JP2009049499A

JP2009049499A - 半導体チップの実装方法及び半導体装置

Info

Publication number: JP2009049499A
Application number: JP2007211327A
Authority: JP
Inventors: Akihiko Naya; 明彦納谷
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2007-08-14
Filing date: 2007-08-14
Publication date: 2009-03-05
Also published as: US7714437B2; US20090045510A1

Abstract

【課題】簡単な構成でありながら半導体チップを所定の湾曲形状にした状態で基板に取り付ける。
【解決手段】リジット基板１３の相対する一対の縁１３ａ，１３ｂに沿って、径サイズが異なる３種類のバンプ１１ａ〜１１ｃをライン状に配列して接合する。縁１３ａの中心部に径サイズが最も小さいバンプ１１ｃが縁１３ａに沿って２個並列され、これらの外側にバンプ１１ｂが、更にその外側に最も径サイズが大きいバンプ１１ａが配置され、縁１３ａに沿って合計６個のバンプ１１ａ〜１１ｃが配列される。縁１３ｂについても縁１３ａと同様にバンプ１１ａ〜１１ｃが配列される。リジット基板１３の上方から可撓性を有する固体撮像素子１２を被せ、固体撮像素子１２の中央部に圧縮空気を吹きつけて凸状に湾曲させながら、固体撮像素子１２の電極をバンプ１１ａ〜１１ｃに接合し、半導体装置１０を得る。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体チップの実装方法及び半導体装置に関し、更に詳しくは半導体チップをパッケージを介さずに基板に直接接続する半導体チップの実装方法及び半導体装置に関するものである。

近年の電子機器の小型化・高性能化により、半導体チップをパッケージを介さずに基板に直接接続する実装方法が注目されてきている。このような実装方法を実施した半導体装置には、可撓性を有する半導体チップしての固体撮像素子を湾曲させて取り付けた固体撮像装置が知られている（特許文献１）。

この固体撮像装置は、撮影レンズの収差により生じる像面湾曲に対応した球面状の湾曲面を基板側に形成し、厚みを薄く加工した固体撮像素子をこの湾曲面に沿わせて接着することにより、簡易な撮影レンズでも撮影画面の全領域に渡って焦点が合うようにしたものである。

一方、固体撮像素子の中には、開口率（受光効率）を向上させるために、電極パッドが形成された表面とは反対の裏面側に照射された光を受光する裏面照射型が知られている。この裏面照射型の固体撮像素子は、基板内部のフォトダイオードに裏面側から光を入射させるために、通常の表面入射型の固体撮像素子より薄板化され、可撓性が得られるので、湾曲させやすい。
特開２００３−１８８３６６号公報

上記特許文献１記載の固体撮像素子として上述した裏面照射型を用いることが考えられるが、固体撮像素子を接着する基板に湾曲面の加工を施すことが面倒であることに変わりはない。特に、基板が固体撮像素子の信号処理等を行なう機能デバイスの場合には、基板に湾曲面の加工を施すことはきわめて困難となる。

本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたもので、簡単な構成でありながら半導体チップを所定の湾曲形状にした状態で基板に取り付けることができる半導体チップの実装方法及び半導体装置を提供することを目的とする。

本発明の半導体装置は、可撓性を有する矩形平板状の半導体チップと、この半導体チップの少なくとも相対する一対の縁に沿って、各縁の中心部に配置されるものよりも両端に配置されるものの方が厚み方向のサイズが大きくなるように、前記各縁の近傍にライン状に配列された複数個のバンプと、このバンプを介して前記半導体チップが接合される基板とからなり、前記半導体チップが前記基板に向かって凸状に湾曲して前記基板に接合されていることを特徴とする。

前記バンプは、前記半導体チップの４辺の各縁に沿ってライン状に配列されていることを特徴とする。また、前記バンプは、前記各縁に沿って配列されたものよりも厚み方向のサイズが小さいものが、前記半導体チップの中央部にも配置されていることを特徴とする。

前記半導体チップは、前記基板と反対側の凹状面に撮像面が設けられた裏面照射型の固体撮像素子であることを特徴とする。また、前記基板には、前記固体撮像素子を駆動する駆動回路、前記固体撮像素子からの撮像信号を信号処理する信号処理回路の一方又は両方が設けられていることを特徴とする。

