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JP5532744B2 - マルチチップモジュール及びマルチチップモジュールの製造方法 - Google Patents

マルチチップモジュール及びマルチチップモジュールの製造方法 Download PDF

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JP5532744B2 JP2009191283A JP2009191283A JP5532744B2 JP 5532744 B2 JP5532744 B2 JP 5532744B2 JP 2009191283 A JP2009191283 A JP 2009191283A JP 2009191283 A JP2009191283 A JP 2009191283A JP 5532744 B2 JP5532744 B2 JP 5532744B2
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Description

本件は、マルチチップモジュール及びマルチチップモジュールの製造方法に関する。
異なる製造プロセスで製造されたシリコンチップを、基板上に複数個搭載した、マルチチップモジュール(MCM:multi chip module)と呼ばれる半導体チップモジュールが、従来から存在している。このマルチチップモジュールでは、シリコンチップとして、むき出しの状態のベアチップが用いられており、各ベアチップをセラミックやビルドアップ基板等に形成した配線で接続していた(例えば、特許文献1参照)。
また、マルチチップモジュールにおいては、チップが動作する際に大きな熱が発生するため、予めビルドアップ基板を研磨や研削によって薄層にしておき、放熱性を高めるような工夫がなされていた(例えば、特許文献2参照)。
特開平6−283661号公報 特開平7−37840号公報
しかしながら、上記特許文献2のような方法を用いても、チップの動作時に発生する熱の全てをマルチチップモジュールから取り除くことはできない。このため、当該熱が、チップや基板、あるいは基板に設けられるその他の部材を熱膨張させ、変形させるおそれがある。この熱膨張による変形は、各部材の疲労破壊を引き起こし、マルチチチップモジュールの寿命の短縮を招くおそれがある。
そこで本件は上記の課題に鑑みてなされたものであり、熱による配線基板への影響を低減することが可能なマルチチップモジュールを提供することを目的とする。また、熱による配線基板への影響が低減されたマルチチップモジュールの歩留まりを向上することが可能なマルチチップモジュールの製造方法を提供することを目的とする。
本明細書に記載のマルチチップモジュールは、複数の配線層を有する有機パッケージ基板と、前記有機パッケージ基板上に配置され、シリコン基板と、配線パターンが形成される絶縁層とを有する配線基板と、前記有機パッケージ基板と前記配線基板との電気的な接続を維持しつつ、前記有機パッケージ基板と前記配線基板との間で両基板に対して面で接触し、該両基板間を接着する接着層と、前記配線基板の前記接着層とは反対側の面に接続された複数のチップと、を備え、前記配線基板の膨張率α、前記有機パッケージ基板の膨張率β、前記接着層の膨張率γの大小関係が、α<γ<βであるマルチチップモジュールである。
本明細書に記載のマルチチップモジュールの製造方法は、シリコン基板と、配線パターンが形成される絶縁層とを有し、熱膨張率がαの配線基板を平板状部材に固定する工程と、前記平板状部材に固定された前記配線基板と、熱膨張率がβ(β>α)で複数の配線層を有する有機パッケージ基板との間で、熱膨張率がγ(α<γ<β)の接着層を挟む工程と、前記配線基板と前記有機パッケージ基板との間で両基板に対して面で接触する接着層により、前記配線基板と前記有機パッケージ基板とを接着する工程と、前記配線基板から、前記平板状部材を除去する工程と、前記配線基板に、複数のチップを接続する工程と、を含むマルチチップモジュールの製造方法である。
本明細書に記載のマルチチップモジュールは、熱による配線基板への影響を低減することができるという効果を奏する。また、本明細書に記載のマルチチップモジュールの製造方法は、熱による配線基板への影響が低減されたマルチチップモジュールの歩留まりを向上することができるという効果を奏する。
一実施形態に係るマルチチップモジュールを模式的に示す断面図である。 シリコンインタポーザの一部を拡大して示す図である。 接着シート近傍を拡大して示す図である。 LSIチップの配置を示す平面図である。 図5(a)は、LSIチップの拡大図であり、図5(b)は、LSIチップ間の接続状態を示す図である。 マルチチップモジュールの製造方法を説明するための図(その1)である。 マルチチップモジュールの製造方法を説明するための図(その2)である。 マルチチップモジュールの製造方法を説明するための図(その3)である。 マルチチップモジュールの製造方法を説明するための図(その4)である。
