JP2008066369A

JP2008066369A - 半導体装置

Info

Publication number: JP2008066369A
Application number: JP2006240004A
Authority: JP
Inventors: Koji Munakata; 浩次宗像
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2006-09-05
Filing date: 2006-09-05
Publication date: 2008-03-21

Abstract

【課題】放熱性が高く信頼性に優れた半導体装置を提供する。
【解決手段】電極を有する半導体基板と、半導体基板に重ねて配され、電極を露呈させる開口部を有する絶縁層と、絶縁層に重ねて配され、開口部で電極に電気的に接続される再配線層と、再配線層に重ねて配され、再配線層に設けられた端子部を露呈させる端子開口を有する封止層１４とを備えた半導体装置であって、封止層１４には、放熱孔２５が形成される。放熱孔２５は、封止層１４の表面１４ａから延び、一端側２５ａが開放され他端側２５ｂが閉じた非貫通の孔を成す。そして、封止層は放熱孔２５の他端側２５ｂで薄肉部２６を成している。
【選択図】図２

Description

本発明は、例えば配線基板（インタポーザ）などを使用しないウェハレベルＣＳＰ等において使用される半導体装置及びその製造方法に関する。

従来の（半導体装置）では、例えば半導体チップを樹脂により封止し、この封止された樹脂周辺の側面部に金属リード線を配置した周辺端子配置型が主流であった。しかしながら、このパッケージ構造の場合、パッケージの面積が半導体チップの面積よりも大きくなってしまう。このため、近年では、いわゆるＣＳＰ（チップスケールパッケージ又はチップサイズパッケージ）と呼ばれるパッケージ構造が急速に普及しつつある。

このＣＳＰは、パッケージの平坦な表面に電極を平面状に配置する、いわゆるボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）技術の採用により、同一電極端子数を持つ同一投影面積の半導体チップを、従来よりも小さい面積で電子回路基板に高密度実装するものである。したがって、このＣＳＰは、パッケージの面積が半導体チップの面積にほぼ等しいため、電子機器の小型軽量化に大きく貢献することができる。

このようなＣＳＰは、回路を形成したシリコンウエハを切断し、切断された個々の半導体チップに対して個別にパッケージングを施し、完成させたものである。一方、ウエハレベルＣＳＰと呼ばれるパッケージ構造は、シリコンウエハ上に、絶縁層、再配線層（導電層）、封止層、はんだバンプ等を形成する。そして、最終工程においてウエハを所定のチップ寸法に切断することで、パッケージの面積を半導体チップの面積にほぼ等しくしたものである（例えば、特許文献１）。
特開２００４−２０７３６８号公報

一般的に半導体装置は熱に対して耐性が低く、動作によって生じた熱が外部に放熱されずに内部にこもり、半導体装置の温度が上昇すると、動作速度の低下や半導体装置の劣化をもたらす。また、過度に高温になると半導体装置の破壊に至る懸念もある。このため、半導体装置は動作によって生じた熱を効率的に外部に放熱する必要がある。しかしながら、上述したような、パッケージの面積を半導体チップの面積にほぼ等しくしたＣＳＰなど高密度化された半導体装置では、動作によって生じた熱が外部に放熱されにくく、効率的に外部に放熱可能な構造の半導体装置が望まれていた。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、放熱性が高く信頼性に優れた半導体装置を提供することを目的とする。

本発明の請求項１に記載の半導体装置は、電極を有する半導体基板と、前記半導体基板に重ねて配され、前記電極を露呈させる開口部を有する絶縁層と、前記絶縁層に重ねて配され、前記開口部で前記電極に電気的に接続される再配線層と、前記再配線層に重ねて配され、前記再配線層に設けられた端子部を露呈させる端子開口を有する封止層とを備えた半導体装置であって、
前記封止層には、前記封止層の表面から延び、一端側が開放され他端側が閉じた非貫通の放熱孔が設けられ、前記封止層は前記放熱孔の他端側で薄肉部を成していることを特徴とする。
本発明の請求項２に記載の半導体装置は、請求項１において、前記薄肉部は、前記再配線層に接していることを特徴とする。
本発明の請求項３に記載の半導体装置は、請求項１において、前記放熱孔は、前記絶縁層に接し、かつ前記再配線層の近傍に配されていることを特徴とする。
本発明の請求項４に記載の半導体装置は、請求項１において、前記放熱孔は、一定領域に多数密集して形成されていることを特徴とする。
本発明の請求項５に記載の半導体装置は、請求項１において、前記薄肉部の厚みは０．１μｍ以上、前記封止層の厚みの１／２以下であることを特徴とする。
本発明の請求項６に記載の半導体装置は、請求項１において、前記封止層は、熱放射率が０．５以上の材料で形成されていることを特徴とする。

