JP2007214440A

JP2007214440A - 電子装置

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Publication number: JP2007214440A
Application number: JP2006033806A
Authority: JP
Inventors: Satoru Kuramochi; 悟倉持; Yoshitaka Fukuoka; 義孝福岡
Original assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Current assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Priority date: 2006-02-10
Filing date: 2006-02-10
Publication date: 2007-08-23
Anticipated expiration: 2026-02-10
Also published as: JP4848789B2

Abstract

【課題】電子装置はＭＥＭＳセンサーの端子とプリント基板の端子とをワイヤボンディングした構造であり、貫通ビアを介してアクティブ面と反対側の面にははんだボールバンプを設けたＭＥＭＳセンサーをボールボンディング方式により実装することにより高密度、小型化は達成されるものの、プリント配線基板とＭＥＭＳセンサーの熱収縮率の差による応力がＭＥＭＳセンサーに作用することによる信頼性低下を防ぐため、小型で信頼性が高い電子装置を提供する。
【解決手段】貫通ビア１４を介してアクティブ面１３と反対側の面にバンプ１５を有するＭＥＭＳセンサー１１を、バンプ１５が異方性導電層５またはスプリングコネクターを介してプリント配線基板２の端子に接続するように実装した構造の電子装置とする。
【選択図】図２

Description

本発明は電子装置に係り、特にプリント配線基板上にＭＥＭＳセンサーを実装した電子装置に関する。

従来から、ＣＣＤ、ＣＭＯＳ等のイメージセンサー、加速度センサー等の各種ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）センサーが種々の用途に用いられている。例えば、イメージセンサーは、半導体チップの一方の面が、光電変換を行う受光素子が配設されたアクティブ面となっている。このようなセンサーは、アクティブ面を保護したり、センサーの稼動を確保するために、センサー本体のアクティブ面に空隙部を設けるように保護材が配設され気密封止されたパッケージ構造となっている。
このようなＭＥＭＳセンサーをプリント配線基板上に実装した電子装置が使用されている。従来の電子装置は、接着剤を介してＭＥＭＳセンサーをプリント配線基板上に固着し、ワイヤーボンディングがなされた構造であった（特許文献１）。このような電子装置では、プリント配線基板とＭＥＭＳセンサーの熱収縮率の差があっても、接着層が収縮応力を吸収するため、ＭＥＭＳセンサーの信頼性が損なわれることがなかった。
特開２００５−７２４１８号公報

しかしながら、従来の電子装置はＭＥＭＳセンサーの端子とプリント配線基板の端子とをワイヤボンディングした構造であり、面方向の広がりが必要であり、電子装置の高密度化、小型化に限界があった。
このため、貫通ビアを介してアクティブ面と反対側の面にはんだボールバンプを設けたＭＥＭＳセンサーをボールボンディング方式により実装することが考えられる。しかし、これにより高密度化、小型化は達成されるものの、プリント配線基板とＭＥＭＳセンサーの熱収縮率の差による応力がＭＥＭＳセンサーに作用することを防止できず、信頼性が低下するという問題があった。
本発明は、上記のような実情に鑑みてなされたものであり、小型で信頼性が高い電子装置を提供することを目的とする。

このような目的を達成するために、本発明の電子装置は、プリント配線基板上に少なくともＭＥＭＳセンサーを備え、該ＭＥＭＳセンサーは貫通ビアを介してアクティブ面と反対側の面にバンプを有し、該バンプは異方性導電層を介して前記プリント配線基板の端子に接続されているような構成とした。
本発明の他の態様として、前記ＭＥＭＳセンサーを前記プリント配線基板方向に付勢するための規制用部材を備えるような構成とした。
また、本発明の電子装置は、プリント配線基板上に少なくともＭＥＭＳセンサーを備え、該ＭＥＭＳセンサーは貫通ビアを介してアクティブ面と反対側の面にバンプを有し、該バンプはスプリングコネクターを介して前記プリント配線基板の端子に接続されており、前記ＭＥＭＳセンサーと前記プリント配線基板との間隙部には樹脂部材が配設されているような構成とした。

