專利名稱：半導體芯片安裝體及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及以倒裝式連接多個半導體芯片的半導體芯片安裝體及其制造方法。
背景技術：
順應電子設備的小型化、輕量化的社會需求，LSI(Large ScaleIntegrated circuit)等半導體裝置的小型化以及高密度化正在進一步提高。作為這樣小型化以及高密度化的方法之一，半導體芯片的積層化正在被推進。
以前，如圖2所示，在布線基板100上搭載的大尺寸的半導體芯片101上通過粘接劑等搭載尺寸小的半導體芯片102，通過焊線103將布線基板100、半導體芯片101、102間電連接后，通過樹脂密封進行這樣的半導體芯片的積層化。為謀求進一步小型化以及高密度化，將半導體芯片的尺寸做小的同時，需要將各芯片做薄。
但是，以上述方法積層的半導體芯片的安裝體，具有以下的問題。首先，為以焊線103電連接半導體芯片101和布線基板100上的基板電極，特別是在高頻工作中，焊線103變成電感成分，成為阻礙順利工作的主要原因。此外，焊線103從半導體芯片101、102的上面突出，并且因為必須確保用于引線接合的區(qū)域，所以存在半導體芯片不能夠充分薄型化的問題。進而，焊線103一般使用金屬絲，所以成為成本增加的主要原因。此外，在引線接合中進行接合時，積層在下級的半導體芯片101所承載的負重大，由此存在薄的半導體芯片101被破壞的可能。
由此，最近，作為代替引線接合法的方法，提出如下述的以倒裝式連接半導體芯片的方式的CSP(Chip Size Package芯片尺寸封裝)(特開2002-203874號公報、特開2002-170919號公報、特開平10-135272號公報、特開2001-338949號公報、特開7-263493號公報)。倒裝片法，與上述引線接合法不同，能夠利用半導體芯片的全部進行連接，同時，通過突起電極(凸出)進行連接，所以能夠進行非常細微的芯片的接合，使高密度安裝成為可能。但是，對此還存在以下的問題。
例如，在特開2002-203874號公報、特開2002-170919號公報以及特開10-135272號公報中，使積層的半導體芯片和布線基板對位、通過焊錫接合之后，再將積層的半導體芯片進行對位并由焊錫接合。這樣，將焊錫作為電粘接劑來使用時，多級積層時的一起重熔不能期待自對準的效果，所以對每個半導體芯片按順序進行焊錫接合。但是，此時最初積層的接合部要負擔直到最后積層的多次焊錫接合時引起的熱量，所以留有在第一級和最后一級的接合部之間的結構會變得不同的懸念，還有由反復加熱使可靠性降低的懸念。
另一方面，在特開2001-338949號公報以及特開7-263493號公報中使用導電性粘接劑來電連接半導體芯片和布線基板。但是，導電性粘接劑在導電性這點上差，并且，因為粘接強度低，在經(jīng)常變化的半導體中，存在隨著其使用年數(shù)的增加電特性降低的弊端。

發(fā)明內容
本發(fā)明鑒于這種問題，其第1目的在于提供一種可靠性高的半導體芯片安裝體，能夠高密度安裝，并且半導體芯片的突起電極與布線基板的布線層之間、以及半導體芯片的突起電極彼此的電連接狀態(tài)均勻。
本發(fā)明的第2目的在于提供一種半導體芯片安裝體的制造方法，能夠容易地并以低成本制造上述可靠性高的高密度的半導體芯片安裝體。
