JP2005094040A - Semiconductor device and mounting structure of semiconductor device - Google Patents
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Abstract
【課題】ウエハレベルで製造できる小型の半導体装置において、半導体素子とプリント回路基板との熱膨張差による歪みに対し、外部端子の信頼性が高く、かつ配線の静電容量を低減して電気的性能に優れた半導体装置を実現する。
【解決手段】低弾性で厚い応力緩和層5が半導体素子1と配線7及びランド6との間に介在することにより半導体素子1とプリント回路基板10との熱膨張差による歪みを吸収して外部端子9の信頼性を向上し、厚い応力緩和層5が介在することにより配線7と半導体素子1の内部配線との間の静電容量を低減して電気的性能を向上する。応力緩和層5が形成されない素子電極2周囲も、配線7と半導体素子1との間に絶縁膜4が介在することでこの部分の静電容量を低減する。プリント回路基板10側のランド11が外部端子9内部に突出しランド11を小型化することで外部端子9の信頼性をさらに向上し外部端子9を狭ピッチ化できる。
【選択図】 図5
In a small-sized semiconductor device that can be manufactured at a wafer level, an external terminal is highly reliable against a distortion caused by a difference in thermal expansion between a semiconductor element and a printed circuit board, and the capacitance of the wiring is reduced to make electrical Realize semiconductor devices with excellent performance.
SOLUTION: A low-elasticity and thick stress relaxation layer 5 is interposed between a semiconductor element 1 and a wiring 7 and a land 6 to absorb distortion caused by a difference in thermal expansion between the semiconductor element 1 and a printed circuit board 10 and externally. The reliability of the terminal 9 is improved, and the thick stress relaxation layer 5 is interposed, so that the capacitance between the wiring 7 and the internal wiring of the semiconductor element 1 is reduced and the electrical performance is improved. Also around the element electrode 2 where the stress relaxation layer 5 is not formed, the insulating film 4 is interposed between the wiring 7 and the semiconductor element 1 to reduce the capacitance of this portion. Since the land 11 on the printed circuit board 10 side protrudes into the external terminal 9 and the land 11 is miniaturized, the reliability of the external terminal 9 can be further improved and the external terminals 9 can be narrowed.
[Selection] Figure 5
Description
本発明は、半導体素子に電気的に接続した外部端子を有する小型の半導体装置と、その半導体装置をプリント回路基板に実装した半導体装置の実装構造体とに関する。 The present invention relates to a small semiconductor device having an external terminal electrically connected to a semiconductor element, and a mounting structure of a semiconductor device in which the semiconductor device is mounted on a printed circuit board.
近年、携帯端末の普及などにより半導体装置を搭載した機器の小型軽量化が進む中で、小型化に対応した半導体装置の開発が必要になっている。 In recent years, with the spread of portable terminals and the like, devices equipped with semiconductor devices are becoming smaller and lighter, and it is necessary to develop semiconductor devices corresponding to the miniaturization.
そのため、半導体装置のサイズを、できるだけ半導体素子のサイズに近づけようとする技術がある。このような技術による半導体装置のパッケージを一般にCSP(チップサイズパッケージまたはチップスケールパッケージの略称)と呼ぶ。 Therefore, there is a technique for making the size of the semiconductor device as close as possible to the size of the semiconductor element. A package of a semiconductor device based on such a technique is generally called CSP (abbreviation of chip size package or chip scale package).
CSPの代表的な構造においては、半導体素子の面内に金属バンプを配置し、この金属バンプを介してプリント回路基板に半導体素子が実装される。金属バンプの材質としては、はんだが最も一般的である。 In a typical structure of a CSP, metal bumps are arranged in the plane of a semiconductor element, and the semiconductor element is mounted on a printed circuit board via the metal bump. Solder is the most common material for the metal bumps.
このように、CSPを基板に実装した実装構造体では、温度変化が与えられると、半導体素子と基板との線膨張係数差に起因した熱変形量差が生じ、半導体素子と基板とに挟まれたはんだバンプに熱歪みが繰り返し発生して、はんだバンプが疲労破壊してしまう。そのため、温度サイクル試験におけるはんだ接続部の寿命確保が問題となる。 As described above, in a mounting structure in which a CSP is mounted on a substrate, when a temperature change is applied, a thermal deformation amount difference due to a difference in coefficient of linear expansion between the semiconductor element and the substrate is generated, and the semiconductor element is sandwiched between the semiconductor element and the substrate. The solder bumps are repeatedly subjected to thermal distortion, and the solder bumps are fatigued. Therefore, securing the life of the solder connection part in the temperature cycle test becomes a problem.
はんだの寿命について考慮されたCSPの従来例としては、例えば、特許文献1において、半導体素子の回路形成面に柔軟材(エラストマ樹脂)を介して外部端子付きのテープを設け、外部端子と半導体素子の電極とを電気的に接続した構造のCSPが記載されている。柔軟なエラストマ樹脂が変形することにより熱歪みを吸収するため、はんだバンプに発生する歪みを低減し、寿命を向上することができる。
As a conventional example of a CSP considering the life of a solder, for example, in
また、特許文献2では、スルーホールを設けたセラミック基板に半導体素子を搭載し、セラミック基板の反対面に電極を設け、プリント回路基板に実装する構造が記載されている。実装するプリント回路基板に比べて線膨張係数が小さいセラミック基板を介することにより、半導体素子とプリント回路基板との間の線膨張係数差を吸収し、はんだバンプの寿命を確保する。
半導体素子は一枚のウエハ上に一度に多数形成されるが、上記のCSPの例は、いずれもウエハから切り出した後の、一つ一つの半導体素子ごとに加工することを前提としたものである。 Many semiconductor elements are formed on a single wafer at a time. However, the above CSP examples are based on the premise that each semiconductor element is processed after being cut out from the wafer. is there.
近年、ウエハの状態のままで、多数の半導体素子に対してパッケージングを行うことにより、より低コストで、半導体素子と同サイズの小型の半導体装置を製造するための技術開発が行われてきている。 In recent years, technological development has been carried out to manufacture a small semiconductor device of the same size as a semiconductor element at a lower cost by packaging a large number of semiconductor elements in a wafer state. Yes.
ウエハ状態のままで製造できるCSPの例が、非特許文献1に提案されている。この文献に記載の半導体装置は、半導体素子上に再配線を形成し、再配線上に約100μmの高さの金属製のビヤポストを形成し、ビヤポストの周囲を樹脂で封止し、ビヤポスト上面にバリヤーメタル層を介して金属バンプを形成している。封止樹脂が半導体素子とプリント回路基板との線膨張係数差を緩和し、金属バンプ接続部に発生する応力を低減する。
An example of a CSP that can be manufactured in a wafer state is proposed in Non-Patent
また、特許文献3において開示されている半導体装置では、半導体素子主面上に、素子電極が配置されている電極配置領域を開口させた低弾性率層を形成し、低弾性率層上に外部電極となるランドを形成し、素子電極の上のパッドとランドと両者を接続する金属配線とを一体化した金属配線パターンが構成され、表面をソルダーレジストで覆い、ランド上を開口して金属ボールを接合している。 Further, in the semiconductor device disclosed in Patent Document 3, a low elastic modulus layer having an electrode arrangement region in which an element electrode is arranged is formed on a main surface of a semiconductor element, and an external portion is formed on the low elastic modulus layer. A metal wiring pattern is formed by forming a land to be an electrode and integrating the pad on the element electrode and the metal wiring for connecting the land, and the surface is covered with a solder resist, and the land is opened to form a metal ball. Are joined.
上記構成においては、低弾性率層の変形により熱応力を吸収できる。また、低弾性率層の開口部付近の端部が斜面状になるように加工されているため、金属配線への応力集中を回避し、断線を防止できる。 In the above configuration, thermal stress can be absorbed by deformation of the low elastic modulus layer. In addition, since the end portion near the opening of the low elastic modulus layer is processed to have a slope shape, stress concentration on the metal wiring can be avoided and disconnection can be prevented.
