专利名称：使用具有降低布线断开的布线结构的布线衬底的半导体器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种将半导体芯片倒装片连接在布线衬底上的半导 体器件及其制造方法。
背景技术：
已经公开了一种将半导体芯片倒装片连接在布线村底上的半导 体器件(例如，参照专利文献l)。已公开了在种倒装片连接的情况 下，利用对半导体芯片施加擦洗(scrub)，无溶剂(fluxless)地进 行倒装片连接的技术(例如，参照专利文献2)。在布线衬底上形成布线，布线的上部由阻烊剂覆盖(例如，参照 参照专利文献3)。但是，由于半导体芯片和布线衬底在线性膨胀系 数上存在差异，因此，存在由于内部应力而发生的布线衬底上的布线 断开的问题。为了解决该问题，提出了各种方法(例如，参照专利文 献4-6)。图23示出现有半导体器件的平面图。半导体芯片12倒装片连接 在布线衬底ll上。布线衬底ll与半导体芯片12之间的间隙由填充 树脂(under-filling resin) 13填满。在布线衬底11上以及半导体芯 片12周围，形成半导体芯片12间隔开的加强环14。将用于将在半导 体芯片12表面所产生的热量向外部扩散的散热器(未图示)粘合到 该半导体芯片12和加强环14上。图24示出了由图23的虚线所包围的部分的放大平面图。在布线 衬底11上形成布线31和布线层过孔连接区(wiring layer via land ) 32。布线31将布线层过孔连接区32连接到半导体芯片12上。布线 层过孔连接区32位于半导体芯片12与加强环14之间，并形成在离 开半导体芯片12对角线的延长线的lmm宽度的区域中。图25示出现有的布线层过孔连接区和现有布线的剖面图。在布 线衬底11上形成供电图案33和布线层下表面过孔连接区34，而且二 者由空隙区域(clearance region) 35相互隔开。供电图案33和布线 层下表面过孔连接区34由绝缘膜36覆盖。布线层过孔连接区32形 成在绝缘膜36上。布线层下表面过孔连接区34和布线层过孔连接区 32通过穿过绝缘膜36的过孔37相连接。从布线层过孔连接区32引 出的布线31穿越空隙区域35的上部。在现有的半导体器件中，从布 线层过孔连接区32引出的布线31大致与半导体芯片12对角线的延 长线的方向相同。图26示出利用现有的方法将半导体芯片倒装片连接在布线衬底 上的方法。布线31形成在布线衬底11上，布线衬底ll的上部由阻 焊剂41覆盖，并在阻焊剂41上形成开口，使得能够暴露布线31。布 线衬底11的布线31和半导体芯片12的电极43由焊料凸块24相连 接。专利文献1日本/>开专利申请No.2006-12871专利文献2日本7〉开专利申请No.2000-34912专利文献3日本公开专利申请NO.Hei7(1995)-3073专利文献4日本公开专利申请No.Heill(1996)-16320专利文献5日本^>开专利申请No.2000-183469专利文献6日本/>开专利申请No.2001-60600发明内容在现有的半导体器件中，存在从布线层过孔连接区32引出的布 线31在空隙区域35上断开的问题。下述方面可以认为是此问题的因素。1. 由半导体芯片12与布线村底11等的线性膨胀系数的差异而导 致的内部应力集中在离开半导体芯片12的对角线的延长线的lmm宽 度的区域内。2. 在半导体芯片12与加强环14之间，由于在布线衬底11上没 有加强，因此，由所述内部应力导致布线衬底11的变形变大。3. 所述的内部应力在半导体芯片12的对角线的延长线方向上变 得最强。4. 在布线31和布线层过孔连接区32的边界附近，由于布线尺寸 的突然改变，所述的内部应力集中。5. 所述的内部应力集中在将供电图案33与布线层下表面过孔连 接区34的间隔开的空隙区域35上。在利用现有方法进行倒装片连接的半导体器件中，如图26的右 侧所示，存在焊料凸块发生开路失效的问题。