貫通電極型積層パッケージ
【課題】温度変化に伴う接着層の膨張、収縮に起因して貫通電極または２つの貫通電極を接合する接合部に亀裂が生じることを防止する。
【解決手段】貫通電極型積層パッケージ１は、それぞれ１つ以上の貫通電極１２を有し積層された複数の半導体チップ１１と、１つ以上の接合部１３と、接着層１４とを備えている。１つ以上の接合部１３は、導電材料よりなり、上下に隣接する２つの半導体チップ１１の間に位置し、２つの半導体チップ１１の各々における１つ以上の貫通電極１２同士を接合し且つ電気的に接続している。接着層１４は、絶縁性の有機材料よりなり、上下に隣接する２つの半導体チップ１１の間において１つ以上の接合部１３の周囲に配置され、２つの半導体チップ１１を接着している。接着層１４は、２６０ｐｐｍ／Ｋ以下の線膨張係数と、０ＧＰａより大きく２ＧＰａ以下の縦弾性率を有している。
【解決手段】貫通電極型積層パッケージ１は、それぞれ１つ以上の貫通電極１２を有し積層された複数の半導体チップ１１と、１つ以上の接合部１３と、接着層１４とを備えている。１つ以上の接合部１３は、導電材料よりなり、上下に隣接する２つの半導体チップ１１の間に位置し、２つの半導体チップ１１の各々における１つ以上の貫通電極１２同士を接合し且つ電気的に接続している。接着層１４は、絶縁性の有機材料よりなり、上下に隣接する２つの半導体チップ１１の間において１つ以上の接合部１３の周囲に配置され、２つの半導体チップ１１を接着している。接着層１４は、２６０ｐｐｍ／Ｋ以下の線膨張係数と、０ＧＰａより大きく２ＧＰａ以下の縦弾性率を有している。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、積層された複数の半導体チップを含む積層パッケージであって、特に、上下に隣接する２つの半導体チップを、それらの各々に形成された１つ以上の貫通電極同士を接合することによって電気的に接続した貫通電極型積層パッケージに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電子機器に対する薄型化、軽量化の要求が強いことから、電子部品の高集積化が求められている。電子部品の高集積化を実現する技術の一つに、複数の半導体チップを積層する３次元実装技術がある。本出願において、３次元実装技術を用いて製造されたパッケージ、すなわち積層された複数の半導体チップを含むパッケージを、積層パッケージと呼ぶ。
【０００３】
積層パッケージの主な型（タイプ）には、ワイヤボンディング型と貫通電極型がある。ワイヤボンディング型積層パッケージは、基板上に複数の半導体チップを積層し、各半導体チップに形成された複数の電極と、基板に形成された複数の電極とをワイヤボンディングによって電気的に接続したものである。貫通電極型積層パッケージは、上下に隣接する２つの半導体チップを、それらの各々に形成された１つ以上の貫通電極同士を接合することによって電気的に接続したものである。貫通電極型積層パッケージは、ワイヤボンディング型積層パッケージに比べて、電極間の間隔を小さくすることができると共に、複数の半導体チップを電気的に接続するための配線の長さを短くすることができるという利点がある。
【０００４】
一般的に、貫通電極型積層パッケージでは、上下に隣接する２つの半導体チップは、その間に配置された接着層によって接着されている。このような貫通電極型積層パッケージは、例えば特許文献１に記載されている。特許文献１には、上下に隣接する２つの半導体素子の間に配置された接着層を、架橋反応可能な樹脂およびフラックス活性を有する化合物を含む樹脂組成物の硬化物で構成する技術が記載されている。
【０００５】
特許文献２，３には、貫通電極型積層パッケージの接着層に関する技術ではないが、半導体チップを封止する封止材に関する技術が記載されている。すなわち、特許文献２には、発光ダイオード（ＬＥＤ）の封止に適した硬化性樹脂組成物であって、直鎖シロキサン結合を有するエポキシシリコーン樹脂を必須成分とした硬化性樹脂組成物が記載されている。また、特許文献３には、オルガノポリシロキサン（ポリオルガノシロキサン）を含む光半導体素子封止用組成物が記載されている。
【０００６】
特許文献４には、第１の半導体チップの上に、溶剤型エポキシ樹脂組成物を塗布し、塗布された組成物から溶剤を揮発させて組成物を乾燥させ、その後、組成物を介して第１の半導体チップの上に第２の半導体チップを配置し、第１および第２の半導体チップを熱圧着する技術が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】国際公開第ＷＯ２００９／０９９１９１Ａ１号
【特許文献２】特開２００９−２０３２５８号公報
【特許文献３】特開２００９−２７５２０６号公報
【特許文献４】国際公開第ＷＯ２０１０／０７９８３１Ａ１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
積層パッケージ等の電子部品には、温度変化に対する耐性が要求される場合がある。電子部品における温度変化の原因には、その電子部品を含む電子機器の製造過程における加熱を伴う種々の工程によるものや、電子部品自体あるいは電子機器内の他の電子部品の発熱や、電子部品が使用される環境の温度変化等、種々のものがある。
【０００９】
本願発明者による研究過程で、貫通電極型積層パッケージでは、温度変化に伴って貫通電極または２つの貫通電極を接合する接合部に亀裂が生じる場合があることと、その亀裂の発生に、温度変化に伴う接着層の膨張、収縮が関係することが分かった。従来は、貫通電極型積層パッケージにおいて、温度変化に伴う接着層の膨張、収縮に起因して貫通電極または接合部に亀裂が生じ得るという問題は、十分に認識されておらず、その対策もなされていなかった。
【００１０】
特許文献１には、貫通電極型積層パッケージである半導体装置について、ヒートサイクル試験後に導通がとれるかどうかで接続信頼性を評価したことが記載されている。しかしながら、特許文献１には、接続信頼性に差が生じる原因については記載されていない。
【００１１】
特許文献２には、硬化性樹脂組成物によって得られた硬化物についての曲げ、たわみ特性試験の結果が記載されている。また、特許文献３には、光半導体素子封止用組成物によって得られた硬化物について、硬度が高いにも拘わらず、温度サイクル試験においてクラックの発生がない旨が記載されている。しかしながら、特許文献２，３では、貫通電極型積層パッケージにおいて貫通電極または接合部に亀裂が生じ得るという問題については、全く考慮されていない。また、特許文献４においても、この問題は全く考慮されていない。
【００１２】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、温度変化に伴う接着層の膨張、収縮に起因して貫通電極または２つの貫通電極を接合する接合部に亀裂が生じることを防止できるようにした貫通電極型積層パッケージを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の貫通電極型積層パッケージは、それぞれ１つ以上の貫通電極を有し積層された複数の半導体チップと、１つ以上の接合部と、接着層とを備えている。１つ以上の接合部は、導電材料よりなり、上下に隣接する２つの半導体チップの間に位置し、２つの半導体チップの各々における１つ以上の貫通電極同士を接合し且つ電気的に接続している。接着層は、絶縁性の有機材料よりなり、上下に隣接する２つの半導体チップの間において１つ以上の接合部の周囲に配置され、２つの半導体チップを接着している。接着層の５０〜１００℃における線膨張係数の平均値は、２６０ｐｐｍ／Ｋ以下であり、接着層の２５℃における縦弾性率は、０ＧＰａより大きく２ＧＰａ以下である。
【００１４】
本発明の貫通電極型積層パッケージにおいて、接着層を構成する有機材料は、シロキサン結合を有する樹脂材料を含んでいてもよい。この場合、樹脂材料は、更にエポキシ基を有していてもよい。
【００１５】
また、本発明の貫通電極型積層パッケージにおいて、接着層の前記線膨張係数の平均値は、１〜２６０ｐｐｍ／Ｋの範囲内であることが好ましく、７０〜２６０ｐｐｍ／Ｋの範囲内であることがより好ましい。また、接着層の前記縦弾性率は、０．００１〜２ＧＰａの範囲内であることが好ましく、０．００５〜２ＧＰａの範囲内であることがより好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の貫通電極型積層パッケージによれば、接着層の５０〜１００℃における線膨張係数の平均値が２６０ｐｐｍ／Ｋ以下であり、接着層の２５℃における縦弾性率が０ＧＰａより大きく２ＧＰａ以下であることにより、温度変化に伴う接着層の膨張、収縮に起因して貫通電極または２つの貫通電極を接合する接合部に亀裂が生じることを防止することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施の形態に係る貫通電極型積層パッケージにおける接着層の線膨張係数および縦弾性率の範囲を示す特性図である。
【図２】本発明の一実施の形態に係る貫通電極型積層パッケージの断面図である。
【図３】図２に示した貫通電極型積層パッケージの製造方法の第１の例を示す説明図である。
【図４】図２に示した貫通電極型積層パッケージの製造方法の第２の例を示す説明図である。
【図５】図２に示した貫通電極型積層パッケージの製造方法における貫通電極および接合部の形成方法を示す説明図である。
【図６】本発明の一実施の形態における接着層の特性を規定するために行ったシミュレーションのモデルを示す説明図である。
【図７】図６に示したモデルにおいて大きな熱応力が発生する部分を示す説明図である。
【図８】試験用積層パッケージの作製方法を示す説明図である。
【図９】試験用積層パッケージの作製方法を示す説明図である。
【図１０】熱硬化性有機材料の分子構造を示す概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の一実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。始めに、図２を参照して、本発明の一実施の形態に係る貫通電極型積層パッケージの構成について説明する。図２は、本実施の形態に係る貫通電極型積層パッケージの断面図である。
【００１９】
図２に示したように、本実施の形態に係る貫通電極型積層パッケージ（以下、単に積層パッケージと記す。）１は、インターポーザ（配線基板）２と、このインターポーザ２に搭載されたパッケージ本体１０とを備えている。
【００２０】
パッケージ本体１０は、積層された複数の半導体チップ１１を備えている。図２には、パッケージ本体１０が４つの半導体チップ１１を備えた例を示している。しかし、パッケージ本体１０は、積層された２つ以上の半導体チップ１１を備えたものであればよい。以下、半導体チップ１１の厚み方向（複数の半導体チップ１１の積層方向）の両側の２つの面のうち、図２における上方の面を上面と定義し、図２における下方の面を下面と定義する。積層パッケージ１の他の構成要素に関しても、半導体チップ１１と同様に上面と下面を定義する。
【００２１】
複数の半導体チップ１１は、それぞれ１つ以上の貫通電極１２を有している。貫通電極１２は、銅等の導電材料よりなり、半導体チップ１１を厚み方向に貫通している。図２には、複数の半導体チップ１１の各々が、複数の貫通電極１２を有する例を示している。しかし、各半導体チップ１１は、１つ以上の貫通電極１２を有していればよい。
【００２２】
図２には示していないが、半導体チップ１１は、上面と下面の少なくとも一方の近傍に形成された、トランジスタ等の半導体デバイスを含んでいる。１つの半導体チップ１１において、少なくとも１つの貫通電極１２は、図示しない配線層を介して半導体デバイスに電気的に接続されている。
【００２３】
パッケージ本体１０は、更に、上下に隣接する２つの半導体チップ１１の間に位置し、２つの半導体チップ１１の各々における１つ以上の貫通電極１２同士を接合し且つ電気的に接続する１つ以上の接合部１３を備えている。接合部１３は、半田等の導電材料よりなる。
【００２４】
パッケージ本体１０は、更に、上下に隣接する２つの半導体チップ１１の間において１つ以上の接合部１３の周囲に配置され、２つの半導体チップ１１を接着する１つ以上の接着層１４を備えている。図２に示した例では、上下に隣接する２つの半導体チップ１１の間の間隙は３つ存在する。そのため、この例では、パッケージ本体１０は、３つの間隙に配置された３つの接着層１４を備えている。接着層１４は、絶縁性の有機材料よりなる。接着層１４を構成する有機材料は、熱硬化性であってもよい。また、接着層１４を構成する有機材料は、シロキサン結合を有する樹脂材料を含んでいてもよい。この場合、樹脂材料は、更にエポキシ基を有していてもよい。すなわち、接着層１４は、シロキサン結合とエポキシ基を有する樹脂材料であるエポキシシリコーン樹脂を含んでいてもよい。また、接着層１４の５０〜１００℃における線膨張係数の平均値は、２６０ｐｐｍ／Ｋ以下であり、接着層１４の２５℃における縦弾性率は、０ＧＰａより大きく２ＧＰａ以下である。接着層１４を、このような特性を有するものに限定している理由については、後で詳しく説明する。
【００２５】
パッケージ本体１０は、更に、最下層の半導体チップ１１の下面に設けられた複数の電極１５を備えている。最下層の半導体チップ１１において、少なくとも１つの電極１５は、図示しない配線層を介して少なくとも１つの貫通電極１２に電気的に接続されている。
【００２６】
インターポーザ２は、上面と下面を有する板状の基板本体２１と、この基板本体２１の下面に設けられた複数の外部端子２２とを有している。図示しないが、基板本体２１は、上面に設けられた複数のパッド状電極と、複数の外部端子２２と複数のパッド状電極とを電気的に接続する配線とを含んでいる。
【００２７】
パッケージ本体１０は、インターポーザ２の基板本体２１の上面上に配置されている。パッケージ本体１０の複数の電極１５は、インターポーザ２の基板本体２１の複数のパッド状電極に接合され且つ電気的に接続されている。
【００２８】
積層パッケージ１は、更に、パッケージ本体１０を封止する封止部３を備えている。封止部３は、例えば樹脂によって構成されている。封止部３の少なくとも一部は、接着層１４と同じ材料によって構成されていてもよい。
【００２９】
なお、以上説明した積層パッケージ１の複数の構成要素のうち、それぞれ１つ以上の貫通電極１２を有する複数の半導体チップ１１、１つ以上の接合部１３および１つ以上の接着層１４が、本発明の積層パッケージの最小限の構成要素である。従って、本発明の積層パッケージは、複数の電極１５、インターポーザ２および封止部３を備えていなくてもよい。
【００３０】
次に、図２に示した積層パッケージ１の製造方法の第１および第２の例について説明する。図３は、積層パッケージ１の製造方法の第１の例を示す説明図である。図４は、積層パッケージ１の製造方法の第２の例を示す説明図である。
