JP3437687B2 - 半導体素子の実装構造、及び液晶表示装置 - Google Patents
半導体素子の実装構造、及び液晶表示装置Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体素子の実装構造
および液晶表示装置に関し、特にバンプを介したフェイ
スダウンボンディングされた実装構造、及び液晶表示装
置に係わるものである。
および液晶表示装置に関し、特にバンプを介したフェイ
スダウンボンディングされた実装構造、及び液晶表示装
置に係わるものである。
【０００２】
【従来の技術】近年、半導体素子をより薄く、より高密
度に実装する方法として、配線基板上に半導体素子を固
着搭載し、ワイヤを用いて電気的接続を行うようにした
いわゆるワイヤボンディング実装に代わり、半導体素子
にバンプを形成して基板に直接接続して実装するフェイ
スダウン実装技術が開発されてきている。フェイスダウ
ン実装はスーパーコンピュータなどに適用する半田バン
プを用いたフリップチップ技術や、液晶ディスプレイな
どに適用するＣＯＧ（Ｃｈｉｐ ｏｎ ｇｌａｓｓ）
等、用途に応じて様々な接続材料、実装方式が提案され
ている。
度に実装する方法として、配線基板上に半導体素子を固
着搭載し、ワイヤを用いて電気的接続を行うようにした
いわゆるワイヤボンディング実装に代わり、半導体素子
にバンプを形成して基板に直接接続して実装するフェイ
スダウン実装技術が開発されてきている。フェイスダウ
ン実装はスーパーコンピュータなどに適用する半田バン
プを用いたフリップチップ技術や、液晶ディスプレイな
どに適用するＣＯＧ（Ｃｈｉｐ ｏｎ ｇｌａｓｓ）
等、用途に応じて様々な接続材料、実装方式が提案され
ている。
【０００３】ＣＯＧ実装の一手法として、半導体素子を
基板上の配線パターンに対し、前記半導体素子上に形成
された低融点で硬度の低い半田バンプを圧接することが
提案されている。しかしながら、この方法では特開平３
−１０８７３４号公報に開示されているように機械的強
度は弱く、信頼性確保のために最終的には樹脂封止を行
う必要があった。また、前記基板上の配線パターンがア
ルミニウムなどの強固な酸化膜を生成し易い金属で形成
されている場合、接続に際して配線パターン表面が酸化
膜で覆われる。その結果、前記半田パンプを前記アルミ
ニウムからなる配線パターンに圧接により接続する方法
では、前記配線パターン上の酸化膜を十分に破壊するこ
とができないため、接続信頼性が低いという問題があっ
た。
基板上の配線パターンに対し、前記半導体素子上に形成
された低融点で硬度の低い半田バンプを圧接することが
提案されている。しかしながら、この方法では特開平３
−１０８７３４号公報に開示されているように機械的強
度は弱く、信頼性確保のために最終的には樹脂封止を行
う必要があった。また、前記基板上の配線パターンがア
ルミニウムなどの強固な酸化膜を生成し易い金属で形成
されている場合、接続に際して配線パターン表面が酸化
膜で覆われる。その結果、前記半田パンプを前記アルミ
ニウムからなる配線パターンに圧接により接続する方法
では、前記配線パターン上の酸化膜を十分に破壊するこ
とができないため、接続信頼性が低いという問題があっ
た。
【０００４】一方、フリップチップ実装と同様に、半田
バンプを溶融し基板上の配線パターンと合金化すること
により接続する方法も知られている。しかしながら、配
線パターンがアルミニウムのように半田に濡れにくい金
属で形成されている場合には、前記半田パンプと前記配
線パターンとを良好に接続することができなかった。
バンプを溶融し基板上の配線パターンと合金化すること
により接続する方法も知られている。しかしながら、配
線パターンがアルミニウムのように半田に濡れにくい金
属で形成されている場合には、前記半田パンプと前記配
線パターンとを良好に接続することができなかった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】本発明の第１の目的
は、絶縁基板上のアルミニウム配線パターンに半導体素
子が金バンプを介して良好に接続された高信頼性の半導
体素子の実装構造を提供しようとするものである。
は、絶縁基板上のアルミニウム配線パターンに半導体素
子が金バンプを介して良好に接続された高信頼性の半導
体素子の実装構造を提供しようとするものである。
【０００６】本発明の第２の目的は、表示部周辺のガラ
ス基板上のアルミニウム配線パターンに半導体素子が金
バンプを介して良好に接続された高信頼性の液晶表示装
置を提供しようとするものである。
ス基板上のアルミニウム配線パターンに半導体素子が金
バンプを介して良好に接続された高信頼性の液晶表示装
置を提供しようとするものである。
【０００７】
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明は、第１に、アル
ミニウム（Ａｌ）配線パターンを有する絶縁基板と、前
記配線パターン上に金バンプを介して実装された半導体
素子とを備え、前記配線パターンと前記バンプとの間が
熱圧接による固相拡散反応によって金属間化合物を形成
して電気的、機械的に接続を行う実装構造において、前
記金属間化合物が、Ａｕ4 Ａｌの占める割合が最も多い
ことを特徴とする半導体素子の実装構造を提供する。
ミニウム（Ａｌ）配線パターンを有する絶縁基板と、前
記配線パターン上に金バンプを介して実装された半導体
素子とを備え、前記配線パターンと前記バンプとの間が
熱圧接による固相拡散反応によって金属間化合物を形成
