(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
実装面の周縁部に沿って第１及び第２のバンプを形成させた半導体素子を、前記第１及び第２のバンプと対応する位置に第１及び第２のパッド部を含む表面配線導体を形成した配線基板に接合させた回路基板であって、
前記第１のバンプ及び前記第１のパッド部を、異方性導電樹脂層を介して互いに当接させるとともに、それぞれ信号の入出力及び電源供給等が行われる接続バンプ及び接続パッド部とし、
且つ、前記第２のバンプ及び前記第２のパッド部を、半田により接合するとともに、それぞれ接合のみを行う接合バンプ及び接合パッド部としたことを特徴とする回路基板。
【請求項２】
実装面の周縁部に沿って第１及び第２のバンプを形成させた半導体素子を、前記第１及び第２のバンプと対応する位置に第１及び第２のパッド部を含む表面配線導体を形成した配線基板に接合させた回路基板であって、
前記第１のバンプを前記半導体素子の角部付近に形成するとともに、該第１のバンプ及び前記第１のパッド部を異方性導電樹脂層を介して互いに当接させ、前記第２のバンプ及び前記第２のパッド部を半田により接合したことを特徴とする回路基板。
【請求項３】
前記異方性導電樹脂層が前記半導体素子と前記配線基板との間に介在されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の回路基板。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回路基板に関し、特に、配線基板の実装面上にフェースダウン方式で半導体素子を実装した回路基板に有効な技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年の半導体素子の配線基板への実装技術の動向は、電子機器の超小型化、高密度化に伴い、微細化、薄型化の傾向にある。半導体素子と配線基板との間の接合方法として、従来からのワイヤボンディング、半田付けよりも微細化、薄型化のできる異方性導電樹脂を用いた実装技術が大いに注目されている。
以下、この実装技術について説明する。図５はバンプ付き半導体素子を配線基板に接合した状態を示す断面図である。また、図６は図５のバンプ周辺の状態を示す拡大断面図である。
図において、５０は回路基板、１は半導体素子、２はバンプ、４は異方性導電樹脂層、５は配線基板、６はパッド部である。また、異方性導電樹脂層４は、熱硬化性樹脂４１中に導電粒子１１が分散している。さらに、導電粒子１１は、核材１３の周囲がメッキ部１２で被覆されている。また、パッド部６は、配線基板５上の表面配線導体の一部を構成している。
【０００３】
この実装技術は、まず、複数のバンプ２が配置された半導体素子１を準備する。次に、複数のパッド部６が形成された配線基板５の実装面のチップ塔載領域に、例えばエポキシ系の熱硬化型異方性導電樹脂を塗布する。次に、配線基板５の実装面に半導体素子１の実装面を当接させた状態で、異方性導電樹脂層４を介して半導体素子１を載置する。次に、加熱しながら半導体素子１を押圧し、配線基板５のパッド部６と半導体素子１のバンプ２を接続する。すなわち、異方性導電樹脂層４は、熱硬化性樹脂４１に多数の導電粒子１１を分散している。これによって、バンプ２とパッド部６とは、それらの間に位置した導電粒子１１によって電気的導通が達成されるが、バンプ２−パッド部６以外の導電粒子１１は熱硬化性樹脂４１（絶縁樹脂）中に疎の状態で分散するため、電気的導通はない。したがって、バンプ２とパッド部６のみが導通する。なお、機械的接続は、半導体素子１の実装面と配線基板５の実装面の間に位置した熱硬化性樹脂４１の接着力で接続される。これにより、配線基板５の実装面上に半導体素子１が実装される。
【０００４】
このようにして半導体素子１の実装を行う実装技術においては、隣接し合うパッド部６間の間隔が非常に小さい場合も、隣接するパッド部６同士を導通させることなく、精度良い実装が可能になる。従って、この実装技術は、配線基板の実装面上にフェースダウン方式で半導体素子を実装した回路基板に有効である。
【０００５】
ところで、上記半導体素子１の実装方法において、半導体素子１と配線基板５は、異方性導電樹脂層４を構成する熱硬化性樹脂４１で接着されているだけなので、半導体素子１と配線基板５の熱膨張係数差による応力歪み等により、バンプ２と配線基板５のパッド部６の接続信頼性を満足しないという不具合があった。
【０００６】
