JP5977711B2 - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、光機能素子を有する半導体装置の製造方法に関する。

フォトダイオード（以下、ＰＤと呼ぶ）を実装した半導体チップを透明樹脂を用いて封入した半導体装置（ＰＤ素子）が知られている。このようなＰＤ素子は、透明樹脂の表面に入射する光をＰＤが受光して光信号を出力する。ＰＤ素子を製造する際、透明樹脂の表面の平坦度が不十分であると、ＰＤ素子に入射した光がＰＤチップに十分入射せず、ＰＤ素子の性能が十分利用されない、あるいはＰＤ素子を用いた回路が動作しない等の不具合を生じることがある。特に、複数のＰＤを実装した半導体チップを有するＰＤ素子では、表面の平坦度が十分でないと、複数のＰＤへの光の入射量を同一にできず、複数の半導体チップの動作特性を揃えることが難しくなる。

特許文献１には、透明樹脂の表面を平坦にする方法として、光透過性樹脂を充填するために半導体素子の周縁に所定の高さのダムを設ける方法が開示されている。
また特許文献２には、充填した透明樹脂を押圧しつつ加熱して硬化させて平坦に加工することが記載されている。

特開平７−２９７３２４号公報 特開２００５−２６８４４０号公報

特許文献１の方法は、樹脂の流動性を利用して表面の平坦化を行うものであるが、封止される半導体チップやボンディングワイヤ等の形状およびこれら熱膨張の影響を受けて、表面には１０μｍ程度の起伏が生じる。また特許文献２の方法では、封止部材を押圧しながら加熱して硬化させるため、押圧する金属板に封止部材が付着しやすく、平坦化後に金属板を除去する際に表面が剥がれる等の損傷が発生する可能性がある。

（１）基板と、光機能素子を有し、前記基板に実装されワイヤにより前記基板上の電極と接続された半導体チップと、前記半導体チップを基板上で封止する透明樹脂とを有する半導体装置の製造方法であって、前記半導体チップを前記基板上に実装し、前記半導体チップと前記基板上の電極とを接続する第１の工程と、前記基板の上面において、前記ワイヤを覆う高さに透明樹脂をポッティングする第２の工程と、前記第２の工程でポッティングした前記透明樹脂を、該透明樹脂の硬化温度より高い温度に加熱して硬化された中間製品を作製する第３の工程と、前記第３の工程で作製された前記中間製品をガラス転移温度以下に冷却する第４の工程と、前記第４の工程の後、前記透明樹脂の表面を、硬化前の前記透明樹脂の硬化温度より低い温度で、かつ、硬化後の前記透明樹脂のガラス転移温度より高い温度に加熱した板で押圧する第５の工程とを有し、前記第５の工程において、前記透明樹脂を軟化させるとともに、前記透明樹脂の表面を平坦化することを特徴とする半導体装置の製造方法である。
（２）請求項２の発明は、請求項１に記載の半導体装置の製造方法において、第２の工程における透明樹脂のポッティング量は、少なくとも第３の工程において作製される中間製品の透明樹脂の表面に起伏が生じてもワイヤが露出しないように設定されていることを特徴とする。
（３）請求項３の発明は、請求項１に記載の半導体装置の製造方法において、第２の工程における透明樹脂のポッティング量は、ワイヤの最高位置の高さより３０μｍ〜２３０μｍ高くしたことを特徴とする。
（４）請求項４の発明は、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法において、第３の工程は、透明樹脂を第１の温度で第１の時間硬化させる先工程と、第１の時間経過後に、第１の温度よりも高い第２の温度で第２の時間硬化させる次工程とを含むことを特徴とする。
（５）請求項５の発明は、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法において、第５の工程では、透明樹脂の表面凹凸が５μｍ以下となるように板の平坦面で押圧することを特徴とする。

本発明によれば、フォトダイオード等の光学素子が実装された半導体チップを封止する透明樹脂の表面を容易にかつ損傷なく平坦にすることができ、半導体装置の性能を向上することができる。

