JP3225800B2 - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は半導体素子とプリント基
板等の基板の電極同志を異方性導電接着剤で接続するこ
とによって得られる半導体装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】電子機器をより小型化するために、パッ
ケージされた半導体素子をプリント基板等の樹脂からな
る基板（以下樹脂基板とする）にはんだ付けする方法か
ら、パッケージしないで裸のまま半導体素子を樹脂基板
に実装する方法にかわってきた。半導体素子を裸のまま
で、樹脂基板に実装する方法として、半導体素子の裏面
を基板に導電性接着剤等で接着し、半導体素子のパッド
電極と樹脂基板の電極とをワイヤで接続する方法があ
る。この方法は半導体素子と樹脂基板の電極を一本一本
ワイヤで接続するため、多数の電極を接続するのに時間
がかかることと、接続される基板の電極を半導体素子の
周辺に配置するため、実装面積が半導体素子のサイズよ
りも大きくとる必要がある。そこで、半導体素子とほぼ
同じ面積で実装する方法として、半導体素子を裏かえし
て、基板電極に直接接続するフリップチップ接続方法が
開発された。その方法として、（１）導電性接着剤を用
いて接続する方法（例えば、日刊工業新聞社発行、表面
実装技術、９月号１９９４年、４８ページ）と（２）は
んだを用いて接続する方法（例えば、工業調査会、１９
８６年６月１日発行、サーフェイス・マウント・テクノ
ロジー、１７２ページ）がある。
【０００３】以下、図面を参照しながら説明する。図１
５は導電性接着剤を用いて接続した半導体装置を示す概
略断面図を示す。図において、１はモールドしていない
半導体素子、２は半導体素子電極上に形成された突起電
極、２４は導電性接着剤、３は樹脂基板、４は樹脂基板
上に形成された電極、２６は封止材を示す。めっきまた
はボールボンダを用いて、半導体素子１の電極上に突起
電極２を形成する。次に、平面板に均一膜厚に形成され
た導電性接着剤層２４に、前記突起電極２を押しつけ、
導電性接着剤２４を前記突起電極２に転写する。次に、
半導体素子１と樹脂基板３を向かい合わせ、前記半導体
素子１の突起電極２と前記樹脂基板３上の電極４との位
置を合わせた後、半導体素子１を樹脂基板２５に押し付
け、前記突起電極２と前記樹脂基板３の電極４を導電性
接着剤２４を介して、接触させる。次に、約１５０℃に
数時間加熱して、導電性接着剤２４を硬化させる。次
に、外部から湿気等の侵入を防ぐ封止材２６を半導体素
子１と樹脂基板３間に注入し、加熱硬化させることによ
り、半導体装置を得ることができる。
【０００４】図１６ははんだを用いて接続した半導体装
置を示す概略断面図を示す。図において、１は半導体素
子、２は突起電極、２７ははんだ、３は樹脂基板、４は
樹脂基板上に形成された電極、２６は封止材を示す。半
導体素子１の電極上に、蒸着等でＣｒ、Ｃｕの膜を形成
した後、レジストをパターニングして、めっきまたは蒸
着で、Ｐｂ−Ｓｎのはんだの突起電極２を形成する。次
に、樹脂基板３上の電極４と位置合わせをおこない、２
００〜３００℃に加熱して、はんだを溶融し、半導体素
子１と樹脂基板３とを接続する。次に、封止材２６を半
導体素子１と樹脂基板３間に注入し、加熱硬化させるこ
とにより、半導体装置を得ることができる。
【０００５】図１７は、特公昭６２−６６５２号公報に
記載された異方性導電接着剤により半導体素子と樹脂基
板とを接続する半導体装置を示す概略断面図である。樹
脂基板３上の導電リード線４上に異方性導電接着剤６を
配置し、電極２を持つ半導体素子１を押圧すると、電極
２の下の部分の異方性導電接着剤６は圧力が印加された
方向に導通する。これにより、電極２と導電リード線４
は導通する。同時に、半導体素子１は樹脂基板３に異方
性導電接着剤６の接着作用により固着され、外部からの
湿気やホコリの侵入が防止できる。また、半導体素子１
の下面は異方性導電接着剤６によって全面的に樹脂基板
３に接着しているので接着面積が広くなり接合強度も強
