JP6223084B2 - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置およびその製造方法に関し、特にシールド構造を備えた半導体装置およびその製造方法に関する。

従来から、外来ノイズの影響を受けやすい環境で使用される半導体装置では、シールド構造を備えることで、電磁波ノイズを遮断していた。例えば、樹脂封止された半導体装置では、封止樹脂の外側表面に導体で覆ったり（特許文献１）、メッシュ状金属板を封止樹脂内に備える（特許文献２）方法が提案されている。

一方、表面弾性波（ＳＡＷ）フィルタやＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）素子など半導体素子表面でメカニカルな動作が必要な半導体装置では、金属製のシールドケースが用いられている（例えば特許文献３）。

特開昭６４−３９１００号公報 特開平０７−３２１２５４号公報 特開２００８−１９９３５３号公報

従来のシールド構造を備えた半導体装置では、シールドのための部材が必要であったり、それらの部材を半導体装置内に組み込むため、大量の半導体装置を製造するには不向きな構造であった。本発明は、シールド構造を備えた半導体装置を一度に大量に形成することができる半導体装置およびその製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本願請求項１に係る発明は、半導体素子表面に形成された電極から金属ワイヤにより電気的な接続が形成され、樹脂封止されている半導体装置において、前記半導体素子および前記金属ワイヤ上に配置された樹脂フィルム層と、該樹脂フィルム層上に配置され、前記半導体素子が実装された実装基板のいずれかの電極に接続された金属層と、該金属層上に配置された封止樹脂層とを備え、前記金属ワイヤの一部は、前記樹脂フィルム層および前記金属層で周囲が取り囲まれていることを特徴とする。

本願請求項２に係る発明は、半導体素子表面に形成された電極から金属ワイヤによって電気的な接続が形成され、樹脂封止されている半導体装置の製造方法において、実装基板上に複数の半導体素子を実装し、該半導体素子表面に形成された電極から金属ワイヤにより電気的な接続を形成する工程と、前記半導体素子上に配置され、隣接する半導体素子間の前記実装基板表面に密着するように、樹脂フィルム層で前記実装基板表面を被覆する工程と、前記樹脂フィルム層を硬化させる工程と、前記樹脂フィルム層の一部を除去し、前記実装基板上の電極の一部を露出させる工程と、前記樹脂フィルム層上に、前記露出させた実装基板上の電極と接続する金属層を形成する工程と、前記金属層上に封止樹脂を積層形成し、硬化させる工程と、個々の半導体装置に個片化する工程と、を備え、前記樹脂フィルム層で前記実装基板表面を被覆する工程は、前記半導体素子表面に気体が残るように前記樹脂フィルム層で被覆し、前記半導体素子表面に残る気体の体積を減少させることで、前記樹脂フィルム層が前記金属ワイヤの少なくとも一部の外周を取り囲んだ状態とする工程を含むことを特徴とする。

本発明により製造される半導体装置は、半導体装置内部に一体となったシールド構造を備える構造となっているため、半導体装置に追加のシールド用部材を取り付ける必要がなく、製造コストを抑制することが可能となる。

また本発明の半導体装置は、金属ワイヤによって接続された半導体素子の表面に中空構造を備える構造となっているため、半導体素子表面にバンプ電極を形成する必要がなく、半導体装置の製造コストを抑えながら、中空構造とシールド構造を形成することができる。

さらにまた本発明の半導体装置は、金属ワイヤの周囲を取り囲むように構成したシールド構造となっているので、金属ワイヤのシールド効果が高く、高周波信号を扱う半導体装置や、外来ノイズの影響を受けやすい環境で使用される半導体装置のシールド構造として好適である。

さらにまた本発明の半導体装置は、金属ワイヤの径と樹脂フィルム層の厚さを適宜設定することで、例えばインピーダンスを５０Ωに整合するように構成することが可能となり、高周波損失の少ない金属ワイヤ接合が可能となる。

