JP3966786B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体装置とその製造方法に係り、更に詳細には、半導体素子内蔵型の半導体装置とその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、絶縁性基板上に配線パターンを形成し、この配線パターン上に半導体素子を実装する方式の半導体装置200が知られている。図13は、代表的な半導体装置の製造工程を示した図である。図13(a)に示したように、この半導体装置200では、絶縁性基板101のアルミ電極パッド102,102,…の上に金ワイヤをキャピラリ104用いて金ボールバンプ103,103,…を一つずつ形成する。次にプリント配線基板110の所定位置に異方性導電フィルム105を貼り付け、プリント配線基板110上面に形成した導体パッド111,111,…と金ボールバンプ103,103,…とを位置合わせし、半導体素子100を加圧、加熱する。ことにより金ボールバンプ103,103,…と導体パッド111,111,…とを異方性導電フィルム105中に含まれる導電性粒子106を介して電気的接続を形成する。半導体素子100とプリント配線基板110とを機械的に接続し、半導体装置200を製造している。
【0003】
しかし上記のような金ボールボンディング法による製造方法では、半導体素子100の複数個のアルミ電極パッド102,102,…に対して一つずつ金ボールバンプ103,103,…を形成するため、手間がかかり過ぎて生産性が悪いという問題がある。この電極パッド102,102,…の個数は増加傾向にあり、半導体素子100が大型化し、電極パッド102の個数が増えれば増えるほどバンプ形成の所要時間が必然的に長くなり、工数の増大と生産速度が低下するという問題を含んでいる。
【0004】
また、上記のような金ボールバンプ法では、半導体素子100の実装時に金ボールバンプ103と半導体素子100のアルミ電極パッド間で金属拡散する温度まで圧力を加えて加熱(約300℃以上)しなければならず、この加熱により半導体素子100が劣化する可能性が増大するという半導体装置の信頼性の問題がある。
【0005】
更に金ボールバンプ法では高価な金ワイヤを必須とするため、半導体装置の材料コストが上昇し、ひいては半導体装置の製造コストが増大するという問題がある。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
上記したように、従来の方法では、製造時の工数が増大したり、半導体装置の品質や信頼性が低下したり、製造コストが増大するという問題があった。
【0007】
本発明は、上記従来の問題を解消するためになされた発明である。すなわち、本発明は、製造時の工数が少なくて済み、半導体装置の品質や信頼性を高い水準に維持することができ、製造コストを安価に抑えることができる半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の半導体装置の製造方法で製造される半導体装置は、絶縁性基板と、前記絶縁性基板上に配設された配線パターンと、前記配線パターン上の所定位置に配設された半導体素子と、前記半導体素子の電極板と前記配線パターンとの間に介挿され、前記電極板と前記配線パターンとを電気的に接続する略円錐形の導体バンプと、前記半導体素子と前記絶縁性基板との間を封止する封止材料層と、を具備することを特徴とする。
【0009】
上記半導体装置において、前記導体バンプの例として、底面半径25〜40μm、高さ10〜40μm、及び、アスペクト比1:5〜1:2を有するものを挙げることができる。
【0010】
上記半導体装置において、前記導体バンプの例として、バンプ表面を被覆するバリアメタル層と、前記バリアメタル層表面を被覆する溶接性金属層とを有するものを挙げることができる。
【0011】
上記半導体装置において、前記封止材料層の例として、異方導電性組成物からなるものを挙げることができる。
【0012】
また、本発明の半導体装置の製造方法は、複数の半導体素子の実装された半導体装置の製造方法であって、第1の面と第2の面を有する絶縁性基板の第1の面に、実装される複数の半導体素子の各電極と対応する位置に電極パッドを有する配線パターンが形成され、第2の面には複数の電極板が形成され、前記配線パターンと前記各電極板が前記絶縁性基板を貫通する層間接続導体により接続された配線基板を形成する工程と、前記配線基板の第1の面の前記配線パターンの電極パッド上に一括して導体バンプを形成する工程と、前記配線基板の第1の面の前記導体バンプの形成された電極パッド上に異方導電性組成物を塗布する工程と、前記配線基板の第1の面の電極パッドと実装すべき半導体素子の電極とを位置合わせする工程と、位置合わせの行われた前記半導体素子と前記配線基板とを加熱下に加圧して前記導体バンプと前記電極とを接合する工程と、前記配線基板の第2の面に形成した複数の電極板上に他の配線基板に接続するための外部接続端子を設ける工程とを具備することを特徴とする。
