JP6163009B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、光センサを有する半導体装置の製造方法に関する。

フォトダイオード（以下、ＰＤと呼ぶ）を実装した半導体チップを透明樹脂を用いて封入した半導体装置（ＰＤ素子）が知られている。このようなＰＤ素子は、透明樹脂の表面に入射する光をＰＤが受光して光信号を出力する。ＰＤ素子を製造する際、透明樹脂の表面の平坦度が不十分であると、ＰＤ素子に入射した光がＰＤチップに十分入射せず、ＰＤ素子の性能が十分利用されない、あるいはＰＤ素子を用いた回路が動作しない等の不具合を生じることがある。特に、複数のＰＤを実装した半導体チップを有するＰＤ素子では、表面の平坦度が十分でないと、複数のＰＤへの光の入射量を同一にできず、複数の半導体チップの動作特性を揃えることが難しくなる。

特許文献１には、透明樹脂の表面を平坦にする方法として、光透過性樹脂を充填するために半導体素子の周縁に所定の高さのダムを設ける方法が開示されている。
また特許文献２には、充填した透明樹脂を押圧しつつ加熱して硬化させて平坦に加工することが記載されている。

特開平７−２９７３２４号公報 特開２００５−２６８４４０号公報

特許文献１の方法は、樹脂の流動性を利用して表面の平坦化を行うものであるが、封止される半導体チップやボンディングワイヤ等の形状およびこれら熱膨張の影響を受けて、表面には１０μｍ程度の起伏が生じる。また特許文献２の方法では、封止部材を押圧しながら加熱して硬化させるため、押圧する金属板に封止部材が付着しやすく、平坦化後に金属板を除去する際に表面が剥がれる等の損傷が発生する可能性がある。

（１）請求項１に記載の半導体装置の製造方法は、基板と、前記基板に実装され、基板上の電極とワイヤで接続された半導体チップと、前記半導体チップを基板上で封止する透明樹脂とを有する半導体装置の製造方法であって、前記ワイヤが露出しない程度に透明樹脂（以下、第１ポッティング樹脂）をポッティングする第１の工程と、前記第１の工程でポッティングした前記第１ポッティング樹脂を、第１の温度に加熱して半硬化する第２の工程と、半硬化した前記第１ポッティング樹脂の表面に透明樹脂（以下、第２ポッティング樹脂）をポッティングする第３の工程と、前記第１ポッティング樹脂と前記第２ポッティング樹脂とを加熱して硬化させる第４の工程とを有し、前記第４の工程は、前記第１ポッティング樹脂と前記第２ポッティング樹脂を前記第１の温度と略等しい温度で第１の時間硬化させる先工程と、前記第１の時間経過後に、前記第１の温度よりも高い第２の温度で第２の時間硬化させる次工程とを含むことを特徴とする。
（２）請求項２に記載の半導体装置の製造方法は、請求項１記載の半導体装置の製造方
法において、前記第４の工程の先工程での硬化温度は、前記第２の工程の半硬化時の温度と略等しいことを特徴とする。
（３）請求項３に記載の半導体装置の製造方法は、請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法において、前記第１ポッティング樹脂の屈折率と前記第２ポッティング樹脂の屈折率とは略等しいことを特徴とする。

本発明によれば、フォトダイオード等の光学素子が実装された半導体チップを封止する透明樹脂の表面を容易にかつ損傷なく平坦にすることができ、半導体装置の性能を向上することができる。

（ａ）は、本発明による半導体装置を示す断面図、（ｂ）はその上面図 （ａ）〜（ｃ）は、比較例の半導体装置の製造工程を説明する図 図２（ｃ）に示す樹脂硬化後の樹脂表面に生じた高低差を等高線により模式的に示した図 （ａ）〜（ｄ）は、本発明による半導体装置の製造方法の手順を説明する図

図１〜４を参照して、本発明による半導体装置およびその製造方法の実施形態を説明する。
図１は、本発明による半導体装置１０を説明する図である。図１（ａ）は、半導体装置１０の断面図、図１（ｂ）は上面図である。なお、図１（ａ）は（ｂ）のＩａ-Ｉａ線で切断して示す図である。
半導体装置１０は、基板５と、基板５に実装された半導体チップ１と、封止樹脂である透明樹脂７とを有している。基板５は、有機材料であるガラスエポキシ、セラミックなど、透明樹脂７の素材により変性されない絶縁物質が用いられる。