さらにまた本発明の半導体装置は、シールド構造を構成する金属膜が、半導体素子表面側に配置しているため、金属膜が熱の遮断あるいは放熱の機能を発揮し、高耐熱の半導体装置とすることが可能となる。

さらにまた本発明の半導体装置は、シールド構造を構成する金属膜が、水分侵入のバリアとなり、高耐湿の半導体装置とすることが可能となる。

また本発明の半導体装置の製造方法は、複数の半導体素子が実装された実装基板上に、シールド構造を形成することができるため、製造コストを大幅に低減することができるという利点がある。

また、本発明の半導体装置の製造方法は、中空構造を形成する際、通常の半導体装置の製造工程に、減圧のための密閉容器を用意するだけでよいため、通常の半導体装置の製造方法同様、歩留まり良く製造することができるという利点がある。また金属ワイヤの周囲を取り囲む構造のシール構造を形成する際も、同様に通常の半導体装置の製造工程に、加圧のための密閉容器を用意するだけでよいため、通常の半導体装置の製造方法同様、歩留まり良く製造することができるという利点がある。

本発明の参考例の半導体装置の製造方法を説明する図である。 本発明の参考例の半導体装置の製造方法を説明する図である。 本発明の実施例の半導体装置の製造方法を説明する図である。 本発明の実施例の半導体装置の製造方法を説明する図である。

本発明の半導体装置は、樹脂フィルム層で半導体素子を被覆し、その後樹脂フィルム層上に金属膜と封止樹脂を順に形成することにより、樹脂フィルム層と封止樹脂との間に金属膜が積層したシールド構造を備える構造となっている。また、樹脂フィルム層で半導体素子を被覆する際、樹脂フィルム層と半導体素子表面との間に気体を残したままとしておき、その後、気体を残した状態で金属膜を形成し、封止樹脂を硬化させることで、中空構造を備えた半導体装置としたり、気体を除去あるいは体積を減少させることで、金属ワイヤの周囲を取り囲んだシールド構造を形成することができる。以下、本発明の実施例について詳細に説明する。

参考例

まず、中空構造を備えた半導体装置について、製造工程に従い説明する。所定の配線パターン（図示せず）が形成された実装基板１上に、半導体素子２を実装する。半導体素子２と実装基板１上の配線パターンは、金属ワイヤ３によって接続されている。ここで、メカニカルな動作が必要な半導体素子表面は、上面側に向けて配置している（図１ａ）。なお、金属ワイヤ３を半導体素子２の周囲四方向に配置したり、金属ワイヤ３の数を増やしたり、あるいは金属ワイヤ３間の間隔を狭くすると、半導体素子２表面に空気が残りやすくなる。

半導体素子２を樹脂フィルム層４で覆うため、樹脂フィルム貼り付け用下型５と樹脂フィルム貼り付け用上型６との間に、半導体素子２を実装した実装基板１と樹脂フィルム層４を配置する（図１ｂ）。樹脂フィルム貼り付け用下型５および樹脂フィルム貼り付け用上型６には、それぞれ貫通孔７が形成されている。樹脂フィルム層４は、例えば、２５℃における弾性率が５８０Ｍｐａ程度の柔らかさで、伸びる材料を使用する。

樹脂フィルム貼り付け用下型５と樹脂フィルム貼り付け用上型６とを接合させ、樹脂フィルム層４と半導体素子２との間に残る空気を樹脂フィルム貼り付け用下型５に形成された貫通孔７を通して排出することで、樹脂フィルム層４と実装基板１とを密着させる（図１ｃ）。ここで、樹脂フィルム層４と半導体素子２との間には空気８が残り、金属ワイヤ３を押しつぶしたり、半導体素子２表面の電極と金属ワイヤ３の接合が破断することがないように、吸引時間、吸引圧力、温度を調整する。通常は、樹脂フィルム貼り付け用下型５の貫通孔７から吸引を開始すると樹脂フィルム層４が実装基板１と密着するので樹脂フィルム層４と実装基板１が密着し半導体素子２表面に空気８が残った状態で、吸引を停止すればよい。また、樹脂フィルム貼り付け用上型６に形成された貫通孔７から、樹脂フィルム貼り付け用上型６と樹脂フィルム層４との間の空気を吸引すると、樹脂フィルム層４と半導体素子２表面との間に残る空気８が、半導体素子２表面付近に集まるとともに、樹脂フィルム層４と実装基板１とが密着する。

