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JP2006147631A - Semiconductor device and its evaluation method - Google Patents

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JP2006147631A
JP2006147631A JP2004331751A JP2004331751A JP2006147631A JP 2006147631 A JP2006147631 A JP 2006147631A JP 2004331751 A JP2004331751 A JP 2004331751A JP 2004331751 A JP2004331751 A JP 2004331751A JP 2006147631 A JP2006147631 A JP 2006147631A
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semiconductor chip
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semiconductor device
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Hiroshi Saito
宏 齊藤
Noriyuki Yasuike
則之 安池
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Panasonic Electric Works Co Ltd
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Matsushita Electric Works Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To evaluate defective bonding in facedown mounting (surface mounting type) semiconductor device where the surface side of a semiconductor chip is connected with a mounting substrate. <P>SOLUTION: When a semiconductor chip 10 is composed of a transparent material similar to a light-emitting diode 1 made by forming gallium nitride based compound semiconductor layers 12 and 13 on a transparent sapphire substrate 11, grains 30 composed of a material harder than that of electrodes 15 and 16 are stuck to the abutting portion of a gold bump electrode 21 in the electrodes 15 and 16 formed on the surface of the semiconductor chip 10. Consequently, the junction of the electrodes 15, 16 and the gold bump electrode 21 can be evaluated from whether the grains 30 can be confirmed visually from the rear surface of the semiconductor chip 10. Consequently, chips of defective junction can be screened and forming conditions or bonding conditions of the bump electrode can be adjusted appropriately from the evaluation results. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、表面実装型の発光ダイオードのような透明材料から成る半導体チップを実装基板に実装して成る半導体装置の構造と、それらの電気的接続部であるバンプ電極の評価方法とに関する。   The present invention relates to a structure of a semiconductor device in which a semiconductor chip made of a transparent material such as a surface-mounted light emitting diode is mounted on a mounting substrate, and a method for evaluating a bump electrode which is an electrical connection portion thereof.

従来から、前記透明な材料から成る発光ダイオードの構造として、特許文献1にあるような、青色発光ダイオードがある。その青色発光ダイオードは、透明な材料である窒化ガリウムのP型とN型との結晶を重ね、PN接合を作り発光させるものである。図6に、この論文から推測し、前記表面実装型(フリップチップ実装とも言う)としたときの、その実装構造の模式的な断面図を示す。   Conventionally, as a structure of a light-emitting diode made of the transparent material, there is a blue light-emitting diode as disclosed in Patent Document 1. The blue light-emitting diode is one in which P-type and N-type crystals of gallium nitride, which is a transparent material, are stacked to form a PN junction and emit light. FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of the mounting structure inferred from this paper and using the surface mounting type (also referred to as flip chip mounting).

先ず、前記青色発光ダイオードの半導体チップ100の作成は、支持基板であるサファイア基板(透明)101の上に、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法によって窒化ガリウムの単結晶が成長され、そのN型の窒化ガリウム半導体層102の上に、電子線を照射して(ドーパントによることもある)P型にしたP型窒化ガリウム半導体層103が形成され、さらに前記N型窒化ガリウム半導体層102には絶縁酸化膜層104が形成された上に第1電極105が形成され、P型窒化ガリウム半導体層103の上には第2電極106が形成されることで行われる。そして、N型窒化ガリウム半導体層102側の第1電極105を−(カソード)とし、P型窒化ガリウム半導体層103側の第2電極106を+(アノード)として、これらの電極105,106間に電流を流すと、後述するように、N型窒化ガリウム半導体層102とP型窒化ガリウム半導体層103との接合部から、青色から紫外の光が放出される。   First, a semiconductor chip 100 of the blue light emitting diode is manufactured by growing a single crystal of gallium nitride on a sapphire substrate (transparent) 101 as a supporting substrate by MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) method, and its N type. A P-type gallium nitride semiconductor layer 103 is formed on the gallium nitride semiconductor layer 102 to be P-type by irradiation with an electron beam (sometimes due to a dopant). Further, the N-type gallium nitride semiconductor layer 102 is insulated. The first electrode 105 is formed on the oxide film layer 104, and the second electrode 106 is formed on the P-type gallium nitride semiconductor layer 103. Then, the first electrode 105 on the N-type gallium nitride semiconductor layer 102 side is set to − (cathode) and the second electrode 106 on the P-type gallium nitride semiconductor layer 103 side is set to + (anode). When a current is applied, blue to ultraviolet light is emitted from the junction between the N-type gallium nitride semiconductor layer 102 and the P-type gallium nitride semiconductor layer 103, as will be described later.

前記第1電極105はN型窒化ガリウム半導体層102とオーミックコンタクトされ、前記第2電極106はP型窒化ガリウム半導体層103とオーミックコンタクトされている。前記電極105の下層にある絶縁酸化膜層104は、シリコン窒化膜でもよく、無くてもよい。またこの絶縁酸化膜104は、N型窒化ガリウム半導体層であってもよい。電極105,106は、アルミや金などをメタライズすることによって形成される。具体的には、アルミが下地で、このアルミを前記P型窒化ガリウム半導体層103やN型窒化ガリウム半導体層102へ熱拡散することによってオーミックコンタクトされ、このアルミの上に金をメタライズするか、または直接金を前記P型窒化ガリウム半導体層103やN型窒化ガリウム層102へメタライズし、熱拡散することで作成される。   The first electrode 105 is in ohmic contact with the N-type gallium nitride semiconductor layer 102, and the second electrode 106 is in ohmic contact with the P-type gallium nitride semiconductor layer 103. The insulating oxide film layer 104 under the electrode 105 may or may not be a silicon nitride film. The insulating oxide film 104 may be an N-type gallium nitride semiconductor layer. The electrodes 105 and 106 are formed by metallizing aluminum or gold. Specifically, aluminum is used as an underlayer, and the aluminum is thermally contacted by thermally diffusing the aluminum to the P-type gallium nitride semiconductor layer 103 and the N-type gallium nitride semiconductor layer 102, and gold is metalized on the aluminum, Alternatively, it is formed by directly metallizing gold into the P-type gallium nitride semiconductor layer 103 or the N-type gallium nitride layer 102 and thermally diffusing.

