JP2532726B2 - 半導体装置及びそれを用いたイメ―ジセンサ― - Google Patents

半導体装置及びそれを用いたイメ―ジセンサ―

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Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は半導体装置あるいは光学画像を電気信号に変
換するイメージセンサーに関するものである。
従来の技術 従来、半導体装置は、導体配線を形成した基板上に、
半導体素子を導電性接着剤により固定し、半導体の電極
と回路導体層とをワイヤーボンド法により金やアルミニ
ウムなどの金属細線で接続し、さらに、その上からモー
ルド樹脂によって封止する構造をとっていた。
これに対し、近年さらに高密度な多端子、狭ピッチの
半導体装置の実装を目的とし、光あるいは熱硬化型の絶
縁樹脂を導体配線を有する回路基板と半導体素子上のバ
ンプ電極とを接触させ固定する実装方法が提案されてい
る。(特開平2−44742号公報) 発明が解決しようとする課題 半導体素子のバンプ電極はAu等のメッキにより形成す
るため高価であることからバンプを用いないことが望ま
しい。
半導体装置に必要な信頼性を試験する方法の1つに、
熱衝撃試験、高温・高湿放置試験、低温、高温放置試験
等が上げられる。バンプを形成しない半導体素子に対し
ても上記の試験に対し高い信頼性が必要である。また同
時に、この様な実装方法を用いた半導体装置特にイメー
ジセンサー等の光半導体装置では、受光素子が絶縁性樹
脂と接していることから、電気的な電極間の接続はもち
ろんの事、さらに加えて光透過率の均一性、換言すれば
光学的な接続が必要である。
このような実装方法を用いた光半導体装置の1つであ
るイメージセンサーの場合、上記の信頼性試験において
電気信号には異常がないものの、絶縁樹脂中に局部的な
剥離等により透過率が異なる部位が発生し、均一性が著
しく損なわれる問題があった。また、樹脂膜厚の不均一
性による光干渉により透過率差を生じる問題もあった。
また通常の半導体装置においても、このような剥離
は、樹脂封止の際の加熱によりさらに拡大し、封止樹脂
に異常な圧力が残り、場合によっては樹脂の破裂等を起
こし、著しく信頼性を低下させる問題があった。
本発明は半導体装置における信頼性向上あるいはイメ
ージセンサー等の光半導体装置における透過率の均一性
を向上させ、金属細線による配線作業等を廃止し、実装
作業性を高めるとともにバンプを用いなくとも高い信頼
性を得ることができ、これにより低コスト化を実現し、
小ピッチ化への対応も可能な高い信頼性の半導体装置あ
るいはイメージセンサー等の光半導体装置を提供する事
を目的とするものである。
課題を解決するための手段 上記課題を解決するために、本第1の発明は、表面上
に回路導体層を形成した透光性基板と、この透光性基板
の表面上に、光硬化型絶縁樹脂を介して実装した半導体
素子とを備え、上記半導体素子はフェイスダウンで、そ
の素子上に形成された取り出し電極が上記回路導体層に
当接する構造をした半導体装置において、上記光硬化型
絶縁樹脂が、メタクリロイル基(CH2=C(CH3)CO−)
を持つポリエーテルウレタンアクリレートを光重合オリ
ゴマーとし、希釈剤として用いる反応性モノマーとして
はメタクリレートモノマーを主成分とし、シランカップ
リング剤を3〜10重量部%を含み、硬化後において、ガ
ラス転移温度が60℃以上を有する樹脂を用いる。
また本第2の発明は、上記構成の半導体装置における
光硬化型絶縁樹脂が、メタクリロイル基(CH2=C(C
H3)CO−)を持つポリエーテルウレタンアクリレートを
光重合オリゴマーとし、希釈剤として用いる反応性モノ
マーとしてはメタクリレートモノマーを主成分とし、シ
ランカップリング剤を3〜10重量部%を含み、硬化時に
おける収縮率が1.5〜3.5%の樹脂を用いる。
