JP6605718B2 - 導電性ペースト、電極接続構造、及び、電極接続構造の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、フリップチップ接続構造およびその実現方法に関する。特にダイラタンシー性を持つ導電性ペーストと、それを用いた電気接続構造およびその製造方法に関する。

フリップチップ接続に導電性ペーストを用いようとする試みは、多く行われてきた。特にサブミクロンの導電性微粒子を用いた焼結型導電性ペーストを使った接合では、硬化後に導電性材料のバルク銀並の温度特性、機械的特性を持つようになることから、接合部が高温に耐えることができることが期待できる。そのため、高温動作するデバイスの接合部に使える可能性があるため、近年、注目される技術となっている。

日本国公開特許公報「特許５２０７２８１号公報」 日本国公開特許公報「特開２０１５−５６４９６号公報」

http://www.stat.phys.kyushu-u.ac.jp/~nakanisi/Physics/Dilatancy/

特許文献１に開示される焼結型銀ペーストは、２種類の銀粒子を、接着剤を含まないバインダに分散したもので、硬化後の特性として、バルク銀に近い特性を持つものである。この特許文献１に開示される内容は、広い面積に塗布して電子デバイスを搭載、加圧状態で硬化させるものである。特許文献１に開示された内容は、広い面積に塗布することから、電子デバイスの電極接続には技術が及んでいなかった。

一方、特許文献２には、電子デバイスの電極と回路基板の電極を接続する方法が開示されている。図１２を用いて、特許文献２に開示された、電子デバイスの電極と回路基板の電極を接続する方法を説明する。

図１２において、１００は半導体チップ、１０１は半導体チップの電極パッド、２００は回路基板、２０１は回路基板の電極パッドである。回路基板２００には、半導体チップ１００の側面を覆うように隆起部２２０が形成され、電極パッド１０１から隆起部２２０の表面を通り、電極パッド２０１に向かって焼結型銀ペースト２２１が配置されている。

焼結型銀ペースト２２１に流動性があるため、隆起部２２０は、焼結型銀ペースト２２１の途中経路を維持させるために設けられている。焼結型銀ペースト２２１の途中経路を維持させるため回路基板２００に沿わせる必要があり、自由度としては制限を受けるものであった。また、このような構造では、焼結型銀ペースト２２１の断面形状が不安定なものになり、材料自体の電気伝導、熱伝導の優れる特性が十分に発揮できないものであった。

本発明は、前記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、自立する突起電極のような電極を形成できる導電性ペーストを得ること、及び、導電性ペーストを使って電極間を接続することである。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る導電性ペーストは、基板と該基板上に搭載される電子部品との間の電気接続に使用可能な導電性ペーストであって、導電粉末とアルコール系液体成分とを含み、接着剤を含まず、前記導電粉末は、厚さが０．０５μｍ以上０．１μｍ以下であり、当該厚さ方向に対して垂直に交わる面内の最大の差し渡しを代表長さとしたとき、当該代表長さが５μｍ以上１０μｍ以下である導電粒子を含み、前記アルコール系液体成分は、前記導電性ペーストにおける重量比が、８％以上２０％以下であることを特徴とする。

本発明の一態様によれば、自立する突起電極のような電極を得ることができ、かつ、導電性ペーストを使って電極間を接続するという効果を奏する。

本発明の実施形態１に係る焼結型銀ペーストの柱状体、回路基板、及び、半導体チップの構造を表す斜視図である。 実施形態１に係るディスペンスで形成した導電性ペーストの柱状体を表す図である。 本発明の実施形態１に係る焼結型銀ペースト接続部を表す断面図である。 本発明の実施形態１に係る焼結型銀ペーストの柱状体をディスペンサで吐出している様子を説明する図である。 本発明の実施形態１に係るフリップチップボンダーへの半導体チップを吸着固定している様子を説明する図である。 本発明の実施形態１に係る焼結型銀ペーストの柱状体でフリップチップ接続している様子を説明する図である。 本発明の実施形態１に係るディスペンサで吐出した焼結型銀ペーストの形状を説明する図である。 本発明の実施形態２に係る焼結型銀ペーストの柱状体のアレイ配置を説明する図である。 本発明の実施形態３に係る電気接続体の接続部近傍を樹脂で埋めた様子を表す図である。 本発明の実施形態４に係る、焼結型銀ペーストを使って、電気接続体におけるチップ裏面の電極も接続した様子を表す図である。 フリップチップボンダーでの搭載時の荷重（反力）の振舞の様子を説明する図である。 従来の電気接続体を説明する図である。 本発明の実施形態１に係る導電性粉末の形状を表す斜視図である。 本発明の実施形態１に係る予備実験の結果を表す図である。 各種アルコール系液体成分でのフリップチップボンダーでの搭載時の荷重（反力）推移を表す図である。

