JPH06334113A - マルチチップモジュール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 製造にかかるコストが低く、かつ設計変更が
容易で、さらに高密度実装のできる多層３次元化された
ＭＣＭの提供を目的としている。 【構成】 基板１２の周辺部には多数の電極１４を形成
し、内側の各所には、搭載する半導体チップ等の形状に
合わせた複数個のキャビティ２０を設ける。キャビティ
２０の内面には、グランド電位に保たれる金属層２２を
形成し、ＩＣチップ１６等の底面は導電性接着剤２４を
塗りキャビティ２０内に嵌め込む。ＩＣチップ１６等
間、あるいはＩＣチップ１６等と基板１２の電極１４間
とを微細金属線２６でワイヤボンディングにより結線す
る。基板１２の表面には、ポリイミド層を形成して、微
細金属線２６間を互いに絶縁するとともに、これら微細
金属線２６を基板１２に対して保持固定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】半導体チップ（以下、ＩＣチップ
と言う）及びそれ以外のチップ部品等を多数個基板に実
装したマルチチップモジュールに係り、詳しくは多層３
次元化が容易で、かつ設計変更に容易に対応でき、かつ
経済的に製作できるマルチチップモジュールに関する。

【０００２】

【従来の技術】電子機器の機能の大規模や高速化が求め
られるにつれ、論理ＩＣのゲート当たりの遅延時間は、
数百psレベルに高速化ないし短縮化してきた。これに対
して、プリント基板上に多数のＤＩＰ（dual in-line p
ackage）やピングリッドアレーを搭載する従来の実装形
態のものでは、信号の伝播時間に比べて、チップ間の配
線が長いので、遅延時間を要求どおり短縮できない。そ
のため、高速化したＩＣの性能を充分に発揮させること
が困難になっていた。そこで、チップ間の配線長を極力
短くするために、１枚の基板に多数個のベアＩＣチップ
等のベアチップを搭載、接続して、高性能を発揮するよ
うにしたマルチチップモジュール（以下、ＭＣＭとい
う。）が開発され、実用化されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
ＭＣＭは、シリコン，セラミックあるいはガラスエポキ
シ樹脂等の基板上に予め所要の配線を形成し、次いでＩ
Ｃチップ或いはそれ以外のチップを配置し、接続して、
ＭＣＭを完成すると言う、その製作ステップ及び構造に
起因する理由から、以下に説明するような問題を有して
いた。即ち、第１には、基板のパターン設計から基板の
製造に至る工程が複雑であって、しかも一つのＭＣＭに
ついてそのパターン設計から基板の完成までの所要時間
が長かった。また、パターン設計を変更する場合には、
その変更が些細なものでも、ＭＣＭを最初から作り直す
ことが必要となり、製作コストが嵩むと言う問題があっ
た。第２には、基板上に多数のＩＣチップ或いはその他
のチップ部品を搭載しているので、放熱がどうしても不
充分になり、ＭＣＭの温度が上昇して、ＩＣチップ及び
チップ部品の性能が発揮できないという問題が生じた。
従って、ＩＣチップ等を多層に重ね合わせて実装するこ
とができないため、高密度実装の要望を満足できないと
言う問題があった。

【０００４】本発明は、製造にかかるコストが低く、設
計変更が容易で、さらに３次元ＭＣＭの形成が可能な、
高密度実装のできるマルチチップモジュールの提供を目
的としている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明に係るマルチチップモジュールは、半導体チ
ップと、半導体チップ以外の部品素子と、周辺部に基板
電極を備え、かつ上方に開口したキャビティを有し、該
キャビティの底面には基板電極の少なくとも一部と接続
するように金属層が形成された基板とを備えたマルチチ
ップモジュールであって、半導体チップ及び部品素子
は、キャビティ内に配置され、かつ金属層上にそれぞれ
導電性接着剤により接着されるか、又は導電性接合剤に
より接合され、半導体チップ、部品素子及び基板電極と
の間は、ボンディングワイヤにより接続され、ボンディ
ングワイヤは、非導電性接着剤層により、相互に電気的
に絶縁されているとともに、基板に対して保持固定され
ていることを特徴としている。

