JP2018049874A - 半導体装置及びその半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高密度化可能な半導体装置を提供する。【解決手段】半導体装置１は、第１の面２０ａと第１の面の反対側の第２の面２０ｂとを有するパッケージ部品２であって、パッケージ部品は、半導体チップ２１と、第１の面に露出する端子２６と、一端が半導体チップと接続し他端が第２の面に第１の電極２７ａとして露出する第１のワイヤ２３ａと、一端が端子と接続し他端が第２の面に第２の電極２７ｂとして露出する第２のワイヤ２３ｂと、半導体チップ、第１のワイヤ、及び、第２のワイヤを封止する樹脂２４と、を備えるパッケージ部品と、第２の面に対向して配置され第２の電極と接続する第１の配線基板３と、第１の面に対向して配置され端子と接続する第２の配線基板４とを備え、第２のワイヤが貫通電極６として使用される。【選択図】図４

Description

本出願は半導体装置及びその半導体装置の製造方法に関する。

近年、バイタルセンシング及びモーションセンシングを可能とするウェアラブル機器が注目を集めている。ウェアラブル機器は装着していることを意識させないサイズ又は形状であることが求められるため、機器の小型化及び軽量化が必要となる。機器の小型化及び軽量化には、例えば特許文献１に示されるように電子部品のパッケージ化が行われてきた。パッケージ化される部品として、センサ部品、無線関係部品及び増幅器等がある。また、さらにパッケージ部品及びチップ部品（チップコンデンサ及びチップ抵抗等）を配線基板により接続して１モジュール化する技術、Ｆａｎ−ｏｕｔ Ｗａｆｅｒ Ｌｅｖｅｌ Ｐａｃｋａｇｅ（以下、ＦＯ−ＷＬＰ技術）も開発されている。ＦＯ−ＷＬＰ技術では、パッケージ部品及びチップ部品が一旦微粘着シートを用いて仮固定用の支持基板に配置されて樹脂を用いてウェハ状に成形された後、再配線技術によってパッケージ部品とチップ部品との間が接続される。

特開２００９−８８２５４号公報

ＦＯ−ＷＬＰ技術を用いた半導体装置（モジュールとも呼ばれる）は大きさの異なる多数の部品（パッケージ部品及びチップ部品）を内蔵する。パッケージ部品はチップ部品に比べ、厚さ、サイズともに大きい。また、半導体装置内で貫通電極として使用される銅ピンも比較的大きい。これは樹脂により部品を封止する際、樹脂の流れにより銅ピンが転倒することを防止するために、銅ピンをある程度太くする必要があるからである。そのため、銅ピンを用いた貫通電極は、半導体装置内で占める面積が大きくなるという課題があった。半導体装置を高密度化する、すなわち集積度を向上させるためには、貫通電極の半導体装置内における専有面積を小さくすることが求められる。

１つの側面では、高密度化可能な半導体装置を提供することを課題とする。

１つの形態によれば、第１の面と第１の面の反対側の第２の面とを有するパッケージ部品であって、パッケージ部品は、半導体チップと、第１の面に露出する端子と、一端が半導体チップと接続し他端が第２の面に第１の電極として露出する第１のワイヤと、一端が端子と接続し第２の面に第２の電極として露出する第２のワイヤと、半導体チップ、第１のワイヤ、及び、第２のワイヤを封止する樹脂と、を備えるパッケージ部品と、第２の面に対向して配置され第２の電極と接続する第１の配線基板と、第１の面に対向して配置され端子と接続する第２の配線基板と、を備え、第２のワイヤが貫通電極として使用される、半導体装置が提供される。

