(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１外部電極と第１積層用接合ランドを備える第１キャリア基板に１または複数の電子部品を搭載する第１半導体装置と、
前記第１半導体装置の前記電子部品搭載面上に形成される絶縁層と、
前記絶縁層上に積層され、前記第２積層用接合ランドを備える第２キャリア基板に１または複数の電子部品を搭載する第２半導体装置と、
前記絶縁層を厚み方向に貫通した複数の開口部内に配置され、前記第１積層用接合ランドと前記第２積層用接合ランドを電気的に接続する複数の中間電極と
を有し、前記開口部の前記第２半導体装置側の端部にテーパを設け、
前記第１半導体装置と前記第２半導体装置との間隔が広くなるにしたがって、前記テーパのテーパ角度が徐々に大きくなる
ことを特徴とする積層型半導体装置。
【請求項２】
前記第１半導体装置および前記第２半導体装置の中心部から外周部にかけて、前記テーパの角度が徐々に大きくなることを特徴とする請求項１記載の積層型半導体装置。
【請求項３】
前記第１半導体装置および前記第２半導体装置の中心部から外周部にかけて、前記テーパの角度が徐々に小さくなることを特徴とする請求項１記載の積層型半導体装置。
【請求項４】
前記第１半導体装置と前記第２半導体装置との間隔が広くなるにしたがって、前記中間電極の高さが徐々に高くなることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の積層型半導体装置。
【請求項５】
前記第１半導体装置と前記第２半導体装置との間隔が広くなるにしたがって、前記中間電極の高さが徐々に高くなることを特徴とする請求項１または３のいずれかに記載の積層型半導体装置。
【請求項６】
前記第１半導体装置および前記第２半導体装置の中心部から外周部にかけて、前記中間電極の高さが徐々に高くなることを特徴とする請求項４記載の積層型半導体装置。
【請求項７】
前記第１半導体装置および前記第２半導体装置の中心部から外周部にかけて、前記中間電極の高さが徐々に低くなることを特徴とする請求項５記載の積層型半導体装置。
【請求項８】
前記第１半導体装置と前記第２半導体装置との間隔が広くなるにしたがって、前記中間電極の径が徐々に小さくなることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の積層型半導体装置。
【請求項９】
前記第１半導体装置および前記第２半導体装置の中心部から外周部にかけて、前記中間電極の径が徐々に小さくなることを特徴とする請求項４または６いずれかに記載の積層型半導体装置。
【請求項１０】
前記第１半導体装置および前記第２半導体装置の中心部から外周部にかけて、前記中間電極の径が徐々に大きくなることを特徴とする請求項５または７いずれかに記載の積層型半導体装置。
【請求項１１】
前記第１半導体装置と前記第２半導体装置との間隔が広くなるにしたがって、前記絶縁層の厚みが徐々に厚くなることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載の積層型半導体装置。
【請求項１２】
前記第１半導体装置および前記第２半導体装置の中心部から外周部にかけて、前記絶縁層の厚みが徐々に厚くなることを特徴とする請求項４または６または９いずれかに記載の積層型半導体装置。
【請求項１３】
前記第１半導体装置および前記第２半導体装置の中心部から外周部にかけて、前記絶縁層の厚みが徐々に薄くなることを特徴とする請求項５または７または１０いずれかに記載の積層型半導体装置。
【請求項１４】
前記第１半導体装置または第２半導体装置へ前記電子部品を積層して搭載することを特徴とする請求項１乃至１３のいずれかに記載の積層型半導体装置。
【請求項１５】
前記第１半導体装置または第２半導体装置へ前記電子部品を並列に搭載することを特徴とする請求項１乃至１３のいずれかに記載の積層型半導体装置。
【請求項１６】
前記電子部品のうち少なくとも１つが半導体素子であることを特徴とする請求項１乃至１５のいずれかに記載の積層型半導体装置。
【請求項１７】
