JP3658156B2 - 実装体及びその製造方法 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体デバイスなどを回路基板に実装した実装体及びその製造方法に関するものであり、特に、接続パッドがエリア配列になっている場合にも対応した、高性能で低コストに実装可能な実装体及びその製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
携帯用電子機器の小型化、高性能化に伴い、半導体デバイスなどの小型化、高性能化がますます求められている。そのため端子ピン数が増加し、狭ピッチ化あるいはエリア配列にすることが必要となる。しかし、狭ピッチにも限界があり、能動素子上にもパッドを設けエリア配列で実装することが重要となってきている。これが可能な技術としてIBMで開発された半田バンプによる、通称C4(Con-trolled Collaps Chip Connection)と呼ばれる実装技術がある(「エレクトロニクス実装技術」1996.8(Vol.12 No.8)P78〜P83)。図39はその接続構造の概略断面図である。図39に示すように、ICチップ表面のSiO2膜106上に、アルミニウムからなるパッド電極107及びガラス保護膜105が形成されている。アルミニウムからなるパッド電極107の表面にはアルミニウムの酸化膜がついているため、この酸化膜の除去処理を行った後、真空蒸着によりバリアメタルと称する金属膜が形成される。具体的には、順にCr層104、Cr−Cu層103、Cu−Sn金属間化合物層102である。さらに、この表面に半田バンプ101が形成される。半田バンプ101はPb:Snが95:5の重量割合からなるものである。かくして、これを回路基板の端子電極上に当接してリフローをすれば半田が溶融し接続が完了する。
【0003】
その他、半田以外にもバリアメタルを形成した後、Auめっきバンプを形成する構造などもある。
【0004】
これらの従来技術は、ICチップの能動素子上にパッドがきて、そこに突起電極を形成してもICチップの能動素子へのダメージがないことが期待ができる。しかし、これらの技術はいずれもめっきもしくはそれに付随した処理がなされているため、めっきの装置、廃液処理、洗浄処理などに関係するコスト高の問題、あるいは環境問題などが常につきまとっている。また、電解めっきを行う場合には電流を流すための電極をますます微細化されてきている回路中にどう確保するかという問題があり、また、無電解めっきを行う場合には突起電極の高さを均一に揃えることが非常に難しいので実装体の信頼性が懸念される。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
エリア配列での接続による実装は能動素子上にパッドを設け実装することが前提となるため、半導体装置側に設けられたパッド上に突起電極を形成する際、あるいは実装の際に、加圧が極度に大きい場合には能動素子が破壊される危険性がある。そのためエリア接続が可能となっている従来技術ではめっきバンプを主体にした実装技術となっている。しかし、めっき技術は必要とされる設備費が非常に高いこと、また廃液処理、洗浄などの環境問題からもコストの高い実装であると言える。また、めっきの方法にもよるが電解あるいは無電解めっきなどの場合には形成された突起電極(バンプ)の形状の安定性にも問題点が残る。
【0006】
そこで、本発明は、上記の問題点に鑑みて、能動素子を破壊することなく突起電極を一括にかつ低コストで形成でき、信頼性にも優れた高性能な実装体を提供すること、及びそのような実装体を製造する方法を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、突起電極を一括に回路基板の入出力端子電極上又は入出力端子電極中に形成し、接合層として導電性接着剤もしくは半田を介してバリアメタルを形成した半導体装置と接続することにより、能動素子を破壊することなく、かつドライプロセスのため低コストで実装できることを見出だし、本発明を完成した。
【0008】
即ち、本発明の実装体は、端子電極と前記端子電極上に形成されたバリアメタルとを有する半導体装置と、入出力端子電極と前記入出力端子電極上又は前記入出力端子電極中に形成された突起電極(バンプと称される場合もある)とを有する回路基板と、前記バリアメタルと前記突起電極又は前記入出力端子電極とを電気的に接続する接合層とからなる実装体であって、前記突起電極は、略おわん型形状を有する第1金属部と前記略おわん型形状の凹部に充填された第2金属部とからなり、前記接合層は導電性接着剤又は半田からなることを特徴とする。
【0009】
また、本発明の上記実装体の製造方法は、半導体装置の端子電極上にバリアメタルを形成する工程と、回路基板の入出力端子電極上に溶射により突起電極を形成する工程又は溶射により形成された突起電極を内部に含む入出力端子電極を回路基板上に形成する工程と、前記電極上に導電性接着剤又は半田を転写する工程と、転写された前記導電性接着剤又は半田に半導体装置の前記バリアメタルを当接して前記回路基板に前記半導体装置を実装する工程とからなることを特徴とする。
【0010】
本発明は、ICチップなどの半導体装置(能動素子)ではなく、回路基板の入出力端子電極上又は入出力端子電極中に突起電極を形成する。従って、突起電極を形成する際に半導体装置(能動素子)を破壊する危険性が全くない。
【0011】
また、突起電極の形成は溶射により行うので、ドライプロセスでかつ多数の突起電極を一括して形成することができるので、低コストである。
【0012】
また、突起電極として、略おわん型形状を有する第1金属部とその凹部に充填された第2金属部とからなる特殊な構成とした。これにより、第1金属部をアルミニウムで、第2金属部を銅から構成すれば、酸化されやすい良導体の銅をアルミニウムで覆って保護し、中心に配置することになるから、銅の酸化を防ぐと同時に導電性において信頼性の高い構造にすることができる。従って、かかる趣旨より、本発明でいう略おわん型形状とは、中央部に凹みを有し、その凹みに第2金属部を充填できる機能を有するものであれば特に限定されない。
【0013】
さらに、突起電極をこのような特殊な構成にしたことにより、アルミニウムと銅などの比較的安価な導電体を用いることができる。
【0014】
また、接合層は、半田あるいは導電性接着剤からなる。これらは、リフローあるいは硬化を行うだけなので、ほとんど加圧することなく実装でき、半導体装置(能動素子)にダメージを与えることがない。
