JP2014229831A - 半導体装置とその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】記憶容量の大きな複数の半導体チップを配線基板にフリップチップ実装する。【解決手段】半導体装置100は、複数の接続パッド112を有する配線基板102と、略長方形面を有し、短辺側に電極パッド116が形成され、配線基板102の上に配置されるメモリチップ104と、略長方形面を有し、短辺側に電極パッド118が形成され、メモリチップ104の上に配置されるメモリチップ106と、メモリチップ104,106を覆う封止樹脂134を含む。メモリチップ106の長軸方向はメモリチップ104の長軸方向と略直交する。メモリチップ106は、配線基板102における接続パッド112とバンプ電極126を介して接続される。【選択図】図1
Description
本発明は、フリップチップ実装された半導体チップを備える半導体装置とその製造方法に関する。
近年、配線基板に複数の半導体チップをフリップチップ実装した半導体装置が提案されている(特許文献1,2参照)。PoP(Package on Package)とよばれるタイプの半導体装置では、通常、ロジックチップを搭載した配線基板の上に、メモリチップを搭載した配線基板を接続する。PoPタイプの半導体装置でも、大容量化と薄型化の要求に応えるためにフリップチップ実装が検討されている。
特許文献1では、配線基板(実装基板)の上に複数の半導体チップ(電子デバイス)が積層され、各半導体チップはバンプ電極を介して配線基板と接続されている。ただし、特許文献1においては、配線基板に積層される複数の半導体チップは、下段ほど小さく、上段ほど大きなサイズであることが前提となっている。特許文献2においても同様である。このため、複数種類の半導体チップを製造する必要があるだけでなく、下段の半導体チップの記憶容量が上段の半導体チップの記憶容量よりも小さくなってしまうという問題がある。
また、フリップチップ実装される半導体チップは、配線基板と封止樹脂の熱膨張係数の違いに起因する応力を受ける。特許文献2のように上下の半導体チップを直接接合すると、一方の半導体チップが受ける応力が他方の半導体チップにもダイレクトに加わるため、配線基板と半導体チップのバンプ結合が破断してしまうリスクがある。
本発明に係る半導体装置は、複数の第1の接続パッドを設置された第1の配線基板と、略長方形面を有し、短辺側に第1の電極パッドが形成され、第1の配線基板の上に配置される第1の半導体チップと、略長方形面を有し、短辺側に第2の電極パッドが形成され、第1の半導体チップの上に配置される第2の半導体チップと、第1および第2の半導体チップを覆う封止樹脂と、を備える。第1の半導体チップの長軸方向は第2の半導体チップの長軸方向と略直交する。第2の半導体チップにおける第2の電極パッドは、第1の配線基板における第1の接続パッドと第2のバンプ電極を介して接続される。
本発明に係る半導体装置の製造方法は、第1の配線基板に複数の第1の接続パッドを形成するステップと、略長方形面を有し、短辺側に第1の電極パッドが形成される第1の半導体チップを第1の配線基板の上に設置し、第1の電極パッドと第1の接続パッドを接続するステップと、略長方形面を有し、短辺側に第2の電極パッドが形成される第2の半導体チップを第1の半導体チップの上に設置し、第2の電極パッドと第1の接続パッドを接続するステップと、封止樹脂により第1および第2の半導体チップを覆うステップと、を備える。第2の半導体チップの長軸方向は第1の半導体チップの長軸方向と略直交し、第2の半導体チップにおける第2の電極パッドは、第1の配線基板の第1の接続パッドと第2のバンプ電極を介して接続される。
本発明によれば、記憶容量の大きな複数の半導体チップを省サイズにて配線基板にフリップチップ実装させやすくなる。また、各半導体チップにかかる応力を抑制しやすい。
以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。
[第1実施形態]
