专利名称：半导体器件的电极结构、形成方法及安装体和半导体器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及装配于电路基板上的半导体器件的电极结构、其形成方法和半导体器件的安装体。说得详细一点，涉及以面朝下的状态装配于电路基板上去的半导体器件的电极结构、其形成方法和半导体器件的安装体。
以前，在向电路基板上装配半导体器件时大都利用锡焊。但是近年来，随着半导体器件的封装的小型化且连接端子数目的增加，连接端子之间的间隔变窄，因而，用现有的焊接技术来应付就越来越困难了。
于是有人提出了一种方法把半导体器件直接装到电路基板上，以求得装配面积小型化和电路基板的有效的利用。其中，采用下述的那样的方法装配，从半导体器件与电路基板连接之后的机械强度较强以及可成批地进行连接等方面来看，人们认为是有效的方法(例如，日经BP社1991年3月27日发行的“微电子封装手册”)。该方法的步骤如下在把半导体器件连接到电路基板上时，在铝电极上先形成粘合金属或防扩散金属的蒸镀膜，再在其上边制作具有用电镀法形成由焊锡构成的凸起电极以构成电极结构的半导体器件，再借助于把该半导体器件以面朝下的状态装载到电路基板上去之后进行高温加热的方法，使焊锡(凸起电极)和电路基板的端子电极热粘接。
但是，在上边所说的凸起电极的形成方法中，由于电极结构复杂，故要有许多工序。为此，最近人们提出了一种利用丝焊技术在半导体器件的铝电极上边简单地形成凸起电极的方法(例如，特开昭49-52973号)。
以下参照附图，对现有的半导体器件的电极结构，其形成方法及半导体器件的安装体进行说明。图3是说明现有的半导体器件的电极结构的断面图，图4是说明现有的半导体器件的安装体的断面图。
如图3所示，在IC基板10上边形成有铝电极11。另外在IC基板10的上边还形成钝化膜13，使之把铝电极11的外周缘部分覆盖起来。再在铝电极11的上边用丝焊法形成凸起电极12。
如图4所示，把有上述那样的凸起电极12的半导体器件在面朝下的状态下进行位置对准，使凸起电极12适当地接触到电路基板14的端子电极15的上边，并装载到电路基板14上。然后，借助于热压焊或超声波焊接等方法使凸起电极12热粘接到端子电极15上的办法，就得到了半导体器件的安装体。
但是，具有上述的电极结构的半导体器件及其安装体中，存在着下述的问题。
即，由于铝电极在凸起电极的周围露了出来，故在露出来的铝电极部分存在着水分的情况下，存在着铝在比较短的时间内被溶出从而使半导体器件与电路基板之间的电传导丧失的危险性。虽然为了提高接合部分的可靠性，人们尝试过在半导体器件与电路基板之间的间隙中填充绝缘树脂的办法，但在这种情况下，结果是使得绝缘性树脂里边的氯等的杂质离子加速对铝电极的腐蚀，存在着使半导体器件与电路基板之间的电传导变得更差的危险性。此外，为了实现轻重量化。低成本化而使用玻璃环氧树脂基板之类的树脂基板的情况下，由于一般说来树脂基板易于通过水分且树脂基板中存在着多种杂质离子，故铝电极的腐蚀的问题将会变得进一步严重。
本发明是为了解决现有技术中的上述课题而进行的。目的是提供一种可以使半导体器件与电路基板容易地且高可靠性地进行连接的半导体器件的电极结构和半导体器件，其形式方法及半导体器件的安装体。
为了实现上述目的，本发明所涉及的半导体器件的电极结构的构成的特征是它是一种在面朝下的状态下装配到电路基板上去的半导体器件的电极结构，具备有形成于上述半导体器件的铝电极上边的凸起电极和在露出于上述凸起电极的周围的铝电极的表面上形成的用于防止腐蚀的铝氧化膜。倘采用这种半导体器件的电极结构的构成，则在把半导体器件装配到电路基板上的情况下，不会因水分或杂质离子而腐蚀铝电极。
