説明

半導体装置の製造方法、半導体装置、及び半導体素子

【課題】はんだによる短絡不良を低減すること。
【解決手段】半導体素子10の一主面には複数の電極パッド11が、半導体素子10の外周に沿って矩形枠状に配列されている。各電極パッド11には、柱状の電極端子13が立設されている。各々の電極端子13の中心軸L1は、電極パッド11の中心から、電極パッド11の配列方向と直交する方向に沿って半導体素子10の外側にずれた位置に形成されている。半導体素子10が実装される配線基板20には、半導体素子10の電極パッド11と対応する複数の接続パッド22が形成されている。各接続パッド22の中心L2は、半導体素子10の電極パッド11の中心と略一致する。また、各接続パッド22は、配列方向と直交する方向、即ち半導体素子10の外周と直交する方向に沿って延びる矩形状に形成されている。電極端子13は接続パッド22にはんだ30により電気的に接続される。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
半導体装置の製造方法、半導体装置、及び半導体素子に関する。
【背景技術】
【0002】
小型化及び高機能化された電子機器に組み込まれる半導体装置は、小型化、高密度化、多端子化されている。このため、その半導体装置は、高い信頼性が要求されている。この半導体装置は、一般に配線基板に接続される端子を有している。この端子は、半導体チップの小型化及び高密度化に要求に従って、小型化及び高密度化されている。
【0003】
半導体チップの実装方法としてはフリップチップ実装が多く用いられている(例えば、特許文献1参照)。このフリップチップ実装は、半導体チップに突起状の電極端子(バンプ)を形成しておき、配線基板のチップ実装面側の保護膜(ソルダレジスト層)から露出させたパッドに、はんだ等の導電性材料を用いて上記バンプを直接電気的に接合させる方法である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開平11−186322号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
ところが、近年の小型化及び高精度化された半導体装置の場合には、バンプピッチの狭小化に伴ってパッドピッチが狭くなるため、隣合うパッドがはんだにより互いに接続される、いわゆるはんだブリッジなどの不良が発生する。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明の一観点によれば、複数の電極パッドが外周に沿って矩形枠状に配列された半導体素子と、前記半導体素子の各々の電極パッドに対応して形成された複数の接続パッドを有する配線基板と、を有する半導体装置の製造方法であって、前記複数の接続パッドは、対応する前記電極パッドの配列方向と直交する方向に沿って延びる矩形状に形成され、前記複数の接続パッドの上面に、中央部が膨出するようにはんだを披着し、前記半導体素子の電極パッドに立設されて前記接続パッドと接続される柱状の電極端子を、前記電極端子の中心軸が前記接続パッド上のはんだの頂点から前記接続パッドの長手方向の何れか一方にずれた位置で接続するように前記電極パッド上に形成し、前記接続パッドに前記電極端子を前記はんだにより電気的に接続する。
【発明の効果】
【0007】
本発明の一観点によれば、はんだによる短絡不良を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【図1】(a)は半導体装置の概略平面図、(b)は概略断面図である。
【図2】(a)(b)は半導体素子と配線基板の接続を示す説明図である。
【図3】(a)(b)は半導体素子と配線基板の接続を示す説明図である。
【図4】(a)(b)は半導体素子と配線基板の接続を示す説明図である。
【図5】(a)は別の半導体装置の概略平面図、(b)は概略断面図である。
【図6】(a)は別の半導体装置の概略平面図、(b)は概略断面図である。
【図7】(a)(b)は別の半導体装置の概略平面図である。
【発明を実施するための形態】
【0009】
以下、一実施形態を図1〜図4に従って説明する。
図1(a)及び図1(b)に示すように、半導体素子10は、配線基板20の上面(図1(b)参照)に実装されている。
