JP2006324304A

JP2006324304A - 半導体パッケージ及びイメージセンサー型モジュール

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Publication number: JP2006324304A
Application number: JP2005143839A
Authority: JP
Inventors: Michitaka Urushima; 路高漆島; Kiyoshi Toki; 清時
Original assignee: YUUTEKKU SYSTEM KK
Current assignee: YUUTEKKU SYSTEM KK
Priority date: 2005-05-17
Filing date: 2005-05-17
Publication date: 2006-11-30

Abstract

【課題】高密度実装技術により、安価で、小型で薄く、信頼性の高い半導体パッケージを提供すること。さらに携帯電話やコンピュータの周辺機器として用いられているカメラのイメージセンサー型モジュールを提供すること。
【解決手段】パッド電極(108)上にバンプ(109)が形成された半導体チップ(102)を、中央部に穴を有し、回路パターンが形成され、かつアウター接続部(111)を有する基板(101)にフリップチップ実装を行い、次いで半導体チップ(102)と基板(101)の接合部及び半導体チップ(102)の側面部を封止し、前記中央部の穴をカバーガラス(104)で密封する。さらに半導体チップ面より外側に配置されている前記アウター接続部(111)を、Ｕ字状に折り曲げて半導体チップ(102)裏面に配置して実装する構造を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、軽薄短小型の半導体パッケージの技術に関する。その応用として、カメラの画像認識用として使われるイメージセンサーモジュールにも適用される。

特開２００１−３０８１４０号公報

近年、半導体パッケージの実装は高密度化が進んでいる。その形態は従来のQFP（Quad Flat Package）からエリアアレイ状のBGA（Ball Grid Array）やCSP（Chip Size Package）と称されるチップサイズとほぼ同等な小型パッケージが幅広く採用されている。また携帯電話などに搭載されるカメラモジュール用のパッケージも小型化進んでいる。

これらの高密度実装を実現する実装工法としてフリップチップ実装方式がある。従来のフリップチップ実装型パッケージの例としては、特許文献１の図１１(a)に示されている。フリップチップ実装方式とは、半導体チップのパッド電極上にバンプと呼ばれる突起を設けて、インターポーザに接続する方式である。前記バンプは、Au,Cu,Pb-Snなどの材料からなり、フォトリソグラフィー技術とメッキ技術を用いて形成する。

一方、ワイヤーボンディング技術を利用し、ボール状にAuやCuのバンプを形成することも出来る。バンプ形成後にインターポーザにフェイスダウンボンディングを行い、電気的に接続する。フリップチップ方式では、ワイヤーボンディング方式と違い短距離でインターポーザと接続できることから、信号処理の高速化、高密度実装化が可能となる。

一方このフリップチップ方式では、半導体チップとインターポーザの熱膨張差により、接合部に応力が生じ、接合の信頼性が損なわれる。このフリップチップ接合の信頼性は熱膨張係数の差によって左右されるが、まず半導体チップの熱膨張係数は3.5ppmであり、インターポーザに例えばベース基板がポリイミドなどからなる配線基板を用いるとその熱膨張係数は約16ppmである。例えば、チップサイズが10.5mmｓｑとすると、チップの中心から最も遠い部分のバンプが5mmの位置にあると仮定する。すると熱膨張係数の差が16 - 3.5＝12.5ppm／℃であり、寸法差は5×12.5/1,000,000=0.0000625となる。つまり1℃当たり、0.0625μmの歪が生じる。信頼性テストで用いられる温度サイクルでいうと、例えば温度差が150℃生じたとすれば、9.375μmとなり、接合部の直径が100μmとすると、9.375%の大きな歪が生じる。

そこで、特許文献１の図１１(ｂ)に示されているように半導体チップとインターポーザの間にアンダーフィル樹脂を注入し、バンプ部への集中応力を分散して、信頼性を向上する方式が取られている。