〔実施形態１〕
（導電性ペースト及び電気導電体の概略）
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。本実施形態に係る電気接続体では、基板と、該基板上に搭載される電子部品との間の電気接続に導電性ペーストとして形状保持性が高いものを用いる。そして、導電性ペーストをディスペンサで吐出し、その形状を維持した状態で焼結させる。これにより、電気接続体を得る。具体的には、導電性ペーストとしてダイラタンシー性をもったものを使用する。

ダイラタンシー性とは、非ニュートン流体の一種が持つ性質で、ずり速度の増加に対して、粘度が増加するというものである。小さな粒子が液体に混合されたものでよく発現する性質である。例としては、乾燥した砂の上に重量物を乗せると沈むが、砂が水を含んで湿っていると重量物を乗せても少し沈むだけでそれ以降は沈まない。ずり速度が変形によって上昇することから、ダイラタンシー性が発現するずり速度に達して粘度が上昇、変形が止まってしまったように見えたと考えられる。さらに、特徴的な現象として、変形した部分の砂は乾燥しているように見える。最密充填に近い状態から変形させようとすると、粒子間が逆に拡大し、その空間に水が移動したため、変形した部分は乾燥してくるのである（非特許文献１参照）。

このようなダイラタンシー性の性質をもつ材料からなる導電性ペーストを使い、回路基板の所望の電極上にディスペンサなどで吐出させることで、所望の形状の硬化前の導電性ペーストの上方部分に突起形状部分を作る。

その後、導電性ペーストにおける突起形状部分に対して、素子電極を位置合わせして素子電極を導電性ペーストにおける突起形状部分に押し当てる。導電性ペーストにおける突起形状部分に押し当て、導電性ペーストが変形に伴い、ずり速度が上昇、その結果、導電性ペーストのダイラタンシー性が発現するずり速度に達し、変形に対して反力が増加に転じる。ちょうど、濡れた砂が少し沈む（変形する）とダイラタンシー性で急激に変形しにくくなることのアナロジーである。

ダイラタンシーによって、変形した部分が乾くことは、焼結型導電性ペーストに対して好都合である。バインダが局所的に少なくなることで、導電粒子間が接触するため、粒子間の分子間力による結合が局所的に起こる。そのため、仮接合したような状態になると考えられる。

ダイラタンシー性のポイントとなる導電粉末の形状について、図１３を用いて説明する。図１３は、本発明の実施形態１に係る導電粉末の形状を表す斜視図である。

図１３に示すように、１つの導電性粉末についてみると、導電粉末は、厚さＬ２方向に比較的均一な厚さをもっている。導電粉末は、厚さ方向に垂直な平面内では、ランダムな形状である。導電粉末において、差し渡し（幅）の最大になる部分の長さをもって、厚さ方向に垂直な方向の代表長Ｌ１とする。

導電粉末は、代表長Ｌ１、厚さＬ２とも、分布をもっているので、以下の説明では、メジアン値をもって数値表現している。導電粉末は、厚さＬ２は０．０５μｍ以上０．１μｍ以下程度であり、代表長Ｌ１は５μｍ以上１０μｍ以下程度である。

図１４は、本発明の実施形態１に係る導電性ペースト及び電気導電体に含まれる導電粉末に関する予備実験の結果を表す図である。

上述のように、導電粉末における、厚さ方向に垂直な面における差し渡しの最大長さを代表長さとする。

代表長さ８μｍで厚さ０．０８μｍの導電粉末を使い、アルコール系液体成分の量、同時に混合する球形粒子有無、接着剤系バインダを変えながら、ディスペンサによる吐出状態とボンディングの結果を確認する実験を行った。アルコール系液体成分は、エチレングリコール、接着剤系材料はエポキシ樹脂を用いた。アルコール系液体成分は、５％では粘度が高くなりすぎ吐出ができなかった。一方、アルコール系液体成分が４０％では粘度が低く形状を保つことができなかった。アルコール系液体成分が３０％では吐出は何とかできたが、ダイラタンシー性が発現するまでに吐出した導電性ペーストが潰れてしまった。アルコール系液体成分は８％以上２０％以下が良好な吐出とボンディングが実現できた。

導電粉末の厚さとほぼ等しい径をもつ球形の導電粉末を混合したものも、吐出、ボンディングとも問題無かった。

さらに、図１４では、球形粒子：有について、アルコール系成分が１０％の時の導電性粉末の厚さ：０．０５μｍ以上０．１μｍ以下、及び、代表長さ：５μｍ以上１０μｍ以下の範囲内での吐出形状およびボンディング性を図示したが、アルコール系成分を８％以上２０％以下の範囲内としても同様に吐出形状およびボンディング性が優れることは確認済である。

