(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一の電極を有する配線基板と、前記配線基板に実装されて前記第一の電極と対向する位置に第二の電極を有する半導体素子と、前記第一の電極と前記第二の電極との間に介在して電気的に接合されている接合材料とを備え、前記第一の電極と前記第二の電極の側面に撥液層が形成され、前記撥液層は金属とフッ素系微粒子からなる複合膜により形成されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
第一の電極を有する配線基板と、前記配線基板に実装されて前記第一の電極と対向する位置に第二の電極を有する半導体素子と、前記第一の電極と前記第二の電極との間に介在して電気的に接合されている接合材料とを備え、前記第一の電極と前記第二の電極の側面に撥液層が形成され、前記撥液層はＮｉとＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）からなる複合膜により形成されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
前記第二の電極の厚みは前記第一の電極の厚みよりも薄いことを特徴とする請求項１から２のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記第一の電極と前記第二の電極の形状は上面からみて長方形であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記接合材料は０．５ｎｍ以上１００ｎｍ以下の金属粒子を含むことを特徴とする請求項１から２のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記接合材料は、Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｎｉ、又はそれらの合金のいずれかであることを特徴とする請求項１から２のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項７】
配線基板上に第一の電極を形成する工程と、半導体素子上に第二の電極を形成する工程と、前記第一の電極の側面に撥液層を無電解めっきによって形成する工程と、前記第二の電極の側面に撥液層を無電解めっきによって形成する工程と、前記第一の電極上に接合材料を印刷する工程と、前記半導体素子を反転し、ボンディングツールで保持しながら位置合わせする工程と、前記第一の電極と前記第二の電極が対向するように前記配線基板上に
前記半導体素子を搭載する工程と、前記接合材料を加熱して焼結させ、前記第一の電極および前記第二の電極との間で接合部を形成する工程とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記接合材料はインクジェット印刷法によって形成することを特徴とする請求項７に記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属ナノ粒子を用いたフリップチップ接合技術において、金属ナノ粒子の印刷時の濡れ拡がり及びフリップチップ実装時の濡れ拡がりを抑制し、隣接電極とのショートを防止する半導体装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電子機器の小型化，高機能化が著しく進展し、高密度化に有利な接合技術として、半導体素子をフェイスダウンし、配線基板に一括接続することにより、小型微細化を実現することができるフリップチップ接合技術が半導体実装に適用されている。
【０００３】
通常、前記技術においては、半導体素子と配線基板の間に金属バンプが介在しており、接合時に超音波を印加することによりバンプと電極を接合する超音波接合や、バンプと電極の間に導電性樹脂を塗布し、荷重を加えて接触させる圧接接合工法によって、半導体素子と配線基板との電気的接続を達成している。
【０００４】
