JP2004064043A - 半導体パッケージング装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】従来と比較して改良された半導体パッケージング装置或いは半導体モジュールを提供する。
【解決手段】半導体パッケージング装置58は、電子部品64を結合するための第1基板60と、第1基板60に結合された電子部品64を収容するための第2基板62と、を含む。
【選択図】 図2
【解決手段】半導体パッケージング装置58は、電子部品64を結合するための第1基板60と、第1基板60に結合された電子部品64を収容するための第2基板62と、を含む。
【選択図】 図2
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体パッケージに関し、特に半導体ダイを収容可能な単一半導体パッケージに関する。
【0002】
【従来の技術】
現在、半導体デバイスのパッケージングにおいて、マルチチップモジュール構成が使用されている。マルチチップモジュール構成は、共通パッケージ内の2つ以上の半導体ダイに対して機械的及び電気的な相互接続を提供する。パッケージは、一方、マザーボードとして言及される他のプリント回路ボード上に実装される。マザーボードは、マルチチップモジュール構成がインターフェイス接続する他の電子システムを含む。
【0003】
ある場合において、複数の半導体ダイは互いに直接的に相互接続される。他の場合において、半導体ダイは基板の両面に実装されると共に、基板内の配線及びビアによってこれらの半導体ダイが互いに電気的に結合される。基板の配線及びビアの長さが短くなるにつれ、対応の抵抗値、インダクタンス値、及びキャパシタンス値は減少すると共に、半導体ダイ間の電気的な結合の効率が増加する。従って、マルチチップモジュール構成は、多くの場合、ノイズの減少、消費電力の減少、信号保全性及び配電の向上、及びバンド幅の増大、などのシステム性能の改善を提供する。
【0004】
図1は、2つの半導体ダイ12、14が基板20の両面16、18上に実装されたマルチチップモジュール構成10の例を示す。この基板は頂面16及び底面18を含む。また、基板は、集積回路及びプリント回路ボードを製造するために使用される公知のプロセスにより形成される材料の多重層22からなる。個々の層は、導電性または絶縁性材料層からなることができる。
【0005】
多くの場合、導電性材料は金属、例えば、銅系材料からなり、これは、絶縁性材料層上にメッキされると共に、パッド及び配線を形成するようにフォトリソグラフィによってこの金属を除去することによりパターン化される。マザーボード(図示せず)に近い熱膨張特性を提供すると共に、ボード組み立ての信頼性を改善するため、有機材料が銅系材料と組み合わされる場合は、基板は有機基板として言及可能である。
【0006】
図1図示の例において、基板20の上側の2つの層24、26及び下側の2つの層28、30は、薄い樹脂材料からラミネーションプロセスにより形成される。2つの上側層24、26と下側層28、30と間に配設された中間層32は、コア層と呼ばれ、従来のプリント回路ボード材料からなる。中間層32は、2つの上側層24、26を2つの下側層28、30に電気的に結合するために使用される中間層貫通孔(図示せず)を含む。基板の作製中、2つの上側層24、26、2つの下側層28、30、及び中間層32が互いにラミネートされる。
【0007】
図1図示のように、中間層32は、中間層を機械的に穿孔することにより形成され且つ金属メッキされた貫通孔34を含む。パッド36は各貫通孔の両端部に配設される。上側及び下側層24、26、28、30は、2つの上側層24、26及び2つの下側層28、30をレーザ穿孔することにより形成されたマイクロビア38を含む。従って、基板の種々の層22は、機械的穿孔及びレーザ穿孔の両者を行うための多重処理工程を必要とする。また、2つの上側層24、26及び2つの下側層28、30内の各マイクロビア38は、別々のレーザ穿孔工程を必要とする。従って、機械的穿孔工程及びレーザ穿孔工程の総数の増加に伴って、貫通孔及びマイクロビアの両者を作製するための総コストが増加する。
【0008】
基板の上側層及び下側層24、26、28、30内のマイクロビア38に対して、マイクロビアインターフェイスパッド40が結合される。各マイクロビアは、金属メッキされた貫通孔34に対して、パッド36によって電気的に結合される。パッド42は、基板20の底面18上に形成されると共に、基板の2つの下側層28、30内のマイクロビアに機械的且つ電気的に結合される。基板の底面上のパッド42に対して、ボールグリッドアレイ(BGA)の半田ボール44が結合される。典型的には、基板の底面上のパッドは、マザーボード(図示せず)上の対応のパッド(図示せず)に対して、BGA半田ボールを介して結合される。
【0009】
基板の底面及び頂面18、16の両者上にはまた、第1半導体ダイ14及び第2半導体ダイ12と夫々インターフェイス接続するため、ダイインターフェイスパッド46が配設される。ダイインターフェイスパッドは、基板の上側及び下側層24、26、28、30内のマイクロビアに対して、機械的且つ電気的に結合される。基板の上側層24内のマイクロビアの下、及び基板の下側層30内のマイクロビアの上には、夫々マイクロビアインターフェイスパッドが配設される。
【0010】
第1半導体ダイ14は、基板20の底面18に対して機械的且つ電気的に結合される。また、第2半導体ダイ12は、基板20の頂面16に対して機械的且つ電気的に接続される。第1及び第2半導体ダイ14、12の夫々の底面50、52上の金属性(metallic)バンプ48は、基板20の底面18及び頂面16の夫々に対応して配置されたダイインターフェイスパッド46にオーバーラップする。典型的には、金属性バンプは半田によってダイインターフェイスパッドに接続され、第1及び第2半導体ダイの夫々と基板との間に直接的且つ電気的な結合を提供する。従って、基板は、第1及び第2半導体ダイの夫々の底面50、52上の、多くの場合は密集度の高い複数の金属性バンプとマザーボード(図示せず)上の密集度の低い複数のパッド(図示せず)との間の機械的及び電気的インターフェイスを提供する。
【0011】
図1はまた、第1半導体ダイ14と基板20の底面18との間及び第2半導体ダイ12と基板20の頂面16との間に配設された充填(underfill)樹脂54を示す。充填樹脂は、伝熱性化合物と電気的絶縁性材料とを含む熱硬化性ポリマーである。硬化後、充填樹脂は第1及び第2半導体ダイの夫々と基板との間の機械的インターフェイスを強化する。これは、充填樹脂が、震動によるせん断応力などの第1及び第2半導体ダイに付加されるせん断応力と、第1及び第2半導体ダイと基板との間の熱膨張差による応力との多くを、第1及び第2半導体ダイを基板に相互接続する半田ジョイントから逸らすと共に、同応力をマルチチップモジュール構成10の全体に亘って分配するからである。従って、充填樹脂は、機械的応力及び震動により第1及び第2半導体ダイと基板との間の電気的インターフェイスが損なわれる可能性を減らすことにより、機械的信頼性を向上させる。充填樹脂はまた、半導体ダイから基板へ熱を消散させるのを助ける。
【0012】
マルチチップモジュール構成10は、多くの場合、同時スイッチングノイズ(SSN)を減少させるように使用されるデカップリングキャパシタ(図示せず)を含む。デカップリングキャパシタに対するループインダクタンスを低く維持する必要があるため、半導体ダイ12、14と各デカップリングキャパシタとの間の距離はできるだけ短くすべきである。従って、デカップリングキャパシタは、多くの場合、半導体ダイが結合される基板20の表面とは反対側の基板20の表面上に配置される。デカップリングキャパシタは、基板内に含まれるビア及び配線(図示せず)によって半導体ダイに電気的に結合される。
【0013】
上述のように、図1図示のマルチチップモジュール構成10は改善された電気的性能という利益を提供する。しかしながら、基板20の底面18に結合された第1半導体ダイ14或いはデカップリングキャパシタ(図示せず)は、マルチチップモジュールがマザーボードに接続される際に、マザーボード(図示せず)の表面(図示せず)に接触する可能性が高い。第1半導体ダイ14或いはデカップリングキャパシタがマザーボードに接触する可能性が高い理由は、BGA半田ボール44の高さが典型的にはたった0.4〜0.6mmであるのに対して、第1半導体ダイ或いはデカップリングキャパシタは典型的には0.7mmより大きい高さを有するからである。
【0014】
この高さの差の問題を回避するため、典型的には1.5〜2.0mmの高さのカラムグリッドアレイ(CGA)(図示せず)を、BGA半田ボール44の代わりに、マルチチップモジュール10をマザーボード(図示せず)に結合するために使用することができる。CGAが基板20の底面18に結合される場合、第1半導体ダイ14或いはデカップリングキャパシタ(図示せず)は、マザーボードの表面(図示せず)に接触しない。しかしながら、CGAの設置は入手が容易でない特別な設置機器を必要とするために複雑である。
【0015】
高さの差の問題に対する他の可能な解決策は、第1半導体ダイ14を研磨し、従って、第1半導体ダイの厚さを減少させることである。しかしながら、第1半導体ダイを研磨するプロセスには費用が掛る。また、研磨は、各デカップリングキャパシタを形成するセラミック及び導電体の多重層の一部を除去してしまう可能性があるため、研磨プロセスはデカップリングキャパシタ(図示せず)に適用できない。
