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JP3345541B2 - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

半導体装置及びその製造方法

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JP3345541B2
JP3345541B2 JP00443696A JP443696A JP3345541B2 JP 3345541 B2 JP3345541 B2 JP 3345541B2 JP 00443696 A JP00443696 A JP 00443696A JP 443696 A JP443696 A JP 443696A JP 3345541 B2 JP3345541 B2 JP 3345541B2
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Hitachi Ltd
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Hitachi Cable Ltd
Hitachi Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体集積回路の
電極構造およびそのパッケージ形成方法に係り、半導体
集積回路(IC)等のチップを回路基板に搭載して電気
的な接続を行い、回路網を形成する電子回路の実装方法
に関し、特に高密度な実装を安価に行うのに適した半導
体集積回路の電極構造およびそのパッケージ形成方法に
関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来、半導体素子(ICチップ)は、リ
−ドフレ−ムにワイヤ−ボンディング(WB)やテ−プ
オ−トメイティットボンディング(TAB)により電気
的な接続が行われた後でプラスチックモ−ルドを行い、
モ−ルドから突き出したリ−ド部と回路基板に設けた接
続用のパッド部をはんだで接続する実装方法が一般に行
われてきた。しかし、近年、電子機器の小形化が進行す
る中で、半導体集積回路(IC)パッケ−ジが占める実
装面積を縮小することが重要な課題となっている。
【0003】この解決策として、ベアチップ実装やチッ
プサイズパッケ−ジの開発が行われている。一方、限ら
れたチップ面積上に多くの接続電極を設ける場合は、電
極間隔が広くできる利点と接続部のインダクタンス低減
の観点から、接続電極をチップ全面に格子状に配列した
エリア電極構造を用い、はんだバンプを用いて電気接続
を行う所謂フリップチップ(FC)接続が望ましい。し
かし、多くの半導体集積回路(IC)は、接続電極がワ
イヤボンディング用に作られているために、チップ周辺
部に狭い間隔で電極配置されているものが多く、このま
まの電極を用いてFC接続を行うと、はんだリフロ−時
にバンプ間のショ−ト不良が増加するという問題があっ
た。
【0004】また、ICチップの電気接続に前記TAB
やFC(フリップチップ)法を用いると接続電極として
特別なメタライズが必要となり、チップの入手難やIC
価格の増加を招き問題となっている。通常、ICの外部
接続電極はアルミニュウムで形成されており、はんだに
対しての濡れ性が悪く、濡れてもアルミニュウムがはん
だに急速に喰われるために、フリップチップ用の接続電
極としては使用できない。このため、アルミニュウム電
極上にCr/Cu/Au等の複合膜を形成してフリップ
チップ用の電極を得ている。
【0005】以上の事情により、高密度実装に適したフ
リップチップ用電極を有するICチップの入手は困難で
あり、入手できてもチップの種類が限定され価格が高く
なるため、使用範囲が限定される等の問題があった。こ
れらの問題を解決するための従来技術としては、米国特
許5216278号に所謂ボ−ルグリッドアレ−(BG
A)パッケ−ジの概念が述べられている。該特許によれ
ば、ワイヤボンディング用接続電極を有するICチップ
を配線基板上に搭載して、配線基板とICチップはワイ
ヤボンディングで接続を行う。一方、配線基板上のワイ
