JP3826253B2 - チップスタックパッケージ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、チップスタックパッケージに関し、特に複数の半導体チップが積層(stacking)されたチップスタックパッケージに関する。
【0002】
【従来の技術】
最近、移動及び携帯用通信機器、並びに端末装置のサイズの低減に伴い、限定した面積内でより高いメモリ容量を持つチップスタックパッケージが使われている。
【0003】
かかるチップスタックパッケージの典型的な一例を図1に示す。図1を参照すれば、チップスタックパッケージは、半導体チップをそれぞれ有するパッケージが2個以上の層で積層されていることが分かる。図1に示すスタックチップパッケージは、単位パッケージ10、20がこれらの側面部に接着されるガイド15により互いに電気的に接続している構造からなる。単位パッケージ10、20間の電気的な接続のため、単位パッケージ10、20のアウタリード11、21とガイド15との間に半田接合部(図示せず)が提供される。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図1に示すパッケージでは、単位パッケージ10、20を互いに電気的に接続する半田接合部の接合信頼性に問題がある。又、電気的信号伝達がチップサイズパッケージ(chip size package)より遅延されるという欠点がある。その他、パッケージ駆動時発生される熱を放出するため、従来のパッケージはヒートシンク(heat sink)を含むべきで、かつチップサイズパッケージの形態で積層することが不可能である。
【0005】
前記の問題点を補完するため、図2(a)及び図2(b)に示すようなチップスタックパッケージが開発された。図2(a)を参照すれば、チップスタックパッケージ30は、積層されている半導体チップ31、32がTAB(Tape Automated Bonding)33によりリードフレーム(lead frame)35に接続した構造である。一方、図2(b)には、前記半導体チップ31、32がボンディングワイヤ(bonding wire)37によりリードフレーム35に電気的に接続したチップスタックパッケージ30aを示している。図2(a)及び図2(b)において符号29は封止剤(epoxy compound)チップスタックパッケージ30aである。
【0006】
このように、図2(a)及び図2(b)に示すチップスタックパッケージは、複数の半導体チップとリードフレームとの間の電気的な接続のために、TABまたはボンディングワイヤを利用するので、電気信号の経路が長くて電気的特性が悪いという欠点がある。また、従来のチップスタックパッケージは、放熱メカニズム(mechanism)が非常に複雑であるか、あるいは熱の発散が充分でないという欠点もある。このような欠点によって、図2(a)及び図2(b)に示すチップスタックパッケージは実際への適用が非常に困難である。
【0007】
従って、本発明は、前記問題点に着目してなされたもので、その目的は、半導体チップと外部ディバイスとの電気的な接続経路が短く、かつ半導体チップ間の接続長さも短いチップスタックパッケージを提供することにある。
また、本発明の別の目的は、放熱特性が優秀なチップスタックパッケージを提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するためになされた本発明によるチップスタックパッケージは、両側面にボンディングパッドを配置し、前記各ボンディングパッドに上下に貫通する溝を形成し、少なくとも2個以上を上下に配置した複数の半導体チップと、前記各半導体チップの溝に挿入し、各ボンディングパッドを電気的に接続する複数のリードフレームと、前記リードフレームの外部接続部分のみが露出するように、全体をモールドする封止剤とを含み、前記リードフレームは、前記各溝に挿入される垂直リードと、前記垂直リードの一端に接続した水平リードとを含むことを特徴とする。
【0009】
【発明の実施の形態】
以下、発明の実施の形態1を図面を参照して詳細に説明する。図3は、発明の実施の形態1に係るチップスタックパッケージを示す断面図である。同図を参照すれば、発明の実施の形態1に係るチップスタックパッケージ100は、接着剤層106により接着されて上下に積層された第1及び第2半導体チップ102、104を有する。
【0010】
接着剤層106としては、TAB、熱硬化性樹脂、ACF(Anistropic Conductive Film)またはACA(Anistropic Conductive Adhesive)が用いられる。このうちのTABは、内部に導電回路があり、後述する半導体チップのボンディングパッドに半田(solder)をリフロー(reflow)する際、半田と電気的に接着することにより、電気的なノイズを減少させる接地面(ground plane)の作用を行い、パッケージの電気的な特性向上を図ることができるので、より望ましい。
【0011】
