半導体装置及び半導体装置の製造方法

【課題】半導体装置を薄型化する技術を提供する。
【解決手段】半導体装置は、基板と、前記基板の上面に設けられた半導体素子と、前記基板の上面に設けられた接着剤と、を備え、前記基板の上面に、前記半導体素子の少なくとも一部を収容する凹部が形成され、前記接着剤は、前記基板と前記半導体素子との間に設けられているとともに、前記基板の凹部を覆っている。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置及び半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子機器の薄型化が進むとともに、電子機器に搭載される半導体パッケージの薄型化が要求されており、半導体チップの薄化技術の開発が行われている。半導体パッケージは、支持基板の上に半導体チップを搭載し、半導体チップを樹脂によって封止したものである。複数の半導体パッケージを積層するＰｏＰ（パッケージオンパッケージ）構造においては、上層の半導体パッケージと下層の半導体パッケージとを接続する端子のファインピッチ化によって、上下層の半導体パッケージ間の間隙は狭くなっている。ＰｏＰ構造においても、下層の半導体パッケージが有する半導体チップの薄型化を行うことが求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】実開２００４−２８１９２０号公報
【特許文献２】特開２００９−３０２２１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
半導体チップの薄型化を行うことで、搬送や実装による半導体チップの破壊、電気特性の劣化等の様々な問題が発生する可能性がある。そのため、半導体チップの薄型化を行わずに、半導体装置の薄型化が求められている。本件は、半導体装置を薄型化する技術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】
【０００５】
本件の一観点による半導体装置は、基板と、前記基板の上面に設けられた半導体素子と、前記基板の上面に設けられた接着剤と、を備え、前記基板の上面に、前記半導体素子の少なくとも一部を収容する凹部が形成され、前記接着剤は、前記基板と前記半導体素子との間に設けられているとともに、前記基板の凹部を覆っている。
【発明の効果】
【０００６】
本件によれば、半導体装置を薄型化することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１Ａ】図１Ａは、本実施形態に係る半導体装置１の断面図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、本実施形態に係る半導体装置１の断面図である。
【図２Ａ】図２Ａは、半導体装置１の要部拡大断面図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、支持基板１１に凹部１３を形成していない場合の半導体装置１Ａの要部拡大断面図である。
【図３】図３は、半導体装置１と半導体装置１Ａとを、薄型の電子機器１００に実装した場合の電子機器１００の断面図である。
【図４】図４は、支持基板１１の上面に接着剤１４を形成した場合の半導体装置１の製造工程図である。
【図５】図５は、フリップチップボンダーのステージ３１の上に支持基板１１を設置した場合の半導体装置１の製造工程図である。
【図６】図６は、支持基板１１の上方に半導体チップ２１を配置した場合の半導体装置１の製造工程図である。
【図７】図７は、支持基板１１の中央部分をフリップチップボンダーのステージ３１の凹部３２に押し込んだ場合の半導体装置１の製造工程図である。
【図８】図８は、支持基板１１の中央部分をフリップチップボンダーのステージ３１の凹部３２に押し込んだ場合の半導体装置１の製造工程図である。
【図９Ａ】図９Ａは、接着剤１４の量が少ない場合の支持基板１１の断面図である。