【0010】
図1(a)に示すように、半導体素子10は、一主面(例えば、回路素子が形成された面:図1(b)において下面)に複数の電極パッド11が形成されている。これら複数の電極パッド11は、ペリフェラル配置、つまり、半導体素子10の外周に沿って環状に配置されている。各電極パッド11は、例えば平面視正方形状に形成されている。各電極パッド11は、例えばアルミニウムの薄膜により形成されている。また、半導体素子10の一主面には保護膜(パッシベーション膜)12が形成されている。保護膜12には、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜などが用いられる。
【0011】
図1(b)に示すように、各電極パッド11には、柱状の電極端子(ピラー)13がそれぞれ立設されている。図1(a)に示すように、各電極端子13は、例えば円柱状に形成されている。例えば、電極パッド11は、一辺が50ミクロン(μm)の正方形状に形成され、電極端子13の直径は20ミクロン(μm)である。なお、図1(a)において、電極パッド11及び電極端子13を、後述する配線基板20の部材との区別を容易にするために実線で示している。
【0012】
図1(b)に示すように、電極端子13は、電極パッド11の上面(図では下面)に形成されたバリア層14(UBM:Under Barrier Metal)と、バリア層14の上面(図では下面)に形成された金属端子部15を有している。バリア層14は、例えばチタン(Ti)(又はチタンとタングステン(W)の合金)/銅(Cu)である。バリア層14は、例えばめっき法により形成される。金属端子部15は、例えば銅である。金属端子部15は、例えばめっき法により形成される。
【0013】
配線基板20は、板状に形成された基板本体21を含む。基板本体21は、例えばエポキシ系の絶縁樹脂により形成されている。基板本体21の上面(チップ搭載面:図1(b)において上面)には、複数の接続パッド22が形成されている。接続パッド22の材料は、例えば銅である。図1(a)に示すように、複数の接続パッド22は、接続対称である半導体素子10の電極パッド11に対応して、電極パッド11の配列方向に沿って矩形環状に配列されている。
【0014】
各接続パッド22は、半導体素子10の電極パッド11の配列方向と直交する方向に沿って延びる平面視長方形状に形成されている。各接続パッド22の幅(接続パッド22の配列方向の長さであって、半導体素子10の辺と平行な方向における長さ)は、電極端子13の大きさ(直径)に対応して設定されている。例えば、接続パッド22の幅は、電極端子13の直径よりも僅かに大きく設定されている。例えば、上記したように、直径が20ミクロン(μm)の電極端子13に対して、接続パッド22の幅は22ミクロン(μm)に設定されている。なお、接続パッド22の長さ(接続パッド22の配列方向と直交する方向の長さ)は、例えば100ミクロン(μm)である。
【0015】
各接続パッド22は、基板本体21の上面に形成された配線23と接続されている。なお、図示しないが、配線基板20は、半導体素子10を他の素子と接続するための配線やビアを有している。なお、配線基板20を、半導体素子10と他の配線基板とを接続するための基板(パッケージの基板)としてもよい。
【0016】
図1(b)に示すように、基板本体21の上面には、保護膜(ソルダレジスト層)24が形成されている。保護膜24の材料は、例えばエポキシ系の絶縁性樹脂である。図1(a)に示すように、保護膜24には、半導体素子10の外形形状に対応する矩形枠状の開口部24aが形成され、その開口部24aから接続パッド22が露出している。
【0017】
図1(a)に示すように、各接続パッド22の長手方向中心は、半導体素子10の電極パッド11の中心と一致するように形成されている。そして、電極端子13の中心軸L1は、接続パッド22の中心L2に対して、各接続パッド22の配列方向と直交する方向、即ち半導体素子10の各辺と直交する方向に偏在するように形成されている。例えば、電極端子13は、電極パッド11の中心に対して、半導体素子10の各辺側にずれて形成されている。配線基板20において、各接続パッド22の長手方向中心L2は、半導体素子10の電極パッド11の中心と一致するように形成されている。従って、電極端子13の中心軸L1は、接続パッド22の長手方向中心L2から、各接続パッド22の端部側にずれている。
