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JP4401386B2 - ハンダバンプ形成方法および半導体素子の実装方法 - Google Patents

ハンダバンプ形成方法および半導体素子の実装方法 Download PDF

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JP4401386B2
JP4401386B2 JP2006522160A JP2006522160A JP4401386B2 JP 4401386 B2 JP4401386 B2 JP 4401386B2 JP 2006522160 A JP2006522160 A JP 2006522160A JP 2006522160 A JP2006522160 A JP 2006522160A JP 4401386 B2 JP4401386 B2 JP 4401386B2
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solder bump
semiconductor element
flat plate
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誠一 中谷
俊之 小島
慎五 小松
嘉久 山下
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Panasonic Corp
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Description

本発明は、半導体素子を配線基板に実装するためのハンダバンプ形成方法、及びその形成方法により作成されたハンダバンプを有する半導体素子を配線基板に実装する半導体素子の実装方法に関する。
近年、電子機器の小型化、高機能化に伴い、信号処理のデジタル化、高周波化が進展している。これらの電子機器において、中核部品となる半導体素子についても、回路規模の増大に伴い、接続端子の多ピン化、狭ピッチ化が要求されている。さらに、半導体素子と配線基板間での配線遅延の低減やノイズ防止も重要な課題となっている。このために、半導体素子と配線基板との接続方式は、従来のワイヤボンディングを主体とした実装方式にかわりフリップチップ実装方式が採用されてきている。
そして、このフリップチップ実装方式においては、半導体素子の電極端子上に突起電極であるハンダバンプを形成し、このハンダバンプを介して配線基板上に形成された接続端子に一括して接合するハンダバンプ接続法が広く使用されている。しかしながら、従来のハンダバンプ形成方法では、一旦ハンダを溶融させる必要があるため半球形状のバンプしか得られない。このために、狭ピッチ化、多ピン化に対応することが困難であった。
一方、半導体素子の電極端子上に金（Ａｕ）等の金属からなるバンプを形成し、このバンプと配線基板の接続端子とを導電性接着剤や異方導電性接着剤により接続する方法も用いられている。しかしながら、これらの方法においても、従来のハンダバンプによる接続と同様に、狭ピッチ化、多ピン化に対しては充分対応することができなかった。
さらに、近年の電子回路は、半導体素子が主体で構成されている。したがって、これらの半導体素子を配線基板上へ高密度で、かつ安価に実装することが、電子機器の低コスト化や小型化、高機能化を実現する上で要求されている。
このような要求に対して、電極端子上に形成するバンプ形状を、底面の一辺が、例えば１０〜６０μｍで、かつその先端を尖らせた四角錐形状にする技術が特許文献１に記載されている。バンプの先端を尖らせた形状にすることによって、配線基板と半導体素子との接続時の導通不良を発生させることなく、高密度実装を可能としている。
また、特許文献２には、配線基板の接続端子を突起状に形成する一方、半導体素子の電極端子に、配線基板側の突起部が嵌合可能な凹部を形成し、この半導体素子側の凹部に配線基板側の突起部を嵌合させた状態で、半導体素子を配線基板に実装する技術が記載されている。なお、端子間の接合は、凹部に設けた低融点金属をリフローさせることによって行われる。これにより、電極端子間の狭小化に対応した、接続強度の高い高密度実装が可能となる。
また、似たような技術として、特許文献３には、配線基板の接続端子に半導体素子の突起電極形状と合致した形状の凹部を設け、半導体素子の突起電極を配線基板の凹部に嵌合させることによって、半導体素子を配線基板に実装する技術が記載されている。これにより、配線基板と半導体素子との接合強度が強く、信頼性に優れた高密度実装が可能になる。
さらに、特許文献４には、配線基板の接続端子に開口部を設けた絶縁樹脂層を配線基板上に形成し、半導体素子側の突起電極を配線基板側の開口部に嵌合させることによって、半導体素子を配線基板に実装する技術が記載されている。なお、端子間の接合は、開口部に装填されたハンダをリフローさせることによって行われる。これにより、接続不良のない、信頼性に優れた高密度実装が可能になる。
特開２００２−９３８４２号公報 特開平５−１３４９６号公報 特開平１１−１７０５０号公報 特開２０００−１００８６８号公報
特許文献１に記載された技術は、バンプ形状の加工が、基板に形成された穴内にスズ膜を形成することで先端の尖ったスズ膜を形成し、このスズ膜を半導体素子の接続端子に転写、接合することによって行われるため、製造工程が複雑となり、バンプ形成コストを安価にすることが困難である。
また、特許文献２〜４に記載された技術は、配線基板または半導体素子の一方の端子に凹部を形成し、この凹部に、配線基板または半導体素子の他方の端子に形成された突起部を嵌合させて、半導体素子を配線基板に実装する点を共通にするが、いずれも、この凹部の形成工程が複雑であり、それ故、バンプ形成コストを安価にすることが難しい。
すなわち、特許文献２においては、半導体素子の接続端子に形成される凹部は、接続端子上に金突起部をリング状にメッキすることにより形成される。この場合、凹部の形状を配線基板の突起電極に合わせて形成することも難しくなる。
