(57)【要約】    【課題】  積層型マルチダイの半導体パッケージおよびその作製方法を提供する。    【解決手段】  半導体ダイ１８２、１８０の積層体を基板１８４に配置する工程を含む。その積層は、上側の半導体ダイ１８２の端縁部２０４が下側の半導体ダイから突出して凹部が形成されるようなかたちでなされる。フィラー２０８からなる支持用接着層１９０、１９２、１９４は、基板１８４上における下側の半導体ダイ１８０の端縁部２１０の周囲に配置されて凹部を充填する。フィラー２０８はミクロスフィアからなる。    【選択図】  図３
2005322887.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
この基板に接続された半導体ダイの積層体を備え、前記半導体ダイの積層体は上側の半導体ダイとこの上側の半導体ダイより小さい下側の半導体ダイを備え、前記上側の半導体ダイの端縁部が前記下側の半導体ダイの端縁部から突出することで前記基板上における前記下側の半導体ダイの端縁部の周囲に凹部が形成され、この凹部に第１のフィラーと第２のフィラーを含む支持用接着層を充填したことを特徴とする半導体パッケージ。
【請求項２】
前記第２のフィラーは前記第１のフィラーより大きいことを特徴とする請求項１記載の半導体パッケージ。
【請求項３】
前記第２のフィラーは前記凹部の高さの３０％より大きいことを特徴とする請求項１記載の半導体パッケージ。
【請求項４】
前記下側の半導体ダイの上面と前記上側の半導体ダイの底面とを接合する接着層を備え、この接着層は前記下側の半導体ダイの上面と前記上側の半導体ダイの底面との間に介在する複数のスペーサを有することを特徴とする請求項１記載の半導体パッケージ。
【請求項５】
前記スペーサは、ガラス、金属、セラミック、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、エポキシ樹脂およびポリマーからなる群より選ばれた材料からなることを特徴とする請求項４記載の半導体パッケージ。
【請求項６】
前記スペーサは単層を形成するように配列されたミクロスフィアからなることを特徴とする請求項４記載の半導体パッケージ。
【請求項７】
前記第１のフィラーおよび前記第２のフィラーは、ガラス、金属、セラミック、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、エポキシ樹脂およびポリマーからなる群より選ばれた材料からなることを特徴とする請求項１記載の半導体パッケージ。
【請求項８】
前記下側の半導体ダイの上面から前記上側の半導体ダイの上面の間のピッチは１２５μｍより小さいことを特徴とする請求項１記載の半導体パッケージ。
【請求項９】
前記第１のフィラーおよび前記第２のフィラーはミクロスフィアからなることを特徴とする請求項１記載の半導体パッケージ。
【請求項１０】
前記第１のフィラーおよび前記第２のフィラーは、大きいミクロスフィアと小さいミクロスフィアからなり、前記小さいミクロスフィアの直径に対する前記大きいミクロスフィアの直径の比は、１．１〜１０であることを特徴とする請求項１記載の半導体パッケージ。
【請求項１１】
前記第１のフィラーおよび前記第２のフィラーのうちの少なくとも一方が、ダミーダイ、能動素子のダイ、抵抗、コンデンサおよびインダクタからなる群より選ばれたものであることを特徴とする請求項１記載の半導体パッケージ。
【請求項１２】
前記第１のフィラーと前記第２のフィラーのうちの少なくとも一方は、前記上側の半導体ダイの前記下側の半導体ダイから突出した部分より小さい、またはより小さい、またはこの部分と略等しい横方向寸法を有していることを特徴とする請求項１１記載の半導体パッケージ。
【請求項１３】
基板を準備する工程と、
上側の半導体ダイと、この上側のダイより小さい下側の半導体ダイと、前記上側の半導体ダイの端縁部を前記下側の半導体ダイの端縁部から突出させて凹部が形成されるように前記下側の半導体ダイを前記上側の半導体ダイに接合させる接着層とからなる半導体ダイの積層体を、前記基板に接続する工程と、
前記基板上における前記下側の半導体ダイの端縁部の周囲に配置されて前記凹部を充填するフィラーからなる支持用接着層によって、前記上側の半導体ダイの外周部を支持する工程
からなることを特徴とする半導体パッケージの作製方法。
【請求項１４】
前記接着層は前記下側の半導体ダイの上面と前記上側の半導体ダイの底面との間に介在する複数のスペーサを有することを特徴とする請求項１３記載の半導体パッケージの作製方法。
【請求項１５】
前記スペーサは、ガラス、金属、セラミック、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、エポキシ樹脂およびポリマーからなる群より選ばれた材料からなることを特徴とする請求項１４記載の半導体パッケージの作製方法。
【請求項１６】
前記スペーサはミクロスフィアであることを特徴とする請求項１５記載の半導体パッケージの作製方法。
【請求項１７】
前記スペーサは単層を形成するように配列されたミクロスフィアからなることを特徴とする請求項１５記載の半導体パッケージの作製方法。
【請求項１８】
前記フィラーは、ガラス、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、エポキシ樹脂およびポリマーからなる群より選ばれた材料からなることを特徴とする請求項１３記載の半導体パッケージの作製方法。
【請求項１９】
前記下側の半導体ダイの上面から前記上側の半導体ダイの上面の間の搭載ピッチは１２５μｍより小さいことを特徴とする請求項１３記載の半導体パッケージの作製方法。
【請求項２０】
前記フィラーはミクロスフィアからなることを特徴とする請求項１３記載の半導体パッケージの作製方法。
