JP2020136642A - 半導体チップ、圧電デバイス及び電子機器 - Google Patents

半導体チップ、圧電デバイス及び電子機器 Download PDF

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Akifumi Hashimoto
明史 橋本
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Abstract

【課題】衝突に伴う損傷を生じにくい半導体チップを提供する【解決手段】半導体チップ50は、表側にバンプ電極55付きの電子回路面52を有し、裏側に鏡面からなる裏面51を有する。半導体チップ50によれば、鏡面からなる裏面51を有することにより、他の圧電デバイスの一部が半導体チップ50の裏面51に衝突しても応力集中を生じる部分が無いので、半導体チップ50の損傷を抑制できる。【選択図】図1

Description

本発明は、例えばIC(Integrated Circuit)などの半導体チップ、この半導体チップを備えた例えば温度補償型水晶発振器(以下「TCXO(Temperature Compensated Crystal Oscillator)」という。)などの圧電デバイス、及びこの圧電デバイスを備えた電子機器に関する。
フリップチップ(以下「FC(Flip Chip)」という。)と呼ばれる半導体チップは、回路形成面にバンプを設けたICチップのことをいい、ベアチップのままで実装される。FC実装は、FCの回路形成面を基板の電極パッドに向けて、すなわちフェイスダウンで、バンプを介してFCを基板に実装する方法である。また、FC実装されたICチップの回路形成面は配線や半導体回路などが剥き出しになっているので、その回路形成面を保護するために、ICチップと基板との間にアンダーフィル樹脂が充填される。
FC実装は、電子部品の実装密度を高めるためにプリント配線板に用いられことが多いが、圧電デバイスにも用いられる(例えば特許文献1、2)。圧電デバイスでは、FC実装されたICチップと素子搭載部材との間にアンダーフィル樹脂が充填される。
完成した圧電デバイスは、パーツフィーダによって次の工程へ供給される。パーツフィーダとは、容器内に多数の部品を収容し、容器を介して部品に振動を与えることにより、容器内の溝に沿って部品を移動させる機械である。
特開2003−168695号公報 特開2015−095717号公報
しかしながら、パーツフィーダを使って圧電デバイスを供給する際に、振動によって圧電デバイス同士が衝突し合うことにより、構成部品であるFC(半導体チップ)が損傷することがあった。
そこで、本発明の主な目的は、衝突に伴う損傷を生じにくい半導体チップを提供することにある。
本発明に係る半導体チップは、
表側にバンプ電極付きの電子回路面を有し、
裏側に鏡面からなる裏面を有する。
本発明に係る圧電デバイスは、
表裏関係にある第一面及び第二面を有する素子搭載部材と、
前記第一面側に位置する圧電素子と、
前記圧電素子の発振回路を有するとともに、前記第二面側に位置する本発明に係る半導体チップと、
前記第二面と前記半導体チップとの隙間を満たすアンダーフィル樹脂と、
を備える。
本発明に係る電子機器は、本発明に係る圧電デバイスを備える。
本発明に係る半導体チップによれば、鏡面からなる裏面を有することにより、裏面に何かが衝突しても、クラック等の起点となる微細な溝が無いので、衝突に伴う損傷を抑制できる。
本発明に係る圧電デバイスによれば、本発明に係る半導体チップを備えたことにより、例えばパーツフィーダでの圧電デバイス同士の衝突に際しても、半導体チップの損傷を抑制できる。したがって、製造歩留まり及び信頼性を向上できる。
本発明に係る電子機器によれば、本発明に係る圧電デバイスを備えたことにより、信頼性を向上できる。
