JP5067247B2

JP5067247B2 - 電子装置

Info

Publication number: JP5067247B2
Application number: JP2008102128A
Authority: JP
Inventors: 昇朝日; 卓哉西山; 敏央野中
Original assignee: Toray Industries Inc
Current assignee: Toray Industries Inc
Priority date: 2008-04-10
Filing date: 2008-04-10
Publication date: 2012-11-07
Anticipated expiration: 2028-04-10
Also published as: JP2009253182A

Description

本発明は、電子素子を実装回路用基板に直接電気的接続する、ＬＣＤパネル等の電子装置に関する。

近年、半導体装置の小型化と高密度化に伴い、半導体チップを回路基板に実装する方法として、フリップチップ実装（ダイレクトチップアタッチ実装）が注目され、急速に広まってきている。フリップチップ実装においては、接合部分の電気的接続信頼性を確保するための方法として、半導体チップ上に形成されたバンプと回路基板の電極パッドを接合し、半導体チップと回路基板との隙間に封止接着剤を注入し硬化させることが一般的な方法として採られている。ＬＣＤパネル用途等、ガラス基板上に半導体チップを搭載するＣＯＧ（Chip On Glass）技術では、接着剤として異方性導電フィルム（ACF: Anisotropic Conductive Film）、非導電性接着フィルム（NCF: Non Conductive Film）や非導電性接着ペースト（NCP: Non Conductive Paste）などが用いられる。これらの接着剤を用いた場合、接着剤の収縮応力によりバンプと電極パッドとの接触が維持され、電気的信頼性が確保される。ところが、ガラスのようなリジットな基板を用いた場合には、温度サイクル等の環境下でバンプと電極パッドとが非接触となり、電気的信頼性を保つことができないという問題があった。

この問題を解決するため、基板と電極パッドの間に柔軟層を挿入し、柔軟層を弾性変形させることによりバンプに対する反発力を生じさせる方法が考えられている（特許文献１〜５参照）。また、基板と電極パッドとの間ではなく、半導体チップとバンプの間に樹脂層を介在させて柔軟性を持たせることも考えられている（非特許文献１参照）。
特開平４−８２２４１号公報（特許請求の範囲）特開平１０−２７０４９６号公報（特許請求の範囲）特開２００３−２４９５２２号公報（特許請求の範囲）特開２００１−１２７１０８号公報（特許請求の範囲）特開２００８−４０１２２号公報（特許請求の範囲）第１７回マイクロエレクトロニクスシンポジウム論文集２００７年９月（ｐ５１〜ｐ５４）

しかし、これらの構造では十分な反発力が得られないことがあり、そのため、温度サイクル試験や高温高湿試験においてバンプの浮きが生じて十分な電気的接続信頼性が得られなくなる問題があった。

本発明は、上記課題を解決すべく、半導体チップをガラスのようなリジット基板にフリップチップ実装する場合でも、電気的接続性が良好で信頼性の高い電子装置を提供することを目的とする。

本発明者は、十分な反発力が得られない原因を検討した結果、柔軟層が基板全面に形成されていたり、電極パッド間やバンプ間に連続に形成されている場合には、柔軟層の弾性変形が小さくなることが原因であると見出した。本発明は、かかる点を改良したものである。

すなわち本発明は、電子素子上に形成された複数の金属バンプと実装回路用基板に形成された複数の電極パッドとが接着剤層を介して電気的に接続された電子装置であって、前記基板と各電極パッドとの間には柔軟層が形成されており、該柔軟層の形状が電極パッド１個または数個ごとに分断された島状であることを特徴とする電子装置である。

本発明によれば、適切な構造を持つ柔軟層が電極パッドの下にあるため、温度サイクル試験や高温高湿試験においても半導体チップのバンプと電極パッドの間の導通性が良く、電気的接続信頼性の高い電子装置を実現できる。

本発明の電子装置は、例えば図１に示すように、電子素子上に形成された複数の金属バンプと実装回路用基板上に形成された複数の電極パッドとが接着剤層を介して電気的に接続され、前記基板と各電極パッドとの間には柔軟層が形成されており、該柔軟層の形状が電極パッド１個または数個ごとに分断された島状であるものである。

本発明における電子素子とは、半導体チップ、半導体パッケージ、モジュールなどの電気的な能動機能を有する素子のことである。本発明における実装回路用基板としては、シリコンやＧａＡｓなどの半導体ウェハ、ガラス、ガラスエポキシ基板、セラミックス基板などが挙げられる。基板の外形は角形、丸形、一部に直線部を含む丸形などいずれでもよい。とくに、ガラス基板を用いる場合、基板上に搭載された電子部品や薄膜が汚染されたり、トランジスタ等の特性が影響されないよう無アルカリガラスを用いることが好ましい。実装回路用基板の厚さは通常１００μｍ〜１ｍｍ程度のものを用いるが特に限定されない。

