JP2011018741A - 封止樹脂組成物および半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】フリップチップ方式の半導体装置の信頼性を優れたものとすることができる封止樹脂組成物、および、優れた信頼性を有する半導体装置を提供すること。
【解決手段】本発明の封止樹脂組成物は、半田バンプ３を介して接続された基板２と半導体素子４との間に充填されて用いられる硬化性の封止樹脂組成物であって、硬化後の１２５℃におけるポアソン比が０．４以上であることを特徴とする。かかる封止樹脂組成物は、硬化性樹脂および硬化剤を含有し、無機充填剤を実質的に含まないのが好ましい。
【選択図】 図３

Description

本発明は、封止樹脂組成物および半導体装置に関する。

フリップチップ方式の半導体装置では、半導体素子と基板とが半田バンプを介して電気的に接続されている。このようなフリップチップ方式の半導体装置では、一般に、接続信頼性を向上する目的から、半導体素子と基板との間にアンダーフィル材と呼ばれる硬化性の液状封止樹脂組成物が充填され、その硬化物により半田バンプの周辺が補強されている。

しかしながら、従来の半導体装置では、低温と高温とで温度変化が繰り返されると、半田バンプが半導体素子との界面付近で疲労し、導通不良が生じると言う問題があった。

特開２０００−４２７８６号公報

本発明の目的は、半導体装置の信頼性を優れたものとすることができる封止樹脂組成物、および、優れた信頼性を有する半導体装置を提供することにある。

このような目的は、下記（１）〜（１５）に記載の本発明により達成される。
（１） 半田バンプを介して接続された基板と相手体との間に充填されて用いられる硬化性の封止樹脂組成物であって、
硬化後の１２５℃におけるポアソン比が０．４以上であることを特徴とする封止樹脂組成物。

（２） 硬化性樹脂および硬化剤を含有する上記（１）に記載の封止樹脂組成物。
（３） 前記硬化性樹脂は、エポキシ樹脂である上記（２）に記載の封止樹脂組成物。

（４） 前記硬化剤は、アミン系硬化剤である上記（３）に記載の封止樹脂組成物。
（５） 無機充填剤を実質的に含まない上記（２）ないし（４）のいずれかに記載の封止樹脂組成物。

（６） 低応力剤をさらに含有する上記（２）ないし（５）のいずれかに記載の封止樹脂組成物。

（７） シランカップリング剤をさらに含有する上記（２）ないし（６）のいずれかに記載の封止樹脂組成物。

（８） 基板と、
前記基板に半田バンプを介して接続された相手体と、
前記基板と前記相手体との間に充填され、上記（１）ないし（７）のいずれかに記載の封止樹脂組成物の硬化物で構成された封止部とを有することを特徴とする半導体装置。

（９） 基板と、
前記基板に半田バンプを介して接続された相手体と、
前記基板と前記相手体との間を封止する封止部とを有し、
前記封止部の１２５℃におけるポアソン比が０．４以上であることを特徴とする半導体装置。

（１０） 前記基板の面方向での線膨張係数と、前記相手体の同方向での線膨張係数とが異なる上記（８）または（９）に記載の半導体装置。

（１１） 前記基板の面方向での線膨張係数は、前記相手体の同方向での線膨張係数よりも大きい上記（１０）に記載の半導体装置。

（１２） 前記基板の面方向での線膨張係数をα_１とし、前記相手体の同方向での線膨張係数をα_２としたときに、α_１／α_２は、２〜１２である上記（１１）に記載の半導体装置。

（１３） 前記封止部の前記面方向での線膨張係数は、前記相手体の同方向での線膨張係数よりも大きい上記（１１）または（１２）に記載の半導体装置。

（１４） 前記封止部の前記面方向での線膨張係数をα_３とし、前記相手体の同方向での線膨張係数をα_２としたときに、α_３／α_２は、５〜１００である上記（１３）に記載の半導体装置。

（１５） 前記相手体は、半導体素子である上記（１１）ないし（１４）のいずれかに記載の半導体装置。

本発明によれば、封止樹脂組成物の硬化後の１２５℃におけるポアソン比が０．４以上であるため、このような封止樹脂組成物を封止部に用いた半導体装置は、低温と高温とで繰り返し温度変化が生じても、半田バンプの疲労を防止し、その結果、信頼性を優れたものとすることができる。

本発明の実施形態にかかる半導体装置の概略構成を示す断面図である。 図１に示す半導体装置の部分拡大断面図である。 （ａ）は、従来の半導体装置の常温での状態を示す模式図、（ｂ）は、従来の半導体装置における半田バンプの疲労のメカニズムを説明するための図（高温での状態を示す図）、（ｃ）は、図１に示す半導体装置の作用を説明するための図である。

以下、本発明の封止樹脂組成物および半導体装置を好適な実施形態に基づいて説明する。

図１は、本発明の実施形態にかかる半導体装置の概略構成を示す断面図、図２は、図１に示す半導体装置の部分拡大断面図、図３（ａ）は、従来の半導体装置の常温での状態を示す模式図、図３（ｂ）は、従来の半導体装置における半田バンプの疲労のメカニズムを説明するための図（高温での状態を示す図）、図３（ｃ）は、図１に示す半導体装置の作用を説明するための図（高温での状態を示す図）である。なお、図１〜３には、互いに直交する３つの方向としてＸ方向、Ｙ方向およびＺ方向が図示されている。

図１に示す半導体装置１は、基板２と、基板２に複数の半田バンプ３を介して接続された半導体素子（相手体）４と、基板２と半導体素子４との間を封止する封止部５とを有している。

以下、半導体装置１を構成する各部を順次詳細に説明する。
（基板）
基板２は、例えば、インターポーザであり、具体的には、コア材で構成されるコア基板や、ビルドアップ材で構成されるビルドアップ基板等が好ましく用いられる。

