JP2003007972A - 積層型半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 積層接合部が精度よく確実に接合されている
半導体装置とその製造方法を提供すること。 【解決手段】 半導体装置を形成する、ベース基板１
２、１２ａ、半導体パッケージ１、１ａ、中間基板１
１、１１ａ及び天井基板１３、１３ａは、それぞれの対
応位置が仮固定用樹脂層１４と接続ランド４により接合
させ、かつ、接続ランド４を挟んで形成された仮固定用
樹脂層１４の間には封止樹脂１５を充填する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、半導体パッケー
ジを積層接続して形成した積層型半導体装置とその製造
方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、フラッシュメモリを搭載した小型
のメモリカードは、デジタルカメラや携帯情報端末等の
携帯情報機器の記録媒体として急速に市場を拡大してい
る。特にデジタルカメラの分野では、既に主流になりつ
つあり、磁気記録媒体の代替としてその地位を固めよう
としている。

【０００３】このような背景の中、メモリカードは、大
記録容量化、小型軽量化や低コスト化が求められてお
り、それに応えて様々なメモリＩＣのパッケージ構造や
実装構造のものが出現している。

【０００４】一般的には、それらの半導体装置の構造
は、ＴＳＯＰ等の薄型モールドパッケージされた半導体
パッケージをベース基板に、はんだ接合する方法や、べ
アチップをワイヤボンディングやフリップチップ実装法
等を用いることによって、ベース基板に直接的に接続す
る方法が採用されている。また、更に大容量化を進める
ためには、同一面積に搭載できる容量はチップサイズで
決定してしまうことから、半導体チップをパッケージし
た半導体パッケージを三次元的に積層して形成した半導
体装置も用いられてきている。

【０００５】この半導体装置の三次元実装構造では、各
半導体パッケージが薄い配線基板に半導体チップが実装
されて積層されているために、配線基板同士は離間して
いる。したがって、配線基板同士を電気的また構造的に
接合するために、配線基板の間に中間基板等を設け、この
中間基板を介してはんだ接合により、配線基板同士を接
合している場合が多い。

【０００６】図８は、三次元実装構造の半導体装置の構
造を示す断面図である。

【０００７】薄型の配線基板３４の表面上に、フリップ
チップ法で半導体チップ３６を接続してパッケージ化さ
れた半導体パッケージ３１が形成されている。この半導
体パッケージ３１は接続ランド４４を介して４個積層し
てベース基板４０に接続ランド４４を介して接続されて
いる。

【０００８】配線基板３４は、ガラスエポキシ樹脂等の
絶縁基板の表面に銅等の配線パターン３５が形成され、
配線パターン３５の所定の箇所に、半導体チップ３６が
異方性導電膜４１で固定され、金等によるバンプ３７を
介してフリップチップ接続されている。また、半導体チ
ップ３６と配線基板３４の間隙や半導体チップ３６の側
面はエポキシ等の封止樹脂３８で封止されている。４層
が積層された半導体パッケージ３１は接続ランド４４を
介してベース基板４０にはんだ接続されている。

【０００９】これらの積層実装方法は、４個の半導体チ
ップ３６をそれぞれフリップチップ接続により配線基板
３４に実装して半導体パッケージ３１を形成した後、半
導体パッケージ３１をべース基板４０に、接続ランド４
４に形成された、はんだめっき等の接続部材４５を介し
て配置する。次に、順次、接続ランド４４の位置を合せ
て半導体パッケージ３１を積層してマウントする。この
とき、はんだめっき等の接続部材４５には、例えば図示
しないフラックス等の表面活性化成分を含む樹脂を供給
する。半導体パッケージを４段積層後に、それぞれの外
部との接続ランド４との間をリフロー炉等により接続を
行う。リフロー後に洗浄によりフラックスを除去する。
次に、接続部の周囲へ封止樹脂３８を供給し、その封止
樹脂３８をキュア手段（不図示）により硬化させて接続
部の封止を行う。

【００１０】なお、各パッケージ間をはんだにより接続
を行う場合、はんだの供給方法として、はんだボールや
はんだぺーストを印刷により形成する方法やはんだめっ
きを形成させておく方法などを用いることができる。そ
れらは、いずれもリフロー炉等により一度はんだを溶融
し、はんだバンプ状にしてから接続することが、プロセ
スの安定性を確保するために行われている。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
積層実装方法では、半導体パッケージ３１同士を積層さ
せる際には、マウントされた段階では互いに十分に半導
体パッケージ３１が固定されていないため、リフロー処
理の際に各半導体パッケージ３１の積層接続部が変形し
たり、ずれるなどして、半導体パッケージ３１同士の位置
がずれ、不良が発生する恐れがある。