ヤボンディング用パッドは基板の裏面に格子状に設けら
れたフリップチップ用の接続電極に結線されており、こ
のフリップチップ用電極を用いてICチップは外部回路
と接続できる。このような所謂BGAパッケ−ジを用い
ることにより、ワイヤボンディング用接続電極を持つI
Cチップをフリップチップで外部回路と接続できる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記した従来
技術では、ICチップに設けられた接続電極をワイヤボ
ンディングにより一旦チップの外側に引き出し、さらに
その外側に配置されたバイアホ−ルを経て基板裏面のフ
リップチップ用電極と接続しているために、電極配列変
換用の配線基板は、ICチップのチップサイズよりも大
きくなる欠点があった。また、電極配列の変換に用いる
配線基板の構造については何の配慮もされていないため
に、配線の引き回し距離が長い場所も生じて、インダク
タンスが大きくなる傾向にあり、半導体素子の高周波化
には対応できないという問題があった。
【0007】さらに、将来、接続電極の数が増加した場
合を考えると、両面配線基板では配線密度が不足して全
電極を結線できない場合が生じる。この場合は、配線基
板の多層化が必要であるが、多層基板を使用することは
価格の上昇に繋がるので、なるべく少ない層数の基板で
全電極を接続できることが望ましい。従来技術ではこの
点に関して考慮がされておらず、多端子化には不向きな
構造であった。
【0008】そこで、本発明ではチップと同等サイズで
層数のできるだけ少ない配列変換基板を用いて、可能な
限り多くの接続電極を周辺配列から格子状配列に変換す
るための電極構造および実装方法について述べるもので
ある。本発明の目的は、上記従来技術の問題点を解決
し、ICチップの周辺部に設けられた接続電極をチップ
の全面に格子状に配列した接続電極に、安価で、かつ、
最短の配線距離で変換するための半導体集積回路の電極
構造およびそのパッケージ形成方法を提供するものであ
る。
【0009】
【課題を解決するための手段】上記目的達成するため、
本発明に係る半導体装置の構成は、外部接続電極が周辺
部に配置されたチップと、前記チップの周辺電極を格子
状電極に再配列する電極配列変換用の配線基板とを備え
半導体装置であって、前記配線基板の配列変換した格
子状電極ピッチが、前記チップの周辺電極ピッチの整数
倍となるようにすると共に、前記配線基板をチップサイ
ズと同等に構成したものである。
【0010】上記目的達成するため、本発明に係る半導
体装置の他の構成は、請求項1記載の半導体装置におい
、前記チップの周辺部に配置された外部接続電極の一
辺あたりの個数が、iを整数(i≧2)としたときに2
i(2i−1)の関数で示すことができ、かつ、この電極
を等間隔に、前記チツプの4辺に同数づつ配置したもの
である。
【0011】さらに、上記目的達成するため、本発明に
係る半導体装置の構成は、請求項1記載の半導体装置に
おいて、前記電極配列変換用の配線基板に可撓性のフィ
ルム回路を用いたものである。
【0012】
【0013】またさらに、上記目的達成するため、本発
明に係る半導体装置の製造方法の構成は、外部接続電極
が素子の周辺部に配置されたチップと、前記チップの周
辺電極を格子状電極に再配列する電極配列変換用のフィ
ルム回路配線基板とを備えた半導体装置の製造方法であ
って、前記配線基板に前記チップが搭載される領域の外
側に、検査用電極を設ける第一の工程と、前記検査用電
極を用いて前記チップの機能検査を行う第二の工程と、
前記検査用電極を切断、除去して前記チップと同等サイ
ズの配線基板に形成する第三の工程とを有するように
たものである。
【0014】以下課題を解決するための手段を、さらに
詳細に説明する。上記の目的は、特定の関数関係で限定
された外部接続電極に係る周辺電極の数を有する半導体
素子(ICチップ)と、この周辺電極を接続して格子状
の接続電極に配列変換するための配線基板(配列変換基
板)を用いることにより達成することができる。すなわ
ち、正方形のチップの4辺にそれぞれ等しい個数(N+
1)の接続電極を等間隔pで設け、これを配列変換基板
に接続する。配列変換基板の表面にはICチップの周辺
