JPH09116249A - 半導体装置及び表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 絶縁基板上の配線パターンに半導体素子がバ
ンプを介して良好に接続されている高密度かつリペア容
易な半導体装置および表示装置を提供する。 【構成】 バンプの配線と接続する面に予め凹部を形成
し、半導体素子と基板とを凹部に充填した導電ペースト
で接続する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体素子が、バンプ
を介してその接続面を下にして基板上に実装された半導
体装置及び表示装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体装置および表示装置をより
薄く、より高密度に実装する方法として、配線基板上に
半導体素子を固着搭載し、ワイヤを用いて電気的接続を
行うようにしたいわゆるワイヤボンディング実装に代わ
り、半導体素子に突起電極（バンプ）を形成して直接基
板に接続し実装するフェイスダウン実装技術が開発され
てきている。フェイスダウン実装はスーパーコンピュー
タなどに適用するハンダバンプを用いたフリップチップ
技術や、液晶ディスプレイなどに適用するＣＯＧ（Ｃｈ
ｉｐ ｏｎ ｇｌａｓｓ）等、用途に応じて様々な接続
材料、実装方式などが提案されている。

【０００３】ＣＯＧ技術の一手法として、図１２に示す
ように、半導体素子上に金または銅からなるバンプを形
成し、該バンプ上にさらに銀を主成分とする導電ペース
トを形成し、半導体素子を基板の配線上に搭載し、導電
ペーストを硬化することで、接続をとる技術が提案され
ている。しかし、この方法では、半導体素子を基板に搭
載する際に導電ペーストが広がり、隣接バンプ間でショ
ートを発生するために、バンプ間のピッチを広くする必
要があり、高密度に実装する妨げとなっていた。

【０００４】このため、接続ピッチを細かくする方法と
して、図１３に示すように、バンプを凸状に形成し、該
バンプに導電ペーストを転写することで、導電ペースト
の広がりを防ぐ方法が提案されている。しかし、この方
法では図１２に示す方法より微細ピッチの接続ができる
が、やはり導電ペーストが広がり、隣接バンプ間でショ
ートが発生することがあった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記問題点
を考慮してなされたもので、バンプと配線を導電ペース
トを介して接続するいわゆる導電ペーストＣＯＧ実装技
術を用いた半導体装置および表示装置において、導電ペ
ーストの広がりによる隣接バンプ間のショートを防止
し、より高密度な半導体装置および表示装置を提供する
ことを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、第１に、配線
基板と、上面に凹部を有する突起電極が接続パッド上に
形成され、該突起電極を介して該配線基板上に実装され
た半導体素子とを具備することを特徴とする半導体装置
を提供する。

【０００７】本発明は、第２に、配線基板と、縁に少な
くとも１つの開口を有する溝を設けた突起電極が接続パ
ッド上に形成され、該突起電極を介して該配線基板上に
実装された半導体素子とを具備する半導体装置におい
て、前記複数の突起電極は、前記開口が前記半導体装置
の内側あるいは外側に向くように配列されることを特徴
とする半導体装置を提供する。

【０００８】本発明は、第３に、配線基板と、縁に開口
を有する溝を設けた複数の突起電極が形成され、該突起
電極を介して該配線基板上に実装された半導体素子とを
具備する半導体装置において、前記複数の突起電極は、
前記開口が前記半導体装置の内側あるいは外側に交互に
向くように配列されることを特徴とする半導体装置を提
供する。

【０００９】本発明は、第４に、表示素子が設けられた
基板と、上面に凹部を有する突起電極が接続パッド上に
形成され、該突起電極を介して該基板上に実装された半
導体素子とを具備することを特徴とする表示装置を提供
する。

【００１０】本発明は、第５に、表示素子が設けられた
基板と、縁に少なくとも１つの開口を有する溝を設けた
突起電極が接続パッド上に形成され、該突起電極を介し
て該基板上に実装された半導体素子とを具備することを
特徴とする表示装置を提供する。