【0016】
高さの差の問題に対する更に他の可能な解決策は、薄いデカップリングキャパシタを使用することである。しかしながら、典型的には、薄いデカップリングキャパシタは、正規のデカップリングキャパシタと比較して費用が掛る。
【0017】
高さの差の問題に対する更に他の可能な解決策は、第1半導体ダイ14或いはデカップリングキャパシタ(図示せず)を収容するように、マザーボード(図示せず)内に凹部(図示せず)若しくは穴(図示せず)を形成することである。しかしながら、マザーボード内に凹部若しくは穴を追加すると、配線(図示せず)を通すため、或いは第1半導体ダイ及び/またはデカップリングキャパシタの下にビアを構成するために使用可能な表面積がマザーボードから除去されるため、望ましくない。
【0018】
図1図示のマルチチップモジュール構成10に関連する別の問題は、充填樹脂54が第1及び第2半導体ダイと基板20との間に配設される際、充填樹脂54が第1及び第2半導体ダイ14、12の下から広がり、第1及び第2半導体ダイから離れてしまうことである。充填樹脂の広がりは、第1及び第2半導体ダイから2〜3mm離れるまでに延びる可能性がある。充填樹脂の広がりにより、BGA半田ボール44にインターフェイス接続するためのパッド42が、第1及び第2半導体ダイに最も近い基板の領域に配設することができなくなる。
【0019】
このため、基板の寸法は、充填樹脂の広がりを見積もったマージンスペースを残すように増大させることが必要となり、これは基板の作製における材料コストの増大をもたらすため、望ましくない。また、第1及び第2半導体ダイとマザーボード(図示せず)にインターフェイス接続するBGA半田ボールとの間の間隔が増加すると、第1及び第2半導体ダイとマザーボードとの間の電気的な接続を短くした場合の利益に反するため、望ましくない。
【0020】
【発明が解決しようとする課題】
従って、カラムグリッドアレイ(図示せず)の必要性、半導体ダイを研磨する必要性、或いはマザーボードの一部を除去する必要性がない状態で、基板20の底面18に結合された半導体ダイ12、14或いはデカップリングキャパシタ(図示せず)がマザーボード(図示せず)に接触するのを防止することができるマルチチップモジュール構成10が求められている。また、作製に費用が掛るマイクロビア38の数が少ないマルチチップモジュール構成が求められている。更に、充填樹脂54の広がりを制限し、従ってパッド42を配設するための基板上の表面積を大きくすると共に、半導体ダイのより近くにパッド42を配設することができるマルチチップモジュール構成が求められている。
【0021】
本発明は、かかる観点に基づいて、従来と比較して改良された半導体パッケージング装置或いは半導体モジュールを提供することを目的とする。
【0022】
【課題を解決するための手段】
本発明のある視点において、半導体パッケージング装置が提供され、これは、電子部品が結合される第1基板と、前記第1基板に結合された前記電子部品を収容する第2基板と、を含む。
【0023】
本発明の別の視点において、半導体モジュールが提供され、これは、両面を有する第1基板と、第1電子部品と、第2基板と、を含む。前記第1電子部品は前記第1基板の前記両面の一方に結合される。前記第2基板は前記第1電子部品を収容すると共に前記第1基板の前記両面の前記一方に結合される。
【0024】
本発明の別の視点において、半導体モジュールが提供され、これは、両面を有する第1基板と、第1電子部品と、キャップ基板と、を含む。前記第1電子部品は前記第1基板の前記両面の一方に結合される。前記キャップ基板は前記第1電子部品を収容すると共に前記第1基板の前記両面の前記一方に結合される。
【0025】
更に、本発明の実施の形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施の形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が省略されることで発明が抽出された場合、その抽出された発明を実施する場合には省略部分が周知慣用技術で適宜補われるものである。
【0026】
【発明の実施の形態】
図2は例示の実施の形態に係るマルチチップモジュール構成56を示す。このマルチチップモジュール構成は、第1基板60及び第2基板62、第1半導体ダイ64、及び第2半導体ダイ66からなる基板パッケージング装置58を含む。第1基板は頂面68及びこれと反対側の底面70を有する。同様に、第2基板は頂面72及びこれと反対側の底面74を有する。第1基板の底面70は、第2基板の頂面72に対して、ラミネーション層76を形成するラミネーションプロセスによって結合される。しかしながら、第1基板及び第2基板は、ラミネーション以外の機械的手段、例えば、接着若しくは取付けデバイスによって、互いに結合することができる。
【0027】
第1基板60及び第2基板62は、集積回路及びプリント回路ボードを製造するために使用される材料の多重層78を構成する。第1基板を構成する個々の層は、導電性または絶縁性材料層からなることができる。多くの場合、導電性材料は金属、例えば、銅系材料からなり、これは、絶縁性材料層上にメッキされると共に、パッド及び配線を形成するようにフォトリソグラフィによってこの金属を除去することによりパターン化される。第1基板において、マザーボード(図示せず)に近い熱膨張特性を提供すると共に、ボード組み立ての信頼性を改善するため、有機材料が銅系材料と組み合わされるため、第1基板は有機基板として言及される。
【0028】
図2図示の実施の形態において、第1基板60の2つの上側層80、82及び2つの下側層84、86は、有機材料に適用可能な微細グランドルールを使用して設計されている。第1基板の2つの上側層80、82及び2つの下側層84、86は、日本国、川崎市の味の素ファインテクノ株式会社によって製造されたABF(Ajinomoto Build−up Film)と呼ばれる薄い樹脂材料から、ラミネーションプロセスによって形成される。第1基板の中間層88は、2つの上側層80、82と2つの下側層84、86との間に配設され、コア層と呼ばれる。中間層88は、2つの上側層80、82を2つの下側層84、86に電気的に結合するために使用される中間層貫通孔(図示せず)を含む。第1基板の作製中、2つの上側層80、82、2つの下側層84、86、及び中間層88が互いにラミネートされる。
【0029】
第1基板と異なり、第2基板62は従来のプリント回路ボード材料からなり、ここで、プリント回路ボード材料の典型的な例は、日本国、東京都の三菱ガス化学株式会社により製造されたBT樹脂である。第2基板の設計には、微細グランドルールよりも安価に行うことができるラフグランドルールが使用されている。
【0030】
第1基板60及び第2基板62の両者は、第1及び第2基板の両者を貫通する貫通孔90を含む。貫通孔は機械的な穿孔により形成され、金属92、例えば、銅によってメッキされる。金属、例えば銅からなるパッド94が、第1基板の頂面68及び第2基板の底面74上で、各貫通孔の両端部に配設される。貫通孔90が穿孔されたパッド94の側部分96が、第1基板の上側層80の頂面68の下で、各貫通孔の側部に配置される。BGA半田ボール98が第2基板の底面74上のパッド94に結合される。典型的にはBGA半田ボールは錫/鉛半田から作製されるが、他のタイプの半田、例えば、無鉛半田、導電性ポリマーも使用可能である。BGA半田ボールと組み合わせた第2基板の合計の高さh0は、第1半導体ダイ64の高さh1よりも大きくなるように設計される。
【0031】
金属、例えば、銅からなるダイインターフェイスパッド100が、第1基板60の頂面68及び底面70上に配設される。ダイインターフェイスパッドは、第1基板の上側層80及び下側層86内の、金属、例えば銅からなるマイクロビア102に機械的且つ電気的に結合される。金属、例えば銅からなるマイクロビアインターフェイスパッド104が、第1基板の上側層80内のマイクロビアの下、及び第1基板の下側層86内のマイクロビアの上に対応して配設される。
【0032】
第2基板62はリング状をなすと共に穴106を有し、穴106は、第1半導体ダイ64及び/またはデカップリングキャパシタ(図示せず)などの電子部品を収容するような寸法を有する。第1半導体ダイを収容する場合、第2半導体基板内の穴の寸法は、第1半導体ダイが第1基板60の底面70に結合できると共に、第1基板ダイの高さh1が第2基板及びBGA半田ボール98の高さh0よりも大きくないように設定される。図2以降の図はこの穴を有する第2基板の領域に沿った断面図を示す。第2基板の穴は内壁108により規定される。穴は如何なる形状でもよいが、以下の説明では、矩形の第1半導体ダイの寸法を密着収容できるように、穴が矩形であると仮定する。
【0033】
更に、穴の深さd0は、第1基板ダイが第2基板及びBGA半田ボールの高さh0を越えて延びないようであれば、如何なる深さでもよい。穴の寸法は、第1半導体ダイ及び第2基板の内壁間の距離が1.5mm未満であるように設定される。他の実施の形態において、第2基板は、穴を有する代わりに、第1半導体ダイを収容するための凹部を含むことができる。他の実施の形態において、第2基板は、第1半導体ダイを収容できれば、リング状以外の形状、例えば、U字形、L字形、2重レール形を有することができる。
【0034】
