(57)【要約】【課題】簡単な製造方法でハンダを用いた接合部の強度を高める。【解決手段】半導体装置４１は、実装基板１の上に電極パッド５を有し、電極パッド５の表面には触媒層１０を形成した後に、カーボンナノチューブ１５を成長させている。カーボンナノチューブ１５は、実装基板１に垂直に多数形成されている。実装基板１に実装される半導体素子３１は、基板３２の他方の面３２Ａに形成された電極パッド３５にハンダボール３６が形成されている。ハンダボール３６は、カーボンナノチューブ１５が食い込むように実装基板１の電極パッド５に接合される。【選択図】図２
2011238789.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板に形成した電極パッドの上にカーボンナノチューブを形成する工程と、
前記電極パッドの上に、金属層をめっきにより形成し、前記カーボンナノチューブを先端部を除いて埋める工程と、
前記金属層の上に、ハンダペーストを印刷し、前記カーボンナノチューブを覆う工程と、
半導体素子の電極上に形成したハンダを前記ハンダペーストの上に接触させ、加熱処理により前記ハンダと前記ハンダペーストを溶融させ、前記電極と前記電極パッドを電気的に接合すると共に、前記ハンダと前記ハンダペーストが形成する接合部内にカーボンナノチューブを入れる工程と、
を含む半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記電極パッドの上に前記カーボンナノチューブを形成する工程は、
前記カーボンナノチューブを支持基板の上方に成長させる工程と、
前記カーボンナノチューブの先端部分に前記電極パッドに接続可能な被覆部を形成する工程と、
前記被覆部を前記電極パッドに反応又は熱圧着させることで、前記電極パッド上に前記カーボンナノチューブを取り付ける工程と、
前記支持基板を前記カーボンナノチューブから取り外す工程と、
を含む請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記電極パッドの上に前記カーボンナノチューブを形成する工程は、
前記電極パッドの上に触媒層を設けた後、前記カーボンナノチューブをＣＶＤ法により成長させる請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
電極パッドを有する基板と、
電極にハンダが取り付けられた半導体素子と、
前記電極パッドの上に設けられ、一部が前記ハンダ内に入り込んだカーボンナノチューブと、を含む半導体装置。
【請求項５】
前記ハンダは、Ｓｎ、ＳｎＡｇＣｕ、ＳｎＢｉ、ＳｎＺｎ、ＳｎＩｎのいずれかを含んで形成される請求項４に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年では、半導体装置に搭載される半導体素子やその他の電子部品は、小型化が進み、プリント基板への実装も高密度化が図られている。半導体素子や電子部品を高密度に実装する場合、特にノートパソコンやビデオカメラ、携帯電話等においては、ＢＧＡ（Ball Grid Array）やＣＰＳ（Chip Size Package）を用いた実装が多く行われている。
【０００３】
ＢＧＡやＣＳＰを用いて半導体素子をプリント基板に実装するときは、最初に、半導体素子の電極パッド上にハンダボールを形成する。ハンダボールを電極パッド上に形成するときは、例えば、各電極パッドにフラックスを塗布し、フラックスの粘着力を利用してハンダボールを電極パッドに接着させる。続いて、ハンダボールをリフロー工程で加熱してハンダボールを電極に接合させる。
さらに、半導体素子をプリント基板に実装するときは、プリント基板の電極パッドの上に半導体素子のハンダボールを位置決めして載置する。この後に、リフロー工程を実施し、ハンダボールとプリント基板の電極パッドを接合させる。これにより、半導体素子の電極がプリント基板の電極パッドに電気的に接続される。
【０００４】
ここで、半導体装置の使用時には、半導体素子等の発熱によって半導体装置の温度が上昇する。また、半導体装置を停止させると、半導体素子等が発熱しなくなるので、半導体装置の温度が低下する。このように、半導体装置は、半導体素子等の動作状態によって加熱と冷却を繰り返す熱サイクルに晒される。
また、半導体装置の使用環境によっては、半導体装置が高温雰囲気と低温雰囲気のそれぞれに交互に晒されることがある。このような場合、半導体装置は、半導体素子等の動作状態によらずに熱サイクルに晒されることになる。
【０００５】
半導体素子が発熱すると、半導体素子とプリント基板との間に温度差が生じるので、半導体素子とプリント基板とのハンダ接合部に熱応力が発生する。また、使用環境によって半導体装置が熱サイクルに晒される場合には、半導体素子とプリント基板の熱膨張係数の差によって、半導体素子とプリント基板の間のハンダ接合部に熱応力が発生する。
ここで、半導体素子とプリント基板の接合部に用いられるハンダの強度や耐熱疲労強度が低いと、ハンダボールと電極パッドの間の接合が破壊され易くなる。このため、ハンダボールの材料には、優れた耐熱疲労特性が要求される。
【０００６】
