(57)【要約】  接続信頼性が高いベアチップまたはチップサイズパッケ−ジの実装構造及び実装方法を提供する。  半導体素子の電極パッドと配線基板の電極パッドを電気的に接続するバンプは、コア部である第１の樹脂の周囲に金属層が施された複数の導電粒子からなり、導電粒子の最外層の金属層は溶融して各導電粒子間を結合しており、かつ導電粒子を第２の樹脂で被覆して保護する。
2009028239.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子の電極パッドと配線基板の電極パッドとが向かい合って接続された半導体装置の実装構造において、前記半導体素子の電極パッドと前記配線基板の電極パッドとを電気的に接続するバンプは、第１の樹脂からなるコア部の表面に金属層が施された複数の導電粒子からなり、前記導電粒子の前記金属層は溶融して各導電粒子間を結合しており、かつ前記導電粒子を第２の樹脂で被覆したことを特徴とする半導体装置の実装構造。
【請求項２】
前記バンプ中の導電粒子の比重が、前記バンプ中の導電粒子以外の絶縁部分の比重の３倍以下であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の実装構造。
【請求項３】
前記第１の樹脂は熱硬化性樹脂であり、前記バンプ中には導電粒子とともに第２の樹脂と同じ比重のフィラーが混入されていることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置の実装構造。
【請求項４】
前記第２の樹脂は、前記金属層に形成された酸化膜を除去する成分を含むことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体装置の実装構造。
【請求項５】
前記第１の樹脂は、熱硬化性樹脂であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の半導体装置の実装構造。
【請求項６】
前記バンプの周囲を第３の樹脂で封止したことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の半導体装置の実装構造。
【請求項７】
半導体素子の電極パッドまたは配線基板の電極パッドの少なくとも一方に、第１の樹脂からなるコア部の表面に金属層が形成された複数の導電粒子と第２の樹脂とを含んだ導電性ペーストを供給する工程と、
前記半導体素子を前記配線基板に位置合わせして搭載するとともに、前記半導体素子と前記配線基板との間の隙間を一定に制御した状態で加熱を行ない、前記導電粒子の周囲の金属を溶融させて前記導電粒子間の表面を結合させる工程と、
前記導電性ペーストを硬化させる工程とを含むことを特徴とする半導体装置の実装方法。
【請求項８】
半導体素子の電極パッドまたは配線基板の電極パッドの少なくとも一方に、第１の樹脂からなるコア部の表面に金属層が形成された複数の導電粒子と第２の樹脂とを含んだ導電性ペーストを供給する工程と、
前記半導体素子を前記配線基板に位置合わせして搭載するとともに、前記半導体素子と前記配線基板との間の隙間を一定に制御した状態で加熱を行ない、前記導電粒子の周囲の金属を溶融させて前記導電粒子間の表面を結合させる工程と、
前記導電性ペーストを硬化させる工程と、
硬化した前記導電性ペーストと前記両電極パッドとの間に第３の樹脂を封止した後硬化させる工程とを含むことを特徴とする半導体装置の実装方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子、特にフリップチップ、ＣＳＰ（Chip Size Package）を配線基板に搭載した半導体装置の実装構造及び実装方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子機器の急速な発達に伴い、半導体素子を配線基板に搭載した半導体装置にはこれまで以上に高機能化が求められるようになった。半導体装置の多機能化に伴い半導体素子の入出力端子数は増加し、また半導体素子を高速動作させるため配線基板の配線長の短縮化が求められている。このような要求を実現するために開発された接続工法としてフリップチップ接続が挙げられる。【０００３】
フリップチップ接続は半導体装置の配線基板の配線面のエリア上に接続パッドを設けることができるため多ピン化に適している。また、ワイヤボンディング（ＷＢ）やテープオートメイティッドボンディング（ＴＯＢ）の様な引き出し線を必要としないため配線長の短縮化が可能である。【０００４】
以上のような理由から電子機器に用いられる半導体素子の配線基板への実装には、フリップチップ接続を使用したものが増加している。【０００５】
現在、フリップチップに使用される一般的なバンプ電極の材質としては、Ａｕやはんだ等が用いられている。
はんだの材質の例としてはＳｎ−Ｐｂ共晶はんだが挙げられるが、Ｓｎ−Ｐｂ共晶はんだに限定されず、たとえばＳｎ−Ｐｂ（共晶を除く）、Ｓｎ−Ａｇ、Ｓｎ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ｓｂ、Ｓｎ−Ｚｎ、Ｓｎ−Ｂｉおよびこれら前記した材料に特定の添加元素をさらに加えた材料を挙げることができ、これらが適宜用いられる。【０００６】
