JP4293030B2 - 電子デバイス実装構造体およびその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体集積回路素子等の表面実装部品や配線基板等の電子デバイスの接続端子間の電気的接続を行うための電子デバイス実装構造体およびその製造方法に関する。
近年、携帯電話等に代表されるモバイル機器のさらなる小型化、高性能化に伴い、半導体集積回路素子を代表とする表面実装部品の小型化、高集積化が進展するとともに、配線基板上にさらに高密度に実装する技術開発が行われている。
例えば、半導体集積回路素子では高密度実装に対応するために電極端子間の狭ピッチ化やフリップチップ実装方式が主体になりつつある。図13は、半導体集積回路素子1をフリップチップ実装方式により配線基板5に実装した構成を示す断面図である。半導体集積回路素子1は、回路が形成された単結晶シリコンチップ2の表面に電極端子3が形成され、バンプ4が形成されて構成されている。配線基板5は、内層配線等が形成されている基材6の表面に配線パターン7が形成され、この配線パターン7上で、バンプ4と対向する位置に接続端子8が形成されている。半導体集積回路素子1は、バンプ4を介して配線基板5の接続端子8と、例えば半田9により接続されている。なお、バンプ4は、通常、金(Au)や半田等の材料を用いてめっき方式やワイヤボンド方式により形成される。
また、半導体集積回路素子を配線基板へ実装する方法として、半田を用いない実装法も種々提案され、実用化されている。
このような方法の例を図14に示す。半導体集積回路素子1は上記と同様に形成したものを用いることができる。この半導体集積回路素子1の電極端子3の上には、バンプ4が形成されている。配線基板5も同様であり、基材6の表面に配線パターン7が形成され、この配線パターン7の所定位置に接続端子8が形成されている。実装方法は、以下のように行う。半導体集積回路素子1のバンプ4と配線基板5の接続端子8との間に異方性導電性フィルム13を挟んで位置合わせして、熱圧着すれば機械的および電気的な接続が行える。なお、異方性導電性フィルム13は、接着用樹脂12中に導電粒子11が分散されており、図14に示すようにバンプ4と接続端子8との隙間では導電粒子11により電気的な接続が行われる。一方、それ以外の領域では導電粒子11は分散された状態のままであるので電気的な導通は生じない。これにより、必要な箇所については電気的な接続ができ、かつ機械的な接続も可能となる。
ところで一般的に、半導体集積回路素子の実装においては、実装後の検査において半導体集積回路素子または配線基板に不良が発見された場合、リペアが容易に行えることも重要である。
しかしながら、半田による接続方式の場合には、ヒータツールを用いて半導体集積回路素子を加熱することで半田を溶融させ取りはずすことはできるが、同じ箇所に新しい半導体集積回路素子を再度実装するためには、複雑な手作業等が必要となり量産性にかけるという課題がある。
また、熱硬化性接着剤を用いた実装法では、熱硬化性接着剤を溶融させる等により半導体集積回路素子を剥離させることが比較的困難であるため、半導体集積回路素子自体を取りはずすことが容易でない。
これに対して、半導体集積回路素子を実装後に容易にリペア可能な方法が種々提案されている。例えば、半導体集積回路素子の電極に形成されたバンプの表面にバンプより融点の低い半田を形成することで、この半田のみを融解させてリペアする方法が示されている(例えば、特許文献1参照)。
また、バンプが設けられている側の半導体集積回路素子の表面とバンプの接続先端面以外の領域部上とに樹脂皮膜を形成することにより、半導体集積回路素子と配線基板との間に間隙を形成して実装後のリペアを容易にする方法も提案されている(例えば、特許文献2参照)。
さらに、半導体集積回路素子と配線基板との接合に、半田や熱硬化性樹脂等を使用せず、配線基板の表面に磁性を有する微小磁石よりなる接続端子を形成し、半導体集積回路素子上のバンプとして常温で磁力を有する磁性金属または磁性粉を含む金属よりなる磁性材料を用いることによりバンプと接続端子間とを磁力により接合する方法も示されている。この方法は、磁力のみによる接合であるので容易にリペアが可能となる(例えば、特許文献3参照)。
特開平5−36695号公報 特開2000−91375号公報 特開平7−78828号公報
上記第1の例においては、融点の低い半田を溶解させることで従来の半導体集積回路素子の実装法に比べるとリペア性は改善されるが、半田付け方式であることにおいては同じである。リペア後の半導体集積回路素子のバンプ表面には充分な厚みの低融点半田が残存していないことが多い。また、リペアのために低融点半田を溶解させるために配線基板の接続端子表面が荒れることも多い。この方式は従来の方式に比べてリペア性は改善されるが、手作業による表面の清浄化等が必要でありリペアにかかるコストはあまり安くできなかった。
また、樹脂皮膜を形成する第2の例においても、リペアにより半導体集積回路素子自体は容易に取りはずすことが可能となるが、良品の半導体集積回路素子を再度同じ配線基板の接続端子面上に実装する場合には、残存する樹脂皮膜を確実に除去することが必要となり、この除去作業に人手を要するという課題があった。
また、磁力による機械的接合方式である第3の例では、リペアも容易で、かつ再度同じ箇所に良品の半導体集積回路素子を実装することも容易である。しかしながら、接続端子を硬質磁性材料で形成する必要があり、例えば鉄(Fe)−アルミニウム(Al)−ニッケル(Ni)−コバルト(Co)系、サマリウム(Sm)−コバルト(Co)系、あるいはネオジム(Ne)−鉄(Fe)−ホウ素(B)−系の材料を用いるが、これらは比較的酸化されやすい性質を有している。このため、磁性金属であるバンプとこれらの材料からなる接続端子との間に比較的大きな接触抵抗が生じる場合がある。また、これらの硬質磁性材料や磁性金属は比較的硬度が大きいため、わずかな厚みのバラツキによっても接続されない箇所が生じることがある。このため、微小ピッチで、バンプ数の多い半導体集積回路素子に対しては信頼性の高い実装が困難である。
