JP4391508B2 - 半導体装置、及び半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置、及び半導体装置の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、半導体チップを実装基板上に実装してパッケージ化した半導体装置、及び半導体装置の製造方法の製造方法に関する。
近年、携帯電話等に代表される小型電子機器の高機能化や小型化に伴い、複数の半導体チップや受動素子等のチップ部品をインターポーザと呼ばれる実装基板上に高密度で実装してパッケージ化された半導体装置、所謂、ＳｉＰ（Ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ Ｐａｃｋａｇｅ）の要求が高くなっている。
しかしながら、高密度実装のために実装基板をなるべく小型にする必要があり、実装する半導体チップの外形と実装基板の外形との差を小さくすることが要求される。
通常、実装基板と半導体チップとの間隙にはアンダーフィルと呼ばれる封止樹脂により封止されるが、半導体チップの外形と実装基板の外形との差を小さくすると、この封止樹脂のはみ出しにより、実装基板のチップ実装領域周囲に設けられた外部端子に封止樹脂が覆い、接続不良を引き起こすといった問題が生じる。
はみ出しを少なくするためには、高粘度の封止樹脂を適応することで改善できるが、充填に長時間を有したり、ボイドや未充填が生じやすくなってしまう。
そこで、特許文献１には、低粘度で充填性のよい封止樹脂を適用し、はみ出した封止樹脂が実装基板のチップ実装領域周囲に設けられた外部端子に覆わないように、実装基板上に半導体チップと外部端子との間に封止樹脂を堰き止めるダムを設けることが提案されている。
しかしながら、上記提案では、ダム形成に樹脂を実装基板全面に塗布後、ホトリソ工程で所定の形状に加工するなどの手法がとられ、コストや製造時間等の面で満足できるものではないのが現状である。
そこで、本発明の課題は、簡易且つ低コストで、封止樹脂のはみ出しを抑制し、良質な封止品質を得ることが可能な半導体装置の製造方法を提供することである。また、本発明の課題は、簡易且つ低コストで、封止樹脂のはみ出しを抑制し、良質な封止品質を有する半導体装置を提供することである。
上記課題は、以下の手段により解決される。即ち、
請求項１に係る発明は、
チップ実装領域の周囲に外部端子が形成された実装基板を準備する第１工程と、
複数の側面を有する半導体チップを準備する第２工程と、
前記半導体チップを前記実装基板に実装する第３工程と、
前記半導体チップの前記側面のうち、当該側面から当該側面に対向する前記外部端子までの距離が最も短い第１側面において、前記第１側面の前記実装基板側端辺と前記実装基板における前記第１側面の前記実装基板側端辺の直下部分とで形成される領域である第１間隙の少なくとも１部に第１封止樹脂を充填する第４工程と、
前記第１封止樹脂を硬化させて前記第１間隙を封止する第５工程と、
前記第１封止樹脂を充填した前記第１間隙又は前記第１封止樹脂により封止した前記第１間隙を除く、前記半導体チップと前記実装基板との第２間隙に第２封止樹脂を充填する第６工程と、
前記第２封止樹脂を硬化させて前記第２間隙を封止する第７工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法である。
請求項２に係る発明は、
前記第１封止樹脂の粘度が第２封止樹脂の粘度よりも高い、請求項１に記載の半導体装置の製造方法である。
請求項３に係る発明は、
前記第４工程において、少なくとも１つ以上の未充填領域を設けるように、第１封止樹脂を前記第１間隙に充填する、請求項１又は請求項２に記載の半導体装置の製造方法である。
請求項４に係る発明は、
前記第４工程において、前記実装基板を加熱しはじめた後に、前記第１封止樹脂を前記第１間隙に充填し、前記第５工程による前記第１封止樹脂の硬化を同時に行う、請求項１乃至請求項３のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法である。
請求項５に係る発明は、