一方、回路パターンが形成された実装基板120では、そのパターン上にバンプ電極121と電気的に接続させるためのパッド122が、所定の位置に形成される。前記パッド122は、下層122aが数10μm厚の銅と、その上に数μm厚で形成された銅の拡散防止用のニッケル層とから成り、その上の上層122bは、金を数μm厚でスパッタまたはめっき法によって形成するのが一般的である。   On the other hand, in the mounting substrate 120 on which the circuit pattern is formed, pads 122 for electrically connecting to the bump electrodes 121 are formed on the pattern at predetermined positions. The pad 122 is composed of a copper having a lower layer 122a of several tens of μm thick and a nickel layer for preventing diffusion of copper formed thereon with a thickness of several μm, and the upper layer 122b thereon has gold of several μm thick. Generally, it is formed by sputtering or plating.

前記バンプ電極121には、金、はんだなどがあるが、軟らかい材料の方がよい。また、バンプ材料が金である場合、めっき法や、ワイヤーボンディング方式を応用したスタッドバンプ法で形成される。バンプ電極121は、半導体チップ100の電極105,106側か、または実装基板120のパッド122側に形成される。上述のように形成された発光ダイオードの半導体チップ100の電極105,106と、実装基板120のパッド122とは、フェイスダウンボンディング(前記フリップチップ実装とも言う)によって、前記バンプ電極121を介して電気的に接続される。   The bump electrode 121 includes gold, solder, etc., but a soft material is better. When the bump material is gold, it is formed by a plating method or a stud bump method using a wire bonding method. The bump electrodes 121 are formed on the electrodes 105 and 106 side of the semiconductor chip 100 or on the pads 122 side of the mounting substrate 120. The electrodes 105 and 106 of the semiconductor chip 100 of the light emitting diode formed as described above and the pads 122 of the mounting substrate 120 are electrically connected via the bump electrodes 121 by face-down bonding (also referred to as the flip chip mounting). Connected.

一方、発光ダイオードにおける半導体チップの具体的な構造は、たとえば図7で示すようなものである。図7は、前記青色発光ダイオードの半導体チップ100の一般的な構造を模式的に示す断面図であり、特許文献2に示されたものである。上述の図6の構成に対応する部分には、同一の参照符号を付して示す。支持基板であるサファイア基板101の上に、バッファ層111であるAlNと、N型窒化ガリウム系化合物半導体から成るN層102aと、発光層であり活性層である低キャリア濃度N層102bであるN−GaNと、P型窒化ガリウム系化合物半導体から成るP層103とが形成され、さらにP層103の上面からN層102bに至るまで形成された溝112と、P層103の上面からN層102bに至るまで形成された孔113と、孔113にN層102bと接合し、P層103の上面まで形成された第1電極105と、P層103の上面に前記溝112によって第1電極105と電気的に絶縁分離されるように形成された第2電極106とを備えて、該発光ダイオードは形成されている。   On the other hand, the specific structure of the semiconductor chip in the light emitting diode is as shown in FIG. FIG. 7 is a cross-sectional view schematically showing a general structure of the semiconductor chip 100 of the blue light emitting diode, which is shown in Patent Document 2. As shown in FIG. Portions corresponding to the configuration of FIG. 6 are given the same reference numerals. On the sapphire substrate 101 which is a support substrate, AlN which is a buffer layer 111, an N layer 102a made of an N-type gallium nitride compound semiconductor, and an N layer 102b which is a light emitting layer and a low carrier concentration N layer 102b which is an active layer. -GaN and a P layer 103 made of a P-type gallium nitride compound semiconductor are formed, a groove 112 formed from the upper surface of the P layer 103 to the N layer 102b, and an N layer 102b from the upper surface of the P layer 103. The first electrode 105 formed up to the upper surface of the P layer 103 and the upper surface of the P layer 103 by the groove 112 and the first electrode 105. The light emitting diode is formed including a second electrode 106 formed so as to be electrically insulated and separated.

このように構成される発光ダイオードは、溝112によって、第1電極105と第2電極106との電気的な絶縁分離を実現しているので、該発光ダイオードを順方向バイアスにする、すなわち上述のように第2電極106から第1電極105に向かって電流が流れ、P層103とN層102aの界面に位置する低キャリア濃度N層102bにてホールと電子とが結合し、発光する。その他、半導体発光素子(発光ダイオード)の表面実装構造に関した最近の文献として、以下の特許文献2〜4などがある。
赤崎、天野「P-type Conduction in Mg-Doped GaN Treated with Low-Energy Electron Irradiation」:応用物理学会欧文誌、VOL.28,No.12,ppL2112−L2114、DEC,1989 特開平4−163970号公報 特開2003−304003号公報 特開2002−217459号公報 特開平11−168235号公報
In the light emitting diode configured as described above, since the first electrode 105 and the second electrode 106 are electrically insulated and separated by the groove 112, the light emitting diode is forward-biased, that is, the above-described In this way, current flows from the second electrode 106 toward the first electrode 105, and holes and electrons are combined in the low carrier concentration N layer 102b located at the interface between the P layer 103 and the N layer 102a, and light is emitted. Other recent literature relating to the surface mounting structure of semiconductor light-emitting elements (light-emitting diodes) includes the following patent documents 2-4.
Akasaki, Amano “P-type Conduction in Mg-Doped GaN Treated with Low-Energy Electron Irradiation”: European Journal of Applied Physics, VOL. 28, no. 12, ppL2112-L2114, DEC, 1989 JP-A-4-163970 JP 2003-304003 A Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-217459 JP-A-11-168235

