JP4593951B2

JP4593951B2 - マルチチップパッケージの製造方法

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Publication number: JP4593951B2
Application number: JP2004095148A
Authority: JP
Inventors: 秀一川井
Original assignee: Renesas Electronics Corp
Current assignee: Renesas Electronics Corp
Priority date: 2004-03-29
Filing date: 2004-03-29
Publication date: 2010-12-08
Anticipated expiration: 2024-03-29
Also published as: JP2005285943A

Description

本発明は、マルチチップパッケージ及びその製造方法に関し、更に詳細には、小型で且つ軽量なマルチチップパッケージを実現する技術に関する。

電子機器の小型化に伴い、電子機器に搭載する半導体装置の高密度実装化が要求されている。その一環として、複数のＩＣチップを一体化し、パッケージとして構成したマルチチップパッケージ（Multi-Chip Package）が注目されている。マルチチップパッケージは、小型で且つ軽量が要求される携帯端末や、ディジタル・カメラなどに用いられる。従来のマルチチップパッケージの一例として、図１０に特許文献１に記載のものを示す。

マルチチップパッケージ１００は、基板上に設けられた下段チップ１０１と、下段チップ１０１上に設けられ、下段チップ１０１よりも寸法が小さな上段チップ１０２と、上段チップ１０２上に設けられ、上段チップ１０２よりも寸法が小さな金属配線フィルム１０３とを備える。金属配線フィルム１０３は、金属の配線パターン１０４を有するフィルム状配線材料である。下段チップ１０１及び上段チップ１０２の一方及び他方の縁部には、パッド１０５，１０６がそれぞれ設けられている。

マルチチップパッケージ１００では、下段チップのパッド１０５と基板のステッチ１０７との間、及び上段チップのパッド１０６と基板のステッチ１０７との間が金属ワイヤ１０８を用いて接続される。ここで、下段チップのパッド１０５と上段チップのパッド１０６との間で配列や配置順序を調整するために、金属配線フィルム１０３の配線パターン１０４を使用し、これによって、金属ワイヤ１０８同士の交差を回避する。同特許文献ではこのような構成によって、パッドの配列、配置の自由度を高くすることが出来るものとしている。
特開２０００−３３２１９４号公報（図１）

ところで、マルチチップパッケージが用いられる機器の更なる小型化、軽量化を実現するために、より小型で且つ軽量なマルチパッケージが要求されている。

本発明者は、マルチチップパッケージの構造として、上段チップの接続面を下段チップ側に向け、金属バンプ及び配線パターンから成るチップ間配線を２つのＩＣチップの間に配設する構造について検討した。このような構造を採用することにより、特許文献１のマルチチップパッケージと比較して、チップ間の配線に必要な空間や材料を減らすことが出来るので、より小型で且つ軽量なマルチチップパッケージを実現できるものと考えられる。本発明では、このような構造をチップオンチップ構造と呼ぶ。

チップオンチップ構造として、双方のＩＣチップ上に追加配線を形成し、その追加配線間を接続する構成が考えられる。図９（ａ）は、この一例を示す平面図であり、図９（ｂ）は、図９（ａ）のＢ−Ｂ断面を示す断面図である。マルチチップパッケージ４０は、ダイパッド５１に固定された下段チップ４１と、下段チップ４１より寸法が小さな上段チップ４２とを備える。下段チップ４１及び上段チップ４２上のそれぞれには、端子４３，４６に接続された配線４４，４７が設けられ、双方の配線４４，４７が金属バンプ４５，４８を介して接続されている。

ところで、上記マルチチップパッケージ４０を製造する場合には、ＩＣチップ上に追加配線を形成するため、ＩＣチップが準備されないとマルチチップパッケージ４０の製造に着手することが出来ない。装置メーカは、外部からＩＣチップの提供を受けてマルチチップパッケージの製造を行うことがあり、このような場合には、外部からのＩＣチップの提供を待ってマルチチップパッケージの製造に着手することにより、マルチチップパッケージ製造に一定のＴＡＴを要することになる。ところが、マルチチップパッケージが使用される製品は、携帯電話やディジタル・カメラのように市場における激しい競争に晒される製品が多いので、短納期での出荷が要求される場合が多く、マルチチップパッケージ製造の短ＴＡＴ化が求められている。

マルチチップパッケージ４０製造のＴＡＴを短縮するために、例えば、一方のＩＣチップを先に入手できる場合には、そのＩＣチップについて予め追加配線を形成することも出来る。しかし、この場合には、他方のＩＣチップが入手できるまで、追加配線の酸化を防止するために、追加配線上に絶縁層を形成する必要がある。また、マルチチップパッケージに組み立てる際に、絶縁層を研削して追加配線を露出させる作業が必要となる。このように余分な工程が発生し、また、他方のＩＣチップについては、入手後に追加配線を形成することになるため、ＴＡＴを十分に短縮することが出来ない。

