JPS63114222A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 イ、産業上の利用分野 本発明は半導体装置に関するものである。

口、従来技術 従来の半導体装技術としては、厚膜技術をはじめ、薄膜
技術、樹脂封止、ボンディング等を夫々駆使したものが
知られている。しかしながら、以下の問題点で示すよう
に、解決すべき課題があった。

皿且点上 従来のハイブリッド型半導体装置（以下、ＨｉＣと称す
ることがある。）では、主に厚膜技術を用いており、セ
ラミック等の基板上に、オフセット印刷等で回路を形成
し、ＳＯＰ　（スモール・アウトライン・パッケージ）
、ＦＬＰ（フラット・パッケージ）等の汎用パッケージ
（ＰＫＧ）、７１Ｊツブチツプ（Ｃ，Ｏ，Ｂ）　、ＴＡ
Ｂ等で半導体素子を実装し、更に、Ｃ，Ｒ等のチップ部
品を実装することにより構成していた。しかしながら、
厚膜技術では、細密な加工は技術的に困難であるため、
高密度の集積化が不可能であった。更に、種類によって
は、基板全体又は一部をコーティング、ボッティングに
より樹脂等で処理する必要があり、生産性が悪く、信頼
性も低くなる。

Ｈ皿立１ 一方、薄膜技術を用いたＨｉＣでは、厚膜技術のＨｉＣ
より、高密度化が図れるものの、高い信頼性を有するパ
ッケージング方法が必要であり、極めて高価格であった
。

皿距主主 従来のＨｉＣをトランスファーモールド法により樹脂封
止型パッケージとする場合、例えば第２１図に示すよう
に、基板１をリードフレーム２上に固定し、更に半導体
素子３をマウントした後、ボンディングワイヤ４によっ
て基板１上の配線と、更にはボンディングワイヤ５によ
ってアウターリード６と電気的に接続し、次に全体を樹
脂７でモールドしている。しかしながら、基板１が大き
くて、従来の標準化されたパッケージでは、封止樹脂７
、リードフレーム２、基板１等の合成応力により、パッ
ケージクラック等のトラブルがあり、またＨｉＣ内部と
外界とが従来の標準的ＩＣに比べて極めて近接している
ことなどから、耐湿性が悪化する。

皿Ｈμｊ 問題点１．２で記述したＨｉＣ等の特定用途向けの半導
体装置を製造する場合、多品種少量生産となることから
、効率良く生産できず、価格低減が困難であった。

皿Ｈ嘉工 第２１図の如きワイヤボンディング方式（半導体素子を
アウターリードに直接ワイヤボンディングする場合も含
む。）においては、Ａｕ、Ａ１、Ｃｕ等の素材によるワ
イヤボンディング法では、その接合を行うために第２２
図に示すように必要最小限の面積（主としてボンディン
グパッド８分の面積）を半導体素子（素子周辺部）上に
確保する必要があり、高集積化にとっての問題点となっ
ている。この図では、理解容易のためにパッド８の個数
は少なく示している。また、トランスファーモールド法
による樹脂封止型パッケージでは、樹脂封止時にワイヤ
が変形する等のトラブルがあり、封止圧力を低くする必
要があった。封止圧力を低下させると、高密度に樹脂を
封止出来ず、耐湿性が低下することになる。特定用途向
は半導体装置等では、接続する数も増加しており、ワイ
ヤボンディング法では生産性が低下する。従来、１つの
接続に０．１〜０．２　ｓｅｃの時間が必要であったが
、例えば１００ケ所の接続には１０〜２０ｓｅｃもの時
間が必要となり、位置合わせ等の時間が更に必要であり
、半導体素子等に悪影響を及ぼすことになる。

朋１１黒ｉ ビームリード法と呼ばれるフェイスアップ方式のボンデ
ィング方法では、ポリイミド等のテープ上に貼付けられ
た銅箔又は銅素材をエツチング加工して製造したビーム
リードに半導体素子を接続していたが、特定用途向けの
半導体装置等の多品種少量生産では極めて高価格である
。また、トランスファーモールド法による樹脂封止は、
テープ素材等の素性から困難であり高信頼性を得るため
にスクリーン印刷等による樹脂封止又はボッティング等
を施している。更に、基板等への実装の後、外部端子へ
のアウターリード部が機械的に弱いこと等から、コーテ
ィング等が必要となり、総合的な実装費は高価格となっ
ていた。

