JP2011243724A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】封止樹脂の収縮による配線基板の搭載不良を防ぐことが可能な半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】半導体装置の製造方法は、複数の貫通電極３０を要するＴＳＶチップ２２を複数積層してメタル基板１２の上面にチップ積層体２０を形成する工程と、前記ＴＳＶチップ同士の間にチップ積層体用封止体３４を充填する工程と封止樹脂３６により前記チップ積層体用封止体の周囲を、前記メタル基板の上面から前記チップ積層体の最上位の前記ＴＳＶチップの上面と同じ高さまで封止する工程と、前記チップ積層体の最上位の前記ＴＳＶチップの上面周囲の前記封止樹脂の上面に枠状部材９７を搭載する工程と、前記チップ積層体の最上位の前記ＴＳＶチップの上面及び前記枠状部材の上に配線基板３８を搭載する工程と、を具備してなることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は半導体装置およびその製造方法に関する。

近年、ＴＳＶ（スルーシリコンビア）チップが複数積層してなるＣｏＣ（チップオンチップ）型半導体装置が注目されている。ＴＳＶチップには貫通電極が設けられており、互いにバンプ電極同士が接合されることにより積層されている。しかし、バンプ電極の高さは数〜数十μｍ程度であるため、ＴＳＶチップ同士の隙間は十分ではない。そのため、モールド作業により半導体装置の外形を封止すると、ＴＳＶチップの積層体が加圧されてＴＳＶチップが割れる可能性がある。

また、ＣｏＣ型半導体装置はチップを複数積層しているために放熱性が低いという問題がある。そのため、メモリなどの発熱しやすいチップを動作させると、発熱による誤動作を引き起こす可能性が高い。このような問題を解決する方法としては、金属素材のリードフレーム板の上面（一面側）にチップ積層体を搭載し、リードフレーム板の下面（他面側）に外部接続端子搭載用のインタポーザチップ等を配置する方法が知られている（特許文献１）。このように、リードフレーム板をチップ積層体の下面に配置することにより、リードフレーム板はチップ積層体の支持材として機能する。これにより、ＣｏＣ型半導体装置の放熱性及び機械的強度の向上を図ることができる。

特開2006-319243号公報

しかし、他のＴＳＶチップと同質の半導体材料からなるインターポーザチップを用いて半導体装置を形成すると製造コストが上昇するという問題がある。そのため、コスト競争が激しい量産品には、このようなインタポーザチップを用いることが困難である。
そこで、インターポーザチップの代わりに安価な樹脂系素材の配線基板を用いる方法として、樹脂系素材の配線基板を用いた半導体装置の製造方法が知られている。この方法について、図１を用いてその概要を説明する。

はじめに図１（ａ）に示すように、メタル基板（支持材）１１２の上面（一面側）に複数のＴＳＶチップ（半導体チップ）１２２を積層し、チップ積層体１２０を形成する。まず、メタル基板１１２のそれぞれの製品形成部１１４上に接着部材である接着部材（ＤＡＦ）１３２を接着固定する。その後、接着部材１３２上に、複数の貫通電極１３０が形成されたＴＳＶチップ１２２を積層し、最後にインターフェースチップ（最上位のＴＳＶチップ）１２２ａを搭載する。これにより、ＴＳＶチップ１２２および最上位のＴＳＶチップ１２２ａからなるチップ積層体１２０が形成される。次いで、チップ積層体１２０の側面よりアンダーフィル（チップ積層体用封止体）１３４を注入したのちに加熱し、チップ積層体用封止体１３４を硬化させる。次いで、モールド樹脂（封止樹脂）１３６を基板１１２の上面およびチップ積層体用封止体１３４側面を覆うように供給する。次いで、封止樹脂１３６を加熱して硬化させる。これにより、基板１１２の上面およびチップ積層体用封止体１３４は封止樹脂１３６により封止される。

次いで、最上位のＴＳＶチップ１２２ａの上面のバンプ電極１２６上に、金等からなる半田バンプ１４４を形成する。次いで、最上位のＴＳＶチップ１２２ａの上面および半田バンプ１４４を覆うようにＮＣＰなどの配線基板間用封止体１４６を供給する。その後、図１（ｂ）に示すように、チップ積層体１２０の最上位（一面側）の最上位のＴＳＶチップ１２２ａの上面に、配線基板間用封止体１４６を介して、樹脂素材からなる配線基板１３８を搭載する。

しかし、封止樹脂１３６を封止した後に常温まで冷却すると、封止樹脂１３６が収縮して、上面に凹部１９８が発生する。これにより封止樹脂１３６の上面と配線基板１３８の下面との間に隙間１９９が発生してしまい、配線基板１３８を良好に搭載することができない。この問題に対し、凹部１９８や隙間１９９の大きい領域に、たとえばＮＣＰなどの配線基板間用封止体を充填することにより、封止樹脂１３６上面の高さをそろえる方法も考えられる。しかし、そのような方法では配線基板間用封止体の充填量の不足や、加熱硬化が均等に行われないなどの問題が生じやすい。そのため、配線基板１３８に剥れが生じたり、配線基板間用封止体内にボイドが発生する問題がある。

このため、従来の半導体装置の製造方法においては封止樹脂１３６の剥れや耐湿性不良などの不良要因が生じやすく、半導体装置の信頼性が低下するという問題があった。この問題に対し、配線基板１３８を薄くして搭載不良を防ぐ方法も考えられるが、樹脂素材からなる配線基板１３８はＴＳＶチップ材よりも剛性が小さいため、薄くすると外圧で屈曲しやすい。そのため、配線基板１３８を薄くすると半田ボールなどの外部接続端子の搭載や外部実装の際に支障が出やすいという問題が生じる。

本発明の半導体装置の製造方法は、複数の貫通電極を要するＴＳＶチップを複数積層してメタル基板の上面にチップ積層体を形成する工程と、前記ＴＳＶチップ同士の間にチップ積層体用封止体を充填する工程と封止樹脂により前記チップ積層体用封止体の周囲を、前記メタル基板の上面から前記チップ積層体の最上位の前記ＴＳＶチップの上面と同じ高さまで封止する工程と、前記チップ積層体の最上位の前記ＴＳＶチップの上面周囲の前記封止樹脂の上面に枠状部材を搭載する工程と、前記チップ積層体の最上位の前記ＴＳＶチップの上面及び前記枠状部材の上に配線基板を搭載する工程と、を具備してなることを特徴とする。

