JP2017092212A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

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悟 高久
Satoru Takaku
悟 高久
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Abstract


【課題】樹脂が半導体チップから剥がれ難い半導体装置およびその製造方法を提供する。
【解決手段】本実施形態による半導体装置は基板を備えている。半導体チップは基板上に設けられている。半導体チップは、半導体チップの回路に電気的に接続された第1電極パッドと、回路に電気的に接続されていない第2電極パッドとを有する。第1ワイヤは、半導体パッケージの外部と電気的に接続可能であり、第1電極パッドと電気的に接続されている。第2ワイヤは、半導体パッケージの外部と電気的に接続せず、第2電極パッドと基板との間に電気的に接続されている。樹脂は、半導体チップ、第1および第2ワイヤの周囲に設けられている。
【選択図】図1

Description

本発明による実施形態は、半導体装置およびその製造方法に関する。
半導体パッケージに用いられる樹脂は、半導体チップに設けられた金属材料や
半導体材料との熱応力差により、金属材料の表面から剥離し易い。樹脂が金属パッドの表面から剥離すると、樹脂とダミーパッドとの間に間隙ができ易い。このような間隙は、パッドの腐食等の問題を引き起こし、半導体パッケージの信頼性を低下させてしまう。
特開2005−317860号公報
樹脂が半導体チップから剥がれ難い半導体装置およびその製造方法を提供する。
本実施形態による半導体装置は基板を備えている。半導体チップは基板上に設けられている。半導体チップは、半導体チップの回路に電気的に接続された第1電極パッドと、回路に電気的に接続されていない第2電極パッドとを有する。第1ワイヤは、半導体パッケージの外部と電気的に接続可能であり、第1電極パッドと電気的に接続されている。第2ワイヤは、半導体パッケージの外部と電気的に接続せず、第2電極パッドと基板との間に電気的に接続されている。樹脂は、半導体チップ、第1および第2ワイヤの周囲に設けられている。
本実施形態による半導体パッケージ1の構成の一例を示す断面図および平面図。 本実施形態による半導体パッケージ1の製造方法の一例を示す断面図および平面図。 図2に続く、製造方法示す断面図および平面図。 複数回金属ボールを形成した場合の半導体パッケージ1の構成例を示す断面図。
以下、図面を参照して本発明に係る実施形態を説明する。本実施形態は、本発明を限定するものではない。
図1(A)および図1(B)は、本実施形態による半導体パッケージ1の構成の一例を示す断面図および平面図である。図1(A)は、図1(B)のA−A線に沿った断面図である。半導体パッケージ1は、基板10と、半導体チップ20と、バンプ31〜34と、ワイヤ41〜44と、樹脂50とを備えている。
基板10は、例えば、プリント基板やリードフレーム等のように、半導体チップ20を半導体パッケージ1の外部の装置と電気的に接続可能な部材である。本実施形態では、基板10は、プリント基板であり、導電性の基板側パッド11、12および14を有する。基板側パッド12、14は、半導体パッケージ1の通常の使用時において、使用されないダミーパッドである。基板側パッド12、14は、半導体パッケージ1の外部の装置と電気的に接続されず、電気的には浮遊状態(フローティング状態)である。一方、基板側パッド11は、半導体パッケージ1の通常の使用時において使用されるパッドであり、半導体パッケージ1の外部の装置と電気的に接続可能である。尚、基板側パッド11は、1つだけ図示されているが、複数設けられていてもよい。第2電極パッド22〜24の数も限定しない。通常の使用とは、半導体パッケージ1が市販されてユーザにおいて使用されている状態をいう。
