説明

実装構造、その実装構造の製造方法、半導体装置、その半導体装置の製造方法

【課題】 回路基板と半導体素子との実装信頼性を向上するために接続部材に対する応力を緩和する。
【解決手段】半導体素子4の接続端子4Aに接続部材10を介して回路基板3と電気的に接続する実装構造であって、接続部材10は、柱状部2Aを有する導電性突起2を有し、半導体素子4の表面に水平な面で切った柱状部2Aの断面の断面積は、半導体素子4の接続端子4Aの表面積より小さい。回路基板3と半導体素子4とは、接続部材10の導電性部材2によって電気的に接合されている。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
半導体素子の接続端子に接続部材を介して回路基板を電気的に接続する実装構造、その実装構造の製造方法、半導体素子と回路基板とを接続部材を介して電気的に接続する実装構造を有する半導体装置、その半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
半導体素子と回路基板とを電気的に接続する半導体装置に関し、ネットワーク機器の高速化、大容量化が要求されている。そのため、半導体装置の実装密度を上げ、高機能化に伴う入出力ピン数を増加させることが必要となっている。そして、入出力ピンの多ピン化に対応するため、ネットワーク機器において半導体素子を格子状に配列した半田ボールを介して回路基板の表面に接合する技術が開示されている(例えば、特許文献1参照)。
【0003】
回路基板は半導体素子よりも熱膨張率が大きい。半導体素子と回路基板とを半田ボールの溶融温度で接合するとき、回路基板は熱膨張が大きい状態で、且つ半導体素子は熱膨張が小さい状態で半田により接合されることとなる。そのため、回路基板と半導体素子には、半田の常温冷却プロセスにおいて、回路基板と半導体素子を接合している半田ボールには常温冷却プロセスにおいて応力が発生する。しかし、半田ボールが応力に耐え、あるいは塑性変形によって応力が緩和され、その形状が維持されれば回路基板と半導体素子との接続は維持される。
【特許文献1】特開平11−330160号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
一方、近年では鉛フリー半田の適用により、半田付け温度が高くなる傾向にある。そのため、半田付け工程において半導体素子と回路基板との変位が大きくなり、発生する応力が増加する。また、半田ボールの形状は略球状であり、断面積が大きいため、半導体素子と回路基板との変位に伴い半田ボールに大きい応力が発生する。応力は断面積と変位との積で決定されるからである。大きい応力が半田ボールに発生すると、半田ボールは発生する応力に耐えきれずクラック、断線等が発生する。そのため、半導体素子と回路基板との実装信頼性が低下するという問題がある。
【課題を解決するための手段】
【0005】
本発明に係る半導体素子の実装構造は、半導体素子の接続端子に接続部材を介して回路基板と電気的に接続する実装構造であって、前記接続部材は、柱状部を有する導電性突起を有し、前記半導体素子の表面に水平な面で切った前記柱状部の断面の断面積は、前記半導体素子の接続端子の表面積より小さいことを特徴とする。
【0006】
本発明に係る半導体装置は、半導体素子の接続端子に接続部材を介して回路基板と電気的に接続する実装構造を有する半導体装置であって、前記接続部材は、柱状部を有する導電性突起を有し、前記半導体素子の表面に水平な面で切った前記柱状部の断面の断面積は、前記半導体素子の接続端子と前記柱状部との接触面積より小さいことを特徴とする。
【0007】
本発明に係る半導体装置の製造方法は、半導体素子の接続端子に接続部材を介して回路基板と電気的に接続する実装構造を有する半導体装置の製法方法であって、前記接続部材を形成する工程と、前記接続部材と前記回路基板とを接続する工程と、前記接続部材と前記半導体素子とを接続する工程と、からなり、前記接続部材を形成する工程は、絶縁層上に導電層を有する部材の前記絶縁層を貫通する導電性突起を形成する工程と、前記導電層をパターニングして電極部を形成する工程と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【0008】
