JP2002093947A - 半導体装置およびその製造方法並びに半導体装置実装構造体 - Google Patents

半導体装置およびその製造方法並びに半導体装置実装構造体

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明の目的は、アンダーフィルの不要なフ
リップチップ接続を可能とする半導体装置を実現するこ
とにある。 【解決手段】 本発明は、複数の回路電極が配列され、
保護膜が被覆された回路面を有する半導体素子と、該半
導体素子の回路面の保護膜上に前記回路電極を露出させ
て形成され、硬化された熱可塑性樹脂からなり、エッジ
部に傾斜を形成した応力緩和層と、前記回路電極の各々
に接続され、該回路電極から前記応力緩和層のエッジ部
を通して応力緩和層の表面の所望の個所まで電気的につ
ながって配設される複数の配線からなる配線層と、その
上の表面保護膜と、外部接続端子とを備えて構成された
半導体装置である。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、フリップチップ接
続を可能とする半導体装置およびその製造方法並びに半
導体装置実装構造体に関する。
【0002】
【従来の技術】フリップチップ接続を可能とする半導体
装置の従来技術としては、特開平11−111768号
公報(従来技術1)に記載されているように、アンダー
フィルを用いた半導体装置が知られている。しかしなが
ら、アンダーフィルは、完成した電気製品を使用する際
の発熱等による接続部に生じる歪みに起因する接続部の
破壊を防止する目的で実施されており、実施しない場合
には、半導体装置の接続寿命が極端に短くなってしまう
という課題が生じる。
【0003】そこで、アンダーフィルを用いないで、フ
リップチップ接続を可能とする半導体装置の従来技術と
しては、特開平11−54649号公報(従来技術2)
および特開平11−354560号公報(従来技術3)
で知られている。この従来技術2には、半導体素子が配
設されている半導体基板と、該半導体基板の主面上に配
列され、上記半導体素子に電気的に接続される素子電極
と、上記半導体基板の主面上に形成され、絶縁性の弾性
材料からなる弾性体層と、少なくとも上記半導体基板上
の上記素子電極を露出させるように上記弾性体層を部分
的に除去して形成された開口部と、上記素子電極の上か
ら上記弾性体層の上に亘って連続的に延ばして形成され
た金属配線層と、該金属配線層の一部として上記弾性体
層の上に設けられ、外部機器との電気的接続を行うため
の外部電極と、上記金属配線層を覆う表面保護膜とを備
えた半導体装置が記載されている。さらに、半導体基板
は、ウェハから切出されたチップ状態であることも記載
されている。さらに、上記弾性体層(低弾性率層)の厚
みは、10〜150μmであることが好ましく、また、
その弾性率(ヤング率)は10〜1000kg/mm2
の範囲にあることがより好ましく、また、その線膨張率
は10〜100ppm/℃の範囲にあることがより好ま
しいと記載されている。さらに、この弾性体層の材料と
しては、感光性を有する絶縁材料膜として、例えばエス
テル結合型ポリイミドやアクリレート系エポキシ等のポ
リマーでよく、低弾性率を有し、絶縁性であればよいと
記載されている。また、感光性を有しない絶縁材料を用
いる場合には、レーザーやプラズマによる機械的な加工
もしくはエッチングなどの化学的加工により半導体基板
上の素子電極を露出させることができることも記載され
ている。
【0004】また、従来技術3にも同様なことが記載さ
れている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来技術2、3には、弾性体層(応力緩和層)の表面に形
成する配線層の切断を防止しようとする点について十分
考慮されていない。
【0006】本発明の目的は、上記課題を解決すべく、
配線層の切断を防止して不良発生数を低減したアンダー
フィルの不要なフリップチップ接続を可能とする半導体
装置およびその製造方法並びに半導体装置実装構造体を
提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、特許請求の範囲の通りに構成するもので
ある。
【0008】即ち、本発明は、複数の回路電極が配列さ
れ、保護膜が被覆された回路面を有する半導体素子と、
該半導体素子の回路面の保護膜上に前記回路電極を露出
させて形成され、硬化された熱可塑性樹脂からなり、エ
ッジ部に傾斜を形成した応力緩和層と、前記回路電極の
各々に接続され、該回路電極から前記応力緩和層のエッ
ジ部を通して応力緩和層の表面の所望の個所まで電気的
につながって配設される複数の配線からなる配線層と、
前記応力緩和層の表面における複数の配線の各々の所定
の個所を露出させて前記配線層の表面を被覆した表面保
護膜と、前記露出した複数の配線の各々の所定の個所に
バンプを接合して形成した外部接続端子とを備えて構成
されたことを特徴とする半導体装置である。
【0009】また、本発明は、前記半導体装置におい
て、応力緩和層の傾斜エッジ部につながる周辺部にふく
らみ部分を形成してその上の前記配線にたわみ部分を形
成することを特徴とする。これにより、配線の切断を防
止することができる。
【0010】また、本発明は、前記半導体装置におい
て、応力緩和層の硬化した熱可塑性樹脂の溶融温度Tm
が、前記配線層および表面保護膜を形成する際の最高到
達温度Tmax以上で構成されたことを特徴とする。
【0011】また、本発明は、前記半導体装置におい
て、応力緩和層の硬化した熱可塑性樹脂の溶融温度Tm
が、350℃以上で構成されたことを特徴とする。
【0012】また、本発明は、前記半導体装置におい
て、応力緩和層の硬化した熱可塑性樹脂のガラス転移温
度Tgが、150℃〜400℃の範囲で構成されたこと
を特徴とする。
【0013】また、本発明は、前記半導体装置におい
て、応力緩和層の硬化した熱可塑性樹脂の線膨張係数
が、200ppm/℃以下で構成されたことを特徴とす
る。
【0014】また、本発明は、前記半導体装置におい
て、応力緩和層の厚さが約35μm〜約150μmであ
ることを特徴とする。
【0015】また、本発明は、前記半導体装置におい
て、応力緩和層の硬化した熱可塑性樹脂として、少なく
ともポリイミド、ポリアミド、ポリアミドイミド、エポ
キシ、フェノール、シリコーンの何れかから構成されて
いることを特徴とする。
【0016】また、本発明は、前記半導体装置におい
て、半導体素子に形成された保護膜として、無機膜とそ
の上に局部的に形成された有機膜とからなることを特徴
とする。
【0017】また、本発明は、前記半導体装置の配線層
において、少なくとも信号配線については、配線幅を、
前記応力緩和層のエッジ部を応力緩和層の平坦部よりも
太く形成したことを特徴とする。
【0018】また、本発明は、前記半導体装置におい
て、配線層は、前記応力緩和層の表面に密着した給電膜
層とめっき膜層とで構成されることを特徴とする。
【0019】また、本発明は、複数の回路電極が配列さ
れ、保護膜が被覆された回路面を有する半導体素子と、
該半導体素子の回路面の保護膜上に前記回路電極を露出
させて形成され、ガラス転移温度Tgが、150℃〜4
00℃の範囲である硬化された樹脂からなり、エッジ部
に傾斜を形成した応力緩和層と、前記回路電極の各々に
接続され、該回路電極から前記応力緩和層のエッジ部を
通して応力緩和層の表面の所望の個所まで電気的につな
がって配設される複数の配線からなる配線層と、前記応
力緩和層の表面における複数の配線の各々の所定の個所
を露出させて前記配線層の表面を被覆した表面保護膜
と、前記露出した複数の配線の各々の所定の個所にバン
プを接合して形成した外部接続端子とを備えて構成され
たことを特徴とする半導体装置である。
【0020】また、本発明は、前記半導体装置を、該半
導体装置における外部接続端子を回路基板に形成された
電極に接合することにより、該回路基板に実装して構成
することを特徴とする半導体装置実装構造体である。
【0021】また、本発明は、複数の回路電極が配列さ
れた回路面を有する複数の半導体素子が配列されたウエ
ハを製造するウエハ製造工程と、該ウエハ製造工程にお
いて製造されたウエハ状態における各半導体素子の回路
面上に保護膜を形成する保護膜形成工程と、該保護膜形
成工程で形成されたウエハ状態における保護膜上に、前
記回路電極が露出するように、熱可塑性樹脂ペーストを
マスク印刷を用いてエッジ部に傾斜を有する応力緩和層
を印刷し、該印刷された応力緩和層を硬化させて前記保
護膜上に形成する応力緩和層形成工程と、前記ウエハ状
態における回路電極の各々に接続され、該回路電極から
前記応力緩和層形成工程で形成された応力緩和層のエッ
ジ部を通して応力緩和層の表面の所望の個所まで電気的
につながって配設される複数の配線からなる配線層を形
成する配線層形成工程と、該配線層形成工程で形成され
たウエハ状態における配線層の表面を、前記応力緩和層
の表面における複数の配線の各々の所定の個所を露出さ
せて表面保護膜で被覆する表面保護膜形成工程と、前記
ウエハ状態において露出した複数の配線の各々の所定の
個所にバンプを接合して形成する外部接続端子形成工程
と、ウエハ状態から所望の単位に切断して半導体装置を
得る切断工程とを有することを特徴とする半導体装置の
製造方法である。
【0022】また、本発明は、前記半導体装置の製造方
法において、配線層形成工程は、スパッタ成膜工程とめ
っき成膜工程とを有することを特徴とする。
【0023】また、本発明は、前記半導体装置の製造方
法の応力緩和層形成工程において、熱可塑性樹脂ペース
トの中に絶縁粒子を含有することを特徴とする。
【0024】以上説明したように、前記構成によれば、
応力緩和層の材料として、熱可塑性樹脂材料を使用する
ことによって、加熱硬化した際、溶剤が蒸発することに
なり、マスク印刷によって生じさせたふくらみ部分の形
状を維持(確保)することが可能となり、その結果、そ
の上に形成する配線にたわみ部分を形成して配線が切断
されることを防止することが可能となる。
【0025】
【発明の実施の形態】本発明に係る実施の形態について
図面を用いて説明する。なお、全ての図において、同一
符号は同一部位を示しているため、重複する説明を省い
ている場合があり、また説明を容易にするため各部の寸
法比を実際とは変えてある。
