JP2019110201A - 電子装置および電子機器 - Google Patents

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semiconductor
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祐治 萱島
Yuji Kayashima
祐治 萱島
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Abstract

【課題】半導体チップを埋め込んだ封止体(パッケージ構造体)上に半導体装置(半導体パッケージ)を搭載した構造であるPOP(Package On Package)構造の特性を向上させた電子装置および電子機器を提供する。【解決手段】電子装置は、封止体SS2の上面USに形成された再配線層RDL1と、封止体SS2の下面BSに形成された再配線層RDL2とを含む。再配線層RDL2の厚さは、再配線層RDL1の厚さよりも薄くなっている。【選択図】図4

Description

本発明は、電子装置および電子装置を搭載した電子機器に適用して有効な技術に関する。
特開2006−19433号公報(特許文献1)には、配線基板の内部に第一半導体素子を埋め込むとともに、配線基板上に第二半導体素子を搭載する半導体装置に関する技術が記載されている。
特開2006−19433号公報
例えば、本発明者は、半導体チップを埋め込んだ封止体(パッケージ構造体)上に半導体装置(半導体パッケージ)を搭載した構造である、いわゆるPOP(Package On Package)構造の電子装置の性能向上について検討している。この結果、特に、POP構造の電子装置の放熱特性および電気特性を向上する観点から、POP構造の電子装置には、改善の余地が存在することが明らかとなった。このことから、POP構造を有する電子装置の特性を向上するためには、工夫が必要とされる。
その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
一実施の形態における電子装置は、封止体の上面に形成された第1配線部と、封止体の下面に形成された第2配線部とを含む。第2配線部の厚さは、第1配線部の厚さよりも薄くなっている。
一実施の形態によれば、電子装置の特性向上を図ることができる。
(a)は、システムインパッケージの構造体を示す図であり、(b)は、POP構造の構造体の一例を示す図であり、(c)は、POP構造の構造体の他の一例を示す図である。 図1(b)に示す構造体の断面構造を示す模式図である。 図1(c)に示す構造体の断面構造を示す模式図である。 実施の形態における電子装置を構成する構造体を示す断面図である。 実施の形態における電子機器の模式的な一部構成を示す断面図である。 実施の形態における電子装置の製造工程を示す断面図である。 図6に続く電子装置の製造工程を示す断面図である。 図7に続く電子装置の製造工程を示す断面図である。 図8に続く電子装置の製造工程を示す断面図である。 図9に続く電子装置の製造工程を示す断面図である。 図10に続く電子装置の製造工程を示す断面図である。 図11に続く電子装置の製造工程を示す断面図である。 図12に続く電子装置の製造工程を示す断面図である。 変形例1における電子装置を構成する構造体を示す断面図である。 変形例2における電子装置を構成する構造体を示す断面図である。
以下の実施の形態においては便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。
また、以下の実施の形態において、要素の数等(個数、数値、量、範囲等を含む)に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でもよい。
さらに、以下の実施の形態において、その構成要素(要素ステップ等も含む)は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。
同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうではないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。
また、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。なお、図面をわかりやすくするために平面図であってもハッチングを付す場合がある。
<電子装置の小型化>
車載用途やセキュリティカメラ用途などの産業分野においては、高速メモリと、この高速メモリとのインターフェースを有し、高速でデータ処理やデータ転送を行なう制御回路とを含む電子装置が必要とされる。そして、例えば、上述した電子装置は、高速メモリを搭載した半導体装置(半導体部品)と、高速メモリを制御する制御回路が形成された半導体チップを一体的に搭載した構造体から構成することができる。
ここで、図1(a)は、高速メモリを搭載した2つの半導体装置MP1、MP2と、高速メモリを制御する制御回路が形成された半導体チップCHP1と、を配線基板上に平置き配置した構造を有する、いわゆるシステムインパッケージと呼ばれる構造体SIPを示す模式図である。図1(a)において、システムインパッケージと呼ばれる構造体SIPでは、2つの半導体装置MP1、MP2と半導体チップCHP1とを平置きに配置するため、電子装置の小型化を図ることが困難な事情が存在する。この点に関し、近年では、電子装置の小型化の要求が高まっており、電子装置をシステムインパッケージと呼ばれる構造体よりも、電子装置の小型化を図ることが可能な構造体POP(R)が検討されている。
