JP2004207406A - 積層型半導体モジュール及びその製造方法 - Google Patents

積層型半導体モジュール及びその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】簡単な構成により半導体チップを容易に積層実装でき、放熱性が良く高密度化できる積層型半導体モジュール、及び、工程時間の短い積層型半導体モジュールの製造方法を実現する。
【解決手段】凹部が設けられ表面に回路パターン2を有する立体回路基板3に半導体チップ5を、半導体チップ5とその電極部5aに向けて突出する凸部回路パターン2aとの間に封止樹脂4を塗布して、仮付けフリップチップ実装して、半導体モジュール6を形成する。その上層に立体回路基板3を積層し、紫外線硬化樹脂7で固着する。半導体チップ5は立体回路基板3により積層方向に圧接される。所望数の段数分積層して最後に加圧力Qを加えながら熱HTを加えて封止4樹脂を硬化させて積層型半導体モジュールを完成する。
【選択図】 図1

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体チップが実装された積層型半導体モジュール及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、半導体チップを積層状態で実装した半導体装置およびその製造方法として図15に示すようなものが知られている(例えば、特許文献1参照)。半導体装置100は、絶縁性基板101上に、上層のものが下層のものより外形が小さい複数の半導体チップ102を積層して構成されている。上下の半導体チップ102は互いにバンプ電極(不図示)で電気接続されると共に、各半導体チップ102の外周上面に設けられた電極103と絶縁性基板101上面の電極104との間を金属細線105で電気接続されている。また、絶縁性基板101の上面の外囲が封止樹脂106で封止されている。このように3次元で半導体チップを積層して実装した構造により、半導体チップが1チップの場合には多機能の半導体装置に対応できなく、また多機能化を図るため複数チップを平面基板に実装した場合には高密度実装が困難であるという問題を解決して、多機能かつ高密度実装の半導体装置を実現している。
【0003】
また、上記例とは別に、図16に示すような半導体チップを積層した回路モジュール及びその製造方法が知られている(例えば、特許文献2参照)。回路モジュール200においては配線基板201の上に配線202,203が形成され、さらにその上に絶縁層208が形成されている。また、絶縁層208には半導体チップ12が配線202,203と電気的に接続された状態で内蔵されている。絶縁層208の上面にはさらに配線210、211が形成され、その絶縁層208の上に絶縁層209が積層されている。絶縁層209には半導体チップ216が配線210,211と電気的に接続された状態で内蔵されている。絶縁層208においてフィールドスルー電極221,222がそれぞれ配線202と210及び203と211の間を電気的に接続する状態で内蔵されている。このように絶縁層に内蔵する配線や半導体チップを、例えばスタッドバンプによるフィードスルー電極で電気接続して積層する構造により、電極配置や部品サイズなどの制約を受けることなく半導体チップの高密度実装を実現している。
【0004】
【特許文献1】
特開2001−291821号公報
【特許文献2】
特開2000−183283号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した図15や特許文献1に示される半導体装置においては、上段チップほど外形寸法を小さくしなければならないという半導体チップ外形寸法に対する制約がある。また、金属細線を用いるワイヤボンディングにより電気接続を行うので、金属細線の接触防止のための占有空間が必要であり、半導体装置全体の小型化に対する限界がある。
【0006】
また、上述した図16や特許文献2に示される回路モジュールにおいては、半導体チップが絶縁層により内蔵されているので、半導体チップの放熱性が悪いという問題がある。また、その絶縁層を形成するため絶縁樹脂を硬化させる工程が必要であり、硬化工程数も多いため、工程時間が長いという問題がある。
【0007】
本発明は、上記課題を解消するものであって、簡単な構成により半導体チップを容易に積層実装でき、放熱性が良く高密度化できる積層型半導体モジュール、及び、工程時間の短い積層型半導体モジュールの製造方法を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
