JP2009295646A - チップ・サイズ・パッケージの半導体装置、およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】耐応力性能に優れ、高品質であり、高信頼性を有したチップ・サイズ・パッケージの半導体装置を提供する。
【解決手段】チップ・サイズ・パッケージの半導体装置１００は、表側においては半導体チップ１０１の集積回路と電気的に接続されている突起電極１０７が配置され、裏側においては半導体チップ１０１のシリコン基板が全面に亘って露出したパッケージ状の半導体チップ１１０を有し、半導体チップ１０１のシリコン基板を外力から保護する板状の金属体１０８がパッケージ状の半導体チップ１１０の裏面に着けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、チップ・サイズ・パッケージの半導体装置に関し、特に、耐応力性能に優れたチップ・サイズ・パッケージの半導体装置に関するものである。

近年、電子機器の小型化、高性能化、および高速化を実現するために、半導体装置においては、小型化、薄型化、高速化、多端子化が要求されている。これらの要求に応じるようにして、小型の多端子パッケージとして、各種のチップ・サイズ・パッケージ（以下、ＣＳＰと呼称する。）が開発されている。とりわけ、上記要求性能を実現できる小型化、薄型化パッケージとして、ウエハ・レベルＣＳＰが実用化されている。

ここで、ウエハ・レベルＣＳＰとは、再配線、保護膜、端子などが形成された半導体ウエハが個片化されて得られたパッケージである。
例えば、図７，図８に示すように、チップ・サイズ・パッケージの半導体装置１０は、複数の半導体チップ１１が形成された半導体ウエハの状態で纏めてパッケージ化された複数の半導体チップ１１が個片化されて得られたダイである。ここでは、平面形状が矩形であり、縦横寸法が半導体チップ１１のシリコン基板（不図示）の縦横寸法と同じであり、下から順に、半導体チップ１１、チップ電極１２、絶縁層１３、金属配線１４、外部接続用電極１５、封止樹脂層１６、突起電極１７が形成されたダイである。最終的には、プリント基板（不図示）に実装されるものである。

ここでは、一例として、チップ・サイズ・パッケージの半導体装置１０は、下記（工程１）〜（工程７）の製造方法によって製造される。
（工程１）まず、複数の半導体チップ１１が形成された半導体ウエハが、複数のチップ電極１２が形成された面を上面にして配置される。ここで、半導体チップ１１は、トランジスタなどを含む集積回路（不図示）がシリコン基板上に形成され、集積回路（不図示）と電気的に接続されているアルミ配線パターンが上面に形成されたものである。また、チップ電極１２は、半導体チップ１１の上面に形成されたアルミ配線パターンと電気的に接続されている電極である。

（工程２）次に、半導体ウエハの上面に感光性の絶縁材料が塗布されて露光および現像処理がされることによって、各半導体チップ１１の上層に絶縁層１３が形成される。ここで、絶縁層１３は、チップ電極１２を露出させる開口部が形成された絶縁層である。

（工程３）次に、電気メッキなどの方法によって、チップ電極１２から絶縁層１３の上面に亘って金属配線１４が形成される。ここで、金属配線１４は、絶縁層１３に形成された開口部を介してチップ電極１２と電気的に接続されている金属配線である。

（工程４）次に、電気メッキなどの方法によって、金属配線１４の上層に外部接続用電極１５が形成される。ここで、外部接続用電極１５は、金属配線１４と電気的に接続されている電極である。

（工程５）次に、外部接続用電極１５の上面が露出するようにして封止樹脂層１６が形成される。ここで、封止樹脂層１６は、半導体チップ１１、チップ電極１２、絶縁層１３、金属配線１４、および外部接続用電極１５を保護する保護層である。

（工程６）次に、クリーム半田材を使用した印刷リフロー法、またはボール半田材を使用したマウントリフロー法などによって、外部接続用電極１５の上面に突起電極１７が形成される。ここで、突起電極１７は、チップ・サイズ・パッケージの半導体装置１０がプリント基板（不図示）に実装されるときにプリント基板（不図示）と電気的に接続される電極である。

（工程７）最後に、複数のチップ・サイズ・パッケージの半導体装置１０が形成された半導体ウエハがスクライブラインに沿って切断分離される。これによって、チップ・サイズ・パッケージの半導体装置１０が複数得られる。
特開２００１−１５６２００号公報

