JP2012204426A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 フリップチップ実装により多段積層された半導体装置の複数のギャップに、ボイドを発生させることなく均一にアンダーフィル樹脂を充填することができる半導体装置及びその製造方法を提供する。
【解決手段】 実施形態に係る半導体装置の製造方法では、フリップチップ実装により基板上に複数の半導体チップを形成する。前記基板上にアンダーフィル樹脂を、常温で少なくとも前記複数の半導体チップのうち最上段の半導体チップにおける底面の高さまで塗布する。前記アンダーフィル樹脂を加熱することにより、前記基板と前記半導体チップの間および前記複数の半導体チップ間のギャップにアンダーフィル樹脂を充填する。前記アンダーフィル樹脂を硬化する。
【選択図】 図１

Description

本発明の実施形態は、半導体装置及びその製造方法に関する。

近年、半導体パッケージにおいて、実装密度の向上や回路動作速度の向上のため、半導体チップがフリップチップ実装で多段積層された半導体装置についての開発が種々行われている。このフリップチップ実装において、積層された半導体チップとバンプとの接続部における機械的強度の補強および外部環境からの保護のために、積層された半導体チップ間のギャップ（以下、単にギャップと称する）にアンダーフィル樹脂を充填して封止をする。このとき、ギャップ中に、アンダーフィル樹脂の未充填部分や、ボイドが存在すると、半導体装置としての信頼性が著しく低下する。

通常、フリップチップ実装に対するアンダーフィル樹脂の塗布は、充填の際に空気の巻き込みによるボイドの発生を防止するため、半導体装置を加熱し、アンダーフィル樹脂の流動性を向上させた状態で行う。しかし、多段積層された半導体装置においては、半導体チップが高く積層されているため、加熱によって粘度が低下したアンダーフィル樹脂が塗布される場合に上層まで届きにくい。そのため、かかる部分はアンダーフィル樹脂の未充填領域が形成しやすいという問題があった。

特開２００８−２５２０２６号公報

本発明が解決しようとする課題は、フリップチップ実装により多段積層された半導体装置の複数のギャップに、ボイドを発生させることなく均一にアンダーフィル樹脂を充填することができる半導体装置及びその製造方法を提供することである。

上記課題を解決するために実施形態に係る半導体装置の製造方法では、フリップチップ実装により基板上に複数の半導体チップを積層する。前記基板上にアンダーフィル樹脂を、常温で少なくとも前記複数の半導体チップのうち最上段の半導体チップにおける底面の高さまで塗布する。前記アンダーフィル樹脂を加熱することにより、前記基板と前記半導体チップの間および前記複数の半導体チップ間のギャップにアンダーフィル樹脂を充填する。前記アンダーフィル樹脂を硬化する。

第１の実施形態に係る半導体装置における第１の例を示す断面図。 第１の実施形態に係る半導体装置を示す平面図。 第１の実施形態に係る半導体装置における第２の例を示す断面図。 第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図。 第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。

（第１の実施形態）
図１は 第１の実施形態に係る半導体装置における第１の例を示す断面図を示す。図２は、第１の実施形態に係る半導体装置を示す平面図である。第１の実施形態に係る半導体装置１には、図１のように、基板２上にはんだバンプ３を介して半導体チップ４（４ａ〜４ｄ）が繰り返し積層され、それぞれのギャップにアンダーフィル樹脂５が充填されている。最も上層に積層された半導体チップ４ｄ上には、アンダーフィル樹脂５が半導体チップ４ｄ上に流入するのを防止するための流入防止ダム６が設けられている。

基板２は、回路基板であり、多層配線が設けられている。基板２の裏面である底面には、２次元状に配列されたボールパッド（図示なし）があり、このボールパッドには、第１の実施形態に係る半導体装置の外部と接続するはんだバンプ（図示なし）が設けられている。

はんだバンプ３は、基板２のおもて面である上面に２次元的に配列されており、以下はんだバンプ３の配列は同様のものとする。

基板２上には、はんだバンプ３を介して半導体チップ４（４ａ〜４ｄ）が繰り返し積層される。半導体チップ４は、半導体素子であり、例えばＮＡＮＤ型フラッシュメモリである。半導体チップ４の平面形状は、例えば矩形状である。なお、半導体チップ４のおもて面に半導体素子が形成されるものとする。

第１の実施形態においては、はんだバンプ３を介して半導体チップ４が４層に積層された構造として説明するが、半導体チップ４の積層数は３層以下でもよいし、５層以上でもよい。