上記課題を達成するために、請求項1の発明は、少なくとも片面に凹部が設けられ表面に回路パターンを有する立体回路基板と、前記立体回路基板に実装され前記回路パターンと電気的に導通された半導体チップとを有する半導体モジュールが互いに電気的導通を保ちつつ積層された積層型半導体モジュールであって、前記半導体チップは実装されている立体回路基板に対面する側に前記回路パターンと電気的に導通される電極部を有し、前記回路パターンは前記半導体チップの電極部に向けて突出する凸部回路パターンを有し、前記半導体チップは一層上又は下の半導体モジュールにより積層方向に圧接され、前記半導体モジュールは互いに積層する上下の各半導体モジュールの併せ面の対応位置に前記回路パターンの一部から成る積層電極部を有し、該積層電極部同士を導通させたものである。
【0009】
上記構成においては、凹部が設けられ表面に回路パターンを有する立体回路基板に、立体回路基板に対面する側に前記回路パターンと電気的に導通される電極部を有した半導体チップを、その電極部と電極部に向けて突出する凸部回路パターンとを電気的に接続して実装するので、半導体モジュールの小型化ができ、また、ワイヤーボンディング実装機のような特別な装置がなくても、容易に半導体チップを実装できる。また、半導体チップは一層上又は下の半導体モジュールにより積層方向に圧接されるので、安定した電気的接続信頼性が得られる。また、立体回路基板に半導体チップを実装した半導体モジュールを積層するので、半導体チップの外形形状に関係なく積層が容易に行える。また、半導体モジュールは互いに積層する上下の各半導体モジュールの併せ面の対応位置に回路パターンの一部から成る積層電極部を有し、この積層電極部同士を導通させて積層するので、ワイヤーボンディング実装機のような特別な装置がなくても、容易に各半導体モジュール間を導通させて積層することができる。
【0010】
請求項2の発明は、請求項1記載の積層型半導体モジュールにおいて、積層される最下層の半導体モジュールの立体回路基板は、半導体チップ実装面と反対の面に前記回路パターンの一部から成る凸部回路パターンを有するものである。
【0011】
上記構成においては、最下層の半導体モジュールの立体回路基板が半導体チップ実装面と反対の面に回路パターンの一部から成る凸部回路パターンを有するので、この凸部回路パターンを介して積層型半導体モジュールを熱膨張率の低いマザーボード等の基板材に接合した場合、高温時に凸部回路パターンの凸部が変形して応力が緩和されるので、上記基板材と積層型半導体モジュールの電気的接続信頼性が向上する。
【0012】
請求項3の発明は、請求項1記載の積層型半導体モジュールにおいて、前記積層される半導体モジュールの外側に、積層方向厚みを拘束するための外枠を備えており、該外枠は前記立体回路基板に使用される基板材の熱膨張率よりも小さい熱膨張率を有するものである。
【0013】
上記構成においては、積層型半導体モジュールに立体回路基板に使用される基板材の熱膨張率よりも小さい熱膨張率を有する外枠を積層方向厚みを拘束するために備えており、基板材が半導体チップからの熱により膨張しても、外枠が積層型半導体モジュールを積層方向に締め付ける構造となっているので、熱による膨張の影響を緩和でき、また、外部からの衝撃にも強い構造となり半導体モジュール同士の接続信頼性が向上する。
【0014】
請求項4の発明は、請求項1記載の積層型半導体モジュールにおいて、前記半導体モジュールは互いに積層する上下の各半導体モジュール同士の電気的導通のためにスルーホールを有するものである。
【0015】
上記構成においては、上下の各半導体モジュール同士の電気的導通のためにスルーホールを有するので、半導体モジュールの外表面に回路パターンを設けることなく立体回路基板の内部において半導体モジュール間の電気的接続ができるため、電気回路の短絡保護ができ、また立体回路基板の外周を経由するよりも電気回路長が短縮され通信の高速化が図れると共に、ノイズ耐性も向上する。
【0016】
請求項5の発明は、請求項1記載の積層型半導体モジュールにおいて、前記半導体モジュールは互いに積層する上下の各半導体モジュール同士を固定する併せ面を、導通のための併せ面とは別に有するものである。
【0017】
上記構成においては、各半導体モジュール固定する併せ面を、導通のための併せ面とは別に有するので、例えば、積層用の接着剤が回路パターンに流れ込むことによる不具合が解消でき、半導体モジュール間の機械的及び電気的接合の信頼性が向上する。
【0018】
請求項6の発明は、請求項1記載の積層型半導体モジュールにおいて、前記接触圧付加手段は前記半導体チップの電極部近傍とこれに対面した前記回路パターンの凸部回路パターン近傍との間に塗布して封止した樹脂の硬化による収縮力を用いたものであり、前記樹脂の塗布量が前記回路パターンに対面する面と反対側の前記半導体チップの面に達しない量のものである。
【0019】
上記構成においては、半導体チップの電極部近傍とこれに対面した前記回路パターンの凸部回路パターン近傍との間の樹脂の硬化による収縮力を接触圧付加手段としており、その樹脂量が半導体チップの全面を覆うことがない量なので、半導体チップと回路パターンの接合部が封止でき、電気的接続部に接触圧を効果的に付加でき、また半導体チップの1面が開いた構造となっているのでチップからの放熱性を確保できる。