第1半導体ダイ64は第1基板60の底面70に機械的且つ電気的に結合される。また、第2半導体ダイ66は第1基板の頂面68に機械的且つ電気的に結合される。第1半導体ダイ64及び第2半導体ダイ66の底面112、114上の金属性バンプ110は、夫々第1基板の底面70及び頂面68上に対応して配置されたダイインターフェイスパッドとオーバーラップする。第1基板の底面112及び第2基板の底面114上の金属性バンプは、半田によってダイインターフェイスパッドに接続され、従って、第1及び第2半導体ダイの夫々と第1基板との間の直接的且つ電気的な結合を提供する。更に、配線(図示せず)と組み合わされたマイクロビア102、メッキされた貫通孔90、及びBGA半田ボール98は、第1半導体ダイ、第2半導体ダイ、及びマザーボード(図示せず)間の電気的な結合を提供する。
【0035】
充填樹脂116は、第1半導体ダイ64と第1基板60の底面70との間、及び第2半導体ダイ66と第1基板の頂面68との間との間に配設される。図2図示のように、第2基板62の内壁は、充填樹脂の広がりが第1半導体ダイ64から離れるのを制限する。
【0036】
図3乃至図12は、図2図示のマルチチップモジュール構成56を作製する工程を示す断面図である。図3図示のように、第1基板60は、中間層88の各側にラミネートされた2つの上側層80、82及び2つの下側層84、86をもたらす、上述のラミネーションプロセスを含む組み立て技術を使用して作製される。中間層88は、2つの上側層80、82を2つの下側層84、86に電気的に結合するために使用される中間層貫通孔(図示せず)を含む。
【0037】
図3はまた、第1基板の組み立てプロセスにおいて、ダイインターフェイスパッド100が第1基板の頂面68及び底面70に形成されると共に、対応のマイクロビア102及びマイクロビアインターフェイスパッド104が第1基板の上側層80及び下側層86内に形成されることを示している。図3は更に、パッド94が第1基板2つの上側層80、82の上に形成されていることを示している。
【0038】
図4は第2基板62及び穴106の断面図を示す。前述のように、第2基板は従来のプリント回路ボード技術に基づいて作製される。BGA半田ボール98とインターフェイス接続するためのパッド94が第2基板の底面74上に形成される。図3図示の第1基板60及び図4図示の第2基板は、図5に示すように、基板パッケージング装置58を形成するように互いにラミネートされる。
【0039】
基板パッケージング装置58を形成するように第1及び第2基板60、62を互いにラミネートした後、図6図示のように、貫通孔90が機械的穿孔手段により第1及び第2基板に同時に形成される。次に、図7を参照して説明すると、貫通孔の内面が金属92、例えば、銅によってメッキされ、第1基板60及び第2基板62間の電気的な結合が提供される。作製中、1つのパネル(図示せず)内に多数の基板パッケージング装置58が並べて構成される場合がある。これらは、ダイサー若しくはルーターを使用して、基板パッケージング装置を互いに切り離す単一化プロセスによって、複数の個別のパッケージング装置に分割される。
【0040】
次に、図8を参照して説明すると、第2半導体ダイの底面114上の金属性バンプ110を第1基板の頂面上のダイインターフェイスパッド100に半田付けすることにより、第2半導体ダイ66が第1基板60の頂面68に接合され、従って、第1基板と第2半導体ダイとの間の機械的及び電気的インターフェイスが提供される。第2半導体ダイが第1基板の頂面に接合された後、図9図示のように、第1半導体ダイと第1基板の頂面との間に充填樹脂116が配設される。
【0041】
次に、図10に示すように、第1半導体ダイ64が第2基板62の穴106内に挿入されると共に、第1半導体ダイの底面112上の金属性バンプ110が、第1基板60の底面70上に配設されたダイインターフェイスパッド100に半田付けされる。次に、図11に示すように、充填樹脂116が第1半導体ダイ64と第1基板の底面70との間に配設される。図11に示すように、充填樹脂の広がりは第2基板の穴の内壁108によって制限される。最後に、図12に示すように、BGA半田ボール98が第2基板の底面74上のパッド94に取付けられ、各BGA半田ボールが対応のメッキされた貫通孔90に結合される。
【0042】
図8乃至図11は、第2半導体ダイ66を第1基板60の頂面68に結合し、次に、第1半導体ダイ64を第1基板60の底面70に結合する態様を示す。しかし、第1及び第2半導体ダイ64、66の結合の順番は、第2半導体ダイ66が第1基板60の頂面68に結合される前に、第1半導体ダイ64が第1基板60の底面70に結合されるというように、逆にすることができる。
【0043】
図13図示の例示の実施の形態は、図2図示の実施の形態と比較すると、第2半導体ダイ66の底面114上の金属性バンプ110を、第1基板60の頂面68上のダイインターフェイスパッド100に直接的に半田付けするのではなく、第2半導体ダイが、第1基板に結合されたプリパッケージアッセンブリ118として構成される点で相違する。図13図示のように、第2半導体ダイは、第2半導体ダイの底面上に配設された金属性バンプを含み、これらは、インターフェイス基板122の頂面120上のパッド(図示せず)に半田付けされる。インターフェイス基板の底面126上のパッド124は、半田接続手段により、対応のダイインターフェイスパッド100に接続される。インターフェイス基板内の配線(図示せず)及びビア(図示せず)が、インターフェイス基板の頂面120上のパッド(図示せず)を、インターフェイス基板122の底面126上のパッド124に電気的に結合する。充填樹脂116が第2半導体ダイの底面114とインターフェイス基板の頂面120との間に配設される。
【0044】
図13はプリパッケージアセンブリとして構成された第2半導体ダイを示すのみであるが、本発明の他の実施の形態では、プリパッケージングアセンブリとして構成された第1半導体ダイ64を含むこともできる。第1半導体ダイ及び/または第2半導体ダイをプリパッケージアッセンブリとして構成すると、第1基板に結合する前の第1若しくは第2半導体ダイの同等性の診断が容易となる点で有利である。
【0045】
図14図示の例示の実施の形態は、図2図示の実施の形態と比較すると、図14図示の実施の形態が、BGA半田ボール98の代わりに、第2基板62の底面74上のパッド94に結合された放熱用基板128を含む点で相違する。また、図14では、第1半導体ダイの頂面が放熱用基板に機械的に結合される。前述のように、放熱用基板は従来のプリント回路ボード材料からなり、金属メッキ、典型的には銅メッキされた貫通孔132を含む。放熱用基板の頂面136及び底面138上にパッド134が配設される。第2基板の底面74上のパッド94は、半田接続手段140によって放熱用基板の頂面136上の対応のパッド134に結合される。
【0046】
伝熱性材料141、例えば、日本国、東京都の信越化学株式会社によって製造されたG750が第1半導体ダイの頂面と放熱用基板との間に配設され、第1半導体ダイと放熱用基板との間の機械的且つ熱的接触が提供される。BGA半田ボール98が放熱用基板の底面138上のパッド134に接続される。放熱用基板の金属メッキされた貫通孔132及びパッド134は、第1及び第2半導体ダイ64、66及び第1及び第2基板60、62から、BGA半田ボールを介して、マザーボード(図示せず)への伝熱を有利に提供する。
【0047】
図15図示の例示の実施の形態は、図2図示の実施の形態と比較すると、図2図示の実施の形態では第1基板の底面70が第2基板の頂面72にラミネートされるのに対して、図15図示の例示の実施の形態では第1基板60が半田接続手段140によって第2基板62に結合される点で相違する。作製中、図15図示の第1基板及び第2基板は、それらの貫通孔90が別々に穿孔され且つメッキされる。第1基板の頂面68上にパッド94を有するのに加えて、第1基板の底面70は銅メッキされた貫通孔に機械的且つ電気的に結合されたパッド94を有する。更に、第2基板の底面74上のパッド94に加えて、第2基板の頂面72は銅メッキされた貫通孔に機械的且つ電気的に結合されたパッド94を含む。第1基板の底面70上のパッド94は、半田接続手段140によって第2基板の頂面上のパッド94に結合される。
【0048】
更に、図14及び図15図示の実施の形態は組み合わされることによって、ある例示の実施の形態をもたらすことができる。ここで、図15図示のように、第1及び第2基板60、62が半田接続手段140によって互いに結合される一方、図14図示の実施の形態に従って、放熱用基板128が半田接続手段140によって第2基板の底面74に結合されると共に、充填樹脂手段116によって第1半導体ダイ64の頂面130に結合される。
【0049】
図16は第2基板6の代わりにキャップ基板142を含む更に他の例示の実施の形態を示す。キャップ基板142は図14図示の実施の形態の放熱用基板128及び図15図示の実施の形態の第2基板の機能を達成する。上述の実施の形態とは異なり、図16図示のキャップ基板は穴106の代わりに凹部144を含み、これは第1半導体ダイ64及び/またはデカップリングキャパシタ(図示せず)などの電子部品を収容する。第1半導体ダイを収容する場合、凹部の寸法は、第1半導体ダイが直接的にキャップ基板に接触しない状態で、第1半導体ダイ及びキャップ基板が第1基板の底面に結合できるように設定される。
【0050】
作製中、図16図示の第1基板60及びキャップ基板142は、それらの貫通孔90が別々に穿孔され且つメッキされる。第1基板の頂面68上にパッド94を有するのに加えて、第1基板の底面70は銅メッキされた貫通孔に機械的且つ電気的に結合されたパッド94を有する。更に、キャップ基板の底面148上のパッド94に加えて、キャップ基板の頂面146は銅メッキされた貫通孔に機械的且つ電気的に結合されたパッド94を含む。