涉及本發(fā)明的半導體芯片安裝體具有以下的結構，具備在表面具有布線層的布線基板；具有突起電極同時搭載在上述布線基板上、上述突起電極和布線層相接觸、并且通過電鍍膜電連接的第1半導體芯片；具有突起電極同時按順序積層并搭載在上述第1半導體芯片上、對置的相同突起電極通過電鍍電連接的1個或2個以上的第2半導體芯片。
電鍍膜，具體的說是通過電解電鍍形成的，例如由銅(Cn)、鎳(Ni)、金(Au)、錫(Sn)或這些金屬的合金構成。
作為本發(fā)明的半導體芯片安裝體，半導體芯片具有在貫穿其兩面的通孔內埋設導電材料而形成的貫穿電極，其貫穿電極的端部具有外部引出電極，最好在外部引出電極上形成突起電極的形態(tài)。此外，第2半導體芯片以及布線基板上也在與第1半導體芯片的貫穿電極對置的位置上設置貫穿電極，通過突起電極電連接多個貫穿電極，最好電連接部以一條直線的狀態(tài)配置。
本發(fā)明的半導體芯片安裝體的制造方法包含以下工序，在表面具有布線層的布線基板的表面，以上述突起電極接觸到布線基板上的連接處的方式，將具有突起電極的第1半導體芯片進行對位，同時，在第1半導體芯片上，以使相同突起電極彼此接觸的方式，將具有突起電極的1個或2個以上的第2半導體芯片進行對位并積層的工序；將第1半導體芯片的突起電極與布線基板的布線層的連接處之間、以及第1半導體芯片和第2半導體芯片的各突起電極分別通過電鍍進行電連接的工序。
作為電鍍法，最好使用電解電鍍或噴鍍電鍍。
進而，在電鍍時，一邊對收存電鍍液的電鍍槽的壁面施加超聲波振動一邊形成電鍍膜，或者在電鍍槽內配置安裝了第1以及第2半導體芯片的布線基板，減壓后將電鍍液收存在電鍍層內，由此形成電鍍膜?；蛘撸部梢詫κ沾嬖陔婂儾蹆鹊碾婂円阂贿吋訅阂贿呅纬呻婂兡?。通過這樣的方法，能夠促進電鍍、形成穩(wěn)定的電鍍膜。
按照本發(fā)明的半導體芯片安裝體以及其制造方法，由于將半導體芯片的突起電極和布線基板的布線層之間、以及半導體芯片的突起電極彼此之間分別通過電鍍膜電連接，因此在接合處電鍍膜均勻并且穩(wěn)定的附著，能夠得到?jīng)]有差異的接合強度，同時能夠迅速進行接合操作，由此提高生產能力。此外，能充分去除引線和半導體芯片的間隔，所以能夠提供可高度集成、小型的可靠性極高的半導體芯片安裝體。
特別是，本發(fā)明的半導體芯片安裝體及其制造方法，在具有65nm以下的細微布線、電極焊點的下層的層間絕緣膜的材質比較脆的結構的半導體芯片和布線基板的多層連接中有效。
此外，在本發(fā)明的半導體芯片安裝體中，在第1半導體芯片、第2半導體芯片以及布線基板上分別設置貫穿電極，通過突起電極來電連接這些貫穿電極，由此使電連接部以一直線狀配置。由此，能高速進行吉赫茲(GHz)頻率的信號傳送。


圖1是表示涉及本發(fā)明的一實施方式的半導體芯片安裝體的結構的剖面圖。
圖2是現(xiàn)有的半導體芯片安裝體的模式圖。
具體實施例方式
以下，參照附圖詳細說明本發(fā)明的實施方式。
圖1是表示涉及本發(fā)明的一實施方式的半導體芯片安裝體1的剖面結構的圖。該半導體芯片安裝體1是在例如由聚酰亞胺樹脂構成的布線基板10上積層并搭載多層結構(在此為2層)的半導體芯片20、30的安裝體。
布線基板10上設置通孔(電極形成孔)11，同時在表面上形成由布線層12構成的電子電路。在電極形成孔11上形成貫穿電極11A。外部電極11A例如能夠通過電鍍1～150μm左右的鎳(Ni)而形成。作為其它方法，電鍍后也可以通過重熔焊錫來制作電極。
在基板10的背面的與電極形成孔11對應的位置上形成例如由焊錫構成的球電極13，并且該球電極13和表面的布線層12通過通孔11電連接。雖然在球電極13中未圖示，但是與外部的印制電路板是電連接的。