このような本発明の電子装置は、プリント配線基板とＭＥＭＳセンサーとの間に熱収縮率の差があっても、異方性導電層や、スプリングコネクターと樹脂部材が収縮応力を吸収してＭＥＭＳセンサーに収縮応力が作用することを阻止するので、信頼性が高く、また、ワイヤボンディング方式ではないので、ＭＥＭＳセンサーの実装に要する面方向の広がりが抑制され、高密度実装への対応が可能であり、電子装置の小型化が可能である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の電子装置の一実施形態を示す部分平面図であり、図２は図１のＡ−Ａ線における拡大断面図である。図１および図２において、本発明の電子装置１は、プリント配線基板２上に異方性導電層５を介してＭＥＭＳセンサー１１を実装して備えている。実装されるＭＥＭＳセンサー１１は、貫通ビア１４を介してアクティブ面１３と反対側の面にバンプ１５を有しており、このバンプ１５は異方性導電層５を介してプリント配線基板２の所望の端子３に電気的に接続されている。

プリント配線基板２は、ＭＥＭＳセンサー１１を実装する部位の所望の位置に複数（図示例では４箇所）の貫通孔２ａを有しているとともに、ＭＥＭＳセンサー１１を実装するための端子３を備えている。そして、異方性導電層５を介して実装されたＭＥＭＳセンサー１１とプリント配線基板２には、上記の貫通孔２ａを貫通するようにして規制用部材７が係合されている。この規制用部材７は、ＭＥＭＳセンサー１１をプリント配線基板２方向に付勢するものであり、異方性導電層５の微小な変形を許容しつつ、ＭＥＭＳセンサー１１の位置を規制安定化するものである。
異方性導電層５は、絶縁樹脂、絶縁ゴム、シリコーン系樹脂、エポキシ系樹脂等のような、プリント配線基板２とＭＥＭＳセンサー１１の熱収縮率の差による応力を微小な変形により吸収可能な材料中に、導電性粒子を分散させたものである。導電性粒子としては、例えば、銅、銀、金、錫等の金属粒子、あるいは、プラスチック等の樹脂粒子の表面に金、銀、ニッケル、銅、錫、白金等の導電性めっき膜を形成した導電めっき樹脂ボール等であってよい。このような異方性導電層５の厚みは、３〜５０μｍ程度の範囲で適宜設定することができる。

また、規制用部材７は、図示例では棒状部７ａの両端部に鉤部７ｂを備えたものである。このような規制用部材７の材質は、例えば、クロム、アルミニウム、ニッケル等の金属材料であってよい。また、このような金属材料の表面に絶縁層を被覆したものであってもよい。尚、ＭＥＭＳセンサー１１をプリント配線基板２の方向に付勢するための規制用部材は、図示のような構成に限定されるものではない。
本発明の電子装置に実装するＭＥＭＳセンサーは、特に制限はなく、ＣＣＤ、ＣＭＯＳ等のイメージセンサーや、加速度センサー、圧力センサー、ジャイロセンサー等の各種ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）センサー等であってよい。このようなＭＥＭＳセンサーは、アクティブ面（センサーの所望の検知機能を発現する領域）を保護したり、センサーの稼動を確保するために、アクティブ面に空隙部を設けるように保護材が配設され気密封止されたパッケージ構造であってよい。

図示例のＭＥＭＳセンサー１１は、凹部１２ａ内にアクティブ面１３を備えたセンサー本体１２と、このセンサー本体１２のアクティブ面１３に空隙部１８を介して対向する保護材１６と、アクティブ面１３よりも外側領域に環状に配設され空隙部１８を気密封止するようにセンサー本体１２と保護材１６とを接合する接合部材１７とを備えている。また、センサー本体１２は、アクティブ面１３よりも外側の領域に複数の貫通ビア１４を備えており、この貫通ビア１４は図示しない配線によってアクティブ面１３の所望の端子に接続している。また、アクティブ面１３と反対側に露出する貫通ビア１４にはバンプ１５が配設されている。
貫通ビア１４の材質は、銅、銀、金、錫等の導電材料、あるいは、これらの導電材料を含有する導電ペーストとすることができる。また、バンプ１５の材質は、銅、銀、金、錫等の導電材料とすることができる。

