JP3606440B2

JP3606440B2 - 半導体装置

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Publication number: JP3606440B2
Application number: JP2000002406A
Authority: JP
Inventors: 和孝柴田
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 2000-01-11
Filing date: 2000-01-11
Publication date: 2005-01-05
Anticipated expiration: 2020-01-11
Also published as: JP2001196527A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願発明は、複数の半導体チップを積み重ねた、いわゆるチップ・オン・チップと呼称される構造の半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、半導体チップを用いて所望の半導体装置を製造する場合、半導体チップ内に組み込まれた回路素子の実装密度を高めることによって、半導体装置全体の小型化が図られている。近年では、複数の半導体チップを用い、これらを厚み方向に積み重ねた構造、いわゆるチップ・オン・チップ（以下「ＣＯＣ」という）と呼称される構造の半導体装置が提案されている。
【０００３】
図１０は、上記ＣＯＣ構造を適用した半導体装置の一例を示す図である。この半導体装置では、複数（たとえば２つ）の半導体チップ５１，５２が上下に積み重ねられた状態で、略平板状のダイパッド５３上に実装されている。上記２つの半導体チップ５１，５２は、それらの主面５４，５５同士を互いに対向させた状態で接着され、主面５４，５５に形成されているバンプ電極５６，５７同士が異方性導電接着剤５８を介して互いに導通されている。上記半導体チップ５１，５２では、通常、主面５４，５５側の内部に、回路素子等が組み込まれている。
【０００４】
また、上記半導体チップ５１の主面５４に形成されているパッド状電極５９は、ワイヤＷを介してリードフレーム６０に結線接続されている。そして、上記２つの半導体チップ５１，５２、複数のワイヤＷ、およびダイパッド５３等は、たとえばトランスファー成形法等を用いてパッケージング樹脂６１によって封止されている。
【０００５】
ところで、上記半導体チップ５１，５２等が上記パッケージング樹脂６１によって封止される際、パッケージング樹脂６１が硬化されることにより収縮し、半導体チップ５１，５２等はその周囲から上記収縮による押圧力を受けることがある。そのため、上記押圧力によって、主面５４，５５に設けられたバンプ電極５６，５７が半導体チップ５１，５２側に押しやられ、バンプ電極５６，５７の基端側近傍に設けられた図示しない回路素子を損傷させたり、破壊したりするおそれがある。したがって、半導体チップ５１，５２では、通常、バンプ電極５６，５７の基端側近傍に回路素子を設けないようにして、回路素子や配線パターン等の保護を図っている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のように、バンプ電極５６，５７の基端側近傍に回路素子を設けないようにすると、半導体チップ５１，５２内における回路素子の配置や配線パターンの引回しに制約が生じる場合がある。すなわち、バンプ電極５６，５７の配置領域には、基本的に回路素子を形成することができないため、他の領域を選定して回路素子を形成しなければならず、回路の設計自由度が制限されることになる。このことは、回路素子の実装密度を高める上での問題点のひとつになっていた。
【０００７】
【発明の開示】
本願発明は、上記した事情のもとで考え出されたものであって、ＣＯＣ構造の半導体装置において、半導体チップのバンプ電極の基端側近傍に回路素子を設けつつ、回路素子の実装密度を高めることのできる半導体装置を提供することを、その課題とする。
【０００８】
上記の課題を解決するため、本願発明では、次の技術的手段を講じている。
【０００９】
