JP2010238996A - 半導体モジュールの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】銅板と半導体素子との電気的接続の向上を図った半導体モジュールの製造方法を提供する。
【解決手段】半導体モジュール1は、銅板をエッチングして突起電極110と凹部を形成し、その凹部に、突起電極115の高さよりも低い位置まで絶縁樹脂層120を形成した後に、半導体素子210と、突起電極110と一体的に形成されている配線層135を備えた銅板とを圧着し、配線層135を半導体素子210側に凸になるように反ることで、突起電極110と素子電極211との電気的接続を確実にする。
【選択図】図1
【解決手段】半導体モジュール1は、銅板をエッチングして突起電極110と凹部を形成し、その凹部に、突起電極115の高さよりも低い位置まで絶縁樹脂層120を形成した後に、半導体素子210と、突起電極110と一体的に形成されている配線層135を備えた銅板とを圧着し、配線層135を半導体素子210側に凸になるように反ることで、突起電極110と素子電極211との電気的接続を確実にする。
【選択図】図1
Description
本発明は、半導体モジュールの製造方法に関する。
近年、電子機器の小型化・高機能化に伴い、電子機器に使用される半導体モジュールの小型化が求められている。これを実現するために半導体モジュールの外部接続電極間の狭ピッチ化が不可欠となるものの、はんだボール自体の大きさやはんだ付け時のブリッジ発生などが制約となり、外部接続電極の狭ピッチ化による小型化には限界があった。近年では、このような限界を克服するために、半導体モジュールに再配線を形成することによる外部接続電極の再配置が行われている。このような再配置の方法として、たとえば、シリコン基板をハーフエッチすることによって形成した突起構造を電極またはビアとし、シリコン基板にエポキシ樹脂などの絶縁層を介して半導体チップを装着し、突起構造に半導体モジュールの外部接続電極を接続する方法が知られている(特許文献1参照)。
しかしながら、突起構造を備えたシリコン基板と、半導体チップとの間には絶縁層が充填されているため、それらの間に絶縁層の材料が流れ込んで絶縁層が介在してしまい、シリコン基板と半導体チップとの電気的接続不良が生じる可能性がある。
本発明のある態様は、金属板をエッチングして突起部を形成する第1の工程と、前記突起部の一部が露出する厚みの絶縁層を形成する第2の工程と、表面に複数の電極を有する半導体基板と、前記金属板とを前記絶縁層を介して圧着し、前記突起部と前記電極とを電気的に接続する第3の工程と、を備える半導体モジュールの製造方法である。
この態様によれば、突起電極110と素子電極211との電気的接続を確実にすることができる。
本発明によれば、突起電極と半導体素子の電極との間の電気的接続を確実にできる半導体モジュールの製造方法を得ることができる。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
(実施形態1)
図1は、実施形態1に係る半導体モジュールの構成を示す概略断面図であり、図2は半導体モジュール(1チップ分)の平面図である。図1の断面図は、図2のA−A’線に沿った断面図である。
図1は、実施形態1に係る半導体モジュールの構成を示す概略断面図であり、図2は半導体モジュール(1チップ分)の平面図である。図1の断面図は、図2のA−A’線に沿った断面図である。
半導体モジュール1は、素子搭載用基板100と半導体素子200とを備える。
まず、素子搭載用基板100は、絶縁樹脂層120と、絶縁樹脂層120の一方の主表面に設けられた配線層135(再配線)と、配線層135と電気的に接続され、配線層135から絶縁樹脂層120側に突出している突起電極110とを含む。半導体搭載用基板100には、配線層135の電極形成領域135aに突起電極110が各辺に沿って形成されている。
絶縁樹脂層120は、配線層135と半導体素子200との接着層としての役割を有する。絶縁樹脂層120としては、加熱により硬化性を引き起こす絶縁材料、加熱により可塑性を引き起こす絶縁材料、加熱により変形する絶縁材料などが用いられる。絶縁樹脂層120の厚さは、たとえば約20μmである。