【0015】
また、突起電極を回路基板の入出力端子電極中に形成すれば、回路基板と一体化させて形成することができ、突起電極の密着強度が大きくなる。さらに、かかる構成にすれば、入出力端子電極の表面層をAuにすることが容易であり、このような入出力端子電極と半導体装置とを接合層を介して接合させることにより、信頼性の高い構造となる。しかも突起電極の形成は入出力端子電極を形成する工程中に含まれるだけなのでコスト高にもならない。
【0016】
本発明の実装体においては、半導体装置と回路基板の間隙が樹脂で封止されていることが望ましい。ただし、少なくとも両者を電気的に接続している部分のまわりを囲むように封止されていればよい。これにより接続部が補強され、信頼性の向上が可能となる。ここで用いる樹脂は、無機物のフィラーを含むことが望ましい。無機物のフィラーとしてはシリカ(SiO2)やアルミナ(Al23)などがある。また、樹脂にはエポキシ樹脂をベースにして、硬化剤としてフェノール樹脂や酸無水物系樹脂を含んだものが望ましい。
【0017】
また、回路基板の入出力端子電極上又は入出力端子電極中に形成する突起電極(バンプ)は、第1段突起電極とこれより小さな第2段突起電極とが積層された2段型形状にすることが望ましい。これにより突起電極(突起電極を入出力端子電極中に形成する場合は当該入出力端子電極)の表面積が大きくなるので、導電性接着剤あるいは半田の転写を安定に行うことができるので接合部の信頼性が向上する。なお、2段型形状にするには、溶射により1段目の突起電極を形成したあと、その上に1段目より小さい突起電極を溶射により形成することで簡単に2段型突起電極を形成することができる。
【0018】
本発明において、バリアメタルは、例えばCr、Cu、Ti、Ni、Au、及びPtの中から選ばれた少なくとも1種を含む金属からなるのが好ましく、より具体的には、例えば、Crを下地金属とし、その上にCuを真空蒸着法あるいはスパッタ等を用いて形成したものが使用できる。
【0019】
半導体装置の端子電極は、例えば、Alを真空蒸着法などで形成したものが使用できる。この上に上記のバリアメタルが形成される。
【0020】
一方、回路基板の入出力端子電極は、例えばCuを印刷で形成し、それをエッチングすることにより配線電極とし、その上にNi、Auを順にめっき又はフラッシュめっき等により設けて形成される。この他、Au配線電極を印刷して、焼成することによって形成することももちろん可能である。
【0021】
突起電極を入出力端子電極中に形成する場合は、このCu上に溶射により突起電極を形成した後に、その上にNi、Auを順にめっき又はフラッシュめっき等により設ければよい。
【0022】
接合層に半田を用いる場合、半田は一般的な安価な共晶半田(SnーPb系)で十分である。
【0023】
また、接合層に導電性接着剤を用いる場合、含まれる導電性フィラーはAg、Cu、Niなど導電性をもつフィラーなら問題はなく、接着剤樹脂は例えばエポキシ樹脂の熱可塑型あるいは熱硬化型のいずれでも使用可能である。
【0024】
【発明の実施の形態】
(実施の形態1)
図1は、本発明の第1の実施の形態にかかる実装体を模式的に示した断面図である。
【0025】
図1において、半導体装置11の端子電極12上にはバリアメタル13が形成されている。本実施の形態では、端子電極12はAlを真空蒸着して形成した。また、バリアメタル13は、Crを下地金属とし、その上にCuを真空蒸着して形成した。一方、回路基板15の入出力端子電極14上には、突起電極21が形成されている。入出力端子電極14は、Cuを印刷で形成し、それをエッチングすることにより配線電極とし、その上にNi、Auを順にめっきして形成したものである。突起電極(バンプ)21は、略おわん型形状をしたアルミニウムからなる第1金属部21aと、その凹部に充填された銅からなる第2金属部21bとから構成されている。突起電極21は溶射により形成されたものである。そして、半導体装置11のバリアメタル13と回路基板15の突起電極21とは導電性接着剤からなる接合層22により電気的に接続されている。本実施の形態の突起電極は、略おわん型形状のアルミニウムが銅の回りを囲むように覆っているので、実装体の製造過程で銅の酸化が進行せず、しかも電気的接続部として良好な導電性を安価に確保することができる。
【0026】
図2は、図1の実装体の半導体装置11と回路基板15の間隙を封止樹脂24で封止した実装体を模式的に示した断面図である。本例では、封止樹脂24は半導体装置11と回路基板15の間隙全体を封止しているが、少なくとも両者の電気的接続部の周りを囲むように封止するものであってもよい。この樹脂封止により電気的接続部の信頼性がさらに向上する。
【0027】
図3〜図5は、図1の実装体の製造方法を示した概略図である。
【0028】
図3は、回路基板15の入出力端子電極14上にプラズマ溶射により突起電極を形成する工程を示している。溶射装置51から放射された溶射金属52は、所定の大きさの孔があけられた溶射用マスク53の孔を通って入出力端子電極14上に堆積する。溶射は、まず略おわん型形状の第1金属部21aを形成するため、アルミニウムを溶射する。溶射金属を略おわん型形状に堆積させるためには、溶射時のパワーを調節することにより可能である。その後、第1金属部21aの凹部に銅を充填させるように溶射し、第2金属部21bを形成する。かくして、突起電極21が完成する。本発明では、このように回路基板上に突起電極を形成するので、突起電極形成工程で半導体素子を破壊する心配は全くない。また、プラズマ溶射というドライプロセスを用い、一度に多数の突起電極を形成できるので、低コストである。
【0029】
図4は、上記図3により形成された突起電極21に導電性接着剤を転写する工程を示した概略図である。図4(a)に示すように、回路基板15上の突起電極21を下向きにして導電性接着剤ペースト23につけ、引き上げると、同図(b)に示すように突起電極21上に導電性接着剤22′が転写する。
【0030】
図5は、上記図4により転写された導電性接着剤22′に半導体装置11のバリアメタル13を当接する工程を示した概略図である。当接後、導電性接着剤22′を硬化させれば、半導体装置の実装が完了する。このように、当接して導電性接着剤を硬化させれば実装が完了するので、半導体素子に過大な力が加えられることがなく、半導体素子が破壊する可能性が極めて少ない。
【0031】
(実施の形態2)
