JP2009046606A - 熱硬化性液状封止樹脂組成物及び半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】良好な作業性と電気的な信頼性を両立させる半導体封止用熱硬化性液状樹脂組成物、及びこれを用いた半導体装置を提供することを目的とする。特に、封止工程時間の短縮化や歩留の向上が可能となるものであり、狭ギャップ、狭ピッチの半導体装置の封止に用いられる。
【解決手段】（Ａ）熱硬化性液状樹脂、（Ｂ）硬化剤、及び（Ｃ）有機染料を必須成分とする熱硬化性液状封止樹脂組成物において、前記有機染料を事前に前記熱硬化性液状樹脂及び／または前記硬化剤に溶解してなることを特徴とする熱硬化性液状樹脂組成物。
【選択図】なし

Description

本発明は、熱硬化性液状樹脂組成物、及びこれを用いた半導体装置に関するものである。

近年、半導体装置の高性能化、高密度化の要求により、その構造形態は特殊化・複雑化の傾向にある。半導体装置の特殊化・複雑化に伴い、従来のモールド樹脂封止されるリードフレーム型半導体装置では要求を満たすことが困難になりつつあり、チップの封止には熱硬化性液状封止樹脂組成物を用いることが多くなってきている。熱硬化性液状封止樹脂組成物を用いた封止の例としては、キャピラリーアンダーフィル、ポッティングや印刷などがある。熱硬化性液状封止樹脂組成物は、一般的に熱硬化性樹脂、硬化剤、及び充填材などから構成されており、アンダーフィル材は毛細管現象を利用してフリップチップタイプ半導体装置の基板−チップ、バンプの間隙などを封止し、液状ポッティング材、印刷タイプ液状ポッティング材はＢＧＡ（Ｂａｌｌ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ）タイプ半導体装置のチップ、ワイヤー部分などを封止するものである。（例えば、特許文献１参照。）

これら半導体装置の一つとして、チップの回路面に直接突起電極が具備されたフリップチップタイプ半導体装置は、パッケージを最小化できる方法のひとつである。フリップチップ実装はチップと回路基板の線膨張係数の差により電極接合部の電気的不良が発生するため、その接合間隙を液状樹脂で封止する。液状樹脂での封止は、チップの一辺または複数面に液状封止樹脂を塗布し毛細管現象を利用して液状封止樹脂を回路基板とチップの間隙に流れ込ませる。突起電極の微小化に伴い、封止時間が長くなることや、未充填による歩留の低下により生産性に問題があった。また、残存固形物が電気的に接続することにより、誤動作を誘発することがあった。
特開２００３−２２１２２４号公報

本発明は、これらの問題を解決するためになされたものであり、良好な作業性と電気的な信頼性を両立させる半導体封止用熱硬化性液状樹脂組成物、及びこれを用いた半導体装置を提供することを目的とする。特に、封止工程時間の短縮化や歩留の向上が可能となるものであり、狭ギャップ、狭ピッチの半導体装置において耐湿下印加電圧時の電気的な信頼性に優れた封止に用いられる。

このような目的は、下記［１］〜［９］に記載の本発明により達成される。
［１］（Ａ）熱硬化性液状樹脂、（Ｂ）硬化剤、及び（Ｃ）有機染料を必須成分とする熱硬化性液状封止樹脂組成物において、前記有機染料を事前に前記熱硬化性液状樹脂及び／または前記硬化剤に溶解してなることを特徴とする熱硬化性液状樹脂組成物。
［２］前記有機染料が、１０００ｃｍ^-1以上３５００ｃｍ^-1以下に吸収ピークを有することを特徴とする前記［１］記載の熱硬化性液状樹脂組成物。
［３］前記熱硬化性液状樹脂１００ｇに対して、前記有機染料が０．０１ｇ以上可溶であることを特徴とする前記［１］または［２］に記載の熱硬化性液状樹脂組成物。
［４］前記有機染料の配合量が、熱硬化性液状樹脂に対して０．１０重量部以上５．００重量部以下であることを特徴とする前記［１］〜［３］のいずれか１項に記載の熱硬化性液状樹脂組成物。
［５］該熱硬化性液状樹脂封止樹脂組成物を厚さ８０μｍのチップ−基板接合間隙を有す
るフリップチップパッケージのチップの一辺に塗布することにより３００秒以内に充填封止することを特徴とする前記［１］〜［４］のいずれか１項に記載の熱硬化性液状樹脂組成物。
［６］さらに、（Ｄ）硬化促進剤を配合してなることを特徴とする前記［１］〜［５］のいずれか１項に記載の熱硬化性液状封止樹脂組成物。
［７］前記［１］〜［６］のいずれか１項に記載の熱硬化性液状封止樹脂組成物を用いてチップを封止してなることを特徴とする半導体装置。
［８］半導体装置のバンプやワイヤーからなる封止部分の間隙が５０μｍ以下であることを特徴とする前記［７］に記載の半導体装置。
［９］フレキシブル基板上にチップを接合した後、封止することを特徴とする前記［７］または［８］に記載の半導体装置。

