JP2004265959A - 半導体装置、及びそれを用いた放射線検出器 - Google Patents

半導体装置、及びそれを用いた放射線検出器 Download PDF

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Abstract

【課題】半導体素子と配線基板での対応する導電路とが良好に接続される半導体装置、及びそれを用いた放射線検出器を提供する。
【解決手段】半導体素子１０を接続する配線基板として、入力面２０ａから出力面２０ｂへの複数の貫通孔２０ｃが所定の配列で形成された貫通孔群２０ｄを有するガラス基板、及び貫通孔群２０ｄに含まれる貫通孔２０ｃのそれぞれの内壁に入力面２０ａと出力面２０ｂとの間を電気的に導通するように形成された導電性部材２１からなる配線基板２０を用いる。入力面２０ａに接続される半導体素子１０のバンプ電極１２は、貫通孔群２０ｄ、導電性部材２１、及び貫通孔群２０ｄを覆う領域に形成された導電部２２に対応し、複数の貫通孔２０ｃのそれぞれの内部にバンプ電極１２の一部が入り込むように接続される。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気信号を導く導電路が設けられた配線基板を有する半導体装置、及びそれを用いた放射線検出器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＣＴ用センサなどに用いられる放射線検出器として、半導体光検出素子の光入射面上にシンチレータを設置した構成の検出器がある。このような放射線検出器において、検出対象となるＸ線、γ線、荷電粒子線などの放射線がシンチレータに入射すると、シンチレーション光が発生する。そして、半導体光検出素子は、シンチレータから入射したシンチレーション光を検出して、放射線の強度に対応する電気信号を出力する。
【０００３】
また、半導体光検出素子から出力される電気信号に対して、その信号処理を行うため、信号処理素子が設けられる。このとき、半導体素子と信号処理素子とを電気的に接続して電気信号を伝達する構成の１つとして、導電路が設けられた配線基板に半導体素子を接続して一体の半導体装置を構成し、この半導体装置の配線基板に信号処理素子を接続する構成が用いられている。配線基板を用いたこのような半導体装置は、放射線検出器以外にも様々な用途に用いられる（例えば、特許文献１、２参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特許第２５５５７２０号公報
【特許文献２】
特開平３−２０３３４１号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
配線基板に半導体素子を接続する構成の半導体装置では、半導体素子のチップをフリップチップボンディングによって配線基板上に実装する際、半導体素子に設けられたバンプ電極を介して、半導体素子と配線基板での対応する導電路とが電気的に接続される。
【０００６】
このような構成においては、半導体素子と配線基板とを物理的、電気的に良好に接続することが重要である。しかしながら、上記のようにバンプ電極を用いた接続構成では、大きいバンプ電極が過度につぶれ、あるいは、隣接するバンプ電極同士が接触してしまうなど、バンプ電極の大きさや高さ、配置等により半導体素子と配線基板との接続に問題が生じる場合がある。
【０００７】
本発明は、以上の問題点を解決するためになされたものであり、半導体素子と配線基板での対応する導電路とが良好に接続される半導体装置、及びそれを用いた放射線検出器を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、本発明による半導体装置は、（１）電気信号を出力する半導体素子と、（２）信号入力面及び信号出力面の間で電気信号を導く導電路が設けられ、信号入力面に半導体素子が接続された配線基板とを備え、（３）配線基板は、複数の貫通孔を有する貫通孔群が設けられた絶縁基板と、貫通孔群に含まれる貫通孔のそれぞれに設けられ信号入力面及び信号出力面の間を電気的に導通して導電路として機能する導電性部材とを有して構成され、（４）半導体素子と、配線基板の貫通孔群に設けられた導電性部材とは、貫通孔群に対応して形成されたバンプ電極を介して電気的に接続されていることを特徴とする。
【０００９】
上記した半導体装置においては、半導体光検出素子などの半導体素子を接続する配線基板として、入力面から出力面への複数の貫通孔が所定の配列で形成された貫通孔群を有する絶縁基板を用いている。そして、この貫通孔群に対して半導体素子のバンプ電極を対応させて、半導体素子と、配線基板での対応する貫通孔群に設けられた導電路である導電性部材とを接続している。
【００１０】
このような構成によれば、半導体素子を配線基板上に実装する際に、導電性部材が設けられた貫通孔群における複数の貫通孔のそれぞれの内部に、バンプ電極の一部が入り込む。これにより、半導体素子と配線基板での対応する導電路とがバンプ電極を介して良好に接続される半導体装置が実現される。ここで、配線基板における導電路の構成については、導電性部材は、絶縁基板に設けられた貫通孔の内壁に形成されていることが好ましい。
【００１１】
また、配線基板の絶縁基板としては、コアガラス部及びコアガラス部の周囲に設けられた被覆ガラス部を含むファイバ状のガラス部材を束ねて形成された束状のガラス部材を所望の厚さに切断するとともに、コアガラス部を除去することによって貫通孔が形成されたガラス基板を用いることが好ましい。これにより、導電性部材を設けるための貫通孔が所望の孔径及びピッチで形成されたガラス基板によって配線基板を構成することができる。あるいは、これ以外の構成のガラス基板、またはガラス基板以外の絶縁基板を用いても良い。
【００１２】
また、配線基板の信号出力面に接続され、半導体素子からの電気信号を処理する信号処理手段をさらに備える構成としても良い。これにより、半導体素子から出力された電気信号が信号処理手段で処理される構成の半導体装置が得られる。
