(57)【要約】【課題】半導体装置の薄型化と反りの低減を両立しつつ、ビア穴加工に大きな障害を生じない半導体装置を提供する。【解決手段】再配線構造部と、前記再配線構造部表面に半導体チップとを備え、前記半導体チップが繊維材料を含むプリプレグの硬化物で被覆されてなる半導体装置。プリプレグが、ガラス繊維材料を含む前記の半導体装置。プリプレグが、有機繊維材料を含む前記の半導体装置。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
再配線構造部と、前記再配線構造部表面に半導体チップとを備え、前記半導体チップが繊維材料を含むプリプレグの硬化物で被覆されてなる半導体装置。
【請求項２】
プリプレグが、ガラス繊維材料を含む請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
プリプレグが、有機繊維材料を含む請求項１又は２に記載の半導体装置。
【請求項４】
プリプレグの硬化物が、再配線構造部に達するビア穴を有する請求項１〜３いずれか一項記載の半導体装置。
【請求項５】
プリプレグの硬化物において、繊維材料を含む部分の平面方向の熱膨張係数が２５〜２２０℃において５×１０−６／℃以下である請求項１〜４いずれか一項記載の半導体装置。
【請求項６】
半導体チップ厚みが１００μｍ以下である請求項１〜５いずれか一項記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、モバイル機器では薄型化が著しい。当然、用いられる半導体装置も薄型化することが望まれており、様々な構造の半導体装置が提案されている。中でも、熱硬化性樹脂をガラスクロスに含浸させた基板材料を用いる配線板は半導体装置の厚さの大きな割合を占めており、配線板を無くした半導体装置が注目されている。
【０００３】
図１に一般的にファンアウト型ウエハレベルパッケージと呼ばれる半導体装置を示す。半導体チップ１の回路面２側に再配線構造部３を備え、半導体チップ１を封止材４で被覆された構造となっており、必要に応じて封止材４に再配線構造部３に達するビア穴５を有する。再配線構造部３は配線板ではなく、感光性や熱硬化性の材料を薄く塗布あるいは貼付けて作製してあるため、原理的にはごく薄い半導体装置を提供することができる。
【０００４】
しかしながら、全ての部材を薄くしてしまうと、半導体チップとそれを被覆する封止材の熱膨張係数の差から、半導体装置が反ってしまうなどの問題がある。
【０００５】
この課題を解決するため、一般的に用いられる技術としては、封止材の熱膨張係数を下げることである。しかしながら、封止材は接着性や流動性を維持しなくてはならないため、低熱膨張化しても６×１０−６／℃程度までしか下げられず、反りを抑えるには限界がある。
【０００６】
そのため、半導体チップに関しては１５０μｍ〜４００μｍ程度に厚くして反りを抑える必要があり、パッケージの薄型化の障害になっている。
【０００７】
その他、効果的に反りを抑えるため、図２に示すように、半導体装置の再配線構造部３の逆側に金属やシリコン等の高剛性の板部６を備える構造のファンアウト型ウエハレベルパッケージも提案されている（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００５−１６７１９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１に示す構造であればチップを薄くしても反りを抑えることができるが、板部６があるため、必要に応じて再配線構造部３に達するビア穴を開けることが困難であり、半導体装置の用途拡大に大きな障害となる。例えば、この構造では、半導体装置をＰｏＰ（パッケージオンパッケージ）のボトムパッケージに適用することが困難である。
【００１０】
