JP2541102B2 - 同軸フリップチップ接続構造の形成方法 - Google Patents

同軸フリップチップ接続構造の形成方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、スーパーコンピュータ
や大型コンピュータのように高速処理を必要とするコン
ピュータや、大量の情報を処理する交換機等のＬＳＩの
実装技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年ＬＳＩの高集積化、高速化に伴いコ
ンピュータの情報処理能力が飛躍的に進歩している。こ
れまでこれらのＬＳＩを基板に実装する方法として、ワ
イヤーボンディングやＴＡＢ等の技術が使用されていた
が、高速性や多ピン化を考慮するとフリップチップ方式
が最も有望であると考えられる。このフリップチップ技
術は、ＩＢＭジャーナルオブリサーチデバイス（ＩＢＭ
Ｊ．Ｒｅｓ．Ｄｅｖ．２３９．，Ｍａｙ，１９６
９．）において開発した技術で、近年は例えばＥＣＣの
予稿集（Ｐｒｏｃ．１９８１ ＥＣＣ １４９〜１５
５）各社で広く応用開発を行っており、蒸着法やメッキ
法を利用して電極を形成しているが、製造信頼性やコス
トの点で課題が多い。
【０００３】しかし、上記のメリットもあるため、さら
に高速性を狙ってシグナルの回りにグランドで囲む方式
が特開昭６１−２９６７２８号公報で開示されている。
けれども、この構造体では微小電極になった場合に絶縁
性の確保が難しく、パターン形成の為の専用のマスク等
が必要なため、設計変更に時間とコストがかかる。さら
に狭ピッチ（５０μｍ）や微小電極（５０μｍ）の製造
は難しい。
【０００４】また、直接描画法としては特開昭６２−２
５７７５号公報で開示しているが、加熱ノズルが必要で
ありしかも供給できる導体材料は限定され、金属以外は
基本的には困難であり微小電極形成は難しい。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記の従来
法の欠点を改善し、簡単な製造プロセスを用いて超高速
対応でクロストーク等の漏れ電流の影響の少ない同軸接
続を、微細、狭ピッチ、多ピン、低コストで提供するこ
とを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記の課題を達成するた
めに研究を進めた結果、スーパーコンピューターのよう
に超高速信号処理を必要とするもののＬＳＩの接続方法
としては、フリップチップ方式が最も有力であり、さら
にこの接続部を同軸型にすることにより伝送スピードが
向上するのみでなく、漏れ電流等により生じるクロスト
ークノイズを大幅に低減できる。本発明の同軸接続の構
造としては、ＬＳＩまたは基板の電極上に導体部を、そ
の周りには絶縁部を、さらにその外周部に導体部、さら
に絶縁部を形成する（最外周の絶縁層は形成しない場合
もある）。また、導体部の間の絶縁層に通常の絶縁材料
として用いられているエポキシ樹脂等と比較して低誘電
率の材料を用いることにより、導体間の容量成分を低減
することができ、伝搬遅延時間を最小限に抑えることが
できる。
【０００７】次に本発明をさらに詳しく説明する。本発
明の具体的な製造法であるが、ディスペンサー等の噴霧
装置を用いて導体、及び絶縁体の超微粒子材料を直接描
画する。工程的にはＬＳＩまたは基板電極に導体を直接
描画し、続いてその導体の周りを囲むようにして絶縁層
を形成し、同様にさらに導体層（ＧＮＤ）を形成して同
軸型にする。最後にＬＳＩと基板を接合する。この接合
の際、導体間の絶縁層が接合剤の役割を果たし、確実に
基板とＬＳＩの導体の接合を補助する。これにより導体
同士の単なる接触接合も可能となる。
【０００８】本発明における導体、絶縁材料は、基本的
には噴霧装置により直接描画できれば全て可能である。
具体的には、導体では電気伝導性の良いＣｕ，Ａｕ，Ａ
ｇ，Ａｌ，Ａｇ／Ｐｄ，Ｉｎ，Ｂｉ，Ｔｉ，Ｃｒ，Ｗ，
ＴｉＷ，Ｎｉ，ＳｎＯ2 ，ＩＴＯやＮｂ，Ｎｂ3 Ｇｅ，
ＹＢａ2 Ｃｕ3 ＯX - 7 等の超伝導材料や、接続金属と
して利用されるハンダ（Ｓｎ／Ｐｂ，Ｓｎ／Ｐｂ／Ｉｎ
／Ｂｉ（この４種類の中の組み合わせ），Ａｕ／Ｓｎ，
Ｉｎ／Ｐｂ），Ｓｎ，Ｐｂ等が挙げられる。一方、導体
間の容量成分を低減して伝搬遅延時間を最小限にするた
めには、絶縁材料として通常の絶縁材料として用いられ
ているエポキシ樹脂等と比較して低誘電率の材料である
ポリイミド（ＰＩ）やポリテトラフルオロンエチレン
（ＰＴＦＥ）のようなフッ素樹脂、ベンゾシクロブテン
（ＢＣＢ）等を用いる。また、材料コストを下げること
