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JP6466252B2 - 半導体パッケージ及びその製造方法 - Google Patents

半導体パッケージ及びその製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、半導体パッケージの実装技術に関する。特に、半導体パッケージの製造工程において発生する応力を緩和するための技術に関する。
従来、支持基板上に、ICチップ等の半導体デバイスを搭載する半導体パッケージ構造が知られている。このような半導体パッケージは、一般的には、支持基板上に、ダイアタッチ材と呼ばれる接着材を介してICチップ等の半導体デバイスを接着し、その半導体デバイスを封止体(封止用樹脂)で覆って保護する構造を採用している。
半導体パッケージに用いる支持基板としては、プリント基板、セラミックス基板等の様々な基板が用いられている。特に、近年では、金属基板を用いた半導体パッケージの開発が進められている。金属基板を用いた半導体パッケージは、電磁シールド性や熱特性に優れるといった利点を有し、信頼性の高い半導体パッケージとして注目されている。
しかし、金属と樹脂とでは熱膨張係数(coefficient of thermal expansion :CTE)に大きな差があるため、金属基板を用いた半導体パッケージの製造工程においては、金属基板と封止体(半導体デバイスを保護するための樹脂)との間における熱膨張係数の差に起因して内部応力が発生し、封止体に反りが発生するという問題が指摘されていた(特許文献1)。
特開2010−40911号公報
本発明は、上述した問題に鑑みてなされたものであり、支持基板と封止体との間に発生する内部応力を低減し、信頼性の高い半導体パッケージを提供することを課題とするものである。
本発明の一実施形態による半導体パッケージは、支持基板と、前記支持基板の主面に設けられた応力緩和層と、前記応力緩和層の上に配置された半導体デバイスと、前記半導体デバイスを覆い、前記応力緩和層とは異なる絶縁材料からなる封止体と、前記封止体を貫通して前記半導体デバイスと電気的に接続された配線と、前記配線と電気的に接続された外部端子と、を備えることを特徴とする。
本発明の一実施形態による半導体パッケージは、支持基板と、前記支持基板の主面に設けられた応力緩和層と、前記応力緩和層の上に設けられた導電層と、前記導電層の上に配置された半導体デバイスと、前記半導体デバイスを覆い、前記応力緩和層とは異なる絶縁材料からなる封止体と、前記封止体を貫通して前記半導体デバイスと電気的に接続された配線と、前記配線と電気的に接続された外部端子と、を備えることを特徴とする。
本発明の一実施形態による半導体パッケージは、支持基板と、前記支持基板の主面に設けられた応力緩和層と、前記応力緩和層の上に設けられた導電層と、前記導電層に囲まれ、かつ、前記応力緩和層の上に配置された半導体デバイスと、前記半導体デバイスを覆い、前記応力緩和層とは異なる絶縁材料からなる封止体と、前記封止体を貫通して前記半導体デバイスと電気的に接続された配線と、前記配線と電気的に接続された外部端子と、を備えることを特徴とする。
また、本発明の一実施形態による半導体パッケージの製造方法は、支持基板の主面に応力緩和層を形成する工程と、前記応力緩和層の上に、少なくとも1つの半導体デバイスを配置する工程と、前記半導体デバイスを、前記応力緩和層とは異なる材料からなる封止体で覆う工程と、前記封止体を貫通して前記半導体デバイスと電気的に接続された配線を形成する工程と、前記配線と電気的に接続された外部端子を形成する工程と、を備えることを特徴とする。
本発明の一実施形態による半導体パッケージの製造方法は、支持基板の主面に応力緩和層を形成する工程と、前記応力緩和層の上に、導電層を形成する工程と、前記導電層の上に、少なくとも1つの半導体デバイスを配置する工程と、前記半導体デバイスを、前記応力緩和層とは異なる材料からなる封止体で覆う工程と、前記封止体を貫通して前記半導体デバイスと電気的に接続された配線を形成する工程と、前記配線と電気的に接続された外部端子を形成する工程と、を備えることを特徴とする。
本発明の一実施形態による半導体パッケージの製造方法は、支持基板の主面に応力緩和層を形成する工程と、前記応力緩和層の上に導電層を形成する工程と、前記導電層をエッチングして前記応力緩和層を露出させる工程と、前記応力緩和層を露出させた領域に、少なくとも1つの半導体デバイスを配置する工程と、前記半導体デバイスを、前記応力緩和層とは異なる材料からなる封止体で覆う工程と、前記封止体を貫通して前記半導体デバイスと電気的に接続された配線を形成する工程と、前記配線と電気的に接続された外部端子を形成する工程と、を備えることを特徴とする。
本発明によれば、支持基板と封止体との間に発生する内部応力を低減し、信頼性の高い半導体パッケージを実現することができる。
