JP6623056B2 - 配線基板、半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明は、配線基板、半導体装置に関する。
従来、配線層と絶縁層とを有する配線基板上に半導体チップをフリップチップ実装した半導体装置が知られている。この場合、配線層の一部がパッドとなり、はんだを介して、半導体チップの電極と接続される。パッドの表面に金属膜等が形成される場合もある(例えば、特許文献1参照)。
特許第5003812号
しかしながら、従来の配線基板では、パッドとなる配線層の表面や、パッド上に形成された金属膜等の表面は、絶縁層の表面と同一平面上(面一)に露出している。そのため、配線基板上に半導体チップを実装する際に、はんだが絶縁層上に流れ出し、隣接するパッド間に形成されたはんだがブリッジして短絡が生じる場合があった。この問題は、特に隣接するパッドの間隔が狭くなるにつれて顕著となり、パッド間の絶縁信頼性を低下させる。
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、半導体チップを実装する際のパッド間の絶縁信頼性を向上させた配線基板を提供することを課題とする。
本配線基板は、単層の絶縁層と、前記絶縁層に埋め込まれた銅からなる単層の配線層と、を有し、前記配線層の一方の面の全面をなす銅の表面が、前記絶縁層の一方の面から窪んだ位置に露出しており、前記配線層の他方の面は、前記絶縁層の他方の面から窪んだ位置に部分的に露出しており、前記銅の表面が、半導体チップと接続するための接続パッドとして機能する領域を備えていることを要件とする。
開示の技術によれば、半導体チップを実装する際のパッド間の絶縁信頼性を向上させた配線基板を提供できる。
第1の実施の形態に係る半導体装置を例示する図である。 第1の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を例示する図(その1)である。 第1の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を例示する図(その2)である。 第1の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を例示する図(その3)である。 第1の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を例示する図(その4)である。 第1の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を例示する図(その5)である。 第1の実施の形態の変形例1に係る半導体装置を例示する図である。
以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。なお、各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。
〈第1の実施の形態〉
[第1の実施の形態に係る半導体装置の構造]
まず、第1の実施の形態に係る半導体装置の構造について説明する。図1は、第1の実施の形態に係る半導体装置を例示する図であり、図1(a)は断面図、図1(b)は図1(a)の絶縁層11と配線層12のみを示した部分拡大平面図である。なお、図1(a)は図1(b)のA−A線に沿う断面を示している。又、図1(b)では、便宜上、配線層12を梨地模様で示している。
図1を参照するに、第1の実施の形態に係る半導体装置1は、配線基板10と、半導体チップ20と、バンプ30と、はんだ40と、アンダーフィル樹脂50と、モールド樹脂60とを有している。又、配線基板10は、絶縁層11と、配線層12と、表面処理膜13とを有している。
なお、本実施の形態では、便宜上、半導体装置1のモールド樹脂60側を上側又は一方の側、絶縁層11側を下側又は他方の側とする。又、各部位のモールド樹脂60側の面を一方の面又は上面、絶縁層11側の面を他方の面又は下面とする。但し、半導体装置1は天地逆の状態で用いることができ、又は任意の角度で配置することができる。又、平面視とは対象物を絶縁層11の一方の面の法線方向から視ることを指し、平面形状とは対象物を絶縁層11の一方の面の法線方向から視た形状を指すものとする。
