专利名称：半导体模块的制造方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体模块的制造方法。
背景技术：
近年来，随着电子设备的小型化、高功能化，要求在电子设备中使用的半导体模块 实现小型化。为了实现此目的，半导体模块的外部连接电极间的窄间距化不可缺少，但是， 受到焊球本身的大小和焊接时的桥接产生等制约，通过外部连接电极的窄间距化的小型化 受到了限制。近年来，为了克服这种限制，通过在半导体模块上形成再布线而进行外部连接 电极的再配置。作为这样的再配置的方法，例如已知将通过半蚀刻硅基板而形成的突起结 构作为电极或通路，经由环氧树脂等绝缘层将半导体芯片安装在硅基板上，并在突起结构 上连接半导体模块的外部连接电极的方法。
发明内容
但是，由于在具有突起结构的硅基板和半导体芯片之间填充有绝缘层，所以在硅 基板与半导体芯片之间会流入绝缘层材料而夹杂绝缘层，存在产生硅基板和半导体芯片的 电连接不良的可能性。本发明的一实施方式提供一种半导体模块的制造方法，包括蚀刻金属板以形成 突起部的第一工序，形成具有使所述突起部的一部分露出的厚度的绝缘层的第二工序以及 将所述绝缘层压接在表面具有多个电极的半导体基板和所述金属板之间并将所述突起部 和所述电极电连接的第三工序。根据这种实施方式，能够使突起电极110和元件电极211可靠地进行电连接。
图1是表示第一实施方式的半导体模块的结构的剖面图；图2是表示第一实施方式的半导体模块的结构的平面图；图3 (A) (H)是沿图2的A-A ‘ 图；图4 (A) (C)是沿图2的A-A ‘ 图；图5 (A) (E)是沿图2的A-A ‘ 图；图6(A) (C)是沿图2的A-A' 图。
线的第一实施方式的半导体模块的制造工序剖面 线的第一实施方式的半导体模块的制造工序剖面 线的第一实施方式的半导体模块的制造工序剖面 线的第二实施方式的半导体模块的制造工序剖面
具体实施例方式0012] 现在，将参照优选实施方式来说明本发明。优选实施方式不是要限制本发明的范围，仅仅是示例本发明。下面，参照
本发明的实施方式。第一实施方式图1是表示第一实施方式的半导体模块的结构的示意剖面图，图2是半导体模块 (一个芯片部分)的平面图。图1的剖面图是沿图2的A-A'线的剖面图。半导体模块1包括元件安装用基板100和半导体元件200。首先，元件安装用基板100包括绝缘树脂层120、设置在绝缘树脂层120的一主 表面的布线层135 (再布线)，以及与布线层135电连接且从布线层135向绝缘树脂层120 侧突出的突起电极110。在半导体安装用基板100上，突起电极110沿各边形成在布线层 135的电极形成区域135a中。绝缘树脂层120作为粘合层具有将布线层135和半导体元件200粘合的功能。作 为绝缘树脂层120，可采用加热引起硬化性的绝缘材料、加热引起可塑性的绝缘材料、加热 引起变形的绝缘材料等。绝缘树脂层120的厚度例如为约20 u m。另外，例如可由BT树脂等的三聚氰胺衍生物、液晶聚合物、PPE树脂、含氟树脂、酚 醛树脂、环氧树脂、聚酰胺双马来酰亚胺(f 'J 了支V ^ v ^ ^ V )等热硬化性树脂来 形成绝缘树脂层120。作为加热引起可塑性的绝缘材料，可列举丙烯酸类热可塑性树脂等热可塑性树 脂。引起可塑性的温度例如是150 200°C。作为加热引起变形的绝缘材料，如果玻璃转移温度(Tg)例如是80 130°C，则也 可以是热硬化性树脂。作为这样的热硬化性树脂，可列举聚酰亚胺类热硬化性树脂等。布线层135被设置在绝缘树脂层120的与半导体元件200相反的一侧的主表面， 导电材料优选由压延金属形成，进一步优选由压延铜形成。