JP3854206B2 - 半導体装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、上面の一部に接触検知センサ部（以下、センサ部ともいう）が設けられている半導体素子をセンサ部が露出するようにして搭載した半導体装置の需要が増加してきている。このような半導体装置は、個人認証や個人識別のための指紋検知装置、バイオセンサ装置等に用いられるようになってきている。
【０００３】
従来の指紋検知装置等に用いられる半導体装置の断面図を図５に示す。図５において、１０１はガラスエポキシ樹脂、セラミックス等からなる基板、１０２は封止樹脂、１０４は半導体素子、１０５は半導体素子１０４の上面のセンサ部、１０６は半導体素子１０４上面に配置された電極、１０７は基板１０１上面に配設された電極パッド、１０８はボンディングワイヤ、１０９は接着剤である。
【０００４】
そして、この半導体装置においては、基板１０１の上面の中央部に半導体素子１０４を接着剤１０９を用いて接合する。次に、半導体素子１０４の上面の電極１０６と基板１０１の上面の電極パッド１０７とをボンディングワイヤ１０８を用いて電気的に接続する。その後、電極１０６、ボンディングワイヤ１０８、電極パッド１０７を覆うように、かつ半導体素子１０４の上面のセンサ部１０５が露出するように、封止樹脂１０２を用いて部分的に封止する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の半導体装置においては、外部電気回路基板等（不図示）に２００〜２４０℃の融点を有するハンダを用いて実装する際に、ハンダ付けに伴う温度上昇により、シリコンから成る半導体素子１０４（線熱膨張係数３．５×１０−６／℃）と封止樹脂１０２（線熱膨張係数約１５×１０−６／℃程度）との接合界面１１０に、それらの線熱膨張係数の違いによるせん断応力が発生し剥離が生じることにより、剥離した部位から水分が侵入する。その結果、ボンディングワイヤ１０８に接続された半導体素子１０４上の電極１０６が腐食し、半導体素子１０４内部や半導体素子１０４周囲の電気回路が正常に作動しなくなるという問題点があった。
【０００６】
また、半導体素子１０４の上面のセンサ部１０５が露出するように構成された半導体装置の場合、センサ部１０５を取り囲むように封止樹脂１０２を用いて半導体素子１０４を部分的に封止するため、被測定物に付着していたごみや埃がセンサ部１０５に残留しやすくなり、測定に誤りが発生し易いという問題点があった。
【０００７】
従って、本発明は上記問題点に鑑みて完成されたものであり、その目的は、半導体装置を外部電気回路基板等にハンダ付けする際に、半導体素子の上面および基板の上面に設けられた接合材や封止材と半導体素子の上面との間の接合界面、および接合材や封止材と基板の上面との間の接合界面に、剥離等が発生しない半導体装置を提供することにある。また、半導体素子上面のセンサ部が露出するように構成された半導体装置の場合、センサ部にごみや埃が残留せず、測定に誤りが発生し難いものとすることにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体装置は、シリコンからなるとともに線熱膨張係数が３．５×１０ −６ / ℃であり、上面に接触検知センサ部を有する半導体素子と、アルミナ質焼結体からなるとともに線熱膨張係数が５×１０ −６ / ℃であり、上面に前記半導体素子が搭載された基板と、アルミナ質焼結体からなるとともに線熱膨張係数が５×１０−６ / ℃であり、前記半導体素子の上面および前記基板の上面に、３０乃至２５０℃における線熱膨張係数が３×１０ −６ / ℃乃至１４×１０ −６ / ℃である接合材を介して接合された蓋体とを有することを特徴とする。
【０００９】
本発明の半導体装置は、前記半導体素子が前記基板の上面に形成された凹部内に配置されていることを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の半導体装置について以下に詳細に説明する。図１（ａ）は、本発明の半導体装置について実施の形態の一例を示す平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’線における断面図、図２（ａ）は、本発明の半導体装置について実施の形態の他の例を示す平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ’線における断面図である。
【００１１】
図１、図２における半導体装置は、上面に電極パッド７および半導体素子搭載部１ａが設けられた基板１と、上面にセンサ部５および電極６が形成され、電極６が電極パッド７に隣接するようにして下面が半導体素子搭載部１ａに接着されて搭載されるとともに電極６が電極パッド７に導電性接続線を介して接続された、シリコンからなる半導体素子４と、センサ部５が露出するとともに電極６および導電性接続線ならびに電極パッド７の上方を覆うようにして半導体素子４の上面および基板１の上面に接合材２を介して接合された蓋体３とを具備し、接合材２は３０〜２５０℃における線熱膨張係数が３×１０−６〜１４×１０−６／℃である。
【００１２】
本発明の基板１および蓋体３は、線熱膨張係数が５×１０ −６ ／℃程度のアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）質焼結体（セラミックス）からなる。基板１と蓋体３とが同じ材料からなることにより、熱膨張係数差による熱応力の発生を低減できる。
【００１３】
特に、基板１は、線熱膨張係数が５×１０−６／℃程度と小さいアルミナを主成分としたセラミックスからなることにより、外部電気回路基板等に実装される際の熱で膨張し、半導体素子４にストレスを与えにくくなる。
