JP5498684B2 - 半導体モジュール及びその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体モジュール、特に透光性カバーを有するウエハレベルタイプの半導体モジュール及びその製造方法に関するものである。
ＣＭＯＳイメージセンサに代表されるセンサデバイスは携帯電話等の携帯機器において画像撮影用に適用されている。画像撮影用のセンサデバイスは、レンズ、画像処理チップ、センサ本体の半導体チップ、基板、筐体等の部材を含めたカメラユニットとして構成され、携帯機器に組み込まれている。
携帯機器の高機能化や薄型化対応により、カメラユニットの小型化が強く要望されている。このため、ユニットメーカではセンサの小型化やレンズと半導体チップの一体化等が行われている。
センサの小型化の代表としてＣＳＰ（Chip Size Package）が適用されている。特許文献１には、ＣＳＰの一種であるＷ−ＣＳＰ（Wafer level Chip Size Package）を用いた光学装置用の半導体モジュールが示されている。この半導体モジュールにおいては、半導体チップである固体撮像素子が透光性カバーとしての透光性蓋部で覆われ、固体撮像素子における外周領域に配置された電極パッドが貫通孔内の再配線を介して固体撮像素子裏面（透光性蓋部側面とは反対側面）の外部接続端子に電気的に接続した構成となっている。透光性蓋部上にはレンズを有するレンズユニットが固定され、レンズに入射した光は、透光性蓋部を透過して固体撮像素子の有効画素領域（受光素子部分）に達し、そこにおいて光電変換素子により生成された電気信号を、固体撮像素子の裏面に設けられた外部接続端子から取り出すことができるように形成されている。
特開２００７−１２９１６４号公報
しかしながら、かかる特許文献１に示された従来のＣＳＰ構造では、透光性蓋部、すなわち透光性カバー側面から光が入り込んでそれが受光素子に達するためセンサとして予め定められた性能が得られなくなるという問題があった。また、特許文献１に示されたようにレンズユニットが透光性カバーに固定される半導体モジュールにおいては、透光性カバーの厚み誤差或いはレンズユニットと透光性カバーとの接着厚み誤差があると、レンズと半導体チップ表面との間が適切な距離とならず、焦点が合う範囲が所望の範囲から変化したり焦点が全く合わなくなるという問題があった。
そこで、本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、その主な目的は、ＣＳＰの透光性カバー側面からの不要な光の入射を防止しつつレンズと半導体チップ表面との間の距離を公差内に容易にすることができる半導体モジュール及びその製造方法を提供することである。
本発明の半導体モジュールは、表面に受光素子が形成された半導体チップと、表面、裏面及び側面を備え、その裏面が前記半導体チップの表面を覆うように前記半導体チップの表面と対向して配置された透光性カバーと、前記透光性カバーの表面の外周領域及び側面と前記半導体チップの第１の側面とを被覆する遮光層と、を有し、前記半導体チップの第２の側面と前記遮光層の側面とは切断により同一面を構成することを特徴としている。
また、本発明の半導体モジュールは、表面に受光素子が形成された半導体チップと、表面、裏面及び側面を備え、その裏面が前記半導体チップの表面を覆うように前記半導体チップの表面と対向して配置された透光性カバーと、前記透光性カバーの表面の外周領域及び側面と前記半導体チップの側面の一部とを被覆する遮光層と、光を前記透光性カバーを介して前記受光素子に集光させる集光部と前記集光部を支持する支持部とを有し、前記透光性カバー上に前記支持部を介して搭載されたレンズユニットと、を備え、前記支持部は前記外周領域の前記遮光層上に固定されていることを特徴としている。