【図９Ｂ】図９Ｂは、接着剤１４が、支持基板１１に形成された凹部１３を覆っていない場合の支持基板１１の断面図である。
【図９Ｃ】図９Ｃは、支持基板１１がフラットな状態に戻った場合の支持基板１１の断面図である。
【図１０】図１０は、支持基板１１の下面に複数の半田ボール１５を搭載した場合の半導体装置１の製造工程図である。
【図１１】図１１は、ＰｏＰ（パッケージオンパッケージ）構造を有する半導体装置１の断面図である。
【図１２】図１２は、凹部１３が形成されていない支持基板１１を有する半導体パッケージ６１に対して、半導体パッケージ５１を実装した場合の半導体装置１Ａの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、図面を参照して、発明を実施するための形態（以下、実施形態という）に係る半導体装置について説明する。以下の構成は例示であり、本実施形態は以下の構成に限定されない。
【０００９】
本実施形態に係る半導体装置１の断面図を図１Ａに示す。図１Ａに示すように、半導体装置１は、支持基板１１及び半導体チップ２１を有している。支持基板１１の上面（主面）に、半導体チップ（半導体集積回路チップ）２１が設置されている。半導体チップ２１は、半導体素子の一例である。半導体チップ２１は、例えば、フリップチップ（フェイスダウン）方式により支持基板１１の上面に実装される。半導体チップ２１は、支持基板１１の上面の中央部分に設置されてもよい。
【００１０】
支持基板１１は、配線基板、インターポーザ又は回路基板とも称される。支持基板１１は、例えば、ビルドアップ基板、多層基板、フレキシブル基板等の有機基板である。有機基板は、例えば、ガラスエポキシ樹脂、ガラス−ＢＴ（ビスマレイミドトリアジン）及びポリイミド等を基材としてもよい。
【００１１】
支持基板１１の上面には、複数のパッド電極１２が形成されている。パッド電極１２は、例えば、銅（Ｃｕ）等の金属である。支持基板１１の上面には、パッド電極１２が形成されている箇所を除いて、ソルダーレジスト（図示せず）が形成されている。半導体チップ２１の上面（主面）には、複数のパッド電極２２が形成されている。パッド電極２２は、銅（Ｃｕ）等の金属である。半導体チップ２１の上面は、パッド電極２２が形成された面（電極形成面）である。半導体チップ２１の上面には、複数のバンプ（突起電極）２３が設けられている。バンプ２３は、例えば、金バンプ、半田バンプ、銅バンプ、又は、半田及び銅を含むバンプである。バンプ２３は、半導体チップ２１のパッド電極２２に接続されているとともに、支持基板１１のパッド電極１２に接続されている。したがって、バンプ２３を介して、支持基板１１と半導体チップ２１とが電気的に接続されている。
【００１２】
支持基板１１の上面の中央部分は、支持基板１１の上面の中央部分を囲む外周部分よりも窪んでおり、支持基板１１の下面（背面）の中央部分は、支持基板１１の下面の外周部分よりも突出している。これにより、支持基板１１の上面の中央部分には、凹部１３が形成されている。すなわち、支持基板１１が撓むことにより、支持基板１１の上面の中央部
分に凹部１３が形成されている。ただし、支持基板１１の凹部１３は、支持基板１１の上面の中央部分に限らず、支持基板１１の上面の中央部分以外の部分に形成されてもよい。また、支持基板１１の凹部１３は、支持基板１１の上面の所定部分に形成されてもよい。支持基板１１の上面の所定部分は、支持基板１１の上面の中央部分であってもよい。支持基板１１の所定部分は、支持基板１１の上面の中央部分以外の部分であってもよい。
【００１３】
図１Ａに示すように、半導体チップ２１の少なくとも一部分が、支持基板１１の凹部１３に収容される。半導体チップ２１の一部分が、支持基板１１の凹部１３に収容されてもよいし、半導体チップ２１の全体が支持基板１１の凹部１３に収容されてもよい。支持基板１１の凹部１３の底面のサイズは、半導体チップ２１の外形サイズと同じ又は半導体チップ２１の外形サイズよりも大きくなっている。そのため、半導体チップ２１は、支持基板１１の凹部１３に安定した状態で収容されている。
