JP2008235929A - 半導体装置 - Google Patents
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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を提供する。
【解決手段】 入力面20a側で開口面積が大きくなるテーパ部20dを有する貫通孔20cが設けられたガラス基板、及び貫通孔20cの内壁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。この配線基板20の入力面20a上に形成された導電性部材21の入力部21aに対し、PDアレイ15の出力面15b上に導電性部材21に対応して設けられたバンプ電極17を接続して、半導体装置5とする。そして、PDアレイ15の光入射面15aに光学接着剤11を介してシンチレータ10を接続し、配線基板20の出力面20bにバンプ電極31を介して信号処理素子30を接続して、半導体検出器を構成する。
【選択図】 図1
【解決手段】 入力面20a側で開口面積が大きくなるテーパ部20dを有する貫通孔20cが設けられたガラス基板、及び貫通孔20cの内壁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。この配線基板20の入力面20a上に形成された導電性部材21の入力部21aに対し、PDアレイ15の出力面15b上に導電性部材21に対応して設けられたバンプ電極17を接続して、半導体装置5とする。そして、PDアレイ15の光入射面15aに光学接着剤11を介してシンチレータ10を接続し、配線基板20の出力面20bにバンプ電極31を介して信号処理素子30を接続して、半導体検出器を構成する。
【選択図】 図1
Description
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。
CT用センサなどに用いられる放射線検出器として、半導体素子である半導体光検出素子に対して、そ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、シンチレータ内で放射線によって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。
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)。
特許第2555720号公報
特開平3−203341号公報
半導体素子に対して配線基板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。
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、電気的に安定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。
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、信号入力面における開口面積がガラス基板の内部の所定位置における開口面積よりも大きい貫通孔が設けられたガラス基板と、貫通孔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、及び配線基板での導電性部材は、導電性部材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おり、ガラス基板は、貫通孔として、所定の開口面積の第1貫通孔と、第1貫通孔とは異なる開口面積の第2貫通孔とを少なくとも有することを特徴とする。
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と所定形状で形成された貫通孔に導電路となる導電性部材が設けられたガラス基板を用いている。そして、貫通孔及び導電性部材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導電性部材とを接続している。
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の内部にバンプ電極の一部が、バンプ電極が接続される側で開口面積が大きくなる貫通孔の形状によってガイドされつつ入り込む。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、ガラス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。
また、ガラス基板は、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ていることを特徴とする。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。
貫通孔の具体的な構成としては、ガラス基板での貫通孔は、信号入力面側の所定範囲が、信号入力面からガラス基板の内部に向かって開口面積が順次小さくなるテーパ形状に形成されていることが好ましい。あるいは、ガラス基板での貫通孔は、信号入力面側の所定範囲が、ガラス基板の内部の所定位置を含む範囲における開口面積よりも大きい所定の開口面積で凹形状に形成されていることが好ましい。
また、半導体装置において、ガラス基板は、上記したように、貫通孔として、所定の開口面積の第1貫通孔と、第1貫通孔とは異なる開口面積の第2貫通孔とを少なくとも有することを特徴とする。このような構成では、貫通孔に設けられた導電性部材に対して接続されるバンプ電極の大きさや高さ等に応じて、それぞれの貫通孔での開口面積を好適に設定することができる。
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。
また、半導体装置を用いた放射線検出器は、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、入射し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が好ましい。
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である検出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。
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ガラス基板は、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ていることが好ましい。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。
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検出素子を有する構成を用いても良い。
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、入力面において開口面積が大きくなる形状の貫通孔に導電路となる導電性部材が設けられたガラス基板を用いるとともに、貫通孔及び導電性部材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の内部にバンプ電極の一部が、バンプ電極が接続される側で開口面積が大きくなる貫通孔の形状によってガイドされつつ入り込む。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。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。
