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JP2011091185A - 導電フィルムおよびその製造方法、並びに半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

導電フィルムおよびその製造方法、並びに半導体装置およびその製造方法 Download PDF

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JP2011091185A
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conductive film
layer
connection terminal
organic insulating
insulating layer
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English (en)
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Michio Horiuchi
道夫 堀内
Yasue Tokutake
安衛 徳武
Yuichi Matsuda
勇一 松田
Takeshi Kobayashi
壮 小林
Tatsuaki Denda
達明 伝田
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Shinko Electric Industries Co Ltd
Original Assignee
Shinko Electric Industries Co Ltd
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Publication date
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Abstract

【課題】狭ピッチの接続端子を有する電子部品を配線基板に実装するような接続に用いられる導電フィルムを提供する。
【解決手段】厚さ方向に延在する複数の線状導体3が設けられた有機絶縁層5を有しており、複数の線状導体3が、有機絶縁層5を貫通して有機絶縁層5の表面から露出しており、有機絶縁層5は、未硬化状態の熱硬化型樹脂層である。ここで、線状導体3の径が、30nm以上1000nm以下であり、線状導体3のピッチが、40nm以上1200nm以下である。
【選択図】図6

Description

本発明は、導電フィルムの製造技術に関し、特に、半導体装置の接続部材として用いることのできる導電フィルムの製造技術、並びにそれを用いた半導体装置の製造技術に適用して有効な技術に関する。
半導体装置の接続構造について、特許文献1(特開平9−293759号公報)には、接続部材として未硬化の樹脂を用いた接続に関する技術が開示されている。
また、半導体装置の接続構造について、特許文献2(特開平2000−223534号公報)には、接続部材として異方導電ペーストからなる樹脂層を用いた接続に関する技術が開示されている。
また、半導体装置の接続構造について、特許文献3(特開平2003−31617号公報)には、接続部材として合成樹脂と導電性粒子との混合物を用いた接続に関する技術が開示されている。
また、半導体装置の接続部材として、特許文献4(特開平10−308565号公報)および特許文献5(特開平9−331134号公報)には、多孔質に焼成された無機絶縁物からなる柱状体中に、該柱状体の軸線と平行に金属配線が埋設された配線基板に関する技術が開示されている。
また、半導体装置の接続部材として、特許文献6(特開平10−189096号公報)には、電気的絶縁性及び加熱処理により接着性を有するフィルム状に形成した樹脂材に、該樹脂材を厚さ方向に貫通して形成した接続孔に接合用金属が充填されて形成された導電部が設けられた基板接合用フィルムに関する技術が開示されている。
特開平9−293759号公報 特開平2000−223534号公報 特開平2003−31617号公報 特開平10−308565号公報 特開平9−331134号公報 特開平10−189096号公報
特許文献1〜6に記載の技術によって、構成部品として配線基板、電子部品(例えば、半導体素子)を用いて、配線基板上に電子部品を実装した半導体装置を製造することができると考えられる。なお、実装構造における配線基板は、半導体素子を含む電子部品を搭載する役割を果たすという点で、半導体パッケージもしくは単にパッケージともいわれる。また、半導体素子自体が半導体装置ともいわれるが、本願では半導体素子を含む構造も半導体装置として説明する。
