JP5825854B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、中空構造の半導体装置に関するものである。

デジタルカメラやビデオカメラに使用されているＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサを使用したイメージセンサパッケージや、携帯電話等に使用されるＳＡＷフィルタパッケージなどは中空構造の半導体装置である。中空構造の半導体装置は、半導体素子を配線基板に実装し、金属ワイヤを用いて半導体素子の電極と配線基板の電極を電気的に接続した後、半導体素子を中空封止するように、保護部材を配線基板の上方から取り付けた構造をしている。

中空構造の半導体装置では、樹脂製の接着剤や配線基板等の樹脂材料の吸湿により、中空部に浸入した水分が、半導体装置をマザーボードへ実装する際のリフロー加熱で膨張し、その水蒸気圧により保護部材が剥離してしまう問題があった。

そこで、従来は、保護部材と枠体との間に通気孔を設け、この通気孔から、実装時の加熱により膨張した中空部の水蒸気を外部へ放出させることで、中空部に発生した水蒸気圧を低下させ、保護部材の剥離を防止していた。

特開２００４−１１９８８１号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の従来例では、半導体装置の加熱時以外の場合でも、常時通気孔が開いているため、中空部に気密性が無く、異物が中空部へ進入してしまう問題があった。

この中空部に異物が進入すると電気接続端子間のショートの原因となる。また半導体素子に光素子を用いた半導体装置では、光素子の受光部あるいは発光部に異物が付着すると光学特性不良の原因になる。

そこで、本発明は、常温時は中空部の気密性を保ち、異物進入を防止し、加熱時には中空部の水蒸気圧を逃がすことができる半導体装置を提供することを目的とするものである。

本発明の半導体装置は、配線基板と、前記配線基板と間隔をあけて配置された保護部材と、前記配線基板と前記保護部材との間に配置され、前記配線基板に電気的に接続された半導体素子と、前記半導体素子を囲うように前記配線基板と前記保護部材との間に配置され、加熱時に高さ方向に膨張する壁部材と、を備え、前記壁部材の高さ方向の一端が、前記配線基板及び前記保護部材の一方に固定され、前記壁部材の高さ方向の他端が、前記配線基板及び前記保護部材の他方に固定され、前記壁部材には、前記配線基板と前記保護部材と前記壁部材とにより形成される内部空間と、前記壁部材の外部空間とを連通する通気孔が形成され、前記通気孔には、前記壁部材よりも線膨張係数が小さい材料で構成された柱部材が設けられ、前記柱部材は、常温では前記通気孔を塞ぎ、常温よりも高い温度では前記通気孔の一部が連通することを特徴とする。

本発明によれば、配線基板、保護部材及び壁部材で囲まれて中空部が形成され、常温時は、柱部材により中空部の気密性を保ち、中空部への異物の侵入を防止することができる。また、加熱時には、柱部材に対応する部分の通気孔を通じて中空部の水蒸気を外部に逃がすことができ、中空部内の圧力の上昇を抑制することができ、保護部材の剥離を防止することができる。

本発明の第１実施形態に係る半導体装置の概略構成を示す説明図である。（ａ）は半導体装置の平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線に沿う、常温の状態の半導体装置の断面図である。（ｃ）は（ａ）のＡ−Ａ線に沿う、加熱された状態の半導体装置の断面図である。（ｄ）は（ａ）の矢印Ｘ方向から見た加熱された状態の半導体装置の要部を示す側面図である。 本発明の第２実施形態に係る半導体装置の平面図である。 本発明の第３実施形態に係る半導体装置の概略構成を示す説明図である。（ａ）は半導体装置の平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線に沿う、常温の状態の半導体装置の断面図である。（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ線に沿う、加熱された状態の半導体装置の断面図である。 本発明の第４実施形態に係る半導体装置であって、常温の状態の半導体装置の断面図である。 本発明の第５実施形態に係る半導体装置であって、常温の状態の半導体装置の断面図である。 本発明の第６実施形態に係る半導体装置の通気孔及び柱部材の部分の変形例を示す半導体装置の側面図である。（ａ）は柱部材の一端を曲面形状に形成した場合を示す図であり、（ｂ）は柱部材の一端を円弧形状に形成した場合を示す図であり、（ｃ）は柱部材の一端をテーパ形状に形成した場合を示す図である。（ｄ）は壁部材と柱部材との間に被膜層を設けた場合を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。

［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係る半導体装置の概略構成を示す説明図である。図１（ａ）は半導体装置の平面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線に沿う、常温の状態の半導体装置の断面図である。また、図１（ｃ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線に沿う、加熱された状態の半導体装置の断面図である。また、図１（ｄ）は図１（ａ）の矢印Ｘ方向から見た加熱された状態の半導体装置の要部を示す側面図である。

図１（ａ）〜図１（ｄ）に示すように、半導体装置１００は、配線基板１と、配線基板１と間隔をあけて配置された保護部材４と、配線基板１と保護部材４との間に配置され、配線基板１に電気的に接続された半導体素子３と、を備えている。半導体素子３は配線基板１にフェースアップ実装され、金属ワイヤ９で配線基板１と電気的に接続されている。

