JP2007019360A - 電子部品の実装方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 低温かつ低荷重で、しかも短時間で接合を可能とし、信頼性の高い接合部を得ることができる電子部品の実装方法を提供する。
【解決手段】 電子部品２０上に形成された金属からなる素子電極２１と、回路基板１０上に形成された金属からなる回路電極１１とを接合して、電子部品２０を回路基板１０上に実装する方法において、回路電極１１、素子電極２１上に、低融点金属層３１、３２を予め形成した後、素子電極２１又は回路電極１１と同材質、若しくは低融点金属層３１、３２が拡散可能な材料からなる金属粉末３３を、低融点金属層３１、３２上に付与して、素子電極２１及び回路電極１１を対向させて、少なくとも低融点金属層３１、３２が溶融する温度で加熱加圧し、低融点金属層３１、３２を、素子電極２１、回路電極１１及び金属粉末３３に固液拡散させることによって接合する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば、小型化が必要とされる回路基板あるいはモジュール（マルチチップモジュール）等において、半導体チップ等の電子部品をプリント基板等の回路基板に直接実装する方法に関する。

近年、電子機器等の小型化や高機能化に伴い、電子機器の回路基板上へ半導体チップ等の電子部品を直接実装する、ベアチップ実装が広く行なわれている。図４（ａ）、（ｂ）にその一例を示す。

図４（ａ）においては、回路基板５０上に設けられた回路電極５１と、半導体チップ等の電子部品６０上に電極パッド６２を介して設けられたＡｕ、又は、はんだからなるバンプ（電極）６１とを対向させて接触させた後、はんだ７０によって回路電極５１とバンプ６１との接合が行なわれ、更に、絶縁のために、はんだ７０の周囲が樹脂８０で覆われている。

また、図４（ｂ）においては、同じく回路基板５０上に設けられた回路電極５１と、電子部品６０上に電極パッド６２を介して設けられたＡｕ、又は、はんだからなるバンプ６１とを対向させ、両者を、導電性粒子９１を含有した異方導電性接着剤（ＡＣＦ）９０で覆うことにより、回路電極５１とバンプ６１とを接合し、両者の導通が導電性粒子９１によって行なわれるように構成されている。

上記のような、回路電極と、半導体チップ等の電子部品とをバンプで直接接続する方法はフリップチップ実装技術と呼ばれ、回路電極と電子部品とをワイヤで結線するワイヤボンド方式に比べて小型化が可能であることから、従来から広く用いられている。また、ワイヤを使用しない実装方法としては、他にも様々な方法が考案されている。

例えば、下記特許文献１には、回路基板上に形成された金属からなる回路電極と、電子部品上に形成された金属からなる素子電極とを接合して、前記電子部品を前記回路基板上に実装する方法において、前記回路電極及び／又は前記素子電極上に、低融点金属層をあらかじめ形成した後、前記回路電極及び前記素子電極を対向させて、少なくとも低融点金属が溶融する温度で加熱加圧し、前記低融点金属層を、前記回路電極及び前記素子電極中へ固液拡散させることによって、前記回路電極と前記素子電極とを接合することを特徴とする電子部品の実装方法が開示されている。

図５には、上記特許文献１の実装工程が示されている。すなわち、図５（ａ）に示すように、回路基板５０上の回路電極５１と、電子部品６０上の素子電極６１（上記バンプに相当）とが対向するように配置され、回路電極５１及び素子電極６１上には、低融点金属層７１、７２がそれぞれ形成されている。そして、図５（ｂ）に示すように、電子部品６０と回路基板５０とを近接させて、低融点金属層７１、７２同士が接触するように配置する。この状態で、加熱加圧を行なうと、図５（ｃ）に示すように、低融点金属層７１、７２が溶融して低融点金属層７３となり、更に回路電極５１及び素子電極６１中へ固液拡散して、接合が行なわれる。なお、上記電極同士の移動、加熱加圧等の操作は、従来公知の実装設備である、フリップチップボンダ７４等を用いて行われる。

