JP4910408B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明は、チップオンチップ型の半導体装置の製造方法及び半導体装置に関する。
近年、電子機器の高機能化や軽薄短小化の要求に伴って、電子部品の高密度集積化や高密度実装化が進み、フリップチップ実装を用いたMCM(マルチチップモジュール)又はSIP(システムインパッケージ)タイプの半導体装置が主流になりつつある。この種の半導体装置の中には、半導体チップの上に半導体チップがフリップチップ実装されたチップオンチップ構造のものが知られている(例えば下記特許文献1参照)。
図5A,Bは、チップオンチップ構造の半導体装置を備えたマルチチップモジュールの概略構成を示す断面図である。第1の半導体チップ1の上に第2の半導体チップ2が、はんだバンプ3を介してフリップチップ実装されている。第1の半導体チップ1と第2の半導体チップ2との間にはアンダーフィル材4が充填されている。第1の半導体チップ1の端子面の周囲には電極パッド5が形成されており、電極パッド5の内周側にはアンダーフィル材4の流出防止用のダム6が形成されている。
図5Aに示すマルチチップモジュール16Aは、インターポーザ基板等の実装基板7上に第1の半導体チップ1の下面が接着剤8を用いて接着されている。電極パッド5は実装基板7上のランド9とボンディングワイヤ10を介して電気的に接続されている。実装基板7上の第1,第2の半導体チップ1,2は、モールド樹脂11により封止されている。
他方、図5Bに示すマルチチップモジュール16Bは、実装基板7の中空部13に第2の半導体チップ2が収容されるように第1の半導体チップ1が実装基板7に搭載され、電極パッド5とランド4との間がバンプ14を介して電気的に接合されている。第1の半導体チップ1と実装基板7との間の接合部は封止樹脂15によって封止されている。
以上のような構成のマルチチップモジュール16A,16Bは、実装基板7の下面に形成された外部接続端子12を介して、マザーボード基板に実装される。これにより、電子部品の高密度集積化や高密度実装化が可能となり、電子機器の小型化及び高機能化に対応できるようになる。
次に、第1の半導体チップ1と第2の半導体チップ2とからなる半導体装置の製造方法について説明する。図6A,Bは従来の半導体装置の製造方法を説明する平面図及び側断面図である。
第1の半導体チップ1と第2の半導体チップ2とは、その端子面同士がはんだバンプ3を介して接合される。第1の半導体チップ1はロジックチップで構成され、第2の半導体チップ2はメモリチップで構成されている。図示の例では、はんだバンプ3は、第2の半導体チップ2の端子部2A上に形成され、第1の半導体チップ1の端子部1A上には予備はんだ17が設けられる。そして、予備はんだ17のリフロー処理によってバンプ3と端子部1Aとの間が接合される。
第1の半導体チップ1と第2の半導体チップ2とを接合した後、これらの間にアンダーフィル材4が充填される。アンダーフィル材4の充填工程では、ダム6と第2の半導体チップ2の周縁2Eとの間に形成されたアンダーフィル供給領域18に注入ノズル(ニードル)19の先端を対向配置させ、所定量のアンダーフィル材4を供給する。供給されたアンダーフィル材4は第1,第2の半導体チップ1,2の間に毛細管現象により進入し充填される。充填後、アンダーフィル材は加熱硬化処理される。これにより、第1,第2半導体チップ1,2間の接合部の機械的強度の向上が図られる。
上述したアンダーフィル材4の充填工程において、電極パッド5がアンダーフィル材4で汚染されると、実装基板7との電気的導通に不具合を生じさせる。このため、ダム6の形成により、注入ノズル19から供給されたアンダーフィル材4の電極パッド5側への流出を防止する。
近年、メモリ容量の増大によるメモリチップの大面積化と、配線幅の縮小による信号回路の小型化の要求を受けて、第1の半導体チップ(ロジックチップ)1に対して第2の半導体チップ(メモリチップ)2の面積が大きくなる傾向にある。このため、図7A,Bに示すように、第1の半導体チップ1の端子面においてダム6の内周側に区画されるチップ実装領域に、アンダーフィル材4の供給領域を確保することが困難となっている。このため、注入ノズル19の先端がダム6の外周側に対向し、供給されたアンダーフィル材4で電極パッド5が汚染されてしまう。