基板５の上面には半導体チップ１が実装されている。半導体チップ１は、たとえばフォトダイオード（ＰＤ）２を２つ搭載した半導体チップであり、透明樹脂７の表面に入射される光を受光して光信号を出力する。半導体チップ１は上面に電極を有し、この電極はボンディングワイヤ３によって基板５の電極４と接続されている。

図１（ｂ）に示すように、半導体装置１０は、上下左右の四辺にそれぞれリード４を６つずつ有している。左右の６つのリード４はすべてのボンディングワイヤ３で半導体チップ１と接続され、上下の６つのリード４は２つのリード４がボンディングワイヤ３で半導体チップ１と接続されている。したがって、左右のボンディングワイヤ３の間隔は上下のボンディングワイヤ３の間隔よりも短く、配置密度が高い。

透明樹脂７は、ワイヤ３が露出しない高さまで硬化された第１の透明樹脂の層７ａと、第１の透明樹脂の層の表面に積層されて硬化された第２の透明樹脂の層７ｂから構成されている。

なお、図１では、説明の便宜上、各辺６つのリード４を示しているが、通常十数個のリードが設けられ、ボンディングワイヤ３も十数本設けられる。

（比較例による透明樹脂の封止方法）
図２および図３により、図１に示した半導体装置１０の比較例について説明する。図２は、比較例である半導体装置１１０の透明樹脂封止方法を説明する比較例を示す。ここでは説明のため、半導体チップ１は、その両側にのみボンディングワイヤ３があるとしている。なお、図２に示す方法は、たとえば特許文献１に示すように、樹脂の流動性のみを利用して樹脂表面の平坦化を行う方法に相当する。
図３は、ポッティングされて硬化した透明樹脂7０の表面形状、すなわち凹凸を等高線により模模式的に示すものである。

図２（ａ）は、ボンディングワイヤ３で半導体チップ１とリード４とを接続した工程が終了した中間製品１１０Ａを示す。図２（ａ）の中間製品１１０Ａに対して、流動性のある透明樹脂７０をポッティングして半導体チップ１を樹脂封止する。図２（ｂ）は、この工程終了時の中間製品１１０Ｂの断面図である。

図２（ｂ）の中間製品１１０Ｂに適宜熱を加えて透明樹脂７０を硬化させる。このとき、半導体装置１１０を構成する半導体チップ１、ボンディングワイヤ３、リード４、基板５のそれぞれの膨張率の違いにより、透明樹脂７０は、ボンディングワイヤ３の上部が持ち上がるように変形して硬化する。図２（ｃ）は、透明樹脂７０を硬化させて得られた半導体装置１１０の最終形状を模式的に示す図である。このような封止樹脂の表面の変形の程度は、半導体装置１１０を構成するそれぞれの部材の膨張率および使用する透明樹脂７０の量（厚さ）および加熱温度に依存する。

図２に示す例では、透明樹脂７０として加熱温度１２０℃程度で硬化（重合）が開始するようなエポキシ樹脂および硬化剤を用い、樹脂の厚さがチップ上で約２００〜４００μｍ程度となるようにしている。この樹脂厚さはボンディングワイヤ３が十分樹脂で覆われる程度で、できるだけ薄く設定される。

図２（ｃ）に示す半導体装置、すなわち、透明樹脂７０を加熱硬化させた半導体装置１１０の透明樹脂７０の表面の凹凸を３次元的に表す図が図３である。図３のＩＩ-ＩＩ線で切断した断面が図２に対応している。
この例では、ボンディングワイヤ３の直上で樹脂が最も盛り上がり、ボンディングワイヤ３の周辺に比べてチップ上で最大１６μｍ程度の高度差を生じている。これは以下の理由によると思われる。

図１に示すようなＰＤ素子２を２個搭載したような半導体チップ１においては、ボンディングワイヤ３は、通常十数本設けられている。図１（ｂ）に示すように、上下に比べて左右の２辺に多くのボンディングワイヤ３が集中するような構造では、ボンディングワイヤの上部の樹脂が、半導体チップ１上のワイヤが無い部分と比較して、リード外周部より１０〜３０μｍ程度盛り上がるものと思われる。換言すると、樹脂表面の凹凸、すなわち高度差はとくにボンディングワイヤ３の配線密度に影響を受けると思われる。

図２で示すような透明樹脂７０の表面、すなわち、半導体装置１０の光入射面に凹凸が形成されると、入射した光がＰＤ素子２に十分到達しなかったり、また凹凸によっては、図１のような２つのＰＤ素子２に入射する光量が不均一になり、半導体装置１０の特性に大きな影響を与えることになる。本発明は、このような透明樹脂表面の凹凸の低減を図るものである。

