JP2009126980A - 液状封止樹脂組成物、半導体装置および半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 本発明の液状封止樹脂組成物は、常温で固形かつ軟化点が80℃以下であるエポキシ樹脂と、硬化剤と、充填剤と、溶剤とを含む液状封止樹脂組成物であって、第1基板の一方の面側に配置された第1半導体素子と、前記第1半導体素子と前記第1基板とを電気的に接続するボンディングワイヤと、前記第1半導体素子の前記第1基板と反対側に配置された第2半導体素子とで構成される半導体装置の前記第1半導体素子と前記第2半導体素子との間を、前記エポキシ樹脂の軟化点以上の温度に加熱した状態で封止するように用いられる。
【選択図】 図1
Description
このような半導体素子が3次元的に搭載された半導体パッケージも通常の半導体パッケージ同様に、ボンディングワイヤで半導体素子と基板等とが電気的に接続されている場合があり、半導体素子をモールド樹脂や液状樹脂により封止している。そして、半導体素子が3次元的に搭載された半導体パッケージでは、長期使用下での信頼性を考えて、積層する際にワイヤー形状をつぶすことや変形させることを避けなければならない。そこで通常はスペーサーとして、フィルム材料等を用いることにより、ボンディングワイヤ部分が変形しないように高さを保持していた(例えば、特許文献1参照)。
また、本発明は、ボンディングワイヤを有する半導体パッケージ等同士を液状封止樹脂組成物で封止する工程を有する半導体装置の製造方法に関する。
(1)常温で固形かつ軟化点が80℃以下であるエポキシ樹脂と、硬化剤と、充填剤と、溶剤とを含む液状封止樹脂組成物であって、第1基板の一方の面側に配置された第1半導体素子と、前記第1半導体素子と前記第1基板とを電気的に接続するボンディングワイヤと、前記第1半導体素子の前記第1基板と反対側に配置された第2半導体素子とで構成される半導体装置の前記第1半導体素子と前記第2半導体素子との間を、前記エポキシ樹脂の軟化点以上の温度に加熱した状態で封止するように用いられることを特徴とする液状封止樹脂組成物。
(2)前記エポキシ樹脂が、ビフェニル骨格を有するエポキシ樹脂を含むものである上記(1)に記載の液状封止樹脂組成物。
(3)前記硬化剤が、アミン系硬化剤を含むものである上記(2)に記載の液状封止樹脂組成物。
(4)前記液状封止樹脂組成物が、さらにカップリング剤を含むものである上記(3)に記載の液状封止樹脂組成物。
(5)前記カップリング剤が、アミン末端型シランカップリング剤を含むものである上記(4)に記載の液状封止樹脂組成物。
(6)上記(1)ないし(5)のいずれかに記載の液状封止樹脂組成物の硬化物で、第1半導体素子と第2半導体素子との間を封止したものであることを特徴とする半導体装置。
(7)第1基板の一方の面側に配置された第1半導体素子と、前記第1半導体素子と前記第1基板とを電気的に接続するボンディングワイヤと、前記第1半導体素子の前記第1基板と反対側に配置された第2半導体素子とで構成され、前記第1半導体素子と前記第2半導体素子との間を液状封止樹脂組成物の硬化物で封止してなる半導体装置の製造方法であって、前記第1半導体素子および第2半導体素子の少なくとも一方の表面に、常温で固形かつ軟化点80℃以下であるエポキシ樹脂と、硬化剤と、充填剤と、溶剤とを含む液状封止樹脂組成物を供給する供給工程と、該液状封止樹脂組成物を半硬化状態にする半硬化工程と、前記半硬化した前記液状封止樹脂組成物を介して、前記エポキシ樹脂の軟化点以上の温度に加熱した状態で前記第1半導体素子と、前記第2半導体素子とを接合する工程と、前記液状封止樹脂組成物を硬化させる硬化工程とを有していることを特徴とする半導体装置の製造方法。
(8)前記半硬化工程が、加熱すると共に脱気を行うものである上記(7)に記載の半導体装置の製造方法。
