JP3968384B2 - 小型磁電変換素子の製造方法 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、樹脂で完全に覆われ、かつ極めて小型の、実装のための部分も含めた投影寸法が2mm×2mmより小さい、新規な構造をもつ磁電変換素子とその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
磁電変換素子は、VTR、フロッピーディスクやCD−ROM等のドライブモーター用の回転位置検出センサあるいはポテンショメーター、歯車センサとして広く用いられている。これら電子部品の小型化に伴って、磁電変換素子もより小型化の要求が益々強まっている。
【0003】
磁電変換素子の中、最も多く使用されているホール素子を例にして小型化の状況を説明する。最も小型のホール素子としては、旭化成電子(株)のHW106Cとして知られる素子があるが、その外形寸法は実装用の外部電極であるリードフレームを含めて、2. 5×1. 5mmの投影寸法で高さが0. 6mmである。この素子は高さの低いことが特徴となっているが、感度である定電圧駆動時の出力電圧は、0. 05Tの磁界下、1Vの入力電圧の際にホール出力電圧が最大74mVの比較的小出力となっている。同じ条件でほぼ同じ出力のでる素子で小型のものとしては、HW105Cとして知られる素子があるが、その外形寸法はリードフレームを含めて、2. 1×2. 1mmの投影寸法で高さが0. 55mmである。
【0004】
最大ホール出力電圧が200mVを超え、かつ比較的小型の素子としてはHW108Aとして知られる素子がある。この素子の外形寸法は2. 1×2. 1mmの投影寸法で高さが0. 8mmとなっている。この素子はHW105Cの感度アップ素子として位置づけられるが、感度アップのために高さは大きくならざるを得ない。高感度ホール素子のペレットは、一般に高透磁率基板上に移動度の高い半導体薄膜が配置され、さらにその上に、ほぼ直方体の磁気収束用磁性体チップが載せられている構造をなしているが、基板とチップの高さによって感度アップ率が決まるからである。現状で高さが0. 6mm以下でかつホール出力が100mV以上のホール素子はできていない。
【0005】
リードフレームを介在させない方式としてテープキャリア方式が提案されている。この方式では、半導体装置の電極部をテープにバンプで接続して、実装基板等に実装するやり方である。これもテープの厚みの介在分だけ厚さが制限される。また、素子自体が樹脂で覆われにくい。
【0006】
コンデンサー等はいわゆるチップ素子になり、チップ・オン・ボード方式で実装基板に実装するやり方がとられ、まさに小型化の要請に答えてきている。このような概念を磁電変換素子に適用することができれば良いのだが、樹脂で覆わないとどうしても信頼性上に問題が生じる。
【0007】
特開平8−64725号公報には、上記不都合を解消し薄型化を達成する半導体装置とその製造方法が開示されている。即ち、半導体チップの電極上にバンプまたはAuボールを形成し、該バンプまたはAuボールをモールド樹脂の表面に露出させたことを特徴とする樹脂封止型半導体装置とその製造方法である。ICカードやメモリカード等の薄型化がこの方法で可能となる。しかし、本発明のごとく、極めて小型の磁電変換素子に特開平8−64725号公報の方法を適用してモールド樹脂で完全に覆うためには、半導体装置を事前に個別化する必要が生じて、生産性上極めて非効率となる。
【0008】
磁電変換素子に対しても、例えば特開昭60−244084号公報に記載されているように、チップタイプのものが提案されている。予め切れ目を入れたセラミック基板を準備し、ある角度でInSbを蒸着することによって、切れ目内の側面にもInSbが蒸着され、これを利用して側面にも電極が形成されることを特徴とするチップホール素子製造方法である。しかし、この方法であると、上下の強磁性体で受感部を挟んで得られる集磁効果で受感部に印加される磁束密度を上げてホール素子を高感度化する構造にならない。また、環境に対する信頼性向上のためにモールド樹脂で完全に覆うような構造にはならない。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、樹脂で覆われ、かつ極めて小さな投影面積を可能とする新しい構造の磁電変換素子と、このような磁電変換素子を一括して製造しうる製造方法を提供することを目的とするものである。