本発明に係る実装構造、半導体装置によれば、半導体素子と回路基板との実装面方向の熱膨張率差によって発生する接続部の応力を低減させることができる。そのため、実装構造、半導体装置における実装信頼性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0009】
以下、本発明の半導体素子の実装構造、半導体装置に係る第1の実施形態、半導体素子の実装構造の製造方法、半導体装置の製造方法に係る第2の実施形態について説明する。ただし、本発明は各実施形態に限定されるものではない。
【実施例1】
【0010】
本発明の第1の実施例を、半導体装置を例に、図1、図2を用いて詳細に説明する。第1の実施例に係る半導体装置は、導電性突起を接合部材に用いることによって、半導体素子と回路基板との実装信頼性を向上させることを特徴とするものである。
【0011】
図1は、第1の実施例に係る接続部材10の要部断面拡大図である。
【0012】
接続部材10は、絶縁性シート1、テーパー孔1A、導電性突起2、柱状部2A、テーパー部2B、電極部2Cからなる。
【0013】
絶縁性シート1は、ポリイミド樹脂からなり、絶縁性、耐熱性、機械的強度に優れる。絶縁性シート1の厚みは5〜20μmである。本実施例における絶縁性シート1の厚みは20μmである。絶縁性シート1の熱膨張率は7ppmであり、後に説明する半導体素子4の熱膨張率である3ppmと、回路基板3の熱膨張率である12ppmとの中間の値となる。テーパー孔1Aは、絶縁性シート1にグリッド状に配置されている。テーパー孔1Aをグリッド状に配置することにより、導電性突起2の実装密度を高めることができ、多ピン化に対応することができる。テーパー孔1Aの上側の直径は60〜100μmであり、下側の直径は40〜80μmである。本実施例におけるテーパー孔1Aの上側の直径は80μmであり、下側の直径は60μmである。
【0014】
導電性突起2は、柱状部2A、テーパー部2B、電極部2Cからなる。導電性突起2は銅製である。柱状部2Aの直径は、60〜100μmである。柱状部2Aの直径は一定である。柱状部2Aの高さは、例えば50μmである。
【0015】
テーパー部2Bは、前述したテーパー孔1Aと同一の形状を有する。テーパー部2Bの上側の直径は60〜100μmであり、下側の直径は40〜80μmである。柱状部2Aとテーパー部2Aの上側の直径は略同じである。本実施例におけるテーパー部2Bの上側の直径は80μmであり、下側の直径は60μmである。テーパー部2Aの高さは、例えば20μmである。テーパー部2Bは、柱状部2Aに接する端部から電極部2Cに接続する端部に向けて小さくなる断面積を有する。導電性突起2は、絶縁性シート1に形成されたテーパー孔1Aで保持されている。なお、本実施例におけるテーパー孔1A、テーパー部2Aの断面形状は円形であるが、例えば三角形、四角形、星型でもよく、円形に限定されない。
【0016】
電極部2Cの厚みは、例えば10μmである。電極部2Cは、絶縁性シート1の一方の面に形成されており、かつパターニングされている。接続部材10は、いわゆるポスト・グリッド・アレイ・フィルムであり、導電性突起2が絶縁性シート1に所定の間隔で格子状に配置されている。各々の導電性突起2は、絶縁性シート1に、180μmピッチで形成されている。なお、導電性突起2は柱状部2A、テーパー部2B、電極部2Cから形成されている。導電性突起2のテーパー部2Bと電極部2Cは、絶縁性シート1を挟み込んで固定されている。そのため、接続部材10のハンドリング時に、導電性突起2が絶縁性シート1から抜け落ちるのを防止することができる。
【0017】
図2は、第1の実施形態に係る半導体装置の要部拡大断面図である。半導体装置20は、図1に図示した接続部材10の絶縁性シート1、テーパー孔1A、導電性突起2、柱状部2A、テーパー部2B、電極部2Cに加えて、回路基板3、回路基板3の接続端子3A、半導体素子4、半導体素子4の接続端子4A、半田5A、半田5Bからなる。なお、図2中、先の図1で記した構成要素と完全に同一である構成要素には、同一の参照番号を付す。
