JP2018066722A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】この発明のセンサ100は、素子10と複数のリード端子21〜24と複数の導体31,32と封止部50を備える。素子10は、磁電変換機能または光電変換機能を有する素子であり、基板11と、基板11上に形成された活性層12と、活性層12と電気的に接続された複数の電極13a〜13dとを有する。複数のリード端子21〜24は、平面視でホール素子10の周囲に配置されている。導体31,32は、ホール素子10の複数の電極13a〜13dと複数のリード端子21〜24とを、それぞれ電気的に接続する。封止部50は、合成樹脂を含有し、ホール素子10の活性層12側の面10a、ホール素子10の側面10b、ホール素子10の活性層12とは反対側の面である裏面の外縁部111a、および複数の導体31,32を覆う。
【選択図】図1
Description
例えば、特許文献1では、磁気センサの薄型化に関し、パッケージをアイランドレス構造(ホール素子を載置するためのアイランド部を省いた構造)にすることが提案されている。つまり、アイランドレス構造の磁気センサは、封止樹脂の下面からホール素子が露出する構造を有する。そして、特許文献1に記載されたアイランドレス構造の磁気センサでは、ホール素子を構成する基板の裏面の全面に保護層が形成され、この保護層が封止樹脂の下面から露出している。
この発明の課題は、素子の割れが抑制されたアイランドレス構造の半導体装置を提供することである。
(1)磁電変換機能または光電変換機能を有する素子であって、基板と、基板上に形成された活性層と、活性層と電気的に接続された複数の電極と、を有する素子を備えている。
(2)平面視で素子の周囲に配置された複数のリード端子を備えている。
(3)素子の複数の電極と複数のリード端子とを、それぞれ電気的に接続する複数の導体を備えている。
(4)合成樹脂を含有する封止部を備えている。この封止部は、素子の活性層側の面、素子の側面、素子の活性層とは反対側の面である裏面の外縁部、および複数の導体を覆う。
(5)素子の裏面は露出面を有する。
(11)磁電変換機能または光電変換機能を有する素子であって、基板と、基板上に形成された活性層と、を有する素子を備えている。
(12)素子の活性層側の面と、素子の活性層とは反対側の面である裏面の外縁部と、を少なくとも覆う封止部を備えている。
(13)素子の裏面は露出面を有する。
なお、以下の説明で使用する図において、図示されている各部の寸法関係は、実際の寸法関係と異なる場合がある。
第一実施形態として、磁電変換機能を有する素子としてホール素子を用いた半導体装置である磁気センサについて説明する。
[磁気センサの構成]
図1に示すように、この実施形態の磁気センサ100は、ホール素子10と、四個(複数)のリード端子21〜24と、四本(複数)の導体31〜34と、合成樹脂製の封止部50と、外装メッキ層60とを有する。磁気センサ100は、ホール素子10を載置するためのアイランド部を有さない。つまり、磁気センサ100はアイランドレス構造を有する。
図1(b)に示すように、ホール素子10は、基板11と、基板11上に形成された半導体薄膜で形成された活性層(磁気感受部)12と、活性層12と電気的に接続された四個(複数)の電極13a〜13dを有する。
図1(c)(d)に示すように、基板11の平面形状は正方形(多角形)である。基板11は、例えば、半絶縁性のガリウムヒ素(GaAs)を含む材料で形成されている。また、基板11としては、シリコン(Si)などを含む材料で形成された半導体基板や、フェライト基板などの磁気を収束する効果のある基板を用いることもできる。
ホール素子10の厚さは、例えば100μm以下である。