図6は、本発明の第2の実施の形態にかかる実装体を模式的に示した断面図である。図6は、接合層として、上記の実施の形態1の図1の導電性接着剤22に代えて半田25を使用している点で図1と相違し、その他の構成は図1と同様である。
【0032】
図7は、図6の実装体の半導体装置11と回路基板15の間隙を封止樹脂24で封止した実装体を模式的に示した断面図である。図7は、接合層として、上記の実施の形態1の図2の導電性接着剤22に代えて半田25を使用している点で図2と相違し、その他の構成は図2と同様である。本例では、封止樹脂24は半導体装置11と回路基板15の間隙全体を封止しているが、少なくとも両者の電気的接続部の周りを囲むように封止するものであってもよい。
【0033】
図8〜図10は、図6の実装体の製造方法を示した概略図である。
【0034】
図8は、回路基板15の入出力端子電極14上にプラズマ溶射により突起電極21を形成する工程を示している。構成は、上記の実施の形態1の図3と全く同様である。
【0035】
図9は、上記図8により形成された突起電極21に半田を転写する工程を示した概略図である。図9は、上記の実施の形態1の図4の導電性接着剤ペースト23に代えて半田ペースト26を使用して突起電極21上に半田25′を転写させている点で図4と相違し、その他の構成は図4と同様である。なお、半田は、本例のように半田ペーストの膜に突起電極をつけることによって突起電極上に転写する方法の他、あらかじめ半導体素子の端子電極側に印刷などにより供給する方法で供給してもよい。
【0036】
図10は、上記図9により転写された半田25′に半導体装置11のバリアメタル13を当接する工程を示した概略図である。図10は、接合層材料として、上記の実施の形態1の図5の導電性接着剤22′が半田25′に代わっている点で図5と相違し、その他の構成は図5と同様である。当接後、半田25′をリフローさせれば、半導体装置の実装が完了する。
【0037】
(実施の形態3)
図11は、本発明の第3の実施の形態にかかる実装体を模式的に示した断面図である。
【0038】
図11は、突起電極として、上記の実施の形態1の図1の突起電極21に代えて2段型突起電極27を形成している点で図1と相違し、その他の構成は図1と同様である。図11に示したように、2段型突起電極27は、入出力端子電極14上に形成された第1段突起電極28とさらにこの上に形成された第2段突起電極29とから構成される。第1段突起電極28及び第2段突起電極29は、いずれも略おわん型形状をしたアルミニウムからなる第1金属部28a、29aと、その凹部に充填された銅からなる第2金属部28b、29bとから構成されている。第2段突起電極29を第1段突起電極28より小さくして、凸状の2段型にすることにより、突起電極の表面積が大きくなり、導電性接着剤22の転写量(図15を参照)が安定し、接合部の信頼性が向上する。
【0039】
図12は、図11の実装体の半導体装置11と回路基板15の間隙を封止樹脂24で封止した実装体を模式的に示した断面図である。図12は、突起電極として、上記の実施の形態1の図2の突起電極21に代えて2段型突起電極27を使用している点で図2と相違し、その他の構成は図2と同様である。本例では、封止樹脂24は半導体装置11と回路基板15の間隙全体を封止しているが、少なくとも両者の電気的接続部の周りを囲むように封止するものであってもよい。
【0040】
図13〜図16は、図11の実装体の製造方法を示した概略図である。
【0041】
図13は、回路基板15の入出力端子電極14上にプラズマ溶射により第1段突起電極28を形成する工程を示している。構成は、上記の実施の形態1の図3で溶射用マスク53を用いて突起電極21を形成したのに代えて、溶射用マスク54を用いて第1段突起電極28を形成する以外は図3と同様である。即ち、所定の開口部を有する溶射用マスク54を用いて、プラズマ溶射のパワーを調整しながらアルミニウムを溶射し、入出力端子電極14上に略おわん型形状の第1金属部28aを形成する。ついで、銅のプラズマ溶射により、前記略おわん型形状の凹部に銅を充填させるようにして第2金属部28bを形成する。かくして、第1段突起電極28が形成される。
【0042】
図14は、上記図13により形成された第1段突起電極28上にプラズマ溶射により第2段突起電極29を形成する工程を示している。第1段突起電極28の形成時に使用した溶射用マスク54より開口部が小さな溶射用マスク55を用いて、プラズマ溶射のパワーを調整しながらアルミニウムを溶射し、第1段突起電極28上に略おわん型形状の第1金属部29aを形成する。ついで、銅のプラズマ溶射により、前記略おわん型形状の凹部に銅を充填させるようにして第2金属部29bを形成する。かくして、第1段突起電極28上に第2段突起電極29が形成される。
【0043】
本発明の方法によれば、突起電極は常に一括で形成されるため、1個1個形成するようなボールボンディング法と違い、2回の工程で全ての2段型突起電極が形成できる。
【0044】
図15は、上記図14により形成された2段型突起電極27に導電性接着剤22′を転写する工程を示した概略図である。図15は、突起電極として、上記の実施の形態1の図4の突起電極21に代えて2段型突起電極27を設けている点で図4と相違し、その他の構成は図4と同様である。本実施の形態のように、突起電極を、第1段突起電極28にこれより小さな第2段突起電極29を積層して凸状の2段型にすることにより、突起電極の表面積が大きくなり、導電性接着剤22′の転写量が安定し、接合部の信頼性が向上する。
【0045】
図16は、上記図15により転写された導電性接着剤22′に半導体装置11のバリアメタル13を当接する工程を示した概略図である。図16は、突起電極として、上記の実施の形態1の図5の突起電極21に代えて2段型突起電極30を設けている点で図5と相違し、その他の構成は図5と同様である。当接後、導電性接着剤22′を硬化させれば、半導体装置の実装が完了する。
【0046】
(実施の形態4)
図17は、本発明の第4の実施の形態にかかる実装体を模式的に示した断面図である。図17は、接合層として、上記の実施の形態3の図11の導電性接着剤22に代えて半田25を使用している点で図11と相違し、その他の構成は図11と同様である。
【0047】
図18は、図17の実装体の半導体装置11と回路基板15の間隙を封止樹脂24で封止した実装体を模式的に示した断面図である。図18は、接合層として、上記の実施の形態3の図12の導電性接着剤22に代えて半田25を使用している点で図12と相違し、その他の構成は図12と同様である。本例では、封止樹脂24は半導体装置11と回路基板15の間隙全体を封止しているが、少なくとも両者の電気的接続部の周りを囲むように封止するものであってもよい。
