JP2012216839A - 三次元集積回路積層体 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】半導体デバイス層が形成された半導体基板を少なくとも2層以上積層した半導体基板積層体を有し、該半導体基板間に、樹脂(A)及び平均粒径0.1μm以上10μm以下、且つ、比表面積1m2/g以上60m2/g以下であり、さらに熱伝導率2W/(m・K)以上の無機フィラー(B)を含有した第1の層間充填材層を有する三次元集積回路積層体。
【選択図】図1
Description
この三次元集積回路積層体の層間充填材層において、配合されるフィラーの最大粒径は、半導体基板の確実な接合を実現するためにも層間充填材層の厚みの1/3以下程度にすることが求められている。しかしながら、上記特許文献2記載の球状窒化ホウ素凝集体は高熱伝導率を有するが、粒径が大きいために三次元集積回路積層体の層間充填材層を形成する層間充填材組成物へ配合されるフィラーとして用いることが困難である。一方、粒径の小さなフィラーを用いると層間充填材組成物を構成する樹脂に配合した際に、均一に混合することが困難であると同時に、層間充填材層の中で、フィラーによる熱伝導パスの接点増加により半導体基板間の厚み方向に上から下まで繋がる確率が低くなり、層間充填材層の厚み方向の熱伝導率が不十分となる可能性がある。
<1> 半導体デバイス層が形成された半導体基板を少なくとも2層以上積層した半導体基板積層体を有し、該半導体基板間に、樹脂(A)及び平均粒径0.1μm以上10μm以下、且つ、比表面積1m2/g以上60m2/g以下であり、さらに熱伝導率2W/(m・K)以上の無機フィラー(B)を含有した第1の層間充填材層を有する三次元集積回路積層体。
<2> 前記半導体基板が、シリコン基板である前記<1>記載の三次元集積回路積層体。
<3> 前記第1の層間充填材層の熱伝導率が、0.8W/(m・K)以上である前記<1>又は<2>に記載の三次元集積回路積層体。
<4> 前記無機フィラー(B)の平均粒径が、0.2μm以上5μm以下、且つ、比表面積が1m2/g以上25m2/g以下である前記<1>から<3>のいずれかに記載の三次元集積回路積層体。
<5> 前記無機フィラー(B)の平均粒径が、0.2μm以上3μm以下、且つ、比表面積が1m2/g以上15m2/g以下である前記<1>から<3>のいずれかに記載の三次元集積回路積層体。
<6> 前記樹脂(A)が、エポキシ樹脂を主成分とする樹脂である前記<1>から<5>のいずれかに記載の三次元集積回路積層体。
<7> 前記第1の層間充填材層が、前記樹脂(A)100重量部当たり50重量部以上400重量部以下の前記無機フィラー(B)を含有する前記<1>から<6>のいずれかに記載の三次元集積回路積層体。
<8> 前記第1の層間充填材層の厚みが1μm以上50μm以下である前記<1>から<7>のいずれかに記載の三次元集積回路積層体。
<9> 前記半導体基板間に有する前記第1の層間充填材層の中に電気信号接続用のはんだ接続端子を含む前記<1>から<8>のいずれかに記載の三次元集積回路積層体。
<10> 前記半導体基板積層体がさらに有機基板上に搭載されており、前記半導体基板積層体と前記有機基板との間に、樹脂(a)及び無機フィラー(b)を含有した第2の層間充填材層を有する前記<1>から<9>のいずれかに記載の三次元集積回路積層体。
<11> 前記第2の層間充填材層熱伝導率が、0.4W/(m・K)以上である前記<10>記載の三次元集積回路積層体。
<12> 前記第2の層間充填材層の厚みが、50μm以上300μm以下である前記<10>又は<11>に記載の三次元集積回路積層体。
本発明の三次元集積回路積層体は、半導体デバイス層が形成された半導体基板を少なくとも2層以上積層した半導体基板積層体を有し、該半導体基板間に、樹脂(A)及び平均粒径0.1μm以上10μm以下、比表面積1m2/g以上60m2/g以下、且つ、熱伝導率2W/(m・K)以上の無機フィラー(B)を含有した第1の層間充填材層を有している。
図1に示すように、第1の三次元集積回路積層体1は、半導体デバイス層11,21及び31が各々に形成された半導体基板10,20,30を3層に積層した半導体基板積層体からなる。なお、本実施形態では、半導体基板を3層に積層しているがこれは一例であり、2層以上であれば何層であってもよい。
