JP4128945B2

JP4128945B2 - 半導体装置

Info

Publication number: JP4128945B2
Application number: JP2003405856A
Authority: JP
Inventors: 友博玉置
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-12-04
Filing date: 2003-12-04
Publication date: 2008-07-30
Anticipated expiration: 2023-12-04
Also published as: JP2005167072A

Description

本発明は、半導体装置に関するものである。

携帯電子機器のサイズダウンが加速し、１つのパッケージ内に複数の半導体チップや電子部品を搭載した、マルチチップモジュール（ＭＣＭ）、およびキャビティ構造パッケージの需要が高まっている。

従来のＭＣＭの一般的な製造方法を、図７から図８を用いて説明する。

図７（ａ）のように、半導体チップＡ１および半導体チップＢ２それぞれの外部電極３に突起電極４を形成する。

図７（ｂ）のように、半導体チップＡ１および半導体チップＢ２それぞれの突起電極４に導電性接着剤５を塗布する。

図７（ｃ）のように、半導体チップＡ１および半導体チップＢ２を、突起電極４と配線基板６上の配線パターン７を位置合わせして接着する。

図８（ａ）のように、半導体チップＡ１および半導体チップＢ２の側面から樹脂８を注入し、半導体チップＡ１および半導体チップＢ２と配線基板６との隙間に充填し、充填後の樹脂８を熱硬化させ、ＭＣＭの組立が完了する。このとき、半導体チップＡ１からはみだした樹脂長さ９および、半導体チップＢ２からはみだした樹脂長さ１０の合計長さを、半導体チップＡ１および半導体チップＢ２間の距離１１を超えないようにする必要がある。半導体チップＡ１からはみだした樹脂長さ９および、半導体チップＢ２からはみだした樹脂長さ１０は、通常約０．５ｍｍである。そのため、半導体チップＡ１および半導体チップＢ２間の距離１１は、１．０ｍｍ以上にしなければならない。

理由は、図８（ｂ）のように、半導体チップＡ１および半導体チップＢ２間の距離１１が１．０ｍｍより狭くなったときに、信頼性上の不具合が発生するためである。すなわち、半導体チップＡ１および半導体チップＢ２間の距離１１が小さくなり、半導体チップＡ１からはみだした樹脂長さ９および、半導体チップＢ２からはみだした樹脂長さ１０の合計長さが、半導体チップＡ１および半導体チップＢ２間の距離１１を超えた場合、半導体チップＡ１からはみだした樹脂８および半導体チップＢ２からはみだした樹脂８が互いにつながる。その場合、熱衝撃試験において突起電極４に加わる熱応力が増大し、接続不良が発生することが、実験および応力シミュレーションにより判っているためである。

次に、従来のキャビティ構造パッケージの一般的な製造方法を、図９から図１１を用いて説明する。

図９（ａ）のように、半導体チップ１２の外部電極３に突起電極４を形成する。

図９（ｂ）のように、半導体チップ１２の突起電極４に導電性接着剤５を塗布する。

図９（ｃ）のように、半導体チップ１２を、突起電極４と、凹型のキャビティ１３を有する配線基板６の配線パターン７を位置合わせして接着する。

図１０（ａ）のように、半導体チップ１２の側面から樹脂８を注入し、半導体チップ１２と凹型のキャビティ１３の底面との隙間に充填し、充填後の樹脂８を熱硬化させる。このとき、半導体チップ１２からはみだした樹脂長さ１４を、半導体チップ１２と凹型のキャビティ１３の側壁間の距離１５を超えないように、キャビティ寸法を大きく設定する必要がある。半導体チップ１２からはみだした樹脂長さ１４は、通常約０．５ｍｍである。そのため、半導体チップ１２とキャビティ１３の側壁間の距離１５は、０．５ｍｍ以上必要となる。

理由は、図１０（ｂ）のように、半導体チップ１２からはみだした樹脂８とキャビティ１３の側壁１６とがつながった場合、熱衝撃試験において突起電極４に加わる熱応力が増大し、接続不良が発生するためである。

続いて、図１１のように、配線基板６のキャビティ１３の反対面に電子部品１７を接続して、キャビティ構造パッケージの組立が完了する。電子部品１７を配線基板６に接続する方法は、はんだ付け、フリップチップなどである。

