半導体装置及びその製造方法
【課題】信頼性の高い半導体装置を効率良く製造できるようにする。
【解決手段】半導体装置３１は、回路基板１の所定位置に形成された電極パッド１０を有し、電極パッド１０には、半導体装置２１のハンダバンプ２６が接合されている。ハンダバンプ２６は、半導体装置２１の電極２５上に形成され、そのハンダ材料には鉛フリーハンダが用いられている。回路基板１の電極パッド１０は、複数の凸部１０Ａと溝１０Ｂが形成されており、ハンダバンプ２６は、その一部が電極パッド１０の溝１０Ｂを埋めるように入り込んでいる。
【解決手段】半導体装置３１は、回路基板１の所定位置に形成された電極パッド１０を有し、電極パッド１０には、半導体装置２１のハンダバンプ２６が接合されている。ハンダバンプ２６は、半導体装置２１の電極２５上に形成され、そのハンダ材料には鉛フリーハンダが用いられている。回路基板１の電極パッド１０は、複数の凸部１０Ａと溝１０Ｂが形成されており、ハンダバンプ２６は、その一部が電極パッド１０の溝１０Ｂを埋めるように入り込んでいる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年では、携帯電子機器などの小型化、高密度化、及び高性能化が図られている。これに伴って、携帯電子機器などに搭載される半導体装置は、小型化が要求されると共に、実装の高密度化が図られている。このため、パッケージ型半導体装置に実装される半導体素子には、ＢＧＡ（Ball Grid Array）やＣＳＰ（Chip size Package）といった、エリアアレイタイプが用いられ、半導体素子の実装面積を小型化している。
【０００３】
このようなパッケージ型半導体装置において、電極パッドはハンダバンプを介してプリント基板等の回路基板に電気的に接続させることで実装されている。従来の半導体装置の実装方法としては、半導体装置の下面にハンダバンプを一定のピッチで形成し、ハンダバンプを回路基板に形成した電極パッドと位置合わせした後に、リフロー工程で接合している。
【０００４】
ハンダバンプを用いて半導体装置を回路基板に電気的に接続すると、半導体装置と回路基板を導電性のリードワイヤを介して電気的に接続する場合に比べて高速電気特性に優れる。また、ハンダバンプは、半導体パッケージの下面の全体にわたって多数形成できるので、多ピン構造の半導体素子の実装に好適であり、半導体装置の小型化が容易である。
【０００５】
ハンダバンプを用いた実装方法では、ハンダバンプの外径が小さくなるほど、ハンダバンプのピッチを微細にできる。近年では、ハンダバンプの外形が６００μｍ〜７５０μｍφで、ピッチを１ｍｍ〜１．５ｍｍ程度にすることが知られている。
【０００６】
ここで、従来の半導体装置の実装方法で使用されるハンダ材料には、伸びが大きく、ハンダ接合部の疲労寿命特性に優れているＳｎ−Ｐｂ共晶ハンダをベースとしたものが用いられていた。このため、電極パッドが形成された回路基板の反りの有無や、回路基板の熱膨張特性を考慮することなく、回路基板に半導体装置を実装していた。
【０００７】
ところが、近年では、鉛が環境に与える影響を配慮し、鉛を含まないハンダ、いわゆる、鉛フリーハンダが使用されている。鉛フリーハンダには、Ｓｎを主成分としたハンダ材料、例えば、ＳｎにＡｇやＣｕを添加した材料が使用されている。
【０００８】
鉛フリーハンダを用いた従来の実装構造としては、例えば、回路基板の表面に、ＡｇとＰｔを含む層を形成し、その表面にＮｉめっき被膜、Ｓｎめっき被膜を順番に形成して導電性のパッドを形成する構造が知られている。さらに、導電性のパッドの表面に、鉛を含まないハンダペーストを印刷する。この後、リフロー工程でハンダペーストを溶融させて、半球状のハンダバンプを形成する。
【０００９】
また、従来のセラミックス素子の両端を覆う外部電極として、Ｃｕ層、バリアメタル層、Ｓｎめっき層からなる三層構造を形成することが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平１１−２２４８８７号公報
【特許文献２】特開２００２−７５７７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、鉛フリーハンダであるＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ合金の融点は、２１７℃であり、従来のＳｎ−Ｐｂ共晶ハンダの融点である１８３℃と比較して４０℃程度高い。回路基板と半導体装置とは、熱膨張率が異なるので、ハンダバンプと電極パッドのリフロー工程で回路基板と半導体装置の変形量に大きな差が生じる。このような変形量の差は、ハンダ接合部に応力を発生させる原因になる。特に、半導体装置の外周部では、半導体装置と回路基板の変形量の差が大きくなり易い。例えば、一辺が３０ｍｍを超えるような大型のプラスチックパッケージ型半導体装置においては、ハンダ接合部が破断してオープン不良が発生する可能性が高くなる。
【００１２】
また、鉛フリーハンダの機械的性質、例えば弾性率（ヤング率）や引張強さは、従来のＳｎ−Ｐｂ共晶ハンダと比較して大きくなるが、伸び特性（柔軟性）は低下する。ハンダの伸び特性が低いと、ハンダ接合部の疲労寿命特性が低下する。その結果、半導体装置の外周部において、ハンダ結合部が破断してオープン不良が発生する可能性が高くなる。
【００１３】
さらに、ハンダバンプと電極パッドの接合部分の界面には、ＣｕＳｎ合金からなる化合物層が生じるが、化合物層は硬くて脆く、落下衝撃のような動的歪みに対して弱かった。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、鉛フリーハンダを用いた場合の信頼性を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本願の一観点によれば、基板と、前記基板の上に形成され、表面に凸部を有する電極パッドと、半導体素子と、前記半導体素子の電極に電気的に接続されると共に、前記電極パッドの前記凸部の間の溝を埋めつつ、前記電極パッドに接合されたハンダと、を含む半導体装置が提供される。
【００１５】
また、本発明の別の観点によれば、基板の上に導電層を形成する工程と、前記導電層の表面の一部に導電材料からなる凸部を成長させ、凹凸を有する電極パッドを形成する工程と、前記電極パッドに半導体素子に設けられたハンダを載置する工程と、前記ハンダに熱を加え、溶融した前記ハンダのハンダ材料の一部を前記電極パッドの前記凸部によって形成される溝に埋め込む工程と、を含む半導体装置の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【００１６】
半導体装置に電極パッドの凸部がハンダに入り込むことで、ハンダと電極パッドの接触面積が増えると共に、ハンダが電極パッドに食い込み、ハンダ接合部の強度が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１Ａ】図１Ａは、本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図（その１）である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図（その２）である。
【図１Ｃ】図１Ｃは、本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図（その３）である。
【図１Ｄ】図１Ｄは、本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図（その４）である。
【図１Ｅ】図１Ｅは、本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図（その５）である。
【図２Ａ】図２Ａは、本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を示す平面図（その１）である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を示す平面図（その２）である。
【図２Ｃ】図２Ｃは、本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を示す平面図（その３）である。
【図３】図３は、本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を示す側面である。
【図４Ａ】図４Ａは、本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置のハンダ接合部の構造を示す断面面である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、図４のＩ−Ｉ線に沿った断面図である。
