JP2780511B2 - 導電性ペーストと半導体装置の実装方法 - Google Patents

導電性ペーストと半導体装置の実装方法

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    • H01L2224/1184Reworking, e.g. shaping involving a mechanical process, e.g. planarising the bump connector

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  • Conductive Materials (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体装置を、導体パ
ターンが形成された基板への電気的接続方法に関するも
のであり、特に導電性ペーストとそれを用いた半導体装
置のフェースダウンボンディング法に関するものであ
る。
【0002】
【従来の技術】従来、裸の半導体装置を導体パターンが
形成された基板に電気的に接続する方法としては、メッ
キ技術により半導体装置の電極パッド上に形成した突出
接点を用いたものが知られている。
【0003】特に、米国特許第4661192号公報に
おいては、導電性接着剤を用いてフェースダウンにより
半導体装置を基板に簡易的に接続する方法が述べられて
いる。
【0004】以下図面を参照しながら、従来の半導体装
置の接続法に付いて説明する。(図5)は突出接点を形
成する工程であり、(図6)は突出接点を平坦化する工
程であり、(図7)は導電性エポキシ樹脂を転写する工
程であり、(図8)は基板へ半導体装置を接続する工程
である。(図5)において、15は半導体装置であり、
16は電極パッドである。17はキャピラリーであり、
18はボールである。19は金属ワイヤであり、20は
水素炎トーチである。22は電極パッドに接続されたボ
ールであり、24は残存した金属ワイヤである。(図
6)において、26は平坦化されたボールであり、28
は平坦面が形成された基材である。(図7)において、
30は導電性エポキシ樹脂であり、32は支持基材であ
る。(図8)において、36は基板である。
【0005】以上のように構成された従来の半導体装置
の接続法について、以下その概略を説明する。まず、
(図5)に示すように金属ワイヤ19の先端を水素炎ト
ーチ20によって溶融させボール18を形成し、キャピ
ラリー17によって半導体装置15の電極パッド16に
固着したのち、金属ワイヤ19を引っ張ることにより切
断して、電極パッド16上にボール22と残存する金属
ワイヤ24からなる突出接点を形成する。次に第6図に
示すように、半導体装置15を平坦面が形成された基材
28に押し付けることにより平坦化したボール26を得
る。さらに、(図7)に示すように、平坦化したボール
26を有する半導体装置15を、支持基材32上に形成
した導電性エポキシ樹脂30に押し当てることにより、
平坦化したボール26上に導電性エポキシ樹脂30を転
写する。以上のようにして、電極パッド16上の平坦化
したボール26上に導電性エポキシ樹脂30を形成した
半導体装置15を、(図8)に示すように、基板36の
導体の導体パターン34に位置合わせして固着すること
によって、電気的接続を行うものである。
【0006】また、導電性エポキシ樹脂に代えて低融点
金属、例えばPb−Sn、Au−Ge、AuーSiを用
いて接続する方法も提案されている。(例えば特願平2
−203279号)
【0007】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記のよ
うな半導体装置の接続方法では、突出接点の形成におい
て、金属ワイヤを引っ張ることにより切断するため、電
極パッド上に固着したボールに残存する金属ワイヤが一
定でなく、ボールを平坦化する工程において、残存する
金属ワイヤによって隣接するボールと短絡するという課
題を有していた。
【0008】また、平坦化したボールの平坦面の全面に
導電性エポキシ樹脂を形成するため、基板の導体パター
ンに接続した際に、導電性エポキシ樹脂が広がって、隣
接する導体パターンと短絡するという課題を有してい
る。
【0009】さらに、導電性エポキシ樹脂接着剤により
接続することは、電気的抵抗が高く、熱に対する応力に
も弱いという課題を有している。さらに、樹脂であるた
め耐熱性に乏しく120℃以上の高温での信頼性に欠け
るという課題も有している。
【0010】また、低融点金属粉末の混合粉には微細な
粒径の粉末が得られず、そのため微細なパターン上に転
写する事が困難である。
【0011】本発明は上記課題に鑑み、半導体装置を導
体パターンが形成された基板に信頼性よく電気的接続を
行うことができる金属接合用導電性ペーストと、それを
用いた半導体装置の実装方法を提供するものである。
【0012】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、半導体装置の導体パターンが形成された基板への実
装方法において、金属ワイヤの先端に熱エネルギーによ
ってボールを形成する工程と、前記ボールをキャピラリ
により半導体装置の電極パッド上に圧着した後、キャピ
ラリをループ状軌道をもって移動した後金属ワイヤを切
断する事により二段突出形状の突出電極を形成する工程
と、平坦面が形成された基材を半導体装置の突出接点に
