(57)【要約】【課題】はんだ及び銀ペースト等の流動性の高いバンプを備えずとも電子部品を回路基板上に強固に接合することができ、電食も引き起こしにくいフリップチップ半導体が実装された構造体及びその製造方法を提供する。【解決手段】アルミニウム電極１２を備える半導体素子１０と、基材２２上にアルミニウム回路パターン２４が形成された回路基板２０とを備える。アルミニウム電極１２表面及びアルミニウム回路パターン２４表面の一方又は両方の少なくとも一部には凸部１４が形成されており、凸部１４と、アルミニウム電極１２又はアルミニウム回路パターン２４とが接触して半導体素子１０と回路基板２０とが接続されている。凸部１４と、アルミニウム電極１２又はアルミニウム回路パターン２４との接触面の少なくとも一部又は全部にはアルミニウム酸化皮膜が形成されていない。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウム電極を備える半導体素子と、基材上にアルミニウム回路パターンが形成された回路基板とを備え、
前記アルミニウム電極表面及び前記アルミニウム回路パターン表面の一方又は両方の少なくとも一部には凸部が形成されており、
前記凸部と、前記アルミニウム電極又は前記アルミニウム回路パターンとが接触して前記半導体素子と前記回路基板とが接続されており、
前記凸部と、前記アルミニウム電極又は前記アルミニウム回路パターンとの接触面の少なくとも一部又は全部にはアルミニウム酸化皮膜が形成されていない、フリップチップ半導体が実装された構造体。
【請求項２】
前記アルミニウム電極、前記アルミニウム回路パターン及び前記凸部はいずれもアルミニウム純度が９０％以上であるアルミニウム、又は、アルミニウム合金で形成されており、
前記凸部の厚みは１μｍ以上２０μｍ以下であり、
前記接触面の面積が２５００平方μｍ以上５平方ｍｍ以下である、請求項１に記載の構造体。
【請求項３】
前記基材が、ポリエチレンテレフタラート、ポリイミド、ポリエチレンナフタレート、ポリ塩化ビニル、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリウレタン及び液晶ポリマーからなる群から選択される１種以上で形成され、
前記基材の厚みが３μｍ以上１００μｍ以下である、請求項１又は２に記載の構造体。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載のフリップチップ半導体が実装された構造体の製造方法において、
半導体素子に形成されたアルミニウム電極表面にアルミニウム膜を形成することで凸部を設ける製膜工程Ａ１と、
回路基板に形成されたアルミニウム回路パターンと、前記凸部とを接合させる接合工程Ｂ１とを備え、
前記接合工程Ｂ１では、前記アルミニウム回路パターンと、前記凸部とを接触させたときに接触界面に存在するアルミニウム酸化皮膜の一部又は全部を、除去又は破壊する処理を行う、製造方法。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれか１項に記載のフリップチップ半導体が実装された構造体の製造方法において、
回路基板に形成されたアルミニウム回路パターン表面にアルミニウム膜を形成することで凸部を設ける製膜工程Ａ２と、
半導体素子に形成されたアルミニウム電極と、前記凸部とを接合させる接合工程Ｂ２とを備え、
前記接合工程Ｂ２では、前記アルミニウム電極と、前記凸部とを接触させたときに接触界面に存在するアルミニウム酸化皮膜の一部又は全部を、除去又は破壊する処理を行う、製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フリップチップ半導体が実装された構造体及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、フリップチップ半導体が実装された構造体（半導体実装構造体）は、ＲＦＩＤやＬＥＤ等の様々な分野で利用されている。半導体実装構造体は、通常、半導体素子と回路基板とから構成されており、半導体素子の電極（パッド）表面には、バンプと呼ばれる厚さ１５μｍ〜数百μｍの凸部状の実装材料が備えられている。通常、半導体素子と回路基板とがそれぞれ用意され、これらを接合してモジュール化するが、このとき、半導体素子の電極が回路基板の回路と電通可能に接合すべく、バンプが使用される。現在では、半導体素子と回路基板との接合方法として、バンプと回路基板上の電極（パッド）とを接合する、いわゆるフリップチップ接合と称される接合方法が主流となっている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、半導体素子の電極に設けられたはんだバンプを加熱して回路基板に当接することで、半導体素子と回路基板とを接合させる方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−１９５８８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１等に開示される方法では、はんだ及び銀ペースト等の流動性の高い実装材料を含んだバンプを用いるため、いわゆるマイグレーションと呼ばれる意図しない部分への実装材料の流出が生じやすいものであった。このマイグレーションによってショート等が引き起こされるおそれがあり、結果として、製品の歩留まりが低下するという問題があった。また、電極を構成する材料とは異なる材料で形成されたバンプが使用された場合は、電食が生じやすく、製品寿命が短くなるという問題もあった。
【０００６】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、はんだ及び銀ペースト等の流動性の高いバンプを備えずとも電子部品を回路基板上に強固に接合することができ、電食も引き起こしにくいフリップチップ半導体が実装された構造体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】
