(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の電極を備える配線基板と、
表面に第２の電極を備え、前記第２の電極が前記第１の電極と対向するように、前記配線基板上に配置された半導体素子と、
前記配線基板と前記半導体素子との間に配置される導電性接着剤と
を有し、
前記導電性接着剤は、
第１の絶縁性樹脂と、
前記第１の絶縁性樹脂の内部に分散して存在し、無機材からなるコア粒子の表面に導電膜と前記導電膜の全面に熱硬化性の第２の絶縁性樹脂とを順に被覆して形成された、前記第１及び第２の電極間の距離より小径の導電粒子とを含み、
前記第１および第２の電極は、前記導電性接着剤中の複数の前記導電粒子を介して電気的に接続され、
前記導電粒子は、互いに異なる熱膨張率を有する前記コア粒子をコアとする第１及び第２の導電粒子を含み、
前記導電性接着剤中の前記第１及び第２の導電粒子の存在比が、前記配線基板と前記半導体素子とが対向する領域で前記第１及び第２の電極が対向する方向に変化する、
ことを特徴とする回路基板。
【請求項２】
前記第１の絶縁性樹脂が、マイクロカプセル型のエポキシとイミダゾール系硬化剤、及びメルカプタン系硬化剤を含む
ことを特徴とする請求項１に記載の回路基板。
【請求項３】
無機材からなる第１のコア粒子の全表面に導電膜と熱硬化性の第２の絶縁性樹脂とが順に被覆された第１の導電粒子と、前記第１のコア粒子と熱膨張率が異なる無機材からなる第２のコア粒子の全表面に導電膜と熱硬化性の前記第２の絶縁性樹脂とが順に被覆された第２の導電粒子とを第１の絶縁樹脂フィルム中に分散させ、前記第１及び第２の導電粒子の存在比が厚さ方向に変化する第１の絶縁樹脂フィルムからなる導電性接着剤フィルムを形成する工程と、
表面に第１の電極を備えた配線基板を形成する工程と、
表面に第２の電極を備えた半導体素子を形成する工程と、
前記導電性接着剤フィルムを、前記配線基板の表面或いは前記半導体素子の表面に配置する工程と、
前記第１の電極と前記第２の電極とを前記第１および第２の導電粒子の径より広い間隔を保持して対向させた状態で加熱及び押圧し、前記第１の電極と前記第２の電極との間を前記導電性接着剤フィルム中の複数の前記導電粒子を介して電気的に接合する工程と
を有することを特徴とする回路基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体素子が配線基板へのフリップチップ実装に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体素子の電極端子は、半導体素子の回路規模に応じて、数個から数千個形成される。このような状況の中で、半導体素子の電極端子を高密度に実装する要求が高まっており、即ち端子間隔は小さくなる方向へ推移している。このため、ワイヤ・ボンディング実装に代わって、フリップチップ実装方式が注目されている。
【０００３】
フリップチップ実装方式とは、半導体素子をフェイスダウン（半導体素子の回路面を下向き）にした状態で、半導体素子を配線基板に実装する方式である。このフリップ実装方式では、一般に、バンプと呼ばれる突起状の端子によって、半導体素子と配線基板とが電気的に接続される。このような接続方法としては、はんだバンプによる接続、金バンプ圧着、或いは、導電性接着剤による接続等が既に実施されている。
【０００４】
また、対向端子間の電気的接続後、隣接端子間の隙間から液状樹脂（アンダーフィル）を流入させることにより、外部環境からの保護及び接続信頼性の向上に寄与させている。
【０００５】
しかしながら、対向部品の間隙及び隣接端子間隙が小さくなることにより、当該アンダーフィル材を流入させることが難しくなってきている。そのため、アンダーフィルの流入は必要としない実装方法が提案されている。
【０００６】
この方法では、予め半導体素子を搭載する配線基板領域に導電性接着剤を塗布し、半導体素子の電極と配線基板の電極との位置を合わせた後、熱圧着により接合する。
【特許文献１】特開平１１−２０３９３８号公報
【特許文献２】特開平１１−２５１３６８号公報
【特許文献３】特開平１１−１２４９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
このような導電性接着剤においては、熱膨張率を調節するために、無機フィラーを所定の量で混合することが必要であるが、無機フィラーを多数混合すると、半導体素子の電極や配線基板の電極と導電粒子間に無機フィラーが挟まりやすくなり、接続抵抗値の上昇や断線の原因となる。このような問題を回避するために、無機フィラーの混合量を制限すると、熱膨張率の低減が不十分となり、接続信頼性が低下する。
