JP2000243783A - 半導体センサ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体センサの小型化の障害となる応力や撓
みを低減できるような半導体センサチップを備えた半導
体センサを提供すること 【解決手段】 半導体センサチップ１１を基板１２にベ
アチップ実装するに際し、センサチップの裏面１１ａに
設けた電極と、基板の配線パターンとを導通する金属柱
１３を設ける。この金属柱は、第１金属突起１３ａと第
２金属突起１３ｂを積み重ねることにより形成する。こ
れにより、従来にくらべて各段に高い金属柱ができ、応
力や撓みの伝達を抑制し、半導体センサの測定精度を維
持することができる。よって、半導体センサが小型化さ
れる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体のパッケー
ジング技術に関するもので、より具体的には基板と半導
体センサチップの電気的接合技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体センサチップを回路基板に実装し
てパッケージングする方法の一つとして、従来からワイ
ヤボンディング法が用いられている。すなわち、図１に
示すように、半導体センサチップ１を樹脂製のステム２
の底面にダイボンディング材３を用いて固定する。次い
で、ステム２に一体的に形成されたリード端子４と半導
体センサチップ１の端子とをボンディングワイヤ５にて
接続する。そして、ステム２の外側に突出したリード端
子４の先端を回路基板上の配線パターンに電気的に導通
させるようにしている。

【０００３】また、係るボンディングワイヤ法では、半
導体センサチップ１をステム２に実装し、そのステム２
を基板に装置実装するようになっており、しかも、ボン
ディングワイヤ５をはわせる空間が必要となるので、小
型化に限界があった。

【０００４】そこで、さらなる小型化を図るため、最
近、一般のＩＣで用いられているバンプを用いたベアチ
ップ実装（フリップチップ実装）を半導体センサの実装
にも適用することが試みられている。

【０００５】すなわち、図２に示すように、半導体セン
サチップ１の電極部に金属突起（バンプ）７を設け、そ
れを基板８と向かい合わせて接合する。このとき、金属
突起７は、基板８上に形成された配線パターンに接合さ
れる。さらに、金属突起７の存在しない基板８と半導体
センサチップ１の隙間には、接合材９が充填される。こ
のように、半導体センサチップ１を直接基板８に接続す
ることにより、大幅な小型化を図ることができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図２に
示す構造では、小型化は図れるものの、新たな問題が生
じる。すなわち、半導体センサチップ１内に発生する応
力によってセンサに歪みが発生し、出力特性の変化が起
こってしまう。

【０００７】すなわち、半導体センサチップ１は、通常
検出対象の物理量を受けて変位する可動部（梁（重り）
・ダイアフラムなど）を有するシリコン基板と、そのシ
リコン基板を固定するガラス基板を積層した構造となっ
ている。また、基板８は、上記シリコンやガラスに比べ
て熱膨張係数の大きいガラエポ樹脂により構成されてい
る。

【０００８】さらに、金属突起７の高さは、高くても１
００μｍ程度が限度であり、実際には数１０μｍ程度と
なる。したがって、基板８と半導体センサチップ１の一
体化の度合いが強く、金属突起７の部分では応力が吸収
されない。

【０００９】そして、温度変化にともない基板８が大き
く膨張・収縮しようとした場合、その基板８に接合され
ているガラス基板はそれに追従して比較的大きく膨張・
収縮するものの、基板に接続されていないシリコン基板
や、ガラス基板（３層構造の場合）は、フリー状態であ
るのでもともと有する熱膨張係数にしたがって膨張・収
縮するのでその変化量は少ない。その結果、シリコン基
板の両面（基板に接続されたガラス基板側と、その反対
側の面）での膨張率が異なるので、シリコン基板自体に
も応力がかかるとともに、測定対象の物理量が変化しな
いにもかかわらずその温度変化にともなって可動部が変
位してしまい、ガラス基板とのギャップが上下で異なっ
てしまう。その結果、オフセット値が変動してしまい、
正確な出力特性が得られなくなる。