【００１１】本発明は、第６に、表示素子が設けられた
基板と、縁に開口を有する溝を設けた複数の突起電極が
形成され、該突起電極を介して該基板上に実装された半
導体素子とを具備する半導体装置において、前記複数の
突起電極は、前記開口が前記半導体装置の内側あるいは
外側に交互に向くように配列されることを特徴とする表
示装置を提供する。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明に係わる半導体装置を、図
１を参照して詳細に説明する。図１に示すように、半導
体素子１は、その表面に多数のバンプ２が形成されてい
る。絶縁基板３上に形成された配線パターン４上には、
バンプ２および基板３に接続している面に凹部５が形成
されており、その凹部５に充填されている導電ペースト
６を介して接続されている。

【００１３】配線パターン４を有する絶縁基板３として
は、ガラス基板・樹脂基板の他、例えばアルミナ・窒化
アルミニウムのようなセラミックからなる基板の片面も
しくは両面に配線パターンが形成されたサーキット・ボ
ード等をあげることができる。バンプ２の材料として
は、導電性を有する物質であれば特に規制されないが、
例えばＣｕ，Ｎｉ，Ａｕ等が挙げられる。

【００１４】バンプ２の形成法としては、例えばスクリ
ーン印刷・メッキ、スパッタ等が挙げられる。凹部５を
形成する方法としては、例えば（１）凹部を予め形成し
た基板上にメッキを施す方法、（２）メッキを二段階に
分けて異なるレジストマスクを用いて行う方法、（３）
二種類のスクリーンマスクを用いてスクリーン印刷を複
数回繰り返す方法及び（４）レジストマスク及びメッキ
条件例えば流速、添加剤濃度等を調節することにより、
バンプ中央のメッキ析出速度を小さくする方法などがあ
る。

【００１５】凹部の形状の実施形態を図２ないし図６に
示す。図示するように、凹部５としては、図２に示すよ
うな池状でも良いが、より好ましい態様としては、図３
に示すように、凹部５を、隣接するバンプに面していな
い側面２１の縁に一箇所の開口を有する溝状、あるいは
図４に示すように対向する側面２１の両縁に一箇所ずつ
の開口を有する溝状に形成し、開口が半導体装置の内側
あるいは外側に向くように配列することにより、バンプ
２の凹部５に充填された導電ペースト６が、接続時にバ
ンプ２周辺に流出した場合にも、凹部５が導電ペースト
６の逃げ道となり、隣接するバンプに向かって流れ出る
ことがないようにすることができる。また、特に、図３
に示すような一箇所の開口を有する溝状の凹部を有する
突起電極を設ける場合には、半導体装置の内側あるいは
外側に交互に向くように配列することにより、隣接する
バンプ間への導電ペーストの流出を効果的に防止するこ
とができる。

【００１６】また、バンプ２の凹部５の形状は、図５に
示すように十字型であってもよいし、図６に示すよう
に、例えば図４のバンプの凸部に相当する形状の２本の
直方体状のバンプを形成し、２つのバンプの対向する側
壁と接続パッドの上面により溝を構成するようにしても
よく、凹部の底面には、バンプ材料が存在しなくても差
支えない。

【００１７】前記配線パターン４の材料としてはＩＴＯ
・モリブデン・金、ニッケル等の導電体が挙げられ、形
成方法にはスパッタリング・スクリーン印刷・蒸着・メ
ッキ等がある。

【００１８】次に、本発明に係る表示装置の一実施形態
を、図７を参照して詳細に説明する。半導体素子１は、
その表面に多数のバンプ２が形成されており、表示装置
の基板３上の表示部７周辺に形成された配線パターン４
上に、前記バンプ２を介して接続されている。バンプ２
は基板３に接続している面に凹部５が形成されており、
その凹部５には導電ペースト６が充填されている。