【００１３】
また、本発明による放射線検出器は、上記した半導体装置を含んで構成された放射線検出器であって、（１）半導体素子を含み、入射された放射線を検出して電気信号を出力する放射線検出手段と、（２）放射線検出手段からの電気信号を処理する信号処理手段と、（３）配線基板を含み、放射線検出手段及び信号処理手段がそれぞれ信号入力面及び信号出力面に接続された配線基板部とを備えることを特徴とする。
【００１４】
上記した放射線検出器においては、放射線検出手段と信号処理手段とを電気的に接続して電気信号を伝達する配線基板部として、放射線検出手段に含まれる半導体素子とともに上記の半導体装置を構成する配線基板を用いている。このような構成によれば、半導体素子と配線基板での対応する導電性部材とが良好に接続されるので、放射線検出手段から信号処理手段への電気信号の伝達、及び信号処理手段における電気信号の処理を確実に行うことが可能な放射線検出器が実現される。
【００１５】
このように上記の半導体装置を放射線検出器に適用する場合、配線基板に用いられる絶縁基板は、放射線遮蔽機能を有する所定のガラス材料から形成されたガラス基板であることが好ましい。これにより、放射線検出手段から信号処理手段への放射線の透過を抑制することができる。このようなガラス材料としては、例えば、鉛を含有するガラス材料がある。
【００１６】
また、放射線検出手段の構成については、放射線検出手段は、放射線の入射によりシンチレーション光を発生するシンチレータと、シンチレータからのシンチレーション光を検出する半導体素子である半導体光検出素子とを有する構成を用いることができる。あるいは、放射線検出手段としては、入射した放射線を検出する半導体素子である半導体検出素子を有する構成を用いても良い。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面とともに本発明による半導体装置、及びそれを用いた放射線検出器の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。
図１は、本発明による半導体装置の一実施形態の断面構造を示す側面断面図である。また、図２は、図１に示した半導体装置の構成を、各構成要素を分解して示す斜視図である。以下の各図においては、説明の便宜のため、図１及び図２に示すように、配線基板における導電方向に沿った軸をｚ軸、このｚ軸に直交する２軸をｘ軸、ｙ軸とする。
【００１８】
なお、後述する半導体装置を用いた放射線検出器においては、このｚ軸は、放射線が入射する方向に沿った軸となっている。また、ここでは、ｚ軸の負の方向が、配線基板における信号入力面から信号出力面へと向かう導電方向、及び半導体装置または放射線検出器における各構成要素の配列方向となっている。
【００１９】
図１に示した半導体装置は、半導体素子１０と、半導体素子１０を接続する配線基板２０とを備えている。これらは、図２に示すように、所定の配列方向に沿って、上流側（図中の上側）から下流側（下側）へとこの順で配置されている。以下においては、半導体素子１０をフォトダイオードアレイとした例について説明する。
【００２０】
フォトダイオードアレイ（ＰＤアレイ）１０は、半導体装置の上流側部分を構成している。このＰＤアレイ１０は、その光入射面１０ａから入射した光を検出し、それに対応する電気信号を出力するフォトダイオード（ＰＤ）が複数個配列された半導体光検出素子アレイである。
【００２１】
図２においては、ＰＤアレイ１０の構成例として、ｘ軸及びｙ軸を配列軸として３×３＝９個のフォトダイオード１１が２次元に配列されるように形成されたＰＤアレイを示している。また、ＰＤアレイ１０の下面１０ｂは、各フォトダイオード１１からの検出信号を出力するための信号出力面となっている。この信号出力面１０ｂには、検出信号出力用の電極である９個のバンプ電極１２が、それぞれフォトダイオード１１に対応するように、３×３に配列されて設けられている。なお、基板電極用のバンプ電極は図示していない。
【００２２】
配線基板２０は、半導体装置の下流側部分を構成している。この配線基板２０には、信号入力面２０ａと信号出力面２０ｂとの間で電気信号を導く導電路が設けられており、その信号入力面２０ａに上記したＰＤアレイ１０が接続されている。
【００２３】
本実施形態においては、配線基板２０には、コアガラス部と、コアガラス部の周囲に設けられた被覆ガラス部とを含むファイバ状のガラス部材（ガラスファイバ）を束ねて束状のガラス部材とし、それをガラスファイバの軸と交差する所定方向で所望の厚さに切断したガラス基板が用いられている。
【００２４】
図３は、配線基板２０の貫通孔２０ｃ、及び貫通孔２０ｃに設けられる導電性部材２１の構成の一例を示す図であり、図３（ａ）は上面図、図３（ｂ）はＩ−Ｉ矢印断面図を示している。
【００２５】
配線基板２０を構成するガラス基板では、ガラス基板に含まれている複数のガラスファイバのうち所定のガラスファイバについて、その中央部にあるコアガラス部が除去されて信号入力面２０ａから信号出力面２０ｂへの貫通孔２０ｃが形成されている。
【００２６】
本実施形態においては、図３（ａ）に示すように、ｘ軸及びｙ軸を配列軸として４×４＝１６個の貫通孔２０ｃが２次元に配列されるように形成されており、これらの１６個の貫通孔２０ｃから１組の貫通孔群２０ｄが構成されている。そして、図２に示すように、ＰＤアレイ１０でのフォトダイオード１１の配列に対応して、ｘ軸及びｙ軸を配列軸として３×３＝９組の貫通孔群２０ｄが２次元に配列されて設けられている。これにより、ＰＤアレイ１０における半導体素子であるフォトダイオード１１と、配線基板２０における複数の貫通孔２０ｃを有する貫通孔群２０ｄとが１対１に対応している。
【００２７】