【請求項２１】
前記フィラーは、大きいミクロスフィアと小さいミクロスフィアからなり、前記小さいミクロスフィアの直径に対する前記大きいミクロスフィアの直径の比は１．１〜１０であり、前記大きいミクロスフィアの直径が前記凹部の高さと略同一であることを特徴とする請求項１３記載の半導体パッケージの作製方法。
【請求項２２】
前記フィラーは、ダミーダイ、能動素子のダイ、抵抗、コンデンサおよびインダクタからなる群より選ばれたものであることを特徴とする請求項１３記載の半導体パッケージの作製方法。
【請求項２３】
前記支持用接着層は前記フィラーの間に介在するスペーサをさらに含むことを特徴とする請求項１３記載の半導体パッケージの作製方法。
【請求項２４】
前記スペーサはミクロスフィアであることを特徴とする請求項２３記載の半導体パッケージの作製方法。
【請求項２５】
前記フィラーが抵抗、コンデンサおよびインダクタからなる群より選ばれたものである場合に、前記フィラーは、前記上側の半導体ダイの前記下側の半導体ダイから突出した部分より小さい、またはより大きい、またはこの部分と略等しい横方向寸法を有していることを特徴とする請求項２２記載の半導体パッケージの作製方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、広く半導体パッケージを含む半導体装置およびその作製方法に関し、より詳細には、積層型ダイを備えた半導体パッケージおよびその作製方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
より小さく軽量で、そして高機能な電子装置に対して益々高まる需要は、外形と実装面積がより縮小化された半導体パッケージへの要求を付随的に生むことになった。そして、このことは、コンポーネントの実装密度を高密度化させることになったが、その高密度化には限度があった。そこで、この要求を満たす１つの解決策として、パッケージに封入される半導体ダイまたはチップを別のダイまたはチップ上に積層する技術が発展した。ダイ積層技術の例は、特許文献１などにおいて、すでに開示されている。
【０００３】
図１は、２つの積層されたダイ１０２および１０４を組み込んだ従来技術による半導体パッケージ１００の側断面図である。図示されているパッケージ１００は、基板１１０の上面に形成され、パッケージの入力／出力端として機能する複数の半田ボール１０６を備えた、ボールグリッドアレイ（“ＢＧＡ”）パッケージである。このパッケージ１００は、公知の配線基板１１０と、基板１１０の上面に搭載された第１の半導体ダイ１０２とを含んでいる。第１のダイ１０２の上面には、すでに第２のダイ１０４が積層、つまり、搭載されている。ダイ１０２および１０４は、その上面の周縁に、複数の入力／出力用ワイヤボンディングパッド１１２がそれぞれ配置されているのが一般的である。
【０００４】
基板１１０は、可撓性樹脂テープ（flexible resin tape）、硬質（rigid）のファイバーガラス（rigid fiber−glass）／銅板積層板（copper sheet laminate）、共焼結セラミック板、または金属リードフレームなど、当業界では周知のタイプのものであって、特定の半導体パッケージ１００のタイプに対応したものである。図１に示されるようなＢＧＡパッケージ１００の配線基板１１０は、例えば銅またはアルミニウムなどの金属からなり、それぞれ基板の上面と底面を形成する導電層１１６と１１８との間にてラミネートされた、例えばポリイミド樹脂膜などの絶縁材料からなる層１１４を含んでいる。
【０００５】
導電層１１６および１１８は通常、例えばフォトリソグラフィとエッチング技術によってパターン化されることで、上側の導電層１１６にワイヤボンディングパッド１２０および回路のトレースが、下側の導電層１１８に半田ボール搭載用ランド１２２が形成される。ワイヤボンディングパッド１２０およびトレース（図示せず）は、通常、絶縁層１１４の厚さだけ隔てて、例えばメッキスルーホールであるビア１２３を介して半田ボールランド１２２と接続されている。また、導電層１１６および１１８のいずれか一方または両方を、これらワイヤボンディング１２０の金属パッドおよび／または半田ボールランド１２２をそれぞれ露出させる開口を備えた絶縁半田マスクで被覆し（図示せず）、これによって、不測の半田飛沫によるパッドおよび／またはランド同士のブリッジを防ぐようにすることもできる。
【０００６】
図１のように、第１のダイ１０２は通常、例えば接着剤の層または接着フィルム１２４により基板１１０の上面へ搭載される。第１のダイ１０２は、一般に金またはアルミニウムからなる複数の微細な導電ワイヤ１２６がダイ１０２上のパッド１１２と基板１１０上のパッド１２０とを接続することによって、基板１１０と電気的に接続する。
【０００７】
第２のダイ１０４は通常、第１のダイ１０２上面における中央領域内であって周辺のワイヤボンディングパッド１１２内側に、その外周縁が位置するよう配された接着層または膜１２８により、第１のダイ１０２の上面に搭載される。すなわち、接着層１２８は、ワイヤボンディングパッド１１２とこれにボンディングされた導電ワイヤ１２６のいずれかに接触したり、またはこれらを覆ったりはしないようになっているのが通常である。接着層１２８は、第２のダイ１０４と第１のダイ１０２にボンディングされた導電ワイヤ１２６との接触を阻止すべく、第１のダイ１０２と十分な間隔をおいてその上方に第２のダイ１０４が配置されるようにするものである。かかる構成は、パッド１１２とワイヤ１２６のショートや断線の防止につながり、かつ、２つのダイの間に、接着層１２８の周縁全域にわたって広がる周辺空間１３０を形成させることとなる。第２のダイ１０４は、第１のダイ１０２と同じ方法によって、基板１１０にワイヤボンディングで接合される。また、同一の技術を用いることで、第２のダイ１０４上に、１つまたはそれ以上のダイ（図示せず）を縦方向に積層していくことも可能である。