本発明の半導体チップの実装方法は、可撓性を有する矩形平板状の半導体チップを複数個のバンプを介して基板に接合する半導体チップの実装方法において、前記バンプを、前記半導体チップの少なくとも相対する一対の縁に沿って、各縁の中心部に配置されるものよりも両端に配置されるものの方が厚み方向のサイズが大きくなるように、前記各縁の近傍にライン状に配列し、これらのバンプを介して、前記半導体チップが前記基板に向かって凸状に湾曲した状態で前記基板に接合することを特徴とする。

本発明の半導体チップの実装方法及び半導体装置によれば、半導体チップの少なくとも相対する一対の縁に沿って、各縁の中心部に配置されるバンプよりも両端に配置されるバンプの方が厚み方向のサイズが大きくなるようにバンプをライン状に配列し、これらのバンプを介して半導体チップを基板に向かって凸状に湾曲した状態で接合するから、簡単な構成でありながら半導体チップを所定の湾曲形状にした状態で基板に取り付けることができる。

また、バンプを半導体チップの４辺の各縁に沿ってライン状に配列したので、半導体チップの湾曲形状をより強固に維持できる。また、各縁に沿って配列されたバンプよりも厚み方向のサイズが小さいバンプを半導体チップの中央部にも配置したので、半導体チップの湾曲形状をより強固に維持できる。

また、半導体チップは裏面照射型の固体撮像素子であるから、通常の表面入射型の固体撮像素子より薄板化され、容易に湾曲できるとともにフリップチップ実装でき、容易に所定の湾曲形状にした状態で基板に取り付けることができる。また、基板に、固体撮像素子を駆動する駆動回路及び／又は固体撮像素子からの撮像信号を信号処理する信号処理回路を設けたから、半導体装置を小型化，薄型化することが容易にできる。

本発明の半導体装置１０は、図１に示すように、径サイズが異なる３種類の球状をした銅製のバンプ１１ａ〜１１ｃを用い、可撓性を有する矩形平板状をした半導体チップとしての固体撮像素子１２を、剛性を有する基板であるリジット基板１３に対して、凸状に湾曲させて半田接合したものである。

バンプ１１ａ〜１１ｃの径サイズの大きさは、１１ａ＞１１ｂ＞１１ｃの順位となっている。バンプ１１ａ〜１１ｃは、銅製であるから半田接合を行なう際の熱程度では径サイズは変わらない。バンプ１１ａ〜１１ｃは、リジット基板１３の相対する一対の縁１３ａ，１３ｂに沿ってライン状に配列されている。

縁１３ａの中心部に径サイズが最も小さいバンプ１１ｃが縁１３ａに沿って２個並列され、これらの外側にバンプ１１ｂが、更にその外側に最も径サイズが大きいバンプ１１ａが配置され、縁１３ａに沿って合計６個のバンプ１１ａ〜１１ｃが配列される。また、縁１３ｂについても縁１３ａと全く同様にバンプ１１ａ〜１１ｃが配列される。

固体撮像素子１２は、図２に示すように、電極パッド１４が形成された表面１２ａとは反対の裏面１２ｂ側に照射された光を受光する裏面照射型固体撮像素子である。

受光素子１５は、半導体基板１６内に形成された埋め込み型のフォトダイオードからなり、裏面１２ｂ側から入射した光を受光する。受光素子１５は、数μｍのピッチで、半導体基板１６内に２次元配列されている。半導体基板１６は、裏面１２ｂ側からの入射を可能とするように、５０μｍ以下（好ましくは、約１０μｍ）の厚みに薄板化されており、その結果、可撓性を有する。半導体基板１６の裏面１２ｂ側には、入射光を分光するためのカラーフィルタ１７と、各受光素子１５に入射光を集光するためのマイクロレンズ１８とが設けられている。

受光素子１５は、入射光を受け、光量に応じた信号電荷を生成する。半導体基板１６の表面１２ａ側には、受光素子１５に蓄積された信号電荷を、電荷転送路（固体撮像素子１２がＣＣＤ型の場合）やアンプ（固体撮像素子１２がＣＭＯＳ型の場合）に転送するための転送電極（ゲート電極）１９が設けられている。

