(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一の接続端子を有する第一の回路部材と、第二の接続端子を有する第二の回路部材とを、第一の接続端子と第二の接続端子を対向して配置し、前記対向配置した第一の接続端子と第二の接続端子の間に導電粒子が分散されている接着剤を介在させ、加熱、加圧して前記対向配置した第一の接続端子と第二の接続端子を電気的に接続させた回路板であって、前記第一の接続端子が低融点金属からなる突起電極で、かつ、前記第一の回路部材が半導体チップであり、前記突起電極が、融点が２５０℃以下の前記低融点金属を溶融した低融点金属溶融槽中に電極形成面を有する半導体素子を浸漬し、前記電極形成面に対し垂直方向に超音波エネルギーを加えることにより高さ５〜４０ミクロンに形成され、前記突起電極を融かすことなく第二の接続端子を有する第二の回路部材とを電気的に接続させることを特徴とする回路板の製造法。
【請求項２】
電極形成面が、アルミ電極である請求項１に記載の回路板の製造法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体チップの接続用電極と半導体実装用基板上の対応する接続用電極とを対向するように位置決めし、異方導電性接着剤等の接着剤で接着固定すると共に、両者の電極同士を電気的に接続する半導体装置などの電子部品装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体実装分野では、低コスト化・高精化に対応した新しい実装形態としてＩＣチップを直接プリント基板やフレキシブル配線板に搭載するフリップチップ実装が注目されている。フリップチップ実装方式としては、チップの端子にはんだバンプを設け、はんだ接続を行う方式や導電性接着剤を介して電気的接続を行う方式が知られている。これらの方式では、接続するチップと基板の熱膨張係数差に基づくストレスが、各種環境下に曝した場合、接続界面で発生し接続信頼性が低下するという問題がある。このため、接続界面のストレスを緩和する目的で一般にエポキシ樹脂系のアンダフィル材をチップ／基板の間隙に注入する方式が検討されている。しかし、このアンダフィルの注入工程は、プロセスを煩雑化し、生産性、コストの面で不利になるという問題がある。このような問題を解決すべく最近では、チップと基板の間にあらかじめ接着剤や異方導電性と封止機能を有する異方導電性接着剤を介在し、加熱加圧してチップと基板をフリップチップ実装する方式が、プロセス簡易性という観点から注目されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、接着剤や異方導電接着剤を用いる方式は、少なくとも１つの回路部材の接続端子に金めっきバンプやワイヤバンプなどの突起電極を形成する必要があるが、突起電極はその高さにばらつきが生じやすく、接続後、低い突起電極の接続部では充分な電気的接触ができず導通不良を生じやすいという問題があった。
本発明は、例えば半導体チップを基板と接着剤や異方導電接着剤等で接着固定すると共に両者の電極どうしを電気的に接続することにより得られる回路板のように、接続端子を有する回路部材どうしを優れた接続信頼性で接続する回路板の製造法を提供するものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、第一の接続端子を有する第一の回路部材と、第二の接続端子を有する第二の回路部材とを、第一の接続端子と第二の接続端子を対向して配置し、前記対向配置した第一の接続端子と第二の接続端子の間に導電粒子が分散されている接着剤を介在させ、加熱、加圧して前記対向配置した第一の接続端子と第二の接続端子を電気的に接続させた回路板であって、前記第一の接続端子が低融点金属からなる突起電極で、かつ、前記第一の回路部材が半導体チップであり、前記突起電極が、融点が２５０℃以下の前記低融点金属を溶融した低融点金属溶融槽中に電極形成面を有する半導体素子を浸漬し、前記電極形成面に対し垂直方向に超音波エネルギーを加えることにより高さ５〜４０ミクロンに形成され、前記突起電極を融かすことなく第二の接続端子を有する第二の回路部材とを電気的に接続させることを特徴とする回路板の製造法に関する。
