JP3683996B2 - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置およびその製造方法に係り、特に片面樹脂封止型パッケージ構造を有する半導体装置のチップ封止用樹脂層およびその形成方法に関するものであり、例えばGHz帯の高周波数で動作する100ピン以上の多端子を有する半導体装置に適用されるものである。
【0002】
【従来の技術】
例えば集積回路カード、ゲーム用マスクROMカード、小型携帯電話器などに使用される半導体装置は、パッケージの小型化・薄型化に対する要求が特に強い。このような要求に応じるべく、ベア状態の半導体チップ(ベア・チップ)の実装技術が発展しており、チップ・オン・ボード(COB)実装、フリップチップ実装などが知られている。
【0003】
上記フリップチップ実装は、ベア・チップの素子形成面の金属バンプ電極を配線基板上のチップ搭載面に形成されている電極パッドに押し付けて接続(フリップチップボンディング)するものである。これは、ワイヤーボンディングを必要とするCOB実装よりも実装密度が優れているが、基板の熱膨脹などに起因する応力が基板・チップの接続部に加わって接続の信頼性を損なうという問題がある。
【0004】
上記フリップチップ実装の改良例として、ベア・チップと基板との間に樹脂を介在させて基板・チップ相互を機械的に固定した片面樹脂封止型パッケージ構造が知られている。
【0005】
図9は、従来の片面樹脂封止型パッケージ構造を有する半導体装置の一例の上面を部分的に除去して概略的に示す平面図であり、図10は図9の半導体装置の下面を概略的に示す平面図であり、図11は図10中のA−A線に沿う半導体装置の構造を上下反転した状態で概略的に示す断面図である。
【0006】
図9乃至図11に示すパッケージ構造は、主面に被接続部を含む配線パターン13を有する例えば二層の配線基板11と、上記配線基板11のチップ搭載面に金属バンプ電極12を介してフェースダウン型に実装された半導体チップ10と、上記半導体チップ10と配線基板11との間に充填された封止樹脂層16と、前記配線基板11のチップ非搭載面に導出・露出され、前記半導体チップ10に電気的に接続された外部接続用端子15とを具備する。
【0007】
前記外部接続用端子は、図11中に示すように基板11の下面で垂直方向にバンプ151状に形成され、スルーホール配線14を介して配線パターン13に接続されている、あるいは、図12中に示すように配線基板11の端面部に配線パターン152として形成され、ブラインドビアホール配線17を介して配線パターン13に接続されている。
【0008】
また、上記したようなパッケージ構造を有する半導体装置は、樹脂封止後に温度ストレスおよび/または電界ストレスを印加するためのバーンインテストを実施し得るので、樹脂封止を行わないフリップチップ実装よりも優れている。
【0009】
しかし、図11、図12中の封止樹脂層16の形成に際しては、例えば基板11上に樹脂供給装置のノズルから液状の樹脂を供給し、樹脂の表面張力と毛細管現象を利用してチップ・基板間に樹脂を流し込んで充填した後に硬化させている。従って、封止樹脂層16と配線基板11あるいは半導体チップ10との密着性が悪く、樹脂封止の信頼性が低く、作業性および量産性が悪く、製造コストが高くなる。
【0010】
さらに、上記片面樹脂封止型パッケージ構造の改良例およびその製造方法として、特開平6−204272号、特開平1−191457号など提案がなされている。
【0011】
前記特開平6−204272号には、配線基板(回路基板)に空気抜き貫通孔を開口しておき、フリップチップと基板との間隙にチップの二側面より液状の樹脂を供給し、樹脂の表面張力と毛細管現象を利用してチップ・基板間に樹脂を流し込んで充填した後に硬化させる半導体装置の製造方法が開示されている。
【0012】
この方法によれば、空気抜き貫通孔の存在により、チップ・基板間に充填した樹脂中の気泡残りを防止することができる。
また、前記特開平1−191457号には、配線基板(回路基板)のフリップチップ実装箇所に貫通孔を開口し、前記貫通孔を封止樹脂の流動ゲートとしてフリップチップと基板との間隙に封止樹脂を充填してなる半導体装置が開示されている。
