JP2009135353A - 半導体装置及びその製造に使用する樹脂接着材 - Google Patents

半導体装置及びその製造に使用する樹脂接着材 Download PDF

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Tetsumasa Maruo
哲正 丸尾
Masanori Nano
匡紀 南尾
Seiichi Itoi
清一 糸井
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Abstract

【課題】パッケージ本体と蓋状部材とにより構成されるキャビティ部に半導体素子が実装された半導体装置において、高温且つ高湿の環境下において熱ストレスが加わった場合に、パッケージ本体と蓋状部材とを固着する樹脂接着材とパッケージ本体又は蓋状部材との間に剥離が発生することを防止できるようにする。
【解決手段】パッケージ本体であるセラミック多層基板１１に透明の蓋状部材１２が樹脂接着材１３を介して固着されて、キャビティ部１４を構成し、キャビティ部１４の底部に半導体素子１５が固着されている。樹脂接着材１３は、エポキシ樹脂、重合開始剤及び充填材を含み、充填材の含有量は、３０ｗｔ％〜６０ｗｔ％である。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体素子、特にセンサ素子又は受発光素子のように筺体内に実装して構成される半導体装置及びその製造に使用する樹脂接着材に関する。
従来より、受発光素子又は発光素子からなる半導体レーザ素子及びＬＥＤ（light emitting diode）、受光素子からなるＣＣＤ（charge coupled device）及びＣＭＯＳ（complementary metal oxide semiconductor）等の半導体素子を実装する半導体装置では、パッケージ本体と透明な蓋状部材とによって形成される中空構造の内部に半導体素子を設置し、パッケージ本体と蓋状部材とを樹脂接着材を用いて固着する構造が採用されている。また、音、圧力及び加速度センサ素子等の半導体素子を実装する半導体装置においても、同様に、パッケージ本体とパッケージ本体を覆う蓋状部材とによって半導体素子を設置する中空構造を形成し、パッケージ本体と蓋状部材とを樹脂接着材を用いて固着する構造が採用されている。
以下に、従来の中空構造の内部に半導体素子を実装するＣＣＤ又はＣＭＯＳ等の半導体装置について説明する。
ＣＣＤ又はＣＭＯＳ等の半導体装置は、撮像領域及び複数のボンディングパッドが形成された半導体素子をパッケージ本体に形成されたキャビティ部内に実装し、半導体素子が実装されたキャビティ部を透明な蓋状部材によって覆うように、パッケージ本体と蓋状部材とを樹脂接着材で固定して形成されている。このような構造は、まず、エポキシ樹脂等の樹脂又はセラミックからなるパッケージ本体に形成されたキャビティ部内のダイアタッチ面に半導体素子をダイボンドし、パッケージ本体の接続端子と半導体素子のアルミニウム（Ａｌ）電極とをワイヤボンドで接続する。その後、パッケージ本体とキャビティ部を覆う透明な蓋状部材とを樹脂接着材を用いて固着する。一般に、樹脂接着材は熱硬化性樹脂又は紫外線硬化性樹脂が用いられている。
一方、半導体素子の表面には、集光率を高めるためのオンチップレンズと呼ばれるレンズが形成されている。オンチップレンズは、アクリル系樹脂からなるため、耐熱性が非常に低い。このため、長時間にわたって熱が加えられるとレンズが軟化し、レンズの形状変化が起きる。このため、パッケージ本体と蓋状部材との固着に使用する樹脂接着材に熱を加える場合は、できるだけ短時間且つ低い温度で行うことが重要とされているので、熱硬化性樹脂よりも紫外線硬化性樹脂が使用されることが多い。また、オンチップレンズの有無に関わらず作業効率の観点から、熱硬化性樹脂よりも紫外線硬化性樹脂の方が注目されている。
紫外線硬化性樹脂は、エポキシ樹脂、重合開始剤及び充填材等を含むカチオン系紫外線硬化性樹脂が多用されている。特に、ＣＣＤの場合に用いられるガラス接着材には接着性が重要視されるため、殆どの場合、紫外線（ＵＶ）照射に対する感度が高い重合開始剤であるジアリールヨードニウムテトラキス（ペンタフルオロフェニル）ボレートが使用されている。さらに、パッケージ本体と蓋状部材とを固着する接着成分であるエポキシ樹脂の樹脂に対する充填材の割合が大きくなっている（固形分としては、約２５ｗｔ％以下）。