最上段の半導体チップ４ｄ上には、流入防止ダム６が設けられる。流入防止ダム６には、例えば熱硬化性を有した比較的粘度が高い樹脂が用いられる。流入防止ダム６により、アンダーフィル樹脂５を半導体チップ４同士の間のギャップおよび基板２と半導体チップ４ａの間のギャップに塗布および充填する際に、半導体チップ４ｄ上にアンダーフィル樹脂５の流入を防止することができる。流入防止ダム６は、アンダーフィル樹脂５に対して接触角の大きな材料を用いることが望ましい。流入防止ダム６の断面形状は、例えば、盛り上がった凸型である。流入防止ダム６の形状は、図２に示す平面図において、半導体チップ４の形状と同様な矩形のリング状であり、例えば最上段の半導体チップ４ｄと相似形のものとして正方形又は長方形であるが、それ以外の形状でもよい。なお、流入防止ダム６の外側端は、最上段の半導体チップ４ｄの周縁部であってもよい。流入防止ダム６の高さは、例えば２０μｍ程度である。また、流入防止ダム６の底面のサイズは、例えば流入防止ダム６底面の形状が円形状である場合には、直径が４０μｍ程度である。なお、流入防止ダム６の断面形状は、半導体チップ４ｄ上面に溝を設け、凹型としてもよい。

本発明の実施形態において、流入防止ダム６の内側端で囲まれた面積が、最上段の半導体チップ４ｄの面積の3/4以上であることが好ましい。流入防止ダム６の内側端で囲まれた面積が、最上段の半導体チップ４ｄの面積の3/4未満であると半導体チップ４の放熱性を妨げるため好ましくない。

また、第１の実施形態の第２の例として、図３のように、基板２上に、流入防止ダム６と併用して、アンダーフィル樹脂５の基板２からの流出を防止する流出防止ダム７を設けてもよい。流出防止ダム７は、後述する例えば図４（ｃ）に示すノズル８から基板２上に塗布したアンダーフィル樹脂５が基板２から流出するのを防止することができる。なお、流出防止ダム７の断面形状は、流入防止ダム６と同様に基板２に溝を設け、凹型としてもよい。

基板２と半導体チップ４ａとの間のギャップおよび半導体チップ４同士の間のギャップには、硬化したアンダーフィル樹脂５が充填されている。アンダーフィル樹脂５には、例えば酸無水物系硬化剤又はアミン系硬化剤、および無機物充填剤（フィラー）が添加されたエポキシ系樹脂が用いられる。アンダーフィル樹脂５がボイドや未充填部分がなく半導体装置１のギャップに埋め込まれることによって、基板２と半導体チップ４ａとの間のギャップおよび半導体チップ４同士の間に設けられたはんだバンプ３に加わる応力を緩和し、機械的強度を補強することができる。

なお、アンダーフィル樹脂５は、最上段の半導体チップ４ｄの周縁部上、すなわち図２に示す平面図における最上段の半導体チップ４ｄにおいて、流入防止ダム６の外側部上に設けられてもよい。この場合、アンダーフィル樹脂５は、最上段の半導体チップ４ｄの上面の高さまで十分に塗布されており、半導体装置１における最上のギャップに十分なアンダーフィル樹脂５が充填される。さらに、アンダーフィル樹脂５は、流入防止ダム６に接するように設けられてもよい。

以上により、第１の実施形態に係る半導体装置が構成される。

次に、第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法について図面を参照して以下説明する。

図４（ａ）〜（ｄ）は、第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。

まず、図４（ａ）に示すように、基板２上にはんだバンプ３を介して半導体チップ４（４ａ〜４ｄ）をフリップチップ実装で積層する。

次に、図４（ｂ）に示すように、最上段の半導体チップ４ｄ上に流入防止ダム６を形成する。流入防止ダム６は、例えば流入防止ダム用のノズル（図示なし）を用いて、比較的粘度の高い樹脂が盛り上がるように塗布し、その後、加熱することにより形成される。これにより、半導体チップ４ｄ上にアンダーフィル樹脂５の流入を防止することができる。

次いで、図４（ｃ）のように、ノズル８を用いて液体状のアンダーフィル樹脂５を常温において基板２上に塗布する。常温において基板２上にアンダーフィル樹脂５を塗布することにより、粘度が高いアンダーフィル樹脂５が、基板２上に盛り上がるように形成される。アンダーフィル樹脂５の粘度は、例えば常温で５〜２０Ｐａ・ｓ程度である。なお、常温とは、室温で非加熱状態における温度をいい、１０℃〜３０℃程度のことをいう。

