JP4185665B2 - ウェーハレベルパッケージ - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はウェーハレベルパッケージに関するもので、より詳しくは、信頼性向上のため、基板とリードフレームを用いて製造されたウェーハレベルパッケージに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体パッケージは、通常ウェーハ状態に製造された半導体チップが切断工程によりそれぞれの半導体チップに分離された後、分離されたそれぞれの半導体チップが個別パッケージング工程を経ることにより製造される。しかし、前記パッケージング工程自体がチップ付着（ｄｉｅ ａｔｔａｃｈｉｎｇ）、ワイヤボンディング（ｗｉｒｅ ｂｏｎｄｉｎｇ）、モールディング（ｍｏｌｄｉｎｇ）、トリミング（ｔｒｉｍｍｉｎｇ）及びフォーミング（ｆｏｒｍｉｎｇ）などのような単位工程を含んでいるため、一つのウェーハから得られる半導体チップの数を考慮すると、典型的なパッケージ製造方法は全体として工程所要時間が長くなるという欠点がある。
【０００３】
したがって、上記欠点を解決するためにパッケージング工程をウェーハ状態でまず実施した後、いくつかの半導体パッケージをウェーハの切断工程により得るようにする、新たなパッケージ製造方法が最近に提案された。このような方法で製造されたパッケージはいわゆるウェーハレベルパッケージ（Ｗａｆｅｒ Ｌｅｖｅｌ Ｐａｃｋａｇｅ）と呼ばれる。
【０００４】
以下、図１に基づいて従来のウェーハレベルパッケージを説明する。
図１に示すように、下部絶縁層３がウェーハ、つまりウェーハを構成する半導体チップ１上に塗布される。半導体チップ１のボンドパッド２は、エッチング工程により下部絶縁層３に形成された溝（ｖｉａ）を通じて露出される。金属パターン４が、金属膜の蒸着及びエッチング工程により、一端部が溝を通じて露出されたボンドパッド２とコンタクトされるように、下部絶縁層３上に形成される。上部絶縁層５が金属パターン４及び下部誘電層３上に塗布される。
【０００５】
金属パターン４の他端部は、エッチング工程により上部絶縁層５に形成された溝を通じて露出される。この際に、露出された金属パターン４の他端部はソルダボール７がマウントされるボールランド（ｂａｌｌ ｌａｎｄ）となる。ソルダボール７が溝を通じて露出された金属パターン４のボールランド上に付着される。
【０００６】
また、ＵＢＭ（Ｕｎｄｅｒ Ｂｕｍｐ Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ）層６が、ソルダボール７の接着強度の強化のため、ボールランドに形成される。ＵＢＭ層６は金属からなるもので、露出された金属パターン４のボールランド上にはもちろん、上部絶縁層５にも接するように形成される。
【０００７】
上記一連の過程はウェーハレベルで実施され、ウェーハのスクライブラインに沿ってウェーハがそれぞれの半導体チップに切断されることにより、図示されたようなウェーハレベルパッケージが完成される。
【０００８】
しかし、従来のウェーハレベルパッケージはつぎのような問題点がある。
第１点として、上部絶縁層とＵＢＭ層間の熱膨張係数の違い、つまり高分子ポリマーと金属間の熱膨張係数の違いに起因して、上部絶縁層とＵＢＭ層間の界面にストレスが集中するため、従来のウェーハレベルパッケージは、半導体チップと外部シグナル入力段間のシグナルの流れが不安定である。また、半導体チップと外部シグナル入力段間の電気的流れが不安定でなくても、上部絶縁層とＵＢＭ層間の界面で浮かび現象が引き起こされ、浮かび現象が発生した部分を通じて金属パターンに水分が浸透するため、金属パターンが腐食され、これにより、従来のウェーハレベルパッケージは半導体チップと外部シグナル入力段間のシグナルの流れが断絶される。
【０００９】
しかも、従来のウェーハレベルパッケージは、ソルダボールの接合強度が弱いことに起因して、半導体チップと外部シグナル入力段間のシグナルの流れが不安定である。ソルダボールの弱い接合強度は、３ｐｐｍ程度の熱膨張係数を有する半導体チップと１４ｐｐｍ程度の熱膨張係数を有するボード間の熱膨張係数の違いにより、ソルダボールが剪断応力をきびしく受け、これによりクラックが発生することに起因する。
【００１０】