しかしながら、アンダーフィル方式では接合後にチップ周辺部より樹脂を半導体チップとインターポーザに注入するために、空気を閉じ込めやすくボイドとなり、そこが吸湿リフローテスト等により、膨張破裂を起こし信頼性を損なうという問題を有している。これらの問題を解決する方法として、特許文献１では、バンプを形成した半導体チップ上に予め接着剤なる封止樹脂を形成し、インターポーザと接続する構造が取られている。この方法によるとアンダーフィルを用いずに十分な信頼性を確保できる。しかしながら、バンプを形成したあとに接着剤を形成する方法は、半導体ウエハーよりダイシングした個片のチップに形成することは位置決めなどが難しく、ウエハー状態で形成する方法が容易と考えられる。

しかし、ウエハー内には不良半導体チップも含まれており、接着剤の材料費が無駄となる。また、イメージセンサー型チップの実装においては、画像認識センサー部には、封止を施すことが出来ない為に、その部分の接着剤を予め切り抜いておく必要がある。しかし、実質的に位置決めなどが困難で形成は不可能であった。更に半導体チップと基板を接合する際に接着剤が流れ出し、画像認識センサー部分を覆うことがあり、製造が困難であった。これらのことから、通常のイメージセンサー型モジュールは図７，図８に示すように通常のパッケージから容易に構造が完成されるワイヤーボンディング方式が採用されている為に、小型化に支障をきたしていた。

本発明は高密度実装技術により、安価で、小型で薄く、信頼性の高い半導体パッケージを提供することを目的とする。さらに携帯電話やコンピュータの周辺機器として用いられているカメラのイメージセンサー型モジュールを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の半導体パッケージは、パッド電極上にバンプが形成された半導体チップを、中央部に穴を有し、かつ回路パターンが形成された基板にフリップチップ実装を行い、次いで半導体チップと基板との接合部及び半導体チップの側面部を封止し、前記基板の中央部の穴をカバーガラスで密封するとともに、前記基板の１端を１方向に延長して設けたアウター接続部を有することを特徴とする。

請求項２に記載の半導体パッケージは、前記の基板がポリイミド等のフレキシブル基板からなり、基板にはアウターパッドを有するアウター接続部が配置され、かつ前記アウターパッド部にアウターパッド径より僅かに小さい穴が設けられた基板において、半導体チップの外周部分をＵ字状に折り曲げて半導体チップ裏面に配置して実装する構造を有することを特徴とする。

請求項３に記載の半導体パッケージは、前記のアウター接続部を、はんだやACF（Anisotropic Conductive Film）樹脂等により、前記アウターパッド部のパッドピッチより広いピッチで形成された第２のアウターパッド部を有する基板に接続したことを特徴とする。

請求項４に記載の半導体パッケージは、前記のアウター接続部を、はんだやACF樹脂等により、外部と接続するための第２のアウターパッドを有する少なくとも１方向に伸びた基板に接続したことを特徴とする。

請求項５に記載の半導体パッケージは、回路パターンが形成された基板に柔軟性を有する基板を用い、アウターパッドを有するアウター接続部が配置された基板において、前記アウターパッドにワイヤー等をはんだ等で接続して、前記柔軟性を有する基板を半導体チップ裏面側に折り曲げて半導体チップとＬ字状に配置したことを特徴とする。

請求項６に記載のイメージセンサー型モジュールは、回路パターンが形成された基板に柔軟性を有する基板を用い、アウターパッドを有するアウター接続部が配置された基板において、前記アウターパッドを第２の基板と接合し、さらに第２の基板のアウターパッドにワイヤー等をはんだ等で接続して、前記柔軟性を有する基板を半導体チップ裏面側に折り曲げ、前記第２の基板を半導体チップとＬ字状に配置すると共に、開口された基板中央部分にカバーガラス等を有するレンズキッドを設けたことを特徴とする。

