JP2008153296A - 接続構造体とその製造方法および半導体装置とその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ２枚の基板の接続、特に半導体素子の実装に際して、はんだの剛性と接着性樹脂の粘弾性の両者の特性を活かして、安定した確実なフリップチップ接合を実現する。
【解決手段】 第一の基板１と第二の基板２とが有する第１の電極パッド３と第２の電極パッド５とが、はんだ８１と接着性樹脂８２とによって接続された接続構造体１００において、該電極パッド３、５は、中央部位９１が樹脂接着層４、６からなる環状部位９２になっており、該はんだ８１は、接着性樹脂８２に混練されたはんだペースト８から分離して該電極パッド３、５の環状部位９２に筒状にろう接したものであり、該接着性樹脂８２は、該はんだペースト８からはんだ８１が分離して残り、該電極パッド３、５の中央部位９１の樹脂接着層４、６に柱状に融着したものであるように構成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、対向する二つの基板同士の接続構造体に係わり、特に該基板の一方が半導体素子で、他方が該半導体素子を実装する回路基板のときに、半導体素子の電極パッドと回路基板の電極パッドとをはんだと接着性樹脂とによって接続する接続構造体とその製造方法に関する。

近年、例えば、半導体素子を回路基板の上に実装するに際しては、環境問題への対応から用いるはんだ材料のＰｂフリー化が進んでおり、従来のＳｎＰｂ系はんだに代替するはんだとしてＳｎＡｇ系はんだ材料が主流になっている。

ところで、Ｓｎ−Ａｇ系はんだ材料は、従来のＳｎＰｂ系はんだと比較すると、弾性率が約２倍もあり、引っ張り強さも約１．５倍と大きい。ところが、Ｐｂを含んでいないのでクリープが少ないために、大きな変形や落下衝撃などの動的歪みの吸収力に劣る。

そのため、二つの基板同士の接続体を形成した際には、例えば、半導体素子と回路基板との熱膨張の差によって生じる応力が、高剛性なはんだ接続部に加わる。その結果、はんだクラックが生じてしまい、断線するなど信頼性が低下する不具合が生じる。

このようなはんだ接続部に加わる負荷に起因して信頼性が低下する不具合を軽減するために、いろいろな提案がある。

図７は従来の接続構造の補強策の一例を模式的に示したもので、ダミーの接続部を形成する対策がある。これは、必要以上の余分なはんだ接続部を形成することによって仮想的に接続の強化を図ったものである（例えば、特許文献１、２参照）。

図７（Ａ）は、一つの接続構造体１０４を模式的に示したもので、回路基板２０の上にチップ状またはＣＳＰなどの半導体素子１０がフェースダウンの状態で配置されている。半導体素子１０の電極上のバンプ３１と、対向する回路基板２０上の実装パッド４１との間は、はんだ８１によってフリップチップ接合された接続構造体１０４になっている。

半導体素子１０と回路基板２０との間隙にはアンダーフィル用の絶縁性樹脂７３が注入され、半導体素子１０と回路基板２０との間隙が封着された構成になっている。

図７（Ｂ）において、実際の半導体素子１０と回路基板２０の間には対向して複数の接続構造体１０４が存在する。しかし、さらに接合の強度を向上させるために、実際の接続構造１０４の空いている部位に、電気的な接続はないが、機械的には接続構造体１０４と全く同一の構造を適宜ダミー接続部１０５として設けた構成になっている。

つまり、電気的、機械的な接続をしている実際の接続構造体１０４に加えてダミー接続部１０５を設け、総体として機械的な接続数を増やして接続強度を補強している。

また、はんだ接続部の周囲、つまり半導体素子と回路基板との間隙に樹脂を充てんして補強したり、端子電極とそれを被覆するバリアメタルとの間に樹脂層を設けて熱ストレスを軽減する対策が提案され、一部で実現している（例えば、特許文献３参照）。

さらに、図８は従来の接続構造の補強策の他の例を模式的に示したもので、樹脂ボールを芯にしたはんだボールによる接続構造である。

図８（Ａ）は、一つの接続構造体１０６を模式的に示したもので、球形の樹脂コア８３とその外周をはんだ被覆したはんだボール８４を用いる。回路基板２０の上にチップ状またはＣＳＰなどの半導体素子１０がフェースダウンの状態で配置されている。

半導体素子１０の電極上のバンプ３１と、対向する回路基板２０上の実装パッド４１との間は、はんだ８１によってフリップチップ接合された接続構造体１０６になっている。

しかし、接続パッド４１とバンプ３１との間を電気的に接続しているボール状のはんだ８１の中は、核として樹脂コア８３が詰まった構成になっている（例えば、特許文献４、５参照）。

図８（Ｂ）において、実際の半導体素子１０と回路基板２０の間には対向して複数の接続構造体１０６が存在する。そして、接続構造体１０６のそれぞれの構成が、バンプ３１とパッド４１の間のはんだ８１による接合は、見かけ上は通常のはんだによるフェースダウン接合と変わらない。

しかし、この接続構造体１０６では、はんだ８１の中の樹脂コア８３の粘弾性によってはんだ接合の見かけの弾性率が低下させられるので、接続構造体１０６で発生する応力を緩和させる効果が期待できる。
特開平０７−２７３２４３号公報 特開２００５−３１１２５３号公報 特開平０６−１７７１３４号公報 特開平８−２８８２９１号公報 特開平１０−１７３００６号公報

