JP2011205116A - マルチチップモジュール - Google Patents

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Abstract

【課題】費用効率が高くかつマルチチップモジュールプロセスとの統合に好適であるマルチチップモジュールを提供する。
【解決手段】第１の半導体チップ４０は、支持基板１２に搭載されてワイヤボンディングされる。第２の半導体チップ６４は支持材料６０へと押圧されて、支持材料６０をスペーサ５０に隣接した、第１の半導体チップ４０と第２の半導体チップ６４との間の領域へと圧入する。これに代えて、支持材料６０は、第１の半導体チップ４０上に配置されて、ダイ装着材料６２がスペーサ５０上に配置される。第２の半導体チップ６４はダイ装着材料６２および支持材料６０へと押圧されて、スペーサ端縁５３，５５を越えるように支持材料６０の一部を押込む。ワイヤボンドが、支持基板１２と、第１半導体チップ４０および第２半導体チップ６４との間に形成される。
【選択図】図５

Description

発明の分野
この発明は一般的に半導体部品に関し、より特定的には、マルチチップモジュールを含む半導体部品に関する。
発明の背景
より高速で、より安価で、より効率的な半導体部品に対する欲求は、半導体チップにおいて作製されるデバイスのサイズを縮小し、かつ、多数の半導体チップを典型的にはマルチチップモジュールと呼ばれる単一のパッケージ内に配置するように、半導体部品製造業者を動機付けた。マルチチップモジュール内の半導体チップは、水平方向の配向で、すなわち互いの横に、または垂直方向の配向で、すなわち互いの上に垂直に積層させて配置することができる。従来の垂直に積層されたマルチチップモジュールにおいては、第１の半導体チップが、接着剤によるボンディングによって回路基板に装着され、その後、半導体チップ上のボンディングパッドが半導体基板上の対応のボンディングパッドにワイヤボンディングされる。スペーサが第１の半導体チップ上に形成されるかまたは装着され、第２の半導体チップがスペーサに装着される。次いで、第２の半導体チップ上のボンディングパッドが、たとえばワイヤボンディングプロセスを用いて、半導体基板上の対応のボンディングパッドに結合される。スペーサは、ワイヤボンディングプロセスに適応するために、第１の半導体チップよりも小さくなければならない。さらに、スペーサは第２の半導体チップよりも典型的には小さい。この種の構造の欠点は、第２の半導体チップの、スペーサの上に張出す部分が、しなりやすいかまたは弾性があることである。こうして、第２の半導体チップの張出し部分上にあるボンディングパッドが回路基板上の対応のボンディングパッドにワイヤボンディングされる場合に、第２の半導体チップの張出し部分のしなりやすさが、第２の半導体チップ上のボンディングパッドに形成される接合材を弱くすることである。この接合材の弱化は、デバイスの壊損を引起す。
したがって、ボンディングパッドに形成される接合材の完全性を劣化させないマルチチップモジュールおよびマルチチップモジュールを製造する方法を有することが有利であろう。費用効率が高くかつさまざまなマルチチップモジュールプロセスとの統合に好適であることは、この方法および構造にとってさらに有利であろう。
発明の概要
この発明は、マルチチップモジュールおよびマルチチップモジュールを製造するための方法を提供することにより、上述の必要性を満足する。一実施例に従うと、この発明は、第１および第２の主表面を有する支持基板を設けるステップを含み、支持基板は、チップ受入領域と複数のボンディングパッドとを有する。第１の半導体チップはチップ受入領域に結合され、第１の半導体チップは複数のボンディングパッドを有する。第１の半導体チップの第１のボンディングパッドは、支持基板の第１のボンディングパッドに結合される。スペーサは、第１の半導体チップの一部に結合される。支持材料は、スペーサと第１の半導体チップとのうちの少なくとも１つの上に配置される。第２の半導体チップは、支持材料上に位置決めされ、第２の半導体チップは、第１の主表面と複数のボンディングパッドとを有する。第２の半導体チップの第１のボンディングパッドは、支持基板の第２のボンディングパッドに結合される。
