(57)【要約】【課題】  半導体素子とプリント基板をフリップチップ実装法を用い、超音波接合法により電気的接続をおこなう際に、半導体素子にダメージを与えることなく、接続強度が充分に確保された、半導体装置を得る。【解決手段】  プリント基板の接続端子の形状は、超音波接合のホーン振動方向の長さをホーン振動方向に直交する方向の長さより長く形成し、半導体素子は電極パッドの短い方の幅をＷとし、突起電極を電極パッドに平行な面で切断した時の最大直径をＤとした時、  ０．７５≦（Ｄ／Ｗ）≦０．８７５の関係を満足するように突起電極を形成する。【選択図】        図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
突起電極が形成された半導体素子とプリント基板を備え、前記半導体素子の突起電極と前記プリント基板の接続端子とを、超音波接合法で接続をおこなうようにした半導体装置において、
前記プリント基板の接続端子の形状は、前記超音波接合法のホーン振動方向の長さをホーン振動方向に直交する方向の長さより長く形成したことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記プリント基板の接続端子の形状は、四辺形、長円形、楕円形のいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記半導体素子は撮像素子であり、該撮像素子に被写体光を導く撮像光学系を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置を用いた撮像装置。
【請求項４】
半導体素子とプリント基板を有し、前記半導体素子の電極パッドに突起電極を形成し、超音波接合法により前記突起電極を介して前記プリント基板の接続端子と接続をおこなうようにした半導体装置において、
前記電極パッドの短い方の幅をＷとし、前記突起電極を前記電極パッドに平行な面で切断した時の最大直径をＤとしたとき、
０．７５≦（Ｄ／Ｗ）≦０．８７５
の関係を満足するように前記突起電極を形成したことを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
前記プリント基板の接続端子の形状は、前記超音波接合法のホーン振動方向の長さをホーン振動方向に直交する方向の長さより長く形成したことを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記半導体素子は撮像素子であり、該撮像素子に被写体光を導く撮像光学系を有することを特徴とする請求項４又は５に記載の半導体装置を用いた撮像装置。
【請求項７】
半導体素子とプリント基板を有し、前記半導体素子の電極パッドに突起電極を形成し、超音波接合法により前記突起電極を介して前記プリント基板の接続端子と接続をおこなうようにした半導体装置の製造方法において、
前記電極パッドの短い方の幅をＷとし、前記突起電極を前記電極パッドに平行な面で切断した時の最大直径をＤとしたとき、
０．７５≦（Ｄ／Ｗ）≦０．８７５
の関係を満足するように前記突起電極を形成することを特徴とする半導体装置製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、携帯端末等に搭載される撮像装置に利用され、フリップチップ実装法で電気的に接続される半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体素子の電極パッドに形成された突起電極（バンプ）を、回路基板の接続端子に対して、電気的に接続する方法としてはフリップチップ実装法が用いられている。この実装法においては、電気的な接続には例えば超音波溶着による接合（以下、超音波溶着と称す）の他、ＡＣＦ（異方性導電性フィルム）、ＡＣＰ（異方性導電性ペースト）、ハンダバンプ、金−錫の共晶接続、等が用いられる。
【０００３】
