JPH0992651A - 半導体素子およびその接続方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】リペアが容易でかつ信頼性の高い半導体素子と
その接続方法を提供することにある。 【解決手段】バンプ電極を、電気的接続に寄与する信号
用バンプ電極と信号用バンプ電極より高く機械的接続に
寄与する固定用バンプ電極との二種類とし、半導体素子
の導通試験時には固定用バンプ電極と配線パターン間の
み固相拡散接合させ、半導体素子の導通試験通過後に
は、信号用バンプ電極と配線パターン間を固相拡散接合
させる。このため、リペアによって信号用バンプ電極が
接合される位置の配線パターンに与える損傷が無くなる
ため、リペアを繰り返しても信頼性が低下しない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、半導体素子およびそ
の接続方法に係り、特にバンプ電極を介したフェイスダ
ウンボンディング法によって絶縁基板上に形成された配
線パターンに接続される半導体素子およびその接続方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、薄型、軽量、低消費電力、駆動Ｌ
ＳＩとの整合性の良さなどの利点から、液晶ディスプレ
イが普及しつつある。この液晶ディスプレイに用いられ
る液晶パネルの大型化、高精細化に伴い、高画素密度の
液晶パネル形成技術の開発はもちろんのこと、画素電極
と駆動ＬＳＩとの高密度な多端子の接続技術の開発が大
きな課題となっている。駆動ＬＳＩなどの半導体装置を
より薄く、より高密度に実装する方法として、配線基板
上に半導体素子を固着搭載し、ワイヤを用いて電気的に
接続するようにしたいわゆるワイヤボンディング実装に
変わり、半導体素子にバンプを形成して直接基板に接続
し、実装するフェイスダウン実装技術が開発されてきて
いる。フェイスダウン実装はスーパーコンピュータなど
に適用する半田バンプを用いたフリップチップ技術や、
液晶ディスプレイなどに適用するＣＯＧ（Ｃｈｉｐ ｏ
ｎ ｇｌａｓｓ）等、用途に応じて様々な接続材料、実
装方法が提案されている。

【０００３】ＣＯＧ実装の一手法として、半導体素子と
基板上の配線パターンに対し、半導体素子上に形成され
た低融点で硬度の低い半田バンプを圧接することが提案
されている。しかしながら、この方法では特開平３−１
０８７３４号公報に開示されているように機械的強度は
弱く、信頼性確保のために最終的には樹脂で封止する必
要がある。また、基板上の配線パターンが、アルミニウ
ムなどの強固な酸化膜を形成し易い金属で形成されてい
る場合、接続に際して配線パターン表面が酸化膜で覆わ
れる。したがって、アルミニウムからなる配線パターン
に半導体素子の半田バンプを圧接することにより、両者
を接続する方法では、配線パターン上の酸化膜を十分に
破壊することができないため、接続信頼性が低いという
問題がある。一方、フリップチップ実装と同様に、半導
体素子の半田バンプを溶融して基板上の配線パターンと
合金化することで、両者を接続する方法も知られてい
る。しかしながら、配線パターンがアルミニウムのよう
に半田に濡れにくい金属で形成されている場合には、半
田バンプと配線パターンとを良好に接続することができ
ない。

【０００４】上述したような問題点を解決するものとし
て、半導体素子が、絶縁基板上のアルミニウム配線パタ
ーン上に金バンプを介して実装せしめられた構造が提案
されている。この方法によれば、アルミニウム配線パタ
ーンと金バンプとの間が固相拡散によって接合されてい
ることにより、強固な酸化膜のあるアルミニウルなどの
場合にも信頼性の高い接続が得られる。しかしながら、
この従来の金バンプとアルミニウム配線を固相拡散によ
り接続する方法では、接続部の接続強度が非常に高いた
め、以下のような問題が生じる。即ち、半導体素子が配
線パターンに接続された後、半導体素子の導通試験によ
り半導体素子と配線パターンとの接続不良、又は、半導
体素子自体の不良などの不良要素が検出されると、半導
体素子の取換え（リペア）が必要となる。このリペアの
際に、アルミニウム配線パターンが絶縁基板上から剥離
してしまい、同じ位置に再度、半導体素子を接合するこ
とができないという問題が生じる。

