JP2010093295A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】フリップチップ接続された半導体チップを有し、この半導体チップの裏面を保護できるとともに、この半導体チップの反りを低減できる半導体装置を提供する。
【解決手段】この半導体装置１は、配線基板２と半導体チップ３とを含む。半導体チップ３は、機能素子４が形成された機能面３ａを有し、機能面３ａを配線基板２の表面２ａに対向させて接合されている。配線基板２と半導体チップ３との間には、アンダーフィル膜５が埋められている。機能面３ａとは反対側の面である裏面３ｂには、裏面３ｂを保護するとともに、半導体チップ３の機能面３ａ側と裏面３ｂ側とでの熱膨張差をなくすための裏面保護膜８が形成されている。
【選択図】 図１

Description

この発明は、フリップチップ接続された半導体チップを有する半導体装置に関する。

半導体装置の小型化および高密度実装のために、半導体チップの機能面（機能素子が形成された面）を固体装置に対向させて、半導体チップを固体装置に接続するフリップチップ接続構造が注目されている。
図４は、フリップチップ接続構造の半導体装置の図解的な断面図である。この半導体装置５１は、固体装置としての配線基板５２と、機能素子５４が形成された機能面５３ａを配線基板５２の表面５２ａに対向させて接続された半導体チップ５３とを含んでいる。表面５２ａと機能面５３ａとは、所定間隔をあけて対向されており、表面５２ａと機能面５３ａとの隙間はアンダーフィル膜５５で埋められている。

配線基板５２において、表面５２ａとは反対側の面である裏面５２ｂには、半球状の外部接続部材５６が設けられている。この半導体装置５１は、外部接続部材５６を介して、実装基板６０（図４に二点鎖線で示す。）に実装できる。
図４に示すように、フリップチップ接続構造の半導体装置５１では、通常、半導体チップ５３は、モールド樹脂で封止されておらず、半導体チップ５３において、機能面５３ａと反対側の面である裏面５３ｂは露出されている。

この半導体装置５１が実装基板６０に実装された状態で、半導体チップ５３で発生した熱は、半導体チップ５３の裏面５３ｂから周辺雰囲気中に放射されるほか、配線基板５２および実装基板６０へと伝えられ、配線基板５２および実装基板６０から周辺雰囲気中へと放射される。また、このような経路の放熱だけでは十分でない場合は、半導体チップ５３の裏面５３ｂにヒートシンクが取り付けられ、半導体チップ５３で発生した熱は、このヒートシンクを介して周辺雰囲気中へ放射される。
特開平９−１１６０４１号公報

ところが、半導体チップ５３の露出した裏面５３ｂには、半導体装置５１の製造工程や検査工程、半導体装置５１を実装基板に実装する工程などにおいて、他の部材が接触する。たとえば、半導体装置５１の製造工程において、半導体チップ５３に社名等が刻印されることがある。この場合、刻印すべきパターンが形成されたダイ（型）が半導体チップ５３の裏面５３ｂに押しつけられる。また、半導体装置５１の検査工程において、裏面５３ｂを押し棒で押すことにより、外部接続部材５６をテストプローブに押しつけて、半導体装置５１の電気的特性を評価することがある。

これらのダイや押し棒などの部材が裏面５３ｂに接触することにより、半導体チップ５３にクラックが生じることがある。
また、半導体チップ５３において、機能面５３ａにはアンダーフィル膜５５が接しているのに対して、裏面５３ｂには何も接していないことにより、半導体チップ５３の機能面５３ａ側と裏面５３ｂ側との熱膨張差（サーマルミスマッチ）に起因して、半導体チップ５３に反りが生じることがある。

さらに、携帯端末等の電子機器では、小型化および薄型化が要求されており、これに伴い、半導体チップ５３を搭載する配線基板５２の小型化も要求される。このため、配線基板５２からの熱放射が十分行えなくなってきている。また、実装基板６０の小型化、および実装基板６０上に部品を高密度で実装する必要から、実装基板６０からの熱放射も十分に行えなくなってきている。

また、電子機器の小型化および薄型化の要求により、半導体チップ５３にヒートシンクが取り付けられなくなってきている。この場合、半導体チップ５３で生じた熱は、半導体チップ５３の裏面５３ｂ側では、裏面５３ｂから直接放射される。ここで、半導体チップ５３は、半導体ウエハを研削および切断して得られ、裏面５３ｂは、この研削による研削面をなす。放射率は、熱が放射される面の平滑性が高いほど低くなるので、このような研削面をなす裏面５３ｂからは、十分に放熱（熱放射）することができない。

