(57)【要約】【課題】配線層に設けられた突起電極が半導体素子に設けられた素子電極に接続された構造の半導体モジュールにおいて、突起電極と素子電極との接続信頼性を向上させる。【解決手段】半導体モジュール１０は、突起電極１６が一体的に設けられた配線層１４と、突起電極１６に対向する素子電極５２が設けられた半導体素子５０と、絶縁樹脂層１２と、異方性絶縁樹脂層６０とを備える。突起電極１６は絶縁樹脂層１２を貫通し、その先端部分が絶縁樹脂層１２から突出している。突起電極１６と素子電極５２との間の異方性絶縁樹脂層６０では、導電性フィラー同士が接触することより、突起電極１６と素子電極５２との間に導電経路が形成されている。一方、突起電極１６と素子電極５２の間以外の領域における異方性絶縁樹脂層６０では、導電性フィラーが孤立した状態になっているため、絶縁性が保たれている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
突起電極が設けられた配線層と、
前記突起電極に対向する素子電極が設けられた半導体素子と、
前記配線層と前記半導体素子との間に設けられた絶縁樹脂層と、
前記突起電極と前記素子電極とを電気的に接続する異方性絶縁樹脂層と、
を備えることを特徴とする半導体モジュール。
【請求項２】
前記異方性絶縁樹脂層は前記素子電極が設けられた前記半導体素子の主表面全体を被覆していることを特徴とする請求項１に記載の半導体モジュール。
【請求項３】
前記突起電極の高さが前記絶縁樹脂層の厚さよりも高いことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体モジュール。
【請求項４】
前記突起電極が前記配線層と一体的に設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
【請求項５】
前記配線層および前記突起電極が圧延銅により形成されていることを特徴とする請求項４に記載の半導体モジュール。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の半導体モジュールを搭載することを特徴とする携帯機器。
【請求項７】
金属板の一方の主表面を選択的に除去して突起電極を形成する工程と、
前記金属板の一方の主表面に前記突起電極の高さより厚い絶縁樹脂層を積層する工程と、
前記絶縁樹脂層から前記突起電極の先端部分が露出するように前記絶縁樹脂層を薄膜化する工程と、
前記金属板と素子電極が形成された半導体素子との間に異方性絶縁樹脂層を挟んだ状態で、前記金属板、前記異方性絶縁樹脂層および前記半導体素子とを圧着し、前記突起電極と前記素子電極とが電気的に接続するように前記異方性絶縁樹脂層に導電経路を形成する工程と、
前記金属板をパターニングして配線層を形成する工程と、
前記配線層の所定領域が開口するように前記配線層の上に保護層をパターニングする工程と、
を備えることを特徴とする半導体モジュールの製造方法。
【請求項８】
前記半導体素子は半導体基板にマトリクス状に形成され、前記保護層をパターニングした後、半導体素子を個片化する工程をさらに備えることを特徴とする請求項７に記載の半導体モジュールの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子が搭載された半導体モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電子機器の小型化、高機能化に伴い、電子機器に使用される半導体素子のさらなる小型化が求められている。半導体素子の小型化に伴い、配線基板に実装するための電極間の狭ピッチ化が不可欠となっている。半導体素子の表面実装方法として、半導体素子の電極にはんだボールを形成し、はんだボールと配線基板の電極パッドとをはんだ付けするフリップチップ実装方法が知られている。フリップチップ実装方法では、はんだボール自体の大きさや、はんだ付け時のブリッジ発生などが制約となり、電極の狭ピッチ化に限界があった。このような限界を克服するための構造として、基材をハーフエッチすることによって形成した突起構造を電極またはビアとし、基材にエポキシ樹脂などの絶縁樹脂を介して半導体素子を装着し、突起構造に半導体素子の電極を接続する構造が知られている（特許文献１および特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００４−１９３２９７号公報
