JP4454181B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は複数の半導体チップを１つの半導体パッケージに組み込んだ半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置及び半導体装置を含む電子機器の小型化に対する要求はますます著しくなっている。従来の半導体装置は半導体チップをリードフレーム取り付けて、半導体チップを樹脂で封止して形成されていた。電子機器はマザーボードを含み、複数の半導体装置がリードによってマザーボードに搭載されている。マザーボードに搭載される半導体装置の数が多くなると、電子機器のサイズが大きくなる。
【０００３】
最近は、ＣＳＰ構造（チップサイズパッケージ）の半導体装置が開発されている。ＣＳＰ構造では、半導体チップはインターポーザと呼ばれる基板に取り付けられ、半導体チップのパッドはワイヤやボールによってインターポーザの回路に電気的に接続され、半導体チップは樹脂で封止される。インターポーザの下面には外部端子としてのボールが配置され、このボールをマザーボードに接合することにより、半導体装置がマザーボードに搭載される。
【０００４】
ＣＳＰ構造の半導体装置はかなり小さなサイズで形成されることができ、よって電子機器も比較的に小さなサイズで形成されることができる。さらに、電子機器のサイズをさらに縮小するために、複数の半導体チップを１パッケージ内に配置したＭＣＭ構造（マルチチップモジュール）と呼ばれる半導体装置が開発されている。ＭＣＭ構造の半導体装置では、複数の半導体チップのパッドはインターポーザと呼ばれる基板の回路にワイヤやボールによって電気的に接続され、インターポーザの下面に設けられた外部端子としてのボールがマザーボードに接続される。こうして、マザーボードに搭載される素子の数を減少することができるので、電子機器のサイズをさらに縮小することができる。
【０００５】
また、半導体装置は熱を発生するので、熱を放散させることが必要である。特開平５−７４９９１号公報は、放熱リードを半導体装置のパッケージ内に配置し、この放熱リードをパッケージの外部へ延長してなる半導体装置を開示している。特開平８−１３０２９２号公報は、複数の半導体装置をスタック状に積み重ね、半導体装置のスタックの両側に電気接続体を設け、各半導体装置の両端部から延びるリードを両側の電気接続体に接続してなる半導体装置スタック構造を開示している。そして、隣接する２つの半導体装置の間に放熱板が配置され、半導体装置スタック構造の放熱特性を向上させるようになっている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ＭＣＭ構造の半導体装置には、複数の半導体装置を基板の表面に平行に配置する構造と、複数の半導体装置を基板の表面の上に縦に積み重ねるスタック構造とがある。スタック構造によれば、複数の半導体チップがあるにもかかわらず、半導体装置のサイズ（半導体装置の上方から見たサイズ）は１つの半導体チップを含む半導体装置のサイズと同等にすることができる。
【０００７】
しかし、スタック構造の半導体装置では、例えば２つの半導体チップが縦に積み重ねられた半導体装置では、第１の半導体チップをインターポーザに搭載し、第１のチップのパッドをインターポーザのパッドに電気的に接続した後、第２のチップを第１の半導体チップの上に載置し、第２の半導体チップのパッドをインターポーザの回路に電気的に接続する必要がある。
【０００８】
パッドの電気的な接続のために、バンプ（はんだ、金等）による接合及びワイヤボンディングによる接合が利用される。しかし、パンプによる接合は、バンプ製造における製造工程増加や接合面の信頼性に問題があるばかりでなく、第２の半導体チップとインターポーザとの間に第１の半導体チップがあるので、第２の半導体チップのパッドをインターポーザの回路に接続するのが困難である。
【０００９】
ワイヤボンディングによる接合は、上記した問題がなく、かつ比較的に簡単且つ確実に実施できるという利点がある。しかし、ワイヤボンディングによる接合は、第１の半導体チップのサイズと第２の半導体チップのサイズとが等しい場合には適用できないという問題点があった。例えば、第１の半導体チップをインターポーザに搭載し、第１のチップのパッドをワイヤボンディングによりインターポーザの回路に電気的に接続した後、第２のチップを第１の半導体チップの上に載置するとき、第１のチップのパッドがワイヤでボンディングされているので、第２のチップを第１の半導体チップの上にぴったりと載せることができない。
