JP2007173570A - 半導体装置、その製造方法、および半導体装置を備えた電子機器 - Google Patents

半導体装置、その製造方法、および半導体装置を備えた電子機器 Download PDF

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Abstract

【課題】低コストで高密度実装を実現できる半導体装置の提供。
【解決手段】半田ボール103を備えた2層以上の配線基板101を垂直方向に積み重ねて、半田ボール103どうしを垂直に接合する。配線基板101と配線基板101との間には絶縁層108を設ける。半田ボール103と半田ボール103との間には中継用半田ボール111を設ける。
【選択図】図5

Description

本発明は、ベアチップ半導体素子や電子部品が搭載された複数の配線基板を1パッケージ化した半導体装置(System in Package=SIP)や部品内蔵モジュールに関するものである。また、そのような半導体装置を備えた電子機器、半導体装置の製造方法に関するものである。
近年、市場においては、携帯電話に代表されるように電子機器の小型化、軽量化、高機能化・高性能化の要求が高まっている。
このような状況の中で、半導体素子やその他の電子部品を実装した複数の配線基板を組み合わせ、1パッケージ化したSIPや部品内蔵基板の開発に各社注力している。
関連としての代表的な技術として次に3つの従来例を示す。図9は特許文献1に開示されている第1の従来技術である。配線基板301b、301cに半導体素子304を表面実装した後、配線基板301a、301bのパターン電極302に半田ボール303を取り付ける。
その後、配線基板301a、301b、301cを垂直方向に重ね合わせリフロー行程にてそれぞれの配線基板を半田ボール303で電気的に接続する。その後2次実装用の半田ボール305を取り付けてSIPが完成する。
図10は特許文献2に開示されている第2の従来技術である。配線基板301a、301b、301cに半導体素子304a、304bを表面実装した後、配線基板301a、301b、301cのパターン電極302に半田ボール303a、303bを取り付ける。
その後、配線基板301a、301b、301cを垂直方向に重ね合わせリフロー行程にてそれぞれの配線基板を半田ボール303a、303bで電気的に接続する。その後2次実装用の半田ボール305を取り付けてSIPが完成する。
図11は特許文献3に開示されている第3の従来技術である。図11(a)に示すように、配線基板401a、401bに半導体素子404a、電子部品406aを表面実装する。絶縁層407に層間接続用の穴加工や半導体素子404a、電子部品406a内蔵用の空隙部405を形成した後、層間接続用の穴に導電性ペースト403を充填する。
その後、配線基板401a、401bの間に絶縁層407を垂直方向に配置し、熱プレスによって一体化させる。
図11(b)は熱プレス後の断面である。図11(c)は表面に半導体素子404bや電子部品406bを実装したときの断面図である。
特開2001−230365号公報(第7頁、図1) 特開2004−356138号公報(第12頁、図1) 特開2003−197849号公報(第12頁、図7)
しかしながら、第1、第2の従来技術の構成では、2次実装時に半田ボール303、303a、303bが再溶融し、積み重ねて積層した配線基板が位置ずれを起こす危険性がある。一般的には半田ボール303、303a、303bは高融点半田とし2次実装用の半田ボール305は低融点半田とし、融点を変えることによって対応が可能となるが、配線基板301a、301b、301cや実装する半導体素子403、403a、403bや電子部品に耐熱性がない場合など注意が必要である。
さらに、実装する半導体素子403、403a、403bや電子部品が発熱をする部品の場合、電子機器に冷却構造などの対策がない場合、熱がこもってしまい、半導体素子403、403a、403bや電子部品の動作が不安定となる可能性がある。
また、半導体素子403、403a、403b、電子部品の部品高さが高い場合は、半田ボール303、303a、303bの径を大きくする必要があり、高密度実装を妨げる原因ともなっていた。
第3の従来技術の構成では、絶縁層407に半導体素子404aや電子部品406aを埋め込むために、空隙部405を形成する必要がある。
その時、空隙部405の近傍に導電性ペースト403がある場合、空隙部405と半導体素子404aや電子部品406aの隙間が大きい場合は熱ブレス時の温度と圧力によって絶縁層407の樹脂分が流動し一緒に導電性ペースト403も流れてしまって位置ずれが生じたり、接続が不安定になることがある。