コア基板としては、例えば、主として、シアネート樹脂、エポキシ樹脂、ビスマレイミド−トリアジン樹脂のような熱硬化性樹脂等で構成されるものが挙げられ、これらの中でも、コア基板としては、シアネート樹脂を主材料として構成されているものが好ましく用いられる。かかる構成材料で構成される基板２は、優れた機械的強度を有するものとなる。

シアネート樹脂としては、例えば、ハロゲン化シアン化合物とフェノール類とを反応させ、必要に応じて加熱等の方法でプレポリマー化することにより得られたものが挙げられる。具体的には、例えば、ノボラック型シアネート樹脂、ビスフェノールＡ型シアネート樹脂、ビスフェノールＥ型シアネート樹脂、テトラメチルビスフェノールＦ型シアネート樹脂等のビスフェノール型シアネート樹脂等が挙げられる。

また、エポキシ樹脂としては、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型エポキシ樹脂のような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エポキシ樹脂のようなノボラック型エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂、キシリレン型エポキシ樹脂のようなアリールアルキレン型エポキシ樹脂、ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂、ノルボルネン型エポキシ樹脂、アダマンタン型エポキシ樹脂およびフルオレン型エポキシ樹脂等が挙げられる。

また、コア基板としては、上記のような熱硬化性樹脂を用いる場合、ガラス繊維織布に硬化前の熱硬化性樹脂を含浸させた後、この熱硬化性樹脂を硬化させることにより得られたものを用いるのが好ましい。これにより、基板２（コア基板）は、より優れた機械的強度を発揮するものとなる。

ビルドアップ基板としては、例えば、フェノール樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂、エポキシ樹脂のような熱硬化性樹脂と、硬化剤と、無機充填材とを含有する樹脂組成物の硬化物を主材料として構成されるものが好ましく用いられる。

かかる構成の樹脂組成物の中でも、熱硬化性樹脂として、下記一般式（１）で表わされる共重合体エポキシ樹脂を含むものがより好ましく用いられる。このような樹脂組成物の硬化物で構成される基板２は、優れた機械的強度を有するものである。また、このような基板２は、半田バンプ３と電気的に接続するためのビアが形成される場合、微細な形状を有するビアを形成する際の加工性にも優れる。

［式中、Ａｒは縮合環芳香族炭化水素基を、Ｘは水素、またはエポキシ基（グリシジルエーテル基）を、Ｒ_２は、水素、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、フェニル基、およびベンジル基の中から選択される１種を表す。ｎは１以上の整数であり、ｐ、ｑは０以上の整数であり、またｐ、ｑの値は、繰り返し単位毎に同一でも、異なっていてもよい。］

なお、前記共重合体エポキシ樹脂の縮合環芳香族炭化水素基[Ａｒ]は、下記（２）における式（Ａｒ１）〜（Ａｒ４）で表される構造ののうち、いずれかであるのが好ましい。

［式中、Ｒ_１は、水素原子、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、フェニル基、およびベンジル基の中から選択される１種を表す。］

なお、基板２中における前記共重合体エポキシ樹脂の含有量は、特に限定されないが、硬化物（ビルドアップ基材）中において、３〜４２重量％程度であるのが好ましく、５〜３５重量％程度であるのがより好ましい。

また、樹脂組成物中には、前記共重合体エポキシ樹脂の他に、さらに前記共重合体エポキシ樹脂とは異なる他のエポキシ樹脂を含有してもよい。他のエポキシ樹脂としては、特に限定されないが、例えば、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エポキシ樹脂等のノボラック型エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂等が挙げられる。

硬化剤は、特に限定されないが、例えば、１−ベンジル−２−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、２−フェニル−４−メチルイミダゾール、２−エチル−４−メチルイミダゾールのようなイミダゾール化合物、ナフテン酸亜鉛、ナフテン酸コバルト、オクチル酸スズ、オクチル酸コバルト、ビスアセチルアセトナートコバルト（II）、トリスアセチルアセトナートコバルト（III）等の有機金属塩、トリエチルアミン、トリブチルアミン、ジアザビシクロ［２，２，２］オクタン等の３級アミン類、フェノール、ビスフェノールＡ、ノニルフェノール等のフェノール化合物、酢酸、安息香酸、サリチル酸、パラトルエンスルホン酸等の有機酸、またはこの混合物が挙げられる。硬化促進剤として、これらの中の誘導体も含めて１種類を単独で用いることもできるし、これらの誘導体も含めて２種類以上を併用してもよい。

無機充填材としては、特に限定されないが、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、シリカ、溶融シリカ等の酸化物、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、窒化炭素等の窒化物、チタン酸ストロンチウム、チタン酸バリウム等のチタン酸塩等が挙げられ、これらのうちの１種または２種以上を組み合わせて用いることができる。

無機充填材の粒径は、特に限定されないが、平均粒子径が１．２μｍ以下であることが好ましく、平均粒径が０．０１〜１．０μｍ程度であるのがより好ましい。

また、基板２中における無機充填材の含有量は、硬化物（ビルドアップ基材）中において、０〜８５重量％程度であるのが好ましく、３０〜６５重量％程度であるのがより好ましい。

また、前記樹脂組成物は、シアネート樹脂および／またはそのプレポリマーを含有することが好ましい。

シアネート樹脂および／またはそのプレポリマー樹脂としては、特に限定されないが、例えば、ハロゲン化シアン化合物とフェノール類とを反応させ、必要に応じて加熱等の方法でプレポリマー化することにより得ることができる。また、このようにして調製された市販品を用いることもできる。

