JP2015144342A - 半導体装置、電子カメラ、及び半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電気的な接続の信頼性を高める。
【解決手段】半導体装置１６は、第１の電極３１ｂを有する半導体チップ３１と、第２の電極３２ｂを有する基板３２と、第１の電極３１ｂと第２の電極３２ｂとの間に設けられその間を電気的に接続する液状又はゲル状の導電物３６とを備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、半導体装置及びこれを用いた電子カメラ、並びに、半導体装置の製造方法に関するものである。

半導体装置の１つである固体撮像装置の一例として、下記特許文献１の図４には、光通過孔の形成された配線基板と、この配線基板の一方の面に前記光通過孔を閉塞するように設置されたカバーガラスと、前記配線基板の他方の面に前記光通過孔を閉塞するように設置された固体撮像素子（ベアチップ撮像素子）とから構成された撮像部が、開示されている。

この固体撮像装置では、前記固体撮像素子と対面する側の前記配線基板の面における前記光通過孔の周囲の領域と、前記固体撮像素子における撮像領域側の面とが、固体金属からなるバンプ及び接着剤により接合されている。

特開２０００−１４７３４６号公報

しかしながら、前記従来の固体撮像装置では、ベアチップ撮像素子の線膨張係数と配線基板の線膨張係数との差に起因するバイメタル効果により生ずる応力によって、電気的な接続の不良による信頼性の低下を招いてしまう。このような事情は、固体撮像装置以外の半導体装置についても同様である。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、電気的な接続の信頼性を高めることができる半導体装置、これを用いた電子カメラ、及び、前記半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。

前記課題を解決するための手段として、以下の各態様を提示する。第１の態様による半導体装置は、第１の電極を有する半導体チップと、第２の電極を有する基板と、前記第１の電極と前記第２の電極との間に設けられその間を電気的に接続する液状又はゲル状の導電物と、を備えたものである。

第２の態様による半導体装置は、前記第１の態様において、前記導電物はインジウム・ガリウム・錫合金又は水銀であるものである。

第３の態様による半導体装置は、前記第１又は第２の態様において、前記導電物を前記第１の電極と前記第２の電極との間に保持する保持部材を備えたものである。

第４の態様による半導体装置は、前記第３の態様において、前記保持部材は、前記半導体チップと前記基板との間に設けられ、前記第１の電極及び前記第２の電極に臨み前記導電物を収容する貫通孔を有するものである。

第５の態様による半導体装置は、前記第１乃至第４のいずれかの態様において、前記半導体チップは撮像領域を有するものである。

第６の態様による半導体装置は、前記第３又は第４の態様において、前記半導体チップは撮像領域を有し、前記保持部材は、前記撮像領域を囲むように枠状に構成されたものである。

第７の態様による半導体装置は、前記第５又は第６の態様において、前記基板は、少なくとも前記撮像領域と対応する領域に開口部を有する配線基板であり、前記基板の前記半導体チップとは反対側の面に前記開口部を塞ぐように接着された透光性部材を備えたものである。

第８の態様による半導体装置の製造方法は、前記第４の態様による半導体装置を製造する方法であって、前記保持部材を前記基板に接着する第１の段階と、前記第１の段階の後に、前記保持部材の前記基板とは反対側の面を上側にして、前記保持部材の貫通孔内に前記導電物を充填する第２の段階と、前記第２の段階の後に、前記保持部材に前記半導体チップを接着する第３の段階と、を備えたものである。

第９の態様による電子カメラは、前記第５乃至第７のいずれかの態様による半導体装置を備えたものである。

第１０の態様による電子カメラは、前記第９の態様において、マウントベースを備え、前記基板は、支持部材を介することなく前記マウントベースに取り付けられたものである。

本発明によれば、電気的な接続の信頼性を高めることができる半導体装置、これを用いた電子カメラ、及び、前記半導体装置の製造方法を提供することができる。

本発明の一実施の形態による電子カメラを模式的に示す概略断面図である。 図１中の固体撮像装置を模式的に示す概略平面図である。 図２中のＹ１−Ｙ２矢視概略拡大断面図である。 図２及び図３中の半導体チップを模式的に示す概略平面図である。 図４中のＹ３−Ｙ４矢視概略拡大断面図である。 図２及び図３中の配線基板を模式的に示す概略平面図である。 図６中のＹ５−Ｙ６矢視概略拡大断面図である。 図２及び図３中の保持部材を模式的に示す概略平面図である。 図８中のＹ７−Ｙ８矢視概略拡大断面図である。 図２及び図３に示す固体撮像装置の製造方法の各工程を示す概略断面図である。

