特許 6130312 半導体装置及びその製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6130312

(24)【登録日】2017年4月21日

(45)【発行日】2017年5月17日

(54)【発明の名称】半導体装置及びその製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/60 20060101AFI20170508BHJP

   H01L 23/12 20060101ALI20170508BHJP

   H05K 3/34 20060101ALI20170508BHJP

【ＦＩ】

   H01L21/60 311S

   H01L21/92 602R

   H01L23/12 501B

   H05K3/34 501E

【請求項の数】11

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2014-23101(P2014-23101)

(22)【出願日】2014年2月10日

(65)【公開番号】特開2015-149459(P2015-149459A)

(43)【公開日】2015年8月20日

【審査請求日】2016年9月15日

(73)【特許権者】

【識別番号】000190688

【氏名又は名称】新光電気工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100091672

【弁理士】

【氏名又は名称】岡本 啓三

(72)【発明者】

【氏名】大井 淳

(72)【発明者】

【氏名】大竹 智史

【審査官】 堀江 義隆

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００６−２７９０６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−３０５７９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−４４３１９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２１／６０

Ｈ０１Ｌ ２３／１２

Ｈ０５Ｋ ３／３４

Ｈ０１Ｌ ２５／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

基端の幅が先端の幅よりも細い逆台形状の断面形状を有する第１の電極を備えた配線基板と、
基端の幅が先端の幅よりも細い逆台形状の断面形状を有する第２の電極を備えた半導体チップと、
対向する前記第１の電極の先端と前記第２の電極の先端とを接合する金属接合材と、
前記配線基板と前記半導体チップとの間に充填され、前記第１の電極及び前記第２の電極の各側面と前記金属接合材の側面とを被覆する第１のアンダーフィル樹脂と
を有することを特徴とする半導体装置。

【請求項2】

前記金属接合材ははんだ層からなり、前記はんだ層は前記第１の電極及び前記第２の電極の各側面を被覆しないように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。

【請求項3】

前記半導体チップの第２の電極の高さは、前記配線基板の第１の電極の高さよりも高いことを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。

【請求項4】

前記配線基板の第１の電極は、パッド状の電極であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の半導体装置。

【請求項5】

前記配線基板の第１の電極は、延在する配線層の一部分に画定された電極部であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の半導体装置。

【請求項6】

前記半導体チップの横方向の前記配線基板の上に配置され、前記半導体チップの高さ位置よりも高さの高いバンプ電極と、
前記半導体チップの上に配置され、前記バンプ電極に電気的に接続された上側配線基板と、
前記半導体チップと前記上側配線基板の間、及び前記配線基板と前記上側配線基板との間に形成された第２のアンダーフィル樹脂とを有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の半導体装置。

【請求項7】

基端の幅が先端の幅よりも細い逆台形状の断面形状を有する第１の電極を備えた配線基板を用意する工程と、
前記配線基板の前記第１の電極が形成された面に封止樹脂材を形成する工程と、
基端の幅が先端の幅よりも細い逆台形状の断面形状を有する第２の電極を備えた半導体チップを用意し、前記半導体チップの第２の電極を前記封止樹脂材に押し込み、前記配線基板の第１の電極に金属接合材を介して圧接させる工程と、
加熱処理することにより、前記半導体チップの第２の電極を前記金属接合材によって前記配線基板の第１の電極に接合すると共に、前記配線基板と前記半導体チップとの間に前記封止樹脂材から形成されるアンダーフィル樹脂を充填する工程と
を有し、
前記第１の電極及び前記第２の電極の各側面と前記金属接合材の側面とが前記アンダーフィル樹脂で被覆されることを特徴とする半導体装置の製造方法。

【請求項8】

前記アンダーフィル樹脂を形成する工程において、前記金属接合材ははんだ層から形成され、
前記加熱処理は、前記はんだ層の融点よりも低い温度で行なわれることを特徴とする請求項７に記載の半導体装置の製造方法。

【請求項9】

前記半導体チップの第２の電極の高さは、前記配線基板の第１の電極の高さよりも高いことを特徴とする請求項７又は８に記載の半導体装置の製造方法。

【請求項10】

前記配線基板の第１の電極は、パッド状の電極であることを特徴とする請求項７乃至９のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。