図1(b)は、半導体チップCHP1が埋め込まれたパッケージ構造体上に、高速メモリを搭載した2つの半導体装置と放熱部材であるリッドLIDとを配置した構造体POP(R)の構成を示す模式図である。この構造体POP(R)においては、半導体チップCHP1が埋め込まれた封止体の下面に、ウェハプロセス技術を応用して形成された微細な配線(再配線)を含む再配線層(Redistribution Layer)RDLが形成されている。すなわち、再配線層RDLに形成されている配線は、図1(a)に示すシステムインパッケージと呼ばれる構造体SIPの配線基板に形成されている配線よりも遥かに微細となっている。このため、図1(b)に示す構造体POP(R)においては、半導体チップCHP1が埋め込まれた封止体SSの平面サイズを、図1(a)に示す構造体SIPの配線基板の平面サイズよりも小さくできる。この結果、図1(b)に示す構造体POP(R)からなる電子装置によれば、図1(a)に示すシステムインパッケージと呼ばれる構造体SIPからなる電子装置よりも小型化を図ることができる。
なお、本明細書において、「再配線層」とは、ウェハプロセス技術を応用して形成された微細な配線を含む配線層であって、半導体チップの内部ではなく、半導体チップを封止する封止体(パッケージ構造体)に形成された配線層として定義される。特に、「再配線層」は、例えば、システムインパッケージに使用される配線基板に形成される配線パターンと相違することを明確化するために使用している。この「再配線層」に含まれる配線は、微細な加工が可能なウェハプロセス技術を応用して形成される結果、通常の配線基板に形成される配線パターンよりも遥かに小さなサイズ(微細パターン)を有することになる。
また、本明細書において、「ウェハプロセス技術」とは、例えば、フォトリソグラフィ技術を使用してポリイミド樹脂膜に開口部を形成した後、この開口部の内部にめっき法を使用して銅膜を形成することにより、銅配線を形成する技術などが含まれる。
図2は、図1(b)に示す構造体POP(R)の断面構造を示す模式図である。図2において、構造体POP(R)は、樹脂MRに半導体チップCHP1を埋め込んだ封止体SSを有している。この封止体SSの下面には、ウェハプロセス技術を応用して形成された微細な配線を含む再配線層RDLが形成されている。この再配線層RDLに形成されている微細な配線は、樹脂に埋め込まれた半導体チップCHP1と電気的に接続されているとともに、樹脂MRを貫通する貫通ビアTVとも電気的に接続されている。そして、図2に示すように、半導体チップCHP1と貫通ビアTVとを有する封止体SSの上面には、貫通ビアTVと電気的に接続される半導体装置MP2が搭載されているとともに、半導体チップCHP1と平面的に重なる位置にリッドLIDが設けられている。一方、封止体SSの下面には、再配線層RDLを介して、外部端子として機能する半田ボールSBが配置されている。このように構成されている構造体POP(R)によれば、封止体SSの下面に形成される再配線層RDLが、微細な加工を可能とするウェハプロセス技術で形成されているため、図2に示す構造体POP(R)全体の平面サイズを小さくすることができる。
ただし、最近では、図1(c)に示すように、図1(b)に示す構造体POP(R)よりも、さらに電子装置の小型化を図ることができる構造体POP1が検討されている。図1(c)は、関連技術における構造体POP1を模式的に示す図である。図1(c)に示す関連技術における構造体POP1は、半導体チップCHP1が埋め込まれた封止体上に、高速メモリを搭載した2つの半導体装置だけを配置した構成をしており、図1(b)に示す構造体POP(R)よりも電子装置の小型化を図ることができる。
図3は、図1(c)に示す構造体POP1の断面構造を示す模式図である。図3に示す構造体POP1は、封止体SS1の上面に、ウェハプロセス技術を応用して形成された再配線層RDL1を有し、かつ、封止体SS1の下面にも、ウェハプロセス技術を応用して形成された再配線層RDL2を有している。つまり、図3に示す構造体POP1では、封止体SSの下面にだけ再配線層RDLが形成されている図2に示す構造体POP(R)と相違して、封止体SS1の上面と下面の両面に再配線層(RDL1、RDL2)が形成されている。したがって、図3に示す構造体POP1の平面サイズは、図2に示す構造体POP(R)の平面サイズよりも小さくすることができる。つまり、図1(c)および図3に示す構造体POP1からなる電子装置によれば、図1(b)および図2に示す構造体POP(R)からなる電子装置よりも小型化を図ることができる。したがって、電子装置の小型化を図る観点からは、図1(c)に示す構造体POP1から電子装置を構成することが最も望ましいことになる。
ただし、図1(c)および図3に示す構造体POP1から電子装置を構成する場合、特に、電子装置の放熱特性および電気特性を向上する観点から、改善の余地が存在することが明らかとなったので、以下では、この改善の余地について説明する。
<改善の検討>
まず、図3に示す構造体POP1では、図2に示す構造体POP(R)に示すようなリッドLIDが設けられていない。図2に示す構造体POP(R)に設けられているリッドLIDは、封止体SSに埋め込まれた半導体チップCHP1から発生した熱を効率良く外部空間に放散する機能を有している。特に、図2に示す構造体POP(R)においては、リッドLIDに対して風を当てることにより、半導体チップCHP1から発生した熱の放熱効果を向上することができる。したがって、図2に示す構造体POP(R)においては、電子装置の放熱特性が良好となる。
これに対し、電子装置の小型化を推進する図3に示す構造体POP1では、半導体チップCHP1から発生した熱の放熱効果を向上させるためのリッドLIDが設けられていない。このため、図3に示す構造体POP1では、封止体SS1に埋め込まれた半導体チップCHP1で発生した熱の放熱効率が悪くなる。このことは、封止体SS1に埋め込まれた半導体チップCHP1の温度が上昇しやすくなることを意味し、これによって、半導体チップCHP1に形成されている集積回路(制御回路)の誤動作に代表される電子装置の信頼性低下が顕在化しやすくなる。
