JP2006339323A - バンプ付き半導体チップと基板の接続方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 接着信頼性が高いバンプ付き半導体チップと基板の接続方法を提供する。
【解決手段】 高さが１０〜３０μｍのバンプ付き半導体チップと基板間に異方導電性接着剤２０を介在させ、圧着装置の圧着ヘッドにより加熱加圧して接続する方法において、異方導電性接着剤２０は、ラジカル重合性物質、ラジカル重合開始剤及び加圧により変形する導電性粒子２４を含有し、加熱時間Ｓ（分）が１≦Ｓ≦１０であり、ラジカル重合開始剤の１分間半減期温度をＴ_１（℃）、圧着温度をＴ_２（℃）としたとき、以下の式を満たすバンプ付き半導体チップと基板の接続方法。
Ｔ_１＋ｘ＝Ｔ_２
１５≦ｘ≦７０
【選択図】 図１

Description

本発明は、ＩＣ、ＬＳＩ等のバンプ付き半導体チップと、基板の接続方法に関する。

近年の電子機器の小型化、薄型化に伴って半導体素子のさらなる高密度実装技術の確立が要求されている。半導体素子の大きさとほぼ同じサイズの半導体装置を実装する方法としてフリップチップ実装が提案されている。フリップチップ実装は、近年の電子機器の小型化、高密度化に対して半導体素子を最小の面積で実装できる方法として注目されてきた。このフリップチップ実装に使用される半導体素子のアルミ電極上にはバンプが形成されており、バンプと回路基板上の配線とを異方導電性接着剤等を用いて電気的に接合する。これらのバンプとしては、半田バンプや金スタッドバンプ等がある。

図２は、従来のバンプ付き半導体チップと基板の接続方法を示す断面図である。
まず、基板１０の回路端子１２上に異方導電性接着剤２０を仮圧着した後、バンプ付きチップ３０を基板１０の回路端子１２に位置合わせする（図２（ａ））。その状態で、バンプ付きチップ３０の上方から圧着ヘッド（図示せず）により加熱加圧して、異方導電性接着剤２０の樹脂２２を流動化させると共に、異方導電性接着剤２０の導電性粒子２４を、バンプ３２と対向する回路端子１２の間で、接触させる（図２（ｂ））。
このとき、異方導電性接着剤２０の樹脂２２の硬化速度が遅いと、粒子２４が変形した後も、樹脂２２が煮えているような挙動を示し、圧着解放後にも樹脂の硬化が不十分で多少動いた後に静止する。図３はかかる接続を示す図であり、バンプ付きチップ３０のバンプ３２、対向する基板１０の回路端子１２、その間にある異方導電性接着剤２０の導電性粒子２４の、接続状態における拡大図である。図３（ａ）の加圧状態では、樹脂２２が流動しており、粒子２４も十分変形している。しかし、図３（ｂ）に示すように、圧着解放後、樹脂２２の硬化が遅いため、粒子２４は変形が戻って固まり、十分な接触面積が得られていない。
また、異方導電性接着剤２０の硬化速度が速いと、粒子２４の変形が不十分なうちに樹脂２２の流動が止まる（図４）。流動停止が早いので、変形が不完全であったり、硬化物のひずみ応力から界面剥離を生じ、接続体の接着力や信頼性に悪影響を及ぼしていた。

本発明の目的は、接着信頼性が高いバンプ付き半導体チップ（以下、バンプ付きチップという場合がある）と基板の、短時間での接続方法を提供することである。

本発明者らは、上記課題に鑑み、鋭意研究した結果、重合開始剤と圧着温度との関係が特定の関係にあるとき、本発明の目的を達成できることを見出し、本発明を完成させた。

本発明によれば、以下のバンプ付き半導体チップと基板の接続方法が提供される。
１．高さが１０〜３０μｍのバンプ付き半導体チップと基板間に異方導電性接着剤を介在させ、圧着装置の圧着ヘッドにより加熱加圧して接続する方法において、前記異方導電性接着剤は、ラジカル重合性物質、ラジカル重合開始剤及び加圧により変形する導電性粒子を含有し、加熱時間Ｓ（秒）が１≦Ｓ≦１０であり、前記ラジカル重合開始剤の１分間半減期温度をＴ_１（℃）、圧着温度をＴ_２（℃）としたとき、以下の式を満たすバンプ付き半導体チップと基板の接続方法。
Ｔ_１＋ｘ＝Ｔ_２
１５≦ｘ≦７０
２．前記圧着温度Ｔ_２が１４０〜２３０℃であり、前記異方導電性接着剤のラジカル重合性物質が、アクリレート、メタクリレート、マレイミド、スチレン誘導体から選択される少なくとも一種であり、ラジカル重合開始剤が、パーオキシケタール、パーオキシエステル、ジアルキルパーオキサイドから選択される少なくとも一種である１記載の接続方法。

