JP4171492B2 - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、バンプオンフィルム（ＢＯＦ）等に用いられるテープキャリア基板の導体配線上に突起電極を介して半導体チップが実装された半導体装置およびその製造方法に関するものである。
液晶ドライバー等に用いるＢＯＦ（Ｂｕｍｐ Ｏｎ Ｆｉｌｍ）などのパッケージでは、半導体チップを実装する配線基板に、ポリイミドなどのテープ状の基材が用いられている。図９は、ＢＯＦの一例の一部を示す断面図である。ＢＯＦは、柔軟なテープキャリア基板２１の上に半導体チップ２２が搭載され、封止樹脂２３により保護された構造を有し、フラットパネルディスプレイの駆動用ドライバーとして主に使用されている。テープキャリア基板２１は主たる要素として、柔軟な絶縁性のフィルム基材２４と、その面上に形成された導体配線２５と、導体配線２５上に形成されたバンプ２６とを有する。必要に応じて、導体配線２５上には金属めっき被膜および絶縁樹脂であるソルダーレジストの層が形成される。バンプ２６は、半導体チップ２２の電極２７と対応する位置に配置されており、テープキャリア基板２１上の導体配線２５と半導体チップ２２上の電極２７は、バンプ２６を介して接続されている。
一般的に、フィルム基材２４としてはポリイミドが、導体配線２５としては銅が使用される。バンプ２６は、導体配線２５上に予め形成される。テープキャリア基板２１の構造は、テープキャリア基板２１の一部を示す斜視図である図１０に示される。図１０に示されるように、フィルム基材２４の上に複数本の導体配線２５が整列して設けられ、各導体配線２５上にバンプ２６が形成されている。バンプ２６は、導体配線２５を横切って導体配線２５の両側の領域に亘る断面形状を有する。
テープキャリア基板２１の導体配線２５上にバンプ２６を形成するためには、例えば特許文献１に記載されたような方法が用いられる。このテープキャリア基板の製造方法の工程について、図１１を参照して説明する。
図１１（ａ１）〜（ｆ１）は、従来例の製造工程におけるフィルム基材の一部を示す平面図である。図１１（ａ２）〜（ｆ２）は、各々図１１（ａ１）〜（ｆ１）に対応する断面図である。各断面図は、図１１（ａ１）のＡ−Ａ線に沿った位置で示されている。この製造工程は、金属めっきにより突起電極を形成する場合の例である。
まず、図１１（ａ１）に示すように、複数の導体配線２５が表面に整列して形成されたフィルム基材２４を用意する。このフィルム基材２４の全面に、図１１（ｂ１）に示すように、フォトレジスト２８を形成する。次に図３（ｃ１）に示すように、フィルム基材２４に形成されたフォトレジスト２８の上部に、バンプ形成用の露光マスク２９を対向させる。露光マスク２９の光透過領域２９ａは、複数の導体配線２５の整列方向に、複数の導体配線２５を横切るように連続した長孔形状を有する。露光マスク２９の光透過領域２９ａを通して露光し、現像することにより、図１１（ｄ１）に示すように、フォトレジスト２８に、導体配線２５を横切る長孔状パターン２８ａが開口される。それにより長孔状パターン２８ａ中に、導体配線２５の一部が露出する。次に、フォトレジスト２８の長孔状パターン２８ａを通して、導体配線２５の露出した部分に金属めっきを施して、図１１（ｅ１）に示すようにバンプ２６を形成する。次に、フォトレジスト２８を除去すれば、図１１（ｆ１）に示すように、導体配線２５にバンプ２６が形成されたテープキャリア基板２１が得られる。
以上のように、フォトレジスト２８に形成された長孔状パターン２８ａを通して導体配線２５の露出した部分に金属めっきを施すことにより、図１０に示したような形状のバンプ２６を容易に形成することができる。これは、図１１（ｅ１）の工程で、導体配線２５の上面のみでなく側面も露出しており、導体配線２５の露出面全体に亘ってめっきが形成されるからである。
突起電極２６を銅で形成する場合、金属めっきの一例としては、めっき液として硫酸銅を用い、０．３〜５Ａ／ｄｍ2の条件で電解めっきを行う。
特開２００４−３２７９３６号公報
