JP4106521B2 - メタルランナーを有するパッケージの製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明はメタルランナーを有するパッケージの製造方法に関し、より詳しくは、メタルランナーとソルダーマスクとの間の熱膨張係数の相違により、前記ソルダーマスクで亀裂が発生することを抑制するためのメタルランナー形成方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
パッケージ全体の大きさに対し、半導体チップの占める大きさが80%以上になるチップサイズパッケージは、軽薄短小という利点があるため、様々な形のパッケージが開発されてきた。このようなチップサイズパッケージは、通常の半導体パッケージと比べ、限定された大きさの印刷回路基板に、より多い数のチップを実装することができるので、小型でありながら高容量の電気・電子製品を実現することができる。
【0003】
前記チップサイズパッケージを製造する場合には、通常パッド再配列工程が求められる。このパッド再配列工程とは、半導体チップのボンディングパッドを設定された位置に移すことを意味し、前記パッド再配列を行うのために、従来はメタルランナーを形成する方法が採られてきた。なお、メタルランナー用の材料には、主に銅が利用されており、その他にアルミニウム等も利用可能である。
【0004】
このようなパッド再配列工程は、チップサイズパッケージの製造は勿論、ボールグリッドアレイ(BGA)パッケージ及びウェハレベルパッケージ等の製造にも採用されている。
【0005】
図1は、メタルランナーを有する従来のチップサイズパッケージを示す斜視図である。図1に示されているように、半導体チップ1上に、ボンディングパッド等(図示省略)を露出させるようにして、ストレスバッファ層3が形成されており、ストレスバッファ層3上には半導体チップ1の各ボンディングパッド(図示省略)と接続された、銅のメタルランナー5aが形成されている。そして、ストレスバッファ層3及びメタルランナー5a上には、メタルランナー5aのボールランド部5bを露出させるようにして、BCB(Benzo Cyclo Butyne)のようなポリマーのソルダーマスク6が形成されており、ソルダーボール7が露出したメタルランナー5aのボールランド部5b上に接合されている。
【0006】
図2は、従来のチップサイズパッケージの製造方法を説明するために、図1に示したII〜II’線部に沿って切断した断面図であり、チップサイズパッケージの製造工程順に断面の構造を示す図である。図2を用いて製造工程を説明すると、次の通りである。
【0007】
先ず、図2(A)に示されているように、半導体チップ1上に、ボンディングパッド部(図示省略)を露出させるようにして、ストレスバッファ層3を形成する。次に、ストレスバッファ層3上にネガティブ型のフォトレジスト4を塗布し、露光マスク10を利用してフォトレジスト4を露光する。次に、露光したフォトレジストを現像し、図2(B)に示されているように、長方形の断面を有すると共にメタルランナーが形成される領域を有するフォトレジストパターン4aを形成する。
【0008】
次に、図2(C)に示されているように、フォトレジストパターン4aに形成されているメタルランナー形成領域部に、めっき(プレーティング)工程により、フォトレジストパターン4aとほぼ同じ高さに銅膜5を形成する。そして、フォトレジストパターン4aを除去し、図2(D)に示されているように、ストレスバッファ層3上に、半導体チップ1のボンディングパッドとそれぞれ接合されており、長方形の断面形状を有するメタルランナー5aを形成する。
【0009】
次に、図2(E)に示されているように、ストレスバッファ層3及びメタルランナー5a上に、メタルランナー5aの内ボールランド部(図示省略)が露出するようにして、BCBのようなポリマーによりソルダーマスク6を形成する。
【0010】
その後、図示されてはいないが、メタルランナー5aの内、露出しているボールランド部にソルダーボールを接合させることにより、チップサイズパッケージを製造している。
【0011】
しかし、メタルランナーを有する従来のチップサイズパッケージの場合には、熱サイクルテスト中に、外部からパッケージ内部に熱負荷が加わると、メタルランナーとBCBのようなポリマー製のソルダーマスクとの間の熱膨張係数の相違に起因して、メタルランナーの各角部に相当する領域に応力集中が生じ、その結果、ソルダーマスクに亀裂が発生する傾向がある。