【００１４】
基板１は、上面に半導体素子搭載部１ａと電極パッド７が設けられている。この電極パッド７は配線導体の一端に形成されたものであり、その配線導体は基板１の上面の外周部に延びており、他端に外部電気回路等に接続される別の電極パッドが形成されている。電極パッド７は、半導体素子４の上面の電極６とボンディングワイヤ８を介して電気的に接続される。
【００１５】
半導体素子４は、その上面にセンサ部５および入出力用の電極６が設けられており、個人認証や個人識別を行なう指紋検知装置、バイオセンサ等に用いられる。このセンサ部５は、感圧センサ、指紋検知センサなどの接触検知型のものであって、被測定物が半導体素子４上面のセンサ部５に接触することによって、その接触部の形状や凹凸パターンの情報を得るといったものである。より具体的には、センサ部５は、例えば電気抵抗の変化を検知する多数の微小な電極や圧力の変化を検知する多数の微小な圧電素子がマトリックス（行列）状に配置された構成を有するものである。
【００１６】
半導体素子４は、その下面が基板１の上面の半導体素子搭載部１ａに接着剤９を介して接着されて搭載される。接着剤９は、エポキシ樹脂、低融点ガラス、Ａｕ−Ｓｉロウ材、Ａｕ−Ｓｎロウ材等から成る。その後、半導体素子４の上面の電極６と基板１の上面の電極パッド７とを、Ａｌ，Ａｕ，Ｃｕ等の電気伝導率が良好な金属から成るボンディングワイヤ８を用いて電気的に接続する。
【００１７】
線状のボンディングワイヤ８の場合、その直径は１５〜１００μｍが好ましい。１５μｍ未満では、ボンディングする際にボンディングワイヤ８が蛇行しやすくなり、隣接するボンディングワイヤ８同士が接触し電気的なショートが発生し易くなる。１００μｍより大きくなると、ボンディングする際にボンディングワイヤ８を切断することが困難となる。
【００１８】
また、リボン状のボンディングワイヤ８の場合、その厚さは１０〜５０μｍで幅が１００〜５００μｍであることが好ましい。厚さが１０μｍ未満または幅が１００μｍ未満では、ボンディングワイヤ８として強度（腰）が弱くなり、所望のループを形成することが困難になる。また、厚さが５０μｍを超えたり幅が５００μｍを超えると、ボンディングする際にボンディングワイヤ８を切断することが困難となる。
【００１９】
また、半導体装置の小型化およびファインピッチボンディングという観点から、直径が２５〜３２μｍの線状のボンディングワイヤ８がより好ましい。
【００２０】
本発明の蓋体３は、キャップ状とされており、その下端面にプリント法やディスペンス法を用いて接合材２を配置し、接合材２を加熱して焼き付けることにより接合される。即ち、この接合材２は、鉛硼酸系の低融点のガラス（融点４３０〜５００℃程度）にコーディエライト（２ＭｇＯ・２Ａｌ２Ｏ３・５ＳｉＯ２）系化合物、チタン酸錫（ＳｎＴＯ３）系化合物等から成る無機材料のフィラーを添加して成り、フィラーの添加量を調整することにより線熱膨張係数を調整することができる。
【００２１】
この接合材２は、必ずしもガラスである必要はなく、３０〜２５０℃における線熱膨張係数が３×１０−６〜１４×１０−６／℃であれば樹脂材料であっても構わない。
【００２２】
接合材２の線熱膨張係数が３×１０−６／℃より小さくなると、蓋体３と接合材２との線熱膨張係数差が大きくなり、ハンダ付け等の加熱時に蓋体３と接合材２との接合界面が剥離し易くなる。また、接合材２の線熱膨張係数が１４×１０−６／℃より大きくなると、半導体素子４と接合材２との線熱膨張係数差が大きくなり、半導体素子４と接合材２との接合界面がハンダ実装の際の高温によって剥離し易くなる。
【００２３】
図１、２における半導体装置は、センサ部５が露出するとともに電極６および導電性接続線ならびに電極パッド７の上方を覆うようにして半導体素子４の上面から基板１の上面にかけて接合材２を介して蓋体３が接合されている。そして、蓋体３は、基板１に金属クリップや治工具等を用いて固定され、その状態で電気炉に入れてヒーターブロック等を用いて半導体装置を加熱することにより、接合材２が溶解し、基板１、半導体素子４および蓋体３が接合される。このとき、蓋体３の内部は気密封止される。
【００２４】
本発明において、図２に示すように、基板１はその上面に半導体素子搭載部１ａが底面に形成された凹部が設けられており、半導体素子４は凹部に収容されるとともに下面が半導体素子搭載部１ａに接着されて搭載されていることが好ましい。これにより、半導体素子４の上面の電極６と基板１の上面の電極パッド７とを電気的に接続するボンディングワイヤ等の導電性接続線の長さを短くできる。その結果、導電性接続線で伝送される高周波信号等の電気信号の伝送損失が小さい、電気特性の良好な半導体装置となる。また、半導体素子４の上面と基板１の上面とを略面一にすることができるため、蓋体３による封止を容易にすることができる。
【００２５】
凹部の深さは、半導体素子４の厚さと接着剤９の厚さの和と略同じであることが好ましい。これにより、半導体素子４の上面の外周部に形成された電極６と基板１の上面の電極パッド７とを電気的に接続するボンディングワイヤ８の長さを最も短くできる。その結果、電気信号の伝送損失の小さい電気特性の良好な半導体装置となる。また、半導体素子４の上面と基板１の上面とを略面一にすることができるため、蓋体３の封止を容易に行なうことができる。
【００２６】