上記説明の通り、従来技術のSIP構造では、物作り上の注意点や取り扱いを細かく取り決めることが重要であり、製造プロセスが複雑になったり、また、接続が不安定となるという課題を有していた。
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、半田ボールを用いて比較的背の高い半導体素子や電子部品を垂直に積み上げるSIP構造を容易に実現するためであり、低コストで高密度実装を施した半導体装置を提供することを目的とする。
本発明の半導体装置は、半導体素子または電子部品を搭載するとともに、主面に電極を有する2つ以上の配線基板と、前記配線基板の間にあって当該両配線基板を相互に接続する通電部材とを備える。前記通電部材を前記電極それぞれに個別に配置したうえで当該両配線基板を電極形成面を対向させて重ね合わせて前記通電部材どうしを垂直に接合する。
前記両配線基板の間に熱伝導性樹脂からなる封止材を設けるのが好ましい。
また、前記配線基板の互いの対向面に前記半導体素子または電子部品を設けのが好ましい。
また、前記両配線基板の間に絶縁層を介装配置するのが好ましい。この場合には、さらに、前記絶縁層の通電部材配置箇所に、配線基板対向方向に沿う貫通孔を設け、前記両通電部材を前記貫通孔の両端から当該貫通孔内に収納配置したうえで互いに垂直に接合するのが好ましい。さらには、前記貫通孔に中継用通電部材を挿入配置し、前記中継用通電部材を介して前記両通電部材を垂直に接合するのがさらに好ましい。さらには、前記配線基板の互いの対向面に前記半導体素子または電子部品を設け、前記絶縁層の前記半導体素子または電子部品に対向する箇所に部品収納孔を設け、当該部品収納孔に前記半導体素子または電子部品を収納配置するのが好ましい。
また、本発明の半導体装置の製造方法は、半導体素子または電子部品を搭載した2つ以上の配線基板が通電部材を介して相互に接続された半導体装置の製造方法であって、前記配線基板に半導体素子または電子部品を搭載する工程と、前記配線基板の電極それぞれに通電部材を個別に配置する工程と、前記通電部材を配置した前記両配線基板を重ね合わせてこれら両配線基板の前記通電部材を垂直に接合する工程とを含む。
また、前記両配線基板の前記通電部材を垂直に接合する工程の後処理として、前記両配線基板の間の隙間に熱伝導性樹脂からなる封止材を注入する工程をさらに含むのが好ましい。
また、前記両配線基板の前記通電部材を垂直に接合する工程の前処理として、
前記両配線基板の間に絶縁層を配置する工程をさらに含むのが好ましい。
また、前記両配線基板の間に前記絶縁層を配置する工程の前処理として、前記絶縁層の通電部材配置箇所に貫通孔を形成する工程をさらに含み、前記両配線基板の間に前記絶縁層を配置する工程では、前記電極を前記貫通孔の両端から当該貫通孔内に収納配置するのが好ましい。
また、前記貫通孔と前記部品収納孔とを形成する工程では、前記貫通孔に中継用通電部材を挿入配置し、前記両配線基板の間に前記絶縁層を配置する工程では、前記中継用通電部材を介して前記両通電部材を垂直に接合するのが好ましい。
また、前記配線基板に半導体素子または電子部品を搭載する工程では、前記半導体素子や電子部品を前記配線基板の互いの対向面に搭載し、前記両配線基板の間に絶縁層を配置する工程では、前記絶縁層として、前記半導体素子または電子部品に対向する箇所に部品収納孔を有する絶縁層を用い、前記両配線基板の間に絶縁層を配置する工程では、前記部品収納孔に前記半導体素子または電子部品を収納配置するのが好ましい。
以上のように、本発明による、2つ以上の半田ボールで垂直方向に接合させて層間接続を行うことにより、比較的背の高い半導体素子や電子部品を垂直に積み上げるSIP構造を容易に実現でき、低コストで高密度実装を実現できる半導体装置を提供することが可能となる。
以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
(実施の形態1)
図1を参照しながら、本発明の実施形態1に係る半導体装置およびその製造方法について説明する。図1は、本実施形態1の半導体装置の製造過程を模式的に示している。
以下配線基板を3枚用いる構成で説明するが、2枚あるいは4枚以上でもかまわない。図1(a)を参照して以下、実施の形態1を説明する。2層以上の配線基板101a、101b、101cを用意し、配線基板101aの図中下側に位置する主面に半導体素子104bを実装する。同様に配線基板101bの図中上側に位置する主面に半導体素子104aを、下側に位置する主面に半導体素子104bをそれぞれ実装する。同様に、配線基板101cの図中上側に位置する主面に半導体素子104aを実装する。実装方式はフリップチップ、ワイヤボンディング等種類は問わない。