【０００８】
図２は、接着剤１５４が充填された２つの積層ダイ１５０および１５２を備える公知のパッケージを示す側断面図である。この構成にあっては、ダイを接合するときに、例えば、ダイ接合装置がコントロール精度に欠ける場合には、２つのダイ１５０および１５２の対向し合う面の間に施される接着層１５４の最終的な接着厚さを精度良くコントロールできるような代わりの手段が必要とされる。そして、接着層１５４の接着厚さを精度良くコントロールすることは、図２に示されるように、接着層１５４の所望の最終的な厚さとほぼ等しい直径をそれぞれ備えた多数のミクロスフィア１５６を含む、未だ硬化していない流動状の接着剤１５４を充填することによって実現される。図２に示されるように、第２のダイ１５２の底面がミクロスフィア１５６に達するまで、第２のダイ１５２を充填された接着剤１５４に押し付ける。すると、第２のダイ１５２の底面は、およそミクロスフィア１５６からなる１層の層だけの間隔を開けて第１のダイ１５０の上面に配置されることとなる。
【０００９】
ミクロスフィア１５６としては、ガラス、ポリマー、二酸化ケイ素、窒化ケイ素およびポリテトラフルオロエチレン（“ＰＴＦＥ”）など多種多様な材料から選択されたものを用いることができる。また、ミクロスフィア１５６は、ポンピングまたはブローイングなど周知の各種技術により、溶融した原料を高圧下でノズルから噴霧してできた大小のそれぞれ異なる球体を、例えば、空気、水、油の入った槽に入れ冷却または硬化させ、続いて、メッシュサイズが段階的に変化する一連のスクリーンに通して、直径ごとにふるい分けることで作製される。
【００１０】
図１を再び参照する。スタックドダイパッケージ１００中のダイ１０２および１０４は通常、周知の熱圧着または超音波ワイヤボンディング技術により、自動ワイヤボンディング設備を用いて順次ワイヤボンディングされる。図１に示されるように、ワイヤボンディング工程において、ワイヤボンディング装置のヘッド１３２が、ダイ上のワイヤボンディングパッド１１２と接触している導電ワイヤ１２６に対し下方への圧力をかけることにより、ワイヤのパッドへの溶接または接着が達成されることとなる。
【００１１】
ワイヤボンディングパッド１１２は２つのダイの各上面における周縁領域にそれぞれ配されるため、通常、そのワイヤボンディングでは、図１に示す矢印の方向への比較的大きい局部的な力を、ダイの外側部分に加える必要がある。このことは、下側のダイ１０２が基板１１０および接着層１２４によって下方から支持されているため、下側のダイ１０２に対しては、おおよそ問題にはならない。しかし、第２の、つまり上側のダイ１０４の場合にあっては、その外周部分が、接着層１２８の存在によって下側のダイ１０２の外周部分上において外側に突き出すため、下方からの支持を受けないこととなる。したがって、ワイヤボンディング進行中に、上側のダイ１０４に亀裂や破砕が発生して、アセンブリ全体を使用不能にさせてしまう可能性がある。
【００１２】
また、従来のダイ積層技術に起因して生じ得るもう一つの問題も、接着層１２８の周囲であって第１および第２のダイ１０２および１０４の対向し合う面の間に形成される周囲空間１３０に関連する。具体的に言うと次のとおりである。つまり、大抵の場合、モールディング工程時に、これらダイを封止するためのボディ１３４を構成するプラスチックモールド材料がこの周囲空間に侵入して、２つのダイの間に、両者を分け隔てるウェッジ（wedge）が形成されてしまう。封止材料が接着層１２８と異なる熱膨張係数を持っている場合、パッケージ１００の温度に大きな変化があったときに、周囲空間１３０内でウェッジが膨張することで、いずれか一方または両方のダイが潜在的に破損し、ひいては不良パッケージとなる可能性がある。
【００１３】
さらに、従来のダイ積層技術の別な欠点も、第１および第２のダイ１０２および１０４の対向し合う面の間に形成される周囲空間１３０、そしてワイヤボンディングヘッド１３２によって加えられる力に関連する。具体的に言うと次のとおりである。つまり、ヘッドによる下方への力が第２のダイ１０４を変形させてしまい、上側のダイ１０４の底面と第２の接着層１２８の上面との分離または層間剥離が引き起されることとなり得る。
【００１４】
さらに、従来のダイ積層技術のもう一つのまた別な欠点も、周囲空間１３０、そしてワイヤボンディングヘッド１３２によって生じる偏移（deflection）に関連する。具体的に言うと次のとおりである。つまり、導電ワイヤ１２６またはワイヤボンディングパッド１１２に変形が生じる可能性があり、これによって即座に破損することもあり得る。また、ワイヤボンディング工程中にダイが何度も変形または屈曲されると、半導体パッケージ全体に振動が生じ、この振動は、その中の電気的接続を弱めることになる。この弱まりは、製造時における即座の破損を起こしたりはしないかもしれないが、電子部品の疲労は、素子の寿命および信頼性の低下につながる。
【特許文献１】米国特許第６６５００１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明は、上述した問題およびその他の問題を全般的に解決または回避すると共に、技術的メリットを得ることのできる、積層型マルチダイ半導体装置の突出部分の支持構造とその作製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】
【００１６】