かかるTABは3個以上の層からなる。接着性物質で形成される最上層及び最下層は各半導体チップ102、104を接着する役割を果たす。導電物質で形成される中間層は各半導体チップ102、104と電気的に接続することにより、パワーあるいは接地面の作用を行う。TABの最上層及び最下層を形成する接着性物質としては、エポキシ系の熱可塑性樹脂、接着性ガラスまたは接着性テープが用いられ、接着性テープの場合は10〜100μmの厚さを有し、絶縁性ポリマーからなるのが望ましい。TABの中間層を形成する導電性層は、平板または網状の平面構造を有しながら単層または多層構造からなる。
【0012】
また、導電性層は、Cu/Ni/Au、Cu/Ni/Cr/Au、Cu/Ni/Co/Au、Cu/Ni/Sn/Au、Cu/Ni/Cr/Au/AnまたはCu/Ni/Co/Au/Snからなる群で選択される材料のメタルラインで形成されるのが望ましい。この様な導電性層のメタルラインは1mil〜4milの厚さを有するのが望ましい。そして、導電性層には周辺回路との接着及び電気的な導通のために、導電性粒子を含む接着性物質の異方性導電体が、ステンシル(stencil)、スクリーンプリント(screen print)、ディスペンス(dispense)、スタンプ(stamp)またはラミネーション(lamination)等の方式にて塗布されるのが望ましい。
なお、接着性物質としては、エポキシ樹脂 (epoxy resin)、ポリエステル(polyester)、アクリル酸エステル(acrylicester)、エステル、シリコン樹脂(silicon resin)、フェノキシ樹脂(phenoxy resin)、ポリウレタン(polyurethane)、ポリスルフィド(polysulfide)及び、その他熱硬化性重合体が用いられる。又、導電性粒子としては、Ag、Au、Ni、In、SnまたはITO(Indium Tin Oxide)等が用いられる。導電性粒子は、3〜20μmの粒度を有し、球形、四角形、三角形、六面体、四角錐、三角錐などの形状を有する。導電性粒子は、内部のポリマーを導電性金属が外部で塗布する構造からなる。
【0013】
一方、第1及び第2半導体チップ102、104の各両側面には、図4に示すボンディングパッド160を形成する。ボンディングパッド160はアルミ材質からなり、最小15μm×15μm乃至最大500μm×500μmのサイズを持つ。ボンディングパッド160には上下に開口した形状の溝112を形成するが、発明の実施の形態1に係る溝112は直方体形状で形成される。
【0014】
各溝112にリードフレーム108を挿入し、前記リードフレーム108によって各ボンディングパッド160が電気的に接続する。前記リードフレーム108は、各溝112に挿入される垂直リード108aと、垂直リード108aの下端に形成されて外部ディバイス、例えば印刷回路基板に電気的に接続する水平リード108bとを含む。前記リードフレーム108の垂直リード108aが、溝112の全体内壁に密着されるように、溝112の形状と対応する形状からなる。すなわち、垂直リード108aは幅より高さの方が相対的に非常に長い直方体形状として、その幅が溝112の幅とほぼ同様である。また、溝112と垂直リード108aとの間の接着力強化のために、溝112の内壁と、この内壁に接触される垂直リード108aとの表面に半田118a、118bを塗布する。
【0015】
また、図3から、第1半導体チップ102が露出した表面すなわち下面に、第1及び第2半導体チップ102、104から発生される熱を外部へ放出するためのヒートシンク114を取り付ける。第1及び第2半導体チップ102、104とリードフレーム108を保護しかつ外部と電気的に絶縁させるために、リードフレーム108の水平リード108bの下面とヒートシンク114の下面だけが露出するように、全体を封止剤116でモールドする。
【0016】
前記構成からなる発明の実施の形態1に係るチップスタックパッケージは、第1及び第2半導体チップ102、104の両側に配置されたボンディングパッド160が一直線のリードフレーム108により電気的に接続するので、各半導体チップ102、104と外部デバイスを電気的に接続する経路と、各半導体チップ102、104間の経路とが非常に短くなる。また、第1半導体チップ102が露出した表面にヒートシンク114を取り付けるので、半導体チップから発生される高熱を外部へ容易に放出させることができる。
【0017】
図5は、発明の実施の形態2に係るチップスタックパッケージ200を示す。同図に示すチップスタックパッケージ200は、第2半導体チップ104の上部表面が封止剤116から露出する。これにより、パッケージ200は各半導体チップ102、104から発生される熱をより容易に外部へ放出させることができる利点を有する。ただし、垂直リード108aの上端が、外部に露出しないように、第2半導体チップ104の表面及び封止剤116の表面と同様に位置するようになる。
【0018】
図6は、発明の実施の形態3に係るチップスタックパッケージ300を示す。同図に示すチップスタックパッケージ300は、図5に示す2個のパッケージが向かい合う状態で積層される。すなわち、上部に配置した第1単位パッケージ300aの第2半導体チップ104が、下部に配置した第2単位パッケージ300bの第2半導体チップ104aと対向配置される。よって、第1及び第2単位パッケージ300a、300bの各垂直リード108c、108aも対向配置される。