また、図３に示す半導体装置は、上面に電極パッド７および半導体素子搭載部１ａが設けられた基板１と、上面にセンサ部５および電極６が形成され、電極６が電極パッド７に隣接するようにして下面が半導体素子搭載部１ａに接着されて搭載されるとともに電極６が電極パッド７に導電性接続線を介して接続された半導体素子４と、センサ部５が露出するとともに電極６および導電性接続線ならびに電極パッド７を覆うようにして半導体素子４の上面から基板１の上面にかけて設けられた封止材１２とを具備し、封止材１２は３０〜２５０℃における線熱膨張係数が３×１０−６〜１４×１０−６／℃である。
【００２７】
この封止材１２は、鉛硼酸系の低融点のガラス（融点４３０〜５００℃程度）にコーディエライト系化合物、チタン酸錫系化合物等から成る無機材料のフィラーを添加して成り、フィラーの添加量を調整することにより線熱膨張係数を調整することができる。
【００２８】
この封止材１２は、必ずしもガラスである必要はなく、３０〜２５０℃における線熱膨張係数が３×１０−６〜１４×１０−６／℃であれば樹脂材料であっても構わない。
【００２９】
また封止材１２は、ディスペンス法により電極６およびボンディングワイヤ８ならびに電極パッド７を覆うように配置し、加熱して焼き付けることにより設けられる。
【００３０】
封止材１２の線熱膨張係数が３×１０−６／℃未満では、基板１と封止材１２との線熱膨張係数差が大きくなり、ハンダ付け時等に高温にさらされた際に基板１と封止材１２との接合界面が剥離し易くなる。また、封止材１２の線熱膨張係数が１４×１０−６／℃を超えると、半導体素子４と封止材１２との線熱膨張係数差が大きくなり、半導体素子４と封止材１２との接合界面が、ハンダ実装の際の高温によって剥離し易くなる。
【００３１】
図３の半導体装置において、図４に示すように、基板１はその上面に半導体素子搭載部１ａが底面に形成された凹部が設けられており、半導体素子４は凹部に収容されるとともに下面が半導体素子搭載部１ａに接着されて搭載されていることが好ましい。これにより、半導体素子４の上面の電極６と基板１の上面の電極パッド７とを電気的に接続するボンディングワイヤ等の導電性接続線の長さを短くできる。その結果、導電性接続線で伝送される高周波信号等の電気信号の伝送損失が小さい、電気特性の良好な半導体装置となる。また、半導体素子４の上面と基板１の上面とを略面一にすることができるため、封止材１２を設けることが容易になる。
【００３２】
かくして、本発明の半導体装置は、外部電気回路基板等にハンダ付け等して実装する際に急激な温度変化が生じた場合においても、蓋体と半導体素子との接合界面、蓋体と基板との接合界面、また封止材と半導体素子との接合界面、封止材と基板との接合界面において、剥離が発生しない高信頼性の半導体装置となる。
【００３３】
【実施例】
本発明の半導体装置の実施例について以下に説明する。
【００３４】
（実施例１）図１の半導体装置を以下のように構成した。縦１２ｍｍ×横５０ｍｍ×厚さ２．０ｍｍの外形寸法のアルミナセラミックスからなる長方形の基板１の半導体素子搭載部１ａに、上面にセンサ部５を有する、縦５．０ｍｍ×横３０．０ｍｍ×厚さ０．３ｍｍの外形寸法の長方形の半導体素子４を鉛硼酸系ガラス（低融点ガラス）から成る接着剤９を介して搭載した。次に、半導体素子４の上面の電極６と基板１の上面の電極パッド７とを線径が３０μｍの線状のＡｕから成るボンディングワイヤ８を用いて電気的に接続した。
【００３５】
基板１と同じ材料であるアルミナセラミックスを用いてキャップ状の蓋体３を作製し、蓋体３の下端面に鉛硼酸系ガラスから成る接合材２をプリント法によって配置した。この接合材２は、コーディエライト系化合物から成るフィラーの添加量を調整し、熱膨張係数が３０〜２５０℃において２．０×１０−６／℃のもの（サンプルＡ）、３．０×１０−６／℃のもの（サンプルＢ）、６．０×１０−６／℃のもの（サンプルＣ）、９．０×１０−６／℃のもの（サンプルＤ）、１１．０×１０−６／℃のもの（サンプルＥ）、１４．０×１０−６／℃のもの（サンプルＦ）、１５．０×１０−６／℃のもの（サンプルＧ）を各１０個ずつ準備した。
【００３６】
その後、７種の接合材２（サンプルＡ〜Ｇ）がそれぞれ配置された７種（各１０個）の蓋体３を電気炉に入れて、接合材２を蓋体３に焼き付けた。それらの蓋体３を、半導体素子４の電極６と基板１の電極パッド７とがボンディングワイヤ８で接続された基板１上に、電極６およびボンディングワイヤ８ならびに電極パッド７を覆うようにして配置した。
そして、蓋体３を基板１に金属クリップで固定し、これを電気炉に入れて加熱し、接合材２を４３０℃程度に加熱し溶かして蓋体３を接合した。
【００３７】
このようにして作製した半導体装置を、ガラスエポキシ樹脂から成る外部電気回路基板にＳｎ３７−Ｐｂ６３ハンダを用いて接続した後、蓋体３の内部の封止性をＨｅリーク試験法およびグロスリーク試験法（Ｍｉｌ−ＳＴＤ−８８３Ｍｅｔｈｏｄ １０１４．９）により確認した。その結果、サンプルＢ〜Ｆについては問題なかったが、サンプルＡでは、１０個すべてに蓋体３と接合材２との間で剥がれが生じ、電極６と電極パッド７とをボンディングワイヤ８で接続した部位の気密性が破れて、その信頼性に影響を及ぼすことが確認された。また、サンプルＧでは、１０個すべてに半導体素子４と接合材２との接合界面に剥離が生じ、電極６と電極パッド７とをボンディングワイヤ８で接続した部位の気密性が破れて、その信頼性に影響を及ぼすことが確認された。
【００３８】
上記の結果より、接合材２の３０〜２５０℃における線熱膨張係数が３×１０−６〜１４×１０−６／℃の範囲内において、半導体装置の外部電気回路基板等への実装時におけるハンダ付けに伴う温度上昇による熱膨張が発生した場合でも、半導体素子４と接合材２との間の接合界面の剥離が発生しない高信頼性の半導体装置が得られることがわかった。
【００３９】
（実施例２）図３の半導体装置を以下のように構成した。
