JP2009164016A - 端子シート、端子シートの製造方法及び半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体チップと回路基板との接続信頼性を高める。
【解決手段】半導体チップ２０と回路基板３０とを、絶縁性樹脂シート１１を貫通する端子部１２を有する端子シート１０によって、電気的に接続する。端子シート１０の端子部１２は、接着層１２ａ、応力緩和層１２ｂ及びバリア層１２ｃを備えた構成とする。半導体チップ２０と回路基板３０との間に端子シート１０を配置してリフローを行うと、接着層１２ａは半導体チップ２０の電極２１及び回路基板３０の電極３１と接合し、応力緩和層１２ｂはその端子シート１０に加わる応力の緩和に寄与し、バリア層１２ｃは端子部１２の形状維持と接着層１２ａ及び応力緩和層１２ｂの側方への流出抑制に寄与する。これにより、接続不良やショートが効果的に抑制される。
【選択図】図１

Description

本発明は、端子シート、端子シートの製造方法及び半導体装置に関し、特に、半導体チップと回路基板との接続に用いる端子シート及びその製造方法、並びに端子シートを用いて半導体チップと回路基板とを電気的に接続した半導体装置に関する。

はんだボール等のバンプを介して半導体チップと回路基板とを電気的に接続する半導体装置（半導体パッケージ）では、電気的接続後の半導体チップと回路基板との間に、それらの熱膨張差に起因する応力を緩和する等の目的で、絶縁性樹脂のアンダーフィルを充填することが広く行われている。

近年では、絶縁性樹脂シートの所定位置に形成した貫通孔に導電性粒子を埋設した端子シートを作製しておき、これを半導体チップと回路基板との間に挟み込んでそれらを仮接着した後、リフローを実施し、導電性粒子を溶融させることで、半導体チップと回路基板とを電気的に接続する技術も提案されている（例えば、特許文献１参照。）。この場合、導電性粒子がバンプとして、絶縁性樹脂部分がアンダーフィルとして、それぞれ機能する。

なお、従来は、セラミックや金属の積層体において、異なる層間に生じる応力を緩和するための層を設ける技術等も提案されている（例えば、特許文献２〜４参照。）。
特開２００７−１２２９６５号公報 特開２００４−６３７２８号公報 特開平７−９４６３３号公報 特開２００６−２９７８６８号公報

しかし、近年の半導体装置は、電子機器の部品の高密度化に対応して小型化が進み、また、その機能の増大に伴って信号処理用及び接地用の入出力端子の数も増加している。そのため、半導体チップと回路基板とをバンプで電気的に接続するような半導体装置では、バンプの狭ピッチ化が必要になってくる。

狭ピッチ化のためには、個々のバンプ径を小さくすることが必要になってくるが、その場合、電気的接続後に絶縁性樹脂を充填する方法、及び端子シートを用いて電気的接続を行う方法のいずれの方法においても、次のような問題が発生する。

すなわち、バンプ径を小さくして狭ピッチ化を図ると、半導体チップと回路基板との間の空間的ギャップが狭くなり、アンダーフィルとして機能する絶縁性樹脂の充填率が低下する。そのため、リフローの加熱・冷却過程で半導体チップと回路基板との熱膨張差に起因して発生する応力を、絶縁性樹脂だけでは十分に緩和することができなくなる。

さらに、リフローの加熱時にバンプが溶融状態になるとともに周囲の絶縁性樹脂が軟化して流動的になることで、溶融状態のバンプがそのような絶縁性樹脂を突き抜け、近接するバンプ同士が接触してショートが発生してしまう場合もある。さらにまた、バンプ径が小さいことに加え、熱膨張差のある半導体チップと回路基板に対してリフローの加熱・冷却が行われることで、バンプ−半導体チップ間或いはバンプ−回路基板間の接続不良が発生してしまったりする場合もある。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、接続信頼性の高い端子シート及びその製造方法を提供することを目的とする。また、本発明は、接続信頼性の高い半導体装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、次のような構成の端子シートを提供する。すなわち、この端子シートは、貫通孔を有する絶縁部と、前記貫通孔内に設けられた端子部と、を有し、前記端子部が、最も外側にそれぞれ配置される第１の導電層と、前記第１の導電層の間に配置され、前記第１の導電層よりも融点が低い第２の導電層と、前記第１の導電層と前記第２の導電層との間に配置され、前記第１の導電層よりも融点が高い第３の導電層と、を備えた構成を有する。

このような端子シートによれば、第１の導電層、第２の導電層及び第３の導電層を備えた端子部により、その表裏面間の導通が確保されるとともに、端子部の多層化により応力緩和機能が発現する。

開示の端子シートは、応力を緩和し、接続不良やショートの発生を効果的に抑制することができ、それにより、接続信頼性の高い半導体装置を得ることが可能になる。

以下、図面を参照して詳細に説明する。
図１は端子シートの説明図、図２及び図３は端子シートを用いた半導体装置の説明図である。

図１に示すように、端子シート１０は、絶縁性樹脂シート１１の所定位置に、複数の端子部１２がそれぞれ表裏面を露出させた状態で配置された構成を有している。端子シート１０は、半導体チップ２０と回路基板３０との間に挟まれて配置される。半導体チップ２０及び回路基板３０には、互いに対応する位置に、外部接続用の複数の電極２１及び電極３１がそれぞれ形成されていて、端子部１２は、それらの電極２１及び電極３１に対応する位置に配置されている。このような構成を有する端子シート１０の表裏面に、図２に示すように半導体チップ２０及び回路基板３０を仮接着し、その状態でリフローを実施することにより、半導体チップ２０の電極２１と回路基板３０の電極３１とが端子部１２を介して電気的に接続されるようになる。

なお、半導体チップ２０は、大きく分けて、トランジスタ等が形成された半導体基板部分２０ａと、配線やビアが形成された配線層部分２０ｂとからなっているが、ここでは便宜上、外部接続用に設けた電極２１以外のトランジスタ、配線、ビア等の内部の要素については図示を省略している。また、回路基板３０は、１又は２以上の絶縁基板及び配線層が積層されて構成されるが、ここでは便宜上、１層の絶縁基板３０ａとその表面に形成された配線層３０ｂのみを図示し、その配線層３０ｂのソルダレジスト３０ｃでコートされていない露出部分を外部接続用の電極３１とした場合を図示している。