配線基板10は、単層の絶縁層(絶縁層11)と単層の配線層(配線層12)を有している。このような構造により、配線基板10の薄型化が可能となる。
絶縁層11は、例えば、エポキシ系樹脂、イミド系樹脂、フェノール系樹脂、シアネート系樹脂等の絶縁性樹脂から形成することができる。絶縁層11を構成する絶縁性樹脂は、熱硬化性樹脂であっても熱可塑性樹脂であっても構わない。又、絶縁層11は、補強部材を有しても構わない。補強部材としては、例えば、ガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維等の織布や不織布等を用いることができる。又、絶縁層11は、シリカ(SiO2)等のフィラーを有しても構わない。絶縁層11の厚さは、例えば、10〜100μm程度とすることができる。
配線層12は、絶縁層11に埋め込まれている。配線層12の側面及び下面は絶縁層11に被覆されており、配線層12の上面の全面は絶縁層11の上面から窪んだ位置に露出している。言い換えれば、配線層12の上面と絶縁層11の上面との間には、段差が形成されている。配線層12の上面の絶縁層11の上面に対する窪み量(段差)は、例えば、2〜10μm程度とすることができる。配線層12の材料としては、例えば、銅(Cu)等を用いることができる。配線層12の厚さは、例えば、5〜50μm程度とすることができる。なお、段差を形成する部分の絶縁層11の内壁面は、テーパが形成されず配線層12の上面に対して略垂直な面となる。
絶縁層11の下面側には開口部11xが形成されている。開口部11xは、配線層12の下面を選択的に露出している。配線層12の下面は絶縁層11の下面から窪んだ位置に部分的に露出している。開口部11x内に露出する配線層12の下面には、表面処理膜13が形成されている。表面処理膜13の一例としては、Au膜や、Ni/Au膜(Ni膜とAu膜をこの順番で積層した金属膜)、Ni/Pd/Au膜(Ni膜とPd膜とAu膜をこの順番で積層した金属膜)、Ni/Pd膜(Ni膜とPd膜とをこの順番で積層した金属膜)、Ag膜、はんだめっき膜等の金属膜を挙げることができる。又、表面処理膜13の他の例としては、OSP(Organic Solderability Preservative)処理等により形成される酸化防止膜を挙げることができる。なお、OSP処理により形成される酸化防止膜は、アゾール化合物やイミダゾール化合物等からなる有機被膜である。
表面処理膜13の下面側に、外部接続端子としてはんだバンプ90を形成してもよい。はんだバンプ90の材料としては、例えばPbを含む合金、SnとCuの合金、SnとAgの合金、SnとAgとCuの合金等を用いることができる。但し、はんだバンプ90の形成は必須ではなく、はんだバンプ90は必要なときに適宜形成することができる。
半導体チップ20は、配線基板10の絶縁層11の上面側にフリップチップ実装されている。具体的には、半導体チップ20には金バンプや銅ポスト等のバンプ30が形成され、バンプ30は、はんだ40により、配線基板10の配線層12の上面と接続されている。言い換えれば、配線層12の上面のはんだ40が形成されている領域は、半導体チップ20と接続するための接続パッドとして機能している。はんだ40の材料としては、例えばPbを含む合金、SnとCuの合金、SnとAgの合金、SnとAgとCuの合金等を用いることができる。
このように、配線基板10では、配線層12の上面側が電子部品搭載面であり、下面側が外部接続端子形成面である。
アンダーフィル樹脂50は、半導体チップ20と配線基板10の上面側との間に充填されている。アンダーフィル樹脂50の材料としては、例えば、流動性に優れたエポキシ系樹脂等を用いることができる。モールド樹脂60は、配線基板10の上面側、半導体チップ20及びアンダーフィル樹脂50を被覆するように、配線基板10上に形成された封止樹脂である。モールド樹脂60の材料としては、例えば、剛性に優れたエポキシ系樹脂等を用いることができる。エポキシ系樹脂等の流動性や剛性は、例えば、樹脂自体の組成や含有するフィラーの種類や量等により調整することができる。但し、アンダーフィル樹脂50は設けずに、モールド樹脂60のみを設けてもよい。
