JP2008204968A - 半導体パッケージ基板とその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】Ｃｕを主体とする金属層と絶縁性樹脂層との密着性に優れた、実装信頼性の高い半導体パッケージ基板とその製造方法を提供すること。
【解決手段】外部部品と電気的に接続される突起状電極部６を有する、Ｃｕを主体とする金属層４ｂと、金属層４ｂ上の、突起状電極部６の外部部品との接続面を除いた領域に形成され、且つ、突起状電極部の側面を覆う絶縁性樹脂層２と、金属層４ｂと絶縁性樹脂層２との間に形成されたＮｉ合金層４ａと、金属層４ｂの、Ｎｉ合金層４ａが形成された面と反対の面上に形成され、半導体素子が接着される接着層とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体パッケージ基板とその製造方法に関し、特に、Ｃｕを主体とする金属層と絶縁性樹脂層との密着性に優れた、実装信頼性の高い半導体パッケージ基板とその製造方法に関する。

近年、集積回路等の半導体素子の実装技術として、ダイシング前のウエハ状態のまま再配線、電極形成、樹脂封止などの実装を行うＷＬ−ＣＳＰ（Ｗａｆｅｒ Ｌｅｖｅｌ Ｃｈｉｐ Ｓｉｚｅ Ｐａｃｋａｇｅ）の実用化が進んでいる。ＷＬ−ＣＳＰは、ベアチップとほぼ同サイズで配線長が短いことから、小型・薄型・高速という特徴を有しており、例えば携帯電話向けのＣＳＰとして採用されている。

ＷＬ−ＣＳＰとしては、テープ基板を半導体パッケージ基板（再配線、あるいはＩｎｔｅｒｐｏｓｅｒともいう）として用い、半導体ウエハ側の外部接続端子と、半導体パッケージ基板に形成された電極とを接続するフリップチップ接続方式のＣＳＰが知られている。このＣＳＰにおいては、半導体ウエハは半導体パッケージ基板上に接着固定される。半導体ウエハはその後ダイシングされ、半導体チップが接続された半導体パッケージ基板は、半導体パッケージ基板の接合電極に設けられた半田ボールを介して、実装基板であるマザーボードに接続され、実装される。

しかしながら、薄いテープ基板を半導体パッケージ基板として用いた半導体パッケージにおいては、半導体チップと実装基板との線膨張差が大きいことから、使用時の熱によって、両者の熱歪みの差異が大きくなり、半田接合部において半田クラックや断線不良が発生しやすいという問題があった。

上記問題の対策として、半導体パッケージ基板の実装基板との接続電極を、突起状電極とすることによって、半田接合部に生じる応力を緩和することが行われている。突起状電極としては、例えば１００μｍ程度の高さを有するＣｕ等の金属ポストで構成されたものや、金属内部に絶縁性樹脂が充填されたものが提案されている（特許文献１及び２）。これら突起状電極においては、熱応力が加わった際に突起部が撓むことにより、半田接合部に加わる応力を軽減することができる。
近時では、製造コスト及び熱歪みよる耐久性の問題から、金属ポストよりも内部に絶縁性樹脂が充填された構成が主流となっている。

図２を参照して、内部に絶縁性樹脂が充填された突起状電極部を有する従来の半導体パッケージ基板の製造方法を説明する。
図２は、内部に絶縁性樹脂が充填された突起状電極部を有する従来の半導体パッケージ基板の製造工程を示す断面図である。
図２（ａ）に示すように、支持基板としてのＣｕ箔２１上に、絶縁性樹脂層（感光性樹脂層）２２を形成し、次に、図２（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィー技術を用いて、絶縁性樹脂層２２を露光、現像し、突起状電極部を形成する部分の樹脂を除去して孔２３を形成する。