【0018】
図1(b)に示すように、半導体素子10の電極端子13と配線基板20の接続パッド22は、はんだ30により互いに接続されている。はんだ30は、例えばスズ(Sn)と銀(Ag)の合金である。なお、はんだ30に、スズと亜鉛(Zn)の合金、等を用いることもできる。各接続パッド22上のはんだ30は、接続パッド22と電極端子13の相対的な位置関係に応じた形状に形成される。上記したように、電極端子13は、接続パッド22の中心L2から半導体素子10の各辺側にシフトした位置に形成されている。これに対し、はんだ30の形状は、電極端子13より外側の部分30aの脹らみより、電極端子13より内側の部分30bの膨らみが大きい。
【0019】
次に、上記の半導体素子10及び配線基板20における作用を説明する。
図2(a)及び図3(a)に示すように、電極パッド11上に立設された電極端子13の先端面には、略半球状のはんだ31が形成される。はんだ31は、例えば、半田リフロー処理により形成される。
【0020】
一方、配線基板20の接続パッド22の上面には、中央部が膨出した、所謂ドーム形状のはんだ32が形成される。このはんだ32は、接続パッド22の上面に形成されたはんだ32の母材を溶融した際、表面張力により、溶融したはんだが接続パッド22の上面に集まる。これにより、頂点が接続パッド22の中心L2と略一致するはんだ32が形成される。また、はんだ32の形成に、例えば、スーパージャフィット(登録商標)法を用いることができる。
【0021】
次に、半導体素子10と配線基板20とを相対的に位置合せする。そして、半導体素子10を配線基板20に対して所定の圧力で押し付け、半田リフロー処理を行う。この半田リフロー処理により、電極端子13先端のはんだ31と、接続パッド22上面のはんだ32は溶融する。このとき、はんだ32の頂点と、電極端子13の位置(中心位置)がずれているため、接続パッド22上面のはんだ32は、電極端子13を押し下げる力により、電極端子13のずれと反対方向に移動する。
【0022】
図1(a)に示すように、接続パッド22は、配列方向と直交する方向に沿って延びる長方形状に形成されている。そして、電極端子13の中心軸L1は、接続パッド22の中心L2から、その接続パッド22が延びる方向に沿って、半導体素子10の各辺側にずれている。従って、接続パッド22上面のはんだ32は、接続パッド22が延びる方向に沿って、半導体素子10の中心側に向って移動する。
【0023】
そして、はんだ31とはんだ32を硬化させることにより、図2(b)に示すように、電極端子13より内側の部分30bが、電極端子13より外側の部分30aよりも膨らんだはんだ30が形成される。図3(b)に示すように、このはんだ30は、接続パッド22の配列方向の突出する部分が少ない。これは、溶融したはんだ32が電極端子13より半導体素子10の内側に向って移動するためである。これにより、隣合う2つの接続パッド22間におけるはんだによる短絡不良の発生を低減する。
【0024】
なお、はんだ32の頂点と、電極端子13の中心軸L1が一致している場合、溶融したはんだ31,32は、電極端子13及び接続パッド22の面に沿って移動するため、接続パッド22の配列方向の突出量が多くなる。この配列方向に突出したはんだは、隣合う2つの接続パッド22で相互に接続され、はんだによる短絡不良が発生する。
【0025】
ところで、1つの半導体素子10に形成された複数の電極端子13の長さは、製造工程においてばらつく場合がある。例えば、図4(a)に示すように、1つの半導体素子10に形成された電極端子13aの長さLaに対し、同じ半導体素子10に形成された電極端子13bの長さLbがΔLだけ短い場合がある。各電極端子13a,13bには、はんだ31a,31bがそれぞれ形成される。
【0026】
電極端子13aに対応する接続パッド22a上面にははんだ32aが形成される。そして、図4(a)に示すように、電極端子13aと接続パッド22aは、はんだ33aにより、電気的に互いに接続される。同様に、電極端子13bに対応する接続パッド22b上面にははんだ32bが形成される。この場合、電極端子13aにより逃げるはんだ32aの量に対し、電極端子13bにより逃げるはんだ32bの量が少なくなる。しかし、電極端子13bと接続パッド22bとの間に、はんだ31b,32bが残存する。このため、図4(b)に示すように、電極端子13bと接続パッド22bは、はんだ33bにより、電気的に互いに接続される。
