(57)【要約】【課題】ＰｏＰ構造のベースパッケージの熱変形を抑制し、実装基板に半導体装置を実装する際の接続不良の発生を防止する。【解決手段】下側基板１１と、下側基板１１上に実装された下側チップ１２と、下側基板１１上に成形され下側チップ１２を封止した下側モールド樹脂１３と、を有する下側パッケージ１０と、上側基板２１と、上側基板２１上に実装された上側チップ２２と、を有し、下側パッケージ１０上に積層された上側パッケージ２０、を含む半導体装置１００であって、上側基板２１が上または下に凸の撓み形状をなしているとともに、下側モールド樹脂１３が、上側基板２１の撓み形状と同一の向きの凸状に形成されている。【選択図】図１
2010098129.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一の配線基板と、前記第一の配線基板上に実装された第一の半導体チップと、前記第一の配線基板上に成形され前記第一の半導体チップを封止したモールド樹脂と、を有する第一の半導体パッケージと、
第二の配線基板と、前記第二の配線基板上に実装された第二の半導体チップと、を有し、前記第一の半導体パッケージ上に積層された第二の半導体パッケージと、を含む半導体装置であって、
前記第二の配線基板が上または下に凸の撓み形状をなしているとともに、
前記モールド樹脂が、前記第二の配線基板の前記撓み形状と同一の向きの凸状に形成されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記モールド樹脂の最大厚さが、前記第一および第二の配線基板間の最短距離よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記第一および第二の配線基板間の最短距離が１００〜４００μｍである請求項１または２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記第一の配線基板が、硬質材料からなるリジッド基板である請求項１から３のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項５】
前記モールド樹脂の上面と前記第二の配線基板の下面との間にクリアランスを有する請求項１から４のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項６】
前記第二の配線基板および前記モールド樹脂が上に凸の形状である請求項１から５のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項７】
前記第二の配線基板および前記モールド樹脂が下に凸の形状である請求項１から５のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項８】
第二の配線基板上に実装された第二の半導体チップを第二のモールド樹脂で封止して第二の半導体パッケージを成形する工程と、
前記第二の半導体パッケージを所定温度とした場合に、前記第二の配線基板が上に凸または下に凸のいずれの撓み形状となるかを検知する工程と、
上に凸形状のキャビティ部を有する第一の金型または下に凸形状のキャビティ部を有する第二の金型のうち、前記キャビティ部の凸形状が、検知された前記第二の配線基板の前記撓み形状と同一の向きである金型を選択する工程と、
選択された前記金型を用いて、第一の配線基板上に実装された第一の半導体チップを第一のモールド樹脂で封止して第一の半導体パッケージを成形する工程と、
成形された前記第一の半導体パッケージ上に前記第二の半導体パッケージを積層する工程と、
を含む半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体チップが配線基板（キャリア配線基板）にワイヤーボンディングやフリップチップなどの接続により搭載され、かつ半導体チップがモールド樹脂で覆われた半導体パッケージを含む半導体装置が知られている。
半導体パッケージは、電子機器を構成する実装基板（マザー配線基板）に搭載される。このため、実装基板との接続不良が生じないよう、半導体パッケージの反りを十分に考慮する必要がある。
半導体パッケージの反りは、構成材料の物性値、特に線膨張係数が部材ごとに相違することで、加熱された樹脂モールド時と常温冷却時とで部材ごとに異なる熱変形量をもつことに起因して生じる。
【０００３】
熱変形による半導体パッケージの反りかえりに起因する問題に対して、下記特許文献１には、柔軟なフレキシブルシートに搭載されたモールド樹脂層の周縁角部を切り落とした半導体パッケージが記載されている。かかる半導体パッケージによれば、周縁角部を切り落とすことでモールド樹脂の収縮力に起因する外形変化が少なくなり、また外形変化後の上面が平坦化されて実装高さの変化を低減している。
下記特許文献２には、モールド樹脂の外周各辺に切り込み部を設けることで、モールド樹脂の熱膨張を分散させ、配線基板（インターポーザー）の反りを低減させることを図った半導体パッケージが記載されている。