(9)前記半硬化した液状封止樹脂組成物の150℃の溶融粘度が、10Pa・s以下である上記(8)に記載の半導体装置の製造方法。
(10)前記半硬化工程後に、前記液状封止樹脂組成物のタック値が0〜5.0gf/5mmφ以下となる上記(9)に記載の半導体装置の製造方法。
まず、液状封止樹脂組成物および半導体装置について説明する。
本発明の液状封止樹脂組成物は、例えば図1に示すような第1基板1の一方面側(図1中の上側)に配置された第1半導体素子11と、第1半導体素子11と、第1基板1とを電気的に接続するボンディングワイヤ12と、第1半導体素子11の第1基板1と反対側(図1中の第1半導体素子の上側)に配置された第2半導体素子2と、第2半導体素子2と第1基板1とを電気的に接続するボンディングワイヤ21とで構成される半導体装置100の第1半導体素子11と第2半導体素子2との間を封止する封止材料3として用いられるものである。このような、ボンディングワイヤ12を有する半導体素子の該ボンディングワイヤを変形等することなく封止することが目的だからである。そして、半導体装置100は、第1半導体素子11と第2半導体素子2とがモールド材4で覆われている。
このようなエポキシ樹脂としては、例えばフェノールノボラック樹脂、クレゾールノボラック樹脂、ビスフェノールAノボラック樹脂等のノボラック型フェノール樹脂、レゾール型フェノール樹脂等のフェノール樹脂、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等のノボラック型エポキシ樹脂、ビスフェノールF型エポキシ樹脂、N,N−ジグリシジルアニリン、N,N−ジグリシジルトルイジン、ジアミノジフェニルメタン型グリシジルアミン、アミノフェノール型グリシジルアミンのような芳香族グリシジルアミン型エポキシ樹脂、ハイドロキノン型エポキシ樹脂、ビフェニルアラルキル型エポキシ樹脂等のビフェニル型エポキシ樹脂、スチルベン型エポキシ樹脂、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、アルキル変性トリフェノールメタン型エポキシ樹脂、トリアジン核含有エポキシ樹脂、ジシクロペンタジエン変性フェノール型エポキシ樹脂、ナフトール型エポキシ樹脂、ナフタレン型エポキシ樹脂、フェニレンおよび/またはビフェニレン骨格を有するフェノールアラルキル型エポキシ樹脂、フェニレンおよび/またはビフェニレン骨格を有するナフトールアラルキル型エポキシ樹脂等のアラルキル型エポキシ樹脂等のエポキシ樹脂、ビニルシクロヘキセンジオキシド、ジシクロペンタジエンオキシド、アリサイクリックジエポキシ−アジペイド等の脂環式エポキシ等の脂肪族エポキシ樹脂等が挙げられる。
これらの中でもビフェニル型エポキシ樹脂等のビフェニル骨格を有するエポキシ樹脂およびクレゾールナフトール型エポキシ樹脂の少なくとも一方を含むエポキシ樹脂が好ましい。これにより、Bステージ後タックフリー性やライフ、再溶融時の低粘度化による高流動性の発現等、作業性を向上することができる。
前記溶融粘度は、例えばICIアナログ型粘度計を用いて、コーンプレート方式の条件で測定することができる。測定条件としては、例えば24mmφコーン、回転数750rpm、せん断速度10,000sec−1で測定できる。
前記硬化剤としては、例えばまたは酸無水物類、フェノール類、アミン類、アミド系化合物等が挙げられるが、Bステージ特性を発現させるため、特に常温で固形のものが好ましい。
前記酸または酸無水物類としては、例えば無水フタル酸、無水トリメリット酸、無水ピロメリット酸、無水マレイン酸、ベンゾフェノンテトラカルボン酸無水物、エチレングリコールビストリメリテート、無水ヘット酸、テトラブロモ無水フタル酸、テトラヒドロ無水フタル酸、メチルテトラヒドロ無水フタル酸、無水メチルナジック酸、ヘキサヒドロ無水フタル酸、メチルヘキサヒドロ無水フタル酸、ドデシルコハク酸無水物、ポリアジピン酸無水物、ポリアゼライン酸無水物、ポリセバシン酸無水物、ポリ(エチルオクタデカンニ酸)無水物、ポリ(フェニルヘキサデカンニ酸)無水物、無水メチルハイミック酸、トリアルキルテトラヒドロ無水フタル酸、メチルシクロヘキセンジカルボン酸無水物等が挙げられる。