また、特許文献３においては、配線基板の電極端子に形成される凹部は、配線基板上にスクリーン印刷により供給された導電ペーストに、半導体素子の突起電極を押圧することによって凹部を形成した後、導電ペーストを焼成することによって形成される。この場合、導電ペーストを突起電極の高さと同程度に厚く形成する必要があり、導電ペースト（電極端子）の加工も難しくなる。
また、特許文献４においては、配線基板の電極端子に形成される凹部は、配線基板上に形成された絶縁樹脂層を電極端子上で開口することによって形成される。この場合、絶縁樹脂層を半導体素子の突起電極の高さと同程度に厚く形成する必要があり、絶縁樹脂層のの加工が難しくなるとともに、凹部の形状を半導体素子の突起電極に合わせて形成することも難しくなる。
本発明はかかる点に鑑みなされたもので、その主な目的は、高密度実装が可能なハンダバンプ形成方法を提供するとともに、信頼性の高い半導体素子の実装方法を提供することにある。
本発明に係わるハンダバンプ形成方法は、複数の端子部を有する電子部品の該端子部上にハンダバンプを形成する方法であって、表面に複数の突起部または凹部が形成された平板を用意する工程と、平板を電子部品に対向させて配置し、平板と電子部品との隙間にハンダ粉及び対流添加剤が含有された樹脂組成物を供給する工程と、樹脂組成物を加熱して、樹脂組成物中に含有するハンダ粉を溶融させ、溶融したハンダ粉を端子部上に自己集合させることで平板の表面まで成長させることによって、端子部上にハンダバンプを形成する工程と、ハンダバンプを冷却して固化させた後、平板を除去する工程とを含み、ハンダバンプは、突起部に対応する窪み部、または凹部に対応する突状部を有することを特徴とする。
この方法によれば、樹脂組成物に含有する溶融したハンダ粉を、電子部品の端子上に自己集合させることによって、突状部あるいは窪み部を有するハンダバンプを容易に形成することができる。また、形成されるハンダバンプの高さを平板で規制することができ、均一な高さのハンダバンプを形成することができる。これにより、半導体素子または／及び配線基板の端子上に、本方法によるハンダバンプを形成することによって、信頼性の高い半導体素子の高密度実装が可能になる。
ある好適な実施形態において、上記樹脂組成物を供給する工程は、電子部品上に樹脂組成物を供給する工程と、電子部品に対向させて、平板を前記樹脂組成物の表面に当接する工程とからなる。
上記平板を樹脂組成物に当接する工程において、突起部を端子部に接触させて、平板を樹脂組成物の表面に当接することが好ましい。このようにすると、ハンダ粉の自己集合からハンダバンプの固化にいたるまで、端子部と平板との間隔を突起部により一定に保持することができ、より均一な高さを有するハンダバンプを形成することができる。
ある好適な実施形態において、上記基板は、配線基板または半導体素子である。
上記突起部または凹部の表面には、ハンダに対して濡れ性を有する金属膜が形成されていることが好ましい。このようにすることによって、溶融したハンダ粉が端子上に自己集合するとき、突起部または凹部に接触したハンダ粉は濡れ性の良好な金属膜に固定されて成長するので、均一な形状のハンダバンプを形成することができる。
また、上記突起部または凹部の表面には、突起部または凹部に対して離型性を有する離型層が形成されていることが好ましい。このようにすることによって、端子上に形成されたハンダバンプを固化した後、平板を容易に除去することができる。
さらに、上記平板を除去する工程の後、樹脂組成物を除去する工程をさらに含むことが好ましい。
ある好適な実施形態において、上記ハンダバンプを形成する工程は、樹脂組成物を加熱して、樹脂組成物を端子部上に自己集合させ、然る後、樹脂組成物をさらに加熱して、樹脂組成物中に含有するハンダ粉を溶融させ、溶融したハンダ粉を端子部上に自己集合させることで平板の表面まで成長させることによって、端子部上にハンダバンプを形成する工程からなる。
本発明に係わる半導体素子の実装方法は、半導体素子を配線基板上に実装する方法であって、半導体素子又は配線基板の一方の端子部上に、窪み部を有するハンダバンプを形成する工程と、半導体素子又は配線基板の他方の端子部上に、突状部を有するハンダバンプを形成する工程と、半導体素子の端子部上に形成されたハンダバンプと、配線基板の端子部上に形成されたハンダバンプとを互いに嵌合させて接合する工程とを含み、窪み部を有するハンダバンプ及び突状部を有するハンダバンプの少なくとも一方は、本発明に係わるハンダバンプ形成方法により形成されることを特徴とする。
この方法により、突状部及び窪み部を有するハンダバンプを互いに嵌合させて接合することによって、半導体素子を配線基板上に簡単、かつ確実に実装することができる。また、ハンダバンプを溶融させて接合することなく、嵌合させて接合することができるので、半導体実装を低温で行うことができる。
ある好適な実施形態において、上記ハンダバンプを互いに嵌合させて接合する工程は、互いに嵌合されたハンダバンプの少なくとも一方を溶融させる加熱工程を含む。このようにすることによって、ハンダバンプの接合をより強固にすることができ、信頼性の高い半導体実装が可能となる。なお、この場合、半導体素子のハンダバンプと配線基板のハンダバンプとは、異なるハンダ材料からなることが好ましい。
本発明によれば、樹脂組成物に含有するハンダ粉を溶融させ、溶融したハンダ粉を基板の端子上に自己集合させることによって、突状部あるいは窪み部を有するハンダバンプを容易に形成することができる。また、形成されるハンダバンプの高さを平板で規制することができるため、均一な高さのハンダバンプを形成することができる。これにより、半導体素子または／及び配線基板の端子上に、本発明によるハンダバンプを形成することによって、信頼性の高い半導体素子の高密度実装が可能になる。
また、本発明により形成された突状部または／及び窪み部を有するハンダバンプを互いに嵌合させて接合することによって、半導体素子を配線基板上に容易、かつ確実に実装することができるので、信頼性の高い半導体実装を行うことが可能となる。
以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。以下の図面においては、説明の簡略化のため、実質的に同一の機能を有する構成要素を同一の参照符号で示す。本発明は以下の実施形態に限定されない。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態にかかるハンダバンプ形成方法を模式的に示した工程断面図である。なお、本実施形態においては、電子部品として配線基板を用いた場合について説明する。