【００１２】また、半導体チップを封止している封止樹
脂３８が半導体チップ３６の側面から主面上にまで流動
し、固化することにより、半導体チップ３６に変形等を
生じさせて信頼性を低下させてしまう恐れがある。

【００１３】本発明はこのような事情にもとづいてなさ
れたもので、積層接合部が精度よく確実に接合されてい
る積層型半導体装置とその製造方法を提供することを目
的としている。

【００１４】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明による手
段によれば、少なくとも一方の主面に電極が形成されて
いる電極面を有する半導体素子と、この半導体素子の電
極面と対向配置され、前記主面上に形成された配線パタ
ーンと前記電極とが電気的に接続されている配線基板と
を有する半導体パッケージと、前記半導体素子を収容す
る開口と、前記配線基板上に配設される接続ランドに対
向するように形成される層間接続用のスルーホ−ルとを
有する中間基板と、この中間基板を介して積層され、前
記スルーホールによって前記半導体パッケ−ジと電気的
に接合される他の半導体パッケージとを備え、前記中問
基板と前記配線基板との間にわたり、前記配線基板上を
前記半導体素子が設けられている領域と、前記接続ラン
ドが設けられている領域との少なくとも２つの領域を隔
絶するように配設される樹脂層パターンとを具備するこ
とを特徴とする積層型半導体装置である。

【００１５】また請求項２の発明による手段によれば、
半導体素子が実装された複数の配線基板を、互いの配線
基板間に電気的な層間接続を設けて積層させる積層工程
を有する積層型半導体素子を形成する工程において、前
記積層の際に、前記配線基板の主面上において、前記半
導体素子が実装された半導体素子領域と、前記層間接続
の存する層間接続領域とを隔絶するように隔壁を設けて
積層させる前記積層工程と、前記積層工程において形成
された前記層間接続を封止するように前記層間接続領域
に封止用樹脂を充填する充填工程と、を具備することを
特徴とする積層型半導体装置の製造方法である。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。

【００１７】図１は、積層させる前の単体の半導体パッ
ケージ１の構成を示す断面側面図である。

【００１８】厚さが５０μｍ程度のガラスエポキシ樹脂
等で基板が形成されている配線基板２の主面上には、厚
さが１８μｍ程度の銅等の配線パターン３と直径φ３０
０μｍの接続ランド４が形成されている。なお、接続ラ
ンド４はスルーホール５を介して配線基板２の両面の対
向する位置に形成されている。また、接続ランド４の表
面には、例えば厚さ１０μｍのめっき等によるはんだ６
が施されている。また、配線パターン３の所定個所に
は、各片が丸められて、かつ、厚さ５０μｍ程度に形成
されることによって可撓性を有する半導体チップ７は、
高さが１０μｍ〜３０μｍのバンプ８を介してフリップ
チップ接合されている。可撓性を有する半導体チップ７
を用いることにより、歩留まりよく接続することができ
る。

【００１９】半導体チップ７をフリップチップ接合させ
る際は、樹脂中に導電粒子を分散配置させた異方性導電
膜（ＡＣＦ）９を間に介在させて、例えば１８０℃の温
度で熱圧着することにより、電気的接続を行うと同時
に、樹脂封止も行う。ただし、フリップチップ接合につ
いては、熱圧着以外にも、はんだ接続法や圧着接続法等
を適宜用いることができる。また、フリップチップボン
ディングを用いない場合には、配線基板２の配線パター
ン３と半導体チップ７の接続については、シングルポイ
ントボンディング等の接続方法を適宜選択して用いるこ
ともできる。

【００２０】次に、本発明の第１の実施の形態である、
４個の上述の半導体パッケージ１を積層して形成した半
導体装置について説明する。図２は、本発明の第１の実
施の形態である、４個の半導体パッケージ１を積層して
形成した半導体装置の組立前の断面側面図であり、図３
は、組立後の断面図である。

【００２１】図３に示すように、半導体装置は、図１に
示したパッケージとして形成された４個の半導体パッケ
ージ１が、中間基板１１を挟んで交互にベース基板１２
に積層され、最上部の中間基板１１には天井基板１３が
積層されている。この場合、各半導体パッケージ１には、
図２に示すように配線基板２の裏面側（半導体チップ７
が実装されていない側）と、表面側（半導体チップ７が
実装されている側）の対向位置にシート状樹脂の仮固定
用樹脂層１４が形成されている。中間基板１１側にもこ
の配線基板２に設けられた仮固定用樹脂層４のパターン
と同じパターンとなるよう主面上の対向する位置に表裏
両面に仮固定用樹脂層１４が形成されている。また、中
間基板１１は配線基板２と同様に接続ランド４がスルー
ホール５を介して両面の対向する位置に形成されてい
る。また、天井基板１３は中間基板１１との接合側に仮
固定用樹脂層１４が形成され、接続ランド４がスルーホ
ール５を介して両面の対向する位置に形成されている。

