JP5529371B2 - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、配線基板上に複数の半導体チップが積層された半導体装置及びその製造方法に関する。

近年は、電子装置の小型・薄型、大容量化等に伴い、半導体チップを多段積層することが必要となり、半導体チップの薄型化が進んでいる。従来の半導体装置は、例えば、特開２００２−２６１２３３号（特許文献１）に記載されている。この半導体装置は、配線基板上に下側半導体チップを搭載し、下側半導体チップ上にスペーサを介して上側半導体チップを搭載したものである。

しかし、特許文献１に記載の半導体装置のように、下面が支えられていない部位に電極パッドが配置されている場合には、支えられていない部位の上側半導体チップの電極パッドにワイヤボンディングする際に、ボンディングツールの圧着により半導体チップが割れてしまうという問題があった。

そこで、このような半導体チップの一部が突出した部分に設けられた電極パッドをワイヤボンディングする技術として、例えば、特開２０００−２９９４３１号（特許文献２）や特開２００５−１９７４９１号（特許文献３）が提案されている。特許文献２、３は、その前提として、配線基板上に下側半導体チップよりチップサイズの大きい上側半導体チップを積層する場合に適用される。

具体的には、特許文献２に記載の半導体装置は、下側半導体チップを異方導電接着剤を介して配線基板にフリップチップボンディングする際に、その一部を下側半導体チップの外部にはみ出させ、はみ出た接着材で支持部を形成し、この支持部と下側半導体チップ上に上側半導体チップを搭載するように構成したものである。

しかしながら、特許文献２に記載の半導体装置では、下側半導体チップの周囲に接着材をはみ出させて、はみ出た樹脂で支持部を形成しているため、支持部の高さを確保するには接着剤の量が多くなってしまう。そのため、配線基板の外方に接着材が広がり、配線基板の上側半導体チップと接続される接続パッドが覆われてしまう恐れがある。さらに、フリップチップ実装された下側半導体チップの裏面と、下側半導体チップの周囲の配線基板に設けた支持部の上に、上側半導体チップを搭載するように構成しているため、３段目以降に搭載される半導体チップには適用困難である。

また、特許文献３は、配線基板上に、下側半導体チップがフリップチップボンディングされると共に、上側半導体チップが下側半導体チップ上に積層された半導体装置において、下側半導体チップの外縁より突出する突出部を有し、下側半導体チップ及び上側半導体チップが積層される配線基板の表面に凸状の支持部を有し、突出部を支持部で支持するように構成したものである。

しかしながら、特許文献３に記載の半導体装置においては、配線基板の表面に支持部を設けるように構成しているため、３段目以降に搭載される半導体チップには適用困難である。仮に、３段目以降の半導体チップに適用しようとした場合には、２段目に積層される半導体チップの周囲の配線基板に支持部を設けることが必要であり、パッケージサイズが大型化してしまう。また、３段目の支持部の高さも高くすることが必要となり、パッケージの厚さも厚くなってしまう。さらには、３段目の支持部の間隔によって、３段目に搭載される半導体チップのチップサイズにも制約が生じる。 さらに、配線基板の表面に支持部を形成し、上側半導体チップを直接的に支持するように構成されており、下側半導体チップと支持部の高さに誤差が生じる可能性がある。薄い半導体チップでは、この高さの差によりクラックを生じる恐れもある。

特開２００２−２６１２３３号公報 特開２０００−２９９４３１号公報 特開２００５−１９７４９１号公報

上記特許文献２，３は、配線基板上に下側半導体チップよりサイズの大きい上側半導体チップを積層する場合に適用され、例えば、同一のチップサイズを有する下側半導体チップと上側半導体チップとの間で、下側半導体チップの上面に配置された電極パッドが露出するように上側半導体チップをずらして配置する場合については開示されていない。さらに、上記特許文献２、３では、パッケージサイズを大きくせずに３段目以降に半導体チップを積層することは困難である。

そこで、本発明は、上記従来技術の問題点の鑑みて成されたものであり、その目的は、複数段に積層された薄い半導体チップを、チップクラックを発生することなく良好に搭載及びワイヤボンディングすることが可能な半導体装置およびその製造方法を提供することにある。

