JP5020051B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置に関し、特に、外部端子として機能するバンプ部を備えた半導体装置に関する。

従来、外部端子として機能するバンプ部を備えた半導体装置の一例としてＷＬＣＳＰ（Ｗａｆｅｒ Ｌｅｖｅｌ Ｃｈｉｐ Ｓｉｚｅ Ｐａｃｋａｇｅ）型の半導体装置が知られている。（たとえば、特許文献１参照）

図７は、従来知られているＷＬＣＳＰ型の半導体装置の構造を説明するための断面図である。図７を参照して、従来のＷＬＣＳＰ型の半導体装置１００は、一方表面に集積回路部（図示せず）が形成された半導体基板（半導体チップ）１２１と、半導体基板１２１の一方表面上に形成された電極パット１１２と、電極パット１１２上に形成された突起電極１１３と、突起電極１１３の一部を露出させるように半導体基板１２１の一方表面上に形成された絶縁性樹脂層１２４と、露出された突起電極１１３の上面上に形成された半田ボール（バンプ部）１２５とを備えている。

また、図７に示した従来のＷＬＣＳＰ型の半導体装置１００は、以下に示す工程により製造される。まず、一方表面上に図示しない集積回路部および配線部を有する半導体基板１２１の電極パット１１２上にＣｕ（銅）からなる突起電極１１３を形成する。次に、半導体装置１２１の一方表面上の全面に絶縁性樹脂層１２４を形成する。絶縁性樹脂層１２４の上面を研磨加工などすることにより、突起電極１１３の一部を露出させる。続いて、露出された突起電極１１３上に、スクリーン印刷法などの手法により、半田ペースト層を形成する。その後、半導体装置１００をリフロー処理する。これにより、半田ペースト層が自身の表面張力によって球形となり、突起電極１１３上に外部端子として機能する半田ボール１２５が形成される。なお、上述した半田ペースト層は、一般的に、９％〜１１％の有機フラックス成分を含んでいる。

このようなＷＬＣＳＰ型の半導体装置では、半導体基板（半導体チップ）１２１の一方表面上を絶縁性樹脂層１２４で保護するとともに、外部端子としての半田ボール１２５を半導体チップ１２１に設けることによって、パッケージサイズを半導体基板（半導体チップ）１２１の大きさまで小型化することが可能となる。なお、上記のようなＷＬＣＳＰ型の半導体装置は、たとえば、特許文献１に記載されている。

特開２００４−１６１８８６号公報

しかしながら、図７に示した従来のＷＬＣＳＰ型の半導体装置１００では、半田ペースト層をリフロー処理することにより半田ボール１２５を形成する際に、半田ペースト層に含まれる有機フラックス成分と突起電極１１３との反応などによってガス成分が発生し、これにより、半田ボール１２５内部にボイド１１６が発生するという不都合がある。このため、半田ボール１２５内部に発生したボイド１１６に起因して、半田ボール１２５に割れやクラックなどが発生するという不都合がある。これにより、半導体装置の信頼性が低下するという問題点がある。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の目的はボイドに起因するバンプ部の割れやクラックなどを抑制することにより、信頼性の低下を抑制することが可能な半導体装置を提供することである。

上記目的を達成するために本発明の半導体装置は、一主面上に配線部が形成された基板部と、基板部の配線部上に設けられて配線部と電気的に接続されたバンプ部と、基板部の厚さ方向に少なくとも基板部および配線部を連続して貫通する貫通孔部とを備えている。そして、バンプ部は、半導体装置を平面的に見た場合に、貫通孔部と少なくとも一部が重なるように配されている。

この構成により、本発明の半導体装置では、バンプ部の形成工程および本発明の半導体装置をプリント基板などに実装する際に、バンプ部に気泡やボイドが発生したとしても、毛細管現象によって、バンプ部の一部とともに、発生した気泡やボイドが貫通孔部内部に流れ込むため、バンプ部の内部に気泡やボイドが残留するのを防止することができる。

