(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子の電極部と、回路基板の電極部とを、導電性粘弾性体を介して接続してなる半導体素子を実装した回路基板であって、前記導電性粘弾性体は、導電性物質と粘弾性体組成物との配合物からなり、乾燥された前記導電性粘弾性体の２５℃における貯蔵弾性率Ｇ’が１０２Ｐａを越え１０７Ｐａ未満、かつ損失弾性率Ｇ”が１０２Ｐａを越え１０７Ｐａ未満であることを特徴とする半導体素子を実装した回路基板。
【請求項２】
前記導電性粘弾性体が、該導電性粘弾性体全体の重量を基にして導電性物質を８〜９０重量％を含有し、前記粘弾性体組成物が、架橋剤を含むアクリル酸２−エチルヘキシル／メタクリル酸ヒドロキシエチルエステル共重合体樹脂または粘着性付与剤を含むポリブタジエン系樹脂であることを特徴とする請求項１に記載の半導体基板を実装した回路基板。
【請求項３】
導電性物質と粘弾性体組成物との配合物からなる導電性粘弾性体であって、乾燥された前記導電性粘弾性体の２５℃における貯蔵弾性率Ｇ'が１０２Ｐａを越え１０７Ｐａ未満、かつ損失弾性率Ｇ”が１０２Ｐａを越え１０７Ｐａ未満であり、前記導電性粘弾性体全体の重量を基にして前記導電性物質を８〜９０重量％含有することを特徴とする半導体素子の実装用導電性粘弾性体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＩＣチップと基板回路との接続性に優れた半導体素子を実装した回路基板に関する。詳しくはワイヤレスボンディング、さらにはフリップチップ方式において半導体素子の電極部を回路基板の電極部に接合する際に、導電性粘弾性体を接合物に用いることに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体実装回路基板のより薄型化、小型化、および製造の高速化が求められている。しかし、より複雑な用途に対応するように集積度が増大するに従って半導体素子が大型化してきている。そこで、実装方法およびパッケージ方法を改善することが、薄型化、小型化、製造の高速化を進めることを助けることになるであろう。
【０００３】
半導体素子（チップ）上の電極パッドとパッケージのリードあるいはプリント配線基板のパターンを接続する方法には、ワイヤボンディング法およびワイヤレスボンディング法がある。現在、主流となっているのは、ワイヤボンディング法である。
【０００４】
ワイヤボンディング法は、チップの上の電極と、回路基板に接続するパッケージリード電極とを金やアルミニウムの細線でつなぐ方法である。細線に金を用いる場合は、３００℃程度の高温にして線を押しつけて接続し、アルミニウムを用いる場合は、超音波を使って接続する。しかし、この方法は接続表面の粗さに敏感であったり、ボンディングに方向性があるなどの問題がある。
【０００５】
これに対し、ワイヤレスボンディング法は、ワイヤを使用せずにチップ上の電極と、回路基板に接続するパッケージリード電極を接続する方法であり、一般に多数の接続をまとめて同時に行うことができる。また、細線を利用しないため、それだけワイヤボンディング法に比べて接続に信頼性が高くなり、薄型化、小型化、製造の高速化も可能になる。
【０００６】
ワイヤレスボンディング法にはフリップチップ方式があり、このフリップチップ方式とは、チップの電極上または回路基板の電極部にバンプと呼ばれる突起物を形成し、チップの電極面を下にして回路基板上のパターンに接合する方法である。このバンプとは、ボンディングの信頼性を高めるために形成されるものであり、金、銀、銅、アルミニウム、ニッケル、錫など多種多様の材料で形成されている。接合部には、接合材料としてハンダ、または導電性硬化樹脂を用いる。フリップチップ方式には、Ｃ４、ＡＣＰ（anisotropic conductive paste）、ＡＣＦ（anisotropic conductive film ）、ＥＳＣ（Epoxy encapsulated Solder Connection）工法等が挙げられる。
【０００７】