このような問題を解決するため、例えば図8A〜Cに示すように、第1の半導体チップ1に対して第2の半導体チップ2を一方向にずらして実装することで、アンダーフィル材4の供給領域18を確保する手法が知られている(例えば下記特許文献2参照)。すなわち、第2の半導体チップ2の端子面の一部が第1の半導体チップ1の周縁から露出するように第2の半導体チップ2を第1の半導体チップ1の上に実装することにより、第2の半導体チップ2の周縁2Eとダム6との間に、注入ノズル19の先端部を収容できる程度の大きさの供給領域18が確保される。これにより、電極パッド4を汚染することなくアンダーフィル材4の充填工程を適正に行うことが可能となる。
特開2005−276879号公報 特開2005−183934号公報
図8に示した手法でアンダーフィル材4の供給領域18を確保する手法は確かに有効である。しかしながら、第1,第2の半導体チップ1,2のチップ面積の関係で、供給領域18の確保にも限界が生じる。従って、今後更に第2の半導体チップ2のチップ面積の増大が進むと、第1の半導体チップ1の上面にアンダーフィル材4の供給領域の確保が困難となり、上述した方法ではアンダーフィル材4の充填作業を適正に行うことが不可能になるという問題が発生し得る。
本発明は上述の問題に鑑みてなされ、第1の半導体チップの上に第2の半導体チップが実装されたチップオンチップ構造の半導体装置において、第1の半導体チップの上面にアンダーフィル材の供給領域を確保できなくても適正にアンダーフィル材の充填作業を行うことができる半導体装置の製造方法及び半導体装置を提供することを課題とする。
以上の課題を解決するに当たり、本発明の半導体装置の製造方法は、第2の半導体チップの端子面の一部が第1の半導体チップの周縁から露出するように第2の半導体チップを第1の半導体チップの上に実装する工程と、第1,第2の半導体チップの上下を反転する工程と、第2の半導体チップの露出した端子面にアンダーフィル材を供給し、第1の半導体チップと第2の半導体チップとの間にアンダーフィル材を充填する工程とを有する。
また、本発明の半導体装置は、第1の半導体チップの上に第2の半導体チップがフリップチップ実装され、第1,第2の半導体チップの間にアンダーフィル材が充填された半導体装置において、第2の半導体チップは、その端子面の一部が第1の半導体チップの周縁から露出するように第1の半導体チップの上に実装されており、第2の半導体チップの露出した端子面の一部がアンダーフィル材の供給領域とされている。
本発明においては、第1の半導体チップ1の周縁から露出した第2の半導体チップの端子面にアンダーフィル材を供給するようにしている。これにより、第1の半導体チップの上面にアンダーフィル材の供給領域を確保することができない場合でも、第2の半導体チップの露出した端子面にアンダーフィル材を供給することで、適正なアンダーフィル材の充填作業を行うことが可能となる。
また、第1の半導体チップに対する第2の半導体チップの実装形態に自由度が増し、例えば各半導体チップの端子間の最短接続が可能となるので、各半導体チップの内部の回路構成や端子配置の設計自由度を向上させることができる。
そして、アンダーフィル材の供給領域に臨む第1の半導体チップの周縁部に、フィレットが形成される程度の供給量でアンダーフィル材を供給することにより、アンダーフィル充填後において第1の半導体チップと第2の半導体チップとの間の機械的接合力がより強固となる。
上記のように第1の半導体チップの周縁の一部にアンダーフィル材のフィレットを形成するために、第2の半導体チップの露出した端子面にアンダーフィル流出防止用のダムが形成されることが好ましい。
第1,第2の半導体チップの構成、種類等は特に制限されないが、第1の半導体チップをロジックチップ、第2の半導体チップをメモリチップで構成することにより、SIPタイプの半導体装置を構成することが可能となる。
以上述べたように、本発明によれば、第1の半導体チップの上に第2の半導体チップが実装されたチップオンチップ構造の半導体装置において、第1の半導体チップの上面にアンダーフィル材の供給領域を確保できなくても適正にアンダーフィル材の充填作業を行うことができるので、従来ではサイズ的に不可能であった異種チップの組み合わせが可能となるとともに、各半導体チップの設計自由度を向上させることができる。
以下、本発明の各実施の形態について図面を参照して説明する。
(第1の実施の形態)
