JPH0927521A - 回路部材の電気接続構造 - Google Patents
回路部材の電気接続構造Info
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Abstract
板等の他の回路部材に半田付けを用いずに接続でき、ま
たMCM等の製造過程において、不良回路部材の交換を
容易に行うことができる回路基板の接続構造を提供す
る。 【解決手段】 対向して配置された半導体チップ1と回
路基板2とを電気接続するための電気接続構造であっ
て、半導体チップ1の、回路基板2との対向部に、片も
ち梁3が少なくとも1つ形成され、片もち梁3の先端
に、回路基板2に向けて、半導体チップ1の信号線に接
続された導電性針31が少なくとも1つ形成され、回路
基板2の前記導電性針に対応する部位に、回路基板2の
信号線に接続された端子パッド21が形成され、半導体
チップ1と回路基板2とは、相対移動しないように固着
手段7により一体化され、導電性針31の先端と端子パ
ッド21とは、片もち梁3の撓み応力により押圧接触さ
れる、ことを特徴とする。
Description
の電気的接続端子を有する回路部材(半導体集積回路,
回路基板等)相互間の接続部に簡易に適用され、特に多
端子高密度の半導体チップ相互間の電気的接続、多端子
高密度の半導体チップとチップ以外の回路基板との電気
的接続等に好適な、半田付けを用いない回路部材の接続
構造に関する。
路部材の集積度及び入出力(I/O)ポートのピン数は
年々増加する傾向にある。ことに近年では、複数の半導
体チップを回路基板上に実装したマルチチップモジーュ
ル(以下、「MCM」と称す)の開発も進んでいる。こ
のMCMの採用により、実装密度を向上して回路の小型
化を実現すること、配線距離を短縮して回路動作の高速
化を図ること等が可能となる。
の配線層を有する厚膜セラミクスやシリコン基材(サブ
ストレート)等から成る回路基板92上に複数の半導体
チップ91が搭載されて構成される。特に、I/Oポー
ト数が多い場合、回路基板92と半導体チップ91との
電気接続及び物理接続は、微小な半田ボールからなる半
田バンプ93を介して行なわれる。MCMの電気的試験
は、通常、回路基板92と半導体チップ91とを接続し
た後に行われる。この試験では、回路基板92と半導体
チップ91との接触不良、半導体チップ91自体の回路
不良等が検査される。試験をパスしたMCMについて、
封止94により気密封じがさなれる。回路基板92と図
示しないプリント印刷回路との間での、種々の信号(デ
ータ信号の他、電源信号及びグランド電位等の信号)の
授受はピン95を介して行われる(Thin Film
Multichip Module;The Int
ernational Society for Hy
brid Microelectronics,199
2年,363〜390頁参照)。
92とを接続するための半田バンプ93は、予め半導体
チップ91の端子パッド96上又は回路基板92の端子
パッド97上に形成される。この後、半導体バンプ93
を回路基板92上の端子パッド97に接触させた状態
で、該半田バンプ93を加熱・溶融する。これにより、
図7に示すような接続構造が形成される。
は、以下のような幾つかの製造及び試験上の困難を伴っ
ていた。 (1)MCMの製造に際しては、半導体チップ91の端
子パッッド96上又は回路基板92の端子パッド97上
に予め均一な大きさの半田バンプ93をもれなく形成す
る必要があり、このために特別なプロセスと装置とを必
要としていた。
1の回路基板92への実装に際しては、該半導体チップ
91の表面(底面)に形成されたパターンが回路基板9
2の表面に対向する、いわゆるフリップチップ実装の形
態をとる。このために、半田バンプ93の溶融後に半田
付けが正常に行われているか否か、あるいは半導体チッ
プ91が良好に動作するか否かの電気的試験を行うこと
は、極めて困難であった。更に、試験によって半田付け
の不良箇所が判明したとしても、特定の不良箇所を修理
することことは容易ではなかった。
プ91と回路基板92とは電気的な接続だけでなく機械
的にも強固に接続される。半導体チップ91と回路基板
92とに熱膨張係数の相違がある場合には、半田付けに
伴う温度上昇によって、接続後の半田バンプ93に応力
を生じ、接合部の機械的、電気的接続が劣化する等の問
題点があった。
いて、特定の半導体チップ91に電気的不良が見つかっ
たとしても、この不良の半導体チップ91と回路基板9