上述のような半導体チップ100においては、バンプ電極121を介して実装基板120と電気的に接続する表面実装型であるので、バンプ電極121と半導体チップ100の表面に形成された電極105,106との接合部分の評価が極めて困難である。電気的コンタクトの確認は、接続抵抗で間接的に知るしか方法がない。このため、接合が極めて不安定で、その接合面積が非常に小さく、本来不良品となるべきチップの場合でも、微小な当接箇所が、金属の熱拡散による接合がされているか、または圧接されている場合には、前記接続抵抗は低くなり、問題が無い(良品)と誤判定されてしまうことがある。しかしながら、そのように不安定な接合では、製造組立て時や製品化された後の市場の環境において、機械的ストレスや熱的ストレスが加わると、接合部分が容易に剥離し、その電気的接続の信頼性を確保することができないという問題がある。   Since the semiconductor chip 100 as described above is a surface mount type that is electrically connected to the mounting substrate 120 via the bump electrodes 121, the bump electrodes 121 and the electrodes 105, 106 formed on the surface of the semiconductor chip 100, It is extremely difficult to evaluate the joint portion. The only way to confirm the electrical contact is indirectly by the connection resistance. For this reason, bonding is extremely unstable, the bonding area is very small, and even in the case of a chip that should originally be a defective product, a minute contact portion is bonded or pressed by metal thermal diffusion. In such a case, the connection resistance is low, and it may be erroneously determined that there is no problem (good product). However, in such unstable joints, when mechanical stress or thermal stress is applied in the market environment after manufacture and assembly or after commercialization, the joint part easily peels off and the electrical connection There is a problem that reliability cannot be ensured.

このような問題は、バンプ電極121の高さや表面状態にばらつきが生じることに起因しており、現状、このような問題を未然に防止するために、半導体チップ100をフェイスダウンボンディングするときの条件をコントロールしているのが実情である。具体的には、接合温度、荷重、加圧時間、チップの押し込み量、チップを押し込むときの平行性などが主なパラメターであり、それらの少なくとも1つをコントロールしている。しかしながら、設備(フリップチップボンダー)の調子、作業者のスキル、周囲環境(風量、温度、湿度、振動など)の影響によって、最適な条件を確立するには多大な労力を必要とする。   Such a problem is caused by variations in the height and surface state of the bump electrode 121. Currently, in order to prevent such a problem in advance, conditions for the face-down bonding of the semiconductor chip 100 are described. It is the actual situation that controls. Specifically, the bonding temperature, load, pressing time, chip pressing amount, parallelism when the chip is pressed, and the like are main parameters, and at least one of them is controlled. However, a great deal of labor is required to establish the optimum conditions depending on the condition of the equipment (flip chip bonder), the skill of the operator, and the surrounding environment (air volume, temperature, humidity, vibration, etc.).

本発明の目的は、発光ダイオードのような半導体チップとバンプ電極との接続部分を評価可能にすることで、より信頼性を高めることができる半導体装置およびその評価方法を提供することである。   SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a semiconductor device and a method for evaluating the same that can improve reliability by making it possible to evaluate a connection portion between a semiconductor chip such as a light emitting diode and a bump electrode.

本発明の半導体装置およびその評価方法は、透明な材料から成る半導体チップを、その表面に形成された電極と、実装基板上に形成された配線パターンのパッドと対向させ、それらを前記パッド上に設けられたバンプ電極によって電気的に接続することで、前記実装基板にフェイスダウン実装するようにした半導体装置において、前記電極における前記バンプ電極の当接部位に、前記電極よりも硬い材料から成る粒体を付着しておき、前記電極とバンプ電極との接合によって前記粒体が前記電極中に埋め込まれたか否かを前記半導体チップの裏面側から確認することで、接合状態を評価可能とすることを特徴とする。   According to the semiconductor device and the evaluation method of the present invention, a semiconductor chip made of a transparent material is opposed to an electrode formed on the surface of the semiconductor chip and a pad of a wiring pattern formed on a mounting substrate, and these are placed on the pad. In a semiconductor device that is electrically connected to the mounting substrate by being electrically connected by a provided bump electrode, a grain made of a material harder than the electrode is provided at a contact portion of the bump electrode in the electrode. It is possible to evaluate the bonding state by attaching a body and confirming from the back side of the semiconductor chip whether or not the particles are embedded in the electrode by bonding the electrode and the bump electrode. It is characterized by.

上記の構成によれば、半導体チップの表面側を実装基板に接続するフェイスダウン実装(表面実装)型の半導体装置において、前記半導体チップが透明なサファイア基板に透明なガリウム窒素系化合物半導体層を積層した発光ダイオードなどのように、該半導体チップが透明な材料から成る場合、該半導体チップの裏面側から表面側の観察が可能になる。そこで本発明では、前記半導体チップの表面に形成され、遮光性の金属層である電極におけるバンプ電極の当接部位に、前記電極よりも硬い材料から成る粒体を付着しておく。そして、バンプ電極に電極を当接させ、加熱・加圧すると、前記粒体が電極中に埋め込まれ、その一部が半導体層に当接するか、前記半導体層付近に到達し、半導体チップの裏面から、粒体を目視で確認することができる。一方、バンプ電極の粒径が不足し、バンプ電極の上面と前記電極との間の隙間が生じていたり、隙間がなく、接触していても接触が不十分であると、前記粒体は電極中に埋め込まれず、半導体チップの裏面から確認しても、電極の色しか確認できない。   According to the above configuration, in the face-down mounting (surface mounting) type semiconductor device in which the surface side of the semiconductor chip is connected to the mounting substrate, the semiconductor chip is laminated with the transparent gallium nitrogen compound semiconductor layer on the transparent sapphire substrate. When the semiconductor chip is made of a transparent material, such as a light emitting diode, it is possible to observe the front surface side from the back surface side of the semiconductor chip. Therefore, in the present invention, particles made of a material harder than the electrode are attached to the contact portion of the bump electrode in the electrode that is a light-shielding metal layer formed on the surface of the semiconductor chip. Then, when the electrode is brought into contact with the bump electrode and heated / pressed, the particles are embedded in the electrode, part of which comes into contact with the semiconductor layer or reaches the vicinity of the semiconductor layer, and the back surface of the semiconductor chip. Therefore, the particles can be visually confirmed. On the other hand, if the particle size of the bump electrode is insufficient and there is a gap between the upper surface of the bump electrode and the electrode, or there is no gap and the contact is insufficient, Even if it is not embedded inside and confirmed from the back side of the semiconductor chip, only the color of the electrode can be confirmed.