別の実施例に従うと、この発明は、マルチチップモジュールを製造するための方法を含み、この方法は、支持基板上のチップまたはダイ受入領域に第１の半導体チップが装着された支持基板を設けるステップを含む。支持基板は複数のボンディングパッドを有し、第１の半導体チップは複数のボンディングパッドを有する。スペーサは第１の半導体チップに結合され、支持材料はスペーサと第１の半導体チップとのうちの１つの上に配置される。支持材料が第１の半導体チップと第２の半導体チップとの間で位置決めされることにより第２の半導体チップのための支持をもたらすように、半導体チップがスペーサに結合される。
さらに別の実施例に従うと、この発明は、チップ受入領域と複数のボンディングパッドとを有する支持基板を有するマルチチップモジュールを含む。複数のボンディングパッドを有する第１の半導体チップがチップ受入領域に搭載される。第１および第２の対向端縁を有するスペーサが第１の半導体チップに結合される。支持材料はスペーサと接触する。第２の半導体チップはスペーサに結合され、支持材料の一部が第１の半導体チップと第２の半導体チップとの間に位置決めされる。
この発明は、同じ参照番号が同じ要素を示す添付の図面と関連して以下の詳細な説明を読むことにより、よりよく理解されるであろう。
この発明の実施例に従った製造の初期の段階でのマルチチップモジュールの側面断面図である。 図３の切断線２−２に沿った製造のより後の段階での、図１のマルチチップモジュールの側面断面図である。 図２のマルチチップモジュールの上面図である。 製造のより後の段階での、図２および図３のマルチチップモジュールの側面断面図である。 製造のより後の段階での、図４のマルチチップモジュールの側面断面図である。 図７の切断線６−６に沿った、この発明の別の実施例に従った製造の初期の段階でのマルチチップモジュールの側面断面図である。 図６のマルチチップモジュールの上面図である。 製造のより後の段階での、図６および図７のマルチチップモジュールの側面断面図である。 製造のより後の段階での、図８のマルチチップモジュールの側面断面図である。
詳細な説明
この発明は一般的に、マルチチップモジュールおよびマルチチップモジュールを製造するための方法を提供するが、ここではマルチチップモジュールの半導体チップが垂直に積層される。マルチチップモジュールの半導体チップを垂直に積層する際に、ワイヤボンドのための隙間ができるように、半導体チップの間にスペーサが挿入される。スペーサの上方に位置する半導体チップの一部が、スペーサの端縁の上に張出す。スペーサの上に張出す半導体チップの部分はしなりやすい。しなりやすさは一般的に半導体チップの脆弱性を増大させるが、脆弱性の増大は、約０．６ミリメートル（ｍｍ）未満の厚さを有する半導体チップにおいてより顕著である。このしなりやすさはワイヤボンディングプロセスの間に半導体チップを振動させ、これにより半導体チップ上のボンディングパッドにボンディングされたワイヤが破壊される。この発明に従うと、スペーサの上に張出す第２の半導体チップの部分下に支持材料を形成することにより、この振動が軽減される。支持材料は、半導体チップに付加的な剛性を与え、この剛性が半導体チップの張出し部分の振動を減少させ、かつワイヤボンドの信頼性を向上させる。
図１は、この発明の実施例に従った製造の中間段階におけるマルチチップモジュール１０の部分の側面断面図である。図１に示されるのは、頂部表面１４と底部表面１６とを有するボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）支持構造１２である。ＢＧＡ支持基板１２は、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、トリアジン樹脂、またはフェノール樹脂のような樹脂から形成される。好ましくは、ＢＧＡ支持基板１２の樹脂材料は、ビスマレイミドトリアジン（ＢＴ）樹脂である。支持基板１２の他の好適な材料は、エポキシ−ガラス複合材、ＦＲ−４、セラミックスなどを含む。基板１２はＢＧＡ基板に限定されず、ピングリッドアレイ（ＰＧＡ）基板、セラミック基板、プリント回路板などであってもよいことを理解されたい。ボンディングパッド１８Ａおよび１８Ｂならびにボンディングパッド２０Ａおよび２０Ｂが頂部表面１４上に形成される。複数のボンディングパッド２２が底部表面１６上に形成される。ボンディングパッド１８Ａ、１８Ｂ、２０Ａ、および２０Ｂが、ＢＧＡ支持基板１２を通って延在する電気相互接続２８、３０、２６、および３２を介して、底部表面１６上のボンディングパッド２２Ｂ、２２Ｃ、２２Ａ、および２２Ｄにそれぞれ電気的に接続される。明確化のために、図１においては４つの相互接続のみが、ＢＧＡ支持基板１２を通って延在するのが示される。しかしながら、支持基板１２のような支持基板の頂部表面上のボンディングパッドのすべてまたはほぼすべてが、支持基板の底部表面上のボンディングパッドに結合されることを理解されたい。さらに、ボンディングパッド１８Ａおよび１８Ｂは、頂部表面１４上に形成される複数のボンディングパッド１８のうちの２つであることを理解されたい。同様に、ボンディングパッド２０Ａおよび２０Ｂは、頂部表面１４上に形成される複数のボンディングパッド２０のうちの２つである。（複数のボンディングパッド１８および２０は、図３を参照してさらに例示されかつ説明される）。はんだボール３４がボンディングパッド２２に装着される。