【００１９】バンプの形成方法、好ましい形状、配線パ
ターンの材料は、前述の半導体装置と同様である。本発
明によれば、バンプと配線パターンとの接続面に例えば
池状あるいは溝状の凹部を設け、半導体素子の接続の際
に導電ペーストを凹部内に充填することにより、接続時
に、加熱されても、導電ペーストが流出しにくくなり、
隣接バンプ間のショートを防ぐことができる。

【００２０】以下、本発明にかかる半導体装置の第１の
実施形態の具体的な形成方法について、図１を参照しつ
つ詳細に説明する。本発明にかかる半導体装置は、図１
に示すようにアルミナ基板３上に形成された金／ニッケ
ル／チタン／タングステン配線パターン４に、半導体素
子１がＡｕバンプ２および導電ペースト６を介して接続
された構造になっている。Ａｕバンプ２は、前記配線パ
ターン４に接続されている面に溝５が形成されており、
溝５内には導電ペースト６が充填されている。溝５は隣
接するＡｕバンプに面した側面と平行な方向、即ち隣接
バンプに面していない側面２１を貫くように形成されて
いる。このような方向に溝を配置することにより、例え
隣接するバンプの各導電ペーストが流出しても、導電ペ
ースト同志が接触して短絡が起こることを防止できる。

【００２１】ここで、図１に示す半導体装置の製造プロ
セスを示す。半導体素子１にはアルミニウム電極が形成
されている。このアルミニウム電極上にバリアメタルを
成膜する。バリアメタルとしては、例えばアルミニウム
との接着層であるチタン、クロム、拡散防止層であるニ
ッケル、チタン−タングステン、さらにメッキによりバ
ンプを形成するための金、パラジウム、銅などの積層構
造を使用することができる。ここでは、スパッタ法によ
ってパラジウム／ニッケル／チタン／（アルミニウム電
極）の積層構造よりなるバリアメタルを成膜した。

【００２２】次に、メッキレジストをスピンコートによ
り１０μｍの厚さに塗布し、露光、現像を行ない、バリ
アメタルをメッキ電極として、アルミニウム電極上に１
００μｍ□の金バンプを１０μｍ、ピッチ１２０μｍで
形成した。さらに、メッキレジストを１０μｍの厚さで
塗布し、露光、現像により形成した金バンプの幅１００
μｍのところに、３０×１００μｍのパターニングを２
本行い、ここに、高さ１０μｍの金バンプを形成した。
得られた金バンプは、図４に示す形状を有し、金バンプ
の高さは２０μｍ、溝部分は４０×１００μｍ、山部分
は３０×１００μｍであった。メッキレジストを剥離
し、金バンプをマスクにバリアメタルをエッチングし、
金バンプの工程を終了した。

【００２３】さらに、得られた金バンプ上に、以下のよ
うにして導電ペーストを印刷した。導電ペーストとして
は、例えば銀、銀−パラジウム、銀−白金など銀を主成
分としたものを用いることができる。ここでは、銀−パ
ラジウムペーストを用いて任意の基板上の一面に印刷し
た。そこに、バンプの配列に対応するように形成した転
写用基板をスタンプし、銀−パラジウムペーストを転写
用基板に転写した。転写用基板は高さ２０μｍ、３０×
５０μｍの突起が１２０μｍピッチで形成されており、
転写によって３０×５０μｍの突起状の部分に銀−パラ
ジウムペーストが転写された。

【００２４】その後、溝を有する金バンプが形成された
半導体素子と転写用基板との位置合わせを行い、溝の部
分に銀−パラジウムペーストを転写した。次に、銀−パ
ラジウムペーストが転写された半導体素子と配線基板と
の位置合わせを行い、半導体素子を基板に搭載し、銀−
パラジウムの硬化する１５０℃、３０分の条件で硬化を
行い、半導体素子と基板を接続した。

【００２５】銀−パラジウムペーストは、搭載の際に凹
状バンプの溝に沿って多少広がったものの、凹状バンプ
の山の部分が壁となり横方向にはほとんど広がらなかっ
た。このため、一つのバンプから流出した銀−パラジウ
ムペーストが、隣のバンプあるいはそのバンプから流出
した銀−パラジウムペーストと接触することはなかっ
た。

