半導體元件的安裝方法及半導體器件的製造方法

2023-06-04 05:16:01

專利名稱：半導體元件的安裝方法及半導體器件的製造方法
技術領域：
本發明總的涉及半導體元件的安裝方法以及半導體器件的製造方法，更 具體涉及經由不含鉛(Pb)的外部連接凸電極將半導體元件安裝在布線板上 的半導體元件的安裝方法以及半導體器件的製造方法。
背景技術：
從前至今，已知具有如下結構的半導體器件經由不含鉛(Pb)的外部 連接凸電極、即所謂的無鉛焊料凸點，以面朝下的方式將半導體元件以倒裝 晶片方法安裝在布線板上。圖1為示出應用於這種半導體器件的半導體元件的結構的橫截面圖。圖 2為圖1中虛線所包圍的部分的放大圖。參照圖1和圖2，為了製造半導體元件，所謂的晶片工藝被應用於由矽(Si)製成的半導體襯底1。在半導體襯底1的主表面上形成諸如電晶體的有源元件或者諸如電容器的無源元件(未示出)。此外，經由絕緣層例如二氧化矽(Si02)層2，在半導體襯底1的另一主表面上設置多層互連層3。如圖2所示，通過經由層間絕緣膜5疊置由鋁(Al)或銅(Cu)製成的 多個布線層4來形成這種多層互連層3。通過層間連接部分連接上和下布線 層4。使用所謂的低K材料作為層間絕緣膜5的材料，低K材料即具有低介 電常數的材料，例如FSG (氟矽玻璃，其為摻氟的矽玻璃)、SiOC (其為添 加C的二氧化矽)、或有機樹脂，以降低形成於布線中的電容以及提高電信 號的輸送速度。形成於半導體襯底1上的諸如有源元件或無源元件的功能元件經由多層 互連層3而彼此連接，從而形成執行預期功能的電子電路。由鋁(Al)製成的多個電極焊盤11選擇性地設置在多層互連層3的上 部，以連接至形成多層互連層3的布線4。
鈍化層6選擇性地設置在多層互連層3上。鈍化層6由諸如二氧化矽 (Si02)或氮化矽(SiN)等無機絕緣材料製成。在鈍化層6上選擇性地形 成開口，以暴露電極焊盤11的中心部分。此外，為了保護半導體元件的表面，設置有機絕緣膜7以覆蓋無機絕緣 層6的上表面和位於電極焊盤11上的無機絕緣層6的邊緣表面。有機絕緣膜7的材料選自有機絕緣材料，例如聚醯亞胺、BCB (苯丙環 丁烯)、酚醛樹脂或聚苯並雙噁唑。由例如鈦(Ti) /銅(Cu)製成的UBM (凸點下金屬化層)8設置在電 極焊盤11的上表面。從電極焊盤11上表面的沒有設置無機絕緣層6和有機 絕緣膜7的部分起至略高於有機絕緣膜7上表面的位置，沿豎直方向設置 UBM8。 UBM8覆蓋有機絕緣膜7的端表面。具有近似球形結構的外部連接凸電極9設置在UBM 8的上表面上。外 部連接凸電極9、即所謂的焊料凸點由不含鉛(Pb)的焊料例如錫(Sn)-銀(Ag)或含有銅(Cu)的錫(Sn)-銀(Ag)製成。圖3為示出圖1所示的半導體元件10以倒裝晶片方法安裝在布線板上 的狀態的橫截面圖。參照圖3，半導體元件10以倒裝晶片方法面朝下地安裝 在布線板20上。布線板20是由例如玻璃環氧材料或聚醯亞胺膠帶製成的有機積層板。 在布線板20的上表面上，選擇性地設置多個電極焊盤21並且設置焊料抗蝕 劑22，焊料抗蝕劑22選擇性設有開口以暴露電極焊盤21的中心部分。外部連接凸電極9連接至設置在布線板20上的電極焊盤21。此外，在 半導體元件10和布線板20之間設置所謂的底部填充材料(underfill material) 23。由焊料製成的多個外部連接凸電極24設置在布線板20的下表面上。具有這種結構的半導體器件通過如下步驟製造首先，以面朝下的方式將半導體元件10以倒裝晶片方法安裝在布線板 20上。然後，通過回流熱處理使外部連接凸電極9和預先設置在布線板20的 電極焊盤21上的初始焊料(預塗焊料)熔化，以使半導體元件10的外部連 接凸電極9與布線板20連接。初始焊料不含有鉛(Pb)。