本発明の電子装置における柔軟層は、基板と各電極パッドとの間には形成されているが、基板上のそれ以外の部分には形成されていない部分が存在する。柔軟層の形状をこのようにすることで、温度サイクル試験や高温高湿試験において柔軟層に垂直方向の応力がかかった際に十分な反発力が得られるため、バンプの浮きや剥がれが生じず良好な電気的接続が得られる。これに対し、例えば柔軟層が基板全面に形成されている場合など、電極パッドに比べて柔軟層の面積が大きい場合には、垂直方向の応力が水平方向へ発散されるため、柔軟層による十分な反発力が得られず、電気的な接続不良になることがある。

また、本発明においては、柔軟層の形状が電極パッド１個または数個ごとに分断された島状であることが重要である。このような形状であると、温度サイクル試験や高温高湿試験において特に局所的な応力がかかる電極パッドとバンプの接続部において、垂直方向の応力が水平方向に発散されないため、大きな反発力が得られる。数個とは本発明の効果を損なわない程度の数であればよいが、通常２〜５個である。例えば、図２は電極パッド１３の２個ごとに分断された島状の柔軟層１４が形成されている様子を示す。図２（ａ）は電子装置の断面図を示し、図２（ｂ）はこのうち基板１６、樹脂層１４、電極パッド１３部分の構造を概念的に示した斜視図である。一方、図１は電極パッド３の１個ごとに分断された島状の柔軟層４が形成されている様子を示す。図１（ａ）は電子装置の断面図を示し、図１（ｂ）はこのうち基板６、樹脂層４、電極パッド３部分の構造を概念的に示した斜視図である。本発明の効果をより高めるためには、図１に示すように、電極パッド１個ごとに柔軟層が形成されていることが特に好ましい。

また、柔軟層の面積はバンプが電極パッドと接触する面積と大きく違わないことが好ましい。柔軟層の面積が大きすぎると、せっかく島状に形成していても水平方向への応力発散の影響が大きくなってしまうからである。より好ましくは、柔軟層の各島ごとの面積が、各島ごとにその上に形成されている電極パッドの面積の１．０倍以上１．５倍以下である。１．０倍以上であればアライメントによる欠陥なく柔軟層上に電極パッドを形成することができ、１．５倍以下であれば水平方向への応力発散の影響がほとんど見られず、バンプと電極パッドの信頼性の高い接続が可能になり、さらには電極パッドの狭ピッチ化にも対応できる。より好ましくは１．２倍以下であり、これらの効果がより大きくなる。

例えば、図１においては、図１（ｂ）に示されるように、各電極パッドの形状と各柔軟層の形状が略同一であるので、これらの面積は略同一である。また、図２においては、電極パッド２個の合計面積と、各分断された柔軟層の面積を比べると、柔軟層の面積の方が大きいが、柔軟層の面積は電極パッド２個の合計面積の１．５倍以下であることが好ましい。これらのうち、各電極パッドの形状と各柔軟層の形状が略同一となる図１の構成が特に好ましい。

なお、本発明において電気的接続が良好であるとは、バンプと電極パッド間の抵抗が１００Ω以下であることをいう。抵抗はテスタを用いて測定することができる。このとき、測定端子の抵抗が含まれないよう４端子法を用いて測定することが好ましく、例えば、ＤＩＧＩＴＡＬＶＯＬＴＭＥＴＥＲ（ＨＥＷＬＥＴＴＰＡＣＫＡＲＤ社製、３４５５Ａ）を用いることができる。

また、上記のような形状の柔軟層を有していると、基板上の電極パッドと電子素子のバンプを接続させる際に、低い圧着力で接続させることができるという効果もある。柔軟層が大きな反発力を有するからである。そのため、接続時の圧着力によりバンプや電極パッドを損傷することがない。この効果は、各電極パッドの形状と各柔軟層の形状が略同一となったときに最も顕著に表れる。

柔軟層の膜厚は１０μｍ以下であることが好ましい。１０μｍ以下であれば、凹凸が小さく均一な膜厚を有する柔軟層の形成が可能であり、複数あるバンプと電極パッドとの接触圧力を均一にできる。下限は加工条件にもよるが、金属バンプの凹凸を吸収することができるよう、例えば０．１μｍ程度以上あれば良い。