半導体チップ20は、接着剤(ダイアタッチメント剤)15により基板10上に接着されている。半導体チップ20は、半導体基板28上に形成された半導体素子(例えば、トランジスタ、抵抗、キャパシタ等)で構成された電子回路(図示せず)を有する。半導体チップ20は、単一の半導体チップであってもよく、積層された複数の半導体チップであってもよい。本実施形態では、半導体チップ20は、単一の半導体チップとする。
半導体チップ20は、電極パッド21〜24を備えている。第1電極パッド21は、半導体チップ20の電子回路に電気的に接続されている。第2電極パッド22〜24は、半導体チップ20の電子回路には接続されていないが、テスト用パターン(図示せず)に電気的に接続されている。テスト用パターンは、半導体チップ20の電子回路の電気的特性を検証するために半導体チップ20に設けられた半導体素子であり、通常の使用時には用いられない。テスト用パターンは、ウェハ状態において隣接する半導体チップ間に設けられ、あるいは、半導体チップの空きスペースに設けられる。テスト用パターンは、実際に使用される電子回路とは電気的に分離されている。従って、テスト用パターンは、半導体チップ20の電子回路および半導体パッケージ1の外部の装置と電気的に分離されており、浮遊状態となっている。第2電極パッド22、24は、それぞれ半導体チップ20の端部E1、E2(あるいはコーナー部)の近傍に設けられている。第1および第2電極パッド21〜24には、例えば、アルミニウム等の導電性材料を用いている。
半導体チップ20は、その表面上に設けられた絶縁膜28をさらに備えている。絶縁膜28は、第1および第2電極パッド21〜24および半導体チップ20の端部以外の表面領域を被覆しており、半導体チップ20の電子回路を保護している。絶縁膜28は、少なくとも第1および第2電極パッド21〜24、半導体チップ20の表面端部、および、半導体チップ20の側面および裏面には設けられていない。絶縁膜28には、例えば、ポリイミド等のシリコン酸化膜等を用いている。
バンプ31〜34は、それぞれ第1および第2電極パッド21〜24上に設けられている。例えば、第1突起部としてのバンプ31は、第1電極パッド21上に設けられており、第1電極パッド21と第1ワイヤ41との間に電気的に接続されている。第2突起部としてのバンプ32〜34は、それぞれ第2電極パッド22〜24上に設けられている。バンプ32は、第2電極パッド22と第2ワイヤ42との間に電気的に接続されている。バンプ34は、第2電極パッド24と第2ワイヤ44との間に電気的に接続されている。バンプ32、34は、それぞれ第2電極パッド22、24と同様に半導体チップ20の端部E1、E2の近傍に設けられている。バンプ33は、第2電極パッド23上に設けられているが、ワイヤに接続されていない。バンプ31〜34には、例えば、金、銀、銅、CuAl、AgAl等の低抵抗金属を用いている。
ワイヤ41、42、44は、それぞれバンプ31、32、34と基板側パッド11、12、14との間を接続している。例えば、第1ワイヤとしてのワイヤ41は、第1バンプ31と基板側パッド11との間を接続している。ワイヤ41の一端は、第1バンプ31を介して第1電極パッド21と電気的に接続され、他端は、基板側パッド11を介して半導体パッケージ1の外部の装置と電気的に接続可能である。第2ワイヤ42は、第2バンプ32と基板側パッド12との間を接続している。ワイヤ42の一端は第2バンプ32を介して第2電極パッド22と電気的に接続されており、他端は、電気的に浮遊状態である基板側パッド12に接続されている。また、第2ワイヤとしてのワイヤ44は、第2バンプ34と基板側パッド14との間を接続している。ワイヤ44の一端は第2バンプ34を介して第2電極パッド24と電気的に接続されており、他端は、電気的に浮遊状態である基板側パッド14に接続されている。第2ワイヤ42、44は、第2バンプ31、34と基板側パッド12、14との間に接続されており、電気的に浮遊状態である。
バンプ33と基板10との間には、ワイヤが設けられていない。従って、バンプ33は、第2電極パッド23に接続されているが、基板10に接続されていない。よって、バンプ33も、電気的に浮遊状態である。