【０００７】
本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、アルミニウム電極表面及び／又はアルミニウム回路パターン表面の少なくとも一部に凸部を形成することにより、上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００８】
すなわち、本発明は、例えば、以下の項に記載の主題を包含する。
項１
アルミニウム電極を備える半導体素子と、基材上にアルミニウム回路パターンが形成された回路基板とを備え、
前記アルミニウム電極表面及び前記アルミニウム回路パターン表面の一方又は両方の少なくとも一部には凸部が形成されており、
前記凸部と、前記アルミニウム電極又は前記アルミニウム回路パターンとが接触して前記半導体素子と前記回路基板とが接続されており、
前記凸部と、前記アルミニウム電極又は前記アルミニウム回路パターンとの接触面の少なくとも一部又は全部にはアルミニウム酸化皮膜が形成されていない、フリップチップ半導体が実装された構造体。
項２
前記アルミニウム電極、前記アルミニウム回路パターン及び前記凸部はいずれもアルミニウム純度が９０％以上であるアルミニウム、又は、アルミニウム合金で形成されており、
前記凸部の厚みは１μｍ以上２０μｍ以下であり、
前記接触面の面積が２５００平方μｍ以上５平方ｍｍ以下である、項１に記載の構造体。
項３
前記基材が、ポリエチレンテレフタラート、ポリイミド、ポリエチレンナフタレート、ポリ塩化ビニル、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリウレタン及び液晶ポリマーからなる群から選択される１種以上で形成され、
前記基材の厚みが３μｍ以上１００μｍ以下である、項１又は２に記載の構造体。
項４
項１〜３のいずれか１項に記載のフリップチップ半導体が実装された構造体の製造方法において、
半導体素子に形成されたアルミニウム電極表面にアルミニウム膜を形成することで凸部を設ける製膜工程Ａ１と、
回路基板に形成されたアルミニウム回路パターンと、前記凸部とを接合させる接合工程Ｂ１とを備え、
前記接合工程Ｂ１では、前記アルミニウム回路パターンと、前記凸部とを接触させたときに接触界面に存在するアルミニウム酸化皮膜の一部又は全部を、除去又は破壊する処理を行う、製造方法。
項５
項１〜３のいずれか１項に記載のフリップチップ半導体が実装された構造体の製造方法において、
回路基板に形成されたアルミニウム回路パターン表面にアルミニウム膜を形成することで凸部を設ける製膜工程Ａ２と、
半導体素子に形成されたアルミニウム電極と、前記凸部とを接合させる接合工程Ｂ２とを備え、
前記接合工程Ｂ２では、前記アルミニウム電極と、前記凸部とを接触させたときに接触界面に存在するアルミニウム酸化皮膜の一部又は全部を、除去又は破壊する処理を行う、製造方法。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係るフリップチップ半導体が実装された構造体によれば、電食が引き起こされにくく、半導体素子と回路基板との接合も強固であり、また、流動性を有するバンプが必要とされないので、予期しない短絡も起こりにくい。
【００１０】
本発明に係るフリップチップ半導体が実装された構造体の製造方法によれば、半導体素子と回路基板とを簡便な方法で強固に接合することができ、上記構造体を製造する方法として適している。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明のフリップチップ半導体が実装された構造体の実施形態の一例を示す断面図である。
【図２】本発明のフリップチップ半導体が実装された構造体の製造方法の一例を説明する概略図である。
【図３】実施例１で製作した構造体の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物あるいはその用途を制限することを意図するものでは全くない。
【００１３】
１．フリップチップ半導体が実装された構造体
図１は、フリップチップ半導体が実装された構造体Ａの実施形態の一例を示す断面図である。なお、以下では、フリップチップ半導体が実装された構造体Ａを単に「構造体Ａ」と略記する。
【００１４】
本実施形態の構造体Ａは、アルミニウム電極１２を備える半導体素子１０と、基材２２上にアルミニウム回路パターン２４が形成された回路基板２０とを備える。
【００１５】
さらに、本実施形態の構造体Ａでは、アルミニウム電極１２表面及びアルミニウム回路パターン２４表面の一方又は両方の少なくとも一部には凸部１４が形成されており、凸部１４と、アルミニウム電極１２又は前記アルミニウム回路パターン２４とが接触して、半導体素子１０と回路基板２０とが接続されている。特に、本実施形態の構造体Ａにおいて、凸部１４と、アルミニウム電極１２又はアルミニウム回路パターン２４との接触面の少なくとも一部又は全部にはアルミニウム酸化皮膜が形成されていない。
【００１６】
本実施形態の構造体Ａによれば、半導体素子１０のアルミニウム電極１２と，回路基板２０のアルミニウム回路パターン２４とが共にアルミニウムを含む材料で形成されているため、電食が引き起こされにくい。
【００１７】
本実施形態の構造体Ａでは、半導体素子１０のアルミニウム電極１２と、回路基板２０のアルミニウム回路パターン２４とが、凸部１４を介して接続することで電通される。
【００１８】
また、本実施形態の構造体Ａによれば、凸部１４と、アルミニウム電極１２又はアルミニウム回路パターン２４との接触面の少なくとも一部又は全部にはアルミニウム酸化皮膜が形成されていないことから、半導体素子１０と回路基板２０との接合も強固となる。
