JP3643476B2 - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、2つの半導体素子を金属突起電極で接合し、さらに別基板に金属配線を用いて搭載する高密度実装構造の半導体装置およびその製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、半導体素子の三次元化構造は、高密度かつ高性能を実現できる構造として広く検討されて、特に異種機能半導体素子や、異種材料半導体素子を用いた三次元化構造への展開も期待されている。
以下に従来の金属突起電極を用いた半導体装置とその製造方法について説明する。図5は従来の金属突起電極を用いた半導体装置の断面図を示すものである。図5において、11,12は半導体素子、33は金属突起電極、14は支持基板、15は金属細線、16は電極、17は内部電極、18は外部電極、19は電極、20は樹脂である。
【0003】
従来の金属突起電極を用いた半導体装置では、金属突起電極33により接合された半導体素子11と別の半導体素子12と、さらに半導体素子11と半導体素子12が搭載される半導体基板14、それらを電気的に結線するための金属細線15より構成されている。
次にこの半導体装置の製造方法について図6を用いて説明する。
【0004】
最初に一方の半導体素子11の電極16上に金属突起電極33を形成し、もう一方の半導体素子12上に設計された内部電極17と接合される。その際、半導体素子11と半導体素子12の間に樹脂20を充填させ、上方より圧接用ツール31を用いて接合を行う。その後、金属突起電極33を介在して接合された2枚の半導体素子11と半導体素子12は、サイズの大きい半導体素子12を下方にして支持基板14へ搭載され、前記サイズの大きい半導体素子12の外部電極18と支持電極14の電極19とを金属細線15で結線する。このような半導体装置は最後に樹脂等の材料によりモールドされ各種パッケージの形態をとり最終製品となる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
複数の半導体素子を貼り合わせる場合、従来の方式では、一般的に半導体素子が搭載される基板への結線に必要な外部電極は下方の半導体素子の周辺部に配置設計され、これらの外部電極を覆わないようなチップサイズ、形状の半導体素子を上方の半導体素子として選択してきた。
【0006】
このように上記従来の構成では、上方の半導体素子は下方の半導体素子の外部電極を覆わないサイズ、形状を必要とし、貼り合わせが可能な半導体素子の組み合わせに制約が生じる欠点を有していた。
例えば、マイコンチップとメモリーチップを貼り合わせる場合で説明する。一般的に各々のチップ形状は、マイコンチップが正方形、メモリーチップは長方形をとることが多い。このようなマイコンチップを下方に、メモリーチップを上方に位置させ、これら2枚の半導体素子を高さ約100μmの金属突起電極で接合する場合、各々チップのサイズ、及び形状が著しく異なることから、下方のマイコンチップの外周に配置された外部電極を上方のマイコンチップが部分的に覆う箇所が発生する。その箇所はその後、下方のマイコンチップの外部電極と、接合された半導体素子を搭載する支持基板の電極との電気的結線を行うワイヤボンドを行えないことが起こる。
【0007】
一般的に、ワイヤボンドはループ高さが半導体素子面から約250μmで形成されていることが多いが、金属電極は上記のように100μm以下の微小なものも多い。この様な場合は、下方のマイコンチップに予めワイヤボンドを行えても、後に金属突起電極による半導体素子同士の接続時に、ワイヤは上方の半導体素子と接触してしまう。逆にワイヤ高さを、上記金属電極の高さより低い約100μm以下で形成しようとすると、ワイヤ長さが短くなってしまい、今度はワイヤが下方の半導体素子に当たるという不具合が生じてしまう。このように、チップサイズ、形状が異なる半導体素子を貼り合わせ場合には、通常のワイヤボンドの方式を改善することでは回避できないと考えられる。また、既存の半導体素子を使用できないために、必要に応じてどちらかの半導体素子を新たに開発し直さなければならい課題が発生した。
【0008】