他の形態によれば、半導体装置の製造方法であって、半導体チップと、一端が半導体チップに接続され他端が端子に接続される一つ以上のボンディングワイヤと、半導体チップ及びボンディングワイヤを封止する第１の樹脂とを備えるパッケージ部品の、端子が露出する面の反対側の面を含む部分を除去して、ボンディングワイヤを二分割してボンディングワイヤの断面を電極として露出させる工程と、パッケージ部品の除去された面を仮固定用の支持基板に固定する工程と、固定されたパッケージ部品を、第２の樹脂により封止する工程と、仮固定用の支持基板を除去する工程と、第２の樹脂の一部を除去して、端子を露出させる工程と、パッケージ部品の除去された面に露出した電極を第１の配線基板に接続し、端子を第２の配線基板に接続する、工程と、を備える、半導体装置の製造方法が提供される。

高密度化可能な半導体装置を提供できる。

（ａ）、（ｂ）は、開示の半導体装置を備えるウェアラブル機器を示す全体図であり、（ｂ）は（ａ）の一部が切り欠かれ半導体装置等がウェアラブル器機内に収納された状態を示す一部切欠図である。 比較技術の半導体装置の一例を示す断面図である。 研磨されボンディングワイヤが二分割されたパッケージ部品を示す断面図である。 図３に示すパッケージ部品を用いた半導体装置を示す断面図である。 仮固定用の支持基板にパッケージ部品及びチップ部品を配置した状態を示す断面図である。 樹脂により封止されたパッケージ部品及びチップ部品を示す断面図である。 仮固定用の支持基板を除去し、樹脂が研磨されたパッケージ部品及びチップ部品を示す断面図である。 パッケージ部品の高さが６００μｍである場合の半導体装置を示す断面図である。

以下、添付図面を用いて本出願の実施の形態を、具体的な実施例に基づいて詳細に説明する。以下の実施の形態において同一又は類似の要素には共通の参照符号を付けて示し、理解を容易にするために、これらの図面は縮尺を適宜変更している。

図１（ａ）、（ｂ）は、開示の半導体装置１が用いられるウェアラブル機器１００を示す全体図であり、図１（ｂ）にはウェアラブル機器１００の外装の一部を切り欠いて収納された半導体装置１の位置が示されている。図１（ａ）、（ｂ）に示すウェアラブル機器１００は心拍センサである。心拍センサであるウェアラブル機器１００は、身体に日常的に取付けられることから、装着していることを意識させないよう小型化及び薄型化が求められており、心拍センサの厚みＨは約６．７ｍｍ程度と非常に薄くなるよう作製されている。

図２は比較技術である半導体装置１０１の断面図である。半導体装置１０１は、第１の配線基板３及び第２の配線基板４と、第１の配線基板３及び第２の配線基板４の間に配置されたパッケージ部品１０２、複数のチップ部品５及び銅ピンによる貫通電極１０６を備える。パッケージ部品１０２は、ワイヤボンディング型のパッケージ部品であり、ダイとも呼ばれる半導体チップ２１と、半導体チップ２１から端子２６まで放物線状に延びる一つ以上のボンディングワイヤ２３と、半導体チップ２１を冷却する冷却部材２２とを備える。半導体チップ２１、冷却部材２２及びボンディングワイヤ２３は、樹脂２４により封止される。また、パッケージ部品１０２、チップ部品５及び貫通電極１０６は、樹脂２５により封止される。半導体装置１０１に内蔵される各部品は、それらを仮固定用の支持基板（図示しない）に配置した後、樹脂２５を流し込むことで製造される。そのため、比較技術では、樹脂２５により潰れないよう、各部品はある程度の大きさが必要とされる。そのため、貫通電極を設けるために、ある程度の自立可能な太さを有する銅ピンが用いられる。例えば、銅ピンの代わりに貫通電極のために細長いワイヤを使用すると、仮固定用の支持基板上では細いワイヤは自立しないため、ワイヤが転倒する可能性がある。図２に示すように半導体装置１０１内では、銅ピンによる貫通電極１０６が占める面積が比較的大きく、多数のチップ部品を高密度に実装することが困難であった。