図１（ａ）に示すように、平板１０の一方の面上に、配線基板１４のバンプ形成用の端子部１６に対応する位置に突起部１２を形成する。このような突起部１２は、例えば平板１０上にフォトリソプロセスを用いて所定のパターンを形成した後、このパターンをマスクとして、エッチングあるいはサンドブラスト等により平板１０の不要部分を除去することによって、所定のピッチで、一定の高さを有する突起部１２を形成することができる。または、突起部１２を印刷方式で形成してもよい。なお、平板１０としては、例えばガラス板、セラミック板、シリコン板あるいは耐熱性を有するプラスチック板等を用いることができる。
また、配線基板１４は、多層基板であってもよいし、両面配線基板であってもよい。基材としては、ハンダの溶融温度に耐える材料であれば、特に制約がなく、ガラスエポキシ基板、ポリイミド基板等の樹脂基板、セラミック基板あるいはガラス基板さらにはシリコン基板であってもよい。
なお、配線基板１４の端子部１６が形成されている面上には、図示しない導体配線も形成されている。後述する樹脂組成物１８が導体配線上にも形成される場合には、導体配線の表面に、予め、ハンダが濡れない材料、例えばめっきレジスト等の樹脂膜あるいは無機絶縁膜等を形成しておくことが好ましい。さらに、後述するハンダが成長する端子部１６の領域を精度よく規定するために、端子部１６の周囲にもめっきレジスト等を形成しておくことが好ましい。
次に、図１（ｂ）に示すように、配線基板１４の端子部１６が形成された領域に樹脂組成物１８を所定量塗布する。具体的には、平板１０を樹脂組成物１８に当接したときに、樹脂組成物１８が濡れ広がり、配線基板１４の端子部１６をすべて覆い、かつ平板１０と配線基板１４との間に設ける一定の隙間に充填される量とする。このときの樹脂組成物１８は、ペースト状で、比較的粘度が大きいものを使用する。この樹脂組成物１８は、樹脂２０中にハンダ粉２２を含有するものである。また、樹脂組成物１８はペースト状だけでなく、室温でシート状のものであってもよい。
なお、樹脂組成物１８を塗布する前に、配線基板１４の表面、特に端子部１６の表面を、例えばアセトンやアルコール等の有機溶剤あるいは洗浄液で清浄化処理を行っておくことが望ましい。
次に、図１（ｃ）に示すように、配線基板１４の端子部１６と平板１０の突起部１２とが対向するように配線基板１４と平板１０とを位置合わせして、平板１０を樹脂組成物１８上に当接させる。この当接により、樹脂組成物１８は配線基板１４と平板１０との間に均一に広がり、かつ所定の厚みを保持し、略密閉空間が形成される。このように当接しても、平板１０の突起部１２は配線基板１４の端子部１６に接触しないように設定してある。すなわち、突起部１２の高さは、平板１０を樹脂組成物１８に当接したときの樹脂組成物１８の厚みよりも小さく形成する。
このとき、平板１０と配線基板１４との一定の隙間を保持するために、配線基板１４と平板１０とを機械的に固定しておくことが望ましい。さらに、この場合に、平板１０と配線基板１４との間の平行度を保持すればより望ましい。
なお、樹脂組成物１８を平板１０と配線基板１４との隙間に供給する方法として、予め平板１０と配線基板１４とを互いに対向させて配置した後、平板１０と配線基板１４との隙間に、樹脂組成物１８を、例えばノズル等を用いて注入する方法を用いてもよい。
次に、図１（ｄ）に示すように、少なくとも樹脂組成物１８をハンダ粉２２が溶融する温度まで加熱する。なお、樹脂組成物１８の加熱は、配線基板１４側からヒータで加熱してもよいし、平板１０側からヒータで加熱してもよい。あるいは、全体を加熱炉中に入れて全面から加熱する方法でもよい。あるいは、マイクロ波を照射して樹脂組成物１８と、その近傍のみを加熱してもよい。
この加熱温度で、樹脂組成物１８を構成する樹脂２０の粘度が小さくなり流動性が増加する。溶融したハンダ粉２２は、樹脂２０中を移動して、濡れ性の高い端子部１６上に自己集合する。こうして、端子部１６上でハンダが徐々に成長することによって、最終的には突起部１２を取り囲むように平板１０の表面まで成長してハンダバンプ２４が形成される。
ここで、樹脂組成物１８中に、この加熱温度で、沸騰あるいは分解して気体を放出する添加剤を含有させておいてもよい。放出された気体を含む樹脂組成物１８は、平板１０と配線基板１４とで閉じられた空間に充填されているので、気体による樹脂組成物１８の移動（すなわち、対流）が起こり、ハンダ粉２２が強制的に移動させられる。最終的に、気体は平板１０と配線基板１４との間の外周部の隙間から外部空間に放出されることになる。
なお、添加剤（以下、対流添加剤という）の沸騰あるいは分解は、必ずしもハンダ粉２２の溶融温度に達してからでなくてもよい。ハンダ粉２２が溶融する温度より低い温度で沸騰あるいは分解して気体を発生してもよい。
樹脂組成物１８中で発生した気体は、樹脂組成物１８中を対流しながら外周部に到達し外部へ放出されるので、この気体による対流のエネルギーを受けてハンダ粉２２も樹脂組成物１８中を動き回る。この効果により、ハンダ粉２２が端子部１６に自己集合し、均一なバンプ形状が形成される。このようにして、端子部１６上でハンダが成長し、最終的には突起部１２を取り囲むように平板１０の表面まで成長してハンダバンプ２４が形成される。
次に、図１（ｅ）に示すように、ハンダバンプ２４を形成した後（樹脂組成物１８中に対流添加剤を入れた場合には、対流添加剤による気体放出がなくなった後）で、樹脂２０を硬化させる。樹脂２０の硬化を行った後、加熱を止めてハンダバンプ２４を冷却して固化させる。固化が完了した後に、平板１０を除去することで、中央部に窪み部２４ａを有するハンダバンプ２４が配線基板１４の端子部１６上に形成される。
これにより、中央部に窪み部２４ａを有するハンダバンプ２４が配線基板１４の端子部１６上に形成されたハンダバンプ形成配線基板４０が得られる。
このハンダバンプ２４は、その高さが平板１０と配線基板１４との隙間で規定されるため、ハンダバンプ２４の高さを非常に均一にできる。また、横方向の径は端子部１６の形状によりほぼ規定される。この端子部１６の形状は、フォトリソプロセスにより高精度に形成できるので、横方向の径についても非常に均一に形成することができる。さらに、窪み部２４ａの形状は、突起部１２により規定されるが、突起部１２をフォトリソプロセスにより加工すれば、同様に均一な形状の窪み部２４ａを形成することができる。