本願発明によって提供される半導体装置は、第１の半導体チップと第２の半導体チップとのそれぞれの主面同士が互いに対面して接着され、かつそれらの主面に形成されている金製の電極同士が互いに対向して導通され、上記第１および第２の半導体チップがパッケージング樹脂によって樹脂パッケージされた半導体装置であって、上記第１および第２の半導体チップが樹脂パッケージされる際の上記パッケージング樹脂の収縮による押圧力を緩和するために、少なくとも上記第１および第２の半導体チップの一方の片面が上記パッケージング樹脂の外部に露出しているとともに、上記第１および第２の半導体チップの各電極の基端近傍の内部に、回路素子が組み込まれていることを特徴としている。
【００１０】
本願発明によれば、この半導体装置では、主面同士が互いに対面して接着された第１および第２の半導体チップのうち、少なくとも一方の半導体チップの片面がパッケージング樹脂の外部に露出するように、パッケージング樹脂によって樹脂パッケージされる。そのため、両半導体チップが樹脂パッケージされる際、パッケージング樹脂が硬化して収縮しても、半導体チップに対して上記収縮による押圧力が緩和され、従来のように、バンプ電極が半導体チップ側に押しやられるといったことを回避することができる。半導体チップのバンプ電極の基端側近傍にも回路素子を設けているため、回路の設計自由度が制限されることがなく、回路素子の実装密度を高めることができる。したがって、半導体装置の一層の小型化を図ることができる。
【００１１】
本願発明の好ましい実施の形態によれば、一方の半導体チップの片面に、放熱体が設けられている。この構成によれば、一方の半導体チップの片面に設けられた放熱板により、半導体チップから発せられる熱を効率よく外部に逃がすことができ、この半導体装置の放熱性を高めることができ、ひいては電子回路の動作を安定させることができる。また、上記放熱板を半導体チップの片面に設けても、放熱板が外部に露出するようになるため、半導体チップが樹脂パッケージされる際の当該樹脂の収縮による押圧力を緩和することができる。
【００１３】
本願発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本願発明の好ましい実施の形態を、添付図面を参照して具体的に説明する。
【００１５】
図１は、本願発明に係る半導体装置の一例を示す断面図である。この半導体装置は、複数の半導体チップを重ね合わせたＣＯＣ構造が適用されたものであり、第１の半導体チップ１と、第２の半導体チップ２と、両半導体チップ１，２を搭載するためのダイパッド３と、複数本のリードフレーム４と、パッケージング樹脂５とが備えられて構成されている。
【００１６】
第１の半導体チップ１および第２の半導体チップ２は、たとえばＬＳＩチップ、あるいはその他のＩＣチップとして構成されたものであり、シリコンチップの片面上に所望の電子回路を集積させて一体的に形成されたものである。以下、上記第１の半導体チップ１および第２の半導体チップ２の、電子回路が集積された側の面を主面１１および主面１２ということにする。
【００１７】
上記第１の半導体チップ１の主面１１には、突起状に形成されたバンプ電極１３と、それよりも平坦な形状に形成されたパッド状電極１４とがそれぞれ複数設けられている。一方、第２の半導体チップ２の主面１２には、上記第１の半導体チップ１の複数のバンプ電極１３と対応する複数の突起状のバンプ電極１５が設けられている。
【００１８】
上記複数のバンプ電極１３，１５は、それらの導電接続性を良好とするために、たとえば金製のバンプ電極として形成されている。また、同様に、上記複数のパッド状電極１４も金線等のワイヤ（後述）との導電接続性を良好とするために、その表面が金製の電極とされている。具体的には、パッド状電極１４は、たとえば第１の半導体チップ１の主面１１に形成されたアルミニウム製の平坦な電極の表面に金メッキを施すことによって形成される。
【００１９】
上記第１の半導体チップ１は、その主面１１が上向きとなる姿勢とされて、その裏面２１が上記ダイパッド３の上面に接着剤等を介して接着されている。上記第２の半導体チップ２は、上記第１の半導体チップ１よりもその大きさが小であり、その裏面２２が上向きとなる姿勢で第１の半導体チップ１上に重ねられている。詳細には、第２の半導体チップ２の主面１２は、第１の半導体チップ１の主面１１と異方性導電接着剤２３を介して接着されている。なお、異方性導電接着剤２３に代わり、異方性導電フィルム等を適用するようにしてもよい。