【0026】まず、本発明に係る半導体装置の構造につ
いて説明する。半導体装置は、ウエハ単位で多数個が一
括して製造されるが、以下では説明を容易にするため
に、その一部を取り出して説明する。図1に本発明に係
る半導体装置13の部分断面図を示す。
【0027】半導体回路が形成されたウエハ9とは、半
導体製造工程でいうところの前工程を終了したウエハで
あり、多数個の半導体装置13に分割切断前のものであ
る。各半導体装置13にはアルミパッド(回路電極)7
が形成されている。このアルミパッド7は従来型の半導
体装置13において、QFP(Quad FlatPa
ckage)などの半導体パッケージにおさめる場合
に、金ワイヤ等を接続し、半導体パッケージの外部端子
との導通を実現するために使用されている。半導体回路
が形成された半導体装置13の表面(回路面)は、アル
ミパッド(回路電極)7上および多数個の半導体が形成
されたウエハ9をチップ状の半導体装置13に切断する
際の切断部24およびその周辺を除き、保護膜8で覆わ
れている。この保護膜8は、厚さ1〜10μm程度の無
機材料からなる絶縁樹脂単独、あるいは前記無機絶縁膜
の上部に有機材料からなる有機絶縁膜を積層した複合膜
を使用している。この複合膜を使用する場合、該有機膜
40は感光性樹脂材料を使用することが望ましい。本実
施例で保護膜8の有機膜40として好適な感光性材料を
例示すると、感光性ポリイミド、感光性ベンゾシクロブ
テン、感光性ポリベンズオキサゾールなどがある。本実
施例では、これに限らず保護膜として公知慣用の無機材
料、有機材料あるいはこれらの複合膜が使用できる。例
えば、無機膜41としては、SiNやSiO2などが使
用できる。
【0028】また、有機膜40は、無機膜41のほぼ全
面を覆うように形成されていても勿論かまわないが、図
17に示されるようにアルミパッド(回路電極)7の近
傍となる領域のみに形成されていてもかまわないし、図
18に示されるように無機膜41の表面の任意の複数箇
所のみに形成されていても構わない。このように有機膜
40の領域を限定することによって保護膜8の内部応力
によるウエハ9の反りが低減され、製造工程におけるハ
ンドリングや露光時の焦点合わせなどの点で有利とな
る。なお、本実施例では、アルミパッド7の近傍の領域
とは、アルミパッド7の端部から最大距離1mmまでの
領域を指している。なお、図17及び図18ではアルミ
パッド7の周囲の有機膜40は連続領域に形成されてい
るが、個々のアルミパッド毎にそれぞれ独立した領域に
形成しても構わない。具体的には、例えば図19のよう
な領域となる。図17から図19のいずれの形態を使用
するかは、該有機膜40に使用する感光性樹脂のパター
ン精度、膜の内部応力、および該半導体装置13の素子
特性を鑑みて決定する。ここで言う素子特性の一例を挙
げると、該半導体装置への応力作用により素子内部の個
々のアクティブセル(トランジスタ)におけるエネルギ
ー障壁の準位が変動したりすることを指している。
【0029】上記保護膜8の上には、本実施例に係る厚
さ35〜150μmの応力緩和層5を選択的に形成す
る。応力緩和層5の膜厚は、半導体素子のサイズ、応力
緩和層の弾性率、半導体素子厚などにも依存していて一
概には断定できないが、一般的に使用される半導体素子
厚は、およそ150〜750μmであり、半導体素子と
その表面に形成される応力緩和層とからなるバイメタル
モデルで応力シミュレーション実験をおこなったとこ
ろ、所要の応力緩和層5の膜厚は、10〜200μmが
望ましく、更に好ましくは35〜150μmであること
がわかったため、本発明に係る実施例ではこの膜厚範囲
で形成した。この応力緩和層5の膜厚は、半導体素子の
厚みに対して約1/20から1/5程度の厚みに相当す
る。応力緩和層5の膜厚が35μmより小さくなると、
所望の応力緩和を得ることができず、また応力緩和層5
の膜厚が150μmを越えて厚くなると応力緩和層5自
身が持っている内部応力のためにウエハの反りが発生
し、露光工程でのピントズレや配線形成工程などでのハ
ンドリング不具合などが発生し易くなり、生産性が低下
するという問題がある。
【0030】そして、本実施例に係る応力緩和層5は、
半導体ウエハ9より大幅に小さい弾性係数、例えば室温
(20℃程度とする。)において0.1GPaから10
GPaの弾性係数を有する樹脂材料、特に硬化した熱可
塑性樹脂材料により形成する。この範囲の弾性係数を有
する応力緩和層であれば信頼性のある半導体装置を提供
することができる。すなわち、0.1GPaを下回る弾
性係数の応力緩和層の場合、半導体素子そのものの重量
を支えることが困難になって半導体装置として使用する
際に特性が安定しないという問題が生じやすい。一方、
10GPaを越える弾性係数の応力緩和層を使用する
と、応力緩和層5自身が持っている内部応力のためにウ
エハの反りが発生し、露光工程でのピントズレや配線形
成工程などでのハンドリング不具合などが発生し易くな
り、さらにはウエハが割れるという不具合が発生する危
険性すらある。
【0031】更に、本実施例に係る応力緩和層5のエッ
ジ部は、傾斜を有しており、その平均勾配は5〜30%
程度である。5%を下回る傾斜角の場合、傾斜が長くな
りすぎて所望の膜厚が得られない。例えば、平均勾配3
%の傾斜角で厚み100μmとするためには、3mm超
の水平距離が必要となり左右のエッジ部をあわせるとほ
ぼ7mmがなければ所望の膜厚が得られないことにな
る。一方、傾斜角が30%超の場合、水平距離の点では
問題がないが、逆に配線形成の際に十分なステップカバ
レッジが得られない危険性が高い。特にめっきレジスト
の付き回りや露光および現像の工程でのプロセスマージ
ンがなく、特別な技能または技術が必要となる。さらに
傾斜角が大きい場合には、いわゆる応力集中効果が作用
してそのエッジ部に応力が集中し、その結果としてエッ
ジ部で再配線用配線4の断線が発生しやすくなる傾向が
あらわれ、配線構造に特別な工夫が必要となる場合があ
る。
【0032】図1の場合、応力緩和層5のエッジより5
00μmの水平距離にて50μmの膜厚となっているた
め、平均勾配は10%程度である。
【0033】更に、本実施例に係る応力緩和層5の表面
に電極、例えばバンプパッド3を形成するために、銅な
どの導体で形成された再配線用配線4でアルミパッド7
と接続する必要がある。すなわち、再配線用配線4は、
銅などの導体で形成されており、アルミパッド(回路電
極)7と、応力緩和層5の表面のはんだボール等の外部
接続用端子を形成するための電極、例えばバンプパッド
3とを接続している。またバンプパッド3上は、バンプ
パッド3の酸化を防止するための金めっき2を設けても
よい。半導体装置13の表面はバンプパッド3および多
数個の半導体が形成されたウエハ9を各半導体装置13
に切断する際の切断部24を除き、表面保護膜6で覆わ
れている。
【0034】表面保護膜6で保護膜8および応力緩和層
5を完全に覆うことで封止しているため、半導体素子が
形成されたウエハ9の表面から保護膜8および応力緩和
層5が剥離することを防止し、半導体の性能劣化を引き
起こすイオン等の異物の侵入をも軽減できる。また、保
護膜8、応力緩和層5、表面保護膜6は、いずれも切断
部24より後退しているため、半導体装置13を切断分
離する際に損傷を受けることがない。
【0035】表面保護膜6としては、電気絶縁特性を有
する各種樹脂材料を使用することが出来る。パターンを
形成する必要があるため感光性材料であることが望まし
いが、例えばインクジェットなどの高精度印刷に対応し
た材料を用いて印刷で成膜しても構わない。その他、カ
ーテンコートなどの安価な塗布方法によって絶縁膜をベ
タ形成した後にフォトリソグラフィプロセスを用いてエ
ッチングレジストを形成してパターニングし、このレジ
ストパターンを用いて上記絶縁膜をエッチング加工、レ
ジスト剥離という工程を経て成膜してもよい。
【0036】このような材料として、本実施例では様々
な材料が使用可能であるが、いくつか例示すると(1)
感光性材料としてアクリル変成感光性エポキシ樹脂、感
光性ポリイミド樹脂、(2)インクジェット印刷材料と
してポリアミドイミド樹脂、ポリイミド樹脂、(3)ベ
タ成膜用材料として変成トリアゾール樹脂、変成メラミ
ン樹脂、ポリイミド樹脂などが好適に用いられる。感光
性材料についてさらに具体的に例示すると、安価な感光
性樹脂材料としてプリント基板製造工程で好適に使用さ
れるソルダーレジストやフレキシブルプリント基板の表
面カバーに用いられる感光性ポリイミドなどが表面保護
膜6として好適に利用される。一方、ベタ成膜用材料と
しては、例えば東レ(株)のフォトニースTMなどが好適
である。なお、本実施例では、ソルダーレジストを用い
た。
【0037】更に、バンプパッド3上には、半導体装置
13を回路基板上に接続実装させるためのバンプ1が形
成される。このバンプ1は、はんだ材料で形成するのが
一般的である。ここでバンプ1が外部接続端子となる。
【0038】図2には、図1で示した半導体装置13が
ウエハ上に連続的に形成されている状態を、本来は存在
するバンプ1を省略した平面図で示した。図2において
ハッチングで示した部位が表面保護膜6であるソルダー
レジストである。また、応力緩和層5が角を丸めた長方
形状に形成されている状態で形成されおり、各半導体装
置13の間には各半導体装置13を分離する際の切りし
ろとなる切断部24が存在する。切りしろは、例えば表
面保護膜6の端部から10〜100μm程度に位置する
のが望ましい。10μm程度より短いと各半導体装置を
分離する際にチッピングを誘発しやすくなる傾向があ
り、逆に100μm程度より長くなると半導体素子とし
て使用可能な有効面積が減少する。従って、半導体装置
13の歩留まり向上のために切りしろと表面保護層6と
の間隔を本実施例では10〜100μm程度に位置させ
ることが望ましい。なお、再配線用配線4の一端の下層
には図示されてはいないがアルミパッド7が存在する。
【0039】このように本発明に係る半導体装置の構造
によれば、応力緩和層5が再配線用配線4とウエハ9間
に存在するため、半導体装置13が回路基板14上に接
続され、それが動作する際にバンプ1が受ける熱による
歪みを分散させることが可能となる。このため、この半
導体装置13を、図21に示すように、回路基板14に
搭載してもアンダーフィルを実施することなく接続寿命
