JP3819851B2 - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

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    • H01L2224/44—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors prior to the connecting process
    • H01L2224/45—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors prior to the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/45001—Core members of the connector
    • H01L2224/45099—Material
    • H01L2224/451—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof
    • H01L2224/45138—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
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    • H01L2224/48151—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
    • H01L2224/48221—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
    • H01L2224/48225—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation
    • H01L2224/48227—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation connecting the wire to a bond pad of the item
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    • H01L2224/4847—Connecting portions the connecting portion on the bonding area of the semiconductor or solid-state body being a wedge bond
    • H01L2224/48471—Connecting portions the connecting portion on the bonding area of the semiconductor or solid-state body being a wedge bond the other connecting portion not on the bonding area being a ball bond, i.e. wedge-to-ball, reverse stitch
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    • H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L2224/48—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/485—Material
    • H01L2224/48505—Material at the bonding interface
    • H01L2224/48599—Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Gold (Au)
    • H01L2224/486—Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Gold (Au) with a principal constituent of the bonding area being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof
    • H01L2224/48617—Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Gold (Au) with a principal constituent of the bonding area being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 400°C and less than 950 °C
    • H01L2224/48624—Aluminium (Al) as principal constituent
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    • H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L2224/49—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of a plurality of wire connectors
    • H01L2224/494—Connecting portions
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    • H01L2224/732—Location after the connecting process
    • H01L2224/73201—Location after the connecting process on the same surface
    • H01L2224/73203—Bump and layer connectors
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    • H01L2224/732—Location after the connecting process
    • H01L2224/73251—Location after the connecting process on different surfaces
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    • H01L2224/74—Apparatus for manufacturing arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and for methods related thereto
    • H01L2224/78—Apparatus for connecting with wire connectors
