JP2003212964A - 液状封止樹脂組成物、半導体素子の組立方法及び半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来の特性を維持しながら、長期にわたって
安定したＢ−ステージ状態を維持し製造工程を大幅に改
良できるバンプ付半導体素子用の新しい液状樹脂組成物
及び新しい組立工程を提供することにある。 【解決手段】 ２官能以上の固形エポキシ樹脂、フラッ
クス作用を有する固形硬化剤、硬化促進剤、及び溶剤を
有する液状封止樹脂組成物において、溶剤が固形エポキ
シ樹脂に対し良溶媒性であり、フラックス作用を有する
硬化剤に対し貧溶媒性である液状封止樹脂組成物であ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、バンプ接合方式で
基板と接合する半導体素子用の液状樹脂組成物、半導体
装置及び半導体素子の組立方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＩＣチップの高集積化、高密度化とＩＣ
パッケージの小型化という要求からフリップチップ実装
方式が登場した。同実装方式はこれまでのワイヤーボン
ディングによる接続ではなく、ＩＣチップ表面とプリン
ト基板とを金属バンプで電気的接続することで小型、薄
型化を可能としている。しかしチップ、プリント配線基
板、半田の熱膨張係数が異なるために冷熱衝撃試験時に
熱ストレスが発生する。特にチップ中央から遠いコーナ
ー近辺の金属バンプには局所的に熱ストレスが集中す
る。このため接合部位にクラックが生じ、回路の作動信
頼性は大きく低下する。

【０００３】そこで、熱ストレスを緩和する目的から液
状注入封止アンダーフィル材による封止が行われる。し
かしこの方法はチップとプリント配線基板との隙間にア
ンダーフィル材を注入、硬化して、封止する方法が採ら
れるため工程が煩雑であり、コストもかかる。更にこの
ような半導体素子の場合は、ウエハー作製工程、ウエハ
ー上への電気回路形成工程、個片化工程、バンプ形成工
程、バンプ接合工程、アンダーフィル封止工程が必要で
あり、個々の工程は製造会社又は工場が異なる場合が多
くデリバリーコストがかかってしまうので問題があっ
た。

【０００４】そこで提案されたのがウエハーに電気回路
を形成し個片化せずバンプを形成し、その後個片化する
方法が考え出された。この方法はウエハー製造から一環
のラインでバンプ付半導体素子を作ることも可能であ
り、大幅に素子のコストが下がる可能性がある。しかし
この方法であっても信頼性を上げるためにはアンダーフ
ィル封止工程又はバンプ補強封止工程が必要であり、コ
ストに反映してしまう問題が残っていた。これらを解決
する方法として特開2000-195904号公報に開示されてい
るＢ−ステージ樹脂をウエハーに塗布する方法がある。
ここでＢ−ステージとは常温付近でタックフリー状態で
あり、加熱溶融し、硬化した後完全なパッケージの封止
が行なえることをいう。この方法に従うと接合と封止を
同時にできるため更にパッケージ製造工程を短縮するこ
とができる。しかし、半田バンプの場合、接続性を向上
させるためにはフラックス作用を有する化合物を添加又
は予め接合する基板又は半田バンプに塗布しておく必要
があった。しかし、従来のフラックス作用を有する化合
物はロジン系に代表され、硬化物中に残存すると物性の
低下や界面層の密着性が損なわれたり、電気的不良を起
こす可能性があった。

【０００５】また、バンプ接合型パッケージの製造工程
短縮技術としてノンフローアンダーフィル材がある。こ
れは、基板又はバンプ付チップのバンプ面に樹脂を塗布
しチップと基板を重ね、封止と接合を同時に行う技術で
ある（特許第2589239号公報）。しかし、前記のように
樹脂にフラックス機能を有する化合物が用いられるため
信頼性において問題であった。そこでフラックス作用を
有する硬化剤を適用することにより信頼性のあるノンフ
ローアンダーフィル材が見いだされている(特開2001-10
6770号公報)

