(57)【要約】【課題】半導体チップや回路基板の微細化に対応すると共に、信号や電源、電極位置の配線自由度向上を目的とする。【解決手段】先端がカールした任意の長さの金属細線からなるプローブ５ｅで、第１の半導体チップ３ｃと第２の半導体チップ３ｄの各電極８の間を結線することにより、半導体チップの接続信頼性を向上させることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の半導体チップもしくは電気的接続配線層を有する基材と、第１の半導体チップもしくは前記基材に対向して積層配置する第２の半導体チップとの間に電気的配線を形成したものであって、前記電気的配線が、カール状の金属細線の一端を第１の半導体チップもしくは基材の電極に接続配置し、前記カール状の金属細線の他端を第２の半導体チップの電極に接続配置してなることを特徴とするチップ積層型の半導体装置。
【請求項２】
第１の半導体チップもしくは前記基材の上に、第２の半導体チップに対向して第３の半導体チップを積層配置し、第２の半導体チップと第３の半導体チップの間に形成する電気的配線が、金属細線のカールの一端を第２の半導体チップの電極に接続配置し、前記金属細線のカールの他端を第３の半導体チップの電極に接続配置してなることを特徴とする請求項１に記載のチップ積層型の半導体装置。
【請求項３】
前記金属細線のカールの他端は塑性変形後の破断面を有することを特徴とする請求項１または２に記載のチップ積層型の半導体装置。
【請求項４】
前記金属細線のカールの他端は再溶融後の平滑面を有することを特徴とする請求項１または２に記載のチップ積層型の半導体装置。
【請求項５】
第１の半導体チップもしくは前記基材と第２の半導体チップの間の間隙に充填した充填材を有し、第１の半導体チップもしくは前記基材とインナーリードとを接続する金属細線が前記充填材のフィレット部を貫通することを特徴とする請求項１または２に記載のチップ積層型の半導体装置。
【請求項６】
第１の半導体チップもしくは前記基材と第２の半導体チップとの双方の電極のセンター位置が不一致であることを特徴とする請求項１または２に記載のチップ積層型の半導体装置。
【請求項７】
第２の半導体チップと第３の半導体チップとの双方の電極のセンター位置が不一致であることを特徴とする請求項２に記載のチップ積層型の半導体装置。
【請求項８】
第１の半導体チップもしくは電気的接続配線層を有する基材と第１の半導体チップもしくは前記基材に対向して積層配置する第２の半導体チップとの間に電気的配線を形成するものであって、ツールから繰り出す金属細線の先端にカールを形状し、前記ツールを第１の半導体チップもしくは前記基材の電極へ押圧して前記カールの後端側で前記金属細線を前記電極へ接合し、前記カールから前記金属細線を切り離して前記電極上に前記カールからなるプローブを形成し、第２の半導体チップの電極に前記プローブの先端を接合して前記電気的配線を形成することを特徴とするチップ積層型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および製造方法に関し、電気的接続配線層を有する基材に半導体チップを積層する場合や、異なる半導体チップ同士を積層する際に、互いの電極間に金属細線を使用して任意の接続を行なう技術に係るものである。
【背景技術】
【０００２】
現在、小型表面実装型の半導体パッケージの技術はリードフレーム系や基板系に大別されており、リードフレーム系、基板系のそれぞれにおいて複数の半導体チップを積層搭載して配線接続する技術がある。
【０００３】
近年、ＬＳＩの発達はメモリ／ロジック混載あるいはアナログ／デジタル混載が急速に進行しているが、市場のコスト競争力はさらに進み、今や、複数の半導体チップを１パッケージ化する方が、１チップ化するよりも、利益を上げる可能性が出てきた。その例としてマルチチップタイプや積層タイプの半導体装置がある。
以下、従来の半導体装置について図６および図７を参照しながら説明する。図７は従来の半導体チップを積層したマルチチップタイプの半導体装置示す断面図である。このマルチチップタイプの半導体装置は、リードフレーム１ａのダイパッド２の主面上に接着ペースト４ａで第１の半導体チップ３ａをダイボンディングし、第１の半導体チップ３ａの上に接着シート４ｂで第２の半導体チップ３ｂをダイボンディングして複数の半導体チップを積層搭載している。
