JP2011091328A - 電子装置及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】機能部が露出した電子装置の信頼性を高めること。
【解決手段】電子装置10は、第1面に露出した機能部11aを有する電子素子11と、第1貫通孔12aを有する枠材12と、第2貫通孔13aを有する基板13と、を備える。枠材12は、第1貫通孔12aが機能部11aの少なくとも一部と対向するように、電子素子11の第1面上に配されている。電子素子11は、機能部11aの少なくとも一部が第2貫通孔13aと対向するように、基板13に実装されている。枠材12は、基板13に当接していない。
【選択図】図2

Description

本発明は、露出した機能部を有する電子装置及びその製造方法に関する。
例えば、外部からの光信号を電気信号に変換させる電子装置は、機能部として受光部を有する電子素子を備えている。このような電子装置において、光信号の光路上に樹脂が存在すると、光信号が減衰してしまう。また、光信号の光路上には、電子装置の耐湿性を向上させて鉛フリー実装時のリフロー条件に適合させることができるような黒色樹脂を使用することができない。さらに、光信号に青色光を用いる光記録技術に関する電子装置において、光路上にエポキシ樹脂を使用している場合、光路上のエポキシ樹脂が青色光によって劣化してしまい、光透過性が悪くなってしまう。そこで、このような電子装置においては、光信号を直接受光部に入力するために、光路上に樹脂を存在させないように、すなわち受光部が露出するように構成されているものがある(例えば特許文献1参照)。機能部を露出させた電子装置は、MEMS(Micro Electro-Mechanical Systems)、機能素子(例えば電気音響フィルタ)中の可動部の樹脂封止が不可能な装置、カメラ用の固体撮像素子等への応用も期待できる。
特許文献1に記載の半導体装置においては、露出した受光素子の汚染を防止するために、突起部が設けられている。特許文献1に記載の半導体装置は、受光素子を備えた半導体ベアチップが回路基板上にフリップチップ実装されており、回路基板には受光素子に対応する位置に貫通孔部が設けられ、半導体ベアチップと回路基板との間が封止樹脂にて封止されている半導体装置であり、回路基板には貫通孔部の周縁部に枠状の突起部が設けられており、半導体ベアチップが、突起部の頂部に当接して実装されている。
特開2003−68939号公報
以下の分析は、本発明の観点から与えられる。
特許文献1に記載の半導体装置においては、突起部が、電子素子に当接した状態で電子素子と基板との間に介在している。このため、突起部によって局所的な圧力が掛かることにより、電子素子が破壊されるおそれがある。特に、電子素子を基板に実装する際や加熱処理により突起部が膨張した際に、突起部から電子素子に掛かる圧力が高くなる。
フリップチップ実装時における突起部の局所的押圧による電子素子の破壊を防止するためには、電子素子の荷重制御が必要となる。しかしながら、荷重制御が必要となると、高速な実装を実施することができず、生産性が悪化してしまう。
また、特許文献1に記載の半導体装置においては、突起部の高さ及びバンプの高さに高い寸法精度が要求される。これらの要素の寸法精度が低いと、電子素子と基板間の電気的接触が確保できなくなったり、突起部による局所的な押圧により電子素子が破壊されたりするおそれがある。また、各要素の寸法精度を高めることになると、生産性が悪化すると共に、高精度を実現するための装置が必要となり、製造コストが高くなってしまう。
本発明の第1視点によれば、第1面に露出した機能部を有する電子素子と、第1貫通孔を有する枠材と、第2貫通孔を有する基板と、を備える電子装置が提供される。枠材は、第1貫通孔が機能部の少なくとも一部と対向するように、電子素子の第1面上に配されている。電子素子は、機能部の少なくとも一部が第2貫通孔と対向するように、基板に実装されている。枠材は、基板に当接していない。
