專利名稱：半導(dǎo)體裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及以將多個(gè)半導(dǎo)體芯片接合到內(nèi)插式基板(Interposer Substrate)的表背面的多芯片模塊(Multi-chip Module)為代表的半導(dǎo)體裝置的實(shí)裝結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
手機(jī)或PDA(個(gè)人數(shù)字助理)等移動(dòng)產(chǎn)品的小型化、高功能化正在不斷發(fā)展。作為對(duì)應(yīng)于其要求的實(shí)裝技術(shù)，例如根據(jù)非專利文獻(xiàn)1(島本春夫“ルネサスのパツケ一ジ技術(shù)、実裝開発戦略と2004年の展開”，第2回半導(dǎo)體新技術(shù)研究會(huì)シンポジゥム論文集《情報(bào)家電を支ぇる半導(dǎo)體パッケ一ジ技術(shù)，各社実裝開発戦略と2004年の展開》，村上等，ISS產(chǎn)業(yè)産業(yè)科學(xué)システムジ刊行，2003年12月，pp.49-64)，對(duì)于在一個(gè)封裝體中實(shí)裝了多個(gè)芯片的多芯片模塊或SiP(System in Package，系統(tǒng)級(jí)封裝)的開發(fā)，正在不斷發(fā)展。圖1表示了SiP的例子。該封裝體具備三個(gè)搭載到具有焊料凸塊2的各個(gè)基板3上的芯片(例如半導(dǎo)體集成電路元件)1，在一個(gè)主平面上用非導(dǎo)電糊(NCP)7固定了芯片1的基板3的另一個(gè)面上固定有其他兩個(gè)基板3。在其他兩個(gè)基板上，由Ag(銀)糊5固定芯片1，并且形成于其主平面上的電極或布線圖案(未圖示)是由導(dǎo)體構(gòu)成的鍵合引線6與芯片1(芯片電極)進(jìn)行電連接。表示在圖1下側(cè)的基板3(具有三個(gè)基板中最寬的主平面)，成為被在其上下配置的芯片1夾住的所謂內(nèi)插式基板。為了對(duì)應(yīng)于封裝體的進(jìn)一步小型化、薄型化的要求，還討論了在內(nèi)插式基板3的表背面直接實(shí)裝芯片1的結(jié)構(gòu)。
如圖2所示，對(duì)于在內(nèi)插式基板(下面，有時(shí)叫做內(nèi)插板)3的表背面實(shí)裝裸芯片1a、1b的結(jié)構(gòu)來說，內(nèi)插板3的表背面的結(jié)構(gòu)成為非對(duì)稱(例如裸芯片1a、1b的尺寸、形狀、個(gè)數(shù)在內(nèi)插板3的表背面互不相同)的情況，實(shí)裝時(shí)由于熱負(fù)荷導(dǎo)致模塊變形而使芯片電極和基板電極之間的接合可靠性下降。例如，如果裸芯片薄，則存在裸芯片發(fā)生破裂的缺點(diǎn)。例如在后述的專利文獻(xiàn)1(特開平10-229102號(hào)公報(bào))中，探討了通過綜合控制模塊的作為各構(gòu)成材料的芯片或基板、用于接合的樹脂等的彎曲剛性，來提高接合可靠性。

發(fā)明內(nèi)容
圖2表示進(jìn)行探討的模塊的結(jié)構(gòu)。在該結(jié)構(gòu)中，大小兩個(gè)裸芯片由NCP(非導(dǎo)電糊)材料7分別接合到內(nèi)插板3的表背面。在該模塊的上側(cè)，即在沒有用于二次接合到實(shí)裝基板(未圖示，例如其他印刷線路板)的焊料接合部的一側(cè)(圖2的內(nèi)插板3的上面)，接合有比其下面?zhèn)?圖2的內(nèi)插板3的下面)接合的芯片B(1b)小的芯片A(1a)。這些芯片A、B(都是裸芯片)的厚度分別為0.15mm，內(nèi)插式基板的厚度為0.26mm。這樣，在該模塊的制作工藝中，在內(nèi)插板3的下面接合大芯片B(1b)后，在其上面接合小芯片A(1a)。
在內(nèi)插板3的上面接合小芯片A(1a)后(一連串的焊接工序結(jié)束后)，冷卻模塊，由于內(nèi)插板3的線膨脹系數(shù)大于芯片1a、1b的線膨脹系數(shù)，因此內(nèi)插板3收縮得比芯片1a、1b要大。此時(shí)，內(nèi)插板3由于從接合其的芯片B(1b)受到更大的影響，因此模塊翹曲，變得在下面?zhèn)韧钩?小芯片A(1a)被內(nèi)插板3包住)。此時(shí)，存在于內(nèi)插板3上面的芯片A(1a)，會(huì)妨礙芯片B(1b)引起的模塊(內(nèi)插板3)所述的翹曲，因此在芯片B(1b)的背磨面(進(jìn)行背磨的面)，沿著芯片A(1a)的外形輪廓在該面的投影產(chǎn)生大的應(yīng)力。其結(jié)果，導(dǎo)致芯片B(1b)會(huì)產(chǎn)生裂紋。