【0013】
上記半導体装置の製造方法において、前記導体バンプを形成する工程の例として、孔を備えた型板の上から導電ペーストをすりこみ、しかる後に前記型板を剥がすことにより導電ペーストバンプを形成する方法を挙げることができる。
【0014】
上記半導体装置の製造方法において、前記導体バンプを形成する工程の例として、前記配線パターン形成面上にバンプ形成用の孔を備えたマスキングを形成し、前記マスキングの孔内に金属を析出することによりメッキバンプを形成する方法を挙げることができる。
【0015】
上記半導体装置の製造方法において、前記導体バンプを形成する工程の例として、金属板上のバンプ頭部相当位置にマスキングを形成し、前記マスキングの上からエッチング液を供給することによりエッチングバンプを形成する方法を挙げることができる。
【0016】
上記半導体装置の製造方法において、前記バンプ形成後、前記バンプ表面にバリアメタル層を形成する工程と、前記バリアメタル層表面に溶接金属層を形成する工程を更に具備していても良い。
【0017】
本発明では、半導体素子をプリント配線基板上に実装するのに、上記のような導体バンプを用いているので、製造工数を減少させ、半導体装置の品質や信頼性を高水準に維持でき、しかも製造コストを安価に抑えることのできる半導体装置及びその製造方法を提供することができる。
【0018】
【発明の実施の形態】
(第1の実施の形態)
以下、本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置の製造について説明する。図1及び図2は、本実施形態に係る半導体装置の製造方法のフローチャートであり、図3、図4及び図5は、製造途中の本実施形態に係る半導体装置の断面図である。
【0019】
本実施形態に係る半導体装置を製造するには、まず絶縁基板の両面に配線パターンを形成した、いわゆる2層板を用意する。この2層板の製造方法のフローチャートを示したのが図1であり、製造途中の2層板の断面図を示したのが図3である。この2層板を製造するには、最初に図3(a)に示したように銅箔などの導体板10を用意する。この導体板10の上に印刷技法を用いて導体バンプ20,20…を形成する。
【0020】
この導体バンプ20,20,…の形成方法としては、例えば、バンプ形成部分に孔を設けたマスキングを施す。(ステップ1)次いでこの孔内に導電性ペースト、例えば銀粉や銅粉などの金属微粒子をエポキシ樹脂のような液状樹脂中に分散させたペースト状組成物を充填する。(ステップ2)しかる後、マスキング上面からスキージ(ステップ3)し、前記マスキングを剥離する(ステップ4)。このようにして、図3(b)に示したような、略円錐形の導体バンプ20,20,…を形成した後、この導体バンプ20,20,…を乾燥させ、硬化する(ステップ5)。
【0021】
次に、図3(c)に示したように、導体バンプ20,20,…の上にプリプレグ(絶縁基板前駆体)30、すなわちガラス繊維マットのような補強材料中にエポキシ樹脂などの絶縁性樹脂を含浸させたものを重ねる。更にこのプリプレグ30の上にもう1枚の銅箔などの導体板40を重ね合わせ(ステップ6)、この状態でヒートプレス、すなわち加熱下で加圧する(ステップ7)。
【0022】
このヒートプレスすることにより導体バンプ20,20,…は、プリプレグ30を貫通して導体板10と導体板40との間が電気的に接続される。それと同時にプリプレグ30が硬化して、図3(d)に示したような、2層型プリント配線基板50が得られる。この2層型配線基板50表面の導体板10,40に例えばエッチング処理等によるパターニング(ステップ8)を施すことにより配線パターン11,41が形成された2層板51が形成される。
【0023】
次いで、2層板51上の配線パターン41のうち、図3(f)に示すように、半導体素子の電極に対応する位置に形成した電極パッド41b,41b,…上に実装バンプとして、銀ペーストバンプのような実装バンプ60,60,…を形成する。この実装バンプ60,60,…の形成方法は上記導体バンプ20,20,…の形成方法と実質的に同じである。
【0024】
すなわち、バンプ形成部分に孔を設けたマスキングを施し(ステップ1a)、この孔内に導電性ペースト、例えば銀粉や銅粉などの金属微粒子をエポキシ樹脂のような液状樹脂中に分散させたペースト状組成物を充填し(ステップ2a)、マスキング上面からスキージ(ステップ3a)し、前記マスキングを剥離する(ステップ4a)ことからなる方法である。
