JP5329752B2 - フリップチップパッケージ及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体パッケージング技術に関し、特に導電性接着剤を利用したフリップチップパッケージの製造方法、より詳細には、異方性導電膜（Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｆｉｌｍ）を適用するフリップチップパッケージ及びその製造方法に関する。

半導体パッケージング技術は、最終電子製品の性能、大きさ、価格及び信頼性等を決定する非常に重要な技術である。特に、電気的高性能、超小型、高密度、低電力、多機能、超高速信号処理、永久的信頼性を求める最近の電子製品において、超小型パッケージ部品は、コンピュータ、情報通信、移動通信、高級家電製品等において必須の部品として用いられている。

半導体パッケージング技術のうち、チップを基板に実装する技術であり、代表的な技術のうちのひとつがフリップチップ（ｆｌｉｐ−ｃｈｉｐ）パッケージング技術である。現在、スマートカードや、ＬＣＤ、ＰＤＰ装置等のような表示装置、そして、コンピュータ、携帯用電話機、通信システム等のパッケージングに、その活用範囲を広めている。

初期のフリップチップパッケージング技術は、はんだ（ｓｏｌｄｅｒ）を利用したパッケージング技術が主流であった。しかし、一般的にはんだを利用したパッケージの技術は、はんだフラックス（ｓｏｌｄｅｒ ｆｌｕｘ）塗布工程、チップと基板との間の整列工程、はんだバンプリフロー（ｓｏｌｄｅｒ ｂｕｍｐ ｒｅｆｌｏｗ）工程、フラックス除去工程、アンダーフィル（ｕｎｄｅｒ ｆｉｌｌ）充填工程及び硬化工程等の工程を経るため、その分工程が複雑になり、原価が高くなるという問題がある。

従って、最近は、ウェーハ状態でフラックス及びアンダーフィルの機能を有するポリマー（ｐｏｌｙｍｅｒ）材料を塗布して加工するパッケージング技術に対し、多くの研究が行われている。また、はんだを利用したパッケージの技術に比べて低価でありながら、極微細の電極ピッチが可能であり、鉛がなく（ｌｅａｄ ｆｒｅｅ）、フラックスがなく（ｆｌｕｘ ｌｅｓｓ）、低温工程等の長所を有する導電性接着剤を利用したフリップチップ技術の開発が進められている。

導電性接着剤は、大きく分けて、異方性導電接着剤／膜（Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ Ａｄｈｅｓｉｖｅ／Ｆｉｌｍ）、等方性導電接着剤（Ｉｓｏｔｒｏｐｉｃ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ Ａｄｈｅｓｉｖｅ）などの形態があり、基本的にニッケル（Ｎｉ）、金／ポリマー（Ａｕ／ｐｏｌｙｍｅｒ）、銀（Ａｇ）等の導電性粒子等と、これらが内部に分散した熱硬化性及び熱可塑性の絶縁樹脂（Ｉｎｓｕｌａｔｉｎｇ Ｒｅｓｉｎ）からなる。

以下、導電性接着剤として、異方性導電膜を利用したフリップチップパッケージ及びその製造方法を説明する。

図１は、従来技術に係るフリップチップパッケージ及びその製造方法を説明するために示す断面図であり、図２は、図１に示す導電性粒子５の構成を説明するために示す断面図である。

図１及び図２に示すように、熱硬化性樹脂６に、直径およそ５〜１０μｍの導電性粒子５を分散させた異方性導電膜を、上部基板１及び下部基板２のそれぞれに形成した金属パッド３，４の間に位置させる。この状態で異方性導電膜を一定温度で加熱した後、上部基板１及び下部基板２を密着させると、異方性導電膜は、上部基板１と下部基板２と間の空間に充填され、導電性粒子５は、上部基板１及び下部基板２の金属パッド３，４の間で電気的導電通路として提供される。このとき、導電性粒子５は、熱可塑性高分子ボール５Ａの表面に金属薄膜５Ｂをコーディングして形成する。

しかしながら、このような従来技術に係るフリップチップパッケージの製造方法では、熱可塑性高分子ボール５Ａの表面に金属薄膜５Ｂがコーティングされた導電性粒子５を用いており、導電性粒子５を上部基板１及び下部基板２のそれぞれに形成された金属パッド３，４の間の物理的接触によって導電特性を維持するため、接触抵抗が相対的に非常に大きいという短所がある。