【0027】
以上記述したように、本実施形態によれば、以下の効果を奏する。
(1)半導体素子10の一主面には複数の電極パッド11が、半導体素子10の外周に沿って矩形枠状に配列されている。各電極パッド11には、柱状の電極端子13が立設されている。各電極端子13の中心軸L1は、電極パッド11の中心から、電極パッド11の配列方向と直交する方向に沿って半導体素子10の外側にずれた位置に形成されている。半導体素子10が実装される配線基板20には、半導体素子10の電極パッド11と対応する複数の接続パッド22が形成されている。各接続パッド22の中心L2は、半導体素子10の電極パッド11の中心と略一致する。また、各接続パッド22は、配列方向と直交する方向、即ち半導体素子10の外周と直交する方向に沿って延びる矩形状に形成されている。
【0028】
各接続パッド22の上面には、中央部が膨出するようにはんだ32が披着され、このはんだ32の頂点に対し、電極端子13はずれた位置に形成されている。従って、配線基板20に半導体素子10を実装する際に、頂点とずれた位置に形成された電極端子13により、その電極端子13のずれと反対方向に移動する。これにより、接続パッド22の配列方向、即ち、隣合う接続パッド22の方向にはみだすはんだ30の量が少なくなる。このため、はんだ30により隣合う接続パッド22が互いに電気的に接続される短絡不良を低減することができる。
【0029】
(2)各電極端子13の先端面にははんだ31が形成される。この電極端子31に形成されたはんだ31と、接続パッド22上面に披着したはんだ32とが半田リフロー処理により互いに融合してはんだ30が形成される。このはんだ30の量は、電極端子13と接続パッド22を互いに接続するのに必要なはんだ量よりも多い。
【0030】
めっき法により形成される電極端子13は、長さにばらつきが生じる。従って、電極端子13aよりも短い電極端子13bの場合、電極端子13bと接続パッド22bの間に、はんだ31b,32bが残存し、これらによるはんだ30bにより、電極端子13bと接続パッド22bが電気的に接続される。このように、長さにばらつきが生じる電極端子13a,13bは、それぞれに対応する接続パッド22a,22bと接続される。従って、ばらつきによる接続不良を低減することができる。
【0031】
(3)各電極端子13は、電極パッド11の中心から、半導体素子10の外側に向ってずれた位置に形成されている。そして、電極端子13先端のはんだ31と接続パッド22上のはんだ32を溶融して電極端子13と接続パッド22とをはんだ30により互いに接続する。はんだ31,32を溶融する際に、はんだの表面張力等は、はんだ32の中心、即ち接続パッド22の中心L2に、電極端子13の中心軸L1を一致させるように作用する。しかし、全ての電極端子13が半導体素子10の外側にずれている。このため、1つの辺に沿って配列された電極端子13に加わる力の方向と、その辺と対向する辺に沿って配列された電極端子13に加わる力の方向は、互いに逆方向である。従って、対向する辺に沿ってそれぞれ配列された電極端子13に作用する力が相殺される。このため、電極端子13は移動しないので、上記のはんだ30の移動が制限されることはない。
【0032】
(4)電極端子13の外形(直径)は、接続パッド22の幅と略等しく設定されている。そして、電極端子13先端のはんだ31と接続パッド22上のはんだ32を溶融して電極端子13と接続パッド22とをはんだ30により互いに接続する。はんだ31,32を溶融する際に、はんだの表面張力等は、はんだ32の中心、即ち接続パッド22の中心L2に、電極端子13の中心軸L1を一致させるように作用する。しかし、電極端子13の外形(直径)は、接続パッド22の幅と略等しく設定されているため、接続パッド22の幅方向に対する電極端子13の移動を制限することができる。
【0033】
尚、上記各実施形態は、以下の態様で実施してもよい。
・上記実施形態に対し、電極端子のずれ量、ずれの方向を適宜変更してもよい。