このように、従来のＣＣＤ又はＣＭＯＳ等の半導体装置においては、オンチップレンズの耐熱性が低いことから、半導体装置の製造に用いる樹脂接着材に対しても、温度に対する特性は重要視されず、接着性ばかりが重要視されている。しかしながら、オンチップレンズの材料の改良により耐熱性が向上したこと並びにＣＣＤ及びＣＭＯＳ等の半導体装置が高温且つ高湿の環境下で使用の要求が高まることに伴い、半導体装置及びその製造に使用する樹脂接着材に対しても高温且つ高湿の環境下で耐熱性及び耐湿性を向上させることが望まれている。
また、パッケージ本体と蓋状部材とが形成するキャビティ部に半導体素子を密封する構造であるため、キャビティ部の中に封入された湿気がパッケージ本体と蓋状部材との固着後に蓋状部材の内側に結露を生じさせたり、紫外線硬化性樹脂の硬化時に発生するガスが、半導体素子の配線部の腐食を引き起こしたりすることがある。このような不具合に対し、キャビティ部内に吸湿性樹脂を配置し、湿気を吸着させる構造が提案されている（例えば特許文献１参照。）。
特開２００４−２２９２８号公報
しかしながら、従来の半導体装置においては、樹脂接着材の接着性が重要視されているため、樹脂接着材の硬化の特性及び吸湿性が考慮されておらず、高温且つ高湿の環境下において熱ストレスが加わった場合、パッケージ本体と樹脂接着材との間及び蓋状部材と樹脂接着材との間で剥離が発生する問題がある。
剥離は、樹脂接着材が水分を吸収することにより樹脂接着材と非接着物との界面で接着力が低下することが原因となり、その界面に熱的なストレスが加わることによって発生する。樹脂接着材の構成材料のうち吸湿する成分は、樹脂分（樹脂接着材の構成材料から無機物である固形分を除いた成分）である。すなわち、樹脂分を多く含む樹脂接着材は水分を吸収しやすいことになる。
パッケージ本体と蓋状部材とが形成するキャビティ部に半導体素子が実装された半導体装置において、剥離が発生すると、剥離を通じてキャビティ部に湿気が進入し易くなり、透明な蓋状部材の内側に結露が生じ、不具合が発生する問題がある。また、樹脂接着材から遊離した化合物が水分の存在により、キャビティ部内の金属配線部の腐食を引き起こし、接続不良が生ずる問題がある。
剥離を防止するための対策の一つには、特許文献１に示したようにキャビティ部内に吸湿物質を配置する方法がある。これによると、パッケージ本体と蓋状部材とが形成するキャビティ部内に湿気が進入してもキャビティ部内に配置した吸湿物質により湿気が吸着されるため樹脂接着材からの化合物の遊離を抑制することができる。しかし、吸湿物質をパッケージ内に配置することは、半導体装置の大型化及びコストアップを招くことになる。
前記に鑑み、本発明は前記従来の問題を解決するため、高温且つ高湿の環境下において熱ストレスが加わったとしても、パッケージ本体と樹脂接着材との間及び樹脂接着材と蓋状部材との間で剥離が発生することを防止できる半導体装置及びそれに使用する樹脂接着材が得られるようにすることを目的とする。
前記の目的を達成するため、本発明は、半導体装置の製造に使用する樹脂接着材を、エポキシ樹脂、重合開始剤及び充填材からなり、固形分である充填材が樹脂接着材に３０ｗｔ％〜６０ｗｔ％含まれる構成とする。
具体的に、本発明に係る半導体装置は、半導体素子と、半導体素子を内側に固着すると共に、半導体素子と電気的に接続されたパッケージ本体と、半導体素子を覆うと共に、パッケージ本体と固着して中空構造を形成する蓋状部材と、パッケージ本体と蓋状部材とを固着する固着部材とを対象とし、固着部材は、エポキシ樹脂、重合開始剤及び充填材を含む樹脂接着材であり、充填材の含有量は、固着部材の３０ｗｔ％〜６０ｗｔ％であることを特徴とする。
本発明の半導体装置によると、高温且つ高湿の環境下において熱ストレスが加わったとしても、従来と比較して充填材の含有量が高く、水分を吸収する樹脂分の含有量が低い樹脂接着材が用いられているため、樹脂接着材が水分を吸収し難い。従って、パッケージ本体と樹脂接着材との間及び蓋状部材と樹脂接着材との間で剥離が発生することを抑制することができる。この結果、信頼性の高い半導体装置を得ることができる。
本発明の半導体装置において、充填材の含有量は、４０ｗｔ％〜５０ｗｔ％であることが好ましい。
このようにすると、最適な条件の樹脂接着材を用いて半導体装置が製造されるため、高温且つ高湿の環境下において熱ストレスが加えられたとしても、更に剥離の発生を抑制することができる。
本発明の半導体装置において、重合開始剤は、オニウム化合物であることが好ましい。
また、本願発明の半導体装置において、重合開始剤がオニウム化合物である場合、オニウム化合物は、スルホニウム化合物であることが好ましい。
また、本願発明の半導体装置において、重合開始剤がスルホニウム化合物である場合、スルホニウム化合物は、ハロゲンを含むことが好ましい。
このようにすると、樹脂接着材がより弾性を有し、熱ストレスが加わった場合においても、応力を吸収することができ、信頼性の高い半導体装置を得ることができる。
