JP2015008254A - Circuit board, method of manufacturing the same, method of manufacturing semiconductor device, and method of manufacturing mounting substrate - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、狭ピッチ化するパッドを持つ半導体チップを実装するための回路基板とその製造方法および回路基板に半導体チップを実装した半導体装置の製造方法などに関する。 The present invention relates to a circuit board for mounting a semiconductor chip having pads with a narrow pitch, a manufacturing method thereof, a manufacturing method of a semiconductor device in which a semiconductor chip is mounted on the circuit board, and the like.
近年、半導体装置は高集積化が進行して、半導体実装技術も高密度化が求められている。この半導体装置の高密度実装技術には、ワイヤーボンディング技術、TAB技術などが代表的には挙げられるが、最も高密度の実装技術として、フリップチップ実装技術が、コンピュータ機器などの半導体装置を高密度に実装する技術として多く用いられている。 In recent years, semiconductor devices have been highly integrated, and semiconductor packaging technology is also required to have high density. Typical examples of the high-density mounting technology for semiconductor devices include wire bonding technology and TAB technology. As the highest-density mounting technology, flip-chip mounting technology is used for high-density semiconductor devices such as computer equipment. It is often used as a technology to be mounted on.
フリップチップ実装技術は、高密度実装技術として広く公知の技術になっている。フリップチップ実装された半導体装置の基本的構造の一例を図1に示す。図1に示す様に、一般的なフリップチップ実装構造を有する半導体装置では、半導体チップ1、半導体チップ1上に設けられた端子電極であるパッド11、パッド11を除く半導体チップ1表面を被覆するパッシベーション膜13、パッド11上に設けられたバリアメタル層12及びバリアメタル層12上に突出形成されたはんだバンプ3と、対向する回路基板2上にはパッド14が設けられ、パッド14を除く部位にはソルダーレジスト膜15が形成されており、半導体チップ1におけるはんだバンプ3と回路基板2におけるパッド14とが接合され、その接合によって半導体チップ1と回路基板2の間に形成される空隙部がアンダーフィル16により充填されている。
The flip chip mounting technique is widely known as a high density mounting technique. An example of the basic structure of a flip chip mounted semiconductor device is shown in FIG. As shown in FIG. 1, in a semiconductor device having a general flip chip mounting structure, a
上記半導体装置の製造方法としては、はんだバンプを使用した接続方式では、回路基板のパッド上に予め予備はんだを形成しておき、その予備はんだと半導体チップのはんだバンプとの位置合わせを行う。これらの予備はんだとはんだバンプとをリフロー炉で溶融して接合する。予備はんだの搭載方法としてはペースト状のはんだを印刷し溶融させて搭載する方法や、はんだボールを搭載し溶融させる方法などが知られている。その後、アンダーフィルと呼ばれる封止樹脂をキャピラリーフロー工法によって、半導体チップと回路基板間の空隙部を充填して半導体装置を得る。 As a method for manufacturing the semiconductor device, in the connection method using solder bumps, preliminary solder is formed in advance on the pads of the circuit board, and the preliminary solder and the solder bumps of the semiconductor chip are aligned. These preliminary solders and solder bumps are melted and joined in a reflow furnace. As a pre-solder mounting method, a paste solder is printed and melted and mounted, or a solder ball is mounted and melted. Thereafter, a gap between the semiconductor chip and the circuit board is filled with a sealing resin called underfill by a capillary flow method to obtain a semiconductor device.
本説明では、予備はんだと半導体チップのはんだバンプとの位置合わせを行い、これらの予備はんだとはんだバンプとをリフロー炉で溶融して接合し、アンダーフィルをキャピラリ−フロー工法により充填することを一次実装と呼ぶ。 In this description, the primary soldering and the solder bump of the semiconductor chip are aligned, the preliminary solder and the solder bump are melted and joined in a reflow furnace, and the underfill is filled by the capillary flow method. Called implementation.
