JP5168819B2

JP5168819B2 - 半導体パッケージおよびその製造方法

Info

Publication number: JP5168819B2
Application number: JP2006154920A
Authority: JP
Inventors: 志恵広瀬; 康弘福山; 誠岩島
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2006-06-02
Filing date: 2006-06-02
Publication date: 2013-03-27
Anticipated expiration: 2026-06-02
Also published as: US7745923B2; JP2007324465A; US20070278649A1

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に封止した半導体パッケージおよびその製造方法に関する。

半導体素子基板の表面に形成した半導体素子を密閉空間内に封止した半導体パッケージとして、ウエハレベルパッケージが知られている。このウエハレベルパッケージでは、半導体素子を形成したウエハに基板を接合して半導体素子を密閉空間内に封止する。そして、ウエハを基板に接合する方法として半田を使用したものが従来技術として知られている（たとえば、特許文献１参照）。
特開２００５−２５１８９８号公報

特許文献１のような従来のウエハレベルパッケージでは、半導体素子を囲むように半田を塗布してウエハを接合する。ところで、ウエハを接合するための半田は金属であるので、半導体素子の電極パッドと接触しないようにするため、半田と電極パッドとの間隔を離しておく必要がある。このため、特許文献１のウエハレベルパッケージでは、パッケージのサイズが大きくなるという問題点がある。

本発明の半導体パッケージは、機能性素子を表面に形成した素子基板と、機能性素子を囲うように素子基板に接合した額縁形状のリム基板と、リム基板の開口部を塞ぐようにリム基板に接合した蓋基板とを備え、素子基板は、機能性素子の外周部に機能性素子の信号を出力する引出電極を備え、リム基板は、リム基板を貫通する第１の貫通孔と、第１の貫通孔に導体材料を充填して形成し、引出電極の信号引出口を封止し、信号引出口と取出電極とを電気的に接続する接続電極とを備え、蓋基板は、蓋基板を貫通する第２の貫通孔と、第２の貫通孔に導体材料を充填して形成し、機能性素子の信号を外部に取り出す取出電極とを備え、第１の貫通孔の素子基板側の断面積は、第１の貫通孔の蓋基板側の断面積より大きいことを特徴とする。
また、本発明の半導体パッケージは、機能性素子を表面に形成した素子基板と、機能性素子を囲うように素子基板に接合した額縁形状のリム基板と、リム基板の開口部を塞ぐようにリム基板に接合した蓋基板とを備え、素子基板は、機能性素子の外周部に機能性素子の信号を出力する引出電極を備え、リム基板は、リム基板を貫通する第１の貫通孔と、素子基板との接合面に引出電極に沿って形成され、第１の貫通孔をリム基板の内面に連通する溝とを有し、第１の貫通孔および溝に導体材料を充填して形成し、引出電極の信号引出口を封止し、信号引出口と取出電極とを電気的に接続する接続電極とを備え、蓋基板は、蓋基板を貫通する第２の貫通孔と、第２の貫通孔に導体材料を充填して形成し、機能性素子の信号を外部に取り出す取出電極とを備えることを特徴とする。
本発明の半導体パッケージの製造方法は、機能性素子と機能性素子の外周部に機能性素子の信号を出力する引出電極とを表面に形成した素子基板と、機能性素子を囲うように素子基板に接合した額縁形状のリム基板と、リム基板の開口部を塞ぐようにリム基板に接合した蓋基板とを備えた半導体パッケージの製造方法において、リム基板を貫通する第１の貫通孔を形成し、第１の貫通孔を形成したリム基板を素子基板に接合し、リム基板を素子基板に接合した後、第１の貫通孔に導体材料を充填して引出電極に接続された接続電極を形成し、第１の貫通孔に導体材料を充填した後、蓋基板を貫通する第２の貫通孔を形成し、第２の貫通孔を形成した蓋基板をリム基板に接合し、第２の貫通孔に導体材料を充填して接続電極に接続された取出電極を形成することを特徴とする。
さらに、本発明の半導体パッケージは、機能性素子と機能性素子の外周部に機能性素子の信号を出力する引出電極とを表面に形成した素子基板と、機能性素子を囲うように素子基板に接合した額縁形状のリム基板と、リム基板の開口部を塞ぐようにリム基板に接合した蓋基板とを備えた半導体パッケージの製造方法において、リム基板に、リム基板を貫通する第１の貫通孔を形成すると共に、リム基板の素子基板に対する接合面に引出電極に沿って、第１の貫通孔をリム基板の内面に連通する溝を形成し、第１の貫通孔および溝に導体材料を充填して引出電極に接続された接続電極を形成し、蓋基板を貫通する第２の貫通孔を形成し、第２の貫通孔に導体材料を充填して接続電極に接続された取出電極を形成することを特徴とする。

