JP5098224B2

JP5098224B2 - 半導体パッケージ

Info

Publication number: JP5098224B2
Application number: JP2006154921A
Authority: JP
Inventors: 康弘福山; 正樹廣田; 誠岩島; 志恵広瀬; 最実太田
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2006-06-02
Filing date: 2006-06-02
Publication date: 2012-12-12
Anticipated expiration: 2026-06-02
Also published as: JP2007324466A

Description

本発明は、素子基板の表面に形成した機能性素子を密閉空間内に封止した半導体装置およびその製造方法に関する。

デバイス素子の素子電極上に突起電極を設け、基板の底部に設けられた基板電極に突起電極を加圧することによって素子電極と基板電極とを電気的かつ機械的に接合する気密封止パッケージが従来技術として知られている（たとえば、特許文献１）。また、気密封止されたパッケージ内の不純物ガスを吸着するゲッタによりパッケージ内の真空度を長期間維持するものが従来から知られている（たとえば、特許文献２）。
特開２０００−３３７９５９号公報特開２０００−３３７９５９号公報

従来の気密封止パッケージの構造のまま、パッケージの実装面積を大きくすることなく、ゲッタを設けようとすると、ゲッタ量が少なく、真空度の維持期間が短いという問題点がある。

本発明の半導体パッケージは、表面に機能性素子が形成された素子基板と、ゲッタを設けた第１の基板と、第１の基板と接合して、第１の基板との間に素子基板を密閉する空間を形成する第２の基板とを備え、第１の基板と素子基板との間には、第１の基板と間隔を開けて素子基板を空間内で保持する保持部材を備え、第１の基板と素子基板のいずれか一方には保持部材を嵌合する凹部が設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、ゲッタ基板と素子基板との間には、ゲッタ基板と間隔を開けて素子基板を空間内で保持する保持部材を備え、第１の基板と素子基板のいずれか一方には保持部材を嵌合する凹部が設けられている。したがって、ゲッタ基板と素子基板との間にゲッタを設けることができ、パッケージサイズを大きくすることなくゲッタ量を大きくすることができる。

本発明の実施形態の赤外線センサ１について図１および図２を参照して説明する。図１（ａ）は赤外線センサ１の斜視図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ’線断面図である。図２は赤外線センサ１の分解図である。

赤外線センサ１は素子基板２と蓋基板３とゲッタ基板４とを備えている。素子基板２は、たとえばＳｉからなる半導体材料であり、表面に赤外線検出素子５を形成する。赤外線検出素子５は赤外線を検出する素子であり、赤外線検出素子５に設けられた受光部に赤外線が照射すると、受光部の温度が上昇し、その温度上昇を検出することによって赤外線を検出する。素子基板２の形成面には、赤外線検出素子５からの信号を出力し、Ａｕや半田などからなる、突起電極６を突設する。素子基板２の形成面と反対側の面には、突起電極６を設けた位置と素子基板２に対して対象の位置に凹部２ａを形成する。

蓋基板３は、たとえば、ＺｎＳやＧｅ、Ｓｉなど赤外線を透過する材料からなる。蓋基板３には、赤外線検出素子５の突起電極６から出力される信号を外部に取り出す貫通電極７を設ける。貫通電極７は、蓋基板３を貫通して蓋基板３の外面まで延設されており、素子基板２の突起電極６と機械的かつ電気的に接続している。

ゲッタ基板４は、蓋基板３と接合可能であり、かつ気密性を有する材料からなり、素子基板２を載置する凹部４ａが形成される。凹部４ａの底面には突起部４ｂを形成し、素子基板２の凹部２ａと嵌合させる。また凹部４ａの底面には、突起部４ｂを除いて、たとえばＺｒやＶ、Ｆｅなどの多孔質な合金からなるゲッタ８を設ける。ゲッタ８は、数百℃程度の温度で加熱処理することによって活性化される。ゲッタ基板４の凹部４ａは蓋基板３によって塞がれ、素子基板２は真空に密閉封止される。また、ゲッタ基板４の凹部４ａ内の不純物ガスはゲッタ８に吸着される。

次に、赤外線センサ１の製造方法について説明する。素子基板２の赤外線検出素子５は、公知のマイクロマシン技術によって素子基板２の表面に形成される。突起電極６は、ワイヤバンプ形成法やメッキバンプ法を用いて素子基板２の表面に形成される。凹部２ａは、エッチングやレーザ加工、サンドブラスト加工などによって形成される。