【００３１】
始めに、図３を参照して、積層パッケージ１の製造方法の第１の例について説明する。第１の例では、まず、後に半導体チップ１１になる半導体チップ予定部１１１を１つ以上含む半導体ウェハを用意する。半導体ウェハは、例えばシリコンよりなる。図３（ａ）は、１つの半導体チップ予定部１１１を示している。複数の半導体チップ予定部１１１を含む半導体ウェハでは、複数の半導体チップ予定部１１１は例えばマトリクス状に配列されている。
【００３２】
次に、図３（ａ）に示したように、半導体チップ予定部１１１に、１つ以上の貫通電極１２を収容するための１つ以上の収容部１０２を形成する。次に、図示しないが、収容部１０２の壁面を覆う絶縁層を形成する。
【００３３】
図３（ｂ）は、次の工程を示す。この工程では、まず、上記絶縁層が形成された収容部１０２内に、貫通電極１２を構成する導電材料を充填して、貫通電極１２を形成する。次に、半導体チップ予定部１１１において、１つ以上の貫通電極１２に接合された１つ以上のバンプ１１３を形成する。バンプ１１３は、接合部１３を構成する導電材料、例えば半田よりなり、後に接合部１３になるものである。次に、図示しないが、半導体ウェハを切断して、半導体チップ予定部１１１を個片化する。個片化された半導体チップ予定部１１１は、半導体チップ１１になる。
【００３４】
ここまでの工程を用いて、積層される複数の半導体チップ１１が形成される。なお、図示しないが、半導体チップ予定部１１１には、半導体デバイスと、この半導体デバイスと貫通電極１２とを電気的に接続する配線層も形成される。この半導体デバイスと配線層は、貫通電極１２を形成する前に形成してもよいし、貫通電極１２を形成した後に形成してもよい。また、後で説明するが、図３（ｂ）に示した工程において半導体ウェハを切断せずに以下の工程を行ってもよい。
【００３５】
図３（ｃ）は、次の工程を示す。この工程では、後に積層されて上下に隣接することになる２つの半導体チップ１１のうちの一方の上面または下面に、柔軟性を有するシート１１４Ａを貼り付ける。このシート１１４Ａは、後に加熱されて硬化することによって接着層１４を構成する有機材料となる組成物によって形成されている。後に上下に隣接することになる２つの半導体チップ１１のうちの上方の半導体チップ１１にシート１１４Ａを貼り付ける場合には、シート１１４Ａは半導体チップ１１の下面に貼り付けられる。後に上下に隣接することになる２つの半導体チップ１１のうちの下方の半導体チップ１１にシート１１４Ａを貼り付ける場合には、シート１１４Ａは半導体チップ１１の上面に貼り付けられる。
【００３６】
図３（ｄ）は、次の工程を示す。この工程では、まず、上下に隣接する２つの半導体チップ１１の間にシート１１４Ａを介在させて、複数の半導体チップ１１を積層して積層体を形成する。次に、この積層体を所定時間だけ加熱および加圧した後、加熱および加圧を解除する。この工程において、シート１１４Ａは変形して、上下に隣接する２つの半導体チップ１１における対応する２つの貫通電極１２の間にバンプ１１３が介在するようになる。バンプ１１３は、加熱されて溶融した後、加熱が解除されて固化することによって、接合部１３になる。このようにして、上下に隣接する２つの半導体チップ１１における対応する２つの貫通電極１２は、接合部１３を介して接合され且つ電気的に接続される。また、シート１１４Ａは、加熱されて硬化して、接着層１４になる。
【００３７】
図３（ｅ）は、次の工程を示す。この工程では、最下層の半導体チップ１１の下面に複数の電極１５を形成する。以上の一連の工程により、パッケージ本体１０が完成する。その後、パッケージ本体１０を、図２に示した基板本体２１に搭載し、封止部３と複数の外部端子２２を形成することによって、積層パッケージ１を完成させる。
【００３８】
前述のように、図３（ｂ）に示した工程において半導体ウェハを切断せずに、図３（ｃ）ないし（ｅ）に示した工程を行ってもよい。この場合には、図３（ｃ）に示した工程では、半導体ウェハの上面または下面にシート１１４Ａを貼り付ける。次に、図３（ｄ）に示した工程において、上下に隣接する２つの半導体ウェハの間にシート１１４Ａを介在させて、複数の半導体ウェハを積層して積層体を形成する。次に、この積層体を所定時間だけ加熱および加圧した後、加熱および加圧を解除して、複数の接合部１３と複数の接着層１４を形成する。次に、図３（ｅ）に示した工程において、最下層の半導体ウェハの下面に複数の電極１５を形成する。次に、積層体を切断して、１つ以上のパッケージ本体１０を形成する。
【００３９】
次に、図４を参照して、積層パッケージ１の製造方法の第２の例について説明する。図４（ａ）は、半導体ウェハの半導体チップ予定部１１１に１つ以上の収容部１０２を形成する工程を示している。この工程は、第１の例における図３（ａ）に示した工程と同じである。
【００４０】
図４（ｂ）は、次の工程を示す。この工程では、まず、半導体チップ予定部１１１において１つ以上の貫通電極１２と１つ以上のバンプ１１３を形成する。次に、半導体ウェハを切断して、半導体チップ予定部１１１を個片化する。個片化された半導体チップ予定部１１１は、半導体チップ１１になる。この工程は、第１の例における図３（ｂ）に示した工程と同じである。なお、第１の例と同様に、図４（ｂ）に示した工程において半導体ウェハを切断せずに以下の工程を行ってもよい。
【００４１】
図４（ｃ）は、次の工程を示す。この工程では、まず、複数の半導体チップ１１を積層して積層体を形成する。次に、この積層体を所定時間だけ加熱および加圧した後、加熱および加圧を解除する。この工程において、上下に隣接する２つの半導体チップ１１における対応する２つの貫通電極１２の間に介在するバンプ１１３は、加熱されて溶融した後、加熱が解除されて固化することによって、接合部１３になる。このようにして、上下に隣接する２つの半導体チップ１１における対応する２つの貫通電極１２は、接合部１３を介して接合され且つ電気的に接続される。この時点では、上下に隣接する２つの半導体チップ１１の間には間隙が存在している。
【００４２】
図４（ｄ）は、次の工程を示す。この工程では、まず、上下に隣接する２つの半導体チップ１１の間の間隙内に、液状のペースト１１４Ｂを充填する。ペースト１１４Ｂは、後に加熱されて硬化することによって接着層１４を構成する有機材料となる組成物によって形成されている。なお、複数の半導体チップ１１を積層して積層体を形成する過程で、上下に隣接する２つの半導体チップ１１の間にペースト１１４Ｂを介在させてもよい。次に、積層体を所定時間だけ加熱した後、加熱を解除する。これにより、ペースト１１４Ｂは、加熱されて硬化して、接着層１４になる。
【００４３】
図４（ｅ）は、次の工程を示す。この工程では、最下層の半導体チップ１１の下面に複数の電極１５を形成して、パッケージ本体１０を完成させる。この工程は、第１の例における図３（ｅ）に示した工程と同じである。その後、第１の例と同様に、パッケージ本体１０を、図２に示した基板本体２１に搭載し、封止部３と複数の外部端子２２を形成することによって、積層パッケージ１を完成させる。
【００４４】
前述のように、図４（ｂ）に示した工程において半導体ウェハを切断せずに、図４（ｃ）ないし（ｅ）に示した工程を行ってもよい。この場合には、図４（ｃ）に示した工程では、まず、複数の半導体ウェハを積層して積層体を形成する。次に、この積層体を所定時間だけ加熱および加圧した後、加熱および加圧を解除して、複数の接合部１３を形成する。図４（ｄ）に示した工程では、まず、上下に隣接する２つの半導体ウェハの間の間隙内に、液状のペースト１１４Ｂを充填する。なお、複数の半導体ウェハを積層して積層体を形成する過程で、上下に隣接する２つの半導体ウェハの間にペースト１１４Ｂを介在させてもよい。次に、積層体を所定時間だけ加熱した後、加熱を解除する。これにより、ペースト１１４Ｂは、加熱されて硬化して、接着層１４になる。次に、図４（ｅ）に示した工程において、最下層の半導体ウェハの下面に複数の電極１５を形成する。次に、積層体を切断して、１つ以上のパッケージ本体１０を形成する。
【００４５】
また、第２の例において、封止部３の少なくとも一部と接着層１４を、同じペースト１１４Ｂを用いて同時に形成してもよい。この場合には、封止部３の少なくとも一部と接着層１４は、同じ材料によって構成される。
【００４６】
次に、図５を参照して、上述の積層パッケージ１の製造方法における貫通電極１２および接合部１３の形成方法の一例について詳しく説明する。図５（ａ）は、図３（ａ）および図４（ａ）に対応する。図５（ａ）に示した工程では、半導体ウェハの半導体チップ予定部１１１に１つ以上の収容部１０２を形成する。この例では、収容部１０２は、半導体チップ予定部１１１の上面で開口し、半導体チップ予定部１１１を貫通しない穴である。
【００４７】
次に、図５（ｂ）に示したように、収容部１０２の壁面を覆う絶縁層１０３を形成する。次に、図５（ｃ）に示したように、導電材料よりなる貫通電極１２を形成する。図５（ｃ）に示した例では、貫通電極１２は、絶縁層１０３が形成された収容部１０２内に位置する円柱形状の円柱部と、この円柱部の上端に接続された円板形状のフランジ部とを有している。なお、貫通電極１２を形成する前に、絶縁層１０３を覆うようにバリア層を形成してもよい。
【００４８】
次に、図５（ｄ）に示したように、半導体チップ予定部１１１に対して、その上面からウェハプロセスを施すことによって、半導体チップ予定部１１１に半導体デバイス１０４と図示しない配線層を形成する。なお、収容部１０２を形成する前に、半導体デバイス１０４と配線層を形成し、その後、図５（ａ）ないし（ｃ）に示した工程を行って、図５（ｄ）に示した状態にしてもよい。
【００４９】
次に、図５（ｅ）に示したように、半導体チップ予定部１１１の下面を研磨して、半導体チップ予定部１１１を薄くする。この研磨は、少なくとも、半導体チップ予定部１１１の下面に貫通電極１２が露出するまで行う。
【００５０】
次に、図５（ｆ）に示したように、貫通電極１２に接合されたバンプ１１３を形成する。次に、半導体ウェハを切断して、半導体チップ予定部１１１を個片化する。個片化された半導体チップ予定部１１１は、半導体チップ１１になる。図５（ｆ）は、図３（ｂ）および図４（ｂ）に対応している。
【００５１】
次に、図３（ｃ）、（ｄ）に示した工程、または図４（ｃ）、（ｄ）に示した工程を経て、図５（ｇ）に示したように、複数の半導体チップ１１が積層され、バンプ１１３は接合部１３になる。
【００５２】
以下、本実施の形態における接着層１４が満たすべき条件について詳しく説明する。本願発明者による研究過程で、積層パッケージ１では、温度変化に伴って貫通電極１２または２つの貫通電極１２を接合する接合部１３に亀裂が生じる場合があることと、その亀裂の発生に、温度変化に伴う接着層１４の膨張、収縮が関係することが分かった。本願発明者は、貫通電極１２または接合部１３に亀裂が生じる原因を解析するために、接着層１４の線膨張係数と縦弾性率に着目した。そして、有限要素法を用いたシミュレーションによって、接着層１４の線膨張係数および縦弾性率と、温度変化に伴って貫通電極１２または接合部１３において発生する熱応力との関係を調べた。以下の説明において、接着層１４の線膨張係数とは、接着層１４の５０〜１００℃における線膨張係数の平均値をいい、接着層１４の縦弾性率とは、接着層１４の２５℃における縦弾性率をいう。また、接着層１４と比較する他の部分または材料の線膨張係数および縦弾性率についても同様の定義とする。
【００５３】
図６は、シミュレーションで用いたモデルを示す説明図である。図７は、図６に示したモデルの一部を示している。このモデルは、間隔をあけて上下に配置された２つの半導体チップ１１Ａ，１１Ｂと、この２つの半導体チップ１１Ａ，１１Ｂの間に設けられて２つの半導体チップ１１Ａ，１１Ｂを接着する接着層１４と、２つの半導体チップ１１Ａ，１１Ｂおよび接着層１４を貫通するように設けられた導体部１６とを備えている。半導体チップ１１Ａ，１１Ｂはシリコンよりなる。導体部１６は銅よりなる。
【００５４】
導体部１６は、２つの半導体チップ１１Ａ，１１Ｂにおける対応する２つの貫通電極１２と、それらを接合する接合部１３とを合わせた部分に相当する。導体部１６は、２つの半導体チップ１１Ａ，１１Ｂおよび接着層１４を貫通する円柱形状の円柱部１６ａと、この円柱部１６ａの両端に接続された２つの円板形状のフランジ部１６ｂ，１６ｃとを有している。図６において、フランジ部１６ｂ，１６ｃの各々と円柱部１６ａとの境界を点線で示している。円柱部１６ｂの直径Ｒ１は１５μｍである。フランジ部１６ｂ，１６ｃの直径Ｒ２は３０μｍである。フランジ部１６ｂの一部は上側の半導体チップ１１Ａの上面に接し、フランジ部１６ｃの一部は下側の半導体チップ１１Ｂの下面に接している。
【００５５】
半導体チップ１１Ａ，１１Ｂの厚みＴ１は２０μｍである。接着層１４の厚みＴ２は５μｍである。円柱部１６ａの軸方向の長さは４５μｍである。フランジ部１６ｂ，１６ｃの厚みＴ３は７．５μｍである。半導体チップ１１Ａ，１１Ｂおよび接着層１４の外径は無限大とした。
【００５６】
シミュレーションでは、まず、接着層１４の線膨張係数と縦弾性率の種々の組み合わせについて、モデルに１００℃の温度変化を繰り返し与えたときに導体部１６において発生する熱応力を調べた。その結果、線膨張係数と縦弾性率の組み合わせによっては、導体部１６のうち、特に、図７において記号Ｓ１，Ｓ２で示した２つの部分の少なくとも一方に大きな熱応力が発生することが分かった。部分Ｓ１は、破線で示した円柱部１６ａとフランジ部１６ｂの境界と、円柱部１６ａに向いた半導体チップ１１Ａの角部とが接する位置の近傍の部分である。記号Ｓ２で示した部分は、半導体チップ１１Ａと接着層１４との界面の近傍の部分である。なお、導体部１６のうち、円柱部１６ａとフランジ部１６ｃの境界と、円柱部１６ａに向いた半導体チップ１１Ｂの角部とが接する位置の近傍の部分における熱応力は、記号Ｓ１で示した部分と同様である。また、導体部１６のうち、半導体チップ１１Ｂと接着層１４との界面の近傍の部分における熱応力は、記号Ｓ２で示した部分と同様である。以下、任意の半導体チップについては、符号１１を付して表す。
【００５７】
導体部１６において発生する上述のような熱応力が、導体部１６の弾性限度未満であれば導体部１６に亀裂が生じないが、導体部１６の弾性限度を超えると導体部１６に亀裂が生じ得る。このような問題は、貫通電極型積層パッケージに特有のものである。従来は、この問題は、十分に認識されておらず、その対策もなされていなかった。
【００５８】
また、シミュレーションでは、接着層１４の線膨張係数と縦弾性率の種々の組み合わせについて、モデルに１００℃の温度変化を繰り返し与えたときに導体部１６において発生する熱応力を求めた。その結果を図１に示す。図１において、横軸は接着層１４の縦弾性率を示し、縦軸は接着層１４の線膨張係数を示している。横軸と縦軸は、いずれも対数目盛である。図１において符号２００で示す線は、導体部１６において発生する熱応力が極小値となるような接着層１４の線膨張係数と縦弾性率の複数の組み合わせを示す複数の点を結んだものである。