本発明の半導体モジュールの製造方法は、受光素子が形成された半導体チップの表面を覆うように前記半導体チップの表面と対向して透光性カバーが配置される半導体モジュールの製造方法であって、表面に、受光素子が形成された領域を含む複数の半導体チップ形成領域を備えた半導体素子ウエハを準備する工程と、前記半導体素子ウエハの表面と、前記透光性カバーを複数なすための透光性ウエハと、を接着層を介して貼り合わせて半導体ウエハを形成する接着工程と、前記複数の半導体チップ形成領域各々の周囲に前記透光性ウエハの表面から前記半導体素子ウエハの途中に至る溝を形成する溝形成工程と、前記溝内及び前記透光性ウエハの表面の前記溝に隣接する両近傍領域上に遮光層を形成する工程と、前記半導体素子ウエハの表面と前記近傍領域上の前記遮光層の表面との間が所定の距離となるように前記近傍領域上の前記遮光層の表面を研磨する研磨工程と、前記溝内の前記遮光層及びそれに続く前記半導体素子ウエハ部分で前記半導体ウエハを個片化して前記半導体モジュールとする個片化工程と、を備えたことを特徴としている。
本発明の半導体モジュールによれば、透光性カバーのレンズユニットが取り付けられる側の表面の外周領域及び透光性カバー側面上に有色の遮光層が形成されているので、透光性カバー側面から光が入り込むことが防止される。よって、不要な光による半導体チップの受光素子のセンサ性能の低下を防止させることができる。また、透光性カバーのレンズユニット側の表面の外周領域上の遮光層の厚さを調整することにより、その遮光層の表面と半導体チップの表面との間を所定の距離の公差内に入るように定めることが容易に可能であるので、遮光層の表面にレンズユニットを固定するだけで、レンズと受光素子との距離を適切にして焦点が合うようにすることができる。更に、透光性カバーの外周領域が遮光層によって保護されるので、半導体モジュール製造の際のハンドリンク時に衝撃により透光性カバーの一部が欠けるなどの不具合を防止することができる。
また、本発明の半導体モジュールの製造方法によれば、半導体素子ウエハの半導体チップ形成領域各々の周囲に透光性ウエハの表面から半導体素子ウエハの途中までに至る溝を形成し、その溝内及び透光性ウエハの表面の溝に隣接する両近傍領域上に遮光層を形成するので、透光性カバー側面から光が入り込むことが防止される。よって、不要な光による半導体チップの受光素子のセンサ性能の低下を防止させることができる。また、半導体素子ウエハの表面の受光素子と遮光層の表面との間が所定の距離となるように遮光層の表面を研磨するので、その遮光層の表面と受光素子との間を所定の距離の公差内に入るように定めることが可能となり、遮光層の表面にレンズユニットを取り付けるだけで、レンズと受光素子との距離を適切にして焦点が合うようにすることができる。更に、透光性カバーの外周領域が遮光層によって保護されるので、半導体モジュール製造の際のハンドリンク時に衝撃により透光性カバーの一部が欠けるなどの不具合を防止することができる。
以下、本発明の実施例を図面を参照しつつ詳細に説明する。
図１(a)は実施例としてＷ−ＣＳＰの半導体モジュールの断面を示し、図１(b)は図１(a)の半導体モジュールのレンズユニットを除いた上面、すなわち図１(a)のＶ−Ｖ線部分を示している。
この半導体モジュールにおいては、ＣＭＯＳイメージセンサ等の半導体チップ３が、中央部分に４角形の開口窓２ａを有する環状の封止材２（接着層）を介してカバーガラス１で蓋をされている。カバーガラス１は４角形の形状の表面及び裏面を有し、表面と裏面との間に所定の厚みの側面を有している。
半導体チップ３は表面（すなわちカバーガラス１側の面）側の例えば、中央に半導体本体である受光素子（図示せず）が設けられている。また、半導体チップ３の表面の外周領域にはその受光素子の入出力部を構成する複数の電極パッド部（図示せず）が備えられている。更に、半導体チップ３の各電極パッド部直下には表面と裏面（カバーガラス１側面とは反対側面）と間の貫通孔４が形成されている。その貫通孔４内及び半導体チップ３の裏面には配線５が設けられ、その裏面側の配線５の端部には端子７が形成されている。上記の電極パッド部と端子７との間は、貫通孔４内から半導体チップ３の裏面に至る配線５を介して電気的に導通している。半導体チップ３の裏面には端子７を除いて絶縁層６が形成され、それにより貫通孔４及び配線５が覆われている。端子７は絶縁層６よりも突出している。
