(57)【要約】【課題】１００μｍ以下の狭いピッチで半導体チップと配線基板とをハンダで接続した半導体装置を提供することができる半導体装置の製造方法を提供すること。【解決手段】本発明の方法では、半導体チップ３８の熱膨張率との差が２×１０-6／℃以内の材料の仮基板３１の上に、所定数の配線層３２を形成し、最上層の絶縁層３６の開口部に最上層の配線層の一部をパッド３４として露出させて、配線基板を作製し、半導体チップ３８のハンダ接合部材を配線基板のパッド３４と接触させてリフローさせ、半導体チップ３８を配線基板３６に取り付ける。その後、取り付けた半導体チップ３８の外周部を、その上面を露出して封止し、仮基板３１を除去し、そして配線基板上に外部接続用端子を形成する。半導体チップ３８の露出面には、ヒートスプレッダ４１を取り付けてもよい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体チップと外部接続用端子を備えた配線基板とをハンダで接続した半導体装置であり、半導体チップと配線基板との接続のピッチが１００μｍ以下で、且つ、半導体チップの上面を露出してその外周部を封止材で封止してなる半導体装置を製造する方法であって、
（ａ）半導体チップの熱膨張率との差が２×１０-6／℃以内の材料の仮基板の上に、配線層を形成する工程、
（ｂ）前記配線層の上に所定の数の配線層を形成し、最上層の絶縁層の開口部に最上層の配線層の一部をパッドとして露出させて、配線基板を作製する工程、
（ｃ）半導体チップのハンダ接合部材を前記配線基板の前記パッドと接触させてリフローさせ、半導体チップを配線基板に取り付ける工程、
（ｄ）取り付けた半導体チップの外周部を、当該半導体チップの上面を露出して封止する工程、
（ｅ）前記仮基板を除去する工程、
（ｆ）前記配線基板の前記仮基板の除去により露出した配線層の上にパターン化した絶縁層を形成して、その開口部に露出した配線層の部分に、外部接続用端子を形成する工程、
を含む半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記半導体チップがシリコンチップであり、前記仮基板の熱膨張率が５×１０-6／℃以下である、請求項１記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記仮基板が、シリコン、ガラス又は金属製である、請求項１又は２記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
工程（ｄ）の前に、前記半導体チップの露出面に接続するヒートスプレッダを取り付ける、請求項１〜３のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記ヒートスプレッダとして、取り付けた前記半導体チップの側面まで覆う金属カバーを使用し、その端部を前記配線基板のグランド配線層に接続する、請求項４記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
半導体チップと、外部接続用端子を備えた配線基板とを、ハンダで接続した半導体装置であって、半導体チップと配線基板との接続のピッチが１００μｍ以下であり、且つ、半導体チップを覆う金属カバーを有し、この金属カバーの端部が配線基板のグランド配線層に接続していることを特徴とする半導体装置。
【請求項７】
前記金属カバーの外周部が封止材で覆われている、請求項６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、半導体装置の製造方法に関し、より詳しく言えば、半導体チップと配線基板とをハンダを用いて１００μｍ以下のピッチで接続していながら、チップと配線基板との接続不良のない半導体装置を提供可能な製造方法に関する。本発明は、その製造方法で製造した半導体装置にも関する。
【背景技術】
【０００２】
ここで言う「半導体装置」は、一般に、有機コア基板にビルドアップ法により多層配線を形成した配線基板に、半導体チップをハンダで接続したものであり、半導体チップを配線基板を介して外部電気回路、例えばマザーボード基板などの電気回路、に接続するのに使用される。
【０００３】
従来の半導体装置の作製の例を、図１３（ａ）〜１３（ｃ）を参照して説明する。一般的に、半導体装置は、半導体チップ１０１と配線基板１０２を接続して作製される。半導体チップ１０１は、図１３（ａ）に示したように、ハンダバンプ１１１を有し、これを配線基板１０２のパッド１１２と接した状態でリフローさせて、配線基板１０２に接合される。図１３（ｂ）に示したように、半導体チップ１０１と配線基板の間にアンダーフィル材１０３を充填して、半導体装置を完成する。場合により、半導体チップ１０１で発生する熱の放散のために、配線基板１０２に取り付けたチップ１０１の上にヒートスプレッダ１０４（図１３（ｃ））が配置されることもある。ヒートスプレッダ１０４には、その後、放熱用のヒートシンク（図示せず）が接合される。
