JP2008205348A - 半導体装置および半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】導電性キャップの電流経路を確保しつつ、応力を緩和し、信頼性が向上した半導体装置を提供する。
【解決手段】電極を有する回路面およびメタライズされた裏面を有する半導体チップ３１と、半導体チップ３１の裏面３１ａ側を覆うように半導体チップ３１と着設され、半導体チップ３１の外部接続端子として機能する導電性キャップ４０と、を備え、導電性キャップ４０の表面４０ａ、４０ｂ上に所定の形状および配置で、表面４０ａ、４０ｂから厚さ方向の所定の深さを有する応力緩和溝４２が設けられる。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置および半導体装置の製造方法に関し、特に、外部接続端子として機能する導電性キャップを備える半導体装置および半導体装置の製造方法に関する。

従来の半導体装置としては、例えば特許文献１に記載されたものがある。同文献に記載された半導体装置は、半導体チップと、この半導体チップで発生する熱を放熱する放熱部材と、半導体チップと放熱部材を熱的に接続する接続部材を備え、この接続部材を金属Ｃｕにより形成するとともに、変形することにより半導体チップと放熱部材との間に発生する応力を吸収する。

図１０に、従来の半導体装置の構造の一例を示す。従来の半導体装置は、半導体チップ１と、その回路面１ｂに電極としてはんだボール３と、半導体チップ１の裏面にメタル層５と、メタル層５にはんだ層７を介して着設された導電性キャップ９と、を備えている。

また、図１１の従来の半導体装置は、図１０のはんだボール３に替えて、半導体チップ１の回路面１ｂにはんだバンプ１１が設けられている。
特開２００４−２５３７０３号公報 特開平７−１９３０９１号公報 特開平１０−３０３３４０号公報 米国特許６６２４５２２号 米国特許５７８９８０９号

図１０および図１１のようなメタルキャップＣＳＰ（Chip Size Package）タイプの小型ＩＣパッケージの場合、構成材料の違いにより、各構成材料間で線膨張係数に大きな差が生じる。たとえば、メタルキャップがＣｕの場合の線膨張係数は１７ｐｐｍ／℃、半導体チップはシリコンからなり、線膨張係数は３ｐｐｍ／℃、はんだ層はＰｂフリーの場合で２２ｐｐｍ／℃である。また、ガラスエポキシ基板の場合、線膨張係数は２０ｐｐｍ／℃である。

ＣＳＰ構造の場合、熱応力を緩和する、ボンディングワイヤーや細長い外部リードがないため、温度サイクル試験などの熱ストレス試験時に、熱が直接半導体チップ１に伝わり、はんだ層７による半導体チップ１と導電性キャップ９の間の接続部分にかかる応力が非常に大きくなり、半導体装置製品の寿命を左右する。これは線膨張係数の差により、部材間に熱応力が働き、はんだ層７に亀裂などが生じるためであり、半導体装置の特性不良を発生し易くなる。満足する寿命を確保するためには、この応力をできるだけ小さくする必要がある。

本発明によれば、電極を有する回路面およびメタライズされた裏面を有する半導体チップと、
前記半導体チップの前記裏面側を覆うように前記半導体チップと着設され、前記半導体チップの外部接続端子として機能する導電性キャップと、を備え、
前記導電性キャップの表面上に所定の形状および配置で、前記表面から厚さ方向の所定の深さを有する応力緩和溝が設けられた半導体装置が提供される。

この発明によれば、導電性キャップに応力緩和溝を設けることにより、熱応力による伸縮経路を分断できるので、発生する最大応力を小さくすることができるとともに、導電性キャップの厚さ方向には繋がったままの部分が残るため、外部接続端子としての機能を有する導電性キャップの電流経路を確保することができる。

本発明によれば、電極を有する回路面および裏面を有する半導体チップの前記裏面をメタライズし、
前記半導体チップの外部接続端子として機能する導電性キャップに、前記導電性キャップの表面上に所定の形状および配置で、前記表面から厚さ方向の所定の深さを有する応力緩和溝を形成し、
メタライズされた前記半導体チップの前記裏面を覆うように前記導電性キャップを着設する半導体装置の製造方法が提供される。