本発明の半導体装置において、パッケージ本体は、セラミック基板であることが好ましい。
このようにすると、セラミック基板の吸湿率が低いため、キャビティ部に侵入する湿気を少なくすることができるので、より信頼性の高い半導体装置を得ることができる。
本発明の半導体装置において、パッケージ本体は、樹脂基板であることが好ましい。
このようにすると、樹脂基板が、セラミック基板に比較して軽量であるため、より軽量の半導体装置を得ることができる。このため、本発明の半導体装置を設置するモバイル機器等の軽量化に貢献することができる。
本発明の半導体装置において、半導体素子は、音センサ素子、圧力センサ素子、加速度センサ素子、半導体レーザ素子、発光ダイオード、固体撮像素子又はフォトダイオードであることが好ましい。
本発明の樹脂接着材は、エポキシ樹脂と、オニウム化合物である重合開始剤と、充填材とからなり、充填材を３０ｗｔ％〜６０ｗｔ％含むことを特徴とする。
本発明の樹脂接着材によると、従来の樹脂接着材と比較して充填材を多く含有するため、水分を吸収しやすい樹脂分の含有量が少ないので、樹脂接着材が水分を吸収することを抑制することができる。
本発明の樹脂接着材において、オニウム化合物は、ハロゲンを含むスルホニウム化合物であることが好ましい。
本発明に係る半導体装置及びその製造に使用する樹脂接着材によると、高温且つ高湿の環境下において熱ストレスが加わった場合においても、パッケージ本体と樹脂接着材との間及び樹脂接着材と蓋状部材との間で剥離が発生することを抑制することができるため、高い信頼性を有する半導体装置及びその製造に使用する樹脂接着材を実現できる。
以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら説明する。なお、これらの図において、それぞれの構成部材の厚みや長さ等は図面の作成上から実際の形状とは異なる。また、各構成部材の電極や端子の個数も実際とは異なり、図示しやすい数量としている。さらに、各構成部材の材質も下記説明の材質に限定するものではない。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置を示し、（ａ）は平面構成を示し、（ｂ）は（ａ）のＩｂ−Ｉｂ線における断面構成を示している。第１の実施形態に係る半導体装置の基板は、セラミック多層基板１１である。
図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、第１の実施形態の半導体装置は、パッケージ本体であるセラミック多層基板１１に透明の蓋状部材１２が樹脂接着材１３を介して固着され、セラミック多層基板１１と蓋状部材１２とがキャビティ部１４を形成している。キャビティ部１４に設置された半導体素子１５は、上面に複数のＡｌ（アルミニウム）電極１６が形成されており、セラミック多層基板１１には複数の接続端子１７が形成されている。Ａｌ電極１６と接続端子１７とはＡｕ（金）ワイヤ１８によって電気的に接続されている。
また、セラミック多層基板１１は上から上層１１ａ、中間層１１ｂ及び下層１１ｃの３層から構成され、平面的にみて上層１１ａと中間層１１ｂとが枠状であるため、上層１１ａと蓋状部材１２とを固着することにより、キャビティ部１４が形成される。下層１１ｃはキャビティ部１４の内部となる上面にダイボンド材１９を介して半導体素子１５を配置している。上層１１ａと中間層１１ｂとの間に形成された接続端子１７は、半導体素子１５の上面のＡｌ電極１６と電気的に接続されていると共に、セラミック多層基板１１の外側の側面に形成された外部側面電極２０並びに下層１１ｃの下面に形成された外部下面電極２１と電気的に接続されている。外部側面電極２０は、セラミック多層基板１１のうち中間層１１ｂと下層１１ｃとの上面から下面にかけて延びるスルーホールを縦方向に半分にした形状を有しており、平面的にみて半円状である。
このようなパッケージ形態は、ＬＣＣ（leadless chip carrier）と呼ばれる構造であり、小型及び薄型化に優れたパッケージ形態の１つである。
ここで、第１の実施形態の樹脂接着材１３について説明する。
第１の実施形態の樹脂接着材１３は、半導体素子１５への熱的ダメージ、特に半導体素子１５の表面の撮像領域に形成されるオンチップレンズへの熱的ダメージを回避するために、エポキシ樹脂、重合開始剤及び充填材から構成される紫外線硬化性樹脂を用いる。紫外線硬化性樹脂からなる樹脂接着材１３を用いることにより、熱硬化性樹脂を用いる場合と比較して硬化時間を短縮することができるため、製造タクトも減少させることができる。
