JP2008227359A

JP2008227359A - 半導体装置および半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP2008227359A
Application number: JP2007066570A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Ishizuka; 剛石塚; Mototoshi Nishizawa; 元亨西沢; Nobuhiro Imaizumi; 延弘今泉
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2007-03-15
Filing date: 2007-03-15
Publication date: 2008-09-25

Abstract

【課題】半導体チップと該半導体チップが実装される基板との電気的な接続を良好とし、信頼性の高い半導体装置を提供する。
【解決手段】半導体チップと、前記半導体チップに設置された突起電極と、前記突起電極が電気的に接続される端子電極を備えた基板と、を有し、前記突起電極と前記端子電極の間には、金属粒子と樹脂材料を含む導電性接着剤よりなる第１の層と、前記金属粒子よりも融点が低く、かつ、接している前記突起電極または接している前記端子電極の表面を構成する金属と合金を形成する低融点金属を含む第２の層と、が形成されていることを特徴とする半導体装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体チップが基板に実装されてなる半導体装置、および当該半導体装置の製造方法に関する。

近年のコンピュータシステムに用いられる配線基板は、実装される半導体素子（半導体チップ）の高密度化や配線の微細化（多ピン化）に対応することが要求されている。このため、配線基板を高密度化することや、配線基板の配線の微細化が必要になってきており、半導体チップを配線基板に実装するための様々な方法・構造が提案されていた（例えば特許文献１〜特許文献３参照）。

上記の半導体チップの高密度化や配線の微細化に対応するために、従来のＩＣパッケージを用いた実装方法に換わって、半導体チップを配線基板に直接実装するフリップチップ実装（フリップチップ接合）が普及してきている。例えばフリップチップ実装においては、半導体チップに設置された電極（突起電極）と、配線基板に設置された電極（端子電極）とを接合することで、半導体チップがフェースダウンで配線基板に実質的に直接接合される。

また、上記のフリップチップ実装では、半導体チップの突起電極と配線基板の端子電極とを接続するために、半導体チップと配線基板との間の接着剤を硬化させると同時に、半導体チップ（配線基板）に高荷重を印加し、半導体チップの突起電極を押し潰すことによって基板の端子電極と電気的に接続する圧接方式が用いられることが一般的である。上記の圧接方式では、接着剤を硬化させるときの収縮力と、突起電極及び端子電極を押し潰したときの反発力とを利用して突起電極と端子電極の電気的な接続を得ている。

しかし近年、半導体チップの高性能化に伴って、設置される突起電極のピッチが狭小化しており、これにより突起電極のサイズも小さくなる傾向にある。したがって、接合時に高荷重を必要とする圧接方式では、狭ピッチ用の小さな突起電極を潰すことにより、例えば隣接する電極が接触して電気的に短絡してしまう懸念が生じてしまう。また、基板が反って電気的接続領域以外の領域において半導体チップと基板の間のクリアランスが狭くなり、パーティクル等が挟み込まれて半導体チップの回路が破損するという問題が生じる場合もある。

例えば、接合時の荷重を小さくして半導体チップと配線基板のクリアランスを確保しようとすると、一方で、半導体チップの突起電極と基板の端子電極とを押し潰したときの反発力が不足し、電気的な接続の確実性が低下するという問題が生じてしまう。このように、突起電極が狭ピッチに形成された高集積化・高密度化された半導体チップの実装の信頼性を向上させることは困難になっていた。

また、半導体チップが基板に実装されてなる半導体装置においては、半導体装置を構成する材料の熱膨張率の違いにより、半導体チップと配線基板の接合部が破損してしまう場合があった。

例えば、半導体チップと基板を接合する場合には、半導体チップと配線基板を昇温・降温する工程がある。また、半導体装置を稼働させる場合には、半導体チップの発熱によって、半導体チップとともに実装される基板の温度が上昇する場合もある。このように、半導体チップや基板が昇温・降温を繰り返すと、半導体チップ，基板，接着剤等の熱膨張率係数の差によって、半導体チップと配線基板の接合部が離れて断線する懸念が生じてしまう。

上記の熱膨張率係数の差に起因する断線の対策として、接合部に弾性率の低い、例えば金属粒子とバインダ樹脂から構成された導電性接着剤を適用する方法が提案されている（例えば特許文献４〜特許文献６参照）。

上記の特許文献４〜特許文献６に係る方法では、半導体チップの突起電極（端子）と，基板側の端子電極とを導電性接着剤により接合するものである。しかし、この方法では，半導体チップ（突起電極）と基板（端子電極）との密着力が弱くなってしまうという問題がある。すなわち、導電性接着剤を用いた場合には、熱膨張率の差に起因する応力を緩和する効果を奏するものの、接着力が溶融による接合などに比べて弱く、電気的な接続の信頼性が低くなってしまう懸念があった。

上記の半導体チップと基板との密着力を良好とするために、例えば、半導体チップと基板とを接着する導電性接着剤中の金属粒子と、半導体チップの電極（端子）または基板の電極を合金化する方法が提案されていた（例えば特許文献７参照）。
特開昭５３−７９４６２号公報特開２００１−２９８０４９号公報特開２００５−１５８７８５号公報特開平１０−２５６３０４号公報特開平９−２４６３２１号公報特開２００６−３２４１２号公報特開２００２−２７１００５号公報

しかし、上記の特許文献７（特開２００２―２７１００５号公報）に係る方法では、安定して合金化層を形成することが難しい問題があった。例えば、上記の金属粒子と電極の合金化にあたっては、接合時に荷重を加える，または超音波を加えられることで金属粒子と電極の合金化が図られている。