【0020】
請求項7の発明は、請求項1記載の積層型半導体モジュールにおいて、各半導体モジュールは互いに積層した場合に、前記半導体チップが実装された空間が開放構造となっているものである。
【0021】
上記構成においては、各半導体モジュールを積層した状態で半導体チップが実装された空間が開放構造となっているので、通風による半導体チップの放熱性が確保できる。
【0022】
請求項8の発明は、立体回路基板と該立体回路基板に実装された半導体チップとを有する半導体モジュールが互いに電気的導通を保ちつつ積層された積層型半導体モジュールの製造方法であって、前記立体回路基板は、型内に溶融樹脂を射出して基板素体を成形する射出成形工程と、前記基板素体の表面にめっき用の下地層を形成するめっき下地形成工程と、前記めっき下地層から回路パターンと非回路パターンとの境界領域のめっき下地層を除去するパターン形成工程と、回路パターンとなる領域のめっき下地層にめっきを施すめっき工程とにより形成され、前記半導体モジュールは、前記立体回路基板の回路パターンに対応する電極部を有する半導体チップを該回路パターンと該電極部とを電気的に接触させて前記半導体チップを実装することにより形成され、各半導体モジュールは、実装された前記半導体チップが一層上又は下の半導体モジュールにより積層方向に圧接される状態で、積層されるものである。
【0023】
上記製造方法においては、射出成形した基板素体に回路パターン部分のみ選択的にめっきを施して立体回路基板を形成するので、立体回路の立体形状形成、及び電気回路の3次元形成が容易に行える。また、立体回路基板の回路パターンに対応する電極部を有する半導体チップを回路パターンと電極部とを電気的に接触させて実装して半導体モジュールを形成するので、小型の半導体モジュールが得られる。また、半導体チップが一層上又は下の半導体モジュールにより積層方向に圧接される状態で半導体モジュールを積層するので、半導体チップ電極部における安定した電気的接続信頼性が得られる。
【0024】
請求項9の発明は、請求項8記載の積層型半導体モジュールの製造方法において、前記半導体モジュールを互いに導通させながら積層するものである。
【0025】
上記製造方法においては、半導体モジュールを互いに導通させながら積層するので、半導体モジュールの積層とモジュール間の導通を一括して行うことができ、製造工程を短縮できる。
【0026】
請求項10の発明は、請求項9記載の積層型半導体モジュールの製造方法において、前記積層する上下の各半導体モジュールの対向する併せ面の対応する位置に備えた回路パターンの一部から成る積層電極部を接合して互いに導通させるとき、当該接合部に超音波振動を付与して接合するものである。
【0027】
上記製造方法においては、積層電極部を接合して互いに導通させるとき、当該接合部に超音波振動を付与して接合するので、例えば金(Au)バンプによる接合ができ、導電性樹脂を用いた加熱硬化やUV硬化による接合に比して工程の簡略化およびコストダウンができる。
【0028】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態に係る積層型半導体モジュール及びその製造方法について、図面を参照して説明する。図1は積層型半導体モジュールの構成を示す。図1(a)に示されるように、基板素体1の表面に回路パターン2を備えて立体回路基板3が構成される。図1(b)に示されるように、立体回路基板3の凹部3に封止樹脂4が塗布され、次に、図1(c)に示されるように、半導体チップ5が仮実装(後述)されて半導体モジュール6が形成される。
【0029】
上述の基板素体1は、例えば樹脂成形により形成された凹部形状を有するものであり、その凹部には凸部となる成形バンプ1aを有している。成形バンプ1aの上面には回路パターンの一部が延伸されており、これにより凸部回路パターン2aが形成される。立体回路基板3は基板素体1の形状に従い凹部3aを有する。また、立体回路基板3の外周部上面及び下面は、他の半導体モジュールと積層するときの接合面となる併せ面3bであって、電気接続のための積層電極部2bを有している。また、立体回路基板3の底面3cは半導体モジュール6を積層したときに他の半導体モジュールに実装された半導体チップに接触して圧接する面となる。また、半導体チップ5を圧接するため、図1(c)に示される立体回路基板3の上面(併せ面3b)と半導体チップ5の上面との距離aは半導体チップ5の上面が突出する寸法(a>0)とされる。
【0030】