本発明の半導体装置の製造方法によれば、チップ積層体の最上位のＴＳＶチップ上面周囲の封止樹脂の上面に枠状部材を配置したのちに、枠状部材上およびチップ積層体の最上位のＴＳＶチップ上面に配線基板を搭載する。これにより、封止樹脂の上面に凹部が発生しても配線基板の外周部下面側は枠状部材により支えられる。そのため、配線基板はＴＳＶチップ上面に良好に搭載される。これにより封止樹脂の剥れや耐湿性不良などの不良要因を防ぐことができ、半導体装置の信頼性および品質を向上することができる。
また、配線基板の外周部下面側は枠状部材に支えられる。そのため、薄い配線基板であっても、半導体装置への半田ボールなどの外部接続端子の搭載や外部実装の際の外圧に対して十分な剛性を具備する。これにより、外部接続端子の搭載や外部実装の際の支障発生を防ぐことが可能となる。
以上により、製造コストの高いインターポーザチップを利用せずに、安価な樹脂系素材からなる配線基板を用いた半導体装置を製造することができる。これにより、安価で薄く、かつ、信頼性の高いＣｏＣ型半導体装置を実現することが可能となる。

図１は、従来の実施形態における半導体装置の製造方法を示す断面工程図である。 図２は、本発明の第１の実施形態における半導体装置の概略を示す断面模式図である。 図３は、本発明の第１の実施形態における半導体装置の概略を示す平面模式図である。 図４は、本発明の第１の実施形態における半導体装置の製造方法を示す断面工程図である。 図５は、本発明の第１の実施形態における半導体装置の製造方法を示す断面工程図である。 図６は、本発明の第２の実施形態における半導体装置の製造方法を示す断面工程図である。 図７は、本発明の第２の実施形態における半導体装置の製造方法を示す断面工程図である。

以下、本発明の第一の実施形態である半導体装置１０について図２、図３を参照して説明する。なお、以下の説明において参照する図面は、特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際と同じであるとは限らない。また、以下の説明において例示される原料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。

本実施形態の半導体装置１０は、メタル基板１２と、複数のＴＳＶチップ２２が積層してなるチップ積層体２０と、チップ積層体用封止体３４と、封止樹脂３６と、枠状部材９７と、配線基板３８と、半田ボール４８と、から概略構成されている。以下、それぞれの構成について詳細を説明する。

（メタル基板１２）
メタル基板１２は、例えば鉄・ニッケル合金の４２アロイから構成されている。メタル基板１２の材料は、４２アロイに限定されず、放熱性や剛性に優れた金属材料であれば他のものを用いても構わない。そのような材料からなるメタル基板１２を用いることにより、半導体装置１０の放熱性を高めることができる。

また、メタル基板１２の平面視形状は略四角形となっており、その上面（一面側）には、製品形成領域１４が構成されている。また、製品形成領域１４の上面と、後述するチップ積層体２０の下面（他面）側は、たとえばダイアタッチフィルムなどの接着部材（ＤＡＦ）３２を介して接着固定されている。このように、チップ積層体２０が製品形成領域１４に接着搭載された構成とすることにより、チップ積層体２０（ＴＳＶチップ２２）を補強するとともに、チップ積層体２０の放熱性を向上させることができる。

図３は半田ボール４８搭載後のメタル母基板１２ａを上面から見た平面模式図である。メタル基板１２は、メタル母基板１２ａを製品形成領域１４毎に分割したものであり、製品化の際に個片化される。このように複数のメタル基板１２からなるメタル母基板１２ａを用いることにより、ＭＡＰ（モールドアレイプロセス）方式における大型配線基板配列と同様に製造効率を向上させることができる。

（チップ積層体２０）
図２に示すように、チップ積層体２０は、複数のＴＳＶチップ２２が積層した構成となっている。また、チップ積層体２０は、例えばポリイミド基材の両面に接着層が形成されたダイ・アタッチド・フィルム材（ＤＡＦ）からなる絶縁性の接着部材３２によって、メタル基板１２の製品形成領域１４の略中央位置に接着固定されている。これにより、チップ積層体２０はメタル基板１２の上面に搭載された構成となっている。また、メタル基板１２と、ＴＳＶチップ２２の第二のバンプ電極２７とは、接着部材３２によって絶縁された構成となる。接着部材３２の材料はＤＡＦに限定されず、熱伝導性の高いものであれば他のものを用いてもかまわない。そのような材料からなる接着部材３２を用いることにより、チップ積層体２０で発生した熱をメタル基板１２に効率的に伝達することができる。そのため、半導体装置１０の放熱性を向上させることができる。

（ＴＳＶチップ２２）
ＴＳＶチップ２２は例えばシリコンからなり、数十μｍ程度の厚さで形成されている。ＴＳＶチップ２２の下面には、ダイナミック・ランダム・アクセスメモリ（ＤＲＡＭ）の図示しない回路層が形成されている。また、ＴＳＶチップ２２の上面及び下面には、高さ数〜十数μｍ程度の高さの柱状の第一のバンプ電極２６、第二のバンプ電極２７がそれぞれ複数形成されている。

また、第一の貫通電極３０がＴＳＶチップ２２を貫通する構成で形成されており、これにより第一のバンプ電極２６と第二のバンプ電極２７は電気的に接続されている。また、それぞれのＴＳＶチップ２２の第一のバンプ電極２６と、上下に隣接するＴＳＶチップ２２の第二のバンプ電極２７とは互いに電気的に接続している。

チップ積層体２０のうち、最上位（一面側）のＴＳＶチップ２２を最上位のＴＳＶチップ２２ａとする。図２においては、半導体装置１０の説明を容易にするために最上位のＴＳＶチップ２２ａを、ＴＳＶチップ２２よりも小さいものとしているが、第一の貫通電極３０、第一のバンプ電極２６、第二のバンプ電極２７を有し、隣接するＴＳＶチップ２２や後述する配線基板３８と接続できる構造であれば、ＴＳＶチップ２２ａの大きさや積層数、種類等は任意とすることができる。