本発明の第2視点によれば、第1面に露出した機能部を有する電子素子の第1面上に、機能部の少なくとも一部を取り囲むように、枠材を形成する枠材形成工程と、貫通孔を有する基板に、貫通孔と機能部の少なくとも一部とが対向するように、電子素子を実装する実装工程と、を含む電子装置の製造方法が提供される。
本発明は、以下の効果のうち少なくとも1つを有する。
本発明においては、枠材が基板に当接していない。これにより、枠材によって電子素子に局所的な圧力が掛かることを防止することができる。したがって、本発明によれば、機能性を高めると共に、信頼性を高めた電子装置を提供することができる。
本発明においては、枠材、及び電子素子と基板間の導電材(バンプ)を高精度に作製する必要がない。したがって、本発明によれば、生産性を悪化させることなく、かつ製造コストを上昇させることなく、上記電子装置を製造することができる。
本発明の第1実施形態に係る電子装置の概略斜視図。 図1のII−II線における概略断面図。 本発明の第1実施形態に係る電子装置の製造方法を説明するための概略工程図。 本発明の第1実施形態に係る電子装置の製造方法を説明するための概略工程図。 本発明の第2実施形態に係る電子装置の概略断面図。 本発明の第2実施形態に係電子装置の製造方法を説明するための概略工程図。 本発明の第3実施形態に係る電子装置の概略断面図。 本発明の第4実施形態に係る電子装置の概略断面図。 本発明の第4実施形態に係る電子装置の製造方法を説明するための概略工程図。
上記各視点の好ましい形態を以下に記載する。
上記第1視点の好ましい形態によれば、枠材は、基板の第2貫通孔に挿入されている。
上記第1視点の好ましい形態によれば、枠材の外面と、基板の第2貫通孔の内面との間には間隙が形成されている。
上記第1視点の好ましい形態によれば、枠材の高さは、0.03mm以上である。
上記第1視点の好ましい形態によれば、枠材は、樹脂で形成されている。
上記第2視点の好ましい形態によれば、実装工程において、枠材を貫通孔に挿入するように、電子素子を基板に実装する。
上記第2視点の好ましい形態によれば、枠材形成工程は、電子素子の第1面上に、枠材前駆膜を形成する工程と、機能部の少なくとも一部が露出するように枠材前駆膜を成形する工程と、を含む。
本発明の第1実施形態に係る電子装置について説明する。図1に、本発明の第1実施形態に係る電子装置の概略斜視図を示す。図2に、図1のII−II線における概略断面図を示す。
電子装置10は、基板13と、基板13にフリップチップ実装された電子素子11を備える。電子素子11は、導電材(バンプ)14を介して基板13と電気的に接続されている。例えば、電子素子11の電気信号は、導電材14を介して基板13に伝導し、基板13の内部配線により、電子素子11と対向する面とは反対側の面に形成された実装端子に伝達される。導電材14は、アンダーフィル樹脂15で覆われ、アンダーフィル樹脂15は、基板13と電子素子11とを接合するように作用する。
電子素子11は、機能部11aを有する。電子素子11としては、例えば、光信号を電気信号に変換するための受光素子を使用することができる。この場合、機能部11aは、受光部となる。
電子装置10は、第1貫通孔12aが形成された枠材又は筒材12(以下、「枠材」という)をさらに備える。枠材12は、枠材12の第1貫通孔12aが機能部11aの少なくとも一部に対向し、第1貫通孔12aを通じて機能部11aの少なくとも一部が露出するように、電子素子11上に立設されている。枠材12は、機能部11aの露出面全体を取り囲むように形成すると好ましい。
基板13は、電子素子11の機能部11aに対応する位置に第2貫通孔13aを有する。すなわち、第2貫通孔13aは、機能部11aの少なくとも一部と対向している。枠材12の第1貫通孔12aと基板13の第2貫通孔13aも対向している。基板13は、枠材12と当接していない。好ましくは、電子素子11は、枠材12が基板13の第2貫通孔13aに挿入されるように実装されている。この場合、枠材12の外面と、基板13の第2貫通孔13aの内面との間には間隙dが形成される。間隙dは、温度上昇に伴い、枠材12及び基板13が膨張・伸張したとしても、枠材12と基板13とが接触しないような大きさにすると好ましい。