【０００６】本発明で使用する基板は、従来使用されて
きた材料で形成された基板であって、例えばセラミック
ス、シリコン、合成樹脂、或いはそれら複合材料で形成
されている。半導体チップ以外の部品素子とは、電気
的、電子的部品素子を意味し、例えば通常使用されてい
る角型チップ部品、或いは薄型チップ部品に形成されて
いる抵抗、コンデンサー或いはその他の部品を指す。
尚、部品素子には、金属材料で形成された電極が、微細
金属線でボンディングできるように設けられている。キ
ャビティは、ＭＣＭの薄型化及び配線平坦化のために、
基板の上面を部品大きさに合わせて凹部状に加工するこ
とにより形成され、半導体チップ及び部品素子の装入、
ボンディングが容易であるように上方に開口している。

【０００７】金属層は、半導体チップ及び部品素子のオ
ーミックコンタクト及び熱伝導のためにキャビティ底面
に薄膜又は厚膜にメタライズして形成されている。導電
性接着剤、或いは導電性接合剤は、キャビティの金属層
と半導体チップ及び部品素子との間でオーミックコンタ
クト及び機械的接続を行うために使用され、通常ダイア
タッチ剤と称されている、熱伝導を阻害しないものであ
る。接着剤には有機材料系、接合剤には半田を例として
挙げることができる。ボンディングワイヤとしては、Ｉ
Ｃチップのボンディングに通常使用されている、例えば
２５μｍ〜１００μｍの太さの金線、アルミニウム線、
銅線等を使用できるが、詳細には必要とする特性やコス
トを考慮して定める。ボンディングするには、通常のワ
イヤボンダを本発明の目的に改良して使用する。また、
多層３次元マルチチップモジュールを形成するには、好
適にはボンディングワイヤとして電気絶縁材料で被覆さ
れた被覆線を使用する。被覆の材料は、ボンディング時
の熱で溶融、除去されるものを使用する。

【０００８】また、本発明に係るマルチチップモジュー
ルの好適な実施態様は、非導電性接着剤層がポリイミド
樹脂からなることを特徴としている。

【０００９】また更に、本発明に係るマルチチップモジ
ュールの別の好適な実施態様は、基板のキャビティ内面
に付設された金属層が、半導体チップをグランド電位に
固定するものであることを特徴としている。

【００１０】本発明の多層３次元化された実施態様で
は、請求項１に記載のマルチチップモジュール表面の非
導電性接着剤層に孔を形成し、非導電性接着剤層上に別
の半導体チップ及び半導体チップ以外の部品素子を装着
し、下層の半導体チップ、部品素子及び電極との間を接
続するボンディングワイヤと上層の別の半導体チップと
部品素子とを孔を介して別のボンディングワイヤにより
接続して多層３次元に構成したことを特徴としている。

【００１１】

【作用】本マルチチップモジュール（以下、簡単のため
にＭＣＭと略称する）は、上述のように構成されている
ので、その製造工程は、極めて単純で、かつその実施
は、簡単である。即ち、先ず、基板に搭載すべき半導体
チップ（以下、ＩＣチップと言う）や他のチップ部品等
の形状に合わせたキャビティを形成する。次に、基板の
周辺部に電極を設けるとともに、キャビティの内面にも
金属層を設ける。続いて、導電性接着剤をキャビティの
底面にコーティングして、その部分にＩＣチップ等を接
着する。次に、ワイヤボンダを用いて、これらＩＣチッ
プや他のチップ部品間及びこれらと基板電極間にボンデ
ィングワイヤを接続する。そして、基板の上面にポリイ
ミド等からなる非導電性接着剤層を形成して、これらボ
ンディングワイヤ間を互いに絶縁するとともに、これら
ボンディングワイヤを基板に対して保持固定して、ＭＣ
Ｍを完成する。

