(57)【要約】【課題】電極表面に酸化物や汚染物が存在しても、高い加熱や加圧を必要とせずに、電極と金属微粒子とを高い信頼性で接続できるフリップチップ実装方法を提供する。【解決手段】基板１の電極２上に、平均粒径１〜１００ｎｍの金属微粒子２１を溶媒２２中に分散させた金属ペースト２０を供給し、チップ１０の電極１１と基板１の電極２とを金属ペースト２０を間にして位置合わせし、チップ側および基板側の少なくとも一方に超音波振動Ｕを印加し、金属ペースト２０との界面における電極表面を活性化させる。その後、金属ペースト２０を構成する溶媒２２の沸点以上、金属微粒子２１の融点以下の温度で加熱し、溶媒２２を蒸発させてチップ１０の電極１１と基板１の電極２とを金属焼結体２３を介して金属結合する。【選択図】    図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回路素子の電極と基板の電極とを対向させ、電極間を電気的および機械的に接続するフリップチップ実装方法において、
上記回路素子の電極または基板の電極上の少なくとも一方に、平均粒径が１〜１００ｎｍの金属微粒子を溶媒中に分散させた金属ペーストを供給する工程と、
上記回路素子の電極と基板の電極とを上記金属ペーストを間にして位置合わせする工程と、
上記回路素子側および基板側の少なくとも一方に超音波振動を印加し、上記金属ペーストとの界面における電極表面を活性化させる工程と、
上記金属ペーストを構成する溶媒の沸点以上、金属微粒子の融点以下の温度で加熱し、溶媒を蒸発させて回路素子の電極と基板の電極とを電気的および機械的に接続する工程と、を有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】
上記超音波振動の印加方向が電極面に対して垂直方向であることを特徴とする請求項１に記載のフリップチップ実装方法。
【請求項３】
上記金属ペーストを供給する工程において、上記金属ペーストは基板の電極に対して供給されることを特徴とする請求項１または２に記載のフリップチップ実装方法。
【請求項４】
回路素子の電極と基板の電極とを対向させ、電極間を電気的および機械的に接続してなる電子回路装置において、
請求項１ないし３のいずれかに記載の方法を用いて回路素子の電極と基板の電極とを接続してなることを特徴とする電子回路装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回路素子の電極と基板の電極とを対向させ、電極間を電気的および機械的に接続するフリップチップ実装方法、およびこのフリップチップ実装方法を用いて製造した電子回路装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯電話やパソコンなどの高性能化、小型化、低背化のため、フリップチップ実装方法の採用が増えている。フリップチップ実装は、ベアチップの電極と基板の電極とを対向させ、電極間を電気的および機械的に接続するものである。代表的なフリップチップ実装方法は、金属結合によるものと接着によるものとに大別でき、それらはさらに下記のように分類できる。
（１）金属結合
（１−１）液相−固相接合：チップ電極にはんだバンプを形成して、はんだバンプと基板電極とをはんだ付けするもの、あるいはチップ電極にＡｕバンプを形成すると共に、基板電極にはんだを供給して、Ａｕバンプとはんだとをはんだ付けするもの。
（１−２）固相−固相接合：チップ電極にＡｕバンプを形成して、Ａｕバンプと基板電極とを熱圧着接合や超音波接合するもの。
（２）接着
（２−１）導電性樹脂による接着：チップ電極にバンプを形成して、バンプと基板電極とを導電性樹脂で接着するもの。
（２−２）異方性導電性樹脂による接着：チップ電極にバンプを形成し、チップと基板とを異方性導電性樹脂で接着して、バンプと基板電極との電気的接続を導電粒子を介した接触で得るもの。
