JP3851585B2 - プリント配線板へのベアチップ半導体素子の接続方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、バンプなどの突起電極を有しないベアチップ半導体素子を、フリップチップボンディング法によって、プリント配線板に接続するためのプリント配線板へのベアチップ半導体素子の接続方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、携帯電話や携帯情報端末などの小型で高性能な電子機器が急速に普及している。その原動力として、一つには機器の飛躍的な小型化を挙げることができる。またその背景には、従来、複数のLSIで構成されていたシステムや機能を1つの半導体素子に集約するSystem on Chip(以下、「SOC」と略称する)化の技術の進歩がある。その一方で、必要な半導体素子を複数組み合わせ、直接プリント配線板上に搭載し、1パッケージ化したSystem in Package(以下、「SIP」と略称する)も近年、注目を集めている。
【0003】
携帯電話に代表される携帯情報機器では、高機能化が進むほど商品サイクルが短くなってきており、開発期間の短縮が大きな課題となってきている。仮にひとつの機能変更が生じた場合、SOCでは、半導体素子の設計からプロセスまですべてに影響を与える変更が必要であり、開発に膨大な費用と時間を要する。これに対しSIPでは、一部の半導体素子の種類変更や追加、および若干のプリント配線板の変更等により対応が可能であるため、SOCに比べて大幅な開発期間の短縮と開発コストの低減とを図ることができる。
【0004】
上記のような利点を有するSIPではあるが、その小型化・高密度化には大きな問題がある。すなわち、SIPは複数の半導体素子を集めて一つのシステムを構成するので、中には自社の半導体素子のみならず、他社の半導体素子も搭載しなければならない状況が往々にして出てくる。また、SIPの小型化・高密度化のためには、バンプ等の突起電極が配置されたベアチップ半導体素子をフェイスダウンでプリント配線板に実装するフリップチップボンディング法が有効である。しかし、前述のように他社のベアチップ半導体素子が必要な場合、特開2000−208910号公報に記載してあるように、他社で突起電極が配置されたベアチップ半導体素子を生産してから自社で使用するまでの取り扱いが問題となり、生産性や品質の安定性が悪くなってしまう。突起電極が配置されていないベアチップ半導体素子を使用する場合には、フリップチップボンディング法による実装を諦めざるを得ず、SIPの小型化の支障となってしまう。
【0005】
図5は、特開2000−208910号公報に開示されている接続方法の概要を示す。この接続方法では、めっき法によりプリント配線板側にバンプ等の突起電極を形成することで、突起電極無しのベアチップ半導体素子等をプリント配線板に搭載することを可能にしている。
【0006】
図5において、501はプリント配線板、502は電極端子、503は上部表面外層導体、504は内層導体、505は下部表面外層導体、506は貫通導通孔、507はめっきレジスト層、508はソルダレジスト層、509は突起電極、および510はベアチップ半導体素子をそれぞれ示す。
【0007】
図5(a)で示すように、内層導体504を形成してあるプリント配線板501には、部品を取り付けるための部品穴や層間を接続するための貫通孔、および非貫通穴などが穴開け加工され、めっき処理によりスルーホールやバイヤホール等の貫通導通孔穴506が形成される。またプリント配線板501の上部表面外層導体503、下部表面外層導体505、および電極端子502もめっき法にて形成される。また所定の箇所にソルダレジスト層508が形成される。
【0008】
次に図5(b)に示すように、めっきレジスト層507をプリント配線板501上に形成し、ベアチップ部品を接続する電極端子502には、フォト法や炭酸ガスレーザにて微小な穴が開けられる。その後、めっき法にて、所定の金属を析出させることで電極端子502上には突起電極509が形成される。
【0009】
そして図5(c)に示すように、めっきレジスト層507が剥離された後、ベアチップ部品510は、フリップチップボンディング法にて、突起電極509を介してプリント配線板501と接続される。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
特開2000−208910公報に開示されている方法では、プリント配線板501の上部表面外層導体503および下部表面外層導体505等の回路形成のためのめっきプロセスとは別に、突起電極509形成のために専用のめっきプロセスが必要となる。さらに同公報には、無電解銅めっきを20μm〜30μm、無電解ニッケルめっきを10μm、さらに無電解金めっきを0.5μm積層して突起電極509を構成することが記載されている。このような構成であれば、めっきプロセスが複雑となり、また各金属析出のために多大な処理時間が必要となり、製造コストの上昇を招くとともに、生産性も劣ることになる。
