JP5414336B2

JP5414336B2 - 電子部品

Info

Publication number: JP5414336B2
Application number: JP2009099457A
Authority: JP
Inventors: 浩二郎中村; 善広戸村; 正浩小野
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2009-04-16
Filing date: 2009-04-16
Publication date: 2014-02-12
Anticipated expiration: 2029-04-16
Also published as: JP2010251527A

Description

本発明は、半導体素子を回路基板にフリップチップ実装した電子部品とその製造方法に関する。

近年の携帯情報端末の小型化、軽量化による電子部品の高密度化、小型化、軽量化に伴い、フリップチップ接続によるＣＳＰ（Chip Sized Package）やＭＣＭ（Multi Chip Module）が必要とされている。

図１０は特許文献１に記載されたフリップチップ実装方法を断面図で示したものである。回路基板１０１の表面には基板電極１０２や配線１０３が形成されている。この回路基板１０１に搭載される半導体素子１０４には、回路基板１０１と対向する面にバンプ１０５が形成されている。

この回路基板１０１の基板電極１０２と半導体素子１０４のバンプ１０５とを位置合わせし、ボンディングツール１０６にて半導体素子１０４を回路基板１０１に加圧、加熱することにより実装する。この際、基板電極１０２とバンプ１０５を電気的に接続する方法として異方性導電フィルム１０７を介在させる方法がある。

異方性導電フィルム１０７は、微細な導電粒子１０８を分散させた熱硬化性または熱可塑性の樹脂フィルムで、半導体素子１０４と回路基板１０１との間で加圧、加熱されることにより、軟化、流動化して、半導体素子１０４の下全体に押し広げられて回路基板１０１と接着、固化される。また、半導体素子１０４のバンプ１０５と回路基板１０１の基板電極１０２の間には、導電粒子１０８が挟まれ電気的接続が得られる。

なお、ボンディングツール１０６に異方性導電フィルム１０７が付着しないように、ボンディングツール１０６と半導体素子１０４の間に、例えばフッ素系樹脂を用いた樹脂シート状部材１０９を挟んでおいて加圧、加熱を行う。

特開２００１−１２７１０５号公報

このように樹脂シート状部材１０９をボンディングツール１０６と半導体素子１０４の間に挟んで加圧、加熱を行う場合、半導体素子１０４上のバンプ１０５が配置されている部分とバンプ１０５が配置されていない部分とで、図１１に示すように樹脂シート状部材１０９の変形に差異が生じる。樹脂シート状部材１０９の弾性率は１ＧＰａ以下である。

すなわち、バンプ１０５が配置されている部分の樹脂シート状部材１０９の変形は、バンプ１０５が配置されていない部分の樹脂シート状部材１０９の変形よりも大きく、そのため、半導体素子１０４がバンプ１０５を支点として大きく曲げられる現象が発生する。

この場合、特に半導体素子１０４が薄型化した場合、バンプ１０５の近傍に加圧時の応力が集中し、半導体素子１０４が損傷するという課題を有している。さらに、異方性導電フィルム１０７の樹脂中のシリカ１１０によって半導体素子１０４が破壊されることがある。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、特に半導体素子の薄型化に対して半導体素子を損傷しない高品質な電子部品とその製造方法を提供することを目的とする。

本発明の請求項１記載の電子部品は、主面にバンプを有する半導体素子と、前記半導体素子の前記バンプに当接して導通した基板電極を有する回路基板と、前記半導体素子と前記回路基板との間に位置する熱硬化性樹脂フィルムと、材質が硬質で、前記半導体素子の前記主面とは反対側の面に直接または接着層を介して当接し外周部のうちの少なくとも前記半導体素子の前記バンプが形成されている辺に対応する部分が前記回路基板の側に近接して前記熱硬化性樹脂フィルムによって前記回路基板に接着されている金属枠と、を有している電子部品であり、前記金属枠は、前記バンプと前記基板電極との接続部分および前記半導体素子を収容でき、前記半導体素子を被覆でき前記半導体素子と略同一サイズの凹部を有し、前記半導体素子を前記凹部に含み、前記凹部の壁面には開口がなく、前記金属枠は、さらに前記回路基板に近接して前記回路基板の実装面に沿って延びる鍔部が形成され、前記熱硬化性樹脂フィルムは、前記半導体素子と前記回路基板の間から前記鍔部と前記回路基板の間にわたって配置されるが、前記凹部の底面には達していないことを特徴とする。