半導体基板10と半導体基板20との間及び半導体基板20と半導体基板30との間には、樹脂(A)及び無機フィラー(B)を含有する第1の層間充填材層40,50をそれぞれ有している。
また、第1の三次元集積回路積層体1において、隣接する半導体基板(半導体基板10と半導体基板20、及び半導体基板20と半導体基板30)における半導体デバイス層間の電気的な接続を確保するために、半導体基板10,20,30には、基板を貫通するように設けられた半導体基板貫通電極13,23,33、ランド端子24,34、およびはんだバンプ15,25,35が設けられている。ランド端子24とはんだバンプ15、ランド端子34とはんだバンプ25とは、それぞれ第1の層間充填材層40および50の中に含まれる形で存在し、半導体基板10と半導体基板20及び半導体基板20と半導体基板30との間の電気信号を接続する機能を果たしている。
第1の三次元集積回路積層体における、半導体基板としては集積回路の製造において基板として用いることができる任意の材質のものを用いることができるが、シリコン基板が好ましく使用される。シリコン基板としては、口径に応じた基板膜厚のまま用いても良いし、バックサイドエッチングやバックグラインド等の裏面研磨により100μm以下の薄膜化した後に用いても良い。
はんだバンプとしては微細なハンダボールを用いても良いし、リソグラフィーにて開口部を形成後、開口部の下地に直接、又はニッケルや銅のポストを形成した上にはんだめっきを施して、レジスト材を除去後、加熱処理によりはんだバンプを形成しても良い。はんだの組成としては特に限定はされないが、電気的な接合性及び低温接合性を勘案して錫を主要成分として含有するはんだが好ましく用いられる。
ランド端子は半導体基板上にPVD等を用いて薄膜を成膜した後、リソグラフィーによるレジスト膜形成及びドライ又はウエットエッチングにより、不要部を除去することにより形成することができる。ランド端子の材料としては、はんだバンプと接合可能なものであれば特に限定はされないが、はんだとの接合性及び信頼性等を勘案して、金や銅を好ましく用いることができる。
第1の層間充填材層は、半導体基板間に形成され、樹脂(A)及び無機フィラー(B)を含有してなる。
このような条件を満たす無機フィラー(B)であると、フィラー同士の過度の凝集が抑制され、かつ、十分な量のフィラーを含むことができるため、厚み方向へ十分な熱伝導率を有する層間充填層を得ることができる。
なお、無機フィラー(B)の平均粒径、比表面積及び熱伝導率の少なくとも1つが上記条件を満たさない場合には、十分な熱伝導率を得ることができない。
第1の層間充填材層の熱伝導率が0.8W/m未満であると、半導体基板間の熱伝導性が十分ではなく半導体基板に熱が蓄積して高温となり、動作不良の要因となるので好ましくない。
第1の層間充填材組成物は、樹脂(A)及び無機フィラー(B)を含有し、その他必要に応じて硬化剤(C)、フラックス(D)等を含有してなる。
樹脂(A)は、第1の層間充填材組成物として、無機フィラー(B)と組み合わせた際に十分な熱伝導性を得るために、その熱伝導率が0.2W/(m・K)以上であることが好ましい。
また、基板上に薄膜を形成後、仮接着前に接合対象の基板と位置合わせを行うために、樹脂(A)は、50℃における溶融粘度が2000Pa・s以上であることが好ましく、10000Pa・s以上であることがより好ましい。
また、仮接着後に本接合を実施する際には、加温により第1の層間充填材組成物を溶融して電気接合端子を接続させるために、樹脂(A)は、120℃における溶融粘度が100Pa・s以下であることが好ましく、20Pa・s以下であることがより好ましい。
エポキシ樹脂としては、いかなるエポキシ樹脂も使用できる。エポキシ樹脂は、1種類の構造単位を有するエポキシ樹脂のみであってもよいが、構造単位の異なる複数のエポキシ樹脂を組み合わせてもよい。
以下、エポキシ樹脂(A1)について説明する。
フェノキシ樹脂とは、通常、エピハロヒドリンと2価フェノール化合物とを反応させて得られる樹脂、または2価のエポキシ化合物と2価のフェノール化合物とを反応させて得られる樹脂を指すが、本発明においてはこれらのうち、特に重量平均分子量200以上の分子量を有するエポキシ樹脂であるフェノキシ樹脂をエポキシ樹脂(A1)という。なお、エポキシ樹脂(A1)の重量平均分子量の上限は50000以下が好ましく、30000以下がより好ましい。
