JP4764196B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体集積回路(以下「IC」という。)の内部構造において、複数の半導体チップを積層した半導体チップ積層型(マルチチップパッケージ)の半導体装置において、例えば、近似したチップサイズの半導体チップを複数有し、それらの半導体チップが配線基板及びダイパッドを介して上下に配置され、相互に電極パッドが接続された内部構造を有する半導体装置の製造方法に関するものである。
従来、半導体メモリ等の半導体装置では、メモリの大容量化や多機能化等を図るために、複数の半導体チップを積層した半導体チップ積層型(マルチチップパッケージ)の半導体装置が知られており、例えば、次のような文献に記載されるものがあった。
特開2000−58743号公報
特許文献1の図1には、リードフレームのダイパッド片面(表面)に、ほぼ同一寸法の複数の半導体チップを積層する際に、その半導体チップ間に絶縁性のスペーサを挟むことにより、上側の半導体チップの下に隠れる下側の半導体チップ表面の電極パッドとリードフレームの外部端子との、ワイヤボンディング(金属細線を用いたワイヤ接続)を可能にし、全体が樹脂により封止された半導体チップ積層型の半導体装置の技術が記載されている。
この半導体装置では、リードフレームの外部端子に対してダイパッドの表面が低位置になるように、外部端子とダイパッドに高低差を設け、そのダイパッド表面に搭載される複数の半導体チップの電極パッドと外部端子とを接続するためのワイヤの長さをなるべく均等にして、ワイヤ接続箇所の不具合発生を防止したり、外部端子を基準にした半導体装置表面までの厚みと半導体装置裏面までの厚みとをなるべく均等にして、機械的強度の劣化等の不具合発生を防止している。
又、そのような不具合発生等を防止するために、リードフレームの外部端子とダイパッドに高低差を設けずに、そのダイパッドの両面に半導体チップを積層する構造の半導体装置も知られている。
しかしながら、従来の半導体チップ積層型の半導体装置の製造方法では、次の(a)、(b)のような課題があった。
(a) ダイパッドの片面に複数の半導体チップを積層する構造の場合、半導体装置内の上下中央部付近に複数の半導体チップを配置するために、リードフレームの外部端子とダイパッドに高低差を設ける必要があり、積層する半導体チップの数が増えるに従い高低差を広げなければならない。しかし、高低差を広げることについてもリードフレームの加工上限界があり、そのことにより積層する半導体チップの数にも限界があった。
(b) ダイパッドの両面に例えば同一の複数の半導体チップを積層する構造の場合、外部端子と接続を行う半導体チップ表面の電極パッドの位置が、ダイパッド表面側に搭載された半導体チップと裏面側に搭載された半導体チップとで反転するので、同一位置の半導体チップ表面の電極パッドを同一の外部端子にワイヤ接続する場合、ワイヤ(配線)が交差することになり、所望の電気的特性が得られなかった。又、半導体製造方法のワイヤボンディング工程では、例えば、ダイパッド表面側に半導体チップを搭載し、この半導体チップと外部端子とのワイヤ接続を行った後、ダイパッドを反転してダイパッド表面側の半導体チップ表面を支持台等に載置し、ダイパッド裏面側に半導体チップを搭載し、この半導体チップと外部端子とのワイヤ接続を行うようにしているが、ダイパッド表面側の半導体チップ表面を支持台等に載置すると、その半導体チップが損傷する等の不都合があった。
本発明の半導体装置の製造方法は、表面の所定の辺に沿って電極パッドが形成された第1の半導体チップと、前記第1の半導体チップと同様の構成を有する第2、第3及び第4の半導体チップと、表面及び裏面の所定の辺にそって又は裏面の所定の辺に沿って電極部が形成された配線基板と、ダイパッド及びこの近傍に配置された外部端子とを有する半導体装置の製造方法であって、次のような工程を有している。