また、下記特許文献２には、回路基板上に形成された第１回路電極と、表裏両面に素子電極が形成された半導体素子の前記裏面側素子電極とを接合する第１接合工程と、前記半導体素子の前記表面側素子電極と、線状あるいは板状の接続部材の一端とを接合する第２接合工程と、前記接合部材の他端と、前記回路基板上に形成された第２回路電極とを接合する第３接合工程とを含む半導体モジュールの製造方法であって、前記第１接合工程、第２接合工程及び第３接合工程の少なくとも１つの工程において、金属箔の片面あるいは両面に低融点金属層をあらかじめ形成した後、接続されるべき１対の電極を対向させて、この１対の電極間に前記金属箔を介装し、前記１対の電極を少なくとも低融点金属が溶融する温度で加熱加圧し、前記低融点金属層を前記１対の電極中に固液拡散させることによって、前記１対の電極を接合することを特徴とする半導体モジュールの製造方法が開示されている。

更に、下記特許文献３には、耐熱超合金よりなる被接合部材の液相拡散接合において、接合部の充填材として、ロウ材と共に該ロウ材よりも高融点の金属粉末又は合金粉末を圧粉成形してなるシート状粉末成形体を用い、合金粉末が被接合部材の母材合金或いは該母材合金とほぼ同材質の合金の粉末であることを特徴とする、耐熱超合金の接合方法が開示されている。しかしながら、この文献には、電子部品の回路基板への接合という用途については何ら示唆されていない。
特開２００４−１１１９３５号公報 特開２００４−１１１９３６号公報 特開平４−２００８８４号公報

上記のように、電子部品上の電極（素子電極、バンプ）と回路電極とは、はんだや樹脂接着剤等を介して接合が行われている。この接合時の加熱温度は、はんだを用いた場合、はんだ材料の融点に依存し、通常、２００〜３００℃の高温が要求されるので、電子部品への熱的ダメージが生じ易かった。また、樹脂接着剤を用いた場合には、１５０〜２００℃の比較的低温でよいが、樹脂の硬化に３０〜６０分の時間を要し、実装工程の長期化の要因となっていた。また、接合部の信頼性（強度や疲労寿命、耐熱性等）は、介在する接合材料の特性に依存するが、はんだや樹脂接着剤の場合、高温特性や熱疲労寿命に問題があった。

更に、前記特許文献１の電子部品の実装方法においては、素子電極と回路電極を対向させた後に、加熱加圧させる必要があるが、この際にある程度大きな荷重で電極を加圧しないと、低融点金属層が未反応のまま残存してしまい、完全に回路電極及び素子電極に拡散させることができず、接合部の信頼性が損なわれてしまうことがあった。しかしながら、低融点金属層を残存させないために、比較的大きな荷重で加圧すると、半導体等の電子部品にダメージを与えてしまう場合があった。

また、接合の際に、電極に加わる荷重にバラツキがあったり、各電極や低融点金属層等の厚さにバラツキがあったりすると、荷重が均一に加わらず、未接合部が残りやすい。これらのバラツキを解消するため、例えば、低融点金属層の厚さを増した場合、却って低融点金属層を拡散させにくくなり問題であった。

更に、前記特許文献２の半導体モジュールの製造方法においては、１対の電極間に中間接合材である金属箔を介装した後、電極を加熱加圧しているので、低融点金属層が電極側へ拡散するのみならず、金属箔とも拡散し合って、接合時間が限定されていても、低融点金属層の未反応部分が残存しないようにすることができる。

しかしながら、中間接合材として金属箔を介装する必要があるため、例えば、厚さが１μｍ程度の薄膜の場合、取り扱いに注意が必要となったり、実装作業が煩雑になったり、更には、コストが増加してしまったりする場合があった。また、金属箔は、半導体チップ等の電子部品における、微細な素子電極と回路電極との接合には適合しにくかった。

また、特許文献３の耐熱超合金の接合方法においては、被接合部材の接合部の充填材として、母材合金或いは該母材合金とほぼ同材質の合金の粉末を用いて接合しているが、対象となる被接合部材は、例えば、Ｎｉ基の耐熱超合金である。そして、これに対応して、ロウ材も融点降下元素として、Ｂ、Ｓｉ、Ｐ等を含むＮｉロウ等が用いられている。これらはいずれも高温度で溶融するので、熱的ダメージに比較的弱い半導体チップ等の電子部品に、この接合方法をそのまま適用することは困難である。