したがって、この発明の目的は、上記従来の問題点を解決するもので、半導体素子のサイズ、形状に影響されることなく、半導体素子同士を貼り合わせることができる半導体装置およびその製造方法を提供することである。
【0009】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するためにこの発明の請求項1記載の半導体装置は、上方の半導体素子の電極と支持基板に搭載された下方の半導体素子の内部電極とが突起電極にて接合され、前記下方の半導体素子上で前記内部電極から離れた位置に形成された外部電極の少なくとも一つが前記外部電極に対向する前記上方の半導体素子で覆われ、前記外部電極と前記支持基板の電極とが金属細線にて接続され、前記上方の半導体素子で覆われた前記外部電極における前記下方の半導体素子の上面からの前記金属細線の高さより前記下方の半導体素子の上面からの前記突起電極の高さが高いことを特徴とする。
【0010】
このように、上方の半導体素子で覆われた外部電極における下方の半導体素子の上面からの金属細線の高さより下方の半導体素子の上面からの突起電極の高さが高いので、下方の半導体素子の外部電極上を上方の半導体素子で覆っても、金属細線は上方の半導体素子と接触することはなく、下方の半導体素子の外部電極から支持基板の電極への結線が可能となる。また、上方の半導体素子のチップサイズを下方の半導体素子のチップサイズより大きくしても、金属細線または電極リードを半導体素子に接触することなく結線することが可能となる。また、金属細線の長さを短くしなくても一対の半導体素子のギャップを突起電極により確保できるので、金属細線長さを短くしたことによって金属細線が下方の半導体素子に当たる不具合を解消できる。このため、貼り合わせの組み合わせを決定する要因である半導体素子のサイズ、形状への制約をなくし、任意の半導体素子同士を貼り合わせた高密度実装構造を有した半導体装置を実現することができる。
【0011】
請求項2記載の半導体装置は、請求項1記載の半導体装置において、上方の半導体素子の電極と下方の半導体素子の内部電極とを接合する突起電極の高さが250μmより高いことを特徴とする。
請求項3記載の半導体装置は、請求項1または2記載の半導体装置において、方の半導体素子の外部電極は、内部電極よりも外側に形成されていることを特徴とする。
請求項4記載の半導体装置は、請求項1または2記載の半導体装置において、金属細線の高さは、下方半導体素子の上面から金属細線の最高部までの高さであることを特徴とする。
請求項5記載の半導体装置は、請求項1,2,3または4記載の半導体装置において、上方の半導体素子が複数であることを特徴とする。
【0014】
請求項6記載の半導体装置の製造方法は、上方の半導体素子の電極又は下方の半導体素子の内部電極に突起電極を形成する工程と、前記下方の半導体素子を支持基板に搭載する工程と、前記下方の半導体素子上で前記内部電極から離れた位置に形成された外部電極と前記支持基板の電極とを金属細線により接続する工程と、前記下方の半導体素子の内部電極と前記上方の半導体素子の電極とを前記突起電極で接合する工程とを含み、形成する前記突起電極の高さを前記下方半導体素子の上面からの前記金属細線の高さより高くすることを特徴とする。
【0015】
このように、下方の半導体素子と上方の半導体素子を接合する突起電極高さを、下方半導体素子の上面からの金属細線の高さより高くするので、下方の半導体素子の外部電極上を上方の半導体素子で覆う場合でも、金属細線が上方の半導体素子に接触することがなく、下方の半導体素子に予め金属細線によるワイヤボンドを行うことができる。また、金属細線の長さを短くしなくても一対の半導体素子のギャップを突起電極により確保できるので、金属細線長さを短くしたことによって金属細線が下方の半導体素子に当たる不具合を解消できる。このように、2枚の半導体素子の貼り合わせを可能とする突起電極と金属細線との関係において、突起電極高さ>金属細線高さ、の条件を満たす突起電極、金属細線を設けることにより、半導体素子サイズ、および形状の制約を受けずに任意の半導体素子同士を貼り合わせることができる優れた半導体装置を製造できる。
【0018】
【発明の実施の形態】
この発明の第1の実施の形態を図1および図2に基づいて説明する。
