(57)【要約】【課題】突起状電極部の立ち上がり部に加わる応力を軽減し、導体にクラックが発生することを防止できる半導体パッケージ基板及びそれを用いた半導体装置を提供すること。【解決手段】半導体パッケージ基板は、半導体素子１０が接着される第１の絶縁性樹脂層２と、前記第1の絶縁性樹脂層２に設けられ、半導体素子１０と電気的に接続される回路導体層３とを備え、回路導体層は、表面導電層４ａと内部に充填された絶縁性樹脂４ｂとからなる、外部実装部材と電気的に接続される突起状電極部４を有し、突起状電極部４の断面形状が、外部実装部材との接続面４ｃを下底とした略台形であり、突起状電極部４の立ち上がり部が緩やかな丸みを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子が接着される第１の絶縁性樹脂層と、
前記第1の絶縁性樹脂層に設けられ、半導体素子と電気的に接続される回路導体層と
を備えた半導体パッケージ基板であって、
前記回路導体層は、表面導電層と内部に充填された絶縁性樹脂とからなる、外部実装部材と電気的に接続される突起状電極部を有し、
前記突起状電極部の断面形状が、外部実装部材との接続面を下底とした略台形状であり、前記回路導体層の前記突起状電極部の立ち上がり部が緩やかな丸みを有することを特徴とする半導体パッケージ基板。
【請求項２】
前記立ち上がり部の丸みが、半径１．０μｍの円形より緩やかであることを特徴とする請求項１に記載の半導体パッケージ基板。
【請求項３】
前記表面導電層の肉厚が、前記突起電極部の全体にわたって略一定であることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体パッケージ基板。
【請求項４】
前記第１の絶縁性樹脂層と、前記突起状電極内部に充填された絶縁性樹脂とが、同一材料からなることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体パッケージ基板。
【請求項５】
半導体パッケージ基板が、さらに、前記回路導体層層上の、前記突起状電極部の外部実装部材との接続面を除いた領域に形成され、前記突起状電極部の側面を覆う第２の絶縁性樹脂層を有し、
前記第１の絶縁性樹脂層及び前記突起状電極内部に充填された絶縁性樹脂の線膨張係数が、前記第２の絶縁性樹脂層の線膨張係数よりも小さいことを特徴とする請求項４に記載の半導体パッケージ基板。
【請求項６】
前記第１の絶縁性樹脂層及び前記突起状電極内部に充填された絶縁性樹脂の線膨張係数が、７０ｐｐｍ以下であることを特徴とする請求項６に記載の半導体パッケージ基板。
【請求項７】
前記突起状電極内部に充填された絶縁性樹脂が、エポキシ系樹脂、イミド系樹脂、フェノール系樹脂からなる群から選択される少なくとも一種の樹脂であり、前記第２の絶縁層が、エポキシ系樹脂、アクリル系樹脂からなる群から選択される少なくとも一種の樹脂であることを特徴とする請求項５又は６に記載の半導体パッケージ基板。
【請求項８】
前記回路導体層層と前記突起状電極部の表面導電層とが、一体形成されていることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の半導体パッケージ基板。
【請求項９】
請求項１から８のいずれかに記載の半導体パッケージ基板と、
前記半導体パッケージ基板の前記回路導体層層と電気的に接続した半導体素子と
を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項１０】
