(57)【要約】【課題】  柱状電極部分の強度が十分に高く、且つ、半田接合部に熱膨張の差に起因するクラックが発生することを防止した、信頼性の高いＷＣＳＰ構造の半導体装置を提供する。【解決手段】  表面に電極パッド３が形成された半導体チップ１と、該半導体チップの表面上に形成され、頂面と側面とを有し、前記電極パッドに電気的に接続された複数の柱状電極５と、記柱状電極の頂面が露出するように前記半導体チップの表面と前記柱状電極の側面とを覆う封止樹脂とを含む半導体装置において、前記封止樹脂が、前記半導体チップの表面上に形成された第１の層６と、該第１の層の表面に形成され前記第１の層よりも高い弾性率を有する第２の層７とで構成し、前記第１の層の膜厚を、前記第２の層の膜厚の３．５倍から８倍の範囲内に設定する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板に設けられた接続パッドに電気的に接続された複数の柱状電極の先端部分が該半導体基板の表面上に形成された封止層の表面から露出している半導体装置において、
前記封止層が、前記半導体基板の表面上に形成された低弾性樹脂層と該低弾性樹脂層の表面に形成され該低弾性樹脂層よりも高い弾性率を有する高弾性樹脂層とからなり、
前記高弾性樹脂層が５μｍから４５μｍの範囲の厚さを有することを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記低弾性樹脂層の表面が、前記柱状電極の近傍において傾斜部分を有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】
前記傾斜部分の厚さが柱状電極から遠ざかるにつれて減少することを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
半導体基板に設けられた接続パッドに電気的に接続された複数の柱状電極の先端部分が該半導体基板の表面上に形成された封止層の表面から露出している半導体装置において、
前記封止層が、前記半導体基板の表面上に形成された低弾性樹脂層と該低弾性樹脂層の表面に形成され該低弾性樹脂層よりも高い弾性率を有する高弾性樹脂層とからなり、
前記低弾性樹脂層の表面は前記柱状電極の近傍において傾斜部分を有し、該傾斜部分の厚さは前記柱状電極から遠ざかるにつれて減少することを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
前記高弾性樹脂層の厚さに対する前記低弾性性樹脂層の厚さの比が３．５から８の範囲であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記低弾性樹脂層が８ｐｐｍから１８０ｐｐｍの範囲の熱膨張係数と０．５Ｇｐａから４Ｇｐａの範囲の常温曲げ弾性率とを有する樹脂からなり、前記高弾性樹脂層が５ｐｐｍから１３ｐｐｍの範囲の熱膨張係数と９Ｇｐａから２１Ｇｐａの範囲の常温曲げ弾性率とを有する樹脂からなることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記低弾性樹脂層がポリイミド、ベンゾチクロブテン、ポリベンズオキサゾールの中の何れかからなり、前記高弾性樹脂層がエポキシ樹脂からなることを特徴とする請求項６に記載の半導体装置。
【請求項８】
表面に電極パッドが形成された半導体チップと、
前記表面上に形成され、且つ前記電極パッドに電気的に接続されており、それぞれ頂面と側面とを有する複数の柱状電極と、
前記柱状電極の頂面が露出するように前記半導体チップの表面と前記柱状電極の側面とを覆う封止樹脂とを含み、
前記封止樹脂が、前記半導体チップの表面上に形成された第１の層と該第１の層の表面に形成され該第１の層よりも高い弾性率及び５μｍから４５μｍの範囲の厚さを有する第２の層とからなることを特徴とする半導体装置。
【請求項９】
前記第１の層の表面が、前記柱状電極の近傍において傾斜部分を有することを特徴とする請求項８に記載の半導体装置。
【請求項１０】
表面に電極パッドが形成された半導体チップと、
前記表面上に形成され、且つ前記電極パッドに電気的に接続されており、それぞれ頂面と側面とを有する複数の柱状電極と、
前記柱状電極の頂面が露出するように前記半導体チップの表面と前記柱状電極の側面とを覆う封止樹脂とを含み、