また、半導体素子主面上のパッド以外の領域に、半導体素子を保護するためのパッシベーション膜をさらに設けても良い。この従来技術は、十分に低弾性で厚い低弾性率層を用いれば、上述の封止樹脂を用いた構造に比べて応力緩和機能が高いと考えられる。 Further, a passivation film for protecting the semiconductor element may be further provided in a region other than the pad on the main surface of the semiconductor element. This conventional technique is considered to have a higher stress relaxation function than a structure using the above-described sealing resin if a sufficiently low elastic and thick low elastic modulus layer is used.
なお、同様の構造で、半導体素子と低弾性率層との間に、両者の線膨張係数の間の線膨張係数を有する樹脂層を介在させることにより、半導体素子と低弾性率層との間の剥離を防止する構造について、特許文献4に記載がある。
In the same structure, a resin layer having a linear expansion coefficient between the semiconductor element and the low elastic modulus layer is interposed between the semiconductor element and the low elastic modulus layer, so that the semiconductor element and the low elastic modulus layer are interposed.
しかしながら、上記従来の半導体装置においては、以下のような問題があると考えられる。 However, the conventional semiconductor device is considered to have the following problems.
上記特許文献3に記載の従来の半導体装置では、低弾性率層の弾性変形によって、半導体素子と実装基板との熱膨張差による応力を吸収するが、これにより金属バンプの信頼性を十分に確保するには、低弾性率層は十分に厚くする必要があると考えられる。 In the conventional semiconductor device described in Patent Document 3, stress due to the difference in thermal expansion between the semiconductor element and the mounting substrate is absorbed by elastic deformation of the low elastic modulus layer, thereby sufficiently ensuring the reliability of the metal bumps. In order to achieve this, it is considered that the low elastic modulus layer needs to be sufficiently thick.
上記従来の半導体装置においては、厚さは10〜150μmであることが望ましいとしている。また、開口部の形成は、低弾性率層を平坦に形成した後に、例えば、散乱光を用いて露光を行い、開口部の側面が垂直では無く斜面状になるようにする。 In the conventional semiconductor device, the thickness is preferably 10 to 150 μm. In addition, the opening is formed after the low elastic modulus layer is formed flat, and then, for example, exposure is performed using scattered light so that the side surface of the opening is not vertical but inclined.
しかしながら、こうした加工を、例えば、厚さ100μm以上の厚い膜に対して行おうとすると、側面の形状を制御し、また底部の開口端を微細な素子電極の端部に近い寸法に制御するためには、非常に高精度な加工技術を要する。 However, if such processing is performed on a thick film having a thickness of 100 μm or more, for example, the shape of the side surface is controlled, and the opening end of the bottom is controlled to a size close to the end of the fine device electrode. Requires very high-precision processing technology.
この従来における半導体装置をウエハレベルで製造することを考えると、厚い低弾性率層をウエハ全面に形成した段階で、ウエハが大きく反ってしまい、反ったウエハ上の全てのチップに対して、上述した高精度な加工を施すのは困難である。 Considering that this conventional semiconductor device is manufactured at the wafer level, the wafer is greatly warped when the thick low elastic modulus layer is formed on the entire surface of the wafer. It is difficult to perform high-precision processing.
また、ウエハレベルで製造するCSPにおける別の課題として、電気的特性の問題がある、ウエハレベルで製造する場合、ウエハの反りの問題などから、あまり厚い樹脂膜を形成しにくいため、パッケージの配線と半導体素子との間に介在する絶縁層の厚さが薄くなりやすく、配線容量が大きくなりやすい。 Another problem with CSP manufactured at the wafer level is that there is a problem with electrical characteristics. When manufacturing at the wafer level, it is difficult to form a thick resin film due to problems such as warpage of the wafer. The thickness of the insulating layer interposed between the semiconductor element and the semiconductor element tends to be thin, and the wiring capacity tends to increase.
配線容量が増大すると、信号線に大きなノイズが発生し、デバイスが誤動作する恐れがある。よって、いかにパッケージ配線と半導体素子表面との間の絶縁層の厚さを確保するかが課題となる。 When the wiring capacitance increases, a large noise is generated in the signal line, and the device may malfunction. Therefore, how to secure the thickness of the insulating layer between the package wiring and the surface of the semiconductor element becomes a problem.
また、特許文献4記載の技術は、半導体チップと低弾性率層との間に樹脂層が介在する半導体装置についてのものであり、半導体チップと低弾性率層との弾性率および線膨張係数の差が大きいために、両者の界面に応力が集中して、亀裂や剥離が起こるのを防ぐために、半導体チップと低弾性率層との間の弾性率および線膨張係数を有する樹脂膜を介在させて、応力を緩和するというものである。
The technique described in
上記特許文献4記載の半導体装置における樹脂膜は、素子電極配置領域に開口部を有し、その開口部端部は、低弾性率層の開口部端部と比較して、素子電極中央部から見てほぼ同じ位置か、あるいは遠い位置にあるため、素子電極周囲で配線がパッシベーション膜上に直接形成されている。
The resin film in the semiconductor device described in
このように、配線がパッシベーション膜上に直接形成されると、パッシベーション膜は、無機の膜であり厚く形成することは困難であるため、この配線とパッケージ配線との間の静電容量が大となってしまう。 As described above, when the wiring is directly formed on the passivation film, the passivation film is an inorganic film and is difficult to form thickly. Therefore, the capacitance between the wiring and the package wiring is large. turn into.
これでは、今後、半導体装置の動作が高速となった場合に、半導体装置の配線とパッケージ配線との間の静電容量により、誤動作が生じる恐れがある。 In this case, when the operation of the semiconductor device becomes faster in the future, malfunction may occur due to the capacitance between the wiring of the semiconductor device and the package wiring.
また、上記従来の半導体装置では、外縁部において、半導体素子端部と低弾性率層およびソルダーレジストの端部とが一致した形状となっている。そのため、この半導体装置をウエハレベルで製造したときに、最後にダイシングをしてウエハから一つ一つの半導体装置に切り出す際に、硬さが大きく異なる樹脂膜と半導体素子とを同時に切断することになる。すると、樹脂膜と半導体素子との界面付近がダメージを受け、半導体素子にクラックが発生したり、界面が剥離したりする恐れがある。 Moreover, in the said conventional semiconductor device, it has the shape where the edge part of the semiconductor element and the edge part of the low elastic modulus layer and the soldering resist corresponded in the outer edge part. Therefore, when this semiconductor device is manufactured at the wafer level, the resin film and the semiconductor element having greatly different hardnesses are simultaneously cut when the wafer is finally diced and cut into individual semiconductor devices from the wafer. Become. Then, the vicinity of the interface between the resin film and the semiconductor element may be damaged, and the semiconductor element may be cracked or the interface may be peeled off.
本発明の目的は、上記課題を解決し、信頼性が高く、かつ電気的特性にも優れ、ウエハレベルで製造可能な半導体装置および半導体装置の実装構造体を実現することである。 An object of the present invention is to solve the above-described problems, and to realize a semiconductor device and a mounting structure of the semiconductor device that can be manufactured at a wafer level with high reliability and excellent electrical characteristics.
上記目的を達成するため、本発明の半導体装置は基本的に以下のように構成される。
(1)半導体素子と、この半導体素子と外部との電気的接続を行うための導電性のランドと、このランド上に開口部を有し、最表面に形成される表面保護膜と、上記ランドに接合される外部端子を少なくとも有する半導体装置を、外部端子接合用の導電性のランドと、このランド上に開口部を有する表面保護膜を少なくと有するプリント回路基板に、上記外部端子を介して接続した半導体装置の実装構造体において、上記半導体装置側では、上記表面保護膜の開口部が上記ランドの端部よりも内側に形成され、上記プリント回路基板では、上記ランドが上記表面保護膜の開口部端部よりも内側に形成され、かつ半導体装置側の表面保護膜の開口部の径よりも、プリント回路基板側のランドの径の方が小さい。
In order to achieve the above object, the semiconductor device of the present invention is basically configured as follows.
