JP2014067898A - 半導体デバイスおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】封止樹脂により封止された半導体素子が透光性部材の下方に設けられた半導体デバイスにおいて、半導体素子と回路基板を接続するワイヤの保護を図る。
【解決手段】半導体素子３の上面には、機能領域３および電極３２が設けられ、電極３２は回路基板２の接続端子２２とワイヤ６により接続されている。半導体素子３上には透光性部材４が接着され、周囲は封止部材５により封止されている。透光性部材４は、機能領域３と電極３２との間に周縁部４ａＳが配置された下部透光部４ａと、周縁領域４ｂＳ部がワイヤ６の最大高さ部６ａ近傍を覆う上部透光部４ｂとを有する。
【選択図】図１

Description

この発明は、半導体素子が封止樹脂により封止された半導体デバイスおよびその製造方法に関する。

光学センサ等の機能領域を有する半導体デバイスにおいては、電子機器の小型化に伴い、小型化および薄型化が図られており、最近では、半導体素子の一面上に透光性部材を、直接、積層する構造が検討されている。半導体素子は、その上面に電極を有し、接続端子が形成された回路基板上に搭載され、半導体素子の電極と接続端子とがワイヤボンディングされる。このような構造では、半導体素子と透光性部材の周囲に絶縁性の封止樹脂を充填する方式が採用されている。

固体撮像素子のような光学素子を備えた半導体デバイスにおいて、透光性部材の周側部から入射する光が受光部に届き難くするために、透光性部材の周縁部に突出部分を設けた構造としたものがある。この半導体デバイスでは、半導体素子の電極は、透光性部材の外周に配置され、回路基板の接続端子にワイヤボンディングされている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１１−５４９２５号公報

半導体素子の電極と回路基板の接続端子を接続するワイヤには、ワイヤと封止樹脂との熱膨張係数の差に起因する応力が生じる。また、ワイヤは、封止樹脂の上面側に向けて延出されており、ワイヤの最高高さ部と封止樹脂の上面との距離は小さいが、この部分には、ワイヤを保護する部材は存在しない。このため、温度変化や、外部からの衝撃や振動によるワイヤの損傷を防止する必要がある。

この発明の半導体デバイスは、接続端子を有する基板と、基板の一面上に搭載され、上面に機能領域と、機能領域の周囲に形成され、ワイヤにより接続端子に接続された電極とを有する半導体素子と、半導体素子の機能領域上に積層された透光性部材と、基板の一面上に形成され、半導体素子の周囲、ワイヤおよび透光性部材の周囲を覆って封止する封止部材と、を備え、透光性部材は、電極と機能領域との間に周縁部を有する下部透光部と、半導体素子の外周部の外側に周縁部を有する上部透光部を備えていることを特徴とする。
この発明の半導体デバイスの製造方法は、接続端子が形成された基板上に、機能領域と機能領域の外周側に配置された電極が上面に形成された半導体素子を搭載する工程と、半導体素子の電極と基板の接続端子をワイヤにより接続する工程と、半導体素子上に透光性部材を接着する工程と、半導体素子上に透光性部材を接着した後、半導体素子と透光性部材間に封止部材を形成する工程と、を備え、透光性部材は、電極と機能領域との間に周縁部を有する下部透光部と、半導体素子の外周部の外側に周縁部を有する上部透光部を備え、下部透光部の下面を半導体素子の上面に接着することを特徴とする。
また、本発明の半導体デバイスの製造方法は、接続端子が形成された基板上に、機能領域と機能領域の外周側に配置された電極が上面に形成された半導体素子を搭載する工程と、半導体素子の電極と基板の接続端子をワイヤにより接続する工程と、半導体素子上に透光性部材を接着する工程と、半導体素子上に透光性部材を接着した後、半導体素子と透光性部材間に封止部材を形成する工程と、封止部材および透光性部材を半導体素子の外周で切断する工程と、を備え、透光性部材は、電極と機能領域との間に周縁部を有する下部透光部と、半導体素子の外周部の外側に周縁部を有する上部透光部を備え、下部透光部の下面を半導体素子の上面に接着することを特徴とする。

この発明によれば、半導体素子の電極は、下部透光部の厚さ分の封止部材により覆われるので、ワイヤを覆う封止部材の厚さが薄くなる。このため、熱膨張係数の差によってワイヤに生じる応力を小さくすることができる。また、半導体素子の電極は、上部透光部の周縁部により保護される。

