JP3767622B2

JP3767622B2 - 半導体素子の接続構造、液晶表示装置及び電子機器

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Publication number: JP3767622B2
Application number: JP2004278998A
Authority: JP
Inventors: 憲治内山
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2004-09-27
Filing date: 2004-09-27
Publication date: 2006-04-19
Anticipated expiration: 2016-09-05
Also published as: JP2005031699A

Description

本発明は、基板上に半導体素子を接続するための半導体素子の接続構造、その構造を用いた液晶表示装置及びその液晶表示装置を使用した電子機器に関する。

近年、ナビゲーションシステム、テレビ、パームトップコンピュータ、電子手帳、携帯電話機等といった各種の電子機器において、可視情報を表示するために液晶表示装置が広く用いられている。この液晶表示装置は、一般に、液晶パネルに液晶駆動用ＩＣすなわち半導体素子を接続し、さらにその液晶パネルにバックライト、ケーシング等といった付帯部品を装着することによって構成される。ここにいう液晶パネルは、通常、少なくとも２枚の液晶用基板によって挟まれた間隙に液晶を充填し、必要に応じてさらに、偏光板、カラーフィルタ等を装着することによって構成される。

液晶駆動用ＩＣを液晶パネルに接続する方法としては、従来より種々考えられており、例えば、ＣＯＢ（Chip On Board）方式やＣＯＧ（Chip On Glass）方式等に基づいた接続方法が考えられる。ＣＯＢ方式では、配線パターンを形成した絶縁基板上にＡＣＦ（ Anisotropic conductive film）その他の接合剤を用いて液晶駆動用ＩＣを接続し、その絶縁基板をヒートシール等を介して液晶パネルに接続する。一方、ＣＯＧ方式では、電極端子が形成されたガラス基板上にＡＣＦ等を用いて液晶駆動用ＩＣを直接に接続する。ＣＯＢ方式及びＣＯＧ方式のいずれの場合でも、液晶駆動用ＩＣ等の半導体素子は、絶縁基板や液晶用ガラス基板等といった基板上に接続される。

上記従来の接続方法では、基板と液晶駆動用ＩＣとの間にＡＣＦその他の接合剤が空隙無く均一に充填されていた。そのため、液晶駆動用ＩＣを圧着するときにそのＩＣに反りが生じたり、温度変化に起因して液晶駆動用ＩＣ及び／又は基板が変形するとき、基板上の電極に接触する液晶駆動用ＩＣのバンプ部分に過剰な応力が発生し、その結果、電気接続状態が不安定になるおそれがあった。また、そのような問題の発生を回避するためには、液晶駆動用ＩＣの圧着条件を狭い許容範囲内で厳しく管理しなければならず、従って、複雑な工程管理を要求されていた。

また、特開平２−４２７３８号公報によれば、ＣＯＢ実装プリント回路板においてＩＣチップと基板との間に緩衝層としての柔軟性接着剤層を設けることにより、両者の間の接合信頼性を向上させた接続構造も開示されている。しかしながら、この従来の接続構造では、緩衝作用を得るために専用の柔軟性接着層を形成しなければならず、部品コスト及び製造コストが高くなるという問題があった。

本発明は、半導体素子の接続構造における従来の問題点に鑑みて成されたものであって、極めて簡単な構成を付加するだけで、基板に対する半導体素子の接続状態を安定に保持できるようにすることを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明の半導体素子の接続構造は、複数のバンプを具備する半導体素子が基板に接続されてなる半導体素子の接続構造において、前記半導体素子と前記基板とは接着層を介して接合されてなり、前記接着層は前記半導体素子と前記基板との間に複数の空間を具備し、前記空間の大きさは前記バンプの大きさよりも大きく、前記接着層はバンプ間領域に複数の空間を具備し、前記空間と前記空間の間において前記半導体素子と前記基板とが接合されてなることを特徴とする。

この接続構造によれば、半導体素子又は基板が変形するときに、接合剤の中に形成した空間がそれらの変形に対応して自由に変形して半導体素子等の変形を吸収する。その結果、半導体素子又は基板が変形する場合でも半導体素子の電極部分に過剰な負荷が加わることを防止でき、よって、半導体素子の電気接続状態を安定した良好な状態に保持できる。

