JP3795628B2 - Manufacturing method of wiring board mounting semiconductor chip - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体チップを配線基板に搭載し半導体チップと配線基板とを電気的な接続を行い、その接続部を覆うように樹脂で封止し、配線基板上に外部の配線基板と接続を行うためのハンダ突起端子を設けた半導体装置に使用する、半導体チップを搭載する配線基板の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、半導体装置の高機能化にともない、半導体装置の外部端子の数は増大する傾向にあり、側面に外部端子を設けているQFPのような半導体装置は外部端子の端子ピッチを狭くしたとしても、外形サイズが大きくなってしまう傾向にある。
これにたいして、BGAあるいはCSPのような電極端子をアレイ上に配置できる半導体装置は、外部端子の増加ができ、且つQFPよりも外形サイズを小さくすることが可能である。このような半導体装置の例としては配線基板を使用した半導体装置として、たとえば特開平6−349973号公報や、配線基板を使用しない半導体装置として特開平2−49460号公報があげられる。
【0003】
配線基板を使用した電極端子をアレイ上に形成した半導体装置の構造について図23を用いて説明する。
図23は、前述の特開平6−349973号公報に開示された半導体装置を示す断面図である。
【0004】
半導体チップ120上には合金系の突起電極122が形成されている。配線基板126には半導体チップ120の突起電極122の配置に対応するように形成された電極123が形成され、他面には外部の配線基板との接続するようにパッド電極124が形成されている。
半導体チップ120と配線基板126とは、半導体チップ120に形成した突起電極122で電気的接続を行い、半導体チップ120を覆うように樹脂121で封止されている。配線基板126の他面のパッド電極上には合金系の突起端子125が形成されている。
【0005】
配線基板を使用しない電極端子をアレイ上に形成した半導体装置の構造について、図24を用いて説明する。
図24は前述の特開平2−49460号公報に開示された半導体装置を示す断面図である。
【0006】
半導体チップ130の主表面上には電極131が形成されていて、この電極は外部の配線基板との接続するための突起端子135の一部として機能している。電極131の一部表面の露出させるように、半導体チップ130の表面にパッシベーション膜が形成されている。電極131の一部表面上に外部の配線基板との接続するための突起端子135が形成されている。この突起端子135の一部を露出させ、かつ半導体チップ全体を覆うように樹脂132で封止されている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、半導体チップの出力端子が増加すると、アレイ状に形成している突起端子の間隔を狭めなければならなくなり、これによって突起端子の体積が小さくなってしまう。
これによって配線基板あるいは半導体装置に直接突起端子に形成した前述のような半導体装置では、外部の配線基板と接続したとき、外部の配線基板と半導体装置との間隔が狭くなり、さらに温度サイクル試験等の環境試験に投入することによって発生する接続部への応力が増大し、半導体装置の熱疲労寿命が低下してしまう。接続不良になった半導体装置は突起端子の根本で破断を起こしている。
【0008】
また、図23にしめすような半導体チップを配線基板にフェイスダウンで搭載する半導体装置の構造においては、半導体チップと配線基板に電気的な接続を半導体チップに形成した合金系の突起電極で行うので、前述のように半導体チップの出力端子が増加すると、突起電極の間隔も狭めなければならなくなり、よって突起電極の体積が小さくなってしまう。
これによって半導体チップを配線基板に搭載したとき、半導体チップと配線基板との間隔が狭くなり、半導体装置を単体で温度サイクル試験等の環境試験に投入することによって発生する接続した突起電極への応力が増大し、半導体チップの接続した突起電極の熱疲労寿命が低下してしまう。
【0009】
〔発明の目的〕
本発明の第1の目的は、前述の課題を解決して、半導体チップの出力端子の増加に伴い突起端子の体積が小さくなっても、外部の配線基板と接続したことによって発生する接続部への応力を緩和して接続信頼性を損なわない半導体装置を実現することができる、半導体チップを搭載する配線基板の製造方法を提供することである。
【0010】
本発明のもう1つの目的は、半導体チップを配線基板にフェイスダウンで搭載する半導体装置の構造において、前述の目的に加えて半導体チップの出力端子の増加に伴い突起電極の体積が小さくなっても、配線基板と接続したことによって発生する突起電極への応力を緩和して接続信頼性を損なわない半導体装置に使用する半導体チップを搭載する配線基板の製造方法を提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】
前述した目的を達成するために、本発明の半導体チップを搭載する配線基板の製造方法は、下記記載の手段を採用する。
【0012】
本発明の半導体チップを搭載する配線基板の製造方法は、BTレジンガラス布やエポキ
シ樹脂ガラス布であるベース基材の両面に弾性率が0.5〜5kgf/mm 2 であるフィルム状の緩和層と更にそれら緩和層の両方の外側にCu箔を配し、両側より加圧および加温して積層成形板を得る工程と、該積層成形板を貫通するスルーホールを形成する工程と、該スルーホールを含め前記Cu箔に配線を形成する工程と、半導体チップの電極との電気的接続を行うための電極と外部の配線基板との電気的接続を行うためのパッド電極を形成する工程とを有することを特徴とする。
【0013】
本発明の半導体チップを搭載する配線基板の製造方法は、BTレジンガラス布やエポキシ樹脂ガラス布であるベース基材の、一方の面にCu箔を配し、他方の面に弾性率が0.5〜5kgf/mm 2 であるフィルム状の緩和層と更にその上にCu箔とを配し、両側より加圧および加温して積層成形板を得る工程と、該積層成形板を貫通するスルーホールを形成する工程と、該スルーホールを含め前記Cu箔に配線を形成する工程と、前記一方の面に半導体チップの電極との電気的接続を行うための電極と前記他方の面に外部の配線基板との電気的接続を行うためのパッド電極を形成する工程とを有することを特徴とする。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の半導体チップを搭載する配線基板の製造方法における最適な実施形態の説明を行う。