前記フリップチップ接合における課題として、超音波や荷重による半導体素子へのダメージがある。半導体素子の厚みは年々薄型化する傾向にあり、超音波や荷重によるストレスが半導体素子へダメージを与え、特性不良が発生するという問題が顕在化してきている。この課題を解決する新たな接合方法として、金属ナノ粒子を接合材料として使用する方法が提案されている。
【０００５】
金属ナノ粒子とは、Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕなどの１００ｎｍ未満のサイズの金属粒子である。この金属ナノ粒子は、サイズ効果によりバルク材料に比べて表面活性度が高く、融点が低いため低温での接合が可能である。さらに、金属ナノ粒子は、金属ナノ粒子同士が結合し粒径が大きくなると、バルク材料同等の高い融点となるため、電子部品実装時の熱ストレス低減及び実装後の耐熱温度向上が要求される幅広い製品への適用が期待されている。また、金属ナノ粒子の接合時には超音波や荷重といった過剰なストレスを不要とするため、半導体素子の薄型化にも適用できると期待されている。
【０００６】
なお、金属ナノ粒子のバルク化は常温においても進行するため、金属ナノ粒子の周囲には保護膜が形成されており、熱や光などのエネルギを加えることにより保護膜が分解し、金属ナノ粒子が凝集，焼結して接合部が形成される。しかしながら、金属ナノ粒子を接合材料として用いる場合、次のような課題がある。
【０００７】
金属ナノ粒子は、通常、有機溶剤と混合してペースト状で取り扱われ、印刷によってパターニングを行うため流動性を有する。特に、印刷方法としてインクジェット法を用いる場合には、その吐出部の構造上、他の印刷方法と比較して金属ナノ粒子の粘度を低くしなければならない。
【０００８】
さらに、金属の表面エネルギは有機溶剤の表面張力に対して非常に大きいため、金属ナノ粒子の金属電極に対する接触角が非常に小さくなる。そのため、電極上へ金属ナノ粒子を印刷する際や、半導体素子を配線基板へフリップチップ実装する際の押し込みによって、必要以上に金属ナノ粒子が濡れ拡がってしまい、配線基板の隣接電極及び半導体素子の隣接電極とショートしやすい、といった問題がある。
【０００９】
このような問題に対する従来技術を図５を参照して説明する。
【００１０】
従来技術において、図５（ａ）に示すように、先ず、配線基板１０１側の第一の電極１０２の幅を半導体素子１０５側の第二の電極１０６の面積よりも広くしておく。次に、図５（ｂ）に示すように、配線基板１０１全体に非晶質含フッ素重合体からなる撥液層１０３を形成する。続いて、図５（ｃ）に示すように、レーザ光１０７を照射して、不必要な部分の撥液層１０３を剥離し、第一の電極１０２上の外周部以外を露出させる。
【００１１】
このようにして、図５（ｄ）に示すように、第一の電極１０２の外周部のみに撥液層１０３を形成することにより、撥液層１０３によってインクジェット印刷時に絶縁部への金属ナノ粒子の濡れ拡がりを抑制するようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００５−１３６３７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、前記のような従来技術では、必要な撥液領域の分だけ電極幅を広くすることが必要であるため、その分、電極ピッチが大きくなり、狭ピッチ化の妨げとなる。
【００１４】
また、金属ナノ粒子の濡れ拡がりはインクジェット印刷時だけではなく、フリップチップ実装時に半導体素子の押し込みによっても発生するが、従来技術では半導体素子側に撥液層が形成されていないため、半導体素子側の電極でのショートが懸念される。
【００１５】
さらには、撥液層を半導体として不必要な部分にまで形成し、レーザによる除去を行っていることから工程が複雑になる。
【００１６】
本発明は、このような従来の課題を鑑みてなされたものであり、インクジェット印刷時及びフリップチップ実装時の金属ナノ粒子の濡れ拡がりによるショートの発生を、電極幅を変えることなく抑制し、さらに工程を複雑にすることなく電極の狭ピッチ化を達成することができる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】
