JP3695458B2 - 半導体装置、回路基板並びに電子機器 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体装置及びその製造方法、回路基板並びに電子機器に関する。
半導体装置の製造において、ワイヤボンディングは、信頼性の高い電気的接続方法として知られている。ワイヤボンディングを適用したスタックドタイプの半導体装置において、スタックされる半導体チップが同じ大きさである(あるいは上の半導体チップが大きい)場合、上下の半導体チップ間にスペーサを介在させているので、パッケージの厚みが大きくなってしまう。また、半導体チップをインターポーザにフェースダウンボンディングした構造に、ワイヤボンディングを適用する技術が知られている(特許文献1参照)。この構造において、半導体チップの裏面に、他の半導体チップをフェースアップボンディングするとともに、ワイヤボンディングを適用した場合、それぞれの半導体チップを別々に封止することになるので、それぞれの封止部が剥離する可能性がある。
特開平2000−138317号公報
本発明の目的は、ワイヤボンディングを適用したスタックドタイプの半導体装置において、パッケージの厚みが大きくならないようにするとともに、封止部を剥離しにくくすることにある。
(1)本発明に係る半導体装置は、第1の面に第1の配線パターンが形成され、第2の面に第2の配線パターンが形成され、貫通穴が形成されてなるインターポーザと、
第1の電極を有し、前記貫通穴と前記第1の電極がオーバーラップするように、前記インターポーザの前記第1の面に搭載されてなる第1の半導体チップと、
第2の電極を有し、前記第1の半導体チップとは反対に前記第2の電極を向けて、前記第1の半導体チップに積み重ねられてなる第2の半導体チップと、
前記第2の面側に配置され、前記第1の電極と前記第2の配線パターンにボンディングされてなる第1のワイヤと、
前記第1の面側に配置され、前記第2の電極と前記第1の配線パターンにボンディングされてなる第2のワイヤと、
前記インターポーザの前記第1の面上に設けられた第1の部分と、前記インターポーザの前記第2の面上に設けられた第2の部分と、前記貫通穴を通るように設けられて前記第1及び第2の部分を連結する第3の部分と、を含み、前記第1及び第2の半導体チップを封止し、前記第1及び第2のワイヤを封止し、前記第1及び第2の配線パターンの前記第1及び第2のワイヤとのボンディング部を封止する封止部と、
を有する。本発明によれば、第1及び第2の半導体チップが、第1及び第2の電極が反対に向くように積み重ねられているので、スペーサを使用しなくても第1の電極に第1のワイヤをボンディングすることができる。このため、パッケージの厚みが大きくならない。また、封止部の第1及び第2の部分が第3の部分によって連結されているので、封止部が剥離しにくくなる。
(2)この半導体装置において、
複数の前記第1の電極にボンディングされてなる複数の前記第1のワイヤを含み、
全ての前記第1のワイヤは、前記第1の半導体チップとオーバーラップする領域を除く位置で、前記第2の配線パターンにボンディングされていてもよい。
(3)この半導体装置において、
前記第1の半導体チップの、相互に反対側の両端部のそれぞれに前記第1の電極が設けられ、
前記第1のワイヤは、前記第1の半導体チップの前記両端部の一方から、他方を超えるように延びて、前記第1の半導体チップの外側で、前記第2の配線パターンにボンディングされていてもよい。
(4)この半導体装置において、
前記第1の半導体チップは、複数の前記第1の電極を含み、
前記第2の半導体チップは、複数の前記第2の電極を含み、
前記第1及び第2の電極は、それぞれ、同じ配列パターンに従って配列され、
積み重ねられた前記第1及び第2の半導体チップの、オーバーラップする位置にある前記第1及び第2の電極が電気的に接続されていてもよい。
(5)本発明に係る回路基板は、上記半導体装置が実装されてなる。
(6)本発明に係る電子機器は、上記半導体装置を有する。
(7)本発明に係る半導体装置の製造方法は、(a)第1の面に第1の配線パターンが形成され、第2の面に第2の配線パターンが形成され、貫通穴が形成されてなるインターポーザに、第1の電極を有する第1の半導体チップを、前記貫通穴と前記第1の電極がオーバーラップするように搭載すること、