前記第５工程による前記第１封止樹脂の硬化と、前記第７工程による前記第２封止樹脂の硬化を同時行う、請求項１乃至請求項３のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法である。
請求項６に係る発明は、
前記第３工程において、前記半導体チップは単数であり、前記半導体チップの中心と前記実装基板の中心とをずらすようにして、前記半導体チップを前記実装基板に実装する、請求項１乃至請求項５のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法である。
請求項７に係る発明は、
チップ実装領域と、該チップ実装領域を囲む外周領域と、該外周領域に形成される外部端子と、該チップ実装領域及び該外周領域に亘って形成され外部端子に接続される配線と、を有する実装基板と、
複数の端辺を有し、前記配線に接続されると共に前記実装基板に実装される半導体チップと、
前記半導体チップの前記端辺のうち、当該端辺から当該端辺に対向する前記外部端子までの距離が最も短い端辺と前記実装基板との第１間隙の少なくとも一部を封止する第１封止樹脂と、
前記第１封止樹脂により封止された前記第１間隙を除く、前記半導体チップと前記実装基板との第２間隙を封止する第２封止樹脂と、
を備えた半導体装置である。
請求項８に係る発明は、
前記半導体チップは単数であり、前記半導体チップは前記半導体チップの中心と前記実装基板の中心とをずらすようにして前記実装基板に実装される請求項７に記載の半導体装置である。
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、実質的に同様の機能を有するものには、全図面を通して同じ符号を付して説明し、場合によってはその説明を省略することがある。
図１は、実施形態に係る半導体装置を示す概略平面図である。図２は、実施形態に係る半導体装置を示す概略断面図である。図２は、図１のＡ−Ａ断面図である。
実施形態に係る半導体装置１００は、図１及び図２に示すように、主面にチップ実装領域１１と、該チップ実装領域１１を囲む外周領域１３と、該外周領域１３に所定間隔で形成される外部端子としてパッド１２と、を有するインターポーザ１０（実装基板）を備えている。インターポーザ１０には、チップ実装領域１１及び外周領域１３に亘って形成され外部端子としてのパッド１２に接続される配線等も設けられている。
また、インターポーザ１０上には、例えば片面に外部端子としてバンプ２１Ａが設けられた第１半導体チップ２０Ａ（半導体チップ）と、同様に片面に外部端子としてバンプ２１Ｂが設けられた第２半導体チップ２０Ｂと、がフリップチップ接続されて実装されている。なお、本実施形態では、第１半導体チップ２０Ａよりも第２半導体チップ２０Ｂが小さく、第１半導体チップ２０Ａと第２半導体チップとは大きさが異なるものを適用しているが、これに限られるものではない。また、半導体チップ以外にも、例えば、コンデンサや抵抗などの受動素子（電子部品）を実装していてもよい。
そして、第１半導体チップ２０Ａの４つの端辺２２Ａ、２３Ａ、２４Ａ、２５Ａのうち、端辺から当該端辺に対向するインターポーザ１０のパッド１２までの距離が最も短い３つの端辺２２Ａ、２３Ａ、２４Ａと前記インターポーザ１０との間隙が第１アンダーフィル３０により封止されている。本実施形態では、第１半導体チップ２０Ａの実装位置が、４つの端辺のうち、第２半導体チップ２０Ｂと対向する端辺２５Ａを除く３つの端辺２２Ａ、２３Ａ、２４Ａから各々対向するインターポーザ１０のパッド１２までの距離がほぼ同一のため、当該３つの端辺２２Ａ、２３Ａ、２４Ａとインターポーザ１０との間隙に第１アンダーフィル３０により封止している。
また、第２半導体チップ２０Ｂの４つの端辺２２Ｂ、２３Ｂ、２４Ｂ、２５Ｂのうち、端辺から当該端辺に対向するインターポーザ１０のパッド１２までの距離が最も短い一つ端辺２５Ｂとインターポーザ１０との間隙が第１アンダーフィル３０により封止されている。
この第１アンダーフィル３０には、未封止部５０を少なくとも１つ有して設けられている。本実施形態では、一つの端辺とインターポーザ１０間に設けた第１アンダーフィルに２つ設け、隣合う端辺とインターポーザ１０間に設けた第１アンダーフィル間にも未封止部５０を設けている。