以下に説明するように、本発明は透明樹脂が完全に硬化する途中の半硬化した状態の樹脂の表面状態を利用するものである。

（本発明による透明樹脂の封止方法）
図４は、本発明による半導体装置の製造方法を説明する概略図である。図４では、説明を簡単にするため図２と同様に単純な構造の半導体装置１０としている。

図４（ａ）に示す中間製品１０Ａを以下の３つの工程により作製する。
電極であるリード４を有する基板５を作製する基板作成工程。
基板５の上面に半導体チップ１を実装する実装工程。
半導体チップ１の上面の電極と基板５のリード４とをワイヤ３で接続する接続工程。

図４（ａ）に示す中間製品１０Ａの上面に透明樹脂７Ａをポッティングした様子を図４（ｂ）の中間製品１０Ｂで示す。中間製品１０Ｂを所定温度で所定時間加熱して半硬化させる。図４（ｃ）は半硬化した中間製品１０Ｃを示す。第１回目にポッティングした透明樹脂の半硬化後の表面の起伏の大きさは、半導体チップ、基板、ボンディングワイヤ等の幾何形状や熱膨張特性等に依存する。

ポッティング樹脂が完全に硬化していない中間製品１０Ｃの樹脂、すなわち半硬化樹脂の上面に、更に透明樹脂を所定量ポッティングし、所定温度で所定時間加熱して硬化させる。これが図４（ｄ）に示す最終製品１０Ｄ、すなわち半導体装置１０である。

２回目の透明樹脂のポッティング量は、１回目にポッティングした透明樹脂が半硬化して、図４（ｃ）のように表面に生じた起伏を十分均す程度の厚さとなる量とする。たとえば、図４に示す例では、起伏の最も深い場所を基準にして１０〜３０μｍ程度以上の厚さを埋めるに十分な量の透明樹脂をポッティングする。２回目の透明樹脂ポッティング量は、２回目にポッティングする樹脂の粘性に依存する。粘性が十分低い場合は、上述したような２０μｍ程度のポッティング量で、十分に平坦な表面が得られる。

い
一般にエポキシ樹脂は所定の温度以上で硬化し、この温度に依存する所定の時間で硬化が完了する。本発明では、数時間〜１５時間程度で硬化が完了するような条件としている。この条件には、樹脂成分、硬化剤、加熱温度が含まれる。

硬化が完了すると、樹脂表面は粘着性および追加の流動性の透明樹脂への濡れ性を失い、この流動性の透明樹脂を追加ポッティングしても追加樹脂が十分広がらず、表面が平坦にならない。したがって、本発明による製造方法においては、最初（１回目）にポッティングした透明樹脂が半硬化した状態で、加熱オーブンから半導体装置を取り出して、流動性のある低温（室温）状態の透明樹脂を再度（２回目）ポッティングするものである。

なお、この図４（ｃ）に示した中間製品１０Ｃの半硬化樹脂の表面の起伏、すなわち凹凸は、たとえばエポキシ樹脂では、所定の硬化開始温度より数度高い程度の温度で１時間程度加熱すると、図２（ｃ）に示す比較例の中間製品１１０Ｃ、すなわち、完全に硬化した樹脂表面とほぼ同じ程度の起伏となることを実験により確認している。また、この程度の加熱による半硬化では、半硬化した樹脂表面の追加の樹脂に対する濡れ性は良好であり、追加された樹脂は図４（ｄ）のようにその表面が平坦になるように広がる。この状態で加熱オーブンに再投入して、この形状のまま完全に硬化させると、表面の高度差が少ない半導体装置１０を得ることができる。

たとえばエポキシ樹脂の硬化開始温度が１２０℃である場合、１２５℃程度で１時間加熱し、その後オーブンから取り出して２回目の樹脂をポッティングし、再度加熱して硬化させる。加熱温度を高くすると硬化時間は短くなるが、この例で１２５℃を大幅に超えるような温度で加熱すると、半導体装置の構成要素の熱膨張の影響により、半硬化状態の樹脂の表面に再度起伏が生じることもある。完全に硬化させる処理を２段階、すなわち、第１段階は１２５℃で数時間（たとえば、７時間）、第２段階は１５０℃で数時間（たとえば、７時間）加熱すると、第１段階の加熱で、その後にさらに高い温度で加熱しても変形しない程度に十分に硬化する。したがって、第２段階で高い温度で硬化させることにより、樹脂の再ポッティング後の硬化を短時間で完了することができる。

なお、エポキシ樹脂の硬化開始温度を１２０℃、第１段階の温度を１２５℃、第２段階の温度を１５０℃として説明したが、これらの値は１例であり、適宜、選択することができる。