【０００６】そこで本発明者らはこのような硬化剤をＢ
−ステージ樹脂系に適用することを検討した。しかしＢ
−ステージ状態（Ｂ−ステージ後一定期間その機能を保
持すること）を発現させるのは困難であった。その理由
として、フラックス作用を有する硬化剤がエポキシ樹脂
との反応性が高くＢ−ステージ状態を維持することが困
難であった。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、従来の特性
を維持しながら、長期にわたって安定したＢ−ステージ
状態を維持し製造工程を大幅に改良できるバンプ付半導
体素子用の新しい液状樹脂組成物及び新しい組立工程を
提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】２官能以上の固形エポキ
シ樹脂、フラックス作用を有する固形硬化剤、硬化促進
剤、及び溶剤を有する液状封止樹脂組成物において、溶
剤が固形エポキシ樹脂に対し良溶媒性であり、フラック
ス作用を有する硬化剤に対し貧溶媒性である液状封止樹
脂組成物である。

【０００９】更に好ましい形態としては、２官能以上の
固形エポキシ樹脂がエポキシ当量２００以上である液状
封止樹脂組成物である。また、２官能以上の固形エポキ
シ樹脂とフラックス作用を有する硬化剤の重量比が、固
形エポキシ樹脂／フラックス作用を有する硬化剤で２以
上２０以下である液状封止樹脂組成物である。また上記
に記載の液状封止樹脂組成物が、平均粒径が０．５μｍ
から１２μｍ、かつ最大粒径が５０μｍ 以下である無
機フィラーを含む液状封止樹脂組成物である。フラック
ス作用を有する硬化剤が硬化剤として１分子あたり少な
くとも２個以上のフェノール性水酸基と１分子当たり少
なくとも１個以上の芳香族カルボン酸を有する化合物で
ある液状封止樹脂組成物である。

【００１０】１）基板と電気的接合させるための半田バ
ンプを有する多数個の半導体素子が形成されたウエハー
に上記に記載の液状封止樹脂組成を塗布する工程、２）
該液状封止樹脂組成物をＢ−ステージにする工程、３）
該ウエハーをダイシングし、半導体素子を個片化する工
程、４）個片化した半導体素子と基板と接合し同時にＢ
−ステージ化した樹脂組成物を加熱溶融させた後冷却す
ることによる圧着工程からなる半導体素子の組立方法で
ある。更に好ましい形態として、液状封止樹脂組成物を
塗布する工程が、スピンコート法、印刷法、ディスペン
ス法のいずれかにより行われる半導体素子の組立方法で
ある。また、上記に記載の液状封止樹脂組成物を用いて
製作された半導体装置であり、上記６に記載の半導体素
子の組立方法を用いて製作された半導体装置である。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明について詳細に説明する。
本発明で用いられるエポキシ樹脂のとしてはエポキシ基
が２官能以上の固形であれば特に限定されないが、１）
後工程で容易に溶融し封止が可能なこと、２）不純物特
にイオン性不純物が少ないこと（例：加水分解性塩素10
00ppm以下）、３）Ｂ−ステージ化が可能なこと、が満
たされていることが必要である。更に好ましくは、エポ
キシ当量が２００以上であることが好ましい。エポキシ
当量が２００より小さいとＢ−ステージ後の樹脂が脆
く、ダイシング時に剥離、欠けが生じてしまう可能性が
ある。

【００１２】またエポキシ樹脂としては、固形エポキシ
樹脂が好ましい。これは、Ｂ−ステージ後のウエハーに
塗布した樹脂層のタックフリー(べたつきが無いこと)化
が短時間に実現できるからである。タックフリーにする
ことは後工程の処理を考えると好ましい。液状エポキシ
樹脂を適用した場合は、タックフリー化に時間がかかる
か、高温にしなければならず、エポキシ樹脂と硬化剤の
反応が進行しすぎるため制御されたＢ−ステージ化が困
難になる。