【0011】
本発明の目的は、突起電極を有しないベアチップ半導体素子を用いてSIPを構成する場合でも、SIPの小型化・高密度化が図れるように、フリップチップボンディング法にてベアチップ半導体素子とプリント配線板との接続を行うことができ、しかも複雑でかつ多大な処理時間を要しないプリント配線板へのベアチップ半導体素子の接続方法を提供することである。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明は以上の問題点を解決するために、以下の手段を提供する。
本発明は、ベアチップ半導体素子とプリント配線板とをフェイスダウンで搭載する場合のプリント配線板へのベアチップ半導体素子の接続方法であって、
ベアチップ半導体素子に接続するプリント配線板の電極端子に、表面に開口して内壁に導体層が構成される凹部を形成しておき、
該電極端子の凹部に接続部材を載置し、
該接続部材にベアチップ半導体素子の電極パッドを接触させた後、
ベアチップ半導体素子の搭載によって、電極パッドと接続部材、および接続部材と電極端子の接触部分とを同時に該プリント配線板の表面に垂直な方向に押圧して、
ベアチップ半導体素子の搭載時の加圧力によって、接続部材を変形させ、その一部を該凹部内に入り込ませ、電極端子と電極パッドの間で該凹所内に充填されるような塑性変形を生じさせて突起電極を形成することを特徴とするプリント配線板へのベアチップ半導体素子の接続方法である。
本発明に従えば、プリント配線板にベアチップ半導体素子をフェイスダウンで搭載するための電極端子に、表面に開口し、内壁に導体層が形成される凹部を形成しておく。凹部には接続部材を載置し、接続部材にベアチップ半導体素子の電極パッドを接触させた後、電極パッドと接続部材、および接続部材と電極端子の接触部分とを同時に該プリント配線板の表面に垂直な方向に押圧する。ベアチップ半導体素子の搭載時の加圧力によって、接続部材を変形させ、その一部を該凹部内に入り込ませ、電極端子と電極パッドの間で該凹所内に充填されるような塑性変形を生じさせて突起電極を形成する。これによって接続部材は、一部が該凹部内に入り込んで凹所内に充填されるような塑性変形を受けるので、確実に電極端子と結合され、ベアチップ半導体素子とのフリップチップ接合を行うための突起電極として機能する。突起電極は、複雑なめっき法で形成する必要はなくなり、ベアチップ半導体素子との接合の際に形成することができる。プリント配線板側に突起電極を形成するので、ベアチップ半導体素子側に突起電極が形成されていなくても、フェイスダウンによる搭載が可能となる。
また本発明は、前記プリント配線板の電極端子の凹部に接続部材を載置している状態で、該プリント配線板の表面を、該接続部材の頂部を除いて、アンダフィル用の電気絶縁性材料で覆うことを特徴とする。
本発明に従えば、アンダフィル用の電気絶縁性材料で覆われていない接続部材の頂部にベアチップ半導体素子の電極パッドを接触させてフリップチップ接合を行えば、接合部を除いて電気絶縁性材料がプリント配線板とベアチップ半導体素子との間隙に充填されている状態とすることができ、耐候性などを向上させ、信頼性を高めることができる。
【0031】
なお、本発明の電極端子の凹部は、回路パターン形成のためのフォト法によるエッチング処理と同時に、電極端子の略中心に開口を形成することができる。開口には、一例として炭酸ガスレーザ等を照射すれば、プリント配線板の内層導体まで至る凹部を形成することができる。その後、回路パターン、貫通孔、および非貫通穴へのめっき処理と同時に電極端子の凹部にもめっき処理を施し、非貫通導電穴を形成する。凹部に球状などの接続部材を搭載し、突起電極とすることによって、該接続部材を介し、ベアチップ半導体素子の電極パッドと、プリント配線板の電極端子とを接続できる。これによって、先行技術のようなめっき法を使用した場合に比べ、低コストで突起電極を有するプリント配線板が提供することができ、さらに生産性の向上も図ることができる。このような突起電極を有するプリント配線基板を用いることにより、突起電極を有しないベアチップ半導体素子をフリップチップボンディング法にて接続することが可能となることで、使用するベアチップ半導体素子の選択の範囲が制約を受けにくく、かつ小型化・高密度化を図ったSIPを実現することができる。
【0032】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を図1〜図4の図面を用いて説明する。
【0033】