【００１９】
（半導体素子）
本実施形態の構造体Ａにおいて、半導体素子１０は、アルミニウム電極１２が設けられている限りは特に限定されず、公知の半導体素子を広く適用することができる。例えば、半導体素子１０として、ＣＰＵ等の演算用半導体素子、ＬＥＤ等の表示用半導体素子等を挙げることができる。
【００２０】
半導体素子１０には、電力もしくは信号を印加又は出力するための電極が備わっており、当該電極から回路基板を伝わって、電源や他の電子回路部品と接合可能となっていることが一般的である。本実施形態の構造体Ａにおいては、半導体素子１０に備えられている電極は、アルミニウム電極１２である。
【００２１】
アルミニウムは、銅よりも半導体素子を構成する材料（例えば、Ｓｉ、ＳｉＯ２）への拡散が起こりにくい。このため、アルミニウム電極１２を備える半導体素子１０では、半導体汚染による性能低下を抑制しやすい。もっとも、アルミニウムも半導体素子を構成する材料に拡散することがあるので、これを考慮して、アルミニウム電極１２と半導体素子１０を構成する材料との間には、Ｔｉ及びＴｉＮ等のバリアメタルを設けることが好ましい。
【００２２】
半導体素子１０には、通常、２個のアルミニウム電極１２が備えられるが、例えば、最終製品の構造に応じて適宜変更することができ、１個又は３個以上とすることもできる。
【００２３】
アルミニウム電極１２を形成する材料としては、一般的に半導体素子の配線材料として使用されているアルミニウム純度が９０％以上であるアルミニウム又はアルミニウム純度が９０％以上であるアルミニウム合金であることが好ましい。この場合、回路基板２０に備えられたアルミニウム回路パターン２４とアルミニウム電極１２との電気的及び物理的結合が向上しやすい。アルミニウム純度が９０％以上であるアルミニウム合金としては、Ａｌ−Ｓｉ合金やＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕ合金等が例示される。アルミニウム電極１２は、アルミニウムのみで形成されていてもよいが、この場合において、不可避的に含まれる成分が含まれていてもよい。特に、アルミニウム電極１２を形成する材料が、純度９８％以上であるアルミニウム箔；アルミニウム板；アルミニウムスパッタリング膜、アルミニウムペースト膜、及び、アルミニウム蒸着めっき膜である場合、アルミニウム電極１２との電気的及び物理的結合が向上しやすい。
【００２４】
アルミニウム電極の厚みは特に限定されず、例えば、１μｍ以上１０μｍ以下とすることができる。この場合、半導体素子１０と回路基板２０との接合強度がより高まり、かつ、抵抗によるロスも低減しやすい。
【００２５】
アルミニウム電極１２表面の面積は特に限定されず、例えば、２０００平方μｍ以上５平方ｍｍ以下とすることができる。この場合、半導体素子１０と回路基板２０との接合強度がより高まり、かつ、抵抗によるロスも低減しやすい。アルミニウム電極表面の面積は、１００００平方μｍ以上５００００平方μｍ以下であることがより好ましい。
【００２６】
アルミニウム電極１２表面の後記凸部１４が形成されている箇所以外の部分は、平坦形状、凹凸形状及び傾斜形状等のいずれの形状であってもよい。
【００２７】
半導体素子１０のアルミニウム電極１２が設けられている面において、アルミニウム電極１２が露出している限りは、半導体素子１０の、回路基板２０と接合する側の面にはレジスト等の絶縁材料が被覆されていてもよい。このような半導体素子１０では、回路基板との短絡等が防止されやすい。
【００２８】
半導体素子１０の製造方法は特に限定されず、また、アルミニウム電極１２の製造方法も特に限定されず、いずれも公知の手法を広く採用することができる。
【００２９】
（回路基板）
本実施形態の構造体Ａにおいて、回路基板２０は、基材２２とアルミニウム回路パターン２４とを備える。アルミニウム回路パターン２４は、基材２２上に形成されている。回路基板２０は、例えば、アルミニウム回路パターン２４が形成されている公知の回路基板を広く適用することができる。回路基板２０として、例えば、公知のＲＦＩＤ回路基板を挙げることができる。
【００３０】
アルミニウム回路パターン２４の形状は特に限定されず、所望の製品に応じて適宜形状に形成され得る。
【００３１】
アルミニウム回路パターン２４を形成するアルミニウム材料は特に限定されない。アルミニウム回路パターン２４を形成するアルミニウム材料はとしては、一般的に回路パターンの配線材料として使用されているアルミニウム純度が９０％以上であるアルミニウム又はアルミニウム純度が９０％以上であるアルミニウム合金であることが好ましい。この場合、回路基板２０に備えられたアルミニウム回路パターン２４とアルミニウム電極１２との電気的及び物理的結合が向上しやすい。アルミニウム純度が９０％以上であるアルミニウム合金としては、Ａｌ−Ｓｉ合金やＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕ合金等が例示される。アルミニウム電極１２は、アルミニウムのみで形成されていてもよいが、この場合において、不可避的に含まれる成分が含まれていてもよい。特に、アルミニウム材料が、純度９８％以上であるアルミニウム箔；アルミニウム板；アルミニウムスパッタリング膜、アルミニウムペースト膜、及び、アルミニウム蒸着めっき膜である場合、アルミニウム電極１２との電気的及び物理的結合が向上しやすい。
【００３２】
