JP5352437B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体装置およびその製造方法に関し、特に、電子部品を搭載した配線基板を複数層積層した三次元実装構造を有する半導体装置およびその製造方法に適用して有効な技術に関する。
近年、電子部品の高性能化に伴い、電子部品を高密度に実装した半導体装置が開発されている。このような半導体装置として、例えば特許文献１に記載されているような、配線基板に電子部品を搭載し、前記配線基板上に他の配線基板を積層して樹脂封止した三次元実装の電子部品内蔵基板が公知である。
図１１に示すように、特許文献１に記載された電子部品内蔵基板４８は、下層側配線基板１０および上層側配線基板２０の２枚の基板の間の下層側配線基板１０上面に電子部品３０を搭載し、第１の配線基板である下層側配線基板１０と第２の配線基板である上層側配線基板２０とが半田ボール４０によって電気的に接続されている。また、下層側配線基板１０および上層側配線基板２０の間には封止樹脂４５が注入されており、電子部品３０を覆っている。下層側配線基板１０に形成されたボンディングパッド１２と電子部品に形成された電極３２はボンディングワイヤ４６により電気的に接続されており、電極３２とボンディングワイヤ４６の接合部には保護材として樹脂４７が塗布されている。
また、下層側配線基板１０の下面には半田等からなるバンプ１４が接合されている。一方で下層側配線基板１０の上面にはキャパシタやレジスタおよびインダクタ等の回路部品１６と電子部品３０が搭載されている。なお、図１１における下層側配線基板１０および上層側配線基板２０のそれぞれの上面および裏面に形成された配線および電極は示していない。
また、図１２は、図１１に示す電子部品内蔵基板４８の一部を示す平面図である。なお、図１２では構造をわかりやすくするため、下層側配線基板１０、下層側配線基板１０の上面に配置された電子部品３０、回路部品１６および半田ボール４０のみを示し、上層側配線基板２０、封止樹脂４５、ボンディングワイヤ４６、樹脂４７および下層側配線基板１０の上面の配線は図示していない。
この電子部品内蔵基板４８では、図１１に示すように下層側配線基板１０および上層側配線基板２０のそれぞれの表面に形成された配線電極（図示しない）を、半田ボール４０で電気的に接続している。この半田ボール４０は、Ｃｕ（銅）からなる球状に形成されたＣｕコア４２の外表面を半田４４が被覆して形成されている。Ｃｕコア４２入りの半田ボール４０は、下層側配線基板１０上に搭載された電子部品３０が上層側配線基板２０に触れないようにするための、下層側配線基板１０と上層側配線基板２０との間のスペーサとしての機能を持ち合わせている。従って、半田ボール４０の直径は、電子部品３０を搭載した際の、下層側配線基板１０の上面から電子部品３０の上面までの高さよりも大きくする必要がある。
このように、電子部品を搭載した複数の配線基板を積層し、各配線基板の配線同士を電気的に接続し、かつ全体を樹脂封止してある構造は、パッケージ上に他のパッケージを積層していることから、一般にＰｏＰ（Package on Package）と呼ばれる。ＰｏＰ構造を用い、高密度に電子部品を実装したパッケージは、高周波パワーアンプや表面弾性波フィルタおよびアンテナスイッチ等複数の電子部品を搭載した通信用の半導体装置、もしくは、ＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）やマイクロコンピューター（Microcomputer）を複数搭載したＳｉＰ（System in Package）と称される半導体装置に使用される。また、上記半導体装置は、携帯電話やデジタルスチールカメラ等の携帯機器およびデジタルテレビやレーザビームプリンタ等のコンシューマ製品で使用される。
特開２００８−１５３４９２号公報
しかしながら、前記特許文献１に記載された、図１１に示す電子部品内蔵基板４８において、下層側配線基板１０と上層側配線基板２０との間の電気的接続にＣｕコア４２入りの半田ボール４０を使用すると、必然的に半田ボール４０の接続ピッチＬ２が大きくなってしまい、半導体装置の小型化が困難になるという問題がある。なお、ここで言う接続ピッチＬ２とは、同一配線基板上における一つの半田ボール４０の中心から隣り合う他の半田ボール４０の中心までの距離を言う。
具体的には、電子部品３０の厚さが４００μｍであった場合、スペーサとしての機能を持つＣｕコア４２入りの半田ボール４０の直径Ｌ１は、少なくとも４００μｍ以上必要であり、接続ピッチＬ２も４００μｍ以上必要となる。このとき、半田ボール４０の直径Ｌ１と接続ピッチＬ２が同値であると、隣り合う半田ボール４０同士が接触してしまうため、接続ピッチＬ２は４００μｍよりさらに大きくする必要があり、半導体装置の小型化の大きな妨げになる。