(1) A semiconductor element, a conductive land for electrical connection between the semiconductor element and the outside, a surface protective film having an opening on the land and formed on the outermost surface, and the land A semiconductor device having at least an external terminal bonded to a printed circuit board having at least a conductive land for bonding an external terminal and a surface protective film having an opening on the land via the external terminal. In the connected semiconductor device mounting structure, on the semiconductor device side, the opening of the surface protection film is formed inside the end of the land, and in the printed circuit board, the land is formed of the surface protection film. The diameter of the land on the printed circuit board side is smaller than the diameter of the opening of the surface protective film on the semiconductor device side, which is formed inside the end of the opening.
上記本発明の半導体装置において、パッシベーション膜は半導体素子を保護するために形成される、SiN、SiO2等の無機の膜であり、厚さはせいぜい1μmである。 In the semiconductor device of the present invention, the passivation film is an inorganic film such as SiN or SiO 2 formed to protect the semiconductor element and has a thickness of 1 μm at most.
応力緩和層は、縦弾性係数が2000MPa程度以下の低弾性の樹脂材料を用い、厚さを40μm程度以上に厚く形成する。半導体装置をプリント回路基板に実装した際の、半導体素子とプリント回路基板との熱膨張差による歪みを、この応力緩和層により吸収できるため、外部端子に発生する歪みを低減し、高い信頼性を実現することができる。 The stress relaxation layer is formed using a low elastic resin material having a longitudinal elastic modulus of about 2000 MPa or less and a thickness of about 40 μm or more. This stress relaxation layer can absorb the distortion caused by the difference in thermal expansion between the semiconductor element and the printed circuit board when the semiconductor device is mounted on the printed circuit board, reducing the distortion generated in the external terminals and increasing the reliability. Can be realized.
応力緩和層は、印刷法を用いて、素子電極上を除いた部分に塗布して形成する。塗布された段階で既に開口部が形成されているため、開口部を除去する工程が必要なく、よって、上述したような、反ったウエハに対する加工が困難であるといった問題が発生しない。 The stress relaxation layer is formed by applying to a portion other than the element electrode using a printing method. Since the opening is already formed at the stage of application, there is no need for a step of removing the opening, so that the above-described problem that it is difficult to process a warped wafer does not occur.
また、塗布された応力緩和層の開口部の端部は、流動してなだらかな斜面状になる。端部が斜面状になることにより、応力緩和層が厚くても、その段差に配線を形成することが容易となり、また段差部に形成される配線への応力集中が低減して、配線の信頼性が高い。 Moreover, the edge part of the opening part of the apply | coated stress relaxation layer flows, and becomes a gentle slope shape. By forming the edge part into a slope, it is easy to form wiring at the step even if the stress relaxation layer is thick, and stress concentration on the wiring formed at the step part is reduced. High nature.
一方で、端部が流動して斜面状になる部分は比較的距離が大きいので、開口部の寸法を高精度に制御することは困難である。素子電極上を確実に開口するため、応力緩和層の開口部端部は、素子電極から十分に離れた位置に形成する必要がある。 On the other hand, the portion where the end portion flows and becomes inclined has a relatively large distance, so that it is difficult to control the size of the opening with high accuracy. In order to surely open the element electrode, it is necessary to form the opening end of the stress relaxation layer at a position sufficiently away from the element electrode.
このとき、素子電極付近の応力緩和層が形成されない部分、および応力層緩和層の斜面の比較的裾野に近い部分では、配線と半導体素子表面との距離が小さくなるため、この部分の配線の静電容量の増大が懸念される。 At this time, since the distance between the wiring and the surface of the semiconductor element is small in the portion where the stress relaxation layer near the element electrode is not formed and in the portion near the base of the slope of the stress layer relaxation layer, the wiring in this portion is static. There is concern about an increase in electric capacity.
そこで、本発明では、応力緩和層とパッシベーション膜との間に介在する絶縁膜を形成し、素子電極付近においても、配線と半導体素子表面との間にこの絶縁膜を介在させることにより、配線容量の増大を防ぎ、電気的特性に優れた半導体装置を実現する。 Therefore, in the present invention, an insulating film interposed between the stress relaxation layer and the passivation film is formed, and this insulating film is interposed between the wiring and the surface of the semiconductor element even in the vicinity of the element electrode, thereby reducing the wiring capacitance. The semiconductor device with excellent electrical characteristics is realized.
絶縁膜の厚さは、半導体装置に要求される電気的特性レベルに合わせて調整すればよく、3〜20μm程度にする。素子電極上において、絶縁膜の開口部はパッシベーション膜の開口部よりも内側に形成する。 The thickness of the insulating film may be adjusted according to the electrical characteristic level required for the semiconductor device, and is about 3 to 20 μm. On the element electrode, the opening of the insulating film is formed inside the opening of the passivation film.
これにより、素子電極上から引出される配線は、パッシベーション膜上を経ずに、すぐに絶縁膜上に立ち上がるため、電気的特性上有利である。また、パッシベーション膜の開口部を内側にすると、パッシベーション膜の端部が絶縁膜の端部から突き出た形状となるため、この部分で配線に応力集中が起こり、断線することが懸念されるためである。また、微細な素子電極上に開口部を形成する必要があるため、絶縁膜の開口部には、例えばフォトリソグラフィなどの高精度な加工法を用いる。 As a result, the wiring drawn from the element electrode rises immediately on the insulating film without passing through the passivation film, which is advantageous in terms of electrical characteristics. In addition, if the opening of the passivation film is on the inside, the end of the passivation film protrudes from the end of the insulating film, so stress concentration may occur in the wiring at this part, and there is a concern about disconnection. is there. Further, since it is necessary to form an opening on a fine element electrode, a highly accurate processing method such as photolithography is used for the opening of the insulating film.
本発明の半導体装置における絶縁膜は、素子電極付近の配線と半導体素子表面との間に介在し、配線の静電容量を低減するために形成されるものである。 The insulating film in the semiconductor device of the present invention is interposed between the wiring near the element electrode and the surface of the semiconductor element, and is formed to reduce the capacitance of the wiring.
本発明の半導体装置はウエハレベルでの製造を可能にするものであり、例えば、次のようなプロセスにより製造することができる。 The semiconductor device of the present invention can be manufactured at the wafer level, and can be manufactured, for example, by the following process.
多数の半導体素子が形成されたウエハ表面に、パッシベーション膜が形成され、素子電極上が開口している。その上に、まず、絶縁膜となる感光性の樹脂材料をスピンコートによりウエハ一面に塗布し、素子電極上にフォトリソグラフィを用いて開口部を形成する。 A passivation film is formed on the wafer surface on which a large number of semiconductor elements are formed, and the element electrodes are opened. Further, a photosensitive resin material to be an insulating film is first applied on the entire surface of the wafer by spin coating, and an opening is formed on the device electrode using photolithography.
次に、応力緩和層となる樹脂材料を、印刷によりウエハ一面に塗布する。印刷時に用いるスクリーンマスクは、素子電極形成領域をマスクするパターンを有し、印刷と同時に素子電極形成領域に開口部が形成される。応力緩和層の端部が流動して斜面状になるまで放置した後、乾燥する。 Next, a resin material to be a stress relaxation layer is applied to the entire surface of the wafer by printing. The screen mask used at the time of printing has a pattern for masking the element electrode formation region, and an opening is formed in the element electrode formation region simultaneously with printing. It is allowed to stand until the end of the stress relaxation layer flows to form a slope, and then dried.
