JP2008098683A

JP2008098683A - 電極配設基体の電極接合方法

Info

Publication number: JP2008098683A
Application number: JP2008002999A
Authority: JP
Inventors: Yusuke Chikamori; 祐介近森; Kaori Mikojima; かおり神子島; Naoaki Kogure; 直明小榑
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 2008-01-10
Filing date: 2008-01-10
Publication date: 2008-04-24

Abstract

【課題】例えば半導体装置の実装技術における、更なる高集積・高密度化の要請に応えることができ、しかもＰｂを含まない接合材料を用いて、例えば、ステップ接合の第１ステップの接合等を行えるようにする。
【解決手段】多数の電極を有する基体４２であって、平均直径が１００ｎｍ以下で０．５ｎｍ以上の金属核の周囲を有機物で結合・被覆することによって生成した複合型金属ナノ粒子を主材とする接合材料４０を電極の表面に塗布した。
【選択図】図３

Description

本発明は、電極配設基体及びその電極接合方法に係り、特に半導体装置（半導体パッケージ）をインタポーザやプリント配線基板等に表面実装する時の該インタポーザやプリント配線基板等として使用される電極配設基体及びその電極接合方法に関する。

近年、電子機器の小型化に伴って、半導体パッケージに対する高集積化の要求がますます強まって来ている。半導体パッケージをインタポーザやプリント配線基板に固定して、電流経路を相互に接続するようにした実装技術にあっても、更に高集積・高密度なものが希求されている。

従来、半導体パッケージの周辺に直線状に配置したリードをプリント配線基板に設けた所定の電極にはんだを利用して接合する方法としては、マイクロソルダリングが広く知られている。ここで、半導体パッケージの周辺に直線状にリードを配置する場合、設置可能なリードの数には限りがある。例えば、表面実装型半導体パッケージとして多用されているＱＦＰ（Quad Flat Package）の場合、そのリードの間隔の最小限界値は、０．３ｍｍ（例えば、小林紘二郎、荘司郁夫、水曜会誌、23、2（2000.2）P.123参照）とされており、これによって、取付け可能なリードの数が制約を受けることになる。

このため、半導体パッケージの裏面全体に接点端子（電極）としてのはんだボールを格子状に配列するようにした、所謂ＢＧＡ（Ball Grid Array）方式が９０年代後半から注目され、実用例が増加している。このＢＧＡ方式の半導体パッケージ（ＢＧＡパッケージ）は、裏面全体に電極を配置出来るので、前述のＱＦＰと比べ単位面積当りの電極数を格段に高めることが出来、高密度実装や実装面積の縮小に多大の効果を発揮することが出来る。

このＢＧＡパッケージのはんだボールの最小配置間隔は、０．５ｍｍ（例えば、松浦亮、珍田聡、日立電線、No.21（2002.1）P.53参照）とされている。これは、溶融したはんだ材料に働く表面張力と重力の作用で生じるはんだボールの扁平化現象によって決められたものと考えられる。更に、はんだボールの直径とはんだボールの相互の間隔（ピッチ）が小さいほど、高密度実装を行うには都合が良いものの、はんだボールの狭ピッチ化が進むと、はんだの材料特性に起因する不具合が生じる。

すなわち、図７は、溶融・液状化によって生じたはんだボールの扁平化（高さが減少して高さと垂直方向の直径が増加する）現象の観察例（大澤直、「はんだ付のおはなし」（2001.12日本規格協会）P.105参照）を示すもので、このように、はんだボールの扁平化現象の影響を大きく受けて、ＢＧＡパッケージのはんだボールのピッチは、最少で０．５ｍｍとなっている。

更に、ＢＧＡパッケージ側のビアホール径とはんだボール径の狭小化に伴って、はんだボール接合の信頼性が損なわれる傾向が生じる。図８は、はんだボールの狭ピッチ化に伴って生じるはんだボール接合の代表的な不具合例を示す。つまり、図８（ａ）は、配線板１０とＢＧＡパッケージ１２の電極１４とを接続するはんだボール１６が配線板１０側に偏って、ＢＧＡパッケージ１２のビアホール１２ａ内に位置するはんだボール１６にはんだが細くなる、はんだ括れ現象が生じた状態を示し、図８（ｂ）は、はんだボール１６が配線板１０だけと接合し、導通が切断される、はんだ脱落現象が生じた状態を示す。