上記エポキシ樹脂(A1)以外のエポキシ樹脂としては、分子内に2個以上のエポキシ基を有するエポキシ樹脂(以下「エポキシ樹脂(A2)」と称す場合がある。)であることが好ましく、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、フェノールアラルキル型エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂、トリフェニルメタン型エポキシ樹脂、ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂、グリシジルエステル型エポキシ樹脂、グリシジルアミン型エポキシ樹脂、多官能フェノール型エポキシ樹脂等の、各種エポキシ樹脂が挙げられる。
これらは1種を単独でまたは2種以上の混合体として使用することができる。
エポキシ樹脂(A1)の割合が10重量%以上であることにより、エポキシ樹脂(A1)を配合することによる熱伝導性の向上効果を十分に得ることができ、所望の高熱伝導性を得ることができる。エポキシ樹脂(A1)の割合が90重量%未満でエポキシ樹脂(A2)が10重量%以上であることにより、エポキシ樹脂(A2)の配合効果が発揮され、硬化性、硬化物の物性が十分なものとなる。
本発明で用いる無機フィラー(B)の熱伝導率は高い熱伝導性を有するものが好ましく、上述のように2W/(m・K)以上であることを必須とし、3W/(m・K)以上であることが好ましい。
ここで、無機フィラー(B)として、高熱伝導率以外に、更に酸素や水への高温暴露に対する安定性と低誘電性をも併せ持つことが接着したデバイスの信頼性の点で好ましい。そのため、上記無機材料の中でも無機フィラー(B)としては、化学安定性が高いAl2O3、BNが好ましく、特に誘電率がより低いBNが好ましい。
なお、無機フィラー(B)は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を任意の組み合わせおよび比率で混合して用いてもよい。
なお、無機フィラー(B)の平均粒径は、粉砕した後で測定した値であり、比表面積は、粉砕する前に測定した値である。無機フィラー(B)の平均粒径、比表面積の具体的な測定法は、実施例にて記述する。
上述のように高度に集積化された三次元集積回路積層体において、第1の層間充填材層の厚みは、50μm程度以下にまで小さくなっている。そのため、配合するフィラーの平均粒径が10μmを超えると、層間充填材組成物の接着性が低下し、半導体基板を十分に接合できなくなる。
一方で、フィラーの粒径が小さ過ぎると、必要な熱伝導パス数が増加して半導体基板間の厚み方向に上から下まで繋がる確率が小さくなり、熱伝導性の高いエポキシ樹脂(A)と組み合わせても、層間充填材層の厚み方向への熱伝導率が不十分になる。また、フィラーの粒径が小さ過ぎると、フィラーが凝集しやすくなり層間充填材組成物中での分散性が悪くなる。
一方で、比表面積が1m2/g未満であると、フィラーが接合しにくくなる傾向があり、60m2/gを超えると、フィラー粒径が小さくなりすぎで上記凝集の問題が発生したり、フィラーの形状が球形から大きく外れる傾向にあるため、層間充填材組成物の粘度が上昇し、層間充填材層におけるフィラーの充填量を増やすことができず、所定の熱伝導性を達成することができなくなる。
ここで、無機フィラー(B)の平均粒径や比表面積を、上記範囲とすることにより、フィラー同士の過度の凝集が抑制され、かつ、十分なフィラーを含むことができるため、厚み方向へ充分な熱伝導率を有する層間充填層を得ることができる。
無機材料の粉砕の方法は特に限定されず、ジルコニアビーズ等の粉砕用メディアと共に攪拌混合する方法や、ジェット噴射等の従来公知の粉砕方法を適用できる。
また、無機フィラー(B)は、樹脂(A)や塗布液中での分散性を高めるため、適宜表面処理をおこなってもよい。さらには、結晶性を高めたり、水分除去の為、熱処理したフィラーを用いてもよい。
この場合、平均粒径の小さい無機フィラーと平均粒径の大きい無機フィラーとは重量比で10:1〜1:10の割合で用いることが、熱伝導パスの形成の上で好ましい。