押し当てることによって突出接点を平坦化させる工程
と、平坦化した突出接点を別に用意した支持基材上に、
平均粒径10μm以下のSi、Ge、In、Sn粉末の
いずれかもしくはそれらの混合粉と、有機溶剤中に有機
Au塩を溶かした溶液との混合物よりなる導電性ペース
トを塗工し前記塗工面に合わせて前記突出接点上のみに
前記導電性ペーストを転写する工程と、半導体装置を導
体パターンが形成された基板の所望の位置に搭載する工
程と、前記半導体装置を搭載した基板を熱処理すること
により前記導電性ペースト中の有機Auを分解させ、で
きたAuとSi、Ge、In、Sn粉末のいずれかもし
くはそれらの混合粉を合金反応により溶解させ、前記突
出接点と基板導体パターンとの電気的接合を行う工程と
を含むことによって、半導体装置の実装を実現するもの
である。
【0013】
【作用】本発明は、上記した構成によって、半導体装置
の電極パッド上に2段突出状の突出接点を信頼性よく形
成することができ、かつ、前記導電性ペーストにより低
温金属合金で、突出接点と導体パターンを接合するた
め、接合抵抗も低いものとなる。また、有機溶剤中に有
機Au塩を溶解させているので他の金属粉末との反応性
に富み、低温で溶解させることができる。さらに有機A
uを溶解させることにより転写性が良好なペーストとな
り、接続部のペースト広がりも少なく精度よい接続が可
能となる。
【0014】
【実施例】以下本発明の一実施例の導電性ペーストおよ
びそれを用いた半導体装置の実装方法について、図面を
参照しながら説明する。(図1(a)〜(e))は本発
明の第一の実施例における突出接点を形成する工程図で
あり、(図2)は、本発明の一実施例の突出接点を平坦
化する工程図であり、(図3)は本発明の一実施例の導
電性ペーストを転写する工程図であり、(図4)は本発
明の一実施例の基板へ半導体装置を接続する工程図であ
る。
【0015】まず、導電性ペーストの作成方法をしめ
す。メルカプチド金100重量部に対しターピネオール
を30重量部くわえて120℃で約30分加熱溶解して
均一な溶液を得た。この溶剤にそれぞれSi粉末は直径
約3μm、Ge粉末は約4μmの平均粒径の粉末を加え3
段ロールにてペースト状に混練した。なお導電性ペース
トの分解後の無機組成はAuとSiもしくはGeの共晶
点組成とした。Au−Siの共晶点組成は重量比(Au
/Si=94/6)、Au−Geの共晶点組成は重量比
(Au/Ge=88/12)である。
【0016】同様にメルカプチド金100重量部に対し
ターピネオールを30重量部くわえて120℃で約30
分加熱溶解して均一な溶液を得、この溶剤に前記と同じ
Ge粉末と平均粒径10μmのIn粉末、平均粒径5μ
mのSn粉末を下記の組成で加え、3段ロールにてペー
スト状に混練した。導電性ペーストの分解後の無機組成
はAuとGeの共晶点にInを3重量部、Snを3重量
部加えた組成とした。
【0017】次に、本発明の半導体装置の実装方法につ
いて詳細に述べる。(図1)において、1は半導体装置
であり、2は、電極パッドである。3はキャピラリーで
あり、4は孔である。5はAuワイヤであり、7は電極
パッドに固着したボールであり、8はボール上に残存す
るAuワイヤである。(図2)において、9は平坦化さ
れた突出接点であり、10は平坦面が形成された基材で
ある。(図3)において、11は前記導電性ペーストで
あり、12は支持基材である。(図4)において、13
は導体パターンであり、14は基板である。
【0018】以上のように構成された半導体装置の実装
方法について、以下図面を用いて説明する。まず、(図
1(a))の様にボールを形成する。このボール6は公
知のようにガス炎または、静電放電等によって形成され
る。次に(図1(b))の様に半導体装置1の電極パッ
ド2に超音波振動もしくは熱圧着する。次に、(図1
(c))の様にAuワイヤ5をキャピラリー3の孔4に
通した状態でキャピラリー3を(図1(d))に示すよ
うにループ状軌道に移動させ、(図1(e))に示すよ
うに電極に固着したボール7の上部に逆U字状にAuワ
イヤを残存させてキャピラリー3を降下してAuワイヤ
5を切断する。以上の工程により、半導体装置1の電極
パッド2上に2段突出形状の突出接点が形成される。半
導体装置1のすべての電極パッド2上に突出接点を形成
した後、(図2)に示すように表面が粗であるような基
材10に押しあてることにより、上部が平坦化し、その
表面が粗であるような突出接点9が得られる。つぎに
(図3)に示すように、平坦化し表面が粗である様な突
出接点9を有する半導体装置1を、支持基材上に塗布し
た前記導電性ペースト11に当てることにより、前記突
出接点上に転写する。このとき、導電性ペースト11の
膜厚は、2段突出形状の突出接点の2段目程度であるこ
とが望ましい。
【0019】次に、導電性ペーストを塗布した半導体装
置1を、(図4)に示すように、基板14の導体パター
ン13に位置合わせして搭載し、窒素中で約400℃に
加熱して前記導電性ペーストを溶解させ導体パターンと
前記突出接点を電気的に接合させる。
【0020】本実施例の導電性ペーストでの接合におい
てAu−Si系ペースト、Au−Ge系ペーストおよび
Au−Ge−In−Sn系ペーストのすべての組成で良
好な接合が得られた。また、Au−Ge−In−Sn系
ペーストでは、350℃の加熱処理においても良好な接
続が得られた。このことは、前記の様な温度で合金が生
成されたことを示すもので、サーマルショック試験にお