本発明の半導体装置によれば、半導体基板に形成された集積回路などの動作によって生じた熱は、電極を介して熱伝導性の高い再配線層に広がる。この再配線層は封止層で覆われているが、封止層の一部に放熱孔が形成され、封止層の表面積（露出面積）が増やされているので、再配線層に伝わった熱は、封止層の厚みが減じられた薄肉部を介してこの放熱孔から容易に外部に放熱される。

このように、半導体基板に生じた熱は、内部に蓄積されずに封止層の放熱孔から効率よく外部に放熱されるので、半導体装置の温度の過度な上昇を抑える。これにより、半導体装置が高温になると生じる動作速度の低下など動作異常の発生や、半導体装置の劣化を防止することができ、信頼性に優れた半導体装置を得ることができる。

以下、本発明に係る半導体装置の一実施形態を図面に基づいて説明する。なお、本発明はこのような実施形態に限定されるものではない。また、以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために、便宜上、要部となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。

図１は、本発明の半導体装置の一例として、ＣＳＰ型の半導体装置を示す断面図である。本発明の半導体装置１０は、半導体基板１１と、この半導体基板１１に順に重ねて配される絶縁層１２、再配線層１３および封止層１４とを有する。また、半導体基板１１と絶縁層１２との間には、更にパッシベーション膜１６が配されていてもよい。

半導体基板１１の一部には、半導体基板１１に形成された集積回路（図示略）などに電気的に繋がる電極２１が形成される。また絶縁層１２には、この電極２１に対応する部分に、電極２１を露呈させる開口部２２が形成される。再配線層１３は、この開口部２２を介して電極２１と電気的に接続される。封止層１４には、再配線層１３の一部を露呈させる端子開口２４が形成される。この端子開口２４を介して、再配線層１３を外部の回路等と電気的に接続する接続端子２３が形成される。

封止層１４には、放熱孔２５が形成される。図２に示すように、この放熱孔２５は、封止層１４の表面１４ａから延び、一端側２５ａが開放され他端側２５ｂが閉じた非貫通の孔を成す。そして、封止層１４は放熱孔２５の他端側２５ｂで薄肉部２６を成している。こうした放熱孔２５の封止層１４における形成領域Ｅは、例えば図１では再配線層１３の端部に対応する位置に設定され、薄肉部２６は再配線層１３に接する。

このような構成の半導体装置１０によれば、半導体基板１１に形成された集積回路（図示略）などの動作によって生じた熱は、電極２１を介して熱伝導性の高い再配線層１３に広がる。この再配線層１３は、熱伝導率の低い封止層１４で覆われているが、封止層１４の一部、例えば再配線層１３の端部に対応する位置に放熱孔２５が形成され、封止層１４の表面積（露出面積）が増やされているので、再配線層１３に伝わった熱は、封止層１４の厚みが減じられた薄肉部２６を介してこの放熱孔２５から容易に外部に放熱される。

このように、半導体基板１１に生じた熱は、内部に蓄積されずに封止層１４の放熱孔２５から効率よく外部に放熱されるので、半導体装置１０の温度の過度な上昇を抑える。これにより、半導体装置１０が高温になると生じる動作速度の低下など動作異常の発生や、半導体装置の劣化を防止することができ、信頼性に優れた半導体装置１０を得ることができる。また、放熱孔２５を再配線層１３に対応する位置に形成しても、再配線層１３は薄肉部２６によって絶縁性の封止層１４に確実に覆われているので、再配線層１３が外部に露呈されて腐食したり、封止層１４が剥離してしまうといったこともない。