【0012】
一方、応力集中によるソルダーマスクの亀裂は、ソルダーマスクの厚さがメタルランナーの厚さに比べて、著しく大きい場合には誘発されない。ところが、ソルダーマスクの厚さは、現在ほとんどの場合、メタルランナーの厚さに比べて、製造上それほど厚くは設定されていない。例えば、従来ソルダーマスクは10〜15ミクロン、メタルランナーは10ミクロン程度の厚さに形成されており、両者の厚さには顕著な差が設けられていない。
【0013】
ソルダーマスクの厚さを厚くできないのは、製造上の理由であり、ソルダーマスクは通常スピンコーティング法で形成しているため、厚くコーティングすることが難しく、仮に厚くコーティングすると、ソルダーマスク上に皺が発生することがあるからである。その場合には、特に、露光後のパターニングが難しくなる。
【0014】
したがって、応力集中によるソルダーマスクの亀裂発生を防ぐことができず、ソルダーマスクの亀裂発生に起因するパッケージの信頼性低下に関する問題は、未だ解決されていないのが実状である。
【0015】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、前記のような問題点を解決するために発明されたもので、応力集中によるソルダーマスクの亀裂発生を抑制することができるメタルランナーを有するパッケージ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】
本発明に係るメタルランナーを有するパッケージの製造方法は、ボンディングパッドを有する半導体チップ上に、前記ボンディングパッドが露出するようにストレスバッファ層を形成するステップと、該ストレスバッファ層上に、食刻速度が下層及び上層の方が中間層より速くなるように、ネガティブ型のフォトレジスト層を積層するステップと、該フォトレジスト層を露光及び現像することにより、側壁部の断面形状が上下に比べ中間部が内側に窪んだ凹形をしたメタルランナー形成領域を有するフォトレジストパターンを形成するステップと、前記メタルランナー形成領域部に金属膜を形成するステップと、前記フォトレジストパターンを除去することにより、前記半導体チップの各ボンディングパッドと接続されていると共に、凹形の側壁部断面を有するメタルランナーを形成するステップと、前記メタルランナー及び前記ストレスバッファ層上に、前記メタルランナー部の内、ボールランドが露出するようにしてソルダーマスクを形成するステップと、前記露出したボールランド部にソルダーボールを接合するステップとを含むことを特徴とする。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照し、本発明に係るメタルランナーを有するパッケージおよびその製造方法について、詳細に説明する。なお、本発明に係るメタルランナーを有するパッケージについては、以下に説明する本発明に係る製造方法の説明の一貫として開示するが、その他の方法で製造されるものであってもよい。
【0018】
図3は、本発明の製造方法に関する第1の実施の形態に係るメタルランナーを有するパッケージの製造方法を説明するための図である。なお、図3(A)〜図3(E)には、各製造工程におけるパッケージの断面構造を示した。
【0019】
図3(A)に示されているように、半導体チップ31上に、ボンディングパッド(図示省略)が露出するようにして、ストレスバッファ層33を形成する。次に、前記ストレスバッファ層33上にネガティブ型のフォトレジスト34を塗布し、露光マスク40を利用して前記フォトレジスト34を露光する。
【0020】
次に、図3(B)に示されているように、露光したフォトレジスト34を現像して、メタルランナーが形成される領域を有するフォトレジストパターン34aを形成する。なお、メタルランナーが形成される領域の断面形状は、図3Bに示されているように、側壁部の断面形状が、上下に比べて中間部が内側に窪んだ凹形、すなわち、フォトレジストの側壁部が内側に凸状となるようにする。このようなフォトレジストの側壁部の凸形の断面形状は、予備ベーク温度、予備ベーク時間、フォトレジストの感光度、ソルベント含有量、現像時間のうちの少なくとも1つの条件を調整することによって、目標の形状を得ることができる。
【0021】
次に、図3(C)に示されているように、フォトレジストパターン34aに形成されたメタルランナー形成領域部に、めっき(プレーティング)により、フォトレジストパターン34aとほぼ同じ高さの金属膜35、好ましくは銅膜を形成する。
【0022】
