(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子上に、少なくとも第１の絶縁樹脂層、延長配線、メタルポスト、第２の絶縁樹脂層、複数個の外部接続端子を備えるチップサイズパッケージにおいて、外部接続端子が応力緩和機構を有する外部接続端子であり、第１の絶縁樹脂層の厚みが５〜１０μｍであり、第２の絶縁樹脂層が感光性樹脂を用いて設けられた封止樹脂層を兼ねた耐熱性の絶縁樹脂層であって、その吸水率が０．３％以下、厚みが１５〜４０μｍであることを特徴とするチップサイズ型半導体装置。
【請求項２】
前記第２の絶縁樹脂層の耐熱性が２７０℃以上であることを特徴とする請求項１記載のチップサイズ型半導体装置。
【請求項３】
前記外部接続端子が中空状の絶縁性保持体の内外面に導電性材料を形成せしめた外部接続端子であることを特徹とする請求項１、又は請求項２記載のチップサイズ型半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、チップサイズ型半導体装置に係わり、特に、封止樹脂層を省略したチップサイズ型半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
薄型ノートパソコン、携帯電話、モバイル機器等の携帯端末機器に用いる半導体には小型化、薄型化、軽量化、高密度実装が要求され、その目的を達成するために半導体素子サイズと同等、もしくは少し大きめのチップサイズパッケージ（以下ＣＳＰ）の開発が近年盛んである。
【０００３】
このＣＳＰには様々な形態が提案されているが、その構造の一例を図４に示す。図４に示すＣＳＰは、半導体回路（４２）の表面に露出した電極部（４３）を除いて第１の絶縁樹脂層（４４）があり、その電極から電気的接続し引き出された延長配線（４５）が形成されている。そして、その延長配線上にメタルポスト（４６）、そのメタルポストの上表部が露出するように第２の絶縁樹脂層（４７）が形成されている。
そして、半導体回路の主要部はエポキシ樹脂等で樹脂封止（４９）され、樹脂封止後にメタルポスト上の露出された部分に半田ボール（４８）を設け、半導体装置としているものである。
この半導体装置と基板（例えば、プリント配線板）の外部接続端子との接続は、上記半田ボール（４８）を介して接続されるようになっている。
【０００４】
ここで、半導体装置の製造コストを考慮し、第２の絶縁樹脂層と封止樹脂を兼用して膜厚を可能な限り薄くした場合、半導体装置には熱的ストレスや吸湿から生じるクラック、断線等の問題が発生し易くなる。
これは、実装基板と半導体素子の熱膨張係数が２桁異なるため、接続部分にあたる半田ボールにストレスが集中し、絶縁樹脂層や、メタルポストと絶縁樹脂層との界面などにクラックが生じるものであり、また、配線に水が吸着すると配線の腐蝕を招き、クラック、断線が発生するといったものである。
【０００５】
このような問題を発生させず信頼性を確保するために、第２の絶縁樹脂層を、例えば、１００μｍ程度に厚く形成し、かつメタルポストの高さも１００μｍ程度とすることが試みられている。すなわち、メタルポストの高さを高くする事で、実装基板と半導体素子の熱膨張係数の差による半導体装置に加わる応力を緩和させようとするものである。
【０００６】
しかし、このような構成とした半導体装置は新たな問題を生じることになる。すなわち、メタルポストの形成にあたっては、メッキ法を用いる事が一般的となっているが、メッキ法にて１００μｍ程度の高さのメタルポストを形成する事は半導体装置の製造コストを引き上げ、またチップ内の厚み制御が難しいため製造収率を下げる事になる。
【０００７】
加えて、第２の絶縁樹脂層として、例えば、感光性のポリイミドなどを用いた場合は、１００μｍ前後に厚く形成すると、もとのポリイミドに含まれる溶剤が絶縁樹脂層に残留し信頼性を低下せしめることがあり、また、高価な感光性ポリイミドを１００μｍも厚く形成することは、製造コストを引き上げるので好ましいことではない。
【０００８】
この感光性のポリイミドに代わり第２の絶縁性樹脂層として、無溶剤の熱硬化樹脂を半導体ウェハー上に積層し、１００μｍ高さのメタルポストの表面を出すために機械的研磨を行い、さらに（あるいは）、レーザ−で微小のビアホールをあけてメタルポスト面を露出させる方法がとられることがある。