（ａ）は、本発明による半導体装置を示す断面図、（ｂ）はその上面図 （ａ）〜（ｃ）は、比較例の半導体装置の製造工程を説明する図 図２（ｃ）に示す樹脂硬化後の樹脂表面に生じた高低差を等高線により模式的に示した図 （ａ）〜（ｇ）は、本発明による半導体装置の製造方法の手順を説明する図

図１〜４を参照して、本発明による半導体装置およびその製造方法の実施形態を説明する。
図１は、本発明による半導体装置１０を説明する図である。図１（ａ）は、半導体装置１０の断面図、図１（ｂ）は上面図である。なお、図１（ａ）は（ｂ）のＩａ-Ｉａ線で切断して示す図である。
半導体装置１０は、基板５と、基板５に実装された半導体チップ１と、封止樹脂である透明樹脂７とを有している。基板５は、有機材料であるガラスエポキシ、セラミックなど、透明樹脂７の素材により変性されない絶縁物質が用いられる。

基板５の上面には半導体チップ１が実装されている。半導体チップ１は、たとえばフォトダイオード（ＰＤ）２を２つ搭載した半導体チップであり、透明樹脂７の表面に入射される光を受光して光信号を出力する。半導体チップ１は上面に電極を有し、この電極はボンディングワイヤ３によって基板５の電極４と接続されている。

図１（ｂ）に示すように、半導体装置１０は、上下左右の四辺にそれぞれリード４を６つずつ有している。左右の６つのリード４はすべてのボンディングワイヤ３で半導体チップ１と接続され、上下の６つのリード４は２つのリード４がボンディングワイヤ３で半導体チップ１と接続されている。したがって、左右のボンディングワイヤ３の間隔は上下のボンディングワイヤ３の間隔よりも短く、配置密度が高い。

なお、図１では、説明の便宜上、各辺６つのリード４を示しているが、通常十数個のリードが設けられ、ボンディングワイヤ３も十数本設けられる。

（比較例による透明樹脂の封止方法）
図２および図３により、図１に示した半導体装置１０の比較例について説明する。図２は、比較例である半導体装置１１０の透明樹脂封止方法を説明する比較例を示す。ここでは説明のため、半導体チップ１は、その両側にのみボンディングワイヤ３があるとしている。なお、図２に示す方法は、たとえば特許文献１に示すように、樹脂の流動性のみを利用して樹脂表面の平坦化を行う方法に相当する。
図３は、ポッティングされて硬化した透明樹脂7０の表面形状、すなわち凹凸を等高線により模模式的に示すものである。

図２（ａ）は、ボンディングワイヤ３で半導体チップ１とリード４とを接続した工程が終了した中間製品１１０Ａを示す。図２（ａ）の中間製品１１０Ａに対して、流動性のある透明樹脂７０をポッティングして半導体チップ１を樹脂封止する。図２（ｂ）は、この工程終了時の中間製品１１０Ｂの断面図である。

図２（ｂ）の中間製品１１０Ｂに適宜熱を加えて透明樹脂７０を硬化させる。このとき、半導体装置１１０を構成する半導体チップ１、ボンディングワイヤ３、リード４、基板５のそれぞれの膨張率の違いにより、透明樹脂７０は、ボンディングワイヤ３の上部が持ち上がるように変形して硬化する。図２（ｃ）は、透明樹脂７０を硬化させて得られた半導体装置１１０の最終形状を模式的に示す図である。このような封止樹脂の表面の変形の程度は、半導体装置１１０を構成するそれぞれの部材の膨張率および使用する透明樹脂７０の量（厚さ）および加熱温度に依存する。

図２に示す例では、透明樹脂７０として加熱温度１２０℃程度で硬化（重合）が開始するようなエポキシ樹脂および硬化剤を用い、樹脂の厚さがチップ上で約２００〜４００μｍ程度となるようにしている。この樹脂厚さはボンディングワイヤ３が十分樹脂で覆われる程度で、できるだけ薄く設定される。

