JP4165952B2 - 半導体装置 - 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の製造方法に関し、特にパッケージ外形を縮小し、実装面積を低減しコストダウンが可能な半導体装置の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来の半導体装置の組立工程においては、ウェハからダイシングして分離した半導体チップをリードフレームに固着し、金型と樹脂注入によるトランスファーモールドによって半導体チップを封止し、リードフレームを切断して個々の半導体装置毎に分離する、という工程が行われている。この手法によって得れらる半導体装置は、図9に示したように、半導体チップ1の周囲を樹脂層2で被覆し、該樹脂層2の側部から外部接続用のリード端子3を導出した構造になる(例えば特開平05−129473号)。
【0003】
この構造は、樹脂層2の外側にリード端子3が突出すること、リードフレームの加工精度の問題や金型との位置あわせ精度の問題により、外形寸法とその実装面積の縮小化には限界が見えていた。
【0004】
近年、外形寸法を半導体チップサイズと同等あるいは近似した寸法にまで縮小する事が可能な、ウェハスケールCSP(チップサイズパッケージ)が注目され始めている。これは、図10(A)を参照して、半導体ウェハ11に各種拡散などの前処理を施して多数の半導体チップ12を形成し、図10(B)に示したように半導体ウェハ11の上部を樹脂層13で被覆すると共に樹脂層13表面に外部接続用の電極14を導出し、その後半導体ウェハ11のダイシングラインに沿って半導体チップ11を分割して、図10(C)に示したような完成品としたものである。樹脂層13は半導体チップ12の表面(裏面を被覆する場合もある)を被覆するだけであり、半導体チップ12の側壁にはシリコン基板が露出する。電極14は樹脂層13下部に形成された集積回路網と電気的に接続されており、実装基板上に形成した導電パターンに対して電極14を対向接着することによりこの半導体装置の実装が実現する。
【0005】
斯かる半導体装置は、装置のパッケージサイズが半導体チップのチップサイズと同等であり、実装基板に対しても対向接着で済むので、実装占有面積を大幅に減らすことが出来る利点を有する。また、後工程に拘わるコストを大幅に減じることが出来る利点を有するものである。(例えば、特開平9−64049号)
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、チップサイズが10数mm角にも及ぶLSIチップであればその寸法内に多数個の電極を配置することが可能であるものの、例えばチップサイズが1mm角に満たない程度のチップでは、この寸法内に複数個の電極を配置することは物理的に無理があるし、実現したとしても実装が困難である欠点がある。
【0007】
また、半導体基板の裏面側を取り出し電極の一つとして、動作電流を半導体チップの厚み方向に流す2端子又は3端子型の半導体素子、例えば基板をコレクタとするバイポーラ型トランジスタや、基板を共通ドレインとするパワーMOSFET装置では、前記コレクタやドレインを半導体チップ表面側に導出する手段を付加しなければならず、構造が複雑化するので、ウェハスケールでのCSP装置を実現することが困難である欠点がある。仮に、前記コレクタやドレインを半導体チップ表面側に導出したとすれば、コレクタやドレインの直列抵抗が大きくなって素子特性を劣化させる他、放熱性も劣化する欠点があった。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上述した各事情に鑑みて成されたものであり、絶縁基板と、絶縁基板の表面に形成したアイランド部と、前記アイランド部の表面に固着した半導体チップと、前記絶縁基板の裏面側に形成した外部接続電極と、前記絶縁基板を貫通し且つ内部が導電材料にて充填されて、前記アイランド部と前記外部接続電極とを接続するビアホールとを具備し、
前記ビアホールが前記半導体チップの直下に配置されていることを特徴とするものである。
【0009】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明の半導体装置を示す図である。(A)が平面図、(B)が断面図、(C)が裏面図である。
【0010】
図中、21はセラミックやガラスエポキシ等からなる絶縁基板であり、それらが1枚あるいは数枚重ね合わされて、板厚が250〜350μmと製造工程における機械的強度を維持し得る板厚と、長辺×短辺が1.0mm×0.8mm程度の矩形形状を有している。素材としては放熱性に劣る素材である。
