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JP2008135719A - 半導体モジュール、半導体モジュールの製造方法および携帯機器 - Google Patents

半導体モジュール、半導体モジュールの製造方法および携帯機器 Download PDF

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JP2008135719A
JP2008135719A JP2007270555A JP2007270555A JP2008135719A JP 2008135719 A JP2008135719 A JP 2008135719A JP 2007270555 A JP2007270555 A JP 2007270555A JP 2007270555 A JP2007270555 A JP 2007270555A JP 2008135719 A JP2008135719 A JP 2008135719A
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JP
Japan
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electrode
protrusion
semiconductor module
plastic region
semiconductor
Prior art date
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Pending
Application number
JP2007270555A
Other languages
English (en)
Inventor
Yoshihisa Okayama
芳央 岡山
Ryosuke Usui
良輔 臼井
Yasunori Inoue
恭典 井上
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sanyo Electric Co Ltd
Original Assignee
Sanyo Electric Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Sanyo Electric Co Ltd filed Critical Sanyo Electric Co Ltd
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Priority to US11/928,368 priority patent/US7492045B2/en
Priority to CN2007103051594A priority patent/CN101197338B/zh
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Abstract

【課題】半導体モジュールの電極部における接続信頼性を向上させる。
【解決手段】表面Ｓ１に電極２ａおよび保護膜３を有する半導体基板１がマトリクス状に形成された半導体ウエハを用意する。次に、半導体ウエハ（半導体基板１）の表面Ｓ１において、半導体基板１と、先端部に塑性領域４ｂを含む突起部４ａが一体的に形成された銅板４ｚ（金属板）との間に絶縁層７を挟持する。このように挟持した上で、プレス装置を用いて加圧成形して、半導体基板１、絶縁層７、及び銅板４ｚを一体化する。これにより、突起部４ａが絶縁層７を貫通するとともに、先端部の塑性領域４ｂが電極２ａとの接触面で塑性変形し、突起部４ａと電極２ａとが電気的に接続される。
【選択図】図５

Description

本発明は、半導体モジュール、半導体モジュールの製造方法および携帯機器に関する。
従来の半導体モジュールにはＣＳＰ（Chip Size Package）と呼ばれるものがある。このＣＳＰによる半導体モジュールは、一主面にＬＳＩ（半導体素子）およびこれに接続された外部接続電極が形成された半導体ウエハ（半導体基板）をダイシングして個別化することにより形成される。このため、半導体モジュールはＬＳＩチップと同等のサイズにて配線基板に固着することが可能となり、半導体モジュールが実装される側の配線基板を小型化することが可能となる。
近年、電子機器の小型化・高機能化に伴い、電子機器に使用される半導体モジュールのさらなる小型化が求められている。こうした半導体モジュールの小型化に伴い、配線基板に実装するための電極間の狭ピッチ化が不可欠となっている。半導体素子の表面実装方法としては、半導体素子の外部接続電極にはんだバンプを形成し、はんだバンプと配線基板の電極パッドとをはんだ付けするフリップチップ実装方法が知られている。フリップチップ実装方法では、はんだバンプ自体の大きさや、はんだ付け時のブリッジ発生などが制約となり、外部接続電極の狭ピッチ化に限界があった。近年では、このような限界を克服するために、半導体素子に再配線を形成することによる外部接続電極の再配置が行われている。このような再配置の方法としては、たとえば、金属板をハーフエッチすることによって形成した突起構造を電極またはビアとし、金属板にエポキシ樹脂などの絶縁層を介して半導体素子を装着し、突起構造に半導体素子の外部接続電極を接続する方法が知られている（特許文献１参照）。
一方、フレキシブル基板やプリント基板の製造においては、金属からなる電極と突起構造との接続信頼性を向上させるために、突起構造の先端部に軟質金属被膜（たとえば、金被膜）あるいは電導性接着剤（たとえば、はんだペースト）などの接着層を設け、この接着層を介して電極と突起構造との接続を行う方法が提案されている（特許文献２および３参照）。