して電気的、機械的に接続を行う実装構造において、前
記金属間化合物が、Ａｕ4 Ａｌの占める割合が最も多い
ことを特徴とする半導体素子の実装構造を提供する。
【０００９】本発明は、第２に、アルミニウム配線パタ
ーンを有するガラス基板を備え、前記ガラス基板の表示
部周辺の前記配線パターン上に半導体素子を金バンプを
介して実装し、かつ前記配線パターンと前記バンプとの
間が熱圧接による固相拡散反応によって金属間化合物を
形成して電気的、機械的に接続した液晶表示装置におい
て、前記金属間化合物が、Ａｕ4 Ａｌの占める割合が最
も多いことを特徴とする液晶表示装置を提供する。
ーンを有するガラス基板を備え、前記ガラス基板の表示
部周辺の前記配線パターン上に半導体素子を金バンプを
介して実装し、かつ前記配線パターンと前記バンプとの
間が熱圧接による固相拡散反応によって金属間化合物を
形成して電気的、機械的に接続した液晶表示装置におい
て、前記金属間化合物が、Ａｕ4 Ａｌの占める割合が最
も多いことを特徴とする液晶表示装置を提供する。
【００１０】
【００１１】
【発明の実施の形態】第１の発明に係わる半導体素子の
実装構造を図１を参照して詳細に説明する。絶縁基板１
は、表面にＡｌ配線パターン２が形成されている。半導
体素子３は、その表面に多数の金バンプ４が形成されて
いる。前記半導体素子３は、前記絶縁基板１上のＡｌ配
線パターン２に前記金パンプ４を熱圧接による固相拡散
反応によって金属間化合物を形成することによって電気
的、機械的に接続されている。前記金属間化合物は、Ａ
ｕ4 Ａｌの占める割合が最も多い組成を有する。
実装構造を図１を参照して詳細に説明する。絶縁基板１
は、表面にＡｌ配線パターン２が形成されている。半導
体素子３は、その表面に多数の金バンプ４が形成されて
いる。前記半導体素子３は、前記絶縁基板１上のＡｌ配
線パターン２に前記金パンプ４を熱圧接による固相拡散
反応によって金属間化合物を形成することによって電気
的、機械的に接続されている。前記金属間化合物は、Ａ
ｕ4 Ａｌの占める割合が最も多い組成を有する。
【００１２】前記Ａｌ配線パターンを有する絶縁基板と
しては、例えばアルミナ、窒化アルミニウムのようなセ
ラミックからなる基板の片面もしくは両面にＡｌ配線パ
ターンが形成されたサーキットボード、ガラス基板の片
面もしくは両面にＡｌ配線パターンが形成されたサーキ
ットボード等を挙げることができる。前記両面にアルミ
ニウム配線パターンが形成されたサーキットボードにお
いて、両面の配線パターンがスルーホールにより相互に
接続されることを許容する。
しては、例えばアルミナ、窒化アルミニウムのようなセ
ラミックからなる基板の片面もしくは両面にＡｌ配線パ
ターンが形成されたサーキットボード、ガラス基板の片
面もしくは両面にＡｌ配線パターンが形成されたサーキ
ットボード等を挙げることができる。前記両面にアルミ
ニウム配線パターンが形成されたサーキットボードにお
いて、両面の配線パターンがスルーホールにより相互に
接続されることを許容する。
【００１３】前記金パンブと前記配線パターンとの間に
生成される金属間化合物中のＡｕ4Ａｌの占める割合
は、５０％以上、より好ましくは８０％以上であること
が望ましい。例えば、図２の模式図に示すようにＡｌ配
線パターン２と金バンプ４との間に前記バンプ４側から
Ａｕ4 Ａｌの金属間化合物５と別の金属間化合物（例え
ばＡｕ5 Ａｌ2 ）６とがそれぞれ層状に、かつ前記金属
間化合物５の体積が全体の金属間化合物に対して最も高
い割合で占めるように配置されている。
生成される金属間化合物中のＡｕ4Ａｌの占める割合
は、５０％以上、より好ましくは８０％以上であること
が望ましい。例えば、図２の模式図に示すようにＡｌ配
線パターン２と金バンプ４との間に前記バンプ４側から
Ａｕ4 Ａｌの金属間化合物５と別の金属間化合物（例え
ばＡｕ5 Ａｌ2 ）６とがそれぞれ層状に、かつ前記金属
間化合物５の体積が全体の金属間化合物に対して最も高
い割合で占めるように配置されている。
【００１４】第２の発明に係わる液晶表示装置を図３を
参照して詳細に説明する。ガラス基板１１は、表面にＡ
ｌ配線パターン１２が形成されている。例えばＴＦＴト
ランジスタ、液晶、スペーサ、透明電極等から構成され
た表示部１３は、前記ガラス基板１１の主面に形成され
ている。半導体素子１４は、その表面に多数の金バンプ
１５が形成されている。前記半導体素子１４は、前記表
示部１３周辺の前記基板１１上のＡｌ配線パターン１２
に前記金パンプ１５を熱圧接による固相拡散反応によっ
て金属間化合物を形成することによって電気的、機械的
に接続されている。前記金属間化合物は、Ａｕ4 Ａｌの
占める割合が最も多い組成を有する。
参照して詳細に説明する。ガラス基板１１は、表面にＡ
ｌ配線パターン１２が形成されている。例えばＴＦＴト
ランジスタ、液晶、スペーサ、透明電極等から構成され
た表示部１３は、前記ガラス基板１１の主面に形成され
ている。半導体素子１４は、その表面に多数の金バンプ
１５が形成されている。前記半導体素子１４は、前記表
示部１３周辺の前記基板１１上のＡｌ配線パターン１２
に前記金パンプ１５を熱圧接による固相拡散反応によっ
て金属間化合物を形成することによって電気的、機械的
に接続されている。前記金属間化合物は、Ａｕ4 Ａｌの
占める割合が最も多い組成を有する。
【００１５】前記金パンブと前記配線パターンとの間に
生成される金属間化合物中のＡｕ4Ａｌの占める割合
は、５０％以上、より好ましくは８０％以上であること
