(57)【要約】【課題】半導体チップに形成された電極パッド１０８と製品用基板１２０との一括した接続が可能な、新規かつ改良された半導体装置および半導体装置の製造方法を提供する。【解決手段】電極パッド１０８が形成された半導体チップ１０４と、半導体チップ１０４を搭載して封止するためのパッケージ実装用基板１０２と、半導体チップ１０４の電極パッド１０８に電気的に接続するための金属柱１１４とを備え、半導体チップ１０４は、電極パッド形成面をパッケージ実装用基板１０２に対向させ、パッケージ実装用基板１０２に固着され、パッケージ実装用基板１０２は、電極パッド１０８の部位に貫通孔１１２が形成されており、金属柱１１４は、パッケージ実装用基板１０２の貫通孔１１２に挿入されて半導体チップ１０４の電極パッド１０８に接続し、さらにパッケージ実装用基板１０２から突出して封止により固定されていることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に電極パッドが形成された半導体チップと、
前記半導体チップを搭載して封止するためのパッケージ実装用基板と、
前記半導体チップの電極パッドに電気的に接続するための金属柱とを備え、
前記半導体チップは、電極パッド形成面を前記パッケージ実装用基板に対向させて、前記パッケージ実装用基板に固着され、
前記パッケージ実装用基板は、固着された前記半導体チップの電極パッドの部位に貫通孔が形成されており、
前記金属柱は、前記パッケージ実装用基板の貫通孔に挿入されて前記半導体チップの電極パッドに接続し、さらに前記パッケージ実装用基板から突出して封止により固定されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記パッケージ実装用基板の貫通孔を、前記半導体チップとの位置合わせに使用することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記金属柱を、共晶温度まで加熱して前記半導体チップの電極パッドに接続することを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
【請求項４】
表面に電極パッドを形成した半導体チップと、その電極パッド形成面を対向させたときに、電極パッドに対向する位置に貫通孔を形成したパッケージ実装用基板と有する半導体装置の製造方法において、
前記半導体チップの電極パッド形成面を前記パッケージ実装用基板に対向させ、かつ前記半導体チップの電極パッドが前記パッケージ実装用基板の貫通孔に位置するように、前記半導体チップを前記パッケージ実装用基板に固着する第１工程と、
前記パッケージ実装用基板の貫通孔に金属柱を挿入し、前記金属柱の一端を前記半導体チップの電極パッドに前記金属柱を接触させ、他端を前記パッケージ実装用基板から突出させる第２工程と、
熱処理を行なって、前記金属柱と前記電極パッドとの共晶温度まで上げて接続する第３工程と、
前記半導体チップの封止を行なう第４工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置および半導体装置の製造方法に関し、特に、半導体チップと製品基板との接合を金属柱を用いて一度に行うことができて、組み立てを簡易化することができる半導体装置および半導体装置の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来からの半導体製造工程では、完成した半導体ウエハから個々のチップを切り出した後に、外部要因によるこれらチップ損傷からの保護、水分混入等による腐食防止を目的とし、さらには取り扱いを考慮した電気的な接続方法を実現するために、各種のパッケージ形状による半導体組立工程を実施している。
【０００３】
また、薄層、分割化されたかかるチップに対しての半導体組立工程においても、その方法は様々であり、とりわけ電極パッド接続方法では、ワイヤボンディング、フリップチップボンディングと大きく二つの方法がある。
【０００４】
ワイヤボンディングによる接続方法は、半導体チップの接合パッドとリードフレームのリードを直径数十μｍ程度の細いＡｕまたはＡｌ線で接続する方法である。また、フリップチップボンディングによる接続方法は、半導体チップにバンプと呼ばれる瘤状の突起電極を形成してから、基板とかかるバンプを直接的に接続する方法である。フリップチップボンディングによれば、半導体チップと基板とを最短距離で接続を行うことが可能になる。
【０００５】
上述の接続方法により形成された半導体装置は、回路配線を有する基板上に半導体チップが搭載され、この半導体チップの電極と回路配線とを電気的に接続し、半導体チップ、および電気接続部が封止樹脂で封止され、基板の半導体チップが搭載された面と反対側の面に複数のはんだバンプが設けられている（例えば、特許文献１、２、３参照）。