しかし、導電性接着剤に荷重や超音波を加えた場合であっても、バインダ中に拡散した金属粒子を安定に、かつ、均一に合金化することは困難であり、合金化が不十分となって半導体チップと基板との電気的な接合の信頼性を確保することは困難となっていた。

そこで、本発明では、上記の問題を解決した、新規で有用な半導体装置と、半導体装置の製造方法を提供することを統括的課題としている。

本発明の具体的な課題は、半導体チップと該半導体チップが実装される基板との電気的な接続を良好とし、信頼性の高い半導体装置を提供することである。

本発明の第１の観点では、上記の課題を、半導体チップと、前記半導体チップに設置された突起電極と、前記突起電極が電気的に接続される端子電極を備えた基板と、を有し、前記突起電極と前記端子電極の間には、金属粒子と樹脂材料を含む導電性接着剤よりなる第１の層と、前記金属粒子よりも融点が低く、かつ、接している前記突起電極または接している前記端子電極の表面を構成する金属と合金を形成する低融点金属を含む第２の層と、が形成されていることを特徴とする半導体装置により、解決する。

また、本発明の第２の観点では、上記の課題を、半導体チップに形成された突起電極と、基板に形成された端子電極とを電気的に接続して、前記基板に前記半導体チップを実装する半導体装置の製造方法であって、金属粒子と樹脂材料を含む導電性接着剤よりなる第１の層と、低融点金属を含む第２の層とを、前記突起電極と前記端子電極の間に挟持して加熱することで、該低融点金属と、該低融点金属が接する前記突起電極または前記端子電極の表面を構成する金属との合金を形成する合金形成工程を有することを特徴とする半導体装置の製造方法により、解決する。

本発明によれば、半導体チップと該半導体チップが実装される基板との電気的な接続を良好とし、信頼性の高い半導体装置を提供することが可能となる。

本発明の概略について、まず、図１を用いて説明する。図１は、配線基板に半導体チップが実装されてなる、本発明による半導体装置の断面構造の一部を模式的に示した拡大図である。図１を参照するに、本図に示す半導体装置の概略は、配線基板（配線基板を構成する絶縁層）１１上に、半導体チップ（ＬＳＩチップ）２１が実装されてなる構造となっている。また、配線基板１１には、端子電極（電極パッド）１２が設置されている。端子電極１２は、例えば、Ｃｕ上に、Ｎｉよりなる層とＡｕよりなる層が順に積層されて構成される。すなわち、端子電極１２の最表面は、Ａｕにより構成されている。

また、半導体チップ２１のデバイス形成面（配線基板１１に対向する面）には、突起電極（バンプ）２２が設置されている。例えば、突起電極２２は、Ａｕよりなるボンディングワイヤにより、形成される。

上記の半導体装置では、端子電極１２と突起電極２２とが、端子電極１２と突起電極２２の間に形成された、第１の層１３と第２の層２３を介して電気的に接続されていることが特徴である。

端子電極１２に接するように形成されている第１の層１３は、金属粒子と樹脂材料を含む導電性の接着剤よりなる。例えば、第１の層１３は、ＡｇまたはＡｕ等の金属粒子が、バインダ樹脂中に分散して構成されている。上記の第１の層１３が、半導体チップ２１と配線基板１１の間に形成されていることで、例えば半導体チップ２１と配線基板１１が加熱された場合の熱膨張率係数の差による応力が緩和され、半導体チップ２１と配線基板１１の接合部の破断が抑制される効果を奏する。

また、第２の層２３は、第１の層１３に含まれる金属粒子よりも融点が低く、かつ、接している突起電極２２の表面を構成する金属（例えばＡｕ）と合金を形成する低融点金属を含むように構成されていることが特徴である。

例えば、第２の層１３は、Ｓｎを含むように構成されている。Ｓｎは、融点が２４０℃以下であり、フリップチップ接合にあたって加熱された場合に容易に溶融して、突起電極２２の表面を構成するＡｕとの合金組成物を構成する。すなわち、第２の層１３は、ＳｎとＡｕの合金組成物を含むように構成されることになる。

このため、フリップチップ接合にあたって、半導体チップ２１と配線基板１１との電気的な接合とともに物理的な接合の信頼性が良好となり、良好な密着性を確保することが可能になる。すなわち、上記の半導体装置では、熱履歴が生じた場合の、半導体チップと配線基板の間の熱膨張率係数の差による応力を緩和しながら、かつ、半導体チップと配線基板の電気的、物理的な接合の信頼性を良好とする構造となっている。

例えば、上記の低融点金属は、融点が２４０℃以下であることが好ましい。例えば、上記の低融点金属は、ＳｎまたはＩｎよりなる。また、第１の層は、ＳｎまたはＩｎを含む合金材料を含むように構成してもよい。例えば、上記の低融点金属は、一般的に半田とよばれるＳｎを含む合金材料（ＳｎＰｂ，ＳｎＡｇ，ＳｎＡｇＣｕなど）であってもよい。

また、第１の層１３を構成する導電性接着剤に用いられるバインダ樹脂としては，エポキシ組成物，アクリル組成物，ビニル組成物，末端に水酸基を有する組成物等の熱硬化性組成物，溶剤に可溶な樹脂組成物または上記の混合物を用いることができる。