縦１２ｍｍ×横５０ｍｍ×厚さ２．０ｍｍの外形寸法のアルミナセラミックスからなる長方形の基板１の半導体素子搭載部１ａに、上面にセンサ部５を有する、縦５．０ｍｍ×横３０．０ｍｍ×厚さ０．３ｍｍの外形寸法の長方形の半導体素子４を鉛硼酸系ガラス（低融点ガラス）から成る接着剤９を介して搭載した。次に、半導体素子４の上面の電極６と基板１の上面の電極パッド７とを線径が３０μｍの線状のＡｕから成るボンディングワイヤ８を用いて電気的に接続した。
【００４０】
鉛硼酸系ガラスから成る封止材１２は、コーディエライト系化合物から成るフィラーの添加量を調整し、熱膨張係数が３０〜２５０℃において２．０×１０−６／℃のもの（サンプルＡ１）、３．０×１０−６／℃のもの（サンプルＢ１）、６．０×１０−６／℃のもの（サンプルＣ１）、９．０×１０−６／℃のもの（サンプルＤ１）、１１．０×１０−６／℃のもの（サンプルＥ１）、１４．０×１０−６／℃のもの（サンプルＦ１）、１５．０×１０−６／℃のもの（サンプルＧ１）を各１０個ずつ準備した。
【００４１】
その後、封止材１２（サンプルＡ１〜Ｇ１）を、半導体素子４の電極６と基板１の電極パッド７とがボンディングワイヤ８で接続された基板１上に、電極６およびボンディングワイヤ８ならびに電極パッド７が覆うようにして配置した。そして、封止材２を４３０℃程度に加熱し溶融させて封止を行った。
【００４２】
このようにして作製した半導体装置を、ガラスエポキシ樹脂から成る外部電気回路基板にＳｎ３７−Ｐｂ６３ハンダを用いて接続した後、封止材１２の封止性をＨｅリーク試験法およびグロスリーク試験法（Ｍｉｌ−ＳＴＤ−８８３Ｍｅｔｈｏｄ １０１４．９）により確認した。その結果、サンプルＢ１〜Ｆ１については問題なかったが、サンプルＡ１では、１０個すべてに基板１と封止材２との間で剥がれが生じ、電極６と電極パッド７とをボンディングワイヤ８で接続した部位の気密性が破れて、その信頼性に影響を及ぼすことが確認された。また、サンプルＧでは、１０個すべてに半導体素子４と封止材１２との接合界面に剥離が生じ、電極６と電極パッド７とをボンディングワイヤ８で接続した部位の気密性が破れて、その信頼性に影響を及ぼすことが確認された。
【００４３】
上記の結果より、封止材１２の３０〜２５０℃における線熱膨張係数が３×１０−６〜１４×１０−６／℃の範囲内において、半導体装置の外部電気回路基板等への実装時におけるハンダ付けに伴う温度上昇による熱膨張が発生した場合でも、半導体素子４と接合材２との間の接合界面の剥離が発生しない高信頼性の半導体装置が得られることがわかった。
【００４４】
【発明の効果】
本発明の半導体装置は、シリコンからなるとともに線熱膨張係数が３．５×１０−６/℃であり、上面に接触検知センサ部を有する半導体素子と、アルミナ質焼結体からなるとともに線熱膨張係数が５×１０−６/℃であり、上面に半導体素子が搭載された基板と、アルミナ質焼結体からなるとともに線熱膨張係数が５×１０−６/℃であり、半導体素子の上面および基板の上面に、３０乃至２５０℃における線熱膨張係数が３×１０−６/℃乃至１４×１０−６/℃である接合材を介して接合された蓋体とを有することにより、蓋体を接合する接合材の線熱膨張係数がシリコンから成る半導体素子の線熱膨張係数に近くなるため、ハンダ付け等の加熱を行う組み立て工程で急激な温度変化が発生しても、半導体素子と接合材との接合界面および基板と接合材との接合界面で剥離が発生しない高信頼性のものとなる。
【００４５】
本発明の半導体装置は、半導体素子が基板の上面に形成された凹部内に配置されていることにより、半導体素子の上面の電極と基板の上面の電極パッドとを電気的に接続するボンディングワイヤ等の導電性接続線の長さを短くできる。その結果、導電性接続線で伝送される高周波信号等の電気信号の伝送損失が小さい、電気特性の良好な半導体装置となる。また、半導体素子の上面と基板の上面とを略面一にすることができるため、蓋体による封止を容易に行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の半導体装置について実施の形態の一例を示し、（ａ）は半導体装置の平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’線における断面図である。
【図２】 本発明の半導体装置について実施の形態の他の例を示し、（ａ）は半導体装置の平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ’線における断面図である。
【図３】 本発明の半導体装置について実施の形態の他の例を示し、（ａ）は半導体装置の平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’線における断面図である。
【図４】 本発明の半導体装置について実施の形態の他の例を示し、（ａ）は半導体装置の平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ’線における断面図である。
【図５】 従来の半導体装置を示す断面図である。
【符号の説明】
１：基板
１ａ：半導体素子搭載部
２：接合材
３：蓋体
４：半導体素子
５：接触検知センサ部
６：電極
７：電極パッド
８：ボンディングワイヤ
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、上面の一部に接触検知センサ部（以下、センサ部ともいう）が設けられている半導体素子をセンサ部が露出するようにして搭載した半導体装置の需要が増加してきている。このような半導体装置は、個人認証や個人識別のための指紋検知装置、バイオセンサ装置等に用いられるようになってきている。
【０００３】