【図５Ａ】図５Ａは、本発明の第２の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を示す平面図（その１）である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、本発明の第２の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を示す平面図（その２）である。
【図５Ｃ】図５Ｃは、本発明の第２の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を示す平面図（その３）である。
【図６Ａ】図６Ａは、本発明の第２の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図（その１）である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、本発明の第２の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図（その２）である。
【図７】図７は、本発明の第２の実施の形態に係る半導体装置のハンダ接合部の構造を示す断面面である。
【図８】図８は、本発明の変形例に係る半導体装置の電極パッドの平面図である。
【図９】図９は、本発明の他の変形例に係る半導体装置の電極パッドの平面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
発明の目的および利点は、請求の範囲に具体的に記載された構成要素および組み合わせによって実現され達成される。
前述の一般的な説明および以下の詳細な説明は、典型例および説明のためのものであって、本発明を限定するためのものではない、と理解すべきである。
【００１９】
以下に、図面を参照して本発明の好ましい実施形態を説明する。図面において、同様の構成要素には同じ参照番号が付されている。
（第１の実施の形態）
まず、回路基板上に電極パッドを形成する工程を説明する。
最初に、図１Ａの側面図に示すように、回路基板１の上面にＣｕからなる導電性膜２を電解めっきにより形成する。回路基板１としては、例えば、ガラスエポキシ樹脂を用いる。続いて、導電性膜２の上にレジスト膜を塗布し、硬化させた後に露光及び現像してレジストパターン４を形成する。そしてレジストパターン４をマスクにして導電性膜２をパターニングする。これにより、図１Ｂに示すように、回路基板１の上の所定位置に、例えば、直径０．６ｍｍの円形の導電層３が形成される。
【００２０】
続いて、電解めっき用の電極となる銅シード層（不図示）を、例えば０．５μｍ程度の厚さで、導電層３の表面と回路基板１上に形成する。なお、銅シード層は最終的にはエッチングにより除去される。
【００２１】
次に、図１Ｃに示す構造を得るまでの工程について説明する。
まず、導電層３の上及び回路基板１の上にレジスト膜を塗布し、硬化させた後に露光及び現像してレジストパターン５を形成する。図２Ａの平面図に示すように、レジストパタ
ーン５は、導電層３の上に複数の開口部５Ａを有する。開口部５Ａは、中央の円形部と、円形部を中心にして同心円状に配置された３つの円環とからなる。なお、円環の数は、３つに限定されない。そして、レジストパターン５の開口部５Ａから露出する導電層３の上にＣｕからなるめっき層７を電解めっき法により例えば１０μｍ以上の膜厚に形成する。
【００２２】
図１Ｄ及び図２Ｂに示すように、電極パッド１０の上、及び回路基板１の上のレジストパターン５を例えばアッシング又は溶剤により除去する。これにより、導電層３の表面にめっき層７からなる凸部１０Ａが所定の間隔で複数形成された電極パッド１０が得られる。
ここで、図２Ｂに示すように、電極パッド１０の表面に形成される凸部１０Ａは、径の異なる複数の円環からなる。また、凸部１０Ａの間は、導電層３が露出する溝１０Ｂになる。図１Ｄに示すように、凸部１０Ａの間に形成される同心円状の溝１０Ｂは、その深さＨ１が例えば約１０μｍ以上で、幅Ｄ１は例えば１０μｍ以上である。
また、図２Ｃに示すように、電極パッド１０は、回路基板１上に、所定の間隔、例えば２００μｍ〜６００μｍの間隔で複数形成される。なお、電極パッド１０の数及び配列は、図２Ｃに限定されない。なお、図２Ｃでは、図２Ｂの電極パッド１０が縮小して描かれている。
【００２３】
次に、図１Ｅに示す断面構造を得るまでの工程について説明する。
最初に、電極パッド１０以外の領域の回路基板１の上面をレジストパターン（不図示）で覆う。次いで、電極パッド１０の上に、第１の金属層１２を形成する。第１の金属層１２は、例えば、電解めっき法により形成される。第１の金属層１２は、元素周期律表においてVIII族に属する遷移金属元素であるＮｉから形成される。そのめっき条件は、例えば、めっき槽内のめっき液の温度を９０℃にし、通電時間を２分間にする。これにより、電極パッド１０の上に第１の金属層１２が、１μｍ〜２μｍの膜厚で、電極パッド１０の凹凸形状に倣って形成される。なお、第１の金属層１２は、無電解めっき法により形成しても良い。
【００２４】
さらに、第１の金属層１２の上に、第２の金属層１３を形成する。第２の金属層１３は、第１のＳｎ層１３Ａと、第２のＳｎ層１３Ｂとを順番に積層させることで形成される。
第１のＳｎ層１３Ａは、第１の金属層１２の上に無電解めっき法により、例えば、１〜２μｍの膜厚に形成する。第１のＳｎ層１３Ａは、第１の金属層１２が積層された電極パッド１０の凹凸形状に倣って形成される。
続いて、第１のＳｎ層１３Ａの上に第２のＳｎ層１３Ｂを電解めっき法によって、１０μｍ以上の膜厚に形成する。第２のＳｎ層１３Ｂは、第１のＳｎ層１３Ａ及び第１の金属層１２が積層された電極パッド１０の凹凸形状に倣って形成される。なお、第２のＳｎ層１３Ｂは、無電界めっき法又は置換型無電界めっき法により形成しても良い。
【００２５】
これにより、電極パッド１０の上に、第１の金属層１２、第１のＳｎ層１３Ａ、及び第２のＳｎ層１３Ｂからなる３層構造の積層膜１５が形成される。積層膜１５は、電極パッド１０の表面形状に倣った凹凸形状を有する。つまり、最上層の第２のＳｎ層１３Ｂの表面には、溝１０Ｂの形成位置に合わせて、同心円状の溝１５Ａが３つ形成される。なお、電極パッド１０の溝１０Ｂの幅Ｄ１の大きさと、積層膜１５の膜厚の大きさによっては、第２のＳｎ層１３Ｂの表面に溝１５Ａが形成されないこともある。
【００２６】
この後、電極パッド１０以外の領域を覆っていたレジストパターン（不図示）を除去する。さらに、回路基板１上の銅シード層（不図示）を硫酸、過酸化水素数を含有する溶液によりエッチングして除去する。
【００２７】
次に、図３に示すように、半導体素子を含む半導体装置２１を回路基板１に実装する。
ここで、半導体装置２１には、エリアアレイ型と呼ばれるＢＧＡ（Ball Grid Array）やＣＳＰ（Chip Size Package）などの半導体パッケージが用いられている。この半導体装置２１は、例えば、ガラスエポキシ基板などのインターポーザと呼ばれる基板２２を有する。基板２２の一方の面には、半導体回路が形成された半導体チップ２０（半導体素子）が取り付けられると共に、プラスチック製のケース２３が装着されることで半導体チップ２０が保護されている。なお、半導体装置２１は、樹脂で半導体チップ２０を封止しても良い。また、ケース２３や樹脂を設けずに、ベアの基板２２のみでも良い。
【００２８】
基板２２の他方の面２２Ｂには、電極２５が複数形成されている。電極２５は、半導体チップ２０の図示を省略する電極と電気的に接続されている。各電極２５上には、ハンダバンプ２６が１つずつ形成されている。ハンダバンプ２６を形成する際には、例えば、電極２５の上にスクリーン印刷によりハンダペーストを塗布する。ハンダペーストは、ハンダ材料をフラックスと混合してペースト状にしたもので、電極２５上にメタルマスクを配置し、メタルマスクの開口部にスキージを用いて充填することで塗布される。この後、電極２５上のハンダペーストをリフローすると、フラックスが蒸発して略球形状のハンダバンプ２６が形成される。また、電極２５にフラックスを介してハンダボールを接着し、リフロー工程でハンダボールを電極２５に溶着することでハンダバンプ２６を形成しても良い。
【００２９】
ハンダバンプ２６に用いられるハンダ材料は、いわゆる鉛フリーハンダが用いられている。鉛フリーハンダのハンダ材料の組成は、例えば、Ｓｎが最も含有量が多く、これにＢｉ、Ｉｎ、Ｚｎ、Ａｇ、Ｓｂ、Ｃｕのいずれか一種類以上が添加されたものが用いられる。例えば、ＳｎＡｇＣｕ系のハンダ材料であれば、Ｓｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕ（３．０質量％Ａｇ−０．５質量％Ｃｕを含有するＳｎハンダ）や、Ｓｎ−４．０Ａｇ−０．５Ｃｕ（４．０質量％Ａｇ−０．５質量％Ｃｕを含有するＳｎハンダ）があげられる。なお、鉛フリーハンダのハンダ材料の他の例としては、ＳｎＡｇＣｕ系、ＳｎＺｎＢｉ系、ＳｎＣｕ系、ＳｎＡｇＩｎＢｉ系、ＳｎＳｂ系があげられる。また、ハンダ材料は、Ｓｎの代わりに、Ｂｉ、Ｉｎ、Ｚｎ、Ａｇ、Ｓｂ、Ｃｕを含むものでも良い。