また、ホール素子10は絶縁層40を有する。絶縁層40は、ホール素子10の基板11の裏面(活性層12とは反対側の面)111の外縁部111aを除いた部分(中央部)111bに、接触状態で配置されている。つまり、絶縁層40により、基板11の裏面111の封止部50で覆われていない部分が覆われている。絶縁層40の下面(ホール素子10の活性層とは反対側の面である裏面)40aは、封止部50の第二面52と同一面内にある。
絶縁層40をなす材料としては、合成樹脂や金属酸化物が挙げられる。絶縁層40は、合成樹脂を含む材料で形成された層と金属酸化物を含む材料で形成された層のいずれか一層で構成されていてもよいし、これらの層の二層構造であってもよい。合成樹脂の例としては、フォトレジスト材(ネガ型でもポジ型でも可)や、エポキシ樹脂などの熱硬化型樹脂にフィラーを含む材料が挙げられる。フィラーの材質としては、シリ力(SiO2)やアルミナ(Al2O3)などのセラミックスが好ましい。金属酸化物としては、酸化チタン(TiO2)などが使用できる。
なお、「フィラーの寸法」とは、球状のフィラーの場合は球の直径であり、球体が破砕された形状を有するフィラーの場合は、元の球体の径方向で最も大きい部分の寸法であり、繊維状のフィラーの場合は繊維断面の長径である。
リード端子21〜24は、磁気センサ100と外部との電気的接続を得るための端子である。図1(b)に示すように、リード端子21〜24は、平面視でホール素子10の周囲に配置されている。
図1(a)〜(d)に示すように、リード端子21〜24は、上面(第一面51側の面)21a〜24aと、内側面21b〜24bと、封止部50の側面53と同一面となる外側面21c〜24cと、封止部50の側面54と同一面となる外側面21d〜24dと、封止部50の第二面52と同一面となる下面21e〜24eと、切欠き部21f〜24fを有する。切欠き部21f〜24fは、リード端子21〜24の下半分が欠けている形状の部分であり、封止部50の側面54側に存在する。
図1(b)に示すように、導体31〜34は、ホール素子10が有する電極13a〜13dと、リード端子21〜24とを、それぞれ電気的に接続している。具体的には、導体31がリード端子21と電極13aとを接続し、導体32がリード端子22と電極13bとを接続し、導体33がリード端子23と電極13cとを接続し、導体34がリード端子24と電極13dとを接続している。
導体31〜34は、例えば、金、銀、または銅を含む材料で形成されている。
図1(c)(d)に示すように、封止部50は、ホール素子10の活性層12側の面(基板11とは反対側の面)10aと側面10b、基板11の裏面111の外縁部(ホール素子10の裏面)111a、絶縁層40の四つの側面40b、電極13a〜13d、リード端子21〜24の上面(第一面51側の面)21a〜24aと内側面21b〜24bと切欠き部21f〜24f、および導体31〜34を覆っている。
リード端子21〜24の外側面21c〜24cは、封止部50の側面53と同一面にある。リード端子21〜24の外側面21d〜24dは、封止部50の側面54と同一面にある。リード端子21〜24の下面21e〜24eおよび絶縁層40の下面40aは、封止部50の第二面52と同一面にある。
また、封止部50の厚さのうち、基板11の裏面111の外縁部111aを覆う部分(素子下部被覆部)50aの厚さは、例えば、1μm以上30μm以下の範囲にすることが好ましい。その理由は以下の通りである。
封止部50をなす合成樹脂には、絶縁性、線膨張係数がリード端子と近い値であること、耐衝撃性、耐熱性(磁気センサ100をリフローハンダ付けする時の高熱に耐えられること)、および耐吸湿性が求められる。
封止部50をなす合成樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂、テフロン(登録商標)が挙げられる。これらの樹脂の線膨張係数は10〜20×10-6/℃程度である。封止部50は、1種類の合成樹脂で形成されていてもよいし、2種類以上の合成樹脂で形成されていてもよい。また、後述のシートを用いた成形法を採用して封止部50を形成する場合は、封止部50の第一面51側の部分に、このシートを構成する合成樹脂が存在していてもよい。