まずはじめに本発明の配線基板を用いた半導体装置の構造を説明する。
【0016】
〔第1の参考例である半導体装置の構造説明:図1〜図5〕
本発明の配線基板を用いた第1の参考例である半導体装置の構造の実施形態について、図1〜図5を用いて説明する。図1は半導体装置の断面図であり、図2は半導体チップ1の電極16側から見た平面図であり、図3は半導体チップ1の断面図であり、図4は配線基板17の半導体チップ1搭載側から似た平面図であり、図5は配線基板17の断面図である。
【0017】
半導体チップ1は図2、図3を用いて説明する。シリコン基板14上に電子回路を形成し、その回路の外部端子としてAlまたはAuなどで電極16が形成されている。電極16の材料あるいは表面処理については配線基板17とをワイヤー8で結線する際のワイヤー8の材料やボンダビリティーを考慮して選択する。半導体チップ1の電極16以外の部分は窒化シリコン膜等の無機膜か前述の無機膜にさらにその上にポリイミド等の有機膜による保護膜15で覆われ、外部とは電気的に絶縁されている。
【0018】
配線基板17については図4、図5を用いて説明する。配線基板17の半導体チップ1の裏面を搭載するエリア18にはダイアタッチパターン12が形成されていて、半導体チップ1を搭載した際の電源グランドおよび半導体チップ1から発生する熱を放熱する役割を兼ねている。
ダイアタッチパターン12内には複数のサーマルビアホール21を形成している。サーマルビアホール21は半導体チップ1より発生した熱を配線基板17のハンダボール面に逃がす役割とダイアタッチパターン12と配線基板17のパッド電極10とを電気的に接続することを兼ねている。
またサーマルビアホール21や他のスルーホール13内にはエポキシ樹脂9が埋められており、配線基板17のハンダボール11搭載側から半導体チップ1搭載側への水分の侵入を抑えることができる。
【0019】
電極19は、半導体チップ1の電極16とをワイヤー8で結線するための電極で、Cu上にAu/Niメッキを施している。ワイヤー8のボンダビリティーを考慮し、Ni層の厚さが3μm〜15μm、Au層の厚さが0.3μm〜1μmで形成している。
【0020】
配線基板17の半導体チップ1を搭載する側は、前述のダイアタッチパターン12、電極19以外部分はソルダーレジスト4で覆われている。
【0021】
配線基板17のハンダボール搭載側はBTレジンガラス布やエポキシ樹脂ガラス布等の基材6上に弾性率が0.5〜5kgf/mm2 の緩和層7を形成し、その上に配線やハンダボール11を搭載するパッド電極10を形成している。
【0022】
パッド電極10はハンダボール11を搭載する際にハンダボール11がパッド電極10に対してハンダが充分に濡れ、かつ充分な密着強度を確保するために、Cu上にAu/Niメッキを施している。それぞれ金属層の厚さは、Ni層の厚さが3μm〜5μm、Au層の厚さを0.02μm〜0.05μmで形成している。
【0023】
配線基板17のハンダボール11を搭載する側は前述のパッド電極10以外部分はソルダーレジスト5で覆われている。
【0024】
半導体装置については前述の半導体チップ1、配線基板17を含め図1を用いて説明する。半導体チップ1は配線基板17上のダイアタッチパターン12上に接着剤3を用いて固定している。接着剤3はエポキシ樹脂にAgのフィラーを含有しているので、半導体チップ1をダイアタッチパターン12上に搭載した際の電源グランドへの電気的接続および半導体チップ1から発生する熱をダイアタッチパターン12へ放熱することができる。
【0025】
半導体チップ1上の各電極16と配線基板17上の電極19との電気的接続はAuのワイヤー8で行われている。Auのワイヤー径は0.03mm〜0.05mm程度のワイヤーを使用している。電極19とパッド電極10とはスルーホールを介して電気的に接続している。
【0026】
半導体チップ1、ワイヤー8および配線基板17の電極19は、遮蔽と保護のために封止樹脂2で封止している。封止樹脂2には熱硬化性のエポキシ系樹脂を使用している。
【0027】
さらに、配線基板17のパッド電極10には、ハンダボール11を形成している。このハンダボール11には、SnとPbとの比率が6:4の組成のハンダを用いている。
このハンダボール11を介してこの半導体装置と外部の配線基板との電気的接続を行っている。
【0028】
〔第2の参考例である半導体装置の構造説明:図6〜図10〕
つぎに、本発明の配線基板を用いた第2の参考例である半導体装置の構成の説明を行う。
本発明の配線基板を用いた第2の参考例である半導体装置の構造の実施形態について、図6から図10を用いて説明する。図6は半導体装置の断面図であり、図7は半導体チップ30の突起電極33側から見た平面図であり、図8は半導体チップ30の断面図であり、図9は配線基板39の半導体チップ30搭載側から似た平面図であり、図10は配線基板39の断面図である。
【0029】
半導体チップ30は図7と図8とを用いて説明する。
シリコン基板45上に電子回路を形成し、その回路の外部端子としてAlなどで電極46が形成されている。電極46の上に配線基板39の電極47との電気的接続を行うためにCuあるいはAuの突起電極33を形成している。
【0030】
Alの電極46上にCuあるいはAuの突起電極33形成するためにバリアメタル層43を蒸着法やスパッタリング法を用いて形成したのちに、その上にCuあるいはAuの突起電極33をメッキによって形成する。バリアメタル層43は電極46と突起電極33のそれぞれの金属の相互拡散を防止するために形成している。
【0031】
半導体チップ30の電極46以外の部分は、窒化シリコン膜等の無機膜か前述の無機膜にさらにその上にポリイミド等の有機膜による保護膜44で覆われ、外部とは電気的に絶縁されている。
【0032】
配線基板39については図9と図10とを用いて説明する。
配線基板39の半導体チップ30搭載側およびハンダボール41搭載側の両側には、BTレジンガラス布やエポキシ樹脂ガラス布などの基材37上に弾性率が0.5〜5kgf/mm2 の緩和層35を形成し、その上に配線、電極47およびハンダボール41を搭載するパッド電極52を形成している。
