JP2006253587A - 半導体装置及びその組立方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 複数の半導体チップを高密度で三次元方向に積層可能で、且つ信頼性の高い半導体装置及びその組立方法を提供する。
【解決手段】 第1半導体チップ2を搭載するための第1チップ搭載領域1aを有する第1基板1と、第1基板1の第1チップ搭載領域1aを囲むように配列された複数の第1上下接続端子11i〜11n及び第1ダミー端子14a,14bと、第1上下接続端子11iから11n上の複数の第1突起電極20i〜20nと、第1ダミー端子14a,14b上の複数の第1ダミー電極24a,24bとを備える。
【選択図】 図1
Description
本発明は半導体装置に係り、特に、複数の半導体チップを三次元方向に積層可能な半導体装置及びその組立方法に関する。
半導体装置の信頼性向上要求に伴い、基板側又は半導体チップ側にダミー電極を配置し、基板上にダミー電極を介在させて半導体チップを搭載する方法が知られている(例えば、特許文献1参照。)。基板と半導体チップとの間にダミー電極を配置することにより、半導体チップと基板との間は常に一定の隙間が確保されるため、封止樹脂の充填性が向上し、半導体装置の信頼性が向上する。
一方、近年の半導体装置の小型化要求及び高密度化要求により、複数の半導体チップを三次元方向に積層する実装方法が注目されている。実装方法としては、下層基板上に半導体チップを搭載し、この半導体チップを挟み込むようにして、下層基板に上層基板を実装する方法がある。下層基板と上層基板との導通は、例えば、下層基板及び上層基板の間に配置した上下接続用電極により行う。上下接続用電極は、上下の基板間の導通を取る他にも、上下の基板間を支える支柱として働くため、上層基板上に他の半導体チップを搭載することが可能となる。
しかしながら、基板間に挟み込まれる半導体チップの配線状況によっては、半導体チップからの信号を下層基板の下へ送るための配線及び端子が、下層基板上の一部の領域に偏る場合がある。半導体チップの信号を下層基板の下へ送るための配線及び端子が偏る領域には上下接続用電極を配置することができないため、上下接続用電極が配置されない電極が広範囲になると、上層基板を搭載する際の上層基板上面からの圧力が不均一に印加される。上面からの圧力が不均一に印加されると、上層基板が傾く、或いは基板間を接続する上下接続用電極が破損することによる接続不良等が生じ、半導体装置の信頼性を低下させる。
本発明は、複数の半導体チップを高密度で三次元方向に積層可能で、且つ信頼性の高い半導体装置及びその組立方法を提供することを目的とする。
本発明の第1の特徴は、(イ)第1半導体チップを搭載するための第1チップ搭載領域を有する第1基板と、(ロ)第1基板の第1チップ搭載領域を囲むように配列された複数の第1上下接続端子及び第1ダミー端子と、(ハ)第1上下接続端子上の複数の第1突起電極と、(ニ)第1ダミー端子上の複数の第1ダミー電極とを備える半導体装置であることを要旨とする。
第2の特徴は、(イ)第1基板の第1チップ搭載領域を囲む領域に第1上下接続端子及び第1ダミー端子を配置するステップと、(ロ)第1半導体チップを第1チップ搭載領域に搭載するステップと、(ハ)第1上下接続端子上に複数の第1突起電極を配置するステップと、(ニ)第1ダミー端子上に複数の第1ダミー電極を配置するステップとを含む半導体装置の組立方法であることを要旨とする。
本発明は、複数の半導体チップを高密度で三次元方向に積層可能で、且つ信頼性の高い半導体装置及びその組立方法が提供できる。
次に、図面を参照して、本発明の第1〜第3の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。また、図面は模式的なものであり、厚みと平均寸法の関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものではない。この発明の技術的思想は、特許請求の範囲において種々の変更を加えることができる。
(第1の実施の形態)
本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置は、図1、図1のA−A方向からみた断面図である図2、及び図1のC−C方向からみた断面図である図3に示すように、第1半導体チップ2を搭載するための第1チップ搭載領域1aを有する第1基板1と、第1基板1の第1チップ搭載領域1aを囲むように配列された複数の第1上下接続端子11i,11j,11m,11n及び第1ダミー端子14a,14bと、第1上下接続端子11i〜11n上の複数の第1突起電極20i,20j,20m,20nと、第1ダミー端子14a,14b上の複数の第1ダミー電極24a,24bとを備える。第1突起電極20i〜20n及び第1ダミー電極上24a,24bには、第2基板3が搭載されている。