なお、半田ボール４０の外表面の半田４４は、下層側配線基板１０および上層側配線基板２０の接着時の加熱工程により溶融するため、半田ボール４０の高さは半田４４が溶けた分だけ小さくなる。このため、半田ボール４４がスペーサとして機能し、上層側配線基板２０の底面が電子部品３０またはそれに接続されたボンディングワイヤ４６等に触れないようにするためには、Ｃｕコア４２自体の直径を電子部品３０、ボンディングワイヤ４６および樹脂３７の高さよりも大きくする必要がある。
また、半田４４の溶融温度は、例えば、Ｓｎ（錫）、Ａｇ（銀）およびＣｕの三元系合金半田では約２２０℃のため、半田ボール４０の接続のためのリフロー加熱は２４５℃前後に設定する必要があり、このリフロー加熱によって小型薄型の半導体装置では配線基板の熱変形が大きくなり、半導体装置の信頼性を大きく低下させてしまう恐れがある。配線基板は、その厚さが薄くなるほど顕著に熱の影響を受けるため、積層する基板間の接続に半田ボール４０を用いることは、半導体装置の小型化および製造コストの低減を実現するには不利となる。
さらに、Ｃｕコア４２入りの半田ボール４０は製造コストが高価である上、配線基板上に半田ボール４０を配置するための専用の組立て装置が必要になることから、半導体装置を安価で製造するには不利になる場合が多い。
また、薄型化され、小型化された電子部品を搭載したプリント基板等の配線基板を半田の融解温度以上の高温で加熱した場合、配線基板が焼け、金属配線が焼き切れるなどしてその機能を果たさなくなる可能性がある。
従って、下層側配線基板１０と上層側配線基板２０との電気的接続にＣｕコア４２入りの半田ボール４０を使用した半導体装置では、小型薄型化、高信頼化および低コスト化を実現することは極めて困難である。
本発明の目的は、配線基板を積層し樹脂封止した半導体装置において、半導体装置の小型薄型化を実現し、かつ高信頼で低コストな半導体装置を提供することにある。
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、以下のとおりである。
本発明の一発明による半導体装置は、
少なくとも２枚の配線基板間に電子部品が搭載され、前記２枚の配線基板の内の少なくとも１枚の前記配線基板と前記電子部品とが電気的に接続されており、前記２枚の配線基板同士が電気的に接続され、かつ、前記電子部品を含む前記２枚の配線基板間が樹脂封止され、前記２枚の配線基板同士の電気的接続に導電性材料が用いられている半導体装置である。
前記導電性材料は複数の金属粒子を含み、前記複数の金属粒子のそれぞれの表面同士が部分的に溶着しているものである。
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、以下のとおりである。
電子部品を搭載した複数の基板を積層し、その基板同士を電気的に接続した半導体装置の小型薄型化を実現することができる。
また、前記半導体装置に用いられる配線基板の熱変形を抑制し、半導体装置の信頼性低下を防ぐことが可能となる。
また、前記半導体装置の製造コストを低減することが可能となり、安価な半導体装置の提供が実現できる。
本発明の一実施の形態である半導体装置を示す要部断面図である。 図１に示す半導体装置の一部を示す平面図である。 本発明の一実施の形態である半導体装置の製造方法を示す要部断面図である。 図３に続く半導体装置の製造方法を示す要部断面図である。 図４に続く半導体装置の製造方法を示す要部断面図である。 図５に続く半導体装置の製造方法を示す要部断面図である。 図６に続く半導体装置の製造方法を示す要部断面図である。 図７に続く半導体装置の製造方法を示す要部断面図である。 図８に続く半導体装置の製造方法を示す要部断面図である。 本発明の他の実施の形態である半導体装置を示す要部断面図である。 従来の半導体装置を示す要部断面図である。 図１１に示す半導体装置の一部を示す平面図である。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
図１は、本実施の形態における半導体装置の要部断面図、図２は、図１に示す半導体素子の一部を示す平面図である。なお、図２では、構造をわかりやすくするため、下層側配線基板１０と、その上面に配置された高周波パワーアンプチップ２、回路部品１６および半田ボール４０のみを示し、上層側配線基板２０、封止樹脂４５、アンテナスイッチ４および下層側配線基板１０の上面の配線は示していない。