突起電極33に使用する金属の弾性率はCuが130×105 kgf/mm2 で、Auが78×104 kgf/mm2 とハンダが32×104 kgf/mm2に比べて堅い材料であることから、半導体チップ30と配線基板の線膨張係数の違いにより発生する応力が突起電極33の根本に集中するのでこれを緩和するために、配線基板39の半導体チップ30搭載側にも緩和層35を形成している。
【0033】
配線基板39の電極47は半導体チップ30に形成している突起電極33の配置に対応するように形成している。スルーホール内40にはエポキシ樹脂42が埋められており、配線基板39のハンダボール41搭載側から半導体チップ30搭載側への水分の侵入を抑えることができる。
【0034】
電極47は半導体チップ30の突起電極33とを電気的に接続をするために、電極47のCu上にハンダ層48を施している。このハンダ層48には、SnとPbとの比率が6:4の組成のハンダを用いている。
このハンダ層48を溶融して、半導体チップ30の突起電極33と接続を行っている。ハンダ層の厚さは200μm〜500μm程度で形成している。
【0035】
配線基板39の半導体チップ30を搭載する側は、前述の電極47以外部分はソルダーレジスト34で覆われている。
【0036】
ハンダボール41搭載側のパッド電極52はハンダボール41を搭載する際にハンダボール41がパッド電極52に対してハンダが充分に濡れ、かつ充分な密着強度を確保するために、Cu上にAu/Niメッキを施している。各金属層の厚さはNi層の厚さが3〜5μm、Au層の厚さは0.02μm〜0.05μmで形成している。
【0037】
配線基板39のハンダボール41を搭載する側は、前述のパッド電極52以外部分はソルダーレジスト34で覆われている。
【0038】
半導体装置については前述の半導体チップ30、配線基板39を含め図6を用いて説明する。半導体チップ1上の各突起電極33と配線基板39上の電極47との電気的接続は電極47上に形成したハンダ層48を溶融し、突起電極33と電極47との接続する。電極47とパッド電極52とはスルーホールを介して電気的に接続している。
【0039】
半導体チップ30と配線基板39とのあいだには、接続部の信頼性向上および半導体チップ30および配線基板39に形成されている回路の保護のために封止樹脂32で封止している。封止樹脂32には熱硬化性のエポキシ系樹脂を使用している。
【0040】
さらに、配線基板39のパッド電極52には、ハンダボール41を形成している。このハンダボール41には、SnとPbとの比率が6:4の組成のハンダを用いている。
このハンダボール41を介してこの半導体装置と外部の配線基板との電気的接続を行っている。
【0041】
〔第3の参考例である半導体装置の構造説明:図11〜図15〕
つぎに、本発明の配線基板を用いた第3の参考例である半導体装置の構成の説明を行う。
本発明の第3の参考例については、図11〜図15を用いて構造を説明する。図11は半導体装置の断面図であり、図12は半導体チップ70の突起電極71側から見た平面図であり、図13は半導体チップ70の断面図であり、図14は配線基板80の半導体チップ70搭載側から似た平面図であり、図15は配線基板80の断面図である。
【0042】
半導体チップ70は図12と図13とを用いて説明する。
シリコン基板84上に電子回路を形成し、その回路の外部端子としてAlなどで電極86が形成されている。電極86の上に配線基板80の電極87との電気的接続を行うためにSnとPbとの比率が6:4の組成のハンダで突起電極71を形成している。
【0043】
Alの電極86上に、ハンダの突起電極71を形成するためにバリアメタル層85を蒸着法やスパッタリング法を用いて形成したのちに、その上にハンダの突起電極71をメッキによって形成する。
バリアメタル層85は電極86と突起電極71のそれぞれの金属の相互拡散を防止するために形成している。
【0044】
半導体チップ70の電極86以外の部分は窒化シリコン膜等の無機膜か前述の無機膜にさらにその上にポリイミド等の有機膜による保護膜73で覆われ、外部とは電気的に絶縁されている。
【0045】
配線基板80については図11と図15とを用いて説明する。
配線基板80のハンダボール82搭載側にはBTレジンガラス布やエポキシ樹脂ガラス布等の基材76上に弾性率が0.5〜5kgf/mm2の緩和層77を形成し、その上に配線やハンダボール82を搭載するパッド電極81を形成している。
【0046】
配線基板80の電極87は半導体チップ70に形成している突起電極71の配置に対応するように形成している。スルーホール79内にはエポキシ樹脂83が埋められており、配線基板80のハンダボール82搭載側から半導体チップ70搭載側への水分の侵入を抑えることができる。
【0047】
電極87は半導体チップ70のハンダで形成した突起電極71が充分に濡れ、しかも充分な密着強度を確保するために、Cu上にAu/Niメッキを施している。
それぞれの金属層の厚さは、Ni層の厚さが3μm〜5μm、Au層の厚さは0.02μm〜0.05μmで形成している。
【0048】
配線基板80の半導体チップ70を搭載する側は、前述の電極87以外部分はソルダーレジスト74で覆われている。
【0049】
ハンダボール82搭載側のパッド電極81はハンダボール82を搭載する際にハンダボール82がパッド電極81に対してハンダが充分に濡れ、かつ充分な密着強度を確保するために、Cu上にAu/Niメッキを施している。
それぞれの金属層の厚さは、Ni層の厚さが3μm〜5μm、Au層の厚さは0.02μm〜0.05μmで形成している。
【0050】
配線基板80のハンダボール82を搭載する側は前述のパッド電極81以外部分はソルダーレジスト74で覆われている。
【0051】
半導体装置については前述の半導体チップ70、配線基板80を含め図11を用いて説明する。
半導体チップ70上の各突起電極71と配線基板80上のハンダを溶融し、突起電極71と電極87とを接続する。電極87とパッド電極81とはスルーホールを介して電気的に接続している。
【0052】
半導体チップ70と配線基板80とのあいだには、接続部の信頼性向上および半導体チップ70および配線基板80に形成されている回路の保護のために封止樹脂72で封止している。
封止樹脂72には熱硬化性のエポキシ系樹脂を使用している。
【0053】
さらに、配線基板70のパッド電極81には、ハンダボール82を形成している。このハンダボール82には、SnとPbとの比率が6:4の組成のハンダを用いている。