以上説明した実施形態による半導体装置１０は、基板５と、基板５に実装され、基板５上の電極とワイヤ３で接続された半導体チップ１と、半導体チップ１を基板５上で封止する透明樹脂７とを有する。透明樹脂7の層は、ワイヤ３が露出しない高さまで硬化された第１の透明樹脂の層７ａと、第１の透明樹脂の層７ａの表面に積層されて硬化された第２の透明樹脂の層７ｂとから構成される。

この半導体装置１０の製造方法は、ワイヤ３が露出しない程度に透明の第１ポッティング樹脂をポッティングする第１の工程と、第１の工程でポッティングした第１ポッティング樹脂を加熱して半硬化する第２の工程と、半硬化した第１ポッティング樹脂の表面に透明の第２ポッティング樹脂をポッティングする第３の工程と、第１ポッティング樹脂と第２ポッティング樹脂とを加熱して硬化させる第４の工程とを備える。

なお、図４（ａ）〜（ｄ）では、一つの半導体装置１０を製造する工程を説明したが、本発明による半導体装置は、１枚の基板５の上に複数個の半導体チップ１を実装し、各半導体チップ１の上部を２層の樹脂層７ａ，７ｂで構成される透明樹脂７で一括して覆い、最後に個片化して作製することができる。

以上説明した実施形態の半導体装置およびその製造方法によれば、以下の作用効果を奏することができる。
（１）１回目にポッティングした透明樹脂が半硬化した状態で、透明樹脂の２回目のポッティングを行って硬化させることで、樹脂表面の起伏、すなわち凹凸（高度差）を数μｍ以下に抑えることができる。
（２）そして、このような製造方法で作製された半導体装置によれば、入射面の凹凸が数μｍ以下であり、たとえば、ＰＤを２個並設した場合でも、各ＰＤに正しく光が導入される。

上述した実施形態は以下のように適宜変形して実施することができる。
（１）第２回目にポッティングする透明樹脂の粘性は、第１回目にポッティングする透明樹脂の粘性と異なっていてもよい。上記で説明したように、第２回目にポッティングした透明樹脂は、１回目にポッティングした透明樹脂とともに、２段階で加熱されて硬化される。２回目にポッティングした透明樹脂が、１回目にポッティングしたものより粘性が小さく、硬化時間が長い場合であっても、第２段階の温度を上記の１５０℃より多少高めに設定することで、硬化時間を短縮することができる。

第１段階の加熱で、１回目にポッティングした透明樹脂が半硬化するので、２回目の透明樹脂は温度によって変形されない。したがって、２回目にポッティングする透明樹脂は、１回目にポッティングした樹脂の表面の起伏を均すために、１回目の透明樹脂と同程度の粘性のものか、あるいは、上記で説明したように２回目の樹脂ポッティング量を少なくするためには、これより粘性の低いものを用いることが好ましい。

（２）１回目と２回目にポッティングされる透明樹脂は同じ屈折率であることが望ましい。異なる屈折率の樹脂を用いると１回目と２回目の境界面で反射や屈折が起こるので好ましくないが、屈折率差が事実上支障にならない範囲では、異なる材料を選択することもできる。エポキシ樹脂に代表される本発明による透明樹脂は、組成により所望の屈折率と粘性のものを適宜使用することが可能である。

（３）透明樹脂としてエポキシ樹脂を用いたものとして説明した。しかしながら、本発明による半導体装置およびこの製造方法では、ＰＤ素子などの半導体素子２の特性（波長感度）を妨げないような波長吸収特性を有し、また、あまり急激に硬化しない、たとえば所定の硬化温度で数時間程度で硬化するような樹脂であればよく、エポキシ樹脂や硬化剤の組成を限定するものでない。

（４）図２では省略しているが、基板５は、平板上の底板部と、底板部の周縁に設けた周壁と、周壁に適宜の間隔で設けたリード部とを予め有する構成としてもよい。この場合、透明樹脂が投入された場合は、周壁をこの透明樹脂の堰き止める壁として用いることができる。
あるいは、たとえば大型のガラスエポキシ基板の上に、半導体チップを搭載する部分以外は不透明な樹脂を積層あるいは封入したような大型のパッケージを用いて、これに多数の半導体チップを搭載し、個々の半導体チップを透明樹脂で封入するような製造方法であってもよい。いずれの方法でも、リード４の周囲の壁が、流動性のある透明樹脂７の堰き止め用の壁として用いられる。