【請求項11】

前記配線基板の第１の電極は、延在する配線層の一部分に画定された電極部であることを特徴とする請求項７乃至９のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。

【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、半導体装置の高性能化に伴って実装技術の高密度化が進められている。半導体チップを配線基板に接続する技術としてフリップチップ実装が広く使用されている。フリップチップ実装では、まず、配線基板の電極に半導体チップの電極がはんだを介してフリップチップ接続される。その後に、半導体チップと配線基板との間にアンダーフィル樹脂が充填される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開平７−２１１７２２号公報

【特許文献2】特開２０１３−１８７３５３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

後述する予備的事項の欄で説明するように、半導体チップの電極がはんだ層を介して配線基板の電極にフリップチップ接続され、それらの間にアンダーフィル樹脂が充填された半導体装置がある。

【0005】

そのような半導体装置では、熱応力などが発生すると、アンダーフィル樹脂と半導体チップ及び配線基板との各界面で剥離が発生しやすく、半導体チップと配線基板との電気的な接続の十分な信頼性が得られない課題がある。

【0006】

半導体チップの電極が配線基板の電極にフリップチップ接続され、それらの間にアンダーフィル樹脂が形成された半導体装置及びその製造方法において、電気的な接続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】

【0007】

以下の開示の一観点によれば、基端の幅が先端の幅よりも細い逆台形状の断面形状を有する第１の電極を備えた配線基板と、基端の幅が先端の幅よりも細い逆台形状の断面形状を有する第２の電極を備えた半導体チップと、対向する前記第１の電極の先端と前記第２の電極の先端とを接合する金属接合材と、前記配線基板と前記半導体チップとの間に充填され、前記第１の電極及び前記第２の電極の各側面と前記金属接合材の側面とを被覆する第１のアンダーフィル樹脂とを有する半導体装置が提供される。

【0008】

また、その開示の他の観点によれば、基端の幅が先端の幅よりも細い逆台形状の断面形状を有する第１の電極を備えた配線基板を用意する工程と、前記配線基板の前記第１の電極が形成された面に封止樹脂材を形成する工程と、基端の幅が先端の幅よりも細い逆台形状の断面形状を有する第２の電極を備えた半導体チップを用意し、前記半導体チップの第２の電極を前記封止樹脂材に押し込み、前記配線基板の第１の電極に金属接合材を介して圧接させる工程と、加熱処理することにより、前記半導体チップの第２の電極を前記金属接合材によって前記配線基板の第１の電極に接合すると共に、前記配線基板と前記半導体チップとの間に前記封止樹脂材から形成されるアンダーフィル樹脂を充填する工程とを有し、前記第１の電極及び前記第２の電極の各側面と前記金属接合材の側面とが前記アンダーフィル樹脂で被覆される半導体装置の製造方法が提供される。

【発明の効果】

【0009】

以下の開示によれば、配線基板の第１の電極の上に金属接合材によって半導体チップの第２の電極が接合されている。配線基板と半導体チップとの間にアンダーフィル樹脂が充填されており、配線基板の第１の電極及び半導体チップの第２の電極の各側面と金属接合材の側面とがアンダーフィル樹脂で被覆されている。

【0010】

配線基板の第１の電極及び半導体チップの第２の電極は、断面形状の幅が先端から基端に向かって細くなる逆台形状となっているため、アンダーフィル樹脂に対してくさびの役割を果たす。

【0011】

これにより、半導体チップ及び配線基板とアンダーフィル樹脂との各界面で剥離が発生することが防止され、電気的な接続の信頼性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】図１は予備的事項に係る半導体装置を示す断面図である。