2との接合部を加熱して再度半田を溶融して交換するこ
とも困難であった。
なされたものであり、その一つの目的は、例えば半導体
チップ等の回路部材を回路基板等の他の回路部材に半田
付けを用いずに接続できる接続構造を提供することであ
る。また、本発明の他の目的は、MCM等の製造過程に
おいて、不良回路部材の交換を容易に行うことができる
回路基板の接続構造を提供することにある。
置された回路部材を電気的に接続するための電気接続構
造であり、基本的に以下の要件を具備している。 (1)一方の回路部材の他方の回路部材との対向面に、
片もち梁が少なくとも1つ形成されること。 (2)前記片もち梁の先端に、前記他方の回路部材に向
けて導電性針が少なくとも1つ形成され、該導電性針は
前記片もち梁に形成された配線を介して前記一方の回路
部材の信号線に接続されること。 (3)前記他方の回路部材の前記導電性針に対応する部
位に、端子パッドが形成され、該端子パッドは前記他方
の回路部材の信号線に接続されること。 (4)前記一方の回路部材と他方の回路部材とは、相対
移動しないように固着手段により一体化されているこ
と。 (5)前記導電性針の先端と前記端子パッドとは、前記
片もち梁の撓み応力により押圧接触されること。
基材,回路基板(配線基板),回路ボード,半導体チッ
プ,抵抗装置,コンデンサ等の種々の部材が含まれる。
また、本発明には、1つの回路部材と1つの回路部材と
が接続される態様は勿論、MCMのように1つの回路部
材(シリコン基材)に複数の回路部材(半導体チップ)
が接続される態様が含まれる。なお、片もち梁の接点に
塵等が付着したり、導電性針の先端が摩耗したりする場
合もあり得る。このような場合の部品交換を考慮し、M
CMのように1つの回路部材に複数の回路部材が接続さ
れる場合、回路ボードに半導体チップを接続する場合等
においては、半導体チップ側に片もち梁を形成する(即
ち、半導体チップを「一方の回路部材」とする)ことが
好ましい。
形成される回路部材を「一方の回路部材」、端子パッド
が形成される回路部材を「他方の回路部材」と称してい
るが、1つの回路部材に、片もち梁と端子パッドとを形
成した場合には、該回路部材は「一方の回路部材」とも
なるし「他方の回路部材」ともなる。
ドとの良好な電気接触を得るために、例えばシリコン
等、適当な弾性を有する材料により形成することが好ま
しい。このため、片もち梁が形成される「一方の回路部
材」の基材としてシリコン単結晶を用いることが好まし
い。
静電駆動用電極を前記片もち梁、及び前記両回路部材の
双方又は何れか一方にそれぞれ設けることができる。こ
の場合、静電駆動用の電極に印加する電圧の大きさを変
化させ、前記導電性針と前記接触端子面との押圧力を変
化させることもできる。これにより、各端子の接触押圧
力のバラツキが防止される。また、静電駆動用の電極に
印加する電圧の大きさに応じ、前記導電性針と前記端子
パッドとが、接触又は非接触の2つの状態を持つように
もできる。これにより、回路の試験に際して、スイッチ
を用いることなく試験信号の断続を行うことができる。
導電性針が1つの端子パッドに接触し、又は2つ以上の
片もち梁に形成された複数の導電性針が1つの端子パッ
ドに接触するようにもできる。この場合には、1つの端
子パッドに流れる電流は、複数の岐路に分かれるので、
導電性針の過電流による損傷等が防止される。
は何れか一方に、両回路部材間の間隔を規定するための
凸部又は凹部を設けることができる。これらの凸部又は
凹部は、両部材の対向面に沿った方向の位置決めに用い
ることもできる。
着できるようにもできる。たとえば、本発明をMCMの
製造に応用した場合において、製造過程における不良な
半導体チップの交換が極めて容易である。すなわち、M
CMの製造過程において、全ての半導体チップを仮搭載
した状態で電気的特性の試験を行う。そして、不良な半
導体チップを適宜交換し、モジュール全体の動作が確認
された後に不良でない半導体チップのみをモジュールに
接着剤等により固着することができる。これにより、不
良半導体チップの交換が容易にできる他、これに伴う試
験及び製造に係るコストを大幅に低減できる。
の回路部材」とを押圧すると、「一方の回路部材」に形
成された片もち梁の先端の導電性針が、「他方の回路部
材」に形成された端子パッドに押圧接触する。これによ
り、加熱を伴うこと無く、両回路部材間の電気接続が得
られる。このため、本発明の接続構造は、耐熱性の低い
半導体デバイス、例えばCCD撮像デバイス等の接続に
好適である。
