JP2009099763A

JP2009099763A - 中空パッケージを用いた半導体装置及びその製造方法

Info

Publication number: JP2009099763A
Application number: JP2007269789A
Authority: JP
Inventors: Takahiro Watanabe; 孝博渡邉
Original assignee: Citizen Electronics Co Ltd
Current assignee: Citizen Electronics Co Ltd
Priority date: 2007-10-17
Filing date: 2007-10-17
Publication date: 2009-05-07

Abstract

【課題】中空パッケージ内の熱膨張による内圧の高まりを抑え、気密性及び耐湿性を向上させ、更に製造し易い中空パッケージを用いた半導体装置を提供することにある。
【解決手段】ガラス基板２２には枠状の回路基板２４が接着され、この回路基板２４に半導体素子３０がフリップチップ接続される。回路基板２４には、半導体素子３０を囲むスペーサ基板３４が取り付けられる。半導体素子３０は封止樹脂４２で封止される。半導体装置２０のパッケージは、高さを抑えた薄いパッケージとなり、空間４４も最小限の容積にすることができる。また、回路基板２４、回路基板２４とガラス基板２２との接着部分、半導体素子３０が防湿層４０で覆われ、空間４４内に水分が入り込むのを防止している。
【選択図】図５

Description

本発明は、光ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）、紫外光ＯＥＩＣ（Opto Electronic IC）等の半導体素子を備えた半導体装置及びその製造方法に関するものであり、特に半導体素子を気密封止した中空パッケージを用いたものに関する。

従来の中空パッケージを用いた半導体装置としては、例えば特許文献１あるいは特許文献２に記載されているものが知られている。この半導体装置は、図１０に示すように、樹脂製の基台２の上面中央に半導体素子４を搭載し、この半導体素子４の周囲を包囲するように凹状の蓋６を被せて基台２の上面に接着剤１４により接着されたものとなっていた。この半導体装置における基台４と蓋６との間には気密性が保たれた空間８が形成され、この中に配置されている半導体素子４は、銀ペーストにて基台２に接着されると共にワイヤー１２によりリードフレーム１０に接続されていた。
特開平６−５７２６号公報特開平６−２９１２１５号公報

上記従来技術においては、半導体素子４とリードフレーム１０とを接続するワイヤー１２を避けるため、空間８を広く形成しなければならなかった。このため、空間８の容積が大きくなり、外部温度の上昇等によって内圧が高くなり基台４と蓋６との接続部分がはがれて空間８の気密性が保てなくなることがあるという問題があった。

また、従来技術では、上記のように空間８を広く形成しなければならなかったため、蓋６の高さが増し、装置の全高が高くなるという問題もあった。

また、従来技術における有機材料からなる基台２や蓋６は吸湿性が高く、これらが吸収した水が空間８内に浸透し、その水の体積膨張によって内圧がより高くなるという問題もあった。

また、蓋６は凹状に成形又は加工することが必要であると共にワイヤーに触れないように基台２に接着することが必要であり、製造時に高い加工及び位置精度が求められるものであった。

本発明が解決しようとする課題は、上記従来の問題点を解決し、中空パッケージ内の熱膨張による内圧の高まりを抑え、気密性及び耐湿性を向上させ、更に製造し易い中空パッケージを用いた半導体装置を提供することにある。

本発明の中空パッケージを用いた半導体装置は、ガラス基板と、該ガラス基板に接着されると共に開口部と導電パターンを有する回路基板と、該回路基板にフリップチップ接続されるバンプ電極を有し、前記回路基板の開口部を通して対面する前記ガラス基板との間に空間を形成しながら前記回路基板に取り付けられる半導体素子と、該半導体素子を囲むと共に前記回路基板に搭載され、前記回路基板の導電パターンに導通する端子を有するスペーサ基板と、前記半導体素子を封止する封止樹脂と、を備えている。

また、この半導体装置においては、前記回路基板と前記半導体素子を覆って吸湿及び透湿を防ぐ防湿層を設けている。

一方、本発明の中空パッケージを用いた半導体装置の製造方法は、複数の半導体装置に対応する大型ガラス基板に個々の半導体装置に対応する位置に開口部を設けた大型回路基板を接着する工程と、前記大型回路基板の開口部周縁に複数の半導体素子をそれぞれフリップチップ接続することにより実装する工程と、前記大型回路基板及び大型ガラス基板にハーフダイシングを施して個々の半導体装置に分断する溝を形成する工程と、前記大型回路基板、半導体素子及び溝内に無機材料をコーティングする工程と、前記大型回路基板に個々の半導体素子に対応する開口部が設けられた格子状をなす大型スペーサ基板を搭載する工程と、ダイシングを施して個々の半導体装置に分断する工程と、からなる。

