JP3973615B2 - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は複数の半導体素子を積層した半導体装置の製造方法に関し、特にフリップチップ方式の接合とワイヤーボンディング方式の接合とを用いた半導体装置の製造方法に関するものである。 The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device in which a plurality of semiconductor elements are stacked, and more particularly to a method for manufacturing a semiconductor device using flip-chip bonding and wire bonding bonding.
携帯情報機器等の小型、軽量化に伴って、半導体装置パッケージの高密度化、小型化、薄型化が要求されている。これらの要求に応えるために、半導体素子を重ねて多段に搭載した積層型の半導体装置が開発されているが、より小型化を実現するためには、フリップチップ方式の接合とワイヤーボンディング方式の接合とを用いた半導体装置が有利であり、フリップチップ方式の接合では半導体素子と半導体キャリアとの間隙に素子表面の保護を目的とした樹脂封止が行なわれている(たとえば特許文献1参照)。 As portable information devices and the like become smaller and lighter, semiconductor device packages are required to have higher density, smaller size, and thinner thickness. In order to meet these demands, multi-layered semiconductor devices with multiple stacked semiconductor elements have been developed. To achieve further miniaturization, flip chip bonding and wire bonding bonding are used. In flip-chip bonding, resin sealing is performed in the gap between the semiconductor element and the semiconductor carrier for the purpose of protecting the element surface (for example, see Patent Document 1).
従来の積層型半導体装置の製造方法を説明する。
まず、図4(a)に示すような、搭載しようとする第1および第2の半導体素子のための第1の電極1と第2の電極2と外部電極端子3とを備えた半導体キャリア4を準備し、半導体キャリア4の表面上に、図4(b)に示すように、絶縁性の熱硬化性樹脂シート5を貼り付ける。
A conventional method for manufacturing a stacked semiconductor device will be described.
First, as shown in FIG. 4A, a
次に、図4(c)に示すように、第1半導体素子8を半導体キャリア4上に位置合わせして搭載し、加熱・加圧力によって、第1半導体素子8のバンプ9と半導体キャリア4の第1の電極1とを接続するとともに、熱硬化性樹脂シート5を第1半導体素子8・半導体キャリア4間の間隙に充填し、余分な樹脂を第2の電極2に被らない様に第1の半導体素子8の外側に押し出す。この熱硬化性樹脂シート5が硬化後に第1封止樹脂となる。
Next, as shown in FIG. 4C, the
次に、図4(d)に示すように、第2の半導体素子10を第1の半導体素子8の裏面に搭載し、図4(e)に示すように、第2の半導体素子10の電極(図示せず)と半導体キャリア4上の第2の電極2とをワイヤ11でワイヤーボンディング接続する。その後に、図4(f)に示すように、半導体キャリア4に実装された第1の半導体素子8と第2の半導体素子10とワイヤ11の領域を覆うように封止樹脂12でモールドする。これにより半導体装置の製造が完了する。このようにして搭載する第1の半導体素子8と第2の半導体素子10の組み合わせには、特に制限はなく、アナログICとマイコンICであってもよいし、アナログIC同士であってもよい。
Next, as shown in FIG. 4D, the
以上の製造工程の中で、図4(c)により説明した、熱硬化性樹脂シート5を加圧して第1の半導体素子8の外側にはみ出す程度に変形させる際に、第1の半導体素子8と半導体キャリア4との間隙に未充填をなくし、またはみ出し量を少なくすることが、半導体装置の信頼性を確保し、かつ、半導体装置の小型化を実現するうえで重要となる。
In the above manufacturing process, when the
ところが、厚さが均一な熱硬化性樹脂シート5を加熱・加圧すると、図5および図6に示すように第1の半導体素子8(矩形)の外側に扇状に押し出される。熱硬化性樹脂シート5・半導体素子8間の未充填を避けるために熱硬化性樹脂シート5のサイズを大きく設定すると、図5に示すように、第1の半導体素子8の辺中央付近のはみ出し量が大きくなってしまい、この熱硬化性樹脂シート5が被らない様に第2の電極位置207をその分だけ遠く配置しなければならず、結果、半導体装置が大きくなってしまう。逆に熱硬化性樹脂シート5のサイズを小さく設定すると、図6に示すように、第1の半導体素子8の辺中央付近からのはみ出し量は少なくなるものの、第1の半導体素子8のコーナー部が未充填になってしまい、第1の半導体素子8の電気的接続の信頼性が低下してしまう。
本発明は上記した従来の問題を解決するもので、半導体キャリア上に半導体素子をフリップチップ実装する加熱加圧工程で、両者間に介在させた絶縁性熱硬化性樹脂シートを変形させることで樹脂封止する際に、前記熱硬化性樹脂シートの充填不足および過剰なはみ出しを防止できる半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。 The present invention solves the above-described conventional problems, and in a heating and pressurizing process in which a semiconductor element is flip-chip mounted on a semiconductor carrier, the insulating thermosetting resin sheet interposed therebetween is deformed to form a resin. An object of the present invention is to provide a semiconductor device manufacturing method capable of preventing insufficient filling and excessive protrusion of the thermosetting resin sheet during sealing.