また、本発明の他の目的は、パッケージサイズを大きくせずに３段以上の半導体チップの積層配置が可能な半導体装置およびその製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の半導体装置では、配線基板上に積層されかつ上面の所定位置に第１の電極パッドが配置された第１の半導体チップと、第１の半導体チップ上に絶縁部材を介して第１の電極パッドが露出するようにずらして積層された第２の半導体チップと、第２の半導体チップの突出部の裏面を絶縁部材を介して支持する支持部材とを有することを特徴とする。

また、本発明では、配線基板上に３段以上の複数の半導体チップを積層した半導体装置において、各半導体チップの上面には電極パッドがそれぞれ配置されており、各半導体チップは、電極パッドが露出されるように交互にずらして積層され、半導体チップの各突出部の裏面を絶縁部材を介して支持する支持部材を設けたことを特徴とする。

また、本発明の半導体装置では、配線基板上に積層された第１の半導体チップと、第１の半導体チップ上に絶縁部材を介してずらして積層され、かつ第１の半導体チップと同じチップサイズを有する第２の半導体チップと、第２の半導体チップの突出部の裏面を絶縁部材を介して支持する支持部材とを有することを特徴とする。

さらに、本発明の半導体装置の製造方法では、配線基板上に第１の半導体チップを積層し、第１の半導体チップの上面の所定位置に第１の電極パッドを形成し、第１の半導体チップ上に、絶縁部材を介して第１の電極パッドが露出するようにずらした状態で第２の半導体チップを積層し、第２の半導体チップの突出部の裏面を絶縁部材を介して支持する支持部材を形成し、少なくとも第１及び第２の半導体チップを封止体で覆うことを特徴とする。

本発明によれば、複数段に積層された薄い半導体チップを、チップクラックを発生することなく、良好に搭載及びワイヤボンディングすることができる。

また、絶縁部材が緩衝材として作用するため、半導体チップと支持部材とが直接的に接触することがない。このため、半導体チップと支持部材との接触に起因するチップクラックを低減でき、これにより製造歩留を向上できる。

また、多段積層される半導体チップの突出部位を支持部材により支持するように構成したことにより、多段積層構造を安定化できる。

さらに、パッケージサイズを大きくせずに３段以上の半導体チップの積層配置を良好にできる。

（実施例１）
まず、本発明の実施例１に係る半導体装置について図面を参照して説明する。

図１は、実施例１の半導体装置を示す断面図である。図２は、実施例１の半導体装置の要部拡大図である。図３は、実施例１の半導体装置の製造工程を示す断面図である。

まず、実施例１の半導体装置１は、図１に示すように、略四角形の板状で、所定の配線が形成された配線基板２を有している。配線基板２は、例えば０．２５ｍｍ厚のガラスエポキシ基板であり、基材の両面に所定の配線が形成されている。配線基板２の一面の周囲近傍には複数の接続パッド３、１３が形成されている。また、配線基板２の他面には、複数のランド部４が格子状に配置されている。また、ランド部４上には、それぞれ外部端子（バンプ電極）５が搭載されている。

配線基板２の一面の略中央部位には、略四角形の板状で一面に所定の回路が形成された第１（下側）の半導体チップ６が搭載されている。第１の半導体チップ６は一つの辺にのみ複数の電極パッド７が配設されている。半導体チップ６の厚さは、例えば、３０〜５０μｍ程度に薄型化されている。また、第１の半導体チップ６の他面は、絶縁性のシート状部材の両面に接着層を有する接着部材８により配線基板２に接着固定されている。接着部材８は、例えば１０〜２０μｍ程度の厚さである。また、複数の電極パッド７は、配線基板２の対応する接続パッド３と、例えばＡｕ等の導電材料からなるワイヤ９により電気的に接続されている。

図１及び図２に示すように、第１の半導体チップ６の上方位置には、第２（上側）の半導体チップ１０が搭載されている。第２の半導体チップ１０は、第１の半導体チップ６と同じチップであり、同様に一つの辺にのみ複数の電極パッド１１が配設されている。