【００３０】
このようにして製造した半導体装置２１は、ハンダバンプ２６を下向きに、かつハンダバンプ２６と回路基板１の電極パッド１０とを位置合わせしつつ、回路基板１の上に載置される。
続いて、半導体装置２１を搭載した回路基板１を、コンベア炉に入れて加熱する。加熱条件は、例えば、最高温度を２５０℃とし、ハンダバンプ２６の融点である約２１７℃以上の温度が約２分維持されるようにする。これにより、ハンダバンプ２６が溶融して、ハンダバンプ２６と回路基板１の電極パッド１０とが接合される。これにより、半導体装置２１の電極２５と、回路基板１の電極パッド１０とが電気的に接続される。なお、このようにして製造された半導体装置３１には、他の電子部品などを実装することも可能である。
【００３１】
ここで、図４Ａの断面図に示すように、ハンダバンプ２６を電極パッド１０に接合することで形成されるハンダ接合部３２は、電極パッド１０の表面の凹凸にハンダバンプ２６が食い込んでおり、電極パッド１０とハンダバンプ２６の境界に金属間化合物層３３が形成されている。金属間化合物層３３は、電極パッド１０の表面形状に倣った凹凸形状を有する。この実施の形態における金属間化合物層３３は、図１Ｄに示す積層膜１５のＮｉ、Ｓｎとハンダバンプ２６に含まれるＣｕとを含み、例えば、（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５になる。なお、第１の金属層１２のＮｉは、電極パッド１０のＣｕとハンダバンプ２６のＳｎの間の拡散及び反応を低減させるので、金属間化合物層３３の成長が抑制され、その膜厚は薄い。
【００３２】
また、第２のＳｎ層１４が１０μｍ以上の膜厚に形成されているので、接合後のハンダバンプ２６の組成は、Ｓｎ濃度が高くなり、Ａｇ濃度が相対的に低くなる。これにより、例えば、接合前のハンダバンプ２６の組成が、Ｓｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｎであった場合には、Ａｇ濃度が０．３から２〜２．３に下がる。ハンダバンプ２６中のＡｇ濃度が下がることで、ハンダ材料のヤング率が低くなって、伸び特性が向上する。
【００３３】
以上、説明したように、この半導体装置３１では、ハンダバンプ２６に接合される電極パッド１０の表面に同心円からなる環状の凸部１０Ａと、これによって形成される曲線状の溝１０Ｂを設けた。このように、電極パッド１０の表面に段差を設けることで、ハンダバンプ２６と電極パッド１０の接合部分が、電極パッド１０の凹凸に沿った３次元的な立体形状になり、ハンダバンプ２６と電極パッド１０の接触面積が増える。さらに、ハンダバンプ２６に電極パッド１０が楔のように入り込むことによるアンカー効果によって、ハンダ接合部３２の接合強度が向上する。また、半導体装置３１のハンダ接合部３２の接合面が３次元的な立体形状であることから、従来のようにハンダバンプ２６と電極パッド１０の接合面が平面である場合に比べてせん断方向の応力、すなわち衝撃に対する強度が高まる。
【００３４】
さらに、この半導体装置３１では、金属間化合物層３３が電極パッド１０の表面形状に倣った凹凸形状を有する。このため、図４ＡのＩ−Ｉ線に沿った断面図である図４Ｂに示すように、回路基板１に平行な、せん断面方向において、ハンダバンプ２６に比べて硬くて脆い金属間化合物層３３部分と、ハンダバンプ２６の部分とが交互に配置される。これにり、ハンダ接合部３２がせん断応方向の応力に対して強くなる。
【００３５】
また、電極パッド１０の表面にＮｉを用いた第１の金属層１２を形成してＣｕとＳｎの拡散及び反応を抑制させたので、ハンダ接合部３２の金属間化合物層３３の膜厚を抑制できる。硬くて脆い金属化合物層３３の膜厚を抑えることで、ハンダ接合部３２の強度や疲労寿命特性を改善できる。
【００３６】
さらに、積層膜１５中の第２のＳｎ膜１４の膜厚を１０μｍ以上にしたので、接合後のハンダバンプ２６のＳｎ濃度を高く、Ａｇ濃度を低くすることができる。これにより、ハンダバンプ２６のヤング率が低くなり、ハンダ接合部３２の耐衝撃性が向上する。また、ヤング率が低くなることにより、ハンダ接合部３２の疲労寿命特性を向上できる。
【００３７】
ここで、従来のハンダ接合部が平面で、第１の金属層１２を有しない半導体装置と、本実施の形態の半導体装置３１の信頼性試験を行った。信頼性試験は、温度サイクル試験と、自由落下衝撃試験とを実施した。
【００３８】
まず、温度サイクル試験では、半導体装置を−５５℃の低温下に３０分間放置した後、１２５℃の高温下に３０分間晒す。これを１サイクルとして、合計で５００サイクルの温度サイクル試験を行った後、ハンダ接合部の不良を調べた。従来の半導体装置では、５つのサンプルのうち、３つのサンプルにハンダ接合部のオープン不良が発生した。これに対し、半導体装置３１では、５つのサンプルの全てにおいてハンダ接合部３２のオープン不良は発生しなかった。
【００３９】
また、自由落下衝撃試験では、半導体装置を高さ１０ｃｍから自由落下させて衝撃を与えるテストを２００回実施した後、ハンダ接合部の不良を調べた。従来の半導体装置では、５つのサンプルのうち、４つのサンプルにハンダ接合部のオープン不良が発生した。これに対し、半導体装置３１では、５つのサンプルの全てにおいてハンダ接合部３２のオープン不良は発生しなかった。
【００４０】
これらのことから、この半導体装置３１では、従来に比べて、熱及び衝撃に対する耐性が向上したことがわかった。
【００４１】
ここで、積層膜１５の第１の金属層１２は、Ｎｉの代わりに、他のVIII族に属する遷移金属元素、例えばＣｏやＦｅであっても良い。ＣｏやＦｅを用いた場合でも、Ｎｉと同様に、電極パッド１０のＣｕとハンダバンプ２６のＳｎの間の拡散及び反応を低減させ、金属間化合物層３３の成長を抑制することができる。また、第１の金属層１２は、Ｆｅ−Ｎｉ、Ｎｉ−Ｃｏ等の合金層であっても良い。
【００４２】
（第２の実施の形態）
まず、図１Ａ及び図１Ｂと同様に、回路基板１上に導電性膜２をパターニングして導電層３を形成する。次に、導電性膜２の上及び回路基板１の上にレジスト膜を塗布し、硬化させた後に露光及び現像してレジストパターンを形成する。図５Ａに示すように、レジストパターン４１は、四角形の開口部４１Ａが等間隔に複数配列されている。そして、レジストパターン４１の開口部４１Ａから露出する導電層３にＣｕからなるめっき層４２を電解めっき法により１０μｍ以上の膜厚に形成する。この後、レジストパターン４１を例えばアッシング又は溶剤により除去する。これにより、図５Ｂ及び図６Ａに示すように、表面に凹凸が形成された電極パッド５０が形成される。
なお、電解めっき用の電極として、銅シード層を形成し、最後に除去するが、第１の実施の形態と同様であるので、説明は省略する。
【００４３】
ここで、電極パッド５０の表面には、めっき層４２からなる凸部５０Ａが複数形成されており、これら凸部５０Ａによって格子状の溝５０Ｂが形成される。溝５０Ｂには、導電性膜２が露出している。電極パッド５０の溝５０Ｂの深さＨ２は、例えば１０μｍ以上で、幅Ｄ２は例えば１０μｍ以上である。なお、凸部５０Ａの大きさや配列数は、図５Ｂ及び図６Ａに示す例に限定されない。また、図５Ｃに示すように、電極パッド５０は、回路基板１上に、所定の間隔で複数形成される。
【００４４】
次に、図６Ｂに示すように、電極パッド５０の上に、第１の金属層１２、第１のＳｎ層１３Ａ、第２のＳｎ層１３Ｂを順番に、電解めっき又は無電解めっきを用いて堆積させ、積層膜１５を形成する。第１の金属層１２には、Ｎｉ又は、他のVIII族に属する遷移金属元素、ＣｏやＦｅ、又はこれらの合金が用いられる。第２のＳｎ層１３Ｂは、少なくとも１０μｍ以上の膜厚に形成する。積層膜１５は、電極パッド５０の表面の形状に倣って凹凸形状を有する。つまり、最上層の第２のＳｎ層１３Ｂの表面には、溝５０Ｂの形成位置に合わせて、格子状の溝１５Ｂが形成される。なお、電極パッド５０の溝５０Ｂの幅Ｄ２と、第２のＳｎ層１３Ｂの膜厚の大きさによっては、第２のＳｎ層１３Ｂの表面に溝１５Ｂが形成されないこともある。
【００４５】
続いて、図７に示すように、半導体素子を含む半導体装置２１を回路基板１に実装する。この際、半導体装置２１は、ハンダバンプ２６を下向きに、かつハンダバンプ２６と回路基板１の電極パッド５０とを位置合わせしつつ、回路基板１の上に載置される。ハンダバンプ２６には、鉛フリーハンダ、例えば、Ｓｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕや、Ｓｎ−４．０Ａｇ−０．５Ｃｕなどが用いられる。
【００４６】