之後，在半導體元件10和布線板20之間提供底部填充材料23，然後使
其固化。最後，在布線板20的下表面上設置焊球，以通過回流熱處理和冷卻處 理使外部連接凸電極24被連接。同時，日本特開專利申請公開No. 2006-111898揭示了具有如下結構的 電子元件。g卩，將基部金屬上的鍍錫膜在室溫下進行氧化或水化處理，並在 鍍錫膜的表面上形成氧化物或氫氧化物的表面層，以使表面層緻密且均勻， 從而抑制了錫晶須的生長。此外，日本特開專利申請公開No. 11-354919揭示了一種電子電路板的 製造方法，其中通過使用包含鉍(Bi)的無鉛(Pb)焊料連接電子元件與 電路板。在這種方法中，以大約10-20°C/s的冷卻速度冷卻焊料，以使電子 元件與電路板連接。此外，國際專利公開No. 2004/047167揭示了一種半導體器件，其中 在布線板中形成通路電極(through-electrode)以電連接形成在布線板基部襯 底的布線層形成表面上的布線層與形成在晶片安裝表面上的電極，其中半導 體晶片以倒裝晶片方法安裝在布線板上；以及基部襯底的熱膨脹係數等於半 導體晶片的熱膨脹係數，或者小於布線層的熱膨脹係數。如上所述，在半導體器件中經由不含鉛(Pb)的外部連接凸電極9將半 導體元件10以倒裝晶片方法安裝在布線板20上，在這種半導體器件的製造 過程中，通過回流熱處理使外部連接凸電極9和不含鉛(Pb)且預先設置在 布線板20的電極焊盤21上的初始焊料(預塗焊料)熔化，以使半導體元件 10的外部連接凸電極9與布線板20連接。之後，冷卻外部連接凸電極9和 初始焊料，以使其成為固體。半導體元件10的矽襯底的熱膨脹係數大約為3至4ppmTC。另一方面， 由有機材料板製成的布線板20的熱膨脹係數大約為10至17ppm/。C。因此， 布線板20的熱膨脹係數大於半導體元件10的熱膨脹係數。此外，外部連接凸電極9和初始焊料由不含鉛(Pb)的焊料製成。如果 外部連接凸電極9和初始焊料由例如錫(Sn)-銀(Ag)形成的焊料或錫(Sn) -銀(Ag)-銅(Cu)形成的焊料製成，則焊料的熔點大約為217至22(TC。因此，在焊料被加熱到高於熔點的溫度例如250。C的情況下，焊料熔化， 從而遵循由於半導體元件10和布線板20的熱膨脹而導致變形。
在回流熱處理中，將設置有半導體元件10的布線板20移到回流處理設 備中以進行處理，在回流處理設備中具有加熱器的多個加熱區(塊)排成行。 控制回流處理設備中位於每個加熱區的加熱器的溫度，以執行加熱處理和降 溫處理、即冷卻處理。圖4為示出在用於將半導體元件10的外部連接凸電極9與布線板20連接的回流熱處理以及在回流熱處理後冷卻速率大約為o.7°c/s的冷卻處理中，圖3所示的半導體器件的溫度變化的坐標圖。該坐標圖的水平軸表示時間(秒)，該坐標圖的豎直軸表示溫度rc)。換句話說，在回流熱處理中，保持大約15(TC的溫度達指定時間。焊劑 (flux)被激活並且外部連接凸電極9和初始焊料的表面上的氧化膜被去除。 之後，進行加熱直到溫度高於焊料的熔點，例如25(TC。在焊料熔化後，停止加熱或將溫度降低至等於或低於焊料的熔點(217 至220'C)，從而使焊料成為固體。在焊料凝固後，從焊料的熔點開始逐步 地冷卻到接近常溫的溫度。在相關現有技術中，為了提高製造步驟的效率，採用大約0.7°C/S的冷 卻速率。如上所述，不含鉛(Pb)的焊料的熔點高於含鉛(Pb)的焊料的熔 點。因此，為了高效地冷卻到接近常溫的溫度，在相關現有技術中採用大約 0.7°C/s的冷卻速率。