JP2004179590A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】端子間のマイグレーションおよびショートを防止することができる半導体装置およびその製造方法を提供する。
【解決手段】インナーリード23を表面に形成したテープ基材22と、インナーリード23に電極がバンプ15を介して電気的に接続された半導体素子11とを備え、インナーリード23を含むテープ基材22の表面および半導体素子11の電極形成面にシラン系カップリング剤18が形成されている。テープ基材22と半導体素子11との間に封止樹脂25が充填され、カップリング剤18はテープ基材22の表面における封止樹脂25の端部よりも外側まで形成されている。
【選択図】 図1

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置に関し、特に、半導体素子を搭載した半導体パッケージにおいて、耐湿性および耐水性に優れ、高い品質信頼性を得られる半導体装置の構造に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
図11および図12は、従来の半導体装置の構造および製造方法を示す工程断面図である。
【0003】
従来、半導体素子11は、最表面に表面保護膜13としてシリコンナイトライド(窒化ケイ素)が形成され、シリコンナイトライドの上に封止樹脂25を有する構成になっている。半導体素子11上の最表面はシリコン酸化膜のケースもあり、さらに、表面を保護するために有機絶縁膜を有するものがある。有機絶縁膜は、バンプ15を除く、半導体素子11の表面に形成されている。電極であるアルミパッド12の上にはアンダーメタルバンプ14があり、その上にバンプ15が形成される。一般的にバンプ15の材料は金である。
【0004】
また、テープ基材22は、有機材料基材例えばポリイミド基材21上に金属配線が形成されており、半導体素子11との接合部、あるいは外部端子との接合部以外は、外部環境から引き回し配線24を保護するためソルダーレジスト19により覆われている(図11(a)、(b))。
【0005】
従来の半導体装置の構成およびその製造方法を以下に説明する。半導体素子11上のバンプ15に接続するインナーリード23をもつ引き回し配線24を有する構成のテープ基材22において、下支えのあるインナーリード23と半導体素子11上のバンプ15が、位置合わせされる(図11(c))。そして、ボンディングステージ27とボンディングツール28によって熱圧着され、金属接合が形成される(図12(a))。半導体素子11の表面やインナーリード23を外部力や湿気、汚染物などの悪い環境から電気的、物理的に保護するため、半導体素子11の表面とテープ基材22間に封止樹脂25をアンダーフィル充填する(図12(b))。封止樹脂25はアンダーフィル充填後、硬化され、半導体パッケージが得られる(図12(c))。
【0006】
また、第2の製造方法としてテープ基材22上に封止樹脂25を先行して塗布し、その後、下支えのあるインナーリード23と半導体素子11上のバンプ15がボンディングツール28によって圧接される。同時に、封止樹脂25も硬化される。硬化が完了していない場合は、その後、さらに加熱して硬化され、半導体パッケージが得られる。
【0007】
今回発明した半導体装置に用いられるディスプレイデバイス向けの半導体素子では、近年、ディスプレイデバイスの大型化、高輝度化等への進展に伴い、半導体素子の仕様も高耐圧化している。また、半導体素子上のパッド間隔は、より高密なプロセスをより小さく製造することが技術のトレンドであり、そのため狭パッド間隔化が進んでいる。高電圧、狭パッド化は、品質信頼性の確保においては大きな課題であり、半導体パッケージの構成も前述した要求に答えなければならない方向にある。
【0008】
【特許文献】
特開2002−141643号公報(P5、図1)
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
以上の様に、高耐圧化、微細化に伴う狭パッド間隔化が進む半導体素子において、従来の有機テープを基材とした半導体パッケージにおいては、高耐圧の半導体素子を使用する場合、従来の半導体素子表面を封止樹脂としてエポキシ樹脂で被覆する構成では、高温高湿バイアステストにおいて、封止樹脂の吸湿、高電圧そしてパッド間隔が狭いことの複合的原因で、端子間のマイグレーション、あるいはショートという問題が発生した。