より機械的に強固に結合されるために、温度変化に伴う
結合部分に生ずる応力を低減するために両者の熱膨張係
数を接近させる必要があり、これが基材を選定する上で
の隘路となっていた。本発明では、両回路部材が接着剤
等により固着された場合において、回路動作に伴う発熱
等により、「一方の回路部材」と「他方の回路部材」と
が相対的に微動した場合であっても、導電性針が端子パ
ッドの表面に沿って接触した状態で摺動できるので、
「一方の回路部材」の基材と「他方の回路部材」の基材
との熱膨張係数を必ずしも一致させる必要は無い。この
ため、本発明は熱膨張係数が異なる種々の基材に対して
広範に適用でき、接続部分の信頼性を向上できる。ま
た、更に導電性針が端子パッドの表面を摺動できる特徴
を積極的に生かし、基板と半導体チップが水平方向に互
いに移動する部分を有する場合の接続に対しても適用す
ることができる。
ロマシン技術を用いることで、従来の回路部品を形成す
る半導体プロセスと同様に、同一のシリコン基材上に数
十μm以下の片もち梁等の機械部品を多数個形成でき
る。このために、今後の半導体チップのI/Oポート数
の増大や端子パッドの微細かつ狭ピッチ化に対しても、
上記従来例の半田バンプを用いた接続技術に比べて対応
が容易である。
に説明する。図1(A)〜(C)は、本発明の第1の実
施例を示す図であり、「一方の回路部材」が半導体チッ
プであり、「他方の回路部材」が回路基板である場合を
示している。図1において、(A)は半導体チップ1の
表面を、(B)は回路基板2の表面をそれぞれ部分的に
拡大して示し、(C)は半導体チップ1と回路基板2と
が対向するように半導体チップ1と回路基板2とが一体
化された様子を部分的に拡大して示している。
チップ1の表面には複数の溝11が形成され、各溝11
部分には片もち梁3がそれぞれ形成されている、各片も
ち梁3の先端には、回路基板2に向けて導電性針31が
形成されている。この導電性針31は、片もち梁3に形
成された配線32を介して回路部材の表面の信号線12
に接続されている。片もち梁3は、半導体チップ1の表
面に垂直な方向に弾性を有している。本実施例では、半
導体チップ1はシリコン基材により形成されており、し
たがって片もち梁3もシリコン単結晶により形成されて
いる。シリコン単結晶は、良好な弾性特性を示すので、
梁の長さ、厚み、幅を変えることで梁のバネ定数を所望
の値に設定することができる。また、導電性針31と後
述する端子パッド21との間に作用する押圧力を任意に
設定できる。なお、詳細は省略するが、このような片も
ち梁3はシリコンマイクロマシン技術等によって形成す
ることができる。
板2の表面の、導電性針31に対応する部位には、前述
した端子パッド21が形成されている。この端子パッド
21は回路基板2の信号線22に接続されている。
て、金,白金等の酸化しにくい金属を用いることが好ま
しい。これにより、金属表面の酸化絶縁膜の形成等によ
る接触抵抗の増大あるいは接触不良の影響を極力受けな
いようにすることができる。
は回路基板2上の端子パッド21に対してを押圧接触さ
れる構成となるので、回路基板2上の信号線22と半導
体チップ1上の信号線12とは、導電性針31,配線3
2並びに端子パッド21を介して、電気的に良好に接続
される。
単結晶基材を基材とする半導体チップ1に片もち梁3を
形成した例を示したが、回路基板2をシリコン単結晶基
材により形成することもできる。この場合には、回路基
板2に片もち梁を形成し、これに対応する端子パッドを
半導体チップ1に形成することで、図1(A)〜(C)
において説明した接続構造と同様の作用効果が得られ
る。
に針を有する片もち梁は、微小なものが走査型トンネル
顕微鏡(STM)や走査型原子間力顕微鏡(AFM)等
の技術分野において用いられている。シリコンマイクロ
マシン技術を用いることで、単一のシリコン基材上に一
度に100μm以下の大きさの梁を数十μm以下のピッ
チで均一に形成することが可能である。このため、現在
市販されるLSI等の端子パッドの大きさが100μ
m,ピッチが200μm程度であることを考えると、本
発明の接続構造は、より高密度のI/Oポートを有する
LSIの接続に有利である。
バンプを用いる接続では、バンプの直径にばらつきがあ
ると接続不良が発生する可能性があったが、本発明の接
続構造によれば、導電性針31の高さや片もち梁3の形
状のばらつきは、片もち梁3の弾性によって吸収される
ために、接続不良を生じにくい。
接続構造をより具体的に示す説明図である。同図におい