【００１０】
また、半導体装置に収納する半導体チップの種類によっては、高周波数、高出力で動作するものがあり、そのような半導体装置の動作時の発熱量が大きい。従って、半導体装置の動作時の熱放散性の改善も求められている。
本発明の目的は１パッケージ内に複数の半導体チップがスタック状に収納され、パッケージが大きくならず、半導体チップが容易にパッケージ内で配線されることができる半導体装置を提供することである。
【００１１】
本発明の他の目的は１パッケージ内に複数の半導体チップが収納され、放熱特性が改善された半導体装置を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明による半導体装置は、基板に取り付けられ且つパッドを有する第１の半導体チップと、該第１の半導体チップの上に配置された板部材と、該板部材の上に配置され且つパッドを有する第２の半導体チップと、該第１の半導体チップのパッド及び該第２の半導体チップのパッドを該基板のパッドに電気的に接続する手段と、該第１の半導体チップ及び該第２の半導体チップを封止する封止部材とからなり、該第１の半導体チップのパッドのある部位における前記板部材の側面は、該第１の半導体チップのパッドよりも内寄りの位置にあり、該第１の半導体チップのパッドのない部位における板部材の側面は、前記封止部材の表面から外部に露出されていることを特徴とする。例えば、板部材は金属板又は回路を有する基板とすることができる。
【００１３】
上記構成においては、第１の半導体チップのパッドよりも内寄りの位置に端部を有する板部材が第１の半導体チップの上に配置されており、第２の半導体チップはこの板部材の上に配置される。第２の半導体チップは第１の半導体チップの上方に第１の半導体チップと整列した位置に配置されることができ、このときに、板部材が第１の半導体チップと第２の半導体チップとの間にあって第１の半導体チップ及び第２の半導体チップの端部から後退した位置に配置されている。従って、第１の半導体チップのパッドが基板（インターポーザ）のパッドにワイヤボンディングで接続されていても、第２の半導体チップはボンディングワイヤに干渉することなく第１の半導体チップの上方に配置されることができる。第２の半導体チップを板部材に配置した後、第２の半導体チップのパッドが基板の回路にワイヤボンディングで接続されることができる。
【００１４】
第１の半導体チップのパッドのない部位における板部材の側面は封止部材の表面から外部に露出されている。こうすることにより、半導体装置の内部で発生した熱が板部材を通って半導体装置の外部へ放熱される。板部材は複数の層を積層してなる構成とすれば、半導体装置の内部で発生した水分が複数の層の間を通って半導体装置の外部へ放出される。このため、半導体装置内に水分がたまって蒸発し、封止部材を膨張させて、半導体装置の作動が不良になるのを防止することができる。
【００１５】
好ましくは、板部材はパッドを備え、第１の半導体チップのパッド及び該第２の半導体チップのパッドを該基板のパッドに電気的に接続する手段は、該第１の半導体チップのパッド及び該第２の半導体チップのパッドの少なくとも一方を該板部材のパッドに電気的に接続する手段と、該板部材のパッドを該基板の回路に電気的に接続する手段とを含む。例えば、第２の半導体チップのパッドを板部材の回路介して基板の回路に接続する。これによって、電気的な接続の位置を再配置することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施例について図面を参照して説明する。図１は本発明の第１実施例の半導体装置１０を示す断面図である。図２は図１の半導体装置１０を示す部分切り欠き斜視図である。
半導体装置１０は、基板（インターポーザ）１２を含む、基板１２はパッド１４，１５と外部端子としてのボール１６とを有する。基板１２は図示しない回路を含み、ボール１６はこの回路を介してパッド１４，１５に接続される。ボール１６は金やハンダのバンプを構成する。
【００１７】
半導体装置１０は、基板１２に取り付けられた第１の半導体チップ１８と、第１の半導体チップ１８の上に配置された板部材２０と、板部材２０の上に配置された第２の半導体チップ２２とを備える。第１の半導体チップ１８のサイズは第２の半導体チップ２２のサイズと等しく、第２の半導体チップ２２は第１の半導体チップ１８の上方で第１の半導体チップ１８と整列して配置されている。