本発明の目的は、半導体装置の薄型化と反りの低減を両立しつつ、ビア穴加工に大きな障害を生じない半導体装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、本発明者らは鋭意検討の結果、封止材の代わりに完全硬化前の絶縁樹脂を繊維材料に含浸してなるプリプレグを用い、半導体チップをプリプレグの硬化物で被覆することで、上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成させるに至った。
【００１２】
すなわち、本発明は下記の態様を有することを特徴とする。
（１）再配線構造部と、前記再配線構造部表面に半導体チップとを備え、前記半導体チップが繊維材料を含むプリプレグの硬化物で被覆されてなる半導体装置。
（２）前記プリプレグが、ガラス繊維材料を含む前項（１）記載の半導体装置。
（３）前記プリプレグが、有機繊維材料を含む前項（１）又は（２）記載の半導体装置。
（４）プリプレグの硬化物が、再配線構造部に達するビア穴を有する前項（１）〜（３）いずれか一項記載の半導体装置。
（５）プリプレグの硬化物において、繊維材料を含む部分の平面方向の熱膨張係数が２５〜２２０℃において５×１０−６／℃以下である前項（１）〜（４）いずれか一項記載の半導体装置。
（６）半導体チップ厚みが１００μｍ以下である前項（１）〜（５）いずれか一項記載の半導体装置。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によって、半導体装置の薄型化と反りの低減を両立しつつ、ビア穴加工に大きな障害を生じない半導体装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】従来のファンアウト型ウエハレベルパッケージと呼ばれる半導体装置を示す断面模式図である。
【図２】従来のファンアウト型ウエハレベルパッケージと呼ばれる半導体装置を示す断面模式図である。
【図３】本発明の実施形態の半導体装置を示す断面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、必要に応じて図面を参照しつつ、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。ただし、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。また、図面の寸法比率は図示した比率に限られるものではない。
【００１６】
図３に本実施形態の半導体装置を示す。半導体チップ１の回路面２側に再配線構造部３を備え、半導体チップ１がプリプレグの硬化物７で被覆されている。プリプレグの硬化物７は、繊維材料を含む部分８と硬化前のプリプレグから染み出した絶縁樹脂９からなる。必要に応じて再配線構造部３に達するビア穴５を備える。なお、ビア穴５の直径は、通常１０〜４００μｍであり、配線板のビア穴あけに一般的に用いるＣＯ２レーザー装置を用いて形成される。
【００１７】
本発明において、再配線構造部とは、半導体チップの回路面のパッドと、外部との接続端子とをつなぐために、半導体チップの回路面上に形成される配線を備えたものをいう。
【００１８】
本発明において、プリプレグとは硬化前の絶縁樹脂を繊維材料に含浸してなるものであり、その作製方法については特に限定されない。プリプレグとしては、一般的に配線板用材料として用いられるものを適用することが好ましい。
【００１９】
本発明に用いるプリプレグの絶縁樹脂は、特に制限はないが、熱硬化性樹脂組成物が好ましい。熱硬化性樹脂組成物は、特に限定するものではないが、耐めっき液性、耐熱性、耐絶縁性を考慮し、好ましくは、エポキシ樹脂及び熱硬化剤の混合物である。エポキシ樹脂としては、例えば、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂、フェノールノボラック型エポキシ樹脂、ビフェノール型エポキシ樹脂、ナフタレン型エポキシ樹脂、ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂、ビフェニルアラルキル型エポキシ樹脂を用いることができる。熱硬化剤としては、例えば、アミン系硬化剤、グアニジン系硬化剤、イミダゾール系硬化剤、フェノール系硬化剤、酸無水物系硬化剤を用いることができる。
