JP2007250599A - デバイスパッケージの製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】モールド用の樹脂を、内部に空気が残存しないように、かつ結線ワイヤの断線や短絡が生じることなく充填することが容易に達成できるとともに、工程が簡略化されて容易かつ低コストでデバイスパッケージを製造する。
【解決手段】ウエーハ1の裏面のデバイス領域4に対応する領域を薄化して凹部1aを形成し、この凹部1a内の各半導体チップ3の裏面に対応する箇所に半導体チップ21〜23を積層して実装し、凹部1a内にモールド用の樹脂Mを充填して固化させ、半導体チップ21〜23が樹脂M内に封入された樹脂モールドウエーハ9を得る。次いで、この樹脂モールドウエーハ9を分割予定ライン2に沿って切断し、複数の半導体パッケージ3Aに個片化する。
【選択図】図9

Description

本発明は、複数の半導体チップを積層して樹脂モールドした半導体パッケージ等のデバイスパッケージを製造する方法に関する。
近年の半導体デバイス技術においては、MCP:マルチ・チップ・パッケージやSiP:システム・イン・パッケージといった複数の半導体チップを積層した積層型の半導体パッケージが、高密度化や小型化を達成する上で有効に利用されている。そのような半導体パッケージの製造方法としては、回路基板に半導体チップを実装するための中継基板であるインターポーザ(パッケージ基板)上に半導体チップを積層する方法があり(特許文献1等参照)、さらに、パッケージ基板上の半導体チップを樹脂モールドする方法が知られている(特許文献2等参照)。
図12は、樹脂モールドした積層型半導体パッケージを製造する方法の一従来例を示している。同図の符号60はインターポーザであり、図12(a)に示すようにインターポーザ60の表面には複数(この場合は2つ)のチップ実装領域61が設けられ、該領域61内に、分割予定ライン62によって多数のチップ積層部63が格子状に区画されている。製造方法としては、まず、インターポーザ60の各チップ積層部63に、図12(b)に示すように半導体チップ71,72を積層するとともに、チップ71,72どうしやチップ71,72とインターポーザ60とを電気的に結線して実装する。
次いで、図12(c)〜(d)に示すようにチップ実装領域61ごとにモールド金型80をインターポーザ60に被せ、モールド金型80内に樹脂を充填し、固化させる。モールド金型80内には充填口81から樹脂が充填され、内部の空気は排気口82から出ていき、この排気口82から樹脂が流れ出てきたことをもってモールド金型80内が樹脂で充満したと判断される。この後、モールド金型80を外し、切削ブレードを備えたダイシング装置等により、インターポーザ60およびモールド樹脂を分割予定ライン62に沿って切断し、個片化された多数の半導体パッケージを得る。
特開2005−166966号公報 特開2000−12745号公報
図12に示した製造方法では、得られる半導体パッケージをなるべく小さくするために、モールド金型は、半導体チップや該チップとパッケージ基板とを結線するワイヤ等に内面が接触しない範囲でできるだけ小さいものとされる。しかしながらこのような状況では、樹脂の流れ込むスペースの多くが狭隘で隅々に行き渡らず、このため空気が残ってしまう場合があった。その場合には、樹脂を加熱して固化させるときに封入された空気が膨張して樹脂が破損するおそれがあった。このような問題は、樹脂の封入圧力を高くすれば解決するであろうが、その際には封入圧力によって細い結線ワイヤが撓み、断線したり短絡が生じたりする不具合が生じる。また、モールド金型は複数種類のパッケージサイズに合わせて製造する必要があり、管理も含めてコストがかかる要因となっており、また、モールド金型を用いること自体が工程の増加を招き繁雑であった。
よって本発明は、モールド用の樹脂を、内部に空気が残存しないように、かつ結線ワイヤの断線や短絡が生じることなく充填することが容易に達成できるとともに、工程が簡略化されて容易かつ低コストでデバイスパッケージを製造することができる方法を提供することを目的としている。