一方、フリップチップ接続される半導体素子の多くは、半導体素子−配線基板間の熱膨張差による応力を緩和するため、半導体素子−配線基板の隙間を樹脂封止することにより、接続信頼性を確保する必要がある（例えば、特許文献１参照。）。
他のバンプ電極材質の例としては、導電性樹脂バンプを使用したもの（例えば、特許文献２参照。）、樹脂コアの周囲に金属層が施されたボールバンプを導電性接着剤で接合したもの（例えば、特許文献３参照。）等が挙げられる。
他に半導体装置としては特許文献４〜１１が挙げられる。
【特許文献１】特開平１１−２３３５５８号公報
【特許文献２】特開２０００−３３２０５３号公報
【特許文献３】特開平１０−１７３００６号公報
【特許文献４】特開２０００−１８８２９９号公報
【特許文献５】特開２００２−２７１００５号公報
【特許文献６】特開２００４−２７３４０１号公報
【特許文献７】特開２００４−３５６１３８号公報
【特許文献８】特開昭６３−０５５５２７号公報
【特許文献９】特開平０９−１２７５２２号公報
【特許文献１０】特開平１０−０５４９９０号公報
【特許文献１１】特開平１１−００７０２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、特許文献１に記載の発明においては、半導体素子−配線基板間がはんだバンプのみの場合、弾性率が高いはんだバンプは半導体素子−配線基板間の熱膨張差により高い応力が発生し、はんだバンプが破壊する問題がある。
そこではんだバンプにかかる応力を緩和する目的で半導体素子と配線基板との間の隙間をアンダーフィル樹脂で封止することで接続信頼性を向上できるが、はんだバンプの弾性率の方がアンダーフィル樹脂に比較してはるかに高い。例えばＳｎ−３ＡＧ−０．５Ｃｕはんだの弾性率は約４０ＧＰａであるのに対し、アンダーフィル樹脂の弾性率は充填剤を混入して高弾性率化した場合でも１０ＧＰａ程度である。
このため、弾性率の高いはんだ部分に依然として応力が集中して、繰返しの温度変化等により、はんだバンプにクラックが発生するという課題がある。【０００８】
そこで、はんだバンプの弾性率を下げる試みとして、例えば特許文献２記載の発明のように導電性樹脂バンプにより、半導体素子と配線基板とを接続する構造が提案されている。この場合、導電性樹脂を使用することにより、はんだバンプに比較し低弾性化を図ることが可能となる。ただし、この方法では、導電性樹脂に重量比で８０ｗｔ％（重量％）の多量の金属粒子を添加して、導電性を確保しているため、この多量の金属粒子の影響でバンプ自体の弾性率が上昇し、バンプ材質の低弾性化効果が小さくなる。例をあげると、エポキシ樹脂自身の弾性率は２ＧＰａ程度であっても、この従来例のように金属フィラーを多量に混入することにより、導電性樹脂としての弾性率は、１０ＧＰａ程度まで上昇してしまうという課題がある。【０００９】
はんだバンプ自体の弾性率をさらに低下させる試みとして、例えば特許文献３に記載の発明のように樹脂コアの周囲に金属層が施されたボールバンプを導電性接着剤で接合したものがある。この場合、バンプの体積の大部分を占めているのは樹脂であり、バンプの低弾性化には有効な手段となる。
しかし、この方法の場合、バンプの周囲は金属層であるため、半導体素子と配線基板との間を封止せずに使用した場合、隙間に異物等が混入すると、異物がバンプ間を繋いでショートが発生するという課題がある。さらに適用する半導体素子の電極パッドのピッチに合わせて、それぞれ専用のサイズの樹脂コアボールを用意しなければならず、バンプの製造コストがかかるという課題がある。
ピッチに対してバンプサイズが大きすぎる場合は、隣のバンプとショートする課題があり、ピッチに対してバンプサイズが小さすぎる場合は、接続信頼性が低下するという課題がある。
さらにバンプ形成性に関しては、先に導電性樹脂等の接着用材料をパッド上のみに塗布した後、個々の樹脂コアボールバンプをパッド上に整列させてパッドと接合する必要があるため、バンプ形成に手間がかかるという課題があった。【００１０】
以上述べたように、フリップチップ接続は、高性能化に適した構造であるため、将来的に需要増が見込まれるが、高信頼性確保するとともに、低コスト化、実装工程削減等の課題が残っている。【００１１】
そこで、本発明の目的は、フリップチップ接続やＣＳＰ接続において、課題となっているバンプの低弾性化により高信頼性の確保が可能であると同時に簡易な実装工程で製作可能な半導体装置の実装構造及び実装方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
請求項１記載の発明では、半導体素子の電極パッドと配線基板の電極パッドとが向かい合って接続された半導体装置の実装構造において、前記半導体素子の電極パッドと前記配線基板の電極パッドとを電気的に接続するバンプは、第１の樹脂からなるコア部の表面に金属層が施された複数の導電粒子からなり、導電粒子の金属層は溶融して各導電粒子間を結合しており、かつ導電粒子を第２の樹脂で被覆したことを特徴とする。【００１３】