（２−３）絶縁性樹脂による接着：チップ電極にバンプを形成し、チップと基板を絶縁性樹脂で接着して、バンプと基板電極との電気的接続を直接接触で得るもの。
【０００３】
一般的に、金属結合と接着とを比較すると、金属結合は強い結合力のため、高信頼性な接続であるが、接続するためには高い加熱や加圧あるいは超音波を必要とするので、チップや基板の損傷確率が高くなる。逆に、接着は弱い結合力を基本としているので、チップや基板の損傷確率は低いが、接続信頼性が低い。そこで、これらの欠点を解消するべく、現在、フリップチップ実装方法の開発が進んでいる。
【０００４】
特許文献１には、接続材料としてナノレベルの粒子径の金属微粒子と溶剤とからなる金属ペーストを用いた実装方法が提案されている。このような金属ペーストは次のような特徴を持つ。
（１）ナノレベルの金属微粒子は、ミクロンレベルの金属粒子と比較して表面が活性なため、金属微粒子を含む金属ペーストを低温で焼結（粒子間の金属結合）することができる。
（２）溶媒は、金属微粒子の焼結温度より低い温度で分解・蒸発などにより除去できるものが選択できるので、金属微粒子を焼結すると、ほぼ原料金属の物性を持つ焼結体が得られる。
このような金属微粒子を含む金属ペーストを、チップと基板の電極間に塗布して焼結すると、金属微粒子の焼結体を介してチップと基板の電気的な接続を得ることができる。接続するために高い加熱や加圧あるいは超音波を必要としないので、チップや基板の損傷確率が低くなるという利点がある。
【０００５】
しかし、チップ電極や基板電極の電極材料としてＡｌやＡｌ合金、Ｃｕなどの卑金属が使用された場合や、貴金属を使用しても表面が汚れている場合には、電極表面に酸化物や汚染物が存在するので、これら酸化物や汚染物を除去しない限り、電極と金属微粒子とが高い信頼性の接続（金属結合による低抵抗・高強度の接続）をすることができない。
【特許文献１】特開平９−３２６４１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで、本発明の目的は、チップや基板の損傷確率が低く、かつ電極表面に酸化物や汚染物が存在しても、電極と金属微粒子とを高い信頼性で接続できるフリップチップ実装方法およびこの実装方法を用いた電子回路装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、請求項１に係る発明は、回路素子の電極と基板の電極とを対向させ、電極間を電気的および機械的に接続するフリップチップ実装方法において、上記回路素子の電極または基板の電極上の少なくとも一方に、平均粒径が１〜１００ｎｍの金属微粒子を溶媒中に分散させた金属ペーストを供給する工程と、上記回路素子の電極と基板の電極とを上記金属ペーストを間にして位置合わせする工程と、上記回路素子側および基板側の少なくとも一方に超音波振動を印加し、上記金属ペーストとの界面における電極表面を活性化させる工程と、上記金属ペーストを構成する溶媒の沸点以上、金属微粒子の融点以下の温度で加熱し、溶媒を蒸発させて回路素子の電極と基板の電極とを電気的および機械的に接続する工程と、を有することを特徴とするフリップチップ実装方法を提供する。
【０００８】
請求項５に係る発明は、回路素子の電極と基板の電極とを対向させ、電極間を電気的および機械的に接続してなる電子回路装置において、請求項１ないし３のいずれかに記載の方法を用いて回路素子の電極と基板の電極とを接続してなることを特徴とする電子回路装置を提供する。
【０００９】
請求項１では、加熱工程、つまり溶媒を蒸発させて回路素子の電極と基板の電極とを電気的に接続する工程の前に、回路素子側および基板側の少なくとも一方に超音波振動を印加し、金属ペーストとの界面における電極表面を活性化させる工程を設ける。