【特許文献１】特開平７−１９３１６２号公報
【特許文献２】特開平１１−１８６４９１号公報
【特許文献３】特開平１１−２９７８８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来のワイヤボンディングによる接続方法では、各ワイヤボンディング用接合パッドとリードフレーム側での対応するリードでそれぞれ個別にワイヤボンディングを行うために、高機能、多機能化によるＬＳＩの高集積化に伴って、接合パッドの多数化が進むため、一つのチップに対するワイヤボンディングの本数が増加する。このため、ワイヤボンディング用接合パッドの寸法およびワイヤボンディング用接合パッドの数、ワイヤボンディング用接合パッドとワイヤボンディング用接合パッド同士の間隔が考慮される結果、これら要因が半導体チップの外周寸法を決定してしまう。換言すると、ＬＳＩの高集積化に伴い、これらを実装する半導体装置のサイズの小型化が困難になる。
【０００７】
また、フリップチップボンディングによる接続方法では、歩留りを高くするために、バンプ用メタル高さや形状を均一に制御して形成する必要がある。さらに、バンプメタルを形成して実装する場合、半導体装置が動作するときに生じる熱により、バンプメタルと実装基板との間で温度差が生じ、バンプメタル自体は熱膨張の影響で膨らむところ、実装基板上にバンプメタルが接合されている部分に応力が生じ、実装基板よりバンプメタルが剥がれることがある。このため、バンプメタルを導電性樹脂を介して実装基板に接合し、前記接合部において生じる応力に対する弾性を持たせて接続不良を回避する技術もある。
【０００８】
上記接続方法を使用して、半導体チップをパッケージ実装用基板に電気的に接続し封止することで半導体パッケージを形成する。そして、この半導体パッケージには、他の電子部品を搭載した製品基板に接続するための外部接続端子を形成する必要がある。リードフレームであれば、パッケージ実装用基板がそのまま外部端子となるが、樹脂基板の場合は外部接続端子となる金属ピンなどを接合しておく必要がある。したがって、樹脂基板の場合は、半導体チップの接合パッドと外部接続端子の接合パッドの配線形成や、外部接続端子の接合等の工程が必要となり、手間がかかる。
【０００９】
そこで本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、小型化を可能とするとともに、半導体チップと製品基板への外部接続端子の接合が一度にできて、組み立てを簡易化できる半導体装置および半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明のある実施の態様によれば、表面に電極パッドが形成された半導体チップと、前記半導体チップを搭載して封止するためのパッケージ実装用基板と、前記半導体チップの電極パッドに電気的に接続するための金属柱とを備え、前記半導体チップは、電極パッド形成面を前記パッケージ実装用基板に対向させて、前記パッケージ実装用基板に固着され、前記パッケージ実装用基板は、固着された前記半導体チップの電極パッドの部位に貫通孔が形成されており、前記金属柱は、前記パッケージ実装用基板の貫通孔に挿入されて前記半導体チップの電極パッドに接続し、さらに前記パッケージ実装用基板から突出して封止により固定されていることを特徴とする半導体装置が提供される。
【００１１】
また、前記パッケージ実装用基板の貫通孔を、前記半導体チップとの位置合わせに使用することを特徴としてもよい。
【００１２】
さらに、前記金属柱を、共晶温度まで加熱して前記半導体チップの電極パッドに接続することを特徴としてもよい。
【００１３】
本発明の別の実施の態様によれば、表面に電極パッドを形成した半導体チップと、その電極パッド形成面を対向させたときに、電極パッドに対向する位置に貫通孔を形成したパッケージ実装用基板と有する半導体装置の製造方法において、前記半導体チップの電極パッド形成面を前記パッケージ実装用基板に対向させ、かつ前記半導体チップの電極パッドが前記パッケージ実装用基板の貫通孔に位置するように、前記半導体チップを前記パッケージ実装用基板に固着する第１工程と、前記パッケージ実装用基板の貫通孔に金属柱を挿入し、前記金属柱の一端を前記半導体チップの電極パッドに前記金属柱を接触させ、他端を前記パッケージ実装用基板から突出させる第２工程と、熱処理を行なって、前記金属柱と前記電極パッドとの共晶温度まで上げて接続する第３工程と、前記半導体チップの封止を行なう第４工程と、を有することを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【００１４】