また、半導体装置１００は、半導体素子３を囲うように配線基板１と保護部材４との間に配置され、加熱時に高さ方向（矢印Ｚ方向）に熱膨張する壁部材５を備えている。この壁部材５は、枠形状に形成されている。この壁部材５は、硬化した接着剤で形成されている。つまり、壁部材５は、配線基板１と保護部材４とを接着する材料で構成されている。

詳述すると、壁部材５の高さ方向の一端５ａが、配線基板１及び保護部材４の一方（本第１実施形態では保護部材４）に接着固定されている。また、壁部材５の高さ方向の他端５ｂが、配線基板１及び保護部材４の他方（本第１実施形態では配線基板１）に接着固定されている。

これら配線基板１、保護部材４及び壁部材５により囲まれて中空部７が形成される。つまり、半導体素子３は、中空部７に配置されたことになる。壁部材５には、配線基板１と保護部材４との間に高さ方向に延びる矩形状の通気孔８が形成されている。この通気孔８は、中空部７と外部とを連通する貫通孔である。この通気孔８には、壁部材５よりも線膨張係数が小さい材料で構成された柱部材６が設けられている。この柱部材６は、常温時に通気孔８を塞ぐように通気孔８と同形状（矩形状）に形成されている。ここで、常温とは、室温程度の温度（例えば２５℃）をいう。

そして、柱部材６の高さ方向の一端６ａが、常温時に配線基板１及び保護部材４のうち一方（保護部材４）に接触するよう、柱部材６の高さ方向の他端６ｂが、配線基板１及び保護部材４のうち他方（配線基板１）に固定されている。つまり、柱部材６の一端６ａと保護部材４とは非接着状態である。なお、柱部材６と壁部材５とも非接着状態である。

本第１実施形態の壁部材５を構成する材料としては、熱硬化性樹脂や光硬化性樹脂などの線膨張係数の大きい樹脂材料を含むことが好ましい。例えば５０％前後のシリカフィラーを含む熱硬化性エポキシ樹脂の線膨張係数は１．０〜２．０×１０^−４／Ｋ程度であり、１６％前後のシリカフィラーを含む光硬化性エポキシ樹脂の線膨張係数は１．５〜２．５×１０^−４／Ｋ程度である。またフィラーを含まない熱硬化性シリコン樹脂の線膨張係数は２．０〜３．０×１０^−４／Ｋ程度である。

また壁部材５の幅は水蒸気圧が発生する中空部７の体積に応じて設定することが望ましい。例えば、中空部７の体積が４０ｍｍ^３程度ならば０．８ｍｍ程度、６０ｍｍ^３程度ならば１．０ｍｍ、８０ｍｍ^３程度ならば１．３ｍｍである。

本第１実施形態の柱部材６を構成する材料としては、例えば金属やセラミック等の線膨張係数が小さい無機材料であることが好ましい。例えば金属のＡｕは線膨張係数０．１４×１０^−４／Ｋ程度であり、Ｃｕは０．１７×１０^−４／Ｋ程度である。また、セラミックのアルミナは０．０７〜０．０８×１０^−４／Ｋ程度の線膨張係数である。

本第１実施形態の配線基板１としては、ガラスエポキシ系基板、セラミック系基板、絶縁性アルミ基板などのハード基板もしくはＦＰＣ、ＴＡＢなどのフレキシブル基板もしくはガラス基板などの透光基板などを用いることができる。本第１実施形態の保護部材４としては、例えば金属板やセラミック板、ガラス板を用いることができる。また本実施形態の保護部材４は配線層を有していてもよい。

また柱部材６の形成方法としては、配線基板１の基材を一層ないし複数積層してもよいし、配線基板１の金属配線作成時に、金属配線作製と同一の製造方法で同時作製してもよいし、配線基板１の作製時に機械加工もしくはエッチングによって作製してもよい。この場合、配線基板１製造時に柱部材６の形成も同時に行うことができるため、別途柱部材６を配置する工程が不要となる。また柱部材６の形成方法としては、配線基板１作成後に柱部材６を接着剤で接着して形成してもよい。その際、壁部材５と同一の材料で接着することが好ましい。この場合、配線基板１への保護部材４の接着と柱部材６の接着が同時に行うことができるため、別途柱部材６の接着を行う工程が不要となる。

次に、半導体装置１００の作用について説明する。図１（ｃ）及び図１（ｄ）に示すように、柱部材６が保護部材４と非接着である場合、壁部材５は、加熱により膨張し、保護部材４を押し上げる。また加熱により膨張する壁部材５は、線膨張係数の差により、柱部材６よりも大きくなる。そのため、柱部材６の一端６ａと保護部材４との間には、通気孔８が開くことになる。したがって、加熱により中空部７に発生した水蒸気圧を、通気孔８から外部に逃がすことができるため、保護部材４の剥がれや損傷を防止できる。

例えば壁部材５に線膨張係数１．８０×１０^−４／Ｋの熱硬化性樹脂を、柱部材６に線膨張係数０．０７×１０^−４／Ｋのアルミナを使用し、常温２５℃での壁部材５と柱部材６の厚さを１５０μｍ、壁部材５の接着幅を１ｍｍとする。