本発明によれば、貫通孔を形成したリム基板と、貫通孔に導体材料を充填して形成した電極によって、機能性素子を形成した素子基板と蓋基板との間に空間を形成して機能性素子をその空間に封止した。したがって、機能性素子を封止するための領域とは別に、機能性素子の信号を外部へ取り出すための電極を設けるための領域を素子基板上に設ける必要がないので、半導体パッケージを小型化することができる。

本発明の実施形態の赤外線センサ１について図１を参照して説明する。図１（ａ）は赤外線センサ１を上から見たときの平面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ’線断面図である。

赤外線センサ１は、素子基板２、蓋基板３およびリム基板４を備える。半導体素子基板２は、たとえばＳｉからなり、表面には赤外線検出素子５を形成する。この赤外線検出素子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されると、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。赤外線検出素子５の周囲には赤外線検出素子５からの信号を出力する引出電極６が設けられる。引出電極６は、たとえばＡｌやＣｕなどの金属からなり、赤外線検出素子５からの信号を取り出すＰＡＤ開口部６ａ以外の領域が絶縁膜７によって被覆される。

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を後述するリム基板４の開口部を覆うようにして、半導体素子基板２と接合したリム基板４に接合すると、赤外線検出素子５と蓋基板３との間に空間８が生じ、この空間８によって赤外線検出素子５は封止される。

蓋基板３には、貫通孔９を形成する。貫通孔９には導体材料を充填し、取出電極１０が形成される。取出電極１０は、ワイヤやバンプによって赤外線センサ１を搭載する回路基板と接続する。

リム基板４は、ガラス、絶縁性セラミックまたはシリコンなどの加工しやすい絶縁材料からなる、額縁形状の板状基板である。リム基板４は、赤外線検出素子５を囲うように設けられる。リム基板４にも、貫通孔１１を形成する。貫通孔１１には導体材料を充填し、接続電極１２を形成する。接続電極１２は、素子基板２のＰＡＤ開口部６ａと蓋基板３の取出電極１０とを接続する。また、接続電極１２によって、引出電極６や絶縁層７を封止する。

リム基板４に形成された貫通孔１１について、図２および図３を参照して詳細に説明する。図２（ａ）はリム基板４を上から見たときの平面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）のＢ−Ｂ’線断面図である。図３は貫通孔１１の拡大図である。貫通孔１１の断面積は一定ではなく、蓋基板３側の貫通孔１１ａの断面積に比べて素子基板２側の貫通孔１１ｂの断面積が大きくなっている。これは、貫通孔１１に充填される導体材料によって引出電極６を封止するためである。導体材料で封止するのは、引出電極６や絶縁層７によって素子基板２の表面に凹凸が生ずるため、リム基板４と素子基板２との接合によって、引出電極６や絶縁層７を形成した箇所を封止することは困難であるからである。

図２（ｂ）、図３に示すように、リム基板４に形成した溝１１ｃによって、貫通孔１１はリム基板４の内面２１に連通している。これは、貫通孔１１に導体材料を充填するときの貫通孔１１の空気を排気するためと、引出電極６のＰＡＤ開口部６ａ近傍のみならず、引出電極６のリム基板４に覆われる領域全体を導体材料によって封止するためである。

