JP2001257282A - 半導体装置の製造方法及び半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 樹脂層を有した半導体装置において、熱応力
に起因するはんだ接続部の断線などの不良を防止できる
信頼性の高い半導体装置の製造方法を提供する。 【解決手段】 弾性率が０．２〜３．０ＧＰａであり、
かつ、ガラス転移温度が１８０℃以上であり、かつ５％
重量減少温度が３００℃以上である樹脂を電子回路が形
成された半導体ウエハ上に印刷して複数個の樹脂層を形
成し、前記樹脂層上に前記半導体ウエハの電極と電気的
に導通した第二の配線層を形成し、前記第二の配線層上
に前記樹脂を印刷して第二の配線層の保護層を複数個形
成し、前記第二の配線層の保護層に前記第二の配線層に
到達する貫通孔を設け、前記貫通孔に外部電極端子を形
成し、前記半導体ウエハを切断して個々の半導体装置を
製造する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置の製造
方法及びそれにより得られた半導体装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】電子機器の小型化が進むに従い、半導体
装置の外形寸法が半導体素子とほぼ同じ大きさのＣＳＰ
（Ｃｈｉｐ Ｓｉｚｅ Ｐａｃｋａｇｅ）が必要になっ
た。これは、ＢＧＡ（Ｂａｌｌ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａ
ｙ）を縮小したタイプで、入出力端子を半導体素子の周
辺部でなく、すべて半導体素子の外形内に配列した半導
体装置である。例えば、バンプ付きポリイミドフィルム
に半導体素子を接着し、半導体素子と金ワイヤにより電
気的接続を図った後、エポキシ樹脂などで封止したもの
などがある。

【０００３】一方、電子機器の低コスト化に伴って、従
来のＣＳＰと同等の信頼性を有し、更なる低コスト化を
実現した半導体装置の要求が強くなってきた。この低コ
スト化に対応するものとして、半導体ウエハ上で半導体
装置を一括形成し、その後ウエハを切断して個々の半導
体装置を得る、いわゆるウエハレベルＣＳＰが提案され
ている。低コスト化できる理由は、パッケージ工程をウ
エハ上で一括処理できるため、ウエハから切断した半導
体素子ごとに処理していた従来のＣＳＰに比べて工程数
を低減できることによる。具体的には、特開平１０−７
９３６２号公報に示されているように、半導体ウエハ上
にCuポストを電気めっきで形成し、樹脂封止した後Cuポ
ストの先端部が露出するまで樹脂を研磨し、露出したCu
ポスト先端部にはんだボールを搭載し、半導体ウエハを
個別の半導体装置に切断したものがある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来提
案されているウエハレベルＣＳＰの製造方法において、
封止樹脂を使う方法では、特殊な金型が必要な場合が多
く、また、ウエハ面に絶縁層を形成する場合にスピン塗
布工程を使う方法では、材料ロスが多く量産技術が確立
するまで非常にコストが高くなる。本発明は、材料のロ
スを最小限に抑え、しかも接続不良を防止し信頼性に優
れる半導体装置の製造方法及び半導体装置を提供するも
のである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、（１）２５℃
における弾性率が０．２〜３．０ＧＰａであり、かつガ
ラス転移温度が１８０℃以上であり、かつ５％重量減少
温度が３００℃以上である樹脂を電子回路が形成された
半導体ウエハ上に印刷して複数個の樹脂層を形成する工
程と、前記樹脂層上に前記半導体ウエハの電極と電気的
に導通した第二の配線層を形成する工程と、前記第二の
配線層上に前記樹脂を印刷して第二の配線層の保護層を
複数個形成する工程と、前記第二の配線層の保護層に前
記第二の配線層に到達する貫通孔を設ける工程と、前記
貫通孔に外部電極端子を形成する工程と、前記半導体ウ
エハを切断して個々の半導体装置を得る工程を備えたこ
とを特徴とする半導体装置の製造方法、（２）前記樹脂
層の印刷範囲が、前記半導体ウエハを切断する部分を除
く範囲であることを特徴とする（１）の半導体装置の製
造方法、（３）前記第二の配線層の保護層の印刷範囲
が、前記半導体ウエハを切断する部分を除く範囲である
ことを特徴とする（１）または（２）記載の半導体装置
の製造方法である。また、本発明は、（４）（１）〜
（３）のいずれかに記載の半導体装置の製造方法で製造
した半導体装置である。

