JP2007294577A - 半導体装置の製造方法、および半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体装置の樹脂封止後に半導体基板および実装用基板までの一括した接続用配線の形成が可能な半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】半導体基板１０４の電極１０８が形成された回路形成面１０４ａのうち、電極間に接着手段１１０を貼り付ける工程と、回路形成面に設けられる電極および接着手段を研磨・研削作業により平坦化する工程と、電極に対応する位置に貫通孔１１２が形成された実装用基板１０２を回路形成面に貼り付ける工程と、回路形成面の反対面から半導体基板を封止樹脂１０６で被覆する工程と、貫通孔に配線形成用メタル１１４を挿入する工程と、貫通孔に挿入した配線形成用メタルに対して熱処理を加えて電極と接続する工程と、実装用基板の半導体基板との当接面に対する反対面から外部接続用メタル１１６を配線形成用メタルに接続するように設ける工程と、を含むことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置の製造方法および半導体装置に関し、特に、半導体装置の配線・電極形成工程後に斯かる半導体装置の組立工程における電極端子の接続方法に関する。

従来からの半導体製造工程では、完成した半導体基板から個々のチップを切り出した後に外部要因によるこれらチップ損傷からの保護、水分混入等による腐食防止を目的とした上で取り扱いを考慮した電気的な接続端子を形成するために、各種のパッケージ形状による半導体組立工程を実施している。

また、薄層、分割化された斯かるチップに対しての半導体組立工程においても、その方法はさまざまであり、とりわけ電極端子形成方法では、ワイヤボンディング、フリップチップボンディングと大きく二つの方法がある。

ワイヤボンディングによる電極端子形成方法では、半導体基板（チップ）の電極取出端子とリードフレームのリード間に直径数十μｍ程度の細いＡｕまたはＡｌ線を使用して接続する方法であり、フリップチップボンディングによる電極端子形成方法では、チップの電極端子にバンプと呼ばれる柱状電極を形成してから、一括して実装用基板と斯かるバンプを直接的に接続する方法であり、半導体基板の電極部とこれを実装する基板とを最短距離で実装接続を行うことができる方法である。

上述の電極端子形成方法により形成された半導体装置として、回路配線を有する基板上に半導体チップが搭載され、この半導体チップの電極と回路配線とを電気的に接続し、少なくとも半導体チップ、および電気接続部が基板より熱膨張率が小さい封止樹脂で封止され、基板の半導体チップが搭載された面と反対側の面に複数のはんだバンプが設けられているＢＧＡ半導体装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
特開平７−１９３１６２号公報

しかしながら、従来のワイヤボンディングによる電極端子形成方法では、各ワイヤボンディング用電極端子とリードフレーム側での対応する端子間でそれぞれ個別にワイヤボンディングを行うために、高機能、多機能化によるＬＳＩの高集積化に伴って、電極端子の多数化が進むため、一つのチップに対するワイヤボンディングの本数が増加してしまう。このため、ワイヤボンディング用電極端子の寸法およびワイヤボンディング用電極端子の数、ワイヤボンディング用電極端子とワイヤボンディング用電極端子同士の間隔が考慮される結果、これら要因が半導体チップの外周寸法を決定してしまう。換言すると、ＬＳＩの高集積化に伴い、これらを実装する半導体装置のサイズの小型化が困難になる。

また、フリップチップボンディングによる電極端子形成手法では、フリップチップボンディングによる実装後のバンプやパッドの状態の接続部分を確認することが困難となることより、バンプ用メタル高さ等の形状を均一に制御して形成することに手間を要する。さらに、接続対象物との熱膨張などによる接続部の応力的問題を解消するために、特殊材料を使用したバンプや接着材の開発が不可欠となっている。