また、絶縁樹脂層120は、たとえば、BTレジン等のメラミン誘導体、液晶ポリマー、PPE樹脂、フッ素樹脂、フェノール樹脂、ポリアミドビスマレイミド等の熱硬化性樹脂で形成することができる。
加熱により可塑性を引き起こす絶縁材料としては、アクリル系熱可塑性樹脂などの熱可塑性樹脂が挙げられる。可塑性を引き起こす温度は、たとえば150〜200℃である。
加熱により変形する絶縁材料としては、ガラス転移温度(Tg)がたとえば80〜130℃であれば熱硬化性樹脂であってもよい。このような熱硬化性樹脂としては、ポリイミド系熱硬化性樹脂などが挙げられる。
配線層135は、絶縁樹脂層120の半導体素子200と反対側の主表面に設けられており、導電材料、好ましくは圧延金属、さらには圧延銅により形成されている。圧延銅は、めっき処理等によって形成された銅からなる金属膜と比較すると、機械的強度の点において強く、再配線のための材料として優れている。なお、配線層135は電解銅などで形成されてもよい。配線層135は、突起電極110が形成される電極形成領域135aと、これに連続して延在する配線領域135bと、電極形成領域135aと反対側の配線領域端部に設けられた外部接続領域135cとを有している。外部接続領域135cには、後述するはんだボール150が配置される。なお、配線層135の厚さは、たとえば約15μmである。
電極形成領域135aには配線層135から突起電極110が突出しており、突起電極110は絶縁樹脂層120を貫通して半導体素子200に到達している。電極形成領域(突起電極110)は、半導体素子210の素子電極211に対応した位置に形成されており、突起電極110と素子電極211とが電気的に接続されている。本実施形態では、配線層135と突起電極110とは一体的に形成されており、これにより配線層135と突起電極110との接続が確実になっている。また、配線層135と突起電極110とが一体的に形成されたことにより、半導体モジュール1の使用環境下で発生する熱応力による配線層135と突起電極110との界面における亀裂(クラック)の発生などを防止できる。さらに、配線層135と素子電極211との電気的な接続を、突起電極110と素子電極211との圧着と同時にできることから、工程数が増大しないという効果を奏する。
配線層135から絶縁樹脂層120側に突出した突起電極110はその全体的な形状が、先端に近づくにつれて径が細くなっている。突起電極110の平面視形状は、本実施形態では楕円形を含む略丸型であるが、特にこれに限定されず、たとえば四角形などの多角形であってもよい。突起電極110の頂部面および側面には金属層114が積層されている。金属層114は、突起電極110に接するニッケル(Ni)からなるNi層112と、Ni層112上に積層された金(Au)からなるAu層113とを含み、Ni層112とAu層113が突起電極110側からこの順で積層されている。
金属層114の最表面にはAu層113が積層され、金属層214の最表面にはAu層213が積層されている。そのため、突起電極110と素子電極211とは、Au層113とAu層213とが金−金接合(金と金との接合)することにより電気的に接続されている。これにより、突起電極110と素子電極211との接続信頼性が向上する。素子電極211の上には金属層214が積層されている。金属層214は、素子電極2111に接するニッケル(Ni)からなるNi層212と、Ni層212上に積層された金(Au)からなるAu層213とを含み、Ni層212とAu層213が素子電極211側からこの順で積層されている。なお、突起電極110と素子電極211とは、金属層114及び214を介在させずに直に接続されていてもよいし、はんだなどの低融点導電材料を介在させて接続されていてもよい。突起電極110の高さ、頂部面の径、および底部面の径は、それぞれたとえば約20μm、約45μmφ、および約60μmφである。また、Ni層112、212およびAu層113、213の厚さは、それぞれたとえば約1μm〜約15μmおよび約0.03μm〜約1μmである。
