专利名称：安装结构体及安装方法
技术领域：
本发明涉及将半导体元件安装在印刷基板等电路基板上的安装结构体及 安装方法，特别是涉及设置在半导体元件的电极上的凸块的结构及其形成方法。
背景技术：
图17示出现有的凸块形成方法(例如，参照松下技术期刊(Matsushita Technical Journal),Vol.47，No.3，2001年6月,松下电器产业株式会社发行)。该凸 块形成方法是利用引线接合技术。如图17(a)所示，使用火花放电在通过毛细 管203的Au线201的前端形成Au球202。如图17(b)所示，使Au球202与 利用加热台(未示出)加热后的半导体元件101的电极102接触，通过施加压力 和超声波使其接合。如图17(c)所示，在拉出一定量的Au线201的同时使毛细 管203上升，从而拉断Au线201。由此，形成柱形凸块208。
图18(a)(b)示出日本国专利第3150347号公报所记载的倒装芯片安装结构 体的整体结构及连接部分的截面。使如上所述形成于半导体元件101的电极 102上的柱形凸块208与印刷基板301的电极302连接。
图19及图20示出日本国专利特开平8 — 264540号公报所记载的凸块形成 方法。该凸块形成方法也利用引线接合技术。如图19(a)所示，在通过毛细管 203的引线204的前端形成金属球205，如图19(b)所示， 一边用毛细管203的 前端将金属球205按压在半导体元件101的电极102上， 一边施加超声波，从 而进行接合。如图19(c)及图19(d)所示，使毛细管203的前端横向移动后，一 边按压金属球205的接合物， 一边施加超声波，从而如图19(e)所示，切断引 线204。由此形成第一凸块206。
此后，同样地形成金属球205，如图19(f)所示，使其与第一凸块206的上 方接合，如图20(a)及图20(b)所示，使毛细管203的前端横向移动后， 一边按压金属球205的接合物， 一边施加超声波，从而切断引线204。由此，形成第 二凸块207，完成两层凸块218。
该两层凸块218中，第一凸块206和第二凸块207为大致相同的形状，或 者第二凸块207为第一凸块206的縮小形状。图21中示出使用了两层凸块218 的倒装芯片安装结构体的连接部分的截面。
由于上述的柱形凸块208和两层凸块218都形成于半导体元件101的电极 102上，因此随着电极102的高密度化、微小化的发展，凸块直径也变小。若 凸块直径变小，则安装倒装芯片时，柱形凸块208或两层凸块218与电路基板 电极302之间的接触面积变小，存在连接可靠性变差的问题。
发明内容
本发明鉴于上述问题，其目的在于提供即使半导体元件的电极微小也能充 分确保对电路基板电极的接触面积、由此能确保连接可靠性的安装结构体及安
装方法。
为了实现上述目的，本发明的安装结构体的特征为，具有半导体元件、包 括与所述半导体元件的电极相对配置的电极在内的电路基板、及由与所述半导 体元件的电极接合的第一凸块和与所述电路基板的电极接合的第二凸块构成 的导电性的两层凸块，所述第二凸块比所述第一凸块要大，所述第一凸块的中 心轴和所述第二凸块的中心轴不一致。
如上所述通过将两层凸块内的第二凸块做得更大，从而即使半导体元件的 电极微小，也能充分确保凸块与电路基板电极之间的接触面积，能确保连接可 靠性。另外通过使第一凸块的中心轴与所述第二凸块的中心轴不一致，从而能 减小冷热冲击试验等中产生的热应力。
所述安装结构体的特征为，电路基板的电极比半导体元件的电极要大，第 二凸块与所述电路基板的电极大小相同或比它要小，第一凸块与所述半导体元 件的电极大小相同或比它要小。
所述安装结构体的特征为，通过第二凸块的重心的假想线通过第一凸块。 所述安装结构体的特征为，第一凸块的直径为第二凸块的直径的二分之一以上。所述安装结构体的特征为，半导体元件上形成有沿第一凸块的侧面的弹性 体，第二凸块位于所述第一凸块及所述弹性体的上方。
所述安装结构体的特征为，第一凸块偏向半导体元件的电极的任一端部一 侧配置。所述安装结构体的特征为，第二凸块比第一凸块还要偏向半导体元件 的电极的端部一侧配置。