本発明の第1実施形態に係る半導体パッケージの外観図である。 本発明の第1実施形態に係る半導体パッケージの断面図である。 本発明の第1実施形態に係る半導体パッケージの製造工程を示す図である。 本発明の第1実施形態に係る半導体パッケージの製造工程を示す図である。 本発明の第1実施形態に係る半導体パッケージの製造工程を示す図である。 本発明の第1実施形態に係る半導体パッケージの製造工程を示す図である。 本発明の第2実施形態に係る半導体パッケージの断面図である。 本発明の第2実施形態に係る半導体パッケージの断面図である。 本発明の第2実施形態に係る半導体パッケージの上面図である。 本発明の第2実施形態に係る半導体パッケージの上面図である。 本発明の第3実施形態に係る半導体パッケージの断面図である。 本発明の第3実施形態に係る半導体パッケージの断面図である。 本発明の第3実施形態に係る半導体パッケージの断面図である。 本発明の第3実施形態に係る半導体パッケージの上面図である。 本発明の第4実施形態に係る半導体パッケージの断面図である。 本発明の第4実施形態に係る半導体パッケージの上面図である。 本発明の第5実施形態に係る半導体パッケージの断面図である。 本発明の第6実施形態に係る半導体パッケージの上面図である。 本発明の第6実施形態において、一辺が400μmのサイズの開口部を形成した場合における信頼性評価結果である。 本発明の第6実施形態において、一辺が500μmのサイズの開口部を形成した場合における信頼性評価結果である。 本発明の第6実施形態において、一辺が600μmのサイズの開口部を形成した場合における信頼性評価結果である。 本発明の第6実施形態において、一辺が400μmのサイズの開口部を形成した場合における信頼性評価結果である。
以下、本発明の一実施形態に係る半導体パッケージについて、図面を参照しながら詳細に説明する。以下に示す実施形態は本発明の実施形態の一例であって、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。
なお、本実施形態で参照する図面において、同一部分または同様な機能を有する部分には同一の符号または類似の符号(数字の後にA、Bなどを付しただけの符号)を付し、その繰り返しの説明は省略する場合がある。また、図面の寸法比率は説明の都合上実際の比率とは異なったり、構成の一部が図面から省略されたりする場合がある。
また、本明細書中における断面図において「上」とは、支持基板の主面(半導体デバイスを配置する面)を基準とした相対的な位置を指し、支持基板の主面から離れる方向が「上」である。図2以降においては、紙面に向かって上方が「上」となる。また、「上」には、物体の上に接する場合(つまり「on」の場合)と、物体の上方に位置する場合(つまり「over」の場合)とが含まれる。
(第1実施形態)
<パッケージの外観>
図1は、本発明の第1実施形態に係る半導体パッケージ100の外観図である。なお、図1の手前部分は、内部構成の外観を示すために切断面を図示している。
図1において、11は、支持基板であり、12は支持基板の主面に設けられた応力緩和層である。13は、ICチップやLSIチップ等の半導体デバイスであり、14及び15は、半導体デバイスを保護する封止体(封止用樹脂)である。ここでは図示されないが、封止体14、15内には配線が形成され、半導体デバイスの出力端子と、外部端子としてのはんだボール16とを電気的に接続している。
このように、本実施形態に係る半導体パッケージ100は、支持基板11をそのまま基体として用い、積層された樹脂層(封止体14、15)で半導体デバイス13を外気から保護する構造となっている。
<パッケージ構造>
図2は、図1を用いて説明した半導体パッケージ100の構造を詳細に説明するための断面図である。101は、支持基板であり、ここでは金属基板を用いる。金属基板としては、ステンレス等の鉄合金基板や銅合金基板などの金属基板を用いればよい。勿論、金属基板に限定する必要はなく、用途やコストに応じて、シリコン基板、ガラス基板、セラミックス基板、有機基板などを用いることも可能である。
支持基板101上には、応力緩和層102が設けられている。応力緩和層102は、支持基板101と後述する第1封止体105との間に生じる応力を緩和するために設けられる絶縁層である。応力緩和層102の詳細については後述する。本実施形態に係る半導体パッケージ100では、膜厚が10〜200μmの熱硬化性樹脂若しくは熱可塑性樹脂(例えばエポキシ系樹脂)を用いる。また、熱伝導率を高めた無機材料や金属フィラーを含有した材料であってもよい。
応力緩和層102の上には、接着材(ダイアタッチ材)103を介して半導体デバイス104が設けられている。接着材103は、支持基板と半導体デバイスとを接着する公知の接着材(ここでは、応力緩和層102と半導体デバイス104とを接着する接着材)であり、本実施形態では、ダイアタッチフィルムを用いる。
なお、本実施形態では、接着材103を用いて半導体デバイス104を接着しているが、接着材103を省略し、応力緩和層102上に直接半導体デバイス104を設けてもよい。
半導体デバイス104は、ICチップやLSIチップ等の半導体素子である。公知のダイシング工程、ダイボンディング工程を経て、応力緩和層102上に配置される。なお、図1では、支持基板101上に2つの半導体デバイスを配置する例を示しているが、実際には、支持基板101上にさらに多くの半導体デバイスを配置することが可能である。これにより量産性を向上させることができる。例えば、500mm×400mmといった大型基板上に500個以上の半導体デバイス104を配置してもよい。
半導体デバイス104は、第1封止体105によってその上面及び側面を覆われ、外部環境から保護される。第1封止体105としては、エポキシ系樹脂を用いることができるが、その他の公知の封止用樹脂を用いてもよい。
第1封止体105の上には第1配線層106が形成されている。ここでは、第1配線層106は、銅シード層106aと銅配線106bとで構成されている。勿論、銅に限らず、アルミニウムや銀など、半導体デバイスとの良好な電気的接続が確保できる材料であれば公知の如何なる材料を用いてもよい。