いても良好な結果が得られた。また本発明の導電性ペー
ストは、低融点合金によって接合を形成するため、共晶
点から大きくずれる組成では良好な接合が得られないこ
とは云うまでもない。
【0021】このとき、導体パターンおよび突出接点の
材料は、導電性ペーストとの濡れ性からAu導体が望ま
しいが前記のように窒素雰囲気中で熱処理を行なうので
Cu電極であってもよい。また前記導電性ペーストの塗
布後、導通チェックにより半導体装置が不良品の場合
は、熱処理前であれば交換が可能である。一方、本発明
では、使用する基板に制約がある。すなわち、400℃
で溶解させるためシリコンと基板との熱膨張が一致して
いることが必要であるためである。このような性能を満
足させるものとしては、ガラスとセラミックの複合によ
る低温焼結セラミック基板、およびコージェライト基板
などがある。
【0022】以上のように本実施例によれば、均一な形
状の突出接点が得られ、かつ金属合金による信頼性の高
い接合がえらる。これは前記導電性ペーストにより低温
金属合金で、突出接点と導体パターンを接合するため、
接合抵抗も低いものとなる。また、有機溶剤中に有機A
u塩を溶解させているので他の金属粉末との反応性に富
み、低温で溶解させることができる。さらに有機Au塩
を溶解させることにより転写性が良好なペーストとな
り、接続部のペースト広がりも少なく精度よい接続が可
能となる。
【0023】
【発明の効果】以上のように本発明の導電性ペーストと
半導体装置の実装方法によれば、半導体装置の電極パッ
ドに2段突出形状の接点を従来のネイルヘッドボンディ
ングの技術を用いて形成でき、その突出接点上に選択的
に転写した前記導電性ペーストによって半導体装置を基
板の導体パターンに電気的な接続を行うことができる。
この接続は、信頼性の高いAu合金金属接合であり、電
気的信頼性は云うに及ばず、機械的にも強固な接続が得
られる。これにより、極めて安定で、信頼性の高い半導
体装置の実装が実現でき、きわめて実用価値の高いもの
である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例における突出接点を形成する
工程図である。
【図2】本発明の一実施例の突出接点を平坦化する工程
図である。
【図3】本発明の一実施例における導電性ペーストを転
写する工程図である。
【図4】本発明の一実施例の基板へ半導体装置を接続す
る工程図である。
【図5】従来の突出接点を形成する工程図である。
【図6】従来の突出接点を平坦化する工程図である。
【図7】従来の導電性エポキス樹脂を転写する工程図で
ある。
【図8】従来の基板へ半導体装置を接続する工程図であ
る。
【符号の説明】
1、15 半導体装置 2、16 電極パッド 3、17 キャピラリ 4 孔 5、19 Auワイヤ 6、18 ボール 7、22 電極パッドに固着したボール 8、24 ボール上に残存するAuワイヤ 9、26 平坦化された突出接点 10、28 平坦面が形成された基材 11 導電性ペースト 12、32 支持基材 13、34 導体パターン 14、36 基板 20 水素炎トーチ 30 導電性エポキシ樹脂
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平2−34949(JP,A) 特開 平4−169001(JP,A) 特開 平4−88645(JP,A) 特開 平4−88645(JP,A) 特開 平4−169001(JP,A) 特開 平4−323840(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01L 21/60 311 H01L 21/52

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 平均粒径10μm以下のSi、Ge、I
    n、Sn粉末のいずれかもしくはそれらの混合粉と、有
    機溶剤中に有機Au塩を溶かした溶液との混合物よりな
    ることを特徴とする導電性ペースト。
  2. 【請求項2】 半導体装置の導体パターンが形成された
    基板への実装方法において、金属ワイヤの先端に熱エネ
    ルギーによってボールを形成する工程と、前記ボールを
    キャピラリにより半導体装置の電極パッド上に圧着した
    後、キャピラリをループ状軌道をもって移動した後金属
    ワイヤを切断する事により二段突出形状の突出電極を形
    成する工程と、平坦面が形成された基材を半導体装置の
    突出接点に押し当てることによって突出接点を平坦化さ
    せる工程と、平坦化した突出接点を別に用意した支持基
    材上に、平均粒径10μm以下のSi、Ge、In、S
    n粉末のいずれかもしくはそれらの混合粉と、有機溶剤
    中に有機Au塩を溶かした溶液との混合物よりなる導電
    性ペーストを塗工し前記塗工面に合わせて前記突出接点
    上のみに前記導電性ペーストを転写する工程と、半導体
    装置を導体パターンが形成された基板の所望の位置に搭
    載する工程と、前記半導体装置を搭載した基板を熱処理
    することにより前記導電性ペーストを溶解させ、前記突
    出接点と基板導体パターンとの電気的接合を行う工程と
    を含むことを特徴とする半導体装置の実装方法。
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