(b)第2の電極を有する第2の半導体チップを、前記第1の半導体チップとは反対に前記第2の電極を向けて、前記第1の半導体チップに積み重ねること、
(c)前記第2の面側で、前記第1の電極と前記第2の配線パターンに第1のワイヤをボンディングすること、
(d)前記第1の面側で、前記第2の電極と前記第1の配線パターンに第2のワイヤをボンディングすること、及び、
(e)トランスファモールド法によって、前記第1及び第2の半導体チップを封止し、前記第1及び第2のワイヤを封止し、前記第1及び第2の配線パターンの前記第1及び第2のワイヤとのボンディング部を封止すること、
を含み、
前記(e)工程は、前記インターポーザの前記第1及び第2の面の一方から他方に、前記貫通穴を介して樹脂を流して、前記第1の面上の第1の部分と、前記第2の面上の第2の部分と、前記貫通穴を通って前記第1及び第2の部分を連結する第3の部分と、を一体的に有するように封止部を形成する。本発明によれば、第1及び第2の半導体チップを、第1及び第2の電極が反対に向くように積み重ねるので、スペーサを使用しなくても第1の電極に第1のワイヤをボンディングすることができる。このため、パッケージの厚みが大きくならない。また、封止を行うときに、貫通穴を介して、樹脂をインターポーザの第1及び第2の面の一方から他方に流すので、封止部の第1、第2及び第3の部分の形成を一度に行うことができ、工程を短縮又は簡略化することができる。また、第1及び第2の部分を第3の部分によって連結するので、封止部が剥離しにくくなる。
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
図1及び図2は、本発明の実施の形態に係る半導体装置を説明する図である。図1は、図2に示す半導体装置のI−I線断面図である。
半導体装置は、インターポーザ10を有する。インターポーザ10は、基板であって、プレートであってもよい。インターポーザ10は矩形をなしていてもよい。インターポーザ10は、ポリイミド樹脂などの樹脂で形成されていてもよいし、樹脂などの有機材料及び無機材料の混合材料で形成されてもよいし、金属基板やセラミック基板であってもよい。インターポーザ10の第1の面12には、第1の配線パターン14が形成されている。インターポーザ10の第2の面16には、第2の配線パターン18が形成されている。第1及び第2の配線パターン14,18は、それぞれ、複数点を電気的に接続する配線と、他の部品との電気的な接続部となるランドを有していてもよい。第1及び第2の配線パターン14,18は、図示しないスルーホール等を介して電気的に接続されてもよいし、電気的に接続されていなくてもよい。
インターポーザ10には、1つ又は複数の貫通穴20が形成されてなる。貫通穴20は、第1及び第2の面12,16を貫通する。第1及び第2の配線パターン14,18は、貫通穴20とオーバーラップしないように形成されている。貫通穴20は、長穴(長方形、長円又は楕円)形状になっていてもよい。
半導体装置は、第1の半導体チップ30を有する。第1の半導体チップ30には、集積回路32が形成されている。第1の半導体チップ30は、複数の第1の電極34を有する。第1の電極34は、パッドのみであってもよいが、図1に示すようにパッド及びその上に設けられたバンプを含んでもよい。第1の電極34は、集積回路32が形成された面に設けられている。第1の半導体チップ30はペリフェラル型であってもよい。その場合、第1の電極34は、第1の半導体チップ30の端部に1列又は複数列で設けられる。第1の半導体チップ30の相互に反対側の両端部のそれぞれに第1の電極34を1列又は複数列で配列してもよい。図2に示す例では、第1の半導体チップ30の矩形面において、第1の電極34が、平行な2辺の端部に配列されているが、矩形の4辺の端部に配列してもよい。変形例として、第1の電極34を第1の半導体チップ30の中央部に1列又は複数列で設けてもよい。
第1の半導体チップ30は、インターポーザ10に搭載されている。第1の半導体チップ30は、接着剤22を介して、インターポーザ10に接着されている。接着剤22は、樹脂であってもよい。接着剤22は、エネルギー硬化性(熱硬化性又は紫外線硬化性など)であってもよい。接着剤22は、電気的に絶縁性であってもよい。