【００２０】
異方性導電接着剤２３は、図２に示すように、絶縁材料としての、たとえば熱硬化性のエポキシ樹脂内に金属粒子等の導電性粒子２３ａを分散させて含有させたものであって、上記両半導体チップ１，２の主面１１，１２間に存在するだけではその厚み方向に導電性を有することはなく、それらの厚み方向に所定値以上の圧力が加わえられると、その圧力が加えられた部分のみが導電性を有することとなる特性を有している。そのため、上記第１の半導体チップ１のバンプ電極１３と、第２の半導体チップ２のバンプ電極１５とは、それらが互いに対向して配置されることにより、これらの間に所定値以上の圧力が加えられ、異方性導電接着剤２３を介して互いに導通接続されている。したがって、上記両半導体チップ１，２は、互いに電気的に接続された状態で組み合わされている。
【００２１】
図１に戻り、上記第１の半導体チップ１の主面１１に形成されたパッド状電極１４には、金線等からなるワイヤＷがボンディングされ、このワイヤＷは、複数本のリードフレーム４に接続されている。
【００２２】
リードフレーム４は、銅等の薄肉金属板によって形成されたものであり、パッケージング樹脂５の内部に埋没した内部リード２４と、パッケージング樹脂５の外部に突出した外部リード２５とを有している。このリードフレーム４によって、この半導体装置を他の実装基板に実装することができる。すなわち、ハンダペーストが塗布された他の実装基板の所定領域に、上記リードフレーム４を接触させるようにこの半導体装置を載置した後、ハンダペーストを加熱してハンダリフロー処理を行うと、この半導体装置を他の実装基板の所定領域に実装することができる。
【００２３】
ダイパッド３は、たとえば平面視略矩形状に形成されており、上記リードフレーム４と同様に、銅等の薄肉金属板によって形成されている。このダイパッド３に接着剤が塗布されて第１の半導体チップ１が接合される。なお、上記リードフレーム４およびダイパッド３は、後述する導体フレームから派生したものである。
【００２４】
上記パッケージング樹脂５は、たとえば熱硬化性を有するエポキシ樹脂からなり、両半導体チップ１，２の周辺部、ワイヤＷのボンディング位置、ダイパッド３、リードフレーム４の一部等を覆うように成形されている。パッケージング樹脂５の上面５ａは、第２の半導体チップ２の上向きの裏面２２と略面一の高さとされ、上記裏面２２の略全面が外部に露出するように形成されている。
【００２５】
すなわち、本実施形態によると、第２の半導体チップ２の裏面２２が外部に露出するようにパッケージング樹脂５が成形されているので、パッケージング樹脂５の成形の際に、第１および第２の半導体チップ１，２に対して加えられる、パッケージング樹脂５の硬化、収縮による押圧力を緩和することができる。詳細には、従来では上記押圧力によりバンプ電極１３，１５が半導体チップ１，２の内部に押しやられる場合があり、バンプ電極１３，１５の基端部近傍の、半導体チップ１，２の内部には回路素子を設けることができないといった弊害を生じていたが、本実施形態では、第２の半導体チップ２の裏面２２のほぼ全面が外部に露出しているので、バンプ電極１３，１５に影響を及ぼしていた押圧力が緩和されることになる。そのため、バンプ電極１３，１５が半導体チップ１，２の内部に押しやられることが回避され、バンプ電極１３，１５の基端部近傍の、半導体チップ１，２の内部に、回路素子を設けたとしても、これら回路素子の損傷を防止することができる。したがって、回路素子は、安定した動作が行え得、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
【００２６】
また、第２の半導体チップ２の裏面２２を外部に露出させる結果、バンプ電極１３，１５の基端部近傍の、半導体チップ１，２の内部に、回路素子を設けることができるので、回路の設計自由度が制限されることがなく、回路素子の実装密度を高めることができる。したがって、半導体装置の一層の小型化を図ることができる。
【００２７】
次に、この半導体装置の製造方法について説明する。この半導体装置の製造方法では、図３，４に示すような導体フレーム３１が用いられ、この導体フレーム３１に、第１および第２の半導体チップ１，２が搭載される。