そこで、本実施形態の半導体装置１では、さらに高密度化可能にするために、図３に示すパッケージ部品２を使用する。図３はパッケージ部品２を示す断面図である。

図３に示すパッケージ部品２は、図２に示すワイヤボンディング型のパッケージ部品１０２を、端子２６が露出する面（以下、第１の面２０ａ）の反対側の面（以下、第２の面２０ｂ）が研磨されることで作製された部材である。図３の点線で囲まれた部分Ａが研磨された箇所を示す。研磨後のパッケージ部品２は、半導体チップ２１と、半導体チップ２１に接続する一つ以上の第１のワイヤ２３ａと、端子２６に接続する一つ以上の第２のワイヤ２３ｂと、半導体チップ２１等を封止する第１の樹脂２４とを有する。図３に示すパッケージ部品２は、さらに半導体チップ２１を冷却する冷却部材２２を備える。

パッケージ部品２の第１のワイヤ２３ａ及び第２のワイヤ２３ｂは、もともと図２に示すパッケージ部品１０２のボンディングワイヤ２３のように一体であったワイヤが分断されたものである。第２の面２０ｂを半導体チップ２１の付近まで研磨することで、半導体チップ２１と端子２６とを接続していたボンディングワイヤ２３が、半導体チップ２１に接続する第１のワイヤ２３ａと、端子２６に接続する第２のワイヤ２３ｂとに二分割される。そして、第１のワイヤ２３ａの一端が半導体チップ２１に接続し、第１のワイヤ２３ａの他端（断面）が第１の電極２７ａとして、第２の面２０ｂ（研磨面、除去された面の一例）に露出する。また、第２のワイヤ２３ｂの一端が端子２６に接続し、第２のワイヤ２３ｂの他端（断面）が第２の電極２７ｂとして第２の面２０ｂに、に露出するようになる。本実施形態では、パッケージ部品２を研磨することにより、ボンディングワイヤ２３を二分割しているが、これは一例であり、他の方法、例えば切断することで図３のＡ部分を除去しボンディングワイヤ２３を二分割してもよい。

図４に、図３に示すパッケージ部品２を用いた半導体装置１の断面図を示す。半導体装置１は、パッケージ部品２と、パッケージ部品２の第２の面２０ｂに配線面が対向して配置される第１の配線基板３と、端子２６が露出する面に配線面が対向して配置される第２の配線基板４とを備える。第２のワイヤ２３ｂの第２の電極２７ｂは、第１の配線基板３のパッド３１に接続される。そして、端子２６が第２の配線基板４に接続される。これにより、半導体チップ２１と接続されていない方の第２のワイヤ２３ｂが貫通電極６として使用される。

半導体装置１は、さらに複数のチップ部品５を備えており、それらは第１の配線基板３に取付けられる。また、パッケージ部品２とチップ部品５は、樹脂２５により封止される。

図２に示す比較技術の半導体装置１０１では、銅ピンを貫通電極１０６として用いていたが、本実施形態では研磨後のパッケージ部品２に内蔵された、半導体チップ２１に接続されていない第２のワイヤ２３ｂを貫通電極６として利用する。ボンディングワイヤに用いられるワイヤは、銅ピンの１／１０以下の太さであることから、半導体装置１内の専有面積が小さくなり、半導体装置を高密度化可能になる。また、パッケージ部品を研磨してボンディングワイヤを露出させるために、パッケージ部品が薄くなり、半導体装置１の高さを低背化することができる。例えば、図２に示す半導体装置１０１では、パッケージ部品１０２を研磨しないため、パッケージ部品１０２の高さＨ０は約８００μｍになる。一方、図４に示すように、研磨されたパッケージ部品２を用いて、その他のチップ部品５を０６０３型のＳｕｒｆａｃｅ Ｍｏｕｎｔ Ｄｅｖｉｃｅ（以下、ＳＭＤ）とした場合、パッケージ部品２の高さＨ１を約４００μｍに減少させることができる。よって半導体装置１の高さが小さくなり、薄型化を図ることができる。