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、及び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2は、図1に示した半導体装置、及び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、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、放射線が入射する方向に沿った軸をz軸、このz軸に直交する2軸をx軸、y軸とする。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。
図1に示した放射線検出器は、シンチレータ10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。
まず、フォトダイオードアレイ15及び配線基板20からなる半導体装置5の構成について説明する。
フォトダイオードアレイ(PDアレイ)15は、半導体装置5の上流側部分を構成している。このPDアレイ15は、入射した光を検出し、その強度に対応する電気信号を出力する半導体素子であ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。
図2においては、PDアレイ15の構成例として、x軸及びy軸を配列軸として4×4=16個のフォトダイオード16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15の下面15bは、各フォトダイオード16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15bには、検出信号出力用の電極である16個のバンプ電極17が、それぞれフォトダイオード16に対応するように4×4に配列されて設けられている。なお、図示していないが、基板電極(共通電極)用のバンプ電極も、検出信号出力用の電極と同様の形態を取っている。
配線基板20は、半導体装置5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15が接続されている。
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。また、ここでは、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のガラス材料として、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ている。
図3(a)及び(b)は、それぞれ配線基板20の構成を示す平面図であり、図3(a)はその上面である信号入力面20aを、また、図3(b)は下面である信号出力面20bをそれぞれ示している。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。
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、その中心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。また、それぞれの貫通孔20cに対して、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。本実施形態においてはPDアレイ15の構成に対応して、4×4=16個の貫通孔20c及び導電性部材21が設けられている。これらの貫通孔20c及び導電性部材21は、PDアレイ15におけるバンプ電極17と同一のピッチで形成されている。
図4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4(a)は上面図、図4(b)はI−I矢印断面図を示している。
配線基板20には、複数個(例えば4×4=16個)の貫通孔20cが2次元に配列されて形成されている。それぞれの貫通孔20cは、図4(b)に示すように、配線基板20の入力面20a及び出力面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。また、この貫通孔20cのうち、信号入力面20a側の所定範囲は、入力面20aからガラス基板の内部に向かって開口面積が順次小さくなるテーパ形状のテーパ部20dとなっている。また、信号出力面20b側の所定範囲は、出力面20bから内部に向かって開口面積が順次小さくなるテーパ形状のテーパ部20eとなっている。
この貫通孔20cに対し、入力面20aと出力面20bとの間を電気的に導通する導電性部材21は、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。具体的には、図4(a)及び(b)に示すように、テーパ部20d、20eを含む貫通孔20cの内部には、その内壁に導通部21cが形成されている。また、入力面20a上でテーパ部20d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上でテーパ部20e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。
配線基板20の入力面20a上には、図3(a)に示すように、導電性部材21の入力部21aが、PDアレイ15の出力面15b上のバンプ電極17に対応する位置に設けられている。ここで、PDアレイ15のバンプ電極17は、配線基板20の貫通孔20c及び導電性部材21に対応するように形成されており、入力部21aは、バンプ電極17が接続される電極パッドとなっている。
バンプ電極17は、配線基板20での対応する導電性部材21に対し、導電性部材21が設けられた貫通孔20cの内部にバンプ電極17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15での検出信号を出力するフォトダイオード16は、バンプ電極17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。
また、配線基板20の出力面20b上には、図3(b)に示すように、導電性部材21の出力部21bに加えて電極パッド22が形成されている。また、電極パッド22は、配線23を介して対応する導電性部材21の出力部21bと電気的に接続されている。また、出力面20b上には、電極パッド24が形成されている。この電極パッド24は、後述するハウジング40との接続に用いられるものである。
次に、上述した半導体装置5を含む放射線検出器の構成について説明する。
半導体装置5のPDアレイ15の上流側には、シンチレータ10が設置されており、その上面10a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10は、入射面10aからX線、γ線、荷電粒子線などの放射線が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10の下面である光出射面10bと、PDアレイ15の上面である光入射面15aとは、シンチレーション光を透過させる光学接着剤11を介して光学的に接続、接着されている。