したがって、電極と、実装基板上に形成された配線パターンのパッドとを電気的に接続するバンプ電極が、充分な粒径を有しているか否かや、確実に接合されたか否かなどを確認することができ、電極とバンプ電極との接合部を目視によって評価することができる。これによって、接合不良のチップをスクリーニングすることができるとともに、その評価結果から、バンプ電極の形成条件や接合条件を適宜調整することで、歩留まりを向上し、より信頼性の高い半導体装置およびそれを組込んだ製品を提供することができる。   Therefore, check whether the bump electrode that electrically connects the electrode and the pad of the wiring pattern formed on the mounting substrate has a sufficient particle size or whether it is securely bonded The joint between the electrode and the bump electrode can be visually evaluated. As a result, defective chips can be screened, and from the evaluation results, by appropriately adjusting the formation conditions and bonding conditions of the bump electrodes, the yield can be improved and the semiconductor device with higher reliability can be obtained. Embedded products can be provided.

また、本発明の半導体装置では、前記粒体は、前記電極の表面に形成されたテーパ状の孔内に予め埋め込まれるくさび形に形成され、そのくさびの高さは、前記電極の厚さよりも薄いことを特徴とする。   In the semiconductor device of the present invention, the grain is formed in a wedge shape embedded in a tapered hole formed in the surface of the electrode, and the height of the wedge is larger than the thickness of the electrode. It is thin.

上記の構成によれば、電極の表面に形成されたテーパ状の孔内に予め埋め込まれる粒体は、尖頭部(尖った方)は、前記半導体チップの半導体層側(支持基板側)へ向けられることになる。   According to said structure, the particle | grains embedded beforehand in the taper-shaped hole formed in the surface of an electrode are pointed head (pointed one) to the semiconductor layer side (support substrate side) of the said semiconductor chip. Will be directed.

したがって、接合するバンプ電極に押され易く、電極内に異物などの障害物があっても、これを避けることができる。   Therefore, it is easy to be pushed by the bump electrode to be joined, and even if there is an obstacle such as a foreign substance in the electrode, this can be avoided.

さらにまた、本発明の半導体装置では、前記粒体の高さは、前記電極の厚みの約50〜80%に形成されることを特徴とする。   Furthermore, in the semiconductor device of the present invention, the height of the particles is formed to be about 50 to 80% of the thickness of the electrode.

上記の構成によれば、前記くさび状の粒体を、電極表面から約50%〜80%の深さに形成する。このくさび状の粒体は、その高さが低い(深さが浅い)と、半導体層へ到達できず、また高さが高い(深さが深すぎる)と、接合時の荷重が不足している場合でも、前記半導体層へ到達してしまう。   According to said structure, the said wedge-shaped granule is formed in the depth of about 50%-80% from the electrode surface. If the wedge-shaped grains are low in height (shallow depth), they cannot reach the semiconductor layer. If the height is high (depth too deep), the bonding load is insufficient. Even if it is, it reaches the semiconductor layer.

したがって、前記の範囲が、実用的なくさび状の粒体の高さとなる。   Therefore, the above range is the height of a practical wedge-shaped particle.

また、本発明の半導体装置では、前記電極およびバンプ電極は金から成り、前記粒体は、アルミ、ニッケル、銀、クロム、錫、チタンのうちの少なくとも1つから成ることを特徴とする。   In the semiconductor device of the present invention, the electrode and the bump electrode are made of gold, and the particles are made of at least one of aluminum, nickel, silver, chromium, tin, and titanium.

上記の構成によれば、上述のような電極と粒体との硬さの関係を具体的に実現することができ、正常な接合状態で、粒体を電極中に埋め込ませることができる。また、電極から粒体を色別することができる。   According to said structure, the relationship of the hardness of the above electrodes and granule can be concretely implement | achieved, and a granule can be embedded in an electrode in a normal joining state. In addition, the particles can be color-coded from the electrodes.

本発明の半導体装置およびその評価方法は、以上のように、半導体チップの表面側を実装基板に接続するフェイスダウン実装(表面実装)型の半導体装置において、前記半導体チップが透明なサファイア基板に透明なガリウム窒素系化合物半導体層を積層した発光ダイオードなどのように、該半導体チップが透明な材料から成る場合、前記半導体チップの表面に形成され、遮光性の金属層である電極におけるバンプ電極の当接部位に、前記電極よりも硬い材料から成る粒体を付着しておき、バンプ電極に電極を当接させ、加熱・加圧することで、前記粒体が電極中に埋め込まれ、その一部が半導体層に当接するか、前記半導体層付近に到達し、半導体チップの裏面から、粒体を目視で確認することができるか否かから、接合状態を判定する。   As described above, according to the semiconductor device and the evaluation method of the present invention, in the face-down mounting (surface mounting) type semiconductor device in which the surface side of the semiconductor chip is connected to the mounting substrate, the semiconductor chip is transparent to the transparent sapphire substrate. When the semiconductor chip is made of a transparent material, such as a light-emitting diode having a stack of various gallium nitrogen-based compound semiconductor layers, a bump electrode is formed on the surface of the semiconductor chip and is a light-shielding metal layer. By adhering a particle made of a material harder than the electrode to the contact part, bringing the electrode into contact with the bump electrode, and heating and pressurizing, the particle is embedded in the electrode, and a part thereof The bonded state is determined from whether the semiconductor layer contacts or reaches the vicinity of the semiconductor layer and whether or not the particles can be visually confirmed from the back surface of the semiconductor chip.

それゆえ、電極と、実装基板上に形成された配線パターンのパッドとを電気的に接続するバンプ電極が、充分な粒径を有しているか否かや、確実に接合されたか否かなどを確認することができ、電極とバンプ電極との接合部を目視によって評価することができる。これによって、接合不良のチップをスクリーニングすることができるとともに、その評価結果から、バンプ電極の形成条件や接合条件を適宜調整することで、歩留まりを向上し、より信頼性の高い半導体装置およびそれを組込んだ製品を提供することができる。   Therefore, whether or not the bump electrode that electrically connects the electrode and the pad of the wiring pattern formed on the mounting substrate has a sufficient particle size, whether or not it is securely bonded, etc. This can be confirmed, and the joint between the electrode and the bump electrode can be visually evaluated. As a result, defective chips can be screened, and from the evaluation results, by appropriately adjusting the formation conditions and bonding conditions of the bump electrodes, the yield can be improved and the semiconductor device with higher reliability can be obtained. Embedded products can be provided.

