(57)【要約】【課題】信頼性が確保された半導体装置及びこのような半導体装置を製造することができる半導体装置の製造方法を提供する。【解決手段】半導体装置１は、基板２１と、基板２１の表面に搭載された半導体チップ２２と、基板２１の裏面に接合された端面２４ａ及び端面２４ａと反対側の端面２４ｂを有する電極２４とを備えた半導体パッケージ２と、半導体パッケージ２上に搭載され、電極（図示せず）を有する半導体パッケージ３と、半導体パッケージ２の電極２４と半導体パッケージ３の電極とを電気的に接続するボンディングワイヤ５と、半導体パッケージ２，３、及びボンディングワイヤ５を一体的に封止し、裏面が電極２４の端面２４ｂとほぼ同一平面となった封止樹脂６と、電極２４の端面２４ｂに接合された外部電極７とを備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、前記基板の表面に搭載された半導体チップと、前記基板の裏面に接合された第１の端面及び前記第１の端面と反対側の第２の端面を有する電極とを備えた半導体パッケージと、
前記半導体パッケージ上に搭載され、電極を有する半導体電子部品と、
前記半導体パッケージの前記電極と前記半導体電子部品の前記電極とを電気的に接続する金属ワイヤと、
前記半導体パッケージ、前記半導体電子部品、及び前記金属ワイヤを一体的に封止し、裏面が前記電極の前記第２の端面とほぼ同一平面となった封止樹脂と、
前記電極の前記第２の端面に接合された外部電極と
を具備することを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記半導体電子部品は、半導体パッケージであることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
前記電極は、はんだボール或いははんだボールと前記はんだボールに接合された金属層とから構成されており、前記外部電極は、はんだボールから構成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の半導体装置。
【請求項４】
基板と、前記基板の表面に搭載された半導体チップと、前記基板の裏面に形成された電極とを備えた半導体パッケージの前記電極を金属フレームに接合し、前記金属フレームに前記半導体パッケージを固定する工程と、
前記半導体パッケージ上に、電極を有する半導体電子部品を搭載する工程と、
前記半導体パッケージの前記電極と前記半導体電子部品の前記電極とを金属ワイヤにより電気的に接続する工程と、
前記金属フレーム上に封止樹脂を塗布して、前記封止樹脂により、前記半導体パッケージ、前記半導体電子部品、及び前記金属ワイヤを一体的に封止する工程と、
前記第２の封止樹脂により、前記半導体パッケージ、前記半導体電子部品、及び前記金属ワイヤを一体的に封止した後、前記金属フレームを除去する工程と、
前記金属フレームを除去することにより露出した前記電極の端面に外部電極を接合する工程と
を具備することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記半導体電子部品は、半導体パッケージであることを特徴とする請求項４記載の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、半導体装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、同一或いは異なる機能を有する複数の半導体チップを積層し、１つのパッケージ内に収容して、半導体装置の小型化を図る技術が開発されている（いわゆるスタックＭＣＰ）。
【０００３】
しかしながら、ロジック、メモリ、アナログ、高周波デバイス等、半導体装置の製造プロセス工程やプロセスの世代が大きく異なる半導体チップ同士を積層しようとすると、テストバーンイン時間や不良率の相違により、歩留まりの低下或いはコストの上昇等の問題が生じてしまう。
【０００４】
このような問題を解決する方法として、半導体パッケージを個別に製造し、各々テストバーンインし、その後半導体パッケージ同士を積層するというパッケージオンパッケージ構造の半導体装置が提案されている。
【０００５】
現在、このようなパッケージオンパッケージ構造の半導体装置においては、上段の半導体パッケージのはんだボールは、下段の半導体パッケージに接合されている（例えば特許文献１及び特許文献２参照）。