    • H01L2224/7825—Means for applying energy, e.g. heating means
    • H01L2224/783—Means for applying energy, e.g. heating means by means of pressure
    • H01L2224/78301—Capillary
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    • H01L2224/80—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected
    • H01L2224/83—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a layer connector
    • H01L2224/8319—Arrangement of the layer connectors prior to mounting
    • H01L2224/83191—Arrangement of the layer connectors prior to mounting wherein the layer connectors are disposed only on the semiconductor or solid-state body
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    • H01L2224/83—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a layer connector
    • H01L2224/838—Bonding techniques
    • H01L2224/8385—Bonding techniques using a polymer adhesive, e.g. an adhesive based on silicone, epoxy, polyimide, polyester
    • H01L2224/83855—Hardening the adhesive by curing, i.e. thermosetting
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    • H01L2224/80—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected
    • H01L2224/85—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a wire connector
    • H01L2224/8512—Aligning
    • H01L2224/85148—Aligning involving movement of a part of the bonding apparatus
    • H01L2224/85169—Aligning involving movement of a part of the bonding apparatus being the upper part of the bonding apparatus, i.e. bonding head, e.g. capillary or wedge
    • H01L2224/8518—Translational movements
    • H01L2224/85181—Translational movements connecting first on the semiconductor or solid-state body, i.e. on-chip, regular stitch
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    • H01L2224/85—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a wire connector
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    • H01L2224/85148—Aligning involving movement of a part of the bonding apparatus
    • H01L2224/85169—Aligning involving movement of a part of the bonding apparatus being the upper part of the bonding apparatus, i.e. bonding head, e.g. capillary or wedge
    • H01L2224/8518—Translational movements
    • H01L2224/85186—Translational movements connecting first outside the semiconductor or solid-state body, i.e. off-chip, reverse stitch
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    • H01L2224/95—Batch processes at chip-level, i.e. with connecting carried out on a plurality of singulated devices, i.e. on diced chips
    • H01L2224/97—Batch processes at chip-level, i.e. with connecting carried out on a plurality of singulated devices, i.e. on diced chips the devices being connected to a common substrate, e.g. interposer, said common substrate being separable into individual assemblies after connecting
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    • H01L2225/00—Details relating to assemblies covered by the group H01L25/00 but not provided for in its subgroups
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    • H01L2225/04—All the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/648 and H10K99/00 the devices not having separate containers
