JP3638486B2

JP3638486B2 - 半導体素子の実装方法及び金属ペースト

Info

Publication number: JP3638486B2
Application number: JP35179699A
Authority: JP
Inventors: 明福永; 浩長澤
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 1999-12-10
Filing date: 1999-12-10
Publication date: 2005-04-13
Anticipated expiration: 2019-12-10
Also published as: JP2001168140A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子（チップ、ペレットまたはダイ等）の電極と、回路基板上の端子電極とを電気的に接続する方法に係り、特に接合用金属ペーストを用いたフェースダウンボンディング法による半導体素子の実装方法およびその方法に使用される金属ペーストに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電子部品の接続端子と回路基板上の回路パターン端子との電気的接続には、はんだ付けが一般に利用されてきたが、近年、例えばＩＣフラットパッケージ等の小型化と、接続端子の増加等により、接続端子間のいわゆるピッチ間隔が次第に狭くなり、従来のはんだ付け技術では対処することが次第に難しくなってきている。
【０００３】
そこで、最近では、例えば、裸の素子と呼ばれている外装されていない能動、受動素子であるチップ（chip）、ペレット（pellet）、ダイ（die）等の半導体素子を回路基板上に電気的に接続しつつ実装する場合には、半導体素子の電極パッド上に予めはんだバンプを形成し、このはんだバンプを回路基板の端子電極に対向して下向きに配置し、高温に加熱して融着する、いわゆるフェイスダウンボンディング法が広く採用されている。このはんだバンプは、例えばＣｒ（クロム）、Ｃｕ（銅）およびＡｕ（金）からなる３層の金属薄膜（Under Bump Metals）の上に、レジストを用いて、はんだやめっき或いは蒸着によって一般に形成される。
【０００４】
この実装方法は、接続後の機械的強度が強く、かつ半導体素子の電極と回路基板の端子電極との電気的接続を一括して行えることから有効な半導体素子の実装方法とされていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来のはんだバンプを用いた半導体素子の実装方法においては、加熱溶融の際にはんだが広がって、互いに隣接するはんだバンプ（電極）同士がショートする危険性があり、微細化に対応しきれない場合があるといった問題があった。
【０００６】
なお、金属超微粒子を有する金属ペーストでボールを形成し、このボールを前記はんだバンプの代わりに使用する方法も提案されている（特開平９−３２６４１６号公報等参照）。しかし、ここで使用されている金属超微粒子は、例えば、金属を真空中、若干のガスの存在下で蒸発させることによって気相中から金属のみから成る超微粒子を凝結させて、超微細な金属微粒子を得る方法で作製された金属単体の超微粒子であると考えられ、安定性、物性及びコストの面で問題があると考えられる。
【０００７】
本発明は上記事情に鑑みて為されたもので、微細ピッチの電極への接続であっても隣の電極とショートする危険性がなく、安定性が高く、低コストで信頼性の高い電気接続を実現できる半導体素子の実装方法およびその方法に使用される金属ペーストを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、平均粒径が１〜１０ｎｍの実質的に金属成分からなるコア部の周囲を、炭素数が５以上の有機物からなる被覆層で被覆した複合金属超微粒子を予め作製し、該複合金属超微粒子を溶媒に分散させて金属ペーストを調整する工程と、該金属ペーストを回路基板の端子電極上に付着させて主に複合金属超微粒子からなる金属ペーストボールを形成する工程と、該金属ペーストボール上にフェイスダウン法を用いて半導体素子の電極を接続する工程と、低温焼成により半導体素子と回路基板とを電気的に接続する工程とを有することを特徴とする半導体素子の実装方法である。
【０００９】
この方法によれば、複合金属超微粒子は、液相中での化学的なプロセスにおいて作製することができるので、大がかりな真空装置を用いることなく、簡単な装置を用いて通常の大気雰囲気下において大量生産が可能であり、コストが安価である。しかも、周囲を有機化合物で被覆されているので、溶媒中における凝集性が小さいばかりでなく、安定していてハンドリングがしやすく、従って、複合金属超微粒子が均一に分散した金属ペーストを調整できるばかりでなく、工程管理が容易である。更に、粒径が均一であるので、低温焼成の際に、一定温度で全ての複合金属超粒子どうしが融着する。
【００１１】
金属粒子の融点は粒径が小さくなると低下することが知られているが、その効果が現れはじめるのは２０ｎｍ以下であり、１０ｎｍ以下になるとその効果が顕著となる。従って、平均粒径が１〜１０ｎｍの実質的に金属成分からなるコア部は、該金属が持つ融点よりかなり低い温度で互いに溶融結合し、これによって、低温焼成が可能となる。また、コア金属と該コア金属を保護する保護皮膜としての役割を果たす被覆層とを強固にイオン結合させて、溶媒中における分散安定性を向上させ、しかも粒子としての性状安定性を高めることができる。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、前記コア部は、正に帯電したＡｇ，ＡｕまたはＰｂ金属超微粒子で、前記被覆層は、有機性陰イオンであることを特徴とする請求項１記載の半導体素子の実装方法である。
請求項３に記載の発明は、前記金属ペーストには、０．１〜１μｍ程度の導電率が高い金属と樹脂分とが添加されていることを特徴とする請求項１または２記載の半導体素子の実装方法である。この導電率が高い金属としては、Ａｇ，Ａｕ，ＰｄまたはＡｌ等が挙げられる。これにより、金属を介して高い導電率を確保して半導体素子実装の信頼性を高めることができる。
【００１３】
請求項４に記載の発明は、前記低温焼成を２００〜２５０℃の温度範囲で行うことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体素子の実装方法である。