【００２０】
熱硬化性樹脂組成物は、難燃剤を含んでいてもよい。また、難燃剤としてハロゲン含有樹脂、リン含有樹脂、窒素含有樹脂等を併用してもよい。また、必要に応じてアルミナ、シリカ、無機水和物充てん剤アルミノケイ酸塩、水酸化アルミニウム等の無機充てん剤を添加してもよい。
【００２１】
熱硬化性樹脂組成物中の熱硬化剤の配合量は、エポキシ樹脂のエポキシ基１当量に対して０．５〜１．５当量とすることが好ましく、０．７５〜１．２５当量とすることがより好ましい。熱硬化性樹脂組成物中の無機充てん剤の配合量は、溶剤を除く全固形分中で２０〜８０質量％とすることが好ましく、３０〜７０質量％とすることがより好ましい。
【００２２】
ここで、プリプレグに含浸する絶縁樹脂の作製方法を二つ例示する。これら絶縁樹脂を用いることで、硬化後のプリプレグの熱膨張係数を効果的に低減できる。
（絶縁樹脂１）
温度計、攪拌装置、還流冷却管の付いた加熱及び冷却可能な容積３リットルの反応容器に、ビスフェノールＡ型シアネート樹脂（ロンザジャパン社製；商品名Ａｒｏｃｙ  Ｂ−１０）：５００ｇと、下記式（Ｉ）に示すシロキサン樹脂（信越化学工業株式会社製；商品名Ｘ−２２−１８２１、水酸基当量；１６００）：５００gとトルエン：１０００ｇを配合し、攪拌しながら昇温し、１２０℃に到達後ナフテン酸亜鉛の８質量％ミネラルスピリット溶液を０．０１ｇ添加し、約１１５〜１２５℃で４時間還流反応を行った後、室温（２５℃）に冷却し、熱硬化性樹脂の溶液を得た。
【００２３】
【化１】
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（式（Ｉ）中のｐは３５〜４０の整数）
【００２４】
得られた熱硬化性樹脂１００質量部（固形分）、及び溶融シリカ（アドマテック社製；商品名ＳＯ−２５Ｒ）１５０質量部、及び希釈溶剤にメチルエチルケトンを使用して、混合して樹脂分６０質量％の均一な熱硬化性樹脂組成物（絶縁樹脂１）ワニスを得た。
【００２５】
（絶縁樹脂２）
温度計、攪拌装置、還流冷却管付き水分定量器の付いた加熱及び冷却可能な容積２リットルの反応容器に、シロキサン樹脂（信越化学工業株式会社製；商品名Ｘ−２２−１６１Ａ、アミノ基当量；８００）：９９．２ｇと、ビス（４−マレイミドフェニル）メタン：１６４．３gと、ｍ−アミノフェノール：４．５ｇ、及びジメチルアセトアミド：２５０gを入れ、１００℃で３時間反応させて、熱硬化性樹脂の溶液を得た。
得られた熱硬化性樹脂５０質量部（固形分）、ビフェニルアラルキル型エポキシ樹脂（日本化薬株式会社製、商品名：ＮＣ−３０００−Ｈ）５０質量部、溶融シリカ（アドマテック社製；商品名ＳＯ−２５Ｒ）１５０質量部、硬化促進剤としてイソシアネートマスクイミダゾール（第一工業製薬株式会社製、商品名：Ｇ−８００９Ｌ）及び希釈溶剤にメチルエチルケトンを使用して、混合して樹脂分６５質量％の均一な熱硬化性樹脂組成物（絶縁樹脂２）ワニスを得た。
【００２６】
上記の絶縁樹脂１〜２を繊維材料に含浸し、加熱して絶縁樹脂が半硬化したシート状のものを、プリプレグの一例とする。
【００２７】
繊維材料の種類は特に限定されるものではないが、一般的に広くＦＲＰ用ガラスクロスに用いられるアルミノケイ酸ガラスが好適である。中でも、シリカ成分を増量して熱膨張係数を低下させた、いわゆるＳガラスを用いると、効果的にプリプレグの硬化物の熱膨張係数を低減でき好ましい。ガラスクロス中のシリカ成分としては６０〜７０質量％が好ましく、６４〜６６質量％がより好ましい。シリカ成分が６０質量％未満になると、熱膨張係数の低減効果が低くなり、７０質量％を超えるとガラスクロスが割れやすくなり、プリプレグが脆くなる傾向にある。
【００２８】
また、繊維材料として有機繊維材料を用いることができる。有機繊維材料の種類は特に限定されるものではないが、例えばテクノーラ（帝人株式会社製、商品名、「テクノーラ」は登録商標）、ザイロン（東洋紡績株式会社製、商品名、「ザイロン」は登録商標）、ゼクシオン（ＫＢセーレン株式会社製、商品名、「ゼクシオン」は登録商標）等が好適であり、効果的にプリプレグの硬化物の熱膨張係数を低減でき好ましい。
