ層SOの温度を凝固点以下の第3温度まで下げた後、半導体チップSCをボンディング・ツールBTから放す。 Next, as shown in FIG. 21, after the temperature of the solder layer SO where the first solder SOL1 and the second solder SOL2 are joined is lowered to a third temperature below the freezing point, the semiconductor chip SC is released from the bonding tool BT. .
次に、図22に示すように、半導体チップSCを搭載した配線基板ISをボンディングステージST3から搬出する。 Next, as shown in FIG. 22, the wiring board IS on which the semiconductor chip SC is mounted is unloaded from the bonding stage ST3.
複数の半導体チップSCの接合に要する時間を短縮するために、例えば以下の工程を用いてもよい。 In order to shorten the time required for bonding the plurality of semiconductor chips SC, for example, the following steps may be used.
まず、個々の半導体チップSCに対して、前述したCuピラー位置決め工程およびはんだ接触工程の動作を行い、アンダーフィル樹脂で複数の半導体チップSCの主面と配線基板ISの上面との間を第1間隔で維持する。 First, the operation of the Cu pillar positioning process and the solder contact process described above is performed on each semiconductor chip SC, and a first gap is formed between the main surface of the plurality of semiconductor chips SC and the upper surface of the wiring board IS with an underfill resin. Maintain at intervals.
次に、複数の半導体チップSCを一括で吸着、加熱できるボンディングツールを下降させ、ボンディングツールと複数の半導体チップSC裏面との接触を検知した後、予め定めた距離だけボンディングツールを下降させる(はんだ加熱工程)。 Next, the bonding tool capable of sucking and heating the plurality of semiconductor chips SC at a time is lowered, and after detecting contact between the bonding tool and the back surface of the plurality of semiconductor chips SC, the bonding tool is lowered by a predetermined distance (soldering). Heating step).
次に、第1はんだSOL1および第2はんだSOL2の温度を徐々に上昇させて、第1はんだSOL1および第2はんだSOL2を溶融させ、所定の深さまで押し込み、半導体チップSCの主面と配線基板ISの上面との間を第2間隔で維持することにより、第1はんだSOL1と第2はんだSOL2とを接合させてもよい(はんだ接合工程)。この時のボンディングツールの温度を、例えば300℃の一定温度とすれば、昇降温時間を短縮することができる。 Next, the temperature of the first solder SOL1 and the second solder SOL2 is gradually raised to melt the first solder SOL1 and the second solder SOL2 and push them to a predetermined depth, and the main surface of the semiconductor chip SC and the wiring board IS. The first solder SOL <b> 1 and the second solder SOL <b> 2 may be joined by maintaining a distance between the first solder SOL <b> 1 and the upper surface of the solder (solder joining process). If the temperature of the bonding tool at this time is a constant temperature of, for example, 300 ° C., the temperature raising / lowering time can be shortened.
次に、図23に示すように、配線基板ISの下面に形成された複数のランド・パッドBLRの表面に、フラックスまたははんだペーストを介して複数の外部接続端子BSをそれぞれ配置した後、熱処理を施す。外部接続端子BSには、例えば鉛(Pb)を実質的に含まない鉛(Pb)フリーはんだ組成のはんだが用いられる。上記熱処理により、フラックスによって外部接続端子BSの表面の酸化膜が除去されて、外部接続端子BSが溶融する、または外部接続端子BSとはんだペーストとが溶融して一体化することにより、複数のランド・パッドBLRと電気的に、かつ機械的に接続する複数の外部接続端子BSが形成される。 Next, as shown in FIG. 23, a plurality of external connection terminals BS are respectively disposed on the surfaces of a plurality of land pads BLR formed on the lower surface of the wiring board IS via a flux or solder paste, and then heat treatment is performed. Apply. For example, solder having a lead (Pb) -free solder composition that does not substantially contain lead (Pb) is used for the external connection terminal BS. By the heat treatment, the oxide film on the surface of the external connection terminal BS is removed by the flux and the external connection terminal BS is melted, or the external connection terminal BS and the solder paste are melted and integrated to form a plurality of lands. A plurality of external connection terminals BS that are electrically and mechanically connected to the pad BLR are formed.
以上の工程により、半導体装置SMが略完成する。 Through the above steps, the semiconductor device SM is substantially completed.
