JP2015176893A - 半導体装置及び半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】外形サイズを大きくすることなくワイヤボンディングが可能な半導体装置を提供する。
【解決手段】実施形態の半導体装置によれば、複数の半導体チップを階段状にずらして多段積層し、途中で半導体チップをずらす方向を反転させて積層する折り返し構造を有するものにおいて、前記ずらす方向を反転させる直前に積層された折り返し段半導体チップの裏面の一端側に接着材が配置され、前記折り返し段半導体チップの直下に位置する半導体チップの端面部が、少なくとも前記接着材と接した状態で、前記各半導体チップがワイヤボンディングされている。前記各半導体チップをワイヤボンディングする際の前記接着材の弾性率は４０Ｍｐａ以上である。
【選択図】図７

Description

本発明の実施形態は、複数の半導体チップを階段状にずらして多段積層し、途中でずらす方向を反転させて積層する折り返し構造を有する半導体装置及び半導体装置の製造方法に関する。

複数の半導体チップを、ガラスエポキシ基板やリードフレーム上階段状にずらして多段積層し、途中でずらす方向を反転させて積層する折り返し構造を有するようにダイボンディングして構成される半導体装置がある。このような半導体装置において、ずらす方向を反転させる直前（折り返し段と称す）の半導体チップの厚さが薄いと、ワイヤボンディングを行うため当該半導体チップの端部にキャピラリが当接した際にチップが撓み、チップ割れが発生したりボンディングワイヤ先端部のボール剥がれ（接合不良）が生じるおそれがある。従来、このようなチップの撓みを防止するため、折り返し段の半導体チップの下部に樹脂を配置することが行われている。

米国特許出願公開第２００９／０１４９１５１号明細書

しかしながら、上記の対策では、配置した樹脂が基板又はリードフレーム上で広がってしまうため、その樹脂を避けるようにワイヤボンディングを行う必要があり、半導体装置の外形サイズが大きくなってしまうという問題があった。また、それに付随して使用する材料が多くなることから、総じてコストがアップするという問題もあった。
そこで、半導体装置の外形サイズを大きくせずともワイヤボンディングが可能な半導体装置及び半導体装置の製造方法を提供する。

実施形態の半導体装置によれば、複数の半導体チップを階段状にずらして多段積層し、複数の半導体チップの一方の面に接着材を配置し、途中で半導体チップをずらす方向を反転させて積層する。複数の半導体チップの一方の面に加え、前記ずらす方向を反転させる直前に積層された折り返し段半導体チップの裏面の一端側にも接着材を配置し、前記折り返し段半導体チップの直下に位置する半導体チップの端面部が、少なくとも前記接着材と接した状態で、前記各半導体チップの他方の面がワイヤボンディングされている。そして、前記各半導体チップをワイヤボンディングする際の前記接着材の弾性率が４０Ｍｐａ以上となっている。

一実施形態であり、半導体装置の製造方法の手順を示すフローチャートである。 一実施形態であり、（ａ）は半導体チップの底面図、（ｂ）は同右側面図である。 一実施形態であり、（ａ）は折り返し段半導体チップの底面図、（ｂ）は同右側面図である。 一実施形態であり、ダイボンディングの工程を説明する図（その１）である。 一実施形態であり、ダイボンディングの工程を説明する図（その２）である。 一実施形態であり、（ａ）はダイボンディングの工程を説明する図（その３）、（ｂ）は（ａ）の右側面図である。 一実施形態であり、半導体装置をワイヤボンディングした状態を示す図 一実施形態であり、半導体装置を樹脂封止した状態を示す図 一実施形態であり、横軸はＤＡＦを熱硬化した後の弾性率、縦軸は半導体チップの端部にキャピラリを当接させた場合の撓み量（μｍ）を示す図

以下、一実施形態について図面を参照して説明する。図１は、半導体装置の製造方法の手順を示すフローチャートである。先ず、例えばメモリ等の回路が形成された各半導体チップの表面に保護テープを貼り付けて（Ｓ１）裏面研削を行う（Ｓ２）。それから、それら複数の半導体チップを階段状に積層するため、各半導体チップの裏面の全面に、半硬化樹脂（例えばエポキシ系，ポリイミド系，アクリル系）を用いた接着材であるＤＡＦ（Dai Attached Film）を貼り付ける（Ｓ３）。

本実施形態では、例えば８枚の半導体チップを多段積層する。最終的な積層形態は図６から図８に示されているが、基板１の上に半導体チップ２（１〜８）を積層するため、図２に示すように、各半導体チップ２（１〜８）の裏面にそれぞれＤＡＦ３を貼り付ける。半導体チップ２（１〜５）まで一方向にずらしながら積層すると、そこからずらす方向を反転して半導体チップ２（６〜８）を積層する。

各半導体チップ２のサイズは例えば１０ｍｍ角程度であり、半導体チップ２（２〜８）の厚さは例えば４０μｍ程度である。基板１の直上に積層される半導体チップ２（１）だけは、チップの割れを防止するため厚さがより厚く設定されている（例えば６０μｍ〜８０μｍ程度）。また、各半導体チップ２をずらす寸法は、各半導体チップ２の一端側に配置されているワイヤボンディングを行うためのパッドの位置に応じて適宜設定する。