前記封止樹脂が、前記半導体チップの表面上に形成された第１の層と該第１の層の表面に形成された第２の層とからなり、前記第２の層は前記第１の層よりも高い弾性率を有し、前記第１の層は各柱状電極の近傍において傾斜する表面を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項１１】
前記第２の層の厚さに対する前記第１の層の厚さの比が３．５から８の範囲であることを特徴とする請求項８から１０のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項１２】
前記第１の層の厚さが前記傾斜部分が設けられている領域において柱状電極から遠ざかるにつれて減少することを特徴とする請求項８または９に記載の半導体装置。
【請求項１３】
半導体基板に設けられた接続パッドに電気的に接続された複数の柱状電極の先端部分が該半導体基板の表面上に形成された封止層の表面から露出し、前記封止層が、前記半導体基板の表面に形成された低弾性樹脂層と該低弾性樹脂層の表面に形成され該低弾性樹脂層よりも高い弾性率を有する高弾性樹脂層とからなる半導体装置を製造する方法において、
前記低弾性樹脂層をスピンコート法または印刷法により形成する工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１４】
前記低弾性樹脂層がポリイミド、ベンゾチクロブテン、ポリベンズオキサゾールの中の何れかからなり、前記高弾性樹脂層がエポキシ樹脂からなることを特徴とする請求項１３に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１５】
スピンコート法または印刷法により低弾性樹脂層を形成した後に、該低弾性樹脂層をキュアする工程を実行することにより、該低弾性樹脂層の表面に、前記柱状の電極に近づくにつれ該柱状の電極の先端部分に向かって上昇する傾斜部分を設けることを特徴とする請求項１３に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１６】
表面に電極パッドが形成された半導体チップと、
前記半導体チップの表面上に形成され、頂面と側面とを有し、前記電極パッドに電気的に接続された複数の柱状電極と、
前記柱状電極の頂面が露出するように前記半導体チップの表面と前記柱状電極の側面とを覆う封止樹脂とを含み、
前記封止樹脂が、前記半導体チップの表面上に形成された第１の層と、該第１の層の表面に形成され前記第１の層よりも高い弾性率を有する第２の層とで構成され、
前記第１の層の膜厚が、前記第２の層の膜厚の３．５倍から８倍の範囲内に設定されていることを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置及びその製造方法、具体的にはＷＣＳＰ（ウェファレベルチップサイズパッケージ）構造の半導体装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電子機器の小型化の要求に伴い、半導体装置の小型化・高密度化が図られている。このため、半導体装置の形状を半導体素子（チップ）に極力近づけ、そのサイズを小さくした、ＷＣＳＰ構造の半導体装置が提案されている。
【０００３】
ＷＣＳＰ構造の半導体装置では、チップ表面に形成された接続パッドに電気的に接続され、チップ面から垂直に伸びる柱状の端子（以下、柱状電極という）を用いている。
【０００４】
ＷＣＳＰ構造の半導体装置を実装基板に実装する際には、柱状電極の先端と実装基板の表面に設けられた接続パッドとを半田等により接合し、その後半導体装置と実装基板との間の隙間に樹脂を充填し、封止する。
【０００５】
半導体装置と実装基板との間の狭い隙間に樹脂を均一に充填することは困難であり時間もかかるので、樹脂層を柱状電極の先端が露出する程度の厚さに予めチップ面に形成することが提案されている（例えば特許文献１参照）。
【０００６】
この場合、半導体装置の柱状電極部分の機械的強度を高めるためには、封止樹脂層を高弾性（硬質）樹脂層とすることが好ましいが、半導体チップと実装基板の熱膨張係数の違いにより発生するひずみを吸収し半田接合部分にクラックが発生しないようにするためには封止樹脂層を低弾性（軟質）樹脂層とすることが好ましい。半導体装置の信頼性を向上させるためには、これらの両方を実現する必要があり、そのため特許文献１には、封止樹脂層を軟質樹脂層及び硬質樹脂層の２層構造とすることが提案されている。
