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JP6450181B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体装置およびその製造方法に係わり、特に、大型のパネルスケールで薄膜配線工程及び組立工程を行なう、Panel scale Fan-out package 構造を有する半導体装置に係るものである。
近年の電子機器の高機能化および軽薄短小化の要求に伴い、電子部品の高密度集積化、さらには高密度実装化が進んできており、これらの電子機器に使用される半導体装置は従来にも増して小型化が進んできている。
ＬＳＩユニットやＩＣモジュールのような半導体装置を製造する方法としては、まず、保持板上に、電気特性試験で良品と判定された半導体チップの複数個を、素子回路面を下にして所定の配列で配置し貼り付けた後、その上に、例えば樹脂シートを配置し加熱・加圧してモールドして複数個の半導体チップを一括して樹脂封止し、次いで、保持板を剥がし、樹脂封止体を所定の形状（例えば円形）に切断・加工した後、樹脂封止体に埋め込まれた半導体チップの素子回路面上に絶縁材料層を形成し、この絶縁材料層に半導体チップの電極パッドの位置に合わせて開口を形成した後、絶縁材料層の上に配線層を形成するとともに、開口内に半導体チップの電極パッドと接続する導電部（ビア部）を形成し、次いで、ソルダーレジスト層の形成、外部電極端子である半田ボールの形成を順に行なった後、半導体チップ１個ごとに切断して個別化して半導体装置を完成する方法がある（例えば、特許文献１参照）。
しかしながら、このようにして得られる従来の半導体装置においては、複数個の半導体チップを一括して樹脂封止する際に、樹脂が硬化により収縮し、かつその収縮量が必ずしも設計通りではないため、半導体チップの配列位置によっては、樹脂硬化後の位置が設計位置からずれることがあり、この位置ずれが生じた半導体チップでは、絶縁材料層の開口に形成されるビア部と半導体チップの電極パッドとに位置ずれが生じるため、接続信頼性が低下するという問題があった。
この課題を解決した半導体装置が特許文献２に記載されている。
この装置の基本的な構造を図８に示す。
半導体装置２０は、金属から構成される支持板（金属平板）１を備えており、その一方の主面に、半導体チップ２が素子回路面（表側面）を上にして配置され、素子回路面と反対側の面（裏側面）が接着剤３により金属平板１に固着されている。そして、金属平板１の主面全体には、半導体チップ２の素子回路面を覆うようにして絶縁材料層４が一層だけ形成されている。この単層の絶縁材料層４の上には、銅等の導電性金属からなる配線層５が形成されており、その一部は半導体チップ２の周辺領域にまで引き出されている。また、半導体チップ２の素子回路面上に形成された絶縁材料層４には、半導体チップ２の電極パッド（図示せず）と配線層５とを電気的に接続する導電部（ビア部）６が形成されている。この導電部６は、配線層５と一括して形成されて一体化されている。また、配線層５の所定の位置には外部電極である半田ボール７が複数個形成されている。さらに、絶縁材料層４の上、および半田ボール７の接合部を除く配線層５の上には、配線保護層（ソルダーレジスト層）８が形成されている。
この装置は近年、益々要求の高まっている電子部品の高密度化、軽薄短小化に大きく貢献するものである。
特開２００３−１９７６６２号公報 特開２０１０−２１９４８９号公報
特許文献２に記載のものでは製造工程内における半導体装置の反りを低減する為に、支持体としてＳＵＳや４２アロイ等からなる厚く硬い金属平板を使用している。
そして、前記の金属平板ところで、近年のＬＳＩでは、その内部搭載素子として、ＭＯＳトランジスタ、バイポーラトランジスタ等の能動素子のほか、抵抗、コンデンサ、インダクタ等の受動素子を形成することが重要になってきている。
しかしながら、金属平板は、ＬＳＩチップ上に形成されるＲＦ回路、例えばＬＮＡ（Low Noise Amplifier）やＶＣＯ（Voltage Controlled Oscillator）で使われるインダクタの特性を悪化させてしまい、デバイスの性能を低下させてしまうという問題がある。金属平板を金属以外の材料にする選択もあるが、放熱特性やＰＫＧの反りが悪化する為、硬い金属を使用しているのが現状である。