上記構成において、半導体素子としてはＩＣチップ、ＬＳＩチップ等の素子が考えられる。また、液晶表示装置を想定する場合には、半導体素子として液晶駆動用ＩＣ等が考えられる。また、基板としては、ＣＯＢ方式の場合の絶縁基板、ＣＯＧ方式の場合の液晶用透明基板、その他各種の接続方法に対応した各種の基板が考えられる。また、接合剤としては、ＡＣＦ（ Anisotropic conductive film：異方性導電膜）や通常の接着剤等が考えられる。

ＡＣＦというのは、熱可塑性樹脂フィルム又は熱硬化性樹脂フィルムの中に導電粒子を分散させたもので、熱圧着を受けることによって単一方向への導電性を発揮するような接合剤である。一方、通常の接着剤とは、主に基板と半導体素子とを機械的に接合させるだけで、電気的な接続の役割は持たない接着剤である。ＡＣＦを用いる場合は、基板上の端子と半導体素子のバンプとがＡＣＦ内の導電粒子を介して電気的に接続される。一方、通常の接着剤を用いる場合は、基板上の端子と半導体素子のバンプとが直接に接続されて電気的な導通がとられ、その状態において通常の接着剤によって半導体素子が基板に機械的に接着される。

半導体素子として液晶表示装置に使われる液晶駆動用ＩＣを考えると、その液晶駆動用ＩＣの能動面には複数のバンプが列状に並べられる。この列状の態様としては種々考えられるが、例えば図２及び図７に示すように、長手方向に列状（図では２列）に並べられた一対のバンプ列２８,２９と、短手方向に列状（図では２列）に並べられた一対のバンプ列２８,２８とによって環状に配列されることがある。また、図８に示すように、長手方向又は短手方向に関してだけ一対のバンプ列２８,２９が設けられることもある。

以上のようなバンプ配列を有する半導体素子を基板上に接続する際には、図２
に示すように、環状のバンプによって囲まれる領域内の接合剤の中に空間３３を形成したり、図７に示すように、個々のバンプ２８,２９の間やバンプ列の外側に空間３３を形成したりすることができる。

接合剤の内部に形成される空間は、容積の大きい単一の空間であっても良いし、あるいは、容積の小さい複数の空間を互いに近接して配置することによって形成された空間であっても良い。

本発明に係る液晶表示装置は、以上に説明した半導体素子の接続構造を用いて構成される液晶表示装置である。より具体的には、本発明の液晶表示装置は、液晶を挟んで互いに対向する一対の基板を備え、複数のバンプを具備する半導体素子が一方の前記基板に接続されてなる液晶表示装置において、前記半導体素子と前記基板とは接着層を介して接合されてなり、前記接着層は前記半導体素子と前記基板との間に複数の空間を具備し、前記空間の大きさは前記バンプの大きさよりも大きく、前記空間と前記空間の間において前記半導体素子と前記基板とが接合されてなることを特徴とする。

また、本発明に係る液晶表示装置を用いた電子機器は、例えばナビゲーションシステム、テレビ、パームトップコンピュータ、電子手帳、携帯電話機等といった各種の機器が具体例として考えられる。より具体的には、複数のバンプを具備する半導体素子と、前記半導体素子が接続される基板と、前記基板に接続される半導体駆動用出力端子とを備える電子機器において、前記半導体素子と前記基板とは接着層を介して接合されてなり、前記接着層は前記半導体素子と前記基板との間に複数の空間を具備し、前記空間の大きさは前記バンプの大きさよりも大きく、前記空間と前記空間の間において前記半導体素子と前記基板とが接合されてなることを特徴とする。

