説明

半導体装置及びその製造方法

【課題】素子面積を小さくしたMEMS素子などの電子デバイスを組み込んだ半導体装置及びその製造方法を提供する。
【解決手段】機能素子本体の両面に機能部材が露出するようにして面積を小さくした機能素子をフリップチップ実装するに際し、機能素子本体に第1実装用基板を接合し、その第1実装用基板ごとボンディングツールで吸着して、回路基板へのフリップチップ実装する。また、機能素子本体の両面に空間部を形成する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems、微小電子機械システム)素子などの電子デバイスを組み込んだ半導体装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
従来から、微細加工技術により形成したMEMS素子を組み込んだ半導体素子が知られている(例えば、非特許文献1,非特許文献2)。
【0003】
例えば、MEMS素子は、一般に、機械的に動作する可動部(例えば、RFスイッチや、ミラーなど)と、その可動部を駆動するための駆動部(駆動回路)が、その他の回路部とともに設けられている。従来のMEMS素子は、機械的に動きのあるRFスイッチなどの可動部と駆動部がその素子の一面側に設けられており、他方の面は半導体材料やガラス基材などで覆われている。
【0004】
このMEMS素子を回路基板などに取り付ける場合には、MEMS素子の半導体材料などで覆われている面をボンディングツールで真空吸着して回路基板の所定位置に設置して、加圧・超音波により接着・接続(接合)する。このようにして、一面側にRFスイッチなどの可動部を有するMEMS素子を組み込んだ半導体装置を通常の製造方法によって製造することができる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0005】
【非特許文献1】Gabriel M.Rebeiz 他1名、「RF MEMS Switches and Switch Circuits」、IEEE microwave magazine、December 2001,p59−71
【非特許文献2】Hector J.De Los Santos 他3名、「RF MEMS for Ubiquitous Wireless Connectivity」、IEEE microwave magazine、December 2004,p36−49
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかしながら、従来のMEMS素子は、一面側に機械的に動きのあるRFスイッチなどの可動部とともに駆動部も設けられているから、素子面積が大きくなってしまうという問題があった。また、MEMS素子の構造を工夫して素子面積を小さくしたとしても、そのMEMS素子を回路基板などへ実装する実装方法も併せて実現しなければならない。
【0007】
そこで、本発明は、MEMS素子などの電子デバイスの素子面積を小さくし、素子面積を小さくしたMEMS素子などの電子デバイスを組み込んだ半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
請求項1に記載の半導体装置は、一側11bの表面部の一部に機能部材を露出し、他側11aの表面部の一部に他の機能部材を露出している機能素子本体11と、
該機能素子本体11の前記一側表面部であって機能部材が露出していない部分にバンプ12を介して一側に設けた一側電極パッド15が接合され、他側に他側電極パッド14を設けた第1実装用基板13と、
回路基板本体21の一面に、前記機能素子本体11の前記他側表面部であって機能部材が露出していない部分にバンプ27を介して接合された第1パッド22と、前記第1実装用基板13の他側電極パッド14とワイヤード接続された第2電極パッド23とを有する回路基板20とを備え、
前記機能素子本体11の一側11bに露出された機能部材の部分にバンプ12による第1空間部S1を設け、且つ他側11aに露出された機能部材の部分にバンプ27による第2空間部S2を設けたことを特徴とする。
【0009】
請求項2に記載の半導体装置は、請求項1に記載の半導体装置において、前記機能素子本体11の他側表面部と前記回路基板20との間に第2実装用基板25を備え、
