JP2006287091A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 高温高荷重を負荷する熱圧着工程から、低温低荷重で接続させる接合プロセス工法を採用し、高温による半導体素子の熱的破壊や高荷重による回路特性や層間膜クラックの発生を防止する。
【解決手段】 複数のパッド電極部２に金属バンプ３を形成した半導体素子１と、配線電極部５を有する回路実装基板４とを備えた半導体装置であって、回路実装基板４の配線電極部５上に導電性でかつ弾性を有する導電弾性体６を形成し、金属バンプ３が導電弾性体６を突き刺した状態で、半導体素子１を回路実装基板４に実装し、絶縁性を有する接着層１０により金属バンプ３と配線電極部５とが電気的に接続固定される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ＥＳＤ（静電保護回路）上や回路形成領域に電極パッドを形成させた半導体素子を用いたフリップチップ実装方式で且つ小型化した半導体装置を形成する接続技術に関するものであり、特にフリップチップ実装時に負荷される高温高荷重による半導体素子の回路特性不良や半導体素子上の電極パッド部直下にあるトランジスタ部や層間膜へのダメージを大きく低減する半導体装置およびその製造方法に関するものである。

また、従来のフリップチップ実装構造の半導体装置よりも、半導体素子へ負荷する加重量が小さくデバイス特性への不具合不良を大きく低減することを目的とした高信頼性をも確保した半導体装置およびその製造方法に関するものである。

以下、図面を参照にして従来の半導体装置の構造とその製造方法に関して説明する。図６には従来の半導体装置を示す断面図を示している。図６に示すように、従来の半導体装置は半導体ウエハ１６（図７）を分割し、個片の半導体素子１上に形成した複数のＡｌパッド電極部２に、Ａｕ等の金属バンプ３を形成する（レベリング不要）。そして、回路実装基板４の上層面に設けた複数個の配線電極部５と、前記半導体素子１上のＡｌパッド電極部２に形成したＡｕ等の金属バンプ３とがフリップチップ接続され、シート状のエポキシ系樹脂である封止シート材１０を介して電気的に接続された半導体装置である。尚、回路実装基板４上層面にある複数個の配線電極部５と裏面側にある裏面ランド部１２-１は内層ビア１１で連結された構造である。

次に、図７（ａ）〜（ｄ）に従来の半導体装置の製造工程を示す断面図を記している。図７（ａ）では、複数の半導体素子１を有する半導体ウエハ１６から複数の半導体素子１に切断するダイシング工程と、図７（ｂ）に示す半導体素子上に設けた複数のＡｌパッド電極部２にＡｕ等の金属バンプ３を形成する（レベリング不要）バンプ形成工程と、図７（ｃ）に示す前記半導体素子１をフリップ実装する回路実装基板４の上面にシート状のエポキシ系封止樹脂１０を貼付ける工程と、図７(ｄ)に示すように、前記図７（ｃ）工程で前記シート状のエポキシ系封止樹脂１０を貼り付けた回路実装基板４上に、前記図７（ｂ）工程で、Ａｕ等の金属バンプ３を形成した半導体素子１をフェースダウンさせ、半導体素子１上の複数のＡｌパッド電極部２に形成した金属バンプ３と回路実装基板４上の配線電極部５とが、実装認識位置合わせを行い、熱圧着ツール１７を用いて、高温高荷重（２３０℃／５０−６０ｇｆ／Ｂ）を同時に数分間だけ負荷を与える熱圧着フリップチップ実装工程と樹脂硬化工程を同時一括方式で生産できる製造工程から構成されている。以上、フリップチップ実装した生産能力が非常に高いとされていた従来の半導体装置とその製造方法である。以上説明したように、従来の半導体装置とその製造方法では、トランジスタなどを内蔵したＥＳＤ（静電保護回路）や回路形成領域上に電極パッドを形成させた半導体素子アクティブエリアパッド構造を有した構造では、図８に示すように、高温高荷重（２３０℃／５０−６０ｇｆ／Ｂ）を同時に負荷させることで、Ａｌパッド電極部２直下にあるトランジスタ−部１８の特性変動や層間膜１９でのクラック２０が発生し、ＥＳＤ保護回路上や回路形成領域にパッドを形成したアクティブエリアパッド構造を有した半導体素子１へのダメージが頻繁に発生した。