上述の半導体モジュール6における代表的な寸法関係、及び半導体チップ5の実装について説明する。半導体チップ5は2.5mm×2.5mmサイズのICチップであり、その集積回路面を立体回路の回路パターン2に対面させて(フリップチップ)実装される。半導体チップ5は集積回路面に高さ80μmの金バンプからなる電極部5aを有しており、この電極部5aと立体回路基板3上に形成された100μmの凸部からなる成形バンプ6上の凸部回路パターン2aとが電気的に接続される。実装工程において、まず図1(b)(c)に示されるように封止樹脂が立体回路基板3の凹部に塗布され、未硬化の状態で半導体チップ5が回路面を下にして電気接続できるように所定の位置に位置決めして配置され、仮実装される。半導体チップの仮実装は、半導体チップを上方からの加圧P、及び図示しない超音波付加手段からの超音波振動により電極部5aと凸部回路パターン2aとが固着される。次に、図1(d)に示されるように、紫外線硬化型樹脂(UV樹脂)7を半導体モジュール6の上部併せ面に塗布した後、立体回路基板3を積層する。そして、上層の立体回路基板3への加圧Fと、UV樹脂7への紫外線UVの照射により立体回路基板3と半導体モジュール6とを固着する。
【0031】
この後、上記図1(b)と図1(c)に示され工程を繰り返して、所望の段数の半導体モジュール6の積層と固着を行い、図1(e)に示されるように、最上段に半導体チップ5を仮実装した状態とする。最後に、図1(e)に示される状態で、全体を加熱雰囲気HTにおいて加熱すると共に半導体チップ5に上面から圧力Qを加えながら封止樹脂4の硬化を行う。加熱温度は、例えば150℃〜250℃であり、加圧力Qは前記金バンプからなる電極部1箇所当り100〜200gfであり、時間は5〜10secである。
【0032】
このように半導体チップ5を一層上の半導体モジュールにより積層方向に圧接させるだけでなくフリップチップ実装することにより、封止樹脂4の硬化による収縮力が半導体チップ5に引力として作用するので、半導体チップ5の電極部5aとこれに対面した回路パターン2の凸部回路パターン2aとの間に大きな接触圧を付加することができる。また、凸部回路パターン2aは成形バンプ1aの高さ分(10〜200μm)だけ突出しており、平坦な場合よりも充填樹脂量が増加するので、結果として樹脂の収縮効果による金バンプ5aと凸部回路パターン2aとの圧接効果が大きくなり、接合部の接続信頼性が向上する。また、封止樹脂の塗布量は、図1(c)に示されるように、立体回路基板3の凹部底面からの封止樹脂4の上面までの高さbが、半導体チップ5の上面までの高さcを越えない量とする。例えば、高さbは0.15mmであり、高さcは0.25mmである。半導体チップ5の表面が封止樹脂4に覆われないようにすることで半導体チップ5からの放熱を効率良くすることができる。
【0033】
次に、他の方法及び構成による半導体モジュール形成、及びその積層について説明する。図2は半導体チップ5の実装及び立体回路基板3の積層と固着を同時に行う様子を示す。積層される半導体モジュールは、図2(a)に示されるように半導体チップ5の金(Au)バンプからなる電極部5bと立体回路基板3の凸部回路パターン2aとが超音波の付加及び加圧Pにより仮接合して形成される。この時半導体チップ5上面高さdは立体回路基板3の上面よりも10μm〜30μm高い位置とする。仮接合の超音波条件としては、周波数60〜100kHz、印加時間0.1〜2s、Auバンプ1箇所当たり荷重10〜50gf程度が好ましい。
【0034】
このように電極部5aにおいて仮接合されて形成された2つの半導体モジュールのうち積層の下側となる半導体モジュールの上面に、図2(b)に示されるように紫外線硬化型樹脂(UV樹脂)7を塗布し、他の半導体モジュールを位置合わせして上に重ねる。次に、図2(c)に示されるように半導体モジュールのチップ5上面が半導体モジュールの上面位置に沈むまで、又は、下層の半導体モジュールの半導体チップの上面が上層の半導体モジュールの立体回路基板の底面と接触するまで荷重Qを加える。その状態を保持したままで紫外線UVを照射してUV樹脂7を硬化させ、積層型半導体モジュールが形成される。
【0035】
この荷重Qを加えた状態ではAuバンプがつぶされて変形して仮付け状態の電極部2bの形状から電極部2cの形状となる。このようにAuバンプが潰れることにより凸部回路パターンとの接触面積が大きくなり、また半導体モジュールによる接触圧の付加状態となることにより電気的接続信頼性が向上する。また多数の仮付けした半導体モジュールを積層して全体を一括固定することも可能である。また、上記の積層型半導体モジュールにおいて、立体回路基板と半導体チップ5との間に封止樹脂を注入して、さらに接続信頼性を上げることもできる。
【0036】
図3及び図4は上述の方法により4個の半導体モジュール6を積層した積層型半導体モジュール8を示している。この積層型半導体モジュール8は、例えばマザーボードに実装されて用いられる。図に示されるように、各半導体モジュールで用られる立体回路基板6を同一形状とすることにより以下の効果が得られる。立体基板射出成形用の金型が1種類でよいため、コストの削減が図れる。立体回路基板の形状が同じであるため、設計が容易となる。立体回路基板間の接続方法も1通りでよい。
