(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
突起電極が形成された半導体素子を導電性樹脂を用いて回路基板上にフリップチップ実装するに際して、
前記回路基板上の半導体素子実装領域に、光重合性物質を含んだペースト状の電極材料を印刷して所定厚さの膜を形成し、この電極材料膜を予め決めた電極領域のみ残留するように露光および現像した後に焼成することにより、前記回路基板上に周縁部が基板表面から離間する方向に反った凹状の回路電極を作成し、前記半導体素子の突起電極と前記回路電極の凹面とを当接させ、前記電極どうしの当接部を囲み前記回路電極の凹面に保持される前記導電性樹脂を介して接続することを特徴とするフリップチップ実装方法。
【請求項２】
電極材料膜は乾燥膜厚が１０〜２０マイクロメートルとなるように形成することを特徴とする請求項１記載のフリップチップ実装方法。
【請求項３】
現像後に残留する電極材料膜が、回路基板から離れるほど拡幅する台形状の断面を有することを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載のフリップチップ実装方法。
【請求項４】
回路電極が円弧状の断面を有することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載のフリップチップ実装方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はフリップチップ実装体およびその実装方法に関し、詳しくはフリップチップ実装に適した電極構造を回路基板に持たせたフリップチップ実装体およびその実装方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電子回路は高密度化が進んでおり、実装されるデバイスには面積および接続抵抗の低減が強く求められている。高密度実装を達成する１つの手段にフリップチップ実装があり、そのための実装方法が各種あるなかで、リペアの容易さや近年クローズアップされている無鉛化を考えると、ＳＢＢ方式（Stud Bump Bonding ）は望ましい工法である。ＳＢＢ方式とは、半導体素子上に金などの材料を用いてワイヤーボンディング手法により突起電極を形成し、その突起電極と回路基板上の電極とを導電性樹脂により接続する工法である。
【０００３】
図３を用いて説明すると、まず回路基板１１上にスクリーン印刷などの方法によってペースト状電極材料を印刷し、この電極材料が焼結する温度にて回路基板１１を焼成することにより、回路基板１１上に回路電極１２を形成する。一方で、半導体素子１３上にワイヤーボンディングなどの方法により突起電極１４を形成し、その突起電極１４上に転写などの方法によって導電性樹脂１５の層を形成する。その後に、回路基板１１と半導体素子１３とを高精度に位置合わせし、適当な荷重をかけることにより、回路基板１１上に半導体素子１３を実装する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来の実装方法には以下のような課題があった。第１に、近年は半導体素子１３の電極ピッチが狭くなる一方であり、当然のことながらそれに伴って回路基板１１上の電極ピッチも狭くしなければならない。ところが、従来のスクリーン印刷方法ではピッチを３００μｍとするのが限界で、それ以下のピッチでの印刷は非常に困難であり、ショートや断線が多発し歩留まりが低くなる原因となっていた。
【０００５】
第２に、半導体素子１３の電極ピッチが狭くなると、半導体素子１３の突起電極１４上に転写する導電性樹脂１５の量のコントロールが非常に困難になり、特にショートの危険性が増す。ショートを防ぐために導電性樹脂１５の量を従来よりも低減するようにしているが、回路電極１２は、電極材料が横に拡がってしまう結果、例えば電極ピッチ１００μｍ以下では断面が半円状を呈しており、この回路電極１２に対してフリップチップ実装を行うと、図３に示したように回路電極１２から導電性樹脂１５がはみ出し、隣接した回路電極１２からはみ出した導電性樹脂１５とショートすることがある。
【０００６】