アルミニウム回路パターン２４を形成するアルミニウム箔の種類は特に限定されず、例えば、公知のアルミニウム箔を適用することができる。アルミニウム箔としては、アルミニウム純度が９０％以上であるアルミニウム合金箔、高純度アルミニウム箔を挙げることができる。アルミニウム合金箔としては、Ａｌ−Ｓｉ合金もしくはＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕ合金であることが好ましく、この場合、アルミニウム回路パターン２４は、半導体素子１０のアルミニウム電極１２との接合がより容易になる。また、アルミニウム箔中のＭｎ量は、例えば、０．００１質量％以上０．５質量％未満であることが好ましい。この場合、半導体素子１０と、アルミニウム電極１２との接合を容易に行うことができ、特に、後記する超音波を使用した接合が容易となりやすい。
【００３３】
アルミニウム回路パターン２４を形成するアルミニウム箔の表面粗度、つまり、ＪＩＳ  Ｂ  ０６０１で規定される算術平均高さＲａは、例えば、０．２μｍ以下である場合は、半導体素子１０のアルミニウム電極１２との接合強度が高まりやすい。アルミニウム箔の算術平均高さＲａが、例えば、０．５μｍ以下である場合は、半導体素子１０のアルミニウム電極１２との接合強度が高まりやすい。
【００３４】
アルミニウム回路パターン２４を形成するアルミニウム箔には、ツヤ面とケシ面が存在していてもよく、表面粗度が低いツヤ面を有していることも好ましい。
【００３５】
アルミニウム回路パターン２４を形成するアルミニウム材料がアルミニウム箔である場合、アルミニウム回路パターンには油膜が存在しないことが好ましい。アルミニウム回路パターン２４に圧延油が付着している場合であっても、例えば、後記するように超音波を使用して半導体素子１０と回路基板２０とを接合する際に圧延油は除去されやすい。例えば、アルミニウム材料がアルミニウム軟質箔である場合は、アルミニウム軟質箔の軟化の際に圧延油が除去されやすく、アルミニウム硬質箔である場合は、アルカリエッチングにより圧延油を除去しやすい。
【００３６】
アルミニウム回路パターン２４の厚さは特に限定されず、例えば、８００Å以上４００μｍ以下とすることができる。アルミニウム回路パターン２４を形成するアルミニウム材料がアルミニウム箔である場合、アルミニウム回路パターン２４の厚さは、例えば、３μｍ以上１００μｍ以下とすることができる。
【００３７】
アルミニウム回路パターン２４の線幅は特に限定されず、例えば、アルミニウム電極１２と、アルミニウム回路パターン２４とを接合する際に、アルミニウム回路パターン２４からアルミニウム電極１２がはみ出さない程度の線幅とすることが好ましい。具体的にアルミニウム回路パターン２４の線幅は、３０μｍ以上５ｍｍ以下とすることができる。
【００３８】
アルミニウム回路パターン２４の形状は特に限定されず、所望の製品に応じて適宜の設計を行うことができる。
【００３９】
アルミニウム回路パターン２４表面の後記凸部１４が形成されている箇所以外の部分は、平坦形状、凹凸形状及び傾斜形状等のいずれの形状であってもよい。
【００４０】
基材２２の種類は、アルミニウム回路パターン２４を支持することができる限りは特に限定されず、公知の絶縁性材料を広く適用することができる。例えば、基材２２は、ポリエチレンテレフタラート、ポリイミド、ポリエチレンナフタレート、ポリ塩化ビニル、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリウレタン及び液晶ポリマーからなる群から選択される１種以上で形成され得る。基材２２は、ポリエチレンテレフタラートを含む樹脂で形成されていることがより好ましい。基材２２は、ポリエチレンテレフタラートのみで形成されていてもよい。基材２２は、例えば、市販品の樹脂フィルムを使用することができ、例えば、ポリエチレンテレフタラート樹脂を挙げることができる。
【００４１】
基材２２の厚みは特に限定されず、例えば、３μｍ以上４００μｍ以下とすることができ、３μｍ以上１００μｍ以下とすることがより好ましい。
【００４２】
基材２２は、ポリエチレンテレフタラート、ポリイミド、ポリエチレンナフタレート、ポリ塩化ビニル、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリウレタン及び液晶ポリマーからなる群から選択される１種以上で形成され、かつ、基材２２の厚みが３μｍ以上１００μｍ以下であることが好ましい。この場合、製造が容易で、かつ、安定な構造体Ａが形成されやすく、また、半導体素子１０と回路基板２０との接合もより強固となりやすい。基材２２は、ポリエチレンテレフタラートで形成され、かつ、基材２２の厚みが３μｍ以上１００μｍ以下であることが特に好ましい。
【００４３】
回路基板２０の製造方法は特に限定されない。例えば、基材２２上にアルミニウムペーストを印刷して回路形状に形成することで、回路基板２０を得ることができる。基材２２上にアルミニウム箔又はアルミニウム板を積層した後、該アルミニウム箔を回路形状にエッチングすることによっても、回路基板２０を得ることができる。あるいは、基材２２上に、スパッタリング又は蒸着によってアルミニウム膜を製膜することで、回路基板２０を得ることができる。回路形状を所望の形状にする方法も特に限定されず、例えば、レジスト層の形成及びエッチングによって回路形状を調整することができる。レジスト層の形成及びエッチングの条件は、公知の条件と同様とすることができる。
【００４４】
回路基板２０は、アルミニウム箔またはアルミニウム板を用いて得ることが好ましく、この場合、得られる構造体の抵抗がより低くなりやすい。
【００４５】
（凸部）
構造体Ａにおいて、凸部１４は、アルミニウム電極１２表面及びアルミニウム回路パターン２４表面の一方又は両方の少なくとも一部に形成される。
【００４６】
凸部１４は、構造体Ａにおいて、アルミニウム電極１２とアルミニウム回路パターン２４との間に配置される。つまり、構造体Ａにおいて、アルミニウム電極１２とアルミニウム回路パターン２４とは、凸部１４を介して接合される。凸部１４は、アルミニウム電極１２とアルミニウム回路パターン２４との両方に直接接触している。
【００４７】