図３〜図７を用いて、パッケージ部品２を有する半導体装置１の製造方法について説明する。

図３に示すように、パッケージ部品２を用意し、端子２６が露出する第１の面２０ａの反対側の第２の面２０ｂを含む部分Ａを除去する。本実施形態では、第２の面２０ｂを半導体チップ２１の付近まで研磨する。ボンディングワイヤ２３を、第１のワイヤ２３ａと第２のワイヤ２３ｂとに二分割し、第１のワイヤ２３ａの断面を第１の電極２７ａとして、第２のワイヤ２３ｂの断面を第２の電極２７ｂとして第２の面２０ｂ（研磨面、除去された面）に露出させる。

図５に示すように、微粘着シート８を有する仮固定用の支持基板７を用意し、図３に示すパッケージ部品２の研磨面（第２の面２０ｂ）を微粘着シート８に対向させて、パッケージ部品２と複数のチップ部品５とを仮固定用の支持基板７に配置する。パッケージ部品２と複数のチップ部品５は、微粘着シート８により仮固定用の支持基板７に固定される。

次に、図６に示すように、樹脂２５を流し、仮固定用の支持基板７に配置されたパッケージ部品２と複数のチップ部品５とを封止する。なお、パッケージ部品２の半導体チップ２１とボンディングワイヤ２３を封止する樹脂２４と、パッケージ部品２とチップ部品５を封止する樹脂２５は同じ材料であっても別の材料であってもよい。そして、図７に示すように、仮固定用の支持基板７及び微粘着シート８を除去し、さらに樹脂２５を研磨してその一部を除去することにより、第２のワイヤ２３ｂの端子２６を露出させる。

そして、図４に示すように、樹脂２５により封止されたパッケージ部品２の第２の面２０ｂに露出した第１の電極２７ａ、第２の電極２７ｂを第１の配線基板３に接続する。第２のワイヤ２３ｂの端子２６を第２の配線基板４に接続し、半導体装置１を完成させる。半導体装置１では、パッケージ部品２の第２のワイヤ２３ｂが、貫通電極６として使用される。

図２に示す比較技術の銅ピンを単にワイヤに置き換えると樹脂２５を流し込むときにワイヤが潰れてしまう。しかしながら、図３に示すパッケージ部品２に内蔵された第２のワイヤ２３ｂは既に樹脂２４により封止されていることから、樹脂２５により潰れてしまうことがない。そのため、第２のワイヤ２３ｂを貫通電極６として利用することができる。

半導体装置１に内蔵されるチップ部品５の大きさにより、それらを内蔵する半導体装置１の高さが変化し、パッケージ部品２の高さも変化する。例えば、図４に示す半導体装置１に内蔵されるチップ部品を０６０３型のＳＭＤとすると、パッケージ部品２の高さＨ１を約４００μｍとして半導体装置１が作製される。また、図８に示すように、半導体装置１ａに内蔵されるチップ部品５ａを、０６０３型のＳＭＤより大きい１００５型のＳＭＤとすると、パッケージ部品２ａの高さＨ２は約６００μｍとして、半導体装置１ａが作製される。図４及び図８から分かるように、パッケージ部品２の高さが変化すると、第２のワイヤ２３ｂの長さも変化する。

通常、ボンディングワイヤは、図２に示すように放物線状に半導体チップ２１から端子２６まで延びる。そのため、研磨する量が少なくパッケージ部品２の高さが高くなるほど、第２の面２０ｂに露出する第２の電極２７ｂの位置は、想定される位置からのズレが大きくなる可能性がある。すなわち、ボンディングワイヤによる貫通電極の位置精度は、第２の電極２７ｂが半導体チップ２１及び端子２６から離れるほど悪くなる。そのため、パッケージ部品２を高くする場合、断線不良を防ぐために、第１の配線基板３に設けられる第２の電極２７ｂと接続するパッド３１の面積を大きくして第２の電極２７ｂの位置ズレを吸収する。

