(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と；
この半導体基板の一面側に配された機能素子と；
前記半導体基板の一面と対向して配され、前記半導体基板の表面から所定の間隔をもって配された保護基板と；
前記機能素子を囲むように配され、前記半導体基板と前記保護基板とを接合する接合部材と；
を備えた半導体パッケージであって、
前記半導体基板の一面側に、前記機能素子が複数配されており、前記接合部材は、前記複数の機能素子をそれぞれ囲むように配されており、
前記機能素子は、前記半導体基板の一面において前記接合部材により包囲された面の形状と異なる形状を有しているか又は、前記半導体基板の一面において前記接合部材により包囲された面のうち、その中央域から外れた領域に配されていることを特徴とする半導体パッケージ。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体パッケージであって、
前記接合部材の幅の最小値をａ、最大値をｂとしたとき、ｂ／ａが１〜１９の範囲にある。
【請求項３】
請求項２に記載の半導体パッケージであって、
前記接合部材の外周面は、少なくとも前記保護基板の外端面又は前記半導体基板の外端面と略同一面上にある。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、中空構造を有する半導体パッケージ及びその製造方法に関する。
本出願は、２００８年４月４日に出願された日本国特許出願第２００８−０９８７７０号に対して優先権を主張し、その内容をここに援用する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスのパッケージ方法として、従来からモールド型パッケージが用いられているが、近年では市場からのパッケージサイズの縮小要求によりチップサイズパッケージ（ＣＳＰ）が注目されている。その中でも、光学デバイスを代表とした機能デバイス表面に中空構造を必要とするＭＥＭＳデバイスに対しＣＳＰを実施する場合に、デバイス基板とガラス等からなる保護基板とを、中空パターンを形成した接合層を介して接合する手法が用いられる。保護基板との接合後には、前記中空パターンが中空構造となる。【０００３】
前記中空パターンの設置位置は、光学デバイスにおいては感光部上に中空構造を形成する必要がある為、接合層に形成する中空パターンは感光部を露出させる形で設置する。その他のＭＥＭＳデバイスにおいては、センシング部及び稼動部上に中空パターンを形成する。接合層の材料としては有機材料・無機材料に限らず種々使用可能であるが、特に光学デバイスにおいては、樹脂製の感光部の耐熱性に起因する加工温度の上限等の制約から、樹脂製の接合層を用いる場合が多い。【０００４】
また、前記中空パターンの形成方法として、ディスペンス法、印刷法などが簡便かつ低コストである。しかしながら、デバイス表面加工の微細化が著しい半導体業界においては、感光性を付与した樹脂材料へのフォトリソグラフィが主流である。【０００５】
フォトリソグラフィが実施可能かつ接合層としての接着性を両有する樹脂材料として、アクリルが代表的である。また、接着性は有するが感光性を示さない材料においても、感光成分を混入させることでフォトリソグラフィ実施可能な接合材料を得ることが出来る。そのような樹脂材料としては、エポキシ、シリコン、フェノール、ポリイミド、及びこれらの混合物が多く提案されている。【０００６】
これらの樹脂材料の接着力発現には、樹脂材料のパターニング後に行う被接着基板と樹脂材料との熱圧着による熱硬化反応が必要である。熱圧着時の主なパラメーターは、接着時の雰囲気圧力、圧着圧力、圧着温度である。【０００７】
前記樹脂材料を用いて前記中空パッケージを形成した後には、２つの品質が求められる。１つ目の品質はパッケージの信頼性（密着性）であり、その確保のためには接合層材料本来の接着強度を十分に引き出す熱圧着条件が必要である。さらには、接着界面への気泡巻き込みによる接着面積損失も防ぐ必要がある。【０００８】
接合層材料本来の接着強度を十分に引き出すためには、接着初期において接合材料と披接着基板とを押し付け、化学的な接着力発現の為に十分な距離まで近づける必要がある。そのためのプロセス条件として、概して圧着圧力、圧着温度が共に高い必要がある。信頼性及び外観品質の両方に影響する接着界面への気泡巻き込みを無くすためには、前記の高圧着圧力、高圧着温度に加えて接着時の雰囲気圧力を下げることが必要である。【０００９】
また、２つ目の品質はパッケージの外観品質である。具体的には、接着界面への気泡巻き込みがないこと、及び熱圧着後の接合層パターンの寸法幅と熱圧着前の接合層パターンの寸法幅とのずれが少ないこと（寸法維持）が求められる。【００１０】
寸法変化の主な原因は、熱圧着時の接合材料の塑性変形及び軟化点を超えて起こる流動変形である。変形量が大きすぎた場合、外観品質に影響を及ぼすだけでなく、光学センサにおける感光領域表面まで接合層材料が浸入する結果となり、デバイスの特性不良を引き起こす。変形が起こりやすいプロセス条件は、概して圧着圧力、圧着温度が共に高い場合である為、その抑制には低圧着圧力、低圧着温度が必要である。【００１１】
このように、中空パッケージの信頼性と外観品質とでは、それぞれの確保に必要な熱圧着条件が正反対である為、その両立には熱圧着条件の調整が必要である。