次に、図２（ｃ）に示すように、乾式メッキ法により、絶縁性樹脂層２２表面と孔２３内に、Ｃｕを主体とする金属層２４を形成し、次に、図２（ｄ）に示すように、絶縁性樹脂を用いて、孔３３内への樹脂の充填と、半導体チップを接着するための接着層２５の形成を連続して行う。これにより、内部に樹脂が充填された突起状電極部２６が形成される。

次に、図２（ｅ）に示すように、半導体ウエハ１０を接着層２５に押圧して接着固定し、次いで、図２（ｆ）に示すように、キャリア材料であるＣｕ箔２１を剥離する。以上の工程により、内部に絶縁性樹脂が充填された突起状電極部を有する従来の半導体パッケージ基板が完成する。
半導体ウエハ１０は、その後ダイシングされ、チップサイズのパッケージが形成される。そして、突起状電極部２６の露出面に設けられる半田ボールを介してマザーボードに接続され、実装される。
特許第３４４５４４１号公報 特許第３６５１５９７号公報

上記のように製造された従来の半導体パッケージ基板においては、突起状電極部の側面及び金属層表面が絶縁性樹脂層に覆われており、Ｃｕを主体とする金属層と絶縁性樹脂層とが接触する構造となっている。しかしながら、Ｃｕを主体とする金属層と絶縁性樹脂層との密着性が低いため、絶縁性樹脂層が剥がれやすく、実装信頼性の低下の原因となっている。

本発明の目的は、Ｃｕを主体とする金属層と絶縁性樹脂層との密着性に優れた、実装信頼性の高い半導体パッケージ基板とその製造方法を提供することにある。

上記の課題を解決するための本発明の第１の態様は、外部部品と電気的に接続される突起状電極部を有する、Ｃｕを主体とする金属層と、前記金属層上の、前記突起状電極部の外部部品との接続面を除いた領域に形成され、且つ、前記突起状電極部の側面を覆う絶縁性樹脂層と、前記金属層と前記絶縁性樹脂層との間に形成されたＮｉ合金層と、前記金属層の、前記Ｎｉ合金層が形成された面と反対の面上に形成され、半導体素子が接着される接着層とを有することを特徴とする半導体パッケージ基板である。

本発明の第２の態様は、前記第１の態様に係る半導体パッケージ基板において、前記Ｎｉ合金層がＮｉＣｒ又はＮｉＣｕであることを特徴とする。

本発明の第３の態様は、前記第１又は第２の態様に係る半導体パッケージ基板において、前記絶縁性樹脂層がエポキシ系樹脂、フェノール系樹脂、アクリル系樹脂、ポリイミド系樹脂、アラミド系樹脂、ＬＣＰ系樹脂から選択される少なくとも一種からなる樹脂で構成されていることを特徴とする。

本発明の第４の態様は、前記第１から第３の態様に係る半導体パッケージ基板において、前記突起状電極部は、内部に樹脂が充填されていることを特徴とする。

本発明の第５の態様は、前記第４の態様に係る半導体パッケージ基板において、前記接着層が、前記突起状電極部の内部に充填された樹脂と同一材料で構成されていることを特徴とする。

本発明の第６の態様は、前記第５の態様に係る半導体パッケージ基板において、前記接着層の線膨張係数が、前記絶縁性樹脂層の線膨張係数よりも小さいことを特徴とする。

本発明の第７の態様は、前記第６の態様に係る半導体パッケージ基板において、前記突起状電極部の内部に充填された樹脂の線膨張係数が、７０ｐｐｍ以下であることを特徴とする。

