JP2013074297A - 半導体チップパッケージ及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】本発明は、半導体チップパッケージ及びその製造方法に関する。
【解決手段】本発明の実施形態によると、(a)IC基板上に形成されたバンプパッド上にスズ系金属メッキ層を形成する段階と、(b)ベアチップの電極パッド上にCuフィラーを形成する段階と、(c)ベアチップのCuフィラーをIC基板の金属メッキ層に載置し、Cuフィラーと金属メッキ層とを接合させる段階と、(d)接合されたIC基板とベアチップとの間を絶縁体で充填する段階と、を含むスズメッキを利用した半導体チップパッケージの製造方法が提案される。また、その方法により製造された半導体チップパッケージが提案される。
【選択図】図1e

Description

本発明は、半導体チップパッケージ及びその製造方法に関し、具体的には、微細ピッチ化を実現し、製造工程が簡素化された半導体チップパッケージの製造方法及びそれにより製造された半導体チップパッケージに関する。
IC基板は、半導体回路チップ(Chip)を電子製品に実装するための媒介体として用いられる印刷回路基板(PCB)である。このようなICチップの内部には、シリコンウェーハなどを加工して製造した半導体ベアチップ(Bare Chip or Bare Die)が内蔵されている。この際、ベアチップと主基板との間を連結する媒介体がIC基板であり、これをICパッケージ基板または単純にパッケージ基板ともいう。IC基板はベアチップと主基板とを電気的に連結し、動作電源を供給して、信号の入出力(I/O)を可能にする。また、内蔵されたベオチップを外部衝撃から保護する機能も担当する。
ベアチップとIC基板とを連結する方法としては、ワイヤボンディング(Wire Bonding)、フリップチップボンディング(Flip Chip Bonding)、TAB(Tape Automated Bonding)などの多様な方法が挙げられる。現在、電子産業の発達に伴い、携帯電話、ゲーム機、カメラ、DMB(Digital Multimedia Broadcasting)などを含むポータブル電子製品が軽薄短小化及び高機能化するにつれて、チップサイズは同一または縮小される一方、I/Oカウントは増加する傾向にある。これにより、従来のワイヤボンディングでなくフリップチップ方式の市場が成長しており、この際、SMDタイプの場合、製品にバンプが形成される。
従来のフリップチップ方式を利用した半導体装置には、べアチップが搭載されるIC基板と主基板とを連結するための半田バンプが形成されている。このような従来の半導体装置は、一般的にMMP(Metal mask bumping)工法を利用してベアチップとIC基板とを連結するためのバンプを形成している。しかし、この場合、微細ピッチ(Fine pitch)化によるメタルマスク板の分離の限界(略150μm程度の限界を有する)により、不良及び生産性の低下をもたらす。これにより、BSP(D/F mask bumping)工法が登場した。
韓国特許第10−2008−0110350号公報
従来の技術では、微細ピッチ化の実現やフリー半田間のブリッジによるショート不良、工程簡素化などの問題が依然として存在する。
本発明は上述の問題を解決するためのものであって、Cuポスト工法とは異なって、微細ピッチ(Fine pitch)化に対応し、ブリッジによるショート不良などを解消することができ、さらには工程を簡素化することができる半導体チップパッケージ技術を提供することを目的とする。
上述の問題を解決するために、本発明の第1実施形態によると、(a)IC基板上に形成されたバンプパッド上にスズ系金属メッキ層を形成する段階と、(b)ベアチップの電極パッド上にCuフィラーを形成する段階と、(c)ベアチップのCuフィラーをIC基板の金属メッキ層に載置し、Cuフィラーと金属メッキ層とを接合させる段階と、(d)接合されたIC基板とベアチップとの間を絶縁体で充填する段階と、を含むスズメッキを利用した半導体チップパッケージの製造方法が提案される。
本発明の一実施形態によると、金属メッキ層は、電解メッキまたは自己触媒メッキ方式によりメッキされることができる。
また、一実施形態によると、ジスルフィド(disulfide)基を含む化合物を還元剤として用いて自己触媒メッキが行われることができる。