が望ましい。例えば、前述した図２の模式図に示すよう
にＡｌ配線パターン２と金バンプ４との間に前記バンプ
４側からＡｕＡｕ4 Ａｌの金属間化合物５と別の金属間
化合物（例えばＡｕ5 Ａｌ2 ）６とがそれぞれ層状に、
かつ前記金属間化合物５の体積が全体の金属間化合物に
対して最も高い割合で占めるように配置されている。
生成される金属間化合物中のＡｕ4Ａｌの占める割合
は、５０％以上、より好ましくは８０％以上であること
が望ましい。例えば、前述した図２の模式図に示すよう
にＡｌ配線パターン２と金バンプ４との間に前記バンプ
４側からＡｕＡｕ4 Ａｌの金属間化合物５と別の金属間
化合物（例えばＡｕ5 Ａｌ2 ）６とがそれぞれ層状に、
かつ前記金属間化合物５の体積が全体の金属間化合物に
対して最も高い割合で占めるように配置されている。
【００１６】また、本発明は比較的低温でＡｌ配線パタ
ーンに金バンプを接続することが可能であるため、構造
上、高い熱処理温度を行うことができない液晶表示装置
に特に有益である。さらに、液晶表示装置に限らず、表
示部周辺にドライバ半導体素子を実装する表示装置にも
本発明を適用することができる。
ーンに金バンプを接続することが可能であるため、構造
上、高い熱処理温度を行うことができない液晶表示装置
に特に有益である。さらに、液晶表示装置に限らず、表
示部周辺にドライバ半導体素子を実装する表示装置にも
本発明を適用することができる。
【００１７】第１及の発明によれば、Ａｌ配線パターン
を有する絶縁基板と、前記配線パターン上に金バンプを
介して実装された半導体素子とから構成され、前記配線
パターンと前記金バンプとの間が熱圧接による固相拡散
反応によって金属間化合物を形成させて電気的、機械的
に接続を行う半導体素子の実装構造において、前記金属
間化合物をＡｕ4 Ａｌの占める割合が最も多い組成にす
ることによって、熱衝撃に伴う接続部のクラック及びボ
イド発生を防止して接続信頼性が良好な半導体素子の実
装構造を提供できる。
を有する絶縁基板と、前記配線パターン上に金バンプを
介して実装された半導体素子とから構成され、前記配線
パターンと前記金バンプとの間が熱圧接による固相拡散
反応によって金属間化合物を形成させて電気的、機械的
に接続を行う半導体素子の実装構造において、前記金属
間化合物をＡｕ4 Ａｌの占める割合が最も多い組成にす
ることによって、熱衝撃に伴う接続部のクラック及びボ
イド発生を防止して接続信頼性が良好な半導体素子の実
装構造を提供できる。
【００１８】すなわち、Ａｌ配線パターンと金バンプと
を熱圧接による固相拡散反応によってＡｕ−Ａｌの金属
間化合物が形成されるときの体積変化について着目す
る。接続信頼性試験での不良原因として、接続部でのク
ラック及びボイドの発生があるが、このクラック及びボ
イドの発生、成長を誘発する要因として、前記Ａｕ−Ａ
ｌの金属間化合物の体積変化が考えられる。体積変化を
見積もるための指標として、結晶格子の単位体積を化合
物を形成する前の体積で割った値を体積変化率として定
義する。結晶構造と格子定数から体積変化率を算出した
値を下記表１に示す。また、金属間化合物の金組成とそ
の金属間化合物の体積変化率との関係を図４に示す。
を熱圧接による固相拡散反応によってＡｕ−Ａｌの金属
間化合物が形成されるときの体積変化について着目す
る。接続信頼性試験での不良原因として、接続部でのク
ラック及びボイドの発生があるが、このクラック及びボ
イドの発生、成長を誘発する要因として、前記Ａｕ−Ａ
ｌの金属間化合物の体積変化が考えられる。体積変化を
見積もるための指標として、結晶格子の単位体積を化合
物を形成する前の体積で割った値を体積変化率として定
義する。結晶構造と格子定数から体積変化率を算出した
値を下記表１に示す。また、金属間化合物の金組成とそ
の金属間化合物の体積変化率との関係を図４に示す。
【００１９】
【表１】
【００２０】Ａｕ−Ａｌの固相拡散反応では、金の方が
先に拡散するので、生成する金属間化合物の順番は前記
表１に示すように金組成が小さい化合物の順、つまりＡ
ｕＡｌ2 、ＡｕＡｌ、Ａｕ2 Ａｌ、Ａｕ5 Ａｌ2 Ａｕ4
Ａｌ、になる。Ａｕ2 Ａｌを生成するときには体積収縮
過程があり、さらに金が拡散しＡｕ5 Ａｌ2 を生成する
ときにはその格子定数が大きいために、大きな体積膨張
過程が存在する。このＡｕ5 Ａｌ2 金属間化合物は、硬
く脆い性質を有するが、初期接続抵抗値は安定する。し
かしながら、体積膨張過程を経て残留応力を蓄積してい
るために、熱衝撃などの信頼性試験を行うと接続部にク
ラック及びボイドが発生し、接続抵抗値のばらつき招
き、最大で初期値の１０倍以上に達する。
先に拡散するので、生成する金属間化合物の順番は前記
表１に示すように金組成が小さい化合物の順、つまりＡ
ｕＡｌ2 、ＡｕＡｌ、Ａｕ2 Ａｌ、Ａｕ5 Ａｌ2 Ａｕ4
Ａｌ、になる。Ａｕ2 Ａｌを生成するときには体積収縮
過程があり、さらに金が拡散しＡｕ5 Ａｌ2 を生成する
ときにはその格子定数が大きいために、大きな体積膨張
過程が存在する。このＡｕ5 Ａｌ2 金属間化合物は、硬
く脆い性質を有するが、初期接続抵抗値は安定する。し
かしながら、体積膨張過程を経て残留応力を蓄積してい
るために、熱衝撃などの信頼性試験を行うと接続部にク
ラック及びボイドが発生し、接続抵抗値のばらつき招
き、最大で初期値の１０倍以上に達する。
【００２１】一方、加熱処理により金をさらに拡散させ
てＡｕ4 Ａｌの金属間化合物を生成させる場合には、大
きな体積収縮が起こり元の固相反応前の金、アルミニウ