本発明が課題とするのは、半導体素子の電極ピッチが狭い場合も安定して回路基板に接続できるようにすることである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明は、半導体素子に形成した突起電極を導電性樹脂を用いて回路基板の回路電極に接続するに際して、
(a) 光重合性物質を含んだペースト状の電極材料を用いて電極材料膜を所定の乾燥膜厚にて形成する工程、
(b) 電極材料膜を露光し現像する工程、
(c) 現像した電極材料膜を焼成する工程、
(d) 上記工程により形成された回路電極上に半導体素子をフリップチップ実装する工程、を行なうものである。
【０００８】
このようにすることにより、周縁部が反った回路電極を形成し、その凹面を受け皿として、導電性樹脂のはみ出しを来たすことなく半導体素子をフリップチップ実装することが可能になる。その結果、ショートの発生を皆無にすることができ、信頼性の高い半導体素子の実装を実現できる。
【０００９】
回路基板としてはセラミックを用いることができる。この回路基板には、上記したような半導体素子を搭載するための回路電極を備えた回路はもちろんのこと、半導体素子以外の部品を搭載するための回路や、別の基板への接続のための回路を設けることができる。
【００１０】
電極材料は少なくとも、金や銀や銅などの金属材料とガラスを無機成分として含み、重合性物質であるモノマーやポリマー、光重合開始剤を有機成分として含有したものを用いる。形成した回路電極の表面にニッケルや金などのメッキを施してもよい。
【００１１】
半導体素子は、金、アルミニウム、銅、半田などの金属材料で突起電極が形成されたものを使用する。突起電極の形成方法はワイヤーボンディングやメッキなど、工法を問わない。
【００１２】
導電性樹脂は、半導体素子上の突起電極と回路基板上の回路電極とを接続する金や銀や銅など導電性成分を含有していればよく、樹脂自体は熱硬化性でも熱可塑性でもよく、その種類は問わない。
【００１３】
上記工程(a) では、回路基板上にペースト状の電極材料を印刷することにより膜を形成する。電極材料は半導体素子が実装される実装領域のみ印刷すればよく、それ以外の領域については、前述した従来法により予め回路パターンを形成しておくなどの工法をとればよい。また印刷に際しては、回路パターンを形成するのではないので、実装領域にベタ印刷すればよく、従来のスクリーン印刷などのラフな印刷法で十分である。印刷後には電極材料の流動を防ぐために適度な温度で乾燥させる。ただし、乾燥後に所定の膜厚、望ましくは１０〜２０（μｍ）になるように印刷版および印刷条件を設定する。
【００１４】
工程(b) では、印刷・乾燥を行った回路基板に、半導体素子が搭載される電極領域のみ光が透過するように形成されたガラスマスクなどを位置合わせし、波長３２０〜３７０ｎｍの紫外線を３００〜５００ｍＪ照射する。これにより、紫外線が透過する電極領域の重合性物質が光重合開始剤によって反応を開始しポリマー化する。適当時間後に未反応の重合性物質が溶解する溶液を用いて基板全体を現像することにより、電極領域以外の膜を除去し、電極領域の膜を残留させる。なおこの時、膜厚を調整しておくことにより、光が届きにくい基板寄り部分の重合性物質を重合不十分のまま残留させ、現像時に非電極領域の膜除去跡から侵食させ、結果的に、電極領域の膜の断面形状が台形を呈するようにしておく。膜厚が薄いと電極領域の重合性物質は全て重合し、台形断面形状が得られないので、前述した膜厚が必要となる。
【００１５】
工程(c) では、露光・現像が完了した回路基板を、電極材料が焼結する温度にて焼成することにより、回路基板上に回路電極を焼き付ける。このとき電極材料膜がやや収縮するため、形成される回路電極は両側がやや反り返り（この部分はエッジカールと呼ばれる）、断面が円弧の様な形状となる。焼成後に電極表面の保護を目的としてニッケルや金などのメッキを施してもよい。
【００１６】
工程(d) では、突起電極が形成された半導体素子を、導電性樹脂を用いて回路基板上にフリップチップ実装する。このときには、回路電極のエッジカールが壁として機能するため、導電性樹脂のはみ出しは防止される。
