JP2016161832A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】一面側に光を反射する可動ミラーを有する半導体基板をパッケージに収納し、透光性の蓋部材でパッケージを封止してなる半導体装置において、パッケージと蓋部材との接合後におけるパッケージ内の負圧の発生防止と、パッケージ内の気密性の確保とを適切に行えるようにする。【解決手段】半導体基板１０のミラー１２は半導体基板１０の一面１１に対して傾くように可動とされており、パッケージ２０は透光性の蓋部材３０と接合され、パッケージ２０の開口部２１は蓋部材３０により封止されている。パッケージ２０における底部２２の外面には接着剤６０を介して配線基板４０が接着されている。パッケージ２０の底部２２には開口面積がミラー１２の面積以上である穴部２４が設けられ、配線基板４０が穴部２４を覆うように接着していることにより、穴部２４が封止されている。【選択図】図１

Description

本発明は、一面側に光を反射する可動ミラーを有する半導体基板をパッケージに収納し、透光性の蓋部材でパッケージを封止してなる半導体装置、および、そのような半導体装置の製造方法に関する。

従来より、この種の半導体装置におけるパッケージ構造体としては、たとえば特許文献１に記載のものが提案されている。このものにおける半導体基板は、一面側に光を反射するミラーを有しており、ミラーは当該一面に対して傾くように可動とされている。

また、半導体基板を収納するパッケージは、一端側に開口部、他端側に底部を有するセラミックよりなる有底容器である。また、蓋部材は、透光性のガラスよりなり、パッケージの一端側にガラス接合等により接合されて開口部を閉塞するものである。このようなパッケージ構造体は、パッケージに半導体基板を収納した後、パッケージの一端側に蓋部材を接合して、パッケージ内を気密封止することにより製造される。

通常、このようなパッケージ構造体は、パッケージにおける底部の外面に接着剤を介して、配線基板が接着される。そして、配線基板とパッケージとをワイヤボンディング等で電気的に接続することにより、半導体装置が構成される。

特開２００７−３４３０９号公報

ところで、上記従来の半導体装置において、パッケージと蓋部材の接合は、狭い接合幅にてパッケージ内の気密封止が要求されるため、ガラス接合などの高温工程で行われることが多く、パッケージ内部は高温のまま封止されることになる。

そのため、パッケージと蓋部材との接合後に、常温もしくは低温環境になると、パッケージ内部が負圧となり、蓋部材を構成するガラスがひずみ、光学特性への悪影響またはガラスの破損等が発生するおそれがある。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、一面側に光を反射する可動ミラーを有する半導体基板をパッケージに収納し、透光性の蓋部材でパッケージを封止してなる半導体装置において、パッケージと蓋部材との接合後におけるパッケージ内の負圧の発生防止と、パッケージ内の気密性の確保とを適切に行えるようにすることを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、一面（１１）側に光を反射するミラー（１２）を有し、ミラーは当該一面に対して傾くように可動とされている半導体基板（１０）と、一端側に開口部（２１）、他端側に底部（２２）を有するセラミックよりなる有底容器であって、半導体基板を収納するパッケージ（２０）と、透光性のガラスよりなり、パッケージの一端側に接合されて開口部を閉塞する蓋部材（３０）と、パッケージにおける底部の外面に接着剤（６０）を介して接着された配線基板（４０）と、を備える半導体装置であって、さらに次のような特徴を有している。

すなわち、請求項１の半導体装置では、パッケージにおける底部には、底部の内面から外面まで貫通し、開口面積がミラーの面積以上である穴部（２４）が設けられており、接着剤が底部の外面における穴部の周囲に配置され、配線基板が穴部を覆うように接着剤に接着していることにより、接着剤および配線基板によって穴部が封止されている。請求項１の半導体装置は、これらの点を特徴としている。

それによれば、パッケージの底部に穴部を設けているため、蓋部材とパッケージとの接合後に冷却されても、パッケージの内外は穴部を介して連通しているため、パッケージ内外で圧力差は生じにくい。そのため、パッケージ内の負圧の発生防止が行える。

また、パッケージの気密封止は、接着剤を介した配線基板とパッケージの底部との接着により穴部を塞ぐことによって行われるが、このときパッケージの底部における穴部以外の部位を、配線基板の接着領域とすることができる。そのため、広い接着領域を確保することが可能となり、配線基板および接着剤によるパッケージの気密封止を確実に行え、パッケージ内の気密性の確保が可能となる。

