JP2007281292A - 半導体デバイスの実装構造 - Google Patents

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Abstract

【課題】パッケージの温度が上昇した場合に、熱がパッケージからパッケージに固定された半導体デバイスに伝わりにくく、パッケージと封止用の蓋とを接合する際の加熱や半導体デバイスの使用時における外部からの温度的外乱に対して、半導体デバイスが熱ダメージを受けることを防止することができる半導体デバイスの実装構造を提供すること。
【解決手段】MEMSデバイス101の下面の全面積よりも小さくなるようにMEMSデバイス側固定パッド104が製作される。これにより、MEMSデバイス101とMEMSデバイス固定用ハンダ107との接合面積及びMEMSデバイス固定用ハンダ107とパッケージ102との接合面積をそれぞれ小さくすることができ、パッケージ102からの熱がMEMSデバイス固定用ハンダ107を介してMEMSデバイス101に伝わりにくい。
【選択図】図1

Description

本発明は、半導体デバイスの実装構造に関する。
センサチップ等の半導体デバイスをパッケージに固定した後に封止する実装構造に関する提案として、例えば特許文献1には、センサチップをパッケージへ固定する際の接合部材の厚みを適切に設計することにより、封止時の加熱や外部温度変化時におけるセンサチップの変形を抑制し、また、封止が行われた後におけるケース内の真空度の維持を両立させることができる技術が提案されている。
特開2004−132792号公報
ここで、特許文献1の手法においては、センサチップをパッケージへ固定する際に、センサチップを固定する側の面の全面に接合部材が接触している。したがって、封止時の加熱の際の熱や、センサチップの使用時における熱的外乱が、センサチップに伝わりやすく、センサチップが熱ダメージを受けてしまう可能性がある。
本発明は上記の問題点に鑑みてなされたもので、パッケージの温度が上昇した場合に、熱がパッケージからパッケージに固定された半導体デバイスに伝わりにくく、パッケージと封止用の蓋とを接合する際の加熱や半導体デバイスの使用時における外部からの温度的外乱に対して、半導体デバイスが熱ダメージを受けることを防止することができる半導体デバイスの実装構造を提供することを目的とする。
上記の目的を達成するために、本発明の第1の態様の半導体デバイスの実装構造は、半導体デバイスと、接合部材を介して前記半導体デバイスが接合されるパッケージと、封止部材を介して前記パッケージに固定される蓋と、を備え、前記パッケージと、前記蓋と、前記封止部材とによって形成される空間内に前記半導体デバイスを包含する雰囲気が封止される半導体デバイスの実装構造であって、前記半導体デバイスと前記接合部材との接合面積及び前記パッケージと前記接合部材との接合面積がそれぞれ、前記半導体デバイスの下面の全面積よりも小さいことを特徴とする。
この第1の態様によれば、半導体デバイスと接合部材との接合面積及びパッケージと接合部材との接合面積をそれぞれ、半導体デバイスの下面の全面積よりも小さくすることにより、半道体デバイスに熱が伝わりにくい。
また、上記の目的を達成するために、本発明の第2の態様の半導体デバイスの実装構造は、半導体デバイスと、半導体デバイス側接合部材を介して前記半導体デバイスが接合される断熱材と、パッケージ側接合部材を介して前記断熱材が接合されるパッケージと、封止部材を介して前記パッケージに固定される蓋と、を備え、前記パッケージと、前記蓋と、前記封止部材とによって形成される空間内に前記半導体デバイスを包含する雰囲気が封止される半導体デバイスの実装構造であって、前記半導体デバイスと前記半導体デバイス側接合部材との接合面積及び前記半導体デバイス側接合部材と前記断熱材との接合面積がそれぞれ、前記半導体デバイスの下面の全面積よりも小さいことを特徴とする。
この第2の態様によれば、半導体デバイスとパッケージとの間に断熱材を介在させることにより、第1の態様よりも更に半道体デバイスに熱が伝わりにくい。