上記課題を解決するために、本発明の半導体装置の製造方法は、半導体キャリアの素子実装領域に絶縁性の熱硬化性樹脂シートを設置する工程と、前記熱硬化性樹脂シートを加圧して凹型に変形させる工程と、第1の半導体素子のバンプ電極と前記半導体キャリアの第1の電極とを位置合わせし、加熱および加圧することにより、前記第1の半導体素子と前記半導体キャリアとを電気的に接続させるとともに、前記第1の半導体素子と前記半導体キャリアとの間隙に介在する前記熱硬化性樹脂シートを変形および硬化させて前記間隙を樹脂封止する工程と、前記第1の半導体素子の上に第2の半導体素子を積層する工程と、前記第2の半導体素子の電極端子と前記第1の半導体素子の実装領域の周囲の前記半導体キャリア上に形成された第2の電極とをボンディングワイヤを介して電気接続する工程と、前記第1の半導体素子、前記第2の半導体素子および前記ボンディングワイヤを覆うように封止樹脂でモールドする工程とを行なうことを特徴とする。このように熱硬化性シートを予め凹型に変形させておくことにより、第1の半導体素子のコーナー部まで確実に樹脂を充填しながら、第1の半導体素子よりも外側までのはみ出し量を小さくすることができ、小型化、高信頼性化された半導体装置を安定かつ、容易に得ることが可能になる。 In order to solve the above problems, a method of manufacturing a semiconductor device of the present invention includes the steps of placing a semi-conductor thermosetting resin sheet insulating the element mounting area of the carrier, the thermosetting resin sheet pressure a step of deforming the concave mold by applying, the bump electrodes of the first semiconductor element by aligning the first electrode of the semiconductor carrier, by heating and pressing, the said first semiconductor element semiconductor carrier And electrically sealing the gap by deforming and curing the thermosetting resin sheet interposed in the gap between the first semiconductor element and the semiconductor carrier; and a step of on a semiconductor element stacking a second semiconductor element, a second formed on the second of said electrode terminals of the semiconductor element and the first surrounding mounting region of the semiconductor element of the semiconductor carrier A step of electrically connecting the electrodes via a bonding wire, and the first semiconductor element, characterized by performing the step of molding a sealing resin so as to cover the second semiconductor element and the bonding wire . By deforming the thermosetting sheet into a concave shape in advance as described above, the amount of protrusion to the outside of the first semiconductor element is reduced while reliably filling the resin up to the corner of the first semiconductor element. Therefore, it is possible to stably and easily obtain a miniaturized and highly reliable semiconductor device.