また、半導体装置において、ミラーは気密封止されたパッケージ内で変位するが、このミラーの変位によってパッケージ内の空気が揺れることにより、ミラーとパッケージ底部との隙間が狭いと、ダンピングが発生し、ミラーの動きに悪影響を与えやすくなる。また、パッケージ底部の穴部に空気の出入りが生じるが、このとき穴部の開口面積が小さいと、穴部における圧力脈動によってミラーのダンピングが生じ、ミラーの動きに悪影響を与えやすくなる。その点、本発明によれば、穴部の開口面積をミラーの面積以上と大きくしているので、ミラーとパッケージ底部との隙間の大きさを確保できると共に、穴部における脈動を抑えることが可能となり、上記したミラーのダンピングを抑制して、ミラーの可動性能を良好に確保することができる。

このように、本発明によれば、パッケージと蓋部材との接合後におけるパッケージ内の負圧の発生防止と、パッケージ内の気密性の確保とを適切に行うことができる。

なお、特許請求の範囲およびこの欄で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

本発明の第１実施形態にかかる半導体装置を示す概略断面図である。 図１に示される半導体装置におけるパッケージの内部形状を示す概略平面図である。 本発明の第２実施形態にかかる半導体装置を示す概略断面図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、説明の簡略化を図るべく、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態にかかる半導体装置Ｓ１について、図１、図２を参照して述べる。なお、図２は、蓋部材３０を省略して、図１の上方からパッケージ２０の内部を示したものである。この半導体装置Ｓ１は、たとえば自動車のヘッドアップディスプレイにおけるプロジェクタなどに適用されるものである。

本実施形態の半導体装置Ｓ１は、大きくは、一面１１側にミラー１２を有する半導体基板１０と、半導体基板１０を収納するパッケージ２０と、パッケージ２０の開口部２１を閉塞する透光性のガラスよりなる蓋部材３０と、パッケージ２０の底部２２側に接着された配線基板４０と、を備えて構成されている。

そして、図１中の矢印Ｙ１に示されるように、可視レーザ光等の装置外部からの光が、蓋部材３０を透過してミラー１２に到達し、ミラー１２で反射されて、再び蓋部材３０を透過して装置外部に出ていくようになっている。

半導体基板１０は、シリコン（Ｓｉ）や炭化ケイ素（ＳｉＣ）等の半導体等よりなる板状のもので、一方の板面を一面１１とする。この半導体基板１０の一面１１側には、半導体基板１０の一部としてのミラー１２が設けられている。

このミラー１２は、光を反射する鏡面を有するもので、いわゆるＭＥＭＳ（ｍｉｃｒｏ ｅｌｅｃｔｒｏ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ）ミラーよりなる。ミラー１２は、半導体基板１０をパターニングすることにより形成される。このような半導体基板１０は通常の半導体プロセス等により形成される。

ここで、ミラー１２は、半導体基板１０の一面１１に対して傾くように可動とされている。具体的には、ミラー１２は、半導体基板１０に対して梁１３を介して支持されており、圧電素子等の図示しない駆動源により発生する梁１３の曲げや捩れによって可動されるようになっている。

ここでは、ミラー１２は、円形板状をなし、対向する両端部にて梁１３に連結されて半導体基板１０に支持されている。このようなミラー１２は、たとえば特開２０１０−２８８４３５号公報等に記載されており、よく知られているものである。なお、ミラー１２および梁１３と、その周囲の半導体基板１０の部分との隙間形状は、半導体基板１０のパターニング方法によって適宜規定されるもので、図１の例に限定されるものではないことはもちろんである。

パッケージ２０は、一端側に開口部２１、他端側に底部２２を有するセラミックよりなる有底容器であって、半導体基板１０を収納するものである。図示しないが、具体的には、パッケージ２０は、たとえばアルミナなどのセラミック層が容器形状を構成するように複数積層された積層基板として構成されており、各セラミック層の表面や各セラミック層に形成されたスルーホールの内部に配線が形成されたものとされている。

また、パッケージ２０の内面には、半導体基板１０を支持するための段部２３が形成されている。この段部２３に対して、半導体基板１０の周辺部が図示しないはんだや導電性接着剤などを介して固定され、支持されている。