【図2】図２（ａ）〜（ｃ）は実施形態の半導体装置の製造方法を示す断面図（その１）である。

【図3】図３（ａ）〜（ｃ）は実施形態の半導体装置の製造方法を示す断面図（その２）である。

【図4】図４（ａ）及び（ｂ）は実施形態の半導体装置の製造方法を示す断面図（その３）である。

【図5】図５（ａ）〜（ｃ）は実施形態の半導体装置の製造方法を示す断面図（その４）である。

【図6】図６（ａ）〜（ｄ）は実施形態の半導体装置の製造方法を示す断面図（その５）である。

【図7】図７（ａ）及び（ｂ）は実施形態の半導体装置の製造方法を示す断面図及び平面図（その６）である。

【図8】図８（ａ）及び（ｂ）は実施形態の半導体装置の製造方法を示す断面図及び平面図（その７）である。

【図9】図９は実施形態の半導体装置の製造方法を示す断面図（その８）である。

【図10】図１０は実施形態の半導体装置の製造方法を示す断面図（その９）である。

【図11】図１１は実施形態の半導体装置の製造方法を示す断面図（その１０）である。

【図12】図１２は実施形態の半導体装置を示す断面図（その１）である。

【図13】図１３は実施形態の半導体装置を示す断面図（その２）である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、実施の形態について、添付の図面を参照して説明する。

【0014】

実施形態を説明する前に、基礎となる予備的事項について説明する。図１は予備的事項に係る半導体装置を示す断面図である。

【0015】

図１に示すように、予備的事項に係る半導体装置は配線基板１００とその上に搭載された半導体チップ２００とを有する。配線基板１００の上面には、銅などからなる接続電極１２０が形成されている。

【0016】

また、半導体チップ２００の下面には、接続パッドＰに接続された銅などからなる柱状電極２２０が形成されている。

【0017】

そして、半導体チップ２００の柱状電極２２０がはんだ層２４０を介して配線基板１００の接続電極１２０にフリップチップ接続されている。さらに、半導体チップ２００と配線基板１００との間にアンダーフィル樹脂３００が充填されている。

【0018】

そのような半導体装置に対して、信頼性試験として、温度：６０℃、湿度：６０％の条件で４０時間吸湿させた後に、温度：２６０℃でリフロー加熱を行う吸湿リフロー試験と、温度：１３０°、湿度：８５％の条件の高温高湿試験とが行われる。その結果によれば、アンダーフィル樹脂３００と半導体チップ２００との界面、及びアンダーフィル樹脂３００と配線基板１００との界面で剥離が発生しやすい。

【0019】

このため、半導体チップ２００と配線基板１００との電気的な接続の十分な信頼性が得られなくなる。

【0020】

これは、半導体装置をマザーボードなどの実装基板に加熱処理を伴ってリフローはんだ付けする際や半導体装置を内蔵する電子機器を実際に使用する際に不具合が発生しやすいことを意味する。

【0021】

上記した不具合は、半導体装置が加熱処理されると内部の材料の熱膨張係数の差によって熱応力が発生することに起因する。

【0022】

予備的事項に係る半導体装置では、半導体チップ２００の柱状電極２２０の側面が垂直方向に配置されたストレート形状である。また、配線基板１００の接続電極１２０においても、側面が垂直方向に配置されたストレート形状となっている。

【0023】

このため、半導体チップ２００及び配線基板１００に上下側に変形させるような熱応力がかかると、半導体チップ２００の柱状電極２２０及び配線基板１００の接続電極１２０がアンダーフィル樹脂３００から抜けやすい。その結果、半導体チップ２００及び配線基板１００とアンダーフィル樹脂３００との界面で剥離が発生する。

【0024】

以下に説明する実施形態の半導体装置は、前述した不具合を解消することができる。

【0025】

（実施形態）
図２〜図１１は実施形態の半導体装置の製造方法を示す図、図１２は実施形態の半導体装置を示す図である。以下、半導体装置の製造方法を説明しながら、半導体装置の構造について説明する。

【0026】

最初に、実施形態の半導体装置の製造方法で使用される柱状電極を備えた半導体チップを製造する方法について説明する。図２（ａ）に示すように、まず、半導体ウェハ１０を用意する。半導体ウェハ１０の代表的な例として、シリコンウェハが使用される。

【0027】

半導体ウェハ１０の表層には、不図示のトランジスタ、キャパシタ及び抵抗などの各種の素子が形成されており、それらが多層配線に接続されて電子回路が作り込まれている。

【0028】

そして、半導体ウェハ１０の最上面には、多層配線に接続された接続パッドＰがパッシベーション膜（不図示）から露出して形成されている。半導体ウェハ１０の接続パッドＰはアルミニウム又は銅を含む配線材料から形成される。