【０００４】
このダイボンディングの後に、金属細線５ａにより第１の半導体チップ３ａおよび第２の半導体チップ３ｂの電極８とリードフレーム１ａの各インナーリード部１ｂとをワイヤーボンドし、封止樹脂１０による外囲のモールドを行なって複数のチップを１パッケージ化していた。
【０００５】
図６は従来の半導体装置における金属細線を用いた配線方法を示す断面図である。図６（ａ）に示すように、ツール６を通して金属細線５ａを配置する。図６（ｂ）に示すように、ツール６を通った金属細線５ａの先端に金属ボール５ｂを形成する。この金属ボール５ｂは、いわゆるワイヤーボンディング工法によって形成するものであり、金属細線５ａとトーチ７との間で瞬間放電する電気的エネルギーによって金属細線５ａの先端部を溶融せしめ、その溶融金属を表面張力により凝集させ、その後に冷却凝固させたものである。
【０００６】
図６（ｃ）に示すように、金属細線５ａを電極８に圧着接合し、図６（ｄ）に示すように、ツール６を引き上げて金属細線５ａの引ちぎりを実施する。この一連の動作を連続して行う。
【０００７】
半導体装置が完成した後は、電気的接続あるいは信号検査，信頼性試験が行われ、良品判定された製品は梱包出荷される。
【特許文献１】特開平８−１２５１１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、従来の半導体装置において、特に積層したマルチチップタイプの半導体装置では、チップシュリンクやパッドサイズの縮小化や微細化が進んで製品信頼性確保の難易度が高いこと、ＰＡＤ配置やパッドサイズの違うチップ間の接続に対して制約があった。
【０００９】
また、チップにダメージを与えることなく、かつ接続安定性も確保してフリップチップのチップ間を一定にすることは、チップ設計のシュリンク化とパッケージの小型化、要求される高信頼性にとって課題である。
【００１０】
本発明は接続ダメージの低減と接続高さのバラツキ低減により、パッドへの応力ダメージや接続信頼性低下を防止し、品質及び生産安定性の向上を図ったチップ積層型の半導体装置および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】
【００１１】
上記の目的を達成するために、本発明の半導体装置は、第１の半導体チップもしくは電気的接続配線層を有する基材と、第１の半導体チップもしくは前記基材に対向して積層配置する第２の半導体チップとの間に電気的配線を形成したものであって、前記電気的配線が、カール状の金属細線の一端を第１の半導体チップもしくは基材の電極に接続配置し、前記カール状の金属細線の他端を第２の半導体チップの電極に接続配置してなることを特徴とする。
【００１２】
また、第１の半導体チップもしくは前記基材の上に、第２の半導体チップに対向して第３の半導体チップを積層配置し、第２の半導体チップと第３の半導体チップの間に形成する電気的配線が、金属細線のカールの一端を第２の半導体チップの電極に接続配置し、前記金属細線のカールの他端を第３の半導体チップの電極に接続配置してなることを特徴とする。
【００１３】
また、前記金属細線のカールの他端は塑性変形後の破断面を有することを特徴とする。
また、前記金属細線のカールの他端は再溶融後の平滑面を有することを特徴とする。
また、第１の半導体チップもしくは前記基材と第２の半導体チップの間の間隙に充填した充填材を有し、第１の半導体チップもしくは前記基材とインナーリードとを接続する金属細線が前記充填材のフィレット部を貫通することを特徴とする。
【００１４】
また、第１の半導体チップもしくは前記基材と第２の半導体チップとの双方の電極のセンター位置が不一致であることを特徴とする。
また、第２の半導体チップと第３の半導体チップとの双方の電極のセンター位置が不一致であることを特徴とする。
【００１５】