ここで、ずらす方向を反転する直前に積層される半導体チップ２（５）については（折り返し段半導体チップ）、ステップＳ３を実行した後に、その裏面の一端側に線状（直方体状）のＤＡＦ４を貼り付ける（Ｓ４，図３参照）。このＤＡＦ４の厚さはＤＡＦ３（例えば数μｍ程度）よりも厚く、例えば３０μｍ程度に設定されており、その線幅は、半導体チップ２（４）に対する半導体チップ２（５）の積層ずれ幅と略等しくなるように設定されている。尚、図２及び図３に示す厚さ寸法は、後述する図４〜図６に示すものよりも拡大した状態となっている。

以上を前処理として行った後、ダイボンディングを行う（Ｓ５）。図４〜図６は、ダイボンディングの工程を詳細に示している。図４に示すように、基板１の上に、半導体チップ２（１〜４）まで一方向（図中右方向）にずらしながら順次積層する。尚、半導体チップ２（１）の裏面に貼付されているＤＡＦ３は、その他のＤＡＦ３よりも若干厚くなっているが、これは、基板１の表面にある微細な凹凸を吸収するためである。

続いて、図５に示すように、半導体チップ２（４）の上に半導体チップ２（５）を積層するが、この際に、半導体チップ２（５）の裏面に貼付されているＤＡＦ４の左側面を、半導体チップ２（４）の端面部Ｅに接触させるように配置する。尚、この時、前記端面部Ｅは、ＤＡＦ４により接着された状態になるものに限らず、少なくともＤＡＦ４に接した状態にあれば良い。また、半導体チップ２（４）の上に半導体チップ２（５）を積層した際に、半導体チップ２（５）がずれて張り出している部分は、半導体チップ２（４）から見てオーバーハングした形状となっている。ＤＡＦ４の矩形の外形寸法は、そのオーバーハングした形状となる部分の寸法に合わせたものにする。なお、半導体チップ２（４）より下の半導体チップ２の端面部は露出している。

また、上述したように、ＤＡＦ４の厚さ寸法は例えば３０μｍ程度としているが、この寸法は、半導体チップ２（４）の厚さ寸法（４０μｍ）に、半導体チップ２（５）の裏面の前面に配置されているＤＡＦ３の厚さ寸法（数μｍ）を加えた値以下として設定されている。そして、ＤＡＦ４の厚さ寸法は、少なくとも半導体チップ２（４）の端面がＤＡＦ４に接する状態となるように設定する必要がある。

次に、図６に示すように、半導体チップ２（６〜８）を、ずらす方向を反転させて（図中左方向）順次積層する。図６（ｂ）は、図６（ａ）の右側面を示している。それから、加熱してＤＡＦ３及び４を硬化させると、図７に示すように、基板１，半導体チップ２（１〜８）をワイヤボンディングして、金などからなるワイヤ５により電気的に接続する（Ｓ６）。

その後、トランスファモールド法やインジェクションモールド法、コンプレッションモールド法等の樹脂封止方法を用い、ワイヤボンディングされた半導体チップ２（１〜８）を、樹脂を用いて封止する（図８参照）。この時、半導体チップ２（５）の裏面に貼付されたＤＡＦ４の側面を半導体チップ２（４）の端面部Ｅに接触させているが、半導体チップ２（４）より下の半導体チップ２の端面部は、封止樹脂９に接する形状となる。封止後に、必要に応じて不要な部分を切り落とし、半導体装置は完成する。

このように折り返し構造を有するものにワイヤボンディングを行うと、半導体チップ２（５）をワイヤボンディングするためキャピラリを当接させた際の撓み量が最も大きくなる。そこで、半導体チップ２（４），２（５）間でオーバーハング形状となる部分に合わせてＤＡＦ４を配置することで、半導体チップ２（５）をワイヤボンディングする際に当該チップ２（５）の撓み変形を防止する。

図９は、横軸にＤＡＦを硬化した後の温度１７５℃における弾性率（ＭＰａ，対数表示）を示し、縦軸には、半導体チップの端部にワイヤボンディング用のキャピラリを当接させた場合の撓み量（μｍ）を示している。半導体チップの厚さとＤＡＦの厚さとの組み合わせを変化させ、ＤＡＦのヤング率を熱機械分析（ＴＭＡ）により測定した。チップ割れが発生する撓み量は１５μｍ以上である。

硬化後のＤＡＦの弾性率が４０ＭＰａ以上あれば、全ての厚さの組み合わせについてチップの撓み量を１５μｍ未満にして、チップ割れを防止することができる。但し、半導体チップの厚さはより薄い方が望ましいので、ＤＡＦ４を設ける構造を厚さ７０μｍ以下のチップに適用すれば、半導体装置全体を小型化する効果が得られると考える。