下記特許文献３には、柔軟なプリント配線基板に搭載するモールド樹脂の表面に窪み形状を設けて樹脂部を薄肉化させることで、樹脂部の硬化収縮による熱変形の作用を減少させて配線基板の上方への反りを低減した半導体パッケージが記載されている。
【０００４】
一方、小型機器や携帯型機器に搭載される半導体装置の高密度化が近年益々重要となっており、半導体装置の小型化や薄型化が益々求められている。
半導体装置の高密度化を実現する１つの手法として、半導体パッケージ上に異なる半導体パッケージを半田などの接続電極を介して上下に搭載する構造であるＰｏＰ（パッケージ・オン・パッケージ）と呼ばれる半導体パッケージに関する技術が提案されている。
ここで、半導体パッケージ同士を積層させるＰｏＰの場合には、実装基板への搭載に加えて、半導体パッケージ同士を互いに積層する必要がある。このため、半導体パッケージ同士の搭載、及び実装基板への半導体装置の搭載時に、良好な接続を実現することが望まれる。したがって、ＰｏＰの場合、半導体パッケージの反りに関しては単体の半導体パッケージの場合以上に十分考慮する必要がある。
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−１７４１６８号公報
【特許文献２】特開２００４−１４００８０号公報
【特許文献３】特開平８−４６０９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ＰｏＰにおいて、半導体装置および半導体パッケージの薄型化を実現するためには、半導体パッケージを構成する半導体チップや配線基板などの構成材料を薄型化することが必要である。しかしながら、薄型化に伴う半導体チップや配線基板の剛性の低下により、半導体パッケージの反りがむしろ顕著となってしまうことが問題となっている。
【０００７】
図７および８は、ＰｏＰ構造を有する半導体装置２００の断面図である。半導体装置２００は、下側パッケージ１０の上に上側パッケージ２０が搭載されている。下側パッケージ１０は、下側基板１１と、その上面に搭載された下側チップ１２と、チップを封止する下側モールド樹脂１３と、チップの反対面側に設けられた半田などの下側接続電極１６と、を備える。上側パッケージ２０は、下側パッケージ１０と同様の構成を有する。具体的には、上側パッケージ２０は、上側基板２１と、その上面に搭載された上側チップ２２と、チップを封止する上側モールド樹脂２３と、チップの反対面側に設けられた半田などの上側接続電極２６と、を備える。
【０００８】
図７に示す上側パッケージ２０は、樹脂モールド時の加熱状態で平坦であった上側パッケージ２０が常温まで冷却されることにより、全体に上に凸形状に湾曲したものである。かかる湾曲形状の上側パッケージ２０が下側パッケージ１０の下側基板１１に搭載されている。なお、便宜上、半導体パッケージの基板のうち、チップが設けられている面を基板上面１１ａ，２１ａといい、接続電極が設けられている面を基板下面１１ｂ，２１ｂと表現する。
一方、図８に示す上側パッケージ２０は、モールド時の加熱状態から常温まで冷却されたことにより、全体に下に凸形状に湾曲したものである。
そして、図７，８に示す半導体装置２００において、下側パッケージ１０は、いずれも上に凸形状に湾曲している。また、下側モールド樹脂１３の厚さは下側基板１１の面内において均等であり、その上面１３ａはほぼ平坦に形成されている。これは、上に凸形状に撓もうとする下側基板１１から下側モールド樹脂１３が受ける応力と、下側モールド樹脂１３自身が下に凸形状に撓もうとする熱応力との釣り合いにより、下側モールド樹脂１３の上面１３ａがほぼ平坦となるためである。
【０００９】
下側チップ１２および上側チップ２２は主としてシリコン材料からなり、線膨張係数は３ｐｐｍ／Ｋ程度が一般的である。これに対し、下側基板１１および上側基板２１、ならびに下側モールド樹脂１３および上側モールド樹脂２３の線膨張係数は、いずれもシリコン材料よりも一桁程度大きいことが一般的である。したがって、各パッケージでは、基板やモールド樹脂のうち、チップと接合された領域において熱変形が阻害されて反りかえりが生じる。具体的には、下側基板１１および上側基板２１では、基板下面１１ｂ，２１ｂの熱収縮が基板上面１１ａ，２１ａよりも大きくなって上に凸形状に撓む。逆に、下側モールド樹脂１３および上側モールド樹脂２３は下に凸形状に撓む。
そして各パッケージでは、モールド樹脂と基板のうち、より線膨張係数や板厚、引張弾性率が大きい方の部材による熱変形が支配的となってパッケージ全体の撓み形状が決まる。
【００１０】
ここで、上側パッケージ２０においては、上側基板２１の上面のほぼ全面を覆うように上側モールド樹脂２３が設けられている。そして、上側パッケージ２０に関しては、上側モールド樹脂２３および上側基板２１による熱変形の支配力はほぼバランスし、これらの部材の物性値の僅かな差異によって、図７，８に示すように上側パッケージ２０の反りかえりの方向は反転する。
【００１１】