【0029】

次いで、図２（ｂ）に示すように、接続パッドＰが露出した半導体ウェハ１０の上にスパッタ法又は無電解めっきによりシード層２２を形成する。シード層２２の一例としては、下から順に、厚みが０．０５μｍのチタン（Ｔｉ）層／厚みが０．５μｍの銅（Ｃｕ）層を形成する。

【0030】

続いて、図２（ｃ）に示すように、シード層２２の上にレジスト材（不図示）を塗布し、フォトリソグラフィに基づいてフォトマスク（不図示）を介して露光した後に現像を行う。これにより、接続パッドＰの上に開口部１２ａが設けられたレジスト層１２がシード層２２の上に形成される。

【0031】

このとき、ポジレジスト材を使用する場合は、露光やフォトマスクの構造などを調整することにより、レジスト層１２の露光部において上部から下部になるにつれて露光量が顕著に少なくなるようにする。

【0032】

これにより、レジスト層１２の開口部１２ａの断面形状は、先端から基端に向かって幅が細くなる逆台形状になって形成される。

【0033】

次いで、図３（ａ）に示すように、シード層２２をめっき給電経路として使用する電解めっきにより、レジスト層１２の開口部１２ａに銅（Ｃｕ）めっき層２４を形成する。

【0034】

さらに、図３（ｂ）に示すように、同様な電解めっきにより、銅めっき層２４の上にはんだ層２６を形成する。はんだ層２６としては、例えば、錫（Ｓｎ）・銀（Ａｇ）系のはんだ、又は錫（Ｓｎ）・ビスマス（Ｂｉ）系のはんだが使用される。はんだ層２６が金属接合材の一例である。

【0035】

その後に、図３（ｃ）に示すように、レジスト層１２を除去して、シード層２２を露出させる。

【0036】

次いで、図４（ａ）に示すように、はんだ層２６及び銅めっき層２４をマスクにして、シード層２２をウェットエッチングにより除去する。さらに、図４（ｂ）に示すように、加熱処理することにより、はんだ層２６をリフローさせて表面が丸まったバンプ状の形状にする。これにより、下から順に、シード層２２及び銅めっき層２４から柱状電極２０が形成され、柱状電極２０の先端面にはんだ層２６が配置された状態となる。

【0037】

その後に、半導体ウェハ１０をダイシングラインに沿って切断することにより、個々の半導体チップ５を得る。

【0038】

このようにして、半導体チップ５の接続パッドＰの上に柱状電極２０が突出して形成される。半導体チップ５の柱状電極２０のはんだ層２６を除く高さは、例えば２０μｍ程度に設定される。

【0039】

前述したように、柱状電極２０の銅めっき層２４は、断面形状が逆台形状のレジスト層１２の開口部１２ａ内に形成される。このため、柱状電極２０の断面形状は、先端から基端に向かって幅が細くなる逆台形状となって形成される。

【0040】

図４（ｂ）に示すように、半導体チップ５の柱状電極２０の断面形状において、基端の幅Ｗ１は先端の幅Ｗ２よりも細くなっている。半導体チップ５の柱状電極２０は、島状に配置されたパッド状の電極であり、斜視的にみると逆円錐台状の形状となっている。例えば、半導体チップ５の柱状電極２０の基端の幅Ｗ１（直径）は２０μｍ程度であり、先端の幅Ｗ２（直径）は２５μｍ程度である。

【0041】

また、半導体チップ５の柱状電極２０は、チップの全体に格子状に配置するエリアアレイ型で配置してもよいし、チップの周辺に配置するペリフェラル型で配置してもよい。

【0042】

後述するように、半導体チップ５の柱状電極２０は、断面が先端から基端に向かって細くなる逆台形状となっているため、アンダーフィル樹脂に対してくさびの役割を果たし、柱状電極２０がアンダーフィル樹脂から抜けることが防止される。

【0043】

以上により、先端から基端に向かって細くなる柱状電極２０を備えた半導体チップ５が製造される。

【0044】

図５（ａ）〜（ｃ）には、半導体チップの柱状電極の変形例が示されている。図５（ａ）に示すように、前述した図３（ａ）の工程の後に、銅めっき層２４の上に厚みが３μｍ程度のニッケル（Ｎｉ）層２５を形成し、ニッケル層２５の上にはんだ層２６を形成してもよい。