    • H01L2225/065—All the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/648 and H10K99/00 the devices not having separate containers the devices being of a type provided for in group H01L27/00
    • H01L2225/06503—Stacked arrangements of devices
    • H01L2225/0651—Wire or wire-like electrical connections from device to substrate
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    • H01L2225/06503—Stacked arrangements of devices
    • H01L2225/06513—Bump or bump-like direct electrical connections between devices, e.g. flip-chip connection, solder bumps
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    • H01L2225/06503—Stacked arrangements of devices
    • H01L2225/06527—Special adaptation of electrical connections, e.g. rewiring, engineering changes, pressure contacts, layout
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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、一つの樹脂封止型半導体装置内に複数の半導体チップや受動部品を積載し、特に第１の半導体チップはフリップチップ接続し、第２の半導体チップは金属細線で接続される樹脂封止型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、ノートＰＣ、携帯電話などに代表されるように、モバイル機器の軽量化、薄型化は日進月歩で進歩している。そのような中、機器のマザーボードに実装される電子部品、とりわけコアとなる半導体装置は、高密度・高機能化が求められる。従来、一つの半導体装置内に複数の半導体チップを内蔵する場合、インターポーザー（マザーボードに直接実装できるよう外部端子を持つ基板）の平面上に複数の半導体チップを搭載する例えばＭＣＭ（マルチ・チップ・モジュール）が一般化している（特許文献１参照）。しかし更に半導体装置内の構成密度を高くするために、例えば半導体チップを積み上げる方法が多用されて来ている（特許文献２参照）。通常、複数の半導体チップを積み上げる場合、金属細線の接続のしやすさなどで上に搭載する半導体チップのサイズは下のチップより小さいことが一般的であった。しかしながら、例えば下のチップを基板に直接フリップチップし、上の半導体チップを電気回路が上に向くよう搭載する構成で、上の半導体チップの方が、寸法的に大きくなるケースも考えられる（特許文献３，４参照）。この場合、支持部や台部材で上のチップを支える手法が開示されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平０９−８２２０号公報（図１）
【特許文献２】
特開平１１−２０４７２０号公報（図１、図３）
【特許文献３】
特開２０００−２９９４３１号公報（図１）
【特許文献４】
特開２００１−３２００１４号公報（図１）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の下の半導体チップをキャリア基板に直接フリップチップし、上の半導体チップを電気回路が上に向くよう搭載する構成の樹脂封止型半導体装置では、上の半導体チップの方が、下の半導体チップより大きくなり、フリップチップされた下の半導体チップよりも上の半導体チップがオーバーハングした状態で上の半導体チップに超音波、熱圧着方式で金属細線を接続する衝撃で、上の半導体チップにマイクロクラックが発生したり、金属細線の接合不良が発生した。
【０００５】
ここで図１０を用いて課題の説明をする。図１０（ａ）は従来の樹脂封止型半導体装置を示す断面図、（ｂ）はその一部を拡大した図である。また拡大した図には本課題の現象を示している。図１０に示すように、第１の半導体チップ１をキャリア基板２０に直接フリップチップし、第２の半導体チップ２を電気回路が上に向くよう搭載する構成の樹脂封止型半導体装置において、第２の半導体チップ２にＡｕワイヤ７をキャピラリ１０で第２の半導体チップ２の電極パッド４に接合する。この時、第２の半導体チップ２が第１の半導体チップ１より充分大きい場合、電極パッド４に高温（１５０℃から２５０℃）下で超音波と荷重をかけながらボールボンディングすると荷重の衝撃で第２の半導体チップ２がたわみ（１１はたわみ量Δｈ）、Ａｕワイヤ７が安定してボンディングできない場合や荷重が強い場合、微細なクラック１２が発生したりする。図１０において、５はスタッドバンプ、６は導電ペースト、１３はアンダーフィル樹脂、１４は接着剤、２１は基板配線である。
【０００６】
したがって、この発明の目的は、第１の半導体チップより第２の半導体チップが充分大きい場合、金属細線の接続信頼性を改善できる樹脂封止型半導体装置およびその製造方法を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するためにこの発明の請求項１記載の半導体装置は、第１の配線電極と第２の配線電極を有する配線基板上に、前記第１の配線電極と接続される電極を表面に有する第１の半導体チップと、前記第１の半導体チップよりも大きく表面の少なくとも周辺に前記第２の配線電極と金属細線により電気的に接続される電極を有する第２の半導体チップとを実装した半導体装置であって、前記第１の半導体チップの裏面と前記第２の半導体チップの裏面が接着剤により接着されるとともに、前記接着剤の側部は、前記第１の半導体チップの端部から、前記第２の半導体チップの第１の半導体チップ側面よりはみ出した部分に向かって傾斜し、前記接着剤の第１の半導体チップの平面方向に沿った面における断面積は、前記第１の半導体チップの裏面の面積以上である。
【０００８】
このように、第１の半導体チップの裏面と第２の半導体チップの裏面が接着剤により接着されるとともに、接着剤の側部は、第１の半導体チップの端部から、第２の半導体チップの第１の半導体チップ側面よりはみ出した部分に向かって傾斜しているので、接着剤のサイズや形状を最適化することができ、第２の半導体チップを配線基板に電気的に接続する金属細線の衝撃により、第２の半導体チップにマイクロクラックが発生したり、金属細線の接合不良が発生することを抑えることを可能とする。
【０００９】