次に、配線基板101aの図中下側に位置する主面上のパターン電極102の所望の位置に半田ペーストを塗布したうえで(図示せず)、その半田ペースト上に半田ボール(通電部材)103bを配置する。そして、半田ボール103bを配置した配線基板101aをリフロー炉で所定の加熱温度で熱処理することで半田ボール103bをパターン電極102に取り付ける。
同様に配線基板101bの図中上側に位置する主面上のパターン電極102、および図中下側に位置する主面上のパターン電極102の所望の位置に半田ペーストを塗布したうえで(図示せず)、それぞれの半田ペースト上に半田ボール(通電部材)103a、103bを配置する。そして、半田ボール103a、103bを配置した配線基板101bをリフロー炉で所定の加熱温度で熱処理することで半田ボール103a、103bをパターン電極102に取り付ける。
同様に配線基板101cの図中上側に位置する主面上のパターン電極102の所望の位置に半田ペーストを塗布したうえで(図示せず)、その半田ペースト上に半田ボール103aを配置する。そして、半田ボール103aを配置した配線基板101cをリフロー炉で所定の加熱温度で熱処理することで半田ボール103aをパターン電極102に取り付ける。
その後、配線基板101a、101b、101cを順番に垂直方向に積み重ねて配置する。そして、積み重ね配置した配線基板101a、101b、101cをリフロー炉で所定の加熱温度で熱処理することで半田ボール103a、103bを接合する。リフロー工程中に配線基板101a、101b、101cが位置ずれを起こさないように、基準ピンを用いて(図示せず)横ずれの防止を行う。さらにまた、半田ボール103a、103bを安定的に接合させるために接合箇所1カ所あたり10gの重さを加えてリフローする。これにより、半田ボール103a、103bは互いに金属接合する。
また、半田ボール103a、103bが接合された配線基板101aの主面と配線基板101bの主面との間に隙間α1が形成されるように、半田ボール103a、103bの高さ寸法は設定されている。本実施形態における隙間α1は、具体的には次の隙間となる。すなわち、両配線基板101a、101bの主面のうち、互いに対向する主面それぞれに半導体素子104a、104bが実装されている。そのため、これら半導体素子104a、104bと相手側配線基板101a、101bとの間に封止材107を注入可能な部分隙間が形成されるように隙間α1の大きさは設定されている。半田ボール103aと半田ボール103bとが接合された状態における配線基板101aの主面と配線基板101bの主面との間の離間間隔γ1は、隙間α1を設定可能な大きさに設定されている。このような大きさの離間間隔γ1が設定されるように、半田ボール103a、103bの高さ寸法は設定されている。
同様に、半田ボール103a、103bが接合された配線基板101bの主面と配線基板101cの主面との間に隙間α2が形成されるように、半田ボール103a、103bの高さ寸法は設定されている。本実施形態における隙間α2は、具体的には次の隙間となる。すなわち、両配線基板101b、101cの主面のうち、互いに対向する主面それぞれに半導体素子104b、104cが実装されている。そのため、これら半導体素子104a、104bと相手側配線基板101a、101bとの間に封止材107を注入可能な部分隙間が形成されるように隙間α2の大きさは設定されている。半田ボール103aと半田ボール103bとが接合された状態における配線基板101bの主面と配線基板101cの主面との間の離間間隔γ2は、隙間α2を設定可能な大きさに設定されている。このような大きさの離間間隔γ2が設定されるように、半田ボール103a、103bの高さ寸法は設定されている。
なお、上述した製法例ではリフロー工程としたが、熱プレスなどのプロセスでもかまわない。
次に2次実装用の半田ボール105を取り付ける。手順は、配線基板101cの図中下側に位置するパターン電極106の所望の箇所に半田ペーストを塗布したうえで(図示せず)、その半田ペースト上に2次実装用半田ボール105を配置する。そして、2次実装用半田ボール105を配置した配線基板101cを含む積層基板群(配線基板101a、101b、101c)をリフロー炉で所定の加熱温度で熱処理することで半田ボール105をパターン電極106に取り付ける。
このときリフロー工程中に配線基板101a、101b、101cが位置ずれを起こさないように、基準ピンを用いて(図示せず)横ずれの防止を行う。リフロー後の断面図を図1(b)に示す。