【0010】
【課題を解決するための手段】
現状の磁電変換素子は、リードフレームのアイランドと呼ぶ部分に、内部電極を有する磁気に感ずる半導体薄膜から本質的になる、半導体装置を樹脂により固着し、リードフレームとその内部電極を金属細線で結線し、次いで樹脂により半導体装置を覆うリードフレームの一部を含めた部分をモールドし、バリ取り、フォーミング、電磁気的検査等の工程を経て製造されている。図9は、このようにして製造されている、感度も高く、かつ小型の旭化成電子(株)のHW108Aの外形を示す断面図である。図9において、21は高透磁率フェライト基板、22は内部電極、23は受感部(感磁部)、24は金属細線、25は高透磁率フェライトチップ、26はリードフレーム、27はリードフレームのアイランド部、28はモールド樹脂である。
【0011】
本発明者らは、鋭意検討を重ねた結果、現状のようなリードフレームを用いている限り小型化には自ずと限界があるという結論に達した。素子はモールドされるのであるが、モールド寸法自体は1. 5mm×1. 5mm程度にはできてもそこからはみでたリードフレームを実装のためにフォーミングする必要があり、そのはみだし分が小型化の足かせになっていることである。また、リードフレームの厚みに限界があること、リードフレームの表裏をモールド樹脂で覆う必要があること等で高さにも限界がある。
【0012】
本発明は、その結論から出発し、磁電変換素子全体の寸法を、実装用電極も含めてモールド寸法程度にする工夫から本発明はなされた。
【0013】
すなわち、本発明は、基板上に形成された磁気を感ずる半導体薄膜と内部電極を備えた半導体装置を有する磁電変換素子において、前記内部電極の上に導電性物体が形成されており、かつ前記磁電変換素子は前記導電性物体の少なくとも一部を除いて樹脂により完全に覆われており、前記導電性物体の前記樹脂に覆われずに露出している部分が外部電極となっていることを特徴とする、新規な構造をもった磁電変換素子である。ここで、導電性物体の厚みは少なくとも0.02mmである。
【0014】
本発明の方法は、小型磁電変換素子の製造方法であって、基板に形成された磁気に感ずる半導体薄膜と内部電極を備えた多数個の半導体装置を準備する工程、前記内部電極部分に導電性物体を載せる工程、前記基板上の半導体装置を個別に隔離するように、最終製品としての前記磁電変換素子の境界部に相当する基板位置に厚み方向に切れ目を入れる工程、前記半導体装置および前記導電性物体を樹脂で覆う工程、前記樹脂の表面を前記導電性物体が見えるまで研磨する工程、前記基板の前記半導体装置と反対側の面を少なくとも前記切れ目に到達するまで研磨する工程、および前記半導体装置を個別に切断する工程からなることを特徴とする磁電変換素子の製造方法である。
【0015】
このような構造にすることで、例えば、前述のような比較的感度の低い素子で0. 9×0. 9mmの投影寸法で高さが0. 17mm、感度の高い素子でも同程度の投影寸法で、高さが0. 3mmといった極めて小型の磁電変換素子が可能になった。
【0016】
本発明の半導体装置を構成する、磁気に感ずる半導体薄膜としてはインジウムアンチモン、ガリウム砒素、インジウム砒素等の化合物半導体あるいは(インジウム、ガリウム)ー(アンチモン、砒素)の3元系または4元系化合物半導体薄膜から選択できる。いわゆる量子効果素子も使用できる。これらの化合物半導体薄膜は種々の基板上に形成されるが、基板としてはシリコン、ガリウム砒素等の化合物半導体の基板、石英等のガラス基板、サファイア等の無機基板等を使用することができる。
【0017】