次に、応力緩和層上のランドおよび素子電極からランドに連なる配線を、薄膜プロセスを用いてウエハ一面に一括して形成する。ウエハ一面にスパッタリングにより金属種膜を形成し、その上にフォトレジストをスピンコートで塗布して、フォトリソグラフィにより配線およびランドのパターンを開口し、そのレジストパターンをガイドに、電気メッキにより配線およびランドを形成し、フォトレジストを剥離して、金属種膜をエッチングにより除去すると、電気メッキした部分が残り、配線とランドとが形成される。 Next, lands on the stress relaxation layer and wirings extending from the element electrodes to the lands are collectively formed on the entire surface of the wafer using a thin film process. A metal seed film is formed on the entire surface of the wafer by sputtering, a photoresist is applied thereon by spin coating, a wiring and land pattern is opened by photolithography, the resist pattern is used as a guide, and the wiring and land are formed by electroplating. When the photoresist is peeled off and the metal seed film is removed by etching, the electroplated portion remains and wiring and lands are formed.
次に、表面保護膜となる感光性の樹脂材料を、ウエハ一面にスピンコートや印刷等により形成し、フォトリソグラフィでランド上に開口部を形成する。次に、はんだボールをランド上の開口部にマスクを用いて搭載し、リフローにより溶かして、ランドに接合する。最後に、ダイシングして、一つ一つの半導体装置に切り出す。 Next, a photosensitive resin material to be a surface protective film is formed on the entire surface of the wafer by spin coating or printing, and an opening is formed on the land by photolithography. Next, the solder ball is mounted on the opening on the land using a mask, melted by reflow, and bonded to the land. Finally, dicing is performed to cut out each semiconductor device.
このように、本発明の半導体装置をウエハプロセスにより形成する場合、最後にダイサーによりウエハを切断し、一つ一つの半導体装置に切り離す必要があるが、カッターで切断するライン(スクライブラインと呼ぶ)上に、絶縁膜、応力緩和層、表面保護膜などの樹脂膜が存在すると、硬さが大きく異なる樹脂膜と半導体素子とを同時に切断することになる。すると、樹脂膜と半導体素子との界面が剥離したり、界面付近で半導体素子にクラックが入るなどのダメージが発生する恐れがある。 Thus, when the semiconductor device of the present invention is formed by a wafer process, it is necessary to finally cut the wafer by a dicer and separate it into individual semiconductor devices, but a line to be cut by a cutter (referred to as a scribe line). If a resin film such as an insulating film, a stress relaxation layer, or a surface protective film is present on the top, the resin film and the semiconductor element having greatly different hardnesses are simultaneously cut. Then, the interface between the resin film and the semiconductor element may be peeled off, or damage such as a crack may occur in the semiconductor element near the interface may occur.
そこで、本発明の半導体装置では、好ましくは、半導体装置の端部において、絶縁膜、応力緩和層、表面保護膜の端部が、半導体素子の端部よりも内側になるように形成する。こうすることにより、スクライブエリアに樹脂膜が存在しないようにして、ダイシング時のダメージを低減することができる。 Therefore, in the semiconductor device of the present invention, preferably, the end portions of the insulating film, the stress relaxation layer, and the surface protective film are formed at the end portions of the semiconductor device so as to be inside the end portions of the semiconductor elements. By doing so, the resin film does not exist in the scribe area, and damage during dicing can be reduced.
本発明の半導体装置は、半導体素子主表面が、厚い応力緩和層により覆われているため、半導体デバイスの誤動作の原因となる恐れのある、はんだバンプから発生するα線や、外部から侵入してくる光を遮ることができ、α線や光に対して信頼性の高い半導体装置である。 In the semiconductor device of the present invention, the main surface of the semiconductor element is covered with a thick stress relaxation layer, which may cause malfunction of the semiconductor device. It is a semiconductor device that can block incoming light and has high reliability with respect to α rays and light.
しかしながら、素子電極形成領域付近には応力緩和層がないため、この部分からのα線および光の侵入が問題になる。本発明の半導体装置では、素子電極形成領域には絶縁膜が形成されているため、絶縁膜によってある程度α腺および光を遮ることができる。 However, since there is no stress relaxation layer in the vicinity of the element electrode formation region, intrusion of α rays and light from this portion becomes a problem. In the semiconductor device of the present invention, since the insulating film is formed in the element electrode formation region, the α gland and light can be blocked to some extent by the insulating film.
また、絶縁膜の厚さが不十分な場合には、好ましくは、表面保護膜の厚さを、素子電極形成領域上において、応力緩和層の平坦部上よりも厚く形成することにより、絶縁膜と表面保護膜とを合わせて、α線および光を遮るのに必要な厚さを確保する。 Further, when the thickness of the insulating film is insufficient, preferably, the surface protective film is formed thicker on the element electrode formation region than on the flat portion of the stress relaxation layer. And the surface protective film are combined to ensure the thickness necessary to block α rays and light.
本発明によれば、信頼性が高く、かつ電気的特性にも優れ、ウエハレベルで製造可能な半導体装置の実装構造体を実現することができる。 According to the present invention, it is possible to realize a mounting structure of a semiconductor device that has high reliability and excellent electrical characteristics and can be manufactured at a wafer level.
つまり、本発明は、ウエハ状態のまま製造することが可能な小型の半導体装置の構造に関するものであり、低弾性で厚い応力緩和層が半導体素子と配線およびランドとの間に介在することにより、温度サイクルにおける半導体素子とプリント回路基板との熱膨張差によるひずみを吸収して外部端子の信頼性を向上するとともに、配線と半導体素子内部配線との間の静電容量を低減して電気的性能を向上することができる。 That is, the present invention relates to a structure of a small semiconductor device that can be manufactured in a wafer state, and a low-elasticity and thick stress relaxation layer is interposed between a semiconductor element, a wiring, and a land. Improves the reliability of external terminals by absorbing strain due to the difference in thermal expansion between the semiconductor element and the printed circuit board during temperature cycling, and reduces the capacitance between the wiring and the internal wiring of the semiconductor element to improve electrical performance Can be improved.
さらに、応力緩和層が形成されない素子電極周囲においても、配線と半導体素子との間に絶縁膜が介在することにより、この部分の静電容量を低減するよう考慮されている。 Further, even in the vicinity of the element electrode where the stress relaxation layer is not formed, an insulating film is interposed between the wiring and the semiconductor element, so that the capacitance of this portion is considered to be reduced.
また、本発明の半導体装置をプリント回路基板に実装した実装構造体において、プリント回路基板側のランドが外部端子の内部に突出した構造とし、このランドを小径化することにより、外部端子の信頼性をさらに向上し、かつ外部端子を狭ピッチ化できる。 Further, in the mounting structure in which the semiconductor device of the present invention is mounted on the printed circuit board, the land on the printed circuit board side protrudes into the external terminal, and the reliability of the external terminal is reduced by reducing the diameter of the land. Can be further improved, and the pitch of the external terminals can be reduced.
以下、本発明の実施形態を添付図面を用いて説明する。
本発明の半導体装置の第1の実施形態を、図1、図2を用いて説明する。図1は第1の実施形態を示す断面図、図2は第1の実施形態において、部分的に外部端子と表面保護膜を取り除いた状態を示す平面図である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
A semiconductor device according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a cross-sectional view showing the first embodiment, and FIG. 2 is a plan view showing a state in which the external terminals and the surface protective film are partially removed in the first embodiment.