また、接着剤の第１の半導体チップの平面方向に沿った面における断面積は、第１の半導体チップの裏面の面積以上であるので、第２の半導体チップ裏面に第１の半導体チップより充分大きいサイズの厚みを持った接着剤を形成することができる。これにより、金属細線の衝撃によるボンディング不良や第２の半導体チップへのマイクロクラックをさらに防止することができる。
請求項２記載の半導体装置は、第１の配線電極と第２の配線電極を有する配線基板上に、前記第１の配線電極と接続される電極を表面に有する第１の半導体チップと、前記第１の半導体チップよりも大きく表面の少なくとも周辺に前記第２の配線電極と金属細線により電気的に接続される電極を有する第２の半導体チップとを実装した半導体装置であって、前記第１の半導体チップの裏面と前記第２の半導体チップの裏面が接着剤により接着されるとともに、前記接着剤の側部は、前記第１の半導体チップの端部から、前記第２の半導体チップの第１の半導体チップ側面よりはみ出した部分に向かって傾斜し、前記配線基板の第１の半導体チップ実装面に受動部品が電気的に接続され、第２の半導体チップは、第１の半導体チップおよび前記受動部品の配置領域よりも大きく、前記第２の半導体チップの裏面とこれに対向する前記受動部品の裏面とが接着されている。
このように、配線基板の第１の半導体チップ実装面に受動部品が電気的に接続され、第２の半導体チップは、第１の半導体チップおよび受動部品の配置領域よりも大きく、第２の半導体チップの裏面とこれに対向する受動部品の裏面とが接着されているので、複数の半導体チップとともに受動部品を積載する半導体装置において、接着剤のサイズや形状を最適化することができ、第２の半導体チップを配線基板に電気的に接続する金属細線の衝撃により、第２の半導体チップにマイクロクラックが発生したり、金属細線の接合不良が発生することを抑えることを可能とする。
請求項３記載の半導体装置は、請求項２記載の半導体装置において、第１の半導体チップの裏面の高さと略同じ高さになるようなスペーサが受動部品の裏面に接着されている。
このように、第１の半導体チップの裏面の高さと略同じ高さになるようなスペーサが受動部品の裏面に接着されているので、第１の半導体チップの裏面と受動部品の裏面の高さに違いがあり、ワイヤボンディングの荷重が第２の半導体チップの電極に加わった場合でも、第２の半導体チップが安定した状態で保持される。
【００１０】
請求項４記載の半導体装置は、請求項１，２または３記載の半導体装置において、接着剤の側部は凹曲面形状である。このように、接着剤の側部は凹曲面形状であるので、接着剤の第１の半導体チップの裏面に対して垂直な断面が逆アーチ形状となり、橋脚などと同様に機械的な応力に対する剛性を持たせ、ワイヤボンディングの荷重に耐えうることができる。
【００１１】
請求項５記載の半導体装置は、請求項１，２または３記載の半導体装置において、接着剤は、第１の半導体チップの裏面の全領域および側面の一部に形成されている。このように、接着剤は、第１の半導体チップの裏面の全領域および側面の一部に形成されているので、ワイヤボンディングの荷重が第２の半導体チップの電極に加わった場合、第１の半導体チップの裏面コーナー部が起点となって曲げモーメント力が加わることを抑制することができる。
【００１２】
請求項６記載の半導体装置は、請求項１，２または３記載の半導体装置において、配線基板と第１の半導体チップとの間にアンダーフィル樹脂が形成され、前記アンダーフィル樹脂の側面の少なくとも一部が接着剤により覆われている。このように、配線基板と第１の半導体チップとの間にアンダーフィル樹脂が形成され、アンダーフィル樹脂の側面の少なくとも一部が接着剤により覆われているので、第１の半導体チップの裏面コーナー部が起点となって曲げモーメント力が加わることをさらに防止する。
【００１５】
請求項７記載の半導体装置の製造方法は、配線基板の第１の配線電極と第１の半導体チップの電極とをバンプにより電気的に接続する工程と、前記第１の半導体チップの電極と反対側の裏面と、前記第１の半導体チップよりも大きい第２の半導体チップの電極と反対側の裏面とを接着剤により接着する工程と、前記第２の半導体チップの電極と前記配線基板の第２の配線電極とを金属細線により接続する工程とを含む半導体装置の製造方法であって、前記第１の半導体チップと前記第２の半導体チップとを接着する工程の際、前記第１の半導体チップの端部から、前記第２の半導体チップの第１の半導体チップ側面よりはみ出した部分に向かって傾斜するように前記接着剤の側部を形成するとともに、前記接着剤の第１の半導体チップの平面方向に沿った面における断面積は、前記第１の半導体チップの裏面の面積以上とする。
【００１６】
このように、第１の半導体チップと第２の半導体チップとを接着する工程の際、第１の半導体チップの端部から、第２の半導体チップの第１の半導体チップ側面よりはみ出した部分に向かって傾斜するように接着剤の側部を形成して、接着剤のサイズや形状を最適化することで、第２の半導体チップと配線基板に電気的に接続する金属細線の衝撃によるボンディング不良や第２の半導体チップへのマイクロクラックを防止することができる。
また、接着剤の第１の半導体チップの平面方向に沿った面における断面積は、第１の半導体チップの裏面の面積以上であるので、第２の半導体チップ裏面に第１の半導体チップより充分大きいサイズの厚みを持った接着剤を形成することができる。これにより、金属細線の衝撃によるボンディング不良や第２の半導体チップへのマイクロクラックをさらに防止することができる。
【００１８】
請求項８記載の半導体装置の製造方法は、配線基板の第１の配線電極と第１の半導体チップの電極とをバンプにより電気的に接続する工程と、前記第１の半導体チップの電極と反対側の裏面と、前記第１の半導体チップよりも大きい第２の半導体チップの電極と反対側の裏面とを接着剤により接着する工程と、前記第２の半導体チップの電極と前記配線基板の第２の配線電極とを金属細線により接続する工程とを含む半導体装置の製造方法であって、前記第１の半導体チップと前記第２の半導体チップとを接着する工程の際、前記第１の半導体チップの端部から、前記第２の半導体チップの第１の半導体チップ側面よりはみ出した部分に向かって傾斜するように前記接着剤の側部を形成し、配線基板と第１の半導体チップとを電気的に接続する工程の際、前記配線基板と受動部品を電気的に接続し、前記第１の半導体チップと第２の半導体チップとを接着する工程の際、前記第２の半導体チップの裏面とこれに対向する前記受動部品の裏面との間に、前記第１の半導体チップの裏面の高さと略同じ高さになるようなスペーサを介在した状態で接着する。
【００１９】
このように、配線基板と第１の半導体チップとを電気的に接続する工程の際、配線基板と受動部品を電気的に接続するので、複数の半導体チップとともに受動部品を積載する半導体装置において、接着剤のサイズや形状を最適化することで、第２の半導体チップと配線基板に電気的に接続する金属細線の衝撃によるボンディング不良や第２の半導体チップへのマイクロクラックを防止することができる。また、第１の半導体チップと第２の半導体チップとを接着する工程の際、第２の半導体チップの裏面とこれに対向する受動部品の裏面との間に、第１の半導体チップの裏面の高さと略同じ高さになるようなスペーサを介在した状態で接着するので、第２の半導体チップと配線基板とを金属細線により接続する際、第１の半導体チップの裏面と受動部品の裏面の高さに違いがあっても、第２の半導体チップが安定した状態で保持される。