【0018】
図2に示すように、回路基板3は、ガラスエポキシ基板、又は絶縁層と配線層を積み上げてなるビルドアップ基板である。回路基板3の熱膨張率は例えばビルドアップ基板を用いた場合、略12ppmである。回路基板3の一方の面には接続端子3Aが形成されている。接続端子3Aは銅、ニッケルからなる。
【0019】
半導体素子4は、シリコンウエハからチップ形状に切り出したものである。半導体素子4の接続端子4Aは、半導体素子4に電圧を印加するパッドであり、例えばアルミニウム(Al)からなる。接続端子4Aは、半導体素子4の一方の表面に形成されている。半導体素子4の表面に水平な面で切った柱状部2Aの断面の断面積は、前記半導体素子4の接続端子4Aの表面積より小さい。回路基板3と半導体素子4とは、接続部材10の導電性部材2によって電気的に接合されている。
【0020】
半田5A、5Bは鉛フリー半田であり、例えばスズ(Sn)−銀(Ag)−銅(Cu)からなる。半田5A、5Bの融点は例えば218℃である。半田5Aの弾性率は、例えば41.6GPaである。半田5Aは、導電性突起2の電極部2Cと半導体素子4の接合端子4Aとを電気的に接合する接着部材である。同様に、半田5Bは、導電性突起2の柱状部2Aと接続端子4Aとを電気的に接続する接着部材である。
【0021】
なお、導電性突起2にかかる応力は、主に導電性突起2の断面積、導電性突起2の形成材料の弾性率、回路基板3と半導体素子4を熱処理した際に実装面方向で異なる寸法変化を生じた場合に発生する変位との積により決定する。したがって、半導体素子4の表面に水平な面で切った柱状部2Aの断面の断面積が小さければ、導電性突起2に発生する応力も小さくなる。一方、導電性突起2の形成材料が半田よりも高い弾性率を有する場合も想定される。このような場合は、柱状部2Aの断面積が導電性部材2の形成材料の弾性率を半田5A、5Bの弾性率で除した値に反比例することによって、導電性突起2の応力を低減できる。一例として、導電性突起2の形成材料を銅によって形成した場合は、導電性突起2の弾性率は70GPaとなる。これは、鉛フリー半田の弾性率である41.6GPaの約1.7倍である。しかし、前述した導電性突起2を形成すると、鉛フリー半田で半田ボールを形成して接続した場合の半導体素子4の表面に水平な面で切った断面積と比較して、半導体素子4の表面に水平な面で切った柱状部2Aの断面の断面積を1/4以下にすることができる。そのため、導電性突起2に印加される応力は、約40%に低減することができる。そうすれば、回路基板3と半導体素子4を熱処理した際に実装面方向で異なる寸法変化を生じた場合でも、導電性突起2の応力を緩和できる。そのため、回路基板3と半導体素子4との実装信頼性を向上させることができる。
【0022】
また、半導体素子4の表面に水平な面で切った柱状部2Aの断面の断面積は、半導体素子4の接続端子4Aの表面積よりも小さく、導電性突起2と半導体素子4の接続端子4Aは半田5Bによって接続する後に発生する導電性突起2の両端の変位によっても導電性突起2の形状が維持される。半導体素子4の表面に水平な面で切った柱状部2Aの断面の断面積は、回路基板3と半導体素子4を熱処理した際に実装面方向で異なる寸法変化を生じた際、導電性突起2が破壊されない程度に設計されている。そのため、接続端子4Aと導電性突起2との接触面積を低減でき、導電性突起2に印加される応力を低減させることができる。導電性突起2に印加される応力を低減させることができれば、実装信頼性を向上させることができる。
【0023】
また、絶縁性シート1の熱膨張率は、回路基板3の熱膨張率と半導体素子4の熱膨張率との値の間にある。そのため、回路基板3と半導体素子4を熱処理した際に実装面方向で異なる寸法変化が発生した際、絶縁性シート1の寸法変化は回路基板3と半導体素子4の寸法変化の中間であるため、絶縁性シート1に応力がたまるのを低減することができる。
【実施例2】
【0024】
本発明の第2の実施例である半導体装置の製造方法を、図3(a)〜図3(f)、図4(a)〜図4(c)を用いて詳細に説明する。
【0025】
図3(a)〜図3(f)は、第2の実施例に係る半導体装置の製造工程の要部断面拡大図である。