図1は、本発明の実施の一形態である球状接続部材で突起電極を形成したプリント配線板に、ベアチップ半導体素子をフリップチップボンディング法にて接続した接続構造体の接続部断面を示す。図2は、(a)〜(d)で、本発明に関わるプリント配線板の製造工程の概略を一部断面視で示す。図3は、(a),(b)で、本発明に関わるプリント配線板に球状接続部材にて形成した突起電極を介して、ベアチップ半導体素子をフリップチップボンディング法にて接続する製造工程の概要を一部断面視で示す。
【0034】
図1〜図3において、101はプリント配線板、102は突起電極、1は表層絶縁体、2は内層絶縁体、3は内層導体、4は表層導体、5は貫通孔または非貫通穴、6は表層回路パターン、7は電極端子、8は電極端子7の凹部、9は無電解銅めっき層、10は無電解ニッケルめっき層、11は無電解金めっき層、12はソルダレジスト層、13は球状接続部材、14はベアチップ半導体素子、15は電極パッド、16はベアチップ半導体素子14の保護膜、17はアンダフィルを示す。
【0035】
図1に示すように、多層のプリント配線板101でベアチップ半導体素子14を搭載する搭載面には電極端子7が形成され、電極端子7の略中央に略円形の開口を有する凹部8に、金(Au)等からなる突起電極102を介し、ベアチップ半導体素子14の電極パッド15がフリップチップボンディング法にて接続される。以下に、プリント配線板101の製造方法、およびベアチップ半導体素子14との接続方法に関し、図2および図3を用いて詳述する。
【0036】
図2(a)において、図1のプリント配線板101の元になるプリント配線板201は、表層絶縁体1、内層絶縁体2、およびその間に挟まれた内層導体3からなり、さらに表層絶縁体1の表面には、表層導体4が形成されている。内層導体3には、予めパターン形成が行なわれ、その上に表層絶縁体1が積層される。プリント配線板201には、部品を取り付けるための部品穴や層間を接続するための貫通孔または非貫通穴5が穴開け加工される。その後、表層導体4に回路パターンを形成する目的で、多層プリント配線板201の表面に所定パターンを残すようにしてフォトレジスト202が塗布され、露光と現像とによってフォトレジスト202のパターン形成がなされる。
【0037】
そして、図2(b)において、エッチング処理工程で、フォトレジスト202に覆われていない表層導体4が取り除かれることで、プリント配線板201の表面に表層回路パターン6が形成される。このとき、電極端子7の略中心となる位置には、略円形の開口部203が形成される。開口部203の直径は、電極端子7の一辺よりも小さくする。具体的には、電極端子7の一辺は80μm〜100μm程度で、開口部203の直径は60μm〜80μm程度が望ましい。パターン形成は、本手法のようにいったん均一に導体層を形成してから不要部分を除去する方法以外に、必要部分のみを析出させるフルアディティブ法を用いて行なっても差し支えない。
【0038】
さらに、図2(c)において、電極端子7上の開口部203に一例として炭酸ガスレーザ照射等の手段を用いて、プリント配線板201の表面に対し略垂直方向に内層導体3に達するまでの凹部8を形成し、所定のデスミア処理が施される。
【0039】
その後、図2(d)において、無電解銅めっきを施すことで、凹部8の内壁に無電解銅めっき層9が形成され、電極端子7と内層導体3とが接続される。同時に他の貫通孔または非貫通穴5の内壁にも無電解銅めっき層9が形成され、表面回路パターン6と接続される。さらに無電解銅めっき層9の上に、無電解ニッケルめっき層10、および無電解金めっき層11を形成し、所定の箇所にソルダレジスト層12を形成することにより、プリント配線板101が完成する。
【0040】
図3(a)において、前述のようにして形成されたプリント配線板101の電極端子7の略円形の開口を有する凹部8に、金等からなる球状接続部材13を搭載する。球状接続部材13の直径は、凹部8の直径より大きく、かつ電極端子7の一辺よりも小さい。具体的には、前述のように、電極端子の一辺が80μm〜100μmである場合、開口部203の直径は60μm〜80μm程度が望ましいため、球状接続部材の直径は、60μm〜100μmとなる。球状接続部材13は、等方的な球形であるので、載置する向きを揃える必要はなく、載置を迅速に行うことができる。
【0041】
また、ベアチップ半導体素子14とプリント配線板101との接続強度を上げ、信頼性を向上させる目的で、プリント配線板101上のベアチップ半導体素子14搭載位置に、電気絶縁性の合成樹脂材料、たとえばシリコン樹脂などからなるアンダフィル17を塗布する。
【0042】
ベアチップ半導体素子14を、フリップチップボンディングツール301に吸着し、電極パッド15とプリント配線板101の搭載面とを対向させ、かつ球状接続部材13の中心とベアチップ半導体素子14の電極パッド15の中心とが合致するように配置する。