また、最上位のＴＳＶチップ２２ａの第一のバンプ電極２６の上面には、金等からなる半田バンプもしくは半田バンプ４４が形成されている。半田バンプ４４が形成されていることにより、第一のバンプ電極２６は後述する配線基板３８の第一の接続パッド４１と良好に接続することができる。

（チップ積層体用封止体（アンダーフィル）３４）
チップ積層体用封止体（アンダーフィル）３４は絶縁性材料からなり、メタル基板１２の上面に形成されている。チップ積層体用封止体３４はメモリチップ２２同士の間、および、メモリチップ２２と最上位のＴＳＶチップ２２ａとの間を充填するとともに、チップ積層体２０の側面を覆う構成となっている。これにより、ＴＳＶチップ２２および最上位のＴＳＶチップ２２ａはチップ積層体用封止体３４によってその周囲を覆われ、外圧による割れを防ぐことができる。
また、チップ積層体用封止体３４のチップ積層体２０の周囲を覆う部分は、チップ積層体用封止体３４の下面（メタル基板１２側）に多く溜った構成であり、その断面視形状は台形となっている。また、チップ積層体２０の上面（最上位のＴＳＶチップ２２ａの上面）はチップ積層体用封止体３４に覆われず、第一のバンプ電極２６を露出させている。

（封止樹脂３６）
封止樹脂３６は、例えばエポキシ系熱硬化性の樹脂などの絶縁性材料からなり、メタル基板１２の上面およびチップ積層体用封止体３４の側面を覆うように形成されている。また、封止樹脂３６は図２に示すように、メタル基板１２の上面から最上位のＴＳＶチップ２２ａの上面と同じ高さまでを封止している。これにより、封止樹脂３６は半導体装置１０の外形を形成している。また、封止樹脂３６は図２、図５（ｃ）に示すように、その上面に凹部９８が形成されている。凹部９８は大きく凹んだ構成となっており、これにより、図２、図５（ｃ）の点線部分に示すように、配線基板３８下面の外周部と封止樹脂３６の上面との間に、クサビ状の隙間９９が構成される。

（枠状部材９７）
図２に示すように、枠状部材９７は最上位のＴＳＶチップ２２ａの上面の周囲の封止樹脂３６と、後述する配線基板３８の外周部下側との間に配置されている。枠状部材９７は平面視形状四角形の枠状の構成であり、最上位のＴＳＶチップ２２ａの上面の外周部を囲むように配置されている。

また、枠状部材９７の内周は、最上位のＴＳＶチップ２２ａの貫通電極３０の配置された領域よりも大きく、かつ、後述する配線基板３８の外周よりも小さく構成されている。枠状部材９７の平面視形状は、配線基板３８の外周に重なり支えられる大きさであればよく、最上位のＴＳＶチップ２２ａの上面の外周部と一部重なっていてもよい。

枠状部材９７をこのような構成とするにより、枠状部材９７は最上位のＴＳＶチップ２２ａの貫通電極３０と重なることなく、配線基板３８の下面の外周を支えることができる。そのため、最上位のＴＳＶチップ２２ａと配線基板３８の導通を阻害することなく、配線基板３８を安定して搭載することができる。また、最上位のＴＳＶチップ２２ａの外周部を枠状部材９７により囲むことにより、封止樹脂３６に凹部９８が発生していても、後述する配線基板３８下面の外周部を、枠状部材９７により支えることができる。そのため、隙間９９による影響を抑えることができる。

枠状部材９７の材料としては、金属系素材を用いることが特に好ましい。金属系素材からなる枠状部材９７を用いることにより、チップ積層体２０で発生した熱を効果的に放熱することができる。また、枠状部材９７の材料としては金属素材に限られず、配線基板３８と同等以上の剛性のものであればその他のものを用いてもかまわない。このようなものとしては具体的には例えば、配線基板３８と同様のポリイミド系基材を用いることができる。

また、枠状部材９７の外周部の厚さは、後述する配線基板３８下面の第一の接続パッド４１と最上位のＴＳＶチップ２２ａの上面の第一のバンプ電極２６をバンプ電極接続した際の隙間と同等の厚さ（十〜数十μｍ程度）とすることが好ましい。この厚さは、第一の接続パッド４１と第一のバンプ電極２６の厚さにより適宜設定すればかまわない。また、第一の接続パッド４１と第一のバンプ電極２６を、半田バンプ４４を介して接続する場合は、半田バンプ４４の厚みも考慮して枠状部材９７の外周部の厚さを設定する。

枠状部材９７の外周部の厚さをこのように設定することにより、配線基板３８下面の外周部は枠状部材９７に密着するとともに、枠状部材９７を支えることができる。また、第一の接続パッド４１と最上位のＴＳＶチップ２２ａの上面の第一のバンプ電極２６との間に隙間を生じることなく、好適に接続することができる。

また、枠状部材９７の断面形状は、内周側が外周側より薄い台形状であることが好ましい。枠状部材９７をこのような構成とすることにより、配線基板３８をより好適に搭載することができる。
これは、図５（ｃ）に示すように、封止樹脂３６は冷却により縮み、製品形成領域１４の中間点に凹部９８が形成されているためである。凹部９８は大きく窪み、図５（ｃ）の点線部分に示すように、配線基板３８下面の外周部と封止樹脂３６の上面との間に、クサビ状の隙間９９が発生している。そのため、枠状部材９７の断面形状を内周側が薄い台形やクサビ形状であることにより、この隙間９９を好適に埋めることができる。そのため、配線基板３８をより好適に搭載することができる。

（配線基板３８）
配線基板３８は樹脂系素材からなることが好ましい。樹脂系素材からなる配線基板３８を用いることにより、半導体装置１０のコストを低下することができる。また、配線基板３８の平面視形状はメタル基板１２よりも小さく、かつ、枠状部材９７の内周よりも大きい面積の略四角形状となっている。また、配線基板３８の下面の外周領域は枠状部材９７の上に重なり、枠状部材９７の上面の一部または全部に重なるように搭載されている。

