半导体装置及其制造方法与流程

本申请要求以日本专利申请2016-48898号(申请日:2016年3月11日)为在先申请的优先权。本申请通过参照该在先申请而包含在先申请的全部内容。

本发明的实施方式涉及半导体装置及其制造方法。

背景技术：

在半导体装置中，例如，存在如下结构：将多个半导体芯片层叠，并利用凸块将其之间电连接。期望得到稳定的电连接。

技术实现要素：

本发明的实施方式提供能够容易得到稳定的连接的半导体装置及其制造方法。

根据本发明的实施方式，半导体装置包括布线基板、第1半导体元件、第2半导体元件、凸块、粘接部以及树脂部。所述第2半导体元件设置在所述布线基板与所述第1半导体元件之间。所述凸块设置在所述第1半导体元件与所述第2半导体元件之间，将所述第1半导体元件与所述第2半导体元件电连接。所述粘接部具有第1弹性模量，其设置在所述第1半导体元件与所述第2半导体元件之间，将所述第1半导体元件与所述第2半导体元件粘接。所述树脂部具有比所述第1弹性模量高的第2弹性模量。所述树脂部的第1部分设置在所述第1半导体元件与所述第2半导体元件之间。在所述树脂部的第2部分与所述布线基板之间，配置所述第1半导体元件以及所述第2半导体元件。所述树脂部的第3部分在与从所述布线基板朝向所述第1半导体元件的第1方向交叉的第2方向上与所述第1半导体元件以及所述第2半导体元件重叠。

附图说明

图1的(a)以及图1的(b)是例示实施方式所涉及的半导体装置的示意性剖视图。

图2的(a)～图2的(f)是例示半导体装置的特性的示意性剖视图。

图3的(a)以及图3的(b)是例示与半导体装置相关的实验结果的表。

图4的(a)～图4的(f)是例示实施方式所涉及的其它的半导体装置的示意性剖视图。

图5的(a)～图5的(d)是例示实施方式所涉及的半导体装置的制造方法的工序顺序示意性剖视图。

标号的说明

10…半导体元件；11～13…第1～第3半导体元件；15…层叠体；16…引线框；21…凸块；25…粘接部；30…树脂部；31～35…第1～第5部分；40…布线基板；41…贯通电极；42…基板；43…连接部件；45…连接部件；110～116、118、119…半导体装置；110a…加工体；d1、d2…弹性模量；e1～e3…第1～第3评价结果；ht…高温状态；r1…面积比率；rt…室温状态

具体实施方式

以下，一边参照附图，一边对本发明的各实施方式进行说明。

附图是示意性或概念性的附图，各部分的厚度和宽度的关系、部分间的大小的比率等不一定限于与现实的是相同的。即便在表示相同部分的情况下，也存在根据附图而使相互的尺寸和/或比率不同地表示的情况。

在本申请说明书和各图中，对于与针对已示出的图所描述过的要素同样的要素，标注同一标号而适当省略详细的说明。

图1的(a)以及图1的(b)是例示实施方式所涉及的半导体装置的示意性剖视图。

图1的(a)是图1的(b)的a1-a2线剖视图。图1的(b)是图1的(a)的b1-b2线剖视图。

如图1的(a)以及图1的(b)所示，实施方式所涉及的半导体装置110包括：布线基板40、多个半导体元件10、凸块21、粘接部25及树脂部30。

多个半导体元件10(例如，半导体芯片)在z轴方向上层叠。多个半导体元件10可以相互不相同。在该例中，多个半导体元件10在z轴方向上相互分离。在两个半导体元件10之间，设置有凸块21以及粘接部25。在该例中，还设置有引线框16。在引线框16与布线基板40之间配置有多个半导体元件10。

多个半导体元件10例如包含第1半导体元件11、第2半导体元件12以及第3半导体元件13等。第1半导体元件11以及第2半导体元件12例如是存储器芯片。第3半导体元件13是用于将从连接部件45输入的数据变换为能够向半导体元件10输入的形式、或将从半导体元件10输出的数据变换为能够通过连接部件45输出的形式的接口。半导体元件10的功能是任意的。例如，第3半导体元件13的尺寸与其它的半导体元件(例如第1半导体元件11)的尺寸不同。