例えば、フィラーを熱伝導性向上ではなく粘度調節を目的として添加する場合には、熱伝導率がそれほど高くない、汎用フィラーであるシリカ(SiO2:熱伝導率1.4W/(m・K))を使用することができる。
一方で、その他のフィラーの平均粒径及び最大粒径は、無機フィラー(B)と同様の範囲であることが必要である。
樹脂(A)として、第1の層間充填材組成物には、硬化剤(C)を含んでいてもよい。本発明で用いる硬化剤(C)とは、エポキシ樹脂を用いる場合、エポキシ樹脂のエポキシ基間の架橋反応に寄与する物質を示す。
硬化剤(C)としては、特に制限はなく一般的にエポキシ樹脂硬化剤として知られているものはすべて使用できる。例えば、フェノール系硬化剤、脂肪族アミン、ポリエーテルアミン、脂環式アミン、芳香族アミンなどのアミン系硬化剤、酸無水物系硬化剤、アミド系硬化剤、第3級アミン、イミダゾールおよびその誘導体、有機ホスフィン類、ホスホニウム塩、テトラフェニルボロン塩、有機酸ジヒドラジド、ハロゲン化ホウ素アミン錯体、ポリメルカプタン系硬化剤、イソシアネート系硬化剤、ブロックイソシアネート系硬化剤等が挙げられる。
ここで、硬化剤がフェノール系硬化剤、アミン系硬化剤、酸無水物系硬化剤の場合は、エポキシ樹脂中のエポキシ基と硬化剤中の官能基との当量比で0.8〜1.5の範囲となるように用いることが好ましい。この範囲外であると未反応のエポキシ基や硬化剤の官能基が残留し、所望の物性が得られないことがある。
また、硬化剤がアミド系硬化剤、第3級アミン、イミダゾール及びその誘導体、有機ホスフィン類、ホスホニウム塩、テトラフェニルボロン塩、有機酸ジヒドラジド、ハロゲン化ホウ素アミン錯体、ポリメルカプタン系硬化剤、イソシアネート系硬化剤、ブロックイソシアネート系硬化剤等の場合は、エポキシ樹脂組成物中のエポキシ樹脂100重量部に対して0.1〜20重量部の範囲で用いることが好ましい。
フラックス(D)とは、具体的には、金属端子のはんだ接合時において、はんだバンプ等の金属電気信号端子及びランドの表面酸化膜の溶解除去や、はんだバンプのランド表面における濡れ広がり性の向上、更にははんだバンプの金属端子表面の再酸化防止などの機能を有する化合物であり、第1の層間充填材層の中に半導体デバイス層が形成された半導体基板間の電気信号接続用のはんだ接続端子を含む場合に第1の層間充填材組成物に含有される。
フラックス(D)の溶融温度は、はんだ接合前にはんだ表面の酸化膜溶解、はんだ表面の濡れ性向上、及びはんだ表面の再酸化防止等の機能を発現するために、90℃〜220℃であることが好ましく、より好ましくは100℃〜200℃、更に好ましくは120℃〜180℃である。
また、フラックス(D)が有機カルボン酸類及び有機カルボン酸エステル類の場合には、はんだ接合時の220℃〜260℃の温度においてカルボン酸の分解又は揮発・蒸発等が少ないものが好ましい。この場合、分解温度及び沸点としては好ましくは250℃以上、より好ましくは270℃以上、最も好ましくは290℃以上である。多価アルコール類としては、トリメチロールプロパン、エリスリトール、ペンタエリスリトール、リビトールなどを好ましく用いることができる。有機カルボン酸としては、グルタル酸、アジピン酸、トリメリット酸などを好ましく用いることができる。
有機カルボン酸エステルが熱分解によりカルボン酸を生じて機能を発現する温度としては、130℃以上であることが好ましく、より好ましくは140℃、更に好ましくは160℃以上、最も好ましくは180℃以上である。
これらは、いずれも1種を単独で用いてもよく、2種以上を任意の組み合わせおよび比率で混合して用いてもよい。
ここで、シランカップリング剤としては、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等のエポキシシラン、γ−アミノプロピルトリエトキシシラン、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−アミノプロピルメチルジメトキシシラン、γ−アミノプロピルトリメトキシシラン、γ−ウレイドプロピルトリエトキシシラン等のアミノシラン、3−メルカプトプロピルトリメトキシシラン等のメルカプトシラン、p−スチリルトリメトキシシラン、ビニルトリクロルシラン、ビニルトリス(β−メトキシエトキシ)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、γ−メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン等のビニルシラン、さらに、エポキシ系、アミノ系、ビニル系の高分子タイプのシラン等が挙げられる。