ここで、シンチレータ10及びPDアレイ15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、その強度に対応した電気信号として検出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。
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15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。
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。このバンプ電極31は、配線基板20の出力面20b上の電極パッド22に対応する位置に設けられている。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、その出力部21b、配線23、電極パッド22、及びバンプ電極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。
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上にある所定の電極パッドに接続し、配線基板20の出力面20b上にある電極パッド24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。
また、ハウジング40は、シンチレータ10と、PDアレイ15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の電極パッド24に接続されるとともに、シンチレータ10、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。
以上の構成において、放射線検出部1のシンチレータ10にX線などの放射線が入射すると、シンチレータ10内で放射線によってシンチレーション光が発生し、光学接着剤11を介して半導体素子であるPDアレイ15のフォトダイオード16へと入射する。フォトダイオード16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。
PDアレイ15の各フォトダイオード16から出力された電気信号は、対応するバンプ電極17、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、信号処理が行われる。
本実施形態による半導体装置、及び放射線検出器の効果について説明する。
図1〜図4に示した半導体装置5においては、半導体素子アレイであるPDアレイ15を接続する配線基板20として、テーパ部20d、20eを有する形状で形成された入力面20aから出力面20bへの貫通孔20cに導電路となる導電性部材21が設けられたガラス基板を用いている。そして、貫通孔20c及び導電性部材21に対してPDアレイ15のバンプ電極17を対応させて、半導体素子であるPDアレイ15のフォトダイオード16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。これにより、バンプ電極17と導電性部材21とを良好に接続することができる。
また、半導体装置5を適用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15とともに半導体装置5を構成する配線基板20を用いている。このような構成によれば、PDアレイ15のフォトダイオード16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。
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に用いられるガラス基板としては、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。
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、放射線遮蔽機能を有していないガラス材料を用いても良い。
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。なお、上記形状の貫通孔を有するものであれば、他の構成のガラス基板を用いても良い。
図5は、配線基板における貫通孔及び導電性部材の具体的な構成、及びそのバンプ電極との接続の一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。
本構成例では、図1に関して上述したように、ガラスファイバから形成されたガラス基板の貫通孔20cに導電性部材21を設けた配線基板20と、貫通孔20c及び導電性部材21に対応するように形成されたバンプ電極17を有するPDアレイ15とを用いて半導体装置5を構成している。
このような構成によれば、図5(b)に示すように、PDアレイ15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20cの内部にバンプ電極17の一部が入り込む。これによりバンプ電極と導電性部材の接触面積が増大し、PDアレイ15のフォトダイオード16と、配線基板20での対応する導電性部材21とがバンプ電極17を介して電気的にかつ物理的に良好に接続される。配線基板20での導電性部材21としては、図4(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。
ここで、バンプ電極を用いて半導体素子と配線基板とを接続する構成では、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。例えば、図5(a)に示した例では、PDアレイ15の出力面15bに設けられた4個のバンプ電極17を図示しているが、これらのバンプ電極17のうち、内側の2個はやや小さいバンプ電極171、外側の2個はバンプ電極171よりも大きいバンプ電極172となっている。
このような構成では、配線基板20上にPDアレイ15を実装したときに、PDアレイ15と配線基板20との隙間が不均一となり、あるいは、大きいバンプ電極が過度につぶれてしまうなどの問題が生じる。また、バンプ電極のピッチが狭い場合には、実装時に隣接するバンプ電極同士が接触してショートしてしまうなどの問題がある。
これに対して、上記構成の配線基板20では、図5(b)に示すように、バンプ電極17の大きさや高さ等に応じて、バンプ電極17の一部がそれぞれ対応する導電性部材21が設けられた貫通孔20cの内部に入り込む。これにより、実装時にバンプ電極17が過度につぶれて、対応する電極パッドの周囲に広がること等が防止される。したがって、バンプ電極同士がショートすることなく、バンプ電極17と対応する導電性部材21とを良好に接続することが可能となる。
また、図1、及び図5(a)、(b)に示した構成においては、配線基板20に設けられた貫通孔20cのうち、入力面20a側の所定範囲をテーパ部20dとしている。このような構成では、バンプ電極17が接続される入力面20a側で貫通孔20cの開口面積(円形状の内径)が大きくなるので、テーパ部20dを有する貫通孔20cの形状によってガイドされつつ、バンプ電極17が貫通孔20cの内部に入り込む。これにより、導電性部材21に対してバンプ電極17を確実に接続することができる。