本発明によれば、接着信頼性が高いバンプ付きチップと基板の接続方法を提供できる。

本発明のバンプ付きチップと基板の接続方法は、バンプ付きチップと基板間に異方導電性接着剤を介在させ、圧着装置の圧着ヘッドにより加熱加圧して接続する方法である。異方導電性接着剤は、ラジカル重合性物質、ラジカル重合開始剤及び加圧により変形する導電性粒子を含有する。接続時の加熱時間Ｓ（秒）は１≦Ｓ≦１０であり、ラジカル重合開始剤の１分間半減期温度をＴ_１（℃）、圧着温度をＴ_２（℃）としたとき、Ｔ_１とＴ_２は以下の式を満たす。
Ｔ_１＋ｘ＝Ｔ_２
１５≦ｘ≦７０

加熱時間Ｓは、１〜１０秒であり、好ましくは１．５〜９秒、より好ましくは２〜７秒である。
加熱時間が１秒未満であると硬化が不十分で信頼性が低下する恐れがあり、加熱時間が１０秒を超えると接着信頼性には問題ないが、生産性が低下する恐れがある。

この際、圧着温度Ｔ_２（℃）は、通常１４０〜２３０℃であり、好ましくは１６０〜２３０℃、より好ましくは１８０〜２２０℃である。
圧着温度Ｔ_２が１４０℃未満であると硬化が不十分で信頼性が低下する恐れがあり、Ｔ_２が２３０℃を超えると硬化が早すぎて接続抵抗が上昇したり、接続されない恐れがある。

また、加圧圧力は、通常バンプ面積あたり１０〜１５０ＭＰａであり、好ましくは１５〜１２０ＭＰａ、より好ましくは２０〜１００ＭＰａである。加圧時間は加熱時間と同じである。
加圧圧力が１０ＭＰａ未満であると粒子の変形が不十分となり、接続抵抗が上昇、又は接続されない恐れがあり、加圧圧力が１５０ＭＰａを超えるとバンプが変形し、隣接バンプが間でショートする恐れがある。

本発明で使用する異方導電性接着剤は、ラジカル重合性物質、ラジカル重合開始剤及び導電性粒子を含む。
ラジカル重合性物質は、ラジカルにより重合する官能基を有する物質であり、アクリレート、メタクリレート、マレイミド化合物、スチレン誘導体等が挙げられる。ラジカル重合性物質はモノマー、オリゴマーいずれの状態で用いることが可能であり、モノマーとオリゴマーを併用することも可能である。（メタ）アクリレートの具体例としては、メチルアクリレート、エチルアクリレート、イソプロピルアクリレート、イソブチルアクリレート、エチレングリコールジアクリレート、ジエチレングリコールジアクリレート、トリメチロールプロパントリアクリレート、テトラメチロールメタンテトラアクリレート、２−ヒドロキシ−１，３−ジアクリロキシプロパン、２，２−ビス〔４−（アクリロキシメトキシ）フェニル〕プロパン、２，２−ビス〔４−（アクリロキシポリエトキシ）フェニル〕プロパン、ジシクロペンテニルアクリレート、トリシクロデカニルアクリレート、トリス（アクリロイロキシエチル）イソシアヌレート及びこれらの対応するメタアクリレート等がある。好ましくはトリシクロデカニルアクリレート、ウレタンアクリレートである。これらは単独でもまた組み合わせても使用できる。