即ち、本発明の製造方法では、前記配線基板の端部を突出するように前記ダイパッドの裏面に前記配線基板の表面を固定す工程と、前記第1の半導体チップの裏面を前記ダイパッドの表面に固定する工程と、前記第1の半導体チップの前記電極パッドを露出させるように前記第1の半導体チップの表面に第1のスペーサの裏面を固定する工程と、前記第1の半導体チップの前記電極パッドをワイヤにより前記電極部又は前記外部端子に接続する工程と、前記第2の半導体チップの裏面を前記第1のスペーサの表面に固定する工程と、前記第2の半導体チップの前記電極パッドを露出させるように前記第1の半導体チップの表面に保護チップを固定する工程と、前記第2の半導体チップの前記電極パッドをワイヤにより前記電極部又は前記外部端子に接続する工程とを有している。
更に、前記配線基板の前記電極部を露出させるように前記配線基板の裏面に前記第3の半導体チップの裏面を固定する工程と、前記第3の半導体チップの前記電極パッドを露出させるように前記第3の半導体チップの表面に第2のスペーサの裏面を固定する工程と、前記第3の半導体チップの前記電極パッドをワイヤにより前記電極部に接続する工程と、前記第4の半導体チップの裏面を前記第2のスペーサの表面に固定する工程と、前記電極部をワイヤにより前記外部端子に接続すると共に、前記第4の半導体チップの前記電極パッドをワイヤにより前記電極部に接続する工程と、前記外部端子の一部が露出するように、前記第1、第2、第3、第4の半導体チップ、前記ダイパッド、前記配線基板、前記第1、第2のスペーサ、前記保護チップ、及び前記外部端子を樹脂で封止する工程とを有している。
本発明の半導体装置の製造方法によれば、配線基板を使用することにより、ダイパッドを介して上下に配置された全ての半導体チップ内の同一の電極パッドを、ダイパッドと外部端子に高低差を設けることなく、同一の外部端子に接続することが可能になり、複数の半導体チップを同一の半導体装置内に内蔵することが可能になる。そのため、同一外形寸法の半導体装置でありながら、機能の向上した電気的特性を有する半導体装置の製造が可能となる。更に、最上面の半導体チップに保護チップを固定しているので、その反対側の半導体チップと配線基板とのワイヤ接続等を行う際に、最上面の半導体チップの表面に傷をつけることなくワイヤ接続が可能になり、その上、樹脂封止の際に、樹脂により最上面の半導体チップの表面に傷が付くことを防止出来る。
本発明を実施するための最良の形態は、以下の好ましい実施例の説明を添付図面と照らし合わせて読むと、明らかになるであろう。但し、図面はもっぱら解説のためのものであって、本発明の範囲を限定するものではない。
(実施例1の構成)
図1は、本発明の実施例1を示す半導体チップ積層型の半導体装置の概略の断面図である。
この半導体チップ積層型の半導体装置は、リードフレーム10のチップ搭載用ダイパッド11の裏面(第2の面)に、これよりも外形寸法の大きな配線基板20の表面(第1の主表面)が固定され、ダイパッド11の表面(第1の面)において配線基板20内に収まるように2段の第1、第2の半導体チップ30−1,30−2が、中間に第1のスペーサ40−1を介在させて重なるように積層され、第2の半導体チップ30−2の表面に保護チップ50が被着され、更に、配線基板20の裏面(第2の主表面)に、この配線基板20内に収まるように2段の第3、第4の半導体チップ30−3,30−4が、中間に絶縁性の第2のスペーサ40−2を介在させて重なるように積層され、全体が樹脂封止部材70により封止されている。
リードフレーム10のチップ搭載用のダイパッド11は、図示しないフレーム本体から支持片によりほぼ水平に連結されて支持され、厚さ例えば125〜150μm程度のほぼ方形をしている。ダイパッド11の左側端部の近傍には、図示しない支持片によりフレーム本体にほぼ水平に連結されて支持された複数の外部端子12が配置されると共に、ダイパッド11の左側端部に対向する右側端部の近傍にも、図示しない支持片によりほぼ水平に連結されて支持された複数の外部端子13が配置されている。各外部端子12,13は、厚さ例えば125〜150μm程度のリード片からなり、この内側がインナリード部、外側がアウタリード部となっている。
ダイパッド11の裏面側に接着剤等で固定される配線基板20は、ダイパッド11の外形寸法よりも大きくてこのダイパッド周縁から突出している。配線基板20は、例えば、厚さが0.45mm、縦横寸法が22.25×10.13mm程度である。この配線基板20において、ダイパッド左側端部から突出する左側端部箇所とダイパッド右側端部から突出する右側端部箇所との表面及び裏面には、複数の電極部が形成され、これらの電極部が配線パタン及びビア(via、導電貫通孔)等により電気的に相互に接続されている。