図９（ａ）は他の従来の半導体装置の断面図、（ｂ）は要部断面図を示している。また図１０にその半導体装置の技術課題を示している。図９と図１０に示すように、半導体素子１上に金属バンプ３を平坦化し、前記金属バンプ３の先端部に導電ペースト材２１を転写させ、回路実装基板４上に設けた複数の配線電極部５が液状のエポキシ系樹脂材１０-１を介して電気的に接続された構造を有している。この構造では上記に説明したＥＳＤ保護回路上にパッド形成した構造やアクティブエリアパッド構造を有する半導体素子１への回路特性へのダメージ影響には大きな問題ないが、金属バンプ３への導電ペースト材２１の塗布量が少なく、塗布するに限界がある構造を有するものであった。また、導電ペースト材２１の塗布ばらつきが大きく、回路実装基板４の反りうねりに対して、金属バンプ３に付着した導電ペースト材２１と回路実装基板４上の複数の配線電極部５との接続性が悪く、信頼性試験による加速試験においては、短サイクル時間で電気的な接続特性不良が多発する状況であり、エリアパッド構造の接続内部（３ｂ〜３ｃと配線電極５との接続）はむしろ、従来のペリフェラル部の構造でさえ接続特性に大きな課題が発生している状況下にあり、工場への製造導入はもちろん製品開発そのものが困難であった。
特開平１１−１９５６７９号公報

しかしながら、従来の半導体装置の製造方法では、ＥＳＤ保護回路上や回路形成領域に電極パッドを形成したアクティブエリアパッド構造を有する半導体素子を用いた場合、高温高荷重（２３０℃／５０−６０ｇｆ／Ｂ）を同時に負荷させるフリップチップ実装工程においては、Ａｌパッド電極部直下にあるトランジスタ部の特性変動や層間膜でのクラックが発生し、ＥＳＤ保護回路上や回路形成領域にパッドを形成したアクティブエリアパッド構造を有する半導体素子へのダメージ不良が頻繁に発生し、生産ラインへの製造導入だけでなく、半導体装置の製品化さえ困難であった。

今後更に微細プロセスへの展開に向けて低ダメージプロセスは必要不可欠な技術課題となっている状況である。一方、高温で且つ高い荷重量を同時に負荷しなければ、安定した接続信頼性を確保できる半導体装置の製造実現が非常に厳しく、従来の半導体装置の接続構造においては、Ａｕ等の金属バンプの高さは、接続信頼性の寿命に大きく影響を与えるものであり、金属バンプを潰すためには大きな荷重負荷を印加することが必要不可欠なプロセスとその構造を有しているものである。

従来の半導体装置では、高温と高荷重を同時に負荷させる熱圧着工程において、特に、半導体素子上にパッド電極部に形成した金属バンプの高さを管理維持するための生産条件の最適化が半導体装置の重要なファクタとなっている。前記熱圧着工程で、半導体素子上の複数のＡｌパッド電極部に形成したＡｕ等の金属バンプと回路実装基板上の複数の配線電極部とが電気的に接続された生産プロセスであるが、現実、Ａｌ等のパッド電極部の直下にあるトランジスタを内蔵しＥＳＤ保護回路上や回路形成領域にパッドを形成したアクティブエリアパッド構造を有する半導体素子を用いた従来構造の半導体装置では、半導体素子の回路特性変動や層間膜クラックが発生し、デバイス特性に大きな影響を与える致命的な技術課題が発生している状況である。また、図９、図１０に示すように、金属バンプを平坦化し、前記金属バンプの先端部に導電ペースト材を転写させ、回路実装基板上に設けた複数の配線電極部がエポキシ系樹脂材を介して電気的に接続された構造を有した半導体装置では、上記に説明したＥＳＤ保護回路上や回路形成領域にパッドを形成したアクティブエリアパッド構造を有する半導体素子１への回路特性へのダメージ影響には大きな問題ないが、金属バンプへの導電ペースト材の塗布量が少なく、塗布する量に限界がある構造である。また、導電ペースト材の塗布ばらつきが大きく、回路実装基板の反りうねりに対して、接続性が悪く、信頼性試験による加速試験においては、低時間で電気的な接続特性不良が多発する状況であり、今後不可欠な技術であるエリアパッド化への展開とその製品開発そのものが困難であった。

したがって、本発明の目的は、前記従来の半導体装置とその製造方法に関する技術課題を解決するもので、特に、高温高荷重を負荷する熱圧着工程から、低温低荷重で接続させる接合プロセス工法を採用し、高温による半導体素子の熱的破壊や高荷重による回路特性や層間膜クラックの発生を防止することができ、また、回路実装基板の反りうねりに対しても、十分接続を緩和できる接続ポストと称する弾性を有した導電弾性体により、接続抵抗のばらつきをも安定させた電気接続特性や高放熱性を確保することができ、さらに、樹脂注入するプロセス工程では、半導体素子と回路実装基板間の隙間が大きいため樹脂注入時間の短縮化が図れ、生産性の向上をも図れる半導体装置およびその製造方法を提供することである。