また、カバーガラス１の表面の外周領域と全ての側面とを覆うように有色の遮光層８が形成されている。遮光層８の先端は半導体チップ３の側面部に至っている。図１(b)に示すように、半導体モジュールの上面では、遮光層８が環状に形成され、カバーガラス１の表面中央は遮光層８の開口窓８ａを介して露出している。遮光層８はアクリル、シリコン、ポリイミド、エポキシ等の絶縁材料からなり、遮光性を有し、例えば、黒色或いは濃い灰色をしている。開口窓８ａは半導体チップ３の表面における上記の受光素子の領域より大である。
半導体モジュールの上面の一部である遮光層８の表面と半導体チップ３の表面との間の距離は予め定められた公差内の長さにされている。その公差は例えば、±５μmである。これについては後述する研磨及び個片化工程において遮光層８の表面を機械的に研磨することにより達成される。
遮光層８の表面には、レンズ１２ａを有するレンズユニット１２が接着固定される。集光部であるレンズ１２ａはレンズユニット１２の支持部１２ｂによって支持されている。レンズ１２ａは光をカバーガラス１を介して半導体チップ３の受光素子に集光させる。
なお、この実施例ではカバーガラス１の４側面全てが遮光層８によって覆われているが、その４側面のうちの少なくとも対向する２側面が遮光層によって覆われる構成でも良い。
かかる構成の半導体モジュールにおいては、カバーガラス１の表面一部（外周領域）から側面、封止材２の側面、半導体チップ３の一部側面が遮光層８で覆われているため、モジュール側面からの光の入り込みが遮断される。よって、光がカバーガラス１の側面からセンサ本体である半導体チップ３の受光素子に漏れ込むことによって生じるセンサ性能の低下を防止することができる。また、カバーガラス１の側面にだけでなく表面の外周領域も遮光層８で覆われているので、不必要な光の受光素子への入り込みをより遮断することができる。
また、カバーガラス１の外周領域が遮光層８によって保護されるので、モジュール製造の際のハンドリンク時に衝撃によりカバーガラス１の一部が欠けるなどの不具合を防止することができる。
更に、遮光層８の表面と半導体チップ３の表面の受光素子との間の距離は予め決められた距離の公差内に入るようにされるので、遮光層８の表面にレンズユニット１２を固定するだけで、レンズ１２ａと半導体チップ３の表面との間の距離を高精度で定めることができるため、面倒な距離調整（焦点合わせ）が不要となる。よって、カメラモジュールの製造の簡易化を図ることができる。
次に、かかる半導体モジュールの製造方法について図２を用いて説明する。半導体モジュールは次の(1)〜(8)の工程順に製造される。
(1) 先ず、図２(a)に示すように、透光性ウエハ２１、封止部材２２及び半導体素子ウエハ２３を所定の位置関係に合わせることが行われる（位置合わせ工程）。準備される透光性ウエハ２１は複数のカバーガラス１を取り出すことができるようにカバーガラス１の厚さを有するガラス材料である。封止部材２２は複数の封止材２が連続的に形成されたものであり、封止部材２２には封止材２の開口窓２ａに相当する開口窓２２ａが所定の間隔で形成されている。また、準備される半導体素子ウエハ２３には半導体素子本体である受光素子が所定の間隔で設けられており、上記の半導体チップ３をなす部分、すなわち受光素子を含む半導体素子形成領域が溝形成領域を挟んで連続的に形成されたものである。溝形成領域は後述の溝２６が形成される領域である。所定の位置関係は封止部材２２の各開口窓２２ａ内中央に半導体素子ウエハ２３の半導体本体が位置し、また、透光性ウエハ２１の側面と半導体素子ウエハ２３の側面とが図２の横方向において一致した関係である。なお、透光性ウエハ２１、封止部材２２及び半導体素子ウエハ２３はほぼ同一の外形を有し、φ８"（インチ）やφ１２"などの通常のウエハ外形が適用される。