前記半導体素子の外部接続用金属パッドに形成された金属バンプと、前記半導体パッケージ基板の前記回路導体層に形成された金属バンプとの接続により、半導体素子がフリップチップ接続されたことを特徴とする請求項９に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体パッケージ基板及びそれを用いた半導体装置に関し、特に、回路導体層の突起状電極部の立ち上がり部に加わる応力を軽減できる半導体パッケージ基板及びそれを用いた半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、集積回路等の半導体素子の実装技術として、ダイシング前のウエハ状態のまま再配線、電極形成、樹脂封止などの実装を行うＷＬ−ＣＳＰ（Ｗａｆｅｒ  Ｌｅｖｅｌ  Ｃｈｉｐ  Ｓｉｚｅ  Ｐａｃｋａｇｅ）の実用化が進んでいる。ＷＬ−ＣＳＰは、ベアチップとほぼ同サイズで配線長が短いことから、小型・薄型・高速という特徴を有しており、例えば携帯電話向けのＣＳＰとして採用されている。
【０００３】
ＷＬ−ＣＳＰとしては、テープ基板を半導体パッケージ基板（再配線、あるいはＩｎｔｅｒｐｏｓｅｒともいう）として用い、半導体ウエハ側の外部接続端子と、半導体パッケージ基板に形成された電極とを接続するフリップチップ接続方式のＣＳＰが知られている。このＣＳＰにおいては、半導体ウエハは半導体パッケージ基板上に接着固定される。半導体ウエハはその後ダイシングされ、半導体チップが接続された半導体パッケージ基板は、半導体パッケージ基板の接合電極に設けられた半田ボールを介して、実装基板であるマザーボードに接続され、実装される。
【０００４】
しかしながら、薄いテープ基板を半導体パッケージ基板として用いた半導体パッケージにおいては、半導体チップと実装基板との線膨張差が大きいことから、使用時の熱によって、両者の熱歪みの差異が大きくなり、半田接合部において半田クラックや断線不良が発生しやすいという問題があった。
【０００５】
上記問題の対策として、半導体パッケージ基板の実装基板との接続電極を、内部に絶縁性樹脂が充填された突起状電極とすることによって、半田接合部に生じる応力を緩和することが行われている。図７に、内部に絶縁性樹脂が充填された突起状電極を有する従来の半導体パッケージ基板の構成を示す。この半導体パッケージ基板７１は、半導体チップ８０が接着される絶縁性樹脂層７２と、前記絶縁性樹脂層７２の半導体チップ８０が接着される面と反対の面上に形成され、半導体チップ８０と電気的に接続される回路導体層７３とを備えており、回路導体層７３は、半田ボール８５を介してマザーボードと電気的に接続される突起状電極部７４を有している。突起状電極部７４は、表面導電層７４ａと内部に充填された絶縁性樹脂７４ｂとから構成されている。この半導体パッケージ基板７１においては、半導体チップ８０のＡｌパッド８１上に形成されたＡｕスタッドバンプ８２と、半導体パッケージ基板７１の回路導体層７３上に形成されたＳｎＡｇバンプ７６との接合により、半導体チップ８０と回路導体層７３とが導通する。そして、突起状電極部７４の、半導体チップ８０と反対側の面上に形成された半田ボール８５を介して、半導体チップ４０が接続された半導体パッケージ基板３１が、マザーボードに実装される。
【０００６】
上記のような半導体パッケージ基板においては、内部に絶縁性樹脂が充填された突起状電極部が撓むことにより、半田接合部に加わる応力を軽減することができる。
【特許文献１】特許第３４４５４４１号公報
【特許文献２】特許第３６５１５９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記構成においては、熱膨張により、突起状電極部の立ち上がり部に応力が集中し、導体にクラックが発生するという問題がある。
【０００８】
本発明の目的は、突起状電極部の立ち上がり部に加わる応力を軽減し、導体にクラックが発生することを防止できる半導体パッケージ基板及びそれを用いた半導体装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の課題を解決するための本発明の第１の態様は、半導体素子が接着される第１の絶縁性樹脂層と、前記第1の絶縁性樹脂層に設けられ、半導体素子と電気的に接続される回路導体層とを備えた半導体パッケージ基板であって、前記回路導体層は、表面導電層と内部に充填された絶縁性樹脂とからなる、外部実装部材と電気的に接続される突起状電極部を有し、前記突起状電極部の断面形状が、外部実装部材との接続面を下底とした略台形状であり、前記回路導体層の前記突起状電極部の立ち上がり部が緩やかな丸みを有することを特徴とする半導体パッケージ基板である。