柔軟層の断面形状は、電極パッドから基板上の配線へのリード線を形成するため、図３に示すようなテーパー形状を有することが望ましい。テーパー角は、実装回路用基板を基準として、１０度以上６０度以下であることが好ましい。感光性の樹脂層を用いる場合、テーパー角を形成するため、ポジ型のレジストを使用することもできる。

また柔軟層内部や柔軟層と基板の間、柔軟層と電極パッドの間に配線層や別の樹脂層（絶縁層）が存在してもかまわない。あるいは、島状の柔軟層と柔軟層の間に、柔軟層よりも弾性率の小さい材料が存在してもかまわない。また、柔軟層は、電子素子の実装部分以外にも同時に形成して他の用途で利用することができる。例えば、ディスプレイパネルの場合には、パネル部分の画素に用いる絶縁層としても用いることができる。

柔軟層は、光線透過率が８０％以上１００％以下であることが望ましい。実装回路用基板としてガラス基板を用いた場合、柔軟層の光線透過率が８０％以上であると、フリップチップ実装時の接続性の確認が良好となる。なお、光線透過率とは、柔軟層の波長３５０〜９００ｎｍにおける最大光線透過率のことである。具体的には波長３５０ｎｍ〜９００ｎｍにおける光線透過率を測定し、光線透過率が最大値を示した波長を中心とする波長±１０ｎｍにおける光線透過率の平均値を光線透過率値とする。

接続性の確認には通常の光学顕微鏡を用いることができる。電極パッドとしてＩＴＯのような透明電極を用いた場合、バンプが電極パッドに接触すると容易にバンプの金属光沢を確認することができる。バンプが電極パッドに接触していないと、バンプと電極パッドの間に接着剤や空間が存在し、金属光沢が見られなくなる。電極パッドが透明でない場合にも、バンプと電極パッドが接触した場合には圧痕を確認することができる。さらに接続性の確認を容易にするために、電極パッドの一部に開口部を有する。開口部の形状はとくに限定されないが、開口部の面積は電極パッドの面積の１０％以上５０％以下であることが好ましい。１０％以上あれば接続性の確認がしやすく、５０％以下であれば導通性に問題を与えることがない。電極パッドの一部に開口部を設けることで、電極パッドとして透明電極を用いた場合と同様にバンプの金属光沢を容易に確認することができる。

なお、開口部を有する場合、前記のように島ごとの柔軟層の面積と電極パッドの面積を比較する際には、柔軟層の面積には開口部の面積も含めるものとする。すなわち、ある島状の柔軟層について、柔軟層が実際に存在する部分の面積と、開口していて柔軟層が存在しない部分の面積を合計したものを、該島状の柔軟層の面積とする。

柔軟層のヤング率は柔軟層の硬化を十分に与え、弾性変形できるよう０．１ＧＰａ以上１ＧＰａ以下であることが好ましい。また、線膨張係数は、温度サイクル等の信頼性に影響が小さくなるよう７０ｐｐｍ／℃以下であることが好ましい。

柔軟層の材料は、ヤング率の小さい材料であれば使用することができる。柔軟層として樹脂を用いる場合、通常、実装回路用基板に用いられるポリイミド系やエポキシ系、その混合系等、特に限定されない。また、例えば、ポリイミド樹脂、フェノキシ樹脂、ポリエステル、ポリウレタン、ポリアミド、ポリプロピレン、アクリロニトリル−ブタジエン共重合体（ＮＢＲ）、スチレン−ブタジエン共重合体、（ＳＢＲ）、アクリロニトリル−ブタジエン−メタクリル酸共重合体、アクリロニトリル−ブタジエン−アクリル酸共重合体などの熱可塑性樹脂を含有することもできる。熱可塑性樹脂を含有することにより、硬化後の膜の応力を低減することができる。また、公知の硬化剤やフィラーを含有することができる。

このような材料からなる樹脂組成物を用いて柔軟層を形成する方法を説明する。実装回路用基板上に樹脂組成物の層を形成する。塗布形成する場合、スピンコーター、ロールコーター、コンマロールコーター、グラビアコーター、スリットダイコーターなどを用いることができるが、とくに限定されない。この場合、樹脂層は基板上に全面形成されるため、パターン加工を行う。樹脂層のパターニングは、感光性の樹脂組成物を用いた場合にはフォトリソグラフィーを用いて行なうことができる。この場合、樹脂層上に形成した電極パッドをマスクとして利用することにより、電極パッドと樹脂層の形状を同じにすることもできる。

