JP3792227B2 - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明はフィルム基板を用いたチップオンフィルム（Chip On Film）型の半導体装置およびその製造方法に関するものであり、特にフィルム基板と半導体素子との接続方法及び接続構造に関するものである。

従来のチップオンフィルム（Chip On Film）型の半導体装置（以下、ＣＯＦとも称す）について説明する。
図５（ａ）はＣＯＦの一部を示す断面図、図５（ｂ）は同ＣＯＦの図５（ａ）におけるＣ−Ｃ′断面の一部を示す断面図である。このＣＯＦは、フラットパネルディスプレイの駆動用ドライバーとして主に使用されるもので、柔軟な絶縁性フィルム基板であるテープキャリア基板５５に半導体素子５６が搭載され、封止樹脂６３により保護されている。

テープキャリア基板５５は、ポリイミドなどよりなる絶縁性フィルム基材５１、銅などよりなる導体配線５２、導体配線５２を被覆する金属めっき被膜５３、及び絶縁樹脂であるソルダーレジスト５４により構成されている。

半導体素子５６は、電極パッド５７上にバリア層５９を介して突起電極６１が形成されていて、この突起電極６１を介してテープキャリア基板５５上の導体配線５２と接続されている。突起電極６１の周囲の電極パッド５７表面は保護層５８で覆われている。

このＣＯＦを製造する際にはまず、図６（ａ）に示すように、テープキャリア基板５５（絶縁性フィルム基材５１、導体配線５２、金属めっき被膜５３、ソルダーレジスト５４）の素子搭載領域の所定部分に封止樹脂６３を塗布する。

次に、図６（ｂ）に示すように、半導体素子５６をフェースダウンでテープキャリア基板５５に対向させ、突起電極６１と導体配線５２とを位置合わせしたうえで、テープキャリア基板７上に載置する。

次に、導体配線５２と突起電極６１とを接続させる。ここで、突起電極６１は、例えば金を用いて高さ１０〜２０μｍ程度に形成されている。導体配線５２上の金属めっき被膜５３は、例えば錫や金を用いて膜厚０．３〜０．７μｍ程度に形成されている。このため、金属めっき被膜５３が例えば錫の場合には、３００〜４００℃程度まで熱を加えることにより、錫と金の固相拡散によって接続を生じさせる。金属めっき被膜５３が例えば金の場合には、熱の他に、図６（Ｃ）に示すように超音波振動６５を加えることがある。

次に、封止樹脂６３を硬化させることにより、図６（ｄ）に示すような、半導体素子５６とテープキャリア基板５５とが固定されたＣＯＦを得る（たとえば特許文献１参照）。
特開平１０−３３５３７３号公報

上述したように、チップオンフィルム型の半導体装置を構成するには、突起電極６１を持った半導体素子５６が必要であり、半導体素子５６上に予め突起電極６１を形成する工程を要する分、製造工程が複雑になり、製造コストの増加にもつながっていた。

また、導体配線５２上の金属めっき被膜５３が錫である場合には、経時変化によって錫が導体配線５２の中へ拡散してしまい、突起電極６１との接続強度が低下し、接続信頼性の低下を招くことがあり、テープキャリア基板５５の管理コストの増加にもつながっていた。

本発明は上記問題を解決するもので、チップオンフィルム型の半導体装置を効率よく、かつ接続信頼性高く製造することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のフィルム基板は、フィルム基材と、前記フィルム基材の表面に形成された導体配線と、搭載対象の半導体素子の複数の電極パッドに対応して前記導体配線上に形成された複数の突起電極と、前記複数の突起電極と導体配線の表面を被覆して前記半導体素子の電極パッドと同等の厚みに形成されためっき被膜とを有した構成としたことを特徴とする。

また本発明のフィルム基板の製造方法は、導体配線が表面に形成されたフィルム基材上をフォトレジストで覆い、このフォトレジストに、搭載対象の半導体素子の複数の電極パッドに対応する導体配線部分を露出させる開口をフォトリソグラフィー法により形成する工程と、前記開口から露出した前記導体配線上に電解めっき法により突起電極を形成する工程と、前記フォトレジストを除去する工程と、前記複数の突起電極と導体配線の表面を被覆するめっき被膜を前記半導体素子の電極パッドと同等の厚みにて形成する工程とを行なうことを特徴とする。

また本発明の半導体装置は、上記したフィルム基板と、複数の電極パッドを有し、前記電極パッドと前記フィルム基板の突起電極との接触部における固相拡散で接合されて前記フィルム基板上に搭載された半導体素子とを有した構成としたことを特徴とする。