另外，在上述本发明的半导体器件的电极结构的构成中，防腐用的铝氧化膜最好在铝电极的表面的自然氧化膜上再形成一层氧化膜。
此外，在上述本发明的半导体器件的电极结构的构成中，铝氧化膜的膜厚最好是铝电极的厚度的5～20％。倘采用这种优选的例子。则可以得到实用的半导体器件的电极结构。就是说，在铝氧化膜的厚度比铝电极的厚度的5％还薄的情况下，由于形成致密的铝氧化膜将变得极其困难，所以不实用。而铝氧化膜的厚度比铝电极的20％的厚度还厚时，由于铝电极部分的电阻值将变得过长，故也不实用。
另外，在上述本发明的半导体器件的电极结构的构成中，铝氧化膜的厚度最好是0.05～0.2μm。倘采用这一优选的例子，则可以得到实用的半导体器件的电极结构。这是因为通常的铝电极的厚度约为1μm，所以若采用这一优选的例子，可以得到具有铝电极的厚度的5～20％的厚度的铝氧化膜的缘故。
还有，在上述本发明的半导体器件的电极结构的构成中，凸起电极最好是由Au构成。倘采用这种优选的例子，则由于在半导体器件的铝电极上形成氧化膜的工序4凸起电极的表面不会被氧化，故对以后的接合工序来说很合适。因为倘凸起电极的表面被氧化，则在凸起电极与接合层之间就存在着氧化膜故不能得到电传导。
此外，在本发明所涉及的半导体器件的电极结构的形成方法是一种在面朝下的状态下装配到电路基板上去的半导体器件的电极结构的形成方法，其特征是先在上述半导体器件的铝电极上边形成凸起电极。然后在已在上述凸起电极的周围露了出来的铝电极的表面上形成用于防止腐蚀的铝氧化膜。倘采用这一半导体器件的电极结构的形成方法，则可以得到在铝电极的表面上已形成了用于防止腐蚀的铝氧化膜的半导体器件。其结果是，在把半导体器件装配到电路基板上的情况下不会因水分或杂质离子使铝电极受到腐蚀。
另外，在上述本发明的半导体器件的电极结构的形成方法中，凸起电极最好是用金丝、用丝焊法来形成。这种用丝焊法进行的凸起电极的形成，比如说可以如下所述那样地进行。首先将直径约25μm金丝的前端借助热能将其熔融成金球。接着，将金丝前端的金球放到铝电极上，通过在150℃温度下施加约50克的压力将金丝前端的金球压接到铝电极上。最后，把金丝引向上方。经以上这样的工序以后，由Au构成的凸起电极就在铝电极的上边形成了。倘采用这一优选的例子，则由于可以在半导体器件的铝电极(一般性的电极材料)上边直接形成凸起电极，故可以容易地在通用的半导体器件上形成凸起电极。
还有，在上述本发明的半导体器件的电极结构的形成方法中，铝氧化膜，最好是采用把形成凸起电极之后的半导体器件曝露于高温状态之中的办法形成。若采用这种优选的例子，则可以在短时间内以良好的效率形成铝氧化膜。另外，在这种情况下，高温状态的温度范围最好是200～300℃。若采用这一优选的例子，则因为这是不会对半导体器件自身产生诸如内部布线断线之类的坏影响的温度。故可以在短时间内以良好的效率形成铝氧化膜。在这种情况下，更为优选的是在形成凸起电极的工序中，同时在200～300℃的温度范围内形成铝氧化膜。若采用这一优选的例子，则可望简化半导体器件的电极结构的形成工序。
此外，在上述本发明的半导体器件的电极结构的形成方法中，铝氧化膜最好是把已形成凸起电极后的半导体器件浸于过硫酸铵或过氧化氢之内的办法形成。若采用这一优选的例子，则可以在短时间内以良好的效率形成铝氧化膜。
另外，本发明所涉及的半导体器件的安装体是一种具备有具有端子电极的电路基板和以面朝下的状态装配到上述电路基板上的半导体器件的半导体器件的安装体，其特征是，具有已形成于上述半导体器件的铝电极上边的凸起电极和形成于已在上述凸起电极的周围露了出来的铝电极的表面上的用于防止腐蚀的铝氧化膜的电极结构通过接合层电连接到上述电路基板上的上述端子电极上。若采用这种半导体器件的安装体的构成，则铝电极不会受水分或杂质离子的腐蚀。其结果是没有使半导体器件和电路基板之间的电传导消失的危险。所以可以获得可靠性高的半导体器件的安装体。