本発明によれば、パッケージの温度が上昇した場合に、熱がパッケージからパッケージに固定された半導体デバイスに伝わりにくく、パッケージと封止用の蓋とを接合する際の加熱や半導体デバイスの使用時における外部からの温度的外乱に対して、半導体デバイスが熱ダメージを受けることを防止することができる半導体デバイスの実装構造を提供することができる。
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
<第1の実施形態>
まず、図1〜図3を参照して本発明の第1の実施形態について説明する。ここで、図1は第1の実施形態に係る半導体デバイスの実装構造を示す断面図である。また、図2は図1に示すMEMSデバイス101の下面図であり、図3は図1に示すパッケージ102の上面図である。
図1に示す半導体デバイスの実装構造において、まず、半導体デバイスであるMEMSデバイス101の下面の所定の位置には、図2に示すようにMEMSデバイス側固定パッド104が製作されている。なお、図2に示すMEMSデバイス側固定パッドの数は図2に示すものに限定されるものではないが、MEMSデバイス側固定パッドの合計の面積がMEMSデバイス101の下面の全面積よりも小さくなるようにする。
ここで、MEMSデバイス側固定パッド104は、例えばNiとAuとが積層された薄膜である。この薄膜は、例えばスパッタリングにより成膜される。このような構成のMEMSデバイス側固定パッド104を介して、MEMSデバイス101はパッケージ102にハンダ接合される。
パッケージ102は、例えばセラミック材料で製作され、減圧雰囲気での封止が可能なパッケージである。なお、ここでの減圧雰囲気とは、少なくとも大気圧よりも減圧されている雰囲気のことを言うものとする。また、図3に示すように、パッケージ102の所定の位置には、ハンダ接合のためのパッドとしてパッケージ側固定パッド105と封止パッド106とがそれぞれ製作されている。
ここで、図3において、パッケージ側固定パッド105は、パッケージ102において、MEMSデバイス101が固定される面の全面に製作されている。しかしながら、パッケージ側固定パッド105の形状は図3に示す形状に限られるものではない。例えば、パッケージ側固定パッドが複数に分割されていても以下に説明する第1の実施形態の効果は変わらない。更に分割されたパッケージ固定側パッドがそれぞれ電気的に分離されていてもよい。
MEMSデバイス101をパッケージ102にハンダ接合する際には、まずパッケージ102のパッケージ側固定パッド105に接合部材であるMEMSデバイス固定用ハンダ107を供給する。そして、MEMSデバイス固定用ハンダ107が供給されたパッケージ側固定パッド105に、MEMSデバイス101のMEMSデバイス側固定パッド104を接触させる。その後に、パッケージ102とMEMSデバイス101とを図示しないヒータにより加熱することにより、MEMSデバイス固定用ハンダ107を溶融させ、パッケージ102にMEMSデバイス101を固定する。
ここで、MEMSデバイス固定用ハンダ107を溶融させるヒータは、高速昇温が可能なパルスヒータを用いることが好ましい。パルスヒータを用いることによりMEMSデバイス101への熱ダメージを最小限に抑えることができる。
また、第1の実施形態においては、MEMSデバイス101を固定する面積、即ちMEMSデバイス側固定パッド104上のMEMSデバイス固定用ハンダ107の面積を、図2に示すようにしてMEMSデバイス101の下面の全面積よりも小さくしている。したがって、パッケージ102からの熱がMEMSデバイス固定用ハンダ107を介してMEMSデバイス101に伝わりにくい。
なお、MEMSデバイス固定用ハンダ107の面積を小さくするためには、MEMSデバイス側固定パッド104の面積を小さくすれば良いが、余り小さくしすぎるとMEMSデバイス101の固定強度が損なわれるおそれがある。したがって、MEMSデバイス側固定パッド104の面積は、MEMSデバイス101の固定強度を確保できる範囲で最小とすることが好ましい。本出願人の実験では、例えばMEMSデバイス側固定パッド104の全面積が、MEMSデバイス101の下面の全面積の1/3程度となるようにしている。