また、本発明の一実施形態によると、金属メッキ層は、Sn、またはSn合金としてZn及びInのうち少なくとも一つ以上を含むSn合金を利用してメッキされることができる。
また、本発明の一実施形態によると、金属メッキ層の厚さは2μm以上に形成されることができる。
本発明の一実施形態によると、前記(a)段階で、バンプパッドが形成されたIC基板は、金属メッキ層が形成される領域が露出されるように半田レジスト層が塗布されたものであることができる。
また、本発明の一実施形態によると、前記(c)段階で、熱、圧着、熱圧着または超音波を利用してCuフィラーと金属メッキ層とを接合させることができる。
次に、上述の問題を解決するために、本発明の第2実施形態によると、上部にバンプパッドが形成されたIC基板と、バンプパッド上に形成されたスズ系金属メッキ層と、金属メッキ層と接合されたCuフィラーと、Cuフィラー上に接合された電極パッドが下部に形成されたベアチップと、IC基板とベアチップとの間の残余空間に充填された絶縁層と、を含むスズメッキを利用した半導体チップパッケージが提案される。
本発明の一実施形態によると、金属メッキ層は、Sn、またはSn合金としてZn及びInのうち少なくとも一つ以上を含むSn合金を利用してメッキされたメッキ層であることができる。
また、本発明の一実施形態によると、金属メッキ層の厚さは2μm以上に形成されることができる。
また、一実施形態によると、バンプパッドが形成されたIC基板には、バンプパッドの少なくとも一部領域を除いて半田レジスト層が塗布され、金属メッキ層は、半田レジスト層を除いてバンプパッドの一部上に形成されることができる。
本発明の一実施形態によると、上述のスズメッキを利用した半導体チップパッケージは、主基板上に接合されてパッケージを形成することができる。
さらに、一実施形態によると、上述の半導体チップパッケージは、主基板上にフリップチップボンディング、BGA及びワイヤボンディング方式のうち何れか一つの方式により接合されることができる。
本発明の実施形態によると、微細ピッチ(Fine pitch)化に対応し、ブリッジによるショート不良などを解消することができ、さらには工程を簡素化することができる。
本発明の一実施形態によると、スズ系電解メッキまたは自己触媒メッキ方法を利用して厚い金属メッキ層を実現し、既存の表面処理工程をなくしてプロセスを単純化させ、フリー半田間のブリッジによるショート不良を解消することができる。これにより、微細バンプピッチの適用が可能である。
本発明の多様な実施形態において直接的に言及されていない多様な効果が、本発明の実施形態による多様な構成から、当該技術分野にて通常の知識を有する者によって導出されることができるということは自明である。
本発明の一実施形態によるスズメッキを利用した半導体チップパッケージの製造方法を概略的に示す図面である。 本発明の一実施形態によるスズメッキを利用した半導体チップパッケージの製造方法を概略的に示す図面である。 本発明の一実施形態によるスズメッキを利用した半導体チップパッケージの製造方法を概略的に示す図面である。 本発明の一実施形態によるスズメッキを利用した半導体チップパッケージの製造方法を概略的に示す図面である。 本発明の一実施形態によるスズメッキを利用した半導体チップパッケージの製造方法を概略的に示す図面である。 本発明の一実施形態によるスズメッキを利用した半導体チップパッケージの製造方法を概略的に示すフローチャートである。
上述の課題を果たすための本発明の実施形態を添付図面を参照して説明する。本説明において、同一の符号は同一の構成を意味し、重複されたり、発明の意味を限定して解釈する可能性のある付加的な説明は省略されることができる。
本明細書において、一つの構成要素が他の構成要素と「直接連結」または「直接結合」などと言及されない限り、単純に「連結」または「結合」などと言及された場合は、「直接的に」連結または結合されることができ、それらの間にまた他の構成要素がさらに挿入されて連結または結合される形態で存在することもありえる。また、「上に」、「上部に」、「下に」、「下部に」などと言及される場合も、その基準となる対象と「直接(的に)接触」されていると言及されない限り、「直接(的に)接触」される形態でまたはその間に他の構成要素が介在される形態で存在することができる。また、「上に」、「上部に」、「下に」、「下部に」などの相対的な用語は、基準構成要素に対する他の構成要素の関係を記述するために用いられることができ、この際、基準構成要素の方向が反対となったり変わる場合、それによる対応する相対的な方向の概念に解釈されて用いられることもできる。