[第1の実施の形態に係る半導体装置の製造方法]
次に、第1の実施の形態に係る半導体装置の製造方法について説明する。図2〜図6は、第1の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を例示する図である。
まず、図2(a)に示す工程では、上面が平坦面である支持体300を準備する。支持体300としては、例えば、プリプレグ310の両面にキャリア付き金属箔320が積層されたものを用いることができる。支持体300の厚さは、例えば50〜500μm程度とすることができる。
プリプレグ310は、例えば、ガラス繊維やアラミド繊維等の織布や不織布(図示せず)にエポキシ系樹脂等の絶縁性樹脂を含侵させたものである。キャリア付き金属箔320は、銅からなる厚さ10〜50μm程度の厚箔(キャリア箔)322上に、剥離層(図示せず)を介して、銅からなる厚さ1.5〜5μm程度の薄箔321が剥離可能な状態で貼着されたものである。厚箔322は、薄箔321の取り扱いを容易にするための支持材として設けられている。厚箔322は、プリプレグ310に接着されている。
次に、図2(b)に示す工程では、両側の薄箔321上に、配線層12を形成する部分に開口部340xを備えたレジスト層340を形成する。具体的には、例えば、両側の薄箔321上に、レジスト層340として感光性樹脂からなるドライフィルムレジストをラミネートする。そして、ドライフィルムレジストを露光及び現像によりパターニングし、配線層12を形成する部分に薄箔321を露出する開口部340xを形成する。
次に、図2(c)に示す工程では、例えば、キャリア付き金属箔320をめっき給電層に利用する電解めっき法により、レジスト層340の開口部340x内に露出する薄箔321上に配線層12を形成する。
次に、図3(a)に示す工程では、図2(c)に示すレジスト層340を剥離する。レジスト層340は、例えば、水酸化ナトリウム等を含有する剥離液を用いて剥離できる。
次に、図3(b)に示す工程では、両側の薄箔321上に、配線層12を選択的に露出する開口部11xを備えた絶縁層11を形成する。具体的には、両側の薄箔321上に配線層12を被覆するように、例えば熱硬化性を有するフィルム状のエポキシ系樹脂等の絶縁性樹脂をラミネートする。或いは、両側の薄箔321上に配線層12を被覆するように、例えば熱硬化性を有する液状又はペースト状のエポキシ系樹脂等の絶縁性樹脂をスクリーン印刷法、スピンコート法等により塗布する。そして、ラミネート又は塗布した絶縁性樹脂を硬化温度以上に加熱して硬化させ、絶縁層11を作製する。必要に応じて、加圧しながら加熱してもよい。
絶縁層11として感光性樹脂を用いた場合には、開口部11xは絶縁層11を露光及び現像することで形成できる(フォトリソグラフィ法)。絶縁層11として非感光性の絶縁性樹脂を用いた場合には、開口部11xをレーザ加工法やブラスト処理等により形成することができる。
なお、絶縁層11を形成する前に配線層12の表面を公知の方法で粗化し、絶縁層11との密着性を向上させてもよい。
次に、図3(c)に示す工程では、開口部11xの底部に露出する配線層12上に、例えば無電解めっき法等により表面処理膜13を形成する。表面処理膜13は、例えば、前述の金属膜とすることができる。表面処理膜13として、OSP処理等により酸化防止膜(有機被膜)を形成してもよい。
次に、図4(a)に示す工程では、両側の絶縁層11上に、剥離可能な接着層400を介して第2支持体410を形成する。接着層400及び第2支持体410は、薄箔321をエッチングで除去する工程等における耐薬品性を有し、かつ、半導体チップ20を実装する工程以降での熱負荷に対する耐熱性を有する材料を選択することが好ましい。接着層400としては、例えば、エポキシ系の接着剤等を用いることができる。第2支持体410としては、例えば、ポリイミドフィルム、金属箔、セラミック板、樹脂板等を用いることができる。