本発明の第８の態様は、支持基板上に第1の絶縁性樹脂層を形成する工程と、前記第１の絶縁性樹脂層から、突起状電極部を形成する部分の樹脂を除去し、前記支持基板に達する孔を形成する工程と、前記第1の絶縁性樹脂層上及び前記孔内にＮｉ合金層を形成する工程と、前記Ｎｉ合金層上に、Ｃｕを主体とする金属層を形成する工程と、前記Ｎｉ合金層及び前記金属層をパターニングして、前記Ｎｉ合金層と前記金属層とからなる２層構造の回路導体を形成する工程と、前記孔内に第２の絶縁性樹脂層を充填し、突起状電極部を形成する工程と、 前記回路導体及び前記孔内に充填された第２の絶縁性樹脂層上に、半導体素子を接着するための接着層を形成する工程と、前記支持基板を前記第1の絶縁性樹脂層から剥離し、前記突起状電極部表面のＮｉ合金層を露出させる工程と、前記突起状電極部表面に露出した部分の前記Ｎｉ合金層を除去する工程とを有する半導体パッケージ基板の製造方法である。

本発明の第９の態様は、前記第８の態様に係る半導体パッケージ基板の製造方法において、前記Ｎｉ合金層をＮｉＣｒ又はＮｉＣｕで形成することを特徴とする。

本発明の第１０の態様は、前記第８又は第９の態様のいずれかに係る半導体パッケージ基板の製造方法において、前記絶縁性樹脂層を、エポキシ系樹脂、フェノール系樹脂、アクリル系樹脂、ポリイミド系樹脂、アラミド系樹脂、ＬＣＰ系樹脂から選択される少なくとも一種からなる樹脂で形成することを特徴とする。

本発明の第１１の態様は、前記第８から第１０の態様のいずれかに係る半導体パッケージ基板の製造方法において、前記第２の絶縁性樹脂層と前記接着層とを、同一材料を用いて連続形成することを特徴とする。

本発明によれば、Ｃｕを主体とする金属層とＮｉ合金層とからなる２層構造の導電層を有し、前記２層構造の導電層のうちＮｉ合金層と絶縁性樹脂層とが接触する。Ｎｉ合金層は、Ｃｕと絶縁性樹脂の両方に対して優れた密着性を有するので、絶縁性樹脂層との密着性を向上させることができ、絶縁性樹脂層の剥がれを防止することが可能になる。しかも、Ｃｕを主体とする金属層と絶縁性樹脂層との間のみに、Ｃｕと絶縁性樹脂の両方に対して優れた密着性を有するＮｉ合金層が介在し、突起状電極部の外部部品との接続面には、半田との濡れ性の低いＮｉ合金層が存在しないので、半田との接合強度を低下させることもない。したがって、実装信頼性を向上させることができる。

また、前記突起状電極部を、内部に樹脂が充填された構造とすることにより、半田接合部に熱応力が加わっても突起状電極部が撓むことができるので、半田接合部に加わる応力を軽減し、半田クラックの発生を防止することができる。

また、半導体素子が接着される接着層と、突起状電極内部に充填された樹脂とを、同一材料で構成することにより、製造プロセスの簡略化が可能になる。

また、接着層の線膨張係数を、絶縁性樹脂層の線膨張係数よりも小さくすることにより、半導体チップと半導体パッケージ基板の導電層とのフリップチップ接合部（バンプ接合）のクラックを防止することが可能になる。すなわち、半導体素子は、接着層によって半導体パッケージ基板に接着固定されることから、硬化した接着層の線膨張係数が大きい場合、温度サイクルにおける応力が、半導体素子と導電層とのフリップチップ接合部に加わり、接合部が破断するおそれがある。本発明の上記構成により、接合部に加わる応力を緩和することができ、フリップチップ接合部の信頼性を確保することが可能になる。

以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る半導体パッケージ基板の製造工程を示す断面図である。

まず、図１（ａ）に示すように、キャリア材料としてのＣｕ箔１上に、絶縁性樹脂層（感光性樹脂層）２を形成する。絶縁性樹脂層２を構成する材料としては、エポキシ系樹脂、フェノール系樹脂、アクリル系樹脂、ポリイミド系樹脂、アラミド系樹脂、ＬＣＰ系樹脂から選択される少なくとも一種からなる樹脂を用いることができる。