【特許文献２】特開平１０−２０９２１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来、配線層に設けられた突起電極が半導体素子に設けられた素子電極に接続された構造の半導体モジュールでは、突起電極の高さにばらつきが生じた場合に、相対的に高さが低い突起電極と半導体素子の素子電極との接続信頼性が低下してしまうという課題があった。
【０００４】
また、突起電極と半導体素子との間に絶縁樹脂が入り込むことにより接続不良が発生し、信頼性が低下するおそれがあった。
【０００５】
本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、配線層に設けられた突起電極が半導体素子に設けられた素子電極に接続された構造の半導体モジュールにおいて、突起電極と素子電極との接続信頼性を向上させることのできる技術の提供にある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のある態様は、半導体モジュールである。当該半導体モジュールは、突起電極が設けられた配線層と、突起電極に対向する素子電極が設けられた半導体素子と、配線層と半導体素子との間に設けられた絶縁樹脂層と、突起電極と素子電極とを電気的に接続する異方性絶縁樹脂層と、を備えることを特徴とする半導体モジュール。
【０００７】
この態様によれば、配線層に設けられた突起電極と半導体素子に設けられた素子電極とが異方性絶縁樹脂層を介して導通する。異方性絶縁樹脂層は一定の荷重以上であれば加圧により導電経路が形成される。このため、突起電極を圧着する際の加圧の荷重を調節することにより、突起電極の高さにばらつきが生じた場合であっても、配線層に設けられた突起電極と半導体素子に設けられた素子電極との接続信頼性が向上し、ひいては、半導体モジュールの製造歩留まりの向上を図ることができる。
【０００８】
上記態様の半導体モジュールにおいて、異方性絶縁樹脂層が素子電極が設けられた半導体素子の主表面全体を被覆していてもよい。また、突起電極の高さが絶縁樹脂層の厚さよりも高くてもよい。また、突起電極が配線層と一体的に設けられていてもよい。また、配線層および突起電極が圧延銅により形成されていてもよい。
【０００９】
本発明の他の態様は、携帯機器である。当該携帯機器は、上述したいずれかの態様の半導体モジュールを搭載することを特徴とする。
【００１０】
本発明の他の態様は、半導体モジュールの製造方法である。当該半導体モジュールの製造方法は、金属板の一方の主表面を選択的に除去して突起電極を形成する工程と、金属板の一方の主表面に突起電極の高さより厚い絶縁樹脂層を積層する工程と、絶縁樹脂層から突起電極の先端部分が露出するように絶縁樹脂層を薄膜化する工程と、金属板と素子電極が形成された半導体素子との間に異方性絶縁樹脂層を挟んだ状態で、金属板、異方性絶縁樹脂層および半導体素子とを圧着し、突起電極と素子電極とが電気的に接続するように異方性樹脂層に導電経路を形成する工程と、金属板をパターニングして配線層を形成する工程と、配線層の所定領域が開口するように配線層の上に保護層をパターニングする工程と、を備えることを特徴とする。
【００１１】
この態様の半導体モジュールの製造方法によれば、配線層に設けられた突起電極と半導体素子に設けられた素子電極とがより確実に接続された半導体モジュールを歩留まり良く製造することができる。
【００１２】