ダイパッド11の表面側及び配線基板20の裏面側に搭載される各第1〜第4の半導体チップ30−1〜30−4は、シリコン等で形成された半導体メモリ等のICチップであり、ほぼ同一外形寸法で、配線基板20より小面積の方形をしており、例えば、厚さが0.15〜0.25mm、縦横寸法が12.37×7.95mm程度である。各半導体チップ30−1〜30−4の表面において、対向する左側端部及び右側端部には、外部引き出し電極である複数の第1、第2、第3、第4の電極パッドがそれぞれ埋設され、これらの電極パッドが半導体チップ表面の開口部から露出している。
ダイパッド11の表面には、第1の半導体チップ30−1の裏面が接着剤等により固定され、この第1の半導体チップ30−1の表面に、該半導体チップ表面の第1の電極パッドが露出するように第1のスペーサ40−1が接着剤等で固定されている。第1のスペーサ40−1は、各半導体チップ30−1〜30−4よりも小面積の方形をしており、例えば、厚さが0.15mmで、縦横寸法が14.37×7.95mm程度であり、非導電性シリコン、絶縁性シート等で形成されている。第1のスペーサ40−1の表面には、第1の半導体チップ30−1と平面視(即ち、上面視)で重なるように、第2の半導体チップ30−2の裏面が接着剤等で固定されている。
第2の半導体チップ30−2の表面には、該半導体チップ表面の第2の電極パッドが露出するように、保護チップ50が接着剤等で固定されている。保護チップ50は、各半導体チップ30−1〜30−4よりも小面積の方形をしており、例えば、第1のスペーサ40−1と同一外形寸法であり、厚さが0.15mmで、縦横寸法が14.37×7.95mm程度であり、非導電性シリコン、絶縁性シート等で形成されている。
配線基板20の裏面には、該配線基板裏面の電極部が露出するように、第3の半導体チップ30−3の裏面が接着剤等により固定されている。第3の半導体チップ30−3の表面には、該半導体チップ表面の第3の電極パッドが露出するように、第1のスペーサと同様の第2のスペーサ40−2の裏面が接着剤等で固定され、更に、この第2のスペーサ40−2の表面に、第4の半導体チップ30−4の裏面が接着剤等により固定されている。第3、第4の半導体チップ30−3,30−4は、第1、第2の半導体チップ30−1,30−2と平面視で重なるように積層され、更に、第2のスペーサ40−2も、第1のスペーサと平面視で重なるように固定されている。
例えば、第1、第2の半導体チップ30−1,30−2の第1、第2の電極パッドは、ワイヤ60により、配線基板20の表面の電極部に接続されている。第3、第4の半導体チップ30−3,30−4の第3、第4の電極パッドは、ワイヤ60により、配線基板20の裏面の電極部に接続され、この電極部がワイヤ61により外部端子12,13に接続されている。
これらのダイパッド11、配線基板20、第1〜第4の半導体チップ30−1〜30−4、第1、第2のスペーサ40−1,40−2、保護チップ50、ワイヤ60,61、及び、外部端子12,13が樹脂封止部材70により樹脂封止され、電極取り出しのために、外部端子12,13の一部であるアウタリード部分が露出されている。
本実施例1の保護チップ50の機能は、下側の第3、第4の半導体チップ30−3,30−4、及び配線基板20の電極部のワイヤ接続を行う場合、上側の第1、第2の半導体チップ30−1,30−2を反転して該半導体チップ30−2の表面を固定台等に固定する際に、該半導体チップ30−2の表面に傷が付くことを防止するために使用される。
保護チップ50のその他の機能としては、樹脂封止(樹脂モールド成形)時の樹脂により、半導体チップ30−2の表面に傷が付くこと等を防止する機能がある。例えば、樹脂封止部材70として、使用する樹脂内に含まれる充填材の形状に球形状、破砕形状の2種類があり、球形状のものを使用する場合には問題がないが、破砕形状のものを使用した場合に、半導体チップ表面に傷を付ける虞があるから、保護チップ50を使用する効果がある。
図2は、図1中の配線基板20の表面側から見た拡大平面図、図3は、図1中の配線基板20の裏面側から見た拡大底面図、図4は、図1中の配線基板20の一部を示す拡大縦断面図である。