ここで、端子シート１０の絶縁性樹脂シート１１には、アンダーフィル材をシート状に形成したもの（アンダーフィルシート）を用いることができる。アンダーフィル材としては、熱可塑性のポリイミド樹脂やフッ素樹脂を主成分とする樹脂材料等を挙げることができる。

端子シート１０の端子部１２は、ここでは、端子シート１０の表裏面に設けられた接着層１２ａ、接着層１２ａよりも内部に設けられた応力緩和層１２ｂ、及び接着層１２ａと応力緩和層１２ｂとの間に設けられたバリア層１２ｃの３種類の層を含んだ多層構造で構成されている。

接着層１２ａは、例えばリフローにおける加熱温度（リフロー温度）で溶融する金属材料を用いて構成され、リフローの加熱・冷却過程を経て、半導体チップ２０の電極２１及び回路基板３０の電極３１に接合される。応力緩和層１２ｂは、接着層１２ａよりも低融点の金属材料を用いて構成され、リフローの加熱過程においては接着層１２ａよりも早く溶融し、また、リフローの冷却過程においては接着層１２ａよりも遅く凝固して、リフロー時に端子シート１０に加わる応力を緩和する役割を果たす。バリア層１２ｃは、その融点が接着層１２ａよりも高い高融点の金属材料を用いて構成され、端子部１２の高さを調節するとともに、リフロー時に溶融状態となった接着層１２ａ及び応力緩和層１２ｂが接着することでそれらの側方への流出を留める役割を果たす。

このような端子シート１０を半導体チップ２０と回路基板３０との間に配置してリフローを実施すると、半導体チップ２０と回路基板３０との熱膨張差に起因する応力、主に回路基板３０の熱膨張によって発生した反りによる応力が、端子シート１０に加わることになる。

その際、端子シート１０では、リフローの加熱過程で、まず端子部１２の最も融点の低い応力緩和層１２ｂが溶融し始め、次いで、より融点の高い接着層１２ａが溶融し始める。この加熱過程で端子シート１０に加わる応力は、その応力の方向（例えば、図１及び図２の上下方向或いは左右方向等。）を問わず、溶融状態の応力緩和層１２ｂで吸収されて緩和される。さらに、端子シート１０に加わる応力は、溶融状態となった接着層１２ａによっても緩和され、接着層１２ａは、応力を緩和しつつ、半導体チップ２０の電極２１及び回路基板３０の電極３１と接着するようになる。

このとき、接着層１２ａと電極２１及び電極３１との界面領域においては、接着層１２ａの金属材料の拡散、並びに電極２１及び電極３１の金属材料の溶解により、接着層１２ａと電極２１及び電極３１との反応（金属反応）が起こる。

また、このようなリフローの加熱過程では、バリア層１２ｃにより、溶融状態の接着層１２ａ及び応力緩和層１２ｂの側方への流出が防止される。そのため、この加熱過程において絶縁性樹脂シート１１が軟化して流動的になっていた場合にも、一の端子部１２の金属材料が、そのような軟化した絶縁性樹脂シート１１を突き抜け、隣接する他の端子部１２の方へ流れて、隣接する端子部１２同士が接触してしまうのを防止することができる。

リフローの冷却過程では、加熱過程で溶融状態となった接着層１２ａ及び応力緩和層１２ｂの凝固が起こる。この冷却過程においても、半導体チップ２０と回路基板３０との熱膨張差に起因する応力、例えば熱膨張で生じた回路基板３０の反りが減少することによって発生する応力が、端子シート１０に加わることになる。

その際、端子シート１０では、冷却に伴い、接着層１２ａ及び応力緩和層１２ｂのうち、まず融点の高い接着層１２ａが凝固し、次いで、より融点の低い応力緩和層１２ｂが凝固する。上記のような金属反応が起こった接着層１２ａと電極２１及び電極３１との界面領域には、拡散・溶解した金属を含有する金属間化合物の層（図示せず。）が形成され、接着層１２ａの凝固に伴い、電極２１及び電極３１との間には強固な接合が形成される。さらに、この冷却過程で端子シート１０に加わる応力は、バリア層１２ｃで流出を抑えられつつ溶融状態にある接着層１２ａ及び応力緩和層１２ｂによって緩和されるとともに、接着層１２ａの凝固後は、それよりも遅いタイミングで凝固する応力緩和層１２ｂによって緩和される。

なお、リフローの際（加熱・冷却過程）には、絶縁性樹脂シート１１によっても、端子シート１０に加わる応力が緩和される。
このようなリフローの加熱・冷却過程を経て、図３に示すように、端子シート１０の端子部１２は、場合により当初の形状からの変形を伴いながら、半導体チップ２０と回路基板３０とを電気的に接続する。

半導体チップ２０と回路基板３０との電気的接続に、このような端子シート１０を用いることにより、リフロー時に発生する応力をその方向を問わず効果的に緩和し、端子部１２と電極２１及び電極３１との接続不良、隣接する端子部１２間でのショートの発生を効果的に抑制することができる。

端子シート１０に設ける端子部１２の接着層１２ａ、応力緩和層１２ｂ及びバリア層１２ｃに用いる金属材料の選択にあたっては、電気伝導性及びリフロー温度等を考慮するとともに、上記のようにそれらの融点について、応力緩和層１２ｂ＜接着層１２ａ＜バリア層１２ｃ、の関係を満たすような金属材料を選択する。