本第１実施形態の半導体装置１００が、水の沸点である１００℃に加熱された場合、保護部材４と柱部材６の一端６ａとの間隔が１．９μｍ程度の通気孔８が開く。マザーボードへのリフロー実装時は、そのリフロー加熱温度が２２０°の場合、保護部材４と柱部材６の一端６ａとの間隔が約５μｍ程度の通気孔８が開く。そのため、気体である水蒸気を、中空部７から通気孔８を通じて外部に十分に抜くことができる。

また半導体素子３の動作時の発熱により、例えば半導体装置１００が６０℃に加熱された状態では、通気孔８の間隔は約０．９μｍ程度である。通気孔８の間隔が０．９μｍに対して壁部材５の接着幅は１ｍｍであるため、通気孔８から異物が進入するのを防止することができる。

このように半導体装置１００が動作時の発熱で通気孔８が開いても、中空部７への異物の進入を防止するような線膨張係数をもつ壁部材５と柱部材６の材料を選定することが望ましい。例えば、本例のように常温２５℃で壁部材５と柱部材６とが１５０μｍの高さ持つ場合、柱部材６に対し線膨張係数の差が１．９７×１０^−４／Ｋ以内になるようにシリカフィラーの添加などで線膨張係数を調整した樹脂を壁部材５に用いることが望ましい。

もしくは半導体装置１００が動作時の発熱で通気孔８が開いても、中空部７への異物の進入を防止するように壁部材５と柱部材６の高さを調整することが望ましい。例えば壁部材５に線膨張係数２．５０×１０^−４／Ｋの熱硬化性樹脂を、柱部材６に線膨張係数０．０７×１０^−４／Ｋのアルミナを使用する場合は、壁部材５と柱部材６の高さを１１６μｍ以下にすることが望ましい。壁部材５と柱部材６の高さが１１０μｍの場合、半導体素子３の動作時の発熱により、半導体装置１００が６０℃に加熱された状態では、通気孔８の間隔は約０．９μｍ程度であり、通気孔８から異物が進入するのを防止することができる。

水の沸点である１００℃に加熱された場合では、保護部材４と柱部材６の一端６ａとの間隔が２．０μｍ程度の通気孔８が形成される。またマザーボードへのリフロー加熱温度が２２０°の場合は、保護部材４と柱部材６の一端６ａとの間隔が約５．２μｍ程度の通気孔８が形成される。また常温時は壁部材５と柱部材６はもとの大きさに戻り、図１（ｂ）に示す状態に戻るため通気孔８は閉じ、中空部７の気密性は保たれる。

以上、本第１実施形態によれば、壁部材５は柱部材６よりも線膨張係数が大きいので、加熱時に柱部材６よりも膨張し大きくなる。柱部材６は保護部材４と非接着状態であるため、壁部材５が膨張し保護部材４を高さ方向に押し上げると、柱部材６の一端６ａと保護部材４との間に中空部７と外部とを連通する通気孔８が開く。この通気孔８を介して、加熱時に発生する中空部７の水蒸気圧の気体を外部に逃がすことができる。一方常温時は、壁部材５の収縮により通気孔８は閉じ、中空部７の気密性が保たれる。これにより、常温時は中空部７の気密性を保ち中空部７への異物の進入を防止することができ、加熱時には中空部７の水蒸気圧の気体を逃がすことができる。

なお、上記第１実施形態では、柱部材６の一端６ａが常温時に保護部材４に接触するように、他端６ｂが配線基板１に固定される場合について説明したが、これに限定するものではない。柱部材６の一端が常温時に配線基板１に接触するように、他端が保護部材４に固定される場合であってもよい。この場合、壁部材５において、配線基板１に固定される側の端部が一端となり、保護部材４に固定される側の端部が他端ということになる。この場合でも上記第１実施形態と同様の作用効果を奏する。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態に係る半導体装置について説明する。図２は、本発明の第２実施形態に係る半導体装置の平面図である。

本第２実施形態では、半導体装置２００は、上記第１実施形態と同様、壁部材２５を備えているが、壁部材２５には、複数の通気孔２８が設けられている。そして、各通気孔２８には、それぞれ柱部材２６が設けられている。この場合、製造の段階で、硬化後に壁部材２５となる液状の接着剤を注入する際に、柱部材２６をスペーサーとして、保護部材４と配線基板１との間隔を正確に制御することができる。

これにより、配線基板１と保護部材４の間に存在する壁部材２５の高さが周方向の各位置で同一となり、配線基板１に対する保護部材４の傾きが抑制される。したがって、加熱時に壁部材２５が膨張するときにも、壁部材２５の周方向の各位置での高さの差が生じるのを抑制することができ、半導体装置２００の加熱時に壁部材２５が保護部材４を配線基板１と平行に押し上げることになる。これにより、柱部材２６に生じる通気孔２８の開口が十分となり、通気性が向上する。