本実施の形態では、半導体装置１を通信用の高周波パワーアンプモジュールに適用した例を用いて本発明の説明をする。すなわち、高周波パワーアンプチップ２の他に、フィルタ５やアンテナスイッチ４および複数の回路装置が半導体装置１に組み込まれている。
図１に示すように、半導体装置１は下層側配線基板１０上に上層側配線基板２０が積層された構成となっている。すなわち、下層側配線基板１０の上面には複数の電子部品が搭載され、上層側配線基板２０の上面にも複数の電子部品が搭載されたＰｏＰ構造となっている。なお、下層側配線基板１０の上面と上層側配線基板２０の下面との間は高さＬ３だけ離れている。
半導体素子である高周波パワーアンプチップ２は、例えばＬＤ−ＭＯＳ（Laterally Diffused - Metal Oxide Semiconductor）と呼ばれる横方向拡散ＭＯＳで形成され、図１に示すように、フリップチップバンプ３を介して、下層側配線基板１０の上面に電気的に接続されている。このとき、フリップチップバンプ３の材料には、Ｓｎ、Ａｇ、Ｃｕ等で形成された三元系の半田合金が使用されている。もちろん、半田の代わりに、Ａｕ（金）バンプやＣｕバンプを用いた接続方法でも良い。
また、高周波パワーアンプチップ２に縦方向拡散ＭＯＳを使用する際は、下層側配線基板１０と高周波パワーアンプチップ２の表面側電極との電気的接続にはＡｌ（アルミニウム）やＡｕのボンディングワイヤ（図示しない）を用い、下層側配線基板１０と高周波パワーアンプチップ２の裏面（下面）側電極との電気的接続には半田やＡｇペースト等の導電性の接続材料（図示しない）を使用しても良い。
下層側配線基板１０の上面には、高周波パワーアンプチップ２以外に、例えばインダクタやレジスタおよびキャパシタ等の回路部品１６が搭載され、さらに、例えば送受信用のアンテナスイッチ４が搭載されている。これらの電子部品は、半田やＡｇペースト等の導電性の接続材料を介して下層側配線基板１０と電気的に接続されている。また、これらの電子部品は、使用される電子機器の形態によって、搭載される個数は変化する。従って、本実施の形態では構成を簡略化して説明するために、便宜上回路部品１６およびアンテナスイッチ４は一つずつしか図示していない。
下層側配線基板１０の下面には、外部との電気的接続のため、半田等で形成されるバンプ１４が接合されている。
一方、上層側配線基板２０の上面には、例えば高周波ノイズを除去するフィルタ５等の電子部品が搭載されている。このフィルタ５には、表面弾性波型や境界弾性波型等が使用され、半田やＡｇペースト等の導電性の接続材料を介して電気的に上層側配線基板２０と接続されている。このフィルタ５においても、使用される電子機器の形態によって、搭載される個数は変化する。従って、本実施の形態では構成を簡略化して説明するために便宜上フィルタ５を３つしか図示していない。
下層側配線基板１０と上層側配線基板２０との間には、下層側配線基板１０の上面に形成された電子部品を覆うように封止樹脂４５が充填され、上層側配線基板２０上には、上層側配線基板２０上に形成されたフィルタ５等の電子部品を覆うように封止樹脂４５が形成されている。
本実施の形態の半導体装置１では、下層側配線基板１０の上面と上層側配線基板２０の下面との電気的接続に有機金属柱６を使用している。
有機金属柱６は、図６に示す有機金属ペースト６ａを焼結して形成したものであり、金属粒子および金属粉からなる骨材を含む導電性材料からなる。有機金属ペースト６ａは、金属粒子を主要成分として、これに有機分散材、分散材補足材、揮発性有機成分（溶剤）、および金属粉からなる骨材を含む導電性材料である。有機金属ペースト６ａを焼結する際、有機揮発成分である有機分散材、分散補足材および溶剤である揮発性有機成分は、なくなるため、有機金属柱６は有機分散材、分散補足材および溶剤である揮発性有機成分を含まない。すなわち、有機金属柱６は、主に金属粒子および金属粉からなる骨材からなり、粘性のある有機金属ペースト６ａとは違い、硬化している。
なお、ここで言う有機金属とは、金属と炭素の化合物を指すのではなく、ＡｇまたはＣｕ等からなる金属粒子を主要成分として、これに有機分散材、分散材補足材、揮発性有機成分（溶剤）、およびＡｇ粉、Ｃｕ粉等の金属粉からなる骨材を加えて混練した導電性材料を指す。