【0025】
但し、ここで形成する銀ペーストバンプ60,60,…の大きさは、高さが10〜40μm、底面半径が25〜40μmである。これは半導体素子70a〜70cの大きさに対応させるためである。実装バンプ60,60,…の大きさの更に好ましい範囲は、高さが15〜25μm、底面半径が30〜35μmである。
【0026】
次にマスキング剥離後、実装バンプ60,60,…を硬化させ(ステップ5a)、然る後に、例えば電解メッキや無電解メッキなどのNiメッキ処理を施すことにより、実装バンプ60,60,…、その底部の電極パッド41b表面に、図4(h)に示したような、バリアメタル層としてのNi層61を形成する(ステップ6a)。次いでNi層61の上からAuメッキ処理(ステップ7a)を施すことによりAu層62を形成する。こうして図4(h)に示したようなバンプ付基板52が得られる。
【0027】
次に、こうして得られたバンプ付基板52の実装バンプ60,60,…形成面上に、図4(i)に示したように、ACF(異方性導電接着剤層)63a〜63cを形成し、電極パッド41b,41b,…に対して電極板71a,71a,…、71b,71b,…、71c,71c,…がそれぞれ対向するように半導体素子70a〜70cを位置合わせする(ステップ8a)。
【0028】
次いで、この状態で半導体素子70a〜70cとバンプ付基板52とを押圧すると、図5(j)に示したように、実装バンプ60,60,…がACF(異方性導電接着剤層)63a〜63cをそれぞれ貫通し、電極板71a,71a,…、71b,71b,…、71c,71c,…に加圧される(ステップ9a)。このとき実装バンプ60,60,…の表面にはAu層62,62,…が形成されており、電極板71a,71a,…、71b,71b,…、71c,71c,…はAlで出来ているので、実装バンプ60,60,…と電極板71a,71a,…、71b,71b,…、71c,71c,…との間にはAl−Au接合が形成され、電極パッド41b,41b,…と電極板71a,71a,…、71b,71b,…、71c,71c,…との間がAu層62,Ni層61,実装バンプ60,ACF(異方性導電接着剤層)63a〜63cを介してそれぞれ電気的に接合される。こうして、図5(j)に示したような半導体素子70a〜70cが実装された半導体装置53が得られる。次いで、ACF63a〜63cの樹脂を硬化させることにより、図5(j)に示したような半導体装置53が得られる。
【0029】
次いで、こうして得られた半導体装置53下面側の電極板11,11,…上にハンダペーストボール12,12,…を付着させ、この状態でマザーボード13上の電極板14,14,…に対して位置合わせし(ステップ10a)、加熱下に加圧することにより、図5(l)に示したように、半導体装置53がマザーボード13上にマウントされる(ステップ11a)。
【0030】
なお、このマザーボード13上にマウントする際に、上記ハンダペーストボール12,12,…の代わりに電極板11,11,…或いは電極板14,14,…上に導電性ペーストを印刷して導電ペーストバンプを形成しておき、この導電ペーストバンプを介して電極板11,11,…と電極板14,14,…との間を電気的に接合してもよい。
【0031】
以上説明したように、本実施形態に係る半導体装置53では、半導体素子70a〜70cを2層板51上に実装する際に電極パッド41b,41b,…上に導電性ペーストを印刷して形成した実装バンプ60,60,…を介して接合している。よって、多数個の実装バンプ60,60,…を同時に形成できるので、工数を減らし、生産速度を向上させることができる。
【0032】
また、実装バンプ60,60,…を介して実装する場合には金ボールバンプを介して実装する場合のような高温に加熱する必要がないので、実装時の加熱による半導体素子70の劣化や2層板51のヒートショックを可及的に低く抑えることができ、高品質で信頼性の高い半導体装置を得ることができる。
【0033】
更に、本実施形態では金ワイヤに比較して安価な導電性ペーストを用いて実装バンプ60,60,…を形成するので、材料コスト、ひいては製造コストを安価に抑えることができる。
【0034】
(第2の実施の形態)
以下、本発明の第2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6は本実施形態に係る半導体装置の断面図である。
【0035】