ところで、半導体素子の実装が高密度化されるのに伴って、半導体素子及びプリント基板のそれぞれの電極パッドの面積も縮小している。このため、ハンダ接合部に用いられるハンダの量が少なく、かつハンダ接合部の接合面積が小さくなる傾向にある。ハンダ接合部の接合面積が小さくなると、ハンダ接合部に熱応力が発生したときに、ハンダ接合部が破断し易くなる。
また、携帯電話のように、持ち運びが可能な製品では、使用中に誤って床面に落下させたり、ぶつけたりすることがある。このときにも、ハンダ接合部に応力が加えられる。
【０００７】
また、近年では、鉛を含むハンダが環境に与える影響を考慮し、鉛フリーハンダと呼ばれるＳｎ、Ａｇ、Ｃｕを含有するハンダの実用化が進んでいる。しかしながら、この鉛フリーハンダは、融点が鉛含有ハンダに比べて高い。このため、鉛フリーハンダの融点より耐熱温度が低い部品をプリント基板に実装するときは、鉛フリーハンダを用いて半導体素
子をプリント基板に実装した後に、耐熱性の低い他の部品を実装しなければならなかった。
また、樹脂製のプリント基板は、半導体素子の材料であるＳｉなどに比べて変形し易い。このため、鉛フリーハンダを用いた高温のリフロー工程を実施したときに、半導体素子の変形量よりプリント基板の変形量が大きくなるので、ハンダ接合部に応力が集中し易かった。
【０００８】
さらに、鉛フリーハンダを用いたときにハンダ接合部の応力集中を緩和する方法としては、半導体素子とプリント基板との間にアンダーフィル（ＵＦ）樹脂を注入することが知られている。ＵＦ樹脂は、半導体素子とプリント基板の間のハンダ接合部のせん断応力を分散させることでハンダ接合部の破断を防ぐ役割を有する。しかしながら、ＵＦ樹脂を使用すると、ＵＦ樹脂を注入するための時間が必要になる。また、ハンダ接合後にＵＦ樹脂を注入するので、ハンダ接合時と、ＵＦ樹脂を熱硬化させるときの２回、リフロー工程が必要になる。
これらのことから、ＵＦ樹脂を使用すると、リフロー工程の増加による消費電力の増大や、半導体装置の製造のスループットの低下の原因になっていた。また、ＵＦ樹脂を硬化させた後では、ハンダ接合部の不良を修理することが困難であるという課題も有していた。
【０００９】
そこで、従来では、ＵＦ樹脂を用いず、半導体素子のコーナー部分にダミーピンを設け、ハンダや接着剤でダミーピンとプリント基板とを接続させ、ハンダ接合部分の応力を緩和させることが検討されている。例えば、ダミーピンが、半導体素子側のハンダボールの高さより短いときは、ダミーピンが接着剤でプリント基板に固定される。また、ダミーピンが、半導体素子側のハンダボールの高さより長いときは、プリント基板にホールを設け、このホールにダミーピンを挿入させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００６−３３９３１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、ダミーピンはハンダボールと電極パッドの接合部とは異なる位置に配置されるので、ハンダボールの接合部に生じる応力を十分に緩和させることは困難であった。また、ダミーピンを設けることで、半導体素子のサイズが大きくなるので、高密度な実装ができなくなる。
本発明は、このような事情を鑑みてなされたものであり、簡単な製造方法でハンダを用いた接合部の強度を高めることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本願の一観点によれば、基板に形成した電極パッドの上にカーボンナノチューブを形成する工程と、前記電極パッドの上に、金属層をめっきにより形成し、前記カーボンナノチューブを先端部を除いて埋める工程と、前記金属層の上に、ハンダペーストを印刷し、前記カーボンナノチューブを覆う工程と、半導体素子の電極上に形成したハンダを前記ハンダペーストの上に接触させ、加熱処理により前記ハンダと前記ハンダペーストを溶融させ、前記電極と前記電極パッドを電気的に接合すると共に、前記ハンダと前記ハンダペーストが形成する接合部内にカーボンナノチューブを入れる工程と、を含む半導体装置の製造方法が提供される。
【００１３】
また、本発明の別の観点によれば、電極パッドを有する基板と、電極にハンダが取り付
けられた半導体素子と、前記電極パッドの上に設けられ、一部が前記ハンダ内に入り込んだカーボンナノチューブと、を含む半導体装置が提供される。
【発明の効果】
【００１４】
カーボンナノチューブがハンダボール内に入り込むことで、ハンダ接合部が補強され、ハンダ接合部の強度が向上する。基板と半導体素子の間にアンダーフィル材を充填する必要がなくなり、製造時間を短縮できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１Ａ】図１Ａは、本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図（その１）である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図（その２）である。
【図１Ｃ】図１Ｃは、本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図（その３）である。
【図１Ｄ】図１Ｄは、本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図（その４）である。