【0045】

そして、図５（ｂ）に示すように、前述した図３（ｃ）及び図４（ａ）の工程と同様に、レジスト層１２を除去した後に、シード層２２をウェットエッチングする。

【0046】

その後に、図５（ｃ）に示すように、前述した図４（ｂ）と同様に、はんだ層２６をリフローさせて表面を丸めてバンプ状にする。その後に、同様に、半導体ウェハ１０を切断して個々の半導体チップ５を得る。

【0047】

図５（ｃ）の半導体チップ５の柱状電極２０ａは、下から順に、シード層２２、銅めっき層２４及びニッケル層２５から形成され、柱状電極２０ａの上にはんだ層２６が配置された状態となる。ニッケル層２５は、銅めっき層２４とはんだ層２６との反応を防止するバリア層として機能する。

【0048】

このように、後に半導体チップ５をリフローはんだ付けする工程などで、銅めっき層２４とはんだ層２６とが反応して接続に不具合が発生するおそれがある場合は、銅めっき層２４とはんだ層２６との間にバリア層としてニッケル層２５を形成してもよい。

【0049】

本実施形態では、半導体チップが備える第２の電極として、前述した半導体チップ５の柱状電極２０（図４（ｂ））及び柱状電極２０ａ（図５（ｃ））を例示する。

【0050】

次に、実施形態の半導体装置の製造方法で使用される接続電極を備えた配線基板を製造する方法について説明する。

【0051】

まず、図６（ａ）に示すような配線基板６を用意する。配線基板６では、絶縁基板３０の両面側に配線層４０がそれぞれ形成されている。絶縁基板３０には厚み方向に貫通する貫通電極４２が形成されている。両面側の配線層４０は、貫通電極４２を介して相互接続されている。

【0052】

絶縁基板３０の上には、配線層４０の上にビアホールＶＨが配置された絶縁層３２が形成されている。ビアホールＶＨ内には配線層４０に接続されたビア電極４４が充填されている。

【0053】

そして、図６（ｂ）に示すように、無電解めっき又はスパッタ法により、絶縁層３２及びビア電極４４の上に銅などからなるシード層５２を形成する。

【0054】

次いで、図６（ｃ）に示すように、ビア導体４４を含む領域のシード層５２の上に開口部１４ａが設けられたレジスト層１４を形成する。このとき、前述した図２（ｃ）の工程と同様に、レジスト層１４の開口部１４ａの断面形状は、先端から基端に向かって幅が細くなる逆台形状で形成される。

【0055】

続いて、図６（ｄ）に示すように、シード層５２をめっき給電経路に使用する電解めっきにより、レジスト層１４の開口部１４ａに銅めっき層５４を形成する。その後に、図７（ａ）に示すように、レジスト層１４を除去して、シード層５２を露出させる。

【0056】

次いで、図７（ｂ）に示すように、銅めっき層５４をマスクにしてシート層５２をウェットエッチングにより除去する。

【0057】

これにより、配線基板６のビア電極４４の上に、シード層５２及び銅めっき層５４から形成される接続電極５０が突出して形成される。配線基板６の接続電極５０の高さは、例えば１０μｍ程度に設定される。

【0058】

前述したように、接続電極５０の銅めっき層５４は、断面が逆台形状のレジスト層１４の開口部１４ａ内に形成される。このため、接続電極５０の断面形状は、先端から基端に向かって幅が細くなる逆台形状で形成される。図７（ｂ）に示すように、接続電極５０の断面形状において、基端の幅Ｗ１は先端の幅Ｗ２より細く設定されている。

【0059】

図７（ｂ）の例では、平面図を加えて参照すると、配線基板６の接続電極５０は島状に配置されたパッド状の電極として各ビア電極４４の上にそれぞれ形成され、斜視的にみると逆円錐台状の形状となっている。図７（ｂ）の上側の断面図は、図７（ｂ）の平面図のＩ−Ｉに沿った断面に相当する。