超音波振動を印加すると、金属ペースト中に過圧と負圧とが生じ、この負圧部で金属ペーストが引き裂かれて空洞が生じる。この現象はキャビテーションと呼ばれる。この空洞は正の半サイクル時に金属ペーストの液圧によって押し潰されて瞬時に壊滅し、この時の金属ペーストを構成する原子の衝突により強力な衝撃波が局所的に発生する。このように発生した衝撃波が電極表面に強い衝撃を与えて、電極表面に存在する酸化物や汚染物を除去する。
上記のメカニズムで活性化した電極表面が、超音波印加終了後も金属ペーストで覆われて電極表面と外部雰囲気との接触を絶つので、電極表面の再酸化や再汚染は抑制され、電極表面の活性状態が維持される。
加熱工程では、チップおよび基板の電極と金属微粒子との金属結合、金属微粒子間の金属結合（焼結）、金属ペースト内の金属微粒子を除く成分（主に溶媒）の除去を行う。チップおよび基板の電極と金属微粒子とが金属結合するのは、電極表面が超音波印加によって活性化され、しかも金属微粒子表面は元来活性だからである。金属微粒子同士が金属結合するのは、焼結のメカニズムによるが、一般的な金属粒子（平均粒径が１００ｎｍを超える金属粒子）と比較して、平均粒径が１〜１００ｎｍの金属微粒子の場合には、表面が活性なため、比較的低温（１００℃〜３００℃）で焼結することができる。
【００１０】
請求項２のように、超音波振動の印加方向が電極面に対して垂直方向とするのがよい。
超音波の印加方向は、電極面に対して垂直方向でも平行方向でも電極表面の活性化の効果があるが、超音波振動の方向が電極面に対して垂直方向の方がより電極表面の活性化が生じやすく、しかも電極同士の摩擦を発生させないので、効果的である。
【００１１】
請求項３のように、金属ペーストを供給する工程において、金属ペーストを基板の電極に対して供給するのがよい。
金属ペーストを塗布すべき電極は、基板の電極だけでなく、チップの電極であってもよいが、基板の電極の場合には、次のような利点がある。
すなわち、基板製造工程における電極・配線形成工程でも、金属微粒子を含む金属ペーストを使用することができる。そのため、金属ペーストを供給する装置として、電極・配線形成工程で使用した設備を共用することが可能になる。このような設備共用により、工程簡略化、設備開発費の抑制と同時に、基板製造における電極ピッチ設計ルールと実装工程における電極ピッチ設計ルールとが乖離するという問題を解消できる。
【００１２】
請求項４では、請求項１ないし３のいずれかに記載の方法を用いて電子回路装置を製造するので、接続信頼性が高く、かつ安価な電子回路装置を得ることができる。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１に記載の発明によれば、平均粒径が１〜１００ｎｍの金属微粒子を溶媒中に分散させた金属ペーストを用い、超音波振動を印加して金属ペーストとの界面における電極表面を活性化させ、さらに金属ペーストを構成する溶媒の沸点以上、金属微粒子の融点以下の温度で加熱し、溶媒を蒸発させて回路素子と基板の電極同士を接続しているので、接続時に高い加熱や加圧を必要とせず、印加する超音波も超音波接合のような被接合面を変形させるものではなく、電極表面を活性化させるだけであるから、チップや基板の損傷確率が低い。このように損傷確率を低くしながら、チップと基板の電極間を金属微粒子の焼結体を介して金属結合できるので、高い接続信頼性（低抵抗・高接合強度）を実現できる。
【００１４】
また、超音波印加によって電極表面に存在する酸化物や汚染物が除去されるので、従来の常温接合のような接続前処理、接続時の清浄雰囲気、被接合面の高い平滑度、被接合面同士の高い平行度が必須でなくなる。
すなわち、従来の常温接合では、被接合面への原子ビーム照射などの接続前処理によって、被接合面の酸化物や汚染物の除去を行って表面を活性化させるのに対し、本発明では接続時の超音波印加によって表面を活性化させるので、接続前処理は必要でなくなる。
【００１５】