このフリップチップ実装法の例として、異方性導電膜を用いて撮像素子に形成した突起電極と回路基板の接続端子とを接続するものが開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
また、このフリップチップ実装法を携帯端末に内蔵される撮像装置に適用し、基板の一方の面に撮像素子を実装し、他方の面にレンズユニットを配置して、撮像装置全体の厚みを薄型化したものがある（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開平９−２８３５６９号公報
【特許文献２】特開２００１−７８０６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述のフリップチップ実装法で撮像素子とプリント基板を接続する場合、ＡＣＦやＡＣＰの使用する場合は、圧着時にその一部が撮像素子の受光面側にはみ出し、撮像性能に悪影響を与える問題がある。一方、ハンダバンプや金−錫の共晶接続を使用した場合は処理温度が２００℃以上が必要となり、撮像素子の耐用温度を超え、撮像素子に形成されたマイクロレンズ等にダメージを与える場合がある。このため、フリップチップ実装法で撮像素子とプリント基板を接続する場合は超音波接合法が、最も適した接続法である。
【０００６】
しかしながら、この超音波接合法は、高周波で１方向に振動するホーンにより、突起電極（バンプ）に振動エネルギーを与えることで溶融させ、半導体素子の電極パッドとプリント基板の接続端子を突起電極（バンプ）を介し接続するものであるため、ホーンの振動方向とプリント基板の接続端子の相互関係や、突起電極（バンプ）と電極パッドの相互の形状を適切に設定されていない場合、充分な接続強度を得ることができなかったり、半導体素子にダメージを与えるという問題を発生させる。
【０００７】
例えば、ホーンの振動方向に対しプリント基板のパターン部の長さが充分でない場合、バンプが溶融変形しても接触面積が充分でなく、このため接続強度が弱くなる。またバンプと電極パッドの相互の形状についても、電極パッドの面積に比べバンプが小さいと接続強度が弱く、逆にバンプが大きすぎると接続時にバンプの余剰体積が撮像素子の電極パッド部や保護膜にダメージを与えてしまう問題がある。
【０００８】
本発明は上記問題に鑑み、半導体素子とプリント基板をフリップチップ実装法を用い、超音波接合法により電気的接続をおこなう際に、接続強度が充分に確保され、半導体素子にダメージを与えることのない半導体装置及び撮像装置並びに半導体装置製造方法を得ることを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の課題のうち、プリント基板の接続端子の形状に関しては、突起電極が形成された半導体素子とプリント基板を備え、前記半導体素子の突起電極と前記プリント基板の接続端子とを、超音波接合法で接続をおこなうようにした半導体装置において、前記プリント基板の接続端子の形状は、前記超音波接合法のホーン振動方向の長さをホーン振動方向に直交する方向の長さより長く形成したことを特徴とする半導体装置、とすることで解決される。
【００１０】
また、この接続端子の形状は、四辺形、長円形、楕円形のいずれか、とすることが望ましい。
【００１１】
また電極パッドと突起電極に関しては、半導体素子とプリント基板を有し、前記半導体素子の電極パッドに突起電極を形成し、超音波接合法により前記突起電極を介して前記プリント基板の接続端子と接続をおこなうようにした半導体装置において、前記電極パッドの短い方の幅をＷとし、前記突起電極を前記電極パッドに平行な面で切断した時の最大直径をＤとしたとき、
０．７５≦（Ｄ／Ｗ）≦０．８７５
の関係を満足するように前記突起電極を形成したことを特徴とする半導体装置、とすることで解決される。
【００１２】
更に、半導体素子は撮像素子であり、撮像素子に被写体光を導く撮像光学系を有する上記いずれかの半導体装置を用いた撮像装置、とすることで上記の課題を解決した撮像装置を得ることができる。
【００１３】
