JP3598189B2 - Chip size package, its manufacturing method, and its mounting alignment method - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体チップを回路基板に高密度で実装するためのチップサイズパッケージおよびその製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
電子機器の小型、高機能化の流れに伴って、高密度実装の要求が高まっている。昨今、表面実装技術の飛躍的な進歩によって、ある程度こうした要求は満たされつつある。高密度実装ための要素技術は、パッケージを含めた実装すべき部品の小型化、接続端子の緻密化、回路パターンの緻密化、低熱抵抗化等である。実装部品としては主として、IC、LSI等の半導体部品をはじめ抵抗、コンデンサ等の受動部品が含まれる。
【0003】
特に半導体部品の進展は激しく、パッケージの面から見ると、DILパッケージからQFPパッケージ、BGAパッケージへと進展している。BGAパッケージとは図6にその断面図を示すように、半導体チップ1、半導体チップに付けた接続用バンプ2、キャリア基板3からなる。キャリア基板3は基板側電極7、絶縁層4,配線層5、ビアホール6、外部接続端子としての接続用バンプ11等からなり、例えば特開昭61−203648、特開平6−296080に開示されている。半導体チップ1側のキャリア基板3の表面における平面図を図7(a)に、キャリア基板3の裏面における平面図を図7(b)に示す。半導体チップ1とキャリア基板3間では、図7(a)に示すように半導体チップの周辺の4辺に沿ってパッド、バンプが高密度で配列されて、キャリア基板3上の電極7と接続されている。外部接続端子11はキャリア基板3の裏面に2次元、グリッド状に配置させているために、バンプピッチを規定値とすれば面積あたりのバンプ数を最も多くできる。つまり、キャリア基板3は4辺配列のパッド配列を2次元グリッド配列にする働きをしている。
【0004】
このような構造にすることによって、高機能に伴って外部接続端子11の数が増大しても、パッケージサイズの増大を最小限に抑えることを可能にしている。BGAパッケージを用いれば、殆ど半導体チップと同サイズのパッケージ、つまりチップサイズパッケージを実現できる。以降、チップサイズパッケージをCSPと記す。また、抵抗、コンデンサ等の受動部品も高密度表面実装の要求に応え、1mm□以下の小型チップ部品が開発、実用化され、実装の小型化のために電極端子の引き出し方についても検討がなされている。
【0005】
CSPに於いて、半導体チップの電極(パッド)上に付設したバンプとキャリア基板との接続構造、接続方法が組立歩留まり、信頼性に大きな影響を与える。高機能チップになるとパッド数が数百本以上になり、0.1mm以下のパッドピッチが必要になる。このような微細なパッドピッチの半導体チップをキャリア基板に精度よく接続する方法の開発が望まれる。そのためには、バンプ表面の平坦化、バンプピッチの均一化と高精度位置合わせ技術が必要である。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
CSPは半導体チップと電極上に付設したバンプおよびキャリア多層基板からなる。バンプはバリアメタルを付けたSiウエハ上に感光性レジストをコートし、半導体チップの電極(パッド)部に一致してフォトリソ法で形成した開口を通じてハンダまたはメッキバンプを形成する。また、キャリア基板側の電極パターンはフォトリソ法で形成されたフォトレジストパターンに従ってエッチングすることによって形成される。フォトリソ法では基板上へのフォトレジスト塗布、乾燥、露光、現像、硬化の工程が必要であり、パターン精度は良いが工数が多く、工程コストが高い。フリップチップ実装でCSPを作成する場合、半導体ウエハまたはチップを裏向けにして、バンプと基板上の電極とを接続する必要があるが、バンプ位置、電極位置が目視できないために、それらの位置合わせが極めて難しい。側面に備えた位置基準に対する位置合わせが行われているが、位置基準に対するずれは致命的な問題となり実装歩留まりが低下する。
【0007】
ワイヤボンド法と類似の方法でバンプを形成するスタッドバンプの場合には、1パッドづつバンプを形成するために、機器の制御精度のばらつきにより個々にパッド位置がずれるという問題ある。この場合、半導体ウエハまたはチップ上のバンプパターンと基板上の電極パターンとの位置合わせが充分であっても、個々のバンプのずれによる実装歩留まりの低下を引き起こす。
【0008】
本発明は、半導体ウエハまたはチップ上に形成した第1バンプと実質上同一形状の第2バンプをキャリア基板の実質上同一位置に形成できるために、バンプ高さの高いバンプ同志を高精度で接続でき、信頼性の高いCSPを歩留まりよく製造することができる、チップサイズパッケージと製造方法を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明は以下の手順で実行される。すなわち、所望の厚みの樹脂を塗布したキャリア基板上に、第1バンプを付けた半導体ウエハをスタンパとしてキャリア基板上に押印または貼り付け、熱硬化させた後、半導体ウエハまたはチップを引き離す。この押印工程、剥離工程によりキャリア基板上の樹脂に半導体ウエハ上のバンプに対応した位置に凹型のパターンが形成される。凹型パターンはキャリア基板上の電極位置で開口しているが、電極上にわずかに樹脂が残留しているために、これをプラズマアッシャーによって除去する。
【0010】
印刷法で凹部にハンダペーストまたは導電ペーストを流し込むことによって、半導体基板上の第1バンプと同一形状の第2バンプをキャリア基板上に形成する。その後、再度側面ガイドを基準にしてキャリア基板上にバンプ付き半導体ウエハまたはチップを貼り付けることによってバンプと基板電極とを接続する。
【0011】
