(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子をプリント回路基板に配置してそれぞれの電極同士を電気的に接続するに際して、
半導体素子の電極に形成された突起電極にのみ電極接合用の絶縁性の熱硬化性樹脂を転写供給し、
プリント回路基板の所定の位置に設置し前記熱硬化性樹脂を加熱して硬化させ電極同士を接合する
ことを特徴とする半導体実装方法。
【請求項２】
半導体素子をプリント回路基板に配置した時に、電極の接合部を所定温度に加熱するとともに、所定荷重を付加して電極同士を圧接する
ことを特徴とする請求項１記載の半導体実装方法。
【請求項３】
接合部に超音波エネルギーを付加して電極同士を拡散接合する
ことを特徴とする請求項２記載の半導体実装方法。
【請求項４】
半導体素子をプリント回路基板に設置してそれぞれの電極同士を電気的に接続する半導体実装装置において、
半導体素子を保持して転写台に接近させ電極に形成された突起電極にのみ電極接合用の絶縁性の熱硬化性樹脂を転写供給するとともに、この半導体素子をプリント回路基板上の所定位置に配置して電極同士を圧接し接合する作業装置を設け、
前記作業装置に、熱硬化性樹脂を硬化させる加熱手段を設けた
ことを特徴とする半導体実装装置。
【請求項５】
電極の接合部に超音波エネルギーを付加して電極同士を拡散接合する超音波照射手段を設けた
ことを特徴とする請求項４記載の半導体実装装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子とプリント回路基板を電気的に接合する半導体実装方法および装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電子機器の小型化、軽量化の要求に伴い、搭載される電子部品にも小型化が要求されるようになってきた。これを実現する手段として、従来のリード付き電子部品に変わりリードのない表面実装型の電子部品が採用されるようになった。また、さらに電子部品の占有面積を縮小するためにＩＣパッケージにかわり半導体素子を直接プリント回路基板上に搭載する半導体実装の分野の進展が著しい。
【０００３】
半導体実装においては電極部が形成された面を上にして基板に搭載し、半導体素子上の電極とプリント回路基板を金線やアルミ線で接続するワイヤボンディング方式と、電極面を下側にして搭載するフリップチップ実装方式がある。
【０００４】
後者のフリップチップ実装工法は、図６（ａ）に示すように、半導体素子１に設けられた電極２と、プリント回路基板５に設けられた電極６との電気的接合を得るために、半導体素子１の表面に形成された電極２上に接合用の突起電極(以下スタッドバンプと呼ぶ)３を形成する。そして、スタッドバンプ形成後、図６（ｂ）に示すように、半導体素子１のスタッドバンプ３の形成面を下側にして下降させ、転写台８に設けられた導電性接着剤４の膜にスタッドバンプ３の中央突起部が浸漬するように接触させる。次いで半導体素子１を引き上げると、表面張力により導電性接着剤４がスタッドバンプ３に転写される。
【０００５】
次に、図６(ｃ)に示すように、常温下で半導体素子１をプリント回路基板５の所定の位置に正確に位置決めして、スタッドバンプ３がプリント基板５の電極６に当接するように配置し、プリント回路基板５全体を適切な温度で加熱して導電性接着剤４を硬化させる。硬化させた後、プリント回路基板５全体を常温に冷却する。
【０００６】
次に再び、プリント回路基板５全体を適切な温度に加熱し、エポキシ等の熱硬化性樹脂からなる封止樹脂７を半導体素子１とプリント回路基板５の間に注入する。注入した後、プリント回路基板５全体を適切な温度に加熱し、封止樹脂７を硬化させる。これにより、フリップチップ実装工法が完了する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来方法では、半導体素子の電極とプリント回路基板の電極との接合部における導電性接着剤の硬化と、注入された封止樹脂７の硬化のために、２度の熱履歴が加わってしまう。それに加えて、導電性接着剤の接着強度は非常に小さい。