前記シアネート樹脂および／またはそのプレポリマーを用いることにより、基板２の弾性率が向上することとなるため、このものの添加量を適宜設定することにより、基板２の弾性率を目的とする範囲内に容易に設定することができる。また、シアネート樹脂（特にノボラック型シアネート樹脂）は、剛直な化学構造を有するため、耐熱性に優れており、ガラス転移温度以上でも弾性率の低下が小さく、高温においても高弾性率を維持することができる。そのため、半田リフロー工程時、すなわち半導体装置１の加熱時における反りの大きさが小さくなる。さらに、硬化反応によって水酸基などの分極率の大きな官能基が生じないため、誘電特性においても優れたものとすることができる。

さらに、シアネート樹脂および／またはそのプレポリマーの中でも、下記一般式（３）で表されるノボラック型シアネート樹脂が好ましい。これにより、前記効果に加えて、基板２のガラス転移温度をさらに高くすることができるとともに、このものの難燃性をより向上させることができる。

基板２中におけるシアネート樹脂および／またはそのプレポリマーの含有量は、特に限定されないが、５〜５０重量％であることが好ましく、さらに好ましくは１０〜４０重量％である。これにより、シアネート樹脂および／またはそのプレポリマーを添加することにより得られる効果をより顕著に発揮させることができる。

樹脂組成物中には、樹脂の相溶性、安定性、作業性等の各種特性向上のため、各種添加剤、例えば、レベリング剤、消泡剤、酸化防止剤、顔料、染料、消泡剤、難燃剤、紫外線吸収剤、イオン捕捉剤、非反応性希釈剤、反応性希釈剤、揺変性付与剤、増粘剤等を添加するようにしてもよい。

なお、基板２は、図１に示したような一層構成のものに限らず、多層構成のもの、例えば、複数枚の前述したコア基板およびビルドアップ基板を重ね合わせた構成の積層体であっても良い。

（半導体素子）
半導体素子４は、前述した基板２に対して半田バンプ３を介して接続された相手体である。

この半導体素子４の基板２側の面（回路面）には、図２に示すように、内部電極４１が設けられている。

この内部電極４１の表面には、電気的接続を良好にするために、予め洗浄、研磨、めっき、表面活性化等の処理を施すことができる。本実施形態では、内部電極４１の表面には、ＵＢＭ（Ｕｎｄｅｒ Ｂａｒｒｉｅｒ Ｍｅｔａｌ）層４２が設けられている。

このＵＢＭ層４２は、２つの層４２１、４２２からなり、各層４２１、４２２は、それぞれ、例えば、Ｔｉ、Ｔｉ／Ｃｕ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ／Ｎｉ等で構成されている。なお、ＵＢＭ４２は、１層で構成されていてもよいし、３層以上で構成されていてもよい。

また、半導体素子４の表面には、予め、半導体素子を保護する目的で表面安定化処理が施されていてもよい。本実施形態では、半導体素子４の表面には、例えばＳｉＮ膜などの不動態膜４３が形成されている。

なお、半導体素子４の表面には、上記の他に、半田バンプ３とＵＢＭ層４２との接合部および内部電極４１に残留する応力を緩和する層として、ポリイミド膜、ポリベンゾオキサゾール膜、ベンゾシクロブテン膜などの有機樹脂保護膜が形成されていてもよい。

このような半導体素子４の内部電極４１上には、図２に示すように、半田バンプ３が設けられている。

（半田バンプ）
半田バンプ３の半田成分は、特に限定されないが、錫（Ｓｎ）、銀（Ａｇ）、ビスマス（Ｂｉ）、インジウム（Ｉｎ）、亜鉛（Ｚｎ）および銅（Ｃｕ）からなる群から選択される少なくとも２種以上を含む合金であることが好ましい。中でも、溶融温度および機械的な物性を考慮すると、半田成分は、Ｓｎ−Ｂｉの合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕの合金、Ｓｎ−Ｉｎの合金等のＳｎを含む合金であることが好ましい。

半田バンプ３の融点は、通常、１００℃以上、好ましくは１３０℃以上とされる。また、半田バンプ３の溶融温度は、半田バンプ３を介して基板２と半導体素子４とを接続する際の半導体素子４等の熱劣化を防止するために、通常２５０℃以下、好ましくは２３０℃以下とされる。なお、半田バンプ３の融点は、例えばＤＳＣを用い、昇温速度１０℃／分で半田バンプを構成する半田粉単体を測定した際の吸熱ピーク温度とする。

半田バンプ３の大きさは、電気的な接続信頼性を充分に確保するため、直径５μｍ〜５００μｍであることが好ましく、より好ましくは１０μｍ〜３００μｍ、更に好ましくは２０μｍ〜２００μｍである。

このような半田バンプ３は、めっき法により形成してもよいし、半田ペースト印刷法によって形成してもよい。

このような半田バンプ３を介して接続された基板２と半導体素子４との間には、封止部５が設けられている。

（封止部）
封止部５は、封止樹脂組成物の硬化物で構成されている。

特に、封止部５は、１２５℃におけるポアソン比（以下、単に「ポアソン比」とも言う）が０．４以上である。すなわち、前記封止樹脂組成物の硬化物の１２５℃におけるポアソン比が０．４以上である。

これにより、低温と高温とで繰り返し温度変化が生じても、半田バンプ３の疲労を防止し、その結果、半導体装置１の信頼性を優れたものとすることができる。

ここで、半導体装置１が前述したような効果を発揮するメカニズムについて説明する。
図３（ａ）に示すように、従来の半導体装置１００は、通常、基板１０２の熱膨張率が半導体素子１０４の熱膨張率よりも大きく、熱処理を経て製造されるため、常温環境下では、基板１０２が半導体素子１０４側を凸面とするような方向に撓み変形している。