皿皿点エ フリップチップ法と呼ばれるフェイスダウン方式のボン
ディング方法では、第２３図及び第２４図のように、バ
ンプ電極９をもつ半導体素子１０を基板１１に接続して
いるが、熱等により、半導体素子１０と基板１１等との
合成応力がバンプ部分に築申し、接続不良等のトラブル
があった。バンプ９の素材として、ハンダ（Ｓｎ−Ｐｂ
）が従来より用いられている（ボンディング時の位置合
わせが容易であり、リフローボンディングが可能である
等から）。第２３図では、シリコン基板１２上にＡＩ配
線１３をやはりＡ１１４で導出し、その端部上にＣｒめ
っき股１５、Ｎｉめっき膜１６、Ｃｕめっき膜１７、そ
して５ｎ−Ｐｂ層１８（又はＡｕ層）を順次積層したバ
ンプを例示している。

なお、図中の１９は表面酸化膜、２０．２１は眉間絶縁
膜、２２はオーバーコート層である。しかしながら、こ
のバンプにおいては、応力のトラブルを考慮して第２５
図（Ａ）、（日）に示すようなバンプ形状を形成させて
いた。このため、トランスファーモールド法による樹脂
封止は、成形温度等の影響が大きいために使用不可であ
り、特殊な実装方法が必要であり、極めて高価格であっ
た。

皿■怠ｌ 従来のトランスファーモールド法による樹脂封止型半導
体装置においては上述したように、樹脂、リードフレー
ム、半導体素子等の応力により樹脂又は半導体素子が破
損することがあった。特に、リードフレーム素材として
銅合金を使用する場合は顕著である。また、この応力は
、半導体素子のＡＩ２配線を変形させるトラブルもある
。更に、樹脂とリードフレーム間の応力は、第２１図に
拡大して示すように、両者の界面に集中し、樹脂７とリ
ードフレーム６との密着が不良となり、剥離した界面よ
り水、ハロゲン系イオン等が浸入し、半導体素子のＡＮ
配線を腐食させる等のトラブルがあった。

皿町立工 従来の封止樹脂材料は、トランスファーモールド法によ
る樹脂封止の半導体装置として構成する場合の必要な機
上を単独の樹脂（高絶縁性、高耐湿性、高熱伝導性、低
応力性等のある各樹脂）で実現しようとするために、高
価格となっている。

ハ１発明の目的 本発明の目的は、上記した問題点のうち少なくとも重要
な欠点を解消し、高集桓密度であり、信頼性が高く、安
価かつ迅速に実装可能な半導体装置を提供することにあ
る。

二９発明の構成 即ち、本発明は、少なくとも素子領域（即ち、ン方式）
に用いられるボンディングパッドが（望ましくは、マト
リックス状に）設けられている半導体装置に係るもので
ある。

本発明の望ましい実Ｐ、、態様によれば、特定用途向け
の樹脂封止型半導体装置において、顧客要求に柔軟に対
応することが可能な基板を半導体素子で構成し、この半
導体素子に、従来の厚膜、薄膜技術ではなく、通常の半
導体素子を製造する技術を用いて“抵抗゛、“静電容量
”等を形成し、この半導体素子にバンブ電極を形成して
、複数の末完、明による半導体装置（即ち、縮小半導体
素子）を対向してフェイスダウン方式で接続する。これ
によって、更に、高密度集積、高機能を得ることができ
る。また、対向して接続する縮小半導体素子は、基板側
と同一と考えられる物性をもつ半導体素材を使用するこ
とで、バンブ電極にかかる応力の影響を減少させること
が可能となる。

更に、従来のリードフレームにバンプ状の突起を形成し
、半導体素子側と直接接続を行って、ボンディングワイ
ヤを不要にする。また、半導体素子は、機能分割された
複数の樹脂によりコーティング、（ポツティング）すれ
ば、安価な樹脂によりトランスファーモールド法にて良
好に封止でき、そのバフケージは従来のＦＬＰ型等と同
様である。