用いることができる有機溶媒(E)としては、例えばアセトン、メチルエチルケトン(MEK)、メチルイソブチルケトン(MIBK)、メチルアミルケトン(MAK)、シクロヘキサノン(CHN)等のケトン類、酢酸エチルや酢酸ブチル等のエステル類、エチレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート等のエーテル類、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド等のアミド類、メタノール、エタノール等のアルコール類、ヘキサン、シクロヘキサン等のアルカン類、トルエン、キシレン等の芳香族類などが挙げられる。
このうち、樹脂の溶解性及び溶媒の沸点等を勘案すると、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトンやシクロヘキサノン等ケトン類、エステル類及びエーテル類が好ましく、特にメチルエチルケトンやメチルイソブチルケトン、シクロヘキサノンのケトン類を用いることが特に好ましい。
これらの有機溶媒は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を任意の組み合わせおよび比率で混合して用いてもよい。
有機溶媒(E)の混合割合が、20重量%未満では組成物の粘度が上昇し良好な塗布膜が得られない場合があり、または70重量%を超えると所定の膜厚が得られない等の問題が出てくる可能性がある。
このような添加剤としては、上述の添加剤の他、塗布液中での各成分の分散性を向上させる界面活性剤、乳化剤、低弾性化剤、希釈剤、消泡剤、イオントラップ剤等が挙げられる。
例えば、ポリオキシエチレンアルキルエーテル類、ポリオキシエチレンアルキルアリールエーテル類、ポリオキシエチレンアルキルエステル類、ソルビタンアルキルエステル類、モノグリセリドアルキルエステル類、アルキルベンゼンスルホン酸塩類、アルキルナフタレンスルホン酸塩類、アルキル硫酸塩類、アルキルスルホン酸塩類、スルホコハク酸エステル塩類、アルキルベタイン類、アミノ酸類などが挙げられる。
また、これら界面活性剤においてCH結合の一部又は全てがCF結合となったフッ素界面活性剤も好ましく用いることができる。
界面活性剤の添加量として、樹脂組成物中の全固形分に対して、0.001〜5重量%程度とするのが好ましい。0.001重量%未満では、所定の膜厚均一性が得られない場合があり、また5重量%を超えると樹脂成分との相分離等を引き起こす場合があり好ましくない。
混合順序も反応や沈殿物が発生するなど特段の問題がない限り任意であり、塗布液の構成成分のうち、何れか2成分又は3成分以上を予め配合し、その後に残りの成分を混合してもよいし、一度に全部を混合してもよい。
なお、上述のように無機フィラー(B)は、粒径の大きな凝集体とならないように粉砕を行うことが好ましいが、塗布液の製造前に粉砕してもよいし、他の成分と混合してから粉砕してもよい。無機材料の粉砕の方法は特に限定されず、従来公知の粉砕方法を適用できる。
以下、第1の三次元集積回路積層体の製造方法について説明する。
半導体基板積層体からなる第1の三次元集積回路積層体は、三次元集積回路の各層を構成し、半導体デバイス層が形成された半導体基板に、上述の第1の層間充填材層の前駆体となる第1の層間充填材組成物の塗膜を形成する工程と、これらの半導体基板を加圧接着して、半導体基板間に第1の層間充填材層を有する半導体基板積層体を形成する工程を含む方法を用いて製造される。
以下、各工程について具体的に説明する。