【００２６】半導体素子１の接続を検査し、半導体素子
１の取換えが必要な場合には、簡易治具により半導体素
子１に剪断力を加えることでアルミナ基板３から剥離す
ることができる。検査で正常に動作していることを確認
した後、半導体素子と基板の隙間に樹脂を充填し、硬化
させることができる。本実施形態では、金バンプの形成
を２段階で行い、溝を有するバンプを形成する例を示し
たが、図６に示したように、バンプの形成を１段階のみ
とし、アルミニウム電極やバリアメタル上に直接凹部を
有するバンプを形成してもよい。

【００２７】また、図７に示したようにアルミナ基板の
代わりに、表示装置用のガラス基板を用いてもよい。表
示装置の場合は、図７に示すように、ガラス基板３上の
表示部７周辺に形成された配線パターン４上に、半導体
素子３が、Ａｕバンプ２を介して接続された構造になっ
ている。Ａｕバンプ２は、前記配線パターン４に接続さ
れている面に溝５が形成されており、溝５内にはＡｇペ
ースト６が充填されている。溝５は、隣接するＡｕバン
プに面した側面と平行な方向即ち隣接バンプに面してい
ない側面２１を貫くように形成されている。Ａｕバンプ
２及びＡｇペーストの形成は、先ほどと同様の工程で行
う。ガラス基板の配線はＩＴＯを用いた。

【００２８】次に、本発明にかかる半導体装置の第２の
実施形態について説明する 本発明の半導体装置の第２の実施形態では、半導体素子
上に形成するバンプを、半導体素子上に形成されている
ボンディングパッドの中央に、ＰＥＰ工程とＡｌエッチ
ング工程により、幅３０μｍ、深さ１μｍの溝を形成
し、その上にバリアメタル層をスパッタによって１μｍ
形成し、Ａｕをメッキによって２０μｍ厚に形成し、中
央に、幅３０μｍ、深さ１μｍの溝をもつように作成し
た以外は実施例１と同様な半導体装置を組み立てた。得
られたＡｕバンプは、第１の実施形態とは、その寸法が
異なるが、図４と同様の形状を有する。

【００２９】得られた半導体装置の検査前の仮接続は、
溝内にＡｇペーストを充填し、大気中、１００℃で、１
０分の熱処理によりＡｇペーストを仮硬化させて行なっ
た。半導体素子の検査により、半導体素子の取替えが生
じたので、簡易治具により半導体素子１をアルミナ基板
から剥離したところ、アルミナ基板の配線パターン上に
Ａｇペーストが残ったものの、損傷は、全く認められな
かった。

【００３０】別の半導体素子を同様に仮接続した後、検
査により半導体素子の良品が確認されたため、本接続と
して半導体素子側を３８０℃に加熱するとともに、アル
ミナ基板を６０℃に加熱し、１バンプ辺り５０ｇの荷重
をかけながら、５秒間圧接し、一度に全てのＡｕバンプ
を配線パターンに固相拡散接合により本接合を行なっ
た。このとき、バンプの溝内に充填されていたＡｇペー
ストが、本接続の高温・高圧条件により、バンプ周辺に
流出したが、溝の形成されている方向に流出し、隣接し
たバンプ間には広がらなかったので、隣接するバンプと
の短絡は、発生しなかった。本接合において、電気的接
続不良はなかった。

【００３１】以下に、本発明にかかる半導体装置の第３
の実施形態について説明する。本発明の半導体装置の第
３の実施形態では、半導体素子上に形成するバンプを、
半導体素子上に形成されているボンディングパッド上
に、Ａｕのスクリーン印刷を１０μｍ厚ずつ２回繰り返
し、一回目のマスクを８０μｍ角の正方形パターンにマ
スク、２回目のマスクを中心４０μｍ幅を覆った８０μ
ｍ角の正方形パターンとする以外は実施例１と同様にし
て、幅４０μｍ、深さ１０μｍの池状の凹部を有する８
０μｍ角、高さ２０μｍのバンプを形成した。