特開平９−２８９２６４号公報 特開２００１−１４４２０６号公報 特開平１１−２９８１４３号公報
しかしながら、フレキシブル基板やプリント基板における接続の場合とは異なり、半導体モジュールの場合には、半導体素子を構成するシリコンと銅などの金属板との間で熱膨張係数が大きく異なる。このため、熱処理などの温度変化に応じて外部接続電極と突起構造との接続部には材料間の熱膨張係数の差に起因した熱応力が発生する。特に今後、半導体モジュールのさらなる小型化を実現するために外部接続電極と突起構造の接続ピッチの微細化を進めていく場合には、外部接続電極と突起構造との接触面積が小さくなるため、こうした熱応力により外部接続電極と突起構造との接続部で断線が発生することが懸念される。
本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、半導体モジュールの電極部における接続信頼性を向上させる技術の提供にある。
上記課題を解決するために、本発明に係る半導体モジュールは、絶縁層と、この絶縁層の一方の面に設けられた第１の電極と、絶縁層の他方の面に設けられた第２の電極と、第１の電極と一体的に設けられ、絶縁層を貫通して前記第２の電極と電気的に接続された突起部と、を備え、突起部はその先端部に塑性領域を有し、この塑性領域が塑性変形して第２の電極と接続していることを特徴とする。
この発明によれば、先端部に塑性領域を含み、第１の電極と一体的に設けられた突起部を介して第１の電極と第２の電極とが接続されるので、温度変化によって発生する第１の電極（突起部）と第２の電極の界面での断線などが抑制され、第１の電極と第２の電極との間の接続信頼性が向上する。これは、塑性領域を含む突起部を第１の電極と一体的に設けたことで、突起部と塑性領域との間に界面（接触面）がなくなり、従来のはんだペースト等の接着層を用いた場合に発生する熱膨張に起因した応力負荷が抑制されるためである。また、塑性変形した突起部（先端部の塑性領域）により第２の電極との界面の接触面積が増加し、突起部と第２の電極との間の密着性が向上するためである。
上記構成において、突起部と第２の電極とは同一の金属からなるようにしてもよい。この構成によれば、突起部と第２の電極との熱膨張係数が同じになるので、半導体モジュールの熱応力に対する接続信頼性をさらに向上させることができる。
上記構成において、第１の電極と突起部とは圧延金属からなるようにしてもよい。この構成によれば、半導体モジュールの製造コストをさらに低減することができる。
上記構成において、塑性領域は突起部の先端部に形成された微細凹凸からなるようにしてもよい。この構成によれば、半導体モジュールの接続信頼性を向上させることができ、またその製造コストをさらに低減することができる。
上記構成において、塑性領域は突起部よりも塑性変形しやすい金属からなるようにしてもよい。この構成によれば、突起部と第２の電極との間の密着性がさらに向上する。このため、半導体モジュールの接続信頼性をさらに向上させることができる。
上記構成において、塑性領域は金からなるようにしてもよい。この構成によれば、突起部と第２の電極との間の密着性がさらに向上する。このため、半導体モジュールの接続信頼性をさらに向上させることができる。
上記構成において、突起部は塑性領域の塑性変形により先端部が逆メサ構造となっていてもよい。この構成によれば、塑性領域を含む突起部のアンカー効果（投錨効果）により突起部の貫通方向に対する移動が抑制され、突起部と第２の電極との間の密着性が向上する。このため、半導体モジュールの熱応力に対する接続信頼性をさらに向上させることができる。
本発明の他の態様は、携帯機器である。この携帯機器は、上述したいずれかの態様の半導体モジュールを搭載する。
この発明によれば、突起部と第２の電極との接続信頼性が向上し、ひいては半導体モジュールの接続信頼性が向上するので、こうした半導体モジュールを搭載した携帯機器の信頼性を向上させることができる。また、半導体モジュールの製造コストが低減されるので、こうした半導体モジュールを搭載した携帯機器の製造コストを抑制することができる。
上記課題を解決するために、本発明に係る半導体モジュールの製造方法は、表面に電極を有する半導体基板を準備する第１の工程と、先端部に塑性領域を有する突起部が一体的に設けられた金属板を形成する第２の工程と、金属板と半導体基板とを絶縁層を介して圧着し、突起部が絶縁層を貫通するとともに塑性領域を塑性変形させることにより突起部と電極とを電気的に接続する第３の工程と、を備えることを特徴とする。
この発明によれば、先端部に塑性領域を有する突起部が一体的に設けられた金属板を圧着して製造するので、従来のはんだペースト等の接着層を採用する場合に比べ、熱応力に対する接続信頼性が向上した半導体モジュールを容易に製造できる。
また、金属板の圧着時に半導体基板の電極との接続面で突起部の塑性領域を塑性変形させるので、製造工程における突起部の先端面（半導体基板の電極と対抗する面）の平行度のバラツキや突起部自体の高さのバラツキなどが吸収・緩和され、突起部と第２の電極との接続を確実に、且つ、再現よく安定して行うことができるようになる。このため、こうした半導体モジュールの歩留まりを向上させることができ、半導体モジュールの製造コストを低減することができる。
上記の構成における第２の工程において、板状金属の一方の表面に塑性領域としての微細凹凸を形成した後、一方の表面を選択的に除去して突起部を形成してもよい。この構成によれば、金属板の突起部と半導体基板の電極との間の接続信頼性が向上した半導体モジュールを容易に製造でき、半導体モジュールの製造コストをさらに低減することができる。