【００２８】
まず、導体フレーム３１に搭載される前に、第１の半導体チップ１と第２の半導体チップ２とが重ね合わされる。すなわち、第１の半導体チップ１をその主面１１を上向きにし、裏面２１がたとえば図示しないテープキャリア上に仮接着される。次いで、第１の半導体チップ１の主面１１に異方性導電接着剤２３等を塗布する。この場合、異方性導電接着剤２３の厚みは、バンプ電極１３の高さよりも多少高くなる厚みにしておく。
【００２９】
次に、第２の半導体チップ２を、図示しない吸着コレット等に保持させ、第１の半導体チップ１の上方に配置する。そして、第１および第２の半導体チップ１，２の各バンプ電極１３，１５が対向するように、第１の半導体チップ１に対して第２の半導体チップ２の位置合わせを行う。その後、第２の半導体チップ２を下降させて第２の半導体チップ２を第１の半導体チップ１上に載置し、この第２の半導体チップ２を下方に押し付ける。これにより、異方性導電接着剤２３は、２つの半導体チップ１，２の間で圧縮されて主面１１，１２全域に広がる。
【００３０】
この場合、異方性導電接着剤２３は、互いに対向するバンプ電極１３，１５間において大きな圧縮力を受け、図２に示すように、導電性粒子２３ａが上記バンプ電極１３，１５の表面に密着することとなり、上記バンプ電極１３，１５間のみが適切に導通することになる。その後、異方性導電接着剤２３を加熱して硬化させる。これにより、第１の半導体チップ１と第２の半導体チップ２との接着固定状態をより確実なものとすることができる。
【００３１】
上記のような方法で重ね合わされた第１および第２の半導体チップ１，２は、上述した導体フレーム３１に搭載される。この導体フレーム３１は、たとえば銅製の金属板に打ち抜きプレス加工を施し、所定のフォーミング加工を施す等して形成されたものであり、一定方向に延びる長尺状である。より詳細には、この導体フレーム３１は、多数の送り孔３２が一定間隔で穿設された２条の側縁部３３，３４の間に、第１および第２の半導体チップ１，２を搭載するためのダイパッド３をその長手方向に一定間隔で複数箇所形成したものである。そして、この導体フレーム３１は、上記ダイパッド３を支持するサポートリード３５、上記ダイパッド３から離反した位置に設けられた複数条の内部リード２４、およびこれら複数条の内部リード２４とタイバー３６を介して繋がった複数条の外部リード２５をそれぞれ具備している。
【００３２】
上記導体フレーム３１のダイパッド３上に、図４に示すように、上記両半導体チップ１，２を接着する。この場合、ダイパッド３側または第１の半導体チップ１の裏面２１側、あるいは両方に、予めたとえばチップボンダー等を塗布しておく。その後、第１の半導体チップ１のパッド状電極１４とリードフレーム４の内部リード２４とをワイヤＷを介して結線接続する。
【００３３】
次いで、たとえばトランスファー成形法を用いて、パッケージング樹脂５の成形を行い、両半導体チップ１，２やその周辺部分を封止する樹脂パッケージ作業を行う。詳細には、図５に示すように、両半導体チップ１，２を所定の金型４１，４２を用いてエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂によりパッケージングを行い、パッケージング樹脂５を成形する。この場合、図６に示すように、第２の半導体チップ２の裏面２２と、上側の金型４１の内面４１ａとが接するように、金型４１，４２を両半導体チップ１，２およびリードフレーム４に対して配置し、エポキシ樹脂を金型４１，４２内に注入する。これにより、パッケージング樹脂５は、第２の半導体チップ２の裏面２２と略面一になるような高さまで形成されることになる。
【００３４】
上記樹脂パッケージ作業が終了すれば、導体フレーム３１の不要部分を取り除き、リードフレーム４を折り曲げるフォーミング加工を行う。このような一連の作業工程により、図１に示すような半導体装置を得ることができる。
【００３５】
図７は、本実施形態に係る半導体装置の変形例を示す図である。同図によれば、この半導体装置は、第２の半導体チップ２の裏面２２が外部に露出していることに代わり、第２の半導体チップ２の裏面２２に放熱板４３が設けられ、放熱板４３の片面が外部に露出するようになっている。
【００３６】
