JP2004128353A

JP2004128353A - 半導体装置

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Publication number: JP2004128353A
Application number: JP2002292846A
Authority: JP
Inventors: Toyomasa Takahashi; 高橋　豊誠; Hitoshi Kawaguchi; 川口　均
Original assignee: Sumitomo Bakelite Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Bakelite Co Ltd
Priority date: 2002-10-04
Filing date: 2002-10-04
Publication date: 2004-04-22

Abstract

【課題】温度サイクル信頼性に優れた半導体装置を提供すること。
【解決手段】半導体素子に接して絶縁樹脂層を有する半導体装置であって、該絶縁樹脂層の内部応力値（σ）が４０ＭＰａ以下である半導体装置であり、好ましくは半導体素子が、半導体ウェハからなり、絶縁樹脂層が半導体素子の片面のみに形成された半導体装置であり、更には半導体電極と外部接続用電極を導通する再配線回路及び外部接続用電極を有する半導体装置。
【選択図】　図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、優れた信頼性を有する半導体装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電子機器の高機能化並びに軽薄短小化の要求に伴い、電子部品の高密度集積化と高密度実装化が進んでいる。これらの電子機器に使用される半導体パッケージは、小型化かつ多ピン化している。
従来のようなリードフレームを使用した形態のパッケージでは、入出力端子をパッケージ周辺に１列配置するため、小型化かつ多ピン化を同時に実現するには、端子ピッチを縮小する必要があり、小型化と多ピン化に限界があることから、ボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）やチップスケールパッケージ（ＣＳＰ）等、パッケージの小型化・他ピン化に優れた構造のエリア実装型の新しいパッケージ方式が、提案されている。また、最近では、さらなる小型化のため、このＣＳＰを半導体チップサイズにまで小型化されたリアルチップサイズパッケージ（ＲＣＳＰ）が提案されている。
【０００３】
このようなパッケージの小型化、薄型化に伴って、１パッケージを構成する絶縁樹脂も少量になり、信頼性に関する樹脂性能の向上が、よりいっそう求められるようになった。特に、パッケージの性能を短時間で評価する方法として、温度サイクル試験（ＴＣ試験）があり、このＴＣ試験に対する信頼性について、よりいっそうの改善が要求されている。特に、冷却時に発生する半導体素子の劈開が問題となることがわかった。
従来、樹脂中にゴム粒子や、可とう性成分、可塑剤などを添加し、ウエハ（半導体素子）の反りを低減することにより、改善の試みが行なわれているが、未だ充分な効果が得られていないのが実情である。また、ウエハをダイシングする際に、まず、幅の広い刃を用いて、ダイシングラインに沿って溝を掘り、次に、幅の狭い刃を用いて個片化するベベルカット法により、半導体素子の端面に発生する局所応力を分散させ半導体素子の劈開を抑制する方法が報告されている。しかし、この方法ではベベルカットが可能な新規設備の導入が必要であり、これは、半導体装置（パッケージ）のコストアップにつながってしまう。
【０００４】
【非特許文献１】
電子材料、１９９９年９月号（５０〜５３頁）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明者らは、新たな設備導入が必要なく、従来のダイシング方法を用いてもＴＣ試験時に半導体素子の劈開が発生しない半導体装置の開発を検討し、ＴＣ試験時に発生する最大の内部応力、即ちＴＣ試験の冷却温度で発生する内部応力が一定値以下である絶縁樹脂層を有する半導体装置は、ＴＣ試験した際に半導体素子の劈開が低減できることを見出し、更に検討を進めることにより本発明を完成するに至った。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明は、
（１）　半導体素子に接して絶縁樹脂層を有する半導体装置であって、該絶縁樹脂層の式（１）により得られる内部応力値（σ）が４０ＭＰａ以下であることを特徴とする半導体装置、
【数２】