【0051】
第1基板の底面70上のパッド94は、半田接続手段140によってキャップ基板の頂面146上のパッド94に結合される。作製プロセス中、伝熱性材料141が凹部144内で第1半導体ダイ64とキャップ基板との間に配設される。BGA半田ボール98がキャップ基板の底面148上のパッド94に接続される。キャップ基板の金属メッキされた貫通孔及びパッド94は、第1及び第2半導体ダイ64、66、第1基板、及びキャップ基板から、BGA半田ボールを介して、マザーボード(図示せず)への伝熱を有利に提供する。
【0052】
本発明の更に他の実施の形態は、第1基板60の頂面68に結合された第2基板66若しくはキャップ基板142と類似若しくは同一の追加の基板(図示せず)を含むことができる。この追加の基板は、第2半導体ダイ66を収容するための穴106若しくは凹部144を含むことができると共に、追加の基板及び第2半導体ダイの上に配置された他のプリント回路ボード(図示せず)と結合するための構造として機能することができる。追加の基板は、充填樹脂116の広がりが第2半導体ダイから離れるのを有利に制限する。
【0053】
本発明の実施の形態はマルチチップモジュール構成56を有利に提供し、ここで、基板60、62、128、142は、半導体ダイ64、66及び/またはデカップリングキャパシタ(図示せず)が直接的にマザーボードに接触しない状態で、マルチチップモジュール構成を下側のマザーボード(図示せず)に実装できるようにする。
【0054】
また、本発明の実施の形態は、充填樹脂116の広がりを制限する内壁108を有する第2基板を含み、従って、第1半導体ダイ64及び/またはデカップリングキャパシタ(図示せず)近傍において、貫通孔90の形成及び貫通孔の配置のために使用される第1基板60の表面積をより大きく確保することができる。第2基板及び第1半導体ダイ間の間隔が1.5mm未満となるように第2基板内の穴106の寸法が設定される場合、第2基板の内壁は、充填樹脂の流れを、第1半導体ダイから1.5mm以上は離れないように機械的に制限する。これは、2〜3mmに達するであろう半導体ダイからの充填樹脂の典型的な広がり幅に比べて小さい。
【0055】
本発明の実施の形態は、基板60、62、142内に、より作製に費用が掛るマイクロビア102の代わりに、貫通孔90を有することから利益を得る。マイクロビアの数が増加するほど、マイクロビアをレーザ穿孔する総コストも増加する。また、基板に金属メッキされた貫通孔を使用することにより、第1及び第2半導体ダイ64、66及び基板からの伝熱、及びマルチチップモジュール構成10が結合されるマザーボード(図示せず)への伝熱が有利に容易となる。
【0056】
本発明の特定の実施の形態において、第1基板及び第2基板が互いにラミネートされた後にこれらに貫通孔が形成される。これらの実施の形態では、第1基板及び第2基板を順に処理して貫通孔を別々に形成する時に発生する貫通孔の位置合わせの必要性や、多重穿孔工程の必要性を排除できるために有利である。本発明の実施の形態はまた、微細グランドルールを使用して基板を設計する必要性が減少するため、コスト削減を図ることもできる。
【0057】
本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。
【0058】
【発明の効果】
本発明によれば、従来と比較して改良された半導体パッケージング装置或いは半導体モジュールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来のマルチチップモジュール構成を示す断面図である。
【図2】本発明の例示の実施の形態に係るマルチチップモジュール構成を示す断面図である。
【図3】図2図示のマルチチップモジュール構成を作製する工程を示す断面図である。
【図4】図2図示のマルチチップモジュール構成を作製する工程を示す断面図である。
【図5】図2図示のマルチチップモジュール構成を作製する工程を示す断面図である。
【図6】図2図示のマルチチップモジュール構成を作製する工程を示す断面図である。
【図7】図2図示のマルチチップモジュール構成を作製する工程を示す断面図である。
【図8】図2図示のマルチチップモジュール構成を作製する工程を示す断面図である。
【図9】図2図示のマルチチップモジュール構成を作製する工程を示す断面図である。
【図10】図2図示のマルチチップモジュール構成を作製する工程を示す断面図である。
【図11】図2図示のマルチチップモジュール構成を作製する工程を示す断面図である。
【図12】図2図示のマルチチップモジュール構成を作製する工程を示す断面図である。
【図13】本発明の例示の実施の形態に係るマルチチップモジュール構成を示す断面図である。
【図14】本発明の例示の実施の形態に係るマルチチップモジュール構成を示す断面図である。
【図15】本発明の例示の実施の形態に係るマルチチップモジュール構成を示す断面図である。
【図16】本発明の例示の実施の形態に係るマルチチップモジュール構成を示す断面図である。
【符号の説明】
56…マルチチップモジュール構成、58…パッケージング装置、60…第1基板、62…第2基板、64…第1半導体ダイ、66…第2半導体ダイ、76…ラミネーション層、78…多重層、80、82…上側層、84、86…下側層、88…中間層、90…貫通孔、92…金属、94…パッド、98…BGA半田ボール、100…ダイインターフェイスパッド、102…マイクロビア、104…マイクロビアインターフェイスパッド、106…穴、108…内壁、110…金属性バンプ、116…充填樹脂、118…プリパッケージアッセンブリ、122…インターフェイス基板、124…パッド、128…放熱用基板、132…貫通孔、134…パッド、140…半田接続手段、141…伝熱性材料、142…キャップ基板、144…凹部。
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体パッケージに関し、特に半導体ダイを収容可能な単一半導体パッケージに関する。
【0002】
【従来の技術】
現在、半導体デバイスのパッケージングにおいて、マルチチップモジュール構成が使用されている。マルチチップモジュール構成は、共通パッケージ内の2つ以上の半導体ダイに対して機械的及び電気的な相互接続を提供する。パッケージは、一方、マザーボードとして言及される他のプリント回路ボード上に実装される。マザーボードは、マルチチップモジュール構成がインターフェイス接続する他の電子システムを含む。
【0003】
ある場合において、複数の半導体ダイは互いに直接的に相互接続される。他の場合において、半導体ダイは基板の両面に実装されると共に、基板内の配線及びビアによってこれらの半導体ダイが互いに電気的に結合される。基板の配線及びビアの長さが短くなるにつれ、対応の抵抗値、インダクタンス値、及びキャパシタンス値は減少すると共に、半導体ダイ間の電気的な結合の効率が増加する。従って、マルチチップモジュール構成は、多くの場合、ノイズの減少、消費電力の減少、信号保全性及び配電の向上、及びバンド幅の増大、などのシステム性能の改善を提供する。
【0004】
図1は、2つの半導体ダイ12、14が基板20の両面16、18上に実装されたマルチチップモジュール構成10の例を示す。この基板は頂面16及び底面18を含む。また、基板は、集積回路及びプリント回路ボードを製造するために使用される公知のプロセスにより形成される材料の多重層22からなる。個々の層は、導電性または絶縁性材料層からなることができる。
【0005】
多くの場合、導電性材料は金属、例えば、銅系材料からなり、これは、絶縁性材料層上にメッキされると共に、パッド及び配線を形成するようにフォトリソグラフィによってこの金属を除去することによりパターン化される。マザーボード(図示せず)に近い熱膨張特性を提供すると共に、ボード組み立ての信頼性を改善するため、有機材料が銅系材料と組み合わされる場合は、基板は有機基板として言及可能である。
【0006】
図1図示の例において、基板20の上側の2つの層24、26及び下側の2つの層28、30は、薄い樹脂材料からラミネーションプロセスにより形成される。2つの上側層24、26と下側層28、30と間に配設された中間層32は、コア層と呼ばれ、従来のプリント回路ボード材料からなる。中間層32は、2つの上側層24、26を2つの下側層28、30に電気的に結合するために使用される中間層貫通孔(図示せず)を含む。基板の作製中、2つの上側層24、26、2つの下側層28、30、及び中間層32が互いにラミネートされる。
【0007】
図1図示のように、中間層32は、中間層を機械的に穿孔することにより形成され且つ金属メッキされた貫通孔34を含む。パッド36は各貫通孔の両端部に配設される。上側及び下側層24、26、28、30は、2つの上側層24、26及び2つの下側層28、30をレーザ穿孔することにより形成されたマイクロビア38を含む。従って、基板の種々の層22は、機械的穿孔及びレーザ穿孔の両者を行うための多重処理工程を必要とする。また、2つの上側層24、26及び2つの下側層28、30内の各マイクロビア38は、別々のレーザ穿孔工程を必要とする。従って、機械的穿孔工程及びレーザ穿孔工程の総数の増加に伴って、貫通孔及びマイクロビアの両者を作製するための総コストが増加する。
【0008】