一方、接着剤系材料も混合したものは、吐出させることができ、吐出形状を作ることができたものの、ボンディングすると潰れてしまった。これは、ダイラタンシー性が発現できていないためであると考えられる。

導電粉末である、(i)代表長さ５μｍで厚さ０．１μｍの扁平粒子、(ii)代表長さ１０μｍ、厚さ０．０５μｍの扁平粒子とも、吐出、ボンディングは問題なく行うことができた。

しかし、厚さ０．０３μｍの導電粉末を用いたものでは、材料の活性化が高まり、保護コートを強化せざるをえず、そのため、吐出形状を何とか作ることができたものの、ダイラタンシー性が発現せず、ボンディングの際に潰れてしまった。

また、０．２μｍの厚さの導電粉末でも、ダイラタンシー性が発現せず、ボンディングの際に潰れてしまった。

結果、導電性ペーストとしては、厚さが０．０５μｍ以上０．１μｍ以下で、代表長さは５μｍ〜１０μｍの導電粉末を使い、接着剤を含まないアルコール系液体成分に分散させたものが、良いということが分かった。アルコール系液体成分は、重量比で8％以上２０％以下が好ましい。

導電粉末として、厚さがサブミクロンにあるものが、分子間力による結合が大きいため、導電粉末の厚さとしては０．１μｍ以下がよい。

ただし、厚さが０．０５μｍより小さい導電粉末では、溶剤を多くするか、粒子表面に分子間力を弱める材料を用いないと安定な導電性ペーストを得ることができず、溶剤を多くすることで粘度が下がり過ぎ、吐出形状が作れない、また、粒子表面の分子間力を弱める材料がダイラタンシー性の発現を阻害することから、好ましい材料にはならなかった。よって、導電粉末の厚さは０．０５μｍ以上がよい。

そして、導電粉末を溶かす溶液成分としては、アルコール系液体成分のみを使う。接着剤などの高分子材料を添加すると、やはりダイラタンシー性の発現を阻害してしまった。

本実施形態では、厚さ０．０８μｍ、代表長さ８μｍ（厚さと代表長さの比１００倍）の銀粒子（導電粉末）を重量比１０％のエチレングリコールで作った導電性ペーストを用い、ディスペンサで導電性ペーストを吐出後、そのまま硬化（焼結）すると、吐出形状をほぼ維持する形で焼結が完了する。

焼結した銀ペースト焼結体は、良好な電気伝導を示すが、さらに、厚さとほぼ等しい０．１μｍ径の球形粒子を混合したものは、球形粒子が、扁平粒子間の接合界面に介在することで、より電気伝導が良くなり、金属銀の２．１μΩ・ｃｍに対して、３．９〜７．８μΩ・ｃｍの値をもっており、半田等に比べ十分に高い値を示す。熱伝導も同様である。

該焼結型銀ペーストを用いて回路基板の電極パッド上に該焼結型銀ペーストの柱状体をディスペンサで形成する（図２参照）。

続いて、半導体チップをフリップチップボンダーのチップ吸着部（ボンディングツール）に吸着固定し、該半導体チップの電極パッドと回路基板のパッドとを位置合わせして、半導体チップと回路基板の間隔を所望の荷重（反力）がかかるまで下げて、チップ吸着部の固定を解放、回路基板に半導体チップの自重だけて固定されるようにする。フリップチップボンダーが監視（モニター）しているチップの反力は、図１１のようにふるまう。フリップチップボンダーで半導体チップの移動速度を所定の速度で一定に保ちつつ回路基板に押し下げていくと、ダイラタンシー性の発現によって、反力が高まる点がでる（図１１のＣ点）。その位置でチップ吸着を解放、チップ自重で固定されるようにする。

図１５は、各種アルコール系液体成分でのフリップチップボンダーでの搭載時の荷重（反力）推移を表す図である。図１５に示すＥＧ１０％〜ＥＧ４０％は、アルコール系液体成分の重量パーセント（エチレングリコールの重量パーセント）を表している。

ＥＧ８％、ＥＧ１０％、及び、ＥＧ２０％は、ダイラタンシー性が発現しボンディングできた例を示している。

一方、ＥＧ３０％とＥＧ４０％とは、ダイラタンシー性が発現せず、ボンディングの際に潰れてしまった例を示している。

反力の経過としては、ＥＧ ２０％、ＥＧ ３０％、及び、ＥＧ４０％は似た振舞をするが、反力が上昇し始める点は、ＥＧ ３０％とＥＧ４０％とは導電性ペーストが完全に潰れたことによる上昇であるのに対して、ＥＧ２０％はダイラタンシー性の発現に伴い変形が止まったことによるものであった。ＥＧ８％、及び、ＥＧ１０％も同じく、反力が再び上昇する点はダイラタンシー性の発現に伴い変形が止まったことによるものであった。