上記説明では、配線基板101a、101b、101cを半田ボール103a、103bを用いて接続する工程と2次実装用半田ボール105を形成する工程とを別工程として説明したが、配線基板101cの上側に取り付ける半田ボール103aと同一工程で2次実装用半田ボール105を取り付けることにより、リフロー工程を1回削減することも可能である。
次に、図1(c)に示すように半導体素子104aと半導体素子104bとの間に熱伝導性樹脂からなる封止材107を流し込んで封止する。具体的には、配線基板101aの半導体素子104bと配線基板101bの半導体素子104aとの間の隙間α1に封止材107を注入し、配線基板101bの半導体素子104bと配線基板101cの半導体素子104aとの間の隙間α2に封止材107を注入する。これにより、本実施形態の半導体装置が完成する。本実施形態の半導体装置は、両配線基板(101a、101b)、(101b、101c)の間の隙間α1、α2に、熱伝導性樹脂からなる封止材107を設けているために、放熱効果が高く、封止材107を設けることで、実使用時に半導体装置に熱がこもりにくい。そのため、半導体素子101a、101bの動作は安定する。
なお、本説明では、半田ボール103a、103bより先に半導体素子104a104bを実装したが順番については特に問わない。また、配線基板101a、101b、101cには半導体素子を実装したが、電子部品を実装してもかまわない。
図1では、配線基板101a上側には半導体素子や電子部品を図示していないが、それらの部品実装も可能である。
(実施の形態2)
図2を参照しながら、本発明の実施形態2に係る半導体装置およびその製造方法について説明する。図2は、本実施形態2の半導体装置の製造過程を模式的に示している。以下配線基板を3枚用いる構成で説明するが、2枚あるいは4枚以上でもかまわない。
図2(a)を参照して以下説明する。2層以上の配線基板101a、101b、101cを用意し、配線基板101aの図中下側に位置する主面に半導体素子104bを実装する。同様に配線基板101bの図中上側に位置する主面に半導体素子104aを実装し、図中下側に位置する主面に半導体素子104bを実装する。同様に、配線基板101cの図中上側に位置する主面に半導体素子104aを実装する。実装方式はフリップチップ、ワイヤボンディング等種類は問わない。ただし、ワイヤボンディングで実装する場合は、封止樹脂などでワイヤを保護する必要がある。
次に、配線基板101aの図中下側に位置する主面上のパターン電極102の所望の位置に半田ペーストを塗布したうえで(図示せず)、その半田ペースト上に半田ボール103bを配置する。そして、半田ボール103bを配置した配線基板101aをリフロー炉で所定の加熱温度で熱処理することで半田ボール103bをパターン電極102に取り付ける。
同様に配線基板101bの図中上側に位置する主面上のパターン電極102、および図中下側に位置する主面上のパターン電極102の所望の位置に半田ペーストを塗布したうえで(図示せず)、それぞれの半田ペースト上に半田ボール103a、103bを配置する。そして、半田ボール103aを配置した配線基板101bをリフロー炉で所定の加熱温度で熱処理することで半田ボール103a、103bをパターン電極102に取り付ける。
同様に配線基板101cの図中上側に位置する主面上のパターン電極102の所望の位置に半田ペーストを塗布したうえで(図示せず)、その半田ペースト上に半田ボール103aを配置する。そして、半田ボール103aを配置した配線基板101cをリフロー炉で所定の加熱温度で熱処理することで半田ボール103aをパターン電極102に取り付ける。
その後、配線基板101a、101b、101cを順番に垂直方向に積み重ねて配置する。このとき配線基板101aと配線基板101bとの間、配線基板101bと配線基板101cとの間にコンポジットシート(絶縁層)108を挿入する。コンポジットシート108の大きさは特に限定しないが、半田ボール103a、103bにかからないように配置する。
次に、積層基板群(配線基板101a、101b、101c)に熱プレス処理を施すことで、半田ボール103a、103bどうしを互いに接触させる。ここで、コンポジットシート108を介装した状態でも熱プレス処理後において半田ボール103a、103bが互いに接触するように、コンポジットシート108の厚みを考慮して半田ボール103a、103bの高さ寸法が設定されている。