次に、図4(b)に示す工程では、支持体300の一部を除去する。具体的には、支持体300に機械的な力を加え、両側のキャリア付き金属箔320の薄箔321と厚箔322との界面を剥離する。前述のように、キャリア付き金属箔320は、厚箔322上に剥離層(図示せず)を介して薄箔321が貼着された構造を有するため、厚箔322は、剥離層(図示せず)とともに薄箔321から容易に剥離する。
これにより、薄箔321のみが絶縁層11側に残り、支持体300を構成する他の部材(プリプレグ310及び厚箔322)が除去される。なお、図4(b)では支持体300の一部を除去した後の1つの積層体のみを示しているが、同様の積層体がもう1つ形成される。以降の図では、1つの積層体のみを図示して説明する。
次に、図4(c)に示す工程では、エッチングにより銅からなる薄箔321(図4(b)参照)を除去する。銅からなる薄箔321は、例えば、過酸化水素/硫酸系水溶液や、過硫酸ナトリウム水溶液、過硫酸アンモニウム水溶液等を用いたウェットエッチングにより除去できる。
次に、図5(a)に示す工程では、配線層12の上面をエッチングする。これにより、配線層12の上面は絶縁層11の上面から窪み、配線層12の上面と絶縁層11の上面との間に段差が形成される。配線層12の上面の絶縁層11の上面に対する窪み量(段差)は、例えば、2〜10μm程度とすることができる。配線層12が銅からなる場合には、図4(c)に示す工程で用いたエッチング液を用いることができる。
配線層12の上面をエッチングした後、プラズマ処理等により、配線層12の上面の清浄化を行う。これにより、例えば配線層12が銅からなり、配線層12の上面が酸化して酸化銅が形成されている場合には酸化銅が還元され、又、油分等の有機被膜が除去され、清浄化された銅の表面が絶縁層11から窪んだ位置に露出する。この工程により、配線基板10が完成する。
次に、図5(b)に示す工程では、半導体チップ20を配線基板10上にフリップチップ実装する。具体的には、配線層12の上面の所定領域にクリームはんだ等を塗布し、バンプ30がクリームはんだ等の上に位置するように、半導体チップ20を配線基板10上に配置する。そして、リフロー等により、クリームはんだ等を溶融後凝固させ、はんだ40とする。これにより、バンプ30が、はんだ40により配線層12の上面と接続され、半導体チップ20が配線基板10上にフリップチップ実装される。
ここで、配線層12の上面よりも絶縁層11の上面の方が高いため、クリームはんだ等が溶融した際に、溶融したはんだの余剰部分が配線層12の上面から絶縁層11の上面に流れ出すことを防止できる。その結果、半導体チップ20と接続するための接続パッド(配線層12の上面のはんだ40が形成されている領域)間の距離が狭くなった場合でも、隣接するはんだ40がブリッジして短絡することを防止可能となり、パッド間の絶縁信頼性を向上できる。特に、段差を形成する部分の絶縁層11の内壁面は、テーパが形成されず配線層12の上面に対して略垂直な面となることから、クリームはんだ等が溶融した際に絶縁層11の上面に流れ出すことを防止するダムとして大きな効果を発揮する。
なお、従来は、はんだの流れ出しを防止するため、はんだを溶融させる前にアンダーフィル樹脂を形成する工程を行う場合があった。しかし、半導体装置1では、上記のように、はんだの流れ出しを防止する対策が採られているため、はんだを溶融させる前にアンダーフィル樹脂を形成する工程を採用する必要はない。
又、図5(a)に示す工程で、プラズマ処理等により配線層12の上面の清浄化を行っていることから、配線層12の上面に特別な表面処理膜(金属膜や有機被膜)を形成することなく、高いはんだ濡れ性を確保することができる。そのため、配線層12の上面とはんだ40との接続信頼性を向上できる。
又、一般に、配線層12の上面に表面処理膜を形成すると、表面処理膜の上面の粗度は配線層12の上面の粗度よりも小さくなる(滑らかになる)ため、アンダーフィル樹脂50やモールド樹脂60との密着性が低下する。半導体装置1では、配線層12の上面に表面処理膜を形成していないため、配線層12の上面とアンダーフィル樹脂50やモールド樹脂60との密着性を維持することができる。