この場合、柱部材２６は保護部材４を配線基板１と平行に支えられるように３個以上設けることが望ましい。

また柱部材２６は図２に示すように斜めに配置してもよい。この場合、柱部材２６が中空部と外部とを横断する距離が長くなるので、常温時の気密性をより高めることができる。

［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態に係る半導体装置について説明する。図３は、本発明の第３実施形態に係る半導体装置の概略構成を示す説明図である。図３（ａ）は半導体装置の平面図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）のＢ−Ｂ線に沿う、常温の状態の半導体装置の断面図である。また、図３（ｃ）は図３（ａ）のＢ−Ｂ線に沿う、加熱された状態の半導体装置の断面図である。

図３（ａ）〜図３（ｃ）に示すように、半導体装置３００は、開口部３１ａを有する第１の配線基板３１と、第１の配線基板３１と間隔をあけて配置された保護部材３４と、を備えている。また、半導体装置３００は、第１の配線基板３１の開口部３１ａを通じて保護部材３４に相対する位置に配置され、第１の配線基板３１と電気的に接続された第２の配線基板３２を備えている。また、半導体装置３００は、第２の配線基板３２において第１の配線基板３１の開口部３１ａに対応する位置に実装された半導体素子３３を備えている。つまり、第２の配線基板３２は、第１の配線基板３１の保護部材３４側とは反対側に配置されており、半導体素子３３は、開口部３１ａを通じて保護部材３４に対向している。これら半導体素子３３及び第２の配線基板３２で半導体チップが構成されている。

半導体素子３３は、受光部若しくは発光部又はその両方の機能を有する光素子であり、保護部材３４は透光性を有している。半導体素子３３は、第２の配線基板３２にフェースアップ実装されている。また、第２の配線基板３２は、第１の配線基板３１にフェースダウン実装されている。第１の配線基板３１と第２の配線基板３２とは、バンプ３９により電気的に接続されている。またバンプ３９の周囲をアンダーフィル樹脂４０によって覆うことにより、第１の配線基板３１と第２の配線基板３２との間が封止されている。

更に、半導体装置３００は、半導体素子３３を囲うように第１の配線基板３１と保護部材３４との間に配置され、加熱時に高さ方向（矢印Ｚ方向）に熱膨張する壁部材３５を備えている。壁部材３５は、枠形状に形成されている。この壁部材３５は、硬化した接着剤で形成されている。つまり、壁部材３５は、配線基板３１と保護部材３４とを接着する材料で構成されている。

詳述すると、壁部材３５の高さ方向の一端３５ａが、第１の配線基板３１及び保護部材３４の一方（本第３実施形態では第１の配線基板３１）に接着固定されている。また、壁部材３５の高さ方向の他端３５ｂが、第１の配線基板３１及び保護部材３４の他方（本第３実施形態では保護部材３４）に接着固定されている。

これら配線基板３１，３２、保護部材３４及び壁部材３５により囲まれて中空部３７が形成される。つまり、半導体素子３３は、中空部３７に配置されたことになる。壁部材３５には、第１の配線基板３１と保護部材３４との間に高さ方向に延びる矩形状の通気孔３８が形成されている。この通気孔３８は、中空部３７と外部とを連通する貫通孔である。この通気孔３８には、壁部材３５よりも線膨張係数が小さい材料で構成された柱部材３６が設けられている。この柱部材３６は、常温時に通気孔３８を塞ぐように通気孔３８と同形状（矩形状）に形成されている。ここで、常温とは、室温程度の温度（例えば２５℃）をいう。

そして、柱部材３６の高さ方向の一端３６ａが、常温時に第１の配線基板３１及び保護部材３４のうち一方（第１の配線基板３１）に接触している。また、柱部材３６の高さ方向の他端３６ｂが、第１の配線基板３１及び保護部材３４のうち他方（保護部材３４）に固定されている。つまり、柱部材３６の一端３６ａと第１の配線基板３１とは非接着状態である。なお、柱部材３６と壁部材３５とも非接着状態である。

柱部材３６の形成方法としては、保護部材３４の作製時に機械加工もしくはエッチングによって柱部材３６を作製してもよい。この場合、保護部材３４の製造時に柱部材３６の形成も同時に行うことができるため、別途柱部材３６を配置する工程が不要となる。また柱部材３６の形成方法としては、保護部材３４の作成後に柱部材３６を接着剤で接着して形成してもよい。その際、壁部材３５と同一の材料で接着することが好ましい。この場合、配線基板３１への保護部材３４の接着と柱部材３６の接着が同時に行うことができるため、別途柱部材３６の接着を行う工程が不要となる。

次に、半導体装置３００の作用について説明する。図３（ｃ）に示すように、柱部材３６が第１の配線基板３１と非接着である場合、壁部材３５は、加熱により膨張し、保護部材３４を押し上げる。また加熱により膨張する壁部材３５は、線膨張係数の差により、柱部材３６よりも大きくなる。そのため、柱部材３６の一端３６ａと第１の配線基板３１との間には、通気孔３８が開くことになる。したがって、加熱により中空部３７に発生した水蒸気圧を、通気孔３８から外部に逃がすことができるため、保護部材３４及び第２の配線基板３２の剥がれや損傷を防止できる。また常温時は、壁部材３５と柱部材３６はもとの大きさに戻り、図３（ｂ）に示す状態に戻るため通気孔３８は閉じ、中空部３７の気密性は保たれる。