本発明は、分割予定ラインによって複数のデバイスが区画されたデバイス領域と、このデバイス領域を囲繞する外周余剰領域とが表面に形成されたウエーハの裏面の、デバイス領域に対応する領域を薄化して、該裏面側に凹部を形成する裏面凹部形成工程と、ウエーハの裏面における各デバイスに対応する箇所に、デバイスチップをそれぞれ積層するデバイスチップ積層工程と、各デバイスと、これらデバイスに対応して積層された各デバイスチップとをそれぞれ電気的に接続する接続工程と、ウエーハの凹部にモールド用の樹脂を充填して固化させ、デバイスチップが該樹脂内に封入された樹脂モールドウエーハを得る樹脂モールド工程と、樹脂モールドウエーハを、分割予定ラインに沿って切断し、デバイスにデバイスチップが積層されて樹脂モールドされた複数のデバイスパッケージを個片化させる個片化工程とを備えることを特徴としている。本発明で得られるデバイスパッケージは、裏面凹部形成工程の前の段階でのウエーハの厚さに依存するので、ウエーハの厚さの設定は、該工程の以前に裏面全面を研削して所定の厚さまで薄化処理するとよい。その場合には、凹部が形成された後のデバイス領域の厚さに至らない範囲で裏面全面を研削する。
本発明によれば、ウエーハの裏面に凹部を形成すると、凹部の周囲の外周余剰領域に対応した部分に、型枠として機能する壁部が形成される。凹部に充填された樹脂は壁部によってせき止められ外部には漏れ出ず、凹部に充満して固化する。このようにウエーハの裏面の外周余剰領域に対応する部分に金型代わりの壁部が形成されて、この壁部内である凹部に樹脂を充填することができるので、樹脂を成形するための金型を別途必要としない。その結果、工程の簡略化や低コスト化が図られる。
凹部に樹脂を充填する際には、大気雰囲気の下で凹部を上方に向け、重力によって樹脂を凹部内に流し込めばよい。このような方法を採れば、凹部内の空気は開放した大気に円滑に抜けていくので、樹脂を狭いスペースや隅々に行き渡らせることができるとともに、残存空気が生じにくい。また、樹脂に圧力をかけながら充填する必要がないため、電気的な接続手段として結線ワイヤを用いた場合、そのワイヤが撓んで断線したり短絡が生じたりする不具合が生じない。
本発明によれば、デバイスを封入してパッケージングするモールド用の樹脂を、内部に空気が残存しないように、かつ結線ワイヤの断線や短絡が生じることなく容易に充填することができる。また、従来のような金型を用いる必要がないため、工程が簡略化されて容易かつ低コストでデバイスパッケージを製造することができる。これらの結果、生産性が大幅に向上するといった効果を奏する。
以下、図面を参照して本発明に係る半導体パッケージの製造方法を説明する。
[1]半導体ウエーハ
図1の符号1は、製造する半導体パッケージの素材である円盤状の半導体ウエーハ(以下ウエーハと略称)を示している。このウエーハ1はシリコンウエーハ等であって、厚さは例えば600μm程度のものである。ウエーハ1の表面には、格子状の分割予定ライン2によって複数の矩形状の半導体チップ(デバイス)3が区画されている。これら半導体チップ3の表面には、ICやLSI等の図示せぬ電子回路が形成されている。複数の半導体チップ3は、ウエーハ1と同心の概ね円形状のデバイス領域4に形成されており、このデバイス領域4の周囲に、半導体チップ3が形成されない環状の外周余剰領域5が存在している。
[2]半導体パッケージの製造方法
以下に、図1に示すウエーハ1から複数の半導体パッケージを製造する方法を、工程順に説明していく。
(1)裏面凹部形成工程
まず、図1に示すようにウエーハ1の表面に、電子回路を保護する目的で保護テープ6を貼り付ける。保護テープ6としては、例えば、厚さ70〜200μm程度のポリオレフィン等の基材の片面に厚さ5〜20μm程度のアクリル系等の粘着剤を塗布したテープなどが好適に用いられる。
