(57)【要約】【課題】実装状態での落下や実装基板の変形にも耐えうる薄型の半導体装置を提供する。【解決手段】主面に回路が形成された半導体素子１と、この半導体素子１の回路面上に形成された電極パッド２および銅ポスト５である電極部と、前記電極部に接続した銅配線４と、前記電極部を除く半導体素子１の主面を覆って封止した第１の樹脂層６とを有し、半導体素子１の側面で規定される外形サイズを有する半導体装置において、半導体素子１の裏面に、第１の樹脂層６よりも大きなヤング率を有する裏面補強層１０を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
主面に回路が形成された半導体素子と、前記半導体素子の回路面上に形成された電極部と、前記電極部に接続した配線と、前記電極部を除く前記半導体素子の主面を覆って封止した第１の樹脂層とを有し、前記半導体素子の側面で規定される外形サイズを有する半導体装置において、
前記半導体素子の主面に背反する裏面に、前記第１の樹脂層よりも大きなヤング率を有する補強層を備えたことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
補強層は、別途に形成され、第２の樹脂層を介して半導体素子の裏面に接合されている
ことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
補強層は、樹脂、金属、セラミックスの内のいずれかで形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項４】
補強層はヤング率１３０GPa以上の材料よりなることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項５】
補強層は、メッキもしくは溶融金属によって形成された金属層であることを特徴とする請求項３記載の半導体装置。
【請求項６】
補強層は、溶射によって形成されたセラミックス層であることを特徴とする請求項３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し、特に半導体素子と同じサイズの半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年の電子機器（携帯電話など）の小型化薄型化の要求に伴い、半導体装置のパッケージは、周辺リードタイプパッケージからＢＧＡ(ボールグリッドアレイ)タイプパッケージへ、そしてチップサイズパッケージ（ＣＳＰ）へと変遷している。更なる薄型・小型・軽量なパッケージとして、電子機器への実装時の取り扱いの不便なベアチップに代わるウェハーレベルチップサイズパッケージ(ＷＬＣＳＰ)が提案され、現在実用化されている。
【０００３】
その代表例の一つに、特許文献１に開示されている半導体装置がある。図４に示すように、主面に回路が形成された半導体素子１の回路面に電極パッド２が設けられており、この電極パッド２に接続する銅配線４が形成されることで、電子製品の実装基板へ半田付け可能な配列間隔までパッドピッチが広げられ、各銅配線４から面法線方向に突出した銅ポスト５が形成されている。
【０００４】
そして、銅ポスト５の周囲をその高さ近くまで埋めるように、半導体素子１の前記主面を封止する第１の樹脂層６が形成されている。この第１の樹脂層６は、半導体素子１を回路実装基板に半田付けした場合の両者間の高さを確保し、両者の熱膨張差に伴うせん断応力を軽減する役割も担う。銅ポスト５の端部には多くの場合、図示したように、外部基板と接続するための球冠状の半田ボール７が形成されている。半田ボール７の直径は約３００〜５００μm程度である。
【０００５】
上記の構造は、ウェハー状態で形成されるもので、そのウェハーがダイシング処理されて、個々の半導体装置となっている。そのため半導体素子１のサイズがそのまま半導体装置サイズとなっており、図示したように半導体装置の側面にチップ切断面が露出していることが多い。
【０００６】
ウェハーレベルチップサイズパッケージには、幾つかの問題がある。１つ目の問題は、半導体素子１の端面・裏面（回路能動面の反対側）は脆性材料であるシリコンがむき出しであるため、工程中の設備・金型にてシリコンくずなどの異物が裏面に接触すると、細かな傷が生じ、半導体素子１のダメージとなることである。
【０００７】
そこで、たとえば特許文献２では、ベアチップの能動面以外（裏面・側面）を樹脂系溶剤を用いて補強コーティングすることが提案されている。樹脂系溶剤に浸すことにより、チップ表面に樹脂皮膜をつくり、チップ表面の細かな傷を埋め、工程中の真空吸着などの際の振動による破損を防止するものである。