布線基板10由例如聚酰亞胺樹脂形成，其表面電路是通過周知的光刻技術制作的。在光刻法中以保護膜覆蓋基板，并以形成有圖形的掩模來覆蓋該保護模。也可以以感光樹脂形成作為掩模的膜整體，并通過曝光和感光印制圖形并形成電極形成孔。作為保護膜可使用由紫外線硬化的樹脂、例如丙烯系感光剝離型或環(huán)氧丙烯系的樹脂。保護膜通過例如旋轉涂層法等覆蓋布線基板，然后通過對該保護膜進行曝光、顯影進行印制圖形并形成掩模，通過使用該掩模對基板進行蝕刻和電鍍處理而形成布線層。
布線層12例如由銅(Cu)電鍍形成的，所以導電性優(yōu)良。布線層12的寬度例如為5～30μm左右。
下側的半導體芯片20(第1半導體芯片)上設置有通孔(throughhole)21，該通孔21中填充導電材料例如銅(Cu)，形成栓21A。該栓21A的下端部設置外部引出電極22。在外部引出電極22的表面上設置突起電極(金屬凸起)23，該突起電極23與布線基板10側的布線層12的電極部分相接觸。半導體芯片20側的外部引出電極22和布線基板10側的布線層12之間包含突起電極23的表面整體，由導電性的電鍍膜24進行覆蓋。通過該電鍍膜24，使突起電極23和布線層12整體均勻連接，來消除電連接的不良。
半導體芯片20的表面上形成布線圖形(未圖示)。該布線圖形是在實施了例如鉬(Mo)、鎢(W)、鎢硅化物(WSi2)等的硅化物、金(Au)或銅(Cu)等導電性良好的金屬的電鍍后，以光刻法通過對金屬層進行蝕刻并部分地除去來設置的布線圖形。
能夠通過例如在貫穿電極21上重熔微小焊錫球，或通過CVD(Chemical Vapor Deposition化學汽相沉積)法、濺射等的PVD(Physical Vapor Deposition物理汽相沉積)法等形成外部引出電極22。
突起電極23是用于容易電接合布線基板10和積層的其它的半導體的電極，例如，通過電鍍形成。作為電鍍金屬，最好是與電鍍接合金屬同類的金屬，但是，并不限定于此，考慮到導電性、粘合性等，可以從例如銅(Cu)、鎳(Ni)、金(Au)、錫(Sn)以及這些金屬的合金中選擇。突起電極23的高度在100μm以下，特別是最好在2～50μm的范圍內。
上側的半導體芯片30(第2半導體芯片)上也同樣設置通孔31，在該通孔31上也填充例如銅(Cu)以形成栓31A。在該栓31A的下端部設置突起電極(金屬凸起)32，該突起電極32與下側的半導體芯片20側的栓21A相接觸。突起電極32的表面也被由例如鎳(Ni)構成的電鍍膜33覆蓋，通過該電鍍膜33確保半導體芯片20側的栓21A和半導體芯片30側的栓31A電連接。其它與半導體芯片20相同。
并且，作為構成半導體芯片20、30的材料，例如有鍺(Ge)、硅(Si)、砷化鎵(GaAs)、磷化鎵(GaP)等，但是，為使安裝產品能夠小型化，希望各芯片盡量薄。用于這樣的芯片的晶片，能夠通過例如將上述材料構成的單晶切薄來進行制造。
然后，對上述半導體芯片安裝體1的制造方法進行說明。該方法由“對位工序”和“通過電鍍的接合工序”構成，按需要進一步包括“樹脂密封工序”。
對位工序中，在布線基板10的表面上將具有突起電極23的半導體芯片20以突起電極23與布線基板10上的布線層12的電極連接部接觸的方式進行對位。然后，在半導體芯片20上將第2半導體芯片30以突起電極彼此相接觸的方式進行對位。并且，在半導體芯片20、30之間為防止電短路，按需求也可以設置如絕緣薄膜或絕緣涂料的絕緣層。