配線基板３８は最上位のＴＳＶチップ２２ａの上面に、後述する配線基板間用封止体４６を介して搭載されている。
また、最上位のＴＳＶチップ２２ａの第一のバンプ電極２６と、配線基板３８の下面の第一の接続パッド４１は、直接接合されていてもかまわないが、半田バンプ４４を介して接合されていることが好ましい。半田バンプ４４を介して接合されることにより、最上位のＴＳＶチップ２２ａの第一のバンプ電極２６と第一の接続パッド４１はより好適に接合される。この接合により、配線基板３８とチップ積層体２０は電気的に接続した構成となっている。

また、配線基板３８の上面および下面には、例えばＡｕメッキからなる所定の配線４５が形成されており、その上面は、例えばソルダーレジストからなる絶縁膜４０で覆われている。また、配線基板３８の上面には、複数のランド部４２が形成されている。のランド部４２は、例えば０．８ｍｍの所定の間隔で格子状に配置されており、配線４５を介して第一の接続パッド４１と電気的に接続されている。

また、配線基板３８の下面と最上位のＴＳＶチップ２２ａの上面との間には、例えばエポキシ樹脂からなるＮＣＰ（Non Conductive Paste）などの配線基板間用封止体４６が充填されている。配線基板間用封止体４６の材料はＮＣＰに限られず、絶縁性を有する接着剤であれば他のものを用いても構わない。これにより、最上位のＴＳＶチップ２２ａの第一のバンプ電極２６、第一の接続パッド４１および半田バンプ４４の側面は配線基板間用封止体４６により覆われ、配線基板３８と最上位のＴＳＶチップ２２ａは配線基板間用封止体４６により互いに接着固定された構成となる。

最上位のＴＳＶチップ２２ａの外周部が枠状部材９７により囲まれていることにより、封止樹脂３６の上面に凹部９８が発生していても、配線基板３８は枠状部材９７上に好適に搭載されている。そのため、配線基板３８下面の外周部と封止樹脂３６の上面との間の隙間９９の外周部は枠状部材９７により囲まれた構成となり、配線基板３８下面の外周部と封止樹脂３６の上面との間は配線基板間用封止体４６により好適に充填された構成となっている。また、配線基板３８と枠状部材９７周辺の隙間９９も、配線基板間用封止体４６により充填された構成となっている。これにより、配線基板３８下面外周部と枠状部材９７及び封止樹脂３６の間は配線基板間用封止体４６により接着固定され、互いに一体化した構成となる。

このように、最上位のＴＳＶチップ２２ａの外周部が枠状部材９７により囲まれていることにより、配線基板３８下面の外周部と封止樹脂３６の上面との間の配線基板間用封止体４６は好適に充填、硬化されている。そのため、配線基板３８の剥れや配線基板間用封止体４６内のボイド発生が抑えられ、半導体装置１０の耐湿性悪化を防ぐことができる。
また、配線基板３８下面外周部に枠状部材９７が密着固定して配線基板３８を支えていることで配線基板３８の剛性が増し、外圧により屈曲しにくくなる。そのため、後述する半田ボール４８の搭載や外部への実装作業が良好に行われる。

（半田ボール４８）
半田ボール４８はたとえば導電性の金属ボールからなり、それぞれランド部４２の上面に搭載されている。半田ボール４８は、半導体装置１０の外部端子として機能する。

図２に、半田ボール４８搭載後のメタル母基板１２ａの平面模式図を示す。本実施形態の半導体装置１０は、図２に示すメタル母基板１２ａ及び封止樹脂３６を、ダイシングライン７０に沿って切断、個片化したものである。ここに示すように、メタル母基板１２ａの上面は封止樹脂３６により一括的に覆われた構成となっている。また、封止樹脂３６の上面には枠状部材９７が搭載され、さらに枠状部材９７の上には、枠状部材９７の外周よりも小さい平面視形状の配線基板３８が搭載されている。また、配線基板３８上には外部接続端子として半田ボール４８が搭載されている。

本実施形態の半導体装１０によれば封止樹脂３６の上面に凹部９８が発生していても、配線基板３８の下面外周側は枠状部材９７により支えられるため、最上位のＴＳＶチップ２２ａの上面に良好に搭載することができる。これにより封止樹脂３６の剥れや耐湿性不良などの不良要因が防がれるため、半導体装置１０の信頼性および品質を向上することができる。

また、封止樹脂３６の上面に枠状部材９７を配置することにより、配線基板３８の外周部下面に枠状部材９７が密着し、好適に支えることができる。これにより、薄い配線基板３８であっても外圧に対して十分な剛性を具備し、半導体装置１０への半田ボール４８などの外部接続端子の搭載や外部実装の際の支障を防ぐことが可能となる。そのため、製造コストの高いインターポーザチップを利用せずに、安価な樹脂系素材からなる配線基板３８を用いた半導体装置１０を製造することができる。これにより、安価で薄いＣｏＣ型半導体装置を実現することができる。

また、枠状部材９７の内周が、最上位のＴＳＶチップ２２ａの貫通電極３０の配置された領域よりも大きく、かつ、後述する配線基板３８の外周よりも小さく構成されていることにより、配線基板３８下面の外周部と封止樹脂３６の上面との間に配線基板間用封止体４６を好適に充填することができる。そのため、配線基板３８の剥れや配線基板間用封止体４６内のボイド発生が抑えられ、半導体装置１０の耐湿性悪化を防ぐことができる。

続いて、第一の実施形態の半導体装置１０の製造方法について図４、図５を用いて説明する。図４、図５は、第一の実施形態の半導体装置１０の製造方法を示した断面模式図である。本実施形態の半導体装置の製造方法は、複数の半導体チップ（ＴＳＶチップ）２２を積層してチップ積層体２０を形成する工程と、ＴＳＶチップ２２同士の間にチップ積層体用封止体３４を充填する工程と、チップ積層体用封止体３４を封止樹脂３６により封止する工程と、封止樹脂３６の上面に枠状部材９７を搭載する工程と、配線基板３８を搭載する工程と、半田ボール４８を搭載する工程と、メタル母基板１２ａ及び封止樹脂３６を製品形成領域１４毎に分割する工程と、から概略構成されている。なお、一般的なＢＧＡ（ボールグリッドアレイ）型半導体装置の製造方法と同様の工程については、その説明を省略する。以下、それぞれの工程について詳細を説明する。

