(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子と、前記半導体素子を封止する樹脂とを備えた樹脂パッケージにおいて、
前記樹脂パッケージは、一方側の面と他方側の面とが互いに上下反対方向に突出している形状を有しており、
前記半導体素子のヤング率と線膨張係数と厚さとの積をＫｍ、前記樹脂のヤング率と線膨張係数と前記半導体素子上の前記樹脂の厚さとの積をＫｒとすると、Ｋｍ／Ｋｒ≦１．４を満たすことを特徴とする樹脂パッケージ。
【請求項２】
前記半導体素子は、内部に空間を有する請求項１に記載の樹脂パッケージ。
【請求項３】
前記樹脂パッケージは、前記半導体素子の空間の下面側が上に凸形状であり上面側が下に凸形状であることを特徴とする請求項２に記載の樹脂パッケージ。
【請求項４】
前記半導体素子の下面には基板が設けられ、
前記基板が上に凸形状であることを特徴とする請求項３に記載の樹脂パッケージ。
【請求項５】
前記半導体素子と前記基板との間にはＬＳＩが設けられていることを特徴とする請求項４に記載の樹脂パッケージ。
【請求項６】
前記半導体素子は前記内部に貫通電極を有する請求項２に記載の樹脂パッケージ。
【請求項７】
前記樹脂のヤング率と線膨張係数と前記半導体素子上の樹脂の厚さとの積をＫｒ、前記基板のヤング率と線膨張係数と厚さとの積をＫｓとしたとき、１≦Ｋｓ／Ｋｒ≦３であることを特徴とする請求項４に記載の樹脂パッケージ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、樹脂パッケージに係り、特に、内部に半導体チップを有する樹脂パッケージに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車や携帯電話、デジタルカメラなどの安定動作、信頼性向上のため種々の物理量を検出する物理量センサが開発されている。自動車においては、特に加速度センサや角速度センサが横滑り防止や乗員の安全性を向上するための機器（例えばエアバック）の制御用として適用が拡大している。また、物理量センサの自動車への適用では、エンジンルームへの搭載も想定されるため、熱変化や機械的振動などの過酷な環境負荷に耐えることが必要であるとともに、限られたスペースに搭載可能とするため、物理量センサ自体も小型化することが不可欠となっている。【０００３】
物理量センサに搭載される加速度センサや角速度センサでは、小型化などを目的に、シリコン（Ｓｉ）の微細加工技術を用いた検出手段が主流となってきている。具体的には、半導体チップ内部に微細加工技術によってシリコンの微細なくし歯状構造体を形成し、加速度や角速度などの慣性力が印加されることによって、くし歯状構造体に生じる微小変位を、電気信号に変換することで加速度や角速度などの物理量を検出している。【０００４】
そして、このような加速度センサや角速度センサを樹脂封止してパッケージングした樹脂パッケージでは、内部に有する半導体チップや配線基板などの部材と封止する樹脂との線膨張係数が異なっている。また、半導体チップや配線基板などの部材は、通常、サイズや厚さが異なっており、樹脂パッケージは非対称な構成となる場合が多い。このような樹脂パッケージに温度変化が加わると部材間の線膨張係数差や構造の非対称性によって樹脂パッケージには反り変形が生じる場合がある。【０００５】