図1はこの発明の第1の実施の形態の半導体装置の構造を示したものであり、(a)は断面図、(b)は平面図である。図1において、11,12はメモリーチップ、マイコンチップ等の半導体素子で、チップ形状が異なる。この場合、半導体素子11,12はともに矩形であるが、上方に配置される半導体素子11の方が長寸である。半導体素子11には電極16、半導体素子12には内部電極17および外部電極18がそれぞれ設けられ、電極16と内部電極17は金属突起電極13にて接合される。この際、上下の半導体素子11,12の形状が異なるため、下方の半導体素子12の一部の外部電極18上を、上方の半導体素子11面が覆っている。14は半導体素子を搭載する支持基板であり、電極19が設けてある。20は樹脂である。そして、半導体素子11の外部電極18と支持基板14の電極19とがループを描いた金属細線15により接続され、この金属細線15の高さTwより突起電極13の高さTbを大きくしている。このように、金属細線15が金属突起電極13より低いため、半導体素子11,12を貼り合わせても、金属細線15が上方の半導体素子11と接触することなく接合搭載することができる。
【0019】
つぎに、上記のような半導体装置を実現できる製造方法を図2を参照しながら説明する。図2はこの発明の第1の実施の形態の半導体装置の製造方法の工程図である。図2において、31は圧接用ツールである。
まず、図2(a)に示すように、予め一方の半導体素子12の内部電極17上に金属突起電極13が形成された状態で、支持基板14に搭載する。半導体素子12の外部電極18と支持基板14の電極19とを金属細線15により結線する(図2(b))。一般的に金属細線15は半導体素子12面から100〜250μmの間でループ状に結線される。一方、金属突起電極13は金属粒子や、電解めっき法、無電界めっき法などにより容易に形成することができるため、金属細線15より高さが高い金属突起電極13を形成することができる。このことから、支持基板14へ搭載された半導体素子12上に金属細線15より高さの高い金属突起電極13を形成し、半導体素子12上に樹脂20を滴下した後、別の半導体素子11を圧接用ツール31で搭載済みの半導体素子12の金属突起電極13と半導体素子11の電極16とを圧接させる(図2(c))。このとき、半導体素子11と半導体素子12間に充填させた樹脂20は硬化後の収縮応力によりこの接合を強固なものとする。このような工法により、任意の2枚の半導体素子11と半導体素子12、サイズ、形状の影響を受けず、かつ半導体素子11面に損傷を与えることなく接合貼り合わせを行うことを可能にする。
【0020】
以上のようにこの実施の形態によれば、突起電極13の高さTbを金属細線15の高さTwより大きくするので、下方の半導体素子12の外部電極18上を上方の半導体素子11で覆う場合でも、金属細線15が半導体素子11に接触することがないので、下方の半導体素子12に予め金属細線15によるワイヤボンドを行うことができる。また、金属細線15の長さを短くしなくても一対の半導体素子11,12のギャップを突起電極13により確保できるので、金属細線15の長さを短くしたことによって金属細線15が下方の半導体素子12に当たる不具合を解消できる。このように、2枚の半導体素子11,12の貼り合わせを可能とする突起電極13と金属細線15との関係において、突起電極高さTb>金属細線高さTw、の条件を満たす突起電極13、金属細線15を設けることにより、上下のチップサイズ、形状の違いによる貼り合わせ時の組み合わせ制約を回避することができ、さらに任意の半導体素子を用いることが可能なことから、異機能半導体素子や異種材料半導体素子などの組み合わせにも適用することができる。
【0021】
図3はこの発明の実施の形態の構造を用いた半導体装置の種類を示す平面図である。図3に示すように、貼り合わせを行う半導体素子11,12は任意のサイズ、形状で組み合わせることができる。すなわち、下方の半導体素子12の4方向に配置された外部電極18のうち、図3(a)は1方向のみ、(b)は2方向のみ、(c)は3方向のみ、(d)は4方向の外部電極を上方の半導体素子11でそれぞれ覆っている。また、図3(e)は複数のチップ11a,11bを搭載した場合である。このように、多くの形態がこの発明の実施により実現可能となる。
【0022】
