JP2006210621A - 半導体製品搭載回路基板、チップ部品搭載回路基板及びＳｉＰ - Google Patents

Abstract

【課題】 良好な電気伝導性を有する導電性接着剤を用い、良好な接続信頼性を有する半導体製品、チップ部品の回路基板への接続方法ならびに半導体製品搭載回路基板を提供する。
【解決手段】 半導体製品の電極と回路基板とを導電性接着剤を用いて接着してなる半導体製品搭載回路基板であって、加熱接着後の導電性接着剤の金属成分が９５重量％以上、全金属成分中に銀が５０重量％以上および粒径０．１μｍ以下である超微粒子金属粉を含み、導電性接着剤が３００℃で融解しないことを特徴とする半導体製品搭載回路基板。

Description

本発明は、半導体製品搭載回路基板、チップ部品搭載回路基板及びＳｉＰに関するものである。

環境対応の一環として半導体製品からの鉛撤廃が進められている中、半導体製品、半導体素子、チップ部品を回路基板に搭載する際に使用するＰｂ−Ｓｎ半田からＳｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系等の鉛フリー半田への置き換え検討が行われている（例えば、特許文献１参照）が、溶融接続時の温度の上昇又は接続信頼性の不足に基づく課題がすべて解決された状態ではなく、また融点以上の温度では再度融解し流動性を示すという欠点を有する。さらに樹脂ペーストを使用する試みも行われているが通常導電性樹脂ペーストは熱可塑性樹脂又は熱硬化性樹脂に銀粉等の導電性フィラーを分散させたもので接着剤層に有機物が残存するため、Ｐｂ−Ｓｎ半田又は鉛フリー半田に比較して導電性が劣るため使用できる範囲には限界があり、高電気伝導性を有しながら十分な接続信頼性を有しかつ鉛を含まないものは存在しなかった。

特開２００１−１４８３８８号公報

本発明は、鉛を含まずかつ良好な電気伝導性を有する導電性接着剤を用いて半導体製品又はチップ部品を回路基板に接続する方法ならびに半導体製品又はチップ部品搭載回路基板を提供するものである。

このような目的は、下記［１］〜［７］に記載の本発明により達成される。
［１］半導体製品の電極と回路基板とを導電性接着剤を用いて接着してなる半導体製品搭載回路基板であって、加熱接着後の導電性接着剤の金属成分が９５重量％以上、全金属成分中に銀が５０重量％以上および粒径０．１μｍ以下である超微粒子金属粉を含み、導電性接着剤が３００℃で融解しないことを特徴とする半導体製品搭載回路基板。
［２］チップ部品の電極と回路基板とを導電性接着剤を用いて接着してなるチップ部品搭載回路基板であって、加熱接着後の導電性接着剤の金属成分が９５重量％以上、全金属成分中に銀が５０重量％以上および粒径０．１μｍ以下である超微粒子金属粉を含み、導電性接着剤が３００℃で融解しないことを特徴とするチップ部品搭載回路基板。
［３］導電性接着剤を用いて半導体素子とチップ部品とが混在して搭載されるＳｉＰ（システムインパッケージ）であって、半導体素子とチップ部品の電極とＳｉＰ基板とを接着している加熱接着後の導電性接着剤の金属成分が９５重量％以上かつ全金属成分中に銀が５０重量％以上および粒径０．１μｍ以下である超微粒子金属粉を含み、導電性接着剤が３００℃で融解しないことを特徴とするＳｉＰ。
［４］加熱接着前の導電性接着剤の室温での粘度が５Ｐａ・ｓ以上１００Ｐａ・ｓ以下である第［１］〜［３］記載の回路基板又はＳｉＰ。
［５］加熱接着前の導電性接着剤が２００℃以下で揮発あるいは分解揮発する有機化合物と全金属成分の少なくとも５重量％が粒径０．１μｍ以下である超微粒子金属粉との混合物でかつ室温で液状であり、該導電性接着剤を回路基板又はＳｉＰ基板に塗布した後、半導体製品又はチップ部品をマウントし２５０℃以下で加熱処理することにより回路基板に半導体製品、チップ部品又は半導体素子とチップ部品と混載して搭載することを特徴とする接続方法。
［６］加熱接着前の導電性接着剤の室温での粘度が５Ｐａ・ｓ以上１００Ｐａ・ｓ以下である第［５］項記載の接続方法。
［７］第［５］又は［６］項記載の接続方法により作製された半導体製品搭載回路基板又はＳｉＰ。