この構成によれば、半導体素子の薄型化に対して、半導体素子を損傷しない高品質な電子部品を高生産で提供することができる。

本発明の実施の形態１の電子部品の製造工程の説明図スタッドバンプの形成工程の説明図同実施の形態の完成した電子部品の拡大斜視図同実施の形態の完成した電子部品の断面図同実施の形態の別の例の電子部品の断面図本発明の実施の形態２の電子部品の製造工程の説明図同実施の形態の完成した電子部品の断面図同実施の形態に使用する金属板の平面図本発明の実施の形態１，２の平面図と別の例の平面図従来の製造工程の断面図同従来例の説明図

以下、本発明の各実施の形態を図１〜図９に基づいて説明する。
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１における電子部品の製造方法およびその方法により製造される電子部品の構造を図１〜図４に基づいて説明する。

図２はワイヤボンディング技術を利用したバンプ形成方法を工程順に示した断面図であり、図１は電子部品の製造方法を工程順に示した断面図であり、図４は図１により製造された電子部品の断面図を示す。

図２に示すバンプ形成方法は、ワイヤボンディング技術を利用し、Ａｕ線２０１の先端にスパーク放電を用いてＡｕボール２０２を形成し（図２（ａ））、Ａｕボール２０２を保持するキャピラリ２０３を下降し、Ａｕボール２０２が加熱ステージにより加熱された半導体素子１０４のパッド電極２０４に接触し、その後加圧力と超音波が印加されて接合が完了する（図２（ｂ））。その後、一定量Ａｕ線２０１を引き出した後、Ａｕ線２０１をクランプしてキャピラリ２０３が上昇すると、Ａｕ線２０１が引きちぎられ、バンプ１０５の形成が完了する（図２（ｃ））。パッド電極２０４の材質は一般的にＡｌを主材料とし、ＳｉやＣｕを含むＡｌ化合物である。

半導体素子１０４のパッド電極２０４の間のピッチが１２０μｍのとき、バンプ１０５の直径は８５μｍ、バンプ１０５の台座部の高さは２５μｍとする。これらの形状はバンプ１０５の材質、バンプ１０５の形成条件、ボンディング条件により、±３〜１０μｍ程度は調整できる。

図１（ａ）に示す回路基板１０１の基板電極１０２の上に、図１（ｂ）では、半導体素子１０４の大きさより１ｍｍ程度大きな寸法にてカットされた熱硬化性樹脂フィルム３０１を配置し、貼り付けツール３０３により熱硬化性樹脂フィルム３０１を貼り付ける。貼り付けツール３０３は内蔵したヒータ３０２にて７０〜１２０℃に加熱されており、５〜１０ｋｇｆ／ｃｍ^２程度の圧力で熱硬化性樹脂フィルム３０１を回路基板１０１の基板電極１０２の上に貼り付ける。

貼り付けツール３０３により熱硬化性樹脂フィルム３０１を貼り付ける時に、貼り付けツール３０３に熱硬化性樹脂フィルム３０１が貼り付くことを防止するために、熱硬化性樹脂フィルム３０１にはセパレータ３０４が貼り付けられた状態になっており、熱硬化性樹脂フィルム３０１を回路基板１０１に貼り付けた後にセパレータ３０４が熱硬化性樹脂フィルム３０１から剥がされる。

熱硬化性樹脂フィルム３０１は、シリカなどの無機系フィラーを含有した絶縁性を有するもの（例えば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリイミドなど）、無機系フィラーを全く含有しない絶縁性を有するもの（例えば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリイミドなど）が好ましいとともに、後工程におけるリフロー工程での高温に耐えうる耐熱性（例えば、２６０℃下で１０秒間耐えうる程度の耐熱性）を有することが好ましい。

図１（ｃ）では、図２の工程によって半導体素子１０４のパッド電極２０４上にバンプ１０５が形成された半導体素子１０４を、バンプ１０５の位置が前記の熱硬化性樹脂フィルム３０１が貼り付けられた回路基板１０１の基板電極１０２の位置に対応するように位置合わせして、吸着ツール３０５により回路基板１０１に押圧して搭載する。このとき吸着ツール３０５の温度は環境下とほぼ同程度の温度であり、熱硬化性樹脂フィルム３０１が熱硬化反応を開始する反応開始温度以下である。