その後、図3(D)に示されているように、フォトレジストパターン34aを除去することにより、半導体チップ31のボンディングパッドとそれぞれ接続された、側壁部の断面形状が凹形をしたメタルランナー35aが得られる。
【0023】
次に、図3(E)に示されているように、ストレスバッファ層33及びメタルランナー35a上に、メタルランナー35a部の内ボールランド部(図示省略)が露出するようにして、BCBのようなポリマーによりソルダーマスク36を形成する。
【0024】
その後、図示されてはいないが、露出したメタルランナー35aのボールランド部にソルダーボールを接合し、メタルランナーを有するパッケージを完成させる。
【0025】
前述のような本発明に係る製造方法に従って製造されるパッケージは、メタルランナーの側壁部の断面形状が上下に比べて中間部が内側に窪んだ凹形である。そのため、断面形状が長方形のメタルランナーで構成される従来のパッケージと比べて、メタルランナーの角部近傍のソルダーマスクにおける応力集中による亀裂発生率が低くなる。これは、メタルランナーの各角への応力集中が、断面が長方形又は台形の場合の角に比べ、側壁部が凹形の場合には著しく減少するためである。
【0026】
図4は、メタルランナーの側壁部の断面形状と、メタルランナーの角部周辺の応力集中地点1及び地点2(図1(E)及び図3(E)参照)の領域における最大等価応力との関係を示すグラフである。ここで、応力集中地点1はメタルランナーの側壁の上側角部を示し、応力集中地点2はメタルランナーの側壁の下側角部を示している。
【0027】
応力集中地点1の領域における最大等価応力を検討すると、図4(A)に示されているように、断面形状が凹形のメタルランナー(c)の場合には、断面形状が長方形及び台形のメタルランナー(a、b)の場合に比べて、最大等価応力が低くなっている。
【0028】
応力集中地点2の領域における最大等価応力を検討すると、図4(B)に示されているように、メタルランナーの断面形状が凹形および台形メタルランナー(c、b)の場合には、断面形状が長方形のメタルランナー(a)の場合に比べて、最大等価応力が著しく低くなっている。図4(A)および図4(B)に示したグラフから、メタルランナーの断面形状が長方形(a)の場合には、側壁部の断面形状が凹形のメタルランナー(c)に比べて、応力集中地点1及び2の領域における最大等価応力が全て相対的に高いことが分る。したがって、長方形の断面形状については、ソルダーマスクの亀裂防止には望ましい断面構造ではないことが分る。
【0029】
さらに、前記のメタルランナーの断面形状が台形の場合メタルランナー(b)には、メタルランナー最大等価応力が、前記(a)の場合に比べて、地点1の領域では高く、地点2の領域では低いことが分る。ところが、最大等価応力が、地点2では低くても、地点1では高い台形の断面構造の場合にも、ソルダーマスクの亀裂防止に望ましい断面構造とは言えないことが分る。
【0030】
一方、側壁部の断面形状が凹形のメタルランナー(c)は、断面形状が長方形のメタルランナー(a)及び台形のメタルランナー(b)に比べて、地点1及び2の領域で相対的に低い最大等価応力を示すため、ソルダーマスクの亀裂防止に望ましい断面形状であることが分る。特に、凹形の断面を有するメタルランナー(c)は、長方形の断面を有するメタルランナー(a)に比べて、地点1の領域では約12.5%、また、地点2の領域では約27.2%の応力減少効果を得ることができる。したがって、側壁部の断面形状が凹形のメタルランナーを有する本発明のパッケージは、熱サイクルテスト中に外部から内部に熱負荷が加えられたとき、メタルランナーの各角に集中する応力を低下させることができ、その結果、ソルダーマスクにおける亀裂の発生を減少させることができる。
【0031】
図5は、本発明の製造方法に関する第2の実施の形態に係る、メタルランナーを有するパッケージの製造方法を説明するための図であり、製造工程順に各工程におけるパッケージの断面構造を示す図である。
【0032】
この実施の形態においては、側壁部の断面形状が凹形のメタルランナーを得るために、2回のフォトレジストパターン形成工程により、側壁部が凸形のフォトレジストパターンを形成する。
【0033】
すなわち、図5(A)に示されているように、半導体チップ51上に半導体チップのボンディングパッド(図示省略)が露出するようにしてストレスバッファ層53を形成する。次に、前記ストレスバッファ層53上にネガティブ型の第1フォトレジストを塗布した後、露光及び現像することにより、断面形状が台形のメタルランナー形成領域を有する第1フォトレジストパターン54aを形成する。このとき、前記第1フォトレジストパターンの厚さは、目標のメタルランナーの高さの50%に相当する厚さに形成するのが望ましい。