また、電極形成面が、アルミ電極であると好ましく、電極形成面のアルミ電極の膜厚が１μｍ以上であると好ましい。
【０００５】
【発明の実施の形態】
本発明において用いられる回路部材として半導体チップ、抵抗体チップ、コンデンサチップ等のチップ部品、プリント基板、ポリイミドやポリエステルを基材としたフレキシル配線板等の基板等が用いられる。これらの回路部材には接続端子が通常多数（場合によっては単数でも良い）設けられており、前記回路部材の少なくとも１組をそれらの回路部材に設けられた接続端子の少なくとも一部を対向配置し、対向配置した接続端子間に接着剤を介在させ、加熱・加圧することにより、対向配置した接続端子どうしは、直接接触によりまたは異方導電接着剤の導電粒子を介して電気的に接続する。
【０００６】
チップや基板の電極パッド上には、はんだなどの低融点金属からなる突起電極を形成する。
本発明において用いられる突起電極は、融点２５０℃以下の低融点金属を溶融させこの金属溶融槽に半導体素子を浸漬し同時に電極形成面に対し垂直方向に超音波エネルギーを加えることにより高さが５〜４０ミクロンの突起状の電極を形成する。フェイスダウンボンディング方式により半導体チップを実装基板に電気的に接続する場合、半導体チップ上へのバンプ形成に際し次の２点を考慮しなければならない。すなわち（１）半導体チップ電極金属材料のはんだへの溶出防止、（２）半導体チップ電極金属材料とはんだとの濡れ性の確保である。
本発明では半導体チップに設けた接続電極と実装基板表面に設けた導体回路のチップ搭載用電極が接着剤を介して直接機械的に接し電気的な接続を得ており、両者を接続させるためにバンプ金属を融かすことはしない。このため半導体チップのアルミ電極の膜厚が１μｍ以上で、しかもこのアルミ膜上へのバンプ形成温度が２５０℃以下であれば従来使われていたアンダバンプメタルがなくとも前記（１）の要求を満たすことができる。また半導体チップと実装基板とは接着剤により両者は対向する面全体で接合しており、突起電極部のみに内部応力が集中することはないので接続部の信頼性は高い。融点２５０℃以下の低融点金属としては、インジウム、錫、鉛／錫はんだ、錫／銀はんだ、錫／銀／ビスマスはんだなどがある。
また前記（２）に対しては低融点金属の溶融槽中に半導体素子を浸漬し同時に超音波エネルギーを加えることにより行う。超音波は半導体ウエハなどの表面洗浄法として使われている。この超音波エネルギーを利用して、低融点金属の熔融槽に半導体素子を浸漬し同時に電極形成面に対し垂直方向に超音波エネルギーを加えることにより半導体アルミ電極部表面の酸化物を除去すると共にアルミ電極表面に低融点金属をバンプ状に形成するものである。加える超音波の振動数は通常洗浄につかわれている１０〜８０ｋＨｚである。また振幅は１〜１０μｍである。超音波を加えている時間はバンプを形成しようとしている金属にもよるが必要以上に長い時間はアルミ電極の溶出にもつながるので良くなく０．１〜１０秒が適当である。
超音波エネルギーは電極形成面に対し垂直方向であれば、表面、裏面どちらから加えてもよい。
【０００７】
図１は本発明の電子部品装置を説明するための断面図、図２は従来法による半導体チップの接続電極断面図、図３は本発明による半導体チップの接続電極断面図、図４は本発明の一実施例を説明するためのはんだ槽、ホーン、半導体ウエハの位置関係を示す側面図である。
