JP4557676B2 - 半導体装置の実装構造 - Google Patents

Description

本発明は、ラインセンサ、フォトダイオード、イメージセンサ等の光半導体素子を含む半導体素子を具備した半導体装置が、接合材を介して外部回路基板に実装されたときの実装構造に関するものである。

ラインセンサ，フォトダイオード，イメージセンサ等の光半導体素子を含む半導体素子を搭載するための半導体素子収納用パッケージは、半導体素子の搭載部を有する絶縁基体と、搭載部から絶縁基体の下面に導出された配線導体とを備えた構成となっている。

そして、搭載部に半導体素子が搭載されるとともに、必要に応じて平板状の蓋体が、樹脂層を介して絶縁基体の上面に接合されて半導体素子を気密封止することにより、半導体装置が形成される。半導体素子の電極は配線導体と電気的に接続され、配線導体を介して絶縁基体の下面の外周部に導出される。

このような半導体装置は、配線導体の導出部分が外部電気回路基板の回路導体の所定位置にはんだ等の導電性の接合材を介して電気的、機械的に接続され、外部電気回路基板に実装されて、光学センサ装置やカメラ付き携帯電話等の機器の部品として使用される。

なお、半導体装置を外部電気回路基板に実装する際、接合材は、互いに接合される配線導体と回路導体とで挟まれる空間の体積に対して、１．０倍〜１．５倍程度であった。また、接合材の回路導体に対する濡れ角度は、４５度以下程度で、いわゆるフィレット状に接合材が回路導体に対して接合されていた。
特開２００４−１０３５９８号公報

しかしながら、上述した従来の光半導体装置の実装構造においては、絶縁基体と外部回路基板との間に生じる熱応力等の応力に起因して、接合材と外部回路基板の回路導体との間の接合面で剥がれ等が発生し易い傾向があり、接合の信頼性を十分に高く保つことは困難であった。

このような問題は、近年、特に顕著になっており、例えば、ラインセンサ，フォトダイオード，イメージセンサ等の光半導体素子は、画像の精細化および光検知の高精度化の要求に応じて大変精細に形成されており、それとともに、半導体装置として使用される環境も多岐に渡り、温度変化の著しい環境、高温環境、高湿環境等の厳しい環境下で使用されるようになり、接合材を介した接合部分に作用する熱応力の増大等にともない、接合の信頼性を確保することがますます難しくなってきている。

本発明は、上記問題点に鑑みて案出されたもので、その目的は、外部回路基板に対する接合の信頼性に優れた半導体装置の実装構造を提供することにある。

本発明の半導体装置の実装構造は、上面に半導体素子の搭載部を有する絶縁基体と、該絶縁基体の前記搭載部から側面を経て下面の外周部に導出された配線導体と、前記搭載部に搭載された半導体素子とを具備しており、前記配線導体は、前記絶縁基体の側面の下端部および下面の外周部に位置する部位が外部回路基板の回路導体に接合材を介して接合されており、該接合材は、互いに対向する前記絶縁基体の下面の前記配線導体と前記回路導体とで挟まれる空間の体積の２倍乃至１０倍の体積を有しており、前記接合材は、前記回路導体に対する溶融時の濡れ角度が９０度以上であるとともに、前記配線導体に対する溶融時の濡れ角度が９０度以上であり、前記絶縁基体の下面の外周部の前記配線導体と前記回路導体との間の前記接合材の断面形状が、前記絶縁基体の下面の中央部に向けて凸状と
なっていることを特徴とするものである。

また、本発明の半導体装置の実装構造は、前記絶縁基体および前記半導体素子は長方形状であり、前記配線導体は、前記絶縁基体下面の外周部に導出された導出部分が前記絶縁基体の長辺側の中央部に位置していることを特徴とするものである。

