JP2010073725A - 電子部品及び電子部品の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 カーボンナノチューブを電極に接点接触させる方法では、実装後に、半導体チップの位置ずれが生じやすい。また、金属結合によって電気的接続を確保する場合に比べて、電気抵抗が高くなり易い。
【解決手段】 第１の基板(10)の表面に第１の電極(12)が形成されている。第１の基板の表面上に、第１の電極の位置に第１の開口(20a)が形成されている絶縁膜(20)が配置されている。第１の開口内に、第１の電極に電気的に接続された金属部材(21)が形成されている。複数のカーボンナノチューブ(55)の一方の端部が金属部材内に埋め込まれ、金属部材に固定されている。
【選択図】 図１−４

Description

本発明は、電極上にカーボンナノチューブが林立した電子部品及びその製造方法に関する。

電子部品実装の高密度化への要求が年々高まっており、高密度実装に適したベアチップ実装方式が注目されている。ベアチップ実装方式は、フェイスアップ実装と、フェイスダウン実装とに分類される。フェイスアップ実装では、ワイヤボンディングによって電極間が接続される。フェイスダウン実装では、半導体チップの電極上に形成したはんだバンプ、Ａｕスタッドバンプ、カーボンナノチューブ等の突起状電極によって電極間が接続される。フェイスダウン実装を採用すると、ワイヤボンディングに比べて接続端子間の距離を短くすることが可能になる。このため、フェイスダウン実装は、多くの端子を有する半導体チップの実装に適している。さらに、大容量の信号を高速に伝送することが可能になる。

フェイスダウン実装においては、一般に、半導体チップとプリント配線板との間に、アンダーフィル封止剤が充填される。アンダーフィル封止剤は、半導体チップを固定するとともに、突起状電極に加わる応力を分散させる役割を担う。

カーボンナノチューブを用いて半導体チップをプリント配線板に実装した後、両者の間にアンダーフィル封止剤を充填して硬化させると、カーボンナノチューブの弾性が損なわれる。林立する複数のカーボンナノチューブの隙間にアンダーフィル封止剤が侵入すると、カーボンナノチューブの弾性がさらに損なわれてしまう。

カーボンナノチューブが弾性変形した時の復元力により、カーボンナノチューブを基板上の電極に接点接触させる方法が知られている（特許文献１）。カーボンナノチューブは、半導体チップとプリント配線板との熱膨張係数の相違に起因する応力を緩和することができる。

特開２００７−３１１７００号公報

カーボンナノチューブを電極に接点接触させる方法では、半導体チップの位置が、その周囲に配置される構造体でプリント配線板に拘束される。このため、実装後に、半導体チップの位置ずれが生じやすい。また、接点接触による電気的接続は、金属結合によって電気的接続を確保する場合に比べて、電気抵抗が高くなり易い。

上記課題を解決するための電子部品は、
表面に第１の電極が形成された第１の基板と、
前記第１の基板の表面上に配置され、前記第１の電極の位置に第１の開口が形成されている絶縁膜と、
前記第１の開口内に形成され、前記第１の電極に電気的に接続された金属部材と、
一方の端部が前記金属部材内に埋め込まれ、該金属部材に固定されている複数のカーボンナノチューブと
を有する。

上記課題を解決するための電子部品の製造方法は、
表面に第１の電極が形成された第１の基板の該表面の上に絶縁膜を配置する工程と、
前記絶縁膜の、前記第１の電極に対応する位置に第１の開口を形成する工程と、
前記第１の開口内に金属部材を形成する工程と、
前記第１の開口内の金属部材を溶融させた状態で、該金属部材に複数のカーボンナノチューブの一方の端部を挿入する工程と、
前記カーボンナノチューブが前記金属部材に挿入された状態で、該金属部材を固化させて、該カーボンナノチューブを該金属部材に固定する工程と
を有する。