第1配線層106上には、さらに第2封止体107、第2配線層108が設けられている。第2封止体107は、第1封止体105と同じものを用いればよく、ここでの説明は省略する。第2配線層108は、第1配線層106と同様に、銅シード層108aと銅配線108bとで構成される。本実施形態では、配線層を第1配線層106と第2配線層108の二層構造としているが、配線層の数は増減可能であり、必要に応じて適宜決定すればよい。
第2配線層108上には、第3封止体(公知のソルダレジスト)109が設けられ、その上には、開口部を介して外部端子110としてはんだボールが設けられる。ここでは第3封止体109としてソルダレジストを用いるが、第1封止体105や第2封止体107と同じものを用いてもよいし、外気に直接触れるため、より保護膜としての機能性に優れた材料を用いてもよい。また、はんだボールで構成される外部端子110は、260℃前後のリフロー処理により形成すればよい。
以上説明した本発明の第1実施形態に係る半導体パッケージ100は、支持基板101の主面に応力緩和層102を設けたことにより、支持基板101と第1封止体105との間の物性値(特に、弾性率や線膨張係数)の差に起因する応力の発生を低減する構造となっている。以下、応力緩和層102の物性について詳細に説明する。
本発明の第1実施形態に係る半導体パッケージ100において、応力緩和層102の役割は、支持基板101の物性値と第1封止体105の物性値との差に起因する内部応力(支持基板101と第1封止体105の境界面に生じる応力)を低減することである。そのため、応力緩和層102としては、支持基板101及び第1封止体105の弾性率より小さい弾性率を有する絶縁層を用いることが望ましい。
具体的には、同一温度条件下で、支持基板101の弾性率をA、応力緩和層102の弾性率をB、第1封止体105の弾性率をCとした場合、A>C>B若しくはC>A>Bが成り立つように、支持基板101、応力緩和層102及び第1封止体105の組み合わせを決定すればよい。
このように応力緩和層102は、低弾性であることが望ましい。例えば、約25℃(室温)の温度領域で2Gpa以下、かつ、100℃を超える温度領域で100MPa以下の弾性率を有することが望ましい。それぞれの温度領域において弾性率に上限を設けた理由は、それら上限値を超えると応力緩和層102が硬すぎて応力緩和層としての機能が落ちてしまうからである。
すなわち、室温においては、ある程度の硬さがあっても(弾性率が高くても)応力緩和層として十分機能するため、応力緩和層102の弾性率は、少なくとも2GPa以下であればよい。一方、熱硬化性樹脂の硬化温度(170℃前後)付近など、100℃を超える温度領域(例えば150℃を超える温度領域)においては、応力緩和層102の弾性率を100MPa以下とする。そのような高温域で100MPaを上回ると、応力緩和層としての機能を果たせなくなる虞があるからである。
なお、弾性率が低ければ低いほど応力緩和層としての機能は高くなるが、あまりにも弾性率が低すぎると流動性が極端に高くなり、もはや層としての形状を維持できなくなる虞がある。したがって、本実施形態では、特に弾性率に下限を設けていないが、室温から260℃(後述するリフロー温度)の範囲内において形状を維持できる範囲の弾性率であることが条件となる。
また、応力緩和層102として、上述した弾性率の関係を満たす絶縁層を用いた場合、結果的に、同一温度条件下で、支持基板101の線膨張係数をa、応力緩和層102の線膨張係数をb、第1封止体105の線膨張係数をcとすると、a≦c<b(又は、a≒c<b)が成り立つ。
一般的に、金属基板の線膨張係数は、20ppm/℃程度であり、封止体の線膨張係数は、数十ppm/℃程度である。そのため、本実施形態に係る半導体パッケージ100では、200℃以下の温度領域において、線膨張係数が100〜200ppm/℃、望ましくは100〜150ppm/℃である絶縁層を用いる。なお、200℃以下の温度領域という条件は、半導体パッケージの製造工程における上限温度が200℃前後であることに因る。少なくとも半導体パッケージの製造工程中において、線膨張係数が前述の範囲に収まることが望ましいという趣旨である。
さらに、本発明の第1実施形態に係る半導体パッケージ100では、応力緩和層102として、5%重量減少温度が300℃以上である接着材を用いることが望ましい。この条件は、一般的なリフロー温度が260℃前後であるため、リフロー処理を経ても重量減少の少ない絶縁層(すなわち、リフロー耐性のある絶縁層)を用いることにより、半導体パッケージの信頼性の低下を防ぐためである。
なお、「重量減少温度」とは、物質の耐熱性を示すために用いられる指標の一つであり、窒素ガスや空気を流しながら、室温から徐々に微量の物質を加熱していき、一定の重量減少が起きる温度で示す。ここでは、5%の重量減少が起きる温度を示している。
さらに、応力緩和層102として、支持基板(鉄合金や銅合金等の代表的な金属材料で構成される基板)101と第1封止体(エポキシ系、フェノール系、またはポリイミド系などの樹脂)105の双方に対して、JISの碁盤目テープ試験(旧JIS K5400)において「分類0」に分類される密着力を有する樹脂を用いることが望ましい。これにより、支持基板101と第1封止体105との間の密着性を高め、さらに第1封止体105の膜剥がれを抑制することができる。