【０００６】
しかしながら、上段の半導体パッケージのはんだボールを下段の半導体パッケージに接合する際には、はんだボールを熱によりリフローさせる必要があるため、熱により上段及び下段の半導体パッケージに反りが発生してしまうことがある。このため、反りが発生している半導体パッケージ同士をはんだボールで接合しなければならないず、半導体装置の信頼性を確保できないことがある。
【０００７】
また、半導体装置のはんだボール（最下段の半導体パッケージのはんだボール）を実装基板に接合して、実装基板上に半導体装置を実装すると、金属疲労によりはんだボールが破断してしまい、半導体装置の信頼性を確保できないことがある。
【特許文献１】特開２００４−１７２３２３号
【特許文献２】特開２００５−４５２５１号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものである。即ち、本発明は、信頼性が確保された半導体装置及びこのような半導体装置を製造することが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。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一の態様によれば、基板と、前記基板の表面に搭載された半導体チップと、前記基板の裏面に接合された第１の端面及び前記第１の端面と反対側の第２の端面を有する電極とを備えた半導体パッケージと、前記半導体パッケージ上に搭載され、電極を有する半導体電子部品と、前記半導体パッケージの前記電極と前記半導体電子部品の前記電極とを電気的に接続する金属ワイヤと、前記半導体パッケージ、前記半導体電子部品、及び前記金属ワイヤを一体的に封止し、裏面が前記電極の前記第２の端面とほぼ同一平面となった封止樹脂と、前記電極の前記第２の端面に接合された外部電極とを具備することを特徴とする半導体装置が提供される。
【００１０】
本発明の他の態様によれば、基板と、前記基板の表面に搭載された半導体チップと、前記基板の裏面に形成された電極とを備えた半導体パッケージの前記電極を金属フレームに接合し、前記金属フレームに前記半導体パッケージを固定する工程と、前記半導体パッケージ上に、電極を有する半導体電子部品を搭載する工程と、前記半導体パッケージの前記電極と前記半導体電子部品の前記電極とを金属ワイヤにより電気的に接続する工程と、前記金属フレーム上に封止樹脂を塗布して、前記封止樹脂により、前記半導体パッケージ、前記半導体電子部品、及び前記金属ワイヤを一体的に封止する工程と、前記第２の封止樹脂により、前記半導体パッケージ、前記半導体電子部品、及び前記金属ワイヤを一体的に封止した後、前記金属フレームを除去する工程と、前記金属フレームを除去することにより露出した前記電極の端面に外部電極を接合する工程とを具備することを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の一及び他の態様によれば、信頼性が確保された半導体装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面を参照しながら実施の形態について説明する。図１は本実施の形態に係る半導体装置の縦断面図であり、図２は本実施の形態に係る電極及び外部電極付近の拡大図である。
【００１３】
図１及び図２に示されるように半導体装置１は、ＢＧＡ（Ball Grid Array）等の半導体パッケージ２等から構成されている。半導体パッケージ２は、例えばガラス−エポキシ樹脂複合材料等から構成され、配線等（図示せず）を有する基板２１を備えている。この配線は、後述するはんだボール２５に電気的に接続されている。
【００１４】
基板２１の表面には、半導体チップ２２が搭載されている。なお、本実施の形態では、半導体パッケージ２内には１つの半導体チップ２２が配置されているが、半導体パッケージ２内に配置される半導体チップの数は特に限定されない。
【００１５】
基板２１と半導体チップ２２との間には、基板２１に半導体チップ２２を固定するための、例えばシート状の接着材２３が介在している。
【００１６】