本発明に係る半導体デバイスの一実施の形態の断面図。 本発明に係る半導体デバイスの実施形態２の断面図。 本発明に係る半導体デバイスの実施形態３の断面図。

−実施形態１-
［半導体デバイスの構造］
以下、この発明の半導体デバイスの一実施の形態を図面と共に説明する。
図１は、この発明の半導体デバイスの一実施の形態の断面図である。
半導体デバイス１は、回路基板（基板）２と、半導体素子３と、透光性部材４と、封止部材５とを備えている。
半導体デバイス１は、その上面形状が矩形形状であり、半導体素子３透光性部材４の上面も同様に矩形形状である。
半導体素子３は上面に、例えば、受光領域などの機能領域３１等を有し、回路基板２の上面（一面）２１上に不図示のダイボンド材によりダイボンディングされている。半導体素子３の機能領域３１の周囲には、複数の電極３２が配列されている。

電極３２は、機能領域３１の周囲全体、または相対向する一対の側辺に沿って配列されている。各電極３２は、回路基板２に配列して形成された複数の接続端子２２の各々にワイヤ６により接続されている。回路基板２の上面２１に形成された接続端子２２は、半導体素子３の電極３２と対応して配列されている。すなわち、電極３２が、機能領域３１の周囲全体に配列されている場合には、半導体素子３の外周全周に沿って配列され、電極３２が相対向する一対の側辺に沿って配列されている場合には、電極３２が配列された半導体素子３の一対の側辺に沿って配列されている。電極３２と接続端子２２との接続は、ワイヤボンディング法によるものである。図示はしないが、回路基板２の上面２１には、所定の回路を構成する配線が形成されている。

半導体素子３の機能領域３１上には、透光性部材４が、透明接着剤層７により接着されて積層されている。透光性部材４は、透明な樹脂材料またはガラスにより形成された板状部材である。
透光性部材４は、光透過可能な面積が小さい下部透光部４ａと、下部透光部４ａの外周に張り出す周縁領域４ｂＳを有し、下部透光部４ａよりも光透過可能な面積の大きい上部透光部４ｂが一体化された段付き構造を有する。

下部透光部４ａの周縁部４ａＳは、半導体素子３の上面に形成された機能領域３１と電極３２との間に位置している。すなわち、下部透光部４ａは、機能領域３１のすべてを覆い、その光透過可能な面積は機能領域３１の表面積よりも大きい。
ワイヤ６は、半導体素子の上面に形成された電極３２から、上方に向かって漸次上昇し、最大高さ部６ａから回路基板２に形成された接続端子２２向かって漸次下降する曲線状に形成されている。従って、ワイヤ６は最大高さ部６ａにおいて上部透光部４ｂの周縁領域４ｂＳの下面４ｂＬに最も接近している。

封止部材５は、回路基板２の上面２１上において、半導体素子３およびワイヤ６の全体を覆って、その上面が透光性部材４の上面と同一面またはそれよりも僅かに高く形成されている。封止部材５は、透明接着剤層７および下部透光部４ａの周囲の外周における半導体素子３の上面と、上部透光部４ｂの周縁領域４ｂＳの下面４ｂＬとの間にも充填されている。
上部透光部４ｂは、下部透光部４ａと周縁部４ｂＥまでの間の領域である周縁領域４ｂＳが、ワイヤ６における電極３２との接続部から最大高さ部６ａより少し外側までの領域の上部を覆って配置されている。

透明接着剤層７および下部透光部４ａの外周における半導体素子３の上面と、上部透光部４ｂの周縁領域４ｂＳの下面４ｂＬとの間に向けられた封止部材５の層の厚さは、他の領域よりも薄い。このため、ワイヤ６と封止部材５との熱膨張係数の差に起因してワイヤ６に生じる応力を小さくすることができる。すなわち、ワイヤ６の上方の封止部材５が、上部透光部４ｂの上面と同一面の位置まで充填されて、その厚さが厚い部分に比べて応力が小さくなる。
また、ワイヤ６における電極３２との接続部から最大高さ部６ａより少し外側の上部までは、上部透光部４ｂの周縁領域４ｂＳにより覆われている。このため、外部からの衝撃や振動に対してワイヤ６を保護することができる。