半導体基板１１は、例えば、シリコンウエハ等の半導体ウエハが好ましく用いられる。また、半導体基板１１に形成される電極２１は、アルミニウムなどの導電性材料から構成されている。この電極２１の厚みは、例えば０．３〜１．５μｍ程度であればよい。半導体基板１１と絶縁層１２との間に形成されるパッシベーション膜１６は、例えばＳｉＮなどを半導体基板１１の一面全体に形成したものであればよい。

絶縁層１２は、例えば、ポリイミド、エポキシ樹脂、シリコン樹脂などの絶縁性樹脂が用いられればよい。また、こうした絶縁層１２は、例えば、スピンコート法、ラミネート法、印刷法などによって形成されれば良い。絶縁層１２の厚みは、例えば、３〜５０μｍ程度とされればよい。

再配線層１３は、例えば、銅、アルミニウム、ニッケル、金等の導電性材料からなる。再配線層１３は、例えば電解めっき、無電解めっきなどの方法で形成されれば良い。また、再配線層１３の厚みは３〜５０μｍ程度であればよい。

封止層１４は、例えば、ポリイミド、エポキシ樹脂、シリコン樹脂などの絶縁性樹脂が用いられればよい。この封止層１４は、例えば、感光性の樹脂を用いてスピンコート法、ラミネート法などによって形成されれば良い。こうした封止層１４の厚みは、例えば３〜１５０μｍ程度にされればよい。

放熱孔２５は、封止層１４の形成段階で、放熱孔２５を象ったレジストマスクを用いて形成すれば良い。図２に示すように、こうした放熱孔２５の形成部分における封止層１４の薄肉部２６の厚みｄは、０．１μｍ以上、封止層１４の厚みの５０％以下になるようにされればよい。薄肉部２６の厚みｄを０．１μｍ以上に設定することによって、再配線層１３に対する十分な絶縁性を確保し、また、再配線層１３の腐蝕防止、封止層１４の剥離防止をすることができる。また、薄肉部２６の厚みｄを封止層１４の厚みの５０％以下にすることによって、放熱孔２５からの十分な放熱性を確保することができる。

放熱孔２５の形状としては、図２に示したような、放熱孔２５の幅Ｗ１が封止層１４の薄肉部２６の厚みｄと同等程度の細長い孔を多数設けたものであればよい。また、図３に示したような、放熱孔２７の幅Ｗ２が封止層２８の薄肉部２９の厚みｄよりも十分に広い口径の大きな穴を１つないし少数設けたものであってもよい。

接続端子２３は、例えば、共晶はんだ、鉛フリーはんだなどからなる略球状のはんだバンプであればよい。こうした接続端子２３は、例えば、はんだボール搭載法、電解はんだメッキ法、はんだペースト印刷法、はんだペーストディスペンス法、はんだ蒸着法等によって形成されれば良い。

なお、再配線層１３と電極２１との間には、更にシード層が形成されていても良い。こうしたシード層は、例えば、ニッケル、クロム、チタン、チタン−タングステン合金、金等の導電性材料からなる厚みが１０〜１００ｎｍ程度の密着層と、同様に、銅、クロム、アルミニウム、チタン、チタン−タングステン合金、金等の導電性材料からなる厚みが１００〜５００ｎｍ程度の給電層などからなる。こうしたシード層は、例えば、スパッタ法、蒸着法、塗布法、ＣＶＤ（化学気相成長）法、無電解めっき法などによって形成されれば良い。

また、再配線層１３と電極２１との間には、さらに、銅、ニッケル、アルミニウム、金等の導電性材料からなる引回し配線層が設けられた多層構造であってもよい。再配線層１３と接続端子２３との間には、さらに、例えばニッケルや金などからなる端子接合層を形成して、接続端子２３の濡れ性を向上させてもよい。

