KR20020046966A - 반도체장치 및 그 제조방법 - Google Patents

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KR20020046966A
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KR
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semiconductor device
external connection
semiconductor
connection terminal
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KR1020010078377A
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호리우치미치오
구리하라다카시
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모기 쥰이찌
신꼬오덴기 고교 가부시키가이샤
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    • H01L2224/48755—Nickel (Ni) as principal constituent
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    • H01L2224/48763—Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Aluminium (Al) with a principal constituent of the bonding area being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than 1550°C
    • H01L2224/48764—Palladium (Pd) as principal constituent
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    • H01L2224/488—Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Copper (Cu) with a principal constituent of the bonding area being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof
    • H01L2224/48838—Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Copper (Cu) with a principal constituent of the bonding area being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
    • H01L2224/48839—Silver (Ag) as principal constituent
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    • H01L2224/488—Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Copper (Cu) with a principal constituent of the bonding area being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof
    • H01L2224/48838—Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Copper (Cu) with a principal constituent of the bonding area being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
    • H01L2224/48844—Gold (Au) as principal constituent
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    • H01L2224/4911—Disposition the connectors being bonded to at least one common bonding area, e.g. daisy chain
    • H01L2224/49113—Disposition the connectors being bonded to at least one common bonding area, e.g. daisy chain the connectors connecting different bonding areas on the semiconductor or solid-state body to a common bonding area outside the body, e.g. converging wires
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    • H01L2224/491—Disposition
    • H01L2224/4912—Layout
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    • H01L2224/85—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a wire connector
    • H01L2224/85909—Post-treatment of the connector or wire bonding area
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    • H01L2225/1058—Bump or bump-like electrical connections, e.g. balls, pillars, posts
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Abstract

본 발명에 따르면, 수지 재료로 이루어진 기판, 상기 기판 상의 소정의 위치에 탑재된 반도체소자 및 상기 반도체소자와 전기적으로 접속된 외부접속단자를 포함하는 반도체장치가 제공된다. 상기 반도체소자 및 외부접속단자는, 상기 기판에 매립되고 기판 내의 와이어를 통하여 서로 전기적으로 접속되며, 상기 반도체소자의 배면과 상기 외부접속단자의 단자면을 상기 기판의 동일 면측에 노출시킨다.

Description

반도체장치 및 그 제조방법{SEMICONDUCTOR DEVICE AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME}
본 발명은 반도체장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 고가의 기판이나 복잡한 기술을 사용하지 않고도 고밀도로 및 3차원적으로 패키징될 수 있는 반도체장치에 관한 것이다. 본 발명은 또한 전술한 반도체장치를 제조하는 방법에 관한 것이다.
현재, 위에 반도체소자들(이하에서는 때때로 "반도체 칩"이라 함)이 탑재된 여러 가지 반도체장치들이 제안되었고, 그 패키지는 3차원적으로 밀도가 증가하여 왔다. 또한, 두께를 줄이기 위하여, 각 반도체소자가 기판 내에 매립되거나 반도체소자를 수용하기 위한 공간이 기판의 일부에 형성되는 식으로 반도체장치가 향상되어 왔다. 예컨대, 반도체장치 상에 탑재된 반도체 칩의 단자 수는 반도체장치의 증가된 기능과 함께 증가되었다는 사실에 비추어 보아, 전극 단자가 각 반도체 칩의 전극 단자 형성면상에 면적 어레이로 형성되고 그 후에 각 반도체 칩이 플립칩 접속에 의해 배선판에 탑재되는 방법이 채용된다. 플립칩 접속에 있어서, 반도체소자의 전극 단자 상에 형성된 범프는 배선판의 패드에 결합되어 반도체소자의 전극 단자와 배선판의 외부접속단자(범프)를 전기적으로 서로 접속한다. 또한, 현재의 경향은 복수의 배선층 및 절연층이 배선판으로서 적층되는 소위 "빌트업 방법(built-up method)"을 채용하는 쪽으로 향하고 있다.
도 1은 종래의 반도체장치의 예를 나타내는 단면도이다. 도시된 반도체장치(50)의 경우에, 면적 어레이로 형성된 전극 단자(범프)(53)를 갖는 반도체 칩(55)이 회로판(51) 상에 탑재된다. 회로판(51)의 각 면상에 빌트업 층(59)이 형성되고, 회로판(51)의 일면(반도체 칩(55)이 없는 면) 상에 외부접속단자(범프)(52)가 형성된다. 반도체 칩(55)은 전극 단자(53)를 통하여 빌트업 층(59) 상에 형성된 와이어 패턴(도시되지 않음)에 전기적으로 접속되는 한편, 회로판(51) 상에 형성된 비어(via)(도시되지 않음)를 통하여 외부접속단자(53)에 전기적으로 접속된다. 또한, 반도체 칩(55)의 전극 단자(53)와 외부접속단자(52)를 서로 전기적으로 접속하는 와이어 패턴을 형성하기 위하여 적층(빌트업 층(59)의 적층 구조가 설명의 편의를 위하여 도면에 도시되어 있음)함으로써 복수의 빌트업 층(59)이 형성된다. 또한, 회로판(51)과 그 위의 반도체 칩(10)이 절연 수지 재료(54)로 실링(sealing)된다.
통상, 에폭시 수지나 폴리이미드 수지와 같은 절연 수지 재료의 베이스 부재를 사용하여 빌트업 층을 형성하고, 상기 베이스 부재 상에 소정 패턴의 배선을 형성하는 한편, 동시에 빌트업 층간에 배선을 전기적으로 접속하여 필요한 만큼의 빌트업 층을 적층함으로써, 도 1에 나타낸 반도체장치가 일반적으로 제조될 수 있다. 이런 타입의 반도체장치는, 고밀도 와이어를 실현하는데 적합하기는 하지만, 복잡한 제조공정과 제조비용의 증가라는 문제점을 갖는다. 또한, 와이어간의 좁은 공간은 크로스토크(crosstalk)를 초래하여, 열화된 장치 신뢰성 및 낮은 제조 수율이라는 문제를 야기한다.
이러한 문제의 해결책으로서, 본 발명의 발명자는 일본국 공개특허공보 평11-163217호에 개시된 바와 같은 반도체장치를 개발하였다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 이 반도체장치(60)는, 그 위에 면적 어레이로 형성된 전극 단자(도시되지 않음)를 갖는 반도체 칩(65)이 외측을 향하는 전극 단자 형성면을 갖는 회로판(61)의일면상에 탑재되는 한편, 본딩 패드(63)가 회로판(61)의 (반도체 칩(65)에 의해 차지되는 면적을 제외한) 일면상에 면적 어레이로 형성되도록, 구성된다. 또한, 반도체 칩(65)의 전극 단자와 본딩 패드(63)는 도전성 와이어를 전기적으로 절연하는 절연막으로 피복된 본딩 와이어(66)를 통하여 서로 전기적으로 접속된다. 또한, 회로판(61)의 타면(반도체 칩(65)이 장착되지 않은 면) 상에서, 면적 어레이 패턴으로 형성된 외부접속단자(62)와 본딩 패드(63)가 그 두께 방향으로 회로판(61)을 통하여 형성된 도전성 부분(67)에 의해 서로 전기적으로 접속된다. 더욱이, 특정한 본딩부를 포함하여 전극 단자와 본딩 와이어(66)간의 본딩부 및 본딩 와이어(66)와 본딩 패드(63)간의 본딩부가 전기적인 절연 특성을 갖는 절연막(68)으로 피복된다. 또한, 반도체 칩(65)과 본딩 와이어(66)를 포함하는 회로판(61)의 일면이 도전성 수지 재료(64)로 실링된다. 그런데, 도전성 부분(67)과 외부접속단자(62) 사이의 접속은 각 도전성 부분(67)의 단면상에 각각 형성된 랜드(69)를 통하여 이루어진다.
도 2에 나타낸 반도체장치에서, 면적 어레이 패턴으로 배열된 반도체 칩의 전극 단자와 회로판의 본딩 패드가 절연막으로 피복된 와이어에 의해 서로 접속되며, 따라서 제조를 용이하게 하는 동시에 수율을 향상시키면서 회로판의 구성이 간단해진다. 또한, 반도체장치를 구성하는데 필요한 와이어 길이가 감소할 수 있다는 사실의 관점에서, 우수한 전기적 특성을 갖는 반도체 칩이 제공될 수 있다.
그러나, 반도체장치의 다양한 현재의 요구를 충족시키기 위하여, 예시된 반도체장치에 추가적인 개선을 가하는 것이 바람직하다. 상세하게는, 단자의 상호접속을 위한 와이어 본딩 방법을 채용하는 반도체장치는 포함하고 있는 반도체 칩에 따라 본딩 시에 손상될 수도 있다. 또한, 반도체장치 제조업자의 상황을 고려하면, 반도체 칩이 연달아서 쉽게 탑재될 수 있는 타입의 회로판을 제공하는 것이 바람직하다.