【0048】
図19〜図22は、図17の実装体の製造方法を示した概略図である。
【0049】
図19は、回路基板15の入出力端子電極14上にプラズマ溶射により第1段突起電極28を形成する工程を示している。構成は、上記の実施の形態3の図13と全く同様である。
【0050】
図20は、上記図19により形成された第1段突起電極28上にプラズマ溶射により第2段突起電極29を形成する工程を示している。構成は、上記の実施の形態3の図14と全く同様である。
【0051】
図21は、上記図20により形成された2段型突起電極27に半田25′を転写する工程を示した概略図である。図21は、上記の実施の形態3の図15の導電性接着剤ペースト23に代えて半田ペースト26を使用して2段型突起電極27上に半田25′を転写させている点で図15と相違し、その他の構成は図15と同様である。本実施の形態のように、突起電極を、第1段突起電極28にこれより小さな第2段突起電極29を積層して凸状の2段型にすることにより、突起電極の表面積が大きくなり、半田25′の転写量が安定し、接合部の信頼性が向上する。
【0052】
なお、半田は、本例のように半田ペーストの膜に突起電極をつけることによって突起電極上に転写する方法の他、あらかじめ半導体素子の端子電極側に印刷などにより供給する方法で供給してもよい。
【0053】
図22は、上記図21により転写された半田25′に半導体装置11のバリアメタル13を当接する工程を示した概略図である。図22は、接合層材料として、上記の実施の形態3の図16の導電性接着剤22′が半田25′に代わっている点で図16と相違し、その他の構成は図16と同様である。当接後、半田25′をリフローさせれば、半導体装置の実装が完了する。
【0054】
(実施の形態5)
図23は、本発明の第5の実施の形態にかかる実装体を模式的に示した断面図である。
【0055】
図23において、半導体装置11の端子電極12上にはバリアメタル13が形成されている。本実施の形態では、端子電極12はAlを真空蒸着して形成した。また、バリアメタル13は、Crを下地金属とし、その上にCuを真空蒸着して形成した。一方、回路基板15の入出力端子電極30中には、突起電極21が形成されている。入出力端子電極30は、Cuを印刷で形成し、それをエッチングすることにより配線電極30aとし、その上に溶射により突起電極21を形成し、その上に下地層30bとしてNiを、表面層30cとしてAuを、順にめっきして形成したものである。このように、突起電極21を回路基板の入出力端子電極30中に形成すれば、突起電極21を回路基板と一体化させて形成することができ、突起電極の密着強度が大きくなる。さらに、入出力端子電極の表面層30cをAuにして、このような入出力端子電極と半導体装置とを接合層を介して接合させることにより、信頼性の高い構造となる。突起電極(バンプ)21は、配線電極30a上に形成され、略おわん型形状をしたアルミニウムからなる第1金属部21aと、その凹部に充填された銅からなる第2金属部21bとから構成されている。突起電極21は溶射により形成されたものである。そして、半導体装置11のバリアメタル13と回路基板15の入出力端子電極30とは導電性接着剤からなる接合層22により電気的に接続されている。本実施の形態の突起電極は、略おわん型形状のアルミニウムが銅の回りを囲むように覆っているので、実装体の製造過程で銅の酸化が進行せず、しかも電気的接続部として良好な導電性を安価に確保することができる。
【0056】
図24は、図23の実装体の半導体装置11と回路基板15の間隙を封止樹脂24で封止した実装体を模式的に示した断面図である。本例では、封止樹脂24は半導体装置11と回路基板15の間隙全体を封止しているが、少なくとも両者の電気的接続部の周りを囲むように封止するものであってもよい。この樹脂封止により電気的接続部の信頼性がさらに向上する。
【0057】
図25〜図28は、図23の実装体の製造方法を示した概略図である。
【0058】
図25は、回路基板15の配線電極30a上にプラズマ溶射により突起電極を形成する工程を示している。溶射装置51から放射された溶射金属52は、所定の大きさの孔があけられた溶射用マスク53の孔を通って配線電極30a上に堆積する。溶射は、まず略おわん型形状の第1金属部21aを形成するため、アルミニウムを溶射する。溶射金属を略おわん型形状に堆積させるためには、溶射時のパワーを調節することにより可能である。その後、第1金属部21aの凹部に銅を充填させるように溶射し、第2金属部21bを形成する。かくして、突起電極21が完成する。本発明では、このように回路基板上に突起電極を形成するので、突起電極形成工程で半導体素子を破壊する心配は全くない。また、プラズマ溶射というドライプロセスを用い、一度に多数の突起電極を形成できるので、低コストである。
【0059】
次ぎに、突起電極21を覆うように、Niからなる下地層30b、及びAuからなる表面層30cを、順にめっきにより形成する。かくして、図26に示したような、入出力端子電極30と入出力端子電極中に形成された突起電極21とを有する回路基板15を得る。このように、本実施の形態の突起電極の形成は、入出力端子電極を形成する工程中に含まれるだけなので、実施の形態1に比較してコスト高になることはない。
【0060】
図27は、上記図25、26により形成された入出力端子電極30上に導電性接着剤を転写する工程を示した概略図である。図27(a)に示すように、回路基板15上の入出力端子電極30を下向きにして導電性接着剤ペースト23につけ、引き上げると、同図(b)に示すように入出力端子電極30上に導電性接着剤22′が転写する。
【0061】
図28は、上記図27により転写された導電性接着剤22′に半導体装置11のバリアメタル13を当接する工程を示した概略図である。当接後、導電性接着剤22′を硬化させれば、半導体装置の実装が完了する。このように、当接して導電性接着剤を硬化させれば実装が完了するので、半導体素子に過大な力が加えられることがなく、半導体素子が破壊する可能性が極めて少ない。
【0062】
(実施の形態6)
図29は、本発明の第6の実施の形態にかかる実装体を模式的に示した断面図である。図29は、接合層として、上記の実施の形態5の図23の導電性接着剤22に代えて半田25を使用している点で図23と相違し、その他の構成は図23と同様である。
【0063】
