JP5567893B2

JP5567893B2 - 接続方法及び接続装置

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Publication number: JP5567893B2
Application number: JP2010103176A
Authority: JP
Inventors: 克哉工藤
Original assignee: Dexerials Corp
Current assignee: Dexerials Corp
Priority date: 2010-04-28
Filing date: 2010-04-28
Publication date: 2014-08-06
Anticipated expiration: 2030-04-28
Also published as: JP2010166097A

Description

本発明は、配線基板と半導体素子とを電気的に接続させる接続方法及び接続装置に関する。

従来、配線基板にＩＣ（Integrated Circuit）チップなどの半導体素子を実装し、異方性導電接続する方法として、異方性導電フィルム（ＡＣＦ:Anisotropic Conductive Film）、異方性導電ペースト（ＡＣＰ:Anisotropic Conductive Paste）などの導電性粒子を含有した熱硬化型接着剤を介して基板と実装部品とを熱圧着する方法が行われている。

特に、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）パネルのガラス基板にＩＣチップを実装するＣＯＧ（Chip On Glass）においては、製品の軽量化や高密度実装を目的として、近年、厚さが１．０ｍｍ以下の薄型の基板が使用されている。

しかしながら、基板を薄型化すると、ＩＣチップを実装する際の熱硬化型接着剤の熱分布歪み及び内部応力によって基板に反りが生じ、ＩＣチップが実装された接続構造体に表示ムラが起きたり、導通抵抗が上昇したりしてしまう。

このような不都合を防ぐため、特許文献１には、ＩＣチップを実装する際、ＩＣチップの端部が位置する高熱導電部と、ＩＣチップの中央部が位置する低熱導電部とを備えるステージを加熱することが提案されている。この接続方法によれば、ＩＣチップの端部に位置する異方性導電フィルムの加熱時の伝熱量が、ＩＣチップの中央部に位置する異方性導電フィルムの伝熱量よりも多くなり、ＩＣ末端部に位置する異方性導電フィルムも十分に硬化されるため、ＩＣ端部が強固に固定され、基板の反りが生じたとしてもＩＣ端部が異方性導電フィルムから剥離するのを防ぐことができる。

ところが、上述のようなステージ加熱を用いた場合であっても、熱圧着時に異方性導電フィルムの一部が早く硬化を始めてしまい、導電性粒子を十分に押し込むことができず、接続信頼性が低下してしまうことがあった。また、熱圧着時の基板と半導体素子の熱膨張率の差に起因して接続構造体に反りが生じてしまうことがあった。

特開２００６−４９７３９号公報

本発明は、前記実情に鑑みてなされたものであり、半導体素子と基板との接続信頼性を向上させる接続方法及び接続装置を提供すること目的とする。

本発明者らは、種々の検討を重ねた結果、半導体素子の端部が配置される第１のステージ部材の熱伝導率、半導体素子の中央部が配置される第２のステージ部材の熱伝導率、及び第１のステージ部材と第２のステージ部材との熱伝導率の差を規定することにより、熱圧着時に異方性導電フィルムの一部が早く硬化を始めてしまうのを抑制するとともに接続構造体の反りを軽減し、接続信頼性を向上させることができることを見出した。

すなわち、本発明に係る接続方法は、半導体素子と基板とを異方性導電フィルムを介して熱圧着させる接続方法において、基板上に異方性導電フィルムが仮貼りされ、異方性導電フィルム上に半導体素子が仮設置された仮接続体を、第１のステージ部材と第２のステージ部材とから構成されるステージ上に配置する配置工程と、ステージ上に配置された仮接続体を、半導体素子上面から押圧ヘッドにより押圧し、半導体素子と基板とを接続させる接続工程とを有し、配置工程では、第１のステージ部材上に半導体素子の端部を配置し、第２のステージ部材上に半導体端子の中央部を配置し、第１のステージ部材の熱伝導率が１５〜３５Ｗ／（ｍ・Ｋ）であり、第２のステージ部材の熱伝導率が１〜１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）であり、第１のステージ部材と第２のステージ部材との熱伝導率の差が１４Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることを特徴とする。