最近の高密度実装への要求は、年々高まっており、それに伴いはんだバンプの配置も狭ピッチ化が進んでいる。そのため上記のような予備はんだをリフロー炉で溶融させて接合する従来の実装が難しい場合が出てきている。上記実装方法では予備はんだとはんだバンプを接続する際に、搭載した全てのはんだが溶融する。また、半導体チップの自重が溶融したはんだに加わるため、隣接するはんだバンプが接触し、ショートする不具合が発生する問題がある。 Recently, the demand for high-density mounting has been increasing year by year, and accordingly, the pitch of solder bumps has been reduced. For this reason, there are cases where it is difficult to perform conventional mounting in which the above pre-solder is melted in a reflow furnace and joined. In the above mounting method, when the preliminary solder and the solder bump are connected, all the mounted solder is melted. Further, since the weight of the semiconductor chip is added to the melted solder, there is a problem in that adjacent solder bumps come into contact with each other to cause a short circuit.
はんだの量を少なくすることではんだバンプ同士の接触は避けることができるが、同時に半導体チップと回路基板間のギャップを狭めることになり、樹脂封止の際のボイド発生や、信頼性寿命の低下といった不具合が発生する問題がある。 By reducing the amount of solder, contact between solder bumps can be avoided, but at the same time the gap between the semiconductor chip and the circuit board will be narrowed, resulting in voids during resin sealing and reduced reliability life There is a problem that such a problem occurs.
また、近年このような接続に対して接続信頼性などの対策をとった構造として、半導体チップと回路基板との間にスタンドオフといわれる一定距離を確保した構造がある。特許文献1や特許文献2のように樹脂封止の際のボイド発生や、信頼性の高いフリップチップ接続構造を提供する技術が提案されている。特許文献1に記載の図をもとに、フリップチップ構造の半導体装置を模式的に示した断面図を図2に示す。図2において、半導体チップ1上にはパッド11と、このパッド11上に開口を有するパッシベーション膜13が形成されている。更に、パッド11上には、密着層21を介して、銅(Cu)からなる柱状バンプ22が形成されている。また、柱状バンプ22の側面には、酸化膜等からなる濡れ防止膜23が形成されている。このように、特許文献2では、バンプに銅(Cu)からなる柱状突起を用い、スタンドオフ(回路基板表面と半導体チップの回路基板側の表面との距離)を稼ぐことで、回路基板の接続時にアンダーフィル樹脂の充填を容易にし、且つ信頼性の向上を図る構造としている。しかしながら、特許文献2においては、このような応力緩和を目的とした構造を開示されているが、銅(Cu)からなる柱状バンプを使用しているため、バンプ自体が硬い材質であり、バンプの変形による応力の緩和が困難である。従って、スタンドオフを稼ぎアンダーフィル樹脂の充填性が向上しただけでは応力緩和が十分に図れず、層間絶縁膜にクラックが発生するという問題点がある。
In recent years, as a structure taking measures such as connection reliability for such a connection, there is a structure in which a certain distance called a stand-off is secured between the semiconductor chip and the circuit board. As disclosed in
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであって、狭ピッチバンプ構造を備えた半導体チップをフリップチップ方式で回路基板にはんだバンプを介して接合することにより製造する半導体装置において、アンダーフィルの充填に充分なスタンドオフが得られ、信頼性が向上する構造の半導体装置とその製造方法を提供することを課題とする。 The present invention has been made in view of such problems, and in a semiconductor device manufactured by bonding a semiconductor chip having a narrow pitch bump structure to a circuit board via a solder bump in a flip-chip manner, It is an object of the present invention to provide a semiconductor device having a structure in which a standoff sufficient for filling with a fill is obtained and reliability is improved, and a manufacturing method thereof.
上記の課題を解決する手段として、請求項1に記載の発明は、フリップチップ方式で半導体チップを実装するための回路基板であって、半導体チップとの電気的接続を行うためのパッドを備えてなり、前記半導体チップとの電気的接続を行う面のパッドには、はんだバンプを備えており、前記はんだバンプは異なる融点を持つ2層のはんだからなり、前記回路基板に近い部位である下層のはんだは高融点はんだからなり、前記半導体チップに近い部位である上層のはんだは低融点はんだからなることを特徴とする回路基板である。
As means for solving the above-mentioned problems, the invention according to
また請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の回路基板の製造方法であって、
前記回路基板の半導体チップを実装する側のパッド上に高融点はんだを形成するはんだ形成工程と、
高融点はんだの上に低融点はんだを形成する工程と、を備えてなることを特徴とする回路基板の製造方法である。
The invention according to
A solder forming step of forming a high melting point solder on a pad on the side of mounting the semiconductor chip of the circuit board;
And a step of forming a low melting point solder on the high melting point solder.