請求項７に記載の半導体パッケージは、請求項１、請求項２、請求項３、又は請求項４に記載の半導体パッケージにおいて、基板中央部に穴を有し回路パターンが形成された基板において、基板中央部の穴を樹脂で封止したことを特徴とする。

請求項８に記載の半導体パッケージ又はイメージセンサー型モジュールは、請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５、請求項６、又は請求項７に記載の半導体パッケージ又はイメージセンサー型モジュールにおいて、半導体チップと基板の接合部、半導体チップの側面部、及びカバーガラスの封止材料としてＵＶ硬化樹脂を用いていることを特徴とする。

請求項１または請求項２による発明によれば、高速で高密度化に有利なフリップチップ工法を用いて、小型で薄く信頼性の高い半導体パッケージを安価に提供することができる。

請求項３または請求項４による発明によれば、多層基板などのインターポーザを用いて、一括リフロー実装するために必要なアウターピッチにできるため、Ｕ字状に折り曲げて半導体チップ裏面に配置されたアウター接続部を半導体チップサイズ以内にすることが可能となる。また第２の基板との接合を、ACF樹脂などを用いて熱圧着することで、容易に電気的接合が可能となる。

請求項５または請求項６による発明によれば、アウター接続部が配置された基板に柔軟性を有する基板を用いて、半導体チップ裏面側にアウター接続部をＬ次状に折り曲げた構造にすること、およびアウターパッドに接続された複数のワイヤーをケーブル状に束ねることにより、最も小型のイメージセンサー型モジュールを形成することが可能となる。

請求項７による発明によれば、半導体チップ表面に封止樹脂をポッティング方式などで塗布することで、基板中央部の穴を樹脂で封止することにより、前記と同様な小型で薄いサイズの半導体パッケージを形成することができる。

請求項８による発明によれば、半導体チップと基板の接合部、半導体チップの側面部、及びカバーガラスの封止材料としてＵＶ硬化樹脂を用いることにより、樹脂の内部への流れ出し不良を防止することができる。

次に本発明を実施するための最良の形態（以下、単に「実施形態」と称する）について説明する。なお、この実施の形態により本発明が限定されるものではない。

以下、図面に基づいて詳細に説明する。図１は、第１の実施例を示す断面図及び平面図である。ここで実装する半導体チップ(102)はイメージセンサー用である。
図１の半導体パッケージは、パッド電極(108)上にバンプ(109)が形成された半導体チップ(102)を、中央部に穴を有し、かつ回路パターンが形成された基板(101)にフリップチップ実装を行い、次いで半導体チップ(102)と基板(101)の接合部及び半導体チップ(102)の側面部を封止し、前記中央部の穴をカバーガラス(104)で密封するとともに、前記基板の１端を１方向に延長して設けたアウター接続部(111)を有する。

さらに前記の基板(101)がポリイミド等のフレキシブル基板からなり、基板にはアウターパッド(110)を有するアウター接続部(111)が配置され、かつ前記アウターパッド部にアウターパッド径より僅かに小さい穴が設けられた基板において、半導体チップ(102)の外周部分をＵ字状に折り曲げて半導体チップ裏面に配置して実装する構造を有する。

次に図１の半導体パッケージの製造方法について説明する。
画像認識センサー回路部(103)に位置される部分以外の面に半導体チップ(102)と外部を接続する為の配線を形成した基板(101)を形成する。その後、前記センサー回路部分に相当する部分を金型等で取り除いた基板(101)を用意する。次いで、半導体チップのパッド電極(108)上にバンプ(109)を形成する。バンプ(109)はメッキ法、ボールバンプ法どちらでも良い。前記配線は銅で形成するが、表面に錫メッキを施しておき、バンプ(109)をＡｕで形成することで、接合は300℃、10〜30秒程度、荷重1N/バンプで熱圧着することでＡｕ−Ｓｎ共晶合金接続ができる。次いで、半導体チップ(102)のバンプ部とサイド部に樹脂を形成する。半導体チップ(102)の中央部に穴が形成されている為に、空気が閉じ込められてボイドになることはない。イメージセンサー用チップの場合、画像認識センサー回路部(103)に樹脂がかかると不良となるので、まず樹脂をポッティング方式で、微量塗布する。次いで樹脂を100〜150℃で60分〜120分程度のベークにより硬化させる。次いで微量の樹脂を塗布し、カバーガラス(104)を貼り付ける。その後、樹脂をベークにより硬化する。その後、所望のパッケージの形状に切断することで完成される。