さらには、図3に示す構造体POP1において、封止体SS1の内部に埋め込まれている半導体チップCHP1の上方には、高速メモリが搭載された半導体装置MP1、MP2が配置されている。このため、半導体チップCHP1の上方は、半導体チップCHP1から発生した熱の放散経路として充分に機能しなくなる。つまり、半導体チップCHP1から発生した熱の放散経路は、主に、半導体チップCHP1の下方となる。
一方、図3に示すように、構造体POP1においては、半導体チップCHP1の下方には、再配線層RDL2が形成されている。特に、図3に示すように、封止体SS1の下面に形成されている再配線層RDL2の厚さは、封止体SS1の上面に形成されている再配線層RDL1の厚さよりも厚くなっている。このことは、図3に示す構造体POP1においては、半導体チップCHP1の下方に、厚さの厚い再配線層RDL2が形成されていることに起因して、半導体チップCHP1の下方も、半導体チップCHP1から発生した熱の放散経路として充分に機能するとは言えないことを意味する。
以上のことから、図3に示す構造体POP1においては、電子装置の小型化を優先した結果、(1)リッドLIDが削除される構成、(2)半導体チップCHP1の上方に半導体装置MP1、MP2が配置される構成、(3)半導体チップCHP1の下方に厚さの厚い再配線層RDL2が形成される構成が採用されることになる。そして、図3に示す構造体POP1においては、上述した(1)〜(3)に示す構成に起因して、封止体SS1に埋め込まれた半導体チップCHP1で発生した熱の放熱効率が低下する。つまり、図3に示す構造体POP1においては、電子装置の小型化を推進した結果、電子装置の放熱特性の低下という改善の余地が顕在化するのである。これにより、折角、電子装置の小型化に寄与する図3に示す構造体POP1であっても、放熱特性を考慮すると、図3に示す構造体POP1の適用製品が限定されることになる。すなわち、図3に示す構造体POP1を消費電力の大きな電子装置に適用すると、電子装置の信頼性に悪影響が及ぶことが懸念されることになる。したがって、放熱特性を考慮すると、図3に示す構造体POP1の適用製品は、消費電力の小さなモバイル製品に限定されてしまい、例えば、車載用途やセキュリティカメラ用途などに代表される消費電力の大きな製品への展開が困難となる。
続いて、図3に示す構造体POP1において、封止体SS1に埋め込まれた半導体チップCHP1には、半導体装置MP1や半導体装置MP2に搭載されている高速メモリを制御する制御回路が形成されている。したがって、半導体チップCHP1と半導体装置MP1(MP2)とは、電気的に接続されている必要がある。このとき、図3に示すように、構造体POP1における半導体チップCHP1と半導体装置MP1(MP2)との電気的な接続は、半導体チップCHP1→再配線層RDL2→貫通ビアTV→再配線層RDL1→半導体装置MP1(MP2)という太い矢印で示す迂回経路で行なわれる。このことは、図3に示す構造体POP1では、半導体チップCHP1と半導体装置MP1(MP2)との間の電気的な接続経路が長くなることを意味する。つまり、図3に示す構造体POP1では、半導体チップCHP1と半導体装置MP1(MP2)との間の電気的な接続経路における寄生インピーダンスが増大することになる。そして、この寄生インピーダンスの増大は、特に、半導体装置MP1(MP2)に搭載される高速メモリの動作速度がさらに高速となる次世代の高速メモリに対応する電子装置に対して、図3に示す構造体POP1を採用する際の障害となるおそれがある。
以上のことから、図3に示す構造体POP1は、電子装置の小型化を実現する上で有用な構造である一方、電子装置における放熱特性の向上および電気特性の向上を図る観点から、改善の余地が存在することがわかる。そこで、本実施の形態では、電子装置の小型化を実現する上で有用な構造である構造体POP1に対して、基本構造を維持しながら、放熱特性および電気特性を向上する工夫を施している。以下では、この工夫を施した本実施の形態における技術的思想について、図面を参照しながら説明することにする。
<電子装置の構成>
図4は、本実施の形態における電子装置を構成する構造体を示す模式的な断面図である。図4において、本実施の形態における構造体POP2は、封止体SS2を有している。この封止体SS2は、半導体チップCHP1を樹脂MRで封止した構成している。そして、この封止体SS2には、樹脂MRを貫通する複数の貫通ビアTV1が形成されている。さらに、封止体SS2の上面USには、ウェハプロセス技術を応用して形成された再配線層RDL1が形成されている。さらに、封止体SS2の上面USには、再配線層RDL1を介して、半導体装置MP1および半導体装置MP2が搭載されている。一方、封止体SS2の下面BSには、ウェハプロセス技術を応用して形成された再配線層RDL2が形成されている。さらに、封止体SS2の下面BSには、再配線層RDL2を介して、外部端子として機能する半田ボールSBが配置されている。すなわち、再配線層RDL2は、図示しない実装基板(マザーボード)と対向可能な対向面を有する。そして、再配線層RDL2の対向面には、再配線層RDL2に含まれる配線と電気的に接続される半田ボール(ボール端子)SBが配置されている。
以上のように、本実施の形態における電子装置を構成する構造体POP2は、封止体SS2と半導体装置MP1と半導体装置MP2とを有している。このとき、封止体SS2は、上面USと、上面USの反対側に位置する下面BSとを有する。そして、構造体POP2は、封止体SS2の上面USに形成された配線部である再配線層RDL1と、封止体SS2の下面BSに形成された配線部である再配線層RDL2とを含む。さらに、封止体SS2は、内部に樹脂MRで封止された半導体チップCHP1を有する。また、封止体SS2は、再配線層RDL1と再配線層RDL2とを電気的に接続する貫通部として機能する貫通ビアTV1を有している。この貫通ビアTV1は、封止体SS2の樹脂MRを貫通するように形成されている。
