JP2009517861A - 超音波振動を利用する電子部品間の接続方法（ｍｅｔｈｏｄｆｏｒｂｏｎｄｉｎｇｂｅｔｗｅｅｎｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｄｅｖｉｃｅｓｕｓｉｎｇｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｖｉｂｒａｔｉｏｎ） - Google Patents

超音波振動を利用する電子部品間の接続方法（ｍｅｔｈｏｄｆｏｒｂｏｎｄｉｎｇｂｅｔｗｅｅｎｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｄｅｖｉｃｅｓｕｓｉｎｇｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｖｉｂｒａｔｉｏｎ） Download PDF

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イム，ミョン−ジン
キム，ヒョン−ジュン
リー，キ−ウォン
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Abstract

本発明は、接続する電子部品の上・下接続部の電極を整列する段階、
前記上・下接続部の電極の間に存在する接着剤に超音波エネルギーを印加して硬化する段階を包含することを特徴とする電子部品間の接続方法を提供する。
【選択図】 図６

Description

本発明は、電子部品間の接続方法に関する。より詳細には、電子部品を接続させるときの接着剤の硬化段階において、外部からの加熱を必要としないか、或は、相対的に低い温度の加熱によることができ、また、熱圧着による接続工程の場合には、工程圧力を低下させることができる電子部品の接続方法に関する。
軽薄短小化、高性能、高集積化、及び親環境志向の半導体パッケージ技術に関する現今の要求に応じて、チップレベル接続方法の中、フリップチップ技術の重要性が高まっている。このフリップチップ技術は、最近、スマートカード、ＬＣＤ、ＰＤＰなどのディスプレイ・パッケージング、コンピューター、携帯電話機、通信システムなどとその活用範囲が広くなりつつある。フリップチップ技術における接続材料は、大別してはんだ材料と非はんだ材料とに分けることができ、現在までは、はんだ材料を利用するフリップチップ技術が多く使用されている。しかし、はんだを利用する場合には、先ずはんだフラックスの塗布からチップ／基板の整列、はんだバンプのリフロー、フラックスの除去、アンダーフィルの充填及び硬化など、複雑な接続工程を必要とすることにより工程の複雑性とともにコストアップの問題がある。また、チップのサイズが小型になるほどはんだボールの形成が難しくなり、薄膜工程及びリソグラフィー工程などの工程費用が上昇するため、微細ピッチの接続及び低価型フリップチップの接続技術に対する関心が高まることになり、ここで非はんだ材料に対する関心が高まっている。したがって、一般的なはんだフリップチップに比べて低価でかつ極微細の電極ピッチを可能にするとともに、無鉛工程、環境親和的フラックスレス工程、低温工程などのメリットを有する接着剤を利用するフリップチップの接続技術の開発が進行されている。
半導体パッケージ用接合材料としての接着剤は、大別して等方性導電性接着剤（以下、ＩＣＡと略記することもある）、異方性導電性接着剤（以下、ＡＣＡと略記することもある）、非導電性接着剤（以下、ＮＣＡと略記することもある）などの形態がある。これらは一般的に、導電性金属粒子と絶縁性及び接着力を有するポリマー樹脂によって構成される一種の複合材料であり、導電粒子の含量に従ってＮＣＡ又はＡＣＡからＩＣＡへの変異が起る。このような電気的変異が起るときの導電性粒子の含量値を浸透限界値（Ｐｅｒｃｏｌａｔｉｏｎ ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ）という。
導電性粒子の含量に従って、つまり、導電性粒子が全くない接着剤はＮＣＡであり、浸透限界値より少ない導電性粒子を有する接着剤はＡＣＡとなる。また、浸透限界値以上の導電性粒子を有する接着剤は、材料自体のみでも導電性を有するＩＣＡとなるのである。これらは、それぞれの特性上、半導体パッケージの接合材料用としての目的と機能及び適用される分野がそれぞれ異る。
等方性導電性接着剤、即ちＩＣＡの非はんだフリップチップパッケージの接合材料としての適用例を図１に示す。図１に示すように、半導体チップに形成された金スタッドバンプ又は金メッキバンプと、無電解ニッケル／金バンプのような非はんだバンプの上にＩＣＡを塗布した後、非はんだバンプと基板電極間の整列を行う。次いで、加熱によりＩＣＡが硬化されながら非はんだバンプと基板電極間の電気的接続が実現される。このときの加熱は、ＩＣＡの硬化条件によって異なるが、一般的には１８０℃、１０〜３０分間実行される。その後、フリップチップパッケージの信頼性向上のために、チップと基板との間にアンダーフィル工程を実行する。
異方性導電性フィルム（以下、ＡＣＦと略記することもある）は、電気的に異方性と接着性を有するポリマーフィルム（Ｐｏｌｙｍｅｒ ｆｉｌｍ）である。ＡＣＦは、フィルムの厚さ方向には導電性、面方向には絶縁性を有し、基本的にニッケル、金／ポリマー、銀などの導電性粒子と、熱硬化性または熱可塑性を有する絶縁樹脂によって構成されている。