本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置は、図1、図1のA−A方向からみた断面図である図2、及び図1のC−C方向からみた断面図である図3に示すように、第1半導体チップ2を搭載するための第1チップ搭載領域1aを有する第1基板1と、第1基板1の第1チップ搭載領域1aを囲むように配列された複数の第1上下接続端子11i,11j,11m,11n及び第1ダミー端子14a,14bと、第1上下接続端子11i〜11n上の複数の第1突起電極20i,20j,20m,20nと、第1ダミー端子14a,14b上の複数の第1ダミー電極24a,24bとを備える。第1突起電極20i〜20n及び第1ダミー電極上24a,24bには、第2基板3が搭載されている。
図1は、第1基板1の上面に配置可能な端子の配置関係を例示している。図1においては、A−A断面、B−B断面及びC−C断面以外の端子の符号の記載、及び端子間を接続する配線の一部の記載を省略している。第1基板1の上面には、図1に示すように、第1上下接続端子11i,11j,11m,11n、第1下部接続端子12a,12b,12c,12d,12e,12f,12k,12l、第1チップ搭載端子13c,13d,13k,13l及び第1ダミー端子14a,14bがそれぞれ離間して配置されている。
第1上下接続端子11i〜11n及び第1下部接続端子12a〜12lは、第2基板3上に搭載する半導体モジュール及び第1半導体チップ2を接続するための配線状況に応じて、それぞれ第1基板1の第1チップ領域1aを囲む領域にそれぞれ離間して配置されている。第1チップ搭載端子13c〜13lは、第1チップ搭載領域1a内に配置されている。第1チップ搭載端子13c〜13lは、第1チップ搭載領域1aの周囲に沿って配置してもよいし、第1チップ搭載領域1aの全面にマトリクス状に配置しても構わない。第1チップ搭載端子13c〜13lは、配線10c,10d,10k,10lを介してそれぞれ第1下部接続端子12c〜12lに接続されている。
図2に示すように、第1基板1の下面には、保護膜17、及び保護膜17から露出したランド15i,15j,15k,15l,15m,15nがそれぞれ形成されている。ランド15i〜15nには、それぞれ共晶半田又は鉛を含まない半田材料等から形成される外部接続端子18i,18j,18k,18l,18m,18nが配置されている。外部接続端子18i〜18nは、第1基板1の上下面を貫通するプラグ16i,16j,16k,16l,16m,16nを介して、第1基板1の上面の第1上下接続端子11i,11j,11m,11n及び第1下部接続端子12k,12lに接続されている。
第1チップ搭載端子13k,13lの上には、金属バンプ23k,23lが配置されている。第1半導体チップ2は、金属バンプ23k,23lにより第1チップ搭載領域1a上に搭載されている。第1半導体チップ2側は封止樹脂層21,22により封止されている。封止樹脂層21,22の材料としては、エポキシ系、又はアクリル系の有機系の合成樹脂等が好適である。封止樹脂層21,22の材料は、同一材料でも異なる材料でもよい。
第1上下接続端子11i,11j,11m,11n上には、第1突起電極20i,20j,20m,20nがそれぞれ配置されている。第1突起電極20iは、第1上部突起電極201i及び第1上部突起電極201iに接続された第1下部突起電極202iを含む。第1突起電極20jは、第1上部突起電極201j及び第1上部突起電極201jに接続された第1下部突起電極202jを含む。第1突起電極20mは、第1上部突起電極201m及び第1上部突起電極201mに接続された第1下部突起電極202mを含む。第1突起電極20nは、第1上部突起電極201n及び第1上部突起電極201nに接続された第1下部突起電極202nを含む。
第1上部突起電極201i〜201n及び第1下部突起電極202i〜202nは、金(Au)等からなるスタッドバンプが好適であるが、半田ボール等を用いても構わない。また、第1突起電極20i〜20nとして配置されるスタッドバンプの数は、図2に示す例に限られない。例えば、第1半導体チップ2の厚みが厚い場合は、第1半導体チップ2の厚みに応じて積層するスタッドバンプの数を増やせばよい。
第1突起電極20i〜20lの上層には、第2基板3が配置されている。第2基板3の下面には、第1上部突起電極201i〜201nに接続された第2上下接続端子31i,31j,31m,31nがそれぞれ離間して配置されている。第2上下接続端子31i〜31nは、第2基板3の上下面を貫通するプラグ36i,36j,36m,36n及び図2の断面からは見えないプラグにより、第2基板3の上面にある第2下部接続端子35i,35j,35k,35l,35m,35n,35o,35pに接続されている。第2下部接続端子35i〜35pの周囲には、保護膜37が配置されている。
