JP2013222901A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】バンプ電極間のショートの発生を抑制し、バンプ電極のはんだ転写面に十分な厚さのはんだ層を形成可能な半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】一面11aに第1の半導体チップ11の第1のはんだ転写面と対向する第2のはんだ転写面85aを有する凸部85が配置されたはんだ転写用治具84を加熱し、次いで、凸部85とステージ55とではんだ転写部材を挟み込み、凸部85の第2のはんだ転写面85aに溶融したはんだ粉末77を一次転写し、次いで、第1の半導体チップ11を加熱し、第1のはんだ転写面と第2のはんだ転写面85aに一次転写され、かつ溶融したはんだ粉末77とを接触させることで、第1のはんだ転写面に溶融したはんだ粉末77を二次転写し、その後、リフロー処理することで、第1のはんだ転写面にはんだ粉末よりなるはんだ層を形成する。
【選択図】図10

Description

本発明は、半導体装置の製造方法に関する。
特許文献1には、複数の半導体チップを積層してチップ積層体を形成し、チップ積層体を構成する半導体チップ間にアンダーフィル材を充填し、アンダーフィル材により封止されたチップ積層体を配線基板に実装する技術が開示されている。
また、非特許文献1には、30μmピッチで、基板のランド上にはんだを形成する際に転写用はんだシートを用いることが開示されている。
特開2010−251347号公報
千住金属工業株式会社のホームページ、平成24年3月8日検索、インターネット<URL;http://www.senju−m.co.jp/download/pdf/SMIC_ICP2011_NextGen_02.pdf>
ところで、特許文献1に記載の技術を用いて、配線基板に搭載された他のチップ上にチップ積層体を実装する場合、チップ積層体の実装面側に配置された半導体チップのバンプ電極の上層と、配線基板上に搭載された他の半導体チップのバンプ電極の上層とが、共にNi/Au層になってしまう。
これは、ボンディングツールを用いて複数の半導体チップを積層実装してチップ積層体を形成する際、ボンディングツールに複数の半導体チップに形成されたはんだが付着しないように、半導体チップの面うち、Ni/Au層を有したバンプ電極が配置された側をツールで吸着するためである。
したがって、チップ積層体の実装面側に配置された半導体チップのバンプ電極と、配線基板上に搭載された他の半導体チップのバンプ電極との接合が困難となり、いずれかのバンプ電極にはんだ層を配置する必要がある。
しかしながら、バンプ電極が狭ピッチで配置されている場合、スクリーン印刷やはんだボールを搭載することで、はんだ層を形成する方式では、技術的に狭ピッチに対応したマスクを形成することが困難なため、バンプ電極上にはんだ層を形成することができない。
非特許文献1に記載の技術を用いて、チップ積層体の外部接続端子として機能するバンプ電極にはんだ層を形成する場合、チップ積層体のバンプ電極を転写用はんだシートに加熱プレスするため、バンプ電極間のはんだ粉末を固定している接着層が盛り上がり、バンプ電極の側面や半導体チップの表面にもはんだが付着してしまう。
このように、バンプ電極の側面や半導体チップの表面にはんだが付着すると、はんだをリフローする際に、バンプ電極間でショートする恐れがあった。
また、バンプ電極の側面にはんだが付着して、該バンプ電極の側面に回り込んだはんだがキノコ状に配置された場合、バンプ電極上の配置されるはんだの量が少なくなるため、バンプ電極上に所望の厚さとされたはんだ層を形成できない。
本発明の一観点によれば、一面に第1のはんだ転写面を有する第1のバンプ電極が配置された第1の半導体チップを準備する工程と、一面を覆うはんだ粉末を有するはんだ転写部材を準備する工程と、前記はんだ転写部材をステージ上に載置する工程と、一面に前記第1のはんだ転写面と対向する第2のはんだ転写面を有する凸部が配置され、かつ他面が平坦な面とされたはんだ転写用治具を準備する工程と、前記はんだ転写用治具を加熱すると共に、前記第2のはんだ転写面と前記はんだ粉末とを対向配置させる工程と、加熱された前記凸部と前記ステージとで前記はんだ転写部材を挟み込み、前記凸部と接触する前記はんだ粉末を溶融させて、前記第2のはんだ転写面に溶融した前記はんだ粉末を一次転写する工程と、前記第1の半導体チップを加熱し、前記第1のはんだ転写面と前記第2のはんだ転写面に前記一次転写され、かつ溶融した前記はんだ粉末とを接触させることで、前記第1のはんだ転写面に溶融した前記はんだ粉末を二次転写する工程と、前記第1のはんだ転写面に二次転写され、かつ溶融した前記はんだ粉末をリフロー処理することで、前記第1のはんだ転写面に前記はんだ粉末よりなるはんだ層を形成する工程と、を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。
本発明の半導体装置の製造方法によれば、一面に第1の半導体チップの第1のはんだ転写面と対向する第2のはんだ転写面を有する凸部が配置され、かつ他面が平坦な面とされたはんだ転写用治具を準備し、次いで、はんだ転写用治具を加熱すると共に、第2のはんだ転写面とはんだ粉末とを対向配置させ、凸部とステージとではんだ転写部材を挟み込み、凸部と接触するはんだ粉末を溶融させて、第2のはんだ転写面に溶融したはんだ粉末を一次転写し、次いで、第1の半導体チップを加熱し、第1のはんだ転写面と第2のはんだ転写面に一次転写され、かつ溶融したはんだ粉末とを接触させることで、第1のはんだ転写面に溶融したはんだ粉末を二次転写し、その後、第1のはんだ転写面に二次転写され、かつ溶融したはんだ粉末をリフロー処理することで、第1のはんだ転写面にはんだ粉末よりなるはんだ層を形成することにより、凸部に一次転写されたはんだ粉末のうち、第2のはんだ転写面に転写されたはんだ粉末のみを第1の半導体チップの第1のはんだ転写面に二次転写することが可能となる。
これにより、第1のバンプ電極の側壁(側面)に溶融したはんだ粉末が付着することを抑制可能となるので、はんだに起因する第1のバンプ電極間のショートの発生を抑制できると共に、第1のバンプ電極の第1のはんだ転写面に十分な厚さのはんだ層を形成できる。
上記はんだ層の形成方法は、特に、第1のバンプ電極を狭ピッチで配置した場合に有効である。