【００２２】半導体パッケージ１の配線基板２と中間基
板１１、および、天井基板１３と中間基板１１は、それ
ぞれの接続ランド４がはんだによって互いに電気的に接
合され、また、それぞれの仮固定用樹脂層１４によって
接合している。また、最下部の半導体パッケージ１の配
線基板２はベース基板１２の接続ランド４とはんだ接合
され、また、それぞれの仮固定用樹脂層１４同士が接合
している。

【００２３】この仮固定用樹脂層１４は、配線基板２上
を、半導体チップ７が実装されている部分を含む領域
と、はんだ接合が存在する接続ランド４を含む領域との
少なくとも２つの領域に空間的に分割し隔絶させるよう
に夫々パターンニングされている。中間基板１１と配線
基板２とを積層した際には、互いの仮固定用樹脂層１４
同士が密着して隔壁となり、互いに隔絶された空間を形
成する。積層された半導体パッケージ１の配線基板２同
士の間の所定領域には表面活性化作用を有する封止樹脂
１５が樹脂注入孔１６から注入されることにより充填さ
れ、各部材間を機械的に結合している。樹脂注入孔１６
は、はんだ接合が存在する接続ランド４を含む領域に向
けて開口しており、この開口によって、積層された半導
体パッケージ間の接続ランド部分がすべて空間的に連通
している。樹脂注入孔１６を通じて充填される封止樹脂
１５は、接続ランド４間を電気的に接続するはんだ部を
取り巻くように配置されるから、はんだ接合をなすはん
だ材料がリフロー工程などにおいて再溶融しても、外部
へ流れ出すことがないため、このはんだを再び冷却固化
させることにより、はんだ接合が維持され電気的な接続
が保たれる。積層された各基板間の機械的な接続状態
は、封止樹脂１５によって保たれる。また、封止樹脂１
５は、半導体チップ７が実装されている領域には侵入し
ないため、封止樹脂１５と半導体素子７とが接触した状
態で固化することによる動作不良が発生しなくなる。

【００２４】また、このようにして構成された積層型半
導体装置は、積層された半導体パッケージ間の位置関係
が、中問基板１１によって機械的に補強されることによ
り、この部品を実装したり搬送したりする場面などにお
いて、破壊しにくく扱いやすいパッケージとなってい
る。

【００２５】また、中間基板１１を介することにより、
はんだ鍍金やランド電極などの膜厚を、他の配線パタ−
ンの膜厚に比して必要以上に厚くすることなく、積層構
造を実現することができる。これによりめっき工程のタ
クト短縮を実現できるとともに、膜厚のばらつきによる
接続不良の低減を実現可能とする。

【００２６】封止樹脂１５として用いる活性化作用を有
する樹脂は、フラックス成分を混練したエポキシ系樹脂
などの熱硬化性樹脂のほか、リフロー温度以上の融点を
有する熱可塑性樹脂等を用いることができる。これによ
り、再溶融したはんだの接続ランドに対する接合性能の
劣化を低減させることが可能となり、不良率の低減を可
能とする。

【００２７】次に、上述の４個の積層用の半導体パッケ
ージ１を積層して形成した半導体装置の製造方法につい
て説明する。図４は、半導体装置の製造方法のフロー図
である。

【００２８】まず、４個の半導体チップ７をそれぞれ図
１に示した構造にパッケージ化して半導体パッケージ１
を形成し、また、中間基板１１およびベース基板１２を
製造する（Ｓ１）。半導体パッケージ１、中間基板１１
及び天井基板１３のそれぞれの所定位置に樹脂注入孔１
６となる貫通孔を設ける。（Ｓ２）。次に、半導体パッ
ケージ１、中間基板１１及び天井基板１３のそれぞれ
に、仮固定用樹脂層１４を形成する（Ｓ３）。なお、こ
の仮固定用樹脂層１４の形成は、（Ｓ１）の工程の際に
形成してもよい。その場合、半導体パッケージ１に関し
ては半導体チップ７をフリッフチップ接合する前に形成
すればよい。

【００２９】ベース基板１２の上に順次、半導体パッケ
ージ１と中間基板１１を位置合せして配置し、最後に中
間基板１１の上に天井基板１３を位置合せして配置する
（Ｓ４）。