図面において、１は半導体チップ、２は半導体接続電極、３は絶縁保護膜、４は低融点金属電極、５は実装基板、６は電極端子、７は接着剤、８はアンダバンプメタル、９ははんだバンプ、１０は金バンプ（金ワイヤ）、２１は溶解はんだ噴流部、２２ははんだ槽、２３はホーン、２４は治具、２５はホルダー、２６はウエハ、２７は溶融はんだを示す。
本発明において用いられる接着剤としては、エポキシ樹脂とイミダゾール系、ヒドラジド系、三フッ化ホウ素−アミン錯体、スルホニウム塩、アミンイミド、ポリアミンの塩、ジシアンジアミド等の潜在性硬化剤の混合物が用いられ、回路部材の熱膨張係数差に基づくストレスを緩和するためには、接着後の４０℃での弾性率が５０〜２０００ＭＰａの接着樹脂組成物が好ましい。例えば、接続時の良好な流動性や高接続信頼性を得られる接着樹脂組成物として、エポキシ樹脂とイミダゾール系、ヒドラジド系、三フッ化ホウ素−アミン錯体、スルホニウム塩、アミンイミド、ポリアミンの塩、ジシアンジアミド等の潜在性硬化剤の混合物に、接着後の４０℃での弾性率が５０〜２０００ＭＰａになるようにアクリルゴムを配合した接着剤があげられる。接着フィルム硬化物の弾性率は、例えば、レオロジ（株）製レオスペクトラＤＶＥ−４（引っぱりモード、周波数１０Ｈｚ、５℃／ｍｉｎで昇温）を使用して測定できる。
【０００８】
本発明の接着剤に用いるアクリルゴムとしては、アクリル酸、アクリル酸エステル、メタクリル酸エステルまたはアクリロニトリルのうち少なくともひとつをモノマー成分とした重合体または共重合体があげられ、中でもグリシジルエーテル基を含有するグリシジルアクリレートやグリシジルメタクリレートを含む共重合体系アクリルゴムが好適に用いられる。
これらアクリルゴムの分子量は、接着剤の凝集力を高める点から２０万以上が好ましい。アクリルゴムの接着剤中の配合量は、１５ｗｔ％以下であると接着後の４０℃での弾性率が２０００ＭＰａを越えてしまい、また４０ｗｔ％以上になると低弾性率化は図れるが接続時の溶融粘度が高くなり接続電極界間、または接続電極と導電粒子界面の溶融接着剤の排除性が低下するため、接続電極間または接続電極と導電粒子間の電気的導通を確保できなくなる。このため、アクリル配合量としては１５〜４０ｗｔ％が好ましい。接着剤に配合されたこれらのアクリルゴムは、ゴム成分に起因する誘電正接のピーク温度が４０〜６０℃付近にあるため、接着剤の低弾性率化を図ることができる。また、接着剤にはフィルム形成性をより容易にするためにフェノキシ樹脂などの熱可塑性樹脂を配合することもできる。特に、フェノキシ樹脂は、エポキシ樹脂と構造が類似しているため、エポキシ樹脂との相溶性、接着性に優れるなどの特徴を有するので好ましい。フィルム形成は、これら少なくともエポキシ樹脂、アクリルゴム、フェノキシ樹脂、潜在性硬化剤からなる接着組成物と導電粒子を有機溶剤に溶解あるいは分散により液状化して、剥離性基材上に塗布し、硬化剤の活性温度以下で溶剤を除去することにより行われれる。この時用いる溶剤は、芳香族炭化水素系と含酸素系の混合溶剤が材料の溶解性を向上させるため好ましい。
【０００９】
本発明の接着剤には、熱膨張係数を低減する目的で無機質充填材を配合できる。無機質充填材としては、特に限定するものではなく、例えば、溶融シリカ、結晶質シリカ、ケイ酸カルシウム、アルミナ、炭酸カルシウム等の粉体があげられる。無機充填材の配合量は、接着樹脂組成物に対して１０〜９０重量％であり、熱膨張係数を低下させるには配合量が大きいほど効果的であるが、多量に配合すると接着性や接続部での接着剤の排除性低下に基づく導通不良が発生するため、２０〜６０重量％が好ましい。また、その平均粒径は、接続部での導通不良を防止する目的でミクロン以下にするのが好ましい。また、接続時の樹脂の流動性の低下及びチップのパッシベーション膜のダメージを防ぐ目的で球状フィラを用いることが望ましい。