外装メッキ層60は、封止部50の第二面52と同一面にあるリード端子21〜24の下面(裏面)21e〜24eに形成されている。外装めっき層60は、例えば、スズ(Sn)で形成されている。
この実施形態の磁気センサ100を用いて磁気(磁界)を検出する場合には、例えば、リード端子21を電源電位(+)に接続すると共に、リード端子22を接地電位(GND)に接続して、リード端子21からリード端子22に電流を流す。そして、リード端子23,24間の電位差V1−V2(=ホール出力電圧VH)を測定する。また、測定されたホール出力電圧VHの大きさから磁界の大きさを検出し、ホール出力電圧VHの正負から磁界の向きを検出する。
この実施形態の磁気センサ100は、ホール素子10を構成する基板11が正方形であり、基板11の裏面111の外縁部111aが、ホール素子10の側面10bから連続して封止部50で覆われている。また、この覆われている部分(素子下部被覆部50a)は、基板11をなす正方形の四つの角部を含み、裏面111の面積の5%以上50%以下の範囲、好ましくは15%以上50%以下の範囲、さらに好ましくは25%以上50%以下となる範囲に存在する。
また、第一実施形態の磁気センサ100によれば、基板11の裏面111の中央部111bが絶縁層40で覆われているため、はんだを用いた実装時に、はんだとホール素子10との接触が阻害されることで、ホール素子10への電流リークを防止できる。
図2〜図7を用いて、実施形態の磁気センサ100の製造方法を説明する。
先ず、図2に示すように、ガリウムヒ素を含む材料で形成され、複数のホール素子10のパターンが形成されたウエハ150を用意する。次に、ウエハ150の裏面(ホール素子10のパターンが形成された面とは反対側の面)151を所定の厚さ(例えば、100μm)になるように研削する。この研削方法としては、スラリー(研磨剤と水やアルコール等の混合物)を用いて研磨する方法や、酸等の薬液で研磨する方法がある。
図3に示す方法では、先ず、図3(a)に示すように、ガリウムヒ素で形成されたウエハ150の裏面151(つまり、ホール素子10の基板11の裏面111)に、フォトリソグラフィ法により、各ホール素子10の位置に開口部141を有するレジストパターン140を形成する。次に、この状態のウエハ150の裏面151に、スパッタリング法または蒸着法により金属酸化物膜41を形成する。これにより、図3(b)に示すように、レジストパターン140の上面とレジストパターン140の開口部141内に(つまり、ウエハ150の裏面151に直接)、金属酸化物膜41が形成される。
次に、ウエハ150をダイシングラインL1に沿って切断することで、個片化されたホール素子10を得る。これにより、基板11の裏面111の中央部111bに絶縁層40が形成されたホール素子10が得られる。
次に、リードフレーム120の裏面に、例えばポリイミド製の耐熱性フィルム80を貼り付けて、リードフレーム120のリード部121〜124がない部分(貫通領域)を裏面側から耐熱性フィルム80で塞ぐ。耐熱性フィルム80として、一方の面に絶縁性の粘着層を有するものを使用し、この粘着層で耐熱性フィルム80とリードフレーム120を接合する。つまり、耐熱性フィルム80とリードフレーム120との接合体81を得る。図5(b)は、この工程後の状態を示す。
この工程では、図6に示すように、ダイボンディングの条件を調整して、絶縁層40が耐熱性フィルム80の粘着層80aに食い込むようにすると、後述の封止部50を形成する際に樹脂が、絶縁層40を有するホール素子10と粘着層80aとで囲まれた空間84に入り込み易くなる。ただし、この場合には、粘着層80aに食い込ませた分だけ、絶縁層40の下面40aが封止部50の第二面52から突出することになる。