すなわち、本発明は、基板と、この基板に接続された半導体ダイの積層体を備え、前記半導体ダイの積層体は上側の半導体ダイとこの上側の半導体ダイより小さい下側の半導体ダイを備え、前記上側の半導体ダイの端縁部が前記下側の半導体ダイの端縁部から突出することで前記基板上における前記下側の半導体ダイの端縁部の周囲に凹部が形成され、この凹部に第１のフィラーと第２のフィラーを含む支持用接着層を充填したことを特徴とする半導体パッケージに関する。
【００１７】
前記第２のフィラーは前記第１のフィラーより大きいことが好ましい。
【００１８】
前記第２のフィラーは前記凹部の高さの３０％より大きいことが好ましい。
【００１９】
前記下側の半導体ダイの上面と前記上側の半導体ダイの底面とを接合する接着層を備え、この接着層は前記下側の半導体ダイの上面と前記上側の半導体ダイの底面との間に介在する複数のスペーサを有することが好ましい。
【００２０】
前記スペーサは、ガラス、金属、セラミック、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、エポキシ樹脂およびポリマーからなる群より選ばれた材料からなることが好ましい。
【００２１】
前記スペーサは単層を形成するように配列されたミクロスフィアからなることが好ましい。
【００２２】
前記第１のフィラーおよび前記第２のフィラーは、ガラス、金属、セラミック、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、エポキシ樹脂およびポリマーからなる群より選ばれた材料からなることが好ましい。
【００２３】
前記下側の半導体ダイの上面から前記上側の半導体ダイの上面の間のピッチは１２５μｍより小さいことが好ましい。
【００２４】
前記第１のフィラーおよび前記第２のフィラーはミクロスフィアからなることが好ましい。
【００２５】
前記第１のフィラーおよび前記第２のフィラーは、大きいミクロスフィアと小さいミクロスフィアからなり、前記小さいミクロスフィアの直径に対する前記大きいミクロスフィアの直径の比は、１．１〜１０であることが好ましい。
【００２６】
前記第１のフィラーおよび前記第２のフィラーのうちの少なくとも一方が、ダミーダイ、能動素子のダイ、抵抗、コンデンサおよびインダクタからなる群より選ばれたものであることが好ましい。
【００２７】
前記第１のフィラーと前記第２のフィラーのうちの少なくとも一方は、前記上側の半導体ダイの前記下側の半導体ダイから突出した部分より小さい、またはこの部分と略等しい横方向寸法を有していることが好ましい。
【００２８】
また、本発明は、基板を準備する工程と、上側の半導体ダイと、この上側のダイより小さい下側の半導体ダイと、前記上側の半導体ダイの端縁部を前記下側の半導体ダイの端縁部から突出させて凹部が形成されるように前記下側の半導体ダイを前記上側の半導体ダイに接合させる接着層とからなる半導体ダイの積層体を、前記基板に接続する工程と、前記基板上における前記下側の半導体ダイの端縁部の周囲に配置されて前記凹部を充填するフィラーからなる支持用接着層によって、前記上側の半導体ダイの外周部を支持する工程からなることを特徴とする半導体パッケージの作製方法に関する。
【００２９】
前記接着層は前記下側の半導体ダイの上面と前記上側の半導体ダイの底面との間に介在する複数のスペーサを有することが好ましい。
【００３０】
前記スペーサは、ガラス、金属、セラミック、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、エポキシ樹脂およびポリマーからなる群より選ばれた材料からなることが好ましい。
【００３１】
前記スペーサはミクロスフィアであることが好ましい。
【００３２】
前記スペーサは単層を形成するように配列されたミクロスフィアからなることが好ましい。
【００３３】
前記フィラーは、ガラス、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、エポキシ樹脂およびポリマーからなる群より選ばれた材料からなることが好ましい。
【００３４】
前記下側の半導体ダイの上面から前記上側の半導体ダイの上面の間の搭載ピッチは１２５μｍより小さいことが好ましい。
【００３５】
前記フィラーはミクロスフィアからなることが好ましい。
【００３６】
前記フィラーは、大きいミクロスフィアと小さいミクロスフィアからなり、前記小さいミクロスフィアの直径に対する前記大きいミクロスフィアの直径の比は１．１〜１０であり、前記大きいミクロスフィアの直径が前記凹部の高さと略同一であることが好ましい。
【００３７】
前記フィラーは、ダミーダイ、能動素子のダイ、抵抗、コンデンサおよびインダクタからなる群より選ばれたものであることが好ましい。
【００３８】
前記支持用接着層は前記フィラーの間に介在するスペーサをさらに含むことが好ましい。
【００３９】
前記スペーサはミクロスフィアであることが好ましい。
【００４０】
前記フィラーが抵抗、コンデンサおよびインダクタからなる群より選ばれたものである場合に、前記フィラーは、前記上側の半導体ダイの前記下側の半導体ダイから突出した部分より小さい、またはこの部分と略等しい横方向寸法を有していることが好ましい。
【発明の効果】
【００４１】
本発明によれば、積層型マルチダイ半導体装置において、下方から支持を受けない上側のダイの外周部へのワイヤボンディングに起因して生じる諸問題を解決することができる。さらに、その手段として用いる接着剤およびフィラーは広く半導体産業において入手可能であり、かつ、製造コストが低減すると共に製造が容易となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４２】