ここで画像認識センサー回路部(103)において、上部角度60度内に認識を阻害する物体があると不具合が生じる。特に画像認識センサー回路部(103)がチップの端に位置されているとパッド電極(108)からの距離が非常に短い為に、樹脂が流れて覆いかぶさる不具合が生じる。これは、熱硬化系の樹脂の場合、微量塗布後のベークの際に樹脂内に含まれる溶剤が熱により初期的に流れ出し、開口部内部に侵入することがある。これを解決する為に、接続封止部(106)にＵＶ硬化樹脂を使うことが効果的である。

次にＵＶ硬化樹脂の使用方法について説明する。
まずＵＶ硬化樹脂を微量に塗布する。その後、熱を加えずにＵＶ照射することで、ほぼ塗布した状態で硬化できるために、樹脂の内部への流れ出し不良を防止できる。更にカバーガラス(104)の封止部(105)にもＵＶ硬化樹脂を用いると、やはり微量塗布後にＵＶ硬化させて流れ出しを防止することができる。その後、強度補強のために、ＵＶ硬化樹脂または熱硬化樹脂を半導体チップ(102)の側面、及びカバーガラス(104)の側面に適度に塗布して硬化させることで流れ出しを防止し、かつ強度補強もできる製品を形成できる。切断後、少なくとも一方に形成されたアウター接続部(111)を半導体チップ(102)裏面側に180度折り曲げ、半導体チップ(102)裏面に固定用接着剤で固定することで、チップサイズのパッケージが形成される。この時、アウターパッド(110)を格子状に配置しておき、ＢＧＡパッケージの用にはんだボールを形成することもできる。

次に第２の実施例として、イメージセンサー用パッケージのように半導体チップ表面を樹脂で覆って良い場合である。図２は、第２の実施例を示す断面図及び平面図である。
図２に示すように、封止樹脂(203)をポッティング方式などで塗布することで、第１の実施例と同様なチップサイズのパッケージを形成することができる。

次に第３の実施例を説明する。図３および図４は、第３の実施例を示す断面図である。
図３の半導体パッケージは、アウター接続部(307)をはんだやACF樹脂等により、アウターパッド部(305)のパッドピッチより広いピッチで形成された第２のアウターパッド部(306)を有する基板に接続した構造を有する。

第１の実施例、および第２の実施例の半導体パッケージでは、アウター接続部が半導体チップサイズ内にする必要があるために、BGAの様に格子状にアウターパッドを並べたとしても、多ピンになれば、そのピッチが非常に狭くなる。この為、実装基板への一括リフローが容易ではない場合がある。このため、図３に示すように、多層基板などのインターポーザ(303)を用いれば、一括リフロー実装するために必要なアウターピッチにできる。第１の実施例のパッケージを例えば画像認識でインターポーザのインナーパッドに配置して、はんだ等で接合する。その後アンダーフィルなどの樹脂で接合部を補強する。この時、基板同士の接合であるため、熱膨張係数もほぼ同等のものを用いることで、低応力となり信頼性を十分に確保できる。一方、ACF樹脂などを用いて熱圧着すれば容易に電気的接合することもできる。

また図４に、イメージセンサー用パッケージの場合を示す。
図４の半導体パッケージは、アウター接続部(407)をはんだやACF樹脂等により、外部と接続するための第２のアウターパッド(408)を有する少なくとも１方向に伸びた基板に接続した構造を有する。図４に示すように、所望の形状、材質の第２の基板をはんだやACF樹脂によって接合することで容易に形成することができる。