ここで、上記導電性材料に含まれるＡｇまたはＣｕ等からなる金属粒子は、例えば直径が１０ｎｍより小さい数ｎｍ程度の微小な金属粒子である。分散材は、金属粒子および骨材を有機金属ペースト６ａ内に均一に分散させるために添加され、金属粒子および骨材の表面に皮膜として形成された、揮発成分を含む有機材料であり、その材料として界面活性剤を例示できる。分散補足材は、有機金属ペースト６ａ内の金属粒子および骨材の表面を露出させるための発泡剤であり、金属粒子および骨材の被膜として形成され、加熱された際に熱に反応して金属粒子および骨材の表面から分散材を剥離し、金属粒子および骨材の表面を露出させる働きをする揮発成分を含む有機材料である。Ａｇ粉、Ｃｕ粉等の金属粉からなる骨材は、有機金属ペースト６ａまたは有機金属柱６の主成分であるＡｇやＣｕからなる金属粒子よりも粒子の直径の大きい金属材料である。骨材の直径は数μｍ〜数十μｍ程度であり、有機金属柱６は、骨材と、骨材同士の隙間を埋めるように充填された金属粒子により構成される。溶剤として有機金属ペースト６ａに含まれる揮発性有機成分は、有機金属ペースト６ａの粘度を調整する役割を有するが、揮発性有機成分は有機金属ペースト６ａに含まれていなくとも良い。
また、有機金属ペースト６ａを更に流動性を高め、また、金属粒子の充填性を高めるために、有機金属ペースト６ａにエポキシやビフェニールからなる液状の樹脂を混合しても良い。なお、有機金属ペースト６ａは常温でペースト状の流動性および粘性を有する材料からなり、半田のように、高温を与えることにより溶融させて使用する合金とは異なる。
図１に示すように、下層側配線基板１０の上面に沿う方向において、有機金属柱６は上端の幅よりも下端の方が幅が広く、有機金属柱６の側面にテーパが設けられた柱状の形状を有している。すなわち、一つの有機金属柱６の上面の面積よりも下面の面積の方が広く形成されており、有機金属柱６が上層側配線基板２０に接する面積は、その有機金属柱６が下層側配線基板１０に接する面積よりも狭い。また、有機金属柱６の高さＬ３は、下層側配線基板１０の上面から高周波パワーアンプチップ２の上面までの高さよりも高く形成されている。
有機金属柱６は、例えば直径が１０ｎｍより小さい数ｎｍ程度の微小な金属粒子、有機分散材、分散材補足材、揮発性有機成分、および金属粉からなる骨材からなる有機金属ペースト６ａ（図６参照）を焼結して形成されている。この有機金属ペースト６ａは、加熱すると有機分散材と分散補足材との反応によって活性化された金属粒子同士、および金属粒子と、下層側配線基板１０または上層側配線基板２０の表面に形成された電極等の被着接続面の溶着と焼結が進行し、最終的に金属粒子同士の金属結合を伴う導電性材料である。このとき、金属粉からなる骨材と、金属粒子または下層側配線基板１０または上層側配線基板２０の表面に形成された電極等の被着接続面とが溶着および焼結し、金属結合を伴って接合する。
このときの加熱温度は、有機分散材と分散補足材の成分にもよるが、例えば約１８０℃前後で反応する材料を用いれば、鉛フリーの半田として知られているＳｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕからなる半田の溶融温度である約２２０℃に比べ、約４０℃低い温度で下層側配線基板１０と上層側配線基板２０とを電気的に接続することが可能となる。従って、有機金属ペースト６ａを使用することで、下層側配線基板１０および上層側配線基板２０をＣｕコア入りの半田ボールにより接続する方法に比べて、低温での電気的接続が可能となり、配線基板の熱変形を抑制し、また、配線基板が焼けてしまうこと防ぐことができる。このため、半導体装置の高信頼化が可能となり、また、半田ボールを使用する場合よりも更に小型薄型の配線基板を使用することができる。なお、有機金属ペースト６ａに含まれる金属粒子および金属粉（骨材）は、ＡｇおよびＣｕ以外の金属を使用しても良い。
なお、有機金属柱６中の金属粒子および金属粉からなる骨材は金属結合により接合しているが、それぞれの金属粒子または金属粉自体が全て溶融して接合しているのではなく、例えば金属粒子の表面のみが溶融し、その金属粒子の表面の一部が隣り合う他の金属粒子の表面の一部と溶着することで、隣り合う金属粒子同士が金属結合により接合されているものである。すなわち、有機金属柱６中の複数の金属粒子および複数の骨材は、それぞれの表面が部分的に溶着することで結合し、ポーラスな状態で一体となることで有機金属柱６を形成しており、各金属粒子および各骨材は、溶着していない表面も有している。
また、有機金属ペースト６ａに含まれる金属粒子に、直径が数μｍ程度の金属粒子を使用し、この金属粒子の外表面に還元性の有機皮膜を施すことで、加熱時に有機皮膜が揮発して金属粒子の真性面が露出し、金属粒子同士、および金属粒子と基板電極等の被着接続面が溶着焼結して、最終的に金属結合を起こす接続方法も考えられる。ただし、金属粒子の粒径が大きくなるとペーストの粘度が高くなる場合があるので、この場合は揮発性の溶剤（溶媒）をペーストに混練して、取扱いやすい粘度に調整すれば良い。