本発明の接着剤には、チップのバンプや回路電極の高さばらつきを吸収するために、異方導電性を積極的に付与する目的で導電粒子を分散することもできる。本発明において導電粒子は例えばＡｕ、Ｎｉ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｗやはんだなどの金属粒子またはこれらの金属粒子表面に金やパラジウムなどの薄膜をめっきや蒸着によって形成した金属粒子であり、ポリスチレン等の高分子の球状の核材にＮｉ、Ｃｕ、Ａｕ、はんだ等の導電層を設けた導電粒子を用いることができる。粒径は基板の電極の最小の間隔よりも小さいことが必要で、電極の高さばらつきがある場合、高さばらつきよりも大きいことが好ましく、かつ無機質充填材の平均粒径より大きいことが好ましく、１μｍ〜１０μｍが好ましい。また、接着剤に分散される導電粒子量は、０．１〜３０体積％であり、好ましくは０．１〜２０体積％である。
【００１０】
【実施例】
実施例１
ポリイミド接着剤をポリイミドフィルムの両面に塗布した厚さ０．０７ｍｍのポリイミドボンディングシート１に、アウター接続部２を形成する。次に厚さ０．０１８ｍｍの銅箔を接着後、インナ接続部３とアウター接続部２までの展開配線４を通常のエッチング法で形成する。さらに露出している配線に無電解ニッケルめっき（膜厚；５μｍ）、無電解金めっき（膜厚：０．８μｍ）を順次施す。つぎに打ち抜き金型を用いてフレーム状に打ち抜き、複数組のインナー接続部、展開配線、アウター接続部を形成した実装基板を準備する。
半導体チップのアルミ電極部にはんだバンプ（錫６０／鉛４０）を形成するには下記の手順を行った。ウエハ工程を終了した半導体ウエハ（φ１５０ｍｍ）をステンレス製の治具に取付け（共振できるように周辺部だけを保持）、この治具全体を２４０℃のはんだ浴槽にフラックス無しで浸漬させた。超音波ソルダリング装置には高さ５０ｍｍ、幅１７０ｍｍの開口部をもつホーンがはんだ液面下１０〜６０ｍｍの位置に槽壁面を貫通し取付けてあり、このホーンから振動数２０ｋＨｚ、振幅２μｍの超音波を金属溶液中に任意の時間放射できる。半導体ウエハはこのホーンから１５ｍｍ離れた位置を降下速度及び上昇速度とも５０ｍｍ／秒で移動する。降下時及び引き上げ時に半導体ウエハははんだ浴槽中にてそれぞれ１秒づつ合計２秒超音波を照射される。この結果９０μｍ□のアルミ電極部上には高さ１５μｍのはんだバンプが形成される。はんだバンプの付着量は超音波の照射時間に依存し、合計１秒では不足であり、逆に１０秒に長くするとはんだが過剰に付着しバンプ同志が繋がってしまった。
この後半導体チップの突起電極と実装基板とを接着後の４０℃における弾性率が１５００ＭＰａの接着剤フィルムにより接続した。まず、接着剤フィルムを転写した後、半導体チップの突起電極と実装基板の半導体チップ搭載用回路との位置合わせを行い、半導体チップを１８０℃、２０ｋｇｆ／チップの温度及び圧力により２０秒間加熱圧着して異方導電フィルムを硬化させた。これによって、接着フィルムを介して半導体チップの突起電極と実装基板の半導体チップ搭載用回路とが電気的に接続されると同時に半導体チップと実装基板間は接着剤フィルムの硬化によって、この接続状態が保持される。このようにして得た半導体チップと実装基板を接続した部材を（ー５５℃、３０分）／（１２５℃、３０分）の条件で繰り返す冷熱サイクル試験を行い、この冷熱サイクル試験１０００回後の半導体チップの突起電極と実装基板の半導体搭載用回路の接続抵抗を測定したところ５０ｍΩ以下であった。
【００１１】
実施例２
ガラスクロス・エポキシ樹脂両面銅張り積層板ＭＣＬーＥー６７９（日立化成工業（株）製）の表面銅箔を既存のサブトラクト法で内層回路加工、内層接着加工を施す。ついで該内層回路表面に先にドリル加工を施したガラスクロスを含まない銅箔付きエポキシ接着フィルムＭＣＦ−３０００Ｅ（日立化成工業（株）製商品名）を１７０℃、４０ｋｇｆ／ｃｍ2、６０分プレス積層接着し、スルーホール孔明け、無電解銅めっき、サブトラクト法による外層回路加工及び無電解ニッケル／金めっきを施し実装基板を得た。