本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図(その1)である。 本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図(その2)である。 本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図(その3)である。 本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図(その4)である。 本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図(その5)である。 本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図(その6)である。 本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図(その7)である。 本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図(その8)である。 本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図(その9)である。 本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図(その10)である。 本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図(その11)である。 本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図(その12)である。 本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図(その13)である。 本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図(その14)である。 本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図(その15)である。 本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図(その16)である。 本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図(その17)である。 本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図(その18)である。 本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図(その19)である。 図6に示す構造体の領域Aを拡大した断面図であり、凸部の第2のはんだ転写面とはんだ粉末とが対向配置された状態を模式的に示す図である。 図7に示す構造体の領域Bを拡大した断面図であり、凸部とステージとではんだ転写部材を挟み込んだ状態を模式的に示す図である。 図8に示す構造体の領域Cを拡大した断面図であり、凸部に溶融されたはんだ粉末が一次転写された状態を模式的に示す図である。
以下、図面を参照して本発明を適用した実施の形態について詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、本発明の実施の形態の構成を説明するためのものであり、図示される各部の大きさや厚さや寸法等は、実際の半導体装置の寸法関係とは異なる場合がある。
(実施の形態)
図1〜図19は、本発明の本実施の形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図である。図20は、図6に示す構造体の領域Aを拡大した断面図であり、凸部の第2のはんだ転写面とはんだ粉末とが対向配置された状態を模式的に示す図である。
図21は、図7に示す構造体の領域Bを拡大した断面図であり、凸部とステージとではんだ転写部材を挟み込んだ状態を模式的に示す図である。図22は、図8に示す構造体の領域Cを拡大した断面図であり、凸部に溶融されたはんだ粉末が一次転写された状態を模式的に示す図である。
図1〜図22では、本実施の形態の半導体装置10の一例として、CoC型半導体装置を例に挙げて図示する。
図1〜図22を参照して、本実施の形態の半導体装置10の製造方法について説明する。
始めに、図1に示す工程では、第1の半導体チップ11と、第2の半導体チップ12−1,12−2(本実施の形態の場合、2つの第2の半導体チップ)と、第3の半導体チップ13と、第4の半導体チップ14と、を準備する。
ここで、図1を参照して、第1乃至第4の半導体チップ11,12−1,12−2,13,14の構成について説明する。
第1の半導体チップ11は、矩形とされており、薄板化(例えば、厚さが50μm以下)されている。第1の半導体チップ11としては、例えば、メモリ用半導体チップを用いることができる。
第1の半導体チップ11は、半導体基板17と、回路素子層18と、第1の表面バンプ電極21(第1のバンプ電極)と、第1の裏面バンプ電極22と、貫通電極24と、を有する。
半導体基板17は、矩形とされ、かつ薄板化された基板である。半導体基板17としては、例えば、単結晶シリコン基板を用いることができる。
回路素子層18は、半導体基板17の表面17aに設けられている。第1の半導体チップ11がメモリ用半導体チップの場合、回路素子層18は、メモリ用回路素子を有する。
第1の表面バンプ電極21は、第1の半導体チップ11の一面11a(回路素子層18の上面18a)の中央部に複数設けられている。第1の表面バンプ電極21は、第1の半導体チップ11の一面11aに、Cuポスト26と、NiAu層27と、が順次積層された構成とされている。
NiAu層27は、Cuポスト26と接触する面とは反対側に第1のはんだ転写面27aを有する。
第1の表面バンプ電極21の高さ(回路素子層18の上面18aを基準としたときの高さ)は、例えば、10μmとすることができ、第1の表面バンプ電極21の直径は、例えば、20μmとすることができる。この場合、第1の表面バンプ電極21間のピッチは、例えば、40μmとすることができる。
第1の裏面バンプ電極22は、第1の半導体チップ11の他面11b(半導体基板17の裏面17b)の中央部に設けられている。第1の裏面バンプ電極22は、半導体基板17及び回路素子層18を介して、第1の表面バンプ電極21と対向するように配置されている。第1の裏面バンプ電極22は、第1の半導体チップ11の他面11bに、Cuポスト28と、SnAgはんだ層29と、が順次積層された構成とされている。