ところが、半導体素子に設ける接合に係わる端子数の増加やピッチの微細化などに伴って、半導体素子の上にダミー電極を配置できるほどの面積を確保することが困難である不具合を生じる。

また、はんだの接続構造に樹脂コアを設ける提案では、外皮のはんだが薄くなった分だけ応力緩和の効果はある。しかし、樹脂コアが何ら接続に関与しないために、接続強度が低いという不具合が生じる。

そこで本発明は、接続に用いる電極パッドの中央部位を樹脂に、周囲の環状部位をはんだにそれぞれ馴染み易くし、はんだペーストの中のはんだによる環状部位の筒状のろう接と接着性樹脂による中央部位の柱状の融着とによって、安定した強固な接続が可能な基板の接続構造と接続方法を提供する。

上記課題は、請求項１において、複数の電極パッドを有する第一の基板と第二の基板とがはんだと接着性樹脂とによって接続された接続構造体において、該電極パッドは、中央部位が樹脂接着層からなる環状部位になっており、該はんだは、接着性樹脂に混練されたはんだペーストから遊離して該電極パッドの環状部位にろう接したものであり、該接着性樹脂は、該はんだペーストからはんだが遊離して残り、該電極パッドの中央部位の樹脂接着層に融着したものであるように構成された接続構造体によって解決される。

また、請求項２において、はんだペーストは、はんだ粉末がＳｎ、Ａｇ、Ａｌ、Ｂｉ、Ｓｂ、Ｐｂ、Ｉｎ、ＧｅまたはＮｉの少なくとも一つを含み、接着性樹脂がエポキシ系樹脂またはシアネート系樹脂の少なくとも一つを含むように構成された請求項１記載の接続構造体によって解決される。

また、請求項３において、第一の基板または第二の基板の少なくとも一方が、電極パッドの外周を囲んで筒状の導電性壁を有するように構成された請求項１記載の接続構造体によって解決される。

また、請求項４において、導電性壁が、ＣｕまたはＮｉ／Ａｕのめっき層からなるように構成された請求項３記載の接続構造体によって解決される。

また、請求項５において、第一の基板と第二の基板との複数の電極パッドのそれぞれの中央部位に樹脂接着層を設けて環状部位を露出させ、該第一の基板と第二の基板とを対向させ、該電極パッド同士の間隙に、はんだ粉末と接着性樹脂とを混練したはんだペーストを挟持し、対向した該基板を少なくとも該はんだ粉末の溶融温度で加熱し、該はんだペーストの中のはんだ粉末を溶融して遊離させ、該電極パッドの環状部位をろう接するとともに、接着性樹脂を該中央部位の樹脂接着層に融着させるように構成された接続構造体の製造方法によって解決される。

また、請求項６において、該第一の基板と対向する該第二の基板が、該第二の基板の上に絶縁樹脂層を設け、該絶縁樹脂層に筒状穴を穿設して該電極パッドを露出させ、該筒状穴の周壁にめっきをして導電性壁を設けたものであるように構成された請求項５記載の接続構造体の製造方法によって解決される。

また、請求項７において、複数の電極パッドを有する半導体素子と回路基板とがはんだと接着性樹脂とによって接続された半導体装置において、該電極パッドは、中央部位が樹脂接着層からなる環状部位になっており、該はんだは、接着性樹脂に混練されたはんだペーストから分離して該電極パッドの環状部位にろう接したものであり、該接着性樹脂は、該はんだペーストからはんだが遊離して残リ、該電極パッドの中央部位の樹脂接着層に融着したものであるように構成された半導体装置によって解決される。

また、請求項８において、半導体素子と回路基板との複数の電極パッドのそれぞれの中央部位に樹脂接着層を設けて環状部位を露出させ、該半導体素子と回路基板とを対向させ、該電極パッド同士の間隙に、はんだ粉末と接着性樹脂とを混練したはんだペーストを挟持し、対向した該半導体素子と回路基板とを少なくとも該はんだ粉末の溶融温度で加熱し、該はんだペーストの中のはんだ粉末を溶融して分離させ、該電極パッドの環状部位をろう接するとともに、接着性樹脂を該中央部位の樹脂接着層に融着させるように構成された半導体装置の製造方法によって解決される。

本発明によれば、第１の基板を第２の基板の上にフェースダウンしてフリップチップ接合するに際して、電極パッド同士の接続を、筒状のはんだによるろう接と筒の中の芯（コア）となる柱状の接着性樹脂による融着とによって行っている。

その結果、はんだの剛性と接着性樹脂の粘弾性とが相乗して安定した強固な接合を行うことができる。従って、特に、半導体素子をフリップチップ接合する半導体装置の製造工程において、本発明は組立工程の効率化に対して多いに貢献できる。

図１は第１の実施例の要部の一部切欠断面斜視図、図２は第２の実施例の要部の一部切欠断面斜視図、図３は第３の実施例の要部の一部切欠断面斜視図、図４は第４の実施例の要部の一部切欠断面斜視図、図５は本発明の電極構造の製造方法と接続方法の模式的な工程図（その１）、図６は本発明の電極構造の製造方法と接続方法の模式的な工程図（その２）である。
〔第１の実施例〕
図１は本発明の第１の実施例の要部の一部を切り欠いて斜視したもので、図１（Ａ）は第１の基板の電極構造、図１（Ｂ）は第２の基板の電極構造、図１（Ｃ）は両基板を接続した接続構造体の断面斜視図である。