請求項２記載の発明では、前記バンプ中の導電粒子の比重が、前記バンプ中の導電粒子以外の絶縁部分の比重の３倍以下であることを特徴とする。【００１４】
請求項３記載の発明では、前記第１の樹脂は熱硬化性樹脂であり、前記バンプ中には導電粒子とともに第２の樹脂と同じ比重のフィラーが混入されていることを特徴とする。【００１５】
請求項４記載の発明では、前記第２の樹脂は、前記金属層に形成された酸化膜を除去する成分を含むことを特徴とする。【００１６】
請求項５記載の発明では、前記第１の樹脂は、熱硬化性樹脂であることを特徴とする。【００１７】
請求項６記載の発明では、前記バンプの周囲を第３の樹脂で封止したことを特徴とする。【００１８】
請求項７記載の発明では、半導体素子の電極パッドまたは配線基板の電極パッドの少なくとも一方に、第１の樹脂からなるコア部の表面に金属層が形成された複数の導電粒子と第２の樹脂とを含んだ導電性ペーストを供給する工程と、前記半導体素子を前記配線基板に位置合わせして搭載するとともに、前記半導体素子と前記配線基板との間の隙間を一定に制御した状態で加熱を行ない、前記導電粒子の周囲の金属を溶融させて前記導電粒子間の表面を結合させる工程と、前記導電性ペーストを硬化させる工程とを含むことを特徴とする。【００１９】
請求項８記載の発明では、半導体素子の電極パッドまたは配線基板の電極パッドの少なくとも一方に、第１の樹脂からなるコア部の表面に金属層が形成された複数の導電粒子と第２の樹脂とを含んだ導電性ペーストを供給する工程と、前記半導体素子を前記配線基板に位置合わせして搭載するとともに、前記半導体素子と前記配線基板との間の隙間を一定に制御した状態で加熱を行ない、前記導電粒子の周囲の金属を溶融させて前記導電粒子間の表面を結合させる工程と、前記導電性ペーストを硬化させる工程と、硬化した前記導電性ペーストと前記両電極パッドとの間に第３の樹脂を封止した後硬化させる工程とを含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、半導体素子の電極パッドと配線基板の電極パッドを電気的に接続するバンプは、コア部である第１の樹脂の周囲に金属層が施された複数の導電粒子からなり、導電粒子の最外層の金属層は溶融して各導電粒子間を結合しており、かつ導電粒子を第２の樹脂で被覆して保護する。これにより、高信頼性の確保が可能であると同時に簡易な実装工程で製作可能な半導体装置の実装構造及び実装方法の提供を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明に係る半導体装置の実装構造の一実施の形態は、半導体素子の電極パッドと配線基板の電極パッドとが向かい合って接続された半導体装置の実装構造において、半導体素子の電極パッドと配線基板の電極パッドとを電気的に接続するバンプは、第１の樹脂からなるコア部の表面に金属層が施された複数の導電粒子からなり、導電粒子の金属層は溶融して各導電粒子間を結合しており、かつ導電粒子を第２の樹脂で被覆したことを特徴とする。【００２２】
上記構成によれば、バンプの体積の大部分を占めているのが樹脂である為、バンプの弾性率を低くすることができる。このバンプの弾性率を低くする効果により半導体素子と配線基板との間の熱膨張差により生じる応力を緩和すること（応力緩和効果）が可能になる。この応力緩和効果はバンプ破壊の防止のみでなく、半導体素子や配線基板（プリント基板）のクラックを防止する効果がある。さらにバンプ中の各導電粒子間の結合部分は周囲の第２の樹脂（絶縁樹脂）によって被覆されて保護されている為、応力がかかっても結合部分が破壊されにくい。これらの効果により、高信頼性を確保することが容易になる。
また、本構造は導電粒子の表面が溶融して各導電粒子間で結合する為、バンプ体積の大部分を絶縁性樹脂が占めている場合でも、安定した導通を確保可能である。さらに本構造はバンプ形成の際、導電粒子と絶縁樹脂（第２の樹脂）とをペースト化したものを、スクリーン印刷等により電極パッド上のみに選択的に供給することでバンプ形成が可能であるため、バンプ形成工程がシンプルかつ容易である。【００２３】
本発明に係る半導体装置の実装構造の他の実施の形態は、バンプに関して、バンプ中の導電粒子の比重が、バンプ中の導電粒子以外の絶縁部分の比重の３倍以下であることを特徴とする。【００２４】
上記構成によれば、バンプ中の導電粒子の比重と絶縁樹脂の比重の差を抑えることにより、熱がかかって絶縁樹脂の粘度が低下する場合でも、フィラーの沈殿が発生せずバンプ中の導電粒子は均一分散する為、半導体素子と配線基板との間の安定した導通確保を実現することができる。【００２５】
本発明に係る半導体装置の実装構造の他の実施の形態は、第１の樹脂は熱硬化性樹脂であり、バンプ中には導電粒子とともに第２の樹脂と同じ比重のフィラーが混入されていることを特徴とする。【００２６】
上記構成によれば、導電粒子の表面の金属層の厚さを厚くした場合、バンプの形成及び接合時に導電粒子が沈殿しやすくなるが、第２の樹脂と同じ比重であるフィラーを混入させておくことにより、バンプの形成及び接合時に導電粒子の沈殿を抑制し、良好な導電粒子の接続を達成することが可能となる。【００２７】