貫通電極24は、第1の表面バンプ電極21と第1の裏面バンプ電極22との間に位置する半導体基板17及び回路素子層18を貫通するように設けられている。
貫通電極24は、一端が第1の表面バンプ電極21と接続されており、他端が第1の裏面バンプ電極22と接続されている。これにより、貫通電極24は、第1の表面バンプ電極21と第1の裏面バンプ電極22とを電気的に接続している。
第2の半導体チップ12−1,12−2は、第1の半導体チップ11と同様な構成とされている。言い換えれば、第2の半導体チップ12−1,12−2としては、第1の半導体チップ11と同じ種類(例えば、メモリ用半導体チップ)及び形状とされた半導体チップを用いることができる。
なお、図1に示すように、説明の便宜上、第2の半導体チップ12−1の一面12−1a(回路素子層18の上面18a)に設けられたCuポスト26及びNiAu層27よりなる表面バンプ電極を第2の表面バンプ電極32とし、第2の半導体チップ12−1の他面12−1b(半導体基板17の裏面17b)に設けられたCuポスト28及びSnAgはんだ層29よりなる裏面バンプ電極を第2の裏面バンプ電極33とする。
また、同様な理由により、図1に示すように、第2の半導体チップ12−2の一面12−2a(回路素子層18の上面18a)に設けられたCuポスト26及びNiAu層27よりなる表面バンプ電極を第3の表面バンプ電極35とし、第2の半導体チップ12−2の他面12−2b(半導体基板17の裏面17b)に設けられたCuポスト28及びSnAgはんだ層29よりなる裏面バンプ電極を第3の裏面バンプ電極36とする。
第3の半導体チップ13は、第1及び第2の半導体チップ11,12−1,12−2よりも厚さの厚い(例えば、100μm程度)半導体チップである。
第3の半導体チップ13は、第1の半導体チップ11に設けられた半導体基板17の替わりに、半導体基板41を設け、さらに第1の半導体チップ11を構成する第1の裏面バンプ電極22及び貫通電極24を構成要素から除いたこと以外は、第1の半導体チップ11と同様に構成される。
つまり、第3の半導体チップ13としては、例えば、メモリ用半導体チップを用いることができる。
半導体基板41は、半導体基板17よりも厚さが厚いこと以外は、半導体基板17と同様に構成される。第3の半導体チップ13の他面13b(半導体基板41の裏面41b)は、表面バンプ電極及び裏面バンプ電極が形成されていない平坦な面とされている。回路素子層18は、半導体基板41の表面41aに設けられている。
なお、図1に示すように、説明の便宜上、第3の半導体チップ13の一面13a(回路素子層18の上面18a)に設けられたCuポスト26及びNiAu層27よりなる表面バンプ電極を第4の表面バンプ電極43とする。
第4の半導体チップ14は、矩形とされた半導体チップである。第1乃至第3の半導体チップ11,12−1,12−2,13がメモリ用半導体チップの場合、第4の半導体チップ14としては、例えば、ロジック用半導体チップを用いることができる。
第4の半導体チップ14は、半導体基板46と、回路素子層47と、第5の表面バンプ電極49(第2のバンプ電極)と、第4の裏面バンプ電極51(第3のバンプ電極)と、貫通電極53と、を有する。
半導体基板46は、矩形とされた基板であり、例えば、単結晶シリコン基板を用いることができる。
回路素子層47は、半導体基板46の表面46aに設けられている。第4の半導体チップ14がロジック用半導体チップの場合、回路素子層47は、ロジック用回路素子を有する。
第5の表面バンプ電極49は、第4の半導体チップ14の一面14a全体(回路素子層47の上面47a全体)に配置されている。第5の表面バンプ電極49は、第4の半導体チップ14の一面14aに、Cuポスト28と、SnAgはんだ層29と、が順次積層された構成とされている。つまり、第5の表面バンプ電極49は、先に説明した第1の半導体チップ11に設けられた第1の表面バンプ電極21と同様な積層構造とされている。
第4の裏面バンプ電極51は、第4の半導体チップ14の他面14b(半導体基板46の裏面46b)の中央部に、半導体基板46及び回路素子層47を介して、第5の表面バンプ電極49と対向するように配置されている。
第4の裏面バンプ電極51は、第4の半導体チップ14の他面14bに、Cuポスト26と、NiAu層27と、が順次積層された構成とされている。
貫通電極53は、第5の表面バンプ電極49と第4の裏面バンプ電極51との間に位置する半導体基板46及び回路素子層47を貫通するように設けられている。
貫通電極53は、一端が第5の表面バンプ電極49と接続されており、他端が第4の裏面バンプ電極51と接続されている。これにより、貫通電極53は、第5の表面バンプ電極49と第4の裏面バンプ電極51とを電気的に接続している。
次いで、図2に示す工程では、ボンディングツール(図示せず)により、第3の半導体チップ13の一面13a側を吸着し、次いで、真空装置(図示せず)と接続された複数の吸着孔56を露出するステージ55(ボンディング装置のステージ)の上面55aと第3の半導体チップ13の他面13bとが接触させることで、ステージ55上に第3の半導体チップ13を吸着する。
このとき、表面バンプ電極及び裏面バンプ電極が配置されていない平坦な第3の半導体チップ13の他面13bをステージ55の上面55aに接触させることで、第3の半導体チップ13をステージ55上に良好に吸着できる。
なお、ステージ55は、ステージ55上に吸着された第3の半導体チップ13を加熱するヒーター(図示せず)を有しており、該ヒーターにより、第3の半導体チップ13は、所定の温度(例えば、100℃)に加熱される。
次いで、図3に示す工程では、吸着孔59(真空装置(図示せず)と接続された吸着孔)を有したボンディングツール58により、第2の半導体チップ12−2の一面12−2a側を吸着し、ボンディングツール58に内設されたヒーター(図示せず)により第2の半導体チップ12−2を所定の温度(例えば、300℃)に加熱する。これにより、第3の裏面バンプ電極36を構成するSnAgはんだ層29を溶融させる。
このとき、ボンディングツール58がSnAgはんだ層29の形成されていない第2の半導体チップ12−2の一面12−2aを吸着するため、溶融したSnAgはんだ層29がボンディングツール58に付着することを抑制できる。
次いで、ボンディングツール58により、第4の表面バンプ電極43と第3の裏面バンプ電極36とが対向するように、第3の半導体チップ13の上方に第2の半導体チップ12−2を移動させる。
その後、第3の半導体チップ13に対して第2の半導体チップ12−2を押圧することで、第4の表面バンプ電極43と第3の裏面バンプ電極36とを熱圧着させる。