このような問題に対し、固体撮像素子の受光部と接着樹脂との間に土手を設け、受光部への接着樹脂の浸入を防ぐ構造が提案されている（特許文献１参照）。この提案によれば土手の機能により接着樹脂の受光部への流入は防げるため、高圧着圧力、高圧着温度のプロセスを適応しやすくなるが、パターン寸法維持に関しては解決策を示していない。【００１２】
従来技術において、信頼性と外観品質の両立を困難にしていた理由の１つは、デバイスチップに対する中空パターンの位置及び寸法の関係が挙げられる。図１１は従来の光学デバイスチップを模式的に示す平面図であり、１０１は感光領域、１０２は中空領域、１０３は接着領域、１０４は光学デバイスチップ、１１２は光学デバイスチップ上の電極パッドである。この電極パッドは、金属細線および貫通配線などを用いて、光学デバイスチップと外部回路とを電気的に接続するために設けられたものである。図示はしていないが、実際の光学デバイスチップにおいては感光領域と電極パッドとの間に微細な表面配線が形成されており、加えてその配線の間には複数の機能素子が配置されている。【００１３】
図１１においては、感光領域とデバイスチップとの縦横寸法比が異なり、かつ中心座標が等しいことが特徴である。また、図１１中のＷｈ１、Ｗｈ２、Ｗｖ１、Ｗｖ２はそれぞれ接着領域の幅を表しており、図１１において中空領域からみた左方向、右方向、上方向、下方向のそれぞれの幅である。【００１４】
従来の中空パッケージの設計においては、感光領域から等間隔の距離を置いて中空領域を設けることが主流であった。図１１のように感光領域とデバイスチップとの縦横寸法比が異なる場合に従来通りの設計を実施した場合、接着領域の４辺の幅に差が生じる。図１１ではＷｈ１＝Ｗｈ２＜Ｗｖ１＝Ｗｖ２である。【００１５】
図１２は、図１１と同様にＷｈ１＝Ｗｈ２＜Ｗｖ１＝Ｗｖ２であるデバイスチップに同サイズの被接着基板を圧着した際に、接合層にかかる応力の分布を有限要素解析により描画した図である。図１２の下方に設けたレベルバーは「応力値」を示しており、左側（原図では青色）から右側（原図では赤色）へ向かうほど、応力が大きいことを意味する。【００１６】
図１２においては、幅の大きい横方向接着幅（Ｗｖ１，Ｗｖ２）にかかる応力値に比べて幅の小さい縦方向接着幅（Ｗｈ１，Ｗｈ２）に対して、より大きな応力が負荷されていることが明らかである。すなわち、幅の異なる接合層全面に一定加重をかけて被接着基板を圧着した場合には、接着幅の大小によって局所的な応力の不均一が生じてしまう。その結果、接着幅の狭い領域では過応力により接合材料の塑性変形が生じやすく、一方の接着幅の広い領域では低応力を反映して気泡混入などの接合不良が生じやすくなる。【００１７】
図１３は、他の光学デバイスチップを模式的に示す平面図である。図１３においては、感光領域とチップとの縦横寸法比が異なりかつ中心座標も異なることが特徴である。よって、接着幅の関係はＷｈ１≠Ｗｈ２≠Ｗｖ１≠Ｗｖ２である。実際のデバイスチップは感光領域以外の構造体の配置も考慮して設計されるため、図１３のように感光領域とデバイスチップとの中心座標がずれることが一般的である。このようなデバイスに対して従来通り感光領域から等間隔の距離を置いて中空領域を設けた場合、その熱圧着時の応力分布は、図１２に示した場合よりも悪化する（局所的な応力がより著しく不均一に生じる）ことが容易に想像できる。
【特許文献１】特開２００３−９２３９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
本発明は、上記事情に鑑みて考案されたものであり、中空構造を有する半導体パッケージにおいて、半導体基板と保護基板とを熱圧着する際にかかる応力を面内で均一化し、接合信頼性と寸法維持とを両立させた半導体パッケージを提供することを第一の目的とする。【００１９】
また、本発明は、中空構造を有する半導体パッケージの製造において、半導体基板と保護基板とを熱圧着する際にかかる応力を面内で均一化することができ、接合信頼性と寸法維持とを両立させた半導体パッケージを、容易な方法で得ることが可能な半導体パッケージの製造方法を提供することを第二の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明は上記課題を解決して係る目的を達成するために、以下の手段を採用した。
（１）すなわち、本発明に係る第１の半導体パッケージは、半導体基板と；この半導体基板の一面側に配された機能素子と；前記半導体基板の一面と対向して配され、前記半導体基板の表面から所定の間隔をもって配された保護基板と；前記機能素子を囲むように配され、前記半導体基板と前記保護基板とを接合する接合部材と；を備える。そして、前記機能素子は、前記半導体基板の一面において前記接合部材により包囲された面の形状と異なる形状を有しているか又は、前記半導体基板の一面において前記接合部材により包囲された面のうち、その中央域から外れた領域に配されている。
（２）上記（１）に記載の半導体パッケージでは、前記半導体基板の一面側に、前記機能素子が複数配されており、前記接合部材は、前記複数の機能素子をそれぞれ囲むように配されている構成を採用しても良い。
（３）上記（１）又は（２）に記載の半導体パッケージでは、前記接合部材の幅の最小値をａ、最大値をｂとしたとき、ｂ／ａが１〜１９の範囲にあってもよい。
（４）上記（３）に記載の半導体パッケージでは、前記接合部材の外周面が、少なくとも前記保護基板の外端面又は前記半導体基板の外端面と略同一面上にあってもよい。