次に、再配線層RDL1上には、半導体装置MP1および半導体装置MP2が搭載されている。すなわち、本実施の形態における電子装置を構成する構造体POP2においては、再配線層RDL1上に搭載された複数の半導体装置を含む。特に、図4に示すように、複数の半導体装置は、半導体装置MP1と、再配線層RDL1上に半導体装置MP1と並んで離間配置された半導体装置MP2とを含む。ただし、本実施の形態における技術的思想は、これに限らず、再配線層RDL1上に単体の半導体装置を搭載している構成にも適用することができる。半導体装置MP1および半導体装置MP2のそれぞれには、高速メモリを構成する記憶回路が形成された半導体チップ(図示せず)と、この半導体チップと電気的に接続された外部端子ET2a(ET2b)とが含まれている。そして、外部端子ET2a(ET2b)は、再配線層RDL1に含まれる配線と電気的に接続される。一方、再配線層RDL2の下には、外部端子として機能する半田ボールSBが搭載されている。
封止体SS2に埋め込まれている半導体チップCHP1には、半導体装置MP1(MP2)に内蔵されている高速メモリの動作を制御する制御回路(集積回路)が形成されている。この半導体チップCHP1には、接続端子ET1が設けられている。半導体チップCHP1に形成されている制御回路は、接続端子ET1→再配線層RDL1に含まれている配線→半導体装置MP1(MP2)に設けられている外部端子ET2a(ET2b)→高速メモリの経路で、半導体装置MP1(MP2)と電気的に接続されている。また、半導体チップCHP1に形成されている制御回路は、接続端子ET1→再配線層RDL1に含まれている配線→貫通ビアTV1→再配線層RDL2に含まれる配線→半田ボールSBの経路で外部機器と電気的に接続可能に構成されている。以上のように、半導体チップCHP1と再配線層RDL1とは、接続端子ET1を介して接続されている。半導体チップCHP1と半導体装置MP1(MP2)との間の電気的な接続は、接続端子ET1と再配線層RDL1とによってのみ行なわれている。つまり、本実施の形態における構造体POP2において、半導体チップCHP1と半導体装置MP1(MP2)との間の電気的な接続経路には、貫通ビアTV1と再配線層RDL2とが含まれない。
このとき、例えば、図4に示すように、再配線層RDL1の厚さは、再配線層RDL2の厚さよりも厚くなっている。言い換えれば、再配線層RDL2の厚さは、再配線層RDL1の厚さよりも薄くなっている。具体的に、図4に示すように、再配線層RDL1おける配線層の数は、再配線層RDL2における配線層の数よりも多い。一例として、再配線層RDL1は、多層配線から構成される一方、再配線層RDL2は、単層配線から構成される。そして、図4に示すように、本実施の形態において、再配線層RDL2を構成する単層配線は、貫通ビアTV1と接続される配線パターンWP1と、半導体チップCHP1と接続され、かつ、配線パターンWP1よりも平面積の大きな配線パターンWP2とを有する。本実施の形態では、配線パターンWP1は、主に、電気信号を伝達する機能を有する一方、配線パターンWP2は、主に、熱を伝達する機能を有する。
<電子機器の構成>
続いて、本実施の形態における電子機器の構成について説明する。図5は、本実施の形態における電子機器の模式的な一部構成を示す断面図である。本明細書において、「電子機器」とは、本実施の形態における電子装置を構成する構造体POP2を、マザーボード(実装基板)MBに搭載したものをいうことにする。図5において、本実施の形態における電子機器は、マザーボードMB上に、図4に示す構造体POP2が搭載されている。
ここで、図5に示すように、本実施の形態におけるマザーボードMBは、平面視において半導体チップCHP1と重なる位置に、半導体チップCHP1から発生した熱を放散させるための放熱構造を有する。具体的に、マザーボードMBに形成されている放熱構造は、マザーボードMBを貫通するように形成された複数のサーマルビアSVと、この複数のサーマルビアSVのそれぞれと接続され、かつ、マザーボードMBの下面に設けられた放熱フィンHSとから構成される。
さらに、図5では示されていないが、本実施の形態におけるマザーボードMBには、半導体チップCHP1に形成された制御回路によって動作が制御される電子部品が搭載されている。すなわち、本実施の形態におけるマザーボードMB上には、本実施の形態における電子装置を構成する構造体POP2の他に、構造体POP2と電気的に接続された電子部品も搭載されている。この場合、例えば、構造体POP2の内部に存在する半導体チップCHP1には、半導体装置MP1および半導体装置MP2の動作を制御する制御回路(第1制御回路)と、マザーボードMB上に配置された電子部品の動作を制御する制御回路(第2制御回路)とを有する。このとき、例えば、半導体装置MP1(MP2)の動作速度は、マザーボードMB上に搭載されている電子部品の動作速度よりも速い。
例えば、図5に示すように、半導体チップCHP1と電子部品(図示せず)との間の電気的な接続は、再配線層RDL1→貫通ビアTV1→再配線層RDL2→半田ボールSB→マザーボードMB上の配線という接続経路を介して行なわれる。
<実施の形態における特徴>