図６は、本発明に係る液晶表示装置を用いた電子機器の一実施形態である、携帯電話機の一例を示している。この携帯電話機は、上部筐体１及び下部筐体２を有する。上部筐体１の中には、キーボード１０等を制御するためのＰＣＢ（Printed Circuit Board ）等が含まれる。また、下部筐体２の中には、コントロール用ＬＳＩ等を搭載した制御回路基板３及びその回路基板３を搭載した本体基板４が収納される。本体基板４の上には本発明に係る液晶表示装置５が装着される。本体基板４の表面には、複数の半導体駆動用出力端子６が配線パターンとして形成されている。液晶表示装置５はその内部に液晶駆動用ＩＣ７、すなわち半導体素子を有しており、液晶表示装置５を本体基板４の上に装着した状態で液晶駆動用ＩＣ７が半導体駆動用出力端子６に電気的に接続される。下部筐体２の中に液晶表示装置５その他の必要機器を配設し、その後、上部筐体１を上方から被せることにより携帯電話機が完成する。なお、符号２０はスピーカを示している。

液晶表示装置５は、例えば図４に示すように、液晶パネル８、バックライトユニット９、シールドケース１１及び弾性体コネクタ１２を有する。液晶パネル８は、図３に示すように、透明なガラスによって形成された第１液晶用基板１３及び同じく透明なガラスによって形成された第２液晶用基板１４を有する。第１液晶用基板１３の内側表面には透明電極１８が形成され、一方、第２液晶用基板１４の内側表面には透明電極１９が形成される。これらの電極は、いずれも、ＩＴＯ（Indium Thin Oxide ）その他の透明導電材料によって形成される。

第１液晶用基板１３及び第２液晶用基板１４のそれぞれの外側表面には、偏光板１６ａ及び偏光板１６ｂが貼り付けられる。第１液晶用基板１３と第２液晶用基板１４とは環状のシール剤１７によって所定の間隙、いわゆるセルギャップをもって液密状態に接着される。そして、このセルギャップ内に液晶が封入される。第１液晶用基板１３のうち第２液晶用基板１４の外側（図３の右側）に張り出す部分１３ａの内側表面の右端部には半導体入力用端子２１が形成される。半導体素子としての液晶駆動用ＩＣ７は接着層３１によって第１液晶用基板１３の上に直接に接着され、これにより、ＩＣ７の出力用バンプ２８が透明電極１８に接続し、他方、ＩＣ７の入力用バンプ２９が半導体入力用端子２１に接続する。

このように本実施形態では、液晶駆動用ＩＣ７が液晶パネル８を構成する液晶用基板１３の上に直接に接合される形式の液晶表示装置、すなわちＣＯＧ（Chip On Glass）型液晶表示装置が用いられている。

図３において、バックライトユニット９は、導光体２２及びその左端に固着された複数、例えば４個のＬＥＤ（Light Emitting Diode：発光ダイオード）２３を有する。導光体２２の右端部には、図４にも示すように、弾性体コネクタ１２をガイドするための手段として作用する直方体形状のガイド穴２４が形成される。このガイド穴２４は、図３に示すように、弾性体コネクタ１２を隙間なく収納できる大きさに形成される。

弾性体コネクタ１２は、図５に示すように、電気絶縁性を備えた弾性材料、例えばシリコンゴムによって、断面半円形状の柱状に形成された弾性基部２５と、その弾性基部２５の半円状外周表面に互いに平行に設けられた多数の導電部２６とを有する。互いに隣り合う２つの導電部２６の間は弾性材料によって非導電部となっており、その非導電部の幅は、例えば１５μｍ〜２５μｍ程度に保持される。図中の符号Ｗは、互いに隣り合う導電部２６間の間隔、いわゆる導電部間ピッチを示しており、通常は、Ｗ＝３０μｍ〜５０μｍ程度に設定される。

本実施形態の液晶表示装置を携帯電話機（図６）の本体基板４に装着する際には、図４において、弾性体コネクタ１２を導光体２２のガイド穴２４の中に挿入し、バックライトユニット９を本体基板４上の所定位置に置き、液晶パネル８をバックライトユニット９上の所定位置に置き、シリコンゴムその他の弾性体によって形成した加圧用部材３０を間に入れた状態でシールドケース１１を液晶パネル８及びバックライトユニット９の上に被せ、そして図３に示すように、カシメ用ストッパ２７を変形させることによって本体基板４とシールドケース１１とを締め付けて固定する。このとき、弾性体コネクタ１２は加圧用部材３０の働きによって図３の上下方向に圧縮されて弾性変形し、その結果、導電部２６（図５参照）は、弾性基部２５の弾性復元力によって、液晶パネル８側の半導体入力用端子２１と本体基板４側の半導体駆動用出力端子６の両方にしっかりと接触する。

