JP4800708B2 - 半導体パッケージ - Google Patents

Description

本発明は、電極の配列面に絶縁保護膜が形成され、前記配列された電極の上に前記絶縁保護膜から外部に露出し回路基板の電極との封止樹脂を介した電気的な接続に供されるバンプを有した半導体チップを回路基板に実装した半導体パッケージに関するものである。

半導体チップは近時の信号の高速化に対応してＡｕバンプに代表される電極上のバンプによって回路基板との電気的な接続を図るフリップチップ実装が主流となる中、半導体チップの一層の微細化、信号数、電極数、バンプ数の一層の増大により、バンプの狭ピッチ化がめざましく進んでいる。図３に半導体チップａの２辺に沿って狭ピッチで配列された電極ｇ上にバンプｂを形成した場合の一例を示しているが、バンプ数の一層の増大には半導体チップａの各辺、つまり４辺に沿ったベリフェラル状にバンプｂを配列することで対応されるし、図４に示すようにバンプｂの配列を２列以上に、それもデッドスペースの少ない図４に示すような千鳥状に配置することも行われている。

一方、このようなバンプｂの狭ピッチ化は、図２に示すように封止樹脂ｃを液状またはシート状のものとして回路基板ｄに先付けしておき、半導体チップａとの電極ｅおよびバンプｂ間を封止樹脂ｃを介し電気的に接続し封止するのに、封止樹脂ｃが狭ピッチに配列された隣接するバンプｂ間に表面張力の影響で充填され切れず、図２に示すような空隙ｆが残ってしまうようなことが発生している。このような空隙ｆは半導体パッケージの吸温リフロー性や外力に対する接合の信頼性を低下させたり、電極ｇ間、バンプｂ間の電気的な絶縁性を低下させる原因になる。

このような空隙ｆの発生を低減する方法として、図示しないが、封止樹脂シートの中央部を周辺部よりも厚くしておき、半導体チップを回路基板に圧接させて封止樹脂を介し電気的に接続して封止状態に実装する際、封止樹脂シートを、半導体チップおよび回路基板間にて厚みの大きな中央部から周辺へ圧迫域を拡張しながら半導体チップの周辺に配列されているバンプ間へ押し出して行くことで、残留隙間少なく充填できるようにした技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
特開平９−１２９６５９号公報

しかし、従来のように中央部を周辺部よりも厚くした封止樹脂シートを用いるのでは、半導体チップのサイズやバンプの配置が異なるものに応じて封止樹脂シートを作り直さなければならず、封止樹脂シートの製作に時間が掛かり、納期遅れやコストアップを招くという問題がある。

本発明の目的は、半導体チップのバンプを回路基板の電極に封止樹脂を介し電気的に接続し封止状態に実装するのに、バンプが狭ピッチ配列されていても封止樹脂がバンプ間によく充填でき、電気絶縁の信頼性が高く寿命の長い各種半導体デバイスが得られる半導体チップを回路基板に実装した半導体パッケージを提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明の半導体パッケージは、電極を有する半導体チップと、前記半導体チップの前記電極形成面に形成された絶縁保護膜と、前記絶縁保護膜に設けられた開口と、電極を有する回路基板と、前記開口内で、前記絶縁保護膜の表面から外部に露出し、前記回路基板の前記電極と接続される前記半導体チップの前記電極に形成されたバンプと、前記半導体チップと前記回路基板間を封止する封止樹脂とを有した半導体パッケージであって、前記バンプは、２段のバンプであり、多列配置で、かつ、千鳥配置で設けられ、前記バンプ間の前記絶縁保護膜は、それ以外の部分よりも膜厚が厚いことを特徴とする。

本発明のそれ以上の特徴および作用は、以下に続く詳細な説明および図面の記載から明らかになる。本発明の各特徴は可能な限りにおいてそれ単独で、あるいは種々な組み合わせで複合して用いることができる。

本発明によれば、半導体チップの絶縁保護膜がバンプ間の狭域部でそれ以外の部分よりも厚いだけで、この狭域部の封止樹脂が充満すべき空間率を低減して狭域部への封止樹脂の充満率および充満速度を高め、そこに残留空隙が生じるのを防止するので、半導体パッケージの吸温リフロー特性、外力に対する接合性の信頼性が向上し寿命の長いものとなり、コストも低減する。