【０００６】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して説明する。図１は本発明の一実施例を
説明するための、半導体装置の製造工程を示す断面図で
ある。

【０００７】図１（ａ）は、半導体ウエハの一般的な構
造を示す図である。本発明の半導体ウエハ３は電子回路
あるいは半導体素子が形成されたものであれば、特に制
限されず、どのような種類又は大きさの半導体ウエハで
も使用可能である。例えば、メモリ回路が形成された半
導体ウエハ、ロジック回路が形成された半導体ウエハ等
が挙げられる。半導体ウエハ３の上面には、電極パッド
５があり、アルミで構成されていても金めっきされた電
極パッドでもよい。さらに、半導体ウエハ３の上面に
は、絶縁層として例えばポリイミド膜４が形成されてい
る。このポリイミド膜４は、特に窒化膜であっても問題
はない。ポリイミド膜４の形成位置は、少なくとも半導
体ウエハ３上の電子回路を覆う位置であることが好まし
く、さらに、最後に半導体ウエハを個別の半導体装置に
切断するダイシングエリア８を除いた位置であることが
より好ましい。

【０００８】図１（ｂ）は、半導体ウエハ３上に樹脂層
１を形成した図である。樹脂層１を形成する樹脂の種類
は、印刷可能な形態であれば特に限定されず、例えば、
エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、フェノール樹脂、ポリ
イミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂等が挙げられる。

【０００９】樹脂層１を形成する樹脂の弾性率は、０．
２〜３．０ＧＰａであることが必要である。樹脂の弾性
率が３．０ＧＰａを超えると、半導体チップと半導体装
置を実装する基板との熱膨張係数差に起因する応力を樹
脂層１で十分に緩和できず、はんだ等の接続部にクラッ
ク等が生じるため半導体装置の信頼性が確保できない。
また、樹脂の弾性率が０．２ＧＰａより小さいと、半導
体チップと半導体装置を実装する基板との熱膨張係数差
に起因して、樹脂層１のエッジ部における樹脂層１上に
形成した第二の配線層６が繰り返し歪みを受け易くな
り、断線することがある。このため、好ましくは、０．
１〜１．０ＧＰａである。樹脂層の弾性率の調整は、フ
ィラーを配合したり、上記した樹脂のように樹脂層の主
成分に弾性率の高い樹脂を用い、これに弾性率の低い樹
脂を配合し、配合割合を変えることで達成することがで
きる。弾性率の低い樹脂は、アクリル、フッ素ゴム、ブ
タジエンゴム、シリコーンなどのゴム、エラストマーで
あることが好ましく、それらは粒子の形態であることが
特に好ましい。ここで、弾性率は、貯蔵弾性率であり、
粘弾性測定装置を用いて測定する。本発明では、レオメ
トリック・サイエンティフィック・エフ・イー株式会社
製、粘弾性アナライザーＲＳＡIIを用いて、昇温５℃／
分、周波数１Ｈｚで測定した。

【００１０】樹脂層１を形成する樹脂のガラス転移温度
は１８０℃以上であることが必要である。樹脂のガラス
転移温度が１８０℃未満であると、例えば、スパッタリ
ングなどで第二の配線層６を形成する工程において、樹
脂が高温に曝されるため樹脂が熱分解するなどの問題が
ある。より好ましくは、２００℃以上である。

【００１１】樹脂層１を形成する樹脂の５％重量減少温
度が３００℃以上であることも必要である。５％重量減
少温度が３００℃未満であると、例えば、スパッタリン
グなど第二の配線層６を形成する工程において、樹脂が
高温に曝されるため樹脂が熱分解するなどの問題があ
る。

【００１２】樹脂層１は、例えばメタルマスクを用いて
樹脂を印刷して形成する。このとき、樹脂層１を厚くす
るために複数回印刷を繰り返してもよい。樹脂層１の厚
みは特に問わないが、応力緩和性の点からは厚い方が好
ましい。制限するものではないが、５０〜１００μｍが
好ましく、５０μｍ未満では応力吸収効果に乏しくな
る。一方、１００μｍを超えると応力吸収効果は更に向
上して好ましいが、半導体装置の厚みが厚くなり薄型化
が出来にくくなる。樹脂層１の印刷位置は、少なくとも
半導体ウエハ３上の電子回路を完全に覆い、少なくとも
ダイシングエリア８を除くことが好ましい。