凸部１４は、アルミニウム電極１２表面の全面にわたって設けることもでき、あるいは、アルミニウム電極１２表面の一部に設けることもできる。凸部１４がアルミニウム電極１２表面の一部に設けられている場合は、凸部１４は１個であってもよいし、２個以上であっても良い。凸部１４が２個以上である場合、凸部１４は所定の間隔を空けながら設けることができる。
【００４８】
凸部１４は、アルミニウムを含む材料で形成される。アルミニウムを含む材料としては、アルミニウム純度が９０％以上であるアルミニウム、又は、アルミニウム合金が例示される。アルミニウム純度が９０％以上であるアルミニウム合金としては、Ａｌ−Ｓｉ合金やＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕ合金等が例示される。
【００４９】
具体的に凸部１４は、純度９８％以上であるアルミニウム箔又はアルミニウム合金箔：アルミニウム板又はアルミニウム合金板；アルミニウムスパッタリング膜又はアルミニウム合金スパッタリング膜、アルミニウムペースト膜又はアルミニウム合金ペースト膜、及び、アルミニウム蒸着膜又はアルミニウム合金蒸着膜等で形成することができる。
【００５０】
凸部１４がアルミニウム電極１２表面に形成されている場合、凸部１４の形成方法は特に限定されない。例えば、アルミニウム電極１２表面にアルミニウム膜を別途設けることにより、このアルミニウム膜を凸部１４として形成することができる。あるいは、アルミニウム電極１２自体がその表面に突起を有している場合は、この突起を凸部１４とすることができる。アルミニウム膜を別途設けて凸部１４とする場合においては、アルミニウム膜は、例えば、アルミニウムの蒸着膜とすることができる。アルミニウム電極１２自体がその表面に突起を有している場合としては、例えば、エンボス処理が施されたアルミニウム電極１２が挙げられる。
【００５１】
凸部１４がアルミニウム回路パターン２４表面に形成されている場合、凸部１４の形成方法は特に限定されない。例えば、アルミニウム回路パターン２４表面にアルミニウム膜を別途設けることにより、このアルミニウム膜を凸部１４として形成することができる。あるいは、アルミニウム回路パターン２４表面にアルミニウム箔片を別途設けることにより、このアルミニウム箔片を凸部１４として形成することができる。また、アルミニウム回路パターン２４自体がその表面に突起を有している場合は、この突起を凸部１４とすることができる。アルミニウム膜を別途設けて凸部１４とする場合においては、アルミニウム膜は、例えば、アルミニウムの蒸着膜とすることができる。アルミニウム回路パターン２４自体がその表面に突起を有している場合としては、例えば、エンボス処理が施されたアルミニウム回路パターン２４が挙げられる。
【００５２】
凸部１４がアルミニウムの蒸着膜で形成されている場合は、半導体素子１０のアルミニウム電極１２と、回路基板２０のアルミニウム回路パターン２４との距離が短くなりやすいので、より安定して半導体素子１０と回路基板２０とを接合することができる。
【００５３】
凸部１４はアルミニウムの蒸着膜で形成されていることが好ましい。凸部１４がアルミニウムの蒸着膜で形成される場合、後述するレジスト（レジスト層）を使用すれば部分的なアルミニウム蒸着が容易にできるので、微細な凸部１４を形成しやすい。
【００５４】
構造体Ａにおいて、凸部１４は、アルミニウム電極１２表面のみに形成されていてもよいし、アルミニウム回路パターン２４表面のみに形成されていてもよい。また、凸部１４は、アルミニウム電極１２表面及びアルミニウム回路パターン２４表面の両方に形成されてもよい。この場合は、アルミニウム電極１２とアルミニウム回路パターン２４とを接合する際に互いの凸部１４どうしが重なり合わないにそれぞれの凸部１４が配置されていることが好ましい。
【００５５】
凸部１４が形成される位置は特に制限はなく、半導体素子１０と回路基板２０とが安定に接合できる限り（例えば、ぐらつき無く両者を接合できる限り）、適宜の位置に形成することができる。
【００５６】
凸部１４の厚み（高さ）は限定されず、例えば、１μｍ以上２０μｍとすることができる。特に、後述する構造体Ａの製造において、アルミニウム電極１２とアルミニウム回路パターン２４との接合を超音波の照射で行う場合にあっては、凸部１４の高さは１μｍ以上７μｍ以下とすることができる。前述のように、アルミニウム電極１２自体がその表面に突起を有して、この突起を凸部１４とする場合は、この凸部１４の高さは、４μｍ以上１０μｍ以下とすることができる。
【００５７】
凸部１４の表面形状は、平坦形状、凹凸形状及び傾斜形状等のいずれの形状であってもよい。ここでいう凸部１４の表面とは、半導体素子１０と回路基板２０とを接合する際に接触させる面を意味する。
【００５８】
（構造体Ａ）
構造体Ａは、前述のように、アルミニウム電極１２を備える半導体素子１０と、基材２２上にアルミニウム回路パターン２４が形成された回路基板２０とを備え、半導体素子１０と回路基板２０とが接合されて形成される。
【００５９】
より具体的には、半導体素子１０のアルミニウム電極１２と、回路基板２０のアルミニウム回路パターン２４とが、凸部１４を介して接合されることで構造体Ａが形成される。
【００６０】
構造体Ａにおいて、凸部１４と、アルミニウム電極１２又はアルミニウム回路パターン２４とが直接接触している。凸部１４がアルミニウム電極１２に形成されている場合は、凸部１４はアルミニウム回路パターン２４と接合されて構造体Ａが形成される。凸部１４がアルミニウム回路パターン２４に形成されている場合は、凸部１４はアルミニウム電極１２と接合されて構造体Ａが形成される。
【００６１】
構造体Ａにおいて、凸部１４と、アルミニウム電極１２又はアルミニウム回路パターン２４との接触面の少なくとも一部又は全部には、アルミニウム酸化皮膜が形成されていない。すなわち、凸部１４と、アルミニウム電極１２又はアルミニウム回路パターン２４とは、アルミニウム酸化皮膜を介さずに直接接触している部分がある。もしくは、凸部１４の接触面のすべてはアルミニウム酸化皮膜を介さずに、アルミニウム電極１２又はアルミニウム回路パターン２４に直接接触している。