そこで、配線基板と半導体素子との間の接続信頼性を向上させるために、半導体素子の実装面に接合のみを行うバンプを形成するとともに、それに対応した配線基板上のパッドを設け、実質的に接合強度を高めていた回路基板が、特開２０００−１９５９００号公報、特開２０００−２３２２００号公報に開示されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図５に示す回路基板５０では、半導体素子１の熱膨張係数が配線基板５の熱膨張係数より小さいため、例えば、温度サイクル試験等を行った場合、この熱膨張係数の差により発生する応力で、異方性導電樹脂層４が疲労劣化してしまう。
【０００８】
以上の不具合を図面を参照して説明する。異方性導電樹脂層４の硬化温度、例えば２００℃で半導体素子１と配線基板５が接合した後、常温付近での温度における応力の発生状況を図７に示す。種々の実験によれば、配線基板５の中央付近に向かって応力（図では矢印）が発生し、その結果、図の点線で示すように、配線基板５の中央付近が、半導体素子１に対して離れる方向に変形する傾向がある。
【０００９】
ここで、特開２０００−１９５９００号公報、特開２０００−２３２２００号公報に開示された回路基板によれば、樹脂を塗布後に、配線基板のパッド部に半導体素子のバンプを圧接するのではなく、半導体素子のバンプと配線基板のパッドを当接した後に、少なくとも半導体素子と配線基板との間を含む領域に樹脂を充填していた。一方、図５〜７のような半導体素子１の実装方法では、半導体素子１と配線基板５は、異方性導電樹脂層４を構成する熱硬化性樹脂４１で接着されており、バンプ２同士は元々接合には寄与していないため、バンプの数を増やしても、半導体素子１と配線基板５の接合強度を向上させることはできなかった。
【００１０】
本発明は、上述の問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的は、温度サイクル試験等において、回路基板の中央部分に発生する応力により、半導体素子のバンプと配線基板のパッド部が剥離することを抑制し、半導体素子と配線基板が確実に安定して電気的に接続した高品質の回路基板を、簡単且つ安価な工程で提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の回路基板は、実装面の周縁部に沿って第１及び第２のバンプを形成させた半導体素子を、前記第１及び第２のバンプと対応する位置に第１及び第２のパッド部を含む表面配線導体を形成した配線基板に接合させた回路基板であって、前記第１のバンプ及び前記第１のパッド部を、異方性導電樹脂層を介して互いに当接させるとともに、それぞれ信号の入出力及び電源供給等が行われる接続バンプ及び接続パッド部とし、且つ、前記第２のバンプ及び前記第２のパッド部を、半田により接合するとともに、それぞれ接合のみを行う接合バンプ及び接合パッド部としたことを特徴とするものである。
また本発明の回路基板は、実装面の周縁部に沿って第１及び第２のバンプを形成させた半導体素子を、前記第１及び第２のバンプと対応する位置に第１及び第２のパッド部を含む表面配線導体を形成した配線基板に接合させた回路基板であって、前記第１のバンプを前記半導体素子の角部付近に形成するとともに、該第１のバンプ及び前記第１のパッド部を異方性導電樹脂層を介して互いに当接させ、前記第２のバンプ及び前記第２のパッド部を半田により接合したことを特徴とするものである。
更に本発明の回路基板は、前記異方性導電樹脂層が前記半導体素子と前記配線基板との間に介在されていることを特徴とするものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００１３】
図１は、本発明の回路基板の一実施例の断面図である。図２は、図１の回路基板の半導体素子のバンプ配置を示す実装面の平面図である。
【００１４】
図において、１０は回路基板、１は半導体素子、２は第１のバンプ、３は第２のバンプ、４は異方性導電樹脂層、５は配線基板、６は第１のパッド部、７は第２のパッド部である。また、第１のパッド部６、第２のパッド部７は、表面配線導体の一部を構成し、表面配線としては、パッド部の他、電子部品を半田により搭載するための導体、これらの導体間を電気的に結合する導体等が挙げられる。
【００１５】
半導体素子１は、例えばシリコンにトランジスタ等を能動素子を形成するため、ドーパンド材を拡散したり、また、保護層を形成するため、部分的に酸化または窒化したり、さらに、第１、第２のバンプの形成領域に電極部材を被着したりして構成されている。
【００１６】
配線基板５は、例えば、アルミナ、サファイア、窒化アルミニウム、ガラスセラミックス、石英等の耐熱性を有する絶縁基板である。
