半導体装置
【課題】アンダーフィル樹脂の充填が困難な場合であっても、半導体装置の信頼性が低下することを防ぐ技術を提供する。
【解決手段】半導体チップ（２）と、基板（８）と、チップ面に形成されたチップ面絶縁層（７）と、基板面に形成された基板面絶縁層（１０）と、フリップチップボンディングによってチップ側電極（４）と基板側電極（９）とを接続する接続部材（１１）とを具備する半導体装置（１）を構成する。接続部材（１１）は、チップ面絶縁層（７）を貫通するバンプ部分（１２）と、基板面絶縁層（１０）を貫通する低融点部分（１３）と、バンプ部分（１２）と低融点部分（１３）とが接触している接触領域（１６）とを備えることが好ましい。ここで、チップ面絶縁層（７）と基板面絶縁層（１０）とは、空隙（１４）を介して向かい合うように配置されている。そして、接触領域（１６）は、空隙（１４）によって露出される表面を有する。
【解決手段】半導体チップ（２）と、基板（８）と、チップ面に形成されたチップ面絶縁層（７）と、基板面に形成された基板面絶縁層（１０）と、フリップチップボンディングによってチップ側電極（４）と基板側電極（９）とを接続する接続部材（１１）とを具備する半導体装置（１）を構成する。接続部材（１１）は、チップ面絶縁層（７）を貫通するバンプ部分（１２）と、基板面絶縁層（１０）を貫通する低融点部分（１３）と、バンプ部分（１２）と低融点部分（１３）とが接触している接触領域（１６）とを備えることが好ましい。ここで、チップ面絶縁層（７）と基板面絶縁層（１０）とは、空隙（１４）を介して向かい合うように配置されている。そして、接触領域（１６）は、空隙（１４）によって露出される表面を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置に関し、特に、鉛フリーハンダが使用されているＦＣＢＧＡ（Flip Chip-Ball Grid Array）の接続構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
デジタル家電製品やネットワーク機器などの電子機器が広く普及してきている。これらの電子機器に対しては、小型化を実現しつつ多機能で高性能な装置であることが求められている。このような要求に対応するために、半導体装置の微細化と多ピン化が進められてきている。多ピン化された半導体装置をパッケージングするため技術として、半導体チップにはんだバンプを形成し、フェースダウンで基板上に接続するフリップチップ接続技術が知られている。
【０００３】
フリップチップ接続によって半導体チップと基板とが接続されている構造体は、半導体チップと基板との熱膨張の違いによる熱応力に起因する不具合が発生することがある。例えば、半導体チップと基板との熱膨張の違いによる熱応力をはんだバンプが受け、はんだが繰返し歪みによって破断し、接続部の断線に到ることがある。そのような不具合を抑制するための技術が知られている（例えば、特許文献１、２参照）。
【０００４】
図１は、特許文献１に記載された基本的なフリップチップ接続構造の半導体集積回路実装構造体１０１の構成を示す断面図である。特許文献１には、ＬＳＩチップ１０２を、はんだバンプ１０３を介してセラミックなどの基板に接続実装した後、樹脂１０４によって補強する技術が開示されている。図１に示されているように、半導体集積回路実装構造体１０１は、はんだバンプ１０３を形成したＬＳＩチップ１０２を、基板１０５の上にフリップチップ法で接続実装したあと、はんだバンプ１０３の周辺の間隙を樹脂１０４で充填して保護している。
【０００５】
半導体集積回路実装構造体１０１には、はんだの組成が９５％Ｐｂ−５％Ｓｎのはんだバンプ１０３が使用されている。特許文献１に記載の技術では、そのはんだバンプ１０３に対応して、アンダーフィル樹脂１０４の熱膨張係数を最適化している。樹脂１０４の特性を最適化することで、高い信頼性を有する半導体集積回路実装構造体１０１を実現している。
【０００６】
近年、ＲｏＨＳ（Restriction of Hazardous Substances：危険物質に関する制限）指令への対応や環境問題への取り組みに配慮して、バンプに鉛フリーはんだを使用した半導体装置が普及してきている。鉛フリーはんだは、鉛はんだに比べて固いため、半導体チップと多層配線基板との間で生じる熱応力をはんだバンプで緩和することが困難である。特許文献２は、バンプに鉛フリーはんだを使用した半導体装置における、半導体チップと多層配線基板の熱膨張の違いによる熱応力を緩和する技術を開示している。
【０００７】
図２は、特許文献２に記載された半導体モジュール２００の構成を示す断面図である。その半導体モジュール２００において、半導体装置（ＬＳＩ）２０９と多層配線基板２０６は、はんだバンプ２０８により接続されている。はんだバンプ２０８は、Ｓｎ−Ａｇ系、またはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系等の鉛フリーはんだで構成されている。はんだバンプ２０８は、リフローされることにより半導体装置（ＬＳＩ）２０９と多層配線基板２０６とを接続する。
【０００８】
その半導体モジュール２００は、絶縁基板２０１と多層配線層２０３を有する多層配線基板２０６と、半導体装置（ＬＳＩ）２０９と、コンデンサ等の個別部品とを備えている。その半導体モジュール２００は、ユーザ基板３００に実装されている。絶縁基板２０１には、絶縁基板２０１の表裏で電気的接続を取るための貫通孔２３０が形成されている。また、多層配線層２０３は、少なくとも１層以上の薄膜配線層２０２を備えている。その薄膜配線層２０２は、配線２２０および層間絶縁層２１０を有している。配線２２０は、ビア内の配線および配線パッドを含む。多層配線基板２０６は、外部接続端子、例えばはんだバンプ２０７を有している。
【０００９】
特許文献２に記載の技術では、層間絶縁層２１０の熱膨張係数や弾性係数を、多層配線基板の厚さ方向で変化させている。具体的には、絶縁基板２０１側の最表面の層間絶縁層２１０と、半導体装置（ＬＳＩ）２０９との熱膨張係数と近づけて、発生する熱応力を小さくしている。特許文献２に記載の半導体モジュール２００は、このような構成の多層配線基板２０６を備えることにより、鉛フリーはんだを用いた場合であっても、半導体装置（ＬＳＩ）２０９と多層配線基板２０６との接続信頼性を確保している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特許第２６７５００３号公報
【特許文献２】特開２００７−２２７９６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上述の特許文献２には、はんだバンプ２０８のバンプサイズが２００マイクロメータ以上の場合において、アンダーフィル樹脂の充填を省略する技術が開示されている。半導体装置の多ピン化が進むにつれて、半導体チップに形成されるバンプサイズは微小なものになっていく。バンプサイズが微少になると、バンプの体積が小さくなったことにより機械的強度が低下する場合がある。上述の特許文献２には、そのような場合に対応して、アンダーフィル剤を使用することによって信頼性が低下することを防ぐ技術が開示されている。
