JP5453678B2 - 半導体パッケージおよびその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体パッケージおよびその製造方法に関し、さらに詳細には、配線基板上に複数の半導体チップが積層されて形成される半導体パッケージおよびその製造方法に関する。
現在、半導体チップ等の半導体装置を用いた電子機器の高性能化が進められており、配線基板へ半導体チップを搭載する場合の高密度化や、また半導体チップを搭載した半導体パッケージの小型化、省スペース化等が求められている。
このため、配線基板上に複数の半導体チップを積層して搭載する構造を有する半導体パッケージに関して様々な構造が提案されている。また、このような半導体パッケージの製造方法に関しても、様々な技術が提案されている。
しかし、半導体パッケージに関しては、2段目の半導体チップ以降は順次、外形サイズを小さくしていく必要があり、積層される半導体チップの外形寸法に制約がある点が課題であった。
ここで、上記の課題を解決する技術の例として、図6に示す半導体パッケージ100およびその製造方法が提案されている(特許文献1参照)。より詳しくは、半導体パッケージ100は、回路基板103上に第1のLSIチップ104と、その上に大きい第2のLSIチップ106が積層搭載された半導体装置であって、第1のLSIチップ104と回路基板103との間隙を充填したアンダーフィル材110の一部は第1のLSIチップ104の外周部にはみ出た形で、第1のLSIチップ104の上平面と同一面に設けられている構成を備え、これにより、大きい第2のLSIチップ106の底面を受ける台座を構成し、安定に積層搭載できるものであり、チップ外形制約を緩和するとともに、安定的な生産性と高い信頼性を得ることができるというものである。
特開2002−184936号公報
ここで、本願出願人において半導体パッケージ100と同様の構造を有する半導体パッケージ200(図9参照)の試作・検討を行ったところ、下記の点が課題として生じた。
先ず、半導体パッケージ200の製造方法の概略を説明すると、第1の半導体チップ210の電極部に金(Au)バンプ211を形成し、第1の半導体チップ210が接続される配線基板230の電極部232にははんだコート237を形成する。次いで、NCF(Non−Conductive Film)に例示されるフィルム状の熱硬化性樹脂(以下、「熱硬化性樹脂フィルム」という)203を配線基板230に貼り付ける。次いで、第1の半導体チップ210の金(Au)バンプ211と、熱硬化性樹脂フィルム203を貼り付けた配線基板230のはんだコート部237とを加熱圧着によって接続を行う。その際に熱硬化性樹脂フィルム203が同時に硬化される。次いで、熱硬化性樹脂フィルム203を所定の温度、時間により完全に硬化させる。次いで、第1の半導体チップ210の上に、第2の半導体チップ220をダイボンディングにより接合するというものである。
上記の工程を備える半導体パッケージ200の製造方法を実施すると、配線基板230と第1の半導体チップ210とを加熱圧着する際に、図7の写真(第2の半導体チップ220を取り去った状態で撮影)に示すように、熱硬化性樹脂フィルム203が配線基板230と第1の半導体チップ210との間から当該第1の半導体チップ210の外方へ(外周部から外側に向けて)流出する。このとき、熱硬化性樹脂フィルム203は、同図7のように当該フィルムの中心部から同心円状に広がる性質を有する。
ここで課題となったのが、第1の半導体チップ210上に搭載する第2の半導体チップ220が、当該第1の半導体チップ210からオーバーハングする設計(L:オーバーハング量)の場合、すなわち、第2の半導体チップ220の外形が、第1の半導体チップ210の外形よりも大きい場合には、製造工程中において図8の写真(図7のコーナー部Bを拡大した写真である)および図9の概略図(図7に示す平面に対して垂直方向の断面を模式的に表した図である)に示すように、第2の半導体チップ220の外縁部220a(特にコーナー部)の下に空隙(符号Cで表示)が生じ易いことであった。すなわち、当該空隙が生じると、第2の半導体チップ220上面の外縁部220aに設けられる電極部(不図示)と配線基板230上の電極部233とをワイヤボンディングによって接続する工程において、第2の半導体チップ220が撓む原因となり、接続が不安定となる。また、全体をモールドする工程において、第1の半導体チップ210と第2の半導体チップ220との境界面に隙間が生じてモールドボイドの危険が高まる。これらの課題は、第2の半導体チップ220のオーバーハング量Lが大きい場合程、顕著に生じ得る。