しかしながら、チップ・サイズ・パッケージの半導体装置１０においては、半導体チップ１１の下面、すなわち、シリコン基板の裏面が全面に亘って露出していることから、品質および信頼性上における大きな問題がある。具体的には、製造時、取り扱い時、または使用時において外部から機械的および熱的ストレスがシリコン基板に直接印加される。これによって、シリコン基板が破損してしまう場合がある。さらに、この傾向は、ウエハ・レベルＣＳＰのパッケージ厚みが薄くなるに従って顕著となり、生産時および実用時に重大な問題として顕在化する。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、耐応力性能に優れ、高品質であり、高信頼性を有したチップ・サイズ・パッケージの半導体装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係わるチップ・サイズ・パッケージの半導体装置は、下記に示す特徴を備える。
（Ｃ１）チップ・サイズ・パッケージの半導体装置は、表側においては集積回路と電気的に接続されている突起電極が配置され、裏側においてはシリコン基板が全面に亘って露出した半導体チップを有し、前記シリコン基板を外力から保護する板状の金属体が前記半導体チップの裏面に着けられている。

これによって、ストレスが外部からシリコン基板に直接印加されることを回避することができる。結果、シリコン基板に割れやクラックなどの破損を発生させることなく、高品質かつ高信頼性で取り扱いが容易なチップ・サイズ・パッケージの半導体装置を実現することができる。

（Ｃ２）さらに、上記（Ｃ１）に記載のチップ・サイズ・パッケージの半導体装置においては、前記シリコン基板の平面形状が矩形であり、前記板状の金属体の平面形状が矩形であり、前記板状の金属体が前記シリコン基板における４つの角に合わさる部分を有するとしてもよい。

これによって、落下時に受ける機械的な衝撃応力を金属体で緩和させて吸収させることができ、耐応力性能を向上させることができる。特に、落下時に機械的な衝撃応力を受ける箇所が半導体チップの角に集中する場合においては非常に有効である。

（Ｃ３）または、上記（Ｃ１）に記載のチップ・サイズ・パッケージの半導体装置においては、前記シリコン基板の平面形状が矩形であり、前記板状の金属体の平面形状が矩形であり、前記板状の金属体が前記シリコン基板における４つの角からはみ出す部分を有するとしてもよい。

これによって、落下時に受ける機械的な衝撃応力を金属体において半導体チップから食み出した部分で緩和させて吸収させることができ、耐応力性能を向上させることができる。特に、落下時に機械的な衝撃応力を受ける箇所が半導体チップの角に集中する場合においては非常に有効である。

（Ｃ４）または、上記（Ｃ１）に記載のチップ・サイズ・パッケージの半導体装置においては、前記シリコン基板の平面形状が矩形であり、前記板状の金属体の平面形状が矩形における各辺の一部が内側に窪んだ形であり、前記板状の金属体が前記シリコン基板における４つの角に合わさる部分を有するとしてもよい。

これによって、板状の金属体の外周において内側に窪んだ部分があることから、重量増加に対しての軽減化が図れ、半導体装置の小型化と軽量化とを達成することができる。
（Ｃ５）または、上記（Ｃ１）に記載のチップ・サイズ・パッケージの半導体装置においては、前記シリコン基板の平面形状が矩形であり、前記板状の金属体の平面形状が矩形における各辺の一部が内側に窪んだ形であり、前記板状の金属体が前記シリコン基板における４つの角からはみ出す部分を有するとしてもよい。

これによって、板状の金属体の外周において内側に窪んだ部分があることから、重量増加に対しての軽減化が図れ、半導体装置の小型化と軽量化とを達成することができる。
なお、本発明は、チップ・サイズ・パッケージの半導体装置として実現されるだけではなく、チップ・サイズ・パッケージの半導体装置の製造方法として実現されるとしてもよい。

本発明によれば、半導体チップの裏面に板状の金属体が着けられていることから、外部からシリコン基板に対して機械的および熱的ストレスの印加に対する耐応力性能に優れ、高品質であり、高信頼性を有したチップ・サイズ・パッケージの半導体装置を実現することができる。