図２（ａ）は、樹脂フィルム層４と半導体素子２表面との間に残る空気８を膨張させ、樹脂フィルム層４を熱硬化させた状態を示す。半導体素子２表面には、中空構造が形成されている。中空構造の形成は、例えば実装基板１を減圧容器に入れ、減圧容器内を減圧することで、空気８が膨張する。なお樹脂フィルム層４は、柔らかく伸びる素材であるので空気８が膨張する。なお、放置しておくと樹脂フィルム層４は吸湿して硬化不良を起こすので、樹脂フィルム層４を硬化させておくのが好ましい。

次に、樹脂フィルム層４表面の一部をレーザーやエッチング工法などで除去し、実装基板１上に形成されている接地電極（図示せず）を露出させる。図２では、隣接する半導体素子２間の実装基板上に接地電極が配置している場合について説明する。この露出した接地電極に接続するように金属層９を形成する（図２ｂ）。金属膜９の形成は、スパッタリング法、電解メッキ法、無電解メッキ法等、種々選択することができる。樹脂フィルム層４は熱硬化されているので、この金属層９が形成できる。金属膜９は、例えばスパッタリング法によりチタン（Ｔｉ）を０．５μｍ形成した後、電解メッキ法により銅（Ｃｕ）膜を４０μｍ、ニッケル（Ｎｉ）膜を５μｍ形成することができる。金属は、積層膜の他、単層膜、多層膜を形成することができる。なお、金属膜を接続する電極は接地電極に限るものでもない。

次に、実装基板１上の金属膜９上に封止樹脂１０を塗布する。この封止樹脂１０の塗布は、実装基板１の周囲にダム部を形成し、その内側に液状樹脂を滴下すればよい。このとき樹脂フィルム層４および金属膜９によって半導体素子２表面に封止樹脂１０が流入することはない。その後、封止樹脂１０を硬化させる（図２ｃ）。封止樹脂１０は、液状樹脂に限らず、別の樹脂フィルム層を積層することも可能であるが、中空部８や金属ワイヤ３に過剰な力が加わらないようにする必要がある。もちろん、金属膜９が十分に厚く、空気８や金属ワイヤ３が変形したり、影響のない条件で、封止樹脂１０はトランスファーモールド、コンプレッションモールド工法などで形成しても良い。

最後に、封止樹脂１０、金属膜９、樹脂フィルム層４および実装基板１を切断除去することにより個片化し、中空構造を備えた半導体装置を形成することができる（図２ｄ）。

このように形成された半導体装置は、半導体素子２の可動部は、空気８を介して樹脂フィルム層４および金属膜９で被覆する構造となっているため、中空構造を備えた構造となっている。また、金属膜９は、実装基板１上に形成されている接地電極と接続する構造となっているため、シールド構造を備えた構造となっている。本発明は、複数の半導体素子を実装した実装基板上で、一括して形成することが可能で、製造コストの低減を図ることが可能となる。

なお、上記説明では、中空構造内に残る気体が空気として説明したが、樹脂フィルム層４で半導体素子２を被覆する際の雰囲気ガスが空気以外の気体であれば、中空構造内に残る気体は、その雰囲気ガスとなる。以下の実施例においても同様である。