【００１２】
半導体装置に対し、さらなる微細化や多ピン化が求められてきている。そのような要求に対応して、より微小なサイズのバンプが使用されるようになってきている。また、微細化や多ピン化によって、バンプの数は非常に多くなってきている。
【００１３】
微小なバンプを多数形成する場合、隣り合うバンプ間の距離（バンプピッチ）は、非常に短くなる。また、バンプサイズが小さくなるにつれ、半導体チップと基板との間の距離も短くなる。その結果、アンダーフィル剤を注入する間隙が狭くなり、アンダーフィル剤の適切な充填が非常に困難になってきている。
【００１４】
本発明が解決しようとする課題は、フリップチップ接続技術を用いた半導体装置において、アンダーフィル樹脂の充填が困難な場合であっても、その半導体装置の信頼性が低下することを防ぐ技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
以下に、［発明を実施するための形態］で使用される番号を用いて、［課題を解決するための手段］を説明する。これらの番号は、［特許請求の範囲］の記載と［発明を実施するための形態］との対応関係を明らかにするために付加されたものである。ただし、それらの番号を、［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。
【００１６】
上記の課題を解決するために、チップ面に設けられたチップ側電極（４）を有する半導体チップ（２）と、基板面に設けられた基板側電極（９）を有する基板（８）と、チップ面に形成されたチップ面絶縁層（７）と、基板面に形成された基板面絶縁層（１０）と、フリップチップボンディングによってチップ側電極（４）と基板側電極（９）とを接続する接続部材（１１）とを具備する半導体装置（１）を構成する。
接続部材（１１）は、チップ面絶縁層（７）を貫通するバンプ部分（１２）と、基板面絶縁層（１０）を貫通する低融点部分（１３）と、バンプ部分（１２）と低融点部分（１３）とが接触している接触領域（１６）とを備えることが好ましい。ここで、チップ面絶縁層（７）と基板面絶縁層（１０）とは、空隙（１４）を介して向かい合うように配置されている。そして、接触領域（１６）は、空隙（１４）によって露出される表面を有する。
【発明の効果】
【００１７】
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明する。本願発明によれば、フリップチップ接続技術を用いた半導体装置において、アンダーフィル樹脂の充填が困難な場合であっても、その半導体装置の信頼性が低下することを防ぐ技術を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、従来の半導体集積回路実装構造体１０１の構成を示す断面図である。
【図２】図２は、従来の半導体モジュール２００の構成を示す断面図である。
【図３】図３は、本実施形態の半導体装置１の構成を例示する断面図である。
【図４】図４は、本実施形態の半導体チップ２１と基板２２の部分的な構成を例示する断面図である。
【図５】図５は、本実施形態の半導体装置１の部分的な構成を例示する断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
［第１実施形態］
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、実施の形態を説明するための図において、同一の部材に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。
【００２０】
図３は、本実施形態の半導体装置１の構成を例示する断面図である。本実施形態の半導体装置１において、半導体チップ２と基板８とは、フリップチップ接続によって接続されている。本実施形態の半導体装置１における基板８は、低熱膨張セラミック（ガラスセラミック等）のような、半導体チップ２との熱膨張係数差が少ない材料であることが好ましい。
【００２１】
図３に示されているように、半導体チップ２と基板８との間には、接続部材１１が形成されている。接続部材１１は、半導体チップ２と基板８とを電気的に接続している。その接続部材１１は、半導体チップ２側の鉛フリーはんだバンプ１２と基板８側の低融点鉛フリーはんだ１３とが、接触面１５を介してはんだ付け接合された構造である。
【００２２】
図３に示されているように、半導体チップ２は、複数のチップ側電極３を備えている。その複数のチップ側電極３の各々に対し、一対一に対応するように鉛フリーはんだバンプ１２が設けられている。チップ側電極３の表面にはバリアメタル４が形成されている。チップ側電極３は、そのバリアメタル４を介して鉛フリーはんだバンプ１２に接続されている。
【００２３】
半導体チップ２の基板表面とチップ側電極３の表面の一部は、絶縁膜５で覆われている。絶縁膜５の上には保護膜６が形成され、その保護膜６の上には、チップ側ソルダーレジスト７が形成されている。鉛フリーはんだバンプ１２は、そのチップ側ソルダーレジスト７を貫通するように形成されている。その鉛フリーはんだバンプ１２は、チップ側ソルダーレジスト７を貫通する貫通部分と、チップ側ソルダーレジスト７の表面よりも突出する突出部分とを備えている。
【００２４】
基板８は、複数の基板側電極９を備えている。その複数の基板側電極９の各々に対し、一対一に対応するように低融点鉛フリーはんだ１３が設けられている。また、基板８の基板表面には、基板側ソルダーレジスト１０が形成されている。低融点鉛フリーはんだ１３は、その基板側ソルダーレジスト１０を貫通するように形成されている。その低融点鉛フリーはんだ１３は、基板側ソルダーレジスト１０を貫通する貫通部分と、鉛フリーはんだバンプ１２の突出部分に、はんだ付けされたはんだ付け部分とを備えている。
【００２５】
図３に示されているように、本実施形態の半導体装置１は、チップ側ソルダーレジスト７の表面と基板側ソルダーレジスト１０の表面とが、空隙１４を挟んで向かい合わせになっている。また、接続部材１１の接触領域１６は、その空隙１４によって表面が露出している。
【００２６】
空隙１４が占める空間は、チップ側ソルダーレジスト７と基板側ソルダーレジスト１０との距離に起因する毛細管現象が、溶融した低融点鉛フリーはんだ１３に作用しない程度の大きさを有している。例えば、本実施形態の半導体装置１においては、チップ側ソルダーレジスト７と基板側ソルダーレジスト１０との距離（図の上下方向）が、１５μｍ以上になるように構成されている。それによって、低融点鉛フリーはんだ１３が溶融したときに、他の接続部材１１の部品と接続してしまうという不具合が生じることを抑制している。
【００２７】
半導体チップ２と基板８との距離や、隣り合う接続部材１１同士の距離が５０μｍよりも狭くなると、アンダーフィルの充填が困難になる。仮に、アンダーフィルの充填が不十分になると、熱ストレスによりバンプ部付け根に加わる応力を適切に緩和することが難しくなる。本実施形態の半導体装置１は、チップ側ソルダーレジスト７が、鉛フリーはんだバンプ１２のチップ側電極３に近い部分の周囲を支持している。同様に、基板側ソルダーレジスト１０が、低融点鉛フリーはんだ１３の基板側電極９に近い部分の周囲を支持している。