そこで、この発明の目的は、フリップチップ接続された半導体チップを有し、この半導体チップの裏面を保護できるとともに、この半導体チップの反りを低減できる半導体装置を提供することである。
この発明の他の目的は、半導体チップで発生した熱を良好に放散させることができる半導体装置を提供することである。

上記の目的を達成するための請求項１記載の発明は、固体装置（２）と、機能素子（４）が形成された機能面（３ａ）を有し、その機能面を上記固体装置の表面（２ａ）に対向させて接合された半導体チップ（３）と、上記固体装置と上記半導体チップとの間を埋める封止材（５）と、上記機能面とは反対側の面である裏面（３ｂ）に形成され、上記裏面を保護するとともに、上記半導体チップの上記機能面側と上記裏面側とでの熱膨張差をなくすための裏面保護膜（８，２８）とを含むことを特徴とする半導体装置（１，２１）である。

なお、括弧内の数字は、後述の実施形態における対応構成要素等を表す。以下、この項において同じ。
この発明の半導体装置は、固体装置（たとえば、絶縁基板に配線が形成された配線基板や、半導体基板）にフリップチップ接続された半導体チップを有する。この半導体チップの裏面には裏面保護膜が形成されており、これにより半導体チップの裏面は保護されている。そのため、この半導体装置の製造工程や検査工程、この半導体装置を実装基板に実装する工程などにおいて、半導体チップの裏面側に他の部材が接触しても、クラックの発生などの破損を生じるおそれがない。

また、半導体チップにおいて、機能面側には封止材が形成されており、裏面側には裏面保護膜が形成されている。そして、裏面保護膜は、半導体チップの機能面側と裏面側とでの熱膨張差をなくすように機能する。これにより、半導体チップの厚さ方向に関する応力バランスを保ち、半導体チップの機能面側と裏面側との熱膨張差に起因する反りを防止（低減）することができる。

裏面保護膜を構成する材料としては、たとえば、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、シリコーン樹脂を挙げることができる。
なお、半導体チップの裏面側に加えられる応力や衝撃を裏面保護膜でより効率的に吸収するためには、裏面保護膜の弾性率は小さいことが好ましく、たとえば、１０ＧＰａ以下であることが好ましい。裏面保護膜の材料として例示されたエポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、シリコーン樹脂のうち、この要件を満たす樹脂として、エポキシ樹脂が挙げられる。

さらに、裏面保護膜として絶縁性が高い樹脂を用いれば、半導体チップを電気的に保護（たとえば、裏面を介した電気的短絡を防止）することができる。
この半導体装置の製造工程において、半導体チップは、複数の半導体チップが作り込まれたより大きな半導体基板（たとえば、半導体ウエハ）から切り分けて得てもよい。この場合、裏面保護膜は、当該半導体基板の裏面全面に形成しておくことができる。この場合、裏面保護膜形成後のすべての工程（たとえば、固体装置に半導体チップを接続する工程）において、半導体チップの裏面は、機械的に保護される。これに対して、裏面保護膜を形成せずに半導体チップを固体装置に接続した後、半導体チップをモールド樹脂で封止する場合は、このような効果を奏することができない。

請求項２記載の発明は、上記裏面保護膜は、上記封止材と熱膨張率がほぼ等しいことを特徴とする請求項１記載の半導体装置である。
この発明によれば、半導体チップの機能面側と裏面側とでの熱膨張差をなくす（少なくする）ことができる。そのため、半導体チップの機能面側と裏面側との熱膨張差に起因する反りを完全に防止することができる。

請求項３記載の発明は、上記裏面保護膜と上記封止材とがエポキシ樹脂からなることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置である。
この発明によれば、裏面保護膜と封止樹脂とが同じエポキシ樹脂からなるので、半導体チップの機能面側と裏面側とでの熱膨張差を確実になくすことができる。
請求項４記載の発明は、上記裏面保護膜の厚さが、１μｍ〜１００μｍであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の半導体装置である。

裏面保護膜の厚さを、この範囲内にすることにより、半導体チップの抗折強度を最大にすることができる。すなわち、半導体チップの抗折強度は、裏面保護膜の厚さが厚いほど大きくなるのではなく、裏面保護膜が上記範囲内の特定の厚さを有するときに最大となる。
裏面保護膜の厚さは、５μｍ〜５０μｍであることが好ましく、１０μｍ〜３０μｍ（２０μｍ程度）であることがさらに好ましい。

請求項５記載の発明は、上記裏面保護膜が、上記半導体チップの上記裏面から側面（３ｃ）に回り込んで形成されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の半導体装置（２１）である。
この発明によれば、半導体チップの側面も裏面保護膜により機械的に保護することができる。これにより、半導体チップの側面の破損を防止することができる。

