JP5220004B2 - フリップチップ素子及びその製造方法 - Google Patents

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Description

この発明は、フリップチップ技術を用いてキャリア基板に実装された素子チップを備える素子及びその製造方法に関する。
上記素子に関し、特許文献１による素子封止が知られており、これによると、素子構造体を有する素子チップはバンプ接合によるフリップチップ技術を用いてキャリア基板に実装され、素子チップはキャリア基板の上方にある距離だけ離れて配置される。ここで、素子チップとキャリア基板の間にはフレームが配置され、このフレームは素子チップとキャリア基板の両表面に接して位置し、又は小さな空隙を残して素子構造体を内包する空洞を形成している。この空洞はシール材料、具体的には金属層の結合体により、外部からシールされている。
米国特許第６９８２３８０号明細書
本発明は、製造が容易かつ外界から確実にシールされた素子を様々な態様で明示する。
この課題は、請求項１に記載の特徴を備えた素子により達成される。発明の有利な構成はこの素子の製造方法、従属項として示される。
フリップチップ技術を用いて単層又は複層キャリア基板に実装された素子チップを備える電気素子が提案されている。素子チップと電気配線を有するキャリア基板との間の電気的及び機械的接合は、バンプにより実現される。キャリア基板と素子チップの間には、バンプの高さに適合された高さを有すると共に、素子チップの底面に確実に密着するように、平坦な、具体的には平坦にされた、例えば平面研磨された表面を有する支持フレームが配置される。
このような素子は、特に二つの利点により、公知である同様の封止素子と区別される。第一に、フレームの平坦面は、同じく平坦面を有してフレーム上に位置する素子チップとの積極的な密着を提供する。フレームと素子チップとの間隙は最小化又は完全に排除されているため、フレーム内部において素子チップの底面とキャリア基板の表面との間に囲まれる空間が良好に密閉される。この素子は、平坦でなく非線形的に歪んだキャリア基板としてのパネルにも適用することができる。
平坦面上に位置する素子を後にポリマーで封止する場合、この密閉の結果として、Ｈ２Ｏ、あるいはポリマー又はポリマー溶剤からのポリマー分解生成物の潜在的ガス放出は、空間（空洞）の内部ではなく主として外部に導かれる。従って、有機封止においてＪＥＤＥＣ２レベルが達成される。
本発明の意味では、バンプは電気伝導性の構造体であると解され、接合中にこれらのバンプにより「点型」の電気接点が生成され得る。具体的には以下のバンプがある：
・半田バンプ、例えば半田付け中にＵＢＭ（Under Bump Metallization）へと崩壊するＳＡＣ（Sn Ag Cu）半田バンプ。
・超音波効果を併用した機械力により基板に圧接され融合するスタッドバンプ。
スタッドバンプ自体は、特別に用意されたワイヤボンダ、又は電解を利用して作成される。スタッドバンプとして、Ａｕスタッドが現在のところ標準的となっている。
・スタッドバンプと等価である、表面に半田溜まりをもつ金属柱。
すなわち、このような金属柱には、使用できる金属の選択肢はより広くなる。例えば、Ｃｕからなる柱が使用可能である。
一方、フレームの高さはバンプの高さに適合される。このことは、素子チップを接合する場合にバンプが、引き続くリフローの場合に半田バンプが、ある程度だけ崩壊し又は変形可能であるために、素子チップの底面が素子チップの平坦面上に平坦に載るようにその高さを減少することを意味する。バンプと半田フレームの熱膨張係数が非常に良好に一致されるため、上述の結果として、バンプと支持フレームを用いることにより最小限の機械的張力のみが素子チップ上の対応するメタライゼーションに作用することになる。
平坦でない接合に起因する傾きは、支持フレームと素子チップの平坦面により防止される。このことは、素子構造体及び素子が機械的負荷に弱いときに、例えば後に素子を合成樹脂の被覆材料でコーティングする際に、特に有利である。提案された素子を用いれば、繊細な素子構造体を張力なく囲んで環境の影響からシールすることができ、更にその他の手段を用いて密閉して封止することもできる。
該素子チップは、望ましくは電気的及び機械的機能を相互に接続するＭＥＭＳ素子（micro-electro-mechanical system）であってもよい。微小電子機械的機能は、センサ、アクチュエータ、スイッチ、又は電子音響素子であってもよく、特に音波により動作する素子であってもよい。非常に小さな力でも十分にＭＥＭＳ素子の機能を乱し、又は特性を許容されない方向へと変化させてしまうため、これらの素子は通例小型化されている。しかし、本発明の方法を用いれば、原理上、保護されるべき素子構造体をその表面に有するいかなる電気素子を構成することもできる。
キャリア基板は集積電気配線を有している。このために、キャリア基板は望ましくは複層構造体を備え、対応する配線を実現するように構造化されたメタライゼーション層が機械的に安定な電気絶縁材料からなる個々の層上、層間、及び層下に設けられる。キャリア基板の表面に形成された金属接合面とキャリア基板の底面に配置された外部接点との電気的接続がもたらされるように、個々のメタライゼーション層は、望ましくは相互にオフセットするビア接続により接続されている。機械的に安定な材料として、低い吸水性、低いガス透過性、及び適合可能な熱膨張係数を有する高密度樹脂材料（例えばＬＣＰ（Liquid Crystal Polymer））、あるいはセラミック、特にＨＴＣＣ（High Temperature Co-fired Ceramic）又はＬＴＣＣ（Low Temperature Co-fired Ceramic）、等が適している。