压延铜与由通过电镀处理等形 成的铜制成的金属膜相比较机械强度高，优选作为用于再布线的材料。再有，布线层135也 可以由电解铜等形成。布线层135具有形成突起电极110的电极形成区域135a、与此区域 连续并延伸的布线区域135b和设置在与电极形成区域135a相反的一侧的布线区域端部的 外部连接区域135c。在外部连接区域135c中配置后述的焊球150。再有，布线层135的厚 度例如约为15 ym。在电极形成区域135a中，突起电极110从布线层135突出，突起电极110贯通绝 缘树脂层120到达半导体元件200。电极形成区域(突起电极110)被形成在与半导体元 件200的元件电极211对应的位置，突起电极110和元件电极211电连接。在本实施方式 中，一体地形成布线层135和突起电极110，由此，使布线层135和突起电极110可靠地连 接。另外，由于一体地形成布线层135和突起电极110，所以能够防止因在半导体模块1的 使用环境下产生的热应力而引起布线层135和突起电极110的界面产生龟裂(裂纹)等。 并且，由于布线层135和元件电极211的电连接能够与突起电极110和元件电极211的压 接同时进行，所以起到不增加工序的效果。从布线层135向绝缘树脂层120侧突出的突起电极110，其整体形状为随着接近 前端而直径变细。在本实施方式中，突起电极110的俯视形状虽然是包括椭圆形的大致圆 型，但不特别限于此，例如也可以是四边形等多边形。在突起电极110的顶部表面及侧面层 叠有金属层114。金属层114含有与突起电极110相连的由镍(Ni)制成的Ni层112和层叠在Ni层112上的由金(Au)制成的Au层113，从突起电极110侧按顺序层叠有Ni层112 和Au层113。在金属层114的最表面层叠有Au层113，在金属层214的最表面层叠有Au层213。 由此，通过使Au层113和Au层213构成金-金结(金和金的结)来电连接突起电极110 和元件电极211。由此，提高突起电极110和元件电极211的连接可靠性。在元件电极211 上层叠有金属层214。金属层214含有与元件电极211相连的由镍(Ni)制成的Ni层212 和层叠在Ni层212上的由金(Au)制成的Au层213，从元件电极211侧按顺序层叠有Ni 层212和Au层213。再有，突起电极110和元件电极211既可以不通过金属层114，214直 接连接，也可以通过焊料等低熔点导电材料连接。突起电极110的高度、顶部表面的直径及 底部表面的直径分别例如为约20iim、约cp45^im及约(p60|xm。此夕卜，Ni层112，212及Au层 113，213的厚度分别例如为约lym 约15iim及约0. 03 y m 约1 y m。在布线层135及绝缘层120上(图1的上方)设置有用于防止布线层135的氧化 等的布线保护层140。作为布线保护层140，可列举光阻焊剂层(PSR)等。在布线保护层 140的规定区域形成有开口 141，通过开口 141露出布线层135的外部连接区域135c。在开 口 141内形成作为外部连接电极的焊球150，焊球150和布线层135电连接。形成焊球150 的位置即开口 141的形成区域是例如通过再布线包围前端的端部，配置在元件安装用基板 100的大致中央部。再有，布线保护层140的厚度例如是约25ii m。其次，半导体元件200包含半导体基板210、元件电极211、金属层214和元件保护 层 115。半导体基板210例如是P型硅晶片。在半导体基板210的主表面S1侧(图1的 上面侧)，通过周知的技术形成有集成电路(IC)或大规模集成电路(LSI)(未图示)等。