図１（Ａ）に示した第１の基板１は、例えば、半導体素子のような複数の接続用の第１の電極パッド３の一つを模式的に断面斜視図で示したものである。半導体装置の場合の第１の電極パッド３の諸元は、例えば、２３×２３ｍｍ□の半導体素子に、電極ピッチ：２５０μｍ、電極サイズ：１１０μｍφ、電極数：６４００個で、ＣｕとかＮｉなどの下地にＡｕめっきを施したものである。

第１の電極パッド３の中央部位９１には、例えば、８０μｍφで厚さが２μｍのポリイミド製の第１の樹脂接着層４が設けられている。

つまり、第１の電極パッド３の中央部位９１は第１の樹脂接着層４で覆われており、周囲の環状部位９２が本来の電極となる金属製の第１の電極パッド３が露出した構成になっている。

図１（Ｂ）は、図１（Ａ）に示した半導体素子のような第１の基板１がフェースダウンで実装される第２の基板２を示しており、複数の第２の電極パッド５の一つを模式的に断面斜視図で示したものである。第１の基板１が半導体素子のようなデバイスの場合には、回路基板に相当する。

第２の電極パッド５の諸元は、実装される第１の電極パッド３の諸元に対応しており、例えば、金属製の電極サイズ：１１０μｍφでＣｕとかＮｉなどにＡｕめっきを施した構成になっている。第２の電極パッド５の中央部位９１には、例えば、８０μｍφで厚さが２μｍのポリイミド製の第２の樹脂接着層６が設けられている。

つまり、図１（Ａ）に示した第１の電極パッド３と図１（Ｂ）に示した第２の電極パッド５とは同じ構成になっている。

図１（Ｃ）は、第１の基板１を第２の基板２の上にフェースダウンして対向させ、はんだペースト８によって接続した接続構造体１００の構成を模式的に断面斜視図で示したものである。

第１の基板１と第２の基板２との間隔は、例えば、８０μｍ程度で、第１の電極パッド３と第２の電極パッド５とは、基板間に介在するはんだペースト８によって接続されている。

はんだペースト８は、はんだ８１の粉末とバインダとしての接着性樹脂８２とを混練したものである。はんだ８１は、Ｓｎ、Ａｇ、Ａｌ、Ｂｉ、Ｓｂ、Ｐｂ、Ｉｎ、ＧｅまたはＮｉの少なくとも一つの粉末を含む。また、バインダとなる接着性樹脂８２は 樹脂分が接着性に優れたエポキシ系樹脂やシアネート系（ウレタン系）樹脂の少なくとも一つを含む。

はんだ８１の粉末と接着性樹脂８２との配合比は、接続終了後の構造に影響を与えるため、式１の計算式から求める方法が望ましい。

接着性樹脂８２の配合率（体積％）＝（ｒ／Ｒ)²×１００ ─────式１
（ただし、ｒ：接着性樹脂８２の体積、Ｒ：はんだ８１の体積）
つまり、対向する電極パッド３、５の接合構造は、接続後の接合構造の容積をはんだペースト８の中のはんだ８１と接着性樹脂８２の樹脂分とをどのような割合で埋めるかを決めるには、はんだ８１と接着性樹脂８２との体積比で求める。

実施例１では、第１の電極パッド３と第２の電極パッド５との間に介在するはんだペースト８は、例えば、Ｓｎ−Ａｇ系の粉末状のはんだ８１に対するエポキシ系の接着性樹脂８２の配合率が５０体積％のものを用いている。

電極パッド同士を接続する際には、はんだの溶融温度以上に加熱すると、溶融した粉末状のはんだ８１はラプラス力（界面自由エネルギー）によってはんだ同士が凝集して馴染まない接着性樹脂８２と分離が起こる。

分離したはんだ８１は、はんだ付け可能な濡れ易い金属に寄り集まる性質によって、露出している第１の電極パッド３と第２の電極パッド５との環状部位９２に移動してろう接が行われる。パッド３、５の間隔を適当に選べば、溶融したはんだ８１の強い凝集力によって、はんだ８１が環状部位９２から流れ出ることはない。こうして、電極パッド３、５との環状部位９２の間が筒状のはんだ８１によって架橋され電気的に接続される。

他方、はんだ８１が分離して取り残された接着性樹脂８２は、第１の電極パッド３と第２の電極パッド５との中央部位９１に露出している第１の樹脂接着層４と第２の樹脂接着層６とに融着する。その結果、両樹脂層４、６の間が柱状の接着性樹脂８２によって架橋され機械的に接続される。

こうして、第１の基板１と第２の基板２とは、第１の電極パッド３と第２の電極パッド５との中央部位９１がはんだペースト８を構成する接着性樹脂８２によって第１の樹脂接着層と第２の樹脂接着層６とが接続されるとともに、接着性樹脂８２を包み込むように環状部位９２がはんだ８１によって接続された接続構造体１００が完成する。