基板の上側層及び下側層24、26、28、30内のマイクロビア38に対して、マイクロビアインターフェイスパッド40が結合される。各マイクロビアは、金属メッキされた貫通孔34に対して、パッド36によって電気的に結合される。パッド42は、基板20の底面18上に形成されると共に、基板の2つの下側層28、30内のマイクロビアに機械的且つ電気的に結合される。基板の底面上のパッド42に対して、ボールグリッドアレイ(BGA)の半田ボール44が結合される。典型的には、基板の底面上のパッドは、マザーボード(図示せず)上の対応のパッド(図示せず)に対して、BGA半田ボールを介して結合される。
【0009】
基板の底面及び頂面18、16の両者上にはまた、第1半導体ダイ14及び第2半導体ダイ12と夫々インターフェイス接続するため、ダイインターフェイスパッド46が配設される。ダイインターフェイスパッドは、基板の上側及び下側層24、26、28、30内のマイクロビアに対して、機械的且つ電気的に結合される。基板の上側層24内のマイクロビアの下、及び基板の下側層30内のマイクロビアの上には、夫々マイクロビアインターフェイスパッドが配設される。
【0010】
第1半導体ダイ14は、基板20の底面18に対して機械的且つ電気的に結合される。また、第2半導体ダイ12は、基板20の頂面16に対して機械的且つ電気的に接続される。第1及び第2半導体ダイ14、12の夫々の底面50、52上の金属性(metallic)バンプ48は、基板20の底面18及び頂面16の夫々に対応して配置されたダイインターフェイスパッド46にオーバーラップする。典型的には、金属性バンプは半田によってダイインターフェイスパッドに接続され、第1及び第2半導体ダイの夫々と基板との間に直接的且つ電気的な結合を提供する。従って、基板は、第1及び第2半導体ダイの夫々の底面50、52上の、多くの場合は密集度の高い複数の金属性バンプとマザーボード(図示せず)上の密集度の低い複数のパッド(図示せず)との間の機械的及び電気的インターフェイスを提供する。
【0011】
図1はまた、第1半導体ダイ14と基板20の底面18との間及び第2半導体ダイ12と基板20の頂面16との間に配設された充填(underfill)樹脂54を示す。充填樹脂は、伝熱性化合物と電気的絶縁性材料とを含む熱硬化性ポリマーである。硬化後、充填樹脂は第1及び第2半導体ダイの夫々と基板との間の機械的インターフェイスを強化する。これは、充填樹脂が、震動によるせん断応力などの第1及び第2半導体ダイに付加されるせん断応力と、第1及び第2半導体ダイと基板との間の熱膨張差による応力との多くを、第1及び第2半導体ダイを基板に相互接続する半田ジョイントから逸らすと共に、同応力をマルチチップモジュール構成10の全体に亘って分配するからである。従って、充填樹脂は、機械的応力及び震動により第1及び第2半導体ダイと基板との間の電気的インターフェイスが損なわれる可能性を減らすことにより、機械的信頼性を向上させる。充填樹脂はまた、半導体ダイから基板へ熱を消散させるのを助ける。
【0012】
マルチチップモジュール構成10は、多くの場合、同時スイッチングノイズ(SSN)を減少させるように使用されるデカップリングキャパシタ(図示せず)を含む。デカップリングキャパシタに対するループインダクタンスを低く維持する必要があるため、半導体ダイ12、14と各デカップリングキャパシタとの間の距離はできるだけ短くすべきである。従って、デカップリングキャパシタは、多くの場合、半導体ダイが結合される基板20の表面とは反対側の基板20の表面上に配置される。デカップリングキャパシタは、基板内に含まれるビア及び配線(図示せず)によって半導体ダイに電気的に結合される。
【0013】
上述のように、図1図示のマルチチップモジュール構成10は改善された電気的性能という利益を提供する。しかしながら、基板20の底面18に結合された第1半導体ダイ14或いはデカップリングキャパシタ(図示せず)は、マルチチップモジュールがマザーボードに接続される際に、マザーボード(図示せず)の表面(図示せず)に接触する可能性が高い。第1半導体ダイ14或いはデカップリングキャパシタがマザーボードに接触する可能性が高い理由は、BGA半田ボール44の高さが典型的にはたった0.4〜0.6mmであるのに対して、第1半導体ダイ或いはデカップリングキャパシタは典型的には0.7mmより大きい高さを有するからである。
【0014】
この高さの差の問題を回避するため、典型的には1.5〜2.0mmの高さのカラムグリッドアレイ(CGA)(図示せず)を、BGA半田ボール44の代わりに、マルチチップモジュール10をマザーボード(図示せず)に結合するために使用することができる。CGAが基板20の底面18に結合される場合、第1半導体ダイ14或いはデカップリングキャパシタ(図示せず)は、マザーボードの表面(図示せず)に接触しない。しかしながら、CGAの設置は入手が容易でない特別な設置機器を必要とするために複雑である。
【0015】
高さの差の問題に対する他の可能な解決策は、第1半導体ダイ14を研磨し、従って、第1半導体ダイの厚さを減少させることである。しかしながら、第1半導体ダイを研磨するプロセスには費用が掛る。また、研磨は、各デカップリングキャパシタを形成するセラミック及び導電体の多重層の一部を除去してしまう可能性があるため、研磨プロセスはデカップリングキャパシタ(図示せず)に適用できない。
【0016】
高さの差の問題に対する更に他の可能な解決策は、薄いデカップリングキャパシタを使用することである。しかしながら、典型的には、薄いデカップリングキャパシタは、正規のデカップリングキャパシタと比較して費用が掛る。
【0017】
高さの差の問題に対する更に他の可能な解決策は、第1半導体ダイ14或いはデカップリングキャパシタ(図示せず)を収容するように、マザーボード(図示せず)内に凹部(図示せず)若しくは穴(図示せず)を形成することである。しかしながら、マザーボード内に凹部若しくは穴を追加すると、配線(図示せず)を通すため、或いは第1半導体ダイ及び/またはデカップリングキャパシタの下にビアを構成するために使用可能な表面積がマザーボードから除去されるため、望ましくない。
【0018】
図1図示のマルチチップモジュール構成10に関連する別の問題は、充填樹脂54が第1及び第2半導体ダイと基板20との間に配設される際、充填樹脂54が第1及び第2半導体ダイ14、12の下から広がり、第1及び第2半導体ダイから離れてしまうことである。充填樹脂の広がりは、第1及び第2半導体ダイから2〜3mm離れるまでに延びる可能性がある。充填樹脂の広がりにより、BGA半田ボール44にインターフェイス接続するためのパッド42が、第1及び第2半導体ダイに最も近い基板の領域に配設することができなくなる。
【0019】
このため、基板の寸法は、充填樹脂の広がりを見積もったマージンスペースを残すように増大させることが必要となり、これは基板の作製における材料コストの増大をもたらすため、望ましくない。また、第1及び第2半導体ダイとマザーボード(図示せず)にインターフェイス接続するBGA半田ボールとの間の間隔が増加すると、第1及び第2半導体ダイとマザーボードとの間の電気的な接続を短くした場合の利益に反するため、望ましくない。
【0020】
【発明が解決しようとする課題】
従って、カラムグリッドアレイ(図示せず)の必要性、半導体ダイを研磨する必要性、或いはマザーボードの一部を除去する必要性がない状態で、基板20の底面18に結合された半導体ダイ12、14或いはデカップリングキャパシタ(図示せず)がマザーボード(図示せず)に接触するのを防止することができるマルチチップモジュール構成10が求められている。また、作製に費用が掛るマイクロビア38の数が少ないマルチチップモジュール構成が求められている。更に、充填樹脂54の広がりを制限し、従ってパッド42を配設するための基板上の表面積を大きくすると共に、半導体ダイのより近くにパッド42を配設することができるマルチチップモジュール構成が求められている。
【0021】
本発明は、かかる観点に基づいて、従来と比較して改良された半導体パッケージング装置或いは半導体モジュールを提供することを目的とする。
【0022】
【課題を解決するための手段】
本発明のある視点において、半導体パッケージング装置が提供され、これは、電子部品が結合される第1基板と、前記第1基板に結合された前記電子部品を収容する第2基板と、を含む。
【0023】
本発明の別の視点において、半導体モジュールが提供され、これは、両面を有する第1基板と、第1電子部品と、第2基板と、を含む。前記第1電子部品は前記第1基板の前記両面の一方に結合される。前記第2基板は前記第1電子部品を収容すると共に前記第1基板の前記両面の前記一方に結合される。
【0024】
本発明の別の視点において、半導体モジュールが提供され、これは、両面を有する第1基板と、第1電子部品と、キャップ基板と、を含む。前記第1電子部品は前記第1基板の前記両面の一方に結合される。前記キャップ基板は前記第1電子部品を収容すると共に前記第1基板の前記両面の前記一方に結合される。
【0025】
更に、本発明の実施の形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施の形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が省略されることで発明が抽出された場合、その抽出された発明を実施する場合には省略部分が周知慣用技術で適宜補われるものである。
【0026】
【発明の実施の形態】