【００１３】図１（ｃ）は、樹脂層１の所望の位置に穴
を形成した図である。樹脂層１の穴形成としては、レー
ザーにより電極パッド５が露出する状態に加工する。

【００１４】図１（ｄ）は、樹脂層１の上面に第二の配
線層６を形成した図である。第二の配線層６の形成方法
は特に問わないが、例えば、樹脂層１の上面にスパッタ
装置を用いてＣｒなどのスパッタ金属膜を形成し、スパ
ッタ金属膜上にめっきレジストを塗布し、Ｃｕめっき配
線を形成したい部分を露光・現像処理にてめっきレジス
ト層を形成し、スパッタ金属膜が露出した部分に電解め
っきでＣｕ配線を形成し、Ｃｕ配線が所望の厚みに達し
た後めっきレジストを剥離し、さらにスパッタ金属膜が
露出している部分を除去する。

【００１５】あるいは、樹脂層１の印刷位置を少なくと
も電子回路を完全に覆い、少なくとも電極パッド５を除
く範囲にすれば、レーザー等で穴形成しなくても、第二
の配線層６を形成することが可能である。印刷で形成し
た樹脂層１の端部は、樹脂に流動性があるため、メタル
マスクの開口部の形状を完全に再現することはなく、だ
れた形状になる。この部分に配線を形成すれば、レーザ
で穴形成しなくても、電極パッド５と外部電極端子７を
電気的に接続する第二の配線層６を形成することができ
る。例えば、電子回路を完全に覆い、少なくとも電極パ
ッド５を除く範囲に樹脂層１を印刷し、樹脂層１の上面
にスパッタ装置を用いてＣｒなどのスパッタ金属膜を形
成し、スパッタ金属膜上にめっきレジストを塗布し、Ｃ
ｕめっき配線を形成したい部分を露光・現像処理にてめ
っきレジスト層を形成し、スパッタ金属膜が露出した部
分に電解めっきでＣｕ配線を形成し、Ｃｕ配線が所望の
厚みに達した後めっきレジストを剥離し、さらにスパッ
タ金属膜が露出している部分を除去する。

【００１６】図１（ｅ）は、第二の配線層の保護層２を
形成した図である。第二の配線層の保護層２を印刷する
位置は、少なくとも第二の配線層６を完全に覆い、少な
くともダイシングエリア８を除く範囲であることが好ま
しい。第二の配線層の保護層２の厚みは特に制限するも
のではないが、例えば、１０〜５０μｍであることが好
ましい。また、第二の配線層の保護層２を形成する樹脂
は、樹脂層１を形成する樹脂組成と同じ組成物からなる
ことが好ましく、組成比が同一であることがより好まし
い。例えば、第二の配線層の保護層２と樹脂層１は同一
組成物からなるが、フィラ含有量を変化させて弾性率の
値を異ならせてもよい。第二の配線層の保護層２と樹脂
層１が同一組成物からなることで、互いの相溶性がよ
く、密着性に優れる。

【００１７】図１（ｆ）は、第二の配線層の保護層２の
所望の位置に穴を開けて外部接続端子７を形成した図で
ある。第二の配線層の保護層２の穴形成としては、レー
ザーにより第二の配線層６が露出する状態に加工する。

【００１８】図１（ｇ）は、半導体ウエハ３をダイシン
グエリア８で切断して、個別の半導体装置を形成した図
である。外部接続端子へのはんだボールの搭載は、半導
体ウエハのダイシング前、あるいはダイシング後のどち
らでもよい。

【００１９】以下実施例により本発明を具体的に説明す
る。

【実施例】図１により、本発明の一実施例について説明
する。ポリイミド系耐熱樹脂ペースト（日立化成工業株
式会社製、ＧＨ−Ｐ５００）２３３重量部（樹脂分濃度
３０重量％）に平均粒径２μｍの表面にエポキシ基を導
入したシリコーンゴム弾性体の微粒子（東レ・ダウコー
ニング・シリコーン株式会社製、トレフィルＥ−６０
１）３０重量部及びγ−ブチロラクトン５０重量部を加
え、３本ロールで混練した後、脱泡して耐熱性ペースト
を得た。耐熱性ペーストをポリテトラフルオレエチレン
基板上に加熱乾燥後の厚さが２５μｍになるようにバー
コータで塗布し、８０℃で５分間、１００℃で１０分
間、１５０℃で１０分間、２００℃で１５分間、さらに
２５０で６０分間加熱処理して樹脂フィルムを得た。こ
の樹脂フィルムの弾性率をレオメトリック・サイエンテ
ィフィック・エフ・イー株式会社製、粘弾性アナライザ
ーＲＳＡIIを用いて、昇温５℃／分、周波数１Ｈｚで測
定した。ガラス転移温度はセイコーインスツルメンツ株
式会社製、熱機械分析装置ＴＭＡ／ＳＳ６１００を用い
て測定した。