ムの体積近くに回復し残留応力保持の回避、低減が可能
となる。金バンプとＡｌ配線パターンのようなＡｌ薄膜
パターンとの固相拡散反応系では、前記表１に示した５
種類の金属間化合物はすべて金属間化合物Ａｕ4 Ａｌに
物束し、このＡｕ4 Ａｌが最も熱力学的に安定な金属間
化合物である。このようなＡｕ4 Ａｌが生成された条件
では、初期接続抵抗値は安定し、残留応力保持は回避、
低減しているために熱衝撃などの信頼性試験を行っても
接続部にクラック及びボイドが発生せず、接続抵抗値も
初期値と大差のない安定した接続が得られる。また、前
述した図２に示すように金属間化合物Ａｕ4 Ａｌの占め
るの割合が最も高い、好ましくは５０％以上、より好ま
しくは８０％以上であれば、金バンプとＡｌ配線パター
ンとの安定した接続が得られることをオージェ光電子分
光分析、Ｘ線回折分析により確認した。
てＡｕ4 Ａｌの金属間化合物を生成させる場合には、大
きな体積収縮が起こり元の固相反応前の金、アルミニウ
ムの体積近くに回復し残留応力保持の回避、低減が可能
となる。金バンプとＡｌ配線パターンのようなＡｌ薄膜
パターンとの固相拡散反応系では、前記表１に示した５
種類の金属間化合物はすべて金属間化合物Ａｕ4 Ａｌに
物束し、このＡｕ4 Ａｌが最も熱力学的に安定な金属間
化合物である。このようなＡｕ4 Ａｌが生成された条件
では、初期接続抵抗値は安定し、残留応力保持は回避、
低減しているために熱衝撃などの信頼性試験を行っても
接続部にクラック及びボイドが発生せず、接続抵抗値も
初期値と大差のない安定した接続が得られる。また、前
述した図２に示すように金属間化合物Ａｕ4 Ａｌの占め
るの割合が最も高い、好ましくは５０％以上、より好ま
しくは８０％以上であれば、金バンプとＡｌ配線パター
ンとの安定した接続が得られることをオージェ光電子分
光分析、Ｘ線回折分析により確認した。
【００２２】以上述べたように、第１の発明によればＡ
ｌ配線パターンと金バンプとの間が熱圧接による固相拡
散反応によって金属間化合物を形成させて半導体素子を
前記配線パターンに電気的、機械的に接続を行う際に、
前記金属間化合物としてその中のＡｕ4 Ａｌの占める割
合を最も高くすることによって、熱衝撃に伴う接続部の
クラック及びボイド発生を防止して接続信頼性が良好な
半導体素子の実装構造を提供できる。前記接続過程での
加熱処理は、不良要因であるＡｕ5 Ａｌ2 の存在する割
合を低減するために、一気に行ってＡｕ5 Ａｌ2 をＡｕ
4 Ａｌに変化させることが好ましい。このような加熱処
理により金属間化合物Ａｕ4 Ａｌの割合が最も多く占め
るように固相反応を制御でき、Ａｕ5 Ａｌ2 生成時の残
留応力保持を回避、低減することが可能になる。
ｌ配線パターンと金バンプとの間が熱圧接による固相拡
散反応によって金属間化合物を形成させて半導体素子を
前記配線パターンに電気的、機械的に接続を行う際に、
前記金属間化合物としてその中のＡｕ4 Ａｌの占める割
合を最も高くすることによって、熱衝撃に伴う接続部の
クラック及びボイド発生を防止して接続信頼性が良好な
半導体素子の実装構造を提供できる。前記接続過程での
加熱処理は、不良要因であるＡｕ5 Ａｌ2 の存在する割
合を低減するために、一気に行ってＡｕ5 Ａｌ2 をＡｕ
4 Ａｌに変化させることが好ましい。このような加熱処
理により金属間化合物Ａｕ4 Ａｌの割合が最も多く占め
るように固相反応を制御でき、Ａｕ5 Ａｌ2 生成時の残
留応力保持を回避、低減することが可能になる。
【００２３】さらに、第２の発明によればＡｌ配線パタ
ーンを有するガラス基板を備え、前記ガラス基板の表示
部周辺の前記配線パターン上に半導体素子を金バンプを
介して実装し、かつ前記配線パターンと前記バンプとの
間が熱圧接による固相拡散反応によって金属間化合物を
形成して電気的、機械的に接続した液晶表示装置におい
て、前記金属間化合物をＡｕ4 Ａｌの占める割合が最も
多い組成にすることによって、熱衝撃に伴う接続部のク
ラック及びボイド発生を防止して接続信頼性が良好な半
導体素子を有する液晶表示装置を提供できる。
ーンを有するガラス基板を備え、前記ガラス基板の表示
部周辺の前記配線パターン上に半導体素子を金バンプを
介して実装し、かつ前記配線パターンと前記バンプとの
間が熱圧接による固相拡散反応によって金属間化合物を
形成して電気的、機械的に接続した液晶表示装置におい
て、前記金属間化合物をＡｕ4 Ａｌの占める割合が最も
多い組成にすることによって、熱衝撃に伴う接続部のク
ラック及びボイド発生を防止して接続信頼性が良好な半
導体素子を有する液晶表示装置を提供できる。
【００２４】以下、第１の発明及び第２の発明にかかる
液晶表示装置の好ましい実施形態について前述した図面
を参照して詳細に説明する。本発明にかかる液晶表示装
置は、前述した図３に示すようにＡｌ配線パターン１２
を有するガラス基板１１の主面に表示部１３が形成さ
れ、前記表示部１３周辺の前記Ａｌ配線パターン１２に
半導体素子１４が金バンプ１５を介して接続された構造
になっている。前記半導体素子１４に形成された金バン
プ１５と前記Ａｌ配線パターン１２とは前記バンプ１５
およびＡｌ配線パターン１２の固相拡散によって直接接
続されている。前記ガラス基板１１上のＡｌ配線パター
ン１２は、下層にモリブデン層が配置された積層構造に
を有する。前記モリブデン層は、スパッタ法によって形
成された５０ｎｍの厚さを有し、Ａｌ配線はスパッタ法
によって形成された５００ｎｍの厚さを有する。前記金
バンプ１５は、メッキにより５０μｍ角、２０μｍ高さ