（５）本発明に係る第１の半導体パッケージの製造方法は、半導体基板と；この半導体基板の一面側に配された機能素子と；前記半導体基板の一面と対向して配され、前記半導体基板の表面から所定の間隔をもって配された保護基板と；前記機能素子を囲むように配され、前記半導体基板と前記保護基板とを接合する接合部材と；を備える、前記機能素子が、前記半導体基板の一面において前記接合部材により包囲された面の形状と異なる形状を有しているか又は、前記半導体基板の一面において前記接合部材により包囲された面のうち、その中央域から外れた領域に配されている；半導体パッケージの製造方法である。そして、半導体パッケージの製造方法は、この少なくとも１つ以上の機能素子を備える半導体基板上に、前記機能素子をそれぞれ囲むように、格子状の接合部材を配する工程と；前記接合部材を介して前記半導体基板と前記保護基板とを接合する工程と；前記接合部材が外周域に配されるように、前記半導体基板を個片化する工程と；を備える。
（６）上記（５）に記載の半導体パッケージの製造方法では、前記接合部材の幅の最小値をａ、最大値をｂとしたとき、ｂ／ａが１〜１９の範囲であってもよい。
【発明の効果】
【００２１】
本発明に係る半導体パッケージによれば、機能素子が、前記半導体基板の一面において前記接合部材により包囲された面の形状と異なる形状を有しているか、又は、前記半導体基板の一面において前記接合部材により包囲された面のうち、その中央域から外れた領域に配されている。その結果、半導体基板と保護基板とを熱圧着により接合する際、面内での圧力バラツキを低減することができる。また、気泡混入による接合不良を抑制できる。これにより接合信頼性と寸法維持とを両立させた半導体パッケージを提供することができる。【００２２】
本発明に係る半導体パッケージの製造方法によれば、少なくとも１つ以上の機能素子を備える半導体基板上に、前記機能素子をそれぞれ囲むように、格子状の接合部材を配し、前記接合部材を介して前記半導体基板と前記保護基板とを接合する。その結果、半導体基板と保護基板とを熱圧着により接合する際の面内での圧力バラツキを低減することができる。また、気泡混入による接合不良を抑制できる。その後、前記接合部材が外周域に配されるように、前記半導体基板を個片化することで、接合信頼性と寸法維持とを両立させた半導体パッケージを、容易な方法で得ることが可能な半導体パッケージの製造方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１Ａ】図１Ａは、本発明に係る半導体パッケージの一実施形態を模式的に示す断面図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、同半導体パッケージの平面図である。
【図１Ｃ】図１Ｃは、同半導体パッケージの平面図である。
【図２】図２は、同半導体パッケージにおいて、保護基板を圧着した際に接合層にかかる応力の分布を示す図である。
【図３】図３は、接合部材の幅の比率と応力の比率との関係を示す図である。
【図４】図４は、本発明に係る半導体パッケージの他の実施形態を模式的に示す平面図である。
【図５】図５は、本発明に係る半導体パッケージの他の実施形態を模式的に示す平面図である。
【図６】図６は、本発明に係る半導体パッケージの他の実施形態を模式的に示す平面図である。
【図７】図７は、本発明に係る半導体パッケージの他の実施形態を模式的に示す平面図である。
【図８】図８は、本発明に係る半導体パッケージの他の実施形態を模式的に示す平面図である。
【図９】図９は、図８の半導体パッケージを４個（2×2の配列として４個）並べた様子を模式的に示す平面図である。
【図１０Ａ】図１０Ａは、図１Ａ〜１Ｃに示した半導体装置の製造方法の一例を工程順に示す断面図である。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、同半導体装置の製造方法の一例を工程順に示す断面図である。
【図１０Ｃ】図１０Ｃは、同半導体装置の製造方法の一例を工程順に示す断面図である。
【図１０Ｄ】図１０Ｄは、同半導体装置の製造方法の一例を工程順に示す断面図である。
【図１０Ｅ】図１０Ｅは、同半導体装置の製造方法の一例を工程順に示す断面図である。
【図１１】図１１は、従来の半導体パッケージの一例を模式的に示す平面図である。
【図１２】図１２は、被接着基板を圧着した際に接合層にかかる応力の分布を示す図である。
【図１３】図１３は、従来の半導体パッケージの他の一例を模式的に示す平面図である。
【図１４】図１４は、接合部材により包囲された面の中央域から外れた領域に配されている機能素子を模式的に示す平面図である。
【符号の説明】
【００２４】
１…半導体パッケージ（チップ）、２…中空部、１０…半導体基板、１１…機能素子、１２…電極パッド、１３…貫通電極、１４…微細孔、１５…絶縁膜、１６…導電体、１７…配線部、１８…バンプ、２０…保護基板、２１…接合部材、２２…接着剤層。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
本発明の半導体パッケージを実施するための最良の実施形態について以下に説明する。なお、各実施形態は、本発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、各実施形態のみによって本発明を限定するものではない。【００２６】
第１の実施形態
図１Ａ〜１Ｃは、本発明に係る半導体パッケージの一実施形態を示す図であり、図１Ａは断面図、図１Ｂと図１Ｃは半導体パッケージにおいて機能素子と接合部材との位置関係を模式的に示す平面図である。図１Ｂと図１Ｃは、それぞれ、半導体チップが上方から見て正方形の場合と長方形の場合を表している。