次に、本実施の形態における特徴点について説明する。本実施の形態における第1特徴点は、例えば、図4に示すように、封止体SS2の下面BSに形成されている再配線層RDL2の厚さが、封止体SS2の上面USに形成されている再配線層RDL1の厚さよりも薄くなっている点にある。これにより、本実施の形態によれば、封止体SS2の下面からの放熱効率を向上することができる。つまり、本実施の形態によれば、半導体チップCHP1で発生した熱を封止体SS2の下方へ放熱させる際、放熱経路には、厚さの厚い再配線層RDL1の替わりに、厚さの薄い再配線層RDL2が存在する。この結果、本実施の形態によれば、半導体チップCHP1で発生した熱を封止体SS2の下方へ放熱させる際の放熱効率を向上させることができる。したがって、本実施の形態によれば、電子装置の小型化を実現する上で有用な構造である構造体POP1(図3参照)と同等の基本構造を採用しながらも、上述した本実施の形態における第1特徴点を採用することにより、電子装置の放熱特性を向上できる。つまり、本実施の形態における構造体POP2(図4参照)を採用することにより、小型化と放熱特性の向上とを両立させた電子装置を提供することができる。このことから、本実施の形態における構造体POP2は、消費電力の小さなモバイル製品に適用できるだけでなく、車載用途やセキュリティカメラ用途などに代表される消費電力の大きな製品への展開も可能となる。このように、本実施の形態における第1特徴点を備える構造体POP2は、モバイル製品だけでなく、車載用途やセキュリティカメラ用途などの幅広い製品に使用される電子装置に適用することができる。そして、本実施の形態における第1特徴点を備える構造体POP2は、幅広い製品群において、小型化と放熱特性の向上との両立を実現できる点で優れている。
続いて、本実施の形態における第2特徴点は、例えば、図4に示すように、封止体SS2の下面BSに形成されている再配線層RDL2に含まれる配線パターンWP2が、半導体チップCHP1の平面サイズと同程度の面積を有する幅広パターンから構成されている点にある。そして、本実施の形態における第2特徴点は、平面視において、この幅広パターンが、半導体チップCHP1と重なるように配置されている点にある。これにより、本実施の形態における電子装置を構成する構造体POP2によれば、半導体チップCHP1で発生した熱を幅広パターンから効率良く構造体POP2の外部に放散させることができる。特に、本実施の形態における第1特徴点と第2特徴点とを組み合わせることにより、さらなる電子装置の放熱効率の向上を図ることができる。
次に、本実施の形態における第3特徴点は、例えば、図5に示すように、半導体チップCHP1から発生した熱の主要な放熱経路として、封止体SS2の下面BS側からの放熱経路に着目して、この封止体SS2の下面BS側からの放熱効率を向上している点にある。つまり、構造体POP2における封止体SS2の下面BS側からの放熱経路は、半導体チップCHP1→再配線層RDL2を構成する配線パターンWP2→半田ボールSBの経路となる。そして、図5に示すように、本実施の形態における電子装置を構成する構造体POP2は、マザーボードMB上に実装される。このとき、熱源である半導体チップCHP1から、再配線層RDL2を構成する配線パターンWP2を介して、半田ボールSBにまで伝わった熱は、マザーボードMB上に伝達されることになる。したがって、例えば、図5に示すように、マザーボードMBの領域のうち、半導体チップCHP1と平面的に重なる領域にサーマルビアSVおよび放熱フィンHSを設けている。これにより、熱源である半導体チップCHP1から、再配線層RDL2を構成する配線パターンWP2を介して、半田ボールSBにまで伝わった熱は、マザーボードMBに設けられている複数のサーマルビアSVと放熱フィンHSによって、速やかに外部空間に放散させることができる。
このように、本実施の形態では、電子装置を構成する構造体POP2において、封止体SS2の下面BS側からの放熱経路に着目して、この封止体SS2の下面BS側からの放熱効率を向上する工夫点(第1特徴点と第2特徴点)を施している。そして、図5に示すように、封止体SS2の下面BS側というのは、構造体POP2をマザーボードMBに実装する側であることから、電子装置を構成する構造体POP2における放熱効率を向上させる工夫点の他に、マザーボードMBにおける放熱効率を向上させる工夫点を施す有用性が高まることになる。すなわち、マザーボードMBに放熱構造(サーマルビアSVと放熱フィンHS)を設けることによって、熱源である半導体チップCHP1から、再配線層RDL2を構成する配線パターンWP2を介して、半田ボールSBにまで伝わった熱は、速やかに、マザーボードMBから外部空間に放散させることができる。
以上のように、本実施の形態では、封止体SS2の下面BS側からの放熱経路に着目して、この封止体SS2の下面BS側からの放熱効率を向上している。このため、電子装置を構成する構造体POP2における放熱効率を向上させる工夫点(第1特徴点と第2特徴点)の他に、さらに、構造体POP2を実装するマザーボードMBにおける放熱効率を向上させる工夫点(サーマルビアSVと放熱フィンHS)を施すことができる。つまり、本実施の形態における第3特徴点は、構造体POP2における工夫点と、マザーボードMBにおける工夫点とを組み合わせることが可能となる点で、放熱効率を向上する観点から、大きな技術的意義を有していることになる。
続いて、本実施の形態における第4特徴点は、半導体チップCHP1の接続端子ET1を上側に向けて、半導体チップCHP1が封止体SS2に配置され、かつ、半導体チップCHP1の接続端子ET1が厚さの厚い再配線層RDL1(多層配線層)に含まれる配線と電気的に接続されている点にある。まず、半導体チップCHP1の接続端子ET1が上側を向いているので、半導体チップCHP1の上方に配置されている半導体装置MP1(MP2)と半導体チップCHP1の接続端子ET1との間の距離を短くすることができる。そして、厚さの厚い再配線層RDL1(多層配線層)によって、半導体チップCHP1の接続端子ET1と半導体装置MP1(MP2)の外部端子ET2a(ET2b)との接続を行なうことができる。これにより、本実施の形態における第4特徴点によれば、例えば、図4において、半導体チップCHP1と半導体装置MP1(MP2)との間の電気的な接続経路を短くすることができる。具体的に、半導体チップCHP1と半導体装置MP1(MP2)との間の電気的な接続経路は、図4の太い矢印で示すように、半導体チップCHP1の接続端子ET1→再配線層RDL1に含まれる配線→半導体装置MP1(MP2)の外部端子ET2a(ET2b)となる。この結果、図4に示す構造体POP2では、半導体チップCHP1と半導体装置MP1(MP2)との間の電気的な接続経路における寄生インピーダンスを低減することができる。このことから、寄生インピーダンスの低減によって、特に、半導体装置MP1(MP2)に搭載される高速メモリの動作速度がさらに高速となる次世代の高速メモリに対応する電子装置に対して、図4に示す構造体POP2を採用することができることになる。
