JP2003292737A

JP2003292737A - 液状封止樹脂及びそれを用いた半導体装置

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Publication number: JP2003292737A
Application number: JP2002095406A
Authority: JP
Inventors: Yuji Sakamoto; 有史坂本; Katsushi Yamashita; 勝志山下
Original assignee: Sumitomo Bakelite Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Bakelite Co Ltd
Priority date: 2002-03-29
Filing date: 2002-03-29
Publication date: 2003-10-15
Anticipated expiration: 2022-03-29
Also published as: JP4047613B2

Abstract

(57)【要約】【課題】低応力性、バンプ保護性を兼ね備えた液状封
止樹脂及び半導体装置を提供する。【解決手段】エポキシ樹脂、活性水素を含む硬化剤、
イミダゾール類、無機フィラーを主成分とし、エポキシ
樹脂の総エポキシ基数ａ、該硬化剤の活性水素数をｂと
したとき、１．２＜ａ／ｂ＜４である液状封止樹脂であ
り、更にはエポキシ樹脂が脂肪族グリシジル基を有する
エポキシ樹脂且つ芳香族グリシジル基を有するエポキシ
樹脂からなる液状封止樹脂である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体を封止する
液状樹脂に関し、特にフリップチップを封止するための
アンダーフィル材、及びそれを用いた半導体装置に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】近年バンプ接合によるフリップチップ実
装技術が著しい成長を見せている。その応用分野はモバ
イル関連に用いられるチップスケールパッケージ（ＣＳ
Ｐ）やＣＰＵの様な大型パッケージと様様なアプリケー
ションに応用されている。これらのパッケージは一般に
チップと基板(インターポーザー)をバンプ接合によって
接続しているため外的強度に弱く、アンダーフィル材と
呼ばれる封止材をその隙間に充填することにより保護、
パッケージを強化している。

【０００３】その中で特に大型パッケージ用途に関し
は、アンダーフィル材の硬化収縮による影響によりチッ
プの反りが起こり半田バンプへのストレスがかかり、バ
ンプクラック等の不良が起こる恐れがあり問題であっ
た。これを解決する為にはアンダーフィル材に低応力性
が必要となる。一般に低応力性、即ちそりを改善するた
めには弾性率を下げることが有効である。しかし、殆ど
の場合同時にガラス転位温度や熱時弾性率も低下する。
これらの特性低下は熱衝撃試験のような環境下にパッケ
ージが置かれ、特に高温に曝されている場合、半田の周
囲のアンダーフィル層がやわらかいため、半田に対する
形状保持性が低下し半田の変形を生じることがあった。

【０００４】更には冷却時の応力発生に耐えられなくな
り、半田の破壊、クラックが生じてしまう恐れがあっ
た。反りに関する対応技術として、特開２０００−３０
２９４７号公報に示すように、ジシロキサン構造を有す
るシリコーン変性液状エポキシ樹脂と液状ポリフェノー
ル、硬化促進剤、無機フィラーからなる液状封止樹脂組
成物がある。しかし熱時弾性率が非常に低いため厳しい
試験条件による熱衝撃試験では、半田の変形且つまたは
半田クラックが生じてしまう問題があった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】半導体装置において、
従来の特性を維持しながら、パッケージの反りが小さく
バンプにかかる応力を減少させ、さらに半田工程におい
て、半田クラックが発生しない長期信頼性に優れたパッ
ケージ用の液状封止樹脂組成物を提供する。

【０００６】

【課題を解決するための手段】即ち本発明は、エポキシ
樹脂、活性水素を有する硬化剤、イミダゾール類、無機
フィラーを有する液状封止樹脂であって、該液状封止樹
脂中のエポキシ樹脂の総エポキシ基数をａ、該活性水素
を有する硬化剤の活性水素数をｂとしたとき、１．２＜
ａ／ｂ＜４である液状封止樹脂である。更に好ましい形
態としては、エポキシ樹脂が脂肪族グリシジルエーテル
基を有するエポキシ樹脂又は／及び芳香族グリシジルエ
ーテル基を有するエポキシ樹脂であり、脂肪族グリシジ
ルエーテル基を有するエポキシ樹脂が、式（１）で示さ
れるシリコーン変性液状エポキシ樹脂（Ａ）とビスフェ
ノール類（Ｂ）とのモル比｛（Ａ）のエポキシ基数／
（Ｂ）の水酸基数｝が、１〜１０の範囲で加熱反応によ
り生成された反応物である液状封止樹脂である。