上記の課題に対して、従来技術では、配線基板と第1の半導体チップとの間から外方へ流出する熱硬化性樹脂フィルムを台座とすることによって、オーバーハング量を縮小して空隙の発生を抑制しようとしていた。しかし、台座とするための形状(流出量)はプロセス条件や部材のばらつきにより安定した形状を形成することが非常に困難であった。一方、大きな形状の熱硬化性樹脂フィルムを設けて、十分な台座形状を確保しようとすると、前述の同心円状に広がる性質に起因して、辺部からの流出量が過大となって配線基板上のワイヤボンディング用電極部を覆ってしまうという問題が発生する。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、半導体パッケージにおいて上層の半導体チップが、下層の半導体チップより外形が大きい場合に、上層の半導体チップの外縁部の下に空隙が発生することを防止して、接続の安定性およびモールドボイド発生の抑制を図ることが可能な半導体パッケージおよびその製造方法を提供することを目的とする。
一実施形態として、以下に開示するような解決手段により、前記課題を解決する。
開示の半導体パッケージは、配線基板の上に、熱硬化性樹脂フィルムを介して第1の半導体チップがフリップチップ実装方式により加熱圧着され、前記第1の半導体チップの上に、第2の半導体チップが搭載されて形成される半導体パッケージにおいて、前記第2の半導体チップは、前記第1の半導体チップより外形が大きく、前記配線基板上には、前記第1の半導体チップの外周よりも外方の位置で、且つ前記第2の半導体チップの外縁部の直下の位置に、該第2の半導体チップの下面に接触しない高さの突起状の台座が設けられ、前記熱硬化性樹脂フィルムは、前記台座を包み込む形状を有し、前記第1の半導体チップの外周よりも外方の位置における上面が該第1の半導体チップの上面と同一の平坦面に形成され、且つ、前記第2の半導体チップの外周よりも外方に配設される外縁部がフィレット形状に形成されており、前記台座として、前記第2の半導体チップのコーナー部に対応する位置に、コーナー部台座が設けられると共に、前記第2の半導体チップの隣接するコーナー部間の辺部に対応する位置に、前記コーナー部台座と連続でもしくは不連続で辺部台座が設けられることを要件とする。
開示の半導体パッケージによれば、上層の半導体チップが、下層の半導体チップより外形が大きい場合に、製造工程中において、上層の半導体チップの外縁部の下に空隙が発生することを防止することができる。
その結果、第2の半導体チップ上面の外縁部に設けられた電極部と配線基板上の電極部とをワイヤボンディングによって接続する際に、第2の半導体チップの外縁部の撓みが防止でき、接続の安定化を図ることができる。また、モールドを行う際に、モールドボイド発生の抑制を図ることができる。
本発明の実施形態に係る半導体パッケージの例を示す概略図である。 本発明の実施形態に係る半導体パッケージの台座の形成例を説明するための説明図である。 本発明の実施形態に係る半導体パッケージの製造方法を説明するための説明図である。 本発明の実施形態に係る半導体パッケージの製造方法を説明するための説明図である。 本発明の実施形態に係る半導体パッケージの製造方法を説明するための説明図である。 従来の実施形態に係る半導体パッケージの例を示す概略図である。 本願出願人が試作・検討を行った半導体パッケージの構成および課題を説明するための写真である。 本願出願人が試作・検討を行った半導体パッケージの構成および課題を説明するための写真である。 本願出願人が試作・検討を行った半導体パッケージの構成および課題を説明するための説明図である。
本発明の実施形態に係る半導体パッケージ1について説明する。
図1は、半導体パッケージ1の例を示す概略図(断面図)である。なお、図中において、説明の便宜上、実際の寸法・縮尺とは異なって図示されている部分がある。