従来の指紋検知装置等に用いられる半導体装置の断面図を図５に示す。図５において、１０１はガラスエポキシ樹脂、セラミックス等からなる基板、１０２は封止樹脂、１０４は半導体素子、１０５は半導体素子１０４の上面のセンサ部、１０６は半導体素子１０４上面に配置された電極、１０７は基板１０１上面に配設された電極パッド、１０８はボンディングワイヤ、１０９は接着剤である。
【０００４】
そして、この半導体装置においては、基板１０１の上面の中央部に半導体素子１０４を接着剤１０９を用いて接合する。次に、半導体素子１０４の上面の電極１０６と基板１０１の上面の電極パッド１０７とをボンディングワイヤ１０８を用いて電気的に接続する。その後、電極１０６、ボンディングワイヤ１０８、電極パッド１０７を覆うように、かつ半導体素子１０４の上面のセンサ部１０５が露出するように、封止樹脂１０２を用いて部分的に封止する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の半導体装置においては、外部電気回路基板等（不図示）に２００〜２４０℃の融点を有するハンダを用いて実装する際に、ハンダ付けに伴う温度上昇により、シリコンから成る半導体素子１０４（線熱膨張係数３．５×１０−６／℃）と封止樹脂１０２（線熱膨張係数約１５×１０−６／℃程度）との接合界面１１０に、それらの線熱膨張係数の違いによるせん断応力が発生し剥離が生じることにより、剥離した部位から水分が侵入する。その結果、ボンディングワイヤ１０８に接続された半導体素子１０４上の電極１０６が腐食し、半導体素子１０４内部や半導体素子１０４周囲の電気回路が正常に作動しなくなるという問題点があった。
【０００６】
また、半導体素子１０４の上面のセンサ部１０５が露出するように構成された半導体装置の場合、センサ部１０５を取り囲むように封止樹脂１０２を用いて半導体素子１０４を部分的に封止するため、被測定物に付着していたごみや埃がセンサ部１０５に残留しやすくなり、測定に誤りが発生し易いという問題点があった。
【０００７】
従って、本発明は上記問題点に鑑みて完成されたものであり、その目的は、半導体装置を外部電気回路基板等にハンダ付けする際に、半導体素子の上面および基板の上面に設けられた接合材や封止材と半導体素子の上面との間の接合界面、および接合材や封止材と基板の上面との間の接合界面に、剥離等が発生しない半導体装置を提供することにある。また、半導体素子上面のセンサ部が露出するように構成された半導体装置の場合、センサ部にごみや埃が残留せず、測定に誤りが発生し難いものとすることにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体装置は、シリコンからなるとともに線熱膨張係数が３．５×１０ −６ / ℃であり、上面に接触検知センサ部を有する半導体素子と、アルミナ質焼結体からなるとともに線熱膨張係数が５×１０ −６ / ℃であり、上面に前記半導体素子が搭載された基板と、アルミナ質焼結体からなるとともに線熱膨張係数が５×１０−６ / ℃であり、前記半導体素子の上面および前記基板の上面に、３０乃至２５０℃における線熱膨張係数が３×１０ −６ / ℃乃至１４×１０ −６ / ℃である接合材を介して接合された蓋体とを有することを特徴とする。
【０００９】
本発明の半導体装置は、前記半導体素子が前記基板の上面に形成された凹部内に配置されていることを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の半導体装置について以下に詳細に説明する。図１（ａ）は、本発明の半導体装置について実施の形態の一例を示す平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’線における断面図、図２（ａ）は、本発明の半導体装置について実施の形態の他の例を示す平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ’線における断面図である。
【００１１】
図１、図２における半導体装置は、上面に電極パッド７および半導体素子搭載部１ａが設けられた基板１と、上面にセンサ部５および電極６が形成され、電極６が電極パッド７に隣接するようにして下面が半導体素子搭載部１ａに接着されて搭載されるとともに電極６が電極パッド７に導電性接続線を介して接続された、シリコンからなる半導体素子４と、センサ部５が露出するとともに電極６および導電性接続線ならびに電極パッド７の上方を覆うようにして半導体素子４の上面および基板１の上面に接合材２を介して接合された蓋体３とを具備し、接合材２は３０〜２５０℃における線熱膨張係数が３×１０−６〜１４×１０−６／℃である。
【００１２】
本発明の基板１および蓋体３は、線熱膨張係数が５×１０ −６ ／℃程度のアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）質焼結体（セラミックス）からなる。基板１と蓋体３とが同じ材料からなることにより、熱膨張係数差による熱応力の発生を低減できる。
【００１３】
特に、基板１は、線熱膨張係数が５×１０−６／℃程度と小さいアルミナを主成分としたセラミックスからなることにより、外部電気回路基板等に実装される際の熱で膨張し、半導体素子４にストレスを与えにくくなる。
【００１４】
基板１は、上面に半導体素子搭載部１ａと電極パッド７が設けられている。この電極パッド７は配線導体の一端に形成されたものであり、その配線導体は基板１の上面の外周部に延びており、他端に外部電気回路等に接続される別の電極パッドが形成されている。電極パッド７は、半導体素子４の上面の電極６とボンディングワイヤ８を介して電気的に接続される。