例えば、エポキシ組成物は，エポキシ主剤と，エポキシ硬化剤を必須成分とし，さらに界面活性剤や溶剤が添加されても良い。

エポキシ主剤としては，芳香族系エポキシ，線状脂肪族エポキシ，脂環式エポキシまたはこれらの混合物を用いることができる。例えば，芳香族系エポキシは，ビスフェノールＦ型エポキシ，ビスフェノールＡ型エポキシ，ナフタレン型エポキシ，ノボラック型エポキシまたはこれらの混合物，線状脂肪族エポキシは，ポリエチレングリコールジグリシジルエーテル，ポリプロピレングリコールジグリシジルエーテル，トリメチロールプロパントリグリシジルエーテル，グリセリントリグリシジルエーテルまたはこれらの混合物，脂環式エポキシは，３，４−エポキシシクロヘキシルメチルカルボキシレート，３，４−エポキシ−６−メチルシクロヘキシルメチルカルボキシレート等がある。

エポキシ硬化剤としては，ポリアミン，酸無水物，イミダゾール化合物があり，ポリアミンとしては，例えば、イソホロンジアミン、Ｎ−アミノエチルピペラジン、３，９−ビス（３−アミノプロピル)−２，４，８，１０−テトラオキシスピロ−（５，５）−ウンデカンアダクト、ビス（４−アミノ−３−メチルシクロヘキシル)メタン、ｍ−キシレンジアミン、ジアミノジフェニルメタン、ｍ−フェニレンジアミン、ジアミノジフェニルスルホン、メンセンジアミン、ジエチレントリアミン、トリエチレンテトラミン、テトラエチレンペンタミン，変性脂肪族ポリアミンＱ６０４，Ｑ６３６（三井化学），ポリアミドアミンＱ６５１（三井化学）等が，酸無水物としては，ヘキサヒドロ無水フタル酸，メチルテトラヒドロ無水フタル酸，メチルヘキサヒドロ無水フタル酸，無水メチルナジック酸，無水ピロメリット酸，エチレングリコールビス（アンヒドロトリメート），４−メチルヘキサヒドロ無水フタル酸，リカシッドＴＭＴＡ，リカシッドＭＴ−５００，リカシッドＨＦ−２４Ｂ，リカシッドＨＦ−０４（新日本理化），エピキュアＹＨ３０６，エピキュアＹＨ３０７（油化シェルエポキシ）等が，イミダゾール化合物としては，２−メチルイミダゾール，２−ウンデシルイミダゾール，２−ヘプタデシルイミダゾール，１，２−ジメチルイミダゾール，２−エチル−４−メチルイミダゾール，２−フェニルイミダゾール，１−ベンジル−２−フェニルイミダゾール，１−ベンジル−２−メチルイミダゾール，１−シアノエチルイミダゾール，２，４−ジアミノ−６−（２'−メチルイミダゾリル−（１'）)−エチル−ｓ−トリアジン，２，４−ジアミノ−６−（２'−ウンデシルイミダゾリル)−エチル−ｓ−トリアジン，２，４−ジアミノ−６−（２'−エチル−４−メチルイミダゾリル−（１'））−エチル−ｓ−トリアジン，２，４−ジアミノ−６−（２'−メチルイミダゾリル−（１'））−エチル−ｓ−トリアジン・イソシアヌル酸付加物等がある。

界面活性剤としては，シラン系カップリング剤，チタネート系カップリング剤，シリコーン系カップリング剤を使用でき，例えば，シラン系カップリング剤としては，ビニルトリエトキシシラン，ビニルトリメトキシシラン，メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン，グリシドキシプロピルトリメトキシシラン，アミノプロピルトリエトキシシラン，フェニルアミノプロピルトリメトキシシラン，メルカプトプロピルトリメトキシシラン等がある。チタネート系カップリング剤としては，ＫＲＴＴＳ（味の素ファインテクノ），ＫＲ４４（味の素ファインテクノ），ＫＲ９ＳＡ（味の素ファインテクノ）等がある。溶剤しては，シクロヘキサノン，トルエン，キシレン，ＤＢＥ等がある。溶剤に可溶な樹脂組成物は，ナイロン，ナイロン６６，ポリオキシエチレン等がある。

また、また、第１の層１３に含まれる金属粒子は、第２の層２３を構成する低融点金属よりも融点が高いことが好ましく、例えば、当該金属粒子の融点は３００℃以上であることが好ましい。当該金属粒子を構成する金属としては、例えば、Ａｇ，Ａｕ，Ｐｔ，Ｎｉ，Ｃｕ等を用いることができる。また、当該金属粒子の平均粒子径は、１μｍ以下であることが好ましい。

上記の半導体装置を形成する場合には、例えば、まず、端子電極１２の少なくとも一部を覆うように第１の層１３を、突起電極２２の少なくとも一部を覆うように第２の層２３をそれぞれ形成する。次に、第１の層１３（端子電極１２）と第２の層２３（突起電極２２）が対応するように半導体チップ２１を配線基板１１上に設置し、押圧・加熱してフリップチップ接合すればよい（第１の方法）。

また、端子電極１２上に、順に第１の層１３，第２の層２３を積層してからフリップチップ接合してもよい（第２の方法）。

次に、上記の半導体装置の製造方法と、形成される半導体装置の構造の具体的な例について、上記の第１の方法、第２の方法の順で説明する。

図２Ａ〜図２Ｅは、本発明の実施例１による半導体装置の製造方法を、手順を追って示す図である。ただし、以下の図中、先に説明した部分には同一の符号を付し、説明を省略する場合がある（以下の実施例、図についても同様）。

まず、図２Ａに示す工程において、公知の方法により、配線基板１００を形成した。配線基板１００の概略は、プリプレグ材料よりなるコア基板１０１に、絶縁層と導電パターンが形成されてなる構造を有している。