より高い感度の半導体装置は、高透磁率磁性体、その上に形成されパターニングされた感磁部と電極部を有する半導体薄膜、さらにその上に載せられたほぼ直方体の磁気収束用磁性体チップが載せられたサンドイッチ構造をなしている。例えば、特公昭51−45234号公報には、移動度の高い半導体薄膜をこの構造体の装置にするための方法が示されている。即ち、雲母等の結晶性基板上に化合物半導体薄膜を形成し、所望のパターニングを施した後、この半導体薄膜をエポキシ等の接着剤を用いて高透磁率磁性体に接着し、その後結晶性基板を除去する。次いで、半導体薄膜の感磁部の上に磁気収束用磁性体を載せることによって上記の積層構造の半導体装置を形成する方法である。このような半導体装置は、本発明の小型で高感度の磁電変換素子を作るのに好適である。この際、高透磁率強磁性体、磁気収束用チップの材料としては、パーマロイ、鉄珪素合金、MnZnフェライト等の高透磁率フェライト、あるいはその他の高透磁率材料を用いることができる。そのうち、切断のし易さや、価格の安いことなどの理由から高透磁率フェライトが好適なものとして利用できる。
【0018】
半導体装置は、一般に多段プロセスを経てウェハー上に多数個形成される。その際、磁電変換素子として使用するために、1個の素子について2つ以上一般に4つの内部電極が一括して形成される。内部電極の材質としては、半導体薄膜の種類によって種々変える必要があるが、銀、金、パラジウム、アルミニウムの1種が少なくとも表層にあることが好ましい。例えば、銅の上にニッケルをつけ、さらにその上に金を形成する形態を取ることが出来る。その上に金属性パッドを積層する本発明の形態上、積層しやすい材質の内部電極を形成しておくことが必要である。それを満たすものならどのような金属層でできていてもよい。
【0019】
その内部電極に金等の金属細線を介在しないで、直接外部電極に結線できるようにするのが本発明のポイントである。そのようなウェハーを用意し、そのウェハー上の多数個の半導体装置の多数個の内部電極の上に導電性物体を0.02mm以上の厚みに形成する。導電性物体の厚みが0. 02mm未満であると下記のような問題が生じる。素子の完成後、チップ素子を基板に実装する際に、ハンダにより電極部を接続するが、ハンダの溶融時に導電性物体がハンダに食われ断線につながる場合がある。また、後述する表面受感部側に形成される樹脂が薄くなることにより、温度湿度ストレスに対する信頼性が低下する。従って、導電性物体の厚みは0. 02mm以上が実用上好ましい厚みである。また、前述したように感磁部の上に磁気集束用磁性体を載せる場合、導電性物体の厚さはこの磁性体の厚さ以上になるのはもちろんである。さらに、この厚さは後述する工程で表面を研磨した後の導電性物体の厚さをいうのであって、実際には研磨後表面に現れる導電性物体の形状が均一になるように所望の厚さ以上の厚さで形成する。この際の導電性物体を内部電極上に形成する方法としては種々取り得る。まず、導電性物体が金属性バンプの場合では、1個毎の内部電極の上に金、銀、ハンダ等の金属のボールをワイヤバンピング法やスタッドバンプボンディング法といったワイヤバンプ形成法として知られる方法によって載せていく方法である。一般のワイヤボンダあるいはそれを改良した専用のバンプボンダが好適に使用できる。これらの方法により、1個毎の内部電極の上に金等の金属性のボールを形成していく方法である。金属性ボールとしては、金、パラジウム、銀、アルミニウム、アルミニウムと他の合金、金と他の金属との合金あるいはハンダ等の金属が使用できる。この際、不良の半導体装置の部分はマークを付与しておき、ボンディング時にその不良半導体装置を認識してその内部電極には金属性ボールをボールボンディングしないようにすることも可能である。所望の厚みにより金属性ボールを積層にすることも可能である。所望の厚みが0. 1mmの場合、3つ金属性ボールの積層体を形成するような形態である。
【0020】
あるいは、内部電極上に導電性樹脂を印刷法等で形成する方法も取り得る。あるいは、このような導電性樹脂がその上に形成する別の導電性物体を固定するための接着剤層を兼ねるような形態も取りうる。その場合、まず導電性樹脂を付着後、例えば金、銀、銅、真鍮、リン青銅等の小片をダイボンダーにより1個毎に載せていく方法を取り得る。この小片を載せる方法としては、特公平7−13987号公報に記載の方法、すなわち、上述の金属性小片を振動によりトレーに振り込んでおき、その金属性小片を保持したトレーとウェハーとを重ね合わせることによって行う方法も取り得る。この方法においては、隣同士の半導体装置の内部電極が近接している場合には、それらの電極上に一括してそれらの電極に見合う大きさの金属性小片を載せることができる。その場合には、後の切断工程でそれぞれの半導体装置を分割する事が出来る。