次に、図１（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィー技術を用いて、絶縁性樹脂層２を露光、現像して、突起状電極部となる部分の樹脂を除去して孔３を形成する。

次に、図１（ｃ）に示すように、スパッタリング法により、絶縁性樹脂層２表面と、孔３内にＮｉ合金層４ａを形成し、さらに、Ｎｉ合金層４ａ上に、乾式メッキ法により、Ｃｕを主体とする金属層４ｂを形成する。これにより、２層構造の導電層４が形成される。
Ｎｉ合金層４ａを構成する材料としては、ＮｉＣｒ又はＮｉＣｕを用いることができる。

次に、図１（ｄ）に示すように、導電層４をパターニングし、導電層４に半導体チップ側のスタッドバンプと接合するためのバンプ７を形成した後、絶縁性樹脂を用いて、孔３内への樹脂の充填と、接着層５の形成を行う。

上記のような樹脂の充填により、２層構造の導電層４の内部に樹脂が充填された突起状電極部６が形成される。この突起状電極部６は、半田接合部に熱応力が加わっても突起状電極部が撓むことができるので、半田接合部に加わる応力を軽減し、半田クラックの発生を防止できる。

接着層５及び突起状電極部６の内部に充填される樹脂は、同一材料で構成することが好ましい。これにより、突起状電極部６内部への樹脂の充填と、接着層５の形成とを同時に行うことができるので、製造プロセスを簡略化でき、製造コストを低減することができる。

接着層５及び突起状電極部６内部に充填された樹脂を構成する樹脂材料としては、例えば、エポキシ系樹脂、アクリル系樹脂、及びこれらの混合物からなる樹脂を用いることができる。

次に、図１（ｅ）に示すように、ウエハ状態のまま半導体チップ１０を接着層５に押圧し、半導体チップ１０を半導体パッケージ基板に接着固定する。
半導体チップ１０には、例えばＡｌからなる外部接続用の電極パッド１１が設けられており、電極パッド１１には、例えばＡｕからなるスタッドバンプ１２が形成されている。導電層４に形成されたバンプ７と、半導体チップ側のスタッドバンプ１２の接合（フリップチップ接合）により、半導体チップ１０と導電層４とが電気的に接続される。

最後に、図１（ｆ）に示すように、キャリア材料であるＣｕ箔１を剥離して、突起状電極部６表面のＮｉ合金層４ａを露出させる。

次に、図１（ｇ）に示すように、露出した突起電極部６表面のＮｉ合金層４ａを除去する。具体的には、塩酸と硫酸を主体とした混合液により、突起状電極部６表面のＮｉ合金層４ａを除去する。
以上のような工程によって、本実施形態の半導体パッケージ基板が形成される。

半導体ウエハは、その後ダイシングされ、突起状電極部６表面に設けられる半田ボールを介してマザーボードに接続されることになる。この際、半田ボールは、Ｃｕを主体とする金属層４ｂ上に形成される。

本実施形態の半導体パッケージ基板１においては、図１（ｇ）に示すように、突起状電極部６表面を除いて、Ｎｉ合金層４ａが絶縁性樹脂層２に覆われており、２層構造の導電層４のうちＮｉ合金層４ａと絶縁性樹脂層２とが接触する構成となる。Ｎｉ合金層４ａは、Ｃｕと絶縁性樹脂の両方に対して優れた密着性を有するので、絶縁性樹脂層２との密着性を向上させることができ、絶縁性樹脂層の剥がれを防止することが可能になる。したがって、実装信頼性を向上させることができる。しかも、Ｃｕを主体とする金属層４ｂと絶縁性樹脂層２との間のみに、Ｃｕと絶縁性樹脂の両方に対して優れた密着性を有するＮｉ合金層４ａが介在し、突起状電極部６の外部部品との接続面には、半田との濡れ性の低いＮｉ合金層４ａが存在しないので、半田との接合強度を低下させることもない。したがって、実装信頼性を向上させることが可能となる。