ホ、実施例 以下、本発明の実施例を図面について説明する。

第１図及び第２図は、本実施例による縮小半導体素子３
０を示すものである。

本例においては、フリップチップ法によるフェイスダウ
ン方式のワイヤレスボンディングが可能である素子３０
のボンディングエリアが、従来（第２１図参照）のよう
に素子の外周部分に存在せず、多層配線構造によって電
極３１　（ボンディングパッド）が素子領域又はアクテ
ィブ領域上にマトリックス状に設けられている。但し、
バッド３１の個数は実際にはもっと多数であってよいが
、図面では簡略図示している。

このように、素子領域上にボンディングエリア（パッド
）を設けているので、有効にその面積を確保でき、その
分高集積化が可能で、チップサイズを大幅に縮小するこ
とができる。

また、電極３１の表面はＳｎ（スズ）３２又はＣｕで処
理しであるため、ＡＪ３３が露出しない構造となり、樹
脂封止型半導体装置の問題点であった耐湿性が向上する
。なお、第２図において、３４はシリコン基板、３５は
表面酸化膜、３６．３７は層間絶縁膜、３８はオーバー
コート層、３９はＣｒ膜、４０はＮｉ又はＣｕ膜である
。

縮小半導体素子３０は、第３図〜第５図のようにしてハ
イブリッド基板４１にフェイスダウン方式でボンディン
グされるが、素子３０には従来のようなバンブ電極を形
成していないので、バンプ形成時の半導体素子への悪影
響応力による接続不良等もなくなる。しかも、接続用電
極３１の位置を標準化し、例えば電極３１の幅を１００
μｍ、電瓶間ピッチ２００　μｍのマトリックスにする
と、生産性が向上するとともに、接続電極３１の位置が
均一となり、接続部に影響する（既述した問題点７の）
応力が集中しない様になる。

次に、縮小半導体素子３０の実装構造を説明する。まず
、第４図のように、素子３０をマウントすべき基板４１
として、特定用途向は半導体装置を構成する場合に必要
となる抵抗Ｒ１静電容量Ｃ等を従来の半導体製造方法（
即ち、不純物拡散や酸化膜等）で形成したものを使用す
る。従って、基板４１を高歩留りで生産出来、従来使用
不可能であった特殊な物質（高誘電率材料等）をも使用
可能となり、抵抗、静電容量等を形成することが容易に
なる。従来の厚膜／薄膜技術での問題点であった高密度
化をも解決できる。更に、対向して接続する縮小半導体
３０と同種の半導体素材（例えばシリコン）で形成する
ために、既述した問題点７の如く接続部分に発生するト
ラブルを解決できる。

基板４１の所定箇所には、上記のように抵抗、静電容量
等を形成すると共に、縮小半導体素子３０を接続するた
めのバンプ電極４２を設けている。

このバンプは、従来と同様にＡｕ素材で形成してよい。

次に、素子４１の外周部分には、ビームリードとの接続
用の電極４３を設けている。本実施例では、電極４３の
ピンチは３００μｍで電極表面は、Ａｕ又はＣｕ素材で
メッキ処理を施して、／’ｊ２素材を露出しない様に形
成し、耐湿性を向上させている。

このように、特定用途向けの半導体装置において、大部
分の顧客要求をこの半導体装置に集約し、他の部分を標
準化することで、安価でかつ迅速に半導体装置を提供で
きる。

次に、本実施例の半導体装置の他の各部を説明する。

まず、リードフレーム４４を説明する。この例では、ビ
ームリード法を用いて半導体素子（基板）４１を外部リ
ード４４と接続しているが、既述した問題点６で述べた
問題を解決するため、従来のリードフレームにビームリ
ードを形成し、更に、ビームリード先端にバンプを形成
したことが特徴的である。以下、その製造方法を説明す
る。