このように、第１の半導体チップと第２の半導体チップとは同じチップサイズを有する。

第２の半導体チップ１０の他面は、同様に絶縁性のシート状部材の両面に接着層を有する接着部材１２により第１の半導体チップ６上に接着固定されている。また、第２の半導体チップ１０は、第１の半導体チップ６の電極パッド７と重ならないようにずらした状態で、第１の半導体チップ６の上方に配置されている。

本実施例１の半導体装置１では、第２の半導体チップ１０の電極パッド１１は、第１の半導体チップ６の電極パッド７が配置された辺と反対側の辺に配置されている。これにより、半導体チップ１及び半導体チップ２を多段積層する場合に省スペース化が可能になる。また、複数の電極パッド１１は、配線基板２の対応する接続パッド１３と、例えばＡｕ等の導電材料からなるワイヤ１４により電気的に接続されている。

また、第１の半導体チップ６と重ならないエリアに、電極パッド１１が配置されている第２の半導体チップ１０の他面を支える支持部材１５を有している。ここでは、支持部材１５として、新たな部材を準備する必要がないことから、２段積層されたバンプを用いている。支持部材１５の形状は、例えば、円柱または円錐状である。支持部材１５は、約３０μｍ程度のバンプを積層し、例えば４０〜６０μｍ程度の高さに形成される。

また、支持部材１５は、電極パッド１１に対応した部位の第２の半導体チップ１０の他面側を絶縁部材としての接着部材１２を介して支えるように構成されている。上述のように、絶縁部材としての接着部材１２は、絶縁性のシート状部材の両面に接着層を有するものである。これにより絶縁部材としての接着部材１２が緩衝材となるため、第２の半導体チップ１０を直接的に支持しないように構成される。このため、支持部材１５と第２の半導体チップ１２との接触に起因するチップクラックの発生を低減することができる。ここで、支持部材１５は、例えば、配線基板２上の接続パッド４０上に形成される。

尚、支持部材１５は第２の半導体チップ１０の電極パッド１１に対応する部位を支持するのが望ましい。しかし、モールド工程での樹脂の流動性を考慮し、２つの電極パッド１１の間を支持するように構成することも可能で、これにより支持部材１５の設置間隔を広くできる。そして、第１の半導体チップ６及び第２の半導体チップ１０を覆うように、配線基板２上に封止体１６が形成されている。

次に、図３を参照して、実施例１に係る半導体装置１の製造方法について図１をも使用して説明する。

まず、図３（ａ）に示すような配線基板２が準備される。そして、裏面に接着部材８が形成された第１の半導体チップ６が配線基板２に搭載される。そして、第１の半導体チップ６の電極パッド７と配線基板２の接続パッド３とをワイヤ９により電気的に接続する。

ここで、ワイヤ９は例えばＡｕ等からなり、図示しないワイヤボンディング装置により、溶融され先端にボールが形成されたワイヤ９を第１の半導体チップ６の電極パッド７上に超音波熱圧着することで接続し、その後、所定のループ形状を描き、ワイヤ９の後端を対応する接続パッド３上に超音波熱圧着することで結線される。

さらに、配線基板２の所定位置、ここでは電極パッド１１の配置された部位の第２の半導体チップ１１の裏面を支える位置に、支持部材１５を形成する。支持部材１５は、例えば先端が溶融し、ボールが形成された導電性のワイヤを超音波熱圧着等により配線基板２に圧着し、その後、このワイヤをクランプして引きちぎることによりバンプが形成される。さらに、バンプの上に同様にバンプを形成し、支持部材１５である２段バンプを形成する。積層バンプの高さは、第１の半導体チップ６の厚さより若干高く形成する。

尚、支持部材１５は、電極パッド１１の直下でなくても、電極パッド１１の近傍位置に設けても良い。あるいは、第１の半導体チップ６と重ならないエリアに配置された電極パッド１１の全てに対応して支持部材１５を設けず、所定の間隔で配置しても良い。

次に、図３（ｂ）に示すように、配線基板２上に搭載された第１の半導体チップ６の上に、裏面に接着部材１２の接着された第２の半導体チップ１０を積層搭載する。このとき、若干高めに形成した支持部材１５としての積層バンプは、第２の半導体チップ１０の裏面によりレベリングされ良好な高さに形成される。このようにして、第２の半導体チップ１０の裏面は、絶縁部材としての接着部材１２を介して支持部材１５に支持される。