蓋基板３の貫通電極７は次のようにして形成される。蓋基板３にドリルやレーザ、サンドブラスト、エッチングなどにより貫通孔を形成する。そして、電界メッキ法やスパッタ法によって貫通孔の円筒面に金属層を形成した後、無電界メッキ法によって貫通孔を導電材料で充填し、貫通電極７を形成する。蓋基板３の材質がＳｉやＧｅといった抵抗値が低いものの場合は、貫通孔の円筒面に絶縁層を形成した後、金属層を形成する。

ゲッタ基板４の凹部４ａは、サンドブラストやエッチングなどによって形成される。凹部４ａを形成した後、同様にして突起部４ｂをサンドブラストやエッチングなどによって形成する。ゲッタ８は、蒸着法などによって凹部４ａの底面に形成される。ゲッタ８を形成した後、ゲッタ基板４を３００℃、１５分程度加熱し、ゲッタ８を活性化する。

以上のように作製した素子基板２、蓋基板３およびゲッタ基板４を、図３に示すようにして組み立てる。素子基板２をゲッタ基板４の凹部４ａに配置した後、図３（ａ）に示すように、ゲッタ基板４に振動を加える。その結果、素子基板２の凹部２ａはゲッタ基板４の突起部４ｂに嵌合し、所望の位置に素子基板２が搭載される。このとき、素子基板２の突起電極６の一部はゲッタ基板４の蓋基板３との接合面４ｃから突出している。

次に、図３（ｂ）に示すように、真空中で、ビーム源３１，３２から蓋基板３およびゲッタ基板４の接合面にＡｒイオンビームを照射し、それぞれの接合面を清浄化し活性化する。そして、図３（ｃ）に示すように、接合面が活性状態のまま真空中で蓋基板３とゲッタ基板４とを重ね合わせて加圧し、蓋基板３とゲッタ基板４とを表面活性接合により接合する。また、このとき、突起電極６は、蓋基板３からの加圧によって変形し、表面活性接合も伴い素子基板２の突起電極６と蓋基板３の貫通電極７との接続は強固なものとなる。以上のようにして赤外線検出素子５を真空封止した赤外線センサ１は作製される。

以上の実施形態による赤外線センサ１は次のような作用効果を奏する。
（１）ゲッタ基板４に突起部４ｂを突設し、素子基板２とゲッタ基板４との間に空間を形成した。したがって、素子基板２とゲッタ基板４との間にゲッタ８を設けることができ、赤外線センサ１のパッケージサイズを大きくすることなくゲッタ量を大きくすることができる。その結果、ゲッタ８が吸着することができる不純物ガス量が増え、ゲッタ基板４の凹部４ａ内の雰囲気を長期間維持することができ、赤外線検出素子５の信頼性を高めることができる。

（２）素子基板２の赤外線素子５形成面とは反対側の面に凹部２ａを形成し、ゲッタ基板４の突起部４ｂと嵌合するようにした。したがって、素子基板２の位置ズレを防止することができる。とくに、赤外線検出素子のような光学的デバイスの場合、光軸がずれると性能が劣化するので、その効果は大きい。また、位置ズレが大きいと、素子基板２の突起電極６と蓋基板３の貫通電極７との間に導通不良が発生する。

（３）素子基板２に対して突起電極６の位置の背面側の位置に素子基板２の凹部２ａを形成した。したがって、蓋基板３から突起電極６に加わる応力は、ゲッタ基板４の突起部４ｂから素子基板２の凹部２ａに加わる応力によって相殺され、素子基板２のそりを防止できる。

（４）ゲッタ基板４の突起部４ｂには、ゲッタ８を設けない。したがって、素子基板２の凹部２ａをゲッタ基板４の突起部４ｂに嵌合するとき、ゲッタ８のゲッタ材料が欠け落ちない。一方、ゲッタ基板４の突起部４ｂにゲッタ８が設けると、素子基板２の凹部２ａをゲッタ基板４の突起部４ｂに嵌合するときにゲッタ８のゲッタ材料が粉状に欠け落ち、その粉状のゲッタ材料が赤外線検出素子５を汚染する。