このような従来の半導体装置１００は、低温と高温とで温度変化が繰り返されると、半田バンプ１０３が半導体素子１０４との界面付近で疲労し、導通不良が生じると言う問題があった。これは、以下の述べるような現象が原因であると考えられる。なお、図３（ａ）および図３（ｂ）に示す半導体装置１００については、封止部の構成材料に関する事項以外は、半導体装置１と同様である。また、以下では、基板２の板面に垂直な方向を「Ｙ方向」、基板２の面方向（板面に沿った方向）を「Ｘ方向」および「Ｚ方向」として説明する。

一般に、基板１０２のＸ方向での線膨張係数は、半導体素子１０４のＸ方向での線膨張係数よりも大きい。また、基板１０２のＺ方向での線膨張係数は、半導体素子１０４のＺ方向での線膨張係数よりも大きい。

したがって、温度上昇すると、基板１０２が、図３（ｂ）の矢印Ａで示すような方向（Ｘ方向およびＺ方向）に、半導体素子１０４の膨張量よりも大きい膨張量で膨張（伸張）する。その結果、基板１０２が半導体素子１０４側を凹面とするような方向に撓み変形しようとする（すなわち、基板１０２の常温での撓み変形を解消しようとする）。

一方、基板１０２のＸ方向での線膨張係数は、封止部１０５のＸ方向での線膨張係数よりも小さい。また、基板１０２のＺ方向での線膨張係数は、封止部１０５のＺ方向での線膨張係数よりも小さい。

したがって、温度上昇すると、封止部５は、Ｘ方向およびＺ方向に基板１０２の膨張量よりも大きい膨張量で膨張（伸張）しようとするが、封止部５よりも同方向での線膨張係数の小さい基板１０２および半導体素子４に挟持されているので（特に、同方向での線膨張係数の極めて小さい半導体素子４に接合されているので）、十分に膨張することができない。そのため、封止部５には、図３（ｂ）の矢印Ｃに示すような方向に、圧縮応力が生じる。

従来にかかる封止部１０５は、そのポアソン比が比較的低い値となっていた。そのため、封止部５は、上記矢印Ｃに示すような方向の圧縮応力を受けても、図３（ｂ）の矢印Ｄ´に示すような方向（Ｙ方向）での膨張量が小さい。

そのため、封止部５は、前述したような温度上昇に伴って基板１０２が半導体素子１０４側を凹面とするように撓み変形しようとする力に抗することができず、基板１０２（特に半導体素子１０４の外周部近傍の部分）は、半導体素子１０４側に近づくように変位する。これにより、半田バンプ１０３は、図３（ｂ）の矢印Ｂに示すような方向（Ｙ方向）に圧縮力を受け、変形する。特に、封止部５が温度サイクル試験温度範囲内にガラス転移温度が存在する封止樹脂組成物の硬化物の場合、１２５℃付近においては封止部５の弾性率が低下するため、基板１０２が半導体素子１０４側を凹面とするように撓み変形しようとする力が半田バンプ１０３に集中し、封止部のガラス転移温度以上の温度域、特に１２５℃付近の温度域において、より変形する。

このような状態（図３（ｂ）に示すような状態）と温度降下したときに復元した元の状態（図３（ａ）に示すような状態）とが温度変化により繰り返されることにより、半田バンプ１０３は、疲労（金属疲労）を生じることとなる。その結果、上述したように、従来の半導体装置１００では、低温と高温とで温度変化が繰り返されると、導通不良が生じると言う問題が生じてしまう。

このような知見のもと、本発明者は、封止部５のポアソン比を高めること（特に、封止部５のポアソン比を０．４以上とすること）で、前述したような問題が改善されることを見出した。

本発明にかかる半導体装置１は、通常、常温環境下では、前述した従来の半導体装置１００と同様、基板２が半導体素子４側を凸面とするような方向に撓み変形しているが、封止部５のポアソン比を高めて０．４以上とすることで、封止部５は、上記の矢印Ｃで示される圧縮応力を受けることにより、図３（ｃ）の矢印Ｄに示すような方向（Ｙ方向）での膨張量を大きくすることができる。

そのため、封止部５は、温度上昇に伴って基板２が半導体素子４側を凹面とするような方向に撓み変形しようとする力に抗して、基板２が半導体素子１０４側に近づくように変位するのを防止（阻止）する。言い換えると、図３（ｃ）の矢印Ｄに示すような方向（Ｙ方向）での引張力が、前述した矢印Ｂに示すような方向の圧縮力を相殺するように作用する。

これにより、半導体装置１では、低温と高温とで繰り返し温度変化が生じても、半田バンプ３の変形による疲労を防止し、その結果、半導体装置１の信頼性を優れたものとすることができる。

このような封止部５の１２５℃におけるポアソン比は、前述したように０．４以上であればよいが、０．４０以上０．５０以下であるのが好ましく、０．４４以上０．５０以下であるのがより好ましい。これにより、封止部５は、基板２と半導体素子４との間を必要十分に補強しつつ、前述したような半田バンプ３の疲労防止効果を発揮することができる。

ここで、ポアソン比とは、対象物（封止樹脂組成物の硬化物）を弾性限界内で例えば引張りを加えた時に、荷重方向の伸び（ひずみ％）と、荷重に直角方向の寸法の縮み（ひずみ％）の比をいう。すなわち、ポアソン比は、対象物を弾性限界内でＹ方向に引張りを加えて伸ばし、それによってＸ方向に縮んだとき、（Ｘ方向に縮んだ分の長さ／Ｘ方向での元の長さ）／（Ｙ方向に伸びた分の長さ／Ｙ方向での元の長さ）である。