（実施の形態）
以下、本発明に係わる実施の形態について説明する。
＜半導体装置＞
まず、本実施の形態における半導体装置について説明する。

図１（ａ）、図１（ｂ）、および図２に示すように、チップ・サイズ・パッケージの半導体装置１００は、表側（図中において上側）においては半導体チップ１０１の集積回路（不図示）と電気的に接続されている突起電極１０７が配置され、裏側（図中において下側）においては半導体チップ１０１のシリコン基板（不図示）が全面に亘って露出したパッケージ状の半導体チップ１１０を有し、半導体チップ１０１のシリコン基板（不図示）の外周を外力から保護する板状の金属体１０８がパッケージ状の半導体チップ１１０の裏面（図中において下面）に着けられている。最終的には、プリント基板（不図示）に実装されるものである。

板状の金属体１０８は、平面形状が矩形であり、縦横寸法が半導体チップ１０１のシリコン基板（不図示）の縦横寸法と同じであり、半導体チップ１０１のシリコン基板（不図示）における４つの角に合わさる部分を有するものである。

パッケージ状の半導体チップ１１０は、複数の半導体チップ１１が形成された半導体ウエハの状態で纏めてパッケージ化された複数の半導体チップ１１が個片化されて得られたダイである。ここでは、平面形状が矩形であり、縦横寸法が半導体チップ１０１のシリコン基板（不図示）の縦横寸法と同じであり、下から順に、半導体チップ１０１、チップ電極１０２、絶縁層１０３、金属配線１０４、外部接続用電極１０５、封止樹脂層１０６、突起電極１０７が形成されたものである。

なお、板状の金属体１０８の素材としては、シリコン基板の線膨張係数と近似している金属材料が好ましく、具体的には、Ｎｉ合金、Ｃｕ合金、Ｗ合金、Ｍｏ合金のいずれかであることが望ましい。

＜製造方法＞
ここでは、一例として、チップ・サイズ・パッケージの半導体装置１００は、下記（工程１）〜（工程８）の製造方法によって製造される。

（工程１）まず、複数の半導体チップ１０１が形成された半導体ウエハが、複数のチップ電極１０２が形成された面を上面にして配置される。ここで、半導体チップ１０１は、トランジスタなどを含む集積回路（不図示）がシリコン基板上に形成され、集積回路（不図示）と電気的に接続されているアルミ配線パターンが上面に形成されたものである。また、チップ電極１０２は、半導体チップ１０１の上面に形成されたアルミ配線パターンと電気的に接続されている電極である。

（工程２）次に、半導体ウエハの上面に感光性の絶縁材料が塗布されて露光および現像処理がされることによって、各半導体チップ１０１の上層に絶縁層１０３が形成される。ここで、絶縁層１０３は、チップ電極１０２を露出させる開口部が形成された絶縁層である。

（工程３）次に、電気メッキなどの方法によって、チップ電極１０２から絶縁層１０３の上面に亘って金属配線１０４が形成される。ここで、金属配線１０４は、絶縁層１０３に形成された開口部を介してチップ電極１０２と電気的に接続されている金属配線である。

（工程４）次に、電気メッキなどの方法によって、金属配線１０４の上層に外部接続用電極１０５が形成される。ここで、外部接続用電極１０５は、金属配線１０４と電気的に接続されている電極である。

（工程５）次に、外部接続用電極１０５の上面が露出するようにして封止樹脂層１０６が形成される。ここで、封止樹脂層１０６は、半導体チップ１０１、チップ電極１０２、絶縁層１０３、金属配線１０４、および外部接続用電極１０５を保護する保護層である。

（工程６）次に、クリーム半田材を使用した印刷リフロー法、またはボール半田材を使用したマウントリフロー法などによって、外部接続用電極１０５の上面に突起電極１０７が形成される。ここで、突起電極１０７は、チップ・サイズ・パッケージの半導体装置１００がプリント基板（不図示）に実装されるときにプリント基板（不図示）と電気的に接続される電極である。

（工程７）次に、複数のパッケージ状の半導体チップ１１０が形成された半導体ウエハがスクライブラインに沿って切断分離される。これによって、パッケージ状の半導体チップ１１０が複数得られる。

（工程８）最後に、個片化されて得られたパッケージ状の半導体チップ１１０の下面に、樹脂接着、合金接合、機械的嵌合などの適切な方法によって、予め用意された板状の金属体１０８が着けられる。これによって、パッケージ状の半導体チップ１１０と板状の金属体１０８とが一体化したチップ・サイズ・パッケージの半導体装置１００が得られる。

