JP5010661B2

JP5010661B2 - 電子機器および電子機器の製造方法

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Publication number: JP5010661B2
Application number: JP2009227208A
Authority: JP
Inventors: 秀子向田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2009-09-30
Filing date: 2009-09-30
Publication date: 2012-08-29
Anticipated expiration: 2029-09-30
Also published as: US20110073975A1; JP2011077297A; CN102034834A; US8421207B2; CN102034834B

Description

本発明は、カメラモジュールのような半導体装置とその製造方法、およびそのような半導体装置が実装された電子機器とその製造方法に関する。

半導体集積回路技術を用いたＣＣＤやＣＭＯＳイメージセンサ等の半導体装置は、デジタルカメラやカメラ機能付き携帯電話に広く利用されている。このような半導体装置においては、搭載部品の小型・軽量に対応するために、センサチップ（半導体素子）をチップサイズパッケージ（ＣＳＰ）にすることが提案されている。

ＣＳＰ化されたカメラモジュールとして、半導体チップの表面に設けられた受光部を覆うように、透明ガラス部材のような光透過性保護部材を配置し、半導体チップと光透過性保護部材とを接着剤で貼り合せ、さらに光透過性保護部材上にレンズ部材を配置するとともに、半導体チップの裏面に基板に実装するための接続端子を設けた構造が提案されている。

このような構造のカメラモジュールにおいて、接着層は、半導体チップの受光部を囲むように形成されており、受光部を開口部としたロの字形の平面形状を有している。そして、接着層の４辺の幅は均一ではなくばらばらに設計されている。一方、接続端子は、半導体チップの裏面のエリア全体にグリッドアレイ状に配列されて配置されている。

このような構造を有する従来のカメラモジュールでは、基板に実装する際にカメラモジュールに所定以上の力を加えると、半導体チップが割れたり亀裂が生じる等の問題が生じていた。また、半導体チップに割れや亀裂が生じないまでも配線層が損傷を受け、その結果異常動作が引き起こされることがあった。

さらに従来から、固体撮像素子の有効画素領域外の領域に、透光性の蓋部が接着部を介して固定され、有効画素領域と透光性蓋部とが離隔して配置されるとともに、有効画素領域外の接着部に電極パッドが埋設され、その下方に外部電極が接続された構造の光学装置用モジュールも提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

しかし、この光学装置用モジュールでは、外部接続端子は固体撮像素子内の再配線によって形成されており、接着部の厚さや弾性率、素子の厚さによっては、素子が割れるおそれがあった。

特開２００７−１２９１６４公報

本発明は、基板（実装基板）への実装の際に半導体チップ（半導体基板）に割れや亀裂が生じることがなく、信頼性が高い半導体装置と、それを用いた電子機器を提供することを目的としている。

本発明の第１の態様に係る電子機器は、第１の面に受光部を有する活性層が形成された半導体基板と、前記半導体基板の前記第１の面上に、前記受光部を囲むように設けられた接着層と、前記半導体基板の前記受光部上に所定の間隙をおいて配置され、前記接着層を介して接着された光透過性保護部材と、前記半導体基板の前記第１の面とは反対側の第２の面に、所定の配列で配置された複数の外部接続端子とを備え、最外周に位置する前記外部接続端子において、少なくとも対向する２辺を形成する前記外部接続端子の中心点が、前記接着層を前記第２の面に投影した領域（以下、接着層の投影領域と示す。）内に配置されている半導体装置であって、前記半導体基板は５０〜３００μｍの厚さを有しており、かつ中心点が前記接着層の投影領域外に配置された最外周外部接続端子において、前記接着層の投影領域の前記受光部を囲む開口端縁から前記中心点までの距離ｄが、前記外部接続端子の直径の−２５％以上である半導体装置と、該半導体装置の前記光透過性保護部材上に設けられたレンズモジュールと、実装基板とを具備し、前記半導体装置が前記外部接続端子を介して前記実装基板に実装されてなることを特徴とする。

本発明の第２の態様に係る電子機器の製造方法は、前記第１の態様の電子機器の製造方法であり、最外周に位置する前記外部接続端子において、少なくとも対向する２辺を形成する前記外部接続端子の中心点が、前記接着層の投影領域内に配置され、かつ前記外部接続端子の中心点が前記接着層の投影領域外に配置された前記最外周外部接続端子において、前記接着層の投影領域の前記受光部を囲む開口端縁から前記中心点までの距離ｄが、前記外部接続端子の直径の−２５％以上となるように設計し、それに基づいて製造することを特徴とする。