て、半導体チップ1の端子パッド21が形成された側の
面には電子回路部13が形成されている。また、半導体
チップ1の表面には、間隙形成用の凸部を4aが形成さ
れている。図2では、凸部4aは、半導体チップ1の角
部に設けたが、例えば、半導体チップ1の対向辺部に亙
り設けることもできるし、半導体チップ1の周囲全体に
亙り、更に、半導体チップ1の下面に亙り設けることも
できる。また、この凸部4aは、回路基板2側に設ける
こともできるし、半導体チップ1及び回路基板2の双方
に設けることもできる。図2では、回路基板2表面のの
凸部4aの対向部位に、該対向面沿った方向の位置決め
を行うための凸部4bが設けられている。ここで、半導
体チップ1の間隙形成用の凸部4aを、位置決めに用い
ることもできる。電子回路部12は、片もち梁3先端の
導電性針31、端子パッド21を介して他の電子回路
部、あるいは半導体チップ1や回路基板2に形成された
回路以外の回路と信号の授受を行うことができる。
片もち梁3を形成した場合を示したが、片もち梁3の配
置はこれに限定されず、例えば半導体チップ1の対向す
る2つの辺にのみ片もち梁3を形成したり、半導体チッ
プ1の表面全体に片もち梁3を形成したりすることもで
きる。また、片もち梁3は、列状、格子状に限らず多様
な配置とすることができる。
して、単一の導電性針31が接触する場合を説明した
が、例えば電源系やグランド系のように大きな電流を必
要とする信号については、片もち梁3の先端に複数の導
電性針31を設けたり、これを1つの端子パッド21に
同時に接触させ、あるいは2つ以上の片もち梁3に形成
された複数の導電性針31を1つの端子パッド21に同
時に接触させることができる。このように、接触箇所を
増やすことにより、導電性針31に過大な電流が流れる
ことを防止し、導電性針31や端子パッド21の損傷を
防止することができる。
く)の接続については、接触抵抗の影響を低減した回路
を設けることもできる。例えば、導電性針31側に高入
力インピーダンスを有する緩衝増幅器を、端子パッド2
1側に低出力インピーダンスを有する緩衝増幅器をそれ
ぞれ設けることで、導電性針31と端子パッド21との
接続部に流れる電流を低減することが可能となる。これ
により、該接続部における接触抵抗に伴う伝送信号の損
失や、接触抵抗のばらつきに伴う信号振幅の変動を受け
にくい電気接続構造を実現できる。
る。図3の半導体チップ1は、溝11の底部に片もち梁
3の静電駆動用の吸引電極61を備えている。この吸引
電極61と、片もち梁3の裏面に形成された静電駆動用
電極62との間に電圧を印加することで、両電極間に静
電力が生じ、片もち梁31は吸引電極61側に吸引され
て弾性変形する。これにより、導電性針31と端子パッ
ド21との間に作用する力を電気的に制御することが可
能となる。
プ1と回路基板2との電気的接続部分では、両者の対向
部表面の平行度や平坦度が悪いと、あるいは導電性針3
1の高さの不均一等に起因する押圧接触力にばらつきが
あると、信号レベルが不均一となる等の不都合が生じ
る。これに対して、図3に示した実施例の電気接続構造
を採用した場合には、半導体チップ1と回路基板2との
間の押圧接触力のばらつきを、モジュールの外部から電
気的に可変とする(図3の場合は、押圧接触力を弱め
る)ことが可能となり、上記した従来の不都合を回避で
きる。また、更にはモジュールの外部から積極的に接続
部分を任意に開閉するスイッチ動作を行わせることも可
能であり、モジュールの製造後に不要な箇所の信号を遮
断或いは接続することもできる。これにより、例えば、
MCM等の工場出荷前或いは、MCMを電子機器等に実
装した後(実使用後)の該MCMの動作チェック等に際
し、別途のスイッチを用いることなく、一つ(或いは一
群の)半導体チップ、あるいは一つの端子(或いは一群
の)端子ごとにオン・オフを行うこともできる。特に、
上記のような動作チェックに際しては、試験する側の装
置には、スイッチが必要とされない(或いは、スイッチ
数を激減できる)ので、試験する側の装置自体の小型
化、省資源化,低価格化を図ることができる。
る。図4では、静電駆動用の吸引電極63が回路基板2
側に設けられている点で、図3とは異なっている。吸引
電極63と、片もち梁3表面に形成された静電駆動用の
電極64との間に印加する電圧を変化させることによっ
て、図3の場合と同様に片もち梁3を回路基板2側に吸
引することができる。なお、図4では、導電性針31に
接続される配線32の図示は省略して示してある。図4