【００１５】
半導体素子４は、その上面にセンサ部５および入出力用の電極６が設けられており、個人認証や個人識別を行なう指紋検知装置、バイオセンサ等に用いられる。このセンサ部５は、感圧センサ、指紋検知センサなどの接触検知型のものであって、被測定物が半導体素子４上面のセンサ部５に接触することによって、その接触部の形状や凹凸パターンの情報を得るといったものである。より具体的には、センサ部５は、例えば電気抵抗の変化を検知する多数の微小な電極や圧力の変化を検知する多数の微小な圧電素子がマトリックス（行列）状に配置された構成を有するものである。
【００１６】
半導体素子４は、その下面が基板１の上面の半導体素子搭載部１ａに接着剤９を介して接着されて搭載される。接着剤９は、エポキシ樹脂、低融点ガラス、Ａｕ−Ｓｉロウ材、Ａｕ−Ｓｎロウ材等から成る。その後、半導体素子４の上面の電極６と基板１の上面の電極パッド７とを、Ａｌ，Ａｕ，Ｃｕ等の電気伝導率が良好な金属から成るボンディングワイヤ８を用いて電気的に接続する。
【００１７】
線状のボンディングワイヤ８の場合、その直径は１５〜１００μｍが好ましい。１５μｍ未満では、ボンディングする際にボンディングワイヤ８が蛇行しやすくなり、隣接するボンディングワイヤ８同士が接触し電気的なショートが発生し易くなる。１００μｍより大きくなると、ボンディングする際にボンディングワイヤ８を切断することが困難となる。
【００１８】
また、リボン状のボンディングワイヤ８の場合、その厚さは１０〜５０μｍで幅が１００〜５００μｍであることが好ましい。厚さが１０μｍ未満または幅が１００μｍ未満では、ボンディングワイヤ８として強度（腰）が弱くなり、所望のループを形成することが困難になる。また、厚さが５０μｍを超えたり幅が５００μｍを超えると、ボンディングする際にボンディングワイヤ８を切断することが困難となる。
【００１９】
また、半導体装置の小型化およびファインピッチボンディングという観点から、直径が２５〜３２μｍの線状のボンディングワイヤ８がより好ましい。
【００２０】
本発明の蓋体３は、キャップ状とされており、その下端面にプリント法やディスペンス法を用いて接合材２を配置し、接合材２を加熱して焼き付けることにより接合される。即ち、この接合材２は、鉛硼酸系の低融点のガラス（融点４３０〜５００℃程度）にコーディエライト（２ＭｇＯ・２Ａｌ２Ｏ３・５ＳｉＯ２）系化合物、チタン酸錫（ＳｎＴＯ３）系化合物等から成る無機材料のフィラーを添加して成り、フィラーの添加量を調整することにより線熱膨張係数を調整することができる。
【００２１】
この接合材２は、必ずしもガラスである必要はなく、３０〜２５０℃における線熱膨張係数が３×１０−６〜１４×１０−６／℃であれば樹脂材料であっても構わない。
【００２２】
接合材２の線熱膨張係数が３×１０−６／℃より小さくなると、蓋体３と接合材２との線熱膨張係数差が大きくなり、ハンダ付け等の加熱時に蓋体３と接合材２との接合界面が剥離し易くなる。また、接合材２の線熱膨張係数が１４×１０−６／℃より大きくなると、半導体素子４と接合材２との線熱膨張係数差が大きくなり、半導体素子４と接合材２との接合界面がハンダ実装の際の高温によって剥離し易くなる。
【００２３】
図１、２における半導体装置は、センサ部５が露出するとともに電極６および導電性接続線ならびに電極パッド７の上方を覆うようにして半導体素子４の上面から基板１の上面にかけて接合材２を介して蓋体３が接合されている。そして、蓋体３は、基板１に金属クリップや治工具等を用いて固定され、その状態で電気炉に入れてヒーターブロック等を用いて半導体装置を加熱することにより、接合材２が溶解し、基板１、半導体素子４および蓋体３が接合される。このとき、蓋体３の内部は気密封止される。
【００２４】
本発明において、図２に示すように、基板１はその上面に半導体素子搭載部１ａが底面に形成された凹部が設けられており、半導体素子４は凹部に収容されるとともに下面が半導体素子搭載部１ａに接着されて搭載されていることが好ましい。これにより、半導体素子４の上面の電極６と基板１の上面の電極パッド７とを電気的に接続するボンディングワイヤ等の導電性接続線の長さを短くできる。その結果、導電性接続線で伝送される高周波信号等の電気信号の伝送損失が小さい、電気特性の良好な半導体装置となる。また、半導体素子４の上面と基板１の上面とを略面一にすることができるため、蓋体３による封止を容易にすることができる。
【００２５】
凹部の深さは、半導体素子４の厚さと接着剤９の厚さの和と略同じであることが好ましい。これにより、半導体素子４の上面の外周部に形成された電極６と基板１の上面の電極パッド７とを電気的に接続するボンディングワイヤ８の長さを最も短くできる。その結果、電気信号の伝送損失の小さい電気特性の良好な半導体装置となる。また、半導体素子４の上面と基板１の上面とを略面一にすることができるため、蓋体３の封止を容易に行なうことができる。
【００２６】
また、図３に示す半導体装置は、上面に電極パッド７および半導体素子搭載部１ａが設けられた基板１と、上面にセンサ部５および電極６が形成され、電極６が電極パッド７に隣接するようにして下面が半導体素子搭載部１ａに接着されて搭載されるとともに電極６が電極パッド７に導電性接続線を介して接続された半導体素子４と、センサ部５が露出するとともに電極６および導電性接続線ならびに電極パッド７を覆うようにして半導体素子４の上面から基板１の上面にかけて設けられた封止材１２とを具備し、封止材１２は３０〜２５０℃における線熱膨張係数が３×１０−６〜１４×１０−６／℃である。
【００２７】