【０００４】
半導体装置の作製においては、半導体チップと配線基板とをハンダのリフローにより接続することから、リフロー時の加熱により、チップと配線基板はともに熱膨張し、チップのハンダバンプと配線基板のパッドの位置は、加熱前の位置からともに移動する。チップ（一般にシリコンを基礎材料とする）の熱膨張率（３×１０-6／℃程度）に比べ、配線基板（樹脂を基礎材料とする）の熱膨張率は１０倍程度大きいため、加熱時のチップのハンダバンプと配線基板のパッドの位置にずれが生じることになる。チップのハンダバンプと配線基板のパッドのピッチが大きい場合は、熱膨張による両者の位置ずれは無視できるが、ピッチが１００μｍ以下のように小さくになると、無視できなくなり、チップと配線基板との接続がうまくできなくなってしまう。
【０００５】
また、樹脂を基礎材料とする配線基板の剛性を得るために、配線基板においてはガラスクロスに樹脂を含浸したコア材が用いられている。そのため、これまでの半導体装置では、デザインルールを小さくしたり、薄型化を図ることが困難になっている。
【０００６】
回路基板の製造に当たり、コア材を利用する配線基板を使用せずに、金属板上にビルドアップ法で配線層を形成し、その後金属板を除去する方法が、特許文献１に記載されている。しかし、特許文献１に記載された回路基板におけるパッドのピッチは１０００μｍであり、回路基板と半導体チップとの熱膨張率差を考慮する必要のないレベルである。また、特許文献１では、ハンダリフロー時の熱膨張により回路基板とチップとの接続に問題が生じることは認識されていない。
【０００７】
特許文献２には、金属からなる高剛性の支持体上の多層配線基板に半導体チップをハンダリフローにより接合して搭載し、チップの側面、チップと配線基板との接合部、及び配線基板の露出領域を絶縁性樹脂で被覆して、半導体装置を製造する方法が記載されている。高剛性の支持体を使用するこの方法では、配線基板とチップとの熱膨張率差から接合時の加熱により生じる応力に起因する配線基板の反りを防止できる。しかし、特許文献２においても、ハンダリフロー時の熱膨張により回路基板とチップとの接続に問題が生じることは認識されていない。
【０００８】
【特許文献１】特開２００６−１８６３２１号公報
【特許文献２】特開２００１−１７７０１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、１００μｍ以下の狭いピッチで半導体チップと配線基板とを、相互の位置ずれ起こすことなく、ハンダで接続した半導体装置を提供することができる、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】
本発明の半導体装置の製造方法は、
（ａ）半導体チップの熱膨張率との差が２×１０-6／℃以内の材料の仮基板の上に、配線層を形成する工程、
（ｂ）前記配線層の上に所定の数の配線層を形成し、最上層の絶縁層の開口部に最上層の配線層の一部をパッドとして露出させて、配線基板を作製する工程、
（ｃ）半導体チップのハンダ接合部材を前記配線基板の前記パッドと接触させてリフローさせ、半導体チップを配線基板に取り付ける工程、
（ｄ）取り付けた半導体チップの外周部を、当該半導体チップの上面を露出して封止する工程、
（ｅ）前記仮基板を除去する工程、
（ｆ）前記配線基板の前記仮基板の除去により露出した配線層の上にパターン化した絶縁層を形成して、その開口部に露出した配線層の部分に、外部接続用端子を形成する工程、
を含む。
【００１１】
仮基板としては、例えば、シリコン、ガラス又は金属製のものを使用することができる。
【００１２】
工程（ｄ）の前に、半導体チップの露出面に接続するヒートスプレッダを取り付けてもよい。ヒートスプレッダとして、取り付けた半導体チップの側面まで覆う金属カバーを使用し、その端部を配線基板のグランド配線層に接続することにより、ヒートスプレッダを半導体チップの電磁波シールド材として利用してもよい。
【００１３】
本発明による半導体装置は、半導体チップと、外部接続用端子を備えた配線基板とを、ハンダで接続した半導体装置であって、半導体チップと配線基板との接続のピッチが１００μｍ以下であり、且つ、半導体チップを覆う金属カバーを有し、この金属カバーの端部が配線基板のグランド配線層に接続していることを特徴とする。