本発明の第1の実施形態の半導体装置14は、半導体素子1と、半導体素子1の表面に形成されている素子電極2と、半導体素子1の表面に形成され素子電極2上に開口部を有するパッシベーション膜3と、パッシベーション膜3上に、素子電極2表面が露出するように形成された絶縁膜4と、素子電極2が露出するように絶縁膜4上に形成された応力緩和層5と、応力緩和層5上に形成された導電性のランド6と、素子電極2とランド6とを接続する導電性の配線7と、半導体装置14の最表面に形成され、ランド6上に開口部を有する表面保護膜8と、ランド6に接合された導電性の外部端子9とを備えている。
The
パッシベーション膜3、絶縁膜4、応力緩和層5にそれぞれ形成される開口部の端部は、素子電極2の中央からの距離において、絶縁膜4、パッシベーション膜3、応力緩和層5の順に近くになるように形成される。
The ends of the openings formed in the passivation film 3, the insulating
半導体素子1は、内部にキャパシタなどのデバイス構造やそれらを接続する配線層や絶縁層などが多数形成されているもので、外部と電気的接続をするための素子電極2を表面に有し、素子電極2上に開口部を有する薄い無機のパッシベーション膜3で覆われている。
The
本発明の第1の実施形態は、素子電極2が半導体素子1の中央部に1列に配列されている場合の例で示している。
The first embodiment of the present invention shows an example in which the
本発明の半導体装置では、外部端子9の接続用のランド6は、応力緩和層5の上に形成されており、すべての外部端子9の直下には、半導体素子1との間に応力緩和層5が介在する。応力緩和層5は、弾性率が小さい材料で、厚く形成されており、これにより、本発明の第1の実施形態の半導体装置をプリント回路基板に実装して使用したときの、半導体素子1とプリント回路基板との熱膨張差に起因する熱歪みを、応力緩和層5の変形により吸収し、外部端子9の、温度サイクルに対する寿命を向上することができる。
In the semiconductor device of the present invention, the lands 6 for connection to the external terminals 9 are formed on the
また、応力緩和層5の開口部端部は、なだらかな斜面状に形成されている。そのため、端部が垂直な場合と比べて、厚い応力緩和層5の段差への配線形成が容易であり、かつ段差部に形成された配線への応力集中を低減できるので、配線の信頼性が高い。
Moreover, the opening part edge part of the
厚い応力緩和層5に開口部を形成し、かつ開口部端部を斜面状にするために、本発明の半導体装置では、応力緩和層を印刷法を用いて形成する。印刷時に用いるスクリーンマスクに、素子電極2の形成領域上をマスクするパターンを形成しておくことで、印刷と同時に開口部が形成され、かつ、端部は印刷後に流動して、自然に斜面状になる。
In order to form an opening in the thick
本発明の半導体装置をウエハレベルで製造する場合、例えば、応力緩和層をウエハ一面に平坦に形成した後、開口部をフォトリソグラフィなどで除去加工する方法を用いると、平坦に形成した段階でウエハが大きく反ることが懸念され、除去加工を高い精度で行うことが困難である。また、端部をなだらかな斜面状に形成するのは難しい。 When the semiconductor device of the present invention is manufactured at the wafer level, for example, when a method is used in which the stress relaxation layer is formed flat on the entire surface of the wafer and then the opening is removed by photolithography or the like, the wafer is formed at the stage of flat formation. It is difficult to perform removal processing with high accuracy. In addition, it is difficult to form the end in a gentle slope shape.
そこで、印刷法を用いることにより、材料の塗布と同時に開口部が形成されるために、上述のウエハの反りの問題がなく、斜面も効率的に形成できる。また、除去加工の工程が省けるために、コスト低減が図れる。 Therefore, by using the printing method, since the opening is formed simultaneously with the application of the material, the above-described problem of the warp of the wafer is eliminated, and the inclined surface can be efficiently formed. Further, since the removal process can be omitted, the cost can be reduced.
絶縁膜4は、絶縁性の樹脂材料からなり、配線7と半導体素子1表面との間に介在して、両者の間の静電容量を低減する目的のために形成される。
本発明の半導体装置のように、半導体素子上に薄膜を積層して作る半導体装置では、半導体装置の配線と半導体素子内部の配線との近接により、両者の間の静電容量が増大し、信号線に発生するノイズが大きくなり、デバイスが誤動作を起こすことが懸念される。
The insulating
In a semiconductor device made by stacking a thin film on a semiconductor element like the semiconductor device of the present invention, the proximity between the wiring of the semiconductor device and the wiring inside the semiconductor element increases the capacitance between the two, There is a concern that the noise generated on the wire will increase, causing the device to malfunction.
本発明の半導体装置においては、配線7の大部分は、半導体素子1との間に厚い応力緩和層5が介在するため、この部分の静電容量は小さくすることができる。しかしながら、応力緩和層5を上述のように印刷法により形成するため、端部が流動して斜面状になる部分が比較的大きく、端部の位置を高精度に制御することが難しいため、素子電極2上を確実に開口するために、応力緩和層5の端部は素子電極2から十分に離れた位置に形成することになる。
In the semiconductor device of the present invention, most of the wiring 7 has the thick
そのため、素子電極2付近の、応力緩和層5が形成されない部分と、応力緩和層5の斜面の裾野に近い部分においては、配線7と半導体素子1との距離が小さくなり、この部分の配線容量の増大が懸念される。
For this reason, the distance between the wiring 7 and the
そこで、素子電極2付近において、配線7と半導体素子1との間に介在するように絶縁膜4を形成することにより、この部分の配線容量を低減し、電気的特性に優れた半導体装置を実現することができる。
Therefore, by forming the insulating
絶縁膜4の開口部は、パッシベーシション膜3の開口部よりも内側に形成する。これにより、素子電極上から引き出される配線は、パッシべーション膜3上を経ずに、すぐに絶縁膜4上に立ち上がるため、電気的特性上有利である。また、パッシベーション膜3の開口部を内側にすると、パッシベーション膜3の端部が絶縁膜4の端部から突き出た形状となるため、この部分で配線7に応力集中が起こり、断線することが懸念されるためである。
The opening of the insulating
絶縁膜4は、厚いほど静電容量の低減効果が高いが、微細な素子電極2上に開口部を加工する必要があり、例えば、フォトリソグラフィのような高精度の加工法を用いるため、応力緩和層5ほどには厚く形成しない。半導体装置に要求される電気的特性のレベルに応じて、例えば3〜20μm程度の間で厚さを調整すればよい。
As the insulating
ここで、外部端子から発生するα線や、外部環境から侵入する光が、半導体素子に到達すると、デバイスの誤動作の原因になる場合がある。本発明の半導体装置では、厚い応力緩和層5によって、α線や光を十分に遮蔽することができる。
素子電極2付近では、応力緩和層5が無いか、斜面状で薄くなっているが、この部分では、絶縁膜4が形成されており、表面保護膜8と合わせた厚さでα線及び光を遮蔽する。
Here, when alpha rays generated from the external terminal or light entering from the external environment reach the semiconductor element, it may cause malfunction of the device. In the semiconductor device of the present invention, α-rays and light can be sufficiently shielded by the thick
In the vicinity of the
ここで、表面保護膜8の形成工程において、スピンコートや印刷などによって材料を塗布する方法を採用すると、素子電極2付近の開口部には、応力緩和層5の平坦部よりも多めに材料が流れ込んで、応力緩和層5の平坦部上よりも、表面保護膜8の厚さが厚くなり、素子電極2付近の樹脂膜の薄さを補うことができる。
Here, in the step of forming the surface protective film 8, if a method of applying a material by spin coating or printing is employed, a larger amount of material is present in the opening near the
以上のように、α線と光の遮蔽効果の高い半導体装置を実現することができる。 As described above, a semiconductor device having a high shielding effect against α rays and light can be realized.
本発明の半導体装置は、外部端子9の形成までの製造プロセスを、ウエハレベルで行うことが可能であり、それにより、製造プロセスのコストを低減することができる。 In the semiconductor device of the present invention, the manufacturing process up to the formation of the external terminal 9 can be performed at the wafer level, thereby reducing the cost of the manufacturing process.