3個以上の半導体素子を積層するには、第2の半導体素子の電極端子と半導体キャリア上の第2の電極とをボンディングワイヤを介して電気接続する工程の後に、最上層の半導体素子の上に別途の半導体素子を積層する工程と、前記別途の半導体素子の電極端子と第1の半導体素子の実装領域の周囲の前記半導体キャリア上に予め形成された所定の電極とをボンディングワイヤを介して電気接続する工程とを、所望回数だけ行い、その後に、積層された各半導体素子と前記ボンディングワイヤとを覆うように封止樹脂でモールドする工程を行なうようにすればよい。 In order to stack three or more semiconductor elements, after the step of electrically connecting the electrode terminal of the second semiconductor element and the second electrode on the semiconductor carrier via a bonding wire, A step of laminating a separate semiconductor element, and an electrode terminal of the separate semiconductor element and a predetermined electrode formed in advance on the semiconductor carrier around the mounting region of the first semiconductor element via a bonding wire The step of electrical connection may be performed as many times as desired, and then the step of molding with a sealing resin so as to cover each of the stacked semiconductor elements and the bonding wire may be performed.
本発明の半導体装置の製造方法は、フリップチップ+ワイヤボンディングを用いて積層型半導体装置を構成する際に、第1の半導体素子をフリップチップ実装する際の熱と圧力で流動させる熱硬化性樹脂シートを予め凹状に変形させるようにしたため、流動した樹脂を第1の半導体素子のコーナー部まで確実に充填しながら、第1の半導体素子よりも外周側へのはみ出し量を小さくすることができ、小型化、高信頼性化された半導体装置を安定かつ、容易に得ることが可能になる。 A method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes a thermosetting resin that is made to flow by heat and pressure when a first semiconductor element is flip-chip mounted when a stacked semiconductor device is configured using flip chip + wire bonding. Since the sheet was deformed into a concave shape in advance, the amount of protrusion to the outer peripheral side of the first semiconductor element can be reduced while reliably filling the fluidized resin up to the corner of the first semiconductor element, It is possible to stably and easily obtain a miniaturized and highly reliable semiconductor device.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
(第1の実施の形態)
図1および図2は本発明の第1の実施の形態における半導体装置の製造方法を説明する工程断面図である。製造しようとする半導体装置は先に図4を用いて説明した半導体装置と同様の構成を有するものである。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(First embodiment)
1 and 2 are process cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. The semiconductor device to be manufactured has the same configuration as the semiconductor device described above with reference to FIG.
図1(a)に示すように、半導体キャリア4の一側面に設定された素子実装領域(図中の中央部)の周縁部に、搭載する第1の半導体素子のバンプ電極を接続するための第1電極1が形成され、前記素子実装領域の周囲に第2の半導体素子の電極端子を接続するための第2電極2が形成されている。半導体キャリア4の他側面には外部電極端子3が一定の間隔で格子状に形成されている。
As shown in FIG. 1A, a bump electrode of a first semiconductor element to be mounted is connected to a peripheral part of an element mounting region (center part in the figure) set on one side of the
この半導体キャリア4の素子実装領域の中央部に、図1(b)に示すように、絶縁性の熱硬化性樹脂シート5を貼り付ける。ここで、半導体キャリア4として、多層セラミック基板、ガラス布積層エポキシ基板(ガラエポ基板)、アラミド不織布基板、ガラス布積層ポリイミド樹脂基板などを用いることができる。樹脂シート5は、シリカなどの無機系フィラーを入れたもの(例えば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリイミドなど)、無機系フィラーを全く入れないもの(例えば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリイミドなど)が好適に使用できるとともに、後工程のリフロー工程での高温に耐えうる程度の耐熱性(例えば、240℃に10秒間耐えうる程度の耐熱性)を有するものが好適に使用できる。このような樹脂シート5を所望のサイズにカットして所定位置に配置し、例えば80〜120℃に熱せられた貼付けツールにより例えば5〜10kgf/cm2程度の圧力で半導体キャリアに貼付ける。