例えば壁部材３５に線膨張係数２．０×１０^−４／Ｋの紫外線硬化性樹脂を、柱部材３６に線膨張係数０．１７×１０^−４／Ｋの銅を使用し、常温２５℃での壁部材３５と柱部材６の高さを１５０μｍ、壁部材３５の接着幅が５００μｍとする。

本第３実施形態の半導体装置３００が、水の沸点である１００℃に加熱された場合、第１の配線基板３１と柱部材３６の一端３６ａとの間隔が約２．１μｍの通気孔３８が開く。マザーボードへのリフロー実装時はそのリフロー加熱温度が２２０°の場合、第１の配線基板３１と柱部材３６の一端３６ａとの間隔が約５．４μｍの通気孔３８が開く。また半導体素子３３の動作時の発熱により、例えば半導体装置３００が６０℃に加熱された状態では、通気孔３８の間隔は壁部材３５の接着幅が５００μｍに対し約０．９６μｍ程度であり、通気孔３８から中空部３７に異物が進入するのを防止することができる。

以上、本第３実施形態によれば、壁部材３５は柱部材３６よりも線膨張係数が大きいので、加熱時に柱部材３６よりも膨張し大きくなる。柱部材３６は第１の配線基板３１と非接着状態であるため、壁部材３５が膨張し保護部材３４を高さ方向に押し上げると、柱部材３６の一端３６ａと第１の配線基板３１との間に中空部３７と外部とを連通する通気孔３８が開く。この通気孔３８を介して、加熱時に発生する中空部３７の水蒸気圧の気体を外部に逃がすことができる。一方常温時は、壁部材３５の収縮により通気孔３８は閉じ、中空部３７の気密性が保たれる。これにより、常温時は中空部３７の気密性を保ち中空部３７への異物の進入を防止することができ、加熱時には中空部３７の水蒸気圧の気体を逃がすことができる。

なお、上記第３実施形態では、柱部材３６の一端３６ａが常温時に第１の配線基板３１に接触するように、他端３６ｂが保護部材３４に固定される場合について説明したが、これに限定するものではない。柱部材３６の一端が常温時に保護部材３４に接触するように、他端が第１の配線基板３１に固定される場合であってもよい。この場合、壁部材３５において、保護部材３４に固定される側の端部が一端となり、第１の配線基板３１に固定される側の端部が他端ということになる。この場合でも上記第３実施形態と同様の作用効果を奏する。

［第４実施形態］
次に、本発明の第４実施形態に係る半導体装置について説明する。図４は、本発明の第４実施形態に係る半導体装置であって、常温の状態の半導体装置の断面図である。

図４に示すように、半導体装置４００は、配線基板４１と、配線基板４１と間隔をあけて配置された保護部材４４と、配線基板４１と保護部材４４との間に配置され、配線基板４１に電気的に接続された半導体素子４３と、を備えている。半導体素子４３は配線基板４１にフェースアップ実装され、金属ワイヤ４９で配線基板４１と電気的に接続されている。

また、半導体装置４００は、半導体素子４３を囲うように配線基板４１と保護部材４４との間に配置され、配線基板４１に固定された枠体４２を備えている。更に、半導体装置４００は、半導体素子４３を囲うように枠体４２と保護部材４４との間に配置され、加熱時に高さ方向（矢印Ｚ方向）に熱膨張する壁部材４５を備えている。壁部材４５は、枠形状に形成されている。この壁部材４５は、硬化した接着剤で形成されている。つまり、壁部材４５は、枠体４２と保護部材４４とを接着する材料で構成されている。

詳述すると、壁部材４５の高さ方向の一端４５ａが、枠体４２及び保護部材４４の一方（本第４実施形態では保護部材４４）に接着固定されている。また、壁部材４５の高さ方向の他端４５ｂが、枠体４２及び保護部材４４の他方（本第４実施形態では枠体４２）に接着固定されている。

これら配線基板４１、枠体４２、保護部材４４及び壁部材４５により囲まれて中空部４７が形成される。つまり、半導体素子４３は、中空部４７に配置されたことになる。壁部材４５には、枠体４２と保護部材４４との間に高さ方向に延びる矩形状の通気孔４８が形成されている。この通気孔４８は、中空部４７と外部とを連通する貫通孔である。この通気孔４８には、壁部材４５よりも線膨張係数が小さい材料で構成された柱部材４６が設けられている。この柱部材４６は、常温時に通気孔４８を塞ぐように通気孔４８と同形状（矩形状）に形成されている。ここで、常温とは、室温程度の温度（例えば２５℃）をいう。

そして、柱部材４６の高さ方向の一端４６ａが、常温で枠体４２及び保護部材４４のうち一方（保護部材４４）に接触している。また、柱部材４６の高さ方向の他端４６ｂが、枠体４２及び保護部材４４のうち他方（枠体４２）に固定されている。つまり、柱部材４６の一端４６ａと保護部材４４とは非接着状態である。なお、柱部材４６と壁部材４５とも非接着状態である。