接着層５及び突起状電極部６内部に充填された樹脂の線膨張係数は、絶縁性樹脂層４の線膨張係数よりも小さいことが好ましく、例えば、７０ｐｐｍ以下であることが好ましい。このような線膨張係数の関係を達成できる樹脂の組合せとしては、例えば、接着層５及びが突起状電極内部に充填された樹脂がエポキシ系樹脂であり、絶縁性樹脂層４がエポキシ系樹脂とアクリル系樹脂の混合物である場合があげられる。

このように、接着層５及びが突起状電極内部に充填された樹脂の線膨張係数を、絶縁性樹脂層４の線膨張係数よりも小さくすることにより、半導体チップ１０と導電層４とのフリップチップ接合部のクラックを防止することができ、フリップチップ接合部の信頼性を確保することが可能になる。

次に、本発明の半導体パッケージのより詳細な製造例について説明する。
キャリア材料として、厚み３５μｍの電解Ｃｕ箔を用い、Ｃｕ箔の片面にエポキシ系樹脂とアクリル系樹脂の混合物よりなるネガ型感光性絶縁フィルム（以下、ＰＤＦ）をラミネートした。

突起電極となる部分が黒く遮光されるよう設計されたフォトマスクをＰＤＦ上に密着させた状態で、ＵＶ光を照射し、その後、炭酸水素ナトリウム水溶液をスプレーすることによってＰＤＦの未露光部分を除去した。次に、ＰＤＦを完全硬化させるため、ＵＶ照射を行った後、加熱処理を行った。

次に、スパッタリング装置を用いて、ＰＤＦ上に６ｎｍのＮｉＣｒ層、２５０ｎｍのＣｕ層を形成し、その後、電解メッキ法により、Ｃｕ厚みを１８μｍとした。

次に、Ｃｕ層上に厚み２５μｍのパターンエッチング用ドライフィルムをラミネートし、回路パターンマスクをドライフィルム上に密着させた状態でＵＶ光を露光した。その後、炭酸水素ナトリウム水溶液をスプレーすることによってドライフィルムを現像し、その後のエッチング工程にて除去するＣｕ部分が露出するようにした。

次に、裏面のＣｕ箔がエッチングされないようマスキング処理を行った後、塩化第二鉄エッチング液を用いてエッチングを行い、回路導体パターンを形成した。

次に、導体パターン上に厚み２５μｍのメッキレジスト用ドライフィルムをラミネートし、メッキレジストパターンマスクをドライフィルム上に密着させた状態でＵＶ光を露光した。その後、炭酸水素ナトリウム水溶液をスプレーすることによってドライフィルムを現像し、その後の半田メッキ工程にてメッキする部分の回路導体層が露出するようにした。

次に、ＳｎＡｇを電解メッキすることにより、半導体チップ側電極と接続する部分の回路導体層上に厚さ５〜１０μｍのＳｎＡｇ半田層を形成した。

次に、突起電極の内部を充填し、且つ、回路導体層上に厚さ３０μｍとなるようフィルム状エポキシ系接着材層を真空ラミネートした。

半導体チップの電極上には、Ａｕスタッドボンダーを用いて、直径６０μｍ高さ４０〜７０μｍのＡｕスタッドバンプを形成し、半導体チップのＡｕスタッドバンプと、半導体基板のＳｎＡバンプ層の位置が一致するようにアライメントした後、半導体チップを半導体基板へ熱圧着した。

加熱後、接着材層を硬化させ、アンモニア アルカリ系エッチング液を用いて、キャリアＣｕ箔層を除去した。さらに、塩化第二鉄系エッチング液を用いて、突起状電極部表面に露出したＮｉＣｒ層をエッチング除去した。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る半導体パッケージ基板の製造工程を示す断面図である。 図２は、従来の半導体パッケージ基板の製造工程を示す断面図である。