但し、σは内部応力、Ｅ_{ｒｅｓｉｎ}（Ｔ）は温度Ｔ℃における樹脂の弾性率、α_{ｒｅｓｉｎ}（Ｔ）は温度Ｔ℃における樹脂の線膨張係数、α_ｓｉ（Ｔ）は温度Ｔ℃における半導体素子の線膨張係数、Ｔｇは絶縁樹脂のガラス転移温度、Ｔ１は温度サイクル試験の冷却温度を示す。
（２）　半導体素子が、半導体ウェハからなる前記第（１）項記載の半導体装置、
（３）　絶縁樹脂層が、半導体素子の片面のみに形成された前記第（１）項又は前記第（２）項記載の半導体装置、
（４）　半導体電極と外部接続用電極を導通する再配線回路、および、外部接続用電極を有する前記第（１）〜（３）項のいずれかに記載の半導体装置、
である。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明の半導体装置は、少なくとも半導体素子に接して絶縁樹脂層が形成された構造を有する。具体的には、絶縁樹脂層が、半導体素子の片面又は両面に形成されていても良く、また、半導体素子の全面に形成されていても良い。更に、半導体装置の構成として、絶縁樹脂層の他に、半導体電極と外部接続用電極とを導通する再配線回路、外部接続用電極とを有する構造にも好適である。ここで、半導体素子は、半導体ウェハからなるものであっても良く、外部接続用電極としては、半田ボールやバンプからなるものが挙げられる。
更に、半導体装置の具体例を挙げると、一例として、図１に示す構造などからなるＲＣＳＰや、ＢＧＡ、ＣＳＰなどの小型化、薄型化された表面実装タイプの構造などが挙げられる。
【０００８】
本発明において、絶縁樹脂層は、熱硬化性及び／又は光硬化性及び／又は熱可塑性樹脂組成物からなるものが挙げられるが、ＴＣ試験において式（１）により得られる内部応力（σ）が４０ＭＰａ以下、好ましくは３０ＭＰａ以下である絶縁樹脂からなれば良い。内部応力（σ）が４０ＭＰａを超えると、ＴＣ試験した際に半導体素子の劈開が起こりやすくなる。
【０００９】
本発明において、熱硬化性樹脂組成物としては、特に限定されるものではないが、エポキシ樹脂、マレイミド樹脂、レゾール、フェノール樹脂、シアネート樹脂や、アクリロイル基又はメタクリロイル基を有する樹脂等の熱硬化性樹脂と、硬化剤とが主成分である樹脂組成物が挙げられ、例えばエポキシ樹脂組成物を用いることができる。
【００１０】
エポキシ樹脂組成物において、半導体装置内部に発生する応力を低減する場合、樹脂の低ガラス転移温度化と低線膨張化の２通りの方向がある。低ガラス転移温度化の場合は、例えば単官能や２官能のエポキシ樹脂や、脂肪族やシリーコーンなどの可とう性に優れたエポキシ樹脂を用いるのが好ましい。また、低線膨張化の場合は、例えばナフタレンや、ビフェニル骨格などの剛直構造を有するエポキシ樹脂を用いるのが好ましい。
【００１１】
また硬化剤としては、例えばフェノール樹脂系、酸無水物系、カルボン酸系、アミン系などが挙げられるが、パッケージ信頼性や加工性から、フェノールノボラックや、クレゾールノボラックなどに代表されるようなフェノール樹脂が好ましい。更に低応力化のためには、低ガラス転移温度化と低線膨張化の２通りの方法があるがある。低ガラス転移温度化の場合は、例えばフェノールアラルキル樹脂などの架橋密度を下げるフェノール樹脂を用いるのが好ましい。また、低線膨張化の場合は、例えばナフタレンやビフェニル骨格などに代表される剛直構造を有するフェノール樹脂を用いるのが好ましい。
【００１２】
また、本発明において、光硬化性樹脂組成物としては、特に限定するものではないが、光硬化性樹脂、光重合開始剤を主成分とする樹脂組成物が挙げられる。光硬化性樹脂としては、例えば、アクリロイル基、メタクリロイル基や、ビニル基などの光ラジカルで反応する官能基を有する化合物を用いることができるが、光硬化性樹脂において、３官能以上の化合物を併用する場合は、その比率を光硬化性樹脂全体の５０重量％以下にするのが好ましい。５０重量％以上ではでは未反応の官能基が残り、樹脂の熱劣化の原因となり好ましくない。
【００１３】
光硬化性樹脂組成物において、光重合開始剤としては、特に限定するものではないが、例えば、ベンゾフェノン、ベンゾイル安息香酸、４−フェニルベンゾフェノン、ヒドロキシベンゾフェノン、ベンゾイン、ベンゾインエチルエーテル、ベンゾインイソプロピルエーテル、ベンゾインブチルエーテル、ベンゾインイソブチルエーテル、４−フェノキシジクロロアセトフェノン、４−ｔ−ブチル−ジクロロアセトフェノン、４−ｔ−ブチル−トリクロロアセトフェノン、ジエトキシアセトフェノン、エチルアントラキノン、ブチルアントラキノン、ベンジルジメチルケタールなどの芳香族カルボニル化合物を挙げることができる。これらは単独、あるいは２種以上の混合物として用いることができる。この光重合開始剤の配合量は、光硬化性樹脂組成物中に０．１〜１０重量％の範囲が好ましい。０．１重量％未満であると感光性を示さなくなる恐れがあり、１０重量％より多いと、熱時にボイドが発生する恐れがある。