接着層１２ａ及び応力緩和層１２ｂには、例えば、はんだとして用いられる金属材料を用いることができる。そのような金属材料としては、スズ−銅（Ｓｎ−Ｃｕ）、スズ−銀−銅（Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ）、スズ−亜鉛（Ｓｎ−Ｚｎ）、スズ−アンチモン（Ｓｎ−Ｓｂ）、スズ−銀（Ｓｎ−Ａｇ）、スズ−ビスマス（Ｓｎ−Ｂｉ）、スズ−亜鉛−ビスマス（Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉ）、スズ−ビスマス−銀（Ｓｎ−Ｂｉ−Ａｇ）等を挙げることができ、融点について上記関係（応力緩和層１２ｂ＜接着層１２ａ）を満たすような組合せが選択される。

バリア層１２ｃには、端子部１２の中で最も融点が高くなるような金属材料（接着層１２ａ＜バリア層１２ｃ）を用い、例えば、銅（Ｃｕ）やＣｕを主体とする金属材料、ニッケル（Ｎｉ）やＮｉを主体とする金属材料等を用いることができる。バリア層１２ｃは、接着層１２ａ及び応力緩和層１２ｂと接触する層であり、リフローによってその界面領域に金属間化合物層が形成され得る。そのため、バリア層１２ｃの金属材料の選択にあたっては、融点のほか、その成分が溶解したときに接着層１２ａ及び応力緩和層１２ｂが受ける影響（成分混入による融点の変動等。）を考慮する。

表１に、端子部１２の各層に用いることのできる金属材料の組合せ例を示す。なお、表１における各金属材料のかっこ内の数字は、各金属材料の融点（℃）を示している。

なお、この表１には、１０種類の組合せを例示したが、端子部１２に適用可能な組合せはこれらに限定されるものではない。

また、端子部１２の厚さは、特に制限されるものではないが、それを含む端子シート１０が用いられる半導体装置の構成に応じて、１００μｍ〜７００μｍ程度の範囲に設定される。端子部１２を構成する接着層１２ａ、応力緩和層１２ｂ及びバリア層１２ｃの各層の厚さは、応力緩和層１２ｂ＜接着層１２ａ＜バリア層１２ｃ、の関係となるように設定しておくことが好ましい。

その場合、応力緩和層１２ｂは、リフロー時に端子シート１０に加わる応力、例えばそのリフロー時の回路基板３０の変形（反り）量等を考慮し、その厚さを設定すればよい。特に、応力緩和層１２ｂを厚く形成しすぎると、リフロー時に端子部１２の形状が大きく変形したり、バリア層１２ｃでその側方への流出を抑えきれなかったりする可能性がある点に留意する。また、接着層１２ａは、電極２１及び電極３１との接合に要する厚さに設定するとともに、応力緩和層１２ｂと同様、リフロー時に端子シート１０に加わる応力等を考慮してその厚さを設定すればよい。バリア層１２ｃについては、端子部１２全体の厚さ、並びに接着層１２ａ及び応力緩和層１２ｂの各厚さ等を考慮し、その厚さを設定すればよい。

例えば、厚さ約１００μｍの端子部１２を形成する場合には、応力緩和層１２ｂの厚さを１０μｍ程度とすれば、接着層１２ａの厚さを２０μｍ程度、バリア層１２ｃの厚さを２５μｍ程度としたり、接着層１２ａの厚さを１５μｍ程度、バリア層１２ｃの厚さを３０μｍ程度としたりすることができる。

なお、上記のような端子シート１０において、端子部１２のバリア層１２ｃは、必ずしも応力緩和層１２ｂの両面に形成されていることを要しない。このようにバリア層１２ｃが応力緩和層１２ｂの一方の面側にのみ形成されている場合（この場合、応力緩和層１２ｂの他方の面側には接着層１２ａが形成される。）であっても、そのバリア層１２ｃによって応力緩和層１２ｂ及び接着層１２ａの流出を抑えつつ、リフロー時に加わる応力を緩和することが可能である。

以下、端子シートとそれを用いた半導体装置の構成及び形成方法について、より具体的に説明する。
まず、第１の実施の形態について説明する。

ここでは、めっき法を用いて端子シートを形成する場合について説明する。この場合、端子シートは、接着層を含む第１シート部材と、バリア層及び応力緩和層を含む第２シート部材の２種類のシート部材をそれぞれ形成した後に、それらのシート部材を積層することによって形成する。

図４は第１シート部材の形成プロセスの説明図であって、（Ａ）はアンダーフィルシートの打ち抜き工程を示す図、（Ｂ）はアンダーフィルシートの打ち抜き後の状態を示す図、（Ｃ）は保護フィルム貼り付け工程を示す図、（Ｄ）は無電解Ｓｎめっき処理工程を示す図、（Ｅ）は電解Ｓｎ−Ｃｕめっき処理工程を示す図である。

ここでは絶縁性樹脂シートとして、熱可塑性ポリイミド樹脂にエポキシ系、シアネートエステル系、ポリオレフィン系、フェノール系、ナフタレン系及びシリコーン系の樹脂成分を配合したアンダーフィルシートを用いた。このような組成のアンダーフィルシートは、加熱温度２００℃以上で粘度が低下し、また、硬化が始まると５分以内程度で反応が終了する。

まず、図４（Ａ）に示したように、アンダーフィルシート４１（縦１００ｍｍ×横１００ｍｍ）の片面にポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）フィルム４２（縦１００ｍｍ×横１００ｍｍ×厚さ０．０３ｍｍ）を貼り合せたものを準備した。アンダーフィルシート４１の厚さは、形成する接着層の厚さに基づいて設定した。アンダーフィルシート４１の厚さは、例えば０．０３ｍｍとすることができる。アンダーフィルシート４１とＰＥＴフィルム４２との貼り合せには、アクリル系接着剤（図示せず。）を用い、１２０℃に加熱しながら加圧することによってそれらを貼り合せた。

その後、図４（Ａ）及び（Ｂ）に示したように、所定の金型を用いたＰＥＴフィルム４２側からの打ち抜きプレスにより、複数の貫通孔４３を同時に形成した。ここでは、アンダーフィルシート４１の中央部に、格子状に、直径０．１ｍｍの貫通孔４３を０．３ｍｍピッチで計４００個形成した。貫通孔４３の形成後、保護フィルムとして、図４（Ｃ）に示したように、打ち抜いたＰＥＴフィルム４２を貼り付けている面と反対側の面にも同様のＰＥＴフィルム４４（縦１００ｍｍ×横１００ｍｍ×厚さ０．０３ｍｍ）を同様の方法で貼り付けた。

