JP3828581B2 - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

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Description

技術分野
本発明は、外部取り出し電極(パッド)のピッチが小さい各種半導体チップをカード等の基板に実装した半導体装置及びその製造方法に関する。
背景技術
現在量産されているICカードの構造に関しては、「ICカード」(社団法人電子情報通信学会編、オーム社発行、第1版、1990年5月25日発行、第33頁)に開示されている。その代表的な要部の断面構造を図13に示す。図13に示すように、従来のICカードは導体回路を有するモジュール基板44と、このモジュール基板に実装されたICチップ43と、ICチップ上のパッド42とモジュール基板の端子を接続するボンディングワイヤ41とを備えている。
ワイヤーがボンディングされたICチップの平面図を第4図に示す。このワイヤーを使う方式では、ICチップ101の半導体アクティブエリア102とボンディングパッド42は別の領域にある。ボンディングワイヤヘッド132はボンディングワイヤ41の先端にある部分である。
第4図に示したボンディング部分の断面を第5図に示す。ICチップ44の上にはボンディングパッド42が形成されており、ボンデイングのときにボンディングワイヤヘッド132によって強く押しつけられる。ボンディングワイヤ41は機械的作用によってパッドに圧着する。そのために、ボンディングパッドの下にアクテイブ素子が有ると壊れることがあり、従来はアクティブ素子を配置することができなかった。
また、例えばICタグで用いるような0.3mm角のICチップでは、ボンディングパッドのサイズは0.1から0.15mm角、ボンディングパッド数は2から10程度であるが、ボンディングパッドがICチップに占める面積は大きなものになる。
なお、ICチップの厚さは、約200〜400ミクロンである。このような厚さでは、特にICチップの主な半導体材料が脆いシリコンである場合には、ICチップに曲げ応力が加えられると割れてしまう恐れがあった。ICチップが大きいほどこの傾向は顕著になる。ICチップの割れを防止するために従来はICチップに曲げ応力がかからないようにケーシング材料として曲げに強い材料を選択して用いる必要があった。この問題を防ぐために、1μm程度に薄くしたフレキシブルなICチップを用いたICカードが特開平3−87299号公報に開示されている。しかしながら、ここに示されたICカードでは、薄膜化されたICチップがカード基板の表面に配置されているためカードに曲げ応力が働くと、特に引っ張り張力の場合ICチップが裂けてしまうという問題のあることが判明した。
このような問題を解決する方法として、薄型ICチップをICカードの厚さ方向のほぼ中央付近に設ける構造とする方法が、特開平6−193267号公報に開示されている。この技術はICチップのパッドと回路基板に印刷により設けられた電極とが同じ面に露出するように設置し、ICチップのパッドと回路基板の電極との間の配線を導電ペーストを用いて印刷で形成することにより電気的に接続している。導電ペーストを用いることにより、ワイヤボンディングの工程が不要となり、ICカードを製造する上で経済的である。
しかしながら、上記の導電ペーストを用いた印刷でICチップのパッドを接続する場合次のような問題のあることが明らかになった。すなわち、既存のICチップ上に形成されたパッドのピッチは100から150μmと小さいため、ワイヤボンディングによる接続なら対応できるが、銀ペーストのスクリーン印刷では対応できないということである。即ち、現状の技術では、印刷精度を200μm以下にすることが困難であるという問題である。これは、従来のワイヤボンディングを行うICチップをそのまま使用するときに問題となる。
本発明の目的は、ICチップ上に形成された狭ピッチのパッドと基板上に設けられた電極とが印刷で形成された配線で電気的に接続された半導体装置およびそれらを安定して接続する半導体装置の製造方法を提供することである。
本発明の他の目的は、ICチップ上に形成された狭ピッチのパッドと基板上に印刷された電極とが電気的に接続された信頼性の高い半導体装置および工程数の増加を伴わない低コストな半導体装置の製造方法を提供することである。
発明の開示