このように組立てたキャビティ構造パッケージは、入出力端子２３を、マザーボードにはんだ付けなどにより実装した状態で、電子機器として用いられる。
特開平０８−３３５５９３号公報特許第３０６１０１４号公報

上記従来のＭＣＭ構造では、図８（ｂ）のように隣接する半導体チップＡ１および半導体チップＢ２間の距離１１を短くすると、熱衝撃試験において不具合が出るため、パッケージ（半導体装置）の小型化ができない、あるいは、１つのパッケージ内の半導体チップの搭載密度を高められないという課題があった。

また、従来の凹型のキャビティ１３を有するパッケージ構造では、図１０（ｂ）のように半導体チップ１２とキャビティ１３の側壁間の距離１５を短くすると、熱衝撃試験において不具合が出るため、パッケージ（半導体装置）の小型化ができないという課題があった。

本発明の目的は、ＭＣＭ構造や凹型のキャビティを有するパッケージ構造において、小型化が可能あるいは半導体チップの搭載密度を高められる半導体装置を提供することである。

本発明の第１の半導体装置は、表面に第１の電極を有する第１の半導体チップと表面に第２の電極を有する第２の半導体チップと、一表面に第１の配線電極が形成された第１の半導体チップ搭載領域と第２の配線電極が形成された第２の半導体チップ搭載領域とを有する配線基板と、配線基板の第１の配線電極と第１の半導体チップの第１の電極とを接続する第１の突起電極と、配線基板の第２の配線電極と第２の半導体チップの第２の電極とを接続する第２の突起電極と、配線基板と第１の半導体チップとの間に充填された第１の樹脂と、配線基板と第２の半導体チップとの間に充填された第２の樹脂とからなる半導体装置であって、配線基板の第１の半導体チップ搭載領域および第２の半導体チップ搭載領域の表面高さは、配線基板の第１の半導体チップ搭載領域および第２の半導体チップ搭載領域の間の表面高さよりも高く形成されており、配線基板の第１の半導体チップ搭載領域および第２の半導体チップ搭載領域の間を充填する第３の樹脂の表面高さが、配線基板の第１の半導体チップ搭載領域および第２の半導体チップ搭載領域の表面高さより低いことを特徴とする。

本発明の第２の半導体装置は、請求項１に記載の半導体装置において、配線基板の第１の半導体チップ搭載領域および第２の半導体チップ搭載領域は、配線基板の第１の半導体チップ搭載領域および第２の半導体チップ搭載領域を除く領域より高く形成されていることを特徴とする。

本発明の第３の半導体装置は、請求項１または２に記載の半導体装置において、第３の樹脂は、第１の樹脂および第２の樹脂がはみ出しつながったものであることを特徴とする。

本発明の第４の半導体装置は、表面に電極を有する半導体チップと、一表面に凹部が形成され、前記凹部の底面に配線電極が形成された半導体チップ搭載領域を有する配線基板と、前記配線電極と前記半導体チップの前記電極とを接続する突起電極と、前記配線基板と前記半導体チップとの間を封止する樹脂とからなる半導体装置であって、前記一表面側における前記配線基板の前記半導体チップ搭載領域の表面高さを、前記半導体チップ搭載領域を除く前記凹部の底面周辺部の表面高さよりも高くしたことを特徴とする。

第１の半導体装置によれば、配線基板の一表面側に第１と第２の半導体チップを搭載するＭＣＭ構造において、配線基板の一表面側における第１の半導体チップ搭載領域および第２の半導体チップ搭載領域の表面高さを、第１の半導体チップ搭載領域および第２の半導体チップ搭載領域を除く領域の表面高さよりも高くしていることによって、第１の半導体チップ搭載領域と第２の半導体チップ搭載領域との間隔を狭くしても、配線基板と第１の半導体チップとの間に充填される第１の樹脂の注入時、および配線基板と第２の半導体チップとの間に充填される第２の樹脂の注入時に、それぞれ第１の半導体チップ搭載領域、第２の半導体チップ搭載領域からはみだした樹脂は、配線基板上でそれらの領域より低い領域に流出し、はみだした第１の樹脂と第２の樹脂とが第１、第２の半導体チップ搭載領域の表面より上側でつながることはなく、熱衝撃試験において、第１の突起電極および第２の突起電極に加わる熱応力は増大せず、熱応力増大による接続不良をなくすことが可能となる。したがって、第１と第２の半導体チップの間隔を狭くしても熱衝撃試験において不具合が発生せず、半導体装置の小型化が可能となり、または半導体チップの搭載密度を高めることができる。