また、図示しないが、パッケージ２０の配線は、段部２３の表面に設けられている。そして、この段部２３の配線と半導体基板１０とは、ワイヤボンディングやはんだ等により接続されており、これによって、パッケージ２０と半導体基板１０とが、電気的に接続されている。

また、パッケージ２０の配線は、パッケージ２０の外面にも設けられており、この配線により、配線基板４０とパッケージ２０とが電気的に接続されている。ここでは、配線基板４０とパッケージ２０とは、アルミや金（Ａｕ）等よりなるボンディングワイヤ５０により結線されて電気的に接続されている。

蓋部材３０は、透光性の光学ガラスよりなり、パッケージ２０の一端側に接合されてパッケージ２０の開口部２１を閉塞している。ここでは、蓋部材３０は、典型的な板状をなし、パッケージ２０の一端側における開口部２１の縁部に対して、接合されている。

ここでは、蓋部材３０とパッケージ２０との接合については、セラミックや無機ポリマー等の無機材料よりなる接合部材３１を介した接合によりなされているが、接合部材３１を省略してガラスとセラミックとを直接接合するガラス接合によりなされていてもよい。いずれにせよ、この蓋部材３０とパッケージ２０との接合は、たとえば３００℃〜５００℃程度の高温工程にて行われるものである。

ここで、本実施形態では、パッケージ２０における底部２２には、この底部２２の内面から外面まで貫通する穴部２４が設けられている。この穴部２４は、開口面積がミラー１２の面積以上とされている。ここでは、図２に示されるように、ミラー１２は円板状であり、この円の面積がミラー１２の面積である。なお、ミラー１２の面積以上とは、ミラー１２の面積と同等、もしくは、それよりも大きいことを意味する。

ここでは、穴部２４は、パッケージ２０の底部２２の中央部に設けられた円形状の１個の穴であり、ミラー１２の直下に位置している。限定するものではないが、たとえば、円形板であるミラー１２の直径は１ｍｍ前後であり、穴部２４の直径はミラー１２の直径以上とされる。このような穴部２４は、プレスやエッチング等により形成される。

そして、上述のように配線基板４０は、パッケージ２０における底部２２の外面に接着剤６０を介して接着されている。たとえば、配線基板４０は、プリント基板やセラミック基板等のリジッド基板よりなるものとされる。また、この配線基板用の接着剤６０は、たとえばエポキシ樹脂等の樹脂よりなるものとされている。

ここにおいて、接着剤６０は、パッケージ２０の底部２２の外面における穴部２４の周囲に配置され、配線基板４０は、穴部２４を覆うように接着剤６０に接着している。このような接着形態により、接着剤６０および配線基板４０によって穴部２４は、封止されている。

ここでは、図１に示されるように、接着剤６０は、パッケージ２０の底部２２の外面における穴部２４以外の全域に配置されている。こうして、穴部２４が封止されることにより、開口部２１を封止する蓋部材３０とともに、パッケージ２０の内部は気密に封止されている。

本実施形態の半導体装置Ｓ１の製造方法は、次のとおりである。まず、ミラー１２を有する半導体基板１０、穴部２４を有するパッケージ２０、蓋部材３０、および、配線基板４０を用意する（用意工程）。次に、パッケージ２０に半導体基板１０を収納する（収納工程）。具体的には、半導体基板１０の周辺部を、接着剤等を介して段部２３に固定する。

次に、パッケージ２０の一端側に蓋部材３０を接合する（蓋接合工程）。この蓋接合工程の後に、パッケージ２０における底部２２の外面に接着剤６０を介して配線基板４０を接着する（基板接着工程）。その後、必要に応じて、パッケージ２０と配線基板４０とをワイヤボンディング等によって電気的に接続する。これにより、本実施形態の半導体装置Ｓ１ができあがる。

ところで、本実施形態によれば、パッケージ２０の底部２２に穴部２４を設けているため、蓋接合工程後に冷却されても、パッケージ２０の内外は穴部２４を介して連通していることから、パッケージ２０内外で圧力差は生じにくい。そのため、蓋接合工程後におけるパッケージ２０内の負圧の発生防止が行える。また、蓋部材３０とパッケージ２０との接合時に発生するガスや水分は、蓋部材３０の光学ガラスの透過率低下やシリコン半導体（Ｓｉ）の信頼性低下などの原因となるものであるが、このガスや水分を穴部２４から排出する、いわゆる脱ガスできる、という利点もある。