ＥＧ８％、ＥＧ１０％、及び、ＥＧ２０％は、挙動が少し異なるが、ＥＧ２０％では、粘度が低いため、糸引き部分がながくなり、それを潰す分の変形が長くなったのである。

この結果より、ダイラタンシー性を持つ導電性ペーストを使うと、ダイラタンシー性で変形が止まる荷重を予め設定することで、荷重制御でボンディングが可能であることが分かる。

その後、焼結型銀ペーストを焼結させることで、焼結型銀ペーストだけで接続された半導体チップと回路基板の接続が実現できる。

このようにすることで、ディスペンサで吐出した形状を維持したまま、焼結され、ピラー接続と同様の電気接続部の形状ができあがる。

なお、半導体チップのチップ電極表面、回路基板の電極パッド表面に酸化防止などの目的で薄い膜が形成されることがあるが、簡単化のためにその説明を割愛している。また、それらの存在の差異による効果の影響は小さい。

（主な利点）
ここで、以下の説明では、半導体チップと回路基板とを接続する導電性ペーストを接続部（電気接続部）と称する場合がある。

上述のようにして出来上がった接続部は、接着剤を含まず焼結した銀ペーストのみから構成されるため、電気伝導、熱伝導ともに優れるものであり、また高温においても機械的特性を維持するものである。

焼結型銀ペーストにおける形状維持性よって、回路基板に沿わせることなく、突起電極のような電極とすることができる。さらに隣接する電極との間隔は変わることがなく、電極間の絶縁性が良好である。

また、焼結型銀ペーストの特徴である微小な空間の多い焼結構造は、変形を許し応力緩和機構がすべて金属でできたピラーよりも優れるものになる。

加えて、焼結型銀ペーストを焼結させる際に、混錬したバインダを揮発させることが必要になるが、焼結型銀ペーストを多数の塊とし、間に空間を設けることで、表面積が大きくなり、バインダの揮発がより短時間で完了することから、焼結がより短時間に完成する副次効果がある。

〔実験例〕
図１〜図１１を用いて、本発明の実施形態１に係る実験例について説明する。

図１は本発明の実施形態１に係る焼結型銀ペーストの柱状体、回路基板、及び、半導体チップの構造を表す斜視図である。

図１において、１００は半導体チップ（素子、電子部品）、１０１は半導体チップの電極パッド、２００は回路基板（基板）、２０１は回路基板２００の電極パッドである。回路基板２００の電極パッド２０１上に導電性ペースト（導電性材料）２０２をディスペンサで吐出し形成する。これにより、回路基板２００の電極パッド２０１上に柱状の導電性ペースト２０２を立てる。

本実験例では、導電性ペースト２０２として、焼結型銀ペーストを用いた。導電性ペースト２０２として用いた焼結型銀ペーストは、厚さが０．０５μｍ以上０．１μｍ以下で厚さと垂直な面内の最大の差し渡しを代表長さとしたとき、代表長さが５μｍ以上１０μｍ以下の扁平状の銀粒子と、エチレングリコールとを含み、接着剤を含まず、上記エチレングリコールの重量割合は、導電性ペースト２０２の８％以上２０％以下である。

そして、この状態で、半導体チップ１００の電極パッド１０１と、回路基板２００の電極パッド２０１とを位置合わせして、さらに、フリップチップ接続することで、半導体チップ１００の電極パッド１０１を、回路基板２００の電極パッド２０１上に形成されている導電性ペースト２０２の頭頂部に接触させる。これにより、半導体チップ１００を、回路基板２００上に搭載する。なお、図１では、導電性ペースト２０２を図の簡単化のため円柱状に描画している。しかし、実際は、導電性ペースト２０２のディスペンスの際に「糸ひき」と呼ばれる現象によって、吐出を停止しても材料の粘度、ノズルの移動等の影響によって円錐状に伸びて、細くなった部分で切れる。そのため、実際には、導電性ペースト２０２における上方部分は円錐形になる。

図２は、ディスペンサで吐出し形成した導電性ペーストの形状例を表す図である。図２に示す、導電性ペースト２０２の下方部分である「円柱状」部分は、ディスペンサによって一定の吐出を行いながら、ノズルを一定速度で上昇させた部分である。図２に示す、導電性ペースト２０２の上方部分である「糸引き」部分は、ディスペンサの吐出を止めて、ノズルを上昇させた部分であり、導電性ペースト２０２の粘度、ノズル速度等によって円錐状となり、細くなった部分で切れたことでできた部分である。「糸引き」部分の基部の直径は２００μｍ程度であった。

