JP4794507B2 - Semiconductor device - Google Patents
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Description
本発明は、外部電極を有する半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device having an external electrode.
近年、携帯電話に代表される電子機器の小型化、薄型化、高機能化が進められるに伴い、小型、薄型で、高速動作する半導体装置が要求されている。こうしたなかで、ウエハレベルCSP(Chip Size Package)と呼ばれる半導体装置(以下、単に半導体装置という)は、ウエハの状態で再配線や保護膜,端子の形成を行い、その後に個片化して形成されるもので、半導体チップと同じ大きさになるので、小型化、薄型化が可能であり、基板への搭載が容易であるため高密度実装にも適することから、注目されている。以下にポスト電極を外部電極とする半導体装置について説明する。 In recent years, as electronic devices typified by mobile phones have been reduced in size, thickness, and functionality, there has been a demand for semiconductor devices that are small, thin, and operate at high speed. Under these circumstances, a semiconductor device called a wafer level CSP (Chip Size Package) (hereinafter simply referred to as a semiconductor device) is formed by rewiring, forming a protective film and terminals in the state of a wafer, and then dividing it into individual pieces. Since it is the same size as a semiconductor chip, it can be reduced in size and thickness, and since it can be easily mounted on a substrate, it is suitable for high-density mounting. A semiconductor device using the post electrode as an external electrode will be described below.
図4は特許文献1に記載された半導体装置を示す。素子が形成された半導体基板1の表面に金属の下層配線2が形成され、下層配線2を覆うパッシベーション膜3が素子電極4上を除いて形成されている。そして、パッシベーション膜3の上に、素子電極4を露出させる開口を有する絶縁樹脂層5が形成され、その絶縁樹脂層5の上に、素子電極4に接続するように金属配線60およびランド61が形成され、ランド61上にポスト電極62が形成されるとともに、金属配線60をパッケージ外部から電気的に絶縁するための封止樹脂70が形成されている。ポスト電極62上には外部端子となるはんだバンプ8が形成されている。
ところで、半導体チップあるいは上記のような半導体装置の製造工程や2次実装基板への実装工程では非常に高い温度が加えられるため、それぞれの工程において、各材料の熱膨張率の差により、反りが発生したり、内部の材料の境界近傍に強い応力がかかることが知られている。そしてそのことが半導体装置に悪影響を及ぼすことがある。 By the way, since a very high temperature is applied in the manufacturing process of the semiconductor chip or the semiconductor device as described above and the mounting process on the secondary mounting substrate, the warpage is caused by the difference in thermal expansion coefficient of each material in each process. It is known that a strong stress is generated near the boundary of the internal material. This may adversely affect the semiconductor device.
図5は先に図4を用いて説明した半導体装置のポスト電極62の近傍を示す。かかる半導体装置では、既に述べた薄型化の要求に応えるべく、パッシベーション膜3や絶縁樹脂層5は数ミクロンレベルの非常に薄い膜として形成されている。したがって、ポスト電極62の端部付近に下層配線2が配置されている場合、ランド61とパッシベーション膜3および下層配線2の距離が近くなる。そのため、半導体装置の製造工程や実装工程での温度サイクルにおいて、ポスト電極62の近傍に強い応力がかかったときに、図示したようにパッシベーション膜3および下層配線2の角部に向かってクラック100が走り、電気的な断線を引き起こすことがある。
FIG. 5 shows the vicinity of the
本発明は、上記問題に鑑み、製造工程、実装工程の温度変化等でパッケージ内部に加わる応力による電気的断線を防止できる半導体装置を提供することを目的とする。 In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a semiconductor device capable of preventing electrical disconnection due to stress applied to the inside of a package due to a temperature change in a manufacturing process and a mounting process.
上記目的を達成するために、本発明の半導体装置は、半導体基板と、前記半導体基板の上に設けられた下層配線と、前記下層配線よりも上層に設けられた複数の導電体層と、前記複数の導電体層の各々の間および上に設けられた複数の非導電体層と、前記複数の導電体層を電気的に接続するように前記複数の非導電体層の各々に設けられたポスト電極とを備え、最上層のポスト電極は外部電極端子としての所望の位置に配置されており、最下層のポスト電極は配線幅の狭い前記下層配線の上方に位置していないことを特徴とする。 In order to achieve the above object, a semiconductor device of the present invention includes a semiconductor substrate, a lower layer wiring provided on the semiconductor substrate, a plurality of conductor layers provided in an upper layer than the lower layer wiring, Provided in each of the plurality of non-conductive layers so as to electrically connect the plurality of non-conductive layers provided between and above each of the plurality of conductive layers. A post electrode on the uppermost layer is disposed at a desired position as an external electrode terminal, and the post electrode on the lowermost layer is not located above the lower layer wiring having a narrow wiring width. To do.
