JP2004311637A

JP2004311637A - 超音波フリップチップ接合用回路基板およびそれを用いた半導体装置の製造方法

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Publication number: JP2004311637A
Application number: JP2003101695A
Authority: JP
Inventors: Masashi Ogawa; 将志小川; Naoki Sakota; 直樹迫田; Koki Kitaoka; 幸喜北岡
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2003-04-04
Filing date: 2003-04-04
Publication date: 2004-11-04

Abstract

【課題】超音波フリップチップ接合に際し、超音波振動の印加方向に関らず回路基板の突起電極と半導体素子の電極との接合信頼性に優れる超音波フリップチップ接合用回路基板を提供する。
【解決手段】超音波フリップチップ接合用回路基板２０は、絶縁基材２１と、絶縁基材２１上に設けられ導電性材料からなる配線パターン２２と、配線パターン２２上に設けられる突起電極２３とを備え、さらに絶縁基材２１上には、配線パターン２２の突起電極２３が設けられる部位に連なり超音波が印加される方向２５に延びる拡張パターン２４が形成される。この拡張パターン２４を有する超音波フリップチップ接合用回路基板２０によれば、半導体素子上に突起電極２３に対応するように設けられる電極と突起電極２３との超音波接合によって、健全な電気的接合信頼性に優れる接合部を得ることができる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波フリップチップ接合用回路基板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置を製造するに際し、半導体素子を回路基板に短時間に効率良く接合する方法として、半導体素子に超音波振動を印加して接合する超音波フリップチップ接合法が知られている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００３】
図８は、従来技術の超音波フリップチップ接合法の概略を示す図である。図８を参照して従来技術の超音波フリップチップ接合法を説明する。絶縁基材１には配線パターン２が設けられ、さらに配線パターン２上には突起電極３が設けられて回路基板４が準備される。一方半導体素子５には、前述の配線パターン２上に設けられる突起電極３に対応するように電極６が設けられる。電極６の設けられた半導体素子５は、超音波振動を半導体素子５に伝達するヘッド７に装着され、電極６が回路基板４の突起電極３を臨むように位置合わせした後、矢符８方向に荷重を負荷し、電極６と突起電極３とを当接させる。その後ヘッド７を介して半導体素子５に矢符９に示す方向に超音波振動を印加し、半導体素子５の電極６と、絶縁基材１の配線パターン２上の突起電極３とを接合する。
【０００４】
しかしながら、従来技術には以下のような問題がある。図９は超音波フリップチップ接合される半導体装置１０の平面図であり、図１０は図９に示す切断面線Ｘ−Ｘから見た断面図であり、図１１は図９に示す切断面線ＸＩ−ＸＩから見た断面図である。
【０００５】
図９に示すように配線パターン２には、設計上、矢符９で示す超音波振動の印加方向（以後、振動を略して超音波印加方向と呼ぶ）に長手方向を有して延びる配線パターン２ａと、超音波印加方向に直交する方向に長手方向を有して延びる配線パターン２ｂとが形成される。なお配線パターンを総称する場合には、アルファベットを省き、個々の配線パターンについてはアルファベットａまたはｂを付して表す。図１０は配線パターン２ａ上に突起電極３が設けられた場合を表し、図１１は配線パターン２ｂ上に突起電極３が設けられた場合を表す。
【０００６】
図１０に示すように、突起電極３が配線パターン２ａ上に設けられるとき、突起電極３の配線パターン２ａに固設されている基底部分の超音波印加方向の長さＥＬに対し、配線パターン２ａは超音波印加方向に充分な長さを有している。一方図１１に示すように、突起電極３が配線パターン２ｂ上に設けられるとき、突起電極３の配線パターン２ｂに固設されている基底部分の超音波印加方向の長さＥＷと、配線パターン２ｂの超音波印加方向の長さＷ（配線パターン２ｂの短手方向の長さであるので、便宜上幅Ｗと呼ぶ）とは、ほとんど等しい。