以上説明したように、本発明によれば、半導体チップの電極パッドに、パッケージ実装用基板の貫通孔から金属柱（製品基板に接合するための外部接続端子）を接合するので、ワイヤボンディングのように、半導体チップの外周に電極パッドを設ける制約が無く、サイズの小型化が可能となる。また、フリップチップボンディングのように、バンプの高さや形状の均一化を厳密に行なう必要がなく、製造が容易になる。さらに、半導体チップの電極パッドに接合した金属柱がパッケージ実装用基板から突出して外部接続端子となるので、トータルの組み立て工数が減ることになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００１６】
まず、本発明の半導体装置１００の構成について、図面を使用しながら説明する。図１は、本発明における半導体装置１００の第１の実施の形態の構成を説明するための断面図である。本実施の形態の半導体装置１００は、製品基板１２０の上にパッケージ実装用基板１０２が配され、パッケージ実装用基板１０２の上に半導体チップ１０４が搭載され、この半導体チップ１０４を外部と電気的に遮断等するために、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂からなる封止樹脂１０６が半導体チップ１０４を封止している。
【００１７】
製品基板１２０およびパッケージ実装用基板１０２は、耐熱性に優れた樹脂基板またはフィルムであれば材質は限定されない。製品基板１２０およびパッケージ実装用基板１０２の材質としては、例えば、ポリイミド、ガラスエポキシ、ＢＴレジン（ビスマレイド・トリアジンレジン）、ポリエステル、ポリアミド、テフロン（登録商標）、セラミック、ガラスポリエステル、ガラスフェノル等の樹脂基板が挙げられる。特に、ポリイミドで形成されるのが好適である。なお、製品基板１２０およびパッケージ実装用基板１０２には、貫通孔１１２および貫通孔１２２が形成されている。
また、金属柱１１４は、材質として、Ａｕ系メタルが好適である。なお、メタル形成法としては、例えば、銅の金属柱に加熱蒸着、電子ビーム蒸着、スパッタリング、めっき処理を行い、表面にＮｉとＡｕを形成する。
【００１８】
半導体チップ１０４は、ＧａＡｓやＳｉ等の半導体材料からチップ状に形成され、かかる半導体チップ１０４の回路形成面１０４ａには、電極パッド１０８が形成されている。電極パッド１０８を構成する材料としては、通常使用されているＡｌやＡｌ合金等が挙げられ、スパッタ法や蒸着法等により形成される。また、半導体チップ１０４には、配線パターン（図示せず）が形成されている。配線パターンに使用できる材料としては、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｕ、Ｎｉ等が挙げられるが、コストおよび導電性の観点より、低コストであり、導電性に優れるＣｕが好適である。なお、配線パターンは、所望の形状によりパターニングされるが、パターニング法としては、例えば、フォトリソグラフィ法を使用することができる。
【００１９】
本実施の形態では、半導体チップ１０４の回路形成面１０４ａに形成された電極パッド１０８が熱圧着シート１１０を介して、パッケージ実装用基板１０２と接着されている。また、半導体チップ１０４に形成された電極パッド１０８と当接する部位には、貫通孔１１２および貫通孔１２２が形成されており、かかる貫通孔１１２および貫通孔１２２を貫通するようにして、金属柱１１４が設けられている。パッケージ実装用基板１０２は、製品基板１２０の上に搭載され、固定される。金属柱１１４は、半導体チップ１０４の電極パッド１０８に接続し、さらにパッケージ実装用基板１０２から突出して封止により固定される。金属柱１１４の先端側１１４ａは、製品基板１２０とはんだ付けされて、金属柱１１４は、製品基板に形成される配線パターン１２０ａと電気的に接続される。
【００２０】
すなわち、本実施の形態では、半導体チップ１０４の電極パッド１０８が金属柱１１４と接続されている。このため、ワイヤボンディングのように、半導体チップ１０４の外周に電極パッド１０８を設ける制約が無く、サイズの小型化が可能となる。また、フリップチップボンディングのように、バンプの高さや形状の均一化を厳密に行なう必要がなく、製造を容易にすることが可能になる。さらに、半導体チップ１０４の電極パッド１０８に接合した金属柱１１４がパッケージ実装用基板１０２から突出して外部接続端子となるところ、トータルの組み立て工数が減ることになる。
【００２１】
次に、本実施の形態の半導体装置１００の製造方法について、図面を使用しながら説明する。図２は、本実施の形態の半導体装置１００の製造方法を説明するためのフローチャートである。図３〜９は、本発明の実施形態の半導体装置１００の製造方法の工程Ｓ１１〜Ｓ１７までの各工程における本発明における半導体装置１００の模式的な断面図である。