更に、キャリア基板上への半導体ウエハまたはチップを貼り付ける工程において、相互に位置合わせを高精度、自動化するために、予め、半導体ウエハまたはチップ上には一対のバンプとバンプ間配線からなる接続検出素子を、キャリア基板上には半導体ウエハまたはチップ上のバンプに対応する一対のバンプとキャリア基板を貫通する配線と一対の外部電極とを備え、一対の電極間の抵抗を測定することによって、位置合わせの最適化制御を行う。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【0013】
図1は本発明の一実施の形態におけるCSPの断面図である。1は半導体ウエハまたはチップであり、各パッド上には導電材料からなる第1バンプ2を形成している。3はキャリア基板であり、絶縁体4、配線層5、バイアホール6、基板側電極7等からなる多層基板であり、4辺配列のパッド配列を2次元グリッド配列に変換することができる。8はキャリア基板3上に形成した第2バンプであり、ポリイミドまたはエポキシ樹脂9で囲まれている。半導体チップ1は第1バンプ2と第2バンプ8を介してキャリア基板3と接続されている。なお、10は封止用の樹脂であり、11はCSPとプリント基板とを接続するためのグリッド状に配列されたハンダバンプである。
【0014】
半導体ウエハまたはチップ1上に形成した第1バンプと実質上同一形状の第2バンプ8をキャリア基板3側の対応する位置に形成している。第2バンプ8は次の製造法で示すようにスタンパ法によって形成する。互いに実装すべき半導体ウエハまたはチップ1上の第1バンプ2に対応させて第2バンプ8を形成しているために、つまり、第1バンプ2の位置がずれていても、第2バンプ8が呼応してずれるために位置合わせ不良による実装歩留まりの低下が最小限に抑えられる。
【0015】
また、バンプが高く(>50μm)なっても、キャリア基板3側のバンプは樹脂で包まれているために、半導体ウエハまたはチップ1とキャリア基板3との接続工程において、バンプ材料が平面方向に流れない。よって、微細接続が可能になる。CSPにおいては信頼性の面から半導体ウエハまたはチップ1の熱膨張係数とキャリア基板3の熱膨張係数のマッチングが必要である。つまり、熱膨張係数に大きなミスマッチがある場合、熱サイクルテストに於いてバンプ部に剪断応力がかかり電気的接続が破壊する。しかし本構造では2段バンプになっているために、従来のCSPに比べてバンプの高さが倍になり、そのために剪断応力が減少し、半導体ウエハまたは半導体チップ1とキャリア基板3との間の熱膨張係数のミスマッチによる信頼性の低下が最小限に抑えられる。更に、接続後には、第1バンプ2、第2バンプ8共に樹脂で囲まれているために、熱膨張歪みによるストレスが緩和される。
【0016】
図2は本発明によるCSPの製造方法を示す。図2(a)に示すように、キャリア基板3上に基板側電極7を形成する。この電極7のある側をキャリア基板3の表面とし、図2(b)に示すように、ここにポリイミドまたはエポキシ樹脂9の前駆体を塗布する。乾燥後、図2(c)に示すように、この表面にバンプ付き半導体ウエハまたはチップ1を裏向けにして押印または張り合わせる。
【0017】
この工程によって、半導体ウエハまたはチップ1上のバンプが未硬化の樹脂中に侵入し、樹脂層を押しのけキャリア基板3上の電極7近傍に到達する。この状態で、これらの樹脂を熱硬化させる。硬化温度は約150〜300℃である。硬化後、第1バンプ付き半導体ウエハまたはチップ1をキャリア基板3から離す。この工程によって、図2(d)に示すようにキャリア基板3上に、半導体ウエハまたはチップ1上の第1バンプ2と対をなす窪み9aが形成される。
【0018】
その後、図示しないが、電極7上、つまり窪み9aの底にわずかに残った樹脂層をプラズマアッシャーで除去する。図2(e)に示すように、キャリア基板上の窪みに印刷法によって導電ペーストまたはハンダペーストを埋める。導電ペーストの場合、その表面にメッキまたは蒸着等の方法でAu膜を付ければ表面が更に安定化できる。この工程により、キャリア基板3側に半導体ウエハまたはチップ1上の第1バンプ2と対をなす同一形状の第2バンプ8が同一位置に形成される。
【0019】
次に、図2(f)に示すように、半導体ウエハはたはチップ1を裏向けにして、周辺部の基準辺とキャリア基板3の周辺部の基準とを位置合わせしながらキャリア基板3表面に張り合わせる。そして、側面から封止用樹脂10を注入し、これを硬化することによって、CSPは完成する。
【0020】
本製造方法ではバンプ形状の形成にフォトリソ法に比べて簡便な押印法つまりスタンパ法を用いているために、ポリイミドまたはエポキシ樹脂9に感光性を付与する必要がない。よって、これらの樹脂材料の選択範囲が広く、より吸湿特性などの点で、より信頼性の高い樹脂を選定することができる。
【0021】
図3は半導体ウエハまたはチップ1上のバンプとキャリア基板3上の2段のバンプからなる3段バンプの構造を持ったCSPを示す。本実施の形態は図1に比べて第3バンプ12が追加された構造になっている。一般に、半導体ウエハまたはチップの熱膨張係数とキャリア基板の熱膨張係数に差があり、熱サイクルテストに於いて、バンプ部に剪断応力がかかり接続不良になることを既に説明したが、本実施の形態のように3段バンプにしてバンプを更に高くすると、剪断応力は更に緩和され信頼性が向上する。本実施の形態のCSPは図2の製造方法に於ける図2(b)から図2(e)の工程を追加することによって、第3バンプ12を形成することができる。
【0022】
次に、半導体ウエハまたはチップ1とキャリア基板3との接続時の高精度位置合わせについて述べる。この位置合わせ構造および方法は特に高い位置合わせ精度が要求されるウエハレベルでのCSPの作成に効果がある。
【0023】
本発明の位置合わせは図4に示すように、予め、半導体ウエハまたはチップ1およびキャリア基板3の四角に接続検出用の結線を施したバンプ付きの接続検出素子13a、13b、13c、13dを形成しておく。接続検出素子13aの断面を図5に示す。図5(a)は半導体ウエハまたはチップ1側に形成した接続検出素子13aの断面図であり、配線14を施した一対の第1バンプ2からなる。図5(b)はキャリア基板3側に形成した接続検出素子13aの断面図であり、キャリア基板3に設けた一対の第2バンプ8および各第2バンプ8に接続したスルーホール15またはバイアホール6で結線した一対の外部検出端子16からなる。