これに対し、下側パッケージ１０の場合は、下側基板１１の基板上面１１ａの周縁に、上側接続電極２６を実装するための接続エリア１１ｃを露出させる必要があることから、下側モールド樹脂１３の搭載量は一般に上側モールド樹脂２３よりも少なくなる。一方、下側基板１１の材料（線膨張係数、引張弾性率）および板厚は、下側パッケージ１０の機械強度の確保のため、上側パッケージ２０と同等とされることが一般的である。このため、下側パッケージ１０の熱変形に関しては、下側基板１１の影響が下側モールド樹脂１３よりも一般に卓越する。よって、ＰｏＰ構造の半導体装置２００では、下側パッケージ１０がもっぱら上に凸形状に変形することとなり、実装基板に半導体装置２００を実装する際に接続不良を生じて問題となっていた。
【００１２】
かかる問題は、上記特許文献に記載の技術によっては解決することができない。上記特許文献に記載の技術はモールド樹脂の熱変形を抑制するものであるため、ＰｏＰ構造の下側パッケージ１０において配線基板とモールド樹脂の熱変形の支配力をバランスさせる方向にはいずれも寄与しないからである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の半導体装置は、第一の配線基板と、前記第一の配線基板上に実装された第一の半導体チップと、前記第一の配線基板上に成形され前記第一の半導体チップを封止したモールド樹脂と、を有する第一の半導体パッケージと、
第二の配線基板と、前記第二の配線基板上に実装された第二の半導体チップと、を有し、前記第一の半導体パッケージ上に積層された第二の半導体パッケージと、を含む半導体装置であって、
前記第二の配線基板が上または下に凸の撓み形状をなしているとともに、
前記モールド樹脂が、前記第二の配線基板の前記撓み形状と同一の向きの凸状に形成されていることを特徴とする。
【００１４】
上記発明では、実装基板に実装される第一の半導体パッケージ（下側パッケージ）に搭載されるモールド樹脂の形状を、第一の半導体パッケージの上に積層される第二の半導体パッケージ（上側パッケージ）の配線基板の撓み形状に一致させている。これにより、モールド樹脂を平坦に形成する場合に比べて、第一の配線基板と第二の配線基板との間の空隙部におけるモールド樹脂の搭載効率が高められる。よって、配線基板の周縁にモールド樹脂を搭載することができない第一の半導体パッケージにおいても、モールド樹脂による熱変形の支配力を増大させ、配線基板による支配力とバランスさせることができる。
【００１５】
また本発明の半導体装置の製造方法は、第二の配線基板上に実装された第二の半導体チップを第二のモールド樹脂で封止して第二の半導体パッケージを成形する工程と、
前記第二の半導体パッケージを所定温度とした場合に、前記第二の配線基板が上に凸または下に凸のいずれの撓み形状となるかを検知する工程と、
上に凸形状のキャビティ部を有する第一の金型または下に凸形状のキャビティ部を有する第二の金型のうち、前記キャビティ部の凸形状が、検知された前記第二の配線基板の前記撓み形状と同一の向きである金型を選択する工程と、
選択された前記金型を用いて、第一の配線基板上に実装された第一の半導体チップを第一のモールド樹脂で封止して第一の半導体パッケージを成形する工程と、
成形された前記第一の半導体パッケージ上に前記第二の半導体パッケージを積層する工程と、
を含む。
【００１６】
上記発明では、ＰｏＰ構造の上側パッケージにあたる第二の半導体パッケージの凹凸形状を把握した上で、下側パッケージにあたる第一の配線基板の樹脂モールド用金型を選択する。これにより、第一の配線基板に搭載するモールド樹脂を平坦に形成する場合に比べてモールド樹脂の搭載量を増大させつつも、第二の配線基板とモールド樹脂とが干渉することを防止している。
【００１７】
なお、本発明の各種の構成要素は、個々に独立した存在である必要はなく、複数の構成要素が一個の部材として形成されていること、一つの構成要素が複数の部材で形成されていること、ある構成要素が他の構成要素の一部であること、ある構成要素の一部と他の構成要素の一部とが重複していること、等でもよい。
【００１８】
また、本発明による半導体装置の製造方法を説明するにあたり、複数の工程を順番に記載することがあるが、明示の場合を除き、その記載の順番は工程を実行する順番を必ずしも限定するものではない。また、複数の工程は、明示の場合を除き、個々に相違するタイミングで実行されることに限定されず、ある工程の実行中に他の工程が発生すること、ある工程の実行タイミングと他の工程の実行タイミングとの一部ないし全部が重複していること、等でもよい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の半導体装置およびその製造方法によれば、半導体パッケージ上に異なる半導体パッケージを積層させるＰｏＰ構造において、下側にあたる第一の半導体パッケージにおけるモールド樹脂と配線基板とによる熱変形の支配力をバランスさせることができるため、半導体パッケージの全体の熱変形を抑制することができる。これにより、実装基板に半導体装置を実装する際の接続不良の発生を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００２１】
＜第一実施形態＞
図１は、本発明の第一の実施形態にかかる半導体装置１００の一例を示す断面模式図である。
