JP2004207760A

JP2004207760A - 半導体装置

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Publication number: JP2004207760A
Application number: JP2004115273A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Fujimoto; 博昭藤本; Minobu Kunitomo; 美信國友; Takashi Yui; 油井　　隆
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-04-09
Filing date: 2004-04-09
Publication date: 2004-07-22

Abstract

【課題】配線基板にＬＳＩチップを積層して実装した半導体装置において、フリップチップ接続部の突起電極とワイヤボンド用の電極とが鉛直方向において同じ位置に配置される場合は、ワイヤボンディング時の機械的ダメージがフリップチップ接続部に伝播することにより、フリップチップ接続部の接続信頼性が低下するという課題があった。
【解決手段】配線基板５にフリップチップ接続されたＬＳＩチップ１に形成された突起電極３と、ＬＳＩチップ８に形成された電極４とを鉛直方向において異なる位置に配置することにより、電極４におけるワイヤボンド時の機械的ダメージがフリップチップ接続部に伝播することを抑制し、フリップチップ接続部の接続信頼性を確保する。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数のＬＳＩチップが配線基板上に積層して搭載された半導体装置に関するものであり、特に、突起電極を介したフリップチップ接続部を機械的ダメージから保護することにより電気的接続を確保する半導体装置に関するものである。

近年、電子機器の小型化、信頼性の向上に対応するために複数のＬＳＩチップを１つのパッケージに内蔵した半導体装置が要望され、高機能、高密度を達成するための複数のＬＳＩチップを積層した半導体装置が注目されてきている。

以下、従来のＬＳＩチップを積層した半導体装置について説明する。

図６は、従来の半導体装置を示す断面図である。

図６に示すように、ＬＳＩチップ１と配線基板５とは突起電極３を介して電気的に接続され、ＬＳＩチップ１とＬＳＩチップ２とは回路形成されていない面どうしで接着剤により接着されている。また、ＬＳＩチップ２に形成された電極４と配線基板５に形成された配線とは、金属細線６によって電気的に接続されている。

しかしながら、最近のＬＳＩチップの多ピン化傾向もあって、それぞれのＬＳＩチップに形成された電極が鉛直方向において同じ位置あるいは非常に近接された位置に配置されるために、ワイヤボンド時に発生する機械的ダメージによってフリップチップ接続部の電気的接続を破壊してしまう恐れを生じるようになった。

図６に示すように、突起電極３の位置およびＬＳＩチップ２に形成された電極４の位置を特に考慮することなく、２つのＬＳＩチップを積層すると、鉛直方向の直線７上に突起電極３と電極４とが配置される場合がある。

この場合、電極４上に金属細線６をワイヤボンド工法によって接続する際には、電極４に鉛直方向下向きに強い機械的ダメージが加わるので、この機械的ダメージが鉛直方向下向きに伝播し、ＬＳＩチップ１と配線基板５との突起電極３を介したフリップチップ接続部に達することになる。

一方、半導体装置の薄型化の要望に対応するために、ＬＳＩチップを３００[μｍ]以下に加工する必要があるが、ワイヤボンド時の大きな機械的ダメージを、薄厚のＬＳＩチップ１およびＬＳＩチップ２によって十分減衰させることは困難である。その結果、電極４におけるワイヤボンド時の機械的ダメージが十分に減衰することなく、フリップチップ接続部にまで伝播し、安定した電気的接続を確保できなくなるといった問題があった。

また、フリップチップ接続が、導電性接着剤や樹脂を用いた接続と比較して強度の大きい低融点金属を用いた接続であっても、突起電極近傍における接続部断面径が数十μｍ以下であるので、導電性接着剤や樹脂による接続または直接的な接続の場合と同様に、接続強度の飛躍的な向上は期待できず、ワイヤボンド時における機械的ダメージの影響を受けることになる。

このように、接続強度の向上が困難であるフリップチップ接続を有する半導体装置においては、突起電極近傍におけるフリップチップ接続部に作用するワイヤボンド時の機械的ダメージの低減が、信頼性の高い製品を実現するために必須である。