以下、マルチチップモジュール及びマルチチップモジュールの製造方法の一実施形態について、図1〜図9に基づいて詳細に説明する。図1には、一実施形態にかかるマルチチップモジュール100の断面図が模式的に示されている。この図1に示すように、マルチチップモジュール100は、マザーボード200に対して、ハンダバンプ210を介して、固定されている。
マルチチップモジュール100は、ベース基板10と、シリコンインタポーザ20と、チップとしての4つのLSIチップ30A〜30D(LSIチップ30C,30Dについては図4参照)と、ヒートスプレッダ50と、を備える。
ベース基板10は、ビルドアップ基板とも呼ばれている。このベース基板10は、例えば、一辺が30mm程度で、面積が900mm2以上の大きさを有している。ベース基板10は、コア基板と呼ばれる例えば4層の配線層を形成した基板(有機パッケージ基板)の、表面及び裏面にそれぞれ1層から3層の配線層を形成した多層プリント基板である。基板の材料としては、例えば、エポキシ樹脂やポリイミドなどが用いられている。また、配線の材料としては、例えば、銅が用いられている。ベース基板10の膨張率はβ(βは、例えば19ppm)とされている。
シリコンインタポーザ20は、シリコン基板22と、該シリコン基板22の上面に設けられた配線層24とを有する。シリコン基板22及び配線層24は、例えば、一辺が30mm程度で、面積が900mm2以上の大きさを有している。また、シリコンインタポーザ20全体で、0.6mm以下の厚さを有している。図2には、シリコンインタポーザ20の一部が拡大して示されている。この図2に示すように、シリコン基板22には、複数のビア穴22aが上下方向に貫通形成されている。このビア穴22aには、メッキにより銅などの金属が埋め込まれている。シリコン基板22には、更にビア穴22aを塞ぐような状態で、ランド22bが形成され、その上から配線層24が形成される。配線層24は、基板22上に積層された絶縁層と、半導体露光装置等の半導体製造装置を用いて絶縁層に形成された配線パターン26a及びビア穴26bと、を有する。配線パターン26aの間隔aは、たとえば、50μm以下のファインピッチとされている。また、ビア穴26bの間隔bは、およそ150〜200μm程度のピッチとされている。このビア穴26bは、銅などの金属によりメッキ(穴埋め)されている。配線層24の上面には、配線パターン26a及びビア穴26bを塞ぐような状態で、ランド26cが形成されている。
シリコンインタポーザ20は、図1に示すように、ベース基板10の上面に、接着層としての接着シート18を介して固定されている。このシリコンインタポーザ20の膨張率はα(α<βであり、αは例えば3ppm)とされている。
接着シート18は、例えば、一辺が30mm程度で、面積が900mm2以上の大きさを有し、0.1mm以下の厚さを有している。この接着シート18は、図3に拡大して示すように、接着シート本体118と、接着シート本体118の孔部118aに充填された導電性樹脂120と、を有する。接着シート本体118の孔部118aは、レーザ等を用いて穿孔されている。接着シート18の熱膨張率はγ(α<γ<β)とされている。この接着シート18は、ベース基板10とシリコンインタポーザ20に対して、面で接触している。
LSIチップ30A〜30Dは、シリコンウエハに回路パターンを形成したものであり、図4の平面図に示すように、それぞれが近接して配置されている。ここで、前述したシリコンインタポーザ20の配線パターン26aは、図4においてハッチングを付した領域220内に配置されている。領域220は、例えば10mm×10mmの正方形領域である。
図5(a)には、LSIチップ30A〜30Dが拡大して示されている。この図5(a)に示すように、LSIチップ30A〜30Dは、その下面に、密に配置された第1のパッド32aと、第1のパッド32aよりも粗に配置された第2のパッド32bとを有している。第1のパッド32aは、図1に示すようにハンダバンプ140を介して、配線パターン26aに接続されている。具体的には、LSIチップ間の接続状態を示す図5(b)から分かるように、本実施形態では、LSIチップ30Aと、LSIチップ30B,30Dとの間が配線パターン26aにより接続されている。また、LSIチップ30Cと、LSIチップ30B,30Dとの間が配線パターン26aにより接続されている。第2のパッド32bは、ハンダバンプ140を介して、ビア穴26bに接続されている。なお、LSIチップ30A〜30Dと、シリコンインタポーザ20との間の隙間は、図1に示すように、樹脂38により封止されている。
ヒートスプレッダ50は、熱伝導用接合材(TIM:Thermal Injection Material)40を間に介在させて、LSIチップ30A〜30Dに接合されている。ヒートスプレッダ50は、例えば銅などの金属を材料とし、LSIチップ30A〜30Dにおいて発生した熱を放散する機能を有している。
以上のように構成されるマルチチップモジュール100では、LSIチップ30A〜30Dが、シリコンインタポーザ20の配線パターン26aにより接続されている。また、LSIチップ30A〜30Dは、シリコンインタポーザ20のビア穴26b,22a、及び接着シートの導電性樹脂120を介して、ベース基板10と電気的に接続されている。したがって、LSIチップ30A〜30Dそれぞれは、ベース基板10との電気的な接続を確保しつつ、他のLSIチップとの電気的な接続が可能となっている。