フレーム素材としてＣｕ合金（ｔ　＝０．１５ｍｍ）を
使用したが、第６Ａ図の様に、スタンピング金型により
中央部のビームリード部４５を残して打抜き、又は、エ
ツチング加工を施してフレーム材４６を形成する。次に
、第６Ｂ図のように、ビームリード部４５の保護用とし
て使用するポリイミド系樹脂テープ４７を接着する。こ
の時、加熱接着（焼結）するが、その加熱温度は、使用
するリードフレーム素材が応力がな（なるまで十分にア
ニール可能な温度とする。これにより、素材の残留応力
をなくすことができるが、これは、細密なビームリード
をエツチング加工する場合に残留応力により発生する変
形（第６Ｃ図の工程時）を防止するためである。このこ
とにより、従来テープ等に限定されていたビームリード
法をリードフレームに応用することが可能となった。更
に、加熱時に金兄パットをあてがえば、外部リード部に
熱が伝導しない様にできるため、アニールは必要部分に
のみ施され、外部リード部は素材の強度を保ち、トラン
スファーモールド法による樹脂封止が十分可能となった
。次に、第６Ｃ図のように、ビームリード４８をエツチ
ング加工で形成する。

なお、第６Ｂ図及び第６Ｃ図においては、第６Ａ図には
示した細かい加工エリアを一点鎖線４９にて示したが、
このエリア内は第６Ａ図と同様のパターンが存在してい
ることは勿論である。第６Ｃ図の加工時に、ビームリー
ド先端には第７図（Ａ）（日）の様なバンプ４９を形成
する。この例では、バンプ部分はＳｎ（スズ＞　、Ｃ，
Ｕ　＜銅）、Ａｕ（金）等でメッキを施した。

また、第８図（Ａ）のように、クラッドフレームと呼ば
れるリードフレーム素材を用いて形成することも出来る
。この図のＣｕ箔５０としては電解銅箔等が好結果をも
たらす。そして第８図（Ｂ）のように、まずＣｕ合金層
５１のうちの不必要なＣｕ合金部分を除去するが、この
時にＣｕ　箔５０に影響がでないように、Ｃｒ等の素材
５２を図の様にメッキ等で形成することが望ましい。次
に、第８図（Ｃ）のように細密なエツチング加工を施し
てビームリードを形成する。

上記のように、従来は本例の如き高密度なビームリード
は形成出来なかったが、これは本例で述べた上記製造方
法で可能となった。また、ボンディングワイヤを使用し
ないｑとで、従来の問題点であるワイヤ変形等のトラブ
ルもなく、樹脂封止時の封止圧力を高くすることも可能
となり、封止樹脂の気密性が向上することになった。

次に、第３図について、樹脂封止構造を説明する。

本例では、使用する封止樹脂５３を機能分割して構成し
、主として高耐湿性樹脂、低応力性樹脂、低価格樹脂に
よって構成することが特徴的である。

即ち、高信頼度な樹脂封止型半導体装置を安価に実現す
るために、使用する材料の使用量に着目し、高耐湿性、
低応力性樹脂は高価格であるが、これらを薄く均一にす
ることで、半導体装置、単位当たりの価格を低減させた
。このため、使用量の多い樹脂に低価格な樹脂を使用す
ることが可能となった。本実施例では、第３図のように
、高耐湿性樹脂（又は低応力性樹脂）５４に例えばエポ
キシ系樹脂又はシリコーン系樹脂を用いて素子面に平均
厚さ７５μｍ程度にコーティングする。更に、低応力性
樹脂（又は高耐湿性樹脂）５５として例えばシリコーン
系樹脂又はエポキシ系樹脂を平均厚さ１００μｍ程度に
コーティングした上で、例えばシリカ入りエポキシ樹脂
からなる低価格樹脂５６によるトランスファーモールド
を施す。この様に、封止樹脂を単独に用いることなく、
要求される機能別に分割した複数の樹脂により構成する
ことによって高信頼度の装置を低コストに提供できる。

なお、上記において、第９図のように、イナーリード部
のリードフレーム表面に、使用する封止樹脂５６の粒子
の大きさと同程度の凹凸５７をエツチング加工で例えば
３０〜８０μｍの深さ又は幅ｌに形成すると、樹脂とリ
ードフレームの密着力が向上し、従来の既述した問題点
８で述べた界面での密着不良が軽減する。