この封止材１２は、鉛硼酸系の低融点のガラス（融点４３０〜５００℃程度）にコーディエライト系化合物、チタン酸錫系化合物等から成る無機材料のフィラーを添加して成り、フィラーの添加量を調整することにより線熱膨張係数を調整することができる。
【００２８】
この封止材１２は、必ずしもガラスである必要はなく、３０〜２５０℃における線熱膨張係数が３×１０−６〜１４×１０−６／℃であれば樹脂材料であっても構わない。
【００２９】
また封止材１２は、ディスペンス法により電極６およびボンディングワイヤ８ならびに電極パッド７を覆うように配置し、加熱して焼き付けることにより設けられる。
【００３０】
封止材１２の線熱膨張係数が３×１０−６／℃未満では、基板１と封止材１２との線熱膨張係数差が大きくなり、ハンダ付け時等に高温にさらされた際に基板１と封止材１２との接合界面が剥離し易くなる。また、封止材１２の線熱膨張係数が１４×１０−６／℃を超えると、半導体素子４と封止材１２との線熱膨張係数差が大きくなり、半導体素子４と封止材１２との接合界面が、ハンダ実装の際の高温によって剥離し易くなる。
【００３１】
図３の半導体装置において、図４に示すように、基板１はその上面に半導体素子搭載部１ａが底面に形成された凹部が設けられており、半導体素子４は凹部に収容されるとともに下面が半導体素子搭載部１ａに接着されて搭載されていることが好ましい。これにより、半導体素子４の上面の電極６と基板１の上面の電極パッド７とを電気的に接続するボンディングワイヤ等の導電性接続線の長さを短くできる。その結果、導電性接続線で伝送される高周波信号等の電気信号の伝送損失が小さい、電気特性の良好な半導体装置となる。また、半導体素子４の上面と基板１の上面とを略面一にすることができるため、封止材１２を設けることが容易になる。
【００３２】
かくして、本発明の半導体装置は、外部電気回路基板等にハンダ付け等して実装する際に急激な温度変化が生じた場合においても、蓋体と半導体素子との接合界面、蓋体と基板との接合界面、また封止材と半導体素子との接合界面、封止材と基板との接合界面において、剥離が発生しない高信頼性の半導体装置となる。
【００３３】
【実施例】
本発明の半導体装置の実施例について以下に説明する。
【００３４】
（実施例１）図１の半導体装置を以下のように構成した。縦１２ｍｍ×横５０ｍｍ×厚さ２．０ｍｍの外形寸法のアルミナセラミックスからなる長方形の基板１の半導体素子搭載部１ａに、上面にセンサ部５を有する、縦５．０ｍｍ×横３０．０ｍｍ×厚さ０．３ｍｍの外形寸法の長方形の半導体素子４を鉛硼酸系ガラス（低融点ガラス）から成る接着剤９を介して搭載した。次に、半導体素子４の上面の電極６と基板１の上面の電極パッド７とを線径が３０μｍの線状のＡｕから成るボンディングワイヤ８を用いて電気的に接続した。
【００３５】
基板１と同じ材料であるアルミナセラミックスを用いてキャップ状の蓋体３を作製し、蓋体３の下端面に鉛硼酸系ガラスから成る接合材２をプリント法によって配置した。この接合材２は、コーディエライト系化合物から成るフィラーの添加量を調整し、熱膨張係数が３０〜２５０℃において２．０×１０−６／℃のもの（サンプルＡ）、３．０×１０−６／℃のもの（サンプルＢ）、６．０×１０−６／℃のもの（サンプルＣ）、９．０×１０−６／℃のもの（サンプルＤ）、１１．０×１０−６／℃のもの（サンプルＥ）、１４．０×１０−６／℃のもの（サンプルＦ）、１５．０×１０−６／℃のもの（サンプルＧ）を各１０個ずつ準備した。
【００３６】
その後、７種の接合材２（サンプルＡ〜Ｇ）がそれぞれ配置された７種（各１０個）の蓋体３を電気炉に入れて、接合材２を蓋体３に焼き付けた。それらの蓋体３を、半導体素子４の電極６と基板１の電極パッド７とがボンディングワイヤ８で接続された基板１上に、電極６およびボンディングワイヤ８ならびに電極パッド７を覆うようにして配置した。
そして、蓋体３を基板１に金属クリップで固定し、これを電気炉に入れて加熱し、接合材２を４３０℃程度に加熱し溶かして蓋体３を接合した。
【００３７】
このようにして作製した半導体装置を、ガラスエポキシ樹脂から成る外部電気回路基板にＳｎ３７−Ｐｂ６３ハンダを用いて接続した後、蓋体３の内部の封止性をＨｅリーク試験法およびグロスリーク試験法（Ｍｉｌ−ＳＴＤ−８８３Ｍｅｔｈｏｄ １０１４．９）により確認した。その結果、サンプルＢ〜Ｆについては問題なかったが、サンプルＡでは、１０個すべてに蓋体３と接合材２との間で剥がれが生じ、電極６と電極パッド７とをボンディングワイヤ８で接続した部位の気密性が破れて、その信頼性に影響を及ぼすことが確認された。また、サンプルＧでは、１０個すべてに半導体素子４と接合材２との接合界面に剥離が生じ、電極６と電極パッド７とをボンディングワイヤ８で接続した部位の気密性が破れて、その信頼性に影響を及ぼすことが確認された。
【００３８】
上記の結果より、接合材２の３０〜２５０℃における線熱膨張係数が３×１０−６〜１４×１０−６／℃の範囲内において、半導体装置の外部電気回路基板等への実装時におけるハンダ付けに伴う温度上昇による熱膨張が発生した場合でも、半導体素子４と接合材２との間の接合界面の剥離が発生しない高信頼性の半導体装置が得られることがわかった。
【００３９】
（実施例２）図３の半導体装置を以下のように構成した。
縦１２ｍｍ×横５０ｍｍ×厚さ２．０ｍｍの外形寸法のアルミナセラミックスからなる長方形の基板１の半導体素子搭載部１ａに、上面にセンサ部５を有する、縦５．０ｍｍ×横３０．０ｍｍ×厚さ０．３ｍｍの外形寸法の長方形の半導体素子４を鉛硼酸系ガラス（低融点ガラス）から成る接着剤９を介して搭載した。次に、半導体素子４の上面の電極６と基板１の上面の電極パッド７とを線径が３０μｍの線状のＡｕから成るボンディングワイヤ８を用いて電気的に接続した。
【００４０】
