JP2016201414A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】上段半導体12を具備する上段半導体装置10に、下段半導体21を具備する下段半導体装置20が重なって配置されていて、前記上段半導体装置の回路基板11の両側に、それぞれ前記上段半導体12と前記下段半導体21が搭載されており、前記下段半導体素子21が、前記下段半導体装置20の配線層26を介して、前記上段半導体装置10の回路基板11と、電気的に接続されている半導体装置30。
【選択図】図1
Description
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、薄型化した半導体装置とその半導体装置を効率よく低コストに製造できる方法を提供することを目的とする。
即ち、本発明の半導体装置は、上段半導体素子を具備する上段半導体装置と、下段半導体素子を具備する下段半導体装置が重なって配置されており、
前記上段半導体装置の回路基板の両側に、それぞれ前記上段半導体素子と前記下段半導体素子が搭載されており、
前記下段半導体素子が、前記下段半導体装置の配線層を介して、前記上段半導体装置の回路基板と電気的に接続されていることを特徴とする半導体装置を提供する。
前記下段半導体装置における前記下段半導体素子を封止する封止層の厚みは10μm以上500μm以下であってもよい。また、前記上段半導体装置と、前記下段半導体装置の間にクリアランスがないことが好ましい。
(I)複数の上段半導体装置を配置する工程と
(II)前記複数の上段半導体装置の上に、下段半導体素子を、それぞれ搭載する工程と、
(III)前記下段半導体素子を封止材で一括して封止する工程と、
(IV)前記下段半導体素子の接続部と、前記上段半導体装置の接続部を露出させる工程と、
(V)前記露出した前記下段半導体素子の接続部を前記上段半導体装置の接続部に接続させて、配線パターンを形成する工程と、
(VI)前記配線パターン上に絶縁層を形成する工程と、
(VII)個々の複数の半導体装置に分離する工程と、
を備える半導体装置の製造方法を提供する。
前記工程(I)において、前記複数の上段半導体装置を、支持体上に仮固定材を介して固定し、前記工程(III)より後、かつ前記工程(VII)の前に、前記支持体と仮固定材を分離してもよい。
また、前記工程(VI)の後、かつ前記工程(VII)の前に、前記絶縁層に接続部を形成する工程を含んでもよい。
さらに、上段半導体装置(第1の半導体パッケージ)上に下段半導体装置(第2の半導体パッケージ)の半導体素子を搭載することから、上段半導体装置(第1の半導体パッケージ)と下段半導体装置(第2の半導体パッケージ)の接続のためのクリアランスを無くすことができ、第1の半導体パッケージと第2の半導体パッケージを接続するためのリフロー等の工程を省略できる。
本発明の製造方法は、微細化と薄型化が必要とされる三次元半導体装置において特に好適である。
この半導体装置30は、上段半導体装置10(第1の半導体パッケージ)と、下段半導体装置20(第2の半導体パッケージ)が重なって構成されている。上段半導体装置10は、回路基板11及び回路基板11に接続する半導体素子12(下段半導体素子)を具備する。図1では、半導体素子12(上段半導体素子)は封止層で封止され、回路基板11にワイヤーボンドで接続されている。下段半導体装置20は、半導体素子21(下段半導体素子)、封止層25及び配線層26を具備する。上段半導体装置10の回路基板11の外部接続端子(接続部材)14は、下段半導体装置20の半導体素子21の接続端子22と、下段半導体装置20の配線層26を介して電気的に接続されている。
下段半導体素子21は、上段半導体装置10の回路基板11上に形成されており、下段半導体装置20と上段半導体装置10が隙間なく設置されているので、半導体装置30全体の厚みが薄くなる。
また、本発明の半導体装置の製造方法では、下段半導体装置20を上段半導体装置10の上で形成していくので、下段半導体装置20の封止層25、配線層26は搬送等に耐える強度が不要となり、薄くできる。