半導体パッケージ1は、配線基板30上に第1の半導体チップ10が搭載され、さらにその上に、第2の半導体チップ20が搭載されて形成される半導体パッケージである。より具体的には、配線基板30上に、熱硬化性樹脂フィルム3を介して加熱圧着によって第1の半導体チップ10がフリップチップ接続されて、さらに、第1の半導体チップ10上に、ダイボンディングによって第2の半導体チップ20が接合されている。
図3(a)等に示すように、配線基板30には、第1の半導体チップ10との接続用あるいは外部接続用として、上面、下面に電極部32、33が設けられている。
また、第1の半導体チップ10には配線基板30に対向する面10aに、電極部32と接続される接続バンプ11が設けられる。一例として、接続バンプ11は金(Au)を用いて形成される。
一方、第2の半導体チップ20の上面20eにおける外縁部20a領域には電極部(不図示)が設けられており、配線基板30上において第1の半導体チップ10の搭載位置よりも外方に設けられた電極部33との間でワイヤボンディング接続が行われる。
一例として、半導体パッケージ1は、図1に示すように、モールド樹脂6によってモールドされて形成されるが、モールドされない状態での流通形態も考えられる。
ここで、本実施形態に特徴的な構成として、配線基板30の上に搭載される第1の半導体チップ10は、熱硬化性樹脂フィルム3を介して当該配線基板30に加熱圧着される構造を有している。また、第1の半導体チップ10の上に搭載される第2の半導体チップ20は、当該第1の半導体チップ10よりも外形が大きい、すなわちオーバーハング量Lが大きい構造を有している。一例として、第1の半導体チップ10は一辺の長さが4[mm]程度の矩形状であって、第2の半導体チップ20は一辺の長さが8[mm]程度の矩形状である。すなわち、オーバーハング量Lは2[mm]程度である。
さらに、本実施形態に特徴的な構成として、配線基板30上には、第2の半導体チップ20の外縁部20aの直下の位置に、第2の半導体チップ20の下面20dに接触しない高さの突起状の台座36が設けられる。ここで、台座36の位置および形状の例について、図2を用いて説明する。図2(a)は半導体パッケージ1の平面図(概略図)であるが、第2の半導体チップ20は外周線のみを表示している。なお、台座36の作用効果については、後述の製造方法において説明する。
例えば、配線基板30上に形成される台座36として、第2の半導体チップ20のコーナー部20bに対応する位置に、コーナー部台座36aが設けられる。必要に応じて、さらに、第2の半導体チップ20の隣接するコーナー部20b、20b間の辺部20cに対応する位置に、コーナー部台座36aと不連続で(もしくは連続で)辺部台座36bが設けられる。
一例として、コーナー部台座36aは、図2(b)に示すように、略L字状に形成する。なお挟角θは、0[°]<θ<180[°]であり、θが大きい領域では、略L字状よりも直線状に近い形状となる。また頂角のRは、0.2[μm]<R<10[μm]程度である。なお、図2(c)に示す形状のように、図2(b)に示す形状よりも角取り部を大きく形成してもよい。あるいは、コーナー部台座36aは、円弧状に形成してもよい(不図示)。
一方、辺部台座36bは、図2(b)に示すように、辺部20cに沿って直線状に形成する。
一例として、コーナー部台座36aおよび辺部台座36bはいずれも、幅が0.3〜0.8[mm]程度であり、幅の上限値は、第1の半導体チップ10と配線基板30上の電極部(第2の半導体チップとワイヤボンディング接続するための電極部33)との距離となる。また、コーナー部台座36aおよび辺部台座36bはいずれも、高さが10〜数十[μm]程度である。
また、本実施形態に係る半導体パッケージ1は、熱硬化性樹脂フィルム3が、台座36を包み込む形状に形成され、さらに、第1の半導体チップ10の外周よりも外方の位置における上面が当該第1の半導体チップ10の上面と同一の平坦面に形成され、且つ、第2の半導体チップ20の外周よりも外方に配設される外縁部がフィレット形状に形成されていることを特徴とする。これによって、第2の半導体チップ20の外縁部20a(特にコーナー部20b)の直下の位置に空隙が発生しない形状が実現される。