発明者らは、断線不良の割合を確認するため、内蔵されるチップ部品が０６０３型のＳＭＤである半導体装置１を１０個作製した。パッケージ部品２の高さは約４００μｍである。φ２０μｍの第２のワイヤ２３ｂによる貫通電極６に対し、３０μｍ径の貫通電極受け用のパッド３１を用いたところ、１０個の半導体装置すべてにおいて貫通電極とパッド３１間の断線はなく正常に動作した。

また、発明者らは、図８に示すように内蔵されるチップ部品５ａが、１００５型のＳＭＤである半導体装置１ａを１０個作製した。パッケージ部品２ａの高さＨ２は約６００μｍである。φ２０μｍの第２のワイヤ２３ｂによる貫通電極６に対し、３０μｍ径の貫通電極受け用のパッド３１ａを用いたところ、１０個中５個の半導体装置１ａが貫通電極６とパッド３１ａ間で断線し、正常に動作しなかった。一方、５０μｍ径の貫通電極受け用のパッド３１ａを用いた場合、１０個のモジュールすべてにおいて貫通電極６とパッド３１ａとの断線はなく、正常に動作することを確認した。なお、第１のワイヤ２３ａの第１の電極２７ａと第１の配線基板３とを接続するパッドについても、パッケージ部品の高さに応じてパッドの面積を大きくすることで第１の電極２７ａの位置ズレを吸収することができる。

以上のように、パッケージ部品内のボンディングワイヤを貫通電極として用いた半導体装置は、貫通電極の専有面積を小さくすることで部品の高密度実装が可能になり、半導体装置の小型、高性能化が図れる。なお、図１では半導体装置１を、ウェアラブル機器１００に使用した例を示しているが、半導体装置１は、ウェアラブル機器だけでなく一般的な電子機器に使用されてもよい。

以上、本出願を特にその好ましい実施の形態を参照して詳細に説明した。本出願の容易な理解のために、本出願の具体的な形態を以下に付記する。

（付記１）第１の面と前記第１の面の反対側の第２の面とを有するパッケージ部品であって、前記パッケージ部品は、半導体チップと、前記第１の面に露出する端子と、一端が前記半導体チップと接続し他端が前記第２の面に第１の電極として露出する第１のワイヤと、一端が前記端子と接続し他端が前記第２の面に第２の電極として露出する第２のワイヤと、前記半導体チップ、前記第１のワイヤ、及び、前記第２のワイヤを封止する樹脂と、を備えるパッケージ部品と、
前記第２の面に対向して配置され前記第２の電極と接続する第１の配線基板と、
前記第１の面に対向して配置され前記端子と接続する第２の配線基板と、を備え、
前記第２のワイヤが貫通電極として使用される、半導体装置。
（付記２）前記パッケージ部品の高さにより変化する前記第１の電極又は前記第２の電極の位置に応じて、前記第１の電極又は前記第２の電極と接続する前記第１の配線基板のパッドの大きさが設定される、付記１に記載の半導体装置。
（付記３）前記パッケージ部品の高さは、前記半導体装置に取付けられるチップ部品の高さにより決定される、付記２に記載の半導体装置。
（付記４）前記パッドの大きさがφ２０μｍ以上である、付記２又は３に記載の半導体装置。
（付記５）半導体装置の製造方法であって、
半導体チップと、一端が前記半導体チップに接続され他端が端子に接続される一つ以上のボンディングワイヤと、前記半導体チップ及び前記ボンディングワイヤを封止する第１の樹脂とを備えるパッケージ部品の、前記端子が露出する面の反対側の面を含む部分を除去して、前記ボンディングワイヤを二分割して前記ボンディングワイヤの断面を電極として露出させる工程と、
前記パッケージ部品の除去された面を仮固定用の支持基板に固定する工程と、
固定された前記パッケージ部品を、第２の樹脂により封止する工程と、
前記仮固定用の支持基板を除去する工程と、
前記第２の樹脂の一部を除去して、前記端子を露出させる工程と、
前記パッケージ部品の除去された面に露出した前記電極を第１の配線基板に接続し、前記端子を第２の配線基板に接続する、工程と、
を備える、半導体装置の製造方法。
（付記６）前記パッケージ部品の前記端子が露出する面の反対側の面を含む部分の除去は、前記パッケージ部品を研磨することにより行われる、付記５に記載の半導体装置の製造方法。
（付記７）前記端子が露出する面の反対側の面を含む部分を除去した後の前記パッケージ部品の高さは、前記パッケージ部品と共に使用するチップ部品の高さで決まる、付記５又は６に記載の半導体装置の製造方法。