樹脂接着材１３を構成するエポキシ樹脂の具体例としては、例えばビスフェノール型エポキシ樹脂、ノボラック型エポキシ樹脂及びビフェニル型エポキシ樹脂等が望ましい。ビスフェノール型エポキシ樹脂の中でも、例えばビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＳ型エポキシ樹脂又はビスフェノールＦ型エポキシ樹脂が最も汎用され、常温で液状であることが好ましい。
また、樹脂接着材１３を構成する重合開始剤は、オニウム化合物を用いる。オニウム化合物を構成するカチオンは、例えばスルホニウム、スルホソニウム、セレノニウム、ホスホニウム又はアンモニウム等を用いることができ、アニオンとして、例えばハロゲンを含む化合物を用いることができる。
また、樹脂接着材１３を構成する充填材は、例えば酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、窒化ホウ素（ＢＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）又は酸化珪素（ＳｉＯ２）の無機フィラを用いることができる。
Figure 2009135353
表１は、エポキシ樹脂、重合開始剤及び充填材の含有量を変化させて構成させた樹脂接着材１３について、高温高湿試験を行った結果を示している。
各試験条件は、樹脂分であるエポキシ樹脂及び重合開始剤の合計量とフィラ、タルク、及びイオン吸着材を含む充填材の量との重量％を調整した樹脂接着材を用いて製造した半導体装置に対し、１６８時間、５００時間、１０００時間及び１２００時間の高温高湿試験を行った。各試験条件に２４個のサンプルを用い、不具合が発生した数量を示している。
なお、試験は、前処理として、温度が３０℃且つ湿度が７０％の恒温恒湿槽に９６時間保存し、温度が２２０℃の熱処理を加えた後に、前処理よりもさらに高温高湿の環境に所定の時間おいた後に、不具合が発生しているか否かの試験を行った。
表１に示すように、樹脂接着材１３を構成する充填材の含有量、すなわち固形分の含有量が３０ｗｔ％〜６０ｗｔ％の間にあると、高温高湿の条件下で１０００時間以上放置しても不具合が発生することがないことが分かった。さらに、セラミック多層基板１１に含まれる固形分が４０ｗｔ％〜５０ｗｔ％の間にあれば、更に長時間の高温高湿の条件にさらされても不具合が発生することはないことが分かった。
以下に、第１の実施形態の半導体装置を構成する各部材について説明する。
セラミック多層基板１１は、例えば、３層のセラミックからなる絶縁層から構成されている。セラミックの材料は、例えば、アルミナ又は窒化アルミニウム等の焼結体を用いてもよく、ガラスを添加した低温焼成セラミック材料の焼結体を用いてもよい。さらには、樹脂材料にセラミック粉末を添加した材料を用いて成型加工して形成してもよい。特に、セラミック多層基板１１が高い耐熱性を保持するためには、アルミナ等のセラミック材料の焼結体を用いることが好ましい。
セラミック多層基板１１に形成される接続端子１７、外部側面電極２０及び外部底面電極１２は、例えば無電解銅めっきと電解銅めっきとを併用して形成した後、所定のパターン形状にエッチングを行うことにより形成することができる。また、例えばＣｕ（銅）ペーストやＡｇ（銀）ペーストを用いて印刷法によって形成することもできる。なお、接続端子１７、外部側面電極２０及び外部底面電極２１には、図示は省略しているが、その表面に金薄膜を形成することが好ましい。この金薄膜は、例えば銅めっき膜及び厚膜銅配線の上に、例えばニッケルめっきを行った後、金めっきを行って金薄膜を形成することが好ましい。このようにすることにより、接続端子１７の上のＡｕワイヤ１８のボンダビリティ並びに外部側面電極１７及び外部底面電極１８のはんだ濡れ性を改善でき、接続部の信頼性を改善することができる。
蓋状部材１２は、光を最低でも７０％以上透過する透光性部材、好ましくは、８０％以上の光を透過する透光性部材、更に好ましくは９０％以上の光を透過する透過性部材から形成されることが好ましい。具体的には、ガラス製の板が汎用される。
ダイボンド材１９は、例えばエポキシ樹脂又はポリイミド樹脂等の熱硬化性樹脂ペーストを材料としている。また、熱硬化性樹脂ペーストに代えてテープ状接着材を用いてもよい。高い耐熱性が望まれる場合には、例えばＡｇ等の金属フィラを分散させた樹脂ペーストを用いることが好ましい。
以下、第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法について図２を参照しながら説明する。
図２は、第１の実施形態の半導体装置の製造方法の工程順の断面構成を示している。