本実施形態に係る半導体装置では、絶縁性基板の両面に半導体素子を実装する構造とした。すなわち図6に示したように、本実施形態に係る半導体装置1Aでは、絶縁性基板30の表裏両面に配線パターン42,43が形成されており、これら配線パターン42,43の上に形成された実装バンプ60a,60a,…及び60b,60b,…を介して半導体素子70a〜70dがそれぞれ実装されている。
【0036】
このように、絶縁性基板30の両面に半導体素子70a〜70eを実装することにより、より集積度の高いマルチチップモジュールを作成することができる。
【0037】
(第3の実施の形態)
以下、本発明の第3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7は本実施形態に係る半導体装置の製造方法のフローチャートであり、図8及び図9は製造途中の本実施形態に係る半導体装置の断面図である。
【0038】
本実施形態に係る半導体装置を製造するには、上記第1の実施形態の図3(a)〜(e)に示したステップ1〜8の工程に従って2層板51を形成する。
【0039】
次いで、2層板51の表面に感光性樹脂を塗布などの方法により適用して、図8(f)に示したような、感光性樹脂層80を形成する(ステップ1b)。次いで2層板51上の配線パターン41aのうち、図8(g)に示すように、半導体素子の電極に対応する位置に形成した電極パッド41b,41b,…上に対応する位置の感光性樹脂層80上面上にメッキホール81,81,…を形成する。このメッキホールの形成方法としては、例えば、電極パッド41b,41b,…の真上の位置にマスキング(図示省略)を形成し(ステップ2b)、このマスキングの上から露光し(ステップ3b)、溶剤中に浸漬して現像(ステップ4b)する方法などが挙げられる。
【0040】
メッキホールを形成した感光性樹脂層80の上から、電解メッキや無電解メッキなどのメッキ処理を施すことにより、図8(h)に示したような、メッキバンプ64,64,…を形成する(ステップ5b)。次いで、図8(i)に示したように感光性樹脂層80を除去し(ステップ6b)、メッキバンプ64,64,…を露出させ、このメッキバンプ64,64,…の上にNiメッキ(ステップ7b)を施して、図8(j)に示したような、バリアメタル層としてのNi層61を形成し、更に、その上からAuメッキ(ステップ8b)を施して、図8(k)に示したような、Au層62を形成する。
【0041】
以下、上記第1の実施形態と同様にして、図9(l)に示したように、ACF63を形成し、半導体素子70a及び70bを位置合わせし(ステップ9b)、次いで図9(m)に示したように押圧して実装する(ステップ10b)ことにより、図9(m)に示したような半導体装置(マルチチップモジュール)1Bが得られる。
【0042】
本実施形態によれば、金属製のメッキバンプ64を用いて半導体素子70a,70bを実装するので、より確実に実装することができる。
【0043】
(第4の実施の形態)
以下、本発明の第3の実施の形態に係る半導体装置の製造について説明する。図10は本実施形態に係る半導体装置の製造方法のフローチャートであり、図11及び図12は製造途中の本実施形態に係る半導体装置の断面図である。
【0044】
本実施形態に係る半導体装置を製造するには、上記第1の実施形態の図1(a)〜(e)に示したステップ1〜8の工程に従って2層板51を形成する。
【0045】
次いで図11(f)に示したように、2層板51の表面に銅箔などの金属板又は金属層を貼り付けやメッキなどの方法によりCu層65を形成する(ステップ1c)。次いで、配線パターン41aのうち、図11(g)に示すように、半導体素子の電極に対応する位置に形成した電極パッド41b,41b,…上に対応する位置のCu層65上面上にマスキング82,82,…を形成する(ステップ2c)。
【0046】
マスキング82,82,…を形成したCu層65の上からエッチング処理を施すことにより、図11(h)に示したような、エッチングバンプ66,66,…を形成する(ステップ3c)。次いで図11(i)に示したように、マスキング82,82,…を除去し(ステップ4c)、エッチングバンプ66,66,…を露出させ、このエッチングバンプ66,66,…の上にNiメッキ(ステップ5c)を施す。次に、図11(j)に示したような、バリアメタル層としてのNi層61を形成し、更に、その上からAuメッキ(ステップ6c)を施して図11(k)に示したようなAu層62を形成する。
【0047】
以下、上記第1の実施形態と同様にして、図12(l)に示したように、ACF63を形成し、半導体素子70a及び70bを位置合わせをする(ステップ7c)。次いで、図12(m)に示したように、押圧して実装する(ステップ8c)ことにより、図12(m)に示したような半導体装置(マルチチップモジュール)1Cが得られる。
【0048】