【００１３】次ぎに硬化剤としてフラックス作用を有す
る固形硬化剤である。半田バンプの場合、接合時に樹脂
組成物中にフラックス作用を付与する必要がある。ここ
でフラックス作用とは半田の表面の酸化膜を還元し、基
板と接合できる作用のことをいう。フラックス作用を有
する化合物は一般にカルボン酸類又は酸無水物が知られ
ている。しかしカルボン酸の中で例えばモノカルボン酸
の場合は、架橋密度低下のため最終的硬化物の物性が著
しく低下するため必然的に他の硬化剤を添加する必要が
ある。そのためカルボン酸の添加量が低くなりフラック
ス作用が発現しにくくなる。自身が硬化剤として作用す
るためには２官能以上の多官能カルボン酸があるが、反
応性が高いため液状樹脂組成物の粘度上昇が激しく、更
にＢ−ステージにした後の作業性(再溶融性)も劣るため
本用途に使用することは好ましくない。硬化剤として使
用でき且つフラックス作用を示す化合物としては硬化剤
として１分子あたり少なくとも２個以上のフェノール性
水酸基と１分子当たり少なくとも１個以上の芳香族カル
ボン酸を有する固形の化合物が好適である。その例とし
ては、例えば、2,3-ジ#ヒドロキシ安息香酸、2,4-ヒド
ロキシ安息香酸、2,5-ヒドロキシ安息香酸、2,6-ヒドロ
キシ安息香酸、3,4-ジ#ヒドロキシ安息香酸、没食子
酸、1,4-ジヒドロキシ2-ナフトエ酸、3,5-ジヒドロキシ
２−ナフトエ酸、フェノールフタリン、ジフェノール酸
等がある。

【００１４】本発明で用いる硬化促進剤としては、例え
ば、三級アミン、イミダゾール類、トリフェニルフォス
フィン類等がある。その中でイミダゾール類が硬化性の
面で好ましい。

【００１５】本発明で用いる液状封止樹脂組成物は、半
導体素子の封止用途として用いるため高い信頼性が必要
である。特に耐水性、線膨張係数を被着体に近づけるた
めに無機フィラーを添加することが好ましい。更にその
粒径は特に制限されないが、平均粒径が０．５μｍから
１２μｍの範囲で且つ最大粒径が５０μｍ以下の球状フ
ィラーであることが好ましい。平均粒径が下限値未満で
あるとバンプ接合時に溶融するＢ−ステージ化された液
状封止樹脂組成物の流動性が不足し、チップの外への樹
脂組成物の浸み出し（フィレット）が不十分となり、接
着性不足による信頼性の低下の恐れがある。また平均粒
径が上限値を超えると液状封止樹脂組成物を塗布時にバ
ンプ上にフィラーが残存した場合、バンプ接合時に接触
不良を起こす恐れがある。また最大粒径に関しては、一
般にバンプの高さは100μｍ以下であるため少なくとも
液状封止樹脂組成物の塗布厚みはそのバンプの高さ以下
にしなければならない。最大粒径が上限値を超えると塗
布厚みにばらつきが大きくなりバンプ接合時に接合不良
を起こす恐れがある。

【００１６】本発明で用いる無機フィラーの種類は、例
えば、窒化アルミ、アルミナ、シリカなどがあるが、熱
放散性とコストの面からシリカ粒子が好ましく、低放射
線性であればより好ましい。形状は球状、破砕状、フレ
ーク状等があるが、フィラーの高充填化により線膨張係
数の低減化が図られる為、球状であることが好ましい。
無機フィラーの添加量は、全組成物に対して10〜80重量
％が望ましい。下限値未満だと、耐湿性や硬化物の線膨
張係数が大きくなり、上限値を越えると結果として得ら
れる組成物の粘度が高くなり過ぎ、流動特性が悪化する
恐れがある。

【００１７】また本発明で用いる溶剤はエポキシ樹脂を
溶解するものであり、且つフラックス作用を有する硬化
剤に対し貧溶媒であることが必要である。その例として
は、例えば、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂／２個以
上のフェノール性水酸基と１分子当たり少なくとも１個
以上の芳香族カルボン酸を有する固形の化合物の場合に
は、ヘキサン、ヘプタン、ソルベントナフサ等の脂肪族
炭化水素、ブチルセルソルブアセテートやブチルカルビ
トールアセテート等の水への溶解性が低いエステル類な
どが挙げられるが、実際にはエポキシ樹脂、フラックス
作用を有する硬化剤への溶解性を調べて決められるもの
である。この様な溶剤を選択することによりフラックス
作用を有する硬化剤が固形のまま系中に分散するため、
Ｂ−ステージ後は再溶融性が安定する。