電極に対応した配列で受け電極を設けると同時にpの整
数倍ipの間隔で基板裏面に電気接続するためのバイア
ホ−ルを格子状に設ける。
【0015】このバイアホ−ルの外周と周辺電極との位
置は少なくとも1格子間隔以内で一致するように設け、
バイアホ−ルと周辺電極とは最短距離で配線する。この
ようにするとチップの一辺に並ぶバイアホ−ルの個数n
はN/i+1となる。また、バイアホ−ルを通して接続
された基板の裏面にはフリップチップ(FC)用の接続
電極を設ける。このようにすることによりICチップの
周辺電極とFC用接続電極とは最短距離で結線すること
ができる。
【0016】この関係を図1および図2を参照して説明
する。図1は、配列変換基板の表面パタ−ンを示す図、
図2は、図1の基板の裏面パタ−ンを示す図である。図
1の四角で示したパタ−ンはICチップの接続電極と対
応した位置に設けられた基板側の接続電極を示すもの
で、基板の一辺にはN+1個の電極が間隔pで配置され
たことを示している。なお、本図ではNが12個の例を
示している。
【0017】また、図1に丸で示したパタ−ンは、基板
の裏面と電気接続するために設けたバイアホ−ルの位置
を示すもので、周辺電極の間隔pのi倍のピッチipで
基板の全面にわたって格子状に配列している。本図では
iが2の例を示している。図2に丸で示したパタ−ン
は、図1で示したバイアホ−ルの位置と一致しており、
基板裏面に設けられたフリップチップ用の接続電極位置
を示すもので、基板の一辺にはn個の電極が等間隔で配
置されている。すなわち、ICチップの一辺に設けられ
た周辺電極の個数Nと配列変換基板の裏面に設けられた
格子状接続電極の個数nとを整数値iを媒介として次式
の関係が成り立つように選ぶ。 N=i(n−1) ……(式1)
【0018】一方、周辺電極の数4Nと格子状電極の数
2が一致する条件を次式で示すが、式1と式2とを同
時に満足することが、全電極を接続するために必要な条
件である。ただし、nが奇数になると中心部の1点が周
辺電極とは接続不可能になるので、この1点は接続電極
の層数から除いている。 4N=n2−1 ……(式2) 以上の2式を同時に満足する電極の数は次式で限定され
る。
【0019】表1に次式で限定される数の電極数を、i
が1から10までの例で示した。
【表1】
【0020】 N=2i(2i−1) ……(式3) n=4i−1 ……(式4) すなわち、表1で示した電極の数を図1に示した配線規
則で結線した配列変換基板を使用することにより、配線
基板をチップサイズと同等以下にして、なおかつ、各電
極間を最短距離で結線したBGAパッケ−ジを得ること
ができる。
【0021】上記技術的手段による働きは次のとおりで
ある。図1に示すように、本発明では、N個の周辺電極
をi個毎にバイアホ−ルを介して基板直下のフィリップ
チップ(FC)用電極と接続している。このためにFC
用の接続電極の1/iは周辺電極の直下の位置が使用で
きて配線の必要がないため、各電極間を最短距離で接続
することができる。また、FC用の電極間隔は周辺電極
の間隔のi倍にすることができる。
【0022】ここで、式1と式2とを同時に満足する電
極数に限定することにより、配列変換基板の全面積を有
効に活用でき基板サイズの小形化が可能となる。さら
に、基板の周辺部から中心部に配線を行う場合のバイア
ホ−ル間に通す配線本数を均等化でき、配線層の層数低
減が可能となる。
【0023】
【実施の形態】以下、本発明の各実施の形態を図3ない
し図7を参照して説明する。 〔実施の形態 1〕まず、図3および図4を参照して半
導体集積回路の電極構造の一例を説明する。図3は、本
発明の一実施の形態に係るチップサイズパッケージの側
面図、図4は、図3の部分詳細断面図である。
【0024】図3において、1は半導体素子に係るIC
チップ、2は電極配列変換用の配線基板に係る配列変換
基板、3は、ICチップ1と配列変換基板2との隙間に
充填する接着樹脂、4は、フィリップチップ用の電極す
なわちFC用電極、5ははんだバンプである。また、図
4において、6はバイアホール、7は、ICチップ1の
周辺部に配置された外部接続電極に係る周辺電極であ