以上の実施形態を次の変形例１〜４のように変形して実施することができる。
（変形例１）
上記では、半導体チップ１にＰＤ素子を２個搭載した例を説明したが、半導体チップ１の構成はこれに限定するものではない。ＰＤ素子が１個のみ搭載されているものであっても、本発明による半導体装置およびその製造方法を用いて、個々の半導体装置における透明樹脂表面の起伏を低減することができるので、半導体装置間の特性のバラツキが抑えられる。また、３個以上のＰＤ素子を搭載したような半導体チップにおいても、同様に本発明を適用できる。

（変形例２）
本発明による半導体装置およびその製造方法は、半導体チップ１にＰＤ素子以外の光学素子、たとえばレーザダイオード（ＬＥＤ）素子が搭載されたものに対しても適用することができる。透明樹脂の表面の起伏が低減されるので、ＬＥＤ素子の発光方向が揃えられるので、特性の均一化を図ることができる。

（変形例３）
半導体チップ１にはＬＥＤ素子とＰＤ素子が搭載されたものであってもよい。本発明により、透明樹脂の表面の起伏が低減されるので、ＬＥＤ素子から放出される光は真っ直ぐ外部に向かう。このため、ＬＥＤ素子の光の透明樹脂７内での乱反射が大幅に低減されるので、ＬＥＤ素子とＰＤ素子が搭載されたものであっても、十分動作可能となる。またこのような半導体チップを備えた半導体装置１個で光による入出力動作が可能となる。あるいは、ＬＥＤ素子から放出された光が外部で反射されたものを同じ半導体チップのＰＤ素子で受光することも可能であり、このような半導体装置を用いて、たとえば外部物体の有無を検出する小型のセンサを製造することが可能となる。

（変形例４）
図１では、ＰＤ素子２個を搭載した半導体チップ１個がパッケージされた半導体装置を示したが、このような半導体チップを複数個備えるような半導体装置においても適用できる。本発明によれば、透明樹脂の表面の起伏が低減されるので、ＰＤ素子やＬＥＤ素子の特性にさらにバラツキを与えることがない。したがって、このような素子を備える半導体装置の特性を揃えることが容易となる。また複数の半導体チップを搭載する場合は、波長感度の異なるＰＤ素子や、発光波長の異なるＬＥＤ素子等を同時に搭載した半導体装置の製造も可能である。このような半導体装置に対しても、特性を容易に揃えることが可能となる。

以上の説明は本発明の実施形態の例であり、本発明はこれらの実施形態や変形例に限定されない。当業者であれば、本発明の特徴を損なわずに様々な変形実施が可能である。たとえば、ＥＰＲＯＭのパッケージの封止に、本発明による半導体装置の製造方法を適用することにより、ＥＰＲＯＭチップ全体に均一に消去光を入射することができ、メモリ消去作業の信頼性を向上することができる。したがって、本発明による半導体チップはフォトダイオード、レーザダイオード、ＥＰＲＯＭなどの光機能素子を有するものである。

１・・・半導体チップ
２・・・フォトダイオード素子（ＰＤ素子）
３・・・ボンディングワイヤ
４・・・リード
５・・・基板
６・・・パッケージ開口部
７・・・透明樹脂
１０、１１０・・・半導体装置
１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ・・・中間製品

Claims (3)

1. 基板と、前記基板に実装され、基板上の電極とワイヤで接続された半導体チップと、前記半導体チップを基板上で封止する透明樹脂とを有する半導体装置の製造方法であって、
   前記ワイヤが露出しない程度に透明樹脂（以下、第１ポッティング樹脂）をポッティングする第１の工程と、
   前記第１の工程でポッティングした前記第１ポッティング樹脂を、第１の温度に加熱して半硬化する第２の工程と、
   半硬化した前記第１ポッティング樹脂の表面に透明樹脂（以下、第２ポッティング樹脂）をポッティングする第３の工程と、
   前記第１ポッティング樹脂と前記第２ポッティング樹脂とを加熱して硬化させる第４の工程とを有し、
   前記第４の工程は、前記第１ポッティング樹脂と前記第２ポッティング樹脂を前記第１の温度と略等しい温度で第１の時間硬化させる先工程と、前記第１の時間経過後に、前記第１の温度よりも高い第２の温度で第２の時間硬化させる次工程とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 請求項１に記載の半導体装置の製造方法において、
   前記第４の工程の先工程での硬化温度は、前記第２の工程の半硬化時の温度と略等しいことを特徴とする半導体装置の製造方法。
3. 請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法において、
   前記第１ポッティング樹脂の屈折率と前記第２ポッティング樹脂の屈折率とは略等しいことを特徴とする半導体装置の製造方法。
   

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