本発明によれば、導電性キャップの電流経路を確保しつつ、応力を緩和し、信頼性が向上した半導体装置が提供される。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。また、各図において、本発明の本質に関わらない部分の構成については省略してある。

（第一の実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態に係る半導体装置を真上から見た平面図および断面図である。本実施形態の半導体装置は、電極（はんだボール３３）を有する回路面３１ｂおよびメタライズされた裏面３１ａを有する半導体チップ３１と、半導体チップ３１の裏面３１ａ側を覆うように半導体チップ３１と着設され、半導体チップ３１の外部接続端子として機能する導電性キャップ４０と、を備え、導電性キャップ４０の表面（４０ａ、４０ｂ）上に所定の形状および配置で、表面（４０ａ、４０ｂ）から厚さ方向の所定の深さを有する応力緩和溝４２が設けられる。

本実施の形態の半導体装置は、たとえば、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）の小型パッケージであり、メタルキャップＣＳＰである。あるいは、ＩＣまたはＬＳＩパッケージであってもよい。本実施形態では、ＢＧＡ（Ball Grid Array）タイプのパッドを有する。

本実施形態の半導体装置において、半導体チップ３１は、ゲート電極（不図示）とソース電極（不図示）が設けられた回路面３１ｂと、ドレイン電極（不図示）が設けられた裏面３１ａを有する。半導体チップ３１の裏面３１ａ全体を導電性キャップ４０の裏面４０ｂに、はんだ、導電性接着剤、または熱伝導性樹脂で接続し、導電性キャップ４０の外周部の少なくとも１辺を、半導体チップ３１の回路面３１ｂに構成されるゲート電極やソース電極と同一面側に設け、フィリップチップ実装を可能とする。

導電性キャップ４０は、その両面（４０ａ、４０ｂ）に所定の形状および配置で、厚さ方向の所定の深さを有する応力緩和溝４２が設けられている。本実施形態において、応力緩和溝４２は、これに限定されないが、円形状の溝が複数千鳥状に配列されている。

図２は、本実施形態の半導体装置の裏面図であり、半導体装置にかかる応力を説明するための図である。同図に示すように、応力は、異なる線膨張係数を持つ材料を貼り合わせた部分の中心、本発明では半導体チップ３１の中央から放射状に外周部に向かって遠くなればなるほど大きくなる。本実施形態において、応力緩和溝４２は、導電性キャップ４０の表面（４０ａ、４０ｂ）に、半導体チップ３１の裏面３１ａの対角線を分割する形状および配置で設けられる。

図１に戻り、本実施形態の半導体装置は、応力緩和溝４２を埋めるように、導電性キャップ４０の表面（４０ａ、４０ｂ）に施された金属めっき層４３を含む。この構成によれば、応力緩和溝４２を埋めるように金属めっきを施すので、溝によって生じる導電性キャップ４０の抵抗値上昇を抑え、所望の電気特性を維持することができる。

次に、本実施形態の半導体装置の製造工程について、図３を用いて説明する。本実施形態の半導体装置の製造方法は、電極を有する回路面および裏面を有する半導体チップの裏面をメタライズし、半導体チップの外部接続端子として機能する導電性キャップ４０に、導電性キャップ４０の表面（４０ａ、４０ｂ）上に所定の形状および配置で、表面（４０ａ、４０ｂ）から厚さ方向の深さを有する応力緩和溝を形成し、メタライズされた半導体チップの裏面を覆うように導電性キャップ４０を着設する。また、本実施形態において、導電性キャップ４０の両面に厚さ方向の所定の深さを有する応力緩和溝４２を形成する。この応力緩和溝４２の形成において、導電性キャップ４０の表面上に所定の形状および配置で、表面から厚さ方向の途中まで、所定の深さに分割部４１を切り出した後、切り出した分割部４１を元に戻し、溝４２を導電性キャップ４０の両面に形成する。