【００２８】
鉛フリーはんだバンプ１２は、半導体チップ２の上に形成されたチップ側ソルダーレジスト７に埋設された第１部位（根の部分）と、チップ側ソルダーレジスト７の外部に形成された第２部位（傘の部分）とを備えている。図３に示されているように、その第２部位の断面の幅は、前記第１部位の断面の幅よりも大きい。高さ方向においては、鉛フリーはんだバンプ１２の第１部位の高さが、第２部位の高さよりも高くなっている。第１部位は、チップ側ソルダーレジスト７によって安定した状態で固定されている。そのため、アンダーフィルが充填されていなくても、半導体装置１の信頼性を向上させることができる。
【００２９】
また、図３に示されているように、その第２部位は傘状の形状を有している。高さが徐々に低くなるような形状のため、溶融した低融点鉛フリーはんだ１３がはみ出した場合などに、余分なはんだを吸収し、隣接部とのショートを防止することができる。
【００３０】
このように、本実施形態の半導体装置１では、アンダーフィルを充填することなく、チップ側ソルダーレジスト７と基板側ソルダーレジスト１０とが、接続部材１１の付け根をそれぞれ支持している。本実施形態の構成を電極間距離が狭い半導体チップに適用することで、アンダーフィルの充填に依存することなく、熱ストレスによる接続部材１１のようなバンプの変形を抑制し、長期的な信頼性の確保を可能にすることができる。
【００３１】
図４は、本実施形態の半導体装置１を構成する前の接続前の半導体チップ２１と接続前の基板２２の部分的な構成を例示する断面図である。フリップチップ接続を実行する前の接続前の半導体チップ２１において、チップ側ソルダーレジスト７は、厚さが膜厚Ａになるように形成されている。本実施形態において、その膜厚Ａは、２０μｍ以上であることが好ましい。
【００３２】
また、接続前の鉛フリーはんだバンプ１２ａは、例えば、Ｓｎハンダ（融点＝２３２℃）やＳｎ−Ａｇハンダ（融点＝２２２℃）等の、融点が比較的高い鉛フリーハンダで構成されていることが好ましい。その接続前の鉛フリーはんだバンプ１２ａは、メッキ等で形成することができる。接続前の鉛フリーはんだバンプ１２ａを形成するときに、チップ側ソルダーレジスト７を２０μｍ程度の厚さになるように成長させることで、接続部材１１を形成したときに、バンプ付け根部を保護することが可能となる。
【００３３】
接続前の半導体チップ２１において、接続前の鉛フリーはんだバンプ１２ａは、突出高Ｂの突出部分を備えている。突出高Ｂは、チップ側ソルダーレジスト７の表面を基準面にした時の、基準面からの高さである。接続前の鉛フリーはんだバンプ１２ａは、チップ側ソルダーレジスト７によって支持されている貫通部分を備えている。突出部分は、その貫通部分の側面を基準にしたとき、その基準から外縁までの距離が、第１距離Ｃであるように形成されている。本実施形態において、突出高Ｂおよび第１距離Ｃは、１５μｍ以上であることが好ましい。
【００３４】
また、続前の低融点鉛フリーはんだ１３ａは、基板側ソルダーレジスト１０によって支持されている貫通部分を備えている。図４に示されているように、本実施形態において、接続前の鉛フリーはんだバンプ１２ａの貫通部分と、接続前の低融点鉛フリーはんだ１３ａの貫通部分とは、概ね貫通部分内径Ｄであるように形成されている。
本実施形態では、接続前の鉛フリーはんだバンプ１２ａの突出部分は、外径が鉛フリーはんだ径Ｅ（鉛フリーはんだ径Ｅ＝貫通部分内径Ｄ＋２×第１距離Ｃ）であるように形成されている。その鉛フリーはんだ径Ｅは、接続前の基板２２の基板側電極９の外径に概ね等しい長さであることが好ましい。
【００３５】
接続前の基板２２において、基板側ソルダーレジスト１０は、厚さが膜厚Ｇになるように形成されている。その膜厚Ｇは、１５μｍ以上であることが好ましい。膜厚Ｇを１５μｍ以上とすることで、接続前の低融点鉛フリーはんだ１３ａの厚さは厚くなり、それによって、低融点鉛フリーはんだ１３の付け根部を保護することが可能となる。接続前の低融点鉛フリーはんだ１３ａは、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕハンダ（融点＝２１９℃）や、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉハンダ（融点＝１８３℃）等の、融点が比較的低い鉛フリーハンダで構成されていることが好ましい。具体的には、接続前の低融点鉛フリーはんだ１３ａを接続前の鉛フリーはんだバンプ１２ａよりも融点の低い材料で形成する。それによって、バンプ接続、顧客リフロー時に鉛フリーはんだバンプ１２は溶融させず、低融点鉛フリーはんだ１３のみを溶融させることが可能となる。
【００３６】
接続前の低融点鉛フリーはんだ１３ａは、基板側ソルダーレジスト１０の表面を基準にした時の高さが、突出高Ｆである突き出し部分を備えている。突出高Ｆは、突出高Ｂの１／３程度の高さであることが好ましい。例えば、本実施形態において、突出高Ｂが１５μｍで形成される場合、突出高Ｆを５μｍ程度で形成する。それによって、半導体装置１を形成する際のバンプ接続工程や、製品出荷後の顧客のリフロー実装工程において、溶融するハンダ量を少なくする事が可能となる。
【００３７】
なお、本実施形態の半導体装置１において、バンプ接続工程や顧客側でのリフロー工程を行うときの温度を、鉛フリーはんだバンプ１２を構成する材料の融点よりも低い温度に設定する。換言すると、バンプ接続工程や顧客側でのリフロー工程を行うときの温度として、接続前の低融点鉛フリーはんだ１３ａのみが溶融する温度（本実施例の場合、１８３〜２２０℃位）を選択する。それによって、半導体装置１を形成する際のバンプ接続工程や、製品出荷後の顧客のリフロー実装工程において、溶融するハンダ量を少なくする事が可能となる。また、図示していないＢＧＡボールは、接続前の低融点鉛フリーはんだ１３ａと同じ材料か、もしくは、接続前の低融点鉛フリーはんだ１３ａよりも融点の低い材料であることが好ましい。それによって、ＢＧＡのリフロー実装工程において、溶融するハンダ量を少なくする事が可能となる。
【００３８】
図５は、接続前の半導体チップ２１と接続前の基板２２とを接続した後の、半導体装置１の部分的な構成を例示する断面図である。図５に示されているように、チップ側ソルダーレジスト７の表面から基板側ソルダーレジスト１０の表面までの距離が、距離Ｈとなるような空隙１４が形成されている。空隙１４の距離Ｈは、接続前の鉛フリーはんだバンプ１２ａの突出高Ｂと、接続前の低融点鉛フリーはんだ１３ａの突出高Ｆに依存して決定される。例えば、突出高Ｂが１５μｍで形成され、突出高Ｆが５μｍ程度で形成された場合、突出高Ｂに溶融した低融点鉛フリーはんだ１３の厚みが加わるため、距離Ｈは、１５μｍ以上となる。
【００３９】