また、請求項3に記載の発明は、前記はんだ形成工程が、印刷工法またはボール搭載工法であることを特徴とする請求項2に記載の回路基板の製造方法である。
The invention according to
また、請求項4に記載の発明は、請求項1に記載の回路基板に半導体チップを実装する半導体装置の製造方法であって、
低融点はんだがパッドに形成された半導体チップを前記回路基板にフリップチップ方式で実装するに際して、低融点はんだの融点以上、且つ高融点はんだの融点より低い温度で接合する工程と、
前記半導体チップと前記回路基板によって形成された隙間にアンダーフィルを充填する工
程と、を備えていることを特徴とする半導体装置の製造方法である。
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a manufacturing method of a semiconductor device in which a semiconductor chip is mounted on the circuit board according to the first aspect,
When a semiconductor chip having a low melting point solder formed on a pad is mounted on the circuit board by a flip chip method, the step of bonding at a temperature higher than the melting point of the low melting point solder and lower than the melting point of the high melting point solder;
And a step of filling an underfill in a gap formed by the semiconductor chip and the circuit board.
また、請求項5に記載の発明は、請求項4に記載の半導体装置の製造方法を用いて製造した半導体装置をフリップチップ方式でプリント配線基板に実装する実装基板の製造方法であって、前記半導体装置をフリップチップ方式で前記プリント配線基板に実装するに際して、前記高融点はんだの融点以上に加熱することを特徴とする実装基板の製造方法である。
The invention described in claim 5 is a method for manufacturing a mounting board in which a semiconductor device manufactured by using the method for manufacturing a semiconductor device according to
狭ピッチのバンプ構造を備えた半導体装置において、隣接するはんだバンプがショートすることなく、アンダーフィル樹脂の充填に充分なスタンドオフが得られ、半導体装置使用時において充分な信頼性を得ることのできる構造の回路基板とその製造方法および半導体装置の製造方法などを提供することが出来る。 In a semiconductor device having a narrow-pitch bump structure, a standoff sufficient for filling an underfill resin can be obtained without shorting adjacent solder bumps, and sufficient reliability can be obtained when the semiconductor device is used. A circuit board having a structure, a manufacturing method thereof, a manufacturing method of a semiconductor device, and the like can be provided.
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
図3は、本発明における回路基板の一例を示す概略断面図である。パッドピッチが狭い構造を備えた回路基板2において、回路基板2のパッド14上に高融点はんだ31が形成されており、更に高融点はんだ31の外に低融点はんだ32が形成されている。ここで、高融点はんだとは、溶け始める温度(固相線)が183℃を越えるはんだであって、一般にSnかPbをベースにAg、Sb、In等が配合されているはんだを指す。また、低融点はんだとは、溶け始める温度(固相線)が183℃未満のはんだであって、Sn、Pb以外にCd、Bi、In等が配合されているはんだを指す。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing an example of a circuit board in the present invention. In the
図4は、本発明における回路基板の製造方法の一例を示す概略断面図である。パッドピッチが狭い構造を備えた回路基板2に、高融点はんだ31をはんだペースト印刷もしくはボール搭載工法によって搭載し、その後、高融点はんだ31が溶融する温度でリフローすることで回路基板のパッド14に接合する(図4(a)参照)。次に、その高融点はんだ31の表面を、表面が算術平均粗さRa200〜600nmのコイニング治具4を用いてコイニングする。高融点はんだ31の表面を金属製のコイニング治具4でコイニングすることにより治具の表面形状が転写され、高融点はんだ31に算術平均粗さRa200〜600nmの表面が形成される。算術平均粗さRaを200〜600nmとすることで、高融点はんだ31と接合する低融点はんだ32の界面の密着力が向上し、一次実装中の界面での剥離およびクラックを抑制することができる。次に、低融点はんだ32をはんだペースト印刷もしくはボール搭載工法により搭載し、低融点はんだ32の融点以上、高融点はんだ31の融点未満で加熱し、接合する。こうして半導体チップ1と回路基板2がはんだによって接合されて形成された空間にアンダーフィル16を充填する。このようにして半導体装置43を得る(図4(c)参照)。