【化３】

【０００７】活性水素を有する硬化剤が一般式（２）で
示されるフェノール樹脂である液状封止樹脂である。

【化４】 Ri(i=1,2,3,4,5,)：水素、炭素数1〜3のアルキル基又は
アリル基

【０００８】また、液状封止樹脂の硬化物の１２５℃に
おける熱時動的粘弾性が２０MPa以上である液状封止樹
脂である。また、上記の液状封止樹脂を用いて封止され
た半導体装置である。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明で用いられるエポキシ樹脂
は、グリシジルエポキシ樹脂であり、この中では脂肪族
グリシジルエーテル基を有するエポキシ樹脂、芳香族グ
リシジルエーテル基を有するエポキシ樹脂が好ましい。
芳香族グリシジルエーテル基を有するエポキシ樹脂の例
としては、例えば、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、
ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂、ナフタレンジオール
のジグリシジルエーテル等各種フェノール化合物のグリ
シジルエーテル等が挙げられる。

【００１０】脂肪族グリシジルエーテル基を有するエポ
キシ樹脂の例としては、例えば、脂肪族ジオールのジグ
リシジルエーテル、脂肪族トリオールのトリグリジシル
エーテル、両末端水酸基を有するポリアルキルエーテル
のジグリシジルエーテル、グリセリントリグリシジルエ
ーテル、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、ビスフェノ
ールＦ型エポキシ樹脂の水添化合物、式（１）で示され
るシリコーン変性エポキシ樹脂等が挙げられる。

【００１１】式（１）のエポキシ樹脂の場合、硬化中の
アウトガス発生やブリードが起き易い為、以下のような
変成樹脂にすることが好ましい。即ち、式（１）で示さ
れるシリコーン変性エポキシ樹脂とビスフェノール類と
を加熱反応により生成されたものである。式（１）で示
されるシリコーン変性エポキシ樹脂とビスフェノール類
の反応としては、式（１）のエポキシ樹脂（Ａ）とビス
フェノール類（Ｂ）とを混合し、必要により溶媒、反応
触媒を加え１００℃以上、１時間以上の条件で反応させ
る。モル比｛（Ａ）のエポキシ基数／（Ｂ）の水酸基
数｝としては、エポキシ基の過剰の下での加熱反応が好
ましく、（Ａ）／（Ｂ）が１〜１０であることがより好
ましい。これは当量比が１未満であるとエポキシ基が残
存しないので硬化剤を添加してももはや反応しないため
であり、１０を越えると未反応原料のシリコーンエポキ
シ樹脂が残り、硬化中にアウトガスやブリードにより周
辺部材を汚染する恐れがあるからである。特に前記２種
のエポキシ樹脂を混合した場合、本発明の目的である低
反り性、高熱時弾性率が発現できるので好ましい。

【００１２】この場合、脂肪族グリシジルエーテル基を
有するエポキシ樹脂c(重量部)と芳香族グリシジルエー
テル基を有するエポキシ樹脂ｄ(重量部)の混合比は特に
限定されないが、好ましい比率としては、０．２＜d／
（d+c）＜０．８である。下限値を下回ると熱時動的弾
性率の向上の効果が低くなる恐れがあり、上限値を上回
ると反りが大きくなる恐れがある。

【００１３】次に本発明に用いられる硬化剤は活性水素
を有するものである。その例としては、例えば、フェノ
ール樹脂類、芳香族アミン類、フェノール酸類、ヒドラ
ジッド類、ジシアンジアミド等が挙げられる。尚、脂肪
族アミンは液状封止樹脂のポットライフが短いため好ま
しくない。この中でフェノール樹脂は信頼性において優
れているが、より好ましい構造としては式（２）に示さ
れるフェノール樹脂である。特にアリル基を有する樹脂
は低粘度であり、アンダーフィル材のような用途に対し
て好ましい。尚、粘度は核体数ｎやベンゼン環置換基の
種類により制御することができる。