図８に示す不具合は、主にはんだボールのピッチとボール径が限度以下に小さくなったことに起因しており、はんだ合金の加熱による溶融・液状化→凝固という過程を経て接合を実現するマイクロソルダリングに不可避的に伴う現象と考えられる。
以上のように、ＢＧＡパッケージにあっても、はんだボールのピッチ及びボール径の狭小化には自ずと限界がある。

また、必要な部品を接合して1つの製品を作る際には、所謂ステップはんだ付が行われるが、このステップはんだ付の場合、少なくとも第１ステップのはんだ接合には、Ｐｂを含む高温はんだが用いられる。ステップはんだ付は、図９に示すように、例えば複数の部品Ｐ_１，Ｐ_２…をはんだ接合による接合層Ｃ_１，Ｃ_２…を介して順次積層し、最終的にｎ個の部品Ｐ_１〜Ｐ_ｎを一体化した製品を作る方法を意味している。この場合、一旦接合した部分がそれ以降の接合工程によって再溶融することを回避することが必要になる。そのためには、１回目の接合層Ｃ_１を形成するときに最も融点の高いはんだ材料を用い、２回目以降の接合のためには順次融点が低いはんだ材料を用いてこれを行うことが不可欠となる。半導体装置では、特に、大電流密度の所謂ハイパワーモジュールと称するもので高温はんだの使用が必須とされる。

ここで、環境保全の要求から鉛（Ｐｂ）使用に対する法規制が厳しくなっており、低温の融点のはんだとしては、従来の６０％Ｓｎ−４０％Ｐｂの共晶系のはんだに替わって、Ｓｎ−Ａｇ系やＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のはんだを使用するようにしたものが開発され、その実用が広がりつつある。しかし、ステップはんだ付の初期ステップで使用すべき高温はんだとしては、５％Ｓｎ−９５％Ｐｂ系が唯一の実用材料であって、これに替る無鉛はんだの開発は、その目途さえつかない状況となっている。更に、半導体パッケージを高温環境（例えば車両のエンジンの近傍等）で用いる場合にも、従来同様の高温はんだが用いられるので、これにも代替品のはんだ材料が要求されている。

以上のように、例えば半導体装置の実装技術にあっては、その高集積・高密度化に一定の限界があり、また、高温はんだに替わる、Ｐｂを含まない接合材料を用いて、例えば、ステップ接合の第１ステップの接合等が行えるようにしたものの開発が強く望まれていた。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、例えば半導体装置の実装技術における、更なる高集積・高密度化の要請に応えることができ、しかもＰｂを含まない接合材料を用いて、例えば、ステップ接合の第１ステップの接合等を行えるようにした電極配設基体及びその電極接合方法を提供することを目的とする。

本発明の電極配設基体は、多数の電極を有する基体であって、平均直径が１００ｎｍ以下で０．５ｎｍ以上の金属核の周囲を有機物で結合・被覆することによって生成した複合型金属ナノ粒子を主材とする接合材料を前記電極の表面に塗布したことを特徴とする。

一般に、直径の小さな粒子同士を互いに接触させて一定の温度以上に加熱すると、粒子同士が互いに結合を強め、最終的に全体が一体化する焼結現象を生じることが知られている（例えば、作井誠太編「100万人の金属学」（1989.9アグネ）P.272〜277参照）。このような焼結現象は、互いに接触する粒子の直径が小さくなるほど、単位体積の系内での接触点の数が増すと共に、焼結開始温度が低くなる性質を持つので、粒子直径が小さいほど焼結が起こりやすくなる。