このような配線基板20の貫通孔20cは、一般には、入力面20aにおける開口面積が、ガラス基板の内部の所定位置(例えば中心位置を含み開口面積が一定となっている範囲内の位置)における開口面積よりも大きい形状に形成することが好ましい。これにより、貫通孔20cの内部にバンプ電極17の一部が、バンプ電極17が接続される側で開口面積が大きくなる貫通孔20cの形状によってガイドされつつ入り込むこととなり、半導体素子であるPDアレイ15のフォトダイオード16と、配線基板20での対応する導電性部材21とがバンプ電極17を介して良好に接続される半導体装置、及び放射線検出器が実現される。
入力面20a側で開口面積が大きくなる貫通孔20cの上記構成は、バンプ電極17の接続以外の点でも有効である。例えば、ガラス基板に形成された貫通孔を用いて導電路となる導電性部材を設ける構成では、配線自体が狭ピッチ化される場合や、放射線検出器で配線基板のガラス材料によって放射線を遮蔽する場合などにおいて、貫通孔の孔径を微細化する必要が生じる。
このように貫通孔の孔径が小さい場合、貫通孔の内壁に蒸着、メッキ、スパッタなどの方法によって導電性部材を形成することが困難となる。これに対して、入力面20aにおいて開口面積が大きくなる形状で貫通孔20cを形成すれば、貫通孔20cの内壁への導電性部材21の形成が容易となる。
入力面20aにおける開口面積がガラス基板の内部の所定位置における開口面積よりも大きい形状となる貫通孔20cの具体的な構成としては、貫通孔20cの入力面20a側の所定範囲をテーパ形状とした上記構成以外にも、様々な構成を用いることができる。
図6は、配線基板における貫通孔及び導電性部材の具体的な構成、及びそのバンプ電極との接続の他の例について示す図であり、図6(a)は接続前の状態を示し、図6(b)は接続後の状態を示している。
本構成例では、配線基板20に設けられた貫通孔20cのうち、入力面20a側の所定範囲を、ガラス基板の内部の所定位置(例えば中心位置)を含む範囲における開口面積(円形状の内径)よりも大きい開口面積(内径)で凹形状に形成された凹部20fとしている。このような構成では、入力面20a側の所定範囲をテーパ部20dとした構成と同様に、バンプ電極17が接続される入力面20a側で貫通孔20cの開口面積が大きくなることにより、導電性部材21に対してバンプ電極17を確実に接続することができる。
図7は、配線基板における貫通孔及び導電性部材の具体的な構成、及びそのバンプ電極との接続の他の例について示す図であり、図7(a)は接続前の状態を示し、図7(b)は接続後の状態を示している。
図7(a)に示した例では、PDアレイ15の出力面15bに設けられた4個のバンプ電極17を図示しているが、図5(a)と同様に、これらのバンプ電極17のうち、内側の2個はやや小さいバンプ電極171、外側の2個はバンプ電極171よりも大きいバンプ電極172となっている。
これに対して、本構成例では、バンプ電極17に対応する4個の貫通孔20cのうち、バンプ電極171に対応する内側の2個を開口面積がやや小さい貫通孔(第1貫通孔)201c、バンプ電極172に対応する外側の2個を貫通孔201cよりも開口面積が大きい貫通孔(第2貫通孔)202cとしている。
これらの構造において、バンプ電極材に金属への濡れ性の高い半田などを用いて、貫通孔の導電性部材が半田に濡れ性の高い金属を最表面に形成すると、特に良好な効果が得られる。
このように、配線基板20での貫通孔20cとして、互いに開口面積が異なる貫通孔201c、202cを設ける構成によれば、導電性部材21に対して接続されるバンプ電極17の大きさや高さ等に応じて、それぞれの貫通孔20cでの開口面積を好適に設定することができる。これにより、バンプ電極17を、その大きさや高さ等の差異にかかわらず、対応する導電性部材21に確実に接続することができる。
次に、図8〜図11を用いて、図1に示した半導体装置及び放射線検出器での配線基板に用いられるガラス基板、及びその製造方法について説明する。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、図1に示した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。
まず、図8(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8(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。
次に、図8(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8(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。
続いて、図8(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。
次に、図9(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9(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。
加熱温度は、例えば600度程度であり、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。
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10(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。
そして、図10(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。
あるいは、図10(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11(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。
続いて、図11(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。さらに、貫通孔にテーパ部または凹部等を形成することにより、所定形状の貫通孔を有するガラス基板が形成される。
図1に示した半導体装置5、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、配置等を放射線検出器の構成に応じて設定する。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3に示したような構成を有する配線基板が得られる。
次に、図1に示した半導体装置、及び放射線検出器の製造方法について、その具体的な構成例とともに概略的に説明する。
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し、テーパ部等を形成することによって貫通孔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。
図1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テーパ部20d及び20eを有する貫通孔20c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、その出力面20b上に電極パッド22、24、及び配線23を形成して、配線基板20とする。
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、ホ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ニングをすることができる。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。
