JP4672576B2 - 電子デバイス及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は電子デバイス及びその製造方法に関するものであり、特に、フリップチップ型半導体装置等のＬＳＩチップを回路基板に接続する際の接続導体構成に特徴のある電子デバイス及びその製造方法に関するものである。

近年、半導体素子の高速・高性能化に伴い、ダイサイズの大型化、チップ厚さの薄型化、絶縁材料のＬｏｗ−ｋ（低誘電率）化が進んでいる。
このようなＬＳＩチップは基板の応力によって反りやすく、ＬＳＩチップ内の多層配線の絶縁層も機械強度が弱くなってきている。

このようなＬＳＩチップを実装する際に、ＬＳＩチップと実装回路基板の熱膨張率ミスマッチに起因する応力によって、はんだ接合部やチップ内に不具合が生じてしまう。
特に、近年の鉛フリーはんだ化によって、リフロー温度が上昇し、よりＬＳＩチップと実装回路基板の熱膨張率差による応力の発生が大きくなってきている。

従来、この種の半導体装置の接続構造は、ＬＳＩチップの電極にバンプを形成し、バンプを実装回路基板の電極にはんだ材料あるいは導電性樹脂により電気的に接合し、ＬＳＩチップと実装回路基板とが作る間隙に有機高分子材料をアンダーフィル材料として充填した構成を有している。

また、バンプの先端に導電性の樹脂を転写して、ＬＳＩチップと実装回路基板とを電気的にバンプ及び導電性の樹脂で接着接合を取るという構成もあり、いずれにしても、上述の様に、ＬＳＩチップと実装回路基板の電気的接合には、はんだ、導電性接着剤または異方導電樹脂接着剤が用いられていた。
また、低温で接合して応力の発生を低減させる技術として、低温はんだや導電性接着剤が挙げられる。

さらに低温で接合する方法として、液体金属を用いる方法も提案されており、例えば、電極上にＩｎ、Ｓｎ、Ｐｂのいずれかを主成分とする金属を形成し、当接されたＧａを主成分とする金属とＩｎ、Ｓｎ、Ｐｂのいずれかを主成分とする金属との両者が常温にて合金を形成し液体とすることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

或いは、ＬＳＩチップと実装回路基板との接続に粘土状のＨｇアマルガムを使用し、膨張率の異なる実装回路基板との接続部の信頼性を向上させること（例えば、特許文献２参照）や、配線層同士を接続する際に、ビアに液体ガリウムと銅粉末、又は液体ガリウムとニッケル粉末から成るアマルガムを用いて接続すること（例えば、特許文献３参照）が提案されている。
特開平０７−１３０７９３号公報 特開平０８−０４５９８７号公報 特開平０６−２６０５９４号公報

しかし、上述の半導体装置の接合方法の問題点としては、はんだ材料を用いると、例えば、錫鉛系や金錫系の材料では、融点が高く、接合時、モジュールに発生する応力が大きいことが挙げられる。

また、Ｈｇアマルガムとしては、例えばスズと水銀、銀スズと水銀または銀銅と銀スズと水銀等で構成されるが、このようなＨｇアマルガムを構成する水銀は人体に大変有害であるという問題がある。

また、最近、ＬＳＩの多層配線層にＬｏｗ−ｋタイプの絶縁材料が適用されているが、このようなＬｏｗ−ｋタイプの絶縁材料はこれまでの材料に比較して低弾性率であり、機械強度も劣ってしまう。
特に、実装ストレスなどが印加されると、Ｌｏｗ−ｋ材料と従来絶縁材料界面で剥離してしまう場合がある。

また、マルチコアによるダイサイズの大型化も進むため、ＬＳＩチップを実装回路基板に接合するには、より低応力な実装を行う必要があるが、実装時に発生する応力は、主に、はんだ接合の際に、例えば２６０℃まで加熱して冷却する際のＬＳＩチップと実装回路基板の熱膨張率差に起因しており、接合部に応力が集中するため、その近傍で材料強度の弱いＬｏｗ−ｋ材料周りで不具合が生じてしまうという問題がある。

このような問題を解決して低応力で実装するためには、
ａ．実装回路基板の熱膨張係数をＬＳＩチップの熱膨張率に近似させる
ｂ．実装回路基板の弾性率を小さくする
ｃ．はんだ接合温度を低下させる
等が考えられる。

