JPWO2016207979A1 - 半導体装置、および半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

小型化を図りながら、接続部の信頼性を向上しうる半導体装置、および半導体装置の製造方法を提供する。本発明の撮像ユニット１００は、主面中央部に形成された受光部１１と、受光部１１の周囲に形成された複数の電極パッド１２と、を有する撮像素子１０と、複数の電極パッド１２にバンプ１３を介してそれぞれ接続される複数のインナーリード３２を有するフレキシブルプリント基板３０と、撮像素子１０の受光部１１を封止するとともに、側面に電極パッド１２とインナーリード３２との接続部を収容する溝部２１が少なくとも１つ形成されたインナーリード３２の位置決め部を有する光学部材２０と、を備えることを特徴とする。

Description

本発明は、半導体装置、および半導体装置の製造方法に関する。

従来、医療分野および工業分野において、各種検査のために内視鏡が広く用いられている。このうち、医療用の内視鏡は、患者等の被検体内に、先端に固体撮像素子が設けられた細長形状をなす可撓性の挿入部を挿入することによって、被検体を切開せずとも体腔内の体内画像を取得でき、さらに、必要に応じて挿入部先端から処置具を突出させて治療処置を行うことができるため、広く用いられている。

このような内視鏡で使用される撮像装置は、一般に、ＣＣＤチップの受光面をカバーガラスで覆い、受光面の外周縁部に設けられた電極にＴＡＢテープのインナーリードを接続して、ＣＣＤチップと電子部品や外部の情報処理装置とを接続する（例えば、特許文献１参照）。

近年、被検体の負担を軽減するために内視鏡の挿入先端部の細径化が求められており、ＣＣＤチップの小型化も検討されている。ＣＣＤチップを小型化する場合、外周縁部に設けられる電極間距離も狭くなるため、電極とインナーリードとの位置ずれにより、ショート等が発生するおそれが高くなる。

これに対し、電極とインナーリードとの位置ずれを低減して、ショート等の発生を防止する技術として、信号等の伝送に使用する複数の電極の間にダミー電極を配置し、このダミー電極にダミー配線を接続することにより位置ずれを防止する技術が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開平１１−７６１５２号公報 特開２０１３−２３９６５４号公報

しかしながら、特許文献２に記載の技術では、ダミー配線および／またはダミー電極の使用のための設置スペースが必要となるため、半導体素子およびこれを用いた半導体装置の小型化が阻害されるという問題を有している。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、小型化を図りながら、接続部の信頼性を向上しうる半導体装置、および半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる半導体装置は、主面中央部に形成された素子部と、前記素子部の周囲に形成された複数の電極パッドと、を有する半導体チップと、前記複数の電極パッドにバンプを介してそれぞれ接続される複数のインナーリードを有するフレキシブルプリント基板と、前記半導体チップの素子部を封止するとともに、側面に前記電極パッドと前記インナーリードとの接続部を収容する溝部が少なくとも１つ形成された前記インナーリードの位置決め部を有する光学部材と、を備えることを特徴とする。

また、本発明にかかる半導体装置は、上記発明において、前記溝部は、前記電極パッドのピッチ間隔と同間隔で、前記電極パッドの個数と同数形成されることを特徴とする。

また、本発明にかかる半導体装置は、上記発明において、前記位置決め部の高さは、接続後の前記インナーリードの厚みと前記バンプの高さとの和であることを特徴とする。

また、本発明にかかる半導体装置は、上記発明において、前記位置決め部は、前記半導体チップとの接続面側に隙間が形成されることを特徴とする。

また、本発明にかかる半導体装置の製造方法は、上記のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法であって、半導体チップと光学部材とを接合する接合工程と、前記光学部材の側面に形成された溝部にインナーリードを挿入して、電極パッドと前記インナーリードを位置合わせする位置合わせ工程と、前記電極パッドと前記インナーリードとをバンプを介して接続する接続工程と、を含むことを特徴とする。