以下、本発明による半導体装置及びその製造方法、並びに、電子カメラについて、図面を参照して説明する。

図１は、本発明の一実施の形態による電子カメラ１を模式的に示す概略断面図である。図１に示すように、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸を定義する。Ｘ軸方向のうち矢印の向きを＋Ｘ方向又は＋Ｘ側、その反対の向きを−Ｘ方向又は−Ｘ側と呼び、Ｙ軸方向及びＺ軸方向についても同様である。Ｚ軸は電子カメラ１の撮影レンズ３の光軸Ｏの方向と一致し、Ｘ軸は電子カメラ１の左右方向（水平方向）と一致し、Ｙ軸は電子カメラ１の上下方向（垂直方向）と一致している。−Ｚ側は被写体側で前側と呼び、＋Ｚ側を後側と呼ぶ。これらの点は、後述する図についても同様である。

本実施の形態による電子カメラ１は、一眼レフのデジタルカメラとして構成されているが、本発明による電子カメラは、これに限らず、ミラーレスカメラなどの他の撮影レンズ交換式の電子カメラや、レンズ交換できない電子カメラや、電子スチルカメラや、ビデオカメラや、携帯電話機に搭載されたカメラ等の種々の電子カメラなどに適用することができる。

本実施の形態による電子カメラ１は、カメラボディ２と、カメラボディ２に交換可能に保持される撮影レンズ３とを備えている。図１では、撮影レンズ３を想像線で示している。

カメラボディ２は、撮影レンズ３を交換可能に保持するレンズマウント（ボディ側マウント）１１と、レンズマウント１１が取り付けられたマウントベース１２と、これら及び後述する部品を収容している外筐体１３とを有している。マウントベース１２は、構成部品の取り付けの基礎となる部材である。マウントベース１２は光軸Ｏに沿った中央開口部１２ａを有し、その前側にレンズマウント１１が取り付けられている。また、カメラボディ２は、マウントベース１２の中央開口部１２ａに光軸Ｏに沿って配置される部材として、クイックリターンミラー１４と、フォーカルプレーンシャッタ１５と、半導体装置としての固体撮像装置１６とを有している。さらに、カメラボディ２は、マウントベース１２の上側に固定支持されファインダ装置を構成する部材として、フォーカシングスクリーン１７と、ペンタプリズム１８と、接眼レンズ１９とを有している。外筐体１３における接眼レンズ１９との対向位置には、ファインダ観察窓２０が設けられている。

撮影レンズ３を通過した被写体光はクイックリターンミラー１４で上方に反射されてフォーカシングスクリーン１７上に結像する。フォーカシングスクリーン１７に結像した被写体像はペンタプリズム１８から接眼レンズ１９を通してファインダ観察窓２０から観察される。クイックリターンミラー１４は図示しないレリーズ釦が全押しされると上方に跳ね上がり、撮影レンズ３からの被写体像が固体撮像装置１６に入射する。

また、カメラボディ２の外筐体１３の背面には液晶表示装置２１が設けられている。固体撮像装置１６と液晶表示装置２１と間には、所定の回路（例えば、カメラ全体を制御する制御回路など）が搭載された回路基板２２が、図示しない部材により支持されて配置されている。

図２は、図１中の固体撮像装置１６を模式的に示す概略平面図である。図３は図２中のＹ１−Ｙ２矢視概略断面図である。図４は、図２及び図３中の半導体チップ３１を模式的に示す概略平面図である。図５は、図４中のＹ３−Ｙ４矢視概略拡大断面図であり、図３に対応している。図６は、図２及び図３中の配線基板３２を模式的に示す概略平面図である。図７は、図６中のＹ５−Ｙ６矢視概略拡大断面図であり、図３に対応している。図８は、図２及び図３中の保持部材３５を模式的に示す概略平面図である。図９は、図８中のＹ７−Ｙ８矢視概略拡大断面図であり、図３に対応している。