その後、図４（ｄ）のように、基板２上に盛り上がったアンダーフィル樹脂５の高さが、例えば流入防止ダム６の頂上の高さになったところで塗布を終了する。アンダーフィル樹脂５は、常温で塗布されるため、粘度が低下せず、例えば流入防止ダム６の頂上の高さまで形成されている。このため、半導体装置１における最上のギャップにも、十分にアンダーフィル樹脂５を充填することができる。このとき、流入防止ダム６があるため、半導体チップ４ｄ上の流入防止ダム６の内側にアンダーフィル樹脂５の流入を防止することができる。なお、半導体装置１における最上のギャップに、アンダーフィル樹脂５を充填するとき、アンダーフィル樹脂５は流入防止ダム６の頂上の高さまで形成する必要はなく、少なくとも最上段の半導体チップ４ｄの底面の高さまで形成されていればよい。

次に、アンダーフィル樹脂５を加熱し、粘度を低下させることにより、アンダーフィル樹脂５を基板２と半導体チップ４ａとの間のギャップおよび半導体チップ４同士の間のギャップに充填する。アンダーフィル樹脂５は、例えば５０〜１００℃において２０秒間程度加熱され、このときアンダーフィル樹脂５の粘度は、０．１Ｐａ・ｓ程度となる。なお、このときアンダーフィル樹脂５は、最上段の半導体チップ４ｄの周縁部上に形成されてもよい。この場合、半導体チップ４ｄ上に流入防止ダム６が形成されているため、半導体チップ４ｄ上へのアンダーフィル樹脂５の流入を防止することができる。

次いで、さらにアンダーフィル樹脂５を加熱し、充填したアンダーフィル樹脂５を硬化する。この加熱は、例えばアンダーフィル樹脂５を３０分から２時間程度の間、例えば１５０℃において保持することにより行う。

以上により、図１に示す第１の実施形態に係る半導体装置が形成される。

以上のように、本発明の第１の実施形態によれば、常温においてアンダーフィル樹脂５を所望の高さまで基板２上に塗布し、その後アンダーフィル樹脂５を加熱して、フリップチップ実装により多段積層された半導体装置１における複数のギャップに充填している。これにより、半導体チップ上段に未充填部分やボイドを発生させることなく均一にアンダーフィル樹脂５を充填することができる。

さらに、本発明の第１の実施形態によれば、半導体チップ４ｄ上に流入防止ダム６を設けている。これにより、アンダーフィル樹脂５を塗布する際に、半導体チップ４ｄ上へのアンダーフィル樹脂５の流入を防止しつつ、半導体装置１において最上のギャップへの充填に十分なアンダーフィル樹脂５を塗布することができる。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態による半導体装置の製造方法について図５を用いて説明する。この第２の実施形態の構成について図１の第１の実施形態の半導体装置の構成と同一部分は同一符号で示し、その詳細な説明を省略する。第１の実施形態においては、アンダーフィル樹脂５は基板２上に塗布され、その後加熱することによりアンダーフィル樹脂５を半導体装置１に充填している。一方、第２の実施形態においては、アンダーフィル樹脂５を最上段の半導体チップ４ｄ上に塗布し、半導体装置１の側面を覆い、その後加熱することによりアンダーフィル樹脂５を半導体装置１に充填する。

本発明の第２の実施形態による半導体装置の製造方法について図を用いて説明する。図５に、第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す。

第１の実施形態と同様にして図４（ａ）に示すように、基板２上にはんだバンプ３を介して半導体チップ４（４ａ〜４ｄ）をフリップチップ実装で積層する。半導体装置１を形成する。その後、半導体チップ４ｄ上に流入防止ダム６を形成する。なお、その後、基板２上に流出防止ダム７を形成してもよい。

次に、図５（ａ）のように、ノズル８を用いて、アンダーフィル樹脂５を半導体チップ４ｄの周縁部上に常温で塗布する。これにより、少なくとも最上段の半導体チップ４ｄの底面の高さまでアンダーフィル樹脂５が形成され、半導体チップ４の側面は覆われる。このとき、アンダーフィル樹脂５は、半導体チップ４ｄの周縁部上において、流入防止ダム６の外側の部分に塗布される。その後、図５（ｂ）に示すように、アンダーフィル樹脂５は、自重により半導体装置１の側面を覆う。このとき、流入防止ダム６があるため、半導体チップ４ｄ上の流入防止ダム６より内側にアンダーフィル樹脂５の流入を防止することができる。また、アンダーフィル樹脂５は、最上段の半導体チップ４ｄの周縁部上に常温で塗布されるため、粘度が低下せず、半導体装置１の最上のギャップに届く高さまで覆うことができる。