これを利用する実装方法としては、チップ又はチップが実装された軟性基板とガラス基板、又は硬性基板との間で上部電極及び下部電極間に位置しながら、熱と圧力を同時に受けてＡＣＦ内に分散されている導電粒子が、上部電極及び下部電極との間で機械的に接触して形成された電気的連結によって通電することになる方式である（図２）。
このとき、加熱により前記絶縁樹脂が硬化して強い接着力を有することになる。なお、低価の接着剤製造工程と、このような接着剤を利用する低価のフリップチップ工程の開発のために、硬化が早い熱硬化性エポキシ樹脂、またはアクリル系樹脂を利用するＡＣＦも商品化されている。また、ＡＣＡもフィルム形態（ＡＣＦ）とペースト形態（ＡＣＰ）に分けることができる。最近、接続工程と接着剤製造工程を簡単化するために、ペースト形態の接着剤が開発されている。また、超極微細ピッチの接続及び低コスト化のために、導電粒子を除去した非導電性フィルム（ＮＣＦ）もあり、ペースト形態の製品（ＮＣＰ）もある。
図３は、前記のＮＣＦまたはＮＣＰを接合材料（ＮＣＡ）として使用するフリップチップの接続工程を示している。先ず、ＮＣＦまたはＮＣＰを基板電極の周囲に塗布し、非はんだバンプの中、殊に金スタッドバンプが形成されているチップと整列させた後、非はんだバンプと基板電極を直接的に接触させながら、熱圧着工程によって加えられた熱によりＮＣＡが硬化されて接続される方法である。
前記ＩＣＡ、ＡＣＡ（ＡＣＦ、ＡＣＰ）、ＮＣＡ（ＮＣＦ、ＮＣＰ）などの接合材料は、ＬＣＤ、ＰＤＰ、ＯＬＥＤなどの平板ディスプレイ・モジュールの実装と、電子部品の表面実装、さらに、半導体フリップチップの接続に使用される。また、前記の接合材料は、既に平板ディスプレイ・モジュールの実装分野において、ＯＬＢ（Ｏｕｔ Ｌｅａｄ Ｂｏｎｄｉｎｇｓ）工程、ＰＣＢ工程、ＣＯＧ（Ｃｈｉｐ−Ｏｎ−Ｇｌａｓｓ）工程、ＣＯＦ（Ｃｈｉｐ−Ｏｎ−Ｆｉｌｍ）工程などにおいて活発に使用されるとともに、非はんだフリップチップの接合工程及び表面部品の実装技術に関る市場が拡大されている。
ＩＣＡの場合、電気及び電子部品又は回路配線の組立てのために、接合に使用される既存のはんだ法を代替することのできる材料であり、その適用範囲もやはりはんだ接続分野と類似する。即ち、はんだリフローを必要とする表面実装部品の組立て、又は、はんだを利用するフリップチップの接続に活用することができ、はんだリフローの場合の工程温度より低い温度においてＩＣＡを熱硬化させることによって接合することができる。しかし、この場合もやはり工程温度が高く、硬化時間も長くかかるという問題がある。
ＡＣＡの場合は、ディスプレイ・モジュールの実装に使用されてきた。軟性基板をガラス基板に接続させる時に使用されるＯＬＢ接合と、軟性基板をＰＣＢ基板と接合させる時に使用されるＰＣＢ接合用としてはＡＣＦが最も広範囲に使用されている。同時に、適用範囲によって導電粒子の種類が多様になり、接続温度はだんだん低くなり、接続時間は速くなる低温・速硬化型を必要としている。
また、駆動回路ＩＣチップがガラス基板に直接接続されるＣＯＧ工程、及び、軟性基板に直接フリップチップが接続されるＣＯＦ工程は、駆動回路ＩＣの高密度化、高集積化によって、極微細ピッチ接続の必要性がさらに要求されている。
したがって、ＡＣＦの極微細ピッチの接続及び低温・速硬化型の接続工程を必要とする状況はこれからも持続されると予想される。また、ディスプレイ・モジュール実装の他にも汎用される軟性基板と硬性基板との実装においても、ソケット、又は、はんだづけによる極微細ピッチの接続能力、デザインの自由度及び接続面積と高さの減少を要求する必要に応じてＡＣＦ接続へと活発に代替されているのが現状である。つまり、既存のはんだを利用するフリップチップ接続の代わりに、非はんだフリップチップ接続工程の長所が活かされてその活用度が高まっており、ＡＣＡの代替材料としてＮＣＡが注目されている。ここで、非はんだフリップチップの接続工程に使用される非はんだバンプとしては、金スタッドバンプ、金メッキバンプ、無電解ニッケルバンプ、銅バンプなどがあるが、この場合、高い溶融点のためから、リフローによるフリップチップ接続が不可能である。したがって、ＡＣＦによる熱圧着工程によってフリップチップの接続工程を実施している。
しかし、前記ＡＣＦを使用するＯＬＢ、ＰＣＢ、ＣＯＧ、ＣＯＦ、Ｆｌｅｘ―ｔｏ―Ｒｉｇｉｄ接続工程、及びフリップチップの接続工程は、基本的に熱圧着による導電粒子と電極パッド、及び非はんだバンプとの機械的接触と、周辺ポリマー樹脂の熱硬化によってなる接続工程である。したがって、接続圧力を加えるときに発生するいろいろな問題、つまりポリマー樹脂の熱硬化工程におけるずれ、速い熱硬化を作動させるための高い工程温度、これによるパッケージの熱変形、基板の平坦度などに生じる問題を解決しなければならない。殊に、工程圧力に対して比較的脆性である化合物半導体チップや、或はシリコンチップの場合でも、薄厚のチップの場合にはボンディング圧力に限界があるので、ＡＣＦ接続技術を適用するにおいて大きな困難性を伴うことになる。
したがって、ＩＣＡ、ＡＣＦ、ＮＣＦ、ＡＣＰ、ＮＣＰなどを使用する半導体接続工程又は実装工程において、前記の問題を解決することのできる新しい材料又は工程が開発される場合、新しいＩＣＡ、ＡＣＡ，ＮＣＡなどのポリマー接続材料と、これを利用する低温接続工程、さらには、低価型接続技術が活用される可能性が非常に高い。