(2) 次に、図２(b)に示すように、透光性ウエハ２１、封止部材２２及び半導体素子ウエハ２３がその所定の位置関係を保持した状態で互いに接着される（接着工程）。これにより半導体ウエハが形成される。
(3)そして、図２(c)に示すように、透光性ウエハ２１の表面と半導体素子ウエハ２３の裏面との間を所定の厚さにするために半導体素子ウエハ２３の裏面が機械的或いは化学的に研磨される（研磨工程）。
(4) 図２(d)に示すように、半導体素子ウエハ２３にはドライエッチング法やウエットエッチング法により貫通孔２４が形成される。貫通孔２４は上記の貫通孔４に相当する。貫通孔２４内壁及び半導体素子ウエハ２３の裏面に図示されていないが絶縁膜が形成される。貫通孔２４内及び半導体素子ウエハ２３の裏面には配線２５がスパッタやめっきなどで形成される（配線形成工程）。
(5) 配線２５が形成されると、図２(e)に示すように、所定の位置に透光性ウエハ２１の表面から半導体素子ウエハ２３に届く溝２６が形成される（溝形成工程）。その溝２６の形成としてはブレードを用いたダイシング方式を適用することができる。ダイシング方式を用いた場合には、レーザーよりも切りやすく、また、エッチングのようなマスクも不要であるからである。溝２６は所定の間隔で平行に形成され、透光性ウエハ２１及び封止部材２２を貫通して半導体素子ウエハ２３内途中までの深さである。
(6) 次いで、図２(f)に示すように、透光性ウエハ２１の溝２６及びその溝２６に隣接したウエハ表面の両近傍領域に遮光層２７が形成される（遮光層形成工程）。遮光層２７の形成には遮光層を形成しない部分（開口窓８ａに相当する）をマスキングした真空印刷方式を適用することができる。真空印刷方式ではマスクを用いて形成可能で、スピンコート等で有色の層を形成した後に所望の領域を除去する必要がなくなるため、製造工程を削減することができるからである。
(7) 図２(g)に示すように、遮光層２７の表面が機械的に研磨され、それにより遮光層２７の表面と半導体素子ウエハ２３の表面との間が所定の距離になるように加工され、その後、溝２６内の遮光層２７を分割してカット部２９ができるように上記の半導体ウエハの個片化が実行される（研磨及び個片化工程）。研磨にはグラインダー方式が適用され、個片化にはブレードを用いたダイシング方式を適用することができる。
(8) レンズユニット３０が準備され、図２(h)に示すように、個片化後に遮光層２７の表面にレンズユニット３０が固着される（レンズ取付工程）。これによって図１に示した半導体モジュールと同一のものが得られる。
なお、図２には示していないが、図１の端子７及び絶縁層６に相当する部分については配線形成工程直後に形成されても良いし、個片化工程後に形成しても良い。また、レンズ取付工程は遮光層２７の表面研磨工程の後であって個片化工程前に実行しても良い。
更に、上記した説明では封止部材２２には開口窓２２ａが予め形成されているが、透光性ウエハ２１或いは半導体素子ウエハ２３に封止材層を形成した後、ホトリソ方式で開口窓を形成しても良い。また、封止部材２２としては液状やシート状のものを使用することができる。
かかる半導体モジュールの製造方法によれば、溝形成工程では、半導体素子ウエハを半導体チップ各々で領域分けするように透光性ウエハの表面から半導体素子ウエハの途中までに至る溝を形成し、遮光層形成工程ではその溝内及び透光性ウエハの表面の溝に隣接する両近傍領域上に有色の遮光層を形成するので、透光性カバー側面から光が入り込むことが防止される。よって、不要な光による半導体チップの受光素子のセンサ性能の低下を防止させることができる。また、カバーガラス１の外周領域が遮光層８によって保護されるので、モジュール製造の際のハンドリンク時に衝撃によりカバーガラス１の一部が欠けるなどの不具合を防止することができる。
更に、研磨及び個片化工程では半導体素子ウエハの表面と近傍領域上の遮光層の表面との間が所定の距離となるように近傍領域上の遮光層の表面を研磨するので、その遮光層の表面と半導体チップの表面との間を所定の距離の公差内に入るように定めることが可能となり、遮光層の表面にレンズユニットを固定するだけで、レンズと半導体チップの表面との距離を適切にして焦点が合うようにすることができる。