（５）素子基板２をゲッタ基板４の凹部４ａに配置した後、ゲッタ基板４に振動を加えることによって、素子基板２の凹部２ａをゲッタ基板４の突起部４ｂに嵌合させる。したがって、素子基板２をゲッタ基板４の凹部４ａ内に配置する位置精度が悪くても、ゲッタ基板４に振動を加えることによって正確な位置に素子基板２を搭載することができる。

以上の実施形態の赤外線センサ１を次のように変形することができる。
（１）素子基板２に形成された機能性素子は赤外線検出素子５であったが、密閉空間内に形成する機能性素子であれば実施形態に限定されない。たとえば、ジャイロセンサ素子や圧力センサ素子でもよい。この場合、蓋基板は赤外線を透過する必要がないので、気密性を有する材料であれば蓋基板３の材質は特に限定されない。たとえば、ガラスやセラミックでもよい。

（２）蓋基板３によって密閉されるゲッタ基板４の凹部４ａ内の雰囲気は、素子基板２に形成する機能性素子によって適宜選択することができる。たとえば、赤外線検出素子５の場合は真空にし、圧力センサ素子やジャイロセンサ素子の場合は希ガス雰囲気にしてもよい。

（３）表面活性接合によって蓋基板３とゲッタ基板４とを接合したが、蓋基板３の材質とゲッタ基板４の材質との組み合わせが、パイレックス（登録商標）ガラスとＳｉとの組み合わせなどの場合、陽極接合によって素子基板３とゲッタ基板４とを接合してもよい。また、基板加熱による直接接合によって接合してもよい。

（４）ゲッタ基板４に設けた突起部４ｂが素子基板２に当接することによって形成された、素子基板２とゲッタ基板４との間の空間に、ゲッタ８を設けたが、図４に示すように、素子基板２に設けた突起部９がゲッタ基板４に当接することによって形成された、素子基板２とゲッタ基板４との間の空間に、ゲッタを設けてもよい。この場合も、パッケージサイズを大きくすることなくゲッタ量を増やすことができる。また、突起部９を突起電極６と同じ材料にすることによって、突起電極６と同様なプロセスによって素子基板２の突起部９を形成することができ、製造工程を簡略化することができる。たとえば、メッキバンプ法によって、素子基板２にＡｕメッキバンプの突起電極６とＡｕメッキバンプの突起部９とを形成する。この場合、素子基板２の位置決めのために、ゲッタ基板４の凹部４ａの底面に凹部４ｄを形成する。また、ゲッタ基板４の凹部４ｄにゲッタ８を設けないことによって、ゲッタ材料の欠け落ちを防止することができる。

（５）素子基板２の位置決めのために、素子基板２に凹部２ａを形成し、ゲッタ基板４に突起部４ｂを形成したが、図５に示すように、素子基板２およびゲッタ基板４に凹部２ａ，４ｄを形成し、素子基板２およびゲッタ基板４の凹部２ａ，４ｄにボールやロッドなどの挟持部材１０を嵌合して、素子基板２を位置決めするようにしてもよい。挟持部材１０を素子基板２とゲッタ基板４とによって挟み込むことによって、素子基板２とゲッタ基板４との間に空間が形成され、その空間にゲッタ８を設けることができる。

（６）ゲッタ基板４に凹部４ａを形成して、素子基板２を密閉封止する空間を形成したが、図６に示すように、蓋基板３Ａに凹部３ａを形成して、素子基板２を密閉封止する空間を形成してもよい。

（７）ゲッタ基板４に振動を加えることによって、ゲッタ基板４の凹部４ａ内に素子基板２を精度よく搭載したが、素子基板２の突起電極６やゲッタ基板４の突起部４ｂ、蓋基板３の貫通電極７などを目印として、アライメント手法によって位置決めし、素子基板２を精度よく搭載できるようにしてもよい。

本発明は、その特徴的構成を有していれば、以上説明した実施の形態になんら限定されない。

図１（ａ）は本発明の実施形態の赤外線センサの斜視図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ’線断面図である。本発明の実施形態の赤外線センサの分解図である。本発明の実施形態の赤外線センサの組立工程を説明するための図である。図４（ａ）は素子基板の両面に突起部を設けた赤外線センサの構成を説明するための図であり、図４（ｂ）はその分解図である。図５（ａ）は素子基板およびゲッタ基板に形成した凹部に挟持部材を嵌合させる赤外線センサの構成を説明するための図であり、図５（ｂ）はその分解図である。蓋基板に凹部を形成して素子基板を密閉封止した赤外線センサを説明するための図である。