図30は、図29の実装体の半導体装置11と回路基板15の間隙を封止樹脂24で封止した実装体を模式的に示した断面図である。図30は、接合層として、上記の実施の形態5の図24の導電性接着剤22に代えて半田25を使用している点で図24と相違し、その他の構成は図24と同様である。本例では、封止樹脂24は半導体装置11と回路基板15の間隙全体を封止しているが、少なくとも両者の電気的接続部の周りを囲むように封止するものであってもよい。
【0064】
実装体の製造方法は、実施の形態5の導電性接着剤ペーストに代えて半田ペーストを使用している点で相違し、その他の構成は図25〜図28と同様である。半田の場合、図28のように当接した後、リフローさせれば、半導体装置の実装が完了する。
【0065】
なお、半田は、本例のように半田ペーストの膜に入出力端子電極をつけることによって入出力端子電極上に転写する方法の他、あらかじめ半導体素子の端子電極側に印刷などにより供給する方法で供給してもよい。
【0066】
(実施の形態7)
図31は、本発明の第7の実施の形態にかかる実装体を模式的に示した断面図である。
【0067】
図31は、突起電極として、上記の実施の形態5の図23の突起電極21に代えて2段型突起電極27を形成している点で図23と相違し、その他の構成は図23と同様である。図31に示したように、2段型突起電極27は、配線電極30a上に形成された第1段突起電極28とさらにこの上に形成された第2段突起電極29とから構成される。第1段突起電極28及び第2段突起電極29は、いずれも略おわん型形状をしたアルミニウムからなる第1金属部28a、29aと、その凹部に充填された銅からなる第2金属部28b、29bとから構成されている。第2段突起電極29を第1段突起電極28より小さくして、凸状の2段型にすることにより、突起電極の表面積が大きくなり、その結果入出力端子電極30の表面積が大きくなって、導電性接着剤22の転写量(図35を参照)が安定し、接合部の信頼性が向上する。
【0068】
2段型突起電極27上に、下地層30bとしてNiを、表面層30cとしてAuを、順にめっきして形成する。このように、突起電極21を回路基板の入出力端子電極30中に形成すれば、突起電極21を回路基板と一体化させて形成することができ、突起電極の密着強度が大きくなる。さらに、入出力端子電極の表面層30cをAuにして、このような入出力端子電極と半導体装置とを接合層を介して接合させることにより、信頼性の高い構造となる。
【0069】
図32は、図31の実装体の半導体装置11と回路基板15の間隙を封止樹脂24で封止した実装体を模式的に示した断面図である。図32は、突起電極として、上記の実施の形態5の図24の突起電極21に代えて2段型突起電極27を使用している点で図24と相違し、その他の構成は図24と同様である。本例では、封止樹脂24は半導体装置11と回路基板15の間隙全体を封止しているが、少なくとも両者の電気的接続部の周りを囲むように封止するものであってもよい。
【0070】
図33〜図36は、図31の実装体の製造方法を示した概略図である。
【0071】
図33は、回路基板15の配線電極30a上にプラズマ溶射により第1段突起電極28を形成する工程を示している。構成は、上記の実施の形態5の図25で溶射用マスク53を用いて突起電極21を形成したのに代えて、溶射用マスク54を用いて第1段突起電極28を形成する以外は図25と同様である。即ち、所定の開口部を有する溶射用マスク54を用いて、プラズマ溶射のパワーを調整しながらアルミニウムを溶射し、配線電極30a上に略おわん型形状の第1金属部28aを形成する。ついで、銅のプラズマ溶射により、前記略おわん型形状の凹部に銅を充填させるようにして第2金属部28bを形成する。かくして、第1段突起電極28が形成される。
【0072】
図34は、上記図33により形成された第1段突起電極28上にプラズマ溶射により第2段突起電極29を形成する工程を示している。第1段突起電極28の形成時に使用した溶射用マスク54より開口部が小さな溶射用マスク55を用いて、プラズマ溶射のパワーを調整しながら、アルミニウムを溶射し、第1段突起電極28上に略おわん型形状の第1金属部29aを形成する。ついで、銅のプラズマ溶射により、前記略おわん型形状の凹部に銅を充填させるようにして第2金属部29bを形成する。かくして、第1段突起電極28上に第2段突起電極29が形成される。
【0073】
本発明の方法によれば、突起電極は常に一括で形成されるため、1個1個形成するようなボールボンディング法と違い、2回の工程で全ての2段型突起電極が形成できる。
【0074】
次ぎに、2段型突起電極を覆うように、Niからなる下地層、及びAuからなる表面層を、順にめっきにより形成する。かくして、入出力端子電極と入出力端子電極中に形成された2段型突起電極とを有する回路基板を得る。このように、本実施の形態の突起電極の形成は、入出力端子電極を形成する工程中に含まれるだけなので、実施の形態3に比較してコスト高になることはない。
【0075】
図35は、上記により形成された入出力端子電極30に導電性接着剤22′を転写する工程を示した概略図である。図35は、突起電極として、上記の実施の形態5の図27の突起電極21に代えて2段型突起電極27を設けている点で図27と相違し、その他の構成は図27と同様である。本実施の形態のように、突起電極を第1段突起電極28にこれより小さな第2段突起電極29を積層して凸状の2段型にすることにより、突起電極の表面積が大きくなり、その結果入出力端子電極30の表面積が大きくなって、導電性接着剤22′の転写量が安定し、接合部の信頼性が向上する。
【0076】
図36は、上記図35により転写された導電性接着剤22′に半導体装置11のバリアメタル13を当接する工程を示した概略図である。図36は、突起電極として、上記の実施の形態5の図28の突起電極21に代えて2段型突起電極27を設けている点で図28と相違し、その他の構成は図28と同様である。当接後、導電性接着剤22′を硬化させれば、半導体装置の実装が完了する。
【0077】
(実施の形態8)
図37は、本発明の第8の実施の形態にかかる実装体を模式的に示した断面図である。図37は、接合層として、上記の実施の形態7の図31の導電性接着剤22に代えて半田25を使用している点で図31と相違し、その他の構成は図31と同様である。
【0078】