図２（ｃ）に示す半導体装置、すなわち、透明樹脂７０を加熱硬化させた半導体装置１１０の透明樹脂７０の表面の凹凸を３次元的に表す図が図３である。図３のＩＩ-ＩＩ線で切断した断面が図２に対応している。
この例では、ボンディングワイヤ３の直上で樹脂が最も盛り上がり、ボンディングワイヤ３の周辺に比べて最大１６μｍ程度の高度差を生じている。これは以下の理由によると思われる。

図１に示すようなＰＤ素子２を２個搭載したような半導体チップ１においては、ボンディングワイヤ３は、通常十数本設けられている。図１（ｂ）に示すように、上下に比べて左右の２辺に多くのボンディングワイヤ３が集中するような構造では、ボンディングワイヤの上部の樹脂が、半導体チップ１の中央部や、チップ上のみで１０〜３０μｍ程度盛り上がる。換言すると、樹脂表面の凹凸、すなわち高度差はとくにボンディングワイヤ３の配線密度に影響を受ける。

図２で示すような透明樹脂７０の表面、すなわち、半導体装置１１０の光入射面に凹凸が形成されると、入射した光がＰＤ素子２に十分到達しなかったり、また凹凸によっては、図１のような２つのＰＤ素子２に入射する光量が不均一になり、半導体装置１１０の特性に大きな影響を与えることになる。本発明は、このような透明樹脂表面の凹凸の低減を図るものである。

以下に説明するように、本発明の方法は硬化した透明樹脂に加熱した平坦な金属部材を押圧して、透明樹脂を軟化させ、表面の起伏を均すものである。

（本発明による透明樹脂の封止方法）
図４は、本発明による半導体装置の製造方法を説明する概略図である。図４では、説明を簡単にするため図２と同様に単純な構造の半導体装置１０としている。

図４（ａ）に示す中間製品１０Ａを以下の３つの工程により作製する。
電極であるリード４を有する基板５を作製する基板作成工程。
基板５の上面に半導体チップ１を実装する実装工程。
半導体チップ１の上面の電極と基板５のリード４とをワイヤ３で接続する接続工程。

図４（ａ）に示す中間製品１０Ａの上面に透明樹脂７ａをポッティングした様子を図４（ｂ）の中間製品１０Ｂで示す。中間製品１０Ｂを所定温度で所定時間加熱して硬化させる。図４（ｃ）は硬化した中間製品１０Ｃを示す。透明樹脂７ａの硬化後の表面の起伏の大きさは、半導体チップ、基板、ボンディングワイヤ等の幾何形状や熱膨張特性等に依存する。
一般にエポキシ樹脂は所定の温度以上で硬化し、この温度に依存する所定の時間で硬化が完了する。本例では、数時間から１５時間程度で硬化が完了するような条件（樹脂成分、硬化剤、加熱温度）としている。

本例では、図４（ｂ）でポッテイングした透明樹脂７ａの硬化を２段階で加熱して行っている。たとえば用いたエポキシ樹脂の硬化開始温度が１２０℃である場合、１２５℃程度で数時間加熱し（第１段階）、次に１５０℃程度で更に数時間加熱する。完全に硬化させる処理を２段階で行うのは、硬化開始温度より若干高い程度の加熱である程度硬化させ、その後にさらに高い温度で加熱することで、内部応力を緩和させるためである。いきなり高い温度に加熱して硬化すると、硬化時間は短縮できるが、熱ストレスによる変形や破損が生じる可能性があるためである。したがって、上記の第２段階の温度１５０℃は１例であり、第１段階の温度より適宜高くすることにより、硬化時間が短縮できるものである。

図４（ｂ）での透明樹脂７ａのポッテイング量は、この透明樹脂７ａの硬化後（図４（ｃ））の起伏を金属部材９で押圧して起伏を均してもボンディングワイヤ３が露出したり、あるいは押圧によりボンディングワイヤ３が影響を受けない程度に、ボンディングワイヤ３の高さより十分高くなるように設定した。