貫通孔の空気を排気できるため、貫通孔１１を導体材料によって完全に充填できる。また、リム基板４に覆われる領域全体の引出電極６を封止するので、リム基板４と引出電極６との間の隙間における不純物ガスの残留または不純物ガスの発生を防止することができる。

リム基板４に形成した溝１１ｃの深さは一定ではなく、内面２１の出口付近の溝１１ｃの深さが浅くなっている（１１ｄ）。これは、導体材料を貫通孔１１に充填するとき、赤外線検出素子４への導体材料の流れ込みを防止するためである。

次に、赤外線センサ１の製造方法について図４〜図９を参照して説明する。図４に示すように、素子基板２の表面に公知のマイクロマシン技術によって赤外線検出素子５を形成する。そして、埋め込み配線技術によって赤外線検出素子５の周囲に引出電極６を形成する。さらに、表面に絶縁膜７を成膜して、ＰＡＤ開口部６ａを形成する。

次に、図５に示すように、赤外線検出素子５を形成した素子基板２に、貫通孔１１を形成したリム基板４を接合する。貫通孔１１を、マスクを使用したパターニングやレーザ、サンドブラストなどによって形成する。

素子基板２とリム基板４との接合について、図６を参照して説明する。素子基板２とリム基板４とを接合用真空装置６０のチャンバ６１内に設置して接合は行われる。接合用真空装置６０は、チャンバ６１、上部試料ホルダ６２、下部試料ホルダ６３、およびビーム源６４，６５を備える。チャンバ６１は不図示の真空ポンプにより真空排気されている。上部試料ホルダ６２はチャンバ６１の上面側に設けられ、リム基板４を保持する。上部試料ホルダ６２は上下移動可能であり、リム基板４を素子基板２と接合する位置まで移動できる。下部試料ホルダ６３はチャンバ６１の下面側に設けられ、素子基板２を保持する。ビーム源６４は、上部試料ホルダ６２の保持されたリム基板４にＡｒイオンビームを照射し、ビーム源６５は、下部試料ホルダ６３に保持された素子基板２にＡｒイオンビームを照射する。

リム基板４にＡｒイオンビームを照射すると、リム基板４の接合面がスパッタエッチングされる。このため、リム基板４の表面を覆っていた汚染物や水分などは除去され、リム基板４の接合面は活性な状態になる。一方、素子基板２の接合面についても、Ａｒイオンビームを照射すると、表面を覆っていた汚染物や、酸化膜、水酸基、水分などは除去され、素子基板２の接合面は活性な状態になる。

Ａｒイオンビームの照射後、上部試料ホルダ６２を下方に移動し、接合面が活性状態のまま真空中でリム基板４と素子基板２を重ね合わせると、素子基板２とリム基板４とは接合する（表面活性化接合）。

次に、図７に示すように、リム基板４の貫通孔１１に溶融した導体材料７１、たとえば半田を注入する。そして、貫通孔１１に注入した導体材料が固化するまで放置する。

次に、図８に示すように、貫通孔９を形成した蓋基板３をリム基板４に接合する。ここで、貫通孔９を予め、ドリルやレーザ、サンドブラストなどによって蓋基板３に形成する。蓋基板３とリム基板４との接合は、半導体素子基板２とリム基板４との接合と同様に表面活性化接合によって行う。

リム基板４との接合の後、蓋基板３の貫通孔９に溶融した導体材料、たとえば半田を注入する。蓋基板３の貫通孔９に注入する導体材料は、リム基板４の貫通孔１１に注入する導体材料の融点より低いものを使用する。貫通孔９に導体材料を注入した後、導体材料が固化するまで放置する。