なお、電子製品の環境に及ぼす問題（例えば、フラックスの使用、クリーニング、鉛を包含するはんだなど）も深刻な問題となっているので、ＣＦＣ及び鉛の使用を規制しようとする動きもある現在の状況において、親環境的代替材料に対する要求が現実として高まっている。
本発明は、前記従来技術における問題を解決するために開示する発明であって、本発明の目的は、前記従来技術に有する問題を解決するにおいて、殊に、電子部品を接続させる時の接着剤の硬化段階で、外部からの加熱を必要としないか、又は、相対的に低い温度の加熱によることができ、また、熱圧着による接続工程の場合には、工程圧力を低下させることのできる電子部品の接続方法を提供する。
前記の目的を達成するために、本発明は、接続する電子部品の上・下接続部における電極を整列する段階と、前記上・下接続部の電極の間に存在する接着剤に超音波エネルギーを印加し、前記接着剤自体からの発熱を利用して接着剤を硬化させる段階を包含してなることを特徴とする電子部品間の接続方法を提供する。
以下、本発明の内容を最良の実施形態を通じてより詳細に説明する。
本発明において、前記の電子部品は、半導体チップ又は基板などの電子製品に使用される部品を意味し、電子部品間の接続は半導体チップと基板、半導体チップと半導体チップ又は基板と基板間の電気的接続を意味する。
前記の半導体チップの種類としては、特に限定されるものではないが、例えば、ディスプレイ駆動回路ＩＣ、イメージセンサーＩＣ、メモリＩＣ、非メモリＩＣ、超高周波又はＲＦＩＣ、シリコンを主成分とする半導体ＩＣ、さらに化合物半導体ＩＣなどを挙げることができる。
半導体チップは、接続部電極（又は入・出力パッド）に非はんだバンプを有していないか、金属スタッドバンプ又は金属メッキバンプで、例えば、金スタッドバンプ、銅スタッドバンプ、金メッキバンプ、銅メッキバンプ、無電解ニッケル／金バンプ、及び無電解ニッケル／銅／金バンプから選択される１種のバンプを有することができる。
なお、基板は、軟性又は硬性基板であることができ、これらの基板は前記半導体チップと電気的接続を形成することができ、基板どうし、例えば、軟性基板同士、硬性基板同士又は軟性基板と硬性基板との間の電気的接続も包含することができる。軟性基板とは、例えば、ポリイミド基材に金属配線が形成されているような柔軟性を有する基板を意味する。一方、硬性基板とは、エポキシ／ガラス、セラミック、ガラス、及びシリコン半導体などの基板である。
前記接着剤は、導電性接着剤と非導電性接着剤に大別することができ、導電性接着剤は、さらにＩＣＡ（等方性導電性接着剤）又はＡＣＡ（異方性導電性接着剤）であることができる。
前記ＩＣＡは、導電性粒子を包含する接着剤であり、使用可能な導電性粒子としては、特に限定されないが、例えば、銀、銅、金、炭素、ニッケル、パラジウム、及び低融点はんだ粉末からなる群より選択される１種又はこれらの組合せのものであることができる。
前記ＩＣＡは、ポリマー樹脂を主成分とし、例えば、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、アクリル樹脂、ポリイミド樹脂、及びポリスルホン樹脂などの熱可塑性樹脂又は熱硬化性樹脂から選択されることができる。
次に、ＡＣＡには、異方性導電性フィルム（ＡＣＦ）又は異方性導電性ペースト（ＡＣＰ）の形態を包含する。つまり、接着剤がフィルム形態（ＡＣＦ）である場合、フィルム状の接着剤が形成されている面の基板上に８０℃程度の加熱と、５ｋｇｆ／ｃｍ２の圧力によって仮圧着した後、離型紙フィルムを除去する方法によって基板上に接着剤層を形成することができる。また、接着剤がペースト形態（ＡＣＰ）の場合、噴射装備を利用するか、スクリーンプリンタ装備を利用して望む模様に一定の量を塗布することができる。
これらのＡＣＡは導電性粒子を包含し、使用可能な導電性粒子としては、特に限定されないが、例えば、金コーティングのポリマー粒子、金コーティングのニッケル粒子、金コーティングの銅粒子、低融点はんだ層がコーティングされたニッケル粒子、低融点はんだ層がコーティングされた銅粒子、低融点はんだ粒子からなる群より選択される１種又ははこれらの組合せのものを挙げることができる。
また、前記ＡＣＡは、導電粒子よりサイズの小さい非導電粒子をさらに包含することができる。前記の非導電粒子は例えば、１μｍ以下のシリカ、アルミナ、ベリリア、炭化ケイ素、ダイアモンド、窒化ホウ素などがあり、これらの添加によって接着剤の熱膨張係数を低めることができる。
さらに、ＡＣＡは、ポリマー樹脂を主成分とし、例えば、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、アクリル樹脂、ポリイミド樹脂及びポリスルホン樹脂などの熱可塑性樹脂又は熱硬化性樹脂から選択することができる。
次に、ＮＣＡには、非導電性フィルム（ＮＣＦ）又は非導電性ペースト（ＮＣＰ）の形態を包含する。つまり、接着剤がフィルム形態（ＮＣＦ）である場合、接着剤が形成されている面の基板上に８０℃程度の加熱と、５ｋｇｆ／ｃｍ２の圧力によって仮圧着した後、離型紙フィルムを除去する方法によって基板上に接着剤層を形成することができる。また、接着剤がペースト形態（ＮＣＰ）である場合、噴射装備を使用するか、スクリーンプリンタ装備を利用して望む模様に一定の量を塗布することができる。