その他硬化剤としてレゾール型フェノール樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂、イソシアネート、ブロックイソシアネート等も挙げることができる。
前記充填剤としては、例えばタルク、焼成クレー、未焼成クレー、マイカ、ガラス等のケイ酸塩、酸化チタン、アルミナ、溶融シリカ(溶融球状シリカ、溶融破砕シリカ)、合成シリカ、結晶シリカ等のシリカ粉末等の酸化物、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、ハイドロタルサイト等の炭酸塩、水酸化アルミニウム、水酸化マグネシウム、水酸化カルシウム等の水酸化物、硫酸バリウム、硫酸カルシウム、亜硫酸カルシウム等の硫酸塩または亜硫酸塩、ホウ酸亜鉛、メタホウ酸バリウム、ホウ酸アルミニウム、ホウ酸カルシウム、ホウ酸ナトリウム等のホウ酸塩、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、窒化ケイ素等の窒化物等の無機充填剤を挙げることができる。また、有機充填剤を用いても良い。これらの中でも液状封止樹脂組成物の耐熱性、耐湿性、強度等の信頼性を向上できることから溶融シリカ、結晶シリカ、合成シリカ粉末が好ましい。前記充填剤の形状は、特に限定されないが、粘度・流動特性の観点から形状は球状であることが好ましい。
前記溶剤としては、脂肪族アルコール系溶剤、ケトン系溶剤、ラクトン系溶剤、アルデヒド系溶剤、カルボン酸系溶剤、エステル系溶剤、エーテル系溶剤、フェノール系溶剤、炭化水素系溶剤、ハロゲン化炭化水素系溶剤、アセタール系溶剤、脂肪酸系溶剤、酸無水物系溶剤、窒素化合物系溶剤、硫黄化合物系溶剤、無機溶剤等が挙げられる。
これら溶剤の中でも沸点が130℃以上の溶剤が好ましい。これにより、常温での揮発性の抑制効果に優れる。沸点が130℃以上となる溶剤としては、例えばγ−ブチロラクトン、エチレングリコールモノエチルエーテルアセテート等が挙げられる。
前記カップリング剤としては、ビニルトリクロロシラン、ビニルトリメトキシシラン、ビニルトリエトキシシラン、ビニルトリ−(β−メトキシエトキシ)シラン、β−(3,4エポキシシクロヘキシル)エチルトリメトキシシラン、γ−アクリロキシプロピルメチルジメトキシシラン、γ−アクリロキシプロピルトリメトキシシラン、γ−アクリロキシプロピルメチルジエトキシシラン、γ−アクリロキシプロピルトリエトキシシラン、γ−メタクリロキシプロピルメチルジメトキシシラン、γ−メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン、γ−メタクリロキシプロピルメチルジエトキシシラン、γ−メタクリロキシプロピルトリエトキシシラン、γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、γ−グリシドキシプロピルメチルジエトキシシラン、γ−グリシドキシプロピルトリエトキシシラン、p−スチリルトリメトキシシラン、N−β(アミノエチル)γ−アミノプロピルメチルジメトキシシラン、N−β(アミノエチル)γ−アミノプロピルトリメトキシシラン、N−β(アミノエチル)γ−アミノプロピルトリエトキシシラン、γ−アミノプロピルトリエトキシシラン、γ−フェニル−γ−アミノプロピルトリメトキシシラン等が挙げられ、単独でも混合して使用しても良い。
これらカップリング剤の中でもアミン末端型シランカップリング剤が好ましい。これにより、流動性や密着力を向上することができる。