例如，第2半导体元件12被设置在布线基板40与第1半导体元件11之间。在该例中，第3半导体元件13被设置在布线基板40与第2半导体元件12之间。多个半导体元件10的数量是任意的。

将从布线基板40朝向第1半导体元件11的方向(第1方向)设为z轴方向。将与z轴方向垂直的一个方向设为x轴方向。将与z轴方向以及x轴方向垂直的方向设为y轴方向。

布线基板40的主面例如与x-y平面平行。布线基板40例如是沿着x-y平面扩展的板状。多个半导体元件10的各个是沿着x-y平面扩展的板状。多个半导体元件10的层叠方向与z轴方向对应。

以下，对于多个半导体元件10中的第1半导体元件11以及第2半导体元件12进行说明。

凸块21被设置在第1半导体元件11与第2半导体元件12之间。凸块21将第1半导体元件11与第2半导体元件12电连接。

粘接部25被设置在第1半导体元件11与第2半导体元件12之间。粘接部25将第1半导体元件11与第2半导体元件12粘接。粘接部25在x-y平面内与凸块21并排。粘接部25具有第1弹性模量。第1弹性模量比较低。

如图1的(a)所示，也可以设置多个凸块21。多个凸块21在x-y平面内排列。例如，多个凸块21的一部分沿x轴方向排列，多个凸块21的一部分沿y轴方向排列。

如图1的(a)所示，也可以设置多个粘接部25。多个粘接部25在x-y平面内排列。例如，多个粘接部25的一部分沿x轴方向排列，多个粘接部25的一部分沿y轴方向排列。粘接部25的尺寸可以比凸块21的尺寸大，也可以比凸块21的尺寸小，还可以是相同的。

例如，多个半导体元件10与布线基板40通过连接部件43而电连接。在该例中，布线基板40包括基板42和贯通电极41。贯通电极41在基板42中贯通。在布线基板40的底面设置有连接部件45(凸块等)。半导体装置110经由连接部件45安装于其它的安装部件(未图示)等而被使用。

树脂部30被设置于多个半导体元件10的周围。树脂部30也被设置于多个半导体元件10之间的区域。

如图1的(b)所示，树脂部30的第1部分31被设置在第1半导体元件11与第2半导体元件12之间。在树脂部30的第2部分32与布线基板40之间，配置有多个半导体元件10(第1半导体元件11以及第2半导体元件12)。树脂部30的第3部分33在与z轴方向(从布线基板40朝向第1半导体元件11的第1方向)交叉的第2方向(x-y平面内的任意的方向)上，与第1半导体元件11以及第2半导体元件12重叠。例如，第3部分33包围多个半导体元件10的侧面。

树脂部30具有第2弹性模量。第2弹性模量比粘接部25的第1弹性模量高。换言之，粘接部25的第1弹性模量比树脂部30的第2弹性模量低。粘接部25使用低弹性模量的材料。另一方面，树脂部30使用高弹性模量的材料。例如，粘接部25使用低弹性模量的丙烯树脂等。另一方面，树脂部30使用高弹性模量的环氧树脂等。

作为密封多个半导体元件10的周围的树脂部30，使用弹性模量高的材料，由此，例如能够抑制封装的翘曲。例如，能够使针对来自外部的应力的耐性高。能够保护半导体元件10以免受到来自外部的损坏。这种密封用的树脂部30例如是模制树脂。

可知：如果将这种弹性模量比较高的模制树脂也设置在多个半导体元件10之间，则在利用设置于多个半导体元件10之间的凸块21的连接中会发生不良。例如，在凸块21与半导体元件10之间的面上，容易产生龟裂，甚至存在产生剥离的情况。或者，在连接有凸块21的半导体元件10的电极层等中，有时产生龟裂或剥离。

根据本申请发明人们的实验可知：在多个半导体元件10之间设置粘接部25，将多个半导体元件10彼此粘接，由此，连接不良的症状得以减轻。另外，可知：通过使粘接部25的弹性模量比较低，能够抑制凸块21中的连接不良。