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上に設けられた電極パッド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。また、バンプ電極17が形成されたPDアレイ15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性部材21の入力部21a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。
バンプ電極31、17を形成するバンプ材料としては、例えば、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、銀(Ag)、金(Au)、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。
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上に設けられた電極パッド24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15の光入射面15a上に、光学接着剤11を介してシンチレータ10を実装することにより、図1に示した放射線検出器が得られる。
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15については、フォトダイオードが光入射面(表面)15a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)15b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。
また、フォトダイオードからの検出信号を出力面15b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15b上に形成された配線パターンによる構成や、PDアレイ15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。
また、図1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10と、シンチレータ10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16が設けられたPDアレイ15とを有する構成を用いている。このような構成は、入射されたX線などの放射線をシンチレータ10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。
あるいは、放射線検出部として、シンチレータを設けず、入射され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、入射された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できる。これらは、例えば、図1の構成において、シンチレータ10を除くとともに、PDアレイ15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。
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。
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。
また、図1に示した放射線検出器では、配線基板20の出力面20bに導電性部材21の出力部21bとは別に、信号処理素子30を接続するための電極パッド22を設けている。この電極パッドについては、導電性部材21の出力部21bをそのまま電極パッドとして用いる構成としても良い。
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。
本発明による半導体装置及び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。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。
1…放射線検出部、10…シンチレータ、10a…放射線入射面、10b…光出射面、11…光学接着剤、15…フォトダイオードアレイ(半導体光検出素子アレイ)、15a…光入射面、15b…信号出力面、16…フォトダイオード、17…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、20e…テーパ部、20f…凹部、21…導電性部材(導電路)、21a…入力部、21b…出力部、21c…導通部、22…電極パッド、23…配線、24…電極パッド、
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。
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、20e…テーパ部、20f…凹部、21…導電性部材(導電路)、21a…入力部、21b…出力部、21c…導通部、22…電極パッド、23…配線、24…電極パッド、
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 (6)
- 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、前記信号入力面における開口面積が前記ガラス基板の内部の所定位置における開口面積よりも大きい貫通孔が設けられたガラス基板と、前記貫通孔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、及び前記配線基板での前記導電性部材は、前記導電性部材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おり、
前記ガラス基板は、前記貫通孔として、所定の開口面積の第1貫通孔と、前記第1貫通孔とは異なる開口面積の第2貫通孔とを少なくとも有することを特徴とする半導体装置。 - 前記導電性部材は、前記ガラス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。
- 前記ガラス基板は、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てい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。
- 前記ガラス基板での前記貫通孔は、前記信号入力面側の所定範囲が、前記信号入力面から前記ガラス基板の内部に向かって開口面積が順次小さくなるテーパ形状に形成されてい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。
- 前記ガラス基板での前記貫通孔は、前記信号入力面側の所定範囲が、前記ガラス基板の内部の所定位置を含む範囲における開口面積よりも大きい所定の開口面積で凹形状に形成されてい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。
- 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1〜5のいずれか一項記載の半導体装置。
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