本発明により、良好な電気伝導性を有する導電性接着剤により半導体製品、チップ部品を搭載した回路基板又はＳｉＰを提供することが可能となる。

本発明では、加熱接着後の導電性接着剤の金属成分が９５重量％以上、全金属成分中に銀が５０重量％以上および粒径０．１μｍ以下である超微粒子金属粉を含む導電性接着剤を用いて、半導体製品、チップ部品又は半導体素子とチップ部品とを回路基板に接着する。 これは導電性接着剤の金属成分が９５重量％以上、粒径０．１μｍ以下である超微粒子金属粉を含まなければ十分な電気伝導性を得られず、さらには全金属成分中に銀が５０重量％以上含まれることにより半田同等の電気伝導率を得ることが可能になるからである。また導電性接着剤が３００℃で融解しない必要があるが、これは３００℃より低い温度で融解する場合には、半導体製品又はチップ部品搭載時の加熱工程が複数回ある場合に一旦接続したものが再融解し位置ずれ、接続信頼性の低下の恐れがあるためである。

このような導電性接着剤としては、導電性接着剤が２００℃以下で揮発あるいは分解揮発する有機化合物と全金属成分の少なくとも５重量％が粒径０．１μｍ以下である超微粒子金属粉との混合物を使用する。該導電性接着剤を室温で回路基板のパッド部に塗布した後半導体製品又はチップ部品をマウントしその後２５０℃以下で加熱処理することにより形成する必要がある。これは通常塗布作業には、ディスペンス法、印刷法、スタンピング法などが用いられるため室温で液状である必要があり、２００℃以下で揮発あるいは分解揮発する有機化合物を配合することにより導電性接着剤塗布作業時には液状で加熱処理時に揮発することにより処理後の金属成分が９５重量％以上にすることが可能となる。また良好な導電性接着剤塗布作業のためには室温での粘度が５Ｐａ・ｓ以上１００Ｐａ・ｓ以下（Ｅ型粘度計で３度コーンを使用し、２５℃、２．５ｒｐｍでの値）である必要がある。これ以下では粘度が低すぎ液だれ等の問題が起こるとともに導電性接着剤の厚みが薄くなりすぎ十分な接着力を発揮し得ない場合がある。これ以上の場合には塗布量が不安定になり結果として導電性接着剤の厚みが不安定になる。導電性接着剤の厚みのばらつきは接着力のみならず電気伝導性のばらつきの原因となるので好ましくない。さらに２００℃以下で揮発温度しない有機化合物を使用した場合には加熱処理後にも導電性接着剤層に残留し接着力、熱伝導性、電気伝導性悪化の原因となるので好ましくない。