第1の半導体チップ30の第1の電極34が形成された面が、インターポーザ10の第1の面12に対向している。なお、集積回路32の全体がインターポーザ10の第1の面12とオーバーラップしてもよいし、集積回路32の一部が貫通穴20とオーバーラップしてもよい。
第1の半導体チップ30は、第1の電極34が貫通穴20とオーバーラップするように配置されている。図1に示すように、第1の電極34が貫通穴20内に入り込んでいてもよい。さらに、第1の電極34は、貫通穴20を通してインターポーザ10の第2の面16から突出してもよい。あるいは、第1の電極34が貫通穴20内に入り込まないようになっていてもよい。図2に示すように、1つの貫通穴20と、例えば1つの端部に配列された2つ以上の第1の電極34(全部ではないが複数の第1の電極34)とがオーバーラップしていてもよい。第1の半導体チップ30は、貫通穴20を完全には覆わないよう(塞がない)ように配置されている。すなわち、貫通穴20の一部が、第1の半導体チップ30とオーバーラップしないようになっている。こうすることで、第1の半導体チップ30が搭載されても、インターポーザ10は、貫通穴20を通した第1及び第2の面12,16の連通状態が維持される。
第1の電極34と、インターポーザ10に形成された第2の配線パターン18には、第1のワイヤ36がボンディングされている。こうして、第1の電極34と第2の配線パターン18が電気的に接続される。第1のワイヤ36は、第2の面16側に配置されている。第1のワイヤ36の、第1の電極34とのボンディング部は、貫通穴20とオーバーラップするように位置しており、貫通穴20内に位置してもよいし、貫通穴20から突出して位置してもよい。第1のワイヤ36は、貫通穴20内であって第2の面16からインターポーザ10の厚み方向に深い位置で、第1の電極34とボンディングされていてもよい。複数の第1の電極34に複数の第1のワイヤ36がボンディングされている場合、全ての第1のワイヤ36が、第1の半導体チップ30とオーバーラップする領域を除く位置で、第2の配線パターン18とボンディングされていてもよい。
半導体装置は、第2の半導体チップ40を有する。第2の半導体チップ40には、集積回路42が形成されている。第2の半導体チップ40は、複数の第2の電極44を有する。第2の電極44は、パッドのみであってもよいし、パッド及びその上に設けられたバンプを含んでもよい。第2の半導体チップ40についての内容は、第1の半導体チップ30の内容が該当してもよい。また、複数の第1の電極34及び複数の第2の電極44は、同じ配列パターンに従って配列されていてもよい。第1及び第2の半導体チップ30,40は、同じ大きさ、同じ形状、同じ構造であってもよい。なお、「同じ」とは、少なくとも設計上同じであることを意味し、製造上の誤差による相違は無視する。あるいは、第2の半導体チップ40が、第1の半導体チップ30よりも大きくてもよい。
第2の半導体チップ40は、第1の半導体チップ30に積み重ねられている。また、第2の電極44(又はそれが形成された面)は、第1の電極34(又はそれが形成された面)とは反対を向いている。1つの第1の電極34と1つの第2の電極44がオーバーラップしてもよい。第1及び第2の半導体チップ30,40は、接着剤24によって接着されていてもよい。
第2の電極44と、インターポーザ10に形成された第1の配線パターン14には、第2のワイヤ46がボンディングされている。こうして、第2の電極44と第1の配線パターン14が電気的に接続される。第2のワイヤ46は、第1の面12側に配置されている。複数の第2の電極44に複数の第2のワイヤ46がボンディングされている場合、全ての第2のワイヤ46が、第2の半導体チップ40とオーバーラップする領域を除く位置で、第1の配線パターン18とボンディングされていてもよい。
半導体装置は、封止部50を有する。封止部50は、インターポーザ10の第1の面12上に設けられた第1の部分52を有する。封止部50は、インターポーザ10の第2の面16上に設けられた第2の部分54を有する。封止部50(例えば第1の部分52)は、第1及び第2の半導体チップ30,40を封止する。封止部50(例えば第1の部分52)は、第2のワイヤ46を封止する。封止部50(例えば第2の部分54)は、第1のワイヤ36を封止する。封止部50(例えば第1の部分52)は、第1の配線パターン14の第2のワイヤ46とのボンディング部を封止する。封止部50(例えば第2の部分54)は、第2の配線パターン18の第1のワイヤ36とのボンディング部を封止する。封止部50は、貫通穴20を通るように設けられて第1及び第2の部分52,54を連結する第3の部分56を有する。封止部50(例えば第3の部分56)は、第1の半導体チップ30の第1の電極34を封止していてもよい。