然而，如果半導體器件以大約0.7°C/s的冷卻速率冷卻，基於半導體元 件10與布線板20之間的熱膨脹係數差，明顯地產生應變/應力。換句話說， 由於布線板20的熱膨脹係數大於半導體元件10的熱膨脹係數，所以在進行 冷卻處理時，應力從布線板20 (其因溫度變化而導致的膨脹和收縮較大)施 加至半導體元件10。由於在焊料(外部連接凸電極9和初始焊料)為固體時發生這種情況， 所以對焊料來說不能緩衝從布線板20施加至半導體元件10的應力。因此， 從布線板20施加至半導體元件10的應力可能施加至多層布線層3的由低K 材料製成的層間絕緣膜5。因此，經由層間絕緣膜5而彼此疊置的布線層4可能發生分層，從而在 半導體器件中可能存在電缺陷
發明內容
因此，為解決上述一個或多個問題，本發明的實施例提供一種新穎且實 用的半導體元件的安裝方法和半導體器件的製造方法。更具體地，本發明的實施例提供一種半導體元件的安裝方法和一種半導 體器件的製造方法，當經由不含鉛(Pb)的外部連接凸電極將半導體元件安裝在布線板上時，能夠減小從布線板施加至包括層間絕緣膜(其由低K材料 形成)的半導體元件的多層布線部分的應力，從而能夠防止分層，以及能夠 提高半導體器件的製造成品率。本發明的一個方案提供一種半導體元件的安裝方法，用以經由不含鉛 (Pb)的外部連接凸電極將半導體元件安裝在布線板上，該安裝方法包括如 下步驟應用回流熱處理使半導體元件的外部連接凸電極與布線板相連接， 然後以小於等於0.5°C/s的冷卻速率冷卻相連接的半導體元件和布線板。本發明的另一方案提供一種半導體元件的安裝方法，用以經由外部連接凸電極將半導體元件安裝在布線板上，該安裝方法包括如下步驟應用回流 熱處理使半導體元件的外部連接凸電極與布線板相連接，然後應用分步冷卻 處理；其中，在分步冷卻處理中冷卻相連接的半導體元件和布線板，以使 溫度降低；在溫度達到指定溫度後，保持指定溫度達指定時間；在指定時間 過後，再次冷卻半導體元件和布線板，以進一步降低溫度。在上述半導體元 件的安裝方法中，分步冷卻處理可被重複一次或多次。指定溫度可在大於等 於大約8(TC且小於等於大約15(TC的範圍內。指定時間可大於等於120秒。 本發明的另一方案提供一種半導體器件的製造方法，包括如下步驟應用回流熱處理使布線板與半導體元件的不含鉛(Pb)的外部連接凸電極相連接，然後以小於等於0.5°C/s的冷卻速率冷卻半導體元件和布線板。本發明的另一方案提供一種半導體器件的製造方法，包括如下步驟應 用回流熱處理使半導體元件的外部連接凸電極與布線板連接，然後應用分步 冷卻處理；其中，在分步冷卻處理中冷卻相連接的半導體元件和布線板， 以降低溫度；在溫度達到指定溫度後，保持指定溫度達指定時間；在指定時 間過後，再次冷卻半導體元件和布線板，以進一步降低溫度。根據上述半導體元件的安裝方法或上述半導體器件的製造方法，當經由 不含鉛(Pb)的外部連接凸電極將半導體元件安裝在布線板上時，能夠減少
從布線板施加至包括層間絕緣膜(其由低K材料形成)的半導體元件的多層布線部分的應力，從而能夠防止分層，以及能夠提高半導體器件的製造成品 率。從下面結合附圖的詳細描述中，本發明的其它目的、特徵和優點將變得 更為明顯。