【００１４】硬化剤の添加量については、総エポキシ基
数ａ、硬化剤の活性水素基数をｂとした時、その比ａ／
ｂは、１．２＜ａ／ｂ＜４であることが好ましい。その
比が下限値を下回ると熱時弾性率の向上が期待できず、
上限値を超えると、硬化時間が長くなり、且つ封止直後
の反りの増大を招いてしまう為である。

【００１５】次に硬化促進剤としてイミダゾール類を用
いる。これはイミダゾール類はエポキシ樹脂とフェノー
ル樹脂の反応を促進するだけでなく、芳香族エポキシ樹
脂に対しては優先的に架橋剤としての役割もおこなう。
イミダゾール類としては、例えば、イミダゾール、２−
メチルイミダゾール、２−エチルイミダゾール、２−エ
チル−４−メチルイミダゾール、２−フェニルイミダゾ
ール、２−フェニル−４−メチルイミダゾール、１−ベ
ンジル−２−メチルイミダゾール、１−ベンジル−２−
エチルイミダゾール、１−ベンジル−２−エチル−５−
メチルイミダゾール、２−フェニル−４−メチル−５−
ヒドロキシジメチルイミダゾール等が挙げられる。その
添加量は、総エポキシ樹脂１００重量部に対して、５重
量部以下であることが好ましい。５重量部を越えると硬
化が急激に起こることによるパッケージ反りが増大して
しまうからである。

【００１６】本発明で用いられる無機フィラーの例とし
ては、絶縁性であることが好ましく、例えば、炭酸カル
シウム、シリカ、アルミナ、窒化アルミ等挙げられる。
用途によりこれらを複数混合してもよいが、信頼性、コ
ストの点で絶縁性の場合シリカ且つ形状は球状であるこ
とが好ましい。その添加量は特に制限はないが、封止樹
脂としての特性（耐湿性、作業性等）を保つため液状封
止樹脂の３０〜９０重量％であることが好ましい。下限
値より低いと熱時弾性率が低下する恐れがあり、上限値
を上回ると製品粘度が高すぎ、流動性等作業性に支障を
きたす恐れがある。

【００１７】次に液状封止樹脂のより好ましい物性とし
ては、熱時弾性率が２０MPa以上であることである。熱
衝撃試験の最大温度における熱時弾性率が重要である。
熱衝撃試験における最大温度は１００〜１５０℃程度で
あるが１２５℃が一般的である。しかし１５０℃での弾
性率はほぼ飽和値であるため１２５℃における熱時弾性
率で代表できる。この熱時弾性率が２０MPa未満である
と信頼性試験においてバンプの変形、又はクラックを引
き起こしてしまう。尚、熱時弾性率の測定方法は動的粘
弾性試験により測定される。測定のためのパラメーター
として代表的な変位周波数は１０Hzが用いられる。

【００１８】本発明の液状封止樹脂は、前記樹脂、硬化
剤、イミダゾール類と無機フィラー以外に、必要に応じ
てイミダゾール類以外の硬化促進剤、顔料、染料、レベ
リング剤、消泡剤、カップリング剤等の各種添加剤を混
合し、真空脱泡することにより製造することができる。
本発明の液状封止樹脂を用いて半導体装置を製作する方
法は、公知の方法を用いることができる。

【００１９】本発明の液状封止樹脂を用いると、特にア
ンダーフィル材としての用途で且つ大型チップの場合、
封止樹脂の硬化後の反りが小さく、且つ熱時弾性率が向
上するため、熱衝撃試験等におけるバンプ変形、クラッ
クが起きないため、信頼性に優れた半導体装置となる

【００２０】

【実施例】＜実施例１＞脂肪族グリシジルエーテル基を
有するエポキシ樹脂としてビスフェノールＡ型エポキシ
樹脂の水添化合物(エポキシ当量：２１０、商品名：Ｅ
ＸＡ−７０１５、大日本インキ工業製)５０重量部、芳
香族グリシジルエーテル基を有するエポキシ樹脂として
ビスフェノールＡ，Ｆ混合エポキシ樹脂(エポキシ当量
１６０、ＥＸＡ−８３０ＬＶＰ，大日本インキ工業社
製)５０重量部、硬化剤として液状フェノール樹脂（式
（２）においてRiの一つがアリル基、水酸当量１４１、
商品名ＭＥＨ−８０００（明和化成株式会社製））３９
重量部、イミダゾール類として２−フェニル４−メチル
イミダゾール０．５重量部、カップリング材としてエポ
キシ基含有アルコキシシラン（ＫＢＭ−４０３Ｅ、信越
化学工業社製）３重量部、無機フィラーとして最大粒径
１０μｍ、平均粒径２μｍの球状シリカフィラー１４２
重量部を三本ロールにて混錬、脱泡後液状封止樹脂を得
た。