これにより、例えば、電子素子11を基板13を実装する際に、又は枠材12が加熱処理(例えば、電子装置10を実装するための加熱処理、温度サイクル試験等の耐久性試験における加熱処理等)により膨張した際に、基板13が枠材12を介して電子素子11を局所的に押圧することを防止することができる。したがって、本発明によれば、枠材12による電子素子11の破壊を抑制することができる。また、温度変化に伴い、枠材12が伸縮したとしても、枠材12は、線膨張係数の異なる他の要素に影響されることなく伸縮することができる。したがって、本発明によれば、温度変化に伴い、枠材12が電子素子11から剥離したり、電子素子11に対して応力を掛けたりすることを防止することができる。また、温度変化に伴い、基板13の伸縮も枠材に影響されることがなく、むしろ間隙dの分だけ伸縮の自由度が高くなるので、導電材14に掛かる応力を低減することができる。したがって、本発明によれば、電気的接続信頼性を高めることができる。
電子素子11の機能部11aの少なくとも一部、好ましくは全体が、枠材12の第1貫通孔12a及び基板13の第2貫通孔13aを通じて露出されることになる。例えば、機能部11aが受光部である場合、光信号は、枠材12の第1貫通孔12aを通じて、受光部11aに入力されることになる。
枠材12の高さ(電子素子11面からの高さ)は、アンダーフィル樹脂15を充填する際に、アンダーフィル樹脂15が枠材12を超えて第1貫通孔12a内に浸入しないような高さにすると好ましい。例えば、アンダーフィル樹脂15としてエポキシ樹脂を使用した場合、枠材12の高さは、0.03mm以上(例えば0.1mm)にすると好ましい。枠材12の高さを0.03mm以上にすれば、アンダーフィル樹脂15を供給過多にしない限り、アンダーフィル樹脂15が枠材12を乗り越えて、機能部11a面に浸入することを防止することができる。また、枠材12の高さは、枠材12が基板13面から突出しすぎないようにすると好ましい。例えば、枠材12の高さは1mm以下にすると好ましい。枠材12が基板13面から突出しすぎると、電子装置10が厚くなってしまう。
枠材12の端面の平面形状(外環形状)は、図1においては円環状(第1貫通孔12aの平面形状は円形)に図示してあるが、これに限定されず、種々の形状を採用することができる。例えば、枠材12の端面の平面形状は、楕円形状、多角形状であってもよい。また、第1貫通孔12aの形状(内環形状)も、円形に限定されることなく、種々の形状を採用することができ、例えば、楕円形、多角形等であってもよい。
枠材12は、例えば、樹脂から形成することができる。枠材12の材料を樹脂とする場合、枠材12は、アクリル系樹脂等の光硬化性樹脂を含有するものであってもよいし、エポキシ系樹脂等の熱硬化性樹脂を含有するものであってもよい。枠材12の動的粘弾性は、硬化した状態、25℃において、2GPa以上6GPa以下の範囲であると好ましい。また、枠材12の動的粘弾性は、硬化した状態、200℃において、1MPa以上50MPa以下の範囲であると好ましい。枠材12の動的粘弾性がこの範囲にあれば、電子装置10を実装する際のリフロー工程や環境試験等において、温度変化に応じて一定程度の弾性変化が可能であり、熱応力を緩和することができる。なお、枠材12の動的粘弾性は、JISK7244−4に準拠して測定する。
電子装置10は、封止樹脂16をさらに備える。封止樹脂16は、電子素子11を保護するため、電子素子11を覆うように電子素子11が実装された基板13面側を封止している。封止樹脂16としては、例えば、エポキシ系樹脂を使用することができる。
電子装置10は、枠材12及び基板13上に、機能部11aを保護するための保護膜(不図示)をさらに備えてもよい。保護膜としては、リフロー工程における加熱温度以上の耐熱性を有し、剥離可能な材料を用いると好ましい。
次に、本発明の第1実施形態に係る電子装置の製造方法について説明する。ここでは、機能部として受光部を有する半導体素子を実装した半導体装置を例にして説明する。図3及び図4に、本発明の電子装置の製造方法を説明するための概略工程図を示す。