本発明はこれらの課題を解決するものであり、半導体集積回路素子や配線基板等の電子デバイスの接続端子および電極端子の電気的な接続部材としてチオール系有機化合物を用いて、例えばAu−S結合による化学結合を生じさせて電気的な接続を得るものであり、接続後の検査において不良と判断された場合には電子デバイスに損傷を与えることなく接続部を分離し、良品の電子デバイスを同じ箇所に再度容易に実装可能な電子デバイス実装構造体およびその製造方法を得ることを目的とする。
また、本発明の電子デバイス実装構造体の製造方法は、表面層が金(Au)で形成された第1の接続端子が設けられた第1の電子デバイスと、この第1の接続端子と対向する位置に、表面層が金(Au)で形成された第2の接続端子を有する第2の電子デバイスとにおいて、第1の接続端子と第2の接続端子との少なくとも一方の表面に、末端をチオール系官能基で修飾された導電性有機化合物を塗布する工程と、導電性有機化合物が塗布された第1の接続端子と第2の接続端子とを対向させた後、加圧して、第1の接続端子と第2の接続端子の表面層の金(Au)とチオール系官能基の硫黄(S)とによりAu−S結合を生ぜしめ、第1の接続端子と第2の接続端子とをチオール化合物により電気的に接続する工程と、第1の電子デバイスと第2の電子デバイのいずれかが不良の場合には、第1の接続端子と第2の接続端子の間に紫外光を照射して接続をはずし、良品を再度接続する工程とを含む方法からなる。
この方法により、実装工程が比較的低温ででき、かつ第1の電子デバイスまたは第2の電子デバイスあるいは接続部に不良が見つかった場合に容易にリペアができる。つまり、第1の接続端子および第2の接続端子の表面層の金(Au)とチオール化合物の末端に修飾されたチオール系官能基の硫黄(S)とによりAu−S結合を生じるので、強固な接合が可能となる。すなわち、金(Au)とチオール化合物の末端に修飾されたチオール系官能基の硫黄(S)とが安定な自己組織化膜を形成し、接続端子同士が電気的および機械的に接続される。このAu−S結合は、例えば紫外光を照射すると解離させることができるので接続端子間の接続を容易に取りはずすことができる。しかも、取りはずした後の接続端子の表面の残存物も容易に除去でき、接続前の状態と同じようにすることできる。したがって、どちらかが不良であると接続後に判明した場合には、接続端子間に紫外光を照射して取りはずし、良品を再度接続することができる。さらに、表面を金(Au)とすることで、第1の接続端子や第2の接続端子の酸化を防止でき、接続抵抗を小さく、かつ安定化できる。
また、第1の接続端子と第2の接続端子のいずれか一方に突起電極を形成する工程をさらに含む方法でもよい。この方法により、第1の接続端子と第2の接続端子との端子数が多くても、比較的小さな加圧力で近接するので、チオール化合物が第1の接続端子や第2の接続端子と結合を生じやすくなり、加圧装置等の構成を簡略にできる。また、接続するための領域部に凹凸がある場合でも接続不良を生じずに電子デバイス実装構造体を製造することができる。
また、本発明の電子デバイス実装構造体の製造方法は、第1の接続端子が設けられた第1の電子デバイスに対して、この第1の接続端子と対向する位置に第2の接続端子を有する第2の電子デバイスを形成する工程と、少なくとも表面が導電性を有する電極体の表面にチオール化合物を被覆する工程と、この電極体を第1の接続端子と第2の接続端子との間に配置した後、加圧して、第1の接続端子と第2の接続端子とを電極体の表面に被覆されたチオール化合物により電極体を介して電気的に接続する工程とを含む方法からなる。
この方法により、例えばボールグリッドアレイ(BGA)等の電子デバイス実装構造体に対してもリペア性が良好で、簡略な製造工程で製造することができる。
また、上記の第1の接続端子および第2の接続端子を形成する工程において、第1の接続端子および第2の接続端子の少なくとも表面に金(Au)からなる膜を形成し、電極体の表面に被覆されたチオール化合物の末端に修飾されたチオール系官能基の硫黄(S)と金(Au)とのAu−S結合により第1の接続端子と第2の接続端子とを電極体を介して機械的および電気的に接続する方法としてもよい。
この方法により、金(Au)とチオール化合物の末端に修飾されたチオール系官能基の硫黄(S)とが安定な自己組織化膜を形成するので、室温状態で、かつ小さな加圧力を加えるだけで機械的および電気的に接続できる。また、接続端子の表面酸化も防止できるので、高信頼性の電子デバイス実装構造体を製造することができる。
また、上記の第1の接続端子と第2の接続端子とをチオール化合物により電極体を介して電気的に接続する工程後、電気的検査を行う工程と、電気的検査により良品と判断された場合には、チオール化合物が被覆された電極体、第1の接続端子および第2の接続端子に隣接する空間領域部に絶縁性接着剤を充填する工程とをさらに付加する方法としてもよい。
この方法により、第1の電子デバイスと第2の電子デバイスおよび接続部を含めて電気的に良品と判断された場合に、第1の電子デバイスと第2の電子デバイスとを絶縁性接着剤で接続するので接続強度が大きくなり、さらに高信頼性の電子デバイス実装構造体を作製できる。なお、電気的に不良と判断した場合には、リペアを行えばよい。
また、本発明の電子デバイス実装構造体は、第1の接続端子が設けられた第1の電子デバイスに対して、第1の接続端子と対向する位置に第2の接続端子を有する第2の電子デバイスが形成され、少なくとも表面が導電性を有する電極体の表面に、末端をチオール系官能基で修飾された導電性有機化合物が被覆され、電極体が第1の接続端子と第2の接続端子との間に配置され、加圧されることにより、第1の接続端子と第2の接続端子とが電極体の表面に被覆された導電性有機化合物により電極体を介して電気的に接続された構成からなる。
この構成により、例えばボールグリッドアレイ(BGA)等の電子デバイス実装構造体に対してもリペア性が良好となる。
また、本発明の電子デバイス実装構造体は、上記構成において、第1の接続端子および第2の接続端子の少なくとも表面に金(Au)からなる膜が形成され、電極体の表面に被覆された導電性有機化合物の末端のチオール系官能基の硫黄(S)と金(Au)とのAu−S結合により第1の接続端子と第2の接続端子とが、電極体を介して機械的および電気的に接続された構成としても良い。
この構成により、金(Au)とチオール化合物の末端に修飾されたチオール系官能基の硫黄(S)とが安定な自己組織化膜を形成するので、室温状態で、かつ小さな加圧力を加えるだけで機械的および電気的に接続できる。また、接続端子の表面酸化も防止できるので、高信頼性の電子デバイス実装構造体を得ることができる。