【００１０】本発明は、上記した背景に鑑みてなされた
もので、その目的とするところは、上記した問題を解決
し、半導体センサチップと基板の熱膨張係数の相違にと
もない発生する温度変化時の半導体センサチップ側へ応
力や撓みを低減させることで、高性能で小型の半導体セ
ンサ及びその製造方法を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ために、本発明に係る半導体センサでは、回路基板上に
半導体センサチップを実装するとともに、前記半導体セ
ンサチップの電極と前記回路基板の配線の間に金属柱を
介在させてなる半導体センサであって、前記金属柱は、
複数の金属突起が積み重なって構成するようにした（請
求項１）。

【００１２】このように構成すると、半導体センサチッ
プと回路基板の間の隙間は、金属柱の高さ、つまり積層
した複数個の金属突起の合計の高さとほとんど同じだけ
空くことになる。

【００１３】なお、請求項１に記載されている複数の金
属突起は、すべて同一の材質で構成されていてもよい
し、別の材質で構成されていても構わない。また、請求
項１に記載されている複数の金属突起は、すべて同一形
状で構成されていてもよいし、別の形をしていても構わ
ないものとする。

【００１４】要するに、請求項１に記載の突起は、例え
ば、半導体センサチップの電極上に金属突起を形成し、
その金属突起の上部に何らかの導電部材で厚みを付けた
とき、半導体センサチップと回路基板の間にできる隙間
の高さが、金属突起のみを半導体センサチップの電極上
に形成した後、この金属突起と回路基板を接続したとき
にできる隙間よりも大きな隙間を作れるような導電部材
であれば、そのような金属突起の上部に厚みを作る何ら
かの導電部材は、半導体センサチップの電極上に形成す
る金属突起と同様にして請求項１に記載される金属突起
に含まれるものとする。

【００１５】上記したことと同様の理由で、突起を構成
する金属突起の外観は必ずしも明確な突起である必要は
ないものとする。そして、実施の形態には具体的に記載
していないが、例えば、半導体センサチップと回路基板
を突起を介して接続するとき、半導体センサチップ側に
金属突起があり、回路基板側にも別の金属突起があっ
て、この金属突起同士が接続されるようにして形成され
た構成も、本発明に当然含まれるものとする。

【００１６】また、金属突起を形成する材質として、
「金」が全ての実施の形態で用いられているが、基本的
に硬くてもろい金属でなければ金以外の導電材料を用い
ても構わない。また、半導体センサチップと回路基板の
間の隙間には、金属突起以外の部材があっても構わない
ものとする。

【００１７】また好ましくは、前記金属柱を複数個隣接
して配置するとともに、それら複数の金属柱間に接合材
（実施の形態では、「はんだ」）が充填されるように構
成することである（請求項２）。このように構成する
と、例えば、ベアチップ実装装置によって半導体センサ
チップを回路基板に実装するときに、一つ一つの突起が
接続時の圧力で破損しにくくなる。なお、この構成の具
体的な一例を第２の実施の形態において示したが、金属
柱を構成する金属突起の本数及び金属柱の束ねられ方は
任意である。

【００１８】つまり、第２の実施の形態では、３つの金
属突起の中心を三角形の各頂点に配した後、接合材にて
これらの突起を束ねるようにして形成したが、例えば、
４つの突起の中心を正方形状になるように配した後、こ
れらの突起を束ねてもよく、種々変更実施が可能であ
る。

【００１９】また、本発明に係る半導体センサの製造方
法では、半導体センサチップの電極と回路基板の配線の
接続方法であって、前記電極の上に複数の金属突起を順
次積層して金属柱を形成する形成工程と、前記金属柱を
前記配線に接続するようにして前記半導体センサチップ
を前記回路基板に実装する工程とを有する。そして、前
記形成工程は、少なくとも前記電極上に第１金属突起を
形成し、次いで前記第１金属突起部の上部を平坦化して
平坦部を形成し、前記平坦部上に第２金属突起を形成す
るような工程を含むようにした（請求項３）。

【００２０】金属突起を形成後次の金属突起を形成する
に際し、前工程として、形成した金属突起（第１金属突
起）の上面を潰して平坦部とすることにより、その上に
積層する第２金属突起との接続強度が高まる。従って、
例え金属柱の高さが高くなっても一定の強度が得られ
る。

【００２１】なお、請求項３に記載の第１金属突起部に
平坦部を形成するのは、あくまで、第１金属突起部上に
第２金属突起部を形成しやすくしたり、この２つの金属
突起部間の接続強度を上げるための製作工程であるの
で、必ずしも純粋な平面である必要はない。