【００１８】固形エポキシ樹脂とフラックス作用を示す
硬化剤の混合比は、重量比で２〜２０の範囲で固形エポ
キシ樹脂が多い方が好ましい。上限値より高いと充分な
フラックス活性が発現しにくく、また下限値より低い場
合はＢ−ステージ状態にすることが困難となる可能性が
ある。

【００１９】液状封止樹脂組成物には、前記の必須成分
の他に必要に応じてダイシング時の剥離、欠けを防ぐた
め液状封止樹脂組成物に可塑性ポリマー、他の硬化剤、
反応を促進するための触媒、希釈剤、顔料、カップリン
グ剤、難燃剤、レベリング剤、消泡剤等の添加物を用い
ても差し支えない。

【００２０】本発明で用いる液状封止樹脂組成物の製造
例としては、まず予め溶剤で溶解させたエポキシ樹脂、
フラックス作用を有する硬化剤、その他の添加剤を秤量
し、ロール混練等を用いて均一分散させる。さらに脱泡
して作製する。

【００２１】本発明の液状封止樹脂組成物を用いて半導
体素子を組み立てる方法は、まずウエハー上に電気回路
が形成された多数個の半導体素子にバンプを形成させた
後、液状封止樹脂組成物を回路形成面のウエハー全体に
塗布する。液状封止樹脂組成物を塗布する方法は、印
刷、ディスペンス、スピンコートが使用することができ
る。塗布後に樹脂をＢ−ステージ化する。その方法とし
ては、オーブン、真空乾燥機等既存の方法を用いること
ができる。その場合、温度はエポキシ樹脂にフラックス
作用を有する硬化剤が溶解しない温度にすることが好ま
しい。例えば、先に述べたビスフェノールＡ型エポキシ
樹脂／２，５ジヒドロキシ安息香酸の場合は１２０℃程
度で溶解するのでそれ以下の温度であることが好まし
い。あまり高い温度でＢ−ステージ化すると硬化剤がエ
ポキシ樹脂に溶解し均一化するため保存性が著しく劣る
ためである。本発明におけるＢ−ステージの定義は、Ｂ
−ステージ後常温以下の温度条件下で少なくとも一ヶ月
以上保管し、その後再加熱して樹脂が再溶融し、接続で
きることをいう。

【００２２】ウエハー状態で電気的試験をする場合はこ
の後バンプについた樹脂を取り除くこともできる。その
方法としては物理的研磨、プラズマなどによるアッシン
グ、溶剤等により除去する等が挙げられる。次にウエハ
ーをダイシングして素子を個片化する。更に、塗布され
た素子を基板に接合する。その方法はパルスヒート、リ
フロー法等により行われる。半田はフラックス作用を有
する硬化剤により表面が活性化され、基板の金属端子と
接合する。同時に液状封止樹脂組成物が溶融して封止も
行われる。硬化が不十分な場合は接合後、ポストベーク
を行うこともできる。