该问题被认为是由于因 表面张力而趋向于变成球状的焊料凸块24受到来自于阻焊剂41的开 口 42角部的应力。尤其当在进行倒装片连接的步骤中对半导体芯片 进行擦洗(scrub)时，更易发生焊料凸块的开路失效。本发明是为了解决上述问题而提出的。本发明的第一个目的在 于，获得一种能够避免从布线层过孔连接区所引出的布线的断开的半 导体器件。本发明的第二个目的在于，获得一种能够避免焊料凸块的开路失 效的半导体器件的制造方法。本发明的一个例子的半导体器件具有布线衬底、半导体芯片、填 充树脂、加强环、散热器、形成在布线衬底上并由空隙区域隔开的供 电图案和布线层下表面过孔连接区、绝缘膜、布线层过孔连接区、过 孔、形成在绝缘膜上并穿越空隙区域并连接布线层过孔连接区与半导 体芯片的布线。布线层过孔连接区形成在半导体芯片与加强环之间， 并且形成在离开半导体芯片对角线的延长线的lmm宽度的区域中。线的延长线的角度为大于等于20°。根据该例，能够避免从布线层过孔连接区引出的布线的断开。
图l是本发明第一实施方式的半导体器件的部分剖面透视图。图2是沿图1中的A-A线截取的剖面结构示意图。图3 ~图9是本发明第一实施方式的半导体器件的制造方法的剖面图。图IO是本发明第一实施方式的半导体器件的另一个例子的剖面图。图11是本发明第一实施方式的半导体器件的又一个例子的剖面图。图12是本发明第一实施方式的半导体器件的平面图。 图13是由图12的虛线所包围的部分B的放大平面图。 图14是本发明第一实施方式的从布线层过孔连接区引出的布线 的放大平面图。图15是图14的C-C，剖面图。图16是本发明第二实施方式的布线层过孔连接区与布线的例子 的放大平面图。图17是本发明第二实施方式的布线层过孔连接区与布线的另一 个例子的放大平面图。图18是本发明第三实施方式的布线层过孔连接区与布线的例子 的放大平面图。图19~图22是本发明第四实施方式的半导体器件的制造方法的 剖面示意图。图23是现有半导体器件的平面图。图24是由图23的虚线所包围的部分D的放大平面图。图25是现有布线层过孔连接区与现有布线的剖面图。图26是利用现有方法对布线衬底进行半导体芯片的倒装连接的方法的剖面图。
具体实施方式
第1实施方式
图1为本发明第一实施方式的半导体器件的部分剖面透视图。对
布线衬底11进行半导体芯片12的倒装片连接。布线衬底11与半导 体芯片12之间的间隙由填充树脂13填满。在布线衬底11上和半导 体芯片12周围形成与半导体芯片12间隔开的加强环14。加强环14 是具有在其中心形成了开口的板状构件。开口的形状根据半导体芯片 12的形状而确定。
散热器15粘合到半导体芯片12和加强环14上。散热器15是与 布线衬底11的轮廓大致相同的尺寸的薄板形状。在半导体芯片12中 所产生的热量通过该散热器15而扩散到外部。
在布线衬底11的背面形成焊料球16。通过该焊料球16，布线衬 底11背面侧的外部电极与安装衬底(未图示)相连接。经由布线衬 底11和焊料球16，在半导体芯片12与安装衬底之间进行供电的输入 与信号的输入/输出。
图2是沿图1中的A-A线截取的剖面结构示意图。布线衬底ll 是层叠了多个绝缘层21的多层结构。在每个绝缘层21中，形成多个 布线23和过孔孔22。由于不同绝缘层21的布线23通过过孔22而相 互连接，因而，可以实现半导体器件的小型化。尤其在本实施方式中， 布线衬底11具有在用作布线衬底11的基础材料的厚的核心绝缘层的 两个表面的每个上层压3个薄的内建绝缘层的叠层的结构。在玻璃布 中灌注了环氧系树脂的预浸料坯(prepreg)用作核心绝缘层，具有混 合于其中的硅土填充物的环氧系树脂用作内建绝缘层。也可以使用包 含玻璃布的内建绝缘层。在每个绝缘层21内形成用来电连接上部和 下部布线23的过孔22。在本实施方式中，在厚的核心绝缘层中形成 具有大直径的过孔，而在薄的内建绝缘层内形成具有小直径的过孔。