カーボンナノチューブの一端が金属部材に埋め込まれるため、接続の機械的強度を確保し、電気抵抗の増大を抑制することができる。絶縁膜は、溶融した金属部材が基板面内方向に広がることを防止する。

図１Ａ〜図１Ｊを参照して実施例１について説明し、図２Ａ〜図２Ｄ、図５を参照して実施例２について説明し、図３Ａ〜図３Ｆを参照して実施例３について説明し、図４を参照して実施例４について説明する。

図１Ａに示すように、プリント配線板１０の表面に、銅（Ｃｕ）からなる複数の電極１２が配置されている。電極１２が配置されていない領域は、ソルダーレジスト１１で被覆されている。このプリント配線板１０の上に、Ｃｕからなる厚さ５０ｎｍのシード層１５を、スパッタリングにより形成する。

図１Ｂに示すように、シード層１５の上にレジストを塗布した後、露光及び現像を行うことにより、レジストパターン１６を形成する。レジストパターン１６には、電極１２に対応する位置に開口１６ａが設けられている。

図１Ｃに示すように、シード層１５を電極として、開口１６ａの底面に露出しているシード層１５の上にアルミニウム（Ａｌ）を電解めっきすることにより、下地金属膜１８を形成する。下地金属膜１８の厚さは、例えば１００ｎｍとする。めっき後、レジストパターン１６を剥離する。

図１Ｄに示すように、レジストパターン１６で覆われていた領域にシード層１５が露出する。露出したシード層１５を、エッチング除去する。

図１Ｅに示すように、ソルダーレジスト１１が露出する。電極１２の上には、Ｃｕからなるシード層１５及びＡｌからなる下地金属膜１８の２層が残る。

図１Ｆに示すように、プリント配線板１０の上に、開口２０ａが設けられた絶縁膜２０を形成する。以下、絶縁膜２０の形成方法について説明する。プリント配線板１０の上に、エポキシ系樹脂、アクリル系樹脂、エポキシアクリレート系樹脂等からなる厚さ３０μｍの感光性樹脂シートを、１２０℃でラミネートする。１時間放置した後、露光及び現像を行って感光性樹脂シートに開口２０ａを形成する。ここまでの工程で、開口２０ａが設けられた絶縁膜２０が形成される。開口２０ａは、電極１２が形成された位置に配置される。開口２０ａの底面には、シード層１５及び下地金属膜１８が配置されている。

図１Ｇに示すように、開口２０ａ内に低融点金属部材２１を充填する。低融点金属部材２１は、下地金属膜１８及びシード層１５を介して、電極１２に電気的に接続される。低融点金属部材２１には、例えば金属粉末ペーストが用いられ、スキージ法を用いて開口２０ａ内に充填することができる。金属粉末には、例えばＳｎを含む低融点金属、例えばＳｎ−Ｂｉ合金等が用いられる。Ｓｎ−Ｂｉ合金の融点は、約１３９℃である。なお、低融点金属部材２１は、電解めっきにより開口２０ａ内に充填してもよい。

図１Ｈに示すように、半導体チップ５０を、プリント配線板１０に対向して配置する。半導体チップ５０の表面には、複数の電極５１が形成されている。電極５１は、プリント配線板１０に形成されている電極１２に対応する位置に配置される。電極５１が配置されていない領域は、絶縁性の保護膜５２で覆われている。電極５１の各々に、複数のカーボンナノチューブ５５が林立するように固定されている。カーボンナノチューブ５５の長さは、例えば１００μｍ程度である。

以下、半導体チップ５０にカーボンナノチューブ５５を固定する方法について説明する。まず、シリコンからなる成長用仮基板に、スパッタリングにより、厚さ５ｎｍのＡｌ膜を形成し、その上に厚さ２ｎｍのＦｅ膜を形成して触媒層とする。Ｆｅ膜の上に、化学気相成長（ＣＶＤ）により、カーボンナノチューブを成長させる。原料ガスとしてアセチレンガスを用い、キャリアガスとしてアルゴンガスまたは水素ガスを用いる。成長雰囲気の圧力は１００Ｐａとし、成長温度は６００℃とする。成長時間を制御することにより、カーボンナノチューブの長さを調整することができる。