２００℃以下で揮発あるいは分解揮発する有機化合物とは、ヘキサン、２−メチルペンタン、２，２−ジメチルブタン、２，３−ジメチルブタン、ヘプタン、オクタン、２，２，３−トリメチルペンタン、イソオクタン、ノナン、２，２，５−トリメチルヘキサン、デカン、１−ヘキセン、１−ヘプテン、１−オクテン、１−ノネン、１−デセン、エチルベンゼン、クメン、メシチレン、ブチルベンゼン、ｐ−シメン、ジエチルベンゼン、メチルシクロペンタン、シクロヘキサン、メチルシクロヘキサン、エチルシクロヘキサン、ｐ−メンタン、シクロヘキセン、α−ピネン、ジペンテン、デカリン、メタノール、エタノール、１−プロパノール、２−プロパノール、１−ブタノール、２−ブタノール、イソブチルアルコール、ｔｅｒｔ−ブチルアルコール、１−ペンタノール、２−ペンタノール、３−ペンタノール、２−メチル−１−ブタノール、イソペンチルアルコール、ｔｅｒｔ−ペンチルアルコール、３−メチル−２−ブタノール、ネオペンチルアルコール、１−ヘキサノール、２−メチル−１−ペンタノール、４−メチル−２−ペンタノール、２−エチル−１−ブタノール、１−ヘプタノール、２−ヘプタノール、３−ヘプタノール、１−オクタノール、２−オクタノール、２−エチル−１−ヘキサノール、３，５，５−トリメチル−１−ヘキサノール、シクロヘキサノール、１−メチルシクロヘキサノール、２−メチルシクロヘキサノール、３−メチルシクロヘキサノール、４−メチルシクロヘキサノール、アビエチノール、１，２−エタンジオール、１，２−プロパンジオール、１，２−ブタンジオール、２−メチル−２，４−ペンタンジオール、ジプロピルエーテル、ジイソプロピルエーテル、ジブチルエーテル、アニソール、フェネトール、メトキシトルエン、ベンジルエチルエーテル、２−メチルフラン、テトラヒドロフラン、テトラヒドロピラン、１，２−ジメトキシエタン、１，２−ジエトキシエタン、ジエチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールジエチルエーテル、アセタール、アセトン、メチルエチルケトン、２−ペンタノン、３−ペンタノン、２−ヘキサノン、メチルイソブチルケトン、２−ヘプタノン、４−ヘプタノン、ジイソブチルケトン、アセトニルアセトン、メシチルオキシド、ホロン、シクロヘキサノン、メチルシクロヘキサノン、プロピオン酸、酪酸、イソ酪酸、ピバル酸、吉草酸、イソ吉草酸、２−エチル酪酸、プロピオン酸無水物、酪酸無水物、ギ酸エチル、ギ酸プロピル、ギ酸ブチル、ギ酸イソブチル、ギ酸ペンチル、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸プロピル、酢酸イソプロピル、酢酸ブチル、酢酸イソブチル、酢酸ｓｅｃ−ブチル、酢酸ペンチル、酢酸イソペンチル、３−メトキシブチルアセタート、酢酸ｓｅｃ−ヘキシル、２−エチルブチルアセタート、２−エチルヘキシルアセタート、酢酸シクロヘキシル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、プロピオン酸ブチル、プロピオン酸イソペンチル、酪酸メチル、酪酸エチル、酪酸ブチル、酪酸イソペンチル、イソ酪酸イソブチル、２−ヒドロキシ−２−メチルプロピオン酸エチル、イソ吉草酸エチル、イソ吉草酸イソペンチル、安息香酸メチル、シュウ酸ジエチル、マロン酸ジエチル、エチレングリコールモノアセタート、二酢酸エチレン、モノアセチン、炭酸ジエチル、ニトロメタン、ニトロエタン、１−ニトロプロパン、２−ニトロプロパン、アセトニトリル、プロピオニトリル、ブチロニトリル、イソブチロニトリル、バレロニトリル、ベンゾニトリル、ジエチルアミン、トリエチルアミン、ジプロピルアミン、ジイソプロピルアミン、ジブチルアミン、ジイソブチルアミン、アニリン、Ｎ−メチルアニリン、Ｎ，Ｎ−ジメチルアニリン、ピロール、ピペリジン、ピリジン、α−ピコリン、β−ピコリン、γ−ピコリン、２，４−ルチジン、２，６−ルチジン、Ｎ−メチルホルムアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、Ｎ，Ｎ−ジエチルホルムアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド、２−メトキシメタノール、２−エトキシメタノール、２−（メトキシメトキシ）エタノール、２−イソプロポキシエタノール、２−ブトキシエタノール、２−（シオペンチルオキシ）エタノール、フルフリルアルコール、テトラヒドロフルフリルアルコール、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、１−メトキシ−２−プロパノール、１−エトキシ−２−プロパノール、ジプロピレングリコールモノメチルエーテル、ジプロピレングリコールモノエチルエーテル、ジアセトンアルコール、２−（ジメチルアミノ）エタノール、２−（ジエチルアミノ）エタノール、モルホリン、Ｎ−エチルモルホリン、乳酸メチル、乳酸エチル、乳酸ブチル、乳酸ペンチル、２−メトキシエチルアセタート、２−エトキシエチルアセタート、２−ブトキシエチルアセタート、アセト酢酸メチル、アセト酢酸エチルなどが挙げられる。好ましくはジエチレングリコールジメチルエーテル、シクロヘキサノンなどである。