ＰＥＴフィルム４４の貼り付け後、図４（Ｄ）に示したように、無電解Ｓｎめっき処理を施し、無電解Ｓｎめっき層４５ａを形成した。無電解Ｓｎめっき層４５ａの厚さは、例えば０．５μｍ〜１μｍ程度とすればよい。ここでは、この無電解Ｓｎめっき処理を、塩化第一スズ４０ｇ／Ｌ、チオ尿素３００ｇ／Ｌ、酒石酸２００ｇ／Ｌ、デキストリン５ｇ／Ｌの組成のめっき液を用い、めっき液温度８０℃、めっき時間１５分間の条件で行った。

続いて、図４（Ｅ）に示したように、電解Ｓｎ−Ｃｕめっき処理を施し、先に形成した無電解Ｓｎめっき層４５ａ上に電解Ｓｎ−Ｃｕめっき層４５ｂを形成し、アンダーフィルシート４１の貫通孔４３を埋め込んだ。電解Ｓｎ−Ｃｕめっき層４５ｂの厚さは、下地の無電解Ｓｎめっき層４５ａと合せて形成すべき接着層の厚さになるように設定すればよく、例えば０．０３ｍｍ程度とすることができる。ここでは、この電解Ｓｎ−Ｃｕめっき処理を、酸化第一スズ３０ｇ／Ｌ、酸化第二銅０．５ｇ／Ｌ、メタンスルホン酸２００ｇ／Ｌ、アセチルチオ尿素６ｇ／Ｌ、オクチルフェノールエトキシレートのエチレンオキサイド１０モル付加物８ｇ／Ｌ、カテコール１ｇ／Ｌの組成のめっき液を用い、アノードに金属Ｓｎを用いて、電流密度１５Ａ／ｄｍ^２、めっき時間８分間の条件で行った。

このようにして形成される第１シート部材４０における無電解Ｓｎめっき層４５ａ及び電解Ｓｎ−Ｃｕめっき層４５ｂからなる層（以下、「Ｓｎ−Ｃｕ層」という。）４５は、最終的に端子シートにおける端子部の接着層として機能する。

図５は第２シート部材の形成プロセスの説明図であって、（Ａ）はアンダーフィルシートの打ち抜き工程を示す図、（Ｂ）はアンダーフィルシートの打ち抜き後の状態を示す図、（Ｃ）は保護フィルム貼り付け工程を示す図、（Ｄ）は無電解Ｃｕめっき処理工程を示す図、（Ｅ）は電解Ｃｕめっき処理工程を示す図、（Ｆ）は保護フィルム剥離工程を示す図、（Ｇ）はレジスト形成工程を示す図、（Ｈ）は電解Ｓｎ−Ｚｎめっき処理工程を示す図、（Ｉ）はレジスト剥離工程を示す図である。

まず、上記の第１シート部材４０の形成と同様に、図５（Ａ）に示したように、アンダーフィルシート５１（縦１００ｍｍ×横１００ｍｍ）の片面に、アクリル系接着剤（図示せず。）を用い１２０℃で加圧してＰＥＴフィルム５２（縦１００ｍｍ×横１００ｍｍ×厚さ０．０３ｍｍ）を貼り合せた。アンダーフィルシート５１の厚さは、形成するバリア層及び応力緩和層の厚さに基づいて設定した。アンダーフィルシート５１の厚さは、例えば０．１２０ｍｍとすることができる。

その後も同様にして、図５（Ａ）及び（Ｂ）に示したように、金型を用いたＰＥＴフィルム５２側からの打ち抜きプレスにより、アンダーフィルシート５１の中央部に、格子状に、直径０．１ｍｍの貫通孔５３を０．３ｍｍピッチで計４００個、同時に形成した。貫通孔５３の形成後、保護フィルムとして、図５（Ｃ）に示したように、打ち抜いたＰＥＴフィルム５２を貼り付けている面と反対側の面にも同様のＰＥＴフィルム５４（縦１００ｍｍ×横１００ｍｍ×厚さ０．０３ｍｍ）を同様の方法で貼り付けた。

ＰＥＴフィルム５４の貼り付け後、図５（Ｄ）に示したように、無電解Ｃｕめっき処理を施し、無電解Ｃｕめっき層５５ａを形成した。無電解Ｃｕめっき層５５ａの厚さは、０．５μｍ〜１μｍ程度とすればよい。ここでは、この無電解Ｃｕめっき処理を、硫酸銅・５水和物１０ｇ／Ｌ、エチレンジアミン四酢酸・４ナトリウム３０ｇ／Ｌ、３７％ホルムアルデヒド３ｍｌ／Ｌ、ポリエチレングリコール２ｇ／Ｌ、α，α´−ジピリジルの組成のめっき液を用い、めっき液温度６０℃、めっき時間１５分間の条件で行った。

続いて、図５（Ｅ）に示したように、電解Ｃｕめっき処理を施し、無電解Ｃｕめっき層５５ａ上に、貫通孔５３を埋め込むように電解Ｃｕめっき層５５ｂを形成した。電解Ｃｕめっき層５５ｂの厚さは、下地の無電解Ｃｕめっき層５５ａと合せて形成すべきバリア層の厚さになるように設定すればよく、例えば０．１１ｍｍ程度とすることができる。ここでは、この電解Ｃｕめっき処理を、硫酸銅・５水和物２２５ｇ／Ｌ、９８％硫酸５５ｇ／Ｌ、塩素イオン６０ｍｇ／Ｌ、アミン類とグリシジルエーテル反応縮合物（互応化学工業製ＫＢ１２）２５０ｍｇ／Ｌ、ビススルホ有機化合物（ＳＯ_３Ｈ−Ｃ_３Ｈ_６−Ｓ−Ｓ−Ｃ_３Ｈ_６−ＳＯ_３Ｈ）６ｍｇ／Ｌの組成のめっき液を用い、アノードに金属Ｃｕを用いて、電流密度２Ａ／ｄｍ^２、めっき時間８０分間の条件で行った。