したがって、本実施形態で形成したハンダバンプ２４は、高さ、横方向の径及び窪み部２４ａのすべてを非常に均一に形成することができる。これにより、このハンダバンプ形成配線基板を用いて、半導体素子等を配線基板に歩留まりよく実装することができる。
なお、配線基板１４には、ハンダバンプを形成する領域以外の面上に半導体素子や受動部品等が実装されていてもよい。
（第２の実施形態）
図２は、本発明の第２の実施形態にかかるハンダバンプ形成方法を模式的に示した工程断面図である。なお、本実施形態においては、電子部品として半導体素子３４を用いた場合に説明する。また、第１の実施形態と共通の工程については、本実施形態における説明に限らず、第１の実施形態で説明した種々の条件、材料等を適宜適用することができる。
図２（ａ）に示すように、平板３０の一方の面上に、半導体素子３４のバンプ形成用の端子部３６に対応する位置に凹部３２を形成する。このような凹部３２は、例えば平板３０上にフォトリソプロセスを用いて所定のパターンを形成した後、このパターンをマスクとして、エッチングあるいはサンドブラスト等を行えば、所定のピッチで、所定の深さを有する凹部３２を形成することができる。なお、平板３０としては、例えばガラス板、セラミック板、シリコン板あるいは耐熱性を有するプラスチック板等を用いることができる。
次に、図２（ｂ）に示すように、半導体素子３４の端子部３６が形成された領域に樹脂組成物１９を所定量塗布する。具体的には、平板３０を当接したときに、樹脂組成物１９が濡れ広がり、半導体素子３４の端子部３６をすべて覆い、かつ平板３０と半導体素子３４との間に設ける一定の隙間に充填される量とする。このときの樹脂組成物１９は、ペースト状で、比較的粘度が大きいものを使用する。この樹脂組成物１９は、ハンダ粉２３、対流添加剤（図示せず）および樹脂２１を主成分として含み構成されている。なお、樹脂組成物１９はペースト状だけでなく、室温でシート状のものであってもよい。
なお、樹脂組成物１９を塗布する前に、半導体素子３４の表面、特に端子部３６の表面は、例えばアセトンやアルコール等の有機溶剤あるいは洗浄液で清浄化処理を行っておくことが望ましい。
次に、図２（ｃ）に示すように、半導体素子３４の端子部３６と平板３０の凹部３２とが対向するように半導体素子３４と平板３０とを位置あわせして、平板３０を樹脂組成物１９上に当接させる。この当接により、樹脂組成物１９は半導体素子３４と平板３０との間に均一に広がり、かつ所定の厚みを保持し、略密閉領域が形成される。
このとき、平板３０と半導体素子３４との一定の隙間を保持するために、半導体素子３４と平板３０とを機械的に固定しておくことが望ましい。さらに、この場合に、平板３０と半導体素子３４との間の平行度を保持すればより望ましい。
次に、図２（ｄ）に示すように、少なくとも樹脂組成物１９をハンダ粉２３が溶融する温度まで加熱する。なお、樹脂組成物１９の加熱は、半導体素子３４側からヒータで加熱してもよいし、平板３０側からヒータで加熱してもよい。あるいは、全体を加熱炉中に入れて全面から加熱する方法でもよい。あるいは、マイクロ波を照射して樹脂組成物１９と、その近傍のみを加熱してもよい。
この加熱温度では、樹脂組成物１９を構成する樹脂２１の粘度が小さくなり流動性が増加する。同時に、この温度で対流添加剤が沸騰あるいは分解して気体を放出する。このとき、放出された気体を含む樹脂組成物１９は、平板３０と半導体素子３４とで閉じられた領域に充填されているので、気体による樹脂組成物１９の移動（すなわち、対流）が起こり、ハンダ粉２３が強制的に移動させられる。最終的に、気体は平板３０と半導体素子３４との間の外周部の隙間から外部空間に放出されることになる。
なお、対流添加剤の沸騰あるいは分解は、必ずしもハンダ粉２３の溶融温度に達してからでなくてもよい。ハンダ粉２３が溶融する温度より低い温度で沸騰あるいは分解して気体を発生してもよい。
樹脂組成物１９中で発生した気体は、樹脂組成物１９中を対流しながら外周部に到達し外部へ放出されるので、この気体による対流のエネルギーを受けてハンダ粉２３も樹脂組成物１９中を動き回る。この効果により、ハンダ粉２３が端子部３６に自己集合し、均一なバンプ形状が形成される。このようにして、端子部３６上でハンダが成長し、最終的には平板３０の凹部３２まで成長し、二段形状のハンダバンプ３８が形成される。
次に、図２（ｅ）に示すように、ハンダバンプ３８が形成された後に、加熱を止めてハンダバンプ３８を冷却して固化させる。固化が完了した後に、平板３０を除去することで、中央部に突状部３８ａを有するハンダバンプ３８が半導体素子３４の端子部３６上に形成される。その後、樹脂２１をエッチング等により除去すれば、図２（ｅ）に示すような二段形状のハンダバンプ３８が形成されたハンダバンプ形成半導体素子４２が得られる。
このハンダバンプ３８は、その高さが平板３０と半導体素子３４との隙間で規定されるため、非常に均一な高さとすることができる。また、横方向の径は端子部３６の形状によりほぼ規定される。この端子部３６の形状は、フォトリソプロセスにより高精度に形成できるので、横方向の径についても非常に均一に形成することができる。さらに、突状部３８ａの形状は、凹部３２により規定される。凹部３２をフォトリソプロセスにより加工すれば、同様に均一な形状の突状部３８ａを形成することができる。したがって、本実施の形態で作製したハンダバンプ３８は、高さ、横方向の径及び突状部３８ａのすべてを非常に均一に形成することができる。
上記第１及び第２の実施形態において、配線基板１４または半導体素子３４の加熱温度としては、樹脂組成物１８、１９を構成する成分によって最適な温度プロファイルを設定するのが好ましい。たとえば、ハンダ粉２２、２３として錫−銀−銅（Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ）合金ハンダを用い、対流添加剤としてイソプロピルアルコールを用いた場合には、最終到達温度として２３０℃〜２４０℃の温度範囲に設定することが好ましい。
また、接続が完了した後に、樹脂２１を熱硬化させる場合、例えばエポキシ樹脂を用いるときには、１００℃〜２５０℃の範囲に加熱することが好ましい。