そこで、本発明は、従来の半導体装置の製造方法が有する上記問題点に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、半導体装置の製造材料削減に伴って、環境への配慮をした上で、半導体装置の樹脂封止後に半導体基板に形成された電極と実装用基板の外部接続用端子までの一括した接続用配線の形成が可能な、新規かつ改良された半導体装置の製造方法および半導体装置を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明のある実施の態様によれば、半導体基板上に電極を含む回路素子を形成してから、半導体基板を備える半導体装置の組立工程に移行する半導体装置の製造方法において、半導体基板の電極が形成された回路形成面のうち、電極間に接着手段を貼り付ける第１工程と、回路形成面に設けられる電極および接着手段を研磨・研削作業により平坦化する第２工程と、電極に対応する位置に貫通孔が形成された実装用基板を第２工程で平坦化された回路形成面に貼り付ける第３工程と、回路形成面の反対面から半導体基板を封止樹脂で被覆する第４工程と、貫通孔に配線形成用メタルを挿入する第５工程と、貫通孔に挿入した配線形成用メタルに対して熱処理を加えて電極と接続する第６工程と、実装用基板の半導体基板との当接面に対する反対面から外部接続用メタルを配線形成用メタルに接続するように設ける第７工程と、を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。

このような構成とすることにより、半導体装置の樹脂封止後に半導体基板および実装用基板の電極端子まで一括した接続用配線を形成することにより、半導体基板に形成された電極と実装用基板に形成された電極とをワイヤボンディングやフリップチップボンディングを用いずに、直接接続することができる。このため、パッケージされる半導体装置の外形寸法を縮小させることにより、半導体装置の高密度化が実現される。また、ワイヤボンディングによる配線接続や実装用バンプメタルを不要とすることによって、ワイヤ、バンプメタル、更には、封止樹脂等の半導体装置を形成するための製造材料の低減が可能となる。

このとき、上記実施の態様において、第３工程では、実装用基板に形成された貫通孔を半導体基板に形成された電極に合わせる位置合わせを実行してから、実装用基板が半導体基板に貼り付けられることとしてもよい。

このような構成とすることにより、より正確に所望の位置へ実装用基板を半導体基板に接着することが容易に出来るようになるので、電極が形成された半導体基板と貫通孔が形成された実装用基板の位置合わせに必要な実装精度を保持することが可能となる。このため、回路素子が形成された半導体基板を備える半導体装置の製造において、かかる装置の仕上がりの精度が向上する。

また、このとき、上記実施の態様において、第７工程では、外部接続用メタルが配線形成用メタルに対して共晶する温度での熱処理によって融解させてから接続されることとしてもよい。

このような構成とすることにより、半導体基板に形成された電極と実装用基板に形成された外部接続用端子との接続を一体成形された導電性メタルで容易に接続されるようになるので、半導体基板から実装用基板まで一括して接続させることができるようになる。

上記課題を解決するために、本発明の別の実施の態様によれば、電極が形成された半導体基板を実装用基板上に搭載して構成される半導体装置において、半導体基板の電極が形成される回路形成面が接着手段を介して実装用基板と接着され、実装用基板の電極と当接する部位には貫通孔が形成され、貫通孔には、半導体基板に形成された電極と実装用基板の半導体基板との当接面に対する反対面に突出する外部接続用端子とを接続する基板間接続電極が設けられていることを特徴とする半導体装置が提供される。

このような構成とすることにより、基板間接続電極が半導体基板の電極と実装用基板とを一括して接続するので、ワイヤボンディングやフリップチップボンディングを使用せずに済むので、実装用基板に半導体基板を搭載する半導体装置を製造する際の使用材料の低減が可能となる。

以上説明したように本発明によれば、半導体装置の組立工程において、ワイヤボンディングによる配線接続を不要にすることができ、また、半導体装置の配線端子上に、実装用バンプメタルの形成を不要にすることができる。このため、パッケージされた半導体装置の外形寸法を縮小させると同時に、半導体装置の製造における使用材料の低減を図ることが出来る。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

まず、本発明の半導体装置の構成について、図面を使用しながら説明する。図１は、本発明の半導体装置の第１の実施の形態の模式的な断面図である。本実施の形態の半導体装置１００は、実装用基板１０２の上に半導体基板１０４が搭載され、この半導体基板１０４を外部と電気的に遮断等するために、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂からなる封止樹脂１０６が半導体基板１０４を被覆している。

実装用基板１０２は、耐熱性に優れた樹脂基板またはフィルムであれば特に材質は限定されず、例えば、ポリイミド、ガラスエポキシ、ＢＴ（ビスマレイド・トリアジン）レジン、ポリエステル、ポリアミド、テフロン（登録商標）、セラミック、ガラスポリエステル等の樹脂基板が挙げられ、中でもポリイミドで形成されることが好ましい。

