JP2006202974A - Electronic device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、複数のバンプ電極を備えた電子装置に関するものである。 The present invention relates to an electronic device including a plurality of bump electrodes.
近年、新たなパッケージ技術として、WCSP(Wafer Level Chip Size Package)が注目されている。WCSPとは、半導体チップの外形寸法と略同サイズの外形寸法を有する小型パッケージをいう。以下一例としてBGA(Ball Grid Array)型の電子装置について説明する。 In recent years, WCSP (Wafer Level Chip Size Package) has attracted attention as a new packaging technology. WCSP refers to a small package having an outer dimension substantially the same as the outer dimension of a semiconductor chip. As an example, a BGA (Ball Grid Array) type electronic device will be described below.
従来より、WCSPの一種として、貫通電極を有したBGA型の電子装置が知られている。このBGA型の電子装置は、半導体基板を貫通してその表面のパッド電極と接続された貫通電極を有する。この電子装置の裏面には、半田等の金属部材から成るボール状の導電端子が複数配列され、これらの導電端子は配線層を介して前記貫通電極に接続されている。 Conventionally, a BGA type electronic device having a through electrode is known as a kind of WCSP. This BGA type electronic device has a through electrode that penetrates through a semiconductor substrate and is connected to a pad electrode on the surface thereof. A plurality of ball-shaped conductive terminals made of a metal member such as solder are arranged on the back surface of the electronic device, and these conductive terminals are connected to the through electrode through a wiring layer.
そして、このBGA型の電子装置を電子機器に組み込む際には、各導電端子をプリント基板上の配線パターンに圧着することで、半導体チップとプリント基板上に搭載される外部回路とを電気的に接続している。 When incorporating this BGA type electronic device into an electronic device, each conductive terminal is crimped to a wiring pattern on the printed circuit board to electrically connect the semiconductor chip and the external circuit mounted on the printed circuit board. Connected.
このようなBGA型の電子装置は、側部に突出したリードピンを有するSOP(Small Outline Package)やQFP(Quad Flat Package)等の他のCSP型の半導体装置に比べて、多数の導電端子を設けることが出来、しかも小型化できるという長所を有する。このBGA型の電子装置は、例えば携帯電話機に搭載されるデジタルカメラのイメージセンサチップとしての用途がある。 Such BGA type electronic devices are provided with a larger number of conductive terminals than other CSP type semiconductor devices such as SOP (Small Outline Package) and QFP (Quad Flat Package) having lead pins protruding from the side. It has the advantage that it can be reduced in size. This BGA type electronic device has an application as an image sensor chip of a digital camera mounted on, for example, a mobile phone.
図5は、従来のBGA型の電子装置の貫通電極部の断面図である。シリコン(Si)等から成るデバイス基板100の表面には、CCD(Charge Coupled Device)等の半導体デバイスが設けられ、さらに、パッド電極101が層間絶縁膜102を介して形成されている。また、デバイス基板100の表面には、例えばガラス基板のような支持基板103がエポキシ樹脂等から成る樹脂層104を介して接着されている。
FIG. 5 is a cross-sectional view of a through electrode portion of a conventional BGA type electronic device. On the surface of the
また、デバイス基板100を貫通し、パッド電極101に到達するビアホール105が形成されている。このビアホール105の側壁及びデバイス基板100の裏面にはシリコン酸化膜(SiO2膜)もしくはシリコン窒化膜(SiN膜)等から成る絶縁膜106が形成されている。
A
さらに、ビアホール105の中にはパッド電極101と接続されたバリア層107及び貫通電極108が形成されている。デバイス基板100の表面には、貫通電極108に連続して接続された配線層109が延在している。そして、デバイス基板100の裏面の貫通電極108、配線層109及び絶縁膜106を被覆して、ソルダーレジストから成る保護層110が形成されている。配線層109上の保護層110には開口部が形成され、この開口部を通して配線層109と接続されたボール状の導電端子111が形成されている。
Further, a
以上のように、従来のBGA型の半導体装置では、デバイス基板100に貫通電極108を形成し、デバイス基板100の裏面に外部回路と電気的に接続するための導電端子111を形成していた。
しかしながら、上述したBGA型の電子装置では、デバイス基板100に設けられた電子デバイス等それぞれの固有の事情から、デバイス基板100に貫通電極108を形成する過程において温度条件や気圧条件などの作業条件が制限される場合がある。また、貫通電極108を形成する過程で、デバイス基板100表面の電子デバイス等が劣化し、電子装置の歩留まりが低下するという問題がある。
However, in the above-described BGA type electronic apparatus, due to the unique circumstances of each of the electronic devices provided on the