柱部材４６は必ずしも壁部材４５の接着幅と同じ幅である必要は無く、保護部材４４の外形からはみ出していてもよいし、中空部４７へせり出していてもよい。この場合、柱部材４６の端面が壁部材４５により覆われてしまう恐れが無いため、柱部材４６の一端４６ａと保護部材４４との間には、より確実に中空部４７と外部を連通する通気孔４８が開くことになる。

また配線基板４１が例えばセラミック基板の場合、配線基板４１上に設けられる枠体４２をセラミックではなく、エポキシ樹脂等の樹脂材料で形成すれば、枠体４２をセラミックで形成する場合よりも安価に配線基板４１を製造できる。

以上、本第４実施形態によれば、壁部材４５は柱部材４６よりも線膨張係数が大きいので、加熱時に柱部材４６よりも膨張し大きくなる。柱部材４６は保護部材４４と非接着状態であるため、壁部材４５が膨張し保護部材４４を高さ方向に押し上げると、柱部材４６の一端４６ａと保護部材４４との間に中空部４７と外部とを連通する通気孔４８が開く。この通気孔４８を介して、加熱時に発生する中空部４７の水蒸気圧の気体を外部に逃がすことができる。一方常温時は、壁部材４５の収縮により通気孔４８は閉じ、中空部４７の気密性が保たれる。これにより、常温時は中空部４７の気密性を保ち中空部４７への異物の進入を防止することができ、加熱時には中空部４７の水蒸気圧の気体を逃がすことができる。

また、半導体素子４３を収容する枠部を有する配線基板を製造する場合、配線基板を加工するのではなく、配線基板４１の材料よりも安価な材料で枠体４２を形成して配線基板４１に設置することで配線基板４１の製造コストを下げることができる。

なお、上記第４実施形態では、柱部材４６の一端４６ａが常温時に保護部材４４に接触するように、他端４６ｂが枠体４２に固定される場合について説明したが、これに限定するものではない。柱部材４６の一端が常温時に枠体４２に接触するように、他端が保護部材４４に固定される場合であってもよい。この場合、壁部材４５において、枠体４２に固定される側の端部が一端となり、保護部材４４に固定される側の端部が他端ということになる。この場合でも上記第４実施形態と同様の作用効果を奏する。そして、半導体素子を収容する枠部を有する保護部材を製造する場合にも保護部材の材料よりも安価な材料で枠体を形成して保護部材に設置することで保護部材の製造コストを下げることができる。

［第５実施形態］
次に、本発明の第５実施形態に係る半導体装置について説明する。図５は、本発明の第５実施形態に係る半導体装置であって、常温の状態の半導体装置の断面図である。

図５に示すように、半導体装置５００は、配線基板５１と、配線基板５１と間隔をあけて配置された保護部材５４と、配線基板５１と保護部材５４との間に配置され、配線基板５１に電気的に接続された半導体素子５３と、を備えている。半導体素子５３は受光部若しくは発光部又はその両方の機能を有する光素子である。また保護部材５４は透光性を有している。

半導体素子５３は第２の配線基板５２にフェースアップ実装されており、半導体素子５３及び配線基板５２で半導体チップが構成されている。保護部材５４には、配線層６２が設けられ、配線基板５２が保護部材５４にフェースダウン実装され、配線基板５２と配線層６２とがバンプ６１で電気的に接続されている。そして、配線層６２と配線基板５１の配線層６５とが、バンプ６３及びビアホール６４で電気的に接続されている。これにより、半導体素子５３は、配線基板５１に電気的に接続されている。このように、光素子である半導体素子５３を保護部材５４にフェースダウン実装する場合でも、半導体装置５００の外形を小さくすることができる。

また、半導体装置５００は、半導体素子５３を囲うように配線基板５１と保護部材５４との間に配置され、加熱時に高さ方向（矢印Ｚ方向）に熱膨張する壁部材５５を備えている。壁部材５５は、枠形状に形成されている。この壁部材５５は、硬化した接着剤で形成されている。つまり、壁部材５５は、配線基板５１と保護部材５４とを接着する材料で構成されている。

詳述すると、壁部材５５の高さ方向の一端５５ａが、配線基板５１及び保護部材５４の一方（本第５実施形態では保護部材５４）に接着固定されている。また、壁部材５５の高さ方向の他端５５ｂが、配線基板５１及び保護部材５４の他方（本第５実施形態では配線基板５１）に接着固定されている。

これら配線基板５１、保護部材５４及び壁部材５５により囲まれて中空部５７が形成される。つまり、半導体素子５３は、中空部５７に配置されたことになる。壁部材５５には、配線基板５１と保護部材５４との間に高さ方向に延びる矩形状の通気孔５８が形成されている。この通気孔５８は、中空部５７と外部とを連通する貫通孔である。この通気孔５８には、壁部材５５よりも線膨張係数が小さい材料で構成された柱部材５６が設けられている。この柱部材５６は、常温時に通気孔５８を塞ぐように通気孔５８と同形状（矩形状）に形成されている。ここで、常温とは、室温程度の温度（例えば２５℃）をいう。