【0043】
図3(b)において、ベアチップ半導体素子14を、所定の圧力と温度条件下で、球状接続部材13を介し、プリント配線板101に圧接する。このとき同時に超音波振動を印加する場合もある。球状接続部材13はフリップチップボンディングツール301からの圧力により塑性変形し、略円形の開口を有する電極端子7の凹部8にその一部が陥入して、突起電極102が形成される。このようにして形成される突起電極102を介し、プリント配線板101の電極端子7とベアチップ半導体素子14の電極パッド15との間が接続される。
【0044】
また、アンダフィル17は、プリント配線板101とベアチップ半導体素子14との間に広がり、所定の硬化条件にて硬化される。なお、アンダフィル17は、ベアチップ半導体素子14とプリント配線板101とを接続した後で、その間隙から注入するようにすることもできる。
【0045】
図4は、(a)〜(b)で、本発明の実施の他の形態について示す。本実施形態では、円柱状の接続部材を用いて形成した突起電極を介し、プリント配線板にベアチップ半導体素子を、フリップチップボンディング法により接続する。本実施の形態においても、プリント配線板101の製造方法は前述の図1の実施形態の場合同様である。本実施形態で図1n実施形態に対応する部分には同一の参照符を付し、重複する説明を省略する。
【0046】
図4(a)においては、前述のようにして形成されたプリント配線板101の略円形の開口を有する電極端子7の凹部8に、金等の材料からなる円柱状接続部材18が搭載される。円柱状接続部材18の直径は、凹部8の直径よりも小さい。具体的には、前述のように、電極端子の一辺が80μm〜100μmである場合、開口部203の直径は60μm〜80μm程度が望ましいことから、円柱状接続部材18の直径は、60μm〜80μm以下となる。円柱状接続部材18は、直径に比較して軸線方向の長さを長くすることができ、突起電極としての高さを大きくすることができる。
【0047】
また、ベアチップ半導体素子14とプリント配線板101との接続強度を上げ、信頼性を向上させる目的で、プリント配線板101上のベアチップ半導体素子14搭載位置に、電気絶縁性合成樹脂からなるアンダフィル17を塗布することは、前記第一の実施の形態の場合と同様である。ベアチップ半導体素子14は、フリップチップボンディングツール301に吸着され、電極パッド15がプリント配線板101の搭載面と対向するようにして、かつ円柱状接続部材18の中心軸とベアチップ半導体素子14の電極パッド15の中心とが合致するように配置する。
【0048】
図4(b)において、ベアチップ半導体素子14は、所定の圧力と温度条件下で、円柱状接続部材18を介し、プリント配線板101に圧接される。このとき、前述の実施の一形態の場合と同様に、同時に超音波振動を印加する場合もある。円柱状接続部材18はフリップチップボンディングツール301を介して印加される圧力によって変形し、略円形の開口を有する電極端子7の凹部8にその一部が入り込み、電極端子7と電極パッド15間との間で塑性変形し、突起電極302が形成される。
【0049】
以上のようにして、突起電極302を介し、プリント配線板101の電極端子7とベアチップ半導体素子14の電極パッド15との間が接続される。また、アンダフィル17はプリント配線板101とベアチップ半導体素子14との間に広がり、所定の硬化条件にて硬化される。なお、アンダフィル17は、図1の実施の形態の場合同様に、ベアチップ半導体素子14とプリント配線板101とを接続した後で、その間隙に注入してもよい。
【0050】
以上、本発明を実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。
【0051】
たとえば、球状接続部材13や円柱状接続部材18は、プリント配線板101上に突起電極102,302を形成し、ベアチップ半導体素子14と接続を果たせば良く、その形状は球状や円柱状に限定されるものではなく、円錐状、三角錐状、三角柱状、四角推状、四角柱状、多角推状、および多角柱状でもよい。
【0052】
また同様に、プリント配線板101の電極端子7の凹部8は、開口部203の形状が円形に限定されるものではなく、三角形、四角形、および多角形でもよい。
【0053】
さらに、接続部材の材質は金のような単元素の金属に限定されるものではなく、はんだのような合金や、銀ペーストのような混合物から形成されてもよい。また、プリント配線板101の突起電極102,302は、ベアチップ半導体素子14の搭載時の加圧力で、接続部材を、電極端子7の凹部8に入り込ませることで形成しているが、ベアチップ半導体素子14の搭載前にレベリング装置などで事前に接続部材のみを加圧して形成することも可能である。