で８０μｍピッチとして形成された。接続は半導体素子
１４側を４００℃に加熱するとともに、ガラス基板１１
を８０℃に加熱し、１バンプ当り５０ｇの荷重をかけな
がら１．５秒間圧接し、一度にすべてのパンプを接続し
た。この接続において電気的接続不良はなかった。
液晶表示装置の好ましい実施形態について前述した図面
を参照して詳細に説明する。本発明にかかる液晶表示装
置は、前述した図３に示すようにＡｌ配線パターン１２
を有するガラス基板１１の主面に表示部１３が形成さ
れ、前記表示部１３周辺の前記Ａｌ配線パターン１２に
半導体素子１４が金バンプ１５を介して接続された構造
になっている。前記半導体素子１４に形成された金バン
プ１５と前記Ａｌ配線パターン１２とは前記バンプ１５
およびＡｌ配線パターン１２の固相拡散によって直接接
続されている。前記ガラス基板１１上のＡｌ配線パター
ン１２は、下層にモリブデン層が配置された積層構造に
を有する。前記モリブデン層は、スパッタ法によって形
成された５０ｎｍの厚さを有し、Ａｌ配線はスパッタ法
によって形成された５００ｎｍの厚さを有する。前記金
バンプ１５は、メッキにより５０μｍ角、２０μｍ高さ
で８０μｍピッチとして形成された。接続は半導体素子
１４側を４００℃に加熱するとともに、ガラス基板１１
を８０℃に加熱し、１バンプ当り５０ｇの荷重をかけな
がら１．５秒間圧接し、一度にすべてのパンプを接続し
た。この接続において電気的接続不良はなかった。
【００２５】得られた液晶表示装置について、信頼性試
験である熱衝撃試験（−４０℃／１２０℃、３０分／３
０分、１０００サイクル）を実施した。その結果、図５
に示すように極めて安定な電気的接続が得られた。
験である熱衝撃試験（−４０℃／１２０℃、３０分／３
０分、１０００サイクル）を実施した。その結果、図５
に示すように極めて安定な電気的接続が得られた。
【００２６】前記金バンプとＡｌ配線パターンの間の接
続断面をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）により観察した。
その結果、クラック及びボイドなどの不良は認められな
かった。
続断面をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）により観察した。
その結果、クラック及びボイドなどの不良は認められな
かった。
【００２７】また、前記金バンプとＡｌ配線パターンの
間の接続部分を剥離後、Ｘ線回折分析を行った。その結
果、図６に示すように接続安定性に関与するＡｕ4 Ａｌ
が最も多く生成していることを確認された。さらに、前
記バンプの接続工程において表示部の液晶等の性能が劣
化することがなかった。
間の接続部分を剥離後、Ｘ線回折分析を行った。その結
果、図６に示すように接続安定性に関与するＡｕ4 Ａｌ
が最も多く生成していることを確認された。さらに、前
記バンプの接続工程において表示部の液晶等の性能が劣
化することがなかった。
【００２８】次に、従来の液晶表示装置を用い、上述の
液晶表示素子と比較した。比較として用いた液晶表示装
置では、半導体素子とガラス基板上のＡｌ配線パターン
とを金バンプを介して接続するに際し、半導体素子側を
２８０℃に加熱するとともに、ガラス基板を８０℃に加
熱し、１バンプ当り５０ｇの荷重をかけながら０．０１
秒間圧接し、一度にすべてのバンプを接続した以外、実
施例１と同様な液晶表示装置を組み立てた。このような
接続において、電気的接続不良はなかった。
液晶表示素子と比較した。比較として用いた液晶表示装
置では、半導体素子とガラス基板上のＡｌ配線パターン
とを金バンプを介して接続するに際し、半導体素子側を
２８０℃に加熱するとともに、ガラス基板を８０℃に加
熱し、１バンプ当り５０ｇの荷重をかけながら０．０１
秒間圧接し、一度にすべてのバンプを接続した以外、実
施例１と同様な液晶表示装置を組み立てた。このような
接続において、電気的接続不良はなかった。
【００２９】得られた液晶表示装置について、信頼性試
験である熱衝撃試験（−４０℃／１２０℃、３０分／３
０分、１０００サイクル）を実施した。その結果、図７
に示すように接続抵抗値が５０倍程度上昇した。
験である熱衝撃試験（−４０℃／１２０℃、３０分／３
０分、１０００サイクル）を実施した。その結果、図７
に示すように接続抵抗値が５０倍程度上昇した。
【００３０】前記金バンプとＡｌ配線パターンの間の接
続断面をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）により観察した。
その結果、前記接続部にクラック及びボイドが発生して
いることが認められた。
続断面をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）により観察した。
その結果、前記接続部にクラック及びボイドが発生して
いることが認められた。
【００３１】また、前記金バンプとＡｌ配線パターンの
間の接続部分を剥離後、Ｘ線回折分析を行った。その結
果、図８に示すように接続安定性に関与するＡｕ4 Ａｌ
が十分に生成せず、Ａｕ5 Ａｌ2 が最も多く生成してい
ることが確認された。
間の接続部分を剥離後、Ｘ線回折分析を行った。その結
果、図８に示すように接続安定性に関与するＡｕ4 Ａｌ
が十分に生成せず、Ａｕ5 Ａｌ2 が最も多く生成してい
ることが確認された。
【００３２】なお、本発明に係わる実装構造は配線パタ
ーンを有する基板と、半導体素子上に形成されたアルミ
ニウム（Ａｌ）電極とが金ワイヤを介して実装した構造
にも適用することができる。このような構成において、