本発明の態様に係る半導体装置および電子機器においては、最外周に位置する外部接続端子の少なくとも対向する２辺を形成する接続端子の中心点が、接着層の投影領域内に配置されているので、半導体装置を実装基板に実装する際に、接続端子を介して半導体基板が受ける力が対称的になり、特定の領域に応力が集中することがなくなる。したがって、半導体基板の割れや亀裂、異常動作の発生がなくなり、信頼性の高い半導体装置および電子機器を得ることができる。

本発明の第１の実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。第１の実施形態の半導体装置において、外部接続端子の配置面である半導体基板（半導体チップ）の裏面に接着層を投影した平面図（以下、接着層投影平面図と示す。）である。第１の実施形態の半導体装置を基板に実装した電子機器を示す断面図である。本発明の第２の実施形態に係る半導体装置を示す接着層投影平面図である。接着層の投影領域の開口端縁から最外周外部接続端子の中心点までの距離ｄが、マイナスである外部接続端子の配置を示す、接着層投影平面図である。第２の実施形態の半導体装置において、接着層投影領域の開口端縁から最外周外部接続端子の中心点までの距離ｄと、半導体チップに発生する応力との関係を、シミュレーションにより調べた結果を示すグラフである。本発明の第３の実施形態に係る半導体装置を示す接着層投影平面図である。本発明の第４の実施形態に係る半導体装置を示す接着層投影平面図である。

本発明者は、半導体チップと光透過性保護部材とを接着剤で貼り合せるとともに、半導体チップの裏面に接続端子を設けた構造の半導体装置において、最外周に位置する接続端子の一部が、接着層の開口部に対応する領域に配置されている場合には、基板実装時に所定以上の力を加えると、半導体チップの特定の領域（例えば、最外周接続端子が配置された接着層の開口部に対応する領域）に応力が集中し、その応力に耐え切れずに半導体チップが割れたり、あるいは半導体チップ内に微小亀裂が生じるという知見を得た。以下に述べる本発明の構成は、この知見に基づいて見出されたものである。以下、本発明を実施するための形態について説明する。なお、以下の記載では実施形態を図面に基づいて説明するが、それらの図面は図解のために供されるものであり、本発明はそれらの図面に限定されるものではない。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置であるカメラモジュールを示す断面図である。図２は、図１に示す半導体装置の接着層を投影平面図である。

第１の実施形態の半導体装置１は、シリコン（Ｓｉ）基板のような半導体基板（半導体チップ）２を備えている。半導体チップ２は５０〜３００μｍの厚さを有し、第１の面（表面）２ａに活性層を有している。半導体チップ２の厚さは１００〜２００μｍとすることが好ましい。活性層は、表面２ａに照射される光や電子等のエネルギー線をフォトダイオードに収集する受光部３を有している。さらに、活性層は、電気信号のインプット・アウトプットや電源の供給等を行う複数の電極（図示せず）を有しており、これらはいわゆるイメージセンサを構成している。

半導体チップ２上には、受光部３をキズや埃から保護するための透明ガラス部材のような光透過性保護部材４が、受光部３を有する表面２ａを覆うように配置されている。光透過性保護部材４は、半導体チップ２の表面２ａの周辺部に配置された接着層５を介して、半導体チップ２の表面２ａに接着されている。

接着層５は、例えばエポキシ系フィルム状接着剤からなり、半導体チップ２の中央部に形成された受光部３を囲むように形成されており、受光部３を開口部とした平面視ロの字形状を有している。そして、光透過性保護部材４と半導体チップ２の表面２ａとの間には、接着層５の厚さに基づく間隙６が形成されている。受光部３上には、集光用のマイクロレンズ７が形成されており、その集光効果を損なわないように、光透過性保護部材４と受光部３との間には間隙６が形成されている。

半導体チップ２は、第１の面である表面２ａと第２の面である裏面２ｂとを繋ぎ活性層の電極と電気的に接続された、貫通電極（図示せず）のような内部配線を備えており、半導体チップ２の裏面２ｂには、裏面配線層（図示せず）が設けられている。また、裏面配線層上を含めて半導体チップ２の裏面２ｂは、ポリイミド樹脂やエポキシ樹脂、あるいはソルダーレジスト材等からなる保護膜（図示せず）で覆われており、裏面配線層の端子形成領域（保護膜の開口領域）には、外部接続端子８が設けられている。外部接続端子８としては、はんだバンプのような突起型電極が適用される。