＜まとめ＞
以上、本実施の形態によれば、パッケージ状の半導体チップ１１０の下面に板状の金属体１０８が着けられていることから、外部から半導体チップ１０１のシリコン基板に対して機械的および熱的ストレスの印加に対する耐応力性能に優れ、高品質であり、高信頼性を有したチップ・サイズ・パッケージの半導体装置を実現することができる。さらに、高密度の半導体デバイスとして情報通信機器や事務用電子機器の小形化、薄型化、軽量化に寄与することができる。

＜変形例１＞
なお、図３（ａ）、図３（ｂ）、および図４に示すチップ・サイズ・パッケージの半導体装置２００のように、板状の金属体１０８の代わりに、平面形状が矩形であり、縦横寸法が半導体チップ１０１のシリコン基板（不図示）の縦横寸法よりも大きく、半導体チップ１０１のシリコン基板（不図示）における４つの角からはみ出す部分を有する板状の金属体２０８がパッケージ状の半導体チップ１１０の裏面（図中において下面）に着けられているとしてもよい。

なお、板状の金属体２０８の素材としては、シリコン基板の線膨張係数と近似している金属材料が好ましく、具体的には、Ｎｉ合金、Ｃｕ合金、Ｗ合金、Ｍｏ合金のいずれかであることが望ましい。

これによって、落下時に受ける機械的な衝撃応力を板状の金属体２０８においてパッケージ状の半導体チップ１１０からはみ出した部分で緩和させて吸収させることができ、耐応力性能を向上させることができる。特に、落下時に機械的な衝撃応力を受ける箇所がパッケージ状の半導体チップ１１０の角に集中する場合においては非常に有効である。

＜変形例２＞
なお、図５（ａ）、図５（ｂ）、および図６に示すチップ・サイズ・パッケージの半導体装置３００のように、板状の金属体１０８の代わりに、平面形状が矩形における各辺の一部が内側に窪んだ形であり、縦横寸法が半導体チップ１０１のシリコン基板（不図示）の縦横寸法よりも大きく、半導体チップ１０１のシリコン基板（不図示）における４つの角からはみ出す部分を有する板状の金属体３０８がパッケージ状の半導体チップ１１０の裏面（図中において下面）に着けられているとしてもよい。

具体的には、板状の金属体３０８は、中央部３０９と、４つの角部３１０とを有する。中央部３０９においては、縦横寸法がパッケージ状の半導体チップ１１０の縦横寸法よりも小さく、四隅が４つの角部３１０と個別に連接されている。また、角部３１０においては、３つの角がパッケージ状の半導体チップ１１０の外周よりも外側に配置され、中心がパッケージ状の半導体チップ１１０の角よりも内側に配置されている。

なお、板状の金属体３０８の素材としては、シリコン基板の線膨張係数と近似している金属材料が好ましく、具体的には、Ｎｉ合金、Ｃｕ合金、Ｗ合金、Ｍｏ合金のいずれかであることが望ましい。

これによって、落下時に受ける機械的な衝撃応力を板状の金属体３０８においてパッケージ状の半導体チップ１１０からはみ出した部分で緩和させて吸収させることができ、耐応力性能を向上させることができる。特に、落下時に機械的な衝撃応力を受ける箇所がパッケージ状の半導体チップ１１０の角に集中する場合においては非常に有効である。さらに、板状の金属体３０８の外周において内側に窪んだ部分があることから、重量増加に対しての軽減化が図れ、半導体装置の小型化と軽量化とを達成することができる。

なお、板状の金属体１０８の代わりに、板状の金属体３０８のような形であり、縦横寸法が半導体チップ１０１のシリコン基板（不図示）の縦横寸法と同じであり、半導体チップ１０１のシリコン基板（不図示）における４つの角に合わさる部分を有する板状の金属体がパッケージ状の半導体チップ１１０の裏面（図中において下面）に着けられているとしてもよい。

これによって、外部から半導体チップ１０１のシリコン基板に対して機械的および熱的ストレスの印加に対する耐応力性能に優れ、高品質であり、高信頼性を有した半導体装置を実現することができる。さらに、板状の金属体の外周において内側に窪んだ部分があることから、重量増加に対しての軽減化が図れ、半導体装置の小型化と軽量化とを達成することができる。