【００２０】
請求項９記載の半導体装置の製造方法は、請求項８記載の半導体装置の製造方法において、配線基板と第１の半導体チップとの間にアンダーフィル樹脂を形成し、スペーサとして、前記アンダーフィル樹脂よりも大きいチクソ性を有する材料を用いる。アンダーフィル樹脂は第１の半導体チップと配線基板の狭隘な隙間（数μｍから十数μｍ）に注入、充填する必要があるので小さいチクソ性が要求されるのに対し、スペーサの最も重要な役割は第２の半導体チップが搭載される時に任意の加重が負荷される場合においてスペーサが塑性変形して第１の半導体チップの裏面と略同一面になる必要があるため、スペーサのチクソ比はアンダーフィル樹脂より大きいことが肝要となる。
請求項１０記載の半導体装置の製造方法は、請求項７，８または９記載の半導体装置の製造方法において、第２の半導体チップと配線基板とを金属細線により接続する工程の際、前記金属細線の先端を溶融してボールを形成し、前記ボールを前記配線基板の第２の配線電極に接続した後、前記金属細線を前記第２の半導体チップの電極に接続する。このように、第２の半導体チップと配線基板とを金属細線により接続する工程の際、金属細線の先端を溶融してボールを形成し、ボールを配線基板の第２の配線電極に接続した後、金属細線を第２の半導体チップの電極に接続するので、第２の半導体チップ上の金属細線の高さを低く制御することが可能である。
【００２１】
【発明の実施の形態】
この発明の実施の形態を図１〜図７に基づいて説明する。図１（ａ）はこの発明の一実施形態の樹脂封止型半導体装置に使用する半導体チップを示す斜視図、（ｂ）は断面図である。なお、斜視図は便宜上理解しやすいように、一部断面構成を露出した図とした。
【００２２】
図１に示す樹脂封止型半導体装置は、表面に複数の電極２２，２３と電極２２，２３に接続された基板配線２１を有すると共に、電極２２，２３及び基板配線２１と電気的に接続された外部端子２４を底面に有したキャリア基板（配線基板）２０と、キャリア基板２０上面の複数の電極（第１の配線電極）２２に対して導電性ペースト６を介してＡｕバンプ５により接合される電極パッド３を表面に有する第１の半導体チップ１と、第１の半導体チップ１とキャリア基板２０との隙間と第１の半導体チップ１の周辺端部を充填被覆しているアンダーフィル樹脂１３と、第１の半導体チップ１よりも大きく表面の少なくとも周辺に電極パッド４を有し、第１の半導体チップ１と背中合わせになるように厚みを持った接着剤１４で接合される第２の半導体チップ２と、第２の半導体チップ２の電極パッド４とキャリア基板２０の電極（第２の配線電極）２３を接続したＡｕワイヤ７と、第１と第２の半導体チップ１，２およびＡｕワイヤ７が覆われるように封止した封止樹脂２５からなる。また、接着剤１４の側部は、第１の半導体チップ１の端部から、第２の半導体チップ２の第１の半導体チップ側面よりはみ出した部分に向かって傾斜している。
【００２３】
キャリア基板２０には、セラッミク基板等のアルミナ系や窒化アルミナ系を用いる。また別の材料としてエポキシ基板等の有機性基板からなる絶縁性の単層及び多層回路基板等を用いても良い。また、キャリア基板２０表面の複数の電極２２と第１の半導体チップ１の電極パッド３間での接合には、Ａｕバンプ５上にＡｇ−Ｐｄペースト等の導電性ペースト６を供給し、第１の半導体チップ１の表面を下にしてキャリア基板２０上に搭載し、導電性ペースト６を硬化することで、キャリア基板２０と第１の半導体チップ１間での電気的及び機械的接続を確保している。また、アンダーフィル樹脂１３には、液状の封止樹脂を使用することで、キャリア基板２０と第１の半導体チップ１との隙間と第１の半導体チップ１の周辺端部を充填被覆している。第１の半導体チップ１と第２の半導体チップ２を背中合わせになるように接合した厚みを持った接着剤１４は、テープ材の両面に粘着材層を予め塗布したものや、シリコーン系のようにゼリー状の接着剤であっても良い、ここで重要な点は接着剤の厚み数十μｍ〜百数十μｍの間で任意に設定され、その断面形状はテーパ（斜角）やＲ面形状（凹曲面）になっており、第１の半導体チップ１より充分大きいことが重要である。
【００２４】
図２（ａ）はこの発明の一実施形態の樹脂封止型半導体装置に使用する第１の半導体チップを示す平面図、（ｂ）は要部拡大図、（ｃ）は電極パッドを形成する説明図を示す。
【００２５】
半導体チップの集積回路の配線ルールは、現在では０．１８μｍから０．１３μｍ、さらに０．１０μｍへの微細プロセス化が進展している。これに対応して外部と接続する電極パッドも狭ピッチ化が進み、電極パッドの配列のピッチを１００μｍ、８０μｍと縮小し半導体チップの面積増大を抑制してきた。しかしながら６０μｍ以下の電極パッドピッチとなると、プローブ検査やＡｕバンプに導電ペーストを塗布しフリップチップ接続工程などで、隣接する電極パッドとの距離が狭すぎ、図２（ａ）、（ｂ）に示すように電極パッド３を千鳥配列にする手法が用いられている。一方で、半導体集積回路の面積増大の抑制として、回路素子や内層回路配線の上に電極パッドを形成するＰＯＥ（パッド・オン・エレメント）も一般に用いられている。
【００２６】
図２（ｃ）に示すように、第１の半導体チップ１の電極パッド３上のＡｕバンプ５はワイヤボンディング法（ボールボンディング法）を用いて、Ａｕバンプ５（２段突起形状のバンプでスタッドパンプともいう）を形成する。この方法は、Ａｕワイヤ先端に形成したボールを表面がＡｌの電極パッド３に熱圧接することにより、２段突起の下段部を形成し、さらにキャピラリ１０を移動させることにより形成したＡｕワイヤループをもって、２段突起の上段部を形成する。前記状態においては、２段突起の高さは均一でなく、また頭頂部の平坦性にも欠けているために、２段突起を加圧することにより高さの均一化ならびに頭頂部の平坦化するレベリングを行う。このバンプ形成法をスタッドバンプ形成と呼んでいる。次に、回転する円盤上にドクターブレード法を用いて適当な厚みにＡｇ−Ｐｄを導電物質として含有する導電性ペースト６を塗布する。この際、導電性ペースト６にＡｕバンプ５を設けた第１の半導体チップ１を押し当てた後に引き上げる方法、いわゆる転写法によって、Ａｕバンプ５に導電性ペースト６を供給する。導電性ペースト６としては、信頼性、熱応力などを考慮して例えばバインダーとしてエポキシレジン、導体フィラーとしてＡｇ−Ｐｄ共沈紛によりなる導電性ペースト６を用いている。
【００２７】
図３はこの発明の一実施形態の樹脂封止型半導体装置に使用するシート基板を示す平面図、図４（ａ）は図３におけるキャリア基板の半導体素子搭載面の平面図、（ｂ）はａ−ａ’断面図、（ｃ）は外部端子側の平面図を示す。
【００２８】