為進行這樣的半導體芯片20、30和布線基板10的對位，最好使用由特氟綸Teflon(注冊商標)構成的對位夾具。該對位用夾具上設置用于與布線基板10或半導體芯片20、30上設置的槽部或突起部進行嵌合的突起部或槽部，能夠將設置在布線基板10或半導體芯片20、30上的槽部或突起部插入到這些突起部或槽部中，來進行對位。對位的最佳位置是通電后電流量的最小位置，或者也可以通過一邊監(jiān)視顯微鏡映像一邊自動或手動操作來確定。
進行布線基板10和半導體芯片20、進而半導體芯片20、30彼此的對位，然后，以倒裝式連接它們。具體的，為使2個半導體芯片20、30和布線基板10的位置不錯開，通過一邊用夾具壓一邊進行鍍膜，以倒裝式連接布線基板10、半導體芯片20、30，即，通過突起電極(凸起)使布線基板10以及半導體芯片20、30相互電連接。
該電鍍處理可以是將布線基板10以及半導體芯片20、30浸泡在槽內的電鍍液中進行電鍍，也可以是無電解電鍍。此外，以霧狀噴鍍電鍍液等方法使接觸部相互電導通后，通過以電鍍金屬覆蓋該接觸部來接合。通過這樣的電鍍處理，如圖1所示，布線基板10的電極和半導體芯片20的突起電極之間、以及半導體芯片20、30的突起電極之間覆蓋電鍍金屬而接合。此時，最好通過印刷在電接合處的突起部和除去其接觸面的其它的電路露出面上涂上油性涂料，來防止電鍍金屬的析出。
作為電鍍用金屬，可以使用例如銅(Cu)、鎳(Ni)、金(Au)、錫(Sn)或這些金屬的合金，也可以是和突起電極等的電極相同的材質，也可以使用其它的金屬。
并且，在電鍍處理時，在半導體芯片20和布線基板10之間也可以稍微施加不使半導體芯片20破損的壓力。
并且，在電解電鍍中，對布線基板10的電極和半導體芯片20的突起電極、以及半導體芯片20、30的突起電極彼此進行對位，浸泡在電鍍液中。將二者浸泡在電鍍液中后，將共用電極作為負極、將電鍍用電極作為正極并在二者之間施加規(guī)定時間的直流電壓。
并且，在電鍍處理時，最好給予液壁面超聲波振動。由此，能夠使電鍍液充分浸透布線基板10和半導體芯片20之間、以及半導體芯片20、30之間，同時，能夠促進電鍍液的循環(huán)、謀求電鍍中的所有的凸起生長的均勻化。
此外，將安裝了半導體芯片20、30的布線基板10置于電鍍槽內，使內部減壓，抽出半導體芯片20、30之間、布線基板10和半導體芯片20之間的狹窄區(qū)域內的空氣，其后在電鍍層內收存電鍍液，由此也可以形成電鍍膜。由此，能夠使電鍍液充分浸透到布線基板10和半導體芯片20之間、以及半導體芯片20、30之間的狹窄區(qū)域，能夠防止在空氣殘存部中的電鍍不良的發(fā)生。
進而，也可以一邊對收存在電鍍槽中的電鍍液的表面部分的空氣進行加壓一邊來形成電鍍膜。由此，也能得到與上述相同的效果。
上述電鍍工序結束后，以純水洗凈電鍍液，除去電鍍時附著的污染雜質。然后，按照需求，為防止氧化和吸濕引起的惡化，以布線基板10、半導體芯片20、30相互間的接合部為中心、將部分或全部以樹脂進行密封。作為密封樹脂，可以選擇以環(huán)氧樹脂為首的電絕緣性和耐熱性優(yōu)良的樹脂。
以上的工序之后，通過將基板切片或利用激光束等切斷、分割基板，由此，能夠得到高密度集成的半導體芯片安裝體1。
這樣，在本實施方式中，在布線基板10上對半導體芯片20、30進行對位后，使半導體芯片20的突起電極和布線基板10的電極之間、以及半導體芯片20、30的各突起電極彼此分別通過電鍍進行電連接，所以能夠均勻并且穩(wěn)定的附著電鍍膜，能夠得到?jīng)]有差異的接合強度。此外，因為能夠迅速進行接合操作，所以生產能力提高。進而，因為能充分去除引線和半導體芯片之間的間隔，所以能夠高度集成，進而能夠得到小型的可靠性極高的半導體芯片安裝體。