【図１Ｅ】図１Ｅは、本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図（その５）である。
【図１Ｆ】図１Ｆは、本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図（その６）である。
【図１Ｇ】図１Ｇは、本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図（その７）である。
【図２】図２は、本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置のハンダ接合部の断面図である。
【図３Ａ】図３Ａは、本発明の第１の実施の形態の変形例に係る半導体装置の製造工程を示す断面図（その１）である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、本発明の第１の実施の形態の変形例に係る半導体装置の製造工程を示す断面図（その２）である。
【図３Ｃ】図３Ｃは、本発明の第１の実施の形態の変形例に係る半導体装置の製造工程を示す断面図（その３）である。
【図４Ａ】図４Ａは、本発明の第２の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図（その１）である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、本発明の第２の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図（その２）である。
【図４Ｃ】図４Ｃは、本発明の第２の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図（その３）である。
【図４Ｄ】図４Ｄは、本発明の第２の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図（その４）である。
【図４Ｅ】図４Ｅは、本発明の第２の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図（その５）である。
【図５Ａ】図５Ａは、本発明の第３の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図（その１）である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、本発明の第３の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図（その２）である。
【図６】図６は、本発明の第４の実施の形態に係る半導体装置のハンダ接合部の断面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
発明の目的および利点は、請求の範囲に具体的に記載された構成要素および組み合わせ
によって実現され達成される。
前述の一般的な説明および以下の詳細な説明は、典型例および説明のためのものであって、本発明を限定するためのものではない、と理解すべきである。
【００１７】
以下に、図面を参照して本発明の好ましい実施形態を説明する。図面において、同様の構成要素には同じ参照番号が付されている。
（第１の実施の形態）
図１Ａ〜図１Ｇは、本発明の第１実施形態に係る半導体装置の製造途中の断面図である。
最初に、図１Ａに示す断面構造を得るまでの工程について説明する。
まず、実装基板１上にＴｉ膜２を例えば５ｎｍの膜厚に形成する。続いて、Ｔｉ膜２上にＰｔ膜３を例えば５０ｎｍの膜厚に形成し、その上にＡｕ膜４を例えば３００ｎｍの膜厚に形成する。Ｔｉ膜２、Ｐｔ膜３、Ａｕ膜４の形成には、真空蒸着法やスパッタ法などが用いられる。
【００１８】
続いて、Ａｕ膜４上にレジスト膜を塗布する。さらに、レジスト膜を硬化露光、及び現像して、所定形状のレジストパターンを形成する。そして、このレジストパターンをマスクにしてウェットエッチングを行い、レジストパターンから露出しているＴｉ膜２、Ｐｔ膜３、及びＡｕ膜４を除去する。この後、レジストパターンを除去すると、実装基板１の所定位置にＴｉ膜２、Ｐｔ膜３、Ａｕ膜４の積層膜からなる電極パッド（導電性パッド）５が形成される。なお、電極パッド５は、Ａｕ膜４の代わりに、Ａｇ膜、Ｎｉ膜、Ｃｕ膜、Ｃｒ膜を用いても良い。
【００１９】
次に、図１Ｂに示すように、実装基板１及び電極パッド５を覆うように、レジストを塗布してから、硬化及び露光、現像を行い、電極パッド５が露出する開口部６Ａを有するレジストパターン６を形成する。
【００２０】
次に、図１Ｃに示す断面構造を得るまでの工程について説明する。
電極パッド５上及びレジストパターン６上に、ＴｉＮ膜８を例えばスパッタ法を用いて５ｎｍの膜厚に堆積させる。さらに、ＴｉＮ膜８の上に、Ｃｏ膜９を例えばスパッタ法を用いて１ｎｍの膜厚で堆積させる。この後、実装基板１からレジストパターン６を除去する。これにより、電極パッド５の上に、ＴｉＮ膜８とＣｏ膜９を積層させた触媒層１０が形成される。この触媒層１０は、カーボンナノチューブを成長させるときの触媒として使用される。なお、実装基板１は、スパッタによって生じる熱に耐えられるように、Ｓｉやサファイア、ガラスなどから製造されている。このため、ここまでの工程で実装基板１の変形はほとんどない。
【００２１】