また、配線層109に接続されたボール状の導電端子111の接続強度の問題、更には、半導体装置やプリント基板に導電端子111を介して実装した際の温度サイクルや落下強度の問題等もあった。
In addition, there are problems with the connection strength of the ball-shaped
そのため、従来では、配線層109と導電端子111との隙間にアンダーフィルを設ける、導電端子の下に緩衝層を設けたり、導電端子(バンプ電極)下に長い金属ポストを形成する(応力分散させる)等の対応をしていた。従ってプロセスが複雑になっていた。
Therefore, conventionally, an underfill is provided in a gap between the
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、その主な特徴は以下のとおりである。すなわち、本発明の電子装置は、デバイス基板上に形成されたパッド電極と、前記デバイス基板の表面に接着された第1の支持基板と、前記第1の支持基板の表面から前記パッド電極の表面に到達するビアホールと、前記ビアホール内に形成され、前記パッド電極と電気的に接続するバンプ電極と、を備えることを特徴とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and its main features are as follows. That is, the electronic device of the present invention includes a pad electrode formed on a device substrate, a first support substrate bonded to the surface of the device substrate, and a surface of the pad electrode from the surface of the first support substrate. And a bump electrode formed in the via hole and electrically connected to the pad electrode.
また、本発明に係る電子装置の製造方法は、以下の特徴を有する。すなわち、本発明に係る電子装置の製造方法は、第1の支持基板の表面から裏面に到達するビアホールを形成する工程と、デバイス基板の表面に形成されたパッド電極に前記ビアホールが重なるように前記第1の支持基板を接着する工程と、前記ビアホール内に前記パッド電極と電気的に接続するバンプ電極を形成する工程と、を備えることを特徴とする。 The electronic device manufacturing method according to the present invention has the following features. That is, the method for manufacturing an electronic device according to the present invention includes a step of forming a via hole reaching the back surface from the front surface of the first support substrate, and the via hole so as to overlap the pad electrode formed on the surface of the device substrate. A step of bonding the first support substrate; and a step of forming a bump electrode electrically connected to the pad electrode in the via hole.
さらに、本発明に係る電子装置の製造方法は、デバイス基板の表面に第1の支持基板を接着する工程と、前記第1の支持基板の表面から裏面に到達するビアホールを形成する工程と、前記ビアホール内に、前記デバイス基板表面に形成されたパッド電極と電気的に接続するバンプ電極を形成する工程と、を備えることを特徴とする。したがって、デバイス基板に第1の支持基板を接着した後に、当該第1の支持基板1にビアホールを形成しても良い。
Furthermore, the method for manufacturing an electronic device according to the present invention includes a step of bonding a first support substrate to a surface of a device substrate, a step of forming a via hole reaching the back surface from the surface of the first support substrate, Forming a bump electrode electrically connected to the pad electrode formed on the surface of the device substrate in the via hole. Therefore, a via hole may be formed in the
本発明に係る電子装置及びその製造方法によれば、デバイス基板側ではなく支持基板側に電極を形成しているので、デバイス基板に設けられた電子デバイス等それぞれの固有の事情によって、電極形成工程に係る作業条件が限定されることが少なく、電子装置の微細加工に適している。また、従来のようにデバイス基板に貫通電極を形成するための工程を要しないので、製造コストを抑えるとともに、デバイス基板表面の電子デバイス等の劣化を防止し、電子装置の歩留まりを高くすることができる。 According to the electronic device and the manufacturing method thereof according to the present invention, the electrodes are formed not on the device substrate side but on the support substrate side. Therefore, depending on the specific circumstances of each electronic device provided on the device substrate, the electrode formation step Therefore, the working conditions are not limited, and it is suitable for fine processing of electronic devices. In addition, since a process for forming a through electrode on a device substrate is not required as in the prior art, manufacturing costs can be reduced, deterioration of electronic devices on the surface of the device substrate can be prevented, and the yield of electronic devices can be increased. it can.