【００１７】
半導体素子１は、実装面を配線基板５の実装面に対向させた、いわゆるフェースダウン方式で配線基板５に接合されている。具体的に説明すると、半導体素子１の実装面には、複数の第１及び第２のバンプ２、３が形成されている。
また、配線基板５の実装面には、第１、第２のパッド部６、７が形成されている。そして、半導体素子１は、複数の第１のバンプ２、第２のバンプ３がそれぞれ対応する第１のパッド部６、第２のパッド部７に接続されることになる。
第１及び第２のバンプ２、３は、Ａｕ等よりなり、突起量は２０〜５０μｍ程度である。第１及び第２のバンプ２、３は、例えばＡｕ線によるワイヤボンディング方法のファーストボンディングを利用して形成し、半導体素子１の実装面の周辺において、その角部付近には第１のバンプ２が形成され、各辺の中央付近には第２のバンプ３が形成されている。第２のバンプ３は各辺中央近傍に少なくとも１個設け、半導体素子１サイズにより適宜第２のバンプ３の数を設定すればよい。ここで、第２のバンプ３を設ける領域は、半導体素子１の各辺の中央部を含んで長さの３０〜４０％の範囲にあることが望ましい。
【００１８】
第１のパッド部６、第２のパッド部７の厚みは７〜１５μｍ程度であり、材質はＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、あるいはこれらの合金よりなる。
【００１９】
また、第１のバンプ２と第２のバンプ３とは同じ材料で構成されるとしたが、第１のバンプ２と第２のバンプ３とを異なる材料で構成してもよい。あるいは、第１のバンプ２と第２のバンプ３とを異なる形状にしてもよい。例えば、第２のバンプ３として、電気的特性が低下するが接合強度の大きい材料、あるいは形状を用いてもよい。
【００２０】
そして、配線基板５と半導体素子１の間には、異方性導電樹脂層４が介在されている。異方性導電樹脂層４を形成するための異方性導電樹脂は、熱硬化性樹脂中に導電粒子が分散している。さらに、樹脂成分が液状のものあるいは固体状のもののいずれをも好適に採用することができ、また樹脂成分としてはエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂が、導電粒子としては金属粒子や樹脂粒子の表面に金メッキ等が施されて、導電性が付与されたものが用いられる。
また、第１のバンプ２及び第１のパッド部６を異方性導電樹脂層４を介して互いに接続しているとともに、第２のバンプ３及び第２のパッド部７を半田８により接合している。
さらに、第１のバンプ２及び第１のパッド部６をそれぞれ信号の入出力及び電源供給等が行われる接続バンプ及び接続パッド部とし、且つ第２のバンプ３及び第２のパッド部７をそれぞれ接合のみを行う接合バンプ及び接合パッド部としている。
【００２１】
次に本発明の回路基板１０における、半導体素子１と配線基板５との接合方法について説明する。
【００２２】
まず、セラミック等よりなる配線基板５の第１のパッド部６、第２のパッド部７を有する面に熱硬化型異方性導電樹脂ペースト（Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ    Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ    Ｐａｓｔｅ：ＡＣＰとも略す）を塗布する。主成分は、アクリル，エポキシ等である。次に、半導体素子１の第１のバンプ２と配線基板５の第１のパッド部６、半導体素子１の第２のバンプ３と配線基板５の第２のパッド部７とをそれぞれ位置決めし当接させる。その後、半導体素子１を配線基板５に加圧ツールにより加圧しつつ、あらかじめ配線基板５上に塗布した異方性導電樹脂ペーストを、硬化温度、例えば２００℃で加熱硬化させる。すなわち、第１のバンプ２と第１のパッド部６間で、異方性導電樹脂ペーストに含まれている導電性粒子が変形し良好な電気的接続を得ることができる。また、加熱することにより、予め第２のパッド部７上に形成していた半田膜が溶解し、第２のバンプ３と第２のパッド部７間が半田８により接合される。このため、良好な機械的接続を得ることができる。次に、加圧ツールを取り除く。この時、半導体素子１は異方性導電樹脂により固着されるとともに、硬化時の樹脂成分の収縮力により、半導体素子１と配線基板５間に互いに引き合う力が作用する。
【００２３】