此外，在上述本发明的半导体器件的安装体的构成中，电路基板最好由含有有机材料的基板构成。若采用这一优选的例子，则可以有以下那样的作用和效果。即在最近为了轻重量化和低成本化，作为电路基板倾向于使用玻璃环氧树酯基板。纸酚(phenol)基板等含有有机材料的基板，但是这些基板易于通过水分，且这些基板中存着许多杂质离子。但是，由于在已在凸起电极的周围露了出来的铝电极的表面上已经形成了用于防止腐蚀的铝氧化膜，所以不会因不分或杂质离子而腐蚀铝电极。因此，倘采用此优选例子，则可望求得半导体器件的轻重量化、低成本化的同时，还可以防止铝电极的腐蚀。
还有，在上述本发明的半导体器件的安装体的构成中，防腐蚀所用的铝氧化膜最好是在铝电极的表面的自然氧化膜上边再形成氧化膜。
另外，在上述本发明的半导体器件的安装体的构成中，接合层最好是由导电性粘接剂构成。导电性粘接剂是起粘接作用的有机物粘合剂和起电传导作用的导电性填充物的混合物。作为有机物粘合剂可使用环氧树脂。聚酰亚胺树脂等，作为导电性填充物可以使用体积平均粒径2～5μm的Ag、Cu、Au、Pd、Ni等。在把环氧树脂用作有机物粘合剂的情况下，导电性填充物的含有量为60～70重量％，可以使用氨络物类、苯酚类的硬化剂。而在把聚酰亚胺树脂用作有机物粘合剂的情况下，导电性填充物的含有量为60～90重量％、硬化温度约为200℃。倘采用这一优选例子。则起因于半导体器件和电路基板之间的物理特性值(特别是热膨胀系数)的不匹配而加于接合部分上的热应力得以缓解，因而可以得到可靠性高的半导体器件的安装体。这是因为一般说来导电性粘接剂比焊锡等的无机材料柔软，有优良的缓解应力的能力的缘故。
此外，在上述本发明的半导体器件的安装体中，接合层最好由焊锡构成。采用这一优选例子，则可以用与半导体器件以外的部件(例如汽状电阻或片状电容等等)的装配相同的工序对半导体器件进行装配。其结果是，与半导体器件以外的部件一起，半导体器件也可以在回流焊接的工序中进行成批的装配，因而可以简化工序。
另外，在上述本发明的半导体器件的安装体的构成中，半导体器件与电路基板之间的间隙最好用绝缘性树脂进行填充。作为绝缘树酯，可以例如举出环氧树酯。倘采用本发明优选例子，则可以保护半导体器件的接合部分或半导体器件本身。特别是可以排除在高湿度环境下的水分的影响(接合部分的劣化或半导体器件的故障)。
还有，在上述本发明的半导体器件的安装体的构成中，铝氧化膜的厚度最好是铝电极的厚度的5～20％。
此外，在上述本发明的半导体器件的安装体的构成中，铝氧化膜的厚度最好是0.05～0.2μm。
另外，在上述本发明的半导体器件的安装体的构成中，凸起电极最好由Au构成。
本发明的半导体器件的结构，作为安装在电路基板上的半导体器件，包括铝电极、在上述铝电极上形成的凸起电极，在露出于上述凸起电极周围的铝电极的表面上形成用防腐蚀用的氧化铝膜。
图1的断面图示出了本发明所涉及的半导体器件的电极结构的一个实施例。
图2的断面图示出了本发明所涉及的半导体器件的安装体的一个实施例。
图3的断面图示出了现有技术中的半导体器件的电极结构。
图4的断面图示出了现有技术中的半导体器件的安装体。
以下，用实施形态对本发明进行更为具体的说明。
图1是示出了本发明所涉及的半导体器件的电极结构的实施形态的断面图。图2是示出了本发明所涉及的半导体器件的安装体的断面图。