【００５９】
図１において、線２００よりも線膨張係数が小さくなる領域２０１内では、線２００上の場合に比べて、導体部１６において発生する熱応力は大きくなるが、その増加量は少ない。線２００上ならびに領域２０１内では、導体部１６において発生する熱応力が導体部１６の弾性限度未満となる。
【００６０】
一方、図１において、線２００よりも線膨張係数が大きくなる領域２０２内では、線２００から離れるに従って、導体部１６において発生する熱応力が急激に増加する。線２００の近傍の狭い領域を除いた領域２０２内では、導体部１６において発生する熱応力が導体部１６の弾性限度を超える。線２００上ならびに領域２０１内の線膨張係数と縦弾性率の組み合わせでは、１００℃の温度変化によって導体部１６に亀裂が生じない。一方、領域２０２内の線膨張係数と縦弾性率の組み合わせでは、１００℃の温度変化によって導体部１６に亀裂が生じるおそれがある。
【００６１】
ここで、上述のようなシミュレーションの結果が得られる理由について、定性的に説明する。一般的に、有機材料の線膨張係数は、導体部１６を構成する銅の線膨張係数よりも大きく、有機材料の縦弾性率は、銅の縦弾性率よりも小さい。有機材料よりなる接着層１４と銅よりなる導体部１６の線膨張係数の差が大きいと、両者の熱変形量の差が大きくなり、両者の界面で互いに変形を拘束し合うことになる。この場合、接着層１４の縦弾性率が大きいと、導体部１６に作用する拘束力が大きくなり、導体部１６において発生する熱応力も大きくなる。従って、接着層１４の線膨張係数と縦弾性率が共に大きいと導体部１６において発生する熱応力が大きくなり、接着層１４の線膨張係数と縦弾性率が共に小さいと導体部１６において発生する熱応力も小さくなる。
【００６２】
ただし、導体部１６において発生する熱応力に対する接着層１４の線膨張係数と縦弾性率の寄与は、以下のように相補的である。例えば、接着層１４の線膨張係数が大きいために接着層１４と導体部１６の線膨張係数の差が大きく、両者の熱変形量の差が大きい場合を考える。この場合でも、接着層１４の縦弾性率が十分に小さければ、接着層１４が容易に変形できることから、導体部１６に作用する拘束力が接着層１４の変形によって吸収され、その結果、導体部１６において発生する熱応力を小さくすることができる。
【００６３】
また、接着層１４の縦弾性率が大きいために導体部１６に作用する拘束力が接着層１４の変形によって吸収され難い場合を考える。この場合でも、接着層１４の線膨張係数が小さいことにより接着層１４と導体部１６の線膨張係数の差が十分に小さければ、両者の熱変形量の差が小さくなり、その結果、導体部１６において発生する熱応力を小さくすることができる。
【００６４】
ところで、導体部１６には、接着層１４のみならず半導体チップ１１も接している。銅よりなる導体部１６の線膨張係数とシリコンよりなる半導体チップ１１の線膨張係数は異なる。そのため、接着層１４の物性如何に係わらず、導体部１６のうち、導体部１６と半導体チップ１１との界面の近傍の部分において熱応力が発生する。
【００６５】
図１における線２００上では、導体部１６のうち、導体部１６と半導体チップ１１との界面の近傍の部分において発生する熱応力を緩和するように、接着層１４が熱変形するため、導体部１６において発生する熱応力が極小値となる。
【００６６】
図１において、線２００よりも線膨張係数が大きくなる領域２０２内では、導体部１６のうち、導体部１６と半導体チップ１１との界面の近傍の部分において発生する熱応力よりも、導体部１６のうち、導体部１６と接着層１４との界面の近傍の部分において発生する熱応力が大きくなる。また、この導体部１６と接着層１４との界面の近傍の部分において発生する熱応力は、線２００から離れるに従って急激に増加する。領域２０２内では、温度サイクル試験において導体部１６が破断してしまうとすれば、接着層１４がその主要因となる。
【００６７】
一方、図１において、線２００よりも線膨張係数が小さくなる領域２０１内では、導体部１６のうち、導体部１６と接着層１４との界面の近傍の部分において発生する熱応力よりも、導体部１６のうち、導体部１６と半導体チップ１１との界面の近傍の部分において発生する熱応力が大きくなる。この領域２０１内では、導体部１６において発生する熱応力に対する接着層１４の寄与が小さいため、接着層１４の線膨張係数と縦弾性率が変化しても、導体部１６において発生する熱応力は大きくは変化しない。領域２０１内では、温度サイクル試験において導体部１６が破断してしまうとすれば、半導体チップ１１がその主要因となる。
【００６８】
以上の考察の通り、図１に示したシミュレーションの結果によれば、接着層１４の線膨張係数と縦弾性率の組み合わせが線２００上または領域２０１内に存在すれば、温度変化に伴う接着層１４の膨張、収縮に起因して導体部１６に亀裂が生じることを防止することが可能になる。以下、接着層１４の線膨張係数と縦弾性率の組み合わせが線２００上または領域２０１に存在することを、シミュレーションによって得られた条件と言う。
【００６９】
シミュレーションによって得られた条件を満たしていても、接着層１４の線膨張係数が大きすぎることは、接着層１４全体の熱変形量が大きくなるので好ましくない。また、シミュレーションによって得られた条件を満たしていても、接着層１４の縦弾性率が大きすぎると、温度変化に伴って接着層１４において生じる熱応力が大きくなりすぎて、接着層１４に亀裂が発生するおそれがある。従って、接着層１４の縦弾性率が大きすぎることは好ましくない。接着層１４では、縦弾性率が２ＧＰａ以下であれば、十分な柔軟性を有し、接着層１４における亀裂の発生が防止されると考えられる。接着層１４の縦弾性率を２ＧＰａとしたときに、シミュレーションによって得られた条件を満たす接着層１４の線膨張係数の上限値は、２６０ｐｐｍ／Ｋである。これらの観点から、本実施の形態では、接着層１４の線膨張係数の上限値を２６０ｐｐｍ／Ｋとし、接着層１４の縦弾性率の上限値を２ＧＰａとした。
【００７０】
理論上の接着層１４の線膨張係数の下限値は０ｐｐｍ／Ｋである。そのため、本実施の形態では、接着層１４の線膨張係数の範囲を、２６０ｐｐｍ／Ｋ以下と規定した。実用的な接着層１４の線膨張係数の範囲としては、１〜２６０ｐｐｍ／Ｋの範囲が好ましく、７０〜２６０ｐｐｍ／Ｋの範囲がより好ましい。
【００７１】
一方、接着層１４の縦弾性率は０ＧＰａよりも大きくなる。そのため、本実施の形態では、接着層１４の縦弾性率の範囲を、０ＧＰａよりも大きく２ＧＰａ以下の範囲と規定した。一般的な有機材料の縦弾性率の下限値は０．００１ＧＰａ程度である。そのため、実用的な接着層１４の縦弾性率の範囲としては、０．００１〜２ＧＰａの範囲が好ましく、０．００５〜２ＧＰａの範囲がより好ましい。更に、接着層１４の縦弾性率は小さい方が好ましいことを考慮すると、接着層１４の縦弾性率の範囲としては、０．００５〜１ＧＰａの範囲がより好ましい。
【００７２】
以上説明したように、線膨張係数と縦弾性率に関して本実施の形態における接着層１４が満たすべき最低限の条件は、線膨張係数が２６０ｐｐｍ／Ｋ以下で、縦弾性率が０ＧＰａより大きく２ＧＰａ以下であることである。接着層１４がこの条件を満たすことにより、温度変化に伴う接着層１４の膨張、収縮に起因して貫通電極１２または２つの貫通電極１２を接合する接合部１３に亀裂が生じることを防止することが可能になる。
【００７３】
接着層１４の線膨張係数は、例えば以下のようにして求めることができる。まず、所定のサイズの、フィルム化した接着層１４の試料を作成する。次に、この試料に対して、熱機械分析（ＴＭＡ）装置を用いて、５ｇの荷重を加えながら、３０℃から２８０℃の範囲で一定の昇温速度（５℃／分）で昇温して引張試験を行い、温度変化に対する試料の伸び量を測定する。この測定結果から、試料の５０〜１００℃における線膨張係数の平均値、すなわち接着層１４の線膨張係数を求めることができる。
【００７４】
接着層１４の縦弾性率は、例えば以下のようにして求めることができる。まず、所定のサイズの、フィルム化した接着層１４の試料を作成する。次に、この試料に対して、２５℃において引張試験装置を用いて引張試験を行い、試料の荷重−歪み曲線を求める。次に、この荷重−歪み曲線における始めの直線部分上の２点間で、元の平均断面積における応力の差と、歪みの差を求める。そして、応力の差を歪みの差で割ることにより、試料の２５℃における縦弾性率すなわち接着層１４の縦弾性率を求めることができる。
【００７５】
次に、本実施の形態の効果を確認した実験の結果について説明する。この実験では、実施例１〜５および比較例１，２の７つの試験用積層パッケージを作製し、これらについて温度サイクル試験を行った。始めに、実施例１〜５における接着層１４を形成するために用いた５種類のエポキシシリコーン樹脂について説明する。この５種類のエポキシシリコーン樹脂は、以下の合成例１〜５に従って作成した。
【００７６】
［合成例１］
合成例１では、まず、一般式（１）で表され、Ｒ１がメチル基であり、ａの平均値が約２０であり、両末端にＳｉＨ基を有するポリオルガノシロキサン（ＳｉＨ基当量８００ｇ／ｅｑ．）を１６０重量部と、ジオキサン８０重量部と、カーボン粉末に担持された白金触媒（白金濃度５％）１重量部とを、温度計、冷却管、窒素導入管、攪拌翼の付いた１Ｌの４つ口セパラブルフラスコに投入した。次に、内温を９０℃まで昇温した後、Ｎ−アリル−Ｎ',Ｎ''−ジグリシジルイソシアヌレート５６重量部を３時間かけて投入した。投入終了後、内温を１１０℃まで昇温し、ジオキサンを還流させながら反応を行った。次に、０．１規定の水酸化カリウム／メタノール溶液に反応液を滴下し、水素ガスの発生がなくなったことを確認して、残存する白金触媒をセライトを用いてろ過した。次に、エバポレータを用いて、ろ液の溶媒留去を行うことで、一般式（２）で表されるエポキシシリコーン樹脂（ＥＳ１）１９５重量部を得た。式（２）において、Ｒ２はプロピレン基である。また、Ｅ１は、イソシアヌル環骨格を含む基を介して結合するエポキシ基を有するエポキシ基含有基であり、一般式（３）で表される。エポキシシリコーン樹脂（ＥＳ１）は、内部に直鎖シロキサン結合とイソシアヌル環で構成された構造を有し、かつ末端にエポキシ基を有する。この樹脂（ＥＳ１）のエポキシ当量は５８０ｇ／ｅｑ．であり、２５℃での粘度は０．７Ｐａ・ｓであった。
【００７７】
【化１】
【００７８】
【化２】
【００７９】
【化３】
【００８０】
［合成例２］
合成例２では、まず、一般式（１）で表され、Ｒ１がメチル基であり、ａの平均値が４であり、両末端にＳｉＨ基を有するポリオルガノシロキサン８６重量部（ＳｉＨ基として０．４当量）と、ジオキサン１９０重量部と、カーボン粉末に担持された白金触媒（白金濃度３％）０．３２重量部とを、攪拌モーター、還流冷却管、窒素ラインを装着した１Ｌのセパラブルフラスコに投入し、攪拌しながら１００℃に昇温した。次に、一般式（４）で表され、Ｒ３がメチル基であり、ｂの平均値が４であり、両末端にビニル基を有するポリオルガノシロキサン５１重量部（ビニル基として０．２当量）を、１時間かけて反応系内に投入した。次に、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー（ＧＰＣ）法により、分子量の増大が停止したことを確認した後、Ｎ−アリル−Ｎ',Ｎ''−ジグリシジルイソシアヌレート５６重量部（ビニル基として０．２当量）をジオキサン５６重量部に溶解させた溶液を１時間かけて投入した。投入終了後、内温を１１０℃まで昇温し、ジオキサンを還流させながら反応を行った。次に、０．１規定の水酸化カリウム／メタノール溶液に反応液を滴下し、水素ガスの発生がなくなったことを確認して、残存する白金触媒をセライトを用いてろ過した。次に、エバポレータを用いて、ろ液の溶媒留去を行うことで、両末端にエポキシ基含有イソシアヌル環を配したエポキシシリコーン樹脂（ＥＳ２）１６７重量部を得た。この樹脂（ＥＳ２）のエポキシ当量は４５１ｇ／ｅｑ．であり、２５℃での粘度は２．０Ｐａ・ｓであった。
【００８１】
【化４】
【００８２】
［合成例３］
合成例３では、まず、一般式（５）で表され、Ｒ４がメチル基であり、両端にＳｉＨ基を有する環状ポリオルガノシロキサン３４重量部（ＳｉＨ基として０．２５５当量）と、ジオキサン４５重量部と、カーボン粉末に担持された白金触媒（白金濃度３％）０．１７重量部とを、攪拌モーター、還流冷却管、窒素ラインを装着した３００ｍＬのセパラブルフラスコに投入し、攪拌しながら１００℃に昇温した。次に、一般式（４）で表され、Ｒ３がメチル基であり、ｂの平均値が４であり、両末端にビニル基を有するポリオルガノシロキサン４１重量部（ビニル基として０．１６当量）を、１時間かけて反応系内に投入した。次に、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー（ＧＰＣ）法により、分子量の増大が停止したことを確認した後、Ｎ−アリル−Ｎ',Ｎ''−ジグリシジルイソシアヌレート２５重量部（ビニル基として０．０８９当量）をジオキサン２５重量部に溶解させた溶液を１時間かけて投入した。投入終了後、内温を１１０℃まで昇温し、ジオキサンを還流させながら反応を行った。次に、０．１規定の水酸化カリウム／メタノール溶液に反応液を滴下し、水素ガスの発生がなくなったことを確認して、残存する白金触媒をセライトを用いてろ過した。次に、エバポレータを用いて、ろ液の溶媒留去を行うことで、両端にエポキシ基含有イソシアヌル環を配したエポキシシリコーン樹脂（ＥＳ３）８５重量部を得た。この樹脂（ＥＳ３）のエポキシ当量は５２０ｇ／ｅｑ．であり、２５℃での粘度は１３Ｐａ・ｓであった。
【００８３】
【化５】
【００８４】
［合成例４］
合成例４では、原料として、以下に示す（Ａ１）成分と酸無水物成分を使用した。（Ａ１）成分は、一般式（６）で表され、アルコール性水酸基を両末端に有する直鎖ポリジメチルシロキサン化合物（アルコール性水酸基当量８２０ｇ／ｍｏｌ）８２０重量部である。式（６）において、Ｒ１はメチル基であり、ｃは１８である。また、Ｒ５は、一般式（７）で表され、ｄの平均が１．５である。（Ａ１）成分としては、具体的には、モメンティブ・パフォーマンス・マテリアルズ・ジャパン合同会社製ＸＦ４２−Ｂ０９７０（製品名）を使用した。酸無水物成分としては、ヘキサヒドロ無水フタル酸１５４重量部を使用した。（Ａ１）成分１モルに対して、酸無水物成分は２モルである。
【００８５】
【化６】
【００８６】
【化７】
【００８７】