［半導体デバイスの製造方法］
このような、半導体デバイス１の製造方法の一例を以下に示す。
回路基板２上に半導体素子３をダイボンディングする。半導体素子３の電極３２と回路基板２の接続端子２２を、ワイヤボンディング法を用いてワイヤ６により接続する。ワイヤの一例としては金ワイヤを挙げることができる。
透光性部材４を透明接着剤層７により接着して半導体素子３の機能領域３１上に積層する。透明接着剤層７としては、例えば、透明なエポキシ樹脂またはシリコーン樹脂を用いることができる。
そして、回路基板２上に、液状の封止材を、ポッティング法等により塗布する。封止材の塗布は、下部透光部４ａの周囲の外周における半導体素子３の上面と、上部透光部４ｂの周縁領域４ｂＳの下面４ｂＬとの間にも十分充填されるように行う。液状の封止材の充填は、真空雰囲気中で行うようにしてもよい。

封止部材５を形成する封止材としては、例えば、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂を用いることができる。樹脂中にガラス繊維などのフィラを分散した材料も好ましい材料の１つである。
封止樹脂を、加熱・硬化することにより、図１に図示されるような封止部材５が形成された半導体デバイス１が形成される。封止樹脂材料として紫外線硬化型を用い、紫外線を照射して硬化するようにしてもよい。
なお、半導体デバイス１を製造する場合、１枚の回路基板から、多数の半導体デバイス１を同時に得るようにすることもできる。その場合には、１枚の回路基板に複数の半導体素子３を配列し、半導体素子３が搭載された各領域に上記工程処理を行い、封止材を硬化する前、または硬化した後、回路基板および封止部材を各領域の境界で切断して、図１に示す回路基板２および封止部材５を有する複数の半導体デバイス１を得るようにすればよい。
本発明に係る半導体デバイスは、以下に示すように、種々の実施形態を採用することが可能である。

--実施形態２--
図２は、本発明に係る半導体デバイスの実施形態２の断面図である。
実施形態２の半導体デバイス１Ａは、透光性部材４Ａが、回路基板２および封止部材５の外周と同一の大きさに形成されている構造としている点で、実施形態１と相違している。
すなわち、透光性部材４Ａの上部透光部４ｂ₁は、その周縁部４ｂ₁Ｅが回路基板２および封止部材５の外周部と同一平面にある。換言すれば、透光性部材４Ａの上部透光部４ｂ₁の周縁領域４ｂ1Ｓは回路基板２上に形成された封止部材５の全体を覆っており、封止部材５の上面は、外部に露出していない。

下部透光部４ａ₁は、実施形態１の下部透光部４ａと同一であり、その下面が透明接着剤層７に接着され、その周縁部４ａＳは、半導体素子３に形成された機能領域３１と電極３２との間に位置している。
図２におけるその他の構成は、実施形態１と同様であり、対応する部材に同一の符号を付して説明を省略する。

実施形態２では、電極３２と接続端子２２を接続するワイヤ６は、全長に亘り、上部透光部４ｂ₁により保護される。また、実施形態２においても、透明接着剤層７および下部透光部４ａ₁の外周における半導体素子３の上面と、上部透光部４ｂ₁の周縁領域４ｂ₁Ｓの下面４ｂＬとの間に向けられた封止部材５の層の厚さは、他の領域よりも薄い。従って、実施形態１と同様な効果を奏する。

透光性部材４Ａは、衝撃や負荷により、破損したり損傷したりすることがある。透光性部材４Ａの下部透光部４ａ₁および下部透光部４ａ₁に対応する領域である上部透光部４ｂ₁の中央領域が、破損または損傷すると、光学的特性が損なわれる。
実施形態２においては、下部透光部４ａ₁の外側に張り出す上部透光部４ｂ₁の周縁領域４ｂ₁Ｓの長さが大きく形成されている。下部透光部４ａ₁の外側に張り出す上部透光部４ｂ₁の周縁領域４ｂ₁Ｓは厚さが薄いため、下部透光部４ａ₁の領域に比して、強度が弱い。このため、衝撃や負荷による透光性部材４の破損や損傷は、下部透光部４ａ₁の外側に張り出す上部透光部４ｂ₁の周縁領域４ｂ₁Ｓに生じ易くなる。
このため、実施形態２では、衝撃や負荷により透光性部材４Ａに破損や損傷が生じるとしても、その破損や損傷は、半導体素子３の機能領域３１に対応する領域では、起こり難くなっている。その結果、半導体デバイスの機能を維持することができるという効果を奏する。

実施形態２の半導体デバイス１Ａの製造方法を以下に示す。
多数の半導体デバイス１Ａを形成することができる大きな面積を有する回路基板２’（図示せず）を準備する。
回路基板２’の各半導体デバイス形成領域上に半導体素子３を、それぞれ、ダイボンディングし、次いで、半導体素子３の電極３２と回路基板２の接続端子２２を、ワイヤボンディングによりワイヤ６で接続する。