次に、上記マルチチップモジュール100の製造方法について、図6〜図9に基づいて説明する。
まず、図6(a)に示すように、所定厚さのシリコンウエハ(基板22)を用意し、図6(b)に示すように、エッチングにより、ビア穴22aとなる穴122aを基板22に形成する。この場合の穴122aは、基板22を貫通していても良いし、貫通していなくても良い。なお、図6(b)では、穴122aは貫通していない状態を示している。
次いで、図6(c)に示すように穴122aを銅などの金属でメッキして穴埋めし、図6(d)に示すように、基板22上に配線層24を形成する。この場合、基板22上に絶縁層を積層した後、半導体露光装置等の半導体製造装置を用いて絶縁層に配線パターン26a及びビア穴26bを形成することで配線層24が形成される。したがって、配線パターン26aは非常にピッチが細かいパターンである。
次いで、図6(e)に示すように、接着力が弱い接着剤(例えば、ワックスなど)130を、配線層24の上面のうち、パターンが形成されていない部分に塗布する。次いで、図7(a)に示すように、図6(e)において塗布した接着剤130を用いて、平板状のキャリア150を配線層24上面に固定する。キャリア150としては、ガラスやセラミックなどの平板状部材を用いることができる。
次いで、図7(b)に示すように、基板22の下面を研磨して、基板22を所望の厚さに設定する。この段階で、基板22を貫通していなかった穴122aは、基板22を貫通し、ビア穴22aとなる。なお、図7(b)に示す構造体を、シリコンインタポーザユニット20’と呼ぶものとする。
次に、図7(c)に示すように、シリコンインタポーザユニット20’を、接着シート18を間に介在させてベース基板10上に搭載する。この場合、接着シート18は、接着シート本体118から導電性樹脂120がはみ出した状態となっている。そして、図8(a)に示すように、上下方向から、加圧・加熱することにより、接着シート18による、ベース基板10とシリコンインタポーザユニット20’との間の接着が完了する。加熱は、おおよそ170℃程度の温度で行われる。この接着が完了した状態では、導電性樹脂120が基板22とベース基板10とを電気的に接続する。
次いで、図8(b)に示すように、キャリア150を除去する。この場合、キャリア150は、ワックスなどの接着力の弱い接着剤130により、シリコンインタポーザ20に接着されていたので、容易に除去することが可能である。
次いで、図9(a)に示すように、LSIチップ30A〜30Dを、ハンダバンプ140を介してシリコンインタポーザ20上に固定する。その後は、図9(b)に示すように、TIM40を介してヒートスプレッダ50を設けることで、マルチチップモジュール100の製造が完了する。
以上詳細に説明したように、本実施形態によると、マルチチップモジュールは、ベース基板10上に配置された、配線パターン26aを有するシリコンインタポーザ20と、ベース基板10及びシリコンインタポーザ20の電気的な接続を維持しつつベース基板10とシリコンインタポーザ20との間を接着する接着シート18と、を備えており、シリコンインタポーザ20の膨張率α、ベース基板10の膨張率β、接着シートの膨張率γの大小関係が、α<γ<βとされている。したがって、シリコンインタポーザ20とベース基板10との熱膨張差を接着シート18が吸収することができる。より詳細には、シリコンインタポーザ20とベース基板10とが直接接触しているような場合には、その膨張率の差により、シリコンインタポーザ20のベース基板10と対向する面が変形等して疲労破壊が生じるおそれがあるが、シリコンインタポーザ20とベース基板10との間に接着シート18を設けることで、シリコンインタポーザ20のベース基板10と接触する面の変形を抑制し、シリコンインタポーザ20の疲労破壊の発生を抑制することができる。これにより、熱によるシリコンインタポーザ20への影響を低減することができるので、マルチチップモジュール100の長寿命化を図ることが可能となる。
また、本実施形態では、接着シート18が、ベース基板10とシリコンインタポーザ20に対して面で接触している。したがって、シリコンインタポーザ20に対して複数の点で接触するような場合と比較して、シリコンインタポーザ20の変形を抑制することができる。これにより、シリコンインタポーザ20の破損や性能低下を抑制することができる。
また、本実施形態では、接着シート18を用いてベース基板10とシリコンインタポーザ20との間を接着するため、ハンダを用いて接着する場合と比較して、接着時に必要とする温度を低くすることができる。具体的には、ハンダを用いた接着時に必要な温度がおおよそ210℃であるのに対し、接着シート18を用いた接着時に必要な温度がおおよそ170℃である。このため、接着時における、シリコンインタポーザ20やベース基板10への熱の影響を低減することができるので、この点からも、各部材20,10の変形を抑制することができる。