図3に示すように、第1基板1の上面には、第1下部接続端子12a,12b,12c,12d,12e,12fが配置されている。第1下部接続端子12a〜12fは、例えば、第1下部接続端子12a〜12fに伝搬された信号を第1基板1の下面に伝搬させる端子である。このため、第1下部接続端子12a〜12f上には、第2基板3と導通を取るための第1突起電極は配置されていない。
第1下部接続端子12a〜12fは、第1基板1の上下面を貫通するプラグ16a,16b,16c,16d,16e,16fにより、第1基板1の下面のランド15a,15b,15c,15d,15e,15f及び外部接続端子18a,18b,18c,18d,18e,18fに接続されている。図3からみた断面においては、第2基板3の下面には、第2上下接続端子31a,31b,31c,31d,31e,31fが配置されている。第2基板3の上面には、第2基板3の上下面を貫通するプラグ36a,36b,36e,36fを介して第2上下接続端子31a,31b,31e,31f接続された第2下部接続端子35a,35b,35e,35fが配置されている。
図4に示すように、第1ダミー端子14a,14bの上には、第1ダミー電極24a,24bが配置されている。第1ダミー電極24aは、第1上部ダミー電極241a及び第1上部ダミー電極241aに接続された第1下部ダミー電極242bを含む。第1ダミー電極24bは、第1上部ダミー電極241b及び第1上部ダミー電極241bに接続された第1下部ダミー電極242bを含む。第1上部ダミー電極241a,241b及び第1下部ダミー電極242a,242bは、それぞれ金等からなるスタッドバンプである。第1ダミー電極24a,24bとして積層されるスタッドバンプの数は、第1突起電極20i〜20nと同数である。第1上部ダミー電極241a,241b上には、第2下部ダミー端子34a,34bが接続されている。第2下部ダミー端子34a,34bは、第2基板3の下面に配置されている。第1ダミー端子14a,14b及び第2下部ダミー端子34a,34bは、電気的には第1基板1及び第2基板3上のいずれの端子及び配線にも接続されていない。
図4に示すように、第1ダミー端子14a,14bの上には、第1ダミー電極24a,24bが配置されている。第1ダミー電極24aは、第1上部ダミー電極241a及び第1上部ダミー電極241aに接続された第1下部ダミー電極242bを含む。第1ダミー電極24bは、第1上部ダミー電極241b及び第1上部ダミー電極241bに接続された第1下部ダミー電極242bを含む。第1上部ダミー電極241a,241b及び第1下部ダミー電極242a,242bは、それぞれ金等からなるスタッドバンプである。第1ダミー電極24a,24bとして積層されるスタッドバンプの数は、第1突起電極20i〜20nと同数である。第1上部ダミー電極241a,241b上には、第2下部ダミー端子34a,34bが接続されている。第2下部ダミー端子34a,34bは、第2基板3の下面に配置されている。第1ダミー端子14a,14b及び第2下部ダミー端子34a,34bは、電気的には第1基板1及び第2基板3上のいずれの端子及び配線にも接続されていない。
第1ダミー端子14a,14bは、第1チップ搭載領域1aの周辺領域において、第1ダミー電極24a,24b及び第1突起電極20i〜20nが力学的に一様に分布するように配置するのが好ましい。「力学的に一様に分布」とは、第1基板1上に実装する第2基板3の上面側から圧力を加えた場合に、第2基板3の上面内の圧力が均等に印加されるような配置を指す。「力学的に一様に分布」する配置としては、同一形状、寸法のパターンを空間的に均一に配置する場合に限られず、異なる形状、異なる寸法のパターンを力学的バランスが保てるように分布させて配置する場合を含む。図1に示す平面図においては、図1紙面右上の領域は、第1半導体チップ2からの信号を第1基板1の下層へ伝搬させるための第1下部接続端子が密集し、第1上下接続端子の配置が疎になっている。第1上下接続端子の配置が疎になる領域上に積極的に第1ダミー端子を密に配置することにより、第1基板1上面において力学的バランスを保つことができ、第2基板3からの上面からの圧力が均等に印加されるような配置が得られる。
図5〜図11に、第2基板3の上面から圧力を加えた場合に第2基板3の上面に圧力を均等に加えることが可能な第1ダミー端子14a,・・・の配置例を示す。なお、第1ダミー端子14a,・・・の配置は、図5〜図11に示す形態に限られず、第1上下接続端子11i〜11nの配置に応じて、他にも様々な配置があることは勿論である。図5に示すように、第1ダミー端子14a,・・・の配置する位置は、第1基板1の外周部にそれぞれ均等に離間させて配置してもよい。図6に示すように、第1ダミー端子14a、・・・を、第1基板1の4つの角部に集中的に配置してもよいし、図7に示すように、第1基板1の各辺に沿って部分的に配置してもよい。図8に示すように、第1ダミー端子14a、・・・の群を対角線上に2箇所配置してもよいし、図9に示すように、第1基板1の対向する辺に沿って配置してもよい。図10に示すように、第1基板1のある軸に対して対称となるように第1ダミー端子14a,・・・を配置してもよい。図11に示すように、第1基板1のある対角を通る軸に対して対称となるように第1ダミー端子14a,・・・を配置してもよい。また、第1ダミー端子14a、14bを、図1の点線で示す空き端子領域に配置することもできる。