また、本明細書にたとえ単数の表現が記載されていても、発明の概念に反することなく、解釈上矛盾したり明白に異なる意味に解釈されない限り、複数の構成全体を代表する概念として用いられることができるということに留意すべきである。また、本明細書において、「含む」、「有する」、「備える」、「含んでなる」などの記載は、一つまたはそれ以上の他の特徴や構成要素またはそれらの組み合わせの存在または付加可能性があると理解すべきである。
さらに、本明細書において参照される図面は本発明の実施形態を説明するための理想的な例示図であり、膜または層や領域などのサイズ、厚さなどは技術内容を効果的に説明するために誇張して表現されることができ、比例するものでないこともある。また、図面で例示された領域の形状は素子の領域の特定形態を例示するためのものであり、発明の範囲を制限するためのものではない。
まず、本発明の第1実施形態によるスズメッキを利用した半導体チップパッケージの製造方法を図面を参照して具体的に説明する。
図1aから図1eは、本発明の一実施形態によるスズメッキを利用した半導体チップパッケージの製造方法の各工程を概略的に示す図面である。
図2は本発明の一実施形態によるスズメッキを利用した半導体チップパッケージの製造方法を概略的に示すフローチャートである。
図1aから図1e及び/または図2を参照して、第1実施形態によるスズメッキを利用した半導体チップパッケージの製造方法を説明する。図1aから図1e及び/または図2を参照すると、スズメッキを利用した半導体チップパッケージの製造方法は、次の(a)〜(d)段階(S100〜S400)を含んで行われる。
まず、図1a及び/または図2を参照すると、(a)段階(S100)では、IC基板10上に形成されたバンプパッド11上に、スズ系金属メッキ層21を形成する。この際、スズ系とは、スズまたはスズ合金を含む意味である。本実施形態において、金属メッキ層21を形成するために、相対的に融点の低いスズ系材料を利用することにより、信頼性を確保し、工程を容易にすることができる。
この際、IC基板10上に形成されたバンプパッド11は金属パッドであり、例えば、基板の配線のために一般的に用いられるCu材質からなることができるが、これに限定されない。
より具体的には、一実施形態によると、金属メッキ層21は、Sn、またはSn合金としてZn及びInのうち少なくとも一つ以上を含むSn合金を利用してメッキされることができる。例えば、SnメッキやSn-ZnまたはSn-Inなどの2成分系スズ合金、またはSn-Zn-Inのような3成分系スズ合金を用いることができる。この際、一実施形態において、電解メッキ方式または自己触媒メッキ方式により、スズまたはスズ合金を用いてメッキすることができ、特に、自己触媒メッキ方式によりメッキすることができる。
また、金属メッキ層21を形成するための一実施形態によると、(a)段階(S100)で、スズ系金属メッキ層21は電解メッキまたは自己触媒メッキ方式によりメッキされることができる。Cuフィラー25との接合信頼性を向上させるためには、金属メッキ層21の厚さを厚く確保しなければならないが、電解メッキや自己触媒メッキ方式により厚いメッキ層を形成することができる。
電解メッキの際に電流密度が基板上に不均一に分布される場合、メッキ厚さが不均一となる場合があり、電解メッキ方式より無電解メッキ方式がメッキ膜を緻密且つ均一に形成することができるため、より具体的な一実施形態において、自己触媒メッキ方式を利用することができる。
この際、スズは活性が低くてメッキが容易ではないため、自己触媒メッキの場合、活性の低いスズがメッキされるようにする還元剤が求められる。一実施形態において、ジスルフィド(disulfide)基、即ち−S−S−を含む化合物を還元剤として用いて自己触媒メッキを行うことができる。ジスルフィド基を含む還元剤を用いた自己触媒メッキは、本出願人が出願した韓国特許出願第2008−0009198号に具体的に開示されている。ジスルフィド基、即ち−S−S−を有する化合物は、金属製品の表面で吸着力に優れた硫黄原子を有しており、還元反応中に分子内反応(intra−molecular reaction)により分子構造が変形されることができるため、本実施形態での還元剤として用いることができる。