【００１２】このため、従来のように予め基板に必要な
配線をしておく必要がないので、製造工程の時間が短縮
され、また設計変更があってもボンディングワイヤの接
続位置を変えるだけで対応が可能となる。また、非導電
性接着剤の上にも更に別のＩＣチップ等を実装すること
が可能となるため、高密度実装の３次元ＭＣＭを実現す
ることができる。更に、ＩＣチップ等で発熱した熱は、
キャビティの内面の金属層及び基板電極を介して外部に
を伝導され、放熱される。従って、ＭＣＭの温度が上昇
することはないので、ＭＣＭの各素子の性能が充分に発
揮できる。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づき説明す
る。第１実施例 図１は、本発明に係るマルチチップモジュールの第１の
実施例の構成を示す斜視断面図である。図１において、
本実施例に係るマルチチップモジュール（以下、簡単の
ためにＭＣＭと略称する）１０は、基板１２と、ＩＣチ
ップ１６と、チップ部品１８とを備えている。基板１２
は、基板として必要な、機械的強度、耐熱性、電気絶縁
性等の特性を有する、セラミック，シリコン，樹脂ある
いはそれらの複合材料等の材料で構成されている。基板
１２は、周辺部に多数の基板電極１４を、更に中央部の
各所に複数個のキャビティ（凹部）２０をそれぞれ備え
ている。キャビティ２０は、ＭＣＭとして搭載するＩＣ
チップ１６及びチップ部品１８の形状に合致し、かつそ
れらの装入及びボンディングが容易であるように上方が
開口した形状に形成されている。

【００１４】ＩＣチップ１６としては、ベアＩＣチップ
が用いられている。ＩＣチップ１６の性能の良否がＭＣ
Ｍ製品の歩留りを大きく左右する要因となるので、予め
ペレットチェックやベアダイバーインによって選別した
良好なベアＩＣチップを使用する。チップ部品１８は、
通常の角形チップ部品あるいは薄膜チップ部品であっ
て、その上面には、金属材料からなる電極が、微細金属
線（ボンディングワイヤ）でボンディングできるように
設けられている。本実施例では、チップ部品１８は、例
えば所要のコンデンサー素子、抵抗素子等である。

【００１５】これらキャビティ２０の内面には、金属層
２２が形成されており、この金属層２２は、基板電極１
４の一部と接続されていてグランド電位に保たれてい
る。これらのキャビティ２０の内部に、ＩＣチップ１６
及びチップ部品１８が配置され、更にＩＣチップ１６及
びチップ部品１８の底面は、導電性のダイアタッチ剤２
４によりキャビティ２０底面の金属層２２にそれぞれ接
合されている。また、ダイアタッチ剤２４は、ＩＣチッ
プ１６／チップ部品１８と基板１２とのオーミックコン
タクト及び機械的接続を目的とするもので、例えば導電
性接着剤やハンダ等が使用できる。

【００１６】ＩＣチップ１６及びチップ部品１８間、あ
るいはＩＣチップ１６やチップ部品１８と基板電極１４
との間は、ボンディングワイヤ２６により結線されてい
る。このボンディングワイヤ２６は、通常のＩＣのワイ
ヤボンディングに使用されている金線やアルミニウム線
であって、その直径は、２５μｍ〜１００μｍの範囲に
ある。結線は、本目的に改良した通常のワイヤボンダ
（結線機）によって行われる。

【００１７】また、基板１２の表面には、外部のマザー
基板（図示せず）等と接続するための基板電極１４の領
域を除き、ポリイミド樹脂系等の非導電性接着剤（図示
せず）で被覆されている。非導電性接着剤は、ボンディ
ングワイヤ２６同士を相互に電気的に絶縁するととも
に、これらボンディングワイヤ２６を基板１２に対して
保持固定する機能を有する。