図３は、導電性ペースト２０２を介して接続した回路基板２００と半導体チップ１００との接続状態での断面図である。

図３に示すように、回路基板２００の電極パッド２０１と、半導体チップ１００の電極パッド１０１を位置合わせする。そして、半導体チップ１００を、回路基板２００にフリップチップ接続することで、導電性ペースト２０２を介して電極パッド１０１と電極パッド２０１を電気的に接続した。これにより、電気接続体（電極接続構造）１が完成した。導電性ペースト２０２は、熱伝導性も高いため、電極パッド１０１と、電極パッド２０１とは熱的にも接続される。すなわち、導電性ペースト２０２は、電極パッド１０１と、電極パッド２０１とを電気的に接続する電気接続部として機能する。

図４は、回路基板２００の電極パッド２０１上に、導電性ペースト２０２を形成する方法の例を示す図である。

図４に示すように、ディスペンサ（図示せず）のシリンジ（図示せず）先端のニードル２０３から導電性ペースト２０２を吐出し、回路基板２００の電極パッド２０１上に、導電性ペースト２０２を形成する。本実験例では、ディスペンサとして、ムサシエンジニアリング製のものを用いた。また、ニードル２０３としては、(i)内径１００μｍ−外径２００μｍのもの、(ii)内径１５０μｍ‐外径２５０μｍのもの、(iii)内径２００μｍ‐外径３００μｍのもの、を用いた。

焼結型銀ペーストの特性から、ディスペンサのニードル２０３から吐出されると、導電性ペースト２０２は形状がそのまま維持される。(i)内径１００μｍのニードル２０３にて吐出した導電性ペースト２０２は直径１００μｍ〜１１０μｍの範囲で、(ii)内径１５０μｍのニードル２０３にて吐出した導電性ペースト２０２は直径１５０μｍ〜１６５μｍで、(iii)内径２００μｍのニードル２０３にて吐出した導電性ペースト２０２は直径２００μｍ〜２２０μｍで、それぞれ円柱状に出来上がった。

上記(i)〜(iii)の各ニードル２０３にて吐出した導電性ペースト２０２をそのまま焼結したところ、それぞれの導電性ペースト２０２の直径の収縮は１０μｍ以内であり、形状がそのまま維持された状態で焼結された。

ニードル２０３から吐出した焼結型銀ペーストは、所望の高さで吐出を止め、さらに、ニードル２０３を引き上げることで、自然と先細になり切り離される。導電性ペースト２０２の上方部分は「糸ひき」と呼ばれる錐状になる。錐の角度は焼結型銀ペーストの粘度と、ニードル２０３の引き上げ速度で制御できる。錐の部分は、半導体チップ１００、回路基板２００（特に回路基板２００）の表面の凹凸、うねりなどの平面性のずれ、形成した導電性ペースト２０２の高さばらつきを吸収するために重要な役割を果たす。

ニードル２０３において、吐出のための圧縮空気を解放したあと、ニードル２０３を５ｍｍ/ｍｉｎで上昇させると、「糸ひき」部分は、先端角度３０度の円錐形状に仕上がった。また、ニードル２０３を１０ｍｍ/ｍｉｎで上昇させると、「糸ひき」部分は、先端角度が１０度に変化した。ニードル２０３の上昇速度で、「糸ひき」部分の先端角度は変わるが、仕上がる角度は安定していた。

図５は、半導体チップ１００をフリップチップボンダー（図示せず）の吸着ヘッド１０４に吸着固定し、電極パッド１０１と、電極パッド２０１とをアライメントしている様子を表す図である。吸着ヘッド１０４の吸着穴から真空吸着によって、半導体チップ１００は吸着ヘッド１０４に固定される。その後、フリップチップボンダーの機構を使い電極パッド１０１と電極パッド２０１とをアライメントする。

フリップチップボンダーとしては、奥原電気製のものを用いた。中央に直径１ｍｍの真空吸着穴を持つ半導体チップ１００の大きさに対して若干大きい平コレットを用い、平コレットに半導体チップ１００を吸着した。その後、フリップチップボンダーにつけたカメラで半導体チップ１００の電極パッド１０１、回路基板２００の電極パッド２０１を認識、位置合わせして半導体チップ１００を回路基板２００側に動かす。

図６は、半導体チップ１００を、回路基板２００に対してフリップチップボンダー（図示せず）の吸着ヘッド１０４を下げて電極パッド１０１と導電性ペースト２０２とを接触させている様子を表す図である。フリップチップボンダーの機能として、吸着ヘッド１０４を、反力情報をもとに動かす機能がある。この機能によって、導電性ペースト２０２の「糸ひき」部分の円錐状部を潰しながら、電極パッド１０１と導電性ペースト２０２とを接触させ、導電性ペースト２０２の円柱状部分を残す形で電極パッド１０１を電極パッド２０１に近づく方向に相対移動させて位置を決めることができる。その後、吸着ヘッド１０４の真空吸着を解除して、吸着ヘッド１０４と電極パッド１０１を有する半導体チップ１００とを離すことで、電極パッド１０１は、回路基板２００の電極パッド２０１上の導電性ペースト２０２に接触した状態となる。この時の荷重（反力）は図１１に示すようになった。詳細は後述する。