図2は例示の実施の形態に係るマルチチップモジュール構成56を示す。このマルチチップモジュール構成は、第1基板60及び第2基板62、第1半導体ダイ64、及び第2半導体ダイ66からなる基板パッケージング装置58を含む。第1基板は頂面68及びこれと反対側の底面70を有する。同様に、第2基板は頂面72及びこれと反対側の底面74を有する。第1基板の底面70は、第2基板の頂面72に対して、ラミネーション層76を形成するラミネーションプロセスによって結合される。しかしながら、第1基板及び第2基板は、ラミネーション以外の機械的手段、例えば、接着若しくは取付けデバイスによって、互いに結合することができる。
【0027】
第1基板60及び第2基板62は、集積回路及びプリント回路ボードを製造するために使用される材料の多重層78を構成する。第1基板を構成する個々の層は、導電性または絶縁性材料層からなることができる。多くの場合、導電性材料は金属、例えば、銅系材料からなり、これは、絶縁性材料層上にメッキされると共に、パッド及び配線を形成するようにフォトリソグラフィによってこの金属を除去することによりパターン化される。第1基板において、マザーボード(図示せず)に近い熱膨張特性を提供すると共に、ボード組み立ての信頼性を改善するため、有機材料が銅系材料と組み合わされるため、第1基板は有機基板として言及される。
【0028】
図2図示の実施の形態において、第1基板60の2つの上側層80、82及び2つの下側層84、86は、有機材料に適用可能な微細グランドルールを使用して設計されている。第1基板の2つの上側層80、82及び2つの下側層84、86は、日本国、川崎市の味の素ファインテクノ株式会社によって製造されたABF(Ajinomoto Build−up Film)と呼ばれる薄い樹脂材料から、ラミネーションプロセスによって形成される。第1基板の中間層88は、2つの上側層80、82と2つの下側層84、86との間に配設され、コア層と呼ばれる。中間層88は、2つの上側層80、82を2つの下側層84、86に電気的に結合するために使用される中間層貫通孔(図示せず)を含む。第1基板の作製中、2つの上側層80、82、2つの下側層84、86、及び中間層88が互いにラミネートされる。
【0029】
第1基板と異なり、第2基板62は従来のプリント回路ボード材料からなり、ここで、プリント回路ボード材料の典型的な例は、日本国、東京都の三菱ガス化学株式会社により製造されたBT樹脂である。第2基板の設計には、微細グランドルールよりも安価に行うことができるラフグランドルールが使用されている。
【0030】
第1基板60及び第2基板62の両者は、第1及び第2基板の両者を貫通する貫通孔90を含む。貫通孔は機械的な穿孔により形成され、金属92、例えば、銅によってメッキされる。金属、例えば銅からなるパッド94が、第1基板の頂面68及び第2基板の底面74上で、各貫通孔の両端部に配設される。貫通孔90が穿孔されたパッド94の側部分96が、第1基板の上側層80の頂面68の下で、各貫通孔の側部に配置される。BGA半田ボール98が第2基板の底面74上のパッド94に結合される。典型的にはBGA半田ボールは錫/鉛半田から作製されるが、他のタイプの半田、例えば、無鉛半田、導電性ポリマーも使用可能である。BGA半田ボールと組み合わせた第2基板の合計の高さh0は、第1半導体ダイ64の高さh1よりも大きくなるように設計される。
【0031】
金属、例えば、銅からなるダイインターフェイスパッド100が、第1基板60の頂面68及び底面70上に配設される。ダイインターフェイスパッドは、第1基板の上側層80及び下側層86内の、金属、例えば銅からなるマイクロビア102に機械的且つ電気的に結合される。金属、例えば銅からなるマイクロビアインターフェイスパッド104が、第1基板の上側層80内のマイクロビアの下、及び第1基板の下側層86内のマイクロビアの上に対応して配設される。
【0032】
第2基板62はリング状をなすと共に穴106を有し、穴106は、第1半導体ダイ64及び/またはデカップリングキャパシタ(図示せず)などの電子部品を収容するような寸法を有する。第1半導体ダイを収容する場合、第2半導体基板内の穴の寸法は、第1半導体ダイが第1基板60の底面70に結合できると共に、第1基板ダイの高さh1が第2基板及びBGA半田ボール98の高さh0よりも大きくないように設定される。図2以降の図はこの穴を有する第2基板の領域に沿った断面図を示す。第2基板の穴は内壁108により規定される。穴は如何なる形状でもよいが、以下の説明では、矩形の第1半導体ダイの寸法を密着収容できるように、穴が矩形であると仮定する。
【0033】
更に、穴の深さd0は、第1基板ダイが第2基板及びBGA半田ボールの高さh0を越えて延びないようであれば、如何なる深さでもよい。穴の寸法は、第1半導体ダイ及び第2基板の内壁間の距離が1.5mm未満であるように設定される。他の実施の形態において、第2基板は、穴を有する代わりに、第1半導体ダイを収容するための凹部を含むことができる。他の実施の形態において、第2基板は、第1半導体ダイを収容できれば、リング状以外の形状、例えば、U字形、L字形、2重レール形を有することができる。
【0034】
第1半導体ダイ64は第1基板60の底面70に機械的且つ電気的に結合される。また、第2半導体ダイ66は第1基板の頂面68に機械的且つ電気的に結合される。第1半導体ダイ64及び第2半導体ダイ66の底面112、114上の金属性バンプ110は、夫々第1基板の底面70及び頂面68上に対応して配置されたダイインターフェイスパッドとオーバーラップする。第1基板の底面112及び第2基板の底面114上の金属性バンプは、半田によってダイインターフェイスパッドに接続され、従って、第1及び第2半導体ダイの夫々と第1基板との間の直接的且つ電気的な結合を提供する。更に、配線(図示せず)と組み合わされたマイクロビア102、メッキされた貫通孔90、及びBGA半田ボール98は、第1半導体ダイ、第2半導体ダイ、及びマザーボード(図示せず)間の電気的な結合を提供する。
【0035】
充填樹脂116は、第1半導体ダイ64と第1基板60の底面70との間、及び第2半導体ダイ66と第1基板の頂面68との間との間に配設される。図2図示のように、第2基板62の内壁は、充填樹脂の広がりが第1半導体ダイ64から離れるのを制限する。
【0036】
図3乃至図12は、図2図示のマルチチップモジュール構成56を作製する工程を示す断面図である。図3図示のように、第1基板60は、中間層88の各側にラミネートされた2つの上側層80、82及び2つの下側層84、86をもたらす、上述のラミネーションプロセスを含む組み立て技術を使用して作製される。中間層88は、2つの上側層80、82を2つの下側層84、86に電気的に結合するために使用される中間層貫通孔(図示せず)を含む。
【0037】
図3はまた、第1基板の組み立てプロセスにおいて、ダイインターフェイスパッド100が第1基板の頂面68及び底面70に形成されると共に、対応のマイクロビア102及びマイクロビアインターフェイスパッド104が第1基板の上側層80及び下側層86内に形成されることを示している。図3は更に、パッド94が第1基板2つの上側層80、82の上に形成されていることを示している。
【0038】
図4は第2基板62及び穴106の断面図を示す。前述のように、第2基板は従来のプリント回路ボード技術に基づいて作製される。BGA半田ボール98とインターフェイス接続するためのパッド94が第2基板の底面74上に形成される。図3図示の第1基板60及び図4図示の第2基板は、図5に示すように、基板パッケージング装置58を形成するように互いにラミネートされる。
【0039】
基板パッケージング装置58を形成するように第1及び第2基板60、62を互いにラミネートした後、図6図示のように、貫通孔90が機械的穿孔手段により第1及び第2基板に同時に形成される。次に、図7を参照して説明すると、貫通孔の内面が金属92、例えば、銅によってメッキされ、第1基板60及び第2基板62間の電気的な結合が提供される。作製中、1つのパネル(図示せず)内に多数の基板パッケージング装置58が並べて構成される場合がある。これらは、ダイサー若しくはルーターを使用して、基板パッケージング装置を互いに切り離す単一化プロセスによって、複数の個別のパッケージング装置に分割される。
【0040】
次に、図8を参照して説明すると、第2半導体ダイの底面114上の金属性バンプ110を第1基板の頂面上のダイインターフェイスパッド100に半田付けすることにより、第2半導体ダイ66が第1基板60の頂面68に接合され、従って、第1基板と第2半導体ダイとの間の機械的及び電気的インターフェイスが提供される。第2半導体ダイが第1基板の頂面に接合された後、図9図示のように、第1半導体ダイと第1基板の頂面との間に充填樹脂116が配設される。
【0041】
次に、図10に示すように、第1半導体ダイ64が第2基板62の穴106内に挿入されると共に、第1半導体ダイの底面112上の金属性バンプ110が、第1基板60の底面70上に配設されたダイインターフェイスパッド100に半田付けされる。次に、図11に示すように、充填樹脂116が第1半導体ダイ64と第1基板の底面70との間に配設される。図11に示すように、充填樹脂の広がりは第2基板の穴の内壁108によって制限される。最後に、図12に示すように、BGA半田ボール98が第2基板の底面74上のパッド94に取付けられ、各BGA半田ボールが対応のメッキされた貫通孔90に結合される。
【0042】