また、本発明の半導体装置の実装構造は、前記絶縁基体は、短辺側の下面の外周部に接合時の位置補正用に補助導体が形成されていることを特徴とするものである。

本発明の半導体装置の実装構造によれば、上面に半導体素子の搭載部を有する絶縁基体と、絶縁基体の搭載部から側面を経て下面の外周部に導出された配線導体と、搭載部に搭載された半導体素子とを具備しており、配線導体は、絶縁基体の側面の下端部および下面の外周部に位置する部位が外部回路基板の回路導体に接合材を介して接合されており、接合材は、互いに対向する絶縁基体の下面の配線導体と回路導体とで挟まれる空間の体積の２倍乃至１０倍の体積を有しており、接合材は、回路導体に対する溶融時の濡れ角度が９０度以上であるとともに、配線導体に対する溶融時の濡れ角度が９０度以上であり、絶縁基体の下面の外周部の配線導体と回路導体との間の接合材の断面形状が、絶縁基体の下面の中央部に向けて凸状となっていることから、接合材を、互いに接合される配線導体と回路導体との間に、十分に大きな体積で介在させることができ、熱応力等の応力が作用したとしても、その応力を大きな体積の接合材に対する相対的に小さな変形で効果的に吸収し緩和することができ、接合材と回路導体との接合を長期にわたって確保することができる。

また、接合材は、介在している配線導体と回路導体との間の空間の体積に比べて自身の体積が２倍乃至１０倍と大きいことから、この空間から外側に、表面張力に応じて曲面状（球面状）に熱応力が作用する方向に膨らんだ形状となり、熱応力等の応力を良好に分散、緩和させることができる。そのため、接合材と回路導体との接合を長期にわたって確保することができる。

その結果、半導体装置の外部回路基板に対する接合の長期信頼性に優れた実装構造を提供することができる。

さらに、本発明の半導体装置の実装構造によれば、回路導体に対する溶融時の接合材の濡れ角度を９０度以上となしておくことにより、接合材と回路導体との接合部において、絶縁基体と外部回路基板との熱膨張の違いによる応力ひずみにより、接合材の弾性変形に対する接合強度が高くなる。即ち、応力ひずみに起因した接合材の伸縮により、接合材の濡れ角度が９０度以上となるように接合材の体積（容積）を確保しているため、接合材の伸びに対しては濡れ角度９０度よりも外側の接合材による部分で応力の緩和が可能であり、縮みに対しては、多くの接合材によりクッション作用が得られるため、熱応力等の応力による接合材と回路導体との間の接合部の破断を有効に防止することができる。

またさらに、本発明の半導体装置の実装構造によれば、配線導体に対する溶融時の接合材の濡れ角度を９０度以上となしておくことにより、接合材と配線導体との接合部において、絶縁基体と外部回路基板との熱膨張の違いによる応力ひずみにより、接合材（接合部）の弾性変形に対する接合強度が高くなり、配線導体と接合材との間の接合部の破断を有効に防止することができる。

さらにまた、本発明の半導体装置の実装構造によれば、絶縁基体および半導体素子は長方形状であり、配線導体は、絶縁基体下面の外周部に導出された導出部分が絶縁基体の長辺側の中央部に位置していることから、長方形状の絶縁基体の外部回路基板への接合において、最も応力の少ない絶縁基体の長辺側の中央部に配線導体の導出部分が位置することにより、熱応力および機械的応力による接合部の強度を上げることができ、かかる実装構造体としての信頼性をさらに向上させることができる。また、位置合わせが容易なため、実装するときの製造歩留まりを向上させることもできる。

またさらに、本発明の半導体装置の実装構造によれば、短辺側の下面の外周部に位置補正用の補助導体を形成しておくことにより、絶縁基体の外部回路基板への接合において、長方形状の絶縁基体の長辺側の中央部の接合に加え、短辺側の補助導体における回路導体との接合により、さらに接合強度を上げることができ、実装の信頼性の高い半導体装置を提供することができる。また、絶縁基体の外部電気回路基板に対するセルフアライメントの効果（溶融したはんだの表面張力の作用で、導体パッドを対応する補助導体等に正対させようとする効果）を得ることができ、光半導体素子収納用パッケージの外部電気回路基板に対する位置ずれ、特にθ方向のずれを有効に防止することができ、外部電気回路基板に対する接続の位置精度をより優れたものとなすことができる。

以下、本発明を添付図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明の半導体装置の実装構造の実施の形態の一例を示す断面図であり、図２は図１の要部拡大図である。

図１に示す半導体装置１２は、主に、半導体素子３と、半導体素子３が搭載された絶縁基体１と、絶縁基体１に形成され半導体素子３と電気的に接続された配線導体２とで構成されている。

絶縁基体１は、例えば、長方形状をなしており、その上面には凹部１ａが設けられるとともに、該凹部１ａの底面が半導体素子３を搭載するための搭載部となり、この搭載部には接着剤６を介して半導体素子３が接合される。