【０００５】また、リペア可能なフリップチップ実装方
法としては、半導体素子上の絶縁基板上に金バンプを形
成し、半導体素子と絶縁基板間に樹脂性の封止剤を流入
し、封止剤が硬化する際の収縮を利用して半導体素子上
の金バンプと絶縁基板上の金バンプとを接続する方法が
ある。しかし、この実装技術では封止剤が半導体素子の
下の基板全面に付着・硬化するため、リペアの際に封止
剤の剥離が困難な上、剥離後の基板上の残渣が不良の原
因となり、信頼性が低下するという問題がある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、半導
体素子と絶縁基板上の配線パターンとを良好に接続し、
機械的強度を向上させるために、例えば金とアルミニウ
ムとの固相拡散を利用した接続方法、及び樹脂で補強す
るような接続方法が提案された。しかしながら、リペア
の際に、同じ位置に再度、半導体素子を接続できないと
いう問題が生じる。また、基板上に樹脂が残留し、接続
不良などの原因となり、製品の信頼性が低下するなどの
問題が生じる。

【０００７】したがって、この発明の目的は、上述した
従来の問題点に鑑み、リペアが容易であり、且つ信頼性
の高い半導体素子とその接続方法を提供しようとするも
のである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この発明は、上記問題点
に基づきなされたもので、表面に所定の配線パターンが
形成された絶縁基板と、この絶縁基板上の配線パターン
に電気的に接続される第１の接続端子及びこの配線パタ
ーンに機械的に接続される第２の接続端子が同一方向に
突出して形成された半導体素子とを準備する工程と、前
記絶縁基板の配線パターンと前記半導体素子の第１及び
第２の接続端子とを対向して配置し、絶縁基板に対して
半導体素子を第１の圧力で加圧して、第２の接続端子と
配線パターンとを固相拡散接合させ、第１の接続端子と
配線パターンとを接触させる第１の接合工程と、前記半
導体素子の導通を試験する工程と、前記導通試験工程に
より良品と判断された半導体素子について、第１の圧力
より高い第２の圧力で加圧して第１の接続端子と配線パ
ターンとを固相拡散接合させる第２の接合工程と、を有
することを特徴とする半導体素子の接続方法を提供する
ものである。

【０００９】また、この発明によれば、絶縁基板上に形
成された配線パターンと、半導体素子上のバンプ電極と
が熱圧接による固相拡散接合により電気的且つ機械的に
接続されている半導体装置において、前記バンプ電極は
電気的接続に寄与する信号用バンプ電極と機械的接続に
寄与する固定用バンプ電極とを含み、前記固定用バンプ
電極の高さが前記信号用バンプ電極の高さより大きいこ
とを特徴とする半導体素子が提供される。

【００１０】さらに、この発明によれば、絶縁基板上に
形成された配線パターンと、半導体素子上のバンプ電極
とが熱圧接による固相拡散接合により電気的且つ機械的
に接続されている半導体装置において、前記バンプ電極
は電気的接続に寄与する信号用バンプ電極と機械的接続
に寄与する固定用バンプ電極とを含み、前記固定用バン
プ電極と前記配線パターンとの固相拡散接合領域が、前
記信号用バンプ電極と前記配線パターンとの固相拡散接
合領域より大きいことを特徴とする半導体装置が提供さ
れる。

【００１１】この発明によれば、半導体素子上には、絶
縁基板上に形成された配線パターンに対して電気的接続
に寄与する信号用バンプ電極（第１の接続端子）と、機
械的接続に寄与する固定用バンプ電極（第２の接続端
子）とが凸状に形成されている。また、固定用バンプ電
極の高さは、信号用バンプ電極より高く形成されてい
る。半導体素子の導通試験工程前の第１の接合工程で
は、熱圧接により、固定用バンプ電極と配線パターンと
の間のみを固相拡散反応させて接合させる。導通試験工
程で良品と判断された半導体素子については第２の接合
工程で、さらに、第１の接合工程より大きな圧力を加え
て信号用バンプ電極と配線パターンとの間を固相拡散接
合させる。一方、導通試験工程で不良品と判断された半
導体素子については、半導体素子がリペアされる。この
ような工程を経ることにより、リペアの必要性が生じた
場合、信号用バンプ電極が接合される位置の配線パター
ンに損傷を与えることなくリペアができる。したがっ
て、リペアを繰り返して実行されても、半導体装置の信
頼性が低下されない。

【００１２】

【実施の形態】以下、図面を参照してこの発明の半導体
素子、及びその接続方法の好ましい実施の形態について
説明する。なお、この発明は、以下の実施の形態に限定
されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々
変更可能であることはいうまでもない。