配線基板20は、外形寸法が例えば、厚さが0.35〜0.45mm、縦横寸法が22.25×10.13mm程度であり、絶縁性の基材21を有している。基材21には、多層配線構造をなす銅箔等の配線パタン22が形成され、これらの各層の配線パタン22が銅製等のビア23を介して相互に接続されている。表面側の配線パタン22は、絶縁膜24により被覆され、更に、裏面側の配線パタン22も絶縁膜25により被覆されている。配線基板20における表面側の左側端部箇所と右側端部箇所の絶縁膜24には、複数の開口部が形成され、これらの開口部から、配線パタン22と電気的に接続された電極部26が露出している。同様に、配線基板20における裏面側の左側端部箇所と右側端部箇所の絶縁膜25には、複数の開口部が形成され、これらの開口部から、配線パタン22と電気的に接続された電極部27が露出している。表面側及び裏面側の電極部26,27は、例えば、1層目が金膜、及び2層目がニッケル膜からなる2層構造になっている。
(実施例1の製造方法)
図5(a)、(b)は、図1の半導体装置の製造方法例を示す製造工程図である。実施例1の半導体装置は、例えば、次のような製造工程により製造される。
予め、第1、第2、第3、第4の半導体チップ30−1〜30−4と、配線基板20と、リードフレーム10とを用意しておく。
図5(a)において、先ず、基板固定工程において、配線基板20の表面の左右両端箇所の電極部26がダイパッド11の左右両端部から露出するように、該配線基板20の表面を、接着剤(例えば、絶縁性のエポキシ系樹脂、絶縁性のフィルム等)によりダイパッド11の裏面に固定する。
第1のダイボンディング工程において、第1の半導体チップ30−1の裏面を、接着剤等によりダイパッド11の表面に固定する。第1の半導体チップ30−1の表面の左右両端部の第1の電極パッドが露出するように、この第1の半導体チップ30−1の表面に、第1のスペーサ40−1の裏面を接着剤等により固定する。第1のワイヤボンディング工程において、第1の半導体チップ30−1の表面の左右両端部の第1の電極パッドと、配線基板20の表面の左右両端箇所の電極部26とを、ワイヤ60により接続する。
第2のダイボンディング工程において、平面視で第1の半導体チップ30−1と重なるように、第2の半導体チップ30−2の裏面を、接着剤等により第1のスペーサ40−1の表面に固定する。平面視で第1のスペーサ40−1と重なり、且つ、第2の半導体チップ30−2の表面の左右両側部の第2の電極パッドが露出するように、この第2の半導体チップ30−2の表面に、保護チップ50の裏面を接着剤等により固定する。第2のワイヤボンディング工程において、第2の半導体チップ30−2の表面の左右両端部の第2の電極パッドと、配線基板20の表面の左右両端箇所の電極部26とを、ワイヤ60により接続する。
図5(b)において、保護チップ50の表面が下になるようにリードフレーム10を反転し、該保護チップ50の表面を固定台等に固定する。
第3のダイボンディング工程において、平面視で第1の半導体チップ30−1と重なり、且つ、配線基板20の裏面の左右両端箇所の電極部27が露出するように、この配線基板20の裏面に、第3の半導体チップ30−3の裏面を接着剤等により固定する。平面視で第1のスペーサ40−1と重なり、且つ、第3の半導体チップ30−3の表面の左右両端部の第3の電極パッドが露出するように、この第3の半導体チップ30−3の表面に、第2のスペーサ40−2の裏面を接着剤等により固定する。第3のワイヤボンディング工程において、第3の半導体チップ30−3の表面の第3の電極パッドと、配線基板20の裏面の左右両端箇所の電極部27とを、ワイヤ60により接続する。
第4のダイボンディング工程において、平面視で第3の半導体チップ30−3と重なるように、第2のスペーサ40−2の表面に、第4の半導体チップ30−4の裏面を接着剤等により固定する。第4のワイヤボンディング工程において、第4の半導体チップ30−4の表面の第4の電極パッドと、配線基板20の裏面の左右両端箇所の電極部27とを、ワイヤ60により接続すると共に、その電極部27と外部端子12,13のインナリード部とを、ワイヤ61により接続する。なお、電極部27と外部端子12,13のインナリード部とをワイヤ61により接続する工程は、第3のワイヤボンディング工程において行っても良い。