を目的とした場合は、エポキシ系、シリコン系の樹脂や
ポリエチレン、ポリプロピレンの有機物を使用する。更
にガラスセラミックス、アルミナ、窒化アルミ、ムライ
ト等の無機材料も使用できる。また、最後に絶縁部分を
剥離すれば、導体とＧＮＤ間を空間にする構造体もでき
る。
【０００９】本発明は、基板の上に直接ＬＳＩを実装す
る際の接続を同軸にすることであるが、基板としてＬＳ
Ｉの中間部の応力緩和用基板や二次配線基板等も、同軸
構造で接続することもできる。従来これらの中間部を設
けると伝搬遅延やクロストークノイズが問題となるが、
同軸構造をとるため回避できる。
【００１０】
【実施例】本発明の実施例を図面を用いて具体的に説明
する。尚、本発明はこれらの実施例に限定されるもので
はない。 （実施例１）本発明の同軸フリップチップ接続の構造を
説明する。まず、周知のＬＳＩ形成技術によりシリコン
やＧａＡｓウェハー中に能動素子を形成し、能動素子直
上または能動素子以外の所にＬＳＩのシグナルやＧＮＤ
を露出させる。この様子は図２に示しており、半導体チ
ップ５の能動素子面側５−ａに、ＡｕやＡｌ等を使用し
た外部接続用電極１−ａやＧＮＤ２−ａをフォトリソ工
程で露出させ、他の部分である３−ａや４−ａは、通常
の半導体絶縁膜として使用されているＳｉＯ2やＳｉ3
Ｎ4 ，ポリイミド等で被われている。この半導体能動素
子面側に、請求項２の同軸フリップチップ接続構造プロ
セスを用いて図１に示す形状の同軸バンプを形成する。
図１は半導体チップ接続構造プロセスを用いて図１に示
す形状の同軸バンプを形成する。図１は半導体チップ５
上の同軸バンプ６を示しており、導体層１であるシグナ
ルは導電性のある超微粒子を吹き付けて形成する。この
導体サイズは超微粒子吹き付け装置のノズル径に依存し
ており、現状技術では５μｍより５００μｍ程度可能で
あり、絶縁層やＧＮＤ層のピッチ等もこの数値内で様々
に設定でき将来的にはさらに微小のバンプも可能であ
る。次に絶縁材料を用いて第一絶縁層３をシグナル形成
と同様の方法で形成し、さらにその外周にＧＮＤ層２、
第二絶縁層４を同様に形成する。尚、この同軸バンプ６
の高さは５μｍより最大２００μｍまで可能である。
【００１１】続いて図３に示す超微粒子吹き付け装置の
概略を示す。この装置は導体、絶縁体を直接描画する機
能を備えたもので、タンク８内で超微粒子７を生成し、
真空ポンプを用いてガスと超微粒子をノズルの先端より
ＬＳＩ５や基板に噴射してバンプを形成する。
【００１２】続いてこの装置を使用して、同軸フリップ
チップバンプを形成する方法を図４に具体的に示す。前
述したように、図３の描画装置のノズル１０より、半導
体チップ５の能動素子面側５−ａに露出している電極１
−ａ上に導体材料の超微粒子を吹き付けシグナル層１を
形成する。引き続きシグナル層形成時に使用したノズル
径よりも大きな径のノズルを使用して、絶縁材料の超微
粒子を電極１−ａとＧＮＤ２−ａとの間の絶縁部分に吹
き付け、第１絶縁層３を形成する。さらに、第１絶縁層
形成時に使用したノズルよりも径の大きいノズル１０を
使用して、半導体チップ５の表面上のＧＮＤ２−ａ上
に、導体材料の超微粒子を吹き付けてＧＮＤ層２を形成
する。最後にＧＮＤ層形成時のノズル径よりも大きいノ
ズルを適用して、絶縁部分に第２絶縁増４を形成する。
しかし、この状態では図４（Ｃ）に示す様にバンプ全体
が上層微粒子膜で覆われているため、イオンミリング等
のドライ方法や、表面研磨等によってバンプ上面を露出
させる必要がある。
【００１３】尚、プロセスでは図５に示すような円形状
のノズル１０を使用したが、第１絶縁層形成以降のプロ
セスに用いるノズルを、形状が同心円状のノズル１１を
使用することにより、導体層や絶縁層をドーナツ状に吹
き付けることができるので、研磨等のプロセルをとるこ
となく図１の構造を得る事はできる。 （実施例２）図１に示した請求項１の同軸フリップチッ
プ接続の導体層は、単一の材料を使用した例を示した
が、例えばチップ材料や電極材料１−ａ、チップの使用
目的等により、同軸フリップチップに使用するシグナル
材料も考慮する必要があり、密着性や導電性を良好にす
るためにシグナルの多層化が必要となることがある．こ
の場合図４のシグナル形成のプロセスのところで、同一
径のノズルを用いて導体層に使用する超微粒子の材料を
変えて連続して吹き付けることにより、多層構造のシグ
ナルが形成できる（図示していない）。このシグナル多
層構造バンプ断面図を図６に示す。シグナル層１はＬＳ
Ｉ表面に近い方から第１層、第２層、第３層の順
に形成してあり、第１層はＬＳＩ電極と接着性が良く第