また、本発明に係る接続装置は、半導体素子と基板とを異方性導電フィルムを介して熱圧着させる接続装置において、半導体素子の端部が配置される第１のステージ部材と、半導体素子の中央部が配置される第２のステージ部材とから構成されるステージと、ステージを加熱する加熱部とを備え、第１のステージ部材の熱伝導率が１５〜３５Ｗ／（ｍ・Ｋ）であり、第２のステージ部材の熱伝導率が１〜１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）であり、第１のステージ部材と第２のステージ部材との熱伝導率の差が１４Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることを特徴とする。

本発明によれば、半導体素子の端部が配置される第１のステージ部位の熱伝導率が半導体素子の中央部が配置される第２のステージ部材よりも高いことにより、熱圧着時に半導体素子の中央部付近に過剰な熱が蓄積するのを防止し、異方性導電フィルムの一部が早く硬化を始めてしまうのを抑制するとともに、接続構造体の反りを軽減することができる。また、第１のステージ部位は、熱伝導率が良いため、熱圧着後、半導体素子の端部の異方性導電フィルムが速やかにガラス転移点（Ｔｇ）以下となり、導電性粒子の潰れが維持され、接続信頼性を向上させることができる。

本発明の一実施形態の接続方法を説明するための上面図である。ステージ上に配置される表示パネルの構成例を示す図である。本発明の一実施形態の接続方法を説明するための断面図である。接続方法の熱圧着時を説明するための断面図である。接続方法の熱圧着時の他の例を説明するための断面図である。

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。具体例として示す接続方法は、異方性導電フィルムにより半導体素子が基板上に仮設置された仮接続体をステージ上に配置し、この仮接続体を半導体素子上面から押圧ヘッドにより押圧し、半導体素子と基板とを接続させるものである。

＜接続装置＞
図１は、本発明の一実施形態の接続方法を説明するための上面図であり、図２は、ステージ上に配置される表示パネルの構成例を示す図である。この表示パネル２０は、基板２１上に画像表示部２２と、画像表示部２２を駆動させるための半導体素子搭載部２５とを備える。また、半導体素子搭載部２５は、画像表示部２２を駆動する半導体素子２３に信号を入力するためのインプット側の電極（パッド）２６と、半導体素子２３から画像表示部２２に信号を出力するためのアウトプット側の電極（パッド）２７とを有する。アウトプット側の電極２７は、画像表示部２２の大画面化、高精細化に対応して、例えば、千鳥配列の微細構造となっており、インプット側の電極２６よりも電極間隔が小さい。すなわち、この基板２１上に搭載される半導体素子２３は、接続端子が形成されたインプット側の端子領域と、インプット側の端子領域よりも単位面積あたりの接続端子が多いアウトプット側の端子領域とを有する。

また、基板２１と半導体素子２３とを接続させる接続装置は、基板２１を保持するステージと、ステージを加熱する加熱部とを備える。

ステージは、半導体素子２３の端部が配置される第１のステージ部材１１ａ、１１ｂと、半導体素子２３の中央部が配置される第２のステージ部材１２とから構成される。すなわち、このステージは、半導体素子２３の両端部の直下のみが第１ステージ部材１１ａ、１１ｂで構成される。

第１のステージ部材１１ａ、１１ｂは、熱伝導率（２５℃）が１５〜３５Ｗ／（ｍ・Ｋ）であり、このような熱伝導率を有する材料としては、クロム鋼、ニッケル鋼、クロム−ニッケル鋼などのＳＵＳ(Steel Special Use Stainless)、チタンなどを挙げることができる。また、第２のステージ部材１２は、熱伝導率（２５℃）が１〜１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）であり、このような熱伝導率を有する材料としては、石英ガラス、金属ガラス、セラミックス、コンクリートなどを挙げることができる。また、第１のステージ部材１１ａ、１１ｂと第２のステージ部材１２との熱伝導率の差は、１４Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上である。なお、熱伝導率は、熱の流れに垂直な単位面積を通って単位時間に流れる熱量を、単位長さあたりの温度差（温度勾配）で割った値である。

加熱部は、第１のステージ部材１１ａ、１１ｂと、第２のステージ部材とから構成されるステージの全体を加熱するヒータを備える。

＜仮接続体＞
また、図３は、図１中の点線Ａにおける断面図である。この図３は、基板２１上に半導体素子２３が仮設置された仮接続体が、ステージ上に配置された様子を模式的に示している。