実施形態1の半導体チップを示し、図1[A]は裏面側から見た平面図、図1[B]は図1[A]におけるIb−Ib線断面図、図1[C]は図1[B]におけるIc部拡大図である。 実施形態1の圧電デバイスを示し、図2[A]は下面図、図2[B]は図2[A]におけるIIb−IIb線断面図である。 実施形態1の圧電デバイスを示す分解斜視図である。 図3におけるIV−IV線断面図である。 実施形態2の半導体チップを示し、図5[A]は裏面側から見た平面図、図5[B]は図5[A]におけるVb−Vb線断面図、図5[C]は図5[B]におけるVc部拡大図、図5[D]は製造方法の一例を示す断面図である。 図6[A]は電子機器の第一例を示す正面図であり、図6[B]は電子機器の第二例を示す正面図である。 比較例の半導体チップを示し、図7[A]は裏面側から見た平面図、図7[B]は図7[A]におけるVIIb−VIIb線断面図、図7[C]は図7[B]におけるVIIc部拡大図、図7[D]はクラックが発生する場合を示す断面図である。 比較例の圧電デバイスを示し、図8[A]は下面図、図8[B]は図8[A]におけるVIIIb−VIIIb線断面図である。 図9[A]は液状のアンダーフィル樹脂を半導体チップの裏面に滴下する場合を示す断面図であり、図9[B]は接触角が90度以上になる実施形態1を示す断面図であり、図9[C]は接触角が90度未満になる比較例を示す断面図である。
以下、添付図面を参照しながら、本発明を実施するための形態(以下「実施形態」という。)について説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の構成要素については同一の符号を用いることにより、重複説明を省略する。図面に描かれた形状は、当業者が理解しやすいように描かれているため、実際の寸法及び比率とは必ずしも一致していない。
図1に示すように、本実施形態1の半導体チップ50は、表側にバンプ電極55付きの電子回路面52を有し、裏側に鏡面からなる裏面51を有する。例えば、裏面51の表面粗さは、算術表面粗さRaで0.0020μm以下である。算術表面粗さRaは、JIS B 0601による。
半導体チップ50は、FCと呼ばれるICチップであり、接続端子としてのバンプ電極55を有する。バンプ電極55は、例えば、スタッドバンプ、ボールバンプ又はめっきバンプ等であり、金又ははんだ等からなる。電子回路面52は、一般的なIC製造技術によって、シリコンからなる半導体基板53の一方の面に電子回路が形成されたものである。なお、半導体チップ50は、ICに限らず、例えばダイオード、トランジスタ、サーミスタ、光素子又は各種のセンサとしてもよい。半導体基板53は、シリコンに限らず、化合物半導体からなるものとしてもよい。
半導体チップ50の製造方法の一例について説明する。まず、一枚のシリコンウェーハの一方の面(表面)に、多数の半導体チップ50の電子回路面52及びバンプ電極55を形成する。続いて、シリコンウェーハの表面に粘着性のある保護テープを貼り付け、シリコンウェーハの他方の面(裏面)を研削して所定の厚みにする。この研削加工を「バックグラインド(Back Grind)」という。続いて、バックグラインドによる筋目(微細な凹凸)を鏡面加工によって除去し、多数の半導体チップ50の裏面51を形成する。鏡面加工には、研磨布を用いた機械研磨に限らず、グラインダを用いた機械研磨、又はスラリーを用いたCMP(Chemical Mechanical Polishing)などの方法がある。続いて、保護テープ上のシリコンウェーハのみをダイシングすることにより、多数の半導体チップ50を個片化する。個片化された多数の半導体チップ50は、保護テープに貼り付いた状態のまま、後述する圧電デバイス10の製造工程へ移される。
次に、本実施形態1の圧電デバイス10について説明する。図2は圧電デバイス10の完成後の状態を示し、図3は圧電素子40及び半導体チップ50を素子搭載部材20に搭載する前の状態を示し、図4はアンダーフィル樹脂60を充填する前の状態を示している。図3では、凹部空間12及びIC用パッド24を図示していない。まず、圧電デバイス10の構成を概略的に説明する。