本発明に係る半導体装置の実装構造の他の実施の形態は、第２の樹脂は、金属層に形成された酸化膜を除去する成分を含むことを特徴とする。【００２８】
上記構成によれば、導電粒子表面の金属層を溶融させて結合させる際に金属層の表面の酸化膜を樹脂の持つ酸化膜除去作用により除去可能となる為、導電粒子表面の安定した結合を実現することが可能となる。【００２９】
本発明に係る半導体装置の実装構造の他の実施の形態は、第１の樹脂は、熱硬化性樹脂であることを特徴とする。【００３０】
上記構成によれば、様々な温度条件下においても導電粒子のコア部の第１の樹脂が溶融することが無い為、導電粒子は常に安定した形状を保つことができる。従って導電粒子の表面が溶融して結合する状態においても、コア部が安定していることにより導電粒子の配列および形状が大きく崩れることなく結合できるため、半導体素子と配線基板との間の導通確保が容易になる。【００３１】
本発明に係る半導体装置の実装構造の他の実施の形態は、バンプの周囲を第３の樹脂で封止したことを特徴とする。【００３２】
上記構成によれば、バンプの周囲をアンダーフィル樹脂で封止することで、バンプへの応力がさらに低減化され、さらなる高信頼性を確保することが可能となる。【００３３】
本発明に係る半導体装置の実装方法の一実施の形態は、半導体素子の電極パッドまたは配線基板の電極パッドの少なくとも一方に、第１の樹脂からなるコア部の表面に金属層が形成された複数の導電粒子と第２の樹脂とを含んだ導電性ペーストを供給する工程と、半導体素子を配線基板に位置合わせして搭載するとともに、半導体素子と配線基板との間の隙間を一定に制御した状態で加熱を行ない、導電粒子の周囲の金属を溶融させて導電粒子間の表面を結合させる工程と、導電性ペーストを硬化させる工程とを含むことを特徴とする。【００３４】
上記構成によれば、半導体素子の配線基板への実装において良好な導通状態と弾性率が低いバンプを実現することができる。【００３５】
本発明に係る半導体装置の実装方法の他の実施の形態は、半導体素子の電極パッドまたは配線基板の電極パッドの少なくとも一方に、第１の樹脂からなるコア部の表面に金属層が形成された複数の導電粒子と第２の樹脂とを含んだ導電性ペーストを供給する工程と、半導体素子を配線基板に位置合わせして搭載するとともに、半導体素子と配線基板との間の隙間を一定に制御した状態で加熱を行ない、導電粒子の周囲の金属を溶融させて導電粒子間の表面を結合させる工程と、導電性ペーストを硬化させる工程と、硬化した導電性ペーストと両電極パッドとの間に第３の樹脂を封止した後硬化させる工程とを含むことを特徴とする。【００３６】
上記構成によれば、半導体素子の配線基板への実装において良好な導通状態と弾性率が低いバンプを実現することができる。【００３７】
〔効果〕
以上において、本発明によれば、バンプの体積の大部分を占めているのが樹脂である為、バンプの弾性率を低くすることができる。このようなバンプの弾性率を低くする効果により半導体素子と配線基板との間の熱膨張差により生じる応力を緩和することが可能になる。この応力緩和効果はバンプ破壊の防止のみでなく、半導体素子や配線基板のクラックを防止する効果がある。さらにバンプ中の各粒子間の結合部分は周囲の絶縁樹脂によって保護されている為、応力がかかっても結合部分が破壊されにくい。【００３８】
これらの効果により、高信頼性を確保することが容易になる。また、導電粒子の表面が溶融して各粒子間で結合する為、バンプ体積の大部分を絶縁性樹脂が占めている場合でも、安定した導通を確保可能である。さらに本構造はバンプ形成の際、導電粒子と絶縁樹脂をペースト化したものを、スクリーン印刷等によりパッド上のみに選択的に供給することでバンプ形成が可能であるため、バンプ形成工程がシンプルかつ容易である。【００３９】
なお、上述した実施の形態は、本発明の好適な実施の形態の一例を示すものであり、本発明はそれに限定されることなく、その要旨を逸脱しない範囲内において、種々変形実施が可能である。
以下実施例につき本発明を詳細に説明する。
【実施例１】
【００４０】
フリップチップ実装工法を用いた電子部品装置に関して、本発明の実施例について説明するが、適用する電子部品はＣＳＰ、ＢＧＡ（Ball Grid Array）、ベアチップ等、いずれの形態でも良く特に限定されるものではない。【００４１】
まず、本発明に係る半導体装置の実装構造の一例ついて、図１（ａ）、（ｂ）を用いて詳細に述べる。
なお、図１（ａ）は本発明に係る半導体装置の一例を示す部分断面図であり、図１（ｂ）は、導電性樹脂バンプ６を形成している導電粒子の断面模式図であり、図１（ｃ）は、導電性樹脂バンプの部分拡大図であり、図１（ｄ）は導電性樹脂バンプの導電粒子間の結合状態の模式図である。【００４２】
図１（ａ）に示す半導体装置１００の半導体素子１の電極パッド３と配線基板２の電極パッド４との間は、導電性樹脂バンプ６で接続されており、半導体素子１と配線基板２との電気的接続を達成している。配線基板２の電極パッド４の一例として銅配線の表面にニッケルメッキがされており、さらにそのニッケルメッキの上に金メッキが形成されている。【００４３】