なお、「搭載」とは半導体素子が基板に接着材を介して固定されている態様をいう。
以下、本発明の製造方法の一実施形態として、図1に示す半導体装置の製造方法を、図2から図9を参照しながら説明する。
配置する方法は、後の工程に適用可能な方法で行うことができる。例えば、吸着若しくは粘着、又は配置する上段半導体装置に合わせて凹部を形成したステージに配置してもよい。または、支持体40と仮固定材41を用意し、これらを貼り合わせ、その仮固定材41の上に上段半導体装置10を接続端子13面を上にして配置してもよい(図2)。
また、半導体装置10と半導体装置10の間隔は任意に設定することができる。小型化する場合は半導体装置と半導体装置の間は個片化するときの切り代と同じ幅とし、仕上がりサイズが上段半導体装置と同じサイズになるようにすることが好ましい。また、下段半導体装置の外部接続端子を多数確保したい場合には、半導体装置と半導体装置の間隔を広くし、上段半導体装置よりも大きな仕上がりサイズに作製してもよい。
下段半導体装置の半導体素子21を上部半導体装置の回路基板11に搭載するための接着材としては、一般的に入手可能なダイアタッチフィルム23を使用することができる。ダイアタッチフィルム23の厚みは完成した半導体装置の厚みに影響を与えるので、フィルムの厚みは1μm以上100μm以下が好ましく、5μm以上80μm以下がより好ましく、10μm以上40μm以下がさらに好ましい。この厚みが薄すぎると基板の段差に追従するのが難しく、厚すぎると完成した半導体装置の厚みが不必要に厚くなる場合がある。
封止材は仮固定材41の耐熱温度以下で封止するものであれば、熱硬化性のものでもよく、熱可塑性のものでもよい。また、感光性を付与されているものでもよい。また、封止材の形態は、粉体、顆粒、フィルム、液状いずれでもよい。封止方法はトランスファーモールド方式でもラミネート方式でもコンプレッション方式でもよく、使用する封止材に応じた方法を選択できる。
仮固定材41を分離する方法は、使用した仮固定材で推奨される方法で行うことができる。分離後封止材の本硬化を行う。
尚、仮固定材41から分離する工程は、仮固定材の耐熱性と製造工程の都合に合わせて実施者が任意のタイミングで行うことができる。例えば、感光性の封止材を用いる場合は、次の接続端子の露出工程後に分離してもよい。
また、仮固定材41の耐熱温度が封止材24の本硬化温度よりも高い場合は、封止材24の本硬化より後の工程で仮固定材41から上段半導体装置10を分離してもよい。
加工方法はサンプルの形状や封止材の特性に応じて各種研磨、薬液処理、レーザー加工、プラズマ加工等、任意の方法を選択できる。
また、必要に応じ、デスミア等の表面処理を行ってもよい。さらに、必要に応じて、研削等を行った後に絶縁層を形成し、再度接続端子を露出させる加工を行ってもよい。
次いで、シード層上にドライフィルムレジストを用いて感光性樹脂膜をラミネートする。ドライフィルムレジストは液状でもフィルム状でもよい。液状の場合は、印刷やスピンコータで形成できる。フィルム状の場合はラミネートによって形成できる。次いで、マスクパターンを通して活性光線を照射することにより、感光性樹脂膜の所定部分を露光し、光硬化させる。次いで、現像により露光部以外を除去することで、パターン硬化膜を形成する。
次いで、配線パターン26上に、絶縁層27を形成する。絶縁層27に用いる材料は感光性材料でも熱硬化性材料でもよい。また、液状材料でもフィルム材料でもよい。液状の感光性材料を用いる場合は、スピンコータで所定の厚みを形成し、その後、露光、現像処理により所定のパターンを形成し、窒素雰囲気で熱硬化させる。
多層化が必要な場合はこれらの回路形成を必要なだけ繰り返すことができる。また各回路形成毎に異なる方法、材料を用いてもよい。
(1)仮固定材の貼付
仮固定材は耐熱温度150℃の熱剥離型仮固定材を用意した。また、支持体としてステンレス版(直径220mm、1.2mm厚)を用意した。これらを室温で、気泡が入らないように貼り合わせ、仮固定材付支持体を得た(図2の40及び41参照)。