第１０図は、本例による縮小半導体素子を使用した半導
体装置を製造する際の主要工程を概略的に示すものであ
る。

まず第１０Ａ図のように、第４図に示した如き基板４１
を台座５８に載せ、基板４１に対してボンダーヘッド５
９によりビームリード４８のバンプ４９を結合せしめ、
ビームリードボンディングを行う。次いで第１０日図の
ように、縮小半導体素子３０を台座５８に載せ、上から
上記基板４１のバンプ４２側を素子３０に押し付けなが
らヘッド５９によってフリップチップボンディングを行
う。次いで第１０Ｃ図のように、上下を逆にした状態で
上方からノズル６０により高耐湿性樹脂５４を供給し、
ボッティングを行う。次いで第１０Ｄ図のように、ノズ
ル６１から低応力性樹脂５５を供給してボッティングを
行い、これを第１０ε図のように反対側にも施す。そし
て、第１０Ｆ図のように、トランスファーモールド法に
て低価格樹脂５６を注入し、樹脂封止を終了する。

本実施例による装置６２はＦＬＰタイプのパッケージで
出荷可能であるから、テープキャリアとして第１１図に
示すように、本実施例による異なる種類（リンア系、デ
ィジタル系、標準ＩＣ）のＦＬＰ　（ＳＯＰも同様）を
同一のリール６３からのテープ６４に、顧客より要求さ
れる仕様に添って夫々を貼着して供給できる。従って、
これまでのように種類によってその個数分リールを用意
しなくて済み、効率の良い実装が可能となる。

第１２図は、他の実施例によるパ・・ｌケージ構造を示
し、第３図の例とは主として更に高熱伝導性樹脂６５を
コーティングに用いている点のみが異なり、他の部分は
同様である。高熱伝導性樹脂６５は実質的に第３図の低
応力性樹脂５５の領域にコーティングされている。なお
、リードフレーム４４においては、ビームリード部側は
Ａｕめっき６６が、樹脂５６との界面には半田めっき６
７が施されている。

次に、本実施例によるＦＬＰ型の半導体装置６２のパン
ケージ方法の改良を第１３図〜第２０図について説明す
る。

第１３図〜第１５図の例では、２種類の半導体装置６２
ａ、６２ｂを上下に組合わせて積層型パッケージとなし
、かつ上側の装置の外部リード部４４ａを下側のもの４
４ｂよりも長くしている。

従って、外部リード部のフォーミング時に積層型Ｆ　Ｌ
　Ｐとしての使用が可能となっており、しかも上下の組
合せによりプリント基板６８上にマウント時の実装密度
（又はピン数）が高７くなる。

また、第１５図に拡大図示するように、本実施例では、
方向性判別のために一方の装置６２ｂに凹部６９を、他
方６２ａに凸部７０を形成し、これらを嵌合させる。こ
れによって、両者の位置合わせを容易かつ正確に行え、
外部リードの位置ズレ等をなくせる。

更にまた、第１６図のように、長い方の外部リード４４
ａの位置を変更してもよいし、第１７図のように３種の
半導体装置６２ａ、６２ｂ、６２ｃを積み重ね、上記と
同様に外部リードを選択的に長くすることもできる。

第１８図では、補強用として例えばポリイミド系接着テ
ープ６９をリード４４ａの内側に貼り付け、これによっ
て領域７０でのリード４４ａ−装置６２ｂ間の干渉が生
じるのを有効に防止した例を示している。

なお、上記の如き積み重ねタイプの装置はピン数を増や
せる点で有利であるが、これと同様に公知のピギーバッ
ク型の装置構成とすれば上記に加えて上下の装置間の電
気的接続も行える。

第１９図は、下側の装置９２ｂを上のもの６２ａよりも
小型にした例を示し、あたかも下の装置が上の装置に包
み込まれる如くに組み合わされる。

第２０図では、下側の装置６２ｂのリード４４ｂを上側
の装置６２ａと同じ側に導出し、かつ長さをより短く　
（即ち突き出し量をより少なく）シているので、重ねた
ときに同図（Ｂ）のように両リード４４ａと４４ｂとは
互いに支障なくプリント基板に固定することができる。

