(57)【要約】【課題】接続信頼性が高くボイド発生不良や樹脂硬化による接続不良の発生しない半導体装置の製造方法を提供する。【解決手段】電極パッド３上に金属突起２を有する半導体素子４を電極パッド３に対応する配線パターン５を有する回路基板６に実装する方法において、半導体素子４上の電極パッド３と回路基板６上の配線パターン５とを位置合わせし、電極パッド３と配線パターン５間に常温可塑性接着材７を介在させて、半導体素子４を回路基板６に押圧し常温可塑性接着材７を押し広げて金属突起２と配線パターン５とを接触させ、圧接又は共晶結合形成により電気的に接続させた後に、常温可塑性接着材７を加熱により硬化して半導体素子４と回路基板６とを固定する半導体素子の実装方法。【選択図】図２
2010177337.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極パッド上にＡｕ、Ａｇ又はＣｕよりなる金属突起を有する半導体素子を前記電極パッドに対応する配線パターンを有する回路基板に実装する半導体素子の実装方法において、
前記半導体素子上の前記電極パッドと回路基板上の前記配線パターンとを位置合わせし、前記電極パッドと前記配線パターンの間に常温における可塑度が５０〜５００の常温可塑性接着材を介在させて、
前記半導体素子を前記回路基板に押圧し前記常温可塑性接着材を押し広げて前記金属突起と前記配線パターンとを接触させ、圧接又は共晶結合形成により電気的に接続させた後に、前記常温可塑性接着材を加熱により硬化して半導体素子と回路基板とを固定することを特徴とする半導体素子の実装方法。
【請求項２】
前記常温可塑性接着材を加熱硬化させる手段が、硬化炉であることを特徴とする請求項１記載の半導体素子の実装方法。
【請求項３】
前記常温可塑性接着材が、（Ａ）液状のエポキシ樹脂と、（Ｂ）エポキシ樹脂用硬化剤と、（Ｃ）チクソ性付与剤とを必須成分とするものであって、かつ、前記接着材の不揮発分が９９質量％以上で常温における可塑度が５０〜５００であることを特徴とする請求項１又は２記載の半導体素子の実装方法。
【請求項４】
前記（Ｃ）チクソ性付与剤が、微細無機フィラーであって、常温可塑性接着材全体の１０〜５０質量％の割合で配合されていることを特徴とする請求項３記載の半導体素子の実装方法。
【請求項５】
液状の熱硬化型樹脂と非導電フィラーを必須成分とする常温可塑性接着剤であって、前記常温可塑性接着材が前記非導電フィラーを１０〜５０質量％含み、常温における可塑度が５０〜５００であることを特徴とする配線接続用常温可塑性接着材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、常温で容易に塑性変形することができる常温可塑性の接着材を用いて、半導体素子の電極パッドと回路基板上の配線パターンとを確実に接続する半導体素子の実装方法及び配線接続用常温可塑性接着材に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体素子を多数個用いるデバイス、機器の開発が促進されてきており、例えば、メモリーカード、液晶パネルやＥＬディスプレイパネル等では、多数個のＩＣ、ＬＳＩを一定の面積を有する基板に、高密度にかつ薄型に搭載することが要求されるようになってきている。これらの要求に応じるべくＩＣ、ＬＳＩの実装において、これらの半導体素子の電極パッドと回路基板の配線パターンとを、熱圧接接続や熱共晶接続により接続する方法が提案されている（例えば、特許文献１及び２参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭６０−２６２４３０号公報
【特許文献２】特開平９−２６０４２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