くなる。異方性導電接着剤６は横方向には絶縁性を保っ
ている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】図１５、図１６に示す
従来技術には以下の問題があった。 （１）半導体素子を接続するため突起電極を、基板電極
に押し当てた時に、導電性接着剤またははんだの接続材
が横に広がり、隣接の電極と接触し、ショートが発生
し、微細電極間距離の半導体素子の接続が出来ない問題
があった。 （２）熱膨張係数が大きく異なる半導体素子と樹脂基板
とを加熱して、接続するため、接続部の電極に大きな熱
応力が作用し、半導体素子が剥離してしまう問題があっ
た。 （３）半導体素子の突起電極と基板の電極を接続してか
ら、信頼性を高めるために封止材を注入するため、プロ
セスが多く生産性に欠ける問題があった。
【０００７】図１７の従来技術はこれらの問題点を一応
解決してはいるが、導電性粒子を均一に押しつぶすこと
ができず、安定した導通が得られないという問題があっ
た。異方性導電接着剤は、接着剤中に金属粒子、メッキ
粒子などを分散させたもので、圧力が加えられると金属
粒子やメッキ粒子がつぶれて変型し押圧方向に導通する
ものである。
【０００８】突起電極を導電性粒子を介して樹脂基板の
電極に押し付けた状態を図１８に示す。図において、
（ａ）は樹脂基板３の電極４の幅が突起電極２よりも大
きい場合、（ｂ）は突起電極２の幅と基板電極４の幅が
同じで、半導体素子１を基板３に接続する際、位置ずれ
をおこした場合を示す。図の（ａ）と（ｂ）より明かな
ように、（ａ）と（ｂ）では電極４の変形が大きく導電
性粒子５を均一につぶすことはできず、安定な接続を得
ることができない。
【０００９】この発明は、異方性導電接着剤中の導電性
粒子を均一に押しつぶすことにより、半導体素子と基板
とを良好に導通させる半導体装置を提案することを目的
としている。また、この発明は、異方性導電接着剤によ
って半導体素子を基板に固着し且つ導通させる半導体装
置において、半導体素子のテスト結果により半導体素子
を容易に取り換えることのできる半導体装置を提案する
ことを第２の目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】請求項１は、接着剤中に
導電性粒子を混合し圧力が加えられた方向に導通する異
方性導電接着剤により半導体素子の突起電極と基板の電
極とを導通させる半導体装置において、前記突起電極と
導通する前記電極の幅を前記突起電極の幅より狭く形成
し、かつ前記突起電極に対向する前記基板に、前記電極
が配置される凹部を設けたものである。
【００１１】請求項２は、請求項１において、凹部を設
ける基板としてガラス繊維と樹脂とを含むプリント基板
を用いたものである。
【００１２】請求項３は、請求項１において、凹部を設
ける基板として樹脂膜で構成されている基板を用いたも
のである。
【００１３】請求項４は、請求項１において、凹部を設
ける基板としてプリント基板と樹脂膜とを積層したもの
を用いたものである。
【００１４】請求項５は、請求項１において、異方性導
電接着剤は前記異方性導電接着剤中に混入された導電性
粒子より熱膨張係数の小さな微細粒子を含むものであ
る。
【００１５】請求項６は、異方性導電接着剤により半導
体素子の突起電極と基板の電極とを導通させる半導体装
置において、基板の電極の幅を突起電極の幅より小さく
形成し、且つ異方性導電接着剤より接着力の弱い第２の
接着剤を用いたものである。
【００１６】
【００１７】
【００１８】
【００１９】
【００２０】
【００２１】
【００２２】
【００２３】
【００２４】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．図１（ａ）は本発明の実施の形態の一つ
を示す断面図である。図において、１は半導体素子、２
は半導体素子上に形成された突起電極、３はプリント基
板、４はプリント基板上に形成された電極、５は導電性
粒子、６は導電性粒子５を含む異方性導電接着剤、１９
は突起電極を押し付けることによって生じた基板の凹部
を示す。図１（ｂ）は突起電極２と基板の電極４の接続