【0011】
絶縁基板21の表面には、タングステン等の金属ペーストの印刷と、電解メッキ方による前記金属ペースト上への金メッキによって導電パターンを形成し、アイランド部22と電極部23a、23bとを形成している。アイランド部22の上には、Agペーストなどの導電性接着剤24によって半導体チップ25が固着されている。半導体チップ25には、ウェハ段階での各種前工程によってバイポーラトランジスタ、パワーMOSFET等の3端子素子又はダイオードなどの2端子素子が形成されている。
【0012】
半導体チップ25自体は、N+/N型構造のように、裏面側に高濃度不純物層を有しており、該高濃度層を介して、ダイオード素子で有ればアノード又はカソードの一方の端子を、バイポーラ型トランジスタで有ればコレクタ端子を、パワーMOSFETで有ればドレイン端子を導出する構造である。そして、該高濃度層が導電性接着剤24を介してアイランド部22に電気接続される。
【0013】
半導体チップ25の表面にはアルミ電極パッド26が形成され、電極パッド26と電極部23a、23bとが、ボンディングワイヤ27によって電気接続される。電極パッド26側に1stボンド、電極部23側に2ndボンドが打たれる。バイポーラトランジスタで有れば、電極部23a、23bはエミッタとベースに対応し、パワーMOSFETで有れば、ソースとゲートに対応する。
【0014】
前記絶縁基板21の裏面側には、同じく金メッキ層によって第1の外部接続電極28と第2の外部接続電極29a、29bが形成される。絶縁基板21にはこれを貫通する、円形の第1のビアホール30と第2のビアホール31a、31bが形成され、各ビアホール30、31a、31bの内部はタングステンなどの導電材料によって埋設される。素材としては、電気的導電性と熱伝導性に優れた素材で埋設する。該ビアホール30、31a、31bによって、アイランド部22と第1の外部接続電極28とを、電極部23a、23bと第2の外部接続電極29a、29bとを、各々電気接続する。第1の外部接続電極28が例えばコレクタ電極となり、第2の外部接続電極29a、29bが例えばベース、エミッタ電極となる。
【0015】
絶縁基板21の上方は、半導体チップ25とボンディングワイヤ27とを封止する樹脂層32で被覆される。樹脂層32は絶縁基板21と共にパッケージ外形を構成する。パッケージの周囲4側面は樹脂層32と絶縁基板21の切断面で形成され、パッケージの上面は平坦化した樹脂層32の表面、パッケージの下面は絶縁基板21の裏面側で形成される。
【0016】
アイランド部22と電極部23a、23bはパッケージの端面から0.05〜0.1mm程度後退されており、それらの一部は、電解メッキ時に電気接続を保つための接続部33が0.5mm程度の線幅でパッケージ端面に達している。絶縁基板21裏面側の第1と第2の外部接続電極28、29a、29bも同様に、パッケージ端面からは0.05〜0.1mm程度後退されている。電気的導通はビアホール30、31a、31bを介して行うので、島状に完全に独立した形状で構成する。
【0017】
第1のビアホール30は、半導体チップ25の直下に配置され、望ましくは半導体チップ25が完全に覆える大きさと位置関係に配置する。これにより、半導体チップ25の裏面側(電極パッド16を設けた面とは反対の面)と第1の外部接続電極28との距離を最短距離で接続することができる。このことは、半導体チップ25から外部端子までの電気抵抗と熱抵抗を最小に出来ることを意味する。例えばコレクタ電極である場合、電極に至るまでの直列抵抗はコレクタ直列抵抗としてトランジスタの飽和特性に直接影響を与え、更に熱抵抗な最大許容損失Pcに直接影響する。従ってこれらの損失を低減することは、トランジスタの飽和電圧を下げ、最大許容損失Pcを増大する(出力を大きくできる)できることを意味する
また、ボンディングワイヤ27は第2のビアホール31a、31bの直上で電極部29a、29b表面に2ndボンド(ステッチボンド)されている。これも、半導体チップ25から外部端子までの距離を最短にすることを意味する。
【0018】
従って、本発明の半導体素子は、半導体チップから外部端子までの距離を最短に出来るので、半導体チップ25の実装に伴う放熱特性、高周波特性等の素子特性を改善することが出来る。また、大きさを拡大する為の絶縁基板21を用いることにより、実装時に好適なピッチで外部接続端子を配置できるものである。
【0019】