ステージ上に設置される仮接続体は、基板２１と、画像表示部２２と、半導体素子２３と、異方性導電フィルム２４を備える。この仮接続体は、基板２１上に異方性導電フィルム２４が仮貼りされ、異方性導電フィルム２４上に半導体素子２３が仮圧着されている。

基板２１は、配線を有し、半導体素子２３を所定の位置に配置することで、電気的回路を形成する。基板２１としては、厚さが１．０ｍｍ以下のガラス基板、ガラス強化エポキシ基板などが用いられる。

画像表示部２２は、例えば、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）パネルや、プラズマパネル、有機ＥＬ（Electro Luminescence）パネルなどの画像を表示可能なパネルである。

半導体素子２３としては、例えば、ＩＣ（integrated circuit）チップ、ＬＳＩ（Large Scale Integration）チップ、コンデンサなど、基板２１上に直接実装可能なものが用いられる。これらの中でも、ＩＣチップ、ＬＳＩチップなどの半導体チップは、部品サイズが大きく、接続端子数が多いため、半導体素子２３が実装された接続構造体の反りの抑制効果が顕著に現れる。

異方性導電フィルム２４は、導電性粒子を含有しており、半導体素子２３のバンプ電極２３ａ、２３ｂと基板２１の電極とを、導電性粒子を介して電気的に接続させる。また、異方性導電フィルム２４は、熱硬化型接着剤であり、熱圧着ヘッドにより熱圧着されることにより、導電性粒子が押し潰された状態で硬化し、基板２１と半導体素子２３とを接続させる。

異方性導電フィルム２４は、有機樹脂バインダーに導電性粒子が含有された組成であり、有機樹脂バインダーは膜形成材料、液状硬化成分、シランカップリング剤、硬化剤等から構成される。膜形成材料としては、フェノキシ樹脂、固形エポキシ樹脂等、膜形成能を有する有機樹脂であれば適宜使用することができる。液状硬化成分は、液状エポキシ樹脂、液状アクリレートなど熱硬化性を有する化合物を適宜使用することができる。液状エポキシ樹脂を使用した場合における硬化剤としては、アミン系硬化剤、イミダゾール類、スルホニウム塩、オニウム塩等を好ましく使用することができる。液状アクリレートを使用した場合における硬化剤としては、有機過酸化物などの熱ラジカル発生剤を好ましく使用することができる。更に無機フィラー、各種添加剤を用いてもよい。

＜接続方法＞
先ず、図１乃至図３に示すように、半導体素子２３の端部２３ａ、２４ｂの下に第１のステージ部材１１ａ、１１ｂが位置し、半導体素子２３の中央部の下に第２のステージ部材１２が位置するように仮接続体を設置する。具体的には、半導体素子２３が半導体チップの場合、半導体チップのサイドバンプの垂直下に第１のステージ部材１１ａ、１１ｂが位置し、半導体チップの中心部の垂直下に第２のステージ部材１２が位置するように設置する。

ここで、第１のステージ部材１１ａ、１１ｂは、熱伝導率（２５℃）が１５〜３５Ｗ／（ｍ・Ｋ）であり、第２のステージ部材１２は、熱伝導率（２５℃）が１〜１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）であり、第１のステージ部材１１ａ、１１ｂと第２のステージ部材１２との熱伝導率の差は、１４Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上である。

また、第１のステージ部材１１ａ、１１ｂは、半導体素子２３の長さをＬとしたときに半導体素子２３の端部から中心部への０．０５Ｌ〜０．１Ｌの幅の領域が含まれるように配置され、第２のステージ部材１２は、第１のステージ部材１１ａ、１１ｂの間に配置されることが好ましい。

このようにステージ上に仮接続体を設置することにより、異方性導電フィルム２４の半導体素子２３の中心部付近に熱が蓄熱されるのを防ぎ、異方性導電フィルム２４の一部が早く硬化を始めてしまうのを抑制することができる。