かくして、実装面の少なくとも周縁部に沿って第１及び第２のバンプ２、３を形成させた半導体素子１を、第１及び第２のバンプ２、３と対応する位置に第１及び第２のパッド部６、７を含む表面配線導体を形成した配線基板５に接合させた回路基板１０が達成できる。この時、第１のバンプ２及び第１のパッド部６を異方性導電樹脂層４を介して互いに当接しているために、電気的接続が達成できる。また、第２のバンプ３及び第２のパッド部７が半田８により接合されているため、温度サイクル試験等において、異方性導電樹脂層４にかかる応力によって、半導体素子１のバンプ２と配線基板５のパッド部６間に、剥離を発生させることを防止し、半導体素子１と配線基板５が確実に安定して電気的に接続した高品質の回路基板を提供することができる。
【００２４】
また、第１のバンプ２及び第１のパッド部６は、それぞれ信号の入出力及び電源供給等が行われる接続バンプ及び接続パッド部である。また、第２のバンプ３及び第２のパッド部７は、それぞれ接合のみを行う接合バンプ及び接合パッド部である。そして、第２のバンプ３と第２のパッド部７は、半田８接合により、半導体素子１と配線基板５の間で、確実な電気接合と高い実装強度を満足できる。第２のバンプ３は、信号の入出力及び電源の供給等が行われないため、第２のバンプ３と第２のパッド部７を半田８により接合することにより、第２のバンプ３（第２のパッド部７）間で導通が生じたとしても、問題とはならない。さらに、第２のバンプ３を設けることにより、半導体素子１で発生した熱を効率よく放散することが可能になるという効果もある。
また、第１のバンプ２を半導体素子１の角部付近に形成したため、温度サイクル試験等において、半導体素子１と配線基板５との熱膨張係数の違いにより、繰り返し発生する応力で異方性導電樹脂層４が疲労した場合も、半導体素子１と配線基板５の接合不良を防ぐことができる。さらに、第２のバンプ３及び第２のパッド部７の存在により、半導体素子１と配線基板５との接続間隔を規制すると共に、半導体素子１が配線基板５に対して傾くことがなくなり、平行に搭載できるため、第１のバンプ２に加わる歪量を全て等しくする効果がある。
【００２５】
また、異方性導電樹脂層４を半導体素子１と配線基板５との間隔に介在させたため、異方性導電樹脂を塗布後に加熱硬化させることにより、第１のバンプ２と第１のパッド部６を電気的に接続させる方法を採用でき、従来のラインを大きく変更する必要がないため、回路基板１０を簡単且つ安価な工程で精度良く製造することができる。
【００２６】
なお、本発明は上記の実施の形態例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内での種々の変更や改良等は何ら差し支えない。
【００２７】
例えば、図３に示すように、半導体素子１と配線基板５の接合強度を向上させるために、第２のバンプ３（第２のパッド部７）の径を第１のバンプ２（第１のパッド部６）の径より大きくしてもよい。また、このことにより、半導体素子１で発生した熱を効率よく放散することができるという効果もある。
【００２８】
また、図４に示すように、第２のバンプ３（第２のパッド部７）間の間隔を、第１のバンプ２（第１のパッド部６）間の間隔より小さくしてもよい。このことにより、単位面積当たりの第２のバンプ３（第２のパッド部７）の数が増大するため、接合強度を向上させることができる。なお、第２のバンプ３（第２のパッド部７）は、信号の入出力及び電源の供給等が行われないため、第２のバンプ３（第２のパッド部７）間の間隔を小さくすることにより、第２のバンプ３（第２のパッド部７）間で導通が生じたとしても、問題とはならない。ただし、第２のバンプ３（第２のパッド部７）を形成する際の精度から、第２のバンプ３（第２のパッド部７）間の間隔は約４０μｍ以上にすることが望ましい。
【００２９】
また、熱硬化型異方性導電樹脂層４は、ペーストの状態から熱硬化を行ったが、フィルム（Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ    Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ    Ｆｉｌｍ：ＡＣＦとも略す）の状態で形成してもよい。このとき、半導体素子１と同じ大きさを有するテープシート状をなすものを用いる。つまり、ＡＣＦは接着面をカバー用のテープで覆っており、使用に際してはカバー用のテープを剥がしてＡＣＦの接着面を露出し、この接着面を配線基板５の実装面に接着する。
【００３０】
また、半導体素子１と配線基板５の接合強度を向上させるために、第２のバンプ３及び第２のパッド部７を半導体素子１の周辺部に囲まれた領域にも設けてもよい。
【００３１】
また、実施例では、配線基板の実装面上に１つの半導体素子を接合させたが、複数の半導体素子を接合させてもよい。