この発明の参考例の半導体装置を図4に基づいて説明する。図4に示すように、半導体素子を搭載する支持基板22が空孔23を有し、この空孔23に下方の半導体素子12を配置し、支持基板14の電極から空孔23へ向けて突出しかつ突起電極13の高さより厚さが小さい電極リード21を下方の半導体素子12の電極に接続した。このように、図1の構成の異なるのは下方の半導体素子12と支持基板14の電極19を結線していた金属細線15の代わりに、結線の高さをなくす電極リード21を設けた点、さらに電極リード21を変形させることなく接合させるために下方の半導体素子12が埋め込む空孔23を半導体基板22に設けた点である。
【0023】
つぎに、上記のように構成した半導体装置の製造方法について説明する。第1の実施の形態と同様に下方の半導体素子12に突起電極13を形成する。また、支持基板22に空孔23を設け、電極リード21を支持基板22の電極から空孔23へ向けて突出する。この後、下方の半導体素子12を空孔23に配置し、電極リード21を下方の半導体素子12の電極に接続する。そして、半導体素子12上に樹脂20を滴下した後、上方の半導体素子11と下方の半導体素子12を突起電極13で接合する。
【0024】
以上のようにこの参考例によれば、支持基板22に空孔23を設け、下方の半導体素子12を空孔23に配置することにより、下方の半導体素子12と支持基板14の各々の電極を略同レベルにすることができるため、支持基板14の電極から突出した電極リード21を下方の半導体素子12の電極に接続することができる。この場合、電極リード21の高さはその厚さのみとなり、この厚さは突起電極13の高さより小さいので、下方の半導体素子12の電極上を上方の半導体素子11で覆うことがあっても、電極リード21は上方の半導体素子11と接触することはない。また、電極リード21は空孔23に位置するので、下方の半導体素子11に当たることもない。また、第1の実施の形態と比較すると金属細線の高さをなくす電極リードを設けることによる薄型化と、ワイヤボンドとは工法が異なる一括接合方法による製造を行うことができタクト減少の期待もできる。
【0025】
なお、第1の実施の形態の製造工程において、形状によって金属突起電極13の形成と金属細線15の形成の順序は逆でもよく、さらに金属突起電極13の形成方法は半導体素子11または半導体素子12のいづれの側に形成しても構造上、製造上ともに問題がないことはいうまでもない。
【0026】
【発明の効果】
この発明の請求項1記載の半導体装置によれば、上方の半導体素子で覆われた外部電極における下方の半導体素子の上面からの金属細線の高さより下方の半導体素子の上面からの突起電極の高さが高いので、下方の半導体素子の外部電極上を上方の半導体素子で覆うっても、金属細線は上方の半導体素子と接触することはなく、下方の半導体素子の外部電極から支持基板の電極への結線が可能となる。また、上方の半導体素子のチップサイズを下方の半導体素子のチップサイズより大きくしても、金属細線または電極リードを半導体素子に接触することなく結線することが可能となる。このため、マイコンチップとメモリーチップ等、異種の半導体素子を組み合わせることができる。また、金属細線の長さを短くしなくても一対の半導体素子のギャップを突起電極により確保できるので、金属細線長さを短くしたことによって金属細線が下方の半導体素子に当たる不具合を解消できる。このため、貼り合わせの組み合わせを決定する要因である半導体素子のサイズ、形状への制約をなくし、任意の半導体素子同士を貼り合わせた高密度実装構造を有した半導体装置を実現することができる。
【0027】
請求項2では、請求項1記載の半導体装置において、上方の半導体素子の電極と下方の半導体素子の内部電極とを接合する突起電極の高さが250μmより高いことが好ましい。
請求項3では、請求項1または2記載の半導体装置において、方の半導体素子の外部電極は、内部電極よりも外側に形成されている。
請求項4では、請求項1または2記載の半導体装置において、金属細線の高さは、下方半導体素子の上面から金属細線の最高部までの高さである。
請求項5では、請求項1,2,3または4記載の半導体装置において、上方の半導体素子が複数であることが好ましい。
【0028】