【０００７】
図１０および図１１に示すような状態で、矢符９方向に超音波を印加し、半導体素子５の電極６と、回路基板４の突起電極３とを接合すると、配線パターン２ｂ上に突起電極３が設けられた場合に問題を生じる。図１２は超音波印加後の切断面線Ｘ−Ｘから見た断面図であり、図１３は超音波印加後の切断面線ＸＩ−ＸＩから見た断面図である。
【０００８】
図１２に示すように、突起電極３の前記基底部分の超音波印加方向の長さＥＬに対し、配線パターン２ａが超音波印加方向に充分な長さを有しているとき、超音波印加方向に対して、配線パターン２ａと絶縁基材１との接着界面が充分な広さと強度とを有するので、絶縁基材１、配線パターン２ａおよび突起電極３が一体的に挙動し、絶縁基板１により、配線パターン２ａおよび突起電極３がともに振動しにくくなる。したがって、突起電極３と電極６との当接面において、半導体素子５を介して伝達される超音波（振動）に基づく摩擦熱が充分に発生し、健全な接合が達成される。
【０００９】
一方図１３に示すように、突起電極３の前記基底部分の超音波印加方向の長さＥＷと配線パターン２ｂの幅Ｗとがほとんど等しいとき、超音波印加方向に対して、配線パターン２ｂと絶縁基材１との接着界面が狭くその強度も小さいので、半導体素子５を介して電極６に伝達される超音波に伴って、突起電極３および配線パターン２ｂがともに振動し、前記接着界面において摩擦熱が発生するようになる。したがって、突起電極３と電極６との当接面において超音波に基づく摩擦熱が充分に発生しないので、突起電極３と電極６とが接合不良を生じ、また甚だしい場合には、絶縁基材１と配線パターン２ｂとの界面が剥離し、配線パターン２ｂが、絶縁基材１の中に沈むという現象が発生するという問題がある。
【００１０】
【特許文献１】
特開２００２−２８９６４４号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、超音波フリップチップ接合に際し、超音波振動の印加方向に関らず回路基板の突起電極と半導体素子の電極との接合信頼性に優れる超音波フリップチップ接合用回路基板およびそれを用いる半導体装置の製造方法を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、絶縁基材と、絶縁基材上に設けられ導電性材料からなる配線パターンと、配線パターン上に設けられる突起電極とを備え、半導体素子上に前記突起電極に対応するように設けられる電極と前記突起電極とが当接された状態で超音波印加されることによって接合される超音波フリップチップ接合用回路基板において、
前記絶縁基材上には、前記配線パターンの前記突起電極が設けられる部位に連なり超音波が印加される方向に延びる拡張パターンが形成されることを特徴とする超音波フリップチップ接合用回路基板である。
【００１３】
本発明に従えば、超音波フリップチップ接合用回路基板は、絶縁基材と、絶縁基材上に設けられ導電性材料からなる配線パターンと、配線パターン上に設けられる突起電極とを備え、絶縁基材上には、配線パターンの突起電極が設けられる部位に連なり超音波が印加される方向に延びる拡張パターンが形成される。配線パターンの突起電極が設けられる部位に連なり超音波が印加される方向に延びる拡張パターンを形成することによって、配線パターンの超音波印加方向の長さが、突起電極の配線パターンに固設される基底部分の超音波印加方向の長さにほとんど等しくて短いときであっても、超音波印加方向に対して、配線パターンおよび拡張パターンと絶縁基材との接着界面に、充分な広さと強度とを付与することができる。したがって、半導体素子および電極に超音波を印加するとき、絶縁基材、配線パターンおよび拡張パターンならびに突起電極が一体的に挙動することができ、突起電極が振動しにくくなるので、突起電極と電極との当接面において超音波に基づく摩擦熱が充分に発生し、健全な接合が達成される。
【００１４】
また本発明は、前記拡張パターンは、
前記配線パターンを介して対向するように形成され、
前記配線パターンをも含める超音波印加方向における長さが、前記突起電極の超音波印加方向における長さの１．８倍以上であることを特徴とする。
【００１５】