為了解決上述的課題，本發(fā)明提供具有線路板(內(nèi)插板)的半導(dǎo)體裝置(多芯片模塊)，所述線路板是在第一主平面上由樹脂材料接合第一半導(dǎo)體元件(芯片)，并且在與所述第一主平面對(duì)置的第二主平面上由樹脂材料接合具有比所述第一半導(dǎo)體元件更大面積(對(duì)所述主平面的任意一個(gè))的第二半導(dǎo)體元件(芯片)，其中，在所述第二半導(dǎo)體元件的由樹脂材料接合到所述線路板上的面(與所述第二主平面對(duì)置的面)的相反側(cè)的面也涂布樹脂材料。第二半導(dǎo)體元件，例如在從線路板側(cè)看時(shí)的背面也用樹脂材料覆蓋。樹脂材料使用例如非導(dǎo)電性的糊(NCP)。
當(dāng)上述的第二半導(dǎo)體元件，通過形成于線路板的第二主平面所對(duì)置的面上的電極，電連接到在線路板上形成的電極或布線圖案時(shí)，在所述第二半導(dǎo)體元件的，與線路板取得電連接的面的相反側(cè)的面也涂布樹脂材料。
上述本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置(其實(shí)裝結(jié)構(gòu))，例如當(dāng)所述線路板的厚度小于等于0.3mm并且所述第一半導(dǎo)體元件的厚度小于等于0.2mm時(shí)是有效的。進(jìn)而，本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置，當(dāng)所述線路板的一邊長(zhǎng)度大于等于8mm并且所述第一半導(dǎo)體元件的一邊長(zhǎng)度小于等于4mm時(shí)是有效的?？梢栽谒鲇∷⒕€路板上形成多個(gè)配線層。
圖3表示如上所述的根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的結(jié)果。該結(jié)構(gòu)中，接合到模塊下面的芯片B(1b)的背磨面(線路板相反側(cè)的所謂主平面)上，涂布有比所述芯片線膨脹系數(shù)大的樹脂。
根據(jù)本發(fā)明，在接合芯片A(1a)后冷卻時(shí)，芯片B(1b)的背磨面的樹脂(7a)收縮得比芯片B(1b)更厲害。因此，可以抑制欲使下面?zhèn)韧钩龅哪K的變形，可以減少在芯片B(1b)背磨面產(chǎn)生的應(yīng)力，防止芯片B(1b)破裂。從而，能夠制作具有在內(nèi)插板的表背面接合不同大小的裸芯片這種結(jié)構(gòu)的多芯片模塊。


圖1是表示以往技術(shù)中的SiP的實(shí)裝結(jié)構(gòu)的截面示意圖。
圖2是本發(fā)明人等當(dāng)初探討的，具有將大小不同的兩個(gè)薄裸芯片接合到內(nèi)插板表背面這種結(jié)構(gòu)的模塊的截面示意圖。
圖3是在本發(fā)明探討的，具有將大小不同的兩個(gè)薄裸芯片接合到內(nèi)插板表背面，并且在芯片B的背磨面涂布樹脂這種結(jié)構(gòu)的模塊的截面示意圖。
圖4是對(duì)于本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的半導(dǎo)體模塊，總結(jié)了用于進(jìn)行模擬分析的模塊結(jié)構(gòu)截面示意圖及其尺寸的圖表。
圖5(a)～圖5(c)是對(duì)于本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的半導(dǎo)體模塊，分別表示用于進(jìn)行模擬分析的模型的例子的圖。
圖6是表示對(duì)于本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的半導(dǎo)體模塊，總結(jié)了在進(jìn)行模擬分析時(shí)使用的材料物性值的表。
圖7(a)～圖7(c)是對(duì)于本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的半導(dǎo)體模塊，分別總結(jié)表示圖4的模型(1)～模型(3)記載的模塊結(jié)構(gòu)的由模擬分析的計(jì)算結(jié)果和在芯片B的背磨面產(chǎn)生的最大主應(yīng)力值的圖。