を延ばすことが可能となる。また、応力緩和層5は、な
だらかな傾斜部を有しているため、再配線用配線4の途
中に応力集中部となる配線屈曲部は存在しない。
【0040】本実施例における半導体装置13の製造工
程の一例を、図を用いて説明する。図3により第一工程
から第三工程までを、図4により第四工程から第六工程
を、図5により第七工程から第九工程を説明する。な
お、いずれの図においても、本実施例における半導体装
置13の断面構造がわかりやすいように、一部分を取り
出した断面図としてある。
【0041】第一工程:外部接続用のアルミパッド7が
形成済みである半導体が形成されたウエハ9について
は、従来の半導体装置13と同じ工程にて製造する。本
実施例で使用した半導体装置では外部接続用パッドの材
質はアルミニウムであったが、外部接続パッドは銅であ
ってもかまわない。本実施例では外部接続としてワイヤ
ボンディングを使用しないため、外部接続パッドが銅の
場合に生じやすいボンディング性の問題を考慮する必要
がないからである。外部接続パッドが銅であれば配線の
電気抵抗を低減できるため、半導体素子の電気特性向上
の観点からも望ましい。
【0042】第二工程:必要に応じて、保護膜8を形成
する。保護膜8は、無機材料を用いて半導体製造工程に
おけるいわゆる前工程において既に形成される場合もあ
り、また、更に無機材料の上に有機材料を用いて重ねて
形成する場合もある。本実施の形態に於いては、半導体
工程におけるいわゆる前工程で形成された無機材料から
なる絶縁膜、例えばCVD法等で形成した窒化珪素、テ
トラエトキシシラン等によって形成された二酸化珪素、
あるいはそれらの複合膜からなる絶縁膜の上に、有機材
料である感光性ポリイミドを塗布し、これを感光、現
像、硬化することで厚さ6μm程度の保護膜8を形成し
ている。これにより、半導体が形成されたウエハ9上に
保護膜8が形成される。本実施例では保護膜8の膜厚を
6μm程度としたが、所要膜厚は当該半導体素子の種類
によって異なっており、その範囲は1〜10μm程度と
なる。なお、図2に示している表面保護膜6と同様に有
機膜40は無機膜41のほぼ全面を覆うように形成され
ていても勿論かまわないが、図17〜図19に示される
ようにアルミパッド7の近傍となる領域のみに形成され
ていてもかまわない。無機材料のみからなる絶縁膜8の
場合、膜厚の範囲は3μm程度以下となる。また、本実
施例で使用した感光性ポリイミド以外にも、ポリベンズ
オキサゾール、ポリベンゾシクロブテン、ポリキノリ
ン、ポリフォスファゼンなども使用できる。なお、図1
7(b)、図18(b)、および図19は、チップ領域
10を示す。
【0043】第三工程:ペースト状ポリイミド材料、特
にペースト状熱可塑性ポリイミド材料を応力緩和層5の
形成予定箇所に印刷塗布し、その後これを加熱すること
で硬化させる。これにより保護膜8上に本実施例に係る
応力緩和層5が10〜200μm程度(好ましくは35
〜150μm程度)の膜厚で形成される。
【0044】第四工程:電気めっきに用いるための給電
膜(例えばCr薄膜とCu薄膜からなる)16をスパッ
タ等の方法で形成した後に、配線の逆パターン17をフ
ォトレジストを用いて形成する。
【0045】第五工程:この給電膜16および配線の逆
パターン17を利用して電気めっきを行い、再配線用配
線4およびバンプパッド3の形成を行う。また、必要に
応じて電気めっきを繰り返すことで再配線用配線4を多
層構造とする。
【0046】第六工程:フォトレジストからなる配線の
逆パターン17および電気めっきの給電膜16をエッチ
ング処理により除去する。
【0047】第七工程:ソルダーレジストを用いて表面
保護膜6を形成する。そして、このパターンを利用して
バンプパッド3の最表面に無電解金めっき2を行う。
【0048】第八工程:バンプパッド3上にフラックス
と共にはんだボールを搭載し、加熱することでバンプパ
ッド3にはんだボールを接続し、バンプ1を形成する。
【0049】第九工程:半導体が形成されたウエハ9の
切断部24をウエハダイシング技術により切断すること
によって、図21に示すように、回路基板14に接続実
装できる半導体装置13が完成することになる。
【0050】以下では、上記の第三工程から第八工程ま
でについて詳細に説明する。
【0051】まず、第三工程について具体的に説明す
る。本実施例に係る応力緩和層5は、10〜200μm
程度(好ましくは35〜150μm程度)の膜厚にする
必要があるため、印刷することによって形成するように
した。印刷に使用するマスク30としては、プリント配
線板に対するはんだペースト印刷などで使用する印刷用
マスクと同じ構造のものが使用可能である。例えば、図
6に示すように、ニッケル合金製のステンシル25を、
樹脂シート26を介して枠27に貼り付けた形態のメタ
ルマスクを使うことが出来る。印刷用マスク30のパタ
ーン開口部28は、50μm程度は印刷後にペーストが
濡れ広がるため、それを見込んだ分、小さめに製作する
ようにしてもよい。図7に示すように、ペースト印刷
は、印刷用マスク30と半導体が形成されたウエハ9の
パターンとを位置合わせした状態で密着させ、その状態
で、スキージ32がステンシル25上を移動すること
で、パターン開口部28をペースト31で充填し、その
後、印刷用マスク30を半導体が形成されたウエハ9に
対して相対的に上昇させることで、印刷をするいわゆる
コンタクト印刷をおこなう。なお、ここで言うウエハ9
と印刷用マスク30の密着は、両者の間に隙間を全くな
くすることを必ずしも意味しない。ウエハ9上には既に
保護膜8が部分的に形成されているため、この上に印刷
マスク30を隙間なく密着させることは実用上困難なた
めである。本実施例では、ウエハ9と印刷用マスク30
との間の隙間が0〜100μm程度となるような印刷条
件で印刷した。このほかにも、第一スキージで印刷用マ
スク30のスキージ面全体をペースト31でコーティン
グし、その後、第二スキージで印刷用マスクのパターン
開口部28を充填し、かつ余分なペーストを除去する。
その後、印刷用マスク30を半導体が形成されたウエハ
9に対して相対的に上昇させる印刷方法もある。図8に
示すように、印刷マスク30をウエハ9に対して相対的
に上昇させる際、垂直に上昇させてもかまわないが、相
対的に傾斜角を持つように動かしながら上昇させても良
い。傾斜角を持たせることによって、印刷マスク30が
ウエハ9から離れる場合の版離れ角がウエハ面内で均一
になりやすい。また、印刷マスク30はウエハ9の一方
の端から他方の端へ向かって離れていくことになり、版
抜けが不安定になりやすい版離れの最後の瞬間は半導体
装置のない領域で行われることになって歩留り向上の点
でも有利となる。さらに、同一の印刷機を用いて複数枚
ウエハ9に連続的印刷を行なう場合には、適宜のタイミ
ングでマスク版の裏側を拭きとる工程を挿入すると良
い。例えば、本実施例では10枚連続印刷すると1回マ
スク版の裏側の清掃を行ない、しかる後に11枚目の印
刷を行なった。マスク裏側の清掃のタイミング、回数、
その方法はペースト材料の粘度や固形分濃度、フィラー
量などによって適宜調節が必要となる。
【0052】引き続きペーストパターン33が印刷塗布
された半導体が形成されたウエハ9をホットプレートや
加熱炉を用いて段階的に加熱することでペーストパター
ン33が硬化し、応力緩和層5が形成される。
【0053】ここで使用している応力緩和層5の形成用
の材料は、ペースト状のポリイミドであり、保護膜8の
上に印刷塗布された後に加熱することで硬化することが
出来る。また、このペースト状のポリイミドは、ポリイ
ミドの前駆体と溶媒およびその中に分散した多数のポリ
イミドの微小粒子からなっている。微粒子としては、具
体的には平均粒径1〜2μm程度であり、最大粒径が約
10μmとなる粒度分布を有する微小粒子を使用した。
本実施例に用いられているポリイミドの前駆体は、硬化
するとポリイミドの微小粒子と同一材料となるので、ペ
ースト状のポリイミドが硬化した際には、一種類の材料
からなる均一な応力緩和層5が形成されることとなる。
本実施例では、応力緩和層形成材料としてポリイミドを
用いたが、本実施の形態では、ポリイミド以外にアミド
イミド樹脂、エステルイミド樹脂、エーテルイミド樹
脂、シリコーン樹脂、アクリル樹脂、ポリエステル樹
脂、これらを変性した樹脂などを用いることも可能であ
る。ポリイミド以外の樹脂を使用する場合には、上記ポ
リイミド微小粒子表面に相溶性を付与する処理を施す
か、あるいは、上記ポリイミド微小粒子との親和性を向
上するように樹脂組成に変成を施すことが望ましい。
【0054】上記列挙した樹脂のうち、イミド結合を有
する樹脂、例えばポリイミド、アミドイミド、エステル
イミド、エーテルイミド等では、イミド結合による強固
な骨格のおかげで熱機械的特性、例えば高温での強度な
どに優れ、その結果として、配線のためのめっき給電膜
形成方法の撰択肢が広がる。例えば、スパッタなどの高
温処理を伴うめっき給電膜形成方法を選択できる。シリ
コーン樹脂やアクリル樹脂、ポリエステル樹脂、アミド
イミド、エステルイミド、エーテルイミドなどイミド結
合以外の結合で縮合した部分がある樹脂の場合、熱機械
特性は若干劣るものの加工性や樹脂価格などの点で有利
な場合がある。例えば、ポリエステルイミド樹脂では、
一般にポリイミドよりも硬化温度が低いため扱いやす
い。本実施の形態においては、これらの樹脂の中から素
子特性、価格、熱機械特性などを総合的に勘案してこれ
らの樹脂を適宜使い分ける。
【0055】ペースト状のポリイミド中にポリイミド微
小粒子を分散させることで材料の粘弾特性を調整するこ
とが可能となるため、印刷性に優れたペースト31を使
用することが出来る。微小粒子の配合を調整すること
で、ペースト31のチキソトロピー特性を制御すること
が可能となるため、粘度の調整と組み合わせることで、
印刷特性を改善することが出来る。また、応力緩和層5
の傾斜角度を調節することもできる。
【0056】本実施例で、好適なペースト31のチクソ
トロピー特性は、回転粘度計を用いて測定した回転数1
rpmでの粘度と、回転数10rpmでの粘度との比か
ら求めた、いわゆるチクソトロピーインデックスが2.
0から3.0の範囲にあることが望ましい。なお、チク
ソトロピーインデックスに温度依存性が現れるペースト
の場合、チクソトロピーインデックスが2.0から3.