如图1所示，在IC基板1的上边形成了铝电极2。在IC基板1的上边还形成了由SiO2构成的钝成膜5，使之把铝电极2的外周缘部分覆盖起来。此外，在铝电极2的上边，用金丝压焊法形成凸起电极3。在铝电极2的上边在已在凸起电极3的周围露了出来的表面上还形成有铝氧化膜4。如果像这样地在凸起电极3的周围已露了出来的铝电极2的表面上形成铝氧化膜4，则在把半导体器件装配到电路基板上去的情况下，就不会因水分或杂质离子而腐蚀铝电极2。用金丝压焊法进行的凸起电极3的形成过程通常在150℃左右的比较低的温度下进行，而且即便是用具有约100个铝电极2的IC基板1也仅仅经历约10秒左右的极其短的时间内150℃左右的热处理。为此，在整个丝焊期间形成于铝电极2的表面上的自然氧化膜极其之薄，约0.01μm，而且是多孔的，这种氧化膜要防止铝电极2的腐蚀是不够的。
铝氧化膜4的厚度最好是铝电极2的厚度的5～20％。一般的半导体器件的铝电极2的膜厚约为1μm，在这种情况下，铝氧化膜4的厚度约为0.1μm就可以。此外，只要铝氧化膜4是致密(无针孔等的状态)的，铝氧化膜4的厚度还可再薄，约为0.05μm即可。在铝氧化膜4的厚度比铝电极2的厚度的5％(0.05μm)薄的情况下，由于致密地形成铝氧化膜4将变得极其困难，故不实用。另外，在铝氧化膜4的厚度比铝电极2的厚度的20％(0.2μm)还厚的情况下，因为铝电极部分的电阻值将变得过大，也不实用。
比如说可以用把形成了凸起电极3之后的IC基板1在空气中曝露于高温状态(比如300℃)的办法来形成铝氧化膜4。即可以用热氧化法形成铝氧化膜4。如果像这样地用热氧化法，就可以在短时间内以良好的效率形成铝氧化膜4。在这种情况下，高温状态的温度范围最好是200～300℃。
凸起电极3最好由Au构成。如果凸起电极3用Au形成，则由于在铝电极2上形成氧化膜的工序中凸起电极3的表面不会氧化，故对后边的接合工序来说很合适。因为当凸起电极3的表面被氧化的话，结果就变为与接合层之间介入氧化膜，故变为不可能得到电传导。在这种情况下，如果用Au丝并用丝焊法来形成凸起电极3，则如本实施形态那样，由于可以在铝电极(一般性的电极材料)2的上边直接形成凸起电极3，故可以容易地在通用的半导体器件上形成凸起电极。凸起电极一般用电镀法形成，但在该情况下，因为要先在铝电极上边形成粘合层或防扩散层之类的薄膜，然后再在其上边形成凸起电极，故需要复杂的工艺和装置。
在这里，对用丝焊法进行的凸起电极的形成过程简单地进行说明。首先，在150℃的温度下加热直径约25μm的Au丝的顶端，使Au丝的顶端变成为熔融状态。接着，把熔融状态的Au丝的顶端放到铝电极2的上边，并采用加上约50g的压力的办法。把Au丝的顶端压焊到铝电极2的上边。最后把Au丝引向上方。经过以上这样的工序之后，在铝电极2的上边就形成了由Au构成的凸起电极3。此外，通过采用把进行该丝焊时的加热温度设定为上述高温状态(200℃～300℃)的办法，还可以在铝电极2的上边形成凸起电极3的同时，在凸起电极3的周围已露了出来的铝电极2的表面上形成铝氧化膜4。如果能够像这样地同时进行凸起电极3的形成和铝氧化膜4的形成，则可望简单半导体器件的电极结构的形成工序。
半导体器件的安装体的制作方法如下所述。如图2所示。首先，在具有上述那种结构的半导体器件的凸起电极3的顶端部分上，用复制法或印刷法涂敷作为接合层的导电性粘接剂8。接着，对半导体器件进行位置对准，使得半导体器件在面朝下的状态下凸起电极3与电路基板6的端子电极7的上边进行适当的接触，把半导体器件安装到电路基板6上。接下来，在该状态下倘传导电性粘接剂8硬化，则就可以实现IC基板1与电路基板6之间的电连接。最后，通过采用把环氧树酯之类的绝缘性树酯9填充到IC基板1与电路基板6之间的间隙中去的办法，就可得到半导体器件的安装体。如果像这样地把绝缘性树酯9填充到IC基板1和电路基板6之间的间隙中去，则可以保护IC基板1的接合部分和IC基板1本身。