なお、ハンダ粉２２、２３としては、上記のＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ合金に限定されることはない。例えば、錫−亜鉛（Ｓｎ−Ｚｎ）系合金ハンダ、錫−ビスマス（Ｓｎ−Ｂｉ）系合金ハンダ、銅−銀（Ｃｕ−Ａｇ）系合金ハンダ、錫（Ｓｎ）ハンダ、インジウム（Ｉｎ）ハンダ、あるいは鉛（Ｐｂ）系ハンダ等を用いてもよい。
また、対流添加剤としては、アルコールやエステル等の脂肪族および芳香族系の溶剤等、作業温度に加熱した際に沸騰あるいは分解により気体を発生するものであればよい。電子部品である配線基板１４や半導体素子３４を加熱して、ハンダ粉２２、２３を溶融させる温度において沸騰あるいは分解して気体を放出する材料であればよい。なお、樹脂組成物１８、１９はハンダ粉２２、２３の表面や端子部１６、３６の面上に形成された酸化膜を除去する目的として、ロジン等の酸化膜除去剤を含んでいてもよい。
さらに、第１及び第２の実施形態では、ハンダ粉２２、２３が自己集合して成長する端子部１６、３６は円形状である。この円形部に選択的にハンダが自己集合して成長していく。この端子部１６、３６の少なくとも表面は、ハンダに対して濡れ性のよい金属材料、例えば金（Ａｕ）を形成しておくことが望ましい。さらに、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）、白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）等の金属材料だけでなく、ハンダを構成する錫（Ｓｎ）やインジウム（Ｉｎ）等を用いてもよい。なお、端子部１６、３６の形状は円形状以外にも楕円形状、四角形状、線状など、特に限定されない。
さらに、導体配線等を含めて、ハンダが自己集合して成長することを抑制したい領域には、例えば酸化膜や窒化膜、酸化窒化膜等の無機材料からなる表面保護膜あるいはポリイミド、エポキシ等の樹脂からなる表面保護膜を形成しておくことが望ましい。
さらに、第１及び第２の実施形態では、樹脂組成物１８、１９に平板１０、３０を当接し、押圧力を加えた状態で配線基板１４や半導体素子３４を加熱したが、必ずしも押圧力を加える必要はない。対流添加剤からの気体により配線基板１４や半導体素子３４が動かない程度の形状と重量を有しておれば、特に押圧力を加えなくてもよい。
また、第１及び第２の実施形態では、樹脂組成物１８、１９を加熱して樹脂組成物中に含有するハンダ粉２２、２３を溶融させたが、ハンダ粉が溶融しない温度に加熱して、樹脂組成物１８、１９中に含有する添加剤を沸騰または分解させて気体を放出させ、この放出された気体でもって、樹脂組成物１８、１９を移動させて、端子部１６、３６上に表面張力で樹脂組成物１８、１９を自己集合させてもよい。この場合、自己集合した樹脂組成物１８、１９をさらに加熱し、樹脂組成物中に含有するハンダ粉２２、２３を溶融させて、端子部１６、３６上にハンダを自己集合させることによって、ハンダバンプ２４、３８を形成することができる。
このように、ハンダ粉を含有した樹脂組成物自身を端子部上に自己集合させてハンダバンプを形成する場合、例えば、凹部３２が形成された平板３０を用いて第２の実施形態を実施したとき、流動した樹脂組成物１９が凹部３２のところに滞りやすくなるため、容易に端子部３６上に樹脂組成物１９を自己集合させることができ、その後、ハンダ粉２３を溶融させることによって、端子部３６上にハンダバンプ３８を形成することができる。この場合、ハンダバンプ３８は、平板３０と半導体素子３４（又は配線基板１４）との隙間を大きくすることなく、高さの高いハンダバンプ３８を形成することができる。なお、ハンダバンプ３８を固化する前に平板３０を除去すれば、高さをほぼ維持したまま突状部３８ａのない（二段形状でない）ハンダバンプ３８を形成することもできる。
（第３の実施形態）
図３は、本発明の第３の実施形態にかかる半導体素子の実装方法を模式的に示した工程断面図である。本実施形態の半導体素子の実装方法は、第１の実施形態の方法により形成したハンダバンプ形成配線基板４０と、第２の実施形態の方法により形成したハンダバンプ形成半導体素子４２とを用いて実装することが特徴である。
図３（ａ）は、中央に突状部３８ａを有するハンダバンプ３８が形成された半導体素子３４と、中央に窪み部２４ａを有するハンダバンプ２４が形成された配線基板１４とを、位置合せした状態である。このとき、突状部３８ａの外径に対して窪み部２４ａの内径の方をやや小さく形成している。また、半導体素子３４のハンダバンプ３８の方が、配線基板１２のハンダバンプ２４よりも高融点材料を用いている。
図３（ｂ）は、半導体素子３４のハンダバンプ３８の突状部３８ａを配線基板１４のハンダバンプ２４の窪み部２４ａに嵌合した状態を示す。半導体素子３４のハンダバンプ３８の方が高融点材料であるので、配線基板１４のハンダバンプ２４よりも一般に硬い。このため、ハンダバンプ３８の突状部３８ａがハンダバンプ２４の窪み部２４ａを押し開くようにして嵌合する。このように、配線基板１４のハンダバンプ２４には押し広げる力が加わるが、ハンダバンプ２４の外周部には樹脂２０があるのでハンダバンプ２４の形状が崩れることがない。
さらに、配線基板１４のハンダバンプ２４が溶融しない程度の温度に加熱しておくと、よりスムーズに嵌合させることができる。このように嵌合させることで、電気的、機械的に接続を行う。
以上のような実装方法により、半導体素子３４を配線基板１４に実装することがきる。この方法によれば、常温でも接続が可能であるが、配線基板１４のハンダバンプ２４が溶融しない程度の温度に加熱すれば、より小さな荷重で接続が可能となる。
なお、本実施の形態では、嵌合方式による接続について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、半導体素子３４のハンダバンプ３８の突状部３８ａを配線基板１４のハンダバンプ２４の窪み部２４ａに嵌合させた後、低融点側のハンダバンプが溶融する温度まで加熱して接合してもよい。あるいは、高融点側のハンダバンプが溶融する温度まで加熱して接合してもよい。このように加熱して接合すれば、それぞれのハンダバンプのハンダが溶融して一体化するので機械的強度をさらに大きくすることもできる。