第２点として、ソルダボールの接合強度の改善は、応力吸収層、つまり下部絶縁層の厚さ増加により達成できる。しかし、下部絶縁層の厚さ増加は、第１に、パッケージの厚さ増加をきたし、第２に、ボンディングパッドの露出のためのエッチング工程の困難をきたし、第３に、ボンドパッドと金属パターン間のコンタクトの困難をきたす。したがって、ソルダボールの接合強度の改善は現在としては難しい。
【００１１】
第３点として、従来のウェーハレベルパッケージは、高速動作を要求する製品に適用し難い。このことは、金属パターンが半導体チップの表面の直上に位置することによりキャパシタンスが増加し、これにより、高速動作に障害を招くためである。一方、キャパシタンスは、半導体チップと金属パターン間の間隔増加、つまり下部絶縁層の厚さ増加により抑制させることができる。しかし、この方法は前述した問題点を包含するため、適用できない。
【００１２】
第４点として、従来のウェーハレベルパッケージは、ウェーハの切断工程時、封止材が使用されないことにより、各層間の界面で浮かび現象が生じ、ひどい場合には、半導体チップの縁部が破損される。したがって、従来のウェーハレベルパッケージは信頼性及び収率が悪い、というものである。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、本発明は、従来のウェーハレベルパッケージにおける問題点に鑑みてなされたものであって、半導体チップと外部シグナル入力段間のシグナルの流れの信頼性を確保し得るウェーハレベルパッケージを提供することをその目的とする。
【００１４】
また、他の目的として、本発明は、高速動作を要する製品に適用可能なウェーハレベルパッケージを提供する。
【００１５】
また、更に他の目的として、本発明は、ウェーハの切断時、構成成分間の界面で浮かび現象が生じることを防止し得るウェーハレベルパッケージを提供する。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するためになされた、本発明のウェーハレベルパッケージは、上面にボンドパッドが配置された半導体チップと、前記半導体チップの上面に接着され、前記ボンドパッドと面する側の反対側の縁部に凹部が設けられ、前記ボンドパッドに隣接した部分から前記凹部の底面まで金属配線が形成された基板と、前記ボンドパッドとこれに対応する金属配線とを電気的に連結する金属ワイヤと、前記基板の凹部に挿入／固定されるとともに前記金属配線と電気的に接続されるインナーリード及び階段状に成形されるアウターリードから構成されるリードフレームと、前記リードフレームのアウターリードのみが露出されるように、前記基板及び金属ワイヤを含む前記半導体チップの上面全体を封止する封止材とを含むことを特徴とする。
【００１７】
また、前記ボンドパッドは、半導体チップの上面中央に配列されることを特徴とする。
【００１８】
また、前記基板は、前記半導体チップのボンドパッドに対応する部分に貫通孔が設けられることを特徴とする。
【００１９】
また、前記金属ワイヤは、前記貫通孔を貫通して前記ボンドパッドと前記金属配線間を接続することを特徴とする。
【００２０】
また、前記アウターリードは、前記半導体チップの縁部に向かって成形されていることを特徴とする。
【００２１】
また、前記アウターリードは、その全体が封止材から露出されることを特徴とする。
【００２２】
また、前記アウターリードは、成形された側面及び底面のみが封止材から露出されることを特徴とする。
【００２３】
また、前記ボンドパッドは、前記半導体チップの上面両側縁部にそれぞれ配列されることを特徴とする。
【００２４】
また、前記アウターリードは、前記半導体チップの中央に向かって階段状に成形されることを特徴とする。
【００２５】
【発明の実施の形態】
次に、本発明にかかるウェーハレベルパッケージの実施の形態の具体例を図面を参照しながら説明する。
図２は、本発明の一実施例によるウェーハレベルパッケージを示す断面図である。尚、図２においては、半導体チップのボンディングパッドがある面を上面と定義している。同図に示すように、半導体チップ１０はその上面中央に配置されたボンディングパッド１１を有する。基板連結体２０（図３参照）の基板２１の部位が接着材３０を介在して半導体チップ１０の上面に接着される。
【００２６】
基板連結体２０は、図３に示すように、複数の基板２１が複数のタイバー２３により、互いに平行に隔たって配置されるとともに基板連結体２０の整列のためのピン孔２４を有する一対のサイドレール２２に支持された形状である。基板２１は中央に貫通孔２５を有する。