また、配線基板に対して１つのＬＳＩチップをフリップチップ接続し、さらに別の１つのＬＳＩチップを積層して搭載した半導体装置では、合計２つのＬＳＩチップが半導体装置に搭載された構成であるため、高機能、高密度を狙いとした３つ以上のＬＳＩチップの組み合わせを必要とする場合には対応できていなかった。

本発明は前記課題を解決するもので、金属細線をワイヤボンド工法で接続する際の電極近傍における強い機械的ダメージによるフリップチップ接続部の劣化を防止し、電気的接続の信頼性を確保するとともに、３つ以上のＬＳＩチップを内蔵することもできる高機能、高密度の半導体装置を提供することを目的とするものである。

前記従来の課題を解決するために本発明の半導体装置は、複数の第１のＬＳＩチップと配線基板とが突起電極を介してフリップチップ接続され、前記複数の第１のＬＳＩチップの回路形成されていない面と第２のＬＳＩチップの回路形成されていない面とが接着され、前記第２のＬＳＩチップに形成された電極と前記配線基板に形成された配線とが金属細線で電気的に接続されている。

このように、配線基板にフリップチップ接続された複数のＬＳＩチップに対してＬＳＩチップが搭載されることにより、高機能、高密度の半導体装置の実現が可能となる。

また、複数の第１のＬＳＩチップに対向する配線基板の表面を水平面として、前記突起電極と前記第２のＬＳＩチップに形成された電極とが鉛直方向において異なる位置にある。

このような半導体装置により、ワイヤボンド時の機械的ダメージがフリップチップ接続部に伝播することを抑制できるので、安定した高信頼性のフリップチップ接続を確保することができる。

また、導電性接着剤を用いたフリップチップ接続である。

このように、導電性接着剤を用いた場合は１００[℃]程度の低温で接合を行うことができるため、ＬＳＩチップまたは配線基板に熱応力が発生せず、そりなどの機械的不具合を抑制できる。

また、低融点金属を用いたフリップチップ接続である。

このように、低融点金属を用いた場合は、他の接合方法に比較して接合強度の大きい接合を実現できる。

また、突起電極と配線基板に形成された電極とが直接接続するフリップチップ接続である。

このように、突起電極と配線基板に形成された電極とが直接接続する場合は、ＬＳＩチップの電極が狭ピッチであっても、接合剤による電気的ショートを防止することができる。

以上、本発明の半導体装置により、突起電極と上側のＬＳＩチップに形成された電極とが鉛直方向において異なる位置に配置されるように、それぞれのＬＳＩチップに形成された電極の位置を考慮して設計するか、または、配線基板にフリップチップ接続されたＬＳＩチップの上面に搭載するＬＳＩチップの搭載位置を調整することで、ワイヤボンドによる機械的ダメージが突起電極に伝播することを抑制し、安定したフリップチップ接続部の接続信頼性を確保することができる。

また、配線基板にフリップチップ接続したＬＳＩチップに複数のＬＳＩチップを搭載したり、配線基板にフリップチップ接続した複数のＬＳＩチップにさらにＬＳＩチップを搭載することにより、３つ以上のＬＳＩチップが搭載された半導体装置の実現が可能となり、高機能、高密度の半導体装置を実現することができる。

また、フリップチップ接続部として、導電性接着剤を用いた樹脂によるフリップチップ接続または低融点金属によるフリップチップ接続または突起電極と配線基板に形成された配線とが直接接続するフリップチップ接続のいずれかを用いることにより、配線基板のそり防止、接合強度の向上、電気的ショートの防止を達成することができる。

以下、本発明の半導体装置の一実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、従来例で用いた符号は同一の構成要件を表示するものとする。