本発明は、支持体として金属平板を使用しても金属平板における渦電流の発生を低減し、半導体装置のＲＦ回路のＱ値を向上させた半導体装置を提供することを目的とする。
本発明者らは、鋭意検討を進めた結果、支持体としての金属平板と半導体チップとの間に絶縁材料を介在させることにより上記課題が解決できることを見出して本発明を完成した。
すなわち、本発明は以下に記載する通りのものである。
（１）金属平板と、
前記金属平板の一方の主面に形成された第１絶縁材料層と、
前記第１絶縁材料層の表面に接着層を介して、素子回路面を上にして搭載された、ＲＦ回路が形成された素子回路を有する半導体チップと、
前記半導体チップ及びその周辺を封止する第２絶縁材料層と、
前記第２絶縁材料層内に設けられ、一部が前記半導体チップの周辺領域に延出された配線層と、
前記第２絶縁材料層内に設けられ、前記半導体チップの素子回路面の電極と前記配線層とを接続する導電部と、
前記配線層上に形成された外部電極と
を備えたことを特徴とする半導体装置。
（２）金属平板と、
前記金属平板の一方の主面に形成された第１絶縁材料層と
半導体チップと
前記半導体チップ及びその周辺を封止する第２絶縁材料層と、
前記第２絶縁材料層内に設けられ、一部が前記半導体チップの周辺領域に延出された配線層と
前記第２絶縁材料層内に設けられ、前記半導体チップの素子回路面の電極と前記配線層とを接続する導電部と、
前記第２絶縁材料層内に設けられ前記配線層に電気接続している金属ビアと、を含む半導体装置であって、
前記半導体チップは複数個からなり、
金属平板に最も近い半導体チップは、ＲＦ回路が形成された素子回路を有し、素子回路面を上にして接着層を介して前記第１絶縁材料層の表面に固着されており、
その他の半導体チップは素子回路面と反対側の面を前記金属平板に最も近い半導体チップの前記配線層に向けて前記第２絶縁材料層を形成する絶縁材料を介して積層されていることを特徴とする半導体装置。
（３）前記複数の半導体チップは、半導体チップのＲＦ回路の位置が隣接する半導体チップと重ならないように配置されていることを特徴とする上記（２）に記載の半導体装置。
（４）前記第１絶縁材料層の厚みが２０μｍ以上であることを特徴とする上記（１）〜（３）のいずれかに記載の半導体装置。
（５）前記第１絶縁材料層が２層以上の絶縁材料層からなることを特徴とする上記（１）〜（４）のいずれかに記載の半導体装置。
（６）前記金属平板は前記半導体チップに対向する部分が凹状部を有しており、該凹状部に第１絶縁材料が充填されていることを特徴とする上記（１）〜（４）のいずれかに記載の半導体装置。
本発明の半導体装置は以下に記載する通りの効果を奏することができる。
・金属板を用いた半導体装置のRF回路（インダクタ等）のＱ値を向上させることが出来る。
本発明の実施形態１の半導体装置の断面図である。 本発明の実施形態１の半導体装置の他の態様を示す断面図である。 金属平板と半導体チップとの間にある絶縁材料層の厚みとＱ値との関係を示す図である。 本発明の実施形態２の半導体装置の断面図である。 本発明の実施形態３の半導体装置の断面図である。 本発明の実施形態４の半導体装置の断面図である。 本発明の実施形態５の半導体装置の断面図である。 従来の半導体装置の断面図である。 従来の半導体装置におけるＲＦ回路が発生する磁束の作用を説明する図である。
以下、本発明を実施するための形態について説明する。なお、以下の記載では実施形態を図面に基づいて説明するが、それらの図面は図解のために供されるものであり、本発明はそれらの図面に示されたものに限定されるものではない。
まず、従来の半導体装置を示す図９に基づいて、半導体装置におけるＲＦ回路の性能が低下する原因について説明する。
以下では、半導体基板としてＳｉ基板を使用し、ＲＦ回路としてインダクタを使用した場合を例にとって説明する。
半導体装置を動作させるとインダクタ２３に電流が流れる。
インダクタ２３に電流が流れると図の矢印に示すような磁束（磁界)Ｍが発生する。
発生した磁束ＭがＳｉ基板２１内に入るとＳｉは半導体である為、Ｓｉ基板２１内に矢印で示すような第１の渦電流Ｃ１が発生し第１の電力損失が起る。
また、同様に金属平板１にも磁束がかかる為、第２の渦電流Ｃ２が発生し第２の電力損失が起る。
半導体チップ２が薄いほど、金属平板１がインダクタ２３と近くなって金属平板１に渦電流が発生しやすくなり電力損失が大きくなる。大型のパネルスケールで薄膜配線工程及び組立工程を行なうPanel scale Fan-out package 構造を有する半導体装置においては半導体チップ２の厚みは５０ｕｍ厚と薄いため渦電流が発生しやすい。