（チップ積層体２０を形成する工程）
始めに、チップ積層体２０を形成する。まず、ＴＳＶチップ２２の上面に別のＴＳＶチップ２２を搭載する。ＴＳＶチップ２２の上面及び下面には、柱状の複数の第一のバンプ電極２６と第二のバンプ電極２７がそれぞれ形成されている。また、複数の第一の貫通電極３０がＴＳＶチップ２２を貫通する構成で形成されており、第一のバンプ電極２６、第二のバンプ電極２７は電気的に接続されている。また、ＴＳＶチップ２２の上面には図示しない回路層が形成されている。

それぞれのＴＳＶチップ２２の第一のバンプ電極２６と第二のバンプ電極２７とが合致するように位置を合わせて搭載したのち、隣接する第一のバンプ電極２６と第二のバンプ電極２７同士を仮固着させる。これにより、両バンプ電極は電気的に接合される。
その後、同様の工程を所定の回数繰り返してＴＳＶチップ２２を積層することにより。チップ積層体２０を形成する。ここではたとえば、最上位（一面側）のＴＳＶチップ２２を最上位のＴＳＶチップ２２ａとする。

次いで、図４（ａ）に示すように、板状のメタル母基板１２ａ（メタル基板１２）の上面にチップ積層体２０を搭載する。メタル母基板１２ａは、たとえば鉄・ニッケル合金の４２アロイ等の放熱性や剛性に優れた金属材料からなることが好ましい。
まず、メタル母基板１２ａの所定の製品形成領域１４にダイアタッチフィルムなどの接着部材（ＤＡＦ）３２を配置する。次いで、接着部材３２上にチップ積層体２０を搭載したのちに加熱し、接着部材３２を介してメタル母基板１２ａとチップ積層体２０を接着固定する。メタル母基板１２ａは図３の平面図に示すように、複数の製品形成領域１４をマトリクス状に配置している形状であるため、複数の製品を一括製造することができる。

（ＴＳＶチップ２２同士の間にチップ積層体用封止体３４を充填する工程）
次いで、図４（ｂ）に示すように、ＴＳＶチップ２２同士の間にチップ積層体用封止体３４を充填する。まず、ノズルなどの図示しない塗布装置により、チップ積層体２０の側面近傍位置に液状のチップ積層体用封止体３４を供給する。チップ積層体用封止体３４は、例えばエポキシ系の熱硬化性樹脂を用いることができるが、他のものを用いてもかまわない。これにより、チップ積層体用封止体３４は毛細管現象によりＴＳＶチップ２２同士の隙間およびＴＳＶチップ２２と最上位のＴＳＶチップ２２ａとの間を充填するとともに、チップ積層体２０の側面を覆う構成となる。このとき、チップ積層体２０の周囲を囲むチップ積層体用封止体３４は、重力により下面（メタル母基板１２ａ）側に多く溜り、その断面視形状は台形となる。
この後、図示しないベーク炉を用いて、所定の温度、例えば１３０℃程度でキュアすることにより、チップ積層体用封止体３４を熱硬化させる。

（チップ積層体用封止体３４を封止樹脂３６により封止する工程）
次いで、図４（ｃ）に示すように、メタル基板１２の上面およびチップ積層体用封止体３４側面を封止樹脂３６により封止する。まず、図示しないトランスファモールド装置の成型金型によりメタル基板１２を型締めする。次いで、メタル基板１２の上面およびチップ積層体用封止体３４側面を、エポキシ系熱硬化性の樹脂などの絶縁性材料からなる封止樹脂３６により封止する。
このとき、トランスファモールド装置のキャビティ内にチップ積層体２０が配置されるが、キャビティ内に弾力性のあるシートを配置しておくことが好ましい。これにより、弾力性のあるシートがチップ積層体２０の上面（最上位のＴＳＶチップ２２ａ）に密着するため、最上位のＴＳＶチップ２２ａの上面に封止樹脂３６が浸透するのを防ぐことができる。

この後、所定の温度でキュアすることにより、メタル基板１２の上面及びチップ積層体用封止体３４側面を一括的に覆う封止樹脂３６が形成される。その後、メタル基板１２を所定の温度でベークし、封止樹脂３６を完全に硬化させる
このとき、ＴＳＶチップ２２同士の隙間、および、ＴＳＶチップ２２と最上位のＴＳＶチップ２２ａとの間の隙間に予めチップ積層体用封止体３４を充填しておくことにより、本工程での過熱によるＴＳＶチップ２２間のボイド発生を低減することができる。

また、チップ積層体２０の上面（最上位のＴＳＶチップ２２ａ）に弾力性のあるシートを介したまま封止樹脂３６により封止することにより、最上位のＴＳＶチップ２２ａの上面は封止樹脂３６により覆われない。そのため、最上位のＴＳＶチップ２２ａの上面を露出させた状態で、封止樹脂３６を硬化することができる。

本工程においては、複数の製品形成領域１４をマトリクス状に配置した大型のメタル母基板１２ａの上に封止樹脂３６を形成することが好ましい。そのため、配線基板３８は封止樹脂３６を硬化した後に搭載する。本実施形態の配線基板３８は薄い樹脂材料からなるため、配線基板３８をチップ積層体２０の上面に搭載した後に封止樹脂３６により封止を行うと、トランスファモールド装置内に封止樹脂３６が流入した際に、その圧力により配線基板３８が破壊される恐れがある。そのため、大型のメタル母基板１２ａ上に封止樹脂３６を形成する場合は、封止樹脂３６を形成した後に配線基板３８を搭載する必要がある。

次いで、封止樹脂３６を冷却する。図４（ｃ）に、常温に冷却した状態の封止樹脂３６を示す。封止樹脂３６の上面は熱硬化した直後は平面であり、最上位のＴＳＶチップ２２ａの上面と同位置である。しかし、封止樹脂３６は冷却により縮むため、上面が大きく窪んで凹部９８が形成される。これは、封止樹脂３６のレジン材はＴＳＶチップ２２のシリコン材よりも熱膨張係数が大きいためである。そのため、熱硬化した直後は同等の高さであっても、冷却されると封止樹脂３６側がＴＳＶチップ２２よりも大きく縮んでしまう。