本発明の半導体装置の製造方法は、第１の半導体チップもしくは電気的接続配線層を有する基材と第１の半導体チップもしくは前記基材に対向して積層配置する第２の半導体チップとの間に電気的配線を形成するものであって、ツールから繰り出す金属細線の先端にカールを形状し、前記ツールを第１の半導体チップもしくは前記基材の電極へ押圧して前記カールの後端側で前記金属細線を前記電極へ接合し、前記カールから前記金属細線を切り離して前記電極上に前記カールからなるプローブを形成し、第２の半導体チップの電極に前記プローブの先端を接合して前記電気的配線を形成することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、ワイヤーボンディングに用いられるツール先端から導出される金属細線に機械的応力を加えてカールさせ、導出された金属細線の長さで第１の半導体チップもしくは電気的接続配線層を有する基材の電極に接続配置してカールしたプローブを形成すし、同様に複数の電極にもワイヤーボンディングを連続実施してプローブを形成することで、第１の半導体チップもしくは基材と第２の半導体チップとの間に複数の電気的配線を形成することが可能となる。
【００１７】
また、フリップチップ接続する第２の半導体チップの電極とカール先端部を接触させる際に、カールした金属細線の高さが一定になるまで加重しても、カール形状が応力を吸収して変形することで、第２の半導体チップの電極へのダメージを低減することが可能となる。
【００１８】
また、第３の半導体チップの電極に形成するプローブのカール径を第１の半導体チップもしくは基材の電極上に形成するプローブのカール径より小さくすることで、高さの異なる複数のプローブの先端位置を合わせることが出来る。
【００１９】
また、カールした金属細線の先端はワイヤーボンディングの際にツール先端によって圧縮切断されて塑性変形後の破断面を有し、加工硬化によってカール部より硬い金属素地を有すことで、先端部の変形バラツキが少ない先鋭先端を形成でき、第２の半導体チップの電極面積が小さくてもピンポイントで接続することが可能である。
【００２０】
また、カールした金属細線の先端はワイヤーボンディングに用いられるツール先端によって圧縮切断された後に電気スパークで加熱溶融して塑性変形後の破断面を平滑化面となすことで、先端部の面積バラツキが少ない先端を丸みを持った形状とすることができ、第２の半導体チップの電極との接続面積のバラツキを低減して接続することができる。
【００２１】
また、プローブ以外の外部端子と接続する金属細線はフィレットを貫通することで充填材により固定および保護せれるので、次工程での金属細線の変形防止に有効である。
以上のように、本発明によれば、フリップチップ接合により複数の半導体チップを積層搭載する半導体装置や電気的接続配線層を有する基材において、積層搭載する半導体チップの電極サイズが小さく、使用する金属細線が細くなるに伴って必然となる低反発なコンタクト性を実施でき、電極サイズに依存しないことで既存技術を微細化に展開できる形態である。
【００２２】
つまり、従来のワイヤーボンド技術ではフリップチップ接続用のバンプ（電極間接続用の金属の突起）を形成するに、電極サイズとツール先端径、金属線径の組合せに制約があり、微細化に伴う電極サイズの縮小化を阻害していたが、本発明では電極サイズが縮小しても、それに合ったツール径を選択して金属細線の細線化が進むことに対応可能となるとともに、接合面積が縮小化した際の低反発なコンタクト性を持ったプローブで接触抵抗を均一化できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態における半導体装置について図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における半導体装置を示す模式図である。図１（ｂ）に示すように、半導体装置は、ダイパッド２の上に接着ペースト４ａを介して第１の半導体チップ３ｃを配置し、フリップチップ接合する第１の半導体チップ３ｃと、第１の半導体チップ３ｃに対向して積層配置する第２の半導体チップ３ｄとの間に電気的配線を形成するものである。この電気的配線は、カール状の金属細線からなるプローブ５ｅの一端を第１の半導体チップ３ｃの電極８に接続配置し、プローブ５ｅの他端を第２の半導体チップ３ｄの電極８に接続配置してなる。第１の半導体チップ３ｃと第２の半導体チップ３ｄとの間の間隙には充填材１１ａを充填しており、第１の半導体チップ３ｃの電極８とインナーリード１ｂを接続して設けた金属細線５ｇが充填材１１ａのフィレット１１ｂを貫通している。
【００２４】