図１（ｄ）では、枠としての金属枠３０６が吸着ツール３０７によりホールドされて、半導体素子１０４を被覆するように位置合わせして半導体素子１０４の上に搭載する。従来例で使用されていた樹脂シート状部材１０９の弾性率が１ＧＰａ以下であったのに対して、金属枠３０６はそれよりも弾性率が大きく、具体的には３ＧＰａ以上が好ましい。金属枠３０６は半導体素子の大きさと略同一サイズであり、半導体素子１０４を被覆できるようにあらかじめ凹部が形成された形状をしたものが好ましい。半導体素子１０４の外形寸法を６ｍｍ×６ｍｍとすると、前記凹部の内径寸法は半導体素子１０４の寸法公差を考慮し、６．１ｍｍ×６．１ｍｍ〜６．２ｍｍ×６．２ｍｍ程度が好ましい。厚みは立体形状を維持するために０．１ｍｍ〜０．３５ｍｍ程度が好ましい。また、材質は次工程での押圧、加熱に対して変形しない金属、例えば、ＳＵＳ、洋白、リン青銅などが好ましい。吸着ツール３０７の温度は環境下とほぼ同程度の温度であり、熱硬化性樹脂フィルム３０１が熱硬化反応を開始する反応開始温度以下である。

図１（ｅ）と図１（ｆ）では、ヒータ３０８により加熱された圧着ツール３０９により金属枠３０６を押圧、加熱することにより、位置合わせされた半導体素子１０４も押圧、加熱され、接合が完了する。

このときバンプ１０５は、押圧されることにより回路基板１０１の基板電極１０２上で変形されながら押し付けられていく。このとき、押圧は最低でも２０ｇｆ必要であり、半導体素子１０４、バンプ１０５、回路基板１０１を損傷しない程度の荷重を印加する。また、このとき、加熱された圧着ツール３０９により半導体素子１０４と回路基板１０１の間の熱硬化性樹脂フィルム３０１には１７０℃〜２５０℃程度の熱が数秒〜３０秒程度印加され、この熱硬化性樹脂フィルム３０１が熱硬化され、半導体素子１０４は硬化した熱硬化性樹脂３１０により回路基板１０１上に固定される。また、同時に金属枠３０６も熱硬化性樹脂３１０により回路基板１０１上に固定される。以上の工程により得られる電子部品の構造を図３と図４に示す。

ここでは熱硬化性樹脂３１０としてフィルム状のものを用いた場合について説明を行ったが、熱硬化性樹脂３１０の形態は液状のものでもよい。
また、金属枠３０６の形状は図５のような形状でもよい。つまり、金属枠３０６には鍔部３０６ａが形成されている。このとき、金属枠３０６と回路基板１０１との接着面積がさらに広くなるため、金属枠３０６をさらに強固に回路基板１０１と接着することが可能である。

かかる構成によれば、従来使用されていた樹脂シート状部材１０９に比べて硬質の金属枠３０６を介して、半導体素子１０４を回路基板１０１に押圧するので、半導体素子１０４のバンプ１０５の近傍には応力が集中しないため、薄型の半導体素子１０４に対しても高品質に実装することが可能である。

また、金属枠３０６で半導体素子１０１を覆っているのでシールド効果を有する。また、部分的に加圧しないので、樹脂中のシリカなどのフィラーで半導体素子１０１が破壊されることもない。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２における電子部品の製造方法およびその方法により製造される電子部品の構造を図６および図７に基づいて説明する。

図６は電子部品の製造方法を工程順に示した断面図であり、図７は図６により製造された電子部品の断面図を示す。
ワイヤボンディング技術を利用して半導体素子１０４上にバンプ１０５を形成する方法は実施の形態１における図２と同じであるため、ここでは説明を省略する。

図６（ａ）と図６（ｂ）では、回路基板１０１の基板電極１０２上に半導体素子１０４の大きさより１ｍｍ程度大きな寸法にてカットされた熱硬化性樹脂フィルム３０１を配置し、内蔵したヒータ３０２にて７０〜１２０℃に加熱された貼り付けツール３０３により５〜１０ｋｇｆ／ｃｍ^２程度の圧力で熱硬化性樹脂フィルム３０１を回路基板１０１の基板電極１０２上に貼り付ける。この後、熱硬化性樹脂フィルム３０１の貼り付けツール３０３側に取り外し可能に配置されたセパレータ３０４を剥がすことにより回路基板１０１の準備工程が完了する。