なお、第１アンダーフィル３０は、実装する半導体チップの４つの端辺のうち、端辺から当該端辺に対向するインターポーザのパッドまでの距離が最も短い端辺とインターポーザとの間隙を少なくとも封止していればよく、端辺から当該端辺に対向するインターポーザのパッドまでの距離が最も遠い端辺を除く全ての端辺とインターポーザとの間隙を封止してもよい。無論、後述する液状のアンダーフィルも同様にして各間隙に充填される。
ここで、半導体チップの端辺とインターポーザ（実装基板）のパッド（外部端子）との距離とは、端辺に対し直交方向に沿った端辺と外部端子との最短距離を意味する。
一方、第１アンダーフィル３０により封止された間隙を除く、第１半導体チップとインターポーザ１０との間隙、及び第２半導体チップ２０Ｂとインターポーザ１０との間隙は、第２アンダーフィル４０により封止されている。
このようにして、本実施形態に係る半導体装置１００は、パッケージングされており、マザーボード等の他の実装基板上に実装することができる。
インターポーザ１０としては、インターポーザ１０としては、例えば、シリコン基板、アルミ基板等に代表される金属基板、ガラス基板やガラスエポキシ基板に代表される有機樹脂基板（フレキシブルプリント基板も含む）等であってもよい。本実施形態では、インターポーザ１０としてシリコン基板を適用している。
インターポーザ１０には、基板に対し、めっき法、スパッタ法、リソグラフィー法、エッチング等を利用して外部端子としてのパッド１２や配線回路（不図示）が形成されている。
第１半導体チップ２０Ａ及び第２半導体チップ２０Ｂは、それぞれ片面にバンプ２１Ａ、２１Ｂが設けられ、外部と電気的に接続しつつ実装可能に構成されている。しかし、これに限られず、例えば、ＷＣＳＰやＭＣＰに代表されるようにパッケージング化されていてもよい。
ここで、ＷＣＳＰ（Ｗａｆｅｒ Ｌｅｖｅｌ Ｃｈｉｐ Ｓｉｚｅ Ｐａｃｋａｇｅもしくは、Ｗａｆｅｒ Ｌｅｖｅｌ Ｃｈｉｐ Ｓｃａｌｅ Ｐａｃｋａｇｅ）は、ウエハ単位でパッケージング処理を行い個片化して得られるチップサイズとほぼ等しい外形寸法を有するパッケージである。このようなＷＣＳＰは例えば特開平９−６４０４９号に開示されている。ＭＣＰ（Ｍｕｌｔｉ Ｃｈｉｐ Ｐａｃｋａｇｅ）は、半導体チップを２次元もしくは３次元（スタック構造）敵に複数搭載したパッケージである。
第１アンダーフィル３０及び第２アンダーフィルとしては、例えば、エポキシ樹脂やシリコーン樹脂、フェノール樹脂等が挙げられる。第１アンダーフィル３０と第２アンダーフィル４０とは、種類が同一でもよいし、異なっていてもよい。但し、後述するように、液状の第１アンダーフィルは、液状の第２アンダーフィルよりも高い粘度のものが適用される。
以下、本実施形態に係る半導体装置１００の製造方法について説明する。図３及び図４は、実施形態に係る半導体装置の製造工程を示す工程図であり、図３は、半導体装置の概略平面図により示した工程図であり、図４は、半導体装置の概略断面図により示した工程図である。
まず、インターポーザ１０、第１半導体チップ２０Ａ、及び第２半導体チップ２０Ｂを準備する。
次に、図３（Ａ）及び図４（Ａ）に示すように、第１半導体チップ２０Ａを、その外部端子としてのパッド１２がインターポーザ１０に対面するように、当該インターポーザ１０のチップ実装領域１１上にフリップチップ接続して実装する。
同様に、第２半導体チップ２０Ｂも、その外部端子としてのパッド１２がインターポーザ１０に対面するように、当該インターポーザ１０のチップ実装領域１１上にフリップチップ接続して実装する。
次に、図３（Ｂ）及び図４（Ｂ）に示すように、第１半導体チップ２０Ａの４つの端辺２２Ａ、２３Ａ、２４Ａ、２５Ａのうち、端辺から当該端辺に対向するインターポーザ１０のパッド１２までの距離が最も短い３つの端辺２２Ａ、２３Ａ、２４Ａとインターポーザ１０との間隙に対し、液状の第１アンダーフィル３１を充填する。この充填は、例えば、ニードルから連続して供給する方法や、一定量を一定間隔で吹き付ける方法等で実施される。