上述のように複数の導体配線２５が整列して設けられたテープキャリア基板２１上に、半導体チップ２２を実装する際には、図１２に示すような接合工程を行う。まず、図１２（ａ）に示すように、半導体チップ２２とテープキャリア基板２１を対向させる。その際、テープキャリア基板２１上には予め封止樹脂２３を塗布しておき、電極２７とバンプ２６の位置合わせを行う。次に、位置合わせが終了した半導体チップ２２とテープキャリア基板２１に対して、図１２（ｂ）に示すように接合工程を行う。すなわち、半導体チップ２２の裏面より接合ツール（図示せず）を当接させ、荷重及び超音波振動を印加して電極２７とバンプ２６を接合させる。
ところがこのような接続方法では、半導体チップ２２に超音波振動を印加することによって、半導体チップ２２の電極２７下にクラック等のダメージが発生した。
本発明は上記問題を解決するものであり、半導体チップの電極と導体配線のバンプを介した接合工程に起因する半導体チップの電極での接合ダメージの発生を低減する構造を有する半導体装置を提供することを目的とする。
本発明の半導体装置は、複数本の導体配線の各々に設けられた配線バンプを有するテープキャリア基板と、前記テープキャリア基板上に搭載された半導体素子とを備え、前記半導体素子の電極が前記配線バンプを介して前記導体配線と接続されている。上記課題を解決するために、前記導体配線の幅は前記電極の幅よりも小さく、前記半導体チップの前記電極上に、前記配線バンプより硬度が高く、かつサイズが小さい電極バンプが形成され、前記配線バンプと前記電極バンプの接合を介して前記半導体素子の電極が前記導体配線と接続され、前記電極バンプは前記導体配線に当接することなく前記配線バンプに埋没し、前記電極バンプの前記配線バンプに埋没した部分の高さは、前記配線バンプが設けられた部分における前記導体配線の厚みよりも低く、かつ前記配線バンプは前記電極または前記電極上の保護膜に接触する構造であり、前記配線バンプの前記保護膜に接触する領域は、前記電極の周縁に形成された前記保護膜の段差より内側に位置する。
本発明の半導体装置の製造方法によれば、複数本の導体配線の各々に設けられた配線バンプを有するテープキャリア基板上に、半導体チップを搭載し、前記半導体チップの電極上に形成された電極バンプと前記配線バンプを接合することにより、前記半導体素子の前記電極と前記導体配線とを接続する。上記課題を解決するために、前記導体配線の幅を前記電極の幅よりも小さく形成して、前記電極バンプと前記配線バンプを形成し、前記電極バンプと前記配線バンプが対向するように前記半導体チップと前記テープキャリア基板の位置合わせを行い、前記電極バンプと前記配線バンプを接合し、それにより、前記電極バンプを前記導体配線に当接しないように前記配線バンプに埋没させ、前記電極バンプの前記配線バンプに埋没した部分の高さを、前記配線バンプが設けられた部分における前記導体配線の厚みよりも低くするとともに、前記電極または前記電極上の保護膜に前記配線バンプを接触させ、前記配線バンプの前記保護膜に接触する領域を、前記電極の周縁に形成された前記保護膜の段差より内側に位置させる。
上記の半導体装置の構成によれば、半導体チップの電極と導体配線の接合の際に印加される超音波振動が、電極バンプと配線バンプを介することにより拡散され電極にかかる負荷が軽減されるので、電極へのダメージが低減されて信頼性を向上させることが可能となる。
上記構成の半導体装置において、前記電極バンプは、Ｎｉ層及びＡｕ層からなる構成とすることができる。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態における半導体装置の断面図である。なお、従来例と同一の要素には同一符号を付して、説明の繰り返しを省略する。
図１に示されるように、テープキャリア基板１の上に半導体チップ２が搭載され、両者の間の間隙に充填された封止樹脂３により固定されている。テープキャリア基板１は、柔軟な絶縁性のフィルム基材４と、その面上に形成された導体配線５と、導体配線５上に形成された配線バンプ６とを有する。配線バンプ６は、導体配線５の上面および両側面を覆うように形成されている。半導体チップ２は、電極７と、その電極７上に形成された電極バンプ８と、電極バンプ８の周囲の電極７上を被覆する保護膜９を有する。