まず、本発明の第１の実施形態について説明する。

図１（ａ）は本実施形態の半導体装置の断面図であり、図１（ｂ）は本実施形態の半導体装置の上方からの透過図である。

図１（ａ）に示すように、ＬＳＩチップ１に形成された突起電極３は、配線基板５に形成された配線にフリップチップ接続されている。また、半導体集積回路が形成されたＬＳＩチップ８は、回路形成された面を上面として、ＬＳＩチップ１と回路形成されていない面どうしで接着されている。そして、ＬＳＩチップ８に形成された電極４と配線基板５に形成された配線とは、金属細線６によって電気的に接続されている。

次に図１（ｂ）に示すように、ＬＳＩチップ８の電極４とＬＳＩチップ１の電極に形成された突起電極３とは、鉛直方向において異なる位置に配置されているので、電極４に金属細線６をワイヤボンドした時に発生する機械的ダメージは、突起電極３を介したフリップチップ接続部に電気的接続の不具合を発生させる程度のものではない。

一般的に、突起電極およびワイヤボンドされる電極が形成されるための電極はＬＳＩチップの周囲に形成されるために、基板に搭載された上下それぞれのＬＳＩチップの辺が鉛直方向において近接する場合、突起電極とワイヤボンドされる電極とが鉛直方向において同じ位置に配置されやすい。しかしながら、本実施形態のように、基板に搭載された上下それぞれのＬＳＩチップの辺が鉛直方向において近接する複数のＬＳＩチップを積層する場合であっても、突起電極とワイヤボンドされる電極とが鉛直方向において異なる位置にあれば、ワイヤボンド時の機械的ダメージの伝播によるフリップチップ接続部の劣化を防止することができる。

具体的には、突起電極３と電極４とを鉛直方向において異なる位置に配置する方法として、それぞれのＬＳＩチップに形成される電極の位置を考慮して設計する方法と、ＬＳＩチップ１に対するＬＳＩチップ８の搭載位置を調整する方法とがある。それぞれのＬＳＩチップに形成される電極の位置を考慮して設計する方法としては、例えば、それぞれのＬＳＩチップどうしの鉛直方向における中心を合わせた状態で、それぞれのＬＳＩチップに形成された電極が、鉛直方向において重なる領域がない位置にそれぞれの電極を設計してもよく、この場合、突起電極３の位置およびワイヤボンドされる位置が、それぞれの電極内でバラツキを生じても、突起電極３とワイヤボンドされる位置は鉛直方向において異なる位置に配置される。

また、鉛直方向において突起電極３を結んで囲まれる多角形の内側にＬＳＩチップ８に形成された電極４が配置されるように設計してもよく、この場合、突起電極３が形成される位置にバラツキが生じても、ＬＳＩチップ８に形成された電極４と突起電極３とが、鉛直方向において異なる位置に配置される。

また図１では、ＬＳＩチップ１と配線基板５とが突起電極３を介して電気的に接続されるとともに、ＬＳＩチップ１と配線基板５との間に注入された封止樹脂によって封止され、フリップチップ接続されたＬＳＩチップ１に対して別のＬＳＩチップ８を積層して接着し、ＬＳＩチップ８に形成された電極４と配線基板５に形成された配線とを金属細線６により電気的に接続した状態を示したが、さらに、積層した２つのＬＳＩチップおよび金属細線６を含む領域を封止樹脂によって封止することにより、外的な機械的ダメージからの保護および各接続部に対する経時的な劣化の抑制を行うことが可能となる。

また、配線基板５の裏面および側面には、外部基板と電気的に接続するために、ＬＳＩチップ１と電気的に接続するための配線および外部接続用電極が形成され、外部接続用電極にボールおよびピンが接続されていてもよい。また、ビアホールによって各配線層を電気的に接続した多層配線構造とすることで、狭ピッチの電極配置のＬＳＩチップに対応することが可能となり、外部基板に対する接続用の配線および電極の配置の自由度を向上させることもできる。

なお、ＬＳＩチップは、メモリーチップ、ロジックチップ等であり、特に機能を限定されるものではない。

次に、配線基板に搭載された複数のＬＳＩチップの形状およびサイズの大小関係について説明する。

図２は、配線基板（図示せず）に搭載された２つのＬＳＩチップを、配線基板の反対側から突起電極を透視して表示した平面図である。図２（ａ）〜図２（ｄ）はそれぞれ、ＬＳＩチップ１に形成された突起電極３とＬＳＩチップ８に形成された電極４とが、４辺、３辺にまたがる部分、２辺の一部および１辺の一部で鉛直方向において近接する場合の平面図である。