さらに、本発明の電子デバイス実装構造体は、上記構成において、第1の接続端子と第2の接続端子とが導電性有機化合物により電極体を介して電気的に接続され、電気的検査により良品と判断された場合には、導電性有機化合物が被覆された電極体、第1の接続端子および第2の接続端子に隣接する空間領域部に絶縁性接着剤が充填される構成としても良い。
この構成により、第1の電子デバイスと第2の電子デバイスおよび接続部を含めて電気的に良品と判断された場合に、第1の電子デバイスと第2の電子デバイスとが絶縁性接着剤で接続されるので接続強度が大きくなり、さらに高信頼性の電子デバイス実装構造体が得られる。なお、電気的に不良と判断される場合には、リペアが可能である。
このように本発明は、電子デバイスの表面に形成されている金(Au)等の金属よりなる電極端子や接続端子とチオール化合物とで自己組織化膜を形成させて電気的な接続を行うので、室温での接続が可能で、電気的接続信頼性に優れ、かつ実装工程後の電気的検査で不良と判定された場合には容易にリペアすることができる。この場合、大気中または酸素雰囲気中にて紫外線照射後、水洗のみで容易に取りはずすことが可能であり、リペア工程が簡略となる。しかも、電子デバイスにダメージを与えることがなく、また環境に有害な溶剤を使用する必要もないので、環境にやさしく、低コストで実装可能となり、半導体素子を含めた実装、接続分野で大きな効果を奏する。
つぎに、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下で説明する図面では、同じ構成要素については同じ符号を付しており、説明を省略する場合がある。
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1にかかる電子デバイス実装構造体10の実装部の構造を示す断面図である。本実施の形態においては、第1の電子デバイス20として半導体集積回路素子(以下、半導体素子とよぶ)を用い、第2の電子デバイス30として配線基板を用いる組み合わせとした。以下、第1の電子デバイスを半導体素子20とよび、第2の電子デバイスを配線基板30とよぶ。
半導体素子20は、単結晶シリコンチップ22の表面に種々の回路が形成されており、この回路から外部に接続するための第1の接続端子24と、この第1の接続端子24上に突起電極であるバンプ26が形成されている。配線基板30は、内層配線等が形成されている基材32の表面に配線パターン34が形成され、この配線パターン34上で、バンプ26と対向する位置に第2の接続端子36が形成されている。本実施の形態では、バンプ26と第2の接続端子36とは、それぞれ金(Au)により形成されている。
このバンプ26と第2の接続端子36との間に、チオール化合物40があり、このチオール化合物40を構成する硫黄(S)と金(Au)とがAu−S結合を生じて、バンプ26と第2の接続端子36とが機械的および電気的に接続されている。なお、チオール化合物40としては、チオールやジスルフィド類、アミンタイプまたはカルボキシルタイプのアルキルチオール類を用いることができる。
つぎに、本実施の形態にかかる電子デバイス実装構造体10の製造方法について図2を用いて説明する。図2は、本実施の形態にかかる電子デバイス実装構造体10の主要な製造工程を説明するための断面図である。
まず、図2(a)に示すように、半導体素子20の第1の接続端子24上に突起電極であるバンプ26を形成する。このバンプ26は、例えば金めっきによる方法や金線を用いてスタッドバンプ方式で形成する方法等を用いることができる。
つぎに、図2(b)に示すように、チオール化合物をエタノール溶液中に溶解した液がバンプ26と同じ程度の厚みになるようにした溶液皿45に半導体素子20のバンプ26形成面を下方にして浸漬する。このとき、バンプ26の高さと液の高さとが同じ程度になるように調節されているので、液はバンプ26の表面にのみ選択的に接触する。この結果、バンプ26の表面全体にのみ液が付着する。その後、エタノール溶液が蒸発するとチオール化合物40がバンプ26の表面を覆い、かつ構成成分である硫黄(S)とバンプ26の金(Au)との間でAu−S結合を生じる。
なお、チオール化合物40を付着させる方法として、分子の末端にそれぞれチオールを有するアルカンチオール化合物またはジチオールペンタフェン等を用いて化学気相成長(CVD)方式や蒸着方式により形成することもできる。この場合には、バンプ26の表面部分以外にはあらかじめマスクを用いてチオール化合物40が付着しないようにすることが望ましい。さらに、描画方式やインクジェット方式等でもバンプ26の表面に付着させることができる。なお、バンプ26の表面にチオール化合物40を付着させる前処理として、バンプ26を硫酸と過酸化水素水との混合液および純水による洗浄を行うことが好ましい。
一方、配線基板30には、配線パターン34上で、かつバンプ26に対向する位置に第2の接続端子36を形成する。本実施の形態では、この第2の接続端子36も金(Au)薄膜としている。この作製は、例えばめっき方式やスパッタリングあるいは蒸着方式等、一般的な配線基板の端子形成技術を用いて形成すればよい。
図2(c)に示すように、半導体素子20のバンプ26と配線基板30の第2の接続端子36とが対向するように位置合わせを行う。なお、配線基板30の第2の接続端子36の表面については、位置合わせの前にあらかじめプラズマ洗浄と紫外線(UV)照射による洗浄等、有機物等の汚れを除去する一般的な洗浄処理をすることが望ましい。
位置合わせをした後、図2(d)に示すように、半導体素子20を加重Fで加圧すると、バンプ26は第2の接続端子36に一部が接触するか、または非常に近接する。この加圧力により、バンプ26上のチオール化合物40が第2の接続端子36の表面に近接すると、第2の接続端子36の金(Au)と硫黄(S)との間でAu−S結合を生じる。この結果、半導体素子20のバンプ26とチオール化合物40との間でAu−S結合をし、また配線基板30の第2の接続端子36とチオール化合物40との間でもAu−S結合を生じるので、半導体素子20と配線基板30とはチオール化合物40を介して機械的および電気的な接続がなされる。