また、本発明にかかる半導体装置の製造方法は、上記発明において、前記光学部材の材料となる薄膜上に金属膜およびフォトレジストを成膜する成膜工程と、フォトリソグラフィにより前記金属膜に前記溝部の形状をパターニングするパターニング工程と、パターニングされた前記金属膜をマスクとして前記光学部材をエッチングして前記溝部を形成する溝部形成工程と、前記金属膜を除去し、個片化する個片化工程と、を含む光学部材製造工程をさらに有することを特徴とする。

本発明によれば、ダミー配線および／またはダミー電極を使用することなく、電極パッドとインナーリードとを精度よく位置決めできるので、小型化を図りながら、接続部の信頼性に優れる半導体装置を提供することができる。

図１は、本発明の実施の形態１にかかる内視鏡システムの全体構成を模式的に示す図である。 図２は、図１の内視鏡で使用される撮像ユニットの側面図である。 図３は、図２に示す撮像ユニットの前面図である。 図４は、図２の撮像ユニットの接続部の一部拡大側面図である。 図５は、図３の撮像ユニットのＡ−Ａ線断面図である。 図６は、光学部材の製造方法を説明する図である。 図７は、金属膜エッチング後のガラスウエハ表面の一部拡大図である。 図８は、実施の形態１の変形例にかかる撮像ユニットの前面図である。 図９は、実施の形態２にかかる撮像ユニットの一部拡大側面図である。 図１０は、図９の撮像ユニットの断面図である。 図１１は、実施の形態３にかかる撮像ユニットの一部拡大側面図である。 図１２は、図１１の撮像ユニットの断面図である。

以下の説明では、本発明を実施するための形態（以下、「実施の形態」という）として、撮像ユニットとして機能する半導体装置を備えた内視鏡について説明する。また、この実施の形態により、この発明が限定されるものではない。さらに、図面の記載において、同一部分には同一の符号を付している。さらにまた、図面は、模式的なものであり、各部材の厚みと幅との関係、各部材の比率等は、現実と異なることに留意する必要がある。また、図面の相互間においても、互いの寸法や比率が異なる部分が含まれている。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１にかかる内視鏡システムの全体構成を模式的に示す図である。図１に示すように、内視鏡システム１は、内視鏡２と、ユニバーサルコード５と、コネクタ６と、光源装置７と、プロセッサ（制御装置）８と、表示装置９とを備える。

内視鏡２は、挿入部３を被検体内に挿入することによって、被検体の体内画像を撮像し撮像信号を出力する。ユニバーサルコード５内部のケーブルは、内視鏡２の挿入部３の先端まで延伸され、挿入部３の先端部３ｂに設けられる撮像ユニットに接続する。

コネクタ６は、ユニバーサルコード５の基端に設けられて、光源装置７及びプロセッサ８に接続され、ユニバーサルコード５と接続する先端部３ｂの撮像ユニットが出力する撮像信号（出力信号）に所定の信号処理を施すとともに、撮像信号をアナログデジタル変換（Ａ／Ｄ変換）して画像信号として出力する。

光源装置７は、例えば、白色ＬＥＤを用いて構成される。光源装置７が点灯するパルス状の白色光は、コネクタ６、ユニバーサルコード５を経由して内視鏡２の挿入部３の先端から被写体へ向けて照射する照明光となる。

プロセッサ８は、コネクタ６から出力される画像信号に所定の画像処理を施すとともに、内視鏡システム１全体を制御する。表示装置９は、プロセッサ８が処理を施した画像信号を表示する。

内視鏡２の挿入部３の基端側には、内視鏡機能を操作する各種ボタン類やノブ類が設けられた操作部４が接続される。操作部４には、被検体の体腔内に生体鉗子、電気メスおよび検査プローブ等の処置具を挿入する処置具挿入口４ａが設けられる。