【0010】
これは、端子間隔が狭くなり、さらに高電圧がかかる環境にあって、端子間に微弱なリーク電流が発生し、それぞれの端子で電気化学的反応が起り、水分の電気分解が発生する。そして高電位側では酸素が発生し、端子部分の封止樹脂と接着力が弱い界面で水分が溜まる微小なポケットが形成され、さらに吸湿量が多くなると、封止樹脂と半導体素子間、封止樹脂とテープ基材間の界面での剥離が進行し、電気が通り易くなったパスが形成される。また、各端子で水分の電気分解と共に、端子を形成する金属の溶出も進み、その結果、端子間でマイグレーションが発生、進行し、端子間でのショートに至った。
【0011】
したがって、この発明の目的は、端子間のマイグレーションおよびショートを防止することができる半導体装置およびその製造方法を提供することである。
【0012】
【課題を解決するための手段】
請求項1記載の半導体装置は、インナーリードを表面に形成した基材と、インナーリードに電極が電気的に接続された半導体素子とを備え、インナリードを含む基材の表面および半導体素子の電極形成面の少なくとも一方にカップリング剤が形成されていることを特徴とするものである。
【0013】
請求項1記載の半導体装置によれば、半導体素子の表面および側面にカップリング剤を塗布するか、もしくは、例えばテープ基材の封止樹脂と接する部分にもカップリング剤を塗布し、またはその両方の塗布をおこない、これらの表面改質により、半導体素子と封止樹脂およびテープ基材と封止樹脂の密着性、接着性を向上させることができる。このため、耐湿性、耐水性に優れた半導体装置を提供することができる。したがって、封止樹脂の高電位、吸湿、狭パッド間隔の条件下であっても、水分の電気分解、あるいは水分が滞留するスペースが出来るのを防ぐことで、端子間のショートを防止することができる。またテープ基材をカップリング処理した場合、一般的に接着強度が低い金属配線部分と封止樹脂の接着力も向上する。さらに、半導体表面をカップリング剤処理するだけでなく、テープ基材表面もカップリング剤処理することで、封止樹脂との接着界面全ての接着力を向上させ、テープ基材−封止樹脂界面からの水分の浸入を防止することで耐湿性を大きく向上することができる。
【0014】
請求項2記載の半導体装置は、インナーリードを表面に形成したテープ基材と、インナーリードに電極がバンプを介して電気的に接続された半導体素子とを備え、インナーリードを含むテープ基材の表面および半導体素子の電極形成面の少なくとも一方にシラン系カップリング剤が形成されていることを特徴とするものである。
【0015】
請求項2記載の半導体装置によれば、請求項1と同様な効果がある。
【0016】
請求項3記載の半導体装置は、請求項2において、テープ基材と半導体素子との間に封止樹脂が充填され、カップリング剤はテープ基材の表面における封止樹脂の端部よりも外側まで形成されているものである。
【0017】
請求項3記載の半導体装置によれば、請求項2と同様な効果がある。
【0018】
請求項4記載の半導体装置は、請求項2において、半導体素子の電極形成面に、ゴム粒子を含んだ絶縁膜が形成されているものである。
【0019】
請求項4記載の半導体装置によれば、請求項2と同様な効果のほか、例えばゴム粒子を含んだ有機絶縁膜でアンダーメタルバンプの露出部を覆うことで、水分の浸入を防止し、耐水性を高め、金属の酸化、マイグレーション、金属の溶出を防止することができ、高温高湿、高耐圧の使用のもとで、端子間ショートを防止することで品質信頼性の高い半導体パッケージを提供することができる。
【0020】
請求項5記載の半導体装置は、請求項4において、半導体素子の電極とバンプとの間にアンダーメタルバンプが形成され、アンダーメタルバンプが封止樹脂と接触しないように、アンダーメタルバンプの周囲にのみ絶縁膜が形成されているものである。
【0021】
請求項5記載の半導体装置によれば、請求項4と同様な効果がある。
【0022】
請求項6記載の半導体装置は、請求項4において、ゴム粒子を含んだ絶縁膜が、感光性樹脂であることを特徴とするものである。
【0023】
請求項6記載の半導体装置によれば、エッチングによりアンダーメタルバンプの周囲にのみ有機絶縁膜を形成でき、請求項4と同様な効果がある。