図38は、図37の実装体の半導体装置11と回路基板15の間隙を封止樹脂24で封止した実装体を模式的に示した断面図である。図38は、接合層として、上記の実施の形態7の図32の導電性接着剤22に代えて半田25を使用している点で図32と相違し、その他の構成は図32と同様である。本例では、封止樹脂24は半導体装置11と回路基板15の間隙全体を封止しているが、少なくとも両者の電気的接続部の周りを囲むように封止するものであってもよい。
【0079】
実装体の製造方法は、実施の形態7の導電性接着剤ペーストに代えて半田ペーストを使用している点で相違し、その他の構成は図33〜図36と同様である。半田の場合、図36のように当接した後、リフローさせれば、半導体装置の実装が完了する。
【0080】
本実施の形態のように、突起電極を第1段突起電極28にこれより小さな第2段突起電極29を積層して凸状の2段型にすることにより、突起電極の表面積が大きくなり、その結果入出力端子電極30の表面積が大きくなって、半田の転写工程での半田の転写量が安定し、接合部の信頼性が向上する。
【0081】
なお、半田は、本例のように半田ペーストの膜に入出力端子電極をつけることによって入出力端子電極上に転写する方法の他、あらかじめ半導体素子の端子電極側に印刷などにより供給する方法で供給してもよい。
【0082】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明により、能動素子を破壊することなく実装でき、しかもドライプロセスにより一括して形成されたエリア配列の突起電極(バンプ)のため低コストで信頼性が高い実装体が得られる。
【0083】
すなわち、本発明は以下のような効果を有する。
【0084】
(1) ICチップなどの半導体装置(能動素子)ではなく、回路基板の入出力端子電極上又は入出力端子電極中に突起電極を形成するために、突起電極を形成する際に半導体装置(能動素子)を破壊する危険性が全くない。
【0085】
(2) 突起電極の形成は溶射により行うので、ドライプロセスでかつ多数の突起電極を一括して形成することができ、低コストである。
【0086】
(3) 突起電極として、略おわん型形状を有する第1金属部とその凹部に充填された第2金属部とからなる特殊な構成としたことにより、第1金属部をアルミニウムで、第2金属部を銅から構成すれば、酸化されやすい良導体の銅をアルミニウムで覆って保護し、中心に配置することになるから、銅の酸化を防ぐと同時に導電性において信頼性の高い構造にすることができる。
【0087】
(4) 突起電極を(3)のような特殊な構成にしたことにより、アルミニウムと銅などの比較的安価な導電体を用いることができる。
【0088】
(5) 接合層は、半田あるいは導電性接着剤からなるため、リフローあるいは硬化を行うだけで、ほとんど加圧することなく実装でき、半導体装置(能動素子)にダメージを与えることがない。
【0089】
(6) 突起電極を回路基板の入出力端子電極中に形成すれば、回路基板と一体化させて形成することができ、突起電極の密着強度が大きくなる。さらに、入出力端子電極の表面層をAuで形成することが容易になり、かかる入出力端子電極と半導体装置とを接合層を介して接合すれば、信頼性の高い構造となる。しかも突起電極の形成は入出力端子電極を形成する工程中に含まれるだけなのでコスト高にもならない。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の第1の実施の形態にかかる実装体を模式的に示した断面図である。
【図2】 図1の実装体の半導体装置と回路基板の間隙を封止樹脂で封止した実装体を模式的に示した断面図である。
【図3】 図1の実装体の製造方法を示すものであって、回路基板の入出力端子電極上にプラズマ溶射により突起電極を形成する工程を示した概略図である。
【図4】 図1の実装体の製造方法を示すものであって、突起電極に導電性接着剤を転写する工程を示した概略図である。
【図5】 図1の実装体の製造方法を示すものであって、転写された導電性接着剤に半導体装置のバリアメタルを当接する工程を示した概略図である。
【図6】 本発明の第2の実施の形態にかかる実装体を模式的に示した断面図である。
【図7】 図6の実装体の半導体装置と回路基板の間隙を封止樹脂で封止した実装体を模式的に示した断面図である。
【図8】 図6の実装体の製造方法を示すものであって、回路基板の入出力端子電極上にプラズマ溶射により突起電極を形成する工程を示した概略図である。
【図9】 図6の実装体の製造方法を示すものであって、突起電極に半田を転写する工程を示した概略図である。
【図10】 図6の実装体の製造方法を示すものであって、転写された半田に半導体装置のバリアメタルを当接する工程を示した概略図である。
【図11】 本発明の第3の実施の形態にかかる実装体を模式的に示した断面図である。
【図12】 図11の実装体の半導体装置と回路基板の間隙を封止樹脂で封止した実装体を模式的に示した断面図である。
【図13】 図11の実装体の製造方法を示すものであって、回路基板の入出力端子電極上にプラズマ溶射により第1段突起電極を形成する工程を示した概略図である。
【図14】 図11の実装体の製造方法を示すものであって、第1段突起電極上にプラズマ溶射により第2段突起電極を形成する工程を示した概略図である。
【図15】 図11の実装体の製造方法を示すものであって、2段型突起電極に導電性接着剤を転写する工程を示した概略図である。
【図16】 図11の実装体の製造方法を示すものであって、転写された導電性接着剤に半導体装置のバリアメタルを当接する工程を示した概略図である。
【図17】 本発明の第4の実施の形態にかかる実装体を模式的に示した断面図である。
【図18】 図17の実装体の半導体装置と回路基板の間隙を封止樹脂で封止した実装体を模式的に示した断面図である。
【図19】 図17の実装体の製造方法を示すものであって、回路基板の入出力端子電極上にプラズマ溶射により第1段突起電極を形成する工程を示した概略図である。
【図20】 図17の実装体の製造方法を示すものであって、第1段突起電極上にプラズマ溶射により第2段突起電極を形成する工程を示した概略図である。
【図21】 図17の実装体の製造方法を示すものであって、2段型突起電極に半田を転写する工程を示した概略図である。
【図22】 図17の実装体の製造方法を示すものであって、転写された半田に半導体装置のバリアメタルを当接する工程を示した概略図である。
【図23】 本発明の第5の実施の形態にかかる実装体を模式的に示した断面図である。
【図24】 図23の実装体の半導体装置と回路基板の間隙を封止樹脂で封止した実装体を模式的に示した断面図である。