次に、図１Ｄに示すように、触媒層１０を用いて電極パッド５上にカーボンナノチューブ１５をＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法で成長させる。カーボンナノチューブ１５の成長には、例えば、プロセスガスにアセチレンガスを用い、キャリアガスにＡｒガス又は水素ガスを用いる。成長時の圧力は、例えば１００Ｐａ、基板温度は例えば６００℃とする。さらに、カーボンナノチューブ１５の成長時には、実装基板１に垂直な方向に電界をかける。これにより、カーボンナノチューブ１５が電界と平行に、すなわち実装基板１に対して垂直な方向に成長する。
【００２２】
ここで、図１Ｄに示すカーボンナノチューブ１５の長さは、カーボンナノチューブ１５の成長時間によって制御できる。例えば、前記のプロセス条件では、約１μｍ／分の成長速度が得られるので、成長時間を１００分にすれば、約１００μｍの長さのカーボンナノチューブ１５が得られる。
【００２３】
なお、この実施の形態において、カーボンナノチューブ１５は、単層の管状の単層カーボンナノチューブである。しかしながら、カーボンナノチューブ１５は、複数の管が同軸に配置された多層カーボンナノチューブや、カーボンナノホーンやフラーレンのような粒子状のカーボンナノ材料であっても良い。また、カーボンナノチューブ１５には、カーボンナノチューブの束も含まれるものとする。
【００２４】
次に、図１Ｅに示すように、実装基板１の電極パッド５の上にめっき層２１を形成する。めっき層２１の形成にあたっては、最初に電極パッド５上に、例えばＣｕ膜を無電界めっきにより、例えば、５μｍの厚さに形成する。これにより、めっき層２１が電極パッド５の上に形成される。めっき層２１は、例えばＣｕからなり、カーボンナノチューブ１５の隙間を埋めるように、電極パッド５上に形成される。めっき層２１は、Ｃｕの代わりに、Ａｇ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｃｒで形成しても良い。
【００２５】
ここで、めっき層２１の膜厚は、カーボンナノチューブ１５の高さより小さくする。これにより、めっき層２１の表面からは、カーボンナノチューブ１５の一部が突出する。なお、めっき層２１は、電解めっきを用いて形成することもできる。この場合には、実装基板１をめっき槽に浸漬させて、電解めっきを行い、電極パッド５上にめっき層２１を形成する。
【００２６】
続いて、図１Ｆに示すように、めっき層２１の上にハンダペースト２２を印刷する。ハンダペースト２２を印刷する際には、例えば、実装基板１の上に図示を省略するマスクを配置し、マスクの開口部内にハンダペースト２２をスキージを用いて充填する。ハンダペースト２２は、ハンダ粉末にフラックス機能を有する有機成分を混入して調製されており、流動性を有するので、容易にマスクの開口部内に充填することができる。したがって、マスクの開口部をめっき層２１の位置及び形状に合わせて形成しておけば、めっき層２１の上にハンダペースト２２が印刷により塗布される。
【００２７】
ここで、ハンダペースト２２の膜厚は、カーボンナノチューブ１５がめっき層２１から突出する長さより大きく、例えば、１５０μｍである。このため、カーボンナノチューブ１５は、ハンダペースト２２内に完全に埋まる。なお、ハンダペースト２２のハンダ材料には、Ｓｎ、ＳｎＡｇＣｕ、ＳｎＢｉ、ＳｎＺｎ、ＳｎＩｎのいずれかが用いられる。なお、ハンダベースト２２には、ハンダ材料が入っていなくても良い。
【００２８】
次に、図１Ｇに示すように、実装基板１に半導体素子３１を実装する。
ここで、半導体素子３１は、例えば、半導体回路が形成された基板３２を樹脂３３でモールドした構成を有する。半導体素子３１の基板３２の下面３２Ａには、複数の電極パッド３５が形成されており、これら電極パッド３５のそれぞれにハンダボール３６が接合されている。この半導体素子３１は、電極パッド３５及びハンダボール３６がアレイ状に配置され、ＢＧＡ（Ball Grid Array）を形成している。
【００２９】
電極パッド３５上にハンダボール３６を形成するときには、例えば、電極パッド３５の表面にフラックスを塗布する。次に、ハンダボール３６を吸引しながら保持し、フラックスを塗布した電極パッド３５の表面にハンダボール３６を搭載する。この後に、リフロー炉でハンダボール３６を電極パッド３５に溶着させる。なお、ハンダボール３６は、電極パッド３５上に印刷したハンダペーストをリフロー炉で溶融させることで形成しても良い。
【００３０】
ハンダボール３６には、鉛フリーハンダが用いられる。ハンダボール３６の材料としては、例えば、Ｓｎ、ＳｎＡｇＣｕ、ＳｎＢｉ、ＳｎＺｎ、ＳｎＩｎがあげられる。半導体素子３１のパッケージには、ＣＳＰを用いても良い。また、ハンダボール３６の配列は、
アレイ状でなくても良い。
【００３１】
半導体素子３１を実装基板１に実装するときは、最初に、実装基板１の電極パッド５の上にハンダボール３６が載るように位置を合わせつつ、半導体素子３１を実装基板１の上に載置する。この状態で、実装基板１及び半導体チップ３２をリフロー炉に入れて、例えば、最大値で２４０℃まで加熱する。図２に示すように、ハンダペースト２２とハンダボール３６が溶融してハンダ接合部３８が形成される。このとき、カーボンナノチューブ１５の一部がハンダボール３６内に入り込む。また、めっき層２１とハンダボール３６との間に、合金層３７が形成される。合金層３７は、めっき層２１がＣｕである場合には、ＳｎとＣｕの合金になる。