圖1為示出半導體元件的結構的橫截面圖； 圖2為圖1中虛線所包圍的部分的放大圖；圖3為示出圖1所示的半導體元件以倒裝晶片方法安裝在布線板上的狀 態的橫截面圖；圖4為示出在回流熱處理以及回流熱處理後冷卻速率大約為0.7°C/s的 冷卻處理中圖3所示的半導體器件的溫度變化的坐標圖；圖5為示出在回流熱處理以及回流熱處理後冷卻速率大約為0.5°C/s的 冷卻處理中圖3所示的半導體器件的溫度變化的坐標圖；圖6為示出在回流熱處理以及回流熱處理後冷卻速率大約為0.3°C/s的 冷卻處理中圖3所示的半導體器件的溫度變化的坐標圖；圖7為示出在回流熱處理以及回流熱處理後的冷卻處理(第一步冷卻處理)中圖3所示的半導體器件的溫度變化的坐標圖；以及圖8為示出在回流熱處理以及回流熱處理後的冷卻處理(第二步冷卻處 理)中圖3所示的半導體器件的溫度變化的坐標圖。
具體實施方式
下面參照圖5至圖8對本發明的各實施例進行描述。本發明的各實施例有關於回流熱處理及回流熱處理後的冷卻處理。此 處，將回流熱處理應用於參照圖l至圖3所討論的方法中，由此經由外部連 接凸電極9 (其由不含鉛(Pb)的所謂無鉛(Pb)焊料製成)將半導體元件 10以倒裝晶片方法安裝在布線板20上，從而在將半導體元件10以倒裝晶片 方法安裝在布線板20上之後使半導體元件10的外部連接凸電極9與布線板 20連接。
更具體地，在通過回流熱處理熔化外部連接凸電極9和不含鉛(Pb)且 預先設置在布線板20的電極焊盤21上的初始焊料(預塗焊料，未示出)以 使它們彼此連接之後，在將焊料冷卻並使其成為固體以及將半導體器件冷卻 至接近常溫時，作為冷卻的方法應用本發明的第一實施例或第二實施例。即使在回流熱處理後通過冷卻處理使焊料成為固體並且將半導體器件 冷卻至接近常溫，通過這種方法能夠防止產生基於半導體元件10與布線板 20的熱膨脹係數差而產生的應力、即從布線板20施加至半導體元件10的多 層布線層3的應力，因此不會發生多層布線層3的分層。由於半導體元件10和布線板20的結構與參照圖1至圖3所討論的結構 相同，所以在下面的說明中省略對其的說明。本發明的發明人發現，通過逐步地降低冷卻速率、即逐步地延長溫度達 到指定冷卻溫度的時間能夠解決上述問題。 [本發明的第一實施例]在本發明的第一實施例中，通過將逐步冷卻速率設置為大約0.5。C/s (低 於相關技術的冷卻速率、即大約0.7'C/s)來進行冷卻處理。圖5為示出在用於將半導體元件10的外部連接凸電極9和布線板20連 接的回流熱處理以及回流熱處理後冷卻速率大約為0.5°C/s的冷卻處理中， 圖3所示的半導體器件的溫度變化的坐標圖。該坐標圖的水平軸表示時間 (秒)，該坐標圖的豎直軸表示溫度(°C)。換句話說，在回流熱處理中，保持大約15(TC的溫度達指定時間。焊劑 被激活並且外部連接凸電極9和初始焊料的表面上的氧化膜被去除。之後， 進行加熱直到溫度高於焊料的熔點，例如250°C。在回流熱處理開始後經過大約240秒時，溫度達到大約250。C。此時， 焊料熔化。在焊料熔化之後，停止加熱並且將溫度降低至等於或低於焊料的 熔點(217至220°C)，由此使焊料成為固體。在焊料凝固之後，從焊料的 熔點逐步地冷卻至接近常溫的溫度。在本發明的第一實施例中，採用大約0.5。C /s的冷卻速率。結果如圖5所示，在回流熱處理開始後經過大約650秒時，溫度達到大 約50。C。在溫度達到大約5(TC之後，將連接到布線板20的半導體元件10取到回
流處理設備的外面，以進行自冷(自然冷卻)。之後，在半導體元件10和布線板20之間提供底部填充材料23，然後使 其固化。最後，在布線板20的下表面上設置焊球，以使外部連接凸電極24 被連接。[本發明的第二實施例]在本發明的第二實施例中，通過將逐步冷卻速率設置為大約0.3tVs (低 於相關技術的冷卻速率、即大約0.7'C/s)來進行冷卻處理。圖6為示出在用於將半導體元件10的外部連接凸電極9與布線板20連 接的回流熱處理以及回流熱處理後冷卻速率大約為0.3°C/s的冷卻處理中， 圖3所示的半導體器件的溫度變化的坐標圖。