【００２９】
また、用いるプリプレグの絶縁樹脂の含有量としては、プリプレグから染み出した絶縁樹脂（図３の９）が、搭載されている半導体チップ等の実装部品を充填できる量の１００質量％以上１２０質量％以下であることが好ましく、１００質量％以上１１０質量％以下であることがより好ましい。１００質量％を下回るとプリプレグから染み出す絶縁樹脂の量が不足し、空隙を半導体装置内に生じることになる。また、１２０質量％を超えると、プリプレグの硬化後の平面方向の熱膨張係数が上昇するため好ましくない。
【００３０】
本実施形態の半導体装置では、半導体チップ上部には、硬化後のプリプレグの繊維材料を含む部分（図３の８）が形成されており、前記部分はプリプレグの絶縁樹脂が染み出した結果、形成された部分であり、繊維材料に比べ熱膨張係数が比較的高い絶縁樹脂の割合が極めて少ないため、熱膨張係数が極めて低くなる。従って、適用するプリプレグの硬化後の平面方向の熱膨張係数には特に制限はないが、硬化後のプリプレグの繊維材料を含む部分の熱膨張係数が２５〜２２０℃において５×１０−６／℃以下であることが好ましく、４．５×１０−６／℃以下であることがより好ましく、４×１０−６／℃以下であることが更に好ましい。５×１０−６／℃を上回ると、効果的に反りを低減できないため好ましくない。
【００３１】
半導体チップの厚さとしては、１００μｍ以下が好ましく、１００μｍ以下３０μｍ以上がより好ましく、８０μｍ以下３０μｍ以上がさらに好ましい。半導体チップの厚さが１００μｍを超えると、薄型化に対して逆行するため好ましくないうえ、プリプレグから染み出す絶縁樹脂の量が不足しやすくなり、空隙を半導体装置内に生じるおそれがある。また、半導体素子が３０μｍを下回ると反りの低減効果が小さくなる傾向にある。なお、複数枚の半導体チップを縦方向に積層する場合、積層に用いる接着層を含む半導体チップ積層体トータルの厚さを半導体チップの厚さとする。
【実施例】
【００３２】
次に実施例により本発明を説明するが、本発明の範囲はこれらの実施例に限定されるものではない。
以下に実施例及び比較例において用いた半導体装置の材料と構造について説明する。
（実施例１）
実施例１においては図３を参照して説明する。実施例１において、半導体チップ１を被覆する材料として、プリプレグＧＥＡ−７０５ＧＬ１０７８Ｎ７２（日立化成株式会社製、商品名）を使用した。また半導体チップ１は、回路面２の代わりに表面に酸化シリコン層を有するテストチップを使用した。また、再配線構造部３には絶縁材として感光性絶縁材ＡＨ−１１７０Ｔ(日立化成株式会社製、商品名)を、導通材としては銅を用いた。
【００３３】
半導体装置全体のサイズは縦１０ｍｍ×横１０ｍｍ×厚さ１７５μｍの板状である。再配線構造部３の厚さはトータル２５μｍであり、１０μｍの銅層を絶縁層で挟んだ構造になっており、銅層は残銅率が５０％程度になるようにダミーパターンが設けられている。半導体チップ１のサイズは回路面２（酸化シリコン層）込みで８ｍｍ×８ｍｍ×６０μｍの板状である。半導体チップ１はパッケージの中央位置で、再配線構造部３に接するように配されている。半導体チップ１を被覆するプリプレグの硬化物７の繊維材料を含む部分８の厚さは９０μｍであり、硬化前のプリプレグから染み出した絶縁樹脂９が半導体チップ１の側面を完全に覆っている。ビア穴５は直径およそ２００μｍであり、半導体チップ１周囲の任意の場所に数箇所開けてある。半導体チップ１を被覆するプリプレグの硬化物７の繊維材料を含む部分８は、半導体チップ上部部材と表す（表１参照）。
【００３４】
（比較例１〜２）
比較例１及び２においては図１を参照して説明する。比較例１及び２において、半導体チップ１を被覆する材料として、封止材４にはＣＥＬ−４００ＺＨＦ４０（日立化成株式会社製、商品名）を使用した。それ以外は実施例１と同様の材料を用いた。
【００３５】