上記の構成における第２の工程において、板状金属の一方の表面を選択的に除去して突起部を形成した後、突起部の先端部に塑性領域としての微細凹凸を形成してもよい。この構成によれば、金属板の突起部と半導体基板の電極との間の接続信頼性が向上した半導体モジュールを容易に製造でき、半導体モジュールの製造コストをさらに低減することができる。
上記の構成における第２の工程において、塑性領域を電解めっき法もしくは無電解めっき法により金を用いて形成してもよい。この構成によれば、金属板の突起部と半導体基板の電極との間の接続信頼性がさらに向上した半導体モジュールを容易に製造できる。
上記構成における第２の工程において、突起部の形状を先端部に近づくにつれて径が細くなるように形成し、第３の工程において、突起部の先端の形状が逆メサ構造となるように塑性領域を塑性変形させてもよい。このように製造することで、金属板、絶縁層、及び半導体基板を圧着により積層する際には、金属板の突起部と半導体基板の電極との界面に絶縁層の残膜が介在することなく突起部を絶縁層にスムースに貫通させることができるとともに、金属板の突起部が半導体基板の電極に接続する際には、突起部の塑性領域が塑性変形して容易に突起部の先端を逆メサ構造に形成することができる。このため、金属板の突起部と半導体基板の電極との間の接続信頼性がさらに向上した半導体モジュールを容易に製造することができる。
本発明によれば、半導体モジュールの電極部における接続信頼性が向上する。
以下、本発明を具現化した実施形態について図面に基づいて説明する。なお、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
（第１実施形態）
図１は本発明の第１実施形態に係る半導体モジュールの概略断面図である。図２は図１に示した半導体モジュールの電極部（図１のＸで示した断面部分）を拡大した断面図である。図１および図２に基づいて第１実施形態の半導体モジュールについて説明する。
半導体基板１は、Ｐ型シリコン基板などが採用され、その表面Ｓ１（下面側）に周知の技術により所定の電気回路などの半導体素子２が形成され、実装面となる表面Ｓ１（特に周辺部）に半導体素子２の電極２ａが形成されている。この電極２ａを除いた半導体基板１の表面上の領域には保護膜３が形成されている。半導体基板１の表面Ｓ１では、電極２ａのピッチをより広くするために電極２ａおよび保護膜３の上に絶縁層７が形成され、この絶縁層７を貫通して電極２ａの露出面に接続する突起部（突起状の導体部）４ａとこの突起部４ａが主表面Ｓ２側に一体的に設けられた再配線パターン（配線層）４が形成されている。この突起部４ａはその先端部に塑性領域４ｂを有し、この塑性領域４ｂが塑性変形して電極２ａと接続している。また、再配線パターン４にはこの主表面Ｓ２と反対側（下面側）に外部接続電極（はんだバンプ）８が設けられている。
具体的には、電極２ａは、半導体素子２を構成する電気回路と接続され、周辺部に多数個が位置するように形成されている。電極２ａの材料には一般にアルミニウム（Ａｌ）や銅（Ｃｕ）が採用される。
絶縁層７は半導体基板１の表面Ｓ１に形成され、その厚さは、たとえば、約３０μｍである。絶縁層７は加圧したときに塑性流動を引き起こす材料からなる。加圧したときに塑性流動を引き起こす材料としてはエポキシ系熱硬化型樹脂が挙げられる。絶縁層７に採用されるエポキシ系熱硬化型樹脂は、たとえば、温度１６０℃、圧力８ＭＰａの条件下で、粘度が１ｋＰａ・ｓの特性を有する材料であればよい。また、温度１６０℃の条件下で、この材料は１５ＭＰａで加圧した場合に、加圧しない場合と比較して、樹脂の粘度が約１／８に低下する。これに対して、熱硬化前のＢステージのエポキシ樹脂は、ガラス転移温度Ｔｇ以下の条件下では樹脂の加圧しない場合と同程度に粘性がなく、加圧しても粘性は生じない。
再配線パターン４は絶縁層７の上に形成されている。再配線パターン４には主表面Ｓ２から突出してこの絶縁層７を貫通する突起部４ａが一体的に設けられるとともに、この突起部４ａの先端部には塑性領域４ｂが設けられている。この塑性領域４ｂは、突起部４ａと一体的に連続して形成され、突起部４ａと半導体基板１の電極２ａとを絶縁層７を介して圧着する際に電極２ａとの接触面で塑性変形するようにその塑性が調整されている。ここでは、ＲＴＡ法などの熱処理により結晶粒径の微細化を行うことで、塑性領域４ｂの塑性の程度や厚さが制御されている。再配線パターン４および突起部４ａ（塑性領域４ｂを含む突起部４ａ）には、たとえば、圧延された銅からなる圧延金属が採用される。銅からなる圧延金属は、めっき処理等によって形成された銅からなる金属膜と比較すると、機械的強度の点において強く、再配線のための材料として優れている。再配線パターン４の厚さは、たとえば、約２０μｍであり、突起部４ａの高さ（厚さ）は、たとえば、約３０μｍである。また、この突起部４ａの高さ（厚さ）のうち、塑性領域４ｂの厚さは、たとえば、約５μｍである。突起部４ａは、丸型に設けられ、半導体基板１の電極２ａとの接触面と平行な先端部４ａ１と、先端部４ａ１に近づくにつれて径が細くなるように形成された側面部４ａ２とを備えている。突起部４ａの先端（先端部４ａ１）の径および基面の径は、それぞれ約４０μｍφおよび約６０μｍφである。また、突起部４ａは電極２ａに対応する位置に設けられている。突起部４ａの先端（先端部４ａ１）は半導体基板１の電極２ａと直に接するように形成され、塑性変形した塑性領域４ｂを含む突起部４ａを介して電極２ａと再配線パターン４とを電気的に接続している。なお、電極２ａは本発明の「第２の電極」または「電極」、再配線パターン４は本発明の「第１の電極」、突起部４ａは本発明の「突起部」、塑性領域４ｂは本発明の「塑性領域」、及び絶縁層７が本発明の「絶縁層」の一例である。