【００２３】

【実施例】＜実施例１＞ビスフェノールＡエポキシ樹脂
（エポキシ当量２５０）70重量部を溶剤として30重量部
のブチルセロソルブアセテートに溶解させたワニス100
重量部、2,5ジヒドロキシ安息香酸16重量部、硬化促進
剤として2-フェニル-4-エチルエチルイミダゾール0.2重
量部、フィラーとして球状シリカ（平均粒径0.8μｍ、
最大粒径20μｍ）80重量部を秤量し３本ロールにて混練
・分散後、真空脱泡処理を行い液状封止樹脂組成物を作
製した。作製した液状封止樹脂組成物を、高さ８０μｍ
の半田バンプが形成されたウエハー（厚み350μｍ）に
メタルマスクによる印刷法によりウエハー（個片化した
あとそれぞれのチップで接続性が調べられるようなデイ
ジーチェーンの回路が形成してあるもの、バンプ配列
（フルアレイ、バンプ数：４００）上に作製した液状封
止樹脂組成物を塗布した。その後８０℃、９０分でＢ−
ステージ化を行なった。最終厚みはバンプ高さとほぼ同
じ約８０μｍであった。次にダイシングソーを用いてウ
エハーを素子毎に個片化した（チップサイズ6x6mm）。
カット面付近にＢ−ステージ化した液状封止樹脂組成物
層に割れ、欠けは見られなかった。次に最高温度２２０
℃、最低温度１８３℃で６０秒のＩＲリフロー炉に通し
１０ｍｍ角の有機基板に素子を仮圧着した。半田ボール
の基板への接合と同時に行うことができた。更にポスト
ベークとして１５０℃、１時間硬化させた。樹脂は素子
の外側まで流動しフィレットが形成されており封止が完
了していた。更に、Ｂ−ステージ化した後、１ヶ月、２
ヶ月それぞれ常温にて保存したものを同様に接合を行
い、初期と同様に樹脂組成物封止と接合を同時に行うこ
とができた。接続はデイジーチェーンにより調査した。
更に得られたパッケージの信頼性として熱衝撃試験を行
い、すべてのバンプの接続信頼性を調べた。試験条件は
−４０℃〜１２５℃、1000サイクルである。

【００２４】＜実施例２＞フェノールノボラックとジシ
クロペンタジエンの重付加物をグリシジル化したエポキ
シ樹脂（エポキシ当量２６４、大日本インキ化学工業
製；EXA-7200）70重量部を溶剤として30重量部のメチル
イソブチルケトンに溶解させたワニス100重量部、2,5ジ
ヒドロキシ安息香酸14重量部、硬化促進剤として2-フェ
ニル-4-エチルイミダゾール 0.5重量部、フィラーとし
て球状シリカ（平均粒径0.8μｍ、最大粒径20μｍ）80
重量部を秤量し、３本ロールにて混練・分散後、真空脱
泡処理を行い液状封止樹脂組成物を作製し、この樹脂を
用いて実施例１と同様の評価を行った。 ＜実施例３＞実施例１における硬化剤を、１，４ジヒド
ロキシナフトエ酸１６重量部とした以外は実施例１と同
様に液状封止樹脂組成物を調製し実施例１と同様の評価
を行った。 ＜実施例４＞実施例１における溶剤をヘプタンに変えた
以外は実施例１と同様に液状封止樹脂組成物を調製し実
施例１と同様の評価を行った。 ＜実施例５＞実施例２におけるフラックス作用を示す硬
化剤としてトリメリット酸とした以外は実施例１と同様
に液状封止樹脂組成物を調製し実施例１と同様の評価を
行った。

【００２５】＜比較例１＞実施例１において溶剤として
γ―ブチロラクトンとした以外は実施例１と同様に液状
封止樹脂組成物を調製し実施例１と同様の評価を行っ
た。 ＜比較例２＞実施例１で用いたウエハー(樹脂塗布せず)
を６ｍｍ角のチップにカットし、ノンクリーニングフラ
ックス剤を用い、リフローを用いて有機基板に接合した
その後、液状エポキシ樹脂/芳香族アミン系であるアン
ダーフィル材（住友ベークライト製CRP-4152）を充填、
硬化させ、実施例１と同様の評価を行った。