外部接続端子８は、例えば３行３列〜６行６列のグリッドアレイ状に配列されている。そして、図２に示すように、最外周に位置する外部接続端子８ａにおいて、対向する２辺を形成する接続端子８ａの中心点が全て、接着層５の形成領域を外部接続端子８の配置面（半導体チップ２の裏面）に投影した領域（接着層の投影領域）９内に配置されている。

そして、光透過性保護部材４の上面には、接着層（図示せず）を介してレンズモジュール１０が取り付けられている。レンズモジュール１０としては、レンズホルダに集光用レンズを装着したものが用いられる。さらに、これら全体は、電気的なシールドや機械的補強を目的としたシールドキャップ１１等で覆われている。

第１の実施形態の半導体装置１は、例えば以下に示すようにして作製される。まず、半導体基板２の表面２ａに受光部３を有する活性層を形成する。半導体基板２は半導体ウェハとして供給され、活性層は半導体ウェハの各素子構成領域に応じて形成される。

次に、半導体基板２の表面２ａの受光部３を除く周辺領域に、例えばエポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、アクリル樹脂等からなる接着層５を形成する。また、半導体基板２（半導体ウェハ）とほぼ同じ大きさを有する透明ガラス基板からなる光透過性保護部材４を用意し、これを半導体基板２上に配置する。そして、光透過性保護部材４と半導体基板２の表面とを、例えば加圧・加熱することにより接着層５を介して貼り合わせる。光透過性保護部材４と半導体基板２との間には、接着層５の厚さにより間隙６が形成され、半導体基板２の表面２ａに設けられた受光部３は間隙６内に露出するように配置される。

次に、半導体基板２の裏面２ｂを機械研削、化学機械研磨、ウェットエッチング、ドライエッチング等により加工し、半導体基板２を裏面２ｂ側から１００〜２００μｍの厚さに薄肉化する。なお、この加工工程は予め薄肉化した半導体基板２を用いる場合には必要ではないが、光透過性保護部材４が半導体基板２を機械的に補強する支持基板の役割を果たすことから、半導体基板２の最終的な加工は光透過性保護部材４を貼り合わせた後に実施することが好ましい。

次いで、半導体基板２内に貫通電極のような内部配線を形成した後、半導体基板２の裏面２ｂに裏面配線層を形成する。そして、半導体基板２の裏面２ｂに保護膜を形成した後、裏面配線層の端子形成領域に外部接続端子８を形成する。外部接続端子８は、例えばはんだボールをリフローして裏面配線層と接続することにより形成される。そして、このような外部接続端子８の形成位置は、最外周に位置する外部接続端子８ａの対向する２辺を形成する接続端子８ａの中心点が全て、接着層の投影領域９内に配置されるように設計されている。

これら一連の工程（ウェハ工程）が終了した後、半導体基板２をブレード等で切断して個片化する。そして、個片化された半導体チップ２上の受光部３の上方にレンズモジュール１０を取り付け、さらにシールドキャップ１１を装着することによって、図１に示す半導体装置１が作製される。

第１の実施形態の半導体装置１は、外部接続端子８を介して実装基板に実装される。この半導体装置１が実装された電子機器を図３に示す。図３において、符号１２は配線（図示せず）を有する実装基板を示す。実装基板１２は、図示しない記憶装置や表示装置に接続される。電子機器としては、デジタルカメラ、カメラ機能付携帯電話、電子会議用の撮像システム等を例示することができる。

第１の実施形態の半導体装置１においては、最外周外部接続端子８ａのうちで対向する２辺を形成する接続端子８ａの中心点が、接着層の投影領域９内に配置されているので、この半導体装置１を実装基板１２に実装する際に、接着層の投影領域９内に配置された外部接続端子８ａを介して、半導体チップ２の対称的な位置に対称的な力が作用することになる。したがって、半導体チップ２内で応力が局部的に集中することがなくなり、半導体チップ２の割れや亀裂の発生が防止される。

半導体チップ２の厚さが薄く、かつ最外周の外部接続端子８ａの一部が接着層の投影領域９から内側に外れた開口部９ａにある構造では、実装基板１２に実装する際に外部接続端子８を介して半導体チップ２が受ける応力値が、半導体チップ２の亀裂等発生の限界を超えるため、半導体チップ２に割れや亀裂が生じていた。しかし、第１の実施形態の半導体モジュールにおいては、半導体チップ２内に生じる応力値を低減することができるので、薄い半導体チップ２でも割れや亀裂の発生を防止することができる。