【０００７】
【特許文献１】特開平１０−７９３６２号公報（第２１頁、図２８）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、封止樹脂層を軟質樹脂層及び硬質樹脂層の２層構造にしても、それらの厚さやそれらの層全体に占める比率により、柱状電極部分の強度向上の効果及び半田接合部分のひずみ吸収の効果は変化するので、単に２層構造にしただけでは、信頼性の高い半導体装置が得られない場合がある。また、特許文献１に示されている圧縮成形あるいはトランスファモールド方式により２層構造を形成することは技術的に非常に困難である。より詳細には、１層目の樹脂層をこのような方式で形成すること、もしくは１回の樹脂封止処理で上記の２層構造を形成することは技術的に極めて困難である。
【０００９】
本発明は、このような問題に鑑みなされたものであり、柱状電極部分の強度が十分に高く、且つ、半田接合部に熱膨張の差に起因するクラックが発生することを防止した、信頼性の高いＷＣＳＰ構造の半導体装置を提供することを目的とする。本発明の他の目的は、このような半導体装置を低コストで提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成すべく、半導体基板に設けられた接続パッドに電気的に接続された複数の柱状電極の先端部分が該半導体基板の表面上に形成された封止層の表面から露出している本発明のＷＣＳＰ構造の半導体装置は、前記封止層が、前記半導体基板の表面上に形成された低弾性樹脂層と該低弾性樹脂層の表面に形成され該低弾性樹脂層よりも高い弾性率を有する高弾性樹脂層とからなり、前記高弾性樹脂層が５μｍから４５μｍの範囲の厚さを有することを特徴とする。
上記目的を達成すべく、半導体基板に設けられた接続パッドに電気的に接続された複数の柱状電極の先端部分が該半導体基板の表面上に形成された封止層の表面から露出している本発明の半導体装置は、前記封止層が、前記半導体基板の表面上に形成された低弾性樹脂層と該低弾性樹脂層の表面に形成され該低弾性樹脂層よりも高い弾性率を有する高弾性樹脂層とからなり、前記低弾性樹脂層は前記柱状電極の表面において傾斜部分を有することを特徴とする。
上記目的を達成すべく、表面に電極パッドが形成された半導体チップと、前記半導体チップの表面上に形成され、頂面と側面とを有し、前記電極パッドに電気的に接続された複数の柱状電極と、前記柱状電極の頂面が露出するように前記半導体チップの表面と前記柱状電極の側面とを覆う封止樹脂とを含む本発明の半導体装置は、前記封止樹脂が、前記半導体チップの表面上に形成された第１の層と、該第１の層の表面に形成され前記第１の層よりも高い弾性率を有する第２の層とで構成され、前記第１の層の膜厚が、前記第２の層の膜厚の３．５倍から８倍の範囲内に設定されていることを特徴とする
【００１１】
本発明の半導体装置は、低弾性樹脂層をスピンコート法または印刷法により形成する工程を含む製造方法により製造することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、柱状電極部分の強度が十分に高く、且つ、半田接合部に熱膨張の差に起因するクラックが発生することを防止した、信頼性の高いＷＣＳＰ構造の半導体装置が低コストで提供される。また、低弾性樹脂層の表面に柱状電極の近傍で上昇する傾斜部分を設けることにより、低弾性樹脂層の厚みを柱状電極に接する部分で厚くして熱膨張差に起因するひずみ吸収効果を大きくし、それと同時に半導体基板全体における高弾性樹脂層の平均の厚みを厚くして、その機械的強度（抗折強度）を向上させ、また、遮光性を高めて外部光の光電効果に起因する誤動作を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図１に本発明のＷＣＳＰ構造の半導体装置の一実施形態の構成を示す。この半導体装置は、接続パッド（電極パッド）３が形成されたシリコンチップ１、該シリコンチップ１の表面に形成されたポリイミドからなる絶縁膜２、絶縁膜２に設けられた開口を通る配線４を介して接続パッド３に電気的に接続された柱状電極５、絶縁膜２の表面に積層された低弾性樹脂層６及び高弾性樹脂層７、柱状電極５の先端に形成された実装基板との接続用の外部端子８を含む。