図３および図４に示すように、キャリア基板２０は複数シート基板１９上に配置されている。キャリア基板２０の半導体チップとの接続側は第１、第２の半導体チップと電気的に接続される電極２２，２３が存在する。また反対面側には外部端子２４が格子状に配置されている。キャリア基板２０には、セラッミク基板等のアルミナ系や窒化アルミナ系を用い、基板は配線密度に対応して４〜８層の複数層に構成になっている。各層の配線２１材料はタングステン層からなり、各層を繋ぐビアはモリブデン材で電気的に導通される。また第１、第２の半導体チップと電気的に接続される電極２２，２３や外部端子２４となるセラミック基板の最表面は１０μｍから３０μｍ厚のタングステンの配線上に無電解めっきで数μｍ厚のＮｉさらに０．１μｍから０．８μｍ程度のＡｕ層をめっきする。基板の厚みは０．４０ｍｍから０．６０ｍｍである。シート基板１９に配列されているキャリア基板２０を囲む波線は複数のキャリア基板２０一括的に樹脂封止するモールドライン２６を示す。キャリア基板２０間の一点鎖線は樹脂封止型半導体装置に個別に分割する製品分割ライン２８を示している。
【００２９】
次に半導体装置の製造方法について説明する。図５および図６はこの発明の一実施形態の樹脂封止型半導体装置における製造工程を示す断面図である。
【００３０】
図５（ａ）は第１の半導体チップ１をキャリア基板２０にフリップチップ接続する工程を示している。第１の半導体チップ１の表面を下にして実装する方法であるフリップチップ方式によって第１の半導体チップ１上の導電性ペースト６が供給されたＡｕバンプ５と、底面に外部端子２４が一定の間隔で格子状に形成されているキャリア基板２０上の電極２２とを位置精度よく合わせて接合した後、一定の温度にて熱硬化させる。この接続方法をＳＢＢ（スタッドバンプボンディング）工法と呼ぶ。なおＡｕバンプ５の形成および導電性ペースト６については図２で詳細に記述しているので割愛する。
【００３１】
次に図５（ｂ）はフリップチップ接続された第１の半導体チップ１をアンダーフィル樹脂１３で封止する工程を示している。熱硬化性樹脂の液状エポキシ樹脂であるアンダーフィル樹脂１３を第１の半導体チップ１とキャリア基板２０との間に形成された隙間と第１の半導体チップ１周辺部とにノズル２９により注入し、硬化させ樹脂封止を行う工程である。本工程の目的は第１の半導体チップ１の表面の集積回路や電極パッド３上のＡｕバンプ５部と導電性ペースト６を保護するためである。
【００３２】
次に図５（ｃ）は第１の半導体チップ１の裏面と第２の半導体チップ２の裏面を背中合わせになるように接着する工程を示す。第２の半導体チップ２裏面に第１の半導体チップ１より充分大きいサイズの厚みを持った接着剤１４を仮付けする。接着剤１４は、テープ材の両面に粘着材層を予め塗布したものや、シリコーン系のようにゼリー状の接着剤であっても良い、ここで重要な点は接着剤１４の厚み数十μｍ〜百数十μｍの間で任意に設定され、接着剤１４の側部の断面形状１５はテーパ（斜角）やＲ面形状になっていることが重要である。第１の半導体チップ１より大きいサイズの接着剤１４を準備し、第２の半導体チップ２の裏面にツールによって貼り付ける。このときツール側に接着剤１４が貼りつかないよう剥離性のよいテープを貼っておいてもよい。
【００３３】
図示はしてないが具体的な接着方法としてはウェハー状態で第２の半導体チップ２の表面にダイシングシートに貼り付け、第２の半導体チップ２の裏面よりダイシングする。その後そのままの状態で良品の第２の半導体チップ２を選択し接着剤１４を裏面に貼り付ける。次にダイシングシート越しに第１の半導体チップ１裏面上に接着固定する。
【００３４】
次に図５（ｄ）は第２の半導体チップ２とキャリア基板２０を電気的にＡｕワイヤ７で接続する工程を示す。第２の半導体チップ２とキャリア基板２０を電気的にＡｕワイヤ７で接続する方法は超音波・熱圧着方法を用いる。キャピラリ１０にＡｕワイヤ７を通した状態でＡｕワイヤ７先端をスパークで溶融しボールを形成する。形成したボールをキャピラリ１０で電極２３に超音波・圧着し１ｓｔ側（ボール側）８を形成する。このとき第２の半導体チップ２を含むキャリア基板２０は１５０〜２５０℃に熱せられている。次にキャピラリ１０でＡｕワイヤ７をループコントロールして第２の半導体チップ２の電極パッド４に接続して２ｎｄ側（クレセント側）９を形成する。
【００３５】
本発明の実施形態では一般に広く用いられているワイヤボンディング方法とは接続する順序である、１ｓｔ側と２ｎｄ側が逆のいわゆる逆ワイヤボンド工法を実施形態としている。この方法のメリットは第２の半導体チップ２上のＡｕワイヤ７の高さを低く制御することが可能である。図示はしていないが電極パッド４に予めＡｕバンプを形成してＡｕバンプにＡｕワイヤ７の２ｎｄ側を接続する方法もある。例えば電極パッドの最表面にＡｌを被覆する工程を省き下層のＣｕを露出させ、Ｃｕの上に直接Ａｕバンプを形成して、Ａｕワイヤ７の２ｎｄ側を接続する方法などがコスト的にも有効である。ここでＡｕワイヤ７は金（Ａｕ）純度、９９．９９％以上、直径１５〜３０μｍの範囲が主となり、電極パッド最表面はＡｌである。
【００３６】
図６（ｅ）は樹脂封止された半導体装置の断面図を示している。図６（ｅ）で樹脂封止金型（図示せず）に、図５（ｄ）工程まで終了した半完成品の半導体装置を設置、挟み込む。熱硬化性のエポキシ樹脂を１５０〜２００℃に熱し、液状に溶融し、より樹脂封止型半導体装置を覆う製品部を樹脂封止し成形する。その後数十秒の硬化時間の間、封止金型内で樹脂を硬化させ、金型から取り出す。製品分割に用いる切断手段には、例えば半導体装置の封止樹脂側を粘着性のあるテープ或いは、真空吸着により固定し、ブレード等を用いたダイサーやレーザーによって製品分割ライン２８に沿って分離する。
【００３７】
図６（ｆ）は完成した樹脂封止された半導体装置の断面図を示している。
【００３８】
図７は特に図１の断面形状を詳細に説明するために図示した。図７に示すように、第２の半導体チップ２と第１の半導体チップ１の間に挟まれている接着剤１４の端部の断面形状１５において、第１の半導体チップ１より第２の半導体チップ２の接点が外側である。この形状を実現するための一つの方法は図５（ｃ）に前述した通りである。すなわち、第１の半導体チップ１と第２の半導体チップ２とを接着する工程の際、第１の半導体チップ１の端部から、第２の半導体チップ２の第１の半導体チップ１側面よりはみ出した部分に向かって傾斜するように接着剤１４の側部を形成する。この形状によって橋脚などの逆アーチ状の構成を持たせ、ワイヤボンディングの荷重に耐えうることができる。
【００３９】
図８はこの発明の他の実施の形態を示す樹脂封止型半導体装置の断面図である。
【００４０】
図８（ａ）は接着剤１４の端部を第１の半導体チップ１側面にはみ出した形状としている。前述した図７の効果に加え、ワイヤボンディングの荷重が第２の半導体チップ２の電極パッド４に加わった場合、第１の半導体チップ１の裏面コーナー部が起点となって曲げモーメント力が第２の半導体チップ２に加わることを緩衝させるためである。
【００４１】
図８（ｂ）は図７、図８（ａ）の効果に加え、第１の半導体チップ１の裏面コーナー部を面取りすることで第１の半導体チップ１の裏面コーナー部が起点となって曲げモーメント力が第２の半導体チップ２に加わることを更に緩衝する。
【００４２】
図８（ｃ）は接着剤１４の端部を第１の半導体チップ１側面にはみ出させ、第１の半導体チップ１の側面に存在するアンダーフィル樹脂１３と接触させるようにする。さらに第１の半導体チップ１裏面コーナー部を面取りすることで面取り部３０を形成し、第１の半導体チップ１の裏面コーナー部が起点となって曲げモーメント力が第２の半導体チップ２に加わること防止する。
【００４３】