本発明は、上記に鑑み、小型、軽量で、且つ製造の短ＴＡＴ化を実現するマルチチップパッケージ及びその製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係るマルチチップパッケージは、複数のチップ（ＩＣチップ）を単一のパッケージに収容して成るマルチチップパッケージにおいて、
上面に端子を有する第１のチップ（下段チップ）と、該第１のチップ上に配設され下面に端子を有する第２のチップ（上段チップ）と、前記第１のチップと前記第２のチップとの間に配設され、表面が接着性を有する絶縁層で被覆された配線パターンとを備え、
前記第１及び第２のチップのそれぞれの端子と前記配線パターンとが、前記絶縁層を貫通する導体で接続されることを特徴としている。

本発明に係るマルチチップパッケージの製造方法は、上記マルチチップパッケージを製造する方法であって、
前記絶縁層を両面接着テープとして形成し、前記第１のチップと前記第２のチップとを相互に押し付けることによって、双方のチップを固着させることを特徴としている。

本発明に係るチップ間配線材料は、配線パターンと、該配線パターンを被覆する絶縁材料とを備え、前記絶縁材料の表面及び裏面が接着性を有することを特徴としている。

本発明に係るマルチチップパッケージによれば、第１のチップと第２のチップとをその間に配設した、表面が接着性を有する絶縁層で被覆された配線で接続することによって、小型で且つ軽量なマルチチップパッケージを簡易に実現することが出来る。また、第１及び第２のチップの完成を待たずにチップ間配線材料の形成が可能であり、マルチチップパッケージ製造の短ＴＡＴ化を実現することが出来る。

本発明では、ボンディングワイヤを介して前記配線パターンと接続されるリードフレームが前記第１のチップの下面側に配設されることが好ましい。この場合、配線パターンとリードフレームとを接続することで、マルチチップパッケージで必要な配線接続が可能となる。また、前記絶縁層を熱可塑性を有する材料で形成することも好ましい態様である。この場合、マルチチップパッケージの製造に際し、加熱された導体を絶縁層上に押し付けて接続孔を開孔することも可能である。更に、前記導体を金属バンプ又は半田バンプで形成することによって、配線パターンとの接続が容易になる。

本発明に係るマルチチップパッケージの製造方法によれば、双方のチップとチップ間配線材料とを押し付けることによって、チップを固着できるので、容易にマルチチップパッケージを製造することが出来る。好適には、絶縁層を熱可塑性を有する材料などで構成し、前記導体をそれぞれ第１及び第２のチップの端子上に形成し、前記導体と前記配線パターンとを加熱化で接合する。その際、貫通孔は双方のチップを押し付けることで形成可能である。また、導体と配線パターンとの間の接続に際して、双方が接した状態で超音波を用いて接合することも好ましい態様である。

本発明に係るチップ間配線材料によれば、２つのチップを簡単に１つのパッケージ内に収容するマルチチップ構造が得られる。本発明のマルチチップパッケージは、一方のチップとして汎用のメモリチップを、他方のチップとして論理回路チップを用いることが出来る。製作者が異なる２つのチップを一体のパッケージとする場合に、特にＴＡＴの短縮効果が顕著である。

以下に、実施形態例を挙げ、添付図面を参照して、本発明の実施の形態を具体的且つ詳細に説明する。図１に、本発明の第１実施形態例に係る、チップオンチップ構造を有するマルチチップパッケージの構成を示す。マルチチップパッケージ１０は、ダイパッド２４上に設けられた下段チップ１１と、下段チップ１１上に設けられたチップ間配線１３と、チップ間配線１３上に設けられ、下段チップ１１よりも寸法が小さな上段チップ１２とを備える。

図２に、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面を示す。下段チップの端子１４上及び上段チップの端子１６上には、金などから成る金属バンプ１５，１７がそれぞれ設けられている。チップ間配線１３は、下部絶縁膜１８と、下部絶縁膜１８上に配設され、アルミニウム（Ａｌ）から成る配線パターンを有する配線層１９と、配線層１９を覆って下部絶縁膜１８上に設けられた上部絶縁膜２０とを備える。下部絶縁膜１８及び上部絶縁膜２０は何れも、例えば１０μｍ程度の膜厚を有する。１０〜２０μｍ程度が好ましい膜厚である。配線層１９は、例えば３μｍ程度の膜厚を有する。