以上のように本実施形態によれば、複数の半導体チップ２を基板１上に階段状にずらして多段積層し、途中でずらす方向を反転させて積層する折り返し構造を有するものにおいて、ずらす方向を反転させる直前に積層された半導体チップ２（５）の裏面の一端側にＤＡＦ４を配置し、半導体チップ２（５）の直下に位置する半導体チップ２（４）の端面部Ｅが少なくともＤＡＦ４と接した状態で、各半導体チップ２（１〜８）をワイヤボンディングする。

これにより、半導体チップ２（５）の厚さ寸法を、他の半導体チップ２（２〜４）等より厚くせずとも、半導体チップ２（５）をワイヤボンディングする際の撓み変形を抑止してチップ割れ等を防止できる。そして、各半導体チップ２をワイヤボンディングする際のＤＡＦ４の弾性率を４０Ｍｐａ以上とし、半導体チップ２（５）の厚さを７０μｍ以下とすることで、より確実にチップ割れ等を防止できる。

尚、ＤＡＦの貼り合わせを用いた技術は、プロセスの安定性に優れている。例えば液体をインクジェットにより吐出させてオーバーハング部の形状を作成しようとすると、段差の形状は液体の粘度に依存することになる。高い粘度の液体を用いれば形状の安定性は高くなるが、小さい液滴によるインクジェットはできなくなるというトレードオフがある。また、溶媒の蒸発時間が短くなる環境下でインクジェットを用いれば形状の安定性は高くなるが、ノズルの目詰まりを起こし易くなるというトレードオフもある。すなわち、オーバーハング部の形状について高い形状安定性を目指すと、プロセスマージンや装置の安定稼働にしわ寄せが及ぶことになる。

これに対して、ＤＡＦの貼り合わせの場合は、元々が固体なので特にプロセスへしわ寄せが行くことなく、高い形状安定性を実現できる。また、液体の様に温度や溶媒の蒸発等による粘度変化もないので、樹脂量も高い精度で制御できる。更に、予め設定した厚さのＤＡＦを用いるので、厚さの精度も高いというメリットがある。

（その他の実施形態）
ワイヤボンディングする際の弾性率が４０Ｍｐａ以上あれば、接着材として、ＤＡＦ４に替えて液状の樹脂からなる接着材を用いても良い。
折り返し段半導体チップの厚さは、個別の設計により許容される場合は７０μｍを超えていても良い。
半導体チップの多段積層数は、適宜変更して良い。

本発明の実施形態を説明したが、こ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。この新規な実施形態は、その他の様々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共に、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。

図面中、２は半導体チップ、２（５）は半導体チップ（折り返し段半導体チップ）、３，４はＤＡＦ（接着材）を示す。

Claims (5)

1. 階段状にずらして多段積層された複数の半導体チップと、
   前記複数の半導体チップの一方の面に配置された接着材と、を備え、
   前記複数の半導体チップは、途中で半導体チップをずらす方向を反転させ、折り返して積層されており、
   前記複数の半導体チップの一方の面に加え、前記ずらす方向を反転させる直前に積層された折り返し段半導体チップの裏面の一端側にも前記接着材が配置され、
   前記折り返し段半導体チップの直下に位置する半導体チップの端面部が、少なくとも前記接着材と接した状態で、前記各半導体チップの他方の面がワイヤボンディングされており、
   前記各半導体チップをワイヤボンディングする際の前記接着材の弾性率が、４０Ｍｐａ以上であることを特徴とする半導体装置。
2. 階段状にずらして多段積層された複数の半導体チップと、
   前記複数の半導体チップの一方の面に配置された接着材と、を備え、
   前記複数の半導体チップは、途中で半導体チップをずらす方向を反転させ、折り返して積層されており、
   前記複数の半導体チップの一方の面に加え、前記ずらす方向を反転させる直前に積層された折り返し段半導体チップの裏面の一端側にも前記接着材が配置され、
   前記折り返し段半導体チップの直下に位置する半導体チップの端面部が、少なくとも前記接着材と接した状態で、前記各半導体チップの他方の面がワイヤボンディングされており、
   前記折り返し段半導体チップの直下に位置する半導体チップのさらに下に位置する半導体チップの端面部が、前記複数の半導体チップを封止する封止樹脂と接していることを特徴とする半導体装置。
3. 前記接着材に、半硬化樹脂を用いることを特徴とする請求項１又は２記載の半導体装置。
4. 前記折り返し段半導体チップの厚さが、７０μｍ以下であることを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載の半導体装置。
5. 半導体チップを一方向にずらしながら階段状に多段積層した後、半導体チップをずらす方向を反転させて階段状に多段積層する半導体装置の製造方法であって、
   前記多段積層する前の複数の半導体チップの裏面に、半硬化樹脂からなる接着材を面状に配置し、
   前記ずらす方向を反転させる直前に積層される半導体チップを折り返し段半導体チップとして、前記折り返し段半導体チップの裏面における一端側に、半硬化樹脂からなる接着材を線状に配置し、
   半導体チップを一方向にずらしながら階段状に多段積層し、
   前記折り返し段半導体チップを積層する際に、その直下に位置する半導体チップの端面部が前記接着材に少なくとも接するように積層し、
   半導体チップを前記反転させた方向にずらして多段積層し、
   前記各半導体チップをワイヤボンディングすることを特徴とする半導体装置の製造方法。

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