【０００８】
このため、２度の硬化工程で半導体素子とプリント回路基板との接合部への熱付加による熱ストレスが生じ、接合部の導電性接着剤にクラックが発生して、電気的接合が損なわれることがあった。
【０００９】
また、２度の硬化工程に要する時間が約１．５〜６時間と長いため、品質のフィードバックが遅いということも問題となっている。
そこで本発明は、上記の問題を解決できる半導体実装方法および半導体実装装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明は、半導体素子をプリント回路基板に配置してそれぞれの電極同士を電気的に接続するに際して、半導体素子の電極に形成された突起電極にのみ電極接合用の絶縁性の熱硬化性樹脂を転写供給し、プリント回路基板の所定の位置に設置して前記熱硬化性樹脂を加熱して硬化させ電極同士を接合するものである。
【００１１】
本発明によれば、工程中の温度付加工程を最小限にできて接合部への熱ストレスを抑制し、かつリードタイムを短縮することができて、高品質な半導体実装を実現することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明に係る請求項１記載の半導体実装方法は、半導体素子をプリント回路基板に配置してそれぞれの電極同士を電気的に接続するに際して、半導体素子の電極に形成された突起電極にのみ電極接合用の絶縁性の熱硬化性樹脂を転写供給し、プリント回路基板の所定の位置に設置し前記熱硬化性樹脂を加熱して硬化させ電極同士を接合するものである。上記方法によれば、導電性接着剤を用いず、熱硬化性樹脂を直接突起電極へ転写供給することで、温度付加工程を、熱硬化性樹脂の硬化に要する短時間とすることができて、接合部への熱ストレス(内部応力)を抑制し、接合部の導電性を低下させることなく実装工程を簡素化でき、リードタイムを短縮することが可能となるので、信頼性の高い高品質な半導体実装を実現することができる。
【００１３】
請求項２記載の半導体実装方法は、請求項１の方法において、半導体素子をプリント回路基板に配置した時に、電極の接合部を所定温度に加熱するとともに、所定荷重を付加して電極同士を圧接するものである。上記方法によれば、請求項１の作用効果に加えて、適切な温度と荷重の付加により接合を完了するため、熱硬化性樹脂の硬化反応を短時間で行えると共に、適正な加圧力でスタッドバンプと電極とを圧接接合するので、接合部における熱ストレスを抑制できて、接合部の導電性を安定して確保することができ、信頼性の高い半導体実装を実現することができる。
【００１４】
請求項３記載の半導体実装方法は、請求項２の方法において、接合部に超音波エネルギーを付加して電極同士を拡散接合するものである。上記方法によれば、請求項２の作用効果に加えて、超音波エネルギーを付加し、接合部の電極を溶融しない程度に加熱して塑性変形を生じない程度に加圧することにより、接合面に生じる原子の拡散を利用して電極同士をより強固に安定した拡散接合することができる。したがって、接合部への熱ストレスを抑制して、さらに安定した高品質な半導体実装を実現することができる。
【００１５】
請求項４記載の半導体実装装置は、半導体素子をプリント回路基板に設置してそれぞれの電極同士を電気的に接続する半導体実装装置において、半導体素子を保持して転写台に接近させ電極に形成された突起電極にのみ電極接合用の絶縁性の熱硬化性樹脂を転写供給するとともに、この半導体素子をプリント回路基板上の所定位置にに配置して電極同士を圧接し接合する作業装置を設け、前記作業装置に、熱硬化性樹脂を硬化させる加熱手段を設けたものである。上記構成によれば、熱硬化性樹脂供給用の転写台および熱硬化性樹脂を硬化させる加熱手段を有する作業装置により、半導体素子の電極上に形成された突起電極への熱硬化性樹脂の供給、半導体素子のプリント回路基板への設置、熱硬化性樹脂の硬化が１台の装置で可能となり、実装工程を簡素化し、リードタイムを短縮することが可能となり、高品質な半導体実装を実現することができる。