（製造方法）
図３は先端部の塑性領域を含む突起部を有する銅板の形成方法を説明するための断面図である。図４は複数のスクライブラインにより区画された半導体基板がマトリクス状に配置された半導体ウエハを示す平面図である。図５および図６は図１に示した第１実施形態に係る半導体モジュールの製造プロセスを説明するための概略断面図である。次に、図３〜図６を参照して、第１実施形態に係る半導体モジュールの製造プロセスについて説明する。
まず、図３（Ａ）に示すように、少なくとも突起部（突起状の導体部）４ａの高さと再配線パターン（配線層）４の厚さとの和よりも大きい厚さを有する銅板４ｚを用意する。ここでは、銅板４ｚの厚さは約１００μｍである。銅板４ｚとしては、圧延された銅からなる圧延金属が採用される。
図３（Ｂ）に示すように、銅板４ｚの一方の面側に対してＲＴＡ法による急速加熱と急速冷却を連続して行い、銅板４ｚ表面の銅結晶の粒径を微細化する。これにより、銅板４ｚの表面には、約５μｍの厚さを有し、後に突起部の塑性領域となる熱処理層４ｚ１が形成される。熱処理層４ｚ１の塑性の程度は、圧延銅からなる銅板４ｚよりもその塑性が大きくなるようにしている。なお、熱処理条件を調整することにより熱処理層４ｚ１の塑性の程度や厚さを容易に制御することができる。
図３（Ｃ）に示すように、通常のリソグラフィ法を用いて、半導体モジュール形成領域６内における突起部形成領域にレジストマスク９を形成する。ここで、突起部形成領域の配列は、複数のスクライブライン５によって複数の半導体モジュール形成領域６に区画された半導体ウエハにおける半導体基板１の各電極２ａの位置に対応している。
図３（Ｄ）に示すように、このレジストマスク９をマスクとしてエッチング処理を行い、銅板４ｚの主表面Ｓ２から突出するように設けられた所定のパターンの突起部４ａ（先端部に塑性領域４ｂを有する突起部４ａ）を形成する。この際、エッチング条件を調整することにより、突起部４ａの先端部４ａ１に近づくにつれて径が細くなる側面部４ａ２を有するように形成する。ここでは、突起部４ａの高さは約３０μｍとし、突起部４ａの先端（先端部４ａ１）の径および基面の径は、それぞれ約４０μｍφおよび約６０μｍφとしている。また、塑性領域４ｂの厚さは、熱処理層４ｚ１の厚さが反映され、約５μｍとなる。なお、突起部４ａが設けられた銅板４ｚは本発明の「金属板」の一例である。
図３（Ｅ）に示すように、レジストマスク９を除去する。これにより、銅板４ｚに対して先端部４ａ１および先端部４ａ１に近づくにつれて径が細くなるように形成された側面部４ａ２を有する突起部４ａ（先端部に塑性領域４ｂを含む突起部４ａ）が形成される。なお、レジストマスク９に代えて銀（Ａｇ）などの金属マスクを採用してもよい。この場合には、銅板４ｚとのエッチング選択比が十分確保されるため、突起部４ａのパターニングのさらなる微細化を図ることが可能となる。
このように製造した銅板４ｚを別途用意しておき、以下に説明する第１実施形態での半導体モジュールの製造プロセスに採用する。なお、半導体ウエハは、図４に示すように、複数のスクライブライン５によって複数の半導体モジュール形成領域６（半導体基板１）に格子状に区画されている。この半導体モジュール形成領域６は先に述べた半導体モジュールが形成される領域である。
まず、図５（Ａ）に示すように、表面Ｓ１に半導体素子２、電極２ａ、及び保護膜３を有する半導体基板１がマトリクス状に形成された半導体ウエハを用意する。
具体的には、図５（Ａ）に示したように、Ｐ型シリコン基板などの半導体ウエハ内のそれぞれの半導体基板１に対して、その表面Ｓ１（下面側）に周知の技術により所定の電気回路などの半導体素子２およびその周辺部あるいは上部に電極２ａを形成する。電極２ａの材料には一般にアルミニウム（Ａｌ）や銅（Ｃｕ）等の金属が採用される。この電極２ａを除いた半導体基板１の表面Ｓ１上の領域に、半導体基板１を保護するための絶縁性の保護膜３を形成する。保護膜３としてはシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）やシリコン窒化膜（ＳｉＮ）等が採用される。なお、半導体基板１は本発明の「半導体基板」の一例である。
図５（Ｂ）に示すように、半導体ウエハ（半導体基板１）の表面Ｓ１において、半導体基板１と、突起部４ａ（先端部に塑性領域４ｂを含む突起部４ａ）が一体的に形成された銅板４ｚとの間に、絶縁層７を挟持する。絶縁層７の厚さは、突起部４ａの高さと同程度の約３０μｍである。なお、塑性領域４ｂを含む突起部４ａを有する銅板４ｚの形成方法は上記の通りである。
図５（Ｃ）に示すように、上記のように挟持した上で、プレス装置を用いて加圧成形することにより、半導体基板１、絶縁層７、及び銅板４ｚを一体化する。プレス加工時の圧力および温度は、それぞれ約５ＭＰａおよび２００℃である。プレス加工により、絶縁層７の粘度が低下し、絶縁層７は塑性流動を起こす。これにより、突起部４ａが絶縁層７を貫通するとともに、その先端部の塑性領域４ｂが電極２ａの接触面で塑性変形し、突起部４ａと半導体基板１の電極２ａとが電気的に接続される。なお、突起部４ａが先端部４ａ１に近づくにつれて径が細くなるように形成された側面部４ａ２を有することにより、突起部４ａが絶縁層７にスムースに貫通する。この結果、突起部４ａと半導体基板１の電極２ａとの界面から絶縁層７が効果的に押し出されて、絶縁層７の一部が界面に残存しにくくなる。