上記目的を達成するために本発明の半導体装置は、配線部とバンプ部との間に形成される突起電極をさらに備え、バンプ部は突起電極を介して配線部と電気的に接続されており、貫通孔部は基板部の厚さ方向に突起電極をも連続して貫通するように構成されているのが好ましい。この様に構成した場合には、ＢＧＡ（Ｂａｌｌ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ）およびＣＳＰ（Ｃｈｉｐ Ｓｉｚｅ Ｐａｃｋａｇｅ）ならびにＷＬＣＳＰなどのいわゆるフリップ・チップ結合によりパッケージされた半導体装置などについて、本発明の半導体装置の構成を有効に適用することができる。

上記目的を達成するために本発明では、基板部は一方の表面に集積回路部を含む半導体基板であってもよい。

上記目的を達成するために本発明の半導体装置は、基板部の上面上に絶縁性の保護層を形成することによって、ＷＬＣＳＰ型のパッケージ形態に容易に構成することができる。

本発明の半導体装置によれば、バンプ部で発生した気泡やボイドを、毛細管現象を利用して、貫通孔部内に取り込むことができるので、バンプ部に気泡やボイドが残留するのを抑制することができる。このため、発生した気泡やボイドに起因してバンプ部に割れやクラックなどが発生するという不都合が生じるのを抑制することができる。これより、半導体装置の信頼性を向上させることができる。

以下、図１を参照して、本発明における実施の形態を詳細に説明する。なお、本実施の形態では、ＷＬＣＳＰ型の半導体装置に本発明を適用した場合について説明する。ただし、本発明は本実施の形態に限らず、ＣＳＰ方式やＢＧＡ方式などのバンプ部を有する半導体装置について有効である。

図１は、本発明の一実施形態によるＷＬＣＳＰ型の半導体装置の構造を説明するための断面図である。本発明の一実施形態によるＷＬＣＳＰ型の半導体装置１は、半導体基板２１と、電極パット１２と、突起電極１３と、保護層１４と、半田ボール２５と、貫通孔部１７とを備えている。なお、半導体基板２１は、本発明の「基板部」の一例であり、半田ボール２５は本発明の「バンプ部」の一例である。

半導体基板２１は、その表面に集積回路部（図示せず）および配線部（図示せず）が形成されている。本実施の形態では、半導体基板２１としてシリコン基板が利用されている。

電極パット１２は、半導体基板２１の一方表面に形成された配線部の一部であり、本実施の形態ではＣｕが利用されている。電極パット１２の上には突起電極１３が設けられ、電極パット１２と電気的に接続されている。

突起電極１３は、電極パット１２と半田ボール２５とに電気的に接続されている。本実施の形態では、突起電極１３には、Ｃｕが利用されている。

保護層１４は、半導体基板２１および電極パット１２の表面を被覆するとともに、雰囲気から半導体基板２１および電極パット１２の表面を保護する。本実施の形態では、保護層１４として、絶縁性樹脂が利用されている。

半田ボール２５は、保護層１４から露出している突起電極１３の上に設けられている。

貫通孔部１７は、半導体基板２１の厚さ方向へ、半導体基板２１と電極パット１２とさらには突起電極１３とを連続して貫通している。図２は本発明の一実施形態によるＷＬＣＳＰ型の半導体装置の平面図である。図２に示すように、半田ボール２５は、貫通孔部１７と重なるように配されている。

本実施の形態においては、半導体基板２１にシリコン基板を、半導体基板２１の表面上の配線部および電極パット１２ならびに突起電極１３にＣｕを、保護層１４に絶縁性樹脂を、バンプ部に半田ボール２５を利用したが、本発明の半導体装置１では、本実施の形態に特に限定されず、種々の構成の変化が可能である。

また、図２の平面図では、半田ボール２５は貫通孔部１７と重なっているが、本発明の半導体装置では本実施の形態に限定されず、半田ボール２５と貫通孔部１７の少なくとも一部とが重なるように配されていればよい。

図３から図６は、本発明の一実施形態によるＷＬＣＳＰ型の半導体装置に、バンプ部である球形の半田ボールを形成する工程を示す断面図である。

図３は、半導体装置に貫通孔部を設ける工程前の半導体装置の断面図である。この構造は、表面に集積回路部および配線部が形成された半導体基板２１の電極パット１２上にＣｕからなる突起電極１３を形成し、半導体基板２１および電極パット１２ならびに突起電極１３の表面を絶縁性樹脂によって被覆して保護層１４を形成した後に、表面を研磨加工して突起電極１３のみを露出させることによって得られる。