実装する場合の接続部材としては、例えば、熱硬化型樹脂に数μm程度の導電性ボールが分散して存在する異方性導電フィルム(ACF:Anisotropic Conductive Film)が用いられる。配線基板と半導体素子との間に導電ボールを有する異方性導電フィルムを介在させて加熱および加圧することによって、熱硬化型樹脂が流動化し、配線基板が有する接続端子と半導体素子が有する接続端子との間で導電ボールが挟まれて、配線基板と半導体素子は電気的に接続される。
ところで、半導体装置の小型化、高機能化に伴い、半導体素子の接続端子も微細化、狭ピッチ化(微細ピッチ化)してきている。このように微細化、狭ピッチ化された接続端子を有する半導体素子を、導電性ボールを有する異方性導電フィルムを用いて配線基板上に実装すると、向かい合う半導体素子の接続端子と配線基板の接続端子との間から導電ボールが押し出されて隣接する接続端子と接触し、接続端子間が短絡するという問題が生じる。したがって、複数の部品が接続(例えば実装)される半導体装置では、接続信頼性が低下し、また製造歩留まりが低下してしまう。
このような接続端子間の問題は、接続端子、導電ボールの大きさや、実装時の異方性導電フィルムの平坦性、熱膨張などが影響してくるものと考えられる。本発明者らの検討によると、エリアアレイ状の接続端子を有する半導体素子において、一般的な導電性ボールを有する異方性導電フィルムを用いた場合では、その接続端子間のピッチが0.1mm以下では正常な接続が困難であることを見出している。
本発明の目的は、狭ピッチの接続端子を有する電子部品を基板に実装するような接続に用いられる導電フィルムを提供することにある。本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。本発明の一実施形態における導電フィルムは、厚さ方向に延在する複数の線状導体が設けられた有機絶縁層を有しており、前記複数の線状導体が、前記有機絶縁層を貫通して前記有機絶縁層の表面から露出しており、前記有機絶縁層は、未硬化状態の熱硬化型樹脂層である。
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すると、この一実施形態における導電フィルムを、狭ピッチの接続端子を有する半導体素子と配線基板との接続に用いることによって、これらから構成される半導体装置の接続信頼性を向上することができ、また、製造歩留まりを向上することができる。
本発明の一実施形態における製造工程中の導電フィルムを模式的に示す断面図である。 図1に続く製造工程中の導電フィルムを模式的に示す断面図である。 図2に続く製造工程中の導電フィルムを模式的に示す断面図である。 図3に続く製造工程中の導電フィルムを模式的に示す断面図である。 図4に続く製造工程中の導電フィルムを模式的に示す断面図である。 図5に続く製造工程中の導電フィルムを模式的に示す断面図である。 複数の貫通孔が形成された陽極酸化層の表面モフォロジーを示すSEM写真である。 複数の線状導体が形成された陽極酸化層の表面モフォロジーを示すSEM写真である。 複数の線状導体を模式的に示す斜視図である。 本発明の一実施形態における製造工程中の半導体装置を模式的に示す断面図である。 図10に続く製造工程中の半導体装置を模式的に示す断面図である。 図11の半導体装置を模式的に示す要部拡大断面図である。 本発明の他の実施形態における製造工程中の半導体装置を模式的に示す断面図である。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する場合がある。
(実施形態1)
本実施形態における導電フィルムの製造技術について説明する。まず、図1に示すように、金属を陽極酸化することによって、厚さ方向に延在する複数の貫通孔2が形成された陽極酸化層1を準備する。金属としてアルミニウム(Al)を用いた場合、それを陽極酸化することによって陽極酸化層1として無機絶縁層である酸化アルミニウムが形成されることとなる。
例えば、まず、10×10mm程度のアルミニウム板の一方を絶縁被膜したものを用意し、アルミニウム板の表面を洗浄する。次いで、硫酸水溶液やシュウ酸水溶液などの電解液中にそのアルミニウム板を浸漬させて陽極とし、また、これに対向して配置される白金(Pd)板を陰極として通電(パルス電圧を印加)することで、アルミニウム板の表面に多孔質層(貫通孔2となる)を形成することができる。次いで、例えば切断することによって、残存するアルミニウム板から孔が貫通するように多孔質層を分離する。これによって、厚さ方向に延在する多孔、すなわち複数の微細な貫通孔2が形成された陽極酸化層1が得られる。
図7は、複数の貫通孔2が形成された陽極酸化層1の表面モフォロジーを示すSEM写真である。図7に示すように、陽極酸化層1の表面には自己組織化によって形成された蜂の巣状の多孔が見られる。このように、実際の貫通孔2の平面形状は、六角形状となっているが、以下では円形状として説明する。