具体的には、半導体素子の電極パッドはアルミニウムで形成され、フィルム基板のめっき被膜は金で形成されたことを特徴とする。
また、半導体素子の電極パッドとフィルム基板のめっき被膜がそれぞれ厚み０．６μｍ〜１．５μｍにて形成されたことを特徴とする。

また本発明の半導体装置の製造方法は、フィルム基板の突起電極と半導体素子の電極パッドとを位置合わせする工程と、位置合わせした突起電極と電極パッドとを突起電極表面のめっき被膜を介して接触させ、その接触部に熱と超音波振動の少なくとも一方を印可して固相拡散で接合を形成させることにより、前記フィルム基板上に半導体素子を搭載する工程と、前記半導体素子の搭載前あるいは搭載後に前記フィルム基板上の半導体素子搭載領域に封止樹脂を供給する工程と、前記フィルム基材上の封止樹脂を硬化させる工程とを行なうことを特徴とする。

本発明によれば、上記したようなフィルム基板を用いるため、フィルム基板の導体配線に半導体素子を接続させる際に、従来のように錫の拡散を利用することなく、接続部分に電極パッド（アルミニウム）とめっき被膜（金）で構成される強度の高い金属間化合物を多量に生成することができ、それにより接続部の強度を増大して、高い信頼性を確保することができる。また、半導体素子に予め突起電極を形成する必要がないため、その加工工程を排除でき、さらに突起電極形成専用の設備が不要になる分、半導体素子に関して低コスト化を実現できる。一方、フィルム基板には突起電極を形成することになるが、半導体素子への突起電極形成と異なって、フィルム基板の加工工程をそのまま利用して突起電極を形成できるため、新たな設備投資は不要であり、その分、低コスト化を実現できる。さらに、経年変化による錫の拡散を抑制する必要がない分、フィルム基板の管理コストを低下できる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
図１（ａ）は本発明の実施の形態１における半導体装置の一部を示す断面図、図１（ｂ）は同半導体装置の図１（ａ）におけるａ−ａ′断面の一部を示す断面図、図２は同半導体装置の製造方法を説明する工程断面図、図３は同半導体装置を構成するテープキャリア基板の製造方法を説明する工程断面図である。この実施の形態１の半導体装置は、先に図５および図６を用いて説明した従来のＣＯＦタイプの半導体装置とほぼ同様の構成を有しており、フラットパネルディスプレイの駆動用ドライバーとして主に使用される。

図１（ａ）（ｂ）に示す半導体装置は、柔軟な絶縁性テープキャリア基板７上に半導体素子８が搭載され、封止樹脂１６により保護されている。
半導体素子８は、アルミニウムよりなる複数の電極パッド９が形成されており、電極パッド９の周縁部表面は保護層１０で覆われている。

テープキャリア基板７は、ポリイミドなどよりなる絶縁性フィルム基材１上に銅などよりなる複数の導体配線２が形成され、各導体配線２上に前記半導体素子８の複数の電極パッド９をそれぞれ接続する突起電極３が形成され、各突起電極３および導体配線２の表面を被覆する第１および第２の金属めっき被膜４，５が積層形成されている。そして、突起電極３の最表面の第２の金属めっき被膜５と前記半導体素子８の電極パッド９との接触部での固相拡散による接合で、半導体素子８に対して電気的に接続されている。

なお、突起電極３は、導体配線２の上面と側面方向に等方的にめっきを成長させることで形成されていて、第１および第２の金属めっき被膜４，５を含んだ突起電極３の断面形状は半円状（蒲鉾型）となっている。第２の金属めっき被膜５は半導体素子８の電極パッド９と同等の厚みに形成されている。

上記半導体装置の製造方法を以下に説明する。
まず、図２を参照しながらテープキャリア基板７の製造方法を説明する。
図２（ａ）に示すように、フィルム基材１の表面に複数の導体配線２を並べて形成する。ここでは矩形のフィルム基材１の周縁領域に複数の導体配線２を、それぞれフィルム基材１の各辺と直交する方向に延びるように、かつ、フィルム基材１の各辺に沿う方向に互いに間隙を形成するように、並列に配列している。フィルム基材１は例えばポリイミドフィルムを用いる。導体配線２は例えば銅を用いて、その配列ピッチにもよるが、厚さ１０〜２０μｍ程度に形成する。さらに、矩形のフィルム基材１の周縁領域には、導体配線２を保護するソルダーレジスト６を形成しておく。ソルダーレジスト６の形成方法としては印刷法などを用いる。

次に、図２（ｂ）に示すように、複数の導体配線２をも覆うようにフィルム基材１の全表面にフォトレジスト２０を形成する。そして、図２（ｃ）に示すように、フィルム基材１に対して、導体配線２の配列方向に沿う方向（フィルム基材１の各辺に沿う方向）に連続した露光パターン２１ａが形成された露光マスク２１を対向配置し、この露光マスク側から露光する。ここでは露光パターン２１ａは、導体配線２の内端部にオーバーラップする適当なサイズおよび位置に開口するように、四角枠状に形成している。