該坐標圖的水平軸表示時間 (秒)，該坐標圖的豎直軸表示溫度(°C)。換句話說，在回流熱處理中，保持大約15(TC的溫度達指定時間。焊劑 被激活並且外部連接凸電極9和初始焊料的表面上的氧化膜被去除。之後， 進行加熱直到溫度高於焊料的熔點，例如250°C。在回流熱處理開始後經過大約240秒時，溫度達到大約25(TC。此時， 焊料熔化。在焊料熔化之後，停止加熱並且將溫度降低至等於或低於焊料的 熔點(217至220°C)，由此使焊料成為固體。在焊料凝固之後，從焊料的 熔點逐步地冷卻至接近常溫的溫度。在本發明的第二實施例中，採用大約0.3"C /s的冷卻速率。結果如圖6所示，在回流熱處理開始後經過大約880秒時，溫度達到大 約50°C。在溫度達到大約5(TC之後，將連接到布線板20的半導體元件10取到回 流處理設備的外面，以進行自冷(自然冷卻)。之後，在半導體元件10和布線板20之間提供底部填充材料23，然後使 其固化。最後，在布線板20的下表面上設置焊球，以使外部連接凸電極24 被連接。本發明的發明人檢驗了通過本發明的上述實施例製造的半導體器件的 半導體元件10的多層布線層3。發明人發現在經由層間絕緣膜5 (其由低K 材料製成)疊置的布線層4處沒有分層。 、在由JEDEC (Joint Electron Device Engineering Council,美國電子工程
設計發展聯合協會)-標準3限定的條件下，發明人也進行了 100次循環的溫 度衝擊實驗作為環境實驗、吸溼實驗以及3次回流實驗。結果，發明人發現 沒有發生破壞，例如由施加至經由層間絕緣膜(其由低K材料製成)疊置的 布線層4的應力而導致的分層。因此，通過將冷卻速率設置為大約0.5'C/s或0.3°C/s (低於相關現有技 術的冷卻速率、即大約0.7"C/s)，能夠防止伴隨冷卻的進行基於半導體元件 10和布線板20的收縮或變形而導致的從布線板20施加至半導體元件10的 應力的產生。由此，減小了從布線板20施加至半導體元件10的經由層間絕緣膜5(其 由低K材料製成)疊置的布線層4的應力，從而能夠防止諸如分層等破壞。 [本發明的第三實施例]在本發明的上述第一和第二實施例中，在回流熱處理之後的冷卻處理 中，通過降低冷卻速率，減小了從布線板20施加至半導體元件10的多層布 線層3中的層間絕緣膜5 (其由具有低強度的低K材料製成)的應力，從而 防止了諸如分層等破壞。然而，在這些實施例中，由於冷卻速率降低的較多，冷卻時間變長，從 而增加了半導體器件的製造成本。因此，在本發明的第三實施例中，冷卻速率以分階段的方式、即以分步 的方式變化，從而在不發生急劇溫度變化的情況下縮短冷卻處理的時間。由 於沒有發生急劇的溫度變化，所以減小了施加至半導體元件10的經由層間 絕緣膜5 (其由低K材料製成)疊置的布線層4的應力，從而防止諸如分層 等破壞並能夠防止冷卻時間變長。更具體地，在回流熱處理後的冷卻處理期間，將溫度保持在指定溫度達 規定時間，然後再次降低溫度。在冷卻處理中，至少執行一次這種分步方法， 以使半導體器件冷卻至大約50°C。圖7為示出在用於將半導體元件10的外部連接凸電極9與布線板20連 接的回流熱處理以及回流熱處理後的冷卻處理(第一步冷卻處理)中，圖3 所示的半導體器件的溫度變化的坐標圖。該坐標圖的水平軸表示時間(秒)， 該坐標圖的豎直軸表示溫度(°C)。 、換句話說，在回流熱處理中，保持大約15(TC的溫度達指定時間。焊劑 被激活並且外部連接凸電極9和初始焊料的表面上的氧化膜被去除。之後， 進行加熱直到溫度高於焊料的熔點，例如250°C。