圧電デバイス10は、表裏関係にある第一面としての底面21及び第二面としての底面22を有する素子搭載部材20と、底面21側に位置する圧電素子40と、圧電素子40の発振回路を有するとともに底面22側に位置する半導体チップ50と、底面22と半導体チップ50との隙間13を満たすアンダーフィル樹脂60と、を備えている。
換言すると、圧電デバイス10は、凹部空間12を有する素子搭載部材20と、素子搭載部材20に搭載された圧電素子40と、表裏関係にある裏面51及び電子回路面52を有し、凹部空間12の底面22に電子回路面52が接続するようにFC実装された半導体チップ50と、底面22と電子回路面52との隙間13に充填されたアンダーフィル樹脂60と、を備えている。圧電デバイス10は、凹部空間11、蓋部材30などを、更に備えたTCXOである。
素子搭載部材20は、半導体チップ50及び圧電素子40を搭載する。蓋部材30は、素子搭載部材20上に設けられる。凹部空間11は、素子搭載部材20に形成され、圧電素子40を収容する。凹部空間12は、素子搭載部材20に形成され、半導体チップ50を収容する。
素子搭載部材20は、圧電素子40を搭載する底面21及び半導体チップ50を搭載する底面22を有する基板部25と、基板部25の底面21の周縁に設けられた枠部26aと、基板部25の底面22の周縁に設けられた枠部26bとからなる。基板部25と枠部26aとによって凹部空間11が形成され、基板部25と枠部26bとによって凹部空間12が形成される。
「アンダーフィル樹脂」とは、プリント配線板等にFC実装をする際の封止に用いられる液状硬化性樹脂の総称であり、エポキシ樹脂を主剤としたコンポジットレジンが主流である。また、エポキシ樹脂は熱膨張及び熱収縮が大きいため、コンポジットレジンとして線膨張係数の小さな二酸化ケイ素のフィラーをアンダーフィルに含有させることが多い。このような一般的なアンダーフィル樹脂は、熱硬化性樹脂であり、塗布後に一定温度で一定時間加熱して硬化させる。アンダーフィル樹脂60は、一般的なアンダーフィル樹脂に限定されるものではなく、例えば光硬化性樹脂を用いてもよい。
次に、圧電デバイス10の構成について更に詳しく説明する。圧電デバイス10は、圧電素子40が素子搭載部材20に搭載された状態で、素子搭載部材20と蓋部材30とがシーム溶接などによって接合されることにより、圧電素子40が凹部空間11内に気密封止された構造となっている。つまり、枠部26aの上端に金属枠(図示せず)を設け、その金属枠と蓋部材30とに電流を流すことにより、ジュール熱を発生させてこれらを溶接する。
圧電素子40は、表裏関係にある第一面41及び第二面42を有する水晶片43と、水晶片43の第一面41から第二面42まで延設された電極44と、を備えた水晶振動素子である。水晶片43は例えばATカット板からなる。電極44は、互いに絶縁された二つからなり、それぞれ励振電極、引き出し電極、パッド電極などに分けられ、第一面41から側面を跨いで第二面42まで延びている。なお、圧電素子40は、水晶に限らず、セラミックスなどからなるものとしてもよい。
素子搭載部材20における基板部25及び枠部26a,26bは、例えば複数のグリーンシートが積層及び焼成された積層セラミックス板からなる。枠部26aは、基板部25の底面21側の周縁に沿って環状に設けられている。枠部26bは、基板部25の底面22側の周縁に沿って環状に設けられている。内部配線28(一部のみ図示)は、例えばグリーンシートに印刷された導体パターンやビアホール導体からなる。凹部空間11の底面21には素子用パッド23が設けられ、凹部空間12の底面22にはIC用パッド24が設けられている。
素子用パッド23は、圧電素子40の電極44に対向する位置に設けられ、導電性接合材27によって電極44に電気的に接続される。導電性接合材27は、例えば銀ペーストなどの導電性接着剤であり、硬化前は流動性を有する。枠部26bの四隅の突端面には、それぞれ外部接続端子29が設けられている。外部接続端子29には、例えば、周波数制御端子、接地端子、出力端子、電源電圧端子などがある。なお、素子用パッド23、IC用パッド24及び外部接続端子29は、内部配線28(一部のみ図示)によって相互にかつ電気的に接続されている。