第1ダミー端子14a,・・・の配置する個数は、第2基板3の上面から圧力を加える場合に第2基板3の上面内の圧力を均等に加えられる程度の個数が確保できればよく、第1基板1及び第2基板3の大きさに応じて変更可能である。例えば、第1上下接続端子11i〜11nと同数の第1ダミー端子14a,・・・を配置することができる。
第1の実施の形態に係る半導体装置によれば、第1基板1の第1チップ搭載領域1aの周辺領域上に、複数の第1ダミー端子14a,14bが配置される。第1ダミー端子14a,14bは、第1基板1と第2基板3の間の支柱として機能するため、第2基板3の上面側から圧力を加えた場合においても一定の間隔を確保できる。また、第1ダミー端子14a,14b及び第1上下接続端子11i〜11nは、第2基板3の上面から圧力を加えた場合に第2基板3の上面内の圧力が均等に印加されるように、第1チップ搭載領域1aの周辺領域において力学的に一様に分布するように配置される。このため、第2基板3を第1基板1の上面に対して実質的に平行となるように配置でき、第2基板3の上面に所望の半導体モジュールを搭載する場合においても第1突起電極20i〜20nの破損を防ぎ、接触不良等を生じにくくすることができる。よって、信頼度が高く歩留まりの高い半導体装置を提供できる。
なお、第2下部接続端子35i〜35pの配置は、搭載する半導体モジュールの特性に合わせて適宜変更可能であるので、用途に応じて様々な形態の半導体モジュールを搭載することができる点で、汎用性の高い半導体装置も提供できる。第1基板1及び第2基板3の厚さを薄型化すれば、半導体装置の小型化も容易に実現可能である。
図12は、図2に示す半導体装置にBGA等のエリア端子型の半導体モジュール100を搭載した例を示す。半導体モジュール100の素子面に配置された外部電極101i,101k,101l,101m,101o,101pは、第2下部接続端子35i〜35pにそれぞれ接続されている。半導体モジュール100からの信号は、外部電極101i〜101pから第2下部接続端子35i〜35p,プラグ36i〜36n,第1突起電極20i〜20nを介して第1基板1の第1上下接続端子11i〜11nに伝搬され、プラグ16i〜16n及びランド15i〜15nを通って外部接続端子18i〜18nに伝搬される。図12に示した半導体装置によれば、エリア端子型の半導体モジュール100を三次元方向に積層でき、信頼性の高い半導体装置を提供できる。
図13は、第1の実施の形態に係る半導体装置にTSOP型又はQFP型等の周辺端子型の半導体モジュール200を搭載した一例を示す。半導体モジュール200のリード210i,210nは、第2下部接続端子35i,35nに接続されている。半導体モジュール200からの信号は、リード210i,210nを通って第1突起電極20i,20nに伝搬され、第1上下接続端子11i,11n及びプラグ16i,16nを介して外部接続端子18i,18nに伝搬される。第1の実施の形態に係る半導体装置では、エリア端子型の半導体モジュール100の他にも周辺端子型の半導体モジュール200も搭載することができるため、信頼度及び歩留まりが高く且つ汎用性の高い半導体装置を提供することができる。
次に、図14〜図18を用いて、第1の実施の形態に係る半導体装置の組立方法の一例を説明する。なお、図14(a)及び図15(a)は第1基板1の上面からみた平面図の例を示している。図14(b)、図15(b)は、A−A方向からみた場合の第2基板3の断面図、図16〜図18は、図14(a)のA−A方向からみた断面図をそれぞれ示している。
(a)図14(a)に示すように、第1上下接続端子11i〜11n,第1下部接続端子12k,12l及び配線10k,10lが形成された第1基板1を用意する。図14(b)に示すように、図14(a)の第1上下接続端子11i〜11nに対向する位置に第2上下接続端子31i〜31nが配置された第2基板3を用意する。この第2基板3には、第2上下接続端子31i〜31nが形成された反対側の面に第2下部接続端子35i〜35nが形成されている。次に、第2上下接続端子31i〜31n上に、それぞれ第1上部突起電極201i〜201nを配置し、第1上部突起電極201i〜201nの上に第1下部突起電極202i〜202nを配置し、第1突起電極20i〜20nを形成する。
(b)図15(a)に示すように、第1基板1上に第1ダミー端子14a,14bを配置する。第1ダミー端子14a,14bの配置は、図14(a)に示す工程と同時に行ってもよい。第1ダミー端子14a,14bは、第1基板1上に積層する第2基板3の上面から圧力を加えた場合に、第2基板3の上面内の圧力が均等に加わるように、力学的に一様に分布させて配置するのが好ましい。例えば、第1ダミー端子14a,14bを、第1突起電極20i〜20nが配置されない領域、つまり第1下部接続端子12a〜12kが密集している領域に配置することができる。