【００２７】
また、基板２１は、タイバー２３に連結されていない両側縁部にそれぞれ一列に配列される多数の凹部２６を有し、金属配線２７が貫通孔２５に隣接した基板本体部から凹部２６の底面まで形成されている（図５参照）。
【００２８】
次いで、基板２１の金属配線（図示せず）と半導体チップ１０のボンドパッド１１とが金属ワイヤ４０により電気的に相互接続される。金属ワイヤ４０は基板２１に設けられた貫通孔２５を貫通して金属配線２７とボンドパッド１１間を接続する。
【００２９】
リードフレーム５０のインナーリード５１がソルダ６０により基板２１の凹部２６に挿入／固定され、インナーリード５１は金属配線２７と電気的に接続される（図６参照）。また、リードフレーム５０のアウターリード５２はマザーボードへの実装が容易な形態に成形（ｆｏｒｍｉｎｇ）される（図７参照）。
【００３０】
ここで、リードフレーム５０は、図４に示すように、多数のアウターリード５２が一列に連結された接合バー５５が互いに平行に隔たって配置された一対のサイドレール５３に支持された形状である。サイドレール５３は、基板連結体２０に設けられたピン孔２４に対応するそれぞれの位置にピン孔５４を有する。
【００３１】
次いで、基板連結体２０と金属ワイヤ４０及びリードフレームのインナーリード５１を含む半導体チップ１０の底面全体が均一な厚さの封止材７０により封止される。したがって、半導体チップ１０の側面と底面、そしてリードフレームのアウターリード５２は外部に露出される。この際に、アウターリード５２は封止材７０の外部に全く露出された形状であるが、後述するように、封止材からその側面及び底面のみが露出できる。
【００３２】
上述された工程要素はウェーハレベルにて形成され、スクライブラインに沿ってウェーハが切断されることにより、図２に示されたような本発明のウェーハレベルパッケージが得られる。
【００３３】
前述したように、本発明のウェーハレベルパッケージは、金属配線が設けられる基板から製造される。したがって、金属配線の復旧が容易であるので、金属配線の信頼性が確保され、これにより、半導体チップと外部シグナル入力端間のシグナル流れの安定化がなされる。
【００３４】
また、本発明のウェーハレベルパッケージは、半導体チップと金属配線間に基板が介在されるため、半導体チップと金属配線間に十分な距離が確保される。したがって、キャパシタンスの増加が抑制され、これにより、高速化製品に有利に適用することができる。
【００３５】
しかも、本発明のウェーハレベルパッケージは、外部シグナル入力段、つまりマザーボードへの実装手段として信頼性が保証されたリードフレームが使用されるため、ソルダボールが用いられる従来のものに比べ、パッケージとマザーボード間の接合強度が改善される。したがって、半導体チップと外部シグナル入力段間のシグナルの流れの断絶は防止される。
【００３６】
また、本発明のウェーハレベルパッケージは封止材を使用することにより、ウェーハの切断時、各構成要素間の界面で生ずる浮かび現象、又は半導体チップの縁部が破損される現象が防止され、これにより、信頼性及び収率が確保される。
【００３７】
図８は本発明のウェーハレベルパッケージがマザーボード９０に実装された状態を示す断面図である。ここで、図の左側はアウターリード５２が外部に全く露出されて製作されたウェーハレベルパッケージが実装された状態を、そして図の右側はアウターリード５２の側面及び底面のみが外部に露出されて製作されたウェーハレベルパッケージが実装された状態を示す断面図である。
【００３８】
図の左側において、ウェーハレベルパッケージは、外部に全く露出されたアウターリード５２がソルダ８０により全く取り囲まれた形状でマザーボード９０に実装される。反面、図の右側において、ウェーハレベルパッケージは、外部に露出されたアウターリード５２の側面及び底面のみがソルダ８０により取り囲まれた形状でマザーボード９０に実装される。
【００３９】
図９は本発明の他の実施例によるウェーハレベルパッケージを示す断面図である。この実施例において、ボンドパッド１１は半導体チップ１０の上面両側縁部にそれぞれ配置される。また、基板連結体２０は、前述の実施例に適合した構造、つまり図３に示すような構造から少しの変更は必要である。この実施例に適合した基板構造は、前述の実施例の基板構造からの変更が当業者であれば誰でも実施し得る程度であるので、この実施例での変更基板構造については説明を省略する。