【００１３】図１は、この発明の半導体素子の断面を概
略的に示した図である。半導体素子１は、その表面に突
出した多数の接続端子、即ち、バンプ電極２が形成され
ている。このバンプ電極２は、半導体素子１のボンディ
ングパット上に形成された信号用バンプ電極２１と、半
導体素子１のボンディングパッド外の領域に形成された
固定用バンプ電極２２とを有する。また、固定用バンプ
電極２２は、図１に示すように、信号用バンプ電極２１
よりも高い構造になっている。この半導体素子１のバン
プ電極２は、絶縁基板上に形成された配線パターンに熱
圧接されることによって生じる固相拡散反応により電気
的、且つ機械的に接続される。この配線パターンを有す
る絶縁基板としては、例えばガラス基板、アルミナ・窒
化アルミニウムのようなセラミックなどからなる基板の
片面、もしくは両面に配線パターンが形成されたサーキ
ット・ボード等を挙げることができる。なお、両面に配
線パターンが形成されたサーキット・ボードにおいて、
両面の配線パターンがスルーホールにより相互に接続さ
れているボードも許容する。

【００１４】次に、この発明に係わる半導体素子の接続
方法について説明する。図２は、この発明の半導体素子
の接続方法を概略的に示す図である。まず、図２（ａ）
に示すように、信号用バンプ電極２１および固定用バン
プ電極２２は、それぞれ半導体素子１上のボンディング
・パッド上およびボンディング・パッド外の領域上に形
成され、その際、固定用バンプ電極２２が信号用バンプ
電極２１より高く形成されている。バンプ電極２の材料
としては、導電性を有する物質であれば特に規制されな
いが、例えば半田・銅（Ｃｕ）・ニッケル（Ｎｉ）・金
（Ａｕ）等が挙げられる。また、バンプ電極２の形成法
としては、例えばスクリーン印刷・メッキ等が挙げら
れ、バンプ電極２の高さの調節方法としては、例えばス
クリーン印刷においてはインクの濃度を高くする程、メ
ッキにおいてはバンプ電極２の断面積を小さくする程、
高いバンプ電極２を形成することができる。このように
して、半導体素子１上に、高さの異なる信号用バンプ電
極２１および固定用バンプ電極２２が同時に形成され
る。一方、絶縁基板３上には、アルミニウム（Ａｌ）な
どの導電性を有する物質によって配線パターン４が形成
されている。

【００１５】次に、信号用バンプ電極２１および固定用
バンプ電極２２が絶縁基板３上の配線パターン４に接合
される。即ち、熱圧接によりバンプ電極材料と配線パタ
ーン材料とを固相拡散反応させ、金属間化合物を形成さ
せて両者を接合させる。この時、信号用バンプ電極２１
と配線パターン４、及び固定用バンプ電極２２と配線パ
ターン４とが、それぞれ固相拡散反応を起こすために要
する最小限の圧力をそれぞれＰ１、Ｐ２とすると、固定
用バンプ電極２２が信号用バンプ電極２１より高いこと
から、Ｐ１＞Ｐ２の関係が成り立つ。また、信号用バン
プ電極２１が配線パターン４と電気的にコンタクトする
ために要する最小限の触圧をＰ３とすると、Ｐ１＞Ｐ３
の関係が成り立つ。従って、半導体素子１の導通試験工
程前の接合時の圧力Ｐｉｎｉ．の大きさを、Ｐ３＞Ｐ２
の場合には、Ｐ１＞Ｐｉｎｉ．＞Ｐ３、また、Ｐ２＞Ｐ
３の場合にはＰ１＞Ｐｉｎｉ．＞Ｐ２の範囲に設定し
て、熱圧接することにより接合される。このようにして
接合することにより、図２（ｂ）に示すように、固定用
バンプ電極２２と配線パターン４間のみが固相拡散反応
を起こして接合され、信号用バンプ電極２１と配線パタ
ーン４間は、導通試験に十分な電気的なコンタクトは取
れているが固相拡散反応は起きていないという状態にな
る。

【００１６】この状態で半導体素子１の導通試験が実行
され、その結果、不良要素が検出されて、リペアが必要
な場合には、図２（ｃ）に示すように固定用バンプ電極
２２と配線パターン４間との接続が剥離される。この場
合、固定用バンプ電極２２に接合されていた位置のアル
ミニウム配線パターン４が剥離しても、信号用バンプ電
極２１直下のアルミニウム配線パターン４に剥離等の損
傷はないため、新たな固定用バンプ電極２２を異なる位
置に形成すれば良い。導通試験の結果、良品と判断され
た半導体素子１は、Ｐ１以上の圧力をかけて熱圧接する
ことにより、図２（ｄ）のように信号用バンプ電極２１
と配線パターン４との間にも固相拡散反応を起こさせ
る。