【図25】 図23の実装体の製造方法を示すものであって、回路基板の配線電極上にプラズマ溶射により突起電極を形成する工程を示した概略図である。
【図26】 図23の実装体の製造方法を示すものであって、突起電極を覆うように、Ni下地層及びAu表面層を形成して得られた回路基板の概略図である。
【図27】 図23の実装体の製造方法を示すものであって、突起電極を内部に含む入出力端子電極に導電性接着剤を転写する工程を示した概略図である。
【図28】 図23の実装体の製造方法を示すものであって、転写された導電性接着剤に半導体装置のバリアメタルを当接する工程を示した概略図である。
【図29】 本発明の第6の実施の形態にかかる実装体を模式的に示した断面図である。
【図30】 図29の実装体の半導体装置と回路基板の間隙を封止樹脂で封止した実装体を模式的に示した断面図である。
【図31】 本発明の第7の実施の形態にかかる実装体を模式的に示した断面図である。
【図32】 図31の実装体の半導体装置と回路基板の間隙を封止樹脂で封止した実装体を模式的に示した断面図である。
【図33】 図31の実装体の製造方法を示すものであって、回路基板の配線電極上にプラズマ溶射により第1段突起電極を形成する工程を示した概略図である。
【図34】 図31の実装体の製造方法を示すものであって、第1段突起電極上にプラズマ溶射により第2段突起電極を形成する工程を示した概略図である。
【図35】 図31の実装体の製造方法を示すものであって、2段型突起電極を内部に含む入出力端子電極に導電性接着剤を転写する工程を示した概略図である。
【図36】 図31の実装体の製造方法を示すものであって、転写された導電性接着剤に半導体装置のバリアメタルを当接する工程を示した概略図である。
【図37】 本発明の第8の実施の形態にかかる実装体を模式的に示した断面図である。
【図38】 図37の実装体の半導体装置と回路基板の間隙を封止樹脂で封止した実装体を模式的に示した断面図である。
【図39】 従来の半田バンプの構成を示した概略断面図である。
【符号の説明】
11 半導体装置
12 端子電極
13 バリアメタル
14 入出力端子電極
15 回路基板
21 突起電極
21a 第1金属部
21b 第2金属部
22、22′ 導電性接着剤
23 導電性接着剤ペースト
24 封止樹脂
25、25′ 半田
26 半田ペースト
27 2段型突起電極
28 第1段突起電極
28a 第1金属部
28b 第2金属部
29 第2段突起電極
29a 第1金属部
29b 第2金属部
30 入出力端子電極
30a 配線電極
30b 下地層
30c 表面層
51 溶射装置
52 溶射金属
53、54、55 溶射用マスク
101 半田(Pb−Sn)バンプ
102 Cu−Sn金属間化合物
103 Cr−Cu層
104 Cr層
105 ガラス保護膜
106 SiO2
107 Alパッド電極

Claims (28)

  1. 端子電極と前記端子電極上に形成されたバリアメタルとを有する半導体装置と、入出力端子電極と前記入出力端子電極上に形成された突起電極とを有する回路基板と、前記バリアメタルと前記突起電極とを電気的に接続する接合層とからなる実装体であって、前記突起電極は、略おわん型形状を有する第1金属部と前記略おわん型形状の凹部に充填された第2金属部とからなり、前記接合層は導電性接着剤からなることを特徴とする実装体。
  2. 電気的接続部が樹脂で封止されていることを特徴とする請求項1に記載の実装体。
  3. 半導体装置の端子電極上にバリアメタルを形成する工程と、回路基板の入出力端子電極上に溶射により突起電極を形成する工程と、前記突起電極上に導電性接着剤を転写する工程と、転写された前記導電性接着剤に半導体装置の前記バリアメタルを当接して前記回路基板に前記半導体装置を実装する工程とからなることを特徴とする請求項1に記載の実装体の製造方法。
  4. 端子電極と前記端子電極上に形成されたバリアメタルとを有する半導体装置と、入出力端子電極と前記入出力端子電極上に形成された突起電極とを有する回路基板と、前記バリアメタルと前記突起電極とを電気的に接続する接合層とからなる実装体であって、前記突起電極は、略おわん型形状を有する第1金属部と前記略おわん型形状の凹部に充填された第2金属部とからなり、前記接合層は半田からなることを特徴とする実装体。
  5. 電気的接続部が樹脂で封止されていることを特徴とする請求項4に記載の実装体。
  6. 半導体装置の端子電極上にバリアメタルを形成する工程と、回路基板の入出力端子電極上に溶射により突起電極を形成する工程と、前記突起電極上に半田を転写する工程と、転写された前記半田に半導体装置の前記バリアメタルを当接して前記回路基板に前記半導体装置を実装する工程とからなることを特徴とする請求項4に記載の実装体の製造方法。
  7. 端子電極と前記端子電極上に形成されたバリアメタルとを有する半導体装置と、入出力端子電極と前記入出力端子電極上に形成された突起電極とを有する回路基板と、前記バリアメタルと前記突起電極とを電気的に接続する接合層とからなる実装体であって、前記突起電極は、前記入出力端子電極上に形成された第1段突起電極と、前記第1段突起電極上に形成され、前記第1段突起電極より小さな第2段突起電極とからなる2段型突起電極であり、前記第1段突起電極及び前記第2段突起電極のいずれもが、略おわん型形状を有する第1金属部と前記略おわん型形状の凹部に充填された第2金属部とからなり、さらに前記接合層は導電性接着剤からなることを特徴とする実装体。
  8. 電気的接続部が樹脂で封止されていることを特徴とする請求項7に記載の実装体。
  9. 半導体装置の端子電極上にバリアメタルを形成する工程と、回路基板の入出力端子電極上に開口部の大きさが異なるマスクを用いて溶射により2段型突起電極を形成する工程と、前記突起電極上に導電性接着剤を転写する工程と、転写された前記導電性接着剤に半導体装置の前記バリアメタルを当接して前記回路基板に前記半導体装置を実装する工程とからなることを特徴とする請求項7に記載の実装体の製造方法。
  10. 端子電極と前記端子電極上に形成されたバリアメタルとを有する半導体装置と、入出力端子電極と前記入出力端子電極上に形成された突起電極とを有する回路基板と、前記バリアメタルと前記突起電極とを電気的に接続する接合層とからなる実装体であって、前記突起電極は、前記入出力端子電極上に形成された第1段突起電極と、前記第1段突起電極上に形成され、前記第1段突起電極より小さな第2段突起電極とからなる2段型突起電極であり、前記第1段突起電極及び前記第2段突起電極のいずれもが、略おわん型形状を有する第1金属部と前記略おわん型形状の凹部に充填された第2金属部とからなり、さらに前記接合層は半田からなることを特徴とする実装体。