図３に示すような例では、このような起伏を均すには、少なくともボンディングワイヤ３の最も高い位置より３０μｍ以上高くしなければならない。本発明では、金属部材９の押圧による影響も考慮して、ボンディングワイヤ３の高さより３０μｍ〜２３０μｍ程度高くなるように、図４（ｂ）での透明樹脂７ａのポッティング量を設定している。これ以上厚くしても、金属部材９の押圧による表面の均しに対する効果はあまり変わらず、半導体装置全体の厚さを増加させるので、上記のような範囲の厚さとしている。

図４（ｃ）に示す中間製品１０Ｃを常温とした後、中間製品１０Ｃを透明樹脂７ａが軟化する温度まで加熱する。透明樹脂７ａが硬化している半導体装置の中間製品１０Ｃ（図４（ｃ））を加熱して、透明樹脂７ａを軟化させる。この様子は図４（ｄ）の中間製品１０Ｄとして示されている。加熱温度は、流動性のある透明樹脂の硬化温度より低い温度であって、硬化後の透明樹脂のガラス転移温度よりやや高い温度で行う。ここで用いたエポキシ樹脂では、ガラス転移温度は４３℃であり、この例では７０〜８０℃程度で加熱して樹脂の軟化を行った。

次に、図４（ｅ），（ｆ）に示すように、表面が平坦な金属板９で軟化した透明樹脂７ａの表面を押圧して平坦とする。金属板９を同様な温度に予め加温するのが好ましい。

金属部材９により軟化した透明樹脂の押圧は、樹脂表面の起伏が無くなるまで行われる。この押圧条件は、樹脂の種類、ガラス転移温度、軟化のための加熱温度、押圧力、押圧時間に依存する。上記で説明したような特性を有するエポキシ樹脂および加熱温度では、０．８〜０．９ｋｇｆで５分程度で十分であった。

金属部材９による押圧後の透明樹脂７の表面平坦度は、この金属部材９の押圧面の平坦度で決定される。本例では、表面の平坦度と金属部材９の押圧後の離型性を考慮し、金属部材９の材料として、鉄材にＮｉメッキを施したものを採用し、表面平坦度は５μｍ以下とした。
なお、上記では透明樹脂７の表面の平坦化のために金属部材９を押圧するとしたが、表面が平坦であって、離型性が十分であれば金属以外の材質な平坦な板を適宜用いてもよい。

なお、エポキシ樹脂の硬化開始温度を１２０℃、第１段階の温度を１２５）℃、第２段階の温度を１５０℃として説明したが、これらの値は１例であり、適宜、選択することができる。

以上説明した実施形態による半導体装置１０は、基板５と、光機能素子を有し、基板５に実装されワイヤ３により基板５上の電極と接続された半導体チップ１と、半導体チップ１を基板５上で封止する透明樹脂であって、その表面の凹凸が５μｍより小さい透明樹脂７の層とで構成される。

この半導体装置１０の製造方法は、半導体チップ１を基板５上に実装し、半導体チップ１と基板５上の電極とを接続する第１の工程と、基板５の上面において、ワイヤ３を覆う高さに透明樹脂７ａをポッティングする工程と、ポッティングした透明樹脂７ａを加熱して硬化して中間製品１０Ｄを作成する工程と、この中間製品１０Ｄをたとえば透明樹脂７ａのガラス転移温度以下である常温とした後に再度加熱し、硬化した透明樹脂７ａを軟化させる、軟化した透明樹脂７ａの表面を平坦面で押圧して透明樹脂７ａの表面を平坦化するとともに、透明樹脂７ａの高さを所定値に設定する工程とを有する。なお、中間製品１０Ｄを押圧する平坦面をたとえば金属板の平坦面とし、この金属板を加熱しておくことにより、上記の中間製品１０Ｄの再加熱の工程と、透明樹脂７ａの表面を平坦化して所定の高さに設定する工程とを一緒に行うことも可能である。すなわち、上記で説明したような、透明樹脂７ａが硬化した後に再加熱して軟化させる工程を用いずに、加熱した金属板を押圧することによって透明樹脂７ａの軟化とその表面の平坦化を一緒に行うことができる。