また、ＭＥＭＳセンサー１１を構成する保護材１６の材質は、電子装置の用途に応じて適宜選択することができ、例えば、ガラス、シリコン、セラミック等を挙げることができ、保護材１６の厚みは、材質、光透過性等を考慮して、例えば、０．３〜１ｍｍの範囲で設定することができる。
また、接合部材１７は、例えば、シリコーン樹脂、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂等の絶縁樹脂であってよく、また、これらにガラス、セラミックス等のビーズを含有したものであってもよい。さらに、接合部材１７は、ろう材層を金属層で挟持したような多層構造であってもよい。この場合、ろう材層は、融点が４５０℃以下である、いわゆる「軟ろう」であり、例えば、Ｓｎ−Ａｕ合金、Ｓｎ−Ａｇ合金、Ｓｎ−Ｂｉ合金、Ｓｎ−Ｚｎ合金のいずれかからなる層とすることができる。また、金属層は、例えば、Ａｕ／Ｔｉ積層、Ａｕ／Ｃｒ積層、Ｃｕ／Ｔｉ積層、Ｃｕ／Ｃｒ積層等とすることができる。

このような本発明の電子装置は、プリント配線基板２とＭＥＭＳセンサー１１との間に熱収縮率の差があっても、異方性導電層５が収縮応力を吸収し、ＭＥＭＳセンサー１１に収縮応力が作用することを阻止するので、信頼性が高いものである。また、ワイヤボンディング方式ではないので、ＭＥＭＳセンサー１１の実装に要する面方向の広がりが抑制され、高密度配線への対応が可能であり、小型化が可能である。

図３は、本発明の電子装置の他の実施形態を示す部分断面図である。図３において、本発明の電子装置２１は、プリント配線基板２２上にスプリングコネクター２５を介してＭＥＭＳセンサー１１を実装して備えている。実装されるＭＥＭＳセンサー１１は、貫通ビア１４を介してアクティブ面１３と反対側の面にバンプ１５を有しており、このバンプ１５はスプリングコネクター２５を介してプリント配線基板２２の所望の端子２３に接続されている。
この電子装置２１を構成するプリント配線基板２２は、規制用部材を装着するための貫通孔を備えていない他は、上述のプリント配線基板２と同様である。また、ＭＥＭＳセンサー１１は、上述の電子装置２を構成するＭＥＭＳセンサー１１と同様である。

スプリングコネクター２５は、可撓性を有する導電材料、例えば、銅、ニッケル、金、クロム等を用いることができる。スプリングコネクター２５の形状は特に制限はなく、例えば、錐体形状、棒形状等とすることができる。また、スプリングコネクター２５の寸法は、形状による可撓性の大きさ、プリント配線基板２２とＭＥＭＳセンサー１１との間に許容される間隙部の大きさ等を考慮して適宜設定することができる。
また、プリント配線基板２２とＭＥＭＳセンサー１１との間隙部には樹脂部材２６が配設されている。この樹脂部材２６は、ＭＥＭＳセンサー１１を支持するためのものであり、かつ、スプリングコネクター２５の微小な変形を許容しつつ、プリント配線基板２２とＭＥＭＳセンサー１１の熱収縮率の差による応力を吸収するものである。このような樹脂材料２６としては、例えば、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂等を挙げることができる。

このような本発明の電子装置２１は、プリント配線基板２２とＭＥＭＳセンサー１１との間に熱収縮率の差があっても、樹脂部材２６が収縮応力を吸収してＭＥＭＳセンサー１１に収縮応力が作用することを阻止し、スプリングコネクター２５が微小に変形することによって電気的接続が確実に維持され、信頼性が高いものである。また、ワイヤボンディング方式ではないので、ＭＥＭＳセンサー１１の実装に要する面方向の広がりが抑制され、高密度実装への対応が可能であり、小型化が可能である。
上述の電子装置は、例示であり、本発明は上述の実施形態に限定されるものではない。したがって、ＭＥＭＳセンサーは例示のような構成に限定されるものではない。また、プリント配線基板上に実装されるＭＥＭＳセンサーの個数に制限はなく、また、複数のＭＥＭＳセンサーを備える場合には、各ＭＥＭＳセンサーの機能が異なるものであってもよい。