この半導体素子の電極パッドと回路基板の配線パターンとの接続工程では、接続が短時間で行われ、すぐに次の工程に搬送される。このとき、製造過程における半導体素子の接続が搬送時の振動等により断線しないように、使用される接着剤を短時間で硬化して、断線を防止する必要があり、この点での検討が種々なされている。
【０００５】
しかしながら、このように短時間で硬化する接着剤は、可使時間が短いため接着剤自体の取り扱いが不便で樹脂硬化に起因する接続不良が発生しやすく、また、その硬化物内にボイドが残りやすいため半導体装置の信頼性の面で不十分な点があり、このような接着剤を用いて半導体素子を実装するのは実装方法としては未だ充分とは言い難いものである。
【０００６】
そこで、本発明はこのような従来の問題に鑑み、半導体素子の電極パッドと回路基板の配線パターンとの熱圧接や熱共晶によって接続される半導体装置において、接続信頼性が高くボイド発生不良や樹脂硬化に起因する接続不良の発生しない半導体装置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、上記問題点について鋭意検討した結果、半導体素子の電極パッドと回路基板の配線パターンとの接続において、従来の接着剤に代えて常温可塑性接着材を用いることによって上記課題を解決することを見出し、本発明を完成した。
【０００８】
すなわち、本発明の半導体素子の実装方法は、電極パッド上にＡｕ、Ａｇ又はＣｕよりなる金属突起を有する半導体素子を前記電極パッドに対応する配線パターンを有する回路基板に実装する半導体素子の実装方法において、半導体素子の電極パッドと回路基板上の回路パターンとを位置合わせし、電極パッドと配線パターン間に常温における可塑度が５０〜５００の常温可塑性接着材を介在させて、半導体素子を回路基板に押圧し、常温可塑性接着材を押し広げて金属突起と配線パターンとを接触させ、圧接又は共晶結合形成により電気的に接続させた後に、常温可塑性接着材を加熱により硬化して半導体素子と回路基板とを固定することを特徴とするものである。
【０００９】
また、本発明の配線接続用常温可塑性接着材は、液状の熱硬化型樹脂と非導電微細フィラーを必須成分とするものであり、常温可塑性接着材が非導電フィラーを１０〜５０質量％含み、常温における可塑度が５０〜５００であることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の半導体素子の実装方法によれば、半導体装置の製造過程である半導体素子を回路基板に実装した後の搬送工程においても、実装時に接続した電極パッドと配線パターンが切断されるおそれを低減することができ、また、この実装時に用いた常温可塑性接着材の硬化物はボイド等が少ないため、半導体装置の接続信頼性を高めることができる。
【００１１】
本発明の配線接続用常温可塑性接着材によれば、取り扱いが容易で、粘土状の接着材であるため外力により塑性変形するが、外力がなければ未硬化でもその形状を維持する。そのため接着材の硬化を急ぐ必要がなく、硬化工程までの搬送工程等において、これまでであれば電極パッドと配線パターンとが断線するような力がかかっても断線を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態を示した半導体装置の断面図である。
【図２】本発明の一実施形態である半導体素子の実装方法を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照しながら本発明について詳細に説明する。図１は本発明の実装方法により半導体素子を回路基板に実装した後の半導体装置の断面図である。
【００１４】
この半導体素子の実装方法により製造される半導体装置１は、金属突起２が形成された電極パッド３を有する半導体素子４と、配線パターン５が形成された回路基板６と、が常温可塑性接着材７により接着固定されたものである。
【００１５】