なお、図４（ａ）〜（ｇ）では、一つの半導体装置１０を製造する工程を説明したが、本発明による半導体装置は、１枚の基板５の上に複数個の半導体チップ１を実装し、各半導体チップ１の上部を透明樹脂７ａで一括して覆い、硬化加熱、常温保持、軟化加熱、押圧の処理も一括して行い、最後に個片化して作製することができる。

以上説明した実施形態の半導体装置およびその製造方法によれば、以下の作用効果を奏することができる。
（１）一旦硬化させた透明樹脂を軟化させ、この軟化状態で透明樹脂の表面を押圧部材９の平坦面で押圧することにより、樹脂表面の起伏、すなわち凹凸（高度差）を５μｍ以下に抑えることができる。この製造方法は、金型を必要とせずに樹脂表面の凹凸を抑制することができ、製造コストを抑えることができる。
（２）そして、このような製造方法で作製された半導体装置によれば、入射面の凹凸が５μｍ以下であり、たとえば、ＰＤを２個並設した場合でも、各ＰＤに正しく光が導入される。

（変形例１）
上記では、半導体チップ１にＰＤ素子を２個搭載した例を説明したが、半導体チップ１の構成はこれに限定するものではない。ＰＤ素子が１個のみ搭載されているものであっても、本発明による半導体装置およびその製造方法を用いて、個々の半導体装置における透明樹脂表面の起伏を低減することができるので、半導体装置間の特性のバラツキが抑えられる。また、３個以上のＰＤ素子を搭載したような半導体チップにおいても、同様に本発明を適用できる。

（変形例２）
本発明による半導体装置およびその製造方法は、半導体チップ１にＰＤ素子以外の光学素子、たとえばレーザダイオード（ＬＥＤ）素子が搭載されたものに対しても適用することができる。透明樹脂の表面の起伏が低減されるので、ＬＥＤ素子の発光方向が揃えられるので、特性の均一化を図ることができる。

（変形例３）
また、この半導体チップ１にはＬＥＤ素子とＰＤ素子が搭載されたものであってもよい。本発明により、透明樹脂の表面の起伏が低減されるので、ＬＥＤ素子から放出される光は真っ直ぐ外部に向かう。このため、ＬＥＤ素子の光の透明樹脂７内での乱反射が大幅に低減されるので、ＬＥＤ素子とＰＤ素子が搭載されたものであっても、十分動作可能となる。またこのような半導体チップを備えた半導体装置１個で光による入出力動作が可能となる。あるいは、ＬＥＤ素子から放出された光が外部で反射されたものを同じ半導体チップのＰＤ素子で受光することも可能であり、このような半導体装置を用いてたとえば外部物体の有無を検出する小型のセンサを製造することが可能となる。

（変形例４）
図１では、ＰＤ素子２個を搭載した半導体チップ１個がパッケージされた半導体装置を示したが、このような半導体チップを複数個備えるような半導体装置においても適用できる。本発明によれば、透明樹脂の表面の起伏が低減されるので、ＰＤ素子やＬＥＤ素子の特性にさらにバラツキを与えることがない。したがって、このような素子を備える半導体装置の特性を揃えることが容易となる。また複数の半導体チップを搭載する場合は、波長感度の異なるＰＤ素子や、発光波長の異なるＬＥＤ素子等を同時に搭載した半導体装置の製造も可能である。このような半導体装置に対しても、特性を容易に揃えることが可能となる。