バンプ電極55は、IC用パッド24に電気的に接続される。つまり、バンプ電極55とIC用パッド24とは、同じ数だけ設けられている。
蓋部材30は、例えばコバール(Kovar)などの金属からなり、矩形形状の平板となっている。また、蓋部材30は、素子搭載部材20に電気溶接などにより接合され、凹部空間11を気密封止する。凹部空間11は、本実施形態1では素子搭載部材20側に形成しているが、蓋部材30側に形成してもよい。
圧電デバイス10は、圧電素子40と、圧電素子40に電気的に接続された半導体チップ50とを備え、所定の発振周波数からなる出力信号を生成する。半導体チップ50の電子回路面52には、図示しないが、圧電素子40に接続された発振回路と、圧電素子40の周波数温度特性を補償する温度補償回路とが形成されている。
次に、実施形態1の圧電デバイス10を製造する方法を、実施形態1の製造方法として説明する。本実施形態1の製造方法は、次の工程を含む。
(1)凹部空間12の底面22に半導体チップ50をFC実装するFC実装工程。
(2)FC実装工程の後に、隙間13に液状のアンダーフィル樹脂60を充填するアンダーフィル樹脂充填工程。
(3)アンダーフィル樹脂充填工程の後に、アンダーフィル樹脂60を硬化させるアンダーフィル樹脂硬化工程。
本実施形態1の製造方法では、図9[A]に示すように、液状のアンダーフィル樹脂60aを先端のニードル90から吐出可能なディスペンサ(図示せず)を用いる。つまり、アンダーフィル樹脂充填工程では、アンダーフィル樹脂60aをニードル90から吐出することにより、アンダーフィル樹脂60を充填する。上記各工程について、以下に詳しく説明する。
FC実装工程では、凹部空間12の底面22に半導体チップ50の電子回路面52を向け、IC用パッド24とバンプ電極55との位置を合わせ、IC用パッド24にバンプ電極55を押し付けるとともに熱又は超音波を加えることによって、IC用パッド24にバンプ電極55を接合する。
アンダーフィル樹脂充填工程では、図2に示すように凹部空間12を上にして、底面22と電子回路面52との隙間13に、図9[A]に示すように液状のアンダーフィル樹脂60aをニードル90から流し込む。このとき、液状のアンダーフィル樹脂60aを半導体チップ50の裏面51に滴下すると、アンダーフィル樹脂60a自身の表面張力によって、アンダーフィル樹脂60aが裏面51から流れ落ちて底面22と電子回路面52との隙間13に収まる。なお、昨今の圧電デバイス10の小型化によりニードル90が相対的に太くなり過ぎ、半導体チップ50の側面と凹部空間12内の壁面との間からアンダーフィル樹脂60を直接注入することは困難である。
アンダーフィル樹脂硬化工程では、アンダーフィル樹脂60に熱を加えることにより、アンダーフィル樹脂60を硬化させる。アンダーフィル樹脂60に用いられるエポキシ樹脂は、一液型と呼ばれ、主剤と硬化剤を混ぜた状態で出荷され加熱炉で硬化させるものが一般的である。アンダーフィル樹脂60の具体例を述べれば、エポキシ樹脂及び酸無水物硬化剤が40〜50wt%、二酸化ケイ素が45〜55wt%、残りがカーボンブラック、シリコーン系添加剤などの混合物であり、加熱によって硬化するものである。加熱手段としては、赤外線ランプや高温雰囲気が挙げられる。また、アンダーフィル樹脂60として光硬化性樹脂を用いた場合は、紫外線ランプによってアンダーフィル樹脂60に紫外線を照射する。
なお、本実施形態1の製造方法は、上記工程の他にも、素子搭載部材20に圧電素子40を搭載する工程や、蓋部材30を素子搭載部材20に接合する工程も含むが、これらの工程は上記工程の前でも後でもよい。
次に、本実施形態1の半導体チップ50及び圧電デバイス10について、作用及び効果を説明する。