在实施方式中，利用粘接部25将多个半导体元件10彼此粘接，使粘接部25的第1弹性模量比树脂部30的第2弹性模量低。由此，能够抑制凸块21中的连接不良。在实施方式中，能够提供容易得到稳定的连接的半导体装置。在实施方式中，能够抑制封装的翘曲而维持高的外部应力耐性，并且，能够得到稳定的电连接。

如图1的(b)所示，在实施方式中，也可以在布线基板40与第2半导体元件12之间配置树脂部30的第4部分34。能够抑制该部分中的连接不良。也可以在布线基板40与第3半导体元件13之间配置树脂部30的第5部分35。能够抑制该部分中的连接不良。例如，在多个半导体元件10内，在距离布线基板40最近的半导体元件10与布线基板40之间，也可以配置树脂部30的一部分。例如，由树脂部30包围多个半导体元件10的周围。多个半导体元件10被树脂部30密封而被保护。

图2的(a)～图2的(f)是例示半导体装置的特性的示意性剖视图。

这些图示出具有不同的构成的半导体装置中的翘曲的特性的例子。

图2的(a)以及图2的(b)与实施方式所涉及的半导体装置110对应。在半导体装置110中，在两个半导体元件10之间，设置有凸块21、上述的粘接部25和树脂部30。图2的(c)以及图2的(d)与第1参考例的半导体装置118对应。在半导体装置118中，在两个半导体元件10之间设置有凸块21和树脂部30，而未设置有粘接部。图2的(e)以及图2的(f)与第2参考例的半导体装置119对应。在半导体装置119中，也在两个半导体元件10之间设置有凸块21和树脂部30，未设置有粘接部。半导体装置118中的凸块21的数量(密度)比半导体装置119中的凸块21的数量(密度)高。

图2的(a)、图2的(c)以及图2的(e)与制造中途的高温状态ht对应。该状态例如与利用凸块21进行的连接以及树脂部30的固化时的状态对应。高温状态ht的温度为约150℃～约175℃。图2的(b)、图2的(d)以及图2的(f)与制造后的室温状态rt(常温状态)对应。室温状态rt的温度例如为约23℃。

如图2的(a)、图2的(c)以及图2的(e)所示，在制造中途的高温状态ht下，在任意的半导体装置中，层叠体(多个半导体元件10)中实质上不存在翘曲。因此，实质上不向凸块21施加应力。

如图2的(b)、图2的(d)以及图2的(f)所示，在室温状态rt下，层叠体会产生翘曲。这基于例如层叠体(多个半导体元件10)中的热膨胀系数的差异等。由于翘曲而产生应力。如图2的(d)以及图2的(f)所示，在半导体装置118以及119中，向与凸块21连接的区域施加应力。由此，在凸块21与半导体元件10之间会产生龟裂或剥离。

相对于此，在半导体装置110中，除了凸块21外，设置有低弹性模量的粘接部25。由于因翘曲而产生的应力，半导体元件10中的与粘接部25相接触的部分会变形。由于变形，应力被缓和。因此，半导体元件10中的与凸块21连接的区域中，应力会变小。在半导体元件10中的与凸块21连接的区域中，翘曲会变小。由于半导体元件10中的与凸块21连接的区域中应力会变小，因此，在凸块21中能够抑制龟裂或剥离。由此，能够得到稳定的电连接。

以下，对本申请发明人们所进行的实验的结果的例进行说明。

在以下要说明的实验中，使用两种类的材料作为粘接部25。第1材料的室温(23℃)时的弹性模量d1为0.2gpa～10gpa。第2材料的室温(23℃)时的弹性模量d1为约15gpa。使用这些材料，变更粘接部25的面积比率。例如，设置多个粘接部25，得到多个粘接部25的面积(x-y平面内的面积)的合计面积s25。另一方面，设半导体元件10的一个的面积(x-y平面内的面积)为s10。面积比率r1(％)为(s25/s10)×100(％)。进而，作为树脂部30，使用四种类的材料。这些材料的室温(23℃)时的弹性模量d2为12gpa、15gpa、30gpa或35gpa。

关于使用了上述的粘接部25、面积比率r1以及树脂部30的试样，进行三种类的评价。在第1评价中，评价吸湿以及回流(reflow)试验中是否发生封装裂纹。在第2评价中，评价温度循环试验中是否存在凸块连接不良。在第3评价中，评价是否树脂部30未向多个半导体元件10之间填充。