上記目的は、ICチップに設けられた第1のパッドに電気的に接続された第2のパッドを前記ICチップ上に設けることにより達成される。第2のパッドは所望の位置に設けることができるので複数の第2のパッドと基板に設けられた複数の電極とを接続するそれぞれの配線を印刷で形成することができる。また、複数の第2のパッドと基板に設けられた複数の電極との位置の整合を取ることにより、第2のパッドと基板に設けられた電極とをそれぞれ対向させて電気的に接続することができる。第2のパッドと基板に設けられた電極との間に導電性接着材を設けることにより、接続の信頼性を高めることができる。
また、上記目的は、複数のパッドを有するICチップを準備する工程と、前記パッドが露出する第1の開口部を有する第1の絶縁膜を形成する工程と、前記第1の絶縁膜を有する前記基板上に第1の金属膜を形成する工程と、前記第1の開口部から前記第1の絶縁膜上に延伸し第2のパッドとなる領域に開口部を有し、かつ前記第1の金属膜が露出するような第2の絶縁膜を形成する工程と、露出した前記第1の金属膜上に第2の金属を選択的に形成する工程と、前記第2の絶縁膜を除去する工程と、露出した前記第1の金属膜を除去して第1と第2の金属膜からなる第2のパッドを形成する工程と、前記第2のパッドと絶縁性基板に設けられた電極とを電気的に接続する工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法により達成される。
なお、第2のパッドをICチップのアクテイブ領域に形成することにより、新たなパッド形成のためにチップ面積を大きくする必要が無く、ICチップの上面を有効に使うことができる。
また、第1のパッドへのバンプと第2のパッドとを同じ工程で作成できるので、ICチップの製造コストの増加はない。
また、複数の第2のパッドと絶縁性基板上の電極との位置を対応させることにより、ICチップの絶縁性基板へのフェースダウンボンデイングが可能となり第2パッドと前記電極との間の距離を短くでき、配線抵抗を低減できる。
また、前記第2の金属膜を慣用技術である金メッキ膜とすることにより第2のパッドの信頼性を高めることができる。
また、絶縁性基板の厚さを0.25mm以下、ICチップの厚さを100μm以下、望ましくは50μmとすることによりそれぞれがフレキシブルになり、ICチップの絶縁性基板への固着が容易に行える。すなわち、この様にICチップがフレキシブルな場合には絶縁性基板の表面に凹凸があっても、ICチップが変形して当該絶縁性基板に固着することが可能となる。
また、複数の第2のパッドへの配線は互いに交差しない配置とすることにより互いのショートを防止できる。
また、第1の絶縁膜を慣用されているポリイミド樹脂、窒化珪素または酸化珪素かまたはそれらの組合せの膜とすることにより、信頼性が高くなる。
また、前記絶縁性基板に対向させて第2の絶縁性基板を設けてICチップを挟み込み、前記ICチップがそれらの絶縁性基板で形成される中立面の±15パーセント以内の領域に配置されるようにすることにより、ICチップの破損を低減することができる。
なお、ICチップを実装する基板としてはカード基板に限定されるものではない。
本発明によれば、従来の狭いピッチパッドを有するICチップを、銀ペーストを用いたスクリーン印刷等によって基板に設けらた電極とを容易に接続することができる。
即ち、本発明によれば、従来のボンディングパッドを拡大したパッドを形成してパッドピッチおよびパッドサイズの拡大を図ることができるので、銀ペーストスクリーン印刷技術に見合ったパッドピッチとなって、安定に基板パターンを形成してチップを接続することができる。
また、拡大パッドは半導体アクティブエリアの上に設けることができるのでチップサイズを縮小できる。例えば、銀ペースト対応の場合、0.5倍のサイズ縮小も可能である。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明に係るICチップのパッドと絶縁性基板に設けられた電極との接続部を示す平面図、第2図は本発明に係るICチップのパッドと絶縁性基板に設けられた電極との接続部を示す要部断面図、第3図は本発明に係るICチップ回路構成図の一例、第4図は従来のワイヤがボンデイングされたICチップの平面図、第5図は従来のICチップにワイヤがボンデイングされたICチップの要部断面図、第6図は本発明に係るICチップのプロセスフローを示すための半導体装置の要部断面図、第7図は本発明に係るICチップのパッドと絶縁性基板に設けられた電極との接続部を示す要部平面図、第8図は本発明に係る具体的なICチップの平面図、第9図は第8図に示したICチップの回路構成図、第10図は本発明に係るICチップのパッドと絶縁性基板に設けられた電極との接続部を示す要部断面図、第11図は本発明に係るICカードの平面図(a)及び要部断面図(b)、第12図は本発明に係るICカードの要部断面図、第13図は従来のICカードのICチップと基板との接続部を示す要部断面図、第14図は本発明に係るICカードの要部断面図、第15図はICチップの要部断面図、第16図は第9図に示したICチップを用いて製造したICカードの概念図である。