り、8はアルミニウム配線、9は保護膜、10は接続用
金属を示す。
【0025】図3に示すICパッケージは、ICチップ
1を配列変換基板2に搭載して、隙間に接着樹脂3を充
填したのち、配列変換基板2の裏面に設けられたFC用
電極4にはんだバンプ5を形成してチップサイズパッケ
−ジとしたものである。また、図4は図3の一部を断面
で示した図で、ICチップ1の周辺にはアルミニウム配
線8と接続電極部を開口したチップの保護膜9があり、
その開口部には接続用金属10を充填した周辺電極7が
設けられている。ICチップ1と配列変換基板2との関
係であるが、ICチップ1上に設けられた周辺電極7と
配列変換基板2上に設けられた周辺電極とは一対一に対
応して接続され、周辺電極7は1つ飛びにバイアホ−ル
6を介して基板裏面のFC用電極4に接続されている。
【0026】さらに、図4には示されていないが、周辺
電極7の直下で接続できなかった他の電極は図1の平面
図で示したように、配線を介して基板中央部に格子状配
列されたスルホ−ルと結線され、スルホ−ルを介して基
板裏面のFC用電極に接続されている。基板裏面のFC
用電極4にははんだバンプ5が形成されている。以上に
示した実施の形態では、i=2、すなわち、周辺電極の
2倍の間隔でFC用電極4を設けた例である。周辺電極
7の間隔が0.15mmの場合はFC用電極4が0.3
mmの間隔となり、はんだバンプ5によるショ−ト不良
を低減できる。
【0027】通常のICチップ1はアルミニウム配線8
の表面を被った保護膜9の一部を窓開けしてWB用電極
としたものが一般的である。しかし、アルミニウム電極
8は表面が強固な酸化膜で被われているために、はんだ
や熱圧着等の濡れ性を必要とする金属接合には不向きな
電極である。そこで、FC用電極4には予めウエハの段
階でアルミニウム電極上にCr/Cu/Au等の複合膜
をスパッタ等の方法で形成し、ホトリソ、エッチングの
プロセスを用いてパタ−ンニングを行い、接続電極を得
ていた。
【0028】しかし、この方法ではウエハの形状でしか
加工できないこと、プロセスが複雑で加工コストが高く
なることなどの問題点がある。そこで、アルミ電極上に
NiとAuの無電解めっきを行って接続電極を形成する
方法が開発されている。この方法はアルミニウム電極8
を希硫酸で洗浄したのち、Pd活性化処理を行い、Ni
−PとAuの無電解めっきを行うものである。この方法
によれば、アルミニウム電極8上にのみNi−P/Au
の金属膜が成長するので、特別なパタ−ンニング工程が
不要であり、かつ、高価なスパッタ装置も不要となり、
価格の安い接続用金属10をICチップ1に形成するこ
とが可能となる。さらに、ホトリソ工程が不要なために
チップ状態での電極形成も可能である。
【0029】〔実施の形態 2〕次に配列変換基板2の
形成方法を図5を参照して説明する。図5は、本発明の
他の実施の形態に係るフィルム回路基板の形成工程を示
す工程図である。図5における、ステップ5−1は、原
材料となる両面銅貼りシ−トの断面を示しており、両面
銅貼りシ−トは、ポリイミドシ−ト11の両面に表面銅
箔12と裏面銅箔13が貼りあわせてある。ステップ5
−2は、ステップ5−1で示したシ−トの裏面に保護フ
ィルム15を形成して、表面にレジスト膜14を形成し
た状態を示している。
【0030】ステップ5−3は、レジスト膜14を露
光、現像したのち、このレジストをマスクとしてビア形
成部分の銅をエッチング除去し、開口部16を設けた状
態を示している。ステップ5−4は、ステップ5−3で
残した銅箔をマスクとしてレ−ザによる穴開けを行った
ところである。次にステップ5−5は、銅の電気めっき
を行い、ビア穴17の内部に銅を埋め込み、ビア18を
形成した状態を示している。
【0031】ステッ5−6は、前工程で残ったレジスト
14と保護膜15の剥離を行なったのち、表裏面にレジ
スト19,20を塗布して、露光、現像を行なった状態
を示している。ステップ5−7は、前工程で形成したレ
ジストを用いて銅箔のエッチングを行い、エッチング後
にレジスト19,20を除去した状態を示している。こ
れにより接続電極と配線の銅パタ−ンがポリイミドシ−
トの表裏面に形成される。ステップ5−8は、ステップ