この後、半導体装置２１を搭載した回路基板１を、コンベア炉に入れて加熱する。ハンダバンプ２６が溶融して、電極パッド５０に接合される。これにより、半導体装置２１の電極２５と、回路基板１の電極パッド１０とが電気的に接続される。なお、このようにして製造された半導体装置６１には、他の電子部品などを実装することも可能である。
【００４７】
ハンダ接合部６２は、電極パッド１０の凹凸にハンダバンプ２６が食い込むことで形成
されており、電極パッド１０とハンダバンプ２６の境界には金属間化合物層６３が形成されている。金属間化合物層６３は、電極パッド５０の表面形状に倣った凹凸形状を有する。第１の金属層１２を形成するVIII族に属する遷移金属元素が、電極パッド５０のＣｕとハンダバンプ２６のＳｎの間の拡散及び反応を低減させるので、金属間化合物層６３の成長が抑制され、その膜厚は薄い。
【００４８】
以上、説明したように、この実施の形態では、ハンダバンプ２６に接合される電極パッド５０の表面に複数の凸部５０Ａを設け、交差する複数の直線で格子状の溝５０Ｂを形成した。このように、電極パッド５０の表面に段差を設けることで、ハンダバンプ２６と電極パッド５０の接触面積が増えると共に、ハンダバンプ２６に電極パッド５０を楔のように入り込ませることが可能になる。これにより、ハンダ接合部６２のせん断方向の応力、すなわち衝撃に対する強度が高まる。その他の効果は、第１の実施の形態と同様である。
【００４９】
なお、この半導体装置６１について、第１の実施の形態と同様の温度サイクル試験と、自由落下衝撃試験とを実施したところ、５つのサンプルの全てにおいてハンダ接合部３２のオープン不良は発生しなかった。このことから、この半導体装置３１では、従来に比べて、熱及び衝撃に対する耐性が向上したことがわかった。
【００５０】
次に、本実施の形態の変形例について説明する。
図８に示す電極パッド７０は、導電層３の上に、めっき層７１からなる凸部７０Ａが平行なラインとして複数形成されている。凸部７０Ａの間には、複数の溝７０Ｂが並列に形成されており、ここから導電層３が露出している。つまり、電極パッド７０の溝７０Ｂは、直線状で、かつ交差せずに一方向に向けて形成されている。このような電極パッド７０では、ライン状に配列された凹凸形状によって、ハンダバンプ２６と電極パッド７０の接触面積が増えると共に、ハンダバンプ２６に電極パッド７０が楔のように入り込む。これにより、ハンダ接合部のせん断方向の応力、すなわち衝撃に対する強度が高まる。
【００５１】
また、図９に示す電極パッド８０は、導電層３の上に、めっき層８１によって、長さ方向にジグザクに折れ曲がった凸部８０Ａが複数形成されている。凸部８０Ａの間には、複数の溝８０Ｂに、かつ長さ方向に折れ曲がりつつ形成されており、ここから導電層３が露出している。これにより、電極パッド８０には、折れ曲がったラインによって形成される凹凸形状による段差が設けられている。このため、ハンダバンプ２６と電極パッド８０の接触面積が増えると共に、ハンダバンプ２６に電極パッド８０が楔のように入り込み、せん断方向の応力、すなわち衝撃に対する強度が高まる。凸部８０Ａ及び溝８０Ｂは、図９に示す形状の他、例えば、鋸刃形や波形であっても良い。
【００５２】
なお、本発明は、前記の各実施の形態の他にも様々な変形が可能である。
例えば、めっき層７、２４を凸状に形成する代わりに、導電層３に溝を形成しても良い。
それぞれの凸部１０Ａ，５０Ａ，７０Ａ，８０Ａの断面形状は、正方向や長方形であっても良いし、台形でも良い。凸部１０Ａ，５０Ａ，７０Ａ，８０Ａを台形にしたときの上辺の長さ（幅）は、下辺の長さ（幅）より小さくても良いし、大きくても良い。
図５Ａに示すマスクパターン４１の開口部４１Ａの形状は、四角に限定されず、円形や楕円形でも良い。
また、半導体装置２１の電極パッド２２を、電極パッド１０，５０，７０，８０の形状及び構成にしても良い。この場合には、半導体装置２１を本発明の実施の形態に係る半導体装置の概念としても良い。
【００５３】
ここで挙げた全ての例および条件的表現は、発明者が技術促進に貢献した発明および概念を読者が理解するのを助けるためのものであり、ここで具体的に挙げたそのような例お
よび条件に限定することなく解釈するものであり、また、明細書におけるそのような例の編成は本発明の優劣を示すこととは関係ない。本発明の実施形態を詳細に説明したが、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、それに対して種々の変更、置換および変形を施すことができる。
【００５４】
以下に、前記の実施の形態の特徴を付記する。
（付記１） 基板と、前記基板の上に形成され、表面に凸部を有する電極パッドと、半導体素子と、前記半導体素子の電極に電気的に接続されると共に、前記電極パッドの前記凸部の間の溝を埋めつつ、前記電極パッドに接合されたハンダと、を含む半導体装置。
（付記２） 前記電極パッドは、前記溝が同心円状に形成されている付記１に記載の半導体装置。
（付記３） 前記電極パッドは、前記溝が格子状に形成されている付記１に記載の半導体装置。
（付記４） 前記溝の深さは１０μｍ以上である付記２又は付記３に記載の半導体装置。（付記５） 前記ハンダは、Ｓｎに、Ｂｉ、Ｉｎ、Ｚｎ、Ａｇ、Ｓｂ、Ｃｕのいずれか一種類以上を添加したハンダ材料からなる付記１乃至付記３の半導体装置。
（付記６） 基板の上に導電層を形成する工程と、前記導電層の表面の一部に導電材料からなる凸部を成長させ、凹凸を有する電極パッドを形成する工程と、前記電極パッドに半導体素子に設けられたハンダを載置する工程と、前記ハンダに熱を加え、溶融した前記ハンダのハンダ材料の一部を前記電極パッドの前記凸部によって形成される溝に埋め込む工程と、を含む半導体装置の製造方法。
（付記７） 前記ハンダは、Ｓｎに、Ｂｉ、Ｉｎ、Ｚｎ、Ａｇ、Ｓｂ、Ｃｕのいずれか一種類以上を添加したハンダ材料で形成される付記６に記載の半導体装置の製造方法。
（付記８） 前記電極パッドの凹凸を有する表面に、VIII族の遷移金属からなる第１の金属層と、Ｓｎからなる第２の金属層とを積層させる工程を含む付記６又は付記７に記載の半導体装置の製造方法。
（付記９） 第２の金属層は、Ｓｎを１０μｍ以上の膜厚に形成する付記５乃至付記８のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
（付記１０） 前記電極パッドを形成する工程は、前記導電層の表面に前記凸部を同心円状の形成する付記６乃至付記９のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
（付記１１） 前記電極パッドを形成する工程は、前記導電層の表面に前記凸部を形成し、前記凸部の間の溝を格子状に形成する付記６乃至付記９のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
【符号の説明】
【００５５】
１ 回路基板
１０，５０，７０，８０ 電極パッド
１０Ａ，５０Ａ，７０Ａ，８０Ａ 凸部
１０Ｂ，５０Ｂ，７０Ｂ，８０Ｂ 溝
１２ 第１の金属膜
１３ 第２の金属膜
２０ 半導体チップ（半導体素子）
２１ 半導体装置
２５ 電極
２６ ハンダバンプ
３１，６１ 半導体装置
３２，６２ ハンダ接合部
３３，６３ 合金層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年では、携帯電子機器などの小型化、高密度化、及び高性能化が図られている。これに伴って、携帯電子機器などに搭載される半導体装置は、小型化が要求されると共に、実装の高密度化が図られている。このため、パッケージ型半導体装置に実装される半導体素子には、ＢＧＡ（Ball Grid Array）やＣＳＰ（Chip size Package）といった、エリアアレイタイプが用いられ、半導体素子の実装面積を小型化している。
【０００３】
このようなパッケージ型半導体装置において、電極パッドはハンダバンプを介してプリント基板等の回路基板に電気的に接続させることで実装されている。従来の半導体装置の実装方法としては、半導体装置の下面にハンダバンプを一定のピッチで形成し、ハンダバンプを回路基板に形成した電極パッドと位置合わせした後に、リフロー工程で接合している。
【０００４】
ハンダバンプを用いて半導体装置を回路基板に電気的に接続すると、半導体装置と回路基板を導電性のリードワイヤを介して電気的に接続する場合に比べて高速電気特性に優れる。また、ハンダバンプは、半導体パッケージの下面の全体にわたって多数形成できるので、多ピン構造の半導体素子の実装に好適であり、半導体装置の小型化が容易である。
【０００５】
ハンダバンプを用いた実装方法では、ハンダバンプの外径が小さくなるほど、ハンダバンプのピッチを微細にできる。近年では、ハンダバンプの外形が６００μｍ〜７５０μｍφで、ピッチを１ｍｍ〜１．５ｍｍ程度にすることが知られている。
【０００６】