また、常温接合では、接続時の雰囲気を超高真空などの清浄雰囲気とすることで、被接合面の再酸化や再汚染を抑制して活性状態を維持させるのに対し、本発明では超音波印加によって活性化した電極表面をそのまま金属ペーストで覆い続けることで、電極表面と外部雰囲気との接触を絶ち、活性状態を維持させるので、接続時の清浄雰囲気が不要となる。
さらに、常温接合では、被接合面を構成する金属原子同士を結合力の作用する距離まで近づけるために、接続する前の被接合面を極めて平滑にし、かつ接続する時の被接合面同士の平行度を極めて良くする必要がある。これに対し、本発明では被接合面の一方が金属ペーストを構成する金属微粒子となるので、金属微粒子が溶媒中を移動して被接合面の他方（電極）に金属原子同士の結合力が作用する距離まで近づくことは容易であり、被接合面の高い平滑度や高い平行度は不要である。
上記のように接続前処理や清浄雰囲気などが必須条件でないので、作業工程が簡略化され、生産性の向上を達成することができる。
但し、接続前処理や、接続時の清浄雰囲気、被接合面である電極面の平滑化などの処理を行っても本発明の効果は得られることは勿論である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下に、本発明の実施の形態を、実施例を参照して説明する。
【実施例１】
【００１７】
図１は本発明にかかるフリップチップ実装方法により製造された電子回路装置の第１実施例を示す。
この電子回路装置は、基板１の電極２と回路素子（以下、チップと呼ぶ）１０の電極１１とを対向させ、電極間を金属焼結体２３を介して金属結合させたものである。
【００１８】
基板１は、ガラスエポキシ基板などの樹脂基板、アルミナなどの焼成基板などで構成されている。基板１の上面には、チップ搭載位置の範囲内に複数の電極２が形成されており、基板１の上面のほぼ全面が絶縁保護膜３が形成されている。保護膜３の電極２と対応する部位は開口しており、この開口部の周囲に後述する金属ペーストの広がりを防止するためのダム３ａが形成されている。なお、ダム３ａは必須のものではなく、ペーストが広がらないチップや基板（電極部以外の部分とペーストの濡れが悪いもの）の場合は、ダム構造は不要である。電極２は、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕなどの単層構造としてもよいし、例えばＡｕ／Ｎｉ／Ｃｕの多層構造としてもよい。電極２の配線幅は８０〜１２０μｍ程度に形成され、配線厚みは１５〜５０μｍ程度に形成されている。生産性を向上させるため、基板１上には電極２の同一パターンが複数個形成され、チップ実装後、分割してもよい。なお、図示していないが、基板１上に表面実装部品などを搭載するための別の電極を設けてもよい。
【００１９】
チップ１０は、例えば半導体素子や表面弾性波素子などの小型素子であり、その下面に形成されたチップ電極１１は、Ａｌ、Ａｌ合金（９０％以上のＡｌを含有し、Ａｌ−１％Ｃｕ，Ａｌ−１％Ｓｉ，Ａｌ−１％Ｓｉ−０．５％ＣｕなどＣｕやＳｉが添加されていてもよい）、Ｃｕ、Ａｕなどよりなり、電極厚みは１〜２μｍ程度である。チップ１０は予め個片に分割されている。
なお、チップ１０の表面にも絶縁保護膜１２が形成され、チップ電極１１部分にはダム１２ａが形成されている。
なお、基板１およびチップ１０の保護膜３，１２は必要に応じて設けられるものである。
【００２０】
基板１の電極２とチップ１０の電極１１とを金属結合させる金属焼結体２３は、後述する金属微粒子２１を溶媒２２中に分散させた金属ペースト２０を少なくとも一方の電極上に塗布し、この金属ペースト２０を構成する溶媒２２の沸点以上、金属微粒子２１の融点以下の温度で加熱し、溶媒２２を蒸発させて形成したものである。金属微粒子２１と電極２，１１とが金属結合し、かつ金属微粒子２１同士も金属結合しているので、接続信頼性が非常に高い。
【００２１】
次に、図１に示す電子回路装置の製造方法、特にフリップチップ実装方法を図２を参照しながら説明する。