【００２０】電子回路が形成された直径８インチ、厚さ
６００μｍの半導体ウエハ３上に加熱乾燥後の厚さが５
０μｍになるようにスクリーン印刷機（ニューロング精
密工業株式会社製、アライメント装置付きＬＳ−３４Ｇ
Ｘ）、メタルマスク（メッシュ工業株式会社製、厚み１
００μｍ）を用いて耐熱性ペーストを印刷した。印刷位
置は、半導体装置の外形と同等であり、ダイシングエリ
ア８を除く範囲である。これを、８０℃で５分間、１０
０℃で１０分間、１５０℃で１０分間、２００℃で１５
分間、さらに２５０で６０分間加熱処理して樹脂層１を
得た（図１（ｂ））。

【００２１】樹脂層１の所望の位置にレーザにより電極
パッド５が露出する状態まで、５０μｍ径で加工した
（図１（ｃ））。

【００２２】樹脂層１の上面にスパッタ装置を用いてＣ
ｒのスパッタ金属膜を厚み０．５μｍ形成し、スパッタ
金属膜上に厚み２０μｍのめっきレジストを塗布し、Ｃ
ｕめっき配線を形成したい部分を露光・現像処理にてめ
っきレジスト層を形成し、スパッタ金属膜が露出した部
分に電解めっきでＣｕ配線を形成し、Ｃｕ配線が１５μ
ｍに達した後めっきレジストを剥離し、さらにスパッタ
金属膜が露出している部分を除去して第二の配線層６を
形成した（図１（ｄ））。

【００２３】第二の配線層６が形成された樹脂層１上
に、前記耐熱性ペーストを加熱乾燥後の厚さが２０μｍ
になるようにスクリーン印刷機（ニューロング精密工業
株式会社製、アライメント装置付きＬＳ−３４ＧＸ）、
メタルマスク（メッシュ工業株式会社製、厚み４０μ
ｍ）を用いて耐熱性ペーストを印刷した。印刷位置は、
半導体装置の外形と同等であり、ダイシングエリア８を
除く範囲である。これを、８０℃で５分間、１００℃で
１０分間、１５０℃で１０分間、２００℃で１５分間、
さらに２５０で６０分間加熱処理して第二の配線層の保
護層２を得た（図１（ｅ））。

【００２４】第二の配線層の保護層の所望の位置にレー
ザにより第二の配線層６が露出する状態まで、３００μ
ｍ径で加工して外部接続端子７を得た（図１（ｆ））。

【００２５】半導体ウエハ３をダイシングエリア８で切
断して、個別の半導体装置を形成した（図１（ｇ））。

【００２６】半導体装置の外部接続端子７に直径０．４
０ｍｍのはんだボールを搭載し、次いで、この半導体装
置を大きさ３０ｍｍ×３０ｍｍ、厚さ１．６ｍｍの半導
体装置の外部電極端子に対応した位置に電極が形成され
た基板（日立化成工業株式会社製、商品名；ＭＣＬ Ｅ
−６７）に搭載した。これを熱衝撃試験機に投入して、
−６５℃で１５分、１５０℃で１５分間を１サイクルと
する温度サイクル試験を１０００サイクル行った。

【００２７】（実施例２）ポリエーテルアミドイミド粉
末３０ｇにγ−ブチロラクトン７０ｇを加えて攪拌し
た。次に、これを１５０℃で1時間加熱した。加熱停止
後、攪拌しながら室温まで自然放冷し、黄褐色のペース
トを得た。次いで、黄褐色ペースト１００ｇ（不揮発分
３０ｇ）に平均粒径２μmであり、エポキシ基で表面修
飾されたシリコーンゴムフィラ（東レ・ダウコーニング
・シリコーン株式会社製、トレフィルＥ-６０１）２５
ｇを加えて、3本ロールで混練・分散し、樹脂ペースト
を得た。以後、実施例１と同様の方法で半導体装置を得
た。