このように配置した各垂直リード108c、108aが、半田ボール(solder ball)118により電気的に接続することにより、計4個の半導体チップ102、104、104a、102aが電気的に接続した状態で積層される。ここで、符号108dは、第1単位パッケージ300aの水平リードである。
【0019】
図7は、発明の実施の形態4に係るチップスタックパッケージ400を示す。同図に示すチップスタックパッケージ400は、図3に示すチップスタックパッケージ100において、水平リードだけを一部変形したものである。すなわち、水平リード108bはその外側端部が封止剤116の側面へ延長された構造からなり、この様な水平リード108bは、PCBに接触される面積を増加させるので、パッケージの実装性が向上できるという利点を有する。
【0020】
図8は、発明の実施の形態5に係るチップスタックパッケージ500を示す。同図に示すチップスタックパッケージ500は、ヒートシンクを有しない点で図3に示すチップスタックパッケージ100と相違する。ヒートシンクを省略すると、ヒートシンクの厚さだけパッケージ500の厚さを軽薄短小化させることができるという利点がある。また、パッケージ500は、封止剤116から露出した水平リード108bの下面に、半田ボール118をマウントすることにより、PCBに直接実装されるか、あるいはMCMやセラミックパッケージに挿入されるフリップチップの形態を有することになる。
【0021】
一方、前述した発明の実施の形態5では、2個の半導体チップを積層したものを例に挙げたが、3個以上の半導体チップを積層してパッケージが構成できることは勿論である。
【0022】
発明の実施の形態1に係るパッケージは、次の様な方法にて製造される。まず、図9(a)に示すように、ボンディングパッドを配置した第1半導体チップ102の一側上部に、ダイアモンド材質の切削ホイール150を配置し、切削ホイール150を利用して、図9(b)のように、ボンディングパッド厚さの半分を除去して半溝を形成する。
次に、第1半導体チップ102の下面全体を残存のボンディンパッド厚さだけ研磨して、半溝の底面を露出させることにより、ボンディングパッドに上下に開口した溝112を形成する。図示してはないが、前記のような方式にて、第1半導体チップ102の他側に配置したボンディングパッドにも溝を形成し、また第2半導体チップの各ボンディングパッドにも溝を形成する。
【0023】
ボンディングパッドに溝を形成する方法としては、前記方法の他に図10(a)〜図10(d)に示した方法が用いられる。図10(a)及び図10(b)までの工程は、図9(a)及び図9(b)と同様で、図10(c)のように、半溝のみが露出するように、第1半導体チップ102の表面上に食刻マスク152を形成する。続いて、食刻マスク152を利用して半溝を食刻し、図10(d)のように、ボンディングパッドに溝112を形成する。
【0024】
前記二つの方法のいずれか一つにて溝112を形成した後、溝112が露出するように、第1半導体チップ102の表面上にスプレーマスク(spray mask)154を形成する。次に、スプレーマスク154を利用して、溝112の内壁全体にスプレー、PVDまたはCVD方式にて半田を形成する。第2半導体チップにも、前記のような工程を行う。
【0025】
続いて、図12のように、接着剤106を利用して、第1及び第2半導体チップ102、104を接着させ、2個の半導体チップ102、104を積層する。
【0026】
その後、第2半導体チップ104が露出した表面上に、エポキシ156を利用してヒートシンク114を取り付ける。ここで、ヒートシンク114は第1半導体チップ102が露出した面の下方に取り付けることもある。図3は、ヒートシンク114が第1半導体チップ102の下面に取り付けられたパッケージを示す。
【0027】
次に、図14に示すように、前記したような形状を持つリードフレーム108の垂直リード108aを、各溝112に挿入することにより、各半導体チップ102、104のボンディングパッドが電気的に接続する。垂直リード108aには、溝112の内壁との接着信頼性の向上のために、溝112のようにあらかじめ半田を塗布する。図15は、左右対称の複数個のリードフレーム108のうち、一側のみを示す斜視図である。一方、図14及び図15において符号122は、リードフレーム108の水平リード108bを固定する接着テープである。
【0028】
続いて、図14に示す全体構造物をヒータブロック250上に安置させ、ヒーターブロック250から全体構造物へ熱を加える。これと同時に、溝112の内壁と垂直リード108aとの間へ、半田ペーストやACAのような導電性物質を注入する。この様な注入方法としては、真空下で溝の内部に導電性物質を注入した後、大気圧に露出させ、圧力差によって導電性物質が溝の内部へ完全に入り込むようにする方法が用いられる。
【0029】
その後、約175℃程度の温度下で、リフロー工程を行い、第1及び第2半導体チップ102、104のボンディングパッドとリードフレーム108とを電気的かつ機械的に完全に接合させる。
【0030】