【０００８】
従って、半導体素子の電極と配線基板の電極の電気接続性および隣接電極間の絶縁性に優れ、接続信頼性にも優れたフリップチップ実装構造が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記問題を解決するために、本発明の一観点によれば、本発明の回路基板は、第１の電極を備える配線基板と、表面に第２の電極を備え、前記第２の電極が前記第１の電極と対向するように、前記配線基板上に配置された半導体素子と、前記配線基板と前記半導体素子との間に配置される導電性接着剤とを有し、前記導電性接着剤は、第１の絶縁性樹脂と、
前記第１の絶縁性樹脂の内部に分散して存在し、コア粒子の表面に導電膜と第２の絶縁性樹脂とを順に被覆した導電粒子とを含む。
【００１０】
また、本発明の他の観点によれば、本発明の導電性接着剤は、第１の絶縁性樹脂と、前記第１の絶縁性樹脂の内部に分散して存在し、コア粒子の表面に導電膜と第２の絶縁性樹脂とを順に被覆した導電粒子とを含む。
【００１１】
更に、本発明の他の観点によれば、本発明の回路基板の製造方法は、第１の絶縁樹脂と、コア粒子の表面に導電膜と第２の絶縁性樹脂とが順に被覆された導電粒子とを混合し、導電性接着剤を形成する工程と、表面に第１の電極を備えた配線基板を形成する工程と、表面に第２の電極を備えた半導体素子を形成する工程と、前記導電性接着剤を、前記配線基板の表面或いは前記半導体素子の表面に塗布する工程と、前記第１の電極と前記第２の電極とを位置合わせした状態で加熱及び押圧し、前記第１の電極と前記第２の電極との間を前記導電性接着剤を介して電気的に接合する工程とを備える。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、半導体素子の電極と配線基板の電極との電気接続不良および隣接電極間の短絡を避けることができるとともに、半導体素子と配線基板の接続信頼性を高めることができる。更に、配線基板の熱膨張率の低減も同時にできるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下は、本発明の実施形態について、添付の図面を参照して具体的に説明する。
【実施例１】
【００１４】
図１（ａ）は本発明の実施例に係る回路基板を示す平面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＸ−Ｘ’により切断した断面を示す図である。また、図１（ｃ）は図１（ａ）中の導電粒子の拡大図である。
【００１５】
図１（ｂ）に示すように、本実施例の回路基板１０は、例えばＢＴレジン配線基板１３上に半導体素子１７が実装された構造を有している。半導体素子１７は、基板１５に形成された回路面１７ｃを当該配線基板１３側に向けた状態で、即ち、フェイスダウン状態で配線基板１３に実装されている。回路面１７ｃには、電極パッド１６が形成されている。
【００１６】
また、半導体素子１７が実装される配線基板１３の一方の主面には、電極パッド１４が形成されている。なお、配線基板１３の面積は、例えば、４０ｍｍ×４０ｍｍの大きさを有している。
【００１７】
配線基板１３と半導体素子１７との隙間には、第１の絶縁性樹脂１２が充填されている。第１の絶縁性樹脂１２に、導電粒子１１が分散され、配線基板１３側の電極パッド１４と半導体素子１７側の電極パッド１６とが導電粒子１１を介して接続されている。
【００１８】
図１（ｃ）に示すように、導電粒子１１は、無機粒子１をコアとして、導電膜２、第２絶縁性樹脂３の順に被覆された形態を有している。
【００１９】
なお、本実施例では、第１の絶縁性樹脂１２及び導電粒子１１を含むものを、導電性接着剤と呼ぶ。
【００２０】
導電粒子１１は、その外表面が第２の絶縁性樹脂３によって被覆されているので、圧力を掛けない状態では、絶縁性を示している。しかし、後の部分で述べるように、実装工程を施すと、縦方向に繋がっている導電粒子１１により、配線基板１３側の電極パッド１４と半導体素子側の電極パッド１６とが電気的に接続される。
【００２１】
一方、横方向には圧力が存在しないため、横方向に繋がっている導電粒子１１の第２絶縁性樹脂３が溶けることがない。即ち、横方向に並んでいる導電粒子同士１１が、お互いに接触しても、横方向で絶縁性を保つことが可能となる。