特別是，在以前進行的凸起連接中，在微觀上能看見在突起電極彼此的連接部處存在沒有連接的地方(不接合處)，但是，在本實施方式中，由于在這樣的不接合處填充有電鍍金屬，所以能夠得到充分的接合強度的同時還能保證充分電連接，使接合部變?yōu)楦偷碾娮?。特別是，當布線基板10的布線層12和半導體芯片20、30的布線層的寬度成為65nm以下的細微布線時，其膜厚也變薄，此外，布線層下的絕緣層由多孔(porous)硅氧化膜(SiO2)形成的情況下，絕緣層很脆，所以不希望使用以前的引線接合法和如凸起壓接那樣的施加壓力的方法。在這種情況下，本實施方式的方法是有效的，能夠不損傷絕緣層、得到具有10μm間距的細微布線的半導體安裝體。
此外，考慮今后吉赫茲(GHz)的頻率的信號傳送的普及，但是如以前的裝置(第2圖)，電極間通過導線相連接，因為由導線的長度部分以及導線彎曲引起的高頻電阻的影響，在信號傳送中產生延遲。與此相對，在本實施方式中，如第1圖所示，分別在布線基板10上設置貫穿電極11A、在半導體芯片20上設置貫穿電極21A、在半導體芯片30上設置貫穿電極31A，這些貫穿電極11A、21A、31A相互對置配置，同時通過突起電極23、32電連接。即，貫穿電極11A、21A、31A呈直線狀以最短距離相連接，即使在吉赫茲(GHz)的頻率信號中，也能夠高速并且穩(wěn)定地進行傳送。
以下，將具體的實施例進行說明。
在直徑4英寸的硅晶片上，1芯片為7.5×7.5mm大小，在其周圍配置200個鋁(Al)電極(80μm×80μm)，電極部分以外以由硅氧化膜(SiO2)構成的保護膜覆蓋。然后，通過激光器在電極部分形成通孔，在其中通過毛細管現(xiàn)象浸透填充焊錫。進而在填充的焊錫部分形成高度5μm的金的突起電極(凸起)。
以突起電極彼此接觸的方式積層配置2片該晶片，在其周邊部連接電鍍負電極，并浸泡在將電流密度設定為200A/m2的Cu電鍍液(硫酸銅0.8mol/l，硫酸0.5mol/l)中，在突起電極周邊進行5μm厚的Cu電鍍，使突起電極彼此電連接。然后，洗凈電鍍液，在芯片彼此的空間注入未充滿的樹脂。然后，按芯片尺寸進行分割。
然后，為使布線基板的電極和在半導體芯片上形成的Cu電鍍的突起對接，進行布線基板和半導體芯片的對位之后，用夾具將這些固定，在與上述的電鍍液相同的電鍍液中，進行布線基板、2個半導體芯片相互的電鍍連接。此時，在布線基板的電極部以外涂上油性涂料，以使電鍍不附著。
用電鍍純水洗凈以上述方法得到的半導體芯片安裝體之shell后，通過干燥清洗液得到成品。
(剝離測試結果)將這樣電鍍連接的接合部進行殼體測試(shell test)，測定半導體芯片間的層間粘接強度。其結果得到平均10g/凸起的強度，證明是非常良好的接合。
(電阻測試)在電阻測試中也顯示0.5mΩ/凸起的良好的連接電阻。
雖然舉出以上實施方式以及實施例對本發(fā)明進行了說明，但是本發(fā)明不限于上述實施方式和實施例，可以是各種變形。例如，在布線基板10上搭載的半導體芯片不僅是2層，也可以是3層以上。即，在搭載在布線基板10上的第1半導體芯片上也可以順次搭載2個以上的第2半導體芯片。
權利要求