【００３２】半導体素子検査前の仮接続は、溝内にＡｇ
ペーストを充填し、大気中、１００℃で、１０分間の熱
処理により、Ａｇペーストを熱硬化させて行なった。半
導体素子の検査により、半導体素子の取替えが生じたの
で、簡易治具により、半導体素子１を、アルミナ基板か
ら剥離したところ、アルミナ基板上の配線パターン上に
は微量のＡｇペーストが残ったものの、損傷は全く認め
られなかった。

【００３３】別の半導体素子を同様に仮接続した後、検
査により半導体素子の良品が確認されたため、本接続と
して半導体素子側を３８０℃に加熱するとともに、アル
ミナ基板を６０℃に加熱し、１バンプ当たり５０ｇの荷
重をかけながら５秒間圧接し、一度に全てのＡｕバンプ
を配線パターンに固相拡散接合することにより本接合を
行なった。このとき、バンプの溝内に充填されていたＡ
ｇペーストが、本接続の高温・高圧条件下では、バンプ
周辺へほとんど流出せず、隣接するバンプが短絡するこ
とはなかった。この本接合において、電気的接続不良は
発生しなかった。

【００３４】更に、以下に、本発明の半導体装置の第４
の実施形態について説明する。この半導体装置に用いら
れる半導体素子では、バンプをメッキで形成するに先立
ち、レジストマスクを開口部端部でオーバーハングする
ように形成した。本発明の半導体装置の第４の実施形態
に用いられるレジストマスクの形状を表す該略図を図８
に示す。図８に示すように、半導体素子１上に形成され
たレジストマスク８は開口部端部でオーバーハングして
いる。レジストマスク８をこのような形状にすることに
より、メッキ液中で半導体素子１のメッキ流速度を形成
されるバンプ２の中央部で極大となるようにすることが
できる。

【００３５】図９に、バンプパターン内のメッキ液流速
分布を表すグラフ図を示す。この流速分布は、図８に示
すレジストマスク端部の断面に沿った方向をｘとした場
合の流速分布を示す。図９に示すように、その流速は、
開口部の中央部で極大となる。

【００３６】また、図１０に、メッキ液流速とメッキ析
出速度との関係を表すグラフ図を示す。図１０の実線ａ
に示すように、添加剤を含まない場合には、メッキ液流
速に対してメッキ析出速度は単調に増加するが、添加剤
を十分に添加することによって、図１０の実線ｂに示す
ように、メッキ液流速に対してメッキ析出速度を単調に
減少させるように制御することができる。図１１に、本
発明の半導体装置の第４の実施形態に用いられるバンプ
の概略断面図を示す。添加剤を十分に添加した条件でＡ
ｕメッキを行なうことにより、図１１に示すように、中
央部が端部よりも１０μｍ凹んだ断面形状を有する高さ
２０μｍ、８０μｍ角のバンプが得られた。

【００３７】半導体検査前の仮接続は、溝内にＡｇペー
ストを充填し、大気中、１００℃で１０分間の熱処理に
よりＡｇペーストを仮硬化させて行なった。半導体素子
の検査により、半導体素子の取替えが生じたので、簡易
治具により半導体素子１をアルミナ基板から剥離したと
ころ、アルミナ基板上の配線パターン上には微量のＡｇ
ペーストが残ったものの、損傷は全くみとめられなかっ
た。

【００３８】別の半導体素子を同様に仮接続した後、検
査により半導体素子の良品が確認されたため、本接続と
して半導体素子側を３８０℃に加熱するとともに前記ア
ルミナ基板を６０℃に加熱し、１バンプ当たり５０ｇの
荷重をかけながら５秒間圧接し、全てのＡｕバンプを配
線パターンに、一度に固相拡散接合することにより、本
接合を行なった。