前記課題を解決するために本発明の請求項１記載の半導体装置は、複数のパッド電極部に金属バンプを形成した半導体素子と、配線電極部を有する回路実装基板とを備えた半導体装置であって、前記回路実装基板の配線電極部上に導電性でかつ弾性を有する導電弾性体を形成し、前記金属バンプが前記導電弾性体を突き刺した状態で、前記半導体素子を前記回路実装基板に実装し、絶縁性を有する接着層により前記金属バンプと前記配線電極部とが電気的に接続固定される。

請求項２記載の半導体装置は、請求項１記載の半導体装置において、前記複数のパッド電極部は、前記半導体素子の外周部に直列に配列されたペリフェラル配列、または前記半導体素子の外周部の内側にも複数存在するエリアパッド配列である。

すなわち、本発明は、半導体素子上のＡｌ等のパッド電極部直下にトランジスタ部を形成し、ＥＳＤ保護回路上や回路形成領域にパッドを形成したアクティブエリアパッド構造に関するものであり、特に、半導体素子上のＡｌ電極パッド部直下にあるトランジスタ部の特性変動、半導体素子の回路特性変動や層間膜のクラックが発生する従来の半導体装置の製造工程の高温高荷重を同時に負荷させる工程（熱圧着工程）を、低温低荷重の負荷で電気的に接続させることが可能な接続プロセス方法の提供に関するものである。

また、高温高荷重を負荷しない為,実装位置ずれによる隣接端子間による接触ショート不良などを防止することができる構造を有している。つまり、狭パッドピッチ接続で、且つエリアパッドへの展開も大いに期待できる構造を有しているものであり、高い接続信頼性を確保できる半導体装置とその製造方法の提供に関するものである。

請求項３記載の半導体装置は、請求項１記載の半導体装置において、前記導電弾性体の厚みは、前記金属バンプの高さ以上に設定され、前記金属バンプを潰すことなく前記導電弾性体と前記接着層により固定され、電気的に接続される。

請求項４記載の半導体装置は、請求項１記載の半導体装置において、前記導電弾性体は、前記回路実装基板の配線電極部の配線幅と同等もしくはそれ以下の幅寸法から形成されている。

すなわち、本発明は、ＥＳＤ保護回路上や回路形成領域にパッドを形成したアクティブエリアパッド構造を有する半導体素子上のＡｌパッド電極部にＡｕ等の金属バンプを形成し、回路実装基板上の複数の配線電極部には、配線パターン幅と同等もしくはそれ以下の幅寸法で、且つ金属バンプの高さ以上に設定保持された厚み高さを有するシート状もしくは粘土状の弾性があり、電気的な導電性接続ポストと称する導電弾性体に突き刺し、低温低荷重のプロセス工程で電気的接続性を確保できる構造を有しているものである。

また、回路実装基板上の配線電極部に形成した導電性を有する導電弾性体は、半導体素子の電極パッド部に形成した金属バンプを突き刺すフリップチップ実装する工程においても、配線パターン幅より大きく膨張拡大せず、且つ金属バンプの変形をさせることなく、半導体素子と回路実装基板とが電気的に接続される構成を有しているものである。

請求項５記載の半導体装置は、請求項１記載の半導体装置において、前記導電弾性体は、最上層と最下層に、前記金属バンプと前記配線電極部がそれぞれ接着される導電性接着層が形成され、最上層と最下層の間に、ミクロの格子構造を有した導電性軽量金属が配置されたシート状であり、前記金属バンプは、前記導電性軽量金属を突き破り接触し、電気的に導通することができる。

すわなち、本発明は、前記に示す電気的な導電性接続ポストと称する導電弾性体内部の構成であり、パッド電極部の金属バンプ側と配線電極部側の両サイド（最上層と最下層）には、金属バンプとまた回路実装基板上の配線電極部とが接着する導電性接着層が構成されており、その間には、ミクロな格子構造を有した導電性軽量金属（緩衝材）がランダムに複数配置された構成で、必ず前記金属バンプは、前記ミクロな格子構造を有した導電性軽量金属（緩衝材）を突き破り接触し、電気的に導通することが可能な構成を有した導電弾性体で、絶縁性の樹脂層を介して、半導体素子と回路実装基板とが電気的に接続された構造を有した小型半導体装置を構成しているものである。

請求項６記載の半導体装置は、請求項１記載の半導体装置において、前記導電弾性体は、前記金属バンプを突き刺し、固定させることができる範囲の硬さを有した粘土状の接着層を有し、前記接着層の内部に、ミクロのランダム構造を有した導電性軽量金属が配置されている。