このハンダボール82を介してこの半導体装置と外部の配線基板との電気的接続を行っている。
【0054】
〔本発明の配線基板の製造方法:図16〜図22〕
つぎに、さきに説明した本発明の第2の参考例に用いた配線基板の製造方法について説明する。図16〜図22は本発明の配線基板の製造工程を示す断面図であり、以下これらの図面を用いて説明する。
【0055】
図16は配線基板のベースになる基材100である。この基材100は厚さが0.2〜0.6mm程度のBTレジンガラス布やエポキシ樹脂ガラス布等を使用する。
基材100の両面は、その基材100上に形成する緩和層101を密着をよくするために、粗化処理、触媒活性化処理を行う。
【0056】
両面を粗化処理、触媒活性化処理をおこなった基材100上にフィルム状の厚さ30μm〜50μmの緩和層101および緩和層101との密着をよくするために表面処理を施した厚さ18μmのCu箔102を配し、両側より加圧および温度をかけて積層成形する。
これによって基材100の両面に緩和層101を形成した図17に示す両面板ができる。
【0057】
両面板に複数のスルーホール103をドリル加工あるいはレーザー加工のよって形成する。スルーホール103内にCuメッキを施すために触媒活性化処理を行い、Cuメッキを行う。これによって図18に示すようなスルーホール103が形成できる。
【0058】
つぎに図19に示すようなスルーホール103内にエポキシ樹脂104充填する。このエポキシ樹脂104の充填方法は、スクリーン印刷法を用いて、基板の上面に液状のエポキシ樹脂104を供給し、スキージによるスルーホール103内への塗り込み行う。塗り込み後エポキシ樹脂104を熱硬化し、硬化後基板表面を研磨する。この方法でスルーホール103内にエポキシ樹脂104を完全に充填できる。
【0059】
つぎに配線を形成するために、基板両面に感光性樹脂を塗布し、所定の露光マスクを介し露光、現像を行い、配線に必要な部分のみエッチングレジスト膜を形成する。その後Cuのエッチングを行い不要なCu層を除去し、さらにエッチングレジストを除去する。これによって図20に示すような配線が形成できる。
【0060】
つぎに電極106、パッド電極107を形成するために、両面にソルダーレジスト108となる感光性樹脂を塗布し、所定のマスクを介し露光、現像を行い、電極106、パッド電極107のみが露出するようにソルダーレジスト108を形成する。
その後、ハンダの濡れ性と密着強度を確保するためにソルダーレジスト108をマスクにして、電極106、パッド電極107上にAu/Niメッキを行う。各金属層の厚さはNi層の厚さが3μm〜5μm、Au層の厚さは0.02μm〜0.05μmで形成している。これによって図21に示すような電極、パッド電極が形成できる。
【0061】
さらに、電極106は、半導体チップの突起電極と電気的に接続をするために、電極106上にハンダ層109を施している。このハンダ層109はスクリーン印刷法を用いて形成する。電極106部分のみ開口している所定のメタルマスクを使い、そのマスク上にソルダーペーストを供給し、スキージングすることでマスクの開口部のみソルダーペーストがマスクを通過し、電極106部分にソルダーペーストが供給できる。
その後、ハンダの融点よりも高い温度に基板を通過させることによりハンダ層109が形成できる。ハンダ層109には、SnとPbとの比率が6:4の組成のハンダを用い、ハンダ層109の厚さは20μmから50μm程度で形成している。これで図22に示すように、第2の参考例に用いた本発明の配線基板が完成する。
他の参考例に用いた配線基板についても前述に示した製造方法の工程あるいは材料を一部削除することで作成できる。
【0062】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によって、半導体チップを配線基板上に搭載し、ハンダボールを介して外部の配線基板と電気的に接続を行う半導体装置において、配線基板内に半導体チップおよび外部の配線基板との接続により発生する応力を緩和する緩和層を形成した配線基板を製造できる。
このことによって、半導体装置単体の信頼性および外部の配線基板を接続した際の接続信頼性を向上することができる。今後半導体チップの出力端子の増加に伴い、半導体装置の突起端子の体積が小さくなっても半導体装置の接続信頼性を損なうことはない。
【0063】
また、配線基板の製造においては、既存の製造装置を使用することが可能なので、生産上有利である。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の第1の参考例である半導体装置を示す断面図である。
【図2】 本発明の第1の参考例における半導体チップを示す平面図である。
【図3】 本発明の第1の参考例における半導体チップを示す断面図である。
【図4】 本発明の第1の参考例における配線基板を示す平面図である。
【図5】 本発明の第1の参考例における配線基板を示す断面図である。
【図6】 本発明の第2の参考例である半導体装置を示す断面図である。
【図7】 本発明の第2の参考例における半導体チップを示す平面図である。
【図8】 本発明の第2の参考例における半導体チップを示す断面図である。
【図9】 本発明の第2の参考例における配線基板を示す平面図である。
【図10】 本発明の第2の参考例における配線基板を示す断面図である。
【図11】 本発明の第3の参考例である半導体装置を示す断面図である。
【図12】 本発明の第3の参考例における半導体チップを示す平面図である。
【図13】 本発明の第3の参考例における半導体チップを示す断面図である。
【図14】 本発明の第3の参考例における配線基板を示す平面図である。
【図15】 本発明の第3の参考例における配線基板を示す断面図である。
【図16】 本発明の配線基板の製造方法における配線基板の基材を示す断面図である。
【図17】 第2の参考例における本発明の配線基板の製造方法において緩和層を形成した状態を示す断面図である。
【図18】 第2の参考例における本発明の配線基板の製造方法においてスルーホールを形成した状態を示す断面図である。
【図19】 第2の参考例における本発明の配線基板の製造方法においてスルーホール内にエポキシ樹脂を充填した状態を示す断面図である。
【図20】 第2の参考例における本発明の配線基板の製造方法において配線を形成した状態を示す断面図である。