【００１０】
本発明の第２の態様は、第１の態様に係る半導体パッケージ基板において、前記立ち上がり部の丸みが、半径１．０μｍの円形よりも緩やかであることを特徴とする。
【００１１】
本発明の第３の態様は、前記第１又は２の態様に係る半導体パッケージ基板において、前記表面導電層の肉厚が、前記突起電極部の全体にわたって略一定であることを特徴とする。
【００１２】
本発明の第４の態様は、前記第１から第３のいずれかの態様に係る半導体パッケージ基板において、前記第１の絶縁性樹脂層と、前記突起状電極内部に充填された絶縁性樹脂とが、同一材料からなることを特徴とする。
【００１３】
本発明の第５の態様は、前記第４の態様に係る半導体パッケージ基板において、半導体パッケージ基板が、さらに、前記回路導体層上の、前記突起状電極部の外部実装部材との接続面を除いた領域に形成され、前記突起状電極部の側面を覆う第２の絶縁性樹脂層を有し、前記第１の絶縁性樹脂層及び前記突起状電極内部に充填された絶縁性樹脂の線膨張係数が、前記第２の絶縁性樹脂層の線膨張係数よりも小さいことを特徴とする。
【００１４】
本発明の第６の態様は、前記第５の態様に係る半導体パッケージ基板において、前記第１の絶縁性樹脂層及び前記突起状電極内部に充填された絶縁性樹脂の線膨張係数が、７０ｐｐｍ以下であることを特徴とする。
【００１５】
本発明の第７の態様は、前記第５又は第６の態様に係る半導体パッケージ基板において、前記突起状電極内部に充填された絶縁性樹脂が、エポキシ系樹脂、イミド系樹脂、フェノール系樹脂からなる群から選択される少なくとも一種の樹脂であり、前記第２の絶縁層が、エポキシ系樹脂、アクリル系樹脂からなる群から選択される少なくとも一種の樹脂であることを特徴とする。
【００１６】
本発明の第８の態様は、前記第１から第７の態様のいずれかに係る半導体パッケージ基板において、前記回路導体層と前記突起状電極部の表面導電層とが、一体形成されていることを特徴とする。
【００１７】
本発明の第９の態様は、前記第１から第８の態様のいずれかに係る半導体パッケージ基板と、前記半導体パッケージ基板の前記回路導体層と電気的に接続した半導体素子とを有することを特徴とする半導体装置である。
【００１８】
本発明の第１０の態様は、前記第９の態様に係る半導体装置において、前記半導体素子の外部接続用金属パッドに形成された金属バンプと、前記半導体パッケージ基板の前記回路導体層に形成された金属バンプとの接続により、半導体素子がフリップチップ接続されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、突起状電極部の断面形状が、外部実装部材との接続面を下底とした略台形状であり、回路導体層の突起状電極部の立ち上がり部が緩やかな丸みを有するので、熱膨張に起因する突起状電極部の立ち上がり部の応力集中が抑制され、導体にクラックが発生することを防止できる。このため、半導体パッケージ基板の実装信頼性を向上させることが可能になる。
【００２０】
また、表面導電層の肉厚を、突起電極部の全体にわたって略一定とすることにより、表面導電層に局所的に電界が集中することを防止することが可能になる。
【００２１】
また、第１の絶縁性樹脂層と、突起状電極内部に充填された絶縁性樹脂とを、同一材料で構成することにより、製造プロセスの簡略化が可能になる。
【００２２】