[実施の形態1]
図1および図2は、本発明の実施の第1の形態に係る半導体装置である発光ダイオード1の構造を模式的に示す断面図である。この発光ダイオード1は、青色発光ダイオードの半導体チップ10が、実装基板20にフェイスダウンボンディングされて構成されている。図1は接合後の状態を示し、図2は接合前の状態を示す。
[Embodiment 1]
1 and 2 are cross-sectional views schematically showing the structure of a light-emitting diode 1 which is a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention. The light-emitting diode 1 is configured by bonding a blue light-emitting diode semiconductor chip 10 face-down to a mounting substrate 20. FIG. 1 shows a state after joining, and FIG. 2 shows a state before joining.

前記半導体チップ10は、支持基板である透明なサファイア基板11の上に、MOCVD法などによって窒化ガリウムの単結晶が成長され、そのN型の窒化ガリウム半導体層12上には、溝17を境界として、一方は電子線を照射して(ドーパントによることもある)P型にしたP型窒化ガリウム半導体層13が形成され、他方には絶縁酸化膜層14が形成された上に第1電極15が形成され、P型窒化ガリウム半導体層13の上には第2電極16が形成されて作成されている。そして、N型窒化ガリウム半導体層12側の第1電極15を−(カソード)とし、P型窒化ガリウム半導体層13側の第2電極16を+(アノード)として、これらの電極15,16間に電流を流すと、N型窒化ガリウム半導体層12とP型窒化ガリウム半導体層13との接合部から、青色から紫外の光が放出される。   In the semiconductor chip 10, a single crystal of gallium nitride is grown on a transparent sapphire substrate 11, which is a support substrate, by MOCVD or the like. On the N-type gallium nitride semiconductor layer 12, a groove 17 is used as a boundary. On the other hand, a P-type gallium nitride semiconductor layer 13 made into a P-type by irradiation with an electron beam (which may be due to a dopant) is formed, and on the other side, an insulating oxide film layer 14 is formed, and a first electrode 15 is formed. The second electrode 16 is formed on the P-type gallium nitride semiconductor layer 13 and formed. Then, the first electrode 15 on the N-type gallium nitride semiconductor layer 12 side is set to − (cathode), and the second electrode 16 on the P-type gallium nitride semiconductor layer 13 side is set to + (anode). When a current is applied, blue to ultraviolet light is emitted from the junction between the N-type gallium nitride semiconductor layer 12 and the P-type gallium nitride semiconductor layer 13.

前記第1電極15はN型窒化ガリウム半導体層12とオーミックコンタクトされ、前記第2電極16はP型窒化ガリウム半導体層13とオーミックコンタクトされている。前記電極15の下層にある絶縁酸化膜層14は、シリコン窒化膜でもよく、無くてもよい。またこの絶縁酸化膜14は、N型窒化ガリウム半導体層であってもよい。電極15,16は、アルミや金などを用いてメタライズすることによって形成される。具体的には、アルミが下地で、このアルミを前記P型窒化ガリウム半導体層13やN型窒化ガリウム半導体層12へ熱拡散することによってオーミックコンタクトされ、このアルミの上に金を用いてメタライズするか、または直接金を用いて前記P型窒化ガリウム半導体層13やN型窒化ガリウム層12へメタライズし、熱拡散することで作成される。   The first electrode 15 is in ohmic contact with the N-type gallium nitride semiconductor layer 12, and the second electrode 16 is in ohmic contact with the P-type gallium nitride semiconductor layer 13. The insulating oxide film layer 14 below the electrode 15 may or may not be a silicon nitride film. The insulating oxide film 14 may be an N-type gallium nitride semiconductor layer. The electrodes 15 and 16 are formed by metallization using aluminum or gold. Specifically, aluminum is used as an underlayer, and the aluminum is thermally diffused to the P-type gallium nitride semiconductor layer 13 and the N-type gallium nitride semiconductor layer 12 to make ohmic contact, and metallization is performed on the aluminum using gold. Alternatively, it is formed by directly metallizing the P-type gallium nitride semiconductor layer 13 or the N-type gallium nitride layer 12 using gold and thermally diffusing.

一方、回路パターンが形成された実装基板20では、そのパターン上に金バンプ電極21と電気的に接続させるためのパッド22が、所定の位置に形成される。前記パッド22は、下層22aが数10μm厚の銅と、その上に数μm厚で形成された銅の拡散防止用のニッケル層とから成り、その上の上層22bは、金を数μm厚でスパッタまたはめっき法によって形成するのが一般的である。   On the other hand, on the mounting substrate 20 on which the circuit pattern is formed, pads 22 for electrical connection with the gold bump electrodes 21 are formed on the pattern at predetermined positions. The pad 22 is composed of copper having a lower layer 22a of several tens of μm thick and a nickel layer for preventing diffusion of copper formed thereon with a thickness of several μm, and the upper layer 22b thereon has gold of several μm thick. Generally, it is formed by sputtering or plating.

前記金バンプ電極21は、めっき法や、ワイヤーボンディング方式を応用したスタッドバンプ法によって、実装基板20のパッド22側に形成される。このように形成された発光ダイオード1の半導体チップ10の電極15,16と、実装基板20のパッド22とは、たとえば大気や窒素雰囲気中で、たとえば200℃程度で、上述のフェイスダウンボンディングが行われることで、前記金バンプ電極21を介して電気的に接続される。以上の構成は、前述の図6で示す発光ダイオードと同様であり、この発光ダイオード1の発光に係る具体的な構造は、前述の図7で示すようなものでよい。   The gold bump electrode 21 is formed on the pad 22 side of the mounting substrate 20 by a plating method or a stud bump method applying a wire bonding method. The electrodes 15 and 16 of the semiconductor chip 10 of the light-emitting diode 1 and the pads 22 of the mounting substrate 20 formed in this way are subjected to the face-down bonding described above at, for example, about 200 ° C. in the atmosphere or nitrogen atmosphere. Thus, it is electrically connected through the gold bump electrode 21. The above configuration is the same as that of the light emitting diode shown in FIG. 6 described above, and the specific structure related to light emission of the light emitting diode 1 may be as shown in FIG. 7 described above.