【0037】
次に、半導体モジュールの他の例、及びその実装について説明する。図5は積層型半導体モジュールの最下層に用いられる半導体モジュールの実装状態を示す。半導体モジュール61には2.5mm×2.5mmサイズの半導体チップ5が高さ80μmの電極部(金バンプ)5aを介して凸部回路パターン2aに電気的接続してフリップチップ実装されている。この最下層に用いられる半導体モジュール61の基板素体1はマザーボード9に実装するための成形バンプ1bを下部に備えており、その表面には凸部回路パターン2bが形成されている。成形バンプ1bは、例えば、φ=100μm、高さ100μmの凸部からなっている。半導体モジュール61をマザーボード9に搭載してマザーボード上の回路パターン21との電気的接続は、例えばはんだにより行われる。マザーボード9上に形成された回路パターン21上にはんだペースト10をスクリーン印刷により塗布し、半導体モジュール61裏側に形成された成形バンプ1bと位置合わせして実装する。次に、ピーク温度210℃のリフロー炉に半導体モジュール61を搭載したマザーボード9を通し、成形バンプ1b表面の凸部回路パターン2bとマザーボード9の回路パターン21とを接続させる。次に、封止樹脂41を塗布し150℃/30分の加熱によりで封止樹脂41を硬化させる。半導体モジュール61の下部における成形バンプ1b表面及び凸部回路パターン2bが変形することにより、マザーボード9と半導体モジュール61間の熱応力が緩和されるので、マザーボード9と半導体モジュール61を最下層に有する積層型半導体モジュールとの接続信頼性が向上する。また、マザーボードとしては、コストの安いプリント基板を用いることができる。
【0038】
次に、半導体モジュール、及び積層型半導体モジュールのさらに他の例について図6により説明する。半導体モジュール6は、図6(a)に示されるように、基板素体1の凹部3aと反対側の面(図における上側)に設けられた成形バンプ1a及び凸部回路パターン2aを介して半導体チップ5は実装されている。このような半導体モジュール6は、例えば図6(b)に示されるように積層されて積層型半導体モジュール8を構成してマザーボード9に実装される。半導体モジュール6に実装された半導体チップ5は上層の半導体モジュール6の凹部3aの底面3cにより圧接されている。
【0039】
次に、積層型半導体モジュールの補強構造について説明する。図7(a)(b)は積層方向の寸法を拘束する外枠を備えた積層型半導体モジュールを示す。積層型半導体モジュール8は、例えばポリアミド系樹脂により基板素体を形成した立体回路基板3を用いて半導体モジュールを形成して構成される。例えば、立体回路基板3の外形寸法は30mm×30mm、厚さ3mmであり、立体回路基板3の線膨張係数は30ppmであるとする。半導体チップ5を実装した立体回路基板を4枚積み重ね、立体回路基板3同士の接合面にはんだペーストを塗布し、250℃ピークのリフロー炉に通してこれらを接合して積層型半導体モジュール8とする。次に、線膨張係数10ppmのセラミック製の補強材で形成した外枠11を用いて積層型半導体モジュール8の積層方向寸法変化を拘束する。ICチップの発熱により各立体回路基板3が膨張するが、立体回路基板3よりも線膨張係数が小さい外枠11があるためにその膨張が制限される。また外部の衝撃などの応力に対しても補強材により積層型半導体モジュール8に対する機械的ショックが緩和される。これらにより、積層型半導体モジュール8における各層の接続信頼性が向上する。
【0040】
次に、積層型半導体モジュールにおける各層の接続信頼性を向上させる他の例を示す。図8は積層時の併せ面に位置決めのための凹凸形状を有する半導体モジュールを示す。上層の半導体モジュール6の底部周辺には凹形状部12が設けられ、また、下層の半導体モジュール6の上部周辺には前記凹形状部に嵌合する凸形状部13が設けられている。これらの凹凸形状部12,13のはめ合い構造により積層する半導体モジュール6の位置決め精度の向上、及び接合面の面積増による基板間接合強度の向上が図られる。このような凹凸形状部の形成は、金型形状変更により容易に可能である。接合は接着剤14を凸形状部に塗布して行うことができ、また、凹凸形状部12,13において電気的接続を行う場合は、凸形状部にはんだ、導電性接着剤、導電性フィルム等を用いて接合を行うことができる。
【0041】
次に、上下の半導体モジュールの電気的接続について説明する。図9はスルーホールによる上下の半導体モジュールの電気的接続を示す。基板素体1には上下に貫通するスルーホール15を有しており、その内部は導電性樹脂の充填やめっき等により電気伝導性を有している。このように基板素体の内部に導電性スルーホール15を設けて導電性接合材14を介して上下の半導体モジュールの電気的接続を行うことにより、外部側面に電気回路を設けた場合の短絡の防止のための保護、ノイズ対策等が不要となり、また、電気回路長が短縮されることによる通信の高速化が可能になる。