これにより、図１Ｇに示すように、半導体素子３１の電極パッド３５と実装基板１の電極パッド５とがハンダ接合部３８を介して電気的に接続された半導体装置４１が形成される。なお、半導体装置４１には、図示を省略するその他の電子部品等を実装しても良い。
【００３２】
以上、説明したように、この半導体装置４１は、電極パッド５上にカーボンナノチューブ１５を形成し、カーボンナノチューブ１５を接合後のハンダボール３６内に入り込ませることでハンダ接合部３８を補強した。実装基板１側の電極パッド５とハンダボール３６の界面付近が、カーボンナノチューブ１５によってナノレベルで補強されるので、仮にハンダ接合部３８にクラックが生じた場合でも、クラックの伝播が抑制される。これにより、ハンダ接合部３８の強度が向上する。このため、半導体装置４１が、半導体素子３１の発熱による熱サイクルや、使用環境によるサイクルに晒されても、ハンダ接合部３８が破断することが防止される。また、カーボンナノチューブ１５によってハンダ接合部３８の強度が向上することから、半導体装置４１に衝撃が加えられたときでも、ハンダ接合部３８の破断が防止される。
【００３３】
また、電極パッド５とハンダボール３６のハンダ層の界面付近にカーボンナノチューブ１５が多数配置されることで、ハンダボール３６のハンダ層のＳｎと、めっき層２１との接触が抑制される。これにより、硬くて脆い合金層３７の形成が抑制され、ハンダ接合部３８の強度の低下が抑制される。
【００３４】
カーボンナノチューブ１５は、金属と同様に電流を流し易いので、ハンダ接合部３８にひびが入っても、電流特性は低下しない。また、カーボンナノチューブ１５によってハンダ接合部３８が補強されるために、実装基板１と半導体素子３１の間にアンダーフィル材を充填する必要がなくなる。これにより、アンダーフィル材を充填する製造方法に比べて製造時間を短縮できる。
【００３５】
なお、カーボンナノチューブ１５の長さＬ１は、ハンダボール３６の大きさや、電極パッド５の大きさによって異なるが、ハンダボール３６の高さＨ１の１／５〜１／３程度で、より好ましくは１／４である。カーボンナノチューブＬ１の長さがこの範囲より短いと、ハンダ接合部３８の補強効果が得られ難くなる。また、カーボンナノチューブＬ１の長さがこの範囲より長いと、無荷重条件でのＳＭＴ（Surface mount technology）実装の不良が起き易い。
【００３６】
ここで、本実施の形態のハンダ接合部３８と、カーボンナノチューブ１５の代わりに金属ピラーを電極パッド５の上に形成したハンダ接合部とを比較する。金属ピラーは、一般的にレジストパターンの開口部にめっき法によって成長させる。
しかしながら、レジストパターンの開口部のアスペクト比の限界が一般には２程度とされている。このため、高密度な実装を行う場合に、微細な金属ピラーを例えば１００μｍ程度の高さに形成することは困難である。仮に、微細な金属ピラーをＣｕで製造しても、Ｃｕがハンダボール３６のＳｎと合金を形成してしまうので、金属ピラー自身が脆くなっ
て、補強効果が得られ難い。これに対し、本実施の形態のカーボンナノチューブ１５は、微細で細長い形状を容易に形成でき、Ｓｎとの反応も防止できる。
【００３７】
次に、本実施の形態の変形例について説明する。
図３Ａに示すように、電極パッド５の上にカーボンナノチューブ１５を成長させる際に、電界をかけないと、カーボンナノチューブ１５が実装基板１に対してランダムな向きに成長する。
この場合は、図３Ｂに示すように、カーボンナノチューブ１５をランダムに形成した電極パッド５の上に、例えばＣｕからなるめっき層２１を電解めっき又は無電解めっきを用いて形成する。さらに、図３Ｃに示すように、めっき層２１上にハンダペースト２２をカーボンナノチューブ１５を覆うように塗布してから、半導体素子３１を実装する。ランダムな向きに成長させたカーボンナノチューブ１５の一部がハンダボール３６内に入り込んで、ハンダ接合部３８が補強される。
【００３８】
（第２の実施の形態）
この実施の形態では、実装基板の耐熱性が低いときなどに、カーボンナノチューブを実装基板とは別の基板を用いて製造することを特徴とする。
図４Ａに示すように、最初に、実装基板１とは別の基板である支持基板５１の表面に、触媒層５２を形成する。支持基板５１は、例えばガラスなど、高温のプロセスに耐える材料から製造されている。触媒層５２は、例えば、５ｎｍのＴｉＮ膜５３と、１ｎｍのＣｏ膜５４とを順番に積層した積層膜からなる。このような触媒層５２は、例えば真空蒸着又はスパッタ法により形成される。
【００３９】
次に、図４Ｂに示すように、触媒層５２の上にカーボンナノチューブ１５をＣＶＤ法により成長させる。カーボンナノチューブ１５の形成条件は、第１の実施の形態と同様である。なお、この実施の形態では、カーボンナノチューブ１５の形成時に実装基板５１に垂直な方向に電界をかけて、カーボンナノチューブ１５を実装基板５１に対して垂直な方向に成長させる。
【００４０】