図１（ａ）は、小さな粒子２０ａ，２０ｂとの間で焼結による結合が起きる過程を、図１（ｂ）は、小さな粒子２０と大型の物体２２との間で焼結による結合が起きる過程を模式的に示す（例えば、作井誠太編「100万人の金属学」（1989.9アグネ）P.272〜277参照）。即ち、図１（ａ）及び（ｂ）において、仮想線は焼結前の形態を、実線は焼結後の形態をそれぞれ示している。焼結現象の研究によって、小さい粒子の表面や内部で夫々を構成する原子が熱活性化によって拡散・移動を起こし、これが徐々に接触部に移動することによって結合が進むことが実証されている。

この原子の拡散を生ずる原動力は、物質の表面張力であって、これは、２つの物体が小面積で接触している部分の周囲の凹んだ面に特に強く働き、接触点へ原子を引張り込む傾向が強くなる。表面張力は、表面エネルギによって生じるが、この表面エネルギは、粉粒体の表面に貯えられており、更に系内の表面エネルギの総和は、粒子の表面積の総和に比例するので、粒子の直径が小さいほど表面エネルギ量が大きくなり、焼結が起こりやすくなる（例えば、作井誠太編「100万人の金属学」（1989.9アグネ）P.272〜277参照）。

本発明による複合型金属ナノ粒子の金属核の平均直径は、１００ｎｍ程度以下、好ましくは２０ｎｍ程度以下、更に好ましくは５ｎｍ程度以下である。この金属核の平均直径の最小値は、製造が可能な限り特に限定されないが、一般的には０．５ｎｍ程度、または１．０ｎｍ程度である。表1は、直径が５０ｎｍ程度以下の金属超微粒子（Ｆｅ，Ａｇ，Ｎｉ，Ｃｕ）が焼結を開始する温度を示す（例えば、一ノ瀬昇、尾崎義治、賀集誠一郎、「超微粒子技術入門」（1988.7オーム社）P.26〜29参照）。

表１に示すように、例えば直径２０ｎｍの銀粒子を用いれば、焼結は、６０〜８０℃と常温に極めて近い温度で起きる（低温焼結）。これが発明による接合原理・機構の本質をなしている。従って、粒子の大きさを選べば、従来のはんだ接合よりも、遙かに低い温度で接合作業をすることが原理的に可能となる。また、温度、その他の条件を選ぶことによって、本発明による接合は、金属、プラスチック、セラミック等全ての材質の被接合部材に適用出来る。

本発明による複合型金属ナノ粒子は、小さな金属核の周囲を、有機物によって結合・被覆した構造を有しており、これを接合素材として利用する。このような複合型金属ナノ粒子は、例えば金属塩と有機物質を加熱還元することによって容易かつ安価に製造することが出来る。このように、金属核の周囲を有機物で結合・被覆した状態の複合型金属ナノ粒子は、単なる金属粒子同士の場合と異なり、これを一定量集合しておいても、相互に凝集・粗大化してしまうという不具合を回避することが出来るという大きな利点を持っている。

前述のように、粒子は、その大きさが小さいほど容易に焼結を起こすことが出来るので、相互に凝集を生じることなく、均一な分散状態を保持することが極めて重要かつ不可欠な特性となる。金属核の周囲を有機物で結合・被覆した状態の複合型金属ナノ粒子ならば、これを、適当な溶媒等に溶解した場合でも凝集・粗大化を起こすことなく、接合素材として有効に使用出来るという優れた機能を持っている。

以上述べたように、本発明による接合の機構は、超微小な金属粒子に特有の低温焼結による結合現象である。従って、従来のはんだ接合と異なり、固体物質の溶融→液化→凝固の過程を経由することはない。

固体が溶融すれば、液体状態での表面張力と重力の関係によって、図８に示すように、はんだの括れや脱落という不都合を起こすとともに、液状態に於けるはんだボールの扁平化現象に起因する電極ピッチ狭小化の限界値＝０．５ｍｍに直面する。これに対して、本発明による接合は、溶融現象によらず、あくまで固相状態での焼結現象を利用しているので、図８に示す不都合や、はんだボール扁平化に伴う電極ピッチ狭小化の限界から解放される。これは、前述のはんだの溶融・液状化の場合と異なり、金属の焼結現象に伴う形状・体積変化が極小規模であることに由来している。換言すると、本発明による接合の電極ピッチ間隔は、はんだ接合のそれよりもはるかに狭小化することが可能となる。