そして、柱部材５６の高さ方向の一端５６ａが、常温で配線基板５１及び保護部材５４のうち一方（保護部材５４）に接触している。また、柱部材５６の高さ方向の他端５６ｂが、配線基板５１及び保護部材５４のうち他方（配線基板５１）に固定されている。つまり、柱部材５６の一端５６ａと保護部材５４とは非接着状態である。なお、柱部材５６と壁部材５５とも非接着状態である。

以上、本第５実施形態によれば、壁部材５５は柱部材５６よりも線膨張係数が大きいので、加熱時に柱部材５６よりも膨張し大きくなる。柱部材５６は保護部材５４と非接着状態であるため、壁部材５５が膨張し保護部材５４を高さ方向に押し上げると、柱部材５６の一端５６ａと保護部材５４との間に中空部５７と外部とを連通する通気孔５８が開く。この通気孔５８を介して、加熱時に発生する中空部５７の水蒸気圧の気体を外部に逃がすことができる。一方常温時は、壁部材５５の収縮により通気孔５８は閉じ、中空部５７の気密性が保たれる。これにより、常温時は中空部５７の気密性を保ち中空部５７への異物の進入を防止することができ、加熱時には中空部５７の水蒸気圧の気体を逃がすことができる。

なお、上記第５実施形態では、柱部材５６の一端５６ａが常温時に保護部材５４に接触するように、他端５６ｂが配線基板５１に固定される場合について説明したが、これに限定するものではない。柱部材５６の一端が常温時に配線基板５１に接触するように、他端が保護部材５４に固定される場合であってもよい。この場合、壁部材５５において、配線基板５１に固定される側の端部が一端となり、保護部材５４に固定される側の端部が他端ということになる。この場合でも上記第５実施形態と同様の作用効果を奏する。

［第６実施形態］
上記第１〜第５実施形態では、貫通孔である通気孔の形状を矩形状に形成し、柱部材の形状をその通気孔を塞ぐ形状に形成したが、通気孔及び柱部材の形状は、これに限定するものではない。図６は、本発明の第６実施形態に係る半導体装置の通気孔及び柱部材の部分の変形例を示す半導体装置の側面図である。図６（ａ）は柱部材の一端を曲面形状に形成した場合を示す図であり、図６（ｂ）は柱部材の一端を円弧形状に形成した場合を示す図であり、図６（ｃ）は柱部材の一端をテーパ形状に形成した場合を示す図である。なお、いずれの場合も常温のときの状態を示している。

保護部材７４の接着方法として、例えば壁部材に熱硬化性のエポキシ樹脂シートを用いて、保護部材７４を配線基板７１に熱圧着することができる。その際、図６（ａ）に示すように、柱部材７６１の一端７６１ａを曲面に形成しておけば、壁部材７５１の樹脂を押しのけやすくなり、より安定して非接着部分を形成することができる。また図６（ｂ）に示すように、柱部材７６２を円柱とし、配線基板７１に接着剤７６２ｂで柱部材７６２を接着していても、柱部材７６２の一端７６２ａが円弧形状であるので、壁部材７５２の樹脂を押しのけやすくなる。したがって、より安定して非接着部分を形成することができる。また図６（ｃ）に示すように、柱部材７６３の一端７６３ａを、テーパ形状に形成しても、壁部材７５３の樹脂を押しのけやすくなり、より安定して非接着部分を形成することができる。いずれの場合も、柱部材７６１，７６２，７６３の高さ方向の一端７６１ａ，７６２ａ，７６３ａが先細り形状に形成されているので、柱部材の一端と保護部材とを安定して非接着状態とすることができる。また保護部材７４の接着時の圧力で柱部材を塑性変形させることで、壁部材の樹脂を押しのけて、非接着部分を安定して形成させることもできる。

次に、図６（ｄ）は壁部材と柱部材との間に被膜層を設けた場合を示す図である。保護部材７４の接着方法として、例えば壁部材７５４として熱硬化性や光硬化性を有する液状エポキシ樹脂を用い、壁部材７５４を配線基板７１に塗布した後、保護部材７４を搭載し、熱硬化することができる。その際、図６（ｄ）に示すように柱部材７６４に対して、フッ素樹脂などの壁部材７５４との接着性が低い皮膜層７９を設けておけば、壁部材７５４と柱部材７６４との接着を抑制でき、より安定して非接着部分を形成することができる。また皮膜層７９は、柱部材７６４の一端を形成する面に形成されていれば、柱部材７６４全面に形成されている必要は無い。また柱部材７６４の一端と保護部材７４側の表面に皮膜層を設けていても同様の効果は得られる。また皮膜層７９にＡｌ等の壁部材７５４との濡れ性が低い皮膜層７９を設けておいてもよい。この場合、皮膜層７９が柱部材７６４への壁部材７５４の濡れ広がりを抑制できるため、安定して非接着部分を形成することができる。