また、本発明において熱可塑性樹脂組成物としては、特に限定するものではないが、例えば、ポリイミド、ポリベンゾオキサゾール、フェノキシ樹脂、ポリエーテルイミド、ポリエーテルスルホン、ポリオレフィン、ポリエステルなどが挙げられる。
【００１４】
上記の熱硬化性樹脂組成物、光硬化性樹脂組成物、熱可塑性樹脂組成物に、フィラー、カップリング剤などを加えてもよい。フィラーとしては特に限定するものではなく、例えば、シリカやアルミナなどに代表される球形フィラー、酸化チタンやホウ酸アルミニウムなどに代表されるような針状フィラー、マイカや硫酸バリウムに代表されるような鱗片状（板状）フィラー、さらには不定形フィラーなどが挙げられる。カップリング剤としては特に限定するものではなく、例えば、シラン系カップリング剤、チタネート系カップリング剤などが挙げられる。
【００１５】
なお、本発明に用いられる熱硬化性樹脂組成物には必要に応じて硬化促進剤を加えてもよい。例えば、３級アミン、４級アンモニウム塩、イミダゾール類、ラジカル重合開始剤を１種、もしくは２種以上ブレンドして添加してもよい。
【００１６】
本発明に用いられる熱硬化、光硬化性、熱可塑性樹脂組成物は、それそれの成分を適宜配合し、樹脂溶液として用いると良いが、例えば、メチルエチルケトンやエチルセロソルブなど有機溶剤に、上記固形成分や液状成分を溶解し、フィラーをディスパーザーやホモジナイザーで高速攪拌することにより分散させ製造することができる。
【００１７】
本発明において、半導体装置に絶縁樹脂層を形成する方法としては、例えば、熱硬化性、光硬化性及び／又は熱可塑性樹脂組成物の樹脂溶液を、ＰＥＴ等の基材に塗布し乾燥することにより、ドライフィルムを形成し、半導体素子上に積層して、半導体装置用の絶縁樹脂層とすることができる。また、樹脂溶液を直接ウェハの上に塗布、乾燥し、絶縁樹脂層を形成することもできる。半導体装置に再配線回路を形成する方法としては、絶縁樹脂層上に銅箔を積層し、その銅箔をエッチングする方法がある。また、前記樹脂溶液を銅箔に塗布し乾燥することにより、絶縁樹脂層付き銅箔を形成し、これをウェハ上に積層し、前記銅箔をエッチ
ングして回路を形成する方法も挙げられる。
【００１８】
このようにして得られる半導体装置の絶縁樹脂層において、ＴＣ試験の冷却温度での内部応力（σ）が４０ＭＰａ以下のものを用いることにより、ＴＣ試験の信頼性に優れたものが得られる。
【００１９】
なお、前記内部応力において、弾性率（Ｅ_{ｒｅｓｉｎ}）及びガラス転移温度Ｔｇは、絶縁樹脂を用いて動的粘弾性測定装置（ＤＭＳ）により得られる。また、線膨張係数（α_{ｒｅｓｉｎ}、α_ｓｉ）は、絶縁樹脂及び半導体素子を用いて、それぞれ熱分析測定装置（ＴＭＡ）により得られる。
【００２０】
【実施例】
以下、実施例により更に具体的に説明するが、本発明はこれによって何ら限定されるものではない。
【００２１】
（実施例および比較例）
［樹脂溶液の作製］
無機充填剤を除く各樹脂組成物成分を、それぞれ表１、２に示す配合量に従い、配合し、ディスパーザー（４０００ｒｐｍ）で約１時間攪拌し溶解した。その後、表１、２に示す配合量の無機充填剤を添加し、樹脂溶液の周囲を氷水で冷却しながら、ディスパーザー（８０００ｒｐｍ）で１５分間、さらに、ホモジナイザー（１００００ｒｐｍ）で１５分間攪拌して光硬化性及び／又は熱硬化性樹脂組成物及び／又は熱可塑性樹脂組成物からなる樹脂溶液を得た。
【００２２】
上記で得られた樹脂溶液を離型処理されたＰＥＴフィルム状に塗布し、６０℃／１０分、その後８０℃／１０分乾燥した後、露光量７５０ｍＪで露光し、８０℃／１時間＋１２０℃／１時間＋１８０℃／１時間加熱し、硬化物を得た。この硬化物の弾性率Ｅ_{ｒｅｓｉｎ}（Ｔ）を動的粘弾性測定装置ＤＭＳ（ＤＭＳ２１０、セイコー電子工業（株）製）を用いて測定した。結果を図１に示す。また、ＤＭＳのｔａｎδのピーク温度を樹脂のＴｇとした。一方、硬化物の線膨張係数α_{ｒｅｓｉｎ}（Ｔ）を熱分析測定装置ＴＭＡ（ＴＭＡ／ＳＳ６０００、セイコー電子工業（株）製）を用いて測定した。結果を図２に示す。また、半導体素子の線膨張係数α_ｓｉ（Ｔ）も上記の装置を用いて測定した。これらの測定によって得られたデータを式（１）に代入して、それぞれの内部応力（σ）を求めた。結果を表１、２に示す。
【００２３】
【表１】