【００６２】
通常、アルミニウムの蒸着膜等のように、アルミニウムを含む材料の表面には、その製法上、アルミニウム酸化皮膜（例えば、酸化アルミニウムを含む皮膜）が形成されるものであり、構造体Ａにおける凸部１４、アルミニウム電極１２及びアルミニウム回路パターン２４も例外ではない。仮にこれらにアルミニウム酸化皮膜が形成された状態で凸部１４と、アルミニウム電極１２又はアルミニウム回路パターン２４とを接合する場合、接触界面にはアルミニウム酸化皮膜が介在する。このため、両者の接合強度が十分でない場合がある。
【００６３】
この点、本実施形態の構造体Ａでは、接触面の一部又はすべてにアルミニウム酸化皮膜が介在しないことから、凸部１４と、アルミニウム電極１２又はアルミニウム回路パターン２４とが直接接触した状態で接合が起こり、これにより、両者の接合強度がより高いものとなる。
【００６４】
本実施形態の構造体Ａでは、半導体素子１０と回路基板２０との間に従来のような銀ペースト及びはんだ等の流動性を有するバンプを設ける必要がない。つまり、本実施形態の構造体Ａは、はんだ及び銀ペーストのような流動性を有するバンプが存在しないフリップチップ半導体実装構造体といえる。
【００６５】
また、従来使用されているバンプ厚みのある部材であったため、１つの半導体素子１０を回路基板２０に実装するにあたり、接合部位が２箇所である場合は、半導体素子１０及び回路基板２０との接合が不安定で、ぐらつきが生じていた。そのため、通電に関与しないバンプをダミーとして余分に設けて、３点以上で半導体素子を支持することが一般的であった。
【００６６】
これに対し、本実施形態の構造体Ａでは厚みの大きいバンプを不要とすることができ、凸部１４を介して半導体素子１０と回路基板２０とを接合できるので、両者の間の距離を短くすることができる。その上、接合の瞬間に半導体素子１０と回路基板２０が固相接合して互いの相対位置が固定されるので、たとえ接合箇所が１箇所ないし２箇所であってもグラつきの発生を抑制でき、従来のようにバンプを余分に設ける必要もない。
【００６７】
また、本実施形態の構造体Ａでは、バンプを不要とできることから、マイグレーションと呼ばれる意図しない部分への実装材料の流出が起こる問題も起こりにくい。
【００６８】
本実施形態の構造体Ａでは、半導体素子の電極、回路基板等の表面にはニッケルや金等の金属による表面処理によって形成される皮膜が形成されていなくてもよい。従来のようにバンプを介して接合が行われる場合は、ニッケルや金等の表面処理を施す必要があったが、本実施形態の構造体Ａでは、凸部１４を介して接合が行われるので、半導体素子の電極表面への金属による表面処理は不要である。
【００６９】
本実施形態の構造体Ａにおいて、アルミニウム電極１２、アルミニウム回路パターン２４及び凸部１４はいずれもアルミニウム純度が９０％以上であるアルミニウム、又は、アルミニウム合金で形成されていることが好ましい。この場合、構造体Ａでは電食が生じにくくなるので、製品寿命が短くなることが防止されやすい。アルミニウム合金としては、アルミニウム純度が９０％以上であることが好ましく、一例として、Ａｌ−Ｓｉ合金やＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕ合金等が挙げられる。
【００７０】
本実施形態の構造体Ａにおいて、アルミニウム電極１２、アルミニウム回路パターン２４及び凸部１４はいずれもアルミニウム純度が９０％以上であるアルミニウム、又は、アルミニウム合金で形成されており、凸部の厚みは１μｍ以上２０μｍ以下であり、接触面の面積が２５００平方μｍ以上５平方ｍｍ以下であることが好ましい。この場合、電食が生じにくくなる上、接合強度も高まりやすく、ぐらつきも発生しにくい。
【００７１】
２．構造体の製造方法
前記構造体Ａの製造方法は特に限定されない。例えば、前記構造体Ａは、下記の製膜工程Ａ１及び接合工程Ｂ１を備える製造方法によって得ることができる。
製膜工程Ａ１：半導体素子に形成されたアルミニウム電極表面にアルミニウム膜を形成することで凸部を設ける工程。
接合工程Ｂ１：回路基板に形成されたアルミニウム回路パターンと、前記凸部とを接合させる工程。
【００７２】
図２は、構造体Ａの製造方法の一例を説明する概略図である。
【００７３】
製膜工程Ａ１では、半導体素子１０のアルミニウム電極１２上にアルミニウム膜を形成することで凸部１４を設ける。
【００７４】
製膜工程Ａ１において、アルミニウム膜としては、アルミニウム純度が９０％以上であるアルミニウム又はアルミニウム純度が９０％以上であるアルミニウム合金とすることができる。アルミニウム純度が９０％以上であるアルミニウム合金としては、Ａｌ−Ｓｉ合金やＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕ合金等が例示される。
【００７５】
特にアルミニウム膜としては、純度９８％以上のアルミニウム箔、アルミニウム板、アルミニウムスパッタリング膜、アルミニウムペースト膜及びアルミニウム蒸着膜の少なくともいずれか１種であることが好ましく、この場合、接合強度が高まりやすい。
【００７６】
製膜工程Ａ１において、アルミニウム膜を形成する方法としては特に限定されない。
【００７７】
図２（ａ）に示すように、電極１２を備えた半導体素子１０を準備し、この半導体素子１０に対して、図２（ｂ）に示すように、ＣＶＤ等の蒸着法によりアルミニウムを積層させて半導体素子１０の裏面全面（アルミニウム電極１２側の面全体）にアルミニウム膜１６を形成する。アルミニウム膜１６は、所望の厚みになるまで繰り返し蒸着を行うことができる。