第４の半導体装置によれば、配線基板の一表面に凹部が形成され、凹部の底面中央部に半導体チップを搭載する凹型キャビティを有するパッケージ構造において、一表面側における配線基板の凹部の底面中央部の半導体チップ搭載領域の表面高さを、半導体チップ搭載領域を除く凹部の底面周辺部の表面高さよりも高くしていることによって、半導体チップ搭載領域と凹部の底面を囲む凸部との間隔を狭くしても、配線基板と半導体チップとの間に充填される樹脂の注入時に、半導体チップ搭載領域からはみだした樹脂は、半導体チップ搭載領域よりも高さの低い凹部の底面周辺部領域に流出し、はみだした樹脂が凸部の側壁と、半導体チップ搭載領域の表面より上側でつながることはなく、熱衝撃試験において、突起電極に加わる熱応力は増大せず、熱応力増大による接続不良をなくすことが可能となる。したがって、半導体チップと凸部の間隔を狭くしても熱衝撃試験において不具合が発生せず、半導体装置の小型化が可能となる。

以上のように本発明によれば、配線基板の一表面側に第１と第２の半導体チップを搭載するＭＣＭ構造において、配線基板の一表面側における第１の半導体チップ搭載領域および第２の半導体チップ搭載領域の表面高さを、第１の半導体チップ搭載領域および第２の半導体チップ搭載領域を除く領域の表面高さよりも高くしていることによって、第１の半導体チップ搭載領域と第２の半導体チップ搭載領域との間隔を狭くしても、配線基板と第１の半導体チップとの間に充填される第１の樹脂の注入時、および配線基板と第２の半導体チップとの間に充填される第２の樹脂の注入時に、それぞれ第１の半導体チップ搭載領域、第２の半導体チップ搭載領域からはみだした樹脂は、配線基板上でそれらの領域より低い領域に流出し、はみだした第１の樹脂と第２の樹脂とが第１、第２の半導体チップ搭載領域の表面より上側でつながることはなく、熱衝撃試験において、第１の突起電極および第２の突起電極に加わる熱応力は増大せず、熱応力増大による接続不良をなくすことが可能となる。したがって、第１と第２の半導体チップの間隔を狭くしても熱衝撃試験において不具合が発生せず、半導体装置の小型化が可能となり、または半導体チップの搭載密度を高めることができる。

また、本発明によれば、配線基板の一表面に凹部が形成され、凹部の底面中央部に半導体チップを搭載する凹型キャビティを有するパッケージ構造において、一表面側における配線基板の凹部の底面中央部の半導体チップ搭載領域の表面高さを、半導体チップ搭載領域を除く凹部の底面周辺部の表面高さよりも高くしていることによって、半導体チップ搭載領域と凹部の底面を囲む凸部との間隔を狭くしても、配線基板と半導体チップとの間に充填される樹脂の注入時に、半導体チップ搭載領域からはみだした樹脂は、半導体チップ搭載領域よりも高さの低い凹部の底面周辺部領域に流出し、はみだした樹脂が凸部の側壁と、半導体チップ搭載領域の表面より上側でつながることはなく、熱衝撃試験において、突起電極に加わる熱応力は増大せず、熱応力増大による接続不良をなくすことが可能となる。したがって、半導体チップと凸部の間隔を狭くしても熱衝撃試験において不具合が発生せず、半導体装置の小型化が可能となる。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態を、図面を用いて説明する。本実施形態における半導体装置はＭＣＭ構造であり、図２の断面図で示される。