本発明は、上記従来技術の問題点を解決するためになされたものであって、その目的とするところは、接触抵抗の低減を可能にするフリップチップパッケージ及びその製造方法を提供することにある。

加えて、本発明のその他の目的は、ボンディング効果の改善を可能にするフリップチップパッケージ及びその製造方法を提供することにある。

加えて、本発明のさらなるその他の目的は、優れた信頼性を有するフリップチップパッケージ及びその製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明は、パッドがそれぞれ形成された第１の基板及び第２の基板と、前記第１の基板及び第２の基板のうちのいずれか１つの基板に形成された隔壁と、前記第１の基板及び第２の基板の前記パッドの間を電気的に接続させる異方性導電接続材とを備えたことを特徴とする。

また、上記目的を達成するためのその他の本発明は、パッドがそれぞれ形成された第１の基板及び第２の基板と、前記第１の基板及び第２の基板の前記パッドの間を電気的に接続する異方性導電接続材とを備え、前記異方性導電接続材は、第１のはんだと前記第１のはんだの表面を覆うように互いに異なる融点を有する物質によって形成された第２のはんだとからなるはんだくずと、前記はんだくずが内部に分散された高分子樹脂とを備えたことを特徴とする。

また、上記目的を達成するためのさらに他の本発明は、パッドがそれぞれ形成された第１の基板及び第２の基板を準備するステップと、前記第１の基板及び第２の基板のうちのいずれか１つの基板に第１の隔壁及び第２の隔壁を形成するステップと、前記第１の基板及び第２の基板にそれぞれ形成された前記パッドが互いに向かい合うように前記パッドの間を、はんだと高分子樹脂とが混合した異方性導電接続材を利用して接合させるステップと、前記はんだの融点より高い第１の温度まで上昇させて、前記はんだを介して前記パッドを互いに接合させるステップと、前記第１の温度を前記第１の隔壁の融点より高い第２の温度まで上昇させ、前記第１の基板及び第２の基板の間隔が前記第２の隔壁の厚さに維持されるようにするステップとを含むことを特徴とする。

本発明によれば、導電性粒子の物理的接触ではなく、金属の溶融による金属の間の結合を利用することによって、低い接触抵抗を得ることができる。

本発明は、導電性粒子の物理的接触ではなく、金属の溶融による金属の間の結合を利用し、さらに高い信頼性、高い熱導電特性、そして低い接触抵抗を得ることができる。

以下、本発明の最も好ましい実施形態を添付した図面を参照しながら説明する。
実施形態１
図３Ａ〜図３Ｃは、本発明の実施形態１に係るフリップチップパッケージ及びその製造方法の工程を説明するための断面図である。

まず、図３Ａに示すように、それぞれの一部に金属パッド１３，１４がそれぞれ形成された上部基板１１と下部基板１２とを設け、上部基板１１及び下部基板１２の最も外側に第１の隔壁（Ｆｉｒｓｔ Ｓｔａｎｄ−ｏｆｆ）１５をそれぞれ形成し、上部基板１１及び下部基板１２の第１の隔壁１５のそれぞれの内側の第２の隔壁（Ｓｅｃｏｎｄ Ｓｔａｎｄ−ｏｆｆ）１６を形成する。そして、上部基板１１及び下部基板１２の金属パッド１３，１４の間に、低融点はんだ１７を熱硬化性高分子樹脂１８と混合して製作した異方性導電接続材を位置付ける。

上部基板１１及び下部基板１２は、ＦＰＣＢや、シリコンを基とする素子のうち、選択されたいずれか１つの素子である可能性がある。

第１の隔壁１５は、融点が低い熱可塑性物質又は熱硬化性物質として製作され、機械的強度が、与えられた温度で、異方性導電接続材に用いられる高分子樹脂１８の機械的強度と同じか、低い特性を有する物質として選択されなければならない。例えば、第１の隔壁１５は、低融点はんだ１７の融点よりおよそ２０℃程度高い融点を有する物質のうちから選択されたいずれか１つの物質によって形成され得るものであり、具体的にポリエチレン系や、ポリスタイレン（ｐｏｌｙｓｔｙｌｅｎｅ）系、完全硬化される前のエポキシ系、又はポリイミド等を用いることができる。また、機械的強度は温度と密接な関係があるため、温度によって、工程の際に適切に考慮されることができる。