As shown in FIG. 1B, an insulating
次に、図1(c)に示すように、熱硬化性樹脂シート5の中央部を金属製のほぼ円柱状の冶具6などで加圧することにより、中央部の樹脂量をシートコーナー部に寄せる。このとき例えば、熱硬化性樹脂シート5のゲル化温度が90度である場合には90度に加熱することで、冶具6による加圧が開放されたあとでも、所望の形状を保つことが出来る。
Next, as shown in FIG.1 (c), the center part of the
その際に、熱硬化性樹脂シート5が外方へ広がってしまわないように、四角筒状の冶具7を用いて熱硬化性シート5の外周を拘束する。またその際の加圧は、熱硬化性樹脂シート5の中央部の厚みが所望の接合高さ(第1半導体素子の下面と半導体キャリア4の上面との所望の最終距離)以上となるように行なう。たとえば熱硬化性樹脂シート5の初期厚みが50μmで、所望の接合高さが40μmである場合には、熱硬化性樹脂シート5の中央部の厚みが40μm以上になるように治具6を加圧制御する。図1(d)は、加圧によって熱硬化性シート5が凹型に変形した状態を示す断面図、図1(e)は同じく上面図である。
At that time, the outer periphery of the
次に、図2(a)に示すように、第1の半導体素子8のバンプ電極9と半導体キャリア4の第1の電極1とを位置合わせし、加熱および加圧することにより、バンプ電極9を変形させながら第1の電極1に電気的に接続させるとともに、第1の半導体素子8と半導体キャリア4との間に介在する熱硬化性シート5を変形させて両者間の間隙に充填し、余分な樹脂を第1の半導体素子8の外側へ押し出す、という樹脂封止を行なう。
Next, as shown in FIG. 2 (a), the
その際に、上述したように熱硬化性シート5の中央部の樹脂量を予め、樹脂量が少なくなるシートコーナー部に寄せているので、従来のようにコーナー部での広がりが少ないために扇状に広がる現象は発生しない。このため、図2(b)の平面図に示すように、第1の半導体素子8のコーナー部に樹脂の未充填部分が発生することなく、少ないはみ出し量を実現できる。上述したように熱硬化性シート5の中央部の厚みを所望の接合高さ以上に設定しているので、樹脂に内部ボイドが発生することもない。
At that time, as described above, since the resin amount at the center of the
その後に、図2(c)に示すように、第1の半導体素子8の上に第2の半導体素子10を搭載する。さらにその後に、図2(d)に示すように、第2の半導体素子10の電極端子(図示せず)と、第1の半導体素子8の実装領域の外側の第2の電極2とをボンディングワイヤ11を介してワイヤーボンディング方式により電気接続する。最後に、図2(e)に示すように、第1の半導体素子8と第2の半導体素子10とボンディングワイヤ11の領域を覆うように封止樹脂12でモールドする。
Thereafter, as shown in FIG. 2C, the
以上のように、熱硬化性シート5を予め凹型に変形させておくことにより、第1の半導体素子8と半導体キャリア4との間隙に第1の半導体素子8のコーナー部まで確実に樹脂充填しながら、第1の半導体素子8よりも外側へのはみ出し量を従来よりも小さくすることができ、小型化、高信頼性化された半導体装置を安定かつ、容易に得ることができる。
As described above, by deforming the
たとえば、搭載する第1の半導体素子8がサイズ10mm□(10mm×10mmの矩形;以下同様に記す)で、所望の接合高さが40μmである場合、第1の半導体素子8と半導体キャリア4との間に未充填部分が発生しないようにするには、理論的には、熱硬化性シート5として初期厚さ50μm、初期サイズ9mm□のものを用いればよいことが体積計算される。
For example, when the
実際に、10mm□サイズの第1の半導体素子8に対し、初期厚さ50μm、初期サイズ9mm□の熱硬化性シート5を、上記実施の形態に記載したように予め凹状に変形させて介在させておき、最終接合高さ40μmまで加圧したところ、熱硬化性シート5の変形・広がりは概ね第1の半導体素子8と同等サイズに抑えられ、未充填の発生はなく、はみ出し量も少なかった。このため、半導体キャリア4において、第2の電極2を第1の半導体素子8の搭載領域の近傍に配置することが可能になり、半導体装置の小型化を実現可能な結果となった。
Actually, the
これに対して従来の方法では、同じ10mm□サイズの第1の半導体素子8に対して用いて最終接合高さ40μmまで変形させるには、熱硬化性シート5は第1の半導体素子8とほぼ同じ初期サイズ(10mm□)、初期厚さ50μmが必要である。初期段階で第1の半導体素子8と同じサイズでないと、広がりの少ないコーナー部に未充填が発生するからである。この場合、第1の半導体素子8の辺中央部からのはみ出し量は約0.8mmになる。半導体キャリア4においてこのはみ出し量より外側に第2の電極2を設ける必要があることを考えると、半導体装置のサイズは余計に大きくなってしまう。
(第2の実施の形態)
図3は本発明の第2の実施の形態における半導体装置の製造方法を説明する工程断面図である。この第2の実施の形態の方法は上記した第1の実施の形態の方法とほぼ同様なので、第1の実施と同様の構成を有する部材に図1と同じ符号を付して、詳細な説明を省略する。
On the other hand, in the conventional method, the
(Second Embodiment)
FIG. 3 is a process cross-sectional view illustrating a method for manufacturing a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention. Since the method of the second embodiment is substantially the same as the method of the first embodiment described above, the same reference numerals as those in FIG. Is omitted.