続いて、図４Ｃに示すように、支持基板５１上に、可溶性樹脂５５を、例えば、スクリーン印刷法により塗布する。この後、可溶性樹脂５５の一部をＯ２アッシングより除去し、カーボンナノチューブ１５の先端部を露出させる。可溶性樹脂５５には、例えば、ポリスチレン系の樹脂や、アクリル樹脂、ウレタン樹脂などが用いられる。可溶性樹脂５５の厚さは、カーボンナノチューブ１５の長さより小さい。このため、カーボンナノチューブ１５の先端部分が、可溶性樹脂５５の表面から上方に突出する。これにより、可溶性樹脂５５に、カーボンナノチューブ１５が先端部分を除いて埋め込まれる。
【００４１】
次に、図４Ｄに示すように、可溶性樹脂５５から露出するカーボンナノチューブ１５の先端部分を有機官能基Ｘで修飾する。なお、カーボンナノチューブ１５の先端部分は、一部が５員環になっており、他の部分に比べて反応し易くなっているので、先端部分を容易に有機官能基Ｘで修飾することができる。
【００４２】
ここで、有機官能基Ｘとしては、例えば、チオール基（―ＳＨ）や、カルボン酸構造を有するカルボニル基（―ＣＯＯＨ：カルボン酸）、ジアゾニウム基（―Ｎ＋２）があげられる。
【００４３】
カーボンナノチューブ１５の先端部分をチオール基で修飾する場合には、カーボンナノチューブ１５を例えば、Ｃ６Ｈ４（Ｎ＋２ＢＦ４−）ＳＨの溶液に浸して電界をかける。これにより、カーボンナノチューブ１５の先端部分の一部が、Ｃ６Ｈ４ＳＨで修飾される。この後、可溶性樹脂５５で一体となったカーボンナノチューブ１５を支持基板５１ごと
溶液から取り出す。
【００４４】
また、カーボンナノチューブ１５の先端部分をカルボン酸で修飾する場合には、カーボンナノチューブ１５を例えば、二塩基酸アシル過酸化物、例えば琥珀酸過酸化アシルやグルタル酸過酸化アシルなどの溶液に浸して熱を加える。これにより、カーボンナノチューブ１５の先端部分の一部が、（ＣＨ２）ｎ−ＣＯＯＨで修飾される。この後、可溶性樹脂５５で一体となったカーボンナノチューブ１５を支持基板５１ごと溶液から取り出す。
【００４５】
さらに、カーボンナノチューブ１５の先端部分をジアゾニウム基で修飾する場合には、カーボンナノチューブ１５を例えば、Ｃ６Ｈ４(ＮＨ２)Ｎ２Ｃｌの溶液に浸して電界をかける。その後、０℃で亜硝酸ナトリウム/塩酸を加えると、カーボンナノチューブ１５の先端部分の一部が、Ｃ６Ｈ４（Ｎ２Ｃｌ）で修飾される。この後、可溶性樹脂５５で一体となったカーボンナノチューブ１５を支持基板５１ごと溶液から取り出す。
【００４６】
このようにして、カーボンナノチューブ１５の先端部分が有機官能基Ｘからなる被覆部５６が形成されたら、この後、図４Ｅに示すように、カーボンナノチューブ１５の有機官能基Ｘで修飾された被覆部５６を実装基板１の電極パッド５に当接させる。さらに、この状態で、加熱すると共に電界をかける。なお、ここでの処理は、加熱のみでも良い。
カーボンナノチューブ１５の先端に設けられた、チオール基、カルボン酸基、又はアゾニウム基が電極パッド５のＣｕと反応してキレート化合物（アゾニウム基の場合共有結合）を形成し、これによりカーボンナノチューブ１５が電極パッド５に接合される。
【００４７】
続いて、支持基板５１とカーボンナノチューブ１５の界面部分をＨＣｌなどの酸性の溶液に晒す。酸性の溶液によって、触媒層５２が溶けて、支持基板５１からカーボンナノチューブ１５が可溶性樹脂５５ごと取り外される。これにより、カーボンナノチューブ１５及び可溶性樹脂５５が電極パッド５上に残される。さらに、可溶性樹脂５５を有機溶剤で溶解して取り除くと、電極パッド５上にカーボンナノチューブ１５のみが残り、これによって、図１Ｄと同様の構造が得られる。
【００４８】
この後、図１Ｆと同様に、カーボンナノチューブ１５を接合した電極パッド５上にめっき層２１を形成し、続いてハンダペースト２２を印刷する。さらに、図１Ｇと同様に、半導体素子３１のハンダボール３６を実装基板１の電極パッド５に接合する。これにより、実装基板１と半導体素子３１との間に、ハンダ接合部３８が形成される。図２に示すように、ハンダボール３６の中に、カーボンナノチューブ１５が入り込むことで、ハンダ接合部３８が補強される。
【００４９】
以上、説明したように、この半導体装置４１では、カーボンナノチューブ１５の一端を有機官能基Ｘで修飾することで電極パッド５にカーボンナノチューブ１５を接合するようにした。したがって、実装基板１の耐熱温度が低い場合にも、ハンダ接合をカーボンナノチューブ１５によって補強することが可能になる。
【００５０】
なお、カーボンナノチューブ１５の先端部を有機官能基Ｘで修飾した後、カーボンナノチューブ１５を支持基板５１から取り外してから実装基板１の電極パッド５に接合しても良い。
また、カーボンナノチューブ１５の一部を可溶性樹脂５５で覆わずに、有機官能基Ｘで修飾しても良い。
さらに、カーボンナノチューブ１５を支持基板５１の上方にランダムに形成し、可溶性樹脂５５で先端部分を除いて覆っても良い。
【００５１】
（第３の実施の形態）
この実施の形態では、実装基板の耐熱性が低いときなどに、カーボンナノチューブを実装基板とは別の基板を用いて製造することを特徴とする。
最初に、図４Ａ、図４Ｂ及び図４Ｃと同様に、例えばガラス製の支持基板５１の表面に、触媒層５２を形成する。さらに、触媒層５２の上にカーボンナノチューブ１５をＣＶＤ法により成長させ、その後に触媒層５２の上に、可溶性樹脂５５を形成する。続いて、可溶性樹脂５５の一部をＯ２アッシングより除去し、カーボンナノチューブ１５の先端部を露出させる。これにより、カーボンナノチューブ１５が先端部分を除いて可溶性樹脂５５に埋められる。なお、触媒層５２、カーボンナノチューブ１５、可溶性樹脂５５の形成条件は、第２の実施の形態と同様である。