封止部50は、樹脂(例えばモールド樹脂)で形成してもよい。封止部50は、インターポーザ10よりも熱膨張率が小さくてもよい。熱膨張率を小さくするために、封止部50はシリカを含有していてもよい。本実施の形態によれば、封止部50の第1及び第2の部分52,54が第3の部分56によって連結されているので、封止部50が剥離しにくくなっている。
半導体装置は、複数の外部端子(例えばハンダボール)58を有していてもよい。外部端子58は、インターポーザ10の第2の面16側に(詳しくは第2の配線パターン18(例えばそのランド)上に)設けられる。外部端子58は、軟ろう(soft solder)又は硬ろう(hard solder)のいずれで形成してもよい。軟ろうとして、鉛を含まないハンダ(以下、鉛フリーハンダという。)を使用してもよい。鉛フリーハンダとして、スズー銀(Sn―Ag)系、スズ−ビスマス(Sn−Bi)系、スズ−亜鉛(Sn−Zn)系、あるいはスズ−銅(Sn−Cu)系の合金を使用してもよいし、これらの合金に、さらに銀、ビスマス、亜鉛、銅のうち少なくとも1つを添加してもよい。
本実施の形態によれば、第1及び第2の半導体チップ30,40が、第1及び第2の電極34,44が反対に向くように積み重ねられているので、スペーサを使用しなくても第1の電極34に第1のワイヤ36をボンディングすることができる。このため、パッケージの厚みが大きくならない。
図3〜図7は、本発明に係る半導体装置の製造方法を説明する図である。図3に示すように、インターポーザ10に、第1の半導体チップ30を、貫通穴20と第1の電極34がオーバーラップするように搭載する。インターポーザ10と第1の半導体チップ30とは、接着剤22によって接着してもよい。また、第2の半導体チップ40を、第1の半導体チップ30とは反対に第2の電極44を向けて、第1の半導体チップ30に積み重ねる。第1及び第2の半導体チップ30,40は、接着剤24によって接着してもよい。インターポーザ10と、第1及び第2の半導体チップ30,40の位置関係については、上述した半導体装置の構成についての説明から導き出される内容が該当する。
図4に示すように、インターポーザ10の第2の面16側で、第1の電極34と第2の配線パターン18に第1のワイヤ36をボンディングする。ボンディングのために、第1の電極34が上を向くように、ブロック60上に第1及び第2の半導体チップ30,40を載せてもよい。第2の半導体チップ40をブロック60上に接触させてもよい。ブロック60は、ヒータブロックであってもよい。その場合、第1及び第2の半導体チップ30,40を加熱し、さらに第1の電極34を加熱することができる。
図5に示すように、インターポーザ10の第1の面12側で、第2の電極44と第1の配線パターン14に第2のワイヤ46をボンディングする。ボンディングのために、第2の電極44が上を向くように、ブロック62上に第1及び第2の半導体チップ30,40を載せてもよい。インターポーザ10をブロック62上に接触させてもよい。ブロック62は、ヒータブロックであってもよい。その場合、第1及び第2の半導体チップ30,40を加熱し、さらに第2の電極44を加熱することができる。先に第1のワイヤ36が設けてある場合、これを避けるようにブロック62が形成されている。第1のワイヤ36の、第1の電極34とのボンディング部が、貫通穴20内であってインターポーザ10の厚み方向に深い位置にある場合、第1のワイヤ36の、第2の面16からのループを低くすることができる。この場合、ブロック62の、第1のワイヤ36を避けるための凹部、窪み又は切り欠きを小さくすることができる。図4及び図5の工程は、いずれを先に行ってもよい。
図4及び図5に示す例とは異なる例として、第1及び第2の電極34,44のうち、後にボンディングされる一方が、他方よりも、第1又は第2の半導体チップ30,40の中央に近い位置に設けられていてもよい。その場合、先にボンディングされた第1又は第2のワイヤ36,46を避けるように形成されたブロック60又は62の上方(真上)で、後のボンディングを行うことができる。すなわち、後に第1又は第2のワイヤ36,46をボンディングする部分をブロック60又は62によって支持することができるので、第1又は第2の半導体チップ30,40の割れを防止することができる。