【0054】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、プリント配線板にベアチップ半導体素子をフェイスダウンで搭載するための電極端子に、表面に開口し、内壁に導体層が形成される凹部を形成しておく。凹部には接続部材を載置し、接続部材にベアチップ半導体素子の電極パッドを接触させた後、電極パッドと接続部材、および接続部材と電極端子の接触部分とを同時に該プリント配線板の表面に垂直な方向に押圧する。ベアチップ半導体素子の搭載時の加圧力によって、接続部材を変形させ、その一部を該凹部内に入り込ませ、電極端子と電極パッドの間で該凹所内に充填されるような塑性変形を生じさせて突起電極を形成する。これによって接続部材は、一部が該凹部内に入り込んで凹所内に充填されるような塑性変形を受けるので、確実に電極端子と結合され、ベアチップ半導体素子とのフリップチップ接合を行うための突起電極として機能する。突起電極は、複雑なめっき法で形成する必要はなくなり、ベアチップ半導体素子との接合の際に形成することができる。プリント配線板側に突起電極を形成するので、ベアチップ半導体素子側に突起電極が形成されていなくても、フェイスダウンによる搭載が可能となる。
また本発明によれば、アンダフィル用の電気絶縁性材料で覆われていない接続部材の頂部にベアチップ半導体素子の電極パッドを接触させてフリップチップ接合を行えば、接合部を除いて電気絶縁性材料がプリント配線板とベアチップ半導体素子との間隙に充填されている状態とすることができ、耐候性などを向上させ、信頼性を高めることができる。
【0063】
以上、詳細に説明したように、本発明を用いることにより、突起電極を有しないベアチップ半導体素子を、フリップチップボンディング法によりプリント配線板に接続することが可能となることで、SIPの小型化・高密度化が図れるとともに、SIPを構成するためのベアチップ半導体素子の選択で制約を受けにくくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施の一形態である球状接続部材13で突起電極102を形成したプリント配線板101に、ベアチップ半導体素子14をフリップチップボンディング法にて接続した接続構造体の接続部断面である。
【図2】図1のプリント配線板101の製造工程を概略的に説明するための部分的な断面図である。
【図3】図1のプリント配線板101に球状接続部材13にて形成した突起電極102を介して、ベアチップ半導体素子14をフリップチップボンディング法にて接続する製造工程を概略的に説明するための部分的な断面図である。
【図4】本発明の実施の他の形態である円柱状接続部材18にて形成した突起電極302を介して、ベアチップ半導体素子14をフリップチップボンディング法にて接続する製造工程を概略的に説明するための部分的な断面図である。
【図5】従来のめっき法でプリント配線板に突起電極を形成し、突起電極無しのベアチップ半導体素子等をプリント配線板に搭載する方法を概略的に示す部分的な断面図である。
【符号の説明】
1 表層絶縁体
2 内層絶縁体
3 内層導体
4 表層導体
5 貫通孔または非貫通穴
6 表層回路パターン
7 電極端子
8 凹部
9 無電解銅めっき層
10 無電解ニッケルめっき層
11 無電解金めっき層
12 ソルダレジスト層
13 球状接続部材
14 ベアチップ半導体素子
15 電極パッド
16 保護膜
17 アンダフィル
18 円柱状接続部材
101,201 プリント配線板
102,302 突起電極
203 開口部
301 フリップチップボンディングツール
Claims (2)
- ベアチップ半導体素子とプリント配線板とをフェイスダウンで搭載する場合のプリント配線板へのベアチップ半導体素子の接続方法であって、
ベアチップ半導体素子に接続するプリント配線板の電極端子に、表面に開口して内壁に導体層が構成される凹部を形成しておき、
該電極端子の凹部に接続部材を載置し、
該接続部材にベアチップ半導体素子の電極パッドを接触させた後、
ベアチップ半導体素子の搭載によって、電極パッドと接続部材、および接続部材と電極端子の接触部分とを同時に該プリント配線板の表面に垂直な方向に押圧して、
ベアチップ半導体素子の搭載時の加圧力によって、接続部材を変形させ、その一部を該凹部内に入り込ませ、電極端子と電極パッドの間で該凹所内に充填されるような塑性変形を生じさせて突起電極を形成することを特徴とするプリント配線板へのベアチップ半導体素子の接続方法。 - 前記プリント配線板の電極端子の凹部に接続部材を載置している状態で、該プリント配線板の表面を、該接続部材の頂部を除いて、アンダフィル用の電気絶縁性材料で覆うことを特徴とする請求項1記載のプリント配線板へのベアチップ半導体素子の接続方法。
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