【００１８】ボンディングワイヤ２６には、被覆線を用
いることもできる。この場合、被覆線の被覆材は、ボン
ディング時の熱で電気絶縁層層が溶融、除去できるもの
を用いる。ボンディングワイヤ２６として被覆線を使用
した場合には、上述の非導電性接着剤層でボンディング
ワイヤ２６同士を電気的に絶縁する必要は、必ずしもな
い。図１中、Ａはボンディングワイヤ２６同士を接続し
た接続点を示している。ボンディングワイヤ２６として
被覆線を使用した場合の接続点Ａの構造は、拡大して図
２に示されている。図２（ａ）は平面図、図２（ｂ）は
断面図であり、接続点は金属ボール状に形成されてい
る。

【００１９】本実施例は、従来行われていたような、予
め基板上に必要な配線を形成しておく必要がないので、
基板のパターン設計から製作完了に要する期間が短縮さ
れ、また製造工程に要する時間も短縮される。ボンディ
ングワイヤによる結線は、他の結線方法に比べて、極め
て簡単であるので、作業能率が高い。また、設計変更が
あっても、ボンディングワイヤ２６による接続を変更す
ることにより、或いはボンディングワイヤ２６の接続位
置を変えることにより、簡単に対応することができる。
ＩＣチップ１６やチップ部品１８等によって生じた熱
は、キャビティ２０の内面の金属層２２とそれに接続し
た基板電極１４とを介して外部に伝導し、放熱されるの
で、ＭＣＭの温度が上昇せず、ＭＣＭ内の各素子の特性
を充分に発揮させることができる。

【００２０】第２実施例 次に、図３を参照して本発明の第２の実施例について説
明する。図３は、本発明に係る第２の実施例のＭＣＭの
構成を示す断面図である。なお、先の実施例で説明した
ものと同一または相当する部分には同一符号を付し説明
を省略する。図３に示す第２実施例のＭＣＭ３０では、
第１実施例のＭＣＭ１０と同様に、基板電極１４の少な
くとも一部に接続した金属層２２を底面に備えたキャビ
ティ２０内にＩＣチップ１６やチップ部品１８等を配置
し、これらＩＣチップ１６及びチップ部品１８の底面を
導電性のダイアタッチ剤２４によりキャビティ２０底面
の金属層２２に接合している。ＩＣチップ１６及びチッ
プ部品１８間、あるいはＩＣチップ１６やチップ部品１
８と基板１２の電極１４との間の接続は、第１配線層３
２としてボンディングワイヤにより結線されている。

【００２１】第１配線層３２上には、ポリイミド絶縁層
２８が、非導電性接着剤層として設けられている。更
に、ポリイミド絶縁層２８の孔３４を通してＩＣチップ
１６等の配線を引出し、第２配線層３６が形成されてい
る。なお、図３中、Ｂはボンディングワイヤ同士の接続
点を示し、図４は、その拡大図である。図４に示すよう
に、ボンディングワイヤ３６は、ポリイミド絶縁層２８
の孔３４を通ってＩＣチップ１８から垂直に立ち上がっ
た後、ポリイミド絶縁層２８の上面に沿って水平に曲が
る。一方のボンディングワイヤ３６ａは、ポリイミド絶
縁層２８の上面を延在し、次いで上方に曲がった曲線部
３６ｂを形成した後、ボンディングワイヤ３６の曲がり
部に接続する。

【００２２】第３実施例 図５は、図３に示すＭＣＭを更に加工して多層３次元に
形成した第３実施例の構成を示す断面図である。図５に
示す第３実施例のＭＣＭ４０において、基板１２、基板
電極１４、ＩＣチップ１６、チップ部品１８、キャビテ
ィ２０、金属層２２、ダイアタッチ剤２４、ポリイミド
絶縁層２８、第１配線層３２、孔３４、第２配線層３６
は、上述の第２実施例のＭＣＭ３０と同じ構成である。
ＭＣＭ４０は、更に、第２ポリイミド絶縁層４２と、そ
の上に配置された別のＩＣチップ４４と、同じく別のチ
ップ部品４６とを備え、ＩＣチップ４４及びチップ部品
４６とは第３配線層４８を介して相互に、更に第２ポリ
イミド絶縁層４２に設けられた孔５０を通して第２配線
層３６に接続されている。なお、第１ポリイミド絶縁層
２８、第２ポリイミド絶縁層４２は、ポリイミドフィル
ムで形成してもよく、あるいは液状ポリイミドを塗布し
たあと硬化させたものでもよい。