尚、本実施例１では、第２の半導体チップ１０の搭載により支持部材１５としての積層バンプのレベリングを行うように構成したが、配線基板２への積層バンプの形成後にレベリングを行うように構成しても良い。

その後、図３（ｃ）に示すように、第２の半導体チップ６の電極パッド１１と配線基板２の接続パッド１３とをワイヤ１４により電気的に接続する。ワイヤ１４は、第１の半導体チップ６と同様にワイヤボンディングされる。本実施例１では、支持部材１５により、絶縁部材としての接着部材１２を介して第２の半導体チップ１０の電極パッド１１に対応する部位近傍を支えるように構成しているため、良好にワイヤボンディングすることができる。

次に、図３（ｄ）に示すように、一括モールドすることで、配線基板２の一面上に封止体１６が形成される。封止体１６は、例えば、図示しないトランスファモールド装置の上型と下型からなる成形金型で、配線基板２を型締めし、ゲートから上型と下型によって形成されたキャビティ内に熱硬化性のエポキシ樹脂を圧入させ、キャビティ内に充填された後、熱硬化させることで形成される。尚、第１の半導体チップ６に設けた支持部材１５は、３０μｍ程度と小さく、円柱状または円錐状で形成されている。このために、樹脂の流動を阻害せずに良好に封止できる。また、積層された第２の半導体チップ１０をずらす方向に垂直な方向から樹脂を流すように構成することで、さらに樹脂の流動性を向上できる。

その後、図３（ｅ）に示すように、配線基板２の他面のランド４上に半田等からなる導電性のボールを搭載し、外部端子（バンプ電極）５を形成する。ボールマウント工程では、配線基板２上のランド４の配置に合わせて複数の吸着孔が形成された図示しない吸着機構を用いて、例えば半田等からなるボールを吸着孔に保持し、保持されたボールにフラックスを転写形成し、配線基板２のランド４に一括搭載する。ボール搭載後、リフローすることで外部端子５が形成される。

外部端子５の形成された配線基板２は、図３（ｆ）に示すように、ダイシングライン３０で切断・分離し個片化する。基板ダイシングは、配線基板２の封止体１６をダイシングテープ３５に接着し、ダイシングテープ３５によって配線基板２を支持する。配線基板２を図示しないダイシングブレードにより縦横にダイシングライン３０を切断して配線基板２を個片化する。個片化完了後、ダイシングテープ３５からピックアップすることで、図１に示すような半導体装置１が得られる。

（実施例２）
次に、図４及び図５を参照して、本発明の実施例２に係る半導体装置について説明する。ここで、半導体チップが２段積層された実施例１（図１及び図２参照）に係る半導体装置１と同じ部分についての説明は便宜上省略する。

実施例２は、３段以上に多段積層される半導体チップに適用した場合を示す実施例である。具体的には、第１の半導体チップ６上に積層された第２の半導体チップ１０上に、さらに、第３の半導体チップ５０及び第４の半導体チップ６０がそれぞれ積層されている。

図４及び図５に示すように、配線基板２及び下側に配置される半導体チップ（ここでは、半導体チップ６、１０，５０）上に支持部材１５をそれぞれ設けることで、３段以上に多段積層される半導体チップ６、１０，５０，６０のワイヤボンディングを良好にできる。また、支持部材１５により、それぞれの半導体チップ１０、５０、６０の突出部位を支持するように構成することで、積層構造を安定化できる。ここで、第４の半導体チップ６０を支持する支持部材１５は第２の半導体チップ１０の接続パッド４１上に形成されている。

図４に示すように、片辺にのみ電極パッド７、１１、５１，６１が形成された半導体チップ６，１０，５０，６０を、電極パッド７、１１、５１，６１が露出されるように交互にずらして積層することにより、配線基板２に占める半導体チップ６、１０，５０，６０の搭載される領域を小さくでき、３段以上の多段積層が可能となる。

（実施例３）
次に、図６及び図７を参照して、本発明の実施例３に係る半導体装置について説明する。ここで、半導体チップが２段積層された実施例２（図４及び図５参照）に係る半導体装置１と同じ部分についての説明は便宜上省略する。