部の拡大図である。突起電極２の幅よりも電極４の幅が
狭いので、導電性粒子５を均一に押しつぶして良好な導
通が得られることがわかる。突起電極２の幅を変化させ
ることは製造上の制約から実際には困難なので、電極４
の幅を小さくすることでこのような構造を得ることがで
きる。
【００２５】半導体素子１上の突起電極２の材料は、
金、銅、ニッケル、はんだ等、金属であればよい。その
形成方法は、めっきまたは蒸着を用いて行う方法または
ボールボンダで形成する方法がある。導電性粒子５は直
径５μｍのエポキシ等のプラスチック粒子にめっきでニ
ッケルと金の金属膜を形成したものを用いた。他に、ニ
ケルまたは金粒子を用いてもよい。異方性導電接着剤６
は主剤として熱硬化型のエポキシ接着剤を用いた。他
に、熱可塑性のものでもよい。プリント基板はガラスエ
ポキシ基板を用いた。電極４の幅は突起電極２の幅１０
０μｍよりも小さく８０μｍを用いた。
【００２６】基板３の表面に凹凸があると、接続箇所に
よって突起電極２と電極４との距離が異なるので、良好
な接続が得られなくなる可能性がある。それに対して
は、突起電極２を電極４に押し付ける時に、基板３に凹
部１９を生ずるまで押し込むことにより対処でき、良好
な導通を得ることが出来る。基板３の表面に凹凸があっ
ても、凹部が生ずるように押し込むことにより、突起電
極２と基板電極４との間に働く力の接続箇所によるばら
つきは少なくなり、接続抵抗は均一化できる。１５０μ
ｍのピッチの突起電極２を持つ半導体素子１を接続した
ところ、基板３に凹部１９が生じ、突起電極２と電極４
は不良なく接続ができた。
【００２７】プリント基板３の芯はガラス繊維である
が、表面付近は柔軟性のある樹脂なので凹部１９を形成
できる。半導体素子１と基板３は異方性導電接着剤６で
強固に面接着されるので凹部１９はそのまま維持され
る。また、面接着されるので、半導体素子１と基板３と
の熱膨張係数の違いにより生ずる応力が接続点に集中す
ることはなく、剥離しにくくなる。異方性導電接着剤は
導電性粒子により電気的導通を得るものであるので、導
電性粒子をつぶした箇所しか導通しないので、微細ピッ
チの電極の接続が可能になる。
【００２８】実施の形態２．図２は本発明の他の実施の
形態を示す断面図である。図において、実施の形態１に
おいて、用いたプリント基板の代わりに、プリント基板
３表面に絶縁層７として樹脂、導体層８として金属から
なる配線層９が形成された基板１０を用いている。複雑
な配線を行う場合にこのような基板１０が用いられる。
基板１０はプリント基板３の表面にエポキシ等の樹脂を
塗布し、バイアホールを形成し絶縁層７を形成後、めっ
きまたは蒸着等で金属膜を成膜し、写真製版技術を用い
てパターニングすることによって、導体層８を得ること
ができる。この配線層９の絶縁層は樹脂から構成されて
おり、ガラス繊維を含まないので軟質であるため、突起
電極２を押し付けた時に、基板１０の凹部１９の変形量
が大きくなり、電極４は深く沈み込むことができ、大き
な凹凸を有する基板１０にも十分対応できる効果があ
る。実際に微細ピッチをもつ半導体素子１を接続したと
ころ、実施の形態１と同様の効果を得ることができた。
【００２９】実施の形態３．図３は本発明の他の実施の
形態を示す断面図である。図において、実施の形態１に
おいて、用いたプリント基板の代りに、絶縁層７として
樹脂、導体層８として金属からなる配線層９を基板とし
て用いる。配線層９の形成の方法は実施の形態２と同様
の方法を用いる。絶縁層７の樹脂は実施の形態２ではエ
ポキシを用いたが、より可撓性を得るため、ポリイミド
でもよい。本実施の形態においては、配線層９のみで構
成されており、フレキシブルであるため、半導体素子１
と配線層９との熱膨張係数差により発生する熱応力を配
線層９が十分吸収できる。従って割れ易い砒化ガリウム
等からなる半導体素子の接続が可能になる。
【００３０】実施の形態２と３において、絶縁層７を構
成する樹脂のヤング率を７．５×１０9 Ｐａ以下と導電
性粒子のヤング率を１×１０9 Ｐａ以下であると、１０
μｍ以上の凹凸を持つ基板に接続可能である。