まず図２（ａ）に示すように、ＬＳＩチップ１に形成された突起電極３とＬＳＩチップ８に形成された電極４とが、それぞれのＬＳＩチップの４辺近傍において近接する場合、４辺に配列する突起電極３と電極４とを鉛直方向において異なる位置に配置することにより、電極４に対するワイヤボンド時の機械的ダメージが突起電極３に伝播することを防止できる。

また図２（ｂ）に示すように、３辺にまたがる部分において、ＬＳＩチップ１に形成された突起電極３とＬＳＩチップ８に形成された電極４とが近接する場合、３辺にまたがる部分に配列する突起電極３と電極４とを鉛直方向において異なる位置に配置することにより、電極４に対するワイヤボンド時の機械的ダメージが突起電極３に伝播することを防止できる。

また図２（ｃ）に示すように、２辺の一部において、ＬＳＩチップ１に形成された突起電極３とＬＳＩチップ８に形成された電極４とが近接する場合、２辺の一部に配列する突起電極３と電極４とを鉛直方向において異なる位置に配置することにより、電極４に対するワイヤボンド時の機械的ダメージが突起電極３に伝播することを防止できる。

なお、図２（ｃ）では対向する２辺の一部において、ＬＳＩチップ１に形成された突起電極３とＬＳＩチップ８に形成された電極４とが近接する場合を示したが、それぞれのＬＳＩチップの任意の１つの角部を含む隣り合う２辺において、ＬＳＩチップ１に形成された突起電極３とＬＳＩチップ８に形成された電極４とが近接する場合でも、同様に電極４に対するワイヤボンド時の機械的ダメージが突起電極３に伝播することを防止できる。

また図２（ｄ）に示すように、１辺の一部においてＬＳＩチップ１に形成された突起電極３とＬＳＩチップ８に形成された電極４とが近接する場合、１辺の一部に配列する突起電極３と電極４とを鉛直方向において異なる位置に配置することにより、電極４に対するワイヤボンド時の機械的ダメージが突起電極３に伝播することを防止できる。

なお、本実施形態では、配線基板に対して２つのＬＳＩチップを搭載した場合について示したが、配線基板にフリップチップ接続した複数のＬＳＩチップにさらに別のＬＳＩチップを積層した場合や、配線基板にフリップチップ接続したＬＳＩチップにさらに別の複数のＬＳＩチップを積層した場合についても、前記のＬＳＩチップの形状および大小関係において、突起電極と上側のＬＳＩチップに形成された電極とを鉛直方向において異なる位置に配置することにより、ワイヤーボンド時のダメージが突起電極に伝播することを防止できる。

次に、ＬＳＩチップ８に形成された電極４とＬＳＩチップ１の電極に形成された突起電極３とが、鉛直方向において同じ位置に配置される場合と異なる位置に配置される場合とを比較して、ワイヤボンド時に発生する機械的ダメージの伝播の状態について説明する。

図３は、ワイヤボンド時のＬＳＩチップに付加される荷重の方向と大きさをベクトル成分を用いて示した２つのＬＳＩチップの断面方向からの拡大図である。以下、図３を用いて、本実施形態のワイヤボンド時の機械的ダメージの伝播メカニズムについて説明する。

図３に示すように、ＬＳＩチップに付加される荷重が突起電極に伝播するメカニズムとして、まず、電極４を基点として鉛直方向に対して３０°をなす方向に突起電極３ａが配置された状態を仮定する。なお、ワイヤボンド時の機械的ダメージの大きさは、ＬＳＩチップ８の電極４に作用する荷重として示している。