このような半導体装置１を形成するためには、まず、電極パッド３上にＡｕ、Ａｇ又はＣｕよりなる金属突起２を有する半導体素子４と電極パッド３に対応する配線パターン５を有する回路基板６とを用意し、それぞれ接続する電極パッド３と配線パターン５との位置合わせを行い、次いで、これら接続する電極パッドと配線パターンの間に、常温可塑性接着材７を介在させる。
【００１６】
この介在のさせ方は、一般的には、回路基板６を用意し（図２（ａ））、次いで回路基板６上に常温可塑性接着材７を供給し（図２（ｂ））、その供給された常温可塑性接着材７の上から半導体素子４を重ね合わせて、常温可塑性接着材７を回路基板６と半導体素子４とで挟み込むように積層させればよい（図２（ｃ））。なお、本願発明において用いる接着材は常温可塑性（粘土状）であるため、流れ落ちることがなく、回路基板をほぼ水平に保つ必要もなく、水平面に対して回路基板をどのような角度にしていても半導体素子の実装を特別な不都合なく行うことができる。従来のように硬化させなくても、取り出し工程、搬送工程等における振動によって断線することを防ぐことができる。
【００１７】
このとき、常温可塑性接着材７の供給は、常温可塑性接着材７をシリンダーに充填し、回路基板６上に適量ずつ押出したり、常温可塑性接着材７をシート状にしてから所定形状に打ち抜いて形成された常温可塑性接着材シートを回路基板６上に載置したりすることで行えば良い。
【００１８】
この常温可塑性接着材７の供給は、後から重ね合わせる半導体素子４を固定する位置を中心に行い、後述する圧着操作を行った際に、半導体素子４の下部面により押し出されて、常温可塑性接着材７が電極パッド３と配線パターン５との接続部分をも被覆して、接続部分を外部環境に晒されないようにすることが好ましい。このときの、常温可塑性接着材７の供給位置や供給量は、基本的には上記のようなものであるが、実装する半導体素子と回路基板との大きさや位置関係により適宜決定して行うことができる。
【００１９】
また、上記積層する際には、この常温可塑性接着材７が供給された回路基板６に、接続位置を合わせた半導体素子４を、常温可塑性接着材７の上から半導体素子４を重ね合わせる。そして、そのまま図２（ｄ）の矢印８で示す方向に押圧する。この押圧によって、常温可塑性接着材７は半導体素子４の下部面により半導体素子４と回路基板６の間の隙間に押し出され、半導体素子４の金属突起２及び電極パッド４の外側側面をも覆い隠すようになる。
【００２０】
このような押圧操作により、同時に電極パッド４の金属突起２は回路基板６の配線パターン５と接触するため、それらをそのまま圧着させ、電極パッド３と回路パターン５とを接続し、電気的な導通を確保することができる。
【００２１】
このとき、圧着は、半導体素子４の金属突起２を回路基板６の配線パターン５に押圧しながら圧接又は共晶接続させることによって行われ、加熱しながら行っても良い。このときの圧着操作の条件としては、０．０１〜１ＭＰａで０．５〜５秒間押圧しながら行うことが好ましく、加熱する際には４０〜１００℃で加熱することが好ましい。
【００２２】
このとき圧着するのは、金属突起２と配線パターン５であり、それぞれの材料は、金属突起２はＡｕ、Ａｇ又はＣｕより構成され、配線パターン５はＣｕ、Ａｌ、Ａｕ等を母体にし、酸化し易い材質であれば、Ａｕメッキ、Ｓｎメッキ、半田メッキ等の処理を施してある。これらの材料の組み合わせと圧着条件によって、どのような接合がされるかが決まる。
【００２３】
また、この圧着の際に、押圧しながら超音波を照射してもよい。超音波照射により、半導体素子４の金属突起２と配線パターン５のメッキ層（例えば、スズメッキ等）とが熱共晶を形成しやすくなり、電気的接続も安定させることができる。
【００２４】
そして、半導体素子４の金属突起２と回路基板６の配線パターン５とを接続できたら、次いで、半導体素子４が載置された回路基板６をインラインキュア炉やボックス乾燥機等の加熱装置に搬送し、８０〜１８０℃で１〜１２０分加熱することで、常温可塑性接着材７を完全に硬化させた接着材硬化物７´とすることができる。このように常温可塑性接着材７を硬化させることで回路基板６に半導体素子４を実装した半導体装置１を製造することができる。