配線層135および絶縁樹脂層120の上(図1の上方)には、配線層135の酸化などを防ぐための配線保護層140が設けられている。配線保護層140としては、フォトソルダーレジスト層(PSR)などが挙げられる。配線保護層140の所定領域には開口141が形成されており、開口141によって配線層135の外部接続領域135cが露出している。開口141内には外部接続電極としてのはんだボール150が形成され、はんだボール150と配線層135とが電気的に接続されている。はんだボール150を形成する位置、すなわち開口141の形成領域は、たとえば再配線で引き回した先の端部であり、素子搭載用基板100のほぼ中央部に配置されている。なお、配線保護層140の厚さはたとえば約25μmである。
次に、半導体素子200は、半導体基板210と、素子電極211と、金属層214と、素子保護層113とを含む。
半導体基板210は、たとえばP型シリコンウエハである。半導体基板210の主表面S1側(図1の上面側)には、周知の技術により集積回路(IC)または大規模集積回路(LSI)(図示せず)などが形成されている。
実装面となる主表面S1には、集積回路に接続された素子電極211が設けられている。素子電極211の材料としては、アルミニウム(Al)や銅(Cu)などの金属が用いられる。素子電極211の表面には金属層214が積層されている。金属層214は素子電極211に接するニッケル(Ni)からなるNi層212と、Ni層212上に積層された金(Au)からなるAu層213からなっている。
半導体素子210の主表面S1上には、素子電極211(以下、素子電極211、金属層214を含めて「素子側電極215」と称する。)が露出するように素子保護層113が設けられている。素子保護層113としては、シリコン酸化膜(SiO2)、シリコン窒化膜(SiN)、ポリイミド(PI)膜などが好適である。本実施形態の素子保護層113は、半導体基板210に接するシリコン窒化膜と、そのシリコン窒化膜上に積層されたポリイミド膜とからなる(図1においては、これらの各膜を1層(符号113)で表記している)。
次に、本願の半導体モジュールの製造方法について説明する。
図3及び図4に、本願の実施の形態1に係る半導体モジュールの製造工程断面図を示す。
まず、図3(A)に示すように、図1に示したような突起電極110の高さと配線層135の厚さとの和より少なくとも大きい厚さを有する金属板としての銅板130を用意する。銅板130の厚さは、たとえば125μmである。銅板130としては圧延された銅からなる圧延金属が採用される。
まず、図3(A)に示すように、図1に示したような突起電極110の高さと配線層135の厚さとの和より少なくとも大きい厚さを有する金属板としての銅板130を用意する。銅板130の厚さは、たとえば125μmである。銅板130としては圧延された銅からなる圧延金属が採用される。
次に、図3(B)に示すように、リソグラフィ法により、突起電極の形成予定領域に対応したパターンに合わせてレジスト300を選択的に形成する。具体的には、ラミネーター装置を用いて銅板130に所定膜厚のレジスト膜を貼り付け、突起電極110のパターンを有するフォトマスクを用いて露光した後、現像することによって、銅板130の上にレジスト300が選択的に形成される。また、レジスト300との密着性向上のために、レジスト膜300のラミネート前に、銅板130の表面に研磨、洗浄等の前処理を必要に応じて施すことが望ましい。なお、レジスト300を設けた面と反対側(上面側)の全面にはレジスト保護膜(図示せず)を形成して銅板130を保護しておくことが望ましい。
次に、図3(C)に示すように、レジスト300をマスクとして塩化第二鉄溶液などの薬液を用いたウェットエッチング処理を行うことにより、銅板130の表面から突出する所定の円錐台パターン(円錐形の先端部が除去され断面形状が台形形状)の突起電極110を形成する。言い換えると、銅板130のウェットエッチングにより、突起電極110間に凹部115を形成する。この際、突起電極110はその先端部に近づくにつれて径(寸法)が細くなるテーパ状の側面部を有するように形成される。当該ウェットエッチング処理は、突起電極110の頂部の径(幅)が、突起電極110に対応する素子電極211の幅よりも狭くなるような条件で行われる。本実施形態の突起電極110における基底部の径、頂部の径、高さは、たとえばそれぞれ、約60μmφ、約45μmφ、約20μmである。