低弾性樹脂層６及び高弾性樹脂層７からなる封止樹脂層はシリコンチップ１の表面と柱状電極５の側面とを覆う。柱状電極５の先端は封止樹脂層の表面から露出している。
【００１４】
低弾性樹脂層６は、ポリイミド、ベンゾチクロブテン（ＢＣＢ：ダウケミカル製）、ポリベンズオキサゾール（ＰＢＯ：住友ベークライト製）等の熱膨張係数α１が８〜１８０ｐｐｍ、常温曲げ弾性率Ｅが０．５〜４ＧＰａの樹脂からなる。高弾性樹脂層７は、エポキシ樹脂等の熱膨張係数α１が５〜１３ｐｐｍ、常温曲げ弾性率Ｅが９〜２１ＧＰａの樹脂からなる。
【００１５】
本実施形態では、シリコン基板の厚さは３００μｍ、低弾性樹脂層６の厚さは４５μｍ、高弾性樹脂層７の厚さは４５μｍ、柱状電極５の高さは約９０μｍであり、実装基板との接続端子である半田からなる外部端子８は高弾性樹脂層７の表面から８０μｍ突出している。尚、シリコン基板、樹脂層の厚さ等は一例であり、これに限定されるものではない。また、低弾性樹脂層６及び高弾性樹脂層７の”厚さ”とは、柱状電極５に接する部分（後述する傾斜部分）で定義されるものではなく、例えば図２のＡ−Ａ’として示された部分で定義されるものである。
【００１６】
低弾性樹脂層６は、スピンコートあるいは、印刷（スクリーン印刷またはメタルマスク印刷）により形成することができる。
【００１７】
図２に示すように、スピンコートの場合、シリコンチップの表面に液状の低弾性樹脂を滴下し、シリコン基板を高速回転することにより均一な低弾性樹脂の膜を形成する（図２（ａ））。この膜の厚さは柱状電極の高さに等しいが、キュアにより非固形成分が蒸発するので膜減り、即ち、膜厚が減少する（図２（ｂ））。このとき、低弾性樹脂層６の表面は一様に平坦でなく、柱状電極に接する柱状電極の近傍で上昇する傾斜部分と、平坦な部分とを有する。従って、低弾性樹脂層６の厚さは、この傾斜部分が設けられている領域では、柱状電極から遠ざかるにつれ減少する。このような傾斜部分を設けることにより、低弾性樹脂層の厚みを柱状電極に接する部分で厚くして熱膨張差に起因するひずみ吸収効果を大きくし、それと同時に半導体基板全体における高弾性樹脂層の平均の厚みを厚くして（半導体基板全体における低弾性樹脂層の平均の厚みは薄くなる）、その機械的強度（抗折強度）を向上させ、また、遮光性を高めて外部光の光電効果に起因する誤動作を防止することができる。
【００１８】
膜厚の減少量は滴下する低弾性樹脂の固形分率に依存するので、固形分率を適切な値に設定することにより、容易に所望の厚さの低弾性樹脂層を形成することができる。形成した低弾性樹脂層６の上に、例えばトランスファモールドで高弾性樹脂層を形成することにより２層構造の封止樹脂層が得られる。
【００１９】
スクリーン印刷の場合、図３に示すようにメッシュ基材に乳剤またはメッキ処理が施されたマスクを設け、このマスク部分が柱状電極上に位置するようにメッシュ基材を載置する。そして液状の低弾性樹脂を該メッシュの高さまで流し込む。スピンコートの場合と同様、キュア（脱泡処理を含む）後には流し込んだ低弾性樹脂の液体成分が蒸発しその膜厚は減少するので、流し込む低弾性樹脂の固形分率を適切な値に設定することにより、容易に所望の膜厚の低弾性樹脂層が得られる。通常、印刷は複数回に分けて行う。このようなマスクを用いることにより電極の先端部に向かって上昇する傾斜部分の形状がよりシャープになるようにコントロールできる。また、印刷を複数回に分けて行うことにより、一回の印刷で形成する層の厚みが薄くなり、キュア時における脱泡が容易になる。
【００２０】
図３では柱状電極の径と乳剤のマスク径とは等しいが、図４に示すようにマスク径を柱状電極の径より大きくした場合には、オーバーハングしたマスクにより柱状電極の先端付近には低弾性樹脂が付着し難くなるので、図３の場合に比べキュア前に柱状電極の先端部付近に残存する低弾性樹脂は少なくなる。尚、図３及び図４は固形分率が４５％の場合を示している。
【００２１】