テープキャリア基板１上に搭載された半導体チップ２の電極７は、電極バンプ８及び配線バンプ６を介してテープキャリア基板１の導体配線５と接続されている。電極バンプ８は配線バンプ６よりサイズが小さく、配線バンプ６に埋没した状態で接合されている。
上記の構成において、電極バンプ８は配線バンプ６よりも硬度が高い材料により形成されている。そのため、接合時には配線バンプ６が変形することで、半導体チップ２にかかる応力が緩和される。また、電極バンプ８の硬度が高く接合による変形が無いため、接合荷重が電極７に均一に掛かることから、半導体チップ２へのダメージが軽減される。
しかも、配線バンプ６の表面の変化量が大きいために、接合不良の原因となる絶縁膜が破壊されて良好な接合が得られる効果も得られる。また、電極バンプ８が配線バンプ６に埋没することで、テープキャリア基板１の熱による膨張収縮が発生しても十分な接合安定が得られる。このような効果を確実に得るためには、電極バンプ８のサイズよりも配線バンプ６のサイズが大きいことが効果的であり、後者が前者の２倍以上であることが望ましい。
配線バンプ６の材質は、一般的には電解めっきで形成したＡｕ／ＣｕやＡｕ／Ｎｉ／Ｃｕが主となる。電極バンプ８の材質としては、無電解めっきにより形成されるＡｕ／Ｎｉバンプが一般的であるが、無電解めっきで形成可能な金属であれは良い。このため、Ｐｄ，Ｐｔ，Ｃｕ等の金属が考えられる。バンプの硬さの関係は、ビッカース硬度で、電極バンプ８の硬さが配線バンプ６の硬さの５倍以上であれば良い。配線バンプが１００（Ｈｖ）以下で、電極バンプが４００（Ｈｖ）以上であることが最適である。
図２は、上記構成の半導体装置を製造する工程の一部を示す断面図である。まず図２（ａ）に示すように、半導体チップ２とテープキャリア基板１を対向させる。その際、テープキャリア基板１上には予め封止樹脂３を塗布しておき、電極バンプ８と配線バンプ６の位置合わせを行う。この時の位置合わせは一般的には、半導体チップ２上の位置合わせマーク（図示せず）とテープキャリア基板１上の位置合わせマーク（図示せず）を利用して行う。
次に、位置合わせが終了した半導体チップ２とテープキャリア基板１に対して、図２（ｂ）に示すように接合工程を行う。すなわち、半導体チップ２の裏面より接合ツール１０を当接させ、半導体チップ２の裏面に対する接合ツール１０からの荷重を増加させて、かつ超音波振動を印加することにより、電極バンプ８と配線バンプ６を接合させる。
次に図２（ｃ）に示すように、バンプの接合状態を確認する工程を行う。テープキャリア基板１は光透過性がある材料で形成されているため、検査カメラ１１でテープキャリア基板１を通して、位置ズレ状態等の接合状態を確認する。図３に、検査カメラ１１で確認された、配線バンプ６と電極バンプ８の位置ずれ量の異なる種々の接合状態のイメージを示す。図３（ａ）から（ｃ）は正常な接合状態を示す。図３（ｄ）は接合異常の状態を示す。この時の判定は、例えば、配線バンプ６の幅に対する電極バンプ８のはみ出し量（割合）を基準とする。これは、電極バンプ８が配線バンプ６に隠れている範囲では、常に電極バンプ８全体と配線バンプ６が接触しているために、接続強度および接続抵抗が均一であると考えられるためである。
本実施形態における半導体装置は、図４のように構成してもよい。図１の半導体装置と同様の要素については、同一符号を付して、説明の繰り返しを省略する。
この半導体装置においては、電極バンプ１３のサイズが配線バンプ１２のサイズと同等である（図には同等の場合が示される）。この場合においても、電極バンプ１３の硬度の方が配線バンプ１２の硬度よりも高いために、接合により配線バンプ１２は変形するが、電極バンプ１３が配線バンプ１２に埋没することはない。配線バンプ１２の変形により、接合不良の原因となる絶縁膜の破壊や、接触面積の増加により良好な接合が得られる効果が得られる。
また、電極バンプ１３のサイズが配線バンプ１２のサイズと同等以上であるため、配線バンプ１２の接合荷重が大きくなっても、半導体チップ２の電極７の下部に掛かる荷重は電極バンプ１３によって電極７に全体に分散される。その結果、電極７下や保護膜４に対するダメージが軽減される。