しかし、これらのフリップチップ方式をとると、接合材料としてハンダや導電性硬化樹脂を用いるので、バンプの種類によっては接合性が悪いものもでてきて、そのために接合物として多層の金属層を設ける必要がある。また、ハンダや導電性硬化樹脂などは弾性力がなく、接合後の外部からの衝撃や振動に対して弱く、衝撃や振動を受けると剥離してしまったり、破損してまうおそれがある。さらに、半導体素子などは、静電気や熱に弱いために、たとえ半導体素子のテスト時に異常がなくても、回路基板に接合後に破損してしまう恐れもある。しかし、一度実装してしまうと、容易には半導体素子のみを取り外すことができない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明では半導体素子の電極部と回路基板上の電極部を接合する場合に、衝撃や振動を緩和させて接続に対する信頼性を高め、また、バンプの材料による接続に対する信頼性の差異のない半導体素子を実装した回路基板を提供する。さらに、半導体素子の取り外し可能な半導体素子を実装した回路基板を提供する。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための本発明における半導体素子を実装した回路基板は、半導体素子の電極部と、回路基板の電極部とを導電性粘弾性体を介して接続する。
【００１０】
この半導体素子を実装した回路基板の導電性粘弾性体は、前記導電性粘弾性体は、導電性物質と粘弾性体組成物との配合物からなり、乾燥された前記導電性粘弾性体の２５℃における貯蔵弾性率Ｇ'が１０２〜１０７Ｐａであり、かつ損失弾性率Ｇ”が１０２〜１０７Ｐａであることが好ましい。
【００１１】
また、該導電性粘弾性体は、該導電性粘弾性体全体の重量を基にして導電性物質を８〜９０重量％を含有することが好ましい。
【００１２】
さらに、本発明における、導電性物質と粘弾性体組成物との配合物からなる導電性粘弾性体は、乾燥された前記導電性粘弾性体の２５℃における貯蔵弾性率Ｇ'が１０２〜１０７Ｐａであり、損失弾性率Ｇ”が１０２〜１０７Ｐａであり、前記導電性粘弾性体全体の重量を基にして前記導電性物質を８〜９０重量％含有し、特に半導体素子の実装に用いられる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明についてより詳細に説明する。
【００１４】
本発明は、半導体素子（チップ）の電極部を導電性粘弾性体を介して、回路基板上の電極部に接続する。この半導体素子の電極部または回路の電極部には、接合性を高めるようにバンプとよばれる突起物が設けてある。このバンプは、金、銀、銅、アルミニウム、ニッケル、錫などの金属、ハンダをはじめとする金属合金、または金属粉末を樹脂に分散させた各種導電性樹脂などが挙げられる。
【００１５】
半導体素子の電極部上または回路電極部上のバンプと、回路電極部または半導体素子の電極部を接続させるのに介する、本発明における導電性粘弾性体は、種々の物性値で定義することが可能であるが、導電性粘弾性体の使用温度における貯蔵弾性率Ｇ’および損失弾性率Ｇ”で定義できる。本発明に用いられる導電性粘弾性体の貯蔵弾性率Ｇ’および損失弾性率Ｇ”は、２５℃における貯蔵弾性率Ｇ’が１０２〜１０７Ｐａの範囲内にあり、損失弾性率Ｇ”が１０２〜１０７Ｐａの範囲内にある。好ましくは２５℃における貯蔵弾性率Ｇ’が１０４〜１０５Ｐａの範囲内であり、損失弾性率Ｇ”が１０４〜１０５Ｐａの範囲内である。上記範囲以外で本発明に関わる導電性粘弾性体の貯蔵弾性率および／または損失弾性率が１０７Ｐａ以上である場合、粘性に乏しく、半導体素子と回路電極部とを接合させる際に塑性変形せず、半導体素子あるいは回路電極部を破壊してしまう可能性がある。さらに、半導体素子と回路電極部との接着性に劣ることとなる。損失弾性率および／または貯蔵弾性率が１０２Ｐａ以下であると流動性に富み、半導体素子と回路電極部との接合後に、導電性粘弾性体が接合部より流動してしまい、接続不良を起こす。あるいは流動した導電性粘弾性体が他の回路またはバンプ、電極部に接触し、絶縁不良をおこす。
【００１６】
また、本発明で得られる導電性粘弾性体は、その表面抵抗が１０-5〜１０5 Ωを示す。
【００１７】
上述のような性質を示す本発明における導電性粘弾性体は、導電性物質と粘弾性体組成物とを配合させることにより製造される。
【００１８】
