JP2007134489A - Semiconductor device and method for manufacturing same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、一つの半導体パッケージの中に半導体チップを複数個積層した半導体装置の製造方法及びこの製造方法により製造された半導体装置に関するものである。 The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device in which a plurality of semiconductor chips are stacked in one semiconductor package, and a semiconductor device manufactured by this manufacturing method.
従来のチップ積層型半導体装置は、チップサイズの比較的大きなメモリチップを複数段積み重ねた構造が多く、これらの構造は、配線基板との接続方法として全てワイヤボンディングを用いていた。しかし、近年ではロジックチップとメモリチップを混載させて積層する半導体装置が出現してきた。ロジックチップの場合は、電極パッド数が300〜500パッドと非常に多く、ワイヤボンディングで接続すると、配線基板側にそのパッド数と同じ数のインナーリードが必要となる。そうなると、半導体装置の外形サイズが大型化してしまうのでロジックチップのみフリップチップボンディング法を用いて接続させ、他のチップはワイヤボンディング法を用いて接続する方法がとられている。しかも、半導体チップを一つのパッケージに積層するのでそれぞれの半導体チップの厚さが100μm以下と非常に薄くなっている。同時に配線基板の厚さも200μm程度と薄くなっているのが現状である。フリップチップ接続において、半導体チップが薄いと言うのは、さまざまな面で問題が生じ製造面での難易度も高い。 Many conventional chip-stacked semiconductor devices have a structure in which a plurality of memory chips having a relatively large chip size are stacked, and these structures all use wire bonding as a connection method with a wiring board. However, in recent years, a semiconductor device in which a logic chip and a memory chip are mixed and stacked has appeared. In the case of a logic chip, the number of electrode pads is as large as 300 to 500 pads, and when connected by wire bonding, the same number of inner leads as the number of pads is required on the wiring board side. In this case, since the outer size of the semiconductor device is increased, only the logic chip is connected using the flip chip bonding method, and the other chips are connected using the wire bonding method. In addition, since the semiconductor chips are stacked in one package, the thickness of each semiconductor chip is as very thin as 100 μm or less. At the same time, the thickness of the wiring board is as thin as about 200 μm. In flip chip connection, the fact that the semiconductor chip is thin has problems in various aspects and is difficult to manufacture.
そのうちの一つが、半導体チップや配線基板の剛性不足によって生ずる反りである。フリップチップ接続時には配線基板は平坦なステージ上に真空吸着によって固定され、半導体チップもボンディングツールによって平坦に吸着固定されている。この状態で接続時に200℃以上の温度が加わっても、お互いが平坦であるため正常に接続が行われる。しかし、接続が終了しボンディングステージによる真空吸着から配線基板を開放した瞬間に配線基板や半導体チップが反り上がり、接続部が破断してしまうという問題が生じている。
この問題が解決されないと、半導体チップの厚さを薄くすることができず、その結果半導体パッケージの厚さが顧客の要求する寸法に納められないという問題が生ずる。また、半導体チップの積み重ね枚数も減少するため高機能な半導体装置を生み出すことが出来ない。従来技術として特許文献1が開示されている。特許文献1には、回路基板を基板保持具により平坦に固定し、素子を該回路基板にフェイスダウン接続することが記載されている。更にアンダーフィル剤を充填し硬化させた後に回路基板を基板保持具から取り外す半導体装置の製造方法が記載されている。
If this problem is not solved, the thickness of the semiconductor chip cannot be reduced, resulting in a problem that the thickness of the semiconductor package cannot be accommodated in the dimensions required by the customer. In addition, since the number of stacked semiconductor chips is reduced, a highly functional semiconductor device cannot be produced.
本発明は、フリップチップ接続が終了した後において半導体チップと配線基板間にアンダーフィル樹脂層を形成し、これを硬化させた後でも配線基板や半導体チップの反り上がり、接続部の破断が少ない半導体装置の製造方法及びこの方法により形成された半導体装置を提供する。 The present invention is a semiconductor in which an underfill resin layer is formed between a semiconductor chip and a wiring board after flip chip connection is completed, and the wiring board and the semiconductor chip are warped and the connection portion is less broken even after this is cured. An apparatus manufacturing method and a semiconductor device formed by the method are provided.