貫通孔群２０ｄは、ＰＤアレイ１０におけるバンプ電極１２と同一のピッチで形成されている。また、それぞれの貫通孔２０ｃは、図３（ｂ）に示すように、配線基板２０の信号入力面２０ａ及び信号出力面２０ｂに対して垂直な軸を中心軸として、円形状の断面形状を有して形成されている。
【００２８】
貫通孔群２０ｄに含まれる１６個の貫通孔２０ｃのそれぞれに対し、入力面２０ａと出力面２０ｂとの間を電気的に導通して、導電路として機能する導電性部材２１が設けられている。この導電性部材２１は、ガラス基板での貫通孔２０ｃの内壁に形成された部材として設けられている。
【００２９】
具体的には、図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、貫通孔２０ｃ内には、その内壁に導通部２１ｃが形成されている。また、入力面２０ａ上で貫通孔２０ｃの外周部には、導通部２１ｃと連続する入力部２１ａが形成されている。また、出力面２０ｂ上で貫通孔２０ｃの外周部には、導通部２１ｃと連続する出力部２１ｂが形成されている。これらの導通部２１ｃ、入力部２１ａ、及び出力部２１ｂにより、配線基板２０での導電路となる導電性部材２１が構成される。
【００３０】
配線基板２０の入力面２０ａ上には、貫通孔群２０ｄのそれぞれに対応して、貫通孔群２０ｄに含まれる１６個の貫通孔２０ｃを覆う矩形状の領域に、導電部２２が形成されている。この導電部２２は、貫通孔群２０ｄでの貫通孔２０ｃに設けられた１６個の導電性部材２１の入力部２１ａを含み、それらを一体の導電性部材とするものである。また、ＰＤアレイ１０のバンプ電極１２は、配線基板２０の入力面２０ａに対し、貫通孔群２０ｄ、導電性部材２１、及び導電部２２に対応するように形成されており、導電部２２は、バンプ電極１２が接続される電極パッドとなっている。
【００３１】
バンプ電極１２は、配線基板２０での対応する導電性部材２１及び導電部２２に対し、導電部２２が覆う貫通孔群２０ｄに含まれ導電性部材２１が設けられた１６個の貫通孔２０ｃのそれぞれ、もしくは一部の内部にバンプ電極１２の一部が入り込むように接続される。これにより、ＰＤアレイ１０での検出信号を出力するフォトダイオード１１は、バンプ電極１２を介して、配線基板２０での検出信号を伝達する導電路である導電性部材２１に電気的に接続される。
【００３２】
また、配線基板２０の出力面２０ｂ上には、入力面２０ａ上と同様に、貫通孔群２０ｄのそれぞれに対応して、貫通孔群２０ｄに含まれる１６個の貫通孔２０ｃを覆う矩形状の領域に、導電部２３が形成されている。この導電部２３は、貫通孔群２０ｄでの貫通孔２０ｃに設けられた１６個の導電性部材２１の出力部２１ｂを含み、それらを一体の導電性部材とするものである。
【００３３】
本実施形態による半導体装置の効果について説明する。
【００３４】
図１〜図３に示した半導体装置においては、半導体素子アレイであるＰＤアレイ１０を接続する配線基板２０として、入力面２０ａから出力面２０ｂへと所定の配列で形成された複数の貫通孔２０ｃからなる貫通孔群２０ｄを有するガラス基板を用いている。そして、この貫通孔群２０ｄに対してＰＤアレイ１０のバンプ電極１２を対応させて、半導体素子であるＰＤアレイ１０のフォトダイオード１１と、配線基板２０での対応する導電性部材２１とを接続している。
【００３５】
このような構成によれば、ＰＤアレイ１０を配線基板２０上に実装する際に、導電性部材２１が設けられた貫通孔群２０ｄにおける複数の貫通孔２０ｃのそれぞれ、もしくは一部の内部に、バンプ電極１２の一部が入り込む。これにより、ＰＤアレイ１０のフォトダイオード１１と、配線基板２０での対応する導電路である導電性部材２１及び導電部２２とが、バンプ電極１２を介して良好に接続される。配線基板２０での導電性部材２１としては、図３（ａ）及び（ｂ）に示したように、貫通孔２０ｃの内壁に形成された部材を用いることが好ましい。
【００３６】
また、上記実施形態では、配線基板２０のガラス基板として、複数本のガラスファイバから一体に形成されるとともに、その所定位置にコアガラス部を除去した貫通孔２０ｃが設けられたガラス基板を用いている。これにより、導電性部材２１を設けるための貫通孔２０ｃが所望の孔径及びピッチで形成されたガラス基板によって配線基板２０を構成することができる。例えば、このような構成のガラス基板では、貫通孔２０ｃを微細な孔径及びピッチで形成することができる。また、配線基板２０の大面積化、薄型化を容易に行うことができる。
【００３７】
なお、配線基板２０の基板としては、上記のように複数の貫通孔を有する貫通孔群が設けられているものであれば、これ以外の構成のガラス基板を用いても良い。また、ガラス基板以外の絶縁基板を用いても良い。例えば、基板材料としては、ガラスやセラミックスなど、あるいはそれらの複合素材からなる非導電性無機材料、またはエポキシやアクリル、ポリイミド、シリコーンなど、あるいはそれらの複合素材からなる非導電性有機材料、またはそれらの無機材料及び有機材料の複合素材などを用いることができる。
【００３８】
また、ガラス基板などの絶縁基板での貫通孔の構成についても、ガラス基板を構成しているガラスファイバのコアガラス部を除去して貫通孔を形成する上記構成に限らず、絶縁基板の構成に応じて様々な構成を用いて良い。例えば、所定の絶縁材料からなる絶縁基板に対し、エッチングやドリル、レーザなどを用いて貫通孔を形成する構成を用いることができる。
【００３９】
また、配線基板２０に接続される半導体素子１０については、上記実施形態では半導体光検出素子アレイであるフォトダイオードアレイを用いた例を説明したが、これ以外にも様々な半導体素子を用いて良い。
【００４０】
上記構成の半導体装置における半導体素子１０のバンプ電極１２と、配線基板２０の導電性部材２１との接続についてさらに説明する。
【００４１】
図４は、配線基板２０での貫通孔群２０ｄに設けられた導電性部材２１と、半導体素子１０の出力面１０ｂに設けられたバンプ電極１２との接続の一例について示す図であり、図４（ａ）は接続前の状態を示し、図４（ｂ）は接続後の状態を示している。
【００４２】