图3的(a)以及图3的(b)是例示与半导体装置相关的实验结果的表。

图3的(a)示出使用第1材料(弹性模量d1＝0.2gpa～10gpa)作为粘接部25时的评价结果。图3的(b)示出使用第2材料(弹性模量d1＝15gpa)作为粘接部25时的评价结果。在图中(表中)，示出粘接部25的面积比率r1以及树脂部30的弹性模量d2。

评价结果e1与第1评价相对应，“+”标记与吸湿以及回流试验中未检测到封装裂纹相对应。“-”标记与吸湿以及回流试验中检测到封装裂纹相对应。

评价结果e2与第2评价相对应，“+”标记与温度循环试验中未发生凸块连接不良相对应。“-”标记与温度循环试验中发生了凸块连接不良相对应。

评价结果e3与第3评价相对应，“+”标记与未能检测到未填充相对应。“-”标记与检测到未填充相对应。

在这些表中，“/”标记表示无法实施评价。例如，在第1评价中，在吸湿以及回流试验中产生了封装裂纹的试样中，无法实施第2评价(温度循环试验)。

在这些图中，“+”标记与为良好的结果相对应。

如图3的(b)所示，在粘接部25的弹性模量d1高至15gpa的情况下，得到良好的结果的条件较窄。例如，在温度循环试验(第2评价结果e2)中容易发生凸块连接不良。

与此相对，如图3的(a)所示，在粘接部25的弹性模量d1低至0.2gpa～10gpa的情况下，能够得到良好的结果的条件较宽。例如，能够抑制温度循环试验(第2评价结果e2)中的凸块连接不良的发生。在实施方式中，优选粘接部25在23℃时的弹性模量d1(第1弹性模量)例如为0.2gpa以上且10gpa以下。

如图3的(a)所示，在粘接部25的弹性模量d1低的情况下，当面积比率r1为78.5％时，产生未填充(第3评价结果e3)。若面积比率r1过高，则两个半导体元件10之间的空间的宽度(树脂部30的填充的路径的面积)变窄。因此，树脂部30会难以进入两个半导体元件10之间的空间。优选面积比率r1小于78.5％。进一步优选面积比率r1为39.3％以下。

另一方面，在粘接部25的弹性模量d1低的情况下，当面积比率r1为4.9％或8.6％时，容易发生温度循环试验(第2评价结果e2)中的凸块连接不良。若面积比率r1过低，则通过设置粘接部25而产生的应力的缓和的效果会变差。优选面积比率r1比8.6％高。进一步优选面积比率r1为11％以上。

如图3的(a)所示，在粘接部25的弹性模量d1低的情况下、在树脂部30的弹性模量d2为12gpa的情况下，在吸湿以及回流试验(第1评价结果e1)中会发生封装裂纹。当树脂部30的弹性模量d2为15gpa、30gpa或35gpa时，在吸湿以及回流试验(第1评价结果e1)中不发生封装裂纹。

例如，树脂部30在23℃时的弹性模量d2为15gpa以上30gpa以下时，在吸湿以及回流试验(第1评价结果e1)、温度循环试验(第2评价结果e2)以及未填充(第3评价结果e3)中，得到良好的结果。在实施方式中，例如，优选树脂部30在23℃时的弹性模量d2(第2弹性模量)为15gpa以上且30gpa以下。

例如，优选树脂部30在23℃时的第2弹性模量为粘接部25在23℃时的第1弹性模量的1.5倍以上且60倍以下。在第1～第3评价结果e1～e3中，得到良好的结果。在第2弹性模量与第1弹性模量之差大的情况下，第2弹性模量的测定法与第1弹性模量的测定法也可以相互不同。

图4的(a)～图4的(f)是例示实施方式所涉及的其它的半导体装置的示意性剖视图。

如图4的(a)所示，如实施方式所涉及的其它的半导体装置111那样，第1半导体元件11和第2半导体元件12的元件组的位置在多个半导体元件10中是任意的。在该例中，第1半导体元件11位于多个半导体元件10中的最上层。