以上説明したように、MEMSデバイス101をパッケージ102に固定する面積を小さくすることにより、MEMSデバイス101への伝熱面積を小さくできる。また、後述する封止工程において、MEMSデバイス101の周辺の空間を減圧雰囲気とすることで、MEMSデバイス101への熱の流入を非常に小さくすることができる。これらのような理由により、封止工程時の加熱の際に生じた熱や外部温度の変化によるMEMSデバイス101の熱ダメージを軽減することができる。
なお、第1の実施形態においては、MEMSデバイス101とパッケージ102とをハンダ接合しているが、金属ペーストを加熱及び加圧して接合するようにしても良い。
次に、図1に示すMEMSデバイス101を減圧雰囲気で封止するための封止工程の説明に移る。
封止工程においては、MEMSデバイス101がMEMSデバイス固定用ハンダ107を介してパッケージ102に固定された状態で、蓋103と封止用ハンダ108とによりMEMSデバイス101を減圧雰囲気で封止する。
このために、まずパッケージ102の封止パッド106に封止部材である封止用ハンダ108を供給する。そして、パッケージ102の全体を包含する雰囲気を減圧して、パッケージ102と蓋103とに囲まれる雰囲気を減圧雰囲気にした状態で、パルスヒータを用いて蓋103の上面とパッケージ102の下面とを加熱することにより、封止用ハンダ108を溶融させる。ここで、第1の実施形態においては、上述した理由により、この加熱の際において生じた熱や外部の温度変化によるMEMSデバイス101の熱ダメージを軽減することができる。
封止用ハンダ108を溶融させた後、パッケージ102と蓋103とを冷却して封止用ハンダ108を凝固させ、パッケージ102外の雰囲気を大気圧に戻すことにより封止工程が終了する。
<第2の実施の形態>
次に、図4〜図7を参照して本発明の第2の実施形態について説明する。ここで、図4は第2の実施形態に係る半導体デバイスの実装構造を示す断面図である。また、図5は図4に示すMEMSデバイス201の下面図である。図6は図4に示すパッケージ202の上面図である。図7は図4に示すパッケージ側金属バンプ207とMEMSデバイス側金属バンプ208を拡大して示す断面図である。
なお、以下の説明において、第1の実施形態と重複する部分については説明を省略する。
図4に示す半導体デバイスの実装構造において、まず、半導体デバイスであるMEMSデバイス201の下面の所定の位置には、図5に示すようにMEMSデバイス側固定パッド204が製作されている。
パッケージ202は、例えばセラミック材料で製作され、空気より熱伝導率の低い気体であるAr雰囲気での封止が可能なパッケージである。また、また、図6に示すように、パッケージ202の所定の位置には、パッケージ側固定パッド205と封止パッド206とがそれぞれ製作されている。
ここで、第2の実施形態においては、MEMSデバイス側固定パッド204及びパッケージ側固定パッド205が、例えばAlの薄膜であり、封止パッド206は、例えばNiとAuからなる薄膜である。これらは、例えばスパッタリングにより成膜される。
MEMSデバイス201をパッケージ202に接合する際には、まずMEMSデバイス201のMEMSデバイス側金属バンプ208及びパッケージ202のパッケージ側金属バンプ207をそれぞれ製作する。ここで、MEMSデバイス側金属バンプ208及びパッケージ側金属バンプ207は、例えばAuバンプである。これら金属バンプを製作した後、パッケージ202を固定した上で、MEMSデバイス201のMEMSデバイス側金属バンプ208とパッケージ側金属バンプ207とを接触させ、更にMEMSデバイス201を図示しないヒータヘッドにより加熱及び加圧することにより、MEMSデバイス側金属バンプ208とパッケージ側金属バンプ207とを熱圧着させ、パッケージ202にMEMSデバイス201を固定する。
その後は、第1の実施形態で説明した封止工程と同様の工程に従って、MEMSデバイス201をAr雰囲気中で封止する。
以上説明したように、パッケージ側金属バンプ207とMEMSデバイス側金属バンプ208とにより、MEMSデバイス201をパッケージ202に固定し、かつ図5に示すようにしてMEMSデバイス201と接合部材であるMEMSデバイス側金属バンプ208との接触面積を小さくすることにより、第1の実施形態と同様の理由により、封止工程時の加熱や外部の温度変化によるMEMSデバイス201の熱ダメージを軽減することができる。