また、基板２の面方向（Ｘ方向およびＺ方向）での線膨張係数をα_１とし、半導体素子４の同方向での線膨張係数をα_２としたときに、α_１／α_２は、２〜１２であるのが好ましく、３〜１０であるのがより好ましい。このような線熱膨張係数の関係を有する基板２および半導体素子４を用いた場合、前述したような半田バンプ３の疲労防止効果を効果的に発揮することができる。これに対し、α_１／α_２が前記下限値未満であると、そもそも、封止部５のポアソン比に関わらず、半田バンプ３の疲労が生じにくく、本発明を適用することによる効果が顕著に現れない。一方、α_１／α_２が前記上限値を超えると、半田バンプ３の疲労防止効果を発揮し得る封止樹脂材料の設計が難しい。

また、封止部５の前記面方向（Ｘ方向およびＹ方向）での線膨張係数をα_３としたとき、α_３／α_２は、５〜１００であるのが好ましく、６〜９０であるのがより好ましい。このような線膨張係数の関係を有する封止部５および半導体素子４を用いた場合、前述したような半田バンプ３の疲労防止効果を効果的に発揮することができる。これに対し、α_３／α_２が前記範囲外であると、半田バンプ３の疲労防止効果を発揮し得る封止樹脂材料の設計が難しい。

このような封止部５を構成する封止樹脂組成物は、硬化性を有し、半田バンプ３を介して接続された基板２と半導体素子（相手体）４との間に充填されて用いられるものである。

このような封止樹脂組成物は、その硬化物が前述したようなポアソン比を有し、かつ、硬化後に封止部５として必要な機能（補強機能、絶縁性等）を発揮することができるものであれば、特に限定されないが、硬化性樹脂および硬化剤を含む液状封止樹脂組成物が好適に用いられる。このような硬化性樹脂および硬化剤を含む液状封止樹脂組成物は、硬化前において、比較的低粘度であるため、基板２と半導体素子４との間（間隙）に毛細管現象等により効率的に充填することができ、また、硬化後において、耐熱性、耐湿性、機械的強度に優れ、且つ半導体素子４と基板２とを強固に接着することができる。

前記液状封止樹脂組成物に含まれる硬化性樹脂としては、特に限定されないが、例えば、エポキシ樹脂（以下、「エポキシ樹脂（Ａ）」とも言う）が好適に用いられる。

前記液状封止樹脂組成物がエポキシ樹脂（Ａ)を含むことにより、硬化後の封止樹脂脂組成物（すなわち封止部５）が耐熱性、耐湿性、機械的強度に優れ、且つ半導体素子４と基板２とを強固に接着することができる。そのため、信頼性に優れた半導体装置１を得ることができる。

前記エポキシ樹脂（Ａ)としては、一分子中にエポキシ基を２個以上有するものであれば特に分子量や構造は限定されるものではないが、例えば、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、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、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などの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などのアラルキル型エポキシ樹脂などのエポキシ樹脂、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−アジペイドなどの脂環式エポキシなどの脂肪族エポキシ樹脂が挙げられる。

中でも、前記エポキシ樹脂（Ａ)としては、芳香族環にグリシジル構造またはグリシジルアミン構造が結合した構造を含むものが耐熱性、機械特性、耐湿性という観点からより好ましく、脂肪族または脂環式エポキシ樹脂は信頼性、特に接着性という観点から使用する量を制限するほうがさらに好ましい。これらは単独でも２種以上混合して使用しても良い。

また、エポキシ樹脂（Ａ)は、常温（２５℃）で液状であることが好ましいが、常温で固体のエポキシ樹脂であっても常温で液状のエポキシ樹脂に溶解させ、結果的に液状の状態であればよい。

前記液状封止樹脂組成物中における前記エポキシ樹脂（Ａ）の含有量は、特に限定されないが、前記液状封止樹脂組成物全体の５重量％以上５０重量％以下が好ましく、特に１０重量％以上４０重量％以下が好ましい。かかる含有量が前記範囲内であると、液状封止樹脂組成物の反応性や封止部５の耐熱性や機械的強度、封止時の流動特性に優れる。

また、前記液状封止樹脂組成物に含まれる硬化性樹脂としては、特に限定されないが、例えば、硬化性樹脂として前述したようなエポキシ樹脂（Ａ）を用いる場合、アミン系硬化剤（以下、「アミン系硬化剤（Ｂ）」とも言う）、フェノール性水酸基を有する硬化剤が好適に用いられる。

前記液状封止樹脂組成物がアミン系硬化剤（Ｂ）、フェノール性水酸基を有する硬化剤を含むことにより、エポキシ樹脂（Ａ）を硬化させることができる。

前記アミン系硬化剤（Ｂ）としては、エポキシ樹脂（Ａ）中のエポキシ基と共有結合を形成することが可能な１級アミンまたは２級アミンを分子中に２個以上含むものであれば、特に分子量や構造は限定されるものではない。

このようなアミン系硬化剤（Ｂ）としては、例えば、ジエチレントリアミン、トリエチレンテトラアミン、テトラエチレンペンタミン、ｍ−キシレンジアミン、トリメチルヘキサメチレンジアミン、２−メチルペンタメチレンジアミン脂肪族ポリアミン、イソフォロンジアミン、１，３−ビスアミノメチルシクロヘキサン、ビス（４−アミノシクロヘキシル）メタン、ノルボルネンジアミン、１，２−ジアミノシクロヘキサンなどの脂環式ポリアミン、Ｎ−アミノエチルピペラジン、１，４−ビス（２−アミノ−２−メチルプロピル）ピペラジンなどのピペラジン型のポリアミン、ジアミノジフェニルメタン、ｍ−フェニレンジアミン、ジアミノジフェニルスルホン、ジエチルトルエンジアミン、トリメチレンビス（４−アミノベンゾエート）、ポリテトラメチレンオキシド−ジ−Ｐ−アミノベンゾエートなどの芳香族ポリアミン類が挙げられる。