回路基板２’と同様、多数の半導体デバイス１Ａを形成することができる大きな面積を有する透光性部材４’（図示せず）を準備する。
透光性部材４’には、各半導体デバイス形成領域に対応して、下部透光部４ａ₁と、上部透光部４ｂ₁とが形成されている。
透光性部材４’の各下部透光部４ａ₁を透明接着剤層７により半導体素子３の機能領域３１上に接着する。

次に、回路基板２’と透光性部材４’との間に、液状の封止材を注入する。封止材の注入は、下部透光部４ａ₁の外周における半導体素子３の上面と上部透光部４ｂ₁の下面４ｂＬとの間にも十分充填されるように行う。封止材の充填が完了したら、封止材を硬化して封止部材５’（図示せず）を形成する。

そして、透光性部材４’と、封止部材５’と、回路基板２’を、各半導体デバイス形成領域の間で切断することにより、図２に図示される半導体デバイス１Ａを多数個、同時に得ることができる。

このような製造方法によれば、透光性部材４’の接着や、封止材の注入を効率的に行うことができるので、生産性を向上することができる。
なお、透光性部材４’の半導体デバイス形成領域の境界部に、封止材を注入するためのスリットを設けてもよい。透光性部材４’を、封止部材５’および回路基板２’と共に各半導体デバイス形成領域の間で切断することにより、スリットに対応する領域の封止部材５が外部に露出するが、このような半導体デバイス１Ａは、回路基板２と透光性部材４の上部透光部４ｂ₁が平面視でほぼ等しい大きさであるとし、本発明に含まれるものである。

--実施形態３--
図３は、本発明に係る半導体デバイスの実施形態３の断面図である。
実施形態３の半導体デバイス１Ｂは、透光性部材４Ｂの上面に溝部４１有している点で、実施形態２と相違している。
すなわち、上部透光部４ｂ₁の周縁領域４ｂ₁Ｓの上面における下部透光部４ａ₁の少し外周側に、下部透光部４ａ₁の周縁部４ａ₁Ｓに沿って、溝部４１が形成されている。溝部４１は、上部透光部４ｂ₁の厚さの中間部に達する深さを有する。

実施形態３では、上部透光部４ｂ₁の上面に溝部４１を形成することにより、この部分の強度を小さくし、透光性部材４Ｂに衝撃や負荷が加わった場合、透光性部材４Ｂの破損や損傷がこの溝部４１の周辺で生じるようにしてある。
このため、透光性部材４Ｂが、半導体素子３の機能領域３１に対応する領域で破損や損傷を起こす可能性が一層小さくなり、半導体デバイス１Ｂの機能の維持をさらに増大させることができる。
実施形態１におけるその他の構成は、実施形態２と同様であり、対応する部材に同一の符号を付して説明を省略する。

実施形態３に示す半導体デバイス１Ｂは、実施形態２と同様な方法で製造することができる。
つまり、半導体素子３の機能領域３１上に接着する透光性部材４’を、溝部４１が形成されたものとすればよい。なお、半導体素子３上に、溝部４１が形成されていない透光性部材４’を接着し、各半導体デバイス１Ｂに分離する前、または各半導体デバイス１Ｂに分離した後に、透光性部材４’を切断して溝部４１を形成するようにしてもよい。

以上説明した通り、上記各実施形態によれば、ワイヤ６の最大高さ部６ａの周辺における封止部材５、５Ａの層の厚さを薄くしたので、熱膨張係数の差によってワイヤに生じる応力を小さいものとすることができる。また、ワイヤ６の最大高さ部６ａの周辺を上部透光部４ｂ、４ｂ₁の周縁領域４ｂＳ、４ｂ₁Ｓにより保護することができる。

なお、上記実施形態では、半導体素子３の機能領域３１を受光領域として例示したが、本発明は、発光等、受光以外の他の機能を有する半導体素子３に対しても適用することができる。

上記実施形態３では、平面視で回路基板２とほぼ等しい大きさの上部透光部４ｂ₁に溝部４１を形成した構造として例示した。しかし、実施形態１のように、上部透光部４ｂの大きさが、回路基板２よりも小さい構造であっても、上部透光部４ｂにおける下部透光部４ａの周縁部４ａ₁Ｓの外側に溝部４１を形成することができる。