ポスト電極を多層化することにより、外部電極端子となる最上層のポスト電極の位置に関わらず最下層のポスト電極を下層配線から離して、つまり場合によっては各層のポスト電極が上下方向に一直線に並ばないように配置することが可能となったもので、それにより下層配線にかかる応力を軽減し、電気的断線を防止することが可能となる。 By multilayering the post electrodes, the lowermost post electrode is separated from the lower layer wiring regardless of the position of the uppermost post electrode serving as the external electrode terminal, that is, in some cases, the post electrode of each layer is aligned in the vertical direction. It is possible to arrange them so that they are not lined up, whereby stress applied to the lower layer wiring can be reduced and electrical disconnection can be prevented.
互いに上下に隣接した非導電体層内のポスト電極は、接合面を一部共有していてもよいし、接合面を共有していなくてもよい。 The post electrodes in the non-conductive layers adjacent to each other vertically may share part of the joint surface or may not share the joint surface.
本発明の半導体装置は、ポスト電極を多層化して、外部電極端子となる最上層のポスト電極の位置に関わらず最下層のポスト電極を下層配線から離して配置するようにしたものであり、これにより、下層配線にかかる応力を軽減し、電気的断線を防止することが可能となる。各層の金属配線の自由度も増す。また従来の半導体基板を用いて、その下層配線の位置や外部端子の位置を変更することなく、装置製造や2次実装を行なうことが可能である。 In the semiconductor device of the present invention, the post electrode is multilayered, and the lowermost post electrode is arranged away from the lower layer wiring regardless of the position of the uppermost post electrode serving as the external electrode terminal. As a result, it is possible to reduce the stress applied to the lower layer wiring and prevent electrical disconnection. The degree of freedom of metal wiring in each layer is also increased. In addition, using a conventional semiconductor substrate, it is possible to perform device manufacturing and secondary mounting without changing the position of the lower layer wiring and the position of the external terminals.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
図1は本発明の一実施形態の半導体装置の断面図である。1はトランジスタ等の半導体素子によって構成される半導体集積回路を内部に有する半導体基板である。半導体基板1の表面には、下層配線2および素子電極4があり、下層配線2を覆い素子電極4上は覆わないパッシベーション膜3とが形成されている。パッシベーション膜3上に、素子電極4の上面が露出する開口を有する絶縁樹脂層5が形成されている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a cross-sectional view of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
その上に、所定の素子電極4に電気的に接続するように絶縁樹脂層5の表面に形成された第1層金属配線60Aおよびその第1層ランド61Aと、第1層ランド61Aの各々の上に形成された第1層ポスト電極62Aと、第1層ポスト電極62Aの各々の表面が露出する開口を設けて絶縁樹脂層5上に形成された第1層封止樹脂70Aと、を有する第1の再配線層が形成されている。
On top of that, each of the first
さらにその上に、所定の第1層ポスト電極62Aに電気的に接続するように第1層封止樹脂70Aの表面に形成された第2層金属配線60Bおよびその第2層ランド61Bと、第2層ランド62Aの各々の上に形成された第2層ポスト電極62Bと、第2層ポスト電極62Aの各々の表面が露出する開口を設けて第1層封止樹脂70A上に形成された第2層封止樹脂70Bと、を有する第2の再配線層が形成されている。第2層ポスト電極62B上には外部端子となるはんだバンプ8が設けられている。
Further thereon, a second
ここで重要なことは、第1層ポスト電極62A,第2層ポスト電極62Bというようにポスト電極が2層構造とされている点である。そしてその内の幾つかの組、ここでは図中の中央の2組のポスト電極が、上下方向に一直線に並ばないように配置されている点である。
What is important here is that the post electrode has a two-layer structure such as the first