１…配線基板、３…半導体素子、４…保護部材、５…壁部材、５ａ…一端、５ｂ…他端、６…柱部材、６ａ…一端、６ｂ…他端、８…通気孔、２５…壁部材、２６…柱部材、２８…通気孔、３１…第１の配線基板、３１ａ…開口部、３２…第２の配線基板、３３…半導体素子、３４…保護部材、３５…壁部材、３５ａ…一端、３５ｂ…他端、３６…柱部材、３６ａ…一端、３６ｂ…他端、３８…通気孔、４１…配線基板、４２…枠体、４３…半導体素子、４４…保護部材、４５…壁部材、４５ａ…一端、４５ｂ…他端、４６…柱部材、４６ａ…一端、４６ｂ…他端、４８…通気孔、５１…配線基板、５３…半導体素子、５４…保護部材、５５…壁部材、５５ａ…一端、５５ｂ…他端、５６…柱部材、５６ａ…一端、５６ｂ…他端、５８…通気孔、１００，２００，３００，４００，５００…半導体装置

Claims (8)

1. 配線基板と、
   前記配線基板と間隔をあけて配置された保護部材と、
   前記配線基板と前記保護部材との間に配置され、前記配線基板に電気的に接続された半導体素子と、
   前記半導体素子を囲うように前記配線基板と前記保護部材との間に配置され、加熱時に高さ方向に膨張する壁部材と、を備え、
   前記壁部材の高さ方向の一端が、前記配線基板及び前記保護部材の一方に固定され、前記壁部材の高さ方向の他端が、前記配線基板及び前記保護部材の他方に固定され、
   前記壁部材には、前記配線基板と前記保護部材と前記壁部材とにより形成される内部空間と、前記壁部材の外部空間とを連通する通気孔が形成され、
   前記通気孔には、前記壁部材よりも線膨張係数が小さい材料で構成された柱部材が設けられ、
   前記柱部材は、常温では前記通気孔を塞ぎ、常温よりも高い温度では前記通気孔の一部が連通することを特徴とする半導体装置。
2. 前記通気孔に設けられた前記柱部材は、高さ方向の一端が、前記配線基板及び前記保護部材のうち一方に固定されており、常温では前記柱部材の高さ方向の他端が、前記配線基板及び前記保護部材のうち他方に接触することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 開口部を有する第１の配線基板と、
   前記第１の配線基板と間隔をあけて配置された保護部材と、
   前記開口部を通じて前記保護部材に相対する位置に配置され、前記第１の配線基板と電気的に接続された第２の配線基板と、
   前記第２の配線基板において前記開口部に対応する位置に実装された半導体素子と、
   前記半導体素子を囲うように前記第１の配線基板と前記保護部材との間に配置され、加熱時に高さ方向に膨張する壁部材と、を備え、
   前記壁部材の高さ方向の一端が、前記第１の配線基板及び前記保護部材の一方に固定され、前記壁部材の高さ方向の他端が、前記第１の配線基板及び前記保護部材の他方に固定され、
   前記壁部材には、前記第２の配線基板と前記保護部材と前記壁部材とにより形成される内部空間と、前記壁部材の外部空間とを連通する通気孔が形成され、
   前記通気孔には、前記壁部材よりも線膨張係数が小さい材料で構成された柱部材が設けられ、
   前記柱部材は、常温では前記通気孔を塞ぎ、常温よりも高い温度では前記通気孔の一部が連通することを特徴とする半導体装置。
4. 前記通気孔に設けられた前記柱部材は、高さ方向の一端が、前記第１の配線基板及び前記保護部材のうち一方に固定されており、常温では前記柱部材の高さ方向の他端が、前記第１の配線基板及び前記保護部材のうち他方に接触することを特徴とする請求項３に記載の半導体装置。
5. 配線基板と、
   前記配線基板と間隔をあけて配置された保護部材と、
   前記配線基板と前記保護部材との間に配置され、前記配線基板に電気的に接続された半導体素子と、
   前記半導体素子を囲うように前記配線基板と前記保護部材との間に配置され、前記配線基板に固定された枠体と、
   前記半導体素子を囲うように前記枠体と前記保護部材との間に配置され、加熱時に高さ方向に膨張する壁部材と、を備え、
   前記壁部材の高さ方向の一端が、前記枠体及び前記保護部材の一方に固定され、前記壁部材の高さ方向の他端が、前記枠体及び前記保護部材の他方に固定され、
   前記壁部材には、前記配線基板と前記枠体と前記保護部材と前記壁部材とにより形成される内部空間と、前記壁部材の外部空間とを連通する通気孔が形成され、
   前記通気孔には、前記壁部材よりも線膨張係数が小さい材料で構成された柱部材が設けられ、
   前記柱部材は、常温では前記通気孔を塞ぎ、常温よりも高い温度では前記通気孔の一部が連通することを特徴とする半導体装置。
6. 前記通気孔に設けられた前記柱部材は、高さ方向の一端が、前記枠体及び前記保護部材のうち一方に固定されており、常温では前記柱部材の高さ方向の他端が、前記枠体及び前記保護部材のうち他方に接触することを特徴とする請求項５に記載の半導体装置。
7. 前記柱部材の高さ方向の一端が、前記常温よりも高い温度において先細り形状に形成されていることを特徴とする請求項６に記載の半導体装置。
8. 前記常温とは２５℃であり、前記常温よりも高い温度とは６０℃以上の温度であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の半導体装置。

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