本実施の形態では、固体撮像装置１６は、前面（−Ｚ側の面）に撮像領域（受光領域）３１ａを有する半導体チップ３１と、配線基板３２と、透光性部材としての透光性板３３と、２枚のフレキシブル配線基板３４と、保持部材３５と、液状又はゲル状の導電物３６とを備えている。理解を容易にするため、図２では、撮像領域３１ａにハッチングを付している。図示していないが、必要に応じて、透光性板３３の前側（−Ｚ側）に光学ローパスフィルタが配置される。フレキシブル配線基板３４は、配線基板３２に接続されている。図面には示していないが、フレキシブル配線基板３４は図１中の回路基板２２に例えばコネクタにより接続されており、配線基板３２は、フレキシブル配線基板３４によって、回路基板２２と接続されている。

本実施の形態では、半導体チップ３１は、チップとして構成されたＣＭＯＳ、ＣＣＤ等のイメージセンサであり、撮像領域３１ａには複数の画素（図示せず）が２次元状に配置されている。半導体チップ３１は、透光性板３３を介して撮像領域３１ａに入射した入射光を光電変換して、画像信号を出力する。半導体チップ３１には、例えば、前記画素を駆動して画像信号を読み出す読み出し回路（図示せず）や、出力信号を処理する処理回路（例えば、ＡＤ変換回路等）を搭載してもよい。

半導体チップ３１の外周付近の前面（−Ｚ側の面）には、第１の電極としての電極パッド３１ｂが形成されている。電極パッド３１ｂに接続されている配線等の図示は省略している。

本実施の形態では、半導体チップ３１の基板材料はシリコンとされ、半導体チップ３１はいわゆるシリコンチップとなっている。もっとも、本発明では、半導体チップ３１の基板材料は必ずしもシリコンに限定されるものではない。

本実施の形態では、配線基板３２は、リジッド配線基板であり、半導体チップ３１の撮像領域３１ａと対向する領域を含む領域に形成された開口部３２ａを有している。配線基板３２は、片面基板、両面基板及び多層基板のいずれでもよい。配線基板３２には、中継配線等の配線のみを搭載してもよいし、回路部品を含む任意の回路を搭載してもよい。

配線基板３２の後面（＋Ｚ側の面）における開口部３２ａの周囲において、半導体チップ３１の電極パッド３１ｂと対応する位置に、第２の電極としての電極３２ｂが形成されている。電極３２ｂに接続されている配線等の図示は省略している。

半導体チップ３１の電極パッド３１ｂと配線基板３２の電極３２ｂとの間に液状又はゲル状の導電物３６が設けられ、電極パッド３１ｂと電極３２ｂとの間が導電物３６によって電気的に接続されている。本実施の形態では、導電物３６は、半導体チップ３１と配線基板３２との間に設けられた保持部材３５によって、電極パッド３１ｂと電極３２ｂとの間に保持されている。

本実施の形態では、保持部材３５は、半導体チップ３１の撮像領域３１ａを取り囲むように枠状に絶縁材料で構成され、撮像領域３１ａと対向する領域を含む領域に開口部３５ａを有している。保持部材３５には、半導体チップ３１の電極パッド３１ｂ及び配線基板３２の電極３２ｂに対応する位置において、Ｚ軸方向に貫通した貫通孔３５ｂが形成されている。貫通孔３５ｂは、＋Ｚ側において電極パッド３１ｂに臨むとともに−Ｚ側において電極３２ｂに臨んでいる。貫通孔３５ｂ内に導電物３６が収容されている。これにより、導電物３６が電極パッド３１ｂと電極３２ｂ間に保持され、電極パッド３１ｂと電極３２ｂとの間が電気的に接続されている。

保持部材３５の＋Ｚ側の面と半導体チップ３１の−Ｚ側の面とが接着剤（図示せず）により接着され、保持部材３５の−Ｚ側の面と配線基板３２の＋Ｚ側の面とが接着剤（図示せず）により接着されている。これにより、導電物３６が貫通孔３５ｂ内から漏れ出さないとともに、撮像領域３１ａと透光性板３３との間の空間の気密性が保たれるようになっている。なお、保持部材３５の構造は必ずしも前述した構造に限らない。