以下に半導体装置の製造方法を説明する。フリップチップ接合する前に、第１の半導体チップ３ｃの電極８にプローブ５ｅを形成する。これは図２に示す操作において行なう。図２（ａ）に示すように、ツール６から金属細線５ａを繰り出し、図２（ｂ）に示すように、ツール６を通った金属細線５ａの先端を所定形状の型９に押し当ることで塑性加工し、先端に曲がった形状のカールを形成する。図２（ｃ）に示すように、金属細線５ａをツール６の先端から一定長さ導出し、この状態で、図２（ｄ）に示すように、ツール６を第１の半導体チップ３ｃの電極８へ降下加重し、カールの後端側で金属細線５ａを電極８へ圧着して、いわゆるウエッジボンディングにより金属細線５ａを切断する。これにより電極８上にカールしたプローブ５ｅを形成する。プローブ５ｅの高さは金属細線５ａの導出量やカール径でコントロールすることができる。
【００２５】
金属細線５ａは塑性変形を伴って破断することで金属細線５ａの先端に加工硬化が起るので、プローブ５ｅの先端は硬くなり、プローブ５ｅの先端に加重がかかっても変形し難くなり、プローブ５ｅ自身の弾性反発力を得ることができるので、ソフトコンタクト、低温接合に対して有効である。
【００２６】
次に、図１（ａ）に示すように、外部端子となるインナーリード１ｂへ金属細線５ｇを配線する。そして、フリップチップ接合する第２の半導体チップ３ｄをプローブ５ｅの先端直上に合わせて配置する。この際に、第１の半導体チップ３ｃと第２の半導体チップ３ｄの電極８のセンター位置は必ずしも一致する必要はなく、位置のズレは金属細線５ａの導出量やカール形状により任意に調整することができる。このことで、チップ設計上の制約が軽減される。
【００２７】
第２の半導体チップ３ｄとプローブ５ｅとのフリップチップ接続には超音波振動による金属拡散接合原理を応用する。こうすることでプローブ５ｅと電極８の機械的接合ダメージを抑えることができる。そして、プローブ５ｅだけでは第２の半導体チップ３ｄを支える保持力が低くなるので充填材１１を注入して保護と固着を行なう。
【００２８】
ここで、第１の半導体チップ３ｃと第２の半導体チップ３ｄの双方のチップ端辺位置が一致しない積層状態のとき、すなわち同一チップサイズ、同一チップ方向でチップ中心位置が一致して積層される以外の場合は、金属細線５ｇが充填材１１ａのフィレット１１ｂを貫通し、フィレット１１ｂが金属細線５ｇを保護することで、次工程での金属細線５ｇの変形防止に対して有効である。
【００２９】
このように電極８へのダメージが懸念される微細プロセスチップや電極８の下の断面構造上応力を極力小さくしたい場合には、カールしたプローブ５ｅがそれそれ弾力性を均一に保つことで、ソフトコンタクト、低温接合に対して有効である。
（実施の形態２）
プローブ５ｅは以下のように形成することもできる。図３（ａ）に示すように、ツール６から金属細線５ａを繰り出し、図３（ｂ）に示すように、トーチ７による放電で一旦金属細線５ａの先端を再溶融させて破断面を平滑化する。
【００３０】
図３（ｃ）に示すように、ツール６を通った金属細線５ａの先端を所定形状の型９に押し当ることで塑性加工し、先端に曲がった形状のカールを形成する。図３（ｄ）に示すように、金属細線５ａをツール６の先端から一定長さ導出し、この状態で、図３（ｅ）に示すように、ツール６を第１の半導体チップ３ｃの電極８へ降下加重し、カールの後端側で金属細線５ａを電極８へ圧着して、いわゆるウエッジボンディングにより金属細線５ａを切断する。これにより電極８上にカールしたプローブ５ｅを形成する。プローブ５ｅの高さは金属細線５ａの導出量やカール径でコントロールすることができる。
【００３１】
上述したように金属細線５ａは塑性変形を伴って破断した先端の切断面をトーチ７による放電で再溶融させて金属ボール５ｄを形成して平滑化するので、先端に再結晶化が起る。このためプローブ５ｅの先端は柔らかくなり、複数のプローブ５ｅの先端に一括して加重がかかる際に、プローブ５ｅの先端の平滑面が揃っていることによって、安定した接触抵抗を得ることができ、ソフトコンタクト、低温接合に対して有効である。
（実施の形態３）
図４および図５は本発明の実施の形態３における半導体装置を示す模式図である。図４および図５において、半導体装置は、ダイパッド２の上に接着ペースト４ａを介して第１の半導体チップ３ｃを配置し、第１の半導体チップ３ｃの上に接着シート４ｂを介して第３の半導体チップ３ｅを積層配置し、フリップチップ接合する第１の半導体チップ３ｃおよび第３の半導体チップ３ｅに対向して積層配置する第２の半導体チップ３ｄとの間に電気的配線を形成するものである。