【００１４】
支持基板１１の上面には、接着剤１４が設けられている。接着剤１４は、支持基板１１と半導体チップ２１との間に設けられているとともに、支持基板１１の凹部１３を覆っている。接着剤１４の量を調整することにより、図１Ｂに示すように、支持基板１１の上面の水平な底部とその周囲の傾斜部からなる凹部１３の周囲（凹部１３の傾斜部より外側）に接着剤１４を設けるようにしてもよい。すなわち、支持基板１１の凹部１３を囲むように接着剤１４を設けるようにしてもよい。接着剤１４は、半導体チップ２１を支持基板１１に固着するとともに、支持基板１１の凹部１３の形状を保持する。接着剤１４は、ペースト状であってもよいし、フィルム状であってもよい。ペースト状の接着剤１４として、例えば、ＮＣＰ（Non-Conductive Paste）及びＡＣＰ（Anisotropic Conductive Paste）等を用いてもよい。フィルム状の接着剤１４として、例えば、ＮＣＦ（Non-Conductive Film）及びＡＣＦ（Anisotropic Conductive Film）等を用いてもよい。
【００１５】
支持基板１１の下面には、複数の半田ボール１５が設けられている。半田ボール１５は、支持基板１１の下面に形成されたボールパッド（図示せず）に搭載されている。
【００１６】
本実施形態に係る半導体装置１によれば、半導体チップ２１の一部分が、支持基板１１の凹部１３に収容されることにより、半導体装置１を薄型化することができる。図２Ａは、半導体装置１の要部拡大断面図である。図２Ｂは、支持基板１１に凹部１３を形成していない場合の半導体装置１Ａの要部拡大断面図である。図２Ｂに示す半導体装置１Ａでは、支持基板１１に凹部１３が形成されていないため、半導体装置１Ａの高さ（Ｈ３）及び支持基板１１の上面から半導体チップ２１までの高さ（Ｈ４）が低くなっていない。
【００１７】
図２Ａに示す半導体装置１は、半導体チップ２１の一部分が、支持基板１１の凹部１３に収容されている。そのため、図２Ａに示す半導体装置１は、図２Ｂに示す半導体装置１Ａと比較して、半導体装置１の高さ（Ｈ１）及び支持基板１１の上面から半導体チップ２１までの高さ（Ｈ２）が低くなる。本実施形態では、半導体チップ２１の一部分を支持基板１１の凹部１３に収容することにより、半導体チップ２１の薄型化を行わずに半導体装置１の薄型化を行うことができる。
【００１８】
図３に示すように、半導体装置１と半導体装置１Ａとを、薄型の電子機器１００に実装した場合、半導体装置１は、実装ボード１０１に設けられたケース１０２と接触しないが、半導体装置１Ａは、ケース１０２と接触する。このように、本実施形態に係る半導体装置１は、半導体装置１Ａと比較して、より薄型の機器に実装することが可能となる。
【００１９】
図４から図８及び図１０を参照して、本実施形態に係る半導体装置１の製造方法について説明する。図４に示すように、支持基板１１を用意した後、支持基板１１に接着剤１４を塗布することにより、支持基板１１の上面に接着剤１４を形成する。図５に示すように
、フリップチップボンダー（接合装置）のステージ３１の上に支持基板１１を設置する。ステージ３１の上部には、ステージ３１の中央部分の上面が、ステージ３１の中央部分を囲む外周部分の上面よりも窪んだ凹部３２が設けられている。
【００２０】
図６に示すように、フリップチップボンダーのボンディングツール３３を用いて、支持基板１１の上面と半導体チップ２１の上面とが向かい合うように、支持基板１１の上方に半導体チップ２１を配置する。ボンディングツール３３の吸引口３４から半導体チップ２１の下面（背面）を吸引することにより、ボンディングツール３３は半導体チップ２１を保持している。半導体チップ２１の下面は、半導体チップ２１の電極形成面の反対面である。
【００２１】