半導体チップ５０の電極５１の表面に、はんだまたは金属粒子ペーストを配置しておく。成長用仮基板に成長したカーボンナノチューブの先端を、電極５１に押し当て、はんだまたは金属粒子ペーストでカーボンナノチューブを電極５１に固定する。カーボンナノチューブが電極５１に固定された後、成長用仮基板を半導体チップ５０から引き離す。電極５１に固定されていないカーボンナノチューブは、成長用仮基板側に固定されたまま、半導体チップ５０から引き離され、電極５１に固定されたカーボンナノチューブのみが、電極５１上に残る。

このように形成された半導体チップ５０に固定されているカーボンナノチューブ５５の先端を、低融点金属部材２１の表面に接触させる。

図１Ｉに示すように、半導体チップ５０とプリント配線板１０との間隔が狭くなる向きの荷重を印加した状態で、プリント配線板１０を１５０℃まで加熱する。荷重は、例えば１つの電極あたり、３０ｋＰａとする。低融点金属部材２１が溶融して、カーボンナノチューブ５５の先端が低融点金属部材２１内に埋め込まれる。このとき、カーボンナノチューブ５５は、荷重によって湾曲した状態になる。開口２０ａ内に充填された低融点金属部材２１は、カーボンナノチューブ５５が埋め込まれた状態でも、開口２０ａから溢れない程度の量にしておくことが好ましい。

プリント配線板１０を室温まで降温させると、低融点金属部材２１が固化して、カーボンナノチューブ５５が低融点金属部材２１に固定される。

図１Ｊに示すように、プリント配線板１０及び半導体チップ５０に印加されていた荷重を解放する。カーボンナノチューブ５５のうち、電極５１の表面と低融点金属部材２１の表面との間の部分が、その復元力によってほぼ直線状の形態に戻る。低融点金属部材２１に埋め込まれている部分は、湾曲したままである。このため、プリント配線板１０と半導体チップ５０との間の間隙部分のカーボンナノチューブ５５の束は、半導体チップ５０からプリント配線板１０に向かって、徐々に広がった形態になる。

実施例１では、プリント配線板１０側のカーボンナノチューブ５５の端部が、低融点金属部材２１内に埋め込まれて、強固に固定されている。このため、機械的強度を高く、かつ電気抵抗を低く維持することができる。また、プリント配線板１０と半導体チップ５０との間隙部に配置されたカーボンナノチューブ５５は、応力が解放された状態であるため、十分な弾性を維持している。このため、プリント配線板１０と半導体チップ５０との熱膨張率の差等に起因して両者の間に発生する応力を緩和することができる。

実際に、−５５℃と１２５℃との間で昇温及び降温を繰り返す熱サイクル試験を５００サイクル行ったところ、電気抵抗の上昇は１０％以下であった。また、温度１２１℃、湿度８５％の環境下に１０００時間放置した後の電気抵抗の上昇も、１０％以下であった。

カーボンナノチューブ５５と低融点金属部材２１との間の機械的接続を強固にし、かつ良好な電気的接続を確保するために、低融点部材２１の高さを１０μｍ以上にすることが好ましい。絶縁膜２１の厚さは、その上面が、低融点金属部材２１の上面よりも高くなるように設定することが好ましい。

低融点金属部材２１と電極１２との間に配置された下地金属膜１８はＡｌで形成されている。Ａｌは、カーボンと金属炭化物を形成する。カーボンナノチューブ５５と、下地金属膜１８との接触部分に、アルミニウムカーバイドが形成されると、カーボンナノチューブ５５と電極１２との間で、より良好な電気的接続が得られる。