例えば、図5(a)に示すように、半導体素子10aの電極端子13の中心軸は、電極パッド11の中心から、半導体素子10aの外側方向に、電極端子13の半径分ずれた位置に形成されている。なお、電極パッド11の中心に対する電極端子13の中心軸のずれ量を、電極端子13の半径分より大きく設定してもよい。このように配置された電極端子13は、上記実施形態と同様に、図5(b)に示すように、配線基板20の接続パッド22上面に形成されたはんだを、半導体素子10aの内側方向に移動させる。これにより、隣合う2つの接続パッド22間におけるはんだによる短絡不良の発生を低減する。
【0034】
また、図6(a)に示すように、半導体素子10bの電極端子13の中心軸は、電極パッド11の中心から、半導体素子10bの内側方向に、電極端子13の半径分ずれた位置に形成されている。なお、電極パッド11の中心に対する電極端子13の中心軸のずれ量を、電極端子13の半径分より大きく設定してもよい。このように配置された電極端子13は、上記実施形態と同様に、図6(b)に示すように、配線基板20の接続パッド22上面に形成されたはんだを、半導体素子10bの外側方向に移動させる。これにより、隣合う2つの接続パッド22間におけるはんだによる短絡不良の発生を低減する。
【0035】
また、図7(a)に示すように、半導体素子10cの対向する一対の辺(図において上下方向に延びる辺)に沿って配列された電極端子13の中心軸は、電極パッド11の中心から、半導体素子10cの外側方向に、電極端子13の半径分ずれた位置に形成されている。また、上記と異なる一対の辺(図において左右方向に延びる辺)に沿って配列された電極端子13の中心軸は、電極パッド11の中心から、半導体素子10cの内側方向に、電極端子13の半径分ずれた位置に形成されている。なお、電極パッド11の中心に対する電極端子13の中心軸のずれ量を、電極端子13の半径分より大きく設定してもよい。このように配置された電極端子13は、上記実施形態と同様に、接続パッド22上面に形成されたはんだを、接続パッド22の中心に対してずれの方向と反対方向に移動させる。これにより、隣合う2つの接続パッド22間におけるはんだによる短絡不良の発生を低減する。
【0036】
また、図7(b)に示すように、半導体素子10dの各辺に沿って配列された電極端子13において、隣合う電極端子13の中心軸は、電極パッド11の中心に対して互いに逆方向にずれた位置に形成されている。従って、隣合う2つの電極端子13は、接続パッド22上面に形成されたはんだを、互いに逆方向に移動させる。これにより、隣合う2つの接続パッド22間におけるはんだによる短絡不良の発生を低減する。また、例えば接続パッド22と電極端子13にそれぞれ形成されたはんだの量のばらつきによって接続パッド22の配列方向にはんだがはみだしても、隣合う接続パッド22においてはんだの移動方向が異なり、はんだが接続パッド22から突出する位置が半導体素子10dの内側と外側とにずれている。このため、隣合う接続パッド22からはみ出したはんだ同士が互いに接続されることが低減される。
【0037】
また、図7(b)に示すように配置され、隣合う2つの電極パッド11にそれぞれ形成された電極端子13の間隔は、同一方向にずらした電極端子13の間隔よりも広い。従って、隣合う接続パッド22からはみ出したはんだ同士が互いに接続されることが低減される。
【0038】
・上記実施形態に対し、半導体素子の各辺側に配列されたパッドの数は、辺毎に異なるように設定してもよい。
対向する2つの辺に沿って配列されたパッドの数が互いに異なる場合、各々の電極端子13に働く引っ張り力(表面張力)が不均等となる。しかし、電極端子13が接続パッド22上に披着したはんだの頂点から何れか一方側にずれて形成される状態が保たれるのであれば、上記実施形態と同様の効果が得られる。
【0039】
そして、各辺側の電極端子13が図7(b)に示すように千鳥配置され、各辺に偶数個の電極パッド11及び電極端子13が形成された半導体装置では、各辺において電極端子13に働く引っ張り力(表面張力)が相殺されるため、引っ張り力(表面張力)に不均等が生じないため、電極端子13の移動を抑制することが可能となる。
【0040】
・上記実施形態に対し、電極端子13先端のはんだ31を省略してもよい。