その後に、露光されたフォトレジスト２０を現像して、図２（ｄ）に示すように、開口部２０ａを形成する。形成される四角枠状の開口部２０ａは、上記した露光パターン２１ａを持った露光マスク２１によるため、たとえ露光マスク２１が位置ずれしていても必ず各導体配線２と交わる。この開口部２０ａから露出した導体配線２上の露出部が突起電極形成領域である。

この状態で、図２（ｅ）に示すように、導体配線２上の露出部に電解めっき法によって突起電極３を形成する。このとき突起電極３は、上記したように露光パターン２１ａに対応するものであることから、設計した寸法通りに形成できる。なおこのとき突起電極３は、導体配線２と同じ材料を用いて、例えば導体配線２が銅であれば突起電極３も銅を用いて形成する。突起電極３の厚さは５〜１５μｍ程度とする。

次に、図２（ｆ）に示すようにフォトレジスト２０を剥離する。その後に、導体配線２と突起電極３の表面に、例えばニッケルよりなる第１のめっき被膜４と金よりなる第２のめっき被膜５とを順次に形成することにより、図１に示したテープキャリア基板７を得る。

なお、第１のめっき被膜４は、導体配線２と第２のめっき被膜５とが経時変化により固体拡散するのを防止する目的でバリア層として設けるもので、膜厚０．３〜０．７μｍ程度に形成する。第２のめっき被膜５は、半導体素子８の電極パッド９とほぼ同じ厚さに形成する。電極パッド９の厚さは、半導体素子８の製造プロセスに拠って概ね０．６〜１．５μｍ程度なので、めっき被膜５の厚さも０．６〜１．５μｍの範囲とする。

めっき被膜５の厚さが０．６μｍより小さい場合、接続部に形成される金属間化合物がアルミニウム（電極パッド９）が多い組成となり、強度が低く、もろい特性となってしまい、接続部の強度が低下して接続信頼性が確保できなくなる。逆に、めっき被膜５の厚さが１．５μｍより大きい場合には、接続部に形成される金属間化合物の特性に悪影響はないが、めっき被膜５の形成コストが高くなり、テープキャリア基板８のコストアップにつながる。

次に、図３を参照しながらテープキャリア基板７と半導体素子８との接続を説明する。
図３（ａ）に示すように、テープキャリア基板７上に封止樹脂１６を塗布する。この封止樹脂１６はフィルム基材１上、導体配線２に囲まれた中央部に供給するが、導体配線２や突起電極３を覆うところまで広がってもよい。

次に、図３（ｂ）に示すように、半導体素子８をフェースダウンでテープキャリア基板７に対向させて、電極パッド９と突起電極３とを位置合わせし、両者が接近する方向に加圧することにより、テープキャリア基板７と半導体素子８との間に介在する封止樹脂１６を押し出しながら、電極パッド９と突起電極３とを接触させる。このとき封止樹脂１６を６０〜２００℃程度に加熱すると、封止樹脂１６を押し出す効果が高まる。

次に、図３（ｃ）に示すように、半導体素子８に超音波振動１８を加えて、その電極パッド９と突起電極３上の第２のめっき被膜５とを接続させる。このときの接続条件としては、超音波振動１８のパワーは１電極当たり０．１〜０．８Ｗ程度、温度は８０〜２００℃程度、加圧力は１電極あたり２０〜１００ｇ程度とする。これにより、アルミニウム製の電極パッド９と金よりなるめっき被膜５との接触部分で、互いのアルミニウムと金とが固相拡散して金属間化合物が形成され、接続部が形成される。

その際に、接続部において、アルミニウム膜たる電極パッド９の全厚みを金属間化合物に変化させることが必要である。アルミニウムの層が残留すると、経時変化によって脆い金属間化合物が生成して接続部の強度低下をまねき、接続信頼性を低下させる結果となる。このため、電極パッド９の全厚みを金属間化合物とする目的で、上記したように第２のめっき被膜５と同等の膜厚が必要となるのである。

電極パッド９としては、上記したようにアルミニウムのみで形成する他、アルミニウムを主成分とした材料で構成されることも多く、銅、シリコン等が微量混ぜられる場合もある。電極パッド９をアルミニウムで形成する場合、テープキャリア基板７のめっき被膜５を金にすることで、非常に強度の高い金属間化合物を形成することができ、接続信頼性を確保できる。これ以外の組み合わせでは、金属間化合物を形成できなかったり、強度の弱い金属間化合物が形成されてしまう。