このようにして形成される無電解Ｃｕめっき層５５ａ及び電解Ｃｕめっき層５５ｂからなる層（「Ｃｕ層」という。）５５は、最終的に端子シートにおける端子部のバリア層として機能する。

Ｃｕ層５５の形成後は、図５（Ｆ）に示したように、アンダーフィルシート５１の一方の面側のＰＥＴフィルム５２を剥離した。そして、図５（Ｇ）に示したように、全面にレジスト５６を厚さ０．０１５ｍｍ〜０．０２ｍｍ程度で塗布して、それをアンダーフィルシート５１の貫通孔５３に開口部を有するようにパターニングした。

このようなパターニングを行った上で、図５（Ｈ）に示したように、電解Ｓｎ−Ｚｎめっき処理を施し、Ｃｕ層５５上に電解Ｓｎ−Ｚｎめっき層（「Ｓｎ−Ｚｎ層」という。）５７を形成した。Ｓｎ−Ｚｎ層の厚さは、形成すべき応力緩和層の厚さを基に設定すればよく、例えば０．０１ｍｍ程度とすることができる。ここでは、この電解Ｓｎ−Ｚｎめっき処理を、硫酸スズ３０ｇ／Ｌ、フェノールスルホン酸６０ｇ／Ｌ、硫酸亜鉛２５０ｇ／Ｌ、硫酸アンモニウム３０ｇ／Ｌ、非イオン活性剤（第一工業製薬製ノイゲン）６ｇ／Ｌの組成のめっき液を用い、電流密度５Ａ／ｄｍ^２、めっき時間３０分間の条件で行った。処理後、図５（Ｉ）に示したように、レジスト５６を除去した。

なお、図５（Ｅ）に示した電解Ｃｕめっき層５５ｂの形成工程後に、この電解Ｓｎ−Ｚｎめっき処理を行ってＳｎ−Ｚｎ層５７を形成することも可能である。ただし、その場合、形成するＳｎ−Ｚｎ層５７の厚さが薄いと、ＰＥＴフィルム５２の剥離時にそのようなＳｎ−Ｚｎ層５７も一緒に剥離してしまう可能性に留意する。

このようにして形成される第２シート部材５０におけるＳｎ−Ｚｎ層５７は、最終的に端子シートにおける端子部の応力緩和層として機能する。
１枚の端子シートを形成するために、上記のような第１シート部材４０及び第２シート部材５０をそれぞれ１組ずつ形成し、それらを積層することによって端子シートを形成した。

図６は端子シートの形成プロセスの説明図であって、（Ａ）は第１シート部材及び第２シート部材の配置関係を示す図、（Ｂ）は積層後の状態を示す図である。
第１シート部材４０及び第２シート部材５０を用いて端子シートを形成するに際しては、図６（Ａ）に示したように、ＰＥＴフィルム５４を剥離した１組の第２シート部材５０をＳｎ−Ｚｎ層５７同士を対向させて配置し、それを挟むように、ＰＥＴフィルム４２を剥離した第１シート部材４０をＳｎ−Ｃｕ層４５を第２シート部材５０のＣｕ層５５に対向させて配置した。

そして、正確に位置合せを行った後に、第２シート部材５０同士の間及び第１シート部材４０と第２シート部材５０との間を仮圧着することによって全体を一体化し、図６（Ｂ）に示したような端子シート６０を得た。この仮圧着は、温度１２０℃〜１５０℃程度の条件下で、０．１ＭＰａ〜０．５ＭＰａの圧力を印加することによって行うことができる。このような仮圧着により、主にアンダーフィルシート４１及びアンダーフィルシート５１の部分で、第１シート部材４０と第２シート部材５０との間、及び第２シート部材５０同士の間を接着し、一体化された端子シート６０を得た。ただし、図６（Ｂ）では、図６（Ａ）に示した１組のＳｎ−Ｚｎ層５７を単層のＳｎ−Ｚｎ層５７として図示し、さらに、図６（Ａ）に示した１組のアンダーフィルシート４１及び１組のアンダーフィルシート５１を単層のアンダーフィルシート６１として図示している。

このようにして、アンダーフィルシート６１内に、接着層であるＳｎ−Ｃｕ層４５、応力緩和層であるＳｎ−Ｚｎ層５７、及びバリア層であるＣｕ層５５を積層した端子部６２を有する端子シート６０を形成した。

続いて、このようにして得られる端子シート６０を用いて、ＦＲ−４のプリント回路基板と所定サイズの半導体チップとを接続した。
図７は端子シートとプリント回路基板との接続プロセスの説明図である。

まず、両面のＰＥＴフィルム４４を剥離した端子シート６０の接着層であるＳｎ−Ｃｕ層４５と、プリント回路基板７０の電極７１との位置合せを行った。そして、その位置合せを行った状態から、室温下にて接着を行った。なお、図７には、絶縁基板７０ａ、配線層７０ｂ及びソルダレジスト７０ｃを図示しており、プリント回路基板７０のソルダレジスト７０ｃでコートされていない配線層７０ｂの露出部分が電極７１となっている。

図８はプリント回路基板に接続後の端子シートと半導体チップとの接続プロセスの説明図である。
プリント回路基板７０への接着後は、まず、その端子シート６０の、半導体チップ８０が接合される面側のＳｎ−Ｃｕ層４５上にフラックス８２を塗布した。半導体チップ８０として、ここでは縦１０ｍｍ×横１０ｍｍ×厚さ０．５ｍｍのサイズのものを用いた。なお、図８では、半導体基板部分８０ａと配線層部分８０ｂとからなる半導体チップ８０の、トランジスタや配線等の内部要素の図示を省略し、外部に露出する電極８１のみを図示している。

このような半導体チップ８０を、チップボンダを用いて、フラックス８２を塗布した後の端子シート６０上に、Ｓｎ−Ｃｕ層４５と電極８１との位置合せを行って、室温下、０．５ｋｇの荷重を５秒間かけて、接着した。