これらのアミン系硬化剤（Ｂ）は、単独で用いても、２種以上の硬化剤を配合して用いても良く、さらに半導体装置の封止用途を考慮すると、封止部５の耐熱性、電気的特性、機械的特性、密着性、耐湿性の観点から芳香族ポリアミン型硬化剤が一層好ましい。さらに、アンダーフィルとして用いる液状封止樹脂組成物が液状であることを踏まえると、アミン系硬化剤（Ｂ）は、室温（２５℃）で液状を呈するものがより好ましい。

前記液状封止樹脂組成物中における前記アミン系硬化剤（Ｂ）の含有量は、特に限定されないが、前記液状封止樹脂組成物全体の５重量％以上５０重量％以下が好ましく、特に１０重量％以上４０重量％以下が好ましい。かかる含有量が前記範囲内であると、液状封止樹脂組成物の反応性や封止部５の機械的特性や耐熱性などに優れる。

また、前記エポキシ樹脂（Ａ）のエポキシ当量に対する前記アミン系硬化剤（Ｂ）の活性水素当量は、０．６以上１．４以下が好ましく、特に０．７以上１．３以下が好ましい。前記アミン系硬化剤（Ｂ）の活性水素当量が前記範囲内であると、液状封止樹脂組成物の反応性や封止部５の耐熱性が特に向上する。

前記フェノール性水酸基を有する硬化剤としては、エポキシ樹脂（Ａ）中のエポキシ基と共有結合を形成することが可能なフェノール性水酸基を分子中に２個以上含むものであれば、特に分子量や構造は限定されるものではない。フェノール性水酸基を有する硬化剤は、他の硬化剤と比較して反応を制御することが容易となるため、半導体装置を製造する際の良好な流動性を確保することができる。また、フェノール性水酸基を有する硬化剤は、その反応性制御が容易なことより無機充填材の高充填化も可能となる。そのため、半導体装置の優れた信頼性を確保することができる。

このようなフェノール性水酸基を有する硬化剤としては、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などのノボラック型フェノール樹脂、トリフェノールメタン型フェノール樹脂、テルペン変性フェノール樹脂、ジシクロペンタジエン変性フェノール樹脂などの変性フェノール樹脂、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樹脂などのアラルキル型フェノール樹脂、ビスフェノール化合物などが挙げられ、これらは単独でも混合して使用しても良い。

前記液状封止樹脂組成物中における前記フェノール性水酸基を有する硬化剤の含有量は、特に限定されないが、前記液状封止樹脂組成物全体の５重量％以上５０重量％以下が好ましく、特に１０重量％以上４０重量％以下が好ましい。かかる含有量が前記範囲内であると、液状封止樹脂組成物の反応性や封止部５の機械的特性や耐熱性などに優れる。

また、前記エポキシ樹脂（Ａ）のエポキシ当量に対する前記フェノール性水酸基を有する硬化剤の活性水酸基当量は、０．６以上１．４以下が好ましく、特に０．７以上１．３以下が好ましい。前記フェノール性水酸基を有する硬化剤の活性水酸基当量が前記範囲内であると、液状封止樹脂組成物の反応性や封止部５の耐熱性が特に向上する。

また、液状封止樹脂組成物は、無機充填剤を実質的に含まないのが好ましい。無機充填剤は、一般に、ポアソン比が０．４よりも小さい。したがって、無機充填剤を実質的に含まないようにして液状封止樹脂組成物を構成することにより、液状封止樹脂組成物の硬化物のポアソン比を比較的容易に高めることができる。

なお、無機充填剤の含有量および種類等によっては、前記液状封止樹脂組成物は、無機充填材を含んでいてもよい。これにより、封止部５の破壊靭性などの機械的強度、熱時寸法安定性、耐湿性を向上することができる。その結果、半導体装置１の信頼性を特に向上させることができる。

液状封止樹脂組成物が無機充填剤を含む場合、前記無機充填材としては、例えば、タルク、焼成クレー、未焼成クレー、マイカ、ガラスなどのケイ酸塩、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、結晶シリカなどのシリカ粉末などの酸化物、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、ハイドロタルサイトなどの炭酸塩、水酸化アルミニウム、水酸化マグネシウム、水酸化カルシウムなどの水酸化物、硫酸バリウム、硫酸カルシウム、亜硫酸カルシウムなど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、ホウ酸ナトリウムなどのホウ酸塩、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、窒化ケイ素などの窒化物などを用いることができる。

これらの無機充填材は、単独でも混合して使用しても良い。これらの中でも、無機充填剤としては、液状封止樹脂組成物の耐熱性、耐湿性、強度など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。前記無機充填材の形状は、特に限定されないが、粘度や流動特性の観点から形状は球状であることが好ましい。

半導体装置１に前記無機充填材を含む液状封止樹脂組成物を用いる場合、無機充填材の平均粒子径は、特に限定されないが、０．１μｍ以上３０μｍ以下が好ましく、特に０．２μｍ以上８μｍ以下が好ましい。かかる平均粒子径が前記下限値を超えると、液状封止樹脂組成物の粘度が適度に低下し流動性が向上する効果が高くなる。一方、かかる平均粒径が前記上限値未満であると、液状封止樹脂組成物を基板２と半導体素子４との間に充填する際に、無機充填剤の詰まりによる部分的な未充填や充填不良を抑制する効果が高くなる。

また、半導体装置１に前記無機充填材を含む液状封止樹脂組成物を用いる場合、液状封止樹脂組成物中における無機充填材の含有量は、特に限定されないが、前記液状封止樹脂組成物全体の１０重量％以上９０重量％以下が好ましく、特に２０重量％以上８０重量％以下が好ましい。かかる含有量が前記下限値を超えると、半導体装置１の信頼性を向上させる効果が高くなる。一方、かかる含有量が前記下限値未満であると、基板２と半導体素子４との間に充填する際の詰まりを抑制する効果が高くなる。