更に、導電材料で充填されたビアホール30、31a、31bで電気接続を行うので、これを半導体チップ25の下に配置することができる。このことは、例えば開口部を持つスルーホールを用いた場合は接着剤24や樹脂層28が流出するので、半導体チップ25の外側に配置しなければならず、作業性の低下と外形寸法の増大を招くのに対して、この様な流出がないので、外形寸法を縮小し、作業性を改善できるものである。
【0020】
上記の電気抵抗と熱抵抗は、ビアホール内部を埋設する材料の電気的導電性と熱伝導性に関与するほか、主として第1のビアホール30の大きさ(面積)に関係する。そこで、第2のビアホール31a、31bの直径d2を0.1mm程度に形成したのに対して、第1のビアホール30の直径d1を0.25mm程度と大きく設計する。大きく設計すれば、半導体チップ25の裏面と第1の外部接続電極28とを接続している導電材料が拡大され、これによって、両者間のの電気抵抗、熱抵抗を更に減じることが出来る。
【0021】
図2〜図4に、第1のビアホール30の他の実施形態を示した。図2は第1のビアホール30の形状を楕円形にしたものである。半導体チップ25に対する第1の外部接続電極28の位置と大きさの関係に制約を受ける中では、円形よりも断面面積を拡大できる。楕円の他にも、正方形、長方形なども考えられる
図3は、第1のビアホール30の形状を円形にすると共に、複数個併設した例である。1つ1つの直径は第2のビアホール31a、31bと同程度でも良いが、複数個設けることで、第2のビアホール31a、31b(但しどちらか一方)よりも合計の面積を拡大している。
【0022】
図4は、第1の外部接続電極30を分割した時の例を示している。これは、素子を実装する時の作業性等の問題から、外部接続電極の各パターンを対称配置した例である。このような場合では、分割した第1の外部接続電極30a、30b毎に第1のビアホール28a、28bを形成する。直径は第2のビアホール31a、31bと同じでも拡大しても良い。また、半導体チップ25直下に配置することが困難な場合は、第1のビアホール30a、30bが各々半導体チップ25からはみ出した配置としても良い、この場合でも、少なくともビアホールの面積の50%以上は半導体チップ25に重畳するのが望ましい。
【0023】
以下に本発明の製造方法を詳細に説明する。
【0024】
第1工程:
まず、図5に示したような、1個の半導体装置に対応する搭載部40を複数個分、例えば100個分を縦横に配置した、大判の共通基板41を準備する。共通基板41を搭載部40毎に分離することで絶縁基板21が形成される。
【0025】
共通基板41の各搭載部40の表面には、タングステン等の金属ペーストの印刷と、電解メッキによる印刷パターン上への金メッキによって導電パターンが形成されている。
【0026】
図6(A)は共通基板41の表面に形成した導電パターンを示す平面図、図6(B)は裏面側に形成した導電パターンを示す平面図である。
【0027】
点線で囲んだ各搭載部40は、例えば長辺×短辺が1.0mm×0.8mmの矩形形状を有しており、これらは互いに20〜50μmの間隔を隔てて縦横に配置されている。前記間隔は後の工程でのダイシングライン42となる。導電パターンは、各搭載部40内においてアイランド部22と電極部23a、23bを形成し、これらのパターンは各搭載部40内において同一形状である。
【0028】
アイランド部22からは2本の連結部43が連続したパターンで延長される。これらの線幅はアイランド部22よりも狭い線幅で、例えば0.5mmの線幅で延在する。連結部43はダイシングライン42を超えて隣の搭載部20の電極部23a、23bに連結するまで延在する。更に、電極部23a、23bからも連結部44が、連結部43とは直行する方向に延在し、ダイシングライン42を越えて隣の搭載部40の電極部43a、43bに連結するまで延在する。連結部44は更に、搭載部20周囲を取り囲む共通連結部45に連結する。このように連結部43、45が延在することによって、各搭載部20のアイランド部22とリ電極部23a、23bとを電気的に共通接続する。
【0029】
図6(B)を参照して、共通基板41の裏面側には、第1と第2の外部接続電極28、29a、29bを形成する。これらの外部接続電極28、29a、29bは、搭載部40の端から0.05〜0.1mm程度後退されたパターンで形成されている。電気的には、各ビアーホール30、31a、31bを介して、絶縁基板40表面側の共通連結部45に接続される。従って、ダイシングライン42を横断するのは、線幅が細い連結部43、44だけである。また、全パターンが電気的に共通接続されるので、電解メッキ法によるパターン形成が可能である。