また粒径０．１μｍ以下である超微粒子金属粉を全金属成分中少なくとも５重量％使用するが、これは金属粒子の微粒子化に伴う融点降下を利用して粒子同士を融着するためで、これ以下の場合には十分な融着が起こらないため十分な接着性、電気伝導性を得ることができない。さらに好ましくは超微粒子金属粉として０．０２μｍ以下の銀粉が使用される。
超微粒子金属粉のみを使用しても、ミクロンオーダーの金属粉と併用しても差し支えなく、また銀粉のみを使用してもアルミニウム、銅、パラジウム、錫、ニッケルなどの金属粉と併用しても融着後の融点が３００℃より低くならなければ差し支えない。

以下、半導体製品搭載回路基板、ＳｉＰについて説明するが、以下に記載したものは一例であり、これらに限定されるものではない。
半導体製品搭載回路基板は、例えばＩＣ、ＬＳＩ、ダイオードなどの半導体製品を導電性接着剤を用いて回路パターンが形成されたガラスエポキシ、ＢＴ、セラッミック等の基板に接続したものである。
ＳｉＰ（システムインパッケージ）は、回路パターンが形成された回路基板の一面上に、システムを構成するベアチップ状の能動素子、チップコンデンサ、チップ抵抗、チップインダクタ等の受動素子を導電性接着剤を用いて表面実装し、この搭載部を樹脂で封止し、パッケージとするものである。
回路基板に半導体製品、半導体素子、受動素子を搭載する方法としては、回路基板のパッド部（電極部）に本発明の導電性接着剤をディスペンス、スクリーン印刷などの方法により塗布し半導体製品、半導体素子、受動素子をマウント、加熱硬化することによるなどがある。

［実施例１、２、３］
超微粒子銀粉として平均粒径０．０５μｍのイソプロピルアルコール分散液（銀含有率５０重量％、以下超微粒子銀粉分散液）を、銀粉として平均粒径３μｍ、最大粒径２０μｍのフレーク状のもの（以下銀粉）を、アルミニウム粉として平均粒径１０〜１５μｍのフレーク状のもの（以下アルミニウム粉）を使用した。ジエチレングリコールジメチルエーテル（沸点約１６０℃）、シクロヘキサノン（沸点約１５５℃）を表１のように配合し、３本ロールを用いて混練し、脱泡することで導電性接着剤を得た。配合割合は重量部である。
［比較例１、２］
表１に示す割合で配合し実施例１と同様に導電性接着剤を得た。
［比較例３］
ポリエチレングリコール（日本油脂（株）製、＃２００、平均分子量２０２）を使用する以外は実施例１と同様に導電性接着剤を作製した。
得られた導電性接着剤、回路基板およびＳｉＰを以下の方法により評価した。評価結果を表１に示す。