ここで、図7に示す比較例の半導体チップ501及び図8に示す比較例の圧電デバイス101について説明する。比較例の半導体チップ501は、裏面511が鏡面加工されていない点を除き、実施形態1の半導体チップ50と同じ構成である。比較例の圧電デバイス101は、比較例の半導体チップ501を用いている点を除き、実施形態1の圧電デバイス10と同じ構成である。
比較例の半導体チップ501では、バックグラインドによる多数の微細溝512(図7[C])が裏面511に形成されている。そのため、比較例の圧電デバイス101では、その製造工程における圧電デバイス101同士の衝突によって、微細溝512を起点とするクラック513や欠け514(図8[A])が半導体チップ501に生じて、不良品となることがあった。これは、図7[D]に示すように、他の圧電デバイス101の一部が半導体チップ501の裏面511に衝突すると、裏面511の微細溝512に応力が集中することにより、微細溝512を起点としてクラック513等が発生するためと考えられる。
これに対し、本実施形態1の半導体チップ50によれば、鏡面からなる裏面51を有することにより、例えば他の圧電デバイス10の一部が半導体チップ50の裏面51に衝突しても応力集中を生じる部分が無いので、半導体チップ50の損傷を抑制できる。例えば、裏面51の表面粗さが、算術表面粗さRaで0.0020μm以下である、としてもよい。表面粗さが算術表面粗さRaで0.0020μmを越えると、半導体チップ50の損傷の増加や信頼性の低下という問題を生じからである。
また、比較例1の圧電デバイス101では、半導体チップ501の裏面51のアンダーフィル樹脂601が凹部空間12の最上端201よりも高くなり(図8[B])、寸法の許容範囲を越えて不良品になることがあった。これは、微細溝512によって裏面511に対するアンダーフィル樹脂601の濡れ性がよくなるため、アンダーフィル樹脂601が裏面511を凸状に覆って留まってしまうからである。
これに対し、本実施形態1の半導体チップ50によれば、鏡面からなる裏面51を有することにより、裏面51がアンダーフィル樹脂60をはじく性質を有する。そのため、本実施形態1の圧電デバイス10におけるアンダーフィル樹脂60は、比較例の半導体チップ501の裏面511と比べると、裏面51上に残留し難く、隙間13に入りやすくなる。つまり、図9に示すように、液状のアンダーフィル樹脂60aをニードル90から半導体チップ50,501の裏面51,511に滴下すると(図9[A])、比較例における裏面511では接触角θが例えば90度未満になる(図9[C])のに対し、本実施形態1における裏面51では接触角が例えば90度以上になる(図9[B])。なお、「接触角」とは、固体と液体の接点における液体表面の接線と固体表面とのなす角度のことである。接触角の測定方法は、例えばJIS R 3257:1999「基板ガラス表面のぬれ性試験方法」を準用することができる。
更に、比較例の半導体チップ501では、バックグラインドによる多数の微細溝512(図7[C])が裏面511に形成されている。そのため、比較例の圧電デバイス101では、裏面511に傷等が発生しても微細溝512に埋もれてしまい、その検出が困難であった。
これに対し、本実施形態1の半導体チップ50によれば、鏡面からなる裏面51を有することにより、裏面51に傷等が発生すると鏡面に浮き出るように認識されるので、その検出を容易化できる。
次に、実施形態2の半導体チップについて説明する。
図5に示すように、本実施形態2の半導体チップ70は、平面視して裏面51が四角形状であり、裏面51の四辺71,72,73,74が面取りされている。つまり、本実施形態2の半導体チップ70は、裏面51の四辺71,72,73,74が面取りされている点を除き、実施形態1の半導体チップと同じ構成である。面取りされた四辺71,72,73,74は、平面的に図示されているが、丸みを帯びた丸面取りであってもよい。