【0042】
上述のスルーホール15の径については、内部にめっきを施す場合、スルーホール内部にめっき下地層を付与させるためアスペクト比(スルーホール直径/スルーホール深さ)が大きい方が好ましく、例えば、基板厚さは1mmの場合はスルーホール直径は0.5mm以上あるほうが良い。また立体回路基板形成後は、より接続信頼性を向上させるために、スルーホール内部をはんだや導電性接着剤などの導電体で埋め込むことが望ましい。
【0043】
次に、立体回路基板の他の構造について説明する。図10(a)〜(c)は四角形の3辺に立上り側壁を有する基板素体による半導体モジュール及び積層型半導体モジュールを示す。基板素体1は、例えばポリアミド系樹脂から形成され、外形寸法は30mm×30mm、厚さ3mmであり、上面に1辺が開放した凹部を有している。外周に立ち上がっている側壁上面の併せ面3bは積層時の電気的接続用の回路パターンを有し、他の併せ面3dは機械的接続用に用いられる。
【0044】
この半導体モジュール6は、基板素体1上に形成された回路パターン2に接続された凸部回路パターン(不図示)と外形2.5mm×2.5mmの半導体チップ5が金バンプを用いてフリップチップ実装されている。実装は、超音波を付加して行われ、その条件は荷重100gf/バンプ、超音波周波数70kHz、印加時間0.7secである。次に、封止樹脂4を半導体チップ5の下部に注入塗布して150℃/30分の加熱条件で樹脂硬化を行う。このようにして形成された半導体モジュール6を3枚積み重ね、各半導体モジュール6の回路パターンの接触面3bに銀ペーストからなる接合材14を、また、回路パターンが存在しない接触面3dに高い接着力を有する例えばエポキキシ系接着剤を塗布し、150℃/30分の加熱条件で接合材14を硬化させて半導体モジュール6同士を電気的及び機械的に接合させる。半導体モジュール同士の接触面積を増加させることで、基板同士の接合強度を向上させるこができる。また、積層時の併せ面を電気的接続と機械的接続で機能別に設けることにより、例えば回路パターン同士を短絡させる不要な接着剤の流れ込みの不具合が解消でき、半導体モジュール間の接合信頼性を向上することができる。
【0045】
次に、半導体モジュールにおける冷却について説明する。図11(a)(b)は2面開放の凹部を有する半導体モジュールを示す。2面開放部を有する半導体モジュール6を積層することにより、空気の流れ8bが通過可能な開放部8aを有する積層型半導体モジュール8が得られる。
【0046】
この半導体モジュール6は、基板素体1上に形成された回路パターン2に接続された凸部回路パターン(不図示)と外形2.5mm×2.5mmの半導体チップ5が金バンプを用いてフリップチップ実装されている。実装は、超音波を付加して行われ、その条件は荷重100gf/バンプ、超音波周波数70kHz、印加時間0.7secである。次に、封止樹脂4を半導体チップ5の下部に注入塗布して150℃/30分の加熱条件で樹脂硬化を行う。このようにして形成された半導体モジュール6を3枚積み重ね、各半導体モジュール6の回路パターンの接触面にはんだペーストを塗布し、250℃ピークのリフロー炉に通して基板同士をはんだ接合させる。このような開放構造の積層型半導体モジュールにおいては、空気の対流よって放熱が効率良く行われ、半導体チップ5の連続動作に伴う発熱や回路上の抵抗によるジュール熱が積層型半導体モジュール8内部に蓄積されることがない。
【0047】
次に、立体回路基板の製造工程を説明する。図12(a)〜(b)は射出成形した基板素体の形成から立体回路基板完成までの工程を示す。図12(a)に示す基板素体1は、矩形構造の表面に凹部3aを有し、凹部3aには成形バンプ1aを有しており、例えば以下の射出成形条件によって形成される。成形材料は芳香族ポリアミド(PPA)樹脂、成形条件はシリンダ温度300〜350℃、金型温度100〜200℃、射出速度5〜80cc/secである。このような条件により、表面に凹凸を有する型内に溶融樹脂を射出成形することにより基板素体1を形成する。その後、図12(b)に示されるように、基板素体の表面にめっき下地層16を形成する。めっき下地層16の形成は、例えばスパッタリングで行い、下地層の材質は銅(Cu)であり、めっき下地層16の厚さは0.1〜1μm程度が好ましい。
【0048】