以上のように、本発明の第1実施形態に係る半導体パッケージ100では、応力緩和層102として、(1)同一温度条件下で、支持基板101の弾性率をA、応力緩和層102の弾性率をB、第1封止体105の弾性率をCとした場合、A>C>B若しくはC>A>Bが成り立つこと、(2)同一温度条件下で、支持基板101の線膨張係数をa、応力緩和層102の線膨張係数をb、第1封止体105の線膨張係数をcとした場合、a≦c<b(又は、a≒c<b)が成り立つこと、の少なくともいずれか1つ(望ましくは全て)を満たす絶縁層を用いる点に特徴がある。
これにより、支持基板101と第1封止体105との間の物性値の差に起因する内部応力の発生を低減し、支持基板101や第1封止体105に極力反りを発生させないようにすることができ、半導体パッケージとしての信頼性を向上させることができる。
<製造工程>
図3〜図6は、本発明の第1実施形態に係る半導体パッケージ100の製造工程を示す図である。図3(A)において、支持基板101上に、応力緩和層102を形成する。ここでは、支持基板101として鉄合金のステンレス基板(SUS基板)を用いるが、ある程度の剛性を備えた基板であれば他の材料で構成される基板であってもよい。例えば、ガラス基板、シリコン基板、セラミックス基板、有機基板であってもよい。
応力緩和層102としては、膜厚が10〜200μmの熱硬化性樹脂を用いる。前述のとおり、応力緩和層102の物性値は、(1)同一温度条件下で、支持基板101の弾性率をA、応力緩和層102の弾性率をB、第1封止体105の弾性率をCとした場合、A>C>B若しくはC>A>Bが成り立つこと、(2)同一温度条件下で、支持基板101の線膨張係数をa、応力緩和層102の線膨張係数をb、第1封止体105の線膨張係数をcとした場合、a≦c<b(又は、a≒c<b)が成り立つこと、の少なくともいずれか1つ(望ましくは全て)を満たす。
また、応力緩和層102として、支持基板101と第1封止体105の双方に対して、JISの碁盤目テープ試験(旧JIS K5400)において「分類0」に分類される密着力を有する樹脂を用いることが望ましい。
応力緩和層102を形成したら、次に、図3(B)に示すように、接着材103を用いて半導体デバイス104を応力緩和層102上に接着する。ここでは、接着材103として、公知のダイアタッチフィルムを用いる。
具体的には、まずウェハ上に公知の半導体プロセスによって複数の半導体デバイス(半導体素子)を作り込み、ダイアタッチフィルムを半導体デバイスに貼り付けた状態でバックグラインド工程(ウェハの薄厚化)を行う。その後、ダイシング工程により複数の半導体デバイスを個片化し、接着材103ごと切り離した複数の半導体デバイス104を、応力緩和層102上に接着する。このように、支持基板101上に複数の半導体デバイス104を配置し、パッケージ化した後に個々に切り離すことにより、量産性が大幅に向上する。
次に、図3(C)に示すように、半導体デバイス104を覆うように第1封止体105を形成する。第1封止体105としては、エポキシ系樹脂、フェノール系樹脂、およびポリイミド系樹脂のいずれかを用いることができる。熱硬化性樹脂であっても、光硬化性樹脂であってもよい。また、第1封止体105は、スクリーン印刷法、スピンコーティング法等、公知の如何なる塗布方法を用いてもよい。
第1封止体105を形成したら、次は、第1封止体105に対して公知のフォトリソグラフィ技術または公知のレーザー加工技術によりパターニングを行い、複数の開口部105aを形成する(図4(A))。これら開口部105aは、後に形成する第1配線層106と半導体デバイス104との電気的接続を確保するためのものである。
次に、図4(B)に示すように、第1封止体105及び開口部105aを覆うように銅シード層106aを形成する。銅シード層106aは、銅めっき(銅プレーティング)の下地となる銅、ニッケル、ニッケル−クロム(NiCr)、チタンまたはチタン−タングステン(TiW)などを主成分とする薄膜であり、例えばスパッタリング法で形成される。
次に、図4(C)に示すように、銅シード層106aを形成した後、銅シード層106aを覆うレジストマスク21を形成する。レジストマスク21の形成は、公知の方法(例えばスピンコーティング法)を用いてレジスト材料を塗布した後、フォトリソグラフィ技術または公知のレーザー加工技術により開口部21aを形成すればよい。この開口部21aが、後述する銅配線106bの形成領域として機能する。
レジストマスク21に対して開口部21aを形成した後、銅プレーティングにより銅シード層106a上に銅配線106bを形成する(図5(A))。銅プレーティングは電気めっきを用いても無電解めっきを用いてもよい。また、本実施形態では、銅プレーティングにより銅配線106bを形成したが、これに限らず、他の方法で銅配線106bを形成してもよい。例えば、スパッタリング法や蒸着法などを用いてもよい。
次に、図5(B)に示すように、レジストマスク21を除去し、続いて図5(C)に示すように、銅配線106bをマスクとして銅シード層106aをエッチング除去する。銅シード層106aのエッチング除去により銅配線106bが電気的にアイソレートされ、第1配線層106として機能する。
銅配線106bを形成した後、次に、第2封止体107を形成し、フォトリソグラフィ技術または公知のレーザー加工技術により開口部107aを形成する(図6(A))。第2封止体107の形成に関しては、第1封止体105と同様であるので説明を省略する。開口部107aは、後述する外部端子110と第1配線層106とを電気的に接続するためのものである。