図1は、第1実施形態における半導体装置100の平面図である。図2は、図1のA−A’線における半導体装置100の断面図である。半導体装置100は、配線基板102(第1の配線基板)とその上に積層されるメモリチップ104(第1の半導体チップ)とメモリチップ106(第2の半導体チップ)を含む。配線基板102は、ガラスエポキシ基板などの絶縁基材108の表面に配線パターンが形成された厚さ90μm程度の基板である。絶縁基材108の両面は絶縁膜110(ソルダーレジスト膜)に覆われる。配線パターンのほとんどは絶縁膜110により覆われるが、一部はSR開口部122から露出する。この露出した配線パターンが接続パッド112(第1の接続パッド)およびランド114である。ランド114は、メモリチップ104,106が配置される領域を囲むように2列で配置される。絶縁基材108を貫通するスルーホール導体により、接続パッド112とランド114は電気的に接続される。ランド114には、はんだボール136(外部端子)が接続される。
図1は、第1実施形態における半導体装置100の平面図である。図2は、図1のA−A’線における半導体装置100の断面図である。半導体装置100は、配線基板102(第1の配線基板)とその上に積層されるメモリチップ104(第1の半導体チップ)とメモリチップ106(第2の半導体チップ)を含む。配線基板102は、ガラスエポキシ基板などの絶縁基材108の表面に配線パターンが形成された厚さ90μm程度の基板である。絶縁基材108の両面は絶縁膜110(ソルダーレジスト膜)に覆われる。配線パターンのほとんどは絶縁膜110により覆われるが、一部はSR開口部122から露出する。この露出した配線パターンが接続パッド112(第1の接続パッド)およびランド114である。ランド114は、メモリチップ104,106が配置される領域を囲むように2列で配置される。絶縁基材108を貫通するスルーホール導体により、接続パッド112とランド114は電気的に接続される。ランド114には、はんだボール136(外部端子)が接続される。
メモリチップ104とメモリチップ106は、配線基板102の中央部に搭載される。本実施形態におけるこれらのメモリチップは、サイズも記憶容量も同じDRAM(Dynamic Random Access Memory)のメモリチップであるとする。メモリチップ104およびメモリチップ106は、図1に示すように長方形面を有する板状のチップである。メモリチップ104,106は、いずれもシリコン基板の一面にメモリ回路が形成され、それぞれの短辺には複数の電極パッド116(第1の電極パッド)、電極パッド118(第2の電極パッド)が配列される。
メモリチップ104の長軸方向とメモリチップ106の長軸方向は略直交する。このため、メモリチップ106はその長軸方向においてメモリチップ104から部分的にオーバーハングしている(オーバーハング部120)。
図3は、メモリチップ104の斜視図である。メモリチップ104は、短辺側に形成される電極パッド116の上に、バンプ電極124(第1のバンプ電極)が設置される。バンプ電極124の高さはたとえば20μm程度である。
図4は、メモリチップ106の斜視図である。メモリチップ106も、短辺側に形成された電極パッド118の上に、バンプ電極126(第2のバンプ電極)が設置される。バンプ電極126の高さは100μm程度である。
図5(a)および図5(b)は、バンプ電極124およびバンプ電極126の断面図である。バンプ電極124とバンプ電極126は高さおよび直径が異なるが、それ以外の構造・材質は同じである。バンプ電極126の直径はバンプ電極124のそれよりも大きい。バンプ電極124の配線抵抗とバンプ電極126の配線抵抗が同程度となるように、それぞれの高さおよび直径を設定することが望ましい。
バンプ電極124,126以外の部分は保護膜132により覆われる。バンプ電極124やバンプ電極126は、材質は銅でありピラー形状を有する。バンプ電極124,126の先端にははんだ層128,130が形成される。図1に示すように、メモリチップ104は、バンプ電極124が形成される面を配線基板102に対向させるように配線基板102に搭載される。バンプ電極124の先端のはんだ層128は、SR開口部122から露出する接続パッド112と接続される。
同様に、メモリチップ106も、バンプ電極126が形成される面を配線基板102に対向させるように配線基板102に搭載される。バンプ電極126の先端のはんだ層130も、SR開口部122から露出する接続パッド112と接続される。
メモリチップ106(上側)のバンプ電極126は、メモリチップ104(下側)のバンプ電極124よりも高く、かつ、メモリチップ106はメモリチップ104に対してオーバーハングしている。このため、図1に示すようにメモリチップ104とメモリチップ106は互いに接触することなくバンプ電極124とバンプ電極126にてそれぞれ配線基板102と接続される。