最後に、リードフレーム108の水平リード108bの下面とヒートシンク114の下面だけが露出するように、全体を封止剤116でモールドした後、シンギュレーション(singulation)工程を行って個々に分離することにより、図3に示すチップスタックパッケージを製造する。
【0031】
以上では、図3に示す発明の実施の形態1に係るパッケージの製造方法を説明した。しかし、当業者であれば、図4〜図8に示す発明の実施の形態2〜5に係るパッケージを製造する方法が、上記の説明から容易に理解して実施できるので、発明の実施の形態2〜5に係るパッケージを製造する方法に関する説明は省略する。
【0032】
【発明の効果】
以上で説明したように、本発明に係るチップスタックパッケージは、半導体チップの両側に配置した直線のリードフレームにより、半導体チップと外部デバイスが電気的に接続するので、半導体チップと外部ディバイスとの間の電気的接続経路と、各半導体チップ間の電気的接続経路とが非常に短くなる。結果的に、スタックパッケージの電気的特性が向上する。
【0033】
また、半導体チップの露出した面にヒートシンクを取り付けることにより、半導体チップから発生される熱を外部へ容易に放出させることができる。
【0034】
尚、本発明は、上述した好適な実施の形態について説明したが、本発明は前記発明の実施の形態に限らず、当該発明の属する分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載した本発明の要旨から逸脱しない範囲で多様に実施・変更ができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 従来のチップスタックパッケージの一例を示す断面図である。
【図2】 (2a)及び(2b)は、従来のチップスタックパッケージの他の例を示す断面図である。
【図3】発明の実施の形態1に係るチップスタックパッケージを示す断面図である。
【図4】図3に係るパッケージにおけるリードフレームの付着を説明するための部分斜視図である。
【図5】発明の実施の形態2に係るチップスタックパッケージを示す断面図である。
【図6】発明の実施の形態3に係るチップスタックパッケージを示す断面図である。
【図7】発明の実施の形態4に係るチップスタックパッケージを示す断面図である。
【図8】発明の実施の形態5に係るチップスタックパッケージを示す断面図である。
【図9】図3に係るパッケージの製造工程を示す図である。
【図10】図3に係るパッケージの製造工程を示す図である。
【図11】図3に係るパッケージの製造工程を示す図である。
【図12】図3に係るパッケージの製造工程を示す図である。
【図13】図3に係るパッケージの製造工程を示す図である。
【図14】図3に係るパッケージの製造工程を示す図である。
【図15】図3に係るパッケージの製造工程を示す図である。
【符号の説明】
100〜500 チップスタックパッケージ
102、104 半導体チップ
106 接着剤
108 リードフレーム
112 溝
114 ヒートシンク
116 封止剤
118 半田ボール
Claims (8)
- 両側面にボンディングパッドを配置し、前記各ボンディングパッドに上下に貫通する溝を形成し、少なくとも2個以上を上下に配置した複数の半導体チップと、
前記各半導体チップの溝に挿入し、各ボンディングパッドを電気的に接続する複数のリードフレームと、
前記リードフレームの外部接続部分のみが露出するように、全体をモールドする封止剤とを含み、
前記リードフレームは、前記各溝に挿入される垂直リードと、前記垂直リードの一端に接続した水平リードとを含むことを特徴とするチップスタックパッケージ。 - 前記複数の半導体チップの表面の最上部または最下部面にヒートシンクを取り付け、前記ヒートシンクは封止剤から露出したことを特徴とする請求項1記載のチップスタックパッケージ。
- 前記複数の半導体チップの表面の最上部または最下部面は、前記封止剤から露出したことを特徴とする請求項1記載のチップスタックパッケージ。
- 前記垂直リードの他端が封止剤から露出し、このような垂直リードを持つ2個の半導体チップの積層された2個の単位パッケージが、封止剤から露出した各垂直リードが対向するように配置され、前記対向する垂直リードが、半田ボールにより電気的に接続したことを特徴とする請求項1記載のチップスタックパッケージ。
- 前記水平リードは封止剤の外側面まで延長されたことを特徴とする請求項1記載のチップスタックパッケージ。
- 前記水平リードの外部と接続する部分に半田ボールをマウントしたことを特徴とする請求項1記載のチップスタックパッケージ。
- 前記各半導体チップは、TAB、熱硬化性樹脂、ACF及びACAからなる群で選択した接着剤により取り付けられることを特徴とする請求項1記載のチップスタックパッケージ。
- 前記各半導体チップの溝と前記リードフレームとが接続される前処理として、あらかじめ、前記半導体チップの溝の内壁と、前記溝の内壁に接触する前記リードフレーム部分とに、半田が塗布されていることを特徴とする請求項1記載のチップスタックパッケージ。
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