以下、本発明の実施の形態に係る半導体チップとこれを回路基板に実装した半導体デバイス、これらの製造方法につき、図を参照しながら詳細に説明し、本発明の理解に供する。なお、以下に示す実施の形態は本発明の具体例であって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

本実施の形態の半導体チップは図１に示すように、半導体チップ１の電極３が形成された電極の配列面１ａに絶縁保護膜２が形成され、電極３に電気的に繋がり絶縁保護膜２外に露出するバンプ４を有している。併せ、絶縁保護膜２にはその表面から前記電極３に通じる開口８が形成され、これら開口８内に電極３に繋った前記バンプ４が形成され、絶縁保護膜２の表面外へ露出するようにしている。このように、本実施の形態では、半導体チップ１の電極配列面１ａに従来通りの絶縁保護膜２を形成して、この絶縁保護膜２の電極３上に開口８を設けるが、これら開口８を利用して形成した、電極３に繋がるバンプ４を有して、これらバンプ４が、回路基板７の電極６に当接ないしは圧接させられることにより、半導体チップ１と回路基板７の電極６との間を封止樹脂５を介し電気的に接続して、封止樹脂５の固化ないしは硬化を伴い回路基板７にフリップチップ実装し、半導体パッケージ１２とすることができる。

ここで、絶縁保護膜２には一般にシリコンナイトライドが採用され、半導体拡散工程の最終段階でＣＶＤ法などの成膜方法にて付加されることが多い。従って多数の半導体チップ分のＩＣが形成された半導体ウエハの段階で一挙にパターン形成され、電極３に対応する所定配列、所定形状、所定寸法の開口８が同時にパターン形成される。具体的には、１枚の専用マスクを用い電極３の部分を除くパターンにて形成され、膜厚は面内均一になる。また、シリコンナイトライドに代えてポリイミド樹脂材料を使用することもでき、この場合、スピンコートやロールコート方式などにて均等な厚みに塗布し、あるいは印刷した後、乾燥、固化させるが、印刷によっては開口８をパターン形成することもできるが、塗布の場合は特に、開口８はポリイミド樹脂を感光性としてフォトリソグラフィ技術のマスクなどによるパターン露光、現像によるパターン除去、パターン減厚法にて形成される。その大きさは例えば数十〜１００μｍ程度である。しかし、これに限られることはない。

一方、電極３上のバンプ４は絶縁保護膜２の前記開口８を通じて形成するが、一般に、半導体チップ１を回路基板７へ実装する際の封止樹脂５の種類に応じた形態に形成される。例えば封止樹脂５がフィルムでＮＣＦである場合は、Ａｕ線などを用いたワイヤーボンディングによるスタッドバンプとして所定の高さに形成され、その形状は一般的に電極３上に接合される基部とこの基部からやや細く各種形態で突出する突起部とをもって形成され、基部と突起部との間に図１に１つの例を示しているように段部を有したものとなっている。封止樹脂５がＡＣＦである場合は、Ａｕなどによるメッキによって所定の厚みに形成される。また、封止樹脂５が液状で先塗布して用いる場合は、スタッドバンプとメッキバンプとの双方が用いられ、その材料としてＡｕが用いられる。

ところで、昨今の半導体チップ１の微細化、高機能化に伴い、既述したように半導体チップ１に形成されるバンプ４の単位面積当りの数は増えつづけ、狭ピッチ化に併せ、半導体チップ１の周辺に沿った矩形域に配列するにも図１に示すような２列から４列といった多列配置が採られるし、このような多列配置においてバンプ４を図４に例示したような千鳥状の配置とすることも行われ、バンプ４の配列密度が勢い高まっていることから、半導体チップ１のバンプ４を回路基板７の電極６に封止樹脂５を介して電気的に接続し、封止樹脂５の固化、硬化を伴い実装するのに、封止樹脂５が狭いバンプ４間に充填され切らないで図２に例示したような残留空間が生じる。これは、封止樹脂５を半導体チップ１または回路基板７に先付けするか、双方間に挟み込むかの別なく、熱可塑、熱硬化未完などによる液状での半導体チップ１および回路基板７間への充満を図るのに、流れ落ちるようなことがない適度な粘度を持つようにする関係から、半導体チップ１および回路基板７のバンプ４および電極６を単に近づけ合い圧接させるだけでは、封止樹脂５の粘性に見合った比較的高い表面張力の働きによって、狭ピッチで配列されたバンプ４間の狭域部１１に十分に充填されないことに因る。