請求項６記載の発明は、上記裏面保護膜の放射率が、上記半導体チップの上記裏面における放射率よりも大きいことを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の半導体装置である。
この発明によれば、半導体チップで発生した熱は、裏面保護膜を介して周辺雰囲気中に放散される。この際、半導体チップの裏面から直接放射される場合と比べて、より効率的に熱を放散させることができる。

裏面保護膜は、０．５以上の放射率を有することが好ましく、０．７以上の放射率を有することがさらに好ましい。
このような要件を満たす裏面保護膜の材料としては、ペイント（たとえば、黒色ないし白色ペイントやパステルペイントなど）用樹脂として用いられるエポキシ樹脂、アクリル系樹脂、ポリイミド樹脂を挙げることができる。

以下では、この発明の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の構造を示す図解的な断面図である。この半導体装置１は、固体装置としての配線基板２と、機能素子４が形成された機能面３ａを配線基板２の表面２ａに対向させて接続された半導体チップ３とを含んでいる。
半導体チップ３は、接続部材７を介して配線基板２に電気的に接続されており、表面２ａと機能面３ａとは、この接続部材７により所定間隔を隔てて対向されている。表面２ａと機能面３ａとの隙間は、アンダーフィル膜５で埋められている。アンダーフィル膜５は、エポキシ樹脂からなる。

半導体チップ３は、半導体ウエハを研削および切断して得られ、半導体チップ３において、機能面３ａとは反対側の裏面３ｂは、この研削による研削面をなす。この裏面３ｂには、半導体チップ３の裏面３ｂを保護する裏面保護膜８が形成されている。裏面保護膜８の厚さは、１μｍ〜１００μｍである。裏面保護膜８は、アンダーフィル膜５と熱膨張率がほぼ等しい。裏面保護膜８を構成する材料としては、たとえば、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、シリコーン樹脂を挙げることができる。

また、裏面保護膜８の放射率は、半導体チップ３の裏面３ｂにおける放射率よりも大きい。裏面保護膜は、０．５以上の放射率を有し、好ましく、０．７以上の放射率を有する。このような要件を満たす樹脂としては、ペイント（たとえば、黒色ないし白色ペイントやパステルペイントなど）用樹脂として用いられるエポキシ樹脂、アクリル系樹脂、ポリイミド樹脂などを用いることができる。

配線基板２において、表面２ａとは反対側の面である裏面２ｂには、半球状の外部接続部材６が設けられている。外部接続部材６は、たとえば、はんだ材料からなる。この半導体装置１は、外部接続部材６を介して、実装基板に実装できる。
この半導体装置１の製造工程や検査工程、半導体装置１を実装基板に実装する工程などにおいて、半導体チップ３の裏面３ｂ側に他の部材が接触する。たとえば、半導体装置１の製造工程において、半導体チップ３の裏面３ｂ側に社名等が刻印されることがある。この場合、裏面保護膜８に刻印すればよく、刻印すべきパターンが形成されたダイ（型）を直接半導体チップ３の裏面３ｂに押しつける必要はない。また、ダイを裏面保護膜８に押しつける際の応力や衝撃は、裏面保護膜８で吸収される。

図１に、半導体装置１の電気的特性を評価するために用いるプローブボード９Ｃおよび押し棒９Ａを、二点鎖線で示す。プローブボード９Ｃは、半導体装置１の外部接続部材６に対応して設けられたテストプローブ９Ｂを有しており、テストプローブ９Ｂが上方に向けられた状態で使用される。押し棒９Ａは、半導体装置１をテストプローブ９Ｂに押しつけるために用いられ、平坦な当接面９ｐを有している。

半導体装置１の電気的特性を評価する際には、先ず、各外部接続部材６が対応するテストプローブ９Ｂ上に乗るように、半導体装置１がプローブボード９Ｃ上に載置される。次に、押し棒９Ａの当接面９ｐが半導体装置１の裏面３ｂ側（裏面保護膜８）に接触され、押し棒９Ａにより、半導体装置１が、プローブボード９Ｃに向かって押しつけられる。これにより、各外部接続部材６と対応するテストプローブ９Ｂとが良好に接触する。この状態で、外部接続部材６を介した半導体装置１の電気的特性が測定される。