本発明の半導体装置の製造方法の一態様は、チップ搭載エリアを有する配線基板の複数個から構成された基板を上面が真空吸着面となるステージ上面に吸着させる工程と、前記ステージにより保持された基板の前記チップ搭載エリアに半導体チップを搭載して前記基板に前記半導体チップをフリップチップ接続する工程と、前記基板を真空吸着により保持した状態でステージ上で前記基板と前記半導体チップ間に液状樹脂を流し込む工程と、前記基板を真空吸着により保持した状態でステージ上で前記流し込んだ液状樹脂を加熱硬化させてアンダーフィル樹脂層を形成する工程とを備えたことを特徴としている。 According to one aspect of the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, a substrate composed of a plurality of wiring substrates having chip mounting areas is adsorbed on an upper surface of a stage whose upper surface is a vacuum adsorption surface, and held by the stage Mounting a semiconductor chip in the chip mounting area of the substrate and flip-chip connecting the semiconductor chip to the substrate; and a liquid resin between the substrate and the semiconductor chip on the stage while the substrate is held by vacuum suction And a step of forming an underfill resin layer by heat-curing the poured liquid resin on a stage while the substrate is held by vacuum suction.
また、本発明の半導体装置の一態様は、少なくとも2層積層された複数の半導体チップと、外部接続端子を備え、前記積層された複数の半導体チップを搭載する配線基板とを備え、前記配線基板に直接接続される第1層の半導体チップは、前記配線基板にフリップチップ接続され、且つ前記第1層の半導体チップと前記配線基板との間隙にアンダーフィル樹脂層が形成され、前記第1層の半導体チップに積層される第2層以上の半導体チップは、ボンディングワイヤにより前記配線基板に電気的に接続され、前記第1層の半導体チップの膜厚は100μm以下であり、前記配線基板は200μmを越えない膜厚を有することを特徴としている。 According to another aspect of the semiconductor device of the present invention, the wiring board includes a plurality of semiconductor chips stacked at least in two layers, and a wiring board that includes an external connection terminal and mounts the plurality of stacked semiconductor chips. The first-layer semiconductor chip directly connected to the wiring board is flip-chip connected to the wiring board, and an underfill resin layer is formed in a gap between the first-layer semiconductor chip and the wiring board. The semiconductor chips of the second layer and higher layers stacked on the semiconductor chip are electrically connected to the wiring board by bonding wires, the thickness of the semiconductor chip of the first layer is 100 μm or less, and the wiring board is 200 μm. It is characterized by having a film thickness that does not exceed.
フリップチップ接続が終了した後において半導体チップと配線基板間にアンダーフィル樹脂層を形成し、これを硬化させた後でも配線基板や半導体チップの反り上がりや接続部の破断が少ない。 After the flip-chip connection is completed, an underfill resin layer is formed between the semiconductor chip and the wiring board, and even after this is cured, there is little warping of the wiring board or the semiconductor chip and breakage of the connection portion.
以下、実施例を参照して発明の実施の形態を説明する。 Hereinafter, embodiments of the invention will be described with reference to examples.
図1乃至図9を参照して実施例1を説明する。
図1は、基板を搭載させるステージの平面図及び断面図、図2及び図3は、フリップチップ接続を説明する部分工程断面図、図4及び図5は、半導体チップと基板間に液状樹脂を流し込む部分工程断面図、図6は、ステージに基板を搭載してからアンダーフィル樹脂層を形成するまでの工程斜視図、図7は、図6の工程を処理する半導体製造装置の概略斜視図、図8は、半導体装置の製造工程を説明するフロー図、図9は、半導体装置の断面図である。
FIG. 1 is a plan view and a cross-sectional view of a stage on which a substrate is mounted, FIGS. 2 and 3 are partial process cross-sectional views for explaining flip-chip connection, and FIGS. 4 and 5 are liquid resins between a semiconductor chip and a substrate. FIG. 6 is a perspective view of a process from mounting a substrate on the stage to forming an underfill resin layer, and FIG. 7 is a schematic perspective view of a semiconductor manufacturing apparatus for processing the process of FIG. FIG. 8 is a flowchart for explaining a manufacturing process of the semiconductor device, and FIG. 9 is a cross-sectional view of the semiconductor device.