また、ＣｏＣ型半導体装置ではチップ積層体２０を有するため、単体のチップを有する半導体装置よりも封止樹脂３６は厚くなる。そのため、チップ積層体２０と封止樹脂３６の熱膨張係数の差は顕著になり、大きな窪み（凹部９８）が発生しやすい。これは特に、封止樹脂３６の厚い領域に顕著に現れるためである。そのため、製品形成領域１４同士の間が特に大きく窪んで凹部９８が形成される。これにより、封止樹脂３６の上面は最上位のＴＳＶチップ２２ａの上面側の周囲から、製品形成領域１４同士の間の凹部９８にかけてゆるやかに窪んだ構成となる。

（封止樹脂３６の上面に枠状部材９７を搭載する工程）
次いで、図４（ｄ）に示すように、最上位のＴＳＶチップ２２ａ上面の周囲の封止樹脂３６の上面に、平面視形状四角形の枠状の構成の枠状部材９７を搭載する。これにより、枠状部材９７の内周が最上位のＴＳＶチップ２２ａの上面の外周部を囲むように配置する。

また、枠状部材９７の内周は最上位のＴＳＶチップ２２ａの上面の外周部よりも大きい平面視形状を有することが特に好ましいが、枠状部材９７の内周は最上位のＴＳＶチップ２２ａの貫通電極３０の配置された領域よりも大きければよく、最上位のＴＳＶチップ２２ａの上面の外周部と一部重なっていてもかまわない。枠状部材９７をこのような構成とするにより、枠状部材９７は最上位のＴＳＶチップ２２ａの貫通電極３０と重なることなく、後述する配線基板３８を安定して搭載することができる。そのため、最上位のＴＳＶチップ２２ａと配線基板３８の導通を阻害することなく、配線基板３８を安定して搭載することができる。

また、枠状部材９７は金属系素材からなることが好ましい。金属系素材からなる枠状部材９７を用いることにより、チップ積層体２０で発生した熱を効果的に放熱することができるためである。

このとき、図４（ｄ）の点線部分に示すように、枠状部材９７下面と封止樹脂３６の上面との間に、クサビ状の隙間９９が構成される。これは、封止樹脂３６の上面は最上位のＴＳＶチップ２２ａの上面の周囲から、製品形成領域１４同士の間の凹部９８にかけてゆるやかに窪んだ構成となっているためである。
そのため、枠状部材９７の断面形状は、内周側が外周側より薄い台形状であることが好ましい。枠状部材９７の断面形状を内周側が薄い台形やクサビ形状であることにより、この隙間９９を好適に埋めることができる。そのため、配線基板３８をより好適に搭載することができる。

（配線基板３８を搭載する工程）
次いで、配線基板３８を最上位のＴＳＶチップ２２ａ上面に搭載する。まず、最上位のＴＳＶチップ２２ａの第一のバンプ電極２６の上面に、金等からなる半田バンプもしくは半田バンプ４４を形成することが好ましい。半田バンプ４４は例えば図示しないワイヤボンディング装置により、Ａｕワイヤを半田バンプ４４にボンディングした後に引きちぎるなどして形成すればよい。また、半田バンプ４４の形成方法はこれに限られず、後述する配線基板３８の下面の第一の接続パッド４１に事前に形成しておいてもかまわない。これにより、後述する工程において最上位のＴＳＶチップ２２ａの第一のバンプ電極２６と、配線基板３８の第一の接続パッド４１との接合を容易に行うことができる。

次いで、図５（ａ）に示すように、図示しないディスペンサーにより、チップ積層体２０の上面（最上位のＴＳＶチップ２２ａの上面）及び半田バンプ４４を覆うように、例えばエポキシ樹脂からなるＮＣＰなどの液状の配線基板間用封止体４６を塗布する。配線基板間用封止体４６を塗布する方法はこれに限られず、最上位のＴＳＶチップ２２ａに配線基板間用封止体４６を滴下塗布してもよい。また、フィルム状接着剤であるＮＣＦ（ノンコンダクティブフィルム）を適量配置しても構わない。

次いで、図５（ｂ）に示すように、ボンディングツール５０により、配線基板３８の上面を吸着保持し、配線基板間用封止体４６上に搭載する。このとき、配線基板３８の下面の第一の接続パッド４１と、半田バンプ４４（最上位のＴＳＶチップ２２ａの第一のバンプ電極２６）とが合致するよう、配線基板３８の搭載位置を調整する。また、配線基板３８の平面視形状は製品形成領域１４よりも小さい面積の略四角形状とする。これにより、配線基板３８の搭載時に隣接する配線基板３８同士が接触する恐れや、配線基板間用封止体４６が隣接する配線基板３８側に流れ込む可能性を低減することができる。

次いで、例えば３００℃/１０秒間の加熱条件により、第一の接続パッド４１及び半田バンプ４４を加熱するとともに、配線基板３８の上面から荷重を印加する。これにより、フリップチップ接合が行われ、最上位のＴＳＶチップ２２ａの第一のバンプ電極２６と第一の接続パッド４１は、半田バンプ４４を介して電気的に接合される。また、このときの接合は、荷重だけでなく、超音波を印加するようにしても良い。また、先述した工程において半田バンプ４４を形成しない場合には、最上位のＴＳＶチップ２２ａの第一のバンプ電極２６と第一の接続パッド４１を直接接合させても構わない。

この接合において、配線基板３８の上面からから荷重を印加することにより、配線基板間用封止体４６は配線基板３８の端部まで圧延され、配線基板３８と同じ平面視形状となる。このとき、最上位のＴＳＶチップ２２ａの外周部を枠状部材９７により予め囲んでおくことにより、配線基板間用封止体４６は隙間９９の影響を受けず、配線基板３８の端部まで好適に圧延される。そのため、配線基板３８を好適に最上位のＴＳＶチップ２２ａ上に搭載することができる。

一方、枠状部材９７が配置されていないと、隙間９９に配線基板間用封止体４６が広がらないため、配線基板３８の端部まで配線基板間用封止体４６を圧延することができない。そのため配線基板３８を好適に最上位のＴＳＶチップ２２ａ上に搭載することができず、不良の要因となる。また、配線基板３８の下面の外周側が支えられないため、剛性が不十分となり、封止樹脂３６の剥れや耐湿性不良などの不良要因が生じやすくなる。