封止層における放熱孔の形成領域は、図１に示した再配線層の端部に対応する位置に限定されず、放熱効果が得られればいずれの位置に形成されても良い。図４に示す半導体装置３０では、封止層３１における放熱孔３２の形成領域Ｅは、再配線層３３に重ならない位置で再配線層３３の近傍に配される。この時、封止層３１の薄肉部３４は、絶縁層３５に接する。

また、図５に示す半導体装置４０では、封止層４１における放熱孔４２の形成領域Ｅは、再配線層４３に重なる位置、および再配線層４３に重ならない再配線層４３の近傍の両方とされる。この場合、封止層４１には深さの異なる複数の放熱孔４２が形成され、封止層４１の薄肉部４４は、再配線層４３および絶縁層４５のそれぞれに接する。

また、図６に示す半導体装置５０では、封止層５１における放熱孔５２の形成領域Ｅは、再配線層５３に重なる位置、再配線層５３に重ならない再配線層５３の近傍、および電極５６と重なる位置にそれぞれ設定されている。電極５６と重なる位置に放熱孔５２を形成することによって、半導体基板５７から伝わる熱を再配線層５３に広く拡散させずに放熱させることができる。

図７に示すように、封止層６１に形成された放熱孔６２には、さらに熱伝導性に優れた材料が充填されてなる伝熱層６３が形成されていても良い。こうした伝熱層６３は、例えば、金属や金属ペーストなどを無電解めっきや塗布などによって放熱孔６２に形成すれば良い。こうした伝熱層６３を放熱孔６２に形成することによって、より一層効率的に放熱孔６２から放熱を促進させることができる。

放熱孔が形成される封止層を熱放射性が優れた材料で形成することも好ましい。例えば、封止層を黒色にすることによって熱放射性が高められ、放熱孔とともにより一層効率的に放熱を行うことができる。こうした熱放射性が優れた材料は、例えば、熱放射率が０．５以上であることが好ましい。

次に、こうした放熱孔を封止層に形成する工程の一例を説明する。図８（ａ）に示すように、半導体基板７１の一面側に絶縁層７２、再配線層７３および封止層７４が順に重ねられた状態で、露光用マスク７５を用いて封止層７４の露光、現像を行う。図８（ｂ）に示すように、この露光用マスク７５には、接続端子が配される端子開口７６を象ったマスク開口７５ａや、放熱孔７７を象ったマスク開口７５ｂなどが形成されている。こうした露光用マスク７５を用いて封止層７４の露光、現像を行うことによって、封止層７４に端子開口７６と放熱孔７７とを一回の工程で形成することができる。

本発明の半導体装置の一例を示す断面図である。本発明の半導体装置の放熱孔を示す断面図である。放熱孔の別な形態を示す断面図である。本発明の半導体装置の他の一例を示す断面図である。本発明の半導体装置の他の一例を示す断面図である。本発明の半導体装置の他の一例を示す断面図である。放熱孔の別な形態を示す断面図である。本発明の半導体装置の製造工程の一部を示す断面図である。

符号の説明

１０半導体装置、１１半導体基板、１２絶縁層、１３再配線層、１４封止層、２１電極、２２開口部、２５放熱孔、２６薄肉部。

Claims

電極を有する半導体基板と、前記半導体基板に重ねて配され、前記電極を露呈させる開口部を有する絶縁層と、前記絶縁層に重ねて配され、前記開口部で前記電極に電気的に接続される再配線層と、前記再配線層に重ねて配され、前記再配線層に設けられた端子部を露呈させる端子開口を有する封止層とを備えた半導体装置であって、
前記封止層には、前記封止層の表面から延び、一端側が開放され他端側が閉じた非貫通の放熱孔が設けられ、前記封止層は前記放熱孔の他端側で薄肉部を成していることを特徴とする半導体装置。
前記薄肉部は、前記再配線層に接していることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
前記放熱孔は、前記絶縁層に接し、かつ前記再配線層の近傍に配されていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
前記放熱孔は、一定領域に多数密集して形成されていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
前記薄肉部の厚みは０．１μｍ以上、前記封止層の厚みの１／２以下であることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
前記封止層は、熱放射率が０．５以上の材料で形成されていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。