次に、図6(B)に示すように、第2封止体107に設けられた開口部107aを埋めるように外部端子(ここでは、はんだボール)110を形成する。外部端子110の形成は、公知の如何なる方法を用いてもよい。ここでは、260℃のリフロー処理により行う。また、はんだボールの代わりに、ピン形状の金属導体を形成してもよい。
最後に、図6(C)に示すように、支持基板101ごと公知のダイシング工程により切断して個々の半導体デバイス104を切り離す。以上のようにして、複数の半導体パッケージ100a、100bが形成される。
なお、図3〜図6に示した製造工程では、第1配線層106に外部端子110を設けた構成としたが、図2に示したように、外部端子110を形成する前に、さらに第2配線層108を形成してもよい。
以上のような製造工程を経て、図1に示す本発明の半導体パッケージ100が完成する。本発明によれば、前述した所定の条件を満たす応力緩和層102を支持基板101上に設けた構成とするため、その後の加熱工程(熱硬化性樹脂の硬化処理やはんだボールのリフロー処理)において、支持基板101と第1封止体105との間の物性値の差に起因する内部応力の発生を低減し、全体を通じて反りを極力抑えた半導体パッケージの製造工程が実現される。
(第2実施形態)
図7Aに、本発明の第2実施形態に係る半導体パッケージ200の断面図を示す。第2実施形態に係る半導体パッケージ200は、応力緩和層102上に導電層31を設けた点で、第1実施形態の半導体パッケージ100と異なる。その他の点は、第1実施形態に係る半導体パッケージ100と同様である。
図7Aにおいて、導電層31は、銅に限らず、アルミニウムや銀といった如何なる材料を用いてもよいが、半導体デバイス104からの放熱を効率良く行うためにも熱伝導率の良い金属材料を用いることが望ましい。
なお、図7Aに示す半導体パッケージ200では、半導体デバイス104の下方全体からの放熱効果を高めるために、図8Aに示すように、半導体デバイス104の下方に矩形(本実施形態では正方形)の導電層31を設けている。勿論、導電層31の形状は矩形に限らず、如何なる形状であってもよい。図8Aにおいて、点線は半導体デバイス104の輪郭を示しており、導電層31より内側に半導体デバイス104を配置している。
また、導電層31は、図7Aに示すように、上層の銅配線32、33と電気的に接続させることができる。ここでは、第2封止体107上に形成された第2配線層108と電気的に接続させる例を示したが、第1封止体105上に形成された第1配線層106と電気的に接続させることも可能である。そのため、導電層31を配線として機能させたり、電気容量(キャパシタ)、抵抗、インダクタ等の負荷素子として機能させたりすることが可能である。
また、図7Bに、本発明の第2実施形態に係る半導体パッケージ200aの断面図を示す。図7Bに示すように、導電層31aを半導体デバイス104の輪郭の内側に設けることも可能である。さらに、本実施形態では、導電層31aによる段差を接着材103aによって埋め込む構造とし、接着材103aを平坦化層として用いる。この場合、接着材103aとしては、半導体デバイス104の接着時に十分な流動性を有する材料を用いることが望ましい。なお、半導体パッケージ200aについては、図8Bに示すように、導電層31aの輪郭は、半導体デバイス104の輪郭の内側に位置する。
以上のように、第2実施形態の半導体パッケージ200及び200aにおいては、第1実施形態の半導体パッケージ100が奏する効果に加えて、導電層31を用いて各半導体デバイス間を接続する配線や各種機能回路を構成する負荷素子を形成できるため、回路設計の自由度が向上とするという効果を奏する。
さらに、半導体デバイス104の下方に熱伝導率のよい金属で構成される導電層を設けることにより、半導体デバイス104からの放熱効果を高めることができ、放熱性に優れた信頼性の高い半導体パッケージを実現することができる。
(第3実施形態)
図9Aに、本発明の第3実施形態に係る半導体パッケージ300の断面図を示す。第3実施形態に係る半導体パッケージ300Aは、応力緩和層102上に設ける導電層にパターニングを施して積極的に配線として用いる点で、第2実施形態の半導体パッケージ200と異なる。その他の点は、第2実施形態に係る半導体パッケージ200と同様である。
図9Aにおいて、導電層41は、銅に限らず、アルミニウムや銀といった如何なる材料を用いてもよい。図中では、複数の導電層41に分離しているように見えるが、実際には、図10に示すように相互に電気的に接続され、半導体デバイスに形成された素子間を接続する配線として機能したり、様々な負荷素子として機能したりしている。
導電層41で形成可能な負荷素子としては、電気容量(キャパシタ)、抵抗、インダクタなどを挙げることができる。勿論、これ以外にも導電層をパターニングして形成することができる素子であれば如何なる素子を形成してもよい。
また、導電層41は、図9Aに示すように、上層の銅配線42、43と電気的に接続させることができる。ここでは、第2封止体107上に形成された第2配線層108と電気的に接続させる例を示したが、第1封止体105上に形成された第1配線層106と電気的に接続させることも可能である。