フリップチップボンダ(パナソニックファクトリーソリューションズ株式会社製、商品名「FCB3」)を用いて、上記仮固定材付支持体に上段半導体装置を搭載した(図2参照)。
搭載数は5列5行の25個とし、半導体装置と半導体装置の間隔は0.2mmとした。
尚、上段半導体装置のサイズは12mm×12mm×0.55mm(接続部材の高さは除く)であり、接続部材の高さは0.25mmであった。
下段半導体装置用半導体素子として8インチウエハの半導体素子(株式会社ウォルツ製、商品名「WALTS−TEG CC80−0101JY (PI) ModelI」)を準備した。接続端子として高さ30μmの銅ポストが形成されていた。ウエハ厚みはバックグラインド加工を行い、70μmの厚みに加工した。その後バックグラインド面に20μmのダイボンディングフィルム(日立化成株式会社製)を貼り付けた。その後、ダイシングを行って7.3mm×7.3mm×0.095mm(銅ポストを除く)のダイボンディングフィルム付下段半導体素子を得た。
エポキシ樹脂「NC−3000H」を70質量部、硬化剤(A−1)を30質量部、シリカフィラーをエポキシ樹脂100質量部に対し、30質量部配合して熱硬化性樹脂組成物を得た。尚、各成分を以下に示す。
プレス条件は、プレス熱板温度80℃、真空引き時間20秒、ラミネートプレス時間30秒、気圧4kPa以下、圧着圧力0.4MPaとした。
上記工程後、仮固定材から上段半導体装置を分離するため、200℃に加熱したホットプレートの上に置き、熱剥離層(仮固定材)を剥離させ、支持体を分離した(図5参照)。このとき、封止層の厚みを測定したところ260μmであった。その後サンプルを140℃で2時間保持し、封止フィルムを完全硬化させた。
上記で作製した封止済みサンプルをレーザー加工機(日立ビアメカニクス株式会社製、商品名「LC−2F21B/1C」)で穴あけ加工を行った。条件はエネルギー密度1700J/cm2、パルス幅80μsとした。この加工によって、下段半導体素子及び上段半導体装置の外部接続端子を露出させた(図6参照)。
<シード層の形成>
次いで、無電解銅メッキで銅を0.3μmメッキし、シード層を形成した。メッキ浴はATSアドカッパーIW(奥野製薬株式会社製)を用い、32℃、25分の条件で行った。
ドライフィルムレジスト(日立化成株式会社製、商品名「Photec RY−3525」)を用いて、ロールラミネーターにより、シード層上に感光性樹脂膜をラミネートした。次いで、パターンを形成したフォトツールを密着させ、露光機(オーク製作所社製、商品名「EXM−1201型」)を使用して、100mJ/cm2のエネルギー量で露光を行った。次いで、30℃の1質量%炭酸ナトリウム水溶液で、90秒間スプレー現像を行い、感光性樹脂膜を開口させてパターン硬化膜を形成した。
次いで、電解銅めっき法により配線パターンを形成した。メッキ浴は硫酸銅を220g/lの濃度にしたものを用い、25℃25分の条件で行った。なおその時の印加電流は34Aであった。
次いで、剥離液によって上記パターン硬化膜を除去した。剥離液は3質量%のNaOH水溶液を用いて4分間行った。
次いで、エッチング液によりシード層を除去した。エッチング浴はWLC−C2(三菱ガス化学株式会社製)を純水で2倍希釈したものを用い、25℃で90秒間行った。
次いで、配線パターン上に絶縁層を形成した。具体的には、スピンコータで感光性再配線材料(日立化成株式会社製、商品名「AH−1170T」)を塗布し、露光、現像処理を行った。次いで、所定温度200℃で窒素雰囲気(酸素濃度50ppm以下)下、1時間の熱硬化を行った。次いで、スパッタ法により、Tiを100nm蒸着し、連続してCuを300nm蒸着し、シード層を形成した。次いで、ドライフィルムレジスト(日立化成株式会社製、商品名「Photec RY−3525」)をロールラミネーターで貼着し、パターンを形成したフォトツールを密着させ、露光機(株式会社オーク製作所製、商品名「EXM‐1201型」)を使用して、100mJ/cm2のエネルギー量で露光を行った。次いで、30℃の1質量%炭酸ナトリウム水溶液で、90秒間スプレー現像を行い、感光性樹脂膜を開口させ、パターン硬化膜を形成した。次いで、電解銅めっき法により、シード層上に、厚み5μmの銅めっきを形成した。次いで、剥離液により、上記パターン硬化膜を剥離した。次いでシード層をエッチング液より除去した。次いで、スピンコータで再度、感光性再配線材料(日立化成株式会社製、商品名「AH−1170T」)を塗布し、露光、現像処理を行った。次いで、所定温度200℃で窒素雰囲気(酸素濃度50ppm以下)下、1時間の熱硬化を行った。