本発明の好ましい実施形態において、サイズの異なる半導体ダイを積層する方法は、複数の半導体ダイを積層する工程を含む。積層された半導体ダイの隣り合い対向する面は、その積層体における高い方の半導体ダイの横方向寸法、長さまたは幅を、積層体における低い方の半導体ダイの横方向寸法よりも大きくして接合される。したがって、上側の半導体ダイの外周部が下側の半導体ダイの外周部から突き出すこととなる。そこで、支持されない半導体ダイの外周部に対して行うワイヤボンディングに起因する問題を回避すべく、本発明の好ましい実施形態は、上側の半導体ダイへのワイヤボンディング前に、上側の半導体ダイの外周部を支持する工程を含んでいる。
【００４３】
もう１つの好ましい実施形態において、半導体装置は、基板に接続する複数の積層された半導体ダイを含む。これらの半導体ダイは、上側の半導体ダイを下側の半導体ダイから突き出させることで凹部が形成されるように、各々の端縁部を揃えず互い違いにして（staggered）積層される。この半導体装置における凹部には、積層された、支持されないまたは突き出している半導体ダイに起因して起こる問題を回避することのできる支持構造が含まれる。
【００４４】
もう１つの好ましい実施形態において、上記の支持は、突き出した上側の半導体ダイによって形成される凹部を、フィラーからなる支持用接着層で充填することで行われる。この支持用接着層は、下側の半導体ダイの周囲を取り囲むと共に、上側の半導体ダイの支持されていない突き出した外周部の下に位置するものである。本発明の好ましい実施形態においては、複数の接着層が備えられる。
【００４５】
代替の好ましい実施形態において、接着剤からなる支持用接着層を成すフィラーは、ダミーダイである。ダミーダイの厚さは、半導体パッケージの積層型パッケージにおける半導体ダイの厚さに対応した厚さとされる。また別の実施形態においては、例えばコンデンサ、抵抗またはインダクタとして機能する受動素子のダイを、ダミーダイと置き換える。
【００４６】
本発明の好ましい実施形態の長所は、その接着剤およびフィラーが半導体産業において広く入手可能であるというところにある。基板の接合は日常的に行われる作業だからである。さらに、プラスチック、ガラス、セラミック、ポリマー、無機化合物、エポキシ樹脂およびその他の材料からなる球状粒子は、単分散のサイズでの入手が容易であり、これらは必要に応じて混合することもできる。
【００４７】
本発明の好ましい実施形態のもう１つの長所は、製造の容易さおよび低いコストである。既存のボンディング装置に僅かな変更を加えるだけでよい。
【００４８】
以上、後述する本発明の詳細な説明がより理解され得るように、本発明の特徴および技術的長所を大まかに概略した。本発明のさらなる特徴および長所については、本発明の特許請求の対象となるものとして、以下に記載する。ここに開示される構想および特定の実施形態は、本発明と同じ目的を達成するために行われる、別な構造または方法への変更または設計の基礎として容易に利用され得るものである、ということが、当業者に理解されるべきである。そしてこのような均等な構成が、添付の特許請求の範囲で定義される本発明の精神および範囲から逸脱しないものであることも、当業者には理解されなければならない。
【００４９】
本発明およびその長所のより完全な理解のために、以下に、添付の図面と対応させながら説明していく。
【００５０】
本発明の好ましい実施形態の実施および使用を以下に詳細に説明する。ただし、本発明は、多種多様な特定の文言によって表現され得る、多くの適用可能な発明思想を提供するものであると理解されなければならない。ここに挙げる所定の実施形態は、本発明を実施および使用するための所定の方法を説明するものに過ぎず、本発明の範囲を限定するものではない。
【００５１】
本発明は、基板と２つの積層された半導体ダイを含む半導体パッケージ、という特定の文言により表現される好ましい実施形態によって説明される。なお、本発明は、本発明の好ましい実施形態を取り入れた装置にはもちろんのこと、２つ以上の積層された半導体ダイを含むその他の半導体装置にも適用可能である。
【実施例１】
【００５２】
図３には、本発明の好ましい実施形態における、基板１８４上に積層された上側の半導体ダイ１８２および下側の半導体ダイ１８０の断面図が示されている。これら上側の半導体ダイ１８２および下側の半導体ダイ１８０は、互いに反対側となる上面と底面をそれぞれ備えていると共に、所定の横方向寸法（lateral dimension）をそれぞれ有している。上側の半導体ダイ１８２の横方向寸法は、下側の半導体ダイ１８０の横方向寸法よりも大きいため、上側の半導体ダイ１８２の少なくとも１つの端縁部２０４は、下側の半導体ダイ１８０の少なくとも１つの端縁部２１０から突出している。この実施形態の積層構成において、上側の半導体ダイ１８２の外周部は、下側の半導体ダイ１８０から突出している。その外周部沿いに、上側の半導体ダイ１０２の上面へワイヤ２０２を固着するためには、従来のワイヤボンディング装置２００を用いることができる。なお、上側の半導体ダイ１８２は、下側の半導体ダイ１８０よりも小さい横方向寸法を備え、かつ、一方側だけ下側の半導体ダイ１８０から突出するものであってもよい。
【００５３】