한편, 얇은 패키지, 즉 증가된 수의 핀, 감소된 접속단자의 피치 및 장치 전체로서의 보다 작은 두께 및 보다 작은 크기에 쉽게 적용되는 TCP(Tape Carrier Package)를 구성하는 반도체장치의 사용이 또한 증가하여 왔다. 일반적으로, TCP는, 구리 호일이 소정 패턴의 개구를 갖는 테이프 형태의 베이스 부재(보통, 수지막) 상에 부착된 후에 에칭에 의해 패터닝되어 소정의 구리 리드를 형성하는 TAB 방법에 따라 제조될 수 있다. 다음 단계에서, 반도체 칩이 위치가 설정되고 베이스 부재의 개구에 유지되고, 반도체 칩의 접속단자가 대응하는 구리 리드와 접속되며, 그 후에 구리 리드의 일부와 반도체 칩이 수지로 실링되어 반도체 패키지를 완성한다. 이런 공정을 반복함으로써 복수의 반도체 패키지를 제조한 후에, 각각 반도체 패키지가 절단된다. 이런 식으로, 반도체 칩이 개구에 장착된 반도체장치가 완성된다.
그러나, 이 반도체장치의 두께의 감소는 한계를 갖는다. 상세하게는, 반도체 칩이 구리 리드에 따라 베이스 부재 상에 탑재되고, 따라서 구리 리드, 베이스 부재 및 전체 장치의 두께는 강도를 확보하기 위하여 적어도 어느 정도까지 증가할 것이 요구된다. 강도를 확보하기 위하여 수지 실링부에 의지하고자 한다면, 보다 얇은 두께를 향한 경향으로부터 벗어나는 두꺼운 두께로 수지를 채울 필요가 있다.또한, 이런 타입의 반도체장치의 경우에, 다른 칩들이 다른 두께를 갖고 개별적인 장착 높이가 또한 변하여, 반도체 장치의 높이가 변하게 된다. 따라서, 반도체 패키지를 절단하기 전에 성능 평가를 위한 전기적인 테스트를 집합적으로 수행하는 것이 어려워진다.
따라서, 본 발명의 목적은 고가의 기판이나 복잡한 제조 기술을 사용하지 않고도 3차원적으로 고밀도로 패키징된 반도체장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 줄어든 그리고 균일한 탑재 높이의 반도체소자를 가지며, 동시에 제조 수율을 향상시키고 반도체소자의 균일한 높이를 보장하여, 전기적인 테스트를 집합적으로 수행할 수 있는 반도체장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 크로스토크를 방지하고 기판의 내부 임피던스가 쉽게 매칭되며 간단한 공정을 통하여 단축된 시간 및 저비용으로 제조할 수 있을 정도로 기판의 내부 접속의 신뢰성과 패키지의 신뢰성이 높은 반도체장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 높은 설계 자유도를 가지며, 제조 중에 테스트를 수행할 수 있고, 요구된 대로 반도체소자와 다른 부분이 쉽게 재처리될 수 있으며, 반도체소자 등이 쉽게 연달아 탑재될 수 있는 반도체장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 전술한 우수한 특성을 갖는 반도체장치가 간단한 공정을 통하여 짧은 시간 내에, 저비용 및 높은 신뢰성과 수율로 제조될 수 있는 반도체장치의 제조방법을 제공하는 것이다.
도 1은 기판 상에 탑재된 반도체 칩을 갖는 종래의 반도체장치의 예를 나타내는 단면도.
도 2는 기판 상에 탑재된 반도체 칩을 갖는 종래의 반도체장치의 다른 예를 나타내는 단면도.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반도체장치를 나타내는 단면도.
도 4는 도 3에 나타낸 반도체장치의 전기적인 접속을 나타내는 평면도.
도 5(a) 내지 5(d)는 도 3에 나타낸 반도체장치를 제조하는 바람직한 방법에 대한 일련의 단계들의 예를 나타내는 단면도.
도 6은 본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따른 반도체 장치를 나타내는 단면도.
도 7은 도 6에 나타낸 반도체장치의 와이어본딩된 부분의 확대 단면도.
도 8(a) 내지 8(e)는 도 6에 나타낸 반도체장치를 제조하는 바람직한 방법에 대한 일련의 단계들의 예를 나타내는 단면도.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 반도체장치를 나타내는 단면도.
도 10(a) 및 10(b)는 본 발명에 따른 반도체장치에 사용되는 외부접속단자의예를 나타내는 사시도.
도 11은 본 발명에 따른 반도체장치에 사용되는 외부접속단자의 열(row)의 제조를 설명하기 위한 사시도.
도 12는 본 발명에 따른 반도체장치에 사용되는 외부접속단자의 열의 제조를 설명하기 위한 사시도.
도 13(a) 내지 13(d)는 본 발명에 따른 반도체장치를 제조하는 또 다른 바람직한 방법에 대한 일련의 단계들의 예를 나타내는 단면도.
도 14(a) 및 14(b)는 본 발명에 따른 반도체장치를 제조하는 또 다른 바람직한 방법에 대한 일련의 단계들의 예를 나타내는 단면도.
도 15는 본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에 따른 반도체장치를 나타내는 단면도.
※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ※
2: 반도체소자
3: 외부접속단자
4: 본딩 와이어
7: 기판
10: 반도체장치
본 발명의 상기한 목적 및 다른 목적들은 이하의 상세한 설명으로부터 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 수지 재료로 이루어진 기판, 상기 기판상의 소정의 위치에 탑재된 반도체소자 및 상기 반도체소자와 전기적으로 접속된 외부접속단자를 구비하는 반도체장치가 제공되는데, 여기서 상기 반도체소자와 상기 외부접속단자는 상기 기판에 매립되고 상기 기판 내에서 와이어를 통하여 전기적으로 접속되며, 상기 반도체소자 각각의 배면과 상기 외부접속단자 각각의 단자면이 상기 기판의 동일 면측으로 노출된다.
본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 수지 재료로 이루어진 기판, 상기 기판상의 소정의 위치에 탑재된 반도체소자 및 상기 반도체소자와 전기적으로 접속된 외부접속단자를 구비하는 반도체장치를 제조하는 방법이 제공되는데, 이 방법은, 반도체소자와 외부접속단자를 기판의 표면상의 소정의 위치에 놓고, 상기 반도체소자와 상기 외부접속단자를 와이어를 통하여 서로 전기적으로 접속하며, 그 후에 상기 기판의 표면을 수지 재료로 소정의 두께로 피복하여 기판을 구성함과 동시에 상기 반도체소자, 상기 외부접속단자 및 상기 와이어를 상기 기판 내에서 수지로 실링(sealing)하여 반도체장치 반완성체를 구성하며, 상기 반도체장치 반완성체를 상기 기판의 배면측으로부터 두께 방향을 따라 소정의 깊이까지 연마하여, 상기 반도체소자와 상기 외부접속단자가 상기 기판에 매립되고 상기 기판 내에서 와이어를 통하여 서로 전기적으로 접속되며 상기 반도체소자 각각의 배면과 상기 외부접속단자 각각의 단자면을 상기 기판의 동일 면측으로 노출시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 반도체장치는, 종래의 반도체장치와 같이, 기판 및 상기 기판 상의 소정의 위치에 탑재된 반도체소자를 포함하는 구조를 갖지만, 종래의 반도체장치와는 달리, 반도체장치와 외부 소자를 서로 접속하는데 사용되는 외부접속단자와 반도체소자가 기판 내에 매립되고 기판 내에서 와이어(통상 "본딩 와이어"라고 불림)를 통하여 전기적으로 접속되며, 각 반도체소자의 배면(활성 면에 대향하는 면)과 각 외부접속단자의 단자면이 기판의 동일 면측으로 노출되어 있다는 점을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 반도체장치에서, 반도체소자, 외부접속단자 및 필요에 다라 레지스터, 커패시터와 인덕터와 같은 칩 부품을 포함하는 다른 부품을 갖는 기판은 반도체장치의 분야에서 흔하게 사용되는 다양한 재료로 구성될 수 있다. 그러나, 본 발명의 실시에 있어서는, 기판의 내부 구조와 처리 필요의 관점에서 수지 재료로 기판을 구성하는 것이 바람직하다. 또한, 이하의 상세한 설명을 통하여 수지 재료는 실링된 와이어의 구조에 따라 도전성이거나 절연성일 수 있다.
본 발명에 사용되는 기판은 도전성 수지 재료 또는 절연성 수지 재료로 구성될 수 있다. 반도체소자와 외부접속단자를 접속하는데 사용되는 본딩 와이어가 절연막으로 피복된 도전성 와이어인 경우에, 즉 본 발명에 따른 반도체장치가 절연물질로 피복된 표면을 갖는 동축 구조를 갖는 경우에, 기판은 도전성 수지 재료로 구성될 수 있다. 구리, 은, 금, 니켈 또는 그 합금과 같은 도전성 금속의 입자나 분말을 분산된 필러(filler)의 형태로 포함하는 에폭시 수지나 폴리이미드 수지가 적절한 도전성 수지 재료로서 인용될 수 있다.