【図21】 第2の参考例における本発明の配線基板の製造方法において電極、パッド電極を形成した状態を示す断面図である。
【図22】 第2の参考例における本発明の配線基板の製造方法においてハンダ層を形成した状態を示す断面図である。
【図23】 従来技術における半導体装置を示す断面図である。
【図24】 従来技術における半導体装置を示す断面図である。
【符号の説明】
1 半導体チップ
2 封止樹脂
7 緩和層
10 パッド電極
11 ハンダボール
16 電極
17 配線基板
19 電極
33 突起電極
48 ハンダ層[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
In the present invention, a semiconductor chip is mounted on a wiring board, the semiconductor chip and the wiring board are electrically connected, sealed with resin so as to cover the connection portion, and connected to the external wiring board on the wiring board. Semiconductor device provided with solder bump terminals for performingUsed forThe present invention relates to a method of manufacturing a wiring board on which a semiconductor chip is mounted.
[0002]
[Prior art]
In recent years, with the increase in functionality of semiconductor devices, the number of external terminals of semiconductor devices tends to increase.JustA semiconductor device such as QFP tends to have an increased external size even if the terminal pitch of external terminals is reduced.
On the other hand, a semiconductor device in which electrode terminals such as BGA or CSP can be arranged on the array can increase the number of external terminals and can have a smaller outer size than QFP. Examples of such a semiconductor device include a semiconductor device using a wiring board, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 6-349973, and a semiconductor device not using a wiring board, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 2-49460.
[0003]
A structure of a semiconductor device in which electrode terminals using a wiring board are formed on an array will be described with reference to FIG.
FIG. 23 is a cross-sectional view showing the semiconductor device disclosed in the above-mentioned Japanese Patent Laid-Open No. 6-349973.
[0004]
An alloy-based protruding electrode 122 is formed on the semiconductor chip 120. An electrode 123 formed so as to correspond to the arrangement of the protruding electrodes 122 of the semiconductor chip 120 is formed on the wiring substrate 126, and a pad electrode 124 is formed on the other surface so as to be connected to an external wiring substrate. .
The semiconductor chip 120 and the wiring substrate 126 are electrically connected by a protruding electrode 122 formed on the semiconductor chip 120 and sealed with a resin 121 so as to cover the semiconductor chip 120. An alloy-type protruding terminal 125 is formed on the pad electrode on the other surface of the wiring board 126.
[0005]
A structure of a semiconductor device in which electrode terminals not using a wiring board are formed on the array will be described with reference to FIG.
FIG. 24 is a cross-sectional view showing the semiconductor device disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2-49460.