このとき、配線基板間用封止体４６も加熱されるため、浸透性が良好になり配線基板３８と枠状部材９７周辺の隙間９９を充填する。また、前述した加熱条件で加熱することにより配線基板間用封止体４６は仮硬化し、配線基板３８下面外周部と枠状部材９７及び封止樹脂３６の間は配線基板間用封止体４６により接着固定され、互いに一体化する。この後、図示しないベーク炉により例えば１８０℃/１時間の条件で加熱し、配線基板間用封止体４６を完全に硬化させる。

このとき、配線基板３８下面の外周部と封止樹脂３６の上面との間の隙間９９の外周部は枠状部材９７により囲まれた構成であり、配線基板３８下面の外周部と封止樹脂３６の上面との間は配線基板間用封止体４６により好適に充填された構成となっている。これにより、配線基板３８下面の外周部と封止樹脂３６の上面との間の配線基板間用封止体４６は好適に充填、硬化される。そのため、配線基板３８の剥れや配線基板間用封止体４６内のボイド発生が抑えられ、半導体装置１０の耐湿性悪化を防ぐことができる。

（半田ボール４８を搭載する工程）
次いで、図５（ｃ）に示すように、半田ボール４８を搭載する。
まず、ランド部４２の位置に合わせ、半田ボール４８をマウントツール５１で吸着保持する。次いで、吸着保持された状態の半田ボール４８にフラックスを転写形成する。その後、複数のランド部４２上に半田ボール４８を一括搭載し、全ての配線基板３８へ半田ボール４８を搭載した後、配線基板３８をリフローする。これにより、半導体装置１０の外部端子となる半田ボール４８が形成される。図２に、半田ボール４８搭載後のメタル母基板１２ａの平面模式図を示す。

このとき、配線基板３８の外周部下面に枠状部材９７が配置されていることにより、薄い配線基板３８であっても外圧に対して十分な剛性を保つことができる。そのため、半田ボール４８の搭載による支障を効果的に防ぐことができる。

（メタル母基板１２ａ及び封止樹脂３６を製品形成領域１４毎に分割する工程）
次いで、図５（ｄ）に示すように、メタル母基板１２ａ及び封止樹脂３６を製品形成領域１４毎に分割する。まず、メタル母基板１２ａの下面にダイシングテープ５２を貼付ける。次いで、図示しないダイシングブレードにより、メタル母基板１２ａ及び封止樹脂３６を、ダイシングライン７０に沿って縦横に切断し、個片化したメタル母基板１２ａからなるメタル基板１２を形成する。その後、ダイシングテープ５２からメタル基板１２を引き剥がすことにより、個別の半導体装置１０が形成される。その後、マーク作業やテスト作業などの一般的な半導体装置製造作業を実施することにより、製品とする。

本実施形態の半導体装１０の製造方法によれば、封止樹脂３６の上面に枠状部材９７を配置することにより、配線基板３８を好適に支えることができる。これにより、薄い配線基板３８であっても外圧に対して十分な剛性を具備し、半導体装置１０への半田ボール４８などの外部接続端子の搭載や外部実装の際の支障を防ぐことが可能となる。そのため、安価な樹脂系素材からなる配線基板３８を用いた半導体装置１０を製造することができ、安価で薄いＣｏＣ型半導体装置を実現することができる。また、封止樹脂３６の上面に枠状部材９７を配置することにより、封止樹脂３６の上面に凹部９８が発生していても、配線基板３８を最上位のＴＳＶチップ２２ａの上面に良好に搭載することができる。これにより封止樹脂３６の剥れや耐湿性不良などの不良要因が防がれるため、半導体装置１０の信頼性および品質を向上することができる。

また、内周が、最上位のＴＳＶチップ２２ａの貫通電極３０の配置された領域よりも大きく、かつ、後述する配線基板３８の外周よりも小さい枠状部材９７を配置することにより、配線基板３８下面の外周部と封止樹脂３６の上面との間に配線基板間用封止体４６を好適に充填することができる。そのため、配線基板３８の剥れや配線基板間用封止体４６内のボイド発生が抑えられ、半導体装置１０の耐湿性悪化を防ぐことができる。

続いて、第二の実施形態の半導体装置１０の製造方法について図６、図７を用いて説明する。図６、図７は、第二の実施形態の半導体装置１０の製造方法を示した断面模式図である。本実施形態の半導体装置の製造方法は、複数のＴＳＶチップ２２を積層してチップ積層体２０を形成する工程と、ＴＳＶチップ２２同士の間にチップ積層体用封止体３４を充填する工程と、チップ積層体用封止体３４を封止樹脂３６により封止する工程と、封止樹脂３６の上面に、枠状部材９７が接着された配線基板３８を搭載する工程と、半田ボール４８を搭載する工程と、メタル母基板１２ａ及び封止樹脂３６を製品形成領域１４毎に分割する工程と、から概略構成されている。
本実施形態は封止樹脂３６の上面に枠状部材９７を搭載せず、封止樹脂３６の上面に、枠状部材９７が接着された配線基板３８を搭載する部分が第一の実施形態と異なる部分である。
以下、それぞれの工程について詳細を説明するが、第一の実施形態の半導体装置１０の製造方法と同様の工程については、その説明を省略する。

はじめに、図６（ａ）〜（ｃ）に示すように、チップ積層体用封止体３４を封止樹脂３６により封止する工程までを行う。ここまでの工程は第一の実施形態と同様であるため、その詳細については省略する。

（枠状部材９７が接着された配線基板３８を搭載する工程）
まず、最上位のＴＳＶチップ２２ａの第一のバンプ電極２６の上面に半田バンプ４４を形成する。次いでチップ積層体２０の上面（最上位のＴＳＶチップ２２ａの上面）及び半田バンプ４４を覆うように、液状の配線基板間用封止体４６を塗布する。この状態を図６（ｄ）に示す。

次いで、図７（ａ）に示すように、封止樹脂３６の上面に、枠状部材９７が接着された配線基板３８を搭載する。まず、図示しない工程により、例えば絶縁性接着剤のペーストにより、配線基板３８の下面の外周部に枠状部材９７を接着する。
次いで、ボンディングツール５０により、配線基板３８の上面を吸着保持し、配線基板間用封止体４６上に搭載する。このとき、配線基板３８の下面の第一の接続パッド４１と、半田バンプ４４（最上位のＴＳＶチップ２２ａの第一のバンプ電極２６）とが合致するよう、配線基板３８の搭載位置を調整する。これにより、封止樹脂３６上面の最上位のＴＳＶチップ２２ａ外周部に枠状部材９７が配置される。