圖8(a)～圖8(c)是對(duì)于本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的半導(dǎo)體模塊，分別總結(jié)表示圖4的模型(4)～模型(6)記載的模塊結(jié)構(gòu)的由模擬分析的計(jì)算結(jié)果和在芯片B的背磨面產(chǎn)生的最大主應(yīng)力值的圖。
圖9(a)～圖9(c)是對(duì)于本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的半導(dǎo)體模塊，分別總結(jié)表示圖4的模型(7)～模型(9)記載的模塊結(jié)構(gòu)的由模擬分析的計(jì)算結(jié)果和在芯片B的背磨面產(chǎn)生的最大主應(yīng)力值的圖。
圖10(a)～圖10(c)是對(duì)于本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的半導(dǎo)體模塊，分別總結(jié)表示圖4的模型(10)～模型(12)記載的模塊結(jié)構(gòu)的由模擬分析的計(jì)算結(jié)果和在芯片B的背磨面產(chǎn)生的最大主應(yīng)力值的圖。
圖11是對(duì)于本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的半導(dǎo)體模塊，制作具有在芯片B的背磨面沒有NCP材料這種結(jié)構(gòu)的樣品后，觀察芯片B產(chǎn)生的裂紋的外觀的照片。
圖12(a)和圖12(b)是分別表示本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的半導(dǎo)體模塊的變形例的截面示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面，基于附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的實(shí)施方式。首先，使用模擬分析，探討芯片裂紋的發(fā)生與模塊結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。
對(duì)圖3所示的半導(dǎo)體裝置(模塊)，包括在芯片B(1b)的背面(與線路板3相反側(cè)的面，以下叫做背磨面)未形成樹脂材料7a的情況，作為模型進(jìn)行模擬分析的結(jié)果，確認(rèn)芯片B(1b)的裂紋在背磨面產(chǎn)生。鑒于此，本發(fā)明人等導(dǎo)出了在芯片B(1b)產(chǎn)生的最大主應(yīng)力值。在圖4表示這次討論的各種結(jié)構(gòu)的詳細(xì)數(shù)據(jù)。
對(duì)于線路板3(以下叫做內(nèi)插式基板)的基材9a、9b和作為內(nèi)層導(dǎo)體的銅配線8a～8d的厚度、形成于內(nèi)插式基板3的主平面的阻焊劑10的厚度、以及形成于芯片B(1b)的背磨面的樹脂材料7a的厚度各不相同的十二種模型，進(jìn)行模擬分析。銅配線1相當(dāng)于參照號(hào)8a、銅配線2相當(dāng)于參照號(hào)8b、銅配線3相當(dāng)于參照號(hào)8c、銅配線4相當(dāng)于參照號(hào)8d，基材包括芯9b和配置在其上下的預(yù)浸料(prepreg，在圖4記作PP，是指預(yù)浸漬(preimpregnation)的材料)9a。
在圖5(a)～(c)表示這次使用的分析模型的例子。其中，圖5(c)是擴(kuò)大了圖5(b)的(※)部的圖。關(guān)于基板、銅配線、阻焊劑，為了簡(jiǎn)化而未設(shè)置圖案，假設(shè)為薄板狀。另外，涂布在芯片B(1b)的背磨面的樹脂，假設(shè)為接合芯片和內(nèi)插板的非導(dǎo)電性的糊材料(以下叫做NCP材料)7。在圖6表示材料系數(shù)的值。分析溫度條件是將初始值定為NCP材料的玻璃化轉(zhuǎn)化溫度150℃，導(dǎo)出下降到室溫25℃時(shí)的芯片B的背磨面產(chǎn)生的最大主應(yīng)力值。另外，芯片是假設(shè)分別接合在內(nèi)插板中央，使用1/4模型。省略NCP材料的角焊縫。