まず、電子素子として複数の半導体素子が形成されたウエハ11Aを準備する(図3(a))。ウエハ11Aの各半導体素子の表面には、受光部11aが露出している。なお、図3(a)においては、2つの半導体素子を図示しているが、半導体素子の数は、2つに限定されず、1つであってもよいし、3つ以上であってもよい。
次に、ウエハ11A上に、枠材前駆膜12Aを形成する(図3(b))。枠材12を樹脂で形成する場合、枠材前駆膜12Aとしては、フィルム状樹脂又は液状樹脂を使用することができる。この場合、均一な厚みを有するフィルム状樹脂を使用するとより好ましい。樹脂フィルムを使用すると、液状樹脂に比べて、ウエハ11A全体に均一な、かつ0.03mm以上の膜厚を形成することが容易となる。枠材の高さを例えば0.1mmにする場合には、膜厚0.1mmの枠材前駆膜12Aを使用する。
次に、マスク18を用いて、枠材前駆膜12Aを露光し、パターニングする(図3(c))。このとき、枠材12の第1貫通孔12aが、受光部11aの少なくとも一部、より好ましくは受光部11a全体を露出するように、枠材前駆膜12Aをパターニングする。次に、枠材前駆膜12Aを現像処理し、枠材12となる部分以外の部分(露光させた部分)を除去する。すなわち、各受光部11aを取り囲むように枠材前駆膜12Aを枠材12の形状に成形する。次に、枠材前駆膜12Aを熱処理して硬化させ、枠材12を形成する(図3(d))(図3(b)〜(d);枠材形成工程)。この熱処理により、枠材12と半導体素子(ウエハ11A)とは強固に接合する。また、この熱処理による枠材12の大きな形状変化はない。
この方法によれば、複数の半導体素子11対する各枠材12を一括して作製することができ、生産効率を高めることができる。
次に、ウエハ11A上に、基板13にフリップチップ実装するための導電材14を形成する(図3(e))。本発明においては、枠材12の存在を考慮することなく、すなわち、特に高さ精度を高めることなく、バンプを形成することができる。
次に、ウエハ11Aを個々の半導体素子毎に切削し、枠材12を有する半導体素子11を形成する(図3(f))。
次に、複数の基板13を有する基板前駆体13Aを準備する。基板前駆体13Aの各基板13には第2貫通孔13aが形成されている。次に、基板前駆体13Aに、各半導体素子11をフリップチップ実装する(図4(g);実装工程)。このとき、基板13の第2貫通孔13aが受光部11a及び枠材12の第1貫通孔12aと対向するようにすると共に、各枠材12が第2貫通孔13aに挿入されるようにする。
本発明によれば、枠材12が基板13に当接しないので、実装工程において、枠材12から半導体素子11への不要な応力を防止することができる。また、枠材12による押圧を考慮した荷重制御が不要となるので、実装の効率性を低下させることはない。
次に、基板前駆体13Aと半導体素子11との接続を補強するため、導電材14の周囲にアンダーフィル樹脂15を形成する(図4(h))。アンダーフィル樹脂15を充填する際、枠材12によって、アンダーフィル樹脂15が受光部11a上へ流動することが防止される。
次に、封止樹脂16によって、複数の半導体素子11を一括して封止する(図4(i))。このとき、基板前駆体13Aと半導体素子11との間にはアンダーフィル樹脂15が充填され、また、受光部11aは枠材12によって囲まれているので、受光部11aは封止樹脂16によって覆われることはない。
次に、半導体素子11毎に基板前駆体13A及び封止樹脂16を分割して、電子装置(半導体装置)10が製造される。
また、必要に応じて、枠材12及び基板13の上面を覆う保護膜(不図示)を形成してもよい
次に、本発明の第2実施形態に係る電子装置について説明する。図5に、本発明の第2実施形態に係る電子装置の概略断面図を示す。なお、図5において、第1実施形態と同じ要素には同じ符号を付してある。
第1実施形態に係る電子装置10おいては、封止樹脂26は、電子素子11を全体的に覆っていたが、第2実施形態に係る電子装置20においては、封止樹脂26は、電子素子11における機能部11aが形成された面(以下「第1面」という)とは反対側の面(以下「第2面」という)を露出させるように形成されている。第2実施形態に係る電子装置20におけるそれ以外の形態は、第1実施形態と同様である。