図９（ａ）はこの発明のさらに他の実施形態の樹脂封止型半導体装置の一部破断平面図、（ｂ）は断面図である。
【００４４】
図９に示すように、図１の実施の形態において、キャリア基板２０の第１の半導体チップ１実装面に受動部品１７が電気的に接続され、第２の半導体チップ２は、第１の半導体チップ１および受動部品１７の配置領域よりも大きく、第２の半導体チップ２の裏面とこれに対向する受動部品１７の裏面とが接着されている。また、第１の半導体チップ１の裏面の高さと略同じ高さになるようなスペーサ１６が受動部品１７の裏面に接着されている。受動部品１７はキャリア基板２０の電極にはんだ付けされている。
【００４５】
この半導体装置の製造工程は図５および図６と同様であるが、キャリア基板２０と第１の半導体チップ１とを電気的に接続する工程（図５（ａ））の際、キャリア基板２０と受動部品１７を電気的に接続する。キャリア基板２０と第１の半導体チップ１との間にアンダーフィル樹脂１３を形成した後、第１の半導体チップ１と第２の半導体チップ２とを接着する工程（図５（ｃ））の際、第２の半導体チップ２の裏面とこれに対向する受動部品１７の裏面との間に、第１の半導体チップ１の裏面の高さと略同じ高さになるようなスペーサ１６を介在した状態で接着する。スペーサ１６として、アンダーフィル樹脂１３よりも大きいチクソ性を有する材料を用いる。
【００４６】
【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、第１の半導体チップの裏面と第２の半導体チップの裏面が接着剤により接着されるとともに、接着剤の側部は、第１の半導体チップの端部から、第２の半導体チップの第１の半導体チップ側面よりはみ出した部分に向かって傾斜しているので、接着剤のサイズや形状を最適化することができ、第２の半導体チップを配線基板に電気的に接続する金属細線の衝撃により、第２の半導体チップにマイクロクラックが発生したり、金属細線の接合不良が発生することを抑えることを可能とする。これにより、高信頼性の半導体チップ積層型の樹脂封止半導体を提供できる。
【００４７】
また、接着剤の第１の半導体チップの平面方向に沿った面における断面積は、第１の半導体チップの裏面の面積以上であるので、第２の半導体チップ裏面に第１の半導体チップより充分大きいサイズの厚みを持った接着剤を形成することができる。これにより、金属細線の衝撃によるボンディング不良や第２の半導体チップへのマイクロクラックをさらに防止することができる。
この発明の請求項２記載の半導体装置によれば、配線基板の第１の半導体チップ実装面に受動部品が電気的に接続され、第２の半導体チップは、第１の半導体チップおよび受動部品の配置領域よりも大きく、第２の半導体チップの裏面とこれに対向する受動部品の裏面とが接着されているので、複数の半導体チップとともに受動部品を積載する半導体装置において、接着剤のサイズや形状を最適化することができ、第２の半導体チップを配線基板に電気的に接続する金属細線の衝撃により、第２の半導体チップにマイクロクラックが発生したり、金属細線の接合不良が発生することを抑えることを可能とする。
請求項３では、第１の半導体チップの裏面の高さと略同じ高さになるようなスペーサが受動部品の裏面に接着されているので、第１の半導体チップの裏面と受動部品の裏面の高さに違いがあり、ワイヤボンディングの荷重が第２の半導体チップの電極に加わった場合でも、第２の半導体チップが安定した状態で保持される。
【００４８】
請求項４では、接着剤の側部は凹曲面形状であるので、接着剤の第１の半導体チップの裏面に対して垂直な断面が逆アーチ形状となり、橋脚などの構成を持たせ、ワイヤボンディングの荷重に耐えうることができる。
【００４９】
請求項５では、接着剤は、第１の半導体チップの裏面の全領域および側面の一部に形成されているので、ワイヤボンディングの荷重が第２の半導体チップの電極に加わった場合、第１の半導体チップの裏面コーナー部が起点となって曲げモーメント力が加わることを抑制することができる。
【００５０】
請求項６では、配線基板と第１の半導体チップとの間にアンダーフィル樹脂が形成され、アンダーフィル樹脂の側面の少なくとも一部が接着剤により覆われているので、第１の半導体チップの裏面コーナー部が起点となって曲げモーメント力が加わることをさらに防止する。
【００５３】
この発明の請求項７記載の半導体装置の製造方法によれば、第１の半導体チップと第２の半導体チップとを接着する工程の際、第１の半導体チップの端部から、第２の半導体チップの第１の半導体チップ側面よりはみ出した部分に向かって傾斜するように接着剤の側部を形成して、接着剤のサイズや形状を最適化することで、第２の半導体チップと配線基板に電気的に接続する金属細線の衝撃によるボンディング不良や第２の半導体チップへのマイクロクラックを防止することができる。これにより、高信頼性の半導体チップ積層型の樹脂封止半導体の製造方法を提供できる。
また、接着剤の第１の半導体チップの平面方向に沿った面における断面積は、第１の半導体チップの裏面の面積以上であるので、第２の半導体チップ裏面に第１の半導体チップより充分大きいサイズの厚みを持った接着剤を形成することができる。これにより、金属細線の衝撃によるボンディング不良や第２の半導体チップへのマイクロクラックをさらに防止することができる。
【００５５】
この発明の請求項８記載の半導体装置によれば、配線基板と第１の半導体チップとを電気的に接続する工程の際、配線基板と受動部品を電気的に接続するので、複数の半導体チップとともに受動部品を積載する半導体装置において、接着剤のサイズや形状を最適化することで、第２の半導体チップと配線基板に電気的に接続する金属細線の衝撃によるボンディング不良や第２の半導体チップへのマイクロクラックを防止することができる。また、第１の半導体チップと第２の半導体チップとを接着する工程の際、第２の半導体チップの裏面とこれに対向する受動部品の裏面との間に、第１の半導体チップの裏面の高さと略同じ高さになるようなスペーサを介在した状態で接着するので、第２の半導体チップと配線基板とを金属細線により接続する際、第１の半導体チップの裏面と受動部品の裏面の高さに違いがあっても、第２の半導体チップが安定した状態で保持される。
【００５６】
請求項９では、スペーサとして、アンダーフィル樹脂よりも大きいチクソ性を有する材料を用いる。アンダーフィル樹脂は第１の半導体チップと配線基板の狭隘な隙間（数μｍから十数μｍ）に注入、充填する必要があるので小さいチクソ性が要求される。それに対してスペーサの最も重要な役割は第２の半導体チップが搭載される時に任意の加重が負荷される場合においてスペーサが塑性変形して第１の半導体チップの裏面と略同一面になる必要がある。一方アンダーフィル樹脂の存在する部分は第１の半導体チップと配線基板を接続するＡｕバンプが複数存在するためにアンダーフィル樹脂が大きいチクソ性を持つ必要がない。ここでアンダーフィル樹脂のチクソ比は１．０から１．２であり、第２の半導体チップに付加されている接着剤のチクソ比は２．０から３．０であり、スペーサのチクソ比はアンダーフィル樹脂より大きいことが肝要となる。