続いて、図12(c)に示されるように、立体回路基板の回路パターン2と非回路パターン16aの境界領域16bに、非回路部のパターンに対応して、例えばレーザ光の電磁波を照射することによって、めっき下地層の一部を蒸発除去する。レーザ光を用いる場合は、下地層であるCu膜の除去が可能なSHG−YAGレーザ(波長532nm)が好ましい。次に、回路パターン2の部分のめっき下地層に対しめっきを施す。めっきは電気めっきにより、下地層からCu/Ni/Auの順序で行う。めっきの厚さはCu5〜20μm、Ni5〜20μm、Au0.1〜1μm程度が好ましい。電気めっきの後、めっきを行わなかっためっき下地層の除去、電気めっきにおいて電流を流すために用いたタイバーの除去等が、例えばエッチングにより必要に応じて行われ、図12(d)に示されるような、回路パターン2と凸部回路パターン2aを備えた立体回路基板3が得られる。このような工程により立体回路基板の回路パターンの3次元形成が容易に行われる。
【0049】
次に、半導体モジュールを順次積層して多層化して積層型半導体モジュールをえる方法について説明する。図13(a)〜(e)は半導体モジュールの多層化の工程を示す。前述した方法に従い図13(a)〜(c)に示すように最下層の半導体モジュール61を形成し、図13(d)に示すように半導体モジュール61の併せ面に接合材14を塗布し、別途形成した積層用の半導体モジュール6を位置合わせして積層する。この後、図13(e)に示すように一体化処理を行う。接合材14として、はんだ、導電性接着剤、導電性フィルム等を用いて接続を行うことができる。図13(e)における一体化処理は、各接合材14毎に条件設定して行う。複数の半導体モジュールを積層する場合、順次半導体モジュールの積層電極部2b同士を接続させながら半導体モジュールを積層する。また、多層化する場合図13(d)(e)の工程を繰り返して行う。また、図13(c)におけるチップ実装時には、半導体チップを加圧することにより仮接合する。そして、半導体モジュールを全て積層後、封止樹脂を硬化させる。加熱温度は150〜250℃、加圧力(接続部1箇所当たり)は100〜200gf、処理時間は5〜10secである。このように、半導体モジュールの積層と各半導体モジュール間の電気的導通を一括して行えるので製造工程を短縮できる。
【0050】
次に、半導体モジュールの電気的接合の他の例を説明する。図14(a)(b)は半導体モジュールの電極回路同士を超音波接合方式により接合する場合を示す。まず下段の半導体モジュール6を治具17に載置し、半導体モジュール6の併せ面3bの積層電極部2bに金(Au)バンプからなる接合部材14aを搭載し、半導体モジュール6を上に位置決め配置して超音波ホーン18を取りつける。Auバンプ14aと上段半導体モジュール6の下面の積層電極路2bを振動方向xに超音波を付加して接合する。超音波条件としては、周波数60〜100kHz、印加時間0.1〜2s、荷重0.1〜1N(Auバンプ1箇所当たり)程度が好ましい。半導体モジュール6を3層以上積層する場合は、上記の工程を繰り返して行う。これにより、工程の簡略化及びコストダウンができる。
【0051】
なお、本発明は、上記構成に限られることなく種々の変形が可能である。例えば、半導体モジュール内には複数の半導体チップを実装することもできる。また、立体回路基板の回路パターンは各半導体チップの機能により決定されるものであり、上述した図に示されるもの限られるものではない。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a)は本発明の一実施形態に係る立体回路基板の断面図、(b)は同立体回路基板に封止樹脂を塗布した状態の断面図、(c)は本発明の一実施形態による半導体モジュールの断面図、(d)(e)は同半導体モジュールを積層した状態の断面図。
【図2】(a)は本発明の一実施形態に係る立体回路基板と半導体チップの断面図、(b)は(a)の立体回路基板にUV硬化樹脂を塗布した断面図、(c)は本発明の一実施形態による半導体モジュールの積層状態断面図。
【図3】本発明の一実施形態に係る積層型半導体モジュールの断面図。
【図4】本発明の一実施形態に係る積層型半導体モジュールの斜視図。
【図5】本発明の一実施形態に係る半導体モジュールの他の例を示す断面図。
【図6】(a)は本発明の一実施形態に係る半導体モジュールのさらに他の例を示す断面図、(b)は同半導体モジュールを積層した積層型半導体モジュールの断面図。
【図7】(a)は本発明の一実施形態に係る積層型半導体モジュールの他の例を示す断面図、(b)は同斜視図。
【図8】本発明の一実施形態に係る半導体モジュールのさらに他の例を示す断面図。
【図9】本発明の一実施形態に係る積層型半導体モジュールのさらに他の例を示す断面図。
【図10】(a)は本発明の一実施形態に係る半導体モジュールのさらに他の例を示す断面図、(b)は同半導体モジュールを積層した積層型半導体モジュールの断面図、(c)は同積層型半導体モジュールの斜視図。
【図11】(a)は本発明の一実施形態に係る半導体モジュールのさらに他の例を示す断面図、(b)は同半導体モジュールを積層した積層型半導体モジュールの斜視図。