また、接続部材１１は、鉛フリーはんだバンプ１２の貫通部分（または低融点鉛フリーはんだ１３の貫通部分）の側面を基準にしたとき、その基準からの距離が第２距離Ｋである接触領域１６を備えている。第２距離Ｋは、接続前の鉛フリーはんだバンプ１２ａの突出高Ｂと、接続前の低融点鉛フリーはんだ１３ａの突出高Ｆに依存して決定される。接続部材１１の接触領域１６は、第２距離Ｋと同等の長さの外縁径Ｊを備えている。その接触領域１６における低融点鉛フリーはんだ１３は、概ねメニスカス形状であり、溶融した低融点鉛フリーはんだ１３ａが鉛フリーはんだバンプ１２ａと接触した後に凝固することで形成される。本実施形態の接続部材１１は、その形状（第２距離Ｋと外縁径Ｊ）の作用により、接触領域１６での応力を、ストレート形状に比べ２０〜３０％低下させることが可能となる。
【００４０】
また、一般的に鉛フリーはんだは溶融すると体積が増加する。例えば、顧客により、半導体装置１に対するリフローが行われた場合、凝固していた低融点鉛フリーはんだ１３が溶融して体積が増加（膨張）する。図５に示されているように、本実施形態の半導体装置１は、接続部材１１の接触領域１６の周囲に、空隙１４が設けられている。そのため、溶融した液状の低融点鉛フリーはんだ１３は、体積が増加しても、その増加分が空隙１４側に膨張する。それによって、顧客のリフロー実装時に溶融するハンダ量を最小しつつ、低融点鉛フリーはんだ１３の付け根による基板側ソルダーレジスト１０への応力を低減する事が可能となる。
【００４１】
［第２実施形態］
以下に、本発明の第２実施形態について説明する。上述の第１実施形態では、鉛フリーはんだバンプ１２が、Ｓｎハンダ（融点＝２３２℃）やＳｎ−Ａｇハンダ（融点＝２２２℃）等の、融点が比較的高い鉛フリーハンダで構成されている半導体装置１について説明を行ってきた。第２実施形態では、鉛フリーはんだバンプ１２が、Ｃｕピラーで構成される場合について説明する。
【００４２】
Ｃｕピラーは融点が１０８４℃と極めて高い。そのため、基板８側の低融点鉛フリーはんだ１３（接続前の低融点鉛フリーはんだ１３ａ）として使用する材料の選択肢を広げることが可能である。例えば、低融点鉛フリーはんだ１３にＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系の材料を使用した場合、他のＢＧＡと同様の温度プロファイルが採用でき、汎用的な半導体装置１を構成することができる。また、拡散工程のＣｕ配線用メッキ装置を流用して、鉛フリーはんだバンプ１２を形成することができる。
【００４３】
以上、本願発明の実施の形態を具体的に説明した。本願発明は、隣り合う接続部材１１同士の距離が非常に狭い（例えば、３０μｍ〜５０μｍ）半導体装置１や、半導体チップ２と基板８との距離が非常に狭い（例えば、３０μｍ〜５０μｍ）半導体装置１などに適している。
【００４４】
なお、上述の複数の実施形態は、その構成・動作に矛盾が生じない範囲において組み合わせて実施することが可能である。また、本願発明は上述の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。例えば、上述した実施形態における基板８が、シリコンインターポーザなどであっても本願の構成を適用することが可能である。
【符号の説明】
【００４５】
１…半導体装置
２…半導体チップ
３…チップ側電極
４…バリアメタル
５…絶縁膜
６…保護膜
７…チップ側ソルダーレジスト
８…基板
９…基板側電極
１０…基板側ソルダーレジスト
１１…接続部材
１２…鉛フリーはんだバンプ
１２ａ…接続前の鉛フリーはんだバンプ
１３…低融点鉛フリーはんだ
１３ａ…接続前の低融点鉛フリーはんだ
１４…空隙
１５…接触面
１６…接触領域
２１…接続前の半導体チップ
２２…接続前の基板
Ａ…膜厚
Ｂ…突出高
Ｃ…第１距離
Ｄ…貫通部分内径
Ｅ…鉛フリーはんだ径
Ｆ…突出高
Ｇ…膜厚
Ｈ…距離
Ｊ…外縁径
Ｋ…第２距離
１０１…半導体集積回路実装構造体
１０２…ＬＳＩチップ
１０３…はんだバンプ
１０４…樹脂
１０５…基板
２００…半導体モジュール
２０１…絶縁基板
２０２…薄膜配線層
２０３…多層配線層
２０６…多層配線基板
２０７…はんだバンプ
２０８…はんだバンプ
２０９…半導体装置（ＬＳＩ）
２１０…層間絶縁層
２２０…配線
２３０…貫通孔
３００…ユーザ基板
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置に関し、特に、鉛フリーハンダが使用されているＦＣＢＧＡ（Flip Chip-Ball Grid Array）の接続構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
デジタル家電製品やネットワーク機器などの電子機器が広く普及してきている。これらの電子機器に対しては、小型化を実現しつつ多機能で高性能な装置であることが求められている。このような要求に対応するために、半導体装置の微細化と多ピン化が進められてきている。多ピン化された半導体装置をパッケージングするため技術として、半導体チップにはんだバンプを形成し、フェースダウンで基板上に接続するフリップチップ接続技術が知られている。
【０００３】
フリップチップ接続によって半導体チップと基板とが接続されている構造体は、半導体チップと基板との熱膨張の違いによる熱応力に起因する不具合が発生することがある。例えば、半導体チップと基板との熱膨張の違いによる熱応力をはんだバンプが受け、はんだが繰返し歪みによって破断し、接続部の断線に到ることがある。そのような不具合を抑制するための技術が知られている（例えば、特許文献１、２参照）。
【０００４】
図１は、特許文献１に記載された基本的なフリップチップ接続構造の半導体集積回路実装構造体１０１の構成を示す断面図である。特許文献１には、ＬＳＩチップ１０２を、はんだバンプ１０３を介してセラミックなどの基板に接続実装した後、樹脂１０４によって補強する技術が開示されている。図１に示されているように、半導体集積回路実装構造体１０１は、はんだバンプ１０３を形成したＬＳＩチップ１０２を、基板１０５の上にフリップチップ法で接続実装したあと、はんだバンプ１０３の周辺の間隙を樹脂１０４で充填して保護している。
【０００５】
半導体集積回路実装構造体１０１には、はんだの組成が９５％Ｐｂ−５％Ｓｎのはんだバンプ１０３が使用されている。特許文献１に記載の技術では、そのはんだバンプ１０３に対応して、アンダーフィル樹脂１０４の熱膨張係数を最適化している。樹脂１０４の特性を最適化することで、高い信頼性を有する半導体集積回路実装構造体１０１を実現している。
【０００６】
近年、ＲｏＨＳ（Restriction of Hazardous Substances：危険物質に関する制限）指令への対応や環境問題への取り組みに配慮して、バンプに鉛フリーはんだを使用した半導体装置が普及してきている。鉛フリーはんだは、鉛はんだに比べて固いため、半導体チップと多層配線基板との間で生じる熱応力をはんだバンプで緩和することが困難である。特許文献２は、バンプに鉛フリーはんだを使用した半導体装置における、半導体チップと多層配線基板の熱膨張の違いによる熱応力を緩和する技術を開示している。
【０００７】