このような絶縁基体１は、例えば、アルミナ質焼結体（アルミナセラミックス），窒化アルミニウムセラミックス，炭化珪素セラミックス，窒化珪素セラミックス，ガラスセラミックス等のセラミックスや、樹脂等から成る。

なお、絶縁基体１は、アルミナ質焼結体から成る場合、まず、アルミナ，シリカ等の原料粉末を有機溶剤および上面樹脂バインダーとともにシート状に成形して、複数のセラミックグリーンシートを製作し、その後、一部のセラミックグリーンシートに打ち抜き加工を施して枠状のセラミックグリーンシートを得、次に枠状のセラミックグリーンシートが上層に位置するようにセラミックグリーンシートを積層し、これを原料粉末の組成に応じて例えば１３００℃〜１６００℃の温度で焼成することによって絶縁基体１が製造される。なお、ここで、板状のアルミナ質焼結体から成る絶縁基体１の上面、その外周部に沿って枠状のアルミナ質焼結体を接合しても良いことは言うまでもない。

また、配線導体２は、搭載部の内側から外側に導出するように形成され、凹部１ａ内に収容される半導体素子３の電極４とボンディングワイヤ８を介して電気的に接続される。配線導体２は、タングステン，モリブデン，マンガン，銅，銀，パラジウム，白金，金等の金属材料から成り、メタライズ層，めっき層，蒸着層，金属箔層等の形態で絶縁基体１の所定部位に形成される。配線導体２は、例えばタングステンのメタライズ層からなる場合であれば、タングステンの粉末を有機溶剤，樹脂バインダーとともに混練した金属ペーストを、絶縁基体１となるセラミックグリーンシートにスクリーン印刷法等により印刷することにより形成される。また、配線導体２の露出表面に金めっきや錫めっき等のめっき層を被着させておいてもよい。

なお、ボンディングワイヤ８は、その長さを０．３ｍｍ〜３．０ｍｍとすることが好ましい。ボンディングワイヤ８の長さが０．３ｍｍ未満では、ボンディングワイヤ８が短すぎて十分なループを形成することが困難となり、光半導体素子３の電極４と配線導体２とを確実に接続することが困難となる。また、ボンディングワイヤ８の長さが３．０ｍｍを超えると、ボンディングワイヤ８が長くなりすぎループが不要に高くなる傾向があり、不要なインダクタンスが発生して高周波信号の伝送特性が劣化するおそれがある。

また、絶縁基体１上に搭載される半導体素子３は、平面視して長方形状の外観を有し、かかる半導体素子３としては、例えば、ラインセンサ，ＰＤ（Photodiode Device），イメージセンサ，ＣＣＤ（Charge Coupled Device）等の受光素子や、ＥＰＲＯＭ（Erasable and Programmable ROM）等の受光部を有する光半導体素子、半導体集積回路素子等が用いられる。

このような半導体素子３として光半導体素子を採用する場合、その上面には受光部が設けられ、その周囲には、先に述べたボンディングワイヤ８が接続される電源用や信号用等の電極４が設けられている。

一方、蓋体５には、全体若しくは一部が透光性部材から成る透光性のものや、金属材料，セラミック材料から成るものが用いられる。図１に示した半導体装置１２において、蓋体５は、ガラス，石英，サファイア，透明樹脂等の透光性材料を板状に成形したものである。また、図示しないが、絶縁基体１が平板状である場合には、凹形状の蓋体を用いてもよい。この場合には、蓋体５の一部が透光性部材から成り、上面若しくは下面の少なくとも一方に紫外線を遮断するための光学膜を形成してもよい。

蓋体５は、例えば、樹脂層７を介して接合することにより、絶縁基体１の上面に取着され、これによって半導体素子３の搭載部１ａが気密封止される。樹脂層７の材質としては、例えば、アクリル系樹脂，エポキシ系樹脂，フェノール系樹脂，クレゾール系樹脂等の樹脂接着剤が用いられ、例えば、半導体素子３がラインセンサ等の光半導体素子の場合、樹脂層７には、余計な外光を遮断するために、黒色，茶褐色，暗褐色，暗緑色，濃青色等の暗色系の顔料や染料が混入される。また、樹脂層７は、ガラスやセラミック等の無機材料から成るフィラー粉末を添加しておいてもよい。