したがって、本発明の目的は、電子部品上の素子電極と、回路基板上の回路電極とを対向させ、素子電極と回路電極との間に低融点金属層を介在させて加熱加圧して、電子部品を回路基板上に実装する方法において、低温かつ低荷重で、しかも短時間にて接合可能で、接合時の荷重や各電極等の厚さにバラツキがあっても、低融点金属層を残存させずに、信頼性の高い接合部を得ることができる電子部品の実装方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の電子部品の実装方法は、電子部品上に形成された金属からなる素子電極と、回路基板上に形成された金属からなる回路電極とを接合して、前記電子部品を前記回路基板上に実装する方法において、
前記素子電極及び／又は前記回路電極上に、低融点金属層を予め形成した後、前記素子電極又は前記回路電極と同材質の金属粉末、若しくは前記低融点金属層が拡散可能な材料からなる金属粉末を、前記低融点金属層上に付与して、前記素子電極と前記回路電極とを前記低融点金属層及び前記金属粉末を介して接触させ、少なくとも低融点金属層が溶融する温度で加熱加圧することにより、前記低融点金属層を、前記素子電極、前記回路電極及び前記金属粉末に固液拡散させることによって、前記素子電極と前記回路電極とを接合することを特徴とする。

本発明によれば、少なくとも低融点金属層が溶融する温度で加熱加圧することにより、低融点金属層が素子電極及び回路電極中に拡散すると共に金属粉末にも拡散して、それらの合金層が形成され、この合金層を介して素子電極と回路電極とが接合される。この合金層は、低融点金属層に比べて融点が高く、しかも強度に優れているため、電子部品を回路基板上にしっかりと接続することができると共に、耐熱性も高めることができる。

また、表面積の大きな金属粉末を介在させることによって、低融点金属層が比較的低温でも速やかに拡散できるようになるため、加熱加圧時の温度や圧力を低減させて、電子部品の損傷を防止することができる。

更に、低融点金属層が素子電極及び回路電極中に拡散すると共に金属粉末にも拡散することにより、低融点金属層の未反応部が残存しにくくなり、低融点金属層が残存することによる強度低下や、耐熱性低下を防ぐことができる。

更にまた、金属粉末を用いることにより、電子部品の微細な素子電極にも比較的容易に塗布することができ、実装作業性を向上させることができる。

本発明においては、前記素子電極がＣｕ、Ｎｉ、Ａｕ、又はそれらの合金から選ばれたものからなり、前記回路電極がＣｕ、Ｎｉ、又はそれらの合金から選ばれたものからなり、前記低融点金属層がＳｎＩｎ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｂｉ、ＳｎＢｉから選ばれたものからなり、前記金属粉末がＣｕ、Ｎｉ、Ａｕ、又はそれらの合金から選ばれたものからなることが好ましい。

素子電極、回路電極、低融点金属層、及び金属粉末の材料を、上記の材料とすることにより、加熱加圧時に低融点金属層を速やかに拡散させて、合金層からなる強固な接合層を形成することができる。

また、本発明においては、前記金属粉末の粒径が、（１）１００ｎｍ以下、（２）１〜３μｍ、（３）５０〜５００μｍのいずれかの範囲に含まれるものであることが好ましい。

金属粉末の粒径が１００ｎｍ以下である場合には、より低温でも低融点金属を拡散させることが可能となるため、電子部品の損傷をより確実に防止できる。

金属粉末の粒径が１〜３μｍである場合には、素子電極及び回路電極の接合面の平行度や、平面性、平滑性が悪くても、金属粉末が両者の隙間を埋めるため、均一な合金層を形成することができる。

金属粉末の粒径が５０〜５００μｍである場合には、隣接する金属粉末同士が接合されない状態を形成できるため、電子部品や回路基板等を構成するセラミックスや樹脂の熱膨張差から生じるヒートサイクル時の応力を緩和することができる。

本発明によれば、電極上に低融点金属層を形成し、更に低融点金属層上に金属粉末を介装した状態で加熱加圧したので、低融点金属層は、電極中に固液拡散するとともに、金属粉末にも固液拡散し、低温かつ低荷重で、しかも短時間にて接合可能となり、接合時の荷重や各電極等の厚さにバラツキがあっても、低融点金属層を残存させず、信頼性の高い接合部を得られる電子部品の実装方法を提供できる。