絶縁層−配線パターン−絶縁層−配線パターン−絶縁層の順番に層形成を行い、完成した配線層の合計の厚みは約50μmであった(図7参照)。
上記で作製した配線層上に無電解Niメッキと無電解Auメッキをそれぞれ、厚み2μm、0.05μmになるように加工した。
次にリフロー装置(株式会社タムラ製作所製、商品名「TNP25−337EM」)を用いて、窒素雰囲気(酸素濃度200ppm以下)で、はんだボールを外部接続端子として搭載して半導体装置を作製した(図8参照)。
上記で作製した半導体装置をダイサー(DISCO株式会社製、商品名「DAD3350」)を用いて個片の半導体装置に分割した。ダイサーのブレードは0.2mm幅のものを使用した(図9参照)。
得られた半導体装置は厚み約1060μmであった(図1参照)。
この実施例では、封止材として感光性封止フィルムを使用した。
実施例1と同じ工程(1)〜(3)を実施した。
封止フィルムに使用する感光性樹脂組成物として、以下に示すものを調製した。カルボキシル基とエチレン性不飽和基とを含有する感光性樹脂として、酸変性したクレゾールノボラック型エポキシアクリレート(日本化薬株式会社製、商品名「CCR−1219H、」)を55質量部、光開始剤成分として、2,4,6−トリメチルベンゾイル−ジフェニル−フォスフィンオキサイド(BASF株式会社製、商品名「ダロキュアTPO」)を2質量部、エタノン,1−[9−エチル−6−(2−メチルベンゾイル)−9H−カルバゾール−3−イル]−,1−(o−アセチルオキシム)(BASF株式会社製、商品名「イルガキュアOXE−02、」)を0.1質量部、熱硬化剤成分として、ビフェノール型エポキシ樹脂(ジャパンエポキシレジン株式会社製、商品名「NC−3000H」)を20質量部用いた。
形成した封止層上に、パターンを形成したフォトツールを密着させ、露光機(株式会社オーク製作所製、商品名「EXM‐1201型」)を使用して、500mJ/cm2のエネルギー量で露光を行った。次いで、常温で1時間静置した後、該積層体上のポリエチレンフィルムを剥離し、30℃の1質量%炭酸ナトリウム水溶液で、180秒の時間でスプレー現像を行い、感光性樹脂膜に開口部を設けた。続いて、紫外線照射装置(オーク製作所社製)を使用して1.5J/cm2のエネルギー量で紫外線照射を行って、紫外線硬化を完了した。
上記工程後、仮固定材から上段半導体装置を分離するため、200℃に加熱したホットプレートの上に置き、熱剥離層を剥離させ、支持体を分離した。
このとき、封止層の厚みを測定したところ160μmであった。
その後サンプルをクリーンオーブンで175℃、2時間で熱硬化した。
下段半導体装置の上に実施例と同じ上部半導体装置を搭載しリフロー装置(株式会社タムラ製作所製、商品名「TNP25−337EM」)を用いて接続した。
尚、下段半導体装置は以下のように作製した。
まずプリント配線板(厚み430μm)に上段半導体装置との接続端子となるはんだボールを搭載し、リフロー接続した。
その後プリント配線板に実施例と同一の下段半導体素子をフリップボンダ(パナソニックファクトリーソリューションズ株式会社製、商品名「FCB3」)を用いてチップの回路面を下にして接続した。
次に下段半導体素子とプリント配線板の間にアンダーフィル材(日立化成株式会社製、商品名「CEL−C−3720」)を流し込み、下段半導体素子の接続端子を保護した。
その後、トランスファモールド装置を使用して顆粒の封止材を用いて下段半導体素子とプリント配線板を封止した。このとき封止層の厚みは260μmであった。
