JP2005244116A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】加工時に過度の精度および工数を要求することなく、なおかつ半導体素子に加わる応力を極力小さくすることができる簡易で生産性の高い半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】配線基板を貫通して設けられる開口部を、半導体装置を構成する配線基板と半導体素子との接合用として利用する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体素子と配線基板を接合して成る半導体装置の製造方法に関する。

従来、半導体素子を配線基板に実装するためのさまざまな技術が知られている。

このうち、特にＣＣＤ（Charge Coupled Device）やＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）型の画像センサのように低い接合温度が要求される半導体素子の場合に好適なものとして、フリップチップ実装方法が知られている（例えば特許文献１を参照。以下、従来技術１と称する）。この実装方法においては、半導体素子が具備する電極パッド上に形成されるバンプと、絶縁基板上に形成されるハンガータイプの電極に設けられるバンプ挿入穴とを嵌合させ、この嵌合部分を加圧変形することによって電気的接続を得ているる。

また、フリップチップ実装方法の別の例として、基板作製方法を利用した実装方法も知られている（例えば特許文献２を参照。以下、従来技術２と称する）。この実装方法では、半導体素子の電極パッド上に突起状の電極端子を形成し、配線電極上に樹脂層と接着剤層を設けた絶縁基板の位置合わせを行い、加熱および加圧によって接着剤層と樹脂層に対して突起電極を貫通し、この貫通した突起電極と配線電極とを接続固定する。
特開平７―１５３７９６号公報 特開２００１−２５０８７６号公報

上記従来技術のうち、従来技術１では、配線基板上に形成したハンガータイプの電極に逆テーパを施すための加工精度および加工工数が必要となっていた。

また、従来技術２では、接着層および配線基板の内層配線までの樹脂層を貫通し得る加圧力が必要となり、加圧時のツールとセンサチップおよび基板との平行度によっては、センサチップに過度の応力が加わって「われ」を生じる恐れもあった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、加工時に過度の精度および工数を要求することなく、なおかつ半導体素子に加わる応力を極力小さくすることができる簡易で生産性の高い半導体装置の製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、半導体素子と配線基板を接合して成る半導体装置の製造方法であって、前記半導体素子が具備する電極上にバンプを形成する工程と、この工程で形成したバンプを、前記配線基板を貫通して形成されて成る開口部に挿通する工程と、この工程で挿通したバンプを加圧変形または加熱溶融する工程とを有することを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記バンプを形成する工程において、当該バンプの高さが前記開口部の深さよりも大きくなるように前記バンプを形成することを特徴とする。

この発明において、バンプを孔部に挿通したとき、「バンプの高さ」方向と「孔部の深さ」方向は略平行となる。

請求項３記載の発明は、半導体素子と配線基板を接合して成る半導体装置の製造方法であって、前記配線基板を貫通して形成されて成る開口部に金属を充填する工程と、前記半導体素子が具備する電極上にバンプを形成する工程と、この工程で形成したバンプを前記開口部に充填した金属の表面に当接した状態で前記配線基板に超音波を印加する工程とを有することを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項１乃至３のいずれか１項記載の発明において、前記半導体素子は、マイクロレンズと、このマイクロレンズを保護すると共に、入射してくる光を透過する透光性部材とを備えた画像センサであることを特徴とする。

本発明によれば、配線基板を貫通して設けられる開口部を当該配線基板と半導体素子の接合用として利用することにより、加工時に過度の精度および工数を要求することなく、なおかつ半導体素子に加わる応力を極力小さくすることができる簡易で生産性の高い半導体装置の製造方法を提供することが可能となる。

以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の構成を示す部分断面図である。同図に示す半導体装置１は、配線基板１１に半導体素子の一例である画像センサ２１を接合して成るものである。本実施形態では、配線基板１１に画像センサ２１を接合することによって図４の部分断面図に示すカメラモジュールＣＭを実装することを想定して説明を行うが、これが本発明の好ましい一実施形態に過ぎないことは勿論である。

配線基板１１には貫通して形成される開口部としてのスルーホールＴＨが設けられており、このスルーホールＴＨの境界近傍の配線基板１１表面には、銅やはんだ、Ｎｉ／Ａｕ等のめっき１３が施されている（このようにめっき１３が施された開口部を孔部と称する）。そしてこのスルーホールＴＨには、画像センサ２１に設けられる電極パッド２９上に形成された多段金（Ａｕ）バンプ３１が挿通され、加圧変形されて配線基板１１と画像センサ２１を接合している。

なお、図４に示すカメラモジュールＣＭや携帯端末に適用する場合には、配線基板１１として、ポリイミド等を用いて構成され、柔軟性を備えたフレキシブル基板を想定することができる。

画像センサ２１にはマイクロレンズ２３が設けられており、このマイクロレンズ２３を保護すると共に、入射してくる光を透過する透光性部材である光学ローパスフィルタ２５（ＯＬＰＦ：Optical Low Pass Filter、以後、光学フィルタ２５と称す）が、シリコン等の支持部材２７を介してマイクロレンズ２３の上部に取り付けられている。