この場合もバンプの硬さの関係は、ビッカース硬度で電極バンプ１３が配線バンプ１２の硬さの５倍以上であれば良い。配線バンプ１２が１００（Ｈｖ）以下で、電極バンプ１３は４００（Ｈｖ）以上であることが最適である。
バンプ材料の例としては、電極バンプ１３には無電解めっきにより形成されたＡｕ／Ｎｉを用い、配線バンプ１２にはＡｕ／ＣｕあるいはＡｕを用いれば良い。
（第２の実施形態）
図５は、本発明の第２の実施形態における半導体装置の断面図である。図１の実施形態と同様の要素については、同一符号を付して、説明の繰り返しを省略する。
本実施形態においては、テープキャリア基板１上の導体配線５の上面および両側面を覆うように形成された配線バンプ１４が、半導体チップ２の電極７上に形成された電極バンプ１５に埋没した状態で接合されている。電極バンプ１５は、配線バンプ１４よりも硬度が低い材料により形成されている。そのため、接合時に電極バンプ１５が変形することで、半導体チップ２にかかる応力が緩和されている。また、電極バンプ１５の硬度が低く、接合時に変形することで、接合荷重が電極７に均一に掛かることから、半導体チップ２へのダメージが軽減される。
しかも、電極バンプ１５の表面の変化量が大きいために、接合不良の原因となる絶縁膜が破壊されて良好な接合が得られる効果も得られる。また、電極バンプ１５に配線バンプ１４を埋没させることで、テープキャリア基板１の熱による膨張収縮が発生しても、十分な接合安定が得られる。このような効果を確実に得るためには、電極バンプ１５のサイズが配線バンプ１４のサイズより大きいことが効果的であり、前者が後者の２倍以上であることが望ましい。
配線バンプ１４の材質は、一般的には電解めっきで形成するため、Ｐｄ，Ｐｔ等の金属あるいはＡｕ／Ｎｉバンプが主となる。電極バンプ１５の材質としては、電解めっきにより形成されたＳｎＡｇ系、ＳｎＰｂ系、ＳｎＣｕ系、ＳｎＺｎ系はんだやＡｕ／ＣｕめっきバンプやＳｎＡｇＣｕのはんだボールが一般的である。また、はんだ材料においては、電解めっきでバンプ形成後にリフローにより球状のバンプとしても良い。バンプの硬さの関係は、ビッカース硬度で配線バンプ１４の硬さが電極バンプ１５の硬さの５倍以上であれば良い。配線バンプ１４は４００（Ｈｖ）以上で、電極バンプ１５が１００（Ｈｖ）以下であることが最適である。
図６は、上記構成の半導体装置を製造する工程の一部を示す断面図である。図６（ａ）に示すように、半導体チップ２とテープキャリア基板１を対向させる。その際、テープキャリア基板１上には予め封止樹脂３を塗布しておき、電極バンプ１５と配線バンプ１４の位置合わせを行う。この時の位置合わせは一般的には、半導体チップ２上の位置合わせマーク（図示せず）とテープキャリア基板１上の位置合わせマーク（図示せず）を利用して行う。
次に、位置合わせが終了した半導体チップ２とテープキャリア基板１に対して、図６（ｂ）に示すように接合工程を行う。すなわち、半導体チップ２の裏面より接合ツール１０を当接させ、半導体チップ２の裏面に対する接合ツール１０からの荷重を増加させて、電極バンプ１５と配線バンプ１４を接合させる。接合時には、接合ツール１０に超音波振動を印加させる。
次に図６（ｃ）に示すように、バンプの接合状態を確認する工程を行う。テープキャリア基板１は光透過性がある材料で形成されているため、検査カメラ１１でテープキャリア基板１を通して、位置ズレ状態等の接合状態を確認する。図７に、検査カメラ１１で確認される状態のイメージを示す。図７（ａ）から（ｃ）は正常な接合状態を示す。図７（ｄ）は接合異常の状態を示す。この時の判定は、例えば、電極バンプ１５の幅に対する配線バンプ１４のはみ出し量（割合）を基準とする。これは、配線バンプ１４が電極バンプ１５に隠れている範囲では、常に電極バンプ１５全体と配線バンプ１４が接触しているために、接続強度および接続抵抗が均一であると考えられるためである。