ここで、従来の半導体装置の実装方法で使用されるハンダ材料には、伸びが大きく、ハンダ接合部の疲労寿命特性に優れているＳｎ−Ｐｂ共晶ハンダをベースとしたものが用いられていた。このため、電極パッドが形成された回路基板の反りの有無や、回路基板の熱膨張特性を考慮することなく、回路基板に半導体装置を実装していた。
【０００７】
ところが、近年では、鉛が環境に与える影響を配慮し、鉛を含まないハンダ、いわゆる、鉛フリーハンダが使用されている。鉛フリーハンダには、Ｓｎを主成分としたハンダ材料、例えば、ＳｎにＡｇやＣｕを添加した材料が使用されている。
【０００８】
鉛フリーハンダを用いた従来の実装構造としては、例えば、回路基板の表面に、ＡｇとＰｔを含む層を形成し、その表面にＮｉめっき被膜、Ｓｎめっき被膜を順番に形成して導電性のパッドを形成する構造が知られている。さらに、導電性のパッドの表面に、鉛を含まないハンダペーストを印刷する。この後、リフロー工程でハンダペーストを溶融させて、半球状のハンダバンプを形成する。
【０００９】
また、従来のセラミックス素子の両端を覆う外部電極として、Ｃｕ層、バリアメタル層、Ｓｎめっき層からなる三層構造を形成することが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平１１−２２４８８７号公報
【特許文献２】特開２００２−７５７７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、鉛フリーハンダであるＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ合金の融点は、２１７℃であり、従来のＳｎ−Ｐｂ共晶ハンダの融点である１８３℃と比較して４０℃程度高い。回路基板と半導体装置とは、熱膨張率が異なるので、ハンダバンプと電極パッドのリフロー工程で回路基板と半導体装置の変形量に大きな差が生じる。このような変形量の差は、ハンダ接合部に応力を発生させる原因になる。特に、半導体装置の外周部では、半導体装置と回路基板の変形量の差が大きくなり易い。例えば、一辺が３０ｍｍを超えるような大型のプラスチックパッケージ型半導体装置においては、ハンダ接合部が破断してオープン不良が発生する可能性が高くなる。
【００１２】
また、鉛フリーハンダの機械的性質、例えば弾性率（ヤング率）や引張強さは、従来のＳｎ−Ｐｂ共晶ハンダと比較して大きくなるが、伸び特性（柔軟性）は低下する。ハンダの伸び特性が低いと、ハンダ接合部の疲労寿命特性が低下する。その結果、半導体装置の外周部において、ハンダ結合部が破断してオープン不良が発生する可能性が高くなる。
【００１３】
さらに、ハンダバンプと電極パッドの接合部分の界面には、ＣｕＳｎ合金からなる化合物層が生じるが、化合物層は硬くて脆く、落下衝撃のような動的歪みに対して弱かった。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、鉛フリーハンダを用いた場合の信頼性を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本願の一観点によれば、基板と、前記基板の上に形成され、表面に凸部を有する電極パッドと、半導体素子と、前記半導体素子の電極に電気的に接続されると共に、前記電極パッドの前記凸部の間の溝を埋めつつ、前記電極パッドに接合されたハンダと、を含む半導体装置が提供される。
【００１５】
また、本発明の別の観点によれば、基板の上に導電層を形成する工程と、前記導電層の表面の一部に導電材料からなる凸部を成長させ、凹凸を有する電極パッドを形成する工程と、前記電極パッドに半導体素子に設けられたハンダを載置する工程と、前記ハンダに熱を加え、溶融した前記ハンダのハンダ材料の一部を前記電極パッドの前記凸部によって形成される溝に埋め込む工程と、を含む半導体装置の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【００１６】
半導体装置に電極パッドの凸部がハンダに入り込むことで、ハンダと電極パッドの接触面積が増えると共に、ハンダが電極パッドに食い込み、ハンダ接合部の強度が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１Ａ】図１Ａは、本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図（その１）である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図（その２）である。
【図１Ｃ】図１Ｃは、本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図（その３）である。
【図１Ｄ】図１Ｄは、本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図（その４）である。
【図１Ｅ】図１Ｅは、本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図（その５）である。
【図２Ａ】図２Ａは、本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を示す平面図（その１）である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を示す平面図（その２）である。
【図２Ｃ】図２Ｃは、本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を示す平面図（その３）である。
【図３】図３は、本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を示す側面である。
【図４Ａ】図４Ａは、本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置のハンダ接合部の構造を示す断面面である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、図４のＩ−Ｉ線に沿った断面図である。
【図５Ａ】図５Ａは、本発明の第２の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を示す平面図（その１）である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、本発明の第２の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を示す平面図（その２）である。
【図５Ｃ】図５Ｃは、本発明の第２の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を示す平面図（その３）である。
【図６Ａ】図６Ａは、本発明の第２の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図（その１）である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、本発明の第２の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図（その２）である。
【図７】図７は、本発明の第２の実施の形態に係る半導体装置のハンダ接合部の構造を示す断面面である。
【図８】図８は、本発明の変形例に係る半導体装置の電極パッドの平面図である。
【図９】図９は、本発明の他の変形例に係る半導体装置の電極パッドの平面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
発明の目的および利点は、請求の範囲に具体的に記載された構成要素および組み合わせによって実現され達成される。
前述の一般的な説明および以下の詳細な説明は、典型例および説明のためのものであって、本発明を限定するためのものではない、と理解すべきである。
【００１９】
以下に、図面を参照して本発明の好ましい実施形態を説明する。図面において、同様の構成要素には同じ参照番号が付されている。
（第１の実施の形態）
まず、回路基板上に電極パッドを形成する工程を説明する。
最初に、図１Ａの側面図に示すように、回路基板１の上面にＣｕからなる導電性膜２を電解めっきにより形成する。回路基板１としては、例えば、ガラスエポキシ樹脂を用いる。続いて、導電性膜２の上にレジスト膜を塗布し、硬化させた後に露光及び現像してレジストパターン４を形成する。そしてレジストパターン４をマスクにして導電性膜２をパターニングする。これにより、図１Ｂに示すように、回路基板１の上の所定位置に、例えば、直径０．６ｍｍの円形の導電層３が形成される。
【００２０】
続いて、電解めっき用の電極となる銅シード層（不図示）を、例えば０．５μｍ程度の厚さで、導電層３の表面と回路基板１上に形成する。なお、銅シード層は最終的にはエッチングにより除去される。