以下、図面を用いて本発明について説明する。図１には、本発明の電子部品の実装方法の一実施形態が示されている。

図１（ａ）に示すように、この実施形態においては、回路基板１０上に形成された金属からなる回路電極１１と、電子部品２０上に形成された金属からなる素子電極２１とが対向するように配置されており、回路電極１１及び素子電極２１上には、低融点金属層３１、３２がそれぞれ形成されている。そして、低融点金属層３１、３２の少なくとも一方の表面には、金属粉末３３が塗布されている。

回路基板１０としては、例えば、従来公知のプリント基板等の配線板が使用でき、特に限定されない。また、回路基板１０上に形成された金属からなる回路電極１１は、導電性を有する金属であればよく、低融点金属層３１、３２と固液拡散を行ないやすい点から、Ｃｕ、Ｎｉ、又はそれらの合金が好ましい。回路基板１０上に回路電極１１を形成する方法は、従来公知の蒸着やエッチング等によるパターン形成方法が採用できる。

電子部品２０としては、例えば、半導体チップ等が挙げられるが、これらに限定されない。また、電子部品２０上に形成される素子電極２１としては、特に限定されないが、低融点金属層３１、３２と固液拡散を行ないやすい、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｕ、又はそれらの合金が好ましい。

また、素子電極２１は、半導体チップ等の電極パッド上にバンプとして形成されていることが好まく、これにより、上述のフリップチップ実装技術において、好適に使用可能となる。

なお、回路電極１１、素子電極２１の表面粗さは平滑であるほうが、接合状態が良好となるので好ましい。

次に、低融点金属層３１、３２の金属としては、回路電極１１、素子電極２１及び金属粉末３３よりも低融点であって、それらと固液拡散可能な材料が用いられる。

低融点金属層３１、３２に用いる金属の融点は、２２０℃以下が好ましく、１８０℃以下がより好ましい。それによって、従来のＰｂＳｎ共晶はんだ（融点１８３℃）や、代表的な鉛フリーはんだであるＳｎＡｇ系（融点２１０〜２２３℃）に比べて、低温での接合が可能となるので、電子部品への熱的ダメージを抑えることが可能となる。

また、低融点金属層３１、３２の金属は、回路電極１１、素子電極２１及び金属粉末３３に対して固液拡散可能であることが必要である。ここで、拡散係数Ｄ（ｍ^２／ｓ）は、以下の数式（１）を用いて求めることができる。

Ｄ＝Ｄ_０ｅｘｐ（―Ｑ／ＲＴ）…（１）
上記式中、Ｄ_０は振動数項（ｍ^２／ｓ）、Ｑは活性化エネルギー（Ｊ／ｍｏｌ）、Ｒはガス定数：８．３１４５（Ｊ／ｍｏｌ・Ｋ）、Ｔは絶対温度（Ｋ）を表す。

また、下記表１には、Ｃｕに対する各金属元素の拡散係数Ｄ（拡散温度Tを、１０００Ｋ（７２７℃）とした場合の計算値）が示されている。

ところで、拡散係数Ｄは、温度条件に極めて大きく依存し、温度を上昇させると、拡散係数Ｄも大幅に上昇する。しかし、拡散係数Ｄが大きくても、高融点材料である場合は、接合温度を高くする必要があり、電子部品に熱的ダメージを与える恐れが生じる。

したがって、低融点金属層３１、３２としては、低融点でかつ拡散係数Ｄが大きい材料が好ましい。例えば、Ｃｕに対する金属元素の拡散係数Ｄを、数式１及び表１より、各金属元素の融点より２０℃高い温度で、計算すると次のようになる。すなわち、Ｃｕに対するＩｎの拡散係数Ｄは、温度が４５０Ｋ（１７７℃）の場合、５．１５×１０^−２７（ｍ^２／ｓ）である。また、Ｃｕに対するＳｎの拡散係数Ｄは、温度が５２５Ｋ（２５２℃）の場合、２．１７×１０^−２４（ｍ^２／ｓ）である。そして、Ｃｕに対するＢｉの拡散係数Ｄは、温度が５６４Ｋ（２９１℃）の場合、２．５１×１０^−２１（ｍ^２／ｓ）である。これらの金属元素は、いずれも低融点であり、拡散係数Dも比較的大きいことが分かる。