【００２４】
【表２】

【００２５】
［半導体装置（図３）の作製］
上記で得た樹脂溶液を、５μｍ厚の電解銅箔上に、バーコーターにより流延塗布し、６０℃で１０分間、８０℃で１０分間乾燥することにより、厚さ７０μｍの樹脂層付き銅箔（ＲＣＣ）を得た。このＲＣＣを、８インチの半導体ウェハ１表面にロールラミネーターにより貼付けし、半導体ウェハ（シリコンウェハ）１に絶縁樹脂層２付き銅箔を積層した構造物を得た。次に、この構造物の上に、ロールラミネーターによりドライフィルムメッキレジストを貼付けて、メッキレジスト層を形成し、ワイヤーボンドフィンガー、半田ボールパッド、およびそれらをつなぐための回路となるべき部位を、フォトリソグラフィー手法により開口した後、ここに１０μ厚の銅層、５μｍ厚のニッケル層、および１μｍ厚の金層を電解メッキによりニッケル／金メッキ層６を形成した。この後、メッキレジストを３％水酸化ナトリウム水溶液で剥離除去した後、金メッキ層をレジストとして、ＲＣＣの銅箔をフラッシュエッチングし、金メッキ層直下に再配線回路５を形成した。
さらに、エッチングにより銅箔が除去された樹脂層表面を、ワイヤーボンドパッド上の部位を現像、開口できるように、平行光露光機を用いて露光し、２．３８％テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド水溶液にて所定位置の樹脂を溶解除去し、その表面に紫外線を５００ｍＪ照射した後、８０℃／１時間＋１２０℃／１時間＋１８０℃／１時間加熱することにより、ウェハ上に、ワイヤーボンディング用の樹脂開口部、および金メッキで表面を被覆されたワイヤーボンドフィンガー、半田ボールパッド、およびこれらをつなぐ再配線回路を持つ、完全硬化した絶縁樹脂層２を得た。
【００２６】
次に、７０℃に加熱されたロールラミネーターにより、ドライフィルムソルダーレジスト（厚み１８μｍ）（ＣＦＰ１１２３住友ヘ゛ークライト製）を再配線回路５上に貼り付け、ワイヤーボンドフィンガー、半田ボールパッドとワイヤーボンディング用として、絶縁樹脂層開口部にフォトマスクを使用し、平行光露光機を用いて２５０ｍＪで露光し、２．３８％テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド水溶液にて所定位置の絶縁樹脂層を溶解除去し、その表面に紫外線を５００ｍＪ照射した後、１２０℃１時間加熱することによりソルダーレジスト層３を硬化させた。次に、樹脂開口部を経由して金ワイヤー８により半導体ウェハ１と絶縁樹脂上の再配線回路５が接合された後、絶縁樹脂層開口部及びワイヤーボンドフィンガー周辺を印刷封止樹脂（ＣＲＰ５３００住友ベークライト製）４により封止し、１８０℃で１時間硬化した。そして半田ボール７を搭載し、最後にダイシングすることにより、ＴＣ信頼性評価用半導体装置（図３）を得た。サイズは１０ｍｍ×５ｍｍ×１．３ｍｍである。
【００２７】
また、ＴＣ評価用簡易パッケージとして、図４に示すようにシリコーンチップ（半導体素子）上に絶縁樹脂を積層した構造でサイズが異なるものをそれぞれ作製した。
作製方法としては、上記で得られた樹脂溶液を離型処理されたＰＥＴフィルム状に塗布し、６０℃／１０分、その後８０℃／１０分乾燥した後、半導体ウエハ上にラミネートし、平行光露光機を用いて７５０ｍＪ露光する。その後、ＰＥＴを剥がし、８０℃／１時間＋１２０℃／１時間＋１８０℃／１時間熱硬化する。最後にダイシングすることにより、目的のサイズのＴＣ評価用簡易パッケージを作製した。
【００２８】
このようにして得られた半導体装置およびＴＣ評価用簡易パッケージを用いて、−６５℃／３０分〜１５０℃／３０分と、−２５℃／３０分〜１５０℃／３０分の条件で、サイクル数を、５０サイクル、１００サイクル、２００サイクル、５００サイクルと変えて、ＴＣ試験を行なった。そして、ＴＣ試験における半導体素子の劈開発生数を顕微鏡観察により観察し（各サンフ゜ルｎ＝１０）、良品率としてまとめた。結果を表３，４に示した。なお、良品率は［（全サンフ゜ル数１０）−（劈開発生サンフ゜ル数）］　　×１００／（全サンフ゜ル数１０）の式より求めた。
【００２９】
【表３】

