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