請求項７記載の半導体装置の製造方法は、最上層と最下層に形成された導電性接着層の間にミクロの格子構造を有した導電性軽量金属が配置されたシート状の導電弾性体を、半導体素子を実装する回路実装基板上に形成した配線電極部のパターンに合わせて形成し、前記配線電極部に前記導電弾性体を貼合わせ接着させる工程と、前記半導体素子上のパッド電極部に金属バンプを形成する工程と、前記半導体素子を反転させ、前記金属バンプと前記回路実装基板の配線電極部とを位置合わせして実装させることで、前記金属バンプは前記導電弾性体に突き刺し、前記半導体素子と前記回路実装基板とを熱圧着により電気的に接続するフリップチップ実装接続工程とを含む。

請求項８記載の半導体装置の製造方法は、半導体素子をフリップ実装する回路実装基板の上に形成した配線電極部のパターンに合わせて形成した印刷マスクを用いて、前記回路実装基板上の配線電極部に、粘土状の接着層の内部にミクロのランダム構造を有した導電性軽量金属が配置された導電弾性体を塗布する工程と、前記半導体素子上のパッド電極部に金属バンプを形成する工程と、前記半導体素子を反転させ、前記金属バンプと前記回路実装基板の配線電極部とを位置合わせして実装させることで、前記金属バンプは前記導電弾性体に突き刺し、前記半導体素子と前記回路実装基板とを熱圧着により電気的に接続するフリップチップ実装接続工程とを含む。

請求項９記載の半導体装置の製造方法は、請求項７または８記載の半導体装置の製造方法において、前記フリップチップ実装接続工程の前に、前記導電弾性体の上に絶縁性を有する樹脂接着シートを載せる工程を含み、前記金属バンプは前記樹脂接着シートを介して前記導電弾性体に突き刺した。

請求項１０記載の半導体装置の製造方法は、請求項７または８記載の半導体装置の製造方法において、前記フリップチップ実装接続工程の後、前記半導体素子と回路実装基板の間に絶縁性を有した接着樹脂材を注入塗布する工程と、前記接着樹脂材を熱硬化する工程とを含む。

本発明の請求項１，２記載の半導体装置によれば、回路実装基板の配線電極部上に導電性でかつ弾性を有する導電弾性体を形成し、金属バンプが導電弾性体を突き刺した状態で、半導体素子を回路実装基板に実装し、絶縁性を有する接着層により金属バンプと配線電極部とが電気的に接続固定されるので、従来のような高温高荷重を負荷させるプロセス工程から、低温低荷重の負荷領域で組立対応可能なプロセス工程にできる。このため、高温による半導体素子の熱的破壊や高荷重による回路特性や層間膜クラックの発生を防止することができ、また、回路実装基板の反りうねりに対しても、十分接続を緩和できる弾性を有した導電弾性体により、接続抵抗のばらつきをも安定させた電気接続特性や高放熱性を確保することができる。したがって、従来の半導体装置では対応が非常に困難であったＥＳＤ保護回路上や回路形成領域にパッドを形成したアクティブエリアパッド構造を有する半導体素子を用いた小型半導体装置の実現を可能にすることができる。

また、発熱体である半導体素子からの熱は、熱伝導率が高い導電弾性体を通じて、筺体や実装基板へと効率良く放熱する放熱構造を有しており、１ワット当たりの温度上昇を示す熱抵抗データ値も小さくなり、ＥＳＤ保護回路上や回路形成領域にパッドを形成したアクティブエリアパッド構造を有する半導体素子を用いた小型半導体装置の低消費電力化をも実現できるものである。

請求項３では、導電弾性体の厚みは、金属バンプの高さ以上に設定され、金属バンプを潰すことなく導電弾性体と接着層により固定され、電気的に接続されるので、半導体素子上のパッド電極部に形成した金属バンプは、導電性を有する導電弾性体に突き刺し、金属バンプを潰し込まない構成で半導体素子と回路実装基板と電気的に接続され、半導体素子の回路特性変動はなく、且つ半導体素子へのダメージ負荷を大きく軽減できるものであり高品質の小型半導体装置の実現を図ることができるものである。また、前記に示したように金属バンプは、導電性を有する導電弾性体に突き刺し、金属バンプを潰し込まない構成を有しており、半導体素子と回路実装基板の隙間であるギャップ量が大きくなるため、絶縁性を有する樹脂注入する場合は容易にでき、樹脂注入工程の短タクト化が実現し、生産性の向上を図ることができるものである。