以上の構成より、各メモリチップ104,106は、バンプ電極、接続パッド112を介してはんだボール136と接続される。
メモリチップ104,106は、熱硬化性樹脂である封止樹脂134により覆われる。封止樹脂134は、たとえば、MUF(Mold Underfill)である。封止樹脂134はまた、メモリチップ104とメモリチップ106の隙間にも充填される。封止樹脂134は、10μm未満の大きさのフィラーを含むエポキシ樹脂であってもよい。この場合、メモリチップ104とメモリチップ106の隙間はフィラーの径の2倍程度である約20μm以上を確保することが望ましい。同様に、メモリチップ104と配線基板102の隙間にも封止樹脂134が充填される。
なお、MUFに限らず、UF(Underfill)やNCF(Non-conductive Film)、NCP(Non-conductive Paste)などの樹脂部材を隙間に充填し、全体を封止樹脂134で覆ってもよい。
メモリチップ104,106はいずれもバンプ電極により配線基板102と接続されるため、ボンディングワイヤをメモリチップ104,106から引き出す必要がない。このため、配線基板102に面積の大きなメモリチップ、いいかえれば大容量のメモリチップを搭載しやすい。また、ボンディングワイヤを使わないので、2つのメモリチップ104,106それぞれから配線基板102までの配線長がほとんど等しい。バンプ電極126の高さがバンプ電極124よりも高くなる代わりに、バンプ電極126の直径をバンプ電極124の直径よりも大きくすることにより、バンプ電極124およびバンプ電極126の配線抵抗を同程度に設定できる。
メモリチップ104に対してメモリチップ106をハングオーバーさせることにより、メモリチップ104のバンプ電極124が配列される領域とメモリチップ106のバンプ電極126が配列される領域を分離できる。配線基板102において配線が密集しないので、配線基板102の製造歩留まりの向上にも資する。
メモリチップ104とメモリチップ106は直接接触することなく、封止樹脂134を介して間接的に接触している。このため、封止樹脂134と配線基板102の熱膨張係数の違いに起因する応力をメモリチップ104が受けたときでも、その応力がメモリチップ106に直接伝わることがない。逆もまた同じである。
メモリチップ104よりも上のメモリチップ106については、メモリチップ106を支えるバンプ電極126を太くしているため、メモリチップ106と配線基板102との接続を安定させることができる。
図6は、ロジックチップ148およびメモリチップ104,106を搭載した半導体装置101の断面図である。半導体装置100は、メモリ部160とロジック部162を含む。メモリ部160の構造は、図1に関連して説明した通りである。ロジック部162は、配線基板138(第2の配線基板)とロジックチップ148(第3の半導体チップ)を含む。図6に示す半導体装置101は、1つのロジックチップ148により2枚のメモリチップ104,106をコントロールする。
配線基板138も、ガラスエポキシ基板などの絶縁基材144の表面に配線パターンが形成された厚さ90μm程度の基板である。絶縁基材144の両面は絶縁膜142(ソルダーレジスト膜)に覆われる。配線パターンのほとんどは絶縁膜142により覆われるが、一部は露出する。この露出した配線パターンが接続パッド154、ランド146,140である。絶縁基材144を貫通するスルーホール導体により、上面の接続パッド112やランド146は、下面のランド140と電気的に接続される。ランド140には、はんだボール158が接続される。
ロジックチップ148は、配線基板138の中央部に搭載される。本実施形態におけるロジックチップ148は、DRAMの各種制御回路を搭載した半導体チップである。ロジックチップ148の表面には、電極パッド150とバンプ電極152が形成される。ロジックチップ148は、電極パッド150やバンプ電極152を介して接続パッド154、ランド140およびはんだボール158と接続される。ロジックチップ148と絶縁基材144の隙間はアンダーフィル156により埋められる。