図２〜図８では、１つの素子基板２、１つの蓋基板３および１つのリム基板４によって１つの赤外線センサ１を形成したが、実際は、図９に示すように、１つの素子基板２、１つの蓋基板３および１つのリム基板４によって複数の赤外線センサ１を一括に形成する。以下、一括形成された複数の赤外線センサの集合体を赤外線センサ集合体９０と呼ぶ。赤外線センサ集合体９０には、赤外線センサ１を縦横並列に複数形成する。貫通孔９に導体材料を注入して放置した後、図９に示すように、Ｇ−Ｇ’線、Ｈ−Ｈ’線、Ｉ−Ｉ’線およびＪ−Ｊ’線に沿ってダイシングして赤外線センサ集合体９０を個片化し、図１の赤外線センサ１が作製される。

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）貫通孔１１を形成したリム基板４と、貫通孔１１に導体材料を充填して形成した接続電極１２とによって、赤外線検出素子５を形成した素子基板２と蓋基板３との間に空間８を形成して赤外線検出素子５をその空間８に封止した。したがって、赤外線検出素子５を封止するための領域とは別に、赤外線検出素子５の信号を外部へ取り出すための電極を設けるための領域を素子基板２上に設ける必要がないので、赤外線センサ１を小型化することができる。

（２）蓋基板３の貫通孔９を充填する導体材料の融点はリム基板４の貫通孔１１を充填する導体材料の融点より低いものとした。したがって、蓋基板３の貫通孔９に導体材料を注入する際、リム基板４の接続電極１２からの導体材料の溶け出しや接続電極１２の再溶融を抑制することができる。

（３）ＰＡＤ開口部６ａが形成されている箇所など、素子基板２の凹凸が形成されている箇所を貫通孔１１内に含む程、リム基板４の素子基板２側の貫通孔１１ｂの断面積を大きくした。したがって、接続電極１２によって素子基板２の凹凸が形成されている箇所を封止することができ、素子基板２とリム基板４との接合によっては封止が困難な箇所も確実に封止することができる。

（４）リム基板４の蓋基板３側の貫通孔１１ａの断面積を素子基板２側の貫通孔１１ｂの断面積に比べて小さくした。したがって、素子基板２の凹凸が形成されている箇所を接続電極１２によって封止することができる程、貫通孔１１ｂの断面積を大きくしても、貫通孔１１形成によるリム基板４の強度低下を抑制できる。

（５）リム基板４の蓋基板３側の貫通孔１１ａの断面積に比べて蓋基板３の貫通孔９の断面積を大きくした。したがって、リム基板４の貫通孔１１の位置が多少ずれても、リム基板の接続電極１２と蓋基板３の取出電極１０との電気的接続を取ることができる。

（６）リム基板４の素子基板２との接合面に貫通孔１１とリム基板４の内面２１とが連通する溝１１ｃを形成した。このため、引出電極６や絶縁層７のリム基板４に覆われる領域全体の接続導体１２による封止が可能となる。これによって、赤外線検出素子５を密閉する空間８を確実に封止することができる。また、貫通孔１１に導体材料を注入するとき、貫通孔１１内の空気は溝１１ｃを通過して外部に排出されるので、貫通孔１１内の導体材料の充填が可能となる。

（７）リム基板４に形成した溝１１ｃの、内面２１の開放端近傍（１１ｄ）の深さを浅くした。したがって、貫通孔１１に導体材料と注入するとき、赤外線検出素子４への導体材料の流れ込みを防止することができる。また、内面２１の近傍まで導体材料の充填が可能となり、確実に接続導体１２によって封止することができる。さらに、接続導体１２によってリム基板４と絶縁層７との間の隙間がなくなるので、空間８内にゲッタを設けたときにゲッタに吸着する不純物ガス量を少なくできる。

（８）リム基板４は板状の基板であるので、押し付けて接合するバンプなどと異なり、素子基板２と蓋基板３との間隔を均一に保てる。

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４であったが、基板上に形成され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、圧力センサ素子や加速度検出素子、ジャイロ素子、ＣＣＤ（Charge Coupled Device ）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、蓋基板を、赤外線の透過性を有しないものとしてもよい。