前記硬化促進剤としては、例えば2−メチルイミダゾール、2−エチル−4−メチルイミダゾール、2−ウンデシルイミダゾール、2−ヘプタデシルイミダゾール、2−フェニル−4、5−ジヒドロキシメチルイミダゾール、2−フェニルイミダゾール、2−エチルイミダゾール、2−エチル−4−メチルイミダゾール等のイミダゾール類、2−(ジメチルアミノメチル)フェノール、1,8−ジアザ−ビシクロ(5,4,0)ウンデセン−7等の第3級アミン類、トリフェニルホスフィン等のホスフィン類、オクチル酸スズ等の金属化合物等が挙げられる。
次に、半導体装置の製造方法について図2に示す好適な実施形態に基づいて説明する。
図2(a)に示すように、第1半導体素子11が搭載された第1基板1を用意する。ここで、第1半導体素子11と、第1基板1とは固定されると共に、所定の端子同士がボンディングワイヤ12で電気的に接続されている。また、第1半導体素子11と、第1基板1とは、ペースト系接着剤、フィルム状の接着剤を用いて接着されていても良い。
ここで、上述の液状封止樹脂組成物31をBステージ化する条件は、使用する液状封止樹脂組成物の組成により異なるが、例えば60〜140℃×10〜180分間が好ましく、特に80〜130℃×30〜90分間が好ましい。
また、本実施形態では、液状封止樹脂組成物31を第2半導体素子2の表面側に塗布したが、特にこれに限定されず、第1半導体素子11の表面側に塗布しても良いし、第1半導体素子11および第2半導体素子2の両方の表面に塗布しても良い。
特にパッケージインパッケージ構造の半導体装置の場合は、封止材料3として厚さ500μm以上が必要となる場合があり、そのような場合には硬化前の封止材料3’の厚さを500μm以上とすることにより、多段スタック型のパッケージ等の一括封止も可能にすることができる。
ここで、第2半導体素子2を搭載する条件は、特に限定されないが、硬化前の封止材料3’の溶融粘度が0.01〜50Pa・sとなるような温度で搭載することが好ましく、特に硬化前の封止材料3’の溶融粘度が0.1〜10Pa・sとなるような温度で搭載することが好ましい。このような条件範囲内であると、ボンディングワイヤ12の変形を特に防止することができる。
具体的に搭載条件は、50〜180℃で搭載することが好ましく、特に80〜160℃で搭載することが好ましい。
この硬化前の封止材料3’を硬化させる条件は、特に限定されないが、120〜180℃×30〜180分間が好ましく、特に140〜170℃×40〜120分間が好ましい。前記条件で、硬化前の封止材料3’を硬化させることにより、特に信頼性確保に十分な弾性率、破壊強度、密着性や吸水性等の機械的特性に優れる。さらに、高いガラス転移温度や低い線膨張係数等の熱的特性にも優れる。
前記エポキシ樹脂は、1分子内にエポキシ基を2個以上有するモノマー、オリゴマー、ポリマー全般であり、その分子量、分子構造を特に限定するものではない。具体的には、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、ハイドロキノン型エポキシ樹脂、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、ビフェニル型エポキシ樹脂、スチルベン型エポキシ樹脂、トリフェノールメタン型エポキシ樹脂、アルキル変性トリフェノールメタン型エポキシ樹脂、トリアジン核含有エポキシ樹脂、ジシクロペンタジエン変性フェノール型エポキシ樹脂、フェニレンおよび/またはビフェニレン骨格を有するフェノールアラルキル型エポキシ樹脂、ナフトール型エポキシ樹脂、ナフタレン型エポキシ樹脂、フェニレンおよび/またはビフェニレン骨格を有するナフトールアラルキル型エポキシ樹脂等が挙げられ、これらは単独でも混合して用いても差し支えない。これらの内では、ビフェニル型エポキシ樹脂が好ましい。これにより、再溶融時の低粘度性と、Bステージ後のタックフリー性を両立する等、本方式における作業性等を向上することができる。
1.液状封止樹脂組成物の調製