第２の隔壁１６は、相対的に融点が高い熱可塑性物質、ガラス転移温度が高い熱硬化性物質又は金属物質により用いることができ、根本的に、温度によって機械的強度が変わらない物質を選択して用いる。例えば、第２の隔壁１６は、金（Ａｕ）等のような金属や、完全に硬化された熱硬化性高分子素材であるエポキシ系又はポリイミド系の物質のうちの選択されたいずれかの物質によって形成することができ、エポキシを用いる場合、完全な硬化状態であるため、融点はほとんどなく、機械的強度は数ＧＰａを維持する。

低融点はんだ１７は、一定の融点を有する２種類の物質が合成した物質、又はそれ以上の物質を合成した物質を用いることができる。ここで、このような物質には、スズ（Ｓｎ）、インジウム（Ｉｎ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）等を用いることができる。また、低融点はんだ１７の融点は、このような物質の混合比率によって、７０〜２２０℃の範囲内で、様々な調整法を取ることができる。

一方、高温で、低融点はんだ１７の機械的強度をさらに安定的かつ効果的に維持するためには、低融点はんだ１７を単独に用いる代わりに、図６に示すように高融点はんだ１９Ａの表面に低融点はんだ１９Ｂを覆う構造のはんだくず１９を用いることができる。このような構造のはんだくず１９を用いる場合、高分子樹脂硬化温度領域において、さらに大きな機械的物性を維持することができ、工程が完了した後、フリップチップ運用の際、高温でさらに安定的な使用が可能であるため、信頼性の高い効果を期待できる。ここで、高融点はんだ１９Ａは、低融点はんだ１７と同様にスズ（Ｓｎ）、インジウム（Ｉｎ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）のうち、選択された２種類の物質、又はそれ以上の物質を合成した物質によって形成することができ、これらの物質の混合比率を調整して低融点はんだ１７よりも高い融点を有するように形成する。

工程初期の温度は、常温状態に維持されるため、異方性導電接続材の内部には、低融点はんだ１７が、数十μｍ又は数μｍの直径の粒子として存在する。そして、高分子樹脂１８は、Ｂ−段階（Ｂ−ｓｔａｇｅ）状態としてフィルム形態に維持される。これにより、上部基板１１と下部基板１２との間隔Ｓ１は、異方性導電接続材の厚さによって決定される。

このような状態で、図４に示した工程温度条件に従い、徐々に温度を増加させる。

同図に示すように、温度を常温から徐々に増加させて低融点はんだ１７の融点である「Ｔ１」に到達すると、低融点はんだ１７は溶け始める。このような状態で温度を引続き増加させて温度が「Ｔ２」に到達すると、上部基板１１と下部基板１２と間の間隔は、常温での間隔Ｓ１より狭い「Ｓ２」を維持するようになる。以後、温度を「Ｔ２」に維持し、間隔を「Ｓ２」に維持した状態で「ｔ３」まで放置する。

「ｔ１」から「ｔ３」の間に、温度を低融点はんだ１７の融点より高い状態を維持し、高分子樹脂１８は、最低の粘度状態を維持するようになるため、低融点はんだ１７は、自体の湿潤特性によって上部基板１１及び下部基板１２に形成されたそれぞれの金属パッド１３，１４の間を図３Ｂに示すように左右が凹面（ｃｏｎｃａｖｅ）を有する形態に接合する。このとき、低融点はんだ１７が高分子樹脂１８の中で円滑に流動するように、高分子樹脂１８は、最低の粘度を維持しなければならず、低融点はんだ１７の湿潤特性を確保するために充分な時間（「ｔ１」から「ｔ３」）放置しなければならない。また、第１の隔壁１５は、温度を「Ｔ２」に維持した状態で、時間「ｔ２」から「ｔ３」の時間間隔「Ｓ２」を維持するため、温度「Ｔ２」より高い融点を有し、機械的強度を有する物質を用いて製作することが望ましい。