【００１４】
本発明の半導体装置においては、金属カバーの外周部を封止材で覆うようにしてもよい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、半導体チップと配線基板とをハンダを用いて１００μｍ以下のピッチで接続していながら、チップと配線基板との接続不良のない半導体装置の利用が可能になる。
【００１６】
また、本発明によれば、半導体装置における配線基板を、樹脂を含浸したガラスクロスなどのコア材を使用することなく製作できることから、本発明の半導体装置は、デザインルールを小さくすることや、薄型化を図ることが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図１（ａ）〜１（ｄ）と図２（ａ）〜２（ｃ）を参照して、本発明の半導体装置の製造方法を説明する。
図１（ａ）に示したように、シリコンの半導体チップの熱膨張率（３×１０-6／℃程度）に近い５×１０-6／℃以下の熱膨張率の仮基板３１を用意し、その片面に配線層３２を形成する。この条件を満たす仮基板３１として、例えば、シリコン、ガラスなどで製作した基板を使用することができる。あるいは、上記の条件を満たす低熱膨張率の金属板（一例として、コバル合金やＦｅ−４２Ｎｉ合金の板）などを使用することも可能である。配線層３２は、例えばパターン化した銅メッキ層で形成することができる。仮基板３１の厚さは、半導体装置の製造過程における取り扱いと、後に仮基板を除去することを考慮に入れて、適宜決定すればよい。一例として、シリコンの仮基板の場合、７００〜８００μｍ程度の厚さを採用することができる。
【００１８】
図１（ｂ）に示したように、仮基板３１の配線層３２の上に、ビルドアップ法により所定の数の絶縁層３３と配線層３２を形成し、最上層の配線層の一部をパッド３４として露出させて、仮基板３１上に半導体装置の配線基板３６を作製する。パッド３４のピッチは１００μｍ以下、例えば８０μｍとすることができる。絶縁層３３は、例えばエポキシ又はポリイミド樹脂で形成し、パッド３４を露出する最上層の絶縁層はソルダレジストで形成する。
【００１９】
図１（ｃ）に示したように、配線基板３６のパッド３４のピッチと同じ８０μｍのピッチでハンダ接合部材としてのハンダバンプ（図示せず）を形成した半導体チップ３８を、ハンダバンプのリフローにより形成したハンダ接続部３９を介して、配線基板３６に取り付け、そして基板３６とチップ３８の間にアンダーフィル材４０を充填する。ハンダバンプリフロー時の加熱により、仮基板３１と半導体チップ３８の双方が熱膨張するが、それらの熱膨張率がほぼ同じ（シリコンの仮基板の場合）かあるいは極めて接近している（ガラス又はコバル合金などの仮基板の場合）ので、チップ３８のハンダバンプと配線基板３６のパッド３４との接合は支障なく行われる。
【００２０】
取り付けた半導体チップ３８の上面に、図１（ｄ）に示したように、ヒートスプレッダ４１を取り付ける。この取り付けは、接着剤（図示せず）を用いて行うことができる。ヒートスプレッダ４１は、省くことが可能であり、必要に応じて取り付ければよい。以下のでは、ヒートスプレッダなしの場合の半導体装置の製造例を説明することにする。
【００２１】
図２（ａ）に示したように、半導体チップ３８の外周部を封止材４２で封止する。封止は、通常の半導体装置で封止目的に使用されている材料を用いて、通常の方法を使って行うことができる。例えば、エポキシ樹脂系封止材を使用し、トランスファモールディングあるいはポッティングなどの周知の成形技術により行うことができる。
【００２２】
続いて、図２（ｂ）に示したように、仮基板３１（図２（ａ））を除去して、配線基板３６の片面を露出させる。仮基板３１の除去は、シリコン又はガラスの仮基板の場合、研磨とドライエッチングで行うことができ、コバル合金などの金属の仮基板の場合、ウエットエッチングで行うことができる。ウエットエッチングにより除去する仮基板の場合は、仮基板の配線基板を形成する側に、エッチングの停止のためのストッパー層を前もって設けておくのが好ましい。
【００２３】
図２（ｃ）に示したように、配線基板３６の仮基板を除去して露出した面に、パターン化したソルダレジスト層４４を形成し、外部接続用端子としてハンダバンプ４５を形成して、ボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）接続用の半導体装置を完成する。ハンダバンプ４５に代えて、ピングリッドアレイ（ＰＧＡ）接続用のピン、あるいはランドグリッドアレイ（ＬＧＡ）接続用のランドを形成してもよい。
【００２４】