該第2実装用基板25の一面の一側電極パッド26はバンプ27を介して前記機能素子本体11の前記他側表面部であって機能部材が露出していない部分と接合され、
前記第2実装用基板25の他面の他側電極パッド28はバンプ24を介して前記回路基板20の前記第1電極パッド22と接合されることを特徴とする。
【0010】
請求項3に記載の半導体装置の製造方法は、一側11bの表面部の一部に機能部材を露出し、他側11aの表面部の一部に他の機能部材を露出している機能素子本体11がアレイ状に作り込まれている機能素子ウエハを用意するステップと、
前記機能素子ウエハの各機能素子本体11の一側表面部であって機能部材が露出していない部分にバンプ12を形成するステップと、
前記機能素子ウエハの各機能素子本体11の一側表面部のバンプ12に、他側に他側電極パッド14を設けた第1実装用基板13の一側の一側電極パッド15を接合するステップと、
前記第1実装用基板13が接合された機能素子ウエハを劈開して、機能素子本体11にバンプ12を介して第1実装用基板13の一側の一側電極パッド15が接合されバンプ12による第1空間部S1を有する、チップ状の機能素子10を形成するステップと、
前記機能素子本体11と接合するための第1パッド22と、前記第1実装用基板13の他側電極パッド14とワイヤード接続するための第2電極パッド23とを有する回路基板20を用意するステップと、
前記第1実装用基板13が接合されたチップ状の機能素子10を、前記第1実装用基板13の他側をボンディングツールにより吸着して前記回路基板20と対向させ、前記回路基板20の前記第1パッド22と前記機能素子10の機能素子本体11の他側表面部であって機能素子が露出していない部分に配置されたバンプ27とを接合し、バンプ27による第2空間部S2を形成するステップと、
前記第1実装用基板13の他側電極パッド14と前記回路基板20の第2電極パッド23とをワイヤード接続するステップと、
を有することを特徴とする。
【0011】
請求項4に記載の半導体装置の製造方法は、請求項3に記載の半導体装置の製造方法において、前記機能素子本体11の他側表面部11aと前記回路基板20との間を接合するための第2実装用基板25を用意し、
該第2実装用基板25の一面の一側電極パッド26をバンプ27を介して前記機能素子本体11の他側表面部11aであって機能部材が露出していない部分に接合し、前記第2実装用基板25の他面の他側電極パッド28をバンプ24を介して前記回路基板20の前記第1電極パッド22に接合することを特徴とする。
【発明の効果】
【0012】
本発明によれば、機能素子本体11の両面11a,11bに機能部材が露出するようにして面積を小さくしたMEMSなど機能素子10をフリップチップ実装するに際し、機能素子本体11に第1実装用基板13を接合し、その第1実装用基板13ごとボンディングツール(例えば、フリップチップボンダー)で吸着して、回路基板へのフリップチップ実装が実現できる。
【0013】
また、機能素子本体11の両面11a,11bに金ボールなどのバンプ12,27を各々介して実装するから、機能素子本体11の両面側11a,11bに第1,第2空間部S1,S2が形成され、可動部などの機能部材に障害を与えることが避けられる。
【0014】
また、第2実装用基板25を用いることにより、機能素子本体11を回路基板に直接に接合する場合に比して、接合時の加重と超音波を充分に掛けて強制的に接合できるから、回路基板パッドの金メッキがより薄いものを使用できる。従って、一般的に用いられる汎用の回路基板20を採用することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【0015】
【図1】両面の表面部に可動部分が露出したMEMS素子本体の構成例を示す概念図
【図2】ウエハ状態のMEMS素子本体の一側にバンプを形成した図
【図3】ウエハ状態のMEMS素子本体の一側にバンプを介して第1実装用基板を接合した図
【図4】ウエハ状態のMEMS素子本体を劈開したMEMS素子を示す図
【図5】回路基板に第2実装用基板を接合した図
【図6】第2実装用基板を接合した回路基板にMEMS素子をフリップチップ接合した図
【図7】本発明の半導体装置を示す図
【発明を実施するための形態】
【0016】