本発明の中空パッケージを用いた半導体装置においては、硬く且つ平滑なガラス基板を基準としてそこに回路基板等を順次接着しているので、重合される各部品の平行度を確保することができ、半導体素子のフリップチップ接続を安定して行うことができる。また、ガラス基板を用いることで、これに接着される回路基板の線膨張を抑制し、回路基板と半導体素子の接合部分等の剥離を防ぎ、信頼性を向上させることができる。

また、本発明では、上記のように精度良く安定した状態で半導体素子を回路基板にフリップチップ接続することができ、このようにフリップチップ接続すると、ワイヤーボンド接続した場合に比べて半導体素子の接続部分の高さを低くすることができる。また、本発明では、回路基板を挟んで対向するガラス基板と半導体素子との間に空間を設けており、空間の容積及びパッケージの高さを極めて小さく且つ安定した形状で形成することができる。このように半導体素子周囲の空間部分の容積を極めて小さく設定しているので、パッケージの内圧の高まりを抑制することができる。このように空間の内圧を抑制すると、融点温度の高い鉛フリー半田を用いても、内圧が高くなって接続部分が剥離することがない。

また、有機材料からなる回路基板と半導体素子を防湿層で覆っているので、回路基板等が吸湿及び透湿することを防いで、パッケージ内への水分の浸透を防ぐことができる。これにより、温度上昇による空間内での水の体積膨張を防ぐことができ、内圧の上昇による接着部分の剥離を未然に防ぐことができる。

さらに、本発明の製造方法においては、半導体素子を回路基板に実装させるだけでガラス基板と半導体素子との間に空間を形成することができ、またガラス基板に回路基板等のシート状又は板状の部材を順次接着するだけで製造することができる。これにより、比較的容易に精度よく製造することができる。また、シート状又は板状の部材を重ね合わせることで製造することができるので、大型基板を用いることで大量の製品を一度に製造することができる。

本発明の中空パッケージを用いた半導体装置においては、ガラス基板の裏面に枠状の回路基板を接着し、この回路基板に半導体素子をフリップチップ接続により取り付けている。また、回路基板には、半導体素子を囲むスペーサ基板が取り付けられ、このスペーサ基板により囲まれる半導体素子を樹脂で封止したものとなっている。この半導体装置では、シート状又は板状の部材を重ね合わせると共に半導体素子をフリップチップ接続することで、高さを抑えた薄いパッケージを形成し、半導体素子が面する空間も最小限の容積に設定することを可能にしている。

また、この半導体装置では、回路基板の裏面や回路基板とガラス基板との接着部分、更に半導体素子の裏面を無機材料からなる防湿層で覆っており、有機材料からなる部分から水分が空間内に入り込むことを防いでいる。

図１は本発明の一実施例に係る中空パッケージを用いた半導体装置の断面図、図２は図１に示す半導体装置の表面側斜視図、図３は図１に示す半導体装置の裏面側斜視図、図４は図１に示す半導体装置の平面図、図５は図１の部分拡大図である。

２０は半導体装置であり、その表面側にガラス基板２２を備えている。このガラス基板２２は透光性を有し、少なくとも裏面２２ａが平坦かつ平滑な面で構成されている。

２４は可撓性を有するシート状のフレキシブル回路基板等の回路基板である。この回路基板２４は、外形形状がガラス基板２２にほぼ一致すると共に中央に開口部２４ｃを有する枠状をなすものである。この回路基板２４は、その外形が後述する半導体素子よりも大きく、中央の開口部２４ｃが半導体素子よりも小さくなるように設定されている。また、この回路基板２４の裏面２４ａには複数の導電パターン２６が印刷等により形成されている。この導電パターン２６は、後述する端子に対面するように一端が回路基板２４の所定の外側端辺まで引き出されて矩形状の端子接続部２６ａとなっており、後述する半導体素子のバンプ電極に対応するように他端が回路基板２４の開口部２４ｃの縁部付近まで引き回されて細線状のバンプ電極接続部２６ｂとなっている。

２８は、ガラス基板２２の裏面２２ａと回路基板２４の表面２４ｂとの間に設けられそれらを接着する接着シートである。この接着シート２８は、枠状をなし、回路基板２４の開口部２４ｃに対応する位置に開口部２８ｃを有し、回路基板２４の形状及び外寸に一致するように形成されている。