これにより、第3の半導体チップ13に対して第2の半導体チップ12−2がフリップチップ実装され、第3の半導体チップ13と第2の半導体チップ12−2とが電気的に接続される。
次いで、第3の半導体チップ13に対して第2の半導体チップ12−2をフリップチップ実装する工程と同様な手法により、第3の表面バンプ電極35と第2の裏面バンプ電極33とを熱圧着させることで、第2の半導体チップ12−2に対して第2の半導体チップ12−1をフリップチップ実装する。
これにより、第2の半導体チップ12−2と第2の半導体チップ12−1とが電気的に接続される。
次いで、第3の半導体チップ13に対して第2の半導体チップ12−2をフリップチップ実装する工程と同様な手法により、第2の表面バンプ電極32と第1の裏面バンプ電極22とを熱圧着させることで、第2の半導体チップ12−1に対して第1の半導体チップ11をフリップチップ実装して、第2の半導体チップ12−1と第1の半導体チップ11とを気的に接続する。
これにより、第1の半導体チップ11の他面11a側に、第2の半導体チップ12−1と、第2の半導体チップ12−2と、第3の半導体チップ13と、が順次積層実装され、第1乃至第3の半導体チップ11,12−1,12−2,13よりなり、かつ一面62aに第1の表面バンプ電極21(第1のバンプ電極)が配置されたチップ積層体62が形成される。
第1の表面バンプ電極21は、チップ積層体62の外部接続端子として機能し、後述する図15に示す工程において、配線基板91に実装された第4の半導体チップ14の第4の裏面バンプ電極51と接続される電極である。
したがって、第1及び第2の半導体チップ11,12−1,12−2よりも厚さの厚い第3の半導体チップ13は、配線基板91から最も離間した位置に配置される。
このように、配線基板91に実装された第4の半導体チップ14に、チップ積層体62を実装した状態において、配線基板91から最も離間した位置に配置される第3の半導体チップ13(チップ積層体62の構成要素のうちの1つ)の厚さを第1及び第2の半導体チップ11,12−1,12−2よりも厚くすることにより、チップ積層体62の実装後に行われる加熱処理に起因して発生する応力を低減可能となるので、該応力に起因するチップ積層体62の破損を抑制できる。
次いで、図4に示す工程では、図3に示すボンディング装置81(ステージ55及びボンディングツール58を有する装置)からチップ積層体62を取り出し、その後、取り出したチップ積層体62を上下反転させる。
次いで、テープ基材65、及びテープ基材65の一面65aに配置された接着層66を有する塗布用シート67を準備し、接着層66とチップ積層体62の他面62b(第3の半導体チップ13の他面13b)とが接触するように、塗布用シート67にチップ積層体62を貼り付ける。
このとき、接着層66の材料としては、アンダーフィル材69との濡れ性が悪い材料を用いるとよい。接着層66としては、例えば、紫外線硬化型の接着層を用いることができる。以下、接着層66として紫外線硬化型の接着層を用いた場合を例に挙げて説明する。
このように、接着層66の材料として、アンダーフィル材69との濡れ性が悪い材料を用いることにより、半硬化状態とされたアンダーフィル材69をチップ積層体62の側壁に供給した際、接着層66上におけるアンダーフィル材69の広がりを抑制することが可能となるので、第1乃至第3の半導体チップ11,12−1,12−2,13間の隙間を効率良く充填できる。
次いで、ディスペンサー68から半硬化状態とされたアンダーフィル材69をチップ積層体62の側壁に供給し、毛細管現象により、第1乃至第3の半導体チップ11,12−1,12−2,13間の隙間をアンダーフィル材69で充填する。
このとき、第1の表面バンプ電極21及びチップ積層体62の一面62a(第1の半導体チップ11の一面11a)に、アンダーフィル材69が付着しないようにする。また、この段階では、アンダーフィル材69は、半硬化状態であり、完全に硬化していない。
次いで、図5に示す工程では、ベーク炉(図示せず)により、半硬化状態とされたアンダーフィル材69が形成されたチップ積層体62、及び塗布用シート67を所定の温度(例えば、150℃)で加熱することで、アンダーフィル材69を完全に硬化させる。
これにより、チップ積層体62に、完全に硬化したアンダーフィル材69よりなる第1の封止体71が形成される。この段階では、チップ積層体62は、塗布用シート67に貼り付けられている。
次いで、ベーク炉から第1の封止体71が形成されたチップ積層体62、及び塗布用シート67を取り出す。次いで、接着層66に紫外線を照射して接着層66の接着力を低下させた後、第1の封止体71が形成されたチップ積層体62から塗布用シート67を剥がす。これにより、第1の封止体71が形成されたチップ積層体62が製造される。
次いで、図6に示す工程では、基材73、基材73上に配置された粘着層74、及び粘着層74の一面74aを均一に覆うように配置されたはんだ粉末77を有するはんだ転写部材78(はんだ転写シート)を準備する。
基材73の材料としては、例えば、PETを用いることができる。また、はんだ粉末77の平均粒径は、例えば、4μmとすることができる。
次いで、ボンディング装置81のステージ55の上面55aと粘着層74と接触する面とは反対側に位置する基材73の面とが接触するように、はんだ転写部材78をステージ55の上面55aに載置(吸着)させる。
このとき、ステージ55に内蔵されたヒーター82により、はんだ転写部材78は、所定の温度(例えば、40℃)に加熱される。
次いで、一面84aに第1のはんだ転写面27aと対向する第2のはんだ転写面85aを有する凸部85(第1の表面バンプ電極21と鏡面対称とされた凸部)が配置され、かつ他面84bが平坦な面とされたはんだ転写用治具84を準備する。
凸部85は、1つの第1の表面バンプ電極21に対して1つ設けられている。つまり、凸部85は、複数設けられている。第2のはんだ転写面85aは、第1のはんだ転写面27aと略同じ大きさとされている。
はんだ転写用治具84の材料としては、例えば、熱伝導性の高い金属材料を用いることができる。
また、はんだ転写用治具84の他面84bを平坦な面とすることにより、ボンディングツール58により、はんだ転写用治具84の他面84bを吸着した際、はんだ転写用治具84を良好な状態で吸着できる。