上記態様の半導体モジュールの製造方法において、半導体素子は半導体基板にマトリクス状に形成され、保護層をパターニングした後、半導体素子を個片化する工程をさらに備えてもよい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、配線層に設けられた突起電極が半導体素子に設けられた素子電極に接続された構造の半導体モジュールにおいて、突起電極と素子電極との接続信頼性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。なお、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００１５】
図１は、実施の形態１に係る半導体モジュール１０の構成を示す概略断面図である。半導体モジュール１０は、突起電極１６が一体的に設けられた配線層１４と、突起電極１６に対向する素子電極５２が設けられた半導体素子５０と、絶縁樹脂層１２と、異方性絶縁樹脂層６０とを備える。
【００１６】
絶縁樹脂層１２は、絶縁性の樹脂からなり、たとえば加圧したときに塑性流動を引き起こす材料で形成されている。加圧したときに塑性流動を引き起こす材料としては、エポキシ系熱硬化型樹脂が挙げられる。絶縁樹脂層１２に用いられるエポキシ系熱硬化型樹脂は、たとえば、温度１６０℃、圧力８Ｍｐａの条件下で、粘度が１ｋＰａ・ｓの特性を有する材料であればよい。また、このエポキシ系熱硬化型樹脂は、たとえば温度１６０℃の条件下で、５〜１５Ｍｐａで加圧した場合に、加圧しない場合と比較して、樹脂の粘度が約１／８に低下する。これに対して、熱硬化前のＢステージのエポキシ樹脂は、ガラス転移温度Ｔｇ以下の条件下では、樹脂を加圧しない場合と同程度に、粘性がなく、加圧しても粘性は生じない。また、このエポキシ系熱硬化型樹脂は、約３〜４の誘電率を有する誘電体である。
【００１７】
また、絶縁樹脂層１２は、ＢＴレジン等のメラミン誘導体、液晶ポリマー、エポキシ樹脂、ＰＰＥ樹脂、ポリイミド樹脂、フッ素樹脂、フェノール樹脂、ポリアミドビスマレイミド等の熱硬化性樹脂で形成されていてもよい。
【００１８】
配線層１４は、絶縁樹脂層１２の一方の主表面Ｓ１に設けられており、導電材料、好ましくは圧延金属、さらには圧延銅により形成される。あるいは電解銅などで形成してもよい。配線層１４には、絶縁樹脂層１２側に突起電極１６が突設されている。本実施の形態においては、配線層１４と突起電極１６とは一体的に形成されているが、特にこれに限定されない。配線層１４の絶縁樹脂層１２と反対側の主表面には、配線層１４の酸化などを防ぐための保護層１８が設けられている。保護層１８としては、ソルダーレジスト層などが挙げられる。保護層１８の所定の領域には開口部１８ａが形成されており、開口部１８ａによって配線層１４の一部が露出している。開口部１８ａ内には外部接続電極としてのはんだボール２０が形成され、はんだボール２０と配線層１４とが電気的に接続されている。はんだボール２０を形成する位置、すなわち開口部１８ａの形成領域は、たとえば再配線で引き回した先の端部である。
【００１９】
突起電極１６はその全体的な形状が、先端に近づくにつれて径が細くなっている。言い換えると、突起電極１６の側面はテーパ状となっている。突起電極１６の高さは、絶縁樹脂層１２の厚さよりも高い。言い換えると、突起電極１６は絶縁樹脂層１２を貫通し、その先端部分が絶縁樹脂層１２から突出している。
【００２０】
異方性絶縁樹脂層（ＡＣＦ層）６０は、素子電極５２が設けられた半導体素子５０の主表面全体（電極形成面全体）を被覆している。
【００２１】
異方性絶縁樹脂層６０は、熱硬化性のエポキシ樹脂などの絶縁性樹脂に導電性フィラーが分散された材料により構成されている。導電性フィラーとしては、たとえば、樹脂粒子に金メッキした粒子、ニッケル粒子に金メッキした粒子、銀粒子に絶縁樹脂を被覆した粒子などを用いることがきる。
【００２２】
異方性絶縁樹脂層６０の厚さは、突起電極１６と素子電極５２との間の領域において、これ以外の領域に比べて薄くなっている。突起電極１６と素子電極５２との間の異方性絶縁樹脂層６０では、導電性フィラー同士が接触することより、突起電極１６と素子電極５２との間に導電経路が形成されている。一方、突起電極１６と素子電極５２の間以外の領域における異方性絶縁樹脂層６０では、導電性フィラーが孤立した状態になっているため、絶縁性が保たれている。
【００２３】