（２）図１０に示すように、半導体パッケージ１００の機能性素子１０１が形成された空間８に不純物ガスを吸収するゲッタ１０２を設けてもよい。空間８が真空密閉されているとき、高真空度を維持することができる。

（３）蓋基板３の貫通孔９の導体材料に対する濡れ性を良好にするため、導体材料を注入する前に、貫通孔９の表面をメッキしてもよい。導体材料との濡れ性が良好になると導体材料と貫通孔９との間の密着性が高くなり、導体材料の充填性が上がる。また、同様に、リム基板４の貫通孔１１の表面をメッキしてもよい。

（４）引出電極６は、メタル配線のほかに、ポリＳｉ配線および拡散層配線でもよい。

（５）素子基板２とリム基板４との接合および蓋基板３とリム基板４との接合を表面活性化接合によって行ったが、陽極接合などによって行ってもよい。また、機能性素子によっては接合を真空中のみならず大気中で行ってもよい。

（６）図１１に示すように、赤外線センサ集合体９０Ａに形成されている赤外線センサの取出電極１０および不図示の接続電極１２、ＰＡＤ開口部６ａを隣接する赤外線センサと共有化し、取出電極１０および不図示の接続電極１２、ＰＡＤ開口部６ａの部分（Ｋ−Ｋ’線、Ｌ−Ｌ’線、Ｍ−Ｍ’線、Ｎ−Ｎ’線）を切断して分割し、個片化して、図１２に示す赤外線センサ１Ａを得るようにしてもよい。取出電極１０および不図示の接続電極１２、ＰＡＤ開口部６ａの部分を切断しても、貫通孔９，１１に導体材料が充填されているため、空間８の密閉性は保てる。このようにすることによって、赤外線センサ１Ａを実施形態の赤外線センサ１より小型化することができる。

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平面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ’線断面図である。図２（ａ）はリム基板の平面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）のＢ−Ｂ’線断面図である。リム基板に形成した貫通孔を説明するための図である。図４（ａ）は赤外線検出素子を形成した素子基板の平面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）のＣ−Ｃ’線断面図である。図５（ａ）はリム基板を素子基板に接合する工程を説明するための図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）のＤ−Ｄ’線断面図である。接合用真空装置を説明するための図である。図７（ａ）はリム基板の貫通孔に導体材料を注入する工程を説明するための図であり、図７（ｂ）は図７（ａ）のＥ−Ｅ’線断面図である。図８（ａ）はリム基板に蓋基板を接合する工程を説明するための図であり、図７（ｂ）は図７（ａ）のＦ−Ｆ’線断面図である。赤外線センサのダイシングの工程を説明するための図である。ゲッタを設けた半導体パッケージを説明するための図である。他の実施形態の赤外線センサのダイシングの工程を説明するための図である。図１２（ａ）は他の実施形態の赤外線センサの平面図であり、図１２（ｂ）は図１２（ａ）のＰ−Ｐ’線断面図である。

符号の説明

１，１Ａ赤外線センサ２素子基板
３蓋基板４リム基板
５赤外線検出素子６引出電極
６ａＰＡＤ開口部７絶縁層
９，１１貫通孔１０取出電極
１２接続電極９０，９０Ａ赤外線センサ集合体
１００半導体パッケージ１０１機能性素子
１０２ゲッタ