ここで、本実施の形態における第4特徴点を採用する場合、例えば、図5において、半導体チップCHP1とマザーボードMB上に搭載される電子部品(図示せず)との間の電気的な接続は、半導体チップCHP1の接続端子ET1→再配線層RDL1→貫通ビアTV1→再配線層RDL2→半田ボールSB→マザーボードMB上の配線という接続経路を介して行なわれる。すなわち、本実施の形態における第4特徴点を採用すると、半導体チップCHP1と半導体装置MP1(MP2)との間の接続経路を短くすることができる一方、半導体チップCHP1とマザーボードMB上に搭載される電子部品(図示せず)との間の接続経路は長くなってしまう。このため、例えば、マザーボードMB上に搭載される電子部品を半導体チップCHP1に形成されている制御回路で制御する場合、電子部品の動作速度は、半導体装置MP1(MP2)の動作速度よりも遅いことが望ましい。なぜなら、本実施の形態における第4特徴点を採用すると、半導体チップCHP1と半導体装置MP1(MP2)との間の接続経路よりも、半導体チップCHP1とマザーボードMB上に搭載される電子部品との間の接続経路が長くなるからである。つまり、接続経路が長くなるということは、寄生インピーダンスが増加することを意味し、寄生インピーダンスが増加するということは、高速動作が困難になることを意味するからである。
次に、本実施の形態における第5特徴点は、例えば、図4に示すように、半導体装置MP1(MP2)が、パッケージ構造体の状態で再配線層RDL1上に配置されている点にある。これにより、本実施の形態における電子装置を構成する構造体POP2の信頼性を向上することができる。
例えば、構造体POP2の小型化を図る観点からは、高速メモリが形成された半導体チップをベアチップ状態で再配線層RDL1上に配置する構成が考えられる。ただし、この場合、ベアチップ状態の半導体チップは、電気的特性検査は実施されるものの、初期不良を検出するバーンイン検査(スクリーニング検査)は実施されていない。このため、電気的特性検査はパスした半導体チップが、ベアチップ状態で再配線層RDL1上に配置され、その後、電子装置の初期動作でベアチップ状態の半導体チップが初期不良に至ることも考えられる。この場合、電子装置が故障することになり、電子装置の信頼性低下を招くことになる。これに対し、本実施の形態では、図4に示すように、半導体装置MP1(MP2)が、パッケージ構造体の状態で再配線層RDL1上に配置されている。このとき、パッケージ構造体の半導体装置MP1(MP2)は、電気的特性検査だけでなく、初期不良を検出するバーンイン検査が実施される。このため、電気的特性検査だけでなく、バーンイン検査もパスした半導体装置MP1(MP2)が、パッケージ構造体の状態で再配線層RDL1上に配置されることになる。この結果、図4に示す本実施の形態における構造体POP2からなる電子装置の信頼性を向上することができる。
<電子装置の製造方法>
続いて、本実施の形態における電子装置の製造方法について、図面を参照しながら説明することにする。まず、図6に示すように、支持部材CR上に再配線層RDL1を形成する。再配線層RDL1は、例えば、支持基板CR上にポリイミド樹脂膜を塗布した後、フォトリソグラフィ技術を使用することにより、ポリイミド樹脂膜に開口部を形成する。その後、開口部の内部にめっき法を使用することにより銅膜を形成する。この結果、ポリイミド樹脂膜の開口部の内部に銅膜からなる銅配線を形成することができる。そして、上述した銅配線を形成する工程を繰り返すことにより、多層配線層からなる再配線層RDL1を形成することができる。
次に、再配線層RDL1上にレジスト膜を塗布した後、フォトリソグラフィ技術を使用することにより、レジスト膜に開口部を形成する。その後、めっき法を使用することにより、この開口部の内部に銅膜を形成する。なお、銅膜上に半田膜を形成してもよい。そして、図7に示すように、レジスト膜を除去して、銅ポストCPを形成する。このようにして、再配線層RDL1から突出し、かつ、再配線層RDL1と電気的に接続される銅ポスト(突出部)CPを再配線層RDL1上に形成することができる。
続いて、図8に示すように、再配線層RDL1上に、接続端子ET1が形成された半導体チップCHP1を搭載する。具体的に、平面視において、銅ポストCPから離間した再配線層RDL1上に半導体チップCHP1が搭載される。そして、図9に示すように、半導体チップCHP1と再配線層RDL1との間の隙間にアンダーフィルUFを充填する。
その後、図10に示すように、半導体チップCHP1および銅ポストCPを覆うように、樹脂MRを形成する。そして、半導体チップCHP1の上面および銅ポストCPの上面を露出させる。これにより、再配線層RDL1上に半導体チップCHP1を封止した封止体SS2を形成することができる。このとき、銅ポストCPは、封止体SS2を貫通する貫通ビアTV1となる。
次に、図11に示すように、貫通ビアTV1と半導体チップCHP1と電気的に接続され、かつ、再配線層RDL1よりも厚さの薄い再配線層RDL2を封止体SS2上に形成する。このとき、再配線層RDL2には、貫通ビアTV1と電気的に接続される配線パターンWP1と、半導体チップCHP1と同程度の平面積を有する幅広パターンからなる配線パターンWP2とが形成される。このとき、平面視において、配線パターンWP2は、半導体チップCHP1と重なる位置に形成される。