【００１６】
請求項５記載の半導体実装装置は、請求項４記載の構成に加えて、電極の接合部に超音波エネルギーを付加して電極同士を拡散接合する超音波照射手段を設けたものである。上記構成によれば、超音波照射手段により超音波エネルギーを接合部に付加し、接合部の電極が溶融しない程度に加熱して塑性変形を生じない程度に加圧することで、接合面に生じる原子の拡散を利用してより強固に安定して電極同士を拡散接合することができる。したがって、接合部への熱ストレスを抑制して、さらに安定した高品質な半導体実装を実現することができる。
【００１７】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。なお、従来例と同一部材には同一符号を付して説明は省略する。
（実施の形態１）
図１および図２は本発明に係る半導体実装方法および装置の第１の実施の形態を示すものである。
【００１８】
この実装装置は、図２に示すように、樹脂供給部２２と実装部２３とに共通する作業装置(作業ツールともいう)２１を具備し、この作業装置２１により、図１(ａ)，（ｂ）に示すように、樹脂供給部２２では、半導体素子１の電極２に形成されたスタッドバンプ３に電極接合用の熱硬化性樹脂７を転写供給し、実装部２３では、プリント回路基板５の所定の位置に半導体素子１を正確に位置決めして配置し(以下実装という)、半導体素子１の電極３とプリント回路基板５の電極６とを接合するものである。
【００１９】
前記作業装置２１は、樹脂供給部２２と実装部２３との間でガイド装置２４を介して移動自在に設けられており、内蔵された昇降駆動装置により昇降自在な昇降ツール２５を具備している。この昇降ツール２５には、加熱手段である第１加熱装置２６が内蔵されるとともに、下面に保持具(図示せず)を介して半導体素子１を保持する保持プレート２７が設けられて所定の圧力で加圧することができる。
【００２０】
前記樹脂供給部２２には、転写台９に熱硬化性樹脂７が保持されている。また実装部２３には、プリント回路基板５を支持する支持テーブル２８が配置され、第２の加熱手段である第２加熱装置２９が内蔵されている。
【００２１】
上記構成の実装装置による実装方法を図１を参照して説明する。
樹脂供給部２１では、昇降ツール２５に保持プレート２７を介して半導体素子１が接合する電極２が下面となるように保持される。そして、昇降ツール２５が下降されて、半導体素子１の電極２上に形成されたスタッドバンプ３に熱硬化性樹脂７が転写供給される。そして、作業装置２１が実装部２３に移動され、支持テーブル２８上に保持されたプリント回路基板５に対応して、半導体素子１が接合位置に正確に位置決めされる。次いで昇降ツール２５が下降されてスタッドバンプ３がプリント回路基板５の電極６に所定の加圧力で圧接され、熱硬化性樹脂７が硬化されて実装が完了する。
【００２２】
この接合に際して、第１加熱装置２６と第２加熱装置２９により、接合部となる両電極２，６および熱硬化性樹脂７が所定の温度範囲１８０℃〜２５０℃に加熱される。これにより、熱硬化性樹脂７を短時間(たとえば１０秒以内)で硬化させて接合されるので、また半導体素子１やプリント回路基板５に内部応力が発生することがない。ここで接合部の加熱温度を１８０℃〜２５０℃の範囲としたのは、１８０℃未満では、熱硬化性樹脂７の硬化反応が遅く、硬化に長時間を要するためであり、また２５０℃を越えると半導体素子１に内部応力が発生して接合部の電気抵抗値が増大する恐れがあるからである。
【００２３】
また昇降駆動装置により、昇降ツール２５を介して接合部には、１９６〜７８４Ｎ(２０〜８０ｋｇｆ)の加圧力(荷重)が付与される。これにより、これらの接合部でスタッドバンプ３と電極６との接触する面積が安定して確保されるので、接合部の電気抵抗値のバラツキが抑制されて安定した接合ができる。ここで、接合時に付加される加圧力を１個のスタッドバンプ当たり１９６〜７８４Ｎの範囲としたのは、１９６Ｎ未満では、電極２(３)，６間の接触面積が不足して電気抵抗が高くなったり、接触面積にバラツキが生じて電気抵抗値が変化し、接合部の品質が安定しないからであり、また７８４Ｎを越えると、プリント回路基板５と半導体素子１のギャップが狭くなって信頼性が低下するからである。