キャリア基板の上面の接合メタライゼーション構造体、特にＵＢＭメタライゼーション構造体（Under Bump Metallization）は、半田付け又は接合される表面を有する。対応するメタライゼーション構造体は素子チップ上に設けられる。素子チップとキャリア基板を接合するバンプは、望ましくは、半田バンプ、スタッドバンプ、又は半田がコートされた金属、例えば半田がコートされた銅柱である。
素子に応じて、素子チップはセラミック、半導体、又は圧電性結晶などの他の結晶材料により形成される。
支持フレームは、望ましくは、キャリア基板上に作成され、具体的には樹脂材料又は金属から形成される。望ましくは、支持フレームを形成する材料の膨張係数は、バンプのそれに適合される。これにより、完成した素子は、繰り返し熱応力下においても、バンプ方向に更なる機械的応力を発生しないことが保証される。支持フレームは、キャリア基板焼結前にスクリーン印刷を用いるか、あるいはキャリア基板焼結後に又は焼結前後に分割して他の方法、例えば無電解又は電解工程を用いることにより、セラミックキャリア基板に応用することができる。
素子の種類に応じて、素子構造体は機械的な移動構造体であっても良く、あるいは音波により動作する素子の場合には、音波を生成し、反射し、又は電気信号に変換するメタライゼーション構造体であってもよい。
素子の更なるシールのため、素子チップの底面端部と支持フレームの結合領域はフィルムでシールされてもよい。このフィルムは、具体的には、重合が可能な熱可塑性樹脂（例えばＬＣＰ（Liquid Crystal Polymer）フィルム）、又は、望ましくは柔軟かつ低い弾性係数を示す、Ｂ状態のデュロプラスチック（"duroplastic"）である。そのようなフィルムは追加のカバー層のための土台として利用され、従って素子チップに作用する力（例えば熱サイクル）を吸収、緩衝、又は分散することができる。その上、それは引き続く工程、例えば遮蔽体の無電解又は電解積層の間、空間を保護する。フィルムは一つ以上の層を備えてもよく、同一の又は相違なるサブフィルムが相互に接合され又は重合されていてもよい。
一つの好適な形態では、支持フレームは基本的には、一般的に半田金属から作られたバンプ又はスタッドバンプの金属に適合された熱膨張係数を有する金属から作成される。このために、銅、ニッケル、銀、又は金が良く適しており、またこれらは簡単な構成により電解積層することができる。支持フレームは、相違する材料からなる複数の層から組み立てることもでき、この場合には全ての層について平均した熱膨張係数がバンプのそれと十分に適合される。
一つの形態では、素子チップの底面端部と支持フレームとの結合領域は、その結合部の金属密閉体を形成する金属層によりシールされる。したがって、金属層は素子チップと支持フレームとの少なくとも一部を終端させる。この金属層は、結合領域にのみ適用してもよいが、あるいは素子の比較的大部分に、素子チップの裏面、フレーム、又はキャリア基板の表面に対して適用することもできる。
金属層の下層には、溶融金属による処理のために後者を濡れさせることができる濡れ層として、金属の層を設けることが望ましい。これにより容易に金属密閉体を形成することができると同時に、金属層を濡れ層の上に選択的に積層することができるようになる。これは、例えば素子チップの裏面の素子電極との容量結合が阻害されないようにするために、金属層が結合領域に限定される必要がある場合に有利である。
ラミネートフィルムにより覆われ、すでに結合領域の一定のシールを有する素子チップは、背面メタライゼーション構造体を用いて補強することも可能である。ラミネートフィルムは一定のガス及び、特に水蒸気の透過性を有しているため、閉じた背面メタライゼーション構造体により、密閉され、電気的に遮蔽された素子が得られる。背面メタライゼーション構造体は、金属の支持フレーム及び又はキャリア基板の表面と直接に接合されることが望ましい。このために、背面メタライゼーション構造体を形成する前にラミネートフィルムを構造化すること、及びその少なくとも素子の周りに描かれるフレーム形状の領域を除去することが必要である。
背面メタライゼーション構造体は、二つのステップにより積層される。最初に薄いベースメタライゼーション構造体を薄膜法、又は核生成、例えば塩化パラジウム含有溶液、を利用した処理により作成する。次に、このベースメタライゼーション構造体は、無電解及び又は電解法により補強されることが可能である。好適な方法は、例えば、チタン層又はチタン／銅層のスパッタと、銅の電解による補強である。
例えば、レーザを用いて切除することにより、ラミネートフィルムを直接構造化することができる。また一方、フォトリソグラフィによりマスク層と共にラミネートフィルムを設け、ラミネートフィルムを溶剤により、又は例えば酸素含有プラズマを用いたドライエッチング法により分離されるべき領域を除去することもできるほか、直接に現像して構造化できるラミネートフィルムを利用することもできる。
支持フレームは、小型素子のスペーサとして、及びキャリア基板を用いて素子チップを支持するために十分な役割を果たす。より大型な、あるいは機械的に特に繊細かつ、例えば特に薄型の素子チップにおいて、二つの接点間の距離が大きいと素子チップの屈曲が生じ、またそのため、応力に誘発された素子機能への悪影響が生じ得る。それゆえ、素子チップとキャリア基板との間に、フレームと共に構造化され、素子チップの接点間距離を小さくするための追加の接点を創り、信頼性が高く応力が低い接合を可能とする追加の支持要素を設けることが望ましい。