ワイヤ41、42および44は、バンプ31〜34と同じ材料であり、例えば、金、銀、銅、CuAl、AgAl等の低抵抗金属でよい。ワイヤボンディングでは、例えば、ワイヤ41を溶融させて金属ボールを形成し、その金属ボールを半導体チップ20の第1電極パッド21上に接続することによって、バンプ31を形成する。その後、基板10の基板側パッド11までワイヤ41を引き出して基板側パッド11上にワイヤ41を接続する。これにより、半導体チップ20の第1電極パッド21上にバンプ31が形成され、バンプ31と同じ材料のワイヤ41がバンプ31の上部から基板10の基板側パッド11まで接続される。バンプ32、34およびワイヤ42、44についても同様である。
バンプ33には、ワイヤが接続されていない。バンプ33は、ワイヤ41を溶融させて金属ボールを形成し、その金属ボールを半導体チップ20の電極パッド23上に接続することによって形成される。その後、ワイヤはバンプ33から引き出されずに切断される。これにより、バンプ33は、基板10に接続されないバンプとして電極パッド23上に残置される。
樹脂50は、半導体チップ20、ワイヤ41、42、43、バンプ31〜34の周囲に設けられ、これらを封止する。
ここで、本実施形態では、半導体パッケージ1の外部に電気的に接続していない第2電極パッド22〜24上には、それぞれ第2突起部としてのバンプ32〜34が設けられている。さらに、第2ワイヤ42、44がそれぞれバンプ32、34と基板10上の基板側パッド12、14との間に接続されている。上述の通り、基板側パッド12、14は、半導体パッケージ1の外部の装置に電気的に接続されないダミーパッドである。尚かつ、第2電極パッド22、24は半導体チップ20上のテスト用パターンに接続されており、通常の使用時には電気的に浮遊状態である。即ち、第2電極パッド22、24もダミーパッドである。従って、基板側パッド12、ワイヤ42、バンプ32および第2電極パッド22は、電気的に浮遊状態となっている。基板側パッド14、ワイヤ44、バンプ34および第2電極パッド24も、基板側パッド12、ワイヤ42、バンプ32および第2電極パッド22と同様に、電気的に浮遊状態となっている。
このように、本実施形態によれば、半導体チップ20の端部E1、E2(コーナー部)の近傍にダミーとして第2電極パッド22、24および第2ワイヤ42、44が設けられている。樹脂50は、第2電極パッド22、24および第2ワイヤ42、44の周囲にも設けられており、第2電極パッド22、24および第2ワイヤ42、44のアンカー効果により、第2電極パッド22、24の表面から剥離し難くなる。即ち、バンプ32、34および第2ワイヤ42、44は、第2電極パッド22、24と樹脂50との間のアンカー効果を有し、半導体チップ20の端部における樹脂50と半導体チップ20との間に密着力を向上させ、樹脂50の剥がれを抑制することができる。
通常の使用に用いられず電気的に浮遊状態の電極パッドには、ワイヤボンディングを行う必要は無く、バンプおよびワイヤを設ける必要は必ずしも無い。しかし、樹脂はワイヤボンディングされていない平坦なダミーパッドの表面から剥離し易く、樹脂とダミーパッドとの間に間隙ができ易い。樹脂の熱収縮による応力は、樹脂の体積比率の大きな部分に集中する。例えば、樹脂の応力は、バンプが設けられていないダミーパッドの部分、あるいは、半導体チップ20の端部に集中し易い。
これに対し、本実施形態では、電気的に浮遊状態の第2電極パッド22、24には、バンプ32、34が設けられている。これにより、第2電極パッド22、24上の形状が複雑になるので、半導体チップ20の端部における樹脂50と半導体チップ20との間に密着力を向上させ、樹脂50の剥がれを抑制することができる。さらに、本実施形態では、ワイヤ42、44がそれぞれバンプ32、34と基板側パッド12、14との間に設けられている。これにより、半導体チップ20の端部E1、E2近傍の形状が複雑になり、かつ、ワイヤ42、44がそれぞれバンプ32、34と基板側パッド12、14との間を物理的に接続する。従って、半導体チップ20の端部E1、E2における樹脂50と半導体チップ20との間のアンカー効果はさらに向上し、半導体チップ20の端部E1、E2における樹脂50の剥がれをさらに抑制することができる。さらに、バンプ32、34およびワイヤ42、44を設けることによって、第2電極パッド22、24および半導体チップ20の端部E1、E2における樹脂50の体積比率が低下する。これにより、樹脂50の収縮による内部応力を低下させ、第2電極パッド22、24および半導体チップ20の端部E1、E2において、樹脂50の剥離がさらに抑制され得る。
