(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
３価の金イオン化合物、キレート剤、伝導塩、緩衝剤、及び安定剤からなり、３価の金イオンを０．００５〜０．１２ｍｏｌ／ｌ含有し、キレート剤として０．２〜２．０ｍｏｌ／ｌのエチレンジアミン又は０．０５〜０．５ｍｏｌ／ｌのニトロトリ酢酸の少なくともいずれか一方を含有することを特徴とする金めっき液。
【請求項２】
伝導塩は、硫酸、塩酸、臭素酸などの無機酸又はこれらの無機酸塩、若しくは、クエン酸、リン酸、ホウ酸などの有機酸又はこれらの有機酸塩である請求項１記載の金めっき液。
【請求項３】
緩衝剤は、コハク酸、リン酸、ホウ酸又はこれらの塩類である請求項１又は請求項２記載の金めっき液。
【請求項４】
安定剤は、２，２ビピルジル、１，１０フェナントロリン、ネオクプロインなどのピリジン系化合物、又は、イミダゾール、トリアゾールの誘導体である請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の金めっき液。
【請求項５】
請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の金めっき液を用いて、カソード電流密度０．３〜３．０Ａ／ｄｍ２の範囲でめっきを施す金めっき方法。
【請求項６】
半導体素子の端子面又は基板の電極面の少なくともいずれかにめっき処理によりバンプを設けた後、前記端子面と前記電極面とが対向するように前記半導体素子を前記基板上に載置し、端子と電極とを電気的に一括接続する回路基板の実装方法において、
請求項５に記載の金めっき方法により、表面に多数の針状突起が隆起するように前記バンプを形成して端子と電極とを接続する回路基板の実装方法。
【請求項７】
針状突起を１〜１０μｍの高さに形成して端子と電極とを接続する請求項６記載の回路基板の実装方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子の回路基板への実装方法、及びその実装方法で用いるバンプを製造するための金めっき液、並びにその金めっき液を用いた金めっき方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年のマルチメディア時代を反映した電子機器の小型化、高性能化は目覚しく、半導体素子の回路基板への実装技術についてもよりチップサイズに近い実装が可能な手法の確立が求められている。
【０００３】
このような中、近年注目されている回路基板の実装技術として、フリップチップ実装法がある。この方法は、半導体素子の入出力端子又は基板の電極の少なくともいずれか一方に、はんだ、金等からなるバンプ（突起電極）を形成し、端子と電極とが対向するように半導体素子をフェイスダウンして基板上に載置し、端子と電極とを電気的に一括接続する実装方法である。このフリップチップ方法は、ワイヤボンディングを行うことなく半導体素子を基板に実装することができることから、比較的簡易な方法であると共に、チップとほぼ同じサイズでのパッケージングを可能とし、回路基板の小型化、薄型化を測るのに有効な実装方法である。
【０００４】
そして、このフリップチップ実装法について今後主流になると考えられているのが、異方性導電膜を適用したフリップチップ実装方法である。図６は、異方性導電膜を用いたフリップチップ実装法を概略図示したものである。図６において、半導体素子１の表面には複数の端子２が形成されており、更にその表面にはバンプ３が形成されている。一方、基板４の表面には、前記した半導体素子１上の端子２の対応位置に電極５が設けられている。そして、半導体素子１を基板４に実装する際には、異方性導電膜６を半導体素子１と基板４とで挟持し、加熱・押圧することで異方性導電膜内に分散する導電粒子７をバンプ３と電極５とに圧着させている。このとき、バンプと電極とはこの導電粒子を介して電気的接続されているが、他の部分については導電性粒子は分散している状態であることから電気的に絶縁されているため、バンプ部分のみに導通が取れるようになっている。
【０００５】
しかしながら、図７（ａ）のように、バンプ３の表面の平坦度が不足している場合、バンプ３と電極５との接触面積に不足が生じることから、装置の安定的駆動の障害となることがある。この場合、異方性導電膜を用いても、導電粒子径以上の凹凸があれば、導電粒子によるバンプ３と電極５との電気的接続は不可能である。また、図７（ｂ）に示すように、バンプ３の高さ（厚さ）が不均一で各バンプ毎に異なり、局所的に膜厚が不足している場合にも、両者を電気的に接続することができないという問題がある。