図２（ａ）に示すように、上層１１ａ、中間層１１ｂ及び下層１１ｃからなり、接続端子１７、外部側面電極２０及び外部下面電極２１が形成されたセラミック多層基板１１を準備する。セラミック多層基板１１における凹部に半導体素子１５を設置するためのダイボンド材１９を例えばディスペンサを用いて塗布する。ダイボンド材１９を塗布するためのディスペンスノズルは、シングルノズルであってもマルチノズルでもよい。また、ディスペンサを用いる方法に代えて、転写方式でダイボンド材１９を供給してもよい。
ダイボンド材１９は、例えば、エポキシ樹脂又はポリイミド樹脂等の熱硬化性樹脂を主成分とする熱硬化性ペーストあり、エポキシ樹脂としては、例えば、ビスフェノール型エポキシ樹脂、ノボラック型エポキシ樹脂又はビフェニル型エポキシ樹脂等が望ましい。ビスフェノール樹脂を用いる場合、例えばビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＳ型エポキシ樹脂又はビスフェノールＦ型エポキシ樹脂が最も汎用され、常温で液状であることが好ましい。ただし、高い耐熱性が望まれる場合には、例えばＡｇ等の金属フィラを分散させた樹脂ペーストを用いることが好ましい。また、熱硬化性樹脂ペーストに代えて、テープ状接着材を用いることができる。テープ状接着材を用いる場合は、半導体素子をダイシングにより分割する前にあらかじめウエハの裏面にテープ状接着材を貼り付けておき、ダイシング時にテープ状接着材の切断も一括して行い、裏面にテープ状接着材を備えた半導体素子に分割することができる。
次に、図２（ｂ）に示すように、セラミック多層基板１１における凹部のダイボンド材１９が塗布された上に半導体素子１５を設置する。その後、熱硬化炉等を利用して１２０℃〜１７０℃の環境に２時間保存し、ダイボンド材１９を熱硬化させる。このとき、半導体素子１５の上面に設けられたＡｌ電極１６の表面が酸化することを防止するために窒素雰囲気の環境下で行うことが望ましい。
次に、図２（ｃ）に示すように、半導体素子１５のＡｌ電極１６とセラミック多層基板１１の接続端子１７とを、例えばボールボンディング法を用いて、Ａｕワイヤ１８で接続する。
Ａｌ電極１６と接続端子１７との接続方法は、ボールボンディング法に代えてウエッジボンディング法を用いてもよい。また、Ａｕワイヤ１８の代わりにＡｌワイヤ又はＣｕワイヤを用いてもよい。すなわち、Ａｕワイヤ１８を介して半導体素子１５のＡｌ電極１６とセラミック多層基板１１の接続端子１７とが電気的に接続されれば良い。このようにすることにより、半導体素子１５のＡｌ電極１６、Ａｕワイヤ１８、接続端子１７、外部側面電極１８及び外部底面電極１８が電気的に接続される。
次に、図２（ｄ）に示すように、セラミック多層基板１１の上層１１ａに樹脂接着材１３を例えばディスペンサを用いて塗布する。
次に、図２（ｅ）に示すように、透明な材料からなる蓋状部材１２を樹脂接着材１３が塗布されたセラミック多層基板１１の上に設置することにより、セラミック多層基板１１と蓋状部材１２とによって半導体素子１５が設置されたキャビティ部１２を形成する。次に、樹脂接着材１３を硬化させるために、蓋状部材１２の上面から紫外線光を照射する。紫外線光が照射された樹脂接着材１３は、重合を開始して硬化するため、セラミック多層基板１１と蓋状部材１２とが固着する。このときの紫外線光の波長は３００ｎｍ以上であって、紫外線照度は２００ｍＷ以上が望ましい。
紫外線光の照射を行った後に、樹脂接着材１３の硬化を完全にするため、１２０℃の環境に４時間保存して熱硬化させて、樹脂接着材１３によりセラミック多層基板１１と蓋状部材１２とを固着してキャビティ部１４を形成し、該キャビティ部１４に半導体素子１５を設置した半導体装置を形成することができる。
第１の実施形態に係る半導体装置によると、従来と比較して、水分を吸収しやすい樹脂分の含有量が低く、固形分の含有量が多い樹脂接着材を用いて、パッケージ本体であるセラミック多層基板と蓋状部材とを固着することにより、高温且つ高湿の環境下において熱ストレスが加わった場合においても、樹脂接着材とセラミック多層基板との間及び樹脂接着材と蓋状部材との間、すなわち樹脂接着材と非接着物との界面に剥離が発生することを抑制することができる。
なお、第１の実施形態においては、セラミック多層基板を３層のセラミックからなる絶縁層により形成しているが、３層に限定することはない。基板と蓋状部材とによってキャビティ部が形成されれば良く、また、半導体素子が外部端子と電気的に接続可能であれば第１の実施形態のように外部側面電極と外部下面電極の両方を設ける必要はない。従って、蓋状部材が半導体装置の側面を覆うように形成されていても良い。
また、第１の実施形態においては、半導体素子として受光素子を想定している。受光素子に代えて、他の半導体素子、例えば、半導体レーザ素子、発光ダイオード（ＬＥＤ）、固定撮像素子、フォトダイオード、音センサ素子、圧力センサ素子又は加速度センサ素子等を適応してもよい。また、半導体素子に、音センサ素子、圧力センサ素子又は加速度センサ素子等の非受発光素子を適用する場合は蓋状部材に透光性を有する部材を使用する必要はない。