挿入部３は、撮像ユニットが設けられる先端部３ｂと、先端部３ｂの基端側に連設された上下方向に湾曲自在な湾曲部３ａと、この湾曲部３ａの基端側に連設された可撓管部３ｃとを備える。湾曲部３ａは、操作部４に設けられた湾曲操作用ノブの操作によって上下方向に湾曲し、挿入部３内部に挿通された湾曲ワイヤの牽引弛緩にともない、たとえば上下の２方向に湾曲自在となっている。

内視鏡２には、光源装置７からの照明光を伝送するライトガイドが配設され、ライトガイドによる照明光の出射端に照明窓が配置される。この照明窓は、挿入部３の先端部３ｂに設けられており、照明光が被検体に向けて照射される。

次に、内視鏡２の先端部３ｂに設けられた撮像ユニットについて説明する。図２は、図１の内視鏡で使用される撮像ユニットの側面図である。図３は、図２に示す撮像ユニットの前面図である。図４は、図２の撮像ユニットの接続部の一部拡大側面図である。図５は、図３の撮像ユニットのＡ−Ａ線断面図である。

撮像ユニット１００は、主面中央部に形成された受光部１１を有する撮像素子１０と、受光部１１を封止する光学部材２０と、フレキシブルプリント基板３０と、を備える。本明細書において、撮像ユニット１００の光学部材側を前面側といい、後述する信号ケーブルが配置される側を基端側という。

撮像素子１０は、主面中央部に形成された素子部である受光部１１の周囲に、５つの電極パッド１２を備える。電極パッド１２上には金（Ａｕ）、はんだ等からなるバンプ１３が形成されている。

光学部材２０は、ガラスや、ガラスと同程度の光学特性を備えた樹脂等の材料からなり、接着剤により撮像素子１０と接着されている。光学部材２０の側面には、電極パッド１２とインナーリードの位置を規定する溝部２１が形成されている。溝部２１は、光学部材２０の前面側から裏面側に貫通するように形成され、電極パッド１２のピッチ間隔と同間隔で、電極パッド１２の個数と同数形成されている。光学部材２０の溝部２１が形成される側の側面は、電極パッド１２上へのバンプ１３およびインナーリード３２の位置決め部２３として機能する。

フレキシブルプリント基板３０（以下、「ＦＰＣ基板」という）は、絶縁性の基材３１と、基材３１の内部に形成される配線層（図示しない）と、を有し、配線層が基材３１から露出してインナーリード３２を形成する。ＦＰＣ基板３０は、撮像素子１０から光軸方向に延出し、延出したＦＰＣ基板３０表面には複数の導体層を有する積層基板４０が接続されている。積層基板４０には、撮像素子１０の駆動回路を構成する電子部品５０が実装され、積層基板４０の内部には、複数の導体層間を電気的に導通させるビア（図示しない）が形成されている。また、積層基板４０の基端側には、ケーブル６０の導体６１が接続される。なお、積層基板４０には、撮像素子１０の駆動回路を構成する電子部品以外の電子部品が実装されてもよい。

一般に、内視鏡２に使用される撮像素子１０の電極パッド１２の径は３０〜１００μｍ、電極パッド１２間の距離は２０〜１００μｍ、電極パッド１２間のピッチは５０〜２００μｍに形成されている。また、電極パッド１２上に配置されるバンプ１３の径は２５〜１００μｍ、バンプ１３の高さは１５〜３０μｍである。バンプ１３を介して電極パッド１２と接続されるインナーリード３２の幅は、バンプ１３の径に合わせて２５〜１００μｍ、厚みは１５〜２５μｍ程度である。電極パッド１２上へのバンプ１３およびインナーリード３２の位置決め部２３である溝部２１の幅ｒ１は、バンプ１３およびインナーリード３２の大きさに合わせて形成することが好ましく、バンプ１３の径、またはインナーリード３２の幅の１１０〜１２０％程度とすることが好ましい。また、溝部２１の長さｒ２は、少なくともバンプ１３の径の５０％以上であることが好ましく、８０〜１２０％の長さとすることにより、精度よく位置決めできるとともに、撮像ユニット１００の大型化を抑制できる。溝部２１の高さｒ３は、接続後のインナーリード３２の厚みとバンプ１３の高さの和以下とすることが好ましい。