【０００８】
また特許文献３では、裏面に保護テープを接着しておくことで、ウェハー状態での工程組立中の異物かみこみや、封止や真空吸着などでのハンドリング・搬送に伴う振動による破損を防止するようにしている。
【０００９】
ウェハーレベルチップサイズパッケージの２つ目の問題は、ベアチップの課題であった２次実装信頼性を克服するべく上述のようにチップ表面（回路能動面）に第１の樹脂層６を付与した構造により、新たな支障が生じたことである。
【００１０】
それは、熱膨張係数が３ppm／℃というように小さいシリコンウェハーに対して、熱膨張係数の大きな樹脂（１０〜４０ppm／℃）を片面に付与するため、熱膨張係数差に起因した反りが生じることである。反りが生じると、研磨ステージでの真空引きがうまくいかず、表面研磨ができなかったり、反りによる搬送障害が起こるなど、実装品質に影響する問題が発生する。
【００１１】
特許文献４において、半導体素子の表面と側面をトランスファーモールド成型法で樹脂封止することが提案されているのであるが、この場合、トランスファーモールドであることから、また半導体素子の表面と裏面の両方に樹脂が形成されることから、パッケージが厚くなってしまう。
【００１２】
これに対し、特許文献５では、半導体素子の表面と裏面の両方に設ける樹脂の内、裏面の樹脂厚を表面の樹脂厚に対して０．２−１．０倍というように薄くすることが提案されている。また特許文献６では、半導体素子の表面と裏面の両方に設ける樹脂の内、裏面の樹脂を表面の樹脂よりも熱膨張係数を大きく、厚みも薄く、小さな弾性率のものとすることが提案されている。いずれも、表面と裏面の両方に樹脂を設けることとして、表面の樹脂の熱膨張による反りのモーメントを裏面の樹脂の寸法や物性を変えることで低減するものである。
【特許文献１】特許３７５６６８９号公報
【特許文献２】特開２００３−６０１３０号公報
【特許文献３】特開２０００−２２８４６５号公報
【特許文献４】特許３４４９７９６号公報
【特許文献５】特開２００５−１４２５９３号公報
【特許文献６】特開２００７−１２７５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、ウェハーレベルチップサイズパッケージは、薄型化がさらに進みつつあり、製造工程での表面の傷、振動による破損よりも、実装基板への半田付け後にその実装状態で落下した場合の衝撃による曲げや基板変形に基づく大きな“引張り応力”に耐えられずに起こる破壊、不良が近年の大きな問題となっている。
【００１４】
特に、実装信頼性をさらに向上させるために、すなわち半田付け部やチップ拡散プロセス層の剥離を抑えるために、アンダーフィルを使用している現状では、半田接続部の剛性が上がり、結果としてチップ裏面の応力がさらに大きくなり、破壊の恐れは増大している。
【００１５】
本発明は上記問題を解決するもので、実装状態での落下衝撃や実装基板の変形にも耐えうる薄型の半導体装置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】
【００１６】
上記課題を解決するために本発明は、チップサイズパッケージ構造の半導体装置において、回路面を樹脂封止した半導体素子の裏面に、前記回路面の封止樹脂よりもヤング率が大きい補強層を配置するようにしたもので、このことにより、実装状態での落下衝撃や実装基板の変形によって半導体素子の裏面側に曲げや引張り応力が加わったときも、その裏面側の変形、破壊を抑えることができる。
【００１７】
すなわち本発明の半導体装置は、主面に回路が形成された半導体素子と、前記半導体素子の回路面上に形成された電極部と、前記電極部に接続した配線と、前記電極部を除く前記半導体素子の主面を覆って封止した第１の樹脂層とを有し、前記半導体素子の側面で規定される外形サイズを有する半導体装置において、前記半導体素子の主面に背反する裏面に、前記第１の樹脂層よりも大きなヤング率を有する補強層を備えたことを特徴とする。
【００１８】
補強層は、別途に形成され、第２の樹脂層を介して半導体素子の裏面に接合されていることを特徴とする。かかる２層構造とすることで、補強層の材料の選択幅が広がり、落下衝撃にも耐えうることとなる。
【００１９】
補強層は、樹脂、金属、セラミックスの内のいずれかで形成されていてよい。補強層はヤング率１３０GPa以上の材料よりなることを特徴とする。半導体素子の基材であるシリコンのヤング率１３０GPaと同等あるいはそれ以上のヤング率を有することが、半導体素子の補強のために望ましいからである。
【００２０】