これらの追加の支持要素は、支持フレーム内において、素子チップ上の素子構造体が設けられていない場所で支持することが望ましい。また一方、これらの追加の支持要素の支援により、素子チップの接合面とキャリア基板の接合面との間に追加の接合構造体を作成することもできる。その接合圧力は、支持要素と接合面との間に接合を生み出すために十分である。また一方では、支持要素と接合面とを、例えば熱圧縮法により、接合又は半田付けすることが望ましい。例えばＣｕからなる支持要素は、Ａｕ又はＣｕ／Ａｕ／Ｓｎ面に対して良好な接合特性を示す。支持要素を半田付けできるように、これらには薄い半田層が設けられても良い。
同じことは、電気的接続を伴って又は伴わずに素子チップ上の対応するメタライゼーション構造体と同様に接合され得るフレームにも適用できる。これは、機械的負荷に対する素子の安定性を増加させ、また接地バンプがフレームに代替されるため、バンプ数の減少による小型化の可能性を生み出す。
少なくとも結合領域内又は全表面上を、ラミネートフィルム、及び／又は金属密閉体、及び／又は背面メタライゼーション構造体により覆われた一つの素子に対して、機械的保護性を改善するために、もう一つのグロブトップカバーを積層することができる。このために、グロブトップ面が平坦化するように、十分な厚さを有し適度に変形可能なカバーフィルムを上部に重合することができる。重合の後、カバーフィルムのキャリア面上の全高は、素子チップの背面のキャリア基板上の高さよりも高くなる。この方法により作成されるカバーフィルム又はグロブトップカバーは、望ましくはその弾性係数、熱膨張係数、及びガラス転移温度に応じて、素子の半田付け及び熱サイクルの間に生じる機械的応力が最小化されるように選定され得る。
重合されたカバーフィルムの表面を、グラインディング法又はミリング法により更に平坦化し、又は所定の全高に調整することができる。
以下、素子の製造に適する方法を説明する。
開始点は、広い面領域を有するキャリア基板、特に、素子チップに対する実装場所を複数有するパネル又はキャリアウェハである。各実装場所は、少なくとも素子チップの電気的接続のための金属接合面を有する。このキャリアウェハには、始めに実装場所に対応する数のフレーム構造体が形成され、これは望ましくは少なくとも一つの実装場所に関連する複数の金属接合面が支持フレームで囲まれるように構造化される。また支持フレームと共に支持要素を作成することができる。
支持フレームと支持要素が共通のレジストマスクを用いて電解により作成される場合、それに続く支持フレームと支持要素の平坦化工程は、レジストマスクが再び除去される前に実施することができる。従って、実施されるプレシング、グラインディング、又はミリング法に対し、支持フレームと支持要素は機械的に固定されている。平坦化工程は、作成過程における許容差に起因するフレーム高さの違いだけでなく、キャリアウェハのトポロジーに起因するそれをも均一にする。
次のステップでは、素子チップ上にバンプが形成される。これは、望ましくは、スクリーン印刷法で半田ペーストを印刷することにより実施することができる。この方法によれば、原則的にバンプ高さは制御可能なＵＢＭの大きさと積層される半田ペーストの量とによって決まるため、バンプ高さを容易に調整することができる。
ただし、他のバンプを作成する方法も実施可能である。
バンプは、素子チップＢＣ上に形成されることが好ましい。既に述べた、フレーム構造体と同時に、同一の工程により、同一の材料からキャリア基板上に形成することのできる柱は、その例外である。その形成に際し、柱は、随意的にフレーム構造体も同様に、事前に半田層が設けられていても良く、その典型的な厚さは例えば柱の高さよりも薄く５μｍ程度である。
その後、素子チップはキャリア基板上に配置され、それに適当な方法でバンプにより接合される。半田バンプが用いられる場合には、リフロー法が適する。ここでは、半田バンプは崩壊して断面形状を変え、特に高さが減少する。その結果、素子チップは濡れたＵＢＭの粘着力により下方へ引き寄せられる。（崩壊した）バンプの高さは支持フレーム及び支持要素の高さに適合されるため、素子チップは支持フレーム及び支持要素に対して静止することになる。柱もまた半田付けされる。スタッドバンプに対しては、同様にバンプを変形させる熱圧縮法が利用され、その高さが減少させられる。
次のステップでは、素子は、素子チップと支持フレームとの間の結合領域がシールされ、薄いラミネートフィルムが重合されるか、金属密閉体が形成されるか、又はグロブトップを形成するための厚いカバーフィルムが直接に重合される。背面メタライゼーション構造体により薄いラミネートフィルムによるシールを補完することができ、また全てのシール方法は積層された厚いカバー層に組み合わせることができる。
金属密閉体の好適な形成は、浸漬法又は定在波による溶融金属を用いて実施される。ここで、金属の量又は厚さは、ガスノズルを介した空気又はＮ２により制御することができる（Hot Air Leveling）。所望の又は有利な濡れ層は、素子チップ、キャリアウェハ、及び支持フレームから選択した一つ以上の要素の対応する表面領域上に構造化した形状で積層することができ、又は素子チップをその配置に接合した後に広い表面領域上に積層することができる。ここで、表面の個々の領域を、保護フィルムにより、濡れ層のコーティングの対象から除外することができる。この保護フィルムは、例えばインクジェット法により、選択的に印刷することができる。
素子チップの外縁には濡れ層を選択的に設けることができる。これは、素子チップを単一の要素に分離する製造工程で実施することが望ましい。この分離は、素子構造体を有する素子ウェハの表面上に所定の分離線に沿う切り込みを初期的に形成する、いわゆるＤＢＧ法（Dicing Before Grinding）を用いて実施することができる。素子ウェハの表面は、（例えば分割から）保護するために、保護フィルムとして使用される接合テープで覆われる。切り込みが形成された後、個々の素子チップの側端部が露出し、このようにして濡れ層、例えばチタン／銅／金の層の接合体、を形成するためのメタライゼーション構造体が、例えばスパッタされ得る状態に至る。