次いで、第一の接続パッド４１及び半田バンプ４４を加熱するとともに、配線基板３８の上面から荷重を印加する。これにより、最上位のＴＳＶチップ２２ａの第一のバンプ電極２６と第一の接続パッド４１は、半田バンプ４４を介して電気的に接合される。
この接合において、配線基板間用封止体４６は配線基板３８の端部まで圧延され、配線基板３８と同じ平面視形状となる。このとき、配線基板３８の下面外周部に枠状部材９７が予め接着されていることにより、配線基板間用封止体４６は隙間９９の影響を受けず、配線基板３８の端部まで好適に圧延される。そのため、配線基板３８を好適に最上位のＴＳＶチップ２２ａ上に搭載することができる。

その後、加熱することにより配線基板間用封止体４６は仮硬化し、配線基板３８下面外周部と枠状部材９７及び封止樹脂３６の間は配線基板間用封止体４６により接着固定され、互いに一体化する。この後、図示しないベーク炉により加熱し、配線基板間用封止体４６を完全に硬化させる。
このとき、隙間９９の外周部は枠状部材９７により囲まれているため、配線基板３８下面の外周部と封止樹脂３６上面との間は配線基板間用封止体４６により好適に充填される。そのため、熱硬化の際に配線基板３８の剥れや配線基板間用封止体４６内のボイド発生が抑えられ、半導体装置１０の耐湿性悪化を防ぐことができる。

その後、図７（ｂ）、（ｃ）に示すように、半田ボール４８を搭載する工程と、メタル母基板１２ａ及び封止樹脂３６を製品形成領域１４毎に分割する工程と、を順次行う。これらの工程は第一の実施形態と同様であるため、その説明については省略する。

第二の実施形態の半導体装置１０の製造方法は、枠状部材９７を配線基板３８に接着し、配線基板３８と同時に搭載する。そのため、枠状部材９７を単独で最上位のＴＳＶチップ２２ａの外周領域に搭載する方法よりも、位置合せや搭載作業が行い易い。そのため、第一の実施形態の製造方法よりも枠状部材９７の搭載精度が向上する。

また、枠状部材９７をあらかじめ配線基板３８下面に接着しておくため、配線基板３８を搭載する前に、配線基板３８の剛性を強化することができる。そのため、薄く小型の配線基板３８であっても、ＴＳＶチップ２２ａ上に安定して搭載することができる。そのため、配線基板３８の不良が発生しにくく、第一の実施形態の効果に加え、さらに半導体装置１０の信頼性および品質をさらに向上することができる。

１０…半導体装置、１２…メタル基板、１２ａ…メタル母基板、１４…製品形成領域、２２…ＴＳＶチップ、２２ａ…最上位のＴＳＶチップ、３２…接着部材、３４…チップ積層体用封止樹脂、３６…封止樹脂、３８…配線基板、４１…第一の接続パッド、４４…半田バンプ、４６…配線基板間用封止体、４８…半田ボール、９７…枠状部材、９８…凹部、９９…隙間

Claims (10)

1. メタル基板と、
   前記メタル基板の上面に搭載された、複数の貫通電極を有する複数のＴＳＶチップが積層してなるチップ積層体と、
   前記メタル基板の上面から前記チップ積層体の最上位の前記ＴＳＶチップの上面と同じ高さまでを封止し、かつ、半導体装置の外形を構成する封止樹脂と、
   前記チップ積層体の最上位の前記ＴＳＶチップの上面に搭載された配線基板と、
   前記最上位の前記ＴＳＶチップ上面周囲の前記封止樹脂上面と前記配線基板の外周部下側との間に配置された枠状部材と、を具備してなることを特徴とする半導体装置。
2. 前記枠状部材の形状が、最上位の前記ＴＳＶチップの前記貫通電極の配置された領域よりも大きい内周を有し、かつ、前記配線基板の外周よりも小さい四角形状であることを特徴とする、請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記複数のＴＳＶチップの間を充填し、かつ、前記チップ積層体の側面を覆うようにチップ積層体用封止体が形成され、前記チップ積層体用封止体の側面を覆うように前記封止樹脂が形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体装置。
4. 前記配線基板が樹脂素材からなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の半導体装置。
5. 前記ＴＳＶチップ同士が互いに貫通電極を介して接続されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の半導体装置。
6. 前記メタル基板の素材が金属材料であることを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の半導体装置。
7. 最上位の前記ＴＳＶチップの上面に、半田バンプが設けられていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の半導体装置。
8. 複数の貫通電極を要するＴＳＶチップを複数積層してメタル基板の上面にチップ積層体を形成する工程と、
   前記ＴＳＶチップ同士の間にチップ積層体用封止体を充填する工程と
   封止樹脂により前記チップ積層体用封止体の周囲を、前記メタル基板の上面から前記チップ積層体の最上位の前記ＴＳＶチップの上面と同じ高さまで封止する工程と、
   前記チップ積層体の最上位の前記ＴＳＶチップの上面周囲の前記封止樹脂の上面に枠状部材を搭載する工程と、
   前記チップ積層体の最上位の前記ＴＳＶチップの上面及び前記枠状部材の上に配線基板を搭載する工程と、を具備してなることを特徴とする半導体装置の製造方法。
9. 前記チップ積層体の最上位の前記ＴＳＶチップの上面及び前記枠状部材の上に配線基板を搭載する工程が、
   前記配線基板の下面に枠状部材を接着する工程と、
   前記配線基板および前記枠状部材を前記チップ積層体の最上位の前記ＴＳＶチップの上面に搭載する工程を有することを特徴とする、請求項８に記載の半導体装置の製造方法。
10. 前記枠状部材の形状が、最上位の前記ＴＳＶチップの前記貫通電極の配置された領域よりも大きい内周を有し、かつ、前記配線基板の外周よりも小さい四角形状であることを特徴とする、請求項８または請求項９に記載の半導体装置の製造方法。

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