以下、図面を参照して、本発明のMEMS素子などの電子デバイスを組み込んだ半導体装置及びその製造方法の実施例について説明する。以下、本発明の実施例では、電子デバイスとして、表面部に可動部分を露出している、MEMS素子について説明する。
【0017】
図1は、本発明に係る、両面の表面部に可動部分が露出したMEMS素子本体の構成例を示す概念図である。図1(a)はMEMS素子本体の上面図を示し、同図(b)はMEMS素子本体の下面図を示し、同図(c)はそれらのX−X´断面を模式的に示す図である。
【0018】
図1において、MEMS素子本体1は、例えば上面側と下面側の2層構造に形成されている。その上面側には、図1(a)のように、第1接点2Aと第2接点2Bが所定の距離だけ離されて固定されている。これらの第1,第2接点2A,2Bはそれぞれ、第1出力端子6,第2出力端子7に電気的に接続されている。
【0019】
これら第1接点2Aと第2接点2Bとの間に、共通接点2Cが可動できるように設けられ、その共通接点2Cは弾性を持つ例えばバネ材などによって、共通端子5に電気的機械的に接続されている。
【0020】
MEMS素子本体1の下面側には、図1(b)のように、第1駆動回路3Aと第2駆動回路3Bが対向して固定配置されている。これら第1,第2駆動回路3A,3Bの中間に、これら駆動回路3A,3Bによって駆動されるアマチュア(接極子)3Cが配置される。このアマチュア3Cが上面側の共通接点2Cと機械的に連結されている。
【0021】
このMEMS素子本体1は、図1(c)のX−X´に沿った断面を参照して、例えば、第1駆動回路3Aが駆動されるとマチュア3Cは図中左方向に移動し、これに連結されている共通接点2Cも左方向へ移動して第1接点2Aと接触する。逆に、第2駆動回路3Bが駆動されるとアマチュア3Cは図中右方向に移動し、これに連結されている共通接点2Cも右方向へ移動して第2接点2Bと接触する。このようにして、共通端子5と第1出力端子6或いは第2出力端子7との間の電気的接続状態が切り替えられる。
【0022】
この図1のMEMS素子本体1は、一面側(下面側)に駆動回路及び接極子が配置され、他面側(上面側)にRFスイッチが配置されて、いわゆる二層構造に形成されているから、一つの面側に駆動回路やRFスイッチを配置する、いわゆる一層構造のものに比較して、素子面積を小さくすることができる。
【0023】
この図1のMEMS素子本体1では、二層構造に形成されることに伴って、一面側(下面側)及び他面側(上面側)の表面部に機械的な動きを行う可動部分が存在することになるから、その両面に可動部分の動きに障害を与えないように空間部分を形成することが必要となる。また、MEMS素子本体1を回路基板などへ実装する際には、そのままでは真空吸着を行う通常のボンディングツールは,可動部分に影響を与えるおそれがあるから使用することが難しい。
【0024】
なお、図1のMEMS素子本体は例として示した双投型の構成図であり、この型式に限ることなく、機械的に動作する構成部分が両面に露出する構造のMEMS素子本体であれば、単投型のものやその他の駆動構造のものにも本発明が適用される。また、MEMS素子本体1の上面側と下面側に設ける、共通接点とアマチュアとを、上下を逆に配置してもよい。
【0025】
このような構造上、実装上の問題を解決する、本発明の半導体装置及びその製造方法の実施例を、図2〜図7を参照して説明する。
【0026】
図2は、ウエハ状態のMEMS素子本体の一側にバンプを形成した図である。図2において、MEMSウエハには、機能素子本体であるMEMS素子本体11がアレイ状に多数形成されている。個々の機能素子本体11の一側11bの表面部の一部に機能部材である例えば図1の接極子3C(可動部材)が露出しており、他側11aの表面部の一部に他の機能部材である例えば図1の共通接点2C(可動部材)が露出している。
【0027】
このMEMSウエハの各MEMS素子本体11の一側11bの表面部であって可動部材が露出していない部分に、例えば金ボールで形成されたバンプ12を形成する。
【0028】
図3は、ウエハ状態のMEMS素子本体11の一側に金ボール12を介して第1実装用基板13を接合した図である。図3において、MEMS素子ウエハの各MEMS素子本体11の一側11bの表面部の金ボール12に、第1実装用基板13の一側の一側電極パッド15を接合する。この第1実装用基板13の他側には他側電極パッド14が設けられており、第1実装用基板13の一側と他側とがビアホールの導電部材を介して電気的に結合されている。