また、有機金属柱６同士の間の接続ピッチＬ４以外にも、同一配線基板上に形成された他の電子部品と、その電子部品と隣り合う有機金属柱６との間の距離も、図１１および図１２に示すＣｕコア４２入りの半田ボール４０により下層側配線基板１０と上層側配線基板２０とを接続する場合よりも狭めることができる。同様に、各配線基板の端部に一番近い有機金属柱６と、各配線基板の端部との間の距離も狭めることが可能であるため、下層側配線基板１０の主面に沿う方向において半導体装置１を小型化することが可能である。
また、図１１および図１２に示すＣｕコア４２入りの半田ボール４０による接続方法に対し、本実施の形態における半導体装置１では高価な半田ボール４０が不要であり、半田ボール４０を下層側配線基板１０の上面に配置する装置も必要ないので製造プロセスが簡単である。また、半導体装置１を小型薄型化することにより、半導体装置１の製造コストを低減することができる。
なお、有機金属柱６の代わりに、Ａｇペースト、ＡｕペーストまたはＣｕペースト等の導電性ペーストを用いて下層側配線基板１０の上面と上層側配線基板２０の下面の電気的接続を行っても良い。Ａｇペースト等の導電性ペーストは、図６に示す有機金属ペースト６ａの一種であるが、Ａｇペースト等の導電性ペーストは焼結により金属粒子を金属結合させて電気的接続を行うのではなく、導電性を持った接着剤により電気的接続を行うものである。このように、下層側配線基板１０の上面と上層側配線基板２０の下面の電気的接続にＡｇペースト等の導電性ペーストを用いても本発明の趣旨からは外れず、半導体装置１の小型化を実現することができる。この場合も、図１１に示す半田ボール４０を溶融させて接着させる高温リフロー工程が不要であるため、図１に示す有機金属柱６の代わりに導電性ペーストを用いても、半田ボール４０を使用する場合よりも小型薄型の配線基板を使用することができ、半導体装置１の高信頼化および薄型化を実現できる。
導電性ペーストは、例えば複数のＡｇ粒子をフェノール樹脂やポリエステル樹脂と混合したものであり、硬化した後は、有機金属柱６と違ってＡｇ粒子同士は金属結合しておらず、Ａｇ粒子同士が接触することによって電気的接続を行っている。また、導電性ペーストは常温で流動性および粘性を有する導電性材料であるが、図１に示す完成した半導体装置１においては、その成分であるフェノール樹脂等が硬化し、流動性の無い固体となっている。
また、図２に示すように、平面的に四角形の形状を有する下層側配線基板１０上には高周波パワーアンプチップ２および回路部品１６が形成され、有機金属柱６は下層側配線基板１０上において、高周波パワーアンプチップ２および回路部品１６等を囲むように配置されている。有機金属柱６は下層側配線基板１０のそれぞれの辺に沿うように断続的に２列形成されおり、隣り合う有機金属柱６間の接続ピッチはＬ４となっている。なお、ここで接続ピッチＬ４は、隣り合う柱状の有機金属柱６同士の、平面形状におけるそれぞれの中心を結ぶ距離を指す。
以下に、本発明の実施の形態である半導体装置１の製造方法について図３〜図９を用いて説明する。図３〜図９は、半導体装置１を製造する際の各工程における状態を示した要部断面図である。ここで、下層側配線基板１０と上層側配線基板２０の配線パターンの形成方法については、公知の方法を採用することができるため、ここでは詳細な説明は省略し、また、下層側配線基板１０と上層側配線基板２０の表面に形成された配線パターンおよび電極は図示しない。
まず、図３に示すように、下層側配線基板１０を用意し、その上面に高周波パワーアンプチップ２、アンテナスイッチ４、および回路部品１６を搭載する。各素子の搭載には、通常のダイボンダーや部品搭載機を使用すれば良い。このとき、高周波パワーアンプチップ２は、半田やＡｕバンプまたはＣｕバンプ等のフリップチップバンプ３で下層側配線基板１０と電気的に接続される。また、アンテナスイッチ４やその他の回路部品１６は、半田やＡｇペースト等の導電性の接続材料を介して下層側配線基板１０と電気的に接続される。