合成例４では、上記原料を、攪拌モーター、還流冷却管、窒素ラインを装着した３Ｌのセパラブルフラスコに投入し、攪拌しながら１６０℃に昇温した。１６０℃に到達した後、攪拌を４時間続けて両末端にカルボキシル基を有するヘミエステル化合物（Ａ２）を合成した。得られた（Ａ２）を、サンプリングし、０．１ＮのＫＯＨ／メタノール溶液にて酸価を測定したところ、９０ｍｇＫＯＨ／ｇであり、定量的に反応が進んでいることを確認した。
【００８８】
次に、ヘミエステル化合物（Ａ２）に、（Ａ３）成分である３，４−エポキシシクロヘキセニルメチル−３’,４’−エポキシシクロヘキセンカルボキシレート８０６重量部を投入した。この際の、カルボキシル基とエポキシ基のモル比は１：４．７である。次に、反応触媒として、テトラエチルアンモニウムクロリドの４％酢酸溶液を、０．９重量部滴下し、１７０℃の反応温度で５時間反応を行った。サンプリングを行い、酸価測定によりカルボキシル基が消失していることを確認した後、１５０メッシュの金網を用いて反応混合液中の樹脂をろ過した。このようにして、エポキシシリコーン樹脂（Ａ）を１６５０重量部得た。この樹脂（Ａ）のエポキシ当量は３７２ｇ／ｅｑ．であり、２５℃での粘度は６．５Ｐａ・ｓであった。このエポキシシリコーン樹脂（Ａ）を、ＥＳ４とする。
【００８９】
［合成例５］
合成例５では、原料として、以下に示す（Ａ１）成分と酸無水物成分を使用した。（Ａ１）成分は、一般式（６）で表され、アルコール性水酸基を両末端に有する直鎖ポリジメチルシロキサン化合物（アルコール性水酸基当量４８０ｇ／ｍｏｌ）８８７重量部である。式（６）において、Ｒ１はメチル基であり、ｃは８である。また、Ｒ５は、一般式（７）で表され、ｄの平均が１．５である。（Ａ１）成分としては、具体的には、モメンティブ・パフォーマンス・マテリアルズ・ジャパン合同会社製ＸＦ４２-Ｃ３２９４（製品名）を使用した。酸無水物成分としては、ヘキサヒドロ無水フタル酸２８５重量部を使用した。（Ａ１）成分１モルに対して、酸無水物成分は２モルである。
【００９０】
合成例５では、上記原料を、攪拌モーター、還流冷却管、窒素ラインを装着した３Ｌのセパラブルフラスコに投入し、攪拌しながら１６０℃に昇温した。１６０℃に到達した後、攪拌を４時間続けて両末端にカルボキシル基を有するヘミエステル化合物（Ａ２）を合成した。得られた（Ａ２）を、サンプリングし、０．１ＮのＫＯＨ／メタノール溶液にて酸価を測定したところ、９０ｍｇＫＯＨ／ｇであり、定量的に反応が進んでいることを確認した。
【００９１】
次に、ヘミエステル化合物（Ａ２）に、（Ａ３）成分である３，４−エポキシシクロヘキセニルメチル−３’,４’−エポキシシクロヘキセンカルボキシレート（エポキシ当量１３０ｇ／ｅｑ．）１１１８重量部を投入した。この際の、カルボキシル基とエポキシ基のモル比は１：４．７である。次に、反応触媒として、テトラエチルアンモニウムクロリドの４％酢酸溶液を、０．９重量部滴下し、１７０℃の反応温度で５時間反応を行った。サンプリングを行い、酸価測定によりカルボキシル基が消失していることを確認した後、１５０メッシュの金網を用いて反応混合液中の樹脂をろ過した。このようにして、エポキシシリコーン樹脂（Ａ）を２１３０重量部得た。この樹脂（Ａ）のエポキシ当量は３８１ｇ／ｅｑ．であり、２５℃での粘度は１１．１Ｐａ・ｓであった。このエポキシシリコーン樹脂（Ａ）を、ＥＳ５とする。
【００９２】
以上説明した合成例１〜５によって、それぞれ実施例１〜５における接着層１４を形成するために用いた５種類の多官能エポキシシリコーン樹脂（ＥＳ１〜５）を得た。実験では、この５種類の多官能エポキシシリコーン樹脂（ＥＳ１〜５）の各々と、メチル化ヘキサヒドロ無水フタル酸（ＭＨ：酸無水物当量１６８ｇ／ｅｑ．）を、エポキシ当量と酸無水物当量の比＝１：１となるように加え、よく混合し、さらに硬化促進剤として２−エチルー４−メチルイミダゾールを全体の０．５重量％投入し、真空脱気して、それぞれ実施例１〜５における接着層１４を形成するために用いたエポキシシリコーン組成物（ＥＣ１〜５）を準備した。
【００９３】
次に、図８および図９を参照して、試験用積層パッケージの作製方法について説明する。この作製方法では、まず、図８（ａ）に示したように、後に半導体チップ１１になる半導体チップ予定部１１１を１つ以上含むシリコン半導体ウェハを作製した。半導体チップ予定部１１１には、半導体デバイス１０４と図示しない配線層とが形成されている。
【００９４】
図８（ｂ）は、次の工程を示す。この工程では、半導体チップ予定部１１１の一部を上面側からエッチングして、半導体チップ予定部１１１に収容部１０２を形成した。収容部１０２は、半導体チップ予定部１１１の上面で開口し、半導体チップ予定部１１１を貫通しない穴である。この穴は、直径１５μｍの円筒形状である。
【００９５】
図８（ｃ）は、次の工程を示す。この工程では、収容部１０２の内壁を覆うように化学気相成長法（ＣＶＤ）法により、ＳｉＯ２からなる絶縁層１０３と、ＴｉＮからなるバリア層１０５を順に形成した。絶縁層１０３は、半導体チップ予定部１１１の上面にも形成した。バリア層１０５は、絶縁層１０３のうち半導体チップ予定部１１１の上面上に位置する部分の上において、収容部１０２の開口部の近傍にも形成した。
【００９６】
図８（ｄ）は、次の工程を示す。この工程では、めっき法によって、導電材料としてのＣｕよりなる貫通電極１２を形成した。貫通電極１２は、収容部１０２内に位置する円柱形状の円柱部と、この円柱部の上端に接続された円板形状のフランジ部とを有している。
【００９７】
図８（ｅ）は、次の工程を示す。この工程では、半導体チップ予定部１１１の下面を研磨して、厚みが２０μｍになるまで半導体チップ予定部１１１を薄くし、半導体チップ予定部１１１の下面より貫通電極１２を露出させた。
【００９８】
図８（ｆ）は、次の工程を示す。この工程では、貫通電極１２の下面に接合されたバンプ１１３を形成した。次に、半導体ウェハを切断して、半導体チップ予定部１１１を個片化して、半導体チップ１１を形成した。
【００９９】
図９（ａ）は、次の工程を示す。この工程では、まず、それぞれ半導体チップ１１の積層体が実装される複数の実装領域を有する配線基板（ＦＲ−４基板）１２１を作製した。配線基板１２１は、その上面において、半導体チップ１１の貫通電極１２に対応する位置に配置された接続パッド１２１ａを有している。次に、フリップチップボンダーを用いて、バンプ１１３が接続パッド１２１ａに接するように、配線基板１２１の上に１層目の半導体チップ１１を配置し、バンプ１１３と接続パッド１２１ａを熱圧着した。これにより、バンプ１１３は、１層目の半導体チップ１１の貫通電極１２と接続パッド１２１ａとを接合し且つ電気的に接続する接合部１８となった。
【０１００】
図９（ｂ）は、次の工程を示す。この工程では、フリップチップボンダーを用いて、２層目の半導体チップ１１のバンプ１１３が１層目の半導体チップ１１の貫通電極１２に接するように、１層目の半導体チップ１１の上に２層目の半導体チップ１１を配置し、上記バンプ１１３と貫通電極１２を熱圧着した。これにより、バンプ１１３は、２つの半導体チップ１１の各々における貫通電極１２同士を接合し且つ電気的に接続する接合部１３となった。
【０１０１】
図９（ｃ）は、次の工程を示す。この工程では、まず、配線基板１２１上において、半導体チップ１１の積層体の端部近傍に、ディスペンサーによって、エポキシシリコーン組成物を供給し、毛細管現象によって、配線基板１２１と１層目の半導体チップ１１の間と、１層目の半導体チップ１１と２層目の半導体チップ１１の間にエポキシシリコーン組成物を充填した。充填したエポキシシリコーン組成物は、ＥＣ１〜５のいずれかである。次に、エポキシシリコーン組成物を１５０℃で１時間加熱して硬化させ、配線基板１２１と１層目の半導体チップ１１を接着する接着層１９と、２つの半導体チップ１１を接着する接着層１４とを形成した。
【０１０２】
なお、上記の方法で配線基板１２１と１層目の半導体チップ１１の間にエポキシシリコーン組成物を充填する代わりに、配線基板１２１の上に１層目の半導体チップ１１を配置する前に配線基板１２１上にエポキシシリコーン組成物を供給しておくことも可能であった。同様に、上記の方法で１層目の半導体チップ１１と２層目の半導体チップ１１の間にエポキシシリコーン組成物を充填する代わりに、１層目の半導体チップ１１の上に２層目の半導体チップ１１を配置する前に１層目の半導体チップ１１の上にエポキシシリコーン組成物を供給しておくことも可能であった。
【０１０３】
図９（ｃ）に示した状態の積層体が試験用積層パッケージである。実施例１〜５の試験用積層パッケージは、それぞれ、図９（ｃ）に示した工程においてエポキシシリコーン組成物ＥＣ１〜５を用いて接着層１４，１９が形成されものである。
【０１０４】
実験では、図９（ｃ）に示した試験用積層パッケージを用い、図９（ｄ）に示した工程によって半導体装置を作製した。図９（ｄ）に示した工程では、まず、通常のトランスファーモールド工程により、配線基板１２１の上面および半導体チップ１１の積層体を覆うように封止部３を形成した。次に、ボールマウント工程により、配線基板１２１の下面に、複数のはんだボール１２２を形成した。次に、ダイシング工程により、複数の実装領域が分離されるように配線基板１２１を切断して、図９（ｄ）に示した半導体装置を得た。
【０１０５】
次に、比較例１，２の試験用積層パッケージについて説明する。比較例１の試験用積層パッケージは、エポキシシリコーン樹脂の代わりにビスフェノールＡ型エポキシ樹脂（新日鐵化学株式会社製ＹＤ−１２８（製品名））を用いたこと以外は、実施例１〜５と同様にして作製されたものである。比較例２の試験用積層パッケージは、エポキシシリコーン樹脂の代わりにトリフェノールメタン型エポキシ樹脂（日本化薬株式会社製ＥＰＰＮ−５０１Ｈ（製品名））を用いたこと以外は、実施例１〜５と同様にして作製されたものである。
【０１０６】
実験では、実施例１〜５および比較例１，２の７つの試験用積層パッケージについて、温度サイクル試験を行った。温度サイクル試験では、−４０℃で３０分間保持した後、１２５℃で３０分間保持する冷熱サイクル処理を１０００サイクル行った。その後、貫通電極１２および接合部１３を経由する導電路の抵抗値が温度サイクル試験前に比べて増加したか否か、また、貫通電極１２または接合部１３に亀裂が発生したか否かを調べた。この温度サイクル試験の結果を、下記の表１に示す。表１における「温度サイクル試験結果」の項目では、上記導電路の抵抗値の増加も貫通電極１２または接合部１３における亀裂の発生も認められなかった場合を「異常なし」と表記し、上記導電路の抵抗値の増加と貫通電極１２または接合部１３における亀裂の発生が認められた場合を「異常あり」と表記している。また、表１には、接着層１４の縦弾性率および線膨張係数も示している。また、図１において、実施例１〜５における接着層１４の縦弾性率および線膨張係数を、それぞれ、数字１〜５を付した丸の点で示し、比較例１，２における接着層１４の縦弾性率および線膨張係数を、それぞれ、数字１，２を付した三角の点で示している。
【０１０７】
【表１】
【０１０８】
表１に示したように、実施例１〜５の試験用積層パッケージでは、温度サイクル試験後に、導電路の抵抗値の増加も、貫通電極１２または接合部１３における亀裂の発生も認められなかった。一方、比較例１，２の試験用積層パッケージでは、導電路の抵抗値の増加と貫通電極１２または接合部１３における亀裂の発生が認められた。この実験結果から、本実施の形態によれば、温度変化に伴う接着層１４の膨張、収縮に起因して貫通電極１２または接合部１３に亀裂が生じることを防止することが可能であることが分かる。
【０１０９】
ところで、実施例１〜５における接着層１４では、線膨張係数は互いに近い値であるのに対して、縦弾性率は大きく異なっている。以下、その理由について、図１０を参照して説明する。図１０は、接着層１４に用いられるような熱硬化性有機材料の分子構造を示す概念図である。図１０に示したように、熱硬化性有機材料は、複数の架橋点５１と、それらを結合する複数の架橋部５２とで構成された分子鎖の網目構造を有している。この熱硬化性有機材料の線膨張挙動は、架橋点５１と架橋部５２で構成される分子鎖の網目の変形で発生し、架橋部５２の長さと分子構造によって支配される。また、熱硬化性有機材料の線膨張係数と縦弾性率は、それぞれに対する架橋部５２の長さと分子構造の寄与の割合によって変化する。そのため、実施例１〜５における接着層１４のように、線膨張係数は互いに近い値であっても縦弾性率は大きく異なることが生じ得る。
【０１１０】
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されず、種々の変更が可能である。例えば、本発明における接着層の線膨張係数および縦弾性率は、実施例１〜５における線膨張係数および縦弾性率に限定されず、特許請求の範囲に記載された要件を満たすものであればよい。接着層の線膨張係数および縦弾性率が、特許請求の範囲に記載された要件を満たすものであれば、温度変化に伴う接着層の膨張、収縮に起因して貫通電極または２つの貫通電極を接合する接合部に亀裂が生じることを防止できることは、シミュレーションの結果とそれについての考察から明らかである。
【符号の説明】
【０１１１】
１…積層パッケージ、２…インターポーザ、３…封止部、１０…パッケージ本体、１１…半導体チップ、１２…貫通電極、１３…接合部、１４…接着層、１５…電極、１６…導体部。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、積層された複数の半導体チップを含む積層パッケージであって、特に、上下に隣接する２つの半導体チップを、それらの各々に形成された１つ以上の貫通電極同士を接合することによって電気的に接続した貫通電極型積層パッケージに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電子機器に対する薄型化、軽量化の要求が強いことから、電子部品の高集積化が求められている。電子部品の高集積化を実現する技術の一つに、複数の半導体チップを積層する３次元実装技術がある。本出願において、３次元実装技術を用いて製造されたパッケージ、すなわち積層された複数の半導体チップを含むパッケージを、積層パッケージと呼ぶ。
【０００３】
積層パッケージの主な型（タイプ）には、ワイヤボンディング型と貫通電極型がある。ワイヤボンディング型積層パッケージは、基板上に複数の半導体チップを積層し、各半導体チップに形成された複数の電極と、基板に形成された複数の電極とをワイヤボンディングによって電気的に接続したものである。貫通電極型積層パッケージは、上下に隣接する２つの半導体チップを、それらの各々に形成された１つ以上の貫通電極同士を接合することによって電気的に接続したものである。貫通電極型積層パッケージは、ワイヤボンディング型積層パッケージに比べて、電極間の間隔を小さくすることができると共に、複数の半導体チップを電気的に接続するための配線の長さを短くすることができるという利点がある。
【０００４】