なお、上記した実施例においては、半導体チップと対向する透光性カバーとしてカバーガラスを適用する例を示したが、透光性カバーとしてはプラスチック等の所望の波長領域で実質透明な材料であれば良い。また、透光性カバーの表面に各種コーティングがされていても良い。
また、上記した実施例においては、半導体チップとカバーガラスとの間が中空になる構造について説明したが、半導体素子とカバーガラスとの間が封止材で満たされた構造であっても良い。
更に、遮光層には、半導体プロセス上適用しやすい樹脂であるアクリル、シリコン、ポリイミド、エポキシ等の絶縁材料を用いることを示したが、これら以外の絶縁材料でも良いことは勿論である。
また、上記の個片化工程の個片化方法としては、ダイシングブレード、レーザーダイシング、エッチングを用いることができるが、これらに限定されない。
また、遮光層形成工程において遮光層２７を溝２６に埋め込む方法としては、真空印刷、スピンコート、スプレー等の方法が採用されるが、これらに限定されず、他の方法を用いても良い。
更に、上記した実施例においては、半導体モジュールにはレンズユニットが含まれているが、レンズユニットを含んでおらず、レンズユニットが取り付け可能にされた半導体モジュールであっても本発明を適用することができる。
本発明による半導体モジュールを示す断面図及び上面図である。 図１の半導体モジュールの製造方法を示す断面図である。
符号の説明
１ カバーガラス
２ 封止材
３ 半導体チップ
４，２４ 貫通孔
５，２５ 配線
６ 絶縁層
７ 端子
８，２７ 遮光層
１２，３０ レンズユニット
２１ 透光性ウエハ
２２ 封止部材
２３ 半導体素子ウエハ
２６ 溝
２９ カット部

Claims (15)

  1. 表面に受光素子が形成された半導体チップと、
    表面、裏面及び側面を備え、その裏面が前記半導体チップの表面を覆うように前記半導体チップの表面と対向して配置された透光性カバーと、
    前記透光性カバーの表面の外周領域及び側面と前記半導体チップの第１の側面とを被覆する遮光層と、を有し、
    前記半導体チップの第２の側面と前記遮光層の側面とは切断により同一面を構成することを特徴とする半導体モジュール。
  2. 前記透光性カバーの側面と前記半導体チップの第１の側面とは、切断により同一面を構成することを特徴とする請求項１に記載の半導体モジュール。
  3. 表面に受光素子が形成された半導体チップと、
    表面、裏面及び側面を備え、その裏面が前記半導体チップの表面を覆うように前記半導体チップの表面と対向して配置された透光性カバーと、
    前記透光性カバーの表面の外周領域及び側面と前記半導体チップの側面の一部とを被覆する遮光層と、
    光を前記透光性カバーを介して前記受光素子に集光させる集光部と前記集光部を支持する支持部とを有し、前記透光性カバー上に前記支持部を介して搭載されたレンズユニットと、を備え、
    前記支持部は前記外周領域の前記遮光層上に固定されていることを特徴とする半導体モジュール。
  4. 前記半導体チップの表面の外周部には前記受光素子と電気的に接続された電極パッドが形成され、
    前記半導体チップの外周部の前記電極パッドに対応した位置には前記半導体チップの表面と裏面との間を貫通する貫通孔が形成され、
    前記半導体チップの裏面には、前記貫通孔内の配線を介して前記電極パッドと電気的に接続された外部端子が形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
  5. 前記透光性カバーの側面全体が前記遮光層によって覆われていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