次に、図４に示すように、下層側配線基板１０の上面に、開口部８を有する印刷マスク７を載せる。開口部８は、印刷マスク７の上面から下面まで貫通する開口である。このとき、印刷マスク７の開口部８の位置を、下層側配線基板１０の上面に形成されている上層側配線基板２０との接続用電極（図示しない）に合わせるようにする。また、印刷マスク７は、既に下層側配線基板１０の上面に搭載されてある電子部品には触れないように空間９を設けるようにパターン形成されているため、印刷マスク７を下層側配線基板１０上に載せても、電子部品には荷重が加わることはない。このときの印刷マスク７の厚さは、下層側配線基板１０の上面に搭載された電子部品が、あとで下層側配線基板１０上に載せる上層側配線基板２０に接触しないよう、これらの電子部品の高さよりも大きくする必要がある。
次に、図５に示すように、印刷マスク７の開口部８を埋めるように有機金属ペースト６ａを塗布し、下側配線基板１０の主面に有機金属ペースト６ａを配置する。このとき、有機金属ペースト６ａを供給する際は、シリンジ等に詰められた有機金属ペースト６ａを印刷マスク７の表面にディスペンス塗布する方法を用いると良い。また、印刷マスクの開口部８に有機金属ペースト６ａが隙間なく充填されるように、ウレタンゴムまたは金属からなるスキージ（図示しない）等で、印刷マスク７の上面をなぞる等して、開口部８に有機金属ペースト６ａを十分に充填させると良い。ここで、前述したように有機金属ペースト６ａの代わりにＡｇペーストを用いて開口部８を充填しても良い。また、金属ペースト６ａを下側配線基板１０の主面に配置する方法としては、印刷マスク７を用いずに、ディスペンス塗布によりシリンジ等に詰められた有機金属ペースト６ａを直接下側配線基板１０の主面に供給し、有機金属ペースト６ａを柱状に形成する方法を用いても良い。
なお、開口部８の開口径は小さくすればするほど、図１に示す有機金属柱６同士の接続ピッチを小さくすることができ、半導体装置の小型化に有利である。ただし、図５に示す有機金属ペースト６ａの充填性との兼ね合いが必要であり、また、有機金属ペースト６ａを形成してから印刷マスク７を下層側配線基板１０より取り外した後に有機金属ペースト６ａが倒れないようにする必要がある。そのため、開口部８の最小の開口径と印刷マスク７の厚さの比は１：５程度が望ましい。すなわち、印刷マスクの厚さを５としたとき、開口部８の開口径は１以上の長さを有することが望ましい。
また、有機金属ペースト６ａは、有機金属ペースト６ａを構成する金属粒子の大きさが小さいほど充填性が向上する。有機金属ペースト６ａの金属粒子の直径が数ｎｍであるのに対し、ＡｇペーストのＡｇ粒子の直径は数十ｎｍであるため、Ａｇペーストを用いて下層側配線基板１０および上層側配線基板２０間を接続する場合は有機金属ペースト６ａを用いた場合よりも開口部８内への充填性が悪い。このため、Ａｇペーストを用いて下層側配線基板１０および上層側配線基板２０間を接続する場合は、印刷マスク７の開口部８の口径を大きくする必要がある。
次に、図６に示すように、印刷マスク７を下層側配線基板１０より取り外すことで、下層側配線基板１０上に柱状の有機金属ペースト６ａが形成される。このとき、柱状の有機金属ペースト６ａが型崩れしないように、印刷マスク７の開口部８には上面から下面に向けてテーパを設けると良い。すなわち、印刷マスク７の上面側の開口部８の開口径より、印刷マスク７の下面側の開口部８の開口径を大きくした印刷マスク７を用いる。印刷マスク７の開口部８の上面から下面に向けてテーパを設けることにより、印刷マスク７を上方に取り外し易くし、有機金属ペースト６ａが下層側配線基板１０の上面から分離してしまう事を防ぐことができる。
なお、印刷マスク７の上面側から下面側に向けて開口部８にテーパを設けず、開口部８の上面側開口径と下面側開口径を同じ長さにし、有機金属ペースト６ａの側壁が下層側配線基板１０の主面に対して垂直に接するように形成した場合、印刷マスク７の上面側から下面側に向けて開口部８にテーパを設けた場合よりも有機金属ペースト６ａ同士の接続ピッチを狭めることができる。
次に、図７に示すように、あらかじめ高周波ノイズを除去するフィルタ５等の電子部品を搭載した上層側配線基板２０を、下層側配線基板１０との接続用電極の位置および柱状の有機金属ペースト６ａの位置と合うように下層側配線基板１０の上面に有機金属ペースト６ａを介して積層する。その後、有機金属ペースト６ａに含まれる金属粒子同士、および金属粒子と下層側配線基板１０および上層側配線基板２０の表面の電極とが溶着焼結する温度まで加熱し、有機金属ペースト６ａを硬化させて有機金属柱６を形成する。
このときの加熱温度は、有機金属ペースト６ａに含まれる揮発性成分（有機分散材および分散補足材等）にもよるが、約１８０℃前後で反応する材料であれば、半田の溶融温度である約２２０℃に比べ、約４０℃も低温で接続することが可能である。その結果、下層側配線基板１０および上層側配線基板２０は、有機金属ペースト６ａを構成する複数の金属粒子のそれぞれの表面同士が部分的に溶融して接合することにより形成された、有機金属ペースト６ａからなる有機金属柱６によって強固に接続される。また、場合によっては、上層側配線基板２０の上面側から垂直荷重を加え、加圧しながら加熱することで、より強固な接続状態を得ることが可能である。