コア基板１０１の、半導体チップが実装される側（上側）には、例えばＣｕよりなる導電パターン（パターン配線）１０２Ａが形成され、導電パターン１０２Ａを覆うように、例えばエポキシ系の樹脂材料よりなる絶縁層１０３Ａが形成されている。また、絶縁層１０３Ａの少なくとも一部を覆うように、エポキシ系の樹脂材料を主成分とするソルダーレジストよりなる絶縁層１０４Ａが形成されている。絶縁層１０４Ａの開口部１０４ａからは、絶縁層１０３Ａ上に形成された、半導体チップが実装されるための端子電極（電極パッド）１０５Ａが露出している。

同様に、コア基板１０１の半導体チップが実装される側の反対側（下側）には、例えばＣｕよりなる導電パターン（パターン配線）１０２Ｂが形成され、導電パターン１０２Ｂを覆うように、例えばエポキシ系の樹脂材料よりなる絶縁層１０３Ｂが形成されている。また、絶縁層１０３Ｂの少なくとも一部を覆うように、エポキシ系の樹脂材料を主成分とするソルダーレジストよりなる絶縁層１０４Ｂが形成されている。絶縁層１０４Ｂの開口部１０４ｂからは、絶縁層１０３Ｂ上に形成された端子電極（電極パッド）１０５Ａが露出している。

次に、図２Ｂに示す工程において、導電性接着剤よりなる第１の層１０６を、端子電極１０５Ａ上に転写した。転写直後の導電性接着剤は未硬化の状態である。上記の導電性接着剤は、平均粒子径が１００ｎｍのＡｕ粒子を、低応力エポキシ主剤（ＥＰ−４００Ｓ，（株）ＡＤＥＫＡ社製）、エポキシ硬化剤（ＨＸ３９２１，旭化成社製）とともに，溶剤（エチレングリコールモノメチルエーテルアセテート）に溶解し、作製した。さらに、さらに、端子電極１０５Ａ上に転写された第１の層１０６（導電性接着剤）を、１５０℃、１時間加熱することにより、硬化させた。

また、導電性接着剤の転写方法や、転写に用いる治具（転写板）については図５以下で後述する。

次に、図２Ｃ〜図２Ｄに示す工程において、以下の処理を行った。まず、突起電極２０２の先端に、第２の層２０３を形成した。上記の第２の層２０３は、金属粒子含有ペーストを突起電極２０２の先端に転写することで形成した。上記の金属粒子含有ペーストは、平均粒子径５０ｎｍのＳｎ粒子を溶剤（エチレングリコールモノメチルエーテルアセテート）に溶解して形成した。

また、半導体チップ２０１に設置された突起状電極２０２は、例えば、１個の大きさが８．５×８．５ｎｍであり、個数が６８０個、設置の間隔が５０μｍであった。また、突起電極２０２の先端は平坦化処理されており、先端の平坦部の径は平均１２μｍであった。さらに、突起電極２０２上に転写された第２の層２０３（金属粒子含有ペースト）を、１５０℃で３０分間加熱することにより、ペーストの溶剤を除去した。

次に、フリップチップボンダ（ＦＣＢ−２、パナソニックＦＳエンジニアリング製）を用いて、半導体チップ２０１を配線基板（ＢＴレジン製、厚さ０．３５ｍｍ）１００上に設置した。この場合、半導体チップの突起電極２０２の先端の第２の層２０３と、配線基板１００の端子電極１０５Ａの先端の第１の層１０６とが対応するように位置合わせを行った。

さらに、上記の第１の層１０６と第２の層２０３が、端子電極１０５Ａと突起電極２０２との間に挟持された状態で、加熱温度２３０℃以上３００℃以下（この場合２４０℃）、荷重２．７ｋｇの条件で、１０秒間の接合処理を行った。ここで、第２の層２０３を構成するＳｎと、突起電極２０２を構成するＡｕとの合金が形成される。また、この場合、第２の層２０３を構成するＳｎと、第１の層１０６に含まれる金属粒子との合金が形成されるように、金属粒子の材料が選択されるとさらに好ましい。

次に、図２Ｅに示す工程において、半導体チップ２０１と配線基板１００との間隙に、封止用の合成樹脂である封止樹脂（Ｕ８４４３、ナミックス製）１０７を、６０℃に加熱したホットプレート上で注入し、注入した封止樹脂１０７を１５０℃で２時間硬化させた。このようにして、図２Ｅに示す半導体装置３００を製造した。

上記の製造方法によれば、第２の層２０３を構成する低融点金属（Ｓｎ）と、突起電極２０２との間に合金組成物が形成されるため、突起電極２０２と端子電極１０５Ａの密着力と電気的な接続の信頼性が良好となる効果を奏する。また、導電性接着剤よりなる第１の層１０６が、半導体チップ２０１と配線基板１００との間の熱膨張率係数の差による応力を緩和し、接合部の破断の発生を抑制し、半導体チップの実装の信頼性を良好としている。

また、図３Ａ〜図３Ｂは、本発明の実施例２による半導体装置の製造方法を、手順を追って示す図である。本実施例による場合、まず、実施例１の図２Ａ〜図２Ｂに相当する工程を実施した。

次に、図３Ａに示す工程において、端子電極１０６上に転写された第１の層１０６上に、さらに、第２の層２０３を転写した。この場合、第２層２０３の転写は、第１の層１０６の転写と同様にして行うことができる。

次に、突起電極２０２上に転写された第２の層２０３（金属粒子含有ペースト）を、１５０℃、で３０分間加熱することにより、ペーストの溶剤を除去した。

次に、図３Ｂに示す工程において、実施例１の図２Ｃ〜図２Ｄに示す工程と同様にして、フリップチップボンダ（ＦＣＢ−２、パナソニックＦＳエンジニアリング製）を用いて、半導体チップ２０１を配線基板（ＢＴレジン製、厚さ０．３５ｍｍ）１００上に設置した。この場合、半導体チップの突起電極２０２の先端と、配線基板１００の端子電極１０５Ａの先端の第２の層２０３とが対応するように位置合わせを行った。