【００３２】
この電気的配線は、カール状の金属細線からなるプローブ５ｅの一端を第１の半導体チップ３ｃの電極８に接続配置し、プローブ５ｅの他端を第２の半導体チップ３ｄの電極８に接続配置し、カール状の金属細線からなるプローブ５ｆの一端を第３の半導体チップ３ｅの電極８に接続配置し、プローブ５ｆの他端を第２の半導体チップ３ｄの電極８に接続配置してなる。第１の半導体チップ３ｃと第２の半導体チップ３ｄとの間の間隙には充填材１１ａを充填しており、第１の半導体チップ３ｃの電極８とインナーリード１ｂを接続して設けた金属細線５ｇが充填材１１ａのフィレット１１ｂを貫通している。
【００３３】
本実施の形態に係る半導体装置の製造方法におけるプローブ５ｅ、５ｆの形成方法は、先に図２および図３において説明した何れかの方法と同様にして行なうので詳細な説明を省略するが、プローブ５ｆはプローブ５ｅよりもカール径を小さくすることで、双方のプローブ５ｅ、５ｆの先端高さを合わせる。このことで、高さの異なる複数のプローブ５ｅ、５ｆを組合せて用いることができる。
【００３４】
次に、プローブ５ｅ、５ｆを形成した後に、外部端子となるインナーリード１ｂへ金属細線５ｇを配線する。そして、フリップチップ接合する第２の半導体チップ３ｄをプローブ５ｅ、５ｆの先端直上に合わせて配置する。この際に、第１の半導体チップ３ｃおよび第３の半導体チップ３ｅと第２の半導体チップ３ｄの電極８のセンター位置は必ずしも一致する必要はなく、位置のズレは金属細線５ａの導出量やカール形状により任意に調整することができる。
【００３５】
第２の半導体チップ３ｄとプローブ５ｅ、５ｆとのフリップチップ接続には超音波振動による金属拡散接合原理を応用する。こうすることでプローブ５ｅ、５ｆと電極８の機械的接合ダメージを抑えることができる。そして、プローブ５ｅ、５ｆだけでは第２の半導体チップ３ｄを支える保持力が低くなるので充填材１１を注入して保護と固着を行なう。他の作用効果は先の実施の形態と同様である。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明は、半導体チップや回路基板における微細化において生じる電極間接続抵抗バラツキやチップ素子へのダメージを低減し、接続信頼性を向上せしめることができ、複数の半導体チップをパッケージに搭載してなる半導体装置等に有効である。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の実施の形態１における半導体装置の構成を示す断面図
【図２】同実施の形態１におけるプローブの形成方法を示す模式図
【図３】本発明の実施の形態２におけるプローブの形成方法を示す模式図
【図４】本発明の実施の形態３における半導体装置の構成を示す断面図
【図５】同実施の形態３における半導体装置を示す平面図
【図６】従来の半導体装置の製造方法を説明するための模式図
【図７】同半導体装置の構成を示す断面図
【符号の説明】
【００３８】
１ａ    リードフレーム
１ｂ    インナーリード
２      ダイパット
３ａ    第１の半導体チップ
３ｂ    第２の半導体チップ
３ｃ    第１の半導体チップ
３ｄ    第２の半導体チップ
３ｅ    第３の半導体チップ
４ａ    接着ペースト
４ｂ    接着シート
５ａ    金属細線
５ｂ    金属ボール
５ｃ    破断部
５ｄ    金属ボール
５ｅ    プローブ
５ｆ    プローブ
５ｇ    金属細線
６      ツール
７      トーチ
８      電極
９      第１の半導体チップ
１０      封止樹脂
１１ａ    充填材
１１ｂ    フィレット
【図１】
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【図２】
2008192713.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2008192713.tif 000008
【図７】
2008192713.tif 000009