図1A〜Cは本発明の第1の実施の形態による半導体装置20の概略構成及び製造方法を示しており、Aは半導体装置20の平面図、Bはアンダーフィル充填工程を示す側断面図、Cは半導体装置20の側断面図である。
本実施の形態の半導体装置20は、第1の半導体チップ21の上に第2の半導体チップ22がフリップチップ実装されたチップオンチップ構造を有している。第1の半導体チップ21と第2の半導体チップ22との間はアンダーフィル材24が充填されている。なお本実施の形態では、第1の半導体チップ21はロジックチップで構成され、第2の半導体チップ22はメモリチップで構成されている。
第1の半導体チップ21と第2の半導体チップ22とは、その端子面同士がはんだバンプ23を介して接合されている。図示の例では、はんだバンプ23は、第2の半導体チップ22の端子部22A上に形成され、第1の半導体チップ21の端子部21A上には予備はんだ29が設けられている。そして、予備はんだ29のリフロー処理によってバンプ23と端子部21Aとの間が接合される。
第2の半導体チップ22は、第1の半導体チップ21に対して一方向(図において右方側)にずらして実装されており、第1の半導体チップ21のひとつの周縁(一端部)21Eから第2の半導体チップ22の端子面の一部が露出している。
第1の半導体チップ21の端子面には、第2の半導体チップ22の直下領域を除く領域にアンダーフィル流出防止用のダム26が形成されている。ダム26の外周側には複数の電極パッド25が配置され、ダム26の内周側は第2の半導体チップ22が接合されるチップ接合領域とされている。
一方、第2の半導体チップ22の端子面には、第1の半導体チップ21の周縁21Eから露出する領域に、同じくアンダーフィル流出防止用のダム27が形成されている。ダム27と第1の半導体チップ21の周縁21Eとの間の距離は、アンダーフィル材24を供給する注入ノズル(ニードル)の先端部がこれらダム27と周縁21Eとの間の領域に対向できる程度の大きさ(例えば0.3mm以上)に設定される。これらダム27と周縁21Eとの間の領域は、アンダーフィル材24の供給領域28(図1C)とされる。
アンダーフィル材24は、第1の半導体チップ21と第2の半導体チップ22との間の接合部の機械的強度を高めるために設けられている。アンダーフィル材24は、第1の半導体チップ21と第2の半導体チップ22との間に充填される。アンダーフィル材24の充填により、第2の半導体チップ22の周縁はもとより、本実施の形態では第1の半導体チップ21の周縁21Eにもフィレット(隅肉)24Fが形成されている。なお、アンダーフィル材24の供給領域28は、アンダーフィル材24の硬化後において、第1の半導体チップ21の周縁21Eからダム27に亘ってフィレット24Fの傾斜面とこれより傾斜が緩い裾野部分との複合形状を呈する。
なお、ダム26,27は、はんだや各種金属、絶縁樹脂等で形成することができる。形成方法としては、印刷法やめっき法、インクジェット法その他の方法を用いることができる。
次に、以上のように構成される本実施の形態の半導体装置20の製造方法について説明する。
まず、第1の半導体チップ21の上に第2の半導体チップ22をフリップチップ実装する。このとき、第2の半導体チップ22の端子面の一部が、第1の半導体チップ21の一方の周縁21Eから露出するように、第2の半導体チップ22を第1の半導体チップ21の上に実装する。これにより、第1の半導体チップ21の中心に対して第2の半導体チップ22の中心が、第1の半導体チップ21の周縁21E側にシフトした(ずれた)状態で第1,第2の半導体チップ21,22が接合される。
次に、一体化した第1,第2の半導体チップ21,22の上下を反転して、図1Bに示したように、第2の半導体チップ22の露出した端子面が上向きとなるようにする。そして、第1の半導体チップ21の周縁21Eと第2の半導体チップ22側のダム27との間の領域に、アンダーフィル材24の注入ノズル19の先端を対向配置させ、アンダーフィル材24を所定量滴下(供給)する。アンダーフィル材24としては、例えば酸無水物系の樹脂材料が用いられる。
供給されたアンダーフィル材24は、毛細管現象により、第1の半導体チップ21と第2の半導体チップ22との間に導かれ、両チップ21,22間に充填される。このとき、アンダーフィル材24は、第1の半導体チップ21に形成されたダム26により電極パッド25側への流出が堰き止められて、アンダーフィル材24による電極パッド25の汚染が防止される。また、アンダーフィル材24は、第2の半導体チップ22に形成されたダム27により堰き止められて、図示しない作業台へのアンダーフィル材24の付着が防止される。