【００１８】
第１の半導体チップ１８は図示しない回路とこの回路に接続されたパッド２４を有する。パッド２４は第１の半導体チップ１８の少なくとも一辺に沿って配置されている。第２の半導体チップ２２は図示しない回路とこの回路に接続されたパッド２６を有する。パッド２６は第２の半導体チップ２２の少なくとも一辺に沿って配置されている。
【００１９】
板部材２０は例えば銅等の金属板からなる。あるいは、板部材２０は絶縁性の板でもよい。絶縁性の板からなる板部材２０は例えば複数の層を積層してなるガラスキポキシ基板からなり、隣接する層の間に金属の層を含む。従って、板部材２０は熱伝導性に優れている。板部材２０は第１の半導体チップ１８の上に配置され且つ第１の半導体チップ１８のパッド２４よりも内寄りの位置に端部を有する。言い換えると、板部材２０は後で説明するボンディングワイヤの分だけ第１の半導体チップ１８の端部から後退した位置に配置される。
【００２０】
第１の半導体チップ１８はダイス付け材２８により基板１２に固定される。板部材２０は第１の半導体チップ１８の上に接着剤で貼り付けられる。第２の半導体チップ２２はダイス付け材３０により板部材２０に固定される。
第１の半導体チップ１８のパッド２４はボンディングワイヤ３２によって基板１２のパッド１４に接続され、第２の半導体チップ２２のパッド２６はボンディングワイヤ３４によって基板１２のパッド１５に接続される。こうして、第１の半導体チップ１８のパッド２４及び第２の半導体チップ２２のパッド２６は基板１２のパッド１４，１５に電気的に接続される。そして、封止樹脂３６が、第１の半導体チップ１８及び第２の半導体チップ２２を封止する。
【００２１】
組み立て手順は次にようにして行われる。第１の半導体チップ１８を基板１２に取り付け、第１の半導体チップ１８のパッド２４をボンディングワイヤ３２によって基板１２のパッド１４に接続する。それから、板部材２０を第１の半導体チップ１８に取り付け、第２の半導体チップ２２を板部材２０に取り付け、第２の半導体チップ２２のパッド２６をボンディングワイヤ３４によって基板１２のパッド１５に接続する。
【００２２】
板部材２０は第１の半導体チップ１８のパッド２４よりも内寄りの位置に端部を有する、すなわち、板部材２０は第１の半導体チップ１８と第２の半導体チップ２２との間にあって第１の半導体チップ１８及び第２の半導体チップ２２の端部から後退した位置に配置されている。従って、第１の半導体チップ１８のパッド２４が基板１２のパッド１４にボンディングワイヤ３２で接続されていても、第２の半導体チップ２２はボンディングワイヤ３２と干渉することなく第１の半導体チップ１８の上方に配置されることができる。
【００２３】
ボンディングワイヤ３２が第１の半導体チップ１８の表面よりも上方に延びる高さはかなり小さく、板部材２０の厚さ（すなわち第１の半導体チップ１８と第２の半導体チップ２２との間の間隙）は１００〜１５０μｍくらいあればよい。第２の半導体チップ２２の下面に接着されたシート製ダイス付け材３０は絶縁性があるので、ボンディングワイヤ３２は第２の半導体チップ２２の下面のダイス付け材３０に接触しても問題はない。また、ダイス付け３０材はクッションの役割も果たしており、著しいワイヤの変形が生じないようになっている。
【００２４】
基板１２のパッド１４，１５、第１の半導体チップ１８のパッド２４、及び第２の半導体チップ２２のパッド２６は、矩形状の第１の半導体チップ１８及び第２の半導体チップ２２の一辺上にのみ設けられている。しかし、パッド１４，１５，２４，２６は矩形状の第１の半導体チップ１８及び第２の半導体チップ２２の複数の辺上に設けられることができる。いずれにしても、基板１２の回路及びボール１６はパッド１４，１５，２４，２６の偏った配置に対して、基板１２の下面にほぼ一様な分布で配置されることができる。
【００２５】
さらに、板部材２０は、パッド２４，２６がある第１の半導体チップ１８及び第２の半導体チップ２２の側面に対しては上記したように後退して配置されるが、パッド２４，２６がない第１の半導体チップ１８及び第２の半導体チップ２２の側面に対してはそれらの半導体チップから外側へ延長され、封止樹脂３６の表面３６ａから外部へ露出されている。つまり、板部材２０の側面２０ａは封止樹脂３６の表面３６ａと同一平面上に位置するようになっている。実施例においては、半導体装置１０は樹脂モールドの後でダイサーカットによりパッケージとして個片化され、製品となる。板部材２０の側面２０ａ及び封止樹脂３６の表面３６ａはカット平面となっている。