基板２１の裏面には、所定の間隔をおいて複数の電極２４が形成されている。本実施の形態では、電極２４は、基板２１の裏面に接合されたはんだボール２５と、はんだボール２５に接合された金属層２６とから構成されている。なお、金属層２６は設けられていなくともよく、この場合には、電極２４は、はんだボール２５から構成されている。
【００１７】
電極２４は、基板２１の裏面に接合された端面２４ａ（第１の端面）と、端面２４ａと反対側の端面２４ｂ（第２の端面）とを有している。本実施の形態では、電極２４がはんだボール２５と金属層２６とから構成されているので、端面２４ａははんだボール２５の基板２１に接合された面となっており、端面２４ｂは金属層２６のはんだボール２５と接合された面と反対側の面となっている。なお、金属層２６が設けられていない場合には、端面２４ｂははんだボール２５の基板２１に接合された面と反対側の面となる。
【００１８】
はんだボール２５の高さｈ１は、ボールピッチの５０〜７０％が好ましい。この範囲が好ましいとしたのは、５０％未満であると、はんだボール２５と金属層２６との接続不良が発生するからであり、７０％を超えると、はんだボール２５がショートするからである。
【００１９】
また、はんだボール２５の直径ｄ１は、ボールピッチの５０〜７０％が好ましい。この範囲が好ましいとしたのは、５０％未満であると、はんだボール２５と金属層２６との接続不良が発生するからであり、７０％を超えると、はんだボール２５がショートするからである。
【００２０】
金属層２６は、例えば、Ａｕ／Ｎｉ／Ａｕの３層構造となっている。なお、金属層２６は３層構造のように多層構造であってもよいが、単層構造であってもよい。また、金属層２６の厚さｈ２は、３〜１５μｍが好ましい。この範囲が好ましいとしたのは、３μｍ未満であると、熱時のＳｎ拡散による接続不良が発生するためであり、１５μｍを超えると、接続部への残留歪の問題が発生するためである。
【００２１】
半導体チップ２２と一部のはんだボール２５とはボンディングワイヤ２７及び基板２１の配線を介して電気的に接続されている。ボンディングワイヤ２７の一端は半導体チップ２２の電極パッド（図示せず）に接続されており、他端は基板２１の配線に電気的に接続されている。
【００２２】
半導体チップ２２及びボンディングワイヤ２７等は、封止樹脂２８により一体的に封止されている。
【００２３】
半導体パッケージ２上には、半導体電子部品が搭載されている。本実施の形態では、半導体電子部品として、ＢＧＡ（Ball Grid Array）等の半導体パッケージ３を使用した例について説明する。なお、半導体電子部品として、半導体パッケージ３の代わりに、半導体チップを使用してもよい。
【００２４】
半導体パッケージ３は、例えばガラス−エポキシ樹脂複合材料等から構成されており、配線等（図示せず）を有する基板３１を備えている。配線は、基板３１の裏面に形成された例えばはんだボール等の電極（図示せず）に電気的に接続されている。
【００２５】
基板３１の表面には、半導体チップ３２，３３が搭載されている。半導体チップ３３は半導体チップ３２上に積層されている。なお、本実施の形態では、半導体パッケージ３内には２つの半導体チップ３２，３３が配置されているが、半導体パッケージ３内に配置される半導体チップの数は特に限定されない。
【００２６】
基板３１と半導体チップ３２との間、及び半導体チップ３２と半導体チップ３３の間には、基板３１に半導体チップ３２，３３を固定するための、例えばシート状の接着材３４，３５が介在している。
【００２７】
半導体チップ３１，３２と半導体パッケージ３の電極とは、ボンディングワイヤ３６，３７及び基板３１の配線を介して電気的に接続されている。ボンディングワイヤ３６，３７の一端は半導体チップ３２，３３の電極パッド（図示せず）に接続されており、他端は基板３１の配線に電気的に接続されている。
【００２８】
半導体チップ３２，３３及びボンディングワイヤ３６，３７等は、封止樹脂３８により一体的に封止されている。
【００２９】
半導体パッケージ２と半導体パッケージ３との間には、半導体パッケージ２に半導体パッケージ３を固定するための、例えばシート状の接着材４が介在している。
【００３０】