次に、図5(c)に示す工程では、半導体チップ20と配線基板10との間にアンダーフィル樹脂50を形成する。そして、図6(a)に示す工程では、半導体チップ20及びアンダーフィル樹脂50を封止するように、配線基板10上にモールド樹脂60を形成する。その後、図6(b)に示す工程では、接着層400及び第2支持体410を除去する。そして、図6(c)に示す工程では、必要に応じ、表面処理膜13の下面側に、はんだバンプ90を形成する。これにより、図1に示す半導体装置1が完成する。但し、図5(c)に示す工程は設けなくてもよい。この場合には、アンダーフィル樹脂50は形成されずに、モールド樹脂60のみが形成される。
このように、半導体装置1では、配線層12の上面よりも絶縁層11の上面の方が高いため、半導体チップ20を実装する際に、配線基板10と半導体チップ20とを接続するはんだ材料が、絶縁層11の上面に流れ出すことを防止できる。その結果、半導体チップ20と接続するための接続パッド(配線層12の上面のはんだ40が形成されている領域)間の距離が狭くなった場合でも、隣接するはんだ40がブリッジして短絡することを防止可能となり、パッド間の絶縁信頼性を向上できる。
〈第1の実施の形態の変形例1〉
第1の実施の形態の変形例1では、配線層12の上面に選択的に表面処理膜を設け、はんだ40と配線層12との間に表面処理膜を介在させる例を示す。なお、第1の実施の形態の変形例1において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。
図7は、第1の実施の形態の変形例1に係る半導体装置を例示する図であり、図7(a)は断面図、図7(b)は図7(a)の絶縁層11と配線層12と表面処理膜15のみを示した部分拡大平面図である。なお、図7(a)は図7(b)のA−A線に沿う断面を示している。又、図7(b)では、便宜上、配線層12及び表面処理膜15を梨地模様で示している。
図7を参照するに、第1の実施の形態の変形例1に係る半導体装置1Aは、配線基板10Aを備えており、配線基板10Aにおいて配線層12の上面に選択的に表面処理膜15が形成されている点が半導体装置1(図1参照)と相違する。はんだ40は、表面処理膜15上に形成され、半導体チップ20のバンプ30と表面処理膜15とを接続している。表面処理膜15としては、例えば、表面処理膜13と同様の金属膜や酸化防止膜(有機被膜)を用いることができる。
このように、配線層12の上面に選択的に表面処理膜15を形成してもよい。この場合にも、配線層12の上面よりも絶縁層11の上面の方が高いため、半導体チップ20を実装するクリームはんだ等が溶融した際に、溶融したはんだの余剰部分が表面処理膜15の上面から配線層12の上面の表面処理膜15が形成されていない領域に流れる。そのため、溶融したはんだの余剰部分が絶縁層11の上面に流れ出すことを防止できる。
なお、半導体装置1Aでは、表面処理膜15を形成することにより高いはんだ濡れ性を確保しているため、第1の実施の形態の図5(a)に示す工程で説明したプラズマ処理等の清浄化は行わなくてもよい。
又、第1の実施の形態の変形例1では、配線層12の上面に選択的に表面処理膜15を形成する例を示したが、配線層12の上面の全面に表面処理膜15を形成してもよい。但し、この場合には、表面処理膜15の上面を絶縁層11の上面から窪んだ位置に露出させる必要がある。言い換えれば、表面処理膜15の上面と絶縁層11の上面との間に段差を形成する必要がある。これにより、第1の実施の形態と同様の効果を奏する。
以上、好ましい実施の形態等について詳説したが、上述した実施の形態等に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態等に種々の変形及び置換を加えることができる。
例えば、配線層12を形成する際に、台形又は逆台形状に形成することで、絶縁層11の内壁面をテーパ状又は逆テーパ状としてもよい。