また、半導体チップ20の上面には、絶縁膜25が設けられている。絶縁膜25には、例えば、ポリイミド等の絶縁材料が用いられる。絶縁膜25と樹脂50とは密着性が高く剥がれ難い。しかし、絶縁膜25は、電極パッド21〜24、半導体チップ20の端部E1、E2、および半導体チップ20の側面S1〜S3において設けられていない。絶縁膜25が半導体チップ20の端部E1、E2および側面S1〜S3に設けられていない理由は、ウェハ状態において絶縁膜25を形成した後、半導体チップ20を個別化する際に、ウェハのダイシングによって絶縁膜25がウェハとともに切断されるからである。従って、半導体チップ20の端部E1、E2および側面S1〜S3において、半導体基板(例えば、シリコン)が露出されている。図示されていないが、半導体チップ20の端部E1、E2以外の端部、および、側面S3の反対側の側面についても絶縁膜25が設けられていない。樹脂50とシリコン等の半導体材料との密着性は、樹脂50と絶縁膜25との密着性より低い。従って、ワイヤ42、44がそれぞれバンプ32、34と基板側パッド12、14との間に設けられることによって、半導体チップ20の端部E1、E2および側面S1〜S3における樹脂50と半導体チップ20との間のアンカー効果はさらに向上し、樹脂50が半導体チップ20の端部E1、E2および側面S1〜S3から剥がれ難くなる。バンプ32、34は、半導体チップ20の第2電極パッド22、24上に設けられているものの、基板10には接続されていない。しかし、ワイヤ42、44は、半導体チップ20側のバンプ32、34と基板側パッド12、14との間を物理的に接続している。例えば、図1(B)に示すように、ワイヤ42、44は、バンプ32、34から半導体チップ20の端部E1、E2および側面S1〜S3の近傍を渡って基板側パッド12、14へ接続されている。これにより、バンプ32、34だけでなく、ワイヤ42、44を設けることによって、半導体チップ20の端部E1、E2および側面S1〜S3における樹脂50と半導体チップ20との間の密着性を向上させることができる。
バンプ32〜34の形状は、特に問わないが、複雑であるほどアンカー効果は大きくなると考えられる。ワイヤ42〜44の形状についても、同様で、特に問わないが、複雑であるほどアンカー効果は大きくなると考えられる。
尚、バンプ33も、アンカー効果を有する。バンプ33は、半導体チップ20のコーナー部には設けられておらず、半導体チップ20の側面の一部に設けられている。従って、バンプ33にはワイヤは設けられていないが、アンカー効果として充分に機能すると考えられる。このように、アンカー効果のためのダミーワイヤ42、44は、半導体チップ20の端部E1、E2に設けられたダミーの第2電極パッド22、24上のバンプ32、34に設ければよく、その他のダミーの電極パッド23上のバンプ33には設けなくてもよい。勿論、バンプ33と基板10との間にもワイヤを設けてよい。これにより、アンカー効果をさらに向上させることができるとともに、電極パッド23におけるワイヤボンディング方法を他の電極パッド21、22、24のそれと統一することができる。従って、この場合、ワイヤボンディング工程が比較的簡素化される。
次に、本実施形態による半導体パッケージ1の製造方法を説明する。
図2(A)〜図3(B)は、本実施形態による半導体パッケージ1の製造方法の一例を示す断面図および平面図である。図2(A)は、図2(B)のA−A線に沿った断面図である。図3(A)は、図3(B)のA−A線に沿った断面図である。
まず、図2(A)および図2(B)に示すように、基板10上に半導体チップ20を搭載する。半導体チップ20の裏面には、シート状の接着シート(ダイアタッチメントシート)15が設けられており、半導体チップ20の裏面を基板10の所定位置に載置することによって、半導体チップ20は基板10上に接着され固定される。代替的に、液体の接着剤15を基板10上に供給し、半導体チップ20を接着剤15上に搭載することによって半導体チップ20を基板10に接着してもよい。