マレイミド化合物としては、分子中にマレイミド基を少なくとも２個以上含有するもので、例えば、１−メチル−２，４−ビスマレイミドベンゼン、Ｎ，Ｎ’−ｍ−フェニレンビスマレイミド、Ｎ，Ｎ’−ｐ−フェニレンビスマレイミド、Ｎ，Ｎ’−ｍ−トルイレンビスマレイミド、Ｎ，Ｎ’−４，４−ビフェニレンビスマレイミド、Ｎ，Ｎ’−４，４−（３，３’−ジメチル−ビフェニレン）ビスマレイミド、Ｎ，Ｎ’−４，４−（３，３’−ジメチルジフェニルメタン）ビスマレイミド、Ｎ，Ｎ’−４，４−（３，３’−ジエチルジフェニルメタン）ビスマレイミド、Ｎ，Ｎ’−４，４−ジフェニルメタンビスマレイミド、Ｎ，Ｎ’−４，４−ジフェニルプロパンビスマレイミド、Ｎ，Ｎ’−４，４−ジフェニルエーテルビスマレイミド、Ｎ，Ｎ’−３，３’−ジフェニルスルホンビスマレイミド、２，２−ビス（４−（４−マレイミドフェノキシ）フェニル）プロパン、２，２−ビス（３−ｓ−ブチル−４−８（４−マレイミドフェノキシ）フェニル）プロパン、１，１−ビス（４−（４−マレイミドフェノキシ）フェニル）デカン、４，４’−シクロヘキシリデン−ビス（１−（４マレイミドフェノキシ）−２−シクロヘキシルベンゼン、２，２−ビス（４−（４−マレイミドフェノキシ）フェニル）ヘキサフルオロプロパン等を挙げることができる。これらは単独でもまた組み合わせても使用できる。

ラジカル重合開始剤として、圧着温度Ｔ_２（℃）に対し以下の式を満たす１分間半減期温度Ｔ_１（℃）を有するラジカル重合開始剤を使用する。
Ｔ_１＋ｘ＝Ｔ_２
１５≦ｘ≦７０

具体的には、過酸化化合物、アゾ系化合物等の加熱により分解して遊離ラジカルを発生するものであり、ジアシルパーオキサイド、パーオキシジカーボネート、パーオキシエステル、パーオキシケタール、ジアルキルパーオキサイド、ハイドロパーオキサイド、シリルパーオキサイド等から、圧着温度Ｔ_２（℃）に応じて、選択できる。好ましくは、パーオキシエステル、ジアルキルパーオキサイド、ハイドロパーオキサイド、シリルパーオキサイド、ジアルキルパーオキサイドから選択される。

パーオキシエステルとしては、クミルパーオキシネオデカノエート、１，１，３，３−テトラメチルブチルパーオキシネオデカノエート、１−シクロヘキシル−１−メチルエチルパーオキシノエデカノエート、ｔ−ヘキシルパーオキシネオデカノエート、ｔ−ブチルパーオキシピバレート、１，１，３，３−テトラメチルブチルパーオキシ−２−エチルヘキサノネート、２，５−ジメチル−２，５−ジ（２−エチルヘキサノイルパーオキシ）ヘキサン、１−シクロヘキシル−１−メチルエチルパーオキシ−２−エチルヘキサノネート、Ｌ−ヘキシルパーオキシ−２−エチルヘキサノネート、Ｌ−ブチルパーオキシ−２−エチルヘキサノネート、ｔ−ブチルパーオキシイソブチレート、１，１−ビス（ｔ−ブチルパーオキシ）シクロヘキサン、ｔ−ヘキシルパーオキシイソプロピルモノカーボネート、ｔ−ブチルパーオキシ−３，５，５−トリメチルヘキサノネート、ｔ−ブチルパーオキシラウレート、２，５−ジメチル−２，５−ジ（ｍ−トルオイルパーオキシ）ヘキサン、ｔ−ブチルパーオキシイソプロピルモノカーボネート、ｔ−ブチルパーオキシ−２−エチルヘキシルモノカーボネート、ｔ−ヘキシルパーオキシベンゾエート、ｔ−ブチルパーオキシアセテート等が使用できる。

ジアルキルパーオキサイドとしては、α，α’−ビス（ｔ−ブチルパーオキシ）ジイソプロピルベンゼン、ジクミルパーオキサイド、２，５−ジメチル−２，５−ジ（ｔ−ブチルパーオキシ）ヘキサン、ｔ−ブチルクミルパーオキサイド等が使用できる。
ハイドロパーオキサイドとしては、ジイソプロピルベンゼンハイドロパーオキサイド、クメンハイドロパーオキサイド等が使用できる。

ジアシルパーオキサイドとしては、イソブチルパーオキサイド、２，４−ジクロロベンゾイルパーオキサイド、３，５，５−トリメチルヘキサノイルパーオキサイド、オクタノイルパーオキサイド、ラウロイルパーオキサイド、ステアロイルパーオキサイド、スクシニックパーオキサイド、ベンゾイルパーオキシトルエン、ベンゾイルパーオキサイド等が使用できる。