本発明にあっては、常温に近い極めて低い温度の加熱で接合を行うことが可能で、しかも一旦接合が完了してしまえば、この接合部分を再溶融するためには、その金属のバルク状態の融点まで昇温・加熱することが必要となる。例えば、銀粒子を用いて接合を行った場合、接合部は、少なくとも９６０℃以上に加熱しないと溶融しない。このように、接合時の加熱温度よりも遙かに高い温度になるまで加熱しなければ、接合部は接合したままで保持される。従って、高い融点から低い融点までのはんだ材料を順次使用することなく、図９に示すステップはんだ付を行うことができる。すなわち、段階的に複数の部品を順次接合して製造する場合でも、部品数に制約はなく、同一の接合材料で一貫した接合・製造が可能となる。

前記複合型金属ナノ粒子は、例えば金属塩とアルコール系有機物とを混合して加熱合成した後、これに還元剤を加えて加熱還元することによって生成される。
前記複合型金属ナノ粒子は、金属塩と有機物質とを非水系溶媒中で加熱合成した後、これを加熱還元することによっても生成される。

前記複合型金属ナノ粒子は、金属塩と金属酸化物と金属水酸化物と有機物とを混合して加熱合成した後、これを加熱還元することによっても生成される。
前記複合型金属ナノ粒子は、金属塩と有機物とを非水系溶媒中で加熱合成した後、これに還元剤を加えて加熱還元することによっても生成される。

前記複合型金属ナノ粒子の周囲を結合・被覆する有機物は、Ｃ，Ｈ及び／またはＯを主成分としたものであることが好ましい。
有機物に窒素（Ｎ）、硫黄（Ｓ）等のように、Ｃ，ＨまたはＯ以外の元素を含むと、接合時の加熱によって有機物を分解・蒸散させる工程を実行しても、有機物中に含まれるＮまたはＳ成分が焼結金属中に残留し、その結果、接合層の導電性に悪影響を及ぼす場合がある。例えば、高密度実装部品のように、動作時の電流密度が高い部分で、このような理由で導電率が低下することは由々しい問題を生じると考えられる。しかし、有機物として、Ｃ，Ｈ及び／またはＯを主成分とするものを使用し、有機物の分解・蒸散後も接合部にＮやＳが残留しないようにすることで、このような弊害を防止することができる。

前記基体は、例えば半導体装置の装着のために用いられる。この基体としては、例えば半導体パッケージを表面実装するインタポーザやプリント配線基板等が挙げられる。
本発明の電極配設基体の電極接合方法は、基体に設けた電極と他の基体に設けた電極との間に、平均直径が１００ｎｍ以下で０．５ｎｍ以上の金属核の周囲を有機物で結合・被覆することによって生成した複合型金属ナノ粒子を主材とする接合材料を介在させ、前記接合材料に含まれる複合型金属ナノ粒子を焼結させて電極同士を接合することを特徴とする。

本発明によれば、例えば半導体装置の実装技術における、更なる高集積・高密度化の要請に応えることができる。しかもＰｂを含まない接合材料を用いて、例えば、ステップ接合の第１ステップの接合等を行うことが出来る。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。なお、はんだ接合においては、(1)コテはんだ接合、(2)フローはんだ接合、(3)リフローはんだ接合という３タイプの接合プロセスが一般に行われている（例えば、「はんだ付のおはなし」(2001.12 日本規格協会) p65〜74参照）。それに対し、本発明のプロセスは、基本的に接合材料を必要部分に塗布しておいて、その後、これを加熱・焼結させることによって接合を達成するという形態が採られる。

先ず、図２に示すように、実質的に金属成分からなる金属核３０と、Ｃ，Ｈ及び／またはＯを主成分とする有機物からなる結合・被覆層（有機物層）３２とからなる構造を持つ複合型金属ナノ粒子３４を作製する。このような複合型金属ナノ粒子３４は、金属核３０が有機化合物からなる結合・被覆層３２により覆われているので安定であり、しかも溶媒中において凝集する傾向が小さい。