次に、図3(A)および図3(B)に示すように、ワイヤボンディングを行う。ワイヤボンディングの方法は特に限定しない。例えば、本実施形態では、ワイヤ41〜44として、金、銀、銅、CuAl、AgAl等の低抵抗金属を用いて、ワイヤを溶融させて金属ボールを形成し、その金属ボールを半導体チップ20の第1電極パッド21上に接続する。これにより、バンプ31を形成する。次に、バンプ31から基板10の基板側パッド11までワイヤ41を引き出して基板側パッド11上にワイヤ41を接続する。これにより、ワイヤ41が、半導体チップ20の第1電極パッド21上にバンプ31から基板10の基板側パッド11まで電気的および物理的に接続される。
バンプ32、34およびワイヤ42、44についても同様にワイヤボンディングする。尚、バンプ33は、ワイヤを溶融させた金属ボールを半導体チップ20の電極パッド23上に接続することによってバンプ33を形成した後、バンプ33からワイヤを切断する。これにより、ワイヤの接続されていないバンプ33が電極パッド23上に形成される。
このように、第1ワイヤ41は、半導体チップ20の電子回路に電気的に接続された第1電極パッド21と、半導体パッケージ1の外部装置に電気的に接続可能な基板側パッド11との間に電気的に接続される。また、第2ワイヤ42、44は、半導体チップ20に設けられた第2電極パッド22、24と、半導体パッケージ1の外部装置に電気的に接続されていない基板側パッド12、14との間にそれぞれ電気的に接続される。
バンプ31を形成した後、ワイヤ41をバンプ31と基板側パッド11との間に電気的に接続する。バンプ32を形成した後、ワイヤ42をバンプ32と基板10の基板側パッド12との間に電気的に接続する。ただし、バンプ31〜34およびワイヤ41、42、44の形成の順番は、特に限定しない。
次に、図1(A)および図1(B)に示すように、樹脂50が半導体チップ20、バンプ31〜34、第1および第2ワイヤ41、42、44の周囲を封止する。これにより、本実施形態による半導体パッケージ1が完成する。
このように、本実施形態によれば、半導体チップ20の端部E1、E2(コーナー部)にダミーとして第2電極パッド22、24および第2ワイヤ42、44が形成される。これにより、バンプ32、34および第2ワイヤ42、44のアンカー効果により、半導体チップ20の端部における樹脂50と半導体チップ20との間に密着力を向上させ、樹脂50の剥がれを抑制することができる。尚、ダミーとしての第2電極パッド22、24および第2ワイヤ42、44は、端部E1、E2以外の半導体チップ20の部分に設けられていてもよい。この場合であっても、樹脂50と半導体チップ20との間に密着力を向上させ、樹脂50の剥がれを抑制することができる。
バンプ31〜34は、それぞれ1回だけ金属ボールを電極パッド21〜24に形成してもよく、複数回金属ボールを電極パッド21〜24に形成してもよい。図4は、複数回金属ボールを形成した場合の半導体パッケージ1の構成例を示す断面図である。この場合、電極パッド21〜24にバンプ31〜34を形成した後、ワイヤ41、42、44を一旦切断する。その後、基板側パッド11、12、14上にバンプ46、47、49を形成してからワイヤ41、42、44をそれぞれバンプ31、32、34まで引き延ばして、再度、金属ボールをバンプ31、32、34上に接続する。このように同一の電極パッド21〜24上に複数回バンプを形成することによって、図4に示すように、バンプ31〜34の形状が比較的複雑になる。これにより、アンカー効果をさらに向上させることができる。
本実施形態において、ワイヤ41、42、44は、半導体チップ20側のバンプ31、32、34から基板側パッド11、12、14へ引き出されて接続されている。即ち、第1電極パッド21上にバンプ31を形成した後、ワイヤ41を半導体チップ20から基板10へ向かって引き出している(正ボンディング)。