図３（ａ）に示すように、所定の形状および配置を有する分割金型４７および分割金型４８を用いて、導電性キャップ４０の表面上に所定の形状および配置で、表面から厚さ方向の途中まで、所定の深さに分割部４１を切り出す。分割金型４７および分割金型４８には、切断刃が設けられており、分割金型４８を導電性キャップ４０の裏面４０ｂ側から分割金型４７に向けて押し込むことにより、分割部４１を切り出す。図３（ａ）に示すように、分割部４１は途中まで導電性キャップ４０の表面４０ａより突出する。切り出す深さは半導体装置の電気的特性などを考慮して任意に設定することができる。

そして、分割部４１の突出した部分を、導電性キャップ４０の表面４０ａ側から分割金型４８を用いて金型４９で挟むように押し戻し、図３（ｂ）に示すように導電性キャップ４０に分割部４１を元の場所に戻す。

このようにして、図３（ｃ）に示すように、導電性キャップ４０には、所定の形状および配置で、表面（４０ａ、４０ｂ）から厚さ方向の所定の深さを有する応力緩和溝４２が形成される。同図に示すように、導電性キャップ４０の厚さ方向の中央部は、応力緩和溝４２が形成されずに繋がったままとなり、導電性キャップ４０が分割部４１によってバラバラにならずに作業を進められるだけでなく、外部接続端子として機能する導電性キャップ４０の電流経路を確保できることとなる。

その後、応力緩和溝４２を埋めるように、導電性キャップ４０の表面（４０ａ、４０ｂ）に金属めっきを施し、金属めっき層４３が形成される。これにより、応力緩和溝４２により生じる導電性キャップ４０の抵抗値上昇を抑え、所望の電気的特性を維持することができる。

そして、半導体チップ３１の回路面３１ｂにはんだボール３３を搭載し、半導体チップ３１の裏面３１ａにメタル層３５を施し、導電性キャップ４０の裏面４０ｂにはんだで接続し、はんだ層３７を形成し、ＣＳＰパッケージ構造の半導体装置となる。

本発明の実施形態の半導体装置において、導電性キャップ４０は、図４乃至図８に示すような、様々な形状および配置の応力緩和溝を設けることができる。図４の例では、分割部５１が短冊状で導電性キャップ５０の短手方向に並列するように、応力緩和溝５２が設けられている。他の例では、分割部５１は長手方向に並列して設けてもよい。また、短冊の形状は、図４では楕円形になっているが矩形でもよい。応力緩和溝５２には金属めっき５３が埋め込まれる。

図５の例では、分割部５７が短冊状で、導電性キャップ５５の短手方向に並列かつ千鳥状に配置され、短冊形状の一方が導電性キャップ５５の端に接するように、応力緩和溝５８が設けられている。また、短冊の形状が図５では矩形になっているが、楕円形でもよい。応力緩和溝５８には金属めっき５９が埋め込まれる。

図６の例では、分割部６１が十字形状で十字の各辺が導電性キャップ６０の各辺と互いに平行に配置されるように、応力緩和溝６２が設けられ、応力緩和溝６２には金属めっき６３が埋め込まれている。図７の例では、分割部６７が十字形状で十字の各辺が導電性キャップ６５の各辺と互いに４５度傾くように十字の中心周りに回転させて配置されるように、応力緩和溝６８が設けられ、応力緩和溝６８には金属めっき６９が埋め込まれている。図８の例では、分割部７１が導電性キャップ７０に接する半導体チップ３１の中心から同心円状に配置されるように、応力緩和溝７２が設けられ、応力緩和溝７２には金属めっき７３が埋め込まれている。

以上説明したように、本発明の実施の形態の半導体装置によれば、導電性キャップ４０に応力緩和溝４２を設けることにより、外観は金属板に見えるが、部分的に細かく分割処理されているので、熱応力による伸縮経路を分断でき、発生する最大応力を小さくすることができるとともに、導電性キャップ４０の厚さ方向には繋がったままの部分が残るため、外部接続端子としての機能を有する導電性キャップ４０の電流経路を確保することができる。これにより、温度サイクル試験などの熱ストレス試験時において、はんだなどの接続点の寿命が向上し、装置の接続信頼性が向上する。
また、応力緩和溝４２が、導電性キャップ４０の両面に同じ形状および配置で設けられているので、熱応力を緩和する効果がより高くなる。