発明を実施するための最良の形態
(実施例1)
本発明を第1図を用いて説明する。第1図は本発明に係るICチップのパッドと絶縁性基板に設けられた電極103との接続部を示す。ICチップ101のアクティブエリア102上に、第1のパッド(小パッド)105に電気的に接続された第2のパッド(拡大パッド)104が設けられている。このアクティブエリア102には、半導体トランジスタやダイオード抵抗素子などが形成されている。これらは必要に応じて互いに配線で結線されており、特定のメモリや論理などの機能を有する。拡大パッド104は小パッド105に接続されている。なお、小パッド106はICチップ101の回路動作をテストするためのテステイングパッドであり、テストが不要の場合には形成する必要は無い。
また拡大パッド104は電極103に導電性接着剤により接続されている。
第1図で示したAとA’の断面を第2図に示す。カード基板121の上には印刷された電極103が設けられている。また、ICチップ101には配線125で結線された複数の半導体素子124が形成されたアクティブエリアが設けられている。その上には小パッド105に接続された拡大パッド104が設けられている。拡大パッド104と電極103とは、導電性粒子126を含む異方導電性接着フィルムにより電気的に接続されるとともに、互いに固定される。
ICチップ101の内部回路構成図を第3図に示す。ここで用いたICチップ101は無線用であり、内部にはICを動作させるために供給される電力用電波を所定の電圧に変換する電気回路やICチップ内の蓄積データを無線で送るための変調復調回路が設けられている。また、ICはアンテナ用のコイル90に接続されている。なお、接触式のICカードではこれらの回路は不要である。
なお、スタータは電位を検出して基準電圧を発生する回路、レギュレータは基準電位からインピーダンスの小さな電源電圧を発生する回路、パワーオンリセットは電位確定後にリセットを解除する回路、デジアナ接続回路はアナログデジタル回路の変換をする回路、クロックアンプはアンテナコイルからの微少電圧を大振幅のクロック波形に増幅する回路である。
第6図に拡大パッド104の製造工程を示す。第6図(a)はシリコン基板145に半導体素子124と配線125とを形成した後、小パッド105が露出する開口部を有するポリイミド樹脂膜(第1の絶縁膜)141(約10μm)が形成された状態の半導体装置の要部断面を示す。
その後、チタン(Ti)と金(Au)の積層膜(第1の金属膜)(約200nm/約200nm)を蒸着する(第6図(b))。
その後、拡大パッド領域および拡大パッドと小パッドとを接続する配線領域となる開口部を有するレジスト膜(第2の絶縁膜)147を形成し、さらに、この開口部内に選択的に金(Au)膜(第2の金属膜)148を約15μmの厚さでメッキする(第6図(c))。
その後、レジスト膜147を除去する(第6図(d))。
さらに、その上部に金膜148が形成されておらず、露出した第1の金属膜146をエッチングにより除去する(第6図(e))。
なお、図示していないが、拡大パッドが接続されない小パッド上には金メッキ膜と第1の金属膜の積層膜からなるバンプが形成される。
(実施例2)
第7図を用いて他の実施例を説明する。本実施例では、拡大パッドがICチップ101の非アクテイブ領域に形成された例である。ICチップ101にはワイヤボンディングパッド(小パッド)105と、拡大パッド104が設けられており、この拡大パッド104はワイヤボンディングパッド(小パッド)群の一つとパッド配線12により電気的に接続されている。拡大パッド104は基板に設けられた電極103と電気的に接続されている。このICチップ101としては周知のマイクロプロセッサを用いることができる。