本実施例３においては、図７に示すように第２の半導体チップ１０の電極パッド１１に設けた支持部材１５としてのバンプに、逆ボンディングにより配線基板２の接続パッド１３とを導電性のワイヤ１４により電気的に接続する。そして、ワイヤ１４の接続されたバンプ上にもう１段バンプを形成することで、さらに上に配置される第４の半導体チップ６０の裏面を支持するように構成する。これにより、支持部材１５の接続用パッドを新たに設ける必要がなく、上側の半導体チップ（ここでは、第４の半導体チップ６０）のワイヤボンディングを良好に実施できる。

以上、本発明者によってなされた発明を実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。

例えば、上記実施例１では、同じ半導体チップを積層した場合について説明したが、第２の半導体チップ１０の電極パッド１１の下面が支持されている構成であればどのような構成でも良く、例えば図８に示すように異なるタイプの半導体チップを積層した場合でも同様に本発明を適用することが可能である。図８の半導体装置１では、第２の半導体チップ１０の両辺に複数の電極パッド１１が配置されている。

また、上記実施例１では、半導体チップは、片辺のみに電極パッド７、１１が配置されたものを用いた場合について説明したが、図９に示すようにセンターのみに電極パッド７，１１が配置された半導体チップ６，１０に用いても良い。

また、本実施例では、配線基板２としてガラスエポキシ基板を用いた場合について説明したが、ポリイミド樹脂等のテープ状の配線基板を用いても良い。

また、本実施例では、BGA型の半導体装置に適用した場合について説明したが、LGA（Land Grid Array）やMCP（Multi Chip Package）等の半導体チップの積層構造を有する半導体装置にも適用可能である。

本実施例によれば、配線基板に下側半導体チップと重ならない位置に配置された上側半導体チップの電極パッドが配置され、かつ電極パッドに対応した部位の上側半導体チップの他面側を絶縁部材を介して支える円柱または円錐状の支持部材を設けたことにより、複数段に積層された薄い半導体チップをチップクラックを発生することなく、良好に搭載及びワイヤボンディングすることができる。

また、絶縁部材が緩衝材となるため、半導体チップと支持部材との直接的に接触がなくなるため、半導体チップと支持部材との接触に起因するチップクラックを低減できる。これにより製造歩留を向上できる。

また、配線基板と配線基板に搭載された半導体チップに、多段積層される半導体チップの突出部位を支持部材により支持するように構成したことにより、多段積層構造を安定化できる。さらに、パッケージサイズを大きくせず、３段以上の半導体チップの積層配置を良好にできる。

本発明に係る実施例１の半導体装置を示す断面図である。 本発明に係る実施例１の半導体装置の要部拡大図である。 本発明に係る実施例１の半導体装置の製造工程を示す断面図である。 本発明に係る実施例２の半導体装置を示す断面図である。 本発明に係る実施例２の半導体装置の要部拡大図である。 本発明に係る実施例３の半導体装置を示す断面図である。 本発明に係る実施例３の半導体装置の要部拡大図である。 本発明に係る他の実施例の半導体装置を示す断面図である。 本発明に係る他の実施例の半導体装置を示す断面図である。

符号の説明

１ 半導体装置
２ 配線基板
３ 接続パッド
４ ランド部
５ 外部端子（バンプ電極）
６ 第１の半導体チップ
７ 電極パッド
８ 接着部材
９ ワイヤ
１０ 第２の半導体チップ
１１ 電極パッド
１２ 接着部材
１３ 接続パッド
１４ ワイヤ
１５ 支持部材
１６ 封止体

Claims (15)