本発明に従えば、拡張パターンは、配線パターンを介して対向するように形成され、配線パターンをも含める超音波印加方向における長さが、突起電極の超音波印加方向における長さの１．８倍以上になるように設定される。このことによって、配線パターンおよび拡張パターンと絶縁基材との界面接着強度が確実に保たれるので、突起電極と電極との健全な接合を達成することができる。
【００１６】
また本発明は、前記の超音波フリップチップ接合用回路基板と、電極の設けられた半導体素子とを準備し、
超音波フリップチップ接合用回路基板に設けられた突起電極と、半導体素子に設けられた電極とを当接し、
突起電極と電極とを当接した状態で超音波を印加することによって接合することを特徴とする超音波フリップチップ接合用回路基板を用いた半導体装置の製造方法である。
【００１７】
本発明に従えば、前記の超音波フリップチップ接合用回路基板と、電極の設けられた半導体素子とを準備し、超音波フリップチップ接合用回路基板に設けられた突起電極と、半導体素子に設けられた電極とを当接し、超音波を印加することによって接合し、半導体装置を製造する。このことによって、超音波の印加方向に関らず、突起電極と電極との電気的接合信頼性の高い半導体装置を実現することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の実施の一形態である超音波フリップチップ接合用回路基板２０の構成を簡略化して示す部分平面図であり、図２は図１の切断面線ＩＩ−ＩＩから見た断面図である。超音波フリップチップ接合用回路基板２０（以後、回路基板２０と略称する）は、絶縁基材２１と、絶縁基材２１上に設けられ導電性材料からなる配線パターン２２と、配線パターン２２上に設けられる突起電極２３とを備え、絶縁基材２１上には、配線パターン２２の突起電極２３が設けられる部位に連なり超音波が印加される方向に延びる拡張パターン２４が形成される。本実施の形態では、拡張パターン２４は、配線パターン２２を介して対向するように２つ（２４ａ，２４ｂ）形成される。なお、拡張パターンを総称する場合には添字を省いて表し、個々の拡張パターンについては添字を付して表す。
【００１９】
このように構成される回路基板２０は、図示を省略する半導体素子上に突起電極２３に対応するように設けられる電極と、突起電極２３とが当接された状態で、超音波印加されることによって接合されて半導体装置を構成する。
【００２０】
絶縁基材２１は、たとえばエポキシ樹脂や液晶ポリマーなどからなる有機基板であり、その構成は、単層、両面２層、多層のいずれであってもよい。配線パターン２２に用いる素材には、導電性材料が用いられるけれども、金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）などの金属材料が好ましい。絶縁基材２１上への配線パターン２２の形成には、公知の方法であるＣＶＤ（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、ＰＶＤ（ＰｈｙｓｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、めっき法などを用いることができる。
【００２１】
拡張パターン２４ａ，２４ｂは、本実施の形態では、配線パターン２２と同一の素材を用いて、配線パターン２２の形成と同時に同様の方法によって、絶縁基材２１上に配線パターン２２を介して対向するように形成される。個々の拡張パターン２４ａ，２４ｂは、平面投影形状が三角形に形成され、三角形の一辺において配線パターン２２に連なり、矢符２５で示す超音波印加方向に延びる。ここで、配線パターン２２の超音波印加方向の長さである幅Ｗと、拡張パターン２４の超音波印加方向に延びる長さＬａ，Ｌｂとを加算した長さをＬ１（＝Ｗ＋Ｌａ＋Ｌｂ）とする。
【００２２】
配線パターン２２上に設けられる突起電極２３は、本実施の形態では、Ｃｕを用いてめっき法により直方体形状に形成される。突起電極２３の表層には、さらにめっき法によってニッケル（Ｎｉ）およびＡｕ層が形成される。ここで、突起電極２３の超音波印加方向の長さをＬ２とする。
【００２３】