【0021】
次いで、基板上の半導体装置を個別に引き離すように、最終製品である磁電変換素子中の基板の厚みまで切れ目を入れる工程が続く。これはダイシングにより好適に行うことができる。
【0022】
本発明による小型磁電変換素子を得るためには、上記の導電性物体を載せる工程と、切れ目を入れる工程を逆にすることもできる。
【0023】
さらに、半導体装置および導電性物体をカバーするように樹脂で覆う工程が続く。この際使用できる樹脂としては、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、イミド変性エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂や、フェノキシ樹脂、ポリアミド樹脂、ポリベンツイミダゾール樹脂、ポリスチレン、ポリスルホン樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリビニールアセタール、ポリ酢酸ビニルアルコールとそのアロイ樹脂等の熱可塑性樹脂をあげることができる。この際、ウェハー全体を一括成型することが好ましい。スピンコーター等のコーターによる塗布やトランスファーモールド等のモールディングによって本工程を行うことができる
次いで、樹脂層を研磨する工程が続く。本工程において、先述の導電性物体が露出するようにする。露出した部分が外部電極となる。導電性物体の種類によっては、外部基板への接着がよりうまくいくように、金やハンダ等の他の金属層を付与することが可能である。その際無電解メッキあるいはハンダ槽へのディッピングによるのが好ましい。
【0024】
次いで、基板の半導体装置と反対側 の面を少なくとも上記切れ目に到達するまで研磨する工程が続く。
【0025】
個別の半導体素子にするには、ダイシング等によって個別に分離すれば良い。
【0026】
本発明は、種々の変形が可能である。上述したような工程の場合には、最終工程あるいは途中工程で、裏面に樹脂を付与すれば良い。この際の樹脂としては、上記した半導体装置の上面に用いた樹脂が用いうる。さらに、この際の樹脂として透明なものを用いると個別素子が格子状に目視できるので、半導体装置を個別に切断する際にやりやすくなる。
【0027】
以上の工程での研磨は、一般の適当な粉末を用いての研磨機あるいはグラインダーのような装置が好適に使用できる。
【0028】
【発明の実施の形態】
次に、本発明による実施例を図面に基づいて説明する。
【0029】
(実施例1)
本発明の小型の磁電変換素子の一実施例の構造を、断面透視図として図1に示す。1はシリコン基板、2は半導体装置の内部電極、3は半導体装置の受感部(感磁部)層、4は金ボール、5および9は樹脂、6は外部接続用ハンダ、8はガラス層である。なお、2aは配線層である。
【0030】
図1のような半導体素子を作成するための本発明の工程の例を図2〜図4を用いて説明する。図2(1)はシリコン基板(シリコンウエハー)1上に磁電変換素子のための内部電極2と受感部層3が多数個形成されている状態を示す。このようなウェハーは次のような工程を経て作った。径4吋で厚さが0.35mmのシリコンウエハー1上にコーニング社製7059ガラス8を蒸着し、その上に移動度20,000cm2 /V/secのInSb薄膜を形成した。フォトリソグラフィーの手法でホール素子パターンを形成した。感磁部層の長さは350μm、幅は170μmであった。1個のペレットの大きさは、0. 8mm角であった。配線層2aおよび電極部は銅で形成し、ボールボンディングのための電極部2はニッケルおよび金を積層した構造とした。そのウェハーをボールボンダーに載せ、内部電極部に金ボール4を2段重ねて載せた状態を図2(2)に示している。溶融状態でボール状の金は内部電極上でつぶれて金の全体の厚みが0.08mmになった。