前記Ａｌ電極と前記金ワイヤとの間が熱圧接による固相
拡散反応によって金属間化合物中のＡｕ4 Ａｌの占める
割合が最も多くすることによって、前記Ａｌ電極と前記
金ワイヤとの接続信頼性を高めることができる。
ーンを有する基板と、半導体素子上に形成されたアルミ
ニウム（Ａｌ）電極とが金ワイヤを介して実装した構造
にも適用することができる。このような構成において、
前記Ａｌ電極と前記金ワイヤとの間が熱圧接による固相
拡散反応によって金属間化合物中のＡｕ4 Ａｌの占める
割合が最も多くすることによって、前記Ａｌ電極と前記
金ワイヤとの接続信頼性を高めることができる。
【００３３】本発明の参考例においては、アルミニウム
と金属との反応について着目した。異種金属間の固相拡
散反応によって生成する合金には、固溶体、共融混合物
（共晶）、金属間化合物の３種類がある。
と金属との反応について着目した。異種金属間の固相拡
散反応によって生成する合金には、固溶体、共融混合物
（共晶）、金属間化合物の３種類がある。
【００３４】合金設計の指針として、ヒュームーロザリ
ーの合金則が知られている。これは、２種以上の金属が
固溶体を形成する場合には、その金属の結晶構造が同一
かつその原子半径の差は１５％以下であるという考えで
ある。アルミニウムと固溶体を形成する金属の原子半径
Ｍは、アルミニウムの原子半径が１．４３ であるか
ら、 １．２２ ＜Ｍ＜１．６４ となる。この条件のもとでアルミニウムの結晶構造であ
る面心立方格子と同一である金属は、金、銀、銅、白
金、パラジウム、ニッケル、イリジウム、ロジウムであ
る。上記の金属材料を用いたバンプを、アルミニウム配
線と固相拡散により接続し、固溶体を形成すると、安定
な接続構造が得られる。
ーの合金則が知られている。これは、２種以上の金属が
固溶体を形成する場合には、その金属の結晶構造が同一
かつその原子半径の差は１５％以下であるという考えで
ある。アルミニウムと固溶体を形成する金属の原子半径
Ｍは、アルミニウムの原子半径が１．４３ であるか
ら、 １．２２ ＜Ｍ＜１．６４ となる。この条件のもとでアルミニウムの結晶構造であ
る面心立方格子と同一である金属は、金、銀、銅、白
金、パラジウム、ニッケル、イリジウム、ロジウムであ
る。上記の金属材料を用いたバンプを、アルミニウム配
線と固相拡散により接続し、固溶体を形成すると、安定
な接続構造が得られる。
【００３５】ここで例としてアルミニウムと金の固相反
応について示す。アルミニウムと金は、熱または圧力が
低い場合や接合時間が短い場合には反応生成物として金
属間化合物を形成することがある。しかし、金がアルミ
ニウムに比べて大過剰に存在する場合でかつ熱または圧
力が高く接合時間が長い場合には反応生成物として固溶
体を形成することがある。固相拡散反応界面では、金属
間化合物層あるいは固溶体層が混在する反応層を形成す
る場合が多くある。これは、異種金属間の接合が、接合
領域全てで均一になされずに、複雑な反応形態をとるた
めである。従って、分析界面によっては金属化合物が検
出されるときと、固溶体が検出されるときがある。
応について示す。アルミニウムと金は、熱または圧力が
低い場合や接合時間が短い場合には反応生成物として金
属間化合物を形成することがある。しかし、金がアルミ
ニウムに比べて大過剰に存在する場合でかつ熱または圧
力が高く接合時間が長い場合には反応生成物として固溶
体を形成することがある。固相拡散反応界面では、金属
間化合物層あるいは固溶体層が混在する反応層を形成す
る場合が多くある。これは、異種金属間の接合が、接合
領域全てで均一になされずに、複雑な反応形態をとるた
めである。従って、分析界面によっては金属化合物が検
出されるときと、固溶体が検出されるときがある。
【００３６】本発明の参考例について、図面を参照して
さらに説明する。図９は本発明の参考例にかかる半導体
装置の一部分を示す断面図である。半導体素子４１１と
ガラス基板４１３上のアルミニウム配線４１４とが、金
バンプ４１２を介して接続されている。図９において半
導体素子４１１上に形成された金バンプ４１２とアルミ
ニウム配線４１４とは、該バンプ４１２及び該配線４１
４の固相拡散によって合金４１５を形成して直接接合さ
れている。金バンプ４１２はメッキによって形成し、バ
ンプサイズ５０μｍ角、バンプピッチ８０μｍ、バンプ
高さ２０μｍとした。ガラス基板４１３には、配線４１
４はモリブデン／アルミニウムの積層構造が形成されて
いる。モリブデン／アルミニウム配線４１４は基板上に
スパッタ法によって形成し、モリブデンを５００Ａ（オ
ングストローム）形成した上に、アルミニウムを３５０
０Ａ形成した。接続は半導体素子側を３００℃に加熱す
るとともに、ガラス基板を６０℃に加熱し、１バンプ当
り７０ｇの荷重をかけながら１０秒間熱圧接し、一度に
すべてのパッドを接続した。接続において電気的接続不
良はなかった。
さらに説明する。図９は本発明の参考例にかかる半導体
装置の一部分を示す断面図である。半導体素子４１１と
ガラス基板４１３上のアルミニウム配線４１４とが、金
バンプ４１２を介して接続されている。図９において半
導体素子４１１上に形成された金バンプ４１２とアルミ
ニウム配線４１４とは、該バンプ４１２及び該配線４１
４の固相拡散によって合金４１５を形成して直接接合さ
れている。金バンプ４１２はメッキによって形成し、バ
ンプサイズ５０μｍ角、バンプピッチ８０μｍ、バンプ
高さ２０μｍとした。ガラス基板４１３には、配線４１
４はモリブデン／アルミニウムの積層構造が形成されて