このとき、アンダーフィル樹脂５が半導体装置１の側面から基板２上にアンダーフィル樹脂５が盛り上がるように塗布されることにより、アンダーフィル樹脂５が、少なくとも最上段の半導体チップ４ｄの底面の高さまで形成されてもよい。

次に、アンダーフィル樹脂５を加熱し、粘度を低下させることにより、アンダーフィル樹脂５を基板２と半導体チップ４ａとの間のギャップおよび半導体チップ４同士の間のギャップに充填する。その後、さらに充填したアンダーフィル樹脂５を加熱し、硬化させる。

以上により、図１に示すように、半導体装置１が形成される。

以上のように、本発明の第２の実施形態によれば、常温においてアンダーフィル樹脂５を所望の高さまで最上段の半導体チップ４ｄ周縁部上に塗布することによりその側面を覆い、その後アンダーフィル樹脂５を加熱して、フリップチップ実装により多段積層された半導体装置１における複数のギャップに充填している。これにより、半導体チップ上段に未充填部分やボイドを発生させることなく均一にアンダーフィル樹脂５を充填することができる。

さらに、本発明の第２の実施形態によれば、最上段の半導体チップ４ｄ上に流入防止ダム６を設けている。これにより、アンダーフィル樹脂５を塗布する際に、半導体チップ４ｄ上へのアンダーフィル樹脂５の流入を防止しつつ、半導体装置１において最上のギャップへの充填に十分なアンダーフィル樹脂５を塗布することができる。

さらに、本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法によれば、アンダーフィル樹脂５を最上段の半導体チップ４ｄに常温で塗布し、自重により半導体装置１の側面を覆わせている。これにより、半導体装置１の最上のギャップに届く高さまで半導体装置１の側面をさらに容易に覆うことができる。

なお、上述した第１の実施形態および第２の実施形態において、膜厚の値を記載したが、この範囲外の膜厚でも良い。

なお、上述した第１の実施形態および第２の実施形態において、半導体装置については、半導体チップが４層から構成されることを前提に説明したが、当然この積層数に限られるものではなく、半導体チップの積層数は３層以下であっても、５層以上であってもよい。

なお、本発明は、上述の実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの実施形態は、その他のさまざまな形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１…半導体装置
２…基板
３…はんだバンプ
４…半導体チップ
５…アンダーフィル樹脂
６…流入防止ダム
７…流出防止ダム
８…ノズル

Claims (6)

1. フリップチップ実装により基板上に複数の半導体チップを積層する工程と、
   前記基板上にアンダーフィル樹脂を、常温で少なくとも前記複数の半導体チップのうち最上段の半導体チップにおける底面の高さまで塗布する工程と、
   前記アンダーフィル樹脂を加熱することにより、前記基板と前記半導体チップとの間のギャップおよび前記複数の半導体チップ間のギャップにアンダーフィル樹脂を充填する工程と、
   前記アンダーフィル樹脂を硬化する工程と、
   を備えた半導体装置の製造方法。
2. フリップチップ実装により基板上に複数の半導体チップを積層する工程と、
   前記複数の半導体チップのうち最上段の半導体チップ上にアンダーフィル樹脂を常温で塗布し、前記基板上に前記アンダーフィル樹脂を少なくとも前記最上段の半導体チップの底面の高さまで形成し、前記アンダーフィル樹脂を前記複数の半導体チップの側面を覆う工程と、
   前記アンダーフィル樹脂を加熱することにより、前記基板と前記半導体チップとの間のギャップおよび前記複数の半導体チップ間のギャップにアンダーフィル樹脂を充填さする工程と、
   前記アンダーフィル樹脂を硬化する工程と、
   を備えた半導体装置の製造方法。
3. 前記半導体チップを積層する工程の直後に、前記複数の半導体チップのうち最上の半導体チップ上に第１のダムを形成する工程をさらに有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
4. 基板と、
   前記基板上にフリップチップ実装で積層された複数の半導体チップと、
   前記基板と前記半導体チップの間および前記複数の半導体チップ間に充填されたアンダーフィル樹脂と、
   前記複数の半導体チップのうち最上段の半導体チップ上に設けられた前記アンダーフィル樹脂の第１のダムと、
   を備えた半導体装置。
5. 前記最上段の半導体チップの周縁部上に前記アンダーフィル樹脂が設けられていることを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。
6. 前記基板上に第２のダムが設けられていることを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の半導体装置。

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