評価方法
・粘度：Ｅ型粘度計（３°コーン）を用い２５℃、２．５ｒｐｍでの値を導電性接着剤作製直後に測定した。作製直後の粘度が５〜１００Ｐａ．ｓの範囲内の場合を合格とした。
・体積抵抗率：ガラスプレート上に幅４ｍｍ、厚み約１０μｍになるように塗布し２００℃６０分加熱処理後長さ方向４０ｍｍの抵抗値を測定し、体積抵抗率を算出した。体積抵抗率が３×１０^-5Ω・ｃｍ以下のものを合格とした。
・金属含有率：ガラスプレート上に幅４ｍｍ、厚み約１０μｍになるように塗布し２００℃６０分加熱処理したものを試料とした。ＴＧＡ（示差熱天秤）にて室温から５００℃まで１０℃／分で昇温した後６０分間ホールドした時の不揮発分率を金属含有率とした。９５％以上を合格とした。
・融点：ガラスプレート上に幅４ｍｍ、厚み約１０μｍになるように塗布し２００℃６０分加熱処理したものを試料とした。ＤＳＣ（示差走査熱量計）にて室温から４００℃まで１０℃／分で昇温し３００℃より低い温度に融解に基づく吸熱ピークが観察されないものを合格とした。
・接着強度：ＢＴ基板の金メッキ部に導電性接着剤をディスペンスし、チップ抵抗（１６０８）をマウントし、２００℃オーブン中６０分硬化した。硬化後に自動接着力測定装置を用い２６０℃での熱時ダイシェア強度を測定した。測定値が１０Ｎ／チップ以上の場合を合格とした。
・耐リフロー性：ダイパッド部が金メッキのＰＢＧＡ基板に導電性接着剤をディスペンスしシリコンチップ、チップ抵抗をマウント、加熱硬化し、封止材にて封止することにより擬似ＳｉＰを作製した。このＳｉＰを用いて３０℃、相対湿度６０％、１６８時間吸湿処理した後、ＩＲリフロー処理（２６０℃、１０秒、３回リフロー）を行なった。処理後のパッケージを超音波探傷装置（透過型）によりシリコンチップ下の剥離の程度を測定した。その後断面研磨し、研磨面を光学顕微鏡にて観察することでチップ抵抗接続部の剥離の程度を測定した。シリコンチップ下の剥離面積が１０％未満、チップ抵抗接続部に剥離が見られないの場合を合格とした。剥離面積の単位は％である。
パッケージ：３５×３５ｍｍＰＢＧＡ
回路基板：ＢＴ
搭載部品：シリコンチップ（３×３ｍｍ、ＳｉＮパッシベーション）×１
チップ抵抗（１６０８）×３
導電性接着剤の硬化条件：オーブン中２００℃、６０分
封止材：スミコンＥＭＥ−Ｇ７７０（住友ベークライト（株）製）

本発明は、鉛を含まず良好な電気伝導性を有する導電性接着剤を用いることにより、半導体製品やチップ部品を回路基板に搭載した場合に良好な接続信頼性を有する半導体製品搭載回路基板、チップ部品搭載回路基板およびＳｉＰの提供が可能となる。

Claims (7)

1. 半導体製品の電極と回路基板とを導電性接着剤を用いて接着してなる半導体製品搭載回路基板であって、加熱接着後の導電性接着剤の金属成分が９５重量％以上、全金属成分中に銀が５０重量％以上および粒径０．１μｍ以下である超微粒子金属粉を含み、導電性接着剤が３００℃で融解しないことを特徴とする半導体製品搭載回路基板。
2. チップ部品の電極と回路基板とを導電性接着剤を用いて接着してなるチップ部品搭載回路基板であって、加熱接着後の導電性接着剤の金属成分が９５重量％以上、全金属成分中に銀が５０重量％以上および粒径０．１μｍ以下である超微粒子金属粉を含み、導電性接着剤が３００℃で融解しないことを特徴とするチップ部品搭載回路基板。
3. 導電性接着剤を用いて半導体素子とチップ部品とが混在して搭載されるＳｉＰ（システムインパッケージ）であって、半導体素子とチップ部品の電極と回路基板とを接着している加熱接着後の導電性接着剤の金属成分が９５重量％以上かつ全金属成分中に銀が５０重量％以上および粒径０．１μｍ以下である超微粒子金属粉を含み、導電性接着剤が３００℃で融解しないことを特徴とするＳｉＰ。
4. 加熱接着前の導電性接着剤の室温での粘度が５Ｐａ・ｓ以上１００Ｐａ・ｓ以下である請求項１〜３記載の回路基板又はＳｉＰ。
5. 加熱接着前の導電性接着剤が２００℃以下で揮発あるいは分解揮発する有機化合物と全金属成分の少なくとも５重量％が粒径０．１μｍ以下である超微粒子金属粉との混合物でかつ室温で液状であり、該導電性接着剤を回路基板に塗布した後、半導体製品又はチップ部品をマウントし２５０℃以下で加熱処理することにより回路基板に半導体製品、チップ部品又は半導体素子とチップ部品と混在して搭載することを特徴とする接続方法。
6. 加熱接着前の導電性接着剤の室温での粘度が５Ｐａ・ｓ以上１００Ｐａ・ｓ以下である請求項５記載の接続方法。
7. 請求項５又は６記載の接続方法により作製された半導体製品搭載回路基板又はＳｉＰ。