これは、第1層ポスト電極62Aが配線幅の狭い下層配線2の直上を避けて配置される一方で、第2層ポスト電極62Bが外部電極端子としての所望の位置に配置されたことによる。言い換えると、ポスト電極を多層化することにより、第2層ポスト電極62Bの所望位置が配線幅の狭い下層配線2の上方となる場合に、第1層ポスト電極62Aを配線幅の狭い下層配線2から離すようにしたもので、その結果、第1層ポスト電極62A,第2層ポスト電極62Bが上下方向に一直線に並んでいない。
This is because the first
このことにより、装置製造工程や2次実装工程で下層配線2とそれを覆うパッシベーション膜3とにかかる応力を軽減し、パッシベーション膜3のクラックを抑え、下層配線2の電気的断線を防止することが可能となっている。
As a result, stress applied to the
図中の右側に示す第1層ポスト電極62Aのように下方に下層配線が存在しない場合は、第1層ポスト電極62Aの直上に第2層ポスト電極62Bが存在しても構わない。図中の左側に示す下層配線2のように配線幅が十分に太い場合は一般的に問題となる断線が発生しないため、下層配線2の上方に第1層ポスト電極62Aを配置すること、またその第1層ポスト電極62Aの直上に第2層ポスト電極62Bが存在することは構わない。
When the lower layer wiring does not exist below the first
なお、ポスト電極(第1層ポスト電極62A,第2層ポスト電極62B)を多層化したことにより、各層の金属配線60A,60Bの自由度が増し、従来の半導体基板1を用いて、その下層配線2などの半導体集積回路や外部端子として設けるはんだバンプ8の位置の変更を要さずに、パッケージ内部の再配線をして、装置製造や2次実装を行なうことも可能となっている。
The post electrodes (the first
一直線に並ばない第1層ポスト電極62Aと第2層ポスト電極62Bとは、ここでは接合面を共有していないが、つまり第2層金属配線60Bに対する第1層ポスト電極62Aの接合領域と第2層ポスト電極62Bの接合領域とは基板面方向に沿ってずれていて全く重ならない状態を図示しているが、接合面を一部共有していても構わない。
The first-layer
以下、上記半導体装置の製造方法を図2および図3を参照しながら説明する。
まず、図2(a)に示す半導体基板1を準備する。この半導体基板1は、上述のようにトランジスタ等の半導体素子によって構成される半導体集積回路を内部に有する一般的なシリコン基板で、基板表面には、下層配線2と、素子電極4と、下層配線2を覆い且つ素子電極4上は覆わないパッシベーション膜3を有する。下層配線2は例えばアルミや銅を用いる。パッシベーション膜3は例えばTEOS、SiN,ポリイミドを用いる。素子電極4はシリコン電極である。
Hereinafter, a method for manufacturing the semiconductor device will be described with reference to FIGS.
First, the
そして、準備した半導体基板1のパッシベーション膜3上に絶縁樹脂層5を形成する。絶縁樹脂層5は、エステル結合型ポリイミドまたはアクリレート系エポキシ等のポリマー等で感光性を有する絶縁材料を塗布し、乾燥させ、露光および現像処理を施して、素子電極4の領域を選択的に除去することにより、素子電極4が露出する開口部を持つものとする。
Then, an
次に、図2(b)に示すように、素子電極4の上面と絶縁樹脂層5の上面全面に銅からなる金属層60′を形成する。この金属層60′は、真空蒸着法、無電解めっき法、CVD法、スパッタリング法等の工法により、厚みが約0.5μm程度となるように形成する。
Next, as shown in FIG. 2B, a
そして金属層60′の上にめっきレジスト63を形成する。このめっきレジスト63は、感光性レジスト膜をスピンコートし、露光および現像処理してパターニングすることにより形成する。感光性レジスト膜はポジ型、ネガ型のどちらでもよい。そしてめっきレジスト63のパターン以外の金属層60′の上に、厚さ5μm程度の銅からなる厚膜金属層60″を電解めっき等の厚膜形成技術により形成する。
Then, a plating resist 63 is formed on the
次に、図2(c)に示すように、めっきレジスト63を除去した後、再びめっきレジスト64を形成し、そのパターン以外の部分に第1層ポスト電極62Aを形成する。
この際には、めっきレジスト64は、金属層60′および厚膜金属層60″を覆う図示しない感光性レジスト膜を形成し、それを露光および現像処理してパターニングすることにより形成する。感光性レジスト膜はポジ型、ネガ型のどちらでもよい。あらかじめフィルム状に形成された材料を用いてめっきレジスト605を形成しても構わない。また第1層ポスト電極62Aは、たとえば銅を材料として、電解めっき等のポスト形成技術を用いることにより、直径200μm程度のものを選択的に形成する。
Next, as shown in FIG. 2C, after removing the plating resist 63, the plating resist 64 is formed again, and the first
At this time, the plating resist 64 is formed by forming a photosensitive resist film (not shown) that covers the
次に、めっきレジスト64を除去した後、図2(d)に示すように、金属層60′を除去するエッチングを施すことにより、素子電極4に電気的に接続した所定の第1層金属配線60Aとその第1層ランド61Aを形成する。
Next, after removing the plating resist 64, as shown in FIG. 2 (d), etching is performed to remove the metal layer 60 ', so that a predetermined first layer metal wiring electrically connected to the