アルミニウムの陽極酸化では、アルミニウムの表面が電気化学的に酸化され、酸化アルミニウムの層が形成される。この陽極酸化では、電解液の種類、電圧、時間などの条件により、陽極酸化層1の厚さ、貫通孔2の径やピッチを調整することができる。例えば、陽極酸化層1の厚さ(貫通孔2の深さ)は70μm〜180μmとし、貫通孔2の径を30nm以上1000nm、貫通孔2のピッチを40nm以上1200nm以下とすることができる。このように、陽極酸化層1では、貫通孔2のアスペクト比(孔深さと孔径の比)は高いものとなっている。
以上により、大きさが10mm×10mm程度の平面内に、厚さ方向に平行に多数の貫通孔2を密に配置された陽極酸化層1が形成される。
続いて、図2に示すように、複数の貫通孔2のそれぞれに導体を充填することによって、複数の線状導体3を形成する。その後、陽極酸化層1の表面平坦性や、線状導体3の長さの均一性を確保するため、陽極酸化層1の表面を研磨する。
例えば、陽極酸化層1の片側面に電極を設けた電解めっき法によって、微細な貫通孔2にも導体を充填することができ、その導体を含んでなる線状導体3を形成することができる。導体としては、電気伝導性、耐食性などを考慮して、銅(Cu)、ニッケル(Ni)などが用いられる。これにより、厚さ方向に延在する複数の線状導体3が設けられた陽極酸化層1が形成される。なお、陽極酸化層1の耐食性を向上するために、貫通孔2の内部をバリア膜で覆った後、銅などの導体を充填しても良い。
図8は、複数の線状導体3が形成された陽極酸化層1の表面モフォロジーを示すSEM写真である。図8では、線状導体3の平面形状が、六角形状となっている。線状導体3は、貫通孔2に導体が充填されてなるので、例えば、線状導体3の長さは70μm〜180μm、線状導体3の径は30nm以上1000nm、線状導体3のピッチを40nm以上1200nm以下とすることができる。すなわち、このような微細な線状導体3は、陽極酸化層1の貫通孔2に導体を充填することによって、形成することができる。
以上により、大きさが10mm×10mm程度の平面内に、厚さ方向に平行に多数の線状導体3を密に配置された陽極酸化層1が形成される。すなわち、陽極酸化層1中に多数の線状導体3が、その径よりも小さな間隔で相互に平行に密に配置されている。
続いて、図3に示すように、陽極酸化層1の両面上のそれぞれに保護層4を形成する。保護層4は、例えば、スパッタリングやめっきなどで形成された金属(例えば銅、ニッケル)からなる1μm〜10μm程度の層である。この保護層4は、後の工程で除去されるものであるが、除去されるまでは複数の線状導体3を保護(支持)するために用いられる。
続いて、図4に示すように、陽極酸化層1を除去して、複数の線状導体3間に間隙1aを形成する。例えば、50〜60℃の水酸化ナトリウム水溶液中に陽極酸化層1を所定時間浸漬すると、酸化アルミニウムの陽極酸化層1がエッチングされて、図9に示すように、線状導体3を露出することができる。なお、図9では、保護層4は省略して示している。
一般に、アルミニウムが陽極酸化して形成された酸化アルミニウムの結晶は、アルミナ(Al)であることが知られている。アルミナは耐久性に優れ、また酸やアルカリにも強い。しかしながら、本実施形態での陽極酸化層1は、完全なアルミナではなく、べーマイトの状態で酸化アルミニウムを形成している。このため、陽極酸化層1はアルカリに弱いため、水酸化ナトリウムによって容易に陽極酸化層1をエッチングすることができる。したがって、複数の線状導体3間に間隙1aを形成することができる。
続いて、図5に示すように、複数の線状導体3間(間隙1a)を充填するように、保護層4間に有機絶縁層5を形成した後、保護層4を除去する。これにより、図6に示すように、厚さ方向に延在する複数の線状導体3が設けられた有機絶縁層5を有し、複数の線状導体3が、有機絶縁層5を貫通して有機絶縁層5の表面から露出する導電フィルム10を形成することができる。例えば、保護層4が銅の場合、塩化第二銅をエッチング液として用い、時間調整することによって保護層4を除去し、線状導体3を露出するようにする。
また、例えば、フィラー無しであって平均分子長が複数の線状導体3間よりも小さいエポキシ系樹脂(熱硬化型樹脂)を用いることによって、間隙1aを充填する有機絶縁層5を形成することができる。また、間隙1aに形成された有機絶縁層5(熱硬化型樹脂層)は、未硬化の状態(Bステージ状態)で形成する。有機絶縁層5が未硬化状態の熱硬化型樹脂層である場合、後述するが、例えば半導体素子の接続端子と線状導体3とを接続するときは、加熱することによって熱硬化型樹脂が流動し、線状導体3と接続端子を当接させて、機械的な接続を確保することができる。
このように、導電フィルム10のコア層として有機絶縁層5を用いている。例えば、図2で示した状態のように、コア層に無機絶縁層である陽極酸化層1を用いた導電フィルムとすることもできる。しかしながら、例えば、配線基板上に半導体素子などの電子部品を実装する際に用いられる接続部材としては、柔軟性、応力分散が要求される。そこで、本実施形態では、コア層として、陽極酸化層1(無機絶縁層)より低弾性率の有機絶縁層5を用いている。