導電性樹脂バンプ７の基材となる第２の樹脂９は、アクリル樹脂、メラミン樹脂、エポキシ樹脂、ポリオレフィン樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリエーテル樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂、フッ素樹脂、ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、フルオレン樹脂、ベンゾシクロブテン樹脂、シリコーン樹脂等様々な材料があるが、特に限定されるものではなく、これらを１種あるいは２種以上組み合わせて用いることもできる。粘度、コスト、耐熱性、接着性等の面に優れるエポキシ樹脂が一般に用いられるが、２５℃の室温において液状である樹脂が望ましい。【００４４】
さらに導電性樹脂バンプ６の基材となる第２の樹脂９に酸化膜除去作用を付加することで導電粒子同士の接合性を飛躍的に向上させることができ、有効である。エポキシ樹脂にフラックス作用を与えるには、（メタ）アクリル酸、マレイン酸などの不飽和酸、蓚酸、マロン酸などの有機二酸、クエン酸などの有機酸をはじめ、炭化水素の側鎖に、ハロゲン基、水酸基、ニトリル基、ベンジル基、カルボキシル基等を少なくとも１つ以上を添加することにより可能である。第２の樹脂９にこれらの添加剤を３〜１０ｗｔ％（重量％）加えても良く、エポキシ樹脂の硬化剤と主剤との反応時に生成される前記物質を利用して、酸化膜除去を行なっても良い。【００４５】
エポキシ樹脂の主剤と硬化剤との混合比は、主剤６０〜９０ｗｔ％（重量％）に対して、硬化剤１０〜４０ｗｔ％（重量％）が望ましい。【００４６】
導電性樹脂バンプ６に添加されている導電粒子５の形状は、針状、球状、フレーク状等、さまざまであり、特に限定されないが球状が一般的である。その構造は図１（ｂ）に示すように、コア部としての第１の樹脂（樹脂コア）７に金属層（以下、導電層と称す。）８をメッキ等により形成したものである。このように導電粒子５に第１の樹脂（樹脂コア）７を使用することで、通常、金属である導電粒子５自体の物性を第１の樹脂（樹脂コア）７の物性に限りなく近づけることが可能となり、導電性樹脂バンプ６の低弾性化が実現できる。【００４７】
導電粒子５のコア部に用いる樹脂としては、メラミン樹脂、エポキシ樹脂、ポリオレフィン樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリイミド樹脂、フッ素樹脂、ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、シリコーン樹脂等があげられるが、熱硬化性樹脂である方がより好ましい。その理由は、様々な温度条件下においてもコアの樹脂が溶融することが無い為、常に安定した形状を保つことができる。
従って導電粒子５の表面が溶融して結合する状態においても、コア部が安定していることにより導電粒子５の配列および形状が大きく崩れることなく結合できるため、半導体素子１と配線基板２との間の導通確保が容易になるからである。【００４８】
第１の樹脂（樹脂コア）７の周囲にメッキ等により、金属の導電層８を形成する際に、層間の密着力を向上させる目的で第１の樹脂（樹脂コア）７の周囲を粗化させることが有効である。第１の樹脂（樹脂コア）７を覆う導電層８については、例えば、第１の樹脂７の表面にＣｕ層、Ｃｕ層の周囲にＳｎ／Ｐｂはんだ層のように２層以上形成することが望ましいが、最外周の金属層８は実装工程中に溶融する物質である必要があり、例としては、Ｓｎ／Ｐｂ、Ｓｎ／Ａｇ、Ｓｎ／Ｃｕ、Ｓｎ／Ｓｂ、Ｓｎ／Ｚｎ、Ｓｎ／Ｂｉおよびこれら前記した材料に特定の添加元素をさらに加えた材料を挙げることができ、これらを適宜用いることができる。【００４９】
導電粒子５の平均粒径は、１０〜２０μｍ程度、導電粒子５の導電層８の厚さは１〜２μｍ程度が目安となるが、バンプピッチが微細の場合には、粒径を小さくすることもある。導電性樹脂バンプ６に添加されている導電粒子５の量に関しては、粒子形状や粒子材質、製造方法等により異なるので、一概に規定することは出来ないが、一例をあげるとすれば、樹脂に対する導電粒子５の体積比率で考えた場合、２０〜５０％程度であることが望ましい。【００５０】
ここで問題になるのが、バンプ接合時に導電粒子５が重力の影響で沈殿して配線基板２側あるいは半導体素子１側の一方に偏り、半導体素子１と配線基板２との導通を得られない現象が発生することである。この現象は導電性樹脂バンプ６中の絶縁樹脂は接合時の加熱により極端に粘度が低下することに起因し、対策としては導電性樹脂バンプ６中の導電粒子（第１の樹脂７＋導電層８）と導電性樹脂バンプ６中の絶縁部分の比重を可能な限り合わせることが望ましい。また、別の対策としては、比重の大きい導電粒子５を微細にすることで沈殿しにくくする等が考えられる。【００５１】
本発明に用いる導電粒子５の場合、第１の樹脂７が存在する分だけ比重が大きくなるのを抑える効果があるが、多層構造になっている為、粒径を微細にすることが困難となる。