本実施形態における従来例のＭＣＭ構造との相違点は、半導体チップＡ１を搭載する領域および半導体チップＢ２を搭載する領域の表面高さを、半導体チップを搭載しない領域２１の表面高さよりも高くした配線基板６を用いていることである。そのために、半導体チップＡ１を搭載する領域の基板厚さ１８および半導体チップＢ２を搭載する領域の基板厚さ１９を、半導体チップを搭載しない領域２１の基板厚さ２０よりも厚くしている。

本実施形態の半導体装置の製造方法を、図１、図２を用いて説明する。

図１（ａ）のように、半導体チップＡ１および半導体チップＢ２それぞれの外部電極３に突起電極４を形成する。例えば外部電極３がアルミパッドで、そのアルミパッド上に突起電極４として金バンプを形成する代表的な方法として、ＳＢＢ（スタッドバンプ）方式がある。

次に図１（ｂ）のように、半導体チップＡ１および半導体チップＢ２の突起電極４に導電性接着剤５を塗布する。このとき、突起電極４の形成面が下方になるように半導体チップＡ１および半導体チップＢ２を反転し、導電性ペースト槽に突起電極４の先端部分を浸漬し、導電性接着材５を転写するという方法を、通常用いる。

次に図１（ｃ）のように、配線基板６と半導体チップＡ１および半導体チップＢ２を向かい合わせ、突起電極４を、配線基板６上の配線パターン７に接着する。このとき、半導体チップＡ１を搭載する領域の基板厚さ１８と、半導体チップＢ２を搭載する領域の基板厚さ１９は、半導体チップを搭載しない領域の基板厚さ２０よりも厚くなっている。配線基板６には、通常セラミック多層基板を用いる。セラミック多層基板を構成する層の最小厚さは、通常０．１ｍｍである。したがって、半導体チップＡ１を搭載する領域の基板厚さ１８と、半導体チップＢ２を搭載する領域の基板厚さ１９は、半導体チップを搭載しない領域の基板厚さ２０よりも、０．１ｍｍ、０．２ｍｍ、０．３ｍｍのように、０．１ｍｍの倍数だけ厚くすることが出来る。

次に図２のように、半導体チップＡ１および半導体チップＢ２の側面から樹脂８を注入し、半導体チップＡ１と配線基板６の隙間、および半導体チップＢ２と配線基板６の隙間に樹脂８が充填完了後、樹脂８を熱硬化させる。このとき、半導体チップＡ１を搭載する領域の基板厚さ１８が、半導体チップを搭載しない領域２１の基板厚さ２０より厚いため、半導体チップＡ１からはみだした樹脂８は、半導体チップを搭載しない領域２１上に流出する。同様に、半導体チップＢ２を搭載する領域の基板厚さ１９が、半導体チップを搭載しない領域２１の基板厚さ２０より厚いため、半導体チップＢ２からはみだした樹脂８は、半導体チップを搭載しない領域２１上に流出する。そのため、図８（ｂ）のように半導体チップＡ１からはみ出した樹脂長さ９および半導体チップＢ２からはみ出した樹脂長さ１０の合計長さより、半導体チップＡ１および半導体チップＢ２間の距離１１を短くしても、本実施形態では、半導体チップＡ１からはみだした樹脂８と半導体チップＢ２からはみだした樹脂８とが、配線基板６の半導体チップ搭載領域の表面より上側で、つながることはない。そのため熱衝撃試験においても、突起電極４に加わる熱応力は増大せず、接続不良は発生しない。

従来のＭＣＭ構造では、半導体チップＡ１および半導体チップＢ２間の距離１１は、１．０ｍｍ以上必要であった。これに対し、本実施形態では、半導体チップＡ１を搭載する領域の基板厚さ１８と半導体チップＢ２を搭載する領域の基板厚さ１９を、半導体チップを搭載しない領域２１の基板厚さ２０より、０．１ｍｍの倍数分だけ厚くすることによって、半導体チップＡ１および半導体チップＢ２間の距離１１は、約０．４ｍｍにまで、接近させることができる。この０．４ｍｍは、セラミック多層基板の層張り合わせ位置精度が約０．２ｍｍであるため、隣接する２つの半導体チップを搭載するセラミック基板層の位置精度を合計したものである。