この導電フィルム10は、複数の線状導体3が厚さ方向に互いに電気的に絶縁されており、導通する方向に異方性があるため、異方性導電フィルムであるともいえる。この導電フィルム10は、前述したように、微細な線状導体3が、陽極酸化層1の貫通孔2に導体を充填することによって形成されているため、狭ピッチ(例えば、0.1mm以下)の接続端子を有する半導体素子と配線基板との接続に用いることができる。
次に、本実施形態における導電フィルム10を用いた半導体装置の製造技術について説明する。図10に示すように、構成部材として、接続端子21を有するチップ状の半導体素子20(部品)と、接続端子31を有する配線基板30(部品)と、導電フィルム10とを準備する。
ここで、半導体素子20は、周知の製造技術により形成され、例えばMIS(Metal Insulator Semiconductor)トランジスタが形成された素子形成面(主面)側がパッシベーション膜で覆われて、外部接続端子としての接続端子21がエリアアレイ状(例えば、ピッチが100μm以下)に配置された構造を有している。また、配線基板30は、その本体を構成する樹脂基板の内部に、例えば、ビルドアップ法を用いた多層構造が形成された最表面側がソルダレジスト層で覆われて、外部接続端子としての接続端子31がエリアアレイ状に配置された構造を有している。
次いで、導電フィルム10を介在させて電気的に接続され、かつ機械的に接合される半導体素子20と配線基板30の位置合わせを行う。本実施形態における導電フィルム10は、その大きさが10mm×10mm程度の平面内に、厚さ方向に平行に多数の線状導体3を密に配置しているものである。したがって、実装するための位置合わせのときに、どの線状導体3が接続端子21と接続端子31とが接続するか把握して介在させる必要はない。
次いで、陽極酸化層1上に接続端子21を有する半導体素子20を配置して加熱および加圧することによって、接続端子21に線状導体3を当接すると共に、熱硬化型樹脂層(有機絶縁層5)を硬化する。また、陽極酸化層1上に接続端子31を有する配線基板30を配置して加熱および加圧することによって、接続端子31に線状導体3を当接すると共に、熱硬化型樹脂層(有機絶縁層32)を硬化する。
例えば、半導体素子20、導電フィルム10、配線基板30を重ね合わせ、一対のプレス熱盤の間に配置し、真空プレスなどにより上下両面から加熱および加圧することによって、図11に示すように、一体構造の半導体装置40を略完成することができる。
この加熱・加圧処理により、導電フィルム10の未硬化状態の熱硬化型樹脂層(有機樹脂層5)が溶融し、その溶融した樹脂が、アンダーフィル樹脂層として機能する。すなわち、この熱硬化型樹脂層(有機樹脂層5)が熱硬化されることで、導電フィルム10と半導体素子20および配線基板30との機械的な接合が確保される。
また、その加熱・加圧処理の過程で、図12に示すように、導電フィルム10の多数の線状導体3のうちの、複数の線状導体3が束状となって、半導体素子20の接続端子21に当接し、電気的に接続される。同様に、導電フィルム10の多数の線状導体3のうちの、複数の線状導体3が束状となって、配線基板30の接続端子31に当接し、電気的に接続される。その際、熱硬化された熱硬化型樹脂層(有機樹脂層5)の体積収縮性により、接続端子21、31と線状導体3との接触状態が熱硬化型樹脂層で固定化される。したがって、導電フィルム10と半導体素子20および配線基板30との電気的な接続が安定に維持される。
このように、本実施形態における導電フィルム10を含んだ構成とすることによって、接続信頼性が向上され、また製造歩留まりが向上された半導体装置40を提供することができる。
(実施形態2)
本実施形態における導電フィルムの製造技術について説明する。まず、前記実施形態1で説明した図6までの工程で形成した導電フィルム10を準備する。すなわち、大きさが10mm×10mm程度の平面内に、厚さ方向に平行に多数の線状導体3を密に配置された陽極酸化層1が形成された導電フィルム10を準備する。この線状導体3の長さは70μm〜180μm、線状導体3の径は30nm以上1000nm、線状導体3のピッチは40nm以上1200nm以下である。このように、導電フィルム10には、陽極酸化層1中に多数の線状導体3が、その径よりも小さな間隔で相互に平行に密に配置されている。
次いで、導電フィルム10を加熱することによって、未硬化の熱硬化型樹脂層(有機樹脂層5)を溶融し、熱硬化させる。これにより、厚さ方向に延在する複数の線状導体3が設けられた有機樹脂層5を有し、複数の線状導体3が、有機樹脂層5を貫通して表面が露出した導電フィルム10を形成することができる(図13参照)。また、熱硬化により、導電フィルム10の耐久性を向上することができる。