続いて、図2および図3に示す研削装置10により、ウエーハ1の裏面におけるデバイス領域4に対応する領域を研削して、その部分を必要な厚さ(例えば200〜100μm程度、あるいは50μm程度)まで薄化するとともに、ウエーハ1の裏面に凹部1aを形成する。研削装置10は、回転駆動する真空チャック式のチャックテーブル11と、研削ユニット12とを備えている。チャックテーブル11はウエーハ1よりも大きな円盤状であり、水平に設定される上面にウエーハ1が載置される。ウエーハ1は空気吸引によってその上面に吸着、保持される。チャックテーブル11は、中心を軸として図示せぬ駆動機構により回転させられる。
研削ユニット12は、円筒状のスピンドルハウジング13内に組み込まれたスピンドル14がモータ15によって回転駆動させられると、スピンドル14の先端にフランジ16を介して固定されたカップホイール17が回転し、カップホイール17の下面の外周部に全周にわたって環状に配列されて固定された多数の砥石18が、ワークを研削するものである。砥石18の円形の研削軌跡の外径は、ウエーハ1のデバイス領域4の半径にほぼ等しい。チャックテーブル11と研削ユニット12とは、チャックテーブル11に対して研削ユニット12がオフセットされている。詳しくは、図3に示すように、環状に配列された多数の砥石18のうちの最もチャックテーブル11の内側に位置する砥石18の刃先の刃厚(径方向長さ)のほぼ中央部分が、チャックテーブル11の中心を通る鉛直線L上に位置するように、相対位置が設定されている。
研削装置10によってウエーハ1の裏面に上記凹部1aを形成するには、まず、真空運転されているチャックテーブル11の上面に、裏面を上に向けて露出させたウエーハ1を概ね同心状に載置して保護テープ6を密着させる。このようにしてチャックテーブル11上にウエーハ1を保持したら、カップホイール17を高速回転させるとともに研削ユニット12を下降させ、露出するウエーハ1の裏面に全ての砥石セグメント18を押し付けながら、チャックテーブル11を回転させる。これによって、ウエーハ1の裏面のデバイス領域4に対応する領域が研削され、薄化される。研削箇所の全面が所定の厚さまで均一に研削されたら、研削ユニット12を上昇させるとともに、チャックテーブル11の回転を停止させる。ウエーハ1の裏面には、この研削によって図4に示すようにデバイス領域4に対応する領域に凹部1aが形成されると同時に、外周余剰領域5に対応する部分に、元の厚さが残って裏面側に突出する環状壁部1bが形成された断面凹状に加工される。
(2)デバイスチップ積層工程〜接続工程
次に、ウエーハ1の裏面の半導体チップ3に対応する箇所に、複数の半導体チップを積層して実装するが、その前に、図5に示すように、半導体チップ3ごとに、ウエーハ1を貫通して半導体チップ3内の電極部に導通する複数の貫通電極7を形成するとともに、図6に示すように貫通電極7に通じる球状のバンプ(外部接続端子)8を裏面に付着させる。貫通電極7は、保護テープ6を剥離させた後に、半導体チップ3ごとにウエーハ1の厚さ方向に貫通して両端が表面および裏面に露出するように形成される。この貫通電極7は、ウエーハ1にプラズマエッチングやレーザ照射等によって貫通孔を形成し、その貫通孔の内面を絶縁処理した後に銅などの金属を埋め込むことによって形成される。また、バンプ8は溶融金属を裏面側の貫通電極7の露出面に接触させるなどの方法で設けられる。貫通電極7とバンプ8の形成順は任意であり、また、少なくともバンプ8は凹部1aの形成工程の前に予め形成しておくこともできる。
ウエーハ1の半導体チップ3に積層する半導体チップは別の工程で個片化されたものであり、図7に示すように2つの半導体チップ(デバイスチップ)21,22を積層したり、さらに図8に示すように3つの半導体チップ21,22,23を積層したりすることができる。ウエーハ1に直接接合される第1のチップ21には、内部の電極部に導通する貫通電極21aがウエーハ1側の半導体チップ3と同様に形成されている。第1のチップ21は、貫通電極21aをウエーハ1側の半導体チップ3の貫通電極7に合わせて導通および固着がなされる。実際には、第1のチップ21の裏面(接合面)側の貫通電極21aの露出端面にはスタッドバンプ(図示略)が形成され、そのスタッドバンプを半導体チップ3の表面側の貫通電極7の露出端面に圧着することにより、第1のチップ21が半導体チップ3に電気的にも物理的にも接続される。