본딩 와이어가 도전성 와이어만으로 구성되거나 절연막 및 도전막이 이 순서대로 피복된 도전성 와이어로 구성된 경우, 즉 반도체장치가 절연성 및 도전성의 커버링을 교번으로 갖는 동축 구조를 갖는 경우에, 기판은 절연성 수지 재료로 구성되는 것이 바람직하다. 에폭시 수지, 유리 에폭시 수지, 폴리이미드 수지, 폴리페닐에테르 수지 또는 폴리테트라플루오르에테르 수지가 적절한 절연성 수지 재료에 포함된다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 전술한 바와 같은 기판은 플렉시블 수지 기판인 것이 바람직하다. 이러한 수지 기판을 구성하는 수지 재료의 유연성은 실온에서 측정된 영율(Young's modulus)로 표현할 때 1GPa 이하이다. 실리콘 그룹의 엘라스토머, 저탄성 폴리이미드 수지 또는 폴리올레핀 수지가 이러한 유연성 요구를 만족시킬 수 있는 수지 재료로서 기재될 수 있다. 플렉시블 수지 기판이 채용되는 경우에, 와이어는 반도체소자나 그 접속단자와 외부접속단자 사이에서 움직일 수 있고, 따라서 그렇지 않으면 열팽창률의 차이에 의해 초래될 수도 있는 응력의 발생이 억제될 수 있다. 또한, 플렉시블 기판이 파손을 초래하지 않고도 휠 수 있기 때문에, 반도체장치의 콤팩트한 패키징이 용이해진다.
본 발명에 따른 반도체장치에서는, 전술한 바와 같이, 본딩 와이어가 동축 구조를 형성하도록 피복되는 동시에 이 와이어와 접속된 부분도 유사하게 피복하는 것이 바람직하다. 상세하게는, 기판은 도전성 수지 재료로 구성되고, 반도체소자나 그 접속단자와 외부접속단자를 접속하는 와이어, 반도체소자와 외부접속단자를갖는 기판의 표면 및 그 단자 커넥터가 절연 재료로 피복되는 것이 바람직하다. 선택적인 대안으로서, 기판이 절연성 수지 재료로 구성되고, 반도체소자나 그 접속단자와 외부접속단자를 접속하는 와이어, 반도체소자와 외부접속단자를 갖는 기판의 표면 및 그 단자 커넥터가 절연 재료 뿐만 아니라 그 위의 도체(바람직하게는, 도전성 금속)로 피복되는 것이 바람직하다.
본 발명에 다른 반도체장치에서, 전술한 바와 같은 도전성 수지 재료를 사용하는 수지 실링된 구조를 채용함으로써, 기판의 열전도성이 향상되고, 따라서 반도체장치의 열방출 특성이 향상될 수 있다. 또한, 수지 실링된 구조에 사용된 도전성 수지 재료는 기판의 열전도성과 제조된 반도체장치의 열방출 특성을 향상시킨다. 따라서, 수지 재료는 높은 열전도성을 갖는 도전성 재료가 분산된 도체 분산형 도전성 수지로 구성되는 것이 바람직하다. 도체 분산형 도전성 수지는, 상기 도전성 기판에 대하여 기재된 바와 같이, 결착제 수지와 이 결착제 수지 내에 분산된 도전성 금속의 분말이나 입자를 구성하는 필러로 구성되는 것이 바람직하다. 상세하게는, 실링 수지의 완성에 적합한 결착제 수지는 예컨대 에폭시 수지 또는 폴리이미드 수지이다. 또한, 결착제 수지 내에 필러로서 분산되는 분말이나 입자 형태의 도전성 금속은 예컨대 금, 은, 구리, 니켈 또는 그 합금이다. 또한, 필요할 때마다, 이러한 도전성 금속 대신에 또는 이러한 금속과 조합하여, 카본 블랙 등이 사용될 수 있다. 이 설명에서 알 수 있는 바와 같이, 본 명세서에서 사용되는 바와 같은 "금속"이라는 용어는, 달리 특정되지 않으면, 앞에서 인용된 금속 중 어느 하나를 주성분으로 포함하는 합금을 포함하는 것으로 정의된다.
전술한 바와 같은 결착제 수지 내에 분산된 분말이나 입자 형태의 도전성 금속의 모양 및 크기는, 원하는 도전성의 수준이나 사용된 금속의 타입과 같은 요소에 따라 변할 수는 있지만, 통상 약 10 내지 200㎛의 직경을 갖는 구인 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 반도체장치에 있어서, 그 기판이, 도전성 수지 재료로 구성된다면, 접지 전위에 전기적으로 접속되는 것이 바람직하다. 이것은 도전성 기판을 사용하는 효과가 더 전시적이기 때문이다.
동축 구조를 갖는 본딩 와이어에서, 도체로 이루어진 와이어(도전성 와이어)를 피복하는 절연막이, 특정되어 제한되지 않지만, 4이하의 유전율을 갖는 것이 바람직하다. 동축 와이어의 사용은 크로스토크를 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라 불연속 지점이 거의 없이 절연막의 유전율과 두께를 제어함으로써 임피던스를 제어할 수 있다. 또한, 와이의 일부는 절연막으로 피복되지 않는 것이 바람직하다. 절연막을 갖지 않는 본딩 와이어의 이러한 부분의 존재는 접지된 특정한 부분을 유익하게 사용할 수 있게 한다.
본 발명에 따른 반도체장치에 있어서, 각 반도체소자의 배면(비활성 면)이나 그 각각의 접속단자의 단자면 및 각 외부접속단자의 단자면이 장치의 주표면 중 하나에 노출되는 것이 필수적이다. 이러한 구성을 채용함으로써, 반도체장치는 보다 높은 신뢰성을 갖는 간단한 형식으로 구성될 수 있다. 그 뿐만 아니라, 고밀도로 3차원적으로 패키징된 반도체장치가 고가의 기판이나 복잡한 제조공정 없이도 제공될 수 있다.
반도체소자나 그 접속단자와 기판 상에 형성되는 외부접속단자의 레이아웃, 분포 및 크기는 특별히 제한적이지는 않지만, 종래의 반도체장치와 유사할 수 있다. 상세하게는, 반도체소자의 접속단자는 반도체소자의 구성에 따라 면적 어레이로 배열될 수 있으며, 외부접속단자는 이에 대응하여 면적 어레이 패턴으로 배열될 수 있다.
본 발명에 따른 반도체장치에서 바람직한 예로서, 반도체소자의 접속단자가 기판의 일 표면상의 복수의 영역에 배치되며, 각각의 반도체소자는 그 영역 각각의 중심부에 실질적으로 배열된다. 인접한 영역의 반도체소자의 접속단자는 본 발명에 따른 기판의 내부에서 와이어를 통하여 서로 전기적으로 접속된다. 이러한 전기적인 접속은 반도체소자의 접속단자들 사이 또는 반도체소자의 접속단자와 외부접속단자의 사이에 있을 수도 있다. 이러한 구성을 사용함으로써, 하나의 반도체장치에 복수의 반도체소자를 탑재할 수 있게 되며, 따라서 이 구성은 멀티칩 모듈(multi-chip module) 등에 유익하게 사용될 수 있다.
반도체소자의 접속단자와 외부접속단자는 종래의 반도체장치에 사용된 단자와 유사한 구성을 가질 수 있다. 상세하게는, 이들 단자는 예컨대 노출된 패드 등의 형태로 기판의 표면상에 배열될 수 있다. 이들 단자는 단일 층의 형태로 구성되거나 또는 필요에 따라 선택적으로 2층 이상의 다층 형태로 구성될 수도 있다. 또한, 이들 단자는 원하는 전기적인 접속이 가능한 정도의 임의의 재료로 구성될 수도 있다. 적절한 단자 재료는 금속 등의 도전성 재료이다. 적절한 도전성 금속은 금, 은, 구리, 팔라듐, 코발트, 니켈 또는 그 합금이다. 또한, 이들 접속단자는 필요에 따라 그 표면상에, 배선판의 분야에서의 일반적인 실시에서와 같이, 접속의 신뢰성을 향상시키기 위한 범프나 랜드와 같은 수단을 가질 수도 있다.
전술한 반도체소자의 접속단자와 외부접속단자는 각각 종래의 기술에 따라 형성될 수도 있다. 단자를 형성하는 적절한 방법은, 기판상의 소정의 영역을 선택적으로 도금함으로써 단자를 형성하는 방법이나, 레지스트 마스크의 존재 하에서 기판의 전체 표면을 도금한 후 마스크를 제거하여 단자만을 노출시키는 방법을 포함한다. 본 발명에 따른 반도체장치에 있어서, 이들 접속단자는 특히 도전성 금속 폴(pole)로 형성되는 것이 유익하다.