樹脂封止工程において、半導体チップ30−1〜30−4が搭載されたリードフレーム10を金型にセットし、トランスファモールデング法等により、溶融した樹脂を金型に注入し、外部端子12,13のアウタリード部を露出させた状態で、ダイパッド11、配線基板20、半導体チップ30−1〜30−4、スペーサ40−1,40−2、保護チップ50、ワイヤ60,61、及び外部端子12,13のインナリード部を樹脂で封止し、樹脂封止部材70を形成する。
その後、樹脂封止部材70で封止されたリードフレーム10を金型から取り出し、樹脂封止部材70のばりや、リードフレーム10の連結部等の余分な箇所を切断し、外部端子12,13における露出したアウタリード部の先端を折り曲げ加工等すれば、製造工程が終了する。
(実施例1の効果)
本実施例1では、次の(1)〜(3)のような効果がある。
(1) 配線基板20を使用することにより、ダイパッド11を介して上下に配置された全ての半導体チップ30−1〜30−4内の同一の電極パッドを、ダイパッド11と外部端子12,13に高低差を設けることなく、同一の外部端子12,13に接続することが可能になり、複数の半導体チップ30−1〜30−4を同一の半導体装置内に内蔵することが可能になる。そのため、同一外形寸法の半導体装置でありながら、機能の向上した電気的特性を有する半導体装置の製造が可能となる。
(2) 配線基板20を搭載していない上側に積層される半導体チップ30−2の表面には、スペーサ40−1,40−2と同一素材の保護チップ50を固定しているので、その反対側の半導体チップ30−3,30−4と配線基板20とのワイヤ接続、及び配線基板20と外部端子12,13とのワイヤ接続を行う際に、最上面に配置された半導体チップ30−2の表面に傷をつけることなくワイヤ接続が可能になる。
(3) 半導体チップ30−2の表面に保護チップ50を固定しているので、例えば、破砕形状の充填材が含まれた封止用の樹脂を使用する場合には、その樹脂により半導体チップ30−2の表面に傷が付くことを防止出来る。その上、保護チップ50により、半導体装置の機械的強度を向上できる。これらの効果は、最下面に配置された半導体チップ30−4の表面に、更に他の保護チップを固定することにより、より向上する。
(実施例2の構成・製造方法)
図6は、本発明の実施例2を示す半導体チップ積層型の半導体装置の概略の断面図であり、実施例1を示す図1中の要素と共通の要素には共通の符号が付されている。
本実施例2の半導体装置では、実施例1の配線基板20とは異なる構造の配線基板20Aを使用している。この配線基板20Aでは、図2の表面側に電極部26が設けられておらず、図3の裏面側にのみ電極部27が設けられている。そのため、第1、第2の半導体チップ30−1,30−2の表面の第1、第2の電極パッドは、配線基板20Aの表面側には接続されずに、ワイヤ60によって直接、外部端子12,13のインナリード部に接続される。その他の構成や製造方法は、実施例1と同様である。
(実施例2の効果)
本実施例2では、実施例1とほぼ同様の効果がある上に、半導体チップ30−1,30−2と接続を行う配線基板20Aの面が片面になることにより、配線基板20Aの構造が簡単になり、配線基板20Aの低価格化が可能になる。なお、実施例1の配線基板20を用いて、図6と同様のワイヤボンディング工程を行っても良い。
(変形例)
なお、本発明は、実施例1、2に限定されず、種々の変形や利用形態が可能である。この変形や利用形態としては、例えば、次(i)、(ii)のようなものがある。
(i) 図1、図6では、半導体チップが4段の積層型半導体装置について説明したが、上側の第1のスペーサ40−1及び第2の導体チップ30−2を省略して、保護チップ50を第1の半導体チップ30−1の表面に固定し、下側の第2のスペーサ40−2及び第4の半導体チップ30−4を省略した半導体チップ2段の積層型半導体装置の構造にしても良い。この場合は、製造工程が簡単になる上に、上記実施例1、2とほぼ同様の作用効果が得られる。又、上側の半導体チップを3段以上にすると共に、下側の半導体チップを3段以上にした6段以上の積層型半導体装置の構造にしても良い。この場合は、上側の半導体チップを下側に反転して上側に向いた下側の半導体チップのワイヤボンディングを行う際に、全体の重量が大きくなるので、保護チップ50による傷付き防止効果がより大きくなる。
