JP4267549B2 - 半導体装置およびその製造方法ならびに電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置およびその製造方法、ならびにこの半導体装置を備えた電子機器に関する。

従来、半導体パッケージ、例えば、シリコンチップを樹脂により封止した、いわゆるデュアル・インライン・パッケージ（Dual Inline Package）やクァド・フラット・パッケージ（Quad Flat Package）では、樹脂パッケージの側面部や周辺部に金属リードを配置した周辺端子配置型が主流である。
これに対し、ＣＳＰ（チップスケールパッケージ）、特に「ウエハレベルＣＳＰ」（以下、ＷＬＣＳＰという場合がある）と呼ばれる半導体パッケージでは、ウエハ上に、絶縁樹脂層、配線層、封止層などを形成し、さらに半田バンプを形成した後、ダイシングにより複数のチップを得る。
ＷＬＣＳＰでは、前記チップがそのままのサイズでパッケージの施された半導体チップとなるため、その占有面積を狭くすることができ、高密度実装が可能である。
ＷＬＣＳＰは、半導体チップに形成された半田バンプを用いて外部の回路基板に実装される。
この種の半導体チップには、「ポスト」と呼ばれる導電性の柱状部材を設け、この柱状部材の端面に端子部を形成した構造が提案されている（例えば特許文献１参照）。

図５に、金属製の柱状部材を設置した従来の半導体チップの一例を示す。
半導体チップ１００は、少なくとも表面に絶縁層（図示略）が形成された半導体基板１０１上に、電極パッド１０２が設けられている。
電極パッド１０２上には、金属製の柱状部材１０４が立設され、柱状部材１０４は、端面が封止樹脂層１０５の表面と面一に形成されている。
柱状部材１０４の端面には、Ｎｉからなる中間層１０６とＡｕからなる端子層１０７が形成されている。端子層１０７上には、半田バンプ１０８が形成される。
半導体チップ１００を回路基板２００に実装するに際しては、半田バンプ１０８を加熱溶融し、回路基板２００に設けられた基板端子２０２に接合させる。
特開２００２−１９０５５０号公報

図６に示すように、半導体チップ１００が回路基板２００に実装された状態で、半導体チップ１００の発熱や気温変化が起きると、半導体チップ１００と回路基板２００との熱膨張率の差違によって、半導体チップ１００および回路基板２００に、基板１０１に平行な方向のズレ応力Ｐが作用することがある。
この場合には、例えば端子層１０７と半田バンプ１０８との界面近傍に亀裂ＣＲが生じることがある。このような破損が生じた場合には、端子層１０７と基板端子２０２との間の電気抵抗が増大し、電気的接続の信頼性が低下するおそれがある。
また、半導体チップ１００では、柱状部材１０４の端面に中間層１０６と端子層１０７が形成されているため、これらを形成するための工程が必要となる。

本発明の目的は、実装状態における電気的接続の信頼性に優れた半導体装置、これを容易に製造することができる方法、および電子機器を提供することにある。

本発明の請求項１に係る半導体装置は、半導体基板上に、導電層と、これに電気的に接続された金属製の柱状部材と、これらを封止する封止樹脂層とを備え、前記柱状部材が、前記封止樹脂層内に位置する柱状部材本体と、この柱状部材本体と一体に形成され、前記封止樹脂層の表面からドーム状に突出した端子部とを備え、かつ、前記端子部のほぼ上面全面に接するように半田バンプが配されており、前記端子部の外径が、前記柱状部材本体の外径とほぼ等しいかまたはそれより大きくされていることを特徴とする。
本発明の請求項２に係る半導体装置は、請求項１において、前記柱状部材がＣｕからなることを特徴とする。

本発明の請求項３に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板上に、導電層と、これに電気的に接続された金属製の柱状部材と、これらを封止する封止樹脂層とを備え、前記柱状部材が、前記封止樹脂層内に位置する柱状部材本体と、この柱状部材本体と一体に形成され、前記封止樹脂層の表面からドーム状に突出した端子部とを備え、この端子部の外径が、前記柱状部材本体の外径とほぼ等しいかまたはそれより大きくされている半導体装置を製造する方法であって、筒状の空胴を残して前記導電層を封止樹脂層で封止する封止樹脂層形成工程と、前記空胴に、前記柱状部材を構成する金属を供給することによって前記柱状部材を形成する柱状部材形成工程とを含み、この柱状部材形成工程において、前記空胴が金属で充たされた後も、前記金属が前記封止樹脂層の表面から突出して前記端子部を形成するまで金属の供給を続けることにより前記端子部を形成し、その後、前記端子部のほぼ上面全面に接するように半田バンプを配することを特徴とする。
本発明の請求項４に係る半導体装置の製造方法は、請求項３において、前記柱状部材形成工程において前記金属がＣｕであり、その供給を無電解メッキ法により行うことを特徴とする。