【００２２】
はじめに、本実施形態の半導体装置１００の概要について説明する。
本実施形態の半導体装置１００は、実装基板（不図示）上に実装される第一の半導体パッケージ（下側パッケージ１０）と、下側パッケージ１０上に積層された第二の半導体パッケージ（上側パッケージ２０）とを含んでいる。
下側パッケージ１０は、第一の配線基板（下側基板１１）と、下側基板１１上に実装された第一の半導体チップ（下側チップ１２）と、下側基板１１上に成形され下側チップ１２を封止したモールド樹脂（下側モールド樹脂１３）と、を有している。
また、上側パッケージ２０は、第二の配線基板（上側基板２１）と、上側基板２１上に実装された第二の半導体チップ（上側チップ２２）と、を有している。
そして、本実施形態の半導体装置１００は、上側基板２１が上または下に凸の撓み形状をなしているとともに、下側モールド樹脂１３が、上側基板２１の撓み形状と同一の向きの凸状に形成されている。
【００２３】
次に、本実施形態の半導体装置１００について詳細に説明する。
半導体装置１００はＰｏＰ構造をなし、ベースパッケージである下側パッケージ１０の基板上面１１ａの周縁部に設けられた接続エリア１１ｃと、上側パッケージ２０の基板下面２１ｂに設けられた上側接続電極２６とは電気的に接続されている。
下側基板１１の基板下面１１ｂには、半田ボールからなる下側接続電極１６が分散して配置されている。
【００２４】
本実施形態の半導体装置１００を構成する各部材の材料は特に限定されないが、下側基板１１と上側基板２１、下側チップ１２と上側チップ２２、下側モールド樹脂１３と上側モールド樹脂２３、下側接続電極１６と上側接続電極２６を、それぞれ共通の材料とすることができる。
【００２５】
下側基板１１は、硬質材料からなるリジッド基板である。
ここで、リジッド基板とは、パッケージ成形後に変形させることを必要とせず、下側チップ１２等の部品を搭載する支持体としての剛性を有する基板であり、フレキシブル基板と区別されるものである。
【００２６】
下側チップ１２および上側チップ２２はシリコンチップである。下側チップ１２は、下側基板１１の基板上面１１ａに対して、例えばフィルム接着剤１５などの部材を介して搭載され、ボンディングワイヤー１４により連結されている。上側チップ２２も同様に上側基板２１の基板上面２１ａに搭載されている。ただし、上側チップ２２と上側基板２１とを接続するフィルム接着剤およびワイヤーは図示を省略している。
【００２７】
下側接続電極１６および上側接続電極２６は下側パッケージ１０および上側パッケージ２０の電極パッドであり、環境負荷低減の観点から、いわゆる鉛フリー半田を用いることができる。
【００２８】
本実施形態の半導体装置１００は、下側パッケージ１０と上側パッケージ２０とが個別に作成された後、互いに積層して一体化される。上側接続電極２６は、上側モールド樹脂２３の成形後のプロセスにて上側基板２１の基板下面２１ｂに接合される。
下側パッケージ１０は、下側基板１１の下側チップ１２を下側モールド樹脂１３で封止した後、下側モールド樹脂１３の非形成領域である接続エリア１１ｃに対して、いわゆるリフロープロセスにより上側パッケージ２０の上側接続電極２６が接合される。
下側接続電極１６は、下側パッケージ１０と上側パッケージ２０とが接合される前に下側パッケージ１０の基板下面１１ｂに設けられることが一般的である。ただし、上側パッケージ２０を下側パッケージ１０の接続エリア１１ｃに対して接合した後に、下側接続電極１６を下側パッケージ１０の基板下面１１ｂに設けてもよい。
【００２９】
下側モールド樹脂１３および上側モールド樹脂２３は、エポキシ系などの熱硬化性の硬質樹脂材料にフィラーを混合してなる。また、下側モールド樹脂１３および上側モールド樹脂２３は、少なくとも下側チップ１２および上側チップ２２、ならびにボンディングワイヤー１４をそれぞれ封入できる十分な厚さに設けられている。
したがって、本実施形態において、下側パッケージ１０および上側パッケージ２０の熱変形は、下側基板１１、上側基板２１、下側モールド樹脂１３および上側モールド樹脂２３の熱変形に主として支配される。
【００３０】
本実施形態の半導体装置１００は、上側基板２１および下側モールド樹脂１３が、上に凸の形状である。
ここで、半導体装置１００およびこれを構成する各部材の形状とは所定温度にて静置された際の形状を意味する。ここで、上記の所定温度としては、常温など、上側パッケージ２０または下側パッケージ１０のモールド温度よりも低いが例示されるが、下側接続電極１６や上側接続電極２６のリフロー温度などモールド温度よりも高い温度であってもよい。
【００３１】
上側パッケージ２０は、上側基板２１および上側モールド樹脂２３が全体に上に凸形状に湾曲している。一方、下側パッケージ１０は、下側基板１１がほぼ平坦に形成されている。これにより、下側パッケージ１０の基板上面１１ａと上側パッケージ２０の基板下面２１ｂとで挟まれる空隙部１８の高さは、下側基板１１の周縁部にあたる接続エリア１１ｃよりも、下側基板１１の中央部において大きくなっている。
【００３２】