次に第４の実施例を説明する。この実施例はケーブル状に形成するイメージセンサー型モジュールである。図５および図６は、第４の実施例を示す断面図である。
図６(B)の半導体パッケージは、回路パターンが形成された基板(601)に柔軟性を有する基板を用い、アウターパッドを有するアウター接続部が配置された基板において、前記アウターパッド(605)にワイヤー等(609)をはんだ等で接続して、前記柔軟性を有する基板(601)を半導体チップ(602)裏面側に折り曲げて半導体チップとＬ字状に配置した構造を有する。

さらに図６(A)の半導体パッケージは、回路パターンが形成された基板(601)に柔軟性を有する基板を用い、アウターパッド(605)を有するアウター接続部が配置された基板(601)において、前記アウターパッド(605)を第２の基板(610)と接合し、さらに第２の基板(610)のアウターパッド(608)にワイヤー等をはんだ等で接続して、前記柔軟性を有する基板を半導体チップ(602)裏面側に折り曲げ、前記第２の基板(610)を半導体チップとL字状に配置すると共に、開口された基板中央部分にカバーガラス(603)等を有するレンズキッドを設けた構造を有する。

次にイメージセンサー型モジュールの製造方法について説明する。まず図６(B)に示すように、柔軟性を有する基板Ｉ(601)のアウターパッド(605)にワイヤー状の配線(609)をはんだ付け等により接合する。その後、半導体チップ(602)の裏面側にＬ字状に曲げて、複数のワイヤーをケーブル状に束ねることにより、最も小型のモジュールを提供することができる。しかし、レンズ部を360度に回転する場合は、柔軟性を有するフィルム基板では容易に変形してしまい回路が破壊されてしまうことが考えられる。この為、図５に示すように、基板Ｉのアウターリード(514)と硬いリジット基板IIのインナーリード(512)をACF(510)等により接合することで、リジット基板部分は固定されるのでフィルムの破壊は生じず、信頼性の高いケーブル状のイメージセンサー型モジュールを提供することができる。

本発明の第１の実施例を示す平面図及び断面図である。（Ａ）第１の実施例を示す上面図である。（Ｂ）第１の実施例を示す下面図である。（Ｃ）図１（Ａ）におけるA-A’断面図である。（Ｄ）図１（Ａ）におけるB-B’断面図である。（Ｅ）折り曲げ前の概略図である。本発明の第２の実施例を示す平面図及び断面図である。（Ａ）第２の実施例を示す上面図である。（Ｂ）第２の実施例を示す下面図である。（Ｃ）図２（Ａ）におけるA-A’断面図である。（Ｄ）図２（Ａ）におけるB-B’断面図である。（Ｅ）折り曲げ前の概略図である。本発明の第３の実施例を示す断面図である。本発明の第３の実施例を示す断面図である。本発明の第４の実施例を示す断面図である。本発明の第４の実施例を示す断面図である。（Ａ）第１の基板のアウターパッド部に第２の基板をACF等で接合し、第２の基板のアウターパッド部にワイヤー状の配線をはんだ等により接合した場合の断面図である。（Ｂ）第１の基板のアウターパッド部にワイヤー状の配線をはんだ等により接合した場合の断面図である。従来の一例を示す断面図である。一般的なカメラモジュールで胃カメラなどの光学モジュールに使用される。従来の一例を示す断面図である。一般的なカメラモジュールで携帯電話などのカメラに使用される。