【００２２】
本発明の半導体装置の製造方法は、半導体装置の配線・電極形成工程の後、半導体装置を組み立てる各種のパッケージ形状による組立工程に特徴がある。特に、かかる組立工程では、半導体チップ１０４の電極パッド形成面をパッケージ実装用基板１０２に対向させ、かつ半導体チップ１０４の電極パッド１０８がパッケージ実装用基板１０２の貫通孔１１２に位置するように、半導体チップ１０４をパッケージ実装用基板１０２に固着する工程と、パッケージ実装用基板１０２の貫通孔１１２に金属柱１１４を挿入し、金属柱１１４の一端を半導体チップ１０４の電極パッド１０８に金属柱１１４を接触させ、金属柱１１４の他端をパッケージ実装用基板１０２から突出させる工程と、金属柱１１４と電極パッド１０８を接続する工程と、半導体チップ１０４の封止を行なう工程と、を有する点に特徴を有する。
【００２３】
本実施の形態の半導体装置１００の製造方法において、図２で示す半導体装置１００の組立工程では、半導体チップ１０４に電極パッド１０８を形成する工程後に、まず、第一に、図３に示すように、電極パッド１０８の間に接着手段となる熱圧着シート１１０を貼り付ける（Ｓ１１）。なお、本実施の形態では、接着手段として熱圧着シート１１０が使用されているが、かかる接着手段として、例えば、接着剤（ペースト）のポッティングによる他の方法を代用することも可能である。
【００２４】
第二に、熱圧着シート１１０を半導体チップ１０４に貼り付けた後に、パッケージ実装用基板１０２を貼り付けることを容易にするために、図４に示すように、半導体チップ１０４の回路形成面１０４ａに形成された電極パッド１０８および熱圧着シート１１０を研磨または研削する。かかる作業により、半導体チップ１０４に形成された電極パッド１０８および熱圧着シート１１０を平坦化する（Ｓ１２）。
【００２５】
第三に、図５に示すように、平坦化を行った半導体チップ１０４に形成された電極パッド１０８および熱圧着シート１１０に、パッケージ実装用基板１０２を貼り付け、固着する（Ｓ１３）。本実施の形態では、パッケージ実装用基板１０２には、半導体チップ１０４に形成された電極パッド１０８に対応する位置に貫通孔１１２が事前に設けられている。
パッケージ実装用基板１０２の貫通孔１１２は、例えば、打ち抜きまたはドリルにより形成される。半導体チップ１０４にパッケージ実装用基板１０２を貼り付ける際には、パッケージ実装用基板１０２に形成された貫通孔１１２を利用して半導体チップ１０４に形成された電極パッド１０８と位置合わせを行うことができる。具体的に位置合わせの方法を説明すると、半導体チップ１０４に実装用基板１０２を貼り付ける際に、半導体チップ１０４とパッケージ実装用基板１０２の位置合わせ、固定、加圧、および加熱を行うダイボンド装置のカメラモニタ側から、画像認識によって半導体チップ１０４の回路形成面１０４ａを確認することができる。パッケージ実装用基板１０２の貫通孔１１２の形成部分より、例えば、半導体チップ１０４の回路形成面１０４ａ面に対して等間隔に四辺に渡って電極パッドが形成されている場合には、各対角線上の二つから四つの電極パッドを任意に着目し、これらがそれぞれに対応するパッケージ実装用基板１０２に形成された貫通孔１１２側からこれら電極パッドを確認する。これにより、半導体チップ１０４にパッケージ実装用基板１０２を貼り付ける際の位置的精度を保持することが可能になる。また、カメラモニタ側から、半導体チップ１０４の回路形成面１０４ａを確認する場合、例えば、明暗画像認識法等を利用することにより、パッケージ実装用基板１０２の貫通孔１１２形成部分では光が透過し、それ以外の部分では光が反射する。このため、パッケージ実装用基板１０２の貫通口１１２が形成された部分と、かかる貫通口１１２部分に対応する半導体チップ１０４に形成された電極パッド１０８と、の位置合わせを行うことができれば、パッケージ実装用基板１０２の全部分において光が反射し、半導体チップ１０４と実装用基板１０２との位置合わせを確認することができる。これら手法を駆使することにより、半導体チップ１０４にパッケージ実装用基板１０２を貼り付けることによって形成される半導体装置１００の仕上がり精度が向上する。
【００２６】
第四に、図６に示すように、パッケージ実装用基板１０２の貫通孔１１２に、半導体装置１００が有する電極形成数および電極形成間隔に相当する充填倉から、合金加工等などの手法により、モース硬度を高くした金属柱１１４を挿入し、金属柱１１４の先端側１１４ａの他端を半導体チップ１０４の電極パッド１０８に金属柱１１４を接触させ、金属柱１１４の先端側１１４ａをパッケージ実装用基板１０２から突出させる（Ｓ１４）。
【００２７】