次いでシリコン基板上の半導体装置を個別に引き離すように、0.15mm幅のブレードを使用してダイシングソーで基板1に0.1mm+αの深さに切れ目1aを入れた状態を図2(3)に示している。次いで金ボール4を覆うだけの厚みに熱硬化性エポキシ樹脂5をポッティングして硬化した状態を図3(4)に示している。次いで樹脂の上面を金ボール4が現れ、金の全体の厚みがほぼ0.05mmとなるるまで研磨した状態を示したのが図3(5)である。金が見えた部分を7で示す。次いで、基板1の半導体装置と反対側の面を切れ目1aまで研磨した状態を図3(6)に示す。次いで基板を裏返してシリコンウェハーの裏面に樹脂9をスピンコートし、さらに樹脂を硬化させ、ほぼ0.02mmの厚さに樹脂層を形成した状態を図4(7)に示してある。次いで表面に現れた金属製バンプの部分にハンダ層6を形成した状態を図4(8)に示す。
【0031】
図4(8)の状態のものを0.05mm幅のブレードを使用しダイシングソーにより個別素子に分離した様子を図4(9)に示す。このようにして図1のような半導体素子が出来上がった。本実施例では、ハンダ層6は含めない寸法で0. 9×0. 9mmで厚さが0.17mmのホール素子にした。
【0032】
(実施例2)
本実施例の小型の完全に樹脂で覆われた高感度磁電変換素子の構造を、断面透視図として図5に示す。11は高透磁率フェライト基板、12は半導体装置の内部電極、13は半導体装置の受感部(感磁部)層、14は金ボール、15は磁気収束用の高透磁率フェライトチップ、16は樹脂、17は外部接続用ハンダである。12aは配線層、18は樹脂層である。
【0033】
図5のような半導体素子を作成するための本発明の工程の例を図6〜図8を用いて説明する。図6(1)は高透磁率フェライト基板11上に磁電変換素子のための内部電極12と受感部層13が多数個形成されている状態を示す。このようなウェハーは次のような工程を経て作った。まず高透磁率フェライト上に半導体薄膜によるホール素子パターンを形成するには以下のような方法で行った。まず、劈開した雲母を蒸着基板にして、初めにIn過剰のInSb薄膜を蒸着により形成し、次いで過剰のInと化合物を形成するSbを過剰に蒸着する方法によって移動度45,000cm2 /V/secのInSb薄膜を形成した。次に、50mm角で厚み0. 3mmのMnZnフェライトからなる高透磁率フェライトを準備し、上記のInSb薄膜上にポリイミド樹脂18を滴下し、高透磁率フェライト11をその上に重ね、重石を置いて200℃で12時間放置した。次に室温に戻し、雲母を剥ぎ取って高透磁率フェライト11上にInSb薄膜が担持された構造体を作製した。次いで、このInSb薄膜上にフォトリソグラフィーの手法で多数のホール素子パターンを同時に形成した。それぞれの感磁部層の長さは350μm、幅は170μmであった。感磁部層への配線部12aとして銅を半導体薄膜上に形成し、ボールボンディングのための内部電極部12はその上にニッケルおよび金を積層した構造とした。1個のペレットの大きさ(1個のホール素子パターンおよび4個の内部電極部が担持されている高透磁率フェライトの寸法)は0. 8mm角であった。
【0034】
次に、特公平7−13987号公報に記載の方法によって、厚みが0. 1mmで、一辺の長さが350μmの直方体の高透磁率フェライトチップ15を半導体薄膜の感磁部13の上に、シリコーン樹脂を接着剤として載せた。
【0035】
上記のようにして作製したウェハーをボールボンダーに載せ、内部電極部に金ボール14を4段重ねて載せた状態を図6(2)に示している。溶融状態でボール状の金は内部電極上でつぶれて金の全体の厚みが0.15mmになった。次いで半導体装置を個別に引き離すように基板11に0.15mm幅のブレードを使用したダイシングソーで0.15mm+αの深さの切れ目11aを加えるが、その状態を図6(3)に示している。この切れ目をつけるのはダイシングが好適に使用できる。金ボール14を覆うだけの厚みに熱硬化性エポキシ樹脂16をポッティングして硬化した状態を図7(4)に示している。次いで樹脂の上面を上記金ボールが現れ、金の全体の厚みがほぼ0.13mmとなるまで研磨した状態を示したのが図7(5)である。