特許文献２では、金属からなる高剛性の支持体上の多層配線基板に半導体チップをハンダリフローにより接合している。この場合は、ハンダリフロー後の反りの発生を抑制することを目的として、支持体には高剛性の金属材料が使われている。しかし、図３に模式的に示したように、半導体チップ５１と、配線基板５２を載せた支持体５３との熱膨張率の差が大きいため、リフロー時に両者の熱膨張の差（図３では、チップ５１と支持体５３の熱膨張の大きさを白抜き矢印の大きさで表している）によって、チップのバンプと基板のパッドとの位置ずれが発生する。そのため、高精度の実装が困難である。また、室温に戻ったときに、支持体に剛性があるので反りは生じないが、応力は高い状態にある。
【００２５】
それに対し、本発明によれば、図４に模式的に示したように、半導体チップ５１と、配線基板５２を載せた仮基板５５との熱膨張率の差が小さいため、リフロー時に両者の熱膨張の差（図４でも、チップ５１と仮基板５５の熱膨張の大きさを白抜き矢印の大きさで表している）によるチップのバンプと基板のパッドとの位置ずれは生じないか、生じたとしても無視できる程度である。そのため、高精度の実装が可能であるとともに、室温に戻ったときに応力が発生しない。
【００２６】
ここで、本発明において半導体チップの熱膨張率との差が２×１０-6／℃以下の仮基板を使用することの効果を具体的に説明する。およぞ３×１０-6／℃であるシリコンチップの熱膨張率との差が１３×１０-6／℃の場合（例として、仮基板が銅（Ｃｕ）材料の場合）に、３０℃から２６０℃のリフロー温度まで２３０℃の温度差の加熱をしたとすると、２０×２０ｍｍの実装エリア内におけるチップのバンプと基板のパッドとの位置ずれは、２３０×０．００００１３×２０＝０．０５９８ｍｍ（約６０μｍ）となる。
【００２７】
それに対し、本発明によりシリコンチップの熱膨張率との差が２×１０-6／℃の仮基板を使用した場合には、同じ温度差２３０℃の加熱条件で、２０×２０ｍｍの実装エリア内におけるチップのバンプと基板のパッドとの位置ずれは、２３０×０．０００００２×２０＝０．００９２ｍｍ（約１０μｍ）となる。本発明によれば、このように位置ずれが１０μｍ以内に抑えられることで、１００μｍ以下のピッチでの接続に適応できる。
【００２８】
図５に、本発明の製造方法により得られる半導体装置の例を示す。この図の半導体装置では、半導体チップ１と配線基板２が、ピッチ１００μｍ以下の、ハンダによる接続部３で接続されていて、半導体チップ１が、その片面（ハンダにより配線基板２に接合した面の反対側の面）を露出し、外周部を封止材４で封止されている。図５には、３つの配線層６を有する配線基板２が示されているが、配線基板２は１以上の任意の数の配線層を有することができる。また、図５には半導体チップを１つ取り付けた半導体装置が示されているが、本発明の半導体装置における半導体チップの数は２以上であることもできる。配線基板２の半導体チップ１を取り付けた面と反対の面には、半導体装置を外部電気回路、例えばマザーボード基板などの電気回路等に接続するための外部接続用端子７（例えば図示のようなハンダバンプ）が設けられている。
【００２９】
本発明による半導体装置の配線基板２では、剛性を得るためガラスクロスに樹脂を含浸したコア材は使用されていない。本発明による半導体装置の剛性は、半導体チップの外周部の封止材４によって保たれる。
【００３０】
図５の半導体装置において、半導体チップ１と配線基板２の間には、アンダーフィル材８が充填されている。場合によっては、アンダーフィル材８に代えて、図６に示したように、封止材４をチップ１と配線基板２の間に充填してもよい。これにより、半導体装置の製造工数を減らすことができる。
【００３１】
本発明による半導体装置において、外部接続用端子７は、図５に例示したようなハンダバンプに代えて、図７に示したように、配線基板２の配線層の一部を突起させることで形成される突起状の端子９とすることもできる。突起状端子９を有する配線基板は、図１（ａ）を参照して説明した工程において、突起状端子に対応するくぼみ（図示せず）を予め形成した、例えばシリコンの、仮基板を用いて、最初の配線層３２を形成することにより、容易に作製することができる。このように、突起状端子９は配線層の形成と同じ工程で形成できるので、半導体装置の製造工数を減らすことができる。配線材料で形成した突起状端子９の表面には、外部回路との接続を容易にするためのメッキ層（例えば金メッキ層）（図示せず）を形成することができる。
【００３２】
図８に示したように、本発明による半導体装置の半導体チップ１の、モールド材４から露出された面には、ヒートスプレッダ（熱放散板）１２を取り付けて、半導体チップから発生する熱を効率よく放散するようにしてもよい。このヒートスプレッダには、更にヒートシンク（図示せず）などを取り付けてもよい。