【０００６】
このように、このフリップチップ実装方法においては、接続信頼性を確保するためにバンプ表面の平坦度及びバンプの高さの均一性について厳密に管理をする必要があるが、ミクロンオーダーでそれらを管理するのは容易ではない。特に、半導体素子の端子は、今後ますますファインピッチ化が図られることとなるものであり、より困難な膜厚管理が必要となると考えられることから接続信頼性の高い実装方法の開発が望まれる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、以上のような背景のもとなされてものであり、フリップチップ実装法について、厳密なバンプ性状の管理を行う必要のない回路基板の実装方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
かかる課題を解決すべく本発明者らは鋭意研究を行い、フリップチップ実装法においてバンプ形状に着目することで上記課題を解決するに至った、即ち、本願発明は、半導体素子の端子面又は基板の電極面の少なくともいずれかにめっき処理によりバンプを設けた後、前記端子と前記電極とが対向するように前記半導体素子を前記基板上に載置し、端子と電極とを電気的に一括接続する回路基板の実装方法において、表面に多数の針状突起が隆起するように前記バンプを形成して接続するものである。
【０００９】
本発明の回路基板の実装方法で適用するバンプにおいては、多数の針状突起先端が電極と接触することとなり、バンプ表面の平坦度の不足による点接触の状態に比べて高い接続安定性を得ることができる。即ち、図１に示すように、バンプ３の表面の突起の高さが不揃いであっても、半導体素子１を基板４に載置する際の半導体素子１の自重により、又は、半導体素子１を押圧することで、高さの大きい突起は変形するため、バンプ表面のほとんどの突起を電極と接触させて導通を確保することができる。
【００１０】
また、図２のように、バンプ毎の厚さが多少不均一であったとしても、本発明のように表面に細い針状突起を隆起させることで、厚さの大きい（突起高さの大きい）一部のバンプは、その表面の針状突起全体が変形するため、全ての針状バンプを電極面に接触させることができる。
【００１１】
以上のような効果は、半導体素子と基板との間に充填される樹脂中に導電粒子が存在するか否かによらず発揮される。即ち、本発明におけるバンプ形状は、異方性導電膜を用いる場合は勿論、導電粒子が分散されていない熱硬化性樹脂を用いた場合にも有効である。
【００１２】
ここで、この針状突起の高さについては、１〜１０μｍとするのが好ましい。この突起の高さがあまりに低いとバンプ毎の厚さが不均一である場合、上記突起の変形による調整ができなくな、逆に突起の高さを高くしすぎるとバンプ表面が粗くなりすぎた状態となり電極として不適合だからである。また、異方性導電膜を用いた場合、導電粒子の直径は２〜３μｍ程度であるので、突起高さが１〜１０μｍであれば、突起間に導電粒子を嵌入させつつバンプと電極との導通を確保することができる。
【００１３】
このように本発明の実装方法によれば、厳密なバンプの性状の管理を行うことなく高い接続信頼性の下、回路基板の実装を行うことができるが、そのためには表面が針状突起を有するバンプを確実に形成する必要がある。そこで、本発明者らは更なる研究を行い、適当なめっき液を用いてめっき処理にを行うことでバンプ形状を制御できることを見出した。
【００１４】
本願発明は、３価の金イオン化合物、キレート剤、伝導塩、緩衝剤、及び安定剤からなり、３価の金イオンを０．００５〜０．１２ｍｏｌ／ｌ含有し、キレート剤として０．２〜２．０ｍｏｌ／ｌのエチレンジアミン又は０．０５〜０．５ｍｏｌ／ｌのニトロトリ酢酸の少なくともいずれか一方を含有することを特徴とする金めっき液である。
【００１５】
このめっき液は、金バンプを製造するために、適当な濃度の金イオンと適当な種類のキレート剤を含有することを特徴とする。つまり、金イオン濃度を０．００５〜０．１２ｍｏｌ／ｌとし、キレート剤としてエチレンジアミン又はニトロトリ酢酸の少なくともいずれか一方を添加するものである。
【００１６】
ここで、金イオン濃度を０．００５〜０．１２ｍｏｌ／ｌとしたのは、０．００５ｍｏｌ／ｌ以下では、金の析出が生じ難くなり、また、０．１２ｍｏｌ／ｌ以上では表面に針状突起が生じなくなるためである。尚、このめっき液において添加する金化合物としては、溶液中で３価の金イオンとなるものであれば特に限定されるものではないが、例えば、塩化金酸（ＨＡｕＣｌ４）、水酸化金カリウム（ＫＡｕ（ＯＨ）４）等の化合物が適用できる。