また、パッケージ２０の気密封止は、基板接着工程にて配線基板４０とパッケージ２０の底部２２との接着により穴部２４を塞ぐことによって行われるが、このときパッケージ２０の底部２２における穴部２４以外の部位を、配線基板４０の接着領域とすることができる。そのため、広い接着領域を確保することが可能となり、配線基板４０および接着剤６０によるパッケージ２０の気密封止を確実に行え、パッケージ２０内の気密性の確保が可能となる。

また、半導体装置Ｓ１において、ミラー１２は気密封止されたパッケージ２０内で変位するが、このミラー１２の変位によってパッケージ２０内の空気が揺れる。この空気の揺れにより、ミラー１２とパッケージ２０の底部２２との隙間が狭いと、ダンピングが発生し、ミラー１２の動きに悪影響を与えやすくなる。また、底部２２の穴部２４に空気の出入りが生じるが、このとき穴部２４の開口面積が小さい、つまり穴部２４が細いと、穴部２４における圧力脈動によってミラー１２のダンピングが生じ、ミラー１２の可動性能に悪影響が発生しやすくなる。

その点、本実施形態によれば、穴部２４の開口面積をミラー１２の面積以上と大きくしているので、ミラー１２と底部２２との隙間の大きさを確保できると共に、穴部２４における脈動を抑えることが可能となる。そのため、本実施形態によれば、上記した穴部２４によるダンピングの発生を抑制して、ミラー１２の可動性能を良好に確保することができる。

このように、本実施形態によれば、ミラー１２の可動性能を確保しつつ、パッケージ２０と蓋部材３０との接合後におけるパッケージ２０内の負圧の発生防止と、パッケージ２０内の気密性の確保とを行うことができる。

また、上記したダンピング防止のためには、パッケージ２０内において、ミラー１２から蓋部材２０までの距離と、ミラー１２から穴部２４を介した配線基板４０までの距離とは、極力同一であることが望ましい。これにより、ミラー１２の上下両側においてダンピングの影響を受けない程度の隙間を確保しやすくなる。

また、本実施形態では、配線基板４０とパッケージ２０とを接着する接着剤６０は、蓋部材３０とパッケージ２０とを接合するときの接合温度（たとえば３００〜５００℃）よりも低温で処理されて接着力を発揮するものであることが望ましい。たとえば、接着剤６０としては、接着温度が１５０℃程度のエポキシ樹脂等が挙げられる。

この場合、パッケージ２０の底部２２と配線基板４０とを接着してパッケージ２０内を気密封止するときの接着温度の高温化を抑制し、当該接着後におけるパッケージ２０内の負圧の度合を抑制でき、好ましい。また、当該接着温度の高温化の抑制に伴い、当該接着時にパッケージ２０内にて発生するガスの抑制が期待できる。

また、上述したが、本実施形態では、パッケージ２０の底部２２における穴部２４以外の部位を、配線基板４０の接着領域とすることができるため、広い接着領域を確保でき、パッケージ２０内の気密性の確保が可能となる。

具体的には、接着剤６０の配置面積は、蓋部材３０とパッケージ２０との接合部の面積よりも大きいものにできる。なお、上記図１では、パッケージ２０の底部２２の外面における穴部２４以外の全域を、配線基板４０の接着領域、つまり、接着剤６０の配置領域としている。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態にかかる半導体装置Ｓ２について、図３を参照して、上記第１実施形態との相違点を中心に述べることとする。上記第１実施形態では、配線基板４０はリジッド基板としていたが、本実施形態では、配線基板４０を、柔軟性があり大きく変形させることが可能なフレキシブル基板としている。

フレキシブル基板としては、典型的には樹脂等のフレキシブルプリント基板（ＦＰＣ基板）が挙げられる。フレキシブル基板は変形しやすいので、冷熱衝撃の際において、配線基板４０であるフレキシブル基板からパッケージ２０へ応力が加わりにくい。そのため、蓋部材３０とパッケージ２０との接合部に発生する応力も緩和され、好ましい。

また、本実施形態では、接着剤６０を導電性接着剤や異方性導電接着剤としている。導電性接着剤としては、たとえばエポキシ樹脂にＡｇ（銀）やＣｕ（銅）等の導電性フィラーが含有されたものが挙げられる。また、異方性導電接着剤としては、たとえばＡＣＦ（Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｆｉｌｍの略称）が挙げられる。