上記のようにインダクタ２３が発生する磁束ＭによってＳｉ基板２１及び金属平板１で渦電流Ｃ１、Ｃ２が発生して電力損失が大きくなり、支持体として金属平板を用いない半導体装置に比べてインダクタの特性を示すＱ値を低下させてしまう。
Ｑ値はインダクタの性能指標の一つであり、インダクタにおいて発生する電力損失の程度を表すものである。Ｑ値が大きいほどインダクタの電力損失が少なく高性能なインダクタであるといえる。Ｑ値の向上は高周波の信号を処理する集積回路（ＲＦＩＣ）の性能向上に非常に重要である。特に低消費電力が要求される携帯電話等の機器においてはインダクタのＱ値がわずかに改善することによっても、消費電流を大幅に低減することができるため、Ｑ値の高い高性能なインダクタが必要とされる。
本発明の半導体装置においては、半導体装置における支持体としての金属平板とこの金属平板によって支持される半導体チップとの間に絶縁材料層を介在させることによって、半導体装置に備えられているインダクタのＱ値の低下を防ぐものである。
（実施形態１）
図１は本発明に係る半導体装置の実施形態を示す縦断面図である。
図1に示された半導体装置２０は、金属平板１、半導体チップ２、絶縁材料層４ａ、絶縁材料層４ｂ、配線層５、導電部６及び外部電極７を備えている。
半導体チップ２はシリコン基板２１、電極２２、インダクタ２３、パッシベーション膜２４を有する。パッシベーション膜２４は半導体を不純物の侵入から保護する機能を有し、例えば、酸化シリコン膜（ＳｉＯ２）、窒化シリコン膜（ＳｉＮ）、ポリイミド膜（ＰＩ）から形成されている。
金属平板１の一方の主面はその全面に第１絶縁材料層４ａが形成されている。
この第１絶縁材料層４ａの表面に半導体チップ２の素子回路面と反対側の面が接着剤３によって固着されている。
第１絶縁材料層４ａの表面に固着された半導体チップ２の素子回路面上および金属平板１の主面上に連接して第２絶縁材料層４ｂが形成されている。
半導体チップ２の素子回路面に配置された電極２２上の第２絶縁材料層４ｂには開口が形成されている。この開口内には半導体チップの電極２２と接続されるように導電部６が形成されている。この導電部６は、前記第２絶縁材料層４ｂ上に形成され、一部が半導体チップ２の周辺領域に延出された配線層５と電気的に接続されている。
また、配線層５は外部電極７と電気的に接続されている。
そして、絶縁材料層４ｂの上、および外部電極７の接合部を除く配線層５の上には、配線保護層８が形成されている。配線保護層８は絶縁材料層４ｂの絶縁材料と同種の材料で形成しても良いし、異種の材料で形成しても良い。
図２は図１に示した半導体装置において、第１絶縁材料層４ａの厚みをより大きくしたものである。
第１絶縁材料層４ａの厚みをより大きくすることにより、インダクタ２３と金属平板１との距離が遠くなり、インダクタ２３が発生する磁束によって金属平板１に発生する渦電流が少なくなり、インダクタのＱ値の低下を防ぐことができる。
図３（ａ）は図２に示した半導体装置において、第１絶縁材料層４ａの厚みを変化させたときの周波数とＱ値との関係を示したグラフであり、図２(ｂ)はその部分拡大図である。なお、従来例は第１絶縁材料層４ａを設けなかったものである。
図３に示された結果から、第１絶縁材料層４ａを設けることによって、従来のものよりもＱ値が向上すること及び第１絶縁材料層４ａの厚みが増すにつれてＱ値が向上することすなわち電力損失が小さくなることがわかる。第１絶縁材料層４ａを設けることによって、インダクタ２３と金属平板１との距離が遠くなり、インダクタ２３が発生する磁束によって金属平板１に発生する渦電流が少なくなるためインダクタのＱ値を低下させることがないためである。
また、図３（ｂ）に示されているように、第１絶縁材料層４ａの厚みを２０μｍ以上とすることにより従来例に対し５％以上のＱ値の向上効果が得られることがわかる。
（実施形態２）
図４は、本発明の実施形態２の半導体装置の断面図である。
図４は図１に示した半導体装置において、第１絶縁材料層４ａを絶縁材料層４ａ１及び絶縁材料層４ａ２の２層から構成したものである。また、絶縁材料層を３層以上としてもよい。更に、複数層の絶縁材料層の夫々は同種の材料であっても異種の材料であっても良い。複数層の絶縁材料層を用いることによって第１絶縁材料層の厚みを厚くすることができ、インダクタ２３と金属平板１との距離が遠くなり、インダクタ２３が発生する磁束によって金属平板１に発生する渦電流が少なくなり、インダクタのＱ値の低下を防ぐことができる。