前記第１半導体装置に搭載された前記電子部品を樹脂封止することを特徴とする請求項１乃至１６のいずれかに記載の積層型半導体装置。
【請求項１８】
前記第２半導体装置に搭載された前記電子部品を樹脂封止することを特徴とする請求項１乃至１７のいずれかに記載の積層型半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の半導体装置を１つのパッケージに実装する積層型半導体装置及び積層型半導体装置の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、電子機器の小型化、高性能化および高速化のために、半導体装置に対しても小型化、薄型化、高速化、多端子化及び高密度実装化が要求されるようになっている。中でも特に、実装面積の削減・高密度実装化を目的として半導体装置を３次元実装した積層型半導体装置（パッケージ  オン  パッケージ）が注目されている（例えば、特許文献１，特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００４−２８１９１９号公報
【特許文献２】特開２００４−２８９００２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、半導体装置には各構成材料の線膨張係数の差異・アンバランスによる反りが少なからず発生する。半導体装置を３次元実装した時、この反り発生のため、はんだボール等の金属電極を介して半導体装置を積層する方法では、半導体装置間の間隔が大きく広がり、接合不良（オープン不良）の発生や接合強度・接合信頼性が劣化するという課題があった。
【０００４】
そこで、本発明では、半導体装置の反りを考慮しつつ、３次元実装時の接合歩留り、接合強度・信頼性を向上させることが可能な積層型半導体装置および積層型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】
【００１３】
上記目的を達成するために、本発明の積層型半導体装置は、第１外部電極と第１積層用接合ランドを備える第１キャリア基板に１または複数の電子部品を搭載する第１半導体装置と、前記第１半導体装置の前記電子部品搭載面上に形成される絶縁層と、前記絶縁層上に積層され、前記第２積層用接合ランドを備える第２キャリア基板に１または複数の電子部品を搭載する第２半導体装置と、前記絶縁層を厚み方向に貫通した複数の開口部内に配置され、前記第１積層用接合ランドと前記第２積層用接合ランドを電気的に接続する複数の中間電極とを有し、前記開口部の前記第２半導体装置側の端部にテーパを設け、前記第１半導体装置と前記第２半導体装置との間隔が広くなるにしたがって、前記テーパのテーパ角度が徐々に大きくなることを特徴とする。
また、前記第１半導体装置および前記第２半導体装置の中心部から外周部にかけて、前記テーパの角度が徐々に大きくなっても良い。
また、前記第１半導体装置および前記第２半導体装置の中心部から外周部にかけて、前記テーパの角度が徐々に小さくなっても良い。
【００１４】
また、前記第１半導体装置と前記第２半導体装置との間隔が広くなるにしたがって、前記中間電極の高さが徐々に高くなっても良い。
また、前記第１半導体装置および前記第２半導体装置の中心部から外周部にかけて、前記中間電極の高さが徐々に高くなっても良い。
また、前記第１半導体装置および前記第２半導体装置の中心部から外周部にかけて、前記中間電極の高さが徐々に低くなっても良い。
【００１５】
また、前記第１半導体装置と前記第２半導体装置との間隔が広くなるにしたがって、前記中間電極の径が徐々に小さくなっても良い。
また、前記第１半導体装置および前記第２半導体装置の中心部から外周部にかけて、前記中間電極の径が徐々に小さくなっても良い。
また、前記第１半導体装置および前記第２半導体装置の中心部から外周部にかけて、前記中間電極の径が徐々に大きくなっても良い。
また、前記第１半導体装置と前記第２半導体装置との間隔が広くなるにしたがって、前記絶縁層の厚みが徐々に厚くなっても良い。