比較例１においては、半導体装置全体のサイズは縦１０ｍｍ×横１０ｍｍ×厚さ３７５μｍの板状である。半導体チップ１のサイズは回路面２（酸化シリコン層）込みで縦８ｍｍ×横８ｍｍ×厚さ２５０μｍの板状である。半導体チップ１を被覆する封止材４の厚さは半導体チップ上が１００μｍであり、半導体チップ１の側面を完全に覆っている。それ以外は実施例１と同じである。半導体チップ１を被覆する封止材４の半導体チップ上の部分を、半導体チップ上部部材と表す（表１参照）。
【００３６】
比較例２においては、半導体チップ１のサイズは回路面２（酸化シリコン層）込みで縦８ｍｍ×横８ｍｍ×厚さ６０μｍの板状である。それ以外は比較例１と同じである。
【００３７】
（比較例３）
比較例３においては図２を参照して説明する。比較例３において、半導体チップ１を被覆する材料として、板部６にはシリコンウエハを、充填材１０にはＡＢＦ−ＧＸ１３（味の素ファインテクノ製、商品名）を用いた。それ以外は実施例１と同様の材料を用いた。
【００３８】
半導体装置全体のサイズは縦１０ｍｍ×横１０ｍｍ×厚さ３１５μｍの板状である。半導体チップ１を被覆する充填材１０と板部６のチップ上の厚さは、充填材２０μｍ、板部（シリコン板）２００μｍであり、充填材１０が半導体チップの側面を完全に覆っている。ビア穴はない。それ以外は実施例１と同じである。なお、充填材１０の一部及び板部６（シリコン板）が半導体チップ上部部材に相当する（表１参照）。
【００３９】
下記表１に、実施例１及び比較例１〜３における、半導体チップ被覆部材、半導体チップ上部部材の熱膨張係数、半導体装置サイズ、半導体チップサイズ、再配線構造部厚さ、半導体チップ厚さ、半導体チップ上部部材厚さ、半導体装置厚さ、半導体装置反り、レーザービア穴開けの可否を示す。なお、半導体チップ被覆部材とは、半導体チップの表面及び側面等を被覆するための材料である。
なお、レーザービア穴開けは、配線板のビア穴あけに一般的に用いるＣＯ２レーザー装置（ＬＣ−２Ｆ２１Ｂ／１Ｃ、日立ビアメカニクス株式会社製）を用いた。
また、半導体装置の反りはシャドウモアレ装置（サーモレイＰＳ−２００、ＡＫＲＯＭＥＴＲＩＸ社製）を用いて測定した。反りの測定条件は、２５〜２２０℃の範囲での反りを測定し、２５℃から２２０℃への昇温時間は２０分である。
また、熱膨張係数は、ＤＩＣ装置（サーモレイＡＸＰ、ＡＫＲＯＭＥＴＲＩＸ社製）を使用し、半導体装置チップ上部部分の平面方向のひずみを、２５〜２２０℃の範囲にて測定した結果から算出した。
【００４０】
【表１】
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【００４１】
表１から明らかなように、実施例１は比較例１〜３と比較してレーザービアの穴あけが可能であり、半導体装置の厚さを低く抑えることができ、かつ、半導体装置の反りも小さく抑えることができる。
【００４２】
比較例１では、半導体装置の反りを小さく抑えるため、厚い半導体チップを用いているため、半導体装置の厚さが厚い。比較例２では半導体装置の厚さを薄くするため、薄い半導体チップを用いた結果、半導体装置の反りが大きい。比較例３では、シリコン板を用いているため、半導体装置の反りが小さいが、レーザービア穴あけが不可能であり、半導体装置の厚さも厚い。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
以上、本発明の半導体装置は、封止材の代わりにプリプレグを用いることで、半導体チップ上部に封止材以下の熱膨張係数を有する部分を得ることができ、半導体装置の薄型化と反り低減を両立できるうえ、かつビア穴加工も容易であるため、産業上の利用価値は非常に大きい。
【符号の説明】
【００４４】
１：半導体チップ、２：回路面、３：再配線構造部、４：封止材、５：ビア穴、６：板部、７：プリプレグの硬化物、８：繊維材料を含む部分、９：硬化前のプリプレグから染み出した絶縁樹脂、１０：充填材。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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