本発明は、接合温度を低温にして、熱膨張差で発生する応力を低減することを目的とする。

図１は本発明の原理的構成図であり、ここで図１を参照して、本発明における課題を解決するための手段を説明する。
図１参照
上記課題を解決するために、本発明は、電子デバイスにおいて、電子デバイス部品１に設けた電極２と実装基板３に設けた電極４との間を、Ｇａ合金６中に１００℃以下でＧａと合金化反応する金属粒子７が分散した導体５で接合されていることを特徴とする。
なお、電子デバイス部品１に設けた電極２とはパッドも含むものである。

このように、Ｇａ合金６中に１００℃以下でＧａと合金化反応する金属粒子７が分散した導体５を用いることにより、１００℃以下の低温、より好適には３０℃以下の低温での接合が可能になり、熱膨張差で発生する応力が低減される。
この場合、分散した金属粒子７の周囲は固体化したＧａ合金となり、酸化しやすいＧａが単体で存在しないので、酸化による接合部の腐食による断線等が発生することがない。

また、Ｇａ合金６は、Ｇａを主成分とするとともに、Ｇａ以外に、Ｉｎ，Ａｇ，Ｓｎ，Ｚｎ，Ｐｄ，Ｃｕのいずれか１つ以上の金属元素を含むものであれば良く、それによって、１００℃以下の合金化反応により最終的には固体の導体５が得られる。

また、金属粒子７としては、電子デバイス部品１に設けた電極２或いは実装基板３に設けた電極４のサイズ及び両者の間隙を微少にして集積度を向上するために、直径が１０μｍ以下の粒子とすることが望ましい。

また、金属粒子７としては、電気電導度及びコストを考慮するならば、Ｃｕ粒子或いはＣｕ合金粒子のいずれかが好適である。
このような材料系を用いることによって、Ｈｇフリー或いはＰｂフリーでの低温接合が可能になる。

また、電子デバイス部品１と実装基板３とを接合する際には、電子デバイス部品１に設けた電極２と実装基板３に設けた電極４の少なくとも一方にＧａを含む液体金属と１００℃以下でＧａと合金化反応する金属粒子７とを、金属粒子７の残部が分散された状態でＧａ合金６として固体化する混合比で混合した混合体を設け、１００℃以下、より好適にはＧａの融点である３０℃以下で接合すれば良い。

このように、Ｇａを含む液体金属と１００℃以下でＧａと合金化反応する金属粒子７との混合体を用いることによって、１００℃以下で金属粒子７の表面と合金化が生じて最初は液体状となるが、最終的には金属粒子７の残部が分散された状態でＧａ合金として固体化するもので、低温で酸化による腐食が発生しない安定な接合が可能になる。

この場合、Ｇａを含む液体金属に混合する金属粒子７をＣｕ粒子或いはＣｕ合金粒子とした場合には、金属粒子７の表面の酸化を防止するためにその表面をＡｕ或いはＡｇからなる酸化防止用金属膜でコーティングすることが望ましい。
なお、金属粒子７の表面が酸化されていると、Ｇａを含む液体金属に対する濡れ性が低くなり合金化反応が生じにくくなる。

また混合体を設ける方法としては、上記実装基板３に設けた電極４上にスクリーン印刷法により形成しても良いし、或いは、電子デバイスに設けた電極２上に転写法により形成しても良い。

本発明によれば、接合時の熱ストレスによるモジュールのダメージが無く、アセンブリ時のモジュールの故障を無くすることができ、ひいては、耐熱性の乏しい絶縁樹脂材料を用いることも可能になり、さらに、モジュール全体をＨｇフリー化，Ｐｂフリー化することができるため、鉛汚染等の地球環境問題を解決することができる。

本発明は、ＬＳＩチップ等の電子デバイス部品に設けたＮｉ等からなる電極上に、Ａｕ、Ｃｕ、はんだ、或いは、ＰｔＰｄ等からなるバンプを設けるとともに、パッケージ基板等の実装基板に設けた表面層がＡｕ，Ｎｉ，Ｃｕ等からなる電極の少なくとも一方に、固化する前のＧａを含む液体金属とＡｇコートＣｕ粒子等の金属粒子の混合体をスクリーン印刷、メタルマスク等によるスキージング、或いは、転写法によって一方の電極に供給し、１００℃以下、より好適は、常温（２５℃）で接合するものである。
この接合時に、混合体は、当初ペースト状であるが、時間経過とともに拡散が進行して固相が生成され、反応終了時にはＧａ合金からなる固体となる。