前記ＮＣＡは非導電粒子を包含し、この非導電粒子は、例えば、１μｍ以下のシリカ、アルミナ、ベリリア、炭化ケイ素、ダイアモンド、窒化ホウ素などがあり、これらの添加によって接着剤の熱膨張係数を低めることができる。
さらに、ＮＣＡは、ポリマー樹脂を主成分とし、例えば、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、アクリル樹脂、ポリイミド樹脂及びポリスルホン樹脂などの熱可塑性樹脂又は熱硬化性樹脂から選択することができる。
本発明は、多様な接続形態に対応して適用することができる接着剤の硬化工程を包含する。本発明による接着剤の硬化工程は、超音波エネルギーを前記接着剤に印加する工程を包含し、超音波エネルギーの印加を通じて接続工程の時間を短縮するとともに加熱温度を減らすことができる。
前記の超音波は、縦方向、横方向又は両方向の混合型でも良い。このため、縦方向超音波の発振器及び／又は横方向超音波の発振器が使用される。この中、縦方向超音波発振器の特徴は、全ての接合部に加えられる振動が均一であるため、製品のイールドレートと接続の信頼性を高めることができるメリットがあると知られている。しかし、上・下電極が接触した後にも振動が継続される場合、チップが損傷されるおそれがある。この場合は、超音波ホーンの末端にテフロン（登録商標）キャップ（ＴｅｆｌｏｎＴＭ Ｃａｐ）を被せて衝撃を緩和させる必要がある。一方、横方向超音波発振器の場合には、水平方向の振動が印加されるため、縦方向発振器の場合に発生するチップの損傷を最少化することができる。しかし、この場合、チップを固定するためにダイコレット（Ｄｉｅ ｃｏｌｌｅｔ）などを使用するが、このとき円錐型振動が発生してチップの末端における接続性が不良になり、このことは製品のイールドレートと接続の信頼性を低下せしめる結果をもたらすこともある。
前記のような問題を考慮し、本発明においては、ＩＣＡ、ＡＣＡ、ＮＣＡそれぞれの特性上、適合とする周波数の範囲を、２０ＫＨｚ〜６０ＫＨｚ程度に設定する。同一のエネルギーを印加するとき、周波数を増加させる場合、これと反比例して振幅を減少させることができるため、整列ミスやチップの損傷を減らすことができる。また、接着剤の発熱挙動は、周波数にしたがって異なる特性を示すので、工程上において要求する各条件に合わせるための最適化のプロセスが要求される。また、単一の装置の場合、振動体の質量と形態によって振動の周波数が決定されるため、この周波数を変えるためには装置の修正または交替が必要となる。
本発明における単一の装置において周波数を固定して使用する場合、接合の時に印加される超音波エネルギーは、超音波振動の振幅によって決定され、この超音波振動の振幅は、発振器に印加する電源の電圧によって決定されるため、電圧の変換によって振幅を調節することができる。ただし、接合の時に印加する超音波エネルギーが過大になった場合には、チップの損傷又は接着剤に過熱の問題が発生することがあるため、超音波振動の振幅を最適化するプロセスが要求される。殊に、ＩＣＡ、ＡＣＡ、ＮＣＡを使用するフリップチップ接続においては、振動によってバンプとパッドが接触をなした後にバンプとパッドに損傷が生じるか、接着剤が硬化された後にチップに損傷が生じることがある。これを防止するために、接続工程が進行する過程において接合が略終了された時点で印加電圧を徐々に減らすことによって超音波振動の振幅を減少させるなど振幅の可変方式を利用することができる。
超音波振動の周波数と振動振幅が決定された場合、時間の経過による接着剤内の発熱値（量）が決定される。本発明は、ＩＣＡ、ＡＣＡ、ＮＣＡを利用するとともに、熱超音波による接合を具現する接続方法であって、適切な温度と適当な時間によって接着剤を硬化させることが非常に重要なことになっている。ここで、前記の適切な温度とは、接着剤の硬化温度と分解温度を考慮するとき１８０℃〜４００℃程度の温度範囲であり、１８０℃以下の場合は、硬化されないことによって接合ができない。また、４００℃以上の場合は、接着剤の分解又は内部にボイドが発生することによって接続信頼性が不良になる。適当な時間とは、接着剤が完全に硬化されるときまでかかる時間を意味する。
本発明において、前記超音波エネルギーは、所定の周波数を設定された時間の間、均一に加える方式を取るか、パルス方式で加える方式を採択することができる。即ち、任意の超音波振動の周波数と振動振幅の設定条件に基づいて、持続的に超音波エネルギーを加える時、前記の温度範囲以内において、超音波の振動時間を調節するだけで熱超音波接合を実現することができる。ただ、超音波振動の周波数及び／又は振動振幅が過大になって接着剤の温度が前記の温度範囲を外れる場合、電源をパルス型で印加することによって間欠的にエネルギーの供給を調節して接着剤の過熱を防止することができる。
本発明におけるＩＣＡ、ＡＣＡ及びＮＣＡは、温度による流変特性を有する。また、超音波エネルギーによる接着剤自体の内部発熱は、接着剤の流変特性によって異なるため、上・下接合部の全て又は一部に熱を加えて温度を高めるとき、初期温度の上昇率を変化させることができる。また、接着剤の硬化前の粘度が最少になるように熱を加えることによって接着剤樹脂が円滑に流れるようにして、接合部の間における密着性を増加させて工程圧力をさらに低める効果も得ることができる。