以上のように本実施形態によれば、ＭＣＭ構造において、隣接する半導体チップＡ１と半導体チップＢ２との間隔が狭くても、熱衝撃試験において突起電極４に加わる熱応力の増大による接続不良をなくすことが可能となる。したがって、パッケージの小型化が可能となり、または１つのパッケージ内の半導体チップの搭載密度を高めることができる。

なお、本実施形態では、配線基板６上に２つの半導体チップを搭載した例について説明したが、３つ以上でもよく、複数の半導体チップを搭載する場合に本発明の効果を得ることができる。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態を、図面を用いて説明する。本実施形態における半導体装置は凹型キャビティを有するパッケージ構造であり、例えば図４の断面図で示される。

本実施形態における従来例の凹型キャビティを有するパッケージ構造との相違点は、凹型のキャビティ１３の底面において、半導体チップ１２を搭載する領域の表面高さを、その周囲の半導体チップを搭載しない領域２１の表面高さよりも高くした配線基板６を用いていることである。そのために、半導体チップ１２を搭載する領域の基板厚さ２２を、半導体チップを搭載しない領域２１の基板厚さ２０よりも厚くしている。

本実施形態の半導体装置の製造方法を、図３から図６を用いて説明する。

図３（ａ）のように、半導体チップ１２の外部電極３に突起電極４を形成する。

次に図３（ｂ）のように、半導体チップ１２の突起電極４に導電性接着剤５を塗布する。

次に図３（ｃ）のように、配線基板６の凹型のキャビティ１３と半導体チップ１２を向かい合わせ、突起電極４を配線パターン７に接着する。キャビティ１３内において、半導体チップ１２を搭載する領域の基板厚さ２２は、半導体チップを搭載しない領域の基板厚さ２０より厚くなっている。配線基板６は、通常セラミック多層基板を用いる。

次に図４のように、半導体チップ１２の側面から樹脂８を注入し、半導体チップ１２とキャビティ１３の底面との隙間に充填し、充填後の樹脂８を熱硬化させる。このとき、キャビティ１３において、半導体チップを搭載する領域の基板厚さ２２が半導体チップを搭載しない領域の基板厚さ２０より厚いため、半導体チップ１２からはみだした樹脂８は、半導体チップを搭載しない領域２１上に流出する。そのため、半導体チップ１２とキャビティの側壁１６との距離１５が短い距離であっても、半導体チップ１２からはみだした樹脂８がキャビティの側壁１６と、配線基板６の半導体チップ搭載領域の表面より上側で、つながることはない。そのため熱衝撃試験においても、突起電極４に加わる熱応力は増大せず、接続不良は発生しない。

従来のキャビティ構造パッケージでは、半導体チップとキャビティの側壁間距離１５は、０．５ｍｍ以上必要であった。これに対し、本実施形態では、半導体チップを搭載する領域の基板厚さ２２を、半導体チップを搭載しない領域の基板厚さ２０より、０．１ｍｍの倍数分だけ厚くすることによって、半導体チップとキャビティの側壁間の距離１５は、約０．２ｍｍにまで、接近させることができる。この０．２ｍｍは、セラミック多層基板の層張り合わせ位置精度が約０．２ｍｍであることによる。

次に図５のように、配線基板６のキャビティ１３とは反対面に形成された配線パターン７に電子部品１７を接続して、キャビティ構造パッケージの組立が完了する。電子部品１７を配線基板６に接続する方法は、はんだ付け、フリップチップなどである。キャビティ１３の外周凸部には、入出力端子２３が形成されており、半導体チップ１２の外部電極３の一部と、電子部品１７の一部とが、配線基板６内で電気的につながり、入出力端子２３に引き出されている。半導体チップとキャビティの側壁間距離１５を、約０．２５ｍｍにまで、接近させた場合、キャビティ１３の外周凸部（側壁）が邪魔になって、半導体チップ１２の側面に樹脂８を注入できないという課題が発生するが、これについては、キャビティ１３の外周凸部を半導体チップ１２の四方ではなく、例えば三方にのみ設置した構造とすることで解決する。

さらに図６のように、上述の工程で組立てたキャビティ構造パッケージは、入出力端子２３を、マザーボード２４にはんだ付けなどにより実装した状態で、電子機器として用いられる。