【0034】
次に、図5(B)に示されているように、第1フォトレジストパターン54aに形成されているメタルランナー形成領域に、めっき(プレーティング)により、前記第1フォトレジストパターン54aとほぼ同じ高さのメタルランナー用の第1金属膜55aを形成する。この場合、金属膜としては、銅膜が望ましい。
【0035】
次いで、図5(C)に示されているように、第1金属膜55a及び第1フォトレジストパターン54a上に、ネガティブ型の第2フォトレジストを塗布した後、露光及び現像することにより、第1金属膜を露出させると共に、逆台形の断面形状をしたメタルランナー形成領域を有する第2フォトレジストパターン54bを形成する。このとき、前記第2フォトレジストパターンと前記第1フォトレジストパターンを合わせた厚さは、目標とするメタルランナーの高さと同じ厚さに塗布する。
【0036】
次に、図5(D)に示されているように、露出した第1金属膜55a上に、前記第2フォトレジストパターン54bとほぼ同じ高さの第2金属膜55bを形成する。第2金属膜としては、銅膜が望ましい。
【0037】
次に、図5(E)に示されているように、第2フォトレジストパターン54b及び第1フォトレジストパターン54aを除去することにより、メタルランナー55を形成した後、前記メタルランナー55及びストレスバッファ層53上に、前記メタルランナー55の内ボールランド部(図示省略)が露出するようにして、BCBなどのポリマーによりソルダーマスク56を形成する。
【0038】
その後、図示されてはいないが、露出したボールランド部にソルダーボールを接合してパッケージを完成させる。
【0039】
この本発明の製造方法に係る第2の実施の形態で得られるパッケージは、前述の第1の実施の形態の場合と同様に、メタルランナー55の側壁部の断面形状が凹形であるため、メタルランナー55の各角の領域における応力集中を減少させることができる。そのため、BCBなどで形成されるソルダーマスク56における亀裂の発生を減少させることができる。
【0040】
図6は、本発明の製造方法に関する第3の実施の形態に係る、メタルランナーを有するパッケージの製造方法を説明するための図であり、各工程におけるパッケージの断面構造を示す図である。
【0041】
この第3の実施の形態の場合には、側壁部の断面形状が凹形のメタルランナーを得るために、食刻速度が相違するフォトレジスト層を積層する方法を採っている。なお、以下に述べるフォトレジスト層の積層には、互いに異なる食刻速度を有するフォトレジストテープを用いるのが望ましい。
【0042】
まず、図6(A)に示されているように、半導体チップ61上に、半導体チップ61のボンディングパッド部(図示省略)が露出するようにして、ストレスバッファ層63を形成する。次に、ストレスバッファ層63上にネガティブ型の複数層、例えば、4層のフォトレジスト層64a、64b、64c、64dを積層する。このとき、前記フォトレジスト層64a、64b、64c、64dは互いに異なる食刻速度を有すると共に、第1及び第4フォトレジスト層64a、64dの食刻速度は、第2及び第3フォトレジスト層64b、64cの食刻速度より速くなるように積層する。
【0043】
次に、図6(B)に示されているように、積層されたフォトレジスト層64a、64b、64c、64dを露光及び現像することにより、側壁部の断面形状が凹形の形状をしたメタルランナー形成領域部を有するフォトレジストパターン64を形成する。
【0044】
次いで、図6(C)に示されているように、前記フォトレジストパターン64に形成されているメタルランナー形成領域部に、前記フォトレジストパターン64とほぼ同じ高さに所定の金属膜65、例えば、銅膜を形成する。
【0045】
次に、図6(D)に示されているように、フォトレジストパターンを除去することにより、半導体チップ61の各ボンディングパッドと接続されていると共に、凹形の側壁部断面を有するメタルランナー65aを形成する。
【0046】
次に、図6(E)に示されているように、前記メタルランナー65a及びストレスバッファ層63上に、前記メタルランナー65aの内ボールランド部が露出するようにして、BCBなどのポリマーによりソルダーマスク66を形成する。
【0047】