また、樹脂層７が透明な樹脂接着剤から成る場合、樹脂層７の屈折率が透明な蓋体５の屈折率と等しくなるようにしておくことが好ましい。この場合、樹脂層７と蓋体５との界面における光の反射や散乱等を抑制することができ、半導体素子３に余計な反射光や散乱光が入射することを抑制することが可能となる。また、樹脂層７が透明な樹脂接着剤から成る場合、その内部に含まれる気泡の体積が３０体積％以下であることが好ましい。気泡の体積が３０体積％を超えると、樹脂層７の接合力が低下するとともに、気泡によって半導体素子３に余計な反射光や散乱光が入射する可能性がある。樹脂層７に含まれる気泡の割合を小さくするためには、減圧室や真空装置内で樹脂層７を取り扱う方法や、予め樹脂層７に含まれる気泡を真空脱泡する方法等がある。

さらに、蓋体５の外周部に遮光性の樹脂膜を貼り付けておいてもよい。このような構成により、半導体素子３に余計な外光が入射されることを抑えることができる。

そして、上述した絶縁基体１の配線導体２は、搭載部の外側に導出された部分が外部電気回路基板１０の回路導体１１とはんだ等の接続材９を介して接合され、これによって半導体素子３の電極４と外部電気回路基板１０の回路導体１１とが電気的・機械的に接続される。半導体装置が実装された外部電気回路基板１０は、例えば、半導体素子３として光半導体素子を封止した光半導体装置の場合、光学式読み取り装置（バーコードリーダーやスキャナ等）のセンサ部分、撮像部分等として使用される。

また、配線導体２のうち外部電気回路基板１０に接続される部分は、主に絶縁基体１の長辺の中央部に位置させている。これは、絶縁基体１と外部電気回路基板１０との間で生じる熱応力等の応力が、長方形状をなす絶縁基体１の長辺方向の両端部で大きくなる傾向があるからであり、これに対応して、配線導体２と回路導体１１との接続部分に過度に大きな熱応力が作用しないように外部電気回路基板１０に対する半導体素子収納用パッケージ（半導体装置）の接続信頼性を確保している。

なお、絶縁基体１を外部回路基板１０に接合するための接合材９としては、例えば、Ｓｎ−Ｐｂ系、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ｃｕ系、Ｓｎ系、Ａｕ−Ｓｎ系等のはんだ材料が使用され、かかる接合材９の体積は、互いに対向する絶縁基体１の下面の配線導体２と回路導体１１とで挟まれる空間の体積の２倍乃至１０倍の体積となっている。

接合材９の絶縁基体１の絶縁基体１の側面の下端部および下面の外周部に導出された配線導体２への接合、および接合材９の回路導体１１への接合における接合材９の濡れ角度は、例えば、外部回路基板１０の回路導体１１への接合材９のスクリーン印刷法やディスペンス法等で接合材９の塗布量を調整することにより調整することができる。

以上のような本形態の実装構造によれば、上面に半導体素子３の搭載部を有する絶縁基
体１と、絶縁基体１の搭載部から側面を経て下面の外周部に導出された配線導体２と、搭載部に搭載された半導体素子３とを具備しており、配線導体２は、絶縁基体１の側面の下端部および下面の外周部に位置する部位が外部回路基板１０の回路導体１１に接合材９を介して接合されるとともに、該接合材９は、互いに対向する絶縁基体１の下面の配線導体２と回路導体１１とで挟まれる空間の体積の２倍乃至１０倍の体積となしたことから、接合材９について、互いに接合される配線導体２と回路導体１１との間に、十分に大きな体積で介在させることができ、熱応力等の応力が作用したとしても、その応力を大きな体積の接合材９に対する相対的に小さな変形で効果的に吸収し緩和することができ、接合材９と回路導体１１との接合を長期にわたって確保することができる。

また、接合材９は、介在している配線導体２と回路導体１１との間の空間の体積に比べて自身の体積が２倍乃至１０倍と大きいことから、この空間から外側に、表面張力に応じて曲面状（球面状）に熱応力が作用する方向に膨らんだ形状となり、熱応力等の応力を良好に分散させ、緩和させることができる。そのため、接合材９と回路導体１１との接合を長期にわたって確保することができる。