【００３２】
本実施例では、半導体素子１サイズが２ｍｍ角で各辺１個、４ｍｍ角で各辺２個の第２のバンプ３を設けた。配線基板５はガラスセラミックからなり電極はＡｕメッキが施され、第２のバンプ３は電気的接続を有していない。配線基板５の半導体実装位置に一定量の異方性導電樹脂を塗布する第１の工程と、半導体素子１の第１のバンプ２、第２のバンプ３と１５０℃に加熱した配線基板５の第１のパッド部６、第２のパッド部７を位置合わせし、超音波熱圧着接合する第２の工程と、接合した半導体素子１に荷重及び１５０℃の熱を加え、異方性導電樹脂を硬化収縮させる第３の工程により作成される。
【００３３】
第１の工程で使用した異方性導電樹脂層４はガラス転移点＝１４５℃、線膨張係数＝５２×１０−６ｍｍ／℃、曲げ弾性率＝２６５ｋｇｆ／ｍｍ２の異方性導電樹脂を使用した。配線基板５は、線膨張係数＝６．３×１０−６ｍｍ／℃、曲げ弾性率＝１２９５０ｋｇｆ／ｍｍ２よりなるガラスセラミックを使用した。ガラスセラミック配線基板５の所定の位置に、ディスペンサーにて異方性導電樹脂を塗布し、第２の工程である接合するステージに配線基板５を搬送した。
【００３４】
接合ステージで基板と半導体チップを位置合わせを行うと同時に、基板を１５０℃に加熱すると共に、４０ｇｆ／バンプの荷重と初期温度１５０℃を半導体素子に加えた。その後基板及び接合された半導体チップに４０ｇｆ／バンプの荷重を加えながら、１５０℃から半田が溶融する温度に半導体素を真空吸着したツールを過熱した。本実施例では１５０℃から２００℃に昇温し、３０秒保持後１５０℃に降温し、２０秒後加圧を開放した。樹脂を硬化を完全とするため、１２０℃で３０分のアフタベークを行い接合を完了した。
【００３５】
以上の工程で作成した回路基板１０と従来の回路基板５０を、温度サイクル試験（条件：−４０℃〜１２５℃、１サイクル／３０分）を行い、接続の信頼性を確認した。従来の回路基板５０が３００サイクルから接合不良が発生し、７７０サイクルでｎ＝１０個のサンプルがすべて不良となった。これに対し、本発明の回路基板１０は、１２００サイクル経過後も、ｎ＝１０個のサンプルに接合不良が発生しなかった。
【００３６】
【発明の効果】
以上に述べたように、本発明によれば、第１のバンプ及び第１のパッド部をそれぞれ信号の入出力及び電源供給等が行われる接続バンプ及び接続パッド部とし、異方性導電樹脂層を介して互いに当接させるとともに、第１のバンプを半導体素子の角部付近に形成している。一方、第２のバンプ及び第２のパッド部をそれぞれ接合のみを行う接合バンプ及び接合パッド部とし、半田により接合させている。このため、温度サイクル試験等において、回路基板の中央部分に発生する応力により、半導体素子のバンプと配線基板のパッド部が剥離することを抑制し、半導体素子と配線基板が確実に安定して電気的に接続した高品質の回路基板を、簡単且つ安価な工程で提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の回路基板の一実施例の断面図である。
【図２】図１の回路基板の半導体素子のバンプ配置を示す実装面の平面図である。
【図３】本発明の他の実施例の半導体素子のバンプ配置を示す実装面の平面図である。
【図４】本発明の他の実施例の半導体素子のバンプ配置を示す実装面の平面図である。
【図５】従来の回路基板の断面図である。
【図６】図５の回路基板のバンプ周辺の拡大断面図である。
【図７】図５の回路基板の応力を説明する断面図である。
【符号の説明】
１０、５０              回路基板
１                      半導体素子
２                      第１のバンプ
３                      第２のバンプ
４                      異方性導電樹脂層
５                      配線基板
６                      第１のパッド部
７                      第２のパッド部
８                      半田
１１                    導電粒子
１２                    メッキ部
１３                    プラスチック部
４１                    熱硬化性樹脂
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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