(c)図15(b)に示すように、第1ダミー端子14a,14bに対応する第2基板3上の領域に、第2下部ダミー端子34a,34bを配置する。第2下部ダミー端子34a,34b上には、第1ダミー電極24a,24bとなる第1上部ダミー電極241a,241bを配置する。第1上部ダミー電極241a,241b上には、第1下部ダミー電極242a,242bを配置する。
(d)図16に示すように、第1チップ搭載端子13k,13l上に金等の金属バンプ23k,23lを介して第1半導体チップ2を搭載する。第1半導体チップ2の周囲は、エポキシ系、アクリル系等の合成樹脂などを含む封止樹脂層21で封止する。図17に示すように、図16の第1基板1と第2基板3とを対向させ、位置合わせを行いながら、第1上下接続端子11i〜11nと第1突起電極20i〜20nの第1下部突起電極202i〜202nとを接合させ、加圧する。
(e)図18に示すように、第1半導体チップ2の周囲をエポキシ系又はアクリル系などの封止樹脂層22で封止する。その後、ランド15i〜15n上に外部接続端子18i〜18nを配置すれば、図11に示す半導体装置が完成する。
第1の実施の形態に係る半導体装置の組立方法によれば、第1半導体チップ2と外部接続端子18k,18lとを接続するための第1下部接続端子12k,12lが第1基板上の一部の領域に偏って配置される場合に、偏った領域には少なくとも第1ダミー電極24a,24bを配置しておく。第1ダミー電極24a,24bを、第1突起電極20i〜20nと同一の高さに形成することにより、第1ダミー電極24a,24b及び第1突起電極20i〜20nとを第1基板1と第2基板3とを支える支柱として機能させることができる。この結果、第2基板3の上面に汎用の半導体モジュール等を搭載する際に、第2基板3の上面全体に加わる圧力を均等に分散させることができ、第1突起電極20i〜20nの破損を防止でき、信頼性が高く、歩留まりの高い半導体装置を組み立てることができる。なお、第2基板3の上面の第2下部接続端子35i〜35nの配置は、接続する半導体モジュールの特性に応じて変更可能であるので、エリア端子型、周辺端子型に限られず、所望の半導体装置を実装できる。
(第2の実施の形態)
第2の実施の形態に係る半導体装置は、図19に示すように、第2半導体チップ4が、第2基板3の下面側に接続されている点が、第1の実施の形態に係る半導体装置と異なる。また、第2基板3の上層には、第2半導体チップ4が搭載された第3基板5を有している点が異なる。
第2の実施の形態に係る半導体装置は、図19に示すように、第2半導体チップ4が、第2基板3の下面側に接続されている点が、第1の実施の形態に係る半導体装置と異なる。また、第2基板3の上層には、第2半導体チップ4が搭載された第3基板5を有している点が異なる。
第2基板3の下面には、第1チップ搭載領域内から第1チップ搭載領域の周辺領域へ延伸する第2下部接続配線38j,38mが配置されている。第1半導体チップ2は、金属バンプ23j,23mを介して第2下部接続配線38j,38mの一端に接続されている。第1半導体チップ2からの信号は、金属バンプ23j,23mを介して第2下部接続配線38j,38mに伝搬され、第2下部接続配線38j、38mの他端に接続された第1突起電極20j,20mを通って第1下部接続端子12j,12mに伝搬される。第1下部接続端子12j,12mに伝搬された信号は、プラグ16j,16mを通って外部接続端子18j,18mに伝搬される。
第2基板3の上面には、第2上下接続端子33i,33n及び第2下部接続端子35j,35mが配置されている。第2上下接続端子37i,37n及び第2下部接続端子35j,35m上には、第2突起電極40i,40n,40j,40mがそれぞれ配置されている。第2突起電極40iは、第2上部突起電極401i及び第2下部突起電極402iを含む。第2突起電極40jは、第2上部突起電極401j及び第2下部突起電極402jを含む。第2突起電極40mは、第2上部突起電極401m及び第2下部突起電極402mを含む。第2突起電極40nは、第2上部突起電極401n及び第2下部突起電極402nを含む。
第2上部突起電極401i,401j,401m,401nは、第3基板5の下面に形成された第3上下接続端子51i,51j,51m,51nに接続されている。第3上下接続端子51i,51nは、第3基板5の上下面を貫通するプラグ56i,56nにより第3基板5の上面の第3上下接続端子53i,53nに接続されている。第3上下接続端子51j,51mは、第3基板5の上下面を貫通するプラグ56j,56mにより第3基板5の上面の第3下部接続端子55j,55mに接続されている。