また、半導体素子とプリント基板を有し、前記半導体素子の電極パッドに突起電極を形成し、超音波接合法により前記突起電極を介して前記プリント基板の接続端子と接続をおこなうようにした半導体装置の製造方法において、前記電極パッドの短い方の幅をＷとし、前記突起電極を前記電極パッドに平行な面で切断した時の最大直径をＤとしたとき、
０．７５≦（Ｄ／Ｗ）≦０．８７５
の関係を満足するように前記突起電極を形成することを特徴とする半導体装置製造方法、とすることで解決される。
【発明の効果】
【００１４】
上記の構成により、半導体素子とプリント基板をフリップチップ実装法を用い、超音波接合法により電気的接続をおこなう場合、半導体素子にダメージを与えることなく、接続強度が充分に確保された、半導体装置及び撮像装置を得ることが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、実施の形態により本発明を詳しく説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００１６】
図１は、本発明を適用した半導体装置を用いた撮像装置１００の斜視図である。図１（ａ）は撮像装置を光入射側から見た斜視図であり、図１（ｂ）は本発明に係る半導体素子である撮像素子側から見た斜視図である。
【００１７】
同図に示すように、撮像装置１００の光入射側は、例えばポリイミドをベースとしたフレキシブルプリント基板ＦＰＣと、このフレキシブルプリント基板ＦＰＣに光入射のための開口部を有する遮光板５と光学部材等を内包する外枠部材４と補強部材である補強板１０で構成されている。
【００１８】
撮像装置１００の撮像素子側はフレキシブルプリント基板ＦＰＣの他方の面に本発明に係る半導体素子である撮像素子２がフリップチップ実装により物理的、電気的に接続されて取り付けられている。また、フレキシブルプリント基板ＦＰＣには、撮像素子２を駆動するための電子回路部品８ａ〜８ｄ及び９等が実装され、端部には制御基板等との接続用の接続端子部１５が設けられている。
【００１９】
図２は、図１のＦ−Ｆ線で切断した時の撮像装置１００の一部省略断面図である。
【００２０】
同図に示すように、撮像装置１００は上述のフレキシブルプリント基板ＦＰＣ、撮像素子２、外枠部材４、遮光板５、補強板１０に加え、光学部材１、絞り板３、赤外カットフィルタ６で構成されている。
【００２１】
同図において、撮像素子２は例えばＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ  Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）型イメージセンサ、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ）型イメージセンサ等からなり、フレキシブルプリント基板ＦＰＣの開口部から撮像素子２の光電変換部２ａが露出するように取り付けられている。またフレキシブルプリント基板ＦＰＣに形成されたボンディングパッド（不図示）と、撮像素子２の電極パッドに形成された突起電極（バンプ）１３が超音波接合法により電気的接続され、撮像素子２の外周が接着剤Ｂにより固着され、封止される。
【００２２】
このバンプは、スタッドバンプ法（又はボールバンプ法）と呼ばれるものであるが、これ以外にもメッキ法や転写バンプ法又はソルダリング技術を用いたバンプ形成方法も適用可能である。
【００２３】
補強板１０は、フレキシブルプリント基板ＦＰＣと接着剤層１１により固着されている。この補強板１０上に、光学部材１と外枠部材４が組み込まれ、更に赤外カットフィルタ６の接着された遮光部材５が組み込まれる。光学部材１には、開口部を有する絞り板３が取り付けられている。
【００２４】
なお、光学部材１の光学有効面以外の位置に脚部を一体に形成し、この脚部をフレキシブルプリント基板ＦＰＣの開口部をとおして撮像素子２の光電変換部２ａ以外の部位に当接させ、弾性部材により撮像素子２側に押圧するように構成してもよい。