この際、押し棒９Ａを裏面保護膜８に押しつける際の応力や衝撃は、裏面保護膜８で吸収される。
裏面保護膜８が上述のように１μｍ〜１００μｍの範囲内にあるとき、半導体チップ３の抗折強度は最大となる。すなわち、半導体チップ３の抗折強度は、裏面保護膜８の厚さが厚いほど大きくなるのではなく、裏面保護膜８が上記範囲内の特定の厚さを有するときに最大となる。このような効果を奏するためには、裏面保護膜８の厚さは、５μｍ〜５０μｍであることが好ましく、１０μｍ〜３０μｍ（２０μｍ程度）であることがさらに好ましい。

以上のように、この半導体装置１は、半導体チップ３がモールド樹脂により封止されていないにもかかわらず、半導体チップ３は、良好に機械的に保護される。このような効果を効率的に奏するためには、裏面保護膜８の弾性率は、１０ＧＰａ以下であることが好ましい。この要件を満たす樹脂として、エポキシ樹脂が挙げられる。
この半導体装置１の製造工程において、半導体チップ３は、複数の半導体チップ３が作り込まれたより大きな半導体基板（以下、半導体ウエハとする。）から切り分けて得てもよい。この場合、裏面保護膜８は、半導体ウエハの裏面全面に形成しておくことができる。この場合、裏面保護膜８形成後のすべての工程（たとえば、配線基板２に半導体チップ３を接続する工程）において、半導体チップ３の裏面３ｂを保護することができる。裏面保護膜８を形成せずに半導体チップ３を配線基板２に接続した後、半導体チップ３をモールド樹脂で封止する場合は、このような効果を奏することができない。

また、裏面保護膜８が形成されていない場合、半導体チップ３の機能面３ａにアンダーフィル膜５が形成されていることにより、半導体チップ３の厚さ方向に関して応力バランスが保たれず、半導体チップ３に反りが生ずることがある。この半導体装置１は、半導体チップ３の裏面３ｂに、アンダーフィル膜５とほぼ等しい熱膨張率を有する裏面保護膜８が形成されていることにより、半導体チップ３の厚さ方向に関する応力バランスを保ち、半導体チップ３に反りが生ずることを軽減（防止）することができる。

このような効果を奏するため、裏面保護膜８とアンダーフィル膜５とは、同じ材料からなることが好ましい。アンダーフィル膜５および裏面保護膜８が、ともにエポキシ樹脂からなる場合、配線基板２は、エポキシ樹脂からなる絶縁基板に配線を施したものであることが好ましい。これにより、半導体チップ３の機能面３ａ側と裏面３ｂ側とでの熱膨張差をより少なくすることができる。

裏面保護膜８の放射率が半導体チップ３の裏面３ｂにおける放射率よりも大きいことにより、半導体チップ３が実装基板に実装された状態で、半導体チップ３で発生した熱は、配線基板２および実装基板に伝わり、配線基板２および実装基板から周辺雰囲気中に放射されるほか、裏面保護膜８を介して周辺雰囲気中に良好に放散される。すなわち、半導体チップ３は、研削面である裏面３ｂにおいて十分大きな放射率を有しないが、より大きな放射率を有する裏面保護膜８により、良好に放熱される。

さらに、裏面保護膜８として絶縁性が高い樹脂を用いれば、半導体チップ３を電気的に保護（たとえば、裏面３ｂを介した電気的短絡を防止）することができる。
図２は、本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の構造を示す図解的な断面図である。図２において、図１に示す各部に対応する部分には、図１と同じ参照符号を付している。

この半導体装置２１は、配線基板２と、機能素子４が形成された機能面３ａを配線基板２の表面２ａに対向させて接続された半導体チップ３とを含んでいる。半導体チップ３には、図１の半導体装置１の裏面保護膜８の代わりに、裏面保護膜２８が形成されている。裏面保護膜２８は、裏面保護膜８と同様の材料からなり、裏面保護膜８と同様の厚さを有するが、半導体チップ３の裏面３ｂだけでなく、半導体チップ３の裏面３ｂから側面３ｃに回り込んで形成されている。

裏面保護膜２８により、半導体チップ３の側面３ｃも機械的に保護することができる。これにより、半導体チップ３の側面３ｃに他の部材が接触しても、半導体チップ３が破損しないようにすることができる。
図３Ａないし図３Ｃは、図２に示す半導体装置２１の製造方法を説明するための図解的な断面図である。

先ず、複数の半導体チップ３が作り込まれた半導体ウエハ（以下、単に「ウエハ」という）Ｗが用意される。次に、ウエハＷが、その表面（半導体チップ３の機能面３ａに対応する面）ＷａをエキスパンドテープＴに対向されて貼り付けられる。この状態が、図３Ａに示されている。
続いて、ウエハＷが、隣接する半導体チップ３の境界に沿って切断される（図３Ｂ参照）。この工程は、エキスパンドテープＴが完全に切断されないように実施される。これにより、ウエハＷ（半導体チップ３）を厚さ方向に貫通し、エキスパンドテープＴの厚さ方向途中に至る溝２５が形成される。溝２５は、所定の幅（隣接する半導体チップ３の境界に直交する方向の長さ）を有する。ウエハＷの切断面は、半導体チップ３の側面３ｃとなる。