図２は、特許文献２に記載された半導体モジュール２００の構成を示す断面図である。その半導体モジュール２００において、半導体装置（ＬＳＩ）２０９と多層配線基板２０６は、はんだバンプ２０８により接続されている。はんだバンプ２０８は、Ｓｎ−Ａｇ系、またはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系等の鉛フリーはんだで構成されている。はんだバンプ２０８は、リフローされることにより半導体装置（ＬＳＩ）２０９と多層配線基板２０６とを接続する。
【０００８】
その半導体モジュール２００は、絶縁基板２０１と多層配線層２０３を有する多層配線基板２０６と、半導体装置（ＬＳＩ）２０９と、コンデンサ等の個別部品とを備えている。その半導体モジュール２００は、ユーザ基板３００に実装されている。絶縁基板２０１には、絶縁基板２０１の表裏で電気的接続を取るための貫通孔２３０が形成されている。また、多層配線層２０３は、少なくとも１層以上の薄膜配線層２０２を備えている。その薄膜配線層２０２は、配線２２０および層間絶縁層２１０を有している。配線２２０は、ビア内の配線および配線パッドを含む。多層配線基板２０６は、外部接続端子、例えばはんだバンプ２０７を有している。
【０００９】
特許文献２に記載の技術では、層間絶縁層２１０の熱膨張係数や弾性係数を、多層配線基板の厚さ方向で変化させている。具体的には、絶縁基板２０１側の最表面の層間絶縁層２１０と、半導体装置（ＬＳＩ）２０９との熱膨張係数と近づけて、発生する熱応力を小さくしている。特許文献２に記載の半導体モジュール２００は、このような構成の多層配線基板２０６を備えることにより、鉛フリーはんだを用いた場合であっても、半導体装置（ＬＳＩ）２０９と多層配線基板２０６との接続信頼性を確保している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特許第２６７５００３号公報
【特許文献２】特開２００７−２２７９６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上述の特許文献２には、はんだバンプ２０８のバンプサイズが２００マイクロメータ以上の場合において、アンダーフィル樹脂の充填を省略する技術が開示されている。半導体装置の多ピン化が進むにつれて、半導体チップに形成されるバンプサイズは微小なものになっていく。バンプサイズが微少になると、バンプの体積が小さくなったことにより機械的強度が低下する場合がある。上述の特許文献２には、そのような場合に対応して、アンダーフィル剤を使用することによって信頼性が低下することを防ぐ技術が開示されている。
【００１２】
半導体装置に対し、さらなる微細化や多ピン化が求められてきている。そのような要求に対応して、より微小なサイズのバンプが使用されるようになってきている。また、微細化や多ピン化によって、バンプの数は非常に多くなってきている。
【００１３】
微小なバンプを多数形成する場合、隣り合うバンプ間の距離（バンプピッチ）は、非常に短くなる。また、バンプサイズが小さくなるにつれ、半導体チップと基板との間の距離も短くなる。その結果、アンダーフィル剤を注入する間隙が狭くなり、アンダーフィル剤の適切な充填が非常に困難になってきている。
【００１４】
本発明が解決しようとする課題は、フリップチップ接続技術を用いた半導体装置において、アンダーフィル樹脂の充填が困難な場合であっても、その半導体装置の信頼性が低下することを防ぐ技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
以下に、［発明を実施するための形態］で使用される番号を用いて、［課題を解決するための手段］を説明する。これらの番号は、［特許請求の範囲］の記載と［発明を実施するための形態］との対応関係を明らかにするために付加されたものである。ただし、それらの番号を、［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。
【００１６】
上記の課題を解決するために、チップ面に設けられたチップ側電極（４）を有する半導体チップ（２）と、基板面に設けられた基板側電極（９）を有する基板（８）と、チップ面に形成されたチップ面絶縁層（７）と、基板面に形成された基板面絶縁層（１０）と、フリップチップボンディングによってチップ側電極（４）と基板側電極（９）とを接続する接続部材（１１）とを具備する半導体装置（１）を構成する。
接続部材（１１）は、チップ面絶縁層（７）を貫通するバンプ部分（１２）と、基板面絶縁層（１０）を貫通する低融点部分（１３）と、バンプ部分（１２）と低融点部分（１３）とが接触している接触領域（１６）とを備えることが好ましい。ここで、チップ面絶縁層（７）と基板面絶縁層（１０）とは、空隙（１４）を介して向かい合うように配置されている。そして、接触領域（１６）は、空隙（１４）によって露出される表面を有する。
【発明の効果】
【００１７】
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明する。本願発明によれば、フリップチップ接続技術を用いた半導体装置において、アンダーフィル樹脂の充填が困難な場合であっても、その半導体装置の信頼性が低下することを防ぐ技術を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、従来の半導体集積回路実装構造体１０１の構成を示す断面図である。
【図２】図２は、従来の半導体モジュール２００の構成を示す断面図である。
【図３】図３は、本実施形態の半導体装置１の構成を例示する断面図である。
【図４】図４は、本実施形態の半導体チップ２１と基板２２の部分的な構成を例示する断面図である。
【図５】図５は、本実施形態の半導体装置１の部分的な構成を例示する断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
［第１実施形態］
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、実施の形態を説明するための図において、同一の部材に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。
【００２０】
図３は、本実施形態の半導体装置１の構成を例示する断面図である。本実施形態の半導体装置１において、半導体チップ２と基板８とは、フリップチップ接続によって接続されている。本実施形態の半導体装置１における基板８は、低熱膨張セラミック（ガラスセラミック等）のような、半導体チップ２との熱膨張係数差が少ない材料であることが好ましい。
【００２１】
図３に示されているように、半導体チップ２と基板８との間には、接続部材１１が形成されている。接続部材１１は、半導体チップ２と基板８とを電気的に接続している。その接続部材１１は、半導体チップ２側の鉛フリーはんだバンプ１２と基板８側の低融点鉛フリーはんだ１３とが、接触面１５を介してはんだ付け接合された構造である。
【００２２】
図３に示されているように、半導体チップ２は、複数のチップ側電極３を備えている。その複数のチップ側電極３の各々に対し、一対一に対応するように鉛フリーはんだバンプ１２が設けられている。チップ側電極３の表面にはバリアメタル４が形成されている。チップ側電極３は、そのバリアメタル４を介して鉛フリーはんだバンプ１２に接続されている。