さらに、上記の第１の層１０６と第２の層２０３が、端子電極１０５Ａと突起電極２０２との間に挟持された状態で、加熱温度２４０℃、荷重２．７ｋｇの条件で、１０秒間の接合処理を行った。ここで、第２の層２０３を構成するＳｎと、突起電極２０２を構成するＡｕとの合金が形成される。また、この場合、第２層２０３を構成するＳｎと、第１の層１０６に含まれる金属粒子との合金が形成されるように、金属粒子の材料が選択されるとさらに好ましい。

後は、実施例１の図２Ｅに示した工程と同様にして、半導体装置を形成した。

また、図４Ａ〜図４Ｃは、本発明の実施例３による半導体装置の製造方法を手順を追って示した図である。本実施例による場合、まず、実施例１の図２Ａ〜図２Ｂに相当する工程を実施した。

次に、図４Ａに示す工程において、配線基板１００上に塗布機（ＦＡＤ３２０ｓ，武蔵エンジニアリング製）を用いて封止樹脂（ＵＦＲ１０７，ナガセケムテックス製）１０７を塗布（滴下）した。

次に、図４Ｂ〜図４Ｃに示す工程において、フリップチップボンダ（ＦＣＢ−２、パナソニックＦＳエンジニアリング製）を用いて、半導体チップ２０１を配線基板（ＢＴレジン製、厚さ０．３５ｍｍ）１００上に設置した。この場合、半導体チップの突起電極２０２の先端の第２の層２０３と、配線基板１００の端子電極１０５Ａの先端の第１の層１０６とが対応するように位置合わせを行った。

さらに、上記の第１の層１０６と第２の層２０３が、端子電極１０５Ａと突起電極２０２との間に挟持された状態で、加熱温度２３５℃、荷重２．７ｋｇの条件で、１０秒間の接合処理を行った。次いで、オーブンで１５０℃で２時間加熱することで、封止樹脂１０７を硬化させ、半導体装置３００を製造した。

本実施例によれば、半導体チップをマウントする前に基板上に封止樹脂を塗布しており、半導体チップと基板との間に封止樹脂を形成することが容易となっている。このような手順は、半導体チップと基板の実質的な接合を行う前に予め第１の層（導電性接着剤）１０６を加熱処理して硬化させおり、第１の層１０６が封止樹脂の塗布によって流動することがないため、可能になっている。

次に、配線基板１００の端子電極１０５Ａに、第１の層１０６（第２の層２０３）を転写する方法について具体的に説明する。

図５（Ａ）は、先に説明した配線基板１００模式的に示した平面図であり、図５（Ｂ）はそのＢ−Ｂ'断面図である。但し、断面図では、絶縁層１０３Ａ，端子電極１０５Ａ，絶縁層１０４Ａ以外の構造は図示を省略している。なお、図２Ａ〜図２Ｅ，図３Ａ〜図３Ｃ，図４Ａ〜図４Ｂでは、図５（Ａ）のＡ−Ａ'断面に相当する断面を例にとって説明している。なお、端子電極１０５Ａの配列は模式的に示したものであり、個数（配列数）は、必ずしも実際の個数と一致する物ではない。また、図２Ａ〜図２Ｅ，図３Ａ〜図３Ｃ，図４Ａ〜図４Ｂにおいては、図示の便宜上、端子電極１０５Ａは２個のみ表記している。

図５（Ａ），（Ｂ）を参照するに、絶縁層（ソルダーレジスト層）１０４Ａの開口部１０４ａは、配線基板１００の四辺に対応して周縁部に四角形に形成され、端子電極１０５Ａは、開口部１０４ａから露出するように四辺の周縁部に対応して形成されている（ペリフェラル状の配置）。

上記の端子電極１０５Ａに、例えば導電性接着剤を転写して第１の層１０６を形成する場合、導電性接着剤を転写するための凸部を有する転写板を用いると、転写が容易となる。

図６（Ａ）は、上記の転写に用いる転写板４００の平面図を示す図であり、図６（Ｂ）はそのＣ−Ｃ'断面図である。図６（Ａ），（Ｂ）を参照するに、本図に示す転写板４００は、平板状の転写板本体４０１と、転写板本体４０１に設置された凸部４０２より構成されている。上記の凸部４０２は、露出する端子電極１０５Ａに対応して四角形に形成されている。

上記の転写板を用いた導電性接着剤の転写は、以下の図７Ａ〜図７Ｄに示すようにして行うことができる。以下に示す方法は、実施例１の図２Ｂに示した工程に対応している。

まず、図７Ａ〜図７Ｂに示す工程において、以下の処理を行った。平均粒子径が１００ｎｍのＡｕ粒子を、低応力エポキシ主剤（ＥＰ−４０００Ｓ，（株）ＡＤＥＫＡ社製），エポキシ硬化剤（ＨＸ３９２１，旭化成社製）とともに，溶剤（エチレングリコールモノメチルエーテルアセテート）に溶解し，導電性接着剤を作製した。さらに上記の導電性接着剤を転写ステージ４０３上に展開した。転写ステージ４０３には，スキージ（図示せず）が取り付けられており，転写ステージ４０３とスキージのギャップにより、導電性接着材４０３Ａの厚さを制御できる。次に、転写板４００を、転写ステージ４０３上の導電性接着剤４０３Ａに押し当て，転写板４００の凸部４０２に転写した。