ここでいう導電性物質としては、例えば金、銀、銅、アルミニウム、ニッケル、錫などの金属粉末；炭素粉末；ガラスビーズまたはプラスチックの表面を金属、合金、あるいは酸化金属で被覆した粉末；ポリアニリンやポリピロールを始めとする導電性高分子；または導電性高分子に金属をドープさせたものなどが挙げられる。この導電性物質の混合率は、導電性粘弾性体全体の重量を基にして、８〜９０％であり、好ましくは１０〜９０％である。導電性物質の混合率が８％以下であると導電性を全く示さなくなり、９０％以上であると粘弾性効果が劣り半導体素子の固定が困難となる。
【００１９】
ここでいう粘弾性体組成物とは、酢酸ビニル樹脂、ビニルアルコール樹脂、ビニルアセタール樹脂、塩化ビニル樹脂、アクリル樹脂、メタクリル樹脂、ポリアミド樹脂、エポキシ樹脂、セルロース誘導体、ウレタン樹脂、ビニルエーテル樹脂、クロロプレン樹脂、ネオプレン樹脂、スチレン樹脂、ニトリル樹脂、シリコーン樹脂などが挙げられる。さらに、必要に応じてこれらの樹脂に半導体素子と回路の接合性を向上させる目的で粘着付与剤を含有することができる。粘着付与剤としては特に制限はないが、例えば、ロジン、テルペン、フェノール、キシレン樹脂などが挙げられる。
【００２０】
本発明による粘弾性体組成物は架橋剤を用いて架橋させることができる。架橋剤としては特に制限はなく、例えば、多官能性のイソシアナート、エポキシ化合物、メラミン化合物、金属錯体などが挙げられる。また、不飽和オリゴマー成分や不飽和モノマー成分、過酸化物、光硬化開始剤、増感剤などを添加することにより、熱、紫外線、電子線で架橋させることができる。
【００２１】
本発明における導電性粘弾性体を用いた半導体素子電極部と回路基板電極部の接続は、まず、慣用の方法で回路基板にパターンを印刷し、半導体素子電極部に慣用の方法でバンプを設ける。次いで、上記導電性粘弾性体をバンプ上に塗布し、２５〜２００℃で乾燥させる。この時の導電性粘弾性体の厚さは、バンプの頂部から５〜２００μｍ、好ましくは１０〜７０μｍである。この厚さが５μｍ以下であると接続不良となり、２００μｍ以上であると導電不良となる。この導電性粘弾性体の設けられた半導体素子電極部と回路基板上の電極部とを接着し接続を行う。
【００２２】
また、本発明における導電性粘弾性体を用いると、バンプを設けなくてもフリップチップ実装において半導体素子の電極部と回路電極部を接続することができる。この際の半導体素子電極部と回路基板電極部の接続は、バンプを設けないことを除いて上述した方法とほぼ同様に行われる。但し、バンプを設けない時の半導体素子電極部上に設けられる導電性粘弾性体の厚さは、５〜２００μｍであり、好ましくは３０〜１５０μｍである。
【００２３】
【実施例】
以下に具体的な例をあげ、図を参照しながら、さらに本発明について説明するが、本発明を制限するものではない。
【００２４】
表１に実施例および比較実施例に用いた導電性粘弾性体の組成を記載した。
【００２５】
【表１】
0003913372.tif 000002
【００２６】
〈実施例１〉
ここでは図１を参照しながら説明する。図１は、本実施例および実施例２における半導体素子電極部を回路基板上の電極部に接続した図である。
【００２７】
導電性粘弾性体の溶液の調製
表１に示すように、導電性粘弾性体中の粘弾性体組成物としてアクリル酸２−エチルヘキシルを主成分、メタクリル酸ヒドロキシエチルエステルを共重合成分とした樹脂２０ｇに、導電性物質として銀粉末８０ｇおよび適量の溶媒を加えた。この混合溶液をメカニカルスターラーで３時間にわたって撹拌し、次いで架橋剤としてヘキサメチレンジイソシアナート１ｇを添加して１時間にわたって撹拌を続けた。このようにして、導電性粘弾性体の溶液を得た。
【００２８】
この導電性粘弾性体の貯蔵弾性率Ｇ′および損失弾性率Ｇ″は表２に示す通りであった。
【００２９】
半導体素子の実装
縦２０ｍｍ、横２０ｍｍ、厚さ１００μｍのポリエチレンテレフタレート製の回路基板６に、銀を主成分とした導電性インクを用いて回路電極部５を印刷し、１００℃で乾燥させた。
【００３０】