この実施例で説明する半導体装置(図9参照)は、図8に示すように、次のような工程で製造される。まず、配線基板の複数個から構成された基板を真空吸着面となるステージ上面に吸着させる(工程(1))。次に、前記ステージにより保持された基板の前記チップ搭載エリアに半導体チップを搭載して前記基板に前記半導体チップをフリップチップ接続する(工程(2))。次に、前記基板を真空吸着により保持した状態でステージ上で前記基板と前記半導体チップ間に液状樹脂を流し込む(工程(3))。次に、前記基板を真空吸着により保持した状態でステージ上で前記流し込んだ液状樹脂を加熱硬化させてアンダーフィル樹脂層を形成する(工程4))。アンダーフィル樹脂層を形成してから基板をステージから外す(工程(5))。その後、2層以上の半導体チップをフリップチップ接続した半導体チップ上に積層し、これらと基板との電気的接続をボンディングワイヤにより行う(工程(6))。次に、基板上に積層形成された半導体チップを樹脂封止すべく、基板上にモールド樹脂封止体を形成する(工程(7))。その後、配線基板単位に基板ダイシングを行って、図9に示す半導体パッケージ(半導体装置)が形成される(工程(8))。 The semiconductor device described in this embodiment (see FIG. 9) is manufactured by the following process as shown in FIG. First, a substrate composed of a plurality of wiring substrates is adsorbed on the upper surface of the stage serving as a vacuum adsorption surface (step (1)). Next, a semiconductor chip is mounted on the chip mounting area of the substrate held by the stage, and the semiconductor chip is flip-chip connected to the substrate (step (2)). Next, a liquid resin is poured between the substrate and the semiconductor chip on the stage with the substrate held by vacuum suction (step (3)). Next, in a state where the substrate is held by vacuum suction, the poured liquid resin is heated and cured on a stage to form an underfill resin layer (step 4). After forming the underfill resin layer, the substrate is removed from the stage (step (5)). Thereafter, two or more layers of semiconductor chips are stacked on the flip-chip connected semiconductor chips, and these are electrically connected to the substrate by bonding wires (step (6)). Next, a molded resin sealing body is formed on the substrate in order to resin-seal the semiconductor chip laminated on the substrate (step (7)). Thereafter, substrate dicing is performed for each wiring substrate to form the semiconductor package (semiconductor device) shown in FIG. 9 (step (8)).
このような半導体装置を形成する工程において、工程(2)乃至工程(4)にこの実施例の特徴がある。以下、図1及び図7、図2乃至図5を参照しながら図6の工程斜視図に基づいて工程(2)乃至工程(4)を詳細に説明する。
この工程は、図7の半導体製造装置を用いて処理される。この半導体製造装置は、フリップチップ接続を行うFC部、アンダーフィル樹脂層の材料である液状樹脂を基板上に流し込むアンダーフィル部及び液状樹脂を加熱して硬化させるアフターキュア炉から構成されており、各部は、ステージ搬送レールによって連絡がつけられている。ステージ搬送レールは、基板を真空吸着したステージを各部に適宜搬送するように構成されている。
図1は、この実施例で用いられるステージ1の一例である。ステージ1上面には複数の8の字形状の吸着溝3が形成されており、吸着溝3はステージ1内部の吸着孔2に繋がり、吸着孔2は、真空ポンプ(図示しない)に繋がるパイプ13に接続されている。吸着溝3は、真空ポンプに引かれて真空4になり、基板を吸着する吸着力を有するようになる。この時、チップ搭載エリアには吸着孔及び吸着溝が重ならないようにする。もし重ねると、この部分の吸着孔もしくは吸着溝に吸着されて基板から半導体チップが離れる恐れがあるからである。
In the process of forming such a semiconductor device, the steps (2) to (4) are characterized by this embodiment. Hereinafter, the process (2) to the process (4) will be described in detail based on the process perspective view of FIG. 6 with reference to FIGS. 1, 7, and 2 to 5.