この場合のＧａを含む液体金属と金属粒子の組成は表１に示す通りであり、また、固化後における接合層の金属材料組成は表２に示す通りである。

なお、液体金属には、その他にＡｇ，Ｚｎ，Ｐｄ，Ｃｕを含んでも良いものであり、また、金属粒子としては、Ａｇコートに代えてＡｕコートを施しても良く、いずれにしてもＣｕ粒子の酸化を防止する機能があれば良く、また、Ｃｕ粒子の代わりにＣｕ・Ａｇ合金粒子等のＣｕ合金粒子やＡｇ粒子を用いても良いものである。

ここで、図２を参照して、本発明の実施例１の半導体装置の実装方法を説明する。
図２参照
まず、パッケージ基板１１に設けた表面層が例えばＡｕからなる基板電極１２上に、例えば、スクリーン印刷法によりメタル厚が３０〜５０μｍのメタルマスクスクリーンを用いてＧａ合金複合材料を印刷して接合層１３を形成する。

この場合のＧａ合金複合材料は、例えば、Ｇａ１００％の液体金属１４に直径が５μｍのＣｕ粒子１６の表面に厚さが例えば１μｍのＡｇコート層１７を無電解メッキした金属粒子１５を液体金属１４に対して４８重量％混練させてペースト状になったものを用いる。

次いで、チップボンダーを用いてＬＳＩチップ２１に設けた例えば、Ｎｉからなるチップ電極２２を基板電極１２に対向させて位置合わせを行ってパッケージ基板１１上に搭載し、例えば、３０℃において電極当たり約１ｇで加圧して接合する。

接合当初は接合層１３はペースト状であるが、時間経過とともに拡散が進行して固相が生成され、反応終了時にはＧａ−Ａｇ−Ｃｕ合金１９に表面の一部が溶けだしたＣｕ粒子２０が分散された固体接合層１８となる。

このように、本発明の実施例１においては室温近傍で接合するため、熱膨張率差に起因する応力の発生を防ぐことができ、それによって、基板の反りや剥離を防止することができる。

また、接合層は最終的には液相ではなく固体になるので強固な接合が可能になるとともに、酸化されやすいＧａが単体ではなく合金の形で固化するので酸化による腐食が進行して断線等が発生することがない。
また、従来のＨｇ系アマルガムやＰｂ系はんだを使用していないので、耐環境性にも優れたものとなる。

次に、図３を参照して、本発明の実施例２の半導体装置の実装方法を説明する。
図３参照
まず、パッケージ基板１１に設けた表面層が例えばＡｕからなる基板電極１２上に、例えば、メタル厚が３０〜５０μｍのメタルマスクを用いたスキージングによりＧａ合金複合材料を印刷して接合層３１を形成する。

この場合のＧａ合金複合材料は、例えば、Ｇａ９０重量％とＳｎ１０重量％からなる液体金属３２に直径が２μｍのＣｕ粒子３４の表面に厚さが例えば１μｍのＡｕコート層３５を無電解メッキした金属粒子３３を液体金属３２に対して４０重量％混練させてペースト状になったものを用いる。
なお、ＧａにＳｎを含ませることによって、液体金属３２の融点が低下して室温で液体状になる。

次いで、チップボンダーを用いてＬＳＩチップ２１に設けた例えば、金パラジウムからなるチップ電極２２を基板電極１２に対向させて位置合わせを行ってパッケージ基板１１上に搭載し、例えば、室温（２５℃）において電極当たり約１ｇで加圧して接合する。

この場合も、接合当初は接合層３１はペースト状であるが、時間経過とともに拡散が進行して固相が生成され、反応終了時にはＧａ−Ｓｎ−Ａｕ−Ｃｕ合金３７に表面の一部が溶けだしたＣｕ粒子３８が分散された固体接合層３６となる。

このように、本発明の実施例２においては、Ｇａに融点を低下させるためのＳｎを含有させているので、接合温度をより低下させることができ、室温での接合が可能になるため、加熱工程が不要になる。
その他の作用効果は、上述の実施例１と同様である。