次に、本発明の第２の実施形態に係る半導体装置について、図４ないし図６を参照して説明する。図４および図５は、第２の実施形態に係る半導体装置において、外部接続端子８の配置面に接着層の形成領域を投影した接着層投影平面図である。

第２の実施形態に係る半導体装置１においては、十分な広さの受光部３を設けるために、最外周に位置する外部接続端子８ａの中心点の全ては、接着層の投影領域９内に配置されてはいない。そして、接着層の投影領域９外に配置された最外周外部接続端子８ａにおいては、これらの中心点から接着層投影領域９の開口端縁（以下、接着層開口端縁と示す。）までの距離ｄは、外部接続端子８の直径（例えば３００μｍ）の−２５％以上になっている。

なお、図４に示すように、最外周外部接続端子８ａの中心点が接着層の投影領域９内にある場合には、ｄ値を０以上（プラス）とし、図５に示すように、最外周外部接続端子８ａの中心点が接着層の投影領域９から内側に外れた開口部９ａにある場合には、ｄ値を０未満（マイナス）とした。第２の実施形態において、その他の部分は第１の実施形態と同様に構成されているので、説明を省略する。

第２の実施形態の半導体装置１では、前記したように、接着層開口端縁から最外周外部接続端子８ａの中心点までの距離ｄが、外部接続端子８の直径の−２５％以上に限定されているので、この半導体装置１を実装基板１２に実装する際の半導体チップ２内での応力集中が抑制される。したがって、半導体チップ２の割れや亀裂が発生しない。

次に、シミュレーションを行い、接着層投影領域９の開口端縁から最外周外部接続端子８ａの中心点までの距離ｄと、実装基板への実装時に半導体チップ２に発生する応力との関係を調べた。

シミュレーションは、第２の実施形態の半導体装置において、半導体チップ２の厚さは１００μｍ（０．１ｍｍ）、接着層５はエポキシ系フィルム状接着剤から形成された厚さ５０μｍのものとし、外部接続端子８であるはんだボールの直径および高さは３００μｍ（０．３ｍｍ）として行った。

シミュレーションの結果を図６にグラフで示す。グラフの横軸は、接着層投影領域９の開口端縁から最外周外部接続端子８ａの中心点までの距離ｄ（単位ｍｍ）を表し、縦軸は半導体チップ２の裏面２ｂにかかる応力（単位ＭＰａ）を表す。グラフ上の点Ａは、半導体チップ２に割れが発生する条件を示している。

こうして得られた図６に示すグラフの近似式を以下に示す。

この式において、各記号は以下のものを示している。
σ：半導体チップ裏面にかかる応力値（ＭＰａ）
ｔ_chip：半導体チップの厚さ（ｍｍ）
ｄ_x：接着層投影領域の開口端縁から最外周外部接続端子の中心点までのｘ方向の距離（ｍｍ）
ｄ_ｙ：接着層投影領域の開口端縁から最外周外部接続端子の中心点までのｙ方向の距離（ｍｍ）あ
ｔ_adh：接着層の厚さ（ｍｍ）
ｈ_ball：外部接続端子の高さ（ｍｍ）
Ｅ_adh：接着層の弾性率（ＭＰａ）
なお、図５および図６において、横方向をｘ方向とし、縦方向をｙ方向とする。ｄ_xは左右（２辺）のｄ_xで小さい方を、ｄ_ｙは上下２辺のｄ_ｙで小さい方を採るものとする。また、Ｃは定数であり、係数ａ＝０．０３、ｂ＝０．２３、ｃ＝０．４４、ｄ＝２．２、ｅ＝０．７６、ｆ＝−０．１５である。

この式において、各変数（ｔ_chip，ｄ_x，ｄ_ｙ，ｔ_adh，ｈ_ball，Ｅ_adh）に所定の値を代入することで、第２の実施形態と同様な構造を有する半導体装置１の半導体チップ２裏面にかかる応力値σを求めることができる。そして、求められた応力値σがグラフ上の点Ａを超えるかどうかを調べることで、半導体チップ２に割れが生じるおそれがあるか否かを判断することができる。さらに、近似式を用いれば、ｄ_xとｄ_ｙだけでは画素領域範囲の限定から応力を低減できない場合に、半導体チップの厚さ、接着層の厚さや弾性率、外部接続端子の高さ等の他の変数を最適に組み合わせることで、半導体チップにかかる応力の低減を図ることができる。