以下、本発明による超音波エネルギーを使用して接着剤を硬化させる電子部品間の接続工程を図４〜図９を参照しながらその実施例を詳細に説明する。
図４は、ＩＣＡ（等方性導電性接着剤）を使用して半導体チップと基板を接続させるフリップチップ接続工程を示している。
本実施例の前記接続工程は、先ずシリコンチップにＳｉＯ２パッシべーションを行い、その上に１μｍ厚さのＡｌ配線を蒸着した。次いで、ＳｉＮｘ又はＳｉＯ２によるパッシべーション処理した後、１００μｍのＩ／Ｏ直径と１８０μｍピッチのＩ／Ｏビアを形成した。このＩ／Ｏパッド上に金スタッドバンプを形成した後、各バンプの高さの偏差を減らすために平坦化工程を実行する。このとき、金スタッドバンプの代わりに銅スタッドバンプを形成することもでき、これもやはり平坦化工程を実行する。
基板は厚さ１ｍｍのＦＲ-４有機基板であって、金属配線としてはニッケル／銅／金の配線を有し、電極以外には、はんだマスクによって保護されている。
ＩＣＡは、ポリマー樹脂などの基材と、銀、炭素粒子などの導電性充填剤に配合された、一般的にペースト形態である。前記のポリマー樹脂としては、アクリル樹脂、ポリイミド樹脂、ポリスルホン樹脂などの熱可塑性樹脂と、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、ポリエステル樹脂などの熱硬化性樹脂、又はこれらの混合樹脂によって造成することができる。導電性充填剤としては、銀、銅、金、パラジウム、銀―パラジウム合金、炭素、ニッケル又はこれらの混合物を使用することができる。前記の以外に、その他の添加剤と硬化剤などを混合することができる。
前記のようにして得られたＩＣＡをガラスなどの平坦な基板上に略１０μｍ高さに均一塗布する。次いで、前記テストチップをフリップチップボンダを利用して前記のように塗布されたＩＣＡ層にディッピング（浸漬）する。この工程を通じてテストチップの上に形成された金スタッドバンプの末端にＩＣＡが転写される。
金スタッドバンプの末端に形成されたＩＣＡは、テストチップを有機基板上の電極に整列させた後、超音波エネルギーを印加することによって硬化される。このとき、数秒間でＩＣＡの硬化が発生し、テストチップの金スタッドバンプと基板電極間において硬化されたＩＣＡによって電気的に接続される。次いで、チップと基板間に下部充填剤であるアンダーフィルを充填し、これを熱硬化させることによってＩＣＡを利用するフリップチップの接続を完了する。
本実施例においては、既存の熱硬化によるＩＣＡ硬化の代わりに超音波エネルギーを利用することにより、硬化温度を高めることができ、硬化時間を数秒内に短縮することができる。
図５は、半導体チップの各Ｉ／Ｏに、金スタッドバンプ又は銅スタッドバンプを形成することなしに、ＩＣＡを直接使用してポリマーバンプを形成した例を図示している。このように形成したポリマーバンプを超音波エネルギーの印加による硬化を通じてフリップチップの接続工程を実施することもできる。
即ち、ＩＣＡポリマーバンプは、ＩＣＡのジェット工程又はスクリーンプリンティング工程によってテストチップの各Ｉ／Ｏ上にＩＣＡポリマーバンプを形成し、前記バンプに超音波エネルギーを印加してＩＣＡポリマーバンプを硬化させることによってフリップチップの接続を実施する。次いで、チップと基板の間に下部充填剤を充填して信頼性を高めるアンダーフィル工程を実施する。
また、ＩＣＡを使用する表面実装型部品の接続工程に超音波エネルギーを利用して表面実装型接続工程を実施することができる。
より詳細には、先ず、ＩＣＡをスクリーンプリンティング工程を通じて基板電極の上に均一に塗布する。次いで、表面実装型リードフレーム部品または受動素子部品をＩＣＡが塗布された接続部位に整列させた後、これらの実装部分上に、超音波エネルギーを印加してＩＣＡを硬化させる。このような表面実装型部品の接合工程において、ＩＣＡの硬化を超音波エネルギーを利用する場合、既存のピックとプレース装備を利用して表面実装型部品をマウントさせた後、ＩＣＡ硬化工程を通じて表面実装の接続工程を行う場合とは異なり、追加的な硬化工程なしにも表面実装の接続工程を完了することができる。
次の図６は、ＡＣＡ（異方性導電性接着剤）を利用する半導体チップと基板間の接続工程を概略的に示している。
先ず、シリコンチップにＳｉＯ２パッシべーションを行い、その上に１μｍ厚さのＡｌ配線を蒸着させた後、ＳｉＮｘ又はＳｉＯ２によるパッシべーション処理を実行した後、１００μｍＩ／Ｏ直径と１８０μｍピッチのＩ／Ｏビアを形成した。ここで、ＡＣＡ接続のために、非はんだバンプを次のように形成した。
Ｉ／Ｏパッド上に金スタッドバンプ又は銅スタッドバンプを金ワイヤ装備を利用して略６０〜８０μｍ高さに形成する。次いで、各バンプの高さの偏差を減らすために平坦化工程を実施する。これは、ＡＣＡによる接続時にバンプ末端の変形量を多くして接続面積を拡大させ、導電粒子がバンプと基板との間に多数が接続されて電気的な接触抵抗を低めるためである。また、バンプの高さに偏差がある場合、特定のＩ／Ｏに過度の接続圧力が加えられてチップに損傷をもたらす問題を防止するためである。