撮像ユニット１００は、電極パッド１２上にバンプ１３を形成した撮像素子１０上に、溝部２１内にバンプ１３を形成した電極パッド１２が配置されるよう光学部材２０を位置決めして接続する。次いで、ＦＰＣ基板３０のインナーリード３２を溝部２１に挿入することにより位置決めし、インナーリード３２の上部からヒートツールで加熱・加圧して、インナーリード３２をバンプ１３により電極パッド１２と接続する。ヒートツールで、５本のインナーリード３２を一括接続するためには、接続前のインナーリード３２の厚みとバンプ１３の高さの和は、接続時の溶融によるバンプ１３の高さの低下を考慮し、溝部２１の高さｒ３より高くすることが好ましいが、インナーリード３２を個別に接続する場合はこの限りではない。なお、インナーリードとバンプの接続は、超音波ツールを用いた超音波による接続方式でも良い。また、撮像ユニット１００は、撮像素子１０と光学部材２０とを接続した後、電極パッド１２上にバンプ１３を形成し、その後、インナーリード３２と接続してもよい。

電極パッド１２とインナーリード３２との接続部は、封止樹脂で封入してもよい。封止樹脂は、溝部２１からの受光部１１への光の斜入射を防止するために、光を透過しない着色した封止樹脂を使用することが好ましい。封止樹脂を使用せず、溝部２１からの受光部１１への斜入射を防止するためには、溝部２１内に遮光性塗料を塗布することが好ましい。

光学部材２０は、ダイシングブレードやレーザー等により加工、成形することもできるが、半導体プロセスにより製造する方が、コストおよび精度の面で好ましい。光学部材２０の半導体プロセスによる製造を、図面を参照して説明する。図６は、光学部材の製造方法を説明する図である。図６は、光学部材２０の材料となるガラスウエハ２５の断面を示すものであるが、発明の理解のために、ガラスウエハ２５の一部断面を拡大して示している。

まず、ガラスウエハ２５の表面に金や、アルミニウムなどの金属膜２６を形成する。金属膜２６は、蒸着やスパッタリング等により成膜する。続いて、金属膜２６上にフォトレジストを塗布して、レジスト層２７を成膜する（図６（ａ）参照）。

マスクを介してレジスト層２７を露光、現像して、レジスト層２７に光学部材２０の溝部２１の形状をパターンニングした後、金属膜２６をエッチングする（図６（ｂ）参照）。金属膜２６のエッチング後、レジスト層２７は除去される（図６（ｃ）参照）。図７は、金属膜２６のエッチング後のガラスウエハ２５の表面の一部拡大図である（レジスト層２７除去後）。図７において、点線は最終的な光学部材２０の形状を示すものである。図７に示すように、金属膜２６の溝部２１に対応する部分が、エッチングにより除去されている。

エッチングにより溝部２１の形状がパターニングされた金属膜２６をマスクとして、ガラスウエハ２５をエッチングする（図６（ｄ）参照）。このエッチングによりガラスウエハ２５に溝部２１が形成される。フォトリソグラフィにより溝部２１を形成することにより、精度よく光学部材を製造することができる。

溝部２１を形成したガラスウエハ２５から金属膜２６を除去した後（図６（ｅ）参照）、ダイシングによりガラスウエハ２５を個片化して光学部材２０が得られる（図６（ｆ）参照）。ガラスウエハ２５をエッチングして溝部２１を形成する際、金属膜２６を形成せずに、ガラスウエハ２５表面に直接レジスト層２７を形成してフォトリソグラフィにより溝部２１を形成することもできるが、ガラスウエハ２５の厚さを考慮すると、金属膜２６を形成してマスクとすることが好ましい。また、金属膜２６およびガラスウエハ２５のエッチングは、ウエットエッチングとドライエッチングのいずれにより行ってもよい。