しかし、レーザ一加工は、ウェハー上に形成される数千個、数万個のメタルポストの加工には冗長すぎるプロセスと言わざるを得なく、こうした工程は余分なコストアップと収率低下を招くものであった。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、チップサイズ型半導体装置の第２の絶縁樹脂層が封止樹脂層を兼ねた際に、熱的ストレスによるクラックの発生や、吸湿から生じるクラック、断線等の発生がなく、信頼性の高い、且つ製造コストを低減した廉価なチップサイズ型半導体装置を提供することを課題とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、半導体素子上に、少なくとも第１の絶縁樹脂層、延長配線、メタルポスト、第２の絶縁樹脂層、複数個の外部接続端子を備えるチップサイズパッケージにおいて、外部接続端子が応力緩和機構を有する外部接続端子であり、第１の絶縁樹脂層の厚みが５〜１０μｍであり、第２の絶縁樹脂層が感光性樹脂を用いて設けられた封止樹脂層を兼ねた耐熱性の絶縁樹脂層であって、その吸水率が０．３％以下、厚みが１５〜４０μｍであることを特徴とするチップサイズ型半導体装置である。
【００１１】
また、本発明は、上記発明によるチップサイズ型半導体装置において、前記第２の絶縁樹脂層の耐熱性が２７０℃以上であることを特徴とするチップサイズ型半導体装置である。
【００１３】
また、本発明は、上記発明によるチップサイズ型半導体装置において、前記外部接続端子が中空状の絶縁性保持体の内外面に導電性材料を形成せしめた外部接続端子であることを特徹とするチップサイズ型半導体装置である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１は本発明によるチップサイズ型半導体装置の一実施例の断面図である。
図１に示すように、チップサイズ型半導体装置は、半導体素子（２）の表層部に電極（３）が形成されており、この電極を開口するように第１の絶縁樹脂層（４）が形成されている。
この第１の絶縁樹脂層（４）は半導体素子（２）の表面保護膜として兼用することができる。この第１の絶縁樹脂層の主な特性としては、配線を劣化させる要因となるアルカリ不純物（特にＮａ）が極めて低いことや、半導体素子の配線や延長配線が吸湿し劣化した場合、断線につながるため、吸水率の小さい事が重要である。
【００１５】
本発明における第１の絶縁樹脂層の吸水率は０．３％以下であり、アルカリ不純物の濃度は５ｐｐｍ以下であることが好ましい。これらの条件に該当する樹脂としては、例えば、ポリイミド、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、シリコン、ポリスチレン等が挙げられる。
また、ハンダボールを用いた実装や、ハンダリフローによる実装を考慮した場合には２００℃以上の耐熱性が、十分な信頼性を確保するためには２７０℃以上の耐熱性、好ましくは２７０℃〜３００℃の耐熱性が絶縁性樹脂層に要求される。
【００１６】
また、第１の絶縁樹脂層の厚みは、次工程において延長配線となる金属膜を−般的にスバッタ形成するので、そのスバッタ形成において半導体素子の表面にイオンが入射しない厚みとする事が望ましい。
また、第１の絶縁樹脂層上に形成される延長配線と下部配線との電気的短絡を完全に防ことが必要である。すなわち、この第１の絶縁樹脂層の厚みは約５〜１０μｍが好ましいものである。
【００１７】
電極（３）上には、電気的接続し引き出された第１の絶縁樹脂層（４）上に設けられたＴｉＮ／Ｃｕからなる延長配線（５）と、その延長上に配設されたＣｕメッキによるメタルポスト（６）が形成されている。
このメタルポスト（６）の上部を露出するように、第２の絶縁樹脂層（７）が形成されている。この第２の絶縁樹脂層（７）は耐熱性樹脂であって厚みは５０μｍ以下のものが好ましい。
この際、メタルポストのエッジは、第２の絶縁樹脂層でカバーされていることが好ましい。（後述する図２（ｇ））
【００１８】