この第2の実施の形態の方法が、上記した第1の実施の形態の方法と相違するのは、熱硬化性樹脂シートを貼り付け、かつ、凹型に変形させるために、図3(b)(c)に示す搭載ツール20を用いた点である。
The method of the second embodiment is different from the method of the first embodiment described above in order to attach the thermosetting resin sheet and deform it into a concave shape as shown in FIG. This is a point using the mounting
搭載ツール20は、熱硬化性シート5の外周を拘束する筒状冶具21の上端に、熱硬化性シート5を吸着する吸着治具22を取り付け、この吸着治具22に熱硬化性シート5を加圧する加圧冶具23を昇降自在に保持した構造である。筒状冶具21,加圧冶具23は第1の実施の形態で説明した筒状冶具7,加圧冶具6と同様の形状である。
The mounting
吸着治具22は、加圧冶具23を昇降自在に保持した中央穴22aおよびその周囲に貫設された複数の吸着穴22bを有し、筒状冶具21よりも小さい端面を有した柱状部材22cと、この柱状部材22cを保持し、柱状部材22cの端面および中央穴22aが筒状冶具21と同心をなすように筒状冶具21の上端に取り付けられたフレーム部材22dとからなる。
The
柱状部材22cはフレーム部材22dよりも上方および下方へ突出していて、柱状部材22cの下端面のみが熱硬化性シート5に当接し、かつ、柱状部材22cとフレーム部材22dとの間に所定の間隙が形成されるようになっている。筒状冶具21の下端から柱状部材22cの下端面までの距離も、熱硬化性シート5の厚みと同等の距離に設定されている。
The
このような搭載ツール20を用いることにより、熱硬化性シート5の貼り付けおよび変形の工程を第1の実施の形態と同様に、しかもより容易に、短時間で行なうことが可能になり、生産性の向上を実現できる。
By using the mounting
実際にはまず、図3(a)に示した半導体キャリア4の素子実装領域の中央部に、図3(b)に示すように熱硬化性シート5を吸着穴22bで吸着した冶具107を設置し、吸着解除することにより、熱硬化性シート5を貼り付ける。
Actually, first, a jig 107 for adsorbing the
その状態で、図3(c)に示すように、加圧冶具23を徐々に降下させることにより、熱硬化性シート5の外周を筒状冶具7で拘束しながら、中央部を加圧して、中央部の樹脂量をシートコーナー部に寄せる。図3(d)は、加圧によって熱硬化性シート5が凹型に変形した状態を示す。
In that state, as shown in FIG. 3 (c), by gradually lowering the
以降の工程は第1の実施の形態と同様なので説明を省略する。
なお、図示を省略するが、3個以上の半導体素子を積層するには、第2の半導体素子10の電極端子と半導体キャリア上の第2の電極2とをボンディングワイヤ11を介して電気接続する工程の後に、第2の半導体素子10の上に別途の半導体素子を積層する工程と、この半導体素子の電極端子と前記第1の半導体素子8の実装領域の周囲の半導体キャリア4上に予め形成された所定の電極とをボンディングワイヤを介して電気接続する工程とを、所望回数だけ行い、その後に、積層された各半導体素子と前記ボンディングワイヤとを覆うように封止樹脂12でモールドする工程を行なうようにすればよい。積層する半導体素子は順次に上に配置してもよいし、1つの半導体素子の上に並列に複数個配置してもよい。
Subsequent steps are the same as those in the first embodiment, and a description thereof will be omitted.