この複合型金属ナノ粒子３４は、有機化合物と出発物質である金属塩、例えば炭酸塩、蟻酸塩または酢酸塩由来の金属成分から構成されており、その中心部が金属成分からなり、その周りを結合性有機化合物が取り囲んでいる。この時、有機化合物と金属成分とは、その一部または全部が化学的に結合した状態で一体化して存在しており、界面活性剤によりコーティングされることにより安定化された従来のナノ粒子と異なり、安定性が高いとともに、より高い金属濃度においても安定である。

複合型金属ナノ粒子３４の金属核３０の平均直径ｄは、１００ｎｍ程度以下、好ましくは２０ｎｍ以下、更に好ましくは５ｎｍ以下とする。また、結合・被覆層３２の高さｈは、例えば１．５ｎｍ程度である。この金属核３０の平均直径ｄの最小値は、可能な限り特に限定されないが、一般的には０．５ｎｍ程度、または１．０ｎｍ程度である。このように構成することにより、金属核３０を構成する金属粒子は前述の低温焼結を起こすことが可能となる。

この複合型金属ナノ粒子３４は、例えば非水系溶媒中でかつ結合性有機物の存在下で金属塩、例えば炭酸塩、蟻酸塩または酢酸塩をその分解還元温度以上でかつ結合性有機物の分解温度以下で加熱することによって製造することができる。金属成分としてはＡｇ、ＡｕまたはＰｄが用いられ、結合性の有機物としては、例えば炭素数５以上の脂肪酸および炭素数８以上の高級アルコールが用いられる。

加熱温度は、金属塩、例えば炭酸塩、蟻酸塩または酢酸塩の分解還元温度以上でかつ結合性有機物の分解温度以下である、例えば酢酸銀の場合、分解開始温度が２００℃であるので、２００℃以上かつ上記の結合性有機物が分解しない温度に保持すればよい。この場合、結合性有機物が分解しにくいようにするために、加熱雰囲気は、不活性ガス雰囲気であることが好ましいが、非水溶剤の選択により、大気下においても加熱可能である。

また、加熱するに際し、各種アルコール類を添加することもでき、反応を促進することが可能になる。アルコール類は、上記効果が得られる限り特に制限されず、例えばラウリルアルコール、グリセリン、エチレングリコール等が挙げられる。アルコール類の添加量は、用いるアルコールの種類等に応じて適宜定めることができるが、通常は重量部として金属塩１００に対して５〜２０程度、好ましくは５〜１０とすれば良い。
加熱が終了した後、公知の精製法により精製を行う。精製法は例えば遠心分離、膜精製、溶媒抽出等により行えば良い。

そして、複合型金属ナノ粒子３４をトルエン、キシレン、ヘキサン、オクタン、デカン、シクロヘキサン、ピネンまたはリモネン等の所定の有機溶媒に分散させて接合材料を作製する。金属核３０の表面を有機物からなる結合・被覆層（有機物層）３２で被覆した構造を持つ複合型金属ナノ粒子３４は、この有機物層３２に金属核３０を保護する保護皮膜としての役割を果たさせることで、溶媒中に安定して分散し、しかも粒子としての高い性状安定性を有する。従って、低温で焼結・溶融結合可能な結合素材（複合型金属ナノ粒子３４）を均一に分散させた液状の接合材料を得ることができる。

ここで、複合型金属ナノ粒子３４を、金属部分の全液体に対する重量比率が好ましくは１％以上、８５％以下となるように有機溶媒に分散させ、これに分散剤やゲル化剤を適宜添加して液状化することで、低温で焼結・溶融結合可能な接合素材（複合型金属ナノ粒子３４）を均一に分散させた所望の加熱時の流動性を有する液状の接合材料を得ることができる。複合型金属ナノ粒子３４の金属部分の全液体に対する重量比率が８５％を超えると、液状の接合材料としての流動性が著しく低下するので、微細な隙間を液状の接合材料で充填するに際し、充填の不完全な部分を生じやすくなる。