突起電極２３と半導体素子に設けられる電極とに超音波を印加して一層健全な接合部を得るためには、前記長さＬ１と長さＬ２との間に、特定の関係を設定することが好ましい。たとえば、突起電極２３の高さと配線パターン２２の厚みとを加算した高さＨが２０〜３０μｍ、突起電極２３の前記長さＬ２が４０〜６０μｍであり、絶縁基材２１に弾性率：７００ｋｇｆ／ｍｍ^２であるガラスエポキシを用いる場合、長さＬ１は、長さＬ２の１．８倍以上（Ｌ１≧１．８Ｌ２）に設定されることが好ましい。また絶縁基材２１に前述のガラスエポキシよりも弾性率の小さい液晶ポリマー（弾性率：６００ｋｇｆ／ｍｍ^２）が用いられる場合、長さＬ１は、長さＬ２の２．０倍以上（Ｌ１≧２．０Ｌ２）に設定されることが好ましい。絶縁基材２１に用いられる素材の弾性率が大きくなるのに伴って、前記長さＬ２に対する前記長さＬ１の比を小さくすることができるけれども、弾性率の高い材料選択にも限界があるので、前記長さＬ２に対する前記長さＬ１の比を１．８倍以上に設定することが望ましい。
【００２４】
また拡張パターン２４ａ，２４ｂの配線パターン２２に連なる部分の長さであって、超音波印加方向に直交する方向の長さＬ３は、突起電極２３の超音波印加方向の長さＬ２の約２倍になるように形成されるとともに、拡張パターン２４ａと拡張パターン２４ｂとにおいて、等しい長さになるように形成されることが好ましい。さらに拡張パターン２４が形成される場合、互いに隣接する配線パターン２２が拡張パターン２４によって接触、すなわち電気的な短絡を生じないようにしなければならないので、たとえば配線パターン２２の形成ピッチが１５０μｍである場合、隣接する拡張パターン同志の間隔を、２０μｍ以上設けることが好ましい。
【００２５】
このように構成される回路基板２０では、配線パターン２２の幅Ｗが、突起電極２３の超音波印加方向の長さＬ２にほとんど等しくて短いときであっても、超音波印加方向に対して、配線パターン２２および拡張パターン２４と絶縁基材２１との接着界面に、充分な広さと強度とを付与することができる。したがって、半導体素子および電極に超音波を印加するとき、絶縁基材２１、配線パターン２２および拡張パターン２４ならびに突起電極２３が一体的に挙動することができ、突起電極２３が振動しにくくなるので、突起電極２３と電極との当接面において超音波による摩擦熱が充分に発生し、健全な接合が達成され、電気的接合信頼性の高い半導体装置を実現することができる。
【００２６】
図３は、他の回路配線に接続されていない配線パターン２２を示す平面図である。他の回路配線に接続されていない、いわゆる浮きパターンを形成する場合についても、前述の図１および図２に示す回路基板２０と同様に構成される。
【００２７】
図４〜図７は、本発明の実施の他の形態である回路基板の構成を簡略化して示す部分平面図である。図４〜図７の回路基板は、拡張パターン２４に関する種々の変形を例示するものであり、実施の第１形態の回路基板２０に類似し、対応する部分については同一の参照符号を付して説明を省略する。なお図４〜図７では、絶縁基材２１の図示を省略している。
【００２８】
図４に示す回路基板では、拡張パターン２４ｃ１，２４ｃ２の平面投影形状が、半楕円形状になるように形成される。図５に示す回路基板では、拡張パターン２４ｄ１，２４ｄ２の平面投影形状が、半長円形状になるように形成される。図６に示す回路基板では、拡張パターン２４ｅ１，２４ｅ２の平面投影形状が、長方形になるように形成される。
【００２９】
図７に示す回路基板では、配線パターン２２を介して対向するように形成される拡張パターン２４が、配線パターン２２の片側にそれぞれ２個ずつ形成される。個々の拡張パターン２４ｆ１，２４ｆ２，２４ｆ３，２４ｆ４は、平面投影形状が長円の一方の円弧を欠く形状を有し、前述の円弧を欠く方の端部において配線パターン２２に連なるように形成される。
【００３０】
図４〜図７に示すように拡張パターン２４の形状および寸法は、特に限定されることはなく、半導体素子および電極に超音波を印加するとき、絶縁基材２１、配線パターン２２および拡張パターン２４ならびに突起電極２３が一体的に挙動することができ、突起電極２３が振動しにくくなり、突起電極２３と電極との健全な接合が達成されるという目的の範囲内で選定されてよい。
【００３１】
しかしながら、実施の第１形態の回路基板２０の構成について述べたように、配線パターン２２の幅Ｗと、拡張パターン２４の超音波印加方向に延びる長さＬａ，Ｌｂとを加算した長さＬ１は、突起電極２３の超音波印加方向の長さＬ２の１．８倍以上になるように形成され、拡張パターン２４の配線パターン２２に連なる部分の長さＬ３は、前記長さＬ２のほぼ２倍になるように形成され、配線パターン２２を介して対向する拡張パターン２４は、ほぼ同一の形状になるように形成されることが、好ましい。
【００３２】
【発明の効果】