次に、第2実施形態に係る電子装置20の製造方法について説明する。図6に、第2実施形態に係る電子装置20の製造方法を説明するための概略断面図を示す。図3及び図4に示す第1実施形態に係る電子装置10の製造方法と異なる点は、図4(i)に示す樹脂封止工程である。図4(h)に示すアンダーフィル樹脂形成工程の後、図6に示すように、電子素子11の第2面上に、緩衝シート21を配置する。この状態で、第1及び第2封止用金型22a,22bを上下にセットし、封止樹脂26を形成する。これにより、電子素子11の第2面を覆うことなく封止樹脂26を形成することができる。緩衝シート21は、電子素子11と封止用金型22との間に介在され、電子素子11の第2面への封止樹脂26の浸入及び封止用金型22による電子素子11へのダメージを防止する。緩衝シート21としては、展延性があり、かつ柔軟な樹脂製シートを用いることができ、例えば、リリースフィルムと呼ばれる離型シートを用いることができる。
第2実施形態に係る電子装置20の製造方法における上記以外の方法は、第1実施形態に係る方法と同様である。
本実施形態によれば、電子素子の放熱性を高めることができ、電子素子の誤動作を防止することができる。
次に、本発明の第3実施形態に係る電子装置について説明する。図7に、本発明の第3実施形態に係る電子装置の概略断面図を示す。なお、図7において、第1実施形態と同じ要素には同じ符号を付してある。
第3実施形態に係る電子装置30は、第1実施形態及び第2実施形態と異なり、封止樹脂を有していない。第3実施形態に係る電子装置30におけるそれ以外の形態は、第1実施形態と同様である。
第3実施形態に係る電子装置30の製造方法は、図4(i)に示す樹脂封止工程を実施しない以外は、第1実施形態に係る電子装置と同様の方法である。
本実施形態によれば、電子素子の放熱性を高めることができ、電子素子の誤動作を防止することができる。
次に、本発明の第4実施形態に係る電子装置について説明する。図8に、本発明の第4実施形態に係る電子装置の概略断面図を示す。なお、図8において、第1実施形態と同じ要素には同じ符号を付してある。
第4実施形態に係る電子装置40は、第1〜第3実施形態と異なり、アンダーフィル樹脂を有していない。その代わりに、電子素子11と基板13の間及び枠材12と基板13との間は、電子素子11の周囲と共に封止樹脂46で封止されている。
枠材12の上面(基板13側端面)12bは、基板13の上面(露出面)13bよりも突出していると好ましい。例えば、枠材12の上面12bは、基板13の上面13bよりも0.05mm以上突出していると好ましい。枠材12の上面12bが基板13の上面13bよりも突出していることにより、樹脂封止の際に封止樹脂46が枠材12の第1貫通孔12a内に流入することを防止することができる。
第4実施形態に係る電子装置40におけるそれ以外の形態は、第1実施形態と同様である。
本実施形態によれば、温度変化により各要素が膨張・収縮しても、枠材12と基板13との間の封止樹脂46が、それによって生ずる応力を緩和することができる。これにより、電子装置40の信頼性を高めることができる。
次に、第4実施形態に係る電子装置40の製造方法について説明する。第4実施形態に係る電子装置40の製造方法は、図4(h)に示すアンダーフィル樹脂形成工程を含んでいない。その代わりに、樹脂封止工程において、電子素子11と基板13の間にも封止樹脂46を充填するようにする。図9に、第4実施形態に係る電子装置40の製造方法を説明するための概略断面図を示す。図4(g)に示す実装工程の後、図9に示すように、電子素子11の第2面上に第1緩衝シート41aを配置すると共に、基板13の上面(露出面)13bにも第2緩衝シート41bを配置する。第1及び第2緩衝シート41a,41bは、第2実施形態における緩衝シートと同様のものである。この状態で、第1及び第2緩衝シート41a,41bを介して、第1及び第2封止用金型42a,42bを上下にセットし、封止樹脂46を形成する。