本構成例では、図４（ａ）に示すように、半導体素子１０と配線基板２０とを接続するためのバンプ電極１２について、その大きさに比べてバンプのピッチが狭く、バンプ電極１２間のすきまが狭い構成となっている。
【００４３】
これに対して、上記構成の配線基板２０によれば、バンプ電極１２に対応する貫通孔群２０ｄに含まれる複数の貫通孔２０ｃのそれぞれにおいて、貫通孔が伸びる方向にバンプが濡れて、貫通孔２０ｃの内部にバンプ電極１２の一部が入り込むこととなる。これにより、隣接するバンプ電極１２同士が接触するショート不良の発生が抑制される。また、半導体素子１０のチップと配線基板２０とのギャップを均一に保つことができる。また、バンプ電極１２と導電性部材２１との接合面積が大きくなるので、半導体素子１０及び配線基板２０の接続強度も向上する。
【００４４】
図５は、配線基板２０での貫通孔群２０ｄに設けられた導電性部材２１と、半導体素子１０の出力面１０ｂに設けられたバンプ電極１２との接続の他の例について示す図であり、図５（ａ）は接続前の状態を示し、図５（ｂ）は接続後の状態を示している。
【００４５】
本構成例では、図５（ａ）に示すように、半導体素子１０と配線基板２０とを接続するためのバンプ電極１２について、その大きさ及び高さが異なるバンプが存在する、あるいは、バンプの大きさにばらつきがある構成となっている。
【００４６】
これに対して、上記構成の配線基板２０によれば、バンプ電極１２に対応する貫通孔群２０ｄに含まれる複数の貫通孔２０ｃのそれぞれ、もしくは一部において、バンプ電極１２の大きさや高さに応じて、貫通孔２０ｃの内部にバンプ電極１２の一部が入り込むこととなる。これにより、隣接するバンプ電極１２同士が接触するショート不良の発生が抑制される。また、半導体素子１０のチップと配線基板２０とのギャップを均一に保つことができる。また、バンプ電極１２と導電性部材２１との接合面積が大きくなるので、半導体素子１０及び配線基板２０の接続強度も向上する。
【００４７】
半導体装置の構成について、その具体的な実施例とともに説明する。なお、以下の図６〜図８においては、図示の簡略のため、配線基板２０の構成について、複数の貫通孔２０ｃを有する貫通孔群２０ｄのみを示し、配線や導電性部材等の図示を省略する。なお、配線基板２０における導電性部材２１、及び導電部２２、２３の構成については、図１〜図３に示した実施形態と同様である。
【００４８】
図６は、半導体装置の構成の一例を示す側面断面図である。本構成例では、バンプ電極１２を介して入力面２０ａに半導体素子１０が接続された配線基板２０に対し、その出力面２０ｂと、バンプ電極２６を介して他の配線基板２５とが接続されている。
【００４９】
このような構成では、配線基板２０での導電路である導電性部材２１、及び配線基板２５での導電路（図示していない）を介して、半導体素子１０からの電気信号を外部回路等へと出力することができる。
【００５０】
図７は、半導体装置の構成の他の例を示す側面断面図である。本構成例では、出力面２０ｂの所定の位置にリード線２７が半田付けまたはロー付けによって接続されている配線基板２０に対し、その入力面２０ａにバンプ電極１２を介して半導体素子１０が接続されている。
【００５１】
このような構成では、配線基板２０での導電路である導電性部材２１、及びリード線２７を介して、半導体素子１０からの電気信号を外部回路等へと出力することができる。また、リード線２７に代えて、フレキシブル配線基板をダイレクトバンプボンディングやワイヤボンディング、ＡＣＦ、ＡＣＰ、ＮＣＰなどによって接続する構成としても良い。
【００５２】
図８は、半導体装置の構成の他の例を示す側面断面図である。本構成例では、バンプ電極１２を介して入力面２０ａに半導体素子１０が接続された配線基板２０に対し、その出力面２０ｂに、バンプ電極２９を介して半導体素子２８が接続されている。
【００５３】
このような構成では、配線基板２０での導電路である導電性部材２１を介して半導体素子１０、２８の間で電気信号を入出力して、半導体素子２８による半導体素子１０の制御、半導体素子１０による半導体素子２８の制御、あるいは、半導体素子１０、２８の相互の制御などを行うことが可能となる。例えば、半導体素子２８として、電気信号を処理する信号処理素子を用いれば、ＰＤアレイなどの半導体素子１０から出力された電気信号が信号処理素子２８で処理される構成の半導体装置が得られる。また、半導体素子２８に加えて、抵抗素子や容量素子などを接続しても良い。
【００５４】
次に、上述した半導体装置を用いた本発明による放射線検出器の構成について説明する。
【００５５】
図９は、図１に示した半導体装置を用いた放射線検出器の一実施形態の断面構造を示す側面断面図である。また、図１０は、図９に示した放射線検出器の構成を、各構成要素を分解して示す斜視図である。なお、この図には主要部分のみを示しており、ＰＤアレイの基板電極に対応した部分などは図示を省略している。
【００５６】
図９に示した放射線検出器は、シンチレータ１５と、半導体装置５と、信号処理部３とを備えている。これらは、図１０に示すように、所定の配列方向に沿って上流側（図中の上側）から下流側（下側）へとこの順で配置されている。
【００５７】
これらのうち、ＰＤアレイ１０及び配線基板２０からなる半導体装置５の構成については、図１に示した半導体装置について上述した通りである。なお、本実施形態においては、半導体装置５を放射線検出器に適用しているため、配線基板２０に用いられるガラス基板のガラス材料としては、好ましくは、鉛を含有する鉛ガラス材料などの放射線遮蔽機能を有する所定のガラス材料が用いられる。
【００５８】
半導体装置５のＰＤアレイ１０の上流側には、シンチレータ１５が設置されており、その上面１５ａが放射線検出器における放射線入射面となっている。シンチレータ１５は、入射面１５ａからＸ線、γ線、荷電粒子線などの放射線が検出対象として入射することにより、所定波長のシンチレーション光を発生する。また、シンチレータ１５の下面である光出射面１５ｂと、ＰＤアレイ１０の上面である光入射面１０ａとは、シンチレーション光を透過させる光学接着剤１６を介して光学的に接続、接着されている。