【0024】
請求項7記載の半導体装置の製造方法は、表面にインナーリードが形成されたテープ基材の表面の半導体素子の搭載領域および半導体素子の電極形成面の少なくとも一方に、シラン系カップリング剤を形成する工程と、カップリング剤形成面に封止樹脂を供給する工程と、インナーリードと半導体素子の電極とを電気的に接続する工程とを含む半導体装置の製造方法。
【0025】
請求項7記載の半導体装置の製造方法によれば、請求項1と同様な効果がある。
【0026】
請求項8記載の半導体装置の製造方法は、請求項7において、半導体素子の電極形成面にカップリング剤を形成する場合、半導体素子の側面にもカップリング剤を連続形成するものである。
【0027】
請求項8記載の半導体装置の製造方法によれば、請求項7と同様な効果がある。
【0028】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の半導体装置の第一の実施形態について図1を参照して説明する。図1(a)〜(c)は、本発明の第一の実施形態についてその構造を説明するための図である。図1(a)は、半導体素子11のバンプ15のある表面および側面を図(a1)から図(a2)のようにカップリング剤18で表面改質を行ったことを示す断面図である。ここで、19は上記したようにソルダーレジスト、21はポリイミド基材、23はインナーリード、24は引き回し配線である。図1(b)は同様に、テープ基材22を図(b1)から図(b2)のようにカップリング剤18で表面改質を行ったことを示す断面図である。図1(c)は、表面改質を行った半導体素子11とテープ基材22をバンプ15とインナーリード23で接合するとともに、半導体素子11とテープ基材22間に封止樹脂25を充填して、封止が完了した状態を示す断面図であり、本発明の第一の実施形態についてその構造を説明する断面図である。この場合、テープ基材22はボンディングステージに支持され、ボンディングツールで半導体素子11を押圧することにより、インナーリード23とバンプ15の間のカップリング剤18を押し退けて接合している。が半導体素子11とテープ基材22が封止樹脂25と接触する面は、カップリング剤18により表面が改質され、良好な接着を発現する。カップリング剤18はテープ基材22の表面における封止樹脂25の端部よりも外側まで形成されている。ここで、カップリング剤は、γ−グリシドキシプロピルトリエトキシシラン、γ−グリシドキシプロピルメチルジエトキシシラン、γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、あるいは、γ−メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン等を0.1%〜2.0%水溶液にしたものを用いる。テープ基材22への塗布後、80℃〜120℃/5分の乾燥、あるいは自然乾燥により成膜される。
【0029】
以上から、テープを基材として、高耐圧の半導体素子を使用したパッケージの場合においても、高温高湿バイアステストにおいて、マイグレーション、端子間ショートを起こさず、耐湿性、耐水性に優れた半導体装置を提供する。
【0030】
図2および図3は、本発明の半導体装置の第二の実施形態について示す断面図である。ウェハ17上のアルミパッド12の上にアンダーメタルバンプ14を形成し、アンダーメタルバンプ14を電極として、バンプ15が電解めっきにより形成される(図2(a))。13は保護膜である。その後、ゴム粒子を含んだ絶縁膜例えば有機絶縁膜16をウェハ17上に形成する。ここで、ゴム粒子を含んだ有機絶縁膜16は、感光性の材料例えば樹脂である(図2(b))。つぎにバンプ15下のアンダーメタルバンプ14の周囲が露出している箇所を除き、ゴム粒子を含んだ有機絶縁膜16は露光されてエッチングされる(図3(a))。最終的に、アンダーメタルバンプ14は、ゴム粒子を含んだ有機絶縁膜16により覆われ、アンダーメタルバンプ14の露出部分は、無くなる(図3(b))。
【0031】
ゴム粒子を含んだ有機絶縁膜16は、ゴム成分を含んでいるため耐水性が良好であり、高温高湿環境下でバンプ15下のアンダーメタルバンプ14の周囲が露出している箇所に、水分が滞留することを防止することができる。
【0032】