【００３９】このとき、バンプの溝内に充填されていた
Ａｇペーストが、本接続の高温・高圧条件により溶融し
たが、バンプ周辺にはほとんど流出しなかった。このた
め、隣接するバンプ間の短絡は、発生しなかった。この
本接合において、電気的接続不良はなかった。以上、本
発明の望ましい態様について説明したが、本発明は上記
の実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱し
ない範囲で種々変更可能である。

【００４０】

【発明の効果】以上詳しく説明したように、本発明によ
れば、突起電極上に凹部が形成されているため、導電性
ペーストが隣接バンプ間に広がることを防止することが
できる。このため、本発明によれば、高密度かつリペア
が容易な半導体装置および表示装置が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係る半導体装置を示す断面図

【図２】 本発明に係わる半導体素子上のバンプ形状の
例を説明するための図

【図３】 本発明に係わる半導体素子上のバンプ形状の
例を説明するための図

【図４】 本発明に係わる半導体素子上のバンプ形状の
例を説明するための図

【図５】 本発明に係わる半導体素子上のバンプ形状の
例を説明するための図

【図６】 本発明に係わる半導体素子上のバンプ形状の
例を説明するための図

【図７】 本発明に係る表示装置の一実施形態を表す該
略図

【図８】 本発明の半導体装置の第４の実施形態に用い
られるレジストマスクの形状を表す該略図

【図９】 本発明の半導体装置の第４の実施形態に用い
られるバンプのメッキ液流速分布を表すグラフ図

【図１０】 メッキ液流速とメッキ析出速度との関係を
表すグラフ図

【図１１】 本発明の半導体装置の第４の実施形態に用
いられるバンプの概略断面図

【図１２】 従来の半導体装置の接続部を表す該略図

【図１３】 従来の半導体装置の接続部を表す該略図

【符号の説明】

１…半導体素子 ２…バンプ ３…基板 ４…配線パターン ５…凹部 ６…導電ペースト ７…表示部 ８…レジストマスク ２１…隣接バンプに面していないバンプ側面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 清水 征三郎 神奈川県横浜市磯子区新磯子町33番地 株 式会社東芝生産技術研究所内 (72)発明者 斉藤 雅之 神奈川県横浜市磯子区新磯子町33番地 株 式会社東芝生産技術研究所内

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 配線基板と、上面に凹部を有する突起電
   極が接続パッド上に形成され、該突起電極を介して該配
   線基板上に実装された半導体素子とを具備することを特
   徴とする半導体装置。
2. 【請求項２】 配線基板と、縁に少なくとも１つの開口
   を有する溝を設けた突起電極が接続パッド上に形成さ
   れ、該突起電極を介して該配線基板上に実装された半導
   体素子とを具備する半導体装置において、前記複数の突
   起電極は、前記開口が前記半導体装置の内側あるいは外
   側に向くように配列されることを特徴とする半導体装
   置。
3. 【請求項３】 配線基板と、縁に開口を有する溝を設け
   た複数の突起電極が形成され、該突起電極を介して該配
   線基板上に実装された半導体素子とを具備する半導体装
   置において、前記複数の突起電極は、前記開口が前記半
   導体装置の内側あるいは外側に交互に向くように配列さ
   れることを特徴とする半導体装置。
4. 【請求項４】 表示素子が設けられた基板と、上面に凹
   部を有する突起電極が接続パッド上に形成され、該突起
   電極を介して該基板上に実装された半導体素子とを具備
   することを特徴とする表示装置。
5. 【請求項５】 表示素子が設けられた基板と、縁に少な
   くとも１つの開口を有する溝を設けた突起電極が接続パ
   ッド上に形成され、該突起電極を介して該基板上に実装
   された半導体素子とを具備することを特徴とする表示装
   置。
6. 【請求項６】 表示素子が設けられた基板と、縁に開口
   を有する溝を設けた複数の突起電極が形成され、該突起
   電極を介して該基板上に実装された半導体素子とを具備
   する半導体装置において、前記複数の突起電極は、前記
   開口が前記半導体装置の内側あるいは外側に交互に向く
   ように配列されることを特徴とする表示装置。