半导体芯片12的多个电极(未图示)通过焊料凸块24分别与布线衬底11的预定布线电连接。将半导体芯片12与散热器15相粘合 的粘合剂25是具有能够緩解对半导体芯片12的应力的小杨氏模量 (E)的硅树脂系粘合剂。另一方面，将布线衬底11与加强环14相 粘合、以及将散热器15与加强环14相粘合的粘合剂26是具有良好 的耐热性和成本优势的环氧系粘合剂。
环氧系树脂和(或)四氟乙烯系树脂被用作布线衬底11的材料。 这里，环氧系树脂是指混合了玻璃纤维或丙烯酸树脂的环氧系树脂。 四氟乙烯系树脂是指混合了丙烯酸树脂的四氟乙烯树脂。
对本发明第1实施方式的半导体器件的制造方法进行阐述。首 先，如图3所示，在半导体芯片12的电极上形成芯片侧焊料凸块24a， 在布线衬底11的布线上形成衬底侧焊料凸块24b。
接下来，如图4所示，将半导体芯片12放置在布线衬底11上， 并利用对布线村底施加擦洗来加热，保持芯片侧焊料凸块24a与衬底 侧焊料凸块24b相接触。其结果，芯片侧焊料凸块24a和衬底側焊料 凸块24b熔化并且两者结合为焊料凸块24。包含在半导体芯片12的 电极和布线衬底11的多个布线利用焊料凸块24而电连接。使用具有 非常低的Pb含量、如小于等于0.1wt。/。的无Pb焊料作为焊料凸块24 的材料。在本实施方式中，使用Sn-lwt。/。Ag-0.5wt。/。Cu成份的焊料。 但是，焊料凸块24的成份并不限于上述材料。尤其，在无Pb焊料中， 由于焊料的弹性模量趋向于变高，在布线衬底中所产生的内部应力趋 向于变大。因此，下述防止布线衬底断开的措施变得非常重要。
接下来，如图5所示，布线衬底ll与半导体芯片12之间的间隙 由填充树脂13填满并固化，将半导体芯片12固定并粘合到布线衬底 11上。如图6所示，加强环14用粘合剂26粘合到布线衬底11上。
接下来，如图7所示，将粘合剂25涂敷到半导体芯片12上。如 图8所示，膜状的粘合剂26粘合到加强环14上，并且散热器15粘 合到半导体芯片12和加强环14上。对于环14,可以将预先在两侧表 面粘贴了粘合剂26的加强环固定在布线衬底11上。
最后，如图9所示，在布线衬底11的背面上的外部电极上形成焊料球16。通过上述步骤，制造如图l和2所示的半导体器件。焊料 球16的成份包括但不限于无Pb焊料。在本实施方式中，该成份为 Sn-3wt%Ag-0.5wt%Cu。
如图10所示，可以使用不使用粘合剂26，而将用金属板将散热 器15与加强环铸模为一个部件。如图11所示，还可以使用没有加强 环14和粘合剂26的结构。在有加强环14的结构中，施加到布线衬 底11上的内部应力在加强环14与半导体芯片12之间的区域中倾向 于变大。即，当将与布线衬底11相比具有较小的热膨胀系数的半导 体芯片12利用填充树脂12固定到布线衬底11上时、当加强环14在 半导体芯片12周围固定到布线衬底11上时、并且当在半导体芯片12 与加强环14之间存在对于布线衬底11表面的固定较弱的区域时，该 应力倾向于集中在这些部分。这种应力倾向于沿半导体芯片12对角 线的延长线、以及在延长线的临近区域变大。在此情况下，防止该区 域内的布线断开的措施变得尤其重要。
图12是本发明的第一实施方式的半导体器件的平面图，图13 是由图12的虚线所包围的部分B的放大平面图。在布线衬底ll上形 成布线31和布线层过孔连接区32。布线31将布线层过孔连接区32 连接到半导体芯片12上。布线层过孔连接区32位于半导体芯片12 与加强环14之间，并形成于离开半导体芯片12对角线的延长线lmm 宽度的区域内。
图14是本发明的第一实施方式的从布线层过孔连接区引出的布 线的放大平面图，图15是沿图14的C-C，截取的剖面图。供电图案 33和布线层下表面过孔连接区34形成在布线衬底11上，而且二者由 空隙区域35相互隔开。供电图案33和布线层下表面过孔连接区34 由绝缘膜36覆盖。布线层过孔连接区32形成在绝缘膜36上。布线 层下表面过孔连接区34和布线层过孔连接区32由穿过绝缘膜36的 过孔37相连接。从布线层过孔连接区32所引出的布线31穿越空隙 区域35。