【００２５】
このような半導体素子の実装方法により、半導体素子４と回路基板６との間には隙間なく常温可塑性接着材７が充填された状態となり、さらに、それらの接続部である電極パッド３と配線パターン５との接続部も常温可塑性接着材７で被覆される。そして、この半導体装置１になんらかの外力が加わるような場合でも、常温可塑性接着材が高粘度で形状保持性が高いため、振動等によって電極パッド３と配線パターン５との接続が外れることがなく、接続を維持することができるものである。
【００２６】
また、本発明の常温可塑性接着材７は半導体素子４と回路基板６間に介在している。常温可塑性接着材は形状保持性があるため、後硬化されるまでの移送時の振動等で素子と配線パターンが断線することを防止できる。
【００２７】
ここで、本明細書における常温可塑性（粘土状）とは、常温可塑性接着材に常温、常圧下、特に何ら力を加えていない状態ではその形状を保持し続け、外力を加えた場合には応力により変形し成形可能であり、一旦成形した後静置した状態ではその形状を保つことができるという特異なレオロジー特性を有するもの、すなわち、塑性変形が可能である性状のことを言う。
【００２８】
ここで、塑性変形を行わせることができる外力としては０．０１〜１ＭＰａの大きさであることが好ましい。この程度の大きさの力が加えることで常温可塑性接着材を変形させ、半導体素子の電極パッドと回路基板の配線パターン間の接続を形成させることができる。また、このとき常温可塑性接着材は室温で十分に可塑化するが、４０〜１００℃程度の加熱を行いながら使用しても良い。
【００２９】
このような性質を有するようにするために、例えば、常温可塑性接着材の常温における可塑度を５０〜５００の範囲となるようにすることが好ましい。この可塑度が５００を超えると、半導体素子と回路基板の配線パターン密着後に振動等により接続が切れる可能性があり、また、５０未満であると半導体素子の電極パッドと回路基板の配線パターン間に接着材が残り、接続が不十分になる可能性がある。なお、本発明における可塑度は、ＪＩＳ  Ｋ  ６２４９に準拠した方法に基づいて、平行板可塑度計により測定したものである。
【００３０】
本発明の常温可塑性接着材の可塑度は、樹脂組成物に配合されるチクソ性付与剤を添加することにより調整したり、均一な樹脂組成物を得るための混練時に、混練の時間や速度等を調節したりすることにより適宜調節することができる。
【００３１】
常温可塑性接着材を介して接続された半導体装置は、オーブンや連続式硬化炉に送られ、熱硬化される。接着剤の加熱条件は、通常、８０〜１８０℃程度で１〜１２０分程度あればよく、電子素子の耐熱温度以下であればよいが、電子素子を高温に晒さないように８０〜１６０℃程度が好ましい。
【００３２】
常温可塑性接着材の樹脂組成物としては、液状の熱硬化型樹脂とチクソ性を付与する非導電フィラーを必須成分とするものであり、常温可塑性接着材が非導電フィラーを１０〜５０質量％含み、常温で外力により塑性変形するものである。このとき液状の熱硬化型樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、ビスマレイミドトリアジン樹脂、熱硬化型ポリフェニレンエーテル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂等をベースとする樹脂が挙げられ、これらは単独又は２種以上混合して使用することができる。
【００３３】
中でもエポキシ樹脂をベース樹脂とすることが好ましく、エポキシ樹脂をベースとしたときは、（Ａ）エポキシ樹脂と、（Ｂ）エポキシ樹脂硬化剤と、（Ｃ）チクソ性付与剤と、を配合した樹脂組成物とすることが好ましい。
【００３４】