금속 폴로 형성된 접속단자는 다양한 모양을 취할 수 있으며, 다양한 기술을 사용하여 형성될 수 있다. 본 발명에 따르면, (고체 원형 실린더나 프리즘과 같은) 도전성 와이어나 도전성 폴은 기판을 형성하는 수지로 실링되고, 그 후에 경화된 실링 수지가 접지되어 한 쪽으로부터 연삭 및 연마되며, 이에 따라 그 두께 방향을 따라 연장하는 내부 접속단자를 갖는 소정 두께의 기판을 형성한다. 일반적으로 말해서, 이들 접속단자는, 원형이라면, 약 100 내지 200㎛의 직경을 갖는다.
본 발명에 따른 반도체장치에서, 앞에서 간략히 설명한 바와 같이, 반도체장치의 분야에서 일반적으로 사용되는 본딩 와이어가 반도체소자나 그 접속단자를 외부접속단자와 접속하는데 사용될 수 있다. 그러나, 기판 내에서 포함될 것이 요구되는 본 발명에서 사용되는 본딩 와이어는, 기판 내에 밀봉될 것이 요구되며, 따라서 그러한 상황에 내성이 있을 정도의 충분한 강도를 가질 것이 요구된다.
본딩 와이어는 특히 크로스토크의 발생을 회피하도록 동축 구조를 갖는 것이바람직하다. 상세하게는, 본딩 와이어는 도전성 재료(도체)의 도체 와이어, 이 도체 와이어를 피복하는 절연막 및 필요하다면 이 절연막을 더 피복하는 도전막으로 구성되는 것이 유익하다. 와이어의 코어 부재를 구성하는 도전성 재료는 금속과 같은 도체인 것이 바람직하다. 적절한 도전성 금속은 예컨대 금, 은, 구리, 니켈, 알루미늄 또는 그 합금이다. 또한, 이 도전성 와이어를 피복하는 절연막은 에폭시 수지나 폴리이미드 수지와 같은 절연 수지 피복인 것이 바람직하다. 한편, 알루미늄 와이어의 경우에, 산화막이 또한 효과적이다. 예컨대, 수지 피복은 정전 코팅, 스프레이 코팅 또는 딥(dip) 코딩으로 형성될 수 있다. 필요에 따라 절연막 상에 더 피복되는 도전막은 와이어의 코어 부재와 같이 기상 증착, 또는 금, 은, 구리, 니켈, 알루미늄 또는 그 합금과 같은 도전성 금속으로부터의 도금에 의해 형성되는 것이 바람직하다. 코어 부재의 직경은 통상 약 20 내지 40㎛이다. 코어 부재 상에 피복된 절연막의 두께는, 미리 절연막으로 피복된 도체 와이어를 사용하여 와이어 본딩을 수행하는 경우에, 통상 2 내지 8㎛이다. 그러나, 절연막으로 피복되지 않은 도체 와이어를 사용하여 와이어 본딩을 수행한 후에 도체 와이어 주위에 절연막이 피복되는 경우에는, 절연막의 두께는 통상 10 내지 50㎛이다. 절연막의 두께는 임피던스 매칭의 요구와 절연막에 사용되는 재료에 따라 변할 수도 있다. 본 발명에 따른 반도체장치에 있어서, 배선판은, 와이어를 둘러싸는 도전성 수지를 고려한 절연막의 두께 및 재료를 조절함으로써 용량을 가질 수도 있다. 도전막은 또한 통상적으로 절연막과 동일한 두께를 가질 수 있다.
본 발명에 따른 반도체장치 하나만이 사용될 수 있다. 그러나, 대응하는 외부접속단자를 통하여 서로 전기적으로 접속됨으로써, 복수의 반도체장치가 적층 또는 박층 제품으로서 사용되는 것이 바람직하다. 반도체장치가 적층되는 방식은 임의로 변할 수 있다.
본 발명에 따른 반도체장치 상에 탑재되는 반도체소자는 특별히 제한적이지는 않다. 따라서, IC 칩, LSI 칩, C/C 등의 다양한 반도체 칩 중 어느 것이라도 포함될 수 있다. 또한, 플립칩 탑재나 칩 탑재와 같은 흔한 방법을 사용하여 반도체 칩이 탑재될 수 있다. 반도체소자는, 배선판 상에 탑재된 후에, 적절한 절연 수지로 실링된다. 또한, 본 발명에 따른 반도체장치에서는, 레지스터, 커패시터 또는 인덕터와 같은 다른 칩 부분이 반도체소자와 조합되어 또는 그 대신에 탑재될 수도 있다.
본 발명에 따른 반도체장치는 여러 공정들 중 어느 것에 따라서도 제조될 수 있다. 일반적으로, 반도체장치는 다음의 단계에 의해 제조되는 것이 바람직하다.
(1) (필요에 따라 반도체소자의 접속단자를 포함하는) 반도체소자를 기판 표면상의 소정의 위치에 놓는 단계;
(2) 반도체소자와 외부접속단자를 와이어(본딩 와이어)에 의하여 서로 전기적으로 접속하는 단계;
(3) 기판 표면을 소정 두께의 수지 재료로 피복함으로써 기판을 형성하는 동시에, 반도체소자와 외부접속단자를 기판 내에서 수지로 실링하여 반도체장치 반완성체를 완성하는 단계; 및
(4) 반도체장치 반완성체를 기판의 배면(비활성 면)으로부터 그 두께 방향을따라 소정의 깊이까지 연삭 및 연마하는 단계.
이 제조 공정에 따르면, 반도체소자와 외부접속단자가 기판에 매립되고 기판 내에서 와이어를 통하여 서로 전기적으로 접속되며, 이로써 반도체소자의 배면과 외부접속단자의 단자면이 동일 면측으로 노출된 반도체장치가 완성된다.
본 발명에 따른 반도체장치를 제조하는 몇 가지 바람직한 공정들을 이하에서 설명한다. 이하의 설명에서, 반도체장치를 구성하는 각 요소의 세부 사항들은 이미 기재되어 있으므로, 다시 설명하지 않는다.
본 발명에 따른 반도체장치를 제조하는 방법은 그 제조 공정의 중간 단계까지 반도체소자의 지지 부재로서 사용되는 기판을 마련하는 것으로 시작된다. 이 기판은 후속 단계에서 연삭에 의해 제거되므로, 연삭하기 쉬운 그러나 신축성이 없는 저가의 재료로 구성되는 것이 바람직하다. 적절한 기판 재료의 예는 유리, 에폭시 수지, 아크릴 수지, 유리 에폭시 수지, 세라믹, 42 합금(42%의 니켈(Ni)을 갖는 철(Fe)) 등의 금속이다.
다음에, 반도체소자(반도체 칩) 및 필요한 경우 반도체소자와 외부접속단자를 접속하기 위한 접속단자가 이렇게 마련된 기판의 일면상의 소정 위치에 탑재된다. 어떤 경우에는, 반도체장치를 완성하는데 필요한 다른 소자 및 부품이 이 단계에서 탑재될 수도 있다. 반도체소자, 외부접속단자 등은 반도체장치의 분야에서 일반적으로 사용되는 방법에 의해 탑재될 수 있다. 예컨대, 외부접속단자는 통상적으로 레지스트 공정에 의해 탑재되는 것이 유익하다. 상세하게는, 레지스트가 마련된 기판의 전체 표면상에 피복되고, 다음에 외부접속단자가 형성될 장소로부터제거된다. 다음 단계에서, 외부접속단자를 형성하기 위한 금, 팔라듐, 코발트 또는 니켈과 같은 재료가 레지스트 및 그 아래의 기판(노출된 부분)을 피복하도록 소정의 두께로 전해 도금된다. 일단 레지스트가 제거되면, 도금층, 측 외부접속단자만이 기판 상에 남겨진다.
전해 도금에 대하여 더 설명한다. 이 공정은 반도체장치의 제조에 흔하게 사용되는 여러 방법들에 따라 수행될 수 있다. 또한, 각 접속단자를 형성하기 위하여 전해 도금이 사용되는 경우, 단자는 통상 단일층으로서 형성된다. 그럼에도 불구하고, 필요에 따라 다층 구조를 갖는 합성 패드로서 형성될 수도 있다. 상세하게는, 제1패드가 저융점 금속을 도금함으로써 형성되고, 상기 저융점 금속보다 높은 융점을 갖는 금속을 도금함으로써 제2패드를 형성한다. 저융점 금속은 합금인 것이 바람직하다. 저융점의 적당한 합금은, 예컨대 주석-납(SnPb) 합금, 주석-은(SnAg) 합금, 주석-구리-은(SnCuAg) 합금 등이다. 또한, 합성 패드 타입의 단자가 전술한 방식으로 형성되는 경우에, 제1패드는 결과적인 패드 면적이 제2패드의 면적보다 큰 조건하에서 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 반도체장치의 제조에 있어서, 도전성 금속 폴로 만들어진 외부접속단자는 상기 기판 상에 놓이는 것이 바람직하다. 상세하게는, 반도체소자의 접속단자와 외부접속단자가 기판의 일면에 노출된 각 금속 폴의 단면상에 형성되도록, 기판을 통하여 형성된 도전성 금속의 로드(rod)(즉, 금속 폴)가 기판의 소정 위치에 배치된다. 여기에서 언급된 바와 같은 금속 폴은 와이어, 고체 원형 실린더 또는 금속 프리즘이다. 다음 단계로서, 반도체소자나 그 접속단자와 외부접속단자는 이하에 기재되는 바와 같이 와이어를 통하여 서로 전기적으로 접속되며, 그 후에 기판의 일면이 소정 두께의 수지 재료로 피복된다. 다음에, 기판에 수지로 실링된 와이어, 외부접속단자 및 반도체소자가 형성된다.