本発明の請求項５に係る電子機器は、半導体基板上に、導電層と、これに電気的に接続された金属製の柱状部材と、これらを封止する封止樹脂層とを備え、前記柱状部材が、前記封止樹脂層内に位置する柱状部材本体と、この柱状部材本体と一体に形成され、前記封止樹脂層の表面からドーム状に突出した端子部とを備え、かつ、前記端子部のほぼ上面全面に接するように半田バンプが配されており、前記端子部の外径が、前記柱状部材本体の外径とほぼ等しいかまたはそれより大きくされている半導体装置を備えていることを特徴とする。
本発明の請求項６に係る電子機器は、請求項５において、前記柱状部材がＣｕからなることを特徴とする。

本発明の半導体装置は、次に示す効果を奏する。
（１）端子部がドーム状とされ、端子部の外径が、前記柱状部材本体の外径とほぼ等しいかまたはそれより大きくされているので、端子部と半田バンプとの接触面積が大きくなり、これらの間の接合力が高められる。
従って、端子部と半田バンプとの間の破損を防ぎ、実装状態における電気的接続の信頼性を高めることができる。
（２）端子部がドーム状に突出して形成されているので、半導体装置と、外部の回路基板との間に作用する横ズレ応力（半導体基板に平行な方向のズレ応力）は、端子部表面の斜面で分散されるため小さくなる。
従って、端子部と半田バンプとの接合界面における亀裂などの損傷を防ぐことができる。
（３）端子部がドーム状に突出して形成されているので、仮に半田バンプに亀裂が発生したとしても、その亀裂は端子部によって進行が妨げられる。
このため、この亀裂が広がるのを防ぐことができる。
（４）端子部がドーム状に突出して形成されているので、半田バンプの高さを、柱状部材の端面が平坦な従来品に比べ高くすることができる。
従って、半田バンプがもつ応力緩和機能を向上させることができ、実装状態における信頼性をさらに高めることができる。
（５）端子部が柱状部材本体と一体に形成されているので、柱状部材本体を形成する際に端子部も形成することができる。
従って、柱状部材の端面に他の層（例えばＮｉ中間層およびＡｕ端子層）を形成して端子部を突出させた従来品に比べ、製造が容易である。
（６）端子部が柱状部材本体と一体に形成されているので、柱状部材の強度を高めることができ、亀裂などの損傷を起こりにくくすることができる。
（７）端子部の外径が柱状部材本体の外径より大きい場合には、半田バンプの基端部の幅を大きくできる。
このため、前記ズレ応力が基端部に集中して作用するのを防ぎ、半田バンプの破損を防ぐことができる。

本発明の製造方法では、柱状部材形成工程において、空胴が金属で充たされた後も、金属が封止樹脂層の表面から突出して端子部を形成するまで金属の供給を続けるので、端子部を容易に形成することができる。

本発明の電子機器は、上記半導体装置が用いられているので、端子部と半田バンプとの間の破損を防ぎ、実装状態における電気的接続の信頼性を高めることができる。
従って、製造歩留りが良好であり、かつ製品としての寿命や信頼性に優れている。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。
（実施形態１）
図１は本発明の半導体装置の第１の実施形態を示す部分断面図である。
この実施形態の半導体装置１０は、ウエハ１（半導体基板）上に、絶縁樹脂層２と、その上に設けられた再配線層３（導電層）と、その上に設けられたポスト４（柱状部材）と、これら層２、３、ポスト４を封止する封止樹脂層５とを備えている。

再配線層３の端部には、電極パッド６が形成されている。
ポスト４は、Ｃｕなどの金属からなり、電極パッド６上に立設されている。
ポスト４は、封止樹脂層５内に位置するポスト本体４Ａ（柱状部材本体）と、その上端に形成された端子部４Ｂとから構成されている。
ポスト本体４Ａは円柱状で、その下端部が電極パッド６と電気的に接続している。
なお、ポスト本体４Ａは、多角柱状とすることもできる。また、軸方向の一端側から他端側にかけて断面が漸次拡大する形状、例えば円錐台状、角錐台状であってもよい。

端子部４Ｂは、ポスト本体４Ａと一体に形成され、封止樹脂層５の表面からドーム状（断面略円弧状）に突出している。
図示例では、端子部４Ｂは、封止樹脂層５の表面に沿って外方に延出するフランジ部４Ｃを有する。この例では、端子部４Ｂの外径はポスト本体４Ａの外径より大きい。
端子部４Ｂの外径は、ポスト本体４Ａの外径より１０μｍ〜５０μｍ程度大きいことが好ましい。