【００２１】硬化物物性としては動的粘弾性試験により
１２５℃における弾性率を測定した。（試験片サイズ：
５０ｍｍ×４ｍｍ×０．１ｍｍ、変位周波数：１０Hz）次にパッケージ評価としてＢＴ基板に接続されたフリッ
プチップを用いた。フリップチップの仕様は以下のとお
りである。チップサイズ：２０ｍｍ角パッシベーション：ポリイミド樹脂バンプ高さ：８０μｍバンプピッチ：２５０μｍバンプ配置：フルアレイバンプ：共晶半田ディジーチェーンによる接続試験可能

【００２２】封止はパッケージを１００℃の熱盤に載置
し、液状封止樹脂をチップの一辺に塗布し封止を行なっ
た後、オーブンにて硬化させた（１５０℃、９０分）。
次にパッケージの接触式表面粗さ計を用いて対角線方向
に変位を調べ、その最大変位を反り量とした。さらに、
パッケージを熱衝撃試験（温度条件；−５５℃／３０分
〜１２５℃／３０分、５００、１０００、１５００サイ
クル）に曝した後、ディジーチェーンによる接続性を調
べた(試験片数：１０)。判定基準はチップクラックの
数、１パッケージにおいて一箇所でも接続不良が出たも
のに関しカウントした。

【００２３】＜実施例２＞脂肪族グリシジルエーテル基
を有するエポキシ樹脂として以下の変成樹脂を調整し
た。＊シリコーン変性エポキシ樹脂の製造式（１）のエポキシ樹脂（エポキシ当量１８１）１００
ｇ、ビスフェノールＦ（水酸基当量１００）４０ｇに触
媒として1,8-ジアザビシクロ(5,4,0)ウンデセン-7を１
ｇ添加し、１８０℃で３時間反応させて変性樹脂を得
た。次に該変成樹脂４０重量部、実施例１の芳香族グリ
シジルエーテル基を有するエポキシ樹脂６０重量部、実
施例１のフェノール樹脂３０重量部、実施例１のイミダ
ゾール０．５重量部、カップリング材としてエポキシ基
含有アルコキシシラン（ＫＢＭ−４０３Ｅ、信越化学工
業社製）３重量部、無機フィラーとして最大粒径１０ミ
クロン、平均粒径２ミクロンの球状シリカフィラー１３
３重量部を三本ロールにて混錬し、脱泡後液状封止樹脂
を得て、実施例１と同様に物性を測定し、封止したパッ
ケージを用いて信頼性評価を行なった。

【００２４】＜実施例３＞実施例２において液状フェノ
ール樹脂２３重量部、シリカ１２５重量部とした以外は
実施例２と同様に液状封止樹脂を調整し、実施例１と同
様の試験を行なった。＜実施例４＞実施例２において液状フェノール樹脂４０
重量部、シリカ１４３重量部とした以外は実施例２と同
様に液状封止樹脂を調整し、実施例１と同様の試験を行
なった。＜実施例５＞実施例１においてエポキシ樹脂を芳香族グ
リシジルエーテル基を含む樹脂のみ１００重量部とし、
硬化剤を４４重量部、シリカを１４７重量部とした以外
は実施例１と同様に液状封止樹脂を調整し、実施例１と
同様の試験を行なった。＜実施例６＞実施例２において、硬化剤として芳香族ア
ミン（活性水素当量：63.5、商品名カヤハードAA、日本
化薬株式会社製）１３．５重量部、シリカフィラー１１
６．５重量部とした以外は実施例２と同様に液状封止樹
脂を調整し、実施例１と同様の試験を行なった。