次に、図４及び図５を参照して、本発明の実施例３の半導体装置の実装方法を説明する。
図４参照
まず、ＬＳＩチップ２１に設けたＮｉからなるチップ電極２２上にはんだ、金、銅あるいは金パラジウムからなるバンプ２３を設ける。

次いで、平滑性のある基板、例えば、ガラス基板４１上にＧａ合金複合材料４２を２０〜３０μｍの膜状に形成し、その上にＬＳＩチップ２１を、バンプ２３を下にして載せて膜状のＧａ合金複合材料４２をバンプ２３の突出接点のみ一括で転写する。

この場合のＧａ合金複合材料４２は、例えば、Ｇａ９０重量％とＩｎ１０重量％からなる液体金属４４に直径が３μｍのＣｕ粒子４６の表面に厚さが例えば１μｍのＡｇコート層４７を無電解メッキした金属粒子４５を液体金属４４に対して３０重量％混練させてペースト状になったものを用いる。
なお、ＧａにＩｎを含ませることによって、液体金属４４の融点が低下して室温で液体状になる。

図５参照
次いで、チップボンダーを用いて先端に転写層４３が転写されたバンプ２３をパッケージ基板１１に設けた表面層が例えばＡｕからなる基板電極１２に対向させて位置合わせを行ってパッケージ基板１１上に搭載し、例えば、室温（２５℃）において電極当たり約１ｇで加圧して接合する。

この場合も、接合当初は転写層４３はペースト状であるが、時間経過とともに拡散が進行して固相が生成され、反応終了時にはＧａ−Ｉｎ−Ａｇ−Ｃｕ合金４９に表面の一部が溶けだしたＣｕ粒子５０が分散された固体接合層４８となる。

このように、本発明の実施例３のようにＧａ合金複合材料からなる接合層を設けるのはＬＳＩチップ側でも良く、その場合には、転写法を用いれば良い。
また、本発明の実施例３においては、Ｇａに融点を低下させるためのＩｎを含有させているので、接合温度をより低下させることができ、室温での接合が可能になるため、加熱工程が不要になる。
その他の作用効果は、上述の実施例１と同様である。

以上、本発明の各実施例を説明してきたが、本発明は各実施例に記載された構成・条件等に限られるものではなく各種の変更が可能であり、例えば、実施例においては接合温度を３０℃或いは室温（２５℃）としているが、１００℃以下であれば、多少の加熱を加えて接合を行っても良いものである。

また、上記の実施例２或いは実施例３においては、Ｇａに混合する金属元素をＩｎ或いはＳｎとしているが、Ｐｄ，Ｃｕ，Ａｇ，Ｚｎ等を混合しても良いものである。

また、上記の各実施例においては、液体金属に混練する金属粒子をＣｕ粒子として説明しているが、Ｃｕ粒子に限られるものではなく、Ｇａと１００℃以下で合金化反応をする金属であれば良く、例えば、Ｃｕ・Ａｇ合金等のＣｕ合金粒子或いはＡｇ粒子等を用いても良いものである。

また、上記の各実施例においては、説明を簡単にするためにパッケージ基板へのＬＳＩチップの実装工程として説明しているが、このような単一工程に限られるものではなく、ＬＳＩチップ、実装基板、Ｉ／Ｏピン、マザーボード等の順番に接合する場合にも適用されるものであり、常温接合であるため、温度階層を作ることなく、同じ接合材料での低温接合が可能になる。