This step is processed using the semiconductor manufacturing apparatus of FIG. This semiconductor manufacturing apparatus is composed of an FC section for flip-chip connection, an underfill section for pouring a liquid resin, which is a material for the underfill resin layer, onto the substrate, and an after cure furnace for heating and curing the liquid resin. Each part is connected by a stage transport rail. The stage transport rail is configured to appropriately transport a stage on which the substrate is vacuum-sucked to each part.
FIG. 1 is an example of a
図6(a)に示すように、複数のチップ搭載エリア14を有する(この実施例では、例えば、12エリアである)基板9を真空ポンプによりパイプを介して真空4引きされた吸着溝3の吸着力により基板サイズに合わせた形状のステージ1上面に固定する。基板9は、ステージ1より一回り小さくなるように構成されている。吸着溝も基板の形状や半導体チップのサイズに合わせて最適な場所に設置する。
次に、図6(b)に示すように、フリップチップボンディングツール10を用いて半導体チップ5を基板9のチップ搭載エリア14にフリップチップ接続する。その詳細は図2及び図3に示される。ステージ1上の基板9には基板インナーリード(配線)8が形成され、その上には接続用の金属7、例えば、Sn−Agが形成されている。一方、半導体チップ5は、表面の接続電極(図示しない)の上にバンプ電極6が設けられている。
As shown in FIG. 6A, the
Next, as shown in FIG. 6B, the
半導体チップ5は、フリップチップボンディングツール10によって保持され、ステージ1上に搬送される(図2)。フリップチップボンディングツール10は、複数の吸着孔2′を有し、これを真空4′にすることにより吸着力を得ている。フリップチップボンディングツール10により保持された半導体チップ5は、自動認識によって基板インナーリード(配線)8と位置合せを行い圧着を行ってバンプ電極6と接続用の金属7とを接合する(図3)。この際、接続部の金属同士を接合させるために最適な温度と荷重と時間を加える。また、ステージ1は、基板9全体を加熱するヒータを兼ねるようにすることができる。この工程は図7のFC部で行われる。
次に、図6(c)に示すように、基板9をステージ1に真空吸着した状態で、エポキシ樹脂などの液状封止樹脂12を半導体チップ5の側面から流し込む。その詳細は図4に示される。即ち、液状樹脂12は、液状封止樹脂塗布用ノズル11を半導体チップ5に近接させて、半導体チップ5とステージ1に真空吸着された基板9との間であって、フリップチップ接続されたバンプ電極6と基板インナーリード8上の接続用の金属7との接続により形成された間隙に流し込まれる。この工程は、図7のアンダーフィル部で行われる。
The
Next, as shown in FIG. 6C, a
次に、図6(d)に示すように、基板9をステージ1に真空吸着した状態で、液状封止樹脂12が硬化するまでステージ1上に保持する。その詳細は図5に示される。液状樹脂12は、半導体チップ5とステージ1に真空吸着された基板9との間に充填され、バンプ電極6と基板インナーリード8上の接続用の金属7との接続部を被覆している。この状態で図7のアフターキュア炉で加熱されて硬化してアンダーフィル樹脂層15が形成される。
その後、基板9はステージ1から下され、後工程である工程(6)乃至工程(8)を実施して図9に示す半導体装置が形成される。基板をダイシングして得られた配線基板16は、配線(基板インナーリード)8を有し、裏面にはんだボールなどの外部接続端子18が形成されている。配線8と外部接続端子18とは内部配線17により接続されている。配線基板16に直接接続された第1層の半導体チップ(チップA)5は、前述の工程(2)乃至工程(4)により形成されたものである。半導体チップ5の上には第2層の半導体チップ(チップB)が接着剤により接着され積層されている。
Next, as shown in FIG. 6D, the
Thereafter, the
チップBに形成された接続電極(図示しない)と配線基板16の配線8とはボンディングワイヤ19により電気的に接続されている。チップBの上には第3層の半導体チップ(チップC)が接着剤により接着され積層されている。これは、スペーサチップといわれ、配線及び素子が形成されない単なるシリコンチップである。これは、チップBのワイヤボンディングスペースを設けるために形成されたものである。チップCの上には第4層の半導体チップ(チップD)が接着剤により接着され積層されている。チップDに形成された接続電極(図示しない)と配線基板16の配線8とはボンディングワイヤ19′により電気的に接続されている。配線基板16上には積層された半導体チップ及びボンディングワイヤ等を含めて樹脂封止体20により樹脂封止されている。チップAには、電極数の多い、例えば、200パッド以上の、例えば、ロジックチップなどが適用される。チップB及びチップDには、例えば、メモリチップが用いられる。チップAの膜厚は100μm以下であり、配線基板の膜厚は、200μmより薄く形成されている。