特别是可以排除高湿度环境下的水分的影响(接合部分的劣化或半导体器件的故障)。在这种半导体器件的安装体中，由于应用了在上边说过的IC基板1，即在凸起电极3的周围露了出来的表面上形成了铝氧化膜4的IC基板1，故铝电极2不会因水分或杂质离子而进行腐蚀。其结果是消除了使IC基板1与电路基板6之间的电传导丧失的危险性，所以可以得到可靠性高的半导体器件的安装体。再有，由于作为电路基板6可以使用像玻璃环氧树酯那样易于通过水分且含有许多杂质离子的有机树酯基板，所以可望获得半导体器件的轻量化和小型化。然而，通常被用作绝缘性树酯9的环氧树酯，由于树酯里边的氢氧基与金属表面的氧化物之间将产生氢结合而牢固地粘接于金属表面上。这样一来，倘如本实施形态所示，采用在凸起电极3的周围已露了出来的铝电极2的表面上形成铝氧化膜4的构成，由于可以提高绝缘性树酯9和铝电极2之间的交界面处的粘合力，故可以进一步提高用绝缘性树酯9所得到的密封效果。
如果像上述那样地把导电性粘接剂8用作接合层，则可以缓和起因于IC基板1与电路基板6之间的物理特性值(特别是热膨胀系数)的不匹配而加于接合部分上的热应力，可以得到可靠性高的半导体器件的安装体。这是因为由于一般说来与焊锡等的无机材料相比导电性粘接剂较柔软，故有优良的缓和应力的能力。导电性粘接剂是有粘接作用的有机物粘合剂和有电传导作用的导电性填充物的混合物。作为有机物粘合剂可用环氧树酯、聚酰亚胺树酯等，作为导电性填充物可用体积平均粒径2～5μm的Ag、Cu、Au、Pd、Ni等等。在把环氧树脂用作有机物粘合剂的情况下，导电性填充物的含有量为60～70重量％、可以用氨络物类、苯酚类的硬化剂。此外，在把聚酰亚胺树脂用作有机物粘合剂的情况下，导电性填充物的含有量为60～90重量％，硬化温度约为200℃。
再有，在本实施例中，用丝焊法形成凸起电极3，但却并不一定限定于这种方法。如果是在铝电极2的上边直接形成凸起电极3的方法，用无电解电镀法之类的方法形成也行。
另外，在本实施例中，虽然用复制法或印刷法在凸起电极3的上边形成了作为接合层的导电性粘接剂8，但并不一定限定于这种构成方式，也可以在电路基板6的端子电极7的上边预先形成接合层。
还有，在本实施例中，虽然作为接合层应用了导电性粘接剂8，但不一定限定于导电性粘接剂8，也可以是焊锡之类的其他的接合材料。特别是若把焊锡用作接合层，则可以用与半导体器件以外的部件(例如，汽状电阻或片状电容等)的装配同一个工序来装配半导体器件。其结果是，由于半导体器件也可以与半导体器件以外的部件一起在回流焊接的工序中进行成批装配，因而可以简化工序。
此外，在本实施例中，虽然用热氧化法形成铝氧化膜4，但却不一定限于这种方法。如果是使铝电极2的表面氧化的方法，也可以把已形成凸起电极3之后的半导体器件浸于过硫酸铵或过氧化氢中来形成铝氧化膜4。
此外，虽然在本实施例中，举例说明了以表面向下状态安装在电路基板上的半导体器件，当然不限于此状态，在使用其它安装方法时，本发明也是有的。
如以上所说明的那样，倘采用本发明所涉及的半导体器件的电极结构，则在把半导体器件装配到电路基板上去的情况下，铝电极不会因水分或杂质离子而腐蚀。
另外，倘采用本发明所涉及的半导体器件的电极结构的形成方法，则可以得到在铝电极的表面上形成了铝氧化膜的半导体器件。其结果是，在把半导体器件装配到电路基板上的情况下，铝电极不会因水分或杂质离子而腐蚀。
此外，倘采用本发明所涉及的半导体器件的安装体，则铝电极不会因水分或杂质离子而腐蚀。结果是由于消除了半导体器件与电路基板之间的电传导丧失的危险性。故可以得到极其稳定且可靠性高的半导体器件的安装体。
权利要求