【0026】
図3(a)、(b)は、一方の面に導電層を有する絶縁性シートの他方の面に導電層が露出するようにテーパー孔を形成する孔形成工程を示す要部拡大断面図である。図3(a)は、絶縁性シート1、導電層2C´を示す。
【0027】
絶縁性シート1は、図1の絶縁性シート1と同様である。絶縁性シート1は、宇部興産のユーピレックス(商標)を用いている。導電層2C´は、銅箔からなる。導電層2C´の厚みは、例えば10μmである。導電層2C´は、絶縁性シート1の一方の面に形成されている。
【0028】
次に、図3(b)に示すように、本実施例におけるテーパー孔1Aの上方の直径は60〜100μmであり、下方の直径は40〜60μmである。例えば炭酸ガスレーザー又はYAGレーザーにより、テーパー孔1Aを180μmピッチで形成する。なお、テーパー孔1Aの大きさ又は形状は、例えばレーザーの照射条件によって適宜変更可能である。
【0029】
次に、図3(c)に示すように、例えばフォトエッチング剤を絶縁性シート1に塗布することにより、めっきレジスト6を形成する。そして、めっきレジスト6上に感光性ドライフィルムを貼り付け、露光現像することで孔6Aを形成する。めっきレジスト6の厚みは例えば50μmである。なお、孔6Aはテーパー孔1Aの断面積の大きい側と同様の開口面積を有する。
【0030】
次に、図3(d)に示すように、導電性突起2は、電極層2C´を電極として電解銅めっきをして導電性突起2を形成する。
【0031】
次に、図3(e)に示すように、導電層2C´をパターニングして、電極部2Cを形成する。
【0032】
次に、図3(f)に示すように、例えば有機溶剤によってめっきレジスト6を除去することにより、図1に示すような接続部材10が形成される。
【0033】
図4(a)〜図4(c)は、第2の実施例に係る半導体装置の製造工程の要部断面拡大図である。
【0034】
図4(a)は、回路基板3を準備する工程である。回路基板3は、例えばガラスエポキシ基板、ビルドアップ基板からなる。本実施例ではビルドアップ基板を用いており、熱膨張率は例えば12ppmである。回路基板3の一方の面には接続端子3Aが形成されている。接続端子3Aは例えば銅、ニッケルからなる。
【0035】
次に、図4(b)に示すように、接合部材10は、回路基板3の接続端子3Aと、図3(a)〜図3(f)の工程で作製した接合部材10の電極部2Cとを位置合わせする。接合端子3Aの表面には、図示しない半田が塗布してある。その後、リフロー処理を行い、半田5Aを介して接続端子3Aと電極部2Cとを電気的かつ機械的に接合する。
【0036】
次に、図4(c)に示すように、接合部材10の導電性突起2と半導体素子4の接続端子4Aとを位置合わせする。その後、リフロー処理を行い、半田5Bを介して接続端子4Aと導電性突起2とを電気的かつ機械的に接合する。このようにして、半導体装置20が形成される。
【0037】
なお、回路基板や半導体素子には接続方法や使用される環境により様々な規則があり、回路基板や半導体素子における接続端子の表面積が一定とは限らない。そこで、図3、図4に示すような半導体素子の表面に水平な面で切った柱状部の断面の断面積が一定である導電性突起を備える接続部材を用いれば、その断面積が小さい導電性突起を介して接続端子に接続する図1、図2に示すような構造を容易に実現できる。
【0038】
また、本発明に係る実装構造の製造方法及び半導体装置の製造方法によれば、導電性突起2を絶縁性シート1で保持した状態で形成できる。そのため、導電性突起2の製造時のハンドリング性を向上させることができ、かつ製造工程を簡略化できる。
【0039】
また、半導体素子4の表面に水平な面で切った柱状部2Aの断面の断面積は、半導体素子4の接続端子4Aの表面積よりも小さい。その柱状部2Aの断面の断面積は、回路基板3と半導体素子4を熱処理した際に実装面方向で異なる寸法変化を生じた際、導電性突起2が破壊されない程度に設計されている。そのため、接続端子3Aと導電性突起2との接触面積を低減でき、導電性突起2に印加される応力を低減させることができる。導電性突起2に印加される応力を低減させることができれば、実装信頼性を向上させることができる。