その結果、半導体装置の外部回路基板１０に対する接合の長期信頼性に優れた実装構造を提供することができる。

さらに、上述した半導体装置の実装構造によれば、回路導体１１に対する溶融時の接合材９の濡れ角度を９０度以上となしておくことにより、接合材９と回路導体１１との接合部において、絶縁基体１と外部回路基板１０との熱膨張の違いによる応力ひずみにより、接合材９の弾性変形に対する接合強度が高くなる。即ち、応力ひずみに起因した接合材９の伸縮により、接合材９の濡れ角度が９０度以上となるように接合材９の体積（容積）を確保しているため、接合材９の伸びに対しては濡れ角度９０度よりも外側の接合材９による部分で応力の緩和が可能であり、縮みに対しては、多くの接合材９によりクッション作用が得られ、熱応力等の応力による接合材９と回路導体１１との間の接合部の破断を有効に防止することができる。

またさらに、上述した半導体装置の実装構造によれば、配線導体２に対する溶融時の接合材の濡れ角度を９０度以上となしておくことにより、接合材９と配線導体２との接合部において、絶縁基体１と外部回路基板１０との熱膨張の違いによる応力ひずみにより、接合材９の弾性変形に対する接合強度が高くなり、配線導体２と接合材９との間の接合部の破断を有効に防止することができる。

さらにまた、上述した半導体装置の実装構造によれば、絶縁基体１および半導体素子３は長方形状であり、配線導体２は、絶縁基体１の下面の外周部に導出された導出部分が絶縁基体１の長辺側の中央部に位置していることから、長方形状の絶縁基体１の外部回路基板１０への接合において、最も応力の少ない絶縁基体１の長辺側の中央部に配線導体２の導出部分が位置することにより、熱応力および機械的応力による接合部の強度を上げることができ、かかる実装構造体としての信頼性をさらに向上させることができる。また、位置合わせが容易なため、実装するときの製造歩留まりを向上させることもできる。

またさらに、上述した半導体装置の実装構造によれば、短辺側の下面の外周部に位置補正用の補助導体を形成しておくことにより、絶縁基体１の外部回路基板１０への接合において、長方形状の絶縁基体１の長辺側の中央部の接合に加え、短辺側の補助導体における回路導体１１との接合により、さらに接合強度を上げることができ、実装の信頼性の高い半導体装置を得ることができる。また、絶縁基体１の外部電気回路基板１０に対するセルフアライメントの効果も得ることができ、光半導体素子収納用パッケージの外部電気回路基板１０に対する位置ずれ、特にθ方向のずれを有効に防止することができ、外部電気回路基板１０に対する接続の位置精度をより優れたものとすることができる。

図１は本発明の半導体装置の実装構造の実施の形態の一例を示す断面図である。 図２は図１の要部拡大図である。

符号の説明

１・・・絶縁基体
１ａ・・凹部
２・・・配線導体
３・・・半導体素子
４・・・電極
５・・・蓋体
６・・・接着剤
７・・・樹脂層
８・・・ボンディングワイヤ
９・・・接合材
１０・・外部電気回路基板
１１・・回路導体
１２・・半導体装置

Claims (3)

1. 上面に半導体素子の搭載部を有する絶縁基体と、該絶縁基体の前記搭載部から側面を経て下面の外周部に導出された配線導体と、前記搭載部に搭載された半導体素子とを具備しており、前記配線導体は、前記絶縁基体の側面の下端部および下面の外周部に位置する部位が外部回路基板の回路導体に接合材を介して接合されており、該接合材は、互いに対向する前記絶縁基体の下面の前記配線導体と前記回路導体とで挟まれる空間の体積の２倍乃至１０倍の体積を有しており、前記接合材は、前記回路導体に対する溶融時の濡れ角度が９０度以上であるとともに、前記配線導体に対する溶融時の濡れ角度が９０度以上であり、前記絶縁基体の下面の外周部の前記配線導体と前記回路導体との間の前記接合材の断面形状が、前記絶縁基体の下面の中央部に向けて凸状となっていることを特徴とする半導体装置の実装構造。
2. 前記絶縁基体および前記半導体素子は長方形状であり、前記配線導体は、前記絶縁基体下面の外周部に導出された導出部分が前記絶縁基体の長辺側の中央部に位置していることを特徴とする請求項１記載の半導体装置の実装構造。
3. 前記絶縁基体は、短辺側の下面の外周部に、接合時の位置補正用に補助導体が形成されていることを特徴とする請求項２記載の半導体装置の実装構造。

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