半導体素子５０は、半導体基板５１と、突起電極１６のそれぞれに対向する素子電極５２とを有する。絶縁樹脂層１２に接する側の半導体素子５０の主表面には、素子電極５２が露出するように開口が設けられた保護層５４が積層されている。
【００２４】
半導体素子５０の具体例としては、集積回路（ＩＣ）、大規模集積回路（ＬＳＩ）などの半導体チップが挙げられる。保護層５４の具体例としては、ポリイミド層が挙げられる。また、素子電極５２には、たとえばアルミニウム（Ａｌ）が用いられる。保護層５４と半導体基板５１との間にエポキシ樹脂などの絶縁層が介在していてもよい。
【００２５】
以上説明した構成の半導体モジュール１０によれば、配線層１４に設けられた突起電極１６と半導体素子５０に設けられた素子電極５２とが異方性絶縁樹脂層６０を介して導通する。異方性絶縁樹脂層６０は一定の荷重以上であれば加圧により導電経路が形成される。このため、突起電極１６を圧着する際の加圧の荷重を調節することにより、突起電極１６の高さにばらつきが生じた場合であっても、配線層１４に設けられた突起電極１６と半導体素子５０に設けられた素子電極５２との接続信頼性が向上し、ひいては、半導体モジュール１０の製造歩留まりの向上を図ることができる。
【００２６】
また、素子電極５２の周囲の保護層５４の形状に合わせて異方性絶縁樹脂層６０が充填されているため、保護層５４の側壁部分にボイドが発生することが抑制される。
【００２７】
また、突起電極１６と素子電極５２との導通を異方性絶縁樹脂層６０を介して実現する一方で、隣接する配線層１４の間は、保護層１８および導電性フィラーを含まない絶縁樹脂層１２によって絶縁されているため、隣接する配線層１４の間の絶縁耐圧の向上が図られている。これにより、配線層１４の狭ピッチ化が可能となり、ひいては半導体モジュール１０の小型化を容易にすることができる。
【００２８】
（半導体モジュールの製造方法）
実施の形態１に係る半導体モジュールの製造方法について図２乃至図４を参照して説明する。
【００２９】
まず、図２（Ａ）に示すように、図１に示したような突起電極１６の高さと配線層１４の厚さとの和より少なくとも大きい厚さを有する金属板としての銅板１３を用意する。銅板１３の厚さは、たとえば１２５μｍである。
【００３０】
次に、図２（Ｂ）に示すように、リソグラフィ法により、突起電極１６のパターンに合わせてレジスト７０を選択的に形成する。具体的には、ラミネーター装置を用いて銅板１３に所定膜厚のレジスト膜を貼り付け、突起電極１６のパターンを有するフォトマスクを用いて露光した後、現像することによって、銅板１３の上にレジスト７０が選択的に形成される。なお、レジストとの密着性向上のために、レジスト膜のラミネート前に、銅板１３の表面に研磨、洗浄等の前処理を必要に応じて施すことが望ましい。
【００３１】
次に、図２（Ｃ）に示すように、レジスト７０をマスクとして、銅板１３に所定のパターンの突起電極１６を形成する。
【００３２】
次に、図２（Ｄ）に示すように、レジスト７０を剥離剤を用いて剥離する。以上説明した工程により、銅板１３に突起電極１６が形成される。本実施形態の突起電極１６における基底部の径、頂部の径、高さは、たとえばそれぞれ、１００〜１４０μｍφ、５０μｍφ、２０〜２５μｍである。
【００３３】
次に、図３（Ａ）に示すように、突起電極１６が形成された銅板１３の面に絶縁樹脂層１２を積層する。ここでは、絶縁樹脂層１２の厚さは、突起電極１６の高さより厚い。
【００３４】
次に、図３（Ｂ）に示すように、プラズマエッチング法などのドライエッチング法を用いて、突起電極１６の高さが絶縁樹脂層１２の厚さより高くなるように絶縁樹脂層１２を薄膜化する。これにより、突起電極１６の先端部分が露出し、絶縁樹脂層１２から突出する。
【００３５】
次に、図３（Ｃ）に示すように、突起電極１６と半導体素子５０の素子電極５２とが対応するように、銅板１３と半導体素子５０とを位置合わせするとともに、銅板１３と半導体素子５０との間に、異方性絶縁樹脂層６０を挟み込む。銅板１３の位置合わせのために、半導体素子５０の所定位置にアライメントマークを設けてもよい。異方性絶縁樹脂層６０の厚さは、たとえば、突起電極１６の高さと絶縁樹脂層１２の厚さとの差としてよい。なお、半導体素子５０の電極形成面に、素子電極５２が露出するように、保護層５４が予めパターニングされている。また、半導体素子５０は半導体基板５１にマトリクス状に多数形成されている。