本発明は、チップ・サイズ・パッケージの半導体装置などとして、特に、耐応力性能に優れたチップ・サイズ・パッケージの半導体装置などとして利用することができる。

実施の形態における半導体装置において、（ａ）は、半導体装置と金属体との関連を示す斜視図であり、（ｂ）は、半導体装置と金属体とが一体化した半導体装置の概要を示す斜視図である。 実施の形態における半導体装置を切断線Ａ−Ａ’で切断して矢視方向に見た断面図である。 実施の形態の変形例１における半導体装置において、（ａ）は、半導体装置と金属体との関連を示す斜視図であり、（ｂ）は、半導体装置と金属体とが一体化した半導体装置の概要を示す斜視図である。 実施の形態の変形例１における半導体装置を切断線Ｂ−Ｂ’で切断して矢視方向に見た断面図である。 実施の形態の変形例２における半導体装置において、（ａ）は、半導体装置と金属体との関連を示す斜視図であり、（ｂ）は、半導体装置と金属体とが一体化した半導体装置の概要を示す斜視図である。 実施の形態の変形例２における半導体装置を切断線Ｃ−Ｃ’で切断して矢視方向に見た断面図である。 従来の技術における半導体装置の概要を示す斜視図である。 従来の技術における半導体装置を切断線Ｄ−Ｄ’で切断して矢視方向に見た断面図である。

符号の説明

１０ チップ・サイズ・パッケージの半導体装置
１１ 半導体チップ
１２ チップ電極
１３ 絶縁層
１４ 金属配線
１５ 外部接続用電極
１６ 封止樹脂層
１７ 突起電極
１００ チップ・サイズ・パッケージの半導体装置
１０１ 半導体チップ
１０２ チップ電極
１０３ 絶縁層
１０４ 金属配線
１０５ 外部接続用電極
１０６ 封止樹脂層
１０７ 突起電極
１０８ 板状の金属体
１１０ パッケージ状の半導体チップ
２００ チップ・サイズ・パッケージの半導体装置
２０８ 板状の金属体
３００ チップ・サイズ・パッケージの半導体装置
３０８ 板状の金属体
３０９ 中央部
３１０ 角部

Claims (8)

1. 表側においては集積回路と電気的に接続されている突起電極が配置され、裏側においてはシリコン基板が全面に亘って露出した半導体チップを有し、前記シリコン基板を外力から保護する板状の金属体が前記半導体チップの裏面に着けられている
   ことを特徴とするチップ・サイズ・パッケージの半導体装置。
2. 前記シリコン基板の平面形状が矩形であり、
   前記板状の金属体の平面形状が矩形であり、
   前記板状の金属体が前記シリコン基板における４つの角に合わさる部分を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載のチップ・サイズ・パッケージの半導体装置。
3. 前記シリコン基板の平面形状が矩形であり、
   前記板状の金属体の平面形状が矩形であり、
   前記板状の金属体が前記シリコン基板における４つの角からはみ出す部分を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載のチップ・サイズ・パッケージの半導体装置。
4. 前記シリコン基板の平面形状が矩形であり、
   前記板状の金属体の平面形状が矩形における各辺の一部が内側に窪んだ形であり、
   前記板状の金属体が前記シリコン基板における４つの角に合わさる部分を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載のチップ・サイズ・パッケージの半導体装置。
5. 前記シリコン基板の平面形状が矩形であり、
   前記板状の金属体の平面形状が矩形における各辺の一部が内側に窪んだ形であり、
   前記板状の金属体が前記シリコン基板における４つの角からはみ出す部分を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載のチップ・サイズ・パッケージの半導体装置。
6. 前記板状の金属体が、樹脂による接着、合金による接合、機械的な嵌合のうちいずれかの方法によって着けられている
   ことを特徴とする請求項１に記載のチップ・サイズ・パッケージの半導体装置。
7. 前記板状の金属体が、Ｎｉ合金、Ｃｕ合金、Ｗ合金、Ｍｏ合金のいずれかの材料で構成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載のチップ・サイズ・パッケージの半導体装置。
8. 表側においては集積回路と電気的に接続されている突起電極が配置され、裏側においてはシリコン基板が全面に亘って露出した半導体チップに対して、前記シリコン基板を外力から保護する板状の金属体が前記半導体チップの裏面に着けられる
   ことを特徴とするチップ・サイズ・パッケージの半導体装置の製造方法。

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