メモリ部160のはんだボール136は、ロジック部162のランド146とも接続される。ここで、メモリ部160のはんだボール136はロジックチップ148が配線基板102の裏面に接触しない程度の高さを有する。配線基板102とロジックチップ148の間には隙間があるため、配線基板102にかかる応力がロジックチップ148に直接伝わることがない。また、ロジックチップ148と配線基板102の熱がお互いに伝導するのを防ぐことができる。
次に、図7〜図12により、第1の実施形態における半導体装置100の製造過程を説明する。
まず、図7に示すように、絶縁基材108の表面と裏面には配線パターンが形成され、これらは絶縁膜110により覆われる。絶縁膜110により覆われない部分から露出する配線パターンが接続パッド112やランド114となる。
配線基板102の中央部にメモリチップ104がフリップチップ実装される。このとき、メモリチップ104のバンプ電極124およびはんだ層128が、絶縁基材108の表面に形成された接続パッド112と接続される(図8)。なお、接続パッド112に突起部を設けておけば、メモリチップ104にバンプ電極124を設けておく必要はない。
更に、メモリチップ104の上にメモリチップ106をフリップチップ実装する。図1に関連して説明したように、メモリチップ106の長軸方向とメモリチップ104の長軸方向が直交するように、メモリチップ106の向きを設定する。メモリチップ104のバンプ電極126およびはんだ層130が、接続パッド112と接続される(図9)。
次に、封止樹脂134により、メモリチップ104,106を覆う。その後、封止樹脂134の表面を研削することにより、半導体装置100の厚さを調整する(図10)。配線基板102の裏側にはんだボール136を外部端子として取り付ける(図11)。最後に、ダイシングライン164に沿って封止樹脂134を切断することにより、複数の半導体装置100ができあがる(図12)。
[第2実施形態]
図13は、第2実施形態における半導体装置100の平面図である。図14は、図13のB−B’線における半導体装置100の断面図である。第1実施形態と異なり、第2実施形態の半導体装置100においては、メモリチップ104はバンプ電極124ではなくボンディングワイヤ166により接続パッド112と接続される。ボンディングワイヤ166の材質は、たとえば、金である。また、メモリチップ104と配線基板102は、DAF(Die Attached Film)などの接着部材168により接着される。
図13は、第2実施形態における半導体装置100の平面図である。図14は、図13のB−B’線における半導体装置100の断面図である。第1実施形態と異なり、第2実施形態の半導体装置100においては、メモリチップ104はバンプ電極124ではなくボンディングワイヤ166により接続パッド112と接続される。ボンディングワイヤ166の材質は、たとえば、金である。また、メモリチップ104と配線基板102は、DAF(Die Attached Film)などの接着部材168により接着される。
図15は、メモリチップ104の斜視図である。メモリチップ104は、短辺側に電極パッド116が形成されるがバンプ電極は形成されない。メモリチップ104の裏面には接着部材168が塗布される。上側のメモリチップ106の構造は、図4に説明した内容と同じである。
メモリチップ104は、接着部材168を塗布された面を配線基板102に対向させるように配線基板102に搭載される。メモリチップ104の電極パッド118と、配線基板102の接続パッド112は、ボンディングワイヤ166により電気的に接続される。メモリチップ104と配線基板102は、接着部材168により接着されるため、第1実施形態よりも半導体装置100を薄くできる。また、メモリチップ104の電極パッド118が形成される領域と、メモリチップ106の電極パッド118が形成される領域は重ならない。このため、メモリチップ104のワイヤ接続のために、メモリチップ104とメモリチップ106の隙間を拡げるといった処置は必要とされない。
次に、図16〜図21により、第2の実施形態における半導体装置100の製造過程を説明する。
図16に示すように、絶縁基材108の表面と裏面には配線パターンが形成され、これらは絶縁膜110により覆われる。絶縁膜110により覆われない部分から露出する配線パターンが接続パッド112やランド114となる。配線基板102の中央部にメモリチップ104が接着部材168により接着される(図17)。
更に、メモリチップ104の上にメモリチップ106をフリップチップ実装する。メモリチップ106の長軸方向とメモリチップ104の長軸方向は直交する。メモリチップ104のバンプ電極126およびはんだ層130が、接続パッド112と接続される(図18)。