１００ ウェアラブル機器
１、１０１ 半導体装置
２、２ａ、１０２ パッケージ部品
２０ａ 第１の面
２０ｂ 第２の面
２１ 半導体チップ
２２ 冷却部材
２３ ボンディングワイヤ
２３ａ 第１のワイヤ
２３ｂ 第２のワイヤ
２４ 樹脂（第１の樹脂）
２５ 樹脂（第２の樹脂）
２６ 端子
２７ａ 第１の電極
２７ｂ 第２の電極
３ 第１の配線基板
３１、３１ａ パッド
４ 第２の配線基板
５ チップ部品
６、１０６ 貫通電極
７ 仮固定用の支持基板
８ 微粘着シート

Claims (4)

1. 第１の面と前記第１の面の反対側の第２の面とを有するパッケージ部品であって、前記パッケージ部品は、半導体チップと、前記第１の面に露出する端子と、一端が前記半導体チップと接続し他端が前記第２の面に第１の電極として露出する第１のワイヤと、一端が前記端子と接続し他端が前記第２の面に第２の電極として露出する第２のワイヤと、前記半導体チップ、前記第１のワイヤ、及び、前記第２のワイヤを封止する樹脂と、を備えるパッケージ部品と、
   前記第２の面に対向して配置され前記第２の電極と接続する第１の配線基板と、
   前記第１の面に対向して配置され前記端子と接続する第２の配線基板と、を備え、
   前記第２のワイヤが貫通電極として使用される、半導体装置。
2. 前記パッケージ部品の高さにより変化する前記第１の電極又は前記第２の電極の位置に応じて、前記第１の電極又は前記第２の電極と接続する前記第１の配線基板のパッドの大きさが設定される、請求項１に記載の半導体装置。
3. 半導体装置の製造方法であって、
   半導体チップと、一端が前記半導体チップに接続され他端が端子に接続される一つ以上のボンディングワイヤと、前記半導体チップ及び前記ボンディングワイヤを封止する第１の樹脂とを備えるパッケージ部品の、前記端子が露出する面の反対側の面を含む部分を除去して、前記ボンディングワイヤを二分割して前記ボンディングワイヤの断面を電極として露出させる工程と、
   前記パッケージ部品の除去された面を仮固定用の支持基板に固定する工程と、
   固定された前記パッケージ部品を、第２の樹脂により封止する工程と、
   前記仮固定用の支持基板を除去する工程と、
   前記第２の樹脂の一部を除去して、前記端子を露出させる工程と、
   前記パッケージ部品の除去された面に露出した前記電極を第１の配線基板に接続し、前記端子を第２の配線基板に接続する、工程と、
   を備える、半導体装置の製造方法。
4. 前記パッケージ部品の前記端子が露出する面の反対側の面を含む部分の除去は、前記パッケージ部品を研磨することにより行われる、請求項３に記載の半導体装置の製造方法。

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