【００２６】＜評価方法＞ 溶解性１：溶剤100ｇに対して100重量％のエポキシ樹脂
を加えたときの溶解試験 （常温） 溶解性２：溶剤100ｇに対して10重量％のフラックス作
用を有する硬化剤を加えたときの溶解試験（常温） 封止性：最終的に硬化した際に樹脂がチップの外周部に
はみ出しすべてのチップの側面にフィレットを形成する
ことを良好とし、それ以外を不良とした。 接続性１（試験個数各５）：液状封止樹脂をＢ−ステー
ジ化した直後に封止、接続を行ったときの半田接合性
（デイジーチェーンによる接続性確認）を調べた。判定
はすべての導通が取れたものを良好、その他を不良とし
た。 接続性２（試験個数各５）：液状封止樹脂をＢ−ステー
ジ化した後に常温で１ヶ月保管し、その後、封止、接続
を行ったときの半田接合性（デイジーチェーンによる接
続性確認）を調べた。判定はすべての導通が取れたもの
を良好、その他を不良とした。 接続性３（試験個数各５）：液状封止樹脂をＢ−ステー
ジ化した後に常温で２ヶ月保管し、その後、封止、接続
を行ったときの半田接合性（デイジーチェーンによる接
続性確認）を調べた。判定はすべての導通が取れたもの
を良好、その他を不良とした。 接続性４（試験個数各５）：接続性１を行ったサンプル
を用い熱衝撃試験を行なった後の半田接合試験（デイジ
ーチェーンによる接続性確認）を調べた。判定はすべて
の導通が取れたものを良好、その他を不良とした。 パッケージ組み立て工数：ウエハー状態から封止される
までの工数。

【００２７】評価結果を表１に示す。

【表１】

【００２８】

【発明の効果】本発明の組立方法に従うと個片素子をア
ンダーフィル材で充填する方法に比べ製造工程を大幅に
短縮化することができ、また、ウエハー工程の一環とし
てウエハー上への樹脂形成も可能となる。更にＢ−ステ
ージ化した樹脂組成物は従来の硬化剤を用いた場合に比
べ半田接合と樹脂封止が同時に行える。また途中工程で
の長期保存も可能となるため工業的メリットは大きい。

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ２官能以上の固形エポキシ樹脂、フラッ
   クス作用を有する固形硬化剤、硬化促進剤、及び溶剤を
   有する液状封止樹脂組成物において、溶剤が固形エポキ
   シ樹脂に対し良溶媒性であり、フラックス作用を有する
   硬化剤に対し貧溶媒性であることを特徴とする液状封止
   樹脂組成物。
2. 【請求項２】 ２官能以上の固形エポキシ樹脂がエポキ
   シ当量２００以上である液状封止樹脂組成物。
3. 【請求項３】 ２官能以上の固形エポキシ樹脂とフラッ
   クス作用を有する硬化剤の重量比が、固形エポキシ樹脂
   ／フラックス作用を有する固形硬化剤で２以上２０以下
   である請求項１又は２記載の液状封止樹脂組成物。
4. 【請求項４】 液状封止樹脂組成物が、平均粒径が０．
   ５μｍから１２μｍ、かつ最大粒径が５０μｍ 以下で
   ある無機フィラーを含む請求項１に記載の液状封止樹脂
   組成物。
5. 【請求項５】 フラックス作用を有する硬化剤が硬化剤
   として１分子あたり少なくとも２個以上のフェノール性
   水酸基と１分子当たり少なくとも１個以上の芳香族カル
   ボン酸を有する化合物である請求項１又は４記載の液状
   封止樹脂組成物。
6. 【請求項６】 請求項１又は４に記載の液状封止樹脂組
   成物を用いて製作された半導体装置。
7. 【請求項７】 １）基板と電気的接合させるための半田
   バンプを有する多数個の半導体素子が形成されたウエハ
   ーに請求項１又は４に記載の液状封止樹脂組成を塗布す
   る工程、２）該液状封止樹脂組成物をＢ−ステージにす
   る工程、３）該ウエハーをダイシングし、半導体素子を
   個片化する工程、４）個片化した半導体素子と基板と接
   合し同時にＢ−ステージ化した樹脂組成物を加熱溶融さ
   せた後冷却することによる圧着工程からなることを特徴
   とする半導体素子の組立方法。
8. 【請求項８】 液状封止樹脂組成物を塗布する工程が、
   スピンコート法、印刷法、ディスペンス法のいずれかに
   より行われる請求項７記載の半導体素子の組立方法。
9. 【請求項９】 請求項７に記載の半導体素子の組立方法
   を用いて製作された半導体装置。