（変形例５）
透明樹脂としてエポキシ樹脂を用いたものとして説明した。しかしながら、本発明による半導体装置およびこの製造方法では、ＰＤ素子などの半導体素子２の特性（波長感度）を妨げないような波長吸収特性を有し、また、あまり急激に硬化しない、たとえば所定の硬化温度で数時間程度で硬化するような樹脂であればよく、エポキシ樹脂や硬化剤の組成を限定するものでない。

（変形例５）
図２では省略しているが、基板５は、平板上の底板部と、底板部の周縁に設けた周壁と、周壁に適宜の間隔で設けたリード部とを予め有する構成としてもよい。この場合、透明樹脂が投入された場合は、周壁をこの透明樹脂の堰き止める壁として用いることができる。
あるいは、たとえば大型のガラスエポキシ基板の上に、半導体チップを搭載する部分以外は不透明な樹脂を積層あるいは封入したような大型のパッケージを用いて、これに多数の半導体チップを搭載し、個々の半導体チップを透明樹脂で封入するような製造方法であってもよい。いずれの方法でも、リード４の周囲の壁が、流動性のある透明樹脂７の堰き止め用の壁として用いられる。

以上の説明は本発明の実施形態の例であり、本発明はこれらの実施形態や実施例に限定されない。当業者であれば、本発明の特徴を損なわずに様々な変形実施が可能である。たとえば、ＥＰＲＯＭのパッケージの封止に、本発明による半導体装置の製造方法を適用することにより、ＥＰＲＯＭチップ全体に均一に消去光を入射することができ、メモリ消去作業の信頼性を向上することができる。したがって、本発明による半導体チップはフォトダイオード、レーザダイオード、ＥＰＲＯＭなどの光機能素子を有するものである。

１・・・半導体チップ
２・・・フォトダイオード素子（ＰＤ素子）
３・・・ボンディングワイヤ
４・・・リード
５・・・基板
７・・・透明樹脂
９・・・金属部材
１０・・・半導体装置

Claims (5)

1. 基板と、光機能素子を有し、前記基板に実装されワイヤにより前記基板上の電極と接続された半導体チップと、前記半導体チップを基板上で封止する透明樹脂とを有する半導体装置の製造方法であって、
   前記半導体チップを前記基板上に実装し、前記半導体チップと前記基板上の電極とを接続する第１の工程と、
   前記基板の上面において、前記ワイヤを覆う高さに透明樹脂をポッティングする第２の工程と、
   前記第２の工程でポッティングした前記透明樹脂を、該透明樹脂の硬化温度より高い温度に加熱して硬化された中間製品を作製する第３の工程と、
   前記第３の工程で作製された前記中間製品をガラス転移温度以下に冷却する第４の工程と、
   前記第４の工程の後、前記透明樹脂の表面を、硬化前の前記透明樹脂の硬化温度より低い温度で、かつ、硬化後の前記透明樹脂のガラス転移温度より高い温度に加熱した板で押圧する第５の工程とを有し、
   前記第５の工程において、前記透明樹脂を軟化させるとともに、前記透明樹脂の表面を平坦化することを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 請求項１に記載の半導体装置の製造方法において、
   前記第２の工程における前記透明樹脂のポッティング量は、少なくとも前記第３の工程において作製される前記中間製品の前記透明樹脂の表面に起伏が生じても前記ワイヤが露出しないように設定されていることを特徴とする半導体装置の製造方法。
3. 請求項１に記載の半導体装置の製造方法において、
   前記第２の工程における前記透明樹脂のポッティング量は、前記ワイヤの最高位置の高さより３０μｍ〜２３０μｍ高くしたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法において、
   前記第３の工程は、前記透明樹脂を第１の温度で第１の時間硬化させる先工程と、前記第１の時間経過後に、前記第１の温度よりも高い第２の温度で第２の時間硬化させる次工程とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法において、
   前記第５の工程では、前記透明樹脂の表面凹凸が５μｍ以下となるように前記板の平坦面で押圧することを特徴とする半導体装置の製造方法。
   

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