次に、図3(D)に示すように、レジスト300およびレジスト保護膜を剥離剤を用いて剥離する。
以上説明した工程により、銅板130に突起電極110が一体的に形成される。なお、レジスト300に代えて銀(Ag)などの金属マスクを採用してもよい。この場合には銅板130とのエッチング選択比が十分確保されるため、突起電極110のパターニングのさらなる微細化を図ることが可能となる。
次に、図3(E)に示すように、塩化第二鉄溶液などの薬液を用いたウェットエッチング処理などにより、突起電極110が設けられた側と反対側の銅板130の表面をエッチバックし銅板130を薄膜化する。この際、突起電極110が設けられた側にはレジスト保護膜305を形成して突起電極110および銅板130を保護しておき、エッチング処理後にレジスト保護膜305を除去する。これにより、所定の厚さ(配線135の厚さ)に加工され、所定の突起電極110が一体的に設けられた銅板130が形成される。本実施形態の銅板130の厚さは約15μmである。
次に、図3(F)に示すように、銅板130の突起電極110が形成された側の主表面に、耐めっき性を有するレジスト310を突起電極110が埋没するように積層する。そして、リソグラフィ法により突起電極110が露出するように開口315を形成する。なお、レジスト310を設けた面と反対側(上面側)の全面にもレジスト保護膜310を形成して銅板130を保護しておくことが望ましい。
次に、図3(G)に示すように、レジスト310をマスクとして用い、開口315から露出している突起電極110の頂部面と、側面のうち突起電極110の高さの半分程度までの側面とに、たとえば電解めっき法もしくは無電解めっき法により金属層114を形成する。金属層114は、たとえば、まず突起電極110の頂部面および側面(突起電極110の高さの約1/2)にNi層112を形成し、続いてNi層112の表面にAu層113を形成することで構成する。なお、金属層114を形成する領域は、突起電極110の頂部面のみであってもよい。この場合、レジスト310には突起電極110の頂部面が露出する大きさの開口315が形成される。
次に、図3(H)に示すように、金属層114を形成した後、剥離剤を用いてレジスト310を剥離する。こうして、配線層135と一体的に形成され、先端部を金属層114で覆った突起電極110を備えた銅板130が形成される。
次に、図4(A)に示すように、図3の工程で形成した銅板130を準備する。
次に、図4(B)に示すように、真空ラミネート法を用いて、突起電極110が設けられた側の銅板130の表面に、突起電極110が埋没するように絶縁樹脂層120を積層する。絶縁樹脂層120としては、上述したように、加圧または加熱により可塑性または変形を引き起こす絶縁材料が用いられる。
次に、図4(C)に示すように、酸素(O2)プラズマエッチングを用いて、少なくとも突起電極110の頂部面を露出させるように絶縁樹脂層120を薄膜化する。突起電極110の頂部面に加えて側面の一部までも露出させてもよい。即ち、前述の工程において銅板130をウェットエッチングすることにより形成された凹部115の体積よりも、その凹部115に充填される絶縁樹脂層120の体積が小さくなるように金属層114を含めた突起電極110の一部が露出していればよい。絶縁樹脂層の量は、後の工程で、絶縁樹脂層と銅板を圧着した際に空洞ができない量に調整すればよい。
こうして、素子保護膜140及びはんだボール150を形成していない状態の素子搭載用基板100が形成できる。
次に、前述の図4(C)で形成した素子搭載用基板100と半導体素子200とを接続する工程について説明する。