次に、半導体素子１上に設けられた半導体素子電極部２に金で高さ４０μｍ、直径１００μｍのバンプ３を設けた。この半導体素子上のバンプ３上に、先に得られた導電性粘弾性体の溶液を塗布したのち、１００℃で乾燥を行った。このバンプ３上の導電性粘弾性体４の厚さはバンプ頂部から５０μｍで直径は１５０μｍであった。この半導体素子電極部２に導電性粘弾性体４が設けられた半導体素子１と、先の回路電極部５が設けられた回路基板６とを、回路電極部５と半導体素子電極部２との整合をとり、半導体素子１と回路基板６とを圧力をかけ接着して電気回路とした。この接着の際に、半導体素子１と回路基板の間の空間部分に空気、水分などが侵入しないように充填剤７を満たした。このようにして半導体素子を実装した回路基板を得た。
【００３１】
この回路基板の耐衝撃性の試験結果は表２に示す通りであった。
【００３２】
〈実施例２〉
ここでは図１を参照しながら説明する。
【００３３】
導電性粘弾性体の溶液の調製
表１に示す組成にて実施例１と同様にして調製をし、導電性粘弾性体の溶液を得た。
【００３４】
この導電性粘弾性体の貯蔵弾性率Ｇ′および損失弾性率Ｇ″は表２に示す通りであった。
【００３５】
半導体素子の実装
上述の導電性粘弾性体の溶液を用いて半導体素子電極部と回路電極部を、導電性粘弾性体４の厚さがバンプ頂部から７０μｍで直径が１２μｍであることを除いては実施例１と同様にして接続し、半導体素子を実装した回路基板を得た。
【００３６】
この回路基板の耐衝撃性の試験結果は表２に示す通りであった。
【００３７】
〈実施例３〉
ここでは図２を参照にしながら説明する。図２は、本実施例における半導体素子の電極部を回路電極部に接続した図である。
【００３８】
導電性粘弾性体の溶液の調製
表１に示す組成にて実施例１と同様にして調製をし、導電性粘弾性体の溶液を得た。
【００３９】
この導電性粘弾性体の貯蔵弾性率Ｇ′および損失弾性率Ｇ″は表２に示す通りであった。
【００４０】
半導体素子の実装
縦２０ｍｍ、横２０ｍｍ、厚さ１００μｍのポリエチレンテレフタレート製の回路基板１６に、銀を主成分とした導電性インクを用いて回路電極部１５を印刷し１００℃で乾燥させた。
【００４１】
次に、半導体素子１１上に設けられた半導体素子電極部１２にハンダで高さ８０μｍ、直径１２０μｍのバンプ１３を設けた。上述したようにして得られた導電性粘弾性体の溶液を、先の半導体素子１１、半導体素子電極部１２、およびバンプ１３上全面に塗布した後１００℃で乾燥を行った。この半導体素子１１上の導電性粘弾性体１４の厚さはバンプ頂部から６０μｍであった。導電性粘弾性体１４が設けられた半導体素子１１と、先の回路電極部１５が設けられた回路基板１６とを、回路電極部１５と半導体素子電極部１２との整合をとり、半導体素子１１と回路基板１６とを圧力をかけ接着して、電気回路とした。このようにして半導体素子を実装した回路基板を得た。
【００４２】
この回路基板の耐衝撃性の試験結果は表２に示す通りであった。
【００４３】
〈実施例４〉
ここでは図３を参照しながら説明する。図３は、本実施例におけるバンプを設けていない半導体素子電極部を回路基板上の電極部に接続した図である。
【００４４】
導電性粘弾性体の溶液の調製
表１に示す組成にて実施例１と同様にして調製をし、導電性粘弾性体の溶液を得た。
【００４５】
この導電性粘弾性体の貯蔵弾性率Ｇ′および損失弾性率Ｇ″は表２に示す通りであった。
【００４６】
半導体素子の実装
縦２０ｍｍ、横２０ｍｍ、厚さ１００μｍのポリイミド製の回路基板２６にポリウレタンを主成分とする接着剤を用いて、縦２０ｍｍ、横２０ｍｍ、厚さ１０μｍの銅箔を張り合わせた。銅箔上に所望の回路を塩化メチレンに溶解せしめたポリメタクリル酸エチルを用いて印刷し、８０℃で乾燥させた。その後この印刷物を１０％塩化第二鉄水溶液に２時間浸沈せしめ、印刷部以外の銅箔をエッチング処理した。このエッチング処理を施した印刷物を精製水で十分に洗浄したあと、塩化メチレンで洗浄し、ポリメタクリル酸エチルおよび余分なポリウレタン主成分の接着剤を完全に銅箔上から取り去った。この回路基板２６上に設けられた銅箔部分を回路電極部２５とした。
【００４７】