（Ａ）は基板１の電極２上に金属微粒子２１を溶媒２２中に分散させた金属ペースト２０を供給する工程を示す。金属ペースト２０の供給には、インクジェットやディスペンサによる吐出供給、スクリーン印刷や転写など各種供給方法を用いることができる。供給量は、フリップチップ実装後にチップ電極１１と基板電極２の隙間を埋めるのに必要な量以上で、隣接する電極同士を接続してしまう量未満であればよい。例えば、１００μｍ□の電極の場合、高さ１０〜１００μｍ程度とすればよい。
金属ペースト２０は、主に平均粒径が１〜１００ｎｍの金属微粒子２１と、液体である溶媒２２とで構成されている。金属微粒子２１の組成は、例えばＡｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｎｉなどであり、溶媒２２としては金属の融点より低い沸点を有する液体を選択でき、例えばテルピネオール，トルエン，テトラデカンなどを用いることができる。なお、金属微粒子２１と溶媒２２以外に、少量の分散剤、有機バインダー、補足物質が添加されていてもよい。さらに、電極材料に対して還元作用を有する物質を添加してもよい。
【００２２】
（Ｂ）は基板１の電極２とチップ１０の電極１１とを位置合わせする工程を示す。この工程は、従来のフリップチップ実装方法と同様の方法で行えばよい。
なお、電極２，１１と金属ペースト２０とを接触させた後、後述する加熱工程で金属結合を行うまでの間、金属ペースト２０は液体挙動を示すので、電極２，１１は金属ペースト２０の表面張力に起因するセルフアライメント作用によって、高精度の位置決めを自発的に行うことができる。
また、セルフアライメント作用は、金属ペースト２０の表面張力と正の相関があるので、金属ペースト２０の表面張力を主に支配する溶媒２２として、表面張力の高い溶媒を選択することで、その能力を向上させることができる。
【００２３】
（Ｃ）はチップ１０側から超音波を印加する工程を示す。すなわち、チップ１０の背面をツール１３で吸着保持し、電極面に対して垂直方向の超音波振動Ｕを印加すると、超音波印加によりチップ１０および基板１の金属ペースト２０と接する電極表面の酸化物や汚染物が除去されて金属表面が活性化される。以下に、そのメカニズムについて詳しく説明する。
電極２，１１と金属ペースト２０とを接触させ、チップ１０を介して金属ペースト２０に超音波振動Ｕを印加すると、金属ペースト２０中には過圧部と負圧部とが生じ、この負圧部で金属ペースト２０が引き裂かれて空洞が生じる。この空洞は正の半サイクル時に金属ペースト２０の液圧によって押し潰されて瞬時に壊滅し、この時の金属ペースト２０を構成する原子の衝突により強力な衝撃波が局所的に発生する。このように発生した衝撃波が電極表面に強い衝撃を与えて、電極表面に存在する酸化物や汚染物を除去する。
上記メカニズムで活性化した電極表面が、超音波印加終了後も金属ペースト２０で覆われて電極表面と外部雰囲気との接触を絶つので、電極表面の再酸化や再汚染は抑制され、電極表面の活性状態が維持される。
超音波印加は、従来の超音波接合方式のフリップチップ実装用設備を用いれば、容易に実施できる。ここで、一般的な超音波接合方式のフリップチップ実装用設備の場合、超音波の振動方向は電極面に対して平行な方向であるが、本実施例では超音波を電極面に対してほぼ垂直方向としてある。この場合は、平行な方向に比べてキャビテーションが発生しやすく、電極表面の活性化が生じやすくなり、より高い接続信頼性（低抵抗、高強度）が得られるからである。超音波の条件としては、例えば超音波周波数２０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚ、超音波振動振幅０．１μｍ〜５μｍである。この工程の雰囲気は、低酸素雰囲気とするのがよい。低酸素雰囲気の場合、電極表面の活性状態をより安定に維持でき、接続信頼性が向上するからである。
【００２４】