また、図9Bに、本発明の第3実施形態に係る半導体パッケージ300bの断面図を示す。図9Bに示すように、本実施形態では、導電層41のパターンによる段差を接着材103bによって埋め込む構造とし、接着材103bを平坦化層として用いる。この場合、接着材103bとしては、半導体デバイス104の接着時に十分な流動性を有する材料を用いることが望ましい。さらに、図9Cに、本発明の第3実施形態に係る半導体パッケージ300cの断面図を示す。図9Cに示すように、本実施形態では、導電層41のパターンによる段差を平坦化層111によって埋め込む構造とし、平坦化層111の上に接着材103を介して半導体デバイス104を設ける構造としてもよい。このとき、平坦化層111としては、公知の樹脂材料を用いることができる。例えば、応力緩和層102と同じ材料を用いてもよいし、第1封止体105と同じ材料を用いてもよい。
以上のように、第3実施形態の半導体パッケージ300、300b及び300cにおいては、第2実施形態の半導体パッケージ200が奏する効果に加えて、導電層41を用いて各半導体デバイス間を接続する配線や各種機能回路を構成する負荷素子を形成できるため、回路設計の自由度が向上とするという効果を奏する。
(第4実施形態)
図11に、本発明の第4実施形態に係る半導体パッケージ400の断面図を示す。第4実施形態に係る半導体パッケージ400は、導電層51を半導体デバイス104の下には設けない点で、第2実施形態の半導体パッケージ200と異なる。その他の点は、第2実施形態に係る半導体パッケージ200と同様である。
図11に示した半導体パッケージ400では、半導体デバイス104の下に導電層51を設けないため、導電層51の厚さの分だけ半導体デバイス104と支持基板101との間の距離が縮まることになる。本実施形態の構造とした場合、図12に示すように、導電層51は、半導体デバイス104より若干大きい面積で一部がくり抜かれた形となっている。このような構造は、例えば、導電層51を形成した後、導電層51をエッチングして応力緩和層102を露出させ、応力緩和層102の露出した部分に半導体デバイス104を設ければよい。
この場合においても、導電層51は、図11に示すように、上層の銅配線52、53と電気的に接続させることができる。また、第2封止体107上に形成された第2配線層108と電気的に接続させる例を示したが、第1封止体105上に形成された第1配線層106と電気的に接続させることも可能である。
以上のように、第4実施形態の半導体パッケージ400においては、第1実施形態及び第2実施形態に係る半導体パッケージが奏する効果に加えて、半導体パッケージ全体の厚さを薄くすることができるという効果を奏する。
(第5実施形態)
図13に、本発明の第5実施形態に係る半導体パッケージ500の断面図を示す。第5実施形態に係る半導体パッケージ500は、半導体デバイス104の下に接着材103を設けない点で、第1実施形態の半導体パッケージ100と異なる。その他の点は、第1実施形態に係る半導体パッケージ100と同様である。
本発明の第5実施形態に係る半導体パッケージ500では、応力緩和層102上に半導体デバイス104を配置するに当たり、接着材103を用いずに、直接応力緩和層102上に半導体デバイス104を接着することができる。具体的には、応力緩和層102を構成する樹脂を設けた後、キュア(焼成)工程を行う前に半導体デバイス104を搭載し、その状態でキュア工程を行えばよい。
これにより、ダイアタッチフィルム等の接着材を用いる必要がないため、第1実施形態に係る半導体パッケージより応力が発生する可能性を低減でき、さらに接着材の分だけ厚みが減るため、半導体パッケージの小型化を図ることができる。
(第6実施形態)
上述した第1実施形態から第5実施形態に係る半導体パッケージでは、応力緩和層102の上に半導体デバイス104を設ける構成となるが、その際、半導体デバイス104を正確な位置に配置する必要がある。しかし、支持基板101上に応力緩和層102を設けた場合、支持基板101上にアライメントマークを設けたとしても応力緩和層102の存在により位置確認が困難となることが予想される。
そこで、第6実施形態に係る半導体パッケージ600では、半導体デバイス104を応力緩和層102上に配置する際に正確なアライメントを可能とするアライメントマークを設けることを特徴としている。
図14(A)は、本発明の第6実施形態に係る半導体パッケージ600の一部を示す上面図であり、図14(B)は、図14(A)に示される点線62で囲まれた領域の拡大図である。
図14(A)において、支持基板101上には、ほぼ全面に応力緩和層102が設けられており、その上に複数の半導体デバイス104が配置される。第6実施形態に係る半導体パッケージ600では、応力緩和層102の一部に開口部63を設け、半導体デバイス104を配置する際の基準となるアライメントマークとして用いる点に特徴がある。
開口部63は、応力緩和層102に対してエッチングを施して形成すればよく、レーザーエッチングなど公知のエッチング技術を用いることができる。開口部63そのものをアライメントマークとして用いることもできるが、開口部63によって露出する支持基板101の表面にハーフエッチング等を用いて溝や穴等を設けてあってもよい。この場合、応力緩和層102の形成前に予め支持基板101をエッチングして溝や穴を形成してもよいし、開口部63を形成した後にレーザーエッチング等により支持基板101上に溝や穴を形成してもよい。
ただし、開口部63のサイズを必要以上に大きくしてしまうと、その開口部63から応力緩和層102が剥がれてしまう虞があるため、開口部63のサイズには一定の制限を設けることが好ましい。
本発明者らの実験結果では、開口部63の一辺が480μm(または直径480μm)を超えると応力緩和層102の信頼性に影響が出ることが確認された。そのため、開口部63は、一辺が少なくとも480μm以下の多角形、又は、直径480μm以下の円形であることが望ましい。なお、開口部63のサイズの下限値は、支持基板の材質、開口加工精度やダイアタッチ装置のアライメント性能に応じて多少変動する可能性があるため、適宜決定すればよい。