Claims

機能性素子を表面に形成した素子基板と、
前記機能性素子を囲うように前記素子基板に接合した額縁形状のリム基板と、
前記リム基板の開口部を塞ぐように前記リム基板に接合した蓋基板とを備え、
前記素子基板は、前記機能性素子の外周部に前記機能性素子の信号を出力する引出電極を備え、
前記リム基板は、前記リム基板を貫通する第１の貫通孔と、前記第１の貫通孔に導体材料を充填して形成し、前記引出電極の信号引出口を封止し、前記信号引出口と取出電極とを電気的に接続する接続電極とを備え、
前記蓋基板は、前記蓋基板を貫通する第２の貫通孔と、前記第２の貫通孔に導体材料を充填して形成し、前記機能性素子の信号を外部に取り出す前記取出電極とを備え、
前記第１の貫通孔の前記素子基板側の断面積は、前記第１の貫通孔の前記蓋基板側の断面積より大きいことを特徴とする半導体パッケージ。
機能性素子を表面に形成した素子基板と、
前記機能性素子を囲うように前記素子基板に接合した額縁形状のリム基板と、
前記リム基板の開口部を塞ぐように前記リム基板に接合した蓋基板とを備え、
前記素子基板は、前記機能性素子の外周部に前記機能性素子の信号を出力する引出電極を備え、
前記リム基板は、前記リム基板を貫通する第１の貫通孔と、前記素子基板との接合面に前記引出電極に沿って形成され、前記第１の貫通孔を前記リム基板の内面に連通する溝とを有し、前記第１の貫通孔および前記溝に導体材料を充填して形成し、前記引出電極の信号引出口を封止し、前記信号引出口と取出電極とを電気的に接続する接続電極とを備え、
前記蓋基板は、前記蓋基板を貫通する第２の貫通孔と、前記第２の貫通孔に導体材料を充填して形成し、前記機能性素子の信号を外部に取り出す前記取出電極とを備えることを特徴とする半導体パッケージ
請求項２に記載の半導体パッケージにおいて、
前記溝は、前記リム基板の内面の近傍で深さが浅くなっていることを特徴とする半導体パッケージ。
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体パッケージにおいて、
前記第２の貫通孔に充填する導体材料の融点は、前記第１の貫通孔に充填する導体材料の融点より低いことを特徴とする半導体パッケージ。
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の半導体パッケージにおいて、
前記第２の貫通孔の断面積は、前記第１の貫通孔の前記蓋基板側の断面積より大きいことを特徴とする半導体パッケージ。
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の半導体パッケージにおいて、
前記機能性素子は赤外線検出素子であることを特徴とする半導体パッケージ。
機能性素子と前記機能性素子の外周部に前記機能性素子の信号を出力する引出電極とを表面に形成した素子基板と、
前記機能性素子を囲うように前記素子基板に接合した額縁形状のリム基板と、
前記リム基板の開口部を塞ぐように前記リム基板に接合した蓋基板とを備えた半導体パッケージの製造方法において、
前記リム基板を貫通する第１の貫通孔を形成し、
前記第１の貫通孔を形成したリム基板を前記素子基板に接合し、
前記リム基板を前記素子基板に接合した後、前記第１の貫通孔に導体材料を充填して前記引出電極に接続された接続電極を形成し、
前記第１の貫通孔に導体材料を充填した後、前記蓋基板を貫通する第２の貫通孔を形成し、
前記第２の貫通孔を形成した蓋基板を前記リム基板に接合し、
前記第２の貫通孔に導体材料を充填して前記接続電極に接続された取出電極を形成することを特徴とする半導体パッケージの製造方法。
機能性素子と前記機能性素子の外周部に前記機能性素子の信号を出力する引出電極とを表面に形成した素子基板と、
前記機能性素子を囲うように前記素子基板に接合した額縁形状のリム基板と、
前記リム基板の開口部を塞ぐように前記リム基板に接合した蓋基板とを備えた半導体パッケージの製造方法において、
前記リム基板に、前記リム基板を貫通する第１の貫通孔を形成すると共に、前記リム基板の前記素子基板に対する接合面に前記引出電極に沿って、前記第１の貫通孔を前記リム基板の内面に連通する溝を形成し、
前記第１の貫通孔および前記溝に導体材料を充填して前記引出電極に接続された接続電極を形成し、
前記蓋基板を貫通する第２の貫通孔を形成し、
前記第２の貫通孔に導体材料を充填して前記接続電極に接続された取出電極を形成することを特徴とする半導体パッケージの製造方法。