【００１７】
前記目的を達成するために、本発明の半導体装置は、第一の電極を有する配線基板と、前記配線基板に実装されて前記第一の電極と対向する位置に第二の電極を有する半導体素子と、前記第一の電極と前記第二の電極との間に介在して電気的に接合されている接合材料とを備え、前記第一の電極と前記第二の電極の側面に撥液層が形成され、撥液層は無電解めっきによるＮｉとＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）からなる複合膜で形成されている。
【００１８】
さらに、本発明の半導体装置の製造方法は、配線基板上に第一の電極を形成する工程と、半導体素子上に第二の電極を形成する工程と、前記第一の電極の側面に撥液層を無電解めっきによって形成する工程と、前記第二の電極の側面に撥液層を無電解めっきによって形成する工程と、前記第一の電極上に接合材料を印刷する工程と、前記半導体素子を反転し、ボンディングツールで保持しながら位置合わせする工程と、前記第一の電極と前記第二の電極が対向するように前記配線基板上に前記半導体素子を搭載する工程と、前記接合材料を加熱して焼結させ、前記第一の電極および前記第二の電極との間で接合部を形成する工程とを含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、電極幅を広げることなく金属ナノ粒子の濡れ拡がりを抑制し、電極ピッチが狭い場合であっても、簡便な工程により隣接電極とのショートを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施の形態１における半導体装置の構造を示す概略図
【図２−１】本発明の実施の形態１における半導体装置の製造方法を示す概略図
【図２−２】本発明の実施の形態１における半導体装置の製造方法を示す概略図
【図３】本発明の実施の形態２における半導体装置の構造を示す概略図
【図４−１】本発明の実施の形態３における半導体装置の製造過程の構造を示す概略図
【図４−２】本発明の実施の形態３における半導体装置の製造過程の構造を示す概略図
【図５】従来の技術における半導体装置の構造を示す概略図
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２２】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における半導体装置の概略図であり、図１（ａ）はインクジェット印刷後の半導体装置の上面図、図１（ｂ）は図１（ａ）におけるＡ−Ａ’部の断面図である。
【００２３】
図１（ａ），（ｂ）に示すように、配線基板１の上には上面から見て正方形となる第一の電極２が形成されており、さらに第一の電極２の側面全体には撥液層３が形成されている。第一の電極２はＡｕで形成され、撥液層３はＮｉ中にＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）の微粒子が均一に分散された複合膜で形成されている。
【００２４】
さらに、第一の電極２に接合材料４が印刷され、第一の電極２の上面にのみ濡れ拡がっている。接合材料４は、０．５ｎｍ以上１００ｎｍ以下のＡｕ粒子とフェニルシクロヘキサンなどの有機溶媒とが混合されてペースト状になっているものである。
【００２５】
接合材料４の有機溶媒の表面張力に対して、第一の電極２の材質であるＡｕの表面エネルギが非常に大きいため、接合材料４を印刷すると非常に良い濡れ性を示し、図１（ａ），（ｂ）に示すように、Ａｕが露出している第一の電極２の上面全体に濡れ拡がる。しかしながら、接合材料４が撥液層３に達すると、濡れ性が著しく低下するため、それ以上の進行を妨げることができる。これは撥液層３が、Ｎｉ中のＰＴＦＥの微粒子によって膜表面に微細な凹凸が形成されており、高い撥液効果をもたらすためである。なお、撥液層３の厚みは１．５μｍ以上あれば十分な撥液効果が得られるが、厚すぎると電極幅を増大することになってしまうため、１．５〜５μｍ程度の厚みが好ましい。
【００２６】
図１（ｃ）は図１（ａ），（ｂ）の構造体にフリップチップ実装した後の断面図である。