次に、導体31〜34の一端を各リード端子21〜24にそれぞれ接続し、導体31〜34の他端を電極13a〜13dにそれぞれ接続する(即ち、ワイヤーボンディングを行う)。図5(d)は、この工程後の状態を示す。
次に、封止部50の第二面52と同一面にあるリードフレーム120の面に、外装めっきを施す。これにより、リード端子21〜24の下面(裏面)21e〜24eに外装めっき層60が形成され、複数の磁気センサ100が結合された結合体1001が得られる。図7(d)はこの状態を示す。
なお、ホール素子10と絶縁層40と耐熱性フィルム80の粘着層とで囲まれた空間に樹脂が入り込んで、素子下部被覆部50aが形成される工程で、絶縁層40の下面40aの外縁部に樹脂が回り込む場合がある。この場合は、ホール素子10の裏面の露出面が絶縁層40の下面40aよりも小さくなる。この場合のように、磁気センサ100は、絶縁層40の下面40aの外縁部が封止部で覆われていて、絶縁層40の下面40aの中央部が露出面となっていてもよい。
第二実施形態として、光電変換機能を有する素子として赤外線検出素子を用いた半導体装置である赤外線センサについて説明する。
[赤外線センサの構成]
図8に示すように、この実施形態の赤外線センサ700は、赤外線検出素子70と、四個(複数)のリード端子21〜24と、二本(複数)の導体31,32と、合成樹脂を含有する材料で形成された封止部50を有する。赤外線センサ700は赤外線検出素子70を載置するためのアイランド部を有さない。つまり、この実施形態の赤外線センサ700はアイランドレス構造を有する。
図8(b)(c)に示すように、赤外線検出素子70は、赤外線透過性の基板71と、基板71上に形成された半導体薄膜で形成された活性層(赤外線感受部)72と、活性層72と電気的に接続された二個(複数)の電極73a,73bとを有する。電極73aは、活性層72のn型層と接続され、電極73bは活性層72のp型層と接続される。
活性層72は、例えば、インジウムアンチモン(InSb)やガリウムヒ素などの化合物半導体を含む材料で形成された薄膜である。
赤外線検出素子70の厚さは、例えば250μm以下である。
図8(d)に示すように、基板11の裏面111における、赤外線検出素子70の基板71の平面形状をなす正方形の四つの角部が、封止部50で覆われている。
また、封止部50の厚さのうち、基板71の裏面711の外縁部711aを覆う部分(素子下部被覆部)50aの厚さは、例えば、1μm以上30μm以下の範囲にする。
この実施形態の赤外線センサ700を用いて赤外線量を検出する場合には、基板71の裏面711を受光面とし、例えば、リード端子21,22間の電位差V1−V2(=光起電力)を測定する。また、測定された光起電力の大きさから受光した赤外線量を検出する。
この実施形態の赤外線センサ700は、赤外線検出素子70を構成する基板71が正方形であり、基板71の裏面711の外縁部711aが、赤外線検出素子70の側面70bから連続して封止部50で覆われている。また、この覆われている部分(素子下部被覆部50a)は、基板71をなす正方形の四つの角部を含み、裏面711の面積の5%以上50%以下の範囲、好ましくは15%以上50%以下の範囲、さらに好ましくは25%以上50%以下となる範囲に存在する。
赤外線センサ700の製造方法は、一部を除いて磁気センサ100の製造方法とほぼ同じであるため、磁気センサ100の製造方法との相違点についてのみ説明する。
図2に示すホール素子10が形成されたウエハ150に代えて、赤外線検出素子70が形成されたガリウムヒ素ウエハを用意し、その裏面の各赤外線検出素子の位置に、平面形状が赤外線検出素子より小さい保護層(図4の絶縁層40に相当するもの)を形成する。この保護層は、フォトレジスト材で形成する。
封止部50の形成工程後であって複数の赤外線センサ700に切り離す前に、赤外線検出素子70の基板71の裏面711から保護層を除去する。つまり、図7(c)に示す状態で絶縁層40に相当する保護層を除去する。
また、外装メッキ層60の形成工程を行わない。