ここで、使用する液状の第１アンダーフィル３１は、後述する液状の第２アンダーフィル４１よりも粘度が高いものを適用する。具体的には、例えば、液状の第１アンダーフィル３１は、例えば粘度（２５℃）が４０〜１００Ｐａ・ｓ（好ましくは５０〜７０Ｐａ・ｓ）のもので、充填したときに基板面に広がらず形状を維持するものが適用される。
また、液状の第１アンダーフィル３１は、硬化後の第１アンダーフィル３０の未封止部５０となる未充填部５１を少なくとも１つ有するように充填する。本実施形態では、液状の第１アンダーフィル３１は、一つの端辺とインターポーザ１０間に充填する液状の第１アンダーフィル３１に対して２つ設け、隣合う端辺とインターポーザ１０間に対して充填する液状の第１アンダーフィル３１間にも未充填部５１を設けるように、充填している。
また、液状の第１アンダーフィル３１の充填は、インターポーザ１０を当該液状の第１アンダーフィル３１が硬化する温度（例えば１００〜１２０℃）に加熱しはじめた後に行う。これにより、液状の第１アンダーフィル３１の充填と、当該液状の第１アンダーフィル３１の硬化（即ち、第１アンダーフィル３０による封止）とを同時に行う。
液状の第１アンダーフィル３１の硬化（即ち、第１アンダーフィル３０による封止）は、液状の第１アンダーフィル３１を充填した後に、基板等を加熱して行ってもよいが、液状の第１アンダーフィル３１の充填と、当該液状の第１アンダーフィル３１の硬化（即ち、第１アンダーフィル３０による封止）を同時に行うことで、液状の第１アンダーフィル３１の充填形状を維持した状態で直ぐ硬化されるため、第１アンダーフィル３０に設ける未封止部５０（未充填部５１）を任意の箇所に且つ小さく形成することが可能となる。
次に、図３（Ｃ）及び図４（Ｃ）に示すように、通常の作業温度（例えば２５℃）にインターポーザ１０に保持した状態で、第１アンダーフィル３０により封止された間隙を除く、第１半導体チップとインターポーザ１０との間隙、及び第２半導体チップ２０Ｂとインターポーザ１０との間隙に、液状の第２アンダーフィル４１を充填する。そして、基板等を加熱して液状の第２アンダーフィル４１を硬化させ、第２アンダーフィル４０により封止する。
ここで、液状の第２アンダーフィル４１は、液状の第１アンダーフィル３１よりも粘度が低いものを適用する。具体的には、例えば、液状の第２アンダーフィル４１は、例えば粘度（２５℃）が０．１〜３０Ｐａ・ｓ（好ましくは１〜２０Ｐａ・ｓ）のもので、流動性に優れ、ボイドや未充填が発生しないものが適用される。
このようにして、本実施形態に係る半導体装置１００を製造することができる。
以上説明した本実施形態に係る半導体装置１００では、実装する半導体チップの４つの端辺のうち、少なくとも端辺から当該端辺に対向するインターポーザ１０のパッド１２までの距離が最も短い端辺とインターポーザ１０との間隙に対し、液状の第１アンダーフィル３１を充填して、これを硬化し第１アンダーフィル３０により封止しいている。そして、その後、第１アンダーフィル３０により封止された間隙を除く、半導体チップとインターポーザとの間隙に対し、液状の第２アンダーフィル４１を充填して、これを硬化して第２アンダーフィル４０により封止している。
この封止した第１アンダーフィル３１が液状の第２アンダーフィル４１の充填の際、堰き止め部材（ダム）の役割を果し、第２アンダーフィル４０のはみ出しが抑制され、インターポーザ１０のパッド１２にかからなくなる。しかも、第１アンダーフィルは、第２アンダーフィル４０と同様に充填・硬化等のみの操作により形成できる。また、堰き止め部材が不要であることから、半導体チップの端辺と外部端子との距離を短くすることもできる。
また、液状の第２アンダーフィル４１よりも粘度が高い液状の第１アンダーフィル３１を用いると、充填時にインターポーザ１０に広がらず、液状の第１アンダーフィル３１がインターポーザ１０のパッド１２にかかり難くなる。さらに、高粘度であることから、液状の第１アンダーフィル３１の充填形状を維持しやすく、第１アンダーフィル３０に設ける未封止部５０（未充填部５１）を任意の箇所に且つ小さく形成しやすくなる。