[0006]
An electrode 131 is formed on the main surface of the semiconductor chip 130, and this electrode functions as a part of the protruding terminal 135 for connection to an external wiring board. A passivation film is formed on the surface of the semiconductor chip 130 so that a part of the surface of the electrode 131 is exposed. A protruding terminal 135 for connection to an external wiring board is formed on a part of the surface of the electrode 131. A part of the protruding terminal 135 is exposed and sealed with a
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, when the output terminals of the semiconductor chip increase, the interval between the protruding terminals formed in an array has to be reduced, thereby reducing the volume of the protruding terminals.
As a result, in the semiconductor device as described above formed directly on the projecting terminal on the wiring board or the semiconductor device, when connected to the external wiring board, the interval between the external wiring board and the semiconductor device becomes narrower, and a temperature cycle test or the like. The stress applied to the connection portion generated by the input to the environmental test increases, and the thermal fatigue life of the semiconductor device decreases. The semiconductor device having a poor connection is broken at the base of the protruding terminal.
[0008]
Further, in the structure of the semiconductor device in which the semiconductor chip shown in FIG. 23 is mounted face-down on the wiring board, the electrical connection between the semiconductor chip and the wiring board is made by an alloy-type protruding electrode formed on the semiconductor chip. As described above, when the output terminals of the semiconductor chip are increased, the interval between the protruding electrodes must be reduced, and the volume of the protruding electrodes is reduced.
As a result, when the semiconductor chip is mounted on the wiring board, the distance between the semiconductor chip and the wiring board is narrowed, and the stress on the connected protruding electrode generated when the semiconductor device alone is put into an environmental test such as a temperature cycle test. As a result, the thermal fatigue life of the protruding electrode connected to the semiconductor chip decreases.
[0009]
(Object of invention)
The first object of the present invention is to solve the above-mentioned problems, and even if the volume of the projecting terminal is reduced as the output terminal of the semiconductor chip is increased, an external wiring board is provided.ContactA semiconductor device that does not impair connection reliability by relieving stress on the connection generated by the connectionCan be realized,It is to provide a method of manufacturing a wiring board on which a semiconductor chip is mounted.
[0010]
Another object of the present invention is to provide a structure of a semiconductor device in which a semiconductor chip is mounted face-down on a wiring board, in addition to the above-described object, even if the volume of the protruding electrode decreases as the output terminal of the semiconductor chip increases. , Wiring boardContactA semiconductor device that does not impair connection reliability by relieving stress on the protruding electrodes generated by continuingUsed forAn object of the present invention is to provide a method for manufacturing a wiring board on which a semiconductor chip is mounted.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
To achieve the above-mentioned object, the present inventionHalf ofThe method described below is adopted as a method of manufacturing a wiring board on which a conductor chip is mounted.
[0012]
Semiconductor of the present inventionThe manufacturing method of the wiring board on which the chip is mounted is BT resin glass cloth or epoxy resin.
The elastic modulus is 0.5 to 5 kgf / mm on both sides of the base substrate which is a glass resin glass cloth. 2 A step of obtaining a laminated molded plate by placing Cu foil on the outer sides of both the film-like relaxed layer and the relaxed layer, pressurizing and heating from both sides, and a through-hole penetrating the laminated molded plate A step of forming, a step of forming a wiring on the Cu foil including the through hole, and a pad for electrical connection between an electrode for electrical connection with an electrode of a semiconductor chip and an external wiring substrate And a step of forming an electrode.
[0013]
Semiconductor of the present inventionA method of manufacturing a wiring board on which a chip is mounted is such that a Cu foil is disposed on one side of a base substrate such as a BT resin glass cloth or an epoxy resin glass cloth, and an elastic modulus is 0.5 to 5 kgf / mm 2 A step of providing a film-shaped relaxation layer and a Cu foil thereon, pressurizing and heating from both sides to obtain a laminated molded plate, and forming a through-hole penetrating the laminated molded plate; A step of forming a wiring on the Cu foil including the through hole, an electrode for electrical connection with the electrode of the semiconductor chip on the one surface, and an external wiring substrate on the other surface And a step of forming a pad electrode for connection.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described with reference to the drawings.Half ofAn optimum embodiment of the method for manufacturing a wiring board on which a conductor chip is mounted will be described.
First of all of the present inventionUsing a wiring boardThe structure of the semiconductor device will be described.
[0016]
[FirstReference exampleDescription of structure of semiconductor device: FIGS. 1 to 5]
The present inventionIt is a first reference example using the wiring board ofAn embodiment of a structure of a semiconductor device will be described with reference to FIGS. FIG.Half2 is a cross-sectional view of the conductor device, FIG. 2 is a plan view seen from the
[0017]
The
[0018]
The
A plurality of thermal via
Further, the
[0019]
The
[0020]
The side of the
[0021]
The solder ball mounting side of the
[0022]
When the solder ball 11 is mounted on the
[0023]
The side of the
[0024]
The semiconductor device will be described with reference to FIG. 1 including the
[0025]
The electrical connection between each electrode 16 on the
[0026]
The
[0027]
Further, solder balls 11 are formed on the
The semiconductor device and an external wiring board are electrically connected via the solder ball 11.
[0028]
[SecondReference exampleDescription of structure of semiconductor device: FIGS. 6 to 10]
Next, the present inventionUsing the wiring boardSecondReference exampleThe structure of the semiconductor device will be described.