アンダーフィル材24の供給量としては、第1の半導体チップ21の周縁21Eと第2の半導体チップ22の周縁22Eに所定形状のフィレット24Fが形成される程度の量とされる。
以上のようにしてアンダーフィル材24の充填工程が完了した後、アンダーフィル材24を所定温度に加熱して硬化処理を施す。これにより、図1Cに示した半導体装置20が製造される。この半導体装置20は、第1の半導体チップ21上の電極パッド25が図示しないインターポーザ基板等の実装基板上にボンディングワイヤを介して電気的に接合される。
本実施の形態によれば、第1の半導体チップ21の上に第2の半導体チップ22が実装された半導体装置において、第1の半導体チップ21の上面にアンダーフィル材24の供給領域が確保できない場合であっても、第2の半導体チップ22の露出した端子面側からアンダーフィル材24を供給するようにしているので、アンダーフィル材24の充填工程を適正に行うことができる。
これにより、第1の半導体チップ21上のダム26と第2の半導体チップ22の周縁22Eとの間の距離を任意に設定することができるようになるので、チップサイズの関係で組み合わせが不可能であった異種の半導体チップの接合が実現可能となる。また、第1の半導体チップ21の上面にアンダーフィル材の供給領域を設ける必要がなくなるので、半導体装置20全体の外形形状の小型化を図ることも可能となる。
また、第1の半導体チップ21に対する第2の半導体チップ22の接合位置を任意に設定することができるので、チップ内の回路配線や端子位置の設計自由度を従来よりも高くすることが可能となり、両半導体チップ21,22間の配線距離の更なる短縮化を図ることができる。これにより、Face to Face方式の実装構造のメリットを有効に享受できるようになる。
更に、本実施の形態の半導体装置21によれば、図1Cに示したように第1,第2の半導体チップ21,22の周縁21E,22Eにアンダーフィル材24のフィレット24Fが形成されるので、第1,第2半導体チップ21,22間の接合部に作用する外的ストレスに対して機械的強度が向上し、特にせん断方向の応力に対して耐性を高めることができる。
(第2の実施の形態)
図2A〜Cは本発明の第2の実施の形態による半導体装置30の概略構成及び製造方法を示しており、Aは半導体装置30の平面図、Bはアンダーフィル充填工程を示す側断面図、Cは半導体装置30の側断面図である。
本実施の形態の半導体装置30は、第1の半導体チップ31の上に第2の半導体チップ32がフリップチップ実装されたチップオンチップ構造を有している。第1の半導体チップ31と第2の半導体チップ32との間はアンダーフィル材34が充填されている。なお本実施の形態では、第1の半導体チップ31はロジックチップで構成され、第2の半導体チップ32はメモリチップで構成されている。
第1の半導体チップ31と第2の半導体チップ32とは、その端子面同士がはんだバンプ33を介して接合されている。図示の例では、はんだバンプ33は、第2の半導体チップ32の端子部32A上に形成され、第1の半導体チップ31の端子部31A上には予備はんだ39が設けられている。そして、予備はんだ39のリフロー処理によってバンプ33と端子部31Aとの間が接合される。
第2の半導体チップ32は、第1の半導体チップ31に対して一方向(図において右方側)にずらして実装されており、第1の半導体チップ31のひとつの周縁(一端部)31Eから第2の半導体チップ32の端子面の一部が露出している。
第1の半導体チップ31の端子面には、第2の半導体チップ32の直下領域を除く領域にアンダーフィル流出防止用のダム36が形成されている。一方、第2の半導体チップ32の端子面には、第1の半導体チップ31の周縁31Eから露出する領域に、同じくアンダーフィル流出防止用のダム37が形成されている。ダム37と第1の半導体チップ31の周縁31Eとの間の距離は、アンダーフィル材34を供給する注入ノズル(ニードル)の先端部がこれらダム37と周縁31Eとの間の領域に対向できる程度の大きさ(例えば0.3mm以上)に設定される。これらダム37と周縁31Eとの間の領域は、アンダーフィル材34の供給領域38(図2C)とされる。