請求項４では、導電弾性体は、回路実装基板の配線電極部の配線幅と同等もしくはそれ以下の幅寸法から形成されているので、隣接する配線電極部が導電弾性体を介して接触しない接続構成となる。このように金属バンプが突き刺さる導電性を有する導電弾性体は配線電極部より大きく膨れはみ出ない構成を有していることより、隣接するパッド間の接触によるショート不良やマイグレーション不良等を防止することができ、高い接続信頼性を確保できるものである。

請求項５では、導電弾性体は、最上層と最下層に、金属バンプと配線電極部がそれぞれ接着される導電性接着層が形成され、最上層と最下層の間に、ミクロの格子構造を有した導電性軽量金属が配置されたシート状であり、金属バンプは、導電性軽量金属を突き破り接触し、電気的に導通することができるので、低温低荷重で組立対応可能な生産プロセスを実現できる。

請求項６では、導電弾性体は、金属バンプを突き刺し、固定させることができる範囲の硬さを有した粘土状の接着層を有し、接着層の内部に、ミクロのランダム構造を有した導電性軽量金属が配置されているので、低温低荷重で組立対応可能な生産プロセスを実現できる。

本発明の請求項７，８の半導体装置の製造方法によれば、導電弾性体により従来技術に比べ非常に低温低荷重なプロセスの実現化によりＥＳＤ保護回路上や回路形成領域にパッドを形成したアクティブエリアパッド構造を有する半導体素子や回路特性へのダメージ発生を防止することができるものである。また、発熱する半導体素子からの熱は、熱伝導率が高い導電弾性体を通じて、筺体や実装基板へと効率良く放熱することができる構造を実現できる。

請求項９では、フリップ実装接続工程の前に、導電弾性体の上に絶縁性を有する樹脂接着シートを載せる工程を含み、金属バンプは樹脂接着シートを介して導電弾性体に突き刺したので、半導体素子と回路実装基板とを電気的に接続固定することができる。

請求項１０では、フリップ実装接続工程の後、半導体素子と回路実装基板の間に絶縁性を有した接着樹脂材を注入塗布する工程、接着樹脂材を熱硬化する工程とを含むので、半導体素子と回路実装基板とを電気的に接続固定することができる。

本発明の第１の実施形態を図１に基づいて説明する。

図１（ａ）は本発明の第１の実施形態の半導体装置の断面図、（ｂ）は要部拡大図である。

図１に示すように、複数のパッド電極部２に金属バンプ３を形成した半導体素子１と、配線電極部５を有する回路実装基板４とを備えている。また、回路実装基板４の配線電極部５上に導電性でかつ弾性を有する導電弾性体６を形成し、金属バンプ３が導電弾性体６を突き刺した状態で、半導体素子１を回路実装基板５に実装し、絶縁性を有する接着層１０により金属バンプ３と配線電極部５とが電気的に接続固定される。複数のパッド電極部２は、半導体素子１の外周部に直列に配列されたペリフェラル配列、または半導体素子１の外周部の内側にも複数存在するエリアパッド配列である。

この場合、回路形成面を上面にした半導体素子１上にある複数のパッド電極部２に形成した金属バンプ３は、フリップチップ(反転)で実装され、回路実装基板４上の複数の配線電極部５に塗布形成した導電性が良好で且つ弾性を有した粘土状の導電弾性体６に突き刺し、半導体素子１とそれを支持する回路実装基板４とが電気的に繋がった構造を有しているものである。粘土状の導電弾性体とは、接着層７と接着層９が共に粘土状である場合の意である。ただし、接着層７は導電性領域を有するものである。すなわち、電気的な導電性接続ポストと称する前記導電弾性体６内部の構成は、パッド電極部２の金属バンプ３側と配線電極部５側の両サイド（最上層と最下層）には、金属バンプ３とまた回路実装基板４上の配線電極部５とが接着する導電性接着層７が構成されており、その間には、ミクロな螺旋構造を有した導電性軽量金属（緩衝材）８が接着剤９内部にランダムに複数配置された構成である。導電性軽量金属８および８-１の材料の具体例としては、Ａｕ線やＡｌ線（φ２０-５０μｍ径：Ｗ/ＢやＳＢＢ工程で破損したＡｕ線やＡｌ線で工程内での再利用の可能）などの軽金属材料他全般である。前記金属バンプ３は、必ず前記ミクロな螺旋構造を有した導電性軽量金属（緩衝材）８を突き破り接触し、電気的に導通することが可能な構成を有した導電弾性体６で、絶縁性を有する樹脂層１０を介して、半導体素子１と回路実装基板４とが電気的に接続された構造を有した小型半導体装置を構成しているものである。

半導体素子１をフリップ実装する回路実装基板４上の配線電極部５は前記回路実装基板４内部のビア１１を通じて、基板裏面の半田ボール１２あるいは裏面電極部１２-１に電気的につながった構造を有した小型半導体装置である。