ここで再び図１を参照して、本発明の詳細な特徴を改めて説明する。
再び、図１参照
（付記１） 電子デバイス部品１に設けた電極２と実装基板３に設けた電極４との間を、Ｇａ合金６中に１００℃以下でＧａと合金化反応する金属粒子７が分散した導体５で接合されていることを特徴とする電子デバイス。
（付記２） 前記Ｇａ合金６が、Ｇａを主成分とするとともに、Ｇａ以外に、Ｉｎ，Ａｇ，Ｓｎ，Ｚｎ，Ｐｄ，Ｃｕのいずれか１つ以上の金属元素を含むことを特徴とする付記１に記載の電子デバイス。
（付記３） 前記金属粒子７の直径が１０μｍ以下であることを特徴とする付記１または付記２に記載の電子デバイス。
（付記４） 前記金属粒子７が、Ｃｕ粒子或いはＣｕ合金粒子のいずれかであることを特徴とする付記１乃至付記３のいずれか１に記載の電子デバイス。
（付記５） 電子デバイス部品１に設けた電極２と実装基板３に設けた電極４の少なくとも一方にＧａを含む液体金属と１００℃以下でＧａと合金化反応する金属粒子７とを、前記金属粒子７の残部が分散された状態でＧａ合金６として固体化する混合比で混合した混合体を設け、１００℃以下で接合することを特徴とする電子デバイスの製造方法。
（付記６） 前記金属粒子７が、Ｃｕ粒子或いはＣｕ合金粒子の表面に酸化防止用金属膜でコーティングされている粒子からなることを特徴とする付記５に記載の電子デバイスの製造方法。
（付記７） 前記酸化防止用金属膜が、Ａｕ或いはＡｇのいずれからなることを特徴とする付記６に記載の電子デバイスの製造方法。
（付記８） 前記混合体を、前記実装基板３に設けた電極４上にスクリーン印刷法或いはスキージ法のいずれかにより形成したことを特徴とする付記５乃至付記７のいずれか１に記載の電子デバイスの製造方法。
（付記９） 前記混合体を、前記電子デバイスに設けた電極２上に転写法により形成したことを特徴とする付記５乃至付記７のいずれか１に記載の電子デバイスの製造方法。

本発明の活用例としては、半導体集積回路装置のパッケージ基板への実装工程が典型的なものであるが、半導体集積回路装置に限られるものではなく、強誘電体デバイス或いは超伝導デバイス等の各種の電子デバイスの実装工程にも適用されるものである。

本発明の原理的構成の説明図である。 本発明の実施例１の半導体装置の実装工程の説明図である。 本発明の実施例２の半導体装置の実装工程の説明図である。 本発明の実施例３の半導体装置の実装工程の途中までの説明図である。 本発明の実施例３の半導体装置の実装工程の図４以降の説明図である。

符号の説明

１ 電子デバイス部品
２ 電極
３ 実装基板
４ 電極
５ 導体
６ Ｇａ合金
７ 金属粒子
１１ パッケージ基板
１２ 基板電極
１３ 接合層
１４ 液体金属
１５ 金属粒子
１６ Ｃｕ粒子
１７ Ａｇコート層
１８ 固体接合層
１９ Ｇａ−Ａｇ−Ｃｕ合金
２０ Ｃｕ粒子
２１ ＬＳＩチップ
２２ チップ電極
２３ バンプ
３１ 接合層
３２ 液体金属
３３ 金属粒子
３４ Ｃｕ粒子
３５ Ａｕコート層
３６ 固体接合層
３７ Ｇａ−Ｓｎ−Ａｕ−Ｃｕ合金
３８ Ｃｕ粒子
４１ ガラス基板
４２ Ｇａ合金複合材料
４３ 転写層
４４ 液体金属
４５ 金属粒子
４６ Ｃｕ粒子
４７ Ａｇコート層
４８ 固体接合層
４９ Ｇａ−Ｉｎ−Ａｇ−Ｃｕ合金
５０ Ｃｕ粒子

Claims (5)

1. 電子デバイス部品に設けた電極と実装基板に設けた電極との間を、Ｇａ合金中に１００℃以下でＧａと合金化反応する金属粒子が分散した導体で接合されていることを特徴とする電子デバイス。
2. 前記Ｇａ合金が、Ｇａを主成分とするとともに、Ｇａ以外に、Ｉｎ，Ａｇ，Ｓｎ，Ｚｎ，Ｐｄ，Ｃｕのいずれか１つ以上の金属元素を含むことを特徴とする請求項１に記載の電子デバイス。
3. 前記金属粒子の直径が１０μｍ以下であ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。
4. 電子デバイス部品に設けた電極と実装基板に設けた電極の少なくとも一方にＧａを含む液体金属と１００℃以下でＧａと合金化反応する金属粒子とを、前記金属粒子の残部が分散された状態でＧａ合金として固体化する混合比で混合した混合体を設け、１００℃以下で接合することを特徴とする電子デバイスの製造方法。
5. 前記金属粒子が、Ｃｕ粒子或いはＣｕ合金粒子の表面に酸化防止用金属膜でコーティングされている粒子からなることを特徴とする請求項４に記載の電子デバイスの製造方法。

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