液状又はゲル状の導電物３６は、使用環境温度（例えば、−１０℃〜＋４０℃）において液状又はゲル状をなす導電体である。液状の導電物としては、例えば、インジウム・ガリウム・錫合金や、水銀などを挙げることができる。ゲル状の導電物としては、例えば、特許第４６２５４３５号公報に開示されている導電性ゲル状樹脂組成物や、特許第４５６４４６６号公報に開示されている導電性ゲル体や、特許第４４６４２５４号公報に開示されている導電性ゲル組成物などを挙げることができる。

透光性板３３は、配線基板３２の−Ｚ側の面に、開口部３２ａを塞ぐように接着剤３７で接着されている。接着剤３７は、配線基板３２における開口部３２ａの全周に渡って設けられ、撮像領域３１ａと透光性板３３との間の空間の気密性が保たれるように、透光性板３３と配線基板３２との間が封止されている。透光性板３３の材料としては、例えば、α線対策のガラス（α線の放出量を十分に低減したガラス）や、光学ローパスフィルタである水晶、透明樹脂などを使用することができる。

配線基板３２は、取り付け穴３２ｄを有する３つの耳部３２ｃを有している。１つの耳部３２ｃは−Ｘ側において＋Ｙ側に突出するように配置され、もう１つの耳部３２ｃは＋Ｘ側において＋Ｙ側に突出するように配置され、残りの１つの耳部３２ｃは＋Ｘ側寄りにおいて−Ｙ側に突出するように配置されている。マウントベース１２は、その後面側において各耳部３２ｃに対応する位置に、後方へ（＋Ｚ側へ）突出した取り付け部１２ｂを有している。配線基板３２は、取り付け穴３２ｄを挿通したネジ４１等を含む取り付け構造（図示せず）によって、金属板等の板状の支持部材を介することなく、マウントベース１２の取り付け部１２ｂに取り付けられている。なお、固体撮像装置１６のマウントベース１２に対する取り付け位置の基準点は、例えば、配線基板３２の端面の３点とすることができる。

配線基板３２の材質（主たる構成材料）は、必ずしも限定されるものではない。しかしながら、本実施の形態では、配線基板３２の材質の選定に際しては、電子部品を搭載して回路基板を形成する必要があるという制約や、マウントベース１２への取り付け基板を兼ねていることから半導体チップ３１の位置精度を保つために十分な強度を確保する必要があることという制約や、コスト等を考慮することが好ましい。これらの制約下では、基板材料のコストも考慮すると、配線基板３２の材質として、半導体チップの基板材料であるシリコンの熱膨張係数（線膨張係数）と近い熱膨張係数を有する材料を採用することは、困難である。前述した制約下では、配線基板３２の材質としては、例えば、ガラスエポキシ、セラミック、ガラス等が挙げられる。ガラスエポキシの熱膨張係数は例えば３０ｐｐｍ〜７０ｐｐｍ、セラミックの熱膨張係数は例えば７ｐｐｍ〜８ｐｐｍ、ガラスは例えば７ｐｐｍ〜９ｐｐｍである。これに対して、シリコンの熱膨張係数は３．３ｐｐｍである。

図１０は、図２及び図３に示す固体撮像装置１６の製造方法の各工程を示す概略断面図であり、図３に対応している。固体撮像装置１６の製造方法の一例では、まず配線基板３２を用意し（図１０（ａ））、配線基板３２上に保持部材３５を接着剤（図示せず）により接着する（図１０（ｂ））。次いで、保持部材３５の配線基板３２とは反対側の面を上側にして、保持部材３５の貫通孔３５ｂ内に液状又はゲル状の導電物３６を充填する（図１０（ｃ））。図１０（ｃ）において、１０１は導電物３６の充填ノズルを示している。次に、保持部材３５の上に半導体チップ３１を接着剤（図示せず）により接着する（図１０（ｄ））。その後、図１０（ｄ）に示す組立体を上下反転して、配線基板３２の開口部３２ａの周辺に接着剤３７を塗布し（図１０（ｅ））、この接着剤３７によって透光性板３３を配線基板３２上に接着する（図１０（ｆ））。これにより、固体撮像装置１６を得ることができる。なお、図１０（ｅ）において、１０２は接着剤３７の塗布ノズルを示している。