やはり図１を参照して、ダイ接着剤３６が半導体チップ受入領域３８上に分配され、半導体チップまたはダイ４０がダイ接着剤３６上に置かれる。半導体チップ４０は、底部表面４２と頂部表面４４とを有する。複数のボンディングパッド４６が、頂部表面４４の外周に配置される。半導体チップまたはダイ４０の底部表面４２がダイ接着剤３６上に置かれる。ボンディングパッド４６Ａおよび４６Ｂしか示されないが、ボンディングパッド４６Ａおよび４６Ｂは複数のボンディングパッド４６の一部であることを理解されたい。これら複数のものは、図３を参照してさらに例示されかつ説明される。基板１２と、半導体チップ４０と、ダイ接着剤３６との組合せはキュア装置に入れられ、ダイ接着剤３６が硬化する。たとえば、ダイ接着剤３６は、摂氏約１００度（℃）から約１７５℃までの温度に、約５分間から約６０分間加熱することにより硬化する。好適なダイ接着剤は、銀充填エポキシ、シリカ充填エポキシブレンド、有機材料で充填されたエポキシ膜などを含む。
ダイ接着剤３６が硬化した後に、ダイ接着剤４８が頂部表面４４の中央部分に配置され、スペーサ５０がダイ接着剤４８上に置かれる。スペーサ５０は、頂部表面５２と、底部表面５４と、端縁５３および５５とを有する。スペーサ５０は、誘電材料であっても、たとえばシリコンまたは別の半導体チップなどのような半導体材料であってもよい。スペーサ５０が正方形であるように示されるが、その形状はこの発明の限定ではない。たとえば、スペーサ５０は長方形、円形、三角形などである。ダイ接着剤４８は、約１００℃から約１７５℃の温度に、約５分間から約６０分間加熱することにより硬化する。好適なダイ接着剤は、銀充填エポキシ、シリカ充填エポキシブレンド、有機材料で充填されたエポキシ膜などを含む。
やはり図１を参照して、半導体チップ４０上のボンディングパッド４６は、たとえばワイヤボンディングプロセスを用いて、ＢＧＡ基板１２上の対応のボンディングパッド１８に電気的に接続される。図１に示されるのは、相互接続ワイヤ５６Ａによってボンディングパッド１８Ａに結合されるボンディングパッド４６Ａと、相互接続ワイヤ５６Ｂによってボンディングパッド１８Ｂに結合されるボンディングパッド４６Ｂである。図１には２つの相互接続ワイヤしか示されないが、典型的には複数の相互接続５６は２つ以上の相互接続ワイヤを含むことを理解されたい。（複数の相互接続ワイヤ５６は、図３を参照してさらに例示されかつ説明される）。
ここで図２を参照して、さらに製造に沿ったマルチチップモジュール１０の側面断面図を示す。図２に示されるのは、半導体チップ４０の表面４４上に配置された支持材料６０と、スペーサ５０の表面５２上に配置されたダイ接着剤６２とである。好ましくは、支持材料６０は、熱導体でありかつ電気絶縁体であるエポキシペーストである。支持材料６０を含むエポキシペーストの例は、商標Teflonにより販売されるポリテトラフルオロエチレンで充填されたエポキシ材料（Teflonは、イー・アイ・デュポン・ドゥ・ヌムール・アンド・カンパニー・コーポレイション（E. I. Du Pont De Demours and Company Corp.）の商標である）、無機材料で充填された非導電ペースト（たとえばシリカ）、商標Teflonによって販売されるポリテトラフルオロエチレンで充填されたビスマレイミド材料などを含む。ダイ接着剤６２に好適な材料は、銀充填エポキシ、シリカ充填エポキシブレンド、有機材料で充填されたエポキシ膜などを含む。
ここで図３を参照して、マルチチップモジュール１０の上面図が示され、この上面図は図２に示される製造段階と同じ段階を示す。換言すれば、図２は図３の切断線２−２に沿った側面断面図である。図３はさらに、複数のボンディングパッド１８と、複数のボンディングパッド２０と、複数のボンディングパッド４６と、複数のワイヤ相互接続５６と、図２に示された個々のボンディングパッド１８Ａ、１８Ｂ、２０Ａ、および２０Ｂと、個々の相互接続５６Ａおよび５６Ｂとを示す。さらに、図３は支持材料６０とダイ接着剤６２とを示す。支持材料６０は二重Ｙ字型またはドッグボーン型を有するように示されるが、これはこの発明の限定ではない。たとえば、支持材料６０は円形、三角形、完全四角形、五角形、および他の多角形を有するように形成されてもよい。