一般的に、貫通電極型積層パッケージでは、上下に隣接する２つの半導体チップは、その間に配置された接着層によって接着されている。このような貫通電極型積層パッケージは、例えば特許文献１に記載されている。特許文献１には、上下に隣接する２つの半導体素子の間に配置された接着層を、架橋反応可能な樹脂およびフラックス活性を有する化合物を含む樹脂組成物の硬化物で構成する技術が記載されている。
【０００５】
特許文献２，３には、貫通電極型積層パッケージの接着層に関する技術ではないが、半導体チップを封止する封止材に関する技術が記載されている。すなわち、特許文献２には、発光ダイオード（ＬＥＤ）の封止に適した硬化性樹脂組成物であって、直鎖シロキサン結合を有するエポキシシリコーン樹脂を必須成分とした硬化性樹脂組成物が記載されている。また、特許文献３には、オルガノポリシロキサン（ポリオルガノシロキサン）を含む光半導体素子封止用組成物が記載されている。
【０００６】
特許文献４には、第１の半導体チップの上に、溶剤型エポキシ樹脂組成物を塗布し、塗布された組成物から溶剤を揮発させて組成物を乾燥させ、その後、組成物を介して第１の半導体チップの上に第２の半導体チップを配置し、第１および第２の半導体チップを熱圧着する技術が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】国際公開第ＷＯ２００９／０９９１９１Ａ１号
【特許文献２】特開２００９−２０３２５８号公報
【特許文献３】特開２００９−２７５２０６号公報
【特許文献４】国際公開第ＷＯ２０１０／０７９８３１Ａ１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
積層パッケージ等の電子部品には、温度変化に対する耐性が要求される場合がある。電子部品における温度変化の原因には、その電子部品を含む電子機器の製造過程における加熱を伴う種々の工程によるものや、電子部品自体あるいは電子機器内の他の電子部品の発熱や、電子部品が使用される環境の温度変化等、種々のものがある。
【０００９】
本願発明者による研究過程で、貫通電極型積層パッケージでは、温度変化に伴って貫通電極または２つの貫通電極を接合する接合部に亀裂が生じる場合があることと、その亀裂の発生に、温度変化に伴う接着層の膨張、収縮が関係することが分かった。従来は、貫通電極型積層パッケージにおいて、温度変化に伴う接着層の膨張、収縮に起因して貫通電極または接合部に亀裂が生じ得るという問題は、十分に認識されておらず、その対策もなされていなかった。
【００１０】
特許文献１には、貫通電極型積層パッケージである半導体装置について、ヒートサイクル試験後に導通がとれるかどうかで接続信頼性を評価したことが記載されている。しかしながら、特許文献１には、接続信頼性に差が生じる原因については記載されていない。
【００１１】
特許文献２には、硬化性樹脂組成物によって得られた硬化物についての曲げ、たわみ特性試験の結果が記載されている。また、特許文献３には、光半導体素子封止用組成物によって得られた硬化物について、硬度が高いにも拘わらず、温度サイクル試験においてクラックの発生がない旨が記載されている。しかしながら、特許文献２，３では、貫通電極型積層パッケージにおいて貫通電極または接合部に亀裂が生じ得るという問題については、全く考慮されていない。また、特許文献４においても、この問題は全く考慮されていない。
【００１２】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、温度変化に伴う接着層の膨張、収縮に起因して貫通電極または２つの貫通電極を接合する接合部に亀裂が生じることを防止できるようにした貫通電極型積層パッケージを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の貫通電極型積層パッケージは、それぞれ１つ以上の貫通電極を有し積層された複数の半導体チップと、１つ以上の接合部と、接着層とを備えている。１つ以上の接合部は、導電材料よりなり、上下に隣接する２つの半導体チップの間に位置し、２つの半導体チップの各々における１つ以上の貫通電極同士を接合し且つ電気的に接続している。接着層は、絶縁性の有機材料よりなり、上下に隣接する２つの半導体チップの間において１つ以上の接合部の周囲に配置され、２つの半導体チップを接着している。接着層の５０〜１００℃における線膨張係数の平均値は、２６０ｐｐｍ／Ｋ以下であり、接着層の２５℃における縦弾性率は、０ＧＰａより大きく２ＧＰａ以下である。
【００１４】
本発明の貫通電極型積層パッケージにおいて、接着層を構成する有機材料は、シロキサン結合を有する樹脂材料を含んでいてもよい。この場合、樹脂材料は、更にエポキシ基を有していてもよい。
【００１５】
また、本発明の貫通電極型積層パッケージにおいて、接着層の前記線膨張係数の平均値は、１〜２６０ｐｐｍ／Ｋの範囲内であることが好ましく、７０〜２６０ｐｐｍ／Ｋの範囲内であることがより好ましい。また、接着層の前記縦弾性率は、０．００１〜２ＧＰａの範囲内であることが好ましく、０．００５〜２ＧＰａの範囲内であることがより好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の貫通電極型積層パッケージによれば、接着層の５０〜１００℃における線膨張係数の平均値が２６０ｐｐｍ／Ｋ以下であり、接着層の２５℃における縦弾性率が０ＧＰａより大きく２ＧＰａ以下であることにより、温度変化に伴う接着層の膨張、収縮に起因して貫通電極または２つの貫通電極を接合する接合部に亀裂が生じることを防止することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施の形態に係る貫通電極型積層パッケージにおける接着層の線膨張係数および縦弾性率の範囲を示す特性図である。
【図２】本発明の一実施の形態に係る貫通電極型積層パッケージの断面図である。
【図３】図２に示した貫通電極型積層パッケージの製造方法の第１の例を示す説明図である。
【図４】図２に示した貫通電極型積層パッケージの製造方法の第２の例を示す説明図である。
【図５】図２に示した貫通電極型積層パッケージの製造方法における貫通電極および接合部の形成方法を示す説明図である。
【図６】本発明の一実施の形態における接着層の特性を規定するために行ったシミュレーションのモデルを示す説明図である。
【図７】図６に示したモデルにおいて大きな熱応力が発生する部分を示す説明図である。
【図８】試験用積層パッケージの作製方法を示す説明図である。
【図９】試験用積層パッケージの作製方法を示す説明図である。
【図１０】熱硬化性有機材料の分子構造を示す概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の一実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。始めに、図２を参照して、本発明の一実施の形態に係る貫通電極型積層パッケージの構成について説明する。図２は、本実施の形態に係る貫通電極型積層パッケージの断面図である。
【００１９】
図２に示したように、本実施の形態に係る貫通電極型積層パッケージ（以下、単に積層パッケージと記す。）１は、インターポーザ（配線基板）２と、このインターポーザ２に搭載されたパッケージ本体１０とを備えている。
【００２０】
パッケージ本体１０は、積層された複数の半導体チップ１１を備えている。図２には、パッケージ本体１０が４つの半導体チップ１１を備えた例を示している。しかし、パッケージ本体１０は、積層された２つ以上の半導体チップ１１を備えたものであればよい。以下、半導体チップ１１の厚み方向（複数の半導体チップ１１の積層方向）の両側の２つの面のうち、図２における上方の面を上面と定義し、図２における下方の面を下面と定義する。積層パッケージ１の他の構成要素に関しても、半導体チップ１１と同様に上面と下面を定義する。
【００２１】
複数の半導体チップ１１は、それぞれ１つ以上の貫通電極１２を有している。貫通電極１２は、銅等の導電材料よりなり、半導体チップ１１を厚み方向に貫通している。図２には、複数の半導体チップ１１の各々が、複数の貫通電極１２を有する例を示している。しかし、各半導体チップ１１は、１つ以上の貫通電極１２を有していればよい。
【００２２】
図２には示していないが、半導体チップ１１は、上面と下面の少なくとも一方の近傍に形成された、トランジスタ等の半導体デバイスを含んでいる。１つの半導体チップ１１において、少なくとも１つの貫通電極１２は、図示しない配線層を介して半導体デバイスに電気的に接続されている。
【００２３】
パッケージ本体１０は、更に、上下に隣接する２つの半導体チップ１１の間に位置し、２つの半導体チップ１１の各々における１つ以上の貫通電極１２同士を接合し且つ電気的に接続する１つ以上の接合部１３を備えている。接合部１３は、半田等の導電材料よりなる。
【００２４】
パッケージ本体１０は、更に、上下に隣接する２つの半導体チップ１１の間において１つ以上の接合部１３の周囲に配置され、２つの半導体チップ１１を接着する１つ以上の接着層１４を備えている。図２に示した例では、上下に隣接する２つの半導体チップ１１の間の間隙は３つ存在する。そのため、この例では、パッケージ本体１０は、３つの間隙に配置された３つの接着層１４を備えている。接着層１４は、絶縁性の有機材料よりなる。接着層１４を構成する有機材料は、熱硬化性であってもよい。また、接着層１４を構成する有機材料は、シロキサン結合を有する樹脂材料を含んでいてもよい。この場合、樹脂材料は、更にエポキシ基を有していてもよい。すなわち、接着層１４は、シロキサン結合とエポキシ基を有する樹脂材料であるエポキシシリコーン樹脂を含んでいてもよい。また、接着層１４の５０〜１００℃における線膨張係数の平均値は、２６０ｐｐｍ／Ｋ以下であり、接着層１４の２５℃における縦弾性率は、０ＧＰａより大きく２ＧＰａ以下である。接着層１４を、このような特性を有するものに限定している理由については、後で詳しく説明する。
【００２５】
パッケージ本体１０は、更に、最下層の半導体チップ１１の下面に設けられた複数の電極１５を備えている。最下層の半導体チップ１１において、少なくとも１つの電極１５は、図示しない配線層を介して少なくとも１つの貫通電極１２に電気的に接続されている。
【００２６】
インターポーザ２は、上面と下面を有する板状の基板本体２１と、この基板本体２１の下面に設けられた複数の外部端子２２とを有している。図示しないが、基板本体２１は、上面に設けられた複数のパッド状電極と、複数の外部端子２２と複数のパッド状電極とを電気的に接続する配線とを含んでいる。
【００２７】
パッケージ本体１０は、インターポーザ２の基板本体２１の上面上に配置されている。パッケージ本体１０の複数の電極１５は、インターポーザ２の基板本体２１の複数のパッド状電極に接合され且つ電気的に接続されている。
【００２８】
積層パッケージ１は、更に、パッケージ本体１０を封止する封止部３を備えている。封止部３は、例えば樹脂によって構成されている。封止部３の少なくとも一部は、接着層１４と同じ材料によって構成されていてもよい。
【００２９】
なお、以上説明した積層パッケージ１の複数の構成要素のうち、それぞれ１つ以上の貫通電極１２を有する複数の半導体チップ１１、１つ以上の接合部１３および１つ以上の接着層１４が、本発明の積層パッケージの最小限の構成要素である。従って、本発明の積層パッケージは、複数の電極１５、インターポーザ２および封止部３を備えていなくてもよい。
【００３０】
次に、図２に示した積層パッケージ１の製造方法の第１および第２の例について説明する。図３は、積層パッケージ１の製造方法の第１の例を示す説明図である。図４は、積層パッケージ１の製造方法の第２の例を示す説明図である。
【００３１】
始めに、図３を参照して、積層パッケージ１の製造方法の第１の例について説明する。第１の例では、まず、後に半導体チップ１１になる半導体チップ予定部１１１を１つ以上含む半導体ウェハを用意する。半導体ウェハは、例えばシリコンよりなる。図３（ａ）は、１つの半導体チップ予定部１１１を示している。複数の半導体チップ予定部１１１を含む半導体ウェハでは、複数の半導体チップ予定部１１１は例えばマトリクス状に配列されている。
【００３２】
次に、図３（ａ）に示したように、半導体チップ予定部１１１に、１つ以上の貫通電極１２を収容するための１つ以上の収容部１０２を形成する。次に、図示しないが、収容部１０２の壁面を覆う絶縁層を形成する。
【００３３】
図３（ｂ）は、次の工程を示す。この工程では、まず、上記絶縁層が形成された収容部１０２内に、貫通電極１２を構成する導電材料を充填して、貫通電極１２を形成する。次に、半導体チップ予定部１１１において、１つ以上の貫通電極１２に接合された１つ以上のバンプ１１３を形成する。バンプ１１３は、接合部１３を構成する導電材料、例えば半田よりなり、後に接合部１３になるものである。次に、図示しないが、半導体ウェハを切断して、半導体チップ予定部１１１を個片化する。個片化された半導体チップ予定部１１１は、半導体チップ１１になる。
【００３４】
ここまでの工程を用いて、積層される複数の半導体チップ１１が形成される。なお、図示しないが、半導体チップ予定部１１１には、半導体デバイスと、この半導体デバイスと貫通電極１２とを電気的に接続する配線層も形成される。この半導体デバイスと配線層は、貫通電極１２を形成する前に形成してもよいし、貫通電極１２を形成した後に形成してもよい。また、後で説明するが、図３（ｂ）に示した工程において半導体ウェハを切断せずに以下の工程を行ってもよい。
【００３５】
図３（ｃ）は、次の工程を示す。この工程では、後に積層されて上下に隣接することになる２つの半導体チップ１１のうちの一方の上面または下面に、柔軟性を有するシート１１４Ａを貼り付ける。このシート１１４Ａは、後に加熱されて硬化することによって接着層１４を構成する有機材料となる組成物によって形成されている。後に上下に隣接することになる２つの半導体チップ１１のうちの上方の半導体チップ１１にシート１１４Ａを貼り付ける場合には、シート１１４Ａは半導体チップ１１の下面に貼り付けられる。後に上下に隣接することになる２つの半導体チップ１１のうちの下方の半導体チップ１１にシート１１４Ａを貼り付ける場合には、シート１１４Ａは半導体チップ１１の上面に貼り付けられる。
【００３６】
図３（ｄ）は、次の工程を示す。この工程では、まず、上下に隣接する２つの半導体チップ１１の間にシート１１４Ａを介在させて、複数の半導体チップ１１を積層して積層体を形成する。次に、この積層体を所定時間だけ加熱および加圧した後、加熱および加圧を解除する。この工程において、シート１１４Ａは変形して、上下に隣接する２つの半導体チップ１１における対応する２つの貫通電極１２の間にバンプ１１３が介在するようになる。バンプ１１３は、加熱されて溶融した後、加熱が解除されて固化することによって、接合部１３になる。このようにして、上下に隣接する２つの半導体チップ１１における対応する２つの貫通電極１２は、接合部１３を介して接合され且つ電気的に接続される。また、シート１１４Ａは、加熱されて硬化して、接着層１４になる。