本発明に従うと、作業性が良好であり、かつ、電気的な信頼性に優れた半導体封止用熱硬化性液状樹脂組成物が得られる。特に、本発明の熱硬化性液状封止樹脂組成物は、アンダーフィル材用に適している。又、短い封止時間と高い歩留りにより生産できることから、時間・コストの削減が可能になる。

本発明は、（Ａ）熱硬化性液状樹脂、（Ｂ）硬化剤、及び（Ｃ）有機染料を必須成分とする熱硬化性液状封止樹脂組成物において、前記有機染料を事前に前記熱硬化性液状樹脂及び／または前記硬化剤に溶解してなる熱硬化性液状樹脂組成物であって、作業性が良好であり、かつ、電気的な信頼性に優れた半導体封止用熱硬化性液状樹脂組成物が得られる。

本発明で用いられる（Ａ）熱硬化性液状樹脂としては、液状エポキシ樹脂が望ましく、既存のビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂などのビスフェノール型エポキシ樹脂、フェノールノボラック型エポキシ樹脂、クレゾールノボラック型エポキシ樹脂などのノボラック型エポキシ樹脂、トリフェノールメタン型エポキシ樹脂、トリフェノールプロパン型エポキシ樹脂などのトリフェノールアルカン型エポキシ樹脂、フェノールアラルキル型エポキシ樹脂、ビフェニルアラルキル型エポキシ樹脂、スチルベン型エポキシ樹脂、ナフタレン型エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂、シクロペンタジエン型エポキシ樹脂、パラアミノフェノールとエピクロロヒドリンの反応によって得られる液状のエポキシ樹脂などが挙げられる。これらのエポキシ樹脂は単独で又は２種類以上混合して用いることができる。また、作業性の悪化が著しくならない限りにおいて、固形のエポキシ樹脂を溶解させて用いることもできる。

本発明で用いられる（Ｂ）硬化剤としては、特に限定するものではないが、例えば、アミン、フェノール類、酸無水物、ポリアミド樹脂、ポリスルフィド樹脂などが挙げられ、これらは１種類を単独で用いても２種類以上を併用してもよい。性状としては、熱硬化性液状封止樹脂組成物の流動性を確保するため液状の硬化剤が好ましく、例えば、ジアミノジエチルジフェニルメタンや液状ノボラック型フェノール樹脂などが挙げられる。さらに好ましくは、液状ノボラック型フェノール樹脂がアリル化フェノール樹脂である。アリル化フェノール樹脂は、低粘度液状物であり、硬化促進剤を添加することにより、速硬化性を付与できるためである。また、作業性の悪化が著しくならない限りにおいて、固形の硬化剤を溶解させて用いることもできる。

本発明で用いられる（Ｃ）有機染料としては、１０００ｃｍ^-1以上３５００ｃｍ^-1以下に吸収ピークを有するものであり、好ましくは前記熱硬化性液状樹脂１００ｇに対して、０．０１ｇ以上可溶である有機染料で、さらに好ましくは、０．１ｇ以上可溶するもので
ある。具体的な有機染料としては、例えば、アクリジン系、アジン系、アゾ系、アミノケトン系、アントラキノン系、インダミン系、インドフェノール系、オキサジン系、キサンテン系、キノリノン系、ジフェニルメタン系、チアゾール系、トリアリルメタン系、ニトロ系、ニトロソ系、フタロシアニン系、メチン系染料、が挙げられる。これらの中で特に好ましくは、アジン系染料やメチン及びアントラキノン系染料の混合物などである。これらを用いることにより、チップと基板との接合部の狭ギャップ、狭ピッチの半導体装置での電気的信頼性の向上が図れる。
また、前記有機染料の配合量が、熱硬化性液状樹脂に対して０．１０重量部以上５．００重量部以下であることが好ましい。この範囲とすることにより、耐湿下印加電圧時の電気的信頼性の向上がみられる。