符号の説明

１０１基板
１０２半導体チップ
１０３センサー回路部
１０４カバーガラス
１０５ガラス封止部
１０６接続封止部
１０７固定用接着剤
１０８パッド電極
１０９バンプ
１１０アウターパッド
１１１アウター接続部
２０１基板
２０２半導体チップ
２０３封止樹脂
２０４接続封止部
２０５固定用接着剤
２０６パッド電極
２０７バンプ
２０８アウターパッド
２０９アウター接続部
３０１基板
３０２半導体チップ
３０３インターポーザ
３０４インナーパッド
３０５アウターパッド
３０６第２のアウターパッド
３０７アウター接続部
３０８はんだ
３０９はんだボール
４０１基板
４０２半導体チップ
４０３カバーガラス
４０４ガラス封止部
４０５インターポーザ
４０６インナーパッド
４０７アウター接続部
４０８アウターパッド
４０９第２のアウターパッド
５０１基板Ｉ
５０２基板II
５０３半導体チップ
５０４カバーガラス
５０５ガラス封止部
５０６接続封止部
５０７パッド電極
５０８バンプ
５０９樹脂止めダム
５１０ＡＣＦ
５１１レジスト
５１２インターリード
５１３インナーパッド
５１４アウターリード
５１５アウター接続部
５１６第２のアウターパッド
６０１基板Ｉ
６０２半導体チップ
６０３カバーガラス
６０４インナーパッド
６０５アウターパッド
６０６アウター接続部
６０７ＡＣＦ
６０８第２のアウターパッド
６０９ケーブル配線
６１０基板II
６１１はんだ付け

Claims

パッド電極上にバンプが形成された半導体チップを、中央部に穴を有し、かつ回路パターンが形成された基板にフリップチップ実装を行い、次いで半導体チップと基板との接合部及び半導体チップの側面部を封止し、前記基板の中央部の穴をカバーガラスで密封するとともに、前記基板の１端を１方向に延長して設けたアウター接続部を有することを特徴とする半導体パッケージ。
前記の基板がポリイミド等のフレキシブル基板からなり、基板にはアウターパッドを有するアウター接続部が配置され、かつ前記アウターパッド部にアウターパッド径より僅かに小さい穴が設けられた基板において、半導体チップの外周部分をＵ字状に折り曲げて半導体チップ裏面に配置して実装する構造を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体パッケージ。
前記のアウター接続部を、はんだやACF樹脂等により、前記アウターパッド部のパッドピッチより広いピッチで形成された第２のアウターパッド部を有する基板に接続したことを特徴とする請求項２に記載の半導体パッケージ。
前記のアウター接続部を、はんだやACF樹脂等により、外部と接続するための第２のアウターパッドを有する少なくとも１方向に伸びた基板に接続したことを特徴とする請求項２に記載の半導体パッケージ。
請求項１に記載の半導体パッケージにおいて、回路パターンが形成された基板に柔軟性を有する基板を用い、アウターパッドを有するアウター接続部が配置された基板において、前記アウターパッドにワイヤー等をはんだ等で接続して、前記柔軟性を有する基板を半導体チップ裏面側に折り曲げて半導体チップとＬ字状に配置したことを特徴とする半導体パッケージ。
請求項１に記載の半導体パッケージにおいて、回路パターンが形成された基板に柔軟性を有する基板を用い、アウターパッドを有するアウター接続部が配置された基板において、前記アウターパッドを第２の基板と接合し、さらに第２の基板のアウターパッドにワイヤー等をはんだ等で接続して、前記柔軟性を有する基板を半導体チップ裏面側に折り曲げ、前記第２の基板を半導体チップとＬ字状に配置すると共に、開口された基板中央部分にカバーガラス等を有するレンズキッドを設けたことを特徴とするイメージセンサー型モジュール。
基板中央部に穴を有し回路パターンが形成された基板において、基板中央部の穴を樹脂で封止したことを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３、又は請求項４に記載の半導体パッケージ。
半導体チップと基板の接合部、半導体チップの側面部、及びカバーガラスの封止材料としてＵＶ硬化樹脂を用いていることを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５、請求項６、又は請求項７に記載の半導体パッケージ又はイメージセンサー型モジュール。