【００２１】
次に、図１Ｃに示す構造を得るまでの工程について説明する。
まず、導電層３の上及び回路基板１の上にレジスト膜を塗布し、硬化させた後に露光及び現像してレジストパターン５を形成する。図２Ａの平面図に示すように、レジストパタ
ーン５は、導電層３の上に複数の開口部５Ａを有する。開口部５Ａは、中央の円形部と、円形部を中心にして同心円状に配置された３つの円環とからなる。なお、円環の数は、３つに限定されない。そして、レジストパターン５の開口部５Ａから露出する導電層３の上にＣｕからなるめっき層７を電解めっき法により例えば１０μｍ以上の膜厚に形成する。
【００２２】
図１Ｄ及び図２Ｂに示すように、電極パッド１０の上、及び回路基板１の上のレジストパターン５を例えばアッシング又は溶剤により除去する。これにより、導電層３の表面にめっき層７からなる凸部１０Ａが所定の間隔で複数形成された電極パッド１０が得られる。
ここで、図２Ｂに示すように、電極パッド１０の表面に形成される凸部１０Ａは、径の異なる複数の円環からなる。また、凸部１０Ａの間は、導電層３が露出する溝１０Ｂになる。図１Ｄに示すように、凸部１０Ａの間に形成される同心円状の溝１０Ｂは、その深さＨ１が例えば約１０μｍ以上で、幅Ｄ１は例えば１０μｍ以上である。
また、図２Ｃに示すように、電極パッド１０は、回路基板１上に、所定の間隔、例えば２００μｍ〜６００μｍの間隔で複数形成される。なお、電極パッド１０の数及び配列は、図２Ｃに限定されない。なお、図２Ｃでは、図２Ｂの電極パッド１０が縮小して描かれている。
【００２３】
次に、図１Ｅに示す断面構造を得るまでの工程について説明する。
最初に、電極パッド１０以外の領域の回路基板１の上面をレジストパターン（不図示）で覆う。次いで、電極パッド１０の上に、第１の金属層１２を形成する。第１の金属層１２は、例えば、電解めっき法により形成される。第１の金属層１２は、元素周期律表においてVIII族に属する遷移金属元素であるＮｉから形成される。そのめっき条件は、例えば、めっき槽内のめっき液の温度を９０℃にし、通電時間を２分間にする。これにより、電極パッド１０の上に第１の金属層１２が、１μｍ〜２μｍの膜厚で、電極パッド１０の凹凸形状に倣って形成される。なお、第１の金属層１２は、無電解めっき法により形成しても良い。
【００２４】
さらに、第１の金属層１２の上に、第２の金属層１３を形成する。第２の金属層１３は、第１のＳｎ層１３Ａと、第２のＳｎ層１３Ｂとを順番に積層させることで形成される。
第１のＳｎ層１３Ａは、第１の金属層１２の上に無電解めっき法により、例えば、１〜２μｍの膜厚に形成する。第１のＳｎ層１３Ａは、第１の金属層１２が積層された電極パッド１０の凹凸形状に倣って形成される。
続いて、第１のＳｎ層１３Ａの上に第２のＳｎ層１３Ｂを電解めっき法によって、１０μｍ以上の膜厚に形成する。第２のＳｎ層１３Ｂは、第１のＳｎ層１３Ａ及び第１の金属層１２が積層された電極パッド１０の凹凸形状に倣って形成される。なお、第２のＳｎ層１３Ｂは、無電界めっき法又は置換型無電界めっき法により形成しても良い。
【００２５】
これにより、電極パッド１０の上に、第１の金属層１２、第１のＳｎ層１３Ａ、及び第２のＳｎ層１３Ｂからなる３層構造の積層膜１５が形成される。積層膜１５は、電極パッド１０の表面形状に倣った凹凸形状を有する。つまり、最上層の第２のＳｎ層１３Ｂの表面には、溝１０Ｂの形成位置に合わせて、同心円状の溝１５Ａが３つ形成される。なお、電極パッド１０の溝１０Ｂの幅Ｄ１の大きさと、積層膜１５の膜厚の大きさによっては、第２のＳｎ層１３Ｂの表面に溝１５Ａが形成されないこともある。
【００２６】
この後、電極パッド１０以外の領域を覆っていたレジストパターン（不図示）を除去する。さらに、回路基板１上の銅シード層（不図示）を硫酸、過酸化水素数を含有する溶液によりエッチングして除去する。
【００２７】
次に、図３に示すように、半導体素子を含む半導体装置２１を回路基板１に実装する。
ここで、半導体装置２１には、エリアアレイ型と呼ばれるＢＧＡ（Ball Grid Array）やＣＳＰ（Chip Size Package）などの半導体パッケージが用いられている。この半導体装置２１は、例えば、ガラスエポキシ基板などのインターポーザと呼ばれる基板２２を有する。基板２２の一方の面には、半導体回路が形成された半導体チップ２０（半導体素子）が取り付けられると共に、プラスチック製のケース２３が装着されることで半導体チップ２０が保護されている。なお、半導体装置２１は、樹脂で半導体チップ２０を封止しても良い。また、ケース２３や樹脂を設けずに、ベアの基板２２のみでも良い。
【００２８】
基板２２の他方の面２２Ｂには、電極２５が複数形成されている。電極２５は、半導体チップ２０の図示を省略する電極と電気的に接続されている。各電極２５上には、ハンダバンプ２６が１つずつ形成されている。ハンダバンプ２６を形成する際には、例えば、電極２５の上にスクリーン印刷によりハンダペーストを塗布する。ハンダペーストは、ハンダ材料をフラックスと混合してペースト状にしたもので、電極２５上にメタルマスクを配置し、メタルマスクの開口部にスキージを用いて充填することで塗布される。この後、電極２５上のハンダペーストをリフローすると、フラックスが蒸発して略球形状のハンダバンプ２６が形成される。また、電極２５にフラックスを介してハンダボールを接着し、リフロー工程でハンダボールを電極２５に溶着することでハンダバンプ２６を形成しても良い。
【００２９】
ハンダバンプ２６に用いられるハンダ材料は、いわゆる鉛フリーハンダが用いられている。鉛フリーハンダのハンダ材料の組成は、例えば、Ｓｎが最も含有量が多く、これにＢｉ、Ｉｎ、Ｚｎ、Ａｇ、Ｓｂ、Ｃｕのいずれか一種類以上が添加されたものが用いられる。例えば、ＳｎＡｇＣｕ系のハンダ材料であれば、Ｓｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕ（３．０質量％Ａｇ−０．５質量％Ｃｕを含有するＳｎハンダ）や、Ｓｎ−４．０Ａｇ−０．５Ｃｕ（４．０質量％Ａｇ−０．５質量％Ｃｕを含有するＳｎハンダ）があげられる。なお、鉛フリーハンダのハンダ材料の他の例としては、ＳｎＡｇＣｕ系、ＳｎＺｎＢｉ系、ＳｎＣｕ系、ＳｎＡｇＩｎＢｉ系、ＳｎＳｂ系があげられる。また、ハンダ材料は、Ｓｎの代わりに、Ｂｉ、Ｉｎ、Ｚｎ、Ａｇ、Ｓｂ、Ｃｕを含むものでも良い。
【００３０】
このようにして製造した半導体装置２１は、ハンダバンプ２６を下向きに、かつハンダバンプ２６と回路基板１の電極パッド１０とを位置合わせしつつ、回路基板１の上に載置される。
続いて、半導体装置２１を搭載した回路基板１を、コンベア炉に入れて加熱する。加熱条件は、例えば、最高温度を２５０℃とし、ハンダバンプ２６の融点である約２１７℃以上の温度が約２分維持されるようにする。これにより、ハンダバンプ２６が溶融して、ハンダバンプ２６と回路基板１の電極パッド１０とが接合される。これにより、半導体装置２１の電極２５と、回路基板１の電極パッド１０とが電気的に接続される。なお、このようにして製造された半導体装置３１には、他の電子部品などを実装することも可能である。
【００３１】
ここで、図４Ａの断面図に示すように、ハンダバンプ２６を電極パッド１０に接合することで形成されるハンダ接合部３２は、電極パッド１０の表面の凹凸にハンダバンプ２６が食い込んでおり、電極パッド１０とハンダバンプ２６の境界に金属間化合物層３３が形成されている。金属間化合物層３３は、電極パッド１０の表面形状に倣った凹凸形状を有する。この実施の形態における金属間化合物層３３は、図１Ｄに示す積層膜１５のＮｉ、Ｓｎとハンダバンプ２６に含まれるＣｕとを含み、例えば、（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５になる。なお、第１の金属層１２のＮｉは、電極パッド１０のＣｕとハンダバンプ２６のＳｎの間の拡散及び反応を低減させるので、金属間化合物層３３の成長が抑制され、その膜厚は薄い。
【００３２】
また、第２のＳｎ層１４が１０μｍ以上の膜厚に形成されているので、接合後のハンダバンプ２６の組成は、Ｓｎ濃度が高くなり、Ａｇ濃度が相対的に低くなる。これにより、例えば、接合前のハンダバンプ２６の組成が、Ｓｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｎであった場合には、Ａｇ濃度が０．３から２〜２．３に下がる。ハンダバンプ２６中のＡｇ濃度が下がることで、ハンダ材料のヤング率が低くなって、伸び特性が向上する。
【００３３】