また、非感光の樹脂組成物を用いる場合には、スクリーン印刷機を用いたパターニング方法や、あらかじめパターニングできるようレジストを形成しておき、リフトオフにより所望のパターンを形成する方法もある。

柔軟層上に電極パッドを密着性よく形成するために、表面改質剤を用いた湿式エッチング処理あるいはＵＶやプラズマによるドライエッチング処理を行っても良い。また、電極パッドに用いる金属は、金、錫、銅、各種の金属、さらにはＩＴＯ（ＩｎｄｉｕｍＴｉｎＯｘｉｄｅ）等の導電性酸化物を用いることが可能である。柔軟層との密着性を高めるため、クロムやニクロム、チタンなどの金属を柔軟層上に形成しても良い。電極パッドの形成方法は、とくに限定されないが、柔軟層上にスパッタや蒸着、めっき、それらを組み合わせた方法等を用いることができる。

本発明の電子素子に用いられるバンプには、金、錫、銅、各種の金属を用いることができる。また、バンプと電極パッドの形状は、長方形、円形等、いずれも用いることができる。電子素子上にあるバンプや電極パッドの高さはすべて均等に揃っていることが好ましく、バンプ高さのバラツキは０．５μｍ以下であることが好ましい。バラツキが０．５μｍ以下であれば、バンプの圧着の際に接続不良なく電子素子を搭載することができる。より好ましくは０．２μｍ以下である。バンプ高さのバラツキを小さくするため、研磨加工を施すことも可能である。バンプの形成方法は、とくに限定されないが、スパッタや蒸着、めっき、それらを組み合わせた方法等を用いることができる。

電子素子を実装回路用基板に固定し、バンプと電極パッドを接続させる接着剤としては、通常用いられているＡＣＦ（Anisotropic Conductive Film）やＡＣＰ（Anisotropic Conductive Paste）の他、導電粒子を含まないＮＣＦ（Non Conductive Film）やＮＣＰ（Non Conductive Paste）を用いることができる。とくにバンプが狭ピッチ化した場合、バンプ間の絶縁性を保つという観点から、ＮＣＦやＮＣＰを用いることが好ましい。また、プロセス上取り扱いやすく、接着剤のフィレット（電子素子接着時のはみだし）をコントロールしやすいＮＣＦを用いることがさらに好ましい。ＮＣＦを用いた場合の接続に際しては、ボンディング時の加熱で接着剤が容易に軟化し、１０秒以内で高速に硬化できることが好ましく、電子素子上のバンプや電極パッドなどの凹凸によく追従し、空隙無く密着させることができる特性を有することが好ましい。また、電子素子と実装回路用基板を貼り合わせるときに、接着剤は先に実装回路基板に形成されていても電子素子側に形成されていてもかまわない。

硬化後の接着剤の特性としては、信頼性の高い電子装置を実現するため、吸湿率や線膨張係数の低い材料が望まれ、吸湿率は１．５％以下、線膨張係数は７０ｐｐｍ／℃以下であることが好ましい。接着剤中には線膨張係数を調整するなどのフィラーを含有することもできる。接着剤の剥がれを抑制するという観点からは、接着剤のヤング率は０．５ＧＰa以上５ＧＰa以下であることが好ましい。

貼りあわせ時の接着剤の厚さは特に限定されないが、例えば、バンプ付き電子素子と実装回路用基板を貼り合わせるには、バンプと電極パッドと柔軟層を合計した膜厚の平均高さ以上であることが好ましく、その厚さの１．５倍以下であることが好ましい。バンプの高さは、バンプが形成されていない基板面を基準（０μｍ）として計測する。また、実装回路用基板上の電極パッドと柔軟層の高さは、電極パッドが形成されている実装回路用基板の絶縁面を基準（０μｍ）として、全ての電極パッドの高さと柔軟層の高さを計測し、その平均値とする。高さはそれぞれ実装する前の値である。接着剤の厚さがバンプと電極パッドと柔軟層を合計した膜厚よりも薄いと、フリップチップボンディング後の電子素子、接着剤層と実装回路用基板との間に空隙ができ、接着力が低下する場合がある。また、接着剤層の厚さがバンプと電極パッドと柔軟層を合計した膜厚の１．５倍を越えると不経済であるだけでなく、電子素子下の接着剤のはみ出し量が多くなり実装面積が大きくなったり、はみ出した接着剤が電子素子上部にまで回り込みフリップチップボンディング装置のヒートツールを汚染し、ヒートツールと電子素子が接着してしまう場合がある。また、ヒートツールを汚染した場合は、ヒートツールの平坦性が損なわれ、フリップチップボンディング時の電子素子の加熱状態が不均一となり、ボンディング不良が発生し易くなることがある。