【００１７】この様な接続方法によって接続された半導
体装置は、図３に示すように絶縁性のアルミナ基板３上
に形成された配線パターン４に半導体素子１がバンプ電
極２を介して接続された構造になっている。即ち、半導
体素子１とアルミナ基板３は、半導体素子１に形成され
た信号用バンプ電極２１及び固定用バンプ電極２２と配
線パターン４との固相拡散によって直接接続されてい
る。また、固定用バンプ電極２２と配線パターン４とが
接続されている固相拡散領域５１は、信号用バンプ電極
２１と配線パターン４とが接続されている固相拡散領域
５２より大きい。これは、固定用バンプ電極２２が信号
用バンプ電極より長く形成されていることにより、固定
用バンプ電極２２がより多くの領域で配線パターン４と
固相拡散反応するためである。

【００１８】次に、この発明の半導体素子およびその接
続方法の実施の形態について説明する。接続前の半導体
７素子１は、図２（ａ）に示すように、その表面に多数
のバンプ電極２が形成された構造になっている。信号用
バンプ電極２１は、半導体素子１上に形成されているボ
ンディングパッド上にスクリーン印刷によって形成され
ている。この信号用バンプ電極２１は、金（Ａｕ）によ
って形成され、また、電極の高さは、この実施の形態で
は２０μｍである。また、固定用バンプ電極２２は、半
導体素子１上のボンディングパッド外の領域にスクリー
ン印刷によって形成されている。この固定用バンプ電極
２２も同様に、金によって形成され、また、電極の高さ
は、２１μｍである。なお、バンプ電極２のサイズは、
断面が５０μｍ角の正方形とした。一方、アルミナ基板
３上には、配線パターンがアルミニウムによって形成さ
れている。

【００１９】まず、第１の接合工程として、半導体素子
１の導通試験前に以下の様にして固定用バンプ電極と配
線パターンとを接合させる。即ち、半導体素子１側が２
００〜４５０℃、好ましくは３８０℃に加熱されると共
にアルミナ基板が５０〜１００℃、好ましくは８０℃に
加熱され、１バンプ当り１０〜６０ｇ、好ましくは３０
ｇの荷重をかけながら、１〜５秒間、好ましくは１．５
秒間圧接して、一度にすべての固定用バンプ電極２２を
配線パターン４に固相拡散接合させた。この時、図２
（ｂ）に示すように、すべての信号用バンプ電極２１
は、配線パターン４と接触して導通は取れるが、互いに
固相拡散は起こしていない状態であった。

【００２０】次に、この状態で半導体素子１の導通試験
を実行した。この導通試験により、半導体素子１を取換
える必要性が生じた場合、この実施の形態では、半導体
素子１側を３８０℃に加熱するとともに、アルミナ基板
３を８０℃に加熱しながら、半導体素子１を基板３から
剥離した。その結果、図２（ｃ）に示すように、基板３
上には、固定用バンプ電極２２が接続されていた位置に
約１μｍの高さのＡｕが残った以外、他の損傷は見られ
ず、信号用バンプ電極２１が接続されていた位置の損傷
は全く無かった。バンプ電極２が形成されている別の半
導体素子１をこの基板３のＡｕが残った位置に固定用バ
ンプ電極２２が接続されるように位置合わせして先程と
同様に半導体素子１側を３８０℃に加熱するとともに、
アルミナ基板３を８０℃に加熱し、１バンプ当り３０ｇ
の荷重をかけながら１．５秒間圧接し、一度にすべての
固定用バンプ電極２２を配線パターン４に接続した。

【００２１】導通試験によって半導体素子１の良品が確
認できた場合には、第２の接合工程として、信号用バン
プ電極２１と配線パターン４とが接合される。即ち、こ
の実施の形態では、再び半導体素子１側を３８０℃に加
熱するとともに、アルミナ基板３を８０℃に加熱し、１
バンプ当り７０ｇの荷重をかけながら０．５秒間圧接し
た。このとき、図２（ｄ）に示すように、信号用バンプ
電極２１と配線パターン４も固相拡散反応を起こし、良
好に接続された。このような接続において、電気的接続
不良はなかった。

【００２２】上述したように、半導体素子と配線パター
ンが形成されている絶縁基板とを接続する場合、まず第
１の接合工程により、固定用バンプ電極のみを配線パタ
ーンに接合させると共に、信号用バンプ電極は配線パタ
ーンと接触させて導通される。ここで、半導体素子の導
通試験が実行され、リペアが必要な場合には、第１の接
合工程と略同一の温度条件で半導体素子が配線パターン
から除去される。また、導通試験で良品と判断された場
合には、第２の接合工程により、第１の工程より高い圧
力が加えられて信号用バンプ電極が配線パターンに接合
される。このときの加熱温度の条件は、第１の接合工程
とほぼ同一でよい。したがって、導通試験によりリペア
が必要な場合には、容易に半導体素子が配線パターンか
ら除去されると共に、信号用バンプ電極が接合される位
置の配線パターンには、損傷が与えられない。このため
リペアが容易であり、且つ信頼性の高い半導体素子とそ
の接続方法が提供できると共に、このようにして接続さ
れた半導体装置の信頼性が向上される。