また一方で導電層８の厚さを薄くすれば、低応力効果及び比重の低減に有利であるが、導電層８が薄いと導電層８の溶融接続が困難になる為、所定の厚さを確保する必要がある。【００５２】
そこで導電性樹脂バンプ６中の導電粒子５や絶縁樹脂（第２の樹脂）７について、具体例に基づいて詳細に説明する。
導電粒子５間の良好な溶融接続を得るためには、導電粒子５の直径（金属層を含めた直径）に対して導電層８の厚さが１０％以上であることが望ましい。例えば導電粒子５の直径が１０μｍの場合、導電層８の厚さは１μｍ以上となる。【００５３】
ここで、導電粒子５の直径を１０μｍとし、導電層８の厚さを１μｍとし、導電粒子５の第１の樹脂７に低弾性であるシリコーン系樹脂（比重０．９５）を使用し、導電層８にＳｎ／Ａｇはんだ（比重７．３）を使用すると、導電粒子５の合計の比重は２．６７となる。
導電性樹脂バンプ６中の絶縁樹脂（第２の樹脂）９にエポキシ樹脂（比重１．１７）を用いた場合、導電粒子５の比重は絶縁部分の比重の３倍以内となり、導電粒子５同士間の良好な接続と導電性樹脂バンプ６中の導電粒子５の均一な分散を同時に満たすことが可能となり、半導体素子１と配線基板２との良好な接続が達成できる。【００５４】
さらに導電性樹脂バンプ６の形成及び接合時の導電粒子５の沈殿を抑制する手段として、図２に示すように導電性樹脂バンプ６中の第２の樹脂（絶縁樹脂）９と同じ比重であるフィラー１２を混入することが効果的である。比重が同じフィラー１２は硬化前の液状の第２の樹脂９中においても沈殿することがなく、第２の樹脂９中で浮遊するため、このフィラー１２の影響で硬化前の液状の第２の樹脂９中における導電粒子５の沈殿を抑制することが出来るからである。【００５５】
図２は本発明に係る半導体装置の実装構造の変形例を示す部分断面図である。
このフィラー１２は、例えば第２の樹脂と同じ樹脂を硬化させたものをフィラー１２として混入させることが出来る。ただし、この場合、このフィラー１２を多量に混入すると、導電粒子５の沈殿を防止する効果はあるが導電粒子５同士間の接合に対しては悪影響を及ぼすため、混入量としては、導電粒子５に対して５０ｖｏｌ％以下であることが望ましい。【００５６】
また、このフィラー１２の平均粒径及び最大粒径は、導電粒子５の平均粒径及び最大粒以下であることが望ましい。その理由は、フィラー１２の粒径が大きいと、導電粒子５と分離しやすくなり、導電粒子５の沈殿抑制効果を得にくくなるためである。また、フィラー１２が導電性を得るために周囲にメッキ処理をすることも可能である。メッキの種類としては、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｕ等があげられるが、メッキ厚は０．１μｍ以下とごく薄くすることが望ましい。【００５７】
導電粒子５同士間の接続状態については、図１（ｄ）に示すように実装工程中の加熱により、最外層の金属層８が溶融して、隣接する導電粒子５や半導体素子１側の電極パッド３や配線基板２側の電極パッド４と金属結合した後、再び固化している。このため、半導体素子１と配線基板２とは確実な導通を確保することが可能となる。
これらの導電粒子５及び導電粒子間結合部分は、第２の樹脂（絶縁樹脂）９に保護されている為、熱応力や落下衝撃、搬送中に生じる外力等に対しても強く、高信頼性を確保することが出来る。さらに本バンプ構造の場合、導電粒子５の最外層の導電層８が溶融して導電粒子５間で金属結合が行なわれる際に、金属部分同士が濡れて結合する為、濡れ現象の際に発現する金属部分の表面張力により、導電粒子５が電極パッド３上及び導電性樹脂バンプ６の中心部分に集合する現象が発現する。【００５８】
なお、この集合現象を発現させるためには、金属層８の溶融時に第２の樹脂（絶縁樹脂）９は、ほとんど未硬化の状態で十分に粘度が低く、導電性樹脂バンプ６内で導電粒子５が移動可能であることが条件となる。さらに導電粒子５の導電層８の溶融する部分の厚さが厚いほど、集合現象が発現しやすい。この集合現象が発現することにより、導電性樹脂バンプ６の最外層は、第２の樹脂（絶縁樹脂）９で覆われることになるため、本バンプ構造は、導電性樹脂バンプ６の表面は第２の樹脂（絶縁樹脂）９による絶縁性を有し、導電性樹脂バンプ６内は導電粒子５により導電性を有する構造を得ることが可能となる。【００５９】
従って本発明の実装構造に関しては、半導体素子１と配線基板２と間の隙間に異物が混入した際でも、バンプ外周部が絶縁性を有しているためにバンプ間ショートによる不具合を防ぐことが可能となる。【００６０】
次に本発明の実装構造を実現する為の実装方法の一例を図を参照して詳細に述べる。
図３（ａ）、（ｂ）は本発明の半導体装置の実装方法の一例を示す工程図である。
まず、図３（ａ）に示すように、半導体素子１及び配線基板２を用意し、半導体素子１の電極パッド３上に導電性樹脂バンプ６を形成する。導電性樹脂バンプ６の形成方法はスクリーン印刷法が一般的であるが、他の方法、例えばディスペンスによる塗布等でも可能である。なお、図３（ａ）では、半導体素子１側に導電性樹脂バンプ６を形成しているが、本発明は限定されるものではなく、配線基板２側のみでもよく、あるいは半導体素子１及び配線基板２の両方に導線性樹脂バンプ６を形成しても良い。このとき、形成した導電性樹脂バンプ６は、未硬化の状態にしておく。【００６１】