図8乃至図11は、第2半導体ダイ66を第1基板60の頂面68に結合し、次に、第1半導体ダイ64を第1基板60の底面70に結合する態様を示す。しかし、第1及び第2半導体ダイ64、66の結合の順番は、第2半導体ダイ66が第1基板60の頂面68に結合される前に、第1半導体ダイ64が第1基板60の底面70に結合されるというように、逆にすることができる。
【0043】
図13図示の例示の実施の形態は、図2図示の実施の形態と比較すると、第2半導体ダイ66の底面114上の金属性バンプ110を、第1基板60の頂面68上のダイインターフェイスパッド100に直接的に半田付けするのではなく、第2半導体ダイが、第1基板に結合されたプリパッケージアッセンブリ118として構成される点で相違する。図13図示のように、第2半導体ダイは、第2半導体ダイの底面上に配設された金属性バンプを含み、これらは、インターフェイス基板122の頂面120上のパッド(図示せず)に半田付けされる。インターフェイス基板の底面126上のパッド124は、半田接続手段により、対応のダイインターフェイスパッド100に接続される。インターフェイス基板内の配線(図示せず)及びビア(図示せず)が、インターフェイス基板の頂面120上のパッド(図示せず)を、インターフェイス基板122の底面126上のパッド124に電気的に結合する。充填樹脂116が第2半導体ダイの底面114とインターフェイス基板の頂面120との間に配設される。
【0044】
図13はプリパッケージアセンブリとして構成された第2半導体ダイを示すのみであるが、本発明の他の実施の形態では、プリパッケージングアセンブリとして構成された第1半導体ダイ64を含むこともできる。第1半導体ダイ及び/または第2半導体ダイをプリパッケージアッセンブリとして構成すると、第1基板に結合する前の第1若しくは第2半導体ダイの同等性の診断が容易となる点で有利である。
【0045】
図14図示の例示の実施の形態は、図2図示の実施の形態と比較すると、図14図示の実施の形態が、BGA半田ボール98の代わりに、第2基板62の底面74上のパッド94に結合された放熱用基板128を含む点で相違する。また、図14では、第1半導体ダイの頂面が放熱用基板に機械的に結合される。前述のように、放熱用基板は従来のプリント回路ボード材料からなり、金属メッキ、典型的には銅メッキされた貫通孔132を含む。放熱用基板の頂面136及び底面138上にパッド134が配設される。第2基板の底面74上のパッド94は、半田接続手段140によって放熱用基板の頂面136上の対応のパッド134に結合される。
【0046】
伝熱性材料141、例えば、日本国、東京都の信越化学株式会社によって製造されたG750が第1半導体ダイの頂面と放熱用基板との間に配設され、第1半導体ダイと放熱用基板との間の機械的且つ熱的接触が提供される。BGA半田ボール98が放熱用基板の底面138上のパッド134に接続される。放熱用基板の金属メッキされた貫通孔132及びパッド134は、第1及び第2半導体ダイ64、66及び第1及び第2基板60、62から、BGA半田ボールを介して、マザーボード(図示せず)への伝熱を有利に提供する。
【0047】
図15図示の例示の実施の形態は、図2図示の実施の形態と比較すると、図2図示の実施の形態では第1基板の底面70が第2基板の頂面72にラミネートされるのに対して、図15図示の例示の実施の形態では第1基板60が半田接続手段140によって第2基板62に結合される点で相違する。作製中、図15図示の第1基板及び第2基板は、それらの貫通孔90が別々に穿孔され且つメッキされる。第1基板の頂面68上にパッド94を有するのに加えて、第1基板の底面70は銅メッキされた貫通孔に機械的且つ電気的に結合されたパッド94を有する。更に、第2基板の底面74上のパッド94に加えて、第2基板の頂面72は銅メッキされた貫通孔に機械的且つ電気的に結合されたパッド94を含む。第1基板の底面70上のパッド94は、半田接続手段140によって第2基板の頂面上のパッド94に結合される。
【0048】
更に、図14及び図15図示の実施の形態は組み合わされることによって、ある例示の実施の形態をもたらすことができる。ここで、図15図示のように、第1及び第2基板60、62が半田接続手段140によって互いに結合される一方、図14図示の実施の形態に従って、放熱用基板128が半田接続手段140によって第2基板の底面74に結合されると共に、充填樹脂手段116によって第1半導体ダイ64の頂面130に結合される。
【0049】
図16は第2基板6の代わりにキャップ基板142を含む更に他の例示の実施の形態を示す。キャップ基板142は図14図示の実施の形態の放熱用基板128及び図15図示の実施の形態の第2基板の機能を達成する。上述の実施の形態とは異なり、図16図示のキャップ基板は穴106の代わりに凹部144を含み、これは第1半導体ダイ64及び/またはデカップリングキャパシタ(図示せず)などの電子部品を収容する。第1半導体ダイを収容する場合、凹部の寸法は、第1半導体ダイが直接的にキャップ基板に接触しない状態で、第1半導体ダイ及びキャップ基板が第1基板の底面に結合できるように設定される。
【0050】
作製中、図16図示の第1基板60及びキャップ基板142は、それらの貫通孔90が別々に穿孔され且つメッキされる。第1基板の頂面68上にパッド94を有するのに加えて、第1基板の底面70は銅メッキされた貫通孔に機械的且つ電気的に結合されたパッド94を有する。更に、キャップ基板の底面148上のパッド94に加えて、キャップ基板の頂面146は銅メッキされた貫通孔に機械的且つ電気的に結合されたパッド94を含む。
【0051】
第1基板の底面70上のパッド94は、半田接続手段140によってキャップ基板の頂面146上のパッド94に結合される。作製プロセス中、伝熱性材料141が凹部144内で第1半導体ダイ64とキャップ基板との間に配設される。BGA半田ボール98がキャップ基板の底面148上のパッド94に接続される。キャップ基板の金属メッキされた貫通孔及びパッド94は、第1及び第2半導体ダイ64、66、第1基板、及びキャップ基板から、BGA半田ボールを介して、マザーボード(図示せず)への伝熱を有利に提供する。
【0052】
本発明の更に他の実施の形態は、第1基板60の頂面68に結合された第2基板66若しくはキャップ基板142と類似若しくは同一の追加の基板(図示せず)を含むことができる。この追加の基板は、第2半導体ダイ66を収容するための穴106若しくは凹部144を含むことができると共に、追加の基板及び第2半導体ダイの上に配置された他のプリント回路ボード(図示せず)と結合するための構造として機能することができる。追加の基板は、充填樹脂116の広がりが第2半導体ダイから離れるのを有利に制限する。
【0053】
本発明の実施の形態はマルチチップモジュール構成56を有利に提供し、ここで、基板60、62、128、142は、半導体ダイ64、66及び/またはデカップリングキャパシタ(図示せず)が直接的にマザーボードに接触しない状態で、マルチチップモジュール構成を下側のマザーボード(図示せず)に実装できるようにする。
【0054】
また、本発明の実施の形態は、充填樹脂116の広がりを制限する内壁108を有する第2基板を含み、従って、第1半導体ダイ64及び/またはデカップリングキャパシタ(図示せず)近傍において、貫通孔90の形成及び貫通孔の配置のために使用される第1基板60の表面積をより大きく確保することができる。第2基板及び第1半導体ダイ間の間隔が1.5mm未満となるように第2基板内の穴106の寸法が設定される場合、第2基板の内壁は、充填樹脂の流れを、第1半導体ダイから1.5mm以上は離れないように機械的に制限する。これは、2〜3mmに達するであろう半導体ダイからの充填樹脂の典型的な広がり幅に比べて小さい。
【0055】
本発明の実施の形態は、基板60、62、142内に、より作製に費用が掛るマイクロビア102の代わりに、貫通孔90を有することから利益を得る。マイクロビアの数が増加するほど、マイクロビアをレーザ穿孔する総コストも増加する。また、基板に金属メッキされた貫通孔を使用することにより、第1及び第2半導体ダイ64、66及び基板からの伝熱、及びマルチチップモジュール構成10が結合されるマザーボード(図示せず)への伝熱が有利に容易となる。
【0056】
本発明の特定の実施の形態において、第1基板及び第2基板が互いにラミネートされた後にこれらに貫通孔が形成される。これらの実施の形態では、第1基板及び第2基板を順に処理して貫通孔を別々に形成する時に発生する貫通孔の位置合わせの必要性や、多重穿孔工程の必要性を排除できるために有利である。本発明の実施の形態はまた、微細グランドルールを使用して基板を設計する必要性が減少するため、コスト削減を図ることもできる。
【0057】
本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。
【0058】
【発明の効果】
本発明によれば、従来と比較して改良された半導体パッケージング装置或いは半導体モジュールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来のマルチチップモジュール構成を示す断面図である。
【図2】本発明の例示の実施の形態に係るマルチチップモジュール構成を示す断面図である。
【図3】図2図示のマルチチップモジュール構成を作製する工程を示す断面図である。
【図4】図2図示のマルチチップモジュール構成を作製する工程を示す断面図である。
【図5】図2図示のマルチチップモジュール構成を作製する工程を示す断面図である。
【図6】図2図示のマルチチップモジュール構成を作製する工程を示す断面図である。
【図7】図2図示のマルチチップモジュール構成を作製する工程を示す断面図である。