さらに、上記の液状樹脂組成物に（Ｄ）硬化促進剤を添加してもよい。性状としては、液状の硬化促進剤が好ましく、例えば、１，２−ジメチルイミダゾールや１−ベンジル−２−メチルイミダゾールや１−ベンジル−２−フェニルイミダゾール、２−エチル−４−メチルイミダゾールなどが挙げられる。また、固形の硬化促進剤を溶解させて適用してもよい。固形の硬化促進剤としては、例えば２−メチルイミダゾールや２−ウンデシルイミダゾールなどのイミダゾール類、トリフェニルフォスフィンやテトラフェニルフォスフィンの誘導体やその塩などが挙げられるが、液状樹脂組成物に溶解することが好ましい。

本発明の熱硬化性液状封止樹脂組成物は、前記の熱硬化性液状樹脂、硬化剤以外に、本発明の効果を逸脱しない範囲で必要に応じて顔料、レベリング剤や消泡剤などの界面活性剤、反応性希釈剤、溶剤、カップリング剤などの各種の添加剤などを適宜配合することができる。それら各種の添加剤は液状ないし、固形の場合は他の液状成分に溶解することが好ましい。

本発明の熱硬化性液状封止樹脂組成物は、前記有機染料を事前に前記熱硬化性液状樹脂及び／または前記硬化剤に溶解した後に、その他の原材料及びその他の添加剤などをミキサー、ロールなどの混練機で混練した後、真空脱泡して得られる。
本発明の熱硬化性液状封止樹脂組成物を用いて半導体装置を製造するには、公知の方法を用いることができる。特に本発明の熱硬化性液状封止樹脂組成物は、アンダーフィル材などとしてフリップチップパッケージ（ＦＣパッケージ）、チップオンフィルムパッケージ（ＣＯＦパッケージ）などの半導体装置の封止用に好適である。特に、チップと基板との接合部の狭ギャップ、狭ピッチの半導体装置において耐湿下印加電圧時の電気的信頼性に優れ、チップオンフィルムパッケージ（ＣＯＦパッケージ）に用いられる。
上記の狭ピッチとは、チップの端子間隔が１５０μｍ以下であり、上記の狭ギャップとは、チップの回路面と基板の間隙が５０μｍ以下のことをいう。

次に、本発明を実施例及び比較例で具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。各成分の配合割合は重量部とする。
＜用いる原料成分＞
熱硬化性液状樹脂（Ａ）：ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂（大日本インキ化学工業（株）製 ＥＸＡ−８５０ＣＲＰ、エポキシ当量１７３、液状）、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂（大日本インキ化学工業（株）製 ＥＸＡ−８３０ＬＶＰ、エポキシ当量１６０、液状）、芳香族アミン型エポキシ（ジャパンエポキシレジン（株）製 ＪＥＲ−６３０、エポキシ当量９８、液状）、ナフタレン型エポキシ（大日本インキ化学工業（株）製 ＨＰ−４０３２Ｄ、エポキシ当量１４１、液状）
硬化剤（Ｂ）：３，３’−ジエチル−４，４’−ジアミノジフェニルメタン（日本化薬（株）製 ＫＡＹＡＨＡＲＤ−ＡＡ、沸点２３０℃、当量６３、液状）、アリルフェノール・ホルムアルデヒド樹脂（明和化成（株）製 ＭＥＨ−８０００Ｈ、水酸基当量１４１
、液状）、フェノール・ホルムアルデヒド樹脂（住友ベークライト（株）製 ＰＲ−ＨＦ−３、水酸基当量１０５、固形）、Ｎ−エチルアニリン・ホルムアルデヒド樹脂（三洋化成工業（株）製 Ｔ−１３、水酸基当量１２７、液状）
有機染料（Ｃ）：Ｃ．Ｉ．ソルベントブラック７（オリヱント化学工業（株）製 ＮＵＢＩＡＮ ＢＬＡＣＫ ＰＡ−９８０３（アジン系染料）、吸収ピーク１５１７及び１４９３ｃｍ^-1）、メチン及びアントラキノン系染料の混合物（住友化学（株）製 ＫＡＹＡＳＥＴ ＢＬＡＣＫ Ｇ、吸収ピーク１５９７および１５１３ｃｍ^-1）
顔料：カーボンブラック（三菱化学（株）製 ＭＡ−６００）、酸化チタン（堺化学工業（株）製 ＴＩＴＯＮＥ Ｒ−２５）
硬化促進剤（Ｄ）：１,２−ジメチルイミダゾール、１−ベンジル−２−フェニルイミ
ダゾール