【0024】
これらの検出素子を用いた位置合わせ方法について、その動作を説明する。実装時の位置ずれにより、互いに対応する第1バンプ2と第2バンプ8が接続されていなかった場合、外部検出端子間16は非導通、あるいは電気抵抗が非常に大きくなる。位置ずれが小さい場合、外部検出端子16間の電気抵抗は小さく、構造上から見積もられる値になる。4角の外部検出端子の抵抗値がすべて小さくなった場合が最適の位置合わ状態、つまり、最適の接続状態である。4角が最適の位置合わせ状態であれば、当然それより内部にある動作に必要な第1バンプ、第2バンプ間の接続は最適状態にある。4角に接続検出素子を配置した場合、平面的な位置合わせに限らず、高さ方向の傾きの精度も検出することができる。例えば、接続検出素子13a、13b、13c、13dのそれぞれの抵抗値をR(a)、R(b)、R(c)、R(d)とし、R(a)>R(b)≒R(d)>R(c)の場合、検出素子13a側でウエハまたはチップ1とキャリア基板3間のギャップが大であることを示す。図4には4角に接続検出素子13を配置した場合について説明をしたが、スペースが無ければ両端に一対の接続検出素子13を配置しても平面的な位置合わせの検出は可能である。反対に、更に詳しい位置情報を得るためには、もっと多数の対をなす接続検出素子13を配置することも可能である。
【0025】
以上の説明では製版用のポリイミドまたはエポキシ樹脂を使った場合について説明したが、半導体デバイスが熱破壊する温度400℃以下で硬化すること、吸湿性が小さいことおよび離型特性の良好な樹脂であればその他の樹脂も使用可能である。
【0026】
【発明の効果】
以上説明したところから明らかなように、本発明によれば、半導体ウエハまたはチップ上に形成した第1バンプと実質上同一形状の第2バンプをキャリア基板の実質上同一位置に形成できるために、またバンプ高さの高いバンプ同志を高精度で接続できるために、信頼性の高いCSPを歩留まりよく製造することができる。
【0027】
また、フォトリソ工程が不要であるために、プロセスが簡便で、工程コストも安い。
【0028】
半導体ウエハまたはチップおよびキャリア基板の2角または4角に位置検出素子を設けることにより、位置合わせ状態を電気信号として検出できるために、位置合わせに関して高精度の制御が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施の形態によるCSPの構造を示す断面図
【図2】本発明によるCSPの製造方法
【図3】本発明による3段バンプの構造を持ったCSPの断面図
【図4】本発明によるCSPの実装に用いる接続検出素子の平面図
【図5】本発明によるCSPの実装に用いる接続検出素子の断面図
【図6】従来例におけるCSPの断面図
【図7】キャリア基板の表面および裏面における平面図
【符号の説明】
1・・・・半導体ウエハまたはチップ
2・・・・パッド上に形成した第1バンプ
3・・・・キャリア基板
7・・・・基板側電極
8・・・・キャリア基板上に形成した第2バンプ
9・・・・ポリイミドまたはエポキシ樹脂
10・・・封止用樹脂
11・・・CSPとプリント基板とを接続するハンダバンプ
13a、13b、13c、13d・・・接続検出素子
14・・・半導体ウエハまたはチップ上に設けた配線層
15・・・スルーホール導電層
16・・・外部検出端子[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a chip size package for mounting a semiconductor chip on a circuit board at a high density and a method of manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
The demand for high-density mounting has been increasing with the trend of miniaturization and higher functionality of electronic devices. These demands are being met to some extent by recent breakthroughs in surface mounting technology. Elemental technologies for high-density mounting include miniaturization of components to be mounted including packages, densification of connection terminals, densification of circuit patterns, low thermal resistance, and the like. The mounted components mainly include passive components such as resistors and capacitors as well as semiconductor components such as ICs and LSIs.
[0003]
In particular, the progress of semiconductor components has been remarkable, and from a package point of view, progress has been made from DIL packages to QFP packages and BGA packages. The BGA package includes a
[0004]