次に、具体的実施例を挙げて本発明を更に詳細に説明する。
［実施例１］
（プリント配線基板の作製）
まず、公知の手法によりプリント配線を形成したプリント配線基板を作製した。プリント配線には、４ｍｍ×４ｍｍの正方形の線上に２０個（１辺５個）の端子を形成した。このプリント配線基板のＸＹ方向（シリコンウエハの表面に平行な平面）の熱膨張係数は１７ｐｐｍであった。
また、上記の２０個の端子が位置するＭＥＭＳセンサー実装部位の４隅（５．５ｍｍ×５．５ｍｍの正方形領域の４隅）に該当するプリント配線基板に、ドリルを用いて直径１ｍｍの貫通孔をそれぞれ形成した。

（ＭＥＭＳセンサーの作製）
まず、厚み６２５μｍのシリコンウエハを準備し、一辺５ｍｍである正方形で多面付けに区画した。このシリコンウエハの両面に、プラズマＣＶＤ法により酸化珪素膜（厚み５μｍ）を成膜した。このシリコンウエハのＸＹ方向（シリコンウエハの表面に平行な平面）の熱膨張係数は３ｐｐｍであった。
次に、このシリコンウエハの両面にポジ型フォトレジスト（東京応化工業（株）製ＯＦＰＲ−８００）を塗布し、貫通ビア形成用フォトマスクを介して露光、現像することによりレジストパターンを形成した。次いで、レジストパターンをマスクとし、ウエットエッチングにより、各面付け毎に４ｍｍ×４ｍｍの正方形の線上に２０個（１辺５個）の微細貫通孔を形成した。この微細貫通孔の開口径は、シリコンウエハの表面で７０μｍ、中央部で５０μｍであった。

次に、レジストパターン上からガラス基板の一方の面にスパッタリング法により銅薄膜を形成して下地導電層とした。この下地導電層は微細貫通孔の内壁面にも形成された。次いで、下地導電層を給電層として電解銅めっきにより微細貫通孔内に銅を充填し、その後、不要なレジストパターン、下地導電層、銅層を除去して、貫通ビアを形成した。
次いで、このシリコンウエハの各面付け毎に、従来の手法によりセンサー本体（アクティブ面寸法：３５００μｍ×３５００μｍ、凹部寸法：４０００μｍ×４０００μｍ、深さ２００μｍ）を作製した。各センサー本体は、アクティブ面の周囲に２０個（１辺５個）の端子を備えるものであった。その後、各端子と所望の貫通ビアを接続する配線を形成した。また、各貫通ビアの他方の端部には、金線を用いてスタッドバンプ法によりバンプ（直径１００μｍ）を形成した。

次に、センサー本体のアクティブ面を有する凹部と、貫通ビアが配設されている領域との中間の領域に、樹脂組成物（協立化学産業（株）製ワールドロック）をスクリーン印刷により塗布し、半硬化させて、接合部材（幅２００μｍ、高さ２０μｍ）を形成した。
次に、上記の多面付けのシリコンウエハをダイシングして、５ｍｍ×５ｍｍのセンサー本体を得た。
一方、厚み５５０μｍのガラス基板を保護材として準備し、多面付けに区画（１辺７ｍｍである正方形）した。このガラス基板のＸＹ方向（シリコンウエハの表面に平行な平面）の熱膨張係数は４ｐｐｍであった。次に、ガラス基板の各面付け毎に、センサー本体を、接合部材がガラス基板面に当接し、バンプが貫通ビアに接続されるように位置合せして固着した。
次に、上述の多面付けのガラス基板をダイシングして、センサー本体とガラス基板（保護材）が一体化されたＭＥＭＳセンサーを得た。このＭＥＭＳセンサーは、厚みが約０．２ｍｍであり、寸法は５ｍｍ×５ｍｍであった。