次に、図７Ｃ〜図７Ｄ示す工程において、転写した導電性接着剤４０３Ａを配線基板の端子電極１０５Ａに押し当てることで、端子電極１０５Ａ上に導電性接着剤を転写し、第１の層１０６を形成した。

また、導電性接着剤と同様にして、金属粒子含有ペーストを転写することも可能であり、端子電極１０５Ａ上に、導電性接着剤と金属粒子含有ペーストを積層することも可能である。

次に、従来の製造方法による半導体装置を２種類製造し、上記の実施例１〜３による半導体装置の特性を比較した。

従来の半導体装置は、実施例１による半導体装置の製造方法において、第１の層１０６と第２の層２０３とを省略した構造とした。この場合、実施例３の場合と同様に、配線基板に封止樹脂を塗布（滴下）した後で半導体チップを設置し、荷重をかけるとともに封止樹脂の硬化を行う圧接方式を用いた（以下当該半導体装置を比較例１と表記する）。比較例１の接合にあたっては、加熱温度２００℃，荷重２．７ｋｇの条件で１０秒間の接合を行った後、オーブンを用いて１５０℃で２時間、封止樹脂を硬化させた。また、比較例１と同様にして、接合時の荷重を８ｋｇとして半導体装置を形成した（以下当該半導体装置を比較例２と表記する）。

次に、上記の比較例１，２と、実施例１，２，３による半導体装置の評価試験の内容と結果について説明する。

まず、接合信頼性の評価として、接合信頼性試験項目である吸湿−リフロー性評価を模擬的に行う模擬吸湿リフロー試験を実施した。模擬吸湿−リフローの評価方法は、実装後の各サンプルを温度８５℃、湿度８５％、時間１２時間で吸湿させた後、リフロー工程の最大温度である２５０℃に維持したホットプレート上で２分間放置した。調査方法は、実装後及び模擬吸湿−リフロー後の電気的導通の変化を測定した。合否判定は、導通抵抗の上昇率が５％以下とした。実施例１，２，３，比較例１，２のそれぞれについて、５０サンプルずつ、この接合信頼性の評価を行った。この結果、実施例１〜実施例３に関しては、すべてのサンプルで導通抵抗の上昇率が５％以下であり、良好な接合信頼性が得られた。これに対して、比較例１に関しては、５０サンプル中２８サンプルが不良となり、比較例２に関しては、５０サンプル中３サンプルが不良となった。

さらに、上記の各サンプルについて断面研磨し、ＳＥＭを用いて観察した結果、ＬＳＩチップと基板とのクリアランスは、実施例１の場合に１４μｍ、実施例２の場合に１４μｍ、実施例３の場合に１６μｍであった。これに対し，比較例１の場合は１３μｍ、比較例２の場合には４μｍであった。半導体チップと基板とのクリアランスが小さい場合，基板とチップの間に異物が存在した時に回路不良や封止樹脂の剥離をもたらす原因となる。このため、半導体チップと基板とのクリアランスは，大きいことが望ましく、存在する可能性が予想される異物の径よりも大きいことが望ましい。

上記の実施例１〜実施例３の場合には、特に比較例２に比べて半導体チップと基板とのクリアランスが大きく、構成される半導体装置の信頼性が良好であることが確認された。

また、フリップチップ接合にあたって、第１の層（導電性接着剤）に相当する層と、第２の層（低融点金属を含む層）に相当する層の位置関係が、上記の実施例１〜実施例３の場合と逆になってもよい。すなわち、第１の層が半導体チップの突起電極に接するように、第２の層が配線基板の端子電極に接するように半導体装置を構成してもよい。この場合、例えば、突起電極にまず第２の層を形成した上でさらに該第２の層上に第１の層を積層し、第２の層と第１の層が積層された突起電極を有する半導体チップを配線基板に実装すればよい。

図８は、実施例６による半導体装置の概略を示す図である。但し、特に説明しない部分は、図１に示す構造と同様である。図８を参照するに、本図に示す半導体装置においては、突起電極２２に接するように第１の層１３が、端子電極１２に接するように第２の層２３が形成されていることが特徴である。

上記の構造においても、図１に示した半導体装置（実施例１〜実施例３に示した半導体装置）と同様の効果を奏する。すなわち、上記の第１の層１３が、半導体チップ２１と配線基板１１の間に形成されていることで、例えば半導体チップ２１と配線基板１１が加熱された場合の熱膨張率係数の差による応力が緩和され、半導体チップ２１と配線基板１１の接合部の破断が抑制される効果を奏する。

また、第２の層２３は、第１の層１３に含まれる金属粒子よりも融点が低く、かつ、接している端子電極１２の表面を構成する金属（例えばＡｕ）と合金を形成する低融点金属を含むように構成されている。

例えば、第２の層１３に含まれるＳｎは、接合にあたって加熱された場合に容易に溶融して、端子電極１２の表面を構成するＡｕとの合金組成物を構成する。すなわち、第２の層１３は、ＳｎとＡｕの合金組成物を含むように構成されることになる。

図９Ａ〜図９Ｅは、上記の半導体装置の製造方法を、手順を追って示す図である。まず、図９Ａに示す工程において、半導体チップ２０１に設置された突起電極２０２の先端に導電性接着剤を転写して、第１の層１０６を形成した。

例えば、上記の転写は以下のようにして行った。まず、平均粒子径が１００ｎｍのＡｇ粒子をエポキシ樹脂に分散させてなる導電性接着剤を、転写ステージ（図示せず）に厚みが１０μｍとなるようにコーティングした。次に、１辺が８．５ｍｍの矩形状であって、５０μｍ間隔で６８０個の突起電極２０２（高さ３０μｍ）が形成された半導体チップ２０２を、４．９Ｎの荷重で転写ステージ上に押しつけ、突起電極２０２に導電性接着剤を転写して、第１の層１０６を形成した。さらに、転写後の半導体チップ２０１を、電気炉を用いて，窒素雰囲気中で、２００℃で３０分間加熱し、導電性接着剤の焼成を行い，樹脂成分を硬化させた。