このような結合の模式図を図3に示す。図3は、バンプ26と第2の接続端子36との近傍領域を拡大して示した断面模式図である。バンプ26の金(Au)とチオール化合物40とがAu−S結合を生じ、第2の接続端子36とチオール化合物40ともAu−S結合を生じ、結果としてバンプ26と第2の接続端子36とがチオール化合物40を介して機械的および電気的に接続される。
このチオール化合物40について、以下説明する。分子両端末にチオール基を有するアミノ型ジチオールまたはカルボキシル基型ジチオール等のアルカンチオール誘導体を、脱水したエタノール等のアルコール溶液に溶解し、この溶液中にバンプ26を浸漬してバンプ26の表面にチオール化合物40を付着させた。このとき、チオール化合物40は、自己組織化的にバンプ26の表面に単分子膜を形成する。
このように、バンプ26の表面にAu−S結合を形成できるチオール化合物40としては、(化1)〜(化3)で示すようなポリチオフェン誘導体および(化4)に示すヘテロアロマティック導電性高分子を用いることができる。これらの高分子材料の場合も、自己組織化的に単分子膜を形成し、Au−S結合により接続端子同士を機械的および電気的に接続させることができる
Figure 0004293030
Figure 0004293030
Figure 0004293030
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これらを用いた場合、Au−S結合の結合エネルギーは約40kcalであり、接続に必要な機械的な強度を得ることができる。一方、Au−S結合を解離させるときには、大気中で紫外線を一定条件下において照射することによりチオレートがスルフォネートに変化し、このスルフォネートは水やエタノールで容易に洗い流すことができる。したがって各種の電子デバイス同士をAu−S結合により実装体を形成した後、いずれかの電子デバイスに不良が発見された場合、Au−S結合を解離することが容易にできる。したがって、それぞれの電子デバイスや接続端子に損傷を与えることなくリペアすることが可能となる。
なお、このチオール化合物40と金(Au)との結合は、下記のような反応により生じることが推定されている。
R−SH + Au → R−S−Au + 1/2H2
このAu−S結合は、大気中または酸素雰囲気下において一定エネルギーの紫外線を照射することによって解離させることができる。この解離は下記のような反応により生じると推定されている。
Au−S + O3 → Au+ SO3
このような解離反応で生成するスルフォネート(SO3 )は水溶性であるため、第2の接続端子36の表面や半導体素子20のバンプ26にダメージを与えることなく、配線基板30から半導体素子20を容易に取りはずすことができる。実装後にAu−S結合部に紫外線を照射する場合、配線基板30がガラス基板や石英基板等のように紫外線を透過させる基板であれば、裏面から紫外線を照射しながら半導体素子20を剥離していけばよい。また、配線基板30が不透明な基板の場合には、配線基板30と半導体素子20との隙間から紫外線を照射しながら半導体素子20を剥離していけば、損傷なく剥がすことができる。
なお、本実施の形態では、チオール基(−SH)を有するチオール化合物を用いる場合について説明したが、ジスルフィド基(−SS−)やスルフィド基(−S−)を有する有機導電性化合物を用いてもよい。さらに、チオール基を両端に備えた単分子の中間にベンゼンとチオフェンとが交互に連なったn量体等であってもよい。
また、本実施の形態では、図3に模式的に示すようにバンプ26と第2の接続端子36とは直接的に接触していないが、本発明はこれに限定されない。例えば、図4に示すように、バンプ26の表面に微細な凹凸をあらかじめ設けておいてもよい。図4は、バンプ26と第2の接続端子36との近傍領域を拡大して示した断面模式図である。バンプ26の表面に微細な凹凸を設けておき、この状態でチオール化合物40をバンプ26の表面に付着させ、配線基板30に対して加圧していくと図示するように、バンプ26の凹凸領域の凸部261が第2の接続端子36と直接接触してチオール化合物40も第2の接続端子36と近接する。この結果、チオール化合物40と第2の接続端子36の表面層の金(Au)とがAu−S結合を生じて機械的および電気的な接続が行われるだけでなく、バンプ26と第2の接続端子36との直接的な接触による電気的導通も生じる。したがって、機械的な接続強度を維持しながら、導通抵抗をさらに低減することができる。
本発明の電子デバイス実装構造体10は、図1に示す構成において使用することができる。したがって、このような実装構造体の作製後は電気的な検査が可能である。このため、半導体素子20や接続部分を含めた電気的検査および外観検査等を行い、良否判定が可能である。その結果、良品と判断されたものについては、図5に示すようにバンプ26と第2の接続端子36とに隣接する空間領域部に絶縁性接着剤42を充填して、半導体素子20と配線基板30との間をこの絶縁性接着剤42により接着固定してもよい。このように絶縁性接着剤42で接着固定すれば、さらに接続信頼性を向上させることができる。このような絶縁性接着剤42としては、半導体素子の接着固定に使用されているものであれば、特に限定なく使用可能である。ただし、必要に応じて粘度を調節することが要求される場合がある。
以上のように本実施の形態においては、突起電極であるバンプ26を形成後、チオール化合物40をバンプ26の表面に付着させてAu−S結合を生じさせた後、さらにこのバンプ26を配線基板30の第2の接続端子36に近接させて第2の接続端子36との間でもAu−S結合を生じさせることで、電子デバイス実装構造体10を実現している。このため、従来に比べて低温のプロセスで実装が可能で、かつ不良と判別されれば容易にリペアができる。また、良品と判断されれば、絶縁性接着剤42を充填してさらに接着強度を向上させることもできる。
なお、本実施の形態では、半導体素子20には突起電極であるバンプ26を形成したが、本発明はこれに限定されない。半導体素子20の第1の接続端子24および配線基板30の第2の接続端子36の少なくとも一方が隣接する面より突出しておればよい。
(実施の形態2)