この半導体パッケージ１Ａ、１Ａ’（１）は、半導体基板１０、この半導体基板１０の一面側に配された機能素子１１、前記半導体基板１０の一面と対向して配され、前記半導体基板１０の表面から所定の間隔をもって配された保護基板２０、及び、前記機能素子１１を囲むように配され、前記半導体基板１０と前記保護基板２０とを接合する接合部材２１、を少なくとも備える。【００２７】
そして本発明の半導体パッケージ１では、前記機能素子１１が、前記半導体基板１０の一面において前記接合部材２１により包囲された面Ａの形状と異なる形状を有しているか、又は、前記半導体基板１０の一面において前記接合部材２１により包囲された面Ａのうち、その中央域から外れた領域に配されている。
なお、図１４は、接合部材により包囲された面の中央域から外れた領域に配されている機能素子を模式的に示す平面図である。図１４は、上方から見て、接合部材２１および機能素子１１のそれぞれの面の形状が共に長方形の場合を表している。
図１４に示されるように、前記接合部材２１により包囲された面Ａの各辺に対して垂直二等分線Ｘ１およびＹ１を引いた場合、それらの交点は前記接合部材２１に囲まれた面Ａの中心Ｃ１に対応する。この中心Ｃ１を、前記接合部材２１により包囲された面Ａの中央域とする。すなわち、前記接合部材２１により包囲された面Ａの中央域から外れた領域とは、前記接合部材２１により包囲された面Ａにおける前記中心Ｃ１以外の領域を表している。一方、前記機能素子１１の各辺に対して垂直二等分線Ｘ２およびＹ２を引いた場合、それらの交点は前記機能素子１１の面の中心Ｃ２に対応する。
すなわち、接合部材により包囲された面の中央域から外れた領域に配されている前記機能素子１１とは、前記接合部材２１により包囲された面Ａにおいて、その中心Ｃ１（中央域）以外の領域に前記機能素子１１の面の中心Ｃ２が位置するように配置されているということである。
なお、機能素子の形状は、上方から見た面の中心を確定することが可能であれば、その形状は限定されない。例えば、四角形、楕円、円、又は角部を面取りした四角形などでもよい。同様に、接合部材により包囲された面の形状も、上方から見た面の中心を確定することが可能であれば、その形状は限定されない。例えば、四角形、面取りした四角形などでもよい。【００２８】
本発明では、機能素子１１が、前記半導体基板１０の一面において前記接合部材２１により包囲された面Ａの形状と異なる形状を有しているか、又は、前記半導体基板１０の一面において前記接合部材２１により包囲された面Ａのうち、その中央域から外れた領域に配されている。その結果、半導体基板１０と保護基板２０とを熱圧着により接合する際の面内での圧力バラツキを低減することができる。また、気泡混入による接合不良を抑制できる。これにより半導体パッケージ１は、パッケージの接合信頼性とパッケージの寸法維持とを両立したものとなる。【００２９】
半導体基板１０は、例えばシリコン等からなる。半導体基板１０は、一方の表面１０ａに機能素子１１と、電極パッド１２が形成され、他方の表面１０ｂとこの電極パッド１２を電気的に接続する貫通電極１３を備えている。貫通電極１３は半導体基板１０の表裏両面を貫通する微細孔１４の内面に、絶縁膜１５を介しての導電体１６を充填して構成されている。また、貫通電極１３と電気的に接続された配線部１７には、外部接続のためのバンプ１８が配されている。【００３０】
本実施形態における機能素子１１の一例として、例えばＣＣＤ素子等のイメージセンサがある。このように、機能素子１１が光学的デバイスである場合、機能素子１１の使用波長帯において光透過性を有することが好ましく、この場合は、ガラスや透光性樹脂などからなる保護基板２０を用いることができる。また、保護基板２０は、各種の光学フィルタ機能やレンズ機能などの光学的機能を有するものでもよい。【００３１】
機能素子１１の他の例として、例えばＭＥＭＳデバイス（ＭＥＭＳ＝Micro Electro Mechanical System） などをウエハレベルでパッケージングする場合に、可動部が存在する等の理由からＭＥＭＳデバイスの周囲にキャビティを必要とするようなパッケージにおいても適用が可能である。パッケージング対象となりうるＭＥＭＳデバイスとしては、例えばマイクロリレー、マイクロスイッチ、圧力センサ、加速度センサ、高周波フィルタ、マイクロミラー等が挙げられる。【００３２】
電極パッド１２及び配線部１７としては、例えばアルミニウム（Ａｌ）や銅（Ｃｕ）、アルミニウム−シリコン（Ａｌ−Ｓｉ）合金、アルミニウム−シリコン−銅（Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ）合金等の導電性に優れる材料が好適に用いられるが、これらの材料は酸化されやすい性質を有している。【００３３】
絶縁膜１５としては、酸化珪素（ＳｉＯ２）、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）、リンシリケートガラス（ＰＳＧ）、ボロンリンシリケートガラス（ＢＰＳＧ）等が利用でき、半導体パッケージ１の使用環境に応じて適宜選択すればよい。
導電体１６としては、電気の良導体であれば特に制限は無く、例えば電気抵抗が低い銅、アルミニウム、ニッケル、クロム、銀、錫等に加え、Ａｕ−Ｓｎ、Ｓｎ−Ｐｂ等の合金、あるいはＳｎ基、Ｐｂ基、Ａｕ基、Ｉｎ基などのはんだ合金等の金属が利用できる。【００３４】