この方法では、封止部50の形成工程で受光面である基板71の裏面711を保護するために、裏面711の中央部711bを保護層で形成している。
第一実施形態の磁気センサ100では、基板11の裏面111の中央部111bが絶縁層40で覆われているが、絶縁層40を設けず、裏面111の中央部111bを露出させてもよい。この場合、基板11の裏面111の全体がホール素子10の裏面となり、裏面111の中央部111bが露出面となる。
第二実施形態の赤外線センサ700では、受光面(基板71の裏面711の中央部711b)が露出しているが、この受光面に赤外線透過性の保護層を設けてもよい。その場合、酸化チタンなどの金属酸化物で1μm程度の保護層を形成することにより、絶縁性が確保され、赤外線反射率が低減できる。また、この保護層を設けて、保護層の下面と第二面52とを一致させてもよい。
第一実施形態で説明した封止部50の形成方法では、上型92の下面をシート94で覆うとともに、金型90内に溶融樹脂を流し込んだ後で上型92を下降させて圧縮力を加えているが、これに代えてトランスファー成形を行ってもよいし、シート94を用いなくてもよい。
図9に示す方法では、先ず、ウエハ150の裏面151の全面に、スパッタリング法または蒸着法により金属酸化物膜41を形成する。次に、ネガ型レジストを用い、各素子の位置にレジスト材142が残るレジストパターン140Aを形成する。図9(a)はこの状態を示す。
絶縁層(保護層)を合成樹脂で形成する方法としては、フォトレジスト材の場合にはフォトマスクを用いたフォトリソグラフィ法が挙げられ、熱硬化樹脂の場合はディスペンサーを用いて保護層の形成位置に樹脂をポッティングして硬化させる方法が挙げられる。
第二実施形態の赤外線検出素子70に代えて赤外線発光素子を用いることで、赤外線発光ダイオードを得ることができる。赤外線発光ダイオードは、光電変換機能を有する素子である赤外線発光素子を用いた半導体装置である。赤外線検出素子が有する光電変換機能は、光信号を電気信号に変換する機能であり、赤外線発光素子が有する光電変換機能は電気信号を光信号に変換する機能である。赤外線発光素子は、厚さが250μm以下の赤外線発光素子であることが好ましい。
このような赤外線発光ダイオードでは、第二実施形態の赤外線センサ700と同様の効果を得ることができる。
<実施例1>
図1に示す第一実施形態の磁気センサ100を、第一実施形態に記載された方法で作製した。
ホール素子10の基板11としては、ガリウムヒ素基板を用いた。ウエハ150の裏面150を研削することで、ホール素子10の厚さを90μmとした。
導体31〜34としてはAu線を用いた。封止部50用の合成樹脂としては、シリカフィラーを含有するエポキシ樹脂を用いた。
得られた磁気センサ100は、図1(c)に示すように、絶縁層40および素子下部被覆部50aを有し、基板11の裏面111の封止部50で覆われている外縁部(角部を含む)111aの面積は、裏面111の面積の30%であった。
絶縁層40の形成工程を行わず、ウエハ150の裏面151に、10μmのエポキシ系ダイアタッチフィルムが形成されているUV硬化型ダイシングテープ(即ち、ダイシング−ダイボンディング一体型ダイシングテープ)を貼り合わせた状態で、ホール素子10の個片化を行った。つまり、素子下部被覆部50aが形成されない方法で封止部50の形成工程を行った。これら以外の点は実施例1と同じ方法で磁気センサを作製した。これにより、図1(c)で、エポキシ樹脂で形成された絶縁層40を有し、素子下部被覆部50aを有さず、ホール素子10の裏面111が封止部50の第二面52と一致している磁気センサを得た。
実施例1および比較例1の磁気センサをそれぞれ20個用意し、以下の試験を行った。
測定機としてデジタルフォースゲージ(IMADA製「ZP−50」)を用意し、その押し付け部に、先端直径が0.2mmである押し付け治具を取り付けた。