図３の積層ダイアセンブリは、下側の半導体ダイ１８０と基板１８４の隣り合う面同士を接合させる第１の接着層１８６を有している。この基板１８４は、１つの素材、または第１の素材と第２の素材から形成することができる。その素材のうちの１つは、ガラス、金属、セラミック、ポリマー、シリコン基板、ＳＯＩ（シリコン・オン・インシュレータ）基板、ＰＣＢ基板およびＳｉＧｅ基板からなる群より選ばれた素材とすることができる。また、基板１８４は、導電トレースが形成されているものであってもよい。基板１８４の下面には、導電バンプまたはピンが形成されている。上側の半導体ダイ１８２と下側の半導体ダイ１８０の隣り合う面は、第２の接着層１８８によって接合されている。第１の接着層１８６および第２の接着層１８８は、サイズが実質的に均一な非導電性のミクロスフィア（microspheres）１９６の層からなるフィラーを含んでおり、これによって、下側の半導体ダイ１８０と基板１８４の対向し合うと共に隣り合う面の間、および下側の半導体ダイ１８０と上側の半導体ダイ１８２の対向し合うと共に隣り合う面の間に、それぞれほぼ均一な間隔が形成されることとなる。ミクロスフィア１９６は、実質的に単層（monolayer）を成すよう配列されることが好ましい。フィラーは、ガラス、金属、セラミック、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、エポキシおよびポリマーからなる群より選ばれた第１の材料および第２の材料から形成することができる。
【００５４】
所定のサイズのミクロスフィア１９６を選択するに際し考慮すべき１つのパラメータは、搭載ピッチ（mounting pitch）である。搭載ピッチとは、基本的に、所定の半導体ダイの上面から、このすぐ隣の半導体ダイの上面までの垂直方向の距離のことである。例えば図３において、搭載ピッチは、接着層１８８の厚さと上側の半導体ダイ１８２の厚さとを足したものとなる。パッケージの小型化が重視されるような装置への応用にあたり、概して、搭載ピッチは、可能な限り小さいものでなければならない。本発明の好ましい実施形態において、搭載ピッチは１２５μｍ以下とする。搭載ピッチを縮小するための手段としては、半導体ダイの厚さの縮小または接着フィラーのサイズの縮小などがある。また、１２５μｍを超え、約７５０μｍを上限とする搭載ピッチとすることも可能である。総体的に見て、搭載ピッチが１２５μｍより小さいと、より実用的で好ましい。
【００５５】
図３に示されるように、この好ましい実施形態において、上側の半導体ダイ１８２の突出した外周部は、３つの支持用接着層である第１の支持用接着層１９０、第２の支持用接着層１９２および第３の支持用接着層１９４によって完全に支持されている。これら３つの支持用接着層は、下側の半導体ダイ１８０と、下側の半導体ダイ１８０に接合する第１の接着層１８６および第２の接着層１８８との外側に配置されているが、さらに、これらを囲むように配置されていてもよい。また、これら３つの第１の支持用接着層１９０、第２の支持用接着層１９２および第３の支持用接着層１９４は、突出する上側の半導体ダイ１８２の端縁部２０４とほぼ同一の横方向への広がりを有していてもよい。
【００５６】
第１の支持用接着層１９０は、下側の半導体ダイ１８０を基板１８４に接合させる第１の接着層１８６におけるミクロスフィア１９６と実質的に同じ大きさを有したミクロスフィア２０６の層からなる。好ましくは、第１の接着層１８６および第１の支持用接着層１９０はそれぞれ、実質的にサイズが均一なミクロスフィア１９６、２０６の単層からなる。下側の半導体ダイ１８０の底面は、第１の接着層１８６のミクロスフィア１９６上に置かれる。第１の支持用接着層１９０は、厚さが第１の接着層１８６と実質上同じとなるように基板１８４上に塗布される。この実施形態の図３に示されるとおりに、２つの接着層である第１の接着層１８６と第１の支持用接着層１９０が、厚さが実質的に同一の１つの連続した層を形成するようにしてもよい。
【００５７】
第２の支持用接着層１９２は、第１の支持用接着層１９０上に配置され、主に、比較的大きいミクロスフィアからなるフィラー２０８を有している。第２の支持用接着層１９２のフィラー２０８の大きさは、下側の半導体ダイ１８０の厚さと実質的に同じであることが好ましい。
【００５８】
なお、第２の支持用接着層１９２の大きいフィラー２０８は、サイズが完全に均一、または単分散化したものでなければならないということではない。図３には、第２の支持用接着層１９２に異なるサイズのフィラー１９８、２０８がいくらか混在または混合していることが示されている。すなわち、第２の支持用接着層１９２へ小さいフィラー１９８の粒子をいくらか加えることにより、比較的大きいフィラー２０８の粒子間のスペースを、接着剤によってではなく、これら小さいフィラー１９８の粒子によって埋めるようにしている。第２の支持用接着層１９２内における、大きいミクロスフィアであるフィラー２０８の小さいミクロスフィアであるフィラー１９８に対する直径の比は、１．１よりも大きく１０までであることが好ましい。なお、フィラーのサイズは、上側の半導体ダイ１８２の底面と下側の半導体ダイ１８０の端縁部２１０と基板１８４の上面とで形成される凹部の高さの約３０％以上となっている。
【００５９】
第３の支持用接着層１９４は、第２の支持用接着層１９２上に配置される。第３の支持用接着層１９４は、この好ましい実施形態において、第１の接合用接着層１８６と同様に、小さいフィラーの粒子であるミクロスフィア１９６からなる。第３の支持用接着層１９４は、実質的に、上側の半導体ダイ１８２の突出し、張り出した外周部を十分満たすように、第２の支持用接着層１９２上に塗布される。
【００６０】
図３に示されるように、比較的大きい上側の半導体ダイ１８２は、下側の半導体ダイ１８０の上に置かれている。そして、大きい上側の半導体ダイ１８２の外周部の少なくとも一部は、下側の半導体ダイ１８０から突出している。すなわち、この積層された上側の半導体ダイ１８２と下側の半導体ダイ１８０の端縁部は、揃わずに互い違い（staggered）となっている。また、上側の半導体ダイ１８２の突出した外周部により形成される凹部に、フィラー２０８からなる第２の支持用接着層１９２が充填され、これによってワイヤボンディング工程が安定する。
【００６１】