次に、図８に示すように、金型１１を使って通常のトランスファーモールドで封止樹脂４５を下層側配線基板１０と上層側配線基板２０との間の隙間および上層側配線基板２０上に流し込む。これにより、下層側配線基板１０および上層側配線基板２０に搭載された、高周波パワーアンプチップ２、フリップチップバンプ３、回路部品１６、アンテナスイッチ４、フィルタ５および有機金属柱６を封止する。このときの封止樹脂４５の部材に、例えばガラスシリカフィラー等を含んだエポキシもしくはビフェニール等の有機系の樹脂を用いることで、毛細管現象を利用した流れ込みにより封止樹脂４５の充填性を向上させることができる。
次に、金型１１から半導体装置を取り出した後、図９に示すように、下層側配線基板１０の下面に形成された電極（図示しない）に、半田等で形成されたバンプ１４を接合して、本実施の形態の半導体装置１が完成する。
ここで、従来は図１１に示すように、半田ボール４０を用いて下層側配線基板１０および上層側配線基板２０間の電気的接続を行っていたため、下層側配線基板１０と上層側配線基板２０との間に必要な高さと同じ長さである直径Ｌ１の半田ボール４０を用いることで、直径Ｌ１以上の大きさの接続ピッチＬ２を必要とし、半導体装置１の小型化が困難であった。すなわち、半田ボール４０を用いた場合、例えば下層側配線基板１０と上層側配線基板２０との間に必要な高さと同じ長さである半田ボール４０の直径Ｌ１が４００μｍであるとき、隣り合う半田ボール４０のそれぞれの中心の間の距離である接続ピッチＬ２は４００μｍ以上必要となる。
本実施の形態では、図１に示すように、下層側配線基板１０と上層側配線基板２０との電気的接続に有機金属柱６を用いることで、有機金属柱６同士の接続ピッチの長さを、図１１における接続ピッチＬ２よりも小さい接続ピッチＬ４とし、半導体装置１の小型化を可能としている。
図１における有機金属柱６の寸法は、具体的には、印刷マスク７の上面における開口部８の最小の口径と印刷マスク７の厚さとの比を１：５程度にすることができるため、形成後の有機金属柱６の高さと有機金属柱６の上面の幅との比も１：５程度となる。印刷マスク７の厚さは下層側配線基板１０と上層側配線基板２０との間の距離である高さＬ３と同じであるため、下層側配線基板１０と上層側配線基板２０との間の距離を４００μｍとしたとき、下層側配線基板１０の上面に沿う方向において、半田ボールの幅が４００μｍ必要であるのに対し、有機金属柱６の幅は１００μｍ程度とすることが可能である。ここでは、有機金属柱６はテーパのついた形状をしており、下層側配線基板１０の上面に沿う方向において上端より下端の方が幅が広い。有機金属柱６の幅は、下端の幅を１００μｍ程度とし、上端の幅を８０μｍ程度とすることができる。
本実施の形態では、下層側配線基板１０および上層側配線基板２０間の電気的接続に有機金属柱６を用いることで、図１１に示すＣｕコア４２入りの半田ボール４０に比べて接続ピッチを小さくすることが可能であり、配線基板を積層し樹脂封止した半導体装置の小型化を実現することができる。
また、図１に示すように有機金属柱６を用いることで、図１１に示す半田ボール４０接続のための高温リフロー加熱が不要となり、小型薄型の半導体装置に用いられる配線基板の熱変形を抑制し、半導体装置の信頼性低下を防ぐことが可能となる。このため、半田ボール４０を用いる場合よりも小型薄型の配線基板を用いた積層構造を実現することができる。
さらに、高価なＣｕコア４２入りの半田ボール４０を使用することがなく、半田ボール４０を配置する装置も不要であるため、製造コストを抑制することが可能となり、安価な半導体装置を提供することができる。
以上、本発明者によってなされた発明を発明の実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記発明の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。
例えば、本発明は前期実施の形態に示した通信用の高周波パワーアンプモジュールに限らず、図１０に示すように、マイコンとメモリが混載されたＳｉＰ等に適用しても良い。図１０における半導体装置１には、ＭＣＵ（Memory Control Unit）等のマイコンチップとＤＲＡＭ等のメモリチップが組み込まれている。