従来のマイクロプロセッサは、例えばパッドピッチが150μm程度であり、内部回路テスト用を含めて40個以上のパッドが設けられている。この様な狭ピッチのパッドであっても、所望の小パッドと電気的に接続された拡大パッドを用いることにより、異方導電性接着フィルムを用いて、カード基板上に銀ペーストを用いてスクリーン印刷された配線と容易に接続することができる。
なお、異方導電性接着フィルムでICチップのパッドとカード基板の銀ペーストを用いた印刷電極とを接続するときには、ICチップのパッドの少なくとも表面を金のように非酸化性の材料で形成することが接続の信頼性を確保するうえで望ましい。従来の電極上に金膜をメッキで形成する技術はTAB(Tape Automated Bonding)を行うときに慣用されている。本発明では、従来の小パッド表面への金膜形成と同一の工程で拡大パッドを形成できるので工程の増加はない。
なお、拡大パッドが必要なパッド数はICカードの場合には6から8程度でよい。従って、40個程度のワイヤボンディングパッド(小パッド)のうちから選択的に選び拡大パッドと接続すればよい。第8図に本発明に係るICチップの一例の平面図を示す。ICチップ101の上には拡大パッド(サイズ300×600ミクロン)6個が設けられている。
なお、CLKはクロック信号入力部、MOD0はテスト信号入力部、RESはリセット信号入力部、VCCは電源電圧(+5V)入力部、I/Oはデータ入出力部、VSSはグランド入力部である。
第8図に示したICチップの中の構成を第9図に示す。実際のICチップ101の中には、メモリやプロセッサが設けられている。それぞれの端子は電源端子(VDD,VSS)や入出力端子(I/O)、リセット端子(RES)、メモリ制御端子(MODE0)、クロック端子(CLK)である。
なお、EEPROMは電気的に書き込みが可能なリードオンリメモリ、ROMはマスクによるリードオンリメモリ(書き換え不可)、RAMはランダムアクセスが可能なメモリ、CPUは演算をつかさどるユニットである。
第7図に示した半導体装置のICチップ101と基板上の配線との接続部の断面図を第10図に示す。基板121の上には所望の形状を有する基板電極103が、印刷により形成されている。印刷に用いた導電性材料は銀ペーストである。
一方ICチップ101の上には拡大パッド104が設けられており、基板電極103と拡大パッド104は導電性粒子126によって接続されている。この導電性粒子のサイズは5〜10μmの直径をもつ微粒子であって、プラスチック粒子にチタンを付着して金のメッキをほどこしたものや、ニッケルの微粒子である。この微粒子は接着剤127の中に分散されており、基板電極103と拡大パッド104の間に挟まったものが、電極の接続に寄与することができる。図面では、縦方向の導通がとれる。一方、横方向は微粒子の分散状態が維持されているので非導通のままである。この様な接着剤を異方導電性接着材と呼ぶ。
異方導電性接着剤を用いた接続の場合には、あらかじめ基板に形成した銀ペーストをアニールすることにより固化して印刷電極として当該基板を保存しておき、生産上必要なときに取り出してICチップと接続することができる。
また、ワイヤボンディングを使用せずICチップと基板とを異方導電性接着材を介して対向させて接続することができるので配線長を短くできる。
ICチップと基板とを対向させた場合でも、50μm以下の薄いICチップと0.25mm以下の基板とを用いることにより、薄いICカードを提供できる。
また、接着材の主成分をエポキシ系の熱硬化型樹脂とすることにより、接続部分での導電体膜の腐食を防止できる、ICチップと基板の段差を解消できる、接着を短時間で行うことができる等の効果がある。
また、拡大パッドの間隔は、印刷で形成できる配線の間隔に調整することができる。また、拡大パッドのサイズは、印刷の位置合わせ精度に応じて調整できる。即ち、合わせ精度が低いほど拡大パッドのサイズを大きくすればよい。
(実施例3)
実施例1や2で示したICチップを用いて製造したICカードを第11図および第16図を用いて説明する。ICチップ101とコンデンサチップ33は異方導電性接着材でカード基板121に固定されるとともに、カード基板121に形成された印刷電極に接続される。なお、コンデンサチップ33は平滑用である。カード基板121の材料はPET(ポリエチルテレフタレート)や塩化ビニール、ポリカーボネイトなどを使用することができる。さらにカード基板121の上には所望の形状を有するコイル90が銀ペーストのスクリーン印刷によって形成される。コイル90の上にはバイアホール34を有する絶縁膜が設けられており、コイル90の一端はバイアホール34によって、コイル上の絶縁膜150上の配線160と下のコイル配線を接続することによりICチップ101にコイル端子が接続されるようにする。このICカードは無線式であり、非接触でデータのやり取りができ、またエネルギを電磁波で受け取ることができる非接触タイプのICカードである。ICチップ101およびコンデンサチップ33の表面には金膜の拡大パッドが設けられており、異方導電性接着剤により、カード基板121に印刷された配線に接続されている。