次に、封止樹脂134により、メモリチップ104,106を覆う。その後、封止樹脂134の表面を研削することにより、半導体装置100の厚さを調整する(図19)。配線基板102の裏側にはんだボール136を外部端子として取り付ける(図20)。最後に、ダイシングライン164に沿って封止樹脂134を切断することにより、複数の半導体装置100ができあがる(図21)。
[第3実施形態]
図22は、第3実施形態における半導体装置100の断面図である。第3実施形態の半導体装置100においては、一部の接続パッド112の上にスタッドバンプ170が形成されている。スタッドバンプ170に高さがあるため、メモリチップ106のバンプ電極126を第1実施形態のそれよりも低くできる。この結果、配線基板102とメモリチップ106の接続を安定させやすくなる。
図22は、第3実施形態における半導体装置100の断面図である。第3実施形態の半導体装置100においては、一部の接続パッド112の上にスタッドバンプ170が形成されている。スタッドバンプ170に高さがあるため、メモリチップ106のバンプ電極126を第1実施形態のそれよりも低くできる。この結果、配線基板102とメモリチップ106の接続を安定させやすくなる。
スタッドバンプ170は、ワイヤボンディング装置などにより形成されてもよいし、接続パッド112の上にめっき等を施すことにより形成されてもよいし、あるいは、導電部材からなるピラーを搭載することにより形成されてもよい。
[第4実施形態]
図23は、第4実施形態における半導体装置100の断面図である。第4実施形態の半導体装置100は、メモリチップ106が露出するまで封止樹脂134が研削されている。半導体装置100はいっそう薄膜化されるだけでなく、メモリチップ106から排熱しやすくなる。
図23は、第4実施形態における半導体装置100の断面図である。第4実施形態の半導体装置100は、メモリチップ106が露出するまで封止樹脂134が研削されている。半導体装置100はいっそう薄膜化されるだけでなく、メモリチップ106から排熱しやすくなる。
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。
配線基板102は、ガラスエポキシ基板等のリジッド(rigid)な基板であってもよいが、ポリイミド等のフレキシブル(flexible)な基板であってもよい。また、配線基板102に搭載される半導体チップは、メモリチップに限らず、略長方形であり、かつ、短辺側に電極パッドを有するものであればどのような種類であってもよい。
100 半導体装置
102,138 配線基板
104,106 メモリチップ
108,144 絶縁基材
110,142 絶縁膜
112,154 接続パッド
114,140,146 ランド
116,118,150 電極パッド
120 オーバーハング部
122 SR開口部
124,126,152 バンプ電極
128,130 はんだ層
132 保護膜
134 封止樹脂
136,158 はんだボール
148 ロジックチップ
156 アンダーフィル
160 メモリ部
162 ロジック部
164 ダイシングライン
166 ボンディングワイヤ
168 接着部材
170 スタッドバンプ
102,138 配線基板
104,106 メモリチップ
108,144 絶縁基材
110,142 絶縁膜
112,154 接続パッド
114,140,146 ランド
116,118,150 電極パッド
120 オーバーハング部
122 SR開口部
124,126,152 バンプ電極
128,130 はんだ層
132 保護膜
134 封止樹脂
136,158 はんだボール
148 ロジックチップ
156 アンダーフィル
160 メモリ部
162 ロジック部
164 ダイシングライン
166 ボンディングワイヤ
168 接着部材
170 スタッドバンプ
Claims (15)
- 複数の第1の接続パッドを有する第1の配線基板と、
略長方形面を有し、短辺側に第1の電極パッドが形成され、前記第1の配線基板の上に配置される第1の半導体チップと、
略長方形面を有し、短辺側に第2の電極パッドが形成され、前記第1の半導体チップの上に配置される第2の半導体チップと、
前記第1および第2の半導体チップを覆う封止樹脂と、を備え、
前記第1の半導体チップの長軸方向は前記第2の半導体チップの長軸方向と略直交し、