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing an example of a circuit board manufacturing method according to the present invention. The high
図5は、本発明における半導体装置の製造方法の一例を示した概略断面図である。パッド
14上に高融点はんだ31が形成されており、高融点はんだ31の上に低融点はんだ32が形成されているバンプが形成された回路基板41と、低融点はんだ32がパッド14に形成された、はんだがパッド12に形成された半導体チップ42を目合せして接触させた状態で、リフロー装置を用いて低融点はんだ32の融点以上、高融点はんだ31の融点未満で加熱する(図5(a)参照)。このとき、バンプが形成された回路基板41およびはんだがパッドに形成された半導体チップ42の低融点はんだ32は融点以上となり、溶融して結合する(図5(b)参照)。一方、バンプが形成された回路基板41の高融点はんだ31は融点未満であるため溶融しない。そのため接合時に溶融するはんだは低融点はんだのみとなり、溶融するはんだの量を少なくすることができるので、隣接するバンプとのショートを防ぐことが出来る。このようにして半導体チップ1と回路基板2の間に隙間が形成され、この隙間にアンダーフィル16をキャピラリーフロー工法で充填し、半導体装置43を得る(図5(c)参照)。このとき、充分なスタンドオフが得られ、はんだがパッドに形成された半導体チップ42とバンプが形成された回路基板41が一定間隔を確保できているため、問題なく充填することができる。
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing an example of a method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention. A high-melting-
図6は本発明における実装基板の製造方法の一例を示す概略断面図である。一次実装した半導体装置43をマザーボードなどのようなプリント配線基板44に実装する際に、高融点はんだ31の融点以上に加熱し接合することで、高融点はんだ31と低融点はんだ32が溶融され、両者が混合して合金化することで、はんだ33が形成される。アンダーフィル充填後にはんだを溶融させることで、低融点はんだと高融点はんだが溶融し、Sn以外の添加成分がバンプ全体に拡散し、両者の界面が明確でなくなることで、一体化した状態となり、半導体装置使用時における高融点はんだ31と低融点はんだ32の界面でのクラック発生を抑止することが出来る。また、図1に示すような一般的な半導体装置では、半導体チップ1と回路基板2の熱膨張係数の差に起因する応力が半導体チップのパッド11とはんだバンプ3の界面および回路基板のパッド14とはんだバンプ3の界面に集中するが、形状が図6(c)のはんだ33のように、2つの球体を合体させてできるだるま状の形状になることで、応力集中が分散され信頼性向上につながる。また、バンプがすべてはんだで構成されているため、充分な接合部での応力緩和を行うことができ、信頼性向上につながる。
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing an example of a method for manufacturing a mounting board in the present invention. When the primary mounted
このようにして、狭ピッチバンプ構造を備えた半導体装置においてアンダーフィルの充填に充分なスタンドオフが得られ、信頼性の向上する構造の半導体装置とその製造方法および実装基板の製造方法を提供することが出来る。 In this manner, a semiconductor device having a narrow pitch bump structure, a standoff sufficient for filling an underfill is obtained, and a semiconductor device having a structure in which reliability is improved, a manufacturing method thereof, and a mounting substrate manufacturing method are provided. I can do it.
以下に実施例を示して本発明を詳しく説明する。
まず図4に記載の、本発明における回路基板の製造方法に則り回路基板を製造した。まず、パッドピッチ100μm、パッド径70μmの構造を備えた回路基板2に、2種のはんだの内の高融点はんだ31として、Sn−3.5Agはんだペーストをスクリーン印刷により40μm厚で搭載し、高融点はんだ31がSn−3.5Agはんだが溶融する温度、本実施例では230℃でリフローすることでパッド14に接合した。
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to examples.