半導体パッケージ３の電極は、金属ワイヤとしての例えばボンディングワイヤ５を介して半導体パッケージ２の電極２４に電気的に接続されている。ボンディングワイヤ５の一端は半導体パッケージ３の電極に接続されており、他端は電極２４と電気的に接続された基板２１の配線に接続されている。なお、本実施の形態では、半導体パッケージ３の電極にボンディングワイヤ５を容易に接続するために、半導体パッケージ３が半導体パッケージ２に対して逆向きになるように、即ち、半導体チップ２２と半導体チップ３２，３２とが向かい合うように半導体パッケージ３が配置されている。
【００３１】
半導体パッケージ２，３及びボンディングワイヤ５は、封止樹脂６により一体的に封止されている。封止樹脂６の表面６ａは、封止樹脂６によりボンディングワイヤ５が隠れる位置に存在しており、裏面６ｂは電極２４の端面２４ｂとほぼ同一平面となる位置に存在している。即ち、封止樹脂６は、はんだボール２５間及び金属層２６間にも充填されている。
【００３２】
電極２４の端面２４ｂには、半導体装置１の外部電極が接合されている。本実施の形態では、外部電極として、はんだボール７を使用した例について説明する。なお、金属層２６が設けられていない場合には、はんだボール７は、はんだボール２５に接合されている。
【００３３】
はんだボール７の高さｈ３は、ボールピッチの５０〜７０％が好ましい。この範囲が好ましいとしたのは、５０％未満であると、はんだボール７と金属層２６との接続不良が発生するからであり、７０％を超えると、はんだボール７がショートするからである。
【００３４】
また、はんだボール７の直径ｄ２は、ボールピッチの５０〜７０％が好ましい。この範囲が好ましいとしたのは、５０％未満であると、はんだボール７と金属層２６との接続不良が発生するからであり、７０％を超えると、はんだボール７がショートするからである。
【００３５】
なお、電極２４の端面２４ａからはんだボール７の先端までの高さｈは、ボールピッチの（５０〜７０％）×２＋（３〜１５μｍの範囲）が好ましい。
【００３６】
このような半導体装置１は、例えば以下のようにして、作製することができる。図３（ａ）〜図５（ｃ）は本実施の形態に係る半導体装置１の製造工程を模式的に示した図である。
【００３７】
まず、図３（ａ）に示されるように金属フレーム４１の表面に、金属フレーム４１に接合された金属層２６を形成する。金属フレーム４１は、例えばＣｕ等の金属から構成されている。
【００３８】
次に、半導体パッケージ２のはんだボール２５をリフローさせることにより、はんだボール２５を金属層２６に接合させて、図３（ｂ）に示されるように金属フレーム４１上に半導体パッケージ２を固定する。
【００３９】
金属フレーム４１上に半導体パッケージ２を固定した後、半導体パッケージ２上に接着材４を配置し、接着材４上に半導体パッケージ３に配置して、図３（ｃ）に示されるように半導体パッケージ２上に半導体パッケージ３を搭載する。ここで、半導体パッケージ３は、半導体チップ２と半導体チップ３２，３３が向かい合うように、半導体パッケージ２上に搭載される。
【００４０】
そして、図４（ａ）に示されるように、半導体パッケージ２の基板２１と半導体パッケージ３の電極とをワイヤボンディングにより接続する。これにより、半導体パッケージ２の電極２４と半導体パッケージ３の電極がボンディングワイヤ５を介して電気的に接続される。その後、図４（ｂ）に示されるように金属フレーム４１上に封止樹脂６を塗布し、封止樹脂６により半導体パッケージ２，３及びボンディングワイヤ５を一体的に封止する。
【００４１】
封止樹脂６により半導体パッケージ２等を封止した後、図４（ｃ）に示されるように金属フレーム４１を例えばウエットエッチングして、金属フレーム４１を除去する。金属フレーム４１を除去した後、図５（ａ）に示されるように、はんだボール７をリフローさせて、金属フレーム４１を除去することにより露出した電極２４の端面２４ｂにはんだボール７を接合する。
【００４２】
その後、図５（ｂ）に示されるように封止樹脂６の表面６ａにダイシングテープ４２を貼着した後、図５（ｃ）に示されるように半導体装置１をダイシングにより個片化する。そして、最後に、ダイシングテープ４２から個片化した半導体装置１を剥がす。これにより、図１に示される半導体装置１が作製される。
【００４３】
本実施の形態では、ボンディングワイヤ５により半導体パッケージ２の電極２４と半導体パッケージ３の電極とを電気的に接続するので、半導体パッケージ２，３に反りが発生し難く、また半導体パッケージ２，３に反りが発生した場合であっても、半導体パッケージ２，３同士を容易に電気的に接続することができる。これにより、半導体装置１の信頼性を確保することができる。