先ず、磁気センサを、封止部50の第二面52を下側にしてステージの平坦な水平面上に置いた。この状態で、押し付け治具を、荷重:約200g、押し付け時間:約1秒間の条件で、封止部50の第一面51に押し当てた後に、この押し当てを解除した。そして、この押し当ておよび解除の動作を5回繰り返した。つまり、約200gの荷重を5回付加する荷重試験を行った。
その結果、実施例1の磁気センサでは20個全てで割れが生じていなかったが、比較例1の磁気センサでは20個中10個で割れが生じていた。つまり、ホール素子の裏面111の外縁部(角部を含む)111aの30%が封止部で覆われていることで、割れを発生しにくくできることが分かった。これは、封止部で覆われていることで、角部に集中する応力が分散されたためと考えられる。
10 ホール素子
10a ホール素子の活性層側の面(基板とは反対側の面)
10b ホール素子の側面
11 基板
111 基板の裏面(活性層とは反対側の面)
111a 基板の裏面の外縁部(ホール素子の裏面)
111b 基板の裏面の中央部
12 活性層
13a〜13d 電極
21〜24 リード端子
21a〜24a リード端子の上面
21b〜24b リード端子の内側面
21c〜24c リード端子の外側面
21d〜24d リード端子の外側面
21e〜24e リード端子の下面(封止部の第二面から露出する面)
31〜34 導体
40 絶縁層(保護層)
40a 絶縁層の下面(ホール素子の裏面、露出面)
50 封止部
50a 素子下部被覆部(外縁部111aを覆う部分)
51 第一面
52 第二面
60 外装メッキ層
700 赤外線センサ
70 赤外線検出素子
70a ホール素子の活性層側の面(基板とは反対側の面)
70b ホール素子の側面
71 基板
711 基板の裏面(活性層とは反対側の面、赤外線検出素子の裏面)
711a 基板の裏面の外縁部
711b 基板の裏面の中央部(赤外線検出素子の露出面)
72 活性層
73a〜73d 電極
Claims (9)
- 磁電変換機能または光電変換機能を有する素子であって、基板と、前記基板上に形成された活性層と、前記活性層と電気的に接続された複数の電極と、を有する素子と、
平面視で前記素子の周囲に配置された複数のリード端子と、
前記素子の前記複数の電極と前記複数のリード端子とを、それぞれ電気的に接続する複数の導体と、
合成樹脂を含有する封止部であって、前記素子の前記活性層側の面、前記素子の側面、前記素子の前記活性層とは反対側の面である裏面の外縁部、および前記複数の導体を覆う封止部と、
を備え、
前記裏面は露出面を有する半導体装置。 - 前記基板の平面形状は多角形であり、前記基板の前記活性層とは反対側の面における前記多角形の角部が前記封止部で覆われている請求項1記載の半導体装置。
- 前記裏面の5%以上50%以下が前記封止部で覆われている請求項1または2記載の半導体装置。
- 前記基板の前記活性層とは反対側の面の外縁部を覆う前記封止部の厚さは1μm以上30μm以下である請求項1〜3のいずれか一項に記載の半導体装置。
- 前記素子は、前記基板の前記活性層とは反対側の面の前記封止部で覆われていない部分を覆う保護層を有する請求項1〜4のいずれか一項に記載の半導体装置。
- 前記素子は厚さが100μm以下のホール素子である請求項1〜5のいずれか一項に記載の半導体装置。
- 前記素子は厚さが250μm以下の赤外線検出素子である請求項1〜5のいずれか一項に記載の半導体装置。
- 前記素子は厚さが250μm以下の赤外線発光素子である請求項1〜5のいずれか一項に記載の半導体装置。
- 磁電変換機能または光電変換機能を有する素子であって、基板と、前記基板上に形成された活性層と、を有する素子と、
前記素子の前記活性層側の面と、前記素子の前記活性層とは反対側の面である裏面の外縁部と、を少なくとも覆う封止部と、
を備え、
前記裏面は露出面を有する半導体装置。
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