【００２２】
更に、無機粒子１は導電粒子のコアとなっているので、無機粒子１が半導体素子１７の電極パッド１６や配線基板１３の電極パッド１４と直接接触することがない。従って、接続抵抗値の上昇を避けることができる。それと同時に、無機粒子１の存在は、配線基板１３の熱膨張率を下げる効果があるので、導電粒子の他に無機フィラーを入れる必要がなくなる。
【００２３】
以下、本発明の回路基板を製造する方法について、添付の図面を参照して具体的に説明する。
【００２４】
図２（ａ）乃至図２（ｃ）は実施例１に係る回路基板を製造する方法の工程順に示す断面図である。
【００２５】
まず最初に、導電粒子１１を作成する。
【００２６】
導電粒子１１のコア粒子１としては、例えば、シリカ（ＳｉＯ2）、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）等の非導電性無機粒子を用いる。更に、このようなシリカやアルミナ粒子の他に、ガラス粒子、その他種々のセラミックス粒子、ＦＲＰ（繊維強化プラスチック）粒子等も使用可能である。
【００２７】
コア粒子１の形状は特に制限されない。真球状、粒状、塊状、破砕状、多孔質状、凝集状、フレーク状、スパイク状、フィラメント状、ファイバー状、ウイスカー状など、用途に応じて各種形状の粒子が使用できる。一般的には、使用する際の電気伝導度のバラツキを小さくする上で、できるだけ粒径の揃った真球状の粉末を使用するのが望ましい。
【００２８】
また、コア粒子１の直径としては、例えば、１〜２０ｕｍの範囲で、平均としては、１０ｕｍ程度が望ましい。
【００２９】
コア粒子の表面に導電膜２をコートするには、金属を無電解めっき、スパッタリング、蒸着などの公知の方法が使用できる。金属の種類としては、Ａｇ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｓｎなどが挙げられるが、導電性とコスト面よりＡｇが最も好ましい。なお、これらは１種を単独で、又は２種以上を組み合わせて用いることもできる。
【００３０】
導電膜の外側に絶縁被覆を形成する方法としては、次のような公知の手法を使用することができる。例えば、有機溶媒や分散剤による化学変化を利用した湿式方式、機械エネルギーによる物理化学的変化を利用した乾式方式（具体的に、噴霧法、高速撹拌法、スプレードライヤー法）などが挙げられる。
【００３１】
なお、被覆される絶縁性樹脂３は、チオール基、ジスルフィド基、シラノール基、アミノ基、水酸基、カルボキシル基などのうちいずれかの官能基のうち、少なくとも一つを含む化合物であればよい。
【００３２】
また、絶縁性樹脂３は、熱可塑性あるいは熱硬化性のものでよい。絶縁性樹脂３に使用可能な樹脂としては、例えば、ポリエチレン、アクリロニトリル、スチレン、ポリブタジエン、エチルセルロース、ポリエステル、ポリアミド、ポリウレタン、天然ゴム、シリコン系ゴム、ポリクロロプレンなどの合成ゴム類、ポリビニルエーテルなどが挙げられる。
【００３３】
更に、絶縁性樹脂３は、絶縁性樹脂１２に混ぜやすくするため、絶縁性樹脂１２と同様に親水性あるいは疎水性を有することが望ましい。
【００３４】
次に、半導体素子と配線基板を封止する絶縁性樹脂１２を作製する。
【００３５】
半導体素子と配線基板を封止する絶縁性樹脂１２は、例えば、マイクロカプセル型のエポキシとイミダゾール系からなる硬化剤（イミダゾール変性体を核とし、その表面をポリウレタンで被覆してなるマイクロカプセル型硬化剤を、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂中に分散してなる硬化剤）、及びメルカプタン系硬化剤を含む。
【００３６】
具体的には、硬化剤は、例えば、大日本インキ化学工業社製のナフタレン型エポキシ“ＨＰ−４０３２Ｄ” （商品名）４０重量部、大日本インキ化学工業社製のビスフェノールＦ型エポキシ“ＥＸＡ−８３０ＬＶＰ” （商品名）３０重量部、ＡＤＥＫＡ社製のビスフェノールＦ型エポキシ“ＥＰ−３０２０” （商品名）３０重量部、旭化成ケミカルズ社製のマイクロカプセル型イミダゾール系硬化剤“ＬＳＡ−Ｈ０２０６”（商品名）２５重量部、及び、ジャパンエポキシレジン社製のメルカプタン系硬化剤“ＱＸ−４０”（商品名）５０重量部の各材料を混合したものである。
【００３７】
次いで、導電性接着フィルムを作製する。
【００３８】