【００２３】なお、この実施の形態では、固定用バンプ
電極が信号用バンプ電極より高く京成されたが、バンプ
電極が同じ高さに形成されてもよい。この場合には、第
１の接合工程において、固定用バンプ電極と配線パター
ンとの間に金の薄膜が介挿され、上述したような条件で
熱圧接されることにより、固定用バンプ電極と配線パタ
ーンのみを接合させることができる。また、ここでは基
板３をアルミナ基板としたが、他のセラミック、ガラ
ス、樹脂基板などを使用して同様の方法で実装すること
もできる。

【００２４】

【発明の効果】以上詳しく説明したように、この発明に
よれば、リペアが容易でかつ信頼性の高い半導体素子と
その接続方法が提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、この発明に係わる半導体素子を概略的
に示す断面図である。

【図２】図２は、この発明に係わる半導体素子の接続方
法を示す図である。

【図３】図３は、この発明の半導体素子が接続された半
導体装置を概略的に示す断面図である。

【符号の説明】

１…半導体素子 ２…バンプ電極 ２１…信号用バンプ電極（第１の接続端子） ２２…固定用バンプ電極（第２の接続端子） ３…絶縁基板 ４…配線パターン ５１、５２…固相拡散領域

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｌ 21/92 ６０４Ｔ

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】表面に所定の配線パターンが形成された絶
   縁基板と、この絶縁基板上の配線パターンに電気的に接
   続される第１の接続端子及びこの配線パターンに機械的
   に接続される第２の接続端子が同一方向に突出して形成
   された半導体素子とを準備する工程と、 前記絶縁基板の配線パターンと前記半導体素子の第１及
   び第２の接続端子とを対向して配置し、絶縁基板に対し
   て半導体素子を第１の圧力で加圧して、第２の接続端子
   と配線パターンとを固相拡散接合させ、第１の接続端子
   と配線パターンとを接触させる第１の接合工程と、 前記半導体素子の導通を試験する工程と、 前記導通試験工程により良品と判断された半導体素子に
   ついて、第１の圧力より高い第２の圧力で加圧して第１
   の接続端子と配線パターンとを固相拡散接合させる第２
   の接合工程と、 を有することを特徴とする半導体素子の接続方法。
2. 【請求項２】前記第１の接合工程、及び第２の接合工程
   は、前記半導体素子及び前記絶縁基板をそれぞれ加熱し
   ながら加圧して固相拡散接合させることを特徴とする請
   求項１に記載の半導体素子の接続方法。
3. 【請求項３】前記半導体素子上に突出して形成されてい
   る前記第２の接続端子の高さは、前記第１の接続端子よ
   り高く形成されていることを特徴とする請求項２に記載
   の半導体素子の接続方法。
4. 【請求項４】前記半導体素子上に突出して形成されてい
   る前記第１及び第２の接続端子の高さは、略同一であっ
   て、前記第１の接合工程においては、前記第２の接続端
   子と前記配線パターンとの間に第２の接続端子と同一の
   材質の薄膜が介挿され、前記半導体素子が第１の圧力で
   加圧されて第２の接続端子と配線パターンとが固相拡散
   接合されることを特徴とする請求項２に記載の半導体素
   子の接続方法。
5. 【請求項５】絶縁基板上に形成された配線パターンと、
   半導体素子上のバンプ電極とが熱圧接による固相拡散接
   合により電気的且つ機械的に接続されている半導体装置
   において、前記バンプ電極は電気的接続に寄与する信号
   用バンプ電極と機械的接続に寄与する固定用バンプ電極
   とを含み、前記固定用バンプ電極の高さが前記信号用バ
   ンプ電極の高さより大きいことを特徴とする半導体素
   子。
6. 【請求項６】絶縁基板上に形成された配線パターンと、
   半導体素子上のバンプ電極とが熱圧接による固相拡散接
   合により電気的且つ機械的に接続されている半導体装置
   において、前記バンプ電極は電気的接続に寄与する信号
   用バンプ電極と機械的接続に寄与する固定用バンプ電極
   とを含み、前記固定用バンプ電極と前記配線パターンと
   の固相拡散接合領域が、前記信号用バンプ電極と前記配
   線パターンとの固相拡散接合領域より大きいことを特徴
   とする半導体装置。