図４は、半導体基板の厚さ方向に貫通孔部を設ける工程後の半導体装置の断面図である。貫通孔部１７は、半導体基板２１と電極パット１２と突起電極１３とを連続的に貫通している。

貫通孔部１７の直径は、毛細管現象により、溶融した半田ボール２５を吸い込むことができ、且つ突起電極１３と半田ボール２５との接合強度が十分に確保できる範囲内で任意に決定される。例えば、突起電極１３が直径２５０μｍ程度の円柱形状であった場合、貫通孔部１７の直径は５０μｍ程度が望ましい。

また、貫通孔部１７を形成する方法は特に限定しないが、突起電極１３およびシリコンウェハ２１の厚さ方向に対して貫通孔部１７の直径がなるべく均一になるように形成される方法が望ましい。例えば、ＹＡＧレーザーなどによるレーザー加工あるいはドライエッチングなどの部分的なエッチングにより貫通孔部１７を形成する方法が考えられる。

図５は、突起電極の上面上に半田ペーストが配置される工程後の半導体装置の断面図である。絶縁性樹脂によって形成されている保護層１４から露出している突起電極１３の上に、スクリーン印刷などの手法により、クリーム半田などの半田ペースト２５ａが配置される。

そして、図６は、突起電極の上面上に配置された半田ペーストから球形の半田ボールを形成する工程後の半導体装置の断面図である。半田ペースト２５ａが配置された半導体装置１をリフロー炉に入れて、２００℃以上に加熱することにより、半導体装置１の表面に配置された半田ペースト２５ａが自身の表面張力によって球形となり、その状態で冷却されて突起電極１３の上に球形の半田ボール２５が形成される。

また、半田ペースト２５ａは有機フラックス成分を含有しており、その分解および気化などの反応により、突起電極１３と半田ボール２５との界面付近ではガス成分が発生して気泡が生じ、この気泡や気泡が集まったボイド１６が、主に突起電極１３と半田ボール２５との界面付近にできる。しかし、溶融した半田ボール２５が毛細管現象により貫通孔部１７の内部へと流れ込む際、界面付近の気泡やボイド１６はともに貫通孔部１７の内部へと取り込まれる。

ここで、半田ボール２５とＣｕ製の電極パット１２およびＣｕ製の突起電極１３とは濡れ性が良好である。よって、毛細管現象の作用により、溶融した半田ボール２５は貫通孔部１７の内の突起電極１３および電極パット１２に対応する部分では抵抗なく流れ、突起電極１３と半田ボール２５との界面付近で発生した気泡やボイド１６とともに貫通孔部１７の内部に取り込まれる。

しかし、溶融した半田ボール２５と半導体基板２１（シリコンウェハ）とは濡れ性が極めて悪いので、貫通孔部１７の内の半導体基板２１に対応する部分へは流れ込まない。そのため、溶融した半田ボール２５は貫通孔部１７の内部の電極パット１２および導電性バンプ１３に対応する部分は通過できるが、半導体基板２１に対応する部分を通過できない。

よって、半田ボール２５の一部および気泡ならびにボイド１６は貫通孔部１７の内部の半導体基板２１に対応する部分に達する位置まで流れ込むと、その流れが止まる。すなわち、気泡やボイド１６を貫通孔部１７内部の突起電極１３および電極パット１２に対応する部分に留めた状態で、溶融した半田ボール２５の流れは止まる。その結果、溶融した半田ボール２５の内部に発生した気泡やボイド１６が除去され、突起電極１３とバンプ部である半田ボール２５との界面の接合状態が良好となり且つその界面付近でのクラックなどの欠陥の発生が防がれている。