このとき、枠材12の上面12bを第2緩衝シート41bにめり込ませる又は枠材12の上面12bで第2緩衝シート41bを潰すように型締めすると好ましい。これにより、枠材12の第1貫通孔12a内に封止樹脂46が流入することを防止することができる。また、枠材12の高さも均一に形成されることによっても、第1貫通孔12a内への封止樹脂46の流入が防止されている。なお、このような型締めしても、第2緩衝シート41bが弾性変形するので、電子素子11に掛かる局所的圧力は低減される。また、枠材12が樹脂で形成されている場合には、枠材12の弾性変形によっても電子素子11に掛かる局所的圧力を低減することができる。
第4実施形態に係る電子装置40の製造方法における上記以外の方法は、第1実施形態に係る方法と同様である。
本発明の電子装置及びその製造方法は、上記実施形態に基づいて説明されているが、上記実施形態に限定されることなく、本発明の範囲内において、かつ本発明の基本的技術思想に基づいて、上記実施形態に対し種々の変形、変更及び改良を含むことができることはいうまでもない。また、本発明の請求の範囲の枠内において、種々の開示要素の多様な組み合わせ・置換ないし選択が可能である。
本発明のさらなる課題、目的及び展開形態は、請求の範囲を含む本発明の全開示事項からも明らかにされる。
本発明は、例えば、機能部が受光部である電子装置に好適に適用することができる。このような電子装置としては、例えば、DVDプレーヤ、デジタルビデオカメラ、デジタルスチルカメラに使用可能なものが挙げられる。
10,20,30,40 電子装置
11 電子素子
11a 機能部
11A ウエハ
12 枠材
12a 第1貫通孔
12b 上面
12A 枠材前駆膜
13 基板
13a 第2貫通孔
13b 上面
13A 基板前駆体
14 導電材(バンプ)
15 アンダーフィル樹脂
16,26,46 封止樹脂
18 マスク
21 緩衝シート
22a,22b,42a,42b 第1及び第2封止用金型
41a,41b 第1及び第2緩衝シート

Claims (8)

  1. 第1面に露出した機能部を有する電子素子と、
    第1貫通孔を有する枠材と、
    第2貫通孔を有する基板と、を備え、
    前記枠材は、前記第1貫通孔が前記機能部の少なくとも一部と対向するように、前記電子素子の前記第1面上に配され、
    前記電子素子は、前記機能部の少なくとも一部が前記第2貫通孔と対向するように、前記基板に実装され、
    前記枠材は、前記基板に当接していないことを特徴とする電子装置。
  2. 前記枠材は、前記基板の前記第2貫通孔に挿入されていることを特徴とする請求項1に記載の電子装置。
  3. 前記枠材の外面と、前記基板の前記第2貫通孔の内面との間には間隙が形成されていることを特徴とする請求項2に記載の電子装置。
  4. 前記枠材の高さは、0.03mm以上であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の電子装置。
  5. 前記枠材は、樹脂で形成されていることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の電子装置。
  6. 第1面に露出した機能部を有する電子素子の前記第1面上に、前記機能部の少なくとも一部を取り囲むように、枠材を形成する枠材形成工程と、
    貫通孔を有する基板に、前記貫通孔と前記機能部の少なくとも一部とが対向するように、前記電子素子を実装する実装工程と、を含むことを特徴とする電子装置の製造方法。
  7. 前記実装工程において、前記枠材を前記貫通孔に挿入するように、前記電子素子を前記基板に実装することを特徴とする請求項6に記載の電子装置の製造方法。
  8. 前記枠材形成工程は、
    前記電子素子の前記第1面上に、枠材前駆膜を形成する工程と、
    前記機能部の少なくとも一部が露出するように前記枠材前駆膜を成形する工程と、を含むことを特徴とする請求項6又は7に記載の電子装置の製造方法。
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