転送電極１９は、ポリシリコンなどからなり、その周囲は、酸化シリコンなどからなる層間絶縁層２０により覆われている。層間絶縁層２０の表面は平坦化されている。層間絶縁層２０上には、コンタクト（図示せず）を介して転送電極１９に接続された、アルミニウムなどからなる配線層２１が形成されており、配線層２１上には、酸化シリコンなどからなる保護絶縁層２２が形成されている。なお、配線層２１は、表面１２ａ側に設けられた前述の電極パッド１４に接続されている。また、この電極パッド１４上には、クリーム半田２３が塗布される。

リジット基板１３は、固体撮像素子１２と同形状でほぼ同じサイズの矩形平板状をしている。リジット基板１３内には、図３に示すように、周辺回路２５が設けられている。周辺回路２５は、駆動回路２６、アナログ信号処理回路（ＡＦＥ）２７、及びデジタル信号処理回路（ＤＳＰ）２８によって構成されている。

駆動回路２６は、ＡＦＥ２７から入力されるタイミング信号に基づいて固体撮像素子１２の駆動信号を生成し、生成した駆動信号を固体撮像素子１２に入力して、撮像動作を行わせる。ＡＦＥ２７は、２重相関サンプリング／オートゲインコントロール（ＣＤＳ／ＡＧＣ）回路２９と、Ａ／Ｄ変換器３０と、タイミング信号発生器（ＴＰＧ）３１とからなる。

ＣＤＳ／ＡＧＣ回路２９は、固体撮像素子１２から出力された撮像信号に対して２重相関サンプリングを行い、ノイズを低減するとともに、信号量に応じた利得調整を行う。Ａ／Ｄ変換器３０は、ＣＤＳ／ＡＧＣ回路２９により処理が施された撮像信号を、アナログ信号からデジタル信号に変換する。

ＴＰＧ３１は、ＣＤＳ／ＡＧＣ回路２９、Ａ／Ｄ変換器３０、及び駆動回路２６にタイミング信号を与え、動作の同期を図る。ＤＳＰ２８は、ＡＦＥ２７から入力されたデジタル形式の撮像信号に対して、色補間、輝度／色差（Ｙ／Ｃ）変換、ガンマ補正、輪郭補正、ホワイトバランス補正などの所定の信号処理を施し、デジタル形式の画像データを生成する。

リジット基板１３の表面１３ｃには、図４に示すように、周辺回路２５から駆動信号を固体撮像素子１２に伝達するため、あるいは、固体撮像素子１２から出力された撮像信号を周辺回路２５に取り込むための電極３３が設けられており、これらの電極３３の上には、クリーム半田３４が塗布されている。

クリーム半田３４を加熱溶融することによりバンプ１１ａ〜１１ｃを電極３３等に半田接合するのであるが、この際に、図５に示すように、リジット基板１３の表面１３ｃに板状のマスク３６を被せる。このマスク３６には、バンプ１１ａ〜１１ｃの各径サイズに対応したサイズの矩形状をした開口部３６ａ〜３６ｃが形成されている。なお、開口部３６ａ〜３６ｃは矩形状に限らず、円形でもよい。

以下、図６のフローチャートに従って説明する。リジット基板１３の表面１３ｃにマスク３６を被せ（ｓｔ１）、まず最も大きな開口サイズの開口部３６ａに対応した最も大きな径サイズのバンプ１１ａを入れる。バンプ１１ａを開口部３６ａに入れ終わったら、次に、二番目に大きな開口サイズの開口部３６ｂに対応した二番目に大きな径サイズのバンプ１１ｂを入れる。最後に、最も小さい開口サイズの開口部３６ｃに対応した最も小さい径サイズのバンプ１１ｃを入れる（ｓｔ２）。このように大きいバンプから順番に開口部に入れることにより、それよりも小さい開口部には入らないので、容易に各開口部に対応したバンプを入れることができる。

この結果、図４に示すように、開口部３６ａ〜３６ｃにバンプ１１ａ〜１１ｃが嵌まり込み、バンプ１１ａ〜１１ｃがクリーム半田３４の真上に載置されるように位置決めされる。この状態で加熱炉に入れ、加熱すると、クリーム半田３４が溶融する。この後、加熱炉から取り出して冷却すると、クリーム半田３４が固化してバンプ１１ａ〜１１ｃが電極３３に半田接合される（ｓｔ３）。この後、マスク３６をリジット基板１３の上から取り外す。これにより、図６に示すように、リジット基板１３の相対する一対の縁１３ａ，１３ｂに沿ってライン状にバンプ１１ａ〜１１ｃが配設される。