以上のように本実施形態によれば、凹型のキャビティを有するパッケージ構造において、半導体チップとキャビティの側壁間距離１５を狭くしても、熱衝撃試験において突起電極４に加わる熱応力の増大による接続不良をなくすことが可能となる。したがって、パッケージの小型化が可能となる。

本発明は、ＭＣＭ構造あるいは凹型のキャビティを有するパッケージ構造の半導体装置およびその製造方法等として有用である。

本発明の第１の実施形態における半導体装置の製造工程断面図本発明の第１の実施形態における半導体装置の製造工程断面図本発明の第２の実施形態における半導体装置の製造工程断面図本発明の第２の実施形態における半導体装置の製造工程断面図本発明の第２の実施形態における半導体装置の製造工程断面図本発明の第２の実施形態における半導体装置の製造工程断面図従来のＭＣＭ構造の半導体装置の製造工程断面図従来のＭＣＭ構造の半導体装置の製造工程断面図従来のキャビティ構造パッケージの半導体装置の製造工程断面図従来のキャビティ構造パッケージの半導体装置の製造工程断面図従来のキャビティ構造パッケージの半導体装置の製造工程断面図

符号の説明

１半導体チップＡ
２半導体チップＢ
３外部電極
４突起電極
５導電性接着剤
６配線基板
７配線パターン
８樹脂
９半導体チップＡからはみだした樹脂長さ
１０半導体チップＢからはみだした樹脂長さ
１１半導体チップＡおよび半導体チップＢ間の距離
１２半導体チップ
１３キャビティ
１４半導体チップからはみだした樹脂長さ
１５半導体チップとキャビティの側壁間距離
１６キャビティの側壁
１７電子部品
１８半導体チップＡを搭載する領域の基板厚さ
１９半導体チップＢを搭載する領域の基板厚さ
２０半導体チップを搭載しない領域の基板厚さ
２１半導体チップを搭載しない領域
２２半導体チップを搭載する領域の基板厚さ
２３入出力端子
２４マザーボード

Claims

表面に第１の電極を有する第１の半導体チップと表面に第２の電極を有する第２の半導体チップと、
一表面に第１の配線電極が形成された第１の半導体チップ搭載領域と第２の配線電極が形成された第２の半導体チップ搭載領域とを有する配線基板と、
前記配線基板の前記第１の配線電極と前記第１の半導体チップの前記第１の電極とを接続する第１の突起電極と、
前記配線基板の前記第２の配線電極と前記第２の半導体チップの前記第２の電極とを接続する第２の突起電極と、
前記配線基板と前記第１の半導体チップとの間に充填された第１の樹脂と、
前記配線基板と前記第２の半導体チップとの間に充填された第２の樹脂とからなる半導体装置であって、
前記配線基板の前記第１の半導体チップ搭載領域および前記第２の半導体チップ搭載領域の表面高さは、前記配線基板の前記第１の半導体チップ搭載領域および前記第２の半導体チップ搭載領域の間の表面高さよりも高く形成されており、
前記配線基板の前記第１の半導体チップ搭載領域および前記第２の半導体チップ搭載領域の間を充填する第３の樹脂の表面高さが、前記配線基板の前記第１の半導体チップ搭載領域および前記第２の半導体チップ搭載領域の表面高さより低いことを特徴とする半導体装置。
前記配線基板の前記第１の半導体チップ搭載領域および前記第２の半導体チップ搭載領域は、前記配線基板の前記第１の半導体チップ搭載領域および前記第２の半導体チップ搭載領域を除く領域より高く形成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
前記第３の樹脂は、前記第１の樹脂および前記第２の樹脂がはみ出しつながったものであることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
表面に電極を有する半導体チップと、
一表面に凹部が形成され、前記凹部の底面に配線電極が形成された半導体チップ搭載領域を有する配線基板と、
前記配線電極と前記半導体チップの前記電極とを接続する突起電極と、
前記配線基板と前記半導体チップとの間を封止する樹脂とからなる半導体装置であって、
前記一表面側における前記配線基板の前記半導体チップ搭載領域の表面高さを、前記半導体チップ搭載領域を除く前記凹部の底面周辺部の表面高さよりも高くしたことを特徴とする半導体装置。