２層以降の金属の拡散を抑えることのできる導体、第２
層は第１層と接着性が良く抵抗値の低い導体、第３層は
第２層さらにＬＳＩを搭載する基板との接着性の高いも
のが良い。具体的にはＣｒ／Ｎｉ／ＡｕやＣｒ／Ｎｉ／
ハンダ等が挙げられる。このシグナル層の外周は図１と
同じ様に第１絶縁層３，ＧＮＤ２，第２絶縁層４より構
成される。尚、本実施例では３層構造を示しているが、
さらに多層化することができることは言うまでもなく、
ＧＮＤも同様なプロセスを用いて多層化できる。 （実施例３）通常はＬＳＩ上に同軸バンプを形成し、基
板にこれを実装する形態をとるが、本提案プロセスを用
いればこの同軸バンプは、ＬＳＩと同様に基板上にも形
成できるので、図７に示すようにＬＳＩ５及び基板１２
上に同軸バンプ６を形成し接合する。このように両方に
同軸バンプを形成すれば、高アスペクトを確保すること
ができる。さらに図８に示すように、この間に応力緩和
用の中間基板１３を適用した場合も、同軸バンプ６で接
合する。従来、このように中間基板を間に入れると信号
の伝搬遅延が問題になるが、同軸構造の接続をとるた
め，この伝搬遅延を最小限に抑える事ができる。
【００１４】
【発明の効果】本発明はＬＳＩと基板を同軸でつなぐの
で、高速信号伝搬が可能であり漏れ電流の影響も皆無と
なる。さらにグランドと信号を一つのバンプ内に一体化
することができるので、接続数を低減することができ、
これによりＬＳＩチップにさらに接続バンプを形成する
面積の余裕ができるため、より多ピン接続を達成するこ
とができる。また、シグナル層とＧＮＤ層の間に絶縁層
を形成するので、微小な電極になっても、導体間の絶縁
性は確保できる。さらに絶縁部によりＬＳＩと基板間に
発生する応力を緩和する効果があり、接続信頼性が向上
する。しかも直接描画法を用いるため、簡単、低コスト
で接続バンプが得られる。これまでは接続バンプを多層
化するとその接合界面において、信号の反射等による伝
搬遅延が生じる可能性があったが、ＧＮＤの効果により
これらの現象が低減できるため、接続信頼性を向上させ
るための多層化の効果が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明提案の同軸バンプの構造について示した
図である。
【図２】同軸バンプ形成前のＬＳＩ表面の状態を示す図
である。
【図３】同軸バンプ形成のための超微粒子吹き付け装置
を示した図である。
【図４】同軸バンプ形成の具体的プロセスを示した図で
ある。
【図５】超微粒子吹き付け装置に用いるノズルの形状に
ついて示した図である。
【図６】多層構造の同軸フリップチップの構造を示した
図である。
【図７】ＬＳＩと基板に同軸バンプを形成したものを接
続した様子を示す図である。
【図８】中間基板を入れた構造についての外観を示した
図である。
【符号の説明】
１ 導体層１（シグナル） １−ａ シグナル（ＬＳＩ側） ２ 導体層２ ２−ａ ＧＮＤ（ＬＳＩ側） ３ 第１絶縁層 ３−ａ 絶縁部分 ４ 第２絶縁層 ４−ａ 絶縁部分 ５ 半導体チップ ５−ａ ＬＳＩ能動素子側 ６ 同軸バンプ ７ 超微粒子 ８ タンク ９ 輸送管 １０ ノズル １１ ドーナツ型ノズル １２ 基板 １３ 中間基板 １４ 研磨面
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−296750（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−30544（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−237149（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−3183（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】一つの電極バンプ中に、シグナル用とグラ
    ンド（ＧＮＤ）用の同軸型導体層を、さらに前記シグナ
    ル用導体層と前記ＧＮＤ用導体層の間に第１絶縁層を、
    さらに前記ＧＮＤ用導体層の外周に第２絶縁層を有する
    同軸フリップチップ接続構造において、超微粒子材料を
    ディスペンサー装置を用いてノズルより噴霧させること
    により、前記シグナル用導体層、第１絶縁体層、前記Ｇ
    ＮＤ用導体、前記第２絶縁体層の順に形成することを特
    徴とする同軸フリップチップ接続構造の形成方法。
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