【００２７】
図１（ｃ）に示すように、半導体素子５の第二の電極６が配線基板１の第一の電極２と対向するように搭載されている。また、第二の電極６は第一の電極２と同じく正方形であってＡｕから形成されており、第二の電極６の側面がＮｉとＰＴＦＥからなる撥液層３で覆われている。また、接合材料４は、第一の電極２と第二の電極６の間にあり、両電極の側面にも濡れ拡がっているが、隣接電極間の絶縁部には達していない。
【００２８】
図１に示す状態からフリップチップ実装すると、接合材料４は半導体素子５の押し込みによって第一の電極２と第二の電極６の間からはみ出してくる。しかし、両電極を適正な高さにしておくことによって、その濡れ拡がりを電極の側面にのみに止めておくことができる。これにより隣接電極間の絶縁部へ接合材料４が濡れ拡がることによるショートを防止することができる。
【００２９】
本実施の形態において、第一の電極２と第二の電極６の高さは同一であり、適宜調整することができる。しかし、例えば６０μｍ角の電極サイズに対して５μｍの厚みを持つように接合材料４を印刷し、厚みが３μｍになるように半導体素子５を押し込んだとすると、好ましい第一の電極２及び第二の電極６の厚みは１０μｍ以上であり、このような厚みにしておけば、隣接電極間の絶縁部への濡れ拡がりを抑制することができる。なお、本実施の形態は第一の電極２と第二の電極６への濡れ拡がり量が同一の場合に適用することができる。
【００３０】
このように電極の側面に撥液層３を設け、適正な高さを持たせることによって、インクジェット印刷時の濡れ拡がりを限定した領域で抑えることができる。さらに、フリップチップ実装時に、はみ出してくる接合材料４を高さ方向である電極の側面へ逃がすことにより、電極幅を広げることなく接合材料４の隣接電極間のショートを防止することができる。このため従来技術よりも電極間のピッチを縮小することが可能となる。
【００３１】
次に、本実施の形態の半導体装置の製造方法を図２−１（ａ）〜（ｄ），図２−２（ｅ）〜（ｈ）を参照して説明する。
【００３２】
先ず、図２−１（ａ），（ｂ）に示すように、配線基板１に第一の電極２を形成し、半導体素子５に第二の電極６を形成する。第一の電極２及び第二の電極６はＡｕめっきによって形成されるが、めっきの材質としてはＡｕの他にＡｇ，Ｃｕを用いることができる。また、第一の電極２と第二の電極６の厚みは前述した通り、適正な厚みを持たせておく。
【００３３】
次に、図２−１（ｃ），（ｄ）に示すように、第一の電極２と第二の電極６の側面に撥液層３を形成する。この撥液層３はＮｉとＰＴＦＥの微粒子を含む無電解めっき法によって形成される。このめっき液には公知の液組成を用いることができる。例えば、ニッケルとして硫酸ニッケル、錯化剤としてカルボン酸やその塩、還元剤として次亜リン酸ナトリウムを用いることができ、さらにＰＴＦＥ微粒子とそれを分散させるための界面活性剤、必要に応じて各種添加剤を混合しためっき液を使用することができる。
【００３４】
無電解めっき法を用いることによって、電極の側面という三次元的に形成困難な箇所にも、容易にかつ均一に撥液層３を形成することができる。また、ＮｉとＰＴＦＥといった異種材料を選択的に共析させる堆積方法は、無電解めっき以外では困難であり、その意味でも無電解めっきによる製造方法が好ましい。
【００３５】
また、ＰＴＦＥと共析させる撥液層３の材質は、Ｎｉの他にＡｕ，Ａｇ，Ｃｕといった金属を用いることができる、しかし、ＮｉとＰＴＦＥの組み合わせの方が高い撥液効果を示すため、Ｎｉを使用する方が好ましい。撥液層３は、第一の電極２と第二の電極６の上面に一部形成されていてもよいが、接合材料４と第一の電極２及び第二の電極６の接合を妨げ、接合強度が低下するため、なるべく両電極の上面には形成されていない方が好ましい。
【００３６】
次に、図２−２（ｅ）に示すように、第一の電極２の上面に接合材料４を印刷する。この接合材料４は、インクジェット印刷法によって印刷され、必要であれば２層，３層と重ねて印刷することができる。また、印刷方法としてはスクリーン印刷などでもよいが、インクジェット印刷の方が、オンデマンドでマスクレスパターニングが可能であり、部材に対して非接触であるため、半導体装置のようにダストや他部材の接触に対して影響が及びやすい製品の作製に有利であって好ましい。