請求項１０では、第２の半導体チップと配線基板とを金属細線により接続する工程の際、金属細線の先端を溶融してボールを形成し、ボールを配線基板の第２の配線電極に接続した後、金属細線を第２の半導体チップの電極に接続するので、第２の半導体チップ上の金属細線の高さを低く制御することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）はこの発明の一実施形態の樹脂封止型半導体装置に使用する半導体チップを示す斜視図、（ｂ）は断面図である。
【図２】（ａ）はこの発明の一実施形態の樹脂封止型半導体装置に使用する第１の半導体チップを示す平面図、（ｂ）は要部拡大図、（ｃ）は電極パッドを形成する説明図を示す。
【図３】この発明の一実施形態の樹脂封止型半導体装置に使用するシート基板を示す平面図である。
【図４】（ａ）は図３におけるキャリア基板の半導体素子搭載面の平面図、（ｂ）はａ−ａ’断面図、（ｃ）は外部端子側の平面図である。
【図５】この発明の一実施形態の樹脂封止型半導体装置における製造工程を示す断面図である。
【図６】図５の次の工程の断面図である。
【図７】この発明の一実施形態において接着剤の形状を示す断面図である。
【図８】この発明の他の実施の形態を示す樹脂封止型半導体装置の断面図である。
【図９】（ａ）はこの発明のさらに他の実施形態の樹脂封止型半導体装置の一部破断平面図、（ｂ）は断面図である。
【図１０】（ａ）は従来の樹脂封止型半導体装置を示す断面図、（ｂ）はその一部を示す拡大図である。
【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
３ 第１の半導体チップの電極パッド
４ 第２の半導体チップの電極パッド
５ スタッドバンプ（Ａｕバンプ）
６ 導電ペースト
７ Ａｕワイヤ
８ １ｓｔ側（ボール側）
９ ２ｎｄ側（クレセント側）
１０ キャピラリ
１１ 第２の半導体チップのたわみ量
１２ クラック
１３ アンダーフィル樹脂
１４接着剤
１５ 接着剤の断面形状
１６ スペーサ
１７ 受動部品
１８ はんだ付け部
１９ シート基板
２０ キャリア基板
２１ 基板配線
２２ 第１の半導体チップ用の電極
２３ 第２の半導体チップ用の電極
２４ 外部端子
２５ 封止樹脂
２６ モールドライン
２７ ダイシングソー
２８ 製品分割ライン
２９ ノズル
３０ 第１の半導体チップ裏面の面取り部

Claims (10)

  1. 第１の配線電極と第２の配線電極を有する配線基板上に、前記第１の配線電極と接続される電極を表面に有する第１の半導体チップと、前記第１の半導体チップよりも大きく表面の少なくとも周辺に前記第２の配線電極と金属細線により電気的に接続される電極を有する第２の半導体チップとを実装した半導体装置であって、前記第１の半導体チップの裏面と前記第２の半導体チップの裏面が接着剤により接着されるとともに、前記接着剤の側部は、前記第１の半導体チップの端部から、前記第２の半導体チップの第１の半導体チップ側面よりはみ出した部分に向かって傾斜し、前記接着剤の第１の半導体チップの平面方向に沿った面における断面積は、前記第１の半導体チップの裏面の面積以上であることを特徴とする半導体装置。
  2. 第１の配線電極と第２の配線電極を有する配線基板上に、前記第１の配線電極と接続される電極を表面に有する第１の半導体チップと、前記第１の半導体チップよりも大きく表面の少なくとも周辺に前記第２の配線電極と金属細線により電気的に接続される電極を有する第２の半導体チップとを実装した半導体装置であって、前記第１の半導体チップの裏面と前記第２の半導体チップの裏面が接着剤により接着されるとともに、前記接着剤の側部は、前記第１の半導体チップの端部から、前記第２の半導体チップの第１の半導体チップ側面よりはみ出した部分に向かって傾斜し、前記配線基板の第１の半導体チップ実装面に受動部品が電気的に接続され、第２の半導体チップは、第１の半導体チップおよび前記受動部品の配置領域よりも大きく、前記第２の半導体チップの裏面とこれに対向する前記受動部品の裏面とが接着されていることを特徴とする半導体装置。
  3. 第１の半導体チップの裏面の高さと略同じ高さになるようなスペーサが受動部品の裏面に接着されている請求項２記載の半導体装置。
  4. 接着剤の側部は凹曲面形状である請求項１，２または３記載の半導体装置。
  5. 接着剤は、第１の半導体チップの裏面の全領域および側面の一部に形成されている請求項１，２または３記載の半導体装置。
  6. 配線基板と第１の半導体チップとの間にアンダーフィル樹脂が形成され、前記アンダーフィル樹脂の側面の少なくとも一部が接着剤により覆われている請求項１，２または３記載の半導体装置。
  7. 配線基板の第１の配線電極と第１の半導体チップの電極とをバンプにより電気的に接続する工程と、前記第１の半導体チップの電極と反対側の裏面と、前記第１の半導体チップよりも大きい第２の半導体チップの電極と反対側の裏面とを接着剤により接着する工程と、前記第２の半導体チップの電極と前記配線基板の第２の配線電極とを金属細線により接続する工程とを含む半導体装置の製造方法であって、前記第１の半導体チップと前記第２の半導体チップとを接着する工程の際、前記第１の半導体チップの端部から、前記第２の半導体チップの第１の半導体チップ側面よりはみ出した部分に向かって傾斜するように前記接着剤の側部を形成するとともに、前記接着剤の第１の半導体チップの平面方向に沿った面における断面積は、前記第１の半導体チップの裏面の面積以上とすることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  8. 配線基板の第１の配線電極と第１の半導体チップの電極とをバンプにより電気的に接続する工程と、前記第１の半導体チップの電極と反対側の裏面と、前記第１の半導体チップよりも大きい第２の半導体チップの電極と反対側の裏面とを接着剤により接着する工程と、前記第２の半導体チップの電極と前記配線基板の第２の配線電極とを金属細線により接続する工程とを含む半導体装置の製造方法であって、前記第１の半導体チップと前記第２の半導体チップとを接着する工程の際、前記第１の半導体チップの端部から、前記第２の半導体チップの第１の半導体チップ側面よりはみ出した部分に向かって傾斜するように前記接着剤の側部を形成し、配線基板と第１の半導体チップとを電気的に接続する工程の際、前記配線基板と受動部品を電気的に接続し、前記第１の半導体チップと第２の半導体チップとを接着する工程の際、前記第２の半導体チップの裏面とこれに対向する前記受動部品の裏面との間に、前記第１の半導体チップの裏面の高さと略同じ高さに なるようなスペーサを介在した状態で接着することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  9. 配線基板と第１の半導体チップとの間にアンダーフィル樹脂を形成し、スペーサとして、前記アンダーフィル樹脂よりも大きいチクソ性を有する材料を用いる請求項８記載の半導体装置の製造方法。
  10. 第２の半導体チップと配線基板とを金属細線により接続する工程の際、前記金属細線の先端を溶融してボールを形成し、前記ボールを前記配線基板の第２の配線電極に接続した後、前記金属細線を前記第２の半導体チップの電極に接続する請求項７，８または９記載の半導体装置の製造方法。
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