0の範囲になるような温度領域で印刷すると高成績が得
られる。
【0057】印刷したペースト状のポリイミドを加熱硬
化した後には、図9に示す如く、ウエハ9上に傾斜部3
5および平坦部36からなる断面形状を有する応力緩和
層5が形成される。このように印刷により応力緩和層5
を形成すると、応力緩和層5のエッジ部より200〜1
000μmのところにふくらみ部分34が存在する場合
があるが、このふくらみ部分34の位置および存在の有
無については、ペースト状のポリイミドの組成を調整し
たり、印刷に関わる各種条件を変更することで、ある程
度制御可能となる。
【0058】なお、この場合の印刷に関わる各種条件と
しては、メタルマスク厚さ、スキージ速度、スキージ材
質、スキージ角度、スキージ圧(印圧)、版離れ速度、
印刷時のウエハの温度、印刷環境の湿度等々があげられ
る。
【0059】上記ふくらみ部分34の高さや形状の制御
は、上記印刷条件によって達成できるが、その他の制御
方法として、保護層8の構造調整による方法もある。例
えば、図36に示したように保護膜8の有機層40の形
成領域をパッド7の近傍のみに限定すれば、有機層40
上部に相当する部分の応力緩和層5を盛り上げさせるこ
とは容易である。
【0060】更に、図1に示すように応力緩和層5にふ
くらみ部分34を積極的に形成した場合は、配線4のた
わみ部分を形成することができ、これにより熱膨張など
による応力を吸収しやすい構造となり、配線4の断線を
より防止することができる。具体的には、応力緩和層5
の平均厚さに対して、最大で約25μm、望ましくは7
〜12μm程度の高さを持つふくらみ部分34が形成さ
れることが好ましい。この程度の頂点であれば、マスク
印刷30により十分形成可能である。例えばこのふくら
み部34を半径が10μmの半円筒形状と仮定すると、
ふくらみ部34の半弧の長さは(2×3.14×10μ
m)/2=31.4μmとなり、配線4の冗長長さは、
ふくらみ部1個について31.4μm―10μm=2
1.4μm、応力緩和層5の両側に1つずつ形成した場
合には42.8μmとなる。このように、配線4に冗長
部を設けることができるため、配線構造およびはんだ接
合部に作用する熱応力が緩和され、従って、信頼性の高
い配線構造を提供できる。
【0061】なお、このふくらみ部34の所要厚さは、
応力緩和層5の膜厚および弾性率、半導体素子13のサ
イズ、半導体素子の消費電力、半導体素子を搭載する回
路基板14の物性値などを勘案した実験およびシミュレ
ーションから求める。例えば、本実施例では、半導体素
子13の対角長さをLmmとし、半導体素子13とそれ
を搭載する回路基板14の線膨脹係数の差が15ppm
/℃、半導体素子13の基板搭載プロセス〜動作中のO
N/OFFによって生じる最大温度範囲が摂氏200度
とすると、基板実装品が実使用環境での使用で配線部が
受ける最大熱変形量は、15(ppm/℃)×L/2
(mm)×200(℃)=0.0015×Lmmとな
る。従って、上記ふくらみ部34に要求される冗長長さ
は、0.002×Lmm程度あれば充分であると考え
た。この計算からふくらみ部34を半円筒形状で近似し
て、本実施例では、そのふくらみ部分の高さは応力緩和
層5の平均厚さに対してL/2000mm〜L/500
mm程度の範囲に収まるようにした。
【0062】ところで、特に、印刷したペースト状の樹
脂が、具体的には後述するように、熱可塑性樹脂の場
合、加熱硬化した際、溶剤が蒸発することになり、マス
ク印刷によって生じさせたふくらみ部分34の形状を維
持(確保)することが可能となり、その結果、その上に
形成する配線4にたわみ部分を形成して配線4が切断さ
れることを防止することが可能となることを実験によっ
て確認することができた。
【0063】逆に、印刷したペースト状の樹脂が、後述
するように、熱硬化性樹脂の場合、加熱硬化した際、該
樹脂が溶融して硬化する関係で、マスク印刷によって生
じさせたふくらみ部分34が溶融してなくなってしまう
傾向にあり、その結果、その上に形成する配線4にたわ
み部分を形成することが難しくなる。
【0064】必要となる応力緩和層5の膜厚が1回の印
刷および加熱硬化で形成されないときには、印刷及び材
料の硬化を複数回繰り返すことで所定の膜厚を得ること
ができる。例えば、固形分濃度30〜40%のペースト
31を用いて厚さ65μmのメタルマスクを使用した場
合、2回の印刷で硬化後の膜厚として約50μmを得る
ことが出来る。また特に、回路基板14に半導体装置1
3を接続した際に歪みが集中しやすい箇所に配置されて
いるバンプ1については、該当する個所の応力緩和層5
のみに限定して厚さを厚膜化することで、歪みの集中を
緩和することも出来る。このためには、例えば、ペース
ト状ポリイミドを半導体が形成されたウエハ9上に対し
て、1回目の印刷にて使用したものとは異なるメタルマ
スクを使い複数回の印刷をすれば良い。第2の方法とし
て、ひずみが集中しやすいバンプの直下における保護層
8の構造を調整することによって応力緩和層5の厚みを
部分的に変更することもできる。例えば、保護膜8の構
造を、該当するバンプ1の直下では無機膜のみからなる
無機層41を使用し、その他の領域では無機と有機複合
層とすると、低弾性な応力緩和層5の厚みは、該バンプ
の直下では有機層の厚み分だけ厚くすることができる。
【0065】なお、必ずしも応力緩和層5中に微粒子を
有する必要はなく、微粒子をペースト中に分散させない
場合でも印刷に必要な最低限の粘弾性特性が確保されれ
ばよい。ただし、微小粒子をペースト中に分散させない
場合は、印刷に関わる各種条件のマージンが極端に狭く
なる可能性がある。
【0066】次に、第四工程について具体的に説明す
る。本実施の形態では、再配線用配線4を電気銅めっき
と電気ニッケルの2層とした。なお、再配線用配線4の
一端をバンプパッド3と兼用してもよい。ここでは、
銅、ニッケルとも電気めっきを用いて導体を形成する方
法を示したが、無電解めっきを用いることも可能であ
る。
【0067】まず、電気めっきを実施するための給電膜
16を、半導体ウエハ全面に形成する。ここでは、蒸着
や、無電解銅めっき、CVDなども用いることが可能で
あるが、保護層8および応力緩和層5との接着強度が強
いスパッタを用いることとした。スパッタの前処理とし
て、ボンディングパッド7と再配線用配線4導体との間
の導通を確保するためにスパッタエッチングを行った。
本実施例におけるスパッタ膜としては、Cr(75nm
〜0.1μm程度)/Cu(0.2μm〜0.5μm程
度)の多層膜を形成した。ここでのCrの機能は、その
上下に位置するCuと応力緩和層5等との接着を確保す
ることにあり、その膜厚はそれらの接着を維持する最低
限が望ましい。Crの膜厚が厚くなると成膜時間が増大
して生産効率が低下するという問題に加えて、保護層8
や応力緩和層5を長時間にわたってスパッタチャンバー
内に発生している高エネルギー状態のプラズマに曝すこ
とになり、これらの層を形成している材料が変質すると
いう危険性がある。なお、所要膜厚は、スパッタエッチ
ングおよびスパッタの条件、Crの膜質などによっても
変動するが、おおむね最大で0.5μmである。なお、
本実施の形態で使用したCr膜に代えてTi膜やTi/
Pt膜、Wなどでも代替できる。一方、スパッタ銅の膜
厚は、後の工程で行う電気銅めっき及び電気ニッケルめ
っきを行ったときに、めっき膜の膜厚分布が生じない最
小限度の膜厚が好ましく、めっき前処理として行なう酸
洗などでの膜減り量も考慮に入れたうえで膜厚分布を誘
発しない膜厚を決定する。スパッタ銅の膜厚を必要以上
に厚くした場合、例えば1μmを越える銅厚の場合に
は、スパッタ時間が長くなって生産効率が低下するとい
う問題に加えて、後の工程で実施する給電膜16のエッ
チング除去の際に長時間エッチングが避けられず、その
結果として再配線用配線4のサイドエッチングが大きく
なる。単純な計算では、1μmの給電膜をエッチングす
る場合には配線も片側1μm、両側で2μmのエッチン
グが起こる。実際の生産では、給電膜のエッチング残り
が発生しないようにオーバーエッチングすることが一般
的に行われているため、1μmの給電膜をエッチングす
る場合には配線が5μm程度サイドエッチングされるこ
とになる。サイドエッチングがこのように大きくなる
と、配線抵抗が大きくなったり、断線を誘発しやすくな
ったりして、配線性能の観点で問題を発生しやすい。従
って、スパッタ銅の膜厚はおおむね最大で1μmとな
る。
【0068】次に、ホトリソグラフィー技術を用いて、
再配線用配線4の逆パターン形状17をレジストを用い
て形成する。図4中のBで示した応力緩和層5のエッジ
部におけるレジストの膜厚は、斜面部から流れ出たレジ
ストにより、他の場所と比べ厚くなる。このため、解像
度を確保するためには、ネガ型の方が好ましい。レジス
トとして、液状レジストを用いた場合、図4中のBで示
した応力緩和層5のエッジ部の斜面上部ではレジスト膜
厚が薄くなりやすく、斜面下部では逆にレジスト膜厚が
厚くなり易い傾向がある。斜面上部と斜面下部とで膜厚
の異なるレジストを同一露光量、同一現像条件でパター
ニングするには広い現像裕度が必要となる。一般に、膜
厚に対する現像裕度はポジ型感光特性レジストよりもネ
ガ型感光特性レジストが広いため、本実施例ではネガ型
の液状レジストを用いた。なお、フィルムレジストを使
用する場合には、斜面上下での膜熱差は発生しないため
ネガ型でもポジ型でも使用可能となるが、斜面部はなな
めから露光することになって実質光路長が長くなるた
め、この場合にもネガ型を用いると好成績が得られるこ
とが多い。応力緩和層5のエッジ部の傾斜が大きい場合
やブリーチング特性の弱いフィルムレジストを用いる場
合には、ネガ型が特に好ましい。
【0069】本実施例では、図10に示すように、露光
マスク21とレジスト22が密着し、一部に隙間20を
有するタイプの露光機を用いた。該露光機での解像限界
は、露光用マスク21とレジスト22とが密着した場合
で約10μmであった。我々の実験結果によると、露光
マスク21下部の隙間20と解像する配線幅の関係は、
表1に示すようになった。なお、表1中の値は露光機の
光学系や現像条件、レジストの感度、レジスト硬化条
件、配線幅/配線間隔の比などにより変化する。
【0070】表1に示している実験結果は、配線幅/配
線間隔の比が1.0の場合の値である。
【0071】
【表1】 図11には、アルミパッド7との接続部23とバンプパ
ット3が再配線用配線4で接続されている様子を示す。
本実施の形態で使用した露光装置の場合には、表1の横
軸である露光マスクの下部の隙間は、応力緩和層5の厚
さにほぼ対応しているので、例えば応力緩和層5の厚さ
が60μmであれば配線の幅は25μmまで解像可能で
ある。したがって、信号線の配線幅を25μmとし、電
源またはグランド線の配線幅を40μmとして配線4を
することもできる。また、信号線の配線を25μmとし
て、その信号線の一部を太くすることも可能である。
【0072】なお、図12には、応力緩和層5の傾斜部
付近における再配線用配線4を拡大して示す。
【0073】上述のように、応力緩和層5のエッジ部近
傍でレジスト膜厚が不均一となっているため、その領域
で現像不足が発生しやすい傾向があった。図13には、
実際に応力緩和層5のエッジ部分で現像不足が起こって
いる様子を示す。本実施の形態では、この対策のために
現像液の回り込みを改善することによって解決した。よ
り具体的に例示すると、配線パターン形状を図14や図
15に示したように変更することなどの方策である。