図4は、本発明の第一の実施形態の半導体素子の表面処理にかかる第一の製造方法について、その製造工程に沿って説明するため(a)〜(g)に分図して示す工程断面図である。すなわち、ウェハ17があり(図4(a))、ダイシングブレード33によってウェハ17はダイシングされる(図4(b))。尚、ウェハ17のダイシングはハーフカットで行われる(図4(c))。ハーフカット後のウェハ17に供給手段によりカップリング剤18を塗布する(図4(d))。塗布後、カップリング剤18は、ウェハ17のスピンかエアーブローにより吹き飛ばされ、ウェハ17上に薄膜のカップリング剤18が形成される。そして、乾燥、あるいは熱処理によりウェハ17表面にカップリング剤18が形成される(図4(e))。表面にカップリング剤18が形成されたウェハ17は、ハーフカットダイシング時のブレード33のブレード幅より小さいブレード幅のブレード34でフルカットされる(図4(f))。ブレード34によるフルカット後、カップリング剤18の塗布後のダイシングが完了する(図4(g))。
【0033】
図5は、本発明の第一の実施形態の半導体素子表面処理にかかる第二の製造方法について、その製造工程に沿って説明するための工程断面図である。なお、図5は、(a)〜(g)に分図して示す工程断面図である。ウェハ17があり(図5(a))、ダイシングブレード33によってウェハ17はダイシングされる(図5(b))。尚、ウェハ17のダイシングはハーフカットで行われる(図5(c))。
ハーフカット後のウェハ17に供給手段によりカップリング剤18を塗布する(図5(d))。塗布後、カップリング剤18は、ウェハ17のスピンかエアーブローにより吹き飛ばされ、ウェハ17上に薄膜のカップリング剤18が形成される。そして、乾燥、あるいは熱処理によりウェハ17表面にカップリング剤18が形成される(図5(e))。表面にカップリング剤18が形成されたウェハ17は、バックグラインダ35でバックグラインドすることにより、フルカットされる(図5(f))。バックグラインダ35によるフルカット後、カップリング剤18の塗布後のダイシングが完了する(図5(g))。
【0034】
図6は、本発明の第一の実施形態の半導体素子表面処理にかかる第三の製造方法について、その製造工程に沿って説明するための工程断面図である。なお、図6は、(a)〜(e)に分図して示す工程断面図である。ウェハ17があり(図6(a))、ダイシングブレード34によってウェハ17はダイシングされる(図6(b))。尚、ウェハ17のダイシングはフルカットで行われる(図6(c))。ウェハ17をフルカットダイシングし、ダイシング後のウェハ17を洗浄手段により洗浄する際、洗浄水にカップリング剤18を混入させ、カップリング剤水溶液にてウェハ17の洗浄を行う。この洗浄により、半導体素子11の表面および側面にカップリング剤18が形成される(図6(d))。洗浄水は、ダイシング後のウェハ17のスピンかエアーブローにより吹き飛ばされる。そして、乾燥、あるいは熱処理によりウェハ17表面にカップリング剤18が形成される(図6(e))。
【0035】
図7は、本発明の第一の実施形態のテープ基材表面処理にかかる第一の製造方法について、その製造工程に沿って説明するための工程断面図である。なお、図7は、(a)〜(d)に分図して示す工程断面図である。図1に示した構成のテープ基材22がある(図7(a))。テープ基材22上の、封止樹脂25と接着する領域に、供給手段としてカップリング剤噴霧ノズル29を用いカップリング剤水溶液を塗布する(図7(b))。塗布されたカップリング剤水溶液は、塗布後カップリング剤ブローノズル31により吹き飛ばすか、あるいは塗布後の状態のまま熱硬化されるか、自然乾燥される(図7(c))。カップリング剤水溶液の硬化により、カップリング剤18は、テープ基材22上に形成される(図7(d))。
【0036】
図8は、本発明の第一の実施形態のテープ基材表面処理にかかる第二の製造方法について、その製造工程に沿って説明するための工程断面図である。なお、図8は、(a)〜(d)に分図して示す工程断面図である。図7(a)と同様なテープ基材22がある(図8(a))。テープ基材22上の、封止樹脂25と接着する領域に、供給手段としてカップリング剤滴下ノズル32を用いカップリング剤水溶液を滴下塗布する(図8(b))。塗布されたカップリング剤水溶液は、塗布後カップリング剤ブローノズル31により吹き飛ばすか、あるいは塗布後の状態のまま熱硬化されるか、自然乾燥される(図8(c))。カップリング剤水溶液の硬化により、カップリング剤18は、テープ基材22上に形成される(図8(d))。なお、カップリング剤成膜時に使用されるカップリング剤は、0.1%〜2.0%水溶液にしたものを用いる。