次に、本発明の電子素子を実装するための各工程について説明するが、本発明は以下の方法に限定されない。電子素子は、通常のフリップチップボンダーを用いて実装回路用基板上に実装することができる。フリップチップボンダーとしては、例えば、ボンディング装置（東レエンジニアリング（株）製、ＦＣ２０００）がある。

まず、実装回路用基板の柔軟層上の電極パッドに電子素子のバンプを接続させるため接着剤を電極パッド全体を覆うように形成する。接着剤がペーストの場合はディップし、フィルムの場合にはラミネートを行う。この際、電極パッドの隙間に気泡の噛み込みなく接着剤が埋め込まれるよう、６０〜１００℃程度の温度をホットプレート等を用いてかけることができる。

次に装置のステージ上に実装回路用基板を配置し、ピックアップヒートツール電子素子を実装回路用基板上方向に搬送する（図４（ａ））。ステージは、周囲の温度環境条件に左右されないようあらかじめ４０℃以上６０℃以下の一定の温度に保っておくことが望ましい。次に光センサーを用いて電子素子および実装回路用基板それぞれのアライメントマークを検出して位置決めを行なう。

ピックアップヒートツールには電子素子を加熱する機構が設けられており、電子素子を加熱しながら実装回路用基板に押し付ける（図４（ｂ））。通常、仮圧着ではヒートツールに８０℃〜１００℃程度の温度をかけ、１０Ｎ／ｍｍ^２〜１００Ｎ／ｍｍ^２程度の圧力を加える。このとき、熱は電子素子を伝達し、接着剤に伝わる。したがって接着剤は温度が高くなり、流動性が高まるため、バンプと電極パッドの間にある電子デバイス用接着組成物は押し出され、バンプと電極パッドを電気的に接続することが可能になる（図４（ｃ））。

仮圧着後、電子デバイス用接着層を硬化させる本圧着工程を行うが、このとき、電子デバイス用接着層の収縮などによりバンプと電極パッドが非接触とならないよう、ピックアップヒートツールに圧力を加えた状態で加熱を行う（図４（ｄ））。ここで、島状に分断形成された柔軟層はバンプに押されて弾性変形し、バンプと電極パッドの密着力が向上する。好ましい圧力の範囲は、２０Ｎ／ｍｍ^２以上２００Ｎ／ｍｍ^２以下である。接着剤を硬化させるために加える温度は、１８０℃以上３５０℃以下とすることが好ましい。１８０℃以上であれば電子デバイス用接着層を短い時間で硬化させることができ、３５０℃以下であれば電子素子の熱によるダメージを小さくすることができる。電子素子を実装回路基板上に固定するという観点から、接着剤の硬化率は８０％以上とすることが好ましい。

本圧着工程は、仮圧着した複数の電子素子をまとめて熱をかけて硬化させることもできる。また、仮圧着後に連続してピックアップツールの温度と圧力を変更し、本圧着を行ってもよい。電子デバイス用接着層の硬化を進めるため、本圧着工程の後にさらに加熱を行ってもよい。

以上、実装工程について説明したが、電極パッドに対応して島状に分断して形成した柔軟層を用いることによって、電子素子のバンプと実装回路の電極パッドが電気接続された信頼性の高い電子装置の実現が可能になる。

本発明による電子装置の断面図本発明による電子装置の断面図本発明による柔軟層のテーパー角を示す説明図本発明による電子装置の実装工程を示す説明図

符号の説明

１、１１、３１電子素子
２、１２、３２バンプ
３、１３、２１、３３電極パッド
４、１４、２２、３４柔軟層
５、１５、３５接着剤
６、１６、２３、３６実装回路基板
２４リード線
２５テーパー角
３０ヒートツール

Claims

電子素子上に形成された複数の金属バンプと実装回路用基板に形成された複数の電極パッドとが接着剤層を介して電気的に接続された電子装置であって、前記基板と各電極パッドとの間には柔軟層が形成されており、該柔軟層の形状が電極パッド１個または数個ごとに分断された島状であり、前記実装回路用基板がガラスで形成され、前記電極パッドの一部に、バンプ接続を確認するための開口部が設けられていることを特徴とする電子装置。
前記柔軟層の各島ごとの面積が、各島ごとにその上に形成されている電極パッドの面積の１．０倍以上１．５倍以下であることを特徴とする請求項１記載の電子装置。
前記接着剤が非導電性フィルムで形成されていることを特徴とする請求項１または２記載の電子装置。