次いで、ボンディングツール58によりはんだ転写用治具84の他面84bを吸着し、ボンディングツール58に内蔵されたヒーター83により、はんだ転写用治具84が所定の温度(例えば、200℃)となるように加熱すると共に、ボンディングツール58を移動させることで、図20に示すように、はんだ転写用治具84の第2のはんだ転写面84aとはんだ粉末77とを対向配置させる。
次いで、図7に示す工程では、図7及び図21に示すように、ボンディングツール58を下方(高さ方向)に移動させて、はんだ転写用治具84の凸部85とステージ55とではんだ転写部材78を挟み込む。
このとき、第2のはんだ転写面85aだけでなく、凸部85の側壁(側面)にもはんだ粉末77が付着する。また、図21に示すように、凸部85に押圧された粘着層74が盛り上がることで、凸部85の側壁(側面)に粘着層74を構成する粘着剤が付着する。
また、図7に示す工程では、はんだ転写用治具84の凸部85とステージ55とではんだ用転写部材78を挟み込むため、高さ方向(上下方向)の位置精度が良好なボンディングツール58以外の吸着駆動装置(高さ方向(上下方向)の位置精度があまり良好でない装置)を用いることができる。
次いで、図8に示す工程では、図8及び図22に示すように、凸部85と接触するはんだ粉末77を溶融させ、その後、ボンディングツール58を上方に移動させて、はんだ転写部材78からはんだ転写用治具84を離間させることで、凸部85の第2のはんだ転写面85aに溶融したはんだ粉末77を一次転写する。
このとき、凸部85の側壁(側面)にも溶融したはんだ粉末77が一次転写されるが、後述する図9に示すように、凸部85の側壁に転写されたはんだ粉末77は、第1の表面バンプ電極21と接触しない(言い換えれば、凸部85の側壁に転写されたはんだ粉末77は、第1の表面バンプ電極21に二次転写されない)ため、なんら問題とならない。
次いで、図9に示す工程では、ボンディングツール58のヒーター83により、一次転写する工程におけるはんだ転写用治具84の温度(例えば、200℃)よりも低い第1の温度(例えば、40℃)ではんだ転写用治具84を加熱する。
次いで、第1の封止体71が形成されたチップ積層体62の他面62bとステージ55の他面55aとが接触するように、ステージ55上に第1の封止体71が形成されたチップ積層体62を載置(吸着)する。
次いで、ステージ55のヒーター82により、チップ積層体62の温度が上記第1の温度(例えば、40℃)よりも高い第2の温度(例えば、200℃)となるように、チップ積層体62を加熱する。
次いで、ボンディングツール58を移動させることで、第2のはんだ転写面85aと第1のはんだ転写面とを対向配置させ、その後、ボンディングツール58を下方に移動させて、第2のはんだ転写面85aに一次転写され、かつ溶融したはんだ粉末77と第1のはんだ転写面27aとを接触させる。
次いで、図10に示す工程では、図9に示すボンディングツール58の位置からボンディングツール58を上方に移動させることで、第1のはんだ転写面27aからはんだ転写用治具84を離間させる。
これにより、第1のはんだ転写面27aに、第2のはんだ転写面85aに一次転写され、かつ溶融したはんだ粉末77が二次転写される。
このように、一面84aに第1のはんだ転写面27aと対向する第2のはんだ転写面85aを有する凸部85が配置され、かつ他面84bが平坦な面とされたはんだ転写用治具84を準備し、凸部85の第2のはんだ転写面85aに溶融したはんだ粉末77を一次転写し、その後、第2のはんだ転写面85aに一次転写され、かつ溶融したはんだ粉末77と第1のはんだ転写面27aとを接触させることで、第1のはんだ転写面27aに溶融したはんだ粉末77を二次転写することで、凸部85に一次転写されたはんだ粉末77のうち、第2のはんだ転写面85aに転写されたはんだ粉末77のみを第1の半導体チップ11の第1のはんだ転写面27aに二次転写することが可能となる。
これにより、第1の表面バンプ電極21の側壁(側面)への溶融したはんだ粉末77の付着を抑制することが可能となる。よって、はんだに起因する第1の表面バンプ電極21間のショートの発生を抑制できると共に、第1の表面バンプ電極21の第1のはんだ転写面27aに十分な厚さのはんだ層86(後述する図11参照)を形成できる。
特に、第1の表面バンプ電極21を狭ピッチで配置した場合に有効である。
また、第2のはんだ転写面85aに転写されたはんだ粉末77を第1の半導体チップ11の第1のはんだ転写面27aに二次転写する際、粘着層74を構成する粘着剤が付着した凸部85側壁(側面)が第1の表面バンプ電極21の側壁(側面)と接触することがないため、第1の表面バンプ電極21の側壁(側面)に該粘着剤が付着することがない。
これにより、チップ積層体62を第4の半導体チップ14に実装する際(後述する図15参照)、はんだ転写面27aに形成されたはんだ層86が第1の表面バンプ電極21の側壁(側面)に回り込みやすくなるため、チップ積層体62と第4の半導体チップ14との間の接合強度が向上し、チップ積層体62と第4の半導体チップ14との間の電気的接続信頼性を向上できる。
さらに、第1の表面バンプ電極21の側壁(側面)やチップ積層体62の一面62aへの粘着剤の付着を抑制可能となることで、第2の接着部材111(後述する図15参照)により、チップ積層体62と第4の半導体チップ14との隙間を精度良く充填することができる。
次いで、図11に示す工程では、図10に示すボンディング装置81から第1の封止体71が形成されたチップ積層体62を取り出し、チップ積層体62の上下を反転させる。
その後、溶融したはんだ粉末77をリフロー処理することで、第1のはんだ転写面27aに、はんだ粉末77よりなり、かつ半球状とされたはんだ層86を形成する。
次いで、図12に示す工程では、周知の手法により、複数の配線基板91が連結された配線母基板93を形成する。
ここで、図12を参照して、配線母基板93の構成について説明する。
配線母基板93は、絶縁基板95と、接続パッド97と、外部接続用パッド98(ランド)と、配線パターン101と、第1のソルダーレジスト103と、第2のソルダーレジスト105と、を有する。
絶縁基板95は、複数の配線基板形成領域E、及び複数の配線基板形成領域Eを区画するダイシングラインDを有する。複数の配線基板形成領域Eには、それぞれ配線基板91が形成されている。絶縁基板95としては、例えば、ガラスエポキシ基板を用いることができる。
接続パッド97は、配線基板形成領域Eに位置する絶縁基板95の一面95a(配線基板91の一面)に複数設けられている。接続パッド97は、ワイヤバンプ107が配置されるバンプ形成面97aを有する。