  11. 電気的接続部が樹脂で封止されていることを特徴とする請求項10に記載の実装体。
  12. 半導体装置の端子電極上にバリアメタルを形成する工程と、回路基板の入出力端子電極上に開口部の大きさが異なるマスクを用いて溶射により2段型突起電極を形成する工程と、前記突起電極上に半田を転写する工程と、転写された前記半田に半導体装置の前記バリアメタルを当接して前記回路基板に前記半導体装置を実装する工程とからなることを特徴とする請求項10に記載の実装体の製造方法。
  13. 端子電極と前記端子電極上に形成されたバリアメタルとを有する半導体装置と、入出力端子電極と前記入出力端子電極中に形成された突起電極とを有する回路基板と、前記バリアメタルと前記入出力端子電極とを電気的に接続する接合層とからなる実装体であって、前記突起電極は、略おわん型形状を有する第1金属部と前記略おわん型形状の凹部に充填された第2金属部とからなり、前記接合層は導電性接着剤からなることを特徴とする実装体。
  14. 電気的接続部が樹脂で封止されていることを特徴とする請求項13に記載の実装体。
  15. 半導体装置の端子電極上にバリアメタルを形成する工程と、溶射により形成された突起電極を内部に含む入出力端子電極を回路基板上に形成する工程と、前記入出力端子電極上に導電性接着剤を転写する工程と、転写された前記導電性接着剤に半導体装置の前記バリアメタルを当接して前記回路基板に前記半導体装置を実装する工程とからなることを特徴とする請求項13に記載の実装体の製造方法。
  16. 端子電極と前記端子電極上に形成されたバリアメタルとを有する半導体装置と、入出力端子電極と前記入出力端子電極中に形成された突起電極とを有する回路基板と、前記バリアメタルと前記入出力端子電極とを電気的に接続する接合層とからなる実装体であって、前記突起電極は、略おわん型形状を有する第1金属部と前記略おわん型形状の凹部に充填された第2金属部とからなり、前記接合層は半田からなることを特徴とする実装体。
  17. 電気的接続部が樹脂で封止されていることを特徴とする請求項16に記載の実装体。
  18. 半導体装置の端子電極上にバリアメタルを形成する工程と、溶射により形成された突起電極を内部に含む入出力端子電極を回路基板上に形成する工程と、前記入出力端子電極上に半田を転写する工程と、転写された前記半田に半導体装置の前記バリアメタルを当接して前記回路基板に前記半導体装置を実装する工程とからなることを特徴とする請求項16記載の実装体の製造方法。
  19. 端子電極と前記端子電極上に形成されたバリアメタルとを有する半導体装置と、入出力端子電極と前記入出力端子電極中に形成された突起電極とを有する回路基板と、前記バリアメタルと前記入出力端子電極とを電気的に接続する接合層とからなる実装体であって、前記突起電極は、第1段突起電極と前記第1段突起電極上に形成され、前記第1段突起電極より小さな第2段突起電極とからなる2段型突起電極であり、前記第1段突起電極及び前記第2段突起電極のいずれもが、略おわん型形状を有する第1金属部と前記略おわん型形状の凹部に充実された第2金属部とからなり、さらに前記接合層は導電性接着剤からなることを特徴とする実装体。
  20. 電気的接続部が樹脂で封止されていることを特徴とする請求項19に記載の実装体。
  21. 半導体装置の端子電極上にバリアメタルを形成する工程と、開口部の大きさが異なるマスクを用いて溶射により形成された2段型突起電極を内部に含む入出力端子電極を回路基板上に形成する工程と、前記入出力端子電極上に導電性接着剤を転写する工程と、転写された前記導電性接着剤に半導体装置の前記バリアメタルを当接して前記回路基板に前記半導体装置を実装する工程とからなることを特徴とする請求項19に記載の実装体の製造方法。
  22. 端子電極と前記端子電極上に形成されたバリアメタルとを有する半導体装置と、入出力端子電極と前記入出力端子電極中に形成された突起電極とを有する回路基板と、前記バリアメタルと前記入出力端子電極とを電気的に接続する接合層とからなる実装体であって、前記突起電極は、第1段突起電極と前記第1段突起電極上に形成され、前記第1段突起電極より小さな第2段突起電極とからなる2段型突起電極であり、前記第1段突起電極及び前記第2段突起電極のいずれもが、略おわん型形状を有する第1金属部と前記略おわん型形状の凹部に充填された第2金属部とからなり、さらに前記接合層は半田からなることを特徴とする実装体。
  23. 電気的接続部が樹脂で封止されていることを特徴とする請求項22に記載の実装体。
  24. 半導体装置の端子電極上にバリアメタルを形成する工程と、開口部の大きさが異なるマスクを用いて溶射により形成された2段型突起電極を内部に含む入出力端子電極を回路基板上に形成する工程と、前記入出力端子電極上に半田を転写する工程と、転写された前記半田に半導体装置の前記バリアメタルを当接して前記回路基板に前記半導体装置を実装する工程とからなることを特徴とする請求項22に記載の実装体の製造方法。
  25. 突起電極がプラズマ溶射により形成されたものであり、第1金属部はAl、第2金属部はCuからなることを特徴とする請求項1、2、4、5、7、8、10、11、13、14、16、17、19、20、22、及び23のいずれかに記載の実装体。
  26. 電気的接続部を封止する樹脂が無機物のフィラーを含むことを特徴とする請求項2、5、8、11、14、17、20、及び23のいずれかに記載の実装体。
  27. 突起電極を形成する工程が、プラズマ溶射により略おわん型形状の第1金属部を形成した後、前記略おわん型形状の凹部にプラズマ溶射により第2金属部を充填する工程であることを特徴とする請求項3、6、15、及び18のいずれかに記載の実装体の製造方法。
  28. 2段型突起電極を形成する工程が、プラズマ溶射により略おわん型形状の第1金属部を形成した後、前記略おわん型形状の凹部にプラズマ溶射により第2金属部を充填することにより第1段突起電極を形成する工程と、前記第1段突起電極上にプラズマ溶射により略おわん型形状の第1金属部を形成した後、前記略おわん型形状の凹部にプラズマ溶射により第2金属部を充填することにより第2段突起電極を形成する工程とからなることを特徴とする請求項9、12、21及び24のいずれかに記載の実装体の製造方法。
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