上記放熱板４３は、平面視略矩形状の金属製のプレート部材によって形成されており、放熱面積を大きくとるために、その大きさは、第２の半導体チップ２より大とされている。放熱板４３は、一方の側面４３ａが第２の半導体チップ２の裏面２２に、たとえば超音波接合、スポット溶接、またはそれ以外の方法によって接合されている。そして、他方の側面４３ｂが上向きに外部に露出されている。その他の構成については、上記した実施形態の構成と略同様である。
【００３７】
この変形例のように、第２の半導体チップ２の裏面２２に放熱板４３が設けられることにより、第２の半導体チップ２の裏面２２は、直接外部に露出していないが、放熱板４３を通じて間接的に外部に露出することになる。したがって、パッケージング樹脂５を封止する際に、第１および第２の半導体チップ１，２に対する押圧力が緩和されることになり、上述した実施形態と同様に、バンプ電極１３，１５による回路素子の損傷を防止することができる。
【００３８】
また、この実施形態では、第２の半導体チップ２の裏面２２に放熱板４３が設けられ、放熱板４３が外部に直接露出しているため、第２の半導体チップ２から発せられる熱は、上記裏面２２から外部に効率よく逃がすことができる。そのため、この半導体装置の放熱性を良好に維持し、半導体チップ１，２が駆動しているときの温度上昇を抑制し、半導体チップ１，２に組み込まれている電子回路の動作を安定させることができる。
【００３９】
もちろん、この発明の範囲は上述した実施の形態に限定されるものではない。たとえば、上記実施形態においては、第２の半導体チップ２の裏面２２が外部に露出するように構成されていたが、この構成に代わり、第１の半導体チップ１の裏面２１がダイパッド３を介して外部に露出するように、形成されていてもよい。また、図８に示すように、第１および第２の半導体チップ１，２の両方の裏面２１，２２がそれぞれ外部に露出されていてもよい。
【００４０】
また、上記実施形態においては、第２の半導体チップ２に放熱板４３が設けられていたが、図９に示すように、第１の半導体チップ１の裏面２１とダイパッド３を介して繋がっている下面に放熱板４４が設けられていてもよい。さらには、両半導体チップ１，２に両放熱板４３，４４がそれぞれ設けられていてもよい。
【００４１】
また、上記実施形態では、２つの半導体チップを搭載した半導体装置について説明したが、半導体チップの搭載数は、これに限らず、３つ以上の半導体チップが搭載されていてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願発明に係る半導体装置の一例を示す断面図である。
【図２】図１の一部拡大要部断面図である。
【図３】導体フレームの要部平面図である。
【図４】図１に示す半導体装置の製造方法を説明するための図である。
【図５】図１に示す半導体装置の製造方法を説明するための図である。
【図６】図１に示す半導体装置の製造方法を説明するための図である。
【図７】図１に示す半導体装置の変形例を示す断面図である。
【図８】図１に示す半導体装置の他の変形例を示す断面図である。
【図９】図１に示す半導体装置の他の変形例を示す断面図である。
【図１０】従来の半導体装置を示す断面図である。
【符号の説明】
１第１の半導体チップ
２第２の半導体チップ
５パッケージング樹脂
１１主面（第１の半導体チップの）
１２主面（第２の半導体チップの）
１３バンプ電極（第１の半導体チップの）
１５バンプ電極（第２の半導体チップの）
２２裏面（第２の半導体チップの）
２３異方性導電接着剤
４３放熱板

Claims

第１の半導体チップと第２の半導体チップとのそれぞれの主面同士が互いに対面して接着され、かつそれらの主面に形成されている金製の電極同士が互いに対向して導通され、上記第１および第２の半導体チップがパッケージング樹脂によって樹脂パッケージされた半導体装置であって、
上記第１および第２の半導体チップが樹脂パッケージされる際の上記パッケージング樹脂の収縮による押圧力を緩和するために、少なくとも上記第１および第２の半導体チップの一方の片面が上記パッケージング樹脂の外部に露出しているとともに、
上記第１および第２の半導体チップの各電極の基端近傍の内部に、回路素子が組み込まれていることを特徴とする、半導体装置。
上記第１および第２の半導体チップの一方の片面に、放熱体が設けられている、請求項１に記載の半導体装置。