エッチングの際には、エッチング液としてたとえば塩化鉄第二銅溶液を用いることにより、ともに銅で形成されている金属層60′と厚膜金属層60″との内、膜厚が薄い金属層60′を先に除去することができる。第1層ランド61A上の第1層ポスト電極62Aにはエッチングの影響はほとんどない。
In the etching, for example, a cupric chloride solution is used as an etchant, so that the
次に、図3(a)に示すように、第1層金属配線60A,第1層ランド61A,第1層ポスト電極62A,および絶縁樹脂層5を覆う樹脂材料を設け、加圧、加温処理を施して、第1層ポスト電極62Aの上面のみが露出する第1層封止樹脂701を形成する。樹脂材料には例えばエポキシ樹脂を用いる。第1層ポスト電極62Aの上面は、樹脂の感光性を利用し、フォトリソグラフィを用いて露出させる。
Next, as shown in FIG. 3A, a resin material covering the first
以上の図2(b)〜図3(a)の工程により、所定の素子電極4に電気的に接続した第1層金属配線60A,第1層ランド61A,第1層ポスト電極62Aと、第1層封止樹脂70Aとを有する第1の再配線層が形成される。
2B to 3A, the first
第1の再配線層が形成されたら、同様の工程を行なうことにより、図3(b)に示すように、所定の第1層ポスト電極62Aに電気的に接続した第2層金属配線60B,第2層ランド61B,第2層ポスト電極62Bと、第2層封止樹脂70Aとを有する第2の再配線層を形成する。
When the first redistribution layer is formed, by performing the same process, as shown in FIG. 3B, the second
最後に、第2層ポスト電極62Bの上面に外部端子としてのはんだバンプ8を形成する。この際には、第2層ポスト電極62Bの金属表面に酸化物等の不純物がある場合にははんだのぬれ性、接着性が落ちるため予め酸化防止処理を行なう。非金属である絶縁材料よりなる最上層封止樹脂70Bへのはんだの接着性は低いため、はんだの表面張力とあいまって第2層ポスト電極62Bの表面に球状のはんだバンプ8が形成され、最上層封止樹脂70Bの表面上にははんだバンプは形成されない。
Finally, solder bumps 8 as external terminals are formed on the upper surface of the second
以上、第1層ポスト電極62A,第2層ポスト電極62Bを2層構造であるとして説明したが、第2の再配線層の上にさらに再配線層を形成して、3層以上の多層構造とすることも可能である。
The first
形成する第nの再配線層(nは2以上の自然数)は、所定の第(n−1)層ポスト電極に電気的に接続した第n層金属配線,第n層ランドと、前記第n層ランドの各々の上に形成された第n層ポスト電極と、前記第n層ポスト電極の各々の上面が露出する開口を設けて第(n−1)層封止樹脂上に形成された第n層封止樹脂とを有することとなる。 The n-th redistribution layer to be formed (n is a natural number of 2 or more) includes an n-th layer metal wiring, an n-th layer land electrically connected to a predetermined (n−1) -th layer post electrode, and the n-th layer. An n-th layer post electrode formed on each of the layer lands and an opening exposing the upper surface of each of the n-th layer post electrodes are provided on the (n−1) -th layer sealing resin. n-layer sealing resin.
一組の第1層,・・・,第n層のポスト電極は、上下方向に一直線に並ばない箇所が1箇所であってもよいし、複数箇所であってもよい。 The set of first layer,..., Nth layer post electrodes may have one or more locations that do not line up in a vertical direction.
本発明の半導体装置は、小型化、薄型化を実現しながら、応力による内部配線の電気的な断線を防止できると共に、パッケージ内部の再配線を、半導体集積回路および外部電極の配置を変更することなく容易に行うことが可能なので、特にウエハレベルCSPの構造として有用である。 The semiconductor device of the present invention is capable of preventing electrical disconnection of internal wiring due to stress while realizing miniaturization and thinning, and rewiring inside the package, changing the arrangement of the semiconductor integrated circuit and the external electrode This is particularly useful as a structure of a wafer level CSP.
1 半導体基板
2 下層配線
3 パッシベーション膜
4 素子電極
5 絶縁樹脂層
8 はんだバンプ
60 金属配線
60A 第1層金属配線
60B 第2層金属配線
61 ランド
61A 第1層ランド
61B 第2層ランド
62 ポスト電極
62A 第1層ポスト電極
62B 第2層ポスト電極
70 封止樹脂
70A 第1層封止樹脂
70B 第2層封止樹脂
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