図９は半導体装置の構成例を示す図である。
端子シート６０と半導体チップ８０との接着後は、窒素（Ｎ_２）雰囲気のリフロー炉（最高温度２６０℃）に投入し、加熱・冷却を行った。これにより、端子シート６０のＳｎ−Ｃｕ層４５と、プリント回路基板７０の電極７１及び半導体チップ８０の電極８１とを接合し、さらにＣｕ層５５とその両面のＳｎ−Ｃｕ層４５及びＳｎ−Ｚｎ層５７とを接合して、プリント回路基板７０と半導体チップ８０とを電気的に接続した半導体装置を形成した。

このリフローの際には、プリント回路基板７０と半導体チップ８０との熱膨張差に起因する応力が、端子シート６０によって吸収され、緩和される。すなわち、リフローの加熱過程では、まず、応力緩和層として機能する最も低融点のＳｎ−Ｚｎ層５７が溶融し始め、このとき端子シート６０に加わる応力を緩和する。接着層として機能するＳｎ−Ｃｕ層４５は、Ｓｎ−Ｚｎ層５７の溶融に続いて溶融し始め、応力を緩和しつつ、電極７１及び電極８１との間で金属反応を起こす。バリア層として機能するＣｕ層５５は、この加熱過程では溶融せず、Ｓｎ−Ｚｎ層５７及びＳｎ−Ｃｕ層４５の側方への流出を防止するほか、端子シート６０の端子部６２の高さ維持に寄与する。そして、リフローの冷却過程では、Ｓｎ−Ｃｕ層４５が凝固して電極７１及び電極８１との間に強固な接合を形成していく。その際、Ｓｎ−Ｚｎ層５７は、より遅いタイミングで凝固するため、冷却過程で発生する応力もまた、このＳｎ−Ｚｎ層５７によって緩和される。なお、リフローの際には、アンダーフィルシート６１も応力緩和に寄与している。

ここで、この第１の実施の形態の方法で得られた半導体装置について評価を行った結果について述べる。まず、得られた半導体装置の断面ＳＥＭ観察を行ったところ、端子シート６０の端子部６２間でショートが発生していないことが確認され、プリント回路基板７０及び半導体チップ８０と端子シート６０の端子部６２との間の接続不良もないことが確認された。また、−２５℃〜１２５℃の温度サイクル試験を行ったところ、１０００サイクルを経過しても初期値と同等の電気抵抗値が得られ、良好な結果を得ることができた。上記の方法により、接続不良及びショートが効果的に抑制された、接続信頼性の高い半導体装置を得ることができた。

次に、第２の実施の形態について説明する。
ここでは、端子シートの端子部を、薄板を積層していくことによって形成する場合について説明する。

図１０は端子シートの形成プロセスの説明図であって、（Ａ）はアンダーフィルシートの打ち抜き工程を示す図、（Ｂ）はアンダーフィルシートの打ち抜き後の状態を示す図、（Ｃ）は保護フィルム貼り付け工程を示す図、（Ｄ）は第１のＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ層充填工程を示す図、（Ｅ）は第１のＣｕ層充填工程を示す図、（Ｆ）はＳｎ−Ｂｉ層充填工程を示す図、（Ｇ）は第２のＣｕ層充填工程を示す図、（Ｈ）は第２のＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ層充填工程を示す図である。

ここでは、絶縁性樹脂シートとして、フッ素樹脂にエポキシ系、シアネートエステル系、ポリオレフィン系、フェノール系、ナフタレン系及びシリコーン系の樹脂成分を配合したアンダーフィルシートを用いた。このような組成のアンダーフィルシートは、加熱温度２００℃以上で粘度が低下し、また、硬化が始まると５分以内程度で反応が終了する。

まず、図１０（Ａ）に示したように、アンダーフィルシート１０１（縦１００ｍｍ×横１００ｍｍ×厚さ０．２９ｍｍ）の片面にＰＥＴフィルム１０２（縦１００ｍｍ×横１００ｍｍ×厚さ０．０３ｍｍ）を貼り合せたものを準備した。アンダーフィルシート１０１とＰＥＴフィルム１０２との貼り合せには、アクリル系接着剤（図示せず。）を用い、１２０℃に加熱しながら加圧することによって貼り合せた。

その後、図１０（Ａ）及び（Ｂ）に示したように、金型を用いたＰＥＴフィルム１０２側からの打ち抜きプレスにより、複数の貫通孔１０３を同時に形成した。ここでは、アンダーフィルシート１０１の中央部に、格子状に、直径０．２ｍｍの貫通孔１０３を０．４ｍｍピッチで計３６０個形成した。貫通孔１０３の形成後、保護フィルムとして、図１０（Ｃ）に示したように、打ち抜いたＰＥＴフィルム１０２を貼り付けている面と反対側の面にも同様のＰＥＴフィルム１０４（縦１００ｍｍ×横１００ｍｍ×厚さ０．０３ｍｍ）を同様の方法で貼り付けた。

ＰＥＴフィルム１０４の貼り付け後、まず、図１０（Ｄ）に示したように、厚さ０．０５ｍｍの薄板状のＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系ソルダプリフォーム（「Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ層」という。）１０５ａを、貫通孔１０３の開口部側（ＰＥＴフィルム１０２側）から内部に充填した。続いて、図１０（Ｅ）に示したように、厚さ０．０８ｍｍの圧延Ｃｕ箔を直径０．２ｍｍに打ち抜いたもの（「Ｃｕ層」という。）１０６ａを、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ層１０５ａが充填されている貫通孔１０３内に充填した。さらに、図１０（Ｆ）に示したように、厚さ０．０３ｍｍの薄板状のＳｎ−Ｂｉ系ソルダプリフォーム（「Ｓｎ−Ｂｉ層」という。）１０７を、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ層１０５ａ及びＣｕ層１０６ａが充填されている貫通孔１０３内に充填した。