次に、図９Ｂに示す工程において、平均粒子径が１００ｎｍのＳｎ粒子をエポキシ樹脂に分散させてなる金属粒子含有ペーストを、転写ステージ（図死せず）に厚みが５μｍとなるようコーティングした。ここで、半導体チップ２０１を、４．９Ｎの荷重で当該接合材料がコーティングされた転写ステージに押し付け、第１の層１０６が形成された突起電極２０２の先端に金属粒子含有ペーストを転写し、第２の層２０３を形成した。

次に、図９Ｃ〜図９Ｄに示す工程において、以下の処理を行った。まず、フリップチップボンダ（ＦＣＢ−２、パナソニックＦＳエンジニアリング製）を用いて、半導体チップ２０１を配線基板（ＢＴレジン製、厚さ０．３５ｍｍ）１００上に設置した。この場合、半導体チップの突起電極２０２の先端の第２の層２０３と、配線基板１００の端子電極１０５Ａとが対応するように位置合わせを行った。

さらに、上記の第１の層１０６と第２の層２０３が、端子電極１０５Ａと突起電極２０２との間に挟持された状態で、加熱温度２３５℃、荷重１３．７Ｎの条件で、１０秒間の接合処理を行った。ここで、第２の層２０３を構成するＳｎと、端子電極１０５Ａの表面を構成するＡｕとの合金が形成される。また、この場合、第２層２０３を構成するＳｎと、第１の層１０６に含まれる金属粒子との合金が形成されるように、金属粒子の材料が選択されるとさらに好ましい。

次に、図９Ｅに示す工程において、半導体チップ２０１と配線基板１００との間隙に、封止用の合成樹脂である封止樹脂（Ｕ８４４３、ナミックス製）１０７を、６０℃に加熱したホットプレート上で注入し、注入した封止樹脂１０７を１５０℃で２時間硬化させた。このようにして、図９Ｅに示す半導体装置３００Ａを製造した。

上記の製造方法によれば、第２の層２０３を構成する低融点金属（Ｓｎ）と、端子電極１０５Ａとの間に合金組成物が形成されるため、突起電極２０２と端子電極１０５Ａの密着力と電気的な接続の信頼性が良好となる効果を奏する。また、導電性接着剤よりなる第１の層１０６が、半導体チップ２０１と配線基板１００との間の熱膨張率係数の差による応力を緩和し、接合部の破断の発生を抑制し、半導体チップの実装の信頼性を良好としている。

以上、本発明を好ましい実施例について説明したが、本発明は上記の特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した要旨内において様々な変形・変更が可能である。
（付記１）
半導体チップと、
前記半導体チップに設置された突起電極と、
前記突起電極が電気的に接続される端子電極を備えた基板と、を有し、
前記突起電極と前記端子電極の間には、
金属粒子と樹脂材料を含む導電性接着剤よりなる第１の層と、
前記金属粒子よりも融点が低く、かつ、接している前記突起電極または接している前記端子電極の表面を構成する金属と合金を形成する低融点金属を含む第２の層と、が形成されていることを特徴とする半導体装置。
（付記２）
前記低融点金属の融点は２４０℃以下であることを特徴とする付記１記載の半導体装置。
（付記３）
前記金属粒子は、平均粒子径が１μｍ以下であることを特徴とする付記１または２記載の半導体装置。
（付記４）
前記金属粒子の融点は３００℃以上であることを特徴とする付記１乃至３のいずれか１項記載の半導体装置。
（付記５）
前記低融点金属は、Ｓｎ，Ｉｎまたは当該金属を含む合金または合金組成物であることを特徴とする付記１乃至４のいずれか１項記載の半導体装置。
（付記６）
前記第２の層は、前記低融点金属と、前記突起電極または前記端子電極の表面を構成する金属との合金を含むことを特徴とする付記１乃至５のいずれか１項記載の半導体装置。
（付記７）
前記合金は、前記低融点金属であるＳｎと、前記突起電極または前記端子電極の表面を構成するＡｕを含むことを特徴とする付記６記載の半導体装置。
（付記８）
半導体チップに形成された突起電極と、基板に形成された端子電極とを電気的に接続して、前記基板に前記半導体チップを実装する半導体装置の製造方法であって、
金属粒子と樹脂材料を含む導電性接着剤よりなる第１の層と、低融点金属を含む第２の層とを、前記突起電極と前記端子電極の間に挟持して加熱することで、該低融点金属と、該低融点金属が接する前記突起電極または前記端子電極の表面を構成する金属との合金を形成する合金形成工程を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
（付記９）
前記低融点金属の融点は、前記金属粒子の融点よりも低いことを特徴とする付記８記載の半導体装置の製造方法。
（付記１０）
前記合金形成工程では、前記第２の層が２３０℃以上に加熱されることで前記低融点金属が溶融されて前記合金が形成されることを特徴とする付記８または９記載の半導体装置の製造方法。
（付記１１）
前記合金形成工程では、前記第２の層が２３０℃以上３００℃以下に加熱されることを特徴とする付記１０記載の半導体装置の製造方法。
（付記１２）
前記第１または第２の層を前記端子電極に形成する工程と、
前記第２または第１の層を前記突起電極に形成する工程と、
前記第１の層と前記第２の層が対応するように前記半導体チップを前記基板上に設置する工程と、を有することを特徴とする付記８乃至１１のいずれか１項記載の半導体装置の製造方法。
（付記１３）
前記第１の層を前記端子電極または前記突起電極に形成する工程と、
前記第２の層を前記第１の層上に積層する工程と、
前記第２の層と、前記突起電極または前記端子電極が対応するように前記半導体チップを前記基板上に設置する工程と、を有することを特徴とする付記８乃至１１のいずれか１項記載の半導体装置の製造方法。
（付記１４）
前記第１または第２の層を前記端子電極に形成する工程は、
前記第１の層を構成する前記導電性接着剤を、凸部を有する転写板の該凸部に転写する工程と、
前記凸部を前記端子電極に押圧して前記導電性接着剤を該端子電極に転写する工程と、を有することを特徴とする付記１２記載の半導体装置の製造方法。
（付記１５）
前記第１の層を前記端子電極に形成する工程は、
前記金属粒子と熱硬化性の樹脂よりなる未硬化層を前記端子電極上に形成する工程と、
前記未硬化層を加熱により硬化させて前記第１の層を形成する工程と、を有することを特徴とする付記１２または１３記載の半導体装置の製造方法。
（付記１６）
前記未硬化層を加熱により硬化させて前記第１の層を形成する工程の後で、硬化性の樹脂材料を前記基板上に塗布する工程をさらに設け、前記半導体チップは塗布された前記硬化性の樹脂上に設置されることを特徴とする付記１５記載の半導体装置の製造方法。
（付記１７）
前記第１の層を前記突起電極に形成する工程と、
前記第２の層を前記第１の層上に積層する工程と、
前記前記第２の層と前記端子電極が対応するように前記半導体チップを前記基板上に設置する工程と、を有することを特徴とする付記８乃至１１のいずれか１項記載の半導体装置の製造方法。