【0029】
図4は、ウエハ状態のMEMS素子本体を劈開して得られたMEMS素子10を示す図である。このMEMS素子10は、MEMS素子本体11の一面11bの表面部に金ボール12を介して第1実装用基板13の一側電極パッド15が接合されている。
【0030】
このMEMS素子10の一面側11bには、バンプである金ボール12が存在することにより、MEMS素子本体11の一面11bと第1実装用基板13の一面と金ボール12とで形成される第1空間部S1が確保される。この第1空間部S1により、MEMS素子本体11の一面11bに露出される機能部材(可動部材)の動きが妨げられ難くなる。
【0031】
図5は、回路基板20に第2実装用基板25を接合した図である。図5において、第2実装用基板25(もしくは、MEMS素子本体11)と接合するための第1パッド22と、第1実装用基板13の他側電極パッド14とワイヤード接続するための第2電極パッド23とを有する回路基板20を用意する。
【0032】
次に、MEMS素子本体11の他側表面部11aと回路基板20との間を接合するための第2実装用基板25を用意する。この第2実装用基板25の一面には、一側電極パッド26が設けられており、他面には他側電極パッド28が設けられている。この第2実装用基板25の他面の他側電極パッド28をバンプである金ボール24を介して回路基板20の第1電極パッド22に接合する。また、この例では、一側電極パッド26にはバンプである金ボール27を設けている。ただ、MEMS素子本体11の強度が確保される場合には、この金ボール27をMEMS素子本体11の他側11aに予め設けておくこともできる。
【0033】
回路基板20は内部に所要の回路部を有しており、また、第2実装用基板25は一側と他側とがビアホールを介して電気的に結合されている。これらの回路基板20,第1実装用基板13、及び第2実装用基板25は、LTCC(Low Temperature Co−fired Ceramic;低温度焼成)基板で構成することがよい。
【0034】
図6は、第2実装用基板25を接合した回路基板20にMEMS素子10をフリップチップ接合した図である。図6において、図4のMEMS素子10の第1実装用基板13の他側(電極パッド14が設けられている側)を、ボンディングツール(例えば、フリップチップボンダー)で真空吸着し、図5の回路基板20に接合されている第2実装用基板25上に載置し接合する。即ち、この第2実装用基板25の一面の一側電極パッド26をバンプである金ボール27を介して、MEMS素子本体11の他側11aの表面部であって機能部材(可動部材)が露出していない部分に接合する。
【0035】
このMEMS素子10の他面側11aには、バンプである金ボール27が存在することにより、MEMS素子本体11の他面11aと第2実装用基板25の一面と金ボール27とで形成される第2空間部S2が確保される。この第2空間部S2により、やはりMEMS素子本体11の他面11aに露出される機能部材(可動部材)の動きが妨げられ難くなる。
【0036】
図7は、本発明の半導体装置100を示す図であり、図6の状態から、第1実装用基板13の他側電極パッド14と回路基板20の第2電極パッド23とがボンディングワイヤー30によってワイヤード接続されている。なお、ボンディングワイヤ30以外の構成は図6と同様である。
【0037】
このようにして、一側11bの表面部の一部に可動部材を露出し、他側11aの表面部の一部に他の可動部材を露出しているMEMS素子本体11と、
このMEMS素子本体11の一側表面部であって可動部材が露出していない部分にバンプ12を介して一側に設けられた一側電極パッド15が接合され、他側に他側電極パッド14を設けた第1実装用基板13と、
一面の一側電極パッド26がバンプ27を介してMEMS素子本体11の他側表面部であって可動部材が露出していない部分と接合され、且つ他面の他側電極パッド28がバンプを接合可能な第2実装用基板25と、
回路基板本体21の一面に、第2実装用基板25の他面の他側電極パッド28にバンプ24を介して接合された第1パッド22と、第1実装用基板13の他側電極パッド14とワイヤード接続された第2電極パッド23とを有する回路基板20とを備え、