従って、第１の基板１が半導体素子で、第２の基板２が回路基板の場合には、フェースダウンによる強固なフリップチップ接合が実現できる。

このような中央部位９１の柱状の接着性樹脂８２と環状部位９２のはんだ８１との筒状の２層構造によって、第１の電極パッド３と第２の電極パッド５との接続部の弾性率は、はんだのみの接続構造の１／５に抑えることができる。それとともに、中央部位９１の接着性樹脂８２の融着による両電極パッド３、５間の強固を接着によって、接続の信頼性の向上が可能となる。
〔第２の実施例〕
図２は本発明の第２の実施例の要部の一部を切り欠いて斜視したもので、図２（Ａ）は第１の基板の電極構造、図２（Ｂ）は第２の基板の電極構造、図２（Ｃ）は両基板を接続した接続構造体１０１の断面斜視図である。

図２（Ａ）に示した第１の基板１は、例えば、半導体素子のような複数の接続用の第１の電極パッド３の一つを模式的に断面斜視図で示したものである。半導体素子の場合の第１の電極パッド３の諸元の例は、外観上は第１の実施例と同一である。

つまり、第１の電極パッド３は、外周が１１０μｍφ、中央部位９１が８０μｍφの環状の金属電極である。そして、中央部位９１は、例えば、ポリイミド製の第１の樹脂接着層４で面一に埋まった構成になっている。

つまり、第１の電極パッド３は、中央部位９１に第１の樹脂接着層４が露出しており、本来の電極となる金属製の第１の電極パッド３の環状部位９２が露出した構成になっている。

図２（Ｂ）は、図２（Ａ）に示した第１の基板１がフェースダウンで実装される第２の基板２を示しており、第２の電極パッド５の一つを模式的に断面斜視図で示したものである。第１の基板１が半導体素子のようなデバイスの場合には、回路基板に相当する。

第２の電極パッド５の諸元は、その上にフェースダウンで実装される第１の電極パッド３の諸元に対応しており、外側の環状部位９２は、例えば、銅とかニッケルなどに金めっきを施した構成になっており、電極サイズは、外径が１１０μｍφ、内径が８０μｍφの金属環となっている。

第２の電極パッド５の中央部位９１は、８０μｍφの窪みになっており、ポリイミドが埋め込まれて、表面が第２の樹脂接着層６となっている。

つまり、図２（Ａ）に示した第１の電極パッド３と図２（Ｂ）に示した第２の電極パッド５とは同じ構成になっており、外観的には実施例１の場合と同じ構成になっている。

図２（Ｃ）は、第１の基板１を第２の基板２の上にフェースダウンして対向させ、はんだペースト８によって接続した接続構造体１０１の構成を模式的に断面斜視図で示したものである。

第１の基板１と第２の基板２との間隔は、例えば、１００μｍ程度で、第１の電極パッド３と第２の電極パッド５とは、介在するはんだペースト８によって接合されている。

はんだペースト８は、はんだ８１の粉末とバインダとしての接着性樹脂８２とを混練したもので、はんだペースト８の諸元は実施例１と同様である。つまり、はんだ８１の粉末に対する接着性樹脂８２の配合率は５０体積％である。

また、バインダとなる接着性樹脂８２は 樹脂分が接着性に優れたエポキシ系樹脂やシアネート系（ウレタン系）樹脂の少なくとも一つを含み、実施例１と同様である。

第１の基板１と第２の基板２との間に介在するはんだペースト８は、はんだ８１が分離して第１の電極パッド３と第２の電極パッド５との周囲に偏在して架橋しており、環状部位９２にろう接している。

他方、はんだ８１が分離して取り残された接着性樹脂８２は、第１の電極パッド３と第２の電極パッド５との中央部位９１の第１の樹脂接着層４と第２の樹脂接着層６とに融着した構成になっている。

こうして、第１の基板１と第２の基板２とは、第１の電極パッド３と第２の電極パッド５との中央部位９１がはんだペースト８を構成する接着性樹脂８２によって第１の樹脂接着層と第２の樹脂接着層６とが接続されるとともに、接着性樹脂８２を筒状に包み込むように環状部位９２がはんだ８１によって接続された接続構造体１０１が完成する。

従って、本発明によれば、第１の基板１が半導体素子で、第２の基板２が回路基板の場合には、フェースダウンによる強固なフリップチップ接合が実現できる。

このような中央部位９１の接着性樹脂８２と環状部位９２のはんだ８１との筒状の２層構造によって、第１の電極パッド３と第２の電極パッド５との接合部の弾性率は、はんだのみの接続構造の１／５に抑えることができる。それとともに、中央部位９１の接着性樹脂８２の融着による両電極パッド３、５間の強固な接着によって、接続の信頼性の向上が可能となる。
〔第３の実施例〕
図３は本発明の第３の実施例の要部の一部を切り欠いて斜視したもので、図３（Ａ）は第１の基板の電極構造、図３（Ｂ）は第２の基板の電極構造、図３（Ｃ）は両基板を接続した接続構造体１０２の断面斜視図である。

図３（Ａ）に示した第１の基板１は、例えば、半導体素子のような複数の接続用の第１の電極パッド３の一つを模式的に断面斜視図で示したもので、図３に示した第１の実施例の図３（Ａ）と同じ構成になっている。

図３（Ｂ）は、図３（Ａ）に示した第１の基板１がフェースダウンで実装される第２の基板２を示しており、第２の電極パッド５の一つを模式的に断面斜視図で示したものである。第２の基板２は、第１の基板１が半導体素子のようなデバイスの場合には、回路基板に相当する。