【0074】図14はアルミパッドとの接続部23から
応力緩和層5の頂上付近まで配線幅を太くした場合を、
図15は解像性が悪い応力緩和層5のエッジ部分のみの
配線幅を太くした場合を示している。なお、これら図1
4および図15における配線幅は、応力緩和層5の厚さ
と表1に示した解像特性とを考慮して決定する。他の解
決策として現像時間を延長することで現像残りを解消す
る方法も考えられる。
【0075】また、マスク面で光が回折するため、露光
マスク21の下に隙間20が存在することに起因して解
像性低下やパターン精度低下が起こる場合がある。この
現象の解決策として、(1)露光機の光学系変更、
(2)レジストのブリーチング性改良、(3)レジスト
のプリベーク条件適正化、(4)多段露光などがあげら
れる。露光機の光学系の変更について具体例を1つ挙げ
ると、NA値が0.0001以上0.2以下の露光機を
使用するという方策があげられる。ここで挙げた例に限
らず、公知慣用のプロセス上の工夫を適宜組み合わせる
ことで、パターンの解像性、精度を向上することができ
る。
【0076】応力緩和層5のエッジ部は、ウエハ9と応
力緩和層5の物性値の違いにより生じる応力が集中しや
すい構造上の特徴があるので、応力緩和層5の傾斜部で
配線を太くすることにより断線を効果的に防止すること
もできる。なお、必ずしもすべての配線を同じ太さにす
る必要はなく、例えば図16に示すように電源/グラン
ド線4bと信号線4aで配線の幅を変えるようにしても
よい。この場合、電気的な特性を考慮すると一般には電
源/グランド線4bを信号線4aよりも太くすることが
望ましい。
【0077】信号線4aを太くした場合、これにより配
線の有する容量成分が増加し、高速動作時に影響を及ぼ
すからである。逆に、電源/グランド線4bを太くする
と電源電圧が安定するという効果が期待できるのでむし
ろ好ましい。したがって、図示するように信号用配線4
aについては、応力の集中する部分だけを最低限緩和で
きるようにエッジ周辺を太くしたパターンとし、電源用
またはグランド用配線4bについては傾斜部を一様に太
くすることが望ましい。一方、応力緩和層5が形成され
ていない平坦部については、配線の容量成分の影響を考
慮し、信号配線4aを細くしている。ただし、これは、
半導体素子の種類やその配線パターンによりその都度考
慮する必要がある。例えば、半導体素子やその配線パタ
ーンにも依存するが、保護膜8の厚みを増大すると配線
4の容量低減に大きな効果があるので、応力緩和層5が
形成されていない平坦部で信号配線4aを太くせざるを
得ない場合には、保護膜8を厚く形成することが望まし
い。具体的には、配線幅を10%増大させる場合には、
保護膜8の膜厚も約10%程度増大させることが望まし
い。一方、応力緩和層5の上部平坦部36での配線幅
は、信号線容量よりもむしろ配線密度によって制限を受
ける。すなわち、バンプパッド3の間隔に通す配線本
数、バンプパッド3の径、配線形成工程における位置合
せ精度、などから応力緩和層5の上部平坦部36での配
線幅の上限値が求められる。具体的に一例を示すと、バ
ンプパッド3の間隔が0.5mmで、パッド径が300
μm、パッド間に3本配線4をひく場合には、(500
−300)/(3×2―1)=40程度という計算とな
る。この計算結果から、本実施例では、平均配線幅/配
線間隔=40μm程度とした。
【0078】次に、第五工程について具体的に説明す
る。本実施例では、硫酸酸性銅めっき液を用い銅めっき
を実施した。電気銅めっきは、界面活性剤による洗浄、
水洗、希硫酸による洗浄、水洗を行った後、給電膜16
を陰極に接続し、リンを含有する銅板を陽極に接続して
実施した。
【0079】引き続き、電気ニッケルめっきを行う。な
お、電気ニッケルめっき前に、界面活性剤による洗浄、
水洗、希硫酸による洗浄、水洗を行うと良好な膜質の電
気ニッケルめっき膜が得られ易い傾向がある。電気ニッ
ケルめっきは、給電膜16を陰極に接続し、ニッケル板
を陽極に接続して行った。本実施例で好適な電気ニッケ
ルめっきは、公知慣用ないずれのニッケルめっき浴でも
使用可能であり、ワット浴系でもスルファミン浴系でも
よいが、本実施例ではワット浴系を用い、めっき膜内部
応力が適正範囲になるように調整しためっき条件下で行
なった。スルファミン浴はめっき液成分がワット浴と比
べると高価であるうえ若干分解しやすい傾向があるとい
う欠点はあるが皮膜応力が制御しやすい。一方、ワット
浴は一般に皮膜応力が大きくなりやすいので、厚膜めっ
きした場合には自身の持つ皮膜応力(引っ張り応力)の
ために配線層にクラックが入る危険性が増大するという
欠点がある。本実施例ではワット浴を用いたが、スルフ
ァミン浴を用いる場合でもワット浴を用いる場合でも、
添加剤(皮膜応力抑制剤)の種類および濃度、めっき電
流密度、めっき液温度の適正範囲を求めるためのモデル
実験をあらかじめ実施してから行うと良い。本実施例で
はこれらを適正に制御して膜厚10μm以下では配線に
クラックがはいらない条件をあらかじめ求めてから実施
した。
【0080】なお、めっき膜応力は、析出したニッケル
の金属結晶配向性に関わる指標の1つであり、後述する
はんだ拡散層の成長を抑制するために、適正に制御する
必要がある。膜応力が適正に制御された条件下でめっき
すると、めっき皮膜は特定量の微量成分を共析するよう
になる。例えば、硫黄0.001〜0.05%を含有す
る膜の場合、特定の結晶配向面の含有率が高まる。より
具体的に言えば、配向面111、220、200、31
1の含有率合計が50%以上となる。
【0081】電気ニッケルめっきの膜厚は、その後の工
程で用いるはんだの種類やリフロー条件、及び半導体装
置の製品特性(実装形態)により最適値を決定する。具
体的には、はんだリフローや実装リペアの際に形成され
るはんだとニッケルとの合金層の膜厚がニッケルめっき
膜厚以上になるように決定すれば良い。上記合金層の膜
厚は、はんだ中のスズの濃度が高いほど大きく、リフロ
ー上限温度が高いほど大きくなる。
【0082】次に、第六工程では、電気銅めっきおよび
電気ニッケルめっきを行ったのちに配線4の逆パターン
であるレジスト17を除去し、エッチング処理をするこ
とで予め成膜した給電膜16を除去する。
【0083】銅のエッチングには、塩化鉄、アルカリ系
エッチング液等の種類があるが、本実施例では硫酸/過
酸化水素水を主成分とするエッチング液を用いた。10
秒以上のエッチング時間がないと制御が困難となって実
用的観点では不利であるが、あまりに長い時間エッチン
グを行なうと、例えば5分を越えてエッチングするよう
な場合には、サイドエッチングが大きくなったりタクト
が長くなるという問題も生じるため、エッチング液およ
びエッチング条件は、適宜実験により求めるのがよい。
引き続いて実施する給電膜16のクロム部分のエッチン
グには、本実施例では過マンガン酸カリウムとメタケイ
酸を主成分とするエッチング液を用いた。なお、上記電
気ニッケルめっき膜は給電膜16のエッチングの際のエ
ッチングレジストとしても機能している。従って、Ni
とCu、NiとCrのエッチング選択比を勘案してエッ
チング液の組成成分、エッチング条件を決定するとよ
い。例えば、具体的に言えば、銅のエッチングの際に使
用する硫酸過酸化水素エッチング剤では、硫酸の含有量
は最大でも50%以下、望ましくは15%以下とする。
これにより、Niに対して10倍程度のエッチング選択
比でCuをエッチングすることができる。
【0084】次に、第七工程では、バンプパッド3およ
び切断部24およびその周囲のみが開口した表面保護膜
6を形成し、引き続き無電解金めっきを実施することで
バンプパッド部3に金を成膜した。ここでは表面保護膜
6としてソルダーレジストを使用し、これを半導体装置
13の全面に塗布した後に露光、現像することでパター
ンを形成する。なお、ソルダーレジストの他にも感光性
ポリイミドや印刷用ポリイミドなどの材料を用いて表面
保護膜6を形成することも可能である。
【0085】以上のような工程を経ることで、表面保護
膜6は、再配線用配線4、応力緩和層5、保護膜8など
を完全に覆うこととなる。このため、表面保護膜6は、
再配線用配線4、応力緩和層5、保護膜8が刺激性物質
により変質、剥離、腐蝕することを抑止できる。表面保
護膜6に使用する材料には、このような最終の保護膜と
しての特性が求められるため、室温(20℃程度とす
る。)付近における破断伸びが少なくとも3%以上必要
で、10%超の破断伸びを有する材料であることが好ま
しい。破断伸びが3%を下回る材料の場合には、製造段
階での様々なプロセス、パッケージとして流通させる際
のハンドリング、あるいは機器に組み込んで使用してい
る環境下でのさまざまの衝撃や応力などにより表面にク
ラックが発生しやすい傾向があり、最終保護層としての
機能の一部を失う危険性がある。逆に破断伸びが10%
超であると上述のようなクラック発生の危険性は低いの
で、本実施例を実施する上で特段の問題はないが、一般
的にはおおむね破断伸び200%以下であることが望ま
しい。破断伸び200%超の材料は、耐熱性や耐候性の
点で劣る場合が見受けられる。従って、より好ましくは
破断伸び100%以下の材料を用いることが好ましい。
【0086】また、最終保護膜6には、下層との密着信
頼性確保という別の機能も要求される。したがって、表
面保護膜6の成膜プロセスは材料の持つ密着特性を損な
わないような工夫が必要で、本実施例では、硬化フロー
の適正化を行なっている。具体的に例示すると、(1)
多段階の温度階層からなる硬化フローの採用、(2)最
終硬化温度での硬化時間の適正化、などの工夫があげら
れる。さらに具体的に記載すれば、プレッシャークック
条件にさらした後の密着性成績を鑑みて、上記例示した
工夫とその他公知慣用の工夫とを適宜組み合わせる。
【0087】以上説明した第七工程までで、図20およ
び図2に示すごとく、アルミパッド7からバンプパッド
3までの再配線用配線4およびバンプパッド3が、半導
体が形成されたウエハ9上に形成される。
【0088】次に、第八工程では、はんだボール搭載装
置とリフロー炉を使用しバンプを形成する。つまり、は
んだボール搭載装置を利用することで、バンプパッド3
上に所定量のフラックスとはんだボールを搭載する。こ
のはんだボールとしては、鉛フリーのはんだボールを用
いることが好ましい。この際、はんだボールはフラック
スの粘着力によりバンプパッド上に仮固定される。はん
だボールが搭載された半導体ウエハをリフロー炉に投入
することではんだボールは一旦溶融し、その後再び固体
化することで、図1に示したバンプパッド3に接続した
バンプ1となる。このほかにも印刷機を用いてはんだペ
ーストをバンプパッド3上に印刷塗布し、これをリフロ
ーすることでバンプ1を形成する方法もある。何れの方
法においてもはんだ材料は様々なものを選択することが
可能となり、現時点において市場に供給されているはん
だ材料の多くが使用できる。この他、はんだ材料は限定
されるものの、めっき技術を用いることで、バンプ1を
形成する方法もある。また、金や銅を核としたボールを
使用したバンプや導電材料を配合した樹脂を使用して形
成したバンプを使用しても良い。
【0089】以上、第一工程から第九工程までの工程を
経ることで、図1に示した応力緩和層5を有し、かつ少
ない工程数で再配線用配線4が形成され、しかも再配線
用配線4の途中には応力が集中する屈曲部が存在しない
半導体装置13を実現できる。また、上述した如く、ス
クリーン印刷等の印刷技術を使用することで、露光や現