なお、上記の工程により光学部材２０を製造した後、撮像素子１０と接着して撮像ユニット１００を製造できるが、個片化される前のウエハ状態の撮像素子１０のシリコンウエハにガラスウエハ２５を接着した後、上記の工程により、ガラスウエハ２５に溝部２１を形成し、シリコンウエハとガラスウエハ２５とを同時に個片化してもよい。

実施の形態１にかかる撮像ユニット１００は、ＦＰＣ基板３０のインナーリード３２を光学部材２０の溝部２１に挿入することにより、電極パッド１２と容易に位置決めできる。また、溝部２１によりインナーリード３２が位置決めされるため、インナーリード３２の位置ずれによるショートのおそれを低減できる。さらに、溝部２１がダムの機能を果たすため、インナーリード３２と電極パッド１２との接続の際、バンプ１３の流れ出しによるショート等の発生を防止できる。さらにまた、ダミー電極やダミー配線を使用しないため、撮像ユニット１００の小型化を図ることができる。

上記の実施の形態１では、半導体装置として撮像ユニットを例として説明したが、本発明の半導体装置は撮像ユニットに限定されるものではなく、ＭＥＭＳデバイス等の光学部材を使用する半導体装置にも適用可能である。

なお、上記の実施の形態１では、光学部材２０の位置決め部２３に電極パッド１２と同数の溝部２１を形成し、インナーリード３２を溝部２１にそれぞれ挿入して位置決めを行うが、インナーリード３２を電極パッドに位置決めが可能であれば、溝部は１つであってもよい。図８は、本実施の形態１の変形例にかかる撮像ユニットの前面図である。

本実施の形態１の変形例にかかる撮像ユニット１００Ａにおいて、位置決め部２３Ａには１つの溝部２１Ａが形成されている。溝部２１Ａの幅ｒ１’は、すべてのバンプ１３およびインナーリード３２を収容できる大きさである。インナーリード３２の幅は、バンプ１３の径と同程度であり、バンプ１３の径またはインナーリード３２の幅のいずれか大きい方の最外側面の長さｒ４に合わせて溝部２１Ａの幅ｒ１’を形成することにより、位置合わせを容易に行うことができる。

また、溝部を１つのみ形成する場合、本変形例のようにすべてのバンプ１３およびインナーリード３２を収容する大きさにするほか、端部の各１つのバンプ１３およびインナーリード３２、または、中央部の各１つのバンプ１３およびインナーリード３２を収容する大きさの溝部としてもよい。

（実施の形態２）
実施の形態２にかかる撮像ユニットにおいて、光学部材の位置決め部は、撮像素子との接続面側に凹部が設けられている。図９は、本実施の形態２にかかる撮像ユニットの一部拡大側面図である。図１０は、図９の撮像ユニットの断面図である。図１０の断面図は、図３の撮像ユニット１００のＡ−Ａ断面と同位置での断面である。

実施の形態２にかかる撮像ユニット１００Ｂにおいて、光学部材２０Ｂの位置決め部２３Ｂは、撮像素子１０との接続面側に凹部２２が設けられ、撮像素子１０との間に隙間が形成されている。撮像素子１０と光学部材２０Ｂとは接着剤により接合されているが、使用する接着剤量と、接合時の加熱、加圧条件により、溝部２１Ｂ内に接着剤の漏れ出しが発生する場合がある。電極パッド１２上にバンプ１３を形成する前に撮像素子１０と光学部材２０Ｂとを接着剤により接合し、接着剤が位置決め部２３Ｂ側に漏れ出した場合でも、光学部材２０Ｂに凹部２２を形成することにより、凹部２２に接着剤が流れ出し、電極パッド１２上に接着剤が流れ出すことがなく、接続の信頼性を向上することができる。凹部２２の高さｒ５は、撮像素子１０と光学部材２０Ｂとの接合に使用する接着剤の厚さにより適宜変更することが好ましいが、少なくとも１μｍ以上であり、溝部２１Ｂの高さｒ３の５０％未満、好ましくは３０％以下とすることが好ましい。