図５（Ｄ）に示すように、主表面Ｓ２の反対側から銅板４ｚの全体をエッチングすることにより、銅板４ｚを再配線パターン４の厚さに調整する。本実施形態の再配線パターン４の厚さは約２０μｍである。
次に、図６（Ａ）に示すように、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いて、銅板４ｚを加工することにより所定のライン／スペースパターンを有する再配線パターン（配線層）４となるようにパターニングする。
具体的には、ラミネータ装置を用いて銅板４ｚに膜厚１０μｍ程度のレジスト膜を貼り付け、所定のライン／スペースパターンを有するフォトマスクを用いて露光した後、Ｎａ２ＣＯ３溶液を用いて現像し、未露光領域のレジスト膜を除去することによって、銅板４ｚの上にレジストマスク（図示せず）を選択的に形成する。なお、レジストマスクとの密着性向上のために、レジスト膜のラミネート前に、銅板４ｚの表面に研磨、洗浄等の前処理を必要に応じて施すことが望ましい。引き続き、塩化第二鉄溶液を用いて、銅板４ｚの露出部分をエッチングすることにより、所定のライン／スペースパターンを有する再配線パターン（配線層）４を形成する。その後、レジストマスクをＮａＯＨ溶液などの剥離剤を用いて剥離する。
図６（Ｂ）に示すように、はんだ印刷法を用いて、突起部４ａを介して電極２ａと接続されている部分の再配線パターン４に対して外部接続端子として機能する外部接続電極（はんだボール）８を形成する。具体的には、樹脂とはんだ材をペースト状にした「はんだペースト」を、スクリーンマスクにより所望の箇所に印刷し、はんだ溶融温度に加熱することで、外部接続電極（はんだボール）８を形成する。あるいは、別の方法として再配線パターン４側にあらかじめフラックスを塗布しておき、はんだボールを再配線パターン４にマウントしてもよい。ここで、突起部４ａと電極２ａとの間の接続は塑性領域４ｂを介してなされており、従来のはんだペーストは介在していないため、こうした外部接続電極（はんだボール）８を形成する際の熱処理によって再溶融が生じ、突起部４ａと電極２ａとの間の接続が劣化することが抑制される。また、はんだボールの形成領域以外の表面をソルダレジスト（図示せず）で覆ってもよい。
図６（Ｃ）に示すように、複数の半導体モジュール形成領域６を区画するスクライブライン５に沿って、半導体ウエハをダイシングすることにより半導体基板１と同じ外形寸法を有する半導体モジュールに個別化する。この後、薬液による洗浄処理を行うことで、ダイシング時に発生する残渣などを除去する。
これらの工程により、先の図１に示した第１実施形態の半導体モジュールが製造される。
以下に突起部の塑性領域の有用性について説明する。
図７および図８は半導体モジュールの電極部における突起部の塑性領域の有無での接続状態を示す断面図である。なお、図７は突起部４ａの先端面（半導体基板１の電極２ａと対向する面）が傾斜している場合であり、図８は電極２ａの表面が凹凸を有している場合である。
突起部４ａの先端面が傾斜している場合には、突起部４ａの先端部に塑性領域４ｂを設けていないと、図７（Ａ）に示すように、突起部４ａの先端部が電極２ａの一部としか接触しなかったり、あるいは、図７（Ｂ）に示すように、突起部４ａの先端部が電極２ａに食い込んでしまうことがある。図７（Ａ）のような接続状態では接続抵抗が設計値よりも著しく上昇する。図７（Ｂ）のような接続状態では電極２ａにクラック（亀裂）が生じることがある。このため、いずれの接続状態でも半導体モジュールの信頼性が大幅に劣化することになる。これに対し、突起部４ａの先端部に塑性領域４ｂを設けると、製造過程で突起部４ａの塑性領域４ｂが塑性変形して電極２ａとの接触面積が増加し、図７（Ｃ）に示すように突起部４ａの先端部は電極２ａと良好に接続された状態となる。なお、突起部４ａの塑性領域４ｂが塑性変形するため、電極２ａへの食い込みも同時に抑制される。
また、電極２ａの表面が凹凸を有している場合には、突起部４ａの先端部に塑性領域４ｂを設けていないと、図８（Ａ）に示すように、突起部４ａの先端部が電極２ａの表面の凸部分としか接触しないことになる。このため、電極２ａの表面凹凸の状態に応じて接続抵抗が上昇することになるため、半導体モジュールの信頼性が低下する。これに対し、突起部４ａの先端部に塑性領域４ｂを設けると、製造過程で突起部４ａの塑性領域４ｂが塑性変形して電極２ａの表面の凹部内にも入り込むため、図８（Ｂ）に示すように突起部４ａの先端部は電極２ａと良好に接続された状態となる。
この第１実施形態の半導体モジュールおよびその製造方法によれば、以下のような効果を得ることができるようになる。
（１）先端部に塑性領域４ｂを含み、再配線パターン４（加工される前は銅板４ｚ）と一体的に設けられた突起部４ａを介して、再配線パターン４と半導体基板１の電極２ａとが接続されるので、熱処理などの温度変化によって発生する再配線パターン４と電極２ａの接触面（界面）での断線などが抑制され、再配線パターン４と電極２ａとの間の接続信頼性が向上する。これは、塑性領域４ｂを含む突起部４ａを再配線パターン４と一体的に設けたことで、突起部４ａと塑性領域４ｂとの間に界面（接触面）がなくなり、従来のはんだペースト等の接着層を用いた場合に発生する熱膨張に起因した応力負荷が抑制されるためである。また、塑性変形した突起部４ａ（先端部の塑性領域４ｂ）により電極２ａとの界面の接触面積が増加し、突起部４ａと電極２ａとの間の密着性が向上するためである。