保護基板２０は、機能素子１１の上方に間隔を介して配置され、機能素子１１を保護する等の役割を有する。保護基板２０としては、樹脂やガラス、金属等からなる板材を用いることができる。【００３５】
接合部材２１は、半導体基板１０と保護基板２０との間隔を確保するともに、保護基板２０を半導体基板１０と接合するものである。接合部材２１は、保護基板２０を半導体基板１０と接合したときに、機能素子１１の周囲を切れ目なく囲い、半導体基板表面１０ａに面した機能素子１１を覆うことなく、かつ半導体基板表面１０ａに複数個配列されている電極パッド１２を完全に覆うことができる所定位置に設けられる。これにより、機能素子１１に隣接する空間（中空部２）が、半導体基板１０、保護基板２０及び接合部材２１により気密に封止される。さらに電極パッド１２の表面が物理的に被覆保護され、機械的な強度が向上される。
接合部材２１は、特に限定されるものではないが、例えばアクリル、シリコン、フェノール、ポリイミド等の樹脂材料を用いることができる。【００３６】
接合部材２１の高さ（厚み）は、特に限定されるものではなく、機能素子１１から要求される仕様などの条件に応じて自由に選択可能である。ただし、例えば接合部材２１の高さ（厚み）が数μｍ〜数百μｍの範囲であれば、機能素子１１の周囲に十分なキャビティを確保することができるとともに、半導体パッケージ１全体の寸法を抑制することができる。【００３７】
具体的には後述するが、特に、本発明の半導体パッケージ１では、接合部材２１と機能素子１１との関係において、機能素子１１が、前記半導体基板１０の一面において前記接合部材２１により包囲された面Ａの形状と異なる形状を有しているか、又は、前記半導体基板１０の一面において前記接合部材２１により包囲された面Ａのうち、その中央域から外れた領域に配されている。これにより、半導体パッケージ１の接合信頼性と寸法維持とを両立することができる。【００３８】
また、接合部材２１の幅の最小値をａ、最大値をｂとしたとき、ｂ／ａが１〜１９の範囲であることが好ましい。これにより、半導体基板１０と保護基板２０とを熱圧着した後の中空部の寸法変化をより少なく抑制することができる。
また、接合部材２１の外周面は、少なくとも前記保護基板２０の外端面又は前記半導体基板１０の外端面と略同一面上にあることが好ましい。【００３９】
接合部材２１を所定位置に形成する為には、例えば液状樹脂を使用して印刷法により所定位置に塗布したり、ラミネートしたドライフィルムをフォトリソグラフィ技術により所定位置のみ残してパターニングする方法等が利用できる。【００４０】
接着剤層２２に用いられる接着剤としては、例えばエポキシ樹脂や感光性ＢＣＢ樹脂などを用いることができる。接着剤層２２は、保護基板２０の表面に接着剤を塗布することによって形成することができる。接着剤の塗布方法は特に限定されるものでないが、例えばスタンピング、ディスペンス、スピンコート、スプレーコート等の手法を用いることが可能である。接着剤層２２の厚さは、接着剤材料の種類に応じて十分な接着強度が得られる厚さとする。【００４１】
次に、本発明のポイントである、前記接合部材２１の配置及び接合部材２１の幅について説明する。
接合部材２１の幅、すなわち接着領域幅の不均一に起因する中空部の寸法変化と、接着不良とを同時に解決するためには、その原因である接着領域幅の不均一を改善すればよい。そのためには、感光領域から等間隔の距離をもって中空領域を設ける、という従来通りの設計方法に変更を加える必要がある。【００４２】
図１Ｂは、上方から見て正方形をなす半導体チップに適用した一例として、半導体パッケージ１Ａ（１）において、機能素子１１と接合部材２１との位置関係を模式的に示す平面図であり、図８で示した接着領域の幅を変更したものである。具体的には、接合部材２１の４辺の幅を全て等しくした。すなわち、図１ＢにおいてＷｈ１＝Ｗｈ２＝Ｗｖ１＝Ｗｖ２である。【００４３】
このように設計した接合部材を有する半導体チップに対して同サイズの接着基板を圧着した際の加重分布を有限要素法により描画したものが図２である。図２と図９を比較すると、図２では、接着領域４辺にかかる圧着荷重分布が均一化されていることが明らかである。このことから明らかなように、本発明による設計方法を用いれば、接着領域での圧着荷重分布の不均一性が低減され、前記問題を解決可能となる。【００４４】
本発明を適用した中空構造を有する半導体パッケージ１では、必然的に接着領域が狭くなる、極端に言えば、接合部材２１は半導体基板１０の外周近傍のみを被覆保護することとなる。しかしながら、半導体基板１０においてはその表面がいわゆるパッシベーション膜によって被覆保護されており、基本的に接合部材２１による被覆保護を必要としない。
例外的にパッシベーション膜が除去されている箇所として、金属細線との融着により外部回路との電気的導通を確保する等の目的で設けられた電極パッド１２（Ｉ／Ｏパッド）が挙げられる。また、この電極パッド１２に関しては、湿食抑制の観点から接合部材２１によって被覆保護されることが好ましい。この電極パッド１２は基板上に多数存在しているが、外部回路と電気的に接続する金属銅線同士が短絡することを避ける必要がある為、半導体基板１０の外周領域に配されていることが常である。よって、本発明を適用した場合においても、半導体基板表面１０ａの外周に配置された電極パッド１２の被覆保護は十分に可能であり、パッケージ構造としての問題は生じない。