図２は、以上の構成を有する半導体装置１の製造方法の概要を示す説明図である。

図２（ａ)は接合前の状態を示す図であり、より具体的には、電極パッド２９に形成した多段バンプ３１を配線基板１１のスルーホールＴＨに挿通したときの状態を示す部分断面図である。接続端子となる多段バンプ３１の高さ（図の鉛直方向の長さ）は、めっき１３の厚を含むスルーホールＴＨの深さよりも高くなるように形成する必要がある。

図３は、多段バンプ３１を形成する際の工程を示す説明図である。同図を用いて、多段バンプの形成工程を詳細に説明する。

まず、径２５〜３０μｍのＡｕワイヤ３５の先端をアーク放電することによってＡｕボール３３を形成し、画像センサ２１上の電極パッド２９にボンディングを行う（図３（ａ）、（ｂ））。

その後、Ａｕワイヤ３５を上昇させることにより、電極パッド２９にボンディングした先端部の一部がＡｕワイヤ３５から離間し、電極パッド２９に残存した部分がＡｕバンプ３１−１として形成される（図３（ｃ））。

続いて、上述した図３（ａ）〜（ｃ）の処理を再度繰り返すことにより、Ａｕバンプ３１−１の上部に新たなＡｕボール３３の先端部が積層され、Ａｕワイヤ３５を上昇させることによってＡｕバンプ３１−１の上段に、２段目のＡｕバンプ３１−２が形成される（図３（ｄ）〜（ｆ））。

図３では、２段Ａｕバンプ３１が形成されるまでの工程を示しているが、以後、所定の高さに達するまでＡｕバンプ３１−３、３１−４、…を順次積層していき、図２（ａ）に示すような多段バンプ３１を形成していくことができる。多段バンプ３１の所定高さは、接合対象となる配線基板１１等の厚さに応じて変化するが、カメラモジュール等のサイズを勘案すると、その場合には３〜４段程度の多段バンプ３１が好適である。

このようにして多段バンプ３１を電極パッド２９上に形成した後、画像センサ２１をステージ１０１上に固定して位置決めを行い、配線基板１１のスルーホールＴＨに多段バンプ３１を挿通する（図２（ａ））。

この後、ステージ１０１と適当な圧着ツール１０３によって配線基板１１と画像センサ２１を挟持し、多段バンプ３１を圧着ツール１０３で加圧変形することにより、配線基板１１と画像センサ２１を接合する（図２（ｂ））。

図４は、以上の工程によって形成された配線基板１１と画像センサ２１の半導体装置１を含むカメラモジュールＣＭの構成を示す部分断面図である。同図に示すカメラモジュールＣＭにおいては、配線基板１１に対し、画像センサ２１に加えて、レンズ４１を収納する筐体状のレンズフレーム４３、および各種表面実装部品５１が取り付けられている。

レンズフレーム４３には、光学フィルタ２５を介して外部から入射してくる光を画像センサ２１に透過させるための開口部４５が設けられている。なお、このレンズフレーム４３を実装する際には、既に配線基板１１に接合済みの画像センサ２１に取り付けられている光学フィルタ２５を光学基準として位置決めを行う。

表面実装部品５１には、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）等の信号処理ＩＣ（Integrated Circuit）、およびチップＣＲ（抵抗・コンデンサ）の電子部品等が含まれる。この表面実装部品５１については、画像センサ２１が低い耐熱性しか持たないことに鑑みて、画像センサ２１を配線基板１１に接合するよりも前に、リフローはんだ付け等によって配線基板１１に貼り付けておくことが望ましい。

以上説明した本発明の第１の実施形態によれば、配線基板にスルーホールを設け、このスルーホールを挿通する金属バンプを半導体素子に形成し、この金属バンプを加圧変形させて両者を接合することにより、フリップチップ実装を簡素化することができる。

この結果、加工時に過度の精度および工数を要求するのない、簡易な接合方法を適用することが可能となる。

また、本実施形態によれば、半導体素子に加わる応力を極力小さくすることができ、半導体素子の「われ」による歩留まりの低下を抑制し、生産性の向上を図ることが可能となる。

なお、多段バンプの材料として、上述した金以外にも、例えばＳｎＡｇはんだを用いてもよい。この場合、図３に示すＡｕワイヤ３５の代わりにＳｎＡｇはんだワイヤを用いて多段はんだバンプを形成し、配線基板１１に設けたスルーホールＴＨに形成したその多段はんだバンプを挿通後、加熱溶融することによって配線基板１１と画像センサ２１を接合する。部品耐熱性の観点から、ＳｎＩｎはんだやＳｎＢｉはんだのような低融点はんだを適用することも勿論可能である。