【００１７】
また、本発明では、キレート剤としてエチレンジアミン又はニトロトリ酢酸を用いる。この２種の化合物を用いることで表面に針状突起が隆起した金バンプが形成される理由については、必ずしも明らかではないが、本発明者らの多くの試行の結果、この２種の化合物を適当量めっき液中に添加することで確実に所望の形状のバンプを形成することができる。そして、この添加するキレート剤の濃度は、エチレンジアミンを添加する場合は０．２〜２．０ｍｏｌ／ｌ、ニトロトリ酢酸を添加する場合は０．０５〜０．５ｍｏｌ／ｌ添加するのが好ましい。尚、この２種のキレート剤については、いずれか一方のみを添加しても、両方を同時に添加しても効果がある。
【００１８】
そして、このめっき液は、以下に説明する伝導塩、緩衝剤、及び安定剤を添加することでめっき操業を容易にし、効率的なバンプ形成を可能とする。
【００１９】
伝導塩とは、めっき液の電解液とするための導電性を確保するためのものであるが、この伝導塩としては、硫酸、塩酸、臭素酸などの無機酸又はこれらの無機酸塩、若しくは、クエン酸、リン酸、ホウ酸などの有機酸又はこれらの有機酸塩を用いる。また、その添加量としては、０．２〜３．０ｍｏｌ／ｌの範囲で添加するのが好ましい。０．２ｍｏｌ／ｌ以下ではめっき液として十分な導電性を確保することができず、また、３．０ｍｏｌ／ｌ以上ではめっき液中に溶解しなくなるからである。
【００２０】
また、緩衝剤とは、めっき液のｐＨの変動を抑制するために添加されるものであるが、この緩衝剤としては、コハク酸、リン酸、ホウ酸又はこれらの塩類を用いる。そして、その添加量としては、０．１〜１．０ｍｏｌ／ｌの範囲で添加するのが好ましい。０．１ｍｏｌ／ｌ以下の添加ではめっき液に対して十分な作用を及ぼすことができず、また、１．０ｍｏｌ／ｌ以上添加しても緩衝剤としての作用に変化はなく薬剤の無駄となるからである。
【００２１】
更に、安定剤とは、めっき処理中のめっき液の安定性を確保するために添加するものであるが、この安定剤としては、請求項６記載のように２，２−ビピルジル、１，１０−フェナントロリン、ネオクプロインなどのピリジン系化合物、又は、イミダゾール、トリアゾールの誘導体を用いる。そして、その添加量としては、1ｐｐｍ〜２ｇ/ｌの範囲で添加するのが好ましい。
【００２２】
そして、これらのめっき液を用いて、金バンプを形成する際には、ｐＨ３．０〜８．０、温度３０〜７０℃、カソード電流密度０．３〜３．０Ａ／ｄｍ２の範囲でめっきを施すのが好ましい。
【００２３】
カソード電流密度を０．３〜３．０Ａ／ｄｍ２の範囲としたのは、この範囲のカソード電流密度であれば、表面に振動突起が隆起しためっき膜を形成することができるからであり、０．３Ａ／ｄｍ２以下では金の析出が生じ難くなる一方、３．０Ａ／ｄｍ２以上では水素発生に伴い電流効率及びめっき電着性が悪化し、所望の形状のめっき膜が形成されないからである。
【００２４】
また、温度を３０〜７０℃とするのは、３０℃以下では析出速度が遅くなり実際の操業に適さず、７０℃以上ではめっき液の寿命を低下させることとなるからである。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の最良と思われる実施の形態について説明する。
【００２６】
第１実施形態：本実施形態においては、まず、金化合物として、塩化金酸、キレート剤としてエチレンジアミンを用い、更に伝導塩として硫酸塩、緩衝剤として酢酸、そして安定剤として１，１０−フェナントロリンを添加し、以下の組成のめっき液を建浴した。
【００２７】
金属塩：        ０．００５ｍｏｌ／ｌ（金イオンを基準とする）
キレート剤：    ０．２ｍｏｌ／ｌ
伝導塩：        １．０ｍｏｌ／ｌ
緩衝剤：        ０．２ｍｏｌ／ｌ
安定剤：        １０ｐｐｍ
【００２８】
そして、Ａｕ／Ｔｉ／Ｓｉ構造のＳｉウェハーにフォトレジストにてめっきエリアを形成したテスト用基板上に、このめっき液を用いて以下のめっき条件の下、金バンプを形成した。
【００２９】
温度：３０℃
ｐＨ：４．０
カソード電流密度：１．５Ａ／ｄｍ２
【００３０】