【００２４】
上記実施の形態１によれば、導電性接着剤を用いず、熱硬化性樹脂７を直接スタッドバンプ３へ転写供給することで、熱硬化性樹脂による硬化接合に要する時間を極めて短縮することができて、半導体素子１やプリント回路基板５の熱ストレス(内部応力)の発生を防止することができる。また接合部における導電性が低下することなく、電極２，６を安定して接続することができる。これにより、実装工程を簡素化できるとともに、リードタイムを数秒(たとえば１０秒以内)に短縮することが可能となり、信頼性の高い高品質な半導体実装を実現することができる。
【００２５】
また適切な温度と加圧力の付加により接合を行うため、熱硬化性樹脂の硬化を短時間で行え、かつ接合部に熱ストレスが発生するのを防止することができる。また接合部の電気抵抗値を適正にかつ安定して確保することができて、信頼性の高い半導体実装を実現することができる。
【００２６】
さらに上記実装装置によれば、熱硬化性樹脂供給用の転写台および熱硬化性樹脂を硬化させる第１，第２加熱装置２６，２９を有する作業装置２１を設けたことで、樹脂供給部２２における半導体素子１の電極２上に形成されたスタッドバンプ３への熱硬化性樹脂７の供給、実装部２３における半導体素子１のプリント回路基板５への設置、熱硬化性樹脂７の硬化が１台の装置で可能となり、実装工程を簡素化し、リードタイムを短縮することが可能となり、高品質な半導体実装を実現することができる。
【００２７】
(実施の形態２)
実施の形態２は、図３に示すように、実装時に熱硬化性樹脂７が半導体素子１の回路形成面およびプリント回路基板５の電極６周囲の回路形成面に広がるように、熱硬化性樹脂７の転写量を多くし、さらに荷重を制御することで、接合部の強度を大きく確保したものである。実施の形態２によれば、熱硬化性樹脂７の転写量を多くすることで、より高品質な半導体実装を実現することができる。
【００２８】
(実施の形態３)
実施の形態３は、図４に示すように、熱硬化性樹脂７を硬化して接合後、半導体素子１とプリント回路基板５の間にエポキシ樹脂等の補強剤１１を注入するもものである。この実施の形態３によれば、接合部の強度をより大きくして、さらに高品質な半導体実装を実現することができる。もちろん、補強剤１１のための加熱、硬化時間も必要となるが、熱履歴や硬化工程に要する時間も、従来に比較して半減させることができる。
（実施の形態４）
この実施の形態４は、先の実施の形態１に加えて、昇降ツール２５に超音波照射手段である超音波発振装置１２を設けて、実装時に接合部に超音波を所定範囲の照射量だけ供給するように構成したものである。この超音波発振装置１２から接合部に供給される超音波エネルギーは、スタッドバンプ１個当たり５０〜２００ｍＷの範囲に設定され、超音波エネルギーにより接合部の電極３(２)，６を溶融しない程度に加熱するとともに、昇降駆動装置により昇降ツール２５を介して塑性変形を生じない程度にスタッドバンプ３を加圧することで、接合面に生じる原子の拡散を利用してより強固に安定して電極３，６同士を拡散接合することができる。
【００２９】
ここで超音波エネルギーの照射範囲を、スタッドバンプ１個当たり５０〜２００ｍＷとしたのは、５０ｍＷ未満では拡散接合が不可能であり、また２００ｍＷを越えると、プリント回路基板５や熱硬化性樹脂７にクラックが発生して破損しやすくなるためである。
【００３０】
上記実施の形態４によれば、超音波発振装置１２から接合部に向かって超音波エネルギーを、接合部の電極３，６が溶融しない程度に供給加熱するとともに、塑性変形を生じない程度に加圧することにより、半導体素子１の電極２のスタッドバンプ３とプリント回路基板５の電極６の接合面に生じる原子の拡散を利用して電極同士を拡散接合することができ、より強固に安定して接合することができる。したがって、接合部への熱ストレスをより効果的に抑制すると共に、リードタイムを短縮して、さらに安定した高品質な半導体実装を実現することができる。