有限要素法によるコンピュータでのモデリングによって、本発明のこの実施形態およびその他の実施形態の有用性が実証された。モデリングは、積層型ダイ構造のモデルである、突き出したダイモデルの主応力に重点を置いて行った。モデリングにより、所定のダイ厚さについて、その主応力は、突出部分の長さの増加または半導体ダイの厚さの減少に伴って増加することが分かった。突き出したシリコンダイの不良は、主に、主応力が１８０ＭＰａを超えたときに発生した。このモデリングによって明らかとなったことの一例として、厚さ１００μｍの半導体ダイにおいて突出部分の長さを１．７５ｍｍとしたときの主応力の許容範囲は、概して、突出部分の下方に支持構造を持たない公知技術における許容範囲を超える、ということが挙げられる。
【００６２】
また、突出した半導体ダイにおいて観察された欠陥のタイプは様々であるが、これらはおおよそ、突出した半導体ダイの偏移（deflection）と振動に起因するものである。この好ましい実施形態により改善される半導体ダイパッケージの欠陥には、金属中のボイド、ワイヤの切れ端の残留、ボールの変形、半導体ダイの破損、半導体ダイの屑の残留、ダイとモールディング材料との間に形成される間隙、層間剥離、および全ての製造のボトルネックが含まれる。
【００６３】
なお、図３における第１の支持用接着層１９０、第２の支持用接着層１９２、および第３の支持用接着層１９４を、突出した上側の半導体ダイ１８２により形成される凹部全体にほぼ等しいサイズのフィラーを含んだ接着剤からなる単一の支持用接着層と置き換えてもよい。あるいは、大小両方のサイズのフィラーを含む単一の支持用接着層を用いることもできる。
【実施例２】
【００６４】
図４に示すのは、図３における第２の支持用接着層１９２を、固形状支持部材としてのダイ形状フィラー２３０に置き換えた第２の実施形態である。図４において、前掲の実施形態のように、基板２２０、下側の半導体ダイ２２２および比較的に大きい上側の半導体ダイ２２４が示されている。ミクロスフィア２２８を含む接着剤２２６が、各コンポーネント同士を接合させる。この実施形態において、フィラーは、図３に示した大きいフィラー２０８ではなく、ダイ形状フィラー２３０である。この図４に示される実施形態のメリットは、ダイ形状フィラー２３０が、ダミーダイまたは能動素子のダイとなり得る点である。また、コンデンサ、抵抗またはインダクタなどとして機能する受動素子のダイにもなり得る。上述した他の例と同じように、小さいミクロスフィア２３２は、ダイ形状フィラー２３０と下側ダイ２２２との間にスペーサとして配置される。
【実施例３】
【００６５】
図５に示すのは、ダイ形状スペーサ２５０が、上側の半導体ダイの突出した外周部を支持するために必要なサイズよりも大きい横方向寸法２５２を有している、第３の実施形態である。実際には、横方向寸法２５２は、上側の半導体ダイの突出部よりも大きくても、または小さくてもよい。この実施形態によれば、横方向寸法２５２を調整することで、積層型半導体パッケージにおける信号の分配、電力の分配または放熱などのパラメータを制御する、といった方法がさらに提供される。なお、ダイ形状スペーサ２５０が上側の半導体ダイの突出部分よりも小さい場合には、そのダイ形状スペーサ２５０からはみ出す上側の半導体ダイの部分の大きさが、ワイヤボンディング実行中の欠陥またはその他信頼性の問題を引き起こさない大きさであることが好ましい。
【実施例４】
【００６６】
図６に示すのは、ＢＧＡ（ボールグリッドアレイ）の積層型ダイパッケージ３００の好ましい例である。このアセンブリの作製においては、それぞれ異なる横方向寸法を持つ少なくとも２つの複数の半導体ダイを、基板上に積層する工程を含んでいる。
【００６７】
基板３１２は上面を備え、ＢＧＡの積層型ダイパッケージ３００のアセンブリに適した、当業界では周知のタイプの基板である。第１の半導体ダイ３０４は、相反する上面および底面と、所定の横幅と、端縁部３２２とを有している。第１の半導体ダイ３０４の底面は、第１の接着層３１４によって基板３１２に接合されている。かかる接合は、自動ダイ接合装置により実行される。
【００６８】
第２の半導体ダイ３０２は、相反する上面および底面と、所定の横幅と、端縁部３２４と、その上面の外周部に配置された複数のワイヤボンディングパッド３２０とを有する。第２の半導体ダイ３０２の横幅は、第１の半導体ダイ３０４の横幅よりも大きい。第２の半導体ダイ３０２の底面は、第２の接着層３１６により第１のダイ３０４の上面に接合されている。そして、複数の微細な導電ワイヤ３０６が、ＢＧＡの積層型ダイパッケージ３００内での電気的接続を達成している。
【００６９】
図６に示されるように、第１の半導体ダイ３０４の端縁部３２２と第２の半導体ダイ３０２の端縁部３２４は、揃わずに互い違い（staggered）となっている。つまり、第２の半導体ダイ３０２の外周部は、第１の半導体ダイ３０４から突出している。そして、第２の半導体ダイ３０２の底面と、第１の半導体ダイ３０４の端縁部３２２と、基板３１２の上面とが、凹部を形成する。本発明の好ましい実施形態では、この凹部に支持用接着層３２６を充填することにより、突出した外周部３０５を支持するようになっている。
【００７０】
図６に示すように、突出した外周部３０５下方の凹部には、支持用接着層３２６が充填されている。この支持用接着層３２６は、所定の直径を持つミクロスフィア３０８を含むフィラーからなっている。ミクロスフィア３０８の直径は大よそ、基板３１２の上面から第２の半導体ダイ３０２の底面までの間隔を実質的に充填するのに十分な大きさである。この第２の半導体ダイ３０２の突出した外周部３０５下方に位置する凹部に、支持用接着層３２６を、凹部が実質的に充填されるまで加えることによって、第２の半導体ダイ３０２の突出した外周部３０５は、下方から支持されることとなる。
【００７１】