また、前記第１半導体装置および前記第２半導体装置の中心部から外周部にかけて、前記絶縁層の厚みが徐々に厚くなっても良い。
また、前記第１半導体装置および前記第２半導体装置の中心部から外周部にかけて、前記絶縁層の厚みが徐々に薄くなっても良い。
【００１８】
また、前記第１半導体装置または第２半導体装置へ前記電子部品を積層して搭載しても良い。
【００１９】
また、前記第１半導体装置または第２半導体装置へ前記電子部品を並列に搭載しても良い。
【００２０】
また、前記電子部品のうち少なくとも１つが半導体素子であっても良い。
【００２１】
また、前記第１半導体装置に搭載された前記電子部品を樹脂封止しても良い。
【００２２】
また、前記第２半導体装置に搭載された前記電子部品を樹脂封止しても良い。
【００２３】
以上により、半導体装置の反りを考慮しつつ、３次元実装時の接合歩留り、接合強度・信頼性を向上させることができる。
【発明の効果】
【００２４】
以上のように、２つの半導体装置を積層する際に、半導体装置間の絶縁層に両者を電気的に接続する中間電極の形成領域となる開口部を、半導体装置の反りを考慮して形成し、この時、上になる半導体装置が備える中間電極となる外部電極の体積と同じ体積となるように開口部の開口径を調整することにより、積層する半導体装置に反りが生じていても、上になる半導体装置の中間電極材料となる外部電極の体積を反りに合わせて変えることなく、両半導体装置を確実に電気的に接続する中間電極を形成することができるため、３次元実装時の接合歩留り、接合強度・信頼性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明の各実施形態に係る半導体装置について図１，図２，図３，図４，図５を参照しながら説明する。
図１は本発明の第１実施形態に係る積層型半導体装置の断面図である。
【００２６】
図１において、第１実施形態では半導体装置１０ａと半導体装置１０ｂは、各半導体装置を電気的に接続するための中間電極２６を介して接合（積層）される。下側となる半導体装置１０ａは第１キャリア基板１１を備え、第１キャリア基板１１両面には、第１接合ランド１４と外部電極ランド１５がそれぞれ形成されている。なお、図示はしていないが、第１キャリア基板１１内部には、電気特性を得るための内部金属配線が形成されている。そして、第１キャリア基板１１の第１接合ランド１４が形成されている面に、第１半導体素子１２がフリップチップ実装されている。例えば、第１接着層１３にＮＣＦ（Ｎｏｎｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ  Ｆｉｌｍ）を用いたＮＣＦ接合によってフリップチップ実装を行う。また、反対側の外部電極ランド１５上にはそれぞれ外部電極１６が形成されており、最終的な電子機器の実装基板と接合する役割を果たす。
【００２７】
上側となる半導体装置１０ｂは、第２キャリア基板２０を備え、第２キャリア基板２０両面には、配線ランド２４と第２接合ランド２５が形成されている。なお、図示はしていないが、第２キャリア基板２０内部には、電気特性を得るための内部金属配線が形成されている。そして、第２キャリア基板２０の配線ランド２４が形成されている面には、第２半導体素子２１が第２接着層２２を介して接合されており、さらには第２半導体素子２１と配線ランド２４が金属細線２３によって電気的につながっている（ワイヤーボンド接合）。また、反対側の第２接合ランド２５上にはそれぞれ中間電極２６となる外部電極が形成されている。半導体装置１０ｂの外部電極としては、はんだ材料を使用し、はんだボールやはんだバンプ等とする。また、第２半導体素子２１を含めて第２キャリア基板全体を覆うように第２封止樹脂２９が形成されている。
【００２８】
さらに、半導体装置１０ａと半導体装置１０ｂの間には絶縁層１７を備えている。この絶縁層１７は、中間電極２６と同じ配置で開口部１８を備えており、中間電極２６はこの絶縁層の開口部１８中に半導体装置１０ｂの外部電極を溶融して形成されており、第１接合ランド１４と接合部２７を介して接合され、また、第２接合ランド２５とも接合部２８を介して接合されている。なお、第１キャリア基板１１および第２キャリア基板２０としては、例えば、両面基板、多層配線基板、ビルドアップ基板、ＡＬＩＶＨ基板、テープ基板またはフィルム基板などを用いることができ、材質としては、例えば、ガラスエポキシ樹脂、ＢＴレジン、アラミド、ポリイミド樹脂、セラミックなどを用いることができる。