図6は、本発明の実施の形態2にかかる電子デバイス実装構造体50の断面構成を模式的に示す図である。本実施の形態では、第1の電子デバイスとしてパッケージされた半導体素子(以下、パッケージICとよぶ)52、第2の電子デバイスとして実施の形態1と同様な配線基板56を用いた場合について説明する。以下では、第1の電子デバイスをパッケージIC52、第2の電子デバイスを配線基板56とよぶ。
本実施の形態のパッケージIC52はボールグリッドアレイ(BGA)タイプであり、一方の表面上に第1の接続端子54が所定の間隔を有して配置されている。配線基板56は、内層配線等が形成されている基材58の表面に配線パターン60が形成され、この配線パターン60上で、かつ第1の接続端子54と対向する位置に第2の接続端子62が形成されている。本実施の形態では、第1の接続端子54と第2の接続端子62とは、それぞれ表面層が金(Au)膜により形成されている。
このような第1の接続端子54と第2の接続端子62との間に、チオール化合物66で表面を覆われた電極体64が配設されている。そして、この電極体64の表面のチオール化合物66により、第1の接続端子54と電極体64および第2の接続端子62と電極体64とがそれぞれAu−S結合を生じて、パッケージIC52と配線基板56とは機械的および電気的に接続される。このようにして、本実施の形態の電子デバイス実装構造体50が構成されている。
つぎに、本実施の形態の電子デバイス実装構造体50の製造方法について説明する。
パッケージIC52は、従来の製造方法と同じようにして作製することができる。すなわち、例えばベアチップICとインターポーザとの間をワイヤボンド等により接続して樹脂モールド等を行えば、図6に示すようなパッケージIC52が作製できる。この場合、第1の接続端子54となるインターポーザの電極の表面を金(Au)により作製しておけばよい。なお、図6においては、第1の接続端子54は隣接面より突出した形状としているが、必ずしも突出している必要はない。
また、配線基板56は実施の形態1で説明した配線基板30と同様の方法で作製することができる。本実施の形態の場合には、この配線基板56の第2の接続端子62についても同様に、必ずしも隣接面より突出している必要はない。
図7は、本実施の形態の電子デバイス実装構造体50に用いる電極体64と、この電極体64の表面に付着させたチオール化合物66とを示す図である。図7(a)はその断面図であり、図7(b)は電極体64の金(Au)とチオール化合物66とがAu−S結合を生じている状態を示す模式図である。電極体64としては、表面に金(Au)膜が形成されておれば、内部は樹脂でもよいし、全体が金(Au)からなる球状であってもよい。または、球状ではなく、柱状、多面体形状等、一定の高さを有し、かつ金(Au)や樹脂のように比較的軟質の材料であれば特に制約はない。ただし、チオール化合物66を用いる場合には、表面が金(Au)膜であることが望ましい。
電極体64の表面に形成する方法としては、チオール化合物をエタノール溶液中に溶解した液中に電極体64を所定の時間浸漬後、引き上げて乾燥させればよい。これにより、電極体64の表面にはAu−S結合により強固に結合したチオール化合物66が全表面に一定の厚みで形成される。なお、チオール化合物としては、実施の形態1で説明した材料を用いることができる。
以上のように、パッケージIC52、配線基板56およびチオール化合物66が形成された電極体64を準備した後、配線基板56の第2の接続端子62の表面に電極体64を配置する。この方法としては、電極体64を個別に第2の接続端子62上に配置してもよいし、あらかじめ第2の接続端子62に電極体64を配置するための窪みを形成しておき、この窪み中に電極体64を落とし込むような配置方法でもよく、ボールグリッドアレイ(BGA)を形成するときの金(Au)ボールや半田ボール等を配置する他の方法でもよい。
電極体64を配線基板56の第2の接続端子62の表面上に固定した後、パッケージIC52の第1の接続端子54を電極体64および第2の接続端子62に位置合わせして加圧する。この加圧により電極体64が一部変形して第1の接続端子54と第2の接続端子62とに対して面接触を生じる。これにより、電極体64の表面に形成されているチオール化合物66は、第1の接続端子54および第2の接続端子62に対して非常に近接し、Au−S結合を生じる。この結果、第1の接続端子54と電極体64とがAu−S結合により接合され、かつ第2の接続端子62と電極体64とも同様にAu−S結合により接合される。したがって、パッケージIC52と配線基板56とは電極体64を介して機械的および電気的に接続されることになる。
本発明の実施の形態2にかかる電子デバイス実装構造体50は、図6に示す構成において使用することができる。したがって、このような実装構造体の作製後は電気的な検査が可能である。このため、パッケージIC52や接続部分を含めた電気的検査および外観検査等を行い、良否判定が可能である。その結果、良品と判断されたものについては、図8に示すように電極体64で形成される空間領域部に絶縁性接着剤68を充填して、パッケージIC52と配線基板56との間をこの絶縁性接着剤68により接着固定してもよい。このように絶縁性接着剤68で接着固定すれば、さらに接続信頼性を向上させることができる。このような絶縁性接着剤68としては、半導体素子の接着固定に使用されているものであれば、特に限定なく使用可能である。ただし、必要に応じて粘度を調節することが要求される場合がある。
以上のように本実施の形態においては、電極体64の表面にチオール化合物66を形成して、パッケージIC52の第1の接続端子54と配線基板56の第2の接続端子62の間に電極体64を間挿した後、加圧するのみで機械的および電気的な接続が行える。このため、従来に比べて低温のプロセスで実装が可能で、かつ不良と判別されれば容易にリペアができる。また、良品と判断されれば、絶縁性接着剤68を充填してさらに接着強度を向上させることもできる。
なお、本実施の形態では、チオール化合物は電極体の表面にのみ形成したが、本発明はこれに限定されない。例えば、電極体の表面のみでなく、第1の接続端子および第2の接続端子の少なくとも一方の表面にも形成しておいてもよい。また、電極体は球状の場合について説明したが、第1の接続端子と第2の接続端子とそれぞれ接触する面が平面形状である柱状であってもよい。この場合には、それぞれ接触する面に微細な凹凸を形成しておくと、実施の形態1と同様に電極体が第1の接続端子と第2の接続端子とに対して直接接触させることもできるので、接続抵抗をさらに低減することもできる。