下部絶縁膜１８及び上部絶縁膜２０は同一の材料で構成され、透明性を有し、且つ表面が粘着性を有している。また、引張り応力に対する剛性を有する。このような特性を有する下部絶縁膜１８及び上部絶縁膜２１として、例えばリンテック株式会社製のＬシリーズ（製品名）を用いることが出来る。下部絶縁膜１８及び上部絶縁膜２０は配線層１９を保護し、配線層１９の腐蝕を防止している。

下部絶縁膜１８及び上部絶縁膜２０には、これらの膜を貫通し、１００μｍ程度の径を有する接続孔２１が設けられている。金属バンプ１５，１７は接続孔２１内の配線層１９に接合されている。配線層１９の金属バンプ１５，１７と接合される接続部分、即ちランド部は、１０μｍ程度の径を有している。

上部絶縁膜２０の縁部には、更に膜を貫通する外部接続孔２２が設けられ、外部接続孔２２内の配線層１９上には外部接続用金属バンプ２３が設けられている。外部接続用金属バンプ２３も、金などから成る。外部接続用金属バンプ２３を、下段チップ１１上に設けられた金属バンプ１５のほぼ真上に配線層１９を介して設ければ、これによって配線層１９のランド部の強度を確保することも出来る。外部接続用金属バンプ２３とリード２５との間は金属ワイヤ２６によって接続されている。

下記に、マルチチップパッケージ１０の製造方法について説明する。本実施形態例に係るマルチチップパッケージ１０の製造方法は、チップ間配線１３を下段チップ１１及び上段チップ１２とは独立に形成し、形成されたチップ間配線１３と、下段チップ１１及び上段チップ１２とを用いてマルチチップパッケージ１０を製造する。

図３（ａ）〜（ｄ）に、チップ間配線１３を形成する際の各製造段階の断面を示す。先ず、図３（ａ）に示すように、下部絶縁膜１８上に、アルミニウムから成る金属膜１９ａを成膜する。次いで、図３（ｂ）に示すように、エッチングにより金属膜１９ａをパターニングし、所望の配線パターンを有する配線層１９を形成する。引き続き、図３（ｃ）に示すように、配線層１９を覆って下部絶縁膜１８上に、上部絶縁膜２０を貼り合わせる。配線層１９の配線パターンの形状によっては、所定形状に切り取られたアルミニウム等の薄膜を下部絶縁膜１８上に貼り付けることによって配線層１９を形成することも出来る。

次いで、レーザ光を用いて、図３（ｄ）に示すように、下部絶縁膜１８及び上部絶縁膜２０に接続孔２１を、上部絶縁膜２０に外部接続孔２２をそれぞれ形成する。この際には、粘着膜が十分に貫通し、且つ粘着膜及び配線層に過度の損傷を与えないように、レーザ光の出力及び照射時間を設定する。レーザ光を用いた形成に代えて、予め接続孔２１又は外部接続孔２２が形成された上部絶縁膜及び下部絶縁膜を用いることも出来る。

下段チップ１１、上段チップ１２、及び形成されたチップ間配線１３を用いてマルチチップパッケージ１０に組み立てる際には、先ず、下段チップの端子１４上に金から成る金属バンプ１５を形成する。金属バンプ１５の形成には、めっき法、スタッドバンプ法などを用いることが出来る。次いで、図４（ａ）に示すように、ダイパッド２４上に下段チップ１１を取り付ける。金属バンプ１５の形成は、下段チップ１１のダイパッド２４への取り付け後に行っても構わない。引き続き、図４（ｂ）に示すように、上段チップの端子１６上に金から成る金属バンプ１７を形成する。

次いで、図５に示すように、下段チップ１１の金属バンプ１５が下部絶縁膜１８の接続孔２１に収まるように、下段チップ１１上にチップ間配線１３を載せる。引き続き、上段チップ１２の金属バンプ１７が上部絶縁膜２０の接続孔２１に収まるように、チップ間配線１３上に上段チップ１２を載せる。引き続き、金属バンプ１５，１７と配線層１９とが接した状態で超音波を与え、金属バンプ１５，１７と配線層１９とを接合させる。金属バンプ１５，１７と配線層１９との接合には、下部絶縁膜１８及び上部絶縁膜２０が耐熱性を有する場合には、加熱によるリフローを行ってもよい。更に、導電性接着剤の使用その他の方法を用いることも出来る。