The present inventionIt is the 2nd reference example using the wiring board ofAn embodiment of a structure of a semiconductor device will be described with reference to FIGS. FIG.Half7 is a cross-sectional view of the conductor device, FIG. 7 is a plan view of the semiconductor chip 30 viewed from the protruding electrode 33 side, FIG. 8 is a cross-sectional view of the semiconductor chip 30, and FIG. FIG. 10 is a cross-sectional view of the wiring board 39. FIG.
[0029]
The semiconductor chip 30 will be described with reference to FIGS.
An electronic circuit is formed on the
[0030]
After the barrier metal layer 43 is formed by vapor deposition or sputtering in order to form the Cu or Au bump electrode 33 on the
[0031]
The portions other than the
[0032]
The wiring board 39 will be described with reference to FIGS.
On both sides of the wiring board 39 on the semiconductor chip 30 mounting side and the solder ball 41 mounting side, the elastic modulus is 0.5 to 5 kgf / mm on the
The elastic modulus of the metal used for the protruding electrode 33 is 130 × 10 Cu.Five kgf / mm2 And Au is 78 × 10Four kgf / mm2 And solder is 32 × 10Four kgf / mm2Therefore, the stress generated due to the difference in the linear expansion coefficient between the semiconductor chip 30 and the wiring board is concentrated on the root of the protruding electrode 33, so that the semiconductor chip 30 on the wiring board 39 is relaxed. A relaxation layer 35 is also formed on the mounting side.
[0033]
The
[0034]
The
The solder layer 48 is melted and connected to the protruding electrode 33 of the semiconductor chip 30. The solder layer has a thickness of about 200 μm to 500 μm.
[0035]
On the side of the wiring substrate 39 on which the semiconductor chip 30 is mounted, the portion other than the
[0036]
When the solder ball 41 is mounted, the pad electrode 52 on the side where the solder ball 41 is mounted has a solder ball 41 that is sufficiently wetted with respect to the pad electrode 52 and has sufficient adhesion strength. Ni plating is applied. The thickness of each metal layer is 3-5 μm for the Ni layer, and 0.02 μm-0.05 μm for the Au layer.
[0037]
The side of the wiring board 39 on which the solder balls 41 are mounted is covered with the solder resist 34 except for the pad electrodes 52 described above.
[0038]
The semiconductor device will be described with reference to FIG. 6 including the semiconductor chip 30 and the wiring substrate 39 described above. For the electrical connection between each protruding electrode 33 on the
[0039]
Between the semiconductor chip 30 and the wiring board 39, sealing is performed with a sealing resin 32 in order to improve the reliability of the connecting portion and protect the circuits formed on the semiconductor chip 30 and the wiring board 39. As the sealing resin 32, a thermosetting epoxy resin is used.
[0040]
Further, solder balls 41 are formed on the pad electrodes 52 of the wiring board 39. For the solder ball 41, solder having a composition of Sn: Pb in a ratio of 6: 4 is used.
The semiconductor device and an external wiring board are electrically connected via the solder ball 41.
[0041]
[ThirdReference exampleDescription of structure of semiconductor device: FIGS. 11 to 15]
Next, the present inventionUsing the wiring boardThirdReference exampleThe structure of the semiconductor device will be described.
The third of the present inventionReference exampleThe structure will be described with reference to FIGS. FIG.Half12 is a cross-sectional view of the conductor device, FIG. 12 is a plan view of the
[0042]
The
An electronic circuit is formed on the silicon substrate 84, and an
[0043]
After the
The
[0044]
The portion other than the
[0045]
For wiring board 8011And figure15And will be described.
The elastic modulus is 0.5 to 5 kgf / mm on a base material 76 such as BT resin glass cloth or epoxy resin glass cloth on the solder ball 82 mounting side of the wiring board 80.2A relaxation layer 77 is formed, and a pad electrode 81 on which wiring and solder balls 82 are mounted is formed thereon.
[0046]
The
[0047]
The
As for the thickness of each metal layer, the thickness of the Ni layer is 3 μm to 5 μm, and the thickness of the Au layer is 0.02 μm to 0.05 μm.
[0048]
On the side of the wiring substrate 80 on which the
[0049]
When the solder ball 82 is mounted, the pad electrode 81 on the mounting side of the solder ball 82 has a solder ball 82 that is sufficiently wetted with respect to the pad electrode 81 and has sufficient adhesion strength. Ni plating is applied.
As for the thickness of each metal layer, the thickness of the Ni layer is 3 μm to 5 μm, and the thickness of the Au layer is 0.02 μm to 0.05 μm.
[0050]
The side of the wiring board 80 on which the solder balls 82 are mounted is covered with a solder resist 74 except for the pad electrode 81 described above.
[0051]
The semiconductor device will be described with reference to FIG. 11 including the
Each protruding
[0052]
The
A thermosetting epoxy resin is used for the sealing resin 72.
[0053]
Further, solder balls 82 are formed on the pad electrodes 81 of the
The semiconductor device and an external wiring board are electrically connected via the solder ball 82.
[0054]
[Of the present inventionWiring board manufacturing method: FIGS. 16 to 22]
Next, the second aspect of the present invention described above is used.Reference exampleA method for manufacturing the wiring board used in the above will be described. 16 to 22 are cross-sectional views showing the manufacturing process of the wiring board of the present invention, which will be described below with reference to these drawings.