このため、簡易且つ低コストで、アンダーフィル（封止樹脂）のはみ出しを抑制し、良質な封止品質を実現することができる。
加えて、液状の第１アンダーフィル３１の充填時には、未充填部５１を設けて、これを硬化した第１アンダーフィル３０に未封止部５０を設けているので、この未封止部５０が空気抜き用の穴として機能し、液状の第２アンダーフィル４１は、第１アンダーフィル３０と間隙（未充填部）を有することなく充填され、より良質な封止品質を実現することができる。
なお、上記実施形態では、２つの半導体チップ２０Ａ、２０Ｂを実装した形態を説明したが、これに限られず、単数でも、３つ以上の複数の半導体チップを実施した形態でもよい。
ここで、単数の半導体チップのみを実装する場合、図５及び図６に示すように、半導体チップ２０の中心とインターポーザ１０の中心とをずらすようにして、即ち、半導体チップ２０をインターポーザ１０上のチップ実装領域上で偏在させて、半導体チップ２０をインターポーザ１０に実装することがよい。これにより、半導体チップ２０の４つの端辺のうち、少なくとも１つの端辺と対向するインターポーザ１０の外部端子としてのパッド１２との距離を他の端辺よりも近くさせる。具体的は、少なくとも１つの端辺と対向するインターポーザ１０の外部端子としてのパッド１２との距離を他の端辺よりも遠くさせ、液状の第２アンダーフィル４１の充填位置を確保させる。
そして、上記本実施形態同様に、実装する半導体チップ２０の４つの端辺のうち、少なくとも端辺から当該端辺に対向するインターポーザのパッドまでの距離が最も短い端辺とインターポーザとの間隙に対し、液状の第２アンダーフィルよりも粘度が高い液状の第１アンダーフィルを充填して、これを硬化し第１アンダーフィル３０により封止しいている。その後、第１アンダーフィル３０により封止された間隙を除く、半導体チップとインターポーザとの間隙に対し、液状の第２アンダーフィルを充填して、これを硬化して第２アンダーフィル４０により封止する。これにより、単数の半導体チップを実装する形態であっても、簡易且つ低コストで、アンダーフィル（封止樹脂）のはみ出しを抑制し、良質な封止品質を実現することができる。
なお、図５、他の実施形態に係る半導体装置を示す概略平面図である。図６は、他の実施形態に係る半導体装置を示す概略断面図である。図６は、図５のＢ−Ｂ断面図である。
また、本実施形態では、２つの半導体チップ２０Ａ、２０Ｂのいずれにも、第１アンダーフィル３０（或いは液状の第１アンダーフィル３１）を設けた形態を説明したが、例えば、複数の半導体チップを実施する形態において、その複数の半導体チップのうち、その全ての端辺とインターポーザ１０のパッド１２との距離が十分離れている半導体チップには第１アンダーフィル３０は設ける必要はない。
また、本実施形態では、液状の第１アンダーフィル３１の充填と、その硬化とを同時に行った形態を説明したが、液状の第１アンダーフィル３１の充填後に硬化させる形態であってもよい。また、液状の第１アンダーフィル３１の充填後に、液状の第２アンダーフィル４１を充填して、その後、液状の第１アンダーフィル３１及び液状の第２アンダーフィル４１を同時に硬化させる形態であってもよい。この形態では、上記実施形態に比べ、工数が削減できる。また、この形態の場合、充填された液状の第１アンダーフィル３１は、高粘度であることから充填形状を十分維持しているので、液状の第２アンダーフィル４１充填時の堰き止め部材としての機能を果す。
また、本実施形態では、液状の第１アンダーフィル３１として液状の第２アンダーフィル４１の粘度よりも高い高粘度のものを使用した形態を説明したが、これに限られず、液状の第１アンダーフィル３１の硬化温度を調整すれば、第２アンダーフィル４１の粘度と同程度もしくはそれ以下の低粘度のものも使用することもできる。
また、上記実施の形態においては、限定的に解釈されるものではなく、本発明の要件を満足する範囲内で実現可能であることは、言うまでもない。
実施形態に係る半導体装置を示す概略平面図である。 実施形態に係る半導体装置を示す概略断面図である。 実施形態に係る半導体装置の製造工程を示す工程図である。 実施形態に係る半導体装置の製造工程を示す工程図である。 他の実施形態に係る半導体装置を示す概略平面図である。 他の実施形態に係る半導体装置を示す概略断面図である。