この際、還元剤は、ジスルフィド基を中心として対称構造を有する化合物であることができる。また、還元剤は、化学式R1−S−S−R2を有する化合物であり、化学式中、R1及びR2はC1−C6アルキル基であることができる。例えば、還元剤として、ビス−(3−ソジウムスルホプロピルジスルフィド)(bis−(3−sodium sulfopropyl disulfide))を用いることができる。
また、スズまたはスズ合金を自己触媒メッキする際、メッキ液は錯化剤及び酸化防止剤のうち少なくとも一つを含むことができる。錯化剤は、メッキ液でメッキ中に金属イオンが酸化などによって沈殿されることを防止するためのものであり、錯化剤はエチレンジアミンテトラ酢酸(Ethylene Diamine Tetraacetic Acid、EDTA)及びクエン酸ナトリウム(Sodium citrate)のうち少なくとも一つを含むことができる。また、酸化防止剤は、メッキ液で金属イオンの酸化を防止するためのものであり、酸化防止剤は、次亜リン酸ナトリウム(Sodium hypophosphite)であることができる。
また、図1aには図示されていないが、IC基板10のバンプパッド11上にスズシード(seed)層を形成した後、自己触媒メッキを行うことができる。この際、スズシード層は、スズイオンの吸着性をより高めるためのものである。
また、(a)段階(S100)で形成される金属メッキ層21の一実施形態によると、金属メッキ層21の厚さは2μm以上に形成されることができる。金属メッキ層21の厚さを2μm以上にすることにより、Cuフィラー25との接合信頼性及び経済性の面で適するようになる。メッキされた金属メッキ層21が接着剤の機能を遂行しなければならないため、十分な接着力を維持するためには一定の厚さ以上となることが要される。本実施形態によって厚さを2μm以上となるようにすることにより、十分な接着力を維持することができる。例えば、2μm以上または2〜6μmの範囲の金属メッキ層21の厚さを確保するために、電解メッキ方式または自己触媒メッキ方式を利用してメッキすることができ、より具体的な一実施形態において、自己触媒メッキ方式を利用することができる。
また、図1aを参照して、本発明の一実施形態を説明する。図1aを参照すると、上述の(a)段階(S100)で、バンプパッド11が形成されたIC基板10は、金属メッキ層21が形成される領域が露出されるように半田レジスト層15が塗布されたものであることができる。この際、半田レジスト層15を形成するための半田レジストは、半導体基板を製造する際に用いられる公知の物質を利用することができる。
次に、図1b及び/または図2を参照すると、(b)段階(S200)では、ベアチップ30の電極パッド31上にCuフィラー25を形成する。この際、Cuフィラー25は、IC基板10とベアチップ30との間に所定の高さが維持されるようにするためのものである。即ち、Cuフィラー25は、IC基板10とベアチップ30とを連結するバンプとなる。この際、Cuフィラー25の高さを所定の高さに維持して、IC基板10とベアチップ30との間にアンダーフィル(under fill)40を行うことにより、外部衝撃に対応することができる。この際、電極パッド31とCuフィラー25との間には、接合性を改善するための導電性の接着物質(不図示)が塗布されることもできる。
また、この際のCuフィラー25のフィラー構造は、後工程でベアチップ30をIC基板10と接合させる際に、IC基板10のバンプパッド11に形成された金属メッキ層21上に正確に載置されるに適する。
次に、図1cと図1d、または/及び図2を参照すると、(c)段階(S300)では、ベアチップ30のCuフィラー25をIC基板10の金属メッキ層21に載置し(図1c参照)、Cuフィラー25と金属メッキ層21とを接合させる(図1d参照)。本実施形態では、Cuフィラー25構造を利用することにより、ベアチップ30に形成されたCuフィラー25がIC基板10の金属メッキ層21により容易に載置することができる。
また、一実施形態において、上述の(c)段階(S300)で、熱、圧着、熱圧着または超音波を利用してCuフィラー25と金属メッキ層21とを接合させることができる。
次に、図1e及び/または図2を参照すると、(d)段階(S400)では、接合されたIC基板10とベアチップ30との間を絶縁層40で充填する。この際、絶縁体40は半導体基板の製造工程において用いられる公知の物質を利用することができる。