【００２９】
ここで、絶縁層の開口部１８は、半導体装置１０ａおよび半導体装置１０ｂの反りによるそれぞれの開口部での半導体装置１０ａと半導体装置１０ｂとの間隔に合わせて、第１キャリア基板１１の中央部から外周部にかけて高さを変化させ、あらかじめ定められた体積となるように形成された半導体装置１０ｂの外部電極を溶融して成る中間電極２６の体積と合わせるために、開口径を調整して、半導体装置１０ａと半導体装置１０ｂとの間隔に対応した開口径と絶縁層の厚みを確保している。例えば、半導体装置１０ａが上側に凸に反り、半導体装置１０ｂは反りがない場合、中心部よりも外周部にいくほど絶縁層の開口部１８の径を小さくし、また、絶縁層１７の厚みを厚くする。逆に、半導体装置１０ａが反対側に反った場合は、中心部よりも外周部にいくほど絶縁層の開口部１８を大きくし、また、絶縁層１７の厚みを薄くする。
【００３０】
このように、半導体装置間の間隔に対応する中間電極の高さになるように、開口部の体積を一定にしながら絶縁層に形成する開口部の高さと開口径を調整することにより、半導体装置１０ａおよび半導体装置１０ｂの反りによって発生する第１キャリア基板１１と第２キャリア基板２０との間隔の不均一性から、間隔が最大となる箇所においても、あらかじめ形成された半導体装置の積層に際しても、安定的な中間電極２６を介した接合（積層）が可能となり、半導体装置の反りを考慮しつつ、３次元実装時の接合歩留り、接合強度・信頼性を向上させることができる。
【００３１】
図２は本発明の第２実施形態に係る積層型半導体装置の断面図である。図２において、基本的な構成は第１実施形態と同じであるが、さらに、第２接合部２８側の絶縁層の開口部１８にテーパ部１９を備えている。この絶縁層のテーパ部１９も半導体装置１０ａおよび半導体装置１０ｂの反りに合わせて半導体装置１０ｂの各々の外部電極が開口部に安定して接触するように、第１キャリア基板１１の中央部から外周部にかけてテーパ角度を変化させている。例えば、半導体装置１０ａが上側に凸に反り、半導体装置１０ｂは反りがない場合、中心部よりも外周部にいくほど絶縁層のテーパ部１９の角度を大きくする。逆に、半導体装置１０ａが反対側に反った場合は、中心部よりも外周部にいくほど絶縁層のテーパ部１９の角度を小さくする。
【００３２】
このように、接合部２８にテーパを設けることにより、半導体装置１０ａ上に半導体装置１０ｂをマウントする際に、開口部１８への外部端子３６先端部の入り込みを深くし、なおかつ、テーパ角度を変化させることによって、開口部１８への外部端子３６先端部の入り込み深さを２つの半導体装置の反りに対応させて調整し、２つの半導体装置の反りに影響を受けずに、絶縁層の開口部１８上に中間電極２６となる半導体装置１０ｂの外部電極をより安定的、かつ均一に接触（マウント）させることが可能となる。
【００３３】
なお、上記の実施形態では、第１半導体素子１２をフリップチップ実装とし、第２半導体素子２１をワイヤーボンド接合としているが、両者ともどちらの接合方法を採用しても何ら問題ない。また、フリップチップ実装としては、ＮＣＦ接合の他に、ＮＣＰ（Ｎｏｎｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ  Ｐａｓｔｅ）、ＡＣＦ（Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ  ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ  Ｆｉｌｍ）やＡＣＰ（Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ  ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ  Ｐａｓｔｅ）を用いても構わない。