図７に示すように、リジット基板１３の上に固体撮像素子１２を被せるように載置すると、固体撮像素子１２は径サイズが最も大きいバンプ１１ａに支持される。上方から固体撮像素子１２の中央部に圧縮空気を吹きつけると、固体撮像素子１２は可撓性を有するから、図８に示すように、固体撮像素子１２の縁部がバンプ１１ａ〜１１ｃの各上部に押しつけられ、固体撮像素子１２はリジット基板１３に対して凸状に湾曲する。なお、圧縮空気の代わりに、治具（工具）で押しつけてもよい。

固体撮像素子１２が湾曲した状態のまま半導体装置１０を加熱炉に入れ、加熱すると、固体撮像素子１２のクリーム半田２３が溶融する。この後、加熱炉から取り出して冷却すると、クリーム半田２３が固化して、固体撮像素子１２の電極パッド１４がバンプ１１ａ〜１１ｃに半田接合される（ｓｔ４）。なお、クリーム半田２３は、クリーム半田３４の溶融温度よりも低い温度で溶融するように設定されており、クリーム半田２３の溶融時にクリーム半田３４が溶融してリジット基板１３の電極３３からバンプ１１ａ〜１１ｃが外れてしまうようなことはない。

固体撮像素子１２の裏面１２ｂの湾曲の曲率は、所定のレンズユニット（図示せず）の撮影レンズ３８の像面湾曲に対応しており、このレンズユニットに半導体装置１０を組み込んだ際に、撮影レンズ３８の像面湾曲による収差が補正される。この結果、半導体装置１０で撮影される撮影画面は、全領域に渡って焦点が合う。

次に、本発明の第２実施形態を示す図９において、本実施形態の半導体装置４０は、第１実施形態の固体撮像素子１２の中央部とリジット基板１３の中央部との隙間に、バンプ１１ｃよりも径サイズが小さい４個のバンプ１１ｄを追加して配置したものである。これによって、固体撮像素子１２の湾曲形状がより強固に維持される。なお、バンプ１１ｄをリジット基板１３に半田接合するには、マスク３６にバンプ１１ｄの位置及び径サイズに対応する開口部を形成したマスクを使用する。

次に、本発明の第３実施形態を示す図１０において、本実施形態の半導体装置４２は、ほぼ正方形をした固体撮像素子４３の全周にわたってバンプ１１ａ〜１１ｃで支持するようにしたものである。固体撮像素子４３の四隅に径サイズが最も大きいバンプ１１ａを配設し、第１実施形態と同様に、固体撮像素子４３の各辺の中間部に向かって徐々に径サイズが小さくなるようにバンプ１１ｂ，１１ｃを配置してある。このように固体撮像素子の全周にわたってバンプを配置する構成は、正方形や大サイズの固体撮像素子において特に有利である。

符号４４は、固体撮像素子４３とほぼ同じサイズの正方形をしたリジット基板である。また、リジット基板４４にバンプ１１ａ〜１１ｃを半田接合するには、第１実施形態と同様に、リジット基板４４に対応したほぼ正方形のマスクにバンプ１１ａ〜１１ｃの径サイズに対応した開口部を形成したものを使用すればよい。

次に、本発明の第４実施形態を示す図１１において、本実施形態の半導体装置４６は、第３実施形態の固体撮像素子４３の中央部とリジット基板４４の中央部との隙間に、第２実施形態と同様に、バンプ１１ｄを追加配置したものである。これによって、固体撮像素子４３の湾曲形状がより強固に維持される。なお、バンプ１１ｄをリジット基板１３に半田接合するには、第３実施形態で使用するマスクにバンプ１１ｄの位置及び径サイズに対応する開口部を形成したものを使用すればよい。

以上説明した実施形態では、バンプの各径サイズに対応した複数種類の開口部が形成された１枚のマスクを用いて一度にバンプの位置決め及び半田接合を行なったが、異なる径サイズのバンプ毎に１枚ずつのマスクを用意し、マスクを取り替えながら各バンプの位置決め及び半田接合を行なうようにしてもよい。

上記実施形態では、使用するバンプの数を第１実施形態では１２個、第２実施形態では１６個、第３実施形態では２０個、第４実施形態では２４個としたが、本発明がこのようなバンプの数に限定されないのは勿論である。また、上記実施形態では、バンプの径サイズを３種類又は４種類としたが、本発明はこれに限定されることなく、例えば２種類や５種類としてもよい。