【００７８】
次いで、アルミニウム膜１６表面において、アルミニウム電極１２と重なる位置にレジスト層１８を塗布し、この後、レジスト層１８で被覆されていないアルミニウム膜１６を除去する。この除去の方法は特に限定されず、公知の除去方法を広く採用することができる。例えば、エッチング処理で、レジスト層１８で被覆されていないアルミニウム膜１６を除去することができる。レジスト層１８の種類は特に限定されず、公知のレジスト層として形成される材料を広く採用することができる。エッチング処理の条件も公知の条件と同様とすることができる。
【００７９】
レジスト層１８で被覆されていないアルミニウム膜１６を除去した後、レジスト層１８を除去することで、図２（ｃ）に示すように、凸部状のアルミニウム膜１６が凸部１４として形成される。
【００８０】
接合工程Ｂ１では、アルミニウム回路パターン２４が形成された回路基板２０を準備し、回路基板２０に形成されたアルミニウム回路パターン２４と、前記製膜工程Ａ１で形成した凸部１４とを接合させる。
【００８１】
特に、接合工程Ｂ１では、アルミニウム回路パターン２４と、凸部１４とを接触させたときに、接触している界面に存在するアルミニウム酸化皮膜の一部又は全部を、除去又は破壊する処理を行う。
【００８２】
前述のように、アルミニウム電極１２、アルミニウム回路パターン２４、凸部１４等のようなアルミニウムを含む材料表面にはアルミニウム酸化皮膜が形成され得る。よって、接合強度を高める等の観点から、アルミニウム酸化皮膜の一部又は全部を、除去又は破壊して、アルミニウム電極１２、アルミニウム回路パターン２４及び凸部１４を露出させることが好ましい。
【００８３】
アルミニウム酸化皮膜の除去又は破壊は、アルミニウム電極１２に形成された凸部１４と、アルミニウム回路パターン２４とを接触させる前に行うことができ、あるいは、凸部１４と、アルミニウム回路パターン２４とを接触させた状態で行うことができる。
【００８４】
凸部１４と、アルミニウム回路パターン２４とを接触させる前にアルミニウム酸化皮膜の除去又は破壊する場合は、例えば、研磨、超音波照射等により除去又は破壊する物理的方法、及び、エッチング等による化学的に除去又は破壊する化学的方法のいずれの方法でもよい。
【００８５】
凸部１４と、アルミニウム回路パターン２４とを接触させた状態でアルミニウム酸化皮膜の除去又は破壊する場合も前記物理的方法及び前記化学的方法のいずれでもよく、特に超音波照射によって、アルミニウム酸化皮膜を除去又は破壊する方法を好適に採用できる。凸部１４と、アルミニウム回路パターン２４とを接触させた状態で超音波照射によってアルミニウム酸化皮膜を除去又は破壊する方法では、アルミニウム酸化皮膜を除去又は破壊と、接合とを同時に行うことができる点で有利である。
【００８６】
接合工程Ｂ１において、アルミニウム回路パターン２４と、前記製膜工程Ａ１で形成した凸部１４との接合方法は特に限定されない。例えば、低酸素雰囲気下で接合する場合は、より高い接合強度を得ることができる。低酸素雰囲気下とは、例えば、不活性ガス雰囲気中あるいは真空中等が挙げられる。接合工程Ｂ１における接合は、大気雰囲気下で行うこともできる。
【００８７】
本発明の製造方法は特に、超音波照射によって接合を行うことが好ましい。この超音波照射によって接合する方法を、図２（ｄ）及び図２（ｅ）により説明する。
【００８８】
図２（ｄ）に示すように、接合工程Ｂ１では、製膜工程Ａ１で得た半導体素子１０と、回路基板２０とを、凸部１４とアルミニウム回路パターン２４とが対向するようにして接触させる。次いで、図２（ｅ）に示すように、両者を接触させた状態で、半導体素子１０側から超音波プローブ３０を当てて超音波を照射することで、凸部１４とアルミニウム回路パターン２４とが接合する。この場合にあって、あらかじめアルミニウム酸化皮膜の除去又は破壊を行っていない場合は、超音波を照射することで、アルミニウム酸化皮膜の少なくとも一部又は全部が、除去又は破壊されると共に、凸部１４とアルミニウム回路パターン２４とが接合される。超音波を照射して接合する場合は、極めて速やかに接合が行われ、しかも、低酸素雰囲気下でなくとも接合することが可能である。そのため、超音波を照射して接合する方法では、低酸素状態を維持するための大掛かりな設備を用意する必要がない。
【００８９】
接合工程Ｂ１での接合を、超音波を照射して行う場合は、公知の超音波接合条件を採用することができ、使用する超音波照射装置も公知の装置を広く使用することができる。
【００９０】
上記のように製膜工程Ａ１及び接合工程Ｂ１を経ることによって、本実施形態の構造体Ａを製造することができる。
【００９１】
構造体Ａの製造方法の他例として、例えば、下記の製膜工程Ａ２及び接合工程Ｂ２を備える製造方法によって得ることができる。
製膜工程Ａ２：回路基板に形成されたアルミニウム回路パターン表面にアルミニウム膜を形成することで凸部を設ける工程。
接合工程Ｂ２：導体素子に形成されたアルミニウム電極と、前記凸部とを接合させる工程。
【００９２】
製膜工程Ａ２において、アルミニウム膜の種類及び形成方法は、製膜工程Ａ１と同様である。例えば、アルミニウム回路パターン２４を備えた回路基板２０を準備し、この回路基板２０に対して、ＣＶＤ等の蒸着法によりアルミニウムを積層させて回路基板２０の全面にアルミニウム膜１６を形成する。
【００９３】
次いで、アルミニウム膜１６表面において、アルミニウム回路パターン２４と重なる位置にレジスト層１８を塗布し、この後、レジスト層１８で被覆されていないアルミニウム膜１６を除去する。この除去の方法は特に限定されず、公知の除去方法を広く採用することができる。例えば、エッチング処理で、レジスト層１８で被覆されていないアルミニウム膜１６を除去することができる。レジスト層１８の種類は特に限定されず、公知のレジスト層として形成される材料を広く採用することができる。