実施例１では、低融点金属部材２１をプリント配線板１０の表面に形成したが、半導体チップ５０側に形成してもよい。また、低融点金属部材２１を用いた実装の用途は、プリント配線板１０と半導体チップ５０との接続に限定されない。例えば、複数の半導体チップを重ねる３次元実装において、半導体チップ同士を接続する場合に、低融点金属部材とカーボンナノチューブを用いた実施例１の構成を適用することができる。

次に、図２Ａ〜図２Ｄを参照して、実施例２による電子部品、及びその製造方法について説明する。

図２Ａは、半導体チップ５０の電極５１に固定されたカーボンナノチューブ５５の先端を、プリント配線板１０上の低融点金属部材２１に近づけた状態を示す。絶縁膜２０の上に、絞り膜６０が配置されている点が、図１Ｈに示した実施例１の場合と異なる。

絞り膜６０に複数の開口６０ａが形成されている。開口６０ａは、プリント配線板１０上の電極１２に対応する位置に配置されている。図５に、絞り膜６０の一部分の平面図の一例を示す。絞り膜６０には、硬化時に収縮する熱硬化樹脂、例えばエポキシ系樹脂、アクリル系樹脂、エポキシアクリレート系樹脂が用いられる。絞り膜６０の厚さは、例えば２０μｍである。

図２Ｂに示すように、半導体チップ５０がプリント配線板１０に近づく向きの荷重を印加した状態で、プリント配線板１０を１５０℃まで加熱し、低融点金属部材２１を溶融させる。カーボンナノチューブ５５が開口６０ａ内を通って、その先端が、低融点金属部材２１内に埋め込まれる。荷重によって、カーボンナノチューブ５５が湾曲し、カーボンナノチューブ５５の束が外側に膨らんだ形状になる。

図２Ｃに示すように、さらに、プリント配線板１０を１７０℃まで加熱する。絞り膜６０が、硬化するとともに収縮する。絞り膜６０の収縮により、開口６０ａも小さくなる。開口６０ａの大きさは、絞り膜６０が収縮したときに、絶縁膜２０に設けられている開口２０ａよりも小さくなるように設定されている。例えば、収縮前の開口６０ａの大きさを、開口２０ａの大きさと等しくしておく。開口６０ａが小さくなると、カーボンナノチューブ５５の束が絞られる。溶融した低融点金属部材２１内に埋め込まれた部分、及び絞り膜６０と半導体チップ５０との間の部分のカーボンナノチューブ５５は、湾曲した状態のままである。

絞り膜６０が自由な状態で収縮すると、平面視において、開口６０ａが絞り膜６０の中心に向かって変位する。ところが、図２Ｃの状態では、開口６０ａの位置がカーボンナノチューブ５５によって拘束されているため、開口６０ａの変位は生じず、縮小のみが生じる。この状態で、プリント配線板１０を降温させることにより、低融点金属部材２１を固化させる。

図２Ｄに示すように、荷重を解放する。カーボンナノチューブ５５の復元力により、低融点金属部材２１の上面と半導体チップ５０との間の部分のカーボンナノチューブ５５が、ほぼ直線状の形態に戻る。低融点金属部材２１内に埋め込まれている部分は、湾曲した状態のままである。低融点金属部材２１内では、平面視において、カーボンナノチューブ５５の一部が、開口６０ａの外周線よりも外側にはみ出している。

実施例２では、プリント配線板１０と半導体チップ５０との間の間隙内のカーボンナノチューブ５５の束が細く絞り込まれる。このため、相互に隣り合う電極５１に接続されたカーボンナノチューブ５５同士が接触することによる短絡故障の発生を抑制することができる。