第２の実施形態の半導体装置１においては、接着層の投影領域９の開口端縁から最外周外部接続端子８ａの中心点までの距離ｄが、外部接続端子８の直径の−２５％以上に限定されており、各値を前記式に入れて半導体チップ２裏面にかかる応力値σを求めたところ、応力値σがグラフ上の点Ａを超えないことが確かめられた。

次に、本発明の第３および第４の実施形態に係る半導体装置について説明する。図７および図８は、それぞれ第３および第４の実施形態による半導体装置において、外部接続端子の配置面に接着層の形成領域を投影した接着層投影平面図である。

第３の実施形態に係る半導体装置１では、最外周に位置する外部接続端子８ａのうちで、対向する２辺だけでなく４辺ともに中心点が、接着層の投影領域９内に配置されている。第３の実施形態において、その他の部分は第１の実施形態と同様に構成されているので、説明を省略する。

第４の実施形態に係る半導体装置１においては、最外周の４辺に位置する外部接続端子８ａの全てが、中心点だけでなく全体が接着層の投影領域９内に配置されている。第４の実施形態において、その他の部分は第１の実施形態と同様に構成されているので、説明を省略する。

このように構成される第３の実施形態の半導体装置においては、実装基板に実装する際に、最外周外部接続端子８ａの４辺全体に均等に分散された力が半導体チップ２に加えられる。すなわち、４辺の最外周外部接続端子８ａ全体を介してより均等に分散された力が半導体チップ２に加えられる。したがって、第１の実施形態に比べて、半導体チップ２内の応力の集中をよりいっそう抑制することができ、半導体チップ２の割れや亀裂の発生をよりいっそう防止することができる。

また、第４の実施形態の半導体装置においても、実装基板に実装する際に外部接続端子８を介して加えられる力に起因する半導体チップ２内の応力集中を防止することができる。したがって、半導体チップ２の割れや亀裂の発生を防止することができる。

以上の実施形態で説明された構成、形状、大きさおよび配置関係については、概略的に示したものにすぎず、また各構成の組成（材質）等については例示にすぎない。したがって、本発明は以上の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示される技術的思想の範囲を逸脱しない限り、さまざまな形態に変更することができる。

1…半導体装置、２…半導体基板（半導体チップ）、３…受光部、４…光透過性保護部材、５…接着層、８…外部接続端子、１０…レンズモジュール、１２…実装基板。

Claims

第１の面に受光部を有する活性層が形成された半導体基板と、
前記半導体基板の前記第１の面上に、前記受光部を囲むように設けられた接着層と、
前記半導体基板の前記受光部上に所定の間隙をおいて配置され、前記接着層を介して接着された光透過性保護部材と、
前記半導体基板の前記第１の面とは反対側の第２の面に、所定の配列で配置された複数の外部接続端子とを備え、
最外周に位置する前記外部接続端子において、少なくとも対向する２辺を形成する前記外部接続端子の中心点が、前記接着層を前記第２の面に投影した領域（以下、接着層の投影領域と示す。）内に配置されている半導体装置であって、
前記半導体基板は５０〜３００μｍの厚さを有しており、かつ中心点が前記接着層の投影領域外に配置された最外周外部接続端子において、前記接着層の投影領域の前記受光部を囲む開口端縁から前記中心点までの距離ｄが、前記外部接続端子の直径の−２５％以上である半導体装置と、
該半導体装置の前記光透過性保護部材上に設けられたレンズモジュールと、
実装基板とを具備し、
前記半導体装置が前記外部接続端子を介して前記実装基板に実装されてなることを特徴とする電子機器。
請求項１記載の電子機器の製造方法であり、
最外周に位置する前記外部接続端子において、少なくとも対向する２辺を形成する前記外部接続端子の中心点が、前記接着層の投影領域内に配置され、かつ前記外部接続端子の中心点が前記接着層の投影領域外に配置された前記最外周外部接続端子において、前記接着層の投影領域の前記受光部を囲む開口端縁から前記中心点までの距離ｄが、前記外部接続端子の直径の−２５％以上となるように設計し、それに基づいて製造することを特徴とする電子機器の製造方法。