また、本発明にかかる電子装置及びその製造方法では、支持基板の所定の領域(バンプ電極形成領域)に設けたビアホール内に直接バンプ電極を埋め込み形成するため、配線が不要であり、工程を簡素化できるという利点がある。さらに、支持基板に設けたビアホール内にバンプ電極を埋め込み形成しているため、構成、プロセスが簡単でバンプ電極とパッド電極との接続強度が向上する。 Further, in the electronic device and the manufacturing method thereof according to the present invention, since the bump electrode is directly embedded in the via hole provided in the predetermined region (bump electrode formation region) of the support substrate, wiring is unnecessary and the process is simplified. There is an advantage that can be made. Further, since the bump electrode is embedded in the via hole provided in the support substrate, the configuration and process are simple and the connection strength between the bump electrode and the pad electrode is improved.
次に、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。まず、本発明に係る電子装置の構造について図4を参照しながら説明する。 Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. First, the structure of the electronic device according to the present invention will be described with reference to FIG.
図4(b)は本発明の電子装置の第1の支持基板1に係る上面図(1チップ分)であり、図4(c)は本発明の電子装置のデバイス基板4に係る上面図(1チップ分)である。そして、図4(a)は、図4(b)及び図4(c)のX−Xに沿った電子装置の断面図である。
FIG. 4B is a top view (for one chip) related to the
シリコン(Si)等の半導体から成るデバイス基板4の表面には、CCD等の半導体デバイスや、マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム(Micro Electro Mechanical System)を利用したデバイス(MEMSデバイス)が設けられている。以下、これらのデバイスを「電子デバイス等5」と略称する。
On the surface of the
さらに、デバイス基板4の表面にはアルミニウム(Al)や銅(Cu)から成るパッド電極6が形成されている。また、電子デバイス等5とパッド電極6とは不図示の配線を用いて電気的に接続されている。これらの配線は例えば1μmの薄さで形成されている。なお、デバイス基板4はガラス,セラミック,石英等の絶縁体から成るものであってもよい。
Further, a
また、この不図示の配線を保護するためのパッシベーション膜20がパッド電極6の一部上とデバイス基板4上を被覆して形成されている。ここで、パッシベーション膜20は酸化シリコン膜(SiO2膜)や窒化シリコン膜(SiN膜)から成るものが好ましいが、これに限定されない。
Further, a
そして、デバイス基板4の表面には、例えばエポキシ樹脂から成る不図示の樹脂層を介して第1の支持基板1が接着されている。これと同様に、デバイス基板4の裏面には、不図示の樹脂層を介して第2の支持基板7が接着されている。この第2の支持基板7を備えることで、工程作業時等の強度対策、特に真空化したときの強度を保つことができる。なお、本実施形態に係る電子装置では第2の支持基板7を設けた構成であるが、これに限定されず、第2の支持基板7を設けない構成であってもよい。
The
また、第1の支持基板1及び第2の支持基板7は、ガラス,セラミック,石英等の絶縁体から成るものが好ましいが、シリコン等の半導体から成るものであってもよい。
ここで、第1の支持基板1の裏面とデバイス基板4の表面との間の空間には、キャビティ2が形成され、このキャビティ2内に電子デバイス等5が封止されている。ここで、キャビティ2の高さは、数μm〜数10μm程度であるが、これには限られない。
In addition, the
Here, a