半導体基板１０４は、ＧａＡｓやＳｉ等の半導体材料からチップ状に形成され、かかる半導体基板１０４の上には、回路素子として配線パターン（図示せず）や電極端子パターン１０８が形成されている。配線パターンに使用できる材料としては、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｕ、Ｎｉ等が挙げられ、コストおよび導電性の面を考慮して、低コストでかつ導電性に優れるＣｕが好ましい。また、配線パターンの半導体基板１０４上への形成方法としては、例えば、蒸着法、メッキ法等が挙げられる。また、配線パターンは、所望の形状にパターニングされているが、かかるパターニング法として、従来技術であるフォトリソグラフィ法が使用できるものとする。さらに、電極パターン１０８を構成する材料としては、通常使用されているＡｌやＡｌ合金等が挙げられ、スパッタ法や蒸着法等により形成される。

本実施の形態では、半導体基板１０４の電極端子パターン１０８等の回路素子が形成される回路形成面１０４ａが熱圧着シート１１０を介して、実装用基板１０２と接着されている。また、実装用基板１０２の電極パターン１０８と当接する部位には、貫通孔１１２が形成されており、かかる貫通孔１１２を貫通するようにして、基板間接続電極１１４が設けられている。かかる基板間接続電極１１４の先端側は、実装用基板１０２の半導体基板１０４との接着面１０２ｂに対する反対側面１０２ａから突出するようにして、外部接続用端子１１６となっている。

すなわち、本実施の形態では、半導体基板１０４の回路形成面１０４ａに設けられている電極パターン１０８が基板間接続電極１１４を介して直接外部接続用端子１１６と接続されている。このため、従来のように、ワイヤボンディングによる半導体基板側電極と実装用基板側電極との接続配線、および半導体基板側電極へのバンプメタル形成が不要となる。また、従来のような半導体基板１０４に形成された電極と実装用基板１０２に形成された電極との電気的接続の部分となるワイヤが不要となることより、接続時のワイヤの外部側へのたわみを含めて外部との電気的接触を防ぐために被覆する封止樹脂１０６の厚みを縮小できるので、パッケージ化された半導体装置１００の小型化に伴う高密度化が実現される。

次に、本実施の形態の半導体装置１００の製造方法について、図面を使用しながら説明する。図２は、本実施の形態の半導体装置１００の製造方法を説明するためのフローチャートであり、図３〜９は、図２で示すフローチャートの工程Ｓ１１〜Ｓ１７までの各工程における本実施の形態の半導体装置１００の模式的な断面図である。

本発明の半導体装置の製造方法は、半導体装置の配線・電極形成工程後に斯かる半導体装置を組み立てる各種のパッケージ形状による組立工程に特徴を有する。本実施の形態の半導体装置１００の製造方法において、図２で示す半導体装置１００の組立工程では、半導体基板１０４上に配線パターンや電極端子パターン１０８を形成する工程後に、まず、半導体基板１０４の回路形成面１０４ａのうち、図３に示すように、電極端子パターン１０８の間に接着手段となる熱圧着シート１１０を貼り付ける（図２で示す第１工程Ｓ１１）。なお、本実施の形態では、接着手段として熱圧着シート１１０が使用されているが、かかる接着手段として、例えば、接着剤（ペースト）のポッティングによる他の方法を代用することも可能である。

熱圧着シート１１０を回路形成面１０４ａに貼り付けた後に、次工程で実装用基板１０２を貼り付け易くするために、図４に示すように、回路形成面１０４ａに設けられる電極端子パターン１０８および熱圧着シート１１０を研磨・研削作業をすることによって平坦化を実行する（図２で示す第２工程Ｓ１２）。