ここで、本実施形態では、導電フィルム10の有機絶縁層5の弾性率が、無機絶縁層である陽極酸化層1より低く、1Pa以上10MPa以下となるようにしている。なお、このような条件の有機絶縁層5として、熱硬化型樹脂層(エポキシ系樹脂)を用いているが、シリコーンゴムを用いても良い。
このような導電フィルム10は、狭ピッチの接続端子を有する半導体素子20(半導体装置)の製造工程中における電気的特性テスト工程で、繰り返して用いられる接続部材として用いることができる。半導体素子20は、周知の製造技術により形成され、例えばMIS(Metal Insulator Semiconductor)トランジスタが形成された素子形成面(主面)側がパッシベーション膜で覆われて、外部接続端子としての接続端子21がエリアアレイ状(例えば、ピッチが100μm以下)に配置された構造を有している。
半導体素子10の最終工程などでは、図13に示すように、配線基板30上に、導電フィルム10を介在させて、狭ピッチの接続端子21を有する半導体素子20の電気的特性テストを行う。ここで、本実施形態における導電フィルム10を用いることによって、例えば、ピッチが100μm以下の狭ピッチの接続端子21を有する半導体素子20であっても、電気的特性テストを行うことができる。
本発明は、電気的接続用フィルムとこれを用いた特に高密度接続構造を有する半導体装置の製造業に幅広く利用されるものである。
1 陽極酸化層(無機絶縁層)
1a 間隙
2 貫通孔
3 線状導体
5 有機絶縁層(熱硬化型樹脂層)
10 導電フィルム
20 半導体素子
21 接続端子
30 配線基板(部品)
31 接続端子
40 半導体装置

Claims (7)

  1. 以下の工程を含むことを特徴とする導電フィルムの製造方法:
    (a)金属を陽極酸化することによって、厚さ方向に延在する複数の孔が形成された陽極酸化層を準備する工程;
    (b)前記複数の孔のそれぞれに導体を充填することによって、複数の線状導体を形成する工程;
    (c)前記(b)工程後、前記陽極酸化層の両面上のそれぞれに保護層を形成する工程;
    (d)前記(c)工程後、前記陽極酸化層を除去して、前記複数の線状導体間に間隙を形成する工程;
    (e)前記間隙を充填するように、前記保護層間に有機絶縁層を形成する工程;
    (f)前記(e)工程の後、前記保護層を除去する工程。
  2. 厚さ方向に延在する複数の線状導体が設けられた有機絶縁層を有しており、
    前記複数の線状導体が、前記有機絶縁層を貫通して前記有機絶縁層の表面から露出しており、
    前記有機絶縁層は、未硬化状態の熱硬化型樹脂層であることを特徴とする導電フィルム。
  3. 請求項2記載の導電フィルムにおいて、
    前記熱硬化型樹脂層は、フィラー無しのエポキシ系樹脂であることを特徴とする導電フィルム。
  4. 請求項2または3記載の導電フィルムにおいて、
    前記線状導体の径が、30nm以上1000nm以下であることを特徴とする導電フィルム。
  5. 請求項2、3または4記載の導電フィルムにおいて、
    前記線状導体のピッチが、40nm以上1200nm以下であることを特徴とする導電フィルム。
  6. 第1接続端子を有する半導体素子と、
    第2接続端子を有する部品と、
    前記半導体素子と前記部品との間に介在し、前記半導体素子の第1接続端子と前記部品の第2接続端子とを電気的に接続する導電フィルムと、を有する半導体装置であって、
    前記導電フィルムは、厚さ方向に延在する複数の線状導体が設けられた有機絶縁層を有しており、前記複数の線状導体が、前記有機樹脂層を貫通して前記有機樹脂層の両面に露出しており、
    前記第1接続端子と前記第2接続端子は、前記線状導体が当接して、電気的に接続されていることを特徴とする半導体装置。
  7. 以下の工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法:
    (a)金属を陽極酸化することによって、厚さ方向に延在する複数の孔が形成された陽極酸化層を準備する工程;
    (b)前記複数の孔のそれぞれに導体を充填することによって、複数の線状導体を形成する工程;
    (c)前記(b)工程後、前記陽極酸化層の両面上のそれぞれに保護層を形成する工程;
    (d)前記(c)工程後、前記陽極酸化層を除去して、前記複数の線状導体間に間隙を形成する工程;
    (e)前記間隙を充填するように、前記保護層間に未硬化の熱硬化型樹脂層を形成する工程;
    (f)前記(e)工程の後、前記保護層を除去する工程;
    (g)前記熱硬化型樹脂層上に、接続端子を有する半導体素子を配置して加熱および加圧することによって、前記接続端子に前記線状導体を当接すると共に、前記熱硬化型樹脂層を硬化する工程。
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