전술한 제조공정에서, 금속 폴은 다양한 방법에 의해 형성될 수 있다. 예컨대, 적당한 금속 재료가 마련되고 금속 폴이 형성될 부분이 선택적으로 에칭된다. 그 후에, 금속 폴이 매립되거나, 바람직하게는 금속 폴을 형성하는데 적합한 금속 재료가 채워지거나 도금된다. 보다 상세하게는, 예컨대 일본 특허공개공보 평8-78581호, 동 평9-331133호, 동 평9-331134호 및 동 평10-41435호에 개시된 방법 중 하나에 의해 금속 폴이 형성될 수 있다.
다음에, 반도체소자나 그 접속단자와 외부접속단자가 와이어를 통하여 서로 전기적으로 접속된다. 이 전기적인 접속은 종래의 도체 와이어 대신에, 전술한 바와 같이, 절연막으로 피복되며 필요에 따라 도체막으로 더 피복된 도체 와이어로 만들어진 본딩 와이어를 사용하여 달성하는 것이 유익하다.
본 발명의 반도체장치의 제조에 있어서, 특히 반도체소자와 외부접속단자를 도체 와이어를 통하여 전기적으로 접속한 후에, 반도체소자와 외부접속단자를 접속하는 와이어의 표면, 반도체소자와 외부접속단자의 표면 및 기판의 다른 노출된 부분에 절연성 수지 재료가 피복된다. 다음에, 바람직하게는, 절연막이 도전성 금속 재료로 더 피복된다.
또한, 본 발명의 반도체장치의 제조에 있어서, 반도체소자와 외부접속단자를 본딩 와이어를 통하여 전기적으로 접속한 후에, 각 접속 부재의 성능이 소정의 절차에 따라 테스트되는 것이 바람직하다. 이 테스트의 결과로서 결함이 검출된 경우에, 탑재된 반도체소자, 외부접속단자 등이 재처리된다. 결함이 검출된 반도체소자를 제거하고 스폿(spot) 열처리하고, 그것을 새로운 반도체소자로 대체함으로써 재처리가 수행된다. 이 재처리는 제조 공정 중에, 즉 반도체소자와 칩 부품을 노출시킨 채 수행될 수 있으며, 따라서 다른 반도체소자 등을 희생하지 않고도 제조 수율이 향상될 수 있다. 이 경우에 사용될 수 있는 전기적인 테스트는 접속/도통 테스트와 실온에서의 기본적인 동작 테스트를 포함한다.
와이어 본딩 작업을 완료 시에 및 필요에 따라 전술한 전기적인 테스트 시에, 기판 표면은 기판 형성 수지 재료로 소정의 두께로 피복되어, 반도체소자, 그 접속단자, 외부접속단자 및 와이어가 수지로 실링된 반도체장치 반완성체를 완성한다. 이 수지 실링 공정은 통상적으로 전사 몰딩이나 폿팅(potting)에 의해 선택된 수지 재료를 피복함으로써 수행될 수 있다.
수지 실링 공정의 완료 후에, 결과적인 반도체장치 반완성체는 연삭에 의해 제거된다. 이 공정은 적절한 연삭 도구를 사용하여 반도체장치 반완성체를 그 배면(기판)으로부터 소정의 깊이까지 연삭함으로써 수행될 수 있다. 예컨대, 실리콘 웨이퍼용 백그라인더(back grinder)가 적합하게 사용될 수 있다. 필요하다면, 반도체장치 반완성체의 상면도 유사한 방법으로 연삭될 수 있다. 이런 식으로, 전술한 구성을 갖는 본 발명에 따른 얇은 반도체장치가 얻어진다.
전술한 반도체장치를 제조하는 방법을 다양한 수정예로 구현할 수 있다.
예컨대, 전술한 바와 같이, 반도체소자 등이 기판의 일면상에 탑재되고 본딩와이어에 의해 접속되며, 기판의 상기 면이 수지 재료에 의해 소정의 두께로 피복된다. 이런 식으로 실링된 반도체소자 등을 갖는 반도체장치 반완성체를 형성한 후에, 반도체소자의 접속단자와 외부접속단자의 직경보다 각각 작은 개구가, 반도체장치 반완성체를 지지하는 기판상의 소정의 위치에서, 즉 반도체소자의 접속단자 및 외부접속단자와 접촉하는 위치에서, 기판을 통하여 형성된다. 이들 개구는 통상적으로 개구 이외의 부분을 마스킹하고 에칭 공정에서 기판 재료를 에칭함으로써 형성될 수 있다. 다른 방법에 따르면, 기판 상의 소정의 위치에 개구를 형성한 후에, 접속단자를 형성하고 와이어 본딩하며 수지로 실링하는 일련의 공정들을 수행할 수도 있다.
전술한 방식으로 기판 내에 개구를 형성한 후에, 개구를 저융점의 금속으로 채운다. 상세하게는, 상기 저융점 금속의 융점보다 다소 높은 온도까지 기판을 가열하고 수축시킨 후에, 기판 및 그 표면상에 남아있는 마스킹 수단(통상, 레지스트)을 적당한 에칭 용액으로 제거한다. 다음에, 반도체소자의 접속단자와 외부접속단자 상에 녹지 않고 남아있는 저융점 금속을 다시 리플로우(reflow)시켜서 구 모양으로 만든다. 따라서, 반도체소자의 접속단자 및 외부접속단자로서 사용될 수 있는 범프를 얻을 수 있다.
실시예
첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 이하에서 설명한다. 그런데, 본 발명이 이하에 기재되는 실시예들에 제한되지 않는다는 것을 이해하여야 한다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반도체장치를 나타내는 단면도이고, 도 4는 도 3의 반도체장치의 전기적인 접속을 나타내는 평면도이다. 도시된 바와 같이 반도체장치(10)는 기판(7), 기판(7)에 설치된 반도체소자(반도체 칩)(2) 및 외부접속단자(3)를 구비한다. 본 발명에 따른 반도체장치(10)에 있어서, 각 반도체소자(2)의 배면, 즉 비활성 면과 각 외부접속단자(3)의 단자면이 동일 높이로 기복 없이 동일 면측으로 노출되어 있다.
반도체소자(2)와 외부접속단자(3)는 본딩 와이어(4)에 의하여 서로 전기적으로 접속되어 있다. 도시되지는 않았지만, 반도체장치(10)는, 필요에 따라 그리고 종래 기술에서 사용되는 바와 같이, 그 표면에 칩 부품, 배선, 기판 성분 등을 갖고 있다.
예시된 반도체장치(10)에 있어서, 도전성 수지 재료로 구성되어 있다. 기판(7)에 매립된 본딩 와이어(4)는, 도전성 와이어(코어 부재)와 기판(7)으로부터 자신을 절연하기 위하여 도전성 와이어를 피복하는 절연막(커버링, 간략화를 위하여 도시하지 않음)을 포함하는 동축 구조를 갖는다. 도전성 와이어는 도전성 금속(이 경우에는 금)으로 형성되며, 절연성 피복인 절연막으로 피복된 표면을 갖는다. 기판(7)이 절연성 수지 재료로 구성된 경우에, 본딩 와이어(4)를 피복하는 절연성 커버링은 필요하지 않다.
예시된 반도체장치(10)는 다양하게 수정될 수 있다. 예컨대, 도시되지는 않았지만, 외부접속단자는 외부 부품과 추가적으로 접속되는 솔더볼과 각각 결합되어 있다. 또한, 도전성 와이어를 피복하는 절연막은 와이어의 표면뿐만 아니라 반도체소자와 외부접속단자의 표면 위로 더 연장될 수 있다.
도 3 및 4에 나타낸 반도체장치(10)는 예컨대 도 5(a) 내지 5(d)에 순서대로 나타낸 단계들에 따라 제조될 수 있다.
먼저, 도 5(a) 나타낸 바와 같이, 반도체 칩(2)과 외부접속단자(3)가 연삭하기 쉬운 얇은 재료(이 경우에는 유리 에폭시 수지)로 이루어진 기판(1)의 일면상에 소정의 패턴으로 놓인다. 반도체 칩(2)은 그 활성 면을 위로 한 채 놓여진다. 외부접속단자(3)는 소정의 섹션을 가지며 그 두께 방향을 따라 연속하는 고체의 구리 원형 실린더로 형성된다.