前記第2の半導体チップにおける前記第2の電極パッドは、前記第1の配線基板における前記第1の接続パッドと第2のバンプ電極を介して接続されることを特徴とする半導体装置。 - 前記第1の半導体チップにおける前記第1の電極パッドは、前記第1の配線基板における前記第1の接続パッドと前記第2のバンプ電極よりも短い第1のバンプ電極を介して接続されることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
- 前記第1のバンプ電極の直径よりも、前記第2のバンプ電極の直径の方が大きいことを特徴とする請求項2に記載の半導体装置。
- 前記第1の半導体チップにおける前記第1の電極パッドは、前記第1の配線基板における前記第1の接続パッドとボンディングワイヤにより接続されることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
- 前記第1の半導体チップは前記第2の半導体チップとは非接触であることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の半導体装置。
- 前記第1の半導体チップと前記第2の半導体チップは略同一のサイズであることを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載の半導体装置。
- 前記第1の配線基板の主面に前記第1の接続パッドが設置され、裏面に第1の外部端子が配置され、かつ、前記第1の接続パッドと前記第1の外部端子はスルーホール導体により接続されることを特徴とする請求項1から6のいずれかに記載の半導体装置。
- ランドが形成された第2の配線基板と、
前記第2の配線基板の上に配置される第3の半導体チップと、を更に備え、
前記第1の配線基板の前記第1の外部端子は、前記第2の配線基板の前記ランドと接続されることを特徴とする請求項7に記載の半導体装置。 - 前記第2の配線基板の主面に前記ランドが形成され、裏面に第2の外部端子が形成され、かつ、前記ランドと前記第2の外部端子はスルーホール導体により接続されることを特徴とする請求項8に記載の半導体装置。
- 前記第3の半導体チップは、前記第1の配線基板および第2の配線基板の間に配置され、かつ、前記第1の配線基板とは非接触であることを特徴とする請求項8または9に記載の半導体装置。
- 前記第1の配線基板の前記第1の接続パッドにはスタッドバンプが設けられ、前記第2の半導体チップにおける前記第2の電極パッドは、前記第1の配線基板における前記第1の接続パッドと第2のバンプ電極および前記スタッドバンプを介して接続されることを特徴とする請求項1から10のいずれかに記載の半導体装置。
- 前記第2の半導体チップの表面は、前記封止樹脂から露出することを特徴とする請求項1から11のいずれかに記載の半導体装置。
- 複数の第1の接続パッドが形成された第1の配線基板を準備するステップと、
略長方形面を有し、短辺側に第1の電極パッドが形成される第1の半導体チップを前記第1の配線基板の上に設置し、前記第1の電極パッドと前記第1の接続パッドを接続するステップと、
略長方形面を有し、短辺側に第2の電極パッドが形成される第2の半導体チップを前記第1の半導体チップの上に設置し、前記第2の電極パッドと前記第1の接続パッドを接続するステップと、
封止樹脂により前記第1および第2の半導体チップを覆うステップと、を備え、
前記第2の半導体チップの長軸方向は前記第1の半導体チップの長軸方向と略直交し、
前記第2の半導体チップにおける前記第2の電極パッドは、前記第1の配線基板の前記第1の接続パッドと第2のバンプ電極を介して接続されることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記第1の半導体チップにおける前記第1の電極パッドは、前記第1の配線基板における前記第1の接続パッドと第1のバンプ電極を介して接続されることを特徴とする請求項13に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第1の半導体チップにおける前記第1の電極パッドは、前記第1の配線基板における前記第1の接続パッドとボンディングワイヤにより接続されることを特徴とする請求項13に記載の半導体装置の製造方法。
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