［実施例１］
表１の配合に従って、まずエポキシ樹脂と有機染料をミキサーにて混合し、その後残りの成分を配合しミキサーで混合し、３本ロールで分散混練し、真空脱泡して熱硬化性液状封止樹脂組成物を得た。得られた熱硬化性液状封止樹脂組成物を以下の方法で評価した。結果を表１に示す。

＜粘度＞
粘度の測定は、ブルックフィールド粘度計にＣＰ−５１型コーンを装着し２５℃で５ｒｐｍの条件で測定を実施した。樹脂組成物の粘度は、半導体装置作製時のチップと基板の隙間への定量供給安定性、塗布供給性及び隙間への流動特性を考慮すると３５Ｐａ・ｓ以下であることが好ましい。

半導体装置の作製については、上記作製した熱硬化性液状封止樹脂組成物を用いてＦＣパッケージとＣＯＦパッケージを作製し評価を行った。
ＦＣパッケージの構成部材は下記のとおりである。
チップ：（株）日立超ＬＳＩ製Ｐｈａｓｅ−１ＴＥＧウエハーで、回路保護膜にポリイミド、基板への接続バンプとしてＡｕプレートバンプが形成されたものを９．６ｍｍ×９．６ｍｍ×０．５ｍｍｔに切断して使用した。（バンプ数：３２４）
基板：住友ベークライト（株）製ＦＲ５相当の厚さ０．８ｍｍのガラスエポキシ基板をベースとし、両面に太陽インキ製造（株）製ソルダーレジスト（商品名：ＰＳＲ４０００／ＡＵＳ３０８）を形成し、チップとの接合面に上記チップのＡｕプレートバンプ配列に相当するアルミパッドを配したものを５０ｍｍ×５０ｍｍの大きさに切断し使用した。
ＦＣパッケージの組み立ては、超音波接合にて上記チップを上記基板に４０μｍ間隙を有するように接合した。

ＣＯＦパッケージの構成部材は下記のとおりである。
チップ：（株）日立超ＬＳＩ製ＪＴＥＧ Ｐｈａｓｅ−６ ３０ウエハーで、回路保護膜に窒化珪素、基板への接続バンプとしてＡｕプレートバンプが形成されたものを１．６ｍｍ×１５ｍｍ×０．６ｍｍｔに切断し使用した。
基板：（株）日立超ＬＳＩ製ＪＫＩＴ ＣＯＦ ＴＥＧ３０−Ｂフレキシブル基板で、チップ接続部が、回路幅８μｍ（０．２μｍのＳｎメッキ有り）／回路間隔１０μｍのものを用いた。
ＣＯＦパッケージの組み立ては、超音波接合にて上記チップを上記フレキシブル基板に１５μｍの間隙を有するように接合した。

熱硬化性液状封止樹脂組成物の充填・封止方法は、上記チップと基板を接合した組み立て途中のＦＣパッケージとＣＯＦパッケージを１１０℃の熱板上で加熱し、チップの一辺に上記作製した樹脂組成物を塗布し間隙充填させ、白黒ＣＣＤカメラにて塗布された樹脂
量が適正であるかを確認した後、１５０℃のオーブンで３０分間樹脂組成物を加熱硬化し、評価用の半導体装置を得た。得られた半導体装置を以下の方法で評価した。結果を表１に示す。