さらに、無電解ニッケル／銅／金メッキ工程を通じて、２０〜３０μｍ高さの無電解バンプを形成することもできる。この場合、Ａｌを活性化させるためにジンケート（ｚｉｎｃａｔｅ）処理を実施し、次いで、適切な温度を有する無電解ニッケルメッキの溶液に適切な時間、浸漬してニッケルバンプを形成する。場合によっては硬度の弱い無電解銅層を形成することもできる。以後、無電解金メッキ溶液を利用してニッケルと銅の酸化防止と電気導電性を向上させるために薄い金メッキを実施する。このように無電解ニッケル／金バンプ又はニッケル／銅／金バンプを利用してＡＣＡによるフリップチップ接続工程を実施してＡＣＡ内の導電粒子がバンプと基板電極間に接続されて低い接続抵抗を有するようにする。
なお、テストチップの各Ｉ／Ｏパッドを包含する全面積にＴｉ／Ａｕのシード層を形成し、各Ｉ／Ｏパッド部分を除く余りの部分をフォトレジスト（ＰＲ）によって塗布した後、電解金メッキ法を利用して一定の厚さを有する金メッキ部分に電解金メッキバンプを形成する。以後、ＰＲを除去した後、シード層をエッチングすることによって、結局、各Ｉ／Ｏ部分に電解金メッキバンプを形成することになる。
このとき、使用される基板は、厚さ１ｍｍのＦＲ-４有機基板であって、金属配線としてはニッケル／銅／金の配線を有し、ＡＣＡが塗布される基板電極の他は、はんだマスクによって保護されている。
また、ＡＣＡは、絶縁樹脂と導電性粒子を包含する。フィルム状の場合、ポリマー樹脂は、固相エポキシ、液相エポキシ、フェノキシ樹脂、ＭＥＫ／トルエン溶媒の混合物が使用されることができ、硬化剤としては、マイクロカプセル化したイミダゾル硬化剤を代表的に利用することができる。また、ペースト状の場合、液相エポキシに前記の硬化剤を添加して使用することができる。これに表面処理された導電粒子を混合してＡＣＡの溶液を作製する。必要によっては、ＡＣＡを硬化させた後、熱膨張係数を低めるために、厚さ１μｍ以下の非導電粒子を混合することもできる。フィルム状に形成するためには、ドクターブレード法によって離型紙フィルム上にフィルムを形成し、８０℃１分間放置してソルベントを除去する。フィルムの厚さは、チップのバンプサイズによって異なるが、１０〜５０μｍ範囲内の厚さを有するようにして多様なバンプを受容するようにする。ペースト状の場合、液相エポキシと添加剤との混合物を最適化させることによりスクリーンプリンティング工程または噴射工程に適合する流変特性を有するようにする。
前記の工程を通じて得られたＡＣＡを有機基板などに塗布した後、非はんだバンプが形成されているチップを整列させた後、熱、圧力及び超音波エネルギーを同時に加えるか、超音波エネルギーと圧力のみを加えてフリップチップ接続を実施する。ＡＣＡを基板上に塗布する工程は次のように進行する。先ずフィルム形態のＡＣＡの場合は、フィルムの表面を基板の上に８０℃、５ｋｇｆ／ｃｍ２の圧力で仮圧着した後、離型紙フィルムを除去することによって塗布する。ペースト形態のＡＣＡの場合は、噴射装置を使用するか、スクリーンプリティング装置を使用して基板の上に望む模様の一定量を塗布する。超音波を利用する熱圧着工程又は超音波を利用する圧着工程においては、従来の熱圧着工程の時と比べて非常に早い速度でＡＣＡの温度を高めることができる。図７のグラフで図示するように、超音波エネルギーによるフリップチップの接続工程におけるＡＣＡの温度上昇は２秒以内で２７０℃にまで到達し、最高３０５℃まで上昇した後、超音波エネルギーの供給を中止した後の温度下降速度も迅速に進行することを確認することができた。
また、従来の熱圧着工程の時に適用された工程圧力がバンプ当り１００ｇを加える場合とは異なり、バンプ当り２０〜５０ｇを加えるだけで安定的な接続抵抗を得ることができるので、超音波エネルギーによる接続工程においてＡＣＡを使用するフリップチップ接続工程における工程圧力を顕著に低めることができる。
図８は、ＮＣＡ（非導電性接着剤）を使用する半導体チップと基板を接続させる工程を示している。
先ず、シリコンチップにＳｉＯ２パッシべーションを行い、その上に１μｍ厚さのＡｌ配線を蒸着した後、ＳｉＮｘ又はＳｉＯ２によるパッシべーション処理を実施した後、１００μｍのＩ／Ｏ直径と１８０μｍピッチのＩ／Ｏビアを形成した。このとき、ＮＣＡによる接続工程における非はんだバンプは、バンプが直接基板電極と機械的に接続されなければならないため、金スタッドバンプにすることが好ましい。
このため、Ｉ／Ｏパッド上に、金スタッドバンプ又は銅スタッドバンプを金ワイヤ装備を利用して略６０〜８０μｍの高さに形成する。次いで、各バンプの高さの偏差を減らすために、平坦化工程を実施する。これは、ＮＣＡによる接続の時にバンプ末端の変形量を多くして接続面積を広げるためである。また、バンプの高さに偏差が有る場合、特定のＩ／Ｏに過度の接続圧力が加えられてチップに損傷をもたらす問題を防止するためである。
また、チップと基板の整列と接続が容易になるとともに、接触面積を広げる効果がある。
このとき、使用される基板は、厚さ１ｍｍのＦＲ-４有機基板であり、金属配線としてはニッケル／銅／金の配線を有し、電極以外には、はんだマスクによって保護されている。