上記観点から、低融点金属層３１，３２の金属としては、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｂｉ等の金属、或いはそれらの合金（例えばＳｎＩｎ、ＳｎＢｉ）が好ましく用いられる。また、上記金属材料をベース金属として、更に微量の添加元素、例えば、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｇｅ、Ｓｂ、Ａｇ、Ｐ等を含有させてもよい。

更に、低融点金属層３１、３２の厚さは、両者を合計して１０μｍ以下であり、好ましくは０．１〜１０μｍである。合計厚さが１０μｍを越えると、数分の接合時間では拡散しきれず、低融点金属層３１、３２が電極間に残存しやすくなり、接合部の信頼性が低下するので好ましくない。また、０．１μｍ以下では、充分な固液拡散が起こらないため、電極の表面の酸化膜あるいは電極上に形成された低融点金属層の表面の酸化膜の除去ができず、また、均一な低融点金属層の形成が困難となり、結果として接合が不充分となるので好ましくない。

低融点金属層３１、３２の形成方法としては、特に限定されず、上記の従来公知の薄膜形成法が利用でき、例えば蒸着、スパッタリング、メッキ、エッチング等を適宜用いることができる。また、メタルマスクを用いた蒸着や、フォトレジストを用いたエッチング等により、必要に応じてパターン形成して設けることができる。

なお、本発明においては、低融点金属層３１、３２のそれぞれの厚さは異なっていてもよい。また、低融点金属層３１又は３２は、どちらか一方のみが形成されていてもよい。

更に、金属粉末３３は、前記素子電極２１又は前記回路電極１１と同材質の金属粉末、若しくは前記低融点金属層３１，３２が拡散可能な材料からなる。低融点金属層３１，３２が拡散可能な材料とは、該金属粉末３３に対する低融点金属層３１、３２の拡散係数が大きくなるような材料を意味する。

このように、金属粉末３３として、低融点金属層３１，３２が拡散しやすい材料を用いるのは、金属粉末３３に対する低融点金属層３１、３２の拡散係数が小さい場合、接合温度を上昇させたり、大荷重で加圧したりする必要が生じるので、基板に実装する電子部品等にダメージを与えてしまうからである。

以上の理由から、金属粉末３３としては、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｕ、又はそれらの合金から選ばれたものが好ましく採用される。

また、この金属粉末３３を、低融点金属層３１、３２上に付与する方法としては、特に限定されないが、例えば、金属粉末３３をフラックスや溶剤等と混合されたペースト状態とし、クリームはんだの塗布と同様に、スクリーン印刷等により低融点金属層３１、３２上に印刷塗布するか、あるいは、先端にノズルの付いたディスペンサを用いて低融点金属層３１、３２上に塗布することができる。

この実施形態の場合、回路電極１１に形成された低融点金属層３１上に、金属粉末３３が塗布されている。なお、金属粉末３３は、素子電極２１に形成された低融点金属層３２上に塗布してもよく、両者の低融点金属層３１，３２上に塗布してもよい。

なお、金属粉末３３を塗布する際は、上述のように、還元効果のあるフラックスや、揮発性のある溶剤等と混合すると、塗布厚さの制御がし易くなり、作業性が向上する。

この実施形態の場合、金属粉末３３の粒径は、低融点金属層３１、３２のそれぞれの厚みに対して、１／２程度であることが好ましく、具体的には１〜３μｍが好ましく、１〜２μｍがより好ましい。金属粉末３３の粒径を上記の範囲に設定することにより、対向する回路電極１１、素子電極２１同士の平行度、或いは、回路電極１１、素子電極２１の平面度が得られていない場合であっても、各電極同士が加圧されると、金属粉末３３が、回路電極１１、素子電極２１の間隔のバラツキを埋めるようになるので、ボイド等の空隙を生じさせず、良好な接合部４０を形成することができる。

また、金属粉末３３の粒径はできるだけ均一にすることが好ましく、それによって金属粉末３３に対する低融点金属層３１、３２の拡散速度を一定に保持しやすくなり、部分的に速くなったり遅くなったりさせずに、よりスムーズに低融点金属層３１、３２を金属粉末３３に固液拡散させて、接合性を向上させることができる。