次に、図５に示すように、平坦化を行った半導体基板１０４の回路形成面１０４ａに実装用基板１０２の貼り付け固定を行う（図２で示す第３工程Ｓ１３）。本実施の形態では、実装用基板１０２には、半導体基板１０４に形成された電極端子パターン１０８に対応する位置に貫通孔１１０がエッチングやプレス加工等で事前に形成されている。このため、半導体基板１０４に実装用基板１０２を貼り付ける際には、実装用基板１０２に形成された貫通孔１１２を利用して半導体基板１０４に形成された電極端子パターン１０８と位置合わせを行う。すなわち、半導体基板１０４に実装用基板１０２を貼り付ける際に、半導体基板１０４と実装用基板１０２の位置合わせ、固定、加圧と加熱を行うダイボンド装置（図示せず）のカメラモニタ側から、半導体基板１０４の回路形成面１０４ａを確認することができる。そして、実装用基板１０２の貫通孔１１０の形成部分では光が透過し、それ以外の部分では光が反射する。このため、リードフレームとなる実装用基板１０２の貫通口１１０が形成された部分と、かかる貫通口部分に対応する半導体基板１０４に形成された電極端子パターン１０８の全て位置合わせが正常であれば、実装用基板１０２の全部分において光が反射する。本実施の形態では、このような明暗画像認識法を利用することによって、電極端子パターン１０８が形成された半導体基板１０４と貫通孔１１０が形成された実装用基板１０２の位置合わせに必要な実装精度を保持することが可能となる。このため、双方の基板を張り合わせることによって形成される半導体装置１００の仕上がり精度が向上する。

第３工程Ｓ１３で半導体基板１０４に対して実装用基板１０２の貼り付け固定を実行した後に、図６に示すように、半導体基板１０４の回路形成面１０４ａの反対面１０４ｂから半導体基板１０４を封止樹脂１０６で被覆する（図２で示す第４工程Ｓ１４）。かかる樹脂１０６による樹脂封止法としては、金型を利用した樹脂封止法やポッティングのように金型を用いない樹脂封止法を使用することが可能であり、その際に使用する封止樹脂１０６の材質は、上述したように、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を使用する。

半導体基板１０４に封止樹脂１０６を被覆した後に、図７に示すように、実装用基板１０２に形成された貫通孔１１２にＰｂ等の金属で形成された配線形成用メタル１１４ａを挿入し（図２で示す第５工程Ｓ１５）、かかる配線形成用メタル１１４ａに対して、図８に示すように、配線形成用メタル１１４ａに対して共晶温度となる熱処理を加えて半導体基板１０４に形成された電極端子パターン１０８に融着させて接続させることによって、基板間接続電極１１４が形成される（図２で示す第６工程Ｓ１６）。なお、配線形成用メタル１１４ａの材質としては、Ｐｂ以外にも、ＳｎやＡｕＳｎ合金等の金属も使用可能であるが、配線形成用メタル１１４ａを熱処理する際に、第４工程Ｓ１４で加工した封止樹脂１０６が再度溶解し変形してしまうことを未然に防ぐために、封止樹脂１０６の樹脂溶解温度を超えない共晶加工が実現可能なメタル材質の使用が好ましい。

基板間接続電極１１４を形成後、図９に示すように、かかる基板間接続電極１１４の先端側に、すなわち実装用基板１０２の半導体基板１０４との当接面１０２ｂに対する反対面１０２ａから突出する方向側に、Ｐｂ等の金属で形成された外部接続用メタル１１６ａが基板間接続電極１１４を形成する配線形成用メタル１１４ａに接続するように追加して設けられる（図２で示す第７工程Ｓ１７）。その後、外部接続用メタル１１６ａを基板間接続電極１１４に対して共晶温度となる熱処理を加えて融着させて接続させることによって、基板間接続電極１１４の先端側に設けられる外部接続用端子１１６が形成されて、図１に示すような形態をもって完成として、第７工程以降では、チップ化工程に移行される。なお、外部接続用メタル１１６ａの材質としては、配線形成用メタル１１４ａの材質と同様に、Ｐｂ以外にも、ＳｎやＡｕＳｎ合金等の金属も使用可能であるが、外部接続用メタル１１６ａを熱処理する際に、第４工程Ｓ１４で加工した封止樹脂１０６が再度溶解し変形してしまうことを未然に防ぐために、封止樹脂１０６の樹脂溶解温度を超えない共晶加工が実現可能なメタル材質の使用が好ましい。また、外部接続用メタル１１６ａと配線形成用メタル１１４ａの材質は、同一の材質でなくても、温度共晶を利用できるように互いに融点が近い材質であれば、双方のメタル１１４ａ、１１６ａを別の材質から形成してもよい。