【００３７】
図３（ｅ）は、次の工程を示す。この工程では、最下層の半導体チップ１１の下面に複数の電極１５を形成する。以上の一連の工程により、パッケージ本体１０が完成する。その後、パッケージ本体１０を、図２に示した基板本体２１に搭載し、封止部３と複数の外部端子２２を形成することによって、積層パッケージ１を完成させる。
【００３８】
前述のように、図３（ｂ）に示した工程において半導体ウェハを切断せずに、図３（ｃ）ないし（ｅ）に示した工程を行ってもよい。この場合には、図３（ｃ）に示した工程では、半導体ウェハの上面または下面にシート１１４Ａを貼り付ける。次に、図３（ｄ）に示した工程において、上下に隣接する２つの半導体ウェハの間にシート１１４Ａを介在させて、複数の半導体ウェハを積層して積層体を形成する。次に、この積層体を所定時間だけ加熱および加圧した後、加熱および加圧を解除して、複数の接合部１３と複数の接着層１４を形成する。次に、図３（ｅ）に示した工程において、最下層の半導体ウェハの下面に複数の電極１５を形成する。次に、積層体を切断して、１つ以上のパッケージ本体１０を形成する。
【００３９】
次に、図４を参照して、積層パッケージ１の製造方法の第２の例について説明する。図４（ａ）は、半導体ウェハの半導体チップ予定部１１１に１つ以上の収容部１０２を形成する工程を示している。この工程は、第１の例における図３（ａ）に示した工程と同じである。
【００４０】
図４（ｂ）は、次の工程を示す。この工程では、まず、半導体チップ予定部１１１において１つ以上の貫通電極１２と１つ以上のバンプ１１３を形成する。次に、半導体ウェハを切断して、半導体チップ予定部１１１を個片化する。個片化された半導体チップ予定部１１１は、半導体チップ１１になる。この工程は、第１の例における図３（ｂ）に示した工程と同じである。なお、第１の例と同様に、図４（ｂ）に示した工程において半導体ウェハを切断せずに以下の工程を行ってもよい。
【００４１】
図４（ｃ）は、次の工程を示す。この工程では、まず、複数の半導体チップ１１を積層して積層体を形成する。次に、この積層体を所定時間だけ加熱および加圧した後、加熱および加圧を解除する。この工程において、上下に隣接する２つの半導体チップ１１における対応する２つの貫通電極１２の間に介在するバンプ１１３は、加熱されて溶融した後、加熱が解除されて固化することによって、接合部１３になる。このようにして、上下に隣接する２つの半導体チップ１１における対応する２つの貫通電極１２は、接合部１３を介して接合され且つ電気的に接続される。この時点では、上下に隣接する２つの半導体チップ１１の間には間隙が存在している。
【００４２】
図４（ｄ）は、次の工程を示す。この工程では、まず、上下に隣接する２つの半導体チップ１１の間の間隙内に、液状のペースト１１４Ｂを充填する。ペースト１１４Ｂは、後に加熱されて硬化することによって接着層１４を構成する有機材料となる組成物によって形成されている。なお、複数の半導体チップ１１を積層して積層体を形成する過程で、上下に隣接する２つの半導体チップ１１の間にペースト１１４Ｂを介在させてもよい。次に、積層体を所定時間だけ加熱した後、加熱を解除する。これにより、ペースト１１４Ｂは、加熱されて硬化して、接着層１４になる。
【００４３】
図４（ｅ）は、次の工程を示す。この工程では、最下層の半導体チップ１１の下面に複数の電極１５を形成して、パッケージ本体１０を完成させる。この工程は、第１の例における図３（ｅ）に示した工程と同じである。その後、第１の例と同様に、パッケージ本体１０を、図２に示した基板本体２１に搭載し、封止部３と複数の外部端子２２を形成することによって、積層パッケージ１を完成させる。
【００４４】
前述のように、図４（ｂ）に示した工程において半導体ウェハを切断せずに、図４（ｃ）ないし（ｅ）に示した工程を行ってもよい。この場合には、図４（ｃ）に示した工程では、まず、複数の半導体ウェハを積層して積層体を形成する。次に、この積層体を所定時間だけ加熱および加圧した後、加熱および加圧を解除して、複数の接合部１３を形成する。図４（ｄ）に示した工程では、まず、上下に隣接する２つの半導体ウェハの間の間隙内に、液状のペースト１１４Ｂを充填する。なお、複数の半導体ウェハを積層して積層体を形成する過程で、上下に隣接する２つの半導体ウェハの間にペースト１１４Ｂを介在させてもよい。次に、積層体を所定時間だけ加熱した後、加熱を解除する。これにより、ペースト１１４Ｂは、加熱されて硬化して、接着層１４になる。次に、図４（ｅ）に示した工程において、最下層の半導体ウェハの下面に複数の電極１５を形成する。次に、積層体を切断して、１つ以上のパッケージ本体１０を形成する。
【００４５】
また、第２の例において、封止部３の少なくとも一部と接着層１４を、同じペースト１１４Ｂを用いて同時に形成してもよい。この場合には、封止部３の少なくとも一部と接着層１４は、同じ材料によって構成される。
【００４６】
次に、図５を参照して、上述の積層パッケージ１の製造方法における貫通電極１２および接合部１３の形成方法の一例について詳しく説明する。図５（ａ）は、図３（ａ）および図４（ａ）に対応する。図５（ａ）に示した工程では、半導体ウェハの半導体チップ予定部１１１に１つ以上の収容部１０２を形成する。この例では、収容部１０２は、半導体チップ予定部１１１の上面で開口し、半導体チップ予定部１１１を貫通しない穴である。
【００４７】
次に、図５（ｂ）に示したように、収容部１０２の壁面を覆う絶縁層１０３を形成する。次に、図５（ｃ）に示したように、導電材料よりなる貫通電極１２を形成する。図５（ｃ）に示した例では、貫通電極１２は、絶縁層１０３が形成された収容部１０２内に位置する円柱形状の円柱部と、この円柱部の上端に接続された円板形状のフランジ部とを有している。なお、貫通電極１２を形成する前に、絶縁層１０３を覆うようにバリア層を形成してもよい。
【００４８】
次に、図５（ｄ）に示したように、半導体チップ予定部１１１に対して、その上面からウェハプロセスを施すことによって、半導体チップ予定部１１１に半導体デバイス１０４と図示しない配線層を形成する。なお、収容部１０２を形成する前に、半導体デバイス１０４と配線層を形成し、その後、図５（ａ）ないし（ｃ）に示した工程を行って、図５（ｄ）に示した状態にしてもよい。
【００４９】
次に、図５（ｅ）に示したように、半導体チップ予定部１１１の下面を研磨して、半導体チップ予定部１１１を薄くする。この研磨は、少なくとも、半導体チップ予定部１１１の下面に貫通電極１２が露出するまで行う。
【００５０】
次に、図５（ｆ）に示したように、貫通電極１２に接合されたバンプ１１３を形成する。次に、半導体ウェハを切断して、半導体チップ予定部１１１を個片化する。個片化された半導体チップ予定部１１１は、半導体チップ１１になる。図５（ｆ）は、図３（ｂ）および図４（ｂ）に対応している。
【００５１】
次に、図３（ｃ）、（ｄ）に示した工程、または図４（ｃ）、（ｄ）に示した工程を経て、図５（ｇ）に示したように、複数の半導体チップ１１が積層され、バンプ１１３は接合部１３になる。
【００５２】
以下、本実施の形態における接着層１４が満たすべき条件について詳しく説明する。本願発明者による研究過程で、積層パッケージ１では、温度変化に伴って貫通電極１２または２つの貫通電極１２を接合する接合部１３に亀裂が生じる場合があることと、その亀裂の発生に、温度変化に伴う接着層１４の膨張、収縮が関係することが分かった。本願発明者は、貫通電極１２または接合部１３に亀裂が生じる原因を解析するために、接着層１４の線膨張係数と縦弾性率に着目した。そして、有限要素法を用いたシミュレーションによって、接着層１４の線膨張係数および縦弾性率と、温度変化に伴って貫通電極１２または接合部１３において発生する熱応力との関係を調べた。以下の説明において、接着層１４の線膨張係数とは、接着層１４の５０〜１００℃における線膨張係数の平均値をいい、接着層１４の縦弾性率とは、接着層１４の２５℃における縦弾性率をいう。また、接着層１４と比較する他の部分または材料の線膨張係数および縦弾性率についても同様の定義とする。
【００５３】
図６は、シミュレーションで用いたモデルを示す説明図である。図７は、図６に示したモデルの一部を示している。このモデルは、間隔をあけて上下に配置された２つの半導体チップ１１Ａ，１１Ｂと、この２つの半導体チップ１１Ａ，１１Ｂの間に設けられて２つの半導体チップ１１Ａ，１１Ｂを接着する接着層１４と、２つの半導体チップ１１Ａ，１１Ｂおよび接着層１４を貫通するように設けられた導体部１６とを備えている。半導体チップ１１Ａ，１１Ｂはシリコンよりなる。導体部１６は銅よりなる。
【００５４】
導体部１６は、２つの半導体チップ１１Ａ，１１Ｂにおける対応する２つの貫通電極１２と、それらを接合する接合部１３とを合わせた部分に相当する。導体部１６は、２つの半導体チップ１１Ａ，１１Ｂおよび接着層１４を貫通する円柱形状の円柱部１６ａと、この円柱部１６ａの両端に接続された２つの円板形状のフランジ部１６ｂ，１６ｃとを有している。図６において、フランジ部１６ｂ，１６ｃの各々と円柱部１６ａとの境界を点線で示している。円柱部１６ｂの直径Ｒ１は１５μｍである。フランジ部１６ｂ，１６ｃの直径Ｒ２は３０μｍである。フランジ部１６ｂの一部は上側の半導体チップ１１Ａの上面に接し、フランジ部１６ｃの一部は下側の半導体チップ１１Ｂの下面に接している。
【００５５】
半導体チップ１１Ａ，１１Ｂの厚みＴ１は２０μｍである。接着層１４の厚みＴ２は５μｍである。円柱部１６ａの軸方向の長さは４５μｍである。フランジ部１６ｂ，１６ｃの厚みＴ３は７．５μｍである。半導体チップ１１Ａ，１１Ｂおよび接着層１４の外径は無限大とした。
【００５６】
シミュレーションでは、まず、接着層１４の線膨張係数と縦弾性率の種々の組み合わせについて、モデルに１００℃の温度変化を繰り返し与えたときに導体部１６において発生する熱応力を調べた。その結果、線膨張係数と縦弾性率の組み合わせによっては、導体部１６のうち、特に、図７において記号Ｓ１，Ｓ２で示した２つの部分の少なくとも一方に大きな熱応力が発生することが分かった。部分Ｓ１は、破線で示した円柱部１６ａとフランジ部１６ｂの境界と、円柱部１６ａに向いた半導体チップ１１Ａの角部とが接する位置の近傍の部分である。記号Ｓ２で示した部分は、半導体チップ１１Ａと接着層１４との界面の近傍の部分である。なお、導体部１６のうち、円柱部１６ａとフランジ部１６ｃの境界と、円柱部１６ａに向いた半導体チップ１１Ｂの角部とが接する位置の近傍の部分における熱応力は、記号Ｓ１で示した部分と同様である。また、導体部１６のうち、半導体チップ１１Ｂと接着層１４との界面の近傍の部分における熱応力は、記号Ｓ２で示した部分と同様である。以下、任意の半導体チップについては、符号１１を付して表す。
【００５７】
導体部１６において発生する上述のような熱応力が、導体部１６の弾性限度未満であれば導体部１６に亀裂が生じないが、導体部１６の弾性限度を超えると導体部１６に亀裂が生じ得る。このような問題は、貫通電極型積層パッケージに特有のものである。従来は、この問題は、十分に認識されておらず、その対策もなされていなかった。
【００５８】
また、シミュレーションでは、接着層１４の線膨張係数と縦弾性率の種々の組み合わせについて、モデルに１００℃の温度変化を繰り返し与えたときに導体部１６において発生する熱応力を求めた。その結果を図１に示す。図１において、横軸は接着層１４の縦弾性率を示し、縦軸は接着層１４の線膨張係数を示している。横軸と縦軸は、いずれも対数目盛である。図１において符号２００で示す線は、導体部１６において発生する熱応力が極小値となるような接着層１４の線膨張係数と縦弾性率の複数の組み合わせを示す複数の点を結んだものである。
【００５９】
図１において、線２００よりも線膨張係数が小さくなる領域２０１内では、線２００上の場合に比べて、導体部１６において発生する熱応力は大きくなるが、その増加量は少ない。線２００上ならびに領域２０１内では、導体部１６において発生する熱応力が導体部１６の弾性限度未満となる。
【００６０】
一方、図１において、線２００よりも線膨張係数が大きくなる領域２０２内では、線２００から離れるに従って、導体部１６において発生する熱応力が急激に増加する。線２００の近傍の狭い領域を除いた領域２０２内では、導体部１６において発生する熱応力が導体部１６の弾性限度を超える。線２００上ならびに領域２０１内の線膨張係数と縦弾性率の組み合わせでは、１００℃の温度変化によって導体部１６に亀裂が生じない。一方、領域２０２内の線膨張係数と縦弾性率の組み合わせでは、１００℃の温度変化によって導体部１６に亀裂が生じるおそれがある。
【００６１】
ここで、上述のようなシミュレーションの結果が得られる理由について、定性的に説明する。一般的に、有機材料の線膨張係数は、導体部１６を構成する銅の線膨張係数よりも大きく、有機材料の縦弾性率は、銅の縦弾性率よりも小さい。有機材料よりなる接着層１４と銅よりなる導体部１６の線膨張係数の差が大きいと、両者の熱変形量の差が大きくなり、両者の界面で互いに変形を拘束し合うことになる。この場合、接着層１４の縦弾性率が大きいと、導体部１６に作用する拘束力が大きくなり、導体部１６において発生する熱応力も大きくなる。従って、接着層１４の線膨張係数と縦弾性率が共に大きいと導体部１６において発生する熱応力が大きくなり、接着層１４の線膨張係数と縦弾性率が共に小さいと導体部１６において発生する熱応力も小さくなる。
【００６２】
ただし、導体部１６において発生する熱応力に対する接着層１４の線膨張係数と縦弾性率の寄与は、以下のように相補的である。例えば、接着層１４の線膨張係数が大きいために接着層１４と導体部１６の線膨張係数の差が大きく、両者の熱変形量の差が大きい場合を考える。この場合でも、接着層１４の縦弾性率が十分に小さければ、接着層１４が容易に変形できることから、導体部１６に作用する拘束力が接着層１４の変形によって吸収され、その結果、導体部１６において発生する熱応力を小さくすることができる。
【００６３】
また、接着層１４の縦弾性率が大きいために導体部１６に作用する拘束力が接着層１４の変形によって吸収され難い場合を考える。この場合でも、接着層１４の線膨張係数が小さいことにより接着層１４と導体部１６の線膨張係数の差が十分に小さければ、両者の熱変形量の差が小さくなり、その結果、導体部１６において発生する熱応力を小さくすることができる。
【００６４】
ところで、導体部１６には、接着層１４のみならず半導体チップ１１も接している。銅よりなる導体部１６の線膨張係数とシリコンよりなる半導体チップ１１の線膨張係数は異なる。そのため、接着層１４の物性如何に係わらず、導体部１６のうち、導体部１６と半導体チップ１１との界面の近傍の部分において熱応力が発生する。