ここで図４を参照して、さらに製造に沿ったマルチチップモジュール１０の側面断面図を示す。半導体チップ６４はダイ接着剤６２上に置かれる。より特定的には、半導体チップ６４は、ダイ接着剤６２上に置かれる裏側６６と、上に複数のボンディングパッド７０が形成された表側６８とを有する。圧力が半導体チップ６４に加えられて、それにより、半導体チップ６４をダイ接着剤６２において位置決めし、かつ、支持材料６０を横方向に圧入して表面４４と表面６６との間の領域を実質的に充填させる。この領域において、半導体チップ６４の周辺部分６５は、スペーサ５０上に張出す。支持材料６０およびダイ接着剤６２は、約１００℃から約１７５℃の温度に、約５分間から約６０分間加熱されることにより硬化する。支持材料６０が表面４４と表面６６との間の領域を実質的に充填するので、半導体チップ６４の周辺部分６５は端縁５３および５４上に自由に張出さず、支持材料６０によって支持される。こうして、周辺部分６５は、その後のワイヤボンディングステップの間に顕著に弾むことがない。支持材料６０を表面４４と表面６６との間に配置することの利点とは、これがマルチチップモジュールにおいて形成されるワイヤボンドの製造性および信頼性を向上させることである。
複数のボンディングパッド７０は、たとえばワイヤボンディングプロセスを用いて、複数のボンディングパッド２０の対応のボンディングパッドに電気的に接続される。より特定的には、ボンディングパッド７０Ａは相互接続ワイヤ７４Ａによってボンディングパッド２０Ａに電気的に接続され、ボンディングパッド７０Ｂは相互接続ワイヤ７４Ｂによってボンディングパッド２０Ｂに電気的に接続される。相互接続ワイヤ７４Ａおよび７４Ｂは、複数の相互接続ワイヤ７４のうちの２つの相互接続ワイヤである。
ここで図５を参照して、保護カバー７８が、半導体チップ６４と、相互接続ワイヤ５６および７４と、ＢＧＡ基板１２とを覆って形成される。図５に示される保護カバーはグローブトップ材料である。しかしながら、保護材料の種類はグローブトップ材料であることに限定されないことを理解されたい。たとえば、保護カバー７８は蓋またはキャップであってもよい。
図６は、この発明の別の実施例に従ったマルチチップモジュール１００を示す。マルチチップモジュール１００の製造の初期のステップは、マルチチップモジュール１０の製造のものと同様である。よって、図６の説明は、図１の説明から続く。支持材料１０２は、スペーサ表面５２の中央部分上に配置される。好ましくは、支持材料１０２は、熱伝導性であって電気絶縁性であるエポキシペースト、すなわち、これは電気絶縁体である。支持材料１０２の好ましいエポキシペーストは、商標Teflonによって販売されるポリテトラフルオロエチレンで充填されるエポキシ材料、無機材料で充填された非導電ペースト（たとえばシリカ）、商標Teflonによって販売されるポリテトラフルオロエチレンで充填されたビスマレイミド材料などを含む。支持材料１０２は、ダイ接着剤としての役割も果たす。
ここで図７を参照して、マルチチップモジュール１００の上面図が示され、この上面図は図６に示されるものと同じ製造の段階を示す。換言すれば、図６は図７の切断線６−６に沿った側面断面図である。図３と同様に、図７はさらに、複数のボンディングパッド１８と、複数のボンディングパッド２０と、複数のボンディングパッド４６と、複数のワイヤ相互接続５６と、図２および図６に示された個々のボンディングパッド１８Ａ、１８Ｂ、２０Ａ、および２０Ｂと、個々の相互接続５６Ａおよび５６Ｂとを示す。さらに、図７は支持材料１０２を示す。支持材料１０２は二重Ｙ字型またはドッグボーン型を有するように示されるが、これはこの発明の限定ではない。たとえば、支持材料１０２は、円形、三角形、完全四角形、五角形、および他の多角形を有するように形成されてもよい。