更に、複合型金属ナノ粒子３４の金属部分の全液体に対する重量比率が１％以下では、接合材料に含まれる有機成分が多過ぎる結果、焼成時の脱ガスが不十分となって、接合層に欠陥を生じやすいので本比率を上記範囲に限定している。

複合型金属ナノ粒子３４を、金属部分の全流動体に対する重量比率が好ましくは１５〜９０％となるように有機溶媒に分散させ、これに分散剤やゲル化剤を適宜添加して液状化し、スラリー、ペーストまたはクリーム状に調整することで、低温で焼結・溶融結合可能な接合素材（複合型金属ナノ粒子３４）を均一に分散させた、所望の加熱時の流動性を有するスラリー、ペーストまたはクリーム状の接合材料を得ることができる。

複合型金属ナノ粒子３４を、金属部分の全接合材料に対する重量比率が、好ましくは２０〜９５％となるように有機溶媒に分散させ、これに分散剤やゲル化剤を適宜添加して液状化し、例えば棒状、紐状またはボール状等の各種形状に成形して固化させるか、またはゼリー状に半固化させることで、低温で焼結・溶融結合可能な接合素材（複合型金属ナノ粒子３４）を均一に分散させた、所望の加熱時の流動性を有する固化若しくは半固化した接合材料を得ることができる。

この時、必要に応じて、０．１μｍ程度の大きさの、例えば金属粉末、プラスチック粉末、金属・プラスチック以外の無機物粉末等のうち単独で、もしくはこれらを組合せた骨材を添加して、接合材料中に均一に分散させてもよい。このように、骨材を添加することで、複合型金属ナノ粒子単独の場合と異なり、各種の特性を加えることができる。
この骨材としては、例えばＡｌ，Ｃｕ，Ｍｇ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ａｕ，ＡｇまたはＰｄからなる金属粉末を使用することができる。このように、各種電気電導性に優れた金属粉末を骨材として添加することで、安定した電気電導性を確保することができる。

次に、前述の接合材料を使用して、配線板に半導体パッケージを接合（表面実装）する過程を図３及び図４を参照して説明する。なお、ここでは、複合型金属ナノ粒子３４として、その平均直径ｄが５ｎｍのクラスタ状の銀超微粒子からなる金属核３０を有する複合型銀超微粒子を使用した例を示す。先ず、複合型金属ナノ粒子（複合型銀超微粒子）３４をヘキサン等の溶媒に分散し、更に、骨材となる３０〜３００ｎｍの銀粒子を混合して印刷による仮固定が可能な、粘ちゅう性のクリーム状態に調整した接合材料を用意する。

そして、図３（ａ）に示すように、例えばスクリーン印刷法等によって、この接合材料４０を配線板４２の所定の位置（電極）に塗布する。次に、図３（ｂ）に示すように、この配線板４２に、裏面に格子状に接点用バンプ（電極）４４を配列した半導体パッケージ４６を位置決めして搭載する。この状態で、全体を加熱することによって、低温焼結を起こして、配線板４２上に半導体パッケージ４６を接合・固定する。つまり、接合材料４０に含まれるトルエン等の溶媒を蒸発させ、更に接合材料４０の主成分である複合型金属ナノ粒子３４を、この結合・被覆層（有機物層）３２の金属核（銀超微粒子）３０から離脱させる温度への加熱、或いは結合・被覆層３２自体の分解温度以上への加熱によって、金属核３０から結合・被覆層３２を離脱させるか、或いは結合・被覆層３２を分解して蒸散させる。これにより、金属核（銀超微粒子）３０同士を直接接触させ焼結させて銀層を形成し、この銀層からなる接合層と半導体パッケージ４６のバンプ４４及び配線板４２の電極とを直接接触させて凝着を起こさせ、この結果として、配線板４２の電極と半導体パッケージ４６のバンプ４４とを銀層からなる接合層を介して接合させる。