ここで、本発明者らが行った実験結果について説明する。本発明者らは、図3〜図6を用いて説明したプロセスにより半導体パッケージを作製し、作製した半導体パッケージに対して、JEDEC規格のレベル2に準拠した湿度信頼性テスト(Moisture Reliability Test)を行った。なお、半導体パッケージを作製する際、図14を用いて説明したように、応力緩和層に形成された開口部をアライメントマークとして利用した。
湿度信頼性テストは、半導体パッケージを温度85℃、湿度60%の雰囲気中に168時間置いて十分に水分を含ませた後、最高温度260℃の標準的なリフロー条件に4回通すことにより行った。テスト後の評価は、超音波映像装置(Scanning Acoustic Tomograph:SAT)を用いて行った。
図15は、一辺が400μmのサイズの開口部を形成した場合における信頼性評価結果である。図16は、一辺が500μmのサイズの開口部を形成した場合における信頼性評価結果である。図17は、一辺が600μmのサイズの開口部を形成した場合における信頼性評価結果である。
図15〜図17に示されるように、開口部の一辺が500μm及び600μmの場合には、半導体パッケージの面内に不具合が発生したが、開口部の一辺が400μmの場合には、不具合は発生しなかった。さらに、本発明者らは、より過酷な条件(JEDEC規格のレベル1に準拠した湿度信頼性テスト)を開口部の一辺が400μmである半導体パッケージに対して行い、さらなる実験結果の検証を行った。
図18は、一辺が400μmのサイズの開口部における信頼性評価結果である。この信頼性評価では、半導体パッケージを温度85℃、湿度85%の雰囲気中に168時間置いて十分に水分を含ませた後、最高温度260℃の標準的なリフロー条件に3回通すことにより行った。テスト後の評価は、前述の超音波映像装置を用いて行った。その結果、図18に示されるように、JEDEC規格のレベル1に準拠した湿度信頼性テストの前後において半導体パッケージの外観に何ら変化はなく、高い信頼性を確保できていることが確認された。
これらの結果と、アライメントマークを形成する際の加工精度(σ=6μm)とを考慮すると、500μm±3σの範囲は、不具合が生じる恐れがあると考えられる。つまり、開口部の一辺が480μm(または直径480μm)を超えると応力緩和層の信頼性に影響が出ることが確認されたと言える。
以上のように、第6実施形態に係る半導体パッケージ600は、半導体デバイス104の近傍(例えば、半導体デバイス104の角部)に、応力緩和層102のエッチングにより形成された開口部63を有し、その開口部63を、半導体デバイス104を応力緩和層102の上に配置する際のアライメントマークとして使用することにより、正確なアライメント作業が可能となり、半導体パッケージの製造工程の歩留りや信頼性の向上を図ることができる。
さらに、開口部63を、一辺が少なくとも480μm以下の多角形、又は、直径480μm以下の円形(さらに好ましくは、一辺が少なくとも400μm以下の多角形、又は、直径400μm以下の円形)とすることにより、応力緩和層102の膜剥がれを防ぐことができる。これにより、第1実施形態からs第5実施形態までの半導体パッケージが備える利点を損なうことなく、半導体パッケージの製造工程の歩留り向上や信頼性向上を図ることができる。
本発明者らは、次の条件でサンプルを作製して信頼性試験を行い、封止体の剥がれ等が発生しないことを確認した。
(実施例1)
支持基板:金属基板(弾性率:193GPa@25℃、100℃)
応力緩和層:変性エポキシ系樹脂(弾性率:580MPa@25℃、4MPa@100℃)
封止体:エポキシ系樹脂(弾性率:16GPa@25℃、14.7GPa@100℃)
(実施例2)
支持基板:金属基板(弾性率:193GPa@25℃、100℃)
応力緩和層:変性エポキシ系樹脂(弾性率:10MPa@25℃、0.6MPa@100℃)
封止体:エポキシ系樹脂(弾性率:1.8GPa@25℃、1GPa@100℃)
以上のように、同一温度条件下で、支持基板の弾性率をA、応力緩和層の弾性率をB、封止体の弾性率をCとした場合、A>C>B若しくはC>A>Bが成り立つように各弾性率の関係を調整することにより、支持基板と封止体との間に発生する内部応力を低減し、信頼性の高い半導体パッケージを実現することができる。
100:半導体パッケージ
101:支持基板
102:応力緩和層
103:接着材
104:半導体デバイス
105:第1封止体
106:第1配線層
107:第2封止体
108:第2配線層
109:第3封止体
110:外部端子
111:平坦化層

Claims (18)

  1. 支持基板と、
    前記支持基板の主面に設けられた応力緩和層と、
    前記応力緩和層の上に配置された半導体デバイスと、
    前記半導体デバイスを覆い、前記応力緩和層とは異なる絶縁材料からなる封止体と、
    前記封止体を貫通して前記半導体デバイスと電気的に接続された配線と、
    前記配線と電気的に接続された外部端子と、
    を備えることを特徴とする半導体パッケージ。
  2. 支持基板と、
    前記支持基板の主面に設けられた応力緩和層と、
    前記応力緩和層の上に設けられた導電層と、
    前記導電層の上に配置された半導体デバイスと、