以上、本発明を例示したが、上述の例は本発明の技術的
思想に基づいて更に変形可能である。

例えば、上述の縮小半導体装置のボンディングパッドの
位置、個数、サイズ等は種々変更してよい。また、他の
装置等へのボンディング方法も他のワイヤレス方式を導
入することもできる。また、樹脂封止に用いる樹脂の種
類やコーティング方法等も変更可能である。上述の抵抗
、静電容量等を形成する半導体製造技術は他の技術であ
ってもよい。パッケージについても、上述の例ではＦＬ
Ｐとしたが、他の標準的なＰＫＧ、例えばＰＬＣＣ（プ
ラスチック・チップ・キャリア）、ＰＧＡ（ピングレー
ドアレイ）等であってもよい。

へ０発明の作用効果 本発明は上述の如く、少なくとも素子領域上にボンディ
ングパッドを設け、ワイヤレスボンディングに用いてい
るので、有効にパッドの面積を確保でき、その分高集積
化が可能で、チップサイズを大幅に縮小することができ
る。また、パッドの配置を均一にできるので、生産性が
向上し、また応力集中も回避して信頼性が高くなり、か
つまた低コスト、迅速に実装可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第２０図は本発明の実施例を示すものであって
、 第１図は縮小半導体素子の斜視図、 第２図は同素子の要部拡大断面図、 第３図は同素子をハイブリッド基板にマウントして実装
したパッケージの断面図、 第４図はハイブリッド基板の斜視図、 第５図は同基板上に縮小半導体素子をマウントした状態
の斜視図、 第６Ａ図、第６日図、第６Ｃ図はリードフレームの作成
方法の主要段階を工程順に示す一部分の各平面図、 第７図（Ａ）はリードフレームのビームリード部の拡大
正面図、第７図（日）はその平面図、第８図（Ａ）は他
のリードフレーム素材の一部分の断面図、第８図（日）
、（Ｃ）は同リードフレーム素材からリードフレームを
作成する方法の主要段階の各断面図、 第９図は封止樹脂とリードフレームとの界面の状態を示
す一部分の断面図、 第１０Ａ図、第１０８図、第１０Ｃ図、第１０Ｄ図、第
１０Ｅ図、第１０Ｆ図は半導体装置のパッケージングの
主要段階を工程順に示す各断面図、 第１１図は半導体装置出荷時のテープキャリアを示す斜
視図、 第１２図は他のパッケージの一部の断面図、第１３図は
積層型パッケージの斜視図、第１４図は同パッケージで
画素子を分離して示す斜視図 第１５図は第１３図の正面図、 第１６図、第１７図は他の積層型パッケージの各正面図
、 第１８図は他の積層型パッケージの一部分の正面図、 第１９図は他の積層型パッケージの画素子を分離して示
す斜視図、 第２０図（Ａ）は更に他の積層型パッケージの画素子を
分離して示す斜視図、 第２０図（日）は同パッケージの平面図である。 第２１図〜第２５図は従来例を示すものであって、 第２１図は半導体装置のパッケージの断面図、第２２図
は半導体素子の斜視図、 第２３図はフェイスダウン方式のボンディングを示す正
面図、 第２４図は同ボンディングに用いる半導体素子の要部断
面図、 第２５［！Ｉ（Ａ）、第２５図（Ｂ）はバンプ形状を示
す一部分の各正面図 である。 なお、図面に示す符号において、 ３０・・・・・・・・・縮小半導体素子３Ｌ４３・・・
・・・・・・ボンディングバンド４１・・・・・・・・
・ハイブリッド基板４２．４９・旧・・・・・バンプ ４４．４４ａ、４４ｂ、４４Ｃ ・・・・・・・・・リードフレーム ４８・・・・・・・・・ビームリード部５３・・・・・
・・・・封止樹脂 ５４・・・・・・・・・耐湿性樹脂 ５５・・・・・・・・・低応力性樹脂 ５６・・・・・・・・・低価格樹脂 ６２．６２ａ、６２ｂ、６２ｃ ・・・・・・・・・半導体装置 ６５・・・・・・・・・高熱伝導性樹脂である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、少なくとも素子領域上に、ワイヤレス式のボンディ
   ングに用いられるボンディングパッドが設けられている
   半導体装置。