(ii) リードフレーム10、配線基板20,20A、半導体チップ30−1〜30−4、スペーサ40−1,40−2、保護チップ50等の形状、寸法、構造、材質、製造方法等は種々の変更が可能である。
本発明の実施例1を示す半導体チップ積層型の半導体装置の概略の断面図である。 図1中の配線基板20の表面側から見た拡大平面図である。 図1中の配線基板20の裏面側から見た拡大底面図である。 図1中の配線基板20の一部を示す拡大縦断面図である。 図1の半導体装置の製造方法例を示す製造工程図である。 本発明の実施例2を示す半導体チップ積層型の半導体装置の概略の断面図である。
符号の説明
10 リードフレーム
11 ダイパッド
12,13 外部端子
20,20A 配線基板
30−1〜30−4 半導体チップ
40−1,40−2 スペーサ
50 保護チップ
60,61 ワイヤ
70 樹脂封止部材

Claims (4)

  1. 表面の所定の辺に沿って電極パッドが形成された第1の半導体チップと、
    前記第1の半導体チップと同様の構成を有する第2、第3及び第4の半導体チップと、
    表面及び裏面の所定の辺にそって又は裏面の所定の辺に沿って電極部が形成された配線基板と、
    ダイパッド及びこの近傍に配置された外部端子と、
    を有する半導体装置の製造方法であって、
    前記配線基板の端部を突出するように前記ダイパッドの裏面に前記配線基板の表面を固定する工程と、
    前記第1の半導体チップの裏面を前記ダイパッドの表面に固定する工程と、
    前記第1の半導体チップの前記電極パッドを露出させるように前記第1の半導体チップの表面に第1のスペーサの裏面を固定する工程と、
    前記第1の半導体チップの前記電極パッドをワイヤにより前記電極部又は前記外部端子に接続する工程と、
    前記第2の半導体チップの裏面を前記第1のスペーサの表面に固定する工程と、
    前記第2の半導体チップの前記電極パッドを露出させるように前記第2の半導体チップの表面に保護チップを固定する工程と、
    前記第2の半導体チップの前記電極パッドをワイヤにより前記電極部又は前記外部端子に接続する工程と、
    前記配線基板の前記電極部を露出させるように前記配線基板の裏面に前記第3の半導体チップの裏面を固定する工程と、
    前記第3の半導体チップの前記電極パッドを露出させるように前記第3の半導体チップの表面に第2のスペーサの裏面を固定する工程と、
    前記第3の半導体チップの前記電極パッドをワイヤにより前記電極部に接続する工程と、
    前記第4の半導体チップの裏面を前記第2のスペーサの表面に固定する工程と、
    前記電極部をワイヤにより前記外部端子に接続すると共に、前記第4の半導体チップの前記電極パッドをワイヤにより前記電極部に接続する工程と、
    前記外部端子の一部が露出するように、前記第1、第2、第3、第4の半導体チップ、前記ダイパッド、前記配線基板、前記第1、第2のスペーサ、前記保護チップ、及び前記外部端子を樹脂で封止する工程と、
    を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 請求項1記載の導体装置の製造方法において、
    前記第3の半導体チップの前記電極パッドをワイヤにより前記電極部に接続する工程の際に、
    前記電極部をワイヤにより前記外部端子に接続する工程を行うようにしたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  3. 前記保護チップ、及び前記第1、第2のスペーサは、非導電性シリコン又は絶縁性シートで形成されていることを特徴とする請求項1又は2記載の半導体装置の製造方法。
  4. 前記ダイパッドに前記配線基板を固定する工程では、
    絶縁性のエポキシ系樹脂又は絶縁性のフィルムを使用して、前記ダイパッドに前記配線基板を接着することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
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