第1の層間充填材組成物の塗膜は、有機溶媒(E)に溶解・分散した第1の層間充填材組成物を、ディップ法やスピンコート法、スプレーコート法やブレード法その他の任意の方法で形成することができる。得られた塗布膜から溶媒や低分子成分除去のために、50〜150℃の任意の温度でベーキング処理を行いB−ステージ化膜を形成する。この際、一定の温度においてベーキング処理を行ってもよいが、組成物中の揮発成分除去を円滑に進めるために、減圧条件下にてベーキング処理を行ってもよい。また、樹脂の硬化が進行しない範囲で、段階的な昇温によるベーキング処理を行っても良い。例えば、初めに60℃、次に80℃、更に120℃で各5〜90分程度のべーキング処理を実施することができる。
また、上述の有機溶媒(E)を含まない第1の層間充填材組成物をそのまま用いてもよい。例えば、樹脂の硬化が始まらない温度範囲において加温して溶融させたものを用いて、任意の方法で半導体基板上に第1の層間充填材組成物からなる膜を成膜してもよい。
また、第1の層間充填材組成物は、フィルム成形に適した十分な伸び性を有するため、フィルム成形し、該フィルムを半導体基板上に設置することで成膜してもよい。
また、加圧接着の際には必要に応じて基板間に好ましくは10gf/cm2〜10Kgf/cm2、より好ましくは50gf/cm2〜5Kgf/cm2の荷重をかけて実施することが好ましい。
本発明の三次元集積回路積層体は、上述の半導体基板積層体がさらに有機基板の上に搭載されており、半導体基板積層体と有機基板との間に、樹脂(a)及び無機フィラー(b)を含有する第2の層間充填材層が形成されていてもよい。
すなわち、上述の半導体基板積層体(第1の三次元集積回路積層体)が、さらに有機基板の上に搭載されており、半導体基板積層体と有機基板との間に、樹脂(a)及び無機フィラー(b)を含有した第2の層間充填材層が形成された三次元集積回路積層体である。
図3に本発明の第2の実施の形態に係る三次元集積回路積層体(以下、「第2の三次元集積回路積層体」と称す。)の概念断面図を示す。なお、図3では、三次元集積回路積層体の構造の理解を容易にするために、半導体基板及び有機基板に対する他の構成部材の厚みや大きさは、実際より大きく示している。
図3に示すように、第2の三次元集積回路積層体100において、上述の半導体基板積層体1がさらに有機基板101の上に搭載されており、半導体基板積層体1と有機基板101との間に、樹脂(a)及び無機フィラー(b)を含有する第2の層間充填材層102が形成されている。
有機基板は、はんだボールを外部電極とするアレイ状の電極と半導体基板を接続する高密度実装用のパターン変換基板(インターポーザ)であり、三次元集積回路積層体を実装する際のプリント基板やフレキシブル基板との熱膨張率の整合性を確保するためにも、樹脂板の中に配線層を有する多層回路構造を有する有機基板であることが好ましい。有機基板を構成する樹脂成分としてエポキシ樹脂等が、配線層として銅(Cu)がそれぞれ好ましく用いられる、第2の層間充填材層を介してプリント基板上に搭載された半導体基板積層体は、はんだバンプ等を介して有機基板に接続され、有機基板はアレイ状の電極を介してプリント基板の端子と電子的に接続されていてもよい。
第2の層間充填材層は、半導体基板積層体と有機基板との間に形成され、樹脂(a)及び無機フィラー(b)を含有してなる。
第2の層間充填材層は、0.4W/(m・K)以上であることが好ましく、0.8W/(m・K)以上であることがより好ましく、1.0W/(m・K)以上であることが特に好ましい。
第2の層間充填材組成物は、樹脂(a)及び無機フィラー(b)を含有し、その他必要に応じて硬化剤(c)、フラックス(d)等を含有してなる。
なお、第2の層間充填材組成物において、第1の層間充填材組成物と同様である部分は詳しい説明を省略する。
樹脂(a)は、第2の層間充填材組成物として、無機フィラー(b)と組み合わせた際に十分な熱伝導性を得るために、その熱伝導率が0.15W/(m・K)以上であることが好ましい。
また、基板上に薄膜を形成後、仮接着前に接合対象の基板と位置合わせを行うために、樹脂(a)は、50℃における溶融粘度が2000Pa・s以上であることを必須とし、10000Pa・s以上であることが好ましい。
また、仮接着後に本接合を実施する際には、加温により第1の層間充填材組成物を溶融して電気接合端子を接続させるために、樹脂(a)は、120℃における溶融粘度が100Pa・s以下であることが好ましく、20Pa・s以下であることがより好ましい。