【００３１】実施の形態４． 図４は本発明を示す断面図である。接着剤６の層に無機
材料からなり熱膨張係数の小さな微細粒子１１を混入さ
せた状態を示す。実際には、微細粒子として、粒径０．
５μｍのシリカを４０〜５０％混入させると、熱膨張係
数が３３×１０ -6 程度のものをうることができ、接続の
信頼性を向上することができた。
【００３２】実施の形態５．図５は本発明を示す断面図
である。基板１２の裏面に電極１３が形成してあり、電
極１３をとおして、半導体素子１とプリント基板１５と
が接続される。図６は基板１２を裏面からみた図を示
す。製造方法は、半導体素子１を基板１２に異方性導電
接着剤６を用いて接続した後、基板１２をテスト用のソ
ケットに取り付け、裏面の電極１３をとおして、半導体
素子１をテストする。テスト結果が良好であれば、基板
１２を他の受動部品１４とともにプリント基板１５には
んだ等を用いて接続する。本実施の形態においては、半
導体素子１を基板１２に接続することにより、半導体素
子１のテストが可能になるのと、他の部品と同時にプリ
ント基板１５に実装することができ、生産性を向上する
ことができる。本形態において、基板１２の構造がプリ
ント基板上に配線層９を形成したものになっているが、
プリント基板でもよいし、配線層９のみでもよい。本実
施の形態においては基板１２に半導体素子を一個実装し
た例を示したが、図７におけるように、複数個実装して
もよい。
【００３３】実施の形態６．図８は本発明の他の実施の
形態を示す断面図である。半導体素子１の裏面に金属膜
１６が設けてあり、基板１２上のグランド電極１７と金
属膜１６が導電性接着剤２０を介して接続されている。
半導体素子１の裏面をグランドに接続できることによ
り、半導体素子１のバックバイアスをとることができ、
半導体素子１の特性を向上することができる。
【００３４】実施の形態７． 図９は本発明の他の実施の形態を示す断面図である。半
導体素子１と樹脂基板２５の間に、異方性導電接着剤６
と第二の接着剤２０がある。第二の接着剤２０は樹脂基
板２５の電極４で囲まれる領域に形成してある。異方性
導電接着剤６は導電粒子５を含有しており、突起電極２
と電極４の接続部に用いられる。接続部では、導電粒子
を確実に保持する目的から、異方性導電接着剤には半導
体素子１と樹脂基板２５との密着力に優れた熱硬化型の
エポキシ系接着剤を用いた。また、第二の接着剤２０に
は、半導体素子１の取り替えを可能にすることから、異
方性導電接着剤よりは密着力の弱い熱可塑型エポキシ系
接着剤を用いた。第二の接着剤２０はエポキシ系接着剤
に限ったものでなく、他に、シリコーン系、フェノール
系接着剤でもよい。また、エポキシ系接着剤は熱可塑型
に限ったものでなく、異方性導電接着剤６よりも密着力
が小さければ、熱硬化型でもよい。本実施の形態におい
て、第二の接着剤２０は導電粒子５を含有していない
が、含有してもよい。
【００３５】図１０は製造方法を示す図である。図にお
いて、（ａ）は樹脂基板２５に第二の接着剤２０を形成
し、その上に、異方性導電接着剤を形成した状態を示
す。（ｂ）は突起電極２を有する半導体素子１を押し付
け、導電性粒子５がつぶれ、突起電極２と電極４が接続
された状態を示す。この場合、半導体素子１を押し付け
ると同時に、半導体素子１を加熱し、異方性導電接着剤
６が半硬化している。（ｃ）は、電極４とつながってい
るテスト用の電極２２にプローブ２３を接触させ、半導
体素子１と接続部のテストを行っている状態を示す。
（ｄ）はテストの結果、良品と判定され、さらに加熱
し、異方性導電接着剤６を完全に硬化した状態をしめ
す。（ｃ）のテストで不良と判定された場合は、異方性
導電接着剤６と第二の接着剤２０がともに半硬化状態の
ため、半導体素子１を基板３より剥離することが可能で
ある。図１０（ａ）〜（ｄ）のプロセスは、第二の接着
剤２０を使わずに、異方性導電接着剤６だけを用いて行
うことも可能である。その場合でも、テストで不良と判
定された半導体素子１の基板からの剥離は、異方性導電
接着剤６が半硬化の状態で行えば可能である。第二の接
着剤２０を用いた方が半導体素子の基板からの剥離がよ