しかし、このような正ボンディングとは逆に、第1電極パッド21〜24上にバンプ31〜34を形成した後、ワイヤ41、42、44を基板10から半導体チップ20へ向かって引き出し、ワイヤ41、42、44を基板10からバンプ31、32、34へ接続してもよい(逆ボンディング)。このように、ワイヤボンディング方式は、正ボンディングであっても、逆ボンディングであってもよい。
正ボンディングでは、バンプの形成後、ワイヤをバンプにつなげたまま引き出す。しかし、逆ボンディングにおいては、バンプの形成後、ワイヤをバンプから一旦切断する。その後、ワイヤを基板に接続してから半導体チップへ引き出して、バンプ上へ再度ワイヤを接続する。このように、逆ボンディングでは、ワイヤをバンプから一旦切断した後に、バンプへ再度接続するので、バンプは複雑な形状になり易い。従って、アンカー効果を考慮すると正ボンディングよりも逆ボンディングの方が好ましいと言える。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
1・・・半導体パッケージ、10・・・基板、20・・・半導体チップ、31〜34・・・バンプ、41〜44・・・ワイヤ、50・・・樹脂、基板側パッド・・・11、12、14

Claims (8)

  1. 基板と、
    前記基板上に設けられた半導体チップであって、前記半導体チップの回路に電気的に接続された第1電極パッドと、前記回路に電気的に接続されていない第2電極パッドとを有する半導体チップと、
    半導体パッケージの外部と電気的に接続可能であり、前記第1電極パッドと電気的に接続された第1ワイヤと、
    前記半導体パッケージの外部と電気的に接続せず、前記第2電極パッドと前記基板との間に電気的に接続された第2ワイヤと、
    前記半導体チップ、前記第1および第2ワイヤの周囲に設けられた樹脂と、を備えた半導体装置。
  2. 前記第1電極パッド上に設けられ、該第1電極パッドと前記第1ワイヤとの間に電気的に接続された導電性の第1突起部と、
    前記第2電極パッド上に設けられ、該第2電極パッドと前記第2ワイヤとの間に接続された導電性の第2突起部とを備えた、請求項1に記載の半導体装置。
  3. 前記第1ワイヤと前記第1突起部とは同じ材料であり、
    前記第2ワイヤと前記第2突起部とは同じ材料である、請求項1または請求項2に記載の半導体装置。
  4. 前記半導体チップの表面上に設けられた絶縁膜をさらに備え、
    前記絶縁膜は、少なくとも前記第1および第2電極パッド、前記半導体チップの表面端部、および、前記半導体チップの側面には設けられていない、請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の半導体装置。
  5. 前記第2電極パッドおよび前記第2ワイヤは、電気的に浮遊状態である、請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の半導体装置。
  6. 前記第2電極パッドは、前記半導体チップの回路を検証するために該半導体チップに設けられたテスト用パターンに接続されている、請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の半導体装置。
  7. 前記第2電極パッドおよび前記第2ワイヤは、前記半導体チップの端部に設けられている、請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の半導体装置。
  8. 基板上に前記半導体チップを搭載し、
    前記半導体チップに設けられ前記半導体チップの回路に電気的に接続された第1電極パッドと前記基板に設けられ半導体パッケージの外部に電気的に接続可能な基板側パッドとの間に第1ワイヤを接続するとともに、前記半導体チップに設けられた第2電極パッドと前記半導体パッケージの外部に電気的に接続していない前記基板の領域との間に第2ワイヤを電気的に接続し、
    前記半導体チップ、前記第1および第2ワイヤの周囲に樹脂を設けることを具備した半導体装置の製造方法。
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