次に、図４を参照して、フェイスダウン方式の熱圧着ヘッド３０を用いて基板２１と半導体素子２３とを本圧着させる場合について説明する。

図４に示すように、熱圧着ヘッド３０は、ＳＵＳなどの金属からなるヘッド本体３１を有し、その内部に、加熱用のヒータを有する。また、仮接続体が設置されるステージは、上述した熱膨張率を有する第１のステージ部材１１ａ、１１ｂ及び第２のステージ部材１２から構成されている。

熱圧着ヘッド３０により仮接続体が押圧されると、第１のステージ部材１１ａ、１１ｂが接触する半導体素子２３の端部付近の伝熱量は、第２のステージ部材１２が接触する半導体素子２３の中央部付近の伝熱量よりも多くなる。このため、半導体素子２３の端部付近の異方性導電フィルム２４は、導電性粒子が押し潰された状態で確実に硬化する。

また、半導体素子２３の中央部付近への過剰な蓄熱が抑制され、半導体素子２３の熱膨張が抑制されるため、基板２１と半導体素子２３との熱膨張量の差に起因する接続構造体の反りを軽減することができる。

また、第１のステージ部位は、熱伝導率が良いため、熱圧着後、半導体素子の端部の異方性導電フィルムが速やかにガラス転移点（Ｔｇ）以下となり、導電性粒子の潰れが維持されるため、接続信頼性を向上させることができる。

なお、図４に示す熱圧着ヘッド３０に限られることなく、図５に示す熱圧着ヘッド４０のように、ヘッド本体４１の仮接続体と対向する部分に凹部が設けられたエラストマーからなる圧着部材４２を取り付けてもよい。この熱圧着ヘッド４０は、ＥＢＳ工法（Elasticity Bonding System）と呼ばれるプリント基板全体を弾性体で覆った状態で押圧する方法で、同一基板上に複数仮設置されたＩＣを一括圧着することができる。

以下、実施例を挙げて、本発明を具体的に説明する。ここでは、基板と半導体素子とを異方性導電フィルムを介して熱圧着させた接続構造体の反り量及び端部抵抗値を評価した。なお、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

先ず、基板として厚さ０．７ｍｍのガラス基板（コーニング社製１７３７Ｆ）、半導体素子としてＩＣチップ（外形：１．８×２０ｍｍ、厚さ：０．５ｍｍ）を用いた。異方性導電フィルムは、次のように作製した。

ビスＡ型フェノキシ樹脂（ＹＰ５０、東都化成社製）３０質量部、ビスＡ型液状エポキシ樹脂（ＥＰ８２８、ジャパンエポキシレジン社製）３０質量部、アミン系硬化剤（ＰＨＸ３９４１ＨＰ、旭化成社製）、エポキシ系シランカップリング剤（Ａ−１８７、モメンティブ・パフォーマンス・マテリアルズ社製）１質量部、平均粒子径４μｍの導電性粒子（ＡＵＬ７０４、積水化学工業社製）３５質量部にトルエンを加え、固形物５０ｗｔ％の異方性導電組成物を作成し、剥離処理されたＰＥＴにバーコーターを用いて塗布し、８０℃のオーブンで５分乾燥させ、異方性導電フィルムを作製した。

接続装置は、ＩＣチップ端部が配置される第１のステージ部材と、ＩＣチップ中央部が配置される第２ステージ部材とから構成されるステージを備えるものを用いた。そして、固有の熱伝導率（２５℃）を持つ第１のステージ部材及び第２のステージ部材を適宜変更した。

そして、ＩＣチップのサイドバンプの下に第１のステージ部材が位置し、ＩＣチップの中央部の下に第２のステージ部材が位置するようにステージ上にガラス基板を設置し、ガラス基板の所定位置に異方性導電フィルムを仮貼りし、異方性導電フィルム上にＩＣチップを仮圧着させ、仮接続体を得た。

その後、熱圧着ヘッドを移動機構によりステージ側に向かって移動させ、ＩＣチップ側から６０ＭＰａで７秒間加圧し、ガラス基板とＩＣチップとを異方性導電フィルムを介して熱圧着させた。このとき、ステージの温度を３０℃とし、熱圧着ヘッドの温度を２４５℃とした。