【００２５】＜比較例１＞実施例１においてフェノール
樹脂８２重量部、無機フィラーを１８５重量部とした以
外は実施例１と同様に液状封止樹脂を調整し、実施例１
と同様の試験を行なった。＜比較例２＞実施例２においてフェノール樹脂６０重量
部、無機フィラーを１６３重量部とした以外は実施例２
と同様に液状封止樹脂を調整し、実施例１と同様の試験
を行なった。＜比較例３＞実施例２においてフェノール樹脂を１７．
６重量部、シリカフィラー１２０．６重量部とした以外
は実施例２と同様に液状封止樹脂を調整し、実施例１と
同様の試験を行なった。＜比較例４＞実施例１において硬化促進剤をトリフェニ
ルフォスフィンとした以外は実施例１と同様に液状封止
樹脂を調整し、実施例１と同様の試験を行なった。＜比較例５＞市販アンダーフィル材として住友ベークラ
イト社製CRP-4152S(芳香族グリシジルエーテル型エポキ
シ樹脂／芳香族アミン系、エポキシ基／活性水素＝１．
０、球状シリカ６０％含有)を用いて実施例１と同様に
試験を行なった。

【００２６】

【表１】 *1：バンプ変形またはバンプクラック *2：チップクラック *3：総エポキシ基数/総活性水素数。変成物のエポキシ
基数は反応時の式（１）の仕込みのエポキシ基とフェノ
ール化合物の水酸基の差により計算した。 *4：良品数/試験実施個数

【００２７】実施例では硬化後の反りの値が小さく、且
つ熱時弾性率が高いため熱衝撃試験において不良は全く
おきなかった。比較例１では熱時弾性率が低いために熱
衝撃試験において徐々にバンプへの応力が蓄積し、バン
プ変形又はバンプクラックが生じた。比較例２では硬化
後の反りが大きいためにパッケージ全体に応力がかかり
熱衝撃試験においてチップクラックが生じた。

【００２８】

【発明の効果】本発明に従うと、特に大きいサイズのフ
リップチップパッケージの封止に対し、反りが小さくバ
ンプにかかる応力を最小化し、さらに熱衝撃試験におい
て、高温時のバンプにかかる応力を低減できるため長期
信頼性に優れたパッケージを提供することができる。

フロントページの続きＦターム(参考） 4J002 CC04X CD01W CD04W CD05W CD11W CD20W DE148 DE238 DF018 DJ018 EN056 EQ026 ET006 EU117 FD018 FD14X FD146 FD157 GQ01 GQ05 4J036 AK17 CA08 DB06 DC10 DC31 DC35 DC40 DC41 FA02 FA03 FA04 FA05 FA06 4M109 AA01 AA04 EA03 EB02 EB12 EC04

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】エポキシ樹脂、活性水素を有する硬化
剤、イミダゾール類、無機フィラーを有する液状封止樹
脂であって、該液状封止樹脂中のエポキシ樹脂の総エポ
キシ基数をａ、該活性水素を有する硬化剤の活性水素数
をｂとしたとき、１．２＜ａ／ｂ＜４であることを特徴
とする液状封止樹脂。
【請求項２】エポキシ樹脂が脂肪族グリシジルエーテ
ル基を有するエポキシ樹脂又は／及び芳香族グリシジル
エーテル基を有するエポキシ樹脂である請求項１記載の
液状封止樹脂。
【請求項３】脂肪族グリシジルエーテル基を有するエ
ポキシ樹脂が、式（１）で示されるシリコーン変性液状
エポキシ樹脂（Ａ）とビスフェノール類（Ｂ）とのモル
比｛（Ａ）のエポキシ基数／（Ｂ）の水酸基数｝が、１
〜１０の範囲で加熱反応により生成された反応物である
請求項２記載の液状封止樹脂。【化１】
【請求項４】活性水素を有する硬化剤が一般式（２）
で示されるフェノール樹脂である請求項１記載の液状封
止樹脂。【化２】 Ri(i=1,2,3,4,5,)：水素、炭素数1〜3のアルキル基又は
アリル基
【請求項５】液状封止樹脂の硬化物の１２５℃におけ
る熱時動的粘弾性が２０MPa以上である請求項１記載の
液状封止樹脂。
【請求項６】請求項１〜５のいずれかに記載の液状封
止樹脂を用いて封止された半導体装置。