上記実施形態では、バンプを球形状として径サイズを変化させることにより厚み方向のサイズを変えたが、本発明はこれに限定されることなく、例えばバンプを円柱形状としてこの高さを変化させることにより厚み方向のサイズを変えるようにしてもよい。

上記実施形態では、バンプを銅製としたが、本発明はこれに限定されることなく、導電性を有し、半田接合が可能で、かつ半田接合時の熱で径サイズが変化しない金属製であればよく、例えば金製でもよい。また、接合手段として半田の代わりに導電性接着剤を用いることもできる。この場合には、耐熱性や半田容易性を考慮する必要がないため、バンプは導電性さえ良好であればよく、例えば半田製やアルミニウム製でもよい。

上記実施形態では、固体撮像素子の厚みを裏面照射型に適した５０μｍ以下としたが、本発明はこれに限定されることなく、固体撮像素子が可撓性を有する厚みであればよい。また、上記実施形態では、リジット基板を固体撮像素子と同形状でほぼ同じサイズの矩形平板状としたが、本発明はこれに限定されることなく、固体撮像素子が接合可能なサイズ及び形状であればよい。

上記実施形態では、リジット基板を固体撮像素子の信号処理等を行なう機能デバイスとしたが、本発明はこれに限定されることなく、例えば固体撮像素子を支持するとともに半導体装置が取り付けられるデジタルカメラ等の制御系と固体撮像素子との信号の授受を仲介する基板であってもよい。

本発明の第１実施形態である半導体装置の外観を示す斜視図である。固体撮像素子の構造を概略的に示す断面図である。リジット基板の内部に設けた周辺回路の構成を示すブロック図である。リジット基板，マスク，バンプの関係をマスクを破断して示す説明図である。リジット基板，マスク，バンプの関係を示す斜視図である。本発明に係る主なシーケンスを示すフローチャートである。リジット基板上のバンプに固体撮像素子が支持され、上方から圧縮空気を固体撮像素子に吹きつける様子を示す説明図である。固体撮像素子を湾曲させた状態を示す説明図である。本発明の第２実施形態の外観を示す斜視図である。本発明の第３実施形態の外観を示す斜視図である。本発明の第４実施形態の外観を示す斜視図である。

符号の説明

１０，４０，４２，４６半導体装置
１１ａ〜１１ｄバンプ
１２，４３固体撮像素子
１３，４４リジット基板
３６マスク
３６ａ〜３６ｃ開口部

Claims

可撓性を有する矩形平板状の半導体チップと、
この半導体チップの少なくとも相対する一対の縁に沿って、各縁の中心部に配置されるものよりも両端に配置されるものの方が厚み方向のサイズが大きくなるように、前記各縁の近傍にライン状に配列された複数個のバンプと、
このバンプを介して前記半導体チップが接合される基板と
からなり、前記半導体チップが前記基板に向かって凸状に湾曲して前記基板に接合されていることを特徴とする半導体装置。
前記バンプは、前記半導体チップの４辺の各縁に沿ってライン状に配列されていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
前記バンプは、前記各縁に沿って配列されたものよりも厚み方向のサイズが小さいものが、前記半導体チップの中央部にも配置されていることを特徴とする請求項１または２記載の半導体装置。
前記半導体チップは、前記基板と反対側の凹状面に撮像面が設けられた裏面照射型の固体撮像素子であることを特徴とする請求項１ないし３いずれか記載の半導体装置。
前記基板には、前記固体撮像素子を駆動する駆動回路、前記固体撮像素子からの撮像信号を信号処理する信号処理回路の一方又は両方が設けられていることを特徴とする請求項４記載の半導体装置。
可撓性を有する矩形平板状の半導体チップを複数個のバンプを介して基板に接合する半導体チップの実装方法において、
前記バンプを、前記半導体チップの少なくとも相対する一対の縁に沿って、各縁の中心部に配置されるものよりも両端に配置されるものの方が厚み方向のサイズが大きくなるように、前記各縁の近傍にライン状に配列し、これらのバンプを介して、前記半導体チップが前記基板に向かって凸状に湾曲した状態で前記基板に接合することを特徴とする半導体チップの実装方法。