【００２６】
板部材２０の側面２０ａは封止樹脂３６の表面３６ａから外部へ露出されているので、半導体装置１０の内部で発生した熱が板部材２０を通って半導体装置１０の外部へ放熱される。このため、半導体装置１０の動作が保証される。
さらに、図３に示されるように、板部材２０は複数の層２０Ｐ，２０Ｑ，２０Ｒを積層してなる構成とするのが好ましい。例えば、板部材２０が金属製の場合には、中央の層２０Ｐは銅板からなり、上下の層２０Ｑ，２０Ｒは金の薄膜とする。また、板部材２０がガラスエポキシ基板製の場合には、中央の層２０Ｐはガラスエポキシ基板であり、上下の層２０Ｑ，２０Ｒは金の薄膜とする。あるいは、金の薄膜の代わりに、銅の薄膜にニッケルメッキと金メッキを施したものとしてもよい。いずれの場合にも、板部材２０は３層２０Ｐ，２０Ｑ，２０Ｒを含む構造とする必要はなく、２層の構造でもよい。また、上下の層２０Ｑ，２０Ｒは中央の層２０Ｐの全面を覆う必要はなく、中央の層２０Ｐに部分的に被覆されたものでもよい。
【００２７】
板部材２０は複数の層２０Ｐ，２０Ｑ，２０Ｒを積層してなる構成とすれば、半導体装置１０の内部で発生した水分が複数の層２０Ｐ，２０Ｑ，２０Ｒの間を通って半導体装置１０の外部へ放出される。２つの層の界面においては密着力が低いので、水分は２つの層の界面を通って出やすい。このため、半導体装置１０内に水分がたまって蒸発し、封止樹脂３６を膨張させて、半導体装置の作動が不良になるのを防止することができる。
【００２８】
図４は本発明の第２実施例の半導体装置１０を示す部分切り欠き斜視図である。第１実施例と同様に、半導体装置１０は、基板（インターポーザ）１２と、基板１２に取り付けられた第１の半導体チップ１８と、第１の半導体チップ１８の上に配置された板部材２０と、板部材２０の上に配置された第２の半導体チップ２２とを備える。第１の半導体チップ１８のサイズは第２の半導体チップ２２のサイズと等しく、第２の半導体チップ２２は第１の半導体チップ１８の上方で第１の半導体チップ１８と整列して配置されている。
【００２９】
基板１２は内部回路、パッド１４，１５及び外部端子としてのボールを有する。第１の半導体チップ１８は図示しない回路とこの回路に接続されたパッド２４を有する。パッド２４は第１の半導体チップ１８の少なくとも一辺に沿って配置されている。第２の半導体チップ２２は図示しない回路とこの回路に接続されたパッド２６を有する。パッド２６は第２の半導体チップ２２の二辺に沿って配置されている。
【００３０】
板部材２０は例えばガラスエポキシ基板からなり、表面にパターン化された回路３８と、回路３８の両端に配置されたパッド４０，４２とを含む。板部材２０は第１の半導体チップ１８の上に配置され且つ第１の半導体チップ１８のパッド２４よりも内寄りの位置に端部を有する。封止樹脂３６が、第１の半導体チップ１８及び第２の半導体チップ２２を封止する。
【００３１】
第１の半導体チップ１８のパッド２４はボンディングワイヤ３２によって基板１２のパッド１４に接続される。第２の半導体チップ２２の一辺上のパッド２６はボンディングワイヤ３４によって基板１２のパッド１５に接続される。第２の半導体チップ２２の他の一辺上のパッド２６はボンディングワイヤ４４によって板部材２０のパッド４０に接続される。さらに、板部材２０のパッド４２はボンディングワイヤ４４によって基板１２のパッド１５に接続される。こうして、第１の半導体チップ１８のパッド２４及び第２の半導体チップ２２のパッド２６は基板１２のパッド１４，１５に電気的に接続される。
【００３２】
この実施例においても、板部材２０は第１の半導体チップ１８のパッド２４よりも内寄りの位置に端部を有し、従って、第１の半導体チップ１８のパッド２４が基板１２のパッド１４にボンディングワイヤ３２で接続されていても、第２の半導体チップ２２はボンディングワイヤ３２と干渉することなく第１の半導体チップ１８の上方に配置されることができる。板部材２０の厚さ（すなわち第１の半導体チップ１８と第２の半導体チップ２２との間の間隙）は１００〜１５０μｍくらいあればよい。
【００３３】
このようにして、基板１２のボール１６はパッド１４，１５，２４，２６の偏った配置に対して、基板１２の下面にほぼ均一な分布で配置されることができる。また、回路３８とパッド４０，４２とを含む板部材２２はパッド及びボールの再配置を助ける。