エポキシ樹脂としてビフェニル骨格エポキシ樹脂(日本化薬社製、品番NC3000、常温で固形、軟化温度50〜65℃)15重量%と、硬化剤として、アミン系硬化剤(三井化学ファイン社製、品番3,3’−DDS)4重量%と充填剤としてシリカ(電気化学工業社製、品番FB3SDX、平均粒子径7μm)70重量%と、カップリング剤としてアミノ末端シランカップリング剤(信越化学工業社製、品番KBM−903)1重量%と、溶剤としてラクトン系溶剤(和光純薬工業社製)10重量%とを、3本ロールで混練して液状封止樹脂組成物を調製した。
次に、第2半導体素子(サイズ15×10mm)の機能面と反対側の面に、上述の液状封止樹脂組成物を乾燥後の厚さが500μmとなるように塗布し、120℃×90分間乾燥して、厚さ485μmほどの半硬化した液状封止樹脂組成物(硬化前の封止材料)を形成した。
次に、第1基板(住友ベークライト社製、サイズ50×50mm)に、第1半導体素子(サイズ10×10mm)が搭載され、第1基板の所定の端子と、第1半導体素子の所定の端子とがボンディングワイヤで電気的に接続されたものを用意した。
エポキシ樹脂として以下のものを用いた以外は、実施例1と同様にした。
エポキシ樹脂として、クレゾールナフトール型エポキシ樹脂(日本化薬社製、品番NC7300L、軟化温度60〜95℃、常温で固形)を用いた。
硬化剤として以下のものを用い、他の配合を以下のようにした以外は、実施例1と同様にした。
エポキシ樹脂としてビフェニル骨格エポキシ樹脂(日本化薬社製、品番NC3000、常温で固形、軟化温度50〜65℃)16重量%と、硬化剤として、フェノールノボラック(自社製、品番PR−51470)3重量%と充填剤としてシリカ(電気化学工業社製、品番FB3SDX、平均粒子径7μm)70重量%と、カップリング剤としてアミノ末端シランカップリング剤(信越化学工業社製、品番KBM−903)1重量%と、溶剤として、エーテルアセテート(東京化成工業社製、品番BCSA)10重量%とを、3本ロールで混練して液状封止樹脂組成物を調製した。
なお、得られた液状封止樹脂組成物を半硬化した後の150℃での溶融粘度は、5Pa・sであった。
カップリング剤として以下のものを用いた以外は、実施例1と同様にした。
カップリング剤として、エポキシ末端シランカップリング剤(信越化学工業社製、品番KBM−403E)を用いた。
なお、得られた液状封止樹脂組成物を半硬化した後の150℃での溶融粘度は、2Pa・sであった。
図3に示すような、第1基板1に第1半導体素子11と、フリップチップ型の半導体素子111と、コンデンサー112とを搭載しているものを用いた以外は、実施例1と同様にした。
エポキシ樹脂として以下のものを用いた以外は、実施例1と同様にした。
エポキシ樹脂擬アントラセン型エポキシ樹脂(ジャパンエポキシレジン社製、品番YL7310、軟化温度115℃、常温で固形)を用いた。
なお、得られた液状封止樹脂組成物を半硬化した後の150℃での溶融粘度は、30Pa・sであった。
エポキシ樹脂として以下のものを用いた以外は、実施例1と同様にした。
ビスフェノールF型エポキシ樹脂(大日本インキ社製、品番EXA−830LVP、常温で液状、軟化点(融点)40℃)を用いた。
なお、得られた液状封止樹脂組成物を半硬化した後の150℃での溶融粘度は、0.2Pa・sであった。
ボンディングワイヤの変形は、X線解析で評価した。各符号は、以下の通りである。
◎:変形が、ほとんど無かった。
○:一部微小な変形があるが、実用上問題無かった。
△:変形あり、実用不可であった。
×:変形すると共に、隣接するボンディングワイヤ同士が接触していた。
半導体装置の信頼性は、超音波探傷機を用いて、剥離の発生有無、クラックの発生有無で評価した。各符号は、以下の通りである。
◎:剥離またはクラックの発生が、ほとんど無かった。
○:剥離またはクラックが発生したが、発生率が5%未満であった。