次に、本発明の第2実施形態によるスズメッキを利用した半導体チップパッケージを図面を参照して具体的に説明する。本発明の第2実施形態を説明するにあたり、上述のスズメッキを利用した半導体チップパッケージの製造方法の実施形態が参照されることができ、この際、重複説明は省略されることができる。
図1eは、本発明の一実施形態によるスズメッキを利用した半導体チップパッケージを概略的に示す図面である。
図1eを参照すると、本発明の一実施形態によるスズメッキを利用した半導体チップパッケージは、IC基板10と、金属メッキ層21と、Cuフィラー25と、ベアチップ30と、絶縁層40と、を含んでなる。
この際、IC基板10は、上部にバンプパッド11が形成されている。バンプパッド11は、例えば、半導体基板の配線のために一般的に用いられるCu材質からなることができ、但し、これに限定されない。
また、図1eを参照すると、一実施形態において、バンプパッド11が形成されたIC基板10は、バンプパッド11の少なくとも一部領域を除いて半田レジスト層15が塗布されている。この際、バンプパッド11の少なくとも一部領域には、金属メッキ層21が形成される。
次に、図1eを参照すると、金属メッキ層21は、IC基板10のバンプパッド11上に形成されている。この際、金属メッキ層21はスズ系メッキ層である。本実施形態において、金属メッキ層21は相対的に融点の低いスズ系材料を利用してメッキされることにより、信頼性を確保し、製造工程が容易になることができる。
また、一実施形態において、金属メッキ層21は、Sn、またはSn合金としてZn及びInのうち少なくとも一つ以上を含むSn合金を利用してメッキされたメッキ層であることができる。この際、金属メッキ層21は、電解メッキまたは自己触媒メッキ方式によりメッキされることができ、特に、自己触媒メッキ方式によりメッキされることができる。さらに、金属メッキ層21は、IC基板10のバンプパッド11上にスズシード層が形成された後、スズシード層上に自己触媒メッキ方式によりスズまたはスズ合金でメッキされることができる。
一実施形態において、金属メッキ層21の厚さは2μm以上に形成されることができる。2μm以上の金属メッキ層21の厚さを確保することにより、Cuフィラー25との接合信頼性及び経済性の面で適するようになる。例えば、2μm以上または2〜6μmの範囲の金属メッキ層21の厚さを確保するために、電解メッキ方式または自己触媒メッキ方式を利用してメッキすることができ、より具体的な一実施形態において、自己触媒メッキ方式を利用することができる。
また、一実施形態において、バンプパッド11が形成されたIC基板10に半田レジスト層15が塗布された場合、金属メッキ層21は、半田レジスト層15を除いてバンプパッド11の一部上に形成されることができる。
次に、図1eを参照すると、Cuフィラー25は、IC基板10のバンプパッド11上に形成された金属メッキ層21と接合されている。Cuフィラー25はIC基板10とベアチップ30とを連結するバンプであり、Cuフィラー25により、IC基板10とベアチップ30との間に所定の高さが維持されることができる。Cuフィラー25をベアチップ30の電極パッド31に接合させた後、ベアチップ30のCuフィラー25をIC基板10のバンプパッド11上の金属メッキ層21に載置して、熱、圧着、熱圧着または超音波を利用してCuフィラー25と金属メッキ層21との間に接合がなされるようにすることができる。
次に、図1eを参照すると、Cuフィラー25上にベアチップ30が形成されるが、この際、ベアチップ30の下部に形成された電極パッド31がCuフィラー25上に接合されるように形成される。この際、電極パッド31とCuフィラー25との間には、接合性を改善するための導電性の接着物質が塗布されることもできる。
また、図1eを参照すると、絶縁層40はIC基板10とベアチップ30との間の残余空間に充填されている。この際、充填物質は半導体基板の製造工程において用いられる公知の絶縁体物質を利用することができる。
また、本発明の一実施形態によると、図示されていないが、上述のスズメッキを利用した半導体チップパッケージの実施形態は、主基板上に接合されてパッケージを形成することができる。例えば、主基板(不図示)は多層構造の積層基板であることができる。
この際、一実施形態において、半導体チップパッケージは、主基板上にフリップチップボンディング、BGA及びワイヤボンディング方式のうち何れか一つの方式により接合されることができる。