図１に示すように、本発明においては第２の絶縁樹脂層（７）が封止樹脂層を兼ねたものである。
第２の絶縁樹脂層の主な特性は、上記第１の絶縁樹脂層の特性と同じであるが、半導体装置が実装された場合、その雰囲気から半導体素子を保護する必要がある。
吸水率の異なる２種の絶縁樹脂Ａ、絶縁樹脂Ａを使って、第２の絶縁樹脂層の層厚を変えた半導体装置の耐湿試験（湿度；４５℃、湿度；９５％）を行った結果を表１に示す。
【００１９】
【表１】
0004374691.tif 000002
【００２０】
表１に示すように、吸水率、層厚によって延長配線に対する耐湿性が異なる。上記結果によれば、吸水率０．３％以下、第２の絶縁樹脂層の層厚が１５μｍ以上で良好であった。吸水率０．３％以下の場合、１０μｍから耐湿性の改善がみられ１５μｍ以上の厚みで樹脂封止を行ったと同様になることが示された。
【００２１】
また、第２の絶縁樹脂層の特性として耐湿性の他にα線の防御も必要である。α線は、例えば、延長配線や半導体素子に形成される配線に影響を与えノイズとなる事が知られているが、３０μｍ以上あれば問題ない。しかしながら、製造コスト上は可能な限り薄い方が望ましいので、第２の絶縁樹脂層の厚みとして好ましくは３０μｍ〜４０μｍが望ましい。
【００２２】
さらに、第２の絶縁樹脂層は、前記主な特性に加え、フォトリソ法によりパターン加工できる事と半田リフローに耐えうる熱的耐性が必要である。
一般に、半田リフローは局所的に１５０℃〜２５０℃の温度がかかるため、２７０℃以上の耐熱性、好ましくは２７０℃〜３００℃の耐熱性のある樹脂であることが望ましい。
これらの条件に該当する樹脂としては、例えば、ポリイミド、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、シリコン、ポリスチレン等が挙げられる。
第２の絶縁樹脂層の形成に用いる感光性樹脂は、これらの樹脂に感光剤や熱硬化剤等を混ぜて、耐熱性を併せ持つ感光性樹脂としたものである。具体的には、例えば、住友ベークライト（株）製のＣＲＣ−８３００、８１００（商品名）などの感光性樹脂が好ましい。
【００２３】
図１に示す外部接続端子（８）は、応力緩和機構を持たせるため、保持体を中空としている。中空とした保持体は柔構造のため、外部接続端子と接続した実装基板が相当量の熱伸縮を繰り返しても、発生したストレスを吸収し応力を緩和することができる。
これにより、絶縁樹脂層でのクラックの発生、外部接続端子と絶縁樹脂層、メタルポストと絶縁樹脂層の界面でのクラックの発生、もしくは延長配線でのクラック、断線を防止できる。
【００２４】
また、保持体の中空部は外部雰囲気に開放され、外部雰囲気の空気が自由に中空部に出入り可能な状態としておくことが望ましい。これは、保持体の材料として樹脂を用いた際に、樹脂は水分を吸収しやすく、水分を含んだ樹脂は加水分解を生じ劣化しやすいものであるが、保持体の中空部を外部雰囲気に開放したものとし、外部雰囲気のガスが自由に中空部に出入り可能な状態にしておけば、保持体に含まれた水分が外部雰囲気に開放され樹脂の劣化が防止できる。
また、保持体の中空部が外部雰囲気に開放されていれば、実装時に加熱された際に、保持体中の水分が蒸発した水蒸気や膨張した空気は外部雰囲気に放出され、保持体に破裂が生じることを防止できる。
さらに、実装後に半導体装置に熱が加わっても、保持体中の水分が外部雰囲気に放出されることになり、保持体の劣化や破裂を防止できる。
【００２５】
また、外部接続端子と実装基板との電気的接続は保持体の表面に形成した導電性材料で行われる。導電性材料は電気的接続を行うため少なくとも保持体の外側面に形成する。
なお、図３（ａ）、（ｂ）の例においては、保持体と導電性材料との接着性を向上させるため、導電性材料の配設に先立ち、保持体の表面に接着層を形成している。、図３（ａ）、（ｂ）に示す外部接続端子（８）は、例えば、樹脂として熱可塑性ポリイミドを用いた中空の保持体（３１）の内外面に導電性材料として共晶半田（３２）を成膜したものである。
【００２６】
ＣＳＰ，ＢＧＡ（Ｂａｌｌ  Ｇｒｉｄ  Ａｒｒａｙ）等の半導体装置は外部との電気的接続の際、半田、低融点合金、異方性導電膜等による熱圧着実装を行う事が一般的である。