다음에, 도 5(b)에 나타낸 바와 같이, 기판의 반도체 칩(2)의 접속단자(도시되지 않음)와 외부접속단자(3)가 본딩 와이어(4)에 의해 서로 전기적으로 접속된다. 이 경우에 사용되는 본딩 와이어(4)는 전술한 바와 같이 동축 와이어이다. 동축 와이어를 형성하기 위해서는, 제 1 단계에서 예컨대 금의 코어 부재(금 와이어)가 각 단자에 와이어 본딩된다. 단자들 상호간의 본딩 완료 시에, 반도체 칩(2)의 전기적인 테스트가 수행된다. 어느 반도체 칩의 결함이 이 테스트에서 검출되는 경우, 특정된 반도체 칩이 새로운 반도체 칩으로 대체된다. 나타내지는 않았지만, 탑재되는 것이 있다면, 칩 부품이 유사한 방식으로 재처리된다.
다음에, 기판(1)을 접지한 채, 절연성 수지(에폭시 수지)의 분말이 정전기적으로 코팅된다. 정전 코팅에 의해 절연막을 피복하는 것 대신에, 수지 딥핑폿팅ping)이나 기상 증착 방법이 채용될 수도 있다. 이런 식으로, 균일한 두께의 절연막(나타내지 않음)으로 피복된 본딩 와이어(4)가 얻어진다. 이 때, 반도체 칩(2) 및 외부접속단자(3)의 표면도 또한 절연막으로 피복된다.
다음에, 도 5(c)에 나타낸 바와 같이, 소자 등을 유지하는 기판(1)의 표면이 수지로 완전히 실링된다. 이 경우에, 도전성 필러(구리 분말)를 분산된 형태로 포함하고 있는 에폭시 수지 용액이 사용된다. 기판(1)의 표면이 소정의 두께를 갖는 수지 재료(17)로 피복되어, 반도체 칩(2), 외부접속단자(3) 및 본딩 와이어(4)가 기판(1) 내에서 수지로 실링된다. 본 발명에서, 이렇게 실링된 상태의 장치는 "반도체장치 반완성체"라고 불린다.
전술한 수지 실링 공정의 완료 후에, 반도체장치를 얇게 하는 공정이 시작된다. 상세하게는, 도 5(d)에 나타낸 바와 같이, 앞의 단계에서 마련된 반도체장치 반완성체가 그 배면으로부터 깊이 d까지, 즉 반도체 칩(2)의 활성 영역에는 이르지 않는 깊이까지 연삭되고, 연삭된 표면은 연마되어 평탄해진다. 예컨대 실리콘 웨이퍼용의 통상적인 백그라인더가 연삭에 사용될 수 있다. 한편, 연마 공정에는, 콜로이드 실리카 등이 사용될 수 있다. 이런 식으로, 도 1을 참조하여 전술한 반도체장치(10)가 제조된다.
도 6은 본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따른 반도체장치를 나타내는 단면도이다. 예시된 반도체장치(11)는 도 3을 참조하여 설명한 반도체장치(10)와 유사한 구성을 갖는다. 도 7에 나타낸 반도체장치(11)의 와이어 본딩부를 확대 형태로 예시하는 단면도(도 6의 라인 Ⅴ-Ⅴ를 따라 취해진 단면도)로부터 알 수 있는 바와 같이, 반도체 칩(2)의 배면과 외부접속단자(3)의 단자면(양측 모두 노출됨), 즉 반도체 칩(2)의 표면, 외부접속단자(3)의 표면 및 본딩 와이어(4)의 표면을 포함하는 면을 제외한 면이 절연막(5)의 층을 통하여 도전막이나 바람직하게는 도전성 금속막(6)으로 피복된다. 따라서, 기판(7)은 절연성 수지 재료(실링 수지)로 형성된다. 나타낸 반도체장치(11)의 기판(7)은 물론 선택적으로 도전성 수지 재료로 구성될 수도 있다.
도 7을 참조하여 더 상세하게 설명한다. 본 반도체장치(11)에서, 기판(7)은 절연성 폴리이미드 수지로 구성되는 한편, 각 본딩 와이어(4)는 도전성 금속의 도전성 와이어(4), 도전성 와이어(4)를 피복하는 절연막(5) 및 도전성 금속막(6)으로 구성된다. 나타내지는 않았지만, 필요하다면 절연막(5)의 일부가 본딩 와이어(4)로부터 제거될 수도 있다. 이렇게 함으로써, 도전성 와이어(4)가 직접 접지로서 사용될 수 있다.
도 6에 나타낸 반도체장치(11)에서, 반도체장치(11)에 매립된 본딩 와이어(4)용 절연막(5)의 유전율 및 두께는 적절하게 제어되는 것이 바람직하다. 이렇게 함으로써, 불연속점 없이 임피던스가 제어될 수 있다. 예컨대, 도전성 와이어(4)는 흔한 도전성 금속으로 형성될 수 있는 한편, 이들을 피복하는 절연막은 다른 유전율을 갖는 다른 물질로 형성될 수 있다.
도 6에 나타낸 반도체장치(11)는 예컨대 도 8(a) 내지 8(e)에 순서대로 나타낸 단계를 따라 제조될 수 있다. 이 방법은 도 5(a) 내지 5(d)에 나타낸 방법과 유사하다.
먼저, 도 8(a) 나타낸 바와 같이, 반도체 칩(2)과 외부접속단자(3)가 연삭하기 쉬운 얇은 재료(이 경우에는 유리 에폭시 수지)로 이루어진 기판(1)의 일면상에 소정의 패턴으로 놓인다. 반도체 칩(2)은 그 활성 면을 위로 한 채 놓여진다. 외부접속단자(3)는 소정의 섹션을 가지며 그 두께 방향을 따라 연속하는 고체의 구리 원형 실린더로 형성된다.
다음에, 도 8(b)에 나타낸 바와 같이, 기판의 반도체 칩(2)의 접속단자(나타내지 않음)와 외부접속단자(3)가 본딩 와이어(4)에 의해 서로 전기적으로 접속된다. 이 본딩 와이어(4)는 25㎛의 직경을 각각 갖는 금 와이어이다.
본딩 와이어(4)에 의해 전기적인 접속을 완료한 후에, 전기적인 테스트가 수행되어 적절한 접속이 이루어졌는지 여부가 체크된다. 어느 반도체 칩의 결함이나 접속 불량이 테스트에서 검출되는 경우, 특정된 반도체 칩이 새로운 반도체 칩으로 대체되거나 부분적으로 재접속된다.
그 후에, 도 8(c)에 나타낸 바와 같이, 기판(1)을 접지한 채, 절연성 에폭시 수지의 분말이 정전기적으로 코팅되어 에폭시 수지로 이루어진 절연막(5)을 피복한다. 나타낸 바와 같이, 반도체 칩(2)의 표면, 외부접속단자(3)의 표면 및 본딩 와이어(4)의 표면이 절연막(5)의 층으로 피복된다. 구체적으로는, 절연막(5)이 와이어(4)를 둘러싸서 도 7에 나타낸 바와 같은 동축 구조를 만든다. 절연막(5)의 두께는 약 10㎛이다.
다음에, 나타내지는 않았지만, 동축 구조를 갖는 본딩 와이어(4)의 절연막(5)은 도전성 금속으로 더 피복되어 도 7을 참조하여 앞에서 설명한 도전성 금속막을 형성한다. 이 경우에, 도전성 금속막은 구리의 전해 도금에 의해 형성된다. 도전성 금속막의 두께는 약 0.6㎛이다.
다음 단계에서, 도 8(d)에 나타낸 바와 같이, 소자 등을 유지하는 기판(1)의표면이, 절연성 폴리이미드 수지 용액으로의 폿팅(potting)에 의해 수지로 완전히 실링된다. 나타낸 바와 같이, 기판(1)의 표면은 소정의 두께를 갖는 수지 재료(17)로 피복되어, 반도체 칩(2), 외부접속단자(3) 및 본딩 와이어(4)가 기판(1) 내에서 수지로 실링된다.
전술한 수지 실링 공정의 완료 후에, 도 8(e)에 나타낸 바와 같이, 반도체장치를 줄이는 공정이 시작된다. 상세하게는, 앞의 단계에서 마련된 반도체장치 반완성체가 그 배면으로부터 깊이 d까지 연삭되고, 연삭된 표면은 연마되어 평탄해진다. 따라서, 도 6을 참조하여 앞에서 설명한 바와 같이 반도체장치(11)가 얻어진다.