次いで、外部接続孔２２内の配線層１９上に金から成る外部接続用金属バンプ２３を形成する。外部接続用金属バンプ２３の形成に際して、めっき法、スタッドバンプ法などを用いることが出来る。引き続き、ワイヤボンディング法を用い、外部接続用金属バンプ２３とリード２５とを金属ワイヤ２６で接続することによって、図１に示したマルチチップパッケージ１０を完成することが出来る。

本実施形態例によれば、チップオンチップ構造を採用することによって、配線に必要な空間及び材料を減らして、小型で且つ軽量なマルチチップパッケージを簡易に実現することが出来る。また、下段チップ１４や上段チップ１７の形状が定まっていれば、これらの製造に先立ってこれらとは独立にチップ間配線１３の形成が可能となる。従って、マルチチップパッケージ１０製造の短ＴＡＴ化を実現することが出来る。

本実施形態例では、下部絶縁膜１８及び上部絶縁膜２０によって配線層１９が保護されるので、チップ間配線１３を用意しておいても配線層１９の腐蝕が生じず、良好な状態に保持することが出来る。

配線層１９には、アルミニウム以外にも、銅（Ｃｕ）や合金などを用いることが出来る。また、金などから成る金属バンプ１５，１７以外にも、はんだなどの合金から成るバンプを用いることが出来る。下部絶縁膜１８及び上部絶縁膜２０を構成する材料のシート面が粘着性を有しない場合には、シート面上に粘着液等を塗布して粘着層を形成することが出来る。

マルチチップパッケージ１０の構成で、下段チップ１１と上段チップ１２との間で複数の配線を交差させる必要がある場合には、チップ間配線１３を複数層で構成することも考えられる。しかし、一方の配線をワイヤによって行うことによって、低コスト化を実現することが出来る。図６は、一方の配線をワイヤによって行った、本実施形態例の変形例に係るマルチチップパッケージの斜視図である。マルチチップパッケージ２７では、一部の配線が隣接しない外部接続用金属バンプ２３同士を接続する配線用金属ワイヤ２８によって構成される。

図７は、本発明の第２実施形態例に係るマルチチップパッケージ２９の構成を示す断面図である。本実施形態例に係るマルチチップパッケージ２９では、下部絶縁膜１８及び上部絶縁膜２０が熱可塑性を有し、接続孔２１と金属バンプ１５，１７との間に隙間が存在しないことを除いては、第１実施形態例に係るマルチチップパッケージ１０と同様の構成を備えている。このような特性を有する下部絶縁膜１８及び上部絶縁膜２１の材料として、例えばリンテック株式会社製の熱硬化性エポキシ樹脂がある。この材料の熱軟化温度は３００℃程度である。

図８（ａ）、（ｂ）は、本実施形態例に係るマルチチップパッケージ２９の各製造段階を示す断面図である。本実施形態例に係るマルチチップパッケージの製造方法では、下部絶縁膜１８及び上部絶縁膜２０の熱可塑性を利用し、加熱された金属バンプ１５，１７によって接続孔２１を形成する。

チップ間配線１３の製造に際し、図３（ｃ）に示した工程までは、第１実施形態例と同様に行う。引き続き、金属バンプ１５と配線層１９のランド部との間の水平位置を揃えて、下段チップ１１上にチップ間配線１３を載せる。引き続き、金属バンプ１７と配線層１９のランド部との間の水平位置を揃えて、チップ間配線１３上に上段チップ１２を載せる。

次いで、図８（ａ）に示した状態で、下段チップ１１及び上段チップ１２を、３００℃以上に加熱し、上段チップ１２上から圧力を加える。これによって、図８（ｂ）に示すように、金属バンプ１５，１７が下部絶縁膜１８及び上部絶縁膜２０中にそれぞれ侵入し、配線層１９に当接する。引き続き、超音波を与えることによって、金属バンプ１５，１７と配線層１９とを接合させる。なお、金属バンプ１５，１７と配線層１９との接合には、下部絶縁膜１８及び上部絶縁膜２０が耐熱性を有する場合には、加熱によるリフローを行ってもよい。

上記下段チップ１１上にチップ間配線１３を載せる工程から、金属バンプ１５，１７と配線層１９とを接合させる工程までを別工程としたが、下段チップ１１及び上段チップ１２を予め加熱することによって、これらの工程を一度に行うことが出来る。本実施形態例では、第１実施形態例と比べて、配線層１９のランド部と金属バンプ１５，１７との間の位置誤差を考慮して、配線層１９のランド部を１００μｍ程度の径とすることが望ましい。