なお、アンテナとなる上記コイル90のパターンはダイポール型で高周波対応の電波を受けることができる。アンテナのパターンは用途によって様々な形態があり、ここに記載されるものに限定されるものではない。
次に、ICチップ101とコイルとの接続関係を第16図を用いて説明する。ICチップはマイコンチップ802と無線チップ804を有している。これらは一つのチップにすることもできる。但し、これらを分けることにより大量生産されたマイコンチップを用いることができるので、本発明に係る無線式(非接触式)の半導体装置を比較的少量生産する場合には低コストで製造できる。
拡大パッド801はマイコンチップ802の上に設けられており、無線チップ804の拡大パッド820と印刷基板配線803を介して接続されている。また基板配線パターンはコイルパターン805を構成する。
コイルパターン805に接続されているコンデンサチップは同調用であり、これを設けることにより無線で操作できる距離を大きくすることができる。
平滑用コイルは無線チップ内に設けることができるが、なくても良い。
本発明により、低コストで信頼性の高い非接触ICカードを提供することができる。
なお、第12図に示すように、カード基板121上にICチップ101を固定し、さらに第2のカード基板52で挟み込むことにより、より信頼性を高めることができる。下側のカード基板121の上には印刷電極103が設けられ、異方導電性接着フィルムでICチップ101の拡大パッドとの間の電気的接続がとられる。このICチップのパッドは第7図に示すような拡大パッドであり、安定にICチップと基板121の印刷電極103とが接続される。
銀ペーストを用いた印刷電極や配線、コイルの厚さは10から50μmの範囲で用いることができる。ICチップの厚さは1μm〜200μmで用いることができ、特に10μm〜100μmが望ましい。上と下のカード基板の厚さは10μm〜500μmの範囲で用いることができ、特に50μm〜250μmが望ましい。上下のカード基板は、接着剤53で張り合わせる。100μm以下の厚さのICチップを用い、ICチップの中立面と出来上がったカードの中立面の位置の差を出来上がったカードの厚さの30パーセント以内に納めるようにすることにより第12図に示すように、カードの曲げに対して、ICチップの曲げが追従する構造となる。これにより、曲げに強く信頼性の高いICカードを提供できる。特にカード基板121とカード基板52の厚さをほぼ同じにすることによりICチップはカードの中立面又はその近傍に配置されるため、曲げ応力に対して高い信頼性が得られる。
ICチップをカードの中立面に、より正確に配置する構成を第14図を用いて説明する。第14図はカードの断面図を示している。本カードの中立面61を線対称軸にして、上側のカード基板52と下側のカード基板121の間にICチップ101が配置されている。このICチップ101は下側の印刷電極103と異方導電性接着剤で接続されている。一方、ICチップ101の裏面側すなわち、素子やパッドがない側にも印刷で形成された導電体膜63が設けられており、ICチップに接している。このようにICチップの中立面に対して鏡面対象な構造となるように、材料の種類および厚さを選択する。上側の導電体膜63は、高周波に対するシールド効果を有する。下側の電極103はICチップの拡大パッドと電気的に接続される。いずれも厚さが同じになるように銀ペーストのスクリーン印刷で形成する。また、上側と下側の厚さが同じになるようにカード基板を選択する。ただし、各構成において、所定の厚さの±15パーセントの誤差は許容範囲である。上と下の弾性係数を近づけることによって、ICチップへの応力をより緩和することができる。
次に、ICのアクテイブ領域を構成する素子の一例を第15図を用いて説明する。第15図は半導体のアクティブエリアを構成する素子を示している。シリコン基板145の表面には素子分離用酸化膜901で分離された領域に絶縁ゲート型トランジスタやバイポーラトランジスタが形成されている。