なお、本発明における接着領域の最小幅は、電極パッドの幅より若干大きければ良いと換言することもできる。また、ビアラストの貫通配線形成プロセスにおいては、上記の電極パッドの被覆保護が必要である。【００４５】
本発明においては、接合部材２１の幅の比率に対して実際にはどの程度の応力分布が生じるかが問題となる。図３は接合部材２１の幅の比率と応力の比率との関係を示す図である。
これは、図１Ａ〜１Ｃと同様に、Ｗｈ１＝Ｗｈ２＜Ｗｖ１＝Ｗｖ２であるチップに対して、チップサイズを固定した状態でＷｈ，Ｗｖの比率を変化させたモデルに対して有限要素解析を行った結果を示す図である。横軸は樹脂幅比（Ｗｖ／Ｗｈ）であり、縦軸は応力比（σＷｈ／σＷｖ）である。ここで応力比（σＷｈ／σＷｖ）は、Ｗｖにかかる応力値σＷｖと、Ｗｈにかかる応力値σＷｈとの比である。
なお、図１Ｃは、上方から見て長方形をなす半導体チップに適用した一例であり、上述した本発明の実施は、このような長方形の半導体チップに対してもその効果を発揮する。【００４６】
図３から明らかなように、樹脂幅比の増加に伴い応力比も減少する傾向にある。また、その減少傾向は３つの領域に分類される。まず、第一の領域αは樹脂幅比が１〜５の間である。この領域においては樹脂幅比に対する応力比の減少が急激であり、直線に近い挙動を示す。また、第二の領域βは樹脂幅比が５〜１９の間である。この領域においては樹脂幅比に対する応力比の減少傾向が前記第一の領域αに比べて緩やかとなり、またその形状は曲線となる。そして、第三の領域γは樹脂幅比が１９〜３５．５の間である。この領域においては樹脂幅比の変動に対する応力比の減少は非常に緩やかであるが、再び直線性を示す。【００４７】
第一の領域α〜第三の領域γの境界値の判定のため、図３に２本の外挿線Ｌ１，Ｌ２を引いた。１本目の外挿線Ｌ１は、樹脂幅比１における応力比と、それ以降で直線性が失われる寸前の応力比とを結んだ線を高樹脂幅比側に延長したものである。２本目の外挿線Ｌ２は、樹脂幅比３５.５での応力比と、低樹脂幅比側に向かい直線性が失われる寸前の応力比とを結んだ線を低樹脂幅比側に延長したものである。外挿線Ｌ１と応力比曲線とが重なりを失いはじめる樹脂幅比を第一の領域αと第二の領域βの境界値と判断した。また、外挿線Ｌ１と応力比曲線とが重なり始める樹脂幅比を第二の領域βと第三の領域γの境界値と判断した。【００４８】
第一の領域αは、樹脂幅比の増加により各樹脂幅にかかる応力に差が生じ始める領域である。この領域における接合部材２１の挙動としてバネモデルが適用できると考える。すなわち、この領域に収まる樹脂幅比を採用する限り、熱圧着後の接合部材２１は、加重解放後にはもとの形状に復帰する。よって接合部材２１の寸法維持も容易であり、可能な限り第一の領域αの樹脂幅比以内で接合部材２１を設計すべきである。【００４９】
第二の領域βは、樹脂幅の短い１辺（Ｗｈ）における歪み量が大きくなり、かかる応力が部分的に降伏応力に達した領域である。この「部分的」とは、具体的に、接合部材２１の端部（例えば中空部２との境界線、中空部２の角部）などの高応力がかかりやすい部分である。よって、樹脂幅の短い１辺においては部分的にバネモデルが適応できない不安定な状態が形成される。部分的降伏により、極小領域にかかる応力値の積分量（図中応力比の分子）が直線的な増加をやめるため、これに伴い応力比曲線は直線性を失う。この領域においては、樹脂幅比の短い辺に限り、降伏応力に達したその一部分でパターン変形が生じ始める。このような樹脂幅比の採用は避けるべきであるが、デバイスチップの設計上、第一の領域α内での接合部材２１の設計が不可能な場合及び樹脂辺と感光領域との距離が比較的広く変形が予想される場合においては、第二の領域βの範囲内における接合領域で設計も可能である。【００５０】
第三の領域γは、樹脂幅の短い１辺がほぼ全て降伏応力を受けた領域である。応力比の分子項（σＷｈ）はほぼ一定値をとるのに対し、幅の広い樹脂辺は弾性域でかつ大面積であるため、分母項（σＷｖ）の変化量も少ない。従って、この領域ではほぼ一定の応力比（σＷｈ／σＷｖ）が得られる。樹脂幅の狭い辺が完全に降伏応力を受けているこの領域は採用すべきでない。【００５１】
このように、半導体パッケージ１においては、接合部材２１の幅の最小値をａ、最大値をｂとしたとき、ｂ／ａが１〜１９の範囲（すなわち、前記第一の領域α〜第二の領域β）となるように設計することが好ましい。これにより半導体基板１０と保護基板２０とを熱圧着した後の中空部２の寸法変化をより少なく抑制することができる。【００５２】
図４は、本発明の半導体パッケージの他の実施形態を模式的に示す平面図である。この半導体パッケージ１Ｂ（１）においては、機能素子１１が、前記半導体基板１０の一面において前記接合部材２１により包囲された面Ａのうち、その中央域から外れた領域に配されている。このように、本発明は、機能素子１１が、前記半導体基板１０の一面において前記接合部材２１により包囲された面Ａのうち、その中央域から外れた領域に配されている場合においても本発明は実施可能であり、上述した効果と同様の効果が得られる。【００５３】
図５は、本発明の半導体パッケージの他の実施形態を模式的に示す平面図である。
この半導体パッケージ１Ｃ（１）においては、図４において、接合部材２１の幅を変更したものである。すなわち、図５においては、接合部材２１の４辺の幅がすべて異なり、Ｗｈ１≠Ｗｈ２≠Ｗｖ１≠Ｗｖ２である。この場合においても本発明は実施可能であり、上述した効果と同様の効果が得られる。【００５４】
図６は、本発明の半導体パッケージの他の実施形態を模式的に示す平面図である。