【００２２】また、好ましくは、前記金属柱を隣接する
ように複数配置する。次いで、前記金属柱間に接合材を
充填するようにした（請求項４）。このようにすると、
複数の金属柱が接合材により一体化されるので、強度が
増す。

【００２３】なお、複数の金属柱は同時に形成していっ
てもよいし、１個ずつ形成してもよい。すなわち、前者
は実施の形態でも説明したように、複数の金属柱をそれ
ぞれ構成する金属突起を同時に形成し、次いで、それら
複数の金属突起の上端を平坦化し、次に平坦化された各
金属突起の上に次の金属突起を形成することである。ま
た、後者は例えばまず１本の金属柱を形成し、次にその
金属柱に隣接して別の金属柱を形成するという工程をと
ることである。

【００２４】

【発明の実施の形態】図３は、本発明に係る半導体セン
サ１０の第１の実施の形態を示している。同図に示すよ
うに、半導体センサチップ１１と回路基板１２の間に、
複数の金属柱１３を介在させている。この金属柱１３の
上端は、半導体センサチップ１１の電極に接続され、金
属柱１３の下端は回路基板１２の表面に形成された配線
パターン上に接続されている。これにより、その金属柱
１３を介して半導体センサチップ１１の電極と回路基板
１２の配線パターンとが導通され、ベアチップ実装され
る。

【００２５】ここで本発明では、金属柱１３を複数の金
属突起で形成している。つまり、この例では第１金属突
起１３ａと第２金属突起１３ｂの２つの金属突起を積み
重ねることにより形成される。

【００２６】すなわち、図４に半導体センサチップ１１
を示すように、矩形状をした半導体センサチップ１１の
裏面１１ａには、回路基板の配線パターンに接続するた
めの高さ２００μｍ程度の金属柱１３が形成されてい
る。そして、この形成位置は、半導体センサチップ１１
の電極形成位置であり、まず裏面１１ａ側に第１金属突
起１３ａを形成し、その第１金属突起１３ａの上面に第
２金属突起１３ｂを積層形成している。

【００２７】さらに、センサチップ１１と基板１２には
金属柱１３の高さ分のギャップが生じることになるの
で、そこのギャップにアンダーフィル材としてシリコー
ン製の樹脂１４を充填している。

【００２８】係る構成をとると、金属柱１３の高さは、
金属突起の２倍の高さとなり、そのように高く（長く）
なることから、回路基板１２と半導体センサチップ１１
の熱膨張係数が大きく違っても、温度変化時に生じよう
とする応力は、当該金属柱１３の部分で吸収され、半導
体センサチップ１１に応力が伝わらない。よって、温度
変化によりオフセット値が変わることもなく、温度変化
に強く、小型で高性能なセンサを構成することができ
る。

【００２９】次に、本発明に係る製造方法の第１の実施
の形態を説明する。まず、図４に示すように、半導体セ
ンサチップ１１の裏面に金属柱１３を製造し、次いで、
その金属柱１３を回路基板の金属パターン上に接続する
ようにする。

【００３０】そして、以後本発明の重要な工程となる金
属柱の製造工程の一例を説明する。まず、図５に示すよ
うに、太さ２５μｍ〜３０μｍ程の金ワイヤ２０の先端
を溶かしてその先端をボール状にしたボール部２２を、
ボンディング台２５の上に置いたセンサチップ１１の裏
面１１ａの電極面に超音波や熱を加えて融着によりボン
ディングする。

【００３１】なお、本形態のように太さを２５〜３０μ
ｍ程度のものを用いると、ボール部２２の径は１００μ
ｍ程度となる。なお、単純にさらに太い径の金ワイヤを
用いると、ボール部の径も大きくなり、高さが１００μ
ｍ以上にできるが、それに伴い幅も広くなるので、高密
度化・高配線化により、電極も１００μｍ程度の間隔で
配置されるセンサチップ上の複数の電極を短絡するの
で、本発明の金属柱には実用に供し得ない。

【００３２】その後、金ワイヤ２０を真上に引っ張り上
げると、図６に示すように、半導体センサチップ１１に
付いたボール部２２から金ワイヤ２０が引きちぎられ、
ボール部２２のみが半導体センサチップ１１上に残る。