・上記実施形態では、電極端子13を円柱状としたが、矩形柱状に形成してもよい。また、多角形柱状としてもよい。
【符号の説明】
【0041】
10,10a〜10d 半導体素子
11 電極パッド
13 電極端子
20 配線基板
22 接続パッド
30〜32 はんだ
L1 中心軸
L2 中心

【特許請求の範囲】
【請求項1】
複数の電極パッドが外周に沿って矩形枠状に配列された半導体素子と、前記半導体素子の各々の電極パッドに対応して形成された複数の接続パッドを有する配線基板と、を有する半導体装置の製造方法であって、
前記複数の接続パッドは、対応する前記電極パッドの配列方向と直交する方向に沿って延びる矩形状に形成され、
前記複数の接続パッドの上面に、中央部が膨出するようにはんだを披着し、
前記半導体素子の電極パッドに立設されて前記接続パッドと接続される柱状の電極端子を、前記電極端子の中心軸が前記接続パッド上のはんだの頂点から前記接続パッドの長手方向の何れか一方にずれた位置で接続するように前記電極パッド上に形成し、
前記接続パッドに前記電極端子を前記はんだにより電気的に接続する、
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項2】
前記電極端子の先端面にはんだを形成し、
前記接続パッド上のはんだと、前記電極端子先端のはんだとにより、前記接続パッドに前記電極端子を接続する、
ことを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。
【請求項3】
複数の前記電極端子を、前記電極パッドの中心から、前記半導体素子の外側にずれた位置に形成する、ことを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項4】
複数の前記電極端子を、前記電極パッドの中心から、前記半導体素子の内側にずれた位置に形成する、ことを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項5】
隣合う2つの前記電極端子を、互いに異なる方向にずれた位置に形成する、ことを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項6】
複数の電極パッドが外周に沿って矩形枠状に配列された半導体素子と、
前記半導体素子の各々の電極パッドに対応し、対応する前記電極パッドの配列方向と直交する方向に沿って延びる矩形状に形成された複数の接続パッドを有する配線基板と、
前記半導体素子の電極パッドに接続され、その中心軸が前記電極パッドの中心から前記電極パッドの配列方向と直交する方向に沿って、内側と外側の何れか一方にずれた位置に形成された柱状の電極端子と、
前記接続パッドと前記電極端子とを互いに電気的に接続する前記はんだと、
を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項7】
複数の前記電極端子は、前記電極パッドの中心から、前記半導体素子の外側にずれた位置に形成された、ことを特徴とする請求項6記載の半導体装置。
【請求項8】
複数の前記電極端子は、前記電極パッドの中心から、前記半導体素子の内側にずれた位置に形成された、ことを特徴とする請求項6記載の半導体装置。
【請求項9】
隣合う2つの前記電極端子は、互いに異なる方向にずれた位置に形成された、ことを特徴とする請求項6記載の半導体装置。
【請求項10】
外周に沿って矩形枠状に配列された複数の電極パッドと、
前記電極パッドに接続され、前記電極パッドの中心から、前記電極パッドの配列方向と直交する方向に沿って、内側と外側の何れか一方にずれた位置に形成された柱状の電極端子と、
を有することを特徴とする半導体素子。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【公開番号】特開2013−115205(P2013−115205A)
【公開日】平成25年6月10日(2013.6.10)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−259423(P2011−259423)
【出願日】平成23年11月28日(2011.11.28)
【出願人】(000190688)新光電気工業株式会社 (1,516)
【Fターム(参考)】