次いで、基板を裏返してフェライト基板11の裏面を切れ目11aまで研磨した状態を図7(6)に示してある。次いで研磨したフェライト基板11の裏面に熱硬化性エポキシ樹脂19をスピンコーティングで塗布し、さらに樹脂を硬化させ、ほぼ0.02mmの厚さに樹脂層を形成した状態を図8(7)に示す。次いで表面に現れた金属性バンプの部分にハンダ層17を形成した状態を図8(8)に示す。図8(8)の状態のものを0.05mm幅のブレードを使用してダイシングソーにより個別素子に分離した様子を図8(9)に示す。このようにして図5のような磁電変換素子が出来上がった。本実施例ではハンダ層は含めない寸法で0. 9×0. 9mmで厚さが0.3mmの大きさのホール素子にした。感度も1V、0. 05Tで200mVと極めて高いものであった。
【0036】
(実施例3)
実施例1における金ボールに代えてリン青銅を用いた場合を述べる。図2(1)の状態のウェハーの内部電極部分にスクリーン印刷によりテクノα社製の導電性熱可塑性樹脂STAYHOLDを塗布し、溶剤を飛ばして乾燥させた。150℃に加熱したダイボンダー上にウェハーを担持し、0. 1mm角のほぼ立方体のリン青銅をダイボンダーにより熱可塑性樹脂部分に熱圧着して載せた。あとの工程は実施例1と同様な工程を経て実施例1と同じ大きさのホール素子にした。
【0037】
これまでホール素子を例にして説明してきたが、本発明の概念及び製造方法は他の磁電変換素子である半導体MR(磁気抵抗素子)や強磁性体MR、GMRにも適用できるのは勿論である。
【0038】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、半導体装置が完全に樹脂で覆われ、かつ極めて小さい半導体素子を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の磁電変換素子の一実施例の断面透視図である。
【図2】図1の磁電変換素子を作るための製造方法の工程図である。
【図3】図1の磁電変換素子を作るための製造方法の図2に続く工程図である。
【図4】図1の磁電変換素子を作るための製造方法の図3に続く工程図である。
【図5】本発明の磁電変換素子の他の実施例の断面図である。
【図6】図5の磁電変換素子を作るための製造方法の工程図である。
【図7】図5の磁電変換素子を作るための製造方法の図6に続く工程図である。
【図8】図5の磁電変換素子を作るための製造方法の図7に続く工程図である。
【図9】比較例としてのこれまでの磁電変換素子の断面図である。
【符号の説明】
1 シリコン基板(シリコンウェハー)
2、12 内部電極
3、13 受感部(感磁部)層
4、14 金属性ボール
5、9、16、19 樹脂
6、17 ハンダボール
11 高透磁率フェライト基板
15 高透磁率フェライトチップ
21 高透磁率フェライト基板
22 内部電極
23 受感部(感磁部)
24 金属細線
25 高透磁率フェライトチップ
26 リードフレーム
27 リードフレームのアイランド部
28 モールド樹脂

Claims (2)

  1. 小型磁電変換素子の製造方法であって、基板に形成された磁気に感ずる半導体薄膜と内部電極を備えた多数個の半導体装置を準備する工程、前記内部電極部分に導電性物体を載せる工程、前記基板上の半導体装置を個別に隔離するように、最終製品としての前記磁電変換素子の境界部に相当する基板位置に厚み方向に切れ目を入れる工程、前記半導体装置および前記導電性物体を樹脂で覆う工程、該樹脂の表面を前記導電性物体が見えるまで研磨する第1の研磨工程、前記基板の前記半導体装置と反対側の面を少なくとも前記切れ目に到達するまで研磨する第2の研磨工程、前記第2の研磨する工程後に前記基板の研磨面に樹脂を覆う工程、および前記半導体装置を個別に切断する工程からなることを特徴とする磁電変換素子の製造方法。
  2. 前記導電性物体の研磨後表面に現れた部分に金属層を付与する工程をさらに有することを特徴とする請求項に記載の磁電変換素子の製造方法。
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