このような、樹脂パッケージの反りについて、例えば、特許文献１では、パッケージを実装する際に端子部に求められる平坦性の観点で改善がなされてきた。具体的には、特許文献１では、半導体チップを搭載している部分においては上に凸の弧、それ以外の領域では下に凸の弧となるパッケージ形状にすることによってパッケージ全体としての平坦性を向上し実装性を改善したものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−１７３８７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、樹脂パッケージの反り変形によって、樹脂パッケージの内部にある半導体チップにも変形（膨張収縮や反り）が生じ得る。そして、半導体チップが変形すると半導体チップには応力が生じ、これによってセンシング部となる半導体チップ内部のくし歯状構造体にも変位が生じる。すなわち、加速度や角速度などの慣性力が作用していない状態でも検出信号を出力してしまう。その結果、慣性力の検出範囲を狭めるなどのセンサの信頼性を著しく低下させる要因となる。【０００８】
従って、シリコンの微細加工技術を慣性力検出手段に適用したセンサでは、パッケージに変形が生じても半導体チップ内部のセンシング部に変形を生じさせないパッケージ構造とすることが必要となる。【０００９】
特許文献１ではパッケージ全体の反りを小さくして平坦性を向上させても、センシング部である半導体チップを内部に有する場合、センシング部の反りは必ずしも最小とならず、センサ出力のシフトの改善には至らないという課題がある。【００１０】
本発明の目的は、センサの出力信号の変動を抑制した樹脂パッケージを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するため、本発明の樹脂パッケージは例えば以下に示す構成を採用する。すなわち、半導体素子と、半導体素子を封止する樹脂とを備えた樹脂パッケージにおいて、半導体素子のヤング率と線膨張係数と厚さとの積をＫｍ、樹脂のヤング率と線膨張係数と半導体素子上の樹脂の厚さとの積をＫｒとすると、Ｋｍ／Ｋｒ≦１．４を満たす。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の半導体装置によれば、センサの出力信号の変動を抑制した樹脂パッケージを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施例１の模式的断面とその反り形状を示した図
【図２】センシング部の模式的な平面図
【図３】従来構成においてセンシング部が反りの影響を受けた状態の模式的な断面図
【図４】本発明においてセンシング部が反りの影響を受けた状態の模式的な断面図
【図５】係数比Ｋｍ／Ｋｒと半導体チップ直上部の反りとの関係を示した図
【図６】係数比Ｋｍ／Ｋｒとパッケージ全体の反りとの関係を示した図
【図７】本発明の実施例２の模式的断面図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を用いて実施例について詳述する。
【実施例１】
【００１５】
まず初めに実施例１について説明する。【００１６】
図１は本発明の実施例１の模式的断面とその反り形状を示した図である。樹脂パッケージ１は、配線基板２とその一方の面（上面）上に内部に中空構造を有した半導体チップ３を配置し、樹脂４で封止された構成となっている。【００１７】
半導体チップ３は内部に中空構造を有しており、中空部には加速度や角速度などの物理量を検知するセンシング部５を有している。図２はセンシング部５の模式的な平面図である。センシング部５は固定電極５１と可動電極５２とからなり、固定電極５１と可動電極５２は互いに対向する領域を有し、くし歯容量を構成している。固定電極５１は半導体チップ３の枠６に固定されており、可動電極５２はばね構造を介して枠６に固定される。固定電極５１と可動電極５２よりなるくし歯容量Ｃは、対向する電極間の距離ｄと対向する面積Ｓによって、Ｃ∝Ｓ／ｄによって決まる。半導体チップ３に物理量として例えば加速度が印加されると、印加加速度に応じて可動電極５２が変位し、距離ｄが変化することでくし歯容量Ｃが変化する。【００１８】
固定電極５１と可動電極５２はそれぞれ独立に半導体チップ３の表面に引き出され、金属細線７を介して配線基板２に電気的に接続されており、配線基板２を介して樹脂パッケージ１の外部と電気的に接続される。【００１９】