【0060】

例えば、配線基板６の接続電極５０の基端の幅Ｗ１（直径）は２０μｍ程度であり、先端の幅Ｗ２（直径）は２５μｍ程度である。

【0061】

以上により、先端から基端に向かって細くなる接続電極５０を備えた配線基板６が製造される。

【0062】

図８（ａ）及び（ｂ）には、変形例の配線基板６ａの接続電極が示されている。図８（ａ）の平面図に示すように、同じ線幅で延在する配線層５６の所定の一部分が接続電極部５０ａとなるようにしてもよい。図８（ａ）の配線層５６の破線で囲まれた部分が接続電極部５０ａとして画定される。図８（ｂ）は図８（ａ）のＩＩ−ＩＩに沿った断面図である。

【0063】

図８（ｂ）の断面図に示すように、配線層５６の幅方向の断面形状は先端から基端に向かって幅が細くなる逆台形状で形成され、接続電極部５０ａの断面形状も同じ逆台形状で形成される。接続電極部５０ａの断面形状の基端の幅Ｗ１は先端の幅Ｗ２よりも狭く設定されている。

【0064】

図８（ａ）及び（ｂ）の接続電極部５０ａを含む逆台形状の配線層５６を形成する場合は、前述した図６（ｃ）の工程で、レジスト層１４の開口部１４ａが配線層５６に対応するようにライン状に延在させて形成すればよい。

【0065】

図８（ａ）及び（ｂ）の配線基板６ａの接続電極部５０ａを含む配線層５６においても、断面形状が先端から基端に向かって細くなっているため、アンダーフィル樹脂に対してくさびの役割を果たす。このため、接続電極部５０ａを含む配線層５６からアンダーフィル樹脂が抜けることが防止される。

【0066】

本実施形態では、配線基板が備える第１の電極として、前述した配線基板６のパッド状の接続電極５０（図７（ｂ））及び配線基板６ａの配線層５６の接続電極部５０ａ（図８（ａ）及び（ｂ））を例示する。

【0067】

次に、前述した図４（ｂ）の半導体チップ５の柱状電極２０と前述した図７（ｂ）の配線基板６の接続電極５０とを封止樹脂材を介して接続する方法について説明する。

【0068】

図９に示すように、まず、前述した図７（ｂ）の配線基板６の接続電極５０が形成された面に、先入れ用の封止樹脂材６０ａを形成する。

【0069】

封止樹脂材６０ａとしては、エポキシ樹脂などの液状樹脂材（ＮＣＰ(Non Conductive Paste)）、あるいは、エポキシ樹脂などの未硬化（Ｂステージ）の樹脂フィルム（ＮＣＦ（Non Conductive Film））が使用される。

【0070】

次いで、図１０に示すように、図９の配線基板６をボンディングステージ７０の上に配置する。そして、配線基板６を１００℃程度に加熱して封止樹脂材６０ａを軟化させた状態とする。

【0071】

さらに、前述した図４（ｂ）の先端にはんだ層２６が形成された柱状電極２０を備えた半導体チップ５を用意する。そして、半導体チップ５の背面をボンディングツール７２に吸着固定させ、半導体チップ５の柱状電極２０を配線基板６上の封止樹脂材６０ａに押し込む。

【0072】

これにより、図１１に示すように、半導体チップ５の柱状電極２０をはんだ層２６を介して配線基板６の接続電極５０に圧接させてフリップチップ実装する。

【0073】

このとき、半導体チップ５の柱状電極２０の中心軸と配線基板６の接続電極５０の中心軸とが一致するように実装することが好ましい。しかし、隣り合う柱状電極２０同士、又は隣り合う接続電極５０同士が短絡しない範囲内であれば、中心軸をずらして実装しても差し支えない。

【0074】

続いて、リフロー加熱することにより、はんだ層２６を溶融させて半導体チップ５の柱状電極２０を配線基板６の接続電極５０にはんだ層２６によって接合する。リフロー加熱する際に、未硬化の封止樹脂材６０ａが同時に硬化し、半導体チップ５と配線基板６との間に硬化したアンダーフィル樹脂６０が充填される。

【0075】

このとき、半導体チップ５の柱状電極２０と配線基板６の接続電極５０との間のはんだ層２６が柱状電極２０及び接続電極５０の各側面に回り込まないようにする。このため、はんだ層２６を完全に溶融させない状態で接合させる固相接合の手法が採用される。