また、このような接続を行った後、さらにアンダーフィル樹脂を充填することで、半導体素子３４と配線基板１４との機械的接続強度をさらに大きくすることができる。
また、本実施の形態では、半導体素子３４のハンダバンプ３８と配線基板１４のハンダバンプ２４との材料が異なる場合について説明したが、本発明はこれに限定されない。
また、配線基板４０の窪み部を有するハンダバンプ２４及び半導体素子３４の突状部を有するハンダバンプ３８は、第１及び第２の実施形態の方法により形成したものを使用したが、どちらか一方のハンダバンプの形成だけに、第１又は第２の実施形態の方法を適用してもよい。また、窪み部と突状部とを反対に形成してもよい。
図４は、本実施形態の半導体素子の実装方法の変形例を示した半導体素子実装構造体の断面図である。この実装構造体においては、半導体素子のハンダバンプと配線基板のハンダバンプとは、同じハンダ材料を用いている。
この実装方法においては、半導体素子３４のハンダバンプの突状部を配線基板１４のハンダバンプの窪み部に嵌合させた後、ハンダの溶融温度まで加熱して両者を接続している。溶融により、それぞれのハンダバンプは溶融して一体化バンプ４４となる。この場合、配線基板１４のハンダバンプの外周部には樹脂２０が設けられており、この樹脂２０はハンダの溶融温度でも、その形状を保持する。また、一体化バンプ４４を形成後、アンダーフィル樹脂４６を注入して半導体素子実装構造体を補強してもよい。
このようにすることによって、一体化バンプ４４は半球形状になることはなく、縦長形状を維持することができる。また、溶融前においては、半導体素子３４のハンダバンプと配線基板１４のハンダバンプとが嵌合しているので位置ずれが生じ難い。この結果、従来の実装方法よりもファインピッチの接続が可能となる。
図５は、本実施形態の半導体素子の実装方法の他の変形例を示した半導体素子実装構造体の断面図である。この実装構造体においては、半導体素子のハンダバンプと配線基板のハンダバンプとは、異なるハンダ材料を用いている。また、半導体素子３４側にも樹脂２１を残している。
この実装方法においては、半導体素子３４のハンダバンプ３８の突状部３８ａを配線基板１４のハンダバンプ２４の窪み部２４ａに嵌合させて接続している。さらに、全体を加熱することにより、配線基板１４側の樹脂２０と半導体素子３４側の樹脂２１とを接着させて機械的強度を確保している。このためには、配線基板１４側の樹脂２０または半導体素子３４側の樹脂２１のどちらかを熱可塑性樹脂あるいはＢステージ状態の樹脂としておけばよい。これらの樹脂２０、２１によりハンダ実装時に封止ができるため、工程を簡略化できる。
なお、本変形例の実装方法においては、異なるハンダ材料を用いたが、同じハンダ材料を用いて嵌合した後、溶融させて一体化させてもよい。このように溶融させても、ハンダバンプの周囲を樹脂２０、２１が取り囲んでいるので、一体化したハンダバンプは半球形状にはならず、ファインピッチにしてもショート不良が生じない。
（第４の実施形態）
図６は、本発明の第４の実施形態にかかるハンダバンプ形成方法を模式的に示した工程断面図である。なお、本実施形態においては、電子部品として配線基板５４を用いた場合について説明する。また、第１又は第２の実施形態と共通の工程については、本実施形態における説明に限らず、第１又は第２の実施形態で説明した種々の条件、材料等を適宜適用することができる。
図６（ａ）に示すように、平板５０の一方の面上に、配線基板５４のバンプ形成用の端子部５６に対応する位置に突起部５２を形成する。この突起部５２の高さは端子部５６上に塗布された樹脂組成物５８の厚みとほぼ同じである。
このような突起部５２は、例えば、平板５０上にフォトリソプロセスを行い所定のパターンを形成した後、このパターンをマスクとして、エッチングあるいはサンドブラスト等により不要部分を除去すれば、所定のピッチで、一定の高さを有する突起部５２を形成することができる。または、平板５０として樹脂基材を用いて、突起部５２の形状を有するピンを樹脂基材に埋め込んで立設させて形成してもよい。なお、エッチングやサンドブラストで形成する場合には、平板１０として、例えばガラス板、セラミック板、あるいはシリコン板等を用いることができる。また、ピンを埋め込む方式ではなく、接着して突起部５２を形成してもよい。この場合には、樹脂基材に限定されず、ガラス板等も用いることができる。
さらに、図７に示すように、突起部５２には離型層７２と、この離型層７２の面上にハンダに対して濡れ性のよい金属膜７４が形成されている。図７は、突起部の表面層に形成する離型層とハンダに対して濡れ性の良好な金属膜を形成した状態を示す部分拡大断面図である。離型層７２としては、例えばフッ素樹脂等の耐熱性を有する樹脂材料をコーティングすればよい。この離型層７２は、図７に示すように平板５０の表面にも形成してもよい。また、金属膜７４としては、例えば樹脂組成物５８に含まれるハンダ粉６２と同じハンダを蒸着等により形成して用いることができる。あるいは、ハンダ粉６２を構成する単体元素を用いてもよい。あるいはハンダに対して濡れ性のよい金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）等の金属を蒸着あるいはめっき等により形成してもよい。蒸着で形成する場合には、全面に形成後フォトリソプロセスとエッチングプロセスにより平板５０の表面に形成された金属膜を除去すればよい。また、離型層７２または金属膜７４のいずれか一方だけを形成しておいてもよい。なお、離型層７２と金属膜７４とは、図６では示していない。
また、配線基板５４は、多層構成であってもよいし、両面配線基板であってもよい。基材としては、ハンダの溶融温度に耐える材料であれば、特に制約がなく、ガラスエポキシ基板、ポリイミド基板等の樹脂基板、セラミック基板あるいはガラス基板さらにはシリコン基板であってもよい。
なお、配線基板５４の端子部５６が形成されている面上には、図示しない導体配線も形成されている。樹脂組成物５８がこれらの導体配線上にも形成される場合には、この面上に形成されている導体配線の表面にハンダが濡れない材料、例えばめっきレジスト等の樹脂膜あるいは無機絶縁膜等を形成しておくことが好ましい。さらに、ハンダが成長する端子部５６の領域を精度よく規定するために、端子部５６の周囲にもめっきレジスト等を形成しておくことが好ましい。