まず、図5(A)に示すように、主表面S1側に素子側電極215および素子保護層113を備えた半導体基板210(半導体ウエハ)を用意する。そして、プレス機を構成する一対の平板プレート(図示せず)の間に、半導体基板210と、突起電極110が一体的に形成された銅板130とを設置する。そして、プレス機を用いて加熱圧着することにより、対応する突起電極110を覆う金属層214と素子側電極215とが当接した状態で半導体基板210と銅板130とを圧着して電気的に接続する。プレス加工時の圧力および温度は、それぞれ約1MPaおよび200℃である。
なお、その半導体基板210は、P型シリコン基板などの半導体基板210内に、周知のリソグラフィ技術、エッチング技術、イオン注入技術、成膜技術、および熱処理技術などを組み合わせた半導体製造プロセスを用いて主表面S1に所定の集積回路を形成し、集積回路の外周縁部に素子電極211を形成する。そして、半導体基板210の主表面S1上に、例えばCVD法によりシリコン窒化膜を形成し、その上にポリイミド膜を例えば塗布して硬化させることにより積層した素子保護層113を形成する。素子電極211が露出するように素子保護層113をエッチングする。そして素子電極211上にはNi層212およびAu層213からなる金属層214を電解めっき法あるいは無電解めっき法により積層した構造である。
ここで、この圧着の開始から終了までの圧着の状態について説明する。
プレス機による加圧の始まりにより、まず突起電極110の金属層114と半導体素子210の金属層214との接触が完了する。そのときには、突起電極110よりも厚みが薄い絶縁樹脂層120はまだ金属層214及び素子保護層113には接触していない。
さらに継続して加圧がなされると、銅板130は、電極形成領域135a(突起電極110部)を除く配線領域135bにおいては、半導体素子210側に向かって凸の形状に反ることになり、それにより絶縁樹脂層120が半導体素子210側に加圧されて最終的には、図5(B)に示すように、金属層214及び素子保護層113に接触することになる。
以上のように、まず突起電極110との金属層114と半導体素子210の金属層214とが接続され、その後に、絶縁樹脂層120と金属層214及び素子保護層113とが接着されるので、突起電極110と素子側電極215との間に絶縁樹脂層120が混入することなく確実に電気的接続ができる。
従来のような凹部115にその体積と同じかそれ以上の絶縁樹脂層が充填されている場合には、加圧すると突起電極110と素子側電極215との間に絶縁樹脂層120が流れ込んでいたが、本願においては、凹部内の絶縁樹脂層の量を突起電極110の高さよりも小さくなる程度の量にするため、金属層114と金属層214との接続が先になされ、その後で絶縁樹脂層120が半導体素子210に接着される。そのため、金属層114と金属層214との間に絶縁樹脂層120が介在することが防止できるため確実に電気的接続ができる。また、絶縁樹脂層の量が少ないため配線層135を押圧することにより半導体素子210の方向に凸になるように反ることから、絶縁樹脂層の量を少なくするものの金属層214及び素子保護層113と絶縁樹脂層120とが確実に接着できる。
さらに、加圧により銅板130は突起電極110部を除く配線領域135bにおいては半導体素子210側に向かって凸の形状に反って絶縁樹脂層120に圧力が伝わるため凹部115に絶縁樹脂層120が充填されない空間が生じることはない。したがって、空間が生じてこの後の製造工程やモジュールの製品への搭載後にその空間に水分が浸入したりあるいは熱によってその空間が膨張して突起電極110と素子側電極215との電気的接続不良が生じてしまったりすることはない。
なお、突起電極110のある部分においては加圧によりその頂面部は広がった形状になり接続面積が増大する。その形状により素子側電極215との電気的接続が確実にすることができる。
次に、図5(C)に示すように、リソグラフィ技術およびエッチング技術を用いて銅板130を所定の配線パターンに加工することにより、配線135(再配線)を形成する。具体的には、塩化第二鉄溶液などの薬液を用いて図2に示したようなパターンに銅板130をエッチングすることにより配線層135を形成する。
