(57)【要約】【課題】  ２つの半導体チップを立体的に実装する際、その大きさをチップサイズまで小形化するとともに、最短の配線長で電気的な接続をする。【解決手段】  本発明の半導体チップの積層構造は、大半導体チップ111aと小半導体チップ111bからなる２つの半導体チップと、これらを実装する配線基板120と、半導体チップおよび配線基板120を実装するベース基板114とを備えたもので、大半導体チップは配線基板を介してベース基板へ実装され、小半導体チップは大半導体チップとベース基板にはさまれる位置に実装され、配線基板は小半導体チップが収納できる空間と、小半導体チップの実装高さよりも大きな厚みと、大半導体チップを実装するための電極および配線を有し、ベース基板と接続する外部電極122を大半導体チップの実装面と反対側の面に備えたものである。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
形状の大きい大半導体チップと形状の小さい小半導体チップからなる２つの半導体チップと、前記２つの半導体チップを実装するための電極と配線とを有した配線基板と、前記半導体チップおよび前記配線基板を実装するための電極や配線を有したベース基板とを備え、半導体チップを立体的に実装する半導体チップの積層構造において、
前記大半導体チップは前記配線基板を介してベース基板へ実装され、前記小半導体チップは前記大半導体チップと前記ベース基板にはさまれる位置に実装され、
前記配線基板は、前記小半導体チップを収納する空間と、前記小半導体チップの実装高さよりも大きな厚みと、前記大半導体チップを実装するための電極および配線を有し、前記ベース基板と接続するための外部電極を前記大半導体チップの実装面と反対側の面に備えていることを特徴とする半導体チップの積層構造。
【請求項２】
請求項１記載の半導体チップの積層構造を用いて、前記ベース基板の半導体チップが実装された面と反対側の面に、外部と接続するはんだボールを設けたことを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体チップを高密度に実装する手段として、半導体チップを積層して実装する際に用いる実装構造に関するものであり、特にその実装構造を用いた半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の半導体チップの積層構造として、半導体チップを配線基板へ実装し、その配線基板を積層するものと、半導体チップ同士を直接積層するものの二つがある。前者は第１の従来例を示すもので、配線基板が可撓性であり、半導体チップと実装するための電極や配線を有しており、その配線基板上に半導体チップを実装したのち、半導体チップが実装された配線基板を積層するものである。電気的な接続は、配線基板の端部に設けられた外部電極を介して行う（例えば、特許文献１参照）。また、後者は第２の従来例を示すもので、異なる大きさの半導体チップで、大きさの大きな半導体チップを下にしその上に大きさの小さな半導体チップを積層し、電気的な接続は、ワイヤボンディングによる配線やフリップチップ実装法により達成している（例えば、非特許文献１参照）。
第１の従来例の構造を図４に示す。図４は、従来の半導体チップの積層構造を示す概略断面図である。図において、１１１は半導体チップ、１１２は可撓性を有し、半導体チップの内部電極と電気的に接続される配線パターンとを有している配線基板、１１３は配線基板１１２の端部に設けられた外部電極、１１４はベース基板、１１５はベース基板上に設けられたベース電極である。半導体チップの積層構造は、半導体チップが実装され、可撓性を有した配線基板を積層することで達成される。まず、配線基板１１２に半導体チップ１１１がフリップチップ実装法により実装される。半導体チップ１１１と配線基板１１２の電気的な接続は、図示しないバンプを介して達成される。積層構造は、半導体チップがフリップチップ実装された配線基板を複数段重ね、配線基板１１２の端部に設けられた外部電極１１３がはんだ付されることにより、電気的、機械的に接合される。はんだ付は、ヒータツールなどにより、外部電極１１３を局所的に加熱、加圧することで、一括で積層される。
第２の従来例の構造を図５に示す。図５は、従来の半導体チップ積層構造を示す概略断面図である。図５に示す非特許文献１の構成要素が特許文献１と同じものについては、同一符号を付してその説明を省略し、異なる点のみ説明する。図において、１１６はワイヤ配線、１１７ははんだボール、１１８はパッケージ樹脂、１１９はバンプである。特に、２つの異なる大きさの半導体チップを、大きさの大きい半導体チップを大半導体チップ１１１ａ、大きさの小さい半導体チップを小半導体チップ１１１ｂとする。半導体チップの積層構造は、大半導体チップ１１１ａ上に直接小半導体１１１ｂチップを実装することで達成される。まず、ベース基板１１４に大半導体チップ１１１ａをダイボンディングした後、その大半導体チップ上に小半導体チップ１１１ｂをダイボンディングする。