以上、上述の実施形態及び添付図面は、本発明の範囲を制限するものではなく、本発明が属する当技術分野にて通常の知識を有する者の理解を容易にするために例示的に説明されたものである。また、上述の構成の多様な組み合わせによる実施形態が、上述の具体的な説明によって当業者に自明に具現されることができる。従って、本発明の多様な実施形態は、本発明の本質的な特徴を外れない範囲内で変形された形態に具現されることができ、本発明の範囲は特許請求の範囲に記載された発明によって解釈されるべきであり、当技術分野にて通常の知識を有する者による多様な変更、代案、均等物を含む。
10 IC基板
11 バンプパッド
15 半田レジスト層
21 金属メッキ層
25 Cuフィラー
30 ベアチップ
31 電極パッド
40 絶縁体または絶縁層

Claims (13)

  1. (a)IC基板上に形成されたバンプパッド上にスズ系金属メッキ層を形成する段階と、
    (b)ベアチップの電極パッド上にCuフィラーを形成する段階と、
    (c)前記ベアチップのCuフィラーを前記IC基板の金属メッキ層に載置し、前記Cuフィラーと前記金属メッキ層とを接合させる段階と、
    (d)前記接合された前記IC基板と前記ベアチップとの間を絶縁体で充填する段階と、を含むスズメッキを利用した半導体チップパッケージの製造方法。
  2. 前記金属メッキ層は、電解メッキまたは自己触媒メッキ方式によりメッキされる、請求項1に記載のスズメッキを利用した半導体チップパッケージの製造方法。
  3. ジスルフィド(disulfide)基を含む化合物を還元剤として用いて前記自己触媒メッキが行われる、請求項2に記載のスズメッキを利用した半導体チップパッケージの製造方法。
  4. 前記金属メッキ層は、Sn、またはSn合金としてZn及びInのうち少なくとも一つ以上を含むSn合金を利用してメッキされる、請求項1に記載のスズメッキを利用した半導体チップパッケージの製造方法。
  5. 前記金属メッキ層の厚さは2μm以上に形成される、請求項1に記載のスズメッキを利用した半導体チップパッケージの製造方法。
  6. 前記(a)段階で、前記バンプパッドが形成された前記IC基板は、前記金属メッキ層が形成される領域が露出されるように半田レジスト層が塗布されたものである、請求項1から5の何れか一つに記載のスズメッキを利用した半導体チップパッケージの製造方法。
  7. 前記(c)段階で、熱、圧着、熱圧着または超音波を利用して前記Cuフィラーと前記金属メッキ層とを接合させる、請求項1から5の何れか一つに記載のスズメッキを利用した半導体チップパッケージの製造方法。
  8. 上部にバンプパッドが形成されたIC基板と、
    前記バンプパッド上に形成されたスズ系金属メッキ層と、
    前記金属メッキ層と接合されたCuフィラーと、
    前記Cuフィラー上に接合された電極パッドが下部に形成されたベアチップと、
    前記IC基板と前記ベアチップとの間の残余空間に充填された絶縁層と、を含むスズメッキを利用した半導体チップパッケージ。
  9. 前記金属メッキ層は、Sn、またはSn合金としてZn及びInのうち少なくとも一つ以上を含むSn合金を利用してメッキされたメッキ層である、請求項8に記載のスズメッキを利用した半導体チップパッケージ。
  10. 前記金属メッキ層の厚さは2μm以上に形成される、請求項8に記載のスズメッキを利用した半導体チップパッケージ。
  11. 前記バンプパッドが形成された前記IC基板には、前記バンプパッドの少なくとも一部領域を除いて半田レジスト層が塗布され、
    前記金属メッキ層は、前記半田レジスト層を除いて前記バンプパッドの一部上に形成される、請求項8に記載のスズメッキを利用した半導体チップパッケージ。
  12. 前記半導体チップパッケージは、主基板上に接合されてパッケージを形成する、請求項8から10の何れか一つに記載のスズメッキを利用した半導体チップパッケージ。
  13. 前記半導体チップパッケージは、前記主基板上にフリップチップボンディング、BGA及びワイヤボンディング方式のうち何れか一つの方式により接合される、請求項12に記載のスズメッキを利用した半導体チップパッケージ。
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