図３Ａ〜図３Ｆを参照して、実施例３による電子回路、及びその製造方法について説明する。

図３Ａに示すように、成長用仮基板８０の表面に、Ａｌ膜８１、Ｆｅ膜８２を形成し、その表面に複数のカーボンナノチューブ５５を成長させる。半導体チップ５０の表面に複数の電極５１が形成されている。電極５１が形成されていない領域は、保護膜５２で覆われている。半導体チップ５０の上に、絶縁膜７０、シード層７１、下地金属膜７２、及び低融点金属部材７３を形成する。これらは、実施例１の図１Ａから図１Ｇまでの工程と同一の工程により形成される。成長用仮基板８０に形成されたカーボンナノチューブ５５の先端を、半導体チップ５０に対向させる。

図３Ｂに示すように、成長用仮基板８０と半導体チップ５０とが近づく向きの荷重を印加した状態で、半導体チップ５０を１５０℃程度まで加熱する。低融点金属部材７３が溶融し、低融点金属部材７３に接触していたカーボンナノチューブ５５の先端が、低融点金属部材７３内に埋め込まれる。低融点金属部材７３内に埋め込まれたカーボンナノチューブ５５は、荷重により湾曲する。絶縁膜７０に接触しているカーボンナノチューブ５５は、より大きく湾曲する。

荷重を印加した状態で半導体チップ５０を降温させることにより、低融点金属部材７３を固化させる。先端が低融点金属部材７３内に埋め込まれたカーボンナノチューブ５５が、低融点金属部材７３に固定される。

図３Ｃに示すように、成長用仮基板８０を半導体チップ５０から引き離す。低融点金属部材７３内に先端が埋め込まれたカーボンナノチューブ５５は、低融点金属部材７３に固定されたまま半導体チップ５０側に残る。絶縁膜７０に接触していたカーボンナノチューブ５５は、成長用仮基板８０とともに、半導体チップ５０から引き離される。

図３Ｄに示すように、電極１２及びソルダーレジスト１１が形成されたプリント配線板１０に、絶縁膜２０、シード層１５、下地金属膜１８、及び低融点金属部材２１を形成する。この構造は、図１Ｇに示した実施例１で用いたものと同一である。

半導体チップ５０に固定されたカーボンナノチューブ５５の先端を、プリント配線板１０に形成された低融点金属部材２１に接触させる。

図３Ｅに示すように、半導体チップ５０とプリント配線板１０とが近づく向きの荷重を印加した状態で、低融点金属部材２１を溶融させる。カーボンナノチューブ５５の先端が、溶融した低融点金属部材２１内に埋め込まれる。この状態で、低融点金属部材２１を固化させる。

図３Ｆに示すように、荷重を解放する。半導体チップ５０とプリント配線板１０との間の間隙部分のカーボンナノチューブ５５が、その復元力により、ほぼ直線状の形態に戻る。

実施例３においては、カーボンナノチューブ５５の両端が、それぞれ低融点金属部材２１及び７３内に埋め込まれている。このため、機械的強度をより高めることができる。さらに、電気抵抗をより低減させることができる。

図４に、実施例４による電子部品の断面図を示す。実施例４では、実施例３の図３Ｂの段階で、絶縁膜７０の上に絞り膜９１を配置することにより、カーボンナノチューブ５５の束の広がりを抑制する。さらに、実施例３の図３Ｄの段階で、絶縁膜２０の上に絞り膜９０を配置することにより、カーボンナノチューブ５５の束の広がりを抑制する。