本发明的安装方法的特征为，包括在通过毛细管的引线的前端形成第一 金属球的工序； 一边用所述毛细管将所述第一金属球按压在半导体元件的电极 上、 一边施加超声波从而形成第一凸块的工序；在通过毛细管的引线的前端形 成比所述第一金属球要大的第二金属球的工序； 一边用所述毛细管将所述第二 金属球配置并按压在所述第一凸块上使得彼此的中心轴不一致、 一边施加超声 波从而形成第二凸块的工序；及在所述第二凸块上将形成有由所述第一凸块和 第二凸块构成的两层凸块的半导体元件与电路基板的电极连接的工序。
所述安装方法的特征为，形成第一金属球的毛细管和形成第二金属球的毛 细管不同。所述安装方法的特征为，形成第一金属球的引线和形成第二金属球 的引线不同。
根据上述本发明的安装结构体及安装方法，即使半导体元件的电极微小， 也能充分确保凸块与电路基板电极之间的接触面积，能确保连接可靠性及高质
图1是本发明的实施方式之一的安装结构体的剖视图。 图2是构成图1的安装结构体的半导体元件的电极部分的剖视图。 图3是按照工序顺序示出图2的半导体元件中的两层凸块的形成方法的剖 视图。
图4是按照工序顺序示出将图2的半导体元件进行倒装芯片安装的方法的 剖视图。 ^
图5是放大示出图1的安装结构体中的半导体元件与电路基板电极之间的 接合部分的图。
图6是示出半导体元件的电极部分的其它例子的剖视图。图7是示出半导体元件上的多个电极的配置的俯视图。
图8是示出图7的电极上形成的两层凸块的配置例的俯视放大图。 图9是示出图7的电极上形成的两层凸块的其它配置例的俯视放大图。 图IO是示出半导体元件上的多个电极的其它配置的俯视图。 图11是示出图10的电极上形成的两层凸块的配置例的俯视放大图。 图12是示出半导体元件的电极部分的又一其它例子的剖视图。 图13是示出半导体元件的电极部分的又一其它例子的剖视图。 图14是示出半导体元件的电极部分的又一其它例子的剖视图。 图15是示出半导体元件的电极部分的又一其它例子的剖视图。 图16是示出半导体元件的电极部分的又一其它例子的剖视图。 图17是按照工序顺序示出以往某一柱形凸块的形成方法的剖视图。 图18是使用了图17的柱形凸块的安装结构体的整体结构及连接部分的剖 视图。
图19是按照工序顺序示出以往某一两层凸块的形成方法的前半工序的剖 视图。
图20是按照工序顺序示出图19的两层凸块的形成方法的后半工序的剖视图。
图21是使用了图19及图20的两层凸块的安装结构体的连接部分的剖视图。
具体实施例方式
下面，参照附图，说明本发明的实施方式。
如图1所示，本发明的安装结构体具有半导体元件101、包括与该半导体 元件101的电极102相对配置的电极302在内的电路基板301、及将半导体元 件101的电极102与电路基板301的电极302接合的导电性的两层凸块213。
两层凸块213中，与电路基板301的电极302接合的第二凸块210、比与 半导体元件101的电极102接合的第一凸块209要大。
图2(a)(b)从各相差卯度的两个方向示出图1的安装结构体中使用的半导 体元件101的电极部分。第一凸块209大致呈圆盘状，并形成于电极102的电极面内的中间。第二凸块210形成于第一凸块209上，呈凸出状，该圆盘状的 底座部212的直径比第一凸块209的直径要大。这里所谓的直径是电极102的 最大直径。第一凸块209的中心轴和第二凸块210的中心轴不一致。通过第二 凸块210的重心的假想线(与中心轴基本一致)通过第一凸块。
例如，电极102的外形尺寸为54pm、排列间距为120|im的情况下，设第 一凸块209其直径为45iim，高度为l(Him,第二凸块210其底座部212的直径 为85pm，高度为25pm。此时，设第一凸块209的中心轴和第二凸块210的中 心轴之间的偏差例如为2(Him。可根据凸块的材质、凸块形成条件、接合条件， 将这些尺寸调整士3 10^im左右。
电极102 —般由以Al为主要材料并包含Si或Cu的Al化合物形成。第一 凸块209及第二凸块210由Au(纯度为99%以上)形成。在半导体元件101的电 极102以外的表面形成保护膜103。对于保护膜103， 一般采用感光性或非感 光性的聚酰亚胺或聚对苯撑苯并双噁唑(PBO)等具有绝缘性和耐热性的材料。