端子部４Ｂの外面（上面）である端子面４Ｄには、半田バンプ８が形成される。
半田バンプ８は、端子面４Ｄのほぼ全面に接して形成されている。すなわち、半田バンプ８は、基端部８Ａが端子部４Ｂの外縁部４Ｅに達するように形成されている。なお、半田バンプ８は、端子面４Ｄの一部にのみ接していてもよい。

図２に示すように、この半導体装置１０は、半田バンプ８を介して外部回路基板２００の端子２０２に接続することができる。

半導体装置１０は、次に示す効果を奏する。
（１）端子部４Ｂがドーム状とされ、端子部４Ｂの外径が、ポスト本体４Ａの外径より大きくされているので、端子部４Ｂと半田バンプ８との接触面積が大きくなり、これらの間の接合力が高められる。
従って、端子部４Ｂと半田バンプ８との間の破損を防ぎ、実装状態における電気的接続の信頼性を高めることができる。
（２）端子部４Ｂがドーム状に突出して形成されているので、半導体装置１０と、外部の回路基板２００との間に作用する横ズレ応力Ｐ（ウエハ１に平行な方向のズレ応力）は、端子面４Ｄの斜面で分散されるため小さくなる。
すなわち、図２に示すように、横ズレ応力Ｐは、端子面４ＤにおいてＸ（水平）方向とＹ（垂直）方向に分力される。
従って、端子部４Ｂと半田バンプ８との接合界面における亀裂などの損傷を防ぐことができる。
（３）端子部４Ｂがドーム状に突出して形成されているので、仮に半田バンプ８に亀裂が発生したとしても、その亀裂は端子部４Ｂによって進行が妨げられる。
このため、この亀裂が広がるのを防ぐことができる。
（４）端子部４Ｂがドーム状に突出して形成されているので、半田バンプ８の高さを、ポストの端面が平坦な従来品に比べ高くすることができる。
従って、半田バンプ８がもつ応力緩和機能を向上させることができ、実装状態における信頼性をさらに高めることができる。
（５）端子部４Ｂがポスト本体４Ａと一体に形成されているので、ポスト本体４Ａを形成する際に端子部４Ｂも形成することができる。
従って、ポストの端面に他の層（例えばＮｉ中間層およびＡｕ端子層）を形成して端子部を突出させた従来品に比べ、製造が容易である。
（６）端子部４Ｂがポスト本体４Ａと一体に形成されているので、ポスト４の強度を高めることができ、亀裂などの損傷を起こりにくくすることができる。
（７）端子部４Ｂの外径がポスト本体４Ａの外径より大きい場合には、半田バンプ８の基端部８Ａの幅を大きくできる。
このため、前記ズレ応力が基端部８Ａに集中して作用するのを防ぎ、半田バンプ８の破損を防ぐことができる。

次に半導体装置１０の製造方法を、実施例により説明する。
（実施例）
（１）再配線層形成工程
図３（ａ）に示すように、６インチウエハ１上にポリイミド系樹脂からなる絶縁樹脂層２を形成し、その上にフォトリソグラフィにより再配線層３を形成し、その端部に電極パッド６を形成した。

（２）封止樹脂層形成工程
図３（ｂ）に示すように、再配線層３上に、ポリイミド系感光性樹脂を１５±１μｍの厚さに均一に塗布し、電極パッド６の上面を円形にマスクして露光し、フォトリソグラフィにより現像しキュアして、電極パッド６の上に筒状の空胴９を残してウエハ１全体を封止樹脂層５で封止した。封止樹脂層５の厚さは１０μｍ〜２０μｍの範囲内が好適である。

（３）ポスト形成工程
図３（ｃ）に示すように、無電解メッキ法を用いて金属（Ｃｕ）を空胴９に充填した。図３（ｃ）には、空胴９に充填されつつある金属４Ｆが示されている。この金属としては、Ｃｕの他にＡｇ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｐｔなども好適に使用できる。
図３（ｄ）に示すように、空胴９が金属で充たされた後も、金属が封止樹脂層５の表面から突出して端子部４Ｂを形成するまで金属の供給を続けた。
これによって、図１に示す形状のポスト４が形成された。

（４）半田バンプ形成工程
端子面４Ｄに、印刷法により半田ペースト（鉛フリータイプ）を載せ、リフローにより２６０℃で溶融し、図１に示す半田バンプ８を形成した。半田としては共晶半田や各種鉛フリー半田が使用できる。最後に、ウエハ１を切断し、半導体チップを得た。

実施例１の方法で得られた半導体チップを外部基板に実装した後にヒートサイクル耐性を試験したところ、−４０℃〜１２５℃のヒートサイクルに対して１８００回の耐性を示した。
一方、ポストの端面を平坦とした比較例の半導体チップのヒートサイクル耐性は、１２００回であった。

上記製造方法は、ポスト形成工程において、金属が封止樹脂層５の表面から突出して端子部４Ｂを形成するまで金属の供給を続けるので、端子部４Ｂを容易に形成することができる。