作用 本発明において用いる光硬化型絶縁樹脂は、Si等の半
導体素子に比較して大きな熱膨張係数を有する。このた
め高温における半導体素子と回路導体層を有する透光性
基板との電極間に電気的な接触を良好に保つためには、
硬化時における光硬化型絶縁樹脂の熱膨張に勝る体積収
縮による大きな収縮残留応力が必要である。
しかしながら、この残留収縮応力は逆に低温時に熱収
縮により収縮応力が増加するため樹脂間の接着力を越え
る場合には剥離が生じる。
このような残留収縮応力は高温環境下によって永年的
な変化を生じる。例えば、高温環境下では光硬化型絶縁
樹脂中に残存する未反応の光重合オリゴマー、モノマー
あるいは接着性を改善するための改質剤であるシランカ
ップリング剤等が蒸発することによる重量減少がある。
このような重量減少は樹脂のガラス転移温度を境に増加
するものと考えられ、残留収縮応力の増加と接着性の低
下をもたらし、信頼性試験中に剥離等を発生させると考
えられる。第1の発明は、メタクリロイル基(CH2=C
(CH3)CO−)を持つポリエーテルウレタンアクリレー
トを光重合オリゴマーとし、希釈剤として用いる反応性
モノマーとしてはメタクリレートモノマーを主成分とし
た光硬化型絶縁樹脂に、シランカップリング剤を3〜10
重量部%添加することにより、接着力を強化すると同時
に、樹脂のガラス転移温度を60℃以上に上昇することに
より、高温での信頼性試験中に生じる剥離等を減少させ
得ることを見いだしたものである。第2の発明において
は、メタクリロイル基(CH2=C(CH3)CO−)を持つポ
リエーテルウレタンアクリレートを光重合オリゴマーと
し、希釈剤として用いる反応性モノマーとしてはメタク
リレートモノマーを主成分とする光硬化型絶縁樹脂に、
シランカップリング剤を3〜10重量部%添加することに
より、低温時において樹脂の収縮率を3.5%の大きな収
縮率においても接着力が改善され、一方高温時における
樹脂の膨張に打ち勝ち半導体素子と回路導体層間の電気
的接続を維持するためには1.5%以上の収縮率が必要で
あり、このような大きな収縮率においても良好な接着力
が維持できることを見いだしたものである。
実施例 以下、本発明における半導体装置の例としてイメージ
センサーの構成を図面を用いて説明する。
第1図(a)、(b)は、本発明の第1の実施例にお
けるイメージセンサーの正面断面図と側面断面図を示し
たものである。11は透光性基板、12は透光性基板の表面
上に形成された回路導体層、13は半導体素子として用い
たイメージセンサーチップ、14は半導体イメージセンサ
ーチップ13に設けられている受光素子、15は半導体イメ
ージセンサーチップ13に設けられている電極、16は半導
体イメージセンサーチップ13を、透光性基板11へ実装す
るための透明光硬化型絶縁樹脂、17は半導体イメージセ
ンサーチップ13を保護するための保護膜である。
以上のように構成されるイメージセンサーの製造方法
を説明する。
先ず半導体プロセスを用いて単結晶シリコン基板(ウ
エハ)上に、フォトトランジスタ又はフォトダイオード
等の受光素子14とCCDやMOS、バイポーラIC等のアクセス
回路(図示せず)を設けたものを作る。各電極15につい
ては、2層Al配線のプロセスを用い、スパッタリング方
法により数μm程度ウエハ表面より突出した構造になっ
ている。その後このウエハを高精度ダイシング技術によ
り切断し、半導体イメージセンサーチップ13を作る。次
にコーニング社7059のガラス基板11上に厚膜印刷によっ
て形成した回路導体層12を形成する。あるいは透光性基
板として、ポリエーテルサルフォン(PES)、ポリエチ
レンテレフタレート(PET)、ポリエーテルエーテルケ
トン(PEEK)等の透明フィルム基板上に、銅等の金属
を、蒸着法またはスパッタリング法を用いて形成し、後
にフォトリソ法によって回路導体層を形成してもよい。