このため、外部接続端子を構成する保持体の材料は、耐熱性を有するエンジニアプラスチックが好ましい。ここでエンジニアプラスチックとは、耐熱性が１０００℃以上、強度が４９ＭＰａ以上、曲げ弾性率が２．４ＧＰａ以上のプラスチックのことをいうものである。
【００２７】
上記条件を満たすものとして、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、熱可塑性ポリイミド、ポリアミド、ポリアセタール、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリスチレン、シンジオクタチックポリスチレン、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルケトン、液晶ポリマー、ポリエーテルニトリル、フッ素樹脂、ポリカーボネイト、変性ポリフェニレンエーテル、ポリサルフォン、ポリエーテルサルフォン、ポリジビニルベンゼン、アモルファスポリオレフィン、及びポリアリレート等の樹脂が挙げられる。
また、上記エンジニアリングプラスチックのポリマーアロイであっても構わない。
【００２８】
次いで、外部接続端子を設けた半導体装置は外部接続端子を介して外部（例えば、実装基板）との固定および電気的接続を行うので、外部接続端子を構成する保持体の表面には導電性材料が配設されている。このため、導電性材料は、圧着もしくは熱圧着により外部に固定され、同時に電気的接続が可能でなければならない。この様な条件を満たす導電性材料としては、
１）グラファイト、カーボンもしくは金属微粒子分散体、
２）金、銀、銅、アルミニウム、もしくはニッケルの単体、または前記金属を二種類以上含む合金、
３）錫もしくは鉛を主成分とする低融点合金が挙げられ、上記１）〜３）の内から選択する事が望ましい。
【００２９】
なお、上述した低融点合金としては、水銀、ガリウム、またはインジウム等の金属を用いたものが挙げられるが、製造コスト等の点からみて、錫もしくは鉛を主成分とした半田合金が好ましい。半田合金としては、共晶半田や鉛の比率を高めた高融点半田が適用でき、また必要に応じてビスマス、カドニウム、アンチモン、亜鉛、マンガン、インジウム、錫、銀等を添加しても構わない。
従来、熱的応力を緩和する目的としてメタルポストを高くしたり、メタルポストの下に樹脂を厚く形成していたが、この応力緩和機構を有する外部接続端子を用いればこれらの工夫は特に必要なくなる。
【００３０】
図２（ａ）〜（ｈ）は、このような半導体装置の製造方法をその断面で示す説明図である。図２（ｂ）〜（ｈ）は、図２（ａ）の一部を拡大したものである。
まず、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、ウェハ（１１）に碁盤目状に形成された半導体素子（１２）の表面にはアルミ電極（１３）が形成されている。（１０）は、最終工程において半導体素子（１２）をウェハ（１１）から切り離すためのスクライブラインである。
【００３１】
図２（ｃ）に示すように、半導体素子（１２）が多面付けされたウェハ（１１）の表面に、第１の絶縁樹脂層（１４）となるネガ型感光性ポリイミドを厚さ約１０μｍで塗布形成する。
ホットプレート上で１００℃、３ｍｉｎのプレベークを行った後、アルミ電極（１３）が開口するようにマスク露光し、現像、熱処理（約４００℃、１ｈｒ）することで第１の絶縁樹脂層（１４）を得る。
この第１絶縁樹脂層（１４）の形成の際、アルミ電極（１３）の開口だけでなく、例えば、スクライブライン（１０）上の第１の絶縁樹脂層（１４）も取り除いておくことが望ましい。これは、ウェハ（１１）に与える応力緩和効果（反り低減）だけでなく、スクライブする際のゴミを低減する意味合いがある。
【００３２】
次いで、図２（ｄ）に示すように、延長配線用の金属薄膜としてスパッタによりＴｉＮとＣｕを連続的に成膜する。ＴｉＮはＣｕの拡散防止層であり膜厚約２００ｎｍである。Ｃｕは断線を考慮すると約０．５〜５μｍ程度が適当である。
次いで、延長配線の延長上にメタルポスト（１６）をＣｕメッキにより形成するために、メッキマスク（図示せず）をフォトリソ法にて形成する。