（第２の実施形態）
図３は、本発明の第２の実施形態に係る半導体装置を示し、（ａ）は平面構成を示し、（ｂ）は（ａ）のIIIｂ−IIIｂ線における断面構成を示している。第２の実施形態に係る半導体装置の基板は、樹脂基板３１である。
図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように、第２の実施形態の半導体装置は、パッケージ本体がＢＴレジンからなる基板３１ａと該基板３１ａの外周部に形成され、樹脂からなるリブ３１ｂとからなる樹脂基板３１は、リブ３１ｂの上面に透明な蓋状部材３２が樹脂接着材３３を介して固着され、基板３１ａと蓋状部材３２との間にキャビティ部３４が形成されている。基板３１ａの上面であり、キャビティ部３４の内部には、半導体素子３５が設置されており、半導体素子３５の上面に形成されたＡｌ電極３６と樹脂基板３１に形成された接続端子３７とがＡｕワイヤ３８によって電気的に接続されている。また、半導体素子３５は、基板３１ａの上面に形成された素子搭載領域における、半導体素子３５と電気的に接続されたダイパターン３９の上に、ダイボンド材４０によって固着されている。基板ａには、上面から下面にかけて延びる貫通導体４１が形成され、接続端子３７と基板３１ａの下面に形成された外部接続端子４２とが電気的に接続されている。図示は省略するが、接続端子３７は、基板３１ａの上面の中央部に形成された素子搭載領域の周辺領域全体に形成されている。
以下に、第２の実施形態の半導体装置を構成する各部材について説明する。
樹脂接着材３３は、第１の実施形態の樹脂接着材１３と同様に、半導体素子３５への熱的ダメージ、特に半導体素子３５の表面の撮像領域に形成されるオンチップレンズへの熱的ダメージを回避するために、エポキシ樹脂、重合開始剤及び充填材から構成される紫外線硬化性樹脂を用いる。樹脂接着材３３に含まれる充填材の含有量、すなわち固形分の含有量は、３０ｗｔ％〜６０ｗｔ％の間にあることが好ましく、４０ｗｔ％〜５０ｗｔ％の間にあることが更に望ましい。このような構成の樹脂接着材３３をパッケージ本体と蓋状部材との固着に用いることにより、高温且つ高湿の条件下においても１０００時間以上不具合が発生することがない半導体装置を実現できる。また、樹脂接着材３３として紫外線硬化性樹脂を用いることにより、熱硬化性樹脂を用いる場合と比較して硬化時間を短縮することができるため、製造タクトも減少させることができることも第１の実施形態と同様である。
樹脂基板３１を構成する基板３１ａは、ＢＴレジンに代えて、ガラス繊維又はケブラー（登録商標）等の有機物からなる繊維にエポキシ樹脂、フェノール樹脂又はポリイミド樹脂等を含浸して硬化させた基材を用いたもの等、種々の樹脂基板を用いることができる。また、基板３１ａに形成された接続端子３７、ダイパターン３９、貫通導体４１及び外部接続端子４２は、図示を省略するが、それぞれ表面に金箔膜が形成されていることが好ましい。金箔膜は銅パターンの上にニッケルめっきを行った後、金めっきを行うことにより形成することが好ましい。このようにすると、接続端子３７の上のＡｕワイヤ１８のボンダビリティ並びにダイパターン３９、貫通導体４１及び外部接続端子４２のはんだ濡れ性を改善でき、接続部の信頼性を改善することができる。
また、樹脂基板３１を構成するリブ３１ｂは、枠体であり、例えば液晶ポリマ、ポリフェニレンサルファイド又はポリエチレンテレフタレート等の樹脂から成形加工することにより容易に作成できる。
蓋状部材３２は、光を最低でも７０％以上透過する透光性部材、好ましくは、８０％以上の光を透過する透光性部材、更に好ましくは９０％以上の光を透過する透過性部材から形成されることが好ましい。具体的には、ガラス製の板が汎用される。
ダイボンド材４０は、例えばエポキシ樹脂又はポリイミド樹脂等の熱硬化性樹脂ペーストを材料としている。また、熱硬化性樹脂ペーストに代えてテープ状接着材を用いてもよい。高い耐熱性が望まれる場合には、例えばＡｇ等の金属フィラを分散させた樹脂ペーストを用いることが好ましい。
以下、第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法について図４を参照しながら説明する。
図４は第２の実施形態の半導体装置の製造方法の工程順の断面構成を示している。