この透光性基板11の所定の位置に、アクリレート系の透
明光硬化型絶縁樹脂16をスタンピング法やスクリーン印
刷法等で所定量塗布し、その上に半導体イメージセンサ
ーチップ13を電極15が所定の回路導体層12に当接するよ
うにフェイスダウンで配置する。その後、この半導体イ
メージセンサーチップ13上方から圧力を加えながら、透
明光硬化型絶縁樹脂16に透光性基板11を通して紫外線照
射をし、硬化させ、実装を完了する。さらにその上から
シリコン等の樹脂をディスペンサー等で塗布し、保護膜
17を形成する。
このイメージセンサーについては、透光性基板11及び
透明光硬化型絶縁樹脂16を通して光情報を受光素子14が
検知し、これを電気信号に変換するようになっている。
光硬化型透明絶縁樹脂としては、ウレタンアクリレー
ト系、あるいはエポキシアクリレート系紫外線硬化樹脂
が接着性、光感度の点から好適である。
以下、本発明の実施例について説明する。
(実施例1) 上記第1の構成のイメージセンサーを作成する際の紫
外線光硬化絶縁樹脂として、メタクリロイル基(CH2
C(CH3)CO−)をもつポリエーテルウレタンアクリレ
ートを光重合性オリゴマーとして用い、希釈剤として用
いる反応性モノマーとしてはメタクリレートモノマーを
主成分とした樹脂を用いた。
透光性基板にはコーニング社7059ガラスを用い、厚膜
印刷法により電極パターンを形成した。
ガラス基板との接着性を改善するため改質剤としてシ
ランカップリング剤を紫外線光硬化樹脂に添加する。シ
ランカップリング剤として、片方にビニル基をもち他方
にメトキシ基をもつシランカップリング剤の代表とし
て、ビニルトリメトキシシランを3〜10%の量を添加し
て用いた。
この樹脂の紫外線照射後の硬化樹脂の特性としては、
シランカップリング剤が未添加の樹脂のガラス転移温度
は、54〜56℃であったにも拘らず、添加により60〜92℃
にまで上昇していた。ここで、添加したシランカップリ
ング剤が、通常の最適量である1〜2%前後に比較し多
量の添加量を必要とした原因として、樹脂との1部反応
が考えられ、この反応により硬化後の樹脂のガラス転移
温度が上昇したものと推測される。
半導体イメージセンサーチップはフォトトランジスタ
ーを受光素子とし、走査回路にサイリスター駆動型のバ
イポーラトランジスター素子を配列したチップを用い
た。
光硬化型絶縁樹脂は、透光性基板と半導体チップ間の
電気的接続を伴う固定のみでなく、イメージセンサーの
場合には、透光性基板と半導体素子に形成された受光素
子間の光学的な整合をも同時に成している。
このような電気的且つ光学的整合性を有したイメージ
センサーを、セルフォックレンズアレイを用いた密着型
イメージセンサーユニットとして組み込み、長期にわた
る環境試験を行った。
光硬化後の絶縁樹脂のガラス転移温度が60℃以上のも
のを用いるたものは、高温(60℃)高湿(90Rh%)下で
も1000時間以上にわたって安定な特性を維持することが
できた。
他方、シランカップリング剤が3%未満の、換言すれ
ばガラス転移温度が60℃未満の樹脂を用いた場合には、
50〜200時間で剥離が発生し、その剥離は時間と共にさ
らに増加した。このため、受光素子に入射する光量が著
しく変化し局部的な感度低下をもたらし、さらにはイメ
ージセンサーチップの剥離に至ったものも発生した。
(実施例2) 実施例1における、紫外線硬化絶縁樹脂の光重合性オ
リゴマーと光重合性モノマーの構成比を官能基を一定に
した条件で変化させることにより、樹脂の硬化の際の収
縮率を変化させることができる。例えば光重合性モノマ
ーを増加させることにより(単官能基モノマー使用)収
縮率が増加し、また、光重合性モノマーを少なくするこ
とにより(多官能基モノマー使用)あるいは、非収縮性
モノマーを採用することにより収縮率を大きく低減でき
る。
種々の構成比の樹脂を用いて実装したイメージセンサ
ーを用いて高温、低温下でセンサー特性を測定した。