図７に示すように、ボンディングツール３３を降下させ、半導体チップ２１の上面を接着剤１４に押し付けるとともに、半導体チップ２１のバンプ２３を支持基板１１のパッド電極１２に押し付ける。図７に示すように、半導体チップ２１に荷重（圧力）が加えられ、半導体チップ２１が支持基板１１に押し当てられることによって、支持基板１１が撓み、支持基板１１の中央部分がステージ３１の凹部３２に押し込まれる。支持基板１１の中央部分をステージ３１の凹部３２に押し込むことにより、支持基板１１の上面の中央部分が、支持基板１１の上面の中央部分を囲む外周部分よりも窪み、支持基板１１の下面の中央部分が、支持基板１１の下面の外周部分よりも突出する。これにより、支持基板１１の中央部分に、半導体チップ２１の少なくとも一部分を収容する凹部１３が形成される。また、支持基板１１の中央部分以外の部分をステージ３１の凹部３２に押し込むことにより、支持基板１１の上面の中央部分以外の部分に、凹部１３を形成してもよい。また、支持基板１１の所定部分をステージ３１の凹部３２に押し込むことにより、支持基板１１の上面の所定部分に、凹部１３を形成してもよい。
【００２２】
支持基板１１の凹部１３の深さは、支持基板１１の剛性、半導体チップ２１の実装時の荷重（圧力）及びステージ３１の凹部３２の深さによって決定される。例えば、支持基板１１の変形量が、ステージ３１の凹部３２の深さよりも大きい場合（支持基板１１の変形量＞ステージ３１の凹部３２の深さ）、図７に示すように、支持基板１１の凹部１３の深さは、ステージ３１の凹部３２の深さと同じになる。支持基板１１の剛性が低い（例えば、支持基板１１の板厚が薄い、支持基板１１がフレキシブル基板である等）場合や、半導体チップ２１の実装時の荷重（圧力）が大きい場合は、支持基板１１の変形量は大きくなる。支持基板１１の変形量が、ステージ３１の凹部３２の深さよりも大きい場合、支持基板１１の変形量は、支持基板１１の剛性、半導体チップ２１の実装時の荷重（圧力）及びステージ３１の凹部３２の深さによって決定される。
【００２３】
例えば、支持基板１１の変形量が、ステージ３１の凹部３２の深さよりも小さい場合（支持基板１１の変形量＜ステージ３１の凹部３２の深さ）、図８に示すように、支持基板１１の凹部１３の深さは、支持基板１１の変形量となる。支持基板１１の剛性が高い（例えば、支持基板１１の板厚が厚い等）場合や、半導体チップ２１の実装時の荷重（圧力）が小さい場合は、支持基板１１の変形量は小さくなる。支持基板１１の変形量が、ステージ３１の凹部３２の深さよりも小さい場合、支持基板１１の変形量は、支持基板１１の剛性及び半導体チップ２１の実装時の荷重（圧力）によって決定される。
【００２４】
支持基板１１に凹部１３が形成された後、加熱処理を行うことにより、接着剤１４を硬化する。例えば、ボンディングツール３３を加熱し、接着剤１４を１５０℃以上２５０℃以下に加熱することにより、接着剤１４を硬化する。また、ボンディングツール３３を加熱するとともに、ステージ３１を加熱してもよい。接着剤１４が硬化することにより、支持基板１１に形成された凹部１３の形状が保持される。
【００２５】
支持基板１１に凹部１３を形成するために、支持基板１１として、容易に変形させることが可能な有機基板を用いることが好ましい。支持基板１１が有機基板である場合、支持基板１１をステージ３１の凹部３２に押し込んだだけでは、支持基板１１に形成された凹部１３の形状は保持されず、支持基板１１は元のフラットな状態に戻ってしまう。本実施形態では、支持基板１１の凹部１３を接着剤１４で覆い、接着剤１４を硬化することにより、支持基板１１に形成された凹部１３の形状を保持している。
【００２６】
例えば、図９Ａに示すように、支持基板１１の上面に形成された接着剤１４の量が少ない場合、図９Ｂに示すように、接着剤１４は、支持基板１１に形成された凹部１３を覆わない。接着剤１４が、支持基板１１に形成された凹部１３を覆っていない場合、ステージ３１及びボンディングツール３３を取り外すと、図９Ｃに示すように、支持基板１１に形成された凹部１３の形状が保持されず、支持基板１１は元のフラットな状態に戻る。
【００２７】