MEMS素子本体11の一側11bに露出された可動部材の部分にバンプ12による第1空間部S1を設け、且つ他側11aに露出された可動部材の部分にバンプ27による第2空間部S2を設けた、本発明の半導体装置100が構成される。
【0038】
本発明によれば、MEMS素子本体11の両面11a,11bに可動部材が露出するようにして面積を小さくしたMEMS素子10をフリップチップ実装するに際し、MEMS素子本体11に第1実装用基板13を接合し、その第1実装用基板13ごとボンディングツール(例えば、フリップチップボンダー)で吸着して、回路基板20へのフリップチップ実装が実現できる。
【0039】
また、MEMS素子本体11の両面11a,11bに金ボールなどのバンプ12,27を各々介して実装するから、MEMS素子本体11の両面側11a,11bに第1,第2空間部S1,S2が形成され、可動部(機能部材)に障害を与えることが避けることができる。
【0040】
また、第2実装用基板25を用いることにより、MEMS素子本体11を回路基板20に直接に接合する場合に比して、接合時の加重と超音波を充分に掛けて強制的に接合できるから、回路基板20の電極パッド22,23の金メッキがより薄いものを使用できる。従って、一般的に用いられる汎用の回路基板20を採用することが可能になる。
【0041】
以上に説明した実施例では、第2実装用基板25を設けているが、この第2実装用基板25は必ずしも必要ではなく、省略することができる。この場合には、MEMS素子10の他面側11aが、回路基板20の第1電極パッド22に、バンプである金ボール27を介して接合されることになる。この場合にも、MEMS素子10を同様にボンディングツールで吸着して、回路基板20へのフリップチップ実装が実現でき、第2空間S2も形成できる。
【0042】
ただ、MEMS素子10の他面側11a、即ちMEMS素子本体11が、金ボール27を介して、回路基板20の第1電極パッド22に接合されるので、接合時の加重・超音波の印加できるレベルが低く制限される。従って、充分な接合状態を確保するために、回路基板20の第1電極パッド22の金メッキを通常のものより厚くするなどの処理が必要とされる場合がある。
【0043】
この第2実装用基板25を省略した場合の、本発明の半導体装置は次のように構成される。
【0044】
即ち、一側11bの表面部の一部に可動部材(機能部材)を露出し、他側11aの表面部の一部に他の可動部材(機能部材)を露出しているMEMS素子本体11と、該MEMS素子本体11の一側表面部であって可動部材が露出していない部分にバンプ12を介して一側に設けた一側電極パッド15が接合され、他側に他側電極パッド14を設けた第1実装用基板13と、回路基板本体21の一面に、MEMS素子本体11の他側表面部であって可動部材が露出していない部分にバンプ27を介して接合された第1パッド22と、第1実装用基板13の他側電極パッド14とワイヤード接続された第2電極パッド23とを有する回路基板20とを備え、MEMS素子本体11の一側11bに露出された可動部材の部分にバンプ12による第1空間部S1を設け、且つ他側11aに露出された可動部材の部分にバンプ27による第2空間部S2を設けた、半導体装置。
【0045】
また、第2実装用基板25を省略した場合の、本発明の半導体装置の製造方法も同様の手法で行われる。
【0046】
以上の説明では、機能素子としてMEMS素子の場合について説明したが、本発明は、MEMS素子に限ることなく、機能素子本体の両面に機能部材が露出するように構成される電子デバイス、例えば両面に電極を配置した弾性表面波素子、にも同様に適用することができる。
【符号の説明】
【0047】
1・・・MEMS素子本体
2A・・・第1接点
2B・・・第2接点
2C・・・共通接点
3A・・・第1駆動回路
3B・・・第2駆動回路
3C・・・アマチュア
5・・・共通端子
6・・・第1出力端子
7・・・第2出力端子
10・・・MEMS素子
11・・・MEMS素子本体
12・・・金ボール
13・・・第1実装用基板
14・・・他側電極パッド
15・・・一側電極パッド
20・・・回路基板
21・・・回路基板本体
22・・・第1電極パッド
23・・・第2電極パッド
24・・・金ボール
25・・・第2実装用基板
26・・・一側電極パッド
27・・・金ボール
28・・・他側電極パッド
30・・・ボンディングワイヤ
100・・・半導体装置
S1・・・第1空間部
S2・・・第2空間部