図４（ａ）に示すように、基板３１ａと枠状のリブ３１ｂとからなる樹脂基板３１を準備する。樹脂基板３１の形成方法は、例えば、厚さが約０．２ｍｍのＢＴレジンからなる基板の両面に厚さが約１８μｍの銅箔を貼り付け、上面から下面にかけて延びるスルーホールを形成する穴開け加工を行う。穴開け加工の後に、基板の表面に無電解銅めっき及び電解銅めっきにより銅めっき層を形成する。このとき、銅めっき層は、スルーホールの内面にも形成されるため、貫通導体４１が形成される。次に、フォトリソグラフィプロセス及びエッチングプロセスを行うことにより、基板の上面に接続端子３７及びダイパターン３９並びに基板の下面に外部接続端子４２が形成された基板３１ａが形成される。このようにして形成された基板３１ａに枠体のリブ３１ｂを熱硬化性樹脂接着材を用いて固着し、樹脂基板３１を形成する。また、基板３１ａが複数形成されたシートを形成しておき、ビフェニル型エポキシ樹脂又はフェノールノボラック型エポキシ樹脂等を用いてシート上にトランスファ成型によってリブ３１ｂを形成し、ダイシングによりシートを分割し、基板３１ａとリブ３１ｂとからなる樹脂基板３１を形成してもよい。
準備した樹脂基板３１のダイパターン３９の上にダイボンド材４０を例えばディスペンサを用いて塗布する。ダイボンド材４０を塗布するためのディスペンスノズルは、シングルノズルであってもマルチノズルでもよい。また、ディスペンサを用いる方法に代えて、転写方式でダイボンド材４０を供給してもよい。
なお、ダイボンド材４０は、例えば、エポキシ樹脂又はポリイミド樹脂等の熱硬化性樹脂を主成分とする熱硬化性ペーストあり、エポキシ樹脂としては、例えば、ビスフェノール型エポキシ樹脂、ノボラック型エポキシ樹脂又はビフェニル型エポキシ樹脂等が望ましい。ビスフェノール樹脂を用いる場合、例えばビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＳ型エポキシ樹脂又はビスフェノールＦ型エポキシ樹脂が最も汎用され、常温で液状であることが好ましい。ただし、高い耐熱性が望まれる場合には、例えばＡｇ等の金属フィラを分散させた樹脂ペーストを用いることが好ましい。また、熱硬化性樹脂ペーストに代えて、テープ状接着材を用いることができる。テープ状接着材を用いる場合は、半導体素子をダイシングにより分割する前にあらかじめウエハの裏面にテープ状接着材を貼り付けておき、ダイシング時にテープ状接着材の切断も一括して行い、裏面にテープ状接着材を備えた半導体素子に分割することができる。
次に、図４（ｂ）に示すように、樹脂基板３１のダイボンド材４０が塗布された上に半導体素子３５を設置する。その後、熱硬化炉等を利用して１２０℃〜１７０℃の環境に２時間保存し、ダイボンド材４０を熱硬化させる。このとき、半導体素子３５の上面に設けられたＡｌ電極３６の表面が酸化することを防止するために窒素雰囲気の環境下で行うことが望ましい。
次に、図４（ｃ）に示すように、半導体素子３５のＡｌ電極３６と樹脂基板３１の接続端子３７とを、例えばボールボンディング法を用いて、Ａｕワイヤ３８で接続する。
Ａｌ電極３６と接続端子３７との接続方法は、ボールボンディング法に代えてウエッジボンディング法を用いてもよい。また、Ａｕワイヤ３８の代わりにＡｌワイヤ又はＣｕワイヤを用いてもよい。すなわち、Ａｕワイヤ３８を介して半導体素子３５のＡｌ電極３６と樹脂基板３１の接続端子３７とが電気的に接続されれば良い。このようにすることにより、半導体素子３５のＡｌ電極３６、Ａｕワイヤ３８、接続端子３７、貫通導体４１及び外部接続端子４２が電気的に接続される。
次に、図４（ｄ）に示すように、リブ３１ｂの上に樹脂接着材３３を、例えばディスペンサを用いて塗布する。
次に、図４（ｅ）に示すように、透明な材料からなる蓋状部材３２を樹脂接着材３３が塗布された樹脂基板３１の上に設置することによって、樹脂基板３１と蓋状部材３２とによって半導体素子３５が設置されたキャビティ部３４を形成する。次に、低温加熱による予備加熱を行うことによって、樹脂基板３１に蓋状部材３２を仮止めし、蓋状部材３２の上面から紫外線光を照射する。紫外線光が照射された樹脂接着材３３は、重合を開始して硬化するため、樹脂基板３１と蓋状部材３２とが固着する。このときの紫外線光の波長は３００ｎｍ以上であって、紫外線照度は２００ｍＷ以上が望ましい。このようにして、樹脂接着材３３により樹脂基板３１と蓋状部材３２とが固着して形成されるキャビティ部３４に半導体素子３５が設置された半導体装置を形成することができる。
第２の実施形態に係る半導体装置によると、従来と比較して、水分を吸収しやすい樹脂分の含有量が低く、固形分の含有量が多い樹脂接着材を用いて、パッケージ本体である樹脂基板と蓋状部材とを固着することにより、高温且つ高湿の環境下において熱ストレスが加わった場合においても、樹脂接着材と樹脂基板との間及び樹脂接着材と蓋状部材との間、すなわち樹脂接着材と非接着物との界面に剥離が発生することを抑制することができる。