【００５２】
次に、図５Ａに示す断面構造を得るまでの工程について説明する。
まず、カーボンナノチューブ１５の先端部分にＶＵＶ（真空紫外線）照射を行う。これにより、カーボンナノチューブ１５の先端部分の不純物が除去される。また、カーボンナノチューブ１５の先端部分のカーボン原子間の結合が切断され、めっき液に対する親水性が高められる。続いて、カーボンナノチューブ１５に対してＡｕ、Ａｇ、Ｃｕのいずれかを、例えば数十ｎｍの厚さに電解めっき法により形成する。これにより、カーボンナノチューブ１５の先端部に金属の被覆部６１が形成される。なお、金属の被覆部６１は、蒸着法や、無電解めっき法で形成しても良い。
【００５３】
この後、図５Ｂに示すように、カーボンナノチューブ１５の被覆部６１を実装基板１の電極パッド５を当接させ、例えば２００℃に加熱しながら、所定の荷重をかける。電極パッド５と被覆部６１の間の固相拡散によりカーボンナノチューブ１５が電極パッド５に接合される。
続いて、支持基板５１とカーボンナノチューブ１５の界面部分をＨＣｌなどの酸性の溶液に晒して触媒層５２を溶かす。これにより、支持基板５１からカーボンナノチューブ１５が可溶性樹脂５５ごと取り外される。さらに、可溶性樹脂５５を有機溶剤で溶解して取り除くと、電極パッド５上にカーボンナノチューブ１５のみが残り、これによって、図１Ｄと同様の構造が得られる。
【００５４】
この後、図１Ｆ及び図１Ｇと同様に、カーボンナノチューブ１５を接合した電極パッド５上にめっき層２１を形成し、ハンダペースト２２を印刷し、半導体素子３１のハンダボール３６を実装基板１の電極パッド５に接合する。これにより、実装基板１と半導体素子３１との間に、ハンダ接合部３８が形成される。ハンダボール３６の中に、図２と同様にカーボンナノチューブ１５が入り込むことで、ハンダ接合部３８が補強される。
【００５５】
以上、説明したように、この半導体装置４１では、カーボンナノチューブ１５の一端に金属の被覆部６１を形成し、この被覆部６１を利用して電極パッド５にカーボンナノチューブ１５を接合するようにした。したがって、実装基板１の耐熱温度が低い場合にも、ハンダ接合をカーボンナノチューブ１５によって補強することが可能になる。
【００５６】
なお、カーボンナノチューブ１５の先端部に被覆部６１を形成した後、カーボンナノチューブ１５を支持基板５１から取り外してから実装基板１の電極パッド５に接合しても良い。
また、カーボンナノチューブ１５の一部を可溶性樹脂５５で覆わずに、被覆部６１を形成しても良い。ここで、実装基板１に接合する前に、支持基板５１からカーボンナノチューブ１５を取り外す場合には、電極パッド５上にカーボンナノチューブ１５がランダムに配列される。
さらに、カーボンナノチューブ１５を支持基板５１の上方にランダムに形成し、可溶性樹脂５５で先端部分を除いて覆っても良い。
【００５７】
（第４の実施の形態）
図６に、第４の実施の形態の半導体装置のハンダ接合部の断面図を示す。
半導体装置７１は、実装基板１の電極パッド５の上に、カーボンナノチューブ１５が形成されており、カーボンナノチューブ１５を覆うようにハンダペースト２２が形成されている。さらに、ハンダペースト２２には、半導体素子３１の基板３２に取り付けられたハンダボール３６が接合されている。
ここで、ハンダボール３６には、例えばＳｎＡｇＣｕが用いられ、ハンダペースト２２には、ハンダボール３６より融点の低い材料、例えばＳｎＢｉが用いられる。
【００５８】
半導体装置７１を製造するときは、図１Ａから図１Ｆ、又は図３Ａから図５Ｂに示すように、実装基板１上に電極パッド５とカーボンナノチューブ１５及びハンダペースト２２を形成する。さらに、基板３２上にハンダボール３６を形成する。
実装基板１に半導体素子３１を実装するときは、電極パッド５のハンダペースト２２上にハンダボール３６を位置決めして載置する。続いて、リフロー工程でハンダペースト２２を溶融させ、ハンダボール３６に接合させる。このときの加熱温度は、ハンダペースト２２は溶融するが、融点が相対的に高いハンダボール３６を溶融しない温度が用いられる。その結果、ハンダペースト２２のみが溶融してハンダボール３６と接合され、ハンダペースト２２とハンダボール３６によるハンダ接合部７２が形成される。ハンダボール３６は溶融していないので、カーボンナノチューブ１５は、ハンダボール３６内には入らない。そして、このようなハンダ接合部７２を介して半導体素子３１の電極パッド３５と実装基板１の電極パッド５とがハンダ接合部３８を介して電気的に接続される。
【００５９】
この半導体装置７１では、ハンダペースト２２とハンダボール３６を有するハンダ接合部７２がカーボンナノチューブ１５で補強される。実装基板１側の電極パッド５とハンダボール３６の界面付近が、カーボンナノチューブ１５によってナノレベルで補強されるので、ハンダ接合部７２の強度が向上する。
なお、カーボンナノチューブ１５は、電極パッド５に対してランダムな向きに形成しても良い。
【００６０】