このように、本実施の形態によれば、CuピラーCBの第2面(下面)CBS2に形成される第1金属間化合物層IMC1とランド・パッドLPの上面に形成される第2金属間化合物層IMC2との間に錫(Sn)リッチ層である中間層ISOを設けること、およびその中間層ISOにくびれを設けることにより、接合部に外部応力による変形を担わせることができる。これにより、CuピラーCBの剥離等などによるCuピラーCBとリード電極LEとの接合部における破壊を回避することができるので、半導体装置SMの信頼性が向上する。 Thus, according to the present embodiment, the first intermetallic compound layer IMC1 formed on the second surface (lower surface) CBS2 of the Cu pillar CB and the second intermetallic compound formed on the upper surface of the land pad LP. By providing the intermediate layer ISO, which is a tin (Sn) rich layer, between the layer IMC2 and providing the constriction in the intermediate layer ISO, the joint can be deformed by external stress. As a result, it is possible to avoid breakage at the joint between the Cu pillar CB and the lead electrode LE due to peeling of the Cu pillar CB or the like, so that the reliability of the semiconductor device SM is improved.
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。 As mentioned above, the invention made by the present inventor has been specifically described based on the embodiment. However, the present invention is not limited to the embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. Needless to say.
例えば一括モールド法による半導体装置の製造方法に適用することができる。この一括モールド法では、まず、例えば図5Aおよび図5Bに示す配線基板パターンからなる製品領域単位を、マトリックス状に配置した基板を準備する。続いて、本実施の形態による接合方法を用いて、基板の上面に複数の半導体チップを搭載後、複数の半導体チップの保護のため、複数の半導体チップを覆うように基板の上面上をエポキシ樹脂によりモールド封止する。その後、基板の下面に複数の外部接続端子を形成し、最終的にモールド樹脂した封止体をダイシングすることにより、個々の半導体装置(半導体パッケージ)に切断する。 For example, the present invention can be applied to a semiconductor device manufacturing method using a batch molding method. In this batch molding method, first, a substrate is prepared in which, for example, product region units composed of wiring substrate patterns shown in FIGS. 5A and 5B are arranged in a matrix. Subsequently, using the bonding method according to the present embodiment, after mounting a plurality of semiconductor chips on the upper surface of the substrate, the upper surface of the substrate is covered with an epoxy resin so as to cover the plurality of semiconductor chips in order to protect the plurality of semiconductor chips. Then, mold sealing is performed. Thereafter, a plurality of external connection terminals are formed on the lower surface of the substrate, and the sealing body finally molded resin is diced to be cut into individual semiconductor devices (semiconductor packages).
また、半導体チップからの放熱効果を高めるため、半導体チップの裏面に放熱樹脂を介して、例えば銅(Cu)板を配置したパッケージ構造としてもよい。 Further, in order to enhance the heat dissipation effect from the semiconductor chip, a package structure in which, for example, a copper (Cu) plate is disposed on the back surface of the semiconductor chip via a heat dissipation resin.
BLR ランド・パッド
BS,BSP 外部接続端子(アウターボール)
BT ボンディング・ツール
C コア材(基材)
CB Cuピラー
CBS1 Cuピラーの第1面(底面)
CBS2 Cuピラーの第2面(下面)
CM 接着材
CP 電極パッド
CRO 開口部
CV 引出しビア
CW 導電性ワイヤ
Cx コア材の表面
Cy コア材の裏面
H1 Cuピラーの高さ
HB はんだボール
HBU バンプ下地膜
IC 内部回路
ID 下層絶縁膜
IMC 金属間化合物層
IMC1 第1金属間化合物層
IMC2 第2金属間化合物層
IO 入出力バッファ回路
IS,IS1,IS2 配線基板
ISO 中間層
IU 上層絶縁膜
L1 Cuピラーの下面からリード電極の上面までの距離
LE リード電極
LP ランド・パッド
LS1 第1辺
LS2 第2辺
LS3 第3辺
LS4 第4辺
MF 配線層
ML 多層配線
ML1 第1配線
ML2 第2配線
ML3 第3配線
ML4 第4配線
MR モールドレジン
NI ニッケル膜
ORS 有機基板
PI 表面保護膜
PIS 絶縁物パタン
PK1 第1パッケージ
PK2 第2パッケージ
SB はんだ
SBL ランド
SC,SC1,SC2 半導体チップ
SF シード金属膜
SM,SM1,SM2,SMP 半導体装置
SO はんだ層
SO1,SO2,SO3 はんだ
SOL はんだ
SOL1 第1はんだ
SOL2 第2はんだ
SR1,SR2 保護膜
SRO1,SRO2 開口部
SS 半導体基板
ST1 アンダーフィル・ステージ
ST2 プリヒート・ステージ
ST3 ボンディング・ステージ
T1,T2 はんだの厚さ
UCB 下地膜
UF アンダーフィル樹脂
VD,VI,VU 貫通孔(ビア)
TSV スルー・シリコン・ビア
W1 ランド・パッドの幅
W2 リード電極の幅
BLR Land pad BS, BSP External connection terminal (outer ball)
BT Bonding Tool C Core material (base material)
CB Cu pillar CBS1 Cu pillar first surface (bottom surface)
CBS2 Cu pillar second surface (lower surface)