【００３３】その後は、図７に示すように、センサチッ
プ１１から引きちぎって分離した金ワイヤ２０の先端２
０ａに対してトーチ電極２７で電圧をかけることで、ボ
ール部を再び形成し、裏面１１ａの別の場所に付着させ
る。

【００３４】ところで、もともとは金ワイヤ２０の先端
であったボール部２２を引きちぎって裏面１１ａに取り
つけると、ボール部２２は、図８に示すようにその先端
（上端）２２ａがささくれ立つとともに、高さがばらつ
いてしまう。

【００３５】そこで、半導体センサチップ１１の裏面１
１ａに、１段目の全てのボール部２２を付着させた後、
ボール部２２の上方から金属プレート等によって荷重を
かけて先端部２２ａを潰す。これにより、図９に示すよ
うに、上面が平らな平坦部３０となり、第１金属突起１
３ａが形成される。

【００３６】上記の工程を行うことにより、半導体セン
サチップ１１の裏面１１ａ上には、図１０に示すよう
に、上端が平坦面となる第１金属突起１３ａが形成され
る。従って、各第１金属突起１３ａの平坦部３０上に、
金ワイヤ２０の先端を接触させて、新たなボール部２２
を融着させることが可能となる。その結果、図１１に示
すように、第１金属突起１３ａの平坦部３０の上に第２
金属突起１３ｂが安定状態で積み重ねられ、金属柱１３
が形成される。

【００３７】以後、通常のベアチップ実装と同様に、ベ
アチップ実装装置により、この金属柱１３が回路基板上
の配線パターンの上に位置するようにして基板１２上に
実装され、半導体センサチップ１１の電極と基板１２の
配線パターンは、金属柱１３を介して導通される。

【００３８】また、この実装に先立ち、前もって基板１
２側にシリコーン樹脂製の導電ペーストを転写しておい
たり、実装装置に内蔵されている転写装置によって金属
柱１３に導電ペーストを転写することが望ましい。そし
て、転写した樹脂が熱可塑性であれば、ホットプレート
又は硬化炉で加熱して硬化させることにより、導通を図
りつつ接着固定することができる。

【００３９】さらに、センサチップ１１と基板１２には
金属柱１３の高さ分だけギャップが形成されるので、そ
このギャップにアンダーフィル材としてシリコーン製の
樹脂３６を毛細血管現象を利用して充填するのが実施す
る上で望ましい。これにより、図３に示すような半導体
センサが製造される。

【００４０】以下、本発明に係る半導体センサの第２実
施の形態を説明する。図１２は本実施の形態の要部を示
している。同図に示すように、本実施の形態では、半導
体センサチップ１１の裏面に、３本の金属柱１３を近接
配置している。具体的には、各金属柱１３の中心が３角
形の頂点に配置された形状をしている。これら３本の金
属柱１３は、いずれも第１の実施の形態のものと同一形
状及び同一材質からなる部材である。

【００４１】そして、同図（ｂ）に示すように、その３
本の円柱状の金属柱１３間に形成される隙間３１には、
はんだ３３が充填されており、係る３本の金属柱１３を
電気機械的に一体化し、強度の向上を図っている。

【００４２】そして、係る構造のものを製造するには、
例えば、上記隙間３１内にはんだペーストを充填後、リ
フロー炉によってはんだを溶融させると、３箇所に配置
された金属柱１３の隙間３１を埋めるようにはんだが流
し込まれ、その後冷却することにより固定することがで
きる。

【００４３】なお、上記した実施の形態では、いずれも
金属柱は２つの金属突起を積み重ねることにより形成し
たが、本発明はこれに限ることはなく、３つ以上であっ
てももちろんよい。そして、仮に１つの金属突起の高さ
が１００μｍ程度とすると、上記した実施の形態の金属
柱の高さは２００μｍ程度となり、また、３つ重ねると
３００μｍ程度となる。

【００４４】一方、基板上にセンサチップを実装したと
きに、基板とセンサチップの熱膨張係数の違いによって
発生する応力や撓みは、金属柱の高さを２００μｍ〜３
００μｍとることによって十分抑えられることが実験し
た結果確認された。よって、本形態のように２段重ねる
だけでも十分効果がある。