この半導体パッケージ１Ｄ（１）においては、半導体基板１０の一面側に、機能素子１１が複数配されており、接合部材２１は、前記複数の機能素子１１をそれぞれ囲むように配されている。複数並べるにあたっては、Ｗｈ＝Ｗｈ１＋Ｗｈ２＝Ｗｖ＝Ｗｖ１＋Ｗｖ２となるようにすると良い。このように、本発明は、半導体基板１０上に複数の機能素子１１が配されている場合においても適用可能であり、上述した効果と同様の効果が得られる。【００５５】
図７は、本発明の半導体パッケージの他の実施形態を模式的に示す平面図である。
半導体チップ上に機能素子１１が複数個存在することがあり、かつそれら機能素子１１の寸法は、必ずしも一様とは限らない。図７の構成例においては、機能素子１１が2個、その寸法が異なる半導体チップを図示してある。機能素子１１に対して個別に中空構造を形成する必要がない場合、そのパッケージは図示した通りとなる。すなわち、中空部は1つ、その中に全ての機能素子１１を設置する。接着領域四辺の幅寸法は、既述のとおりである。【００５６】
本発明の実施は、複数個存在する機能素子１１に対して個別に中空構造を形成する構成にも適用できる。図８は、図７に示した半導体チップに対して、各機能素子１１それぞれに中空部を設ける場合の一例である。図８の場合、既述した横方向の接着領域のラインが3つになっている。Ｗvi１ は機能素子１１の間に存在する接着ラインの幅である。既述の通り、Ｗｖ１  とＷｖ２  とはその値が等しいことが最も好ましく、次いでその比率が1〜5、次いで5〜19であることが好ましい。Ｗｖ１（＝Ｗｖ２）とＷvi１ との幅の比率であるが、これはウエハレベルでの熱圧着においては「Ｗvi１／Ｗｖ１＝２．０」という条件が成立する場合が最も好ましい。【００５７】
以下、その理由について、図９を用いて説明する。図９は、図８に示した半導体パッケージ（以下、「チップ」とも呼ぶ）を４個（2×2の配列として４個）並べた様子を模式的に示す平面図である。実際のウエハ上においては、このような半導体パッケージが数十〜数千個、並んで配される。【００５８】
ウエハ上においては、隣接する位置にある半導体パッケージ（チップ）同士の接着領域が合わさり1つの接着ラインを形成している。すなわち、上記した「Ｗvi１／Ｗｖ１＝２．０」という条件が成り立つように設計した場合、ウエハレベルにて接着幅比が1となる。これが、「Ｗvi１／Ｗｖ１＝２．０」の関係が最も理想的としたことの理由である。すなわち、Ｗvi１ と（Ｗｖ１＋Ｗｖ２）との接着幅比が１〜５の間、次いで５〜１９の間であることが、本発明が主張する効果を発揮させるための条件となる。【００５９】
そのほか、本発明は複数個存在する機能素子１１の全てに対して個別に中空構造を形成しなくても、その効果が発揮される。例えば、3個存在する機能素子１１の内1つは単独で中空構造を形成し、残りの2つに対しては一括で中空構造を形成することも可能である。その場合においても、上記条件の通り、接着ラインの幅比は１〜１９の間であることが望ましい。【００６０】
第２の実施形態
次に、上述したような半導体パッケージの製造方法について説明する。図１０Ａ〜Ｅは、本発明の半導体パッケージの製造方法を工程順に示す断面図である。
本実施形態の半導体パッケージの製造方法は、少なくとも１つ以上の機能素子１１を備える半導体基板１０上に、前記機能素子１１をそれぞれ囲むように、格子状の接合部材２１を配する工程と、前記接合部材２１を介して前記半導体基板１０と前記保護基板２０とを接合する工程と、前記接合部材２１が外周域に配されるように、前記半導体基板１０を個片化する工程と、を少なくとも備えている。【００６１】
本実施形態では、少なくとも１つ以上の機能素子１１を備える半導体基板１０上に、前記機能素子１１をそれぞれ囲むように、格子状の接合部材２１を配し、前記接合部材２１を介して前記半導体基板１０と前記保護基板２０とを接合することで、半導体基板１０と保護基板２０とを熱圧着により接合する際の面内での圧力バラツキを低減することができる。また、気泡混入による接合不良を抑制できる。その後、前記接合部材２１が外周域に配されるように、前記半導体基板１０を個片化することで、接合信頼性と寸法維持とを両立させた半導体パッケージ１を得ることが可能である。
以下、各工程ごとに詳しく説明する。【００６２】
（１）まず、シリコン等からなる半導体基板１０の表面に、例えば光デバイス等の所望の機能素子１１や電極パッド１２を通常の半導体製造プロセスを利用して形成する。また、半導体基板１０の表裏両面を貫通する微細孔１４を形成し、その内面に絶縁膜１５を介して導電体１６を充填して貫通電極１３を形成する。さらに、接続に必要な配線部１７及びバンプ１８を形成する(図１０Ａ参照)。【００６３】
（２）次に、機能素子１１等が形成された半導体基板１０上に、機能素子１１をそれぞれ囲むように、格子状の接合部材２１を配する（図１０Ｂ参照)。
接合部材２１の形成方法としてはスピンコート法、印刷法、ディスペンス法があり、選定した樹脂材料に適した方法を用いる。続いて接合部材２１をパターニングする。【００６４】
スピンコート法を採用する場合は、予め保護基板２０上にレジスト層をパターン形成しておき、接合部材２１の形成後にレジスト層を剥離するリフトオフ法、もしくは接合部材２１の形成後にフォトマスクなどを用いたマスキングを施し、その後接合部材２１のエッチング、マスク層の除去を行うことが必要となる。
このとき、接合部材２１として、幅の最小値をａ、最大値をｂとしたとき、ｂ／ａが１〜１９の範囲とすることが好ましい。これにより熱圧着後の寸法変化をより少なく抑制することができる。【００６５】