また、ＮＣＡは、絶縁樹脂と非導電性粒子を包含する。フィルム状の場合、ポリマー樹脂は、固相エポキシ、液相エポキシ、フェノキシ樹脂、ＭＥＫ／トルエン溶媒の混合物が使用されることができ、硬化剤としては、マイクロカプセル化したイミダゾル硬化剤を使用することができる。ペースト状の場合は、液相エポキシに前記の硬化剤を使用することができる。ここで、ＮＣＡの熱膨張係数などの物性を調節するために、表面処理された厚さ１μｍ以下の非導電粒子を混合してＮＣＡを作製することもできる。フィルム状に形成するためには、ドクターブレード法によって離型紙フィルム上にフィルムを形成し、８０℃、１分間放置して溶媒を除去する。フィルムの厚さは、チップのバンプサイズによって異なるが、１０〜５０μｍ範囲内の厚さを有するようにして多様なバンプを受容することができるようにする。
前記工程を通じて得られたＮＣＡを有機基板などに塗布した後、金スタッドバンプなどの非はんだバンプが形成されているテストチップを整列させた後、熱と圧力及び超音波エネルギーを同時に加えるか、超音波エネルギーと圧力のみを加えてフリップチップ接続を実施する。ＮＣＡを基板上に塗布する工程は下記のように進行する。先ず、フィルム形態のＮＣＡの場合は、フィルムの表面を基板の上に８０℃、５ｋｇｆ／ｃｍ２の圧力で仮圧着した後、離型紙フィルムを除去する。ペースト形態のＮＣＡの場合は、噴射装置を使用するか、スクリーンプリンタ装置を使用して基板の上に望む模様の一定量を塗布する。ＮＣＡによれば、比較的透明性を有するため、基板電極とチップのバンプとの整列がさらに容易になる。
超音波を利用する熱圧着工程、または超音波を利用する圧着工程において、ＮＣＡは、ＡＣＡによる超音波の接続工程と同様、従来の熱圧着工程の時と比べて非常に速い速度でＮＣＡの温度を高めることができ、これによって外部からの加熱のない状態の超音波エネルギーの印加だけでもＮＣＡの硬化を迅速に達成することができる。また、従来のＮＣＡによる熱圧着工程の時に適用された工程圧力が、バンプ当り１００〜１５０ｇを加える場合とは異なり、バンプ当り２０〜７０ｇを加えるだけで安定的なＮＣＡ接続による接続抵抗を得ることができるため、超音波エネルギーによる接続工程においてＮＣＡを使用するフリップチップ接続工程における工程圧力を顕著に低めることができる。
図９は、超音波エネルギーを使用するＡＣＡまたはＮＣＡの硬化による軟性基板と硬性基板間の接続工程図である。
軟性基板と硬性基板との電気的接続は、従来のはんだ、または、ソケットを利用する方式から漸次微細ピッチ化される傾向によって、ＡＣＦ／ＡＣＰ又はＮＣＦ／ＮＣＰを使用して接続する方式が多くなっている。このために、軟性基板は、ポリイミドの基本フィルム上に銅配線が直接形成される無接着剤（ａｄｈｅｓｉｖｅｌｅｓｓ）タイプの軟性基板の活用度が微細ピッチ接続のために増加されている。また、従来のポリイミドの基本フィルムと銅配線との間に接着剤層が存在する軟性基板においても、ＡＣＡ又はＮＣＡを使用して接続させることができる。このために、本実施例においては、２００μｍピッチから５００μｍピッチに至る多様なピッチを有する無接着剤タイプの軟性基板を用意するとともに、硬性基板としては１ｍｍ厚さのＦＲ-４基板を用意した。
接続材としてのＡＣＦは厚さ４０μｍであり、導電粒子として８μｍの金がコーティングされているニッケル粒子が含有されている、一般熱硬化の可能なタイプを使用した。軟性基板と硬性基板間の接続工程時における工程圧力とともに超音波エネルギーを印加するために、一般的なフリップチップボンダではなく、ＯＬＢ又はＰＣＢボンダ方式の超音波接合装備を使用しなければならない。即ち、硬性基板の接続部分にＡＣＦを仮圧着して塗布し、軟性基板の電極配線と硬性基板の電極配線間の整列を行う工程の後、圧着工程の時に熱超音波エネルギーを印加してＡＣＦの硬化を誘導する。なお、先ず、一般的なＯＬＢ又はＰＣＢボンダによって軟性基板と硬性基板をＡＣＦにより仮圧着させた後、軟性基板に超音波エネルギーを印加して軟性基板と硬性基板間の接合を実行する。
効果的かつ信頼性のあるＡＣＦを使用する軟性基板と硬性基板間の接続工程において、硬性基板を加熱することができ、超音波エネルギーをパルス方式の間欠印加にすることができる。また、縦方向超音波エネルギーと横方向超音波をそれぞれ単独に使用することができることは自明のことである。
本発明によれば、電子部品間の接続時に接着剤の硬化段階において、外部からの加熱を必要としないか、相対的に低い温度の熱によることができ、また、熱圧着工程の場合、工程圧力を低下させる効果を得ることができ、究極的には生産性の向上、さらに優秀な接着力及び信頼性を有する接続工程を可能にする。
図１は、従来の等方性導電性接着剤を使用するフリップチップの接続工程図である。 図２は、従来の異方性導電性接着剤を使用するフリップチップの接続工程図である。 図３は、従来の非導電性接着剤を使用するフリップチップの接続工程図である。 図４は、本発明による等方性導電性接着剤を使用するフリップチップの接続工程図である（バンプが接続を媒介する場合）。 図５は、本発明による等方性導電性接着剤を使用するフリップチップの接続工程図である（バンプが接続を媒介しない場合）。 図６は、本発明による異方性導電性接着剤を使用するフリップチップの接続工程図である。 図７は、異方性導電性接着剤に超音波処理を実施する場合において、時間別接着剤の温度の変化を示すグラフ図面である。 図８は、本発明による非導電性接着剤を使用するフリップチップの接続工程図である。 図９は、本発明による異方性導電性接着剤を使用する軟性基板と硬性基板間の接続工程図である。

Claims (23)

  1. 接続する電子部品の上・下接続部における電極を整列する段階と、