なお、弾性体コネクタ１２を圧縮する方法に関しては、加圧用部材３０のような専用の部品を用意するのに代えて、シールドケース１１の対応する個所を内側へ突出するように変形させてシールドケース１１の該部にリブを形成し、そのリブによって弾性体コネクタ１２を圧縮することもできる。

以上により液晶表示装置の組み付けが完了すると、制御回路基板３（図６）から半導体駆動用出力端子６、弾性体コネクタ１２（図３）及び半導体入力用端子２１を通して液晶駆動用ＩＣ７へ電気信号及び液晶駆動用電力が供給され、それに基づいて液晶駆動用ＩＣ７によって電極１８及び１９への印加電圧が制御される。そして、この電圧制御により、液晶パネル８の有効表示領域に可視像が表示される。

本実施形態では、液晶パネル８側の半導体入力用端子２１と携帯電話機側の半導体駆動用出力端子６との間に弾性体コネクタ１２を配置するだけで両者を電気的に接続できるので、組立作業が非常に簡単である。また、弾性体コネクタ１２をガイド穴２４の中に配置したので、弾性体コネクタ１２に力が加わったときにその弾性体コネクタ１２が撓み、座屈などといった変形を生じることがなく、従って、半導体入力用端子２１と半導体駆動用出力端子６との間の電気接続状態を常に安定状態に保持できる。

本実施形態では、図１に示すように、液晶駆動用ＩＣ７が接着層３１によって第１液晶用基板１３上に接着される。そしてその接着層３１は、接合剤としてのＡＣＦ（ Anisotropic conductive film：異方性導電膜）３２及びそのＡＣＦ３２の内部に形成された複数個の空間３３によって構成される。ＡＣＦ３２は、接着性樹脂フィルムの中に多数の導電粒子３４を分散させることによって形成されており、ＩＣ７の出力用バンプ２８が導電粒子３４を介して透明電極１８に電気的に接続され、他方、入力用バンプ２９が導電粒子３４を介して半導体入力用端子２１に電気的に接続される。また、バンプ２８、バンプ２９及び各端子間は、接着性樹脂によって絶縁状態に保持される。

図２は、図１において矢印Ａで示す方向から液晶駆動用ＩＣ７の接合部分を見た状態を示している。この図から明らかなように、複数の空間３３は、長手方向に２列に並べられたバンプ２８，２９と、短手方向に２列に並べられたバンプ２８，２８とによって囲まれる領域内、すなわち環状に配列された複数のバンプ２８，２９によって囲まれる領域内に互いに近接した状態で位置している。一般に、液晶駆動用ＩＣ７を基板１３上に接合する際には、液晶駆動用ＩＣ７と基板１３との間にＡＣＦ３２を挟んだ状態でＩＣ７を加熱しながら基板１３に所定圧力で押し付ける。この加熱及び加圧処理の際、液晶駆動用ＩＣ７は反りを生じることがあり、そのような反りが発生すると、バンプ２８及び２９の接続部に過剰な応力が発生して電気的な接続状態が不安定になるおそれがある。また、液晶駆動用ＩＣ７に温度変化が生じるときにも、そのＩＣ７及び／又は基板１３が変形することによってバンプ２８及び２９の接続状態が不安定になるおそれがある。これに対し、本実施形態のようにＡＣＦ３２の内部に空間３３を設けておけば、液晶駆動用ＩＣ７が変形するときには、その変形に従ってそれらの空間３３が自由に変形してそのＩＣ７の変形を吸収でき、その結果、バンプ２８及び２９の接続部分に過剰な応力が発生することを防止できる。

ＡＣＦ３２の内部に空間３３を形成するための方法は特定の方法に限定されないが、例えば、液晶駆動用ＩＣ７を基板１３に圧着する際の圧着条件を使用する液晶駆動用ＩＣ７に対応した適切な条件に設定することにより、そのような空間３３を得ることができる。そのような圧着条件の一例として次のような条件が挙げられる。