ここで図８を参照して、さらに製造に沿ったマルチチップモジュール１００の側面断面図を示す。半導体チップ１０４が支持材料１０２上に置かれる。より特定的には、半導体チップ１０４は、支持材料１０２上に置かれる裏側１０６と、上に複数のボンディングパッド１１０が形成された表側１０８とを有する。圧力が半導体チップ１０４に加えられて、それにより、半導体チップ１０４を支持材料１０２において位置決めし、かつ、スペーサ５０の端縁５３および５５を越えるように支持材料１０２を表面４４と表面１０６との間の領域に押込む。支持材料１０２の一部がスペーサ５０に残り、支持材料１０２の一部が表面４４と表面１０６との間の領域を実質的に充填する。支持材料１０２が表面４４と表面１０６との間の領域を実質的に充填するので、半導体チップ１０４の周辺部分１１２は自由に張出さず支持される。こうして、周辺部分１１２はその後のワイヤボンディングステップにおいて顕著に弾むことがない。支持材料１０２は、約１００℃から約１７５℃の温度に約５分間から約６０分間加熱されることにより硬化する。支持材料１０２を表面４４と表面１０６との間に配置することの利点とは、これがマルチレベル半導体パッケージング構造において形成されるワイヤボンドの製造性および信頼性を向上させることである。
複数のボンディングパッド１１０は、たとえばワイヤボンディングプロセスを用いて、複数のボンディングパッド２０の対応のボンディングパッドに電気的に接続される。より特定的には、ボンディングパッド１１０Ａは、相互接続ワイヤ１１４Ａによってボンディングパッド２０Ａに電気的に接続され、ボンディングパッド１１０Ｂは相互接続ワイヤ１１４Ｂによってボンディングパッド２０Ｂに電気的に接続される。説明の明確化のために、図８においては複数の相互接続ワイヤのうちの２つの相互接続ワイヤ、すなわち、相互接続ワイヤ１１４Ａおよび１１４Ｂのみを示す。
ここで図９を参照して、保護カバー１１６が、半導体チップ１０４と、相互接続ワイヤ５６Ａ、５６Ｂ、１１４Ａ、および１１４Ｂと、ＢＧＡ支持基板１２とを覆って形成される。図９に示される保護カバー１１６は、蓋装着材料１１８によってＢＧＡ支持基板１２に固定される蓋である。保護カバーの種類は蓋に限定されないことを理解されたい。たとえば、保護カバー１１４は、グローブトップ材料または他の好適な保護材料であってもよい。
以上、垂直に積層される半導体チップを有するマルチチップモジュールおよびマルチチップモジュールを製造するための方法が提供されたことが認識されるであろう。この発明に従ったマルチチップモジュールの利点とは、これがワイヤボンディングプロセスの間の半導体チップの領域の振動または弾みを減少させるための手段を提供することである。これはワイヤボンドの信頼性を向上させ、デバイスの壊損を減少させる。この発明の別の利点とは、スペーサにボンディングすることのできる半導体チップのサイズの種類が増すことである。支持材料が半導体チップのためにさらなる支持をもたらすので、より大きなチップをスペーサに搭載できる。さらに、この発明は、費用および時間効率のよい態様で、マルチチップモジュール処理フローに容易に統合可能である。
ここに特定の好ましい実施例および方法を開示したが、そのような実施例および方法の変形および修正をこの発明の精神および範囲から逸脱することなく行ない得ることが、当業者には上記開示から明らかであろう。たとえば、支持材料はスペーサと第１の半導体チップとの上に配置されてもよい。これに代えて、ダイ接着剤４８のようなダイ接着剤を用いるのではなく、接着フィルムを用いて半導体チップ６４とスペーサ５０とを結合してもよい。接着剤を用いる利点とは、接着剤を硬化させる必要がないことである。この発明が、添付の特許請求の範囲ならびに該当する法律の規則および原則によって要求される程度にのみ限定されることが意図される。

Claims (2)

  1. マルチチップモジュール（１０）であって、
    チップ受入領域（３８）と複数のボンディングパッド（１８，２０）とを有する支持基板（１２）と、
    複数のボンディングパッド（４６）を有する第１の半導体チップ（４０）とを含み、第１の半導体チップ（４０）はチップ受入領域（３８）に搭載され、マルチチップモジュールはさらに、
    第１の対向端縁（５３）および第２の対向端縁（５５）を有するスペーサ（５０）を含み、スペーサ（５０）は第１の半導体チップ（４０）に結合され、マルチチップモジュールはさらに、
    スペーサ（５０）と接触する支持材料（６０）と、
    接着層を介してスペーサ（５０）に結合される第２の半導体チップ（６４）とを含み、 支持材料（６０）の一部は、第１の半導体チップ（４０）と第２の半導体チップ（６４）との間からスペーサ（５０）と第２の半導体チップ（６４）との間に延在する、マルチチップモジュール。
  2. 支持材料（１２）は、第１の半導体チップ（４０）と第２の半導体チップ（６４）とに接触する、請求項１に記載のマルチチップモジュール（１０）。
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