本発明の第２の実施形態を図２に基づいて説明する。

図２（ａ）は本発明の第２の実施形態の半導体装置の断面図、（ｂ）は要部拡大図、（ｃ）はその斜視図である。

図２に示すように、図１と同様に回路形成面を上面にした半導体素子１上にある複数のパッド電極部２に形成した金属バンプ３は、フリップチップ(反転)で実装され、回路実装基板４上の複数の配線電極部５に塗布形成した導電性が良好で且つ弾性を有したシート状の導電弾性体６-１に突き刺し、半導体素子１とそれを支持する回路実装基板４とが電気的に繋がった構造を有しているものである。尚、電気的な導電性接続ポストと称する前記シート状の導電弾性体６-１内部の構成は、パッド電極部２の金属バンプ３側と配線電極部５側の両サイド（最上層と最下層）には、金属バンプ３とまた回路実装基板４上の配線電極部５とが接着する導電性接着層７が構成されており、その間には、ミクロな格子構造を有した導電性軽量金属（緩衝材）８-１が、接着剤９内部に綿密に複数配置された構成である。前記金属バンプ３は、必ず前記ミクロな格子構造を有した導電性軽量金属（緩衝材）８-１を突き破り接触し、電気的に導通することが可能な構成を有したシート形状の導電弾性体６-１で、絶縁性を有する樹脂層１０を介して、半導体素子１と回路実装基板４とが電気的に接続された構造を有した小型半導体装置を構成しているものである。半導体素子１を支持する回路実装基板４上の配線電極部５は、前記回路実装基板４内部のビア１１を通じて、基板裏面の半田ボール１２あるいは裏面電極部１２-１に電気的につながった構造を有した小型半導体装置である。

次に、上記半導体装置の製造方法について説明する。

図３及び図４は、それぞれ第１および第２の実施形態の半導体装置の製造方法を示す生産工程フローを示し、（ａ）〜（ｃ）の各図面の上側は平面図、下側は断面図である。

図３(ａ)〜(ｃ)に示すよう、半導体素子１を支持する回路実装基板４の上面にある複数の配線電極部５上に、前記配線電極部５をパターン認識させた印刷マスク１３を用いて、粘土状の導電弾性体６をスクリーン印刷法にて、塗布させる。すなわち、粘土状の弾性体に任意の長さを有した導電性軽金属材料（材質上記示す）を複数混ぜ合わせた導電性弾性体を作製したものをスクリーン印刷法で基板上の配線電極部に塗布させる。一方、ＥＳＤ保護回路上や回路形成領域にパッドを形成したアクティブエリアパッド構造を有する半導体素子１上の複数のパッド電極部２に形成した金属バンプ３（レベリング不要）を、前記に示した導電性と弾性を有した粘土状の導電弾性体６（ミクロな螺旋構造を有した導電性軽量金属（緩衝材）８が接着剤９内部にランダムに複数配置された構成）に突き刺し、半導体素子１と回路実装基板４とが電気的に接続された図１に示す小型半導体装置を形成する（図３（ｄ））。

このように導電性弾性体の内部に設けた軽金属材料にＡｕバンプが突き刺さり、バンプを潰すことなく電気的な導通性を有する構成である。接続荷重量は、ＳＢＢ工法やＷ/Ｂ工法以下の２０ｇｆ/Ｂ程度（１０-３０ｇｆ/Ｂ範囲）の低荷重負荷で、且つ常温でフリップ実装可能な組立プロセスである。但し常温での場合は、Ｃ−ＣＳＰ製品同様に、８０−１２０℃程度の高温槽または工程ラインの設けた硬化コンベア炉で約３０ｓｅｃ-５ｍｉｎ程度で硬化させる工程より製品を作製し、その接続部は高い接続信頼性を有するものである。

また、図４(ａ)〜(ｃ)に示すように、半導体素子１を支持する回路実装基板４の上面にある複数の配線電極部５上に、前記配線電極部５のパターンを認識させたシート状の導電弾性体６-１を貼り付け、最上層のフィルム１４を剥がす。すなわちシート状の弾性体6-1は、あらかじめ絶縁性樹脂に格子状に形成した軽金属材料を数μｍ単位の間隔で貼り合わせて作ったシート材を用いて、フリップ実装する工程構成であり、フリップ構成は、先に述べた構成（バンプが軽金属に突き刺さる）で電気的に半導体素子と半導体キャリアとが接続された構造である。図１と図２の違いは、図１は粘土状の非導電性ペーストに軽金属を混ぜてさせスクリーン印刷した導電性弾性体の接続部であり、図２は、先に説明した非導電性のシート材に格子上に軽金属を配置させた導電弾性体の接続状況である。一方、ＥＳＤ保護回路上や回路形成領域にパッドを形成したアクティブエリアパッド構造を有する半導体素子１上の複数のパッド電極部２に形成した金属バンプ３（レベリング不要）を、前記に示した導電性と弾性を有したシート形状の導電弾性体６-１（ミクロな格子構造を有した導電性軽量金属（緩衝材）８-１が接着剤９の内部に綿密に複数配置された構成）に突き刺し、半導体素子１と回路実装基板４とが電気的に接続された図２に示す小型半導体装置を形成する（図４（ｄ））。