これらの樹脂の中でも耐熱性や各種電気特性に優れた熱硬化性樹脂が好ましい。熱硬化性樹脂の中でも、硬化前の加工性、その他硬化特性、硬化膜物性等からエポキシ樹脂を主成分とする樹脂が好ましい。ここで、「エポキシ樹脂を主成分とする」とは、樹脂(a)のエポキシ樹脂の割合が、50重量%以上であることを意味し、好ましくは、60重量%以上(100重量%含む)である。
なお、一般的にシリコン基板と有機基板を充填する技術としてはアンダーフィルプロセスが提案されており、バンプとランドを接合後に基板間横より毛細管現象を用いて層間充填材を充填する。この為、本プロセスには室温で液体である樹脂成分が必要であり、一般的には液状エポキシ樹脂等が好ましく用いられている。
無機フィラー(b)は、第2の層間充填材組成物の熱伝導率を向上させるために添加される。第2の層間充填材組成物は、熱伝導率を有する無機フィラー(b)を含有することにより、第2の層間充填材組成物に高い熱伝導性を付与することが可能となり、半導体基板積層体と有機基板の熱伝導を促進させて半導体デバイス基板の温度を低下させることにより、半導体デバイスを安定的に動作させることが可能となる。
無機フィラー(b)の熱伝導率は、1W/(m・K)以上であることが好ましく、2W/(m・K)以上であることがより好ましい。
このような熱伝導率を有する無機フィラー(b)であると、適当な添加量で、十分な熱伝導度を有する第2の層間充填材層を得ることができる。
すなわち、アルミナ(Al2O3:熱伝導率30W/(m・K))、窒化アルミニウム(AlN:熱伝導率260W/(m・K))、窒化ホウ素(BN:熱伝導率3W/(m・K)(厚み方向)、275W/(m・K)(面内方向))、窒化ケイ素(Si3N4:熱伝導率23W/(m・K))、シリカ(SiO2:熱伝導率1.4W/(m・K))などを使用できる。
また、これらの無機フィラー(b)は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を任意の組み合わせおよび比率で混合して用いてもよい。
無機フィラー(b)は更に酸素、水や高温暴露に対する安定性と低誘電性をも併せ持つことが接着したデバイスの信頼性の点で好ましく、このような無機フィラーとしては、Al2O3、AlN、BN、SiO2が挙げられ、好ましくはAl2O3、AlN、BNが挙げられる。
第2の層間充填材組成物において、樹脂(a)及び無機フィラー(b)以外の成分としては、上述した第1の層間充填材組成物における硬化剤(C)、フラックス(D)、その他の添加剤が挙げられる。これらの使用目的、配合量などは第1の層間充填材組成物と同様である。
第2の三次元集積回路積層体は、上述の半導体基板積層体の有機基板上に接する側の面上、および有機基板上の半導体基板積層体と接する面上の一方又は双方に、上述の第2の層間充填材層の前駆体となる第2の層間充填材組成物の塗膜を形成する工程と、半導体基板と有機基板とを加圧接着して、半導体基板積層体と有機基板との間に第2の層間充填材層を有する半導体基板積層体を形成する工程を含む方法を用いて製造される。なお、第2の層間充填材組成物は、第1の層間充填材組成物と同一であってもよく、異なっていてもよい。
・樹脂(A)
エポキシ樹脂(A2−1):三菱化学株式会社製 ビスフェノールF型液状エポキシ樹脂製品名「jER1750」
反応性希釈剤(A2−2):四日市合成株式会社製 1,6−ヘキサンジオールジグリシジルエーテル 製品名「YED216D」
・無機フィラー(B):
無機フィラー(B1):日新リフラテック株式会社製 窒化ホウ素 製品名「R−BN」
無機フィラー(B2):株式会社MARUKA製 窒化ホウ素 製品名「AP−170S」
・硬化剤(C):三菱化学株式会社製 2−エチル−4(5)−メチルイミダゾール 製品名「jERキュア EMI24」
(測定方法)
(1)無機フィラー(B)の樹脂中での平均粒径
硬化剤を添加する前のエポキシ樹脂/無機フィラー混合物ペースト4mgにシクロヘキサノン2mLを加えて超音波処理を10分間行い、粒度分布測定装置(株式会社堀場製作所製 製品名「LA920」)を用いて、シクロヘキサノンを溶媒としてバッチ式セルで平均粒径(メジアン径)を測定した。なお、平均粒径は体積基準、相対屈折率は1.20とした。
(2)無機フィラー(B)の比表面積