第2半導体チップ4は、金属バンプ43k,43lを介して第3基板5の下面に配置された第2下部接続配線58k,58lに接続されている。第2半導体チップ4からの信号は、金属バンプ43k,43lを介して第2下部接続配線58k,58lに伝搬され、第2下部接続配線58k、58lの他端に接続された図19の断面からは見えない第2突起電極を通って第2基板3上の第2上下接続端子に伝搬される。
図20は、第1ダミー電極24a,24bが配置された面からみた断面図の一例を示している。第2基板3の上面には、第2上部ダミー端子39a,39bが配置されている。第2上部ダミー端子39a,39bは、第2基板3上に積層する第3基板5の上面から圧力を加えた場合に、第3基板5の上面内の圧力が均等に加わるように力学的に一様に分布させて配置するのが好ましい。例えば、第2上部ダミー端子39a,39bは、第2基板3と第3基板5との間に第2突起電極40i〜40nが配置されない領域、つまり第2下部接続端子35i,35mが密集している領域に配置することができる。
第2上部ダミー端子39a,39b上には、第2ダミー電極44a,44bが配置される。第2ダミー電極44aは、第2上部ダミー電極441a及び第2下部ダミー電極442aを含む。第2ダミー電極44bは、第2上部ダミー電極441b及び第2下部ダミー電極442bを含む。第2上部ダミー電極441a,441b及び第2下部ダミー電極442a,442bは、それぞれ金等からなるスタッドバンプが好適であるが、半田ボール等でも構わない。第2ダミー電極44a,44bとして積層されるスタッドバンプの数は、第2突起電極40i〜40nと同数である。第2上部ダミー電極441a,441b上には、第3下部ダミー端子54a,54bが接続されている。第3下部ダミー端子54a,54bは、第3基板5の下面に配置されている。なお、第2上部ダミー端子39a,39b及び第3下部ダミー端子54a,54bは、電気的には第2基板3及び第3基板5のいずれの端子及び配線にも接続されていない。
図19に示す半導体装置によれば、複数の基板(第1〜第3基板1,3,5)を用いて、複数の半導体チップ(第1及び第2半導体チップ2,4)を、三次元方向に積層することができるため、狭い面積で高密度化が可能な半導体装置を提供できる。また、第1突起電極20i〜20n及び第2突起電極40i〜40nが配置されない基板の間には、第1ダミー電極24a,24b及び第2ダミー電極44a,44bが配置される。このため、第1ダミー電極24a,24b及び第2ダミー電極44a,44bを第2基板3と第3基板5間の支柱として機能させることができ、第3基板5の平坦性を確保することができる。さらに、第3上下接続端子53i,53n及び第3下部接続端子55j,55mの配置は、第3基板5の上面に搭載する半導体モジュールの特性に合わせて変更可能であるので、第3基板5の上面には、様々な形態の半導体モジュールが搭載でき、汎用性の高い半導体装置が提供できる。
次に、図21〜図25を用いて、第2の実施の形態に係る半導体装置の組立方法の一例を説明する。
(a)図21に示すように、金属バンプ23j,23mを介して第2下部接続配線38j,38mに接続された第1半導体チップ2が搭載された第2基板3を用意する。第2基板3上の第2上下接続端子31i,31j上には、それぞれ第1上部突起電極201i〜201nを配置し、第1上部突起電極201i〜201nの上に第1下部突起電極202i〜202nを配置して、第1突起電極20i,20nを形成する。
(b)図22に示すように、第2基板3表面に第2下部ダミー端子34a,34bを露出させる。第2下部ダミー端子34a,34bは、第2下部ダミー端子34a,34bを配置した側と反対の面から圧力を加えた場合に、第2基板3が傾く危険性のある領域に重点的に配置するのが好ましい。例えば、第2下部ダミー端子34a、34Bは、第1突起電極20i〜20nの配置されない領域に配置することができる。
(c)図23に示すように、上面に第1上下接続端子11i,11n及び第1下部接続端子12j,12mが形成された第1基板1を用意する。第1基板1の上面に、図22に示す第3基板5を対向させ、位置合わせを行いながら、第1上下接続端子11i,11n及び第1下部突起電極202i,202n、第1下部接続端子12j,12m及び第1下部突起電極202j,202mとを接合させ、加圧する。その後、第1半導体チップ2の周囲をエポキシ系又はアクリル系など封止樹脂層22で封止する。なお、封止樹脂層22の封止は、後述する第3基板5を搭載した後に行ってもよい。
(e)図24に示すように、第2上下接続端子31i,31n、第2下部接続端子35j,35m、及び図24の断面からは見えない第2上部ダミー端子が上面に露出した第2基板3上に、第3基板5を対向させる。位置合わせを行いながら、第3基板5に形成された第2下部突起電極402i,402nと第2上下接続端子31i,31n、第2下部突起電極402j,402mと第2下部接続端子35j,35mとを接合し、加圧する。