参照图3说明以上述尺寸形成两层凸块213的工序。如图3(a)所示，使直 径为23pm的Au线201通过前端的孔径为28Mm的毛细管203中，在前端形 成038pm的第一Au球214。如图3(b)所示，将毛细管203与在加热台(未图 示)上加热至170°C 300°C的半导体元件101的电极102对准位置，用毛细管 203的前端将第一 Au球214以荷重30 80gf按压在电极102上，并施加超声 波，从而使其塑性变形以进行接合。如图3(c)所示，在拉出30(Him 500Hm的 Au线201的同时使毛细管203上升，从而拉断Au线201。由此，形成具有底 座部211和突起部216的第一凸块209。
接着，如图3(d)所示，在毛细管203的前端形成06(Him的第二 Au球215。 此时，改变火花电流及火花持续时间使得与形成第一Au球214时不同，从而 形成比第一 Au球214大的第二 Au球215。
此后，如图3(e)所示使第二Au球215接合在第一凸块209上，如图3(f) 所示拉断Au线201，从而形成第二凸块210。由此，两层凸块213完成。
所形成的两层凸块213中，第一凸块209成为与底座部211大致相应的圆 盘状，第二凸块210成为具有直径大于第一凸块209的底座部U2的凸出状。此外这里，是使用相同Au线201和毛细管203形成第一凸块209和第二 凸块210，但也可使用直径不同的Au线201和毛细管203来形成。另外也可 使用由以Cu为主要材料并含有Pd的Cu化合物构成的金属线形成第二凸块 210，以便以低价得到良好的散热性。
参照图4，说明将上述的半导体元件101进行倒装芯片安装的方法。在图 4(a)所示的电路基板301上，如图4(b)所示配置热固化性树脂片材309，利用被 内置的加热器306加热至70 120°C的粘贴工具305，以5 10kgf/cr^左右的 压力进行粘贴。304是配置在热固化性树脂片材309上的可剥离的隔离物，以 防止粘贴工具305等被粘住。
热固化性树脂片材309是由含有或完全不含有二氧化硅等无机类填料的绝 缘性材料(例如，环氧树脂、酚醛树脂、聚酰亚胺等)构成，可优选使用具有能 承受之后进行的回流工序中的高温的耐热性(例如，可在26(TC下承受10秒钟 程度的耐热性)的材料。切割成比半导体元件101的大小大lmm左右的尺寸来 使用。在粘贴结束后从热固化性树脂片材309上剥离隔离物304。
接着，如图4(c)所示，使用吸附工具307，将形成有两层凸块213的半导 体元件101、与粘贴有上述的热固化性树脂片材309的电路基板301对准位置， 使得两层凸块213与电路基板电极302对应，然后按压并安装在热固化性树脂 片材309上。吸附工具307的温度是与周围环境大致相同程度的温度，且为热 固化性树脂片材309开始热固化反应的温度以下。此后，如图4(d)所示，利用 被加热器306加热后的压合工具308按压半导体元件101，进行加热，通过两 层凸块213使其与电路基板301电连接。
此时，两层凸块213被按压在电路基板301的电路基板电极302上发生变 形，同时进行接合。因此由压合工具308进行的按压最低也需要20gf。采用不 会使半导体元件IOI、两层凸块213、电路基板301发生损伤的大小的荷重。 另一方面，利用压合工具308隔着半导体元件101对热固化性树脂片材309施 加几秒 30秒左右的17(TC 25(TC左右的热量，从而进行热固化，利用固化 后的热固化性树脂303将半导体元件101固定在电路基板301上。由此，得到 图4(e)所示的安装结构体。图5(a)(b)放大示出半导体元件101和电路基板电极302之间的接合部分。 两层凸块213内的第二凸块210与电路基板电极302连接，其连接面积比现有 的凸块(参照图17、图20)与电路基板电极302连接的连接面积要大。第一凸块 209的中心轴和第二凸块210的中心轴不一致。
两层凸块213中，如先前参照图2所说明的那样，在对半导体元件101上 形成时，第一凸块209处于半导体元件I01的电极102的电极面内，第二凸块 210的底座部212的直径比第一凸块209的直径要大。