請求項５に記載の発明は、平均粒径が１〜１０ｎｍの実質的に金属成分からなるコア部の周囲を、炭素数が５以上の有機物からなる被覆層で被覆した複合金属超微粒子を予め作製し、該複合金属超微粒子を溶媒に分散させて調整したことを特徴とする金属ペーストである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
先ず、図１に示すように、実質的に金属成分からなるコア部１０と、有機化合物からなる被覆層１２とからなる複合金属超微粒子１４を作製する。このような複合金属超微粒子１４は、有機化合物からなる被覆層１２により覆われているので安定であり、しかも溶媒中において凝集する傾向が小さい。
【００１５】
この複合金属超微粒子１４は、有機化合物と出発物質である金属塩、例えば炭酸塩・蟻酸塩・酢酸塩由来の金属成分から構成されており、その中心部が金属成分からなり、その周りをイオン性有機化合物が取り囲んでいる。この時、有機化合物と金属成分とは、その一部又は全部が化学的に結合した状態で一体化して存在しており、界面活性剤によりコーティングされることにより安定化された従来の超微粒子と異なり、安定性が高いとともに、より高い金属濃度においても安定である。
【００１６】
複合金属超微粒子１４のコア部１０の平均粒径は１〜１０ｎｍとする。このように構成することにより、コア部１０を構成する金属が持つ融点よりもかなり低い温度でコア部１０を溶融させることができ、これによって、低温焼成が可能となる。
【００１７】
この複合金属超微粒子１４は、例えば非水系溶媒中で且つイオン性有機物の存在下で金属塩、例えば炭酸塩・蟻酸塩・酢酸塩をその分解還元温度以上でかつイオン性有機物の分解温度以下で加熱することによって製造することができる。金属成分としては、Ａｇ，ＡｕまたはＰｂが用いられ、イオン性の有機物としては炭素数５以上の脂肪酸およびアルキルベンゼンスルフォン酸、アルキルスルフォン酸が用いられる。
【００１８】
加熱温度は、金属塩、例えば炭酸塩・蟻酸塩・酢酸塩の分解還元温度以上でかつイオン性有機物の分解温度以下であり、例えば酢酸銀の場合、分解開始温度が２００℃あるので、２００℃以上かつ上記のイオン性有機物が分解しない温度に保持すればよい。この場合、イオン性有機物が分解しにくいようにするために、加熱雰囲気は、不活性ガス雰囲気であることが好ましいが、非水溶剤の選択により、大気下においても加熱可能である。
【００１９】
また、加熱するに際し、各種アルコール類を添加することもでき、反応を促進することが可能になる。アルコール類は、上記効果が得られる限り特に制限されず、例えばラウリルアルコール、グリセリン、エチレングリコール等が挙げられる。アルコール類の添加量は、用いるアルコールの種類等に応じて適宜定めることができるが、通常は重量部として金属塩１００に対して５〜２０程度、好ましくは５〜１０とすれば良い。
【００２０】
加熱が終了した後、公知の精製法により精製を行う。精製法は例えば遠心分離、膜精製、溶媒抽出等により行えば良い。
【００２１】
例えば、有機アニオン性物質としてオレイン酸を、金属源として酢酸銀をそれぞれ用い、これらを留点２５０℃のナフテン系高沸点溶媒の中に入れ、２４０℃にて３時間加熱し、更にアセトンを加えて沈殿精製を行うことで、平均粒径が約１０ｎｍのクラスター状の正に帯電したＡｇ金属超微粒子（コア金属）の周囲を有機性陰イオン（被覆層）で被覆した複合金属超微粒子を作製することができる。
【００２２】
そして、複合金属超微粒子１４をトルエン等の所定の溶媒に分散させ、必要に応じて、０．１〜１μｍ程度の、例えばＡｇ，Ａｕ，ＰｄまたはＡｌ等の導電率が高い金属と樹脂分とを添加した金属ペーストを調整し、図２（ａ）に示すように、この金属ペーストを回路基板２０の端子電極２２の所定の位置に滴下して、主に複合金属超微粒子１４からなる高さ約２μｍの金属ペーストボール２４を形成する。
【００２３】
このような金属ペーストは、分散粒子である複合金属超微粒子１４が非常に細かいので、複合金属超微粒子１４を混合して攪拌した状態ではほぼ透明であるが、溶媒の種類、複合金属超微粒子濃度、温度等を適宜に選択することにより、表面張力、粘性等の物性値を調整することができる。
【００２４】
次に、図２（ｂ）に示すように、半導体素子３０を下向きにしたフェイスダウン法を用い、半導体素子３０に設けた電極パッド部と前記金属ペーストボール２４との位置合わせを行う、いわゆるフリップチップ方式で、金属ペーストボール２４上に半導体素子３０の電極パッド部を接続し、必要に応じて、半導体素子３０の重量によるレベリングを行う。
【００２５】
この状態で、例えば２００〜２５０℃で３０分間の熱風炉により低温焼成を行うことにより、半導体素子３０と回路基板２０とを電気的に接続する。つまり、金属ペーストボール２４に含まれるトルエン等の溶媒を蒸発させ、更に金属ペーストボール２４の主成分である複合金属超微粒子１４をこの被覆層（有機化合物）１２（図１参照）のコア部１０からの離脱或いは被覆層１２自体の分解温度以上に加熱することで、コア部１０から被覆層１２を離脱或いは被覆層１２を分解して消滅させ、同時にコア部１０を溶融結合させる。
【００２６】
このように、例えば２００〜２５０℃の温度範囲で低温焼成して半導体素子と回路基板とを電気的に接続することで、熱歪みを起こり難くし、しかもはんだを用いないため、はんだの流れによるショートを回避して、より微細なピッチでの接続が可能となる。
【００２７】
この時、前述のように、導電率が高い金属を添加した金属ペーストを使用することで、該金属を介して高い導電率を確保して半導体素子実装の信頼性を高めることもできる。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、微細ピッチの電極への接続であっても隣の電極とショートする危険性がなく、安定性が高く、低コストで信頼性の高い電気接続を実現して、半導体素子を回路基板に実装できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】複合金属超微粒子の構造を模式的に示す図である。
【図２】本発明の実施の形態の半導体素子の実装方法を工程順に示す図である。
【符号の説明】
１０コア部
１２被覆層
１４複合金属超微粒子
２０回路基板
２２端子電極
２４金属ペーストボール
３０半導体素子