一方、接着剤１４が、支持基板１１の凹部１３を覆っている場合、支持基板１１の撓んでいる部分と接着剤１４とが接触している。支持基板１１の撓んでいる部分と接着剤１４とが接触することにより、支持基板１１の撓んでいる部分が元の状態に戻ることが抑制される。支持基板１１の凹部１３の周囲に接着剤１４を設けることにより、支持基板１１の撓んでいる部分が元の状態に戻ることがより抑制される。支持基板１１の撓んでいる部分が元の状態に戻ることが抑制されるため、支持基板１１に形成された凹部１３の形状が保持される。
【００２８】
支持基板１１の剛性が高い場合、接着剤１４が支持基板１１の凹部１３を覆うとともに、接着剤１４が支持基板１１の凹部１３の周囲に設けられていることが好ましい。支持基板１１の種類、厚さ等に応じて、支持基板１１の凹部１３の周囲に接着剤１４を設けるか否かを決定してもよい。
【００２９】
接着剤１４が硬化した後、ステージ３１及びボンディングツール３３を取り外し、図１０に示すように、支持基板１１の下面に複数の半田ボール１５を搭載する。半田ボール１５は、支持基板１１の下面に形成されたボールパッド（図示せず）に搭載される。
【００３０】
図４から図８及び図１０を参照して説明した半導体装置１の製造方法では、支持基板１１の凹部１３の周囲に接着剤１４を設けているが、支持基板１１の凹部１３の周囲に接着剤１４を設けないようにしてもよい。また、支持基板１１の凹部１３の底部全てと傾斜部の一部まで接着剤１４を設けてもよい。
【００３１】
半導体装置１をＰｏＰ（パッケージオンパッケージ）構造としてもよい。すなわち、図１１に示すように、半導体装置１は、半導体パッケージ４１と、半導体パッケージ４１に実装された半導体パッケージ５１とを備えてもよい。図１１に示す半導体装置１は、支持基板１１と、支持基板１１の上面に設けられた半導体パッケージ５１と、支持基板１１と半導体パッケージ５１との間に設けられた半導体チップ２１と、を備えている。
【００３２】
半導体パッケージ４１は、凹部１３が形成された支持基板１１と、支持基板１１の上面に設けられた接着剤１４と、支持基板１１の上面に設置された半導体チップ２１と、を有している。半導体チップ２１は、支持基板１１の上面の中央部分に設置されてもよい。支持基板１１の下面には、複数の半田ボール１５が設けられている。
【００３３】
半導体パッケージ５１は、支持基板５２と、支持基板５２の上面に設けられた半導体チップ５３と、半導体チップ５３を封止するモールド樹脂５４と、を有している。支持基板５２の下面には、複数の半田ボール５５が設けられている。
【００３４】
半導体チップ５３の上面には、複数のパッド電極５６が形成されている。半導体チップ５３は、パッド電極５６に接続されたボンディングワイヤ５７を介して、支持基板５２に電気的に接続されている。支持基板５２の下面に設けられた半田ボール５５と、支持基板１１の上面に形成された電極（図示せず）とが接合されることにより、半導体パッケージ４１と半導体パッケージ５１とが電気的に接続される。図１１に示す半導体装置１では、支持基板１１の凹部１３の周囲に接着剤１４を設けているが、支持基板１１の凹部１３の周囲に接着剤１４を設けないようにしてもよい。また、支持基板１１の凹部１３の底部全てと傾斜部の一部まで接着剤１４を設けてもよい。
【００３５】
図１１に示すように、半導体チップ２１と、半導体パッケージ５１とは接触していない。すなわち、半導体チップ２１と支持基板５２との間には間隙５８が設けられており、半導体チップ２１の下面と支持基板５２の下面とは接触していない。支持基板５２の下面は、半導体チップ５３が設置されている面の反対面である。凹部１３が形成されていない支持基板１１を有する半導体パッケージ６１に対して、半導体パッケージ５１を実装した場合、図１２に示すように、半導体チップ２１と、半導体パッケージ５１とが接触する。図１２は、凹部１３が形成されていない支持基板１１を有する半導体パッケージ６１に対して、半導体パッケージ５１を実装した場合の半導体装置１Ａの断面図である。図１１に示す半導体装置１では、半導体チップ２１と、半導体パッケージ５１とが接触していないため、半導体チップ２１の破損が抑制される。支持基板５２の下面に設けられた半田ボール５５を所定の高さにすることにより、半導体チップ２１と支持基板５２との間に間隙５８を形成することが可能である。