又、絶縁層11及び配線層12上に、アンダーフィル樹脂を先に設けてから、半導体チップをフリップチップ接続してもよい。
1、1A 半導体装置
10、10A 配線基板
11 絶縁層
11x、340x 開口部
12 配線層
13、15 表面処理膜
20 半導体チップ
30 バンプ
40 はんだ
50 アンダーフィル樹脂
60 モールド樹脂
90 はんだバンプ
300 支持体
310 プリプレグ
320 金属箔
321 薄箔
322 厚箔
340 レジスト層
400 接着層
410 第2支持体

Claims (9)

  1. 単層の絶縁層と、
    前記絶縁層に埋め込まれた銅からなる単層の配線層と、を有し、
    前記配線層の一方の面の全面をなす銅の表面が、前記絶縁層の一方の面から窪んだ位置に露出しており、
    前記配線層の他方の面は、前記絶縁層の他方の面から窪んだ位置に部分的に露出しており、
    前記銅の表面の一部が、半導体チップと接続するための接続パッドとして機能する配線基板。
  2. 単層の絶縁層と、
    前記絶縁層に埋め込まれた単層の配線層と、を有し、
    前記配線層の一方の面の全面は、前記絶縁層の一方の面から窪んだ位置に露出しており、
    前記配線層の他方の面は、前記絶縁層の他方の面から窪んだ位置に部分的に露出しており、
    前記配線層の一方の面は、表面処理膜が形成されている部分と、表面処理膜が形成されていない部分と、を有しており、
    前記表面処理膜が、前記配線層の一方の面の前記表面処理膜が形成されていない部分に対して前記絶縁層の一方の面側に突起しており、
    前記表面処理膜の全体が前記絶縁層の一方の面から窪んだ位置にある配線基板。
  3. 前記配線層の一方の面側が電子部品搭載面であり、他方の面側が外部接続端子形成面である請求項1又は2に記載の配線基板。
  4. 前記絶縁層の他方の面側には支持体が形成されており、
    前記支持体は、前記絶縁層の他方の面、及び前記絶縁層の他方の面から窪んだ前記配線層の他方の面を覆うように配置されている請求項1乃至3の何れか一項に記載の配線基板。
  5. 単層の絶縁層と、前記絶縁層に埋め込まれた銅からなる単層の配線層と、を有し、前記配線層の一方の面の全面をなす銅の表面が、前記絶縁層の一方の面から窪んだ位置に露出しており、前記配線層の他方の面は、前記絶縁層の他方の面から窪んだ位置に部分的に露出しており、前記銅の表面の一部が、半導体チップと接続するための接続パッドとして機能する配線基板と、
    前記絶縁層の一方の面側に実装された半導体チップと、を有し、
    前記半導体チップは、はんだを介して、前記配線層の一方の面と接続されている半導体装置。
  6. 単層の絶縁層と、前記絶縁層に埋め込まれた単層の配線層と、を有し、前記配線層の一方の面の全面は、前記絶縁層の一方の面から窪んだ位置に露出しており、前記配線層の他方の面は、前記絶縁層の他方の面から窪んだ位置に部分的に露出しており、前記配線層の一方の面は、表面処理膜が形成されている第1部分と、表面処理膜が形成されていない第2部分と、を有しており、前記表面処理膜が、前記配線層の一方の面の前記表面処理膜が形成されていない部分に対して前記絶縁層の一方の面側に突起しており、前記表面処理膜の全体が前記絶縁層の一方の面から窪んだ位置にある配線基板と、
    前記絶縁層の一方の面側に実装された半導体チップと、を有し、
    前記半導体チップは、はんだを介して、前記配線層の一方の面と接続されている半導体装置。
  7. 前記はんだは、前記第1部分と前記第2部分の両方に連続して設けられており、
    前記はんだと前記配線層との間に表面処理膜が介在する請求項6に記載の半導体装置。
  8. 前記配線基板の一方の面側及び前記半導体チップを被覆する封止樹脂を有している請求項5乃至7の何れか一項に記載の半導体装置。
  9. 前記配線基板の一方の面側と前記半導体チップとの間を充填するアンダーフィル樹脂を有している請求項5乃至8の何れか一項に記載の半導体装置。
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