Although not shown, in order to stack three or more semiconductor elements, the electrode terminal of the
本発明の半導体装置の製造方法は、フリップチップ方式で半導体素子を接合させる積層型半導体装置などの製造方法として有用である。 The method for manufacturing a semiconductor device of the present invention is useful as a method for manufacturing a stacked semiconductor device or the like in which semiconductor elements are joined by a flip chip method.
1:第1の電極
2:第2の電極
3:外部電極端子
4:半導体キャリア
5:熱硬化性シート
6:加圧冶具
7:せき止め用の筒状冶具
8:第1の半導体素子
9:バンプ
10:第2の半導体素子
11:ワイヤ
12:封止樹脂
1: First electrode 2: Second electrode 3: External electrode terminal 4: Semiconductor carrier 5: Thermosetting sheet 6: Pressure jig 7:
Claims (2)
前記熱硬化性樹脂シートを加圧して凹型に変形させる工程と、
第1の半導体素子のバンプ電極と前記半導体キャリアの第1の電極とを位置合わせし、加熱および加圧することにより、前記第1の半導体素子と前記半導体キャリアとを電気的に接続させるとともに、前記第1の半導体素子と前記半導体キャリアとの間隙に介在する前記熱硬化性樹脂シートを変形および硬化させて前記間隙を樹脂封止する工程と、
前記第1の半導体素子の上に第2の半導体素子を積層する工程と、
前記第2の半導体素子の電極端子と前記第1の半導体素子の実装領域の周囲の前記半導体キャリア上に形成された第2の電極とをボンディングワイヤを介して電気接続する工程と、
前記第1の半導体素子、前記第2の半導体素子および前記ボンディングワイヤを覆うように封止樹脂でモールドする工程とからなる半導体装置の製造方法。 The element mounting area of the semi-conductor carrier comprising the steps of placing the thermosetting resin sheet of insulation,
A step of deforming the concave mold pressurizes the thermosetting resin sheet,
The bump electrode of the first semiconductor element and the first electrode of the semiconductor carrier are aligned, heated and pressurized to electrically connect the first semiconductor element and the semiconductor carrier, and Deforming and curing the thermosetting resin sheet interposed in the gap between the first semiconductor element and the semiconductor carrier and resin-sealing the gap;
Laminating a second semiconductor element over the first semiconductor element,
Electrically connecting an electrode terminal of the second semiconductor element and a second electrode formed on the semiconductor carrier around a mounting region of the first semiconductor element via a bonding wire ;
A method of manufacturing a semiconductor device, comprising: molding with a sealing resin so as to cover the first semiconductor element , the second semiconductor element, and the bonding wire.
最上層の半導体素子の上に別途の半導体素子を積層する工程と、前記別途の半導体素子の電極端子と第1の半導体素子の実装領域の周囲の前記半導体キャリア上に予め形成された所定の電極とをボンディングワイヤを介して電気接続する工程とを、所望回数だけ行い、
その後に、積層された各半導体素子と前記ボンディングワイヤとを覆うように封止樹脂でモールドする工程を行なう請求項1記載の半導体装置の製造方法。 After the step of electrically connecting the electrode terminal of the second semiconductor element and the second electrode on the semiconductor carrier via a bonding wire,
A step of laminating a separate semiconductor element on the uppermost semiconductor element, and a predetermined electrode formed in advance on the semiconductor carrier around the electrode terminal of the separate semiconductor element and the mounting region of the first semiconductor element And the step of electrically connecting the two through a bonding wire, a desired number of times,
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein a step of molding with a sealing resin is performed so as to cover each of the stacked semiconductor elements and the bonding wire.
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