なお、図１においては、金属粉末３３が、１層分（１粒径分）だけ低融点金属層３１上に塗布されている。すなわち、金属粉末３３の１粒の粒径が、金属粉末３３の塗布厚となっているが、この態様に限定されるものではない。例えば、金属粉末３３を、２層、３層と低融点金属層３１上に多層状に塗布してもよく、この場合でも上述の作用効果が得られる。但し、少なくとも低融点金属層３１、３２の厚さよりも、金属粉末３３の塗布厚が小さいことが必要である。

次に、回路電極１１と素子電極２１との接合手順を説明する。すなわち、図１（ａ）の回路電極１１と素子電極２１とが対向した状態から、図１（ｂ）に示すように、電子部品２０と回路基板１０とを近接させて、素子電極２１上の低融点金属層３２と、回路電極１１の低融点金属層３１上に塗布された金属粉末３３とが接触するように配置する。この状態で、図１（ｃ）に示すように、加熱加圧を行なうと、低融点金属層３１、３２が溶融して、回路電極１１及び素子電極２１に固液拡散するとともに、表面積の大きい金属粉末３３にも反応して効率的に固液拡散する。その結果、図１（ｄ）に示すように、回路電極１１、素子電極２１、低融点金属層３１、３２及び金属粉末３３の合金層からなる接合部４０が形成され、回路基板１０に電子部品２０を接合することができる。

上記加熱温度としては、例えば、低融点金属層３１、３２の融点より２０℃以上高く、電子部品２０を損傷しない程度の温度が好ましく採用されるが、特に好ましくは低融点金属層３１、３２の融点より２０℃以上高く、１００℃は超えない温度が用いられる。また、加圧する際の圧力範囲は０．１〜５０ＭＰａであることが好ましい。

なお、接合部４０は、低融点金属層３１、３２がＩｎで、金属粉末３３がＣｕの場合、Ｃｕ_１１Ｉｎ_９、或いは、Ｃｕ_１６Ｉｎ_９という組成の合金となる。また、接合時の温度が高いほど、Ｃｕ_１６Ｉｎ_９の比率が増え高強度となる。更に、接合温度を３００℃程度にすると、Ｃｕの含有量が多いＣｕリッチ層が形成されるようになるので、接合部４０の強度は向上する。

また、上記の電極同士の位置決めや、移動、加熱加圧等の操作は、従来公知の実装装置である、図示しないフリップチップボンダ等を用いて行なうことができる。また、電極同士の位置決めは、カメラ等を用いた座標決定により正確に行なうことができる。

図２には、本発明による電子部品の実装方法の他の実施形態が示されている。なお、前記実施形態と実質的に同一部分には、同符号を付してその説明を省略することにする。

この実施形態においては、金属粉末３３の粒径のみが前記実施形態と異なっている。すなわち、この実施形態の場合、金属粉末３３は、図２（ａ）に示されるように、図１の金属粉末３３に比べて小さくなっている。具体的には、この金属粉末３３の粒径は、１００ｎｍ以下であり、５０ｎｍ以下であることが好ましく、３〜１０ｎｍであることがより好ましい。粒径が１００ｎｍを超えると、低温で焼結しにくくなるので好ましくない。また、粒径が３ｎｍよりも小さいと、金属粉末３３自体のコストが増加し、取り扱いも難しくなるので好ましくない。

金属粉末は、一般的にナノメートル（ｎｍ）単位の大きさの微粒子となると、その表面が活性状態となることが知られている。したがって、粒径が３〜１０ｎｍで表面が活性状態となった金属粉末３３は、例えば、低融点金属層３１、３２の融点より２０℃程度高い温度でなく、より低温であっても、低融点金属層３１、３２を金属粉末３３に拡散させることが可能となる。なお、粒径がナノメートル単位の金属粉末は、上述したように、活性で常温でも凝集が起こるため、一般的には、有機溶剤等の有機成分に混合して（有機成分により凝集せず分散効果が働く）、ペースト状となったものが用いられる。