続いて、低融点はんだ１７の湿潤動作が完了した後、温度をさらに増加させ、第１の隔壁１５の融点の温度「Ｔ３」に到達すると、第１の隔壁１５は溶け始める。これにより、上部基板１１と下部基板１２との間隔は、融点又は有利転移温度が温度「Ｔ４」より高い第２の隔壁１６によって、間隔「Ｓ２」より狭い「Ｓ３」で維持される。間隔「Ｓ３」において、低融点はんだ１７は、上部基板１１及び下部基板１２にさらに密着し、図３Ｃに示すように、凸面（ｃｏｎｖｅｘ）を有する形態で接合する。このとき、高分子樹脂１８は、温度「Ｔ３」から温度「Ｔ４」の間で硬化反応を始め、時間「ｔ６」までに硬化反応を完了する。温度「Ｔ４」において、硬化時間「ｔ６」に到達するまで、第２の隔壁１６は間隔「Ｓ３」を維持できるように熱機械的特性を維持しなければならない。

実施形態２
図５Ａ〜図５Ｃは、本発明の実施形態２に係るフリップチップパッケージ及びその製造方法を説明するための断面図である。

図５Ａ〜図５Ｃに示すように、本発明の実施形態２に係るフリップチップパッケージの製造方法は、実施形態１と同じ工程で行われる。但し、実施形態１では、図３Ａ〜 図３Ｃに示すように第１の隔壁及び第２の隔壁１５，１６が、上部基板１１及び下部基板１２にそれぞれ形成されたが、実施形態２では、下部基板２２にのみ第１の隔壁２５、及び第２の隔壁２６が形成される。

このように、本発明の実施形態２では、工程上の問題で第１の隔壁２５及び第２の隔壁２６を下部基板２２のみに形成した構造について説明したが、これとは反対に、図示されてはいないが、第１の隔壁及び第２の隔壁を、下部基板ではなく、上部基板のみに形成する構造も可能である。

一方、図６に示すように、低融点はんだ１７の代りに、はんだくず１９を用いる場合、高分子樹脂の硬化温度領域において、さらに大きな機械的物性を維持でき、工程が完了した後、運用の際に高温でより安定的な使用を可能にすることによって高い信頼性を得る効果が期待できる。

図７に示すように、図６に示されたはんだくず１９を用いる場合、上部基板３１及び下部基板３２の間の接合は、さらに安定的に維持される。ここで、「３３」、「３４」は金属パッド、「３５」は第１の隔壁、「３６」は第２の隔壁、「３７」は高分子樹脂を示す。

図８に示すように、上部基板４１と下部基板４２とにそれぞれ形成された金属パッド４３，金属パッド４４の間で、はんだくず１９の高融点はんだ１９Ａは、固体状態で物理的に接触した状態で存在し、低融点はんだ１９Ｂは、高融点はんだ１９Ａを包んだ状態で上部基板４１と下部基板４２とにそれぞれ形成された金属パッド４３，金属パッド４４と溶融状態で金属的結合をするようになる。これによって、図７に示す構造とは異なり、第１の隔壁３５及び第２の隔壁３６を用いない可能性もあり、この場合、既存の工程をそのまま活用できるという利点がある。

本発明によって、次のような効果を得ることができる。

第１に、本発明によれば、異方性導電接続材を構成する導電性粒子の物理的接触ではなく金属の溶融による金属間の結合を導くことによって、接触抵抗を低減させることができる。

第２に、本発明によれば、上部基板及び下部基板のうち、いずれか１つの基板に第１の隔壁及び第２の隔壁を形成することによって、金属パッドの間の間隔を安定的に維持することができる。

第３に、本発明によれば、高融点はんだと、高融点はんだの表面を覆う低融点はんだからなるはんだくずを導電性粒子として用いることによって、素子の信頼性を大きく改善できる。

尚、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明に係る技術的思想の範囲内から逸脱しない範囲内で様々な変更が可能であり、それらも本発明の技術的範囲に属する。

従来技術に係るフリップチップパッケージ及びその製造方法を説明するために示す断面図である。 図１に示す導電性粒子の構成を説明するために示す断面図である。 本発明の実施形態１に係るフリップチップパッケージ及びその製造方法を説明するために示す断面図である。 本発明の実施形態１に係るフリップチップパッケージ及びその製造方法を説明するために示す断面図である。 本発明の実施形態１に係るフリップチップパッケージ及びその製造方法を説明するために示す断面図である。 本発明の実施形態１に係る工程の際の工程条件を説明するために示す概念図である。 本発明の実施形態２に係るフリップチップパッケージ及びその製造方法を説明するために示す断面図である。 本発明の実施形態２に係るフリップチップパッケージ及びその製造方法を説明するために示す断面図である。 本発明の実施形態２に係るフリップチップパッケージ及びその製造方法を説明するために示す断面図である。 はんだくず （Ｓｏｌｄｅｒ Ｂａｌｌ）を示す断面図である。 一例として図６に示すはんだくずを利用した異方性導電膜に接続されたフリップチップパッケージを示す断面図である。 その他の例として図６に示すはんだくずを利用した異方性導電膜に接続されたフリップチップパッケージを示す断面図である。