像技術を用いることなく厚膜の絶縁層である応力緩和層
5をパターン形成することができ、その応力緩和層5は
再配線用配線4を形成するための斜面を有することがで
きる。
【0090】本実施例によれば、アンダーフィルを実施
せず、半導体装置13をフリップチップ接続した場合で
も半導体装置13の接続信頼性を大幅に向上させること
ができる。
【0091】このため本実施例によれば、多くの電気製
品においてアンダーフィルを使用しないフリップチップ
接続が可能となり、各種電気製品の価格を低減すること
が可能となることがわかる。
【0092】さらに、アンダーフィルを実施しないた
め、半導体装置13の取り外しが可能となる。つまり、
回路基板に接続した半導体装置13が不良品であった場
合、半導体装置13を回路基板上から取り外し回路基板
を再生することが可能となり、これによっても各種電気
製品の価格を低減することが可能となる。
【0093】以上説明した本発明に係るパッケージ(半
導体装置)13では、図21に示すように、回路基板1
4への接合バンプ1の下部に応力緩和層5を設けた構造
となっており、バンプ1に作用する熱応力はバンプ1の
下部から応力緩和層5へと伝達されることになる。即
ち、本発明に係る半導体装置13は、応力シミュレーシ
ョン実験により、熱応力がバンプ1の上下部へ集中する
ことを明らかにした上で、応力集中点であるバンプ下部
で直接的かつ効率的に応力緩和できる構造を構築したこ
とにある。このように、本発明に係るパッケージ(半導
体装置)自体の持つ構造的特徴をうまく引き出すため
に、応力緩和層5の材料組成にも工夫を施した。即ち、
本実施例に係る応力緩和層5の材料は、アンダーフィル
レジンと比べて弾性率を低減させており、その結果とし
てバンプ1へ作用する熱応力を柔軟に緩和させることが
できる。この応力緩和層5に好適な材料の弾性率は、室
温において0.1から10.0GPa程度であることが
望ましいが、一般のポリイミド硬化物よりは弾性率が低
いものがさらに望ましい。なお、一般のアンダーフィル
レジンの弾性率は一般的なポリイミド硬化物よりも大き
い。応力緩和層5用材料の弾性率が0.1GPaを下回
って小さすぎる場合には、後述する突起電極の形成や該
半導体装置の機能試験を行う際に配線部分が変形し易く
なり断線等の問題が懸念される。また、応力緩和層5の
弾性率が10.0Gを越えて大きくなると充分な応力の
低減効果が得られず、該半導体装置13を基板14に搭
載した場合の接続信頼性が低下することが懸念される。
【0094】更に、本発明に係る半導体装置では、上記
のようなパッケージ構造や材料物性の特徴を引き出すた
めに、樹脂層形成工程の順番にも工夫を凝らしている。
即ち、上述したごとく、本実施例では、再配線を形成す
る以前に応力緩和層5を形成・硬化させる。その結果、
応力緩和層5を形成するときには配線4およびバンプ1
はまだ形成する前の上面が開放された状態にあり、応力
緩和層5への内部応力の蓄積は小さく、樹脂内部応力起
因のバンプ変形は起こらない。
【0095】更に、本実施例に係る応力緩和層5の材料
の実施例について具体的に説明する。即ち、応力緩和層
5の材料としては、次の表2に例示する如く、熱可塑性
材料も熱硬化性材料も同等の成績を与えることが、本発
明の半導体装置13に対する温度サイクル試験結果から
判明した。
【0096】
【表2】 この表2からわかるように、応力緩和層5無しでアンダ
ーフィルを使用しない実装形態では、かなり初期の段階
で不良が発生する(No.3)のに比べて、応力緩和層
5がある場合(No.1および2)にはアンダーフィル
がなくても好成績を与えている。この成績は、応力緩和
層無しでアンダーフィル有りの実装形態(No.4)と
同等であり、接続信頼性向上という観点において、応力
緩和層5がアンダーフィルと同等の効果・作用を有して
いることが判明した。
【0097】なお、例えば応力緩和層5の材料は、応力
緩和層形成工程以降の各工程での最高到達温度Tmax
(350℃程度)を考慮したガラス転移温度Tgおよび
溶融温度Tmを有するものを選択することが好ましい。
さらに、具体的に述べると、配線4を応力緩和層5の表
面に密着させるためのスパッタ成膜、表面保護膜(カバ
ーコート層)6の成膜、はんだリフローの工程での最高
到達温度Tmaxと応力緩和層5の材料のガラス転移温
度Tgおよび溶融温度Tmとの間に特定の関係が望まし
い。
【0098】その根拠について、その要点を図22〜図
24を用いて説明する。図22(a)、(b)、および
図23(a)、(b)、(c)は、5種類の材料A、
B、C、D、Eの動的粘弾特性(貯蔵弾性率)と熱機械
特性(TMA)(膨張量)とを示すグラフである。
【0099】図22(a)に示す材料Aは、溶融温度T
m−aが、プロセス中最高到達温度Tmax(350℃
程度)以上を有する熱可塑性材料である。即ち、図22
(a)に示す材料は、プロセス中最高到達温度Tmax
がガラス転移温度Tg−aと溶融温度Tm−aとの間に
ある材料である。図22(b)に示す材料Bは、溶融温
度Tm−bが、プロセス中最高到達温度Tmaxよりも
低い熱可塑性材料である。材料AおよびBは、熱可塑性
材料で、溶融温度は夫々Tm−a≧Tmax、Tm−b
<Tmaxである。従って、図22(b)に示す例えば
熱可塑性材料Bは、Tm−b≦Tmaxであるため、プ
ロセス中で樹脂の破断が起こるという問題があるために
応力緩和層用の材料として用いることはできない。しか
し、図22(a)に示す熱可塑性材料Aでは、溶融温度
Tm−a>Tmaxであるから、プロセス中で破断が起
こらない。
【0100】熱可塑性材料の場合、高分子化されたもの
を使用するので、成膜した膜強度は一定しやすいが、ガ
ラス転移温度Tg付近から高温側において膜強度は著し
く低下する。そこで、本実施例では、図22(a)に示
すように、ガラス転移温度Tgと溶融温度Tmとを考慮
したプロセス温度とすることで強度低下の問題を解決し
ている。
【0101】これに対して、後述する熱硬化性材料を使
用する場合、一般に熱硬化性材料は低分子で成膜するた
め、硬化過程プロセス安定性(熱の均一性など)が悪い
と一定しないことがある。適正に管理されていれば、ガ
ラス転移温度Tg以下では充分な強度があり、ガラス転
移温度Tgを超えても膜強度の低下を抑制することもで
きる。
【0102】即ち、応力緩和層5として熱可塑性材料の
場合、ワニスの性状としては、反応性のない(硬化済み
の)のワニスを固めることになる。そして、溶剤に溶解
して使用するため、無溶剤化する場合は、高温にして溶
融する必要がある。熱可塑性」材料の場合、既に高分子
化しているため、溶融にはかなりの高温が必要である。
この熱可塑性材料の成膜方法としては、ワニスを塗布し
た後、ワニス内の溶剤を加熱などにより揮発させるか、
または溶融させた樹脂を塗布後、冷却する。このように
熱可塑性材料の場合、高分子化されたものを使うので、
強度は一定しやすい。ただし、ガラス転移温度付近から
高温側での強度低下は著しい。本実施例では、ガラス転
移温度Tgおよび溶融温度Tmを考慮したプロセス温度
になっているため、強度低下の問題はない。さらに、熱
可塑性材料の場合、成膜前に既に硬化反応が終了した高
分子の溶液あるいは溶融液を使用するため、被塗布面の
表面分子との化学結合反応はあまり期待できず、密着強
度は必ずしも強くはない。しかし、本実施例では、被塗
布物の表面性状に工夫を施したことにより、使用できる
ようになった。具体的には、密着面となる保護膜8に特
定の密着促進性化合物を添加したり、表面の形状(凹
凸)を適正に制御する。また、有機性の保護膜8を使用
する場合には、保護膜8を膨潤させられる溶剤を用いて
熱可塑性樹脂のワニスを調整する。このような工夫によ
り、熱可塑性樹脂を塗布すると、(1)保護膜の中に溶
剤が拡散して保護膜8を構成している有機高分子の間隔
が増大し、保護膜8の表面が膨潤、(2)熱可塑性分子
が保護膜8の分子の隙間へ入り込み、(3)加熱硬化過
程で溶剤留去されると、膨潤していた保護膜が焼き締め
られる、という機構により、密着性が確保することがで
きる。また、熱可塑性樹脂の中に、未反応部分を残存さ
せたり、別の熱硬化性成分を添加したりして、保護膜8
の表面との反応性を確保することができる。
【0103】図23(a)、(b)、(c)に示す材料
C、D、およびEは、夫々熱硬化性材料であるため、溶
融点Tmを持たない。図23(a)に示す熱硬化性材料
Cは、ガラス転移温度Tg−cがプロセス中最高到達温
度Tmaxと同等以上を有する材料である。図23
(b)に示す材料Dと、図23(c)に示す熱硬化性材
料Eは、夫々、プロセス中最高到達温度Tmaxよりも
低いガラス転移温度Tg−d、Tg−eを有する材料で
ある。なお、ここでいう同等とは±20℃程度である。
【0104】図23(a)〜(c)に示す、材料C〜E
は、熱硬化性材料であって、いずれもプロセス中での破
断は起こらないが、Tgが低く、かつTg以上の線膨張
係数(α2)が大きい材料Eは、製造工程の途中での変
形が大きくなってしまうため、プロセス中での位置合わ
せやハンドリングの観点からは実用的ではない。例え
ば、スパッタ中の温度上昇のために成膜初期と末期とで
形状に差が生じ、従って、成膜の失敗が起こり易くなる
ため、本発明への適用は好ましくない。
【0105】このように応力緩和層5に使用する材料と
しては、使用条件に応じて熱可塑性樹脂であっても熱硬
化性樹脂であっても使用することができる。しかしなが
ら、図9などに示すふくらみ部34を形成すること考慮
すると、硬化するまでのメカニズムの相違から、熱可塑
性樹脂を使用することが好ましい。即ち、熱可塑性樹脂
は、その成膜方法が、ワニスを塗布した後、ワニス内の
溶媒を加熱するなどにより揮発させて硬化させると言っ
た方法を採っているため、硬化過程において印刷形成さ
れた形状、ふくらみ部34は維持される。従来、この溶
剤型の熱可塑性樹脂を使用した場合、硬化過程において
その揮発分がボイドの要因になることから一般には使用
されていなかった。しかしながら、本実施例では、本技
術が適用される半導体装置が、上方が開放の状態で熱可
塑性樹脂を塗布、硬化させるものであるため、多量の溶
剤を含んでいる熱可塑性樹脂を使用したとしても上方か
ら溶剤が揮発してボイドとしては存在せず、従来のよう
な問題は発生しない。ちなみに、熱可塑性樹脂は、その
成膜方法が、(1)溶融させた樹脂を塗布後、冷却する
溶融型の2種類があるが、前述の理由から溶剤型の熱可
塑性樹脂を使用することが好ましいことは言うまでもな
い。なお、後者の溶融型も、ワニスが既に高分子化して
いるため、溶融にはかなりの高温が必要であり、そのた
め熱膨張量の違いから大きな内部応力を溜めることから
しても好ましくはない。
【0106】ふくらみ部34を形成することについて
は、前述のTgやTmの関係には依存しない。
【0107】ところで、熱可塑性樹脂を使用する場合、
成膜前に既に硬化反応が終了した高分子の溶液あるいは
溶融液を使用するため、被塗布面の表面分子との化学結
合反応はあまり期待できず、被塗布面との密着強度は必
ずしも強くない、そこで、本実施例において有機性の保
護膜8を使用する場合には、保護膜8を膨潤させられる
溶剤、例えば溶解度パラメータ(SP値)が8〜20
(cal/cm31/2であるものが好ましい。より具体
的には、少なくとも脂環式アミド化合物若しくは5〜8
員クラトンを有する溶剤が好ましい。例えば、N−メチ
ルピロリドンやガッマーブチロラクトンが好ましい。脂
環式アミド化合物若しくは5〜8員クラトンではない
が、ジメチルホルムアミドやメチルアセトアミドやジメ