その後、素子ウェハは、切り込みが完全に開くまで裏面から研磨され、これより素子チップもまた個々の要素に分割される。あるいは、（素子構造を保護するための）正面の研磨テープを除去する前に、素子チップの端部は濡れ層が選択的に設けられても良く、この場合、裏面にのみ焦電気的に励起された電荷を利用することにより、表面の帯電状態の影響を受けやすい活性化浴又はメタライゼーション浴内での濡れ層の積層が回避される。
焦電気的に生成される電荷による方法の利点は、ＤＢＧ工程（Dicing before Grinding）の後に、実装フィルムの粘着性の土台において正面を下方に向け、従って湿式化学工程からシールされた、バンプされたチップにも応用できることである。切断されただけのウェハにも、切断後にウェハが再実装される際に、上述の工程は同様に機能する。
キャリアウェハと素子チップの表面の濡れ層は、例えば、対応するマスク上で薄膜法を用いるか、又はスクリーン印刷を用いることにより、直接に積層することができる。
以下に、実施形態及び関連する図面を参照して本発明をより詳細に説明する。該図面は、本発明を説明する目的にのみ使用され、ゆえに概略図で描かれ、縮尺は忠実ではない。従って、該図面からは実寸法及び相対寸法の何れの情報をも導くことはできない。
キャリアウェハ上の支持フレーム及び支持構造体の作成を示す概略断面図である。 キャリアウェハ上の支持フレーム及び支持構造体の作成を示す概略断面図である。 キャリアウェハ上の支持フレーム及び支持構造体の作成を示す概略断面図である。 キャリアウェハ上の支持フレーム及び支持構造体の作成を示す概略断面図である。 キャリアウェハと、このウェハ上に積層された支持構造体とを示す上面図である。 バンプを応用した後のキャリアウェハを示す概略断面図である。 素子チップを接合した後のキャリアウェハを示す。 素子チップの端部及び支持構造体の相違なる相対的配置を示す概略断面図である。 素子チップの端部及び支持構造体の相違なる相対的配置を示す概略断面図である。 素子チップの端部及び支持構造体の相違なる相対的配置を示す概略断面図である。 素子チップの端部及び支持構造体の相違なる相対的配置を示す概略断面図である。 カバーフィルムでシールされた素子を示す。 ラミネートフィルム及びカバーフィルムでシールされた素子を示す。 ラミネートフィルム及び背面メタライゼーション構造体による素子の密閉シールに対応する二つの相違なる実施例を示す。 ラミネートフィルム及び背面メタライゼーション構造体による素子の密閉シールに対応する二つの相違なる実施例を示す。 金属密閉体の相違なる実施例を示す。 金属密閉体の相違なる実施例を示す。 金属密閉体の相違なる実施例を示す。 金属密閉体の相違なる実施例を示す。 金属密閉体の相違なる実施例を示す。 金属密閉体の相違なる実施例を示す。 支持フレームの作成に対応する工程流れ図を示す。 ラミネートの積層に対応する工程流れ図を示す。 ラミネートフィルム及び背面メタライゼーション構造体によるシールの形成に対応する工程流れ図を示す。
図１は、キャリア基板上に支持フレームＳＲ及び追加の支持要素ＳＥを形成するための複数の相違なる工程を、概略断面図により示している。開始点は、望ましくは複層構造体を有すると共に電気配線を統合するキャリアウェハ又はパネル、以下単にキャリアウェハＴＷと呼ぶ、である。（図示されない。）また、キャリアウェハＴＷの上面の接合面及び底面の外部接点も図示されない。
最初のステップでは、ＵＢＭ構造体を有し、ＨＴＣＣ又はＬＴＣＣから作成される場合には線形及び非線形的に変形したキャリアウェハＴＷが、ＵＢＭ位置に対して高い精度で寸法付けられる。次に、金属の成長層ＷＳが、例えば無電解法又はＰＶＤ法により、表面に積層される。この成長層ＷＳの上に、耐電解性のレジストが、例えばレーザリソグラフィにより積層され、支持フレームＳＲ及び支持要素ＳＥの所望の構造に応じて構造化される。変形していないキャリアウェハＴＷもマスクを用いて露光することができる。図１Ａは、電解レジストの構造化後の配置を示している。
次に、成長層ＷＳが露出した電解レジストの凹部に、例えば銅を積層して補強層ＶＳが形成される（図１Ｂ参照）。
図１Ｃは、全体的な平坦面が形成されるまで電解レジストＧＲの表面と補強層ＶＳとが除去される平坦化工程を実施した後の配置を示している。その後、電解レジストＧＲが除去され、下に残った成長層ＷＳがエッチングされる。図１Ｄは、この方法により作成された支持フレームＳＲ及び支持要素ＳＥの配置を示している。
図２は、キャリアウェハＴＷ上の支持フレームＳＲ及び支持要素ＳＥの実施可能な配置を、上面図により示している。個々の素子に対応して相違する実装場所ＥＰの間に、分離線ＴＬが破線により示されている。各支持フレームＳＲが後の素子接合のための金属接合面ＡＦＬを取り囲んでおり、また支持要素ＳＥが支持フレームＳＲと共に随意的に構造化されている。図形内の支持フレームＳＲの二次元形状は、望ましくは、少なくともこのフレーム上に配置されるべき素子チップが全周接合を形成できるように素子チップの寸法に従い、素子チップの端部が支持フレームＳＲの外縁部と共に面一な密閉を形成するか、又は素子チップと支持フレームＳＲとの何れかが外縁部を通り越して突出していても良い。
並行して形成される金属製の支持フレームＳＲ及び支持要素ＳＥもまた、インクジェット法で金属含有体を積層させることにより形成することができる。