次に、金属ワイヤの周囲を金属膜によってシールドする構造を備えた半導体装置について、製造工程に従い説明する。上記参考例同様、所定の配線パターン（図示せず）が形成された実装基板１上に、半導体素子２を実装する。半導体素子２と実装基板１上の配線パターンは、金属ワイヤ３によって接続されている（図１ａ）。

半導体素子２を樹脂フィルム層４で覆うため、樹脂フィルム貼り付け用下型５と樹脂フィルム貼り付け用上型６との間に、半導体素子２を実装した実装基板１と樹脂フィルム層４を配置する（図１ｂ）。樹脂フィルム貼り付け用下型５および樹脂フィルム貼り付け用上型６には、それぞれ貫通孔７が形成されている。樹脂フィルムは、２５℃における弾性率が５８０Ｍｐａ程度の柔らかさで、伸びる材料を使用する。

樹脂フィルム貼り付け用下型５と樹脂フィルム貼り付け用上型６とを接合させ、樹脂フィルム層４と半導体素子２との間に残る空気を樹脂フィルム貼り付け用下型５に形成された貫通孔７を通して排出することで、樹脂フィルム層４と実装基板１とを密着させる（図１ｃ）。

ここで、本実施例では、金属ワイヤ３を押しつぶしたり、半導体素子２表面の電極と金属ワイヤ３の接続が破断することがない程度に、樹脂フィルム層４と半導体素子２との間に空気８が残らないように、吸引時間、吸引圧力を調整する。通常は、吸引を開始すると樹脂フィルム層４は実装基板１に密着し、その後、半導体素子２表面に密着するため、半導体素子２表面に樹脂フィルム層４が密着した状態で、吸引を停止すればよい。

この樹脂フィルム層４を金属ワイヤ３に密着する過程を図４に示す。金属ワイヤ３上に接触（図４ａ）した樹脂フィルム層４は、樹脂フィルム貼り付け用下型５の貫通孔７から吸引するに従い、金属ワイヤ３の周囲を取り囲むように金属ワイヤ３に密着する（図４ｂ）。密着が十分でないときは、樹脂フィルム貼り付け用上型６の貫通孔７を通して加圧して密着させるのが効果的である。半導体素子２の周囲に空気８が残る場合は、真空容器中で上述の樹脂フィルム層４で半導体素子２を被覆し、樹脂フィルム層４の上面側から加圧あるいは大気圧に戻せば、樹脂フィルム層４と半導体素子２との間に空気８が残ることはない。

図３（ａ）は、樹脂フィルム層４と半導体素子２の表面が密着し、さらに金属ワイヤ３の周囲を両側から取り囲むように樹脂フィルム層４が密着し、樹脂フィルム層４を熱硬化させた状態を示す。

次に参考例同様、樹脂フィルム層４表面の一部をレーザーやエッチング工法で除去し、実装基板１上に形成されている接地電極（図示せず）を露出させる。図３では、隣接する半導体素子２間の実装基板１上に接地電極が配置している場合について説明する。この露出した接地電極に接続するように金属層９を形成する（図３ｂ）。金属膜９の形成は、スパッタリング法、電解メッキ法、無電解メッキ法等、種々選択することができる。樹脂フィルム層４は熱硬化されているので、この金属層９が形成できる。本実施例では、金属ワイヤ３の湾曲形状に追随して金属膜を形成するため、無電解メッキを行った。UVなどで樹脂フィルム層４を洗浄した後、表面エッチング、触媒付与を行い、無電解銅メッキ膜を１μｍ形成した。その後、電解メッキ法により銅（Ｃｕ）膜を４０μｍ、ニッケル（Ｎｉ）膜を５μｍ形成した。金属は、積層膜の他、単層膜、多層膜を形成することができる。なお、金属膜を接続する電極は接地電極に限るものでもない。

ここで本実施例では、樹脂フィルム層４が金属ワイヤ３を取り囲むように密着しているので、この樹脂フィルム４上に金属膜９が積層する。図４（ｃ）は、金属膜９を形成した後の金属ワイヤ３の断面図を示す。金属膜９が金属ワイヤ３を両側から取り囲むように被覆していることがわかる。この金属膜９は、接地電極に接続することになるので、十分なシールド構造が実現されていることがわかる。