CM Adhesive Material CP Electrode Pad CRO Opening CV Lead Via CW Conductive Wire Cx Core Material Surface Cy Core Material Back Surface H1 Cu Pillar Height HB Solder Ball HBU Bump Base Film IC Internal Circuit ID Lower Layer Insulation Film IMC Intermetallic Compound Layer IMC1 first intermetallic compound layer IMC2 second intermetallic compound layer IO input / output buffer circuit IS, IS1, IS2 wiring board ISO intermediate layer IU upper insulating film L1 distance from lower surface of Cu pillar to upper surface of lead electrode LE lead electrode LP land pad LS1 first side LS2 second side LS3 third side LS4 fourth side MF wiring layer ML multilayer wiring ML1 first wiring ML2 second wiring ML3 third wiring ML4 fourth wiring MR mold resin NI nickel film ORS organic Substrate PI Surface protective film PIS Insulator pattern PK1 First package PK2 First Package SB Solder SBL Land SC, SC1, SC2 Semiconductor chip SF Seed metal film SM, SM1, SM2, SMP Semiconductor device SO Solder layer SO1, SO2, SO3 Solder SOL Solder SOL1 First solder SOL2 Second solder SR1, SR2 Protective film SRO1 , SRO2 Opening SS Semiconductor substrate ST1 Underfill stage ST2 Preheat stage ST3 Bonding stage T1, T2 Solder thickness UCB Undercoat film UF Underfill resin VD, VI, VU Through hole (via)
TSV Through silicon via W1 Land pad width W2 Lead electrode width
Claims (19)
主面に、第2電極および前記第2電極と第1面を接続する柱状電極を有し、前記第1電極と前記柱状電極の前記第1面と反対側の第2面とが対向するように配置された半導体チップと、
前記柱状電極の前記第2面と前記第1電極との間に形成されたはんだ層と、
前記配線基板の前記上面と前記半導体チップの前記主面との間に形成された樹脂と、
を備えた半導体装置であって、
前記はんだ層は、
前記柱状電極の前記第2面に形成され、SnおよびCuからなる金属間化合物を主成分とする第1金属間化合物層と、
前記第1電極の前記上面に形成され、SnおよびCuからなる金属間化合物を主成分とする第2金属間化合物層と、
前記第1金属間化合物層と前記第2金属間化合物層との間に形成された中間層と、
を有し、
前記中間層に含まれるSn原子数比は、前記第1金属間化合物層および前記第2金属間化合物層に含まれるSn原子数比よりも大きく、
前記中間層は、前記配線基板の前記上面において前記第1方向と直交する第2方向に沿った断面において、一方の側面と、前記一方の側面と反対側の他方の側面とを有し、前記一方の側面は、前記一方の側面の2点に外接する線よりも前記他方の側面側に位置し、かつ、前記他方の側面は、前記他方の側面の2点に外接する線よりも前記一方の側面側に位置する、半導体装置。 A wiring board having a first electrode extending in the first direction on the upper surface;
The main surface has a second electrode and a columnar electrode connecting the second electrode and the first surface, and the first electrode and the second surface opposite to the first surface of the columnar electrode are opposed to each other. A semiconductor chip arranged in
A solder layer formed between the second surface of the columnar electrode and the first electrode;
A resin formed between the upper surface of the wiring board and the main surface of the semiconductor chip;
A semiconductor device comprising:
The solder layer is
A first intermetallic compound layer formed on the second surface of the columnar electrode and mainly composed of an intermetallic compound composed of Sn and Cu;
A second intermetallic compound layer formed on the upper surface of the first electrode and mainly composed of an intermetallic compound composed of Sn and Cu;
An intermediate layer formed between the first intermetallic compound layer and the second intermetallic compound layer;
Have
The Sn atom number ratio contained in the intermediate layer is larger than the Sn atom number ratio contained in the first intermetallic compound layer and the second intermetallic compound layer,
The intermediate layer has one side surface and the other side surface opposite to the one side surface in a cross section along a second direction orthogonal to the first direction on the upper surface of the wiring board, One side surface is located on the other side surface than a line circumscribing two points on the one side surface, and the other side surface is located on the one side than a line circumscribing two points on the other side surface. A semiconductor device located on the side of the substrate.