ここで挙げた全ての例および条件的表現は、発明者が技術促進に貢献した発明および概念を読者が理解するのを助けるためのものであり、ここで具体的に挙げたそのような例および条件に限定することなく解釈するものであり、また、明細書におけるそのような例の編成は本発明の優劣を示すこととは関係ない。本発明の実施形態を詳細に説明したが、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、それに対して種々の変更、置換および変形を施すことができる。
【００６１】
以下に、前記の実施の形態の特徴を付記する。
（付記１）  基板に形成した電極パッドの上にカーボンナノチューブを形成する工程と、前記電極パッドの上に、金属層をめっきにより形成し、前記カーボンナノチューブを先端部を除いて埋める工程と、前記金属層の上に、ハンダペーストを印刷し、前記カーボンナノチューブを覆う工程と、半導体素子の電極上に形成したハンダを前記ハンダペーストの上に接触させ、加熱処理により前記ハンダと前記ハンダペーストを溶融させ、前記電極と前記電極パッドを電気的に接合すると共に、前記ハンダと前記ハンダペーストが形成する接合部内にカーボンナノチューブを入れる工程と、を含む半導体装置の製造方法。
（付記２）  前記接合部を形成する工程は、前記ハンダを溶融させ、前記ハンダ内に前記カーボンナノチューブを入れる付記１に記載の半導体装置の製造方法。
（付記３）  前記電極パッドの上に前記カーボンナノチューブを形成する工程は、前記カーボンナノチューブを支持基板の上方で成長させる工程と、前記カーボンナノチューブの先端部分に前記電極パッドに接続可能な被覆部を形成する工程と、前記被覆部を前記電極パッドに反応又は熱圧着させることで、前記電極パッド上に前記カーボンナノチューブを
取り付ける工程と、前記支持基板を前記カーボンナノチューブから取り外す工程と、を含む付記１又は付記２に記載の半導体装置の製造方法。
（付記４）  前記被覆部は、前記カーボンナノチューブの先端部分に有機官能基を修飾させることで形成され、前記有機官能基を前記電極パッドと反応させて前記カーボンナノチューブを前記電極パッドに取り付ける付記３に記載の半導体装置の製造方法。
（付記５）  前記有機官能基は、チオール基、ジアゾニウム基、カルボン酸基のいずれかを有する付記４に記載の半導体装置の製造方法。
（付記６）  前記被覆部は、前記カーボンナノチューブの先端部分に金属を蒸着又はめっきすることで形成され、前記被覆部を前記電極パッドに熱圧着させて前記カーボンナノチューブを前記電極パッドに取り付ける付記３に記載の半導体装置の製造方法。
（付記７）  前記電極パッドの上に前記カーボンナノチューブを形成する工程は、前記電極パッドの上に触媒層を設けた後、前記カーボンナノチューブをＣＶＤ法により成長させる付記１に記載の半導体装置の製造方法。
（付記８）  前記金属層として、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｇ、Ａｕのいずれかの膜を形成する付記１乃至付記７のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
（付記９）  前記ハンダは、Ｓｎ、ＳｎＡｇＣｕ、ＳｎＢｉ、ＳｎＺｎ、ＳｎＩｎのいずれかを含んで形成される付記１乃至付記８のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
（付記１０）電極パッドを有する基板と、電極にハンダボールが取り付けられた半導体素子と、前記電極パッドの上に設けられ、一部が前記ハンダボール内に入り込んだカーボンナノチューブと、を含む半導体装置。
（付記１１）  前記ハンダボールは、Ｓｎ、ＳｎＡｇＣｕ、ＳｎＢｉ、ＳｎＺｎ、ＳｎＩｎのいずれかを含んで形成される付記１０に記載の半導体装置。
【符号の説明】
【００６２】
１  実装基板
５  電極パッド
１５  カーボンナノチューブ
２１  めっき層（金属層）
２２  ハンダペースト
３１  半導体素子
３５  電極パッド（電極）
３６  ハンダボール
３８  ハンダ接合部
４１  半導体装置
５１  支持基板（別の基板）
５５  可溶性樹脂
５６，６１  被覆部
【図１Ａ】
2011238789.tif 000003
【図１Ｂ】
2011238789.tif 000004
【図１Ｃ】
2011238789.tif 000005
【図１Ｄ】
2011238789.tif 000006
【図１Ｅ】
2011238789.tif 000007
【図１Ｆ】
2011238789.tif 000008
【図１Ｇ】
2011238789.tif 000009
【図２】
2011238789.tif 000010
【図３Ａ】
2011238789.tif 000011
【図３Ｂ】
2011238789.tif 000012
【図３Ｃ】
2011238789.tif 000013
【図４Ａ】
2011238789.tif 000014
【図４Ｂ】
2011238789.tif 000015
【図４Ｃ】
2011238789.tif 000016
【図４Ｄ】
2011238789.tif 000017
【図４Ｅ】
2011238789.tif 000018
【図５Ａ】
2011238789.tif 000019
【図５Ｂ】
2011238789.tif 000020
【図６】
2011238789.tif 000021