With such a structure, even if the number of external connection terminals 11 increases with high performance, it is possible to minimize an increase in package size. If a BGA package is used, a package almost the same size as a semiconductor chip, that is, a chip size package can be realized. Hereinafter, the chip size package is referred to as CSP. In addition, passive components such as resistors and capacitors also respond to the demand for high-density surface mounting, and small chip components of 1 mm □ or less have been developed and put into practical use. ing.
[0005]
In the CSP, a connection structure and a connection method between a bump provided on an electrode (pad) of a semiconductor chip and a carrier substrate have a large influence on an assembly yield and reliability. In the case of a high-performance chip, the number of pads becomes several hundreds or more, and a pad pitch of 0.1 mm or less is required. It is desired to develop a method for accurately connecting a semiconductor chip having such a fine pad pitch to a carrier substrate. For that purpose, a technique for flattening the bump surface, making the bump pitch uniform, and a high-precision alignment technique is required.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
The CSP includes a semiconductor chip, bumps provided on electrodes, and a carrier multilayer substrate. The bump is formed by coating a photosensitive resist on a Si wafer provided with a barrier metal, and forming a solder or plating bump through an opening formed by a photolithography method so as to match an electrode (pad) portion of the semiconductor chip. The electrode pattern on the carrier substrate side is formed by etching according to a photoresist pattern formed by a photolithography method. The photolithography method requires steps of applying a photoresist on a substrate, drying, exposing, developing, and curing. The pattern accuracy is good, but the number of steps is large, and the process cost is high. When creating a CSP by flip-chip mounting, it is necessary to connect the bumps and the electrodes on the substrate with the semiconductor wafer or chip turned upside down. Is extremely difficult. Although alignment is performed with respect to the position reference provided on the side surface, deviation from the position reference is a fatal problem, and the mounting yield is reduced.
[0007]
In the case of stud bumps in which bumps are formed by a method similar to the wire bonding method, there is a problem in that since the bumps are formed one pad at a time, the pad positions are individually shifted due to variations in the control accuracy of equipment. In this case, even if the alignment between the bump pattern on the semiconductor wafer or chip and the electrode pattern on the substrate is sufficient, the mounting yield is reduced due to displacement of individual bumps.