这里，由半导体芯片12与布线衬底11之间的线性膨胀系数差异而产生的内部应力在半导体芯片12对角线的延长线方向上变得最大。 因此，在第1实施方式中，将从布线层过孔连接区32所引出的布线 31的方向关于半导体芯片12对角线的延长线的角度e设置为大于等 于20。，优选地，大于等于30。。由于施加到布线31上的内部应力靠 近布线层过孔连接区32、尤其在空隙区域35上的布线部分上可以由 此而减小，因此能够避免从布线层过孔连接区32引出的布线的断开。
(第2实施方式)
图16是本发明第二实施方式所涉及^布线层过孔连接区和布线 的例子的放大平面图，图17是本发明的第二实施方式的布线层过孔 连接区与布线的另一个例子的放大平面图。如图所示，布线31在距 与布线层过孔连接区32的边界小于等于0.2mm的位置处弯曲。其他 的结构与第1实施方式相同。
由于由此可以减小施加到靠近布线层过孔连接区32的布线31 上、尤其是空隙区域35上方的布线部分的内部应力，因此能够防止 从布线层过孔连接区32引出的布线31的断开。
第3实施方式
图18是本发明第3实施方式的布线层过孔连接区与布线的例子 的放大平面图。如图所示，空隙区域35上方的布线31的宽度b大于 其中布线31变得最窄的部分的宽度a。其他结构与第1实施方式相同。
因此，由于可以在内部应力变得最大的空隙区域35上方的部分 中改善布线31的强度，因而能够防止由布线层过孔连接区32引出的 布线31的断开。
第4实施方式
第4实施方式的半导体器件的制造方法的特征在于在对布线衬 底进行半导体芯片的倒装片连接步骤，其他步骤与第1实施方式的步 骤相同。下面，对在第4实施方式中的倒装片连接进行描述。
首先，如图19所示，在布线衬底11上形成布线31，布线衬底11的上部由阻焊剂41覆盖，并在阻焊剂41中形成开口 42，以能够 暴露布线31。这里，阻焊剂41的厚度为26pm，开口 42的宽度为 100nm。在布线衬底11的布线31上形成衬底侧焊料凸块24b，在半 导体芯片12的电极43上形成芯片侧焊料凸块24a。将布线衬底11放 置在平台44上，利用键合头45进行半导体芯片12的真空吸附。在 此情况下，将平台44和键合头45加热到低于焊料熔化点的预定预热 温度(大约为150°C )。
接下来，如图20所示，将键合头45水平移动并将半导体芯片 12放置在布线衬底11上方。将键合头45下降，使衬底侧焊料凸块 24b与芯片侧焊料凸块24a相接触。
保持芯片侧焊料凸块24a与衬底侧焊料凸块24b相接触，利用在 水平方向或垂直方向上施加周期性的擦洗，将半导体芯片12加热至
超过焊料熔点的温度(大约260°C )并按压到布线衬底11上。据此， 能够无溶剂地实现半导体芯片12对布线衬底11的倒装片连接。结果， 如图21所示，衬底侧焊料凸块24b和芯片侧焊料凸块24b相接合， 并成为焊料凸块24。然后，释放键合头45对半导体芯片12的吸附， 提升键合头45，结束键合。
在第4实施方式中，阻焊剂41的厚度小于等于26jim。如图22 所示，焊料凸块24的焊料量小于与阻焊剂41的开口 42角部和电极 43上内切的球的体积。据此，可以减小因表面张力而趋向于变成球状 的焊料凸块所受到的来自于阻焊剂41开口的角部的应力。因此，能 够防止焊料凸块的开路失效。由于焊料凸块的开路失效尤其易于发生 在进行倒装片连接的步骤中对半导体芯片进行擦洗时，因此，本发明 是有效的。
权利要求
1.一种半导体器件，包括布线衬底；与布线衬底倒装片连接的半导体芯片；填充布线衬底与半导体芯片之间的间隙的填充树脂；粘合到半导体芯片上的散热器；形成在布线衬底上并由空隙区域相互隔开的供电图案和布线层下表面过孔连接区；覆盖供电图案和布线层下表面过孔连接区的绝缘膜；在绝缘膜上形成的布线层过孔连接区；穿过绝缘膜并将布线层下表面过孔连接区连接至布线层过孔连接区的过孔；形成在绝缘膜上、穿越空隙区域、并将布线层过孔连接区连接至半导体芯片的布线，其中，布线层过孔连接区形成在半导体芯片外侧，并且在离开半导体芯片对角线的延长线的1mm宽度的区域内，由布线层过孔连接区引出的布线的方向与半导体芯片对角线的延长线所成的角度大于等于20°。