アンダーフィル材34は、第1の半導体チップ31と第2の半導体チップ32との間の接合部の機械的強度を高めるために設けられている。アンダーフィル材34は、第1の半導体チップ31と第2の半導体チップ32との間に充填される。アンダーフィル材34の充填により、第2の半導体チップ32の周縁はもとより、本実施の形態では第1の半導体チップ31の周縁31Eにもフィレット(隅肉)34Fが形成されている。なお、アンダーフィル材34の供給領域38は、アンダーフィル材34の硬化後において、第1の半導体チップ31の周縁31Eからダム37に亘ってフィレット34Fの傾斜面とこれより傾斜が緩い裾野部分との複合形状を呈する。
本実施の形態において、第1の半導体チップ31の下面側、すなわち第2の半導体チップ32と接合される端子面とは反対側の面に、複数の外部端子35が設けられている。これらの外部端子35は、層間接続部(ビア)40を介して、第1の半導体チップ31の上面(端子面)と電気的に接続されている。なお、符号41は、隣接する外部端子21間の電気的な絶縁を図るための絶縁層である。
以上のように構成される半導体装置30は、外部端子35に図示せずともバンプを形成し、当該バンプを介してインターポーザ基板等の実装基板上に実装される。
また、本実施の形態による半導体装置30において、アンダーフィル材34の充填は、上述の第1の実施の形態と同様にして行われる。すなわち、一体化した第1,第2の半導体チップ31,32の上下を反転して、図2Bに示したように、第2の半導体チップ32の露出した端子面が上向きとなるようにする。そして、第1の半導体チップ31の周縁31Eと第2の半導体チップ32側のダム37との間の領域に、アンダーフィル材34の注入ノズル19の先端を対向配置させ、アンダーフィル材34を所定量滴下(供給)し、第1,第2の半導体チップ31,32間に充填する。最後にアンダーフィル材34の硬化処理を施すことで、図2Cに示した半導体装置30が作製される。
本実施の形態によっても、上述の第1の実施の形態と同様な作用効果を得ることができる。
図3及び図4は、本発明者らが上述の第1の実施の形態において説明した工法を用いて作製した半導体装置を示している。なお、図に示すチップ相互間の大きさ関係は、以下に説明する寸法値と異なる場合があるとする。
(実施例1)
図3A〜Cに示した例では、第1の半導体チップ(ロジックチップ)21は縦の長さが8.0mm、横の長さが10.0mmであり、第2の半導体チップ(メモリチップ)22は縦の長さが6.5mm、横の長さが10.4mmである。第2の半導体チップ22を第1の半導体チップ21に対して、第1の半導体チップ21の一周縁21E側に1.5mmはみ出るようにして実装した。
ダム26,27の形成幅は100μmである。ダム26と第2の半導体チップ22の周縁22Eとの最長距離は200μmである。そこで、図3Bに示すように、第1,第2の半導体チップ21,22の上下を反転させ、第2の半導体チップ22の露出した端子面から注入ノズル19を介してアンダーフィル材24を供給した。その結果、電極パッド25を汚染することなくアンダーフィル材24の充填作業を行うことができた。
図3Cに示したように、上述のようにして作製された半導体装置は、その第1の半導体チップ21側を、裏面側に外部接続端子51が形成されたインターポーザ基板50の表面側に接着剤52を介して接合した。そして、電極パッド25とインターポーザ基板50上のランド53との間をボンディングワイヤ54で接続した後、モールド樹脂55によって封止し、マルチチップモジュールとして構成した。
(実施例2)
図4A〜Cに示した例では、第1の半導体チップ(ロジックチップ)21は縦の長さが8.0mm、横の長さが11.0mmであり、第2の半導体チップ(メモリチップ)22は縦の長さが9.0mm、横の長さが9.0mmである。第2の半導体チップ22を第1の半導体チップ21に対して、第1の半導体チップ21の一周縁21E側に2.0mmはみ出るようにして実装した。
第2の半導体チップ22の周縁22Eと電極パッド25との間の最短距離は1.0mmである。そこで、図4Bに示すように、第1,第2の半導体チップ21,22の上下を反転させ、第2の半導体チップ22の露出した端子面から注入ノズル19を介してアンダーフィル材24を供給した。その結果、アンダーフィル流出防止用のダム26,27を形成せずとも、電極パッド25を汚染することなくアンダーフィル材24の充填作業を行うことができた。