Claims

平均粒径が１〜１０ｎｍの実質的に金属成分からなるコア部の周囲を、炭素数が５以上の有機物からなる被覆層で被覆した複合金属超微粒子を予め作製し、該複合金属超微粒子を溶媒に分散させて金属ペーストを調整する工程と、
該金属ペーストを回路基板の端子電極上に付着させて主に複合金属超微粒子からなる金属ペーストボールを形成する工程と、
該金属ペーストボール上にフェイスダウン法を用いて半導体素子の電極を接続する工程と、
低温焼成により半導体素子と回路基板とを電気的に接続する工程とを有することを特徴とする半導体素子の実装方法。
前記コア部は、正に帯電したＡｇ，ＡｕまたはＰｂ金属超微粒子で、前記被覆層は、有機性陰イオンであることを特徴とする請求項１記載の半導体素子の実装方法。
前記金属ペーストには、０．１〜１μｍ程度の導電率が高い金属と樹脂分とが添加されていることを特徴とする請求項１または２記載の半導体素子の実装方法。
前記低温焼成を２００〜２５０℃の温度範囲で行うことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体素子の実装方法。
平均粒径が１〜１０ｎｍの実質的に金属成分からなるコア部の周囲を、炭素数が５以上の有機物からなる被覆層で被覆した複合金属超微粒子を予め作製し、該複合金属超微粒子を溶媒に分散させて調整したことを特徴とする金属ペースト。