【００２３】
半導体チップ２の基板表面とチップ側電極３の表面の一部は、絶縁膜５で覆われている。絶縁膜５の上には保護膜６が形成され、その保護膜６の上には、チップ側ソルダーレジスト７が形成されている。鉛フリーはんだバンプ１２は、そのチップ側ソルダーレジスト７を貫通するように形成されている。その鉛フリーはんだバンプ１２は、チップ側ソルダーレジスト７を貫通する貫通部分と、チップ側ソルダーレジスト７の表面よりも突出する突出部分とを備えている。
【００２４】
基板８は、複数の基板側電極９を備えている。その複数の基板側電極９の各々に対し、一対一に対応するように低融点鉛フリーはんだ１３が設けられている。また、基板８の基板表面には、基板側ソルダーレジスト１０が形成されている。低融点鉛フリーはんだ１３は、その基板側ソルダーレジスト１０を貫通するように形成されている。その低融点鉛フリーはんだ１３は、基板側ソルダーレジスト１０を貫通する貫通部分と、鉛フリーはんだバンプ１２の突出部分に、はんだ付けされたはんだ付け部分とを備えている。
【００２５】
図３に示されているように、本実施形態の半導体装置１は、チップ側ソルダーレジスト７の表面と基板側ソルダーレジスト１０の表面とが、空隙１４を挟んで向かい合わせになっている。また、接続部材１１の接触領域１６は、その空隙１４によって表面が露出している。
【００２６】
空隙１４が占める空間は、チップ側ソルダーレジスト７と基板側ソルダーレジスト１０との距離に起因する毛細管現象が、溶融した低融点鉛フリーはんだ１３に作用しない程度の大きさを有している。例えば、本実施形態の半導体装置１においては、チップ側ソルダーレジスト７と基板側ソルダーレジスト１０との距離（図の上下方向）が、１５μｍ以上になるように構成されている。それによって、低融点鉛フリーはんだ１３が溶融したときに、他の接続部材１１の部品と接続してしまうという不具合が生じることを抑制している。
【００２７】
半導体チップ２と基板８との距離や、隣り合う接続部材１１同士の距離が５０μｍよりも狭くなると、アンダーフィルの充填が困難になる。仮に、アンダーフィルの充填が不十分になると、熱ストレスによりバンプ部付け根に加わる応力を適切に緩和することが難しくなる。本実施形態の半導体装置１は、チップ側ソルダーレジスト７が、鉛フリーはんだバンプ１２のチップ側電極３に近い部分の周囲を支持している。同様に、基板側ソルダーレジスト１０が、低融点鉛フリーはんだ１３の基板側電極９に近い部分の周囲を支持している。
【００２８】
鉛フリーはんだバンプ１２は、半導体チップ２の上に形成されたチップ側ソルダーレジスト７に埋設された第１部位（根の部分）と、チップ側ソルダーレジスト７の外部に形成された第２部位（傘の部分）とを備えている。図３に示されているように、その第２部位の断面の幅は、前記第１部位の断面の幅よりも大きい。高さ方向においては、鉛フリーはんだバンプ１２の第１部位の高さが、第２部位の高さよりも高くなっている。第１部位は、チップ側ソルダーレジスト７によって安定した状態で固定されている。そのため、アンダーフィルが充填されていなくても、半導体装置１の信頼性を向上させることができる。
【００２９】
また、図３に示されているように、その第２部位は傘状の形状を有している。高さが徐々に低くなるような形状のため、溶融した低融点鉛フリーはんだ１３がはみ出した場合などに、余分なはんだを吸収し、隣接部とのショートを防止することができる。
【００３０】
このように、本実施形態の半導体装置１では、アンダーフィルを充填することなく、チップ側ソルダーレジスト７と基板側ソルダーレジスト１０とが、接続部材１１の付け根をそれぞれ支持している。本実施形態の構成を電極間距離が狭い半導体チップに適用することで、アンダーフィルの充填に依存することなく、熱ストレスによる接続部材１１のようなバンプの変形を抑制し、長期的な信頼性の確保を可能にすることができる。
【００３１】
図４は、本実施形態の半導体装置１を構成する前の接続前の半導体チップ２１と接続前の基板２２の部分的な構成を例示する断面図である。フリップチップ接続を実行する前の接続前の半導体チップ２１において、チップ側ソルダーレジスト７は、厚さが膜厚Ａになるように形成されている。本実施形態において、その膜厚Ａは、２０μｍ以上であることが好ましい。
【００３２】
また、接続前の鉛フリーはんだバンプ１２ａは、例えば、Ｓｎハンダ（融点＝２３２℃）やＳｎ−Ａｇハンダ（融点＝２２２℃）等の、融点が比較的高い鉛フリーハンダで構成されていることが好ましい。その接続前の鉛フリーはんだバンプ１２ａは、メッキ等で形成することができる。接続前の鉛フリーはんだバンプ１２ａを形成するときに、チップ側ソルダーレジスト７を２０μｍ程度の厚さになるように成長させることで、接続部材１１を形成したときに、バンプ付け根部を保護することが可能となる。
【００３３】
接続前の半導体チップ２１において、接続前の鉛フリーはんだバンプ１２ａは、突出高Ｂの突出部分を備えている。突出高Ｂは、チップ側ソルダーレジスト７の表面を基準面にした時の、基準面からの高さである。接続前の鉛フリーはんだバンプ１２ａは、チップ側ソルダーレジスト７によって支持されている貫通部分を備えている。突出部分は、その貫通部分の側面を基準にしたとき、その基準から外縁までの距離が、第１距離Ｃであるように形成されている。本実施形態において、突出高Ｂおよび第１距離Ｃは、１５μｍ以上であることが好ましい。
【００３４】
また、続前の低融点鉛フリーはんだ１３ａは、基板側ソルダーレジスト１０によって支持されている貫通部分を備えている。図４に示されているように、本実施形態において、接続前の鉛フリーはんだバンプ１２ａの貫通部分と、接続前の低融点鉛フリーはんだ１３ａの貫通部分とは、概ね貫通部分内径Ｄであるように形成されている。
本実施形態では、接続前の鉛フリーはんだバンプ１２ａの突出部分は、外径が鉛フリーはんだ径Ｅ（鉛フリーはんだ径Ｅ＝貫通部分内径Ｄ＋２×第１距離Ｃ）であるように形成されている。その鉛フリーはんだ径Ｅは、接続前の基板２２の基板側電極９の外径に概ね等しい長さであることが好ましい。
【００３５】
接続前の基板２２において、基板側ソルダーレジスト１０は、厚さが膜厚Ｇになるように形成されている。その膜厚Ｇは、１５μｍ以上であることが好ましい。膜厚Ｇを１５μｍ以上とすることで、接続前の低融点鉛フリーはんだ１３ａの厚さは厚くなり、それによって、低融点鉛フリーはんだ１３の付け根部を保護することが可能となる。接続前の低融点鉛フリーはんだ１３ａは、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕハンダ（融点＝２１９℃）や、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉハンダ（融点＝１８３℃）等の、融点が比較的低い鉛フリーハンダで構成されていることが好ましい。具体的には、接続前の低融点鉛フリーはんだ１３ａを接続前の鉛フリーはんだバンプ１２ａよりも融点の低い材料で形成する。それによって、バンプ接続、顧客リフロー時に鉛フリーはんだバンプ１２は溶融させず、低融点鉛フリーはんだ１３のみを溶融させることが可能となる。