在圖7(a)～圖10(c)，對(duì)于每個(gè)圖4的表中列舉的十二種模型表示上述模擬分析的結(jié)果。圖7(a)～圖7(c)、圖8(a)～圖8(c)、圖9(a)～圖9(c)、及圖10(a)～圖10(c)，對(duì)于內(nèi)插式基板3的基材9a、9b和作為內(nèi)層導(dǎo)體的銅配線8a～8d的厚度、以及形成于內(nèi)插式基板3的主平面的阻焊劑10的厚度相同的三個(gè)模型的模擬分析結(jié)果，根據(jù)涂布在芯片B(1b)的背磨面的樹脂的厚度，分別以(a)～(c)的順序表示。在芯片B的背磨面產(chǎn)生的最大主應(yīng)力，對(duì)于在芯片B的背磨面具有樹脂的結(jié)構(gòu)((b)或(c))來說，與沒有樹脂的結(jié)構(gòu)(a)相比，大幅度減少。另外，當(dāng)樹脂的厚度為100μm時(shí)(c)，比50μm時(shí)(b)最大主應(yīng)力變小。從而，在芯片B的背磨面涂布樹脂的結(jié)構(gòu)，與沒有樹脂的結(jié)構(gòu)相比，不易破裂，并且可知樹脂越厚越不易破裂。
接著，制作實(shí)際樣品并探討芯片B是否發(fā)生破裂。對(duì)在芯片B的背磨面涂布樹脂的結(jié)構(gòu)、未涂布樹脂的結(jié)構(gòu)的兩種情況探討模塊結(jié)構(gòu)。芯片尺寸、內(nèi)插式基板的尺寸、基材厚度、內(nèi)層導(dǎo)體的銅配線厚度、阻焊劑厚度等，其大小與模擬分析時(shí)相同。制作樣品時(shí)，首先在內(nèi)插式基板上用NCP材料接合芯片B。該接合工序中，通過將NCP材料加熱到最高溫度250℃，并在大于等于220℃的恒定溫度維持3s(3秒)的狀態(tài)，而將芯片B接合到內(nèi)插式基板上。對(duì)于具有在芯片B的背磨面形成樹脂這種結(jié)構(gòu)的樣品，在其背磨面涂布NCP材料，在與上述條件相同的條件下加熱固化NCP材料。最后，對(duì)所有的樣品，按照與上述的用NCP材料將芯片B固定在內(nèi)插式基板上的相同的條件，加熱NCP材料而將芯片A固定到內(nèi)插式基板上，然后將內(nèi)插式基板在最高溫度245℃的大于等于220℃的恒定溫度維持30s的狀態(tài)下加熱，在其上形成焊料凸塊，觀察芯片B是否發(fā)生破裂。
具有在芯片B的背磨面沒有形成樹脂這種結(jié)構(gòu)的樣品，在制成的57個(gè)樣品中，有6個(gè)樣品在芯片B發(fā)生了破裂。圖11表示發(fā)生破裂的樣品的外觀觀察結(jié)果。與此相比，具有在芯片B的背磨面形成樹脂這種結(jié)構(gòu)的樣品，在制成的50個(gè)樣品中，所有樣品都沒有在芯片B發(fā)生破裂。
這種傾向，尤其在內(nèi)插式基板厚度小于等于0.3mm，并且在該內(nèi)插式基板的芯片B的搭載面(第二主平面)的相反側(cè)的主平面(第一主平面)上搭載的芯片A的厚度小于等于0.2mm時(shí)更為顯著。例如，隨著內(nèi)插式基板走向薄型化，如果其厚度不足芯片A厚度的兩倍，則應(yīng)力容易從芯片A的端部通過內(nèi)插式基板而施加到芯片B的主平面。另外，在內(nèi)插式基板的一邊長(zhǎng)度大于等于8mm，并且芯片A的一邊長(zhǎng)度小于等于4mm時(shí)也是顯著的。即，相對(duì)于內(nèi)插式基板的在某一方向延長(zhǎng)的一邊長(zhǎng)度，沿著該一邊的芯片A的一邊長(zhǎng)度越短，應(yīng)力越容易從芯片A的端部通過內(nèi)插式基板而施加到芯片B的主平面。因此，例如當(dāng)芯片A的向某一方向延伸的一邊長(zhǎng)度小于等于內(nèi)插式基板向該某一方向延伸的長(zhǎng)度的1/2時(shí)，根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的實(shí)裝結(jié)構(gòu)，就能夠顯著地抑制芯片B在背磨面的裂紋的發(fā)生概率。
雖然未在圖11中表示，但也可以在芯片B的與內(nèi)插式基板的主平面對(duì)置的面上形成電極，將該電極與形成于內(nèi)插式基板的主平面上的電極或布線圖案電連接。此時(shí)，芯片B和內(nèi)插式基板的接合并不限于覆蓋芯片B背磨面的樹脂材料，也可以使用例如各向異性導(dǎo)電膜(Anisotropic Conductive Film)。