（１）液晶駆動用ＩＣ７：ＳＥＤ１２２０（セイコーエプソン株式会社製）
このＩＣの形状は、図２において、Ｌ×Ｗ＝７．７ｍｍ×２．８ｍｍであり、バンプ数は約２００個であり、バンプサイズは８０μｍ×１２０μｍである。
（２）ＡＣＦ３２：ＣＰ８５３０（ソニーケミカル株式会社製）
（３）ＡＣＦの加熱温度：１８０〜２３０℃（中心温度＝２００〜２１０℃）
ＩＣ７を高温に加熱された加圧ヘッドで押し付けることによりＡＣＦを加圧及び加熱する場合には、その加圧ヘッドの温度を２６０〜３６０℃（中心温度＝３００℃程度）とすることにより、上記のＡＣＦの温度が得られる。
（４）加圧ヘッドの加圧力：１２ｋｇｆ〜２０ｋｇｆ
（５）加圧ヘッドの加圧時間：１０秒
以上の（１）〜（５）の条件の下に液晶駆動用ＩＣ７を基板１３上に接合したところ、図２に示すような複数の空間３３がＡＣＦ３２の内部に形成された。

図７は、空間３３の設け方についての変形例を示している。この変形例が図２に示した先の実施形態と異なる点は、長手方向のバンプ列２８，２９の間及び短手方向のバンプ列２８，２８の間に空間３３を設けるだけでなく、個々のバンプの間及び一対のバンプ列の外側に空間３３を設けたことである。空間３３をこのように配置した場合でも、基板に対する半導体素子の接続状態を安定に保持できる。

図８は、バンプ配列に関する変形例を示している。この変形例が図２に示した先の実施形態と異なる点は、複数のバンプ２８，２９を環状に配列するのではなくて、長手方向に関してだけ列状に配列した点である。この変形例では、バンプ列２８，２９の間に複数の空間３３を設けてあるが、これに代えて又はこれに加えて、個々のバンプの間及び／又はバンプ列の外側に空間３３を設けることもできる。

以上、好ましい実施形態を挙げて本発明を説明したが、本発明はその実施形態に限定されるものでなく、請求の範囲に記載した技術的範囲内で種々に改変できる。

例えば、本発明に係る半導体の接続構造及び液晶表示装置は、携帯電話機以外の電子機器、例えば、ナビゲーションシステム、テレビ、パームトップコンピュータ、電子手帳等といった、可視情報の表示を必要とする各種の機器に対して使用できる。

図３〜図５に示した実施形態は、ＣＯＧ（ Chip On Glass）型液晶表示装置に本発明を適用した場合の実施形態であるが、本発明はそれ以外の形式の液晶表示装置、例えばＣＯＢ（Chip On Board）型液晶表示装置等に対しても適用できる。また、図３〜図５に示した実施形態では、電子機器としての携帯電話機側の出力用端子６と液晶パネル８側の入力用端子２１とを弾性体コネクタ１２によって電気的に接続したが、両者を接続するための接続方法はこれに限られない。例えば、ＦＰＣ（Flexible Printed Circuit）を用いて両端子を接続する場合も本発明に含まれる。

また、図１の実施形態では、接着層３１を導電粒子３４を含むＡＣＦ３２によって構成したが、これに代えて、導電粒子を含まない接着剤を用いて構成することもできる。この場合には、その接着剤の内部に空間３３が形成される。またこの場合には、液晶駆動用ＩＣ７のバンプと液晶パネル側の電極端子とが直接に接続される。

本発明の半導体素子の接続構造、液晶表示装置及び電子機器によれば、接合剤の内部に空間を設けるという極めて簡単な構成を付加するだけで、基板に対する半導体素子の接続状態を安定に保持できる。特別な柔軟層又は緩衝層等を設ける必要がないので、構造が簡単であり、製作も簡単である。