図６に示すパッケージ３００を作製する材料は、広く全半導体業界で入手可能なものである。例えば接着剤として、ＡＢＬＥＳＴＩＫ２０００Ｂ（エイブルスティック社製、Rancho Dominguez,CA,USA）やＬｏｃｔｉｔｅ  ＱＭＩ５３６（ヘンケル社製、San Diego,CA,USA）を、第１の接着層３１４および第２の接着層３１６にそれぞれ使用することが可能である。
【００７２】
図６に示されるように、本発明の実施形態は、２層の積層型ダイ構成のみに限定はされない。この実施形態において、第３の半導体ダイ３１０は、接着層３１８により第２の半導体ダイ３０２の上面に接合される。他の態様においては、第３の半導体ダイ３０１を、端縁部が揃わず互い違いになっており突出した外周部を有する、別の複数の積層ダイに、そのまま置換してもよい（図示せず）。また、本発明の実施形態において用いられる材料は、特定の材料に限定されることもない。例えば、ガラス、セラミック、金属、ポリマーまたはその他基板に適した材料を用いることができる。これら実施形態と同様に、明記しなかった他の実施例も、本発明の範囲に含まれる。例えば、本発明の実施形態を図１の装置において実現することも可能である。別な実施形態であっても、それが本発明の範囲内に入るのであれば、積層されるダイの数量、ダイの突出量、ダイの厚さ、材料または方法が変更可能であることは、当業者には極めて容易に理解されよう。
【００７３】
ここに挙げた各実施形態は、ワイヤボンディング工程により引き起こされる振動を低減する方法をも提供できるものである。この方法は、基板を準備する工程、上側の半導体ダイと、下側の半導体ダイと、前記上側の半導体ダイの外周部が前記下側の半導体ダイから突き出すことで凹部が形成されるように前記下側の半導体ダイの上面を前記上側の半導体ダイの底面に接合する接着層と、を含む半導体ダイの積層体を、前記基板に接続する工程、および、ダイの厚さを減らすこと、または前記積層されたダイの間により小さいフィラーを用いることによって、前記積層された半導体ダイの搭載高さを縮小する工程、からなる。前記搭載ピッチのサイズは、１２５μｍより小さい。
【００７４】
以上、本発明とその長所を詳細に説明したが、添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の範囲を逸脱しない限りにおいては、各種の変更、置換および修飾は可能であると解されるべきである。上述の半導体ダイの積層は、半導体業界で普通に用いられている製造方法によって行なわれるものである。例えば、米国特許第６７１７２５１号（M.Matsuoら）、米国特許第６６８０２１９号（E.Reyesら）、米国特許第６６５００１９号（T.P.Glennら）、および米国特許第６４７２７５８号（T.P.Glennら）明細書を参照にされたい。本明細書で挙げた各実施形態は、ダイの突き出した外周部に対してワイヤボンディングを行う際に生じる諸問題を解決するのに有効である。
【００７５】
また、本発明の範囲は、この明細書に記載した、プロセス、機械、製造、組成物、手段、方法および工程の特定の実施形態に限定されるものではない。当技術分野における通常の知識を有する者であれば本発明の開示から容易に理解できるような、ここに記載した対応する実施形態と実質的に同一に機能し、または実質的に同一の効果を達成する、現存のまたは今後開発されるであろうプロセス、機械、製造、組成物、手段、方法または工程は、本発明に基づいて利用することができる。したがって、添付した特許請求の範囲は、このようなプロセス、機械、製造、組成物、手段、方法または工程が含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】公知技術による積層型ダイを備えた半導体パッケージの側断面図である。
【図２】２つの積層された半導体ダイと接着剤のミクロスフィアを備えた公知技術によるデバイスの側断面図である。
【図３】本発明の第１の代表的実施形態を示す第１のダイの上面に第２のダイが搭載された半導体パッケージの側断面図である。
【図４】本発明の第２の代表的実施形態を示す一組の積層型ダイの側断面図である。
【図５】本発明の第３の代表的実施形態を示す一組の積層型ダイの側断面図である。
【図６】本発明の別の代表的実施形態を示す３つの積層型ダイを備えた半導体パッケージの側断面図である。
【符号の説明】
【００７７】
１８０  下側の半導体ダイ
１８２  上側の半導体ダイ
１８４  基板
１８６  第１の接着層
１８８  第２の接着層
１９０  第１の支持用接着層
１９２  第２の支持用接着層
１９４  第３の支持用接着層
１９６  ミクロスフィア
１９８  フィラー
２００  ワイヤボンド装置
２０２  ワイヤ
２０４  端縁部
２０６  ミクロスフィア
２０８  フィラー
２１０  端縁部
２２０  基板
２２２  下側の半導体ダイ
２２４  上側の半導体ダイ
２２６  接着剤
２２８  ミクロスフィア
２３０  ダイ形状フィラー（固形状支持部材）
２５０  ダイ形状スペーサ
２５２  横方向寸法
３００  ＢＧＡの積層型ダイパッケージ
３０２  第２の半導体ダイ
３０４  第１の半導体ダイ
３０５  外周部
３０６  導電ワイヤ
３０８  ミクロスフィア
３１０  第３の半導体ダイ
３１２  基板
３１４  第１の接着層
３１６  第２の接着層
３１８  接着層
３２０  ワイヤボンディングパッド
３２２  端縁部
３２４  端縁部
３２６  支持用接着層
【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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【図６】
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