また、キャビティ2は、真空状態もしくは不活性ガス(例えばN2)を充填した状態にして電子デバイス等5を封止する。これにより、封止された電子デバイス等5は大気に触れることがなくなるため、酸化等による腐食や劣化を防ぐことができる。従って、デバイス基板4上に形成された電子デバイス等5の寿命や信頼性を向上させることができる。なお、本実施形態に係る電子装置ではキャビティ2を設けた構成であるが、これに限定されず、キャビティ2を設けない構成であってもよい。
The
また、第1の支持基板1には、これを貫通し、パッド電極6に到達するビアホール3が形成されている。ここで、ビアホール3は、その断面が表面から深くなるほど細くなるテーパー形状に形成されている。これにより、後述するようにバンプ電極10を形成する場合に、メッキ用のバリアメタル層8をスパッタリング法で形成することができるなどの利点がある。また、ビアホール3は、テーパー形状が好ましいがストレート形状に加工してもよい。
The
また、ビアホール3の側壁には、例えばCu(銅)、ニッケル(Ni)、金(Au),チタンタングステン(TiW)などから成るバリアメタル層8が形成されている。そして、ビアホール3内にはハンダや金(Au)等から成るバンプ電極10が形成されており、このバンプ電極10は、ビアホール3の底部においてバリアメタル層8を介してパッド電極6と電気的に接続されている。このようにして、デバイス基板4上のパッド電極6から、第1の支持基板1表面に形成されたバンプ電極10に至るまでの配線が可能となる。
A
また、本発明に係る電子装置は、第1の支持基板1とデバイス基板4とを同じ基板材料で構成しても良い。かかる構成によれば、第1の支持基板1に係るバンプ電極10とデバイス基板4に係るパッド電極6との接点が温度サイクル(膨張係数の相違)によって劣化することを防ぐことができ、さらに、キャビティ2内の気密度が温度サイクルによって低下することを防ぐことができる。
In the electronic device according to the present invention, the
次に、この電子装置の製造方法について図1乃至図3を参照して説明する。
まず、図1(a)に示すようにガラスやセラミック等から成る第1の支持基板1を準備する。ここで、第1の支持基板はガラス,セラミック,石英等の絶縁体から成るものが好ましいが、シリコン等の半導体から成るものであってもよい。
Next, a method for manufacturing the electronic device will be described with reference to FIGS.
First, as shown in FIG. 1A, a
次に、図1(b)に示すように、第1の支持基板の裏面にキャビティ2をエッチングやレーザービーム照射等の方法により、例えば凹状に加工する。ここで、キャビティ2の高さは数μm〜数10μm程度であるが、これには限定されない。
Next, as shown in FIG. 1B, the
次に、図1(c)に示すように、第1の支持基板1の表面から裏面に到達するビアホール3をエッチングやレーザービーム照射等の方法により形成する。なお、ビアホール3の形成は第1の支持基板1とデバイス基板4とを接着させた後に行ってもよい。また、ビアホール3は、テーパー形状が好ましいがストレート形状に加工してもよい。
Next, as shown in FIG. 1C, a via
なお、第1の支持基板1がシリコン等の半導体から成るものであった場合には、この第1の支持基板1と後に形成するバンプ電極10とを絶縁するために、ビアホール3形成後に、第1の支持基板1の表面にシリコン酸化膜や窒化膜などの絶縁膜を形成させる。従って、第1の支持基板1がガラス等の絶縁体から成る場合には、当該絶縁膜を形成する工程を要しないので製造工程を減らすことができる。
If the
次に、図2(a)に示すように、基板表面に電子デバイス等5が形成されたデバイス基板4を準備する。さらに、デバイス基板4の表面には、電子デバイス等5と不図示の配線を用いて電気的に接続された外部接続用電極であるパッド電極6が形成されている。
Next, as shown in FIG. 2A, a
また、この配線を保護するためのパッシベーション膜20がパッド電極6の一部上とデバイス基板4上を被覆して形成されている。ここで、パッド電極6は、例えばアルミニウム(Al)や銅(Cu)から成り、好ましくは約1μmの膜厚を有して形成される。また、パッシベーション膜20は酸化シリコン膜(SiO2膜)や窒化シリコン膜(SiN膜)から成るものが好ましい。
Further, a
また、デバイス基板4の裏面には、必要に応じて第2の支持基板7を形成する。この第2の支持基板7はエポキシ樹脂等から成る不図示の樹脂層を介してデバイス基板4の裏面に接着する。この第2の支持基板7を備えることで、後の工程作業時等の強度対策、特に真空化したときの強度を保つことができる。
A
次に、デバイス基板4の表面に、例えばエポキシ樹脂から成る不図示の樹脂層を塗布する。そして、図2(b)に示すように、この樹脂層を介してデバイス基板4の表面に、既にビアホール3が形成された第1の支持基板1を、ビアホール3の底部とパッド電極6の表面とが重なるように接着する。