配線基板２はガラスエポキシ基板（例えばＦＲ４やＦＲ５）から成り、表面もしくは内部に所定の導体パターンや電極が形成される。【００２０】
ここで半導体チップ３は配線基板２に接合材（図示はせず。）によって所定の部位に搭載される。接合材にはペースト状接合材やフィルム状接合材が用いられる。フィルム状接合材は、部材接合後の厚さを均一に保てるので、部材の搭載位置ばらつき（水平度のばらつき）を抑制し、センサ出力ばらつきの低減に効果がある。また半導体チップ３と配線基板２との電気的接続は導電性バンプであってもよい。導電性バンプは、例えば金、銀、銅、錫、および半田材料等の金属、あるいはそれらの合金を用いることができる。【００２１】
上述の樹脂パッケージ１の製造工程において、樹脂４を成形する工程は通常１８０℃の温度で行われる。各構成部品は、製品段階で使用される室温付近の温度では、１８０℃からの温度差によってそれぞれに変形するため樹脂パッケージ１には内部応力が発生する。この内部応力によって半導体チップ３に反りが生ずるとセンシング部５において、図３に示したように、固定電極５１と可動電極５２との対向面積Ｓあるいは電極間距離ｄの変化が生じ、くし歯容量Ｃが変化することになり、加速度等の物理量がまったく印加されていないにもかかわらずセンサ出力がシフトしてしまう。【００２２】
また配線基板２や樹脂４に用いる樹脂材料は吸湿により膨潤することが知られている。各材料の吸湿による膨潤度合はそれぞれ異なるため、吸湿によって樹脂パッケージ１全体に反りが生じる場合がある。すると温度変化による変形の場合と同様に樹脂パッケージに内部応力が発生し、半導体チップ３にも変形が発生し、センシング部５において容量Ｃが変化するとセンサ出力がシフトしてしまう。【００２３】
この構成の樹脂パッケージ１において、配線基板２に対して半導体チップ３を搭載する方向を上方向、その反対方向を下方向と定義する。【００２４】
ここで本発明者らは、樹脂パッケージ１全体の反りを上凸形状にするとともに、半導体チップ３の直上部においては下凸形状として、出力シフトを抑制することを検討した。すなわち、半導体チップ３の直上部の反りと樹脂パッケージ１全体の反りの特性を逆特性（上凸形状となるような反りに対して下凸形状となるような反り）とすることについて検討した。【００２５】
図４に本実施例におけるセンシング部５の状態図を示した。チップ直上部の反りを下凸形状とすることによってセンシング部５に下方向への応力が生じ、パッケージ全体の上凸形状によって生じる上方向のセンシング部５への応力を打ち消すことができ、固定電極５１と可動電極５２との間の対向面積Ｓおよび電極間距離ｄが変化する度合いを軽減することができる。そのため電極間容量Ｃの変化が抑制され、出力シフトを小さくすることができる。【００２６】
ここでチップ直上部の反り形状は、半導体チップ３と樹脂４との相対関係で支配的に決定される。そのため半導体チップ３の線膨張係数をαｍ、ヤング率をＥｍ、中空部上部の厚さをＨｍとしたときに各値の積で決まる係数Ｋｍ＝αｍ×Ｅｍ×Ｈｍと、樹脂４の線膨張係数をαｒ、ヤング率をＥｒ、半導体チップ３の直上部のレジンの厚さをＨｒとしたときに各値の積で決まる係数Ｋｒ＝αｒ×Ｅｒ×Ｈｒとの係数比Ｋｍ／Ｋｒを考える。【００２７】
図５は係数比Ｋｍ／Ｋｒと半導体チップ３直上部の反り形状の関係を示した図である。上凸形状の場合は反りの数値は正、下凸形状の場合は反りの数値は負となる。本関係から係数比Ｋｍ／Ｋｒが１．４以下であるときに、チップ直上部の反りが下凸形状になることがわかる。【００２８】
またパッケージ全体の反り形状は、配線基板２と樹脂４との相対関係で支配的に決まるため、配線基板２の線膨張係数をαｓ、ヤング率をＥｓ、中空部上部の厚さをＨｓとしたときに各値の積で決まる係数Ｋｓ＝αｓ×Ｅｓ×Ｈｓと係数Ｋｒとの係数比Ｋｓ／Ｋｒを考える。【００２９】