チルスルホキシでも良い。これらを用いて熱可塑性樹脂
のワニスを調整する。このような熱可塑性樹脂を塗布す
ると、(1)保護膜の中に溶剤が拡散して保護膜8を構
成している有機高分子の間隔が増大することで保護膜8
の表面が膨潤し、(2)熱可塑性分子が保護膜8の分子
の隙間に入り込み、(3)加熱硬化過程で溶剤を留去さ
れると、膨潤していた保護膜が焼き締められる、という
機構により、密着性を確保することができる。
【0108】また、密着面となる保護膜8に特定の密着
促進性化合物、例えば、シランカップリング剤などを添
加したり、表面の形状に凹凸を形成しても良い。
【0109】また、熱可塑性樹脂の中に、未反応部分を
残存させたり、別の熱硬化性成分を添加したりして、保
護膜8の表面との反応性を確保することもできる。
【0110】ところで、応力緩和層用材料としての熱硬
化性材料および熱硬化性材料において、硬化温度は、1
00℃から250℃までのものを用いる事が望ましい。
硬化温度がこれより低い場合、半導体製造時の工程内で
の管理が難しく、硬化温度がこれより高くなると硬化冷
却時の熱収縮でウエハ応力が増大したり、半導体素子の
特性が変化する懸念があるからである。
【0111】更に、硬化後(応力緩和層形成工程後)の
応力緩和層5は、上述したように、スパッタ、めっき、
エッチングなどのさまざまな工程にさらされることか
ら、耐熱性、耐薬品性、耐溶剤性などの特性も要求され
る。
【0112】具体的には、応力緩和層用材料としての熱
可塑性材料および熱硬化性材料において、耐熱性とし
て、そのガラス転位温度(Tg)が150℃超400℃
以下であることが望ましく、より望ましくはTgが18
0℃以上、最も好ましくはTgが200℃以上である。
【0113】400℃を超えると、期待する程度の低弾
性率のもの、すなわち実用的な材料がないので、400
℃以下とした。また、150℃以上とした理由を図2
5、および図26に示す。
【0114】図25は、スパッタ時にそのスパッタ膜に
クラックが入るか否かについて実験した結果であり、応
力緩和層5の物性値(線膨張係数、ガラス転移温度)に
ついてグラフにしている。グラフからも分かるように、
ガラス転移温度が高いほどクラックが発生していない。
また、そのスパッタ耐性は線膨張係数が高いほど低くな
ることが分かる。
【0115】これは、図26に示すように、スパッタ時
においてスパッタ粒子が樹脂層(応力緩和層)5に当た
り、その運動エネルギーが熱に変わり、樹脂は熱膨張す
る。その後、熱膨張した樹脂上にスパッタ膜は成長する
が、スパッタ終了後、樹脂は収縮する。従って、スパッ
タ膜に熱膨張しやすい樹脂ほど、収縮する割合が大き
く、熱膨張した樹脂上に形成されるスパッタ膜は、皺や
クラックを発生する。樹脂は、ガラス転移温度が低く、
線膨張係数が大きい程、変形しやすい。
【0116】従って、図25から分かるように、スパッ
タ時の配線形成不良を抑制する上では、150℃以上の
ものから良品のものが得られるので好ましく、また、1
80℃以上であれば殆どのものが良品となり、200℃
以上であれば殆どすべてのものが良品となるのでさらに
好ましいこととなる。
【0117】逆に、プロセス中での変形という観点から
いうと、熱可塑性材料は勿論のこと、熱硬化性材料であ
っても、本発明への適用に制限がある。具体的に述べる
と、図24において、材料R、Sで示される如く、室温
(常温:20℃程度とする。)からプロセス中の最高温
度Tmaxまでの伸びの累積値(膨張量)Σ(α(T)
×ΔT)が10%程度以下であることが望ましい。それ
は、応力緩和層5の表面に、少なくとも500μm程度
の長さのCuやNiなどでできている配線4が形成され
ているため、応力緩和層の10%程度の変形(伸び)に
その配線4が追従できなくなり、界面の剥離や樹脂のク
ラックが発生することによる。熱可塑性材料で、かつこ
のような関係式を満たす材料は、特定の線膨張係数とT
gおよび動的粘弾特性を有する。具体的に例示すると、
線膨張係数200ppm/℃以下であることが望まし
く、上述した如く、Tgが150℃以上であることが望
ましい。
【0118】なお、図24に示す材料P、Qは、室温か
らプロセス中の最高温度Tmaxまでの伸びの累積値
(膨張量)Σ(α(T)×ΔT)が10%以上となるた
め、好ましい材料ではない。
【0119】逆に、応力緩和層材料の物性値を考慮し
て、例えば表面保護膜6の材料の硬化時間を長くする替
わりに、硬化温度を下げるという工夫をすることも構わ
ない。
【0120】即ち、応力緩和層用材料としての熱可塑性
材料および熱硬化性材料において、工程中での様々な温
度処理における変形量を抑える観点から、Tg以下の領
域での線膨脹係数(α1)は小さいほど好ましい。具体
的には3ppmに近いほどよい。一般に低弾性材料は、
線膨脹係数が大きい場合が多いが、本実施例で好適な応
力緩和層5材料の線膨脹係数の範囲は3ppm〜300
ppmの範囲であることが望ましい。より好ましくは3
ppm〜200ppmの範囲であり、最も望ましい線膨
脹係数は3ppm〜150ppmの範囲である。
【0121】一方、応力緩和層用材料としての熱可塑性
材料および熱硬化性材料において、熱分解温度(Td)
は約350℃以上であることが望ましい。ガラス転移温
度Tgや熱分解温度Tdがこれらの値を下回っている
と、プロセス中での熱工程、例えばスパッタやスパッタ
エッチ工程で樹脂の変形、変質や分解が起こる危険性が
ある。耐薬品性の観点から言うと、30%硫酸水溶液や
10%水酸化ナトリウム水溶液への24時間以上の浸漬
で変色、変形などの樹脂変質が起こらない事が望まし
い。耐溶剤性としては、溶解度パラメーター(SP値)
が8〜20(cal/cm3)1/2となることが望ま
しい。応力緩和層5用がベースレジンに幾つかの成分を
変成してなる材料である場合には、その組成の大部分が
上記溶解度パラメータの範囲にはいっていることが望ま
しい。より具体的にいうと、溶解度パラメータ(SP
値)が8未満あるいは20超である成分が50重量%を
越えて含有されていないことが望ましい。
【0122】これらの耐薬品性や耐溶剤性が不十分だと
適用可能な製造プロセスが限定される場合があり、製造
原価低減の観点から好ましくないこともある。現実的に
は、これらの特性を満足する材料コストとプロセス自由
度とを総合的に勘案した上で、応力緩和層5用の材料を
決定すると良い。。
【0123】以上説明した応力緩和層用材料としての熱
可塑性材料および熱硬化性材料の具体的組成としては、
ペースト状のポリイミドであるが、これに限らず変成ア
ミドイミド樹脂、エステルイミド樹脂、エーテルイミド
樹脂、ポリエステル樹脂、変成シリコーン樹脂、変成ア
クリル樹脂などでもかまわない。
【0124】上記列挙した樹脂のうち、イミド結合を有
する樹脂、例えばポリイミド、アミドイミド、エステル
イミド、エーテルイミド等では、イミド結合による強固
な骨格のおかげで熱機械的特性、例えば高温での強度な
どに優れ、その結果として、配線のためのめっき給電膜
形成方法の撰択肢が広がる。例えば、スパッタなどの高
温処理を伴うめっき給電膜形成方法を選択できる。シリ
コーン樹脂やアクリル樹脂、ポリエステル樹脂、アミド
イミド、エステルイミド、エーテルイミドなどイミド結
合以外の結合で縮合した部分がある樹脂の場合、熱機械
特性は若干劣るものの加工性や樹脂価格などの点で有利
な場合がある。例えば、ポリエステルイミド樹脂では、
一般にポリイミドよりも硬化温度が低いため、扱いやす
い。本実施例では、これらの樹脂の中から素子特性、価
格、熱機械特性などを総合的に勘案してこれらの樹脂を
適宜使い分ける。
【0125】更に、応力緩和層形成用の材料としては、
例えばエポキシ、フェノール、ポリイミド、シリコーン
等の樹脂を単独あるいは2種類以上配合し、これに各種
界面との接着性を改善するためのカップリング剤や着色
剤等を配合して用いることが可能である。
【0126】以上説明したように、本発明では、配線4
やバンプ1を形成する前に樹脂層形成工程を行うので、
ボイドが発生することなく、温度サイクル試験での成績
向上が図られ、しかもパッケージサイズに関わらず、樹
脂形成時間は一定である。このようにパッケージサイズ
によらず、樹脂形成時間が一定であることで、生産ライ
ンの効率的運用も可能となる。こうした点から、本発明
は、大きなパッケージ(半導体装置)13のサイズ、具
体的には10mm角を越えるチップサイズパッケージの
実装にたいしても問題なく適用することができる。
【0127】次に、半導体装置13の他の実施例につい
て説明する。図27は半導体装置13の突起電極1の配
列を変更するための基板115に搭載した状態を示す断
面概略図、図28はさらに半導体装置13とこれを搭載
する基板115の隙間を樹脂118で封止した状態を示
す断面概略図である。
【0128】半導体装置13に形成した突起状電極1を
基板115上の対応する電極120上にはんだぺースト
あるいはフラックス等を介して搭載し、リフロー炉等に
より前記突起状電極1を溶融させて基板115と半導体
装置13の接続を行う。半導体装置13を搭載する基板
115は、半導体素子搭載面の裏面に、各種電子機器に
用いられる基板に搭載するための電極116および必要
に応じて突起状電極121を有する。
【0129】半導体装置13を各種電子機器に用いられ
る基板に搭載する際、基板115上に設けた突起状電極
121を加熱溶融させる必要がある。これらの実装工程
および各種試験における信頼性、特に落下衝撃試験に対
する信頼性成績をさらに向上させるため、半導体装置1
3と基板115の間を樹脂118で補強したものであ
る。
【0130】半導体装置13と基板115間を充填する
樹脂118は、一般の半導体封止用に使用される液状の
エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂、シリ
コーン樹脂等が使用可能であり、封止樹脂の熱膨張係数
や弾性率を調整するためシリカ、アルミナ、窒化ホウ素
等の無機材料からなる粒子を一種類あるいは二種類以上
配合し、また必要に応じてシリコーンや熱可塑性樹脂等
樹脂、アルコキシシランやチタネート等からなるカップ
リング剤、着色剤、難燃性を付与させるための難燃剤や
難燃助剤樹脂層の硬化反応を促進させるための硬化促進
剤等を配合することが可能である。
【0131】本実施例では、半導体装置13上の突起状
電極1のピッチと各種電子機器に用いられている基板の
電極のピッチが異なる場合であっても、所定の基板11
5を介することにより各種電子機器に接続する事が可能
となる。
【0132】なお、半導体装置13となる基板への実装
と同様に、一般電子機器に用いられる回路基板に実装す
る場合も同様とする。
【0133】
【発明の効果】本発明によれば、配線層の切断を防止し
て不良発生数を低減したアンダーフィルの不要なフリッ
プチップ接続を可能とする半導体装置を実現することが
できる効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る半導体装置の一実施例の構造を示
す部分断面図である。
【図2】本実施例に係る半導体装置が連続的に形成され
ている状態を示す平面図である。
【図3】本発明に係る半導体装置の製造工程の一実施例
である第一〜第三工程を示した図である。
【図4】本発明に係る半導体装置の製造工程の一実施例
である第四〜第六工程を示した図である。
【図5】本発明に係る半導体装置の製造工程の一実施例
である第七〜第九工程を示した図である。
【図6】本発明に係る応力緩和層の形成に使用する印刷