の例では、吸引電極63を回路基板2側に設けたので、
半導体チップ1側には電極64に制御信号を供給するた
めの電極端子が不要となる。
に、半導体チップ1を回路基板2の表面に固定しても良
い。図5では半導体チップ1の周辺にエポキシ系あるい
はシリコン系接着剤7を用い、半導体チップ1と回路基
板2とを押圧した状態で硬化させている。これにより、
半導体チップ1の底面に電子回路部13が形成される場
合には、該電子回路部13の気密性を保つことができ
る。
つ回路部材同士を、半田付けを用いることなく接続する
ことができる。 (2)半田付けによる加熱を伴わないために、CCD撮
像デバイス等、耐熱性の低い半導体デバイスの接続に好
適である。 (3)導電性針が端子パッドの表面に沿って接触した状
態で摺動できるので、一方の回路部材の基材と他方の回
路部材の基材との熱膨張係数を必ずしも一致させる必要
は無い。従って、種々の基材に対して広範に適用でき、
接続部分の信頼性を向上できる。更に、両回路部材が接
着剤等により固着された場合において、回路動作に伴う
発熱等により、一方の回路部材と他方の回路部材とが相
対的に微動した場合であっても、熱に起因する接合部の
機械的、電気的接続が劣化する等の問題は生じない。 (4)本発明では、一方の回路部材と他方の回路部材と
の一時的な電気的接続を得ることもできる。これによ
り、例えば、MCMの製造に際しては、不良な半導体チ
ップのみの交換が容易となるので歩留りが飛躍的に向上
する。また、回路基板からのチップ脱着が容易であるの
で、不良箇所の特定が極めて迅速に行えるようになる
等、試験コストをも大幅に低減することができる。
は半導体チップの拡大図、(B)は回路基板の拡大図、
(C)は半導体チップと回路基板とを一体化した状態を
示す拡大断面図である。
板の接続例を説明する図である。
する図である。
基板との接続技術を説明する図である。
説明する図である。
Claims (9)
- 【請求項1】 対向して配置された回路部材を電気接続
するための電気接続構造であって、 一方の回路部材の、他方の回路部材との対向部に、片も
ち梁が少なくとも1つ形成され、 前記片もち梁の先端に、前記他方の回路部材に向けて、
前記一方の回路部材の信号線に接続された導電性針が少
なくとも1つ形成され、 前記他方の回路部材の前記導電性針に対応する部位に、
前記他方の回路部材の信号線に接続された端子パッドが
形成され、 前記一方の回路部材と他方の回路部材とは、相対移動し
ないように固着手段により一体化され、前記導電性針の
先端と前記端子パッドとは、前記片もち梁の撓み応力に
より押圧接触される、ことを特徴とする電気接続構造。 - 【請求項2】 前記一方の回路部材が半導体チップ、前
記他方の回路部材が回路基板であり、 前記半導体チップの複数個が、前記回路基板に電気接続
されたことを特徴とする請求項1に記載の電気接続構
造。 - 【請求項3】 前記片もち梁に撓み応力を与えるための
静電駆動用電極が、前記片もち梁、及び前記両回路部材
の双方又は何れか一方に設けられたことを特徴とする請
求項1又は2に記載の電気接続構造。 - 【請求項4】 前記静電駆動用電極に印加される電圧の
大きさに応じて、前記導電性針と前記端子パッドとの押
圧接触力が変化することを特徴とする請求項3に記載の
電気接続構造。 - 【請求項5】 前記静電駆動用電極に印加される電圧の
大きさに応じて、前記導電性針と前記端子パッドとが、
接触又は非接触の2つの状態を持つことを特徴とする請
求項3に記載の電気接続構造。 - 【請求項6】 前記一方の回路部材の基材にシリコン単
結晶を用い、前記片もち梁がシリコンマイクロマシン加
工によって形成されたことを特徴とする前記請求項1〜
5に記載の電気接続構造。 - 【請求項7】 1つの片もち梁に形成された複数の導電
性針が、1つの端子パッドに接触し、又は2つ以上の片
もち梁に形成された複数の導電性針が、1つの端子パッ
ドに接触することを特徴とする請求項1〜6に記載の電
気接続構造。 - 【請求項8】 前記両回路部材の双方又は何れか一方
に、前記一方の回路部材と前記他方の回路部材との間隔
を規定するための凸部又は凹部が設けられたことを特徴
とする前記請求項1〜7に記載の電気接続構造。 - 【請求項9】 前記一方の回路部材と前記他方の回路部
材とが、脱着できることを特徴とする請求項1〜8に記
載の電気接続構造。
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