【００２５】
次に、図３、図４を用いて、撮像素子とフレキシブルプリント基板との接続について説明する。
【００２６】
図３は、接続前の撮像素子２を光電変換部側から見た概略図である。同図に示すように、撮像素子２の中央部に光電変換部２ａが形成され、この光電変換部２ａを構成する各画素個々に対応してマイクロレンズが形成されている。光電変換部２ａの外側の撮像素子２の外縁周辺には所定のパターンで複数の電極パッド２ｐが配置され、この電極パッド２ｐ上にそれぞれ突起電極（バンプ）１３が形成されている。
【００２７】
図４は、フレキシブルプリント基板に形成された接続端子の形状を示す斜視図である。同図は超音波接合のホーン振動方向が紙面左右方向の場合を示している。
【００２８】
同図に示すように、フレキシブルプリント基板ＦＰＣは光電変換部２ａが露出するように光電変換部２ａより大きな開口部１６が形成され、撮像素子２の突起電極１３の位置に対応して接続端子１４が配設されている。この接続端子１４は、例えば銅、ニッケル、錫、銀、金、パラジウムやこれらの合金単体、或いはそれら金属を積層したものにより構成される。
【００２９】
さらに、この接続端子１４の個々の形状は、あらかじめ超音波接合のホーン振動方向に平行な方向（矢印方向）の長さは、ホーン振動方向に直交する方向（矢印に直交する方向）の長さより長く形成されている。この接続端子の形状については後に、より詳しく説明する。
【００３０】
このフレキシブルプリント基板ＦＰＣに形成される接続端子１４の個々の形状は、撮像素子２に形成される突起電極（バンプ）の直径の最大径をＤ、撮像素子と基板相互の位置決め精度をＳ、ホーン振動振幅をＰとすると、
接続端子１４のホーン振動方向に直交する方向の長さＬＤは、
ＬＤ≧Ｄ＋Ｓ×２
接続端子１４のホーン振動方向に平行な方向の長さＬＰは、
ＬＰ≧Ｄ＋（Ｓ＋Ｐ）×２
とするのが望ましく、かつ
ＬＤ＜ＬＰ
を満足する寸法で設定される。
【００３１】
即ち、例えば突起電極（バンプ）の直径の最大径が７０μｍ、撮像素子と基板相互の位置決め精度が５μｍ、ホーン振動振幅が５μｍである場合、フレキシブルプリント基板ＦＰＣに形成される接続端子形状を四辺形とすると、ホーン振動方向に直交する方向の長さは（７０μｍ＋５μｍ×２）＝８０μｍ以上とし、ホーン振動方向に平行な方向の長さは（７０μｍ＋（５μｍ＋５μｍ）×２）＝９０μｍ以上の寸法形状で形成され、かつホーン振動方向に平行な方向に長く形成されているということである。
【００３２】
上記のように接続端子１４の形状が設定されたフレキシブルプリント基板ＦＰＣに補強板１０が接着され、撮像素子２のバンプ１３の形成された面と相互に位置決めされた後、超音波接合により電気的接続がなされる。
【００３３】
超音波接合法は公知の方法で良く、例えば周波数：５０ＫＨｚ、ツール温度：１５０℃、受台温度：１００℃、接合時間：０．５秒、ツール加圧力：バンプ１個あたり０．５Ｎ、振幅：５μｍの条件で、補強板１０に当接され、補強板１０及びフレキシブルプリント基板ＦＰＣを介し、撮像素子２の電極パッド２ｐ上に形成されたバンプ１３を振動エネルギーで溶融させて、撮像素子２の電極パッド２ｐとフレキシブルプリント基板ＦＰＣの接続端子１４がバンプ１３を介し接続される。
【００３４】
図５は、フレキシブルプリント基板ＦＰＣに形成される接続端子１４に望ましい形状の例を示した図である。
【００３５】
同図（ａ）は四辺形の例であり、長手方向がホーン振動方向に平行な方向である。同図（ｂ）は長円形、（ｃ）は楕円形としたもので、これらは（ａ）に示す四辺形とホーン振動方向に直交する方向の長さ（幅）はほぼ同じであり、ホーン振動方向に平行な方向である長手方向の寸法は、（ａ）に示す四辺形と面積がほぼ同じになるよう設定されるのが望ましい。
【００３６】
なお、接続端子の形状が四辺形のうち、菱形の場合は長い方の対角線をホーン振動方向とし、台形や平行四辺形の場合はこれに内挿できる長方形の長い方の辺をホーン振動方向とする。