また、熱プレス中に積層基板群(配線基板101a、101b、101c)が位置ずれを起こさないように、基準ピンを用いて(図示せず)横ずれの防止を行う。プレス条件は温度200℃、圧力は半田ボール103a、103bを接触させるために、挿入したコンポジットシート108に1平方cm当たり0.5MPaの圧力を加える。ただし、半田ボール103a、103bの数量によっては半田ボール103a、103bに加わる圧力が足らない場合があるので、半田ボール接合箇所1カ所あたり10g以上の重さを確保することが望ましい。このような圧力が半田ボール103a、103bに加えることができるように、コンポジットシート108の厚みと半田ボール103a、103bの高さ寸法とは設定されている。また、熱プレスは大気中でもかまわないが、気泡などの噛み込みは信頼性を悪化させる要因となるため、真空中でのプレスが望ましい。
次に2次実装用の半田ボール105を取り付ける。手順は、配線基板101cの図中下側に位置するパターン電極106の所望の箇所に半田ペーストを塗布したうえで(図示せず)その半田ペースト上に2次実装用半田ボール105を配置する。そして、2次実装用半田ボール105を配置した配線基板101cを含む積層基板群(配線基板101a、101b、101c)をリフロー炉で所定の加熱温度で熱処理することで半田ボール105をパターン電極106に取り付ける。
ここで前述した熱プレスの処理温度は、加熱温度が200℃であって半田ボール103aと半田ボール103bとが接触のみで金属接合されない加熱処理である。そのため、2次実装用の半田ボール105を取り付けるリフロー工程で同時に半田ボール103aと半田ボール103bとは金属接合される。
前述した実施の形態1では、2次実装用の半田ボール105を取り付ける際、位置ずれ防止のため基準ピンを用いたが、実施の形態2では、コンポジットシートでそれぞれの配線基板群が接合されているため基準ピンを用いる必要はない。
以上の工程で、図2(b)に示す本実施の形態2の半導体装置が完成する。なお、上述した説明では、半田ボール103a、103bより先に半導体素子104a104bを実装したが順番については特に問わない。また、配線基板101a、101b、101cには半導体素子を実装したが、電子部品を実装してもかまわない。本図では、配線基板101a上側には半導体素子や電子部品を図示していないが、それらの部品実装も可能である。
(実施の形態3)
図3を参照しながら、本発明の実施形態3に係る半導体装置およびその製造方法について説明する。図3は、本実施形態3の半導体装置の製造過程を模式的に示している。以下配線基板を3枚用いる構成で説明するが、2枚あるいは4枚以上でもかまわない。
本実施形態3の半導体装置は、基本的に実施の形態2と同様である。本実施形態3が実施の形態2と異なるのはコンポジットシート108の大きさである。実施の形態2のコンポジットシート108は、半田ボール103a、103bにかからない大きさであったが、本実施の形態3のコンポジットシート108’は、半田ボール103a、103bを覆う大きさを有している。それ以外の構成や製造方法は、実施の形態2と同一である。ただし、コンポジットシート108’の大きさを半田ボール103a、103bを覆う大きさとしたためにプレス条件を、挿入したコンポジットシート1平方cm当たり3MPaの圧力とした。これは、基板間の隙間γ3に十分にコンポジットシート108’を十分行き渡らせるためである。
(実施の形態4)
図4を参照しながら、本発明の実施形態4に係る半導体装置およびその製造方法について説明する。図4は、本実施形態4の半導体装置の製造過程を模式的に示している。以下配線基板を3枚用いる構成で説明するが、2枚あるいは4枚以上でもかまわない。
本実施形態4の半導体装置は、基本的に実施の形態3と同様である。本実施形態4が実施形態3と異なるのはコンポジットシート108Aの構造である。
コンポジットシート108Aには貫通孔109と部品収納孔110とがあらかじめ形成されている。貫通孔109は半田ボール103a、103bに対向する位置に基板対向方向に沿って形成される。貫通孔109は半田ボール103a、103bが収納可能な直径に形成される。部品収納孔110は、半導体素子104a、104bが収納可能な大きさと形状を有しており、半導体素子104a、104bに対向する位置に形成される。
コンポジットシート108Aに貫通孔109と部品収納孔110とが形成されているため、コンポジットシート108Aを配線基板101aと配線基板101bとの間や、配線基板101bと配線基板101cとの間に介装配置すると、図4(b)に示すように、貫通孔109にはその両端から半田ボール103aと半田ボール103bとが入り込んで、貫通孔109の内部で互いに垂直に接合する。また、部品収納孔110には半導体素子104a、104bが収納される。
それ以外の構成や製造方法は、実施の形態3と同一である。また、コンポジットシート108Aに貫通孔109や部品収納孔110を設けたために、プレス条件を、挿入したコンポジットシート1平方cm当たり0.5MPaの圧力という、実施の形態2と同一の値にしても、基板間の隙間γ4にコンポジットシート108Aを十分行き渡らせることができる。