1. 配線基板上に積層されかつ上面の所定位置に第１の電極パッドが配置された第１の半導体チップと、
   第１の半導体チップ上に第１の絶縁部材を介して第１の電極パッドが露出するようにずらして積層された第２の半導体チップと、
   第２の半導体チップの突出部の裏面を第１の絶縁部材を介して支持する支持部材とを有し、
   配線基板と第１の半導体チップとは、第２の絶縁部材を介して接続され、
   配線基板上の支持部材が配置される領域には第２の絶縁部材は存在せず、支持部材は配線基板に設けられた接続パッド上に配置されており、
   第１の半導体チップの上面には、第１の電極パッドが第１に辺に沿ってのみ複数配置され、
   第２の半導体チップの上面には、第１に辺とは反対方向の第２の辺に沿ってのみ第２の電極パッドが複数配置されており、
   第２の半導体チップは第１の半導体チップと同じチップサイズを有し、
   支持部材はバンプであることを特徴とする半導体装置。
2. 前記支持部材は、前記第２の半導体チップの前記突出部の裏面であって、前記複数の第２の電極パッドに対応した部位をそれぞれ支持することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記支持部材は、前記第２の半導体チップの前記突出部の裏面であって、前記複数の第２の電極パッドに対応した部位を所定間隔で支持することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
4. 前記支持部材は、前記第２の半導体チップの前記突出部の裏面であって、前記複数の第２の電極パッドの間をそれぞれ支持することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
5. 前記絶縁部材は、絶縁性のシート状部材の両面に接着層を有する接着部材であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の半導体装置。
6. 前記支持部材は、円柱状または円錐状の形状を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の半導体装置。
7. 前記支持部材は、２段積層されたバンプであることを特徴とする請求項６に記載の半導体装置。
8. 配線基板上に３段以上の複数の半導体チップを積層した半導体装置において、
   各半導体チップの上面には電極パッドがそれぞれ配置されており、
   各半導体チップは、電極パッドが露出されるように交互にずらして積層され、
   半導体チップの各突出部の裏面を第１の絶縁部材を介して支持する支持部材を設け、
   配線基板と半導体チップとは、第２の絶縁部材を介して接続され、
   配線基板上の支持部材が配置される領域には第２の絶縁部材は存在せず、支持部材は配線基板に設けられた接続パッド上に配置されており、
   半導体チップは、それぞれ同じチップサイズを有し、
   前記支持部材は、前記半導体チップの所定の電極パッドに設けた第１のバンプに、逆ボンディングにより前記配線基板の接続パッドを導電性ワイヤにより電気的に接続し、導電性ワイヤの接続された第１のバンプ上に第２のバンプを形成することにより構成されることを特徴とする半導体装置。
9. 前記絶縁部材は、絶縁性のシート状部材の両面に接着層を有する接着部材であることを特徴とする請求項８に記載の半導体装置。
10. 前記支持部材は、円柱状または円錐状の形状を有することを特徴とする請求項８又は９に記載の半導体装置。
11. 配線基板上に第１の半導体チップを積層し、
    第１の半導体チップを積層した後、第１の半導体チップの上面の所定位置に第１の電極パッドを形成し、
    第１の半導体チップ上に、第１の絶縁部材を介して第１の電極パッドが露出するようにずらした状態で第２の半導体チップを積層し、
    第２の半導体チップを積層する前に、第２の半導体チップの突出部の裏面を第１の絶縁部材を介して支持する支持部材を形成し、
    少なくとも第１及び第２の半導体チップを封止体で覆い、
    配線基板と第１の半導体チップとは、第２の絶縁部材を介して接続され、
    配線基板上の支持部材が配置される領域には第２の絶縁部材は存在せず、支持部材は配線基板に設けられた接続パッド上に配置されており、
    第１の半導体チップの上面には、第１の電極パッドが第１に辺に沿ってのみ複数配置され、
    第２の半導体チップの上面には、第１に辺とは反対方向の第２の辺に沿ってのみ第２の電極パッドが複数配置されており、
    第２の半導体チップは第１の半導体チップと同じチップサイズを有し、支持部材はバンプであることを特徴とする半導体装置の製造方法。
12. 前記支持部材は、前記第２の半導体チップの前記突出部の裏面であって、前記複数の第２の電極パッドに対応した部位をそれぞれ支持することを特徴とする請求項１１に記載の半導体装置の製造方法。
13. 前記絶縁部材は、絶縁性のシート状部材の両面に接着層を有する接着部材であることを特徴とする請求項１１又は１２に記載の半導体装置の製造方法。
14. 前記支持部材は、円柱状または円錐状の形状を有することを特徴とする請求項１１乃至１３のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
15. 前記支持部材は、２段積層されたバンプであることを特徴とする請求項１４に記載の半導体装置の製造方法。

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