Next, a resin layer (not shown) made of, for example, an epoxy resin is applied to the surface of the
また、真空状態もしくは不活性ガス(例えばN2)を充填した状態にして電子デバイス等5を封止する場合には、デバイス基板4と第1の支持基板1とを、樹脂層を介して接着するのではなく常温接合法により接着することが好ましい。この場合、樹脂層を介しての接着は、樹脂からガスが出ること、接着の強さ、樹脂のクラック、温度サイクルに対する信頼性低下などの問題が多く、真空封止やガス封止に適さないからである。
When the
なお、常温接合法とは、被接合物の接合面となる表面にエネルギー波(プラズマ、イオンビーム、電子ビーム、ラジカルビーム、レーザー等)を照射して洗浄し、被接合物同士を常温接着する技術である(特開平10―92702公報,特開2001−351892参照)。なお、ここでは常温とあるが接合強度を向上させるために加熱下で行うこともできる。 Note that the room temperature bonding method is a method in which the surfaces to be bonded surfaces of the objects to be bonded are cleaned by irradiating energy waves (plasma, ion beam, electron beam, radical beam, laser, etc.) and the objects to be bonded are bonded at room temperature. This is a technology (see Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 10-92702 and 2001-351892). In addition, although it is normal temperature here, in order to improve joining strength, it can also carry out under a heating.
なお、前述のとおり第1の支持基板1とデバイス基板4とを接着させた後に、当該第1の支持基板1にビアホール3をエッチングやレーザービーム照射等の方法により形成しても良い。
As described above, after the
次に、図2(c)に示すように、ビアホール3内の側壁にバリアメタル層8を形成する。このバリアメタル層8は後の工程でバンプ電極10下に位置するため、UBM(Under Bump Metal)とも呼ばれる。このバリアメタル層8は、金から成るバンプ電極10を形成する場合には、例えばチタンタングステン合金(TiW)、金(Au)を順次スパッタリングすることで形成された、Au層/TiW層である。
Next, as shown in FIG. 2C, a
ここで、図示はしないが上層のAu層の厚さは100nm〜200nm、下層のTiW層は200nm程度が適当であるがこれに限定されない。また、このバリアメタル層8は、ハンダから成るバンプ電極10を形成する場合には、例えばチタンタングステン合金(TiW)、銅(Cu)を順次スパッタすることで形成された、Cu層/TiW層である。なお、ニッケル(Ni)層を下層としてもよい。この場合、電解メッキ法でニッケル(Ni)層を形成することができる。
Although not shown, the upper Au layer has a thickness of 100 nm to 200 nm, and the lower TiW layer has a thickness of about 200 nm, but is not limited thereto. The
次に、図3(a)に示すように、第1の支持基板1の表面に、これを被覆して、例えばソルダーレジストのようなレジスト材料から成るレジスト層9を形成する。ここで、所定のマスクを用いて露光・現像処理を行うことにより、レジスト層9のうちビアホール3に対応する位置、すなわちバンプ電極形成領域に対応する位置に開口部を形成する。
Next, as shown in FIG. 3A, the surface of the
そして、電解メッキ法により、当該開口部で露出するバリアメタル層8の所定の領域上に、ハンダや金をメッキ形成し、図3(b)に示すように第1の支持基板1の表面にバンプ電極10が形成される。また、ハンダから成るバンプ電極10を形成する場合には、スクリーン印刷法により、当該開口部で露出するバリアメタル層8の所定の領域上に、ハンダをスクリーン印刷し、このハンダを熱処理でリフローさせることでバンプ電極10を形成することができる。