図6に示すように、樹脂64によって、第1及び第2の半導体チップ30,40を封止する。また、樹脂64によって、第1及び第2のワイヤ36,46を封止する。樹脂64によって、第1及び第2の配線パターン14,18の第1及び第2のワイヤ36,46とのボンディング部を封止する。樹脂64によって、第1及び第2の電極34,44の第1及び第2のワイヤ36,46とのボンディング部を封止する。
封止工程には、トランスファモールド法を適用してもよく、上型66及び下型68を使用してもよい。例えば、インターポーザ10の第1及び第2の面12,16の一方から他方に、貫通穴20を介して樹脂64を流してもよい。
こうして、図7に示すように、第1の面12上の第1の部分52と、第2の面16上の第2の部分54と、貫通穴20を通って第1及び第2の部分52,54を連結する第3の部分56と、を一体的に有するように封止部50を形成する。
本実施の形態では、以上の工程を経て、半導体装置を製造することができる。このプロセスは、半導体装置の構造についての説明から導き出すことができる内容を含む。本実施の形態によれば、封止を行うときに、貫通穴20を介して、樹脂64をインターポーザ10の第1及び第2の面12,16の一方から他方に流すので、封止部50の第1、第2及び第3の部分52,54,56の形成を一度に行うことができ、工程を短縮又は簡略化することができる。また、第1及び第2の部分52,54を第3の部分56によって連結するので、封止部50がインターポーザ10から剥離しにくくなる。
図8は、上述した実施の形態の変形例を説明する断面図であり、図9は、その平面図である。第1の半導体チップ30の、相互に反対側の両端部のそれぞれには第1の電極34が設けられている。第1の半導体チップ30は、複数の第1の電極34を含む。第2の半導体チップ40は、複数の第2の電極44を含む。第1及び第2の電極34,44は、それぞれ、同じ配列パターンに従って配列されている。
この変形例では、第1のワイヤ70が、上述した実施の形態と異なる。図9に示すように、第1のワイヤ70は、第1の半導体チップ30の両端部の一方から、他方を超えるように延びている。また、第1のワイヤ70は、第1の半導体チップ30の外側で、第2の配線パターン18にボンディングされている。こうすることで、第1及び第2の半導体チップ30,40を、図8に示すように、背中合わせに配置しても、配列パターンにおいて同じ位置にある第1及び第2の電極34,44の、第1及び第2の配線パターン14,18とのボンディング部が近くなる。そして、積み重ねられた第1及び第2の半導体チップ30,40の、オーバーラップする位置にある第1及び第2の電極34,44は電気的に接続されていてもよい。詳しくは、オーバーラップする位置にある第1及び第2の電極34,44にボンディングされた第1及び第2のワイヤ70,46は、それぞれ、第1及び第2の配線パターン14,18にボンディングされ、その第1及び第2のワイヤ70,46の、第1及び第2の配線パターン14,18とのボンディング部が、図示しないスルーホール等によって電気的に接続されている。
この変形例によれば、電極が相互に面対称の関係を有するように配列された2つの半導体チップ(いわゆるミラーチップ)を使用しなくても、配列パターンにおいて同じ位置にある第1及び第2の電極34,44を電気的に接続することができる。その他の内容については、上述した実施の形態で説明した内容を適用することができる。
図10には、上述した実施の形態で説明した半導体装置1が実装された回路基板1000が示されている。この半導体装置を有する電子機器として、図11にはノート型パーソナルコンピュータ3000が示され、図12には携帯電話3000が示されている。
本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成(例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び結果が同一の構成)を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。さらに、本発明は、実施の形態で説明した技術的事項のいずれかを限定的に除外した内容を含む。あるいは、本発明は、上述した実施の形態から公知技術を限定的に除外した内容を含む。