在成为安装面的主表面S1设置有与集成电路连接的元件电极211。作为元件电 极211的材料，可采用铝(A1)、铜(Cu)等金属。在元件电极211的表面层叠有金属层214。 金属层214由与元件电极211相连的由镍(Ni)制成的Ni层212和层叠在Ni层212上的 由金(Au)制成的Au层213构成。在半导体基板210的主表面S1设置有露出元件电极211 (以下将元件电极211、 金属层214称为“元件侧电极215”)的元件保护层113。作为元件保护层113，优选硅氧化 膜(Si02)、硅氮化膜(SiN)、聚酰亚胺(PI)膜等。本实施方式的元件保护层113由与半导 体基板210相连的硅氮化膜和层叠在此硅氮化膜上的聚酰亚胺膜构成(在图1中，这些各 膜用一层(符号116)标记)。接着，说明本申请的半导体模块的制造方法。图3及图4示出本申请的第一实施方式的半导体模块的制造工序剖面图。首先，如图3(A)所示，制备作为具有至少比图1所示的突起电极110的高度和布 线层135的厚度之和大的厚度的金属板的铜板130。铜板130的厚度例如是约125 iim。作 为铜板130可采用由压延了的铜制成的压延金属。接着，如图3(B)所示，通过光刻法，按照与突起电极的形成预定区域相对应的图 形选择地形成抗蚀剂300。具体地，使用层压装置在铜板130上粘贴规定膜厚的抗蚀剂膜， 并使用具有突起电极110的图形的光掩摸曝光后，通过显影，在铜板130上选择地形成抗蚀 剂300。另外，为了提高与抗蚀剂300的密合性，在抗蚀剂膜300的层叠前，优选按照要求
5对铜板130的表面实施研磨、清洗等预处理。再有，优选在设置了抗蚀剂300的面的相反侧 (上面侧)的整个表面形成抗蚀剂保护膜(未图示)以保护铜板130。接着，如图3(C)所示，通过以抗蚀剂300为掩摸进行使用三氯化铁溶液等试剂的 湿式蚀刻处理，形成从铜板130的表面突出的规定的圆锥台图形(圆锥形的前端部被去除 且剖面形状为台形形状)的突起电极110。换言之，通过铜板130的湿式蚀刻，在突起电极 110间形成凹部115。此时，突起电极110被形成为具有随着接近其前端部而直径(尺寸) 变细的锥形状的侧面部。在突起电极110的顶部的直径(宽度)比对应突起电极110的元 件电极211的宽度更窄的条件下进行该湿式蚀刻处理。本实施方式的突起电极110的基底 部的直径、顶部的直径、高度分别是例如约、约(p45 ^im、约cp20|am。接着，如图3 (D)所示，使用剥离剂剥离抗蚀剂300及抗蚀剂保护膜。通过以上说明的工序，在铜板130上一体地形成突起电极110。另外，代替抗蚀剂 300也可以使用银(Ag)等金属掩摸。此情况下，由于充分保证与铜板130的蚀刻选择比，所 以能够谋求突起电极110的构图的进一步微细化。接着，如图3(E)所示，通过采用三氯化铁溶液等试剂的湿式蚀刻处理等，蚀刻与 设置了突起电极110侧相反的一侧的铜板130的表面，使铜板130薄膜化。此时，在设置了 突起电极110侧形成抗蚀剂保护膜305以保护突起电极110及铜板130，在蚀刻处理后去除 抗蚀剂保护膜305。由此，加工成规定的厚度(布线135的厚度)，形成一体地设置了规定 的突起电极110的铜板130。本实施方式的铜板130的厚度为约15iim。接着，如图3(F)所示，在铜板130的形成了突起电极110侧的主表面，层叠具有耐 电镀性的抗蚀剂310以埋没突起电极110。然后，通过光刻法形成开口 315以便露出突起电 极110。另外，优选在与设置了抗蚀剂310的面相反的一侧(上面侧)的整个表面，也形成 抗蚀剂保护膜310以保护铜板130。