【0030】
第2工程:図7(A)参照
斯様に導電パターンを形成した共通基板41の各搭載部40毎に、半導体チップ25をダイボンド、ワイヤボンドする。半導体チップ25はアイランド部22表面にAgペーストなどの接着剤によって固定し、半導体チップ25の電極パッド26と電極部23a、23bとを各々ワイヤ27で接続する。
【0031】
第3工程:図7(B)参照
共通基板41の上方に移送したディスペンサ(図示せず)から所定量のエポキシ系液体樹脂を滴下(ポッティング)し、すべての半導体チップ25を共通の樹脂層32で被覆する。前記液体樹脂として例えばCV576AN(松下電工製)を用いた。滴下した液体樹脂は比較的粘性が高く、表面張力を有しているので、その表面が湾曲する。
【0032】
第4工程:図7(C)参照
樹脂層32の湾曲した表面を、平坦面に加工する。加工するには、樹脂が硬化する前に平坦な成形部材を押圧して平坦面に加工する手法と、滴下した樹脂層32を100〜200度、数時間の熱処理(キュア)にて硬化させた後に、湾曲面を例えばダイシングブレードで研削することによって平坦面に加工する手法とが考えられる。この工程では、樹脂層32の表面が共通基板41から0.3〜1.0mmの高さに揃うように、表面を削る。平坦面は、少なくとも最も外側に位置する半導体チップ25を個別半導体装置に分離したときに、規格化したパッケージサイズの樹脂外形を構成できるように、その端部まで拡張する。
【0033】
第5工程:図7(D)参照
次に、搭載部40毎に樹脂層32と絶縁基板21を切断して各々の半導体素子に分離する。切断にはダイシング装置を用い、ダイシングライン42に沿って樹脂層32と共通基板21とをダイシングブレード46で同時に切断することにより、搭載部20毎に分割した半導体装置を形成する。この工程で切断された接続部43、44の残りが、図1で示した接続部33である。ダイシング工程においては共通基板41の裏面側にブルーシート(たとえば、商品名:UVシート、リンテック株式会社製)を貼り付け、前記ダイシングブレードがブルーシートの表面に到達するような切削深さで切断する。図8は、上述の工程によって形成された各半導体素子を示す斜視図である。
【0034】
斯かる手法によって形成した半導体装置は、以下の効果を有する。
【0035】
多数個の素子をまとめて樹脂でパッケージングするので、個々にパッケージングする場合に比べて、無駄にする樹脂材料を少なくでき、材料費の低減につながる。
【0036】
リードフレームを用いないので、従来のトランスファーモールド手法に比べて、パッケージ外形を大幅に小型化することができる。
【0037】
外部接続電極28、29a、29bのパターンを島状に独立させると共に、その端部を後退させたので、ダイシングで切断する際にダイシングブレードが金メッキ層に接しない構造にすることができる。金メッキ層を切断すると、これを切断しきれずに「髭」の様なものが残ってしまう外観不良の確率が高くなるが、本願ではダイシングブレードに接しない構造にしたので、斯かる外観不良を防止できる。
【0038】
外部接続電極28、29a、29bの各々を、第1と第2のビアホール30、31a、31bを介し更に接続部43、44を介して共通連結部45に電気接続したので、これを電極の一方とする電解メッキ法を利用することができる。そして、ダイシングする部分を接続部分43、44だけにとどめることによって、ダイシングブレードに接する金メッキ層を最小限に抑えることが可能となる。
【0039】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によれば、リードフレームを用いた半導体装置よりも更に小型化できるパッケージ構造を提供できる利点を有する。このとき、リード端子が突出しない構造であるので、実装したときの占有面積を低減し、高密度実装を実現できる。
【0040】
更に、ウェハスケールでのCSP装置に比べ、外形寸法を拡大する絶縁基板21を用いることによって、外部接続端子28、29a、29bのピッチ間隔を任意に設計することができ、外形寸法の縮小と、実装時における作業性の維持が同時に実現できる。
【0041】
更に、半導体チップ25の直下にビアホールを配置することにより、半導体チップ25の裏面電極を最短距離で外部に導出することができ、電気抵抗と熱抵抗を減少できるので、特に3端子素子の素子特性を改善することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明を説明するための図である。