（２）突起部４ａ（再配線パターン４）と電極２ａとを同一の銅（Ｃｕ）からなる金属で設けたことで、突起部４ａと電極２ａとの熱膨張係数が同じになるので、半導体モジュールの熱応力に対する接続信頼性をさらに向上させることができる。
（３）先端部に塑性領域４ｂを有する突起部４ａが一体的に設けられた銅板４ｚを圧着して製造したので、従来のはんだペースト等の接着層を採用する場合に比べ、熱応力に対する接続信頼性が向上した半導体モジュールを容易に製造できる。
（４）銅板４ｚの圧着時に半導体基板１の電極２ａとの接触面で突起部４ａの先端部にある塑性領域４ｂが塑性変形するので、製造工程における突起部４ａの先端面（半導体基板１の電極２ａと対抗する面）の平行度のバラツキや突起部自体の高さのバラツキなどが吸収・緩和され、突起部４ａと電極２ａとの接続を確実に、且つ、再現よく安定して行うことができるようになる。このため、こうした半導体モジュールの歩留まりを向上させることができ、半導体モジュールの製造コストを低減することができる。
（５）突起部４ａの塑性領域４ｂを、突起部４ａよりもその塑性が大きくなるように形成したことで、半導体基板１の電極２ａとの接触面において突起部４ａの塑性領域４ｂが塑性変形しやすくなるので、突起部４ａと電極２ａとの界面での接触面積が増加し、その部分での密着性が向上した半導体モジュールが容易に製造される。
（６）半導体モジュールが個別化される前の半導体ウエハの状態で一括して突起部４ａおよび塑性領域４ｂを有する再配線パターン（配線層）４を形成したので、半導体モジュールごとに個別に再配線パターン４等を形成する場合に比べて、半導体モジュールの製造コストを低減することができる。
（第２実施形態）
図９は本発明の第２実施形態に係る半導体モジュールを説明するための概略断面図である。図１０は図９に示した半導体モジュールの電極部（図９のＸで示した断面部分）を拡大した断面図である。第１実施形態と異なる箇所は、圧着後における突起部４ａ（塑性領域４ｃを含む突起部４ａ）の形状であり、塑性領域４ｃが塑性変形する際に電極２ａとの接触面に沿うように横方向にも広がって変形し、突起部４ａの先端の形状が逆メサ構造となっていることである。ここで、逆メサ構造とは、突起部の塑性領域近傍の部分の径に比べ塑性領域部分で少なくともその径が大きくなっている状態を示す。
このような塑性領域４ｃを有する突起部４ａは、図５（Ｃ）に示したプレス装置を用いて加圧成形する際に、たとえば、その圧力を強めることで容易に製造することができる。それ以外については、第１実施形態で説明した構造および製造方法と同様である。
この第２実施形態の半導体モジュールおよびその製造方法によれば、第１実施形態の上記（１）〜（６）の効果に加え、以下のような効果を得ることができるようになる。
（７）突起部４ａの先端の形状を塑性領域４ｃの塑性変形により逆メサ構造としたことで、塑性領域４ｃを含む突起部４ａのアンカー効果（投錨効果）により絶縁層７内における突起部４ａの貫通方向に対する移動が抑制され、絶縁層７から突起部４ａが抜けにくくなる。この結果、突起部４ａと半導体基板１の電極２ａとの間の密着性が向上するので、半導体モジュールの熱応力に対する接続信頼性をさらに向上させることができる。
（８）圧着前に突起部４ａの形状を先端部４ａ１に近づくにつれて径が細くなるように形成し、圧着後に突起部４ａの先端の形状が逆メサ構造となるように塑性領域４ｃを塑性変形したことで、銅板４ｚ、絶縁層７、及び半導体基板１を圧着により積層する際に、銅板４ｚの突起部４ａと半導体基板１の電極２ａとの界面（接触面）に絶縁層７の残膜が介在することなく突起部４ａを絶縁層７にスムースに貫通させることができるとともに、銅板４ｚの突起部４ａが半導体基板１の電極２ａに接続する際に突起部４ａの塑性領域４ｂが塑性変形し、突起部４ａの先端を逆メサ構造に容易に形成することができる。このため、銅板４ｚ（再配線パターン４）の突起部４ａと半導体基板１の電極２ａとの間の接続信頼性がさらに向上した半導体モジュールを容易に製造することができる。
（第３実施形態）
上述した第１実施形態では、ＲＴＡ法により突起部４ａに塑性領域４ｂを形成したが、本実施形態のようにして塑性領域４ｄを形成してもよい。以下に本実施形態における塑性
領域４ｄの形成方法を説明する。
図１１は本発明の第３実施形態に係る半導体モジュールにおける、塑性領域を含む突起部を有する銅板の形成方法を説明するための断面図である。
まず、図１１（Ａ）に示すように、少なくとも突起部４ａの高さと再配線パターン４の厚さとの和よりも大きい厚さを有する銅板４ｚを用意する。
図１１（Ｂ）に示すように、リソグラフィ法を用いて、突起部形成領域にレジストマスク（図示せず）を選択的に形成し、このレジストマスクをマスクとしてエッチング処理を行い、銅板４ｚに所定のパターンの突起部４ａを形成する。
図１１（Ｃ）に示すように、銅板４ｚの突起部４ａ側にレジストをラミネートし、フォトマスクを用いてリソグラフィ法により該レジストを露光現像し、突起部４ａ上方の領域のレジストを開口する。
図１１（Ｄ）に示すように、レジストの開口内に塑性領域４ｄを形成する。塑性領域４ｄは、たとえば電解めっき法もしくは無電解めっき法により突起部４ａよりも塑性変形しやすい金属からなる金属層、好ましくは金（Ａｕ）の金属層、たとえばＡｕ／Ｎｉの金属層として形成する。ＡｕおよびＮｉの膜厚はそれぞれ、たとえば０．５μｍ、３．０μｍである。この際、塑性領域４ｄを先端に近づくにつれて径が細くなるように形成する場合には、たとえばレジストにネガレジストを用い、レジストの選択的な露光を、アンダー露光条件で行って開口を設け、該開口内に金属層を形成することで行うことができる。あるいは、塑性領域４ｄの大きさよりも大きい開口をレジストに設けて金属層を形成し、該金属層をエッチングすることで、同様の形状の塑性領域４ｄを形成することができる。なお、塑性領域４ｄの形成方法としては、特にこれに限定されず、たとえば銅ペースト、銀ペースト、金ペーストなどの導電ペーストを用いて形成してもよい。