２つの半導体チップおよび大半導体チップ１１１ａとベース基板１１４の電気的な接続は、ワイヤボンディングにより行われ、ワイヤ１１６を介して達成される（図５（ａ））。また、ベース基板１１４に大半導体チップ１１１ａをダイボンディングした後、その大半導体チップ１１１ａ上に小半導体チップ１１１ｂをフリップチップ実装法により実装する場合もある。２つの半導体チップの電気的な接続は、フリップチップ実装法により行われ、バンプ１１９を介して達成され、大半導体チップ１１１ａとベース基板１１４の電気的な接続は、ワイヤボンディングにより行われ、ワイヤ配線１１６を介して達成される（図５（ｂ））。この場合、大半導体チップ１１１ａの裏面には、小半導体チップ１１１ｂを実装するために、何らかの電極および配線が必要になる。また、ベース基板１１４に大半導体チップ１１１ａをフリップチップ実装法により実装した後、その大半導体チップ１１１ａ上に小半導体チップ１１１ｂをダイボンディングする場合もある。２つの半導体チップの電気的な接続は、ワイヤボンディングにより行われ、ワイヤ配線１１６とベース基板１１４を介して達成され、大半導体チップ１１１ａとベース基板１１４の電気的な接続は、フリップチップ実装法によりバンプ１１９を介して達成される（図５（ｃ））。
このように、従来の半導体チップの積層構造は、半導体チップをフリップチップ実装法により実装した可撓性を有した配線基板を積層する構造で、電気的な接続は配線基板の端部に設けられた外部電極を介して行うものや、異なる大きさの半導体チップで、大きさが大きな半導体チップを下にし、その上に大きさが小さな半導体チップを直接積層する構造で、電気的な接続はワイヤボンディングによるワイヤ配線やフリップチップ実装法によるバンプを介して行うものである。
【特許文献１】特開２００２−５７２７９号公報（第５−７頁、図３）
【非特許文献１】小澤  要、合葉  和之ら「SiP(System in Package)の電気特性評価」エレクトロニクス実装学会誌、Ｖｏｌ．６、Ｎｏ．４、ｐ．３２６−３３１、２００３年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところが、第１の従来例の半導体チップの積層構造では、可撓性を有した配線基板を用いる場合、配線基板を積層するための外部電極が配線基板の端部に設けられ、その外部電極は、半導体チップ周囲の２辺、または、４辺に必要となり、チップサイズまで小形化できないという問題があった。
また、第２の従来例の半導体チップの積層構造では、半導体チップを直接積層する場合、ワイヤボンディングによるワイヤ配線が必要となっており、ワイヤ配線長が短くできないので、その配線長が高速信号の伝播に悪影響をおよぼすという問題があった。また、ワイヤボンディングによるワイヤ配線は、ワイヤループ高さや、ワイヤボンディングするためのスペースが必要となっていて、チップサイズまで小形化できないというような問題もあった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、チップサイズまで小形化するとともに、最短の配線長で電気的な接続をすることができる半導体チップの積層構造とそれを用いた半導体装置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】
【０００４】
上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したものである。
請求項１に記載の発明は、形状の大きい大半導体チップと形状の小さい小半導体チップからなる２つの半導体チップと、前記２つの半導体チップを実装するための電極と配線とを有した配線基板と、前記半導体チップおよび前記配線基板を実装するための電極や配線を有したベース基板とを備え、半導体チップを立体的に実装する半導体チップの積層構造において、前記大半導体チップは前記配線基板を介してベース基板へ実装され、前記小半導体チップは前記大半導体チップと前記ベース基板にはさまれる位置に実装され、前記配線基板は、前記小半導体チップが収納できるための空間と、前記小半導体チップの実装高さよりも大きな厚みと、前記大半導体チップを実装するための電極および配線を有し、前記ベース基板と接続するための外部電極は前記大半導体チップを実装する面と反対側の面に有しているものである。
また、請求項２に記載の発明は、請求項１記載の半導体チップの積層構造を用いて、前記ベース基板の半導体チップが実装された面と反対側の面に、外部と接続するはんだボールを設けたものである。
【発明の効果】
【０００５】
請求項１に記載の発明によると、外部電極が半導体チップの投影面積内に形成可能なため、チップサイズまで小形化ができる。２つの異なる大きさの半導体チップは、ともにフリップチップ実装法により実装することができるため配線長を短くすることができ、同時に、高速信号の伝播におよぼす悪影響を低減することができる。また、用いる半導体チップは特殊な加工が必要なく、汎用的な半導体チップを使用できる。