次に半導体素子１と配線基板２との位置合わせを行った後、マウンタの搭載高さ位置制御機能を使って、半導体素子１側の導電性樹脂バンプ６と配線基板２側の導電性樹脂バンプ６とを確実に接触させる。これと共に導電性樹脂バンプ６が潰れて隣同士の導電性樹脂バンプ６がショートしない高さで保持したまま導電粒子５の金属層８の溶融温度以上の温度で加熱を行ない、導電粒子５の金属層８を溶融させて導電粒子５同士間を結合させる。一例をあげると、Pb／Sn共晶はんだの場合は、融点が１８３℃であるため、２００℃程度に加熱すると良い。【００６２】
この工程で注意すべきことは、導電粒子５の金属部分（導電層８）同士が濡れて結合する際の濡れ現象で発現する金属部分の表面張力により、導電粒子５が電極パッド５上及び導電性樹脂バンプ６の中心部分に集まる現象を妨げないようにすることである。そのためには、金属層８の溶融時に第２の樹脂（絶縁樹脂）９は、ほとんど未硬化の状態で十分に粘度が低く、導電性樹脂バンプ６内で導電粒子５が移動可能であることが条件となる。このため、導電層８を構成する金属の融点に比較し、必要以上に温度を高くすると、第２の樹脂（絶縁樹脂）９の硬化が早まって、粘度上昇により導電粒子５の移動が困難となるので注意が必要である。【００６３】
なお、この現象を確実に行なう為に、第２の樹脂（絶縁樹脂）９の硬化を遅らせることも有効であり、その手段としては、エポキシ樹脂の主剤と硬化剤との配合量及び反応促進剤の添加量を調整することで可能となる。導電粒子５同士間の金属結合が完了した後、少なくとも半導体素子１の自重で未硬化の導電性樹脂バンプ６が潰れなくなる程度まで導電性樹脂バンプ６の硬化を進める。その後、加熱オーブン等を用いて、第２の樹脂（絶縁樹脂）９を完全に硬化させることで、本発明の実装構造が完成する（図３（ｂ））。【００６４】
また、別の方法としては、配線基板２への半導体素子１の搭載時に半導体素子１の自重で未硬化の導電性樹脂バンプ６が潰れない工夫をしておくことで、マウンタに高さ位置制御機能が無くても実装することが可能である。
一例をあげると、導通を確保する必要がない電極パッド３、４等に半導体素子１の自重を支えて高さの確保が可能なダミーバンプをあらかじめ形成しておけばよい。その後の工程は、前記と同様に実施することが可能である。【００６５】
なお、上述した実施例は、本発明の好適な実施例を示すものであり、本発明はそれに限定されることなく、その要旨を逸脱しない範囲内において、種々変形実施が可能である。
【実施例２】
【００６６】
図４は本発明に係る半導体装置の他の実装断面構造を示す模式図である。図５（ａ）〜（ｃ）は本発明の半導体装置の実装方法の他の一例を示す工程図である。尚、図５（ａ）、（ｂ）は図３（ａ）、（ｂ）と同様であるため説明を省略する。
本発明の実装構造は、図４に示すように半導体素子１と配線基板２との間の隙間を第３の樹脂（アンダーフィル樹脂）１０で封止することも可能である。
すなわち、図５（ｃ）に示すように半導体素子１と配線基板２との間の隙間を第３の樹脂（アンダーフィル樹脂）１０で封止する場合は、毛細管現象を利用して第３の樹脂（アンダーフィル樹脂）１０を充填し、第３の樹脂１０を硬化することで、本発明の実装構造が完了する。【００６７】
第３の樹脂（アンダーフィル樹脂）１０については、導電性樹脂バンプ６に使用した第２の樹脂（絶縁樹脂）９と同系統のものを用いることが可能であり、無機充填剤を混入して、第３の樹脂（アンダーフィル樹脂）１０の熱膨張係数や弾性率を調整することも可能である。無機充填剤は、球状シリカが一般的であり、平均粒径は２〜３μｍが一般的であるが、本発明はこれに限定されない。
このように構成しても実施例１と同様の効果が得られる。【００６８】
〔効果〕
フリップチップやＣＳＰのように、半導体素子の電極パッドと配線基板の電極パッドとが向かい合って接続される場合、半導体素子の熱膨張係数と配線基板の熱膨張係数との間に差がある場合でも、本発明の実装構造を適用すればよい。これは、導電性樹脂バンプの体積の大部分を占めているのが樹脂であり、導電性樹脂バンプの弾性率を低くすることができるためである。この効果により半導体素子置と配線基板との熱膨張差により生じる応力を緩和することが可能になる。この応力緩和効果は導電性樹脂バンプの破壊の防止のみでなく、半導体素子や配線基板のクラックを防止する効果がある。【００６９】
さらに導電性樹脂バンプ中の各導電粒子間の結合部分は周囲の絶縁樹脂によって保護されている為、応力がかかっても結合部分が破壊されにくい。これらの効果により、高信頼性を確保することが容易になる。また、導電粒子の表面が溶融して各導電粒子間で結合する為、導電性樹脂バンプ体積の大部分を絶縁性樹脂が占めている場合でも、安定した導通を確保可能である。さらに本バンプ構造は、導電性樹脂バンプの表面は第２の樹脂（絶縁樹脂）による絶縁性を有し、導電性樹脂バンプ内は導電粒子により導電性を有する構造を得ることが可能となる。従って半導体素子１と配線基板２との間の隙間に異物が混入した際でも、導電性樹脂バンプの最外層が絶縁性を有しているためにバンプ間ショートによる不具合を防ぐことが可能となる。【００７０】