Connection electrodes (not shown) formed on the chip B and the
100μm以下の半導体チップをフリップチップ接続により搭載しても、アンダーフィル樹脂層を硬化させた後での配線基板や半導体チップの反り上がりや接続部の破断が少なく、その結果、多数の半導体チップを一つのパッケージに積層することが可能になる。また、パッケージの厚さも薄くする事が可能となる。また、半導体チップと基板をお互い平坦なツールやステージで固定しているため、高い位置精度のフリップチップ接続が可能となり、位置ズレ不良などの品質不良が減少可能になる。また、フリップチップ接続終了後も基板をステージ上で保持し続けるので、熱収縮などによる基板の反りを防止して接続部の破断を防ぐことが可能となる。また、この状態で液状封止樹脂を流し込んでいるので樹脂の均等な流動により安定した封止が可能となる。また、配線基板や半導体チップの反り上がりや接続部の破断が少ないので、200μmより薄い配線基板を用いることが可能になって半導体パッケージの一層の薄膜化が可能になる。 Even when a semiconductor chip of 100 μm or less is mounted by flip chip connection, there is little warping of the wiring board or semiconductor chip after the underfill resin layer is cured and breakage of the connection portion. It can be stacked in one package. Further, the thickness of the package can be reduced. Further, since the semiconductor chip and the substrate are fixed to each other with a flat tool or stage, flip chip connection with high positional accuracy is possible, and quality defects such as misalignment can be reduced. Further, since the substrate is continuously held on the stage even after the flip chip connection is completed, the warpage of the substrate due to heat shrinkage or the like can be prevented, and the breakage of the connection portion can be prevented. In addition, since the liquid sealing resin is poured in this state, stable sealing is possible by the uniform flow of the resin. Further, since there is little warping of the wiring board or semiconductor chip or breakage of the connecting portion, it is possible to use a wiring board thinner than 200 μm, and the semiconductor package can be made thinner.
次に、図10を参照して実施例2を説明する。
図10は、基板の平面図及びステージの上面に設けた基板吸着面を示す平面図である。この実施例では、ステージの基板吸着面に特徴がある。この実施例で説明する基板21は、複数のチップ搭載エリア22を備え、ダイシングにより複数の配線基板に個片化される。基板21は、ステージに完全に載ることができるようにこれらステージより一回り小さいものが用いられる(図10(a))。
実施例1ではステージ上面の吸着面は、8の字を複数配列した形状の吸着溝を用いたが、この実施例の第1の例ではステージ23上面の吸着溝24は、Hの字を複数配列した形状になっている。吸着孔(図示しない)は、各Hの字に少なくとも1つ設けられている(図10(b))。
第2の例では、ステージ25上面の吸着面には吸着溝が形成されていない。所定の間隔で吸着孔26がならんでいるのみである(図10(c))。
Next, Example 2 will be described with reference to FIG.