【００９４】
レジスト層１８で被覆されていないアルミニウム膜１６を除去した後、レジスト層１８を除去することで、凸部状のアルミニウム膜１６が凸部１４として形成される。
【００９５】
接合工程Ｂ２では、アルミニウム電極１２が形成された半導体素子１０を準備し、半導体素子１０に形成されたアルミニウム電極１２と、前記製膜工程Ａ２で形成した凸部１４とを接合させる。
【００９６】
特に、接合工程Ｂ２では、アルミニウム電極１２と、凸部１４とを接触させたときに接触界面に存在するアルミニウム酸化皮膜の一部又は全部を、除去又は破壊する処理を行う。以降、アルミニウム酸化皮膜の除去又は破壊方法、並びに、接合方法は、接合工程Ｂ１と同様である。
【００９７】
接合工程Ｂ２にあっても、接合は、超音波を照射して行う方法を採用することが好ましい。
【００９８】
上記のように製膜工程Ａ２及び接合工程Ｂ２を経ることによっても、本実施形態の構造体Ａを製造することができる。
【００９９】
本発明の製造方法では、バンプを使用せずとも半導体素子１０と回路基板２０との接合を行うことができるので、不用意な場所にバンプが流出するおそれがなく、マイグレーションが発生するおそれがない。特に、超音波を照射して接合する場合には、アルミニウム酸化皮膜の除去又は破壊と、接合とを同時に行うことができ、しかも、短時間で強固に接合することが可能となるので、製造方法が簡便で、製造効率にも優れる。
【０１００】
また、本発明の製造方法では、半導体素子１０のアルミニウム電極１２表面には、バンプによって回路基板を接合する際に行われるようなニッケルや金等の金属表面処理を施す必要がない。
【実施例】
【０１０１】
以下、実施例により本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれら実施例の態様に限定されるものではない。
【０１０２】
（実施例１）
図３に模式的に示すような構造体を、次の方法により製作した。なお、図３で示される符番は、前述と同じである。
【０１０３】
＜半導体素子＞
半導体素子として、０．５ｍｍ×０．５ｍｍ×厚さ０．３ｍｍであるシリコン基板を用意した。この半導体素子は、裏面の任意の位置に９つのアルミニウム電極を備えており、電極１つあたりの大きさは１００μｍ×１００μｍであった。アルミニウム電極は、アルミニウム純度が９０％以上であるＡｌ−Ｓｎ−Ｃｕ合金で形成されていた。
【０１０４】
半導体素子の電極上には、電極の形成を繰り返すことで電極と同じサイズで厚み２μｍのアルミニウム膜を全面に設けた。具体的には、スパッタリング法により、半導体素子全面にＴｉが０．０５μｍ、ＴｉＮが０．０５μｍ、及び、電極と同じ材料であるＡｌ−Ｓｎ−Ｃｕからなるアルミニウム合金が５μｍの厚みになるようにそれぞれこの順に積層した。積層されたスパッタリング膜上において、アルミニウム電極と重なる位置全面に、エッチングレジストを塗布してレジスト層を形成し、次いで、露光及び現像して積層されたスパッタリング膜を除去した後、Ｃｌ２及びＢＣｌ３ガス等を用いたドライエッチング法によりレジスト層を除去した。これにより、半導体素子のアルミニウム電極表面の全面に、アルミニウム電極と同じ材料で形成された凸部を形成した。
【０１０５】
＜回路基板＞
厚みが３０μｍのアルミニウム箔（ＪＩＳ  １Ｎ３０材）の一方面にウレタン系ドライラミネート接着剤１．５ｇ／ｍ２を塗布し、ドライラミネート法により接着剤層を介在させて、厚みが３８μｍのポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）フィルムを貼り合せた。アルミニウム箔の他方の面には、図３に示されるアルミニウム回路パターンの形状になるように、レジストインキをグラビア印刷し、照射線量４８０Ｗ／ｃｍのＵＶランプで１５秒間照射し、レジストインキ層を形成させた。次に、７％塩酸水溶液を用いたエッチング処理により、レジストインキ層で被覆されていない部分のアルミニウム箔を除去した。これにより、アルミニウム回路パターンが形成された。
【０１０６】
その後、温度２０℃の１％水酸化ナトリウム水溶液に１０秒間浸漬してレジストインキ層を剥離し、水洗後、温度７０℃の温風で乾燥させることにより、回路基板を得た。
【０１０７】
なお、図３では半導体素子を実装する箇所を点線で示しており、図３に示すように計３箇所設けるようにした。
【０１０８】
＜フリップチップ半導体が実装された構造体の製作＞
前記半導体素子のアルミニウム電極上の凸部と、前記回路基板のアルミニウム回路パターンとを互いに突き合わせて接触させ、半導体素子の裏面側（アルミニウム電極が形成されている面と逆側の面）から、温度２５℃にて接合荷重４０Ｎで押圧しつつ、超音波周波数６０ｋＨｚ、超音波振幅５μｍにて超音波を照射した。これにより、凸部とアルミニウム回路パターンとが接合され、半導体素子と回路基板とが接合された構造体を得た。なお、図３中の黒点が凸部の位置を表し、凸部とアルミニウム回路パターンの接触部分を表している。
【０１０９】
得られた構造体を評価したところ、半導体素子と回路基板とは、十分に接合されており、また、バンプを使用せずに構造体を製作したので、隣接端子への短絡の発生は確認されず、電食も確認されなかった。
【０１１０】
以上の結果から、実施例で得られた構造体は、はんだや銀ペースト等の流動性の高いバンプを用いないことでマイグレーションが起きにくく、製品歩留まりも高く、かつ、電食を引き起こしにくいことが示された。
【符号の説明】
【０１１１】
Ａ：構造体（フリップチップ半導体が実装された構造体）
１０：半導体素子
１２：アルミニウム電極
１４：凸部
２０：回路基板
２２：基材
２４：アルミニウム回路パターン
【図１】
2020004793.tif 000003
【図２】
2020004793.tif 000004
【図３】
2020004793.tif 000005