【００２３】本実施例は、このような構成により、通常
のボンディングワイヤによる多層回路形成、或いは下層
のＩＣチップ及びチップ部品上にポリイミド絶縁層を介
して別のＩＣチップ及びチップ部品を搭載した多層３次
元ＭＣＭを実現している。

【００２４】次に、図６及び図７を参照して、図５に示
す３次元ＭＣＭの製造プロセスを説明する。図６及び図
７は、ＭＣＭの各製造工程を説明するためのＭＣＭの断
面図であり、図６は工程（ａ）から（ｅ）を示し、図７
はそれに続く工程（ｆ）から（ｉ）を示す。 工程（ａ） セラミックあるいは有機材料からなる基板
１２を機械加工して、ＩＣチップ等の素子を配置するキ
ャビティ２０を形成する。 工程（ｂ） キャビティ２０内面と基板１２上に金属層
（メタライズ層）２２を形成する。キャビティ２０内の
金属層２２はＩＣチップ１６等をグランド電位に固定す
るもので、基板１２上の金属層は基板電極１４である。 工程（ｃ） キャビティ２０内の金属層２２上にＩＣチ
ップ１６及び他のチップ部品１８をマウントし、導電性
接着剤あるいはハンダで接合する。 工程（ｄ） 微細金属線ボンダ（ワイヤボンダを改良し
たもの）を使用して、素子間を微細金属線によりワイヤ
ボンディング接続して第１配線層３２を形成する。微細
金属線として、ここでは被覆線を用いる。この被覆はボ
ンディング時の熱によって分解する樹脂で構成されてい
る。 工程（ｅ） 第１配線層３２を形成した上に電気絶縁層
として感光性ポリイミド樹脂層２８をコウティングす
る。更に、フォトリソグラフィにより所定電極部のとこ
ろを開口して孔３４を形成する。

【００２５】工程（ｆ） 第２配線層３６を（ｄ）と同
様にして結線する。ここで、（ｄ）、（ｆ）工程とも被
覆線を用いてボンディングいるので、ポリイミド樹脂層
２８を省略することも可能であるが、この点は回路特性
や信頼性を充分考慮して選択する。 工程（ｇ） 第２配線層３６を形成した後、その上に、
上部部品を実装するための電気絶縁層４２を形成する。
この絶縁層４２はポリイミド、エポキシ等を用い、フォ
トリソグラフィにより開口部５０をパターニングする。 工程（ｈ） 上部部品としてＩＣチップ４４及びチップ
部品４６を電気絶縁層４２上に配置する。ここで、メタ
ライズ層が必要な場合には、（ｂ）と同様にメタライズ
層を形成する。 工程（ｉ） 素子４４、４６及び電極間を（ｄ）と同様
に結線して第３配線層４８を形成してＭＣＭ４０の製作
を終了する。更に、その上に素子の積層が必要な場合に
は、工程（ｅ）から（ｆ）を同様に繰り返す。 工程（ｊ） 実装済のＭＣＭ４０を、セラミックあるい
は金属等のパッケージに入れ、外部電極との接続をとっ
て電気チェックを行い、製品として完成させる。