【0013】
しかし、上記したような半導体装置も、依然として封止樹脂層と配線基板あるいは半導体チップとの密着性が必ずしも十分ではなく、封止樹脂層の信頼性が低い。
【0014】
【発明が解決しようとする課題】
上記したように従来の片面樹脂封止型パッケージ構造を有する半導体装置およびその製造方法は、配線基板あるいは半導体チップと封止樹脂層との密着性が必ずしも十分ではなく、封止樹脂層の信頼性が低いという問題があった。
【0015】
本発明は上記の問題点を解決すべくなされたもので、配線基板あるいは半導体チップと封止樹脂層との密着性を高め、封止樹脂層の信頼性の向上を図り得る片面樹脂封止型パッケージ構造を有する半導体装置およびその製造方法を提供することを目的とする。
【0016】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体装置は、チップ搭載面に被接続部を含む配線を有し、前記チップ搭載面の一部に溝を有する配線基板と、素子形成面に外部接続端子群を有し、前記素子形成面が前記配線基板のチップ搭載面にフェースダウン型に実装され、前記外部接続端子群が前記被接続部と電気的に接続された半導体チップと、前記溝部の内部を含む前記半導体チップと配線基板との間を充填すると共に前記半導体チップの少なくとも各外周側面を覆うように樹脂がトランスファモールド形成された封止樹脂層と、前記配線基板のチップ非搭載面に導出・露出され、前記半導体チップに電気的に接続された外部接続用端子とを具備し、前記溝は、前記半導体チップ・配線基板の電気的接続部を避けるように位置するように形成された溝主部の外周縁部の少なくとも一部から前記外部接続端子群の形成領域外まで溝副部が枝状に延びていることを特徴とする。
【0017】
また、本発明の半導体装置の製造方法は、チップ搭載面に被接続部を含む配線を有し、他主面に外部接続用端子が導出・露出され、前記被接続部を避ける位置に形成された主開口部の外周縁部の少なくとも一部から副開口部が半導体チップ搭載領域外まで枝状に延びた開口部を有する配線基板を製造する工程と、前記配線基板の被接続部に対応する位置に電極端子部を有する半導体チップを製造する工程と、前記半導体チップをその電極端子部の位置が前記被接続部に対向するように前記配線基板上に配置し、前記半導体チップの電極端子部と配線基板の被接続部とを固定接続する工程と、この後、前記開口部の内部を含む前記半導体チップと配線基板との間を充填すると共に前記半導体チップの少なくとも各外周側面を覆うように樹脂をトランスファモールド形成して封止用の樹脂層を形成する工程とを具備することを特徴とする。
【0018】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る片面樹脂封止型パッケージ構造を有する半導体装置の一例の上面を部分的に除去して概略的に示す平面図である。
【0019】
図2は、図1の半導体装置の下面を概略的に示す平面図である。
図3は、図2中のB−B線に沿う半導体装置の構造を上下反転した状態で概略的に示す断面図である。
【0020】
図4は、図2中のP領域を取り出して拡大して概略的に示すパターン図である。
図1乃至図4に示す半導体装置は、チップ搭載面に被接続部を含む配線パターン23を有し、一部に貫通孔27を有する配線基板21と、素子形成面に外部接続端子群(例えば金属バンプ電極22群)を有し、前記素子形成面が前記配線基板21のチップ搭載面にフェースダウン型に実装され、前記外部接続端子群が前記被接続部と電気的に接続された半導体チップ20と、樹脂が前記半導体チップ20と配線基板21との間を充填すると共に前記半導体チップ20の各外周側面および上面を覆うようにトランスファモールド形成された封止樹脂層26と、前記配線基板21のチップ非搭載面(本例では、チップ下面)に導出・露出され、前記半導体チップ20に電気的に接続された外部接続用端子25とを具備する。
【0021】
なお、本例では、配線基板21として、外部接続用端子25がスルーホール配線28を介して配線パターン23に接続されている多層構造のものが用いられており、外部接続用端子25は配線基板21に垂直方向にバンプ状に形成されている。なお、図3中、23aは層間配線パターンである。