以上説明したように、本実施の形態では、半導体基板１０４に形成された電極端子パターン１０８が実装用基板１０２の外側に突出するように備わる外部接続用端子１１６と実装用基板１０２を貫通するようにして設けられる基板間接続電極１１４によって、直接接続されるので、従来のようなワイヤボンディングによる半導体基板の電極部と実装用基板の電極との接続配線や半導体基板の電極部へのバンプメタル形成を不要とする。このため、半導体装置の外形を小型化すると同時に、ワイヤボンディングによる接続配線やバンプメタルやパッケージする際の封止樹脂１０６等の半導体装置を製造する際に使用する材料の低減が可能となる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明は、半導体装置、および斯かる半導体装置の製造方法に適用可能であり、特に、ワイヤボンディング方法を用いずに半導体基板と実装用基板との接続が可能な半導体装置に適用可能である。

本発明の半導体装置の第１の実施の形態の模式的な断面図である。 同実施の形態の半導体装置の製造方法を説明するためのフローチャートである。 同実施の形態の半導体装置の製造方法の工程Ｓ１１における半導体装置の模式的な断面図である。 同実施の形態の半導体装置の製造方法の工程Ｓ１２における半導体装置の模式的な断面図である。 同実施の形態の半導体装置の製造方法の工程Ｓ１３における半導体装置の模式的な断面図である。 同実施の形態の半導体装置の製造方法の工程Ｓ１４における半導体装置の模式的な断面図である。 同実施の形態の半導体装置の製造方法の工程Ｓ１５における半導体装置の模式的な断面図である。 同実施の形態の半導体装置の製造方法の工程Ｓ１６における半導体装置の模式的な断面図である。 同実施の形態の半導体装置の製造方法の工程Ｓ１７における半導体装置の模式的な断面図である。

符号の説明

１００ 半導体装置
１０２ 実装用基板
１０４ 半導体基板
１０４ａ 回路形成面
１０６ 封止樹脂
１０８ 回路素子（電極端子パターン）
１１０ 熱圧着シート
１１２ 貫通孔
１１４ 基板間接続電極
１１４ａ 配線形成用メタル
１１６ 外部接続用端子
１１６ａ 外部接続用メタル
Ｓ１１ 第１工程
Ｓ１２ 第２工程
Ｓ１３ 第３工程
Ｓ１４ 第４工程
Ｓ１５ 第５工程
Ｓ１６ 第６工程
Ｓ１７ 第７工程

Claims (4)

1. 半導体基板上に電極を含む回路素子を形成してから、前記半導体基板を備える半導体装置の組立工程に移行する半導体装置の製造方法において、
   前記半導体基板の前記電極が形成された回路形成面のうち、前記電極間に接着手段を貼り付ける第１工程と、
   前記回路形成面に設けられる前記電極および前記接着手段を研磨・研削作業により平坦化する第２工程と、
   前記電極に対応する位置に貫通孔が形成された実装用基板を前記第２工程で平坦化された前記回路形成面に貼り付ける第３工程と、
   前記回路形成面の反対面から前記半導体基板を封止樹脂で被覆する第４工程と、
   前記貫通孔に配線形成用メタルを挿入する第５工程と、
   前記貫通孔に挿入した前記配線形成用メタルに対して熱処理を加えて前記電極と接続する第６工程と、
   前記実装用基板の前記半導体基板との当接面に対する反対面から外部接続用メタルを前記配線形成用メタルに接続するように設ける第７工程と、
   を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 前記第３工程では、前記実装用基板に形成された前記貫通孔を前記半導体基板に形成された前記電極に合わせる位置合わせを実行してから、前記実装用基板を前記半導体基板に貼り付け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. 前記第７工程では、前記外部接続用メタルが前記配線形成用メタルに対して共晶する温度での熱処理によって融解させてから接続されることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。
4. 電極が形成された半導体基板を実装用基板上に搭載して構成される半導体装置において、
   前記半導体基板の前記電極が形成される回路形成面が接着手段を介して前記実装用基板と接着され、
   前記実装用基板の前記電極と当接する部位には貫通孔が形成され、
   前記貫通孔には、前記半導体基板に形成された前記電極と前記実装用基板の前記半導体基板との当接面に対する反対側面に突出する外部接続用端子とを接続する基板間接続電極が設けられている
   ことを特徴とする半導体装置。

Images