続いて、本発明の実施形態に係る半導体パッケージ1の製造方法について説明する。ここで、図3〜図5は、半導体パッケージ1の製造工程を説明するための概略図(断面図)である。なお、各図中において、説明の便宜上、実際の寸法・縮尺とは異なって図示されている部分がある。
先ず、図3(a)に示すように、配線基板30を用意する。配線基板30は、樹脂基板31を用いた公知の方法によって製造されるプリント配線基板であり、その製造工程の説明は省略する。一例として、符号32は、銅(Cu)からなる電極部であり、符号33は、銅(Cu)からなる電極部32の上に金(Au)からなるめっき層が設けられた電極部であり、符号34は、ソルダーレジストからなる絶縁層である。
次いで、図3(b)に示すように、配線基板30の上面30a上に感光性レジスト35を塗布し、マスクパターン(不図示)を介して光線を照射して、露光・現像・剥離の工程を実施する。これによって、図3(c)に示すように、後工程で配設される第2の半導体チップ20の外縁部20aが配置される予定位置の直下の位置に所定形状の台座36を形成する。
台座36の形成例については前述の通りである(図2参照)。本実施形態においては、配線基板30の上面30a上であって、後工程で配設される第2の半導体チップ20のコーナー部20bが配置される予定位置に対応する位置に、コーナー部台座36aを形成する。また、配線基板30の上面30a上であって、後工程で配設される第2の半導体チップ20の隣接するコーナー部20b、20b間の辺部20cが配置される予定位置に対応する位置に、コーナー部台座36aと連続でもしくは不連続で(本実施形態では不連続としている)辺部台座36bを形成する。なお、配線基板30上面の電極部33(33a)の配置あるいは第1の半導体チップ10の形状等に応じて、コーナー部台座36aのみを設ける構成としてもよい。
なお、台座36を形成する工程の他の例としては、積層法(台座部以外をマスクしてレジスト積層させる手法)や、平板打ち抜き法(金属型で台座部以外を打ち抜く手法)、あるいは、ブラスト法(台座部以外を削り取る手法)等を用いることが考えられる。
次いで、図4(a)に示すように、配線基板30上の電極部32のうち、第1の半導体チップ10の接続バンプ11が接続される電極部32aとなる箇所に、はんだコート37を形成する。
次いで、図4(b)に示すように、配線基板30の上面30a上における平面方向の中央部に、熱硬化性樹脂フィルム3を貼り付ける。このとき、貼り付けを行う領域は、図2において台座36(36a、36b)によって矩形に囲まれた領域であって、且つ、台座36(36a、36b)の上面にも熱硬化性樹脂フィルム3が貼り付けられるようにする。したがって、本実施形態においては、熱硬化性樹脂フィルム3は矩形状であるが、台座36の配置に応じて、適宜、形状を変更してもよい。
なお、熱硬化性樹脂フィルム3には、一例として、エポキシ系熱硬化性樹脂が用いられる。また、熱硬化性樹脂フィルム3を配線基板30の上に貼り付ける方法には、一例として、真空ラミネート法が用いられる。
次いで、図4(c)に示すように、第1の半導体チップ10をその実装面10aを配線基板30の上面30aに対向させて熱硬化性樹脂フィルム3を介して所定の搭載位置に載置する。その後、第1の半導体チップ10の反実装面10bにボンディングツール(加熱ヘッド)2を押し付けて、当該ボンディングツール2により第1の半導体チップ10を押圧しながら加熱する。
これによって、第1の半導体チップ10と配線基板30との間に挟まれた熱硬化性樹脂フィルム3は押し広げられるようにして、第1の半導体チップ10と配線基板30との間の空間部を充填すると共に、台座36の上面を越え、第1の半導体チップ10と配線基板30との間から当該第1の半導体チップ10の外方へ(外周部から外側に向けて)流出する。また、第1の半導体チップ10の接続バンプ11と配線基板30の電極部32a上のはんだコート37とが接触する。さらに、当該第1の半導体チップ10を介して配線基板30のはんだコート37が加熱されて溶融し、接触状態にあった接続バンプ11とはんだコート37すなわち電極部32aとが接合されると共に、第1の半導体チップ10と配線基板30との間の空間部内に充填された熱硬化性樹脂フィルム3も加熱されて硬化する。