ウエハレベルでの製造プロセスを用いる場合、外部端子9まで形成してから、ウエハを切断する必要がある。半導体素子1は、材料としては、例えば、Siを主とするもの、あるいは、GaAs、InPのような化合物半導体の場合があるが、こうした半導体素子を切断する際に、切断するスクライブライン上に、絶縁膜4、応力緩和層5、表面保護膜8といった樹脂膜が存在して、これらを硬い半導体素子1と同時に切断すると、端部に切断時のダメージが発生し、半導体素子1の端部にクラックが発生したり、半導体素子1と樹脂膜との間に剥離が起こるなどの恐れがある。そのため、好ましくは、半導体装置の端部において、絶縁膜4、応力緩和層5、表面保護膜8を、半導体素子1の端部よりも内側に形成し、スクライブライン上にこれらの樹脂膜が存在しないようにする。
When using a manufacturing process at the wafer level, it is necessary to form the external terminals 9 and then cut the wafer. The
本願発明者等は、第1の実施形態の構造を有する半導体装置が、ウエハ状態での製造が可能で、また高い信頼性を有することを確かめるため、実際に試作を行った。 The inventors of the present application actually made a prototype to confirm that the semiconductor device having the structure of the first embodiment can be manufactured in a wafer state and has high reliability.
試作した半導体装置の製造プロセスは、次のようなものである。
多数の半導体素子を形成したSiウエハ上に、感光性の樹脂材料をスピンコートにより塗布した後、フォトリソグラフィを用いて素子電極2上の開口部と、スクライブライン上の樹脂を除去して、絶縁膜4を形成した。
The manufacturing process of the prototype semiconductor device is as follows.
After a photosensitive resin material is applied by spin coating on a Si wafer on which a large number of semiconductor elements are formed, the openings on the
次に、応力緩和層5を、素子電極2付近と、スクライブライン上をマスキングするスクリーンマスクを用いて印刷により塗布し、少し放置した後に乾燥させて、端部に斜面を有する形状に形成した。
Next, the
次に、前面に金属種膜をCrおよびCuのスパッタにより形成し、その上に感光性のメッキレジストをスピンコートで塗布して、フォトリソグラフィで配線7およびランド6のパターン部分のレジストを除去し、CuおよびNiの電気メッキで配線7およびランド6を形成し、メッキレジストを剥離して、更に配線7およびランド6のパターン部分以外に残った金属種膜をエッチングによって除去する方法により、配線7およびランド6を形成した。 Next, a metal seed film is formed on the front surface by sputtering of Cr and Cu, a photosensitive plating resist is applied thereon by spin coating, and the resist of the pattern portion of the wiring 7 and land 6 is removed by photolithography. The wiring 7 and the land 6 are formed by electroplating of Cu and Ni, the plating resist is peeled off, and the metal seed film other than the pattern portion of the wiring 7 and the land 6 is further removed by etching. And land 6 was formed.
次に、感光性の樹脂材料をスピンコートにより塗布して表面保護膜を形成し、ランド6上の開口部とスクライブライン上の樹脂を除去した。
次に、ランド6上の開口部にフラックスを塗布し、その上に外部端子9としてボール状のはんだ材を置き、リフロー炉によって加熱して、はんだ材を溶融させて、ランド6と接合した。
Next, a photosensitive resin material was applied by spin coating to form a surface protective film, and the openings on the lands 6 and the resin on the scribe lines were removed.
Next, a flux was applied to the opening on the land 6, and a ball-shaped solder material was placed thereon as the external terminal 9. The solder material was melted by heating in a reflow furnace and joined to the land 6.
最後に、ダイシング装置により、ウエハのスクライブライン上を切断し、個々の半導体装置を得た。 Finally, the dicing machine cut the wafer scribe line to obtain individual semiconductor devices.
なお、製造プロセスおよび構成部材の材料については、上記したものに限られるものではなく、各構成部材を形成する目的が達成でき、その形状が形成できる範囲では、異なる材料およびプロセスが選択される場合もある。 Note that the manufacturing process and the material of the constituent members are not limited to those described above, and the purpose of forming each constituent member can be achieved, and different materials and processes can be selected as long as the shape can be formed. There is also.
例えば、半導体素子を形成したウエハは、Siに限らず、SiGaなどのSi系の化合物や、GaAs、InPなどの化合物半導体が用いられる場合もある。 For example, a wafer on which a semiconductor element is formed is not limited to Si, and a Si-based compound such as SiGa or a compound semiconductor such as GaAs or InP may be used.
素子電極2、第1のランド6、第1の配線7には、銅(Cu)やアルミ(Al)、クロム(Cr)などの材料が単独もしくは複数の材料を用いた合金の状態で用いられ、表面にニッケル(Ni)、金(Au)などのメッキを施す場合もある。
For the
絶縁膜4、応力緩和層5、表面保護膜8の材料としては、例えばポリイミド樹脂、ポリイミドアミド樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ポリエーテルアミドイミド樹脂、アクリル変成エポキシ樹脂、ゴムを配合したエポキシ樹脂、シリコーン樹脂などがある。
Examples of the material of the insulating
外部端子9には、例えばSn-Pb系、Sn-Ag-Cu系、Sn-Ag-Cu-Bi系などのはんだ材料を用いる。 For the external terminal 9, for example, a solder material such as Sn—Pb, Sn—Ag—Cu, or Sn—Ag—Cu—Bi is used.
図3は、本発明の第1の実施形態の半導体装置を、プリント回路基板に実装した状態での断面図である。
図3において、プリント回路基板10は外部端子9の接合用のランド11を有し、最表面に表面保護膜13が形成されており、この表面保護膜13はランド11上に開口部を有する。導電性の配線12(図3では大部分を省略して描いている)によって、プリント回路基板10の内部で、ランド11間が配線されている。
FIG. 3 is a cross-sectional view of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention mounted on a printed circuit board.
In FIG. 3, the printed
本願発明者等は、試作評価に先立って、有限要素法によるシミュレーションを用いて、外部端子9の温度サイクル寿命と、応力緩和層5の厚さおよび弾性率との関係を調べた。
The inventors of the present application examined the relationship between the temperature cycle life of the external terminal 9 and the thickness and elastic modulus of the
その結果を図4のグラフに示す。図4の横軸は応力緩和層5の厚さを示し、応力緩和層5の厚さと縦弾性係数とを変えたときの、外部端子9に発生する相当塑性ひずみ範囲(縦軸)の最大値の変化を示している。
The result is shown in the graph of FIG. The horizontal axis in FIG. 4 indicates the thickness of the
図4から分かるように、応力緩和層5の弾性率を小さく、厚さを厚くするほど外部端子9に発生する歪みは低減し、寿命が長くなることが分かる。ただし、ある一定の信頼性レベルを得るために必要な応力緩和層5の仕様は、半導体素子1のサイズおよび材質、外部端子9のサイズおよび材質、プリント回路基板10の線膨張係数などによって変わってくる。
As can be seen from FIG. 4, as the elastic modulus of the
半導体素子1のサイズが大きくなるほど、また半導体素子1とプリント回路基板10との線膨張係数の差が大きくなるほど、また外部端子9のサイズが小さくなるほど、応力緩和層5は、厚くするか、あるいは弾性率を小さくすることが望ましい。
As the size of the
本願発明者等は、試作した半導体装置を試験用の基板に搭載して温度サイクル試験を行い、本発明の半導体装置の信頼性を評価した。半導体素子のサイズは約10mm角、外部端子であるはんだボールのサイズは直径約400μm、基板は汎用のFR-4基板を使用し、その線膨張係数は約15×10−6/℃である。 The inventors of the present application mounted a prototype semiconductor device on a test substrate and conducted a temperature cycle test to evaluate the reliability of the semiconductor device of the present invention. The size of the semiconductor element is about 10 mm square, the size of the solder ball as an external terminal is about 400 μm in diameter, the substrate is a general-purpose FR-4 substrate, and the linear expansion coefficient is about 15 × 10 −6 / ° C.
−55〜125℃の温度サイクル試験を行った結果、常温(25℃)での縦弾性係数が約2000MPaで、平坦部での厚さが約75μmの仕様、および縦弾性係数が約900MPaで厚さが約40μmの仕様において、外部端子の寿命が約1000回となった。 As a result of performing a temperature cycle test at −55 to 125 ° C., the longitudinal elastic modulus at room temperature (25 ° C.) is about 2000 MPa, the thickness at the flat portion is about 75 μm, and the longitudinal elastic modulus is about 900 MPa and thick. When the length is about 40 μm, the life of the external terminal is about 1000 times.