用マスクを示した図である。
【図7】応力緩和層を印刷している工程を示す図であ
る。
【図8】印刷マスクがウエハより上昇する版離れ工程を
示す図である。
【図9】応力緩和層が形成された半導体装置を示した断
面図である。
【図10】露光用マスクをレジストに密着させた状態を
示した図である。
【図11】再配線用配線の一実施例を示したチップ全体
図およびチップ拡大図である。
【図12】再配線用配線の一実施例を示した平面図であ
る。
【図13】実際の再配線用配線の現像不足を示す図であ
る。
【図14】図12とは異なる再配線用配線の他の実施例
を示した図である。
【図15】図12および図14と異なる再配線用配線の
他の実施例を示した図である。
【図16】各種の再配線用配線を施した実施例を示した
図である。
【図17】ウエハ上に形成される保護膜としての有機膜
を局部的に形成した第1の実施例を示す断面図および平
面図である。
【図18】ウエハ上に形成される保護膜としての有機膜
を局部的に形成した第2の実施例を示す断面図および平
面図である。
【図19】ウエハ上に形成される保護膜としての有機膜
を局部的に形成した第3の実施例を示す平面図である。
【図20】本発明における第七工程までを経た半導体装
置の一実施例を示した断面図である。
【図21】本発明に係る半導体装置を基板に搭載した一
実施例を示す図である。
【図22】本発明に係る応力緩和層の材料として、熱可
塑性樹脂A、Bを用いる場合の特性を説明するための図
である。
【図23】本発明に係る応力緩和層の材料として、熱硬
化性樹脂C、D、Eを用いる場合の特性を説明するため
の図である。
【図24】本発明に係る応力緩和層の樹脂材料P〜Sの
各々における室温(常温:20℃程度)からプロセス中
の最高温度Tmaxまでの伸びの累積値(膨張量)を説
明するための図である。
【図25】応力緩和層候補材料の物性値とスパッタ耐性
を示す図である。
【図26】スパッタによる皺・亀裂機構を説明する図で
ある。
【図27】本発明に係る半導体装置を基板に搭載した他
の一実施例を示す断面図である。
【図28】本発明に係る半導体装置を基板に搭載した他
の一実施例を示す断面図である。
【符号の説明】
1、1a、1b…バンプ、1aa…縦長バンプ、2…A
uめっき、3…バンプパッド(端子電極)、4…再配線
用配線(配線)、4a…信号線、4b…グランド線/電
源線、5…応力緩和層、6…表面保護膜、7…アルミパ
ッド(回路電極)、8…保護膜、9…半導体素子(半導
体チップ)が形成されたウエハ、10…半導体チップ、
13…半導体装置、14…回路基板、16…給電膜、1
7…配線の逆パターン、18…アルミパッドと配線の接
続部分、19…下層部分との境界、20…隙間、21…
露光マスク、22…レジスト、23…アルミパッドとの
接続部、24…切断部、25…ニッケル合金製ステンシ
ル、26…樹脂シート、27…枠、28…印刷マスクの
パターン開口部、34…ふくらみ部分、35…傾斜部
(エッジ部)、36…平坦部、40…有機膜、41…無
機膜、115…基板、116…電極、118…樹脂、1
20…電極、121…電極。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H01L 21/92 603G 23/30 D (72)発明者 井上 康介 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地 株 式会社日立製作所生産技術研究所内 (72)発明者 大録 範行 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地 株 式会社日立製作所生産技術研究所内 (72)発明者 宝蔵寺 裕之 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地 株 式会社日立製作所生産技術研究所内 (72)発明者 角田 重晴 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地 株 式会社日立製作所生産技術研究所内 (72)発明者 諌田 尚哉 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地 株 式会社日立製作所生産技術研究所内 (72)発明者 皆川 円 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地 株 式会社日立製作所生産技術研究所内 (72)発明者 安生 一郎 東京都小平市上水本町五丁目20番1号 株 式会社日立製作所半導体グループ内 (72)発明者 西村 朝雄 東京都小平市上水本町五丁目20番1号 株 式会社日立製作所半導体グループ内 (72)発明者 氏家 健二 東京都小平市上水本町五丁目20番1号 株 式会社日立製作所半導体グループ内 (72)発明者 矢島 明 東京都千代田区神田駿河台四丁目6番地 株式会社日立製作所内 Fターム(参考) 4M109 AA02 BA07 CA12 EA12 EC04 5F061 AA02 BA07 CA12 CB02 CB04 CB13

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】複数の回路電極が配列され、保護膜が被覆
    された回路面を有する半導体素子と、 該半導体素子の回路面の保護膜上に前記回路電極を露出
    させて形成され、硬化された熱可塑性樹脂からなり、エ
    ッジ部に傾斜を形成した応力緩和層と、 前記回路電極の各々に接続され、該回路電極から前記応
    力緩和層のエッジ部を通して応力緩和層の表面の所望の
    個所まで電気的につながって配設される複数の配線から
    なる配線層と、 前記応力緩和層の表面における複数の配線の各々の所定
    の個所を露出させて前記配線層の表面を被覆した表面保
    護膜と、 前記露出した複数の配線の各々の所定の個所にバンプを
    接合して形成した外部接続端子とを備えて構成されたこ
    とを特徴とする半導体装置。
  2. 【請求項2】前記応力緩和層の傾斜エッジ部につながる
    周辺部にふくらみ部分を形成してその上の前記配線にた
    わみ部分を形成することを特徴とする請求項1記載の半
    導体装置。
  3. 【請求項3】前記応力緩和層の硬化した熱可塑性樹脂の
    溶融温度Tmが、前記配線層および表面保護膜を形成す
    る際の最高到達温度Tmax以上で構成されたことを特
    徴とする請求項1または2記載の半導体装置。
  4. 【請求項4】前記応力緩和層の硬化した熱可塑性樹脂の
    溶融温度Tmが、350℃以上で構成されたことを特徴
    とする請求項1または2記載の半導体装置。
  5. 【請求項5】前記応力緩和層の硬化した熱可塑性樹脂の
    ガラス転移温度Tgが、150℃〜400℃の範囲で構
    成されたことを特徴とする請求項1または2記載の半導
    体装置。
  6. 【請求項6】前記応力緩和層の硬化した熱可塑性樹脂の
    線膨張係数が、200ppm/℃以下で構成されたこと
    を特徴とする請求項1または2記載の半導体装置。
  7. 【請求項7】前記応力緩和層の厚さが約35μm〜約1
    50μmであることを特徴とする請求項1または2記載
    の半導体装置。
  8. 【請求項8】前記応力緩和層の硬化した熱可塑性樹脂と
    して、少なくともポリイミド、ポリアミド、ポリアミド
    イミド、エポキシ、フェノール、シリコーンの何れかか
    ら構成されていることを特徴とする請求項1または2記
    載の半導体装置。
  9. 【請求項9】前記半導体素子に形成された保護膜とし
    て、無機膜とその上に局部的に形成された有機膜とから
    なることを特徴とする請求項1または2記載の半導体装
    置。
  10. 【請求項10】前記配線層において、少なくとも信号配
    線については、配線幅を、前記応力緩和層のエッジ部を
    応力緩和層の平坦部よりも太く形成したことを特徴とす
    る請求項1または2記載の半導体装置。
  11. 【請求項11】前記配線層は、前記応力緩和層の表面に
    密着した給電膜層とめっき膜層とで構成されることを特
    徴とする請求項1または2記載の半導体装置。
  12. 【請求項12】複数の回路電極が配列され、保護膜が被
    覆された回路面を有する半導体素子と、 該半導体素子の回路面の保護膜上に前記回路電極を露出
    させて形成され、ガラス転移温度Tgが、150℃〜4
    00℃の範囲である硬化された樹脂からなり、エッジ部
    に傾斜を形成した応力緩和層と、 前記回路電極の各々に接続され、該回路電極から前記応
    力緩和層のエッジ部を通して応力緩和層の表面の所望の
    個所まで電気的につながって配設される複数の配線から
    なる配線層と、 前記応力緩和層の表面における複数の配線の各々の所定
    の個所を露出させて前記配線層の表面を被覆した表面保
    護膜と、 前記露出した複数の配線の各々の所定の個所にバンプを
    接合して形成した外部接続端子とを備えて構成されたこ
    とを特徴とする半導体装置。
  13. 【請求項13】前記応力緩和層の厚さが約35μm〜約
    150μmであることを特徴とする請求項12記載の半
    導体装置。
  14. 【請求項14】請求項1〜13の何れか一つに記載され
    た半導体装置を、該半導体装置における外部接続端子を
    回路基板に形成された電極に接合することにより、該回
    路基板に実装して構成することを特徴とする半導体装置
    実装構造体。
  15. 【請求項15】複数の回路電極が配列された回路面を有
    する複数の半導体素子が配列されたウエハを製造するウ
    エハ製造工程と、 該ウエハ製造工程において製造されたウエハ状態におけ
    る各半導体素子の回路面上に保護膜を形成する保護膜形
    成工程と、 該保護膜形成工程で形成されたウエハ状態における保護
    膜上に、前記回路電極が露出するように、熱可塑性樹脂
    ペーストをマスク印刷を用いてエッジ部に傾斜を有する
    応力緩和層を印刷し、該印刷された応力緩和層を硬化さ
    せて前記保護膜上に形成する応力緩和層形成工程と、 前記ウエハ状態における回路電極の各々に接続され、該
    回路電極から前記応力緩和層形成工程で形成された応力
    緩和層のエッジ部を通して応力緩和層の表面の所望の個
    所まで電気的につながって配設される複数の配線からな
    る配線層を形成する配線層形成工程と、 該配線層形成工程で形成されたウエハ状態における配線
    層の表面を、前記応力緩和層の表面における複数の配線
    の各々の所定の個所を露出させて表面保護膜で被覆する
    表面保護膜形成工程と、 前記ウエハ状態において露出した複数の配線の各々の所
    定の個所にバンプを接合して形成する外部接続端子形成
    工程と、 ウエハ状態から所望の単位に切断して半導体装置を得る
    切断工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造
    方法。
  16. 【請求項16】前記配線層形成工程は、スパッタ成膜工
    程とめっき成膜工程とを有することを特徴とする請求項
    15記載の半導体装置の製造方法。
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