（３）次に、保護基板２０上に接着剤層２２を形成する(図１０Ｃ参照)。
続いて保護基板２０上に接着剤層２２の成膜及びパターニングを行う。この際、接着剤は感光性を有しているためフオトリングラフィーによるパターニングが可能である。接着剤層２２の形成方法、露光時の光源波長、および現像液種類は選定した接着剤材料に適した条件で実施すればよい。【００６６】
（４）次に、保護基板２０と半導体基板１０とを接合部材２１を介して接合する（図１０Ｄ参照)。
接合部材２１を配した半導体基板１０と、接着剤層２２を形成した保護基板２０とを、接合部材２１と接着剤層２２を対向させて位置合わせする。
その後、接着剤層２２を形成した半導体基板１０と、保護基板２０とを接合する。接着剤による接合では熱・紫外線などの接着剤硬化の為の反応源を必要とする。また、接着剤の接着力発現には適度な加重印加も必要であり、以上の理由から一般的にはプレス版を用いた熱圧着を用いる。【００６７】
（５）最後に、前記接合部材２１が外周域に配されるように、前記半導体基板１０を個片化する（図１０Ｅ参照)。ダイシングラインＤにおいてチップ毎に切断することで、図１Ａ〜１Ｃに示したような半導体パッケージ１が得られる。
なお、上述した説明では、接着剤層２２を配したが、接合部材２１に接着剤層２２としての機能をもたせることで、接着剤層２２は無くても構わない。【００６８】
このようにして得られる半導体パッケージ１は、機能素子１１が、半導体基板１０の一面において接合部材２１により包囲された面Ａの形状と異なる形状を有しているか、又は、半導体基板１０の一面において接合部材２１により包囲された面Ａのうち、その中央域から外れた領域に配されたものとなる。これにより、半導体パッケージ１は、半導体基板１０と保護基板２０とを熱圧着により接合する際の面内での圧力バラツキを低減されることができる。また、気泡混入による接合不良を抑制できる。その結果、半導体パッケージ１は、パッケージの接合信頼性とパッケージの寸法維持とを両立したものとなる。【００６９】
以上、本発明の半導体パッケージ及びその製造方法について説明してきたが、本発明はこれに限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変更が可能である。
例えば、本発明は、光学センサーパッケージのみならず、圧カセンサや加速度センサ、流量センサなど、デバイス表面に駆動部を有するためその機能上中空構造を必要とするＭＥＭＳデバイスのパッケージに広く適応可能である。【００７０】
また、上述した実施形態において、接合部材として樹脂材料を想定したが、本発明は接合部材を樹脂材料に限定するものではない。本発明は熱圧着により接合層としての機能を発現する材料全てに効果を発現するものであり、具体的には半田、金などに代表される金属材料、低融点ガラスに代表されるセラミック材料などの無機接合材料を用いた中空パッケージにおいても同様の効果を発揮する。
また、図１０Ａに示すように、半導体基板上の一方の面に機能素子や電極パッドを、他方の面に貫通電極をそれぞれ介し、配線層及びバンプを形成した後、接続部材を介して保護基板を張り合わせている。しかしながら、機能素子や電極パッドの形成後、先に接続部材を介して保護基板を張り合わせた後に、貫通電極、配線層、及びバンプの形成を行っても良い。
以上、本発明の好ましい実施例を説明したが、本発明はこれら実施例に限定されることはない。本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。本発明は前述した説明のみによって限定されることはなく、添付のクレームの範囲によってのみ限定される。
【産業上の利用可能性】
【００７１】
本発明に係る半導体パッケージによれば、機能素子が、前記半導体基板の一面において前記接合部材により包囲された面の形状と異なる形状を有しているか、又は、前記半導体基板の一面において前記接合部材により包囲された面のうち、その中央域から外れた領域に配されている。その結果、半導体基板と保護基板とを熱圧着により接合する際、面内での圧力バラツキを低減することができる。また、気泡混入による接合不良を抑制できる。これにより接合信頼性と寸法維持とを両立させた半導体パッケージを提供することができる。【００７２】
本発明に係る半導体パッケージの製造方法によれば、少なくとも１つ以上の機能素子を備える半導体基板上に、前記機能素子をそれぞれ囲むように、格子状の接合部材を配し、前記接合部材を介して前記半導体基板と前記保護基板とを接合する。その結果、半導体基板と保護基板とを熱圧着により接合する際の面内での圧力バラツキを低減することができる。また、気泡混入による接合不良を抑制できる。その後、前記接合部材が外周域に配されるように、前記半導体基板を個片化することで、接合信頼性と寸法維持とを両立させた半導体パッケージを、容易な方法で得ることが可能な半導体パッケージの製造方法を提供できる。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１０Ｄ】
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【図１０Ｅ】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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