バンプＢＵは、支持フレームＳＲ又は支持要素ＳＥと並行してキャリアウェハＴＷ上に金属柱として形成することができる。しかし、半田バンプ又はスタッドバンプの場合には、上述のように、それらを向かい側のウェハベース上の素子チップＢＣ上に形成することもできる。これは、特に半田ペーストを印刷することにより実現できる。少数のバンプに対しては、スタッドバンプの利用が望ましく、経済的である。図３は、ここではキャリアウェハＴＷ上に印刷されたバンプ前駆体の配置を示している。それらは、素子チップＢＣがその上端部の上に配置され半田付けされるように、支持フレーム及び随意的に存在する支持要素ＳＥの高さを通り越して突出している。図４は、半田付けの後の素子チップを示している。
半田は、キャリアウェハＴＷのＣｕ柱か、あるいは素子チップＢＣのＳＡＣバンプに存在する。サーモソニック法により、Ａｕからなるスタッドバンプは半田を用いずに接合される。ＳＡＣバンプの場合には、バンプはキャリアウェハＴＷ上のＵＢＭ表面の濡れを介した半田付けの間に崩壊し、素子チップＢＣは支持フレームＳＲ及び支持要素ＳＥの上に載置される。
バンプＢＵの体積及び高さは、バンプＢＵの崩壊又は変形に関して、スペーサとしての役割を果たす支持フレームＳＲ及び支持要素ＳＥが無くても、対応する高さが支持要素ＳＥの高さに等しくなるか又はやや低く位置するように、その素子チップＢＣ上への形成の間に寸法付けられる。これは、バンプにより形成される接合部が、素子チップＢＣが歪んだ形態で作用して素子機能に悪影響を及ぼす張力の影響を、概して受けないことを保証する。崩壊しないバンプに対しては、素子チップＢＣは、接合の前に支持フレームＳＲ上に載置することができる。
図５は、概略断面図により、素子チップＢＣを支持フレームＳＲ上に載置する方法に対する複数の相違なる実施例を示している。図５Ａによると、素子チップＢＣの端部は支持フレームＳＲの中央に配置することができる。支持フレームＳＲの位置調整及び支持フレームＳＲ上の素子チップＢＣの位置調整の双方に対する許容差として、支持フレームＳＲのほぼ全幅が残されている。
図５Ｂは、支持フレームＳＲが後の素子端部を表す分離線ＴＬまで達している変形例を示している。この構造体は支持フレームＳＲに案内された切断による素子の分離を必要とし、支持フレームＳＲの切断の境界に沿って金属面の周状の剥離部が並行して形成されている。
図５Ｃは、端部が支持フレームＳＲを通り越して突出した素子チップＢＣを示している。図５Ｄは、支持フレームＳＲの外縁部と素子チップの外縁部が面一に終端した、限定的な場合を示している。ただし、これは理想的な場合であり、実際に維持されるべき許容差のために定められたものでも維持されたものでもない。一般に、最小素子体積又は最小素子面積となる配置が選択される。図５Ａ及び図５Ｂによる構成は、素子構造体に固定されない素子チップＢＣの底面において小さな接触面積しか利用できないときに好ましい。図５Ｃ及び図５Ｄによる構成は、実装場所のベース面に対して最適化されている。
図６は、素子チップＢＣと支持フレームＳＲとの結合領域で素子をシールする実施例を示している。図６に示されたように、これはカバーフィルムＡＦを適用することにより実現できる。これは比較的厚く、熱により変形し硬化するように、Ｂ状態のポリマーから構成される。重合の際、カバーフィルムＡＦは、カバーフィルムＡＦ及びキャリアウェハＴＷ間、又は支持構造体ＳＲ及び素子チップＢＣ間の重合において空間を残すことなく形状に厳密に従うように、例えば加熱と加圧とにより表面に積層される。同時に、平坦化された表面が維持される。素子チップＢＣの上方に重合されたカバーフィルムＡＦの全高により、素子チップＢＣもまた、支持構造体に対する結合領域と同様に、カバーフィルムＡＦに覆われることが保証される。
この方法の一変形例では、特に柔軟な熱可塑性樹脂材料からなるラミネートフィルムＬＦがカバーフィルムＡＦの下に積層される。その薄いフィルムは、比較的厚いカバーフィルムＡＦよりも、低い接触圧力で容易に重合され得る。弾性係数が低い結果として、ある程度の緩衝剤の役割を果たし、外来する力を良好に吸収し、分散することができるため、素子チップＢＣ自体が、半田付けの間、熱サイクルの間、又は（モールド封止により設けられ）再モールドされたモジュールにおける第二レベル内の第一レベルで、素子チップＢＣに作用する力に対して最適に保護される。ラミネートフィルムＬＦとカバーフィルムＡＦとは、別のステップ、又は同一のステップにおいて重合することができる。図７は、この方法によりシールされた素子を、概略断面図で示している。
図８は、シールのもう一つの実施例を示しており、最初のステップでは、ラミネートフィルムＬＦが図７による構成と同様に積層されている。積層の後、少なくとも支持構造体と素子チップＢＣとの結合領域はラミネートフィルムＬＦにより覆われたままで、ラミネートフィルムＬＦを構造化することができる。構造化により、下に存在する固体材料、具体的にはフレーム構造体及び／又はキャリアウェハＴＷの表面の一部の、周状のシール端部の領域を露出することができる。次のステップでは、ラミネートフィルムＬＦの上方に背面メタライゼーション構造体ＲＭが、例えば図１に示されたサポートフレームＳＲと同様に、薄膜法で形成され、後に電解を利用して補強されるベースメタライゼーション構造体による２ステップ法で形成される。ベース層は、例えばチタンを含有する。電解補強材は、銅を含有しても良い。
図８Ａは、ラミネートフィルムＬＦと背面メタライゼーション層ＲＭの構造化の構成を示し、ラミネートフィルムＬＦ及び背面メタライゼーション構造体ＲＭの端部は、ともに支持フレームＳＲの表面で終端している。図８Ｂはその変形例を示し、ラミネートフィルムは、支持フレームが背面メタライゼーション構造体ＲＭに接合されるように、支持フレームのいまでは露出している表面上のフレーム形状のシール領域を除去されている。