り容易になるという程度の差はある。異方性導電接着剤
を用いることにより、電気的接続と接着剤による封止と
を同時に行うことができるので、生産性が向上する。
【００３６】実施の形態８．図１１は本発明の他の実施
の形態を示す断面図である。半導体素子１と樹脂基板２
５の間に、異方性導電接着剤６と第二の接着剤２０があ
る。異方性導電接着剤６は樹脂基板２５の表面に形成さ
れ、導電粒子５を含有している。異方性導電接着剤６よ
り接着力が弱い第二の接着剤２０は突起電極２を除く半
導体素子１側に形成されている。図１２は製造方法を示
す断面図である。図において、（ａ）は樹脂基板２５上
に異方性導電接着剤６を形成し、その上に第二の接着剤
２０を形成した状態を示す。本実施の形態において、異
方性導電接着剤６は未硬化のエポキシ系接着フィルムを
用いた。第二の接着剤２０は、熱硬化型接着剤でもよい
し、熱可塑接着剤でもよく、異方性導電接着剤６より
も、密着力が低くければよい。
【００３７】（ｂ）は突起電極２を有する半導体素子１
を押し付け、加熱した状態を示す。加熱は異方性導電接
着剤６が半硬化する温度で行う。（ｃ）はテスト用の電
極２２にプローブ２３を接触させ、半導体素子１と接続
部のテストを行っている状態を示す。（ｄ）はテストの
結果、良品と判定され、さらに加熱し、異方性導電接着
剤６を完全に硬化した状態を示す。テストで不良と判定
された場合、加熱し、半導体素子１を第二の接着剤２０
の部分で剥離することができる。半導体素子１の全面
が、密着力の小さい第二の接着剤２０で覆われているた
め、剥離が容易である。
【００３８】実施の形態９． 図１３は本発明の他の実施の形態を示す断面図である。
半導体素子１と樹脂基板２５の間に異方性導電接着剤６
と第二の接着剤２０がある。異方性導電接着剤６より接
着力の弱い第二の接着剤２０は樹脂基板２５の電極４に
囲まれた内側にあり、異方性導電接着剤６は電極４を含
むように配置される。突起電極２と基板の電極４との電
気的接続を、維持する為に、より接着力の強い異方性導
電接着剤６は、突起電極２と電極４を含むように配置し
ている。半導体素子１と樹脂基板２５間は一層の接着層
で構成されているため、半導体素子１の薄型実装を実現
することができる。
【００３９】図１４は製造方法を示す断面図である。
（ａ）は、第二の接着剤２０を樹脂基板２５上の電極４
で囲まれた領域に、異方性導電接着剤６を樹脂基板２５
上の電極４を含む外側に形成した状態を示す。（ｂ）
は、突起電極２を有する半導体素子１を押し付け、加熱
した状態を示す。突起電極２と電極４は、導電性粒子５
を介して、接続されている。（ｃ）は、テスト用の電極
２２にプローブ２３を接触させ、半導体素子１と接続部
のテストを行っている状態を示す。（ｄ）は、テストの
結果、良品と判定されれば、さらに加熱し、異方性導電
接着剤６を完全に硬化させた状態を示す。以上、実施の
形態７、８、９において、第二の接着剤２０として、常
温で液状のタイプをもちいれば、接着剤の供給が容易で
あり、生産性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施の形態にかかる半導体装置の
断面図である。
【図２】 本発明の他の実施の形態にかかる半導体装置
の断面図である。
【図３】 本発明の他の実施の形態にかかる半導体装置
の断面図である。
【図４】 本発明の他の実施の形態にかかる半導体装置
の断面図である。
【図５】 本発明の他の実施の形態にかかる半導体装置
の断面図である。
【図６】 図５のプリント基板１２の裏面の平面図であ
る。
【図７】 本発明の他の実施の形態にかかる半導体装置
の断面図である。
【図８】 本発明の他の実施の形態にかかる半導体装置
の断面図である。
【図９】 本発明の他の実施の形態にかかる半導体装置
の断面図である。
【図１０】 本発明の一実施の形態にかかる半導体装置
の製造方法を示す図である。
【図１１】 本発明の他の実施の形態にかかる半導体装
置の断面図である。
【図１２】 本発明の他の実施の形態にかかる半導体装
置の製造方法を示す図である。
【図１３】 本発明の他の実施の形態にかかる半導体装
置の断面図である。