【００３７】
即ち、バンプがホーン振動により変形し、これに相対するフレキシブルプリント基板ＦＰＣに形成される接続端子１４の形状がこの変形量を充分包括可能な形状とすること、即ち、フレキシブルプリント基板ＦＰＣに形成される接続端子１４の形状を、ホーン振動方向に直交する方向の長さよりもホーン振動方向に長く形成することにより、ホーンのエネルギーを効率よく伝達することができ充分な接続面積が確保されることで、接続強度を確保できる。
【００３８】
次に、本発明に係る半導体素子である撮像素子に形成される電極パッドと突起電極（バンプ）の関係について説明する。
【００３９】
図６は、撮像素子２に形成される一対の電極パッド２ｐとバンプ１３の拡大斜視図である。同図において、２１は保護膜（パッシべーション）であり、短辺方向Ｗ、長辺方向Ｌの開口部を有し、この開口部から電極パッド２ｐが露出しており、最大直径Ｄのバンプ１３はこの電極パッド２ｐ上に形成される。
【００４０】
図７は、撮像素子２とフレキシブルプリント基板ＦＰＣをバンプ１３で接続した状態を、図６に示すＢ−Ｂ断面で切断した模式図である。
【００４１】
図７（ａ）は接続前の状態を示し、図７（ｂ）はバンプ１３の最大直径Ｄと電極パッドの短辺方向の長さＷとの関係が適切に設定された状態を示し、図７（ｃ）はバンプ１３の最大直径Ｄと電極パッド２ｐの短辺方向の長さＷとの関係が不適切に設定された状態を示している。
【００４２】
図７（ｂ）に示すように、バンプ１３の最大直径Ｄと電極パッド２ｐの短辺長さＷの関係が適切な場合は、バンプ１３が変形しても保護膜２１に接触しない状態になる。一方、電極パッド２ｐの短辺長さＷに対し、バンプ１３の最大直径Ｄが大きすぎる場合には、図７（ｃ）に示すようにバンプ１３が変形した時、保護膜２１の端面に接触し、保護膜にダメージを与えてしまうことになる。
【００４３】
また、バンプ１３の最大直径Ｄが、小さすぎる場合にはその接触面積が微小で接続強度が不足し、ボンディングミスが多発し生産性を悪化させることになる。
【００４４】
即ち、電極パッド２ｐの短辺方向の長さＷと、この電極パッド２ｐ上に形成するバンプ１３の最大直径Ｄは、接続強度を維持すると共に保護膜２１にダメージを与えない適切な関係に設定しなくてはならないことがわかる。
【００４５】
なお、本発明でいうバンプ１３の最大直径Ｄは、突起電極を前記電極パッドに平行な面で切断した時の最大面積を円に換算した場合の直径を指すものであり、バンプ１３が円以外の形状に変形している場合も、上記の式を適用することができる。
【実施例】
【００４６】
（実施例１）
フレキシブルプリント基板に形成された接続端子の形状を、辺の長さ８０μｍの正方形と、ホーン振動方向の辺の長さ１００μｍ、直交する方向の辺の長さ８０μｍとした長方形の２種類用意し、接続強度の比較実験をおこなった。
【００４７】
設定条件は、以下の通りである。
【００４８】
撮像素子：ＣＭＯＳ型イメージセンサ
チップサイズ：６．５（ｍｍ）×５（ｍｍ）
電極パッド：８０μｍ×８０μｍ
バンプ：スタッドバンプ
バンプ直径：７０μｍ
接続方法：超音波接合（諸条件は以下の通り）
周波数：５０ＫＨｚ、ツール温度：１５０℃、受台温度：１００℃、
接合時間：０．５秒、ツール加圧力：バンプ１個あたり０．５Ｎ、
振幅：５μｍ
上記の条件で接続した撮像素子を横方向から力を加え、フレキシブルプリント基板から剥がし、この時の転写率を確認した。転写率とは、剥がした時にバンプ総数に対し、フレキシブルプリント基板側に残ってついているバンプが何％あるかを表示するもので、接続強度が強い場合はこの数値が高くなるものである。
【００４９】
（結果）
ホーン振動方向の辺の長さ１００μｍ直交する方向の辺の長さ８０μｍとした長方形の方の転写率は１００％（全転写）となり、辺の長さ８０μｍの正方形の方の転写率は８５％であった。
【００５０】
これにより、ホーン振動方向の辺の長さ１００μｍ直交する方向の辺の長さ８０μｍとした長方形の方が明らかに接続強度の強いことが確認された。