全ての場合において、背面メタライゼーション構造体ＲＭと支持フレームＳＲの間には、金属同士の結合により、特に湿気の拡散に対して、とりわけ堅固な結合が形成される。張力無しに配置された背面メタライゼーション構造体ＲＭにより、素子全体の機械的な安定性は増加している。このことは、素子が後に、更なる実装と封止のために、いわゆるトランスファー成形工程により樹脂材料で包まれるときに有利である。さらに、背面メタライゼーション構造体ＲＭは、素子の電磁的遮蔽のために用いられる。
図９は、結合領域を金属密閉体ＭＶにより密閉する方法に対応する相違なる実施例を示している。このために、適合する濡れ層ＢＳが、少なくとも支持フレームＳＲと素子チップの端部の領域との結合領域に配置されている。これは、素子チップＢＣの半田付けの後に積層され、例えばスパッタ又は真空蒸着される。また、濡れ層ＢＳは、素子チップＢＣの配置前に、素子チップ自体及び支持フレームＳＲの表面の双方に積層することもできる。濡れ層ＢＳはまた、キャリアウェハＴＷの表面に設けられてもよい。図９Ａは、金属密閉体ＭＶの構成例を、概略断面図により示している。濡れ層ＢＳは、少なくとも素子チップＢＣの表面の部品上、その端部、及び支持フレームＳＲの表面に設けられている。濡れ層ＢＳ上には溶融金属が積層され、冷却が可能とされ、金属結合ＭＶは濡れ層ＢＳが存在する場所において素子と接合する。図９Ａに示された構成は、濡れ層ＢＳが素子チップＢＣ及びキャリアウェハＴＷと、広い面積で接合することを除外するものではない。支持フレームＳＲは濡れ層ＢＳにより完全に覆われていても良い。
図９Ｂは、素子チップの端部が支持フレームＳＲを通り越して突出した配置を示している。従って、濡れ層ＢＳは突出した素子チップの底面、支持フレームＳＲの外側、及びキャリアウェハＴＷの突出した素子チップの端部に対する下側の表面領域にのみ必要とされる。この構成では、濡れ層ＢＳは、随意的に構造化された素子チップＢＣを半田付けする前に、キャリアウェハＴＷ及び素子チップＢＣの底面の双方に形成されることが望ましい。
図９Ｃは、類似する構成を示しているが、濡れ層ＢＳは素子チップＢＣの突出した領域の底面と支持フレームＳＲ表面（の全体）にのみ積層されている。この最小化された実施例により、結合領域もまた最適にシールされる。
図９Ｄは、素子チップＢＣの端部が支持フレームＳＲの外縁部と面一に、又は略面一に終端した構成を示している。したがって、双方の外縁部には濡れ層ＢＳが設けられており、その上に金属密閉体が上述の方法の何れかにより積層されている。
金属密閉体ＭＶを用いてシールするために、適用されるべき溶融金属は、バンプ接続よりも低い融点を持つように選択される。この方法により、金属密閉体の形成に際しバンプの溶融が防止される。フレームＳＲ、素子チップＢＣ、及び／又はキャリアウェハＴＷ上に位置する濡れ層ＢＳの対応する選択により、後の素子の半田付けにおいて金属密閉体の再溶融時に流動性を示さないような、より高い融点を有する合金が得られる。このために、例えば、Ｔｉ／Ｃｕ／Ａｕ濡れ層に接合され、該合金を構成するスズを含有した金属密閉体が適する。加えて、例えば図９に示された、全ての金属密閉体ＭＶに対する実施例は、金属密閉体ＭＶの上方に積層された追加のニッケル層により覆われても良い。これは、半田付けの際に金属密閉体ＭＶの部分的な溶融を防止し、さらに素子を機械的に安定させる。このニッケル層はまた、レーザマーキング工程におけるコントラスト層として適し、簡単な方法であるという利点を有する。
図９Ｅは、もう一つの製造方法の変形例を示し、半田付けの際に素子チップＢＣとフレーム構造体ＳＲとの間に小さな間隙が残されるようにバンプ高さが寸法付けられる。フレーム構造体の領域において、周状のフレーム形状の濡れ層が素子チップの底面に積層される。もう一つの濡れ層ＢＳはフレーム構造体ＳＲの表面に配置され、例えばその平坦化の後に、例えば無電解法により典型的には厚さ０．１μｍのＡｕ層として積層される。素子チップＢＣの半田付け後に残った間隙は、金属密閉体ＭＶで埋めることができる。空隙の細長い窪みは、流動金属が素子チップの下にある空間へ浸入することを防止する。
図９Ｆは、もう一つの製造方法の変形例を示し、キャリアウェハＴＷ状の支持フレームＳＲに加えて、周状のフレーム構造体ＲＳが素子チップＢＣ状に積層される。これは、基本的には支持フレームＳＲよりも微細に構造化され、例えば典型的には５μｍの幅及び高さを有することができる。これは、同一の材料から作成することができ、少なくとも部分的に半田濡れさせることができる。キャリアウェハＴＷ状の支持フレームＳＲは典型的に５０μｍの高さと幅を有する。両フレームは相互に半田付けされ得る。結合部は、接合の間に支持フレームＳＲとフレーム構造体ＲＳとの間に形成され、金属密閉体ＭＶを設けられる。この構成の利点は、比較的幅が広い支持フレームが素子チップＢＣに取り付けられたときに比べて、素子チップＢＣ上のフレーム構造体ＲＳの幅が小さいため、利用できるチップ表面が大きく残されていることである。
図１０は、図１を参照して説明されたキャリアウェハＴＷ上のフレーム構造体ＳＲの作成に対する工程流れ図を示す。ステップ１では、キャリアウェハの表面全体に成長層がスパッタされる。ステップ２では、フォトレジストが重合される。ステップ３では、フォトレジストが露光される。ポジ型フォトレジストを利用する場合には、重合されたフォトレジストの表面領域は、後にメタライゼーション構造体（支持フレーム及び支持要素）が形成されるべき場所を露光される。ステップ４では、レジストが現像され、所望のレジスト構造が形成される。次のステップでは、成長層が、銅の所望の層厚までの電解積層により補強される。ステップ６では、成長した金属層が、金属層の上方へ突出した電解レジストマスクと共に、ミリング法により平坦化される。このために、例えば、研磨されるべき表面上をダイヤモンドが回転する、いわゆるフライカッティング法が利用されても良い。この研磨は、フレーム構造体ＳＲの与えられた高さまで実施される。この状態で、キャリアウェハＴＷ又は支持フレームＳＲは、無電解法により、典型的には０．１μｍのＡｕからなる濡れ層ＢＳを設けられる。この方法は、例えば成長層をエッチングするステップ８で、平坦化された補強層の表面がエッチングされることを防止する。