半導体チップのバンプは上記実施例１によりチップ表面にはんだバンプを形成した後、はんだバンプの高さをかせぐためにはんだフラックスをバインダとして０．３ｍｍのはんだボールを付着させ２４０℃の炉でリフローしてはんだバンプ高さ３５μｍをえた。
この後半導体チップの突起電極と実装基板とを接着後の４０℃における弾性率が１５００ＭＰａの接着剤フィルムにより接続した。まず、接着剤フィルムを転写した後、半導体チップの突起電極と実装基板の半導体チップ搭載用回路との位置合わせを行い、半導体チップを１８０℃、１０ｋｇｆ／チップの温度及び圧力により２０秒間加熱圧着して異方導電フィルムを硬化させた。これによって、接着フィルムを介して半導体チップの突起電極と実装基板の半導体チップ搭載用回路とが電気的に接続されると同時に半導体チップと実装基板間は接着剤フィルムの硬化によって、この接続状態が保持される。
このようにして得た半導体チップと実装基板を接続した部材を（ー５５℃、３０分）／（１２５℃、３０分）の条件で繰り返す冷熱サイクル試験を行い、この冷熱サイクル試験１０００回後の半導体チップの突起電極と実装基板の半導体搭載用回路の接続抵抗を測定したところ５０ｍΩ以下であった。
【００１２】
実施例３
実施例１において半導体チップのアルミ電極部へのバンプ形成だけを、はんだバンプ（錫６０／鉛４０）の代わりにインジウムを用いて行った。即ちインジウムを溶融させた２１０℃の浴槽中でホーンから振動数２０ｋＨｚ、振幅２．５μｍの超音波を半導体ウエハに照射する。半導体ウエハはこのホーンから５ｍｍ離れた位置を降下速度及び上昇速度とも５０ｍｍ／秒で移動する。降下時及び引き上げ時に半導体ウエハははんだ浴槽中にてそれぞれ１秒づつ合計２秒超音波を照射され、この結果アルミ電極部上には高さ１３μｍのはんだバンプが形成される。このあとの、半導体チップの突起電極と実装基板との接続方法、このようにして得た半導体チップと実装基板を接続した部材を（ー５５℃、３０分）／（１２５℃、３０分）の条件で繰り返す冷熱サイクル試験の結果は上記実施例１と同じである。
【００１３】
【発明の効果】
本発明により、接続端子どうしの接続信頼性に優れる回路板を得ることができる。特に、金めっきバンプやワイヤボンド方式で得られるボールバンプは、その高さにばらつきがあり、接続不良を生じやすいが、本発明の回路板では、突起電極に低融点金属を用いているため、高さばらつきがあっても接続中の加熱によって突起電極が容易に変形できるため、高さばらつきが吸収できる他、電極どうしの接触面積の確保が容易となり接続信頼性の向上が図れる。
また回路部材の接続電極上に低コストに金属バンプを形成することができ、この結果この半導体チップを用いたフェイスダウンボンディング方式の電子部品装置をコストパフォーマンスが高くしかも信頼性が高く作る事ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電子部品装置を説明するための断面図。
【図２】従来法による半導体チップの接続電極断面図。
【図３】本発明による半導体チップの接続電極断面図。
【図４】本発明の一実施例を説明するためのはんだ槽、ホーン、半導体ウエハの位置関係を示す側面図。
【符号の説明】
１．半導体チップ
２．半導体接続電極
３．絶縁保護膜
４．低融点金属電極
５．実装基板
６．電極端子
７．接着剤
８．アンダバンプメタル
９．はんだバンプ
１０．金バンプ（金ワイヤ）
２１．溶解はんだ噴流部
２２．はんだ槽
２３．ホーン
２４．治具
２５．ホルダー
２６．ウエハ
２７．溶融はんだ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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