このとき、熱硬化性樹脂フィルム3は、台座36を包み込む形状に形成される。また、第1の半導体チップ10の上面(反実装面)10bと、第1の半導体チップ10と配線基板30との間から当該第1の半導体チップ10の外方へ流出した箇所(第1の半導体チップ10の外周よりも外方の位置)の熱硬化性樹脂フィルム3の上面と、が接合部分に段差・隙間の無い同一の平坦面として形成される。さらに、第2の半導体チップ20の外周よりも外方に配設される外縁部がフィレット形状に形成される。
ここで、台座36が設けられていることの効果として、台座36形成位置においては、当該台座36の上面とボンディングツール2の押圧面との間の隙間が狭いため(すなわち、容積が小さいため)、熱硬化性樹脂フィルム3が、より一層、第1の半導体チップ10の外方まで(外周部から外側に向けて)流出する効果が得られる。
特に、台座36として、コーナー部台座36aを設けることによって、当該コーナー部台座36a形成位置において、熱硬化性樹脂フィルム3をより一層外方まで広げることができるため、円形状に広がる性質を有する熱硬化性樹脂フィルム3をいわば矩形状に近づけて形成することができる。すなわち、第1の半導体チップ10よりも第2の半導体チップ20の方が外形が大きい場合に、第2の半導体チップ20の外縁部20a(特にコーナー部20b)の最外周位置の直下まで、熱硬化性樹脂フィルム3を充填させることができ、図9で説明したような空隙の発生を防止することができる。
次いで、図5(a)に示すように、当該平坦面上に、固定用材料4を介して、実装面20eを上向きにして第2の半導体チップ20を搭載する工程を実施する。一例として、第2の半導体チップ20を配置した後、キュアを行うことで固定用材料4が硬化して、第2の半導体チップ20が、第1の半導体チップ10の上面(反実装面)10bと第1の半導体チップ10と配線基板30との間から当該第1の半導体チップ10の外方へ流出した箇所の熱硬化性樹脂フィルム3の上面とによって形成される平坦面上に固定される。
なお、固定用材料4は、樹脂材料(例えば、エポキシ樹脂等)からなるボンディングシートであって、ロールラミネート法、真空ラミネート法等のラミネート工法によって、第1の半導体チップ10の上面(反実装面)10bと第1の半導体チップ10と配線基板30との間から当該第1の半導体チップ10の外方へ流出した箇所の熱硬化性樹脂フィルム3の上面とによって形成される平坦面上に貼付される。その他の例として、固定用材料4には、エポキシやポリイミド等を用いた接着剤を使用してもよい。
次いで、図5(b)に示すように、公知のワイヤボンディング接続方法によって、第2の半導体チップ20の実装面20eに設けられた電極部(不図示)と、配線基板30の電極部33(33a)とが、金(Au)からなるワイヤ5を用いて接続される。なお、符号21は、ファーストボンディング工程において、ワイヤ5の先端に設けられた圧着ボールが、第2の半導体チップ20の実装面20aに設けられた電極部(不図示)上に押し付けられて形成される部分である。
次いで、図5(c)に示すように、第1の半導体チップ10、第2の半導体チップ20、およびワイヤ5等が覆われるように、配線基板30上にモールド樹脂を用いて絶縁層(封止樹脂層)6を形成する工程を実施する。その後、キュアを行うことによって、モールド樹脂を硬化させる。なお、モールド樹脂には、フィラー(例えば、二酸化ケイ素)が含有された樹脂材料(本実施形態では、エポキシ樹脂)等が用いられる。また、絶縁層(封止樹脂層)6を形成する方法としては、トランスファーモールドや、インジェクションモールド等の各種方法を用いることができる。
上記の工程を備えて、本実施形態に係る半導体パッケージ1の製造が行われる。
なお、配線基板30の下面に設けられた外部接続用の電極部33(33b)は、当該パッドにはんだボールやリードピンを接続して外部接続端子としても良く、あるいは、当該電極部自体を外部接続端子としても良い。
以上の通り、開示の半導体パッケージおよびその製造方法によれば、熱硬化性樹脂フィルムを介して配線基板上に搭載される第1の半導体チップよりも、当該第1の半導体チップ上に搭載される第2の半導体チップの方が外形が大きい場合に、第2の半導体チップの外縁部(特にコーナー部)の直下まで、熱硬化性樹脂フィルムを充填させることができ、空隙の発生を防止することができる。