【００５１】
（実施例２）
バンプ１３の最大直径Ｄと電極パッド２ｐの短辺方向の長さＷの適切な関係を求めるため以下の実験をおこなった。
【００５２】
設定条件は、以下の通りである。
【００５３】
撮像素子：ＣＭＯＳ型イメージセンサ
チップサイズ：６．５（ｍｍ）×５（ｍｍ）
電極パッドの短辺方向の長さ：８０μｍ
バンプ：スタッドバンプ
接続基板：フレキシブルプリント基板
接続方法：超音波接合（諸条件は以下の通り）
周波数：５０ＫＨｚ、ツール温度：１５０℃、受台温度：１００℃、
接合時間：０．５秒、ツール加圧力：バンプ１個あたり０．５Ｎ、
振幅：５μｍ
上記の条件で、バンプの最大直径を、５０μｍ、６０μｍ、７０μｍ、８０μｍの４種類として電極パッド上に各々５０個ずつ形成し、基板に超音波接合した後、接続強度の代用特性として、撮像素子と基板をパターン面と直交する方向に負荷を与え、分断時の荷重であるシェア（ｓｈａｒｅ）強度と接合後のバンプの直径を測定した。
【００５４】
測定した、シェア強度の平均値と接合後のバンプの直径を表１に示す。
【００５５】
【表１】
2005045092.tif 000003
【００５６】
この結果、バンプ最大直径が５０μｍの場合は、シェア強度が０．１５Ｎとなり、接続強度としては限界値に近く、この数値以下となると、ボンディングミスが多発するようになり、生産性の低下を引き起こすことになる。
【００５７】
また、バンプ最大直径が８０μｍの場合は、接合時の変形により保護膜を破損することが確認された。
【００５８】
更に、バンプ最大直径が７０μｍの場合は、接合後のバンプ直径が７５〜８３μｍとなったが、バンプ周囲は円弧状に変形するため電極パッド近傍で保護膜と干渉していないことが確認された。
【００５９】
以上のことより、電極パッドの短辺方向の長さが８０μｍの時は、この電極パッドに形成するバンプの最大直径は６０μｍ〜７０μｍが適切であることがわかる。
【００６０】
即ち、電極パッドの短い方の幅をＷとし、バンプを電極パッドに平行な面で切断した時の最大直径をＤとしたとき、
０．７５≦（Ｄ／Ｗ）≦０．８７５
の関係を満足するようにバンプを形成すれば、接続強度を維持できると共に、保護膜にダメージを与えない半導体装置を得ることができる。
【００６１】
なお、電極パッドを四辺形で説明したが、その他の形状の場合は、電極パッド上でバンプの中心を通る直線の長さの最も短い部位を、電極パッドの幅Ｗとして上述の関係を満足するように設定すれば良いのは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明を適用した半導体装置を用いた撮像装置の斜視図である。
【図２】図１のＦ−Ｆ線で切断した時の撮像装置の一部省略断面図である。
【図３】接続前の撮像素子を光電変換部側から見た概略図である。
【図４】フレキシブルプリント基板に形成された接続端子の形状を示す斜視図である。
【図５】フレキシブルプリント基板ＦＰＣに形成される接続端子に望ましい形状の例を示した図である。
【図６】撮像素子に形成される一対の電極パッドとバンプの拡大斜視図である。
【図７】撮像素子とフレキシブルプリント基板をバンプで接続した状態を、図６に示すＢ−Ｂ断面で切断した模式図である。
【符号の説明】
【００６３】
１  光学部材
２  撮像素子（半導体素子）
２ａ  光電変換部
２ｐ  電極パッド
３  絞り板
４  外枠部材
５  遮光部材
６  赤外カットフィルタ
１０  補強部材
１３  突起電極（バンプ）
１４  接続端子
２１  保護膜（パッシべーション）
１００  撮像装置
ＦＰＣ  フレキシブルプリント基板
【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】
2005045092.tif 000008
【図６】
2005045092.tif 000009
【図７】
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