(実施の形態5)
図5を参照しながら、本発明の実施形態5に係る半導体装置およびその製造方法について説明する。図5は、本実施形態5の半導体装置の製造過程を模式的に示している。以下配線基板を3枚用いる構成で説明するが、2枚あるいは4枚以上でもかまわない。
本実施形態5の半導体装置は、基本的に実施の形態4と同様である。本実施の形態5が実施の形態4と異なるのはコンポジットシート108Bの構造である。
コンポジットシート108Bの貫通孔109には、あらかじめ中継用半田ボール(中継用通電部材)111が挿入配置されている。そのため、コンポジットシート108Bを間にして配線基板101aと配線基板101bと配線基板101cとを積層すると、貫通孔109にはその両端から半田ボール103aと半田ボール103bとが入り込んで、貫通孔109の内部で、中継用半田ボール111を介して互いに垂直に接合する。中継用半田ボール110が介在するため、半田ボール103aと半田ボール103bとは貫通孔109内で強固に接合する。また、半導体素子104a、104bの高さ寸法が大きくても、中継用半田ボール111の高さ寸法を調整することで半田ボール103aと半田ボール103bとを良好に接合することができる。
貫通孔109の形状は、挿入させた中継用半田ボール111が抜け落ちないように、図5(c)に示すように、断面テーパ形状の貫通孔109aとしたり、断面鼓形状の貫通孔109b、109cとするのが好ましい。
(実施の形態6)
図6を参照しながら、本発明の実施形態6に係る半導体装置およびその製造方法について説明する。図6は、本実施形態6の半導体装置の製造過程を模式的に示している。以下配線基板を3枚用いる構成で説明するが、2枚あるいは4枚以上でもかまわない。
本実施形態6の半導体装置は、基本的に実施の形態5と同様である。本実施の形態6が実施の形態5と異なるのはコンポジットシート108Cの構造である。
コンポジットシート108Bの貫通孔109には、中継用半田ボール111ではなく中継用通電部材112が挿入配置されている。そのため、コンポジットシート108Bを間にして配線基板101aと配線基板101bと配線基板101cとを積層すると、貫通孔109にはその両端から半田ボール103aと半田ボール103bとが入り込んで、貫通孔109の内部で、通電部材112を介して互いに垂直に接合する。通電部材112が介在するため、半田ボール103aと半田ボール103bとは貫通孔109内で強固に接合する。通電部材は、金、銀、銅、ニッケルなどの単一金属、またはコア部とコア部の周面を覆うメッキ層とから構成される。コア部は金、銀、銅などの金属あるいはそれら金属の合金、またはプラスチックに金、銀、銅、アルミニウム、ニッケル、パラジウム、亜鉛、インジウム、ビスマスから選ばれる一種類以上の材料を含む金属をメッキから構成される。
以上の構成を有する通電部材112を備えることで、内蔵する半導体素子や電子部品の高さ寸法が大きい場合であっても、半田ボール103aと半田ボール103bとを良好に垂直接合することができる。
なお、通電部材112の形状は直方体や円柱でもかまわないが、半田ボールとの接続のためには図6(c)に示すように、両端を円錐台形状にした通電部材112a(中央部円筒あり)や、両端を円錐形状にした通電部材112b(中央部円筒あり)、112c(中央部円筒なし)や、両端を円錐台形状にした通電部材112a(中央部円筒なし)や、両端を変形円錐台形状にした通電部材112eや、両端を球形にした通電部材112fが好ましい。
以上説明した本発明の各実施の形態で使用する半田ボール103、103a、103b、111は、図7に示すようにコア部113を持つような2層構造のものが好ましい。また、コア部113の周面に10μm以上30μm以下のはんだメッキ層114を設けたものであるのがさらに望ましい。コア部113は金、銀、銅などの金属あるいはそれら金属の合金、またはプラスチックに金、銀、銅、アルミニウム、ニッケル、パラジウム、亜鉛、インジウム、ビスマスなどの金属をメッキしているものが望ましい。また、コア部113には融点260℃以上のはんだ材料(いわゆる高温はんだ)を用い、コア部113の外周面を覆うはんだメッキ層114には融点240℃以下のはんだ材料(いわゆる中温・低温はんだ)を用いてもよい。
収納する半導体素子104a、104bは、薄い方が有利であるため、実装後研削または研磨加工されていてもよい。
本発明に用いたコンポジットシートは、無機フィラと未硬化状態の熱硬化性樹脂からなるシート状の混合物であって、フィラ量が5〜95重量%以下であることが好ましい。無機フィラはAl23、MgO、BN、AlN、およびSiO2からなる群から選ばれた少なくても1つ以上を含んでいることが好ましい。