【図１４】 本発明の他の実施の形態にかかる半導体装
置の製造方法を示す図である。
【図１５】 従来の半導体装置を示す断面図である。
【図１６】 従来の半導体装置を示す断面図である。
【図１７】 異方性導電接着剤を用いた従来の半導体装
置を示す断面図である。
【図１８】 異方性導電接着剤を用いた従来の半導体装
置の接続を示す図である。
【符号の説明】
１ 半導体素子 ２ 突起電極 ３ プリン
ト基板 ４ 電極 ５ 導電性粒子 ６ 異方性
導電接着剤 ７ 絶縁層 ８ 導体層 ９ 配線層 １０ 配線層を有する基板 １１ 微細
粒子 １２ 裏面に電極をもつ基板 １３ 電極 １４ 受動部品 １５ プリント基板 １６ 金属
膜 １７ グランド電極 １８ はんだ １９ 基板
の凹部 ２０ 第二の接着剤 ２２ テスト電極 ２３ プロ
ーブ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 利田 賢二 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三菱電機株式会社内 (72)発明者 平澤 栄一 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三菱電機株式会社内 (56)参考文献 特開 平５−74854（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−276259（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−66239（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−223348（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−218137（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−290936（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 21/60 H01L 23/12 H01L 23/14

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 電極および配線が形成された基板と、こ
    の基板上に配置され、接着剤中に導電性粒子を混入し圧
    力が加えられた方向に導通する異方性導電接着剤と、前
    記異方性導電接着剤を介して前記電極と導通する突起電
    極を持つ半導体素子とを備え、前記突起電極と導通する
    前記電極の幅は前記突起電極の幅より狭く形成され、か
    つ前記突起電極に対向する前記基板には、前記電極が配
    置される凹部が設けられた半導体装置。
  2. 【請求項２】 凹部を設ける基板はガラス繊維と樹脂と
    を含むプリント基板である請求項１に記載の半導体装
    置。
  3. 【請求項３】 凹部を設ける基板は樹脂膜で構成されて
    いる請求項１に記載の半導体装置。
  4. 【請求項４】 凹部を設ける基板はプリント基板と樹脂
    膜の基板とを積層したものである請求項１に記載の半導
    体装置。
  5. 【請求項５】 異方性導電接着剤は前記異方性導電接着
    剤中に混入された導電性粒子より熱膨張係数の小さな微
    細粒子を含む請求項１に記載の半導体装置。
  6. 【請求項６】 電極および配線が形成された基板と、少
    なくとも前記電極上および電極の周囲に配置され、接着
    剤中に導電性粒子を混入し圧力が加えられた方向に導通
    する異方性導電接着剤と、前記電極より幅広に形成され
    前記異方性導電接着剤を介して前記電極と導通する突起
    電極を持つ半導体素子と、この半導体素子と前記基板と
    の間に配置され、接着力が前記異方性導電接着剤より弱
    い第２の接着剤とを備えた半導体装置。
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