符号の説明

１，１１，２１，３１，４１ 上部基板
２，１２，２２，３２，４２ 下部基板
３，４，１３，１４，２３，２４，３３，３４，４３，４４ パッド
５ 導電性粒子
５Ａ 高分子ボール
５Ｂ 金属薄膜
６，１８，２８，３７，４５ 高分子樹脂
１５，２５ 第１の隔壁
１６，２６ 第２の隔壁
１７，２７ 低融点はんだ
１９ はんだボール
１９Ａ 高融点はんだ
１９Ｂ 低融点はんだ

Claims (8)

1. パッドがそれぞれ形成された第１の基板および第２の基板と、
   前記第１の基板および前記第２の基板のうちのいずれか１つの基板に形成され、外側に形成された第１の隔壁と、前記第１の隔壁と融点が異なる物質で、前記第１の隔壁の内側に形成された第２の隔壁とを含む複数の隔壁と、
   第１のはんだおよび前記第１のはんだの表面を覆うように形成された第２のはんだからなるはんだくずと、前記はんだくずが内部に分散された高分子樹脂とからなり、前記第１の基板および第２の基板の前記パッドの間を電気的に接続させる異方性導電接続材と
   を備え、
   前記第１の基板および第２の基板の間の間隔は、前記第２の隔壁の厚さによって決定され、
   前記第２のはんだは、前記第１のはんだより融点が低い物質からなること
   を特徴とするフリップチップパッケージ。
2. 前記パッドは、前記高分子樹脂の中で溶融した前記第２のはんだを介して互いに接続されたことを特徴とする請求項１に記載のフリップチップパッケージ。
3. 前記第１の隔壁は、前記第２の隔壁より低い融点を有する物質によって形成されたことを特徴とする請求項１に記載のフリップチップパッケージ。
4. パッドがそれぞれ形成された第１の基板および第２の基板を準備するステップと、
   前記第１の基板および前記第２の基板のうちのいずれか１つの基板に、第１の隔壁および前記第１の隔壁よりも高さの低い第２の隔壁を形成するステップと、
   前記第１の基板および前記第２の基板にそれぞれ形成された前記パッドが互いに向かい合うように前記パッドの間を、第１のはんだおよび前記第１のはんだの表面を覆うように互いに異なる融点を有する物質によって形成された第２のはんだからなるはんだと、前記はんだが内部に分散された高分子樹脂とからなる異方性導電接続材を利用して接合させるステップと、
   前記第２のはんだの融点より高い第１の温度まで上昇させて、前記第２のはんだを介して前記パッドを互いに接合させるステップと、
   前記第１の温度を前記第１の隔壁の融点より高い第２の温度まで上昇させ、前記第１の基板および第２の基板の間隔が前記第２の隔壁の厚さに維持されるようにするステップと
   を備え、
   前記第２のはんだを、前記第１のはんだより融点が低い物質によって形成すること
   を特徴とするフリップチップパッケージの製造方法。
5. 前記第１の隔壁および前記第２の隔壁を形成する前記ステップは、前記第２の隔壁を前記第１の隔壁より融点が高い物質によって形成することを特徴とする請求項４に記載のフリップチップパッケージの製造方法。
6. 前記第１の隔壁および前記第２の隔壁を形成する前記ステップは、同じ温度において、前記第１の隔壁を前記高分子樹脂と機械的強度が同じ特性を有する物質によって形成し、または、前記高分子樹脂より機械的強度が低い特性を有する物質によって形成することを特徴とする請求項４または５に記載のフリップチップパッケージの製造方法。
7. 前記異方性導電接続材を利用して接合させる前記ステップにおいては、前記第１の基板および前記第２の基板の間の間隔が、前記異方性導電接続材の厚さに維持されることを特徴とする請求項４に記載のフリップチップパッケージの製造方法。
8. 前記高分子樹脂は、前記第２の温度で硬化することを特徴とする請求項４に記載のフリップチップパッケージの製造方法。

Images