2. 根据权利要求l所述的半导体器件，其中， 由布线层过孔连接区引出的布线的方向与半导体芯片对角线的延长线所成的角度大于等于30。。
3. 根据权利要求l所述的半导体器件，还包括 粘合到布线衬底上的、围绕半导体芯片的加强环， 所述布线层过孔连接区形成在半导体芯片与该加强环之间的区域中。
4. 一种半导体器件，包括 布线衬底；与布线衬底倒装片连接的半导体芯片； 填充布线衬底与半导体芯片之间的间隙的填充树脂； 粘合到半导体芯片上的散热器；形成在布线衬底上并由空隙区域相互隔开的供电图案和布线层 下表面过孔连接区；覆盖供电图案和布线层下表面过孔连接区的绝缘膜；在绝缘膜上形成的布线层过孔连接区；穿过绝缘膜并将布线层下表面过孔连接区连接至布线层过孔连 接区的过孔；形成在绝缘膜上、穿越空隙区域、并将布线层过孔连接区连接至 半导体芯片的布线，其中，布线层过孔连接区形成在半导体芯片外侧，并且在离开半 导体芯片对角线的延长线的lmm宽度的区域内，布线在离开布线层过孔连接区边界小于等于0.2mm的位置处弯曲。
5. 根据权利要求4所述的半导体器件，还包括 粘合到布线衬底上的、围绕半导体芯片的加强环， 所述布线层过孔连接区形成在半导体芯片与该加强环之间的区域中。
6. —种半导体器件，包括， 布线衬底；与布线村底倒装片连接的半导体芯片； 填充布线衬底与半导体芯片之间的间隙的填充树脂； 粘合到半导体芯片上的散热器；形成在布线衬底上并由空隙区域相互隔开的供电图案和布线层下表面过孔连接区；覆盖供电图案和布线层下表面过孔连接区的绝缘膜； 在绝缘膜上形成的布线层过孔连接区；穿过绝缘膜并将布线层下表面过孔连接区连接至布线层过孔连 接区的过孔；以及形成在绝缘膜上、穿越空隙区域、并将布线层过孔连接区连接至 半导体芯片的布线，其中，布线层过孔连接区形成在半导体芯片外侧，并且在离开半 导体芯片对角线的延长线的lmm宽度的区域内，空隙区域上方的布线的宽度大于布线中最窄部分的宽度。
7. 根据权利要求6所述的半导体器件，还包括 粘合到布线衬底上的、围绕半导体芯片的加强环， 所述布线层过孔连接区形成在半导体芯片与该加强环之间的区域中。
8. —种半导体器件的制造方法，包括以下步骤 在布线衬底上形成布线，用阻焊剂覆盖布线衬底的上部，并在阻焊剂中形成开口以暴露布线；以及通过将布线衬底的布线经由焊料凸块连接到半导体芯片的电极 上，实现半导体芯片对布线衬底的倒装片连接，其中，焊料凸块的焊料的量小于与阻焊剂的开口的角部和电极上 内切的球的体积。
9，根据权利要求8所述的半导体器件的制造方法，其中， 在半导体芯片对布线衬底的倒装片连接的步骤中，对半导体芯片施加擦洗o
10.根据权利要求8所述的半导体器件的制造方法，其中，半导体器件包括粘合到布线衬底上的、围绕半导体芯片的加强 环，所述布线层过孔连接区形成在半导体芯片与该加强环之间的区域 中。
全文摘要
本发明的半导体器件具有布线衬底、半导体芯片、填充树脂、加强环、散热器、形成在布线衬底上并由空隙区域隔开的供电图案和布线层下表面过孔连接区、绝缘膜、布线层过孔连接区、过孔、形成在绝缘膜上并穿越空隙区域并连接布线层过孔连接区与半导体芯片的布线。布线层过孔连接区形成在半导体芯片与加强环之间，并且形成在离开半导体芯片对角线的延长线的1mm宽度的区域中。从布线层过孔连接区引出的布线的引出方向相对于半导体芯片对角线的延长线的角度为大于等于20°。
文档编号H01L23/498GK101226920SQ20081000353
公开日2008年7月23日 申请日期2008年1月18日 优先权日2007年1月19日
发明者中川和之 申请人:株式会社瑞萨科技