在回流熱處理開始後經過大約240秒時，溫度達到大約25(TC。此時， 焊料熔化。在焊料熔化之後，停止加熱並且將溫度降低至等於或低於悍料的 熔點(217至220°C)，由此使焊料成為固體。在焊料凝固之後，從焊料的 熔點冷卻至接近常溫的溫度。在本發明的第三實施例中，採用大約0.7°C/s的冷卻速率。在回流熱處 理開始後經過大約410秒時，溫度達到大約15(TC，然後將溫度保持在大約 150。C達大約300秒。之後，以大約0.7'C/s的冷卻速率進行冷卻，直到溫度達到大約50。C。結果如圖7所示，在回流熱處理開始後經過大約810秒時，溫度達到大 約50°C。在溫度達到大約50'C之後，將連接到布線板20的半導體元件10取到回 流處理設備的外面，以進行自冷(自然冷卻)。之後，在半導體元件10和布線板20之間提供底部填充材料23，然後使 其固化。最後，在布線板20的下表面上設置焊球，以使外部連接凸電極24 被連接。[本發明的第四實施例]在本發明的第四實施例以及第三實施例中，在回流熱處理之後的冷卻處 理期間，將溫度保持在指定溫度達規定時間，然後再次降低溫度。在冷卻處 理中，至少實施一次這種方法，以使半導體器件冷卻至大約50'C。圖8為示出在用於將半導體元件10的外部連接凸電極9與布線板20連 接的回流熱處理以及回流熱處理後的冷卻處理(第二步冷卻處理)中，圖3 所示的半導體器件的溫度變化的坐標圖。該坐標圖的水平軸表示時間(秒)， 該坐標圖的豎直軸表示溫度(°C)。換句話說，在回流熱處理中，保持大約15(TC的溫度達指定時間。焊劑 被激活並且外部連接凸電極9和初始焊料的表面上的氧化膜被去除。之後， 進行加熱直到溫度高於焊料的熔點，例如25(TC。在回流熱處理開始後經過大約240秒時，溫度達到大約250°C。 、4匕時， 焊料熔化。在焊料熔化之後，停止加熱並且將溫度降低至等於或低於焊料的
熔點(217至220°C)，由此使焊料成為固體。在焊料凝固之後，從焊料的 熔點冷卻至接近常溫的溫度。在本發明的第四實施例中，採用大約0.7'C/s的冷卻速率。在回流熱處 理開始後經過大約460秒時，溫度達到大約12(TC，然後將溫度保持在大約 12(TC達300秒。之後，以大約0.7t7s的冷卻速率進行冷卻，直到溫度達到大約5(TC。 結果如圖8所示，在回流熱處理開始後經過大約860秒時，溫度達到大 約50。C。在溫度達到大約5(TC之後，將連接到布線板20的半導體元件10取到回 流處理設備的外面，以進行自冷(自然冷卻)。之後，在半導體元件10和布線板20之間提供底部填充材料23，然後使 其固化。最後，在布線板20的下表面上設置焊球，以使外部連接凸電極24 被連接。在圖7和圖8示出的第三和第四實施例中，在回流處理設備中執行保持 指定溫度(在圖7示出的第三實施例中大約為150°C，或者在圖8示出的第 四實施例中大約為12(TC)。然而，本發明並不局限於這種實例。例如，在溫度達到這種指定溫度(在圖7示出的第三實施例中大約為150 °C，或者在圖8示出的第四實施例中大約為120°C)後，可將半導體元件IO 和布線板20從回流處理設備移至恆溫室中，以使溫度保持在恆溫室中的指 定溫度。在這種情況下，在溫度達到大約50'C之後，將連接到布線板20的半導 體元件10取到恆溫室的外面，以進行自冷(自然冷卻)。本發明的發明人檢驗了通過本發明的上述實施例製造的半導體器件的 半導體元件10的多層布線層3。發明人發現在經由層間絕緣膜5 (其由低K 材料製成)疊置的布線層4處沒有分層。在由JEDEC (Joint Electron Device Engineering Council,美國電子工程 設計發展聯合協會)-標準3限定的條件下，發明人也進行了 IOO次循環的溫 度衝擊實驗作為環境實驗、吸溼實驗以及3次回流實驗。結果，發明人發現 沒有發生破壞，例如由施加至經由層間絕緣膜(其由低K材料製成)'疊置的 布線層4的應力而導致的分層。 '