接着，如图3(G)所示，使用抗蚀剂310为掩摸，通过例如电镀或化学镀法(無電気 办力)，在从开口 315露出的突起电极110的顶部表面和侧面中直到突起电极110的高度 的一半左右的侧面形成金属层114。金属层114例如通过首先在突起电极110的顶部表面 及侧面(突起电极110的高度的约二分之一)形成Ni层112，接着在Ni层112的表面形成 Au层113来形成。另外，形成金属层114的区域也可以仅为突起电极110的顶部表面。此 情况下，在抗蚀剂310上形成露出突起电极110的顶部表面大小的开口 315。接着，如图3(H)所示，在形成金属层114后，使用剥离剂剥离抗蚀剂310。这样，形 成具有与布线层135 —体地形成且由金属层114覆盖前端部的突起电极110的铜板130。如图4(A)所示，准备由图3的工序形成的铜板130。接着，如图4(B)所示，使用真空层压法，在设置了突起电极110侧的铜板130的表 面层叠绝缘树脂层120以便埋没突起电极110。作为绝缘树脂层120，如上所述可采用通过 加压或加热引起可塑性或变形的绝缘材料。接着，如图4(C)所示，利用氧(02)等离子体蚀刻，使绝缘树脂层120薄膜化以便 至少使突起电极110的顶部表面露出。除突起电极110的顶部表面外，可以连侧面的一部 分也露出。即，在前述的工序中，只要使含金属层114的突起电极110的一部分露出以使填 充在此凹部115中的绝缘树脂层120的体积比通过湿式蚀刻铜板130形成的凹部115的体 积更小即可。绝缘树脂层的量只要在后面的工序中可调整为在压接绝缘树脂层和铜板时不
6产生空腔的量即可。这样，能够形成未形成有元件保护膜140及焊球150的元件安装用基板100。接着，说明连接由前述的图4(C)形成的元件安装用基板100和半导体元件200的工序。首先，如图5(A)所示，制备在主表面S1侧具有元件侧电极215及元件保护层113 的半导体基板210 (半导体晶片)。然后，在构成压力机的一对的平板金属板(未图示)之 间设置半导体基板210和一体地形成了突起电极110的铜板130。然后，通过使用压力机 进行加热压接，在覆盖对应的突起电极110的金属层214和元件侧电极215抵接的状态下， 压接半导体基板210和铜板130进行电连接。压力加工时的压力及温度分别约为IMPa及 200 °C。另外，该半导体基板210为在P型硅基板等半导体基板210内，使用组合了周知的 光刻技术、蚀刻技术、离子注入技术、成膜技术及热处理技术等的半导体制造工艺，在主表 面S1形成规定的集成电路，在集成电路的外周边缘部形成元件电极211。然后，在半导体基 板210的主表面S1，通过例如CVD法形成硅氮化膜，在其上形成通过例如涂敷聚酰亚胺膜 使其硬化而层叠的元件保护层113。蚀刻元件保护层113以便露出元件电极211。然后，构 成为在元件电极211上通过电镀法或化学镀法层叠由Ni层212及Au层213构成的金属层 214的结构。在此，说明从该压接开始到结束的压接状态。通过利用压力机开始加压，首先完成突起电极110的金属层114和半导体元件200 的金属层214的接触。此时，比突起电极110厚度更薄的绝缘树脂层120还未接触到金属 层214及元件保护层113。当进一步继续进行加压时，在除电极形成区域135a(突起电极110部)之外的布 线区域135b中，铜板130向半导体元件200侧以凸起的形状翘曲，由此，绝缘树脂层120向 半导体元件200侧加压，最终如图5(B)所示，变成与金属层214及元件保护层113相接触。