1.一种半导体器件的电极结构，这是一种以面朝下的状态装配于电路基板上的半导体器件的电极结构，其特征是具备已形成于上述半导体器件的铝电极上的凸起电极和在上述凸起电极的周围已露出来的铝电极的表面上形成了的用于防止腐蚀的铝氧化膜。
2.权利要求1中所述的半导体器件的电极结构，其中用于防止腐蚀的铝氧化膜是在铝电极的表面的自然氧化膜上再形成氧化膜。
3.权利要求1中所述的半导体器件的电极结构，其中铝氧化膜的厚度为铝电极的厚度的5～20％。
4.权利要求1中所述的半导体器件的电极结构，其中铝氧化膜的厚度为0.05～0.2μm。
5.权利要求1中所述的半导体器件的电极结构，其中凸起电极由Au构成。
6.一种半导体器件的电极结构的形成方法，这是一种以面朝下的状态装配到电路基板上的半导体器件的电极结构的形成方法，其特征是先在上述半导体器件的铝电极上边形成凸起电极，再在上述凸起电极的周围已露了出来的铝电极的表面上形成用于防止腐蚀的铝氧化膜。
7.权利要求6中所述的半导体器件的电极结构的形成方法，其中凸起电极用金丝采用丝焊法形成。
8.权利要求6中所述的半导体器件的电极结构的形成方法，其中铝氧化膜是用把形成凸起电极后的半导体器件曝露于高温状态之中的办法来形成的。
9.权利要求8中所述的半导体器件的电极结构的形成方法，其中高温状态的温度范围为200～300℃。
10.权利要求9中所述的半导体器件的电极结构的形成方法，其中铝氧化膜在200～300℃的温度范围内在形成凸起电极的工序中同时形成。
11.权利要求6中所述的半导体器件的电极结构的形成方法。其中铝氧化膜用把形成凸起电极后的半导体器件浸于过硫酸铵或过氧化氢之中的方法形成。
12.一种半导体器件的安装体，这是一种具备有带有端子电极的电路基板和以面朝下的状态装配到上述电路基板上的半导体器件的半导体器件的安装体，其特征是具有已形成于上述半导体器件的铝电极上边的凸起电极和在上述凸起电极的周围已露了出来的铝电极的表面上形成的用于防止腐蚀的铝氧化膜的电极结构通过接合层电连接到上述电路基板上的上述端子电极上。
13.权利要求12中所述的半导体器件的安装体，其中电路基板由含有有机材料的基板构成。
14.权利要求12中所述的半导体器件的安装体，其中用于防止腐蚀的铝氧化膜是在铝电极的表面的自然氧化膜上再形成氧化膜的一种氧化膜。
15.权利要求12中所述的半导体器件的安装体，其中接合层由导电性粘接剂构成。
16.权利要求12中所述的半导体器件的安装体，其中接合层由焊锡构成。
17.权利要求12中所述的半导体器件的安装体，其中半导体器件与电路基板之间的间隙用绝缘性树酯填充。
18.权利要求12中所述的半导体器件的安装体，其中铝氧化膜的厚度为铝电极厚度的5～20％。
19.权利要求12中所述的半导体器件的安装体，其中铝氧化膜的厚度为0.05～0.2μm。
20.权利要求12中所述的半导体器件的安装体，其中凸起电极由Au构成。
21.一种安装在电路基板上的半导体器件，其特征在于它包括铝电极、在上述铝电极上形成的凸起电极和形成在铝电极表面的防腐蚀用的氧化铝膜，所说的铝电极露出在上述凸起电极的周围。
全文摘要
在IC基板1上形成铝电极2和钝化膜5。在铝电极2上用金丝压焊法形成凸起电极3。在凸起电极的周围已露了出来的铝电极2的表面上形成铝氧化膜4，凸起电极3的顶端部分涂上作为接合层的导电性粘接剂8。把半导体器件以面朝下的状态进行对准，使凸起电极3接触电路基板6的端子电极7，在该状态下传导电性粘接剂硬化。在IC基板1与电路基板6之间的间隙中填以绝缘性树脂9。由此可使半导体器件与电路基板进行容易的和高可靠性的连接。
文档编号H01L21/768GK1147150SQ9610991
公开日1997年4月9日 申请日期1996年7月12日 优先权日1995年7月14日
发明者别所芳宏 申请人:松下电器产业株式会社