(実施の形態3)
図9は、本発明の実施の形態3にかかる電子デバイス実装構造体70を示す断面図である。本実施の形態では、第1の電子デバイスは高密度に半導体素子や各種電子部品が実装される配線基板71であり、第2の電子デバイスはこの配線基板71に接続するフレキシブル配線基板75として説明する。
配線基板71は、内層配線等が形成された基材72の表面層上に配線パターン73が形成されており、この配線パターン73の所定箇所には金めっきされた第1の接続端子74が形成されている。
なお、配線基板71は、一般に多く使用されているガラスエポキシ樹脂等を用いて作製されたプリント基板でもよいし、シリコンやセラミックあるいはガラス等に配線を形成した構成でもよい。また、この配線基板71には、必ずしも内層配線を形成する必要はなく、目的に応じて一層配線構成、両面配線構成または多層配線構成とすればよい。
一方、第2の電子デバイスであるフレキシブル配線基板75は、ポリイミド等の樹脂基材76上に配線パターン77が形成されており、この配線パターン77にも配線基板71と同様に第2の接続端子78が金めっきにより形成されている。なお、このフレキシブル配線基板75は、上記のようなポリイミドの樹脂基材76上に形成する構成だけでなく、ポリエチレンテレフタレート(PET)等の樹脂基材上に形成する構成でもよい。さらに、図示するような一層配線構成だけでなく、両面配線構成や多層配線構成としてもよい。
本実施の形態の電子デバイス実装構造体70は、配線基板71の第1の接続端子74とフレキシブル配線基板75の第2の接続端子78との間にチオール化合物79があり、このチオール化合物79により第1の接続端子74の金(Au)および第2の接続端子78の金(Au)と、それぞれAu−S結合を生じて機械的および電気的な接続が行われている。チオール化合物79によるAu−S結合については、実施の形態1と実施の形態2とで説明した材料および接合法を用いることができるので説明を省略する。
本実施の形態の場合にも、第1の接続端子74および第2の接続端子78の少なくとも一方の表面に微細な凹凸を設ければ、第1の接続端子74と第2の接続端子78とが一部で直接接触する領域が生じるので接続抵抗をさらに低減できる。
このようにして作製された電子デバイス実装構造体70は、この構成において使用することができる。
さらに、このような実装構造体の作製後に電気的および外観検査を行い、接続部の良否判定をして、良品と判断されたものについては図10に示すように第1の接続端子74と第2の接続端子78の隙間部分に絶縁性接着剤80を充填して、フレキシブル配線基板75と配線基板71との間をこの絶縁性接着剤80により接着固定してもよい。図10(a)は絶縁性接着剤80を塗布した状態を示し、図9に示す断面と同じ方向からみた断面図である。図10(b)は、図10(a)に対して直交する方向からみた断面図である。このように絶縁性接着剤80で接着固定すれば、フレキシブル配線基板75を折り曲げたりしても、接続部分が剥離することもなくなりさらに信頼性を向上させることができる。このような絶縁性接着剤80としては、フレキシブル配線基板を接着固定するために使用されているものであれば、特に限定なく使用可能である。ただし、必要に応じて粘度を調節することが要求される場合がある。
なお、本実施の形態においては、第1の電子デバイスを配線基板とし、第2の電子デバイスをフレキシブル配線基板としたが、本発明はこれに限定されない。例えば、第1の電子デバイスおよび第2の電子デバイスともにフレキシブル配線基板であってもよいし、またプリント基板のようにリジッド基板同士であってもよい。
また、本実施の形態の電子デバイス実装構造体においては、配線基板71の第1の接続端子74とフレキシブル配線基板75の第2の接続端子78との間をチオール化合物79により接続したが、本発明はこれに限定されない。第1の接続端子74または第2の接続端子78のいずれか一方にAuバンプを形成しておいて、このAuバンプ上に形成したチオール化合物により接続してもよい。さらに、第1の接続端子74と第2の接続端子78との間にチオール化合物が表面に形成された金(Au)ボールを用いて接続してもよい。
(実施の形態4)
図11は、実施の形態4にかかる電子デバイス実装構造体90の断面図である。本実施の形態の電子デバイス実装構造体90は、第1の電子デバイスが第1の半導体素子91で、第2の電子デバイスが第2の半導体素子95からなり、第1の半導体素子91上に第2の半導体素子95が実装された、いわゆるチップオンチップ構成を特徴とする。
図11に示すように、第1の半導体素子91は素子が形成されている単結晶シリコンチップ92の外周部と内部の所定領域とに第1の接続端子93が形成されている。内部の所定領域は第2の半導体素子95のAuバンプ98に対応する位置に形成されている。第2の半導体素子95は第1の半導体素子91よりも小さく、第1の半導体素子91と同様に単結晶シリコンチップ96に素子が形成されており、その外周部に第2の接続端子97が形成され、さらにこの第2の接続端子97上に突起電極であるAuバンプ98が形成されている。
さらに、フレキシブル配線基板100は、ポリイミド等の樹脂基材101の表面に配線パターン102が形成されており、この配線パターン102上で第1の接続端子93と対応する位置に第3の接続端子103が形成されている。
本実施の形態では、第1の接続端子93および第3の接続端子103の表面には金(Au)膜が形成されている。これにより、Auバンプ98の表面に付着されたチオール化合物99と第1の接続端子93とがAu−S結合を生じて機械的および電気的に接続されている。また、第1の接続端子93と第3の接続端子103とが、チオール化合物99によりそれぞれAu−S結合を生じて機械的および電気的に接続されている。
以下、本実施の形態の電子デバイス実装構造体90の製造方法について、図12を用いて説明する。図12(a)は第1の半導体素子91上に第2の半導体素子95を接続して、いわゆるチップオンチップ構成とした形状を示す断面図である。また、図12(b)はチップオンチップ構成の半導体素子をフレキシブル配線基板100と接続した構成を示す断面図である。