如上所述，由于首先连接突起电极110的金属层114和半导体元件200的金属层 214，随后连接绝缘树脂层120和金属层214及元件保护层113，所以在突起电极110和元件 侧电极215之间不混入绝缘树脂层120而可靠地电连接。在现有这样的凹部115中填充与其体积相同或比其体积更大的绝缘树脂层的情 况下，如果加压则绝缘树脂层120流入突起电极110和元件侧电极215之间，但在本申请 中，为了使凹部内的绝缘树脂层的量成为比突起电极110的高度更小的程度的量，先进行 金属层114和金属层214的连接，此后将绝缘树脂层120粘合在半导体元件200上。由此， 由于能够防止在金属层114和金属层214之间夹入绝缘树脂层120，所以能够进行可靠的 电连接。此外，由于绝缘树脂层的量少，因此，通过按压布线层135而使其以向半导体元件 200的方向凸起的方式翘曲，所以尽管减少了绝缘树脂层的量，但也能够可靠地粘合金属层 214及元件保护层113和绝缘树脂层120。并且，通过加压，在除突起电极110外的布线区域135b中，铜板130向半导体元件 200侧以凸起的形状翘曲，将压力传递给绝缘树脂层120，所以在凹部115中不产生没有填 充绝缘树脂层120的空间。因此，不会出现因产生空间而在此后的制造工序和向产品搭载 模块后水分浸入此空间，或因热而此空间膨胀而发生突起电极110和元件侧电极215的电
7连接不良的情况。另外，在突起电极110的某部分中，通过加压使其顶面部变成扩宽的形状而增大 连接面积。通过此形状能够可靠地进行与元件侧电极215的电连接。接着，如图5(C)所示，通过利用光刻技术及蚀刻技术将铜板130加工成规定的布 线图形，来形成布线135 (再布线)。具体地，通过使用三氯化铁溶液等试剂按图2所示的图 形蚀刻铜板130来形成布线层135。如图5(D)所示，在布线层135及绝缘树脂层120上层叠保护层(光阻焊剂层)140 后，通过光刻法，在保护层140的规定区域(焊球搭载区域)设置开口部141。保护层140 作为布线层135的保护膜起作用。保护层140可采用环氧树脂等，其膜厚例如为约20 ym。 然后，通过丝网印刷法在保护层140的开口部141搭载焊球150。具体地，通过丝网掩摸在 所希望的部位印刷成为膏状的树脂和焊料的焊料膏，加热到焊料熔化温度以形成焊球150。此后，如图5(E)所示，利用切片装置等使半导体模块单个化，完成半导体模块。在 此，下面参照图6说明在上述的实施方式中示出的、在凹部115形成绝缘树脂层120时的其 它方法。图6所示的工序是对应前述的图4所示的工序的其它方法，对于此之外的工序，通 过进行上述各工序，能够得到本申请的半导体模块。首先，如图6(A)所示，准备在前述的图3(H)工序中形成的突起电极110的顶部表 面和侧面的一部分设置了金属层114的铜板130。接着，如图6(B)所示，利用辊筒400边按压成为薄膜状的绝缘树脂层120边使其 与铜板130粘合。此时，通过采用将厚度设定为使突起电极110的顶部表面露出的厚度或 使侧面部一部分露出的厚度的薄膜状的绝缘树脂层120，如图6(C)所示，形成比突起电极 110的厚度(高度)更薄的膜厚的绝缘树脂层120。通过采用该方法，由于预先使厚度达到使突起电极110露出的厚度，所以不需要 追加用于通过氧等离子体蚀刻等调整绝缘树脂层120的厚度的新的工序，因此实现了制造 工序的简化及成本的降低。另外，也可以不使用上述辊筒的辊轴筒层压法，而使用平板层压 法。在上述的实施方式中，由于形成金属层214以使金属层214的上表面和保护膜113 的上表面成为齐平面，所以，即使突起电极110和金属层214位置稍微向左右偏移，由于上 表面是齐平面，因此虽然连接面积减少，但是不会产生连接不良。