5−7で形成した銅パタ−ンの表面に接合用金属層とし
てSnの無電解めっきを行った状態を示し、21は錫め
っき層である。以上の工程により配列変換基板が製造可
能である。
【0032】〔実施の形態 3〕次にICチップと配列
変換基板とを接続してチップサイズパッケ−ジを形成す
る方法に関して図6を参照して説明する。図6は、本発
明のさらに他の実施形態に係るチップサイズパッケージ
の組立工程を示す工程図である。図6における、ステッ
プ6−1は、ICチップ1と配列変換基板2とが別々に
ある組立て前の状態を側面図で示している。ここで配列
変換基板2は、ICチップ1より大きくできており、チ
ップサイズの外側には各電極より引き出された検査用電
極22が設けられている。
【0033】ステップ6−2は、ICチップ1の周辺電
極7を、それと対応する位置に設けられた配列変換基板
2の電極とを重ね合わせて熱圧着で接続する工程を示し
ている。ICチップ1に設けた接続用金属はNi/Au
のめっき膜であり、配列変換基板2の電極はSnめっき
膜でできている。そこで、ICチップ1に20kg/c
2前後の圧力を印加しながら、温度をAu−Snの共
晶温度である217℃以上に加熱すると、Au−Snの
拡散接合によりお互いの電極が接続できる。次に配列変
換基板2の周辺に設けられた検査用電極22を用いてI
Cの機能検査を行う。検査の結果、良品となったIC
は、ICチップ1と配列変換基板2の隙間にエポキシ樹
脂23等を充填して接合部の機械強度を補強する。ステ
ップ6−3はエポキシ樹脂23を充填した状態を示す。
【0034】次に、ステップ6−4では、ICチップ1
のチップサイズに合わせて配列変換基板2を切断した状
態を示す。さらに、配列変換基板2の裏面に設けたFC
用電極4にはんだボールを搭載してリフロ−(溶融)す
ることによりはんだバンプ5を形成する。この状態をス
テップ6−5に示しており、チップサイズパッケージ
(CSP)の完成状態を示している。
【0035】〔実施の形態 4〕上記の例では、ICチ
ップ1と配列変換基板2の接続にAu−Snの拡散接合
を用いたが、接続方式として接着性樹脂に金属微粒子を
混ぜた、いわゆる異方性導電シ−ト(ACF)を用いて
接着することも可能である。図7は、本発明のさらに他
の実施形態に係る異方性導電フィルムを用いたチップサ
イズパッケージの部分断面図である。
【0036】図7に示すチップサイズパッケージ(CS
P)は、異方性導電フィルムに係る異方性導電樹脂24
を用いて組み立てたものである。チップサイズに切断さ
れた異方性導電樹脂(ACF)24とICチップ1とを
重ねて圧力10kg/cm2、温度80℃で仮圧着す
る。このチップを配列変換基板2の接続電極7Aと位置
合わせして、圧力20kg/cm2、温度180℃で本
圧着する。
【0037】これにより、ICチップ1と配列変換基板
2とは、電極部で電気的に接続されると同時に電極以外
の場所は異方性導電樹脂24により接着される。このた
め、Au−Snの拡散接合電極を用いた例のように、電
極接合後に樹脂を充填する必要はない。一方、本方式で
は配列変換基板2の接続電極としてはAuめっきの方が
接続抵抗の安定に適しているので、図5のステップ5−
8に相当する工程ではSnめっきの代わりにAuめっき
を行う方が好ましい。
【0038】
【発明の効果】本発明によれば、ICチップと同一サイ
ズの配列変換基板を用いることによりチップの周辺に設
けられた接続電極を格子状に配列された電極に変換でき
るため、電極間隔が広く取れてはんだバンプによるショ
−ト不良が低減できる効果がある。また、ICチップの
周辺に設けた電極数と格子状電極の間に一定の条件を与
えたことにより、スルホ−ル間に通す配線数が均一化で
きて、配線距離の短縮、配線層の低減に効果がある。
【0039】さらに、配列変換基板の外周部に検査用電
極を設け、半導体素子の検査を可能にしたことから、ベ
アチップの利用で問題となるIC回路の品質保証の問題
も解決できる。また、ICチップ上のアルミ電極にNi
/Auめっきを行うことにより、接続方法として熱圧着
や異方性導電フィルムによる安価な接続方法が使用でき
る利点がある。