该尺寸关系在两层凸块213发生变形后也相同，g卩，第一凸块209处于半 导体元件101的电极102的电极面内，第二凸块210的直径也比第一凸块209 的直径要大。而且，第二凸块210的直径与电路基板电极302相同或比它要大。 第一凸块的直径比电路基板电极302要小。
这样，通过适当地设定两层凸块213的尺寸，从而即使半导体元件101的 电极102较小，也能与比其大的电路基板电极302稳定地接合。至少，使第一 凸块209的直径比第二凸块210的直径的一半要大。这是为了使第二凸块210 的重心必定位于第一凸块209的上侧(上方)。
根据上述那样的两层凸块213，在将半导体元件101倒装芯片安装在电路 基板301上时，能确保比利用现有的凸块更大的与电路基板电极302之间的接 合面积，能确保高质量的连接可靠性。
另外，通过使第一凸块的中心轴与第二凸块的中心轴不一致，具体而言， 通过使第二凸块偏向靠近半导体元件102的中心轴，从而能够使半导体元件 101在靠近其中心轴的位置与电路基板301接合。通过这样使从半导体元件101 的中心轴到接合部分的距离减小，从而能减小冷热冲击试验等中产生的热应 力。
图6示出其它的半导体元件101的电极部分。该半导体元件101与图2所 示的不同之处在于，两层凸块213偏向电极102的单侧形成。第一凸块209偏 向电极102的周缘部(图中右侧周缘部)一侧形成，第二凸块210朝着与第一凸 块209相同的方向进一步偏向一侧形成。第二凸块210的一部分超出到电极102 的外侧。例如，在电极102的外形尺寸为54pm、且排列间距为12(^m的情况下， 设第一凸块209其直径为45Mm，高度为10jiim，设第二凸块210其底座部212 的直径为85iim，高度为25pm，这时，可使电极102的中心轴和第一凸块209 的中心轴之间的偏差为4.5^im，使第一凸块209的中心轴和第二凸块210的中 心轴之间的偏差为20pm。
图7示出半导体元件101上的多个电极102的配置。于半导体元件101的 单面的周缘部在沿四边的各端边的方向上排列有电极102。
图8示出电极102上形成的两层凸块213的配置的第一例。使所有的两层 凸块213偏向电极102的单侧，即朝半导体元件101的中间方向(与端边垂直 的方向)偏移。
通过这样，半导体元件101在相比将两层凸块213形成于电极102的中间 的情况下，更接近半导体元件102的中心轴的位置与电路基板301接合。 一般 已知，从半导体元件101的中心轴到接合部分的距离越近，越能减小冷热冲击 试验等中产生的热应力。
由此，根据上述的两层凸块213的配置，在将半导体元件101倒装芯片安 装在龟路基板301上时，不仅能确保比现有形状的凸块更大的两层凸块213与 电路基板电极302之间的接合面积，而且相比图2所示的两层凸块213，还能
减小冷热冲击试验等中产生的热应力，能进一步提高连接可靠性。
最好是，如图2所说明的那样，使第一凸块209的直径比第二凸块210的 直径的一半要大。这是为了使第二凸块210的重心必定位于第一凸块209的上 侧(上方)。
图9示出电极102上形成的两层凸块213的配置的第二例。由于半导体元 件101上的电极102间的距离局部较窄，因此仅将该部分的两层凸块213朝相 反的方向偏移，即朝着沿端边的方向偏移。通过这样，除了具有由图8的配置 可得到的效果以外，还能防止形成凸块时和倒装芯片安装时发生短路。
如图IO所示在半导体元件101上以同心状等配置有多排电极102的情况 下，如图11所示，也可使内侧一排的电极102上的两层凸块213和外侧一排 的电极102上的两层凸块213朝着相反的方向、即远离端边的方向和靠近端边 的方向偏移。由此，能防止形成凸块时和倒装芯片安装时发生短路。图12示出半导体元件101的电极部分的其它例子。该半导体元件101与
图2所示的不同之处在于，在由半导体元件101的电极102和第二凸块210的 底座部212形成的空隙中，以被覆第一凸块209的侧面的形状设有弹性体217。
在形成第二凸块210前，通过将感光性或非感光性的如聚酰亚胺或环氧树 脂那样同时具有耐热性和绝缘性的材料进行涂敷等，从而形成弹性体217。弹 性体217的外形尺寸与第二凸块210的外形尺寸大致相同。