＜充填性、視認性＞
上記半導体装置作製時（ＦＣパッケージ、ＣＯＦパッケージ）において、熱硬化性液状封止樹脂組成物をチップと基板を接合した隙間への充填性と充填状態を確認した。
充填性については、樹脂組成物がチップと基板を接合した隙間へ完全に充填したものをＯＫ、完全充填しないものをＮＧとして、完全充填した半導体装置の個数を確認した。
ＦＣパッケージの充填性については、３００秒以内に充填したものを○、充填しなかったものを×とした。
また、充填状態については、視認性として白黒ＣＣＤカメラで充填状態が確認できたものをＯＫ、充填状態を確認できなかったものをＮＧとした。

＜電気的信頼性＞
得られた半導体装置を用いて、８５℃／８５％ＲＨ環境下で５０Ｖの印加電圧下での電気抵抗値を測定した。測定は、８５℃／８５％ＲＨ環境下で５０Ｖの印加電圧下で０時間、１００時間、２５０時間、５００時間、１０００時間後に行い、短絡した半導体装置の個数を確認し、途中で短絡したものはその後の測定を実施しなかった。

［実施例２〜４］
表１の配合に従い、実施例１と同様に熱硬化性液状封止樹脂組成物及び半導体装置を作製し、評価した。評価結果を表１に示す。

［比較例１］
表１の配合に従い、有機染料を熱硬化性樹脂に事前混合しないで熱硬化性液状封止樹脂組成物を作製し、実施例１と同様に評価した。さらに、得られた熱硬化性液状封止樹脂組成物を用いて、実施例１と同様に半導体装置を作製し評価した。評価結果を表１に示す。［比較例２、３］
表１の配合に従い、各成分を配合しミキサーで混合し、３本ロールで分散混練し、真空脱泡して熱硬化性液状封止樹脂組成物を作製し、実施例１と同様に評価した。さらに、得られた熱硬化性液状封止樹脂組成物を用いて、実施例１と同様に半導体装置を作製し評価した。評価結果を表１に示す。

本発明の熱硬化性液状樹脂組成物を用いることにより、半導体装置作製時の良好な作業性と電気的な信頼性に優れた半導体装置を提供することが可能となり、特にリップチップパッケージ（ＦＣパッケージ）、チップオンフィルムパッケージ（ＣＯＦパッケージ）などの半導体装置のアンダーフィル材に好適に用いられる。

Claims (9)

1. （Ａ）熱硬化性液状樹脂、（Ｂ）硬化剤、及び（Ｃ）有機染料を必須成分とする熱硬化性液状封止樹脂組成物において、前記有機染料を事前に前記熱硬化性液状樹脂及び／または前記硬化剤に溶解してなることを特徴とする熱硬化性液状樹脂組成物。
2. 前記有機染料が、１０００ｃｍ^-1以上３５００ｃｍ^-1以下に吸収ピークを有することを特徴とする請求項１記載の熱硬化性液状樹脂組成物。
3. 前記熱硬化性液状樹脂１００ｇに対して、前記有機染料が０．０１ｇ以上可溶であることを特徴とする請求項１または２に記載の熱硬化性液状樹脂組成物。
4. 前記有機染料の配合量が、熱硬化性液状樹脂に対して０．１０重量部以上５．００重量部以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱硬化性液状樹脂組成物。
5. 該熱硬化性液状樹脂封止樹脂組成物を厚さ８０μｍのチップ−基板接合間隙を有するフリップチップパッケージのチップの一辺に塗布することにより３００秒以内に充填封止することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の熱硬化性液状樹脂組成物。
6. さらに、（Ｄ）硬化促進剤を配合してなることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の熱硬化性液状封止樹脂組成物。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の熱硬化性液状封止樹脂組成物を用いてチップを封止してなることを特徴とする半導体装置。
8. 半導体装置のバンプやワイヤーからなる封止部分の間隙が５０μｍ以下であることを特徴とする請求項７に記載の半導体装置。
9. フレキシブル基板上にチップを接合した後、封止することを特徴とする請求項７または８に記載の半導体装置。