本発明の一実施形態であるＷＬＣＳＰ型のパッケージ構造を有する半導体装置１において、半導体基板２１の厚さ方向に、半導体基板２１と電極パット１２と突起電極１３とを連続して貫通する貫通孔部１７を設け、半導体装置１を平面的に見た場合に、半田ボール２５と貫通孔部１７の少なくとも一部とが重なるように、半田ボール２５を配することにより、半導体装置１のリフロー処理および基板への実装の際に、突起電極１３と半田ボール２５との界面付近に発生する気泡およびボイド１６を貫通孔部１７へ取り込むことができ、その界面での接合強度を良好にするとともに界面付近でのクラックなどの欠陥の発生を防止することができる。

は、本願発明のＷＬＣＳＰ型の半導体装置の構造を説明するための断面図である。 は、本願発明のＷＬＣＳＰ型の半導体装置の平面図である。 は、半導体基板の厚さ方向に、貫通孔部を設ける工程前の半導体装置の断面図である。 は、半導体基板の厚さ方向に、貫通孔部を設ける工程後の半導体装置の断面図である。 は、突起電極の上面上に半田ペーストが配置される工程後の半導体装置の断面図である。 は、突起電極の上面上に球形の半田ボールが形成される工程後の半導体装置の断面図である。 は、従来でのＷＬＣＳＰ型の半導体装置の構造を説明するための断面図である。

符号の説明

１ 本願発明の一実施形態のＷＬＣＳＰ型の半導体装置
１２ 電極パット
１３ 突起電極
１４ 保護層
１６ ボイド
１７ 貫通孔部
２１ 半導体基板（基板部）
２５ 半田ボール（バンプ部）
２５ａ 半田ペースト

Claims (12)

1. 基板部と、
   前記基板部の表面を被覆する保護層と、
   前記基板部上に前記保護層から露出して設けられ、前記基板部と電気的に接続された突起電極と、
   前記突起電極と電気的に接続されたバンプ部と、
   前記基板部及び前記突起電極を貫通する貫通孔部とを備え、
   前記バンプ部は、平面的に見た場合に、前記貫通孔部と少なくとも一部が重なるように配されており、
   前記基板部は、一方の表面に集積回路部を含むシリコン基板であり、
   前記バンプ部は、半田ボールであり、
   前記突起電極の表面が前記保護層の表面と面一であることを特徴とする半導体装置。
2. 前記基板部の一主面上に配線部が形成され、
   前記突起電極は、前記基板部の前記配線部上に設けられるとともに、前記配線部と電気的に接続され、
   前記貫通孔部は、前記基板部の厚さ方向に、前記基板部と前記突起電極と前記配線部とを連続して貫通することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記突起電極は、前記配線部と前記バンプ部との間に形成され、
   前記バンプ部は、前記突起電極を介して、前記配線部と電気的に接続されていることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
4. 前記配線部は、Ｃｕで形成されていることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の半導体装置。
5. 前記基板部と電気的に接続された電極パッドをさらに備え、
   前記基板部は、半導体チップであり、
   前記突起電極は、前記電極パッド上に形成され、
   前記貫通孔部は、さらに前記電極パッドを貫通し、
   前記貫通孔部上に前記バンプ部を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
6. 前記電極パッドは前記半導体チップ上に形成され、
   前記貫通孔部は、断面視において、前記半導体チップと前記電極パッドと前記突起電極とを貫通し、
   断面視において、前記貫通孔部上に前記バンプ部を有することを特徴とする請求項５に記載の半導体装置。
7. 断面視において、前記貫通孔部に前記バンプ部の一部が入り込んでいることを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の半導体装置。
8. 前記電極パッドは、Ｃｕで形成されていることを特徴とする請求項５〜請求項７のいずれかに記載の半導体装置。
9. 前記電極パッドは、前記半導体チップの一主面上に形成された配線部の一部であることを特徴とする請求項５〜請求項８のいずれかに記載の半導体装置。
10. 前記突起電極は、前記バンプ部と濡れ性が良好な材料で形成されていることを特徴とする請求項１〜請求項９のいずれかに記載の半導体装置。
11. 前記突起電極は、Ｃｕで形成されていることを特徴とする請求項１〜請求項１０のいずれかに記載の半導体装置。
12. 前記貫通孔部内において、前記バンプ部の一部によって挟まれたボイドを有することを特徴とする請求項１〜請求項１１のいずれかに記載の半導体装置。

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