半導体チップ70の製造方法の一例について説明する。図5[D]に示すように、バックグラインド工程の後に、多数の半導体チップ50の境界を成す分離溝75を、シリコンウェーハの裏面51aに例えばダイシングにより形成する。続いて、バックグラインドによる筋目を鏡面加工によって除去し、多数の半導体チップ50の裏面51を形成する。この鏡面加工に研磨布を用いると、研磨布が分離溝75内に入り込むことにより、四辺71,72,73,74が面取りされる。その他の工程は、実施形態1の半導体チップの製造方法と同じである。
本実施形態2の半導体チップ70によれば、裏面51の角が面取りされているので、半導体チップ50の損傷をより抑制できる。本実施形態2の半導体チップ70を実施形態1の半導体チップの代わりに用いれば、本実施形態2の圧電デバイスを構成できる。本実施形態2のその他の構成、作用及び効果は、実施形態1のそれらと同様である。
次に、実施形態1の圧電デバイスを備えた電子機器について説明する。
図6[A]及び図6[B]に示すように、電子機器81,8はそれぞれ実施形態1の圧電デバイス10を備えている。図6[A]に例示した電子機器81はスマートフォンであり、図6[B]に例示した電子機器82はパーソナルコンピュータである。
圧電デバイス10は、はんだ付け、Auバンプ又は導電性接着剤などによってプリント基板に外部接続端子29の底面が固定されることによって、電子機器81,82を構成するプリント基板の表面に実装される。そして、圧電デバイス10は、スマートフォン又はパーソナルコンピュータの他、例えば、時計、ゲーム機、通信機、又はカーナビゲーションシステム等の車載機器などの種々の電子機器で発振源として用いられる。
電子機器81,82によれば、圧電デバイス10を備えたことにより、高信頼性の動作を実現できる。なお、圧電デバイス10は、実施形態1の半導体チップを備えているが、これに代えて実施形態2の半導体チップを備えても同様の作用及び効果を奏する。
以上、上記各実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記各実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細については、当業者が理解し得るさまざまな変更を加えることができる。また、本発明には、上記各実施形態の構成の一部又は全部を相互に適宜組み合わせたものも含まれる。
10 圧電デバイス
11,12 凹部空間
13 隙間
20 素子搭載部材
201 最上端
21 底面(第一面)
22 底面(第二面)
23 素子用パッド
24 IC用パッド
25 基板部
26a,26b 枠部
27 導電性接合材
28 内部配線
29 外部接続端子
30 蓋部材
40 圧電素子
41 第一面
42 第二面
43 水晶片
44 電極
50 半導体チップ
51,51a 裏面
52 電子回路面
53 半導体基板
55 バンプ電極
60,60a アンダーフィル樹脂
70 半導体チップ
71,72,73,74 四辺
75 分離溝
81,82 電子機器
90 ニードル
101 圧電デバイス
501 半導体チップ
511 裏面
512 微細溝
513 クラック
514 欠け
601 アンダーフィル樹脂

Claims (5)

  1. 表側にバンプ電極付きの電子回路面を有し、
    裏側に鏡面からなる裏面を有する、
    半導体チップ。
  2. 前記裏面の表面粗さが算術表面粗さRaで0.0020μm以下である、
    請求項1記載の半導体チップ。
  3. 平面視して前記裏面が四角形状であり、前記裏面の四辺が面取りされている、
    請求項1又は2記載の半導体チップ。
  4. 表裏関係にある第一面及び第二面を有する素子搭載部材と、
    前記第一面側に位置する圧電素子と、
    前記圧電素子の発振回路を有するとともに、前記第二面側に位置する請求項1乃至3のいずれか一つに記載の半導体チップと、
    前記第二面と前記半導体チップとの隙間を満たすアンダーフィル樹脂と、
    を備えた圧電デバイス。
  5. 請求項4記載の圧電デバイスを備えた電子機器。
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