如上所述，通過使用本發(fā)明，可以制作在內(nèi)插式基板的表背面接合大小不同的裸芯片這種結(jié)構(gòu)的多芯片模塊。
另外，在圖12(a)和圖12(b)所示的結(jié)構(gòu)中，多芯片模塊也能夠制作。作為涂布在芯片B的背磨面上的樹脂，可以如在實(shí)施例中進(jìn)行，使用用來將芯片接合到內(nèi)插板的NCP材料，或者通過將樹脂膜粘附在芯片B的背磨面，來防止芯片B破裂。
在制作多芯片模塊時(shí)經(jīng)常是從別的公司購(gòu)買裸芯片進(jìn)行組裝而制作。因此，在內(nèi)插板的表背面接合大小不同的芯片的情況在將來可能逐漸增多。針對(duì)這種接合體系，本發(fā)明提供了有效的模塊結(jié)構(gòu)。
此外，本發(fā)明并不限于上述的實(shí)施方式，可以通過本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的方法進(jìn)行各種各樣的變化和更改。本發(fā)明并不限于上述說明書中描述的內(nèi)容，可以在權(quán)利要求書所記載的范圍內(nèi)進(jìn)行各種變化和更改。
權(quán)利要求
1.半導(dǎo)體裝置，其為對(duì)于線路板，在一個(gè)面由樹脂材料接合半導(dǎo)體元件，且在另一個(gè)面由樹脂材料將面積大于所述半導(dǎo)體元件的半導(dǎo)體元件由樹脂材料接合到所述線路板的多芯片模塊，具有在所述面積大的半導(dǎo)體元件的、由樹脂材料接合在所述線路板的面的相反側(cè)的面，也涂布了樹脂材料這樣的結(jié)構(gòu)。
2.權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置，其為對(duì)于線路板，在一個(gè)面由樹脂材料接合芯片，且在另一個(gè)面將面積大于所述芯片的芯片由樹脂材料接合到所述線路板的多芯片模塊，具有在所述面積大的芯片的、由樹脂材料接合在所述線路板的面的相反側(cè)的面，也涂布了樹脂材料這樣的結(jié)構(gòu)。
3.權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體裝置，其為對(duì)于厚度小于等于0.3mm的線路板，在一個(gè)面由樹脂材料接合厚度小于等于0.2mm的芯片，且在另一個(gè)面由樹脂材料接合面積大于所述芯片的芯片的多芯片模塊，具有在所述面積大的芯片的、由樹脂材料接合在所述線路板的面的相反側(cè)的面，也涂布了樹脂材料這樣的結(jié)構(gòu)。
4.權(quán)利要求3所述的半導(dǎo)體裝置，其為對(duì)于由多個(gè)配線層構(gòu)成的厚度小于等于0.3mm的線路板，在一個(gè)面由NCP材料接合厚度小于等于0.2mm的芯片，且在另一個(gè)面由NCP材料接合面積大于所述芯片的芯片的多芯片模塊，具有在所述面積大的芯片的、由NCP材料接合在所述線路板的面的相反側(cè)的面，也涂布了樹脂材料這樣的結(jié)構(gòu)。
5.權(quán)利要求4所述的半導(dǎo)體裝置，其為對(duì)于由多個(gè)配線層構(gòu)成的厚度小于等于0.3mm且一邊長(zhǎng)度大于等于8mm的線路板，在一個(gè)面由NCP材料接合厚度小于等于0.2mm且一邊長(zhǎng)度小于等于4mm的芯片，并且在另一個(gè)面由NCP材料接合面積大于所述芯片的芯片的多芯片模塊，具有在所述面積大的芯片的、由NCP材料接合在所述線路板的面的相反側(cè)的面，也涂布了樹脂材料這樣的結(jié)構(gòu)。
全文摘要
在內(nèi)插式基板的一個(gè)主平面上接合第一裸芯片，在內(nèi)插式基板的另一個(gè)主平面上接合具有比第一裸芯片寬的主平面的第二裸芯片的半導(dǎo)體裝置，本發(fā)明通過在所述第二裸芯片的背磨面(與所述內(nèi)插式基板相反側(cè)的主平面)涂布比所述第二裸芯片線膨脹系數(shù)大的樹脂，來防止所述內(nèi)插式基板翹曲引起的所述第二裸芯片的破裂。
文檔編號(hào)H01L25/18GK1819186SQ20061000301
公開日2006年8月16日 申請(qǐng)日期2006年1月26日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月27日
發(fā)明者山下志郎, 辻大輔, 畑澤秋彥, 竹島英宏 申請(qǐng)人:秋田電子系統(tǒng)股份有限公司