以上の条件の下、形成した金バンプについて、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いてその形態を観察したところ、図３のような形態のバンプが形成されたことが確認された。この図３からわかるように、本実施形態で形成したバンプには表面に針状突起が隆起しており、その形状も略等しいものであった。
【００３１】
そして、このバンプについて、テスト用電極と圧着して抵抗値を測定した所、１のバンプあたりで約６×１０−３Ωの抵抗値が得られた、この値は、通常の平坦なバンプと電極とを導電性粒子介在の下で接続した場合の値と同等のものであり、本実施形態にかかるバンプは実際のフリップチップ実装工程に用いても十分な接続信頼性が期待できることがわかった。
【００３２】
第２実施形態：本実施形態ではめっき液の組成及びめっき条件を変更し第１実施形態同様に金バンプを形成した。本実施形態で用いためっき液の組成は、以下の通りである。
【００３３】
金属塩：        ０．０６ｍｏｌ／ｌ（金イオンを基準とする）
キレート剤：    １．２ｍｏｌ／ｌ
伝導塩：        １．０ｍｏｌ／ｌ
緩衝剤：        ０．２ｍｏｌ／ｌ
安定剤：        １０ｐｐｍ
【００３４】
そして、めっき条件は以下の通りである。
【００３５】
温度：５０℃
ｐＨ：５．５
カソード電流密度：１．５Ａ／ｄｍ２
【００３６】
以上の条件の下で形成した金バンプについて、その形態を観察したところ、図４のような形態のバンプが形成されたことが確認された。本実施形態で形成されたバンプの針状突起のサイズは、第１実施形態のものと比べてやや小さかったが、第１実施形態と同様、略等しい形状の針状突起が表面に隆起したバンプが形成されていることが確認された。また、このバンプについても第１実施形態と同様に電極と接続した際の抵抗値の測定を行ったが、第１実施形態ととほぼ等しい値であり、十分な接続信頼性が期待できることがわかった。
【００３７】
第３実施形態：本実施形態で用いためっき液の組成は、以下の通りである。
【００３８】
金属塩：        ０．１２ｍｏｌ／ｌ（金イオンを基準とする）
キレート剤：    ２．０ｍｏｌ／ｌ
伝導塩：        １．０ｍｏｌ／ｌ
緩衝剤：        ０．２ｍｏｌ／ｌ
安定剤：        １０ｐｐｍ
【００３９】
そして、このめっき液を用いて、以下のめっき条件のもと金バンプを形成した。
【００４０】
温度：７０℃
ｐＨ：７．５
カソード電流密度：１．５Ａ／ｄｍ２
【００４１】
この条件の下で形成した金バンプについて、その形態を観察したところ、図５のような形態のバンプが形成されたことが確認された。本実勢形態で形成されたバンプの針状突起のサイズは第１及び第２実施形態のものと比べて小さく、３つの実施形態の中では最も小さかったが、やはり、略等しい形状の針状突起が表面に隆起したバンプが形成されていることが確認された。また、このバンプについても電極と接続した際の抵抗値は十分な低い値であった。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、半導体素子の端子面又は基板の電極面の少なくともいずれかに形成するバンプを所定形状に形成することで、バンプの性状を厳密に管理することなく高い接続信頼性の下半導体素子を基板に実装することができる。また、このバンプの形状を制御するためには、上記した所定組成のめっき液を用いて適当なめっき条件で容易に製造可能である。本発明は、今後一層ファインピッチ化が図られる半導体業界において、簡易に高効率で回路基板の実装を行うことのできる技術を提供するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】バンプ表面に針状突起を隆起させて実装させたときの状態を表す模式図。
【図２】バンプ表面に針状突起を隆起させて実装させたときの状態を表す模式図。
【図３】第１実施形態で形成したバンプ表面のＳＥＭ像。
【図４】第２実施形態で形成したバンプ表面のＳＥＭ像。
【図５】第３実施形態で形成したバンプ表面のＳＥＭ像。
【図６】異方性導電膜を用いたフリップチップ実装法の実装工程を表す模式図。
【図７】フリップチップ実装法において、バンプ平坦度及びバンプ高さが不適当な場合に生じる接続不良の状態を表す模式図。
【符号の説明】
１  半導体素子
２  端子
３  バンプ
４  基板
５  電極
６  異方性導電膜
７  導電粒子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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