なお、スタッドバンプがスペーサになって両チップ3,21間に微小な隙間が生じることを防ぐために、第1のチップ21の接合面にアンダーフィルフィルムを貼着しておくことが望ましい。隙間があると、後述するモールド用の樹脂を加熱して固化させるときに隙間内の空気が膨張して不具合が発生するおそれがあるからである。
次に、図7(b)〜(c)に示すように、第1のチップ21の上に第2のチップ22を積層する。また、第3のチップ23を積層する場合には、図8に示すように第2のチップ22の上に第3のチップ23を積層する。第2および第3のチップ22,23は、裏面に予め貼着されたDAF(Die Attach Film)等の接着フィルムによって、下側のチップに接合される。次いで、図8に示すように、積層したこれらチップ22,23と第1のチップ21の各電極部を、ワイヤ24,25でそれぞれ結線する。なお、ワイヤ25の最も高い位置は、環状壁部1bの高さを超えない程度に調整される。すなわち、チップ21〜23を積層してワイヤ24,25で結線しても、これらが凹部1aから上方に突出しないようにされ、換言すると凹部1aの深さがそのように設定される。
(3)樹脂封入工程
次に、図9に示すように、各半導体チップ3に2層あるいは3層の状態で半導体チップが積層されたウエーハ1の裏面の凹部1a内に、エポキシ等のモールド用の樹脂Mを流し込んで充満させ、スキージ等によって樹脂Mの余剰分をすり切りにより排除して環状壁部1bと面一に仕上げる。そして、樹脂Mに応じた加熱温度/時間で加熱し、樹脂Mを固化させる。これによって、ウエーハ1の凹部1a内の積層チップ(図9(b)では複数の積層チップを一括して符号26で示している)が樹脂M内に封入された樹脂モールドウエーハ9を得る。凹部1aに樹脂Mを充填する際には、大気雰囲気の下で凹部1aを上方に向け、重力によって樹脂Mを凹部1a内に流し込めばよい。
(4)個片化工程
次いで、樹脂モールドウエーハ9を、ウエーハ1の表面に形成されている分割予定ライン2に沿って切断、分割し、図8に示すような、半導体チップ3に複数の半導体チップ(図8では21〜23の3つ)が積層されて樹脂モールドされた個片化した半導体パッケージ(デバイスパッケージ)3Aを複数得る。樹脂モールドウエーハ9は、図10に示すダイシングテープ31に貼着して支持した状態として、図11に示すダイシング装置40によって好適に切断、分割することができる。
ダイシングテープ31は、例えば、厚さ100μm程度のポリ塩化ビニルを基材とし、その片面に厚さ5μm程度でアクリル樹脂系の粘着剤が塗布されたものが用いられる。ダイシングテープ31の粘着面には、ウエーハ1の直径よりも大きな内径を有する環状のダイシングフレーム32が貼り付けられ、樹脂モールドウエーハ9は、ダイシングフレーム32内のダイシングテープ31の粘着面に裏面(環状壁部1bおよび樹脂Mの表出面である裏面)が貼り付けられる。ダイシングフレーム32は剛性を有する金属板等からなるもので、樹脂モールドウエーハ9はダイシングフレーム32を保持することによって運搬等の取扱いがなされる。
ダイシング装置40を説明すると、このダイシング装置40は略直方体状の基台41を有している。この基台41の水平な上面には位置決め機構42が設けられ、この位置決め機構42の周囲には時計回りにカセット43、ダイシング機構44、洗浄ユニット45が配置されている。さらに、位置決め機構42の上方には、ウエーハ1の表面を撮影して、切断すべき分割予定ライン2を認識する画像認識カメラ46が設置されている。カセット43内には、上記のようにしてダイシングテープ31に樹脂モールドウエーハ9が貼り付けられた複数のダイシングフレーム32が、樹脂モールドウエーハ9を上に配し、ウエーハ1の表面を上に向けた状態で積層して収容される。