収縮率が最も小さい1.4%以下では、60℃以上の高温
下で、半導体素子と基板の回路導体層間の電気的接触が
得られなくなり、電気的なセンサー特性の測定が不可能
となった。これは、樹脂の熱膨張係数が金属電極材料の
10-5l/degオーダーに比較して1桁大きいためと考えら
れる。また、1.5%以上好ましくは1.9%以上の樹脂では
80℃においても良好な電気的接触が得られた。
一方、3.5%以上の領域では低温度領域において、つ
まり−20℃で樹脂と半導体チップ間で剥離が発生した。
これは、大きな残留収縮応力に加え、低温での樹脂の熱
収縮応力が加わり接着強度を超えたことによるものと考
えられる。しかし、収縮率3.0%以下の樹脂では−40℃
においても特性は良好であった。
発明の効果 以上のように本発明によれば、半導体素子を金属細線
による配線(ワイヤーボンド)作業を行わず、また、半
導体素子においてもバンプ電極を形成することなく、回
路導電層を設けた基板に高密度で実装され、しかも広範
囲な温湿度の使用環境下にも安定で安価な半導体装置を
提供することができる。
さらに本発明をイメージセンサーユニットに用いるこ
とによって、光感度特性のばらつきの少ない、また広範
囲な温湿度の環境下においても信頼性の高いイメージセ
ンサーを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図(a)、(b)は本発明の第1の実施例の正面断
面図と側面断面図、第2図は従来例の断面図である。 11……透光性基板、 12……回路導体層、 13……半導体イメージセンサーチップ、 14……受光素子、 15……電極、 16……透明光硬化型絶縁樹脂、 17……保護膜、 21……透光性基板、 22……回路導体層、 23……半導体チップ、 24……バンプ電極、 25……光硬化型絶縁樹脂、 26……保護膜。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−98292(JP,A) 特開 平2−44742(JP,A) 特開 昭59−123259(JP,A)

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】表面上に回路導体層を形成した透光性基板
    と、この透光性基板の表面上に、光硬化型絶縁樹脂を介
    して実装した半導体素子とを備え、上記半導体素子はフ
    ェイスダウンで、その素子上に形成された取り出し電極
    が上記回路導体層に当接する構造をした半導体装置にお
    いて、 上記光硬化型絶縁樹脂が、メタクリロイル基(CH2=C
    (CH3)CO−)を持つポリエーテルウレタンアクリレー
    トを光重合オリゴマーとし、希釈剤として用いる反応性
    モノマーとしてはメタクリレートモノマーを主成分と
    し、シランカップリング剤を3〜10重量部%を含み、硬
    化後において、ガラス転移温度が60℃以上を有すること
    を特徴とする半導体装置。
  2. 【請求項2】表面上に回路導体層を形成した透光性基板
    と、透光性基板の表面上に、光硬化型絶縁樹脂を介して
    実装した半導体素子とを備え、上記半導体素子はフェイ
    スダウンで、その素子上に形成された取り出し電極が上
    記回路導体層に当接する構造をした半導体装置におい
    て、 上記光硬化型絶縁樹脂が、メタクリロイル基(CH2=C
    (CH3)CO−)を持つポリエーテルウレタンアクリレー
    トを光重合オリゴマーとし、希釈剤として用いる反応性
    モノマーとしてはメタクリレートモノマーを主成分と
    し、シランカップリング剤を3〜10重量%を含み、硬化
    時における収縮率が1.5〜3.5%であることを特徴とする
    半導体装置。
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