次なるステップ７ではレジストが除去され、ステップ８では成長層に残され露光された領域がエッチングされる。これで、支持フレームＳＲ及び支持要素ＳＥを設けられたキャリアウェハＴＷは、フリップチップ工程の実施が完了する。
図１１は、ラミネーションによるシールに対応する流れ図を示している。ステップＡでは、素子チップＢＣがキャリアウェハＴＷの該当する実装場所に接合される。ステップＢでは、リフロー半田付け工程が実施される。続くステップＣではラミネーション工程が実施される。ここでは二つのフィルムが、一方を他方の上に配置されて、接合された素子チップの背面の全体に重合される。下側の層は比較的薄く、熱可塑性で、柔軟であり、一方の上側の層は、充填材で比較的高密に充填された硬化可能な層である。このラミネーション工程において、比較的柔軟であるがラミネートフィルムよりも硬い第三のフィルムを中間に重合してもよい。ステップＤでは、キャリアウェハＴＷ、素子チップＢＣ、及びラミネートフィルムＬＦからなる複合体が、最小化された全高を得るために、上面からの研磨工程に従属される。その後、ステップＦにおいて、例えば切断工程により、素子は個々の要素に分離される。この基本的な製造手順に加えて、他の随意的なステップが加えられても良い。例えば、ステップＢ及びＣの間に、酸素及び水素含有プラズマによる洗浄工程が実施されても良い。ステップＤ及びＦの間に、素子が試験され、随意的にマーキングされても良い。
図１２は、背面メタライゼーション構造体ＲＭの形成に対する工程流れ図を示している。素子は、最初にフリップチップ工程（ａ）にてキャリア表面に接合され、次にステップ（ｂ）のリフロー半田付け工程にて半田付けされる。続くステップのラミネーション工程（ｃ）では、薄くて柔軟なラミネートフィルムが素子チップＢＣ及びキャリアウェハＴＷの全面に重合される。その後、ステップ（ｄ）では、例えばレーザアブレーションあるいはカッティングにより、フィルムが少なくともフレーム形状の部分領域を再び除去される。
続くステップ（ｅ）は、酸素及び／又は水素含有プラズマによるプラズマ洗浄工程である。随意的に実施されるステップ（ｆ）では、素子が真空中にて乾燥される。次のステップ（ｇ）ではチタン／銅混合体のスパッタによるベースメタライゼーション構造体の形成が実施され、それは次のステップ（ｈ）で銅及び後にニッケルの電解積層により補強される。ここでキャリアウェハＴＷ上に実現された素子が完成し、それは随意的にステップ（ｉ）でのレーザマスキング及び素子特性の電気的試験の実施を受け、カッティングによる分離工程に移行する。
特に図６による方法、及び開示された他の封止方法は、「ベアダイ」から直接モジュール上に素子を作成するために用いることができる。このために、既知の優良なダイ、すなわち既に寸法付けられ、優良と認められたダイ、が、対応するフレーム、空間、及び随意的に柱構造体を有するモジュール基板上に直接に接合され、ＳＭＤ技術又はワイヤーボンディング技術によりモジュール上に実装された素子と共に図６に従って再封止されるか、又は類似の化合物からなるグロブトップを重合される。全ての場合において、環境からの影響及び特に水分から強固にシールされ、外形について最小化された素子又はモジュールが得られ、それは本発明にかかる方法により従来に比して容易に製造することができる。その素子は、同等の又はより小型の形状としながら、向上された機械的安定性を有するとともに、向上された成型性と熱サイクル耐性を示す。
本発明の技術的範囲は、実施の形態及び図に示された実施例に限定されず、請求項の記載によってのみ決められるものとする。従って、相互にシールする個々の実施例の組み合わせ、又はシール方法の変形も、本発明の範囲に含まれる。素子は、支持要素の有無に関わらず任意の数の支持フレームを有する何れの形態によって実現しても良い。一つのキャリアウェハ上に複数の相違する素子チップを実装しても良く、複数の相違する素子チップを供える複数の同一の素子へ分離し、あるいは複数の相違する素子へ分離しても良い。
ＴＳ キャリア基板
ＴＷ キャリアウェハ
ＥＰ 実装場所
ＡＦＬ 金属接合面
ＴＬ 実装場所の分離線
ＳＲ 支持フレーム
ＧＲ 電解レジスト
ＷＳ 成長層
ＶＳ ＷＳに対する補強層
ＳＥ 支持要素
ＢＣ 素子チップ
ＢＳ 素子構造体
ＡＫ 外部接点
ＢＵ バンプ
ＬＦ ラミネートフィルム
ＲＭ 背面メタライゼーション構造体
ＤＳ 薄いフィルム
ＡＦ カバーフィルム
ＢＳ 濡れ層
ＭＶ 金属密閉体
ＲＳ フレーム構造体

Claims (22)

  1. 電気配線を有する単層又は複層のキャリア基板（ＴＳ）と、
    バンプ（ＢＵ）を利用したフリップチップ技術により前記キャリア基板（ＴＳ）に実装され、前記配線と電気的に接続され、その前記キャリア基板（ＴＳ）と対向する表面に素子構造体（ＢＥＳ）を有する素子チップ（ＢＣ）と、
    前記キャリア基板と前記素子チップとの間に配置され、その高さが前記バンプ（ＢＵ）に適合され、平坦な又は平坦化された面を有し、前記素子チップ（ＢＣ）の底面と密着し、金属を含む支持フレーム（ＳＲ）と、
    前記素子チップ（ＢＣ）の底面端部と前記支持フレーム（ＳＲ）との間の、フィルムでシールされた結合領域と、
    を備えることを特徴とする電気素子。
  2. 少なくとも前記素子チップ（ＢＣ）の底面端部と前記支持フレーム（ＳＲ）との間の前記結合領域は金属層でシールされていることを特徴とする請求項１に記載の素子。
  3. 前記金属層は前記支持フレーム（ＳＲ）の金属を終端させることを特徴とする請求項１又は２に記載の素子。