ここで、エポキシ樹脂としては、液状のグリシジルエーテル系エポキシ樹脂が好適に用いられる。このようなものとしては、例えば、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂、ノボラック型エポキシ樹脂、脂環式エポキシ樹脂が挙げられ、これらは単独又は２種類以上混合して使用することができる。また、このグリシジルエーテル系エポキシ樹脂にはグリシジルエーテル系の変性エポキシ樹脂も含まれ、変性エポキシ樹脂としては例えばビスマレイミドトリアジン樹脂、ウレタン樹脂、ゴム変成エポキシ樹脂、燐変性エポキシ樹脂等を使用することができる。また、このとき、液状エポキシ樹脂に固形のエポキシ樹脂を混合したものとすることもできるが、そのときは、混合後のエポキシ樹脂が液状であることが求められる。
【００３５】
ここで（Ｂ）エポキシ樹脂硬化剤としては、通常、エポキシ樹脂の硬化に使用されている化合物であれば特に制限なく使用でき、例えばアミン系硬化剤としてジシアンジアミド、芳香族ジアミン等が挙げられ、フェノール系硬化剤としてフェノールノボラック樹脂、クレゾールノボラック樹脂、ビスフェノールＡ型ノボラック樹脂、トリアジン変性フェノールノボラック樹脂等が挙げられ、酸無水物系としてメチルヘキサヒドロ無水フタル酸等の脂環式酸無水物、無水フタル酸等の芳香族酸無水物、脂肪族二塩基酸無水物（ＰＡＰＡ）等の脂肪族酸無水物等が挙げられこれらは単独又は２種類以上混合して使用することができる。
【００３６】
この（Ｂ）エポキシ樹脂硬化剤の配合量は、（Ａ）エポキシ樹脂に対する当量比で０．５〜１．５とすることが好ましい。（Ｂ）エポキシ樹脂硬化剤の含有量が（Ａ）エポキシ樹脂に対する当量比で０．５未満となると硬化が不十分となり、１．５を超えると溶融粘度の上昇が早くなり、電極と配線の接続が不十分になってしまう。
【００３７】
また、この硬化剤とともに硬化促進剤を配合することが好ましく、このような硬化促進剤としては、通常エポキシ樹脂の硬化促進剤として使用されるものであればよく、２−エチル−４−メチルイミダゾール、１−ベンジル−２−メチルイミダゾール等のイミダゾール化合物、三フッ化ホウ素アミン錯体、トリフェニルホスフィン等が挙げられる。これらの硬化促進剤は単独又は２種類以上混合して使用することができる。この硬化促進剤は、（Ａ）エポキシ樹脂１００質量部に対して、０〜５質量部とすることが好ましい。
【００３８】
また、ここで（Ｃ）チクソ性付与剤としては、通常、樹脂組成物のチクソ性付与剤として使用されているものであればよく、例えば、アエロジル等の比表面積が１００ｇ／ｍ２以上の無機材料、ウィスカー等の針状の無機材料、鱗片状の無機材料、チクソ性が増大する有機材料等の非導電フィラーが挙げられる。これらのチクソ性付与剤は単独又は２種類以上混合して使用することができる。
【００３９】
また、この（Ｃ）チクソ性付与剤は、チクソ性の調整を目的として通常使用されているものであれば特に制限されずに使用することができるが、その使用量は樹脂組成物に１０〜５０質量％の割合で配合されることが好ましい。この範囲であれば、作業性良く使用することができる。さらに、用いるチクソ性付与剤は、その平均粒径が１０〜５０ｎｍの微細非導電フィラーであることが好ましい。なお、本明細書で用いる平均粒径はレーザー回折散乱法により測定したものである。
【００４０】
その他、（Ｃ）チクソ性付与剤成分以外に、半導体素子の電極パッドと回路板上の配線パターン間の接続をより確実なものとするために、平均粒径が０．１〜５μｍである導電性フィラーを配合することができる。例としては、Ｎｉ粒子、Ａｕ粒子、Ａｇ粒子、ＡｕコートＮｉ粒子、Ａｕコートプラスチック粒子等の導電性の粒子であって樹脂組成物に通常配合されるものであれば特に制限されずに用いることができる。
【００４１】
ここで導電性フィラーは、樹脂組成物中に１〜２０質量％含まれれば、作業性よく使用することができる。２０質量％を超えると、回路や電極間の絶縁性が悪くなってしまう。
【００４２】