【００３６】
次に、図４（Ａ）に示すように、異方性絶縁樹脂層６０を介して、銅板１３と半導体素子５０とを圧着する。圧着時の荷重は、突起電極１６と素子電極５２との間の領域の異方性絶縁樹脂層６０に導電経路が形成される範囲であればよい。たとえば、圧着時の荷重および温度は、それぞれ１００ＭＰａ、１８０℃とすることができる。
【００３７】
次に、図４（Ｂ）に示すように、絶縁樹脂層１２からの厚さがたとえば２０μｍとなるように、図４（Ａ）に示した銅板１３をエッチングダウンした後、フォトレジスト法およびエッチング法を用いて銅板１３を選択的に除去し、所定の（再）配線パターンを有する配線層１４を形成する。
【００３８】
次に、図４（Ｃ）に示すように、配線層１４の所定領域が開口部１８ａとなるように
、フォトソルダーレジスト層などからなる保護層１８をパターニングした後、はんだ印刷法を用いて開口部１８ａにはんだボール２０を形成する。
【００３９】
次に、図４（Ｄ）に示すように、ダイシング加工により所定のスクライブラインに沿って半導体基板５１等を切断し、半導体モジュール１０を個片化する。以上の工程により、実施の形態１に係る半導体モジュール１０を製造することができる。この製造方法によれば、配線層１４に設けられた突起電極１６と半導体素子５０に設けられた素子電極５２とがより確実に接続された半導体モジュール１０を歩留まり良く製造することができる。
【００４０】
また、マトリクス状に形成された半導体素子５０をダイシング加工により個片化して半導体モジュール１０を製造することにより、半導体モジュール１０の製造方法が簡便化されるため、半導体モジュール１０の製造コストを低減することができる。
【００４１】
（実施の形態２）
図５は、実施の形態２に係る半導体モジュール１０の構成を示す概略断面図である。本実施の形態の半導体モジュール１０の基本的な構成は実施の形態１と同様であるので、実施の形態１と異なる構成を中心に実施の形態２に係る半導体モジュール１０について説明する。
【００４２】
実施の形態２に係る半導体モジュール１０では、異方性絶縁樹脂層６０が突起電極１６の頂部面とその周囲にのみ設けられており、異方性絶縁樹脂層６０が連続膜になっていない点で実施の形態１と相違している。
【００４３】
突起電極１６と素子電極５２との間の領域の異方性絶縁樹脂層６０は、加圧により導電パスが形成されている。この構成によっても、実施の形態１と同様な効果を得ることができる。本実施の形態２に係る半導体モジュール１０では、配線層１４と半導体素子５０との間の領域に導電性フィラーを含まない絶縁樹脂層１２が充填されているため、実施の形態１に比べて隣接する配線層１４の間の絶縁耐圧をより一層高めることができる。なお、突起電極１６の頂部面周囲の異方性絶縁樹脂層６０は保護層５４の側壁部分に充填されているため、ボイド発生の抑制に寄与している。
【００４４】
（製造方法）
実施の形態２に係る半導体モジュールの製造方法について図６を参照して説明する。実施の形態２に係る半導体モジュールの製造方法は、図３（Ａ）までは実施の形態１に係る半導体モジュールの製造方法と共通する。
【００４５】
図３（Ａ）で説明した工程の後、図６（Ａ）に示すように、突起電極１６の頂部面が露出するように、絶縁樹脂層１２を薄膜化する。本実施の形態では、突起電極１６の高さと絶縁樹脂層１２の厚さとが等しくなっている。
【００４６】
次に、図６（Ｂ）に示すように、素子電極５２の表面と保護層５４の側壁とで形成された凹部に異方性絶縁樹脂層６０を形成する。異方性絶縁樹脂層６０を形成方法は特に限定されないが、たとえば、素子電極５２および保護層５４の全体を異方性絶縁樹脂層で被覆した後、不要部分をスキージを用いて除去してもよい。
【００４７】
このように異方性絶縁樹脂層６０が点在して形成された半導体素子５０の素子電極５２と突起電極１６とが対応するように、銅板１３と半導体素子５０とを位置合わせする。