図1は、図2に示す半導体装置のI−I線断面図である。 図2は、本発明の実施の形態に係る半導体装置を説明する図である。 図3は、本発明に係る半導体装置の製造方法を説明する図である。 図4は、本発明に係る半導体装置の製造方法を説明する図である。 図5は、本発明に係る半導体装置の製造方法を説明する図である。 図6は、本発明に係る半導体装置の製造方法を説明する図である。 図7は、本発明に係る半導体装置の製造方法を説明する図である。 図8は、本発明に係る半導体装置の製造方法の変形例を説明する断面図である。 図9は、本発明に係る半導体装置の製造方法の変形例を説明する平面図である。 図10は、本実施の形態に係る半導体装置が実装された回路基板を示す図である。 図11は、本実施の形態に係る半導体装置を有する電子機器を示す図である。 図12は、本実施の形態に係る半導体装置を有する電子機器を示す図である。
符号の説明
10…インターポーザ 12…第1の面 14…第1の配線パターン 16…第2の面 18…第2の配線パターン 18…第1の配線パターン 20…貫通穴 22…接着剤 24…接着剤 30…第1の半導体チップ 32…集積回路 34…第1の電極 36…第1のワイヤ 40…第2の半導体チップ 42…集積回路 44…第2の電極 46…第2のワイヤ 50…封止部 52…第1の部分 54…第2の部分 56…第3の部分 58…外部端子 60…ブロック 62…ブロック 64…樹脂 66…上型 68…下型 70…第1のワイヤ

Claims (5)

  1. 第1の面に第1の配線パターンが形成され、第2の面に第2の配線パターンが形成され、貫通穴が形成されてなるインターポーザと、
    第1の電極を有し、前記貫通穴と前記第1の電極がオーバーラップするように、前記インターポーザの前記第1の面に搭載されてなる第1の半導体チップと、
    第2の電極を有し、前記第1の半導体チップとは反対に前記第2の電極を向けて、前記第1の半導体チップに積み重ねられてなる第2の半導体チップと、
    前記第2の面側に配置され、前記第1の電極と前記第2の配線パターンにボンディングされてなる第1のワイヤと、
    前記第1の面側に配置され、前記第2の電極と前記第1の配線パターンにボンディングされてなる第2のワイヤと、
    前記インターポーザの前記第1の面上に設けられた第1の部分と、前記インターポーザの前記第2の面上に設けられた第2の部分と、前記貫通穴を通るように設けられて前記第1及び第2の部分を連結する第3の部分と、を含み、前記第1及び第2の半導体チップを封止し、前記第1及び第2のワイヤを封止し、前記第1及び第2の配線パターンの前記第1及び第2のワイヤとのボンディング部を封止する封止部と、
    を有し、
    前記第1の半導体チップの、相互に反対側の両端部のそれぞれに前記第1の電極が設けられ、
    前記第1のワイヤは、前記第1の半導体チップの前記両端部の一方から、他方を超えるように延びて、前記第1の半導体チップの外側で、前記第2の配線パターンにボンディングされてなる半導体装置。
  2. 請求項1記載の半導体装置において、
    複数の前記第1の電極にボンディングされてなる複数の前記第1のワイヤを含み、
    全ての前記第1のワイヤは、前記第1の半導体チップとオーバーラップする領域を除く位置で、前記第2の配線パターンにボンディングされてなる半導体装置。
  3. 請求項1記載の半導体装置において、
    前記第1の半導体チップは、複数の前記第1の電極を含み、
    前記第2の半導体チップは、複数の前記第2の電極を含み、
    前記第1及び第2の電極は、それぞれ、同じ配列パターンに従って配列され、
    積み重ねられた前記第1及び第2の半導体チップの、オーバーラップする位置にある前記第1及び第2の電極が電気的に接続されてなる半導体装置。
  4. 請求項1から請求項3のいずれかに記載の半導体装置が実装されてなる回路基板。
  5. 請求項1から請求項3のいずれかに記載の半導体装置を有する電子機器。
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