【0022】
前記貫通孔27は、チップ・基板の電気的接続部を避けるように位置するように形成された少なくとも1個の貫通孔主部27aの外周縁部の1部から半導体チップの搭載領域外まで枝状に貫通孔副部27bが延びている。
【0023】
本例では、貫通孔27は、配線基板21のほぼ中央部で、前記半導体チップ20のバンプ電極22群の形成領域により囲まれた領域に面する1個の方形の貫通孔主部27aの四隅部からそれぞれ貫通孔副部27bがチップ搭載領域の外側まで帯状に延びている。
【0024】
この場合、前記封止樹脂層26のトランスファモールド形成に際して、使用する樹脂の特性、装置の樹脂注入口のサイズなどを考慮した結果、具体例として、図4に示すように、前記貫通孔主部27aの角部はチップ搭載領域角部の少なくとも0.6mm×0.6mmの領域内に位置し、前記貫通孔副部27bの平面パターンは上記貫通孔主部27aの角部から0.3mm以上の幅を有する帯状に延びていることが適切である。換言すれば、チップ20のバンプ電極22群はチップ領域角部の少なくとも0.6mm×0.6mmの領域を避けて形成されている。
【0025】
なお、前記チップ20および配線基板21は、外形が正方形のものに限らず、長方形のものを用いてもよい。また、基板21は、アルミナ系、窒化アルミ系、樹脂系のもの(BTレジン基板など)を用いることができる。
【0026】
また、配線基板21は、配線パターン23が配線基板面から突出する状態で形成されているものものに限らず、配線パターン23が配線基板面とほぼ同一平面を成すように埋め込まれているもの(例えばアルミナ系の絶縁基材に対してグリーンシート法により形成されたものとか、樹脂系の絶縁基材に対してプリプレグ法により形成されたもの)を用いてもよい。
【0027】
次に、図1乃至図4を参照しながら、配線基板21と半導体チップ20とをボンディングするまでの工程の一例を簡単に説明する。
上記チップ20として、素子形成面の外部接続用パッド部上に導電性物質、例えば金属からなるバンプ電極22が形成されているものを用意する。上記バンプ電極22は、例えば電気メッキ法により形成された金バンプあるいはボールボンディング法により形成された金のボールバンプである。
【0028】
一方、前記配線基板21として、チップ搭載面に被接続部を含む配線パターン23が絶縁基材面から少し突出するように形成され、一部に貫通孔27を有し、上記被接続部からスルーホール配線を介してチップ非搭載面(本例では下面)に導出・露出された外部接続用端子25を具備するものを用意する。前記基板21は、配線パターン23が絶縁基材面から少し突出している。
【0029】
前記基板21の貫通孔27は、本例では、前記被接続部を避ける位置(本例では基板のほぼ中央部)に1個形成されており、方形状に開口された貫通孔主部27aの四隅部からそれぞれチップ搭載領域外まで枝状に貫通孔副部27bが延びている。
【0030】
なお、前記基板21のチップ搭載面に被接続部を形成する際には、チップ搭載面に配線パターン23を有する基板21を例えば真空吸着機構付きのスクリーン印刷機のステージ上に固定し、基板21上でチップ20の金属バンプ電極22に対応する部分に例えば平面型の接続パッドを形成する。
【0031】
この際、チップ20のバンプ電極22に対応する開口を有するメタルマスクを用いて基板の配線形成面上に導電性ペースト、例えば銀ペーストをスクリーン印刷して前記接続パッドを形成する。
【0032】
次に、チップ20を真空吸着し得る機構を有するボンディング装置を用いて基板21上にチップ20をフェースダウン型に実装するためにフリップチップボンディングを行う。
【0033】
この場合、上記基板21の接続パッドに対してチップの対応するバンプ電極22が対向するように配置し、ボンディングヘッドを押し下げることにより接続パッドにバンプ電極24の少なくとも先端部を埋め込むように圧入して両者を固定させ、この状態で前記接続パッド用の銀ペーストを熱硬化させることにより両者を接合する。
【0034】