また、第１の絶縁性樹脂層の線膨張係数を、第２の絶縁性樹脂層の線膨張係数よりも小さくすることにより、半導体チップと回路導体層とのフリップチップ接合部（バンプ接合）のクラックを防止することが可能になる。すなわち、接着層である第１の絶縁性樹脂層によって、半導体チップが半導体パッケージ基板に接着固定されることから、硬化した第１の絶縁性樹脂層の線膨張係数が大きい場合、温度サイクルにおける応力が、半導体チップと回路導体層とのフリップチップ接合部に加わり、接合部が破断するおそれがある。本発明の上記構成により、接合部に加わる応力を緩和することができ、フリップチップ接合部の信頼性を確保することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明の半導体パッケージ基板の一実施形態を示す断面図である。
【００２４】
半導体パッケージ基板１は、半導体チップ１０が接着される第１の絶縁性樹脂層２と、第1の絶縁性樹脂層２に設けられ、半導体チップ１０と電気的に接続される回路導体層３とを備えている。回路導体層３は、表面導電層４ａと、内部に充填された絶縁性樹脂４ｂとで構成された、外部実装基板（不図示）と電気的に接続される突起状電極部４を有している。また、回路導体層３には、例えばＳｎＡｇからなるバンプ６が形成されている。半導体パッケージ基板１は、さらに、回路導体層３上の、突起状電極部４の外部実装部材との接続面４ｃを除いた領域に形成され、突起状電極部４の側面を覆う第２の絶縁性樹脂層７を備えている。
【００２５】
一方、半導体パッケージ基板１に接着・固定される半導体チップ１０には、例えばＡｌからなる外部接続用の電極パッド１１が設けられており、電極パッド１１には、例えばＡｕからなるスタッドバンプ１２が形成されている。半導体パッケージ基板側のバンプ６と、半導体チップ側のスタッドバンプ１２の接合（フリップチップ接合）により、半導体チップ１０と回路導体層３とが電気的に接続される。図１中、符号１３はパッシベーション層を示す。
なお、半導体パッケージ基板１と半導体チップ１０とで、本願発明の半導体装置が構成される。
【００２６】
本願発明における突起状電極部４の断面形状は、図２の拡大断面図に示すように、外部実装部材との接続面４ｃを下底とした略台形であり、且つ、突起状電極部４の立ち上がり部５が緩やかな丸みを有するように構成されている。なお、図２中、符号２５は半田ボールを示し、符号２６は実装部材であるマザーボード側の接続端子である。
【００２７】
上記のような構成によれば、突起状電極部４の立ち上がり部５が緩やかな丸みを有するので、熱膨張による立ち上がり部５の応力の集中を抑制でき、回路導体層３にクラックが発生することを防止できる。
立ち上がり部５の丸みは、半径１．０μｍの円形よりも緩やかであることが好ましく、これにより、立ち上がり部５への応力の集中を効果的に抑制できる。
【００２８】
表面導電層４ａ及び回路導体層３を構成する材料としては、例えばＣｕを用いることができる。また、表面導電層４ａの肉厚は、突起電極部４の全体にわたって略一定であることが好ましく、これにより、表面導電層に局所的に電界が集中することを防止することができる。
表面導電層４ａの肉厚は、例えば５〜１８μｍの範囲に設定される。
【００２９】
第１の絶縁性樹脂層２及び突起状電極４内部に充填された絶縁性樹脂４ｂを構成する絶縁性樹脂材料としては、例えば、エポキシ系樹脂、イミド系樹脂、フェノール系樹脂からなる群から選択される少なくとも一種の樹脂を用いることができる。第１の絶縁性樹脂層２と絶縁性樹脂４ｂとは、同一材料で構成することが好ましく、これにより、製造プロセスを簡略化することができる。
【００３０】
第２の絶縁性樹脂層７を構成する絶縁性樹脂材料としては、例えば、エポキシ系樹脂、アクリル系樹脂からなる群から選択される少なくとも一種の樹脂を用いることができる。
【００３１】
また、第１の絶縁性樹脂層２及び前記突起状電極内部に充填された絶縁性樹脂の線膨張係数が、第２の絶縁性樹脂層７の線膨張係数よりも小さいことが好ましい。前記第１の絶縁性樹脂層及び突起状電極内部に充填された絶縁性樹脂の線膨張係数としては、７０ｐｐｍ以下であることが好ましく、１０ｐｐｍ以上７０ｐｐｍ以下であることがより好ましい。このような線膨張係数の関係を達成できる樹脂の組合せとしては、例えば、第１の絶縁性樹脂層２がエポキシ系樹脂であり、第２の絶縁性樹脂層７がエポキシ系樹脂とアクリル系樹脂の混合物である場合があげられる。