上記作製された絶縁性樹脂１２と６５重量部の導電粒子１１とを混合、撹拌し、導電性接着剤を作製した。この導電性接着剤をシート状に作製し、導電性接着フィルム２０を作製した。
【００３９】
導電性接着剤の接着界面の接着性改質や、耐熱性、耐湿性を向上するために、カップリング剤を適量添加してもよい。カップリング剤は、シランカップリング剤、チタンカップリング剤、ジルコニウムカップリング剤、またはアルミニウムカップリング剤などを使用することができる。
【００４０】
シランカップリング剤としては、有機官能基が、例えばビニル基、エポキシ基、ニトロ基、メタクリル基、アミノ基、メルカプト基、イソシアナト基、カルボキシル基、水酸基のうち少なくとも一つを含み、また、加水分解性基が、例えばクロル基、アルコキシ基、アセトキシ基、イソプロペノキシ基、アミノ基のうち少なくとも一つを含む化合物を用いることができる。
【００４１】
即ち、シランカップリング剤としては、３−メルカプトプロピルトリメトキシシラン以外にも、例えばビニルトリクロルシラン、ビニルメトキシシラン、ビニルトリス（２メトキシエトキシ）シラン、ビニルトリエトキシシラン、ビニルトリメトキシシラン、３−（メタクリロキシプロピル）トリメトキシシラン、２−（３、４エポキシシクロヘキシル）３−グリシドキシプロピル３メチルジエトキシシラン、N−２（アミノエチル）３−アミノプロピルトリメトキシシラン、N−２（アミノエチル）３−アミノプロピルメチルジメトキシシラン、３−アミノプロピルトリメトキシシラン、３−アミノプロピルトリエトキシシラン、N−フェニル−３−アミノプロピルトリメトキシシラン、３−クロロプロピルトリメトキシシラン等のうち少なくとも一つを用いてもよい。
【００４２】
次に、サイズが８．５×８．５ｍｍ2で周辺に約１２０個の金電極パッド１６を設置した半導体素子１７を準備し、更に、半導体素子１７の金電極パッド１６と同じ配置の電極パッドを有する４０×４０ｍｍ2のＢＴレジン配線基板１３を準備した。
【００４３】
次いで、図２（ａ）に示すように、配線基板１３の電極パッド１４が設置されている領域に上記の導電性接着フィルム２０をラミネートして貼り付けた。ラミネートする際の圧力、温度、及び時間は、それぞれ１ＭＰａ、６０−８０℃、３０秒に設定した。
【００４４】
その後、図２（ｂ）に示すように、フェイスダウンの半導体素子１７の金電極パッド１６と配線基板１３の電極パッド１４との位置合わせを行った。
【００４５】
続いて、図２（ｃ）に示すように、半導体素子１７を配線基板１３に圧接した。圧接時の圧力は、例えば、３ＭＰａであった。同時に、ボンダ装置のチップ加熱ツールに半導体素子を保持し、１５０℃で約１０秒にて導電性接着フィルムを硬化させた。
【００４６】
このような加熱、加圧工程により、縦方向に繋がっている導電粒子１１の第２絶縁性樹脂３（具体的には、電極パッド１６と導電粒子１１との間の第２の絶縁性樹脂３、導電粒子１１と導電粒子１１との間の第２の絶縁性樹脂３、及び配線基板電極パッド１４と導電粒子１１との間の第２の絶縁性樹脂３）が溶けることにより、導電粒子の導電膜２を介して、配線基板１３側の電極パッド１４と半導体素子側の電極１６とが電気的に接続される。
【００４７】
以上の工程により、本実施例に係るフリップチップ型回路基板を作製した。
【００４８】
上記回路基板の配線基板１３側の引き出し配線を用いて接合部の導通を試験した結果、全ての接合部について導通していることが確認できた。さらに、−２５℃〜１２５℃の温度サイクル試験において、−２５℃、３０ｍｉｎ〜＋１２５℃、３０ｍｉｎを１サイクルとし、これを １０００サイクル繰り返す熱サイクル試験を行った。その結果、本実施例に係る回路基板では接続抵抗変化率が＋５％以下であった。
【００４９】
なお、出来るだけ封止用絶縁性樹脂の熱膨張率を配線基板や半導体素子の熱膨張率に近づけ、配線基板や半導体素子への応力を減らすために、熱膨張率が異なるコアを持つ二種類以上の導電粒子を用いてもよい。熱膨張率が比較的に大きいコア粒子を内包する高熱膨張率導電粒子を配線基板の近くのフィルム部分に配置し、熱膨張率が比較的に小さいコア粒子を内包する低熱膨張率導電粒子を半導体素子の近くのフィルム部分に配置すればよい。
【００５０】
また、本実施例では、電極パッドを半導体素子の周辺に配置する場合を示したが、半導体素子の中心部に配置してもよい。
（比較例１）
導電性接着剤において、導電粒子として、Ｎｉ粉末５重量部の材料を用いた。更に、フィラーとして、アルミナ粉末６０重量部を用いた。これらのものを混合、攪拌し、導電性接着剤を作製した。