なお、前記バンプ電極22を、チップ側ではなく基板側に形成してもよい。
また、チップ20を基板21上にフリップチップボンディングする際、前記したように接続パッドにバンプ電極の少なくとも先端部を埋め込むように圧入する方法に限らず、例えば金の接続パッドと金のバンプ電極との間で固相拡散を起こさせて接合させるようにしてもよい。
【0035】
次に、上記したように基板21上にチップ20がフリップチップボンディングされた状態において、基板・チップを樹脂封止用のトランスファモールド装置の金型のキャビティ内で上下面に隙間が生じない状態でセットし、トランスファモールド法により樹脂封止を行い、チップ・基板間に樹脂を充填させるとともにチップの各外周側面部をほぼ均等に樹脂で覆うように封止樹脂層26を形成する。
【0036】
即ち、上記した製造方法は、貫通孔主部27aの四隅部からそれぞれチップ搭載領域外まで枝状に貫通孔副部27bが延びるように形成された貫通孔27を有する配線基板21上にチップ20がフリップチップボンディングされた状態においてトランスファモールド法により樹脂封止を行う。
【0037】
これにより、チップ・基板間に樹脂が充填されるとともにチップの各外周側面部をほぼ均等に樹脂が覆うように封止樹脂層26が形成された片面樹脂封止型パッケージ構造の半導体装置が得られる。
【0038】
この際、貫通孔主部27aの内部だけでなく貫通孔副部27bの内部にも樹脂が充填されるので、チップ・基板が封止樹脂層26に対して機械的に強固に固定されて封止樹脂層の信頼性が向上しており、熱などにより生じた応力がチップ全体にほぼ均等に加わり、半導体装置の信頼性が向上する。
【0039】
また、上記例では、基板21のほぼ中央部に1個の貫通孔27を形成したが、基板のチップ接続部を避ける任意の位置で任意の数の開口部(貫通孔、溝を含む)を基板に形成することにより本発明の効果が得られる。
【0040】
図5は、本発明の第2の実施の形態に係る片面樹脂封止型パッケージ構造を有する半導体装置の上面を部分的に除去した平面および断面構造を概略的に示している。
【0041】
この半導体装置は、図3を参照して前述した第1の実施の形態に係る半導体装置と比べて、2個の貫通孔271、272を形成して2個のチップ201、202を樹脂封止している点が異なり、その他は同じであるので、図3中と同一符号を付している。
【0042】
図6は、本発明の第3の実施の形態に係る片面樹脂封止型パッケージ構造を有する半導体装置の断面構造を概略的に示している。
この半導体装置は、図3を参照して前述した第1の実施の形態に係る半導体装置と比べて、基板のチップ搭載面でチップ・基板の電気的接続部を避けるように位置するように少なくとも1個の(本例では、基板のチップ搭載面のほぼ中央部に1個の)溝29を形成して樹脂封止を行った点が異なり、その他は同じであるので、図3中と同一符号を付している。この際、溝29は、前記貫通孔に準じて、溝主部の外周縁部の少なくとも1部からチップの外部接続端子群の形成領域外に面する位置まで溝副部が枝状に延びている。この場合、樹脂層のトセンスファモールド形成に際して、使用する樹脂の特性、装置の樹脂注入口のサイズなどを考慮した結果、具体例として、溝の深さは0.25mm以上であることが適切である。
【0043】
図7は、本発明の第4の実施の形態に係る片面樹脂封止型パッケージ構造を有する半導体装置の断面構造を概略的に示している。
この半導体装置は、図3を参照して前述した第1の実施の形態に係る半導体装置と比べて、チップ20の上面が露出するように封止樹脂層261により封止した構造を採用している点が異なり、その他は同じであるので、図3中と同一符号を付している。
【0044】
上記チップ20の露出上面は、緻密、堅牢な素材(例えばシリコン)からなり、樹脂封止を行わなくても信頼性上の問題は少ない。
図8は、本発明の第5の実施の形態に係る片面樹脂封止型パッケージ構造を有する半導体装置の断面構造を概略的に示している。
【0045】
この半導体装置は、図3を参照して前述した第1の実施の形態に係る半導体装置と比べて、外部接続用端子が配線基板21の端面部に配線パターン251として形成され、この配線パターン251が層間配線パターン23aおよびブラインドビアホール配線30を介して配線パターン23に接続されている点が異なり、その他は同じであるので、図3中と同一符号を付している。