さらに、この樹脂組成物は、（Ａ）エポキシ樹脂、（Ｂ）エポキシ樹脂用硬化剤、（Ｃ）チクソ性付与剤、（Ｃ）以外の導電性フィラーの他に、必要に応じて、また本発明の目的に反しない限度において、他の無機質又は有機質の微粉末充填材、顔料、老化防止剤、粘着付与剤としてエラストマー等を添加配合することができる。また、この樹脂組成物は、その不揮発分が９９質量％以上であることが好ましい。
【００４３】
このような樹脂組成物の調製は、（Ａ）エポキシ樹脂、（Ｂ）エポキシ樹脂用硬化剤、（Ｃ）チクソ性付与剤及び必要に応じてその他の添加剤を、ニーダー等により均一に混合、撹拌する公知の調製方法により容易に行うことができる。
【００４４】
本発明の接着材は、シリンダーに充填し、回路基板の回路上に適量ずつ押出して使用することができる。また、シート状に形成し所定面積に切り取って使用することもできる。
【００４５】
シート状に成形する為には、所定の厚さ、引っ張り強度を有するベースフィルム上に二軸ロールやカレンダーロール等のロール機、プレス機等で、所望の厚さになるように圧延、押出、プレスさせて製造することができる。
【実施例】
【００４６】
（実施例１）
ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂（ジャパンエポキシレジン株式会社製、商品名：エピコート８２８）  １００質量部、ジアミノジフェニルスルフォン  １０質量部、アエロジル（日本アエロジル株式会社製、商品名：ＡＥＲＯＳＩＬ＃２００；平均粒径１３ｎｍ、比表面積２００ｍ２／ｇ）  ３５質量部を撹拌混合し、常温での可塑度が１５０となるように調製して常温可塑性接着剤を得た。
【００４７】
得られた常温可塑性接着剤を、支持体となる離型フィルムにのせ、熱硬化性シートの厚さが５０μｍとなるように調製したプレス機を用いて加熱加圧して、厚さ５０μｍの接着シートを製造した。このときのプレス条件は４０℃、１０ＭＰａであった。
【００４８】
Ａｕバンプを金属突起として有する半導体素子と、スズめっきされた配線パターンを有する回路基板と、を用い、まず、製造した常温可塑性接着シートを、離型フィルムを剥がして回路基板上の所定の位置に載置した。その上から半導体素子を重ね合わせて積層し、ボンディングマシンで半導体素子を０．１ＭＰａ、６０℃で１秒間圧着して、同時に周波数２０ｋＨｚの超音波照射を行った。このとき、スズめっきされた配線パターンと半導体素子の金バンプとの間に熱共晶接続を形成していることを確認した。
その後、ボックス乾燥機に搬送し、１５０℃で２時間、常温可塑性接着材を加熱硬化させて半導体装置を作成した。得られた半導体装置について、断線やボイドがないか調べ、その結果を表１に示した。
【００４９】
（実施例２〜４、比較例１〜２）
下記の表１に記載した配合、可塑度に調整した常温可塑性接着剤を、実施例１と同様の操作により製造し、さらに、接着シート及び半導体装置を製造した。ただし、比較例２は、得られた接着剤が軟らかかったのでシート化せずに、接着剤をディスペンサーにより回路基板の配線パターン上に適量、供給し、その上から半導体素子を重ね合わせた。得られた半導体装置について、断線やボイドがないか調べ、その結果を表１に示した。
【００５０】
【表１】
2010177337.tif 000003
＊１：得られた半導体装置について、導通テストを行い断線の有無を調べた。
○：断線無し、×：断線有り
＊２：得られた半導体装置について、超音波探傷装置でボイドの有無を調べた。
○：ボイド無し、×：ボイド有り
【００５１】
以上のことから、本発明の常温可塑性接着剤は、このように得られた半導体装置はボンディング部の断線やボイドがなく、信頼性の高いものであった。
【符号の説明】
【００５２】
１…半導体装置、２…金属突起、３…電極パッド、４…半導体素子、５…配線パターン、６…回路基板、７（７´）…常温可塑性接着剤（接着剤硬化物）
【図１】
2010177337.tif 000004
【図２】
2010177337.tif 000005