この発明の請求項6記載の半導体装置の製造方法によれば、下方の半導体素子と上方の半導体素子を接合する突起電極高さを、下方半導体素子の上面からの金属細線の高さより高くするので、下方の半導体素子の外部電極上を上方の半導体素子で覆う場合でも、金属細線が上方の半導体素子に接触することがなく、下方の半導体素子に予め金属細線によるワイヤボンドを行うことができる。また、金属細線の長さを短くしなくても一対の半導体素子のギャップを突起電極により確保できるので、金属細線長さを短くしたことによって金属細線が下方の半導体素子に当たる不具合を解消できる。このように、2枚の半導体素子の貼り合わせを可能とする突起電極と金属細線との関係において、突起電極高さ>金属細線高さ、の条件を満たす突起電極、金属細線を設けることにより、半導体素子サイズ、および形状の制約を受けずに任意の半導体素子同士を貼り合わせることができる優れた半導体装置を製造できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 (a)はこの発明の第1の実施の形態の半導体装置の断面図、(b)はその平面図である。
【図2】 この発明の第1の実施の形態の半導体装置の製造方法を示す工程図である。
【図3】 この発明の実施の形態の半導体装置の種類を示す平面図である。
【図4】 この発明の参考例の半導体装置の断面図である。
【図5】 (a)は従来の半導体装置の断面図、(b)はその平面図である。
【図6】 従来の半導体装置の製造方法を示す工程図である。
【符号の説明】
11 半導体素子
12 半導体素子
13 金属突起電極
14 支持基板
15 金属細線
16 電極
17 内部電極
18 外部電極
19 電極
20 樹脂
21 電極リード
22 基板
23 空孔
31 圧接用ツール
Claims (6)
- 上方の半導体素子の電極と支持基板に搭載された下方の半導体素子の内部電極とが突起電極にて接合され、前記下方の半導体素子上で前記内部電極から離れた位置に形成された外部電極の少なくとも一つが前記外部電極に対向する前記上方の半導体素子で覆われ、前記外部電極と前記支持基板の電極とが金属細線にて接続され、前記上方の半導体素子で覆われた前記外部電極における前記下方の半導体素子の上面からの前記金属細線の高さより前記下方の半導体素子の上面からの前記突起電極の高さが高いことを特徴とする半導体装置。
- 上方の半導体素子の電極と下方の半導体素子の内部電極とを接合する突起電極の高さが250μmより高いことを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
- 下方の半導体素子の外部電極は、内部電極よりも外側に形成されていることを特徴とする請求項1または2記載の半導体装置。
- 金属細線の高さは、下方半導体素子の上面から金属細線の最高部までの高さであることを特徴とする請求項1または2記載の半導体装置。
- 上方の半導体素子が複数であることを特徴とする請求項1,2,3または4記載の半導体装置。
- 上方の半導体素子の電極又は下方の半導体素子の内部電極に突起電極を形成する工程と、前記下方の半導体素子を支持基板に搭載する工程と、前記下方の半導体素子上で前記内部電極から離れた位置に形成された外部電極と前記支持基板の電極とを金属細線により接続する工程と、前記下方の半導体素子の内部電極と前記上方の半導体素子の電極とを前記突起電極で接合する工程とを含み、形成する前記突起電極の高さを前記下方半導体素子の上面からの前記金属細線の高さより高くすることを特徴とする半導体装置の製造方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP05022898A JP3643476B2 (ja) | 1998-03-03 | 1998-03-03 | 半導体装置およびその製造方法 |
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JP05022898A JP3643476B2 (ja) | 1998-03-03 | 1998-03-03 | 半導体装置およびその製造方法 |
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Publication Number | Publication Date |
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