【００３６】
接続前の低融点鉛フリーはんだ１３ａは、基板側ソルダーレジスト１０の表面を基準にした時の高さが、突出高Ｆである突き出し部分を備えている。突出高Ｆは、突出高Ｂの１／３程度の高さであることが好ましい。例えば、本実施形態において、突出高Ｂが１５μｍで形成される場合、突出高Ｆを５μｍ程度で形成する。それによって、半導体装置１を形成する際のバンプ接続工程や、製品出荷後の顧客のリフロー実装工程において、溶融するハンダ量を少なくする事が可能となる。
【００３７】
なお、本実施形態の半導体装置１において、バンプ接続工程や顧客側でのリフロー工程を行うときの温度を、鉛フリーはんだバンプ１２を構成する材料の融点よりも低い温度に設定する。換言すると、バンプ接続工程や顧客側でのリフロー工程を行うときの温度として、接続前の低融点鉛フリーはんだ１３ａのみが溶融する温度（本実施例の場合、１８３〜２２０℃位）を選択する。それによって、半導体装置１を形成する際のバンプ接続工程や、製品出荷後の顧客のリフロー実装工程において、溶融するハンダ量を少なくする事が可能となる。また、図示していないＢＧＡボールは、接続前の低融点鉛フリーはんだ１３ａと同じ材料か、もしくは、接続前の低融点鉛フリーはんだ１３ａよりも融点の低い材料であることが好ましい。それによって、ＢＧＡのリフロー実装工程において、溶融するハンダ量を少なくする事が可能となる。
【００３８】
図５は、接続前の半導体チップ２１と接続前の基板２２とを接続した後の、半導体装置１の部分的な構成を例示する断面図である。図５に示されているように、チップ側ソルダーレジスト７の表面から基板側ソルダーレジスト１０の表面までの距離が、距離Ｈとなるような空隙１４が形成されている。空隙１４の距離Ｈは、接続前の鉛フリーはんだバンプ１２ａの突出高Ｂと、接続前の低融点鉛フリーはんだ１３ａの突出高Ｆに依存して決定される。例えば、突出高Ｂが１５μｍで形成され、突出高Ｆが５μｍ程度で形成された場合、突出高Ｂに溶融した低融点鉛フリーはんだ１３の厚みが加わるため、距離Ｈは、１５μｍ以上となる。
【００３９】
また、接続部材１１は、鉛フリーはんだバンプ１２の貫通部分（または低融点鉛フリーはんだ１３の貫通部分）の側面を基準にしたとき、その基準からの距離が第２距離Ｋである接触領域１６を備えている。第２距離Ｋは、接続前の鉛フリーはんだバンプ１２ａの突出高Ｂと、接続前の低融点鉛フリーはんだ１３ａの突出高Ｆに依存して決定される。接続部材１１の接触領域１６は、第２距離Ｋと同等の長さの外縁径Ｊを備えている。その接触領域１６における低融点鉛フリーはんだ１３は、概ねメニスカス形状であり、溶融した低融点鉛フリーはんだ１３ａが鉛フリーはんだバンプ１２ａと接触した後に凝固することで形成される。本実施形態の接続部材１１は、その形状（第２距離Ｋと外縁径Ｊ）の作用により、接触領域１６での応力を、ストレート形状に比べ２０〜３０％低下させることが可能となる。
【００４０】
また、一般的に鉛フリーはんだは溶融すると体積が増加する。例えば、顧客により、半導体装置１に対するリフローが行われた場合、凝固していた低融点鉛フリーはんだ１３が溶融して体積が増加（膨張）する。図５に示されているように、本実施形態の半導体装置１は、接続部材１１の接触領域１６の周囲に、空隙１４が設けられている。そのため、溶融した液状の低融点鉛フリーはんだ１３は、体積が増加しても、その増加分が空隙１４側に膨張する。それによって、顧客のリフロー実装時に溶融するハンダ量を最小しつつ、低融点鉛フリーはんだ１３の付け根による基板側ソルダーレジスト１０への応力を低減する事が可能となる。
【００４１】
［第２実施形態］
以下に、本発明の第２実施形態について説明する。上述の第１実施形態では、鉛フリーはんだバンプ１２が、Ｓｎハンダ（融点＝２３２℃）やＳｎ−Ａｇハンダ（融点＝２２２℃）等の、融点が比較的高い鉛フリーハンダで構成されている半導体装置１について説明を行ってきた。第２実施形態では、鉛フリーはんだバンプ１２が、Ｃｕピラーで構成される場合について説明する。
【００４２】
Ｃｕピラーは融点が１０８４℃と極めて高い。そのため、基板８側の低融点鉛フリーはんだ１３（接続前の低融点鉛フリーはんだ１３ａ）として使用する材料の選択肢を広げることが可能である。例えば、低融点鉛フリーはんだ１３にＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系の材料を使用した場合、他のＢＧＡと同様の温度プロファイルが採用でき、汎用的な半導体装置１を構成することができる。また、拡散工程のＣｕ配線用メッキ装置を流用して、鉛フリーはんだバンプ１２を形成することができる。
【００４３】
以上、本願発明の実施の形態を具体的に説明した。本願発明は、隣り合う接続部材１１同士の距離が非常に狭い（例えば、３０μｍ〜５０μｍ）半導体装置１や、半導体チップ２と基板８との距離が非常に狭い（例えば、３０μｍ〜５０μｍ）半導体装置１などに適している。
【００４４】
なお、上述の複数の実施形態は、その構成・動作に矛盾が生じない範囲において組み合わせて実施することが可能である。また、本願発明は上述の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。例えば、上述した実施形態における基板８が、シリコンインターポーザなどであっても本願の構成を適用することが可能である。
【符号の説明】
【００４５】
１…半導体装置
２…半導体チップ
３…チップ側電極
４…バリアメタル
５…絶縁膜
６…保護膜
７…チップ側ソルダーレジスト
８…基板
９…基板側電極
１０…基板側ソルダーレジスト
１１…接続部材
１２…鉛フリーはんだバンプ
１２ａ…接続前の鉛フリーはんだバンプ
１３…低融点鉛フリーはんだ
１３ａ…接続前の低融点鉛フリーはんだ
１４…空隙
１５…接触面
１６…接触領域
２１…接続前の半導体チップ
２２…接続前の基板
Ａ…膜厚
Ｂ…突出高
Ｃ…第１距離
Ｄ…貫通部分内径
Ｅ…鉛フリーはんだ径
Ｆ…突出高
Ｇ…膜厚
Ｈ…距離
Ｊ…外縁径
Ｋ…第２距離
１０１…半導体集積回路実装構造体
１０２…ＬＳＩチップ
１０３…はんだバンプ
１０４…樹脂
１０５…基板
２００…半導体モジュール
２０１…絶縁基板
２０２…薄膜配線層
２０３…多層配線層
２０６…多層配線基板
２０７…はんだバンプ
２０８…はんだバンプ
２０９…半導体装置（ＬＳＩ）
２１０…層間絶縁層
２２０…配線
２３０…貫通孔
３００…ユーザ基板
【特許請求の範囲】
【請求項１】
チップ面に設けられたチップ側電極を有する半導体チップと、
基板面に設けられた基板側電極を有する基板と、
前記チップ面に形成されたチップ面絶縁層と、
前記基板面に形成された基板面絶縁層と、
フリップチップボンディングによって前記チップ側電極と前記基板側電極とを接続する接続部材と
を具備し、
前記接続部材は、
前記チップ面絶縁層を貫通するバンプ部分と、
前記基板面絶縁層を貫通する低融点部分と、
前記バンプ部分と前記低融点部分とが接触している接触領域と
を備え、