【００４８】
次に、図６（Ｃ）に示すように、銅板１３と半導体素子５０とを圧着し、突起電極１６と素子電極５２とが電気的に接続されるように、突起電極１６と素子電極５２との間の領域の異方性絶縁樹脂層６０に導電パスを形成する。
【００４９】
以下、実施の形態１の半導体モジュールの製造方法の図４（Ａ）乃至図４（Ｄ）と同様に、銅板１３と半導体素子５０との圧着、銅板１３のパターニング、保護層１８およびはんだボール２０の形成、半導体モジュール１０の個片化を順に行うことにより、図５に示した半導体モジュール１０を得ることができる。
【００５０】
（実施の形態３）
次に、本発明の半導体モジュールを備えた携帯機器について説明する。なお、携帯機器として携帯電話に搭載する例を示すが、たとえば、個人用携帯情報端末（ＰＤＡ）、デジタルビデオカメラ（ＤＶＣ）、及びデジタルスチルカメラ（ＤＳＣ）といった電子機器であってもよい。
【００５１】
図７は本発明の実施の形態に係る半導体モジュール１０を備えた携帯電話の構成を示す図である。携帯電話１１１は、第１の筐体１１２と第２の筐体１１４が可動部１２０によって連結される構造になっている。第１の筐体１１２と第２の筐体１１４は可動部１２０を軸として回動可能である。第１の筐体１１２には文字や画像等の情報を表示する表示部１１８やスピーカ部１２４が設けられている。第２の筐体１１４には操作用ボタンなどの操作部１２２やマイク部１２６が設けられている。なお、本発明の各実施の形態に係る半導体モジュール１０はこうした携帯電話１１１の内部に搭載されている。
【００５２】
図８は図７に示した携帯電話の部分断面図（第１の筐体１１２の断面図）である。本発明の実施の形態に係る半導体モジュール１０は、はんだボール２０を介してプリント基板１２８に搭載され、こうしたプリント基板１２８を介して表示部１１８などと電気的に接続されている。
【００５３】
本発明の実施形態に係る半導体モジュール１０によれば、半導体モジュール１０のプリント配線基板への実装信頼性が向上する。そのため、こうした半導体モジュール１０を搭載した本実施形態に係る携帯機器については、その信頼性が向上する。
【００５４】
本発明は、上述の各実施の形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうるものである。
【００５５】
たとえば、実施の形態２に係る半導体モジュールの製造方法では、異方性絶縁樹脂層６０を半導体素子５０側に予め設けた後、銅板１３と半導体素子５０とを圧着しているが、異方性絶縁樹脂層６０を各突起電極１６の頂部面に形成した後に銅板１３と半導体素子５０とを圧着してもよい。
【００５６】
本発明の構成は、ウエハレベルＣＳＰ（Ｃｈｉｐ  Ｓｉｚｅ  Ｐａｃｋａｇｅ）プロセスと呼ばれる半導体パッケージの製造プロセスに適用することができる。これによれば、半導体モジュールの薄型化・小型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】実施の形態１に係る半導体モジュールの構成を示す概略断面図である。
【図２】実施の形態１に係る半導体モジュールの製造方法を示す工程断面図である。
【図３】実施の形態１に係る半導体モジュールの製造方法を示す工程断面図である。
【図４】実施の形態１に係る半導体モジュールの製造方法を示す工程断面図である。
【図５】実施の形態２に係る半導体モジュールの構成を示す概略断面図である。
【図６】実施の形態２に係る半導体モジュールの製造方法を示す工程断面図である。
【図７】実施の形態３に係る携帯電話の構成を示す図である。
【図８】携帯電話の部分断面図である。
【符号の説明】
【００５８】
１０  半導体モジュール、１２  絶縁樹脂層、１４  配線層、１６  突起電極、２０  はんだボール、５０  半導体素子、５２  素子電極、６０  異方性絶縁樹脂層。  
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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