第２の電極パッド５は、対向してフェースダウンで実装される第１の電極パッド３の諸元に対応しているが、第２の電極パッド５の周囲に筒状に導電性壁７が形成された構成になっている。

この導電性壁７は、第２の電極パッド５の周囲には膜厚が８０μｍの絶縁性樹脂層７１を穿設して設けた穴の壁面で、導電性を付与するために、例えば、ＣｕやＮｉの下地めっきの上にＡｕのめっき層を被着してはんだに濡れ易くしたものである。

図３（Ｃ）は、第１の基板１を第２の基板２の上にフェースダウンして対向させ、はんだペースト８によって接続した接続構造体１０２の構成を模式的に断面斜視図で示したものである。

第１の基板１と第２の基板２との間隔は、絶縁性樹脂層７１に設けた穴の内壁の導電性壁７の高さの８０μｍ程度で、第１の電極パッド３と対向する第２の電極パッド５との間は筒状の閉鎖空間になっており、その中に封入されたはんだペースト８によって接合されている。

はんだペースト８は、第１の実施例と同様の組成で、はんだ８１と接着性樹脂８２とが分離した状態になっている。つまり、はんだ８１は、はんだに濡れ易い金属からなる導電性壁７と、第１の電極パッド３と第２の電極パッド５との環状部位９２とに速やかに筒状に凝集してろう接しており、両電極パッド３、５間を電気的に接続している。

他方、接着性樹脂８２も、第１の実施例と同様にはんだ８１が分離して取り残された柱状になっている。そして、第１の電極パッド３と第２の電極パッド５との中央部位９１に露出している第１の樹脂接着層４と第２の樹脂接着層６とに融着して、両樹脂層４、６の間を機械的に架橋している。

導電性壁７を設けた本実施例の構成の場合には、第１の基板１と第２の基板２とがフェースダウンで対向すると、両電極パッド３、５と導電性壁７とで筒状の閉鎖空間が形成される。従って、その空間の中に封入されたはんだペースト８が流れ出すことを防ぐことができる。

その結果、はんだペースト８に対する選択の範囲が拡がるとともに、はんだ８１が導電性壁７や両電極パッド３、５の環状部位９２にろう接して架橋するので、非常に強固なはんだ接続が可能である。また、極く近傍に隣接する電極パッド間の短絡も完全に防ぐことができる。
〔第４の実施例〕
図４は本発明の第４の実施例の要部の一部を切り欠いて斜視したもので、図４（Ａ）は第１の基板の電極構造、図４（Ｂ）は第２の基板の電極構造、図４（Ｃ）は両基板を接続したときの接続構造体１０３の断面斜視図である。

図４（Ａ）に示した第１の基板１は、例えば、半導体装置のような複数の接続用の第１の電極パッド３の一つを模式的に断面斜視図で示したもので、第１の実施例と同じ構成になっている。

図４（Ｂ）は、図４（Ａ）に示した第１の基板１がフェースダウンで実装される第２の基板２を示しており、第２の電極パッド５の一つを模式的に断面斜視図で示したものである。第２の基板２は、第１の基板１が半導体素子のようなデバイスの場合には、回路基板に相当する。

第２の電極パッド５は、対向してフェースダウンで実装される第１の電極パッド３の諸元に対応しているが、第２の電極パッド５の周囲に筒状に導電性壁７が形成された構成になっている。

この導電性壁７は、第２の電極パッド５の周囲には膜厚が８０μｍの絶縁性樹脂層７１を穿設して設けた穴の壁面で、導電性を付与するために、例えば、Ｃｕや、Ｎｉの下地にＡｕのめっき層を被着してはんだに濡れ易くしたものである。

図４（Ｃ）は、第１の基板１を第２の基板２の上にフェースダウンして対向させ、はんだペースト８によって接合した状態の構成を模式的に断面斜視図で示したもので、第３の実施例と同様に、第１の電極パッド３と対向する第２の電極パッド５との間は筒状の閉鎖空間になっており、その中に封入されたはんだペースト８によって接合されている。

はんだペースト８は、接合に寄与するはんだペースト８の振舞いは、第１の実施例と同様で、はんだ８１と接着性樹脂８２とが分離した状態になっている。そして、はんだ８１は、導電性壁７と、両電極パッド３、５との環状部位９２とに凝集してろう接しており、両電極パッド３、５間を電気的に接続している。

他方、接着性樹脂８２も、第３の実施例と同様にはんだ８１が分離して取り残された状態になっており、両電極パッド３、５との中央部位９１に露出している第１の樹脂接着層４と第２の樹脂接着層６とに融着して、両樹脂層４、６の間を機械的に架橋している。

導電性壁７を設けた本実施例の接続構造体１０３の構成の場合には、第１の基板１が第２の基板２にフェースダウンで対向すると、両電極パッド３、５と導電性壁７とで速やかに筒状の閉鎖空間が形成される。その結果、その空間の中に封入されたはんだペースト８が流れ出すことを防ぐことができる。

従って、はんだペースト８に対する選択の範囲が拡がるとともに、はんだ８１が導電性壁７や両電極パッド３、５の環状部位９２にろう接して架橋するので、非常に強固なはんだ接続が可能である。また、細かいピッチで隣接する電極パッド間の短絡も完全に防ぐことができる。
〔第５の実施例〕
図５には、本発明の電極構造体のうちで、第１の実施例の図１に示した電極パッドに第３の実施例の図３に示した導電性壁７を設けた接続構造体１０２の製造方法の模式的な工程図を示す。