ところで、多段バンプ３１（または多段はんだバンプ）を用いて接合した後、スルーホールＴＨ内部に依然として隙間が生じている場合には、その隙間に銀ペースト等の導電性接着剤を充填してもよい。これにより、上記同様の効果を得ることは勿論のこと、隙間が生じない場合と同程度の接合強度を得ることができる上、接合温度を低下することが可能となる。

（第２の実施形態）
図５は、本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の構成を示す部分断面図である。同図に示す半導体装置２においては、配線基板１１に設けられるスルーホールＴＨを銀（Ａｇ）や銅（Ｃｕ）等の金属で充填することによってＴＨ充填部１５を形成し、このＴＨ充填部１５に対してＡｕバンプ３１−１が超音波接合されることによって構成されている。その他の画像センサ２１および配線基板１１の構成は、上記第１の実施形態と同じである。

図６は、本実施形態に係る画像センサ１と配線基板１１を接合して成る半導体装置の製造方法の概要を示す説明図である。同図においては、説明の便宜上、図５と上下を逆にして記載している。

まず、画像センサ１の電極パッド９上に接続端子であるＡｕバンプ３１−１を形成する。このＡｕバンプ３１−１の形成は、図３（ａ）〜（ｃ）と同様の工程によって行う。

その後、図６（ａ）に示すように画像センサ２１の底面を超音波ヘッド２０１に当接する一方で、Ａｕバンプ３１−１の先端部をＴＨ充填部１５に当接する。この状態で超音波ヘッド２０１から超音波を発生し、Ａｕバンプ３１−１をＴＨ充填部１５に対して超音波接合する。超音波ヘッド２０１から発生する超音波の振動数は２０〜１００ｋＨｚ程度であり、６０ｋＨｚ程度であればより好ましい。

図６（ｂ)は、この超音波振動によってＡｕバンプ３１−１が変形し、配線基板１１と画像センサ２１が超音波接合した状態を示している。

超音波接合を行う場合には、接合対象物が超音波パワーを伝えるものであることが望ましいが、配線基板１１がフレキシブル基板の場合には、基材であるポリイミドが超音波を吸収してしまうため、良好な接合が得られないことがあった。

この意味で、本実施形態によれば、接合部として内部に金属を充填したスルーホールを利用しているため、接合面積を確保すると共に剛性を高めることができ、フレキシブル基板を用いても良好な超音波接合を得ることが可能となる。

以上説明した本発明の第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。

ここまで、本発明の好ましい実施形態を第１および第２の実施形態として詳述してきたが、本発明の構成はそれらの実施形態に限定されるものではない。

例えば、上記実施形態においては、スルーホールの境界近傍の配線基板表面にめっきを施していたが、めっきを施さなくても、配線基板表面の配線と多段バンプが電気的に接続されていれば良い場合もある。

このように、本発明は、ここでは記載していないさまざまな実施の形態等を含みうるものであり、特許請求の範囲により特定される技術的事項を逸脱しない範囲内において種々の設計変更等を施すことが可能であることは勿論である。

本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の構成を示す部分断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法の概要を示す説明図である。 多段バンプの形成工程を示す工程図である。 本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法を適用して構成されるカメラモジュールの構成を示す部分断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の構成を示す部分断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法の概要を示す説明図である。

符号の説明

１、２…半導体装置、１１…配線基板、１３…めっき、１５…ＴＨ充填部、２１…画像センサ、２３…マイクロレンズ、２５…光学フィルタ、２７…支持部材、２９…電極パッド、３１…多段バンプ、３１−１、３１−２…Ａｕバンプ、３３…Ａｕボール、３５…Ａｕワイヤ、４１…レンズ、４３…レンズフォルダ、４５…開口部、５１…表面実装部品、１０１…ステージ、１０３…圧着ツール、２０１…超音波ヘッド、ＣＭ…カメラモジュール、ＴＨ…スルーホール

Claims (4)

1. 半導体素子と配線基板を接合して成る半導体装置の製造方法であって、
   前記半導体素子が具備する電極上にバンプを形成する工程と、
   この工程で形成したバンプを、前記配線基板を貫通して形成されて成る開口部に挿通する工程と、
   この工程で挿通したバンプを加圧変形または加熱溶融する工程と
   を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 前記バンプを形成する工程において、
   当該バンプの高さが前記開口部の深さよりも大きくなるように前記バンプを形成すること
   を特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
3. 半導体素子と配線基板を接合して成る半導体装置の製造方法であって、
   前記配線基板を貫通して形成されて成る開口部に金属を充填する工程と、
   前記半導体素子が具備する電極上にバンプを形成する工程と、
   この工程で形成したバンプを前記開口部に充填した金属の表面に当接した状態で前記配線基板に超音波を印加する工程と
   を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
4. 前記半導体素子は、マイクロレンズと、このマイクロレンズを保護すると共に、入射してくる光を透過する透光性部材とを備えた画像センサであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の半導体装置の製造方法。
   
   

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