また、請求項２に記載の発明によると、ベース基板に直接はんだボールを実装することができるため、２つのチップを積層した半導体装置をチップサイズまで小形化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【実施例１】
【０００７】
図１は、本発明の実施例１の半導体チップの積層構造を示す図であり、（ａ）は側断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’面で切断した上断面図である。本発明の構成要素が従来技術と同じものについては、同一符号を付してその説明を省略し、異なる点のみ説明する。図において、１２０は配線基板、１２１はアンダーフィル、１２２は配線基板の大半導体チップ実装面と反対側の面に設けられた外部電極である。
本実施例は、ベース基板１１４上に実装された小半導体チップ１１１ｂが、配線基板１２０を介して電気的に接続される大半導体チップ１１１ａと、ベース基板１１４にはさまれる構造となっており、その空隙には、熱疲労に対する信頼性を向上するためにアンダーフィル１２１が充填されている。
【０００８】
つぎに、本実施例の半導体チップの積層構造の製造方法を図２のチャートを用いて説明する。
（1） 先ず、小半導体チップ１１１ｂをベース基板１１４へフリップチップ実装法により実装する。ここで用いるフリップチップ実装法は、接合材に導電性接着剤を用いるものやはんだを用いるものが考えられるが特に限定はない。
(2) 小半導体チップ１１１ｂを実装後、ベース基板１１４へ配線基板１２０を実装する。配線基板１２０の外部電極１２２とベース基板のベース電極１１５が接合される。ここで用いられる接合材は、接合材に導電性接着剤を用いるものやはんだを用いるが特に限定はない。ベース基板１１４へ配線基板１２０を実装後、大半導体チップ１１１ａを配線基板１２０上に実装する。ここで用いるフリップチップ実装法も、小半導体チップ１１１ｂ実装時と同様に実装される。
(3) アンダーフィル１２１は、ベース基板１１４に小半導体チップ１１１ｂと配線基板１２０を実装後、充填し、その後、大半導体チップ１１１ａを実装後、再度、充填する２回充填でも良いし、大半導体チップ１１１ａが実装された後に一度に充填する１回充填でも良い。
このようにして、製造した半導体チップの積層構造は、外部電極が半導体チップの投影面積内に形成可能なため、チップサイズまで小形化することができる。２つの異なる大きさの半導体チップは、ともにフリップチップ実装法により実装することができるため配線長を短くすることができ、同時に、高速信号の伝播およぼす悪影響を低減することができる。また、用いる半導体チップは特殊な加工が必要なく、汎用的な半導体チップを使用できる。
本発明が特許文献１と異なる部分は、可撓性を有しない配線基板１２０を備え、前記配線板１２０は大半導体チップ１１１ａを実装する面と反対側の面に外部電極１２２と、小半導体チップ１１１ｂが収納できるための空間と、小半導体チップ１１１ｂの実装高さよりも大きな厚みと、大半導体チップ１１１ａを実装するための電極および配線とを有し、小半導体チップ１１１ｂを大半導体チップ１１１ａとベース基板１１４にはさまれる位置に実装されている部分である。また、非特許文献１と異なる部分は、配線基板１２０に大半導体チップ１１１ａを実装するため、２つの異なる大きさの半導体チップをフリップチップ実装法で実装できる部分である。
【実施例２】
【０００９】
図３は、本発明の実施例２を示す半導体チップの積層構造を用いた半導体装置の側断面図である。
半導体装置は、ベース基板１１４の半導体チップを実装した面と反対側の面にはんだボール１１７を有しているため、外部と接続することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施例１を示す半導体積層構造の図で、（ａ）は側断面図、（ｂ）は上断面図である。
【図２】本発明の製造工程を示すチャート図である。
【図３】本発明の実施例２を示す半導体積層構造を用いた半導体装置の側断面図である。
【図４】第１の従来例を示す半導体積層構造の側断面図である。
【図５】第２の従来例を示す半導体積層構造の側断面図である。
【符号の説明】
【００１１】
１１１  半導体チップ
１１１ａ  大半導体チップ
１１１ｂ  小半導体チップ
１１２  可撓性を有した配線基板
１１３、１２２  外部電極
１１４  ベース基板
１１５  ベース電極
１１６  ワイヤ配線
１１７  はんだボール
１１８  パッケージ樹脂
１１９  バンプ
１２０  配線基板
１２１  アンダーフィル
【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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