図５（Ａ）において、第１の基板１は、例えば、大きさが２３×２３ｍｍ□の半導体素子で、第１の電極パッド３は、Ｃｕや、ＮｉにＡｕめっきを施したはんだに濡れ易い材料からなり、電極ピッチ：２００μｍ、電極サイズ：１１０μｍφ、電極数：６４００個である。

第２の基板２は、第１の基板１が半導体素子の場合にはフェースダウンで実装される回路基板で、第２の電極パッド５は、第１の電極パッド３に対応した位置に設ける。第２の電極パッド５の諸元は第１の電極パッド３と同じである。

図５（Ｂ）において、第１の基板１の第１の電極パッド３と第２の基板２の第２の電極パッド５との中央部位９１のそれぞれに、大きさが８０μｍφ、厚さが２μｍのポリイミド製の第１の樹脂接着層４と第２の樹脂接着層６とを形成する。

この両電極パッド３、５との構成は、図１に示したもので、周辺部は環状部位９２となって金属部分が露出している。図２や図４に示した電極パッド構成の場合には、予め両電極パッド３、５の中央部位９１を除去して環状部位９２のみからなる金属製の電極パッドに対して、中央部位９１にポリイミドなどの絶縁性樹脂を形成あるいは埋め込み、第１の樹脂接着層４や第２の樹脂接着層６を形成してもよい。

次いで、図５（Ｃ）において、第２の基板２の上に、例えば、厚さが６０μｍの絶縁性樹脂層７１を被着する。この絶縁性樹脂層７１は、例えば、エポキシ樹脂系のホトレジストやポリイミドなどで、ホトリソグラフィによってエッチングできる材料を使う。

次いで、図５（Ｄ）において、絶縁性樹脂層７１にホトリソグラフィなどによって、１１０μｍφの開口７２を設け、第２の電極パッド５を露出させる。

次いで、図６（Ｅ）において、開口７２の内壁面に、無電解めっきによって、例えば、厚さ２μｍのＮｉをめっきし、そのＮｉのメッキ膜を厚さ０．０１μｍのＡｕめっきで被着した導電性壁７を形成する。

次いで、図６（Ｆ）において、開口７２の中にはんだペースト８を充てんする。このはんだペースト８は、例えば、Ｓｎ−３．５％Ａｇのはんだ８１の粉末と、エポキシ系樹脂からなる接着性樹脂８２とを１：１の体積比で混練したものである。

次いで、図６（Ｇ）において、第２の基板２の上に第１の基板１をフェースダウンして開口７２に第１の電極パッド３が嵌まるように被せる。はんだペースト８の充てん量を適当に選べば、第１の電極パッド３が開口７２に被さったとき、開口７２の中をはんだペースト８で満ち足りるようにすることができる。

次いで、図６（Ｈ）において、はんだ８１の溶融温度を越える２４５℃で２０秒間加熱処理を施す。その結果、溶融したはんだ８１は接着性樹脂８２から分離し、はんだに濡れ易い両電極パッド３、５の環状部位９２の金属の露出部分と導電性壁７との方向に凝集して筒状にろう接する。

他方、開口７２の中の芯（コア）の部分に取り残された溶融状態の接着性樹脂８２は、両電極パッドの中央部位９１の第１の樹脂接着層４と第２の樹脂接着層６とに融着して柱状に固着する。

このように、本発明の接続構造体の製造方法によれば、はんだペースト８がはんだ８１と接着性樹脂８２とに分離する。そして、はんだ８１ははんだが濡れ易い電極パッド３、５の金属面が露出した環状部位９２と導電性壁７とに凝集して筒状にろう接する。

それと同時に、はんだ８１が分離して芯として取り残された接着性樹脂８２は、樹脂に馴染み易い電極パッド３、５の樹脂接着層４、６が露出した中央部位９１に接着して芯となる柱状に固着している。こうして、本発明の接続構造体１０２が完成する。

つまり、図３（Ｃ）と図４（Ｃ）に模式的に示したような、対向する電極パッド間の中央部位が柱状の接着性樹脂で接続され、その柱状の接着性樹脂の周囲を取り囲むように筒状のはんだで接続された接合構造体になっている。第１の電極パッド３と第２の電極パッド５との間隔が狭い場合には、溶融したはんだの表面自由エネルギーによって導電性壁７がなくても流出することはなく、はんだ８１を両電極パッド３、５の間を筒状にはんだ８１で接続する。はんだ８１が分離して残った接着性樹脂８２は、芯となって中央部位９１を柱状に接続することができる。この接続構造体は、図１（Ｃ）と図２（Ｃ）模式的に示したものである。

なお、本発明の接続構造体を半導体素子のフリップチップ接合に適用した場合には、図６（Ｈ）に接続構造体１０２として模式的に示したように、絶縁性樹脂層７１を半導体素子である第１の基板１と回路基板である第２の基板２との間隙を埋めるアンダーフィル用樹脂として用いることができる。

しかし、一般的に行われているように、第１の基板１と第２の基板２との間隙にアンダーフィル用樹脂を注入して、半導体装置などの組立実装の信頼性を図ることができることはいうまでもない。

これらの接続構造体は、半導体素子からなる第１の基板１を回路基板である第２の基板２にフェースダウンで対向させてフリップチップ接合した試料を切断して断面構造を観察すれば確認することができる。