図１０において、第１の半導体素子であるマイコンチップ１３は、フリップチップバンプ３によって下層側配線基板１０の上面に電気的に接続されている。一方、上層側配線基板２０の上面には、メモリチップ１５が搭載されている。このメモリチップ１５は、例えばＤＲＡＭやＳＤＲＡＭ（Synchronous DRAM）等を使用する。第２の半導体素子であるメモリチップ１５は、図１０に示すように、フリップチップバンプ３によって、回路面（図では下面）と上層側配線基板２０の上面に電気的に接続されている。なお、図１０において有機金属柱６は側面にテーパが設けられていない円柱状の形状を有しており、有機金属柱６の側面は下層側配線基板１０の上面に対して垂直に形成されている。
また、前記実施の形態では電子部品の搭載された配線基板を２層積層した例を用いて説明したが、積層する配線基板は２層より多い複数層でも構わない。
本発明は半導体装置およびその製造方法に係わり、特に、電子部品が搭載された複数の配線基板を積層し、積層された配線基板同士を電気的に接続して樹脂封止した、三次元実装の電子部品内蔵基板を有する半導体装置およびその製造方法に適用して有効な技術に関する。
１ 半導体装置
２ 高周波パワーアンプチップ
３ フリップチップバンプ
４ アンテナスイッチ
５ フィルタ
６ 有機金属柱
６ａ 有機金属ペースト
７ 印刷マスク
８ 開口部
９ 空間
１０ 下層側配線基板
１１ 金型
１２ ボンディングパッド
１３ マイコンチップ
１４ バンプ
１５ メモリチップ
１６ 回路部品
２０ 上層側配線基板
３０ 電子部品（半導体素子）
３２ 電極
４０ 半田ボール
４２ Ｃｕコア
４４ 半田
４５ 封止樹脂
４６ ボンディングワイヤ
４７ 樹脂
４８ 電子部品内蔵基板
Ｌ１ 直径
Ｌ２、Ｌ４ 接続ピッチ
Ｌ３ 高さ

Claims (5)

  1. 以下の工程を含む半導体装置の製造方法：
    （ａ）表面、および前記表面とは反対側の裏面を有する第１配線基板を用意する工程；
    （ｂ）前記（ａ）工程の後、前記第１配線基板の前記表面に第１電子部品を搭載する工程；
    （ｃ）前記（ｂ）工程の後、上面、前記上面とは反対側の下面、および前記上面から前記下面までそれぞれ貫通する複数の開口部を有するマスクを、前記第１配線基板の前記表面に配置し、複数の金属粒子を有する金属ペーストを前記マスクの前記複数の開口部のそれぞれの内部に配置する工程；
    （ｄ）前記（ｃ）工程の後、前記マスクを除去する工程；
    （ｅ）前記（ｄ）工程の後、前記（ｄ）工程により形成された複数の柱状金属ペーストを介して、表面、前記表面とは反対側の裏面、および前記表面に搭載された第２電子部品を有する第２配線基板を、前記第２配線基板の前記裏面が前記第１配線基板の前記表面と対向するように、かつ、前記第２配線基板の前記裏面に形成された複数の電極が前記第１配線基板の前記表面に形成された複数の電極および前記複数の柱状金属ペーストとそれぞれ重なるように、前記第１配線基板の前記表面上に積層する工程；
    （ｆ）前記（ｅ）工程の後、前記複数の柱状金属ペーストを加熱することで、前記複数の柱状金属ペーストと前記第１配線基板の前記表面に形成された前記複数の電極および前記第２配線基板の前記裏面に形成された前記複数の電極とを溶着焼結し、複数の金属柱を形成する工程；
    （ｇ）前記（ｆ）工程の後、前記第１配線基板と前記第２配線基板との隙間および前記第２配線基板上に封止樹脂を供給し、前記第１電子部品、前記第２電子部品および前記複数の金属柱を封止する工程；
    （ｈ）前記（ｇ）工程の後、前記第１配線基板の前記裏面に複数のバンプを接合する工程。
  2. 前記マスクの前記開口部の前記下面側の開口径は、前記上面側の開口径よりも大きく、
    前記（ｃ）工程では、前記マスクの前記下面が前記第１配線基板の前記表面と対向するように、前記第１配線基板の前記表面に配置する請求項１記載の半導体装置の製造方法。
  3. 前記（ｇ）工程で使用する前記封止樹脂の部材は、ガラスシリカフィラーを含んだエポキシもしくはビフェニールである請求項１記載の半導体装置の製造方法。
  4. 前記金属粒子は、直径が１０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
  5. 前記金属ペーストは、Ａｇ、ＣｕまたはＡｕを含むことを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
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