【0040】
なお、本発明は、上述した各実施形態に記載した構成に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形することが可能である。
(付記1)
半導体素子の接続端子に接続部材を介して回路基板と電気的に接続する実装構造であって、
前記接続部材は、
柱状部を有する導電性突起を有し、
前記半導体素子の表面に水平な面で切った前記柱状部の断面の断面積は、前記半導体素子の接続端子の表面積より小さいことを特徴とする実装構造。
(付記2)
前記導電性突起は、更に、テーパー部、電極部を有し、
前記テーパー部は、前記柱状部に接する端部から前記電極部に接続する端部に向けて小さくなる前記半導体素子の表面に水平な面で切った断面の断面積を有することを特徴とする付記1に記載の実装構造。
(付記3)
前記導電性突起と前記半導体素子は半田により接続されていることを特徴とする付記1又は付記2に記載の実装構造。
(付記4)
前記導電性突起は、絶縁性シートに担持されていることを特徴とする付記1乃至付記3のいずれかに記載の実装構造。
(付記5)
前記半導体素子の表面に水平な面で切った前記柱状部の断面の断面積は、前記導電性部材の弾性率を前記半田の弾性率で除した値に反比例することを特徴とする付記1乃至付記4のいずれかに記載の実装構造。
(付記6)
前記絶縁性シートの熱膨張率は、前記半導体素子の熱膨張率と前記回路基板の熱膨張率との値の間にあることを特徴とする付記1乃至付記5のいずれかに記載の実装構造。
(付記7)
半導体素子の接続端子に接続部材を介して回路基板と電気的に接続する実装構造の製造方法であって、
前記接続部材を形成する工程と、
前記接続部材と前記回路基板とを接続する工程と、
前記接続部材と前記半導体素子とを接続する工程と、からなり、
前記接続部材を形成する工程は、
絶縁層上に導電層を有する部材の前記絶縁層を貫通する導電性突起を形成する工程と、
前記導電層をパターニングして電極部を形成する工程と、
を有することを特徴とする実装構造の製造方法。
(付記8)
半導体素子の接続端子に接続部材を介して回路基板と電気的に接続する実装構造を有する半導体装置であって、
前記接続部材は、
柱状部を有する導電性突起を有し、
前記半導体素子の表面に水平な面で切った前記柱状部の断面の断面積は、前記半導体素子の接続端子と前記柱状部との接触面積より小さいことを特徴とする半導体装置。
(付記9)
前記導電性突起は、更に、テーパー部、電極部を有し、
前記テーパー部は、前記柱状部に接する端部から前記電極部に接続する端部に向けて小さくなる前記半導体素子の表面に水平な面で切った断面の断面積を有することを特徴とする付記8に記載の半導体装置。
(付記10)
前記導電性突起と前記半導体素子は半田により接続されていることを特徴とする付記8又は付記9に記載の半導体装置。
(付記11)
前記導電性突起は、絶縁性シートに担持されていることを特徴とする付記8乃至付記10のいずれかに記載の半導体装置。
(付記12)
前記半導体素子の表面に水平な面で切った前記柱状部の断面の断面積は、前記導電性部材の弾性率を前記半田の弾性率で除した値に反比例することを特徴とする付記8乃至付記11のいずれかに記載の半導体装置。
(付記13)
前記絶縁性シートの熱膨張率は、前記半導体素子の熱膨張率と前記回路基板の熱膨張率との値の間にあることを特徴とする付記8乃至付記12のいずれかに記載の半導体装置。
(付記14)
半導体素子の接続端子に接続部材を介して回路基板と電気的に接続する実装構造を有する半導体装置の製法方法であって、
前記接続部材を形成する工程と、
前記接続部材と前記回路基板とを接続する工程と、
前記接続部材と前記半導体素子とを接続する工程と、からなり、
前記接続部材を形成する工程は、
絶縁層上に導電層を有する部材の前記絶縁層を貫通する導電性突起を形成する工程と、
前記導電層をパターニングして電極部を形成する工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【図面の簡単な説明】
【0041】
【図1】第1の実施形態に係る接続部材の要部断面拡大図である。