此外，在上述的实施方式中，为了减薄铜板130的厚度，在树脂形成工序之前(图 4(C))进行了从背面实施蚀刻减薄的工序。在此工序中，通过减薄铜板130，具有能够降低 在此工序以后进行的在铜板和半导体元件的压接工序(图5(A)、(B))中因热应力而引起的 翘曲的效果。本申请不限于在此工序中进行，例如，也可以在图5(A)的工序后进行。由此， 在此工序以前的工序中的铜板130的处理变得容易。另外，在上述的实施例中，虽然示出了 在通过蚀刻作为金属板的铜板130形成的突起部(突起电极110)的顶部表面及侧面，形成 由Ni层112及Au层113构成的金属层114，对绝缘树脂层120进行薄膜化以便露出此金属 层114的一部分的例子，但是，不在突起部(突起电极110)的顶部表面及侧面形成金属层 114，对绝缘树脂层120进行薄膜化以便露出突起部(突起电极110)的一部分的情况下也 能得到相同的效果。对绝缘树脂层120进行薄膜化以便露出此突起部(突起电极110)的 一部分的工序，可通过在上述的图3(E)的工序中背面蚀刻WJ午、铜板130后，与图4(A) 图4(C)同样地进行来实现。但是，此情况下，假设在图4(A) 图4(C)中未形 成有金属层114。 本申请基于并要求2009年3月31日申请的首次日本专利申请No. 2009-086621 的优先权；在此引用其全部内容作为参考。
权利要求
一种半导体模块的制造方法，其特征在于，包括第一工序，其蚀刻金属板以形成突起部；第二工序，其形成具有使所述突起部的一部分露出的厚度的绝缘层；以及第三工序，其隔着所述绝缘层压接在表面具有多个电极的半导体基板和所述金属板，并电连接所述突起部和所述电极。
2.根据权利要求1所述的半导体模块的制造方法，其特征在于，所述第二工序在形成比所述突起部厚度更厚的绝缘层后进行蚀刻以达到使所述突起 部的一部分露出的厚度。
3.根据权利要求1所述的半导体模块的制造方法，其特征在于，通过粘贴绝缘树脂膜来形成所述绝缘层。
4.根据权利要求3所述的半导体模块的制造方法，其特征在于，在所述第一工序和所述第二工序之间附加蚀刻与形成有所述突起部的面相反的一侧 的金属板的面的工序。
5.一种半导体模块的制造方法，其特征在于，包括第一工序，其蚀刻金属板以形成突起部；第二工序，其在所述突起部的顶部表面形成金属层，形成具有使所述金属层的一部分 露出的厚度的绝缘层；以及第三工序，其隔着所述绝缘层压接表面具有多个电极的半导体基板和所述金属板，并 电连接所述突起部和所述电极。
6.根据权利要求5所述的半导体模块的制造方法，其特征在于，所述第二工序在形成比所述金属层的厚度和所述突起部的高度的总厚度更厚的绝缘 层后，进行蚀刻以达到使所述金属层的一部分露出的厚度。
7.根据权利要求5所述的半导体模块的制造方法，其特征在于，通过粘贴绝缘树脂膜来形成所述绝缘层。
8.根据权利要求5所述的半导体模块的制造方法，其特征在于，在所述第一工序和所述第二工序之间附加蚀刻与形成有所述突起部的面相反的一侧 的金属板的面的工序。
全文摘要
本发明提供一种半导体模块的制造方法。该半导体模块通过蚀刻铜板形成突起电极和凹部，在该凹部上直到比突起电极的高度更低的位置形成绝缘树脂层后，压接半导体元件和具备与突起电极一体形成的布线层的铜板，使布线层翘曲而向半导体元件侧凸起，从而可靠地电连接突起电极和元件电极。
文档编号H01L21/60GK101853788SQ20101015542
公开日2010年10月6日 申请日期2010年3月31日 优先权日2009年3月31日
发明者伊藤克实, 冈山芳央 申请人:三洋电机株式会社