補強層は、メッキもしくは溶融金属によって形成された金属層であってよい。また補強層は、溶射によって形成されたセラミックス層であってよい。
【発明の効果】
【００２１】
本発明に係る半導体装置は、回路形成面を樹脂封止した半導体素子の裏面に、回路形成面の樹脂層よりもヤング率が大きい補強層を配置したことにより、半導体素子が極薄チップであっても、つまり薄型チップサイズパッケージを具現しながらも、製造工程中の裏面の欠けを防止できるのみならず、電子機器への実装後の落下衝撃や電子機器の曲げ応力など、極めて大きな使用ストレスにも耐えうる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
図１は本発明の第１の実施形態の半導体装置の断面図である。先に図４を用いて説明した従来の半導体装置のものと同じ部材には同じ符号を付してある。
【００２３】
図１に示す半導体装置は、ウェハーレベルチップサイズパッケージと呼ばれるもので、半導体素子（半導体チップ）１の１主面に回路が形成され、その回路面上に電極パッド２が形成されており、この電極パッド２の接続部位を除いて覆った補強膜３と、電極パッド２に接続した銅配線４と、銅配線４から面法線方向に所定の高さだけ突出した銅ポスト５とが同じ１主面に形成されている。銅配線４は、電極パッド２を図示しない実装基板、たとえばプリント回路基板への半田付けが可能となる配列間隔までパッドピッチを広げて再配列する再配線である。
【００２４】
半導体素子１の１主面にはさらに、銅ポスト５の周囲の当該主面を銅ポスト５の高さに匹敵する厚みにて覆って封止する第１の樹脂層６が形成されている。銅ポスト５の端部には、外部接続用の球冠状の半田ボール７が形成されている。半田ボール７の直径は約３００〜５００μm程度である。銅ポスト５と第１の樹脂層６とは実装性改善と半田付け部の寿命改善の機能を担っている。
【００２５】
以上の構造は、ウェハー状態で形成されるもので、ウェハーがダイシング処理されて、個々の半導体装置となっている。そのため半導体素子サイズがそのまま半導体装置の外形サイズとなっており、半導体装置の側面は切断面である。
【００２６】
この第１の実施形態の半導体装置が従来の半導体装置と相違するのは、半導体素子１の裏面に、第１の樹脂層６よりも大きなヤング率を有する裏面補強層１０を備える点である。この裏面補強層１０は、別途に形成され、第２の樹脂層１１により接合されている。つまり半導体素子１の裏面に、剛性のある裏面補強層１０と第２の樹脂層１１とからなる２層構造が形成されている。
【００２７】
図２は本発明の第２の実施形態の半導体装置の断面図である。この第２の実施形態の半導体装置が上記の第１の実施形態の半導体装置と相違するのは、半導体素子１の裏面に裏面補強層１０のみが設けられている点である。裏面補強層１０は第１の樹脂層６よりも大きなヤング率を有している。
【００２８】
第１あるいは第２の実施形態の半導体装置において、裏面補強層１０は、個片の半導体装置（図４参照）に対して、実装基板に実装する前あるいは後に個別に貼り付けるなどして設置してもよいし、図３（ａ）（ｂ）に示すように、ダイシング前のウェハー２０に対して形成してもよい。個片化前に裏面補強層１０を形成する後者の方法の方が、個片の半導体装置に対して貼り付ける前者の方法よりもコスト的に有利である。
【００２９】
上記の第１および第２の実施形態の半導体装置は各々、裏面補強層１０を有することにより、実装状態での落下衝撃や実装基板の変形によって裏面側に曲げや引張り応力が加わったときも、その裏面側の変形、破壊が生じ難い。
【００３０】
第２の実施形態の半導体装置のように、裏面補強層１０と第２の樹脂層１１との２層構造とした場合は、裏面補強層１０の材料の選択幅が広がり、大きな落下衝撃などにも耐えることが可能となる。
【００３１】
この裏面補強層１０は、半導体素子の裏面を単に覆って傷つきやこれを起点とした割れ進行を防ぐのではなく、半導体素子の剛性を向上させる構造体としての役割を担うものであり、初期的な構造部全体にかかる引張り力に耐えうるように剛性が高いこと、したがってヤング率がより高いことが望まれ、少なくとも第１の樹脂層よりも大きなヤング率を有するものが設けられる。破壊強度や破壊靱性（延性度）が高いことも必要である。
【００３２】
傷つき、欠けなどへの対処は、従来例にあるような柔らかい樹脂膜を通常１μmオーダーの膜厚で形成することが有効なのであるが、激しい落下など、電子回路基板そのものが大きく曲げ変形を来たす衝撃に対しては、前記の樹脂膜は全く剛性的に貢献しない。柔らかい樹脂、つまり剛性の低い樹脂で剛性を確保するためには膜厚を大きくするしかないのであるが、十分な剛性を持つまで厚くすれば、半導体装置の総厚が厚くなり、薄型の電子機器には組み込めなくなってしまう。そのため上述のように剛性の高い材料によって最も応力の高くなる素子裏面に、つまり実装状態での最外側部分に、裏面補強層１０を形成するのであり、それにより、半導体装置の総厚を厚くすることなく、剛性/強度を高めることが可能となる。