上述のように構成される発光ダイオード1において、注目すべきは、本発明では、支持基板11は透明なサファイア基板であり、また窒化ガリウム半導体層12,13も透明であることから、該半導体チップ10の裏面側から表面側の観察が可能になことを利用して、前記半導体チップ10の表面に形成され、遮光性の金属層である電極15,16における金バンプ電極21の当接部位に、図2で示すように、接合前に、前記電極15,16よりも硬い材料から成る粒体30を付着しておくことである。   In the light-emitting diode 1 configured as described above, it should be noted that in the present invention, the support substrate 11 is a transparent sapphire substrate, and the gallium nitride semiconductor layers 12 and 13 are also transparent. 10 on the surface of the semiconductor chip 10 by utilizing the fact that the surface side can be observed from the back side, and at the contact portion of the gold bump electrode 21 in the electrodes 15 and 16 which are light-shielding metal layers. As shown in FIG. 2, before joining, the particles 30 made of a material harder than the electrodes 15 and 16 are adhered.

前記粒体30は、金バンプ電極21よりも硬く、色別することができる材料、たとえばアルミ、ニッケル、銀、クロム、錫、チタンのうちの少なくとも1つから成る。バンプ電極が金以外の材料から成る場合、粒体30には、それよりも硬く、色別することができる材料を用いればよい。また、この粒体30は、図1および図2で示すような球体に限らず、多角形状であってもよい。さらにまた、この粒体30の大きさは、フェイスダウンボンディングの条件と、前記電極15,16の硬度や厚さに対応して、適宜設計すればよく、たとえば金から成る電極15,16の厚さが1μm、金バンプ電極21の粒径が100μmであるとき、アルミから成る粒体30の粒径は、30μmに形成される。   The grain 30 is harder than the gold bump electrode 21 and is made of at least one of materials that can be colored, such as aluminum, nickel, silver, chromium, tin, and titanium. When the bump electrode is made of a material other than gold, a material that is harder than that and can be color-coded may be used for the particles 30. Moreover, this granule 30 is not limited to a sphere as shown in FIGS. 1 and 2, but may be a polygonal shape. Furthermore, the size of the grains 30 may be appropriately designed in accordance with the face-down bonding conditions and the hardness and thickness of the electrodes 15 and 16, for example, the thickness of the electrodes 15 and 16 made of gold. Is 1 μm and the particle size of the gold bump electrode 21 is 100 μm, the particle size 30 of the aluminum particles 30 is formed to 30 μm.

この粒体30は、帯電させたプローブの先端に吸着させ、それを前記電極15,16上に接触させることで付着させることができ、その後、表面吸着や熱処理により、容易に固定することができる。この粒体30は、図1や図2で示すように、1つの金バンプ電極21に対して1つに限らず、図3で示すように、複数個配置してもよい。   The particles 30 can be adsorbed to the tip of a charged probe and brought into contact with the electrodes 15 and 16 and then easily fixed by surface adsorption or heat treatment. . As shown in FIGS. 1 and 2, the number of the grains 30 is not limited to one for each gold bump electrode 21, and a plurality of grains 30 may be arranged as shown in FIG.

したがって、図2で示す状態から、半導体チップ10を押し下げて、金バンプ電極21に電極15,16を当接させ、加熱・加圧すると、図1で示すように、前記粒体30が電極15,16中に埋め込まれ、その一部が半導体層12,13に当接するか、前記半導体層12,13付近に到達し、半導体チップ10の裏面から、その前記粒体30を目視で確認することができる。一方、金バンプ電極21の粒径が不足し、該金バンプ電極21の上面と前記電極15,16との間の隙間が生じていたり、隙間がなく、接触していても接触が不十分であると、前記粒体30は電極15,16中に埋め込まれず、半導体チップ10の裏面から確認しても、電極15,16の色しか確認できない。   Therefore, when the semiconductor chip 10 is pushed down from the state shown in FIG. 2, the electrodes 15 and 16 are brought into contact with the gold bump electrode 21, and heated and pressurized, the granules 30 are brought into contact with the electrode 15 as shown in FIG. , 16, part of which contacts the semiconductor layers 12, 13, or reaches the vicinity of the semiconductor layers 12, 13, and visually confirms the particles 30 from the back surface of the semiconductor chip 10. Can do. On the other hand, the particle size of the gold bump electrode 21 is insufficient, and there is a gap between the upper surface of the gold bump electrode 21 and the electrodes 15, 16. If there is, the particles 30 are not embedded in the electrodes 15 and 16, and only the colors of the electrodes 15 and 16 can be confirmed even when confirmed from the back surface of the semiconductor chip 10.

したがって、金バンプ電極21が、充分な粒径を有しているか否かや、確実に接合されたか否かなどを確認することができ、電極15,16と金バンプ電極21との接合部を目視によって評価することができる。これによって、接合不良のチップをスクリーニングすることができるとともに、その評価結果から、金バンプ電極21の形成条件や接合条件を適宜調整することで、歩留まりを向上し、より信頼性の高い半導体装置およびそれを組込んだ製品を提供することができる。   Therefore, it can be confirmed whether or not the gold bump electrode 21 has a sufficient particle size, whether or not the gold bump electrode 21 is securely bonded, and the bonding portion between the electrodes 15 and 16 and the gold bump electrode 21 is determined. It can be visually evaluated. As a result, defective bonding chips can be screened, and from the evaluation results, by appropriately adjusting the formation conditions and bonding conditions of the gold bump electrode 21, the yield can be improved, and a more reliable semiconductor device and Products incorporating it can be provided.