図６に示すように、電極パッド１０１が導電性ペースト２０２の接続部である「糸引き」部分に接触し始めると、徐々に反力が上昇、その後、一度反力の上昇が緩やかになった後、上昇し始める。

反力が再上昇し始めた値を狙って、その反力値に達した時に吸着ヘッド１０４を止めて、半導体チップ１００を吸着ヘッド１０４から解放し、その後、半導体チップ１００の自重で電極パッド１０１が導電性ペースト２０２と接触を保つ状態で系全体を加熱し、導電性ペースト２０２を焼成する。これにより、導電性ペースト２０２と電極パッド１０１との接続が完了する。

導電性ペースト２０２はダイラタンシー性によって形状が維持されているので、焼成時は半導体チップ１００を加圧する必要はない。

導電性ペースト２０２の硬化は、まず、導電性ペースト２０２の溶媒を揮発させるため、溶媒の沸点より５〜１０℃低い温度で保持し、その後、銀ペーストを焼結させる温度に上昇、保持して焼結を完了させ常温に戻す。例としては、溶媒の沸点１９７℃に対して１９０℃で１５分保持、その後、焼結温度である２５０℃に上昇させて３０分保持することで焼結が完了した。これにより、電気接続体１が完成した。

このように、導電性ペースト２０２は、形状維持特性を有する焼結型銀ペーストであるため、回路基板２００や半導体チップ１００に沿わせることなく自立する柱状の突起電極である導電性ペースト２０２を形成することができた。さらに、導電性ペースト２０２である焼結型銀ペーストは、接着剤を含まず焼結した銀ペーストのみから構成されるため、電気伝導、熱伝導ともに優れるものであり、また高温においても機械的特性を維持するものであった。

また、前記接続部を構成する柱状の導電性ペースト２０２において、水平断面形状（導電性ペースト２０２の延伸方向に垂直な断面形状）は互いに略同一形状であり、断面積の変動が２０％以内であった。

図７は、ディスペンスするニードル２０３の形状と吐出された導電性ペースト２０２の形状を示す。２０３‐１は円形のニードルである。円形のニードル２０３‐１から吐出させると、導電性ペースト２０２‐１に示すように、導電性ペーストは円柱状になる。２０３−２は六角形にしたニードルの例である。六角形のニードル２０３‐２から吐出させると、導電性ペースト２０２‐２に示すように導電性ペーストは六角形になる。また、六角形のニードル２０３‐２から吐出させると内側に角がつくが、１２０度であるので特に問題なかった。四角形にしたニードルの場合、内側の角が９０度になるので、角の吐出がスムーズでなくなった。導電性ペースト２０２の導電粒子の代表長さよりも大きい円弧状に角を丸めることで吐出が問題なく行えた。具体的には、銀粒子の代表長さの最大８μｍに対して、角の丸めを２倍の１６μｍとした。また好ましくは５倍の４０μm以上の方が、安定性が増した。

〔実施形態２〕
図８はニードルをアレイ状に並べた例を示す図である。図８の（ａ）は円形のニードル２０３‐１をアレイ状に並べた例を示す図であり、図８の（ｂ）は六角形のニードル２０３‐２をアレイ状に並べた例を示す図である。

大きな面積の電極に対しては、ニードルをアレイ状に配列する。図８の例は、最も電極の密度が高くなる６方最密状に並べたものである。

図８中の２点鎖線は、ディスペンサのノズルの大きさを概念的にしめしており、ノズルの大きさとディスペンサの位置合わせ精度を勘案して、ピッチを決めれば、配列は可能である。

このようにすることで、電極として機能する断面積が増え、接続抵抗が下がる。一方、接続部の表面積が増え、焼結型銀ペーストのバインダ揮発がスムーズに行えるようになるため、焼結が短時間で行えるようになった。

例えば、図８の（ａ）（ｂ）にしめすようなアレイ状になっていないニードル２０３‐１・２０３−２で、１ｍｍ×０．５ｍｍの電極に対して、全面を焼結型銀ペーストで接続するには、３０分のプリヒートを行って、バインダを揮発、その後３０分の焼結を行う必要があったが、図８の（ａ）（ｂ）に示すようにニードル２０３‐１・２０３−２をアレイ状に配置することでプリヒート時間は３０分から５分に短縮しても十分に焼結できた。

また、このように、ニードル２０３‐１・２０３−２をアレイ状に配置することで、複数本の柱状の導電性ペースト２０２の水平断面形状を、より確実に、略同一形状であり、かつ、断面積の変動を２０％以内とすることができた。