（実施形態３）
図５は、本発明の実施形態３の半導体装置の断面図である。
本実施形態の半導体装置の構成は図１に示した半導体装置において金属平板の構造を変更したものである。
図５に示すように金属平板１の半導体チップ２に対向する側の面に凹状部１１が形成されている。この凹状部１１に第１絶縁材料が充填されると、第１絶縁材料層４ａの厚さが凹状部１１の深さ分だけ増加し、金属平板１と半導体チップ２との距離が更に遠くなる。このため、本実施形態の半導体装置は図２に示した半導体装置に比べて半導体装置全体の厚みを増やすことなく渦電流の発生をより効果的に抑えることができる。
（実施形態４）
図６は、本発明の実施形態４の半導体装置の断面図である。
本実施形態の半導体装置は、２個の半導体チップ２（第１半導体チップ２ａおよび第２半導体チップ２ｂ）が 積層・配置された構造を有する。
実施形態１で示したと同様に金属平板１の一方の主面に第１絶縁材料層４ａが形成されている。
この第１絶縁材料層４ａの表面に第１半導体チップ２ａの素子回路面と反対側の面が接着剤３ａによって固着されている。
第１絶縁材料層４ａの表面に固着された半導体チップ２ａの素子回路面上および金属平板１の主面上に連接して第２絶縁材料層４ｂ１が形成され、半導体チップ２ａが封止されている。
半導体チップ２ａの素子回路面に配置された電極２２上の第２絶縁材料層４ｂ１には開口が形成されている。この開口内には半導体チップ２ａの電極２２と接続されるように導電部６aが形成され、この導電部６aは、前記第２絶縁材料層４ｂ１上に形成され、一部が半導体チップ２の周辺領域に延出された第１配線層５aと電気的に接続されている。
また、第２絶縁材料層４ｂ１の表面には第２半導体チップ２ｂが素子回路面と反対側の面が接着剤３ｂによって固着されている。
そして、半導体チップ２ｂの素子回路面上、第２絶縁材料層４ｂ１の表面、及び後述する層間ビア部１０の接続部を除く第１の配線層５ａの上には、第２絶縁材料層４ｂ２が形成されている。
なお、第２絶縁材料層４ｂ１の材料と第２絶縁材料層４ｂ２の材料とは同種のものでも異種のものでもよい。
半導体チップ２ｂの素子回路面に配置された電極２２上の第２絶縁材料層４ｂ２には開口が形成されている。この開口内には半導体チップ２ｂの電極２２と接続されるように導電部６ｂが形成され、この導電部６ｂは、前記第２絶縁材料層４ｂ２上に形成され、一部が半導体チップ２ｂの周辺領域に延出された第２配線層５ｂと電気的に接続されている。
また、第２の半導体チップ２ｂの周辺領域においては、第２絶縁材料層４ｂ２に開口が形成され、この開口内に第１配線層５ａと第２配線層５ｂとを電気的に接続する層間ビア部１０が形成されている。さらに、第２配線層５ｂの所定の位置には、半田ボール等の外部電極７が形成されており、第２絶縁材料層４ｂ２の上及び外部電極７の接合部を除く第２配線層５ｂの上には、配線保護層８が形成されている。
なお、第２絶縁材料層４ｂ１の上および層間ビア部１０の接続部を除く第１の配線層５ａの上には、層間絶縁保護膜を設けても良い。
このように構成される実施形態４においては、図１に示した半導体装置と同様にＱ値の向上効果が得られる
また、２個の半導体チップ２ａ、２ｂが積層・配置された構造を有しているので、各半導体チップ２の電極と配線層との接続信頼性が高く、電極の微細化への対応が可能な半導体装置を、高い歩留まりで安価に得ることができる。
また、本実施形態においても、実施形態３におけると同様に、金属平板１の半導体チップ２に対向する側の面に凹状部１１を形成し、この凹状部１１に第１絶縁材料が充填してもよい。このようにすることにより第１絶縁材料層４ａの厚さを凹状部１１の深さ分だけ増加させて、金属平板１と半導体チップ２との距離が更に遠くし、渦電流の発生をより効果的に抑えることができる。
なお、実施形態４では２個の半導体チップ２を積層・配置した構造を示したが、３個以上の半導体チップが積層・配置された構造としてもよい。３個以上の半導体チップの積層構造では、第２の配線層５ｂの上に、前記した第２の半導体チップ２ｂと第２の絶縁材料層４、第２の配線層５ｂおよび積層間ビア部１０の 積層構造と同様な構造が、半導体チップの数だけ重ねられる。そして、最上層の配線層上に配線保護層が形成されるとともに所定の位置に外部電極７が形成されて、半導体装置が完成する。