その結果、製造工程中において、第2の半導体チップ上面の電極部と配線基板上の電極部とをワイヤボンディングによって接続する際に、第2の半導体チップの撓み等が防止でき、接続の安定化を図ることができる。また、モールドを行う際に、モールドボイド発生の抑制を図ることができる。
なお、本発明は、以上説明した実施例に限定されることなく、本発明を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは言うまでもない。特に、配線基板への搭載部品として半導体チップを例に挙げて説明したが、これに限定されるものではない。
1 半導体パッケージ
2 ボンディングツール
3 熱硬化性樹脂フィルム
5 ワイヤ
6 モールド樹脂
10 第1の半導体チップ
11 接続バンプ
20 第2の半導体チップ
30 配線基板
32、33 電極部
36 台座

Claims (5)

  1. 配線基板の上に、熱硬化性樹脂フィルムを介して第1の半導体チップがフリップチップ実装方式により加熱圧着され、前記第1の半導体チップの上に、第2の半導体チップが搭載されて形成される半導体パッケージにおいて、
    前記第2の半導体チップは、前記第1の半導体チップより外形が大きく、
    前記配線基板上には、前記第1の半導体チップの外周よりも外方の位置で、且つ前記第2の半導体チップの外縁部の直下の位置に、該第2の半導体チップの下面に接触しない高さの突起状の台座が設けられ、
    前記熱硬化性樹脂フィルムは、前記台座を包み込む形状を有し、前記第1の半導体チップの外周よりも外方の位置における上面が該第1の半導体チップの上面と同一の平坦面に形成され、且つ、前記第2の半導体チップの外周よりも外方に配設される外縁部がフィレット形状に形成されており、
    前記台座として、前記第2の半導体チップのコーナー部に対応する位置に、コーナー部台座が設けられると共に、前記第2の半導体チップの隣接するコーナー部間の辺部に対応する位置に、前記コーナー部台座と連続でもしくは不連続で辺部台座が設けられること
    を特徴とする半導体パッケージ。
  2. 前記コーナー部台座は、略L字状もしくは円弧状に形成されていること
    を特徴とする請求項記載の半導体パッケージ。
  3. 配線基板の上に、第1の半導体チップが搭載され、該第1の半導体チップの上に、該第1の半導体チップよりも外形の大きい第2の半導体チップが搭載されて形成される半導体パッケージの製造方法であって、
    前記配線基板上において、後工程で搭載される前記第2の半導体チップの外縁部が配置される予定位置の直下の位置に、該第2の半導体チップの下面に接触しない高さの突起状の台座を形成する工程と、
    前記配線基板上に、所定形状の熱硬化性樹脂フィルムを介してフリップチップ実装方式により第1の半導体チップを加熱圧着し、前記熱硬化性樹脂フィルムは、前記台座を包み込み、前記第1の半導体チップの外周よりも外方の位置における上面が該第1の半導体チップの上面と同一の平坦面に形成され、且つ、前記第2の半導体チップの外周よりも外方に配設される外縁部がフィレット形状に形成される工程と、
    前記第1の半導体チップ上に、前記第2の半導体チップを搭載する工程と、を備え
    前記台座を形成する工程は、前記第2の半導体チップのコーナー部が配置される予定位置に対応する位置に、コーナー部台座を形成する工程と、前記第2の半導体チップの隣接するコーナー部間の辺部が配置される予定位置に対応する位置に、前記コーナー部台座と連続でもしくは不連続で辺部台座を形成する工程と、を有すること
    を特徴とする半導体パッケージの製造方法。
  4. 前記コーナー部台座を、略L字状もしくは円弧状に形成すること
    を特徴とする請求項記載の半導体パッケージの製造方法。
  5. 前記第2の半導体チップを搭載する工程は、
    前記第1の半導体チップ上に、前記第2の半導体チップをダイボンディングによって接合する工程と、
    前記第2の半導体チップの上面に設けられた電極部と、前記配線基板上において前記前記第1の半導体チップの搭載位置よりも外方に設けられた電極部とをワイヤボンディングによって接続する工程と、を備えること
    を特徴とする請求項3または請求項4記載の半導体パッケージの製造方法。
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