次に、半導体チップ３の裏面３ｂ側から、液状の裏面保護膜が塗布される。液状の裏面保護膜は、各半導体チップ３の裏面３ｂをほぼ完全に覆うとともに、溝２５をほぼ完全に埋めるようにされる。その後、液状の裏面保護膜が硬化されて、裏面保護膜２８が得られる。この状態が、図３Ｃに示されている。
次に、溝２５に沿って裏面保護膜２８が切断される。この切断による切りしろは、溝２５の幅より小さくなるようにされ、半導体チップ３の側面３ｃに裏面保護膜２８が残るようにされる。たとえば、ウエハＷをダイシングソーにより切断する場合は、このダイシングソーより厚さが薄いダイシングソーを用いて、裏面保護膜２８を切断することができる。これにより、半導体チップ３が得られる。

その後、エキスパンドテープＴが半導体チップ３から剥離され、半導体チップ３が、機能面３ａを配線基板２の表面２ａに対向されて、配線基板２に接続される。この際、半導体チップ３の裏面３ｂおよび側面３ｃは、裏面保護膜２８により保護される。
そして、配線基板２と半導体チップ３との隙間にアンダーフィル膜５が形成される。アンダーフィル膜５は、たとえば、液状のアンダーフィル材が、配線基板２と半導体チップ３との隙間に、毛細管現象により充填された後、この液状のアンダーフィル材が硬化されて得られる。これにより、図２に示す半導体装置２１が得られる。

本発明の実施形態の説明は以上の通りであるが、本発明は、別の形態でも実施できる。たとえば、配線基板２には、２つ以上の半導体チップ３がフリップチップ接続されていてもよい。この場合、各半導体チップ３に裏面保護膜８または裏面保護膜２８が形成されているものとすることができる。
配線基板２の絶縁基板、アンダーフィル膜５および裏面保護膜８は、同種の材料（たとえば、エポキシ樹脂）からなる必要はなく、配線基板２の絶縁基板がポリイミド樹脂からなり、アンダーフィル膜５がエポキシ樹脂からなっていてもよい。この場合、半導体チップ３の反りに対する配線基板２の熱膨張による影響が無視できない場合は、この影響を考慮して裏面保護膜の熱膨張率を設定することができる。この場合、裏面保護膜の熱膨張率とアンダーフィル膜５の熱膨張率とは、ほぼ等しくされていなくてもよい。

裏面保護膜８は、一種類の材料からなる必要はなく、複数種類の材料が、たとえば、多層に形成されたものであってもよい。
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の変更を施すことが可能である。

本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の構造を示す図解的な断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の構造を示す図解的な断面図である。 図２に示す半導体装置の製造方法を説明するための図解的な断面図である。 図２に示す半導体装置の製造方法を説明するための図解的な断面図である。 図２に示す半導体装置の製造方法を説明するための図解的な断面図である。 フリップチップ接続構造の半導体装置の図解的な断面図である。

１，２１ 半導体装置
２ 配線基板
２ａ 配線基板の表面
３ 半導体チップ
３ａ 機能面
３ｂ 半導体チップの裏面
３ｃ 半導体チップの側面
４ 機能素子
５ アンダーフィル膜
８，２８ 裏面保護膜

Claims (6)

1. 固体装置と、
   機能素子が形成された機能面を有し、その機能面を上記固体装置の表面に対向させて接合された半導体チップと、
   上記固体装置と上記半導体チップとの間を埋める封止材と、
   上記機能面とは反対側の面である裏面に形成され、上記裏面を保護するとともに、上記半導体チップの上記機能面側と上記裏面側とでの熱膨張差をなくすための裏面保護膜とを含むことを特徴とする半導体装置。
2. 上記裏面保護膜は、上記封止材と熱膨張率がほぼ等しいことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
3. 上記裏面保護膜と上記封止材とがエポキシ樹脂からなることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
4. 上記裏面保護膜の厚さが、１μｍ〜１００μｍであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の半導体装置。
5. 上記裏面保護膜が、上記半導体チップの上記裏面から側面に回り込んで形成されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の半導体装置。
6. 上記裏面保護膜の放射率が、上記半導体チップの上記裏面における放射率よりも大きいことを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の半導体装置。