JP3973615B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

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。

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）。

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。

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。

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。

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。

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。
特開平１１−２１９９８４号公報

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

本発明の第１実施形態における半導体装置の製造方法の前半の工程を説明する工程断面図 本発明の第１実施形態における半導体装置の製造方法の後半の工程を説明する工程断面図 本発明の第２実施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 従来の半導体装置の製造方法を説明する工程断面図 図４に示した方法で製造される半導体装置の平面図 図４に示した方法で、サイズの異なる樹脂シートを用いて製造される半導体装置の平面図

符号の説明

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

Claims (2)

1. 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からなる半導体装置の製造方法。
2. 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請求項１記載の半導体装置の製造方法。

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