前記無機フィラの平均粒径は、図8に示すように、パンチ加工で穴を形成する場合パンチ寿命に大きく影響を及ぼす。左側は平均粒径10μmであり、右側は平均粒径は30μmである。平均粒径10μmでは加工数とともに若干穴径も変動があるが、平均粒径30μmの場合急激に穴径が小さくなってくる。この現象は穴加工時にパンチがフィラとの接触によって摩耗が進行しパンチ径が細くなることで発生している。
本発明に使用するコンポジットシートに添加する無機フィラは平均粒径10μm以下が望ましく、粒度分布として10μm以下の粒径の粒子が60%以上、20μm以下の粒径の粒子が90%以上かつ最大粒径が30μm以下であることが好ましい。
コンポジットシートに用いる熱硬化性樹脂はエポキシ樹脂、フェノールレゾール樹脂、ポリイミド樹脂、ポリエステル樹脂、シリコーン樹脂、シアネートエステル樹脂、ポリフェニレンエーテル樹脂、ポリフェニレンオキサイド樹脂、フッ素系樹脂およびメラミン樹脂から選ばれる少なくとも1種類以上の樹脂を含んでいることが好ましい。
本発明によれば、比較的背の高い半導体素子や電子部品を垂直に積み上げるSIP構造を容易に実現でき、低コストで高密度実装を実現できる半導体装置を提供することが可能となる。
本発明の実施の形態1における半導体装置の断面図 本発明の実施の形態2における半導体装置の断面図 本発明の実施の形態3における半導体装置の断面図 本発明の実施の形態4における半導体装置の断面図 本発明の実施の形態5における半導体装置の断面図 本発明の実施の形態6における半導体装置の断面図 本発明に用いる半田ボール断面図 穴加工時の実験データ 第1の従来例の断面図 第2の従来例の断面図 第3の従来例の断面図
符号の説明
101a、101b、101c 配線基板
102、106 パターン電極
103、103a、103b、111 半田ボール
104a、104b 半導体素子
105 2次実装用半田ボール
107 封止材
108 コンポジットシート(絶縁層)
109 貫通孔
110 部品収納孔
111 中継用半田ボール
112、112a、112b、112c、112d、112e、112f 通電部材
113 コア部
114 はんだメッキ層

Claims (26)

  1. 半導体素子または電子部品を搭載するとともに、主面に電極を有する2つ以上の配線基板と、
    前記配線基板の間にあって当該両配線基板を相互に接続する通電部材と、
    を備え、
    前記通電部材を前記電極それぞれに個別に配置したうえで当該両配線基板を電極形成面を対向させて重ね合わせて前記通電部材どうしを垂直に接合する、
    ことを特徴とする半導体装置。
  2. 前記両配線基板の間に熱伝導性樹脂からなる封止材を設ける、
    ことを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
  3. 前記配線基板の互いの対向主面に前記半導体素子または電子部品を設ける、
    ことを特徴とする請求項1または2記載の半導体装置。
  4. 前記両配線基板の間に絶縁層を介装配置する、
    ことを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
  5. 前記絶縁層の通電部材配置箇所に、配線基板対向方向に沿う貫通孔を設け、
    前記両通電部材を前記貫通孔の両端から当該貫通孔内に収納配置したうえで互いに垂直に接合する、
    ことを特徴とする請求項4記載の半導体装置。
  6. 前記貫通孔に中継用通電部材を挿入配置し、
    前記中継用通電部材を介して前記両通電部材を垂直に接合する、
    ことを特徴とする請求項5記載の半導体装置。
  7. 前記配線基板の互いの対向主面に前記半導体素子または電子部品を設け、
    前記絶縁層の前記半導体素子または電子部品に対向する箇所に部品収納孔を設け、当該部品収納孔に前記半導体素子または電子部品を収納配置する、
    ことを特徴とする請求項4記載の半導体装置。
  8. 前記通電部材は球状であって、コア部と、当該コア部の周面を覆う10μm以上30μm以下の厚みを有するはんだメッキ層とを備える、
    ことを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
  9. 前記コア部は金、銀、銅などの金属あるいはそれら金属の合金、またはプラスチックに金、銀、銅、アルミニウム、ニッケル、パラジウム、亜鉛、インジウム、ビスマスから選ばれる一種類以上の材料を含む金属をメッキした構成である、
    ことを特徴とする請求項8記載の半導体装置。