しかも、金属粉末３３同士が溶融して液相拡散しなくとも、金属粉末３３同士が固相拡散により結合して焼結するようになるので、金属粉末３３の中心部まで拡散反応が進行せずとも、金属粉末３３の粒子表層部にて粒子同士が焼結した状態となり、信頼性の高い良好な接合部４０が得られ、電子部品の熱的ダメージも抑えることができる（図２（ｂ）参照）。

また、金属粉末３３の粒径が３〜１０ｎｍである場合には、金属粉末３３の塗布厚Ｔ（図２（ａ）参照）は、１００〜１０００ｎｍであることが好ましく、２００〜７００ｎｍであることがより好ましい。こうすると、処理温度をさほど上げる必要がなく、金属粉末３３が丁度良くバランスして焼結した状態となる。

図３には、本発明による電子部品の実装方法の、更に他の実施形態が示されている。なお、前記実施形態と実質的に同一部分には、同符号を付してその説明を省略することにする。

この実施形態においても、金属粉末３３の粒径のみが前記実施形態と異なっている。すなわち、この実施形態の場合、金属粉末３３は、図３（ａ）に示されるように、図１の金属粉末３３に比べて大きく、具体的には５０〜５００μｍの粒径となっている。

これによれば、金属粉末３３の粒径を５０〜５００μｍと大きくしたので、電極同士を加熱加圧すると、低融点金属層３１、３２は、金属粉末３３の粒子表層部と固液拡散して、金属粉末３３の中央部は未反応の状態で残存するようになり、隣接する金属粉末３３同士が接合されない状態になり易くなる（図３（ｂ）参照）。

したがって、例えば、集積回路（ＩＣ）の場合、基材である単結晶シリコンと、その上に形成される電極との、熱膨張差から生じるヒートサイクル時の残留応力を緩和することが可能となる。また、プリント基板の場合、基材である樹脂或いはセラミックと、その上に形成される電極とのヒートサイクル時の応力を緩和することが可能となる。

なお、以上の実施形態においては、低融点金属層３１、３２が、回路電極１１及び素子電極２１の両方に形成されている場合を説明したが、低融点金属層３１が回路電極１１、素子電極１２のどちらかの一方のみ形成されている場合には、次のようにして接合される。

例えば、回路電極１１上にのみ低融点金属層３１が形成されている場合には、この低融点金属層３１上に金属粉末３３を塗布し、電子部品２０と回路基板１０とを近接させて、金属粉末３３と素子電極２１とを接触させた後、加熱加圧する。

すると、融点まで加熱されて溶融した低融点金属層３１は、回路電極１１に固液拡散するとともに、金属粉末３３の粒子間に浸透して、金属粉末３３と反応を生じて固液拡散し、更に、素子電極２１にも固液拡散して接合部が形成され、回路基板１０に電子部品２０が接合される。

また、金属粉末３３が、ナノメートル単位の大きさの微粒子の場合も、融点まで加熱されて溶融した低融点金属層３１が、回路電極１１に固液拡散するとともに、金属粉末３３の微粒子間に浸透して、金属粉末３３と反応を生じて固液拡散し、更に、素子電極２１にも固液拡散する点では、上記と同様であるが、金属粉末３３がナノメートル単位の大きさの微粒子である場合には、特に、微粒子表面が活性状態であることにより、低融点金属層３１と金属粉末３３との固液拡散反応がより低温で進むことに加えて、加熱すると、金属粉末３３の微粒子同士が焼結すると共に、金属粉末３３が、この金属粉末３３が直接接している素子電極１１の電極面の金属と焼結して金属結合が生じるので、低融点金属層３１が形成されていない素子電極２１側では電極金属と低融点金属との固液拡散および電極金属と金属粉末との焼結の両方が接合部の形成に寄与することになり、より速やかに接合部を形成することができる。なお、金属粉末３３の微粒子と電極金属との焼結による金属結合の生成において、電極金属表面に酸化膜などが形成されている場合には金属結合が起こりにくくなるので、電極金属表面に酸化物除去処理を施しておく方が、接合性が向上する点でより好ましい。