【００３６】
本実施形態によれば、半導体チップ２１の一部分を支持基板１１の凹部１３に収容し、下層の半導体パッケージ４１が有する支持基板１１と上層の半導体パッケージ５１との間をより狭くすることにより、半導体装置１を薄型化することができる。
【符号の説明】
【００３７】
１半導体装置
１１、４２支持基板
１２パッド電極
１３、３２凹部
１４接着剤
１５、５５半田ボール
２１、５３半導体チップ
２２、５７パッド電極
２３バンプ
３１ステージ
３３ボンディングツール
４１、５１半導体パッケージ
５４モールド樹脂
５６ボンディングワイヤ
５８間隙

【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板の上面に設けられた半導体素子と、
前記基板の上面に設けられた接着剤と、
を備え、
前記基板の上面に、前記半導体素子の少なくとも一部を収容する凹部が形成され、
前記接着剤は、前記基板と前記半導体素子との間に設けられているとともに、前記基板の凹部を覆っていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記基板の凹部は、前記基板の上面の中央部分が、前記基板の上面の中央部分を囲む外周部分よりも窪み、前記基板の下面の中央部分が、前記基板の下面の中央部分を囲む外周部分よりも突出することにより形成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記接着剤は、前記基板の凹部の周囲に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記基板の上面に設けられた半導体パッケージを備え、
前記基板と前記半導体パッケージとの間に前記半導体素子が設けられており、
前記半導体素子と前記半導体パッケージとは接触していないことを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載の半導体装置。
【請求項５】
基板の上面に接着剤を形成する工程と、
凹部を有するステージの上に前記基板を設置する工程と、
前記基板の上面と半導体素子の電極形成面とが向かい合うように、前記接着剤の上方に前記半導体素子を配置する工程と、
前記半導体素子の電極形成面を前記接着剤に押し付けるとともに、前記半導体素子の電極を前記基板に押し付けて、前記ステージの凹部に前記基板を押し込むことにより、前記基板の上面に、前記半導体素子の少なくとも一部を収容する凹部を形成する工程と、
加熱処理により、前記接着剤を硬化する工程と、
を備え、
前記接着剤は、前記基板と前記半導体素子との間に設けられているとともに、前記基板の凹部を覆っていることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記ステージの凹部に前記基板の中央部分を押し込み、前記基板の上面の中央部分を、前記基板の上面の中央部分を囲む外周部分よりも窪ませ、前記基板の下面の中央部分を、前記基板の下面の中央部分を囲む外周部分よりも突出させることにより、前記基板の上面に凹部を形成することを特徴とする請求項５に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記接着剤は、前記基板の凹部の周囲に設けられていることを特徴とする請求項５又は６に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記基板の上面に半導体パッケージを設置する工程を備え、
前記基板と前記半導体パッケージとの間に前記半導体素子が設けられており、
前記半導体素子と前記半導体パッケージとは接触していないことを特徴とする請求項５から７の何れか一項に記載の半導体装置の製造方法。

【図１Ａ】