First, a circuit board was manufactured according to the circuit board manufacturing method of the present invention shown in FIG. First, Sn-3.5Ag solder paste is mounted on a
次に算術平均粗さRa200〜600nmの表面粗さを持つ金属製の板であるコイニング治具4を用いてコイニングした。
Next, it coined using the coining jig |
次に、低融点はんだ32としてSn−58Biはんだペーストをスクリーン印刷により20μm厚で搭載し、低融点はんだ32の液相温度である141℃以上、高融点はんだ31の固相温度である221℃未満で加熱、接合する。本実施例では180℃で実施しバンプが形成された回路基板41を得た。
Next, Sn-58Bi solder paste is mounted as a low
次に図5に記載の本発明における半導体装置の製造方法に則り、半導体装置を製造した。バンプが形成された回路基板41と、低融点はんだ32であるSn−58Biはんだが回路基板のパッド14上に20μm厚で形成されたはんだがパッドに形成された半導体チップ42とを、リフロー装置を用いて低融点はんだ32の融点以上、高融点はんだ31の融点未満の温度である180℃で加熱、接合した。このとき、バンプが形成された回路基板41およびはんだがパッドに形成された半導体チップ42のそれぞれの低融点はんだ32は融点以上となるため溶融し、接合した。一方、回路基板の高融点はんだ31は融点未満であるため溶融は見られなかった。そのため接合時に溶融するはんだの体積を少なくすることができ、隣のバンプとの接触を防ぐことが出来た。このようにして半導体チップ1と回路基板2の間に形成された隙間に、アンダーフィルをキャピラリーフロー方式で充填し、半導体装置43を得た。このとき、バンプ高さは70μm程度を示しており、充分なスタンドオフが得られているため問題なく充填することができた。
Next, a semiconductor device was manufactured according to the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention shown in FIG. A
次に図6に記載の、本発明における半導体装置の製造方法に則り半導体装置を製造した。リフロー装置を用いて、半導体装置43をプリント配線基板44に実装する際に高融点はんだ31の液相温度以上となる235℃で加熱、接合をおこなった。半導体装置43とプリント配線基板44の接合にはSn−3.0Ag−0.5Cuはんだを用いた。
Next, a semiconductor device was manufactured according to the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention shown in FIG. When the
以上のようにして狭ピッチバンプ構造を備えた半導体装置においてアンダーフィルの充填に充分なスタンドオフが得られ、信頼性の向上する構造の半導体装置及びその製造方法を提供することが出来た。 As described above, a semiconductor device having a narrow pitch bump structure can provide a stand-off sufficient for filling an underfill, and can provide a semiconductor device having a structure with improved reliability and a method for manufacturing the same.
1…半導体チップ
2…回路基板
3…はんだバンプ
4…コイニング治具
11…半導体チップのパッド
12…バリアメタル層
13…パッシベーション膜
14…回路基板のパッド
15…ソルダーレジスト膜
16…アンダーフィル
21…密着層
22…銅(Cu)からなる柱状バンプ
23…ぬれ防止膜
31…高融点はんだ
32…低融点はんだ
33…はんだ
41…バンプが形成された回路基板
42…はんだがパッドに形成された半導体チップ
43…半導体装置
44…プリント配線基板
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記回路基板の半導体チップを実装する側のパッド上に高融点はんだを形成するはんだ形成工程と、
高融点はんだの上に低融点はんだを形成する工程と、を備えてなることを特徴とする回路基板の製造方法。 It is a manufacturing method of the circuit board according to claim 1, Comprising:
A solder forming step of forming a high melting point solder on a pad on the side of mounting the semiconductor chip of the circuit board;
Forming a low melting point solder on the high melting point solder, and a method of manufacturing a circuit board.
前記半導体チップと前記回路基板によって形成された隙間にアンダーフィルを充填する工程と、を備えていることを特徴とする半導体装置の製造方法。 2. A method of manufacturing a semiconductor device, wherein a semiconductor chip is mounted on a circuit board according to claim 1, wherein the low melting point solder is mounted on the circuit board by a flip chip method. Bonding at a temperature equal to or higher than the melting point and lower than the melting point of the high melting point solder;
Filling a gap formed by the semiconductor chip and the circuit board with an underfill, and a method for manufacturing a semiconductor device.
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