（実施形態５）
図７は、本発明の実施形態５の半導体装置の断面図である。
前記実施形態４の半導体装置においては第１半導体チップ２ａと第２半導体チップ２ｂとが水平方向に重なった状態で配置されている。しかしながら、このような配置とすると 図６に示したように、第１半導体チップ内に設けられたインダクタ２３が発生する磁束によって第２半導体チップ２ｂのＳｉ基板内に第３の渦電流Ｃ３が発生し第３の電力損失が起る。
図７に前記実施形態４における第３の渦電流Ｃ３の発生を防ぐことを可能にした実施形態５の半導体装置を示す。
図７に示す半導体装置においては第１半導体チップ２ａのインダクタ２３の水平位置と第２半導体チップ２ｂの水平位置とが重ならない配置としたものである。
このように配置することにより第１半導体チップ２ａのインダクタ２３が発生する磁束は第２半導体チップ２ｂのＳｉ基板内に第３の渦電流が発生することがない。このため、実施形態３の半導体装置は実施形態２の半導体装置に比べてインダクタのＱ値が向上する。
１ 金属平板
２ 半導体チップ
２ａ 第１半導体チップ
２ｂ 第２半導体チップ
２１ シリコン基板
２２ 電極
２３ ＲＦ回路（インダクタ）
２４ パッシベーション膜
３、３ａ、３ｂ 接着層
４ 絶縁材料層
４ａ 第１絶縁材料層
４ｂ１、４ｂ２ 第２絶縁材料層
５ 配線層
５ａ 第１配線層
５ｂ 第２配線層
６、６ａ、６ｂ 導電部
７ 外部電極、半田ボール
８ 配線保護層
１０ 層間ビア部
１１ 凹状部
２０ 半導体装置
Ｃ１ 第１の渦電流
Ｃ２ 第２の渦電流
Ｃ３ 第３の渦電流
Ｍ 磁束

Claims (6)

  1. 金属平板と、
    前記金属平板の一方の主面に形成された第１絶縁材料層と、
    前記第１絶縁材料層の表面に接着層を介して、素子回路面を上にして搭載された、ＲＦ回路が形成された素子回路を有する半導体チップと、
    前記半導体チップ及びその周辺を封止する第２絶縁材料層と、
    前記第２絶縁材料層内に設けられ、一部が前記半導体チップの周辺領域に延出された配線層と、
    前記第２絶縁材料層内に設けられ、前記半導体チップの素子回路面の電極と前記配線層とを接続する導電部と、
    前記配線層上に形成された外部電極と
    を備えたことを特徴とする半導体装置。
  2. 金属平板と、
    前記金属平板の一方の主面に形成された第１絶縁材料層と
    半導体チップと
    前記半導体チップ及びその周辺を封止する第２絶縁材料層と、
    前記第２絶縁材料層内に設けられ、一部が前記半導体チップの周辺領域に延出された配線層と
    前記第２絶縁材料層内に設けられ、前記半導体チップの素子回路面の電極と前記配線層とを接続する導電部と、
    前記第２絶縁材料層内に設けられ前記配線層に電気接続している金属ビアと、を含む半導体装置であって、
    前記半導体チップは複数個からなり、
    金属平板に最も近い半導体チップは、ＲＦ回路が形成された素子回路を有し、素子回路面を上にして接着層を介して前記第１絶縁材料層の表面に固着されており、
    その他の半導体チップは素子回路面と反対側の面を前記金属平板に最も近い半導体チップの前記配線層に向けて前記第２絶縁材料層を形成する絶縁材料を介して積層されていることを特徴とする半導体装置。
  3. 前記複数の半導体チップは、半導体チップのＲＦ回路の位置が隣接する半導体チップと重ならないように配置されていることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
  4. 前記第１絶縁材料層の厚みが２０μｍ以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の半導体装置。
  5. 前記第１絶縁材料層が２層以上の絶縁材料層からなることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の半導体装置。
  6. 前記金属平板は前記半導体チップに対向する部分が凹状部を有しており、該凹状部に第１絶縁材料が充填されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の半導体装置。
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