続いて、図12に示すように、支持部材CRから再配線層RDL1を分離する。そして、図13に示すように、封止体SS2の下側に再配線層RDL2が配置されるように、再配線層RDL1と再配線層RDL2とを形成した封止体SS2を反転させる。その後、再配線層RDL2に半田ボールSBを接続する。
そして、図4に示すように、再配線層RDL1と電気的に接続される半導体装置MP1(MP2)を再配線層RDL1上に搭載する。以上のようにして、本実施の形態における電子装置を構成する構造体POP2を製造することができる。
<電子機器の製造方法>
本実施の形態における電子機器の製造方法では、上述したようにして製造された構造体POP2を準備した後、図5に示すように、再配線層RDL2をマザーボード(実装基板)MBに対向させた状態で、半田ボールSBを介して、構造体POP2をマザーボードMB上に搭載する。これにより、本実施の形態における電子機器を製造することができる。
<変形例1>
図14は、本変形例1における電子装置を構成する構造体POP2の模式図である。図14において、本変形例1における構造体POP2は、半導体装置MP1と半導体装置MP2との間の再配線層RDL1上に、半導体チップCHP1と電気的に接続されるコンデンサCAPが搭載されている。このコンデンサCAPは、例えば、半導体チップCHP1に形成された集積回路に電源電位を供給する電源線と、半導体チップCHP1に形成された集積回路にグランド電位(基準電位)を供給するグランド線との間に設けられている。これにより、本変形例における構造体POP2によれば、半導体チップCHP1に供給される電源電位およびグランド電位の安定性を向上することができる。
そして、図14に示すように、本変形例1における構造体POP2では、半導体チップCHP1の中央部の上方にコンデンサCAPが配置されている。この結果、コンデンサCAPを挟むように配置されている半導体装置MP1と半導体装置MP2は、発熱量の多い半導体チップCHP1の中央部を避けて配置されることになる。したがって、本変形例1における構造体POP2によれば、半導体チップCHP1で発生した熱によって、半導体装置MP1および半導体装置MP2に悪影響が及ぶことを抑制することができる。
また、図14に示すように、本変形例1における構造体POP2によれば、発熱量の多い半導体チップCHP1の中央部の上方にスペースが設けられるため、このスペースからの熱の放散効果も期待することができる結果、放熱効率の向上を図ることができる。
<変形例2>
図15は、本変形例2における電子装置を構成する構造体POP2の模式図である。図15において、本変形例2における構造体POP2は、封止体SS2を貫通する貫通ビアTV1の他にも、封止体SS2を貫通する放熱用貫通ビアTV2が形成されている。具体的に、図15において、貫通ビアTV1は、主に、再配線層RDL1に含まれる配線と、再配線層RDL2に含まれる配線とを電気的に接続する機能を有する。これに対し、放熱用貫通ビアTV2は、主に、封止体SS2に封止された半導体チップCHP1から発生した熱を放散させる機能を有する。このような放熱用貫通ビアTV2を設けることにより、半導体チップCHP1で発生した熱を構造体POP2の外部へ効率良く放散させることができる。特に、図15に示すように、半導体チップCHP1から発生した熱を効率良く構造体POP2の外部に放散させる観点からは、放熱用貫通ビアTV2を貫通ビアTV1よりも半導体チップCHP1に近い位置に形成することが望ましい。すなわち、本変形例2における構造体POP2の放熱効率を向上する観点からは、半導体チップCHP1と放熱用貫通ビアTV2との間の距離を、半導体チップCHP1と貫通ビアTV1との間の距離よりも小さくすることが望ましい。
以上、本発明者によってなされた発明をその実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。
前記実施の形態は、以下の形態を含む。
(付記1)
(a)支持部材上に第1配線部を形成する工程、
(b)前記第1配線部から突出し、かつ、前記第1配線部と電気的に接続される突出部を前記第1配線部上に形成する工程、
(c)前記(b)工程の後、平面視において前記突出部から離間した前記第1配線部上に第1半導体チップを搭載する工程、
(d)前記(c)工程の後、前記突出部と前記第1半導体チップとを封止する封止体を前記第1配線部上に形成する工程、
(e)前記(d)工程の後、前記突出部と前記第1半導体チップと電気的に接続され、かつ、前記第1配線部よりも厚さの薄い第2配線部を前記封止体上に形成する工程、
(f)前記(e)工程の後、前記支持部材から前記第1配線部を分離する工程、
(g)前記(f)工程の後、前記第1配線部と電気的に接続される半導体装置を前記第1配線部上に搭載する工程、
を備える、電子装置の製造方法。
(付記2)
(a)第1上面と、前記第1上面の反対側に位置する第1下面と、を有し、かつ、内部に第1半導体チップを封止する封止体と、
前記第1上面に形成された第1配線部と、
前記第1下面に形成された第2配線部と、
前記封止体を貫通し、前記第1配線部と前記第2配線部とを電気的に接続する貫通部と、
前記第1配線部上に搭載された半導体装置と、
を備え、
前記第1半導体チップは、前記第1配線部と電気的に接続され、
前記第1半導体チップは、前記第2配線部と電気的に接続され、
前記半導体装置は、前記第1配線部と電気的に接続され、
前記第2配線部の厚さは、前記第1配線部の厚さよりも薄い、電子装置を用意する工程、
(b)前記(a)工程の後、前記第2配線部を実装基板に対向させた状態で、前記電子装置を前記実装基板上に搭載する工程、
を備える、電子機器の製造方法。
BS 下面
CAP コンデンサ
CHP1 半導体チップ
ET1 接続端子
ET2a 外部端子
ET2b 外部端子
MB マザーボード
MP1 半導体装置
MP2 半導体装置
RDL1 再配線層
RDL2 再配線層
SB 半田ボール
SS 封止体
SV サーマルビア
TV 貫通ビア