【００３１】
なお、上記実施の形態１で示した実装装置は、作業装置２１を樹脂供給部２２と実装部２３との間で移動するように構成したが、作業装置２１を固定しておき、樹脂供給部２２の転写台９と実装部２３の支持テーブル２８とを作業装置２１の対応位置に往復移動する形式のものでもよい。
【００３２】
【発明の効果】
以上のように請求項１記載の半導体実装方法によれば、導電性接着剤を用いず、熱硬化性樹脂を直接突起電極へ転写供給することで、温度付加工程を、熱硬化性樹脂の硬化に要する短時間とすることができて、接合部への熱ストレス(内部応力)を抑制し、接合部の導電性を低下させることなく実装工程を簡素化でき、リードタイムを短縮することが可能となるので、信頼性の高い高品質な半導体実装を実現することができる。
【００３３】
請求項２記載の半導体実装方法によれば、請求項１の作用効果に加えて、適切な温度と荷重の付加により接合を完了するため、熱硬化性樹脂の硬化反応を短時間で行えると共に、適正な加圧力でスタッドバンプと電極とを圧接接合するので、接合部における熱ストレスを抑制できて、接合部の導電性を安定して確保することができ、信頼性の高い半導体実装を実現することができる。
【００３４】
請求項３記載の半導体実装方法によれば、請求項２の作用効果に加えて、超音波エネルギーを付加し、接合部の電極を溶融しない程度に加熱して塑性変形を生じない程度に加圧することにより、接合面に生じる原子の拡散を利用して電極同士をより強固に安定した拡散接合することができる。したがって、接合部への熱ストレスを抑制して、さらに安定した高品質な半導体実装を実現することができる。
【００３５】
請求項４記載の半導体実装装置によれば、熱硬化性樹脂供給用の転写台および熱硬化性樹脂を硬化させる加熱手段を有する作業装置により、半導体素子の電極上に形成された突起電極への熱硬化性樹脂の供給、半導体素子のプリント回路基板への設置、熱硬化性樹脂の硬化が１台の装置で可能となり、実装工程を簡素化し、リードタイムを短縮することが可能となり、高品質な半導体実装を実現することができる。
【００３６】
請求項５記載の半導体実装装置によれば、超音波供給手段により超音波エネルギーを接合部に付加し、接合部の電極が溶融しない程度に加熱して塑性変形を生じない程度に加圧することで、接合面に生じる原子の拡散を利用してより強固に安定して電極同士を拡散接合することができる。したがって、接合部への熱ストレスを抑制して、さらに安定した高品質な半導体実装を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る半導体実装装置による実装方法の実施の形態１を示し、(ａ)は樹脂供給作業の説明図、（ｂ）は実装作業を示す説明図である。
【図２】同半導体実装装置を示す構成図である。
【図３】本発明に係る実装方法の実施の形態２を示す実装作業の説明図である。
【図４】本発明に係る実装方法の実施の形態３を示す実装作業の説明図である。
【図５】本発明に係る実装方法および装置の実施の形態４を示す実装作業の説明図である。
【図６】従来の実装方法を示し、(ａ)は半導体素子の側面図、（ｂ）は樹脂供給作業を示す説明図、(ｃ)は実装作業を示す説明図、（ｄ）は補強作業を示す説明図である。
【符号の説明】
１    半導体素子
２    電極
３    スタッドバンプ
５    プリント回路基板
６    電極
７    熱硬化性樹脂
９    熱硬化性樹脂の転写台
１１    補強剤
２１    作業装置
２２    樹脂供給部
２３    実装部
２５    昇降ツール
２６    第１加熱装置
２７    保持プレート
２８    支持テーブル
２９    第２加熱装置
【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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