パーオキシジカーボネートとしては、ジ−ｎ−ブロピルパーオキシジカーボネート、ジイソプロピルパーオキシジカーボネート、ビス（４−ｔ−ブチルシクロヘキシル）パーオキシジカーボネート、ジ−２−エトキシメトキシパーオキシジカーボネート、ジ（２−エチルヘキシルパーオキシ）ジカーボネート、ジメトキシブチルパーオキシジカーボネート、ジ（３−メチル−３−メトキシブチルパーオキシ）ジカーボネート等が使用できる。

パーオキシケタールとしては、１，１−ビス（ｔ−ヘキシルパーオキシ）−３，３，５−トリメチルシクロヘキサン、１，１−ビス（ｔ−ヘキシルパーオキシ）シクロヘキサン、１，１−ビス（ｔ−ブチルパーオキシ）−３，３，５−トリメチルシクロヘキサン、１、１−（ｔ−ブチルパーオキシ）シクロドデカン、２，２−ビス（ｔ−ブチルパーオキシ）デカン、ｎ−ブチル−４，４−ジ−（ｔ−ブチルパーオキシ）パレレート等が使用できる。

シリルパーオキサイドとしてはｔ−ブチルトリメチルシリルパーオキサイド、ビス（ｔ−ブチル）ジメチルシリルパーオキサイド、ｔ−ブチルトリビニルシリルパーオキサイド、ビス（ｔ−ブチル）ジビニルシリルパーオキサイド、トリス（ｔ−ブチル）ビニルシリルパーオキサイド、ｔ−ブチルトリアリルシリルパーオキサイド、ビス（ｔ−ブチル）ジアリルシリルパーオキサイド、トリス（ｔ−ブチル）アリルシリルパーオキサイド等が使用できる。
これらの開始剤は単独又は混合して使用することができ、分解促進剤、抑制剤等を混合して用いてもよい。

上記式において、ｘは、好ましくは１５〜７０であり、より好ましくは２０〜６０である。
ｘが１５未満であると硬化が不十分で接続抵抗が上昇する恐れがあり、ｘが７０を超えると硬化が早すぎて接続抵抗が上昇したり接続できない恐れがある。

本発明で使用する導電性粒子は、加圧により変形する粒子であり、特に限定されないが、例えば、Ａｕ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｃｕ、はんだ等の金属粒子やカーボン等が使用できる。表層はＡｕ、Ａｇ、白金族の貴金属類が好ましくＡｕがより好ましい。
Ｎｉ等の遷移金属類の表面をＡｕ等の貴金属類で被覆したものも使用できる。また、非導電性のガラス、セラミック、プラスチック等に前記した導通層を被覆等により形成し、最外層を貴金属類、プラスチックを核とした場合や、熱溶融金属粒子の場合、加熱加圧により変形性を有するので接続時に電極との接触面積が増加し信頼性が向上するので好ましい。

重合開始剤と圧着温度との関係が上記の関係を満たすと、図１に示すような接続が得られる。具体的には、基板の回路端子１２上に異方導電性接着剤２０を仮圧着し、バンプ付きチップを、基板の回路端子１２に位置合わせし、バンプ付きチップの上方から加熱加圧して、異方導電性接着剤２０の樹脂２２を流動化させながら、異方導電性接着剤２０の導電性粒子２４を、バンプ３２と対向する回路端子１２の間で、これらバンプ３２と回路端子１２に接触させながら、十分に変形させる。加熱加圧を止めた後、本発明では、導電性粒子２４が十分に変形したままで、樹脂２２の流動を停止させられる。
その結果、図１に示すように、接着強度、信頼性に優れる接続が得られる。

本発明で用いるバンプ（突起状の導体）を有する半導体チップは、バンプの高さが１０〜３０μｍである。
半導体チップの場合、接続端子は、通常アルミニウムで構成されるが、さらに、その表面に、ニッケル、金、プラチナ等の貴金属めっきを行うこともでき、さらに、ニッケルや金バンプ、はんだボール等による突起を形成することもできる。

基板も通常のものを使用でき、例えば、コーニングガラス、ソーダガラス上にＩＴＯ配線、ＩＺＯ配線、Ａｌ，Ｃｒ，Ａｇ配線、これらの積層配線等を有する回路基板等を使用できる。