また、本実施形態では、接着シート18の少なくとも一部に、ベース基板10とシリコンインタポーザ20との電気的な接続を維持するための導電性樹脂120が埋め込まれている。したがって、接着シート18をベース基板10とシリコンインタポーザ20との間に挟みこむのみで、ベース基板10とシリコンインタポーザ20との間の電気的な接続を実現することができる。
また、本実施形態では、上記マルチチップモジュールを製造するにあたり、シリコンインタポーザ20を平板状部材としてのキャリア150に固定し、当該キャリア150が固定されたシリコンインタポーザ20(シリコンインタポーザユニット20’)と、ベース基板10との間で、接着シート18を挟んで接着する。そして、当該接着後に、シリコンインタポーザ20からキャリア150を除去して、複数のLSIチップ30A〜30Dをシリコンインタポーザ20に接続する。このように、キャリア150をシリコンインタポーザ20に固定した構造体(20’)を、接着シート18を介してベース基板10に固定するので、取り扱いが難しく破損等が生じやすいシリコンインタポーザ20を、ベース基板10に簡易に固定することができる。
また、本実施形態では、複数のLSIチップ30A〜30Dをベース基板とは別に製造したシリコンインタポーザ20で電気的に接続している。この場合、シリコンインタポーザ20の配線パターンを微細パターンとすることができる。これにより、配線パターンの短縮化ができるとともに、LSIチップ間の間隔を狭めることができる。このため、4つのLSIチップを、1つの擬似的な大型のLSIチップとして取り扱うことが可能となる。この場合、大型のLSIチップを製造するための露光装置や大型のマスクを用意する必要が無いので、所望の性能のマルチチップモジュールを、低コストで製造することができる。
また、本実施形態では、配線仕様によるチャネルエリア確保の必要がないので、チップ間の間隔を狭くすることができる。更に、チップ間の間隔を狭くすることで配線長を短くすることができるため、LSIチップ間における高速な伝送が可能である。また、配線長の短縮化により、LSIのドライバをLSI内部のものと同一仕様とすることができるため、LSI自体の小型化も図ることができる。
なお、上記実施形態では、ベース基板が有機パッケージ基板である場合について説明したが、これに限らず、その他の材料の基板を用いることとしても良い。ただし、この場合にも、接着シートの熱膨張率が、ベース基板の熱膨張率と、シリコンインタポーザ20の熱膨張率との間の値である必要がある。
なお、上記実施形態では、LSIチップが4つ設けられた場合について説明したが、これに限らず、LSIチップは任意の数(複数)設けることとしても良い。
また、上記実施形態では、チップとして、LSIチップを用いることとしたが、これに限らず、その他のチップを用いることとしても良い。また、上記実施形態では、配線基板としてシリコンインタポーザを用いることとしたが、これに限らず、シリコン以外の基板を用いても良い。
上述した実施形態は本発明の好適な実施の例である。但し、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施可能である。
10 ベース基板
18 接着シート(接着層)
20 シリコンインタポーザ(配線基板)
30A〜30D チップ(LSIチップ)
100 マルチチップモジュール
120 導電性樹脂
150 キャリア(平板状部材)

Claims (3)

  1. 複数の配線層を有する有機パッケージ基板と、
    前記有機パッケージ基板上に配置され、シリコン基板と、配線パターンが形成される絶縁層とを有する配線基板と、
    前記有機パッケージ基板と前記配線基板との電気的な接続を維持しつつ、前記有機パッケージ基板と前記配線基板との間で両基板に対して面で接触し、該両基板間を接着する接着層と、
    前記配線基板の前記接着層とは反対側の面に接続された複数のチップと、を備え、
    前記配線基板の膨張率α、前記有機パッケージ基板の膨張率β、前記接着層の膨張率γの大小関係が、α<γ<βであることを特徴とするマルチチップモジュール。
  2. 前記接着層の少なくとも一部には、前記有機パッケージ基板と前記配線基板との電気的な接続を維持するための導電性樹脂が埋め込まれていることを特徴とする請求項1に記載のマルチチップモジュール。
  3. シリコン基板と、配線パターンが形成される絶縁層とを有し、熱膨張率がαの配線基板を平板状部材に固定する工程と、
    前記平板状部材に固定された前記配線基板と、熱膨張率がβ(β>α)で複数の配線層を有する有機パッケージ基板との間で、熱膨張率がγ(α<γ<β)の接着層を挟む工程と、
    前記配線基板と前記有機パッケージ基板との間で両基板に対して面で接触する接着層により、前記配線基板と前記有機パッケージ基板とを接着する工程と、
    前記配線基板から、前記平板状部材を除去する工程と、
    前記配線基板に、複数のチップを接続する工程と、を含むマルチチップモジュールの製造方法。
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