次に、図６（ｂ）に示すように、配線基板５４の端子部５６が形成された領域に樹脂組成物５８を所定量塗布する。具体的には、平板５０を当接したときに、樹脂組成物５８が
濡れ広がり、配線基板５４の端子部５６をすべて覆い、かつ平板５０と配線基板５４との間に設ける一定の隙間に充填される量とする。このときの樹脂組成物５８は、ペースト状で、比較的粘度が大きいものを使用する。この樹脂組成物５８は、ハンダ粉６２、対流添加剤（図示せず）および樹脂６０を主成分として含み構成されている。なお、樹脂組成物１８はペースト状だけでなく、室温でシート状のものであってもよい。また、樹脂組成物５８を塗布する前に、配線基板５４の表面、特に端子部５６の表面は、例えばアセトンやアルコール等の有機溶剤あるいは洗浄液で清浄化処理を行っておくことが望ましい。
次に図６（ｃ）に示すように、配線基板５４の端子部５６と平板５０の突起部５２とが対向するように配線基板５４と平板５０とを位置あわせする。その後、平板５０の突起部５２が端子部５６に接触するように端子部５６を押し込み、同時に平板５０の表面を樹脂組成物５８上に当接させる。この当接により、樹脂組成物５８は配線基板５４と平板５０との間に均一に広がり、かつ所定の厚みを保持し、略密閉空間が形成される。このように当接することで、平板５０の突起部５２により、配線基板５４と平板５０との間隔を一定に保持することができる。このとき、平板５０と配線基板５４とは機械的に固定しておくことが望ましい。
次に、図６（ｄ）に示すように、少なくとも樹脂組成物５８をハンダ粉６２が溶融する温度まで加熱する。なお、樹脂組成物５８の加熱は、配線基板５４側からヒータで加熱してもよいし、平板５０側からヒータで加熱してもよい。あるいは、全体を加熱炉中に入れて全面から加熱する方法でもよい。あるいは、マイクロ波を照射して樹脂組成物５８と、その近傍のみを加熱してもよい。
この加熱温度では、樹脂組成物５８を構成する樹脂６０の粘度が小さくなり流動性が増加する。同時に、この温度で対流添加剤が沸騰あるいは分解して気体を放出する。このとき、放出された気体を含む樹脂組成物５８は、平板５０と配線基板５４とで閉じられた空間に充填されているので、気体は平板５０と配線基板５４との間の外周部の隙間から外部空間に放出されることになる。
なお、対流添加剤の沸騰あるいは分解は、必ずしもハンダ粉６２の溶融温度に達してからでなくてもよい。ハンダ粉６２が溶融する温度より低い温度で沸騰あるいは分解して気体を発生してもよい。
樹脂組成物５８中で発生した気体は、樹脂組成物５８中を対流しながら外周部に到達し外部へ放出されるので、この気体による対流のエネルギーを受けてハンダ粉６２も樹脂組成物５８中を激しく動き回る。この効果により、ハンダ粉６２が端子部５６に自己集合し、均一なバンプ形状が形成される。さらに、突起部５２の表面にはハンダに対して濡れ性の良好な金属膜７４が形成されているので、突起部５２にもハンダ粉６２が自己集合する。したがって、本実施の形態では、端子部５６と突起部５２との領域で同時にハンダの成長が生じる。
このようにして、端子部５６と突起部５２の表面上でハンダが成長し、最終的には突起部５２を取り囲むように平板５０の表面まで成長してハンダバンプ６４が形成される。
次に、図６（ｅ）に示すように、ハンダバンプ６４が形成された後で、加熱を止めてハンダバンプ６４を冷却して固化させる。固化が完了した後に、平板５０を除去することで、中央部に端子部５６まで達する窪み部６４ａを有するハンダバンプ６４が配線基板５４の端子部５６上に形成される。なお、突起部５２の表面には離型層７２が形成されているので、平板５０を除去するときに離型層７２と金属膜７４との間で容易にはずすことができる。
なお、樹脂組成物５８の樹脂６０として熱可塑性樹脂を用いた場合には、加熱を止めて冷却することで、樹脂６０も固化する。
これにより、中央部に端子部５６まで到達する窪み部６４ａを有するハンダバンプ６４が配線基板５４の端子部５６上に形成されたハンダバンプ形成電子部品、すなわちハンダバンプ形成配線基板を得ることができる。
このハンダバンプ６４は、その高さが平板５０と配線基板５４との隙間で規定されるため、ハンダバンプ６４の高さを非常に均一にできる。また、ハンダの成長が端子部５６と突起部５２との複数の領域で成長するため、横方向の径はあまり広がらず、高いハンダバンプ６４を形成することができる。また、中央部に端子部５６まで到達する窪み部６４ａを有しており、例えば半導体素子を実装すれば歩留まりよく実装することができる。
図８は、本実施の形態において作製されたハンダバンプ６４を有する配線基板５４に半導体素子６６を実装した実装構造体を示す断面図である。半導体素子６６には、端子部６８の表面にハンダバンプ６４の窪み部６４ａの形状とほぼ同じ形状のバンプ７０が設けられている。このバンプ７０は、例えば金（Ａｕ）をめっきにより形成してもよい。あるいは、スタッドバンプ方式で形成してもよい。
半導体素子６６のバンプ７０を配線基板５４のハンダバンプ６４の窪み部６４ａに嵌合させると電気的、機械的に接続が行われる。さらに、この後、熱可塑性またはＢステージ状態の樹脂６０を加熱して押圧すると、樹脂６０が軟化して半導体素子６６の表面にも接着する。これにより、実装領域を封止することもできる。
なお、本実施の形態では、配線基板にハンダバンプを形成したが、本発明はこれに限定されず、半導体素子に上記のようなハンダバンプを形成してもよい。この場合には、ウエハ状態で形成できるのでハンダバンプの形成をさらに効率よくできる。
また、本実施の形態では、凸型や凹型のハンダバンプの形成について説明したが、本発明はこれに限定されず、三角柱、四角柱、カルデラ形状、二段突起など複雑な形状であっても形成可能である。
以上、本発明を好適な実施形態により説明してきたが、こうした記述は限定事項ではなく、勿論、種々の改変が可能である。
なお、本実施形態における「嵌合」とは、半導体素子または配線基板の一方に形成されたハンダバンプの突状部を、半導体素子または配線基板の他方に形成された窪み部に挿入された状態をいい、必ずしも、隙間なく嵌め合わさった状態でなくてもよい。