この場合、鉛直方向に作用するワイヤボンド時の電極４における鉛直下向きの荷重の大きさをＰとすると、鉛直方向と３０°をなす方向の分力としては（√３／２）Ｐと小さくなる。また、電極４からそれぞれの突起電極までの距離（伝播距離）は、鉛直方向において直下に配置された突起電極３ｂまでの距離をＬとすると、電極４から鉛直方向と３０°をなす方向に配置された突起電極３ａまでの距離は（２／√３）Ｌとなり、従来の（２／√３）倍と大きくなるので、突起電極３ａに伝播するワイヤボンド時の機械的ダメージは軽減する。したがって、突起電極３ａ近傍部のフリップチップ接続部は、伝播する荷重が小さくなり、電極４からの距離が大きくなることから、ワイヤボンド時の機械的ダメージは低減され、接続信頼性が向上する。

本実施形態では、特に突起電極３ａが電極４の鉛直真下に対して３０°の方向に位置する場合について説明したが、電極４を基点として、鉛直方向における真下の方向と突起電極３ａが位置する方向とがなす角度が３０°以外の角度における位置でも、突起電極３ａがＬＳＩチップ１の周辺部からはみ出す位置でなければ特に限定されるものではない。

次に、本発明の第２の実施形態について説明する。

図４は、本実施形態の半導体装置を示した断面図である。

図４に示すように、半導体集積回路が形成されたＬＳＩチップ１は、回路形成された面の電極に突起電極３が形成され、突起電極３を介し配線基板５に形成された配線に電気的にフリップチップ接続されている。

また、半導体集積回路が形成されたＬＳＩチップ９およびＬＳＩチップ１０は、回路形成された面を上面として、ＬＳＩチップ１と回路形成されていない面どうしで接着されている。ＬＳＩチップ９およびＬＳＩチップ１０の回路形成された面には、ワイヤボンド接続用の電極４が形成されており、電極４と配線基板５に形成された配線とが金属細線６によって電気的に接続されている。このとき、ＬＳＩチップ９およびＬＳＩチップ１０に形成された電極４と、ＬＳＩチップ１の電極に形成された突起電極３とが、鉛直方向において異なる位置に配置されなければならない。その方法として、第１の実施形態と同様に、それぞれのＬＳＩチップに形成される電極の位置を考慮して設計する方法と、ＬＳＩチップ１に対するＬＳＩチップ９およびＬＳＩチップ１０の搭載位置を調整する方法とがある。

なお、本実施形態ではＬＳＩチップ９およびＬＳＩチップ１０の２つのＬＳＩチップをＬＳＩチップ１に搭載したが、３つ以上のＬＳＩチップをＬＳＩチップ１に搭載してもよい。

以上、配線基板にフリップチップ接続されたＬＳＩに対して複数のＬＳＩチップを搭載することにより、高機能、高密度の半導体装置の実現が可能となる。

次に、本発明の第３の実施形態について説明する。

図５は、配線基板とフリップチップ接続された複数のＬＳＩチップに対して１つのＬＳＩチップが搭載された半導体装置を示した断面図である。

図５に示すように、半導体集積回路が形成されたＬＳＩチップ１１およびＬＳＩチップ１２は、回路形成された面に突起電極３が形成され、突起電極３を介して配線基板５に形成された配線に、それぞれ電気的にフリップチップ接続されている。本実施形態では、半導体集積回路が形成されたＬＳＩチップ１３は、回路形成された面を上面として、ＬＳＩチップ１１およびＬＳＩチップ１２にまたがって半導体集積回路が形成されていない面が接着されているが、ＬＳＩチップ１３は片方のＬＳＩチップ１１上のみに接着してもよい。

また、ＬＳＩチップ１３の回路形成された面にはワイヤボンド接続用の電極４が形成されており、電極４と配線基板５に形成された配線とは、金属細線６によって電気的に接続されている。

このとき、ＬＳＩチップ１３に形成された電極４と、ＬＳＩチップ１１およびＬＳＩチップ１２の電極に形成された突起電極３とが、鉛直方向において異なる位置に配置されなければならない。その方法として、第１の実施形態および第２の実施形態と同様に、それぞれのＬＳＩチップに形成される電極の位置を考慮して設計する方法と、ＬＳＩチップ１１およびＬＳＩチップ１２に対するＬＳＩチップ１３の搭載位置を調整する方法とがある。