【００５１】
実施例１と同様のフリップチップ型回路基板を作製してから、実施例１と同様にして、導通を測定した。その結果、導通のない接合部が存在した。導通のない接合部は、ＦＥ−ＳＥＭ観察の結果、半導体素子の電極パッドとＮｉ粉末の間にアルミナ粉末が挟まっていることが確認された。
【実施例２】
【００５２】
次に、本実施例について説明する。実施例２では、導電性接着剤に使用する材料及び作製する方法などが実施例１と相違している。
【００５３】
本実施例に係る回路基板を製造する方法の工程は図２（ａ）乃至図２（ｃ）と同じであるため、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００５４】
実施例２に使用される導電性接着剤は、下記の方法で作製することができる。
【００５５】
大日本インキ化学工業社製のビスフェノールＦ型エポキシ“ＥＸＡ８３０ＣＲＰ”（商品名）１００重量部、アミノメチルフェノールのトリグリシジルエーテル１５重量部、四国化成社製のアジンアダクトされたイミダゾール系硬化剤“キュアゾールＣ１１Ｚ−Ａ” （商品名）７．５重量部、及び旭化成社製のマイクロカプセル型イミダゾール系硬化剤“ノバキュアＨＸ３７２１” （商品名）７．５重量部の各材料を混合してから、実施例１で作製された導電粒子６５重量部を混合、撹拌して、導電性接着剤を作製した。
【００５６】
次に、上記方法で作製された導電性接着剤１２を実施例１と同様の配線基板１３に塗布し、配線基板１３を６０℃に設定したボンダ装置の基板ステージに設置した。約１０分間放置した後、フェイスダウンの半導体素子１７の金電極パッド１６と配線基板１３の電極パッド１４との位置合わせを行った。
【００５７】
その後、３０℃、０．１５秒間の条件で、半導体素子１７の電極パッド１６を配線基板１３の電極パッド１４に超音波接合する。その後、ボンダ装置のチップ加熱ツールに半導体素子を保持し、18０℃で約3秒にて導電性接着剤を硬化させた後、本実施例に係るフリップチップ型回路基板を作製した。
【００５８】
次に、実施例１と同様にして、接合部の導通を試験した結果、全ての接合部について導通していることが確認できた。さらに、−２５℃〜１２５℃の温度サイクル試験において、−２５℃、３０ｍｉｎ〜＋１２５℃、３０ｍｉｎを１サイクルとし、これを １０００サイクル繰り返す熱サイクル試験を行った。その結果、本発明の回路基板では接続抵抗変化率が＋５％以下であった。
【００５９】
以上のように作成した導電性接着剤又は導電性接着フィルムは、半導体素子１７の電極パッド１６と配線基板１３の電極パッド１４の間に導電性が現れるが、他の方向では導電性が現れない。従って、このような導電性接着剤又は導電性接着フィルムは、異方導電性接着剤又は導電性接着フィルムとも呼ぶ。
（比較例２）
導電性接着剤において、導電粒子として、Ａｕ粉末を５重量部の材料を用いた。更に、フィラーとして、アルミナ粉末を６０重量部を用いた。これらのものを混合、攪拌し、導電性接着剤を作製した。
【００６０】
実施例２と同様のフリップチップ型回路基板を作製してから、実施例２と同様にして、導通を測定した。その結果、接続抵抗値は実施例２の５倍であった。さらに、−２５℃〜１２５℃の温度サイクル試験において、−２５℃、３０ｍｉｎ〜＋１２５℃、３０ｍｉｎを１サイクルとし、これを １０００サイクル繰り返す熱サイクル試験を行った結果、本発明の回路基板では接続抵抗変化率が＋１０％であった。
【００６１】
以上、実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらの実施例に限られるものではない。例えば、種々の置換、変更、改良、組み合わせなどが可能であることは当然である。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明の実施例に係る回路基板の構造を示す図である。
【図２】本発明の実施例に係る回路基板を製造する方法を示す断面図である。
【符号の説明】
【００６３】
１      コア粒子
２      導電膜
３      第２絶縁性樹脂
１０    回路基板
１１    導電粒子
１２    第１絶縁性樹脂
１３    配線基板
１４    電極パッド
１５    基板
１６    電極パッド
１７ｃ  回路面
１７    半導体素子
２０    導電性接着フィルム
【図１】
0005282431.tif 000002
【図２】
0005282431.tif 000003