【００２８】（実施例３）実施例２のエポキシ基で表面
修飾されたシリコーンゴムフィラを２５ｇから３０ｇと
した以外は実施例２と同様の方法で半導体装置を得た。

【００２９】（比較例１）実施例１のポリイミド系耐熱
樹脂ペーストのみを用いた以外は、実施例１と同様にし
て半導体装置を得た。

【００３０】（比較例２）実施例２で、エポキシ基で表
面修飾されたシリコーンゴムフィラの代わりに平均粒径
２μmのアクリルゴムフィラを用いること以外は、実施
例２と同様にして半導体装置を作製した。

【００３１】（比較例３）実施例２のエポキシ基で表面
修飾されたシリコーンゴムフィラを２５ｇから３５ｇと
した以外は実施例２と同様の方法で半導体装置を得た。

【００３２】これら、実施例１〜３及び比較例１〜３の
半導体装置の弾性率、ガラス転移温度、温度サイクル試
験、樹脂層形成性を評価・測定し、さらに不良が生じた
場合に半導体装置を研磨して、はんだ接続部や半導体装
置内部のはく離及びクラックの観察を行った。その結果
を表１に示した。その結果、実施例１〜３では、１００
０サイクルまで、はんだ接続部の不良、半導体装置内部
のはく離及びクラックは観察されなかった。

【００３３】

【表１】

【００３４】比較例２は、ガラス転移温度が１６０℃と
低くなってしまい、半導体装置の作製工程において耐ス
パッタリング性がなく、第２の配線層作製工程が実施で
きず、半導体装置を得ることができなかった。表１か
ら、実施例１〜３に示す樹脂層を用いることで、半導体
装置作製工程中の耐性を向上することができ、さらに、
半導体装置の信頼性が大幅に向上することが分かる。

【００３５】

【発明の効果】本発明は、樹脂層と配線保護層の密着性
に優れ、さらに実装信頼性に優れた半導体装置を半導体
ウエハ上で一括形成する半導体装置の製造方法を提供す
るものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例を説明するための、半導体
装置の製造工程を示す断面図。

【符号の説明】

１．樹脂層 ２．第二の配線層の保護層 ３．半導体ウエハ ４．ポリイミド膜 ５．電極パッド ６．第二の配線層 ７．外部電極端子 ８．ダイシングエリア

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 森下 芳伊 茨城県日立市東町四丁目13番１号 日立化 成工業株式会社総合研究所内 (72)発明者 西澤 廣 茨城県日立市東町四丁目13番１号 日立化 成工業株式会社総合研究所内 (72)発明者 矢野 康洋 千葉県市原市五井南海岸14番地 日立化成 工業株式会社五井事業所内 (72)発明者 金田 愛三 東京都港区芝浦四丁目９番25号 日立化成 工業株式会社内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ２５℃における弾性率が０．２〜３．０
   ＧＰａであり、かつ、ガラス転移温度が１８０℃以上で
   あり、かつ５％重量減少温度が３００℃以上である樹脂
   を電子回路が形成された半導体ウエハ上に印刷して複数
   個の樹脂層を形成する工程と、前記樹脂層上に前記半導
   体ウエハの電極と電気的に導通した第二の配線層を形成
   する工程と、前記第二の配線層上に前記樹脂を印刷して
   第二の配線層の保護層を複数個形成する工程と、前記第
   二の配線層の保護層に前記第二の配線層に到達する貫通
   孔を設ける工程と、前記貫通孔に外部電極端子を形成す
   る工程と、前記半導体ウエハを切断して個々の半導体装
   置を得る工程を備えたことを特徴とする半導体装置の製
   造方法。
2. 【請求項２】 前記樹脂層の印刷範囲が、前記半導体ウ
   エハを切断する部分を除く範囲であることを特徴とする
   請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
3. 【請求項３】 前記第二の配線層の保護層の印刷範囲
   が、前記半導体ウエハを切断する部分を除く範囲である
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導
   体装置の製造方法。
4. 【請求項４】 請求項１ないし請求項３のいずれかに記
   載の半導体装置の製造方法で製造した半導体装置。