【００４５】

【発明の効果】以上のように、本発明に係る半導体セン
サ及びその製造方法では、請求項１のように半導体セン
サを構成すると、半導体センサチップと回路基板に隙間
を作るための接続線を兼ねた金属柱を、複数の金属突起
を積み上げることで、高くすることができ、その金属柱
の部分で温度変化時に生じようとする基板と半導体セン
サチップの熱膨張係数の相違に基づく応力等が、実用上
問題の無い程度に吸収できる。

【００４６】従って、半導体センサチップの出力特性
が、温度変化に伴いオフセット値が変動することもな
く、安定した出力特性が得られる。よって、高性能で小
型の半導体センサを構成することができる。

【００４７】さらに、この金属柱の配置を請求項２のよ
うに構成することで、強度が増す。よって、半導体セン
サチップに金属柱を形成後、ベアチップ実装装置等によ
って、半導体センサチップと回路基板を接続する際に生
じる圧力によって金属柱が変形・破損等することが可及
的に抑制できる。すると、歩留まりが向上し、半導体セ
ンサの製造コストを下げることができる。

【００４８】また、請求項３のような製造方法を用いて
半導体センサを形成するようにすると、複数の金属突起
が積み重ねられた突起を持つ半導体センサの製造が容易
になる。さらに、請求項４のような製造方法を用いる
と、請求項３の製造方法に比べてさらに半導体センサの
製造時の破損率を低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来例を示す図（その１）である。

【図２】従来例を示す図（その２）である。

【図３】本発明に係る半導体センサの第１の実施の形態
を示す図である。

【図４】第１の実施の形態に用いられる半導体センサチ
ップを示す斜視図である。

【図５】本発明に係る半導体センサの製造方法の一実施
の形態を示す工程図（その１）である。

【図６】本発明に係る半導体センサの製造方法の一実施
の形態を示す工程図（その２）である。

【図７】本発明に係る半導体センサの製造方法の一実施
の形態を示す工程図（その３）である。

【図８】本発明に係る半導体センサの製造方法の一実施
の形態を示す工程図（その４）である。

【図９】本発明に係る半導体センサの製造方法の一実施
の形態を示す工程図（その５）である。

【図１０】本発明に係る半導体センサの製造方法の一実
施の形態を示す工程図（その６）である。

【図１１】本発明に係る半導体センサの製造方法の一実
施の形態を示す工程図（その７）である。

【図１２】（ａ）は、本発明に係る半導体センサの第２
の実施の形態の要部を示す斜視図である。（ｂ）は、本
発明に係る半導体センサの第２の実施の形態の要部を示
す平面図である。

【符号の説明】

１０ 半導体センサ １１ 半導体センサチップ １２ 基板 １３ 金属柱 １３ａ 第１金属突起 １３ｂ 第２金属突起 ３０ 平坦部 ３３ はんだ（接合材）

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 回路基板上に半導体センサチップを実装
   するとともに、前記半導体センサチップの電極と前記回
   路基板の配線の間に金属柱を介在させてなる半導体セン
   サであって、 前記金属柱は、複数の金属突起が積み重なって構成され
   ていることを特徴とする半導体センサ。
2. 【請求項２】 前記金属柱を複数個隣接して配置すると
   ともに、それら複数の金属柱間に接合材が充填されてい
   ることを特徴とする請求項１に記載の半導体センサ。
3. 【請求項３】 半導体センサチップの電極と回路基板の
   配線の接続方法であって、 前記電極の上に複数の金属突起を順次積層して金属柱を
   形成する形成工程と、 前記金属柱を前記配線に接続するようにして前記半導体
   センサチップを前記回路基板に実装する工程とを有し、 前記形成工程は、少なくとも前記電極上に第１金属突起
   を形成し、 次いで前記第１金属突起部の上部を平坦化して平坦部を
   形成し、 前記平坦部上に第２金属突起を形成するような工程を含
   むものであることを特徴とする半導体センサの製造方
   法。
4. 【請求項４】 前記金属柱を隣接するように複数配置
   し、 次いで、前記金属柱間に接合材を充填することを特徴と
   する請求項３に記載の半導体センサの製造方法。