1.一種半導體芯片安裝體，其特征在于，具有在表面上具有布線層的布線基板；第1半導體芯片，具有突起電極同時搭載在上述布線基板上、上述突起電極與上述布線層相接觸的同時，至少上述突起電極和上述布線層的接觸部的周圍由導電性的電鍍膜覆蓋；以及1個或2個以上的第2半導體芯片，具有突起電極同時積層并搭載在上述第1半導體芯片上，至少相同的突起電極彼此的接觸部的周圍由導電性的電鍍膜覆蓋。
2.如權利要求1記載的半導體安裝體，其特征在于上述電鍍膜由銅(Cu)、鎳(Ni)、金(Au)、錫(Sn)或這些金屬的合金構成。
3.如權利要求1或權利要求2記載的半導體芯片安裝體，其特征在于上述第1半導體芯片具有在貫穿其兩面間的通孔內埋設導電性材料而形成的貫穿電極，同時，在上述貫穿電極的端部具有外部引出電極，在上述外部引出電極上形成上述突起電極。
4.如權利要求3記載的半導體芯片安裝體，其特征在于上述布線基板和第1半導體芯片的連接部中的上述突起電極及外部引出電極的整體由上述電鍍膜覆蓋。
5.如權利要求4記載的半導體芯片安裝體，其特征在于上述半導體芯片的突起電極的整體由上述電鍍膜覆蓋。
6.如權利要求1至權利要求5的任一項記載的半導體芯片安裝體，其特征在于搭載在上述布線基板上的第1半導體芯片以及第2半導體芯片由樹脂進行密封。
7.如權利要求3記載的半導體芯片安裝體，其特征在于上述第2半導體芯片以及上述布線基板在與上述第1半導體芯片的貫穿電極對置的位置上具有貫穿電極，通過上述突起電極使上述多個貫穿電極電連接。
8.一種半導體芯片安裝體的制造方法，其特征在于，包含對表面上具有布線層的布線基板進行對位，以使具有突起電極的第1半導體芯片的上述突起電極與上述布線基板的布線層上的規(guī)定的連接處接觸，同時，在第1半導體芯片上進行對位，以使具有突起電極的1個或2個以上的第2半導體芯片的相同的突起電極彼此接觸的工序；以及通過電鍍膜使上述第1半導體芯片的突起電極和上述布線基板的布線層的連接處之間、以及上述第1及第2半導體芯片的突起電極彼此分別電連接的工序。
9.如權利要求8記載的半導體芯片安裝體的制造方法，其特征在于通過電解電鍍或噴涂電鍍形成上述電鍍膜。
10.如權利要求8或權利要求9記載的半導體芯片安裝體的制造方法，其特征在于一邊對收存電鍍液的電鍍槽的壁面施加超聲波振動一邊形成上述電鍍膜。
11.如權利要求8或權利要求9記載的半導體芯片安裝體的制造方法，其特征在于將安裝有上述第1以及第2半導體芯片的布線基板配置在電鍍槽內，并對內部減壓后將電鍍液收存在上述電鍍層內，由此形成上述電鍍膜。
12.如權利要求8或權利要求9記載的半導體芯片安裝體的制造方法，其特征在于一邊對收存在電鍍槽中的電鍍液加壓一邊形成上述電鍍膜。
13.如權利要求8記載的半導體芯片安裝體的制造方法，其特征在于，包含形成上述電鍍膜后、將搭載在上述布線基板上的第1半導體芯片以及第2半導體芯片用樹脂進行密封的工序。
全文摘要
在布線基板(10)上搭載在外部引出電極上具有突起電極(凸起)(23)的半導體芯片(20)，在該半導體芯片(20)上搭載半導體芯片(30)。通過電解電鍍使布線基板(10)的布線層(12)和半導體芯片(20)的突起電極(23)之間、半導體芯片(20)、(30)的突起電極彼此電連接。布線層(12)和突起電極(23)之間以及半導體芯片(20)(30)的突起電極彼此通過電鍍膜(24)、(33)穩(wěn)定地連接。
文檔編號H01L21/60GK1791979SQ20048001336
公開日2006年6月21日 申請日期2004年5月14日 優(yōu)先權日2003年5月15日
發(fā)明者大野恭秀 申請人:財團法人熊本高新技術產業(yè)財團