３０は光ＭＥＭＳや紫外光用ＯＥＩＣ等の半導体素子である。本実施例における半導体素子３０は、その受光面となる表面３０ａの周縁にバンプ電極３２を有している。このバンプ電極３２は、所定の間隔で配設されると共に導電パターン２６のバンプ電極接続部２６ｂに対応する位置に形成されている。この半導体素子３０を回路基板２４に搭載するときには、バンプ電極３２をバンプ電極接続部２６ｂにフリップチップ接続することによって導通させると共に、開口部２４ｃに通した半導体素子３０をガラス基板２２と対向するように位置付けて固定する。尚、本実施例におけるバンプ電極３２は半導体素子３０の全周縁に設けられているので、回路基板２４の裏面２４ａにダミー電極を形成し、このダミー電極とバンプ電極３２の一部をフリップチップ接続することにより、半導体素子３０の固定力を高めることが可能である。

３４は半導体素子３０を囲む枠形状のスペーサ基板である。このスペーサ基板３４には、回路基板２４の端子接続部２６ａに対応する側方端面に、半円形の横断面形状をなすスルーホール電極からなる端子３６が設けられている。このスペーサ基板３４は、半導体素子３０を囲むように回路基板２４の裏面２４ａに、エポキシ系樹脂等からなる接着剤３８により接着されている。

４０は防湿層である。この防湿層４０は、例えば二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）や金（Ａｕ）など防湿性を有する材料からなり、回路基板２４の裏面２４ａ、半導体素子３０の裏面と側方端面、回路基板２４の側方端面とその上下にある接着シート２８と接着剤３８からガラス基板２２の側方端面の一部までを、それぞれ覆うように形成されている。

４２は半導体素子３０を保護するために封止する封止樹脂である。本実施例における封止樹脂４２は、エポキシ樹脂等からなり、半導体素子３０を覆う防湿層４０の上から半導体素子３０を封止すると共にスペーサ基板３４内いっぱいに設けられている。

上記構成からなる半導体装置２０では、硬度が高く且つ平坦で平滑なガラス基板２２を基礎として各部品が接着、接合されている。このため、ガラス基板２２と回路基板２４やそれにフリップチップ接続される半導体素子３０は、精度良く平行となるように位置付けられる。特に、回路基板２４は極めて薄いシート状をなすものであると共に、中央に開口部２４ｃが設けられて変形し易いものとなっているが、これをガラス基板２２に接着することで、平坦で平滑な基板になり、半導体素子３０をフリップチップ接続し易い状態にすることができる。そして、半導体素子３０をフリップチップ接続することで、半導体素子３０を回路基板２４の裏面２４ａに密着した状態で搭載することを可能にしている。この結果、シート状に薄い回路基板２４の開口部２４ｃを通してガラス基板２２と半導体素子３０を精度良く一定の間隔で対面させることが可能となる。これにより、ガラス基板２２と半導体素子３０との間に容量が小さくても精度良く空間４４が形成されることになる。

また、空間４４は、ガラス基板２２、回路基板２４、半導体素子３０により囲まれると共に、接着シート２８、接着剤３８及び封止樹脂４２によって隙間なく封止されたものとなっている。更に、吸湿性の高い有機材料からなる回路基板２４、半導体素子３０、接着シート２８を防湿層４０で覆っており、これらの有機材料からなる部分から水分が空間４４内に浸透することを防ぐ構造になっている。

上記のように、この半導体装置２０では、精度良く容量の小さい空間４４を形成すると共に、それを封止かつ防湿すると共に水分の浸透を防いだ構造となっている。これにより、外部温度が上昇しても空間４４の内圧が高くなることを防ぎ、気密性を保つことが可能となる。

次に、上記半導体装置２０の製造方法を図６乃至図９に基づいて説明する。この半導体装置２０は板状及びシート状の部材を重ね合わせたものであり、大型の板材等を使用することで一度に多量の半導体装置２０を製造することが可能である。即ち、図６に示すように、はじめに、多数の半導体装置２０に対応する大型ガラス基板５２を使用し、その裏面に、個々の半導体装置２０に対応する位置に開口部５４ｃが設けられた大型回路基板５４を接着する。この大型回路基板５４は、フレキシブルプリント基板等のシート状のものであり、その裏面側に予め前述したような所定の導電パターンが形成されている。また、この大型回路基板５４の接着には、この基板と同一形状をなす大型の接着シートを用いている。