△:剥離またはクラック発生率が、5%以上、かつ95%未満であった。
×:剥離またはクラック発生率が、95%以上であった。
作業性は、印刷性(印刷後における硬化前の封止材料の形状)で評価した。各符号は、以下の通りである。
◎:硬化前の封止材料の形状維持性が、良好であった。
○:一部液だれがみられたが、硬化前の封止材料の形状維持性が良好であった。
△:硬化前の封止材料の形状維持性または印刷性が、不十分であった。
×:印刷ができないまたは硬化前の封止材料の形状維持性がほとんど無かった。
また、実施例1、2、4および5は、半導体装置の信頼性に特に優れていた。
また、実施例1〜3および5は、作業性にも優れていた。
11 第1半導体素子
12 ボンディングワイヤ
2 第2半導体素子
21 ボンディングワイヤ
3 封止材料
3’ 硬化前の封止材料
31 液状封止樹脂組成物
4 モールド材
100 半導体装置
111 フリップチップ型半導体素子
112 コンデンサー
Claims (10)
- 常温で固形かつ軟化点が80℃以下であるエポキシ樹脂と、硬化剤と、充填剤と、溶剤とを含む液状封止樹脂組成物であって、
第1基板の一方の面側に配置された第1半導体素子と、前記第1半導体素子と前記第1基板とを電気的に接続するボンディングワイヤと、前記第1半導体素子の前記第1基板と反対側に配置された第2半導体素子とで構成される半導体装置の前記第1半導体素子と前記第2半導体素子との間を、前記エポキシ樹脂の軟化点以上の温度に加熱した状態で封止するように用いられることを特徴とする液状封止樹脂組成物。 - 前記エポキシ樹脂が、ビフェニル骨格を有するエポキシ樹脂を含むものである請求項1に記載の液状封止樹脂組成物。
- 前記硬化剤が、アミン系硬化剤を含むものである請求項2に記載の液状封止樹脂組成物。
- 前記液状封止樹脂組成物が、さらにカップリング剤を含むものである請求項3に記載の液状封止樹脂組成物。
- 前記カップリング剤が、アミン末端型シランカップリング剤を含むものである請求項4に記載の液状封止樹脂組成物。
- 請求項1ないし5のいずれかに記載の液状封止樹脂組成物の硬化物で、第1半導体素子と第2半導体素子との間を封止したものであることを特徴とする半導体装置。
- 第1基板の一方の面側に配置された第1半導体素子と、前記第1半導体素子と前記第1基板とを電気的に接続するボンディングワイヤと、前記第1半導体素子の前記第1基板と反対側に配置された第2半導体素子とで構成され、前記第1半導体素子と前記第2半導体素子との間を液状封止樹脂組成物の硬化物で封止してなる半導体装置の製造方法であって、
前記第1半導体素子および第2半導体素子の少なくとも一方の表面に、常温で固形かつ軟化点80℃以下であるエポキシ樹脂と、硬化剤と、充填剤と、溶剤とを含む液状封止樹脂組成物を供給する供給工程と、
該液状封止樹脂組成物を半硬化状態にする半硬化工程と、
前記半硬化した前記液状封止樹脂組成物を介して、前記エポキシ樹脂の軟化点以上の温度に加熱した状態で前記第1半導体素子と、前記第2半導体素子とを接合する工程と、
前記液状封止樹脂組成物を硬化させる硬化工程とを有していることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記半硬化工程が、加熱すると共に脱気を行うものである請求項7に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記半硬化した液状封止樹脂組成物の150℃の溶融粘度が、10Pa・s以下である請求項8に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記半硬化工程後に、半硬化した液状封止樹脂組成物のタック値が0〜5.0gf/5mmφ以下となる請求項9に記載の半導体装置の製造方法。
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