また、金属ワイヤ３の径と樹脂フィルム層４の厚さを適宜設定することで、インピーダンスを５０Ωに整合するように構成することが可能となり、高周波損失の少ない金属ワイヤ接合が可能となる。

以下、参考例同様、実装基板１上の金属膜９上に封止樹脂１０を塗布する。この封止樹脂１０の塗布は、実装基板１の周囲にダム部を形成し、その内側に封止樹脂１０を滴下すればよい。このとき樹脂フィルム層４および金属膜９によって半導体素子２側に封止樹脂１０が流入することはない。その後、封止樹脂１０を硬化させる（図３ｃ）。封止樹脂１０は、液状樹脂に限らず、別の樹脂フィルム層を積層することも可能である。もちろん、金属膜９が十分に厚く、金属ワイヤ３が変形したり、影響のない条件で、封止樹脂１０はトランスファーモールド、コンプレッションモールド工法などで形成しても良い。

最後に、封止樹脂１０、金属膜９、樹脂フィルム層４および実装基板１を切断除去することにより個片化することで、シールド構造を備えた半導体装置を形成することができる（図３ｄ）。

このように形成された半導体装置は、金属ワイヤ３の周囲を樹脂フィルム層４を介して金属層９で取り囲むシールド構造を備えた構造となっている。本発明においても、複数の半導体素子を実装した実装基板上で、一括して形成することが可能で、製造コストの低減を図ることができる。なお金属ワイヤ３は、必ずしも全てが金属層９で取り囲まれた構造とはならなくても、半導体素子２表面全体は、金属膜９で被覆された構造となっているため、十分なシールド効果が期待される。

１：実装基板、２：半導体素子、３：金属ワイヤ、４：樹脂フィルム層、５：樹脂フィルム貼り付け用下型、６：樹脂フィルム貼り付け用上型、７：貫通孔、８：空気、９：金属膜、１０：封止樹脂

Claims (2)

1. 半導体素子表面に形成された電極から金属ワイヤにより電気的な接続が形成され、樹脂封止されている半導体装置において、
   前記半導体素子および前記金属ワイヤ上に配置された樹脂フィルム層と、該樹脂フィルム層上に配置され、前記半導体素子が実装された実装基板のいずれかの電極に接続された金属層と、該金属層上に配置された封止樹脂層とを備え、
   前記金属ワイヤの一部は、前記樹脂フィルム層および前記金属層で周囲が取り囲まれていることを特徴とする半導体装置。
2. 半導体素子表面に形成された電極から金属ワイヤによって電気的な接続が形成され、樹脂封止されている半導体装置の製造方法において、
   実装基板上に複数の半導体素子を実装し、該半導体素子表面に形成された電極から金属ワイヤにより電気的な接続を形成する工程と、
   前記半導体素子上に配置され、隣接する半導体素子間の前記実装基板表面に密着するように、樹脂フィルム層で前記実装基板表面を被覆する工程と、
   前記樹脂フィルム層を硬化させる工程と、
   前記樹脂フィルム層の一部を除去し、前記実装基板上の電極の一部を露出させる工程と、
   前記樹脂フィルム層上に、前記露出させた実装基板上の電極と接続する金属層を形成する工程と、
   前記金属層上に封止樹脂を積層形成し、硬化させる工程と、個々の半導体装置に個片化する工程と、を備え、
   前記樹脂フィルム層で前記実装基板表面を被覆する工程は、前記半導体素子表面に気体が残るように前記樹脂フィルム層で被覆し、前記半導体素子表面に残る気体の体積を減少させることで、前記樹脂フィルム層が前記金属ワイヤの少なくとも一部の外周を取り囲んだ状態とする工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。

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