また、第１半導体素子１２および第２半導体素子２１ともに１個しか図示していないが、複数の半導体素子を上下方向に積層、または並列に接合しても構わない。このとき、半導体素子に限らず、小型の電子部品を半導体素子と合わせて接合しても構わず、搭載する電子部品の組み合わせは任意である。また、封止樹脂についても、信頼性上問題なければ、第２封止樹脂２９は無くても構わない。逆に、図３の本発明の第３実施形態に係る積層型半導体装置の断面図に示すように、第１半導体素子上に、中間電極２６の領域に影響しない程度で第１封止樹脂３０を形成しても構わない。
【００３４】
また、上記の実施形態では、半導体装置１０ｂに反りはなく、半導体装置１０ａが上側に凸に反った場合と下側に反った場合を例に挙げて説明したが、この他、半導体装置１０ｂにも反りが発生することを含め、すべての反り状態の組み合わせにおいても、開口部の体積が一定となるように開口径と高さを調節して、半導体素子間の間隔に対応することが可能である。
【００３５】
次に、本発明における実施形態に係る半導体装置の製造方法について図面を参照しながら説明する。図４は本発明における第１実施形態に係る積層型半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。また、図５は本発明における第２実施形態に係る積層型半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。
【００３６】
図４（ａ）に示すように、まず、組立完了した半導体装置１０ａを準備する。また、図示していないが、同様に組立完了した半導体装置１０ｂも準備する（半導体装置１０ａおよび半導体装置１０ｂの製造方法は公知の技術のため記載省略）。この時、両半導体装置の反りを計測しておく。なお、半導体装置１０ｂの外部端子の体積は所定の大きさに統一して形成されている。
【００３７】
次に、図４（ｂ）に示すように、半導体装置１０ａの第１半導体装置１２が実装されている側に、絶縁層の開口部１８と第１接合ランド１４をそれぞれ位置合わせして、絶縁層１７を形成する。例えば、あらかじめ半導体装置１０ａおよび１０ｂの反りを考慮して絶縁層の厚みおよび開口部１８が制御された絶縁層１７を貼り付けるか、もしくは、半導体装置１０ａに厚みを調整した絶縁層１７を貼り付けた後に、開口部１８をレーザー加工やフォトリソグラフィ工法によって開口部１８を形成してもよい。ここで、絶縁層の開口部１８の高さは、半導体装置１０ａおよび半導体装置１０ｂの反りに合わせて、第１キャリア基板１１の中央部から外周部にかけて、半導体装置１０ｂの反りによる半導体装置１０ａと半導体装置１０ｂの間隔の差分だけ変化させている。ただし、開口部１８に半導体基板１０ｂの外部電極３６を溶融して中間電極２６を形成するため、中間電極２６の体積と絶縁層の開口部１８の体積をすべて同一とする必要があり、半導体装置１０ａおよび１０ｂの反りに合わせて開口径を変化させる。例えば、半導体装置１０ａが上側に凸に反り、半導体装置１０ｂは反りがない場合、中心部よりも外周部にいくほど絶縁層の開口部１８の径を小さくし、また、絶縁層１７の厚みを厚くする。逆に、半導体装置１０ａが反対側に反った場合は、中心部よりも外周部にいくほど絶縁層の開口部１８を大きくし、また、絶縁層１７の厚みを薄くする。
【００３８】
次に、図４（ｃ）に示すように、絶縁層１７を備えた半導体装置１０ａ上に、外部端子３６と絶縁層の開口部１８をそれぞれ位置合わせして半導体装置１０ｂをマウントする。
このとき、外部端子３６表面および第１接合ランド１４表面の不純物除去のため、フラックス等の表面活性剤３１を絶縁層の開口部１８に塗布もしくはピン転写しておく。また、外部端子３６表面にも同様にフラックス等の表面活性剤を塗布もしくは転写しておく。そして、２つの半導体装置１０ａおよび半導体装置１０ｂをマウントした状態で、リフロー炉等の高温加熱装置によって所望の温度プロファイルにて加熱する。この加熱によって、外部端子３６が融点以上まで温度上昇して溶融すると、毛細管現象により、外部端子３６がそれぞれ絶縁層の開口部１８に流れ込んで中間電極２６を形成する。そして、常温まで冷却後は、図４（ｄ）に示すように、中間電極２６を介して半導体装置１０ａ上に半導体装置１０ｂが接合（積層）される。