前記チップ面絶縁層と前記基板面絶縁層とは、空隙を介して向かい合うように配置され、
前記接触領域は、
前記空隙よって露出される表面を有する
半導体装置。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体装置において、
前記バンプ部分は、
第１融点で溶融する材料で形成され、
前記低融点部分は、
前記第１融点よりも低い第２融点で溶融する材料で形成されている
半導体装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の半導体装置において、
前記チップ面絶縁層は、
前記半導体チップと前記基板との熱膨張係数の差に起因して前記バンプ部分に加わる応力を緩和する材料で構成され、
前記基板面絶縁層は、
前記半導体チップと前記基板との熱膨張係数の差に起因して前記低融点部分に加わる応力を緩和する材料で構成される
半導体装置。
【請求項４】
請求項１から３の何れか一項に記載の半導体装置において、
前記低融点部分は、
前記第１融点よりも低い第２融点で溶融する鉛フリーはんだ材料で形成され
前記チップ面絶縁層と前記基板面絶縁層とは、
液状の鉛フリーはんだ材料が、毛細管現象によって流れ出すことを抑制する程度の空隙を介して、向かい合うように配置される
半導体装置。
【請求項５】
請求項１から４の何れか一項に記載の半導体装置において、
前記基板は、
前記基板の熱膨張係数と前記半導体チップの熱膨張係数との差が小さくなるような材料で形成されている
半導体装置。
【請求項６】
請求項１から５の何れか一項に記載の半導体装置において、
前記バンプ部分は、
前記チップ面絶縁層が、前記バンプ部分に対応するバンプ用開口部を有するようにパターニングされた後、前記バンプ用開口部を前記第１融点で溶融する材料で埋めることによって形成され、
前記低融点部分は、
前記基板面絶縁層が、前記低融点部分に対応する低融点部分用開口部を有するようにパターニングされた後、前記低融点部分用開口部を前記第２融点で溶融する材料で埋めることによって形成される
半導体装置。
【請求項７】
請求項１から６の何れか一項に記載の半導体装置において、
前記バンプ部分は、
前記半導体チップ上に形成されたソルダレジストに埋設された第１部位と、
前記ソルダレジストの外部に形成された第２部位と
を有し、
前記第２部位の断面の幅は、前記第１部位の断面の幅よりも大きいことを特徴とする
半導体装置。
【請求項８】
請求項７に記載の半導体装置において、
前記バンプ部分の前記第１部位の高さが、前記第２部位の高さよりも高いことを特徴とする
半導体装置。
【請求項９】
請求項７または８に記載の半導体装置において、
前記第２部位は、傘状の形状を有していることを特徴とする
半導体装置。
【請求項１】
チップ面に設けられたチップ側電極を有する半導体チップと、
基板面に設けられた基板側電極を有する基板と、
前記チップ面に形成されたチップ面絶縁層と、
前記基板面に形成された基板面絶縁層と、
フリップチップボンディングによって前記チップ側電極と前記基板側電極とを接続する接続部材と
を具備し、
前記接続部材は、
前記チップ面絶縁層を貫通するバンプ部分と、
前記基板面絶縁層を貫通する低融点部分と、
前記バンプ部分と前記低融点部分とが接触している接触領域と
を備え、
前記チップ面絶縁層と前記基板面絶縁層とは、空隙を介して向かい合うように配置され、
前記接触領域は、
前記空隙よって露出される表面を有する
半導体装置。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体装置において、
前記バンプ部分は、
第１融点で溶融する材料で形成され、
前記低融点部分は、
前記第１融点よりも低い第２融点で溶融する材料で形成されている
半導体装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の半導体装置において、
前記チップ面絶縁層は、
前記半導体チップと前記基板との熱膨張係数の差に起因して前記バンプ部分に加わる応力を緩和する材料で構成され、
前記基板面絶縁層は、
前記半導体チップと前記基板との熱膨張係数の差に起因して前記低融点部分に加わる応力を緩和する材料で構成される
半導体装置。
【請求項４】
請求項１から３の何れか一項に記載の半導体装置において、
前記低融点部分は、
前記第１融点よりも低い第２融点で溶融する鉛フリーはんだ材料で形成され
前記チップ面絶縁層と前記基板面絶縁層とは、
液状の鉛フリーはんだ材料が、毛細管現象によって流れ出すことを抑制する程度の空隙を介して、向かい合うように配置される
半導体装置。
【請求項５】
請求項１から４の何れか一項に記載の半導体装置において、
前記基板は、
前記基板の熱膨張係数と前記半導体チップの熱膨張係数との差が小さくなるような材料で形成されている
半導体装置。
【請求項６】
請求項１から５の何れか一項に記載の半導体装置において、
前記バンプ部分は、
前記チップ面絶縁層が、前記バンプ部分に対応するバンプ用開口部を有するようにパターニングされた後、前記バンプ用開口部を前記第１融点で溶融する材料で埋めることによって形成され、
前記低融点部分は、
前記基板面絶縁層が、前記低融点部分に対応する低融点部分用開口部を有するようにパターニングされた後、前記低融点部分用開口部を前記第２融点で溶融する材料で埋めることによって形成される
半導体装置。
【請求項７】
請求項１から６の何れか一項に記載の半導体装置において、
前記バンプ部分は、
前記半導体チップ上に形成されたソルダレジストに埋設された第１部位と、
前記ソルダレジストの外部に形成された第２部位と
を有し、
前記第２部位の断面の幅は、前記第１部位の断面の幅よりも大きいことを特徴とする
半導体装置。
【請求項８】
請求項７に記載の半導体装置において、
前記バンプ部分の前記第１部位の高さが、前記第２部位の高さよりも高いことを特徴とする
半導体装置。
【請求項９】
請求項７または８に記載の半導体装置において、
前記第２部位は、傘状の形状を有していることを特徴とする
半導体装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−１３４２６５（Ｐ２０１２−１３４２６５Ａ）
【公開日】平成２４年７月１２日（２０１２．７．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２８３９６５（Ｐ２０１０−２８３９６５）
【出願日】平成２２年１２月２１日（２０１０．１２．２１）
【出願人】（３０２０６２９３１）ルネサスエレクトロニクス株式会社 (8,021)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年７月１２日（２０１２．７．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月２１日（２０１０．１２．２１）
【出願人】（３０２０６２９３１）ルネサスエレクトロニクス株式会社 (8,021)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]