また、縦弾性係数約900MPa、厚さ約70μmの仕様では、寿命は2500回程度であった。さらに、応力緩和層5を形成しなかった仕様では、寿命は350回程度であった。
Further, in the specification having a longitudinal elastic modulus of about 900 MPa and a thickness of about 70 μm, the life was about 2500 times. Furthermore, in the specification in which the
これらの結果により、応力緩和層5を形成したことにより、外部端子9の寿命を向上する効果があることが分かり、本発明の半導体装置が高い信頼性を有することが分かった。また、1000回以上の寿命を得るためには、応力緩和層5の平坦部において40μm程度以上の厚さが必要である。
From these results, it was found that the formation of the
なお、柔軟な応力緩和層5上に配線7およびランド6が形成される本発明の半導体装置では、応力緩和層5を低弾性にするほど、配線7およびランド6が応力緩和層5の変形に追従して変形するため、これらが破壊することが懸念されるが、上記した試作の仕様では、配線7やランド6の断線は発生せず、本発明の半導体装置によって、配線7およびランド6の信頼性も確保できることが確認できた。
なお、試作品を実装した基板は、一般に用いられている安価なものである。
In the semiconductor device of the present invention in which the wiring 7 and the land 6 are formed on the flexible
In addition, the board | substrate which mounted the prototype is a cheap thing generally used.
本発明の半導体装置は、ピッチの狭い素子電極2から、配線7を引き出すことによりピッチを広げているため、狭ピッチの基板を必要とせず、また応力緩和層5が熱歪みを吸収することにより外部端子9の寿命を向上するため、低熱膨張の基板や、あるいは基板実装後のアンダーフィルなども必要とせず、すなわち、一般的な安価な基板を用いて、はんだリフローのみで実装しても、高い信頼性を有するという特徴がある。
In the semiconductor device of the present invention, the pitch is widened by pulling out the wiring 7 from the
図5は本発明の第2の実施形態である半導体装置を基板に実装した実装構造の断面図である。 FIG. 5 is a sectional view of a mounting structure in which a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention is mounted on a substrate.
この第2の実施形態の構造と図3に示した例の構造との異なるところは、プリント回路基板10側において、表面保護膜13に形成した開口部の径が、ランド11の径よりも大きく、このランド11に外部端子9を接合した状態では、ランド11が外部端子9の内部に突出した形状になっていることである。
The difference between the structure of the second embodiment and the structure of the example shown in FIG. 3 is that the diameter of the opening formed in the surface
図6は、ランド11と表面保護膜13との関係を示す平面図である。そして、図6の(A)が半導体装置14側の平面であり、図6の(B)がプリント回路基板10側の平面である。図6に示すように、配線7および配線12は、ランド6およびランド11との接続部を補強するため、通常、接続部付近を太くする。ここでは、ランドとは円形の部分を示している。
FIG. 6 is a plan view showing the relationship between the land 11 and the surface
図6の(A)に示すように、半導体装置14側では、表面保護膜8の開口部8aは、ランド6上に、ランド6端部よりも内側に形成され、表面保護膜8の開口部の径8bはランド6の径6bよりも小さい。
As shown in FIG. 6A, on the
一方、図6の(B)に示すように、プリント回路基板10側では、ランド11が表面保護膜13の開口部13aの端部よりも内側に形成され、ランド11の径11bは、表面保護膜13の開口部の径13bよりも小さい。
On the other hand, as shown in FIG. 6B, on the printed
温度サイクルによる外部端子9の破壊は、外部端子9の内部において、歪みの集中するランド6あるいはランド11との接続部付近で発生する。図5に示した第2の実施形態のように、プリント回路基板10側でランド11が外部端子9内に突出する形状にすると、その接続部付近の剛性は、半導体装置14側のランド6との接続部付近よりも相対的に高くなる。
The destruction of the external terminal 9 due to the temperature cycle occurs in the vicinity of the connection portion with the land 6 or the land 11 where distortion is concentrated inside the external terminal 9. When the land 11 protrudes into the external terminal 9 on the printed
半導体装置14側とプリント回路基板10側との接続部付近の剛性のバランスが悪いと、一方に歪みが集中して破壊までの寿命が低下してしまうため、両側の剛性のバランスをとることが望ましい。
If the rigidity balance in the vicinity of the connection portion between the
そのため、プリント回路基板10側のランド11の径11bを、半導体装置14側の表面保護膜8の開口部の径8bよりも小さくし、両接続部の剛性のバランスをとる。
Therefore, the diameter 11b of the land 11 on the printed
以上の構成により、図3に示すような、半導体装置14側とプリント回路基板10側ともにランドが外部端子9内に突出しない構造よりも、外部端子9の寿命が向上する。
With the above configuration, the life of the external terminal 9 is improved as compared with the structure in which the land does not protrude into the external terminal 9 on both the
本願発明者等の実験によれば、試作品の温度サイクル試験における外部端子9の寿命は、複数の仕様において10%ほど向上した。 According to the experiments by the inventors of the present application, the life of the external terminal 9 in the temperature cycle test of the prototype improved by about 10% in a plurality of specifications.
また、本発明の第2の実施形態における構成では、図3の例の構成に比べて、基板10側のランド11の径11bを小さくすることができるため、隣接するランド13間の距離を大きくでき、隣接するランド13間を通る配線12の本数を増加できる、あるいは配線本数が同じであれば、ランド間隔を狭め、狭ピッチにできるという特徴がある。
Further, in the configuration according to the second embodiment of the present invention, the diameter 11b of the land 11 on the
本発明の半導体装置では、配線形成にウエハ工程の延長である薄膜配線形成プロセスを用いるため、微細な加工により狭ピッチ化が可能であるが、プリント回路基板10側でそれに対応するためには、高価な基板を使わざるを得ないという問題が起きる。本発明の構成は、微細な加工に限界のある安価な基板でも、ピッチをより狭くできる特徴がある。
In the semiconductor device of the present invention, since a thin film wiring formation process that is an extension of the wafer process is used for wiring formation, it is possible to narrow the pitch by fine processing, but in order to cope with it on the printed
図7は本発明の第3の実施形態の半導体装置を示す平面図である。基本的な構造、材料は第1の実施形態と同様であり、この第3の実施形態と第1の実施形態との異なる部分は、図2で示した配線の平面構造であり、図7の例では第1の実施形態との相違を明確に示すために、図2で示した最表面の表面保護膜8、及び外部端子9は省略してある。 FIG. 7 is a plan view showing a semiconductor device according to a third embodiment of the present invention. The basic structure and material are the same as those in the first embodiment, and the difference between the third embodiment and the first embodiment is the planar structure of the wiring shown in FIG. In the example, in order to clearly show the difference from the first embodiment, the outermost surface protective film 8 and the external terminal 9 shown in FIG. 2 are omitted.