【００１７】
【発明の実施の形態】
請求項１記載の本発明は、突起電極が形成された半導体素子を導電性樹脂を用いて回路基板上にフリップチップ実装するに際して、前記回路基板上の半導体素子実装領域に、光重合性物質を含んだペースト状の電極材料を印刷して所定厚さの膜を形成し、この電極材料膜を予め決めた電極領域のみ残留するように露光および現像した後に焼成することにより、前記回路基板上に周縁部が基板表面から離間する方向に反った凹状の回路電極を作成し、前記半導体素子の突起電極と前記回路電極の凹面とを当接させ、前記電極どうしの当接部を囲み前記回路電極の凹面に保持される前記導電性樹脂を介して接続することを特徴とする。
【００１８】
請求項２記載の本発明は、請求項１記載のフリップチップ実装方法において、電極材料膜を、乾燥膜厚が１０〜２０マイクロメートルとなるように形成することを特徴とする。
【００１９】
請求項３記載の本発明は、請求項１または請求項２のいずれかに記載のフリップチップ実装方法において、現像後に残留する電極材料膜が、回路基板から離れるほど拡幅する台形状の断面を有することを特徴とする。
【００２０】
請求項４記載の本発明は、請求項１〜請求項３のいずれかに記載のフリップチップ実装方法において、回路電極が円弧状の断面を有することを特徴とする。
【００２２】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら具体的に説明する。
図１は本発明の実施の形態１における半導体素子の実装方法を説明する工程断面図である。
【００２３】
図１(a) に示すように、回路基板１上の半導体素子搭載エリアに、光重合性物質を含んだペースト状の電極材料２を印刷し、印刷後の電極材料２が流動しないように適度な温度にて乾燥させる。このとき、電極材料２は、乾燥後の膜厚が１０〜２０μｍになるように印刷版、条件を設定して印刷する。
【００２４】
次に、図１(b) に示すように、電極材料２の膜の上に、所望の回路パターン形状にて光が透過するように、ここでは電極領域に相応する５０μｍ幅の開口部３ａが１００μｍピッチで形成されたガラスマスク３を、回路基板１に対して位置合わせし設置する。そして、ガラスマスク３の上方から、波長３２０〜３７０ｎｍのＵＶ（紫外線）を３００〜５００ｍＪ照射する。
【００２５】
このことにより、開口部３ａを通過したＵＶにより、図１(c) に示すように、電極領域２ａの電極材料２で光重合性物質、すなわち光重合開始剤，モノマー，ポリマーが反応してポリマー化が進み、非電極領域２ｂの電極材料２では重合反応は起こらない。回路基板１付近にはＵＶは侵入し難いため、この部分の電極材料２では重合反応は起こりにくい。
【００２６】
次に、アルカリ性の水溶液などを用いて現像を行なうことにより、重合反応が全く、あるいは十分に起こらなかった電極材料２を溶解・除去する。このことにより、図１(d) に示すように、非電極領域２ｂの電極材料２が除去され、電極領域２ａの電極材料２は、その表面付近は浸食されずガラスマスク３の開口部３ａ形状に相応した形状で残留する一方で、回路基板１付近では開口部３ａ形状よりも大きく浸食され、結果として、電極領域２ａの電極材料２の断面は台形を呈する。
【００２７】
その後に、電極材料２が焼結する温度で回路基板１を焼成することにより、図１(e) に示すように、回路基板１上の電極材料２を回路電極４として焼き付ける。図からわかるように、焼成時の電極材料２の収縮によって、回路電極４は、周縁部が回路基板１から離れる方向に反り入る（エッジカールする）形となり、円弧状の断面を呈する。
【００２８】
最後に、図１(f) に示すように、突起電極５に導電性樹脂６を転写した半導体素子７を回路基板１上に、突起電極５と回路電極４とが対向するように高精度に位置合わせし、適当な荷重をかけて互いに当接させ、導電性樹脂６を硬化させることにより、半導体素子７のフリップチップ実装を完了する。
【００２９】
このようにして製造されるフリップチップ実装体では、エッジカールした回路電極４が、この回路電極４から導電性樹脂６がはみ出すのを防ぐので、電極ピッチを１００μｍピッチとした半導体素子７を実装する際も、隣接する電極どうしがショートすることはない。