いる。モリブデン／アルミニウム配線４１４は基板上に
スパッタ法によって形成し、モリブデンを５００Ａ（オ
ングストローム）形成した上に、アルミニウムを３５０
０Ａ形成した。接続は半導体素子側を３００℃に加熱す
るとともに、ガラス基板を６０℃に加熱し、１バンプ当
り７０ｇの荷重をかけながら１０秒間熱圧接し、一度に
すべてのパッドを接続した。接続において電気的接続不
良はなかった。
【００３７】次に、得られた半導体装置について、信頼
性試験として、−４０℃及び１２０℃で、各々３０分ず
つ１０００サイクルで熱衝撃試験を実施した。その結
果、極めて安定な電気的接続が得られた。金バンプ−ア
ルミニウム配線間の接続断面について、ＡＥＳ（オージ
ェ光電子分光法）により深さ方向の分析を行った。その
結果、図１０に示すように金／アルミニウム界面は、比
較的なだらかに組成が変化しており、金属間化合物層の
存在は確認されず、固溶体を形成していることが確認さ
れた。また、Ｘ線回析分析を行ったところ、ピークは検
出されなかったので、金属間化合物層は存在しないこと
を確認した。図１１の２元系状態図に示すように、金が
アルミニウムに比べて大過剰に供給され、これととも
に、アルミニウム−金の固相反応が固溶体を形成するの
に充分なエネルギー供給を受けると、熱力学的に最も安
定な斜線領域内の系の固溶体が形成される。
性試験として、−４０℃及び１２０℃で、各々３０分ず
つ１０００サイクルで熱衝撃試験を実施した。その結
果、極めて安定な電気的接続が得られた。金バンプ−ア
ルミニウム配線間の接続断面について、ＡＥＳ（オージ
ェ光電子分光法）により深さ方向の分析を行った。その
結果、図１０に示すように金／アルミニウム界面は、比
較的なだらかに組成が変化しており、金属間化合物層の
存在は確認されず、固溶体を形成していることが確認さ
れた。また、Ｘ線回析分析を行ったところ、ピークは検
出されなかったので、金属間化合物層は存在しないこと
を確認した。図１１の２元系状態図に示すように、金が
アルミニウムに比べて大過剰に供給され、これととも
に、アルミニウム−金の固相反応が固溶体を形成するの
に充分なエネルギー供給を受けると、熱力学的に最も安
定な斜線領域内の系の固溶体が形成される。
【００３８】
【発明の効果】以上詳述したように、第１の発明によれ
ば、絶縁基板上のアルミニウム配線パターンに半導体素
子が金バンプを介して良好に接続され、熱衝撃による接
続部のクラック及びボイド発生を防止した高信頼性の半
導体素子の実装構造を提供できる。
ば、絶縁基板上のアルミニウム配線パターンに半導体素
子が金バンプを介して良好に接続され、熱衝撃による接
続部のクラック及びボイド発生を防止した高信頼性の半
導体素子の実装構造を提供できる。
【００３９】また、第２の発明によれば表示部周辺のガ
ラス基板上のアルミニウム配線パターンに半導体素子が
金バンプを介して良好に接続され、熱衝撃による接続部
のクラック及びボイド発生を防止し、さらに接続工程で
の表示部の液晶の劣化等を回避することが可能な高信頼
性の液晶表示装置を提供できる。
ラス基板上のアルミニウム配線パターンに半導体素子が
金バンプを介して良好に接続され、熱衝撃による接続部
のクラック及びボイド発生を防止し、さらに接続工程で
の表示部の液晶の劣化等を回避することが可能な高信頼
性の液晶表示装置を提供できる。
【００４０】
【図１】本発明に係わる半導体素子の実装構造を示す断
面図。
面図。
【図２】本発明に係わるＡｌ配線パターンとＡｕバンプ
の間の接続部付近を模式的に示す図。
の間の接続部付近を模式的に示す図。
【図３】本発明に係わる液晶表示装置の部分切欠図。
【図４】金属間化合物の組成（金組成）とその金属間化
合物の体積変化率との関係を示す特性図。
合物の体積変化率との関係を示す特性図。
【図５】本発明の実施例１におけるＡｌ配線パターンと
Ａｕバンプ間の接続部の熱衝撃試験後の電気的接続性を
示す特性図。
Ａｕバンプ間の接続部の熱衝撃試験後の電気的接続性を
示す特性図。
【図６】本発明の実施例１における金バンプとＡｌ配線
パターンの間の接続部分を剥離した後のＸ線回折分析結
果を示す特性図。
パターンの間の接続部分を剥離した後のＸ線回折分析結
果を示す特性図。
【図７】比較例１におけるＡｌ配線パターンとＡｕバン
プ間の接続部の熱衝撃試験後の電気的接続性を示す特性
図。
プ間の接続部の熱衝撃試験後の電気的接続性を示す特性
図。
【図８】比較例１における金バンプとＡｌ配線パターン
の間の接続部分を剥離した後のＸ線回折分析結果を示す
特性図。
の間の接続部分を剥離した後のＸ線回折分析結果を示す
特性図。
【図９】第３の発明にかかる半導体装置の一部分を示す
断面図
断面図
【図１０】金バンプ−アルミニウム配線間の接続断面の
ＡＥＳ（オージェ光電子分光法）分析結果を示すグラフ
図
ＡＥＳ（オージェ光電子分光法）分析結果を示すグラフ
図
【図１１】金−アルミニウム２元系状態図
１…絶縁基板
２、１２、４１４…Ａｌ配線パターン
３、１４、４１１…半導体素子
４、１５、４１２…金バンプ
１１、４１３…ガラス基板
１３…表示部
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 斉藤 雅之
神奈川県横浜市磯子区新磯子町33番地
株式会社東芝生産技術研究所内
(72)発明者 村上 泰淳
神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地
株式会社東芝研究開発センター内
(56)参考文献 特開 昭62−9642（ＪＰ，Ａ)