このようにしてできる残留空間は、湿気や水分が入り込んだ場合に電極３間の絶縁不良をもたらすし、リフロー時のポップコーン現象や物理的外力が加わったときの揚力集中をもたらしての電気的オープン不良、つまり電気的接続、接合不良の原因ともなるので、半導体パッケージ１２の信頼性を著しく低下させるし、寿命を低下させる。

これに対応するのに本実施の形態では、特に、図１に示すように配列された電極３上のバンプ４に挟まれる狭域部１１の絶縁保護膜２の部分２ａを、それ以外の部分２ｂよりも厚くしている。半導体チップ１はその電極の配列面１ａが、電極３を残して絶縁保護膜２が形成され、その電極３上に形成され絶縁保護膜２から外部に露出して設けられるバンプ４を回路基板７の電極６との封止樹脂５を介した電気的な接続に供した際、封止樹脂を半導体チップ１の絶縁保護膜２と回路基板７との間で圧迫し、かつバンプ４および電極６間の電気的に接続し合う領域から押し退けながら、半導体チップ１および回路基板７間に充填させていく、狭域部１１での封止樹脂５が充満すべき空間率を低減している分だけ、狭域部１１への封止樹脂５の充満率、充満速度を高められ、バンプ４に挟まれる狭域部１１の部分に従来のような残留空隙ができるのを防止することができる。しかも、絶縁保護膜２はその成形時に電極３に対応する開口８に併せ、必要な部分的段差をも有して手間なく形成することができる。それには、絶縁保護膜２の狭域部１１の部分２ａにおける厚みはバンプ４の既述した段部の高さ以上あればよく、厚すぎるとバンプ４が封止樹脂５を押し退けて電極６に電気的に接続されるのを邪魔するようなことがある。具体的にはバンプ４、電極６間に泡が噛み込み双方間の電気的な接続を邪魔することがある。従って、絶縁保護膜２における狭域部１１の部分２ａの厚みは、バンプ４、電極６間まわりでのそれらの電気的な接続時の封止樹脂５の流れを阻害しない程度に抑えるのが好適である。

つまり、半導体ウエハにおける各半導体チップ１に対応する部分の電極配列面に絶縁保護膜２を形成するのに、後にバンプ４が形成される電極３間の部分を他の部分よりも厚く積層するか、均等な厚みに一旦形成してから、バンプ４が形成される電極３間の部分以外で減厚するかして、前記電極３に挟まれる部分２ａをそれ以外の部分２ｂより厚い絶縁保護膜２を形成する工程を経て、前記電極３上へのバンプ４を形成することで簡単に実現できる。

さらに詳細には、絶縁保護膜２をシリコンナイトライドを材料としてスパッタリング法にてパターン形成するのに、半導体チップ１の電極配列面１ａに電極３の部分を除く専用マスクを使用した面内均一な層を形成した後、電極３に挟まれる部分以外を除く専用マスクを利用した面内均一な層を積層形成することにより、後にバンプ４で挟まれる部分２ａが他の部分２ｂより厚くした絶縁保護膜２を形成することができる。

また、上記に代えて、部分２ａに必要な面内均一な厚みをもってスパッタリング法にて形成したシリコンナイトライド層に対し、部分２ａを残して、電極３の部分をなくし、それら以外の部分２ｂを所定の厚みまで減厚するようにエッチングしてもよい。