符号の説明

１：Ｃｕ箔
２：絶縁性樹脂層
３：突起状電極部形成用孔
４：導電層
４ａ：Ｎｉ合金層
４ｂ：Ｃｕを主体とする金属層
５：接着層
６：突起状電極部
７：バンプ
１０：半導体チップ
１１：電極パッド
１２：スタッドバンプ

Claims (11)

1. 外部部品と電気的に接続される突起状電極部を有する、Ｃｕを主体とする金属層と、
   前記金属層上の、前記突起状電極部の外部部品との接続面を除いた領域に形成され、且つ、前記突起状電極部の側面を覆う絶縁性樹脂層と、
   前記金属層と前記絶縁性樹脂層との間に形成されたＮｉ合金層と、
   前記金属層の、前記Ｎｉ合金層が形成された面と反対の面上に形成され、半導体素子が接着される接着層と
   を有することを特徴とする半導体パッケージ基板。
2. 前記Ｎｉ合金層がＮｉＣｒ又はＮｉＣｕであることを特徴とする請求項１に記載の半導体パッケージ基板。
3. 前記絶縁性樹脂層が、エポキシ系樹脂、フェノール系樹脂、アクリル系樹脂、ポリイミド系樹脂、アラミド系樹脂、ＬＣＰ系樹脂から選択される少なくとも一種からなる樹脂で構成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体パッケージ基板。
4. 前記突起状電極部は、内部に樹脂が充填されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の半導体パッケージ基板。
5. 前記接着層が、前記突起状電極部の内部に充填された樹脂と同一材料で構成されていることを特徴とする請求項４に記載の半導体パッケージ基板。
6. 前記接着層の線膨張係数が、前記絶縁性樹脂層の線膨張係数よりも小さいことを特徴とする請求項５に記載の半導体パッケージ基板。
7. 前記突起状電極部の内部に充填された樹脂の線膨張係数が、７０ｐｐｍ以下であることを特徴とする請求項６に記載の半導体パッケージ基板。
8. 支持基板上に第1の絶縁性樹脂層を形成する工程と、
   前記第１の絶縁性樹脂層から、突起状電極部を形成する部分の樹脂を除去し、前記支持基板に達する孔を形成する工程と、
   前記第1の絶縁性樹脂層上及び前記孔内にＮｉ合金層を形成する工程と、
   前記Ｎｉ合金層上に、Ｃｕを主体とする金属層を形成する工程と、
   前記Ｎｉ合金層及び前記金属層をパターニングして、前記Ｎｉ合金層と前記金属層とからなる２層構造の回路導体を形成する工程と、
   前記孔内に第２の絶縁性樹脂層を充填し、突起状電極部を形成する工程と、
   前記回路導体及び前記孔内に充填された第２の絶縁性樹脂層上に、半導体素子を接着するための接着層を形成する工程と、
   前記支持基板を前記第1の絶縁性樹脂層から剥離し、前記突起状電極部表面のＮｉ合金層を露出させる工程と、
   前記突起状電極部表面に露出した部分の前記Ｎｉ合金層を除去する工程と
   を有する半導体パッケージ基板の製造方法。
9. 前記Ｎｉ合金層をＮｉＣｒ又はＮｉＣｕで形成す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基板の製造方法。
10. 前記絶縁性樹脂層を、エポキシ系樹脂、フェノール系樹脂、アクリル系樹脂、ポリイミド系樹脂、アラミド系樹脂、ＬＣＰ系樹脂から選択される少なくとも一種からなる樹脂で形成することを特徴とする請求項８又は９に記載の半導体パッケージ基板の製造方法。
11. 前記第２の絶縁性樹脂層と前記接着層とを、同一材料を用いて連続形成することを特徴とする請求項８から１０のいずれか１項に記載の半導体パッケージ基板の製造方法。

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