さらに、板部材２０の側面２０ａは封止樹脂３６の表面３６ａから外部へ露出されているので、半導体装置１０の内部で発生した熱が板部材２０を通って半導体装置１０の外部へ放熱される。このため、半導体装置１０の動作が保証される。また、板部材２０は複数の層を積層してなる構成とするのが好ましい。この場合、板部材２０はガラスエポキシ基板と、回路３８とパッド４０，４２を形成した導体層とからなり、この導体層は回路３８とパッド４０，４２の部分を除いてガラスエポキシ基板の表面を覆う。導体層は、銅の薄膜に、ニッケルメッキと金メッキを施したものとしてよい。
【００３４】
このようにして、板部材２０はスタック状に重ね合わせて配置された複数の半導体チップ１８，２２のワイヤボンディングを可能し、かつ、板部材２０によって半導体装置１０の冷却を可能にし、かつ、半導体装置１０内の水分の排出を可能にする。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、１パッケージ内に複数の半導体チップがスタック状に収納され、隣接する半導体チップ間に板部材を配置することにより、パッケージが大きくならず、半導体チップが容易にパッケージ内で配線されることができる半導体装置を得ることができる。また、板部材を介して熱が放散され、放熱特性が改善された半導体装置を得ることができる。また、板部材を予め大きく設計しておき、半導体装置のダイシング時に封止部材とともに板部材を切断することにより、板部材の側面が封止部材の表面に露出され、熱放散特性が改善されるとともに、水分排出経路を形成して半導体装置の内部の圧力が異常に高くなるのを回避できる効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１実施例の半導体装置を示す断面図である。
【図２】 図１の半導体装置を示す部分切り欠き斜視図である。
【図３】 複数の層からなる板部材の例を示す図である。
【図４】 本発明の第２実施例の半導体装置を示す部分切り欠き斜視図である。
【符号の説明】
１０…半導体装置
１２…基板（インターポーザ）
１４，１５…パッド
１６…ボール
１８…半導体チップ
２０…板部材
２２…半導体チップ
２４…パッド
２６…パッド
３２…ボンディングワイヤ
３４…ボンディングワイヤ
３６…封止樹脂
４０，４２…パッド
４４，４６…ボンディングワイヤ

Claims (6)

  1. 基板に取り付けられ且つパッドを有する第１の半導体チップと、該第１の半導体チップの上に配置された板部材と、該板部材の上に配置され且つパッドを有する第２の半導体チップと、該第１の半導体チップのパッド及び該第２の半導体チップのパッドを該基板のパッドに電気的に接続する手段と、該第１の半導体チップ及び該第２の半導体チップを封止する封止部材とからなり、該第１の半導体チップのパッドのある部位における前記板部材の側面は、該第１の半導体チップのパッドよりも内寄りの位置にあり、該第１の半導体チップのパッドのない部位における板部材の側面は、前記封止部材の表面から外部に露出されていることを特徴とする半導体装置。
  2. 該第１の半導体チップのパッド及び該第１の半導体チップのパッドを該基板のパッドに電気的に接続する手段は、ワイヤからなることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
  3. 該板部材は複数の層を積層してなることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
  4. 該板部材は銅板からなる中央の層と、金の薄膜からなる上下の層とが積層されたものであることを特徴とする請求項３に記載の半導体装置。
  5. 該板部材はガラスエポキシ基板からなる中央の層と、金の薄膜、又は銅の薄膜にニッケルメッキと金メッキを施した、上下の層とが積層されたものであることを特徴とする請求項３に記載の半導体装置。
  6. 該板部材はパッドを備え、該第１の半導体チップのパッド及び該第２の半導体チップのパッドを該基板のパッドに電気的に接続する手段は、該第１の半導体チップのパッド及び該第２の半導体チップのパッドの少なくとも一方を該板部材のパッドに電気的に接続する手段と、該板部材のパッドを該基板のパッドに電気的に接続する手段とを含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
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