（実施形態２）
図４は本発明の半導体装置の第２の実施形態を示す部分断面図である。
この半導体装置２０はポスト２４の構成が異なる以外は実施形態１のものと実質的に同様である。
ポスト２４は、封止樹脂層５内に位置するポスト本体２４Ａと、封止樹脂層５表面からドーム状に突出した端子部２４Ｂとが一体に形成されている。
端子部２４Ｂは、フランジ部を備えておらず、その外径はポスト本体２４Ａの外径にほぼ等しくなっている。
端子部２４Ｂの端子面２４Ｄには、半田バンプを形成することができる。

ポスト２４は、前記ポスト形成工程において、端子部２４Ｂの外径がポスト本体２４Ａの外径よりも大きくならない段階で金属の供給を停止する方法によって形成することができる。

半導体装置２０では、端子部２４Ｂがドーム状とされているので、半導体装置１０と同様に、端子部２４Ｂと半田バンプ８との間の破損を防ぎ、実装状態における電気的接続の信頼性を高めることができる。

なお、本発明では、図５に示す半導体チップ１００と同様、端子部の外面（端子面）に、Ｎｉからなる中間層と、Ａｕからなる端子層を形成することもできる。

本発明の半導体装置は、各種フレキシブルプリント基板（Flexible Printed Circit）などの回路基板に実装できる。
このため、例えばＰＤＡ（Personal Digital Assistants）、携帯電話機、パーソナルコンピュータ，光送受信機器などのように、半導体装置が実装された回路基板を備えた各種電子機器に適用できる。

本発明の半導体装置の第１の実施形態を示す断面図である。 図１に示す半導体装置を実装した状態を示す断面図である。 図１に示す半導体装置の製造工程を示す工程図である。 本発明の半導体装置の第２の実施形態を示す断面図である。 従来の半導体装置の一例を示す断面図である。 図５に示す半導体装置の要部を拡大した断面図である。

符号の説明

１…ウエハ（半導体基板）、３…再配線層（導電層）、４…ポスト（柱状部材）、４Ａ…ポスト本体（柱状部材本体）、４Ｂ…端子部、５…封止樹脂層、８…半田バンプ

Claims (6)

1. 半導体基板上に、導電層と、これに電気的に接続された金属製の柱状部材と、これらを封止する封止樹脂層とを備え、
   前記柱状部材が、前記封止樹脂層内に位置する柱状部材本体と、この柱状部材本体と一体に形成され、前記封止樹脂層の表面からドーム状に突出した端子部とを備え、かつ、前記端子部のほぼ上面全面に接するように半田バンプが配されており、
   前記端子部の外径が、前記柱状部材本体の外径とほぼ等しいかまたはそれより大きくされていることを特徴とする半導体装置。
2. 前記柱状部材は、Ｃｕからなることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
3. 半導体基板上に、導電層と、これに電気的に接続された金属製の柱状部材と、これらを封止する封止樹脂層とを備え、前記柱状部材が、前記封止樹脂層内に位置する柱状部材本体と、この柱状部材本体と一体に形成され、前記封止樹脂層の表面からドーム状に突出した端子部とを備え、この端子部の外径が、前記柱状部材本体の外径とほぼ等しいかまたはそれより大きくされている半導体装置を製造する方法であって、
   筒状の空胴を残して前記導電層を封止樹脂層で封止する封止樹脂層形成工程と、
   前記空胴に、前記柱状部材を構成する金属を供給することによって前記柱状部材を形成する柱状部材形成工程とを含み、
   この柱状部材形成工程において、前記空胴が金属で充たされた後も、前記金属が前記封止樹脂層の表面から突出して前記端子部を形成するまで金属の供給を続けることにより前記端子部を形成し、その後、前記端子部のほぼ上面全面に接するように半田バンプを配することを特徴とする半導体装置の製造方法。
4. 前記柱状部材形成工程において、前記金属がＣｕであり、その供給を無電解メッキ法により行うことを特徴とする請求項３に記載の半導体装置の製造方法。
5. 半導体基板上に、導電層と、これに電気的に接続された金属製の柱状部材と、これらを封止する封止樹脂層とを備え、
   前記柱状部材が、前記封止樹脂層内に位置する柱状部材本体と、この柱状部材本体と一体に形成され、前記封止樹脂層の表面からドーム状に突出した端子部とを備え、かつ、前記端子部のほぼ上面全面に接するように半田バンプが配されており、
   前記端子部の外径が、前記柱状部材本体の外径とほぼ等しいかまたはそれより大きくされている半導体装置を備えていることを特徴とする電子機器。
6. 前記柱状部材は、Ｃｕからなることを特徴とする請求項５記載の電子機器。

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