また、前記液状封止樹脂組成物は、前記硬化性樹脂および前記硬化剤に加えて、低応力剤をさらに含有するのが好ましい。これにより、液状封止樹脂組成物の硬化物（すなわち封止部５）の低応力化を図ることができる。その結果、液状封止樹脂組成物の硬化物のポアソン比を高めることができる。

前記低応力剤は、液状封止樹脂組成物の硬化時に発生する応力や硬化物の加熱・冷却時に発生する応力を低減する機能を有するものである。

このような低応力剤としては、前述したような機能を有するものであれば、特に限定されず、例えば、ポリブタジエン、アクリロニトリル等の有機ゴム、ジメチルシロキサン等のシリコーンゴム、シリコーンオイル等が挙げられ、これらのうち１種を単独でまたは２種以上を組み合わせて用いることができる。

また、前記低応力剤を含む液状封止樹脂組成物を用いる場合、液状封止樹脂組成物中における低応力剤の含有量は、特に限定されないが、前記液状封止樹脂組成物全体の０．１重量％以上１０重量％以下が好ましく、特に０．２重量％以上８重量％以下が好ましい。かかる含有量が前記下限値未満であると、液状封止樹脂組成物に低応力剤を含有することによる効果が現れない場合がある。一方、かかる含有量が前記上限値を超えると、封止部５として必要な機能（補強機能、絶縁性等）を十分に発揮することができない場合がある。

また、前記液状封止樹脂組成物は、前記硬化性樹脂および前記硬化剤に加えて、シランカップリング剤をさらに含有するのが好ましい。これにより、液状封止樹脂組成物（封止部５）を構成する材料間の結合力を高めることができる。また、封止部５と基板２および半導体素子４との結合力を高めることもできる。そのため、前述したような温度上昇によって封止部５に作用する力を好適に生じさせ、半田バンプ３の疲労（変形）を効果的に防止することができる。

前記シランカップリング剤としては、前述したような結合力を高める効果を発揮するものであれば、特に限定されないが、例えば、エポキシシラン、アミノシラン、ウレイドシラン、メルカプトシラン等が挙げられ、これらのうち１種を単独でまたは２種以上を組み合わせて用いることができる。特に、このようなシランカップリング剤は、前記低応力剤を含む液状封止樹脂組成物を用いる場合、低応力剤とエポキシ樹脂等の有機成分との結合力を高め、前述したような液状封止樹脂組成物に低応力剤を含有することによる効果を効果的に生じさせることができる。

また、前記液状封止樹脂組成物中における前記シランカップリング剤の含有量は、前記液状封止樹脂組成物全体の０．１重量％以上５重量％以下が好ましく、特に０．２重量％以上５重量％以下が好ましい。かかる含有量が前記下限値未満であると、液状封止樹脂組成物にシランカップリング剤を含有することによる効果が現れない場合がある。一方、かかる含有量が前記上限値を超えると、封止部５として必要な機能（補強機能、絶縁性等）を十分に発揮することができない場合がある。

また、前記液状封止樹脂組成物には、上述した材料以外に、必要に応じてフラックス化合物、フラックス活性化合物、希釈剤、顔料、難燃剤、レベリング剤、消泡剤などの添加剤を用いることができる。

また、前記液状封止樹脂組成物は、上述した各成分、添加剤などをプラネタリーミキサー、三本ロール、二本熱ロール、ライカイ機などの装置を用いて分散混練したのち、真空下で脱泡処理して製造することができる。

以上説明したように構成された半導体装置１によれば、封止部５の１２５℃におけるポアソン比が０．４以上であるため、低温と高温とで繰り返し温度変化が生じても、半田バンプ３の疲労を防止し、その結果、信頼性を優れたものとすることができる。

以上、本発明の封止樹脂組成物および半導体装置を図示の実施形態について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、半導体装置等を構成する各部は、同様の機能を発揮し得る任意の構成のものと置換することができる。また、任意の構成物が付加されていてもよい。

また、前述した実施形態では、半導体装置としてフリップチップ方式の半導体装置を例に説明したが、本発明は、これに限定されず、例えば、基板に半田バンプを介して接続される相手体が基板である半導体装置についても適用することができる。

次に、本発明の具体的な実施例を説明する。
１．液状封止樹脂組成物の製造
下記の原料を３本ロールにて混練分散した後、真空脱法して液状封止樹脂組成物を得た。

硬化性樹脂：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）
・・・５５．００ｗｔ％

硬化剤：芳香族アミン系硬化剤（三洋化成工業（株）製 Ｔ１２）
・・・４０．００ｗｔ％

低応力剤：エポキシ化ポリブタジエン（（株）ＡＤＥＫＡ製 ＢＦ−１０００）
・・・４．００ｗｔ％

着色剤：カーボンブラック（三菱化学（株）製 ＭＡ６００）
・・・０．５０ｗｔ％

カップリング剤：γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン（信越化学工業（株）社 ＫＢＭ−４０３）
・・・０．５０ｗｔ％

また、得られた液状封止樹脂組成物を１５０℃、１２０分の硬化条件で３０ｍｍ×２００ｍｍの短冊状に試験片に成形し、次に、万能試験機（（株）オリエンテック製 テンシロン ＵＣＴ−３０Ｔ型）のチャックに挟み、試験片の中央に標線を描画し、一定速度で引っ張りを実施した。引張り試験を実施している間、標線部分をＣＣＤカメラで撮影し、引っ張り方向（Ｙ方向）及び引張り方向と垂直方向（Ｘ方向）の伸縮した距離（それぞれＸ´、Ｙ´）を画像処理により測定し、ポアソン比を以下の式により算出した。
ポアソン比＝｛（Ｘ´／Ｘ）｝／｛（Ｙ´／Ｙ）｝