【００３２】
上記のように、第１の絶縁性樹脂層２の線膨張係数を、第２の絶縁性樹脂層７の線膨張係数よりも小さくすることにより、半導体チップ１０と回路導体層３とのフリップチップ接合部のクラックを防止することができ、フリップチップ接合部の信頼性を確保することが可能になる。
【００３３】
次に、図３を参照して、本発明の半導体パッケージ基板を製造する方法を説明する。
図３は、本発明の半導体パッケージ基板の製造工程を示す断面図である。
【００３４】
まず、図３（ａ）に示すように、キャリア材料としてのＣｕ箔２１上に感光性樹脂層（第２絶縁性樹脂層）７を形成する。
【００３５】
次に、図３（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィー技術を用いて、感光性樹脂層７を露光、現像し、突起状電極部を形成する部分の樹脂を除去して孔２２を形成する。このとき、露光量及び/又は露光時間を制御することにより、図示のように、断面形状が略台形状であり、開口上部が緩やかな丸みを有する孔２２を形成することができる。
【００３６】
次に、図３（ｃ）に示すように、乾式メッキ法により、感光性樹脂層７表面と、孔２２内に導体層２３を形成する。
【００３７】
次に、図３（ｄ）に示すように、導体層２３をパターニングする。これにより、回路導体層３と突起状電極部の表面導電層４ａとが一体形成される。
次いで、回路導体層３に、半導体チップ側のスタッドバンプと接合するためのバンプ６を形成する。
【００３８】
次に、図３（ｅ）に示すように、絶縁性樹脂を用いて、突起状電極部を形成する孔２２内への樹脂の充填と、半導体チップを接着するための接着層（第１の絶縁性樹脂層２）の形成を行う。
このように、突起状電極内部への樹脂の充填と、接着層（第１の絶縁性樹脂層）２の形成とを同時に行うことにより、製造プロセスを簡略化し、製造コストを低減することができる。
以上の工程により、表面導電層と内部に充填された絶縁性樹脂とからなる突起状電極が形成され、その断面形状は、実装部材との接続面を下底とした略台形であり、突起状電極部４の立ち上がり部が緩やかな丸みを有している。
【００３９】
次に、図３（ｆ）に示すように、ウエハ状態のまま半導体チップ１０を接着層（第１の絶縁性樹脂層）２に押圧し、半導体チップ１０を半導体パッケージ基板に接着固定する。このとき回路導体層３に形成されたバンプ６と、半導体チップ１０側に形成されたスタッドバンプ１２の接合（フリップチップ接合）により、半導体チップ１０と回路導体層３とが電気的に接続される。
【００４０】
最後に、図３（ｇ）に示すように、キャリア材料であるＣｕ箔２１を剥離して、突起状電極部４の接続面４ｃを露出させる。
【００４１】
以上のような工程によって、突起状電極部を有する、バンプ付きテープ状半導体パッケージ基板を製造することができる。
【００４２】
さらに、半導体ウエハをダイシングすることにより、図１に示したような、チップサイズパッケージである本発明の半導体装置を得ることができる。半導体装置は、その後、露出した突起状電極部４の接続面４ｃに設けられる半田ボールを介してマザーボードに接続され、実装されることになる。
【００４３】
次に、本発明の効果を明確にするために行った温度サイクル試験の結果について説明する。
（温度サイクル試験１）
まず、突起状電極部の立ち上がり部の丸みに対応する円形の半径を、下記表１に示すように種々に変化させた半導体パッケージ基板Ａ〜Ｅを作製した。
次に、図４及び図５に示すように、半導体パッケージ基板Ａ〜Ｅの接着層である第１の絶縁性樹脂層２に半導体チップ１０を接着固定し、さらに、各半導体パッケージ基板の回路導体層３とガラスエポキシ基板であるマザーボード４０側接続端子２６とを、突起状電極部４上に設けられた半田ボール２５を介して接続し、デイジーチェーン回路を形成した。