根据上述结构，除了具有对图2所示的半导体元件101阐述的效果以外， 通过在第二凸块下方的空隙中存在弹性体217，从而能使对于倒装芯片安装体 的可靠性试验中的热应力集中于第一凸块209和第二凸块210的连接部的情况 加以缓和，由此能进一步提高连接可靠性。
如图13所示，在将两层凸块213偏向电极102的单侧形成的情况下，也 可利用弹性体217仅被覆第一凸块的一部分。弹性体217的外形尺寸是与第二 凸块210大致相同的尺寸。
如图14所示，也可将弹性体217形成在半导体元件101的整个表面或较 大的区域，使得嵌入由半导体元件101的电极102和第二凸块210的底座部212 形成的空隙中。
如上所述，对于两层凸块213，说明了第一凸块209的中心轴和第二凸块 210的中心轴不一致的情况，但即使如图15、图16所示两者的中心轴一致， 当然也能确保与电路基板电极302之间的接合面积比现有的凸块要大。
另外，说明了在半导体元件101上形成两层凸块213的情况，但也可在电 路基板301上形成两层凸块213，使其与半导体元件101接合。也可适用于半 导体元件101以外的电子元器件。
如上述所说明的那样，根据本发明的安装结构体，即使半导体元件的 电极微小，也能充分确保凸块与电路基板电极之间的接触面积，能确保高 质量的连接可靠性。由此，能应对半导体元件的电极的进一步的微小化， 可广泛用于电子设备的小型化等。
权利要求
1.一种安装结构体，其特征在于，具有半导体元件；包括与所述半导体元件的电极相对配置的电极的电路基板；及由与所述半导体元件的电极接合的第一凸块和与所述电路基板的电极接合的第二凸块构成的导电性的两层凸块，所述第二凸块比所述第一凸块要大，所述第一凸块的中心轴和所述第二凸块的中心轴不一致。
2. 如权利要求l所述的安装结构体，其特征在于，电路基板的电极比半导体元件的电极要大，第二凸块与所述电路基板的电 极大小相同或比它要小，第一凸块与所述半导体元件的电极大小相同或比它要小。
3. 如权利要求l所述的安装结构体，其特征在于， 通过第二凸块的重心的假想线通过第一凸块。
4. 如权利要求1或3的任一项所述的安装结构体，其特征在于， 第一凸块的直径在第二凸块的直径的二分之一以上。
5. 如权利要求l所述的安装结构体，其特征在于，在半导体元件上形成沿第一凸块的侧面的弹性体，第二凸块位于所述第一 凸块及所述弹性体的上方。
6. 如权利要求l所述的安装结构体，其特征在于， 第一凸块偏向半导体元件的电极的任一端部一侧而配置。
7. 如权利要求6所述的安装结构体，其特征在于， 第二凸块比第一凸块更加偏向半导体元件的电极的端部一侧而配置。
8. —种安装方法，其特征在于，包括 在通过毛细管的引线的前端形成第一金属球的工序；用所述毛细管将所述第一金属球按压在半导体元件的电极上、同时通过施 加超声波以形成第一凸块的工序；在通过毛细管的引线的前端形成比所述第一金属球要大的第二金属球的 工序；用所述毛细管将所述第二金属球配置并按压在所述第一凸块上以使得彼 此的中心轴不一致、同时通过施加超声波以形成第二凸块的工序；及在所述第二凸块上将形成有由所述第一凸块和第二凸块构成的两层凸块 的半导体元件与电路基板的电极连接的工序。
9. 如权利要求8所述的安装方法，其特征在于， 形成第一金属球的毛细管和形成第二金属球的毛细管是不同的。
10. 如权利要求8或9的任一项所述的安装方法，其特征在于， 形成第一金属球的引线和形成第二金属球的引线是不同的。
全文摘要
本发明的安装结构体具有半导体元件101、包括与该半导体元件101的电极102相对配置的电极302在内的电路基板301、及导电性的两层凸块213。将与电路基板301的电极302接合的第二凸块210、形成得比与半导体元件101的电极102接合的第一凸块209要大。第一凸块209的中心轴和第二凸块210的中心轴不一致。
文档编号H01L23/482GK101615603SQ20091013952
公开日2009年12月30日 申请日期2009年6月26日 优先权日2008年6月27日
发明者中村浩二郎, 户村善广, 熊泽谦太郎 申请人:松下电器产业株式会社