本発明の半導体素子の接続構造、液晶表示装置及び電子機器によれば、半導体素子が変形するときにバンプの接続部分に生じる応力を非常に効果的に低減できる。

本発明の半導体素子の接続構造、液晶表示装置及び電子機器によれば、導電粒子を分散した状態で含む接合剤を用いる場合でも、半導体素子の接続状態を安定に保持できる。

本発明の半導体素子の接続構造、液晶表示装置及び電子機器によれば、半導体素子又は基板が変形しても半導体素子の電極部分の接続状態が不安定になることを防止できる。

本発明に係る半導体素子の接続構造の一実施形態を示す断面図である。図１における矢印Ａに従って半導体素子の接合部分を示す平面図である。本発明に係る液晶表示装置の一実施形態を示す側面断面図である。図３の液晶表示装置の分解斜視図である。電子機器内で液晶表示装置と他の回路を電気的に接続するための弾性体コネクタの一例を示す斜視図である。本発明に係る電子機器の一実施形態である携帯電話機を示す分解斜視図である。接合剤の中に設ける空間の設け方の変形例を示す平面図である。半導体素子のバンプ配列の変形例を示す平面図である。

符号の説明

１上部筐体
２下部筐体
３制御回路基板
４本体基板
５液晶表示装置
６半導体駆動用出力端子
７液晶駆動用ＩＣ（半導体素子）
８液晶パネル
９バックライトユニット
１０キーボード
１１シールドケース
１２弾性体コネクタ
１３第１液晶用基板
１４第２液晶用基板
１８，１９透明電極
２１半導体入力用端子
２８出力用バンプ
２９入力用バンプ
３１接着層
３２ＡＣＦ（接合剤）
３３空間

Claims

複数のバンプを具備する半導体素子が基板に接続されてなる半導体素子の接続構造において、
前記半導体素子と前記基板とは接着層を介して接合されてなり、
前記接着層は前記半導体素子と前記基板との間に複数の空間を具備し、前記空間の大きさは前記バンプの大きさよりも大きく、前記空間と前記空間の間において前記半導体素子と前記基板とが接合されてなることを特徴とする半導体素子の接続構造。
請求項１に記載の半導体素子の接続構造において、
半導体素子は列状に並べられた複数のバンプを有し、
上記空間は、前記バンプ列の間、前記バンプ列の外側及び個々の前記バンプの間又はそれらの少なくともいずれか１つの領域内に形成されてなることを特徴とする半導体素子の接続構造。
請求項１又は請求項２に記載の半導体素子の接続構造において、前記接着層は、樹脂フィルム及び前記樹脂フィルム中に分散された導電粒子を有する異方性導電膜を含むことを特徴とする半導体素子の接続構造。
液晶を挟んで互いに対向する一対の基板を備え、複数のバンプを具備する半導体素子が一方の前記基板に接続されてなる液晶表示装置において、
前記半導体素子と前記基板とは接着層を介して接合されてなり、
前記接着層は前記半導体素子と前記基板との間に複数の空間を具備し、前記空間の大きさは前記バンプの大きさよりも大きく、前記空間と前記空間の間において前記半導体素子と前記基板とが接合されてなることを特徴とする液晶表示装置。
請求項４に記載の液晶表示装置において、
半導体素子は列状に並べられた複数のバンプを有し、
上記空間は、前記バンプ列の間、前記バンプ列の外側及び個々の前記バンプの間又はそれらの少なくともいずれか１つの領域内に形成されてなることを特徴とする液晶表示装置。
請求項４又は請求項５に記載の液晶表示装置において、前記接着層は、樹脂フィルム及び前記樹脂フィルム中に分散された導電粒子を有する異方性導電膜を含むことを特徴とする液晶表示装置。
請求項４乃至６のいずれか１項に記載の液晶表示装置と、
前記液晶表示装置に接続される半導体駆動用出力端子と、
を備えることを特徴とする電子機器。
複数のバンプを具備する半導体素子と、前記半導体素子が接続される基板と、前記基板に接続される半導体駆動用出力端子とを備える電子機器において、
前記半導体素子と前記基板とは接着層を介して接合されてなり、
前記接着層は前記半導体素子と前記基板との間に複数の空間を具備し、前記空間の大きさは前記バンプの大きさよりも大きく、前記空間と前記空間の間において前記半導体素子と前記基板とが接合されてなることを特徴とする電子機器。