なお、第２の実施形態において、基板３１ａに枠状のリブ３１ｂを固着することによって樹脂基板３１に凹部を形成したが、凹部が形成された基板３１ａのみからなる樹脂基板３１を用いてもよい。また、樹脂から形成される基板に代えてセラミック基板を用いてもよい。
また、第２の実施形態においても、半導体素子として受光素子を想定している。受光素子に代えて、他の半導体素子、例えば、半導体レーザ素子、ＬＥＤ、固定撮像素子、フォトダイオード、音センサ素子、圧力センサ素子又は加速度センサ素子等を適応してもよい。また、半導体素子に、音センサ素子、圧力センサ素子又は加速度センサ素子等の非受発光素子を適用する場合は蓋状部材に透光性を有する部材を使用する必要はない。
本発明に係る半導体装置及びその製造に使用する樹脂接着材は、高温且つ高湿の環境下において熱ストレスが加わったとしても、樹脂接着材と非接着物との間で剥離が発生することを抑制でき、半導体素子、特にセンサ素子又は受発光素子のように筺体内に実装して構成される半導体装置及びその製造に使用する樹脂接着材等に有用である。
（ａ）は本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＩｂ−Ｉｂ線における断面図である。 （ａ）〜（ｅ）は本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程順の断面図である。 （ａ）は本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の平面図であり、（ｂ）は（ａ）のIIIｂ−IIIｂ線における断面図である。 （ａ）〜（ｅ）は本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程順の断面図である。
符号の説明
１１ セラミック多層基板
１１ａ 上層
１１ｂ 中間層
１１ｃ 下層
１２ 蓋状部材
１３ 樹脂接着材
１４ キャビティ部
１５ 半導体素子
１６ Ａｌ電極
１７ 接続端子
１８ Ａｕワイヤ
１９ ダイボンド材
２０ 外部側面電極
２１ 外部下面電極
３１ 樹脂基板
３１ａ 基板
３１ｂ リブ
３２ 蓋状部材
３３ 樹脂接着材
３４ キャビティ部
３５ 半導体素子
３６ Ａｌ電極
３７ 接続端子
３８ Ａｕワイヤ
３９ ダイパターン
４０ ダイボンド材
４１ 貫通導体
４２ 外部接続端子

Claims (10)

  1. 半導体素子と、
    前記半導体素子を内側に固着すると共に、前記半導体素子と電気的に接続されたパッケージ本体と、
    前記半導体素子を覆うと共に、前記パッケージ本体と固着して中空構造を形成する蓋状部材と、
    前記パッケージ本体と前記蓋状部材とを固着する固着部材とを備え、
    前記固着部材は、エポキシ樹脂、重合開始剤及び充填材を含む樹脂接着材であり、前記充填材の含有量は、前記固着部材の３０ｗｔ％〜６０ｗｔ％であることを特徴とする半導体装置。
  2. 前記充填材の含有量は、４０ｗｔ％〜５０ｗｔ％であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
  3. 前記重合開始剤は、オニウム化合物であることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。
  4. 前記オニウム化合物は、スルホニウム化合物であることを特徴とする請求項３に記載の半導体装置。
  5. 前記スルホニウム化合物は、ハロゲンを含むことを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。
  6. 前記パッケージ本体は、セラミック基板であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体装置。
  7. 前記パッケージ本体は、樹脂基板であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体装置。
  8. 前記半導体素子は、音センサ素子、圧力センサ素子、加速度センサ素子、半導体レーザ素子、発光ダイオード、固体撮像素子又はフォトダイオードであることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の半導体装置。
  9. エポキシ樹脂と、
    オニウム化合物である重合開始剤と、
    充填材とからなり、
    前記充填材を３０ｗｔ％〜６０ｗｔ％含むことを特徴とする樹脂接着材。
  10. 前記オニウム化合物は、ハロゲンを含むスルホニウム化合物であることを特徴とする請求項９に記載の樹脂接着材。
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