その他、本発明の半導体デバイスは、上記各実施形態を組み合わせたり、発明の趣旨の範囲内において、種々、変形したりして構成することが可能であり、要は、ワイヤにより基板に接続された半導体素子上に透光性部材を配置し、封止部材により封止した半導体デバイスにおいて、透光性部材が、電極と機能領域との間に周縁部を有する下部透光部と、半導体素子の外周部の外側に周縁部を有する上部透光部を備えるようにしたものであればよい。

１、１Ａ、１Ｂ 半導体デバイス
２ 回路基板（基板）
３ 半導体素子
４、４Ａ、４Ｂ 透光性部材
４ａ、４ａ₁ 下部透光部
４ａＳ、４ａ_１Ｓ 周縁部
４ｂ、４ｂ₁ 上部透光部
４ｂＳ、４ｂ₁Ｓ 周縁領域
４ｂＥ、４ｂ₁Ｅ 外周部
５、５Ａ 封止部材
６ ワイヤ
６ａ 最大高さ部
７ 透明接着剤層
２２ 接続端子
３１ 機能領域
３２ 電極
４１ 溝部

Claims (9)

1. 接続端子を有する基板と、
   前記基板の一面上に搭載され、上面に機能領域と、前記機能領域の周囲に形成され、ワイヤにより前記接続端子に接続された電極とを有する半導体素子と、
   前記半導体素子の機能領域上に接着された透光性部材と、
   前記基板の一面上に形成され、前記半導体素子の周囲、前記ワイヤおよび前記透光性部材の周囲を覆って封止する封止部材と、を備え、
   前記透光性部材は、前記電極と前記機能領域との間に周縁部を有する下部透光部と、前記半導体素子の外周部の外側に周縁部を有する上部透光部を備えていることを特徴とする半導体デバイス。
2. 請求項１に記載の半導体デバイスにおいて、前記ワイヤは前記半導体素子の前記上面から前記上部透光部の下面側に向かって延出された最大高さ部を有し、前記最大高さ部は、前記上部透光部により上部を覆われていることを特徴とする半導体デバイス。
3. 請求項１または２に記載の半導体デバイスにおいて、前記半導体素子は前記基板の一面にボンディングされ、前記透光性部材は、前記下部透光部の下面が前記半導体素子に接着されていることを特徴とする半導体デバイス。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体デバイスにおいて、前記封止部材は、前記上部透光部の前記外周部の外側において外部に露出されていることを特徴とする半導体デバイス。
5. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体デバイスにおいて、前記上部透光部は、平面視で前記基板とほぼ等しい大きさを有することを特徴とする半導体デバイス。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の半導体デバイスにおいて、前記透光性部材は、前記上部透光部における前記下部透光部の周縁部よりも外側の上面に形成された溝部を有することを特徴とする半導体デバイス。
7. 接続端子が形成された基板上に、機能領域と前記機能領域の外周側に配置された電極が上面に形成された半導体素子を搭載する工程と、
   前記半導体素子の前記電極と前記基板の前記接続端子をワイヤにより接続する工程と、
   前記半導体素子上に透光性部材を接着する工程と、
   前記半導体素子上に透光性部材を接着した後、前記半導体素子と前記透光性部材間に封止部材を形成する工程と、を備え、
   前記透光性部材は、前記電極と前記機能領域との間に周縁部を有する下部透光部と、前記半導体素子の外周部の外側に周縁部を有する上部透光部を備え、前記下部透光部の下面を前記半導体素子の上面に接着することを特徴とする半導体デバイスの製造方法。
8. 請求項７に記載の半導体デバイスの製造方法において、前記半導体素子と前記透光性部材間に封止部材を形成する工程は、前記封止部材を、前記上部透光部の前記外周部の外側において外部に露出するように形成することを特徴とする半導体デバイスの製造方法。
9. 接続端子が形成された基板上に、機能領域と前記機能領域の外周側に配置された電極が上面に形成された半導体素子を搭載する工程と、
   前記半導体素子の前記電極と前記基板の前記接続端子をワイヤにより接続する工程と、
   前記半導体素子上に透光性部材を接着する工程と、
   前記半導体素子上に透光性部材を接着した後、前記半導体素子と前記透光性部材間に封止部材を形成する工程と、
   前記封止部材および前記透光性部材を前記半導体素子の外周で切断する工程と、を備え、
   前記透光性部材は、前記電極と前記機能領域との間に周縁部を有する下部透光部と、前記半導体素子の外周部の外側に周縁部を有する上部透光部を備え、前記下部透光部の下面を前記半導体素子の上面に接着することを特徴とする半導体デバイスの製造方法。
   
   

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