FIG. 10 is a plan view of a substrate and a substrate suction surface provided on the upper surface of the stage. This embodiment is characterized by the substrate suction surface of the stage. The
In the first embodiment, the suction surface on the upper surface of the stage uses a suction groove having a shape in which a plurality of 8 characters are arranged. In the first example of this embodiment, the
In the second example, no suction groove is formed on the suction surface of the upper surface of the
以上の通り、吸着面の構造は、実施例に限定されず様々な構造が考えられる。しかし、基板に設けられたチップ搭載エリアにはステージの吸着孔及び吸着溝が重ならないようにすることが必要である。何故なら、ステージの吸着孔もしくは吸着溝の上にチップ搭載エリアが載置されると、この部分の吸着孔もしくは吸着溝に基板が吸着されて基板から半導体チップが離れる恐れがあるからである。チップが基板から離れることによって接続部の破断が発生する恐れが大きくなるのである。 As described above, the structure of the suction surface is not limited to the embodiment, and various structures are conceivable. However, it is necessary to prevent the suction holes and suction grooves of the stage from overlapping the chip mounting area provided on the substrate. This is because if the chip mounting area is placed on the suction hole or suction groove of the stage, the substrate may be sucked into the suction hole or suction groove of this part and the semiconductor chip may be separated from the substrate. The risk of breakage of the connection portion increases as the chip moves away from the substrate.
1、23、25・・・ステージ 2、26・・・吸着孔
3、24・・・吸着溝 4・・・真空 5・・・半導体チップ
6・・・バンプ電極 7・・・接続用の金属
8・・・配線又は基板インナーリード 9、21・・・基板
10・・・フリップチップボンディングツール
11・・・液状封止樹脂塗布用ノズル 12・・・液状封止樹脂
13・・・パイプ 14、22・・・チップ搭載エリア
15・・・アンダーフィル樹脂層 16・・・配線基板
17・・・内部配線 18・・・外部接続端子
19・・・ボンディングワイヤ 20・・・樹脂封止体
1, 23, 25 ...
Claims (5)
前記ステージにより保持された基板の前記チップ搭載エリアに半導体チップを搭載して前記基板に前記半導体チップをフリップチップ接続する工程と、
前記半導体チップをフリップチップ接続する工程の後に、前記基板を真空吸着により保持した状態でステージ上で前記基板と前記半導体チップ間に液状樹脂を流し込む工程と、
前記基板を真空吸着により保持した状態でステージ上で前記流し込んだ液状樹脂を加熱硬化させてアンダーフィル樹脂層を形成する工程とを備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。 Adsorbing a substrate composed of a plurality of wiring substrates having a chip mounting area on a stage upper surface whose upper surface is a vacuum adsorption surface;
Mounting a semiconductor chip on the chip mounting area of the substrate held by the stage and flip-chip connecting the semiconductor chip to the substrate;
After the step of flip-chip connecting the semiconductor chip, a step of pouring a liquid resin between the substrate and the semiconductor chip on the stage with the substrate held by vacuum suction;
And a step of forming an underfill resin layer by heat-curing the poured liquid resin on a stage while the substrate is held by vacuum suction.
外部接続端子を備え、前記積層された複数の半導体チップを搭載する配線基板とを備え、
前記配線基板に直接接続される第1層の半導体チップは、前記配線基板にフリップチップ接続され、且つ前記第1層の半導体チップと前記配線基板との間隙にアンダーフィル樹脂層が形成され、前記第1層の半導体チップに積層される第2層以上の半導体チップは、ボンディングワイヤにより前記配線基板に電気的に接続され、前記第1層の半導体チップの膜厚は100μm以下であり、前記配線基板は200μmを越えない膜厚を有することを特徴とする半導体装置。
A plurality of semiconductor chips laminated at least two layers;
An external connection terminal, and a wiring board on which the plurality of stacked semiconductor chips are mounted,
The first layer semiconductor chip directly connected to the wiring board is flip-chip connected to the wiring board, and an underfill resin layer is formed in the gap between the first layer semiconductor chip and the wiring board, The semiconductor chips of the second layer or higher stacked on the semiconductor chip of the first layer are electrically connected to the wiring board by bonding wires, and the film thickness of the semiconductor chip of the first layer is 100 μm or less, and the wiring A semiconductor device, wherein the substrate has a thickness not exceeding 200 μm.
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