絶縁ゲート型トランジスタは、不純物ドープ層からなるソース領域912およびドレイン領域913と、それぞれに接続されたソース電極902およびドレイン電極904と、ソース領域912およびドレイン領域913の間に流れる電流を制御するゲート電極903とを有する。
バイポーラトランジスタは、コレクタ層908、ベース層910、エミッタ層909およびそれらに接続されたコレクタ電極907、ベース電極905、エミッタ電極906を有する。これらの電極を配線で結線することによって、メモリや論理回路を構成する。これらの領域がアクティブエリアである。
なお、上側や下側の基板としてフレキシブルな磁気カード基板を使用することもできる。磁気カード基板を用いることにより、また、ICカードの一部に磁気情報を蓄積した領域を設けることにより、磁気カードとICカードとを一枚のカードで共用することができる。

Claims (10)

  1. ICチップと、
    絶縁性基板とを有し
    前記ICチップは、前記ICチップに所定のピッチで形成された複数の第1のパッドと、前記複数の第1のパッドのなかの一つにそれぞれ電気的に接続され、前記ICチップに設けられた第2のパッドとを有するものであって、
    前記絶縁性基板には、複数の電極が形成されているものであって、
    前記複数の第2のパッドのなかの一つと前記複数の電極の一つとがそれぞれ対向して電気的に接続されているものであって、
    前記第2パッドは、前記第1パッドより面積が大きいものであって、
    前記第2パッドは、前記ICチップのアクティブエリアの上にあるものであって、
    前記複数の電極は、スクリーン印刷により形成されるものであって、
    前記第2パッドのパッドピッチは、前記複数の電極間の最小線幅以上であることを特徴とする半導体装置。
  2. 前記第2のパッドと前記電極とは導電性接着剤で電気的に接続されていることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
  3. 前記ICチップは、10μm〜100μmの範囲の厚さを有することを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置。
  4. 前記絶縁性基板は、50μm〜250μmの範囲の厚さを有することを特徴とする請求項1乃至3の何れか一に記載の半導体装置。
  5. 前記スクリーン印刷は、銀ペーストを用いて行われることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
  6. 前記最小線幅は、200μm以上であることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
  7. 前記第2パッドのパッドピッチは、200μm以上であることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
  8. 前記アクティブエリアには、半導体トランジスタや、ダイオード抵抗素子が形成されていることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
  9. 前記半導体装置は、ICカードであることを特徴とする半導体装置。
  10. ICチップと、
    絶縁性基板とを有し、
    前記ICチップは、前記ICチップに所定のピッチで形成された複数の第1のパッドと、前記複数の第1のパッドのなかの一つにそれぞれ電気的に接続され、前記ICチップに設けられた第2のパッドとを有するものであって、
    前記絶縁性基板には、複数の電極が形成されているものであって、
    前記複数の第2のパッドのなかの一つと前記複数の電極の一つとがそれぞれ対向して電気的に接続されているものであって、
    前記第2パッドは、前記第1パッドより面積が大きいものであって、
    前記第2パッドは、前記ICチップのアクティブエリアの上にあるものであって、
    前記複数の電極は、スクリーン印刷により形成されるものであって、
    前記第2パッドのパッドピッチは、前記スクリーン印刷の印刷精度以上であることを特徴とする半導体装置。
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