【0076】

固相接合では、はんだ層２６の融点よりも低い温度でリフロー加熱して接合する。はんだ層２６が錫・銀系のはんだからなる場合は、はんだの融点が２２３℃であるため、その融点よりも若干低い２２０℃の温度でリフロー加熱が行われる。

【0077】

これにより、はんだ層２６は半導体チップ５の柱状電極２０及び配線基板６の接続電極５０の各側面に回り込むことなく、柱状電極２０と接続電極５０との間の領域に留まって保持される。

【0078】

このようにして、半導体チップ５の柱状電極２０の側面のほぼ全体にアンダーフィル樹脂６０が接触する。また、配線基板６の接続電極５０の側面のほぼ全体にアンダーフィル樹脂６０が接触する。また、はんだ層２６の側面にもアンダーフィル樹脂６０が接触する。

【0079】

本実施形態と違って、半導体チップ５の柱状電極２０の先端に形成されたはんだ層２６を完全に溶融させると、はんだが柱状電極２０及び接続電極５０の各側面に回り込んで被覆することになる。これにより、柱状電極２０及び接続電極５０の各側面に形成されたはんだがアンダーフィル樹脂６０と接触することになる。

【0080】

このため、後に半導体装置をマザーボードなどにリフローはんだ付けで接続する際に、柱状電極２０及び接続電極５０の各側面に形成されたはんだが再溶融する。その結果、半導体チップ５の柱状電極２０及び配線基板６の接続電極５０がアンダーフィル樹脂６０から抜けやすくなる。

【0081】

以上の観点から、半導体チップ５の柱状電極２０と配線基板６の接続電極５０とをはんだで接合する際に、はんだを完全に溶融させずに、柱状電極２０及び接続電極５０の各側面をはんだを介さずにアンダーフィル樹脂６０で直接接触させることが肝要である。

【0082】

なお、前述した図８の配線基板６ａを使用する場合は、配線基板６ａの配線層５６の接続電極部５０ａに半導体チップ５の柱状電極２０が同様にフリップチップ接続されて、それらの間にアンダーフィル樹脂６０が形成される。

【0083】

本実施形態では、半導体チップ５の柱状電極２０の先端にはんだ層２６を形成しているが、配線基板６の接続電極５０の先端にはんだ層を形成し、半導体チップ５の柱状電極２０をはんだ層を介して配線基板６の接続電極５０に接続してもよい。

【0084】

また、金属接合材としてはんだ層を例示したが、導電性ペーストなどを使用することも可能である。

【0085】

その後に、図１２に示すように、図１１の構造体の半導体チップ５からボンディングツール７２を取り外し、ボンディングステージ７０から半導体チップ５が接続された配線基板６を外部に搬送する。

【0086】

以上により、図１２に示すように、実施形態の半導体装置１が得られる。

【0087】

図１２に示すように、実施形態の半導体装置１は、前述した図７（ｂ）の接続電極５０を備えた配線基板６と、前述した図４（ｂ）の柱状電極２０を備えた半導体チップ５とを有する。配線基板６の接続電極５０と半導体チップ５の柱状電極２０とが対向して配置され、接続電極５０の先端と柱状電極２０の先端とがはんだ層２６で接合されている。

【0088】

このようにして、半導体チップ５の柱状電極２０が配線基板６の接続電極５０にはんだ層２６を介してフリップチップ接続されている。

【0089】

半導体チップ５の柱状電極２０の高さは配線基板６の接続電極５０の高さよりも高く設定されている。

【0090】

配線基板６の接続電極５０の断面形状は、基端の幅Ｗ１が先端の幅Ｗ２より細い逆台形状となっている（図７（ｂ））。また同様に、半導体チップ５の柱状電極２０の断面形状は、基端の幅Ｗ１が先端の幅Ｗ２より細い逆台形状となっている（図４（ｂ））。

【0091】

また、半導体チップ５と配線基板６との間の領域にアンダーフィル樹６０が充填されている。

【0092】

そして、配線基板６の接続電極５０の側面のほぼ全体がアンダーフィル樹脂６０で被覆されて、アンダーフィル樹脂６０と接触している。また、半導体チップ５の柱状電極２０の側面のほぼ全体がアンダーフィル樹脂６０で被覆されて、アンダーフィル樹脂６０と接触している。接続電極５０と柱状電極２０の間のはんだ層２６の側面もアンダーフィル樹脂６０で被覆されている。