図5(D)に示すように、配線層135および絶縁樹脂層120の上に保護層(フォトソルダーレジスト層)140を積層した後、フォトリソグラフィ法により保護層140の所定領域(はんだボール搭載領域)に開口部141を設ける。保護層140は配線層135の保護膜として機能する。保護層140にはエポキシ樹脂などが採用され、その膜厚は、たとえば、約20μmである。そして、保護層140の開口部141にスクリーン印刷法によりはんだボール150を搭載する。具体的には、樹脂とはんだ材をペースト状にしたはんだペーストをスクリーンマスクにより所望の箇所に印刷し、はんだ溶融温度に加熱することではんだボール150を形成する。
その後、図5(E)に示すように、ダイシング装置等により半導体モジュールを個片化して半導体モジュールが完成する。 ここで、上述の実施の形態において示した、凹部115に絶縁樹脂層120を形成する際の他の方法について以下に図6に基づいて説明する。この図6に示す工程は前述の図4に示す工程に対応する他の方法であり、このほかの工程については、上述の各工程を経ることにより、本願の半導体モジュールを得ることができる。
まず、図6(A)に示すように、前述の図4(H)の工程において形成された突起電極110の頂部面と側面の一部に金属層114が設けられた銅板130を準備する。
次に、図6(B)に示すように、フィルム状になった絶縁樹脂層120をローラー400により押圧しながら銅板130に接着する。このとき、フィルム状の絶縁樹脂層120の厚みは突起電極110の頂部面が露出する厚みか、側面部の一部が露出する厚みに設定されたものを用いる。
図6(C)のように、突起電極110の厚み(高さ)よりも薄い膜厚にする。
この方法を採用することにより、あらかじめ厚みが突起電極110が露出する厚みであることから、絶縁樹脂層120の厚みを酸素プラズマエッチング等により厚みを調整するための新たな工程を追加することが不要であるため、製造工程の簡略化及びコストの低減が図れる。なお、上述のローラーを用いたロールラミネート法ではなく、平板ラミネート法を用いてもよい。
上述の実施の形態において、金属層214の上面と素子保護膜113の上面とが面一になるように金属層214を形成しているため、突起電極110と金属層214とが多少左右に位置ずれしたとしても、上面が面一であるため接続面積は減少するものの接続不良が発生することはない。
また、上述の実施の形態においては、銅板130の厚みを薄くするために、裏面からエッチングを施して薄くする工程を、突起電極110の頂部面と側面に形成する工程の前(図3(E))で行った。その工程で銅板130を薄くすることにより、その工程以降に行う銅板と半導体素子との圧着工程(図5(A)、(B))で熱応力による反りが低減できるという効果がある。本願はその工程で行うことに限定されるものではなく、たとえば図5(A)の工程の後で行っても良い。それにより、その工程以前の工程での銅板130のハンドリングが容易である。
1 半導体モジュール、100 素子搭載用基板、114 金属層、120 絶縁樹脂層、130 銅板、135 配線層、140 配線保護層、200 半導体基板、210 半導体素子、211 素子電極、214 金属層
Claims (4)
- 金属板をエッチングして突起部を形成する第1の工程と、
前記突起部の一部が露出する厚みの絶縁層を形成する第2の工程と、
表面に複数の電極を有する半導体基板と、前記金属板とを前記絶縁層を介して圧着し、前記突起部と前記電極とを電気的に接続する第3の工程と、
を含むことを特徴とする半導体モジュールの製造方法。 - 前記第2の工程は、前記突起部よりも厚みの厚い絶縁層を形成した後に、前記突起部の一部が露出する厚みにエッチングすることを特徴とする請求項1に記載の半導体モジュールの製造方法。
- 前記絶縁層は、絶縁樹脂フィルムを貼り付けることにより形成することを特徴とする請求項1に記載の半導体モジュールの製造方法。
- 前記第1と前記第2の工程との間に、前記突起部を形成した面とは反対側の金属板の面をエッチングする工程を付加することを特徴とする請求項3に記載の半導体モジュールの製造方法。
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