本実施形態では、下側モールド樹脂１３が、空隙部１８のうち、上下の半導体パッケージを接続する上側接続電極２６の近傍を除く空間を埋める形状に構成されている。
したがって、下側モールド樹脂１３の最大厚さは、下側基板１１および上側基板２１間の最短距離ＤＳよりも大きい。
本実施形態の場合、下側基板１１と上側基板２１との間の最短距離ＤＳは、下側基板１１の周縁における基板上面１１ａと基板下面２１ｂとの距離に相当する。
なお、本実施形態においては、下側モールド樹脂１３の上面１３ａと上側基板２１の基板下面２１ｂとは、互いに接触している。ただし、下側モールド樹脂１３の厚さは、上側接続電極２６と基板上面１１ａとの接続不良を招来しない寸法とする。具体的には、上側接続電極２６のリフロー前の状態において上側パッケージ２０と下側パッケージ１０とを積層した場合に、上側接続電極２６の下端がいずれも基板上面１１ａと当接することが好ましい。すなわち、かかる場合に、上側パッケージ２０の基板下面２１ｂと下側モールド樹脂１３の上面１３ａとの最小クリアランスが、基板上面１１ａと上側接続電極２６との距離よりも大きいことが好ましい。
【００３３】
ＰｏＰ構造である本実施形態の半導体装置１００においては、半導体パッケージの薄型化の要請から、下側基板１１および上側基板２１間の最短距離ＤＳは、１００〜４００μｍであることが好ましい。
【００３４】
上記本実施形態の半導体装置１００の作用効果について説明する。
図７に示す従来の半導体装置２００では、下側モールド樹脂１３の厚さは下側基板１１の面内において均等であるため、下側基板１１と、上に凸形状に湾曲した上側基板２１との空隙部１８には、下側モールド樹脂１３の上部に相当の余剰空間が残されている。
これに対し、本実施形態の半導体装置１００は、上側基板２１が上または下に凸の撓み形状をなしているとともに、下側モールド樹脂１３が、上側基板２１の撓み形状と同一の向きの凸状に形成されている。
【００３５】
図２は、本実施形態の下側パッケージ１０がモールド成形時の高温状態から冷却される際に、下側基板１１および下側モールド樹脂１３に生じる熱荷重を示す模式図である。
下側基板１１は、冷却により全体に収縮しようとするが、基板上面１１ａ側の収縮は下側チップ１２に規制される。このため、下側基板１１は下向きの熱荷重ＦＢを受けて全体に上に凸形状に撓もうとする。
一方、下側モールド樹脂１３もまた冷却により全体に収縮しようとするが、下側チップ１２の周囲においては収縮が規制される。このため、下側モールド樹脂１３には、上面１３ａを凹ませつつ全体に収縮する向きに熱荷重ＦＭが作用する。
【００３６】
ここで、ＰｏＰ構造の半導体装置１００のベースパッケージを構成する下側パッケージ１０においては、上に搭載する上側パッケージ２０との不用意な接触によって上側接続電極２６の接続性を低下させることを避ける必要がある。このため、下側モールド樹脂１３の総量や、下側基板１１への搭載面積は非常に少なくなっている。これに対し、本実施形態の下側パッケージ１０では、空隙部１８（図１を参照）を埋める形状に下側モールド樹脂１３を形成して熱荷重ＦＭの作用を高めている。これにより、熱荷重ＦＢと熱荷重ＦＭとがバランスし、下側基板１１の面直方向への熱荷重が相殺される。
したがって、下側基板１１は、モールド成形時と、常温などモールド温度以下の所定温度まで冷却された時と、逆にモールド温度以上に加熱された時とにおいて、いずれも平坦を維持することができる。これにより、上側パッケージ２０を下側パッケージ１０に積層接続する工程や、ＰｏＰ構造に形成された半導体装置１００を実装基板（図示せず）に接続する工程を、ともに安定して行うことができる。
【００３７】
また本実施形態における下側モールド樹脂１３の最大厚さは、下側基板１１および上側基板２１間の最短距離ＤＳよりも大きい。本実施形態の半導体装置１００は、上側基板２１の熱変形により下側基板１１との距離が最短距離ＤＳとなる領域を避けて下側モールド樹脂１３を肉厚に設けている。これにより、下側モールド樹脂１３の上面１３ａが基板下面２１ｂに干渉することなく、下側モールド樹脂１３の肉厚部を空隙部１８に収容している。
【００３８】
また本実施形態の半導体装置１００においては、半導体パッケージの薄型化の要請から、下側基板１１および上側基板２１間の最短距離ＤＳは、１００〜４００μｍである。ＰｏＰ構造をなす本実施形態の半導体装置１００は、上記のように下側基板１１と上側基板２１との間の空隙部１８が薄いものである。したがって、本実施形態のように下側モールド樹脂１３に凸形状を設けることで、図２に示すように、下側モールド樹脂１３に生じる熱荷重ＦＭと下側基板１１の熱荷重ＦＢとをバランスさせることができる。
【００３９】
また本実施形態の下側基板１１は硬質材料からなるリジッド基板である。これにより、下側基板１１のヤング率に応じて高くなる熱荷重ＦＢに対し、空隙部１８を埋めるように下側モールド樹脂１３を肉厚化することにより、熱荷重ＦＭをバランスさせることができる。
【００４０】
また本実施形態では上側基板２１および下側モールド樹脂１３が上に凸の形状である。これにより、図２に示すように、上に凸形状の下側モールド樹脂１３は冷却により略球状に収縮して、下側基板１１に対して上に反る方向に負荷を与える。このため、下側基板１１自体が熱応力により下に反ろうとする変形が打ち消される。