本発明によれば、超音波フリップチップ接合用回路基板は、絶縁基材と、絶縁基材上に設けられ導電性材料からなる配線パターンと、配線パターン上に設けられる突起電極とを備え、絶縁基材上には、配線パターンの突起電極が設けられる部位に連なり超音波が印加される方向に延びる拡張パターンが形成される。配線パターンの突起電極が設けられる部位に連なり超音波が印加される方向に延びる拡張パターンを形成することによって、配線パターンの超音波印加方向の長さが、突起電極の配線パターンに固設される基底部分の超音波印加方向の長さにほとんど等しくて短いときであっても、超音波印加方向に対して、配線パターンおよび拡張パターンと絶縁基材との接着界面に、充分な広さと強度とを付与することができる。したがって、半導体素子および電極に超音波を印加するとき、絶縁基材、配線パターンおよび拡張パターンならびに突起電極が一体的に挙動することができ、突起電極が振動しにくくなるので、突起電極と電極との当接面において超音波に基づく摩擦熱が充分に発生し、健全な接合が達成される。
【００３３】
また本発明によれば、拡張パターンは、配線パターンを介して対向するように形成され、配線パターンをも含める超音波印加方向における長さが、突起電極の超音波印加方向における長さの１．８倍以上になるように設定される。このことによって、配線パターンおよび拡張パターンと絶縁基材との界面接着強度が確実に保たれるので、突起電極と電極との健全な接合を達成することができる。
【００３４】
また本発明によれば、前記の超音波フリップチップ接合用回路基板と、電極の設けられた半導体素子とを準備し、超音波フリップチップ接合用回路基板に設けられた突起電極と、半導体素子に設けられた電極とを当接し、超音波を印加することによって接合し、半導体装置を製造する。このことによって、超音波の印加方向に関らず、突起電極と電極との電気的接合信頼性の高い半導体装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態である超音波フリップチップ接合用回路基板２０の構成を簡略化して示す部分平面図である。
【図２】図１の切断面線ＩＩ−ＩＩから見た断面図である。
【図３】他の回路配線に接続されていない配線パターン２２を示す平面図である。
【図４】回路基板の拡張パターン２４に関する変形を例示する部分平面図である。
【図５】回路基板の拡張パターン２４に関する変形を例示する部分平面図である。
【図６】回路基板の拡張パターン２４に関する変形を例示する部分平面図である。
【図７】回路基板の拡張パターン２４に関する変形を例示する部分平面図である。
【図８】従来技術の超音波フリップチップ接合法の概略を示す図である。
【図９】超音波フリップチップ接合される半導体装置１０の平面図である。
【図１０】図９に示す切断面線Ｘ−Ｘから見た断面図である。
【図１１】図９に示す切断面線ＸＩ−ＸＩから見た断面図である。
【図１２】超音波印加後の切断面線Ｘ−Ｘから見た断面図である。
【図１３】超音波印加後の切断面線ＸＩ−ＸＩから見た断面図である。
【符号の説明】
２０超音波フリップチップ接合用回路基板
２１絶縁基材
２２配線パターン
２３突起電極
２４拡張パターン

Claims

絶縁基材と、絶縁基材上に設けられ導電性材料からなる配線パターンと、配線パターン上に設けられる突起電極とを備え、半導体素子上に前記突起電極に対応するように設けられる電極と前記突起電極とが当接された状態で超音波印加されることによって接合される超音波フリップチップ接合用回路基板において、
前記絶縁基材上には、前記配線パターンの前記突起電極が設けられる部位に連なり超音波が印加される方向に延びる拡張パターンが形成されることを特徴とする超音波フリップチップ接合用回路基板。
前記拡張パターンは、
前記配線パターンを介して対向するように形成され、
前記配線パターンをも含める超音波印加方向における長さが、前記突起電極の超音波印加方向における長さの１．８倍以上であることを特徴とする請求項１記載の超音波フリップチップ接合用回路基板。
請求項１または２記載の超音波フリップチップ接合用回路基板と、電極の設けられた半導体素子とを準備し、
超音波フリップチップ接合用回路基板に設けられた突起電極と、半導体素子に設けられた電極とを当接し、
突起電極と電極とを当接した状態で超音波を印加することによって接合することを特徴とする超音波フリップチップ接合用回路基板を用いた半導体装置の製造方法。