【特許請求の範囲】
【請求項1】
一側の表面部の一部に機能部材を露出し、他側の表面部の一部に他の機能部材を露出している機能素子本体と、
該機能素子本体の前記一側表面部であって機能部材が露出していない部分にバンプを介して一側に設けた一側電極パッドが接合され、他側に他側電極パッドを設けた第1実装用基板と、
回路基板本体の一面に、前記機能素子本体の前記他側表面部であって機能部材が露出していない部分にバンプを介して接合された第1パッドと、前記第1実装用基板の他側電極パッドとワイヤード接続された第2電極パッドとを有する回路基板とを備え、
前記機能素子本体の一側に露出された機能部材の部分にバンプによる第1空間部を設け、且つ他側に露出された機能部材の部分にバンプによる第2空間部を設けたことを特徴とする半導体装置。
【請求項2】
前記機能素子本体の他側表面部と前記回路基板との間に第2実装用基板25を備え、
該第2実装用基板の一面の一側電極パッドはバンプを介して前記機能素子本体の前記他側表面部であって機能部材が露出していない部分と接合され、
前記第2実装用基板の他面の他側電極パッドはバンプを介して前記回路基板の前記第1電極パッドと接合され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】
一側の表面部の一部に機能部材を露出し、他側の表面部の一部に他の機能部材を露出している機能素子本体がアレイ状に作り込まれている機能素子ウエハを用意するステップと、
前記機能素子ウエハの各機能素子本体の一側表面部であって機能部材が露出していない部分にバンプを形成するステップと、
前記機能素子ウエハの各機能素子本体の一側表面部のバンプに、他側に他側電極パッドを設けた第1実装用基板の一側の一側電極パッドを接合するステップと、
前記第1実装用基板が接合された機能素子ウエハを劈開して、機能素子本体にバンプを介して第1実装用基板の一側の一側電極パッドが接合されバンプによる第1空間部を有する、チップ状の機能素子を形成するステップと、
前記機能素子本体と接合するための第1パッドと、前記第1実装用基板の他側電極パッドとワイヤード接続するための第2電極パッドとを有する回路基板を用意するステップと、
前記第1実装用基板が接合されたチップ状の機能素子を、前記第1実装用基板の他側をボンディングツールにより吸着して前記回路基板と対向させ、前記回路基板の前記第1パッドと前記機能素子の機能素子本体の他側表面部であって機能素子が露出していない部分に配置されたバンプとを接合し、バンプによる第2空間部を形成するステップと、
前記第1実装用基板の他側電極パッドと前記回路基板の第2電極パッドとをワイヤード接続するステップと、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項4】
前記機能素子本体の他側表面部と前記回路基板との間を接合するための第2実装用基板を用意し、
該第2実装用基板の一面の一側電極パッドをバンプを介して前記機能素子本体の他側表面部であって機能部材が露出していない部分に接合し、前記第2実装用基板の他面の他側電極パッドをバンプを介して前記回路基板の前記第1電極パッドに接合することを特徴とする、請求項3に記載の半導体装置の製造方法。

【図1】
image rotate

【図2】
image rotate

【図3】
image rotate

【図4】
image rotate

【図5】
image rotate

【図6】
image rotate

【図7】
image rotate


【公開番号】特開2010−212211(P2010−212211A)
【公開日】平成22年9月24日(2010.9.24)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2009−60106(P2009−60106)
【出願日】平成21年3月12日(2009.3.12)
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】(出願人による申告)国等の委託研究の成果に係る特許出願(平成20年度、総務省、電波資源拡大のための研究開発における委託研究、産業技術力強化法第19条の適用を受ける特許出願)
【出願人】(000004330)日本無線株式会社 (1,186)
【Fターム(参考)】