  6. 前記遮光層は、絶縁材料からなることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
  7. 前記遮光層は、エポキシ、アクリル、シリコン樹脂及びポリイミドのうちのいずれか１からなることを特徴とする請求項６に記載の半導体モジュール。
  8. 前記半導体チップの表面と前記外周領域の前記遮光層の表面との間が前記レンズユニットの焦点距離に応じた距離となるようにその外周領域の前記遮光層の厚みが調整されていることを特徴とする請求項３から７のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
  9. 受光素子が形成された半導体チップの表面を覆うように前記半導体チップの表面と対向して透光性カバーが配置される半導体モジュールの製造方法であって、
    表面に、受光素子が形成された領域を含む複数の半導体チップ形成領域を備えた半導体素子ウエハを準備する工程と、
    前記半導体素子ウエハの表面と、前記透光性カバーを複数なすための透光性ウエハと、を接着層を介して貼り合わせて半導体ウエハを形成する接着工程と、
    前記複数の半導体チップ形成領域各々の周囲に前記透光性ウエハの表面から前記半導体素子ウエハの途中に至る溝を形成する溝形成工程と、
    前記溝内及び前記透光性ウエハの表面の前記溝に隣接する近傍領域上に遮光層を形成する工程と、
    前記半導体素子ウエハの表面と前記近傍領域上の前記遮光層の表面との間が所定の距離となるように前記近傍領域上の前記遮光層の表面を研磨する研磨工程と、
    前記溝内の前記遮光層及びそれに続く前記半導体素子ウエハ部分で前記半導体ウエハを個片化して前記半導体モジュールとする個片化工程と、を備えたことを特徴とする半導体モジュールの製造方法。
  10. 光を前記透光性カバーを介して前記受光素子に集光させるレンズユニットを、前記研磨工程後、前記半導体チップ形成領域各々に対応させて前記近傍領域上の前記遮光層の表面に固定させるレンズ取付工程を備えることを特徴とする請求項９記載の半導体モジュールの製造方法。
  11. 前記溝をダイシングによって形成することを特徴とする請求項９記載の半導体モジュールの製造方法。
  12. 前記遮光層を真空印刷によって形成することを特徴とする請求項９記載の半導体モジュールの製造方法。
  13. 前記遮光層は、アクリル、シリコン樹脂及びポリイミドのうちのいずれか１からなることを特徴とする請求項９記載の半導体モジュールの製造方法。
  14. 前記遮光層は、エボキシからなることを特徴とする請求項９記載の半導体モジュールの製造方法。
  15. 表面に、受光素子が形成された領域を含む複数の半導体素子形成領域を備えた半導体素子ウエハを準備する工程と、
    表面及び裏面を備えた透光性ウエハを準備する工程と、
    集光部、及び前記集光部を支持する支持部を備えたレンズユニットを複数準備する工程と、
    前記半導体素子ウエハの表面と前記透光性ウエハの裏面とを対向させて、前記半導体素子ウエハと前記透光性ウエハを接着層を介して貼り合わせて半導体ウエハを形成する工程と、
    前記複数の半導体チップ形成領域各々の周囲に前記透光性ウエハの表面側から透光性ウエハの途中に至る溝を形成する工程と、
    前記溝に充填され、かつ前記第２の領域上の前記透光性ウエハの表面に残るように遮光層を形成する工程と、
    前記遮光層を研削して所望の膜厚に調整する工程と、
    前記支持部と前記透光性ウエハの表面上に形成された前記遮光層とを接合し、前記透光性ウエハの表面上であって前記集光部からの光が前記透光性ウエハを介して個々の前記受光素子に供給される位置に複数の前記レンズユニットを搭載する工程と、
    前記溝内の前記遮光層及びそれに続く前記半導体素子ウエハ部分で前記半導体ウエハを個片化する工程と、を有することを特徴とする半導体モジュールの製造方法。
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