図１１（Ｅ）に示すように、レジストマスクを除去する。これにより銅板４ｚに対して塑性領域４ｄが形成された突起部４ａが形成される。
この第３実施形態の半導体モジュールおよびその製造方法によれば、第１実施形態の上記（１）〜（６）の効果、および第２実施形態の上記（７）、（８）の効果に加え、以下のような効果を得ることができるようになる。
（９）塑性領域４ｄを金とすることで、銅板４ｚの圧着時に半導体基板１の電極２ａとの接触面で塑性領域４ｄがより塑性変形しやすくなるので、突起部４ａと電極２ａとの界面での接触面積が増加し、突起部４ａと電極２ａとの間の接続信頼性がさらに向上する。
（１０）電解めっき法もしくは無電解めっき法により塑性領域４ｄとしての金めっき膜を形成することで、スパッタ法で形成した場合などに比べると低コストで形成することができる。
（第４実施形態）
次に、本発明の実施形態に係る半導体モジュールを備えた携帯機器について説明する。なお、携帯機器として携帯電話に搭載する例を示すが、たとえば、個人用携帯情報端末（ＰＤＡ）、デジタルビデオカメラ（ＤＶＣ）、及びデジタルスチルカメラ（ＤＳＣ）といった電子機器であってもよい。
図１２は本発明の実施形態に係る半導体モジュールを備えた携帯電話の構成を示す図である。携帯電話１１１は、第１の筐体１１２と第２の筐体１１４が可動部１２０によって連結される構造になっている。第１の筐体１１２と第２の筐体１１４は可動部１２０を軸として回動可能である。第１の筐体１１２には文字や画像等の情報を表示する表示部１１８やスピーカ部１２４が設けられている。第２の筐体１１４には操作用ボタンなどの操作部１２２やマイク部１２６が設けられている。なお、本発明の各実施形態に係る半導体モジュールはこうした携帯電話１１１の内部に搭載されている。
図１３は図１２に示した携帯電話の部分断面図（第１の筐体１１２の断面図）である。本発明の各実施形態に係る半導体モジュール１０は、外部接続電極８を介してプリント基板１２８に搭載され、こうしたプリント基板１２８を介して表示部１１８などと電気的に接続されている。また、半導体モジュール１０の裏面側（外部接続電極８とは反対側の面）には金属基板などの放熱基板１１６が設けられ、たとえば、半導体モジュール１０から発生する熱を第１の筐体１１２内部に篭もらせることなく、効率的に第１の筐体１１２の外部に放熱することができるようになっている。
本発明の実施形態に係る半導体モジュールを備えた携帯機器によれば、以下の効果を得ることができる。
（１１）突起部４ａと電極２ａとの接続信頼性が向上し、ひいては半導体モジュールの接続信頼性が向上するので、こうした半導体モジュールを搭載した携帯機器の信頼性が向上する。
（１２）半導体モジュールの製造コストが低減されるので、こうした半導体モジュールを搭載した携帯機器の製造コストを抑制することができる。
本発明は、上記した各実施形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施形態も本発明の範囲に含まれうるものである。たとえば、各実施形態の構成を適宜組み合わせてもよい。
なお、上記実施形態１、２では、ＲＴＡ法により急速加熱・冷却処理することで銅板４ｚの表面に塑性領域４ｂとなる熱処理層４ｚ１を形成した後に、熱処理層４ｚ１を含む銅板４ｚをパターニング加工して突起部４ａ（塑性領域４ｂを有する突起部４ａ）を形成する例を示したが、本発明はこれに限らず、たとえば、銅板４ｚの表面にイオン注入法や熱拡散法等を用いて不純物を導入して塑性領域となる不純物層を形成した後に、不純物層を含む銅板４ｚをパターニング加工して突起部を形成してもよい。また、酸などの薬液処理により銅板４ｚの表面にサブミクロンレベルの微細凹凸を設け、この微細凹凸を塑性領域とするようにしてもよい。このようにして設けた塑性領域を有する突起部によっても上記効果を享受することができる。ここで、前記サブミクロンレベルの微細凹凸とは、たとえば十点平均粗さ（Ｒｚ）で０．２〜２μｍの範囲である。微細凹凸がＲｚで０．２μｍよりも小さい場合には微細凹凸が変形しても塑性領域としての所望の効果が得られず、２μｍよりも大きい場合には微細凹凸の十分な塑性変形が得られないため、微細凹凸は前記範囲内であることが好ましい。
また、上記実施形態１、２では、塑性領域４ｂとなる熱処理層４ｚ１を形成した後に、熱処理層４ｚ１を含む銅板４ｚをパターニング加工して突起部４ａを形成する例を示したが、本発明はこれに限らず、たとえば、銅板４ｚをパターニング加工して突起部を形成した後に、ＲＴＡ法による急速加熱・冷却処理を施して突起部の表面に塑性領域を一様に形成するようにしてもよい。この場合にも上記効果を享受することができる。
上記各実施形態では、銅板４ｚの突起部４ａを丸型で、その先端部４ａ１に近づくにつれて径が細くなるように形成した例を示したが、本発明はこれに限らず、たとえば、所定の径を有する円柱状の突起部であってもよい。また、突起部４ａとして丸型のものを採用したが、四角形などの多角形であってもよい。この場合にも、突起部４ａと電極２ａとの界面に絶縁層７の残膜が介在することが抑制されるため、半導体モジュールの接続信頼性を向上させることができる。