最初に、第1の半導体素子91の第1の接続端子93の表面に金(Au)膜を形成する。同様に、第2の半導体素子95の第2の接続端子97上にAuバンプ98を形成する。Auバンプ98の形成は、実施の形態1と同様にめっき方式でもワイヤバンプ法でもよい。この後、第2の半導体素子95のAuバンプ98の表面に、例えばエタノール溶液中に溶解した液に浸漬し、乾燥させることでチオール化合物99を付着させる。Auバンプ98の表面への塗布法については、実施の形態1と同様にCVD法やインクジェット方式でも可能である。チオール化合物99は室温状態でもAuバンプ98とAu−S結合を生じて強固に付着する。
チオール化合物99が付着した状態の第2の半導体素子95を第1の半導体素子91の表面に配置し、第1の接続端子93とAuバンプ98とを位置合わせして加圧すると、Auバンプ98が第1の接続端子93と非常に近接する。この結果、Auバンプ98の表面に付着しているチオール化合物99と第1の接続端子93とがAu−S結合を生じる。これにより、第1の半導体素子91と第2の半導体素子95とが機械的および電気的に接続される。
このようにチップオンチップ構成とした状態を図12(a)に示す。この状態では電気的特性の検査が可能となるので、第1の接続端子93にプローブを当てて電気的検査を行う。検査の結果、どちらかの半導体素子が不良の場合にはリペアを行う。このリペア方法については、実施の形態1で説明した方法で行えばよいので説明を省略する。
すべてが良品と判断されると、つぎにフレキシブル配線基板100と第1の半導体素子91とを接続する。この場合には、フレキシブル配線基板100の第3の接続端子103の表面にチオール化合物99を上記と同様な方法によりAu−S結合を生じさせて付着させる。このように表面にチオール化合物99が付着したフレキシブル配線基板100の第3の接続端子103と、第1の半導体素子91の外周部に設けられた第1の接続端子93とを位置合わせする。この位置合わせした状態を図12(b)に示す。位置合わせ後、加圧すると両者が接触する程度に近接し、チオール化合物99が第1の接続端子93の金(Au)とAu−S結合を生じる。これにより、フレキシブル配線基板100と第1の半導体素子91とが機械的および電気的に接続されて、図11に示す電子デバイス実装構造体90が得られる。
本実施の形態では、第1の半導体素子91と第2の半導体素子95との接続においてはAuバンプ98を用いて、この表面にチオール化合物99を付着させて接続したが、本発明はこれに限定されない。例えば、実施の形態2と同様に金(Au)ボールの表面にチオール化合物を付着させて用いてもよい。また、第1の接続端子93と第2の接続端子97のうちの少なくとも一方が突出した形状として、これらの間にチオール化合物を介在させて接続してもよい。
さらに、第1の半導体素子91の第1の接続端子93とフレキシブル配線基板100の第3の接続端子103との接続についても、表面にチオール化合物を付着させた金(Au)ボールを用いて行ってもよい。
また、本実施の形態においても、第1の半導体素子91とフレキシブル配線基板100との接続を完了後、電気的検査で良品と判断された場合には、第1の半導体素子91と第2の半導体素子95との接続部の隙間に絶縁性接着剤を充填して、両者をこの絶縁性接着剤により接着固定し、かつ第1の半導体素子91とフレキシブル配線基板100との接続部の隙間にも同様に絶縁性接着剤を充填して接着固定してもよい。このように接着固定すれば、この電子デバイス実装構造体が衝撃等を受けても接続部がはずれる等の不良が生じにくくなり、さらに信頼性を向上できる。
なお、第1の半導体素子91と第2の半導体素子95とを接続して電気的検査を行った後に絶縁性接着剤を充填して接着固定し、その後、第1の半導体素子91とフレキシブル配線基板100との接続を行ってもよい。電気的検査と絶縁性接着剤により接着固定とは、半導体素子の回路規模等に応じて最適な工程で行えばよい。
また、本実施の形態ではフレキシブル配線基板を用いたが、これに限定されることはない。少なくとも第2の半導体素子が障害とならないように開口部が設けられてあれば、TAB実装方式に用いられるフィルムキャリアでもよいし、リジッドな配線基板であってもよい。
なお、本発明は実施の形態1から実施の形態4までに説明した構成に限定されることはない。例えば、第1の電子デバイスとして液晶パネルやELパネルを用い、第2の電子デバイスとしてこれらを駆動または制御するドライバICや制御ICとしてもよい。液晶パネル等を用いる場合には、リペア時に背面から紫外線を照射することもできるので、より効率的にリペアが可能となる。
さらに、実施の形態1から実施の形態4までにおいては、接続端子の表面には金(Au)膜を形成した例について説明したが、本発明はこれに限定されない。銀(Ag)、銅(Cu)、パラジウム(Pd)、ロジウム(Rh)、ニッケル(Ni)、イリジウム(Ir)、ルテニウム(Ru)等の金属材料を用いても、同様な接続が可能である。また、半導体素子として、単結晶シリコンチップを用いた場合について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、SOI基板、GaAs基板、SiC基板等を用いたチップであってもよい。
このように本発明の電子デバイス実装構造体は、第1の電子デバイスに設けられた第1の接続端子と、第2の電子デバイスに設けられた第2の接続端子とがチオール系官能基で修飾された導電性有機化合物により電気的に接続された構成からなり、安価な設備で、リペアも容易な接続構造体を実現できる。これにより半導体集積回路素子等の表面実装部品や配線基板等の電子デバイスの接続端子間の電気的接続を行う分野で有用である。