【００３０】次に、配置した全体を１００℃で１〜５秒
間の温度で、３０Ｎ程度の力を加圧して熱圧着を行い、
仮固定用樹脂層１４により仮固定し積層体を形成する
（Ｓ５）。この積層体の天井基板１３の樹脂注入孔１６
よりディスペンサ（不図示）により、表面活性成分を含
む封止樹脂１５を注入する（Ｓ６）。

【００３１】表面活性成分は、接続ランド４の表面に形
成されている１０μｍのはんだ６の表面を還元させるフ
ラックス機能を備えている。また、仮工程にて注入され
る封止樹脂１５は、仮固定用樹脂層１４の配線パターン
が半導体チップ７とはんだ接合部との間を隔絶するよう
にダム状に形成されるためで、半導体チップ７が設けら
れている領域に進入することはない。

【００３２】次に、リフロー炉（不図示）により２４０
℃程度加熱して、はんだ６接続と封止樹脂１５の硬化を
行い、半導体装置としての全体を完成する（Ｓ７）。

【００３３】次に、本発明の第２の実施の形態について
説明する。この第２の実施の形態では、上述の第１の実
施の形態に比較すると、基本構成は同じであるが、はん
だ接合部が異なる。第１の実施の形態では接続ランド４
の表面にめっきにより形成された、はんだ６によりはん
だ接合を行ったが、この第２の実施の形態では、接続ラ
ンド４をはんだボールを用いて接合している。

【００３４】図５は、４個の半導体パッケージ１を積層
して形成した積層型半導体装置の組立前の断面側面図で
あり、図６は、組立後の断面図である。なお、はんだ接
合部以外は、上述の第１の実施の形態と同様であるので、
重複説明を避けるために、同様部分については図１乃至
図３で用いた符合と同一符号を付して説明を省略する。

【００３５】半導体装置はパッケージとして形成された
４個の半導体パッケージ１ａが中間基板１１ａを挟んで
交互にベース基板１２ａに積層され、最上部の中間基板
１１ａ上には天井基板１３ａが積層されている。中間基
板１１ａと半導体パッケージ１ａや天井基板１３ａやベ
ース基板１２ａとの電気的接続は、はんだボール１８を
介して導通されている。

【００３６】この場合、各半導体パッケージ１ａは、配線
基板２ａの裏面側（半導体チップ７が実装されていない
側）と、表面側（半導体チップ７が実装されている側）
の対向位置にシート状樹脂の仮固定用樹脂層１４が形成
されている。なお、半導体パッケージ１ａの配線基板２
ａの表面に形成された配線パターン３の所定位置にはビ
アホール１９とランド２１が対応して形成されている。
ランド２１の表面にははんだボール１８が形成されてい
る。

【００３７】また、中間基板１１ａにも同様に表裏両面
に仮固定用樹脂層１４が形成され、所定位置にはビアホ
ール１９とランド２１が対応して形成されている。ラン
ド２１の表面にははんだボール１８が設けられている。
また、天井基板１３ａは中間基板１１ａとの接合側に仮
固定用樹脂層１４が形成され、所定位置にはビアホール
１９とランド２１が対応して形成されている。

【００３８】次に、上述の４個の半導体パッケージ１ａ
を積層して形成した半導体装置の製造方法について説明
する。図７は、半導体装置の製造方法のフロー図であ
る。

【００３９】まず、４個の半導体チップ７をそれぞれ仕
様にしたがって同じ構造にパッケージ化して半導体パッ
ケージ１ａを形成し、また、中間基板１１ａおよびベー
ス基板１２ａを製造して組立の準備をする（Ｓ１１）。
半導体パッケージ１ａ、中間基板１１ａ及び天井基板１
３ａのそれぞれの所定位置に樹脂注入孔１６を孔設する
（Ｓ１２）。次に、半導体パッケージ１ａ、中間基板１１
ａ及び天井基板１３ａのそれぞれに、シート状樹脂によ
る仮固定用樹脂層１４とランド２１の表面にはんだボー
ル１８を形成する（Ｓ１３）。なお、この仮固定用樹脂
層１４の形成は、（Ｓ１１）の工程の際に形成してもよ
い。その場合、半導体パッケージ１ａへの仮固定用樹脂
層１４の形成は、半導体チップ７をフリッフチップ接合
する前に行なえばよい。