平均直径ｄが５ｎｍの銀を金属核とする接合素材を用いた場合、この加熱としては、３００℃×３minという条件で十分な接合が出来ることを確認している。このように、例えば３００℃程度の温度で低温焼成して配線板４２の電極と半導体パッケージ４６のバンプ４４とを接合することで、従来のはんだ接合を代替出来る鉛不使用の接合が出来る。

スクリーン印刷法を用いる場合、接合材料４０のスポットサイズＳとスポット間隔Ｐは、共に３０μｍ程度まで狭小化出来ることを実験によって確認している。従って、従来のＢＧＡパッケージにおけるはんだボールによる狭小化の限界値０．５ｍｍに対しては１／１０以下への狭小化が達成出来るので、従来よりもはるかに高い密度の配線を実現することが可能となり、半導体装置の高密度実装に資するところが大きい。

表２は、電極のスポット間隔として、実用的に採用可能な最小値を接合方法別に示している。

前述のように、従来のマイクロソルダリングによれば、ＱＦＰパッケージのリード間隔の最少限界値（限界スポット間隔）は、０．３ｍｍで、ＢＧＡパッケージのはんだボールのピッチの限界値（限界スポット間隔）は、ＣＳＰパッケージやＬＧＡパッケージを含め、０．５ｍｍであるが、本発明によれば、接合材料のスポット間隔の限界値を３０μｍまで狭めることができる。

ここで、図５に半導体パッケージ４６のバンプ４４と配線板４２の接合部を拡大して模式的に示すように、接合材料４０を該接合材料４０，４０間にガス抜き溝４８ができるようにして配線板４２に塗布しても良い。これにより、接合材料４０に元々含有される有機溶媒の蒸発ガスや金属核を結合・被覆している有機物の分解ガスが容易に離脱出来るようにすることができる。つまり、このように、ガス抜き溝４８を設けることによって、ガスの離脱性が改善するので、他の条件が同一であればガス抜き溝が無い場合と比較して、焼成の低温度化・短時間化が図られる。従って、実用上の効果が大きい。

図６は、大電流密度の半導体装置であるハイパワーモジュール５０を、インタポーザ５２を介して配線板４２に接合・固定した状態を示す。図６に示すハイパワーモジュール５０では、内部の電流密度が高いので、自らの発熱・昇温による熱変形が大きくなるため、通常配線板４２との間にインタポーザ５２を挿入することによってハイパワーモジュール５０と配線板４２との熱膨張差に起因して生じる熱応力を緩和し、熱衝撃や熱疲労による部品の損傷を回避している。

この例にあっては、先ず、前述と同様にして、例えばスクリーン印刷法等によって、インタポーザ５２の表面の所定の位置（電極）に接合材料を塗布し、このインタポーザ５２に、裏面に格子状に接点用バンプ（電極）５４を配列したハイパワーモジュール５０を位置決めして搭載し、例えば３００℃×３minという条件で低温焼結させる。これによって、インタポーザ５２の電極とハイパワーモジュール５０のバンプ５４とを接合層５６を介して接合し、インタポーザ５２の上面にハイパワーモジュール５０を装着する。次に、例えばスクリーン印刷法等によって、配線板４２の所定の位置（電極）に接合材料を塗布し、この配線板４２に、裏面に格子状に接点用バンプ（電極）５８を配列したインタポーザ５２を位置決めして搭載し、例えば３００℃×３minという条件で低温焼結させる。これによって、配線板４２の電極とインタポーザ５２のバンプ５８とを接合層６０を介して接合し、配線板４２上にインタポーザ５２を装着する。

このように、２ステップのはんだ接合を必要とする場合、ハイパワーモジュール５０とインタポーザ５２間の接合には、従来、Ｓｎ−９５％Ｐｂ系の高温はんだを用いることを余儀なくされている。しかも、前述のように鉛不使用の高温はんだ開発の目途が立たないために、環境保全上の法規制との整合性を図る方途は、暗礁に乗り上げた状況となっていた。