【0037】
図9は、本発明の半導体装置の第一の実施形態または第二の実施形態の組立工程を分図して示す工程断面図である。カップリング剤18が形成されたテープ基材22をボンディングステージ27にセットし、封止樹脂25を塗布するためテープ基材22を位置合わせする(図9(a))。位置合わせされたテープ基材22上に封止樹脂25が封止樹脂供給手段として塗布ノズル26から塗布される(図9(b))。テープ基材22のインナーリード23と、半導体素子11上のバンプ15は、ボンド位置合せが行われる(図9(c))。それから、インナーリード23とバンプ15はボンディングツール28で熱圧着されると同時に、塗布された封止樹脂25も硬化される。尚、ボンディングは一括して行われる(図9(d))。硬化が不十分な場合は、その後、ポストキュアが行われる(図9(e))。
【0038】
図10は、本発明の半導体装置の第一の実施形態または第二の実施形態の組立工程を分図して示す工程断面図である。カップリング剤18が形成されたテープ基材22をボンディングステージ27にセットし、封止樹脂25を塗布するためテープ基材22を位置合わせする(図10(a))。ボンディングステージ27にセットされたテープ基材22上のインナーリード23と、半導体素子11上のバンプ15は、ボンディングを行うための位置合せが行われる(図10(b))。
それから、インナーリード23とバンプ15はボンディングツール28で熱圧着される(図10(c))。ボンディングは一括して行われる。次に、アンダーフィル方式により、液状の封止樹脂25を半導体素子11の側面に塗布し、充填させる。塗布は、封止樹脂供給手段として塗布ノズル26を使用し、ディスペンス方式で描画して行う(図10(d))。封止樹脂25は、引き回し配線24がソルダーレジスト19で覆われているところまで塗布され、引き回し配線24が露出することは無い(図10(e))。ここで用いられるポリイミド基材21は、リール方式で厚さ25μm〜75μm、そして、ポリイミド基材21の幅は、35mm、48mm、70mm、あるいは個片で厚さ25μm〜70mmである。
【0039】
なお、カップリング剤はテープ基材と半導体素子のいずれか一方のみでもよい。
【0040】
【発明の効果】
請求項1記載の半導体装置によれば、半導体素子の表面および側面に例えばシラン系のカップリング剤を塗布するか、もしくは、例えばテープ基材の封止樹脂と接する部分にもカップリング剤を塗布し、またはその両方の塗布をおこない、これらの表面改質により、半導体素子と封止樹脂およびテープ基材と封止樹脂の密着性、接着性を向上させることができる。このため、耐湿性、耐水性に優れた半導体装置を提供することができる。したがって、封止樹脂の高電位、吸湿、狭パッド間隔の条件下であっても、水分の電気分解、あるいは水分が滞留するスペースが出来るのを防ぐことで、端子間のショートを防止することができる。またテープ基材をカップリング処理した場合、一般的に接着強度が低い金属配線部分と封止樹脂の接着力も向上する。さらに、半導体表面をカップリング剤処理するだけでなく、テープ基材表面もカップリング剤処理することで、封止樹脂との接着界面全ての接着力を向上させ、テープ基材−封止樹脂界面からの水分の浸入を防止することで耐湿性を大きく向上することができる。
【0041】
請求項2記載の半導体装置によれば、請求項1と同様な効果がある。
【0042】
請求項3記載の半導体装置によれば、請求項2と同様な効果がある。
【0043】
請求項4記載の半導体装置によれば、請求項2と同様な効果のほか、例えばゴム粒子を含んだ有機絶縁膜でアンダーメタルバンプの露出部を覆うことで、水分の浸入を防止し、耐水性を高め、金属の酸化、マイグレーション、金属の溶出を防止することができ、高温高湿、高耐圧の使用のもとで、端子間ショートを防止することで品質信頼性の高い半導体パッケージを提供することができる。
【0044】
請求項5記載の半導体装置によれば、請求項4と同様な効果がある。
【0045】