【００４０】ベース基板１２ａの上に順次、半導体パッ
ケージ１ａと中間基板１１ａを位置合せして配置し、最
後に中間基板１１ａの上に天井基板１３ａを位置合せし
て配置する（Ｓ１４）。次に、配置した全体を１００℃
で１〜５秒間の温度で、３０Ｎ程度を加圧して熱圧着を
行って仮固定樹脂により仮固定して積層体を形成する
（Ｓ１５）。天井基板１３ａの樹脂注入孔１６よりディ
スペンサにより、表面活性成分を含む封止樹脂１５を注
入する（Ｓ１６）。なお、表面活性成分は、接続ランド
２１４の表面に形成されている１０μｍのはんだ６の表
面を還元させるフラックス機能を備えている。また、半
導体パッケージ１ａに関しては、注入された封止樹脂１
５は、仮固定樹脂が半導体チップ７との間にダム状に形
成されているので、半導体チップ７の裏面に回り込むこ
とはない。

【００４１】次に、リフロー炉により２４０℃程度加熱
して、はんだボール１８によるはんだ６接続と封止樹脂
１５の硬化を行い、半導体装置としての全体を完成する
（Ｓ１７）。

【００４２】なお、上述の各実施の形態では、仮固定用
接着層を半導体パッケージ、中間基板、ベース基板及び
天井基板のそれぞれに設けたが、対向する側の一方のみ
に所定の厚さにして設けてもよい。

【００４３】以上に説明したように、上述の各実施の形
態によれば、半導体パッケージ、中間基板、ベース基板
及び天井基板を所定位置に位置合せして積層し、その状
態で仮固定を行うことにより積層後の一括層間接続の際
に位置ずれすることを防止できる。それにより精度のよ
い安定して製造を行うことができる。

【００４４】また、封止樹脂として、表面活性化成分を
含む封止樹脂を用いることにより、接続と封止を一括し
て行うことができるので製造プロセスが簡易となり生産
性を向上させることができる。

【００４５】さらに、仮固定用樹脂をダム状に形成する
ことにより封止樹脂が半導体チップの裏面部へ流入する
ことを防止でき、半導体チップの接続信頼性を向上させ
ることができる。

【００４６】

【発明の効果】本発明によれば、積層接合部が確実に接
合されている半導体装置とそれを効率よく製造する半導
体装置の製造方法が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】半導体パッケージの構成を示す断面側面図。

【図２】本発明の半導体装置の、第１の実施の形態の組
立前の断面側面図。

【図３】本発明の半導体装置の、第１の実施の形態の組
立後の断面側面図。

【図４】本発明の半導体装置の、第１の実施の形態の製
造方法のフロー図。

【図５】本発明の半導体装置の、第２の実施の形態の組
立前の断面側面図。

【図６】本発明の半導体装置の、第２の実施の形態の組
立後の断面側面図。

【図７】本発明の半導体装置の、第２の実施の形態の製
造方法のフロー図。

【図８】従来の半導体装置の構造を示す断面図。

【符号の説明】

１、１ａ…半導体パッケージ、２…配線基板、４…接続
ランド、６…はんだ、７…半導体チップ、１１、１１ａ
…中間基板、１２、１２ａ…ベース基板、１３、１３ａ
…天井基板、１４…仮固定用接着層、１５…封止樹脂、
１６…樹脂注入孔、１８…はんだボール

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 荒川 雅之 神奈川県横浜市磯子区新磯子町33番地 株 式会社東芝生産技術センター内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも一方の主面に電極が形成され
   ている電極面を有する半導体素子と、この半導体素子の
   電極面と対向配置され、前記主面上に形成された配線パ
   ターンと前記電極とが電気的に接続されている配線基板
   とを有する半導体パッケージと、 前記半導体素子を収容する開口と、前記配線基板上に配
   設される接続ランドに対向するように形成される層間接
   続用のスルーホ−ルとを有する中間基板と、 この中間基板を介して積層され、前記スルーホールによ
   って前記半導体パッケ−ジと電気的に接合される他の半
   導体パッケージとを備え、 前記中問基板と前記配線基板との間にわたり、前記配線
   基板上を前記半導体素子が設けられている領域と、前記
   接続ランドが設けられている領域との少なくとも２つの
   領域を隔絶するように配設される樹脂層パターンとを具
   備することを特徴とする積層型半導体装置。
2. 【請求項２】 半導体素子が実装された複数の配線基板
   を、互いの配線基板間に電気的な層間接続を設けて積層
   させる積層工程を有する積層型半導体素子を形成する工
   程において、 前記積層の際に、前記配線基板の主面上において、前記
   半導体素子が実装された半導体素子領域と、前記層間接
   続の存する層間接続領域とを隔絶するように隔壁を設け
   て積層させる前記積層工程と、 前記積層工程において形成された前記層間接続を封止す
   るように前記層間接続領域に封止用樹脂を充填する充填
   工程と、を具備することを特徴とする積層型半導体装置
   の製造方法。