【図2】本発明を説明するための平面図である。
【図3】本発明を説明するための平面図である。
【図4】本発明を説明するための平面図である。
【図5】本発明を説明するための斜視図である。
【図6】本発明を説明するための平面図である。
【図7】本発明を説明するための断面図である。
【図8】本発明を説明するための斜視図である。
【図9】従来例を説明するための断面図である。
【図10】従来例を説明するための図である。
Claims (9)
- 絶縁基板と、該絶縁基板の表面において該絶縁基板の端面から後退するとともに一部が該絶縁基板の端面に達するように形成したアイランド部と、前記アイランド部の表面に固着し該アイランド部と電気的に接続する半導体チップと、前記絶縁基板の裏面側に該絶縁基板の端面から後退して形成した外部接続電極と、前記絶縁基板を貫通し且つ内部が導電材料にて充填されて前記アイランド部と前記外部接続電極とを電気的に接続するビアホールとを具備し、
前記半導体チップは、該半導体チップの厚み方向に動作電流を流し、
前記ビアホールが前記半導体チップの直下に配置されていることを特徴とする半導体装置。 - 前記ビアホールが長方形あるいは楕円形を有することを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
- 前記ビアホールを複数個有することを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
- 前記ビアホールが前記半導体チップと完全に重畳していることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
- 前記ビアホールが前記半導体チップと少なくとも50%以上の面積割合で重畳していることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
- 前記ビアホールを複数個有し、前記外部接続電極が前記ビアホールの各々に対して設けられていることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
- 絶縁基板と、絶縁基板の表面において該絶縁基板の端面から後退するとともに一部が該絶縁基板の端面に達するように形成したアイランド部と、前記アイランド部の表面に固着し該アイランド部と電気的に接続する半導体チップと、前記アイランド部とは離間して前記絶縁基板の表面において該絶縁基板の端面から後退するとともに一部が該絶縁基板の端面に達するように形成した電極部と、前記絶縁基板の裏面側に該絶縁基板の端面から後退して形成した第1の外部接続電極と、同じく前記絶縁基板の裏面側に該絶縁基板の端面から後退して形成した第2の外部接続電極と、前記絶縁基板を貫通し且つ内部が導電材料にて充填されて前記アイランド部と前記外部接続電極とを電気的に接続する第1のビアホールと、同じく前記電極部と前記第2の外部接続電極とを接続する第2のビアホールと、前記半導体チップ表面の電極パッドと前記電極部とを接続するワイヤとを具備し、
前記半導体チップは、該半導体チップの厚み方向に動作電流を流し、
前記ワイヤが前記第2のビアホールの直上に固着されていることを特徴とする半導体装置。 - 絶縁基板と、絶縁基板の表面において該絶縁基板の端面から後退するとともに一部が該絶縁基板の端面に達するように形成したアイランド部と、前記アイランド部の表面に固着し該アイランド部と電気的に接続する半導体チップと、前記アイランド部とは離間して前記絶縁基板の表面において該絶縁基板の端面から後退するとともに一部が該絶縁基板の端面に達するように形成した電極部と、前記絶縁基板の裏面側に該絶縁基板の端面から後退して形成した第1の外部接続電極と、同じく前記絶縁基板の裏面側に該絶縁基板の端面から後退して形成した第2の外部接続電極と、前記絶縁基板を貫通し且つ内部が導電材料にて充填されて前記アイランド部と前記外部接続電極とを電気的に接続する第1のビアホールと、同じく前記電極部と前記第2の外部接続電極とを接続する第2のビアホールと、前記半導体チップ表面の電極パッドと前記電極部とを接続するワイヤとを具備し、
前記半導体チップは、該半導体チップの厚み方向に動作電流を流し、
前記第2のビアホールの大きさに対して前記第1のビアホールの大きさが大であることを特徴とする半導体装置。 - 前記第1のビアホールを複数個有し、その面積の総和が前記第2のビアホールの面積より大であることを特徴とする請求項8記載の半導体装置。
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