次いで、図１０（Ｇ）に示したように、再び、厚さ０．０８ｍｍの圧延Ｃｕ箔を直径０．２ｍｍに打ち抜いたＣｕ層１０６ｂを、貫通孔１０３内のＳｎ−Ｂｉ層１０７上に充填し、さらに、図１０（Ｈ）に示したように、厚さ０．０５ｍｍの薄板状のＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系ソルダプリフォーム（Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ層）１０５ｂを、貫通孔１０３内のそのＣｕ層１０６ｂ上に充填した。

このようにして、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ層１０５ａ、Ｃｕ層１０６ａ、Ｓｎ−Ｂｉ層１０７、Ｃｕ層１０６ｂ及びＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ層１０５ｂを順次積層した端子部１０８を有する端子シート１００を形成した。この端子シート１００のＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ層１０５ａ及びＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ層１０５ｂは、端子部１０８の最外層にあって接着層として機能する。その内側に配置されたＣｕ層１０６ａ及びＣｕ層１０６ｂは、バリア層として機能する。また、中央部のＳｎ−Ｂｉ層１０７は応力緩和層として機能する。

続いて、このようにして得られる端子シート１００を用いて、プリント回路基板７０と半導体チップ８０とを接続した。ここでは、それらの接続に先立ち、まず、プリント回路基板７０に対して予備はんだ処理を実施した。

図１１はプリント回路基板の予備はんだプロセスの説明図である。
プリント回路基板７０の電極７１上に、メタルマスク１１０を用い、予備はんだ７２としてＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系ペーストを塗布した。

図１２は予備はんだ形成後のプリント回路基板と端子シートとの接続プロセスの説明図である。
電極７１に予備はんだ７２を形成したプリント回路基板７０を、上記端子シート１００に対して接続した。その際は、端子シート１００の打ち抜いたＰＥＴフィルム１０２を剥離した後、その端子シート１００をＰＥＴフィルム１０４側を下にして所定のステージ（図示せず。）上に配置し、ステージ側に吸引して固定した。そして、そのステージ上の端子シート１００に、プリント回路基板７０の予備はんだ７２側を対向させ、端子部１０８のＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ層１０５ｂと電極７１上の予備はんだ７２とを位置合せした状態で、接着した。

以降は、上記第１の実施の形態の図８に示したのと同様に行うことができる。すなわち、プリント回路基板７０を端子シート１００が接着された面を上にし、その端子シート１００に残るＰＥＴフィルム１０４を剥離した後に、半導体チップ８０が接合される面側のＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ層１０５ａ上にフラックスを塗布した。そして、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ層１０５ａと半導体チップ８０の電極８１との位置合せを行い、室温下、１ｋｇの荷重を５秒間かけ、半導体チップ８０を接着した。その後、Ｎ_２雰囲気のリフロー炉（最高温度２６０℃）に投入し、加熱・冷却を行った。これにより、端子シート１００のＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ層１０５ａと半導体チップ８０の電極８１、及び端子シート１００のＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ層１０５ｂとプリント回路基板７０の電極７１を接合し、さらに、Ｃｕ層１０６ａとＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ層１０５ａ並びにＳｎ−Ｂｉ層１０７、及びＣｕ層１０６ｂとＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ層１０５ｂ並びにＳｎ−Ｂｉ層１０７を接合して、プリント回路基板７０と半導体チップ８０とを電気的に接続した半導体装置を形成した。

このリフローの際には、端子シート１００のＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ層１０５ａ及びＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ層１０５ｂが接着層として機能し、Ｃｕ層１０６ａ及びＣｕ層１０６ｂがバリア層として機能し、Ｓｎ−Ｂｉ層１０７が応力緩和層として機能する。そのため、プリント回路基板７０と半導体チップ８０との熱膨張差に起因する応力が効果的に緩和されるようになる。

この第２の実施の形態の方法で得られた半導体装置について評価を行ったところ、断面ＳＥＭ観察では端子シート１００の端子部１０８間にショートは確認されず、プリント回路基板７０及び半導体チップ８０と端子シート１００の端子部１０８との間の接続不良も確認されなかった。また、−２５℃〜１２５℃の温度サイクル試験でも良好な結果を得ることができた。上記の方法により、ショート及び接続不良が効果的に抑制された、接続信頼性の高い半導体装置を得ることができた。

なお、以上の説明では、端子シートの端子部について、単層の応力緩和層の両面或いは一方の面にバリア層を設け、さらにその外側に接着層を設ける構成とすることが可能であることについて述べたが、さらに、応力緩和層を２層以上設ける構成とすることも可能である。その場合は、応力緩和層間にもバリア層を設ける構成とする。

また、端子シートの端子部の表裏面に露出する接着層同士、端子部に２層以上設ける場合の応力緩和層同士、バリア層同士はそれぞれ、必ずしも同じ厚さで構成されなくてもよい。

さらに、端子部の接着層同士、端子部に２層以上設ける場合の応力緩和層同士、バリア層同士はそれぞれ、必ずしも同じ材質で構成されなくてもよい。例えば、表面に露出する接着層と裏面に露出する接着層とを、それぞれに接合される電極の形態（材質等。）に応じ、それぞれに最適な材料を用いて構成するようにしても構わない。

また、以上の説明では、端子シートの端子部を構成する接着層、応力緩和層及びバリア層に金属材料を用いる場合を例にして述べたが、金属材料のほか、各層について、上記のような性質及び機能を有する導電材料を用いることが可能であり、また、各層について、金属材料とその他の導電材料を組み合わせて用いることも可能である。