符号の説明

１、１Ａ，１Ｂ，１Ｃ赤外線センサ２素子基板
２ａ，３ａ，４ａ，４ｄ凹部３，３Ａ蓋基板
４，４Ａゲッタ基板４ｂ，９突起部
５赤外線検出素子６突起電極
７貫通電極８ゲッタ
１０挟持部材

Claims

表面に機能性素子が形成された素子基板と、
ゲッタを設けた第１の基板と、
前記第１の基板と接合して、前記第１の基板との間に前記素子基板を密閉する空間を形成する第２の基板とを備え、
前記第１の基板と前記素子基板との間には、前記第１の基板と間隔を開けて前記素子基板を前記空間内で保持する保持部材を備え、
前記第１の基板と前記素子基板のいずれか一方には前記保持部材の端部を嵌合する凹部が設けられていることを特徴とする半導体パッケージ。
請求項１に記載の半導体パッケージにおいて、
前記保持部材は、前記第１の基板に突設された突起部であり、前記素子基板に前記突起部と嵌合する前記凹部が形成されていることを特徴とする半導体パッケージ。
請求項１に記載の半導体パッケージにおいて、
前記保持部材は、前記素子基板に突設された突起部であり、前記第１の基板に前記突起部と嵌合する前記凹部が形成されていることを特徴とする半導体パッケージ。
請求項１に記載の半導体パッケージにおいて、
前記保持部材は、前記第１の基板と前記素子基板との間に挟持される挟持部材であり、
前記第１の基板と前記素子基板に前記挟持部材を挟み込む面に前記凹部が形成され、
前記挟持部材は、前記第１の基板の前記凹部および前記素子基板の前記凹部に嵌合されることを特徴とする半導体パッケージ。
請求項２または４に記載の半導体パッケージにおいて、
前記第２の基板は、前記密閉空間内の機能性素子からの信号を外部に取り出すための電極を備え、
前記素子基板は、前記機能性素子からの信号を出力し、前記第２の基板の電極に当接する突起電極を備え、
前記突起電極を、前記素子基板に対して前記素子基板に設けられた前記凹部の位置の面対象の位置に設けることを特徴とする半導体パッケージ。
請求項３または４に記載の半導体パッケージにおいて、
前記第１の基板に、前記凹部以外にゲッタを設けることを特徴とする半導体パッケージ。
請求項３に記載の半導体パッケージにおいて、
前記第２の基板は、前記密閉空間内の機能性素子からの信号を外部に取り出すための電極を備え、
前記素子基板は、前記突起部が形成された面の反対側の面に、前記機能性素子からの信号を出力し、前記第２の基板の電極に当接する突起電極を備え、
前記素子基板の突起部は前記突起電極と同じ材料であることを特徴とする半導体パッケージ。
第１の基板と第２と基板とを接合して、前記第１の基板と前記第２の基板との間に形成された空間に、機能性素子が形成された素子基板を密閉した半導体パッケージの製造方法において、
前記素子基板の表面または前記第１の基板の表面のいずれか一方に凹部を形成し、他方に前記凹部に対応する突起部を形成し、
前記第１の基板の表面にゲッタを形成し、
前記素子基板と前記第１の基板とを、前記凹部を形成した面と前記突起部を形成した面とが対向するように、前記素子基板を前記第１の基板に配置した後、前記第１の基板に振動を加えることによって、前記突起部を前記凹部に嵌合させることを特徴とする半導体パッケージの製造方法。
第１の基板と第２と基板とを接合して、前記第１の基板と前記第２の基板との間に形成された空間に、機能性素子が形成された素子基板を密閉した半導体パッケージの製造方法において、
素子基板の一面に前記機能性素子の信号を出力する突起電極を形成すると共に前記突起電極が形成され前記一面と反対側の面に凹部を形成し、
前記第１の基板の表面にはゲッタと、突起部を形成し、
前記第２の基板には前記密閉空間内の機能性素子からの信号を外部に取り出すための電極を形成し、
前記素子基板の前記突起電極、前記第１の基板の前記突起部および前記第２の基板の電極を目印にして、前記素子基板、前記第１の基板および前記第２の基板の位置合わせをすることを特徴とする半導体パッケージの製造方法。