実施例１
図１に示す方法を用いて電子部品を回路基板上に実装した。

まず、電子部品としては半導体チップを用い、この半導体チップ上に電極としてＣｕのバンプを形成した。一方、回路基板上にもＣｕ電極を形成した。

次に、低融点金属層として、半導体チップのＣｕバンプ上に２μｍ、回路基板のＣｕ電極上にも２μｍの厚さのＩｎ（融点１５７℃）を蒸着により形成した。

そして、回路基板のＣｕ電極上に形成した低融点金属層上に、予めフラックス、溶剤等に混合されてペースト状となった、粒径が１μｍであるＣｕの金属粉末を、ディスペンサによって塗布した。

次いで、図１（ａ）に示すように、半導体チップのＣｕバンプと、回路基板のＣｕ電極の位置を合わせた後、図１（ｂ）に示すように電極を接触させ、図１（ｃ）に示すように、Ｉｎの融点より２０℃高い、温度１７７℃、圧力１０ＭＰａで、１８０秒間加熱加圧して接合した。

その結果、図１（ｄ）に示すように、低融点金属であるＩｎは、Ｃｕ電極及び金属粉末に完全に拡散して、低融点金属層の未反応部が残存しない、全体として１つの合金層である接合部が得られていることが、高真空走査型電子顕微鏡による断面観察と、Ｘ線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）による接合界面の元素分析によって確認できた。

本発明は、例えば、小型化が必要とされる回路基板あるいはモジュール（マルチチップモジュール）等において、半導体チップ等の電子部品をプリント基板等の回路基板へ直接実装する実装方法に好適に利用できる。

本発明による電子部品の実装方法の一実施形態を示す工程図であって、（ａ）は電極同士を対向させた状態、（ｂ）は電極同士を接触させた状態、（ｃ）は加熱加圧を行なっている接合部の状態、（ｄ）は接合後の状態をそれぞれ示す図である。 本発明による電子部品の実装方法の他の実施形態を示す工程図であって、（ａ）は電極同士を対向させ、かつ、接触させた状態、（ｂ）は接合後の状態をそれぞれ示す図である。 本発明による電子部品の実装方法の更に他の実施形態を示す工程図であって、（ａ）は電極同士を対向させ、かつ、接触させた状態、（ｂ）は接合後の状態をそれぞれ示す図である。 従来の電子部品の実装方法であるフリップチップ実装技術を示す概略図であって、（ａ）ははんだによって接合した例、（ｂ）は異方導電性接着剤によって接合した例をそれぞれ示す図である。 従来の低融点金属層を介して電極同士を接合する電子部品の実装方法の工程図であって、（ａ）は電極同士を対向させた状態、（ｂ）は電極同士を接触させた状態、（ｃ）は接合後の状態をそれぞれ示す図である。

符号の説明

１０ 回路基板
１１ 回路電極
２０ 電子部品
２１ 素子電極
３１、３２ 低融点金属層
３３ 金属粉末
４０ 接合部

Claims (3)

1. 電子部品上に形成された金属からなる素子電極と、回路基板上に形成された金属からなる回路電極とを接合して、前記電子部品を前記回路基板上に実装する方法において、
   前記素子電極及び／又は前記回路電極上に、低融点金属層を予め形成した後、前記素子電極又は前記回路電極と同材質の金属粉末、若しくは前記低融点金属層が拡散可能な材料からなる金属粉末を、前記低融点金属層上に付与して、前記素子電極と前記回路電極とを前記低融点金属層及び前記金属粉末を介して接触させ、少なくとも低融点金属層が溶融する温度で加熱加圧することにより、前記低融点金属層を、前記素子電極、前記回路電極及び前記金属粉末に固液拡散させることによって、前記素子電極と前記回路電極とを接合することを特徴とする電子部品の実装方法。
2. 前記素子電極がＣｕ、Ｎｉ、Ａｕ、又はそれらの合金から選ばれたものからなり、前記回路電極がＣｕ、Ｎｉ、又はそれらの合金から選ばれたものからなり、前記低融点金属層がＳｎＩｎ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｂｉ、ＳｎＢｉから選ばれたものからなり、前記金属粉末がＣｕ、Ｎｉ、Ａｕ、又はそれらの合金から選ばれたものからなる請求項１記載の電子部品の実装方法。
3. 前記金属粉末の粒径が、（１）１００ｎｍ以下、（２）１〜３μｍ、（３）５０〜５００μｍのいずれかの範囲に含まれるものである請求項１又は２記載の電子部品の実装方法。

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