請求項6記載の半導体装置によれば、エッチングによりアンダーメタルバンプの周囲にのみ有機絶縁膜を形成でき、請求項4と同様な効果がある。
【0046】
請求項7記載の半導体装置の製造方法によれば、請求項1と同様な効果がある。
【0047】
請求項8記載の半導体装置の製造方法によれば、請求項7と同様な効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第一の実施形態を(a)〜(c)に分図して示す断面図である。
【図2】本発明の第二の実施形態を(a)〜(b)に分図して示す断面図である。
【図3】図2に続く工程を示す断面図である。
【図4】本発明の第一の実施形態の半導体素子表面処理にかかる第一の製造方法を(a)〜(g)に分図して示す工程断面図である。
【図5】本発明の第一の実施形態の半導体素子表面処理にかかる第二の製造方法を(a)〜(g)に分図して示す工程断面図である。
【図6】本発明の第一の実施形態の半導体素子表面処理にかかる第三の製造方法を(a)〜(e)に分図して示す工程断面図である。
【図7】本発明の第一の実施形態のテープ基材表面処理にかかる第一の製造方法を(a)〜(d)に分図して示す工程断面図である。
【図8】本発明の第一の実施形態のテープ基材表面処理にかかる第二の製造方法を(a)〜(d)に分図して示す工程断面図である。
【図9】本発明の第一の実施形態および第二の実施形態の第一の組立工程を(a)〜(e)に分図して示す工程断面図である。
【図10】本発明の第一の実施形態および第二の実施形態の第二の組立工程を(a)〜(e)に分図して示す工程断面図である。
【図11】従来の半導体装置を(a)〜(c)に分図して示す工程断面図である。
【図12】図11につづく工程断面図である。
【符号の説明】
11 半導体素子
12 アルミパッド
13 保護膜
14 アンダーメタルバンプ
15 バンプ
16 ゴム粒子を含んだ有機絶縁膜
17 ウェハ
18 カップリング剤
19 ソルダーレジスト
21 ポリイミド基材
22 テープ基材
23 インナーリード
24 引き回し配線
25 封止樹脂
26 樹脂塗布ノズル
27 ボンディングステージ
28 ボンディングツール
29 カップリング剤噴霧ノズル
31 カップリング剤ブローノズル
32 カップリング剤滴下ノズル
33 ダイシングブレード(ハーフカット)
34 ダイシングブレード(フルカット)
35 バックグラインダ

Claims (8)

  1. インナーリードを表面に形成した基材と、前記インナーリードに電極が電気的に接続された半導体素子とを備え、前記インナリードを含む前記基材の表面および前記半導体素子の電極形成面の少なくとも一方にカップリング剤が形成されていることを特徴とする半導体装置。
  2. インナーリードを表面に形成したテープ基材と、前記インナーリードに電極がバンプを介して電気的に接続された半導体素子とを備え、前記インナーリードを含む前記テープ基材の表面および前記半導体素子の電極形成面の少なくとも一方にシラン系カップリング剤が形成されていることを特徴とする半導体装置。
  3. テープ基材と半導体素子との間に封止樹脂が充填され、カップリング剤は前記テープ基材の表面における前記封止樹脂の端部よりも外側まで形成されている請求項2記載の半導体装置。
  4. 半導体素子の電極形成面に、ゴム粒子を含んだ絶縁膜が形成されている請求項2記載の半導体装置。
  5. 半導体素子の電極とバンプとの間にアンダーメタルバンプが形成され、前記アンダーメタルバンプが封止樹脂と接触しないように、前記アンダーメタルバンプの周囲にのみ絶縁膜が形成されている請求項4記載の半導体装置。
  6. ゴム粒子を含んだ絶縁膜は、感光性樹脂であることを特徴とする請求項4記載の半導体装置。
  7. 表面にインナーリードが形成されたテープ基材の前記表面の半導体素子の搭載領域および半導体素子の電極形成面の少なくとも一方に、シラン系カップリング剤を形成する工程と、前記カップリング剤に封止樹脂を供給する工程と、前記インナーリードと前記半導体素子の電極とを電気的に接続する工程とを含む半導体装置の製造方法。
  8. 半導体素子の電極形成面にカップリング剤を形成する場合、前記半導体素子の側面にも前記カップリング剤を連続形成する請求項7記載の半導体装置の製造方法。
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