【図12】(a)〜(d)は本発明の一実施形態に係る半導体モジュールの製造工程を示す斜視図。
【図13】(a)〜(e)は本発明の一実施形態に係る半導体モジュール及び同半導体モジュールの積層による積層型半導体モジュールの製造工程を示す断面図。
【図14】(a)は本発明の一実施形態に係る半導体モジュールを積層して積層型半導体モジュールを形成する工程を示す断面図、(b)は(a)のA部部分詳細断面図。
【図15】従来の半導体装置の断面図。
【図16】従来の回路モジュールの断面図。
【符号の説明】
1 基板素体
2 回路パターン
2a、2c 凸部回路パターン
2b 積層電極部
3 立体回路基板
3a 凹部
3b、3d 併せ面
4 封止樹脂
5 半導体チップ
5a 電極部
6、61 半導体モジュール
8 積層型半導体モジュール
8a 開放部(開放構造)
11 外枠
12 凹形状部
13 凸形状部
15 スルーホール
16 めっき下地層
16a 非回路パターン
16b 境界

Claims (10)

  1. 少なくとも片面に凹部が設けられ表面に回路パターンを有する立体回路基板と、前記立体回路基板に実装され前記回路パターンと電気的に導通された半導体チップとを有する半導体モジュールが互いに電気的導通を保ちつつ積層された積層型半導体モジュールであって、
    前記半導体チップは実装されている立体回路基板に対面する側に前記回路パターンと電気的に導通される電極部を有し、
    前記回路パターンは前記半導体チップの電極部に向けて突出する凸部回路パターンを有し、
    前記半導体チップは一層上又は下の半導体モジュールにより積層方向に圧接され、
    前記半導体モジュールは互いに積層する上下の各半導体モジュールの併せ面の対応位置に前記回路パターンの一部から成る積層電極部を有し、該積層電極部同士を導通させたことを特徴とする積層型半導体モジュール。
  2. 積層される最下層の半導体モジュールの立体回路基板は、半導体チップ実装面と反対の面に前記回路パターンの一部から成る凸部回路パターンを有することを特徴とする請求項1記載の積層型半導体モジュール。
  3. 前記積層される半導体モジュールの外側に、積層方向厚みを拘束するための外枠を備えており、該外枠は前記立体回路基板に使用される基板材の熱膨張率よりも小さい熱膨張率を有することを特徴とする請求項1記載の積層型半導体モジュール。
  4. 前記半導体モジュールは互いに積層する上下の各半導体モジュール同士の電気的導通のためにスルーホールを有することを特徴とする請求項1記載の積層型半導体モジュール。
  5. 前記半導体モジュールは互いに積層する上下の各半導体モジュール同士を固定する併せ面を、導通のための併せ面とは別に有することを特徴とする請求項1記載の積層型半導体モジュール。
  6. 前記半導体モジュールは、半導体チップの電極部近傍とこれに対面した前記回路パターンの凸部回路パターン近傍との間に樹脂を塗布して封止したものであり、前記樹脂の塗布量が前記回路パターンに対面する面と反対側の前記半導体チップの面に達しない量であることを特徴とする請求項1記載の積層型半導体モジュール。
  7. 各半導体モジュールは互いに積層した場合に、前記半導体チップが実装された空間が開放構造となっていることを特徴とする請求項1記載の積層型半導体モジュール。
  8. 立体回路基板と該立体回路基板に実装された半導体チップとを有する半導体モジュールが互いに電気的導通を保ちつつ積層された積層型半導体モジュールの製造方法であって、
    前記立体回路基板は、
    型内に溶融樹脂を射出して基板素体を成形する射出成形工程と、
    前記基板素体の表面にめっき用の下地層を形成するめっき下地形成工程と、
    前記めっき下地層から回路パターンと非回路パターンとの境界領域のめっき下地層を除去するパターン形成工程と、
    回路パターンとなる領域のめっき下地層にめっきを施すめっき工程とにより形成され、
    前記半導体モジュールは、
    前記立体回路基板の回路パターンに対応する電極部を有する半導体チップを該回路パターンと該電極部とを電気的に接触させて前記半導体チップを実装することにより形成され、
    各半導体モジュールは、実装された前記半導体チップが一層上又は下の半導体モジュールにより積層方向に圧接される状態で、積層されることを特徴とする積層型半導体モジュールの製造方法。
  9. 前記半導体モジュールを互いに導通させながら積層することを特徴とする請求項8記載の積層型半導体モジュールの製造方法。
  10. 前記積層する上下の各半導体モジュールの対向する併せ面の対応する位置に備えた回路パターンの一部から成る積層電極部を接合して互いに導通させるとき、当該接合部に超音波振動を付与して接合することを特徴とする請求項9記載の積層型半導体モジュールの製造方法。
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