図５に示すメタルマスク印刷の場合も、スクリーン印刷と同様、キュア後には流し込んだ低弾性樹脂の液体成分が蒸発しその膜厚は減少するので、流し込む低弾性樹脂の固形分率を適切な値に設定することにより、容易に所望の膜厚の低弾性樹脂層が得られる。図５には、固形分率が１４％の場合と２６％の場合を示している。メタルマスク印刷では、一回の印刷で低弾性樹脂を形成できるので、低弾性樹脂層の形成を複数回の印刷に分けて行うスクリーン印刷と比較し、プロセスを短くでき、またマスクもシンプルであり耐久性が高い。
【００２２】
封止樹脂層の形成後、柱状電極の先端に半田バンプを形成し、実装基板上の接続パッドに半田付けする際には、柱状電極と半田バンプとの接合面に大きなひずみと応力が発生する。表１に、単層構造及び２層構造（低弾性樹脂層の厚さと高弾性樹脂層の厚さの比が１：１の場合（図１を用いて説明した例）と、３：１の場合）のそれぞれの場合についてシミュレーションにより求めた柱状電極と半田バンプとの接合面における、ひずみ振幅Δε（括弧内は単層構造のひずみ振幅を１とした場合の値を示す）と、単層構造の疲労寿命を１とした場合の各構造の疲労寿命Ｎｆの値を示す。図６にシミュレーションに使用した各材料の定数を示す。このシミュレーションでは、半田材料をＳｎ−Ｐｂ（６３：３７）、実装基板材料をＦＲ−４、柱状電極材料をＣｕ、低弾性樹脂材料をポリイミド、高弾性樹脂材料をエポキシ樹脂、シリコンチップの絶縁膜をポリイミドとしている。尚、図６に示した各数値の最後は１０のべき乗を表している（例えば、＋４は１０４を表し、−５は１０−５を表す）。
【００２３】
【表１】
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【００２４】
表１から、封止樹脂層を高弾性樹脂（エポキシ樹脂）の単層構造とした場合に比べ、低弾性樹脂層（ポリイミド層）と高弾性層（エポキシ樹脂）の２層構造とした場合にはひずみ振幅が小さく疲労寿命が長くなることが分かる。また、同じ２層構造でも、低弾性樹脂層と高弾性樹脂層との比が１：１の場合よりも、３：１である場合の方がひずみ振幅が小さく疲労寿命が長いことが分かる。
【００２５】
尚、ひずみ振幅は、接合部の温度変化により線膨張率が異なる２つの部材間に発生するひずみであり、その値は温度変化に伴う２つの部材のそれぞれの長さの変化の差に依存する。
【００２６】
実験により、例えば柱状電極の長さが約９０μｍ、外部端子高さが８０μｍ、封止樹脂層の全体の厚さが約９０μｍの場合、高弾性樹脂層の厚さが５μｍ未満では、柱状電極部分の強度が不十分であり、十分な強度とするためには５μｍ（好ましくは１０μｍ以上）〜４５μｍの厚さが必要であり、また、低弾性樹脂層が厚いほど半田接合部分にクラックが発生しなくなることが分かった。従って、柱状電極の高さが９０μｍであれば、高弾性樹脂層の厚さを１０〜２０μｍの範囲とし、低弾性樹脂層の厚さを７０〜８０μｍの範囲とすること（即ち、高弾性樹脂層の厚さに対する低弾性樹脂層の厚さの比を３．５〜８の範囲とすること）が好ましい。
【００２７】
尚、以上説明した本発明の実施形態では、柱状電極の先端に半田からなる外部接続端子を設けているが、柱状電極を延長し、延長部分を実装基板との接続用の外部接続端子としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明のＷＣＳＰ構造の半導体装置の一実施形態の構成を示す図である。
【図２】図１の半導体装置の低弾性樹脂層をスピンコート法で形成する手順を示す図である。
【図３】図１の半導体装置の低弾性樹脂層をスクリーン印刷法で形成する手順を示す図である。
【図４】図１の半導体装置の低弾性樹脂層をスクリーン印刷法で形成する手順を示す図である。
【図５】図１の半導体装置の低弾性樹脂層をメタルマスク印刷法で形成する手順を示す図である。
【図６】柱状電極と半田バンプとの接合面におけるひずみ振幅と疲労寿命のシミュレーションに使用した材料の定数を示す図である。
【符号の説明】
【００２９】
１  シリコン基板、  ２  絶縁膜、  ３  接続パッド、  ４  配線、  ５  柱状電極、  ６  低弾性樹脂層、  ７  高弾性樹脂層、  ８  外部端子。
【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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