〔実施形態３〕
図９は、導電性ペースト２０２で電極パッド１０１と電極パッド２０１とを接続した後、樹脂材料２０５にて、電極パッド１０１と電極パッド２０１との間の領域であって、複数の導電性ペースト２０２である接続部以外の部分を充填した様子を表す断面図である。

焼結型銀ペーストは、電気伝導、熱伝導に関してはバルク銀に近い特性を示すが、焼結体であるため、機械特性、特に展性は金属ほどの特性にはならない。そのため、接続部の繰り返し荷重に対する耐性は金属接合ほどには至らなかった。しかし、最初の接続、その後、数回のリペア―などの温度履歴では接続は問題なかったので、最終の動作確認後に、樹脂材料２０５を焼結型銀ペースト接続部以外の部分に充填したところ、接続部の信頼性が高まり、モジュールとして十分な信頼性を発揮できた。充填した樹脂材料２０５は、液状エポキシなどが使え、バルク銀のヤング率より小さく、かつ、バルク銀の熱膨張係数に近い材料の時に信頼性が最もよくなった。

〔実施形態４〕
図１０は、バックコンタクトを必要とする素子などで、半導体チップ１００の裏面電極２０７と、回路基板２００の電極パッド２０１とを接続する接続子（第２基板）３００を、複数の導電性ペースト（第２導電性材料）２０４からなる接続部で接続している様子を表す断面図である。導電性ペースト２０４も導電性ペースト２０２と同様の材料を用いた。

半導体チップ１００の表面の電極パッド１０１に対して、導電性ペースト２０２で接続、焼結後、裏面電極２０７上に、ディスペンサで導電性ペースト２０４を形成、同時に回路基板２００の所望の電極パッド２０１上にも、導電性ペースト２０２を形成する。これにより、柱状であって複数の導電性ペースト２０４を裏面電極２０７上に立て、柱状であって複数の導電性ペースト２０２を電極パッド２０１上に立てた。

その後、フリップチップボンダーに接続子３００を吸着固定して押し下げることで、接続子３００を、半導体チップ１００裏面の導電性ペースト２０４、回路基板２００の電極パッド上の導電性ペースト２０２に接続し、導電性ペースト２０４・２０２を焼結させる。この焼結の際に、すでに焼結されている、半導体チップ１００表面の電極パッド１０１と接触している導電性ペースト２０２は、焼結型銀ペーストの特性から、その状態に変化が生じない。

また、この場合、焼結を、半導体チップ１００の表面、裏面双方の導電性ペースト２０２・２０４からなる接続部に対して同時に行うことも可能である。

まず、回路基板２００の電極パッド２０１上に導電性ペースト２０２を全て形成する。

次に、半導体チップ１００をフリップチップボンダーで搭載し、半導体チップ１００の裏面に、導電性ペースト２０４をディスペンスする。続いて接続子３００をフリップチップボンダーで搭載し、その後、全ての導電性ペースト２０２・２０４を焼成する。焼結型銀ペースト接続部は、その形状保持性から、接続子３００をフリップチップボンダーで搭載する際も、半導体チップ１００表面側の接続部（導電性ペースト２０２）は形状が保持されたままである。この性質により、表裏の接続を同時に行うことができる。このようにして、スタック接続された電気接続体（電極接続構造）１Ａが完成した。

〔実施形態５〕
図１１は、フリップチップボンダーに吸着させた半導体チップ１００を回路基板２００に押し下げていった時の、導電性ペースト２０２・２０４の反力の推移を示す図である。ボンダーのチップ移動量と反力でプロットしている。

図１１に示すように、導電性ペースト２０２・２０４の反力をモニターしながら、半導体チップ１００及び接続子３００を押し当てるタイミングを制御する。

半導体チップ１００を押し下げていくと、焼結型銀ペーストの「糸引き」の先端にチップの電極が接触するまでは、反力が生じない。Ａ点で「糸引き」の先端とチップの電極が接触し、反力が徐々に増加し、Ｂ点に到達し糸引き部分が全て潰れ、断面積の増加がなくなるため、ダイラタンシー性が発現しない移動速度では、反力の上昇が緩やかになる。そのまま押し下げていくと、Ｃ点で反力が増加し始める。これは、材料のダイラタンシー性が発現し反力が上昇していると考えられる。

この反力の振舞から、フリップチップ時は、ダイラタンシー性で反力が高まった点の反力の値をもって止まるように制御すれば、接続は安定的に行えることが分かる。接続高さの制御は、吐出させる焼結型銀ペーストの量で行える。