以下に、試験条件の詳細を示す。
掴み具間距離：１００ｍｍ
歪測定：非接触法
試験速度：１ｍｍ／分（クロスヘッド速度）
試験温度：１２５℃（試験温度中３０分保持後試験開始）
その測定結果（ポアソン比）は、０．４４であった。

２．半導体装置の作製
まず、半導体素子として、日立超ＬＳＩ社製ＰＨＡＳＥ−２ＴＥＧウエハー（ウエハー厚さ０．３５ｍ）に、回路保護膜としてポリイミドを用いるとともに、半田バンプとしてＳｎ／Ａｇ／Ｃｕ組成の無鉛半田を形成し、１５ｍｍ×１５ｍｍに切断したものを用意した。

また、基板として、住友ベークライト（株）製ＦＲ５相当の０．８ｍｍｔのガラスエポキシ基板をベースとし、その両面に太陽インキ製造（株）製ソルダーレジストＰＳＲ４０００／ＡＵＳ３０８を形成し、片面に上記の半田バンプ配列に対応する金メッキパッドを形成し、５０ｍｍ×５０ｍｍの大きさに切断したものを用意した。

また、接続用のフラックスとして、ＴＳＦ−６５０２（Ｋｅｓｔｅｒ製、ロジン系フラックス）を用意した。

そして、まず、充分平滑な金属またはガラス板上にドクターブレードを用いて上記フラックスを５０μｍ厚程度に均一塗布してフラックス膜を形成し、フリップチップボンダーを用いてそのフラックス膜に上記半導体素子の回路面を軽く接触させた後に離し、半田バンプにフラックスを転写させた。

次に、半導体素子を基板上に圧着させた後、これらをＩＲリフロー炉で加熱処理し、半田バンプを溶融させて半導体素子と基板とを接合（溶融接合）した。その後、半導体素子と基板とが接合した接合体を洗浄液を用いて洗浄した。

その後、上記接合体を１１０℃の熱板上で加熱した状態で、半導体素子の一辺に上記液状封止樹脂組成物を塗布し半導体素子と基板との隙間に充填させた。その後、半導体素子と基板との間に液状封止樹脂組成物が充填された接合体を１５０℃のオーブンで１２０分間加熱処理し、液状封止樹脂組成物を加熱硬化させ、チップ厚さ０．３５ｍｍの半導体装置（半導体パッケージ）を得た。

３．温度サイクル試験
上記２．で得られた半導体装置に（−５５℃／３０分）と（１２５℃／３０分）とを１サイクルとする冷熱サイクル処理を１０００サイクル施した。

このとき、上記冷熱サイクル処理２５０サイクル毎に超音波探傷装置を用いて半田バンプの亀裂の有無を観察した。

本発明の実施例の半導体装置は、１０００サイクル後でも半田バンプの亀裂は観察されなかった。

１ 半導体装置
２ 基板
３ 半田バンプ
４ 半導体素子
５ 封止部
４１ 内部電極
４２ ＵＢＭ層
４３ 不動態膜
１００ 半導体装置
１０２ 基板
１０３ 半田バンプ
１０４ 半導体素子
１０５ 封止部
４２１ 層
４２２ 層

Claims (15)

1. 半田バンプを介して接続された基板と相手体との間に充填されて用いられる硬化性の封止樹脂組成物であって、
   硬化後の１２５℃におけるポアソン比が０．４以上であることを特徴とする封止樹脂組成物。
2. 硬化性樹脂および硬化剤を含有する請求項１に記載の封止樹脂組成物。
3. 前記硬化性樹脂は、エポキシ樹脂である請求項２に記載の封止樹脂組成物。
4. 前記硬化剤は、アミン系硬化剤である請求項３に記載の封止樹脂組成物。
5. 無機充填剤を実質的に含まない請求項２ないし４のいずれかに記載の封止樹脂組成物。
6. 低応力剤をさらに含有する請求項２ないし５のいずれかに記載の封止樹脂組成物。
7. シランカップリング剤をさらに含有する請求項２ないし６のいずれかに記載の封止樹脂組成物。
8. 基板と、
   前記基板に半田バンプを介して接続された相手体と、
   前記基板と前記相手体との間に充填され、請求項１ないし７のいずれかに記載の封止樹脂組成物の硬化物で構成された封止部とを有することを特徴とする半導体装置。
9. 基板と、
   前記基板に半田バンプを介して接続された相手体と、
   前記基板と前記相手体との間を封止する封止部とを有し、
   前記封止部の１２５℃におけるポアソン比が０．４以上であることを特徴とする半導体装置。
10. 前記基板の面方向での線膨張係数と、前記相手体の同方向での線膨張係数とが異なる請求項８または９に記載の半導体装置。
11. 前記基板の面方向での線膨張係数は、前記相手体の同方向での線膨張係数よりも大きい請求項１０に記載の半導体装置。
12. 前記基板の面方向での線膨張係数をα_１とし、前記相手体の同方向での線膨張係数をα_２としたときに、α_１／α_２は、２〜１２である請求項１１に記載の半導体装置。
13. 前記封止部の前記面方向での線膨張係数は、前記相手体の同方向での線膨張係数よりも大きい請求項１１または１２に記載の半導体装置。
14. 前記封止部の前記面方向での線膨張係数をα_３とし、前記相手体の同方向での線膨張係数をα_２としたときに、α_３／α_２は、５〜１００である請求項１３に記載の半導体装置。
15. 前記相手体は、半導体素子である請求項１１ないし１４のいずれかに記載の半導体装置。

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