また、同様のフリップチップ接合構造の試料に対して、−２５℃〜＋１２５℃の温度サイクル試験を１０００サイクル行った結果、対向する電極パッド間の電気抵抗の上昇は１０％以下と良好であった。

さらに、１２１℃／８５％ＲＨの環境下で環境試験を行ったところ、１０００時間の放置後においても、温度サイクル試験と同様に電気抵抗の上昇は１０％以下と良好であることが確認できた。

なお、比較のために、上記と同様に、半導体素子からなる第１の基板１を回路基板である第２の基板２にフェースダウンで対向させ、Ｓｎ−３．５％Ａｇはんだでフリップチップ接合した試料を作って評価を行った。その結果、−２５℃〜＋１２５℃の温度サイクル試験を１０００サイクル行ったあとの電気抵抗の上昇は２０％であった。この電気抵抗の上昇は、特に無鉛はんだにおいては、剛性は大きいが脆いために温度サイクルに抗し切れず、亀裂が生じたためと考えられる。

この比較試験の結果から、はんだが対向する電極パッドの周囲の環状部位を筒状にろう接し、中央部位は接着性樹脂が柱状に埋まって対向する電極パッド間を固着している本発明の接続構造体においては、はんだのろう接に加えて接着性樹脂の粘弾性が寄与するために、特に剛性が大きいために割れて亀裂が入り易い無鉛はんだの不具合を補っていることが分かる。

本発明の電極パッドは、ここで例示した構成に限定されるものでなく、電極パッド自身が環状になって中央部位の樹脂接着層よりも突出している構成でもよく、中央部位に樹脂接着層を設け、環状部位が露出した電極パッドの形状や寸法、素材などは、製造工程における諸条件なども含めて種々の変形が可能である。

また、はんだペースト中のはんだの種類によって決まる表面自由エネルギーによって、対向するパッド間の間隙が小さければ溶融したはんだが電極パッドの外に流出することを防ぐことができるので、導電性壁の存否や高さは用いるはんだと接着性樹脂との組み合わせによって種々の変形が可能である。

また、接着性樹脂を固着させる樹脂接着層を設けたパッドの中央部位の電極パッドに対する面積比は、環状部位にろう接する筒状のはんだの膜厚などの諸元によって、５％〜９５％までの広い範囲を採ることができる。

さらに、はんだペーストの中の接着性樹脂の溶融温度がはんだ粉末の溶融温度よりも低ければよく、樹脂の選択に対しては種々の変形が可能である。

さらに、はんだペーストの組成であるはんだ粉末と接着性樹脂との割合は、式１による体積比によって算出するが、例示した１：１に限るものではなく、ろう接する筒状のはんだと固着する柱状の芯となる接着性樹脂とをどのような諸元で形成するかによって種々の変形が可能である。

（付記１） 複数の電極パッドを有する第一の基板と第二の基板とがはんだと接着性樹脂とによって接続された接続構造体において、
該電極パッドは、中央部位が樹脂接着層からなる環状部位になっており、
該はんだは、接着性樹脂に混練されたはんだペーストから遊離して該電極パッドの環状部位にろう接したものであり、
該接着性樹脂は、該はんだペーストからはんだが遊離して残り、該電極パッドの中央部位の樹脂接着層に融着したものである
ことを特徴とする接続構造体。

（付記２） 該はんだペーストは、はんだ粉末がＳｎ、Ａｇ、Ａｌ、Ｂｉ、Ｓｂ、Ｐｂ、Ｉｎ、ＧｅまたはＮｉの少なくとも一つを含み、接着性樹脂がエポキシ系樹脂またはシアネート系樹脂の少なくとも一つを含む
ことを特徴とする付記１記載の接続構造体。

（付記３） 該第一の基板または第二の基板の少なくとも一方が、電極パッドの外周を囲んで筒状の導電性壁を有する
ことを特徴とする付記１記載の接続構造体。

（付記４） 該導電性壁が、銅またはニッケル／金のめっき層からなる
ことを特徴とする付記３記載の接続構造体。

（付記５） 第一の基板と第二の基板との複数の電極パッドのそれぞれの中央部位に樹脂接着層を設けて環状部位を露出させ、
該第一の基板と第二の基板とを対向させ、該電極パッド同士の間隙に、はんだ粉末と接着性樹脂とを混練したはんだペーストを挟持し、
対向した該基板を少なくとも該はんだ粉末の溶融温度で加熱し、
該はんだペーストの中のはんだ粉末を溶融して遊離させ、該電極パッドの環状部位をろう接するとともに、接着性樹脂を該中央部位の樹脂接着層に融着させる
ことを特徴とする接続構造体の製造方法。

（付記６） 該第一の基板と対向する該第二の基板が、
該第二の基板の上に絶縁樹脂層を設け、
該絶縁樹脂層に筒状穴を穿設して該電極パッドを露出させ、
該筒状穴の周壁にめっきをして導電性壁を設けたものである
ことを特徴とする付記５記載の接続構造体の製造方法。

（付記７） 複数の電極パッドを有する半導体素子と回路基板とがはんだと接着性樹脂とによって接続された半導体装置において、
該電極パッドは、中央部位が樹脂接着層からなる環状部位になっており、
該はんだは、接着性樹脂に混練されたはんだペーストから分離して該電極パッドの環状部位にろう接したものであり、
該接着性樹脂は、該はんだペーストからはんだが遊離して残リ、該電極パッドの中央部位の樹脂接着層に融着したものである
ことを特徴とする半導体装置。