【００３３】
かかる裏面補強層１０は、たとえば、樹脂、金属、セラミックスなどで形成することができる。半導体装置を薄型にするには、裏面補強層１０は、半導体素子の基材であるシリコンのヤング率１３０GPaと同等あるいはそれ以上のヤング率を有する材料よりなることが望ましい。そのためには、金属は好ましい材料である。セラミックスも好ましい材料である。衝撃破壊に耐えうるためには、靭性の高いセラミック材料が望ましい。
【００３４】
第１の樹脂層６にエポキシ樹脂（フィラー入りでヤング率１〜２５Gpa程度）を用いる場合は、裏面補強層１０には、樹脂としてはエポキシ樹脂（３０GPa）など、金属としては銅系合金（１３０GPa）、タングステン（３５０GPa）、モリブデン（４００GPa）など、セラミックとしてはＡＬ２Ｏ３（２５０GPa）などを用いることができる。
【００３５】
裏面補強層１０は、シート状あるいはフィルム状に形成して用いることができ、その場合は、第２の実施形態に示したように第２の樹脂層１１により接合する。裏面補強層１０の厚みは、対象となる半導体素子１の厚みが数百μmから１０μm程度であるため、構造部材としての強度をもたせるために少なくとも半導体素子１と同等、つまり１０μmから３００μm程度の厚み範囲とされる。実装後の回路基板の支持構造によって必要とされる強度Ｆと厚みｔは変わるが、２００GPa以上の高い剛性を備える場合は、十μm〜数十μm程度というように比較的薄く成形して用いることができる。第２の樹脂層１１としては、たとえばエポキシ樹脂（ヤング率１〜２５Gpa程度）を用いることができる。裏面補強層１０が樹脂である場合には、裏面補強層１０と第２の樹脂層１１とが同一の樹脂を主材料としていても構わないが、裏面補強層１０がより高い剛性を有することが効果的である。
【００３６】
あるいは裏面補強層１０は、メッキもしくは溶融金属による金属層、たとえば銅系合金層（ヤング率は１３０GPa）としてもよいし、溶射によるセラミックス層、たとえばＡＬ２Ｏ３層（２５０GPa）としてもよい。セラミックス層の形成には、粉末式フレーム溶射（powder flame spraying）と呼ばれる方法、コールドスプレーと呼ばれる方法などを用いることができる。
【００３７】
また裏面補強層１０は、上記の材料の他、ガラスや炭素繊維などの引っ張り弾性率の高いものであってもよく、ダイヤモンドなどの高剛性のものであってもよい。これらを採用することで、実装基板の変形に起因する半導体素子１の裏面表層にかかる引張り変形を防止し、半導体素子１の裏面に生じる応力を低く抑えることができる。
【００３８】
なお、以上の実施の形態においては、半導体素子１の回路とパッケージ表面の外部接続電極たる半田ボール７とを機械的電気的に接続するために銅ポスト５を設けることを例にとって説明したが、銅ポスト５に代えて銅箔パターン層などとしてもよい。
【００３９】
またパッケージ表面の外部接続電極も、上述の半田ボール７に限らず、粉末半田を含んだ半田ペーストを塗布する半田供給方式によってもよく、さらにはパッケージ表面に予め半田電極を形成しなくとも、裏面補強層１０により得られる効果には変わりがない。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明の半導体装置は、半導体素子が極薄チップであっても、つまり薄型チップサイズパッケージを具現しながらも、実装状態での落下衝撃などの極めて大きな使用ストレスにも耐えうるので、携帯電話など、小型化薄型化が要求される電子機器に特に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の第１の実施の形態の半導体装置の断面図
【図２】本発明の第２の実施の形態の半導体装置の断面図
【図３】図１あるいは図２の半導体装置に補強層を設ける状態を示す図
【図４】従来の半導体装置の断面図
【符号の説明】
【００４２】
１  半導体素子
２  電極パッド
３  補強膜
４  銅配線
５  銅ポスト
６  第１の樹脂層
７  半田ボール
10  裏面補強層
11  第２の樹脂層
20  ウェハー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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