端子シートの説明図である。 端子シートを用いた半導体装置の説明図（その１）である。 端子シートを用いた半導体装置の説明図（その２）である。 第１シート部材の形成プロセスの説明図であって、（Ａ）はアンダーフィルシートの打ち抜き工程を示す図、（Ｂ）はアンダーフィルシートの打ち抜き後の状態を示す図、（Ｃ）は保護フィルム貼り付け工程を示す図、（Ｄ）は無電解Ｓｎめっき処理工程を示す図、（Ｅ）は電解Ｓｎ−Ｃｕめっき処理工程を示す図である。 第２シート部材の形成プロセスの説明図であって、（Ａ）はアンダーフィルシートの打ち抜き工程を示す図、（Ｂ）はアンダーフィルシートの打ち抜き後の状態を示す図、（Ｃ）は保護フィルム貼り付け工程を示す図、（Ｄ）は無電解Ｃｕめっき処理工程を示す図、（Ｅ）は電解Ｃｕめっき処理工程を示す図、（Ｆ）は保護フィルム剥離工程を示す図、（Ｇ）はレジスト形成工程を示す図、（Ｈ）は電解Ｓｎ−Ｚｎめっき処理工程を示す図、（Ｉ）はレジスト剥離工程を示す図である。 端子シートの形成プロセスの説明図であって、（Ａ）は第１シート部材及び第２シート部材の配置関係を示す図、（Ｂ）は積層後の状態を示す図である。 端子シートとプリント回路基板との接続プロセスの説明図である。 プリント回路基板に接続後の端子シートと半導体チップとの接続プロセスの説明図である。 半導体装置の構成例を示す図である。 端子シートの形成プロセスの説明図であって、（Ａ）はアンダーフィルシートの打ち抜き工程を示す図、（Ｂ）はアンダーフィルシートの打ち抜き後の状態を示す図、（Ｃ）は保護フィルム貼り付け工程を示す図、（Ｄ）は第１のＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ層充填工程を示す図、（Ｅ）は第１のＣｕ層充填工程を示す図、（Ｆ）はＳｎ−Ｂｉ層充填工程を示す図、（Ｇ）は第２のＣｕ層充填工程を示す図、（Ｈ）は第２のＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ層充填工程を示す図である。 プリント回路基板の予備はんだプロセスの説明図である。 予備はんだ形成後のプリント回路基板と端子シートとの接続プロセスの説明図である。

符号の説明

１０，６０，１００ 端子シート
１１ 絶縁性樹脂シート
１２，６２，１０８ 端子部
１２ａ 接着層
１２ｂ 応力緩和層
１２ｃ バリア層
２０，８０ 半導体チップ
２０ａ，８０ａ 半導体基板部分
２０ｂ，８０ｂ 配線層部分
２１，３１，７１，８１ 電極
３０ 回路基板
３０ａ，７０ａ 絶縁基板
３０ｂ，７０ｂ 配線層
３０ｃ，７０ｃ ソルダレジスト
４０ 第１シート部材
４１，５１，６１，１０１ アンダーフィルシート
４２，４４，５２，５４，１０２，１０４ ＰＥＴフィルム
４３，５３，１０３ 貫通孔
４５ Ｓｎ−Ｃｕ層
４５ａ 無電解Ｓｎめっき層
４５ｂ 電解Ｓｎ−Ｃｕめっき層
５０ 第２シート部材
５５，１０６ａ，１０６ｂ Ｃｕ層
５５ａ 無電解Ｃｕめっき層
５５ｂ 電解Ｃｕめっき層
５６ レジスト
５７ Ｓｎ−Ｚｎ層
７０ プリント回路基板
７２ 予備はんだ
８２ フラックス
１０５ａ，１０５ｂ Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ層
１０７ Ｓｎ−Ｂｉ層
１１０ メタルマスク

Claims (7)

1. 貫通孔を有する絶縁部と、
   前記貫通孔内に設けられた端子部と、
   を有し、
   前記端子部が、
   最も外側にそれぞれ配置される第１の導電層と、
   前記第１の導電層の間に配置され、前記第１の導電層よりも融点が低い第２の導電層と、
   前記第１の導電層と前記第２の導電層との間に配置され、前記第１の導電層よりも融点が高い第３の導電層と、
   を有することを特徴とする端子シート。
2. 前記第２の導電層の厚さが、前記第１の導電層及び前記第３の導電層の厚さより薄いことを特徴とする請求項１記載の端子シート。
3. 前記第１の導電層及び前記第２の導電層が、はんだ材料からなり、
   前記第３の導電層が、銅またはニッケルを主とする材料からなることを特徴とする請求項１又は２記載の端子シート。
4. 前記絶縁部が、加熱により前記端子部が部分的に溶融したときに軟化する性質を有することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の端子シート。
5. 第１の導電層からなる第１の端子部を有する第１の絶縁シートを形成する工程と、
   前記第１の導電層よりも融点が低い第２の導電層と前記第１の導電層よりも融点が高い第３の導電層とが積層形成された第２の端子部を有する第２の絶縁シートを形成する工程と、
   前記第２の絶縁シートの両側に前記第１の絶縁シートを配置した後、前記第１の端子部と前記第２の端子部の位置を合わせて前記第１の絶縁シートと前記第２の絶縁シートとを貼り合せる工程と、
   を有することを特徴とする端子シートの製造方法。
6. 導電性を有する端子シートの製造方法において、
   絶縁部に形成した貫通孔にシート状の第１の導電層を配置する工程と、
   前記第１の導電層が配置された前記貫通孔にシート状の第２の導電層及び第３の導電層を積層して配置する工程と、
   前記第２の導電層及び前記第３の導電層を配置した前記貫通孔に前記第１の導電層を配置する工程と、
   を有し、
   前記第２の導電層は、前記第１の導電層より低融点であり、前記第３の導電層は、前記第１の導電層より高融点であり、
   前記第３の導電層の一方の面側に前記第１の導電層を配置し、前記第３の導電層の他方の面側に前記第２の導電層を配置できるように、前記第１の導電層、前記第２の導電層及び前記第３の導電層を配置することを特徴とする端子シートの製造方法。
7. 回路基板上に半導体チップが実装された半導体装置であって、
   前記回路基板と前記半導体チップの間に配置される端子シートが、
   貫通孔を有する絶縁部と、
   前記貫通孔内に設けられた端子部と、
   を有し、
   前記端子部が、
   最も外側にそれぞれ配置される第１の導電層と、
   前記第１の導電層の間に配置され、前記第１の導電層よりも融点が低い第２の導電層と、
   前記第１の導電層と前記第２の導電層との間に配置され、前記第１の導電層よりも融点が高い第３の導電層と、
   を有することを特徴とする半導体装置。
   

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