【００６５】
図１における線２００上では、導体部１６のうち、導体部１６と半導体チップ１１との界面の近傍の部分において発生する熱応力を緩和するように、接着層１４が熱変形するため、導体部１６において発生する熱応力が極小値となる。
【００６６】
図１において、線２００よりも線膨張係数が大きくなる領域２０２内では、導体部１６のうち、導体部１６と半導体チップ１１との界面の近傍の部分において発生する熱応力よりも、導体部１６のうち、導体部１６と接着層１４との界面の近傍の部分において発生する熱応力が大きくなる。また、この導体部１６と接着層１４との界面の近傍の部分において発生する熱応力は、線２００から離れるに従って急激に増加する。領域２０２内では、温度サイクル試験において導体部１６が破断してしまうとすれば、接着層１４がその主要因となる。
【００６７】
一方、図１において、線２００よりも線膨張係数が小さくなる領域２０１内では、導体部１６のうち、導体部１６と接着層１４との界面の近傍の部分において発生する熱応力よりも、導体部１６のうち、導体部１６と半導体チップ１１との界面の近傍の部分において発生する熱応力が大きくなる。この領域２０１内では、導体部１６において発生する熱応力に対する接着層１４の寄与が小さいため、接着層１４の線膨張係数と縦弾性率が変化しても、導体部１６において発生する熱応力は大きくは変化しない。領域２０１内では、温度サイクル試験において導体部１６が破断してしまうとすれば、半導体チップ１１がその主要因となる。
【００６８】
以上の考察の通り、図１に示したシミュレーションの結果によれば、接着層１４の線膨張係数と縦弾性率の組み合わせが線２００上または領域２０１内に存在すれば、温度変化に伴う接着層１４の膨張、収縮に起因して導体部１６に亀裂が生じることを防止することが可能になる。以下、接着層１４の線膨張係数と縦弾性率の組み合わせが線２００上または領域２０１に存在することを、シミュレーションによって得られた条件と言う。
【００６９】
シミュレーションによって得られた条件を満たしていても、接着層１４の線膨張係数が大きすぎることは、接着層１４全体の熱変形量が大きくなるので好ましくない。また、シミュレーションによって得られた条件を満たしていても、接着層１４の縦弾性率が大きすぎると、温度変化に伴って接着層１４において生じる熱応力が大きくなりすぎて、接着層１４に亀裂が発生するおそれがある。従って、接着層１４の縦弾性率が大きすぎることは好ましくない。接着層１４では、縦弾性率が２ＧＰａ以下であれば、十分な柔軟性を有し、接着層１４における亀裂の発生が防止されると考えられる。接着層１４の縦弾性率を２ＧＰａとしたときに、シミュレーションによって得られた条件を満たす接着層１４の線膨張係数の上限値は、２６０ｐｐｍ／Ｋである。これらの観点から、本実施の形態では、接着層１４の線膨張係数の上限値を２６０ｐｐｍ／Ｋとし、接着層１４の縦弾性率の上限値を２ＧＰａとした。
【００７０】
理論上の接着層１４の線膨張係数の下限値は０ｐｐｍ／Ｋである。そのため、本実施の形態では、接着層１４の線膨張係数の範囲を、２６０ｐｐｍ／Ｋ以下と規定した。実用的な接着層１４の線膨張係数の範囲としては、１〜２６０ｐｐｍ／Ｋの範囲が好ましく、７０〜２６０ｐｐｍ／Ｋの範囲がより好ましい。
【００７１】
一方、接着層１４の縦弾性率は０ＧＰａよりも大きくなる。そのため、本実施の形態では、接着層１４の縦弾性率の範囲を、０ＧＰａよりも大きく２ＧＰａ以下の範囲と規定した。一般的な有機材料の縦弾性率の下限値は０．００１ＧＰａ程度である。そのため、実用的な接着層１４の縦弾性率の範囲としては、０．００１〜２ＧＰａの範囲が好ましく、０．００５〜２ＧＰａの範囲がより好ましい。更に、接着層１４の縦弾性率は小さい方が好ましいことを考慮すると、接着層１４の縦弾性率の範囲としては、０．００５〜１ＧＰａの範囲がより好ましい。
【００７２】
以上説明したように、線膨張係数と縦弾性率に関して本実施の形態における接着層１４が満たすべき最低限の条件は、線膨張係数が２６０ｐｐｍ／Ｋ以下で、縦弾性率が０ＧＰａより大きく２ＧＰａ以下であることである。接着層１４がこの条件を満たすことにより、温度変化に伴う接着層１４の膨張、収縮に起因して貫通電極１２または２つの貫通電極１２を接合する接合部１３に亀裂が生じることを防止することが可能になる。
【００７３】
接着層１４の線膨張係数は、例えば以下のようにして求めることができる。まず、所定のサイズの、フィルム化した接着層１４の試料を作成する。次に、この試料に対して、熱機械分析（ＴＭＡ）装置を用いて、５ｇの荷重を加えながら、３０℃から２８０℃の範囲で一定の昇温速度（５℃／分）で昇温して引張試験を行い、温度変化に対する試料の伸び量を測定する。この測定結果から、試料の５０〜１００℃における線膨張係数の平均値、すなわち接着層１４の線膨張係数を求めることができる。
【００７４】
接着層１４の縦弾性率は、例えば以下のようにして求めることができる。まず、所定のサイズの、フィルム化した接着層１４の試料を作成する。次に、この試料に対して、２５℃において引張試験装置を用いて引張試験を行い、試料の荷重−歪み曲線を求める。次に、この荷重−歪み曲線における始めの直線部分上の２点間で、元の平均断面積における応力の差と、歪みの差を求める。そして、応力の差を歪みの差で割ることにより、試料の２５℃における縦弾性率すなわち接着層１４の縦弾性率を求めることができる。
【００７５】
次に、本実施の形態の効果を確認した実験の結果について説明する。この実験では、実施例１〜５および比較例１，２の７つの試験用積層パッケージを作製し、これらについて温度サイクル試験を行った。始めに、実施例１〜５における接着層１４を形成するために用いた５種類のエポキシシリコーン樹脂について説明する。この５種類のエポキシシリコーン樹脂は、以下の合成例１〜５に従って作成した。
【００７６】
［合成例１］
合成例１では、まず、一般式（１）で表され、Ｒ１がメチル基であり、ａの平均値が約２０であり、両末端にＳｉＨ基を有するポリオルガノシロキサン（ＳｉＨ基当量８００ｇ／ｅｑ．）を１６０重量部と、ジオキサン８０重量部と、カーボン粉末に担持された白金触媒（白金濃度５％）１重量部とを、温度計、冷却管、窒素導入管、攪拌翼の付いた１Ｌの４つ口セパラブルフラスコに投入した。次に、内温を９０℃まで昇温した後、Ｎ−アリル−Ｎ',Ｎ''−ジグリシジルイソシアヌレート５６重量部を３時間かけて投入した。投入終了後、内温を１１０℃まで昇温し、ジオキサンを還流させながら反応を行った。次に、０．１規定の水酸化カリウム／メタノール溶液に反応液を滴下し、水素ガスの発生がなくなったことを確認して、残存する白金触媒をセライトを用いてろ過した。次に、エバポレータを用いて、ろ液の溶媒留去を行うことで、一般式（２）で表されるエポキシシリコーン樹脂（ＥＳ１）１９５重量部を得た。式（２）において、Ｒ２はプロピレン基である。また、Ｅ１は、イソシアヌル環骨格を含む基を介して結合するエポキシ基を有するエポキシ基含有基であり、一般式（３）で表される。エポキシシリコーン樹脂（ＥＳ１）は、内部に直鎖シロキサン結合とイソシアヌル環で構成された構造を有し、かつ末端にエポキシ基を有する。この樹脂（ＥＳ１）のエポキシ当量は５８０ｇ／ｅｑ．であり、２５℃での粘度は０．７Ｐａ・ｓであった。
【００７７】
【化１】
【００７８】
【化２】
【００７９】
【化３】
【００８０】
［合成例２］
合成例２では、まず、一般式（１）で表され、Ｒ１がメチル基であり、ａの平均値が４であり、両末端にＳｉＨ基を有するポリオルガノシロキサン８６重量部（ＳｉＨ基として０．４当量）と、ジオキサン１９０重量部と、カーボン粉末に担持された白金触媒（白金濃度３％）０．３２重量部とを、攪拌モーター、還流冷却管、窒素ラインを装着した１Ｌのセパラブルフラスコに投入し、攪拌しながら１００℃に昇温した。次に、一般式（４）で表され、Ｒ３がメチル基であり、ｂの平均値が４であり、両末端にビニル基を有するポリオルガノシロキサン５１重量部（ビニル基として０．２当量）を、１時間かけて反応系内に投入した。次に、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー（ＧＰＣ）法により、分子量の増大が停止したことを確認した後、Ｎ−アリル−Ｎ',Ｎ''−ジグリシジルイソシアヌレート５６重量部（ビニル基として０．２当量）をジオキサン５６重量部に溶解させた溶液を１時間かけて投入した。投入終了後、内温を１１０℃まで昇温し、ジオキサンを還流させながら反応を行った。次に、０．１規定の水酸化カリウム／メタノール溶液に反応液を滴下し、水素ガスの発生がなくなったことを確認して、残存する白金触媒をセライトを用いてろ過した。次に、エバポレータを用いて、ろ液の溶媒留去を行うことで、両末端にエポキシ基含有イソシアヌル環を配したエポキシシリコーン樹脂（ＥＳ２）１６７重量部を得た。この樹脂（ＥＳ２）のエポキシ当量は４５１ｇ／ｅｑ．であり、２５℃での粘度は２．０Ｐａ・ｓであった。
【００８１】
【化４】
【００８２】
［合成例３］
合成例３では、まず、一般式（５）で表され、Ｒ４がメチル基であり、両端にＳｉＨ基を有する環状ポリオルガノシロキサン３４重量部（ＳｉＨ基として０．２５５当量）と、ジオキサン４５重量部と、カーボン粉末に担持された白金触媒（白金濃度３％）０．１７重量部とを、攪拌モーター、還流冷却管、窒素ラインを装着した３００ｍＬのセパラブルフラスコに投入し、攪拌しながら１００℃に昇温した。次に、一般式（４）で表され、Ｒ３がメチル基であり、ｂの平均値が４であり、両末端にビニル基を有するポリオルガノシロキサン４１重量部（ビニル基として０．１６当量）を、１時間かけて反応系内に投入した。次に、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー（ＧＰＣ）法により、分子量の増大が停止したことを確認した後、Ｎ−アリル−Ｎ',Ｎ''−ジグリシジルイソシアヌレート２５重量部（ビニル基として０．０８９当量）をジオキサン２５重量部に溶解させた溶液を１時間かけて投入した。投入終了後、内温を１１０℃まで昇温し、ジオキサンを還流させながら反応を行った。次に、０．１規定の水酸化カリウム／メタノール溶液に反応液を滴下し、水素ガスの発生がなくなったことを確認して、残存する白金触媒をセライトを用いてろ過した。次に、エバポレータを用いて、ろ液の溶媒留去を行うことで、両端にエポキシ基含有イソシアヌル環を配したエポキシシリコーン樹脂（ＥＳ３）８５重量部を得た。この樹脂（ＥＳ３）のエポキシ当量は５２０ｇ／ｅｑ．であり、２５℃での粘度は１３Ｐａ・ｓであった。
【００８３】
【化５】
【００８４】
［合成例４］
合成例４では、原料として、以下に示す（Ａ１）成分と酸無水物成分を使用した。（Ａ１）成分は、一般式（６）で表され、アルコール性水酸基を両末端に有する直鎖ポリジメチルシロキサン化合物（アルコール性水酸基当量８２０ｇ／ｍｏｌ）８２０重量部である。式（６）において、Ｒ１はメチル基であり、ｃは１８である。また、Ｒ５は、一般式（７）で表され、ｄの平均が１．５である。（Ａ１）成分としては、具体的には、モメンティブ・パフォーマンス・マテリアルズ・ジャパン合同会社製ＸＦ４２−Ｂ０９７０（製品名）を使用した。酸無水物成分としては、ヘキサヒドロ無水フタル酸１５４重量部を使用した。（Ａ１）成分１モルに対して、酸無水物成分は２モルである。
【００８５】
【化６】
【００８６】
【化７】
【００８７】
合成例４では、上記原料を、攪拌モーター、還流冷却管、窒素ラインを装着した３Ｌのセパラブルフラスコに投入し、攪拌しながら１６０℃に昇温した。１６０℃に到達した後、攪拌を４時間続けて両末端にカルボキシル基を有するヘミエステル化合物（Ａ２）を合成した。得られた（Ａ２）を、サンプリングし、０．１ＮのＫＯＨ／メタノール溶液にて酸価を測定したところ、９０ｍｇＫＯＨ／ｇであり、定量的に反応が進んでいることを確認した。
【００８８】
次に、ヘミエステル化合物（Ａ２）に、（Ａ３）成分である３，４−エポキシシクロヘキセニルメチル−３’,４’−エポキシシクロヘキセンカルボキシレート８０６重量部を投入した。この際の、カルボキシル基とエポキシ基のモル比は１：４．７である。次に、反応触媒として、テトラエチルアンモニウムクロリドの４％酢酸溶液を、０．９重量部滴下し、１７０℃の反応温度で５時間反応を行った。サンプリングを行い、酸価測定によりカルボキシル基が消失していることを確認した後、１５０メッシュの金網を用いて反応混合液中の樹脂をろ過した。このようにして、エポキシシリコーン樹脂（Ａ）を１６５０重量部得た。この樹脂（Ａ）のエポキシ当量は３７２ｇ／ｅｑ．であり、２５℃での粘度は６．５Ｐａ・ｓであった。このエポキシシリコーン樹脂（Ａ）を、ＥＳ４とする。
【００８９】
［合成例５］
合成例５では、原料として、以下に示す（Ａ１）成分と酸無水物成分を使用した。（Ａ１）成分は、一般式（６）で表され、アルコール性水酸基を両末端に有する直鎖ポリジメチルシロキサン化合物（アルコール性水酸基当量４８０ｇ／ｍｏｌ）８８７重量部である。式（６）において、Ｒ１はメチル基であり、ｃは８である。また、Ｒ５は、一般式（７）で表され、ｄの平均が１．５である。（Ａ１）成分としては、具体的には、モメンティブ・パフォーマンス・マテリアルズ・ジャパン合同会社製ＸＦ４２-Ｃ３２９４（製品名）を使用した。酸無水物成分としては、ヘキサヒドロ無水フタル酸２８５重量部を使用した。（Ａ１）成分１モルに対して、酸無水物成分は２モルである。
【００９０】
合成例５では、上記原料を、攪拌モーター、還流冷却管、窒素ラインを装着した３Ｌのセパラブルフラスコに投入し、攪拌しながら１６０℃に昇温した。１６０℃に到達した後、攪拌を４時間続けて両末端にカルボキシル基を有するヘミエステル化合物（Ａ２）を合成した。得られた（Ａ２）を、サンプリングし、０．１ＮのＫＯＨ／メタノール溶液にて酸価を測定したところ、９０ｍｇＫＯＨ／ｇであり、定量的に反応が進んでいることを確認した。
【００９１】
次に、ヘミエステル化合物（Ａ２）に、（Ａ３）成分である３，４−エポキシシクロヘキセニルメチル−３’,４’−エポキシシクロヘキセンカルボキシレート（エポキシ当量１３０ｇ／ｅｑ．）１１１８重量部を投入した。この際の、カルボキシル基とエポキシ基のモル比は１：４．７である。次に、反応触媒として、テトラエチルアンモニウムクロリドの４％酢酸溶液を、０．９重量部滴下し、１７０℃の反応温度で５時間反応を行った。サンプリングを行い、酸価測定によりカルボキシル基が消失していることを確認した後、１５０メッシュの金網を用いて反応混合液中の樹脂をろ過した。このようにして、エポキシシリコーン樹脂（Ａ）を２１３０重量部得た。この樹脂（Ａ）のエポキシ当量は３８１ｇ／ｅｑ．であり、２５℃での粘度は１１．１Ｐａ・ｓであった。このエポキシシリコーン樹脂（Ａ）を、ＥＳ５とする。
【００９２】