【００２６】本方法によれば、上層に別のＩＣチップ及
びチップ部品を搭載するために、搭載面を平坦化するこ
とが簡単であり、微細金属線による配線は、設計変更に
対するフレキシビリティがあり、製作コストが低い。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１に記載の
本発明は、半導体チップ及び素子を基板のキャビティ内
に配置し、キャビティ底面の金属層上に導電性接着剤に
よりそれぞれ接着し、半導体チップ、素子及び基板電極
との間をボンディングワイヤにより接続し、更に非導電
性接着剤層によりボンディングワイヤを相互に電気的に
絶縁するとともに基板に対して保持固定することによ
り、以下の効果を奏することができる。 （１）従来のように予め基板に必要な配線を形成してお
く必要がないので、パターン設計に要する期間を短縮す
ると共に設計変更にも容易に追随できるマルチチップモ
ジュールを実現している。 （２）キャビティ底面に形成した金属層を基板周辺部の
電極の少なくとも一部に接続しているので、素子から発
熱された熱は、金属層及び基板電極を介して外部に放熱
される。従って、本発明に係るマルチチップモジュール
は、従来のマルチチップモジュールに比べて放熱特性が
格段に良く、モジュール内温度を所定値に維持できるた
め、実装した各素子の性能を充分に発揮させることがで
きる。 （３）ワイヤボンディングにより結線することにより、
結線工程が簡単になり、作業能率を向上させることがで
きる。 請求項４の発明は、下層の配線面を電気絶縁層（例え
ば、ポリイミド層）で覆うことにより、多層配線が可能
となり、更に電気絶縁層上に別の半導体チップ等を搭載
して、３次元マルチチップモジュールを形成することが
でき、高密度実装化が図れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の斜視図である。

【図２】図１におけるＡ点の拡大図で、（ａ）は平面
図、（ｂ）は断面図である。

【図３】本発明の第２の実施例の断面図である。

【図４】第３図におけるＢ点の拡大図である。

【図５】本発明の第３の実施例の断面図である。

【図６】３次元マルチチップモジュールの製造プロセス
を示す図である。

【図７】図６に続く３次元マルチチップモジュールの製
造プロセスを示す図である。

【符号の説明】

１０ 第１実施例のマルチチップモジュール １２ 基板 １４ 基板電極 １６ ＩＣチップ １８ チップ部品 ２０ キャビティ ２２ 金属層 ２４ 導電性接着剤 ２６ 微細金属線（ボンディングワイヤ） ２８ 非導電性接着剤層（ポリイミド層） ３０ 第２実施例のマルチチップモジュール ３２ 第１配線層 ３４ 第１非導電性接着剤層（ポリイミド層）の
孔 ３６ 第２配線層 ４０ 第３実施例のマルチチップモジュール ４２ 第２非導電性接着剤層（ポリイミド層） ４４ 別のＩＣチップ ４６ 別のチップ部品 ４８ 第３配線層 ５０ 第２非導電性接着剤層（ポリイミド層）の
孔

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体チップと、 半導体チップ以外の部品素子と、 周辺部に基板電極を備え、かつ上方に開口したキャビテ
   ィを有し、該キャビティの底面には前記基板電極の少な
   くとも一部と接続するように金属層が形成された基板と
   を備えたマルチチップモジュールであって、 前記半導体チップ及び部品素子は、前記キャビティ内に
   配置され、かつ前記金属層上にそれぞれ導電性接着剤に
   より接着されるか、又は導電性接合剤により接合され、 前記半導体チップ、部品素子及び前記基板電極との間
   は、ボンディングワイヤにより接続され、 前記ボンディングワイヤは、非導電性接着剤層により、
   相互に電気的に絶縁されているとともに、前記基板に対
   して保持固定されていることを特徴とするマルチチップ
   モジュール。
2. 【請求項２】 前記非導電性接着剤層は、ポリイミド樹
   脂からなることを特徴とする請求項１記載のマルチチッ
   プモジュール。
3. 【請求項３】 前記基板のキャビティの底面に被着され
   た金属層は、前記半導体チップをグランド電位に固定す
   るものであることを特徴とする請求項１記載のマルチチ
   ップモジュール。
4. 【請求項４】 請求項１に記載のマルチチップモジュー
   ル表面の非導電性接着剤層に孔を形成し、 前記非導電性接着剤層上に別の半導体チップ及び半導体
   チップ以外の部品素子を装着し、 下層の半導体チップ、部品素子及び電極との間を接続す
   るボンディングワイヤと前記上層の別の半導体チップと
   部品素子とを前記孔を介して別のボンディングワイヤに
   より接続して多層３次元に構成したことを特徴とするマ
   ルチチップモジュール。