しかしながら、本発明の方法によると、同じ接合材料を何回でも使用出来るので、上記問題は解決される。つまり、形態が変化した複合型金属ナノ粒子、即ち先に形成した銀層等からなる接合層５６は、バルク状態の金属と同じ特性に変わっており、接合層５６はバルク状態と同じ融点、すなわち961.93℃を持ち、一度焼結した場合、961.93℃以上でなければ溶融しなくなっている。従って、この裏面への接合時の加熱によって溶融することはなく、高温はんだに求められる、繰返しの接合には理想的な接合材料を提供することができる。

なお、このペースト状の接合材料の供給は、単なる塗布法に限ることなく、スプレー、刷毛塗り、ディップ、スピンコート、ディスペンス、スクリーン印刷、転写法等の任意の方法で行うことができる。
また、この接合法によると、金属、プラスチック、及びセラミック等無機物のうちの同種材の部品同士、または異種材の部品の組合せ等、基本的にあらゆる部品の接合を行うことができる。

なお、この例では、接合材料に含まれる複合型金属ナノ粒子の形態を変化させるためのエネルギの付与を熱風炉による加熱（低温焼成）で行っているが、エネルギビームによる局部加熱、粒子ビーム照射、部品間の通電、部品の誘導加熱または誘電加熱等、任意の方法によるものであっても良い。複合型金属ナノ粒子は、これらの方法により形態を変化させられると、相互にあるいは添加された金属粉末やその他添加物及び各種接合対象材との間で焼結によって接合する。

ここで、前記接合を、大気中、乾燥空気中、不活性ガス雰囲気、真空中またはミストの存在量を低減した環境下で行うことができる。特に、例えば清浄雰囲気で接合を行うことによって、接合前に被接合面が空中に飛散・浮遊する鉱油、油脂、溶剤、水などのミストで汚染されることを回避することができる。

更に、接合に先立って行う前記部品の被接合面の表面処理として、有機溶剤や純水による洗浄・脱脂、超音波洗浄、薬液エッチング、コロナ放電処理、火炎処理、プラズマ処理、紫外線照射、レーザ照射、イオンビームエッチング、スパッタエッチング、陽極酸化、機械的研削、流体研削またはブラスト加工の少なくとも一つの操作を行うことができる。
これにより、接合工程に先立って被接合部材表面の汚染・異物を除去したり、該表面の粗度を変化したりすることによって接合に適した表面形態を創成することができる。

焼結による小粒子の結合の概念を示す図である。本発明に使用される有機物による結合・被覆構造を持つ複合型金属ナノ粒子を模式的に示す図である。本発明による配線板への半導体パッケージの接合例を工程順に模式的に示す断面図である。本発明による配線板への半導体パッケージの接合例を工程順に示すフロー図である。配線板と半導体パッケージのバンプとの他の接合例を拡大して模式的に示す断面図である。本発明によるステップ接合による半導体装置の実装例を模式的に示す断面図である。溶融・液状化によって生じたはんだボールの扁平化現象を示す図である。従来例における、はんだボールの狭ピッチ化に伴って生じるはんだボール接合の代表的な不具合例を示す図である。従来例における、ステップはんだ付の説明に付する図である。

符号の説明

３０金属核
３２結合・被覆層（有機物層）
３４複合型金属ナノ粒子
４０接合材料
４２配線板
４４，５４，５８バンプ
４６半導体パッケージ
４８ガス抜き溝
５０ハイパワーモジュール
５２インタポーザ
５６，６０接合層

Claims

多数の電極を有する基体であって、平均直径が１００ｎｍ以下で０．５ｎｍ以上の金属核の周囲を有機物で結合・被覆することによって生成した複合型金属ナノ粒子を主材とする接合材料を前記電極の表面に塗布したことを特徴とする電極配設基体。
基体に設けた電極と他の基体に設けた電極との間に、平均直径が１００ｎｍ以下で０．５ｎｍ以上の金属核の周囲を有機物で結合・被覆することによって生成した複合型金属ナノ粒子を主材とする接合材料を介在させ、前記接合材料に含まれる複合型金属ナノ粒子を焼結させて電極同士を接合することを特徴とする電極配設基体の電極接合方法。