【００５９】
ここで、シンチレータ１５及びＰＤアレイ１０により、本放射線検出器における放射線検出部１が構成されている。この放射線検出部１は、入射した放射線を検出し、その強度に対応する電気信号を出力する検出手段である。また、配線基板２０により、放射線検出部１と信号処理部３とを接続する配線基板部２が構成されている。
【００６０】
半導体装置５の配線基板２０の下流側には、信号処理部３と、ハウジング（パッケージ）４０とが設置されている。本実施形態においては、信号処理部３は、ＰＤアレイ１０からの検出信号を処理するための信号処理回路が設けられた信号処理素子３０からなる。
【００６１】
信号処理素子３０の上面上には、バンプ電極３１が形成されている。バンプ電極３１は、配線基板２０の出力面２０ｂに対し、貫通孔群２０ｄ、導電性部材２１、及び導電部２３に対応するように形成されており、導電部２３は、バンプ電極３１が接続される電極パッドとなっている。これにより、配線基板２０での検出信号を伝達する導電路である導電性部材２１は、バンプ電極３１を介して、信号処理素子３０に設けられた信号処理回路に電気的に接続されている。
【００６２】
なお、図ではＰＤアレイの信号出力に対応したバンプ電極のみ示しているが、信号処理回路の駆動信号や信号処理回路からの出力信号も同様にバンプ電極を介して配線基板２０の出力面２０ｂ上にある所定の導電部（図示していない）に接続し、配線基板２０の出力面２０ｂ上にある電極パッド（図示していない）とハウジング４０上のバンプ電極４４を介して所定のリード４３と電気的に接続される。
【００６３】
また、ハウジング４０は、シンチレータ１５と、ＰＤアレイ１０及び配線基板２０からなる半導体装置５と、信号処理素子３０とを一体に保持する保持部材である。このハウジング４０は、その上面上に凹部として設けられ、信号処理素子３０を内部に収容する素子収容部４１と、素子収容部４１の外周に設けられ、バンプ電極４４を介して配線基板２０の出力面２０ｂ上の所定位置に設けられた電極パッド（図示していない）に接続されるとともに、シンチレータ１５、半導体装置５、及び信号処理素子３０を支持する支持部４２とを有する。また、ハウジング４０の下面には、電気信号の外部への入出力に用いられるリード４３が設けられている。
【００６４】
以上の構成において、放射線検出部１のシンチレータ１５にＸ線などの放射線が入射すると、シンチレータ１５内でシンチレーション光が発生し、光学接着剤１６を介して半導体素子であるＰＤアレイ１０のフォトダイオード１１へと入射する。フォトダイオード１１は、このシンチレーション光を検出して、放射線の強度に対応した電気信号を出力する。
【００６５】
ＰＤアレイ１０の各フォトダイオード１１から出力した電気信号は、対応するバンプ電極１２、配線基板２０の導電性部材２１、及びバンプ電極３１を順次に介して、信号処理素子３０へと入力される。そして、信号処理素子３０の信号処理回路において、電気信号に対して必要な信号処理が行われる。
【００６６】
本実施形態による放射線検出器の効果について説明する。
【００６７】
図９及び図１０に示した放射線検出器においては、放射線検出部１と信号処理部３とを電気的に接続して検出信号を伝達する配線基板部２として、放射線検出部１に含まれるＰＤアレイ１０とともに半導体装置５を構成する上記構成の配線基板２０を用いている。このような構成によれば、ＰＤアレイ１０のフォトダイオード１１と、配線基板２０での導電性部材２１とが良好に接続されるので、放射線検出部１から信号処理部３への検出信号の伝達、及び信号処理部３における検出信号の処理を確実に行うことが可能な放射線検出器が実現される。
【００６８】
このように、半導体素子及び配線基板からなる半導体装置を放射線検出器に適用する場合、配線基板２０に用いられる絶縁基板としては、放射線遮蔽機能を有する所定のガラス材料から形成されたガラス基板を用いることが好ましい。これにより、配線基板２０の上面２０ａ側に位置する放射線検出部１から下面２０ｂ側に位置する信号処理部３への放射線の透過を抑制することができる。
【００６９】
このようなガラス材料としては、例えば、鉛を含有するガラス材料がある。鉛ガラスを用いる場合、ガラス材料に含有させる鉛の量については、その放射線検出器において要求される放射線遮蔽機能の程度等に応じて適宜設定することが好ましい。また、鉛ガラス以外で放射線遮蔽機能を有するガラス材料を用いても良い。あるいは、放射線の遮蔽が不要な場合や、放射線検出器以外の装置に上記した半導体装置を適用する場合などには、図１に関して上述したように、放射線遮蔽機能を有していないガラス材料、あるいはガラス材料以外の絶縁材料を用いても良い。
【００７０】
次に、図１１〜図１４を用いて、図１に示した半導体装置、及び図９に示した放射線検出器での配線基板に用いられるガラス基板の構成、及びその製造方法の一例について説明する。なお、ここでは、貫通孔を有するガラス基板の一般的な構成例及びその製造方法について示している。このため、以下に示すガラス基板は、上述した半導体装置及び放射線検出器に用いられている配線基板とは異なる形状及び構成となっている。
【００７１】
まず、図１１（ａ）に示すように、コアガラス部６３と、その周囲に設けられた被覆ガラス部６５とを含む母材６１を用意する。この母材６１は、外径が例えば４０〜４５ｍｍ程度であり、コアガラス部６３の外径は例えば２８〜３１ｍｍ程度である。コアガラス部６３は酸溶解性ガラスからなり、被覆ガラス部６５は鉛ガラス、ソーダ石灰ガラス、コバールガラス、パイレックスガラス等からなる。そして、図１１（ｂ）に示すように、上記母材６１を線引きして、ファイバ状のガラス部材であるガラスファイバ６７を作製する。ガラスファイバ６７の外径は、例えば０．４ｍｍ程度である。
【００７２】