外部接続用パッド98は、配線基板形成領域Eに位置する絶縁基板95の他面95bに複数設けられている。外部接続用パッド98は、外部接続端子116(図15参照)が搭載される端子搭載面98aを有する。
配線パターン101は、絶縁基板95に内設されている。配線パターン101は、一端が接続パッド97と接続されており、他端が外部接続用パッド98と接続されている。これにより、配線パターン101は、接続パッド97と外部接続用パッド98とを電気的に接続している。
第1のソルダーレジスト103は、複数の接続パッド97のバンプ形成面97aを露出するように、絶縁基板95の一面95aに設けられている。
第2のソルダーレジスト105は、複数の外部接続用パッド98の端子搭載面98aを露出するように、絶縁基板95の他面95bに設けられている。
配線基板91は、配線基板形成領域Eに位置する絶縁基板95、接続パッド97、外部接続用パッド98、配線パターン101、第1のソルダーレジスト103、及び第2のソルダーレジスト105を有した構成とされている。
次いで、配線母基板93を形成後、ワイヤボンディング装置(図示せず)を用いて、配線母基板93に形成された複数の接続パッド97のバンプ形成面97aに、ワイヤバンプ107を形成する。
具体的には、ワイヤバンプ107(凸形状のバンプ)は、例えば、金(Au)または銅(Cu)等よりなるワイヤの先端を溶融して先端にボールを形成し、次いで、該ボールが形成されたワイヤを接続パッド97のバンプ形成面97aに超音波で熱圧着し、その後、ワイヤの後端を引き切ることで形成する。
次いで、周知の手法により、配線基板形成領域Eに形成された複数の接続パッド97及びワイヤバンプ107を覆う第1の接着部材109を形成する。
具体的には、例えば、ディスペンサー(図示せず)から第1の接着部材109の母材となるNCP(Non Conductive Paste)を供給することで、第1の接着部材109を形成する。なお、第1の接着部材109の形成は、全ての配線基板形成領域Eに対して行う。
次いで、図13に示す工程では、ボンディングツール(図示せず)により、図1に示す第4の半導体チップ14の他面14b側を吸着し、該ボンディングツールに内蔵されたヒーター(図示せず)により、第4の半導体チップ14を所定の温度(例えば、300℃)に加熱することで、第5の表面バンプ電極49を構成するSnAgはんだ層29を溶融させる。
次いで、ボンディングツール(図示せず)を移動させることで、ワイヤバンプ107と第5の表面バンプ電極49とを対向させ、その後、第1の接着部材109を介して、配線基板91に第4の半導体チップ14を押圧することで、ワイヤバンプ107と第5の表面バンプ電極49とを電気的に接続(熱圧着)させる。
これにより、第4の半導体チップ14が配線基板91に対してフリップチップ実装される。
また、第1の接着部材109を介して、第4の半導体チップ14を押圧することで、第1の接着部材109が横方向に拡がるため、第4の半導体チップ14と配線基板91との隙間が第1の接着部材109により充填される。
なお、第4の半導体チップ14は、配線母基板93を構成する全ての配線基板91に対して実装する。
次いで、図14に示す工程では、先に説明した第1の接着部材109の形成方法と同様な手法により、第4の半導体チップ14の他面14bに、複数の第4の裏面バンプ電極51を覆う第2の接着部材111を形成する。
第2の接着部材111は、配線母基板93に実装された全ての第4の半導体チップ14に対して形成する。
次いで、図15に示す工程では、ボンディングツール58により、図11に示す第1の封止体71が形成されたチップ積層体62の他面62b(第1の半導体チップ11の他面11b)を吸着し、その後、ボンディングツール58に設けられたヒーター83により、チップ積層体62を所定の温度(例えば、300℃)に加熱して、第1の表面バンプ電極21に形成されたはんだ層86を溶融させる。
次いで、ボンディングツール58を移動させることで、ワイヤバンプ107が形成された第4の裏面バンプ電極51とはんだ層86が形成された第1の表面バンプ電極21とを対向させる。
その後、第2の接着部材111を介して、第4の半導体チップ14に対してチップ積層体62を押圧することで、はんだ層86を介して、ワイヤバンプ107と第1の表面バンプ電極21とを電気的に接続(接合)させる。
これにより、第1の封止体71が形成されたチップ積層体62が第4の半導体チップ14に対してフリップチップ実装され、第4の半導体チップ14を介して、チップ積層体62と配線基板11とが電気的に接続される。
チップ積層体62の実装は、配線母基板91に実装された全ての第4の半導体チップ14に対して行う。
また、第2の接着部材111を介して、チップ積層体62を押圧することで、第2の接着部材111が横方向に拡がるため、チップ積層体62と第4の半導体チップ14との隙間が第2の接着部材111で充填される。つまり、チップ積層体62と第4の半導体チップ14との隙間が第2の接着部材111で封止される。
また、裏面バンプ電極が形成されていない平坦な面とされたチップ積層体62の他面62bをボンディングツール58で吸着することにより、ボンディングツール58の吸着面に対してチップ積層体62が傾斜することがなくなるため、チップ積層体62を良好に吸着することが可能となる。
これにより、ボンディングツール58を用いてチップ積層体62を押圧する際、チップ積層体62の他面62b全体を均一に押圧することが可能となるため、チップ積層体62と第4の半導体チップ14との間の電気的接続信頼性を向上できる。
次いで、図16に示す工程では、周知の手法により、配線母基板93の上面に、複数の配線基板91に実装された第4の半導体チップ14、複数の第4の半導体チップ14に実装されたチップ積層体62、第1の封止体71、第1の接着部材109、及び第2の接着部材111を一括封止し、かつ上面114aが平坦な面とされた第2の封止体114を形成する。第2の封止体114としては、例えば、モールド樹脂を用いることができる。
この場合、以下の方法により、第2の封止体114を形成する。始めに、上型と下型からなる成型金型(図示せず)に内設されたキャビティ内に、図15に示す構造体(但し、図15に示すボンディングツール58を除く)を収容する。
その後、成型金型に設けられたゲート部(図示せず)からキャビティ内に加熱溶融されたエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂(第2の封止体114の母材)を注入する。
これにより、複数の配線基板91に実装された第4の半導体チップ14、複数の第4の半導体チップ14に実装されたチップ積層体62、第1の封止体71、第1の接着部材109、及び第2の接着部材111が熱硬化性樹脂で覆われる。