カセット43からは1枚のダイシングフレーム32(樹脂モールドウエーハ9が貼着されたダイシングテープ31が装着されている)が取り出され、そのダイシングフレーム32は位置決め機構42を経由してダイシング機構44に移され、このダイシング機構44によって樹脂モールドウエーハ9が切断、分割され、複数の半導体パッケージ3Aに個片化される。カセット43から位置決め機構42に移された樹脂モールドウエーハ9は、位置決め機構42が具備する一対のガイドバー42aに挟まれて定位置に保持され、そこで画像認識カメラ46により表面が撮影されて分割予定ライン2の位置確認がなされる。この画像認識カメラ46で撮影された画像データに基づき、ダイシング機構44が制御されるようになっている。
ダイシング機構44で個片化された複数の半導体パッケージ3Aはダイシングテープ31に貼り付いたままで樹脂モールドウエーハ9の形態は保たれており、この後、ダイシングフレーム32が位置決め機構42を経由して洗浄ユニット45に移され、この洗浄ユニット45で、複数の半導体パッケージ3Aに分割された状態の樹脂モールドウエーハ9が洗浄される。洗浄された樹脂モールドウエーハ9はもう一度位置決め機構42を経由してカセット43に戻される。基台11上には、このようにウエーハ1を移送する移送ロボットが設けられている(図示略)。
図11に示すように、ダイシング機構44は、矩形状のテーブルベース51上に回転自在に設けられた円盤状のチャックテーブル52と、このチャックテーブル52の上方に、X方向に並列状態に配された2つの切削ユニット55とを備えている。テーブルベース51は、基台41上に図示せぬガイドレールを介してX方向に移動自在に設けられ、図示せぬ往復駆動機構によって往復移動させられる。チャックテーブル52は、上面が水平で、Z方向(鉛直方向)を軸線として回転自在にテーブルベース51上に支持されており、図示せぬ回転駆動機構によって時計方向または反時計方向に回転させられる。
チャックテーブル52は周知の真空チャック式であり、樹脂モールドウエーハ9は、ダイシングテープ31を介してチャックテーブル52の上面に吸着、保持される。テーブルベース51には、ダイシングフレーム32を着脱自在に保持するクランプ53が設けられている。また、テーブルベース51の移動方向の両端部には、テーブルベース51の移動路を塞いで塵埃等が侵入することを防ぐための蛇腹状のカバー54が伸縮自在に設けられている。
切削ユニット55は、軸方向がY方向と平行な状態に保持された円筒状のスピンドルハウジング56と、このスピンドルハウジング56内に設けられた図示せぬスピンドルに取り付けられた切削ブレード57とを備えている。スピンドルハウジング56はスピンドルを回転駆動させる駆動部を内蔵しており(図示略)、基台41上に設けられた図示せぬフレームに、軸方向がY方向と平行な状態を保持したままで、Y方向に往復移動し、かつZ方向に上下動するように支持されている。そのフレームには、切削ユニット55をそれらの方向に移動させる図示せぬ駆動機構が設けられている。スピンドルハウジング56の切削ブレード57が装着された側の端部には、ブレードカバー58が取り付けられている。このブレードカバー58には、切削時の潤滑、冷却、清浄化等のための切削水を樹脂モールドウエーハ9の加工点に向けて供給する切削水ノズル59A,59Bが取り付けられている。
上記構成のダイシング機構44によれば、チャックテーブル52上にダイシングテープ31を介して樹脂モールドウエーハ9が保持され、チャックテーブル52を回転させて分割予定ライン2を切削ブレード57に合わせてから、切削ブレード57を下降させ、次いでテーブルベース51をX方向に移動させることにより、切削ブレード57が分割予定ライン2に切り込んでいき、1本の分割予定ライン2に沿って樹脂モールドウエーハ9が切断される。
ダイシング機構44においては、2つの切削ユニット55のY方向およびZ方向の移動と、テーブルベース51のX方向の移動が適宜に組み合わされて、全ての分割予定ライン2が切断される。切削ブレード57の切り込み深さは、樹脂モールドウエーハ9を切断して、かつ、ダイシングテープ31に適宜切り込む程度に設定される。この場合、切削ユニット55が2つあることにより、例えばこれら切削ユニット55の切削ブレード57の軸方向(Y方向)を分割予定ライン2の間隔分ずらして配置して樹脂モールドウエーハ9を2つの切削ブレード57にわたって移動させると、1回のX方向への移動で2本の分割予定ライン2を切断することができる。