次いで、レーザ光を用いて、外部接続孔２２を開孔する。引き続き、第１実施形態例と同様にして、外部接続用金属バンプ２３及び金属ワイヤ２６を形成することにより、図７に示したマルチチップパッケージ２９を製造することが出来る。本実施形態例によれば、第１実施形態例と比較して、金属バンプ１５，１７と配線層１９との接合に際して、予め下部絶縁膜１８及び上部絶縁膜２０に開口を設ける必要がない。従って、より容易にマルチチップパッケージを製造することが出来る。なお、上部絶縁膜２０として、熱可塑性樹脂に代えて、ゲル状の熱硬化性樹脂を用いることも出来る。

以上、本発明をその好適な実施形態例に基づいて説明したが、本発明に係るマルチチップパッケージ及びチップ間配線材料は、上記実施形態例の構成にのみ限定されるものではなく、上記実施形態例の構成から種々の修正及び変更を施したマルチチップパッケージ及びチップ間配線も、本発明の範囲に含まれる。

例えば、スタック構造を有するマルチチップパッケージにおいて、少なくともその一部がチップオンチップ構造を有していれば、本発明を適用することが出来る。また、一方又は双方のＩＣチップについて、追加配線が既に形成されたものを、本発明に係るチップ間配線材料を用いて接続することも出来る。

本発明は、メモリチップや論理回路チップを相互に接続する、チップオンチップ構造を有するマルチチップパッケージに好適に利用できる。

第１実施形態例に係るマルチチップパッケージの構成を示す斜視図である。図１のII−II断面を示す断面図である。図３（ａ）〜（ｄ）はそれぞれ、第１実施形態例に係るマルチチップパッケージのチップ間配線を製造する各製造段階を示す断面図である。図４（ａ）、（ｂ）はそれぞれ、第１実施形態例に係るマルチチップパッケージの下段チップ及び上段チップを製造する一製造段階を示す断面図である。第１実施形態例に係るマルチチップパッケージの製造方法の一製造段階を示す断面図である。第１実施形態例の変形例に係るマルチチップパッケージの構成を示す斜視図である。第２実施形態例に係るマルチチップパッケージの構成を示す断面図である。図８（ａ）、（ｂ）はそれぞれ、第２実施形態例に係るマルチチップパッケージの各製造段階を示す断面図である。図９（ａ）は、チップオンチップ構造を有するマルチチップパッケージの一例の構成を示す平面図であり、図９（ｂ）は、図９（ａ）のＢ−Ｂ断面を示す断面図である。特許文献１に記載のマルチチップパッケージの構成を示す斜視図である。

符号の説明

１０，２７，２９，４０：マルチチップパッケージ
１１：下段チップ
１２：上段チップ
１３：チップ間配線
１４：端子パッド
１５：金属バンプ
１６：端子パッド
１７：金属バンプ
１８：下部絶縁膜
１９ａ：金属膜
１９：配線層
２０：上部絶縁膜
２１：接続孔
２２：外部接続孔
２３：外部接続用金属バンプ
２４：ダイパッド
２５：リード
２６：金属ワイヤ
２８：配線用金属ワイヤ
４１：下段チップ
４２：上段チップ
４３：端子
４４：配線
４５：金属バンプ
４６：端子
４７：配線
４８：金属バンプ
４９：金属ワイヤ
５０：モールド樹脂
５１：ダイパッド
５２：リード

Claims

上面に端子を有する第１のチップと、該第１のチップ上に配設され下面に端子を有する第２のチップと、を単一のパッケージに収容して成るマルチチップパッケージの製造方法において、
粘着性を有する第１の絶縁層上に所望の配線パターンを形成する第１のステップと、
前記配線パターンを粘着性を有する第２の絶縁層で被覆する第２のステップと、
前記第１及び第２の絶縁層の、前記第１及び第２のチップに応じた所定の位置に、前記第１及び第２のチップの端子上に形成される導体が収まるように接続孔を形成し、前記第１及び第２の絶縁層と前記配線パターンとから成るチップ間配線層を形成する第３のステップと、
基板上に前記第１のチップを取り付け、前記第１及び第２のチップの前記端子上に前記導体を形成する第４のステップと、
前記第１及び第２のチップの前記導体が前記接続孔に収まるように、前記第１チップ上に前記チップ間配線層を載せ、前記チップ間配線層上に前記第２チップを載せて、前記第１及び第２のチップとを接合させる第５のステップと、
前記第２の絶縁層の縁部で、かつ、前記第１のチップの前記導体が収まる前記接続孔の真上の位置に、外部接続孔を形成する第６のステップと、
前記外部接続孔内の前記配線パターン上に外部接続用導体を形成する第７のステップと、
前記外部接続用導体とリードとをワイヤボンディングする第８のステップと、
を有する、マルチチップパッケージの製造方法。