【００３０】
【表４】

【００３１】
（実施例１から２０）および（比較例１から１２）の結果から、従来のダイシング法でも、絶縁樹脂層に式（１）によって求められた内部応力が４０ＭＰａ以下の樹脂を用いた半導体装置は、半導体装置のサイズに関係なく、優れた温度サイクル信頼性を有していることがわかる。
【００３２】
【発明の効果】
本発明によれば、温度サイクル試験において、半導体素子の劈開の問題のない信頼性に優れた半導体装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例及び比較例に用いた樹脂の弾性率
【図２】実施例及び比較例に用いた樹脂の線膨張係数
【図３】温度サイクル信頼性評価用半導体装置の断面概略図である。
【図４】温度サイクル信頼性評価用簡易パッケージの概略図である。
【符号の説明】
１　半導体ウエハー
２　絶縁樹脂層
３　ソルダーレジスト層
４　印刷封止樹脂
５　再配線回路
６　ニッケル／金メッキ層
７　半田ボール
８　金ワイヤー

Claims

半導体素子に接して絶縁樹脂層を有する半導体装置であって、該絶縁樹脂層の式（１）により得られる内部応力値（σ）が４０ＭＰａ以下であることを特徴とする半導体装置。

但し、σは内部応力、Ｅ_{ｒｅｓｉｎ}（Ｔ）は温度Ｔ℃における樹脂の弾性率、α_{ｒｅｓｉｎ}（Ｔ）は温度Ｔ℃における樹脂の線膨張係数、α_ｓｉ（Ｔ）は温度Ｔ℃における半導体素子の線膨張係数、Ｔｇは絶縁樹脂のガラス転移温度、Ｔ１は温度サイクル試験の冷却温度を示す。
半導体素子が、半導体ウェハからなる請求項１記載の半導体装置。
絶縁樹脂層が、半導体素子の片面のみに形成された請求項１又は２記載の半導体装置。
半導体電極と外部接続用電極を導通する再配線回路、および、外部接続用電極を有する請求項１〜３のいずれかに記載の半導体装置。