（第二の実施の形態）
図９は、本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を説明するための図である。本実施形態の半導体装置は、上記実施形態とは、応力緩和溝の形成において、分割部を一旦完全に切り出した後、再度挿入する点で相違する。すなわち、本実施形態の半導体装置において、導電性キャップ８０は、所定の形状および配置で、導電性キャップ８０の厚さ方向に貫通孔８４が設けられ、導電性キャップ８０の貫通孔８４を導電性キャップ８０の一面側で部分的に電気的および機械的に接続する手段（つぶし領域８３）を備える。

本実施形態の半導体装置の製造方法では、応力緩和溝８２の形成において、所定の形状および配置で、導電性キャップ８０の厚さ方向に分割部８１を切り出した後、切り出した分割部８１を元に戻し、貫通孔８４を形成する。そして、導電性キャップ８０の一面側で、貫通孔８４の隙間を部分的に圧着する。

図９（ａ）に示すように、本実施形態において、所定の形状および配置を有する分割金型４７および分割金型４８を用いて、分割金型４８を導電性キャップ８０の裏面８０ｂ側から分割金型４７に向けて押し込むことにより、応力緩和溝８２を完全に切り出す。

そして、図９（ｂ）に示すように、分割金型４８を用いて、導電性キャップ８０の表面８０ａ側から分割部８１を元の位置に戻すように押し込み、分割部８１が導電性キャップ８０の表面８０ａより少しだけ突出する位置まで戻す。このようにして、導電性キャップ８０には、所定の形状および配置を有する貫通孔８４が設けられる。

そして、図９（ｃ）に示すように、導電性キャップ８０の一面（表面８０ａ）側で、貫通孔８４の隙間を部分的に圧着する圧着部（つぶし領域８３）が設けられる。圧着部は、たとえば、つぶし、またはカシメ加工を施して形成される。

以上説明したように、本発明によれば、導電性キャップ８０に応力緩和溝８２を設けることにより、熱応力による伸縮経路を分断できるので、発生する最大応力を小さくすることができるとともに、導電性キャップ８０の厚さ方向には繋がったままの部分が残るため、外部接続端子としての機能を有する導電性キャップ８０の電流経路を確保することができる。

以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。

本発明の実施の形態に係る半導体装置を真上から見た平面図および断面図である。 本実施形態の半導体装置の裏面図であり、半導体装置にかかる応力を説明するための図である。 本実施形態の半導体装置の製造工程を説明するための図である。 本発明の実施形態に係る半導体装置の導電性キャップの一例を示す平面図である。 本発明の実施形態に係る半導体装置の導電性キャップの一例を示す平面図である。 本発明の実施形態に係る半導体装置の導電性キャップの一例を示す平面図である。 本発明の実施形態に係る半導体装置の導電性キャップの一例を示す平面図である。 本発明の実施形態に係る半導体装置の導電性キャップの一例を示す平面図である。 本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を説明するための図である。 従来の半導体装置の構造の一例を示す図である。 従来の半導体装置の構造の他の例を示す図である。

符号の説明

３１ 半導体チップ
３３ はんだボール
３５ メタル層
３７ はんだ層
４０ 導電性キャップ
４１ 分割部
４２ 応力緩和溝
４３ 金属めっき層
５２ 応力緩和溝
５８ 応力緩和溝
６２ 応力緩和溝
６８ 応力緩和溝
７２ 応力緩和溝
８０ 導電性キャップ
８１ 分割部
８２ 応力緩和溝
８３ 圧着部
８４ 貫通孔

Claims (18)