鉛硼酸系ガラスから成る封止材１２は、コーディエライト系化合物から成るフィラーの添加量を調整し、熱膨張係数が３０〜２５０℃において２．０×１０−６／℃のもの（サンプルＡ１）、３．０×１０−６／℃のもの（サンプルＢ１）、６．０×１０−６／℃のもの（サンプルＣ１）、９．０×１０−６／℃のもの（サンプルＤ１）、１１．０×１０−６／℃のもの（サンプルＥ１）、１４．０×１０−６／℃のもの（サンプルＦ１）、１５．０×１０−６／℃のもの（サンプルＧ１）を各１０個ずつ準備した。
【００４１】
その後、封止材１２（サンプルＡ１〜Ｇ１）を、半導体素子４の電極６と基板１の電極パッド７とがボンディングワイヤ８で接続された基板１上に、電極６およびボンディングワイヤ８ならびに電極パッド７が覆うようにして配置した。そして、封止材２を４３０℃程度に加熱し溶融させて封止を行った。
【００４２】
このようにして作製した半導体装置を、ガラスエポキシ樹脂から成る外部電気回路基板にＳｎ３７−Ｐｂ６３ハンダを用いて接続した後、封止材１２の封止性をＨｅリーク試験法およびグロスリーク試験法（Ｍｉｌ−ＳＴＤ−８８３Ｍｅｔｈｏｄ １０１４．９）により確認した。その結果、サンプルＢ１〜Ｆ１については問題なかったが、サンプルＡ１では、１０個すべてに基板１と封止材２との間で剥がれが生じ、電極６と電極パッド７とをボンディングワイヤ８で接続した部位の気密性が破れて、その信頼性に影響を及ぼすことが確認された。また、サンプルＧでは、１０個すべてに半導体素子４と封止材１２との接合界面に剥離が生じ、電極６と電極パッド７とをボンディングワイヤ８で接続した部位の気密性が破れて、その信頼性に影響を及ぼすことが確認された。
【００４３】
上記の結果より、封止材１２の３０〜２５０℃における線熱膨張係数が３×１０−６〜１４×１０−６／℃の範囲内において、半導体装置の外部電気回路基板等への実装時におけるハンダ付けに伴う温度上昇による熱膨張が発生した場合でも、半導体素子４と接合材２との間の接合界面の剥離が発生しない高信頼性の半導体装置が得られることがわかった。
【００４４】
【発明の効果】
本発明の半導体装置は、シリコンからなるとともに線熱膨張係数が３．５×１０−６/℃であり、上面に接触検知センサ部を有する半導体素子と、アルミナ質焼結体からなるとともに線熱膨張係数が５×１０−６/℃であり、上面に半導体素子が搭載された基板と、アルミナ質焼結体からなるとともに線熱膨張係数が５×１０−６/℃であり、半導体素子の上面および基板の上面に、３０乃至２５０℃における線熱膨張係数が３×１０−６/℃乃至１４×１０−６/℃である接合材を介して接合された蓋体とを有することにより、蓋体を接合する接合材の線熱膨張係数がシリコンから成る半導体素子の線熱膨張係数に近くなるため、ハンダ付け等の加熱を行う組み立て工程で急激な温度変化が発生しても、半導体素子と接合材との接合界面および基板と接合材との接合界面で剥離が発生しない高信頼性のものとなる。
【００４５】
本発明の半導体装置は、半導体素子が基板の上面に形成された凹部内に配置されていることにより、半導体素子の上面の電極と基板の上面の電極パッドとを電気的に接続するボンディングワイヤ等の導電性接続線の長さを短くできる。その結果、導電性接続線で伝送される高周波信号等の電気信号の伝送損失が小さい、電気特性の良好な半導体装置となる。また、半導体素子の上面と基板の上面とを略面一にすることができるため、蓋体による封止を容易に行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の半導体装置について実施の形態の一例を示し、（ａ）は半導体装置の平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’線における断面図である。
【図２】 本発明の半導体装置について実施の形態の他の例を示し、（ａ）は半導体装置の平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ’線における断面図である。
【図３】 本発明の半導体装置について実施の形態の他の例を示し、（ａ）は半導体装置の平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’線における断面図である。
【図４】 本発明の半導体装置について実施の形態の他の例を示し、（ａ）は半導体装置の平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ’線における断面図である。
【図５】 従来の半導体装置を示す断面図である。
【符号の説明】
１：基板
１ａ：半導体素子搭載部
２：接合材
３：蓋体
４：半導体素子
５：接触検知センサ部
６：電極
７：電極パッド
８：ボンディングワイヤ
Claims (2)
- シリコンからなるとともに線熱膨張係数が３．５×１０ −６ / ℃であり、上面に接触検知センサ部を有する半導体素子と、
アルミナ質焼結体からなるとともに線熱膨張係数が５×１０ −６ / ℃であり、上面に前記半導体素子が搭載された基板と、
アルミナ質焼結体からなるとともに線熱膨張係数が５×１０ −６ / ℃であり、前記半導体素子の上面および前記基板の上面に、３０乃至２５０℃における線熱膨張係数が３×１０ −６ / ℃乃至１４×１０ −６ / ℃である接合材を介して接合された蓋体とを有することを特徴とする半導体装置。 - 前記半導体素子は、前記基板の上面に形成された凹部内に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
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