[実施の形態2]
図3および図4は、本発明の実施の第2の形態に係る発光ダイオード41の構造を模式的に示す断面図である。この発光ダイオード41は、上述の発光ダイオード1に類似し、対応する部分には同一の参照符号を付して示し、その説明を省略する。注目すべきは、この発光ダイオード41では、粒体50は、前記電極15,16の表面に形成されたテーパ状の孔42内に予め埋め込まれ、くさび形に形成されることである。また、前記粒体50の高さH1は、前記電極の厚みH2よりも薄く、約50〜80%に形成されることである。
[Embodiment 2]
3 and 4 are cross-sectional views schematically showing the structure of the light-emitting diode 41 according to the second embodiment of the present invention. The light-emitting diode 41 is similar to the above-described light-emitting diode 1, and corresponding portions are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted. It should be noted that in the light emitting diode 41, the particles 50 are embedded in advance in a tapered hole 42 formed on the surfaces of the electrodes 15 and 16, and are formed in a wedge shape. In addition, the height H1 of the particles 50 is smaller than the thickness H2 of the electrode and is formed to be about 50 to 80%.

前記くさび形の粒体50は、たとえば金から成る前記チップ電極15,16を、フォトリソグラフィ技術を用いてくさび状に掘り込み、その後、その掘り込み内に、その電極15,16より硬い前述の材料を、スパッタリング、蒸着、めっきなどの方法で積層(埋め込み)することで作成することができる。前記粒体50は、先端が尖っている形状であればよく、三角錐、円錐、またはこれに類する形状であってもよい。   The wedge-shaped particles 50 are formed by, for example, digging the chip electrodes 15 and 16 made of gold, for example, in a wedge shape by using a photolithography technique, and then are harder than the electrodes 15 and 16 in the digging. It can be created by laminating (embedding) the material by a method such as sputtering, vapor deposition, or plating. The granule 50 may have a shape with a sharp tip, and may have a triangular pyramid shape, a cone shape, or a similar shape.

したがって、電極の表面に形成されたテーパ状の孔42内に予め埋め込まれた粒体50は、尖頭部(尖った方)が半導体チップ40の半導体層12,13側(支持基板11側)へ向けられることになり、接合するバンプ電極21に押され易く、電極15,16内に異物などの障害物があっても、これを避けることができる。   Therefore, the grain 50 embedded in advance in the tapered hole 42 formed on the surface of the electrode has a pointed head (pointed side) on the semiconductor layers 12 and 13 side (support substrate 11 side) of the semiconductor chip 40. Therefore, even if there is an obstacle such as a foreign substance in the electrodes 15 and 16, this can be avoided.

ここで、くさび形の粒体50は、その高さH1が低い(深さが浅い)と、半導体層12,13へ到達できず、また高さH1が高い(深さが深すぎる)と、バンプ電極21の粒径が小さかったり、接合時の荷重が不足していても、前記半導体層12,13へ到達してしまう。バンプ電極21が金で、電極15,16も金であり、この電極15,16がメタライズされたものである場合、一般にフェイスダウンボンディングによって、前記チップ表面の電極15,16の厚さは、およそ20%〜50%小さくなる。これから考えると、適切にフェイスダウンボンディングが行われると仮定すると、粒体50の高さH1を、前記電極15,16の表面から、該電極15,16の厚さH2の約50〜80%の深さに形成しておけば、接合によって該電極15,16の厚さH2が小さくなると、粒体50の先端は、半導体層12,13に到達し、半導体チップ40の裏面側から、この粒体50を観察することができる。したがって、前記の範囲が、実用的な粒体50の高さH1となる。   Here, the wedge-shaped granules 50 cannot reach the semiconductor layers 12 and 13 when the height H1 is low (the depth is shallow), and when the height H1 is high (the depth is too deep), Even if the grain size of the bump electrode 21 is small or the load at the time of bonding is insufficient, it reaches the semiconductor layers 12 and 13. When the bump electrode 21 is gold and the electrodes 15 and 16 are also gold, and the electrodes 15 and 16 are metallized, the thickness of the electrodes 15 and 16 on the chip surface is generally approximately determined by face-down bonding. 20% to 50% smaller. In view of this, assuming that face-down bonding is performed appropriately, the height H1 of the particles 50 is about 50 to 80% of the thickness H2 of the electrodes 15 and 16 from the surface of the electrodes 15 and 16. If formed to a depth, when the thickness H2 of the electrodes 15 and 16 is reduced by bonding, the tips of the grains 50 reach the semiconductor layers 12 and 13, and from the back side of the semiconductor chip 40, the grains The body 50 can be observed. Therefore, the above range is the practical height H1 of the granule 50.

一方、前記くさび形の粒体50において、バンプ電極21が当接する基端側の部分は、バンプ電極21中に埋もれてしまわない(進まない)ように、ある程度広い面積が必要である。バンプ電極21の粒径が、たとえばφ=50〜100μmであり、前記電極15,16の厚さが数μm程度である場合、そのバンプ電極21が当接する部分は、およそφ=1〜10μm程度の大きさが必要と考えられる。このバンプ電極21が当接する部分の大きさの条件は、フェイスダウンボンディング装置の能力や、半導体チップ40のサイズなどに影響されるので、特に規定はしない。   On the other hand, in the wedge-shaped particles 50, the base end side portion with which the bump electrode 21 abuts needs a certain wide area so as not to be buried (do not advance) in the bump electrode 21. When the particle diameter of the bump electrode 21 is, for example, φ = 50 to 100 μm and the thickness of the electrodes 15 and 16 is about several μm, the portion with which the bump electrode 21 abuts is about φ = 1 to 10 μm. Is considered necessary. The condition of the size of the portion with which the bump electrode 21 abuts is not particularly defined because it is affected by the capability of the face-down bonding apparatus, the size of the semiconductor chip 40, and the like.

本発明は、上述のような発光素子に限定されるものではなく、透明な基板上に透明な半導体層が形成されるものであれば適用することができる。   The present invention is not limited to the light emitting element as described above, and can be applied as long as a transparent semiconductor layer is formed on a transparent substrate.