前記柱状電極の前記第2面と前記第1金属間化合物層との間には、Ni膜が形成されている、半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
A semiconductor device, wherein a Ni film is formed between the second surface of the columnar electrode and the first intermetallic compound layer.
前記柱状電極はCuからなる、半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
The columnar electrode is a semiconductor device made of Cu.
前記樹脂は、酸化膜除去機能を有する熱硬化性樹脂である、半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
The semiconductor device, wherein the resin is a thermosetting resin having an oxide film removing function.
前記第1電極の前記第2方向に沿った幅は一定である、半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
The semiconductor device, wherein a width of the first electrode along the second direction is constant.
前記第1電極は、前記柱状電極の前記第2面と対向する第1部分と、前記柱状電極の前記第2面と対向しない第2部分とを有し、前記第1部分の前記第2方向に沿った幅が前記第2部分の前記第2方向に沿った幅よりも大きい、半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
The first electrode includes a first portion facing the second surface of the columnar electrode and a second portion not facing the second surface of the columnar electrode, and the second direction of the first portion. A semiconductor device in which the width along the second portion is larger than the width along the second direction of the second portion.
前記柱状電極の前記第2面における前記第2方向に沿った幅は、前記第1電極の前記第2方向に沿った幅よりも大きい、半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
A width of the columnar electrode along the second direction in the second surface is greater than a width of the first electrode along the second direction.
前記中間層は、前記第2方向に沿った断面においてくびれを有する、半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
The said intermediate | middle layer is a semiconductor device which has a constriction in the cross section along the said 2nd direction.
前記柱状電極の前記第2面、および前記第1電極の表面の少なくとも1つが凸形状である、半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
A semiconductor device, wherein at least one of the second surface of the columnar electrode and the surface of the first electrode is convex.
(b)主面に、第2電極および前記第2電極と第1面を接続する柱状電極を有する半導体チップを準備する工程、
(c)前記半導体チップをツールで保持し、前記柱状電極の前記第1面とは反対側の第2面に形成された第1はんだと、前記第1電極に形成された第2はんだとを対向させて、前記半導体チップと前記配線基板とを近づける工程、
(d)前記(c)工程の後、前記第1はんだと前記第2はんだとの接触を検知した時点で、前記半導体チップの前記主面と前記配線基板の前記上面との間を第1間隔で維持する工程、
(e)前記(d)工程の後、前記第1はんだおよび前記第2はんだの温度を、はんだ融点よりも低い第1温度からはんだ融点よりも高い第2温度へ上げる工程、
(f)前記(e)工程の後、前記第1はんだと前記第2はんだとを前記第2温度で接合させる工程、
(g)前記(f)工程の後、前記第1はんだおよび前記第2はんだの温度を、前記第2温度からはんだ融点よりも低い第3温度へ下げる工程、
を有し、
前記(e)工程において、前記第1温度から前記第2温度へ上げる途中で、予め定めた距離だけ、前記半導体チップと前記配線基板とを近づけて、前記半導体チップの前記主面と前記配線基板の前記上面との間を前記第1間隔よりも小さい第2間隔で維持する、半導体装置の製造方法。 (A) a step of preparing a wiring board having an upper surface and a lower surface opposite to the upper surface, and having a first electrode on the upper surface;
(B) preparing a semiconductor chip having, on the main surface, a second electrode and a columnar electrode connecting the second electrode and the first surface;
(C) holding the semiconductor chip with a tool, and a first solder formed on the second surface opposite to the first surface of the columnar electrode, and a second solder formed on the first electrode A step of bringing the semiconductor chip and the wiring board close to each other,
(D) After the step (c), when the contact between the first solder and the second solder is detected, a first gap is formed between the main surface of the semiconductor chip and the upper surface of the wiring board. Maintaining the process in
(E) after the step (d), raising the temperature of the first solder and the second solder from a first temperature lower than the solder melting point to a second temperature higher than the solder melting point;
(F) After the step (e), the step of joining the first solder and the second solder at the second temperature;
(G) After the step (f), lowering the temperature of the first solder and the second solder from the second temperature to a third temperature lower than the solder melting point,
Have
In the step (e), the semiconductor chip and the wiring board are brought close to each other by a predetermined distance on the way from the first temperature to the second temperature, and the main surface of the semiconductor chip and the wiring board A method of manufacturing a semiconductor device, wherein a distance between the upper surface of the semiconductor device and the upper surface of the semiconductor device is maintained at a second interval smaller than the first interval.