また、第2の実施形態では、図7に示すように、MEMSデバイス201とMEMSデバイス側金属バンプ208との接合面積及びパッケージ202とパッケージ側金属バンプ207の何れの接合面積よりも、パッケージ側金属バンプ207とMEMSデバイス側金属バンプ208との接合面積のほうが小さくなるように接合される。したがって、パッケージ202からの熱がMEMSデバイス201に伝熱する経路における断面積が小さくなり、第1の実施形態にくらべ、MEMSデバイス201の熱ダメージの軽減効果が大きくなる。
なお、図7においては、パッケージ側金属バンプ207とMEMSデバイス側金属バンプ208との接合面積が最小断面積となるような接合が行われるが、伝熱の経路における断面積を小さくすることができるのであれば、最小断面積となる位置は必ずしもパッケージ側金属バンプ207とMEMSデバイス側金属バンプ208との接合面である必要はない。
また、第2の実施形態では、パッケージ202内を空気よりも熱伝導率の低いArで封止している。したがって、第1の実施形態と同様にMEMSデバイス201への熱の流入を非常に小さくすることができる。なお、第2の実施形態において、パッケージ202内を第1の実施形態と同様に減圧雰囲気で封止するようにしても良い。逆に、第1の実施形態においてパッケージ102内をAr雰囲気で封止するようにしても良い。また、第2の実施形態においてパッケージ202内の雰囲気は、Ar雰囲気に限るものではない。即ち、空気よりも熱伝導率の低い物質であればArの代わりに用いることができる。この空気よりも熱伝導率の低い物質の例としては、例えばNやCOがある。
<第3の実施形態>
次に、図8〜図12を参照して本発明の第3の実施形態について説明する。ここで、図8は第3の実施形態に係る半導体デバイスの実装構造を示す断面図である。また、図9は図8に示すMEMSデバイス301の下面図である。図10は図8に示すパッケージ302の上面図である。また、図11及び図12はそれぞれ図8に示すガラス基板304の上面図及び下面図である。
なお、以下の説明において、第1又は第2の実施形態と重複する部分については説明を省略する。
図8に示す半導体デバイスの実装構造において、まず、半導体デバイスであるMEMSデバイス301の下面の所定の位置には、図9に示すようにMEMSデバイス側固定パッド310が製作されている。
パッケージ302は、例えばセラミック材料で製作され、減圧雰囲気での封止が可能なパッケージである。また、図10に示すように、パッケージ302の所定の位置には、パッケージ側固定パッド311と封止パッド312とがそれぞれ製作されている。
断熱部材であるガラス基板304は、例えば石英ガラスで製作されている。また、ガラス基板304の上面には、図11に示すように、MEMSデバイス301の固定用としてガラス基板上面固定パッド308が製作され、ガラス基板304の下面には、パッケージ302との接合用としてガラス基板下面固定パッド309が製作されている。
ここで、第3の実施形態においては、MEMSデバイス側固定パッド310、パッケージ側固定パッド311、封止パッド312、ガラス基板上面固定パッド308、ガラス基板下面固定パッド309が、例えばNiとAuからなる薄膜である。これらは、例えばスパッタリングにより成膜される。
接合時には、まず、ガラス基板304をパッケージ302上に固定するため、パッケージ302上のパッケージ側固定パッド311にガラス基板固定用ハンダ305を供給する。そして、ガラス基板固定用ハンダ305が供給されたパッケージ側固定パッド311に、ガラス基板304のガラス基板下面固定パッド309を接触させる。その後に、パッケージ302及びガラス基板304を図示しないヒータヘッドにより加熱することにより、ガラス基板固定用ハンダ305を溶融させ、ガラス基板304をパッケージ302に固定する。