도 9는 도 6에 나타낸 반도체장치(11)와 본 발명에 따른 또 다른 반도체장치(12)가 적층되어 메모리 카드를 구성하는 구성의 실시예를 나타낸다. 나타낸 바와 같이, 반도체장치(12)는 기판(7)에 매립된 반도체소자(2)와 외부접속단자(3)를 포함한다. 반도체소자(2)와 외부접속단자(3)는 동축 구조를 갖는 본딩 와이어(4)에 의해 서로 전기적으로 접속된다. 반도체장치들(11과 12)은 반도체장치들의 외부접속단자(3)를 솔더 범프(8)를 통하여 서로 접속함으로써 서로 접속된다. 또한, 이렇게 적층된 반도체장치가 메모리 카드로서 사용되는 경우에, 반도체장치(12)의 단부에 노출된 외부접속단자(3a)가 카드 삽입 슬릿용 외부 커넥터로서 사용될 수 있다. 외부접속단자(3a)는 리드 모양(길고 가는 판 모양의 부재)이다.
도 10(a) 및 10(b)는 본 발명에 따른 반도체장치의 외부접속단자로서 이롭게 사용될 수 있는 도전성 금속 실린더의 예를 나타낸다. 도 10(a)는 원형의 고체 구리 실린더(3)를 나타내고, 도 10(b)는 구리 프리즘(3)을 나타낸다. 이들 금속 실린더는 한편으로는 저가이면서 용이하게 얻어질 수 있고 다른 한편으로는 두께 방향을 따라 연속하는 일정한 단면 형상을 갖는다. 또한, 복수의 이들 금속 실린더는 아무 문제없이 작은 피치로 배치될 수 있으므로, 외부접속단자로서의 적합하게 적용된다는 것을 알 수 있다.
금속 실린더의 외부접속단자는 다양한 방법에 따라 형성될 수 있다. 특히, 앞에서 인용한 일본국 특허공개공보에 기재된 방법들이 이롭게 수행될 수 있다. 복수의 원형 고체 실린더(3)가 수지나 세라믹(21)에 작은 피치로 매립되어 있는 예가 도 11에 나타나 있다. 이들 원형의 고체 실린더(3)는 기판 상에 놓이고 수지로 실링되어 본 발명에 따른 외부접속단자를 구성한다. 도 12는 프리즘(3)을 사용하는 예를 나타낸다. 프리즘(3)은 적절한 기판(22) 상에 놓여서 외부접속단자를 구성한다. 구체적으로는, 기판(22)이 기판(1)(앞에서 참조)의 일면에 결합되고, 연마 및 연삭에 의해 기판(1과 22)이 이 순서대로 제거되어, 프리즘(3)으로 이루어진 개별적인 외부접속단자가 형성될 수 있다. 여기서, 고체 원형 실린더와 프리즘은 금속판을 스탬핑(stamping)함으로써 쉽게 형성될 수 있다.
도 13(a) 내지 13(d)는 본 발명에 따른 반도체장치를 제조하는 또 다른 방법의 제조단계를 순서대로 나타낸다. 이 반도체장치에서, 외부접속단자의 일부가 장치의 전체 두께 방향을 따라 배열되어 반도체 칩이 접속되지 않는 관통형 외부접속단자를 구성하는 예가 채용된다. 전술한 기재에로부터 알 수 있는 바와 같이, 이 반도체장치는 기본적으로 도 5(a) 내지 5(d) 및 도 8(a) 내지 8(e)를 참조하여 앞에서 설명한 것과 유사한 방법에 의해 제조될 수 있다.
먼저, 도 13(a)에 나타낸 바와 같이, 반도체 칩(2)과 고체의 원형 구리 실린더의 외부접속단자가 유리 에폭시 수지로 이루어진 기판(1)의 일면상에 높인다. 다른 것보다 높은 외부접속단자가 사용되어 관통형 외부접속단자를 구성한다.
다음에, 반도체 칩(2)과 대응하는 외부접속단자(3)가 본딩 와이어(금 와이어)(4)에 의해 서로 전기적으로 접속되고, 전기적인 테스트를 수행하여 본딩 와이어(4)에 의해 전기적인 접속이 올바르게 이루어졌는지 여부를 체크한다.
전기적인 테스트의 완료 시에, 기판(1)을 접지한 채, 절연성 에폭시 수지 분말을 정전기적으로 코팅한다. 반도체 칩(2)의 표면, 외부접속단자(3)의 표면 및 본딩 와이어(4)의 표면이 에폭시 수지의 절연막(5)으로 피복된다. 다음에, 나타내지는 않았지만, 동축 구조를 갖는 본딩 와이어(4)의 절연막(5) 상에 금을 전해 도금에 의해 코팅함으로써 도체막이 더 형성된다.
다음에, 나타내지는 않았지만, 소자를 유지하는 기판(1)의 전체 표면이 절연성 폴리이미드 수지의 용액에서 폿팅함으로써 수지로 실링된다. 따라서 기판의 표면은 소정 두께의 수지 재료로 피복되어, 반도체 칩, 외부접속단자 및 본딩 와이어가 수지로 실링된 반도체장치 반완성체가 제조된다.
다음에, 반도체장치의 두께를 줄이기 위하여, 도 13(b)에 나타낸 바와 같이, 이전 단계에서 마련된 반도체장치 반완성체를 그 표면 및 배면으로부터 소정 깊이까지 연삭하고, 연삭된 표면을 연마하여 평탄하게 한다. 따라서, 예시된 반도체장치(13)가 얻어진다.
전술한 바와 같은 반도체장치(13)를 완성한 후에, 반도체장치의 하면상에 접속 와이어를 더 형성한다. 먼저, 도 13(c)에 나타낸 바와 같이, 반도체장치(13)의 전체 하면상에 구리 호일(29)을 부착한다. 다음 단계에서, 도 13(d)에 나타낸 바와 같이, 원하는 배선 패턴에 따라 종래의 포토리소그래피에 의해 구리 호일(29)을 패터닝한다. 이런 식으로, 나타낸 바와 같이, 그 하면상에 접속 배선(9)을 갖는 반도체장치(13)를 제조할 수 있다. 여기서, 무전해 구리 도금이나 전해 구리 도금을 사용하는 애디티브(additive)법이나 세미애디티브(semi-additive)법에 의해 접속 배선(9)을 형성할 수도 있다.
도 14(a) 및 14(b)는 본 발명에 따른 반도체장치를 제조하는 또 다른 바람직한 방법의 일련 단계를 나타내는 단면도이다. 이 반도체장치는 외부접속단자의 일부가 변한다는 점을 제외하고는 도 13(a) 내지 13(d)에 나타낸 반도체장치(11)와 유사하다. 따라서, 기본적으로 도 13(a) 내지 도 13(d)를 참조하여 전술한 것과 유사한 방법에 의해 제조될 수 있다.
먼저, 도 14(a)에 나타낸 바와 같이, 다음의 일련의 작업을 수행한다.
(1) 반도체 칩(2)과 원형의 고체 구리 실린더의 외부접속단자(3)가 유리 에폭시 수지의 기판(1)의 일면상에 놓인다. 이 경우의 외부접속단자(3)는 두 종류이다. 보다 작은 높이의 외부접속단자(3)는 본딩 와이어(4)를 접속하기 위한 커넥터를 구성하는 한편, 보다 큰 높이의 외부접속단자는 기판(7)을 통하여 형성된 관통형 커넥터를 구성한다.
(2) 반도체 칩(2)과 외부접속단자(3)는 본딩 와이어(금 와이어)(4)에 의해서로 전기적으로 접속된다.
(3) 전기적인 테스트를 수행하여 본딩 와이어에 의해 올바른 전기적인 접속이 이루어졌는지 여부를 체크한다.
(4) 기판(1)을 접지한 채, 절연성 에폭시 수지 분말을 정전기적으로 코팅하여 절연막(5)을 형성한다.
(5) 동축 구조를 갖는 본딩 와이어(4)의 절연막(5) 상에 무전해 도금에 의해 금을 더 코팅하여 도체막(나타내지 않음)을 형성한다.
다음에, 나타내지는 않았지만, 도 14(a)의 단계에서 마련된 반완성체 제품을 절연성 폴리이미드 수지로 폿팅하여, 소자 등을 유지하는 기판의 표면을 수지로 완전히 실링한다. 따라서, 기판 표면은 소정 두께를 갖는 수지 재료로 피복되어, 반도체 칩, 외부접속단자 및 본딩 와이어가 수지로 실링된 반도체장치 반완성체가 얻어진다.
다음에, 반도체장치의 두께를 줄이기 위하여, 도 14(b)에 나타낸 바와 같이, 이전 단계에서 마련된 반도체장치 반완성체를 그 표면 및 배면으로부터 소정의 깊이까지 연삭하고, 연삭된 표면을 연마하여 평탄화한다. 따라서, 예시된 반도체장치(14)가 얻어진다.