符号の説明
１０ インターポーザ（実装基板）
１２ パッド（外部端子）
２０ 半導体チップ
２１ バンプ
３０ 第１アンダーフィル
３１ 液状の第１アンダーフィル
４０ 第２アンダーフィル
４１ 液状の第２アンダーフィル
５０ 未封止部
５１ 未充填部
１００ 半導体装置

Claims (8)

  1. チップ実装領域の周囲に外部端子が形成された実装基板を準備する第１工程と、
    複数の側面を有する半導体チップを準備する第２工程と、
    前記半導体チップを前記実装基板に実装する第３工程と、
    前記半導体チップの前記側面のうち、当該側面から当該側面に対向する前記外部端子までの距離が最も短い第１側面において、前記第１側面の前記実装基板側端辺と前記実装基板における前記第１側面の前記実装基板側端辺の直下部分とで形成される領域である第１間隙の少なくとも１部に第１封止樹脂を充填する第４工程と、
    前記第１封止樹脂を硬化させて前記第１間隙を封止する第５工程と、
    前記第１封止樹脂を充填した前記第１間隙又は前記第１封止樹脂により封止した前記第１間隙を除く、前記半導体チップと前記実装基板との第２間隙に第２封止樹脂を充填する第６工程と、
    前記第２封止樹脂を硬化させて前記第２間隙を封止する第７工程と、
    を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 前記第１封止樹脂の粘度が第２封止樹脂の粘度よりも高い、請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
  3. 前記第４工程において、少なくとも１つ以上の未充填領域を設けるように、第１封止樹脂を前記第１間隙に充填する、請求項１又は請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
  4. 前記第４工程において、前記実装基板を加熱しはじめた後に、前記第１封止樹脂を前記第１間隙に充填し、前記第５工程による前記第１封止樹脂の硬化を同時に行う、請求項１乃至請求項３のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。
  5. 前記第５工程による前記第１封止樹脂の硬化と、前記第７工程による前記第２封止樹脂の硬化を同時行う、請求項１乃至請求項３のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。
  6. 前記第３工程において、前記半導体チップは単数であり、前記半導体チップの中心と前記実装基板の中心とをずらすようにして、前記半導体チップを前記実装基板に実装する、請求項１乃至請求項５のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。
  7. チップ実装領域と、該チップ実装領域を囲む外周領域と、該外周領域に形成される外部端子と、該チップ実装領域及び該外周領域に亘って形成され外部端子に接続される配線と、を有する実装基板と、
    複数の側面を有し、前記配線に接続されると共に前記実装基板に実装される半導体チップと、
    前記半導体チップの前記側面のうち、当該側面から当該側面に対向する前記外部端子までの距離が最も短い第１側面において、前記第１側面の前記実装基板側端辺と前記実装基板における前記第１側面の前記実装基板側端辺の直下部分とで形成される領域である第１間隙の少なくとも一部を前記第１側面と接触するように封止する第１封止樹脂と、
    前記第１封止樹脂により封止された前記第１間隙を除く、前記半導体チップと前記実装基板との第２間隙を封止する第２封止樹脂と、
    を備えた半導体装置。
  8. 前記半導体チップは単数であり、前記半導体チップは前記半導体チップの中心と前記実装基板の中心とをずらすようにして前記実装基板に実装される請求項７に記載の半導体装置。
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