このセパレータ３０４は、貼り付けツール３０３に熱硬化性樹脂フィルム３０１が貼り付くことを防止するためのものである。ここで、熱硬化性樹脂フィルム３０１は、シリカなどの無機系フィラーを含有した絶縁性を有するもの（例えば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリイミドなど）、無機系フィラーを全く含有しない絶縁性を有するもの（例えば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリイミドなど）が好ましいとともに、後工程におけるリフロー工程での高温に耐えうる耐熱性（例えば、２６０℃の環境下で１０秒間耐えうる程度の耐熱性）を有することが好ましい。

図６（ｃ）では、図２の工程によって半導体素子１０４のパッド電極２０４上にバンプ１０５が形成された半導体素子１０４を、バンプ１０５の位置が前記の熱硬化性樹脂フィルム３０１が貼り付けられた回路基板１０１の基板電極１０２の位置に対応するように位置合わせして、吸着ツール３０５により回路基板１０１に押圧して搭載する。このとき吸着ツール３０５の温度は環境下とほぼ同程度の温度であり、熱硬化性樹脂フィルム３０１が熱硬化反応を開始する反応開始温度以下である。

図６（ｄ）では、半導体素子１０４上に硬質板としての金属板４０１を固定するための接着層としての熱硬化性樹脂４０２を供給する。ここで金属板４０１は、従来使用されていた樹脂シート状部材１０９に比べて硬質である。

図６（ｅ）では、従来使用されていた樹脂シート状部材１０９に比べて硬質の硬質板としての金属板４０１を半導体素子１０４を被覆するように位置合わせして吸着ツール３０７により半導体素子１０４上に搭載する。金属板４０１は半導体素子１０４の大きさに半導体素子１０４の厚みの２倍と接続時の半導体素子１０４の主面と回路基板１０１との間隙の寸法を加算した寸法が好ましい。またその形状は図８に示すように十字の形状が好ましい。金属板４０１にはあらかじめ半導体素子１０４の大きさと略同一寸法の位置に切り欠き４０１ａを設けておく。半導体素子１０４の外形寸法を６ｍｍ×６ｍｍ、半導体素子１０４の厚みを０．１ｍｍとすると、金属板４０１の外形寸法は半導体素子１０４の寸法公差を考慮し、６．２ｍｍ×６．２ｍｍ〜６．３ｍｍ×６．３ｍｍ程度が好ましい。厚みは平板形状が後工程での押圧、加熱工程にて折り曲げられやすいよう０．０２ｍｍ〜０．３ｍｍ程度が好ましい。厚みが０．１ｍｍ以上の金属板４０１に対しては、後工程での押圧、加熱工程にて折り曲げられやすいように６．１ｍｍ×６．１ｍｍの寸法に切り欠きを設けることが好ましい。また、材質は次工程での押圧、加熱に対して変形しない金属、例えば、ＳＵＳ、洋白、リン青銅、アルミなどが好ましい。具体的には、アルミの場合の厚みは０．０２ｍｍ、洋白の場合の厚みは０．３ｍｍであった。

図６（ｆ）では、ヒータ４０３により加熱された圧着ツール４０４により金属板４０１を押圧、加熱する。
このとき、圧着ツール４０４は凹型の形状とし、凹部の内部寸法は外形が半導体素子１０４の大きさに金属板４０１の厚みの２倍を加算した寸法と略同一する。また深さは接続後の回路基板１０１の上面から金属板４０１の上面までの高さと略同一とする。半導体素子１０４の外形寸法を６ｍｍ×６ｍｍ、半導体素子１０４の厚みを０．１ｍｍとすると、金属板４０１の外形寸法は半導体素子１０４の寸法公差を考慮し、６．２ｍｍ×６．２ｍｍ〜６．３ｍｍ×６．３ｍｍ程度が好ましい。圧着ツール４０４の凹部の内部寸法は半導体素子１０４の寸法公差を考慮し、６．２ｍｍ×６．２ｍｍ〜６．３ｍｍ×６．３ｍｍ程度が好ましい。凹部の深さは０．２ｍｍ〜０．２５ｍｍ程度が好ましい。