特開 昭55−86143（ＪＰ，Ａ)
特開 平６−224258（ＪＰ，Ａ)
特開 平７−169875（ＪＰ，Ａ)
特開 平７−226455（ＪＰ，Ａ)
特開 平８−124966（ＪＰ，Ａ)
特開 平５−166868（ＪＰ，Ａ)
特表 平５−503397（ＪＰ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
H01L 21/60
C22C 5/00
Claims (2)
- 【請求項１】 アルミニウム配線パターンを有する絶縁
基板と、前記配線パターン上に金バンプを介して実装さ
れた半導体素子とを備え、前記配線パターンと前記バン
プとの間が熱圧接による固相拡散反応によって金属間化
合物を形成して電気的、機械的に接続を行う実装構造に
おいて、 前記金属間化合物は、Ａｕ4 Ａｌの占める割合が最も多
いことを特徴とする半導体素子の実装構造。 - 【請求項２】 アルミニウム配線パターンを有するガラ
ス基板を備え、前記ガラス基板の表示部周辺の前記配線
パターン上に半導体素子を金バンプを介して実装し、か
つ前記配線パターンと前記バンプとの間が熱圧接による
固相拡散反応によって金属間化合物を形成して電気的、
機械的に接続した液晶表示装置において、 前記金属間化合物は、Ａｕ4 Ａｌの占める割合が最も多
いことを特徴とする液晶表示装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP24432295A JP3437687B2 (ja) | 1994-12-22 | 1995-09-22 | 半導体素子の実装構造、及び液晶表示装置 |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6-319860 | 1994-12-22 | ||
| JP31986094 | 1994-12-22 | ||
| JP24432295A JP3437687B2 (ja) | 1994-12-22 | 1995-09-22 | 半導体素子の実装構造、及び液晶表示装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08227917A JPH08227917A (ja) | 1996-09-03 |
| JP3437687B2 true JP3437687B2 (ja) | 2003-08-18 |
Family
ID=26536689
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP24432295A Expired - Fee Related JP3437687B2 (ja) | 1994-12-22 | 1995-09-22 | 半導体素子の実装構造、及び液晶表示装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3437687B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2009122867A1 (ja) * | 2008-03-31 | 2009-10-08 | 日本電気株式会社 | 半導体装置、複合回路装置及びそれらの製造方法 |
Family Cites Families (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5586143A (en) * | 1978-12-20 | 1980-06-28 | Ibm | Method of forming terminal pad |
| JPS629642A (ja) * | 1985-07-05 | 1987-01-17 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 半導体装置の製造方法 |
| US5184206A (en) * | 1990-10-26 | 1993-02-02 | General Electric Company | Direct thermocompression bonding for thin electronic power chips |
| JPH05166868A (ja) * | 1991-12-12 | 1993-07-02 | Toyota Motor Corp | ワイヤボンディング用印刷配線基板 |
| JP3051617B2 (ja) * | 1992-10-27 | 2000-06-12 | 松下電器産業株式会社 | 半導体装置の製造方法 |
| JP3506393B2 (ja) * | 1993-03-11 | 2004-03-15 | 株式会社東芝 | 液晶表示装置とその製造方法、プリンタとその製造方法 |
| JP3332555B2 (ja) * | 1993-12-17 | 2002-10-07 | 株式会社東芝 | 半導体装置およびその製造方法 |
| JPH08124966A (ja) * | 1994-10-28 | 1996-05-17 | Toshiba Corp | 半導体パッケ−ジ及びその製造方法 |
-
1995
- 1995-09-22 JP JP24432295A patent/JP3437687B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH08227917A (ja) | 1996-09-03 |
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