    前記上・下接続部の電極の間に存在する接着剤に超音波エネルギーを印加し、前記接着剤自体からの発熱を利用して接着剤を硬化させる段階と、
    を包含する電子部品間の接続方法。
  2. 前記接着剤は、導電性接着剤又は非導電性接着剤であることを特徴とする、
    請求項１に記載の電子部品間の接続方法。
  3. 前記導電性接着剤は、等方性導電性接着剤であることを特徴とする、
    請求項２に記載の電子部品間の接続方法。
  4. 前記等方性導電性接着剤は、銀、銅、金、炭素、ニッケル、パラジウム、低融点はんだ粉末及びこれらの組合せからなる群より選択される１種を導電性粒子として包含することを特徴とする、
    請求項３に記載の電子部品間の接続方法。
  5. 前記等方性導電性接着剤は、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、アクリル樹脂、ポリイミド樹脂及びポリスルホン樹脂からなる群より選択される１種の樹脂を包含することを特徴とする、
    請求項３に記載の電子部品間の接続方法。
  6. 前記導電性接着剤は、異方性導電性フィルム又は異方性導電性ペーストであることを特徴とする、
    請求項２に記載の電子部品間の接続方法。
  7. 前記導電性接着剤は、金がコーティングされているポリマー粒子、金がコーティングされているニッケル粒子、金がコーティングされている銅粒子、低融点はんだ層がコーティングされているニッケル粒子、低融点はんだ層がコーティングされている銅粒子、低融点はんだ粒子及びこれらの組合せからなる群より選択される１種を導電粒子として包含することを特徴とする、
    請求項６に記載の電子部品間の接続方法。
  8. 前記導電性接着剤は、前記導電粒子よりサイズの小さい非導電粒子をさらに包含することを特徴とする、
    請求項７に記載の電子部品間の接続方法。
  9. 前記導電性接着剤は、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、アクリル樹脂、ポリイミド樹脂、ポリスルホン樹脂からなる群より選択される１種の樹脂を包含することを特徴とする、
    請求項７に記載の電子部品間の接続方法。
  10. 前記非導電性接着剤は、非導電性フィルム又は非導電性ペーストであることを特徴とする、
    請求項２に記載の電子部品間の接続方法。
  11. 前記非導電性接着剤は、非導電粒子を包含することを特徴とする、
    請求項１０に記載の電子部品間の接続方法。
  12. 前記非導電性接着剤は、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、アクリル樹脂、ポリイミド樹脂、ポリスルホン樹脂からなる群より選択される１種の樹脂を包含することを特徴とする、
    請求項１０に記載の電子部品間の接続方法。
  13. 前記上・下接続部における電子部品は、半導体チップと基板又は半導体チップと半導体チップであることを特徴とする、
    請求項１に記載の電子部品間の接続方法。
  14. 前記半導体チップは、ディスプレイ駆動回路ＩＣ、イメージセンサーＩＣ、メモリＩＣ、非メモリＩＣ、超高周波又はＲＦＩＣ、シリコンを主成分とする半導体ＩＣ及び化合物半導体ＩＣからなる群より選択される１種の半導体チップであることを特徴とする、
    請求項１３に記載の電子部品間の接続方法。
  15. 前記半導体チップ接続部の電極に金スタッドバンプ、銅スタッドバンプ、金メッキバンプ、銅メッキバンプ、無電解ニッケル／金バンプ及び無電解ニッケル／銅／金バンプからなる群より選択される１種のバンプを有することを特徴とする、
    請求項１に記載の電子部品間の接続方法。
  16. 前記上・下接続部における電子部品が軟性基板と硬性基板、軟性基板と軟性基板又は硬性基板と硬性基板であることを特徴とする、
    請求項１に記載の電子部品間の接続方法。
  17. 前記軟性基板は、ポリイミド基材に金属配線が形成されていることを特徴とする、
    請求項１６に記載の電子部品間の接続方法。
  18. 前記硬性基板は、エポキシ／ガラス、セラミック、ガラス又はシリコン半導体基板であることを特徴とする、
    請求項１６に記載の電子部品間の接続方法。
  19. 前記超音波は、縦方向超音波、横方向超音波又はこれらの混合型超音波であることを特徴とする、
    請求項１に記載の電子部品間の接続方法。
  20. 前記超音波エネルギーを印加するとき、前記上・下接続部の全部又は一部に熱を加えることを特徴とする、
    請求項１に記載の電子部品間の接続方法。
  21. 前記超音波の周波数は、２０ｋＨｚ〜６０ｋＨｚであることを特徴とする、
    請求項１に記載の電子部品間の接続方法。
  22. 前記超音波エネルギーの印加において、接着剤の硬化度に従って周波数及び振幅を変化させることを特徴とする、
    請求項１に記載の電子部品間の接続方法。
  23. 前記超音波エネルギーは、所定の周波数を設定された時間の間、均一に加えるか又はパルス方式によって加えることを特徴とする、
    請求項１に記載の電子部品間の接続方法。
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