以上、説明したように、この半導体装置３１では、ハンダバンプ２６に接合される電極パッド１０の表面に同心円からなる環状の凸部１０Ａと、これによって形成される曲線状の溝１０Ｂを設けた。このように、電極パッド１０の表面に段差を設けることで、ハンダバンプ２６と電極パッド１０の接合部分が、電極パッド１０の凹凸に沿った３次元的な立体形状になり、ハンダバンプ２６と電極パッド１０の接触面積が増える。さらに、ハンダバンプ２６に電極パッド１０が楔のように入り込むことによるアンカー効果によって、ハンダ接合部３２の接合強度が向上する。また、半導体装置３１のハンダ接合部３２の接合面が３次元的な立体形状であることから、従来のようにハンダバンプ２６と電極パッド１０の接合面が平面である場合に比べてせん断方向の応力、すなわち衝撃に対する強度が高まる。
【００３４】
さらに、この半導体装置３１では、金属間化合物層３３が電極パッド１０の表面形状に倣った凹凸形状を有する。このため、図４ＡのＩ−Ｉ線に沿った断面図である図４Ｂに示すように、回路基板１に平行な、せん断面方向において、ハンダバンプ２６に比べて硬くて脆い金属間化合物層３３部分と、ハンダバンプ２６の部分とが交互に配置される。これにり、ハンダ接合部３２がせん断応方向の応力に対して強くなる。
【００３５】
また、電極パッド１０の表面にＮｉを用いた第１の金属層１２を形成してＣｕとＳｎの拡散及び反応を抑制させたので、ハンダ接合部３２の金属間化合物層３３の膜厚を抑制できる。硬くて脆い金属化合物層３３の膜厚を抑えることで、ハンダ接合部３２の強度や疲労寿命特性を改善できる。
【００３６】
さらに、積層膜１５中の第２のＳｎ膜１４の膜厚を１０μｍ以上にしたので、接合後のハンダバンプ２６のＳｎ濃度を高く、Ａｇ濃度を低くすることができる。これにより、ハンダバンプ２６のヤング率が低くなり、ハンダ接合部３２の耐衝撃性が向上する。また、ヤング率が低くなることにより、ハンダ接合部３２の疲労寿命特性を向上できる。
【００３７】
ここで、従来のハンダ接合部が平面で、第１の金属層１２を有しない半導体装置と、本実施の形態の半導体装置３１の信頼性試験を行った。信頼性試験は、温度サイクル試験と、自由落下衝撃試験とを実施した。
【００３８】
まず、温度サイクル試験では、半導体装置を−５５℃の低温下に３０分間放置した後、１２５℃の高温下に３０分間晒す。これを１サイクルとして、合計で５００サイクルの温度サイクル試験を行った後、ハンダ接合部の不良を調べた。従来の半導体装置では、５つのサンプルのうち、３つのサンプルにハンダ接合部のオープン不良が発生した。これに対し、半導体装置３１では、５つのサンプルの全てにおいてハンダ接合部３２のオープン不良は発生しなかった。
【００３９】
また、自由落下衝撃試験では、半導体装置を高さ１０ｃｍから自由落下させて衝撃を与えるテストを２００回実施した後、ハンダ接合部の不良を調べた。従来の半導体装置では、５つのサンプルのうち、４つのサンプルにハンダ接合部のオープン不良が発生した。これに対し、半導体装置３１では、５つのサンプルの全てにおいてハンダ接合部３２のオープン不良は発生しなかった。
【００４０】
これらのことから、この半導体装置３１では、従来に比べて、熱及び衝撃に対する耐性が向上したことがわかった。
【００４１】
ここで、積層膜１５の第１の金属層１２は、Ｎｉの代わりに、他のVIII族に属する遷移金属元素、例えばＣｏやＦｅであっても良い。ＣｏやＦｅを用いた場合でも、Ｎｉと同様に、電極パッド１０のＣｕとハンダバンプ２６のＳｎの間の拡散及び反応を低減させ、金属間化合物層３３の成長を抑制することができる。また、第１の金属層１２は、Ｆｅ−Ｎｉ、Ｎｉ−Ｃｏ等の合金層であっても良い。
【００４２】
（第２の実施の形態）
まず、図１Ａ及び図１Ｂと同様に、回路基板１上に導電性膜２をパターニングして導電層３を形成する。次に、導電性膜２の上及び回路基板１の上にレジスト膜を塗布し、硬化させた後に露光及び現像してレジストパターンを形成する。図５Ａに示すように、レジストパターン４１は、四角形の開口部４１Ａが等間隔に複数配列されている。そして、レジストパターン４１の開口部４１Ａから露出する導電層３にＣｕからなるめっき層４２を電解めっき法により１０μｍ以上の膜厚に形成する。この後、レジストパターン４１を例えばアッシング又は溶剤により除去する。これにより、図５Ｂ及び図６Ａに示すように、表面に凹凸が形成された電極パッド５０が形成される。
なお、電解めっき用の電極として、銅シード層を形成し、最後に除去するが、第１の実施の形態と同様であるので、説明は省略する。
【００４３】
ここで、電極パッド５０の表面には、めっき層４２からなる凸部５０Ａが複数形成されており、これら凸部５０Ａによって格子状の溝５０Ｂが形成される。溝５０Ｂには、導電性膜２が露出している。電極パッド５０の溝５０Ｂの深さＨ２は、例えば１０μｍ以上で、幅Ｄ２は例えば１０μｍ以上である。なお、凸部５０Ａの大きさや配列数は、図５Ｂ及び図６Ａに示す例に限定されない。また、図５Ｃに示すように、電極パッド５０は、回路基板１上に、所定の間隔で複数形成される。
【００４４】
次に、図６Ｂに示すように、電極パッド５０の上に、第１の金属層１２、第１のＳｎ層１３Ａ、第２のＳｎ層１３Ｂを順番に、電解めっき又は無電解めっきを用いて堆積させ、積層膜１５を形成する。第１の金属層１２には、Ｎｉ又は、他のVIII族に属する遷移金属元素、ＣｏやＦｅ、又はこれらの合金が用いられる。第２のＳｎ層１３Ｂは、少なくとも１０μｍ以上の膜厚に形成する。積層膜１５は、電極パッド５０の表面の形状に倣って凹凸形状を有する。つまり、最上層の第２のＳｎ層１３Ｂの表面には、溝５０Ｂの形成位置に合わせて、格子状の溝１５Ｂが形成される。なお、電極パッド５０の溝５０Ｂの幅Ｄ２と、第２のＳｎ層１３Ｂの膜厚の大きさによっては、第２のＳｎ層１３Ｂの表面に溝１５Ｂが形成されないこともある。
【００４５】
続いて、図７に示すように、半導体素子を含む半導体装置２１を回路基板１に実装する。この際、半導体装置２１は、ハンダバンプ２６を下向きに、かつハンダバンプ２６と回路基板１の電極パッド５０とを位置合わせしつつ、回路基板１の上に載置される。ハンダバンプ２６には、鉛フリーハンダ、例えば、Ｓｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕや、Ｓｎ−４．０Ａｇ−０．５Ｃｕなどが用いられる。
【００４６】
この後、半導体装置２１を搭載した回路基板１を、コンベア炉に入れて加熱する。ハンダバンプ２６が溶融して、電極パッド５０に接合される。これにより、半導体装置２１の電極２５と、回路基板１の電極パッド１０とが電気的に接続される。なお、このようにして製造された半導体装置６１には、他の電子部品などを実装することも可能である。
【００４７】
ハンダ接合部６２は、電極パッド１０の凹凸にハンダバンプ２６が食い込むことで形成
されており、電極パッド１０とハンダバンプ２６の境界には金属間化合物層６３が形成されている。金属間化合物層６３は、電極パッド５０の表面形状に倣った凹凸形状を有する。第１の金属層１２を形成するVIII族に属する遷移金属元素が、電極パッド５０のＣｕとハンダバンプ２６のＳｎの間の拡散及び反応を低減させるので、金属間化合物層６３の成長が抑制され、その膜厚は薄い。
【００４８】
以上、説明したように、この実施の形態では、ハンダバンプ２６に接合される電極パッド５０の表面に複数の凸部５０Ａを設け、交差する複数の直線で格子状の溝５０Ｂを形成した。このように、電極パッド５０の表面に段差を設けることで、ハンダバンプ２６と電極パッド５０の接触面積が増えると共に、ハンダバンプ２６に電極パッド５０を楔のように入り込ませることが可能になる。これにより、ハンダ接合部６２のせん断方向の応力、すなわち衝撃に対する強度が高まる。その他の効果は、第１の実施の形態と同様である。
【００４９】
なお、この半導体装置６１について、第１の実施の形態と同様の温度サイクル試験と、自由落下衝撃試験とを実施したところ、５つのサンプルの全てにおいてハンダ接合部３２のオープン不良は発生しなかった。このことから、この半導体装置３１では、従来に比べて、熱及び衝撃に対する耐性が向上したことがわかった。
【００５０】
次に、本実施の形態の変形例について説明する。
図８に示す電極パッド７０は、導電層３の上に、めっき層７１からなる凸部７０Ａが平行なラインとして複数形成されている。凸部７０Ａの間には、複数の溝７０Ｂが並列に形成されており、ここから導電層３が露出している。つまり、電極パッド７０の溝７０Ｂは、直線状で、かつ交差せずに一方向に向けて形成されている。このような電極パッド７０では、ライン状に配列された凹凸形状によって、ハンダバンプ２６と電極パッド７０の接触面積が増えると共に、ハンダバンプ２６に電極パッド７０が楔のように入り込む。これにより、ハンダ接合部のせん断方向の応力、すなわち衝撃に対する強度が高まる。
【００５１】