通常，在應力的作用下產生恆應變，並且如果保持該應變，則通過蠕變 現象可減小應力。在本實例中，考慮到這種蠕變現象，在回流熱處理後的冷卻處理中保持 指定溫度達指定時間，以減小應力。之後再次降低溫度，從而使冷卻速率以 分步的方式變化。由此，伴隨冷卻處理，焊料能夠遵循半導體元件10和布線板20的收縮 或變形，使得從布線板施加至半導體元件的應力被緩衝。因此，從布線板20 施加至半導體元件10的經由層間絕緣膜5 (其由低K材料製成)疊置的布 線層4的應力減小，從而防止了諸如分層等破壞。此外，在本發明的第一或第二實施例中通過降低冷卻速率而使冷卻時間 變長，從而增加了製造成本，而在本發明的第三實施例中不必使冷卻速率減 慢，從而能夠縮短處理時間。優選地，將大約8(TC至150'C範圍內的溫度設置為要保持的指定溫度。 本發明的發明人發現，如果要保持的溫度低於大約8(TC，則在保持指定 溫度時應力施加至經由層間絕緣膜5疊置的布線層4，因此發生分層。此外，如果要保持的溫度高於大約150°C，即使在溫度高於大約150°C 時防止了分層，由於冷卻也會導致焊料再次變形，而從布線板20施加至半 導體元件10的應力也不能被緩衝，因此不能防止分層。由此，可以得出在 溫度等於或低於大約15(TC時必須以分步的方式改變冷卻速率。因此，優選將大約8(rC至15(TC範圍內的溫度設置為要保持的指定溫度。 此外，優選保持指定溫度的時間大於等於大約120秒。 如果保持指定溫度的時間小於大約120秒，則在基於蠕變現象減小應力 之前進行冷卻進程，因此焊料不能緩衝從布線板20施加至半導體元件10的 應力，也不能防止分層。另一方面，如果保持指定溫度的時間大於等於大約120秒，則從布線板 20施加至半導體元件10的應力能夠被充分地減小。因此，伴隨冷卻的進行 焊料遵循半導體元件10或布線板20的收縮或變形，從而從布線板20施加 至半導體元件10的應力能夠被緩衝。因此，從布線板20施加至半導體元件 10的經由層間絕緣膜5 (其由低-K材料製成)疊置的布線層4的應力減小， 從而能夠防止諸如分層等破壞。 因此，從防止諸如分層等破壞的角度來看，優選保持指定溫度的時間更 長。然而，如果保持指定溫度的時間過長，則處理時間變長，從而增加製造 成本。因此，根據處理時間的上限來設置保持指定溫度的時間上限。在本實例中保持指定溫度達指定時間、然後再次降低溫度的步驟次數不 限於一次，而可以是多次。從防止諸如分層等破壞的角度來看，優選步驟次 數越多越好。然而，如果步驟次數過多，則處理時間變長，從而增加製造成 本。因此，根據處理時間的上限來設置步驟次數的上限。所以，在本發明的第三或第四實施例中，冷卻速率以分步的方式變化。因此，在本發明的第三或第四實施例以及第一或第二實施例中，從布線板20 施加至半導體元件10的經由層間絕緣膜5 (其由低-K材料製成)疊置的布 線層4的應力減小，從而能夠防止諸如分層等破壞。此外，能夠縮短處理時 間。因此，如上所述，根據本發明的各實施例，當經由不含鉛(Pb)的外部 連接凸電極將半導體元件安裝在布線板上時，能夠減小從布線板施加至包括 層間絕緣膜(其由低K材料形成)的半導體元件的多層布線部分的應力，從 而能夠防止分層。此外，根據本發明的各實施例，可以使用便宜的有機積層板作為布線板。 因此，能夠節省製造成本。而且，根據本發明的各實施例，為了在將半導體元件安裝在布線板上時 防止上述的分層，不必對半導體元件和布線板應用專門的結構並且不必使用 專門的安裝設備。因此，在將半導體元件安裝在布線板上時能夠容易地防止 半導體元件中的分層。本發明不限於上述各實施例，而是在不脫離本發明範圍的情況下可做出 各種變化和修改。