  4. 前記金属層は前記素子チップ（ＢＣ）を終端させることを特徴とする請求項３に記載の素子。
  5. 前記素子チップ（ＢＣ）の前記素子構造体（ＢＥＳ）の反対側の背面は、前記支持フレームを終端させるラミネートフィルム（ＬＦ）で覆われていることを特徴とする請求項１ないし４の何れか１項に記載の素子。
  6. 前記ラミネートフィルム（ＬＦ）上に配置された背面メタライゼーション構造体（ＲＭ）を更に備えることを特徴とする請求項５に記載の素子。
  7. 前記支持フレームと高さが適合する支持要素と、前記支持フレーム内の前記素子チップ及びキャリア基板の間に配置された材料と、を更に備えることを特徴とする請求項１ないし６の何れか１項に記載の素子。
  8. 前記金属層上又は前記ラミネートフィルム上に配置され、表面を平坦化された樹脂カバーを更に備えることを特徴とする請求項１ないし７の何れか１項に記載の素子。
  9. 素子チップ（ＢＣ）に対する複数の実装場所（ＥＰ）を有し、素子チップ（ＢＣ）の電気的接続のための金属接合面（ＡＦ）が各実装場所に設けられたキャリア基板（ＴＳ）を用意する工程と、
    各実装場所を囲むフレーム構造体（ＲＳ）を形成する工程と、
    前記フレーム構造体（ＲＳ）を機械的方法により平坦化する工程と、
    前記接合面（ＡＦ）上又は前記素子チップ（ＢＣ）上にバンプ（ＢＵ）を形成する工程と、
    前記素子チップ（ＢＣ）を前記バンプ（ＢＵ）を利用したフリップチップ処理により接合し、前記バンプ（ＢＵ）は前記素子チップが対応する支持フレーム（ＳＲ）上に載置されるように崩壊又は変形する工程であって、前記フレーム構造体（ＲＳ）は平坦化後の前記支持フレーム（ＳＲ）の高さが接合後の変形又は崩壊した前記バンプ（ＢＵ）の高さに一致するように平坦化されている工程と、
    前記素子チップ（ＢＣ）の底面端部と前記支持フレーム（ＳＲ）との間の結合領域をシール材で覆う工程と、
    を有することを特徴とする素子の製造方法。
  10. 前記フレーム構造体を形成する工程は前記支持フレーム（ＳＲ）が前記キャリア基板（ＴＳ）上にリソグラフィにより形成されるように電解レジスト（ＧＲ）からなる成形マスクを設ける工程から構成され、前記キャリア基板の全表面に積層された金属成長層（ＷＳ）は電解を利用して補強されることを特徴とする請求項９に記載の方法。
  11. 前記結合領域を覆う工程は、前記シール材が前記素子チップ（ＢＣ）の背面上及び前記支持フレーム（ＳＲ）上を覆うように、前記シール材として熱可塑性樹脂から構成されるラミネートフィルム（ＬＦ）を全構成上にラミネートする工程から構成されることを特徴とする請求項９又は１０に記載の方法。
  12. 前記ラミネートする工程の後に、前記ラミネートフィルム（ＬＦ）を各素子チップ（ＢＣ）に対してフレーム形状の領域及び前記支持フレーム（ＳＲ）が露出させられる領域を除去する工程と、その後に金属層を全表面に積層する工程とを更に有することを特徴とする請求項１１に記載の方法。
  13. 前記結合領域の少なくとも前記素子チップ（ＢＣ）の端部と前記支持フレーム（ＳＲ）とに濡れ層を形成する工程と、前記結合領域をシールする金属層がそこに形成されるように溶融金属を前記濡れ層に到達させる工程とを更に有することを特徴とする請求項９又は１０に記載の方法。
  14. 前記濡れ層（ＢＳ）を形成する工程はＴｉ／Ｃｕ／Ａｕ配列層を積層する工程から構成されることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
  15. 前記溶融金属はディップ法で積層されるか又は定在波で積層されることを特徴とする請求項１３又は１４に記載の方法。
  16. 前記金属はプラズマスプレー法で積層されることを特徴とする請求項１３又は１４に記載の方法。
  17. 前記素子チップ（ＢＣ）の背面は、背面に積層された樹脂層の援助により、前記溶融金属によるコーティングから保護されていることを特徴とする請求項１３ないし１６の何れか１項に記載の方法。
  18. 前記溶融金属と前記濡れ層（ＢＣ）とは前溶融金属の融点よりも高い融点を示す合金を形成することを特徴とする請求項１３ないし１７の何れか１項に記載の方法。
  19. 前記素子にカバーフィルムをラミネートする工程を更に有し、前記カバーフィルムのキャリア基板（ＴＳ）上の全高は前記素子チップ（ＢＣ）の背面の高さよりも高く設定され、前記ラミネートされたカバーフィルムは平坦化されることを特徴とする請求項９ないし１８の何れか１項に記載の方法。
  20. 前記カバーフィルム（ＡＦ）をラミネートする工程は、ラミネートした後に熱で硬化するＢ状態の樹脂材料から構成された熱で変形可能なカバーフィルムを利用するか、又は熱可塑性樹脂材料から構成されたカバーフィルムを利用する工程から構成されることを特徴とする請求項１９に記載の方法。
  21. 支持要素を前記支持フレーム（ＳＲ）と並行して共通の工程で形成する工程を更に有し、前記支持要素（ＳＥ）は前記支持フレーム内に位置して前記支持フレームと同一の高さを有し、前記支持要素は前記素子チップ（ＢＣ）が素子構造体（ＢＥＳ）に固定されない面領域を有して前記支持要素上に載置するように配置されることを特徴とする請求項９ないし２０の何れか１項に記載の方法。
  22. 支持要素を前記支持フレーム（ＳＲ）と並行して共通の工程で形成する工程を更に有し、前記支持要素（ＳＥ）は前記支持フレーム内に位置して前記支持フレームと同一の高さを有し、前記素子チップ（ＢＣ）の接合の後に、前記支持要素の一部により、前記素子構造体と前記金属接合面との間の電気的接続が前記キャリア基板上に形成されることを特徴とする請求項９ないし２１の何れか１項に記載の方法。
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