以上説明した合成例１〜５によって、それぞれ実施例１〜５における接着層１４を形成するために用いた５種類の多官能エポキシシリコーン樹脂（ＥＳ１〜５）を得た。実験では、この５種類の多官能エポキシシリコーン樹脂（ＥＳ１〜５）の各々と、メチル化ヘキサヒドロ無水フタル酸（ＭＨ：酸無水物当量１６８ｇ／ｅｑ．）を、エポキシ当量と酸無水物当量の比＝１：１となるように加え、よく混合し、さらに硬化促進剤として２−エチルー４−メチルイミダゾールを全体の０．５重量％投入し、真空脱気して、それぞれ実施例１〜５における接着層１４を形成するために用いたエポキシシリコーン組成物（ＥＣ１〜５）を準備した。
【００９３】
次に、図８および図９を参照して、試験用積層パッケージの作製方法について説明する。この作製方法では、まず、図８（ａ）に示したように、後に半導体チップ１１になる半導体チップ予定部１１１を１つ以上含むシリコン半導体ウェハを作製した。半導体チップ予定部１１１には、半導体デバイス１０４と図示しない配線層とが形成されている。
【００９４】
図８（ｂ）は、次の工程を示す。この工程では、半導体チップ予定部１１１の一部を上面側からエッチングして、半導体チップ予定部１１１に収容部１０２を形成した。収容部１０２は、半導体チップ予定部１１１の上面で開口し、半導体チップ予定部１１１を貫通しない穴である。この穴は、直径１５μｍの円筒形状である。
【００９５】
図８（ｃ）は、次の工程を示す。この工程では、収容部１０２の内壁を覆うように化学気相成長法（ＣＶＤ）法により、ＳｉＯ２からなる絶縁層１０３と、ＴｉＮからなるバリア層１０５を順に形成した。絶縁層１０３は、半導体チップ予定部１１１の上面にも形成した。バリア層１０５は、絶縁層１０３のうち半導体チップ予定部１１１の上面上に位置する部分の上において、収容部１０２の開口部の近傍にも形成した。
【００９６】
図８（ｄ）は、次の工程を示す。この工程では、めっき法によって、導電材料としてのＣｕよりなる貫通電極１２を形成した。貫通電極１２は、収容部１０２内に位置する円柱形状の円柱部と、この円柱部の上端に接続された円板形状のフランジ部とを有している。
【００９７】
図８（ｅ）は、次の工程を示す。この工程では、半導体チップ予定部１１１の下面を研磨して、厚みが２０μｍになるまで半導体チップ予定部１１１を薄くし、半導体チップ予定部１１１の下面より貫通電極１２を露出させた。
【００９８】
図８（ｆ）は、次の工程を示す。この工程では、貫通電極１２の下面に接合されたバンプ１１３を形成した。次に、半導体ウェハを切断して、半導体チップ予定部１１１を個片化して、半導体チップ１１を形成した。
【００９９】
図９（ａ）は、次の工程を示す。この工程では、まず、それぞれ半導体チップ１１の積層体が実装される複数の実装領域を有する配線基板（ＦＲ−４基板）１２１を作製した。配線基板１２１は、その上面において、半導体チップ１１の貫通電極１２に対応する位置に配置された接続パッド１２１ａを有している。次に、フリップチップボンダーを用いて、バンプ１１３が接続パッド１２１ａに接するように、配線基板１２１の上に１層目の半導体チップ１１を配置し、バンプ１１３と接続パッド１２１ａを熱圧着した。これにより、バンプ１１３は、１層目の半導体チップ１１の貫通電極１２と接続パッド１２１ａとを接合し且つ電気的に接続する接合部１８となった。
【０１００】
図９（ｂ）は、次の工程を示す。この工程では、フリップチップボンダーを用いて、２層目の半導体チップ１１のバンプ１１３が１層目の半導体チップ１１の貫通電極１２に接するように、１層目の半導体チップ１１の上に２層目の半導体チップ１１を配置し、上記バンプ１１３と貫通電極１２を熱圧着した。これにより、バンプ１１３は、２つの半導体チップ１１の各々における貫通電極１２同士を接合し且つ電気的に接続する接合部１３となった。
【０１０１】
図９（ｃ）は、次の工程を示す。この工程では、まず、配線基板１２１上において、半導体チップ１１の積層体の端部近傍に、ディスペンサーによって、エポキシシリコーン組成物を供給し、毛細管現象によって、配線基板１２１と１層目の半導体チップ１１の間と、１層目の半導体チップ１１と２層目の半導体チップ１１の間にエポキシシリコーン組成物を充填した。充填したエポキシシリコーン組成物は、ＥＣ１〜５のいずれかである。次に、エポキシシリコーン組成物を１５０℃で１時間加熱して硬化させ、配線基板１２１と１層目の半導体チップ１１を接着する接着層１９と、２つの半導体チップ１１を接着する接着層１４とを形成した。
【０１０２】
なお、上記の方法で配線基板１２１と１層目の半導体チップ１１の間にエポキシシリコーン組成物を充填する代わりに、配線基板１２１の上に１層目の半導体チップ１１を配置する前に配線基板１２１上にエポキシシリコーン組成物を供給しておくことも可能であった。同様に、上記の方法で１層目の半導体チップ１１と２層目の半導体チップ１１の間にエポキシシリコーン組成物を充填する代わりに、１層目の半導体チップ１１の上に２層目の半導体チップ１１を配置する前に１層目の半導体チップ１１の上にエポキシシリコーン組成物を供給しておくことも可能であった。
【０１０３】
図９（ｃ）に示した状態の積層体が試験用積層パッケージである。実施例１〜５の試験用積層パッケージは、それぞれ、図９（ｃ）に示した工程においてエポキシシリコーン組成物ＥＣ１〜５を用いて接着層１４，１９が形成されものである。
【０１０４】
実験では、図９（ｃ）に示した試験用積層パッケージを用い、図９（ｄ）に示した工程によって半導体装置を作製した。図９（ｄ）に示した工程では、まず、通常のトランスファーモールド工程により、配線基板１２１の上面および半導体チップ１１の積層体を覆うように封止部３を形成した。次に、ボールマウント工程により、配線基板１２１の下面に、複数のはんだボール１２２を形成した。次に、ダイシング工程により、複数の実装領域が分離されるように配線基板１２１を切断して、図９（ｄ）に示した半導体装置を得た。
【０１０５】
次に、比較例１，２の試験用積層パッケージについて説明する。比較例１の試験用積層パッケージは、エポキシシリコーン樹脂の代わりにビスフェノールＡ型エポキシ樹脂（新日鐵化学株式会社製ＹＤ−１２８（製品名））を用いたこと以外は、実施例１〜５と同様にして作製されたものである。比較例２の試験用積層パッケージは、エポキシシリコーン樹脂の代わりにトリフェノールメタン型エポキシ樹脂（日本化薬株式会社製ＥＰＰＮ−５０１Ｈ（製品名））を用いたこと以外は、実施例１〜５と同様にして作製されたものである。
【０１０６】
実験では、実施例１〜５および比較例１，２の７つの試験用積層パッケージについて、温度サイクル試験を行った。温度サイクル試験では、−４０℃で３０分間保持した後、１２５℃で３０分間保持する冷熱サイクル処理を１０００サイクル行った。その後、貫通電極１２および接合部１３を経由する導電路の抵抗値が温度サイクル試験前に比べて増加したか否か、また、貫通電極１２または接合部１３に亀裂が発生したか否かを調べた。この温度サイクル試験の結果を、下記の表１に示す。表１における「温度サイクル試験結果」の項目では、上記導電路の抵抗値の増加も貫通電極１２または接合部１３における亀裂の発生も認められなかった場合を「異常なし」と表記し、上記導電路の抵抗値の増加と貫通電極１２または接合部１３における亀裂の発生が認められた場合を「異常あり」と表記している。また、表１には、接着層１４の縦弾性率および線膨張係数も示している。また、図１において、実施例１〜５における接着層１４の縦弾性率および線膨張係数を、それぞれ、数字１〜５を付した丸の点で示し、比較例１，２における接着層１４の縦弾性率および線膨張係数を、それぞれ、数字１，２を付した三角の点で示している。
【０１０７】
【表１】
【０１０８】
表１に示したように、実施例１〜５の試験用積層パッケージでは、温度サイクル試験後に、導電路の抵抗値の増加も、貫通電極１２または接合部１３における亀裂の発生も認められなかった。一方、比較例１，２の試験用積層パッケージでは、導電路の抵抗値の増加と貫通電極１２または接合部１３における亀裂の発生が認められた。この実験結果から、本実施の形態によれば、温度変化に伴う接着層１４の膨張、収縮に起因して貫通電極１２または接合部１３に亀裂が生じることを防止することが可能であることが分かる。
【０１０９】
ところで、実施例１〜５における接着層１４では、線膨張係数は互いに近い値であるのに対して、縦弾性率は大きく異なっている。以下、その理由について、図１０を参照して説明する。図１０は、接着層１４に用いられるような熱硬化性有機材料の分子構造を示す概念図である。図１０に示したように、熱硬化性有機材料は、複数の架橋点５１と、それらを結合する複数の架橋部５２とで構成された分子鎖の網目構造を有している。この熱硬化性有機材料の線膨張挙動は、架橋点５１と架橋部５２で構成される分子鎖の網目の変形で発生し、架橋部５２の長さと分子構造によって支配される。また、熱硬化性有機材料の線膨張係数と縦弾性率は、それぞれに対する架橋部５２の長さと分子構造の寄与の割合によって変化する。そのため、実施例１〜５における接着層１４のように、線膨張係数は互いに近い値であっても縦弾性率は大きく異なることが生じ得る。
【０１１０】
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されず、種々の変更が可能である。例えば、本発明における接着層の線膨張係数および縦弾性率は、実施例１〜５における線膨張係数および縦弾性率に限定されず、特許請求の範囲に記載された要件を満たすものであればよい。接着層の線膨張係数および縦弾性率が、特許請求の範囲に記載された要件を満たすものであれば、温度変化に伴う接着層の膨張、収縮に起因して貫通電極または２つの貫通電極を接合する接合部に亀裂が生じることを防止できることは、シミュレーションの結果とそれについての考察から明らかである。
【符号の説明】
【０１１１】
１…積層パッケージ、２…インターポーザ、３…封止部、１０…パッケージ本体、１１…半導体チップ、１２…貫通電極、１３…接合部、１４…接着層、１５…電極、１６…導体部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれ１つ以上の貫通電極を有し積層された複数の半導体チップと、
導電材料よりなり、上下に隣接する２つの半導体チップの間に位置し、前記２つの半導体チップの各々における１つ以上の貫通電極同士を接合し且つ電気的に接続する１つ以上の接合部と、
絶縁性の有機材料よりなり、前記２つの半導体チップの間において前記１つ以上の接合部の周囲に配置され、前記２つの半導体チップを接着する接着層と
を備えた貫通電極型積層パッケージであって、
前記接着層の５０〜１００℃における線膨張係数の平均値は、２６０ｐｐｍ／Ｋ以下であり、
前記接着層の２５℃における縦弾性率は、０ＧＰａより大きく２ＧＰａ以下であることを特徴とする貫通電極型積層パッケージ。
【請求項２】
前記接着層を構成する有機材料は、シロキサン結合を有する樹脂材料を含むことを特徴とする請求項１記載の貫通電極型積層パッケージ。
【請求項３】
前記樹脂材料は、更にエポキシ基を有することを特徴とする請求項２記載の貫通電極型積層パッケージ。
【請求項４】
前記接着層の前記線膨張係数の平均値は、１〜２６０ｐｐｍ／Ｋの範囲内であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の貫通電極型積層パッケージ。
【請求項５】
前記接着層の前記線膨張係数の平均値は、７０〜２６０ｐｐｍ／Ｋの範囲内であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の貫通電極型積層パッケージ。
【請求項６】
前記接着層の前記縦弾性率は、０．００１〜２ＧＰａの範囲内であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の貫通電極型積層パッケージ。
【請求項７】
前記接着層の前記縦弾性率は、０．００５〜２ＧＰａの範囲内であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の貫通電極型積層パッケージ。
【請求項１】
それぞれ１つ以上の貫通電極を有し積層された複数の半導体チップと、
導電材料よりなり、上下に隣接する２つの半導体チップの間に位置し、前記２つの半導体チップの各々における１つ以上の貫通電極同士を接合し且つ電気的に接続する１つ以上の接合部と、
絶縁性の有機材料よりなり、前記２つの半導体チップの間において前記１つ以上の接合部の周囲に配置され、前記２つの半導体チップを接着する接着層と
を備えた貫通電極型積層パッケージであって、
前記接着層の５０〜１００℃における線膨張係数の平均値は、２６０ｐｐｍ／Ｋ以下であり、
前記接着層の２５℃における縦弾性率は、０ＧＰａより大きく２ＧＰａ以下であることを特徴とする貫通電極型積層パッケージ。
【請求項２】
前記接着層を構成する有機材料は、シロキサン結合を有する樹脂材料を含むことを特徴とする請求項１記載の貫通電極型積層パッケージ。
【請求項３】
前記樹脂材料は、更にエポキシ基を有することを特徴とする請求項２記載の貫通電極型積層パッケージ。
【請求項４】
前記接着層の前記線膨張係数の平均値は、１〜２６０ｐｐｍ／Ｋの範囲内であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の貫通電極型積層パッケージ。
【請求項５】
前記接着層の前記線膨張係数の平均値は、７０〜２６０ｐｐｍ／Ｋの範囲内であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の貫通電極型積層パッケージ。
【請求項６】
前記接着層の前記縦弾性率は、０．００１〜２ＧＰａの範囲内であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の貫通電極型積層パッケージ。
【請求項７】
前記接着層の前記縦弾性率は、０．００５〜２ＧＰａの範囲内であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の貫通電極型積層パッケージ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１２−２５３２７７（Ｐ２０１２−２５３２７７Ａ）
【公開日】平成２４年１２月２０日（２０１２．１２．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１２６５５８（Ｐ２０１１−１２６５５８）
【出願日】平成２３年６月６日（２０１１．６．６）
【出願人】（０００００６６４４）新日鉄住金化学株式会社 (747)
【公開日】平成２４年１２月２０日（２０１２．１２．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月６日（２０１１．６．６）
【出願人】（０００００６６４４）新日鉄住金化学株式会社 (747)
[ Back to top ]