ここで、上側パッケージ２０を下側パッケージ１０に搭載する際には、上記のように上側接続電極２６をリフローして基板上面１１ａと接合する。そして、本実施形態のように、融点の高い鉛フリー半田を上側接続電極２６に使用する場合、リフロー時の高温により、上側パッケージ２０の上側基板２１は、モールド成形時の平坦形状にある程度回復する。かかる状態でリフローされた上側接続電極２６が冷却されて再凝縮すると、積層状態の上側パッケージ２０は上に凸形状に再度湾曲することとなる。
かかる再湾曲により、下側モールド樹脂１３の上面１３ａと、上側基板２１の基板下面２１ｂとは互いに僅かに離間する。したがって、下側モールド樹脂１３が上側基板２１と干渉することにより上側接続電極２６の接続不良を招来することがない。
【００４１】
＜第二実施形態＞
図３は、本実施形態にかかる半導体装置１００の一例を示す断面模式図である。
【００４２】
本実施形態の半導体装置１００は、上側基板２１および下側モールド樹脂１３が、下に凸の形状である点で第一実施形態と相違する。
【００４３】
本実施形態の上側パッケージ２０は、上側基板２１および上側モールド樹脂２３が全体に凹形状、すなわち下に凸形状に湾曲している。一方、下側パッケージ１０は、下側基板１１がほぼ平坦に形成されている。これにより、下側パッケージ１０の基板上面１１ａと上側パッケージ２０の基板下面２１ｂとで挟まれる空隙部１８の高さは、下側基板１１の中央部よりも、下側基板１１の周縁部にあたる接続エリア１１ｃにおいて大きくなっている。
【００４４】
下側モールド樹脂１３は、空隙部１８のうち、上下の半導体パッケージを接続する上側接続電極２６の近傍を除く空間を埋める形状に構成され、下側モールド樹脂１３の上面１３ａと上側パッケージ２０の基板下面２１ｂとは接触している。
したがって、下側モールド樹脂１３は面央よりも周縁において厚肉に作成されている。そして、下側モールド樹脂１３の上面１３ａは、上側基板２１と同様に下に凸の形状に湾曲している。
本実施形態の場合、下側基板１１と上側基板２１との間の最短距離ＤＳは、下側基板１１の面央における基板上面１１ａと基板下面２１ｂとの距離に相当する。
【００４５】
本実施形態の半導体装置１００の作用効果について説明する。
上側パッケージ２０は、上述のように、上側接続電極２６の高温のリフローによって平坦形状に一旦回復し、上側接続電極２６の冷却とともに湾曲形状に復活する。本実施形態の場合、下に凸形状に再度撓む上側パッケージ２０は、下側パッケージ１０の下側基板１１に対しても下側基板１１の周縁部を上方に引き上げるように、すなわち下側基板１１を下に凸に撓ませる向きに熱荷重を付与する。したがって、本実施形態の場合、下側基板１１が下側パッケージ１０全体を上に凸に撓ませようとする支配力の一部が打ち消され、下側モールド樹脂１３の熱荷重ＦＭ（図２を参照）と合わせて下側基板１１への面直荷重が相殺される。
【００４６】
＜半導体装置の製造方法＞
はじめに、本実施形態にかかる半導体装置の製造方法（以下、本方法という場合がある）について説明する。
本方法は、（１）上側パッケージ成形工程と、（２）検知工程と、（３）選択工程と、（４）下側パッケージ成形工程と、（５）積層工程とを含む。
【００４７】
（１）上側パッケージ成形工程は、第二の配線基板（上側基板２１）上に実装された第二の半導体チップ（上側チップ２２）を第二のモールド樹脂（上側モールド樹脂２３）で封止する工程である。
（２）検知工程は、上側パッケージ２０を所定温度とした場合に、上側基板２１が上に凸または下に凸のいずれの撓み形状となるかを検知する工程である。
（３）選択工程は、上に凸形状のキャビティ部３２を有する第一の金型（凸金型３０）または下に凸形状のキャビティ部４２を有する第二の金型（凹金型４０）のうち、キャビティ部の凸形状が、検知された上側基板２１の撓み形状と同一の向きである金型を選択する工程である。
（４）下側パッケージ成形工程は、選択された金型を用いて、第一の配線基板（下側基板１１）上に実装された第一の半導体チップ（下側チップ１２）を第一のモールド樹脂（下側モールド樹脂１３）で封止して下側パッケージ１０を成形する工程である。
（５）積層工程は、成形された下側パッケージ１０上に上側パッケージ２０を積層する工程である。
【００４８】
以下、本方法についてより具体的に説明する。
本方法は、所定温度における上側パッケージ２０の凹凸形状を検知して、これと同一の向きに凸となるよう下側モールド樹脂１３を成形することにより、上記所定温度における下側モールド樹脂１３の上面１３ａと上側パッケージ２０の基板下面２１ｂとの空隙を低減し、もって上記所定温度における下側パッケージ１０の反りを抑制するものである。
所定温度としては、常温など、上側パッケージ２０または下側パッケージ１０のモールド温度よりも低い温度が例示されるが、必ずしもこれに限られない。例えば下側接続電極１６や上側接続電極２６のリフロー温度など、モールド温度よりも高温の加熱状態を、上記所定温度として設定してもよい。