〔まとめ〕
本発明の態様１に係る導電性ペースト２０２は、基板（回路基板２００）と該基板（回路基板２００）上に搭載される電子部品（半導体チップ１００）との間の電気接続に使用可能な導電性ペースト２０２であって、導電粉末とアルコール系液体成分とを含み、接着剤を含まず、前記導電性粉末は、厚さが０．０５μｍ以上０．１μｍ以下であり、当該厚さ方向に対して垂直に交わる面内の最大の差し渡しを代表長さとしたとき、当該代表長さが５μｍ以上１０μｍ以下である導電粒子を含み、前記アルコール系液体成分は、前記導電性ペースト２０２における重量比が、８％以上２０％以下であることを特徴とする。

前記構成によると、形状維持特性を有する焼結型銀ペーストである導電性材料を得ることができる。このため、前記基板に自立する突起電極のような電極を前記導電性材料から形成することができる。さらに、前記導電性材料から形成した焼結型銀ペーストは、接着剤を含まず焼結した銀ペーストのみから構成されるため、電気伝導、熱伝導ともに優れるものであり、また高温においても機械的特性を維持するものである。

本発明の態様２に係る電気接続構造（電気接続体１）は、前記態様１における導電性ペースト２０２を、前記基板（回路基板２００）の電極パッド２０１と前記電子部品（半導体チップ１００）の電極パッド１０１とを接続する電気接続部（接続部）に用いる電極接続構造（電気接続体１）であって、前記基板（回路基板２００）の電極パッド２０１と前記電子部品（半導体チップ１００）の電極パッド１０１とを接続する前記導電性ペーストが硬化後の電気接続部は、前記基板（回路基板２００）の電極パッド２０１と前記電子部品（半導体チップ１００）との接続方向に垂直な断面形状が略同一形状で、断面積において変動が２０％以内であってもよい。

本発明の態様３に係る電極接続構造（電気接続体１）の製造方法は、上記態様２における電極接続構造の製造方法であって、前記基板（回路基板２００）の電極パッド２０１上に前記導電性ペースト２０２で突起電極を形成する工程と、前記電子部品（半導体チップ１００）の電極パッド１０１を、前記基板（回路基板２００）の電極パッド２０１上の突起電極に接触させ、当該電子部品（半導体チップ１００）の電極パッド１０１を一定の速度で前記基板（回路基板２００）の電極パッド２０１に近づく方向に相対移動させ、前記突起電極から、予め定め値の反力を受けると、前記電子部品（半導体チップ１００）の電極パッド１０１の相対移動を停止する工程と、前記電子部品（半導体チップ１００）の電極パッド１０１の移動を停止した後、前記突起電極を硬化することで、前記基板（回路基板２００）の電極パッド２０１と、前記電子部品（半導体チップ１００）の電極パッド１０１とを接続する工程とを含んでもよい。

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。さらに、各実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を組み合わせることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。

１、１Ａ 電気接続体（電極接続構造）
１００ 半導体チップ（素子、電子部品）
１０１、２０１ 電極パッド
１０４ 吸着ヘッド
２００ 回路基板（基板）
２０２ 導電性ペースト（突起電極）
２０３ ニードル
２０４ 導電性ペースト（突起電極）
２０５ 樹脂材料
２０７ 裏面電極
３００ 接続子（第２基板）

Claims (3)

1. 基板と該基板上に搭載される電子部品との間の電気接続に使用可能な導電性ペーストであって、
   導電粉末とアルコール系液体成分とを含み、接着剤を含まず、
   前記導電粉末は、厚さが０．０５μｍ以上０．１μｍ以下であり、当該厚さ方向に対して垂直に交わる面内の最大の差し渡しを代表長さとしたとき、当該代表長さが５μｍ以上１０μｍ以下である導電粒子を含み、
   前記アルコール系液体成分は、前記導電性ペーストにおける重量比が、８％以上２０％以下であることを特徴とする導電性ペースト。
2. 請求項１に記載の導電性ペーストを、前記基板の電極パッドと前記電子部品の電極パッドとを接続する電気接続部に用いる電極接続構造であって、
   前記基板の電極パッドと前記電子部品の電極パッドとを接続する前記導電性ペーストが硬化後の電気接続部は、前記基板の電極パッドと前記電子部品との接続方向に垂直な断面形状が略同一形状で、断面積において変動が２０％以内であることを特徴とする電極接続構造。
3. 請求項２に記載の電極接続構造の製造方法であって、
   前記基板の電極パッド上に前記導電性ペーストで突起電極を形成する工程と、
   前記電子部品の電極パッドを、前記基板の電極パッド上の突起電極に接触させ、当該電子部品の電極パッドを一定の速度で前記基板の電極パッドに近づく方向に相対移動させ、前記突起電極から、予め定め値の反力を受けると、前記電子部品の電極パッドの相対移動を停止する工程と、
   前記電子部品の電極パッドの移動を停止した後、前記突起電極を硬化することで、前記基板の電極パッドと、前記電子部品の電極パッドとを接続する工程とを含むことを特徴とする電極接続構造の製造方法。