メタルポスト（１６）の直径は約１００〜５００μｍ程度、高さは約１０〜３０μｍ程度のものである。
【００３３】
メッキマスクはメッキ液耐性を持つ感光性レジストを用いて約３０μｍの厚さで塗布し、露光、現像、熱処理を施して得る。次いで、メッキマスクの開口部分にＣｕの電解メッキ処理を施し、メッキマスクを剥離して図２（ｅ）に示すように、メタルポスト（１６）を形成する。
【００３４】
次いで、図２（ｆ）に示すように、金属薄膜をフォトリソによりパターニングしエッチングする事で延長配線（１５）を得る。
まず、通常のポジ型レジストを塗布形成し、プレベークを行った後、露光、現像、熱処理した後、酸によりウェットエッチングし延長配線を得る。ウェットエッチングの代わりにドライエッチングを用いても構わない。
なお、ここでは延長配線用の金属薄膜を形成した後、メタルポストを形成してから配線を形成したが、その順序は特に問題でない。しかし、この際は、メタルポスト（１６）を電解メッキで形成する場合には、延長配線（１５）を形成した後なので電解メッキ用の給電配線が必要となりレイアウトが複雑になる。また、メタルポストの高さにバラツキが生じやすい。
【００３５】
次いで、図２（ｇ）に示すように、第２の絶縁樹脂層（１７）をメタルポストの上部が露出する様に形成する。
まず、第２の絶縁樹脂層（１７）となる感光性樹脂を塗布形成し、プレベークを行った後、露光、現像、熱処理する。厚みは約３０μｍ程度である。
また、この時メタルポスト（１６）上を露出しておくが、メタルポスト（１６）のエッジは図２（ｇ）に示すように、第２の絶縁樹脂（１７）によってカバーされる。これにより例えば、実装ミスによるチップ剥離の際などに生ずる衝撃に耐える事ができる他、信頼性が増す。
次いで、図２（ｈ）に示すように、フラックス等の粘着剤でメタルポスト（１６）上に外部電極端子となる中空の保持体を固着させ、リフローさせて外部電極端子（１８）とする。
【００３６】
【発明の効果】
本発明は、半導体素子上に、少なくとも第１の絶縁樹脂層、延長配線、メタルポスト、第２の絶縁樹脂層、複数個の外部接続端子を備えるチップサイズパッケージにおいて、外部接続端子が応力緩和機構を有する外部接続端子であり、第１の絶縁樹脂層の厚みが５〜１０μｍであり、第２の絶縁樹脂層が感光性樹脂を用いて設けられた封止樹脂層を兼ねた耐熱性の絶縁樹脂層であって、その吸水率が０．３％以下、厚みが１５〜４０μｍであるので、チップサイズ型半導体装置の第２の絶縁樹脂層が封止樹脂層を兼ねた際に、熱的ストレスによるクラックの発生や、吸湿から生じるクラック、断線等の発生がなく、信頼性の高い、且つ製造コストを低減した廉価なチップサイズ型半導体装置となる。
【００３７】
また、本発明は、前記外部接続端子が中空状の絶縁性保持体の内外面に導電性材料を形成せしめた外部接続端子であるので、チップサイズ型半導体装置の第２の絶縁樹脂層が封止樹脂層を兼ねた際に、熱的ストレスによるクラックの発生や、吸湿から生じるクラック、断線等の発生がなく、信頼性の高い、且つ製造コストを低減した廉価なチップサイズ型半導体装置となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるチップサイズ型半導体装置の一実施例の断面図である。
【図２】（ａ）〜（ｈ）は、半導体装置の製造方法をその断面で示す説明図である。
【図３】（ａ）、（ｂ）は、外部接続端子の説明図である。
【図４】チップサイズパッケージ（ＣＳＰ）の構造例の説明図である。
【符号の説明】
２、１２…半導体素子
３…電極
４、１４、４４…第１の絶縁樹脂層
５、１５、４５…延長配線
６、４６…メタルポスト
７、１７、４７…第２の絶縁樹脂層
８…外部接続端子
１０…スクライブライン
１１…ウェハ
１３…アルミ電極
１６…メタルポスト
１８…外部電極端子
３１…保持体
３２…共晶半田
４２…半導体回路
４３…電極部
４８…半田ボール
４９…樹脂封止
【図１】
0004374691.tif 000003
【図２】
0004374691.tif 000004
【図３】
0004374691.tif 000005
【図４】
0004374691.tif 000006