【0093】

このように、配線基板６の接続電極５０は先端から基端に向かって幅が細くなっているため、アンダーフィル樹脂６０に対してくさびの役割を果たす。これにより、熱応力などが発生するとしても、配線基板６の接続電極５０がアンダーフィル樹脂６０から抜けることが防止される。その結果、配線基板６とアンダーフィル樹脂６０との界面での剥離が防止される。

【0094】

また同様に、半導体チップ５の柱状電極２０は先端から基端に向かって幅が細くなっているため、アンダーフィル樹脂６０に対してくさびの役割を果たす。これにより、熱応力などが発生するとしても、半導体チップ５の柱状電極２０がアンダーフィル樹脂６０から抜けることが防止される。その結果、半導体チップ５とアンダーフィル樹脂６０との界面での剥離が防止される。

【0095】

よって、配線基板６の接続電極５０と半導体チップ５の柱状電極２０との電気的な接続の信頼性を向上させることができる。

【0096】

本願発明者は、実施形態の半導体装置１に対して予備的事項で説明した吸湿リフロー試験及び高温高湿試験を実際に行った。その結果によれば、アンダーフィル樹脂６０と半導体チップ５との界面、及びアンダーフィル樹脂６０と配線基板６の界面での剥離の発生は確認されなかった。

【0097】

従って、半導体装置１をマザーボードなどの実装基板に加熱処理を伴ってリフローはんだ付けする際や半導体装置を内蔵する電子機器を実際に使用する際に、電気的な接続の十分な信頼性を確保することができる。

【0098】

図１３には、実施形態の変形例の半導体装置１ａが示されている。図１３に示すように、変形例の半導体装置１ａでは、図１２の半導体装置１の配線基板６が外側に延在しており、半導体チップ５の横方向の配線基板６上に接続パッドＰｘが形成されている。

【0099】

また、配線基板６の接続パッドＰｘ上にははんだボールなどからなるバンプ電極７４が設けられている。バンプ電極７４の高さは、半導体チップ５の上面の高さ位置よりも高く設定されている。

【0100】

そして、配線基板６及び半導体チップ５の上に、バンプ電極７４に電気的に接続された上側配線基板７が配置されている。上側配線基板７の接続パッドＰｙがバンプ電極７４を介して配線基板６の接続パッドＰｘに電気的に接続されている。

【0101】

さらに、半導体チップ５と上側配線基板７との間、及び配線基板６と上側配線基板７との間に別のアンダーフィル樹脂６２が形成されている。

【0102】

図１３の変形例の半導体装置１ａでは、マザーボードなどの実装基板に加熱処理を伴ってリフローはんだ付けする際などに、上側配線基板７に反りなどの変形が発生すると、半導体チップ５に対して上側に引っ張る応力がかかりやすい。

【0103】

本実施形態では、半導体チップ５の柱状電極２０がアンダーフィル樹脂６０に対してくさびの役割を果たすため、図１３のような半導体チップ５を上側に剥がそうとする応力がかかる構造において特に有効である。

【0104】

前述した形態では、配線基板６の上に半導体チップ５をフリップチップ接続しているが、半導体チップ同士を同様な電極構造で接続してもよい。

【符号の説明】

【0105】

１，１ａ…半導体装置、５…半導体チップ、６，６ａ…配線基板、７…上側配線基板、１０…半導体ウェハ、１２，１４…レジスト層、１２ａ，１４ａ…開口部、２０，２０ａ…柱状電極、２２，５２…シード層、２４，５４…銅めっき層、２５…ニッケル層、２６…はんだ層、３０…絶縁基板、３２…絶縁層、４０，５６…配線層、４２…貫通電極、４４…ビア電極、５０…接続電極、５０ａ…接続電極部、６０ａ…封止樹脂材、６０，６２…アンダーフィル樹脂、７０…ボンディングステージ、７２…ボンディングツール、７４…バンプ電極、Ｐ，Ｐｘ，Ｐｙ…接続パッド。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】