도 15는 도 6에 나타낸 반도체장치(11)와 본 발명에 따른 (전술한 바와 같이 제조된) 또 다른 반도체장치(14)를 적층함으로써 제조된 다층 접속 구조를 갖는 반도체장치의 예를 나타낸다. 이들 두 반도체장치(11과 14)는 각각의 반도체장치의 외부접속단자를 각각의 솔더 범프(8)를 사용하여 서로 접속함으로써 서로 접속된다. 이 반도체장치 적층에 있어서, 또다른 반도체장치가 반도체장치(14)의 하측에 외부접속단자(3)를 통하여 접속될 수 있다. 이 반도체장치 적층을 형성할 때, 예컨대 그 제조 방법이 도 13(A) 내지 13(D)를 참조하여 설명한 반도체장치(13)가 또한 결합될 수도 있다.
전술한 바로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따르면, 이하와 같이 다양한 기능과 효과를 얻을 수 있다.
(1) 3차원적으로 및 고밀도로 패키징된 반도체장치가 고가의 재료나 복잡한 기술을 사용하지 않고도 제조될 수 있다.
(2) 반도체소자의 탑재 높이를 낮추고 동시에 균일하게 할 수 있어서, 얇은 반도체장치의 제조를 가능하게 한다.
(3) 빌트업(built-up) 구조를 채용하는 종래의 반도체장치는, 반도체소자 등이 복수의 커넥터(예컨대 비어 커넥터)를 사용하여 전기적으로 접속되기 때문에, 접속 신뢰성의 문제를 갖는다. 본 발명에 따르면, 이와는 반대로, 기판 내의 성분 부품들이 한편으로는 단일 본딩 와이어로 접속될 수 있고, 다른 한편으로는 세부적인 접속이 불필요하다. 따라서, 기판 내에서의 접속 신뢰성이 현저하게 향상된다. 또한, 접속 단자간의 공간이 작은 경우에도 신뢰성은 악화되지 않는다.
(4) 도체 와이어의 표면이 절연성 수지로 피복되고 기판이 도전성 수지로 형성된다(기판이 접지 전위로 설정된다). 이런 식으로, 동축 구조의 본딩 와이어가 얻어질 수 있어서, 와이어간의 크로스토크(crosstalk)의 발생을 억제 또는 방지하는 것이 가능하다.
(5) 내부에 매립된 반도체소자, 외부접속단자 및 본딩 와이어를 갖는 기판이 도전성 재료의 입자가 분산된 분산 도전형 도전성 수지로 구성되는 경우, 특히 기판 자체의 열전도성이 향상되고 따라서 반도체장치의 열방출 특성이 향상된다.
(6) 도전성 와이어의 표면이 절연성 수지로 피복되는 경우, 결과적인 절연막의 두께나 절연막에 사용되는 절연성 수지의 유전율을 바꿈으로써 기판의 내부 임피던스를 쉽게 매칭시킬 수 있다. 또한, 도전성 금속 재료의 커버링(외막)이 전술한 절연성 수지 커버링과 조합하여 사용되는 경우, 커버링의 유전율 및 두께를 제어함으로써 거의 불연속점 없이 임피던스를 제어할 수 있다.
(7) 구조가 간단하기 때문에, 간단해진 공정을 통하여 짧은 시간 내에 저가로 반도체장치를 제조할 수 있다. 또한, 간단한 구조는 장치의 어떤 설계 변화에 대하여도 융통성 있는 액션을 취할 수 있게 한다. 환언하면, 본 발명에 따른 반도체장치는 높은 설계 자유도를 갖는다.
(8) 배선 패턴을 내장하지 않는, 즉, 반도체소자와 외부접속단자가 노출된 반도체장치를 제공할 수 있다. 따라서, 반도체장치 제조업자의 여러 요구를 충족시킬 수 있다.
(9) 반도체장치의 제조 중에, 즉 와이어 본딩의 완료 후에 반도체소자의 전기적인 테스트를 행할 수 있고, 따라서 장치의 완성 전에 필요에 따라 소자를 재처리할 수 있다. 또한, 대체될 결함 있는 반도체소자가 노출되어 있다는 점에서, 결함이 없는 다른 반도체소자를 희생하지 않게 된다.

Claims (14)

  1. 수지 재료로 이루어진 기판, 상기 기판상의 소정 위치에 탑재된 반도체소자 및 상기 반도체소자와 전기적으로 접속된 외부접속단자를 구비하는 반도체장치로서,
    상기 반도체소자와 상기 외부접속단자는 상기 기판에 매립되고 상기 기판 내에서 와이어를 통하여 전기적으로 접속되며, 상기 반도체소자 각각의 배면과 상기 외부접속단자 각각의 단자면이 상기 기판의 동일 면측으로 노출된 것을 특징으로 하는 반도체장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 기판은 도전성 수지 재료로 이루어지고, 상기 와이어 각각은 절연막으로 피복된 도전성 와이어인 것을 특징으로 하는 반도체장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 도전성 수지 재료는 결착제 수지 및 상기 결착제 수지 내에 분산된 도전성 재료로 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 기판은 절연성 수지 재료로 이루어지고, 상기 와이어 각각은 절연막과 도전막으로 이 순서대로 피복된 도전성 와이어인 것을 특징으로 하는 반도체장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 기판은 절연성 수지 재료로 이루어지고, 상기 반도체소자와 상기 외부접속단자를 접속하는 와이어, 상기 반도체소자 각각의 표면 및 상기 외부접속단자 각각의 표면은 절연성 수지층 및 도전성 금속층으로 이 순서대로 피복된 것을 특징으로 하는 반도체장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 복수의 상기 반도체장치가 외부접속단자를 통하여 각각 서로 전기적으로 접속되고, 상기 기판의 두께 방향으로 적층된 것을 특징으로 하는 반도체장치.
  7. 수지 재료로 이루어진 기판, 상기 기판상의 소정 위치에 탑재된 반도체소자 및 상기 반도체소자와 전기적으로 접속된 외부접속단자를 구비하는 반도체장치를 제조하는 방법으로서,
    반도체소자와 외부접속단자를 기판의 표면상의 소정 위치에 놓고, 상기 반도체소자와 상기 외부접속단자를 와이어를 통하여 서로 전기적으로 접속하며, 그 후에 상기 기판의 표면을 수지 재료로 소정의 두께로 피복하여 기판을 구성함과 동시에 상기 반도체소자, 상기 외부접속단자 및 상기 와이어를 상기 기판 내에서 수지로 실링(sealing)하여 반도체장치 반완성체를 구성하며,
    상기 반도체장치 반완성체를 상기 기판의 배면측으로부터 두께 방향을 따라 소정의 깊이까지 연마하여, 상기 반도체소자와 상기 외부접속단자가 상기 기판에 매립되고 상기 기판 내에서 와이어를 통하여 서로 전기적으로 접속됨과 동시에, 상기 반도체소자 각각의 배면과 상기 외부접속단자 각각의 단자면을 상기 기판의 동일 면측으로 노출시키는 것을 특징으로 하는 반도체장치의 제조방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 기판은 도전성 수지 재료로 이루어지며, 상기 와이어는 각각 절연막으로 피복된 도전성 와이어인 것을 특징으로 하는 반도체장치의 제조방법.
  9. 제8항에 있어서, 도전성 재료가 내부에 분산된 결착제 수지를 상기 도전성 수지 재료로서 사용하는 것을 특징으로 하는 반도체장치의 제조방법.
  10. 제7항에 있어서, 절연성 수지 재료를 상기 기판으로서 사용하며, 절연막 및 도전막으로 이 순서대로 피복된 도전성 와이어를 상기 와이어로서 사용하는 것을 특징으로 하는 반도체장치의 제조방법.
  11. 제7항에 있어서, 상기 반도체소자와 상기 외부접속단자를 도전성 와이어를 통하여 서로 전기적으로 접속하고, 그 후에 상기 반도체소자 각각과 상기 외부접속단자 각각을 접속하는 와이어, 상기 반도체소자 각각의 표면 및 상기 외부접속단자 각각의 표면을 절연성 수지층과 도전성 금속층으로 이 순서대로 피복하며, 상기 기판의 표면을 소정 두께의 절연성 수지 재료로 피복하여 기판을 형성함과 동시에, 상기 반도체소자, 상기 외부접속단자 및 상기 와이어를 상기 기판 내에서 수지로실링하여 반도체장치 반완성체를 제조하는 것을 특징으로 하는 반도체장치의 제조방법.
  12. 제7항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 외부접속단자 각각이 상기 기판의 표면상에 위치한 도전성 금속 폴(pole)을 구성하는 것을 특징으로 하는 반도체장치의 제조방법.
  13. 제7항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반도체소자 각각과 상기 외부접속단자 각각을 와이어를 통하여 서로 전기적으로 접속하고, 그 후에 결과적인 접속 유닛의 성능 등을 테스트하며, 이 테스트의 결과에 따라서 상기 반도체소자 또는 상기 외부접속단자를 재처리하는 것을 특징으로 하는 반도체장치의 제조방법.
  14. 제7항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 복수의 상기 반도체장치가 각각 외부접속단자를 통하여 서로 전기적으로 접속되어, 상기 기판의 두께 방향으로 적층되는 것을 특징으로 하는 반도체장치의 제조방법.
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