その後、図示されてはいないが、露出したボールランド部にソルダーボールを接合してパッケージを完成させる。
【0048】
この本発明の製造方法に係る第3の実施の形態にも、前述の実施の形態の場合と同様に、メタルランナー65aが断面形状が凹形の側壁部を有するため、前記メタルランナー65aの各角部領域における応力集中を減少させることができる。そのため、BCBなどで形成されるソルダーマスク66における亀裂の発生を減少させることができる。
【0049】
【発明の効果】
上述のように、本発明に係るメタルランナーを有するパッケージ及び本発明に係る製造方法によって得られるメタルランナーを有するパッケージは、メタルランナーが、断面形状が凹形の側壁部を有するため、メタルランナーの断面が長方形又は台形をした従来のパッケージに比べ、メタルランナーの各角部領域における応力集中が軽度である。
【0050】
したがって、ソルダーマスクとして用いられるBCBなどのポリマーの厚さを厚くすることなく、ソルダーマスクにおける亀裂発生を抑制することができるので、パッケージの信頼性を向上させることができる。
【0051】
その他、本発明はその要旨の範囲内で、多様に変更して実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】メタルランナーを有する従来のチップサイズパッケージを示す斜視図である。
【図2】(A)〜(E)は、従来の従来のチップサイズパッケージの製造方法を説明するために、図1に示したII〜II’線に沿って切断した断面図であり、チップサイズパッケージの製造工程順に断面の構造を示す図である。
【図3】(A)〜(E)は、本発明の製造方法に関する第1の実施の形態に係る、メタルランナーを有するパッケージの製造方法を説明するための図であり、各工程におけるパッケージの断面構造を示す図である。
【図4】(A)および(B)は、メタルランナーの側壁部の断面形状と、メタルランナーの角部周辺の地点1と地点2の領域における最大等価応力との関係を示すグラフである。
【図5】(A)〜(E)は、本発明の製造方法に関する第2の実施の形態に係る、メタルランナーを有するパッケージの製造方法を説明するための図であり、各工程におけるパッケージの断面構造を示す図である。
【図6】(A)〜(E)は、本発明の製造方法に関する第3の実施の形態に係る、メタルランナーを有するパッケージの製造方法を説明するための図であり、各工程におけるパッケージの断面構造を示す図である。
【符号の説明】
31、51、61 半導体チップ
33、53、63 ストレスバッファ層
34 フォトレジスト
34a、64 フォトレジストパターン
35、65 金属膜
35a、55、65a メタルランナー
36、56、66 ソルダーマスク
40 露光マスク
54a 第1フォトレジストパターン
54b 第2フォトレジストパターン
55a 第1金属膜
55b 第2金属膜
64a、64b、64c、64d フォトレジスト層
Claims (3)
- ボンディングパッドを有する半導体チップ上に、前記ボンディングパッドが露出するようにストレスバッファ層を形成するステップと、
該ストレスバッファ層上に、食刻速度が下層及び上層の方が中間層より速くなるように、ネガティブ型のフォトレジスト層を積層するステップと、
該フォトレジスト層を露光及び現像することにより、側壁部の断面形状が上下に比べ中間部が内側に窪んだ凹形をしたメタルランナー形成領域部を有するフォトレジストパターンを形成するステップと、
前記メタルランナー形成領域部に金属膜を形成するステップと、
前記フォトレジストパターンを除去することにより、前記半導体チップの各ボンディングパッドと接続されていると共に、凹形の側壁部断面形状を有するメタルランナーを形成するステップと、
前記メタルランナー及び前記ストレスバッファ層上に、前記メタルランナー部の内、ボールランド部が露出するようにしてソルダーマスクを形成するステップと、
前記露出したボールランド部にソルダーボールを接合するステップとを含むことを特徴とするメタルランナーを有するパッケージの製造方法。 - 前記フォトレジスト層は4層であり、フォトレジストテープを4枚積層することにより、前記フォトレジスト層を形成することを特徴とする請求項1に記載のメタルランナーを有するパッケージの製造方法。
- 前記金属膜が、銅膜であることを特徴とする請求項1に記載のメタルランナーを有するパッケージの製造方法。
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