また、図９に示す電極パッド８０は、導電層３の上に、めっき層８１によって、長さ方向にジグザクに折れ曲がった凸部８０Ａが複数形成されている。凸部８０Ａの間には、複数の溝８０Ｂに、かつ長さ方向に折れ曲がりつつ形成されており、ここから導電層３が露出している。これにより、電極パッド８０には、折れ曲がったラインによって形成される凹凸形状による段差が設けられている。このため、ハンダバンプ２６と電極パッド８０の接触面積が増えると共に、ハンダバンプ２６に電極パッド８０が楔のように入り込み、せん断方向の応力、すなわち衝撃に対する強度が高まる。凸部８０Ａ及び溝８０Ｂは、図９に示す形状の他、例えば、鋸刃形や波形であっても良い。
【００５２】
なお、本発明は、前記の各実施の形態の他にも様々な変形が可能である。
例えば、めっき層７、２４を凸状に形成する代わりに、導電層３に溝を形成しても良い。
それぞれの凸部１０Ａ，５０Ａ，７０Ａ，８０Ａの断面形状は、正方向や長方形であっても良いし、台形でも良い。凸部１０Ａ，５０Ａ，７０Ａ，８０Ａを台形にしたときの上辺の長さ（幅）は、下辺の長さ（幅）より小さくても良いし、大きくても良い。
図５Ａに示すマスクパターン４１の開口部４１Ａの形状は、四角に限定されず、円形や楕円形でも良い。
また、半導体装置２１の電極パッド２２を、電極パッド１０，５０，７０，８０の形状及び構成にしても良い。この場合には、半導体装置２１を本発明の実施の形態に係る半導体装置の概念としても良い。
【００５３】
ここで挙げた全ての例および条件的表現は、発明者が技術促進に貢献した発明および概念を読者が理解するのを助けるためのものであり、ここで具体的に挙げたそのような例お
よび条件に限定することなく解釈するものであり、また、明細書におけるそのような例の編成は本発明の優劣を示すこととは関係ない。本発明の実施形態を詳細に説明したが、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、それに対して種々の変更、置換および変形を施すことができる。
【００５４】
以下に、前記の実施の形態の特徴を付記する。
（付記１） 基板と、前記基板の上に形成され、表面に凸部を有する電極パッドと、半導体素子と、前記半導体素子の電極に電気的に接続されると共に、前記電極パッドの前記凸部の間の溝を埋めつつ、前記電極パッドに接合されたハンダと、を含む半導体装置。
（付記２） 前記電極パッドは、前記溝が同心円状に形成されている付記１に記載の半導体装置。
（付記３） 前記電極パッドは、前記溝が格子状に形成されている付記１に記載の半導体装置。
（付記４） 前記溝の深さは１０μｍ以上である付記２又は付記３に記載の半導体装置。（付記５） 前記ハンダは、Ｓｎに、Ｂｉ、Ｉｎ、Ｚｎ、Ａｇ、Ｓｂ、Ｃｕのいずれか一種類以上を添加したハンダ材料からなる付記１乃至付記３の半導体装置。
（付記６） 基板の上に導電層を形成する工程と、前記導電層の表面の一部に導電材料からなる凸部を成長させ、凹凸を有する電極パッドを形成する工程と、前記電極パッドに半導体素子に設けられたハンダを載置する工程と、前記ハンダに熱を加え、溶融した前記ハンダのハンダ材料の一部を前記電極パッドの前記凸部によって形成される溝に埋め込む工程と、を含む半導体装置の製造方法。
（付記７） 前記ハンダは、Ｓｎに、Ｂｉ、Ｉｎ、Ｚｎ、Ａｇ、Ｓｂ、Ｃｕのいずれか一種類以上を添加したハンダ材料で形成される付記６に記載の半導体装置の製造方法。
（付記８） 前記電極パッドの凹凸を有する表面に、VIII族の遷移金属からなる第１の金属層と、Ｓｎからなる第２の金属層とを積層させる工程を含む付記６又は付記７に記載の半導体装置の製造方法。
（付記９） 第２の金属層は、Ｓｎを１０μｍ以上の膜厚に形成する付記５乃至付記８のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
（付記１０） 前記電極パッドを形成する工程は、前記導電層の表面に前記凸部を同心円状の形成する付記６乃至付記９のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
（付記１１） 前記電極パッドを形成する工程は、前記導電層の表面に前記凸部を形成し、前記凸部の間の溝を格子状に形成する付記６乃至付記９のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
【符号の説明】
【００５５】
１ 回路基板
１０，５０，７０，８０ 電極パッド
１０Ａ，５０Ａ，７０Ａ，８０Ａ 凸部
１０Ｂ，５０Ｂ，７０Ｂ，８０Ｂ 溝
１２ 第１の金属膜
１３ 第２の金属膜
２０ 半導体チップ（半導体素子）
２１ 半導体装置
２５ 電極
２６ ハンダバンプ
３１，６１ 半導体装置
３２，６２ ハンダ接合部
３３，６３ 合金層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板の上に形成され、表面に凸部を有する電極パッドと、
半導体素子と、
前記半導体素子の電極に電気的に接続されると共に、前記電極パッドの前記凸部の間の溝を埋めつつ、前記電極パッドに接合されたハンダと、
を含む半導体装置。
【請求項２】
前記電極パッドは、前記溝が同心円状に形成されている請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記電極パッドは、前記溝が格子状に形成されている請求項１に記載の半導体装置。
【請求項４】
基板の上に導電層を形成する工程と、
前記導電層の表面の一部に導電材料からなる凸部を成長させ、凹凸を有する電極パッドを形成する工程と、
前記電極パッドに半導体素子に設けられたハンダを載置する工程と、
前記ハンダに熱を加え、溶融した前記ハンダのハンダ材料の一部を前記電極パッドの前記凸部によって形成される溝に埋め込む工程と、
を含む半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記ハンダは、Ｓｎに、Ｂｉ、Ｉｎ、Ｚｎ、Ａｇ、Ｓｂ、Ｃｕのいずれか一種類以上を添加したハンダ材料で形成される請求項４に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１】
基板と、
前記基板の上に形成され、表面に凸部を有する電極パッドと、
半導体素子と、
前記半導体素子の電極に電気的に接続されると共に、前記電極パッドの前記凸部の間の溝を埋めつつ、前記電極パッドに接合されたハンダと、
を含む半導体装置。
【請求項２】
前記電極パッドは、前記溝が同心円状に形成されている請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記電極パッドは、前記溝が格子状に形成されている請求項１に記載の半導体装置。
【請求項４】
基板の上に導電層を形成する工程と、
前記導電層の表面の一部に導電材料からなる凸部を成長させ、凹凸を有する電極パッドを形成する工程と、
前記電極パッドに半導体素子に設けられたハンダを載置する工程と、
前記ハンダに熱を加え、溶融した前記ハンダのハンダ材料の一部を前記電極パッドの前記凸部によって形成される溝に埋め込む工程と、
を含む半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記ハンダは、Ｓｎに、Ｂｉ、Ｉｎ、Ｚｎ、Ａｇ、Ｓｂ、Ｃｕのいずれか一種類以上を添加したハンダ材料で形成される請求項４に記載の半導体装置の製造方法。
【図１Ａ】
【図１Ｂ】
【図１Ｃ】
【図１Ｄ】
【図１Ｅ】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図２Ｃ】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図５Ｃ】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１Ｂ】
【図１Ｃ】
【図１Ｄ】
【図１Ｅ】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図２Ｃ】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図５Ｃ】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１１−１９８７９６（Ｐ２０１１−１９８７９６Ａ）
【公開日】平成２３年１０月６日（２０１１．１０．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−６０６４４（Ｐ２０１０−６０６４４）
【出願日】平成２２年３月１７日（２０１０．３．１７）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１０月６日（２０１１．１０．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月１７日（２０１０．３．１７）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
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