[0055]
FIG. 16 shows a
Both surfaces of the
[0056]
A thickness of 18 μm which is subjected to a surface treatment to improve the adhesion between the
Thus, the double-sided board shown in FIG. 17 in which the
[0057]
A plurality of through holes 103 are formed in the double-sided plate by drilling or laser processing. In order to perform Cu plating in the through hole 103, a catalyst activation process is performed and Cu plating is performed. As a result, a through hole 103 as shown in FIG. 18 can be formed.
[0058]
Next, the
[0059]
Next, in order to form a wiring, a photosensitive resin is applied to both surfaces of the substrate, and exposure and development are performed through a predetermined exposure mask, and an etching resist film is formed only in a portion necessary for the wiring. Thereafter, Cu is etched to remove unnecessary Cu layers, and further the etching resist is removed. As a result, wiring as shown in FIG. 20 can be formed.
[0060]
Next, in order to form the
Thereafter, Au / Ni plating is performed on the
[0061]
Further, the
Thereafter, the solder layer 109 can be formed by passing the substrate at a temperature higher than the melting point of the solder. The solder layer 109 is made of solder having a composition ratio of Sn and Pb of 6: 4, and the thickness of the solder layer 109 is about 20 μm to 50 μm. Now, as shown in FIG.Reference exampleUsed forOf the present inventionThe wiring board is completed.
otherUsed for reference exampleFor the wiring board, the process or material of the manufacturing method described above is the same.CuttingCan be created.
[0062]
【The invention's effect】
As explained above, the present inventionByA semiconductor device in which a semiconductor chip is mounted on a wiring board and electrically connected to an external wiring board via a solder ballLeaveA relaxation layer is formed in the wiring board to relieve stress generated by the connection between the semiconductor chip and the external wiring board.Can be manufactured.
As a result, the reliability of the semiconductor device alone and the external wiring boardTheConnection reliability when connected can be improved. As the output terminals of semiconductor chips increase in the future, the volume of protruding terminals of semiconductor devicesButGetting smallerAlsoThe connection reliability of the semiconductor device is not impaired.
[0063]
Moreover, in manufacturing a wiring board, an existing manufacturing apparatus can be used, which is advantageous in production.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows the first of the present invention.Reference exampleIt is sectional drawing which shows a semiconductor device.
FIG. 2 shows the first of the present inventionReference exampleIt is a top view which shows the semiconductor chip in.
FIG. 3 shows the first of the present invention.Reference exampleIt is sectional drawing which shows the semiconductor chip in.
FIG. 4 shows the first of the present inventionReference exampleIt is a top view which shows the wiring board in.
FIG. 5 shows the first of the present inventionReference exampleIt is sectional drawing which shows the wiring board in.
FIG. 6 shows the second of the present invention.Reference exampleIt is sectional drawing which shows a semiconductor device.
FIG. 7 shows the second of the present invention.Reference exampleIt is a top view which shows the semiconductor chip in.
FIG. 8 shows the second of the present invention.Reference exampleIt is sectional drawing which shows the semiconductor chip in.
FIG. 9 shows the second of the present invention.Reference exampleIt is a top view which shows the wiring board in.
FIG. 10 shows the second of the present invention.Reference exampleIt is sectional drawing which shows the wiring board in.
FIG. 11 shows a third embodiment of the present invention.Reference exampleIt is sectional drawing which shows a semiconductor device.
FIG. 12 shows the third of the present inventionReference exampleIt is a top view which shows the semiconductor chip in.
FIG. 13 shows the third of the present invention.Reference exampleIt is sectional drawing which shows the semiconductor chip in.
FIG. 14 shows a third embodiment of the present invention.Reference exampleIt is a top view which shows the wiring board in.
FIG. 15 shows the third of the present invention.Reference exampleIt is sectional drawing which shows the wiring board in.
FIG. 16 shows the present invention.Arrangement ofIn the manufacturing method of a wire boardWiring boardIt is sectional drawing which shows a base material.
FIG. 17Of the present invention in the second reference exampleFor wiring board manufacturing methodsLeaveIt is sectional drawing which shows the state in which the relaxation layer was formed.
FIG. 18Of the present invention in the second reference exampleFor wiring board manufacturing methodsLeaveIt is sectional drawing which shows the state in which the through hole was formed.
FIG. 19Of the present invention in the second reference exampleFor wiring board manufacturing methodsLeaveIt is sectional drawing which shows the state which filled the through-hole with the epoxy resin.
FIG. 20Of the present invention in the second reference exampleFor wiring board manufacturing methodsLeaveIt is sectional drawing which shows the state which formed wiring.
FIG. 21Of the present invention in the second reference exampleFor wiring board manufacturing methodsLeaveIt is sectional drawing which shows the state in which the electrode and the pad electrode were formed.
FIG. 22Of the present invention in the second reference exampleFor wiring board manufacturing methodsLeaveIt is sectional drawing which shows the state in which the solder layer was formed.
FIG. 23 is a cross-sectional view showing a semiconductor device in the prior art.
FIG. 24 is a cross-sectional view showing a semiconductor device in the prior art.
[Explanation of symbols]
1 Semiconductor chip
2 Sealing resin
7 Relaxation layer
10 Pad electrode
11 Solder balls
16 electrodes
17 Wiring board
19 electrodes
33 Projection electrode
48 Solder layer
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