本実施形態によれば、金属製のエッチングバンプ66を用いて半導体素子70を実装するので、より確実に実装することができる。
【0049】
【発明の効果】
本発明によれば、導電性ペーストを印刷して形成した実装バンプを介して半導体素子を2層板上に実装しているので、高い生産速度、高い品質、及び、安価な製造コストで半導体装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法のフローチャートである。
【図2】第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法のフローチャートである。
【図3】第1の実施形態に係る半導体装置の製造途中のもの断面図である。
【図4】第1の実施形態に係る半導体装置の製造途中のもの断面図である。
【図5】第1の実施形態に係る半導体装置の製造途中のもの断面図である。
【図6】第2の実施形態に係る半導体装置の断面図である。
【図7】第3の実施形態に係る半導体装置の製造方法のフローチャートである。
【図8】第3の実施形態に係る半導体装置の製造途中のものの断面図である。
【図9】第3の実施形態に係る半導体装置の製造途中のものの断面図である。
【図10】第4の実施形態に係る半導体装置の製造方法のフローチャートである。
【図11】第4の実施形態に係る半導体装置の製造途中のものの断面図である。
【図12】第4の実施形態に係る半導体装置の製造途中のものの断面図である。
【図13】従来の半導体装置の断面図である。
【符号の説明】
1…半導体装置、51…2層板、41a…配線パターン、41b…電極パッド、60…実装バンプ、61…Ni層(バリアメタル層)、62…Au層、63…ACF、64…ACF、70…半導体素子、71…電極板。
Claims (6)
- 第1の面と第2の面を有する絶縁性基板の第1の面に、実装される複数の半導体素子の各電極と対応する位置に電極パッドを有する配線パターンが形成され、第2の面には複数の電極板が形成され、前記配線パターンと前記各電極板が前記絶縁性基板を貫通する層間接続導体により接続された配線基板を形成する工程と、
前記配線基板の第1の面の前記配線パターンの電極パッド上に一括して導体バンプを形成する工程と、
前記配線基板の第1の面の前記導体バンプの形成された電極パッド上に異方導電性組成物を塗布する工程と、
前記配線基板の第1の面の電極パッドと実装すべき半導体素子の電極とを位置合わせする工程と、
位置合わせの行われた前記半導体素子と前記配線基板とを加熱下に加圧して前記導体バンプと前記電極とを接合する工程と、
前記配線基板の第2の面に形成した複数の電極板上に他の配線基板に接続するための外部接続端子を設ける工程と
を具備することを特徴とする複数の半導体素子の実装された半導体装置の製造方法。 - 請求項1に記載の半導体装置の製造方法であって、
前記外部接続端子を設ける工程がハンダペーストボールを付着させる工程であることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項1に記載の半導体装置の製造方法であって、
前記外部接続端子を設ける工程が印刷により導電ペーストバンプを形成する工程であることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項1乃至3のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法であって、
前記導体バンプを形成する工程が、孔を備えた型板の上から導電ペーストをすりこみ、しかる後に前記型板を剥がすことにより導電ペーストバンプを形成する工程であることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項1乃至3のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法であって、
前記導体バンプを形成する工程が、前記配線パターン形成面上にバンプ形成用の孔を備えたマスキングを形成し、前記マスキングの孔内に金属を析出することによりメッキバンプを形成する工程であることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項1乃至5のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法であって、前記バンプ形成後、前記バンプ表面にバリアメタル層を形成する工程と、前記バリアメタル層表面に溶接金属層を形成する工程を更に具備することを特徴とする半導体装置の製造方法。
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