權利要求
1.一種半導體元件的安裝方法，經由不含鉛的外部連接凸電極將該半導體元件安裝在布線板上，該安裝方法包括以下步驟應用回流熱處理使該半導體元件的外部連接凸電極與該布線板相連接，然後以小於等於0.5℃/s的冷卻速率冷卻相連接的該半導體元件和該布線板。
2. 如權利要求1所述的半導體元件的安裝方法，其中該冷卻速率大約為 0.5°C/s。
3. 如權利要求1所述的半導體元件的安裝方法，其中該外部連接凸電極 由不含鉛的焊料製成。
4. 如權利要求1所述的半導體元件的安裝方法，其中該布線板由有機材 料製成。
5. 如權利要求4所述的半導體元件的安裝方法，其中該半導體元件包括 多層布線結構，在所述多層布線結構中經由多個層間絕緣膜疊置多個布線 層，所述層間絕緣膜由具有低介電常數的材料製成。
6. —種半導體元件的安裝方法，經由外部連接凸電極將該半導體元件安 裝在布線板上，該安裝方法包括以下步驟應用回流熱處理使該半導體元件的外部連接凸電極與該布線板相連接， 然後應用分步冷卻處理；其中，在該分步冷卻處理中冷卻相連接的該半導體元件和該布線板，以降低溫度； 在溫度達到指定溫度後，保持該指定溫度達指定時間； 在該指定時間過後，再次冷卻該半導體元件和該布線板，以進一步降低 溫度。
7. 如權利要求6所述的半導體元件的安裝方法，其中該分步冷卻處理被 重複一次或多次。
8. 如權利要求6所述的半導體元件的安裝方法，其中該指定溫度在大於 等於大約8(TC且小於等於大約15(TC的範圍內。
9. 如權利要求6所述的半導體元件的安裝方法，其中該指定時間大於等 於120秒。
10. 如權利要求6所述的半導體元件的安裝方法，其中該指定時間大於 等於300秒。
11. 如權利要求6所述的半導體元件的安裝方法，其中該外部連接凸電 極由不含鉛的焊料製成。
12. 如權利要求6所述的半導體元件的安裝方法，其中該布線板由有機 材料製成。
13. 如權利要求12所述的半導體元件的安裝方法，其中該半導體元件包 括多層布線結構，在所述多層布線結構中經由多個層間絕緣膜疊置多個布線 層，所述層間絕緣膜由具有低介電常數的材料製成。
14. 一種半導體器件的製造方法，包括如下步驟應用回流熱處理使布線板與半導體元件的不含鉛的外部連接凸電極相 連接，然後以小於等於0.5°C/s的冷卻速率冷卻該半導體元件和該布線板。
15. —種半導體器件的製造方法，包括如下步驟應用回流熱處理使半導體元件的外部連接凸電極與布線板相連接，然後 應用分步冷卻處理；其中，在該分步冷卻處理中冷卻相連接的該半導體元件和該布線板，以降低溫度； 在溫度達到指定溫度後，保持該指定溫度達指定時間； 在該指定時間過後，再次冷卻該半導體元件和該布線板，以進一步降低 溫度。
全文摘要
一種半導體元件的安裝方法及半導體器件的製造方法，該安裝方法用以經由不含鉛(Pb)的外部連接凸電極將半導體元件安裝在布線板上。該安裝方法包括如下步驟應用回流熱處理以使半導體元件的外部連接凸電極與布線板相連接，然後以小於等於0.5℃/s的冷卻速率冷卻相連接的半導體元件和布線板。
文檔編號H01L21/60GK101127314SQ20071000806
公開日2008年2月20日 申請日期2007年2月9日 優先權日2006年8月18日
發明者作山誠樹, 藤森城次, 赤松俊也 申請人:富士通株式會社