その後、図７に示すように、大型回路基板５４の開口部５４ｃにそれぞれ対応するように半導体素子６０を大型回路基板５４にフリップチップ接続することにより実装する。

ここで、図８に示すように、大型回路基板５４と大型ガラス基板５２に裏面方向からハーフダイシングを施して個々の半導体装置２０に分断する縦横方向の溝５６，５８を形成する。尚、この溝５６，５８は大型ガラス基板５２の表面付近に達する深さに設定されている。その後、二酸化ケイ素や金など防湿性を有する材料により半導体素子６０、大型回路基板５４の裏面及び溝５６，５８内をコーティングして防湿層を形成する。このように溝５６，５８内をコーティングすることにより、個々に分断したときに回路基板や接着シートの側方端面も防湿層で覆うことができる。その後、多数の半導体装置２０に対応するように開口部が設けられた格子状をなす大型スペーサ基板６４を大型回路基板５４の裏面に接着して搭載する。尚、この大型スペーサ基板６４には、各半導体装置２０の端子となるスルーホール６４ａが予め形成されている。

その後、図９に示すように、大型スペーサ基板６４の格子内に樹脂６２を充填することにより半導体素子６０を樹脂封止する。ここで、大型スペーサ基板６４にダイシングを施して個々の半導体装置２０に分断し、半導体装置２０を完成させる。

上記のように、本発明の半導体装置２０は、板状又はシート状の部材を重ね合わせることで製造可能であり、大型の基板で一度に大量に製造したり、各部材の位置決め及び加工が容易であって精度良く組立、加工することが可能なものとなっている。

本発明の中空パッケージを用いた半導体装置では、主に受光する半導体素子等を搭載しているが、発光素子等を搭載することも可能である。

本発明の一実施例に係る中空パッケージを用いた半導体装置の断面図である。図１に示す半導体装置の表面側斜視図である。図１に示す半導体装置の裏面側斜視図である。図１に示す半導体装置の平面図である。図１の部分拡大図である。大型ガラス基板に大型回路基板を接着した状態を示す斜視図である。図６に示す大型回路基板に半導体素子を実装した状態を示す斜視図である。図７に示す大型回路基板等にハーフダイシングを施して大型スペーサ基板を取り付ける状態を示す斜視図である。図８に示す大型スペーサ基板に樹脂を充填した状態を示す斜視図である。従来の中空パッケージを用いた半導体素子を示す断面図である。

符号の説明

２０半導体装置
２２ガラス基板
２２ａ裏面
２４回路基板
２４ａ裏面
２４ｂ表面
２４ｃ開口部
２６導電パターン
２６ａ端子接続部
２６ｂバンプ電極接続部
２８接着シート
２８ｃ開口部
３０半導体素子
３０ａ表面
３２バンプ電極
３４スペーサ基板
３６端子
３８接着剤
４０防湿層
４２封止樹脂
４４空間
５２大型ガラス基板
５４大型回路基板
５４ｃ開口部
５６，５８溝
６０半導体素子
６２樹脂
６４大型スペーサ基板
６４ａスルーホール

Claims

ガラス基板と、
該ガラス基板に接着されると共に開口部と導電パターンを有する回路基板と、
該回路基板にフリップチップ接続されるバンプ電極を有し、前記回路基板の開口部を通して対面する前記ガラス基板との間に空間を形成しながら前記回路基板に取り付けられる半導体素子と、
該半導体素子を囲むと共に前記回路基板に搭載され、前記回路基板の導電パターンに導通する端子を有するスペーサ基板と、
前記半導体素子を封止する封止樹脂と、
を備える中空パッケージを用いた半導体装置。
前記回路基板と前記半導体素子を覆って吸湿及び透湿を防ぐ防湿層を設けたことを特徴とする請求項１記載の中空パッケージを用いた半導体装置。
前記回路基板は接着シートにより前記ガラス基板に接着され、該接着シートの端面も前記防湿層により覆われていることを特徴とする請求項２記載の中空パッケージを用いた半導体装置。
前記スペーサ基板は樹脂系接着剤により前記回路基板に接着されていることを特徴とする請求項２記載の中空パッケージを用いた半導体装置。
複数の半導体装置に対応する大型ガラス基板に個々の半導体装置に対応する位置に開口部を設けた大型回路基板を接着する工程と、
前記大型回路基板の開口部周縁に複数の半導体素子をそれぞれフリップチップ接続することにより実装する工程と、
前記大型回路基板及び大型ガラス基板にハーフダイシングを施して個々の半導体装置に分断する溝を形成する工程と、
前記大型回路基板、半導体素子及び溝内に無機材料をコーティングする工程と、
前記大型回路基板に個々の半導体素子に対応する開口部が設けられた格子状をなす大型スペーサ基板を搭載する工程と、
ダイシングを施して個々の半導体装置に分断する工程と、
からなることを特徴とする中空パッケージを用いた半導体装置の製造方法。