以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。
実施例１〜１２、比較例１〜６
金属からなるステージとセラミックヒーターからなるヘッド（５ｍｍ×３０ｍｍ）を用いて、表１に示す実装条件（ヘッド温度と加熱時間）でガラス基板（コーニング♯７０５９、外形３８ｍｍ×２８ｍｍ、厚さ０．７ｍｍ、表面にＩＴＯ（酸化インジウム錫）配線パターン（パターン幅５０μｍ、ピッチ５０μｍを有するもの）にＩＣチップ（外形１．７ｍｍ×１７．２ｍｍ、厚さ０．５５ｍｍ、バンプの大きさ５０μｍ×５０μｍ×
１５μｍ（高さ）、バンプのピッチ５０μｍ）を５０ＭＰａ（バンプ面積換算）荷重をかけて加熱加圧して実装した。熱硬化型接着剤としては、以下のａ、ｂ又はｃの異方導電性フィルム（ＡＣＦ）を使用した。

（１）ＡＣＦ ａ
厚み：２５μｍ
ＡＣＦ ａの樹脂成分：フェノキシ樹脂、多官能アクリル化合物、ウレタンアクリレート、シランカップリング剤、ラジカル重合開始剤として、２，５−ジメチル−２，５−（２−エチルヘキサノイルパーオキシ）ヘキサン（１分半減期温度：１１９℃）
（２）ＡＣＦ ｂ
厚み：２５μｍ
ＡＣＦ ａのラジカル重合開始剤を１，１−ビス(ｔ−ヘキシルパーオキシ)−３，３，５−トリメチルシクロヘキサン（１分半減期温度：１４７℃）に変更した以外はＡＣＦ ａと同一の樹脂成分を用いてＡＣＦ ｂとした。
（３）ＡＣＦ ｃ
厚み：２５μｍ
ＡＣＦ ａのラジカル重合開始剤を、ジクミルバーオキサイド（１分半減期温度：１７５℃）に変更した以外はＡＣＦ ａと同一の樹脂成分を用いてＡＣＦ ｃとした。

ＩＣチップ実装後の基板の接続状態を以下のように評価した。結果を表１に示す。
＜接続状態測定方法＞
ＩＣチップ実装後の基板の接続直後の接続抵抗を四端子法で測定した。１０サンプルの平均値を接続抵抗（Ω）とし、以下の基準で◎、○、×、ＯＰＥＮの４段階に評価した。
◎：１Ω未満
○：１Ω以上５Ω未満
×：５Ω以上
ＯＰＥＮ：導通がなく、接続抵抗が測定できない。

表１の結果から、Ｘが１５〜７０℃である実施例１〜１２では接続抵抗が低く、良好な接続状態であることがわかる。一方、Ｘが１５未満または７０を超える比較例１〜６では、接続抵抗が高い場合や、ＯＰＥＮ不良が発生した。

本発明のバンプ付き半導体チップと基板の接続方法は、液晶装置等の電気光学装置等、電気・電子用分野において幅広く実施できる。

本発明の一実施形態にかかるバンプ付きチップと基板の接続状態を示す断面図である。 従来のバンプ付チップと基板の接続方法を示す断面図である。 従来のバンプ付チップと基板の接続状態を示す断面図である。 従来の他のバンプ付チップと基板の接続状態を示す断面図である。

符号の説明

１０ 基板
１２ 回路端子
２０ 異方導電性接着剤
２２ 樹脂
２４ 導電性粒子
３０ バンプ付チップ
３２ バンプ

Claims (2)

1. 高さが１０〜３０μｍのバンプ付き半導体チップと基板間に異方導電性接着剤を介在させ、圧着ヘッドにより加熱加圧して接続する方法において、前記異方導電性接着剤は、ラジカル重合性物質、ラジカル重合開始剤及び加圧により変形する導電性粒子を含有し、加熱時間Ｓ（秒）が１≦Ｓ≦１０であり、前記ラジカル重合開始剤の１分間半減期温度をＴ_１（℃）、圧着温度をＴ_２（℃）としたとき、以下の式を満たすバンプ付き半導体チップと基板の接続方法。
   Ｔ_１＋ｘ＝Ｔ_２
   １５≦ｘ≦７０
2. 前記圧着温度Ｔ_２が１４０〜２３０℃であり、前記異方導電性接着剤のラジカル重合性物質が、アクリレート、メタクリレート、マレイミド、スチレン誘導体から選択される少なくとも一種であり、ラジカル重合開始剤が、パーオキシケタール、パーオキシエステル、ジアルキルパーオキサイドから選択される少なくとも一種である請求項１記載の接続方法。
   

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