如图4的(b)所示，在实施方式所涉及的其它的半导体装置112中，未设置有第3半导体元件13(尺寸不同的元件)。

如图4的(c)所示，在实施方式所涉及的其它的半导体装置113中，引线框16(参照图1的(b))被省略。

如图4的(d)所示，在实施方式所涉及的其它的半导体装置114中，在第3半导体元件13(尺寸不同的元件)与布线基板40之间，配置有第1半导体元件11以及第2半导体元件12。

如图4的(e)所示，在实施方式所涉及的其它的半导体装置115中，未设置有第3半导体元件13(尺寸不同的元件)，引线框16被省略。

如图4的(f)所示，在实施方式所涉及的其它的半导体装置116中，在第3半导体元件13(尺寸不同的元件)与布线基板40之间，配置有第1半导体元件11以及第2半导体元件12。另外，多个半导体元件10中的1个与布线基板40实质上相接触。

这样，在实施方式中，多个半导体元件10的构成可以进行各种变形。

以下，对于实施方式所涉及的半导体装置的制造方法的例子进行说明。以下，对于制造半导体装置110的情况进行说明。

图5的(a)～图5的(d)是例示实施方式所涉及的半导体装置的制造方法的工序顺序示意性剖视图。

如图5的(a)所示，将多个半导体元件10层叠而形成层叠体15。在它们之间，设置凸块21以及粘接部25。在该例中，层叠体15设置在引线框16之上。

如图5的(b)所示，准备布线基板40。在该例中，在布线基板40的一部分之上设置有连接部件43。连接部件43也可以设置于层叠体15。

如图5的(c)所示，将层叠体15与布线基板40层叠。它们之间通过连接部件43来电连接。由此，得到加工体110a。本实施方式所涉及的半导体装置的制造方法也可以包括准备这种加工体110a的工序。

加工体110a包括：第1半导体元件11、第2半导体元件12、凸块21和粘接部25。第2半导体元件12设置在布线基板40与第1半导体元件11之间。凸块21设置在第1半导体元件11与第2半导体元件12之间，将第1半导体元件11与第2半导体元件12电连接。粘接部25设置在第1半导体元件11与第2半导体元件12之间，将第1半导体元件11与第2半导体元件12粘接。粘接部25具有第1弹性模量。

如图5的(d)所示，在这种加工体110a的、第1半导体元件11与第2半导体元件12之间、以及第1半导体元件11和第2半导体元件12的周围，形成树脂部30。树脂部30具有比第1弹性模量高的第2弹性模量。

之后，根据需要形成连接部件45。由此，能够形成半导体装置110。根据实施方式，能够提供容易得到稳定的连接的半导体装置的制造方法。

根据实施方式，能够提供可容易得到稳定的连接的半导体装置及其制造方法。

此外，在本申请说明书中，“垂直”以及“平行”不仅是严格的垂直以及严格的平行，例如包含制造工序中的偏差等，只要是实质上垂直以及实质上平行即可。

以上，一边参照具体例，一边对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明的实施方式不限定于这些具体例。例如，关于半导体装置所含的布线基板、半导体元件、凸块、粘接部以及树脂部等各要素的具体的构成，只要通过从本领域技术人员所公知的范围中进行适当选择，而能够将本发明同样地实施、得到同样的效果，就包含于本发明的范围。

另外，在技术可行的范围将各具体例的任意两个以上的要素组合而成的具体例，只要包含本发明的要旨，则也包含于本发明的范围。

此外，以作为本发明的实施方式的上述的半导体装置及其制造方法为基础，本领域技术人员通过适当设计变更而可以实施的所有的半导体装置及其制造方法，只要包含本发明的要旨，则也属于本发明的范围。

此外，只要是本领域技术人员就应了解：在本发明的思想的范畴内，可以想到各种变形例以及修正例，这些变形例以及修正例也属于本发明的范围。

对本发明的几个实施方式进行了说明，但这些实施方式是作为例子被提示的，并不旨在限定发明的范围。这些新颖的实施方式可以以其它的各种方式被实施，在不脱离发明的要旨的范围内，能够进行各种省略、置换、和变形。这些实施方式和其变形包含于发明的范围和要旨中，并且包含于与权利要求书所记载的发明及其等同的范围内。