以上のようにして樹脂モールドウエーハ9を切断、分割して複数の半導体パッケージ3Aを得る本実施形態の方法によれば、ウエーハ1の裏面に凹部1aを形成し、この凹部1a内に半導体チップ3に対応させて複数の半導体チップ(21〜23)を積層して実装してから、凹部1a内にモールド用の樹脂Mを充填して固化させている。樹脂Mの充填の際には、凹部1aの周囲の環状壁部1bが型枠として機能するため、樹脂モールド用の金型を要することなく容易に樹脂Mを充填させることができる。このため、工程の簡略化や低コスト化が図られる。
また、凹部1aに樹脂Mを充填する際には、大気雰囲気の下で凹部1aを上方に向け、重力によって樹脂Mを凹部1a内に流し込めばよい。このため、凹部1a内の空気は開放した大気に円滑に抜けていき、樹脂Mを狭いスペースや隅々に行き渡らせることができる。したがって樹脂M内に空気が残存しにくく、加熱して固化させるときに残存空気が膨張して樹脂Mが変形したり破損したりするおそれがない。また、樹脂Mに圧力をかけながら充填する必要がないため、ワイヤ24,25が撓んで断線したり短絡が生じたりする不具合が生じない。
本発明の一実施形態で半導体パッケージに製造されるウエーハの(a)斜視図、(b)側面図である。 裏面凹部形成工程で用いる研削装置の斜視図である。 同研削装置の側面図である。 裏面に凹部が形成されたウエーハの(a)斜視図、(b)断面図である。 半導体チップに貫通電極が形成されたウエーハの裏面図である。 半導体チップの表面に貫通電極に導通するバンプが形成されたウエーハの表面側の斜視図である。 半導体チップに積層チップが積層されていく状態を(a)〜(c)の順で示すウエーハの斜視図である。 一実施形態の製造方法で製造された半導体パッケージの断面図である。 裏面の凹部にモールド用の樹脂が充填されたウエーハの(a)斜視図、(b)断面図である。 ダイシングテープおよびダイシングフレームを示す斜視図である。 ダイシング装置の斜視図である。 従来の半導体パッケージの製造方法の一例を示す斜視図である。
符号の説明
1…ウエーハ
1a…凹部
1b…環状壁部
3…半導体チップ(デバイス)
3A…半導体パッケージ(デバイスパッケージ)
4…デバイス領域
5…外周余剰領域
9…樹脂モールドウエーハ
10…研削装置
21〜23…半導体チップ(デバイスチップ)
40…ダイシング装置
M…樹脂

Claims (2)

  1. 分割予定ラインによって複数のデバイスが区画されたデバイス領域と、このデバイス領域を囲繞する外周余剰領域とが表面に形成されたウエーハの裏面の、前記デバイス領域に対応する領域を薄化して、該裏面側に凹部を形成する裏面凹部形成工程と、
    前記ウエーハの前記裏面における前記各デバイスに対応する箇所に、デバイスチップをそれぞれ積層するデバイスチップ積層工程と、
    前記各デバイスと、これらデバイスに対応して積層された前記各デバイスチップとをそれぞれ電気的に接続する接続工程と、
    前記ウエーハの前記凹部にモールド用の樹脂を充填して固化させ、前記デバイスチップが該樹脂内に封入された樹脂モールドウエーハを得る樹脂封入工程と、
    前記樹脂モールドウエーハを、前記分割予定ラインに沿って切断し、前記デバイスに前記デバイスチップが積層されて樹脂モールドされた複数のデバイスパッケージを個片化させる個片化工程と
    を備えることを特徴とするデバイスパッケージの製造方法。
  2. 前記ウエーハが、前記裏面凹部形成工程よりも前の段階で、前記凹部が形成された後の前記デバイス領域の厚さに至らない範囲で前記裏面全面が研削されることにより薄化処理されていることを特徴とする請求項1に記載のデバイスパッケージの製造方法。
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