（ＭＥＭＳセンサーの実装）
まず、直径０．５ｍｍのＳＵＳ材を用いて、図２に示されるような両端に鉤部を備えた規制用部材を作製した。この規制用部材の両端の鉤部の距離は１ｍｍであった。尚、この規制用部材の表面には、感光性ポリイミドを用いてフォトリソグラフィーにより絶縁層（厚み３μｍ）を形成した。
次に、厚み３０μｍの異方性導電フィルム（サンユレック（株）製ＡＣＩ）を５ｍｍ×５ｍｍの寸法に切断し、この異方性導電フィルムを介して上記のＭＥＭＳセンサーの２０個のバンプと、プリント配線基板の２０個の端子を位置合わせして圧着した。次いで、プリント配線基板の貫通孔に上記の規制用部材を挿入し、図２に示されるように、プリント配線基板とＭＥＭＳセンサーを挟持するように装着した。
これにより、本発明の電子装置が得られた。

［実施例２］
（プリント配線基板の作製）
規制用部材を挿入するための貫通孔を形成しない他は、実施例１と同様にして、プリント配線基板を作製した。
（ＭＥＭＳセンサーの作製）
実施例１と同様にして、ＭＥＭＳセンサーを作製した。

（ＭＥＭＳセンサーの実装）
まず、ＭＥＭＳセンサーの２０個のバンプ上に、直径１００μｍ、高さ１００μｍのコイル形状のスプリングコネクターを固着した。
一方、プリント配線基板のＭＥＭＳセンサー実装部位に、樹脂組成物（協立化学産業（株）製ワールドロック）をスクリーン印刷で５ｍｍ×５ｍｍの正方形状に印刷し、１５０℃、２０分間の乾燥を行った。これにより厚み１０μｍの樹脂部材層を形成した。
次いで、２０個のバンプ上のスプリングコネクターと、プリント配線基板の２０個の端子を位置合わせして圧着し、樹脂部材層を貫通してスプリングコネクターをプリント配線基板の端子に当接させた。次に、樹脂部材に対して２００℃、６０分間の硬化処理を施して、図３に示されるような本発明の電子装置が得た。

［比較例］
（プリント配線基板の作製）
規制用部材を挿入するための貫通孔を形成しない他は、実施例１と同様にして、プリント配線基板を作製した。
（ＭＥＭＳセンサーの作製）
バンプとして半田バンプを形成した他は、実施例１と同様にして、ＭＥＭＳセンサーを作製した。
（ＭＥＭＳセンサーの実装）
上記のＭＥＭＳセンサーの２０個のバンプと、プリント配線基板の２０個の端子を位置合わせして圧着し、２４０℃で５分間加熱してＭＥＭＳセンサーを実装した。これにより、比較例の電子装置が得られた。

［電子装置の評価］
下記の条件で加熱・冷却を繰り返した後の接続抵抗を測定した。
その結果、実施例１、２の電子装置は、接続抵抗の変化が５％以内であった。しかし、比較例の電子装置は、接続抵抗の変化が１０％以上であった。
（加熱・冷却条件）
−５５℃と１２５℃とでそれぞれ１５分間保持する加熱・冷却サイクルを
１０００回行う。

ＭＥＭＳセンサーを搭載した小型で高信頼性の電子装置が要求される種々の分野において適用できる。

本発明の電子装置の一実施形態を示す部分平面図である。図１のＡ−Ａ線における拡大断面図である。本発明の電子装置の他の実施形態を示す部分断面図である。

符号の説明

１，２１…電子装置
２，２２…プリント配線基板
５…異方性導電層
７…規制用部材
２５…スプリングコネクター
２６…樹脂部材
１１…ＭＥＭＳセンサー
１２…センサー本体
１３…アクティブ面
１４…貫通ビア
１５…バンプ
１６…保護材

Claims

プリント配線基板上に少なくともＭＥＭＳセンサーを備え、該ＭＥＭＳセンサーは貫通ビアを介してアクティブ面と反対側の面にバンプを有し、該バンプは異方性導電層を介して前記プリント配線基板の端子に接続されていることを特徴とする電子装置。
前記ＭＥＭＳセンサーを前記プリント配線基板方向に付勢するための規制用部材を備えることを特徴する請求項１に記載の電子装置。
プリント配線基板上に少なくともＭＥＭＳセンサーを備え、該ＭＥＭＳセンサーは貫通ビアを介してアクティブ面と反対側の面にバンプを有し、該バンプはスプリングコネクターを介して前記プリント配線基板の端子に接続されており、前記ＭＥＭＳセンサーと前記プリント配線基板との間隙部には樹脂部材が配設されていることを特徴する電子装置。