上記各実施形態では、半導体基板１（または半導体素子２）の電極２ａのピッチをより広くするために、突起部４ａ（塑性領域４ｂ，４ｃを含む突起部４ａ）を絶縁層７に埋め込むようにして銅板４ｚ、絶縁層７、及び半導体素子２を積層させて再配線パターン（配線層）４を形成し、その裏面側に外部接続電極（はんだボール）８を設けた例を示したが、本発明はこれに限らず、たとえば、突起部を有する銅板を用いて配線層を繰り返し形成して多層化するようにしてもよい。これによれば、多層配線のビルドアップをより簡便に行うことができるとともに、多層配線内の接続信頼性および多層配線と半導体素子との接続信頼性を向上させることができる。
本発明の第１実施形態に係る半導体モジュールの概略断面図である。 図１に示した半導体モジュールの電極部を拡大した断面図である。 （Ａ）〜（Ｅ）は先端部の塑性領域を含む突起部を有する銅板の形成方法を説明するための断面図である。 複数のスクライブラインにより区画された半導体基板がマトリクス状に配置された半導体ウエハを示す平面図である。 （Ａ）〜（Ｄ）は第１実施形態に係る半導体モジュールの製造プロセスを説明するための概略断面図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は第１実施形態に係る半導体モジュールの製造プロセスを説明するための概略断面図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は半導体モジュールの電極部における突起部の塑性領域の有無での接続状態を示す断面図である。 （Ａ），（Ｂ）は半導体モジュールの電極部における突起部の塑性領域の有無での接続状態を示す断面図である。 本発明の第２実施形態に係る半導体モジュールの概略断面図である。 図９に示した半導体モジュールの電極部を拡大した断面図である。 （Ａ）〜（Ｅ）は第３実施形態における塑性領域を含む突起部を有する銅板の形成方法を説明するための断面図である。 第４実施形態に係る携帯電話の構成を示す図である。 携帯電話の部分断面図である。
符号の説明
１・・・半導体基板、２・・・半導体素子、２ａ・・・電極、３・・・保護膜、４・・・再配線パターン（配線層）、４ａ・・・突起部、４ａ１・・・突起部の先端部、４ａ２・・・突起部の側面部、４ｂ・・・塑性領域、５・・・スクライブライン、６・・・半導体モジュール形成領域、７・・・絶縁層、８・・・外部接続電極（はんだボール）。

Claims (13)

  1. 絶縁層と、この絶縁層の一方の面に設けられた第１の電極と、
    前記絶縁層の他方の面に設けられた第２の電極と、
    前記第１の電極と一体的に設けられ、前記絶縁層を貫通して前記第２の電極と電気的に接続された突起部と、
    を備え、
    前記突起部はその先端部に塑性領域を有し、この塑性領域が塑性変形して前記第２の電極と接続していることを特徴とした半導体モジュール。
  2. 前記突起部と前記第２の電極とは同一の金属からなることを特徴とした請求項１に記載の半導体モジュール。
  3. 前記第１の電極と前記突起部とは圧延金属からなることを特徴とした請求項１または２に記載の半導体モジュール。
  4. 前記塑性領域は前記突起部の先端部に形成された微細凹凸からなることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
  5. 前記塑性領域は前記突起部よりも塑性変形しやすい金属からなることを特徴とした請求項１ないし４のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
  6. 前記塑性領域は金からなることを特徴とした請求項５に記載の半導体モジュール。
  7. 前記突起部は前記塑性領域の塑性変形により先端部が逆メサ構造となっていることを特徴とした請求項１ないし６のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
  8. 請求項１ないし７のいずれか１項に記載の半導体モジュールを搭載したことを特徴とする携帯機器。
  9. 表面に電極を有する半導体基板を準備する第１の工程と、
    先端部に塑性領域を有する突起部が一体的に設けられた金属板を形成する第２の工程と、
    前記金属板と前記半導体基板とを絶縁層を介して圧着し、前記突起部が前記絶縁層を貫通するとともに前記塑性領域を塑性変形させることにより前記突起部と前記電極とを電気的に接続する第３の工程と、
    を備える、半導体モジュールの製造方法。
  10. 前記第２の工程において、板状金属の一方の表面に前記塑性領域としての微細凹凸を形成した後、前記一方の表面を選択的に除去して前記突起部を形成することを特徴とした請求項９に記載の半導体モジュールの製造方法。
  11. 前記第２の工程において、板状金属の一方の表面を選択的に除去して前記突起部を形成した後、前記突起部の先端部に前記塑性領域としての微細凹凸を形成することを特徴とした請求項９に記載の半導体モジュールの製造方法。
  12. 前記第２の工程において、前記塑性領域を電解めっき法もしくは無電解めっき法により金を用いて形成することを特徴とした請求項９に記載の半導体モジュールの製造方法。
  13. 前記第２の工程において、前記突起部の形状を先端部に近づくにつれて径を細くなるように形成し、
    前記第３の工程において、前記突起部の先端の形状が逆メサ構造となるように前記塑性領域を塑性変形させていることを特徴とした請求項９ないし１２のいずれか１項に記載の半導体モジュールの製造方法。
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