【００３０】
なおここで、回路電極４についてさらに説明する。
図１(e) に示したような、回路基板１表面からエッジカールした回路電極４までの最大距離をエッジカール量Ｌと定義すると、エッジカール量Ｌは、図１(a) に示した電極材料２の乾燥膜厚に大きく依存する。乾燥膜厚が１０〜２０μｍの場合にはエッジカール量Ｌは２〜１０μｍとなり、回路電極４は受け皿としての機能を果たす。
【００３１】
これに対し、乾燥膜厚を２０μｍ以上とすると、未重合部分が多くなり、本来現像されて消滅すべき部分の電極材料２が残るため、ショートを引き起こす。逆に乾燥膜厚を１０μｍ以下とすると、エッジカール量Ｌが２μｍ以下となり、受け皿としての機能が充分に発揮されない。
【００３２】
図２に本発明の実施の形態２における半導体素子の実装方法を説明する工程断面図を示す。
図２(a) に示すように、実施の形態１と同様にして、回路基板１上にエッジカールした回路電極４を形成する。次に、回路電極４に相応する部分が開口されたマスクを位置合わせし印刷などの手法を用いて、図２(b) に示すように回路電極４に導電性樹脂６を塗布する。その後に、図２(c) に示すように、この回路基板１に対して、突起電極５が形成された半導体素子７を位置合わせし適当な荷重をかけることにより、半導体素子７のフリップチップ実装を完了する。
【００３３】
このような方法によっても、実施の形態１と同様に、エッジカールした回路電極４が受け皿となり導電性樹脂６のはみ出しを防ぐので、ショートの発生がなくなる。
（実施例）
上記した製造工程にしたがって半導体素子を実装しその性能を評価した。使用した部材、材料は以下の通りである。
【００３４】
0003549017.tif 000002
電極材料は、金属成分として銀を含み乾燥膜厚１５μmとした。そして、この電極材料膜を、約５０μm幅の開口部を形成したガラスマスクを用いて露光・現像し、約８００〜１０００℃で焼成することにより、回路電極とした。このときエッジカールは４μmであった。表面保護のためＮｉメッキ、Ａｕメッキを施した。
【００３５】
ＩＣ：ダミーＩＣ
ＩＣサイズ１０×１０×０．５(mm)
ＩＣ電極パッドピッチ：１００（μm)
ピン数：３６０ピン
上記ＩＣの電極上に金線を用いて突起電極を形成し、形成した突起電極に金属成分として銀を含み樹脂成分としてエポキシを含有する導電性樹脂を転写した。この導電性樹脂を備えたＩＣを上記回路基板と位置あわせし、１つの突起電極あたり数ｇの加重をかけることにより実装した。そして、導電性樹脂を加熱により硬化させた後に、ショート・オープンについて評価を行ない、表１のような結果を得た。
【００３６】
【表１】
0003549017.tif 000003
表１からわかるように、本発明の工法ではオープン、ショートとも全く発生しなかったのに対し、従来の工法では４／５実装体にショートが発生し、本発明の有効性が確認された。
【００３７】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、回路基板上にエッジカールした回路電極を形成し、この回路電極に半導体素子の突起電極を導電性樹脂を用いて接続するようにしたことにより、回路電極を受け皿として導電性樹脂のはみ出しを防止することができ、ショートが発生しない、信頼性の高い半導体素子の実装を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１における半導体素子のフリップチップ実装方法を説明する工程断面図
【図２】本発明の実施の形態２における半導体素子のフリップチップ実装方法を説明する工程断面図
【図３】従来の半導体素子のフリップチップ実装方法を説明する工程断面図
【符号の説明】
１  回路基板
２  電極材料
2a  電極領域
2b  非電極領域
３  ガラスマスク
４  回路電極
５  突起電極
６  導電性樹脂
７  半導体素子
Ｌ  エッジカール量
【図１】
0003549017.tif 000004
【図２】
0003549017.tif 000005
【図３】
0003549017.tif 000006