本発明の第3の実施形態における特徴は、半導体素子1上に設けられた電源パッド17、あるいはグランドパッド15からそれぞれ引き出された電源配線18、あるいはグランド配線16の太さが信号パッド19から引き出された信号配線20と比較して著しく太く、かつ図2の例と比較しても両配線領域が占める占有面積が著しく増加している点である。
The feature of the third embodiment of the present invention is that the thickness of the power supply line 18 or the ground line 16 drawn from the
この太線化の主たる目的は、電源、グランド配線抵抗の低減ばかりでなく、両配線の少なくとも一方が必ず各信号配線20と近接することにある。これにより、信号線に数百MHz以上の高周波信号が流れた場合に発生する同時切り替えノイズ等の各種電磁ノイズを低減できる効果がある。
The main purpose of this thickening is not only to reduce the power supply and ground wiring resistance, but also to ensure that at least one of both wirings is in close proximity to each
図8は本発明の第4の実施形態である半導体装置を示す平面図である。基本的な構造、材料は第1の実施形態と同様であり、第1の実施形態と異なる部分は、図2に示す第1の実施形態では、素子電極2が半導体素子の中央部に配列されていたのに対し、第4の実施形態では、素子電極2が半導体素子の周辺部に配置されていることである。
FIG. 8 is a plan view showing a semiconductor device according to the fourth embodiment of the present invention. The basic structure and material are the same as those in the first embodiment. The difference from the first embodiment is that the
第1の実施形態の構造は、外部端子9の数が数十程度で相対的に少ないメモリ系製品に適しており、一方、本発明の第4の実施形態の構造は、外部端子9の数が数百以上のマイコンやロジックLSI系製品に適している。 The structure of the first embodiment is suitable for a memory system product having a few tens of external terminals 9 and relatively few. On the other hand, the structure of the fourth embodiment of the present invention is the number of external terminals 9. Is suitable for hundreds of microcomputers and logic LSI products.
本発明の第4の実施形態においても、素子電極2付近のパッシベーション膜3、絶縁膜4、応力緩和層5の開口部の位置関係は、第1の実施形態の場合と同様である。また、応力緩和層5は周囲が斜面状になるように形成され、斜面の端部が素子電極2にかからないように離した位置に形成する。
Also in the fourth embodiment of the present invention, the positional relationship between the openings of the passivation film 3, the insulating
絶縁膜4の開口部は、パッシベーション膜3の開口部よりも内側に形成し、素子電極2から引き出される配線7が、すぐに絶縁膜4上に立ち上がるようにする。
The opening of the insulating
また、本発明の第4の実施形態においても、第1の実施形態の場合と同様に、樹脂層の端部を半導体素子1の端部より内側に形成することにより、ダイシングのダメージを低減できる。また、表面保護膜8を素子電極2周辺で厚く形成することにより、α線および光の遮蔽に対して優れた半導体装置を実現することができる。
Also in the fourth embodiment of the present invention, the dicing damage can be reduced by forming the end portion of the resin layer inside the end portion of the
また、プリント回路基板10に実装する際に、ランドと表面保護膜との関係を第2の実施形態のように構成することにより、外部端子9の信頼性を向上し、かつ外部端子9を狭ピッチ化することができる。
Further, when mounting on the printed
さらに、第3の実施形態のように、電源配線およびグランド配線を太線化することにより、電磁ノイズに対する信頼性を向上することができる。
図9は本発明の第5の実施形態による半導体装置を示す平面図である。この第5の実施形態は、第4の実施形態と同様に、素子電極2が半導体素子の周辺部に配置されているが、第4の実施形態と異なるのは周辺の4辺のうち対向する2辺に素子電極2が配置されている点である。その他の部分は第4の実施形態と第5の実施形態とは同様となっている。
Furthermore, the reliability against electromagnetic noise can be improved by thickening the power supply wiring and the ground wiring as in the third embodiment.
FIG. 9 is a plan view showing a semiconductor device according to the fifth embodiment of the present invention. In the fifth embodiment, as in the fourth embodiment, the
以上のように、本発明の第1、第4、第5の実施形態において、素子電極2の配置が、それぞれ異なる構造について説明したが、本発明の半導体装置において、素子電極2の配置は、これら第1、第4、第5の実施形態に限られるものではない。
As described above, in the first, fourth, and fifth embodiments of the present invention, the structures of the
上述した以外の配置の場合においても、第1の実施形態の説明において述べたように、素子電極2の付近で、配線7とパッシベーション3との間に絶縁膜4が介在するように構成しても、本発明の効果を得ることができる。
Even in arrangements other than those described above, the insulating
また、本発明の半導体装置は、プリント回路基板に複数実装されてもよい。例えば、本発明の半導体装置の構造を適用したメモリー製品を複数個実装して、より容量の大きいメモリーモジュールを構成したり、また、メモリーやマイコンなど、異なる機能を持つ半導体装置を複数実装することにより、より複雑な機能を持ったモジュールを実現することができる。 A plurality of semiconductor devices of the present invention may be mounted on a printed circuit board. For example, by mounting a plurality of memory products to which the structure of the semiconductor device of the present invention is applied, a memory module having a larger capacity is formed, or a plurality of semiconductor devices having different functions such as a memory and a microcomputer are mounted. Thus, a module having a more complicated function can be realized.
その一例として、図10に本発明の第6の実施形態である半導体装置の実装構造の平面図を示す。これは、プリント基板上に同種のメモリー製品を8個実装した場合の例であり、単体のメモリー容量の8倍の容量を持つメモリーモジュールを実現する。 As an example, FIG. 10 shows a plan view of a semiconductor device mounting structure according to a sixth embodiment of the present invention. This is an example in which eight memory products of the same type are mounted on a printed circuit board, and a memory module having a capacity eight times that of a single memory is realized.
このように、本発明の半導体装置を複数実装した実装構造においては、それぞれの半導体装置が内部に応力緩和層を有するため、温度サイクルに対する外部端子の信頼性が高い。そのため、半導体装置とプリント回路基板との間をアンダーフィル樹脂で封止して外部端子を補強する必要がない。 As described above, in a mounting structure in which a plurality of semiconductor devices of the present invention are mounted, each semiconductor device has a stress relaxation layer inside, and therefore, the reliability of the external terminal with respect to the temperature cycle is high. Therefore, it is not necessary to reinforce the external terminals by sealing the space between the semiconductor device and the printed circuit board with an underfill resin.
アンダーフィル実装を用いると、アンダーフィルした半導体装置が不良であった場合、取り替える(リペアする)ことができないため、実装した基板に加え、その前に実装した他の良品チップをも無駄にしてしまう恐れがある。 When underfill mounting is used, if the underfilled semiconductor device is defective, it cannot be replaced (repaired), and in addition to the mounted substrate, other good chips mounted before that are wasted. There is a fear.
これに対して、本発明の半導体装置によってモジュールを構成すると、半導体装置がリペア可能なので、上述したような問題がない。 On the other hand, when the module is constituted by the semiconductor device of the present invention, the semiconductor device can be repaired, and thus there is no problem as described above.
1 半導体素子
2 半導体素子の素子電極
3 パッシベーション膜
4 絶縁膜
5 応力緩和層
6 ランド
6b ランドの径
7 配線
8 表面保護膜
8a 表面保護膜の開口部
8b 表面保護膜の開口部の径
9 外部端子
10 プリント回路基板
11 ランド
11b ランドの径
12 配線
13 表面保護膜
13a 表面保護膜の開口部
13b 表面保護膜の開口部の径
14 半導体装置
15 グランドパッド
16 グランド配線
17 電源パッド
18 電源配線
19 信号パッド
20 信号配線
DESCRIPTION OF
Claims (1)
上記半導体装置側では、上記表面保護膜の開口部が上記ランドの端部よりも内側に形成され、上記プリント回路基板では、上記ランドが上記表面保護膜の開口部端部よりも内側に形成され、かつ半導体装置側の表面保護膜の開口部の径よりも、プリント回路基板側のランドの径の方が小さいことを特徴とする半導体装置の実装構造体。 A semiconductor element, a conductive land for electrical connection between the semiconductor element and the outside, a surface protective film having an opening on the land and formed on the outermost surface, and bonded to the land A semiconductor device having at least an external terminal connected to a printed circuit board having at least a conductive land for joining an external terminal and a surface protective film having an opening on the land via the external terminal In the mounting structure of
On the semiconductor device side, the opening portion of the surface protective film is formed inside the end portion of the land, and in the printed circuit board, the land is formed inside the opening end portion of the surface protective film. A semiconductor device mounting structure characterized in that the diameter of the land on the printed circuit board side is smaller than the diameter of the opening of the surface protective film on the semiconductor device side.
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