【0046】
【発明の効果】
上述したように本発明によれば、配線基板あるいは半導体チップと封止樹脂層との密着性を高め、封止樹脂層の信頼性の向上を図り得る片面樹脂封止型パッケージ構造を有する半導体装置およびその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態に係る片面樹脂封止型パッケージ構造を有する半導体装置の一例の上面を部分的に除去して概略的に示す平面図。
【図2】図1の半導体装置の下面を概略的に示す平面図。
【図3】図1中のB−B線に沿う半導体装置の構造を概略的に示す断面図。
【図4】図2中のP領域を取り出して拡大して概略的に示すパターン図。
【図5】本発明の第2の実施の形態に係る片面樹脂封止型パッケージ構造を有する半導体装置の上面を部分的に除去した平面および断面構造を概略的に示す図。
【図6】本発明の第3の実施の形態に係る片面樹脂封止型パッケージ構造を有する半導体装置の構造を概略的に示す断面図。
【図7】本発明の第4の実施の形態に係る片面樹脂封止型パッケージ構造を有する半導体装置の構造を概略的に示す断面図。
【図8】本発明の第5の実施の形態に係る片面樹脂封止型パッケージ構造を有する半導体装置の構造を概略的に示す断面図。
【図9】従来例の片面樹脂封止型パッケージ構造を有する半導体装置の上面を部分的に除去して概略的に示す平面図。
【図10】図9の半導体装置の下面を概略的に示す平面図。
【図11】図9中のA−A線に沿う半導体装置の構造を概略的に示す断面図。
【図12】他の従来例の片面樹脂封止型パッケージ構造の一例を示す断面図。
【符号の説明】
20、201、202…半導体チップ、
21…配線基板、
22…外部接続端子(金属バンプ電極)、
23…配線パターン、
23a…層間配線パターン、
25…外部接続用端子、
26、261…封止樹脂層、
27、271、272…貫通孔、
27a…貫通孔主部、
27b…貫通孔副部、
28…スルーホール配線、
29…溝、
30…ブラインドビアホール配線。
Claims (3)
- チップ搭載面に被接続部を含む配線を有し、前記チップ搭載面の一部に溝を有する配線基板と、
素子形成面に外部接続端子群を有し、前記素子形成面が前記配線基板のチップ搭載面にフェースダウン型に実装され、前記外部接続端子群が前記被接続部と電気的に接続された半導体チップと、
前記溝部の内部を含む前記半導体チップと配線基板との間を充填すると共に前記半導体チップの少なくとも各外周側面を覆うように樹脂がトランスファモールド形成された封止樹脂層と、
前記配線基板のチップ非搭載面に導出・露出され、前記半導体チップに電気的に接続された外部接続用端子
とを具備し、
前記溝は、前記半導体チップ・配線基板の電気的接続部を避けるように位置するように形成された溝主部の外周縁部の少なくとも一部から前記外部接続端子群の形成領域外まで溝副部が枝状に延びていることを特徴とする半導体装置。 - 請求項1記載の半導体装置において、前記溝の深さは0.25mm以上であることを特徴とする半導体装置。
- チップ搭載面に被接続部を含む配線を有し、他主面に外部接続用端子が導出・露出され、前記被接続部を避ける位置に形成された主開口部の外周縁部の少なくとも一部から副開口部が半導体チップ搭載領域外まで枝状に延びた開口部を有する配線基板を製造する工程と、
前記配線基板の被接続部に対応する位置に電極端子部を有する半導体チップを製造する工程と、
前記半導体チップをその電極端子部の位置が前記被接続部に対向するように前記配線基板上に配置し、前記半導体チップの電極端子部と配線基板の被接続部とを固定接続する工程と、
この後、前記開口部の内部を含む前記半導体チップと配線基板との間を充填すると共に前記半導体チップの少なくとも各外周側面を覆うように樹脂をトランスファモールド形成して封止用の樹脂層を形成する工程
とを具備することを特徴とする半導体装置の製造方法。
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