第五に、図７に示すように、金属柱１１４を電極パッド１０８に挿入した後、図７に示すように、熱処理を加え、金属柱１１４と電極パッド１０８との共晶温度まで上げて、金属柱１１４と、半導体チップ１０４に形成された電極パッド１０８との接続を行う（Ｓ１５）。
【００２８】
第六に、図８に示すように、金属柱１１４に対し熱処理を加え、電極パッド１０８と接続した後に、半導体チップ１０４を封止樹脂１０６で封止する（Ｓ１６）。なお、金属柱１１４と電極パッド１０８は、封止により固定される。樹脂１０６による樹脂封止法としては、金型を利用した樹脂封止法やポッティングのように金型を用いない樹脂封止法を使用することが可能である。なお、封止樹脂１０６の材質としては、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を使用する。
【００２９】
第七に、実装用基板１０２は、図９に示すように、半導体チップ１０４に形成された電極パッド１０８と接続された金属柱１１４を、製品基板１２０に形成された貫通孔１２２に貫通させて、製品基板１２０の上に搭載され、固定される。そして、金属柱１１４の先端側１１４ａは、製品基板１２０とはんだ付けされて、金属柱１１４は、製品基板に形成される配線パターン１２０ａと電気的に接続される（Ｓ１７）。なお、製品基板１２０の貫通孔１２２は、例えば、打ち抜きまたはドリルにより形成される。
【００３０】
以上説明したように、本実施の形態では、半導体チップ１０４は、電極パッド形成面をパッケージ実装用基板１０２に対向させて、パッケージ実装用基板１０２に固着されている。また、パッケージ実装用基板１０２は、固着された半導体チップ１０４の電極パッド１０８の部位に貫通孔１１２が形成されている。さらに、金属柱１１４は、パッケージ実装用基板１０２の貫通孔１１２に挿入されて、半導体チップ１０４の電極パッド１０８に接続し、さらに、パッケージ実装用基板１０２から突出して封止により固定されている。
【００３１】
このため、ワイヤボンディングのように、半導体チップ１０４の電極パッド１０８に、パッケージ実装用基板１０２の貫通孔１１２から金属柱１１４を接合するので、半導体チップ１０４の外周に電極パッド１０８を設ける制約が無く、サイズの小型化が可能となる。また、フリップチップボンディングのように、バンプ高さや形状の均一化を厳密に行なう必要がなく、製造を容易にすることが可能になる。さらに、半導体チップ１０４の電極パッド１０８に接合した金属柱１１４がパッケージ実装用基板１０２から突出して外部接続端子となるので、トータルの組み立て工数が減ることになる。
【００３２】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明における半導体装置の実施形態の構成を説明するための断面図である。
【図２】本発明の実施形態の半導体装置１００の製造方法を説明するためのフローチャートである。
【図３】本発明の実施形態の半導体装置１００の製造方法の工程Ｓ１１における半導体装置の模式的な断面図である。
【図４】本発明の実施形態の半導体装置１００の製造方法の工程Ｓ１２における半導体装置の模式的な断面図である。
【図５】本発明の実施形態の半導体装置１００の製造方法の工程Ｓ１３における半導体装置の模式的な断面図である。
【図６】本発明の実施形態の半導体装置１００の製造方法の工程Ｓ１４における半導体装置の模式的な断面図である。
【図７】本発明の実施形態の半導体装置１００の製造方法の工程Ｓ１５における半導体装置の模式的な断面図である。
【図８】本発明の実施形態の半導体装置１００の製造方法の工程Ｓ１６における半導体装置の模式的な断面図である。
【図９】本発明の実施形態の半導体装置１００の製造方法の工程Ｓ１７における半導体装置の模式的な断面図である。
【符号の説明】
【００３４】
１００      半導体装置
１０２      パッケージ実装用基板
１０４      半導体チップ
１０４ａ    回路形成面
１０６      封止樹脂
１０８      電極パッド
１０８ａ    電極パッド１０８と金属柱１１４の接着面
１１０      熱圧着シート
１１２      貫通孔
１１４      金属柱
１１４ａ    金属柱の先端側
１１６      はんだ
１２０      製品基板
１２０ａ    製品基板配線パターン
１２２      貫通孔
【図１】
2008153359.tif 000003
【図２】
2008153359.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2008153359.tif 000008
【図７】
2008153359.tif 000009
【図８】
2008153359.tif 000010
【図９】
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