一方、半導体素子２１上に設けられた半導体素子電極部２２に、先の導電性粘弾性体の溶液を塗布した後、１００℃で乾燥を行った。この導電性粘弾性体２４の厚さは３０μｍで直径は８０μｍであった。この半導体素子電極部２２に導電性粘弾性体２４が設けられた半導体素子２１と、先の回路電極部２５が設けられた回路基板２６とを、回路電極部２５と半導体素子電極部２２との整合をとり、半導体素子２１と回路基板２６とを圧力をかけ接着して、電気回路とした。この接着の際に、半導体素子２１と回路基板２６との間の空間部分に空気、水などが侵入しないように充填剤２７を満たした。このようにして半導体素子を実装した回路基板を得た。
【００４８】
この回路基板の耐衝撃性の試験結果は表２に示す通りであった。
【００４９】
〈比較実施例１および２〉
比較実施例１および２の接続様式は、実施例１と同様の構成であり、図１における４の導電性粘弾性体を導電性接着剤に変更したものである。
【００５０】
導電性接着剤の調製
それぞれ表１に示す組成にて実施例１と同様にして調製をし、それぞれ比較実施例１および比較実施例２に用いる導電性接着剤の溶液を得た。
【００５１】
それぞれの導電性接着剤の貯蔵弾性率Ｇ′および損失弾性率Ｇ″は、表２に示す通りであった。
【００５２】
半導体素子の実装
それぞれ上述の導電性接着剤溶液を用いて、回路基板をポリイミド製とし、半導体素子１と回路基板６を接着して電気回路とした後にこれら電気回路を１８０℃の恒温槽に入れ、導電接着剤を完全硬化させたことを除いて実施例１と同様に半導体素子を実装した回路基板を得た。
【００５３】
それぞれの回路基板の耐衝撃性の試験結果は表２に示した通りであった。いずれも通電せず、接合部が導電不良であった。
【００５４】
【表２】
0003913372.tif 000003
【００５５】
貯蔵弾性率Ｇ′および損失弾性率Ｇ″の測定方法
実施例で得られた導電性粘弾性体および比較実施例で得られた導電性接着剤の溶液を各５ｇ採取し、これらをそれぞれ１００℃で１時間にわたって乾燥させたものを用い、貯蔵弾性率Ｇ′および損失弾性率Ｇ″を測定した。測定に際してはレオメトリックス社製動的粘弾性測定装置ＲＤＡ−ＩＩを用い、慣用の方法に従って行った。表２に記載の貯蔵弾性率および損失弾性率は、２５℃におけるものである。
【００５６】
耐衝撃性の試験方法
各実施例および各比較実施例にて得られた半導体素子を実装した回路基板の耐衝撃試験はＪＩＳ  Ｃ  ５４４２  ５．２衝撃試験法に準じて行った。
【００５７】
測定に際しては、最大加速度１５０ｍ／ｓ2 、持続時間１１ｍｓ、速度変化１．０３ｍ／ｓ、衝撃回数を５００回とした。
【００５８】
試験後、回路基板電極部に設けられた端子に抵抗測定器を接続し、半導体素子固有の内部抵抗を測定することにより、接続の良否を判定した。
【００５９】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明における半導体素子を実装した回路基板は、その実装において導電性粘弾性体を用いたことによって、振動や衝撃を緩和して振動や衝撃による半導体素子の剥離や破壊を起こしにくくなった。また、バンプによる接合の信頼性の差異もなくなった。さらに、本発明では、特別にバンプを設けることなく回路基板に半導体素子を実装することが可能になった。
【００６０】
また、一度接続した後でも、容易に取り外すことができ、そして、また取り付けることも可能になった。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１および実施例２におけるバンプを設けた半導体素子電極部を導電性粘弾性体を介して回路電極部に接続した半導体素子を実装した回路基板の断面図である。
【図２】実施例３におけるバンプを設けた半導体素子電極部を導電性粘弾性体を介して回路電極部に接続した半導体素子を実装した回路基板の断面図である。
【図３】実施例４におけるバンプを設けていない半導体素子電極部を導電性粘弾性体を介して回路電極部に接続した半導体素子を実装した回路基板の断面図である。
【符号の説明】
１、１１、２１  半導体素子
２、１２、２２  半導体素子電極部
３、１３  バンプ
４、１４、２４  導電性粘弾性体
５、１５、２５  回路電極部
６、１６、２６  回路基板
７、２７  充填剤
【図１】
0003913372.tif 000004
【図２】
0003913372.tif 000005
【図３】
0003913372.tif 000006