Then, by electrolytic plating, solder or gold is plated on a predetermined region of the
また、図示はしないが必要に応じて、バンプ電極10をマスクとした薬品処理によって不要部分のバリアメタル層8を除去する。ここで、バリアメタル層8がAu層/TiW層から成る場合には、上層のAu層をエッチングするためには王水、下層のTiW層をエッチングするためには過酸化水素水(H2O2)が用いられる。かかる処理により、バリアメタル層8はバンプ電極10の下にのみ残存することとなる。
Although not shown, unnecessary portions of the
このようにして、デバイス基板4上のパッド電極6から、第1の支持基板1表面に形成されたバンプ電極10に至るまでの配線が可能となる。そして、デバイス基板4の所定のダイシングラインに沿って、ダイシングブレードやレーザービーム等により切断し、個々のチップに分割する。
In this way, wiring from the
なお、上述した実施形態においてはハンダや金(Au)から成るバンプ電極10の形成を例として説明したが、本発明はこれに限定されることなく、他の材料を用いたバンプ電極の形成についても広く適用できるものである。
In the above-described embodiment, the formation of the
1 第1の支持基板 2 キャビティ 3 ビアホール
4 デバイス基板 5 電子デバイス等 6 パッド電極
7 第2の支持基板 8 バリアメタル層 9 レジスト層
10 バンプ電極 20 パッシベーション膜
100 デバイス基板 101 パッド電極 102 層間絶縁膜
103 支持基板 104 樹脂層 105 ビアホール
106 絶縁膜 107 バリア層 108 貫通電極
109 配線層 110 保護層 111 導電端子
1 First support
4
DESCRIPTION OF
Claims (16)
前記デバイス基板の表面に接着された第1の支持基板と、
前記第1の支持基板の表面から前記パッド電極の表面に到達するビアホールと、
前記ビアホール内に形成され、前記パッド電極と電気的に接続するバンプ電極と、を備えることを特徴とする電子装置。 A pad electrode formed on the device substrate;
A first support substrate bonded to the surface of the device substrate;
A via hole reaching the surface of the pad electrode from the surface of the first support substrate;
An electronic device comprising: a bump electrode formed in the via hole and electrically connected to the pad electrode.
デバイス基板の表面に形成されたパッド電極に前記ビアホールが重なるように前記第1の支持基板を接着する工程と、
前記ビアホール内に前記パッド電極と電気的に接続するバンプ電極を形成する工程と、を備えることを特徴とする電子装置の製造方法。 Forming a via hole reaching the back surface from the front surface of the first support substrate;
Bonding the first support substrate so that the via hole overlaps a pad electrode formed on the surface of the device substrate;
Forming a bump electrode electrically connected to the pad electrode in the via hole.
前記第1の支持基板の表面から裏面に到達するビアホールを形成する工程と、
前記ビアホール内に、前記デバイス基板表面に形成されたパッド電極と電気的に接続するバンプ電極を形成する工程と、を備えることを特徴とする電子装置の製造方法。 Bonding a first support substrate to the surface of the device substrate;
Forming a via hole reaching the back surface from the front surface of the first support substrate;
Forming a bump electrode electrically connected to a pad electrode formed on the surface of the device substrate in the via hole.
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