【図8】図2図示のマルチチップモジュール構成を作製する工程を示す断面図である。
【図9】図2図示のマルチチップモジュール構成を作製する工程を示す断面図である。
【図10】図2図示のマルチチップモジュール構成を作製する工程を示す断面図である。
【図11】図2図示のマルチチップモジュール構成を作製する工程を示す断面図である。
【図12】図2図示のマルチチップモジュール構成を作製する工程を示す断面図である。
【図13】本発明の例示の実施の形態に係るマルチチップモジュール構成を示す断面図である。
【図14】本発明の例示の実施の形態に係るマルチチップモジュール構成を示す断面図である。
【図15】本発明の例示の実施の形態に係るマルチチップモジュール構成を示す断面図である。
【図16】本発明の例示の実施の形態に係るマルチチップモジュール構成を示す断面図である。
【符号の説明】
56…マルチチップモジュール構成、58…パッケージング装置、60…第1基板、62…第2基板、64…第1半導体ダイ、66…第2半導体ダイ、76…ラミネーション層、78…多重層、80、82…上側層、84、86…下側層、88…中間層、90…貫通孔、92…金属、94…パッド、98…BGA半田ボール、100…ダイインターフェイスパッド、102…マイクロビア、104…マイクロビアインターフェイスパッド、106…穴、108…内壁、110…金属性バンプ、116…充填樹脂、118…プリパッケージアッセンブリ、122…インターフェイス基板、124…パッド、128…放熱用基板、132…貫通孔、134…パッド、140…半田接続手段、141…伝熱性材料、142…キャップ基板、144…凹部。
Claims (49)
- 電子部品が結合される第1基板と、
前記第1基板に結合された前記電子部品を収容する第2基板と、
を具備することを特徴とする半導体パッケージング装置。 - 前記電子部品は半導体ダイからな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ング装置。
- 前記電子部品はキャパシタからな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ング装置。
- 前記第2基板に前記電子部品を収容する穴が形成され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ング装置。
- 前記第1基板及び前記第2基板は貫通孔を含むことを特徴とする請求項1に記載の半導体パッケージング装置。
- 前記第1基板及び前記第2基板内の前記貫通孔は同時に形成されることを特徴とする請求項5に記載の半導体パッケージング装置。
- 前記貫通孔は金属メッキされることを特徴とする請求項5に記載の半導体パッケージング装置。
- 前記第1基板は前記第2基板にラミネートされ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ング装置。
- 前記第1基板は半田接続によって前記第2基板に結合され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ング装置。
- BGAを構成する複数の半田ボールを更に具備し、ここで、前記第2基板は両面を有し、前記第1基板は前記第2基板の前記両面の一方に結合され、前記半田ボールは前記第2基板の前記両面の他方に結合され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ング装置。
- 両面を有する第1基板と、
前記第1基板の前記両面の一方に結合された第1電子部品と、
前記第1基板の前記両面の前記一方に結合された前記第1電子部品を収容する第2基板と、
を具備することを特徴とする半導体モジュール。 - 前記第1電子部品は半導体ダイからなることを特徴とする請求項11に記載の半導体モジュール。
- 前記第1電子部品はキャパシタからなることを特徴とする請求項11に記載の半導体モジュール。
- 前記第2基板に前記第1電子部品を収容する穴が形成されることを特徴とする請求項11に記載の半導体モジュール。
- 前記第1基板及び前記第2基板は貫通孔を含むことを特徴とする請求項11に記載の半導体モジュール。
- 前記第1基板及び前記第2基板内の前記貫通孔は同時に形成されることを特徴とする請求項15に記載の半導体モジュール。
- 前記貫通孔は金属メッキされることを特徴とする請求項15に記載の半導体モジュール。
- 前記第1基板は前記第2基板にラミネートされることを特徴とする請求項11に記載の半導体モジュール。
- 前記第1基板は半田接続によって前記第2基板に結合されることを特徴とする請求項11に記載の半導体モジュール。
- BGAを構成する複数の半田ボールを更に具備し、ここで、前記第2基板は両面を有し、前記第1基板は前記第2基板の前記両面の一方に結合され、前記半田ボールは前記第2基板の前記両面の他方に結合されることを特徴とする請求項11に記載の半導体モジュール。
- 前記第1電子部品と前記第1基板の前記両面の前記一方との間に充填樹脂を更に具備することを特徴とする請求項11に記載の半導体モジュール。
- 前記第2基板は、前記第1電子部品から離れる前記充填樹脂の流れを制限する壁を有することを特徴とする請求項21に記載の半導体モジュール。
- 前記第1電子部品と前記第1基板の前記両面の前記一方との間に結合されたインターフェイス基板を更に具備することを特徴とする請求項11に記載の半導体モジュール。
- 前記第1基板の前記両面の他方に結合された第2電子部品を更に具備することを特徴とする請求項11に記載の半導体モジュール。
- 前記第2電子部品は半導体ダイからなることを特徴とする請求項24に記載の半導体モジュール。
- 前記第2電子部品はキャパシタからなることを特徴とする請求項24に記載の半導体モジュール。
- 前記第2電子部品と前記第1基板の前記両面の前記他方との間に結合されたインターフェイス基板を更に具備することを特徴とする請求項24に記載の半導体モジュール。
- 放熱用基板を更に具備し、ここで、前記第2基板は両面を有し、前記第1基板は前記第2基板の前記両面の一方に結合され、前記放熱用基板は前記第2基板の前記両面の他方に結合されることを特徴とする請求項11に記載の半導体モジュール。
- 前記第1電子部品と前記放熱用基板との間に伝熱性材料を更に具備することを特徴とする請求項28に記載の半導体モジュール。
- 前記放熱用基板は半田接続によって前記第2基板に結合されることを特徴とする請求項28に記載の半導体モジュール。
- 前記放熱用基板は貫通孔を含むことを特徴とする請求項28に記載の半導体モジュール。
- BGAを構成する複数の半田ボールを更に具備し、ここで、前記放熱用基板は両面を有し、前記第2基板は前記放熱用基板の前記両面の一方に結合され、前記半田ボールは前記放熱用基板の前記両面の他方に結合されることを特徴とする請求項28に記載の半導体モジュール。
- 放熱用基板を更に具備し、ここで、前記第2基板は両面を有し、前記第1基板は前記第2基板の前記両面の一方に結合され、前記放熱用基板は前記第2基板の前記両面の他方に結合されることを特徴とする請求項19に記載の半導体モジュール。
- 前記放熱用基板は半田接続によって前記第2基板に結合されることを特徴とする請求項33に記載の半導体モジュール。
- 両面を有する第1基板と、
前記第1基板の前記両面の一方に結合された第1電子部品と、
前記第1基板の前記両面の前記一方に結合された前記第1電子部品を収容するキャップ基板と、
を具備することを特徴とする半導体モジュール。 - 前記第1電子部品は半導体ダイからなることを特徴とする請求項35に記載の半導体モジュール。
- 前記第1電子部品はキャパシタからなることを特徴とする請求項35に記載の半導体モジュール。
- 前記第1基板及び前記キャップ基板は貫通孔を含むことを特徴とする請求項36に記載の半導体モジュール。
- 前記貫通孔は金属メッキされることを特徴とする請求項38に記載の半導体モジュール。
- 前記第1基板は半田接続によって前記キャップ基板に結合されることを特徴とする請求項35に記載の半導体モジュール。
- BGAを構成する複数の半田ボールを更に具備し、ここで、前記キャップ基板は両面を有し、前記第1基板は前記キャップ基板の前記両面の一方に結合され、前記半田ボールは前記キャップ基板の前記両面の他方に結合されることを特徴とする請求項35に記載の半導体モジュール。
- 前記第1電子部品と前記第1基板の前記両面の前記一方との間に充填樹脂を更に具備することを特徴とする請求項35に記載の半導体モジュール。
- 前記第1基板の前記両面の他方に結合された第2電子部品を更に具備することを特徴とする請求項35に記載の半導体モジュール。
- 前記第2電子部品は半導体ダイからなることを特徴とする請求項43に記載の半導体モジュール。
- 前記第2電子部品はキャパシタからなることを特徴とする請求項43に記載の半導体モジュール。
- 前記第1電子部品と前記キャップ基板との間に伝熱性材料を更に具備することを特徴とする請求項35に記載の半導体モジュール。
- 前記電子部品よりも前記第2基板のほうが厚いことを特徴とする請求項1に記載の半導体パッケージング装置。
- 前記第1電子部品よりも前記第2基板のほうが厚いことを特徴とする請求項11に記載の半導体モジュール。
- 前記第1電子部品よりも前記キャップ基板のほうが厚いことを特徴とする請求項35に記載の半導体モジュール。
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