圧着ツール４０４により位置合わせされた金属板４０１を押圧、加熱することにより、最初に金属板４０１の四隅が切り欠き４０１ａで回路基板１０１の側の折れ曲げられて、半導体素子１０４も押圧、加熱され、図６（ｇ）に示すように接合が完了する。

このとき、バンプ１０５は、押圧されることにより、回路基板１０１の基板電極１０２上で変形されながら押し付けられていく。このとき、押圧は最低でも２０ｇｆ必要であり、半導体素子１０４、バンプ１０５、回路基板１０１を損傷しない程度の荷重を印加する。また、このとき、加熱された圧着ツール３０９により半導体素子１０４と回路基板１０１の間の熱硬化性樹脂フィルム３０１には１７０℃〜２５０℃程度の熱が数秒〜３０秒程度印加され、この熱硬化性樹脂フィルム３０１が熱硬化され、半導体素子１０４は硬化した熱硬化性樹脂３１０により回路基板１０１上に固定される。また、同時に金属板４０１はあらかじめ設けられた切り欠きで折り曲げられながら、半導体素子１０４の外周にはみ出ている熱硬化性樹脂３１０により回路基板１０１の上に固定される。

かかる構成によれば、半導体素子１０４のバンプ１０５の近傍には応力が集中しないため、薄型の半導体素子１０４に対しても高品質に実装することが可能である。また、あらかじめ高価な立体形状の金属枠を必要とせず、金型での打ち抜き方法などによる安価な平板形状の金属板を用いることができるので、電子部品を安価に製造することができる。

上記の各実施の形態では、金属枠３０６や金属板４０１を折り曲げて構成した枠は、図９（ａ）に示すように凹部を形成するように四隅に壁６１，６２，６３，６４が形成されていたが、図９（ｂ）に示すように、バンプ１０５が半導体素子１０４の対向する２辺に沿って形成されている場合には、バンプ１０５が形成されている辺に対応して、金属枠３０６や金属板４０１を折り曲げて構成した枠に壁６１，６３を形成することによっても、ほぼ同様の効果を期待できる。

なお、この実施の形態２では半導体素子１０４の上に金属板４０１を固定するために接着層として熱硬化性樹脂４０２を供給したが、この熱硬化性樹脂４０２を設けない場合も実施することができる。

本発明は、薄型の半導体素子を実装した各種の電子部品の信頼性の向上に寄与できる。

１０１回路基板
１０２基板電極
１０４半導体素子
１０５バンプ
３０１熱硬化性樹脂フィルム
３０２ヒータ
３０３貼り付けツール
３０４セパレータ
３０５吸着ツール
３０６金属枠（枠）
３０６ａ鍔部
３０７吸着ツール
３０８ヒータ
３０９圧着ツール
３１０熱硬化された熱硬化性樹脂フィルム
４０１金属板（硬質板）
４０２熱硬化性樹脂
４０３ヒータ
４０４凹部を有する圧着ツール

Claims

主面にバンプを有する半導体素子と、
前記半導体素子の前記バンプに当接して導通した基板電極を有する回路基板と、
前記半導体素子と前記回路基板との間に位置する熱硬化性樹脂フィルムと、
材質が硬質で、前記半導体素子の前記主面とは反対側の面に直接または接着層を介して当接し外周部のうちの少なくとも前記半導体素子の前記バンプが形成されている辺に対応する部分が前記回路基板の側に近接して前記熱硬化性樹脂フィルムによって前記回路基板に接着されている金属枠と、を有している電子部品であり、
前記金属枠は、前記バンプと前記基板電極との接続部分および前記半導体素子を収容でき、前記半導体素子を被覆でき前記半導体素子と略同一サイズの凹部を有し、前記半導体素子を前記凹部に含み、前記凹部の壁面には開口がなく、
前記金属枠は、さらに前記回路基板に近接して前記回路基板の実装面に沿って延びる鍔部が形成され、
前記熱硬化性樹脂フィルムは、前記半導体素子と前記回路基板の間から前記鍔部と前記回路基板の間にわたって配置されるが、前記凹部の底面には達していない
電子部品。
前記半導体素子の前記主面とは反対側の面と前記金属枠の間に介装された前記接着層が、熱硬化性樹脂である
請求項１記載の電子部品。
前記金属枠の外表面で底部の外周に、前記前記金属枠の材料の厚みが薄くなる切り欠きが形成されている
請求項１記載の電子部品。