【００３７】
また、接合材料４の粘度は、インクジェットによる印刷が容易になるように、５〜２０ｍＰａ・ｓ程度の粘度に調整されている方が好ましい。また、金属ナノ粒子の金属はＡｕ以外にもＡｇ，Ｃｕ，Ｎｉ、またはそれらの合金を使うことができるが、第一の電極２及び第二の電極６と材質を合わせた方が半導体装置の信頼性上好ましい。
【００３８】
次に、図２−２（ｆ）に示すように、半導体素子５がボンディングツール８で保持され、第一の電極２と第二の電極６とが対向するように位置合わせされる。
【００３９】
続いて、図２−２（ｇ）に示すように、配線基板１に半導体素子５がフリップチップ実装される。この時の搭載荷重は、半導体素子５の第二の電極６に接合材料４が濡れ拡がるだけの荷重があればよく、半導体素子５へのダメージを考慮して、必要以上に荷重を加えないことが好ましい。
【００４０】
最後に、図２−２（ｈ）に示すように、接合材料４を熱処理して保護膜を分解し、さらに粒子同士を結合してバルク化させる。また、熱処理の適切な条件は接合材料４に含まれる金属の種類ごとに異なるが、例えば、Ａｕの金属粒子であれば３００℃，１時間で接合部７を形成することができる。このようにして、接合材料４が十分な導電性と強度を有する接合部７として形成され、半導体装置が作製される。
【００４１】
以上のように、本実施の形態の製造方法によれば、電極２，６の側面に対して既存工法である無電解めっきによって撥液層３を形成する工程を加えるのみであるため、従来の発明における撥液層の形成工程よりも簡便であり、工程を複雑にすることなく半導体装置を作製することが可能である。
【００４２】
（実施の形態２）
図３は本発明の実施の形態２における半導体装置の概略図であり、フリップチップ後の状態を示す断面図である。配線基板１の第一の電極２よりも半導体素子５の第二の電極６の厚みが薄く形成されている以外は、前記実施の形態１と同様の構成となっている。
【００４３】
フリップチップ実装は、半導体素子５を反転しフェイスダウンで搭載するため、第一の電極２と第二の電極６の間からはみ出してくる接合材料４に対して、第二の電極６の側面には接合材料４が這い上がるような状態となり、重力の影響で第一の電極２の側面に対する濡れ拡がり量よりも、第二の電極６の側面の濡れ拡がり量の方が小さくなる場合がある。
【００４４】
その場合には、第二の電極６の厚みは第一の電極２の厚みよりも薄く形成されていてもよく、濡れ拡がり量に合わせて、それぞれの厚みを適宜調整することができる。例えば、実施の形態１のように、６０μｍ角の電極サイズに対して５μｍの厚みを持つように接合材料４を印刷し、厚みが３μｍになるように半導体素子５を押し込んだとすると、好ましい第一の電極２と第二の電極６との厚みは合わせて２０μｍになればよく、第一の電極２の厚みが１５μｍ必要であれば、第二の電極６は５μｍでよい。ただし、第二の電極６の厚みは５μｍ以下であると、濡れ拡がりの抑制効果が得られにくいため、好ましくは５μｍ以上である方がよい。
【００４５】
（実施の形態３）
図４−１，図４−２は本発明の実施の形態３における半導体装置の概略図であり、図４−１（ａ）はインクジェット印刷後の半導体装置の上面図、図４−１（ｂ）は図４−１（ａ）におけるＡ−Ａ’部の断面図、図４−１（ｃ）は図４−１（ａ）におけるＢ−Ｂ’部の断面図である。
【００４６】
配線基板１上の第一の電極２は、電極のピッチ方向（Ｙ方向）と垂直なＸ方向に長く形成され、長方形となっている。また、接合材料４は、Ｙ方向に対しては撥液層３に達するまで濡れ拡がっているが、Ｘ方向に対しては濡れ拡がりが撥液層３に達する前に止まっており、図４−１（ｃ）に示すように、第一の電極２の一部に接合材料４が濡れ拡がっていない不濡れ領域９を形成している。
【００４７】
接合材料４は、第一の電極２へ着弾後、まず等方的に濡れ拡がるが、Ｙ方向に対しては撥液層３に達すると、前述の効果により濡れ拡がりが止まる。しかしながら、第一の電極２のＸ方向の長さをＹ方向よりも十分長く設定しておくと、接合材料４はＸ方向の撥液層３に達する前に止まることになる。