その後、所定の温度(例えば、180℃)で該熱硬化性樹脂をキュアすることにより、完全に硬化した熱硬化性樹脂よりなり、かつ上面114aが平坦とされた第2の封止体114が形成される。
このとき、チップ積層体62を構成する第1乃至第3の半導体チップ11,12−1,12−2,13間の隙間には、予め第1の封止体71が充填されているため、第2の封止体114の形成工程において、第1乃至第3の半導体チップ11,12−1,12−2,13間におけるボイドの発生を抑制できる。
次いで、図17に示す工程では、図16に示す構造体を上下反転させた後、配線基板91に形成された外部接続用パッド98の端子搭載面98aに、外部接続端子116を搭載する。外部接続端子116としては、例えば、はんだボールを用いることができる。
この場合、複数のはんだボール(外部接続端子116)を吸着保持可能な吸着孔(図示せず)を備えたマウントツール118により、外部接続用パッド98の端子搭載面98aにはんだボール(外部接続端子116)を搭載する。
このとき、外部接続端子116は、配線母基板93を構成する全ての配線基板91に設けられた外部接続用パッド98の端子搭載面98aに搭載する。これにより、複数の配線基板形成領域Eに半導体装置10が形成された構造体が製造される。この段階では、複数の半導体装置10は連結されており、個片化されていない。
次いで、図18に示す工程では、図17に示す構造体(具体的には、複数の半導体装置10が連結された構造体)を構成する第2の封止体114の上面114aにダイシングテープ121を貼り付け、その後、ダイシングブレード122により、図17に示すダイシングラインDに沿って、図17に示す構造体を切断することで、複数の半導体装置10を個片化する。
次いで、図19に示す工程では、図18に示すダイシングテープ121から個片化された複数の半導体装置10をピックアップし、図18に示す複数の半導体装置10を上下反転させることで、本実施の形態の半導体装置10が複数製造される。
本実施の形態の半導体装置の製造方法によれば、ステージ55上に、一面74aを覆うはんだ粉末77を有するはんだ転写部材78を載置し、次いで、一面84aに第1の半導体チップ11の第1のはんだ転写面27aと対向する第2のはんだ転写面85aを有する凸部85が配置され、かつ他面84bが平坦な面とされたはんだ転写用治具84を準備し、次いで、はんだ転写用治具84を加熱すると共に、第2のはんだ転写面85aとはんだ粉末77とを対向配置させ、凸部85とステージ55とで、はんだ転写部材78を挟み込み凸部85と接触するはんだ粉末77を溶融させて、第2のはんだ転写面85aに溶融したはんだ粉末77を一次転写し、次いで、第1の半導体チップ11を加熱し、第1のはんだ転写面27aと第2のはんだ転写面85aに一次転写され、かつ溶融したはんだ粉末77とを接触させることで、第1のはんだ転写面27aに溶融したはんだ粉末77を二次転写し、その後、第1のはんだ転写面27aに二次転写され、かつ溶融したはんだ粉末77をリフロー処理することで、第1のはんだ転写面27aにはんだ粉末77よりなるはんだ層86を形成することで、凸部85に一次転写されたはんだ粉末77のうち、第2のはんだ転写面85aに転写されたはんだ粉末77のみを第1の半導体チップ11の第1のはんだ転写面27aに二次転写することが可能となる。
これにより、第1のはんだ転写面27aを有する第1の表面バンプ電極21の側壁(側面)への溶融したはんだ粉末77の付着を抑制することが可能となる。
よって、はんだに起因する第1の表面バンプ電極21間のショートの発生を抑制できると共に、第1の表面バンプ電極21の第1のはんだ転写面27aに十分な厚さのはんだ層86を形成できる。
上記はんだ層86の形成方法は、特に、第1の表面バンプ電極21を狭ピッチで配置した場合に有効である。
また、第2のはんだ転写面85aに転写されたはんだ粉末77を第1の半導体チップ11の第1のはんだ転写面27aに二次転写する際、粘着層74を構成する粘着剤が付着した凸部85側壁(側面)が第1の表面バンプ電極21の側壁(側面)と接触することがないため、第1の表面バンプ電極21の側壁(側面)に該粘着剤が付着することがない。
これにより、チップ積層体62を第4の半導体チップ14に実装する際、はんだ転写面27aに形成されたはんだ層86が第1の表面バンプ電極21の側壁(側面)に回り込みやすくなるため、チップ積層体62と第4の半導体チップ14との間の接合強度が向上し、チップ積層体62と第4の半導体チップ14との間の電気的接続信頼性を向上できる。
さらに、第1の表面バンプ電極21の側壁(側面)やチップ積層体62の一面62aへの粘着剤の付着を抑制可能となることで、第2の接着部材111により、チップ積層体62と第4の半導体チップ14との隙間を精度良く充填できる。
以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明はかかる特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
例えば、本実施の形態では、ロジック用半導体チップ(第4の半導体チップ14)上にチップ積層体62を実装した場合を例に挙げて説明したが、ロジック用半導体チップ以外の半導体チップ上にチップ積層体62を実装してもよい。
また、本実施の形態では、チップ積層体62として、4つの半導体チップを積層させた場合を例に挙げて説明したが、チップ積層体62を構成する半導体チップの積層数は、これに限定されない。チップ積層体62を構成する半導体チップの積層数は、2つ以上であればよい。
また、本実施の形態では、チップ積層体62の外部接続端子として機能する第1の表面バンプ電極21の第1のはんだ転写面27aにはんだ層86を形成する場合を例に挙げて説明したが、第4の半導体チップ14の第4の裏面バンプ電極51の端面にはんだ層86を形成してもよい。
また、本実施の形態では、ボンディングツール58により、複数の半導体チップ(具体的には、第1乃至第3の半導体チップ11,12−1,12−2,13)よりなるチップ積層体62を吸着し、チップ積層体62の第1のはんだ転写面27aにはんだ層86を形成する場合を例に挙げて説明したが、本発明は、ボンディングツール58により、1つの半導体チップの一面に配置された表面バンプ電極(例えば、第1の表面バンプ電極21の第1のはんだ転写面27a)にはんだ層86を形成する場合にも適用可能である。