なお、図４は、試験サンプルの平面図であり、図５は、図４の線Ａ−Ａ’で切断した、試験サンプルの断面図である。図５中ｔ１〜ｔ４で示す各部材の厚さは、それぞれ０．２ｍｍ、０．０８ｍｍ、０．２ｍｍ、０．８ｍｍであり、ｔ５で示す突起状電極部４の間隔は、５．０ｍｍである。
【００４４】
以上にようにして作製された試験サンプル（各サンプル数Ｎ＝２２）を用いて、−４０℃〜＋１２５℃（各７分保持）、サイクル数１０００の条件で、温度サイクル試験を行った。そして、温度サイクル試験において、デイジーチェーン回路の抵抗値から、半導体パッケージ基板Ａ〜Ｅの各回路導体層の破断の有無をモニターした。結果を表１に示す。
【００４５】
【表１】
2008205043.tif 000003
【００４６】
表１の結果より、突起状電極部の立ち上がり部の丸みに対応する円形の半径が１．０μｍ以上である場合に、良好な試験結果を得ることができ、実装信頼性の高い半導体パッケージ基板を実現することができることが分かった。
【００４７】
（温度サイクル試験２）
まず、下記表２に示すように、接着層である第１の絶縁性樹脂層２の硬化後の線膨張係数が異なる半導体パッケージ基板Ｆ〜Ｊを作製した。接着層は、エポキシ系接着材をベースにシリカフィラーを含有するものであり、シリカフィラーの含有率を調整することにより、線膨張係数を調整した。
次に、図６に示すように、半導体パッケージ基板Ｆ〜Ｊにそれぞれ設けられたＳｎＡｇ半田バンプ６と、半導体チップ１０側のＡｕスタッドバンプ１２との接合により、各半導体パッケージ基板の第１絶縁性樹脂層２に半導体チップ１０を接着固定し、さらに各半導体パッケージ基板の突起状電極部に半田ボールを設けた。
なお、図６中ｔ１〜ｔ３で示す各部材の厚さは、それぞれ０．２ｍｍ、０．０８ｍｍ、０．０３ｍｍであり、ｔ４で示す突起状電極部４の間隔は、５．０ｍｍである。
【００４８】
以上のようにして作製された試験サンプル（各サンプル数Ｎ＝２２）を用いて、−６５℃〜＋１５０℃（各７分保持）、サイクル数１０００の条件で、温度サイクル試験を行った。そして、Ａｕスタッドバンプ１２と回路導体層３との間の接続抵抗値をモニターし、導通不良発生サイクル数を調査した。結果を表２に示す。
【００４９】
【表２】
2008205043.tif 000004
【００５０】
表２の結果より、半導体チップの接着層である第１絶縁性樹脂層の線膨張係数が７０ｐｐｍ以下である場合に、良好な試験結果を得ることができ、実装信頼性の高い半導体パッケージ基板を実現することができることが分かった。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】図１は、本発明の実施形態に係る半導体パッケージ基板を示す断面図である。
【図２】図２は、本発明の突起状電極の拡大断面図である。
【図３】図３は、本発明の実施形態に係る半導体パッケージ基板の製造工程を示す断面図である。
【図４】図４は、温度サイクル試験１における半導体パッケージ基板の試験サンプルを示す平面図である。
【図５】図５は、図４の線Ａ-Ａ’で切断した半導体パッケージ基板の試験サンプルを示す断面図である。
【図６】図６は、温度サイクル試験２における半導体パッケージ基板の試験サンプルを示す断面図である。
【図７】図７は、従来の半導体パッケージ基板を示す断面図である。
【符号の説明】
【００５２】
１：半導体パッケージ基板
２：第１の絶縁性樹脂層
３：回路導体層
４：突起状電極部
４ａ：表面導電層
４ｂ：充填樹脂
４ｃ：外部実装部材との接続面
５：立ち上がり部
６：バンプ
７：第２の絶縁性樹脂層
１０：半導体チップ
１１：電極パッド
１２：スタッドバンプ
１３：パッシベーション層
２１：Ｃｕ箔
２２：突起電極形成用孔
２３：導体層
２５：半田ボール
２６：マザーボード側接続端子
【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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