実施例４では、カーボンナノチューブ５５の束の広がりが抑制されるため、相互に隣り合う電極５１に接続されるカーボンナノチューブ５５同士の接触を防止することができる。

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

（１Ａ）〜（１Ｄ）は、実施例１による電子部品の製造途中段階における斜視図である。 （１Ｅ）〜（１Ｇ）は、実施例１による電子部品の製造途中段階における斜視図である。 （１Ｈ）〜（１Ｉ）は、実施例１による電子部品の製造途中段階における斜視図である。 （１Ｊ）は、実施例１による電子部品の斜視図である。 （２Ａ）〜（２Ｂ）は、実施例２による電子部品の製造途中段階における斜視図である。 （２Ｃ）は、実施例２による電子部品の製造途中段階における斜視図であり、（２Ｄ）は、実施例２による電子部品の斜視図である。 （３Ａ）〜（３Ｂ）は、実施例３による電子部品の製造途中段階における斜視図である。 （３Ｃ）〜（３Ｄ）は、実施例３による電子部品の製造途中段階における斜視図である。 （３Ｅ）は、実施例３による電子部品の製造途中段階における斜視図であり、（３Ｆ）は、実施例３による電子部品の斜視図である。 実施例４による電子部品の斜視図である。 実施例２で用いられる絞り膜の平面図である。

符号の説明

１０ プリント配線板
１１ ソルダーレジスト
１２ 電極
１５ シード層
１６ レジストパターン
１６ａ 開口
１８ 下地金属膜
２０ 絶縁膜
２０ａ 開口
２１ 低融点金属部材
５０ 半導体チップ
５１ 電極
５２ 保護膜
５５ カーボンナノチューブ
６０ 絞り膜
６０ａ 開口
７０ 絶縁膜
７１ シード層
７２ 下地金属膜
７３ 低融点金属部材
８０ 成長用仮基板
８１ Ａｌ膜
８２ Ｆｅ膜
９０、９１ 絞り膜

Claims (6)

1. 表面に第１の電極が形成された第１の基板と、
   前記第１の基板の表面上に配置され、前記第１の電極の位置に第１の開口が形成されている絶縁膜と、
   前記第１の開口内に形成され、前記第１の電極に電気的に接続された金属部材と、
   一方の端部が前記金属部材内に埋め込まれ、該金属部材に固定されている複数のカーボンナノチューブと
   を有する電子部品。
2. さらに、前記絶縁膜の上に配置され、前記第１の開口に対応する位置に、該第１の開口よりも小さな第２の開口が形成された膜を有し、
   前記カーボンナノチューブが、前記第２の開口を貫通している請求項１に記載の電子部品。
3. さらに、
   前記第１の基板の、前記第１の電極が形成された面に対向するように配置され、該第１の電極に対応する位置に第２の電極が形成された第２の基板を有し、
   前記カーボンナノチューブの他方の端部が前記第２の電極に固定されている請求項１または２に記載の電子部品。
4. さらに、前記カーボンナノチューブの、前記金属部材に埋め込まれている先端に形成された金属炭化物を有する請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電子部品。
5. 表面に第１の電極が形成された第１の基板の該表面の上に絶縁膜を配置する工程と、
   前記絶縁膜の、前記第１の電極に対応する位置に第１の開口を形成する工程と、
   前記第１の開口内に金属部材を形成する工程と、
   前記第１の開口内の金属部材を溶融させた状態で、該金属部材に複数のカーボンナノチューブの一方の端部を挿入する工程と、
   前記カーボンナノチューブが前記金属部材に挿入された状態で、該金属部材を固化させて、該カーボンナノチューブを該金属部材に固定する工程と
   を有する電子部品の製造方法。
6. 前記カーボンナノチューブを前記金属部材に挿入する前に、さらに、
   第２の開口が設けられ、硬化時に収縮する熱硬化性樹脂で形成された膜を、該第２の開口が前記第１の開口に重なるように前記絶縁膜の上に配置する工程を有し、
   前記カーボンナノチューブを前記金属部材に挿入する工程において、該カーボンナノチューブを前記第２の開口を通して該金属部材に挿入し、
   前記カーボンナノチューブを前記金属部材に挿入した後、前記金属部材が溶融している状態で、前記膜を硬化させる工程を含み
   前記膜が硬化した後の前記第２の開口が、前記第１の開口よりも小さくなっている請求項５に記載の電子部品の製造方法。

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