前記(b)工程と前記(c)工程との間に、さらに、
(h)前記配線基板の前記主面上に、前記第1電極を覆うように樹脂を形成する工程、
を有する、半導体装置の製造方法。 The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 10.
Between the step (b) and the step (c),
(H) forming a resin on the main surface of the wiring board so as to cover the first electrode;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
前記樹脂は、酸化膜除去機能を有する熱硬化性樹脂である、半導体装置の製造方法。 The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 11.
The method for manufacturing a semiconductor device, wherein the resin is a thermosetting resin having an oxide film removing function.
前記(f)工程では、
前記柱状電極の前記第2面にSnおよびCuからなる金属間化合物を主成分とする第1金属間化合物層が形成され、
前記第1電極の前記上面にSnおよびCuからなる金属間化合物を主成分とする第2金属間化合物層が形成され、
前記第1金属間化合物層と前記第2金属間化合物層との間に、前記第1金属間化合物層および前記第2金属間化合物層に含まれるSn原子数比よりも大きいSn原子数比を含む中間層が形成される、半導体装置の製造方法。 The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 10.
In the step (f),
A first intermetallic compound layer mainly composed of an intermetallic compound composed of Sn and Cu is formed on the second surface of the columnar electrode;
A second intermetallic compound layer mainly composed of an intermetallic compound composed of Sn and Cu is formed on the upper surface of the first electrode;
Between the first intermetallic compound layer and the second intermetallic compound layer, an Sn atomic ratio larger than the Sn atomic ratio included in the first intermetallic compound layer and the second intermetallic compound layer is set. A method for manufacturing a semiconductor device, wherein an intermediate layer is formed.
前記柱状電極の前記第2面と前記第1はんだとの間にNi膜を有する、半導体装置の製造方法。 The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 10.
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising a Ni film between the second surface of the columnar electrode and the first solder.
前記第1はんだは、Sn−Ag系はんだであり、
前記第2はんだは、Sn系はんだ、またはNiが添加されたSn−Ag系はんだである、半導体装置の製造方法。 The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 10.
The first solder is a Sn-Ag solder.
The method for manufacturing a semiconductor device, wherein the second solder is Sn-based solder or Sn-Ag-based solder to which Ni is added.
前記柱状電極の前記第2面と前記第1はんだとの間にNi膜を有し、
前記第1はんだは、Sn−Ag系はんだであり、
前記第2はんだは、Sn系はんだ、またはNiが添加されたSn−Ag系はんだである、半導体装置の製造方法。 The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 10.
Having a Ni film between the second surface of the columnar electrode and the first solder;
The first solder is a Sn-Ag solder.
The method for manufacturing a semiconductor device, wherein the second solder is Sn-based solder or Sn-Ag-based solder to which Ni is added.
前記柱状電極はCuからなる、半導体装置の製造方法。 The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 10.
The method for manufacturing a semiconductor device, wherein the columnar electrode is made of Cu.
前記第1はんだおよび前記第2はんだの厚さは12μm〜15μmである、半導体装置の製造方法。 The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 10.
The method of manufacturing a semiconductor device, wherein the first solder and the second solder have a thickness of 12 μm to 15 μm.
前記第1はんだの表面、前記第2はんだの表面、前記柱状電極の前記第2面、および前記第1電極の表面の少なくとも1つが凸形状である、半導体装置の製造方法。 The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 10.
A method of manufacturing a semiconductor device, wherein at least one of the surface of the first solder, the surface of the second solder, the second surface of the columnar electrode, and the surface of the first electrode is convex.
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