さらに、本実施の形態では、熱伝導性の良い金属材料で構成されたはんだ転写用治具84を用いた場合を例に挙げて説明したが、はんだ転写用治具84としては、第1の半導体チップ11の第1の表面バンプ電極21に対して鏡面対称とされたものであればよく、熱伝導性の良い金属材料で構成されたはんだ転写用治具84に限定されない。
具体的には、例えば、第1の表面バンプ電極21に対して鏡面対称で配置されたバンプ電極(本実施の形態の凸部85)を有するダミー用チップや不良品の第1の半導体チップ11等を用いることができる。
本発明は、半導体装置の製造方法に適用可能である。
10…半導体装置、11…第1の半導体チップ、11a,12−1a,12−2a,13a,14a,62a,65a,74a,84a,95a…一面、11b,12−1b,12−2b,13b,14b,62b,84b,95b…他面、12−1,12−2…第2の半導体チップ、13…第3の半導体チップ、14…第4の半導体チップ、17,41,46…半導体基板、17a,41a,46a…表面、17b,41b,46b…裏面、18,47…回路素子層、18a,47a,55a,114a…上面、21…第1の表面バンプ電極、22…第1の裏面バンプ電極、24,53…貫通電極、26,28…Cuポスト、27…NiAu層、27a…第1のはんだ転写面、29…SnAgはんだ層、32…第2の表面バンプ電極、33…第2の裏面バンプ電極、35…第3の表面バンプ電極、36…第3の裏面バンプ電極、43…第4の表面バンプ電極、49…第5の表面バンプ電極、51…第4の裏面バンプ電極、55…ステージ、56,59…吸着孔、58…ボンディングツール、62…チップ積層体、65…テープ基材、66…接着層、67…塗布用シート、68…ディスペンサー、69…アンダーフィル材、71…第1の封止体、73…基材、74…粘着層、77…はんだ粉末、78…はんだ転写部材、81…ボンディング装置、82,83…ヒーター、84…はんだ転写用治具、85…凸部、85a…第2のはんだ転写面、86…はんだ層、91…配線基板、93…配線母基板、95…絶縁基板、97…接続パッド、97a…バンプ形成面、98…外部接続用パッド、98a…端子搭載面、101…配線パターン、103…第1のソルダーレジスト、105…第2のソルダーレジスト、107…ワイヤバンプ、109…第1の接着部材、111…第2の接着部材、114…第2の封止体、116…外部接続端子、118…マウントツール、121…ダイシングテープ、122…ダイシングブレード、A〜C…領域、D…ダイシングライン、E…配線基板形成領域

Claims (6)

  1. 一面に第1のはんだ転写面を有する第1のバンプ電極が配置された第1の半導体チップを準備する工程と、
    一面を覆うはんだ粉末を有するはんだ転写部材を準備する工程と、
    前記はんだ転写部材をステージ上に載置する工程と、
    一面に前記第1のはんだ転写面と対向する第2のはんだ転写面を有する凸部が配置され、かつ他面が平坦な面とされたはんだ転写用治具を準備する工程と、
    前記はんだ転写用治具を加熱すると共に、前記第2のはんだ転写面と前記はんだ粉末とを対向配置させる工程と、
    加熱された前記凸部と前記ステージとで前記はんだ転写部材を挟み込み、前記凸部と接触する前記はんだ粉末を溶融させて、前記第2のはんだ転写面に溶融した前記はんだ粉末を一次転写する工程と、
    前記第1の半導体チップを加熱し、前記第1のはんだ転写面と前記第2のはんだ転写面に前記一次転写され、かつ溶融した前記はんだ粉末とを接触させることで、前記第1のはんだ転写面に溶融した前記はんだ粉末を二次転写する工程と、
    前記第1のはんだ転写面に二次転写され、かつ溶融した前記はんだ粉末をリフロー処理することで、前記第1のはんだ転写面に前記はんだ粉末よりなるはんだ層を形成する工程と、
    を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 前記二次転写する工程では、前記一次転写する工程における前記はんだ転写用治具の温度よりも低い第1の温度で前記はんだ転写用治具を加熱すると共に、前記第1の半導体チップの温度が前記第1の温度よりも高い第2の温度となるように、前記第1の半導体チップを加熱することを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。
  3. 前記第2のはんだ転写面と前記はんだ粉末とを対向配置させる工程では、ボンディングツールにより、前記はんだ転写用治具の他面を吸着すると共に、前記ボンディングツールに内蔵されたヒーターにより前記はんだ転写用治具を加熱することを特徴とする請求項1または2記載の半導体装置の製造方法。
  4. 前記はんだ転写部材として、基材、該基材上に配置された粘着層、及び該粘着層の一面を覆うはんだ粉末を有するはんだ転写シートを用いることを特徴とする請求項1乃至3のうち、いずれか1項記載の半導体装置の製造方法。
  5. 前記第1の半導体チップを準備する工程と前記第2のはんだ転写面と前記はんだ粉末とを対向配置させる工程との間に、
    前記第1の半導体チップの他面側に、少なくとも1つの第2の半導体チップと、第3の半導体チップと、を順次積層実装することで、前記第1乃至第3の半導体チップよりなり、かつ一面に前記第1のバンプ電極が配置されたチップ積層体を形成する工程と、
    前記チップ積層体を構成する前記第1乃至第3の半導体チップ間を封止する第1の封止体を形成する工程と、
    を有し、
    前記二次転写する工程では、前記第1の半導体チップを加熱する替わりに、前記第1の封止体が形成された前記チップ積層体を加熱することを特徴とする請求項1乃至4のうち、いずれか1項記載の半導体装置の製造方法。
  6. 一面に配置された接続パッド、及び他面に配置され、前記接続パッドと電気的に接続された外部接続用パッドを有する配線基板を準備する工程と、
    一面に配置された第2のバンプ電極、及び他面に配置され、かつ前記第2のバンプ電極と電気的に接続された第3のバンプ電極を有する第4の半導体チップを準備する工程と、
    前記接続パッドと前記第2のバンプ電極とを電気的に接続することで、前記配線基板に対して前記第4の半導体チップを実装する工程と、
    前記はんだ層を介して、前記第3のバンプ電極と前記第1のバンプ電極とを電気的に接続することで、前記第4の半導体チップに対して前記チップ積層体を実装する工程と、
    を含むことを特徴とする請求項5記載の半導体装置の製造方法。
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