このようにして得られた接続構造体について、反り量及び端部抵抗値を測定し、評価した。表１に評価結果を示す。

〔接続構造体の反り量の評価〕
接続構造体を平坦な台の上に置き、ガラス基板の上面の最も凹んでいる面からＩＣチップのサイドバンプの接続端面までの高さＬを測定し、反り量の評価の指標とした。

〔端部抵抗値の評価〕
ガラス基板の隣接する２ピン間の抵抗を、温度８５℃、湿度８５％ＲＨ、５００時間のＴＨテスト（Thermal Humidity Test）の前後で測定し、端部抵抗値の評価の指標とした。

実施例１〜４から分かるように、第１のステージ部材の熱伝導率（２５℃）が１５〜３５Ｗ／（ｍ・Ｋ）であり、第２のステージ部材の熱伝導率（２５℃）が１〜１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）であり、第１のステージ部材と第２のステージ部材との熱伝導率（２５℃）の差が１４Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることにより、反り量が３．５μｍ以下であり、かつ、端部抵抗値が１Ω以下である接続構造体を得ることができることが分かる。

一方、比較例１、２のように、第１のステージ部材の熱伝導率（２５℃）が１５〜３５Ｗ／（ｍ・Ｋ）であり、第２のステージ部材の熱伝導率（２５℃）が１〜１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）であっても、熱伝導率の差が１４Ｗ／（ｍ・Ｋ）よりも低いと、反り量及び端部抵抗値が高くなる。

また、比較例７、８、１０〜１５のように、熱伝導率の差が１４Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であっても、第１のステージ部材又は第２のステージ部材の少なくともいずれか一方の熱伝導率が上述した範囲を外れていると、反り量及び端部抵抗値が高くなる。

以上説明したように、本実施の形態における接続方法によれば、熱圧着時に半導体素子の中央部付近に過剰な熱が蓄積するのを防止し、異方性導電フィルムの一部が早く硬化を始めてしまうのを抑制するとともに、接続構造体の反りを軽減することができる。

１１第１のステージ部材、１２第２のステージ部材、２０表示パネル、２１基板、２２画像表示部、２３半導体素子、２４異方性導電フィルム、３０熱圧着ヘッド、３１ヘッド本体、４０熱圧着ヘッド、４１ヘッド本体、４２圧着部材

Claims

半導体素子と基板とを異方性導電フィルムを介して熱圧着させる接続方法において、
前記基板上に異方性導電フィルムが仮貼りされ、前記異方性導電フィルム上に前記半導体素子が仮設置された仮接続体を、第１のステージ部材と第２のステージ部材とから構成されるステージ上に配置する配置工程と、
前記ステージ上に配置された仮接続体を、前記半導体素子上面から押圧ヘッドにより押圧し、前記半導体素子と基板とを接続させる接続工程とを有し、
前記配置工程では、前記第１のステージ部材上に前記半導体素子の端部を配置し、前記第２のステージ部材上に前記半導体端子の中央部を配置し、
前記第１のステージ部材の熱伝導率が１５〜３５Ｗ／（ｍ・Ｋ）であり、前記第２のステージ部材の熱伝導率が１〜１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）であり、前記第１のステージ部材と第２のステージ部材との熱伝導率の差が１４Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上である接続方法。
前記半導体素子は、バンプを有する半導体チップであり、
前記第１のステージ部材は、前記半導体チップの長さをＬとしたときに該半導体チップの端部から中心部への０．０５Ｌ〜０．１Ｌの幅の領域が含まれるように配置され、
前記第２のステージ部材は、前記第１のステージ部材の間に配置される請求項１記載の接続方法。
前記第１のステージ部材は、ＳＵＳ(Steel Special Use Stainless)であり、
前記第２のステージ部材は、石英ガラス又はセラミックである請求項１又は２に記載の接続方法。
半導体素子と基板とを異方性導電フィルムを介して熱圧着させる接続装置において、
前記半導体素子の端部が配置される第１のステージ部材と、前記半導体素子の中央部が配置される第２のステージ部材とから構成されるステージと、
前記ステージを加熱する加熱部とを備え、
前記第１のステージ部材の熱伝導率が１５〜３５Ｗ／（ｍ・Ｋ）であり、前記第２のステージ部材の熱伝導率が１〜１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）であり、前記第１のステージ部材と第２のステージ部材との熱伝導率の差が１４Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上である接続装置。