    前記半導体デバイスを覆い、前記応力緩和層とは異なる絶縁材料からなる封止体と、
    前記封止体を貫通して前記半導体デバイスと電気的に接続された配線と、
    前記配線と電気的に接続された外部端子と、
    を備えることを特徴とする半導体パッケージ。
  3. 支持基板と、
    前記支持基板の主面に設けられた応力緩和層と、
    前記応力緩和層の上に設けられた導電層と、
    前記導電層に囲まれ、かつ、前記応力緩和層の上に配置された半導体デバイスと、
    前記半導体デバイスを覆い、前記応力緩和層とは異なる絶縁材料からなる封止体と、
    前記封止体を貫通して前記半導体デバイスと電気的に接続された配線と、
    前記配線と電気的に接続された外部端子と、
    を備えることを特徴とする半導体パッケージ。
  4. 前記導電層が、少なくともキャパシタ、抵抗及びインダクタのいずれか1つを構成することを特徴とする請求項2又は3に記載の半導体パッケージ。
  5. 同一温度条件下で、前記支持基板の弾性率をA、前記応力緩和層の弾性率をB、前記封止体の弾性率をCとするとき、A>C>B若しくはC>A>Bの関係が成り立つことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の半導体パッケージ。
  6. 前記応力緩和層の弾性率は、室温で2GPa以下、かつ、100℃を超える温度で100MPa以下であることを特徴とする請求項5に記載の半導体パッケージ。
  7. 同一温度条件下で、前記支持基板の線膨張係数をa、前記応力緩和層の線膨張係数をb、前記封止体の線膨張係数をcとするとき、a≦c<b、又は、a≒c<bの関係が成り立つことを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の半導体パッケージ。
  8. 前記半導体デバイスの周囲に、前記応力緩和層に設けられた開口部を有することを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の半導体パッケージ。
  9. 前記開口部は、アライメントマークであり、少なくとも一辺が480μm以下の多角形、又は、直径480μm以下の円形であることを特徴とする請求項8に記載の半導体パッケージ。
  10. 支持基板の主面に応力緩和層を形成する工程と、
    前記応力緩和層の上に、少なくとも1つの半導体デバイスを配置する工程と、
    前記半導体デバイスを、前記応力緩和層とは異なる材料からなる封止体で覆う工程と、
    前記封止体を貫通して前記半導体デバイスと電気的に接続された配線を形成する工程と、
    前記配線と電気的に接続された外部端子を形成する工程と、
    を備えることを特徴とする半導体パッケージの製造方法。
  11. 支持基板の主面に応力緩和層を形成する工程と、
    前記応力緩和層の上に、導電層を形成する工程と、
    前記導電層の上に、少なくとも1つの半導体デバイスを配置する工程と、
    前記半導体デバイスを、前記応力緩和層とは異なる材料からなる封止体で覆う工程と、
    前記封止体を貫通して前記半導体デバイスと電気的に接続された配線を形成する工程と、
    前記配線と電気的に接続された外部端子を形成する工程と、
    を備えることを特徴とする半導体パッケージの製造方法。
  12. 支持基板の主面に応力緩和層を形成する工程と、
    前記応力緩和層の上に導電層を形成する工程と、
    前記導電層をエッチングして前記応力緩和層を露出させる工程と、
    前記応力緩和層を露出させた領域に、少なくとも1つの半導体デバイスを配置する工程と、
    前記半導体デバイスを、前記応力緩和層とは異なる材料からなる封止体で覆う工程と、
    前記封止体を貫通して前記半導体デバイスと電気的に接続された配線を形成する工程と、
    前記配線と電気的に接続された外部端子を形成する工程と、
    を備えることを特徴とする半導体パッケージの製造方法。
  13. 前記導電層をパターニングして、少なくともキャパシタ、抵抗及びインダクタのいずれか1つを形成することを特徴とする請求項11又は12に記載の半導体パッケージの製造方法。
  14. 同一温度条件下で、前記支持基板の弾性率をA、前記応力緩和層の弾性率をB、前記封止体の弾性率をCとするとき、A>C>B若しくはC>A>Bの関係が成り立つことを特徴とする請求項10〜13のいずれか1項に記載の半導体パッケージの製造方法。
  15. 前記応力緩和層の弾性率は、室温で2GPa以下、かつ、100℃を超える温度で100MPa以下であることを特徴とする請求項14に記載の半導体パッケージの製造方法。
  16. 同一温度条件下で、前記支持基板の線膨張係数をa、前記応力緩和層の線膨張係数をb、前記封止体の線膨張係数をcとするとき、a≦c<b、又は、a≒c<bの関係が成り立つことを特徴とする請求項10〜15のいずれか1項に記載の半導体パッケージの製造方法。
  17. 前記半導体デバイスの周囲に、前記応力緩和層をエッチングして開口部を形成することを特徴とする請求項10〜16のいずれか1項に記載の半導体パッケージの製造方法。
  18. 前記開口部は、アライメントマークであり、少なくとも一辺が480μm以下の多角形、又は、直径480μm以下の円形であることを特徴とする請求項17に記載の半導体パッケージの製造方法。
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