1. 電極を有する回路面およびメタライズされた裏面を有する半導体チップと、
   前記半導体チップの前記裏面側を覆うように前記半導体チップと着設され、前記半導体チップの外部接続端子として機能する導電性キャップと、を備え、
   前記導電性キャップの表面上に所定の形状および配置で、前記表面から厚さ方向の所定の深さを有する応力緩和溝が設けられた半導体装置。
2. 請求項１に記載の半導体装置において、
   前記導電性キャップは、その両面に厚さ方向の前記所定の深さを有する前記応力緩和溝が設けられる半導体装置。
3. 請求項１に記載の半導体装置において、
   前記導電性キャップは、所定の形状および配置で、前記導電性キャップの厚さ方向に貫通孔が設けられ、
   前記導電性キャップの前記貫通孔を前記導電性キャップの一面側で部分的に電気的および機械的に接続する手段を備える半導体装置。
4. 請求項３に記載の半導体装置において、
   前記接続する手段は、前記導電性キャップの前記一面側で、前記貫通孔の隙間を部分的に圧着する圧着部を含む半導体装置。
5. 請求項１乃至４いずれかに記載の半導体装置において、
   前記応力緩和溝を埋めるように、前記導電性キャップの前記表面に施された金属めっき層を含む半導体装置。
6. 請求項１乃至５いずれかに記載の半導体装置において、
   前記半導体チップの前記裏面に前記導電性キャップを接続するはんだ層を備える半導体装置。
7. 請求項１乃至５いずれかに記載の半導体装置において、
   前記半導体チップの前記裏面に前記導電性キャップを接続する導電性接着剤を備える半導体装置。
8. 請求項１乃至５いずれかに記載の半導体装置において、
   前記半導体チップの前記裏面に前記導電性キャップを接続する熱伝導性樹脂層を備える半導体装置。
9. 請求項１乃至８いずれかに記載の半導体装置において、
   前記応力緩和溝は、前記半導体チップの裏面の対角線を分割する形状および配置で設けられる半導体装置。
10. 電極を有する回路面および裏面を有する半導体チップの前記裏面をメタライズし、
    前記半導体チップの外部接続端子として機能する導電性キャップに、前記導電性キャップの表面上に所定の形状および配置で、前記表面から厚さ方向の所定の深さを有する応力緩和溝を形成し、
    メタライズされた前記半導体チップの前記裏面を覆うように前記導電性キャップを着設する半導体装置の製造方法。
11. 請求項１０に記載の半導体装置の製造方法において、
    前記応力緩和溝の形成において、
    前記導電性キャップの両面に厚さ方向の前記所定の深さを有する前記応力緩和溝を形成する半導体装置の製造方法。
12. 請求項１１に記載の半導体装置の製造方法において、
    前記応力緩和溝の形成において、
    前記導電性キャップの前記表面上に前記所定の形状および配置で、前記表面から厚さ方向の途中まで、所定の深さに分割部を切り出した後、切り出した前記分割部を元に戻し、前記溝を前記導電性キャップの前記両面に形成する半導体装置の製造方法。
13. 請求項１０に記載の半導体装置の製造方法において、
    前記応力緩和溝の形成において、
    所定の形状および配置で、前記導電性キャップの厚さ方向に貫通孔を形成し、
    前記貫通孔を部分的に電気的および機械的に接続する半導体装置の製造方法。
14. 請求項１３に記載の半導体装置の製造方法において、
    前記応力緩和溝の形成において、
    前記所定の形状および配置で、前記導電性キャップの厚さ方向に分割部を切り出した後、切り出した前記分割部を元に戻し、前記貫通孔を形成する半導体装置の製造方法。
15. 請求項１３または１４に記載の半導体装置の製造方法において、
    前記導電性キャップの一面側で、前記貫通孔の隙間を部分的に圧着する半導体装置の製造方法。
16. 請求項１０乃至１５いずれかに記載の半導体装置の製造方法において、
    前記応力緩和溝を埋めるように、前記導電性キャップの前記表面に金属めっきを施す半導体装置の製造方法。
17. 請求項１０乃至１６いずれかに記載の半導体装置の製造方法において、
    前記半導体チップの前記裏面に前記導電性キャップをはんだ、導電性接着剤または熱伝導性樹脂で接続する半導体装置の製造方法。
18. 請求項１０乃至１７いずれかに記載の半導体装置の製造方法において、
    前記応力緩和溝は、前記半導体チップの裏面の対角線を分割する形状および配置で設けられる半導体装置の製造方法。

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