【００４０】
尚、本発明は、本実施例に限られるものではない。本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で多様に変更実施することが可能である。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のウェーハパッケージは、基板の使用により、シグナル流れの安定性を確保することができ、また、高速動作を要する製品に有利に適用することができる。
【００４２】
また、本発明のウェーハレベルパッケージは、リードフレームの使用により、ソルダジョイントの耐久性を高めることができる。
【００４３】
しかも、本発明のウェーハレベルパッケージは、封止材の使用により、ウェーハの切断時、各構成要素間の界面で生ずる浮かび現象と、半導体チップの縁部が損傷される現象を防止することができ、これにより、パッケージの信頼性及び収率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のウェーハレベルパッケージを示す断面図である。
【図２】本発明の実施例によるウェーハレベルパッケージを示す断面図である。
【図３】本発明の実施例による基板を示す平面図である。
【図４】本発明の実施例によるリードフレームを示す平面図である。
【図５】本発明の基板とリードフレーム及びこれら間の結合構造を示す断面図である。
【図６】本発明の基板とリードフレーム及びこれら間の結合構造を示す断面図である。
【図７】本発明の基板とリードフレーム及びこれら間の結合構造を示す断面図である。
【図８】本発明によるウェーハレベルパッケージのアウターリード封止方法及び実装方法を説明する断面図である。
【図９】本発明の他の実施例によるウェーハレベルパッケージを示す断面図である。
【符号の説明】
１０ 半導体チップ
１１ ボンドパッド
２０ 基板連結体
２１ 基板
２２ サイドレール
２３ タイバー
２４ ピン孔
２５ 貫通孔
２６ 凹部
２７ 金属配線
３０ 接着剤
４０ 金属ワイヤ
５０ リードフレーム
５１ インナーリード
５２ アウターリード
５３ レール
５４ ピン孔
５５ 接合バー
６０ ソルダ
７０ 封止材
８０ ソルダ
９０ マザーボード

Claims (9)

  1. 上面にボンドパッドが配置された半導体チップと、
    前記半導体チップの上面に接着され、前記ボンドパッドと面する側の反対側の縁部に凹部が設けられ、前記ボンドパッドに隣接した部分から前記凹部の底面まで金属配線が形成された基板と、
    前記ボンドパッドとこれに対応する金属配線とを電気的に連結する金属ワイヤと、
    前記基板の凹部に挿入／固定されるとともに前記金属配線と電気的に接続されるインナーリード及び階段状に成形されるアウターリードから構成されるリードフレームと、
    前記リードフレームのアウターリードのみが露出されるように、前記基板及び金属ワイヤを含む前記半導体チップの上面全体を封止する封止材とを含むことを特徴とするウェーハレベルパッケージ。
  2. 前記ボンドパッドは、半導体チップの上面中央に配列されることを特徴とする請求項１記載のウェーハレベルパッケージ。
  3. 前記基板は、前記半導体チップのボンドパッドに対応する部分に貫通孔が設けられることを特徴とする請求項１又は２記載のウェーハレベルパッケージ。
  4. 前記金属ワイヤは、前記貫通孔を貫通して前記ボンドパッドと前記金属配線間を接続することを特徴とする請求項１、２又は３記載のウェーハレベルパッケージ。
  5. 前記アウターリードは、前記半導体チップの縁部に向かって成形されていることを特徴とする請求項１記載のウェーハレベルパッケージ。
  6. 前記アウターリードは、その全体が封止材から露出されることを特徴とする請求項１記載のウェーハレベルパッケージ。
  7. 前記アウターリードは、成形された側面及び底面のみが封止材から露出されることを特徴とする請求項１記載のウェーハレベルパッケージ。
  8. 前記ボンドパッドは、前記半導体チップの上面両側縁部にそれぞれ配列されることを特徴とする請求項１記載のウェーハレベルパッケージ。
  9. 前記アウターリードは、前記半導体チップの中央に向かって階段状に成形されることを特徴とする請求項１又は８記載のウェーハレベルパッケージ。
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