そして、接着剤６０を導電性接着剤とすることにより、配線基板４０とパッケージ２０との電気的接続についても接着剤６０を介して行うことができる。そのため、本実施形態においては、上記第１実施形態のボンディングワイヤ５０を省略した構成を採用している。つまり、導電性接着剤よりなる接着剤６０は、封止、接着、電気的接続の３つの機能を持つものとなる。

ここで、上記第１実施形態においても、接着剤６０を導電性接着剤としてもよい。この場合、上記第１実施形態においても、パッケージ２０と配線基板４０とを電気的に接続するボンディングワイヤ５０は省略することができる。

（他の実施形態）
なお、穴部２４としては開口面積がミラー１２の面積以上のものであればよく、穴部２４の開口形状としては、上記図１に示したような円形に限定されるものではない。たとえば、穴部２４の開口形状は多角形等であってもよい。また、ミラー１２の平面形状についても上記した円形に限定されるものではなく、多角形等でもよい。

また、穴部２４の位置は、上記図１のようなパッケージ２０の底部２２の中央部に限定するものではない。ただし、蓋接合工程後における負圧緩和や蓋接合工程時の脱ガスをパッケージ２０内で均一に行うという点から、穴部２４は底部２２の中央部に設けることが望ましい。

また、穴部２４の数については、複数個であってもよい。ただし、パッケージ２０の底部２２の外面における穴部２４以外の領域、すなわち接着剤６０の配置面積を大きくして気密封止性を確保するという点からは、穴部２４の数は１個、または、極力少なくすることが望ましい。

また、接着剤６０は、パッケージ２０の底部２２の外面における穴部２４の周囲に配置されていればよく、パッケージ２０の底部２２の外面における穴部２４以外の領域の一部に配置されたものであってもよい。なお、この場合でも、接着剤６０の配置面積は、蓋部材３０とパッケージ２０との接合部の面積よりも大きいことが望ましい。

また、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。また、上記各実施形態は、互いに無関係なものではなく、組み合わせが明らかに不可な場合を除き、適宜組み合わせが可能であり、また、上記各実施形態は、上記の図示例に限定されるものではない。また、上記各実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。また、上記各実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではない。また、上記各実施形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その形状、位置関係等に限定されるものではない。

１０ 半導体基板
１１ 半導体基板の一面
１２ ミラー
２０ パッケージ
２１ パッケージの開口部
２２ パッケージの底部
２４ 穴部
３０ 蓋部材
４０ 配線基板
６０ 接着剤
Ｓ１、Ｓ２ 半導体装置

Claims (4)

1. 一面（１１）側に光を反射するミラー（１２）を有し、前記ミラーは当該一面に対して傾くように可動とされている半導体基板（１０）と、
   一端側に開口部（２１）、他端側に底部（２２）を有するセラミックよりなる有底容器であって、前記半導体基板を収納するパッケージ（２０）と、
   透光性のガラスよりなり、前記パッケージの一端側に接合されて前記開口部を閉塞する蓋部材（３０）と、
   前記パッケージにおける前記底部の外面に接着剤（６０）を介して接着された配線基板（４０）と、を備え、
   前記パッケージにおける前記底部には、前記底部の内面から外面まで貫通し、開口面積が前記ミラーの面積以上である穴部（２４）が設けられており、
   前記接着剤が前記底部の外面における前記穴部の周囲に配置され、前記配線基板が前記穴部を覆うように前記接着剤に接着していることにより、前記接着剤および前記配線基板によって前記穴部が封止されていることを特徴とする半導体装置。
2. 前記接着剤は、前記蓋部材と前記パッケージとを接合するときの接合温度よりも低温で処理されて接着力を発揮するもの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. 前記配線基板は、フレキシブル基板であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
4. 請求項１に記載の半導体装置を製造する半導体装置の製造方法であって、
   前記ミラーを有する前記半導体基板、前記穴部を有する前記パッケージ、前記蓋部材、および、前記配線基板を用意する用意工程と、
   前記パッケージに前記半導体基板を収納する収納工程と、
   前記パッケージの一端側に前記蓋部材を接合する蓋接合工程と、
   前記蓋接合工程の後に、前記パッケージにおける前記底部の外面に前記接着剤を介して前記配線基板を接着する基板接着工程と、を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。

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