TV1 貫通ビア
TV2 放熱用貫通ビア
US 上面
WP1 配線パターン
WP2 配線パターン

Claims (20)

  1. 第1上面と、前記第1上面の反対側に位置する第1下面と、を有し、かつ、内部に第1半導体チップを封止する封止体と、
    前記第1上面に形成された第1配線部と、
    前記第1下面に形成された第2配線部と、
    前記封止体を貫通し、前記第1配線部と前記第2配線部とを電気的に接続する貫通部と、
    前記第1配線部上に搭載された半導体装置と、
    を備え、
    前記第1半導体チップは、前記第1配線部と電気的に接続され、
    前記第1半導体チップは、前記第2配線部と電気的に接続され、
    前記半導体装置は、前記第1配線部と電気的に接続され、
    前記第2配線部の厚さは、前記第1配線部の厚さよりも薄い、電子装置。
  2. 請求項1に記載の電子装置において、
    前記第2配線部は、
    前記貫通部と接続される第1パターンと、
    前記第1半導体チップと接続され、かつ、前記第1パターンよりも平面積の大きな第2パターンと、
    を有する、電子装置。
  3. 請求項1に記載の電子装置において、
    前記第1配線部における配線層の数は、前記第2配線部における配線層の数よりも多い、電子装置。
  4. 請求項3に記載の電子装置において、
    前記第1配線部は、多層配線から構成され、
    前記第2配線部は、単層配線から構成される、電子装置。
  5. 請求項1に記載の電子装置において、
    前記第1半導体チップと前記第1配線部とは、接続端子を介して接続され、
    前記第1半導体チップと前記半導体装置との間の電気的な接続は、前記接続端子と前記第1配線部とによってのみ行なわれている、電子装置。
  6. 請求項1に記載の電子装置において、
    前記第1半導体チップと前記半導体装置との間の電気的な接続経路には、前記貫通部と前記第2配線部とが含まれない、電子装置。
  7. 請求項1に記載の電子装置において、
    前記電子装置は、前記第1配線部上に搭載された複数の半導体装置を含む、電子装置。
  8. 請求項7に記載の電子装置において、
    前記複数の半導体装置は、
    第1半導体装置と、
    前記第1配線部上に前記第1半導体装置と並んで離間配置された第2半導体装置と、
    を含む、電子装置。
  9. 請求項8に記載の電子装置において、
    前記第1半導体装置と前記第2半導体装置との間の前記第1配線部上には、前記第1半導体チップと電気的に接続されるコンデンサが搭載されている、電子装置。
  10. 請求項1に記載の電子装置において、
    前記封止体は、前記貫通部とは異なる放熱用貫通部を有する、電子装置。
  11. 請求項10に記載の電子装置において、
    前記第1半導体チップと前記放熱用貫通部との間の距離は、前記第1半導体チップと前記貫通部との間の距離よりも小さい、電子装置。
  12. 請求項1に記載の電子装置において、
    前記半導体装置は、
    第2半導体チップと、
    前記第2半導体チップと電気的に接続された外部端子と、
    を含み、
    前記外部端子は、前記第1配線部と接続されている、電子装置。
  13. 請求項1に記載の電子装置において、
    前記半導体装置は、情報を記憶する半導体記憶装置であり、
    前記第1半導体チップは、前記半導体記憶装置の動作を制御する制御回路を有する、電子装置。
  14. 請求項1に記載の電子装置において、
    前記第2配線部は、実装基板と対向可能な対向面を有し、
    前記第2配線部の前記対向面には、前記第2配線部と接続されるボール端子が配置されている、電子装置。
  15. (a)第1上面と、前記第1上面の反対側に位置する第1下面と、を有し、かつ、内部に第1半導体チップを封止する封止体と、
    前記第1上面に形成された第1配線部と、
    前記第1下面に形成された第2配線部と、
    前記封止体を貫通し、前記第1配線部と前記第2配線部とを電気的に接続する貫通部と、
    前記第1配線部上に搭載された半導体装置と、
    を備え、
    前記第1半導体チップは、前記第1配線部と電気的に接続され、
    前記第1半導体チップは、前記第2配線部と電気的に接続され、
    前記半導体装置は、前記第1配線部と電気的に接続され、
    前記第2配線部の厚さは、前記第1配線部の厚さよりも薄い、電子装置と、
    (b)前記電子装置を搭載する実装基板と、
    を含み、
    前記電子装置は、前記第2配線部を前記実装基板に対向させた状態で、前記実装基板上に搭載されている、電子機器。
  16. 請求項15に記載の電子機器において、
    前記実装基板は、平面視において前記第1半導体チップと重なる位置に、前記第1半導体チップから発生した熱を放散させるための放熱構造を有する、電子機器。
  17. 請求項15に記載の電子機器において、
    前記実装基板には、前記第1半導体チップに形成された制御回路によって動作が制御される電子部品が搭載されている、電子機器。
  18. 請求項15に記載の電子機器において、
    前記第1半導体チップは、
    前記半導体装置の動作を制御する第1制御回路と、
    前記実装基板に配置された電子部品の動作を制御する第2制御回路と、
    を有する、電子機器。
  19. 請求項18に記載の電子機器において、
    前記半導体装置の動作速度は、前記電子部品の動作速度よりも速い、電子機器。
  20. 請求項18に記載の電子機器において、
    前記第1半導体チップと前記電子部品との間の電気的な接続は、前記第1配線部と前記貫通部と前記第2配線部とを介して行なわれる、電子機器。
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