【００３３】
ヒートスプレッダを取り付けた場合は、それを半導体チップの電磁波シールド材として利用することもできる。この場合は、図９（ａ）と９（ｂ）に示したように、ヒートスプレッダを兼ねる金属カバー１２’で半導体チップの周囲を覆うようにし、そしてその端部を配線基板２のグランド配線層に、例えばハンダ１３で（図９（ａ））、あるいはワイヤ１４で（図９（ｂ））接続する。本発明による半導体装置においては、半導体チップ１と、半導体装置の製造過程で用いる仮基板との熱膨張率が同じであるか非常に近いことから、リフロー加熱時にチップのバンプと配線基板のバンプとの位置ずれが低減され、金属カバー１２’をより高精度で搭載することが可能になる。
【００３４】
電磁波シールド材として半導体の周囲を覆うとともに、ヒートスプレッダを兼ねる金属カバー１２’を有する半導体装置においては、図９（ａ）と９（ｂ）に示したように、金属カバー１２’の外周部を封止材１４で覆うことが可能である。場合により、封止材４を省いた構造も可能である。
【００３５】
図１０に示したように、本発明による半導体装置は、必要に応じ、受動部品（例えば、チップコンデンサ、チップ抵抗などのチップ部品）や、センサ（例えば温度センサなど）（図示せず）その他の部品１６を搭載してもよい。
【００３６】
２以上の半導体チップ１を取り付けた本発明による半導体装置においてヒートスプレッダ１２を使用する場合、図１１に示したように、ヒットスプレッダ１２は２以上の半導体チップ１に共通のものであることができる。図示のように２以上の半導体チップ１間に高さの違いがある場合にも、金属板のプレス加工により成形可能なヒートスプレッダ１２は、その高さの違いを容易に吸収することができる。なお、図１１では、簡潔にするため、配線基板２の配線層や絶縁層を省いて簡略化している。
【００３７】
本発明では、上に例示した半導体装置の態様を組み合わせたものを製造することも可能である。例えば、図８で説明したヒートスプレッダ、又は図９（ａ）、９（ｂ）で説明したヒートスプレッダと電磁波シールド材を兼ねる金属カバーを備え、且つ、図１０で説明したような受動部品あるいはセンサなどを搭載した半導体装置を製造することが可能である。
【００３８】
本発明により製造した半導体装置は、その外部接続用端子を介して、例えばマザーボードなどの実装基板に搭載することができる。図１２に、本発明による半導体装置２１をマザーボード２２に搭載した実装品の例を示す。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の半導体装置の製造方法を模式的に説明する第１の図である。
【図２】本発明の半導体装置の製造方法を模式的に説明する第２の図である。
【図３】特許文献１に記載された方法による半導体チップと配線基板とのハンダリフローによる接合を模式的に説明する図である。
【図４】本発明の方法による半導体チップと配線基板とのハンダリフローによる接合を模式的に説明する図である。
【図５】本発明による半導体装置を示す模式図である。
【図６】本発明による半導体装置を示す模式図である。
【図７】本発明による半導体装置を示す模式図である。
【図８】本発明による半導体装置を示す模式図である。
【図９】本発明による半導体装置を示す模式図である。
【図１０】本発明による半導体装置を示す模式図である。
【図１１】本発明による半導体装置を示す模式図である。
【図１２】本発明による半導体装置を実装基板に搭載した実装品を説明する模式図である。
【図１３】従来の半導体装置とその作製を説明する模式図である。
【符号の説明】
【００４０】
１    半導体チップ
２    配線基板
３    ハンダ接続部
４    封止材
７    外部接続用端子
１２    ヒートスプレッダ
１２’    金属カバー
１６    搭載部品
２１    半導体装置
３１    仮基板
３２    配線層
３３    絶縁層
３４    パッド
３６    配線基板
３８    半導体チップ
３９    ハンダ接続部
４１    ヒートスプレッダ
４２    封止材
４５    ハンダバンプ
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
2009117767.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
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