以下、所定温度を常温とした場合を例に説明する。
【００４９】
上側パッケージ成形工程（１）は、上側基板２１上に実装された上側チップ２２を、加熱溶融した上側モールド樹脂２３で封止する第二封止工程と、上側基板２１が上または下に凸の撓み形状となるよう上側モールド樹脂２３および上側基板２１を冷却する第二冷却工程と、を含む。
そして、検知工程（２）では、第二冷却工程で冷却された上側パッケージ２０を観察し、上側基板２１の凸形状の向きを知得する。かかる工程では、上側基板２１の凸形状の向きのみならず、凹凸高さを知得してもよい。
下側パッケージ成形工程（４）は、下側チップ１２を、加熱溶融した下側モールド樹脂１３で封止する第一封止工程と、下側モールド樹脂１３および下側基板１１を冷却する第二冷却工程と、を含む。
積層工程（５）では、上側パッケージ２０をリフロー温度に加熱して上側接続電極２６を溶融させるとともに、これを再凝固して下側パッケージ１０の基板上面１１ａに接合する。
【００５０】
上記本方法では、常温下での上側パッケージ２０の撓み形状に応じて下側モールド樹脂１３の凹凸の向きおよび凹凸高さを決定することにより、ＰｏＰ構造を構成する下側基板１１において搭載可能な下側モールド樹脂１３の量を増大し、下側パッケージ１０における下側モールド樹脂１３と下側基板１１の熱変形がバランスする。これにより、常温下と、モールド成形温度下と、リフロープロセス環境下とに関わらず、下側パッケージ１０の反りを抑制することができる。
したがって、常温保管時における半導体装置１００の下側基板１１の反りや、基板実装後の常温環境下における下側接続電極１６に負荷される応力が低減される。また、リフロープロセスにおける半導体装置１００の下側基板１１の反りが低減される。言い換えると、下側パッケージ１０と上側パッケージ２０とを積層する積層工程（５）や、ＰｏＰ構造に形成された半導体装置１００を実装基板に実装する工程において、半導体装置１００の下側基板１１の反りを低減することができる。
【００５１】
図４（ａ），（ｂ）は、本方法の選択工程（３）で選択され、下側パッケージ成形工程（４）で用いられる金型の断面図である。
同図（ａ）の凸金型３０は、上に凸形状のキャビティ部３２を有しており、下側パッケージ成形工程（４）に供することで、第一実施形態のように上に凸形状の下側モールド樹脂１３（図１を参照）が成形される。
一方、同図（ｂ）の凹金型４０は、下に凸形状のキャビティ部４２を有しており、下側パッケージ成形工程（４）に供することで、第二実施形態のように下に凸形状の下側モールド樹脂１３（図３を参照）が成形される。
【００５２】
凸金型３０および凹金型４０には、キャビティ部３２，４２に連通して、それぞれ加熱溶融した下側モールド樹脂１３を供給するための樹脂供給孔３４，４４が設けられていてもよい。
凸金型３０および凹金型４０は、ベース金型５０の載置面５２にセットされた下側基板１１（図４では図示せず）に対して、その周縁部３６，４６が下側基板１１の接続エリア１１ｃとなる領域に対して押し当てられる。これにより、下側基板１１に搭載された下側チップ１２およびボンディングワイヤー１４はキャビティ部３２，４２に覆われて下側モールド樹脂１３に封止される。
【００５３】
下側パッケージ成形工程（４）によって冷却された下側パッケージ１０は、凸金型３０，凹金型４０のキャビティ部３２，４２の撓み形状と同一の向きの凸状に下側モールド樹脂１３が形成される。その後、下側パッケージ１０の基板下面１１ｂに下側接続電極１６を設ける。本実施形態の半導体装置１００では、下側接続電極１６および上側接続電極２６として鉛フリー半田による半田バンプを形成する。
【００５４】
積層工程（５）では、上側パッケージ２０の上側接続電極２６を加熱溶融して下側基板１１の接続エリア１１ｃに接合する。
【００５５】
なお、鉛フリー半田は鉛入り半田に比べて一般に融点が高いことが知られている。そして、上側パッケージ２０を下側パッケージ１０に搭載する際には、２２０℃程度の温度により上側接続電極２６をリフローしておこなう。
このため、下側パッケージ成形工程（４）において下側モールド樹脂１３の形状を決定する際には、かかるリフロー温度において、下側モールド樹脂１３の上面１３ａと上側パッケージ２０の基板下面２１ｂとが接触しない高さ寸法とする。したがって、キャビティ部３２，４２の深さ寸法は、下側モールド樹脂１３が上記所望の高さ寸法となるように設定されている。
【００５６】
本方法では、選択工程（３）として、上に凸形状のキャビティ部３２を有する第一の金型（凸金型３０）または下に凸形状のキャビティ部４２を有する第二の金型（凹金型４０）のうち、キャビティ部の凸形状が、冷却された上側基板２１の撓み形状と同一の向きである方の金型を選択する。これにより、上側パッケージ２０の反り形状に応じて、下側パッケージ１０の下側モールド樹脂１３の上部における空隙部１８を埋めるための金型が決定される。そして、上側パッケージ２０の反りかえり形状を反映して空隙部１８を埋める形状の下側モールド樹脂１３を形成することにより、下側モールド樹脂１３の熱変形の支配力を増大させることができる。これにより、空隙部１８の薄いＰｏＰ構造の半導体装置１００において、下側基板１１と下側モールド樹脂１３による熱変形の支配力をバランスさせ、下側パッケージ１０の反りを抑制することができる。