次に、図１１（ｃ）に示すように、上記ガラスファイバ６７を複数本束ねて所定の型６９に整列する。ここでは、ガラスファイバ６７の中心軸方向からみて、６角形状を呈した型６９を用い、１万本程度のガラスファイバ６７を型積みする。これにより、ガラスファイバ６７は、図１１（ｄ）に示すように、その中心軸方向からみて６角形状となるように整列される。なお、ガラスファイバ６７の中心軸方向からみて、３角形状あるいは４角形状を呈した型を用い、ガラスファイバ６７を、その中心軸方向からみて３角形状あるいは４角形状となるように整列しても良い。
【００７３】
続いて、図１１（ｅ）に示すように、整列した状態でガラスファイバ６７の束を線引きして、マルチファイバ７１を作製する。マルチファイバ７１の外径は、例えば０．７ｍｍ程度である。
【００７４】
次に、図１２（ａ）に示すように、線引きしたマルチファイバ７１を所定のガラス管７３内に複数本整列して、納める。ガラス管７３の内径は、１００ｍｍ程度である。そして、図１２（ｂ）に示すように、ガラス管７３内に納められたマルチファイバ７１同士を加熱融着する。このとき、ガラス管７３の一方の端部にこのガラス管より細いガラス管７５を接続し、ロータリーポンプ等で排気して内部の圧力を低下させることによって、ガラス管７３とその内部に納められたマルチファイバ７１同士が加熱時に大気圧で隙間無く接触して融着できる。
【００７５】
加熱温度は、例えば６００℃程度であり、内部の圧力は、０．５Ｐａ程度である。なお、ガラス管７３の他方の端部は封止されている。以上の工程により、ガラス管７３内において複数のマルチファイバ７１が融着された状態の束状のガラス部材７７が形成される。
【００７６】
続いて、ガラス管７５、及び、封止していた部分を取り除く。その後、図１３（ａ）に示すように、ガラス管７３の外周を砥石７９等により研磨して、束状のガラス部材７７の整形（外径出し）を行う。この束状のガラス部材７７の外径出しには、外周研磨機を用いることができる。
【００７７】
そして、図１３（ｂ）に示すように、束状のガラス部材７７を所望の厚みに切断する。このとき、束状のガラス部材７７を、その中心軸に直交する軸ｌに沿ってスライサー８１で切断することにより、図１に示した配線基板２０のように、貫通孔が上面及び下面に対して垂直な軸を中心軸とする形状となるガラス基板が得られる。
【００７８】
あるいは、図１３（ｂ）に示すように、中心軸に直交する軸ｌに対して所定角度θで斜めとなるように、束状のガラス部材７７をスライサー８１で切断しても良い。さらに、スライサー８１によって切断されたガラス部材について、その切断面を研磨する。これらの工程により、図１４（ａ）及び（ｂ）に示すように、板状のガラス部材８３が形成される。なお、ここでは、角度θで斜めとなるように切断した場合のガラス部材８３を例として示している。
【００７９】
続いて、図１４（ｃ）に示すように、板状のガラス部材８３からコアガラス部６３を除去（芯抜き）する。このとき、ＨＮＯ３あるいはＨＣｌを用い、エッチング技術によりコアガラス部６３を除去する。これにより、板状のガラス部材８３を厚み方向に貫通する貫通孔８４が複数形成されることとなり、貫通孔を有するガラス基板が形成される。
【００８０】
上述した半導体装置、及びそれを用いた放射線検出器における配線基板２０としては、例えば、上記の製造方法によって得られたガラス基板での貫通孔に導電路となる導電性部材を形成したものを用いることができる。すなわち、このような構成のガラス基板において、その基板の形状及び貫通孔の個数、配置等を半導体装置または放射線検出器の構成に応じて設定する。
【００８１】
そして、ガラス基板に設けられた貫通孔に導電路となる導電性部材を形成し、さらに、その各面にそれぞれ必要な電極及び配線からなる電気配線パターンを形成することにより、図１及び図２に示したような構成を有する配線基板が得られる。なお、図２においては、上記構成のガラス基板を用いた場合での複数本のガラスファイバからなる６角形状のマルチファイバの配置を、配線基板２０の上面２０ａ上に点線によって図示している。
【００８２】
次に、図９に示した放射線検出器の製造方法について、図１に示した半導体装置の製造方法と合わせて、その具体的な構成例とともに概略的に説明する。
【００８３】
まず、上述したように複数のガラスファイバを束ねた束状のガラス部材を切断して形成されるとともに、所定のコアガラス部を除去することによって複数の貫通孔を有する貫通孔群が設けられたガラス基板を用意する。そして、その貫通孔に導電路となる導電性部材を形成し、さらに、入力面及び出力面となる両面にそれぞれ必要な電極及び配線を有する電気配線パターンを形成して、半導体装置５に用いられる配線基板２０を作製する。
【００８４】
図１及び図９に示した構成では、半導体装置５での配線基板について、ガラス基板に設けられた貫通孔群２０ｄに含まれる貫通孔２０ｃのそれぞれに対して、導通部２１ｃ、入力部２１ａ、及び出力部２１ｂからなる導電性部材２１を形成する。さらに、その入力面２０ａ上に貫通孔群２０ｄのそれぞれに対応する導電部２２を形成し、出力面２０ｂ上に同様に導電部２３を形成して、配線基板２０とする。
【００８５】
ガラス基板に形成する上記した導電性部材及び電気配線パターンとしては、例えば、窒化チタン（ＴｉＮ）、ニッケル（Ｎｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、クロム（Ｃｒ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、あるいはそれらの合金からなる導電性金属層によって形成することができる。このような金属層は、単一の金属層であっても良く、複合膜あるいは積層膜であっても良い。また、その具体的な形成方法としては、蒸着、ＣＶＤ、メッキ、スパッタなどの方法によって金属膜を形成でき、フォトリソグラフィーやエッチングプロセスによりガラス基板上に所望のパターンを形成できる。あるいは、ガラス基板に対して所望パターンのマスクを設けてから前述の方法で金属層を形成し、マスクを除去する方法（マスク蒸着やリフトオフ法など）もある。なお、必要があれば、配線基板２０にさらにバンプ電極を形成する場合もある。