【００４８】
図４−２（ｄ），（ｅ），（ｆ）は図４−１（ａ），（ｂ），（ｃ）の構造体にフリップチップ実装した後の半導体装置の概略図であり、図４−２（ｄ）はフリップチップ後の半導体装置の上面透視図、図４−２（ｅ）は図４−２（ｄ）におけるＡ−Ａ’部の断面図、図４−２（ｆ）は図４−２（ｄ）におけるＢ−Ｂ’部の断面図である。
【００４９】
図４−２に示すように、半導体素子５の第二の電極６が配線基板１の第一の電極２と対向するように搭載されている。また、第二の電極６は、第一の電極２と同じくＸ方向に長い長方形でＡｕから形成されており、側面が撥液層３で覆われている。また、接合材料４は、第一の電極２と第二の電極６の間にあり、両電極の上面を全て覆っているが、隣接電極間の絶縁部には達していない。
【００５０】
図４−２に示す状態からフリップチップ実装すると、接合材料４は半導体素子５の押し込みによってさらに濡れ拡がろうとするが、Ｙ方向の電極の側面には濡れ拡がらず、先ずＸ方向の不濡れ領域９に対して濡れ拡がる。これは濡れ性の高い部分から優先的に濡れ拡がるためである。
【００５１】
実施の形態１，２は、フリップチップ実装後の濡れ拡がりを電極の側面へ逃がすことによって本発明所望の効果を得たが、本実施の形態３は、濡れ拡がりを不濡れ領域９、つまり電極の側面ではなく、まだ濡れ拡がっていない電極の上面に逃がすことによって本発明所望の効果を得ている。
【００５２】
例えば、Ａｕで形成された第一の電極２に対して、撥液層３で側面を覆い、かつＡｕ粒子とフェニルシクロヘキサンを混合した粘度１０ｍＰａ・ｓの接合材料４を５μｍ厚になるように印刷し、３μｍの厚みになるように半導体素子５を押し込んだとすると、Ｙ方向の電極の長さが６０μｍの場合、Ｘ方向の電極長さを２２０μｍにしておけば、濡れ拡がりの抑制効果が得られる。
【００５３】
具体的には、接合材料４を印刷すると、Ｙ方向に対しては撥液層３まで濡れ拡がるが、Ｘ方向に対しては１３０μｍで濡れ拡がりが止まる。よって、Ｘ方向の電極が２２０μｍであれば不濡れ領域９を形成することができる。
【００５４】
その後、フリップチップ実装すると、接合材料４が不濡れ領域９に対して濡れ拡がり、電極の上面全体に行き渡った所で濡れ拡がりが止まる。Ｘ方向の電極長さは、「Ｘ方向長さ＝１３０８３／Ｙ方向長さ」の関係を満たしていれば、濡れ拡がりの抑制効果が十分に得られる。
【００５５】
また、本実施の形態３の場合、実施の形態１，２よりも第一の電極２と第二の電極６の厚みを薄く設定することが可能であるが、５μｍ以上厚みを設定した方が、より確実に濡れ拡がりの抑制効果が得られ好ましい。なお、本実施の形態３は電極面積、つまり接合面積が大きくなるため接合強度を向上させる効果もある。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
本発明の半導体装置及びその製造方法は、金属ナノ粒子を使用したフリップチップ接合に対し、隣接電極とのショートを抑制する効果を有し、電極を狭ピッチ化することによる半導体装置の小型化に対して有用である。
【符号の説明】
【００５７】
１  配線基板
２  第一の電極
３  撥液層
４  接合材料
５  半導体素子
６  第二の電極
７  接合部
８  ボンディングツール
９  不濡れ領域
【図１】
0005445167.tif 000002
【図２−１】
0005445167.tif 000003
【図２−２】
0005445167.tif 000004
【図３】
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【図４−１】
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【図４−２】
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【図５】
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