[0008]
According to the present invention, since a second bump having substantially the same shape as a first bump formed on a semiconductor wafer or a chip can be formed at substantially the same position on a carrier substrate, bumps having a high bump height are connected with high precision. It is an object of the present invention to provide a chip size package and a manufacturing method capable of manufacturing a highly reliable CSP with high yield.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The present invention is performed by the following procedure. That is, the semiconductor wafer provided with the first bumps is stamped or pasted on the carrier substrate as a stamper on a carrier substrate coated with a resin having a desired thickness, thermally cured, and then the semiconductor wafer or chip is separated. By the stamping step and the peeling step, a concave pattern is formed on the resin on the carrier substrate at a position corresponding to the bump on the semiconductor wafer. The concave pattern is opened at the position of the electrode on the carrier substrate, but since a small amount of resin remains on the electrode, the resin is removed by a plasma asher.
[0010]
A second bump having the same shape as the first bump on the semiconductor substrate is formed on the carrier substrate by pouring a solder paste or a conductive paste into the concave portion by a printing method. Then, the bump and the substrate electrode are connected again by attaching a semiconductor wafer or a chip with a bump on the carrier substrate with reference to the side guide again.
[0011]
Furthermore, in the process of attaching the semiconductor wafer or chip to the carrier substrate, in order to perform mutual alignment with high accuracy and automation, a connection detection including a pair of bumps and wiring between bumps is previously performed on the semiconductor wafer or chip. The element is provided with a pair of bumps corresponding to bumps on a semiconductor wafer or a chip on a carrier substrate, wiring penetrating through the carrier substrate, and a pair of external electrodes, and measuring a resistance between the pair of electrodes to position the element. Perform optimization control for alignment.
[0012]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0013]
FIG. 1 is a sectional view of a CSP according to an embodiment of the present invention.
[0014]
A
[0015]
Even if the bumps become high (> 50 μm), the bump material on the
[0016]
FIG. 2 shows a method for manufacturing a CSP according to the present invention. As shown in FIG. 2A, a substrate-
[0017]
By this step, the bumps on the semiconductor wafer or the
[0018]
Thereafter, although not shown, the resin layer slightly remaining on the
[0019]
Next, as shown in FIG. 2F, the surface of the
[0020]
In the present manufacturing method, a stamping method, which is a simpler stamping method than the photolithographic method, is used for forming the bump shape, so that it is not necessary to impart photosensitivity to the polyimide or
[0021]
FIG. 3 shows a CSP having a three-stage bump structure including a bump on a semiconductor wafer or
[0022]
Next, a description will be given of a high-accuracy alignment when the semiconductor wafer or
[0023]
In the alignment of the present invention, as shown in FIG. 4, bump-formed
[0024]
The operation of the positioning method using these detection elements will be described. If the
[0025]
In the above description, the case where a polyimide or epoxy resin for plate making is used has been described. However, if the resin is cured at a temperature of 400 ° C. or less at which the semiconductor device is thermally broken, the resin has a low hygroscopic property and a good release property. Other resins can also be used.
[0026]
【The invention's effect】
As is apparent from the above description, according to the present invention, the second bump having substantially the same shape as the first bump formed on the semiconductor wafer or the chip can be formed at the substantially same position on the carrier substrate. Further, since bumps having a high bump height can be connected with high accuracy, a CSP with high reliability can be manufactured with high yield.
[0027]
Further, since a photolithography step is not required, the process is simple and the process cost is low.
[0028]
By providing the position detection elements at two or four corners of the semiconductor wafer or chip and the carrier substrate, the alignment state can be detected as an electric signal, so that the alignment can be controlled with high precision.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view showing a structure of a CSP according to an embodiment of the present invention; FIG. 2 is a method of manufacturing a CSP according to the present invention; FIG. 3 is a sectional view of a CSP having a three-stage bump structure according to the present invention; FIG. 4 is a plan view of a connection detection element used for mounting a CSP according to the present invention. FIG. 5 is a cross-sectional view of a connection detection element used for mounting a CSP according to the present invention. FIG. 6 is a cross-sectional view of a CSP in a conventional example. Plan view on front and back of carrier substrate [Explanation of reference numerals]
1, a semiconductor wafer or a
Claims (6)
前記第2バンプが、前記第1バンプを付けた半導体ウエハや半導体チップを、樹脂を塗布したキャリア基板に押印後、剥離することによって形成された凹部に形成されたものであることを特徴とするチップサイズパッケージ。A second bump having substantially the same shape and the same arrangement as the first bump formed on the semiconductor wafer or chip is formed on the carrier substrate ,
The second bump is formed in a concave portion formed by stamping a semiconductor wafer or a semiconductor chip provided with the first bump on a carrier substrate coated with a resin and then peeling off the resin. Chip size package.
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