図4Cに示したように、上述のようにして作製された半導体装置は、その第1の半導体チップ21側を、裏面側に外部接続端子51が形成されたインターポーザ基板50の表面側に接着剤52を介して接合した。そして、電極パッド25とインターポーザ基板50上のランド53との間をボンディングワイヤ54で接続した後、モールド樹脂55によって封止し、マルチチップモジュールとして構成した。
以上、本発明の実施の形態について説明したが、勿論、本発明はこれに限定されることなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。
例えば以上の各実施の形態では、第1の半導体チップ21に対して第2の半導体チップ22を一方側にずらした位置に接合することで、第2の半導体チップ22の端子面の一部を第1の半導体チップ21の周縁21Eから露出させるようにしたが、第2の半導体チップの長辺方向の両端部が第1の半導体チップの互いに対向する端部から突出する形態の半導体装置においても本発明は適用可能である。この場合においても、第1の半導体チップの両端部から露出する第2の半導体チップの端子面から、アンダーフィル材を供給すればよい。
また、第1の半導体チップ21に対する第2の半導体チップ22の接合形態は上述の例に限られず、第2の半導体チップの周縁部の少なくとも一部が、第1の半導体チップの周縁から外方に突出するように接合されていればよい。
本発明の第1の実施の形態による半導体装置20の概略構成及びアンダーフィルの充填工程を示す平面図及び側断面図である。 本発明の第2の実施の形態による半導体装置20の概略構成及びアンダーフィルの充填工程を示す平面図及び側断面図である。 本発明の実施例1において説明する半導体装置の概略構成及びアンダーフィルの充填工程を示す平面図及び側断面図である。 本発明の実施例2において説明する半導体装置の概略構成及びアンダーフィルの充填工程を示す平面図及び側断面図である。 チップオンチップ構造の半導体装置を内蔵したパッケージ部品の概略構成を示す側断面図である。 チップオンチップ構造の半導体装置を内蔵したパッケージ部品の他の概略構成を示す側断面図である。 従来の半導体装置の製造方法を示す平面図及び側断面図である。 従来の他の半導体装置の構成及びアンダーフィルの充填工程を示す平面図及び側断面図である。
符号の説明
19…注入ノズル、20,30…半導体装置、21,31…第1の半導体チップ(ロジックチップ)、22,32…第2の半導体チップ(メモリチップ)、23,33…はんだバンプ、24,34…アンダーフィル材、25…電極パッド、26,27,36,37…ダム、28,38…アンダーフィル材の供給領域、35…外部端子、40…層間接続部、50…インターポーザ基板

Claims (4)

  1. 第1の端子部が形成された第1の端子面を有する第1の半導体チップと、
    前記第1の端子部と接続する第2の端子部が形成された第2の端子面を有し、前記第2の端子面の一部が前記第1の半導体チップの一端部から露出するように前記第1の半導体チップに対して一方向にずらして実装された第2の半導体チップと、
    前記第1の端子面と前記第2の端子面との間に充填されたアンダーフィル材と、
    前記第1の端子面の、前記第2の半導体チップと対向しない領域に形成された前記アンダーフィル材の流出防止用の第1のダムと、
    前記第2の端子面の、前記第1の半導体チップの一端部から露出した領域に形成された前記アンダーフィル材の流出防止用の第2のダムと
    を具備する半導体装置。
  2. 請求項1に記載の半導体装置であって、
    前記一端部には、前記アンダーフィル材のフィレットが形成されている
    半導体装置。
  3. 請求項1に記載の半導体装置であって、
    前記第1の半導体チップは、前記第1の端子面とは反対側の第3の端子面に形成され、実装基板と接続される外部端子と、前記第1の端子面と前記外部端子との間を連絡する層間接続部とを有する
    半導体装置。
  4. 請求項1に記載の半導体装置であって、
    前記第1の半導体チップはロジックチップであり、前記第2の半導体チップはメモリチップである
    半導体装置。
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