（Ｄ）は加熱工程を示す。加熱工程では、金属ペースト２０に含まれる溶媒２２を蒸発させて、電極２，１１と金属微粒子２１との金属結合、金属微粒子２１間の金属結合（焼結）を行う。電極２，１１と金属微粒子２１とが金属結合するのは、電極表面が工程（Ｃ）で活性化され、金属微粒子２１は元来活性だからである。金属微粒子２１間が金属結合するのは、焼結のメカニズムによるが、粒子径１００ｎｍを超える一般的な金属粒子と比較して、粒子径１〜１００ｎｍの金属微粒子の場合は、低温で焼結することができる。金属微粒子２１以外の部分（主に溶媒）を除去できるのは、溶媒２２の沸点以上の温度に加熱するからである。したがって、加熱温度は溶媒２２の沸点以上で、かつ金属微粒子２１を構成する金属の融点以下の温度範囲から選択できる。
加熱方法としては、例えば基板１上にチップ１０を仮保持した状態の電子回路装置を焼成炉やリフロー炉などの加熱設備に投入してもよいし、超音波接合方式のフリップチップ実装設備に設けられている加熱機構を用いて加熱してもよい。加熱条件としては、例えば加熱温度１００℃〜３００℃、加熱時間５分〜６０分である。なお、加熱工程を低酸素雰囲気中で実施した場合、電極表面の活性状態をより安定に維持でき、接続信頼性が向上するため好ましい。
【００２５】
以上の（Ａ）〜（Ｄ）の工程の後、チップ１０と基板１との隙間に樹脂を流し込んで、樹脂硬化させる工程を追加してもよい。この工程追加により、本発明にかかる電子回路装置は、実際に使用される時に接続部に生じる歪み（チップと基板の線膨張係数差に起因する歪み）を低減することができ、耐環境性能がより高まる。
さらに、基板１としてマザー基板を使用した場合には、チップ１０の接合、樹脂封止の後、マザー基板を個片に分離する工程を設けてもよい。
【００２６】
図３はチップ電極１１と金属焼結体２３との界面における断面写真を示す。なお、チップ電極１１の材料としてＡｌを、金属微粒子２１の材料としてＡｇを使用した。
図３から明らかなように、チップ電極１１と金属焼結体２３とは、サブミクロンオーダーで観察しても、隙間なく接触しており、チップ電極１１と金属焼結体２３とは共に強く金属結合していることがわかる。ここでは示していないが、基板電極２と金属焼結体２３との間でも、図３と同様な強い金属結合が得られている。
【００２７】
図４は、超音波を印加せずに焼結した場合（工程（Ｃ）を省略）におけるチップ電極１１と金属焼結体２３との界面における断面写真を示す。超音波印加以外の条件は図３と同一である。
図４から明らかなように、Ａｌ電極表面に存在する酸化物や汚染物のため、電極１１と金属焼結体２３との間に、隙間が発生していることがわかる。そのため、電極１１と金属焼結体２３との間の抵抗値が高くなったり、両者の接合強度が低くなる可能性がある。
図３，図４から明らかなように、超音波を印加することで、電極と金属焼結体との間で良好な金属結合が得られたことが実証された。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明にかかる電子回路装置の一例の断面図である。
【図２】図１に示す電子回路装置の製造方法、特にフリップチップ実装方法を示す工程図である。
【図３】図２に示す方法で実装したチップ電極と金属焼結体との界面写真である。
【図４】超音波を印加せずに実装したチップ電極と金属焼結体との界面写真である。
【符号の説明】
【００２９】
１              基板
２              電極
１０            チップ（回路素子）
１１            電極
２０            金属ペースト
２１            金属微粒子
２２            溶媒
２３            金属焼結体
【図１】
2005116612.tif 000003
【図２】
2005116612.tif 000004
【図３】
2005116612.tif 000005
【図４】
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