【００３９】
図５においても同様の製造方法であるが、絶縁層の開口部にテーパ部１９を設けているため、図５（ｃ）において、半導体装置１０ａ上に半導体装置１０ｂをマウントする際に、開口部１８への外部端子３６先端部の入り込みを深くし、なおかつ、テーパ角度を変化させることによって、開口部１８への外部端子３６先端部の入り込み深さを２つの半導体装置の反りに対応させて調整し、２つの半導体装置の反りに影響を受けずに、絶縁層の開口部１８上に外部端子３６をより安定的、かつ均一に接触（マウント）させることが可能となる。
【００４０】
なお、上記の製造方法において、半導体装置１０ｂに反りはなく、半導体装置１０ａが上側に凸に反った場合と下側に反った場合を例に挙げて説明したが、この他、半導体装置１０ｂにも反りが発生することを含め、すべての反り状態の組み合わせにおいても同様に、半導体装置間の間隔に応じて、一定体積の開口部の開口径および高さ、さらには、テーパを調整することが可能である。
【００４１】
また、外部端子３６はあらかじめ半導体装置１０ｂに形成され、絶縁層１７は半導体装置１０ａ上に形成されているが、反対の構成としても構わない。つまり、外部端子３６はあらかじめ半導体装置１０ａの第１接合ランド１４上に形成され、絶縁層１７は半導体装置１０ｂに形成されても構わない。
【００４２】
このように、半導体装置間の間隔に応じて、絶縁層の中間電極を形成する領域である開口部の開口径および高さを、所定の体積になるように調整することにより、半導体装置１０ａおよび半導体装置１０ｂの反りによって発生する第１キャリア基板１１と第２キャリア基板２０との間隔の不均一性から、間隔が最大となる箇所においても、絶縁層の開口部１８の開口径および絶縁層１７の厚みを制御することによって、形成される中間電極２６の高さを第１キャリア基板１１と第２キャリア基板２０との間隔に合わせることにより、安定的な中間電極２６を介した接合（積層）が可能となり、また、接合強度・信頼性も向上することができ、半導体装置の反りを考慮しつつ、３次元実装時の接合歩留り、接合強度・信頼性を向上させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明は、半導体装置の反りを考慮しつつ、３次元実装時の接合歩留り、接合強度・信頼性を向上させることができ、複数の半導体装置を１つのパッケージに実装する積層型半導体装置及び積層型半導体装置の製造方法等に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の第１実施形態に係る積層型半導体装置の断面図
【図２】本発明の第２実施形態に係る積層型半導体装置の断面図
【図３】本発明の第３実施形態に係る積層型半導体装置の断面図
【図４】本発明における第１実施形態に係る積層型半導体装置の製造方法を示す工程断面図
【図５】本発明における第２実施形態に係る積層型半導体装置の製造方法を示す工程断面図
【符号の説明】
【００４５】
１０ａ    半導体装置
１０ｂ    半導体装置
１１    第１キャリア基板
１２    第１半導体素子
１３    第１接着層
１４    第１接合ランド
１５    外部電極ランド
１６    外部電極
１７    絶縁層
１８    開口部
１９    テーパ部
２０    第２キャリア基板
２１    第２半導体素子
２２    第２接着層
２３    金属細線
２４    配線ランド
２５    第２接合ランド
２６    中間電極
２７    接合部
２８    接合部
２９    第２封止樹脂
３０    第１封止樹脂
３１    表面活性剤
【図１】
0004703356.tif 000002
【図２】
0004703356.tif 000003
【図３】
0004703356.tif 000004
【図４】
0004703356.tif 000005
【図５】
0004703356.tif 000006