（実施の形態３）
実施の形態３にかかる撮像ユニットにおいて、光学部材の位置決め部の高さは、受光部上の光学部材の高さより低く形成されている。図１１は、本実施の形態３にかかる撮像ユニットの一部拡大側面図である。図１２は、図１１の撮像ユニットの断面図である。図１２の断面図は、図３の撮像ユニット１００のＡ−Ａ断面と同位置での断面である。

実施の形態３にかかる撮像ユニット１００Ｃにおいて、光学部材２０Ｃの位置決め部２３Ｃの高さｒ３は、撮像素子１０の受光部１１上の光学部材２０Ｃの高さｒ６より低く形成されている。位置決め部２３Ｃの高さｒ３は、使用するバンプ１３の高さとインナーリード３２の厚さに応じて決定されるが、受光部１１上の光学部材２０Ｃの高さｒ６は、光学特性に応じて必要な高さとすることが求められるため、光学部材２０Ｃに使用する材料に応じて高さを決定すればよい。実施の形態３では、受光部１１上の光学部材２０Ｃの高さｒ６は、位置決め部２３Ｃの高さｒ３より高いが、必要に応じて、受光部１１上の光学部材２０Ｃの高さｒ６を、位置決め部２３Ｃの高さｒ３より低くしてもよい。

１ 内視鏡システム
２ 内視鏡
３ 挿入部
３ａ 湾曲部
３ｂ 先端部
３ｃ 可撓管部
４ 操作部
４ａ 処置具挿入口
５ ユニバーサルコード
６ コネクタ
７ 光源装置
８ プロセッサ
９ 表示装置
１０ 撮像素子
１１ 受光部
１２ 電極パッド
１３ バンプ
２０、２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ 光学部材
２１、２１Ａ、２１Ｂ 溝部
２２ 凹部
２３、２３Ａ、２３Ｂ、２３Ｃ 位置決め部
２５ ガラスウエハ
２６ 金属膜
２７ レジスト層
３０ フレキシブルプリント基板
３１ 基材
３２ インナーリード
４０ 積層基板
５０ 電子部品
６０ ケーブル
６１ 導体
１００、１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ 撮像ユニット

Claims (6)

1. 主面中央部に形成された素子部と、前記素子部の周囲に形成された複数の電極パッドと、を有する半導体チップと、
   前記複数の電極パッドにバンプを介してそれぞれ接続される複数のインナーリードを有するフレキシブルプリント基板と、
   前記半導体チップの素子部を封止するとともに、側面に前記電極パッドと前記インナーリードとの接続部を収容する溝部が少なくとも１つ形成された前記インナーリードの位置決め部を有する光学部材と、
   を備えることを特徴とする半導体装置。
2. 前記溝部は、前記電極パッドのピッチ間隔と同間隔で、前記電極パッドの個数と同数形成されることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記位置決め部の高さは、接続後の前記インナーリードの厚みと前記バンプの高さとの和であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
4. 前記位置決め部は、前記半導体チップとの接続面側に隙間が形成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の半導体装置。
5. 請求項１〜４のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法であって、
   前記半導体チップと前記光学部材とを接合する接合工程と、
   前記光学部材の側面に形成された溝部にインナーリードを挿入して、電極パッドと前記インナーリードを位置合わせする位置合わせ工程と、
   前記電極パッドと前記インナーリードとをバンプを介して接続する接続工程と、
   を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
6. 前記光学部材の材料となる薄膜上に金属膜およびフォトレジストを成膜する成膜工程と、
   フォトリソグラフィにより前記金属膜に前記溝部の形状をパターニングするパターニング工程と、
   パターニングされた前記金属膜をマスクとして前記光学部材をエッチングして前記溝部を形成する溝部形成工程と、
   前記金属膜を除去し、個片化する個片化工程と、を含む光学部材製造工程をさらに有することを特徴とする請求項５に記載の半導体装置の製造方法。

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