【００８６】
配線基板２０を作製した後、バンプ電極３１が形成された信号処理素子３０のＩＣチップを、配線基板２０の出力面２０ｂ上に設けられて電極パッドとして機能する導電部２３に対してアライメントして、それらを物理的、電気的に接続する。また、バンプ電極１２が形成されたＰＤアレイ１０を、配線基板２０の入力面２０ａ上に設けられて電極パッドとして機能する導電部２２に対してアライメントして、それらを物理的、電気的に接続する。
【００８７】
バンプ電極３１、１２を形成するバンプ材料としては、例えば、錫（Ｓｎ）、鉛（Ｐｂ）、インジウム（Ｉｎ）、金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）などの金属、それらを含む半田、導電性フィラーを含む樹脂、あるいはそれらの複合材料を用いたり、層構造にすることができる。また、バンプ電極と、その下の電極パッドとの間に、アンダーバンプメタル（ＵＢＭ）を介在させても良い。
【００８８】
また、バンプ電極による実装の際には、配線基板２０をあらかじめ１００℃程度のバンプ電極材料の融点付近の所定温度に加熱することが好ましい。これにより、配線基板２０に設けられた貫通孔２０ｃの内部の空気が膨張する。
【００８９】
次に、ＰＤアレイ１０または信号処理素子３０のチップと配線基板２０とをアライメントした後、チップを加熱して配線基板２０上に搭載する。この時点でバンプが溶け、またはバンプがやわらかくなる。そして、配線基板２０及び搭載したチップにエアや窒素を吹き付けて急冷する。このとき、貫通孔２０ｃの内部で膨張していた空気が収縮することにより、バンプ電極材料が貫通孔２０ｃの内部にまで導電性部材２１の表面を伝って浸透していき、バンプ電極と導電性部材２１とが良好に接続される。
【００９０】
続いて、バンプ電極４４が形成されたハウジング４０を、配線基板２０の出力面２０ｂ上に設けられた対応する電極パッド（図示していない）に対してアライメントして、それらを物理的、電気的に接続する。以上により、ハウジング４０に設けられたリード４３を介した外部回路との信号の入出力動作が可能となる。さらに、ＰＤアレイ１０の光入射面１０ａ上に、光学接着剤１６を介してシンチレータ１５を実装することにより、図９に示した放射線検出器が得られる。
【００９１】
ここで、半導体装置５において半導体光検出素子アレイとして設けられているＰＤアレイ１０については、フォトダイオードが光入射面（表面）１０ａに形成されている表面入射型のものを用いても良く、あるいは、フォトダイオードが信号出力面（裏面）１０ｂに形成されている裏面入射型のものを用いても良い。また、光検出素子であるフォトダイオードの個数や配列等についても、適宜設定して良い。
【００９２】
また、フォトダイオードからの検出信号を出力面１０ｂから出力する構成については、ＰＤアレイの具体的な構成に応じて、例えば、出力面１０ｂ上に形成された配線パターンによる構成や、ＰＤアレイ１０内に形成された貫通電極による構成などを用いることができる。
【００９３】
また、図９に示した放射線検出器では、放射線検出部１の構成として、放射線の入射によりシンチレーション光を発生するシンチレータ１５と、シンチレータ１５からのシンチレーション光を検出する半導体光検出素子であるフォトダイオード１１が設けられたＰＤアレイ１０とを有する構成を用いている。このような構成は、入射したＸ線などの放射線をシンチレータ１５によって所定波長の光（例えば、可視光）に変換した後にＳｉ−ＰＤアレイなどの半導体光検出素子で検出する間接検出型の構成である。
【００９４】
あるいは、放射線検出部として、シンチレータを設けず、入射した放射線を検出する半導体検出素子を有する構成を用いることも可能である。このような構成は、入射したＸ線などの放射線をＣｄＴｅやＣｄＺｎＴｅなどからなる半導体検出素子で検出する直接検出型の構成である。あるいはＳｉにおいても厚さを充分に厚くし全空乏させて用いたり、裏面から入射できるような構造にすることでも実現することができる。これは、例えば、図９の構成において、シンチレータ１５を除くとともに、ＰＤアレイ１０を半導体検出素子アレイに置き換えた構成に相当する。この場合、半導体検出素子アレイと配線基板とによって、半導体装置が構成される。
【００９５】
また、半導体素子及び配線基板からなる上記構成の半導体装置は、放射線検出器以外にも、様々な装置に対して適用可能である。この場合、半導体素子としては、半導体光検出素子や半導体検出素子以外の素子を用いて良い。また、配線基板、及び配線基板の信号入力面に接続された半導体素子に加えて、配線基板の信号出力面に信号処理素子を接続して、半導体素子と、半導体素子からの電気信号を処理する信号処理素子とが配線基板を介して一体とされた半導体装置としても良い。
【００９６】
また、配線基板２０と信号処理素子３０との接続等については、上記実施形態のように、バンプ電極を介した電気的な接続によるダイレクトボンディング方式を用いることが好ましい。このような金属バンプ電極を電気的接続手段として用いることにより、各部を好適に電気的に接続することができる。
【００９７】
また、図９に示した放射線検出器では、配線基板２０の出力面２０ｂに入力面２０ａと同様に導電部２３を設け、それを電極パッドとして信号処理素子３０のバンプ電極３１を接続している。これにより、配線基板２０と信号処理素子３０とをバンプ電極３１を介して良好に接続することができる。この出力面２０ｂ上の電極パッドについては、導電性部材２１の出力部２１ｂを含む導電部２３とは別に電極パッドを設ける構成としても良い。
【００９８】