なお、本実施形態ではＬＳＩチップ１１およびＬＳＩチップ１２の２つのＬＳＩチップに対してＬＳＩチップ１３を搭載したが、３つ以上のＬＳＩチップに対してＬＳＩチップ１３を搭載してもよい。

このように、配線基板にフリップチップ接続されたＬＳＩに対して複数のＬＳＩチップを搭載することにより、高機能、高密度の半導体装置の実現が可能となる。

また、フリップチップ接続部は、導電性接着剤を用いた樹脂によるフリップチップ接続または低融点金属によるフリップチップ接続または突起電極と配線基板に形成された配線とが直接接続するフリップチップ接続のいずれかのフリップチップ接続である。

すなわち、導電性接着剤を用いたフリップチップ接続の場合は、１００[℃]程度の低温で接合を行うことができるため、ＬＳＩチップまたは配線基板に熱応力が発生せず、そりなどの機械的不具合を抑制できる。

また、低融点金属を用いたフリップチップ接続の場合は、他の接合方法に比較して接合強度の大きい接合を実現できる。

また、突起電極と配線基板に形成された電極とが直接接続するフリップチップ接続の場合は、ＬＳＩチップの電極が狭ピッチであっても、接合剤による電気的ショートを防止することができる。

以上、本実施形態で示した半導体装置は、ＬＳＩチップと配線基板とを突起電極を介してフリップチップ接続するとともに、ＬＳＩチップと配線基板との間に充填した封止樹脂により封止し、配線基板にフリップチップ接続したＬＳＩチップに別のＬＳＩチップを接着し、上側のＬＳＩチップに形成された電極と配線基板に形成された配線とを金属細線により電気的に接続し、さらに、積層した複数のＬＳＩチップおよび金属細線を含む領域を封止樹脂によって封止した半導体装置であり、突起電極と上側のＬＳＩチップに形成された電極とは鉛直方向において異なる位置に配置されることにより、突起電極に対する上側のＬＳＩチップに形成された電極におけるワイヤボンド時の機械的ダメージの影響を低減することが可能となる。

また、配線基板にフリップチップ接続したＬＳＩチップに対して複数のＬＳＩチップを積層するか、または配線基板にフリップチップ接続した複数のＬＳＩチップにさらに別のＬＳＩチップを積層することで、３つ以上のＬＳＩチップを半導体装置に搭載することも可能となる。

本発明の一実施形態の半導体装置を示す図本発明の一実施形態の半導体装置を示す平面図本発明の一実施形態のワイヤボンド時の荷重の大きさと方向をベクトル成分で示す図本発明の一実施形態の半導体装置を示す断面図本発明の一実施形態の半導体装置を示す断面図従来の半導体装置を示す断面図

符号の説明

１ＬＳＩチップ
２ＬＳＩチップ
３，３ａ，３ｂ突起電極
４電極
５配線基板
６金属細線
７直線
８ＬＳＩチップ
９ＬＳＩチップ
１０ＬＳＩチップ
１１ＬＳＩチップ
１２ＬＳＩチップ
１３ＬＳＩチップ

Claims

複数の第１のＬＳＩチップと配線基板とが突起電極を介してフリップチップ接続され、前記複数の第１のＬＳＩチップの回路形成されていない面と第２のＬＳＩチップの回路形成されていない面とが接着され、前記第２のＬＳＩチップに形成された電極と前記配線基板に形成された配線とが金属細線で電気的に接続されたことを特徴とする半導体装置。
複数の第１のＬＳＩチップに対向する配線基板の表面を水平面として、前記突起電極と前記第２のＬＳＩチップに形成された電極とが鉛直方向において異なる位置にあることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
導電性接着剤を用いたフリップチップ接続であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
低融点金属を用いたフリップチップ接続であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
突起電極と配線基板に形成された配線とが直接接続するフリップチップ接続であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。