(f)図25に示すように、第2半導体チップ4の周囲を封止樹脂層42により封止し、第1基板1に配置されたランド15n,15m,15lに外部接続端子18n,18m,18nを配置していけば、図19に示す半導体装置が完成する。
第2の実施の形態に係る半導体装置の組立方法によれば、2つの半導体チップ(第1半導体チップ2,第2半導体チップ4)を搭載した第1基板1の上層に、更に汎用の半導体モジュールが積層可能な半導体装置を組み立てることができる。第3基板5の上面に搭載される半導体モジュール、第1半導体チップ2及び第2半導体チップ4からの信号はすべて第1突起電極20i〜20nを介して第1基板1の下層に配置された外部電極端子18i〜18nに伝搬できる。このため、狭い面積で高密度実装が可能である。第1〜第3基板1,3,5及び第1及び第2半導体チップ2,4を薄型化すれば、半導体装置の小型化が可能である。
さらに、第2の実施の形態に係る半導体装置の組立方法によれば、第1〜第3基板1,3,5の導通を取るための第1突起電極20i〜20n及び第2突起電極40i〜40nが配置されない領域には、第1ダミー電極24a,24b及び第2ダミー電極44a,44bを選択的に配置する。第1及び第2ダミー電極24a,24b,44a,44bは、第1〜第3基板1,3,5を支える支柱として機能する。このため、最上層となる第3基板5の上面に半導体モジュールを加圧して搭載する際においても、加えた圧力が第3基板5の上面に均等に加わるため、一部の領域の端子に過剰な圧力が加わらず、半導体装置の破損を防ぎ、信頼性を向上できる。
(第3の実施の形態)
第3の実施の形態に係る半導体装置は、図26に示すように、第3基板5の上層に第1半導体チップ2と同一形状の第n半導体チップ8が搭載された第n基板7が配置される点が、図19に示す半導体装置と異なる(nは4以上の整数)。第n基板7の上面は、封止樹脂82を介して第n+1基板9が搭載されている。第n+1基板の上層には、保護膜91が配置されている。
第3の実施の形態に係る半導体装置は、図26に示すように、第3基板5の上層に第1半導体チップ2と同一形状の第n半導体チップ8が搭載された第n基板7が配置される点が、図19に示す半導体装置と異なる(nは4以上の整数)。第n基板7の上面は、封止樹脂82を介して第n+1基板9が搭載されている。第n+1基板の上層には、保護膜91が配置されている。
第n基板7は、第1基板1の上層に搭載された第n番目の基板である。第n基板7の下面には、第nチップ搭載領域内を延伸する第n下部接続配線78k,78lが配置されている。第n半導体チップ8は、金属バンプ83k,83lを介して第n下部接続配線78k、78lの一端に接続されている。第n半導体チップ8からの信号は、金属バンプ83k,83lを介して第n下部接続配線78k,78lに伝搬され、第n下部接続配線78k,78lの他端に接続された図26の断面からは見えない第n突起電極を通って、最終的には、外部接続端子18i〜18nに伝搬される。
第n基板7の下面には、第n−1突起電極60i,60n,60j,60mが配置されている。第n−1突起電極60iは、第n−1上部突起電極601i及び第n−1下部突起電極602iを含む。第n−1突起電極60jは、第n−1上部突起電極601j及び第n−1下部突起電極602jを含む。第n−1突起電極60mは、第n−1上部突起電極601m及び第n−1下部突起電極602mを含む。第n−1突起電極60nは、第n−1上部突起電極601n及び第n−1下部突起電極602nを含む。
第n上下接続端子71i,71nは、第n基板7の上下面を貫通するプラグ76i,76nにより第n基板7の上面の第n下部接続端子75i,75nに接続されている。第n下部接続端子75j,75mは、第n基板7の上下面を貫通するプラグ76j,76mにより第n基板7の上面の第n下部接続端子75j,75mに接続されている。
図27は、第1ダミー電極24a,24bが配置された面からみた断面図の一例を示している。第n基板7の下面には、第n−1下部ダミー端子74a,74bが配置されている。第n−1下部ダミー端子74a,74bには、第n−1ダミー電極64a,64bが接続されている。第n−1ダミー電極64aは、第n−1上部ダミー電極641a及び第n−1下部ダミー電極642aを含む。第n−1ダミー電極64bは、第n−1上部ダミー電極641b及び第n−1下部ダミー電極642bを含む。第n−1上部ダミー電極641a,641b及び第n−1下部ダミー電極642a,642bは、それぞれ金等からなるスタッドバンプが好適である。第n−1ダミー電極64a,64bとして積層されるスタッドバンプの数は、第n−1突起電極60i〜60nと同数である。第n−1下部ダミー端子74a,74bは、第n基板7の上面から圧力を加えた場合に、第n基板7の上面内の圧力が均等に加わるように、第n−1突起電極60i〜60nの配置位置に応じて配置されている。