また、別に、半導体チップ１の種類によっては、シリコンナイトライド層を形成した上にポリイミド系の樹脂を塗布または印刷して、既述したフォロリソグラフィ技術による部分２ｂや電極３に対応する部分の所定の厚みへのパターン除去ないしは減厚により、印刷による場合は、別に、電極３に対応する開口対応部分を持ったパターン層を形成した上に、電極３に対応した開口対応部分と電極３ないしはバンプ４に挟まれる部分２ａに対応する増厚部分を持ったパターン層を形成して所定の絶縁保護膜２を設けることもできる。

いずれにしても、半導体チップ１の絶縁保護膜２がバンプ４間の狭域部１１の部分２ａでそれ以外の部分２ｂよりも厚いだけで、この狭域部１１の封止樹脂５が充満すべき空間率を低減して狭域部１１への封止樹脂５の充満率および充満速度を高め、そこに残留空隙が生じるのを防止して、半導体パッケージ１２の吸温リフロー特性、外力に対する接合性の信頼性が向上し寿命の長いものとなり、コストも低減する。

ここに、以上のような半導体チップ１は、回路基板７との間で、電極３の配列面１ａに絶縁保護膜２が形成され、前記配列された電極３の上に絶縁保護膜２から外部に露出し回路基板７の電極６との電気的な接続に供されるバンプ４を有し、前記絶縁保護膜２のバンプ４に挟まれる部分２ａをそれ以外の部分２ｂよりも厚く形成された半導体チップ１と、この半導体チップ１のバンプ４と自身の電極６が電気的に接続されている回路基板７と、前記半導体チップ１および回路基板７との間で固化または硬化を伴いそれらを前記電気的な接続状態に封止する封止樹脂５とを備えた図１に示すような半導体デバイス１２を提供することができ、回路基板７との間の前記特徴ある封止機能を発揮することができる。

このような半導体パッケージ１２は、電極３の配列面１ａに絶縁保護膜２が形成され、前記配列された電極３の上に前記絶縁保護膜２から外部に露出し回路基板７の電極６との電気的な接続に供されるバンプ４を有した半導体チップ１における、前記絶縁保護膜２の前記バンプ４に挟まれた部分２ａを、それ以外の部分２ｂよりも厚く形成しておき、半導体チップ１のバンプ４と回路基板７の電極６とを、半導体チップ１の側または回路基板７の側に先付けしておいた液状またはシート状の封止樹脂５、あるいは半導体チップ１および回路基板７間に挟み込んだシート状の封止樹脂５を介し圧接させて電気的に接続し、封止樹脂５の固化または硬化を伴い半導体チップ１および回路基板７を電気的な接続状態に封止する製造方法によって容易に製造することができる。

本発明は半導体チップをそのバンプにより封止樹脂を介し回路基板に実装する技術に実用して、近時の狭ピッチ化での封止樹脂による半導体パッケージでの絶縁性、接合性を高められる。

本発明の実施の形態に係る半導体チップおよびそれを回路基板に実装した半導体デバイスの１つの例を示す断面図である。 従来の半導体素子およびそれを回路基板に実装した半導体デバイスの１つの例を示す断面図である。 従来の狭ピッチ化した半導体チップの１つの例を示す斜視図である。 従来の狭ピッチ化、多列配置化した半導体チップの１つの例を示す斜視図である。

符号の説明

１ 半導体チップ
２ 絶縁保護膜
３、６ 電極
４ バンプ
５ 封止樹脂
７ 回路基板
８ 開口
１１ 狭域部
１２ 半導体デバイス

Claims (1)

1. 電極を有する半導体チップと、
   前記半導体チップの前記電極形成面に形成された絶縁保護膜と、
   前記絶縁保護膜に設けられた開口と、
   電極を有する回路基板と、
   前記開口内で、前記絶縁保護膜の表面から外部に露出し、前記回路基板の前記電極と接続される前記半導体チップの前記電極に形成されたバンプと、
   前記半導体チップと前記回路基板間を封止する封止樹脂とを有した半導体パッケージであって、
   前記バンプは、２段のバンプであり、多列配置で、かつ、千鳥配置で設けられ、
   前記バンプ間の前記絶縁保護膜は、それ以外の部分よりも膜厚が厚いことを特徴とする半導体パッケージ。

Images