また、本実施形態における「対流」とは、運動の形態としての対流を意味し、樹脂組成物中を放出された気体が運動することによって、樹脂組成物中に分散するはんだ粉に運動エネルギーを与え、はんだ粉の移動を促進する作用を与える運動であれば、どのような運動形態であっても構わない。
本発明のハンダバンプ形成方法および半導体素子の実装方法は、高密度実装が可能なハンダバンプ形成方法を提供するとともに、信頼性の高い半導体素子の実装方法を提供することができる。
図１（ａ）〜（ｅ）は、本発明の第１の実施形態にかかるハンダバンプ形成方法を模式的に示した工程断面図である。 図２（ａ）〜（ｅ）は、本発明の第２の実施形態にかかるハンダバンプ形成方法を模式的に示した工程断面図である。 図３（ａ）、（ｂ）は、本発明の第３の実施形態にかかる半導体素子の実装方法を模式的に示した工程断面図である。 図４は、同実施形態の半導体素子の実装方法の変形例にかかわる半導体素子実装構造体の断面図である。 図５は、同実施形態の半導体素子の実装方法の他の変形例にかかわる半導体素子実装構造体の断面図である。 図６（ａ）〜（ｅ）は、本発明の第４の実施形態にかかるハンダバンプ形成方法を模式的に示した工程断面図である。 図７は、同実施形態における表面に離型層及び金属膜が形成された突起部の部分拡大断面図である。 図８は、同実施形態における半導体素子の実装構造体を示す断面図である。
符号の説明
１０、３０、５０ 平板
１２、５２ 突起部
１４、５４ 配線基板
１６、３６、５６、６８ 端子部
１８、１９、５８ 樹脂組成物
２０、２１、６０ 樹脂
２２、２３、６２ ハンダ粉
２４、３８、６４ ハンダバンプ
２４ａ、６４ａ 窪み部
３０ 平板
３２ 凹部
３４、６６ 半導体素子
３８ａ 突状部
４０ ハンダバンプ形成配線基板
４２ ハンダバンプ形成半導体素子
４４ 一体化バンプ
４６ アンダーフィル樹脂
７０ バンプ
７２ 離型層
７４ 金属膜

Claims (12)

  1. 複数の端子部を有する電子部品の該端子部上にハンダバンプを形成する方法であって、
    表面に複数の突起部または凹部が形成された平板を用意する工程と、
    前記平板を前記電子部品に対向させて配置し、前記平板と前記電子部品との隙間にハンダ粉が含有された樹脂組成物を供給する工程と、
    前記樹脂組成物を加熱して、該樹脂組成物中に含有する前記ハンダ粉を溶融させ、該溶融したハンダ粉を前記端子部上に自己集合させることで前記平板の表面まで成長させることによって、前記端子部上にハンダバンプを形成する工程と、
    前記ハンダバンプを冷却して固化させた後、前記平板を除去する工程と
    を含み、
    前記ハンダバンプは、前記突起部に対応する窪み部、または前記凹部に対応する突状部を有することを特徴とするハンダバンプ形成方法。
  2. 前記樹脂組成物は、該樹脂組成物を加熱したとき、沸騰または分解して気体を放出する添加剤をさらに含有しており、
    前記ハンダバンプを形成する工程において、前記樹脂組成物を加熱することにより、前記添加剤から放出された気体が前記樹脂組成物中を対流することによって、前記溶融したハンダ粉が前記端子部上に自己集合することを特徴とする、請求項１に記載のハンダバンプ形成方法。
  3. 前記樹脂組成物を供給する工程は、
    前記電子部品上に前記樹脂組成物を供給する工程と、
    前記電子部品に対向させて、前記平板を前記樹脂組成物の表面に当接する工程と
    からなることを特徴とする、請求項１に記載のハンダバンプ形成方法。
  4. 前記平板を前記樹脂組成物に当接する工程において、
    前記突起部を前記端子部に接触させて、前記平板を前記樹脂組成物の表面に当接することを特徴とする、請求項３に記載のハンダバンプ形成方法。
  5. 前記電子部品は、配線基板または半導体素子であることを特徴とする、請求項１に記載のハンダバンプ形成方法。
  6. 前記突起部または前記凹部の表面には、ハンダに対して濡れ性を有する金属膜が形成されていることを特徴とする、請求項１に記載のハンダバンプ形成方法。
  7. 前記突起部または前記凹部の表面には、該突起部または該凹部に対して離型性を有する離型層が形成されていることを特徴とする、請求項１に記載のハンダバンプ形成方法。
  8. 前記平板を除去する工程の後、前記樹脂組成物を除去する工程をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載のハンダバンプ形成方法。
  9. 前記樹脂組成物は、該樹脂組成物を加熱したとき、沸騰または分解して気体を放出する添加剤をさらに含有しており、
    前記ハンダバンプを形成する工程は、
    前記樹脂組成物を加熱して、前記添加剤から放出された気体によって、前記樹脂組成物を移動させることにより、前記樹脂組成物を前記端子部上に自己集合させ、然る後、前記樹脂組成物をさらに加熱して、該樹脂組成物中に含有する前記ハンダ粉を溶融させ、該溶融したハンダ粉を前記端子部上に自己集合させることで前記平板の表面まで成長させることによって、前記端子部上にハンダバンプを形成する工程からなることを特徴とする、請求項１に記載のハンダバンプ形成方法。
  10. 半導体素子を配線基板上に実装する方法であって、
    前記半導体素子又は前記配線基板の一方の端子部上に、窪み部を有するハンダバンプを形成する工程と、
    前記半導体素子又は前記配線基板の他方の端子部上に、突状部を有するハンダバンプを形成する工程と、
    前記半導体素子の端子部上に形成されたハンダバンプと、前記配線基板の端子部上に形成されたハンダバンプとを互いに嵌合させて接合する工程と
    を含み、
    前記窪み部を有するハンダバンプ及び前記突状部を有するハンダバンプの少なくとも一方は、前記請求項１に記載のハンダバンプ形成方法により形成されることを特徴とする、半導体素子の実装方法。
  11. 前記ハンダバンプを互いに嵌合させて接合する工程は、互いに嵌合された前記ハンダバンプの少なくとも一方を溶融させる加熱工程を含むことを特徴とする、請求項１０に記載の半導体素子の実装方法。
  12. 前記半導体素子のハンダバンプと前記配線基板のハンダバンプとは、異なるハンダ材料からなることを特徴とする、請求項１１に記載の半導体素子の実装方法。
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