（付記８） 半導体素子と回路基板との複数の電極パッドのそれぞれの中央部位に樹脂接着層を設けて環状部位を露出させ、
該半導体素子と回路基板とを対向させ、該電極パッド同士の間隙に、はんだ粉末と接着性樹脂とを混練したはんだペーストを挟持し、
対向した該半導体素子と回路基板とを少なくとも該はんだ粉末の溶融温度で加熱し、
該はんだペーストの中のはんだ粉末を溶融して分離させ、該電極パッドの環状部位をろう接するとともに、接着性樹脂を該中央部位の樹脂接着層に融着させる
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。

（付記９） 付記８記載の電極パッド同士の接続のあと、該半導体素子と回路基板との間にアンダーフィル用樹脂を注入して封着する工程を含む
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。

第１の実施例の要部の一部切欠断面斜視図である。 第２の実施例の要部の一部切欠断面斜視図である。 第３の実施例の要部の一部切欠断面斜視図である。 第４の実施例の要部の一部切欠断面斜視図である。 本発明の電極構造の製造方法と接続方法の模式的な工程図（その１）である。 本発明の電極構造の製造方法と接続方法の模式的な工程図（その２）である。 従来の接続構造の補強策の一例を模式的に示した図である。 従来の接続構造の補強策の他の例を模式的に示した図である。

符号の説明

１ 第１の基板
２ 第２の基板
３ 第１の電極パッド
４ 第１の樹脂接着層
５ 第２の電極パッド
６ 第２の樹脂接着層
７ 導電性壁
７１ 絶縁性樹脂層 ７２ 開口
８ はんだペースト
８１ はんだ ８２ 接着性樹脂
９１ 中央部位 ９２ 環状部位
１００、１０１、１０２、１０３ 接続構造体

Claims (8)

1. 複数の電極パッドを有する第一の基板と第二の基板とがはんだと接着性樹脂とによって接続された接続構造体において、
   該電極パッドは、中央部位が樹脂接着層からなる環状部位になっており、
   該はんだは、接着性樹脂に混練されたはんだペーストから遊離して該電極パッドの環状部位にろう接したものであり、
   該接着性樹脂は、該はんだペーストからはんだが分離して残り、該電極パッドの中央部位の樹脂接着層に融着したものである
   ことを特徴とする接続構造体。
2. 該はんだペーストは、はんだ粉末がＳｎ、Ａｇ、Ａｌ、Ｂｉ、Ｓｂ、Ｐｂ、Ｉｎ、ＧｅまたはＮｉの少なくとも一つを含み、接着性樹脂がエポキシ系樹脂またはシアネート系樹脂の少なくとも一つを含む
   ことを特徴とする請求項１記載の接続構造体。
3. 該第一の基板または第二の基板の少なくとも一方が、電極パッドの外周を囲んで筒状の導電性壁を有する
   ことを特徴とする請求項１記載の接続構造体。
4. 該導電性壁が、ＣｕまたはＮｉ／Ａｕめっき層からなる
   ことを特徴とする請求項３記載の接続構造体。
5. 第一の基板と第二の基板との複数の電極パッドのそれぞれの中央部位に樹脂接着層を設けて環状部位を露出させ、
   該第一の基板と第二の基板とを対向させ、該電極パッド同士の間隙に、はんだ粉末と接着性樹脂とを混練したはんだペーストを挟持し、
   対向した該基板を少なくとも該はんだ粉末の溶融温度で加熱し、
   該はんだペーストの中のはんだ粉末を溶融して遊離させ、該電極パッドの環状部位をろう接するとともに、接着性樹脂を該中央部位の樹脂接着層に融着させる
   ことを特徴とする接続構造体の製造方法。
6. 該第一の基板と対向する該第二の基板が、
   該第二の基板の上に絶縁樹脂層を設け、
   該絶縁樹脂層に筒状穴を穿設して該電極パッドを露出させ、
   該筒状穴の周壁にめっきをして導電性壁を設けたものである
   ことを特徴とする請求項５記載の接続構造体の製造方法。
7. 複数の電極パッドを有する半導体素子と回路基板とがはんだと接着性樹脂とによって接続された半導体装置において、
   該電極パッドは、中央部位が樹脂接着層からなる環状部位になっており、
   該はんだは、接着性樹脂に混練されたはんだペーストから分離して該電極パッドの環状部位にろう接したものであり、
   該接着性樹脂は、該はんだペーストからはんだが分離して残リ、該電極パッドの中央部位の樹脂接着層に融着したものである
   ことを特徴とする半導体装置。
8. 半導体素子と回路基板との複数の電極パッドのそれぞれの中央部位に樹脂接着層を設けて環状部位を露出させ、
   該半導体素子と回路基板とを対向させ、該電極パッド同士の間隙に、はんだ粉末と接着性樹脂とを混練したはんだペーストを挟持し、
   対向した該半導体素子と回路基板とを少なくとも該はんだ粉末の溶融温度で加熱し、
   該はんだペーストの中のはんだ粉末を溶融して分離させ、該電極パッドの環状部位をろう接するとともに、接着性樹脂を該中央部位の樹脂接着層に融着させる
   ことを特徴とする半導体装置の製造方法。

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