【００４４】
半導体装置をはんだボールを介して実装基板に実装した場合におけるはんだボールの金属疲労による破断は、半導体装置と実装基板との線膨張係数の違いによりはんだボールに発生する歪みが原因であると考えられる。ここで、歪みεは、次式（１）で示されるように半導体装置を実装基板に実装した状態における接続高さ（はんだボールの高さ）ｈに反比例しており、次式（２）に示されるように金属の疲労寿命Ｆは歪みεに依存している。なお、次式（２）におけるＡは定数、αは金属の種類により決定される定数である。
ε∝ｆ（１／ｈ）          …（１）
Ｆ＝Ａε−α              …（２）
【００４５】
式（１）及び式（２）から、はんだボールの高さが高くなると、はんだボールに発生する歪みが低減し、はんだボールの疲労寿命が長くなるということが分かる。従って、はんだボールの直径を大きくすれば、はんだボールの歪みを低減させることができる。しかしながら、はんだボールの直径を大きくすると、はんだボール間の距離が短くなるので、はんだボール同士が電気的に短絡してしまうおそれがある。これに対し、本実施の形態では、はんだボール２５に金属層２６を介してはんだボール７を接合しているので、はんだボール２５の直径を大きくせずに、半導体装置１を実装基板に実装した状態における接続高さを高くすることができる。これにより、半導体装置１の実装信頼性を向上させることができる。なお、金属層２６を設けずに、はんだボール２５にはんだボール７を接合した場合にも同様の効果が得られる。
【００４６】
本実施の形態では、封止樹脂６の裏面６ｂが金属層２６とほぼ同一平面となっており、はんだボール２５の側面を覆っているので、半導体チップ２２及び基板２１のα差によって生じるはんだボール２５の歪みをより低減させることができる。
【００４７】
半導体装置１を製造する際に、金属フレーム４１を使用しているので、複数の半導体装置１を一度に作製することができる。これにより、半導体装置１の生産性を向上させることができる。
【００４８】
半導体装置１を製造する際に、金属フレーム４１の代わりに、樹脂やセラミックから構成されたフレームを使用することも考えられるが、樹脂から構成されたフレームを用いた場合には、フレームがエッチングし難いとともにフレームの強度が不十分となってしまうという問題がある。また、セラミックスから構成されたフレームを用いた場合には、セラミックスは薬品耐性が高いので、エッチングし難い。これに対し、本実施の形態では、金属フレーム４１を使用しているので、エッチングし易いとともに十分な強度を確保することができる。これにより、半導体装置１の生産性を向上させることができる。
【００４９】
なお、本発明は上記実施の形態の記載内容に限定されるものではなく、構造や材質、各部材の配置等は、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。上記実施の形態では、半導体装置１は、２つの半導体パッケージ２，３を備えているが、半導体パッケージの数は特に限定されない。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】実施の形態に係る半導体装置の縦断面図である。
【図２】実施の形態に係る電極及び外部電極付近の拡大図である。
【図３】（ａ）〜（ｃ）は実施の形態に係る半導体装置の製造工程を模式的に示した図である。
【図４】（ａ）〜（ｃ）は実施の形態に係る半導体装置の製造工程を模式的に示した図である。
【図５】（ａ）〜（ｃ）は実施の形態に係る半導体装置の製造工程を模式的に示した図である。
【符号の説明】
【００５１】
１…半導体装置、２，３…半導体パッケージ、５…ボンディングワイヤ、６…封止樹脂、６ａ…表面、６ｂ…裏面、７，２５…はんだボール、２１，３１…基板、２２，３２，３３…半導体チップ、２４…電極、２６…金属層、２８，３８…封止樹脂、４１…金属フレーム。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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