最後に、図３（ｄ）に示すように、封止樹脂１６をオーブン等で加熱して硬化させることにより、半導体素子８とテープキャリア基板７とを固定する。ただし、封止樹脂１６は、上述したようにテープキャリア基板７上に予め塗布するのでなく、導体配線２と突起電極３とを接続した後にテープキャリア基板７と半導体素子８との間隙に注入してもよい。

以上のようにして半導体装置を製造することにより、半導体素子８への突起電極形成が不要なため半導体素子８の低コスト化を実現するとともに、テープキャリア基板７の導体配線２への錫の拡散がないため、テープキャリア基板７の管理コストを低下できるだけでなく、半導体素子８との接続の高信頼性化を実現することができる。このような半導体装置は、上記したフラットパネルディスプレイの駆動用ドライバーなど、情報通信機器、事務用電子機器等に好適に使用できる。
（実施の形態２）
図４（ａ）は本発明の実施の形態２における半導体装置の一部を示す断面図、図４（ｂ）は同半導体装置の図４（ａ）におけるｂ−ｂ′断面の一部を示す断面図である。

この実施の形態２の半導体装置が上記した実施の形態１の半導体装置と相違するのは、テープキャリア基板７の突起電極３上に金のめっき被膜１１のみが形成されている点である。めっき被膜１１の厚みは半導体素子８の電極パッド９の厚さと同等であり、このため実施の形態１と同様の効果が得られる。

この半導体装置の製造方法は、実施の形態１の半導体装置とほぼ同様であるが、めっき被膜１１が単層であることにより、実施の形態１に比べてめっき工程を１工程削減でき、さらなる低コスト化を図ることができる。

本発明に係る半導体装置は、半導体素子との接続が高信頼性化したものとなるため、情報通信機器、事務用電子機器等に有用である。

本発明の実施の形態１における半導体装置の構成を示す断面図 図１の半導体装置の製造方法を説明する工程断面図 図１の半導体装置を構成するテープキャリア基板の製造方法を説明する工程断面図 本発明の実施の形態２における半導体装置の構成を示す断面図 従来の半導体装置の構成を示す断面図 図５の半導体装置の製造方法を説明する工程断面図

符号の説明

１ フィルム基材
２ 導体配線
３ 突起電極
４ めっき被膜
５ めっき被膜
７ テープキャリア基板（フィルム基板）
８ 半導体素子
９ 電極パッド
16 封止樹脂
18 超音波振動
20 フォトレジスト
20a 開口
21 露光マスク
21a 露光パターン

Claims (6)

1. フィルム基材と、前記フィルム基材の表面に形成された導体配線と、搭載対象の半導体素子の複数の電極パッドに対応して前記導体配線上に形成された複数の突起電極と、前記複数の突起電極と導体配線の表面を被覆して前記半導体素子の電極パッドと同等の厚みに形成されためっき被膜とを有したフィルム基板。
2. 請求項１記載のフィルム基板の製造方法であって、
   導体配線が表面に形成されたフィルム基材上をフォトレジストで覆い、このフォトレジストに、搭載対象の半導体素子の複数の電極パッドに対応する導体配線部分を露出させる開口をフォトリソグラフィー法により形成する工程と、前記開口から露出した前記導体配線上に電解めっき法により突起電極を形成する工程と、前記フォトレジストを除去する工程と、前記複数の突起電極と導体配線の表面を被覆するめっき被膜を前記半導体素子の電極パッドと同等の厚みにて形成する工程とを行なうフィルム基板の製造方法。
3. 請求項１記載のフィルム基板と、複数の電極パッドを有し、前記電極パッドと前記フィルム基板の突起電極との接触部における固相拡散で接合されて前記フィルム基板上に搭載された半導体素子とを有した半導体装置。
4. 半導体素子の電極パッドはアルミニウムで形成され、フィルム基板のめっき被膜は金で形成された請求項３に記載の半導体装置。
5. 半導体素子の電極パッドとフィルム基板のめっき被膜がそれぞれ厚み０．６μｍ〜１．５μｍにて形成された請求項３または請求項４のいずれかに記載の半導体装置。
6. 請求項３〜請求項５のいずれかに記載された半導体装置の製造方法であって、
   フィルム基板の突起電極と半導体素子の電極パッドとを位置合わせする工程と、位置合わせした突起電極と電極パッドとを突起電極表面のめっき被膜を介して接触させ、その接触部に熱と超音波振動の少なくとも一方を印可して固相拡散で接合を形成させることにより、前記フィルム基板上に半導体素子を搭載する工程と、前記半導体素子の搭載前あるいは搭載後に前記フィルム基板上の半導体素子搭載領域に封止樹脂を供給する工程と、前記フィルム基材上の封止樹脂を硬化させる工程とを行なう半導体装置の製造方法。

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