【図2】第1の実施形態に係る半導体装置の要部拡大断面図である。
【図3】図3(a)〜図3(f)は、第2の実施形態に係る実装構造の製造工程の要部断面拡大図である。
【図4】図4(a)〜図4(c)は、第2の実施形態に係る半導体装置の製造工程の要部断面拡大図である。
【符号の説明】
【0042】
1 絶縁性シート
1A テーパー孔
2 導電性突起
2A 柱状部
2B テーパー部
2C 電極部
2C´ 電極層
3 回路基板
3A 接続端子
4 半導体素子
4A 接続端子
5A 半田
5B 半田
6 めっきレジスト
6A 孔
10 接続部材
20 半導体装置

【特許請求の範囲】
【請求項1】
半導体素子の接続端子に接続部材を介して回路基板と電気的に接続する実装構造であって、
前記接続部材は、
柱状部を有する導電性突起を有し、
前記半導体素子の表面に水平な面で切った前記柱状部の断面の断面積は、前記半導体素子の接続端子の表面積より小さいことを特徴とする実装構造。
【請求項2】
前記導電性突起は、更に、テーパー部、電極部を有し、
前記テーパー部は、前記柱状部に接する端部から前記電極部に接続する端部に向けて小さくなる前記半導体素子の表面に水平な面で切った断面の断面積を有することを特徴とする請求項1に記載の実装構造。
【請求項3】
前記導電性突起と前記半導体素子は半田により接続されていることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の実装構造。
【請求項4】
前記導電性突起は、絶縁性シートに担持されていることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の実装構造。
【請求項5】
前記半導体素子の表面に水平な面で切った前記柱状部の断面の断面積は、前記導電性部材の弾性率を前記半田の弾性率で除した値に反比例することを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれかに記載の実装構造。
【請求項6】
前記絶縁性シートの熱膨張率は、前記半導体素子の熱膨張率と前記回路基板の熱膨張率との値の間にあることを特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれかに記載の実装構造。
【請求項7】
半導体素子の接続端子に接続部材を介して回路基板と電気的に接続する実装構造の製造方法であって、
前記接続部材を形成する工程と、
前記接続部材と前記回路基板とを接続する工程と、
前記接続部材と前記半導体素子とを接続する工程と、からなり、
前記接続部材を形成する工程は、
絶縁層上に導電層を有する部材の前記絶縁層を貫通する導電性突起を形成する工程と、
前記導電層をパターニングして電極部を形成する工程と、
を有することを特徴とする実装構造の製造方法。
【請求項8】
半導体素子の接続端子に接続部材を介して回路基板と電気的に接続する実装構造を有する半導体装置であって、
前記接続部材は、
柱状部を有する導電性突起を有し、
前記半導体素子の表面に水平な面で切った前記柱状部の断面の断面積は、前記半導体素子の接続端子と前記柱状部との接触面積より小さいことを特徴とする半導体装置。
【請求項9】
前記導電性突起は、更に、テーパー部、電極部を有し、
前記テーパー部は、前記柱状部に接する端部から前記電極部に接続する端部に向けて小さくなる前記半導体素子の表面に水平な面で切った断面の断面積を有することを特徴とする請求項8に記載の半導体装置。
【請求項10】
半導体素子の接続端子に接続部材を介して回路基板と電気的に接続する実装構造を有する半導体装置の製法方法であって、
前記接続部材を形成する工程と、
前記接続部材と前記回路基板とを接続する工程と、
前記接続部材と前記半導体素子とを接続する工程と、からなり、
前記接続部材を形成する工程は、
絶縁層上に導電層を有する部材の前記絶縁層を貫通する導電性突起を形成する工程と、
前記導電層をパターニングして電極部を形成する工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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