図６は係数比Ｋｓ／Ｋｒとパッケージ全体の反り形状の関係を示した図である。上凸形状の場合は反りの数値は正、下凸形状の場合は反りの数値は負となる。本関係から係数比Ｋｍ／Ｋｒが１以上であるときに、パッケージ全体の反りが上凸形状になることがわかる。ただし上凸形状が強くなり過ぎると、チップ直上部の反りが下凸形状とならなくなるため、図６には係数比Ｋｓ／Ｋｒに対する半導体チップ３直上部の反り形状の関係も右軸に合せて示した。係数比Ｋｓ／Ｋｒに対して半導体チップ３直上部の反りが下凸形状を維持できる範囲は、係数比Ｋｓ／Ｋｒが３以下のときであることが分かる。【００３０】
以上の構成により、温度や湿度の変化に依存してパッケージに生じた反りによって半導体チップの電極間容量が変動することを抑制されることで出力シフトを小さくし、センサの出力信号の変動を抑制することが可能となる。【００３１】
また、さらに内部に中空構造をもつ半導体チップはウェハ貼り合せ技術を適用して複数枚のウェハが接合されて製作されるが、接合面積が小さい箇所においても本発明によれば上下から圧縮方向の応力が作用するため、はがれてしまう危険を抑制することができ、高い信頼性を得ることも可能となる。【００３２】
なお、配線基板２は、ガラスエポキシ基板でなくてもセラミック等各種材料であっても何ら問題ではない。さらに本発明におけるパッケージ内部の電気的接続は金属細線でなくても、たとえば半田ボールであっても何ら問題ではない。
【実施例２】
【００３３】
次に実施例２について以下詳述する。【００３４】
図７は本発明の実施例２の模式的断面を示した図である。図７では、配線基板２上に制御用ＬＳＩ（３１）を搭載し、さらにその上に２ヶの中空構造の半導体チップ（３２）（３３）を配置した構成となっている。中空構造の半導体チップは互いに異なる物理量を検出したり、互いに異なる検出軸を有している独立した複数のセンサとなる。このような複合センサではチップサイズを小さくすることが望まれるため、中空構造内部に作られるセンシング部５からチップ表面への電気信号の導出は、貫通電極８を適用することが有効な手段となる。貫通電極８を適用する場合、半導体チップの製造工程においては周囲のバルク部との絶縁層形成のために深掘エッチングを実施することが必須となり、そのアスペクト比の制約から中空部上部の厚さにも制約が生じ、厚くすることが困難となる。その結果、樹脂４の変形の影響を受けやすくなり、パッケージ全体反りを小さくしても、半導体チップ上部の形状への影響は十分に小さくできず、センシング部５における容量変化を十分小さくできなくなり、センサ出力の変動量を小さくすることが困難となる。本発明によれば、温度や湿度の影響で樹脂４が変形しても、センシング部５における変形を小さくすることができるため、センサ出力の変動量を最小にすることが可能となる。【００３５】
本発明は配線基板２の下側に半田ボール９を搭載したＢＧＡ（Ｂａｌｌ  Ｇｒｉｄ  Ａｒｒａｙ）、ＣＳＰ（Ｃｈｉｐ  Ｓｉｚｅ  Ｐａｃｋａｇｅ）、半田ボールを搭載しないＬＧＡ（Ｌａｎｄ  Ｇｒｉｄ  Ａｒｒａｙ）、金属フレームを有したＳＯＰ（Ｓｍａｌｌ  Ｏｕｔｌｉｎｅ  Ｐａｃｋａｇｅ）など各種パッケージに適用することができる。【００３６】
また本実施例において、パッケージ内部のチップ構成は３チップの２段積層の場合について例示したが、チップ数は任意の数量であっても何ら問題なく、また多段積層構成であっても全く構わない。
【符号の説明】
【００３７】
１…樹脂パッケージ、２…配線基板、３…半導体チップ、４…樹脂、５…センシング部、５１…固定電極、５２…可動電極、６…枠、７…金属細線、８…貫通電極、９…半田ボール
【図１】
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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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