次にCO2レーザー装置を使用して封止層に穴を開け、上段半導体装置との接続端子となるはんだボールを露出させた。
その後PoP外部接続端子となる実施例と同一のはんだボールを半導体装置基板に搭載しリフロー接続した。
次にダイサーを用いて個片の下段半導体装置に切り分けた。
最後に上段半導体装置を搭載し、リフロー接続することで上段半導体装置と下段半導体装置を接続した。こうして得られた半導体装置(図11参照)は厚み約1460μmであった。
また、本発明では、上段半導体装置が、支持体の役目を果たすので、下段半導体装置の封止層等が薄くても、ハンドリング可能となるので、半導体装置全体を薄くできる。
11 上段半導体装置の回路基板
12 上段半導体装置の半導体素子
13 上段半導体装置の接続端子(接続部)
14 上段半導体装置の外部接続端子又は接続部材(接続部)
20 下段半導体装置
21 下段半導体装置の半導体素子
22 下段半導体装置の半導体素子の接続端子(接続部)
23 ダイボンド材
24 封止材
25 下段半導体装置の封止層
26 下段半導体装置の配線パターン(配線層)
27 下段半導体装置の絶縁層(配線層)
28 下段半導体装置の接続端子(接続部)(配線層)
29 下段半導体装置の外部接続端子又は接続部材(接続部)
30 半導体装置
40 支持体
41 仮固定材
50 ダイシング切り代
100 下段半導体装置
110 下段半導体装置のプリント配線板
111 下段半導体装置のコア基板
112 下段半導体装置の配線パターン
113 下段半導体装置の層間絶縁層
114 ビア開口
115 アンダーフィル材
116 接続部材
117 下段半導体装置のバンプ付き半導体素子
118 配線パターン
119 封止材
120 接続端子
130 上段半導体装置
140 半導体装置
200 上段半導体装置の封止層の厚み
201 上段半導体装置の回路基板の厚み
202 下段半導体装置の封止層の厚み
203 下段半導体装置の配線層の厚み
204 上段/下段半導体装置の間の距離(クリアランス)
205 下段半導体装置の基板の厚み
Claims (6)
- 上段半導体素子を具備する上段半導体装置と、下段半導体素子を具備する下段半導体装置が重なって配置されており、
前記上段半導体装置の回路基板の両側に、それぞれ前記上段半導体素子と前記下段半導体素子が搭載されており、
前記下段半導体素子が、前記下段半導体装置の配線層を介して、前記上段半導体装置の回路基板と電気的に接続されている半導体装置。 - 前記下段半導体装置における前記下段半導体素子を封止する封止層の厚みが10μm以上500μm以下である請求項1に記載の半導体装置。
- 前記上段半導体装置と、前記下段半導体装置の間にクリアランスがない請求項1又は2に記載の半導体装置。
- (I)複数の上段半導体装置を配置する工程と
(II)前記複数の上段半導体装置の上に、下段半導体素子を、それぞれ搭載する工程と、
(III)前記下段半導体素子を封止材で一括して封止する工程と、
(IV)前記下段半導体素子の接続部と、前記上段半導体装置の接続部を露出させる工程と、
(V)前記露出した前記下段半導体素子の接続部を前記上段半導体装置の接続部に接続させて、配線パターンを形成する工程と、
(VI)前記配線パターン上に絶縁層を形成する工程と、
(VII)個々の複数の半導体装置に分離する工程と、
を備える半導体装置の製造方法。 - 前記工程(I)において、前記複数の上段半導体装置を、支持体上に仮固定材を介して固定し、前記工程(III)より後、かつ前記工程(VII)の前に、前記支持体と仮固定材を分離する請求項4に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記工程(VI)の後、かつ前記工程(VII)の前に、前記絶縁層に接続部を形成する工程を含む請求項4又は5に記載の半導体装置の製造方法。
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