図８に、本発明の実施形態に用いられるテープキャリア基板１における、導体配線５上の配線バンプの種々の形状の例を示す。図８（ａ）は、導体配線５の上面および両側面を覆うように形成され配線バンプ１６ａを示す。図８（ｂ）は、導体配線５の上面および側面の一方を覆うように形成された配線バンプ１６ｂを示す。図８（ｃ）は、導体配線５の上面の一部および側面の一方を覆うように形成された配線バンプ１６ｃを示す。図８（ｄ）は、導体配線５の上面にのみ形成された平面形状が円形の配線バンプ１６ｄを示す。平面形状は三角形以上の多角形であっても良い。
本発明の半導体装置によれば、テープキャリア基板の導体配線に半導体チップの電極を低ダメージで接続することが可能であり、ディスプレイの駆動用ドライバーの製造等に有用である。
本発明の第１の実施形態における半導体装置を示す断面図 同半導体装置を製造する工程の一部を示す断面図 同工程に含まれる検査での判定基準の例を示す断面図 本発明の第１の実施形態における半導体装置の他の例を示す断面図 本発明の第２の実施形態における半導体装置を示す断面図 同半導体装置を製造する工程の一部を示す断面図 同工程に含まれる検査での判定基準の例を示す断面図 本発明の実施形態におけるテープキャリア基板の構造を示す斜視図 従来例の半導体装置を示す断面図 同半導体装置に用いられるテープキャリア基板の構造を示す斜視図 （ａ１）〜（ｆ１）は、従来例のテープキャリア基板の製造工程を示す平面図、（ａ２）〜（ｆ２）は、各々（ａ１）〜（ｆ１）に対応する断面図 同半導体装置を製造する工程の一部を示す断面図
符号の説明
１、２１ テープキャリア基板
２、２２ 半導体チップ
３、２３ 封止樹脂
４、２４ フィルム基材
５、２５ 導体配線
６、１２、１４、１６ａ〜１６ｄ 配線バンプ
７、２７ 電極
８、１３、１５ 電極バンプ
９ 保護膜
１０ 接合ツール
１１ 検査カメラ
２６ バンプ
２８ フォトレジスト
２８ａ 長方形パターン
２９ 露光マスク
２９ａ 光透過領域

Claims (3)

  1. 複数本の導体配線の各々に設けられた配線バンプを有するテープキャリア基板と、
    前記テープキャリア基板上に搭載された半導体素子とを備え、
    前記半導体素子の電極が前記配線バンプを介して前記導体配線と接続されている半導体装置において、
    前記導体配線の幅は前記電極の幅よりも小さく、
    前記半導体チップの前記電極上に、前記配線バンプより硬度が高く、かつサイズが小さい電極バンプが形成され、前記配線バンプと前記電極バンプの接合を介して前記半導体素子の電極が前記導体配線と接続され、
    前記電極バンプは前記導体配線に当接することなく前記配線バンプに埋没し、前記電極バンプの前記配線バンプに埋没した部分の高さは、前記配線バンプが設けられた部分における前記導体配線の厚みよりも低く、
    かつ前記配線バンプは前記電極または前記電極上の保護膜に接触する構造であり、前記配線バンプの前記保護膜に接触する領域は、前記電極の周縁に形成された前記保護膜の段差より内側に位置することを特徴とする半導体装置。
  2. 前記電極バンプは、Ｎｉ層及びＡｕ層からなる請求項１に記載の半導体装置。
  3. 複数本の導体配線の各々に設けられた配線バンプを有するテープキャリア基板上に、半導体チップを搭載し、前記半導体チップの電極上に形成された電極バンプと前記配線バンプを接合することにより、前記半導体素子の前記電極と前記導体配線とを接続する半導体装置の製造方法において、
    前記導体配線の幅を前記電極の幅よりも小さく形成して、前記電極バンプと前記配線バンプを形成し、
    前記電極バンプと前記配線バンプが対向するように前記半導体チップと前記テープキャリア基板の位置合わせを行い、
    前記電極バンプと前記配線バンプを接合し、それにより、前記電極バンプを前記導体配線に当接しないように前記配線バンプに埋没させ、前記電極バンプの前記配線バンプに埋没した部分の高さを、前記配線バンプが設けられた部分における前記導体配線の厚みよりも低くするとともに、前記電極または前記電極上の保護膜に前記配線バンプを接触させ、前記配線バンプの前記保護膜に接触する領域を、前記電極の周縁に形成された前記保護膜の段差より内側に位置させることを特徴とする半導体装置の製造方法。
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