この出願は、２００７年８月２７日に出願された日本出願特願２００７−２２００１０を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】（ａ）は本発明に係る半導体装置の一例を示す部分断面図であり、（ｂ）は、導電性樹脂バンプ６を形成している導電粒子の断面模式図であり、（ｃ）は、導電性樹脂バンプの部分拡大図であり、（ｄ）は導電性樹脂バンプの導電粒子間の結合状態の模式図である。
【図２】本発明に係る半導体装置の実装構造の変形例を示す部分断面図である。
【図３】（ａ）〜（ｂ）は本発明の半導体装置の実装方法の一例を示す工程図である。
【図４】本発明に係る半導体装置の他の実装断面構造を示す模式図である。
【図５】（ａ）〜（ｃ）は本発明の半導体装置の実装方法の他の一例を示す工程図である。
【符号の説明】
【００７２】
１    半導体素子
２    配線基板
３    電極パッド（ＬＳＩ側）
４    電極パッド（配線基板側）
５    導電粒子
６    導電性樹脂バンプ
７    第１の樹脂（樹脂コア）
８    導電層
９    第２の樹脂（絶縁樹脂）
１０    第３の樹脂（アンダーフィル樹脂）
１１    金属結合部
１２    フィラー
１００    半導体装置
【図１】
2009028239.tif 000003
【図２】
2009028239.tif 000004
【図３】
2009028239.tif 000005
【図４】
2009028239.tif 000006
【図５】
2009028239.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成20年12月22日(2008.12.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の電極パッドと第２の電極パッドとが向かい合って接続された半導体装置の実装構造において、前記第１の電極パッドと前記第２の電極パッドとを電気的に接続するバンプは、第１の樹脂からなるコア部の表面に金属層が施された複数の導電粒子からなり、前記導電粒子の前記金属層は各導電粒子間を結合しており、かつ前記導電粒子を第２の樹脂で被覆したことを特徴とする半導体装置の実装構造。
【請求項２】
前記金属層の少なくとも一部を溶融して各導電粒子間を結合したことを特徴とする請求項１記載の半導体装置の実装構造。
【請求項３】
前記バンプ中の導電粒子の比重が、前記バンプ中の導電粒子以外の絶縁部分の比重の３倍以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置の実装構造。
【請求項４】
前記第１の樹脂は熱硬化性樹脂であり、前記バンプ中には導電粒子とともに第２の樹脂と同じ比重のフィラーが混入されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体装置の実装構造。
【請求項５】
前記第２の樹脂は、前記金属層に形成された酸化膜を除去する成分を含むことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の半導体装置の実装構造。
【請求項６】
前記第１の樹脂は、熱硬化性樹脂であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の半導体装置の実装構造。
【請求項７】
前記バンプの周囲を第３の樹脂で封止したことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の半導体装置の実装構造。
【請求項８】
半導体素子の電極パッドまたは配線基板の電極パッドの少なくとも一方に、第１の樹脂からなるコア部の表面に金属層が形成された複数の導電粒子と第２の樹脂とを含んだ導電性ペーストを供給する工程と、
前記半導体素子を前記配線基板に位置合わせして搭載するとともに、前記半導体素子と前記配線基板との間の隙間を一定に制御した状態で加熱を行ない、前記導電粒子の周囲の金属を溶融させて前記導電粒子間の表面を結合させる工程と、
前記導電性ペーストを硬化させる工程と、を含むことを特徴とする半導体装置の実装方法。
【請求項９】
半導体素子の電極パッドまたは配線基板の電極パッドの少なくとも一方に、第１の樹脂からなるコア部の表面に金属層が形成された複数の導電粒子と第２の樹脂とを含んだ導電性ペーストを供給する工程と、
前記半導体素子を前記配線基板に位置合わせして搭載するとともに、前記半導体素子と前記配線基板との間の隙間を一定に制御した状態で加熱を行ない、前記導電粒子の周囲の金属を溶融させて前記導電粒子間の表面を結合させる工程と、
前記導電性ペーストを硬化させる工程と、
硬化した前記導電性ペーストと前記両電極パッドとの間に第３の樹脂を封止した後硬化させる工程とを含むことを特徴とする半導体装置の実装方法。
【国際調査報告】
2009028239.tif 000008
2009028239.tif 000009
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