なお、たとえば特開平9−312317号公報には、半導体チップの実装基板の接合部とは反対側から赤外線を照射して接合不良を検査する方法が開示されているが、パッドの剥がれやクラックを検出するものであり、本発明のように電極15,16とバンプ電極21との接合状態を検査することはできない。   For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-312317 discloses a method of inspecting bonding defects by irradiating infrared rays from the side opposite to the bonding portion of the mounting substrate of the semiconductor chip. It is to be detected, and the bonding state between the electrodes 15 and 16 and the bump electrode 21 cannot be inspected as in the present invention.

また、特開2001−68514号公報には、透明なダミー基板を実装基板にフリップチップ実装し、基板の裏面から電極とバンプ電極との接合部の状態を目視検査することが開示されているけれども、ダミー基板を使用し、実装工程の評価を行うものであり、本発明のように製品となる半導体装置を個々に検査することはできない。   Japanese Laid-Open Patent Publication No. 2001-68514 discloses that a transparent dummy substrate is flip-chip mounted on a mounting substrate, and the state of the joint between the electrode and the bump electrode is visually inspected from the back surface of the substrate. A dummy substrate is used to evaluate a mounting process, and a semiconductor device as a product cannot be individually inspected as in the present invention.

本発明の実施の第1の形態に係る半導体装置である発光ダイオードの構造を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the structure of the light emitting diode which is a semiconductor device which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 図1で示す発光ダイオードの接合前の状態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the state before joining of the light emitting diode shown in FIG. 本発明の実施の第1の形態に係る発光ダイオードの他の構造例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the other structural example of the light emitting diode which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明の実施の第2の形態に係る発光ダイオードの構造を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the structure of the light emitting diode which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 図1で示す発光ダイオードの接合前の状態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the state before joining of the light emitting diode shown in FIG. 典型的な従来技術の発光ダイオードの構造を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the structure of the typical prior art light emitting diode. 一般的な発光ダイオードにおける半導体チップの具体的な構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the specific structure of the semiconductor chip in a common light emitting diode.

符号の説明Explanation of symbols

1,41 発光ダイオード
10 半導体チップ
11 支持基板
12 N型窒化ガリウム半導体層
13 P型窒化ガリウム半導体層
14 絶縁酸化膜層
15 第1電極
16 第2電極
17 溝
20 実装基板
21 金バンプ電極
22 パッド
30,50 粒体
1,41 Light emitting diode 10 Semiconductor chip 11 Support substrate 12 N-type gallium nitride semiconductor layer 13 P-type gallium nitride semiconductor layer 14 Insulating oxide layer 15 First electrode 16 Second electrode 17 Groove 20 Mounting substrate 21 Gold bump electrode 22 Pad 30 50 grains

Claims (5)

透明な材料から成る半導体チップを、その表面に形成された電極と、実装基板上に形成された配線パターンのパッドと対向させ、それらを前記パッド上に設けられたバンプ電極によって電気的に接続することで、前記実装基板にフェイスダウン実装するようにした半導体装置において、
前記電極における前記バンプ電極の当接部位に、前記電極よりも硬い材料から成る粒体を付着しておき、
前記電極とバンプ電極との接合によって前記粒体が前記電極中に埋め込まれたか否かを前記半導体チップの裏面側から確認することで、接合状態を評価可能とすることを特徴とする半導体装置。
A semiconductor chip made of a transparent material is opposed to an electrode formed on the surface thereof and a pad of a wiring pattern formed on a mounting substrate, and these are electrically connected by a bump electrode provided on the pad. Thus, in a semiconductor device that is mounted face-down on the mounting substrate,
At the contact portion of the bump electrode in the electrode, a particle made of a material harder than the electrode is attached,
A semiconductor device characterized in that the bonding state can be evaluated by confirming from the back side of the semiconductor chip whether or not the particles are embedded in the electrode by bonding the electrode and the bump electrode.
前記粒体は、前記電極の表面に形成されたテーパ状の孔内に予め埋め込まれるくさび形に形成され、そのくさびの高さは、前記電極の厚さよりも薄いことを特徴とする請求項1記載の半導体装置。   2. The granule is formed in a wedge shape that is embedded in a tapered hole formed on the surface of the electrode, and the height of the wedge is smaller than the thickness of the electrode. The semiconductor device described. 前記粒体の高さは、前記電極の厚みの約50〜80%に形成されることを特徴とする請求項2記載の半導体装置。   3. The semiconductor device according to claim 2, wherein the height of the particles is formed to be about 50 to 80% of the thickness of the electrode. 前記電極およびバンプ電極は金から成り、前記粒体は、アルミ、ニッケル、銀、クロム、錫、チタンのうちの少なくとも1つから成ることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の半導体装置。   The electrode and the bump electrode are made of gold, and the particles are made of at least one of aluminum, nickel, silver, chromium, tin, and titanium. The semiconductor device described. 透明な材料から成る半導体チップを、その表面に形成された電極と、実装基板上に形成された配線パターンのパッドと対向させ、それらを前記パッド上に設けられたバンプ電極によって電気的に接続することで、前記実装基板にフェイスダウン実装するようにした半導体装置の評価方法において、
前記電極における前記バンプ電極の当接部位に、前記電極よりも硬い材料から成る粒体を付着しておき、
前記電極とバンプ電極との接合によって前記粒体が前記電極中に埋め込まれたか否かを前記半導体チップの裏面側から確認することで、接合状態を評価可能とすることを特徴とする半導体装置の評価方法。
A semiconductor chip made of a transparent material is opposed to an electrode formed on the surface thereof and a pad of a wiring pattern formed on a mounting substrate, and these are electrically connected by a bump electrode provided on the pad. So, in the evaluation method of the semiconductor device that is mounted face down on the mounting substrate,
At the contact portion of the bump electrode in the electrode, a particle made of a material harder than the electrode is attached,
A bonding state can be evaluated by confirming from the back side of the semiconductor chip whether or not the particles are embedded in the electrode by bonding the electrode and the bump electrode. Evaluation methods.
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