次に、MEMSデバイス301をガラス基板304上に固定するため、ガラス基板304上のガラス基板上面固定パッド308にMEMSデバイス固定用ハンダ306を供給する。そして、MEMSデバイス固定用ハンダ306が供給されたガラス基板上面固定パッド308に、MEMSデバイス301のMEMSデバイス側固定パッド310を接触させる。その後に、パッケージ302及びガラス基板304とMEMSデバイス301とを図示しないヒータヘッドにより加熱することにより、MEMSデバイス固定用ハンダ306を溶融させ、MEMSデバイス301をガラス基板304に固定する。以後の封止工程は、第1の実施形態と同様にして行われる。
第3の実施形態においては、MEMSデバイス301とガラス基板304との接合面積をMEMSデバイス301の下面の全面積よりも小さくし、ガラス基板304とパッケージ302との接合面積をガラス基板304の下面の全面積よりも小さくしている。したがって、第1の実施の形態と同様に、封止工程時の加熱や外部の温度変化によるMEMSデバイス301の熱ダメージを軽減することができる。
更に、第3の実施形態においては、MEMSデバイス301とパッケージ302との間に、MEMSデバイス固定用ハンダ306及びガラス基板固定用ハンダ305よりも熱伝導率の低いガラス基板304が存在するため、第1の実施形態にくらべ、MEMSデバイス301の熱ダメージ軽減効果は更に大きくなる。
ここで、図8においてはガラス基板304に固定するMEMSデバイスは1つであるが、ガラス基板304上に固定するMEMSデバイスは複数であってもかまわない。また、第3の実施形態においては、断熱部材としてガラス基板を用いているが、MEMSデバイス固定用ハンダ306及びガラス基板固定用ハンダ305よりも熱伝導率の低い物質であれば、ガラス基板以外の物質を利用することもできる。
また、第3の実施形態においてはハンダ接合を行っているが、第2の実施形態と同様に金属バンプによる接合としても良い。
なお、本発明は上述した実施形態のみに限定されない。即ち、本発明の要旨の範囲を逸脱しない範囲において上述した実施形態以外にも種々の変形例が考えられる。
例えば、上述した各実施形態においては、MEMSデバイスがその下面でパッケージ若しくはガラス基板に固定される実装構造について説明したが、例えば、図13に示すようにMEMSデバイス401の側面とパッケージ402とを接合部材としてのMEMSデバイス固定用ハンダ405により接合する構造としても良い。この際、MEMSデバイスの側面の全部で接合するようにしても良いが、接合面積を小さくするためには、MEMSデバイスの側面の一部で接合することがより好ましい。
また、図14に示すように、MEMSデバイス501の側面及び下面の一部とパッケージ502とを接合部材としてのMEMSデバイス固定用ハンダ505により接合する構造としても良い。
これら図13又は図14の実装構造によっても、上述した第1〜3の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
また、上述した各実施形態においては、接合部材として金属ハンダや金属バンプといった金属材料からなる接合部材を用いているが、接合部材は必ずしも金属材料である必要はなく、接着剤のような樹脂材料等を用いることもできる。また、MEMSデバイス又はガラス基板をパッケージに固定する際、或いはMEMSデバイスをガラス基板に固定する際の手法も、加熱や熱圧着に限るものではなく、接合部材の材料等の各種条件に応じて、例えば、超音波接合、表面活性化接合、接着剤を用いた接合法、樹脂を融着させる手法などを適宜利用することができる。
第1の実施形態に係る半導体デバイスの実装構造を示す断面図である。 図1に示すMEMSデバイス101の下面図である。 図1に示すパッケージ102の上面図である。 第2の実施形態に係る半導体デバイスの実装構造を示す断面図である。 図4に示すMEMSデバイス201の下面図である。 図4に示すパッケージ202の上面図である。 図4に示すパッケージ側金属バンプ207とMEMSデバイス側金属バンプ208を拡大して示す断面図である。 第3の実施形態に係る半導体デバイスの実装構造を示す断面図である。 図8に示すMEMSデバイス301の下面図である。 図8に示すパッケージ302の上面図である。 図8に示すガラス基板304の上面図である。 図8に示すガラス基板304の下面図である。 MEMSデバイスの側面で接合を行う場合の例を示す図である。 MEMSデバイスの側面及び下面で接合を行う場合の例を示す図である。