あるいは、このようなバンプ電極を用いた構成以外にも、バンプ電極による接続後にアンダーフィル樹脂を充填する構成や、異方性導電性フィルム（ＡＣＦ）方式、異方性導電性ペースト（ＡＣＰ）方式、非導電性ペースト（ＮＣＰ）方式による構成などを用いても良い。また、それぞれの基板については、必要に応じて、電極パッドを開口させた状態で絶縁性物質からなるパッシベーション膜を形成しても良い。
【００９９】
【発明の効果】
本発明による半導体装置、及びそれを用いた放射線検出器は、以上詳細に説明したように、次のような効果を得る。すなわち、半導体光検出素子などの半導体素子を接続する配線基板として、入力面から出力面への複数の貫通孔が所定の配列で形成された貫通孔群を有する絶縁基板を用いるとともに、この貫通孔群に対して半導体素子のバンプ電極を対応させて、半導体素子と、配線基板での対応する貫通孔群に設けられた導電路である導電性部材とを接続する構成によれば、半導体素子を配線基板上に実装する際に、導電性部材が設けられた貫通孔群における複数の貫通孔のそれぞれの内部に、バンプ電極の一部が入り込む。これにより、半導体素子と配線基板での対応する導電路とがバンプ電極を介して良好に接続される半導体装置が実現される。
【０１００】
また、このような構成の半導体装置を適用した放射線検出器によれば、半導体素子と配線基板での対応する導電性部材とが良好に接続されるので、放射線検出手段から信号処理手段への検出信号の伝達、及び信号処理手段における検出信号の処理を確実に行うことが可能な放射線検出器が実現される。
【図面の簡単な説明】
【図１】半導体装置の一実施形態の断面構造を示す側面断面図である。
【図２】図１に示した半導体装置の構成を分解して示す斜視図である。
【図３】配線基板の貫通孔、及び貫通孔に設けられる導電性部材の構成の一例を示す図である。
【図４】配線基板での貫通孔群に設けられた導電性部材とバンプ電極との接続の一例について示す図である。
【図５】配線基板での貫通孔群に設けられた導電性部材とバンプ電極との接続の他の例について示す図である。
【図６】半導体装置の構成の一例を示す側面断面図である。
【図７】半導体装置の構成の他の例を示す側面断面図である。
【図８】半導体装置の構成の他の例を示す側面断面図である。
【図９】図１に示した半導体装置を用いた放射線検出器の一実施形態の断面構造を示す側面断面図である。
【図１０】図９に示した放射線検出器の構成を分解して示す斜視図である。
【図１１】配線基板の製造方法の一例を示す図である。
【図１２】配線基板の製造方法の一例を示す図である。
【図１３】配線基板の製造方法の一例を示す図である。
【図１４】配線基板の製造方法の一例を示す図である。
【符号の説明】
１…放射線検出部、１５…シンチレータ、１５ａ…放射線入射面、１５ｂ…光出射面、１６…光学接着剤、１０…半導体素子（フォトダイオードアレイ）、１０ａ…光入射面、１０ｂ…信号出力面、１１…フォトダイオード、１２…バンプ電極、
２…配線基板部、２０…配線基板、２０ａ…信号入力面、２０ｂ…信号出力面、２０ｃ…貫通孔、２０ｄ…貫通孔群、２１…導電性部材（導電路）、２１ａ…入力部、２１ｂ…出力部、２１ｃ…導通部、２２、２３…導電部、
３…信号処理部、３０…信号処理素子、３１…バンプ電極、４０…ハウジング、４１…素子収容部、４２…支持部、４３…リード、４４…バンプ電極、５…半導体装置。

Claims (8)

  1. 電気信号を出力する半導体素子と、
    信号入力面及び信号出力面の間で前記電気信号を導く導電路が設けられ、前記信号入力面に前記半導体素子が接続された配線基板とを備え、
    前記配線基板は、複数の貫通孔を有する貫通孔群が設けられた絶縁基板と、前記貫通孔群に含まれる前記貫通孔のそれぞれに設けられ前記信号入力面及び前記信号出力面の間を電気的に導通して前記導電路として機能する導電性部材とを有して構成され、
    前記半導体素子と、前記配線基板の前記貫通孔群に設けられた前記導電性部材とは、前記貫通孔群に対応して形成されたバンプ電極を介して電気的に接続されていることを特徴とする半導体装置。
  2. 前記導電性部材は、前記絶縁基板に設けられた前記貫通孔の内壁に形成されていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
  3. 前記絶縁基板は、コアガラス部及び前記コアガラス部の周囲に設けられた被覆ガラス部を含むファイバ状のガラス部材を束ねて形成された束状のガラス部材を所望の厚さに切断するとともに、前記コアガラス部を除去することによって前記貫通孔が形成されたガラス基板であることを特徴とする請求項１または２記載の半導体装置。
  4. 前記配線基板の前記信号出力面に接続され、前記半導体素子からの前記電気信号を処理する信号処理手段を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の半導体装置。
  5. 請求項４記載の半導体装置を含んで構成された放射線検出器であって、
    前記半導体素子を含み、入射された放射線を検出して前記電気信号を出力する放射線検出手段と、
    前記放射線検出手段からの前記電気信号を処理する前記信号処理手段と、
    前記配線基板を含み、前記放射線検出手段及び前記信号処理手段がそれぞれ前記信号入力面及び前記信号出力面に接続された配線基板部とを備えることを特徴とする放射線検出器。
  6. 前記配線基板に用いられる前記絶縁基板は、放射線遮蔽機能を有する所定の材料から形成されたガラス基板であることを特徴とする請求項５記載の放射線検出器。
  7. 前記放射線検出手段は、放射線の入射によりシンチレーション光を発生するシンチレータと、前記シンチレータからの前記シンチレーション光を検出する前記半導体素子である半導体光検出素子とを有することを特徴とする請求項５または６記載の放射線検出器。
  8. 前記放射線検出手段は、入射した放射線を検出する前記半導体素子である半導体検出素子を有することを特徴とする請求項５または６記載の放射線検出器。
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