また、図１と図２に示す半導体装置で構成している導電性と弾性を有する導電弾性体６と６-１の形状は、図５(ａ)と図５(ｂ)に示すように、半導体基板４上の配線電極部５の配線幅と同等もしくはそれより小さい立方体の形状や、図５(ｃ)と(ｄ)に示す楕円形の立法体や導電弾性体の一部を変形させるための変形ツール１５を用いて、中央部が窪んだ立方体の形状を有した構成にしてもよい。これは、隣接するパッド電極パッド２との接触やマイグレーション等の接続信頼性の不良発生を防止した設計構成を有しているものである。

また、前記図５(ａ)〜図５(ｄ)に示す導電弾性体６と６-１の高さは、ＥＳＤ保護回路上や回路形成領域にパッドを形成したアクティブエリアパッド構造を有した半導体素子１への回路特性変動や物理的ダメージ負荷を軽減させるため、金属バンプ３を潰さない構造を有し、前記金属バンプ高さよりも高く寸法設計された構成となっている。また導電弾性体は、前記金属バンプ３を突き刺す構成を有しており、金属バンプ３を変形させること無く突き刺さり、変形しない弾性を有する粘度を保持した材料構成となっているものである。また、導電弾性体の内部には、熱伝導率が非常に高いミクロなランダム構造や綿密構造（第１，２の実施形態参照）を有した導電性軽量金属（緩衝材）が多数内蔵された構成を有しており、半導体素子１からの発熱を効率よく筺体や回路実装基板４へ大きく放熱させることができる高放熱構造を有している。従来のＳＢＢ工法よりも放熱性が良好であり、１ワットあたりの温度上昇が低く熱抵抗値は、基板実装時において約３５％程度低くなることが確認できた。

以上、本発明の半導体装置とその製造方法は、フリップチップ実装時に負荷される高温高荷重から低温低荷重で組立対応可能な生産プロセスになったことより、ＥＳＤ保護回路上や回路形成領域にパッドを形成したアクティブエリアパッド構造を有する半導体素子１上の電極パッド部２の直下にあるトランジスタ部や層間膜へのダメージを大きく低減することができるものである。また、半導体素子１からの発熱する熱を筺体や半導体基板４へ効率よく放熱させる機構を有している。

また、半導体素子１のパッド電極部２に形成した金属バンプ３は、導電性を有する導電弾性体６や６-１に突き刺し、金属バンプ３を潰し込まない構成を有しており、半導体素子１と回路実装基板４との隙間であるギャップ量が大きくなるため、絶縁性を有する樹脂層１０を注入する場合は容易にでき、樹脂層１０の注入工程の短タクト化が実現し、生産性の向上を図ることが実現できるものである。

本発明に係る半導体装置およびその製造方法は、導電性を有する接続ポストと称する導電弾性体を通じて半導体素子とそれを支持する回路実装基板とが絶縁性を有する接着層を介して電気的接続を有する構造の手法のすべてに適用できる。またそれらに関連する産業上の全てものに有用である。

（ａ）は本発明の第１の実施形態の半導体装置の断面図、（ｂ）は要部拡大図である。 （ａ）は本発明の第２の実施形態の半導体装置の断面図、（ｂ）は要部拡大図、（ｃ）はその斜視図である。 本発明の第１の実施形態にかかる半導体装置の製造方法を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態にかかる半導体装置の製造方法を示す断面図である。 （ａ）〜（ｄ）は本発明の他の実施形態における導電弾性体の種類を示す断面図である。 従来の半導体装置を示す断面図である。 （ａ）〜（ｄ）は従来の半導体装置の製造方法を示す断面図である。 従来の半導体装置の技術課題を示す断面図である。 従来の他の半導体装置を示す断面図である。 従来の他の半導体装置の技術課題を示す断面図である。