本発明の実施の形態1にかかる電子デバイス実装構造体の実装部の構造を示す断面図 同実施の形態にかかる電子デバイス実装構造体の主要な製造工程を説明するための断面図 同実施の形態にかかる電子デバイス実装構造体のバンプと第2の接続端子との近傍領域を拡大して示した断面模式図 同実施の形態にかかる電子デバイス実装構造体のバンプに微細な凹凸を設けて接続する構成を示す断面模式図 同実施の形態にかかる電子デバイス実装構造体において、絶縁性接着剤を充填して接着固定した構成を示す断面図 本発明の実施の形態2にかかる電子デバイス実装構造体の断面構成を模式的に示す図 同実施の形態にかかる電子デバイス実装構造体に用いる電極体と、この電極体の表面に付着させたチオール化合物とを示す図 同実施の形態にかかる電子デバイス実装構造体において、絶縁性接着剤を充填して接着固定した構成を示す断面図 本発明の実施の形態3にかかる電子デバイス実装構造体を示す断面図 同実施の形態にかかる電子デバイス実装構造体において、絶縁性接着剤を充填して接着固定した構成を示す断面図 本発明の実施の形態4にかかる電子デバイス実装構造体を示す断面図 同実施の形態にかかる電子デバイス実装構造体の製造方法を説明するための断面図 半導体集積回路素子をフリップチップ実装方式により配線基板に実装する従来構成を示す断面図 半導体集積回路素子を異方性導電性フィルムを用いて配線基板に実装する従来構成を示す断面図
符号の説明
1 半導体集積回路素子
2,22,92,96 単結晶シリコンチップ
3 電極端子
4,26 バンプ
5,30,56,71 配線基板(第2の電子デバイス)
6,32,58,72 基材
7,34,60,73,77,102 配線パターン
8 接続端子
9 半田
10,50,70,90 電子デバイス実装構造体
11 導電粒子
12 接着用樹脂
13 異方性導電性フィルム
20 半導体素子(第1の電子デバイス)
24,54,74,93 第1の接続端子
36,62,78,97 第2の接続端子
40,66,79,99 チオール化合物
42,68,80 絶縁性接着剤
45 溶液皿
52 パッケージIC
64 電極体
75,100 フレキシブル配線基板
76,101 樹脂基材
91 第1の半導体素子
95 第2の半導体素子
98 Auバンプ
103 第3の接続端子
261 凸部

Claims (8)

  1. 第1の接続端子が設けられた第1の電子デバイスに対して、前記第1の接続端子と対向する位置に第2の接続端子を有する第2の電子デバイスを形成する工程と、
    少なくとも表面が導電性を有する電極体の表面に、末端をチオール系官能基で修飾された導電性有機化合物を被覆する工程と、
    前記電極体を前記第1の接続端子と前記第2の接続端子との間に配置した後、加圧して、前記第1の接続端子と前記第2の接続端子とを前記電極体の表面に被覆された前記導電性有機化合物により前記電極体を介して電気的に接続する工程とを含むことを特徴とする電子デバイス実装構造体の製造方法。
  2. 前記第1の接続端子および前記第2の接続端子を形成する工程において、前記第1の接続端子および前記第2の接続端子の少なくとも表面に金(Au)からなる膜を形成し、前記電極体の表面に被覆された前記導電性有機化合物の末端のチオール系官能基の硫黄(S)と金(Au)とのAu−S結合により前記第1の接続端子と前記第2の接続端子とを、前記電極体を介して機械的および電気的に接続することを特徴とする請求項1に記載の電子デバイス実装構造体の製造方法。
  3. 前記第1の接続端子と前記第2の接続端子とを前記導電性有機化合物により前記電極体を介して電気的に接続する工程後、
    電気的検査を行う工程と、
    前記電気的検査により良品と判断された場合には、前記導電性有機化合物が被覆された前記電極体、前記第1の接続端子および前記第2の接続端子に隣接する空間領域部に絶縁性接着剤を充填する工程とをさらに有することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の電子デバイス実装構造体の製造方法。
  4. 表面層が金(Au)で形成された第1の接続端子が設けられた第1の電子デバイスと、前記第1の接続端子と対向する位置に、表面層が金(Au)で形成された第2の接続端子を有する第2の電子デバイスとにおいて、前記第1の接続端子と前記第2の接続端子との少なくとも一方の表面に、末端をチオール系官能基で修飾された導電性有機化合物を塗布する工程と、
    前記導電性有機化合物が塗布された前記第1の接続端子と前記第2の接続端子とを対向させた後、加圧して、前記第1の接続端子と前記第2の接続端子の表面層の金(Au)と前記チオール系官能基の硫黄(S)とによりAu−S結合を生ぜしめ、前記第1の接続端子と前記第2の接続端子とを前記導電性有機化合物により電気的に接続する工程と、
    前記第1の電子デバイスと前記第2の電子デバイのいずれかが不良の場合には、前記第1の接続端子と前記第2の接続端子の間に紫外光を照射して接続をはずし、良品を再度接続する工程とを含むことを特徴とする電子デバイス実装構造体の製造方法。
  5. 前記第1の接続端子と前記第2の接続端子のいずれか一方に突起電極を形成する工程をさらに含むことを特徴とする請求項4に記載の電子デバイス実装構造体の製造方法。
  6. 第1の接続端子が設けられた第1の電子デバイスに対して、前記第1の接続端子と対向する位置に第2の接続端子を有する第2の電子デバイスが形成され、
    少なくとも表面が導電性を有する電極体の表面に、末端をチオール系官能基で修飾された導電性有機化合物が被覆され、
    前記電極体が前記第1の接続端子と前記第2の接続端子との間に配置され、加圧されることにより、前記第1の接続端子と前記第2の接続端子とが前記電極体の表面に被覆された前記導電性有機化合物により前記電極体を介して電気的に接続されたことを特徴とする電子デバイス実装構造体。
  7. 前記第1の接続端子および前記第2の接続端子の少なくとも表面に金(Au)からなる膜が形成され、前記電極体の表面に被覆された前記導電性有機化合物の末端のチオール系官能基の硫黄(S)と金(Au)とのAu−S結合により前記第1の接続端子と前記第2の接続端子とが、前記電極体を介して機械的および電気的に接続されたことを特徴とする請求項1に記載の電子デバイス実装構造体。
  8. 前記第1の接続端子と前記第2の接続端子とが前記導電性有機化合物により前記電極体を介して電気的に接続され、
    電気的検査により良品と判断された場合には、前記導電性有機化合物が被覆された前記電極体、前記第1の接続端子および前記第2の接続端子に隣接する空間領域部に絶縁性接着剤が充填されることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の電子デバイス実装構造体。
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