第3の実施の形態に係る半導体装置によれば、第1〜第n基板1,3,5,7の間にn−1個の半導体チップを三次元方向に積層した半導体装置が提供できる。このため、同一平面上に複数の半導体チップを配置する場合に比べて実装面積を狭くでき、高密度化が可能となる。また、第1〜第n基板1,3,5,7間を接続する第1〜第n−1突起電極20i〜20n,40i〜40n,60i〜60nが配置されない領域には、第1〜第n−1ダミー電極24a,24b,44a,44b,64a,64bがそれぞれ配置される。第1〜第n−1ダミー電極24a,24b,44a,44b,64a,64b及び第1〜第n−1突起電極20i〜20n,40i〜40n,60i〜60nは、第1〜第n基板1,3,5,7の上面に力学的に一様に分布して配置されるため、基板を多層に積層する場合においても、最上層となる第n+1基板9の平坦性を確保できる。
次に、図28及び図29を用いて、第3の実施の形態に係る半導体装置の組立方法の一例を説明する。第1基板1上に第2基板3、第n基板7a,7bを搭載する方法は、図21〜図25に示す組立方法と実質的に同様であるので説明を省略する。
図28に示すように、第1基板1上の最上層となる第n基板7a,7b上には、封止樹脂82a,82bを介して第n+1基板9a,9bを配置する。第1基板1に配置されたランド15n,15m,15l,・・・には、外部接続端子18n,18m,18n,・・・を配置する。続いて、図29に示すように、第1〜第n+1基板1,3,5,7,9の周囲全体を封止樹脂層83で封止する。なお、第1〜第n+1基板1,3,5,7,9の間に既に配置されている封止樹脂層22a,22b,42a,42b,62a,62bは、封止樹脂層83を配置する際に配置することもできる。そして、図29のD−D線及びE−E線に示す断面で、第1基板1及び余分な封止樹脂層83等を切り取って各半導体装置を個片化し、個片化した各半導体装置に対して電気的な検査等を行い、所定の検査をクリアすれば、第3の実施の形態に係る半導体装置が完成する。
上記のように、本発明は第1〜第3の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
1…第1基板
1a…第1チップ搭載領域
2…第1半導体チップ
3…第2基板
4…第2半導体チップ
11i〜11n…第1上下接続端子
12a〜12n…第1下部接続端子
13c〜13k…第1チップ搭載端子
14a,14b…第1ダミー端子
20i〜20n…第1突起電極
21,22…封止樹脂層
22…封止樹脂層
24a,24b…第1ダミー電極
31a〜31i…第2上下接続端子
1a…第1チップ搭載領域
2…第1半導体チップ
3…第2基板
4…第2半導体チップ
11i〜11n…第1上下接続端子
12a〜12n…第1下部接続端子
13c〜13k…第1チップ搭載端子
14a,14b…第1ダミー端子
20i〜20n…第1突起電極
21,22…封止樹脂層
22…封止樹脂層
24a,24b…第1ダミー電極
31a〜31i…第2上下接続端子
Claims (5)
- 第1半導体チップを搭載するための第1チップ搭載領域を有する第1基板と、
前記第1基板の前記第1チップ搭載領域を囲むように配列された複数の第1上下接続端子及び第1ダミー端子と、
前記第1上下接続端子上の複数の第1突起電極と、
前記第1ダミー端子上の複数の第1ダミー電極
とを備えることを特徴とする半導体装置。 - 前記第1突起電極及び前記第1ダミー電極は、前記第1チップ搭載領域を囲む領域において前記第1基板の上面に力学的に一様に分布していることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
- 第2半導体チップを搭載するための第2チップ搭載領域を有し、前記第1突起電極及び前記第1ダミー電極上に位置する第2基板と、
前記第2チップ搭載領域を囲む位置の前記第2基板上に配置された複数の第2ダミー端子及び前記第1突起電極を介して前記第1上下接続端子に電気的に接続可能な複数の第2上下接続端子と、
前記第2上下接続端子上の複数の第2突起電極と、
前記第2ダミー端子上の複数の第2ダミー電極
とを更に有することを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置。 - 第1基板の第1チップ搭載領域を囲む領域に第1上下接続端子及び第1ダミー端子を配置するステップと、
第1半導体チップを前記第1チップ搭載領域に搭載するステップと、
前記第1上下接続端子上に複数の第1突起電極を配置するステップと、
前記第1ダミー端子上に複数の第1ダミー電極を配置するステップ
とを含むことを特徴とする半導体装置の組立方法。 - 前記第1突起電極及び前記第1ダミー電極は、前記第1基板上の前記第1チップ搭載領域を囲む位置に力学的に一様に分布させて配置し、
前記第1突起電極及び前記第1ダミー電極上に第2基板を配置するステップを更に有することを特徴とする請求項4に記載の半導体装置の組立方法。
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