  10. 前記コア部は融点が260℃以上のはんだ材料からなり、前記はんだメッキ層は、融点が240℃以下のはんだ材料からなる、
    ことを特徴とする請求項8記載の半導体装置。
  11. 前記電子部品はディスクリート部品である、
    ことを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
  12. 前記半導体素子は半導体ベアチップである、
    ことを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
  13. 前記半導体ベアチップは、フリップチップボンディング接続されたものである、
    ことを特徴とする請求項12記載の半導体装置。
  14. 前記半導体ベアチップは、研削または研磨加工されたものである、
    ことを特徴とする請求項12記載の半導体装置。
  15. 前記絶縁層は、無機フィラと未硬化状態の熱硬化性樹脂からなるシート状の混合物であって、フィラ量が5〜95重量%以下である、
    ことを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
  16. 前記無機フィラは、Al23、MgO、BN、AlN、およびSiO2からなる群から選ばれた少なくても1つ以上を含む、
    ことを特徴とする請求項15記載の半導体装置。
  17. 前記無機フィラの平均粒径は10μm以下であり、前記無機フィラの粒度分布は10μm以下の粒径の粒子が60%以上で20μm以下の粒径の粒子が90%以上でかつ最大粒径が30μm以下である、
    ことを特徴とする請求項16記載の半導体装置。
  18. 前記熱硬化性樹脂はエポキシ樹脂、フェノールレゾール樹脂、ポリイミド樹脂、ポリエステル樹脂、シリコーン樹脂、シアネートエステル樹脂、ポリフェニレンエーテル樹脂、ポリフェニレンオキサイド樹脂、フッ素系樹脂およびメラミン樹脂から選ばれる少なくとも一種類以上の樹脂を含んでいる、
    ことを特徴とする請求項15記載の半導体装置。
  19. 前記貫通孔は、テーパ状または鼓状の断面形状を有する、
    ことを特徴とする請求項5記載の半導体装置。
  20. 半導体素子または電子部品を搭載した2つ以上の配線基板が通電部材を介して相互に接続された半導体装置の製造方法であって、
    前記配線基板に半導体素子または電子部品を搭載する工程と、
    前記配線基板の電極それぞれに通電部材を個別に配置する工程と、
    前記通電部材を配置した前記両配線基板を重ね合わせてこれら両配線基板の前記通電部材を垂直に接合する工程と、
    を含む、
    ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  21. 前記両配線基板の前記通電部材を垂直に接合する工程の後処理として、
    前記両配線基板の間の隙間に熱伝導性樹脂からなる封止材を注入する工程をさらに含む、
    ことを特徴とする請求項20記載の半導体装置の製造方法。
  22. 前記両配線基板の前記通電部材を垂直に接合する工程の前処理として、
    前記両配線基板の間に絶縁層を配置する工程をさらに含む、
    ことを特徴とする請求項20記載の半導体装置の製造方法。
  23. 前記両配線基板の間に前記絶縁層を配置する工程の前処理として、
    前記絶縁層の通電部材配置箇所に貫通孔を形成する工程をさらに含み、
    前記両配線基板の間に前記絶縁層を配置する工程では、前記電極を前記貫通孔の両端から当該貫通孔内に収納配置する、
    ことを特徴とする請求項22記載の半導体装置の製造方法。
  24. 前記貫通孔と前記部品収納孔とを形成する工程では、前記貫通孔に通電用通電部材を挿入配置し、
    前記両配線基板の前記通電部材を垂直に接合する工程では、前記通電用通電部材を介して前記両通電部材を垂直に接合する、
    ことを特徴とする請求項23記載の半導体装置の製造方法。
  25. 前記配線基板に半導体素子または電子部品を搭載する工程では、前記半導体素子や電子部品を前記配線基板の互いの対向面に搭載し、
    前記両配線基板の間に絶縁層を配置する工程では、前記絶縁層として、前記半導体素子または電子部品に対向する箇所に部品収納孔を有する絶縁層を用い、
    前記両配線基板の間に絶縁層を配置する工程では、前記部品収納孔に前記半導体素子または電子部品を収納配置する、
    ことを特徴とする請求項22記載の半導体装置の製造方法。
  26. 請求項1に記載の半導体装置を備えた、
    ことを特徴とする電子機器。
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