符号の説明

１ 半導体素子
２ Ａｌ等の電極パッド部
２ａ〜ｃ エリアパッド構造の接続内部の電極パッド部
３ 金属バンプ
３ａ〜ｃ エリアパッド構造の接続内部の金属バンプ
４ 回路実装基板
５ 配線電極部
６ 導電弾性体（ミクロな螺旋構造を有した導電性軽量金属から成る緩衝材）
６-１ 導電弾性体（ミクロな格子構造を有した導電性軽量金属から成る緩衝材）
７ 導電性接着層
８ ミクロな螺旋構造を有した導電性軽量金属（緩衝材）
８-１ ミクロな格子構造を有した導電性軽量金属（緩衝材）
９ 接着剤
１０ 絶縁性を有するエポキシ系樹脂層
１１ ビア
１２ 半田ボール
１２-１ 半導体基板の裏面電極部
１３ 印刷マスク
１４ シート形状の導電弾性体の最上層のフィルム
１５ 導電弾性体の一部を変形させるための変形ツール
１６ 半導体ウエハ
１７ 熱圧着ツール
１８ トランジスタ部
１９ 層間膜
２０ クラック
２１ 導電ペースト材

Claims (10)

1. 複数のパッド電極部に金属バンプを形成した半導体素子と、配線電極部を有する回路実装基板とを備えた半導体装置であって、前記回路実装基板の配線電極部上に導電性でかつ弾性を有する導電弾性体を形成し、前記金属バンプが前記導電弾性体を突き刺した状態で、前記半導体素子を前記回路実装基板に実装し、絶縁性を有する接着層により前記金属バンプと前記配線電極部とが電気的に接続固定されることを特徴とする半導体装置。
2. 前記複数のパッド電極部は、前記半導体素子の外周部に直列に配列されたペリフェラル配列、または前記半導体素子の外周部の内側にも複数存在するエリアパッド配列である請求項１記載の半導体装置。
3. 前記導電弾性体の厚みは、前記金属バンプの高さ以上に設定され、前記金属バンプを潰すことなく前記導電弾性体と前記接着層により固定され、電気的に接続される請求項１記載の半導体装置。
4. 前記導電弾性体は、前記回路実装基板の配線電極部の配線幅と同等もしくはそれ以下の幅寸法から形成されている請求項１記載の半導体装置。
5. 前記導電弾性体は、最上層と最下層に、前記金属バンプと前記配線電極部がそれぞれ接着される導電性接着層が形成され、最上層と最下層の間に、ミクロの格子構造を有した導電性軽量金属が配置されたシート状であり、前記金属バンプは、前記導電性軽量金属を突き破り接触し、電気的に導通することができる請求項１記載の半導体装置。
6. 前記導電弾性体は、前記金属バンプを突き刺し、固定させることができる範囲の硬さを有した粘土状の接着層を有し、前記接着層の内部に、ミクロのランダム構造を有した導電性軽量金属が配置された請求項１記載の半導体装置。
7. 最上層と最下層に形成された導電性接着層の間にミクロの格子構造を有した導電性軽量金属が配置されたシート状の導電弾性体を、半導体素子を実装する回路実装基板上に形成した配線電極部のパターンに合わせて形成し、前記配線電極部に前記導電弾性体を貼合わせ接着させる工程と、
   前記半導体素子上のパッド電極部に金属バンプを形成する工程と、
   前記半導体素子を反転させ、前記金属バンプと前記回路実装基板の配線電極部とを位置合わせして実装させることで、前記金属バンプは前記導電弾性体に突き刺し、前記半導体素子と前記回路実装基板とを熱圧着により電気的に接続するフリップチップ実装接続工程とを含む半導体装置の製造方法。
8. 半導体素子をフリップ実装する回路実装基板の上に形成した配線電極部のパターンに合わせて形成した印刷マスクを用いて、前記回路実装基板上の配線電極部に、粘土状の接着層の内部にミクロのランダム構造を有した導電性軽量金属が配置された導電弾性体を塗布する工程と、
   前記半導体素子上のパッド電極部に金属バンプを形成する工程と、
   前記半導体素子を反転させ、前記金属バンプと前記回路実装基板の配線電極部とを位置合わせして実装させることで、前記金属バンプは前記導電弾性体に突き刺し、前記半導体素子と前記回路実装基板とを熱圧着により電気的に接続するフリップチップ実装接続工程とを含む半導体装置の製造方法。
9. 前記フリップチップ実装接続工程の前に、前記導電弾性体の上に絶縁性を有する樹脂接着シートを載せる工程を含み、前記金属バンプは前記樹脂接着シートを介して前記導電弾性体に突き刺した請求項７または８記載の半導体装置の製造方法。
10. 前記フリップチップ実装接続工程の後、前記半導体素子と回路実装基板の間に絶縁性を有した接着樹脂材を注入塗布する工程と、前記接着樹脂材を熱硬化する工程とを含む請求項７または８記載の半導体装置の製造方法。

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