【0040】これを総合して、本発明によれば、ICチ
ップの周辺部に設けられた接続電極をチップの全面に格
子状に配列した接続電極に、安価で、かつ、最短の配線
距離で変換するための半導体集積回路の電極構造および
その形成方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】配列変換基板の表面パタ−ンを示す平面図であ
る。
【図2】図1の基板の裏面パタ−ンを示す平面図であ
る。
【図3】本発明の一実施の形態に係るチップサイズパッ
ケージの側面図である。
【図4】図3の部分詳細断面図である。
【図5】本発明の他の実施の形態に係るフィルム回路基
板の形成工程を示す工程図である。
【図6】本発明のさらに他の実施形態に係るチップサイ
ズパッケージの組立工程を示す工程図である。
【図7】本発明のさらに他の実施形態に係る異方性導電
フィルムを用いたチップサイズパッケージの部分断面図
である。
【符号の説明】
1…ICチップ、2…配列変換基板、3…接着樹脂、4
…FC用電極、5…はんだバンプ、6…バイアホ−ル、
7…周辺電極、8…アルミニウム配線、9…保護膜、1
0…接続用金属、11…ポリイミドシ−ト、12…表面
銅箔、13…裏面銅箔、14…レジスト膜、15…保護
フィルム、18…ビア、19…表面レジスト、20…裏
面レジスト、21…錫めっき層、22…検査用電極、2
3…エポキシ樹脂、24…異方性導電樹脂、
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 御田 護 茨城県日立市助川町三丁目1番1号 日 立電線株式会社電線工場内 (56)参考文献 特開 昭60−217641(JP,A) 特開 平5−62980(JP,A) 特開 平7−183425(JP,A) 特開 平6−326211(JP,A) 特開 平7−245360(JP,A) 特開 平2−133943(JP,A) 特開 平4−233749(JP,A) 特開 平7−297236(JP,A) 特開 平8−70024(JP,A) 特開 平9−22912(JP,A) 特開 平9−199535(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 23/12 H01L 21/60

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 外部接続電極が周辺部に配置されたチッ
    と、前記チップの周辺電極を格子状電極に再配列する
    電極配列変換用の配線基板とを備えた半導体装置であっ
    、 前記配線基板の配列変換した格子状電極ピッチが、前記
    チップの周辺電極ピッチの整数倍となるようにすると共
    に、前記配線基板をチップサイズと同等に構成したこと
    を特徴とする半導体装置
  2. 【請求項2】 請求項1記載の半導体装置において、 前記チップの周辺部に配置された外部接続電極の一辺あ
    たりの個数が、iを整数(i≧2)としたときに2i
    (2i−1)の関数で示すことができ、かつ、この電極を
    等間隔に、前記チツプの4辺に同数づつ配置したことを
    特徴とする半導体装置
  3. 【請求項3】 請求項1記載の半導体装置において、 前記電極配列変換用の配線基板に可撓性のフィルム回路
    を用いたことを特徴とする半導体装置
  4. 【請求項4】 外部接続電極が素子の周辺部に配置され
    たチップと、前記チップの周辺電極を格子状電極に再配
    列する電極配列変換用のフィルム回路配線基板とを備え
    た半導体装置の製造方法であって、前記配線基板に前記
    チップが搭載される領域の外側に、検査用電極を設ける
    第一の工程と、前記検査用電極を用いて前記チップの機
    能検査を行う第二の工程と、前記検査用電極を切断、除
    去して前記チップと同等サイズの配線基板に形成する第
    三の工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造
    方法。
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