符号の説明
101,201,301,401,501…MEMSデバイス、102,202,302,402,502…パッケージ、103…蓋、104,204,310…MEMSデバイス側固定パッド、105,205,311…パッケージ側固定パッド、106,206,312…封止パッド、107,306,405,505…MEMSデバイス固定用ハンダ、108…封止用ハンダ、207…パッケージ側金属バンプ、208…MEMSデバイス側金属バンプ、304…ガラス基板、305…ガラス基板固定用ハンダ、308…ガラス基板上面固定パッド、309…ガラス基板下面固定パッド

Claims (14)

  1. 半導体デバイスと、接合部材を介して前記半導体デバイスが接合されるパッケージと、封止部材を介して前記パッケージに固定される蓋と、を備え、前記パッケージと、前記蓋と、前記封止部材とによって形成される空間内に前記半導体デバイスを包含する雰囲気が封止される半導体デバイスの実装構造であって、
    前記半導体デバイスと前記接合部材との接合面積及び前記パッケージと前記接合部材との接合面積がそれぞれ、前記半導体デバイスの下面の全面積よりも小さいことを特徴とする半導体デバイスの実装構造。
  2. 前記半導体デバイスの、前記接合部材が接合される面は、前記半導体デバイスの下面の一部であることを特徴とする請求項1に記載の半導体デバイスの実装構造。
  3. 前記半導体デバイスの、前記接合部材が接合される面は、前記半導体デバイスの側面の一部又は全部であることを特徴とする請求項1に記載の半道体デバイスの実装構造。
  4. 前記半導体デバイスの、前記接合部材が接合される面は、前記半導体デバイスの下面の一部及び側面の一部であることを特徴とする請求項1に記載の半導体デバイスの実装構造。
  5. 前記半導体デバイスを包含する雰囲気は、少なくとも大気圧よりも減圧された雰囲気であることを特徴とする請求項1に記載の半導体デバイスの実装構造。
  6. 前記半導体デバイスを包含する雰囲気は、空気よりも熱伝導率の低い物質で満たされた雰囲気であることを特徴とする請求項1に記載の半導体デバイスの実装構造。
  7. 前記接合部材の最小の断面積は、前記半導体デバイスと前記接合部材との接合面積及び前記パッケージと前記接合部材との接合面積よりも小さいことを特徴とする請求項1に記載の半導体デバイスの実装構造。
  8. 前記接合部材は、金属材料又は樹脂材料からなることを特徴とする請求項1に記載の半導体デバイスの実装構造。
  9. 半導体デバイスと、半導体デバイス側接合部材を介して前記半導体デバイスが接合される断熱材と、パッケージ側接合部材を介して前記断熱材が接合されるパッケージと、封止部材を介して前記パッケージに固定される蓋と、を備え、前記パッケージと、前記蓋と、前記封止部材とによって形成される空間内に前記半導体デバイスを包含する雰囲気が封止される半導体デバイスの実装構造であって、
    前記半導体デバイスと前記半導体デバイス側接合部材との接合面積及び前記半導体デバイス側接合部材と前記断熱材との接合面積がそれぞれ、前記半導体デバイスの下面の全面積よりも小さいことを特徴とする半導体デバイスの実装構造。
  10. 前記断熱部材は、前記半導体デバイス側接合部材及び前記パッケージ側接合部材より、熱伝導率が小さいことを特徴とする請求項9に記載の半導体デバイスの実装構造。
  11. 前記断熱材と前記パッケージ側接合部材との接合面積及びパッケージ側接合部材と前記パッケージとの接合面積がそれぞれ、前記断熱材の下面の全面積よりも小さいことを特徴とする請求項9に記載の半導体デバイスの実装構造。
  12. 前記半導体デバイス側接合部材及び前記パッケージ側接合部材は、金属材料又は樹脂材料からなることを特徴とする請求項9に記載の半導体デバイスの実装構造。
  13. 前記金属材料は、ハンダ材料、金属ペースト、金属バンプ、及び金属パッドの何れかを含むことを特徴とする請求項8又は12に記載の半導体デバイスの実装構造。
  14. 前記樹脂材料は、接着剤であることを特徴とする請求項8又は12に記載の半導体デバイスの実装構造。
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