【００５７】
なお、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的が達成される限りにおける種々の変形、改良等の態様も含む。
例えば上記第一または第二実施形態においては下側モールド樹脂１３の上面１３ａは上側パッケージ２０の基板下面２１ｂに当接しているが、本発明はこれに限られない。
すなわち、下側モールド樹脂１３の上面１３ａと上側基板２１の下面（基板下面２１ｂ）との間にクリアランスＣを有していてもよい。
【００５８】
図５は、上側パッケージ２０が上に凸形状に湾曲した第一実施形態において、下側モールド樹脂１３の上面１３ａと上側基板２１の基板下面２１ｂとの間にクリアランスＣを設けた例を示す第一変形例にかかる半導体装置１００の断面図である。
【００５９】
図６は、上側パッケージ２０が下に凸形状に湾曲した第二実施形態において、下側モールド樹脂１３の上面１３ａと上側基板２１の基板下面２１ｂとの間にクリアランスＣを設けた例を示す第二変形例にかかる半導体装置１００の断面図である。
【００６０】
上側パッケージ２０の上側基板２１および上側モールド樹脂２３は、上または下に凸形状に湾曲している。そして、下側モールド樹脂１３の上面１３ａは、上側基板２１と同一の向きの凸状に形成されている。
下側モールド樹脂１３の上面１３ａと上側パッケージ２０の基板下面２１ｂとのクリアランスＣは、上面１３ａの全面において均等でもよく、場所により相違してもよい。
【００６１】
第一および第二変形例の半導体装置１００では、下側モールド樹脂１３の上面１３ａと上側パッケージ２０の基板下面２１ｂとの間にクリアランスＣを設けている。これにより、パッケージ同士を接続する上側接続電極２６に働く応力が公差寸法内の製造ばらつきなどによって変化することが防止される。よって、上側接続電極２６にクラックなどの不具合が生じてパッケージ同士に接続不良が生じることがない。
【００６２】
本発明は、上側パッケージ２０がモールド成形時に平坦状態にあって常温下で撓みを生じる形態においてのみでなく、種々の形態に対しても応用することができる。例えば、上側パッケージ２０と下側パッケージ１０とを互いに積層するときや、ＰｏＰ構造の半導体装置１００を実装基板へ搭載するときなどの、加熱温度下でおこなわれるリフロープロセスで上側パッケージ２０が撓みを生じる形態に対しても応用することができる。この場合には、加熱時および常温時での上側パッケージ２０の撓み形状を事前に把握することで、下側パッケージ１０の下側モールド樹脂１３を形成する樹脂モールド金型（凸金型３０または凹金型４０）の形状を決定すればよい。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の第一実施形態にかかる半導体装置の一例を示す断面模式図である。
【図２】本実施形態の下側パッケージがモールド成形時の高温状態から常温まで冷却される際に、下側基板および下側モールド樹脂に生じる熱荷重を示す模式図である。
【図３】本発明の第二実施形態にかかる半導体装置の一例を示す断面模式図である。
【図４】（ａ），（ｂ）は、本実施形態にかかる半導体装置の製造方法で用いられる金型の断面図である。
【図５】第一変形例にかかる半導体装置の断面図である。
【図６】第二変形例にかかる半導体装置の断面図である。
【図７】ＰｏＰ構造を有する半導体装置の断面図である。
【図８】ＰｏＰ構造を有する半導体装置の断面図である。
【符号の説明】
【００６４】
１０      下側パッケージ
１１      下側基板
１１ａ    基板上面
１１ｂ    基板下面
１１ｃ    接続エリア
１２      下側チップ
１３      下側モールド樹脂
１３ａ    上面
１４      ボンディングワイヤー
１５      フィルム接着剤
１６      下側接続電極
１８      空隙部
２０      上側パッケージ
２１      上側基板
２１ａ    基板上面
２１ｂ    基板下面
２２      上側チップ
２３      上側モールド樹脂
２６      上側接続電極
３０      凸金型
３２，４２    キャビティ部
３４，４４    樹脂供給孔
３６，４６    周縁部
４０      凹金型
５０      ベース金型
５２      載置面
１００      半導体装置
２００      半導体装置
Ｃ      クリアランス
ＤＳ      最短距離
【図１】
2010098129.tif 000003
【図２】
2010098129.tif 000004
【図３】
2010098129.tif 000005
【図４】
2010098129.tif 000006
【図５】
2010098129.tif 000007
【図６】
2010098129.tif 000008
【図７】
2010098129.tif 000009
【図８】
2010098129.tif 000010