半導体装置の構成の概略を示す図である。実施例１による半導体装置の製造方法を示す図（その１）である。実施例１による半導体装置の製造方法を示す図（その２）である。実施例１による半導体装置の製造方法を示す図（その３）である。実施例１による半導体装置の製造方法を示す図（その４）である。実施例１による半導体装置の製造方法を示す図（その５）である。実施例２による半導体装置の製造方法を示す図（その１）である。実施例２による半導体装置の製造方法を示す図（その２）である。実施例３による半導体装置の製造方法を示す図（その１）である。実施例３による半導体装置の製造方法を示す図（その２）である。実施例３による半導体装置の製造方法を示す図（その３）である。（Ａ）は配線基板の平面図であり、（Ｂ）はその断面図である。（Ａ）は導電性接着剤の転写に用いる転写板の平面図であり、（Ｂ）はその断面図である。導電性接着剤の転写方法を示す図（その１）である。導電性接着剤の転写方法を示す図（その２）である。導電性接着剤の転写方法を示す図（その３）である。導電性接着剤の転写方法を示す図（その４）である。実施例６による半導体装置の概略を示す図である。実施例６による半導体装置の製造方法を示す図（その１）である。実施例６による半導体装置の製造方法を示す図（その２）である。実施例６による半導体装置の製造方法を示す図（その３）である。実施例６による半導体装置の製造方法を示す図（その４）である。実施例６による半導体装置の製造方法を示す図（その５）である。

符号の説明

１１基板
１２端子電極
１３第１の層
２１半導体チップ
２２突起電極
２３第２の層
１００配線基板
１０１コア基板
１０２Ａ，１０２Ｂ導電パターン
１０３Ａ，１０３Ｂ，１０４Ａ，１０４Ｂ絶縁層
１０５Ａ，１０５Ｂ端子電極
１０６第１の層
１０７封止樹脂
２０１半導体チップ
２０２突起電極
２０３第２の層

Claims

半導体チップと、
前記半導体チップに設置された突起電極と、
前記突起電極が電気的に接続される端子電極を備えた基板と、を有し、
前記突起電極と前記端子電極の間には、
金属粒子と樹脂材料を含む導電性接着剤よりなる第１の層と、
前記金属粒子よりも融点が低く、かつ、接している前記突起電極または接している前記端子電極の表面を構成する金属と合金を形成する低融点金属を含む第２の層と、が形成されていることを特徴とする半導体装置。
前記低融点金属の融点は２４０℃以下であることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
半導体チップに形成された突起電極と、基板に形成された端子電極とを電気的に接続して、前記基板に前記半導体チップを実装する半導体装置の製造方法であって、
金属粒子と樹脂材料を含む導電性接着剤よりなる第１の層と、低融点金属を含む第２の層とを、前記突起電極と前記端子電極の間に挟持して加熱することで、該低融点金属と、該低融点金属が接する前記突起電極または前記端子電極の表面を構成する金属との合金を形成する合金形成工程を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
前記第１または第２の層を前記端子電極に形成する工程と、
前記第２または第１の層を前記突起電極に形成する工程と、
前記第１の層と前記第２の層が対応するように前記半導体チップを前記基板上に設置する工程と、を有することを特徴とする請求項３記載の半導体装置の製造方法。
前記第１または第２の層を前記端子電極に形成する工程は、
前記第１の層を構成する前記導電性接着剤を、凸部を有する転写板の該凸部に転写する工程と、
前記凸部を前記端子電極に押圧して前記導電性接着剤を該端子電極に転写する工程と、を有することを特徴とする請求項４記載の半導体装置の製造方法。
前記合金形成工程では、前記第２の層が２３０℃以上に加熱されることで前記低融点金属が溶融されて前記合金が形成されることを特徴とする請求項３乃至５のいずれか１項記載の半導体装置の製造方法。