ここで、本実施の形態における固体撮像装置１６と比較される比較例による固体撮像装置について説明する。図面には示していないが、この比較例による固体撮像装置が本実施の形態における固体撮像装置１６と異なる所は、保持部材３５が取り除かれ、液状又はゲル状の導電物３６に代えて固体金属からなるバンプが設けられ、この固体金属バンプによって半導体チップ３１の電極パッド３１ｂと配線基板３２の電極３２ｂとの間がバンプ接合され、撮像領域３１ａと透光性板３３との間の空間の気密性を保つために、この固体金属バンプ付近を含む撮像領域３１ａの周囲において半導体チップ３１と配線基板３２との間が接着剤で接着される点である。

この比較例では、半導体チップ３１の電極パッド３１ｂと配線基板３２の電極３２ｂとの間が固体金属バンプで接合されているため、配線基板３２の材質の熱膨張係数と半導体チップ３１の基板材料の熱膨張係数との差に起因するバイメタル効果により環境温度変化に応じて繰り返し変化する応力が、電極パッド３１ｂと固体金属バンプとの界面及び電極３２ｂと固体金属バンプとの界面に掛かる。したがって、この比較例では、電極パッド３１ｂと固体金属バンプとの間及び電極３２ｂと固体金属バンプとの間が剥離し易く、ひいては、電極パッド３１ｂと電極３２ｂとの間の電気的な接続の不良が生じ易く、電気的な接続の信頼性が低い。

これに対し、本実施の形態では、半導体チップ３１の電極パッド３１ｂと配線基板３２の電極３２ｂとの間が液状又はゲル状の導電物３６で電気的に接続されているので、電極パッド３１ｂと導電物３６との間や電極３２ｂと導電物３６との間に前述したような応力が掛かることなく、電極パッド３１ｂと電極３２ｂとの間の電気的な接続の不良を防止することができ、電気的な接続の信頼性が高まる。

以上、本発明の一実施の形態について説明したが、本発明はこの実施の形態に限定されるものではない。

例えば、前記実施の形態では、配線基板３２としてリジッド配線基板が用いられているが、本発明では、配線基板３２としてフレキシブル配線基板を用いてもよい。

また、前記実施の形態は、本発明を固体撮像装置に適用した例であるが、本発明は固体撮像装置以外の種々の半導体装置にも適用することができる。本発明は、特に、温度変化の大きい環境で使用される半導体装置に好適である。

１ 電子カメラ
１６ 固体撮像装置
３１ 半導体チップ
３１ａ 撮像領域
３２ 配線基板
３２ａ 開口部
３３ 透光性板
３５ 保持部材
３６ 液状又はゲル状の導電物

Claims (10)

1. 第１の電極を有する半導体チップと、
   第２の電極を有する基板と、
   前記第１の電極と前記第２の電極との間に設けられその間を電気的に接続する液状又はゲル状の導電物と、
   を備えたことを特徴とする半導体装置。
2. 前記導電物はインジウム・ガリウム・錫合金又は水銀であることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
3. 前記導電物を前記第１の電極と前記第２の電極との間に保持する保持部材を備えたことを特徴とする請求項１又は２記載の半導体装置。
4. 前記保持部材は、前記半導体チップと前記基板との間に設けられ、前記第１の電極及び前記第２の電極に臨み前記導電物を収容する貫通孔を有することを特徴とする請求項３記載の半導体装置。
5. 前記半導体チップは撮像領域を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の半導体装置。
6. 前記半導体チップは撮像領域を有し、
   前記保持部材は、前記撮像領域を囲むように枠状に構成されたことを特徴とする請求項３又は４記載の半導体装置。
7. 前記基板は、少なくとも前記撮像領域と対応する領域に開口部を有する配線基板であり、
   前記基板の前記半導体チップとは反対側の面に前記開口部を塞ぐように接着された透光性部材を備えた、
   ことを特徴とする請求項５又は６記載の半導体装置。
8. 請求項４記載の半導体装置を製造する方法であって、
   前記保持部材を前記基板に接着する第１の段階と、
   前記第１の段階の後に、前記保持部材の前記基板とは反対側の面を上側にして、前記保持部材の貫通孔内に前記導電物を充填する第２の段階と、
   前記第２の段階の後に、前記保持部材に前記半導体チップを接着する第３の段階と、
   を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
9. 請求項５乃至７のいずれかに記載の半導体装置を備えたことを特徴とする電子カメラ。
10. マウントベースを備え、
    前記基板は、支持部材を介することなく前記マウントベースに取り付けられたことを特徴とする請求項９記載の電子カメラ。

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