無機フィラーに250℃、15分間窒素ガスフローの前処理を行った後、株式会社マウンテック製 マックソーブHM MODEL−1201を用い、BET1点法(吸着ガス:窒素)にて、比表面積を測定した。
その結果、無機フィラー(B1)の比表面積は9.69m2/g、無機フィラー(B2)の比表面積は116m2/gであった。
(3)層間充填材組成物の熱伝導率
熱伝導率は、以下の装置で熱拡散率、比重、比熱を測定し、この3つの測定値を乗じることにより求めた。
1)熱拡散率:株式会社アイフェイズ製 製品名「アイフェイズ・モバイル 1」
2)比重:メトラー・トレド株式会社製 天秤 製品名「XS204」(「固体比重測定キット」使用)
3)比熱:株式会社パーキンエルマー製 示差走査熱量計 製品名「DSC7」を用い、10℃/分の昇温条件の下、25℃における比熱をDSC7のソフトウエアを用いて求めた。
エポキシ樹脂(A2−1)45重量部、反応性希釈剤(A2−2)5重量部、無機フィラー(B1)50重量部を混合し、ロール間隙を10μmに調整した3本ロールに5回通すことによってエポキシ樹脂/無機フィラー混合物ペーストを得た。
このエポキシ樹脂/無機フィラー混合物ペーストにおける無機フィラー(B1)の平均粒径は0.6μmであった。
前記エポキシ樹脂/無機フィラー混合物ペースト100重量部に対し、硬化剤(C)5重量部を加え、自転公転型混合装置(株式会社シンキー製 製品名「あわとり練太郎」)を用いて、2000回転で、5分間混合、1分間脱泡の条件で混合した。
混合したペーストを、厚み500μmのシリコンゴムシートをスペーサーとして離型処理したガラス板に挟み、140℃で1時間加熱し、さらに150℃で4時間加熱し、層間充填材組成物膜を得た。この膜の熱伝導率を測定した結果、1.2W/(m・K)であった。
実施例の無機フィラー(B1)に変えて、無機フィラー(B2)を用いたほかは、実施例と同様の条件で行った。
前記測定方法による無機フィラー(B2)の平均粒径は4.1μmであった。また、得られた層間充填材組成物膜の熱伝導率は、0.5W/(m・K)であった。
10,20,30 半導体基板
11,21,31 半導体デバイス層
12,22,32 バッファーコート膜
13,23,33 半導体基板貫通電極
14,24,34,103 ランド端子
15,25,35 はんだバンプ
40,50 第1の層間充填材層
100 第2の三次元集積回路積層体
101 有機基板
102 第2の層間充填材層
Claims (12)
- 半導体デバイス層が形成された半導体基板を少なくとも2層以上積層した半導体基板積層体を有し、該半導体基板間に、樹脂(A)及び平均粒径0.1μm以上10μm以下、且つ、比表面積1m2/g以上60m2/g以下であり、さらに熱伝導率2W/(m・K)以上の無機フィラー(B)を含有した第1の層間充填材層を有することを特徴とする三次元集積回路積層体。
- 前記半導体基板が、シリコン基板であることを特徴とする請求項1に記載の三次元集積回路積層体。
- 前記第1の層間充填材層の熱伝導率が、0.8W/(m・K)以上であることを特徴とする請求項1又は2に記載の三次元集積回路積層体。
- 前記無機フィラー(B)の平均粒径が、0.2μm以上5μm以下、且つ、比表面積が1m2/g以上25m2/g以下であることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の三次元集積回路積層体。
- 前記無機フィラー(B)の平均粒径が、0.2μm以上3μm以下、且つ、比表面積が1m2/g以上15m2/g以下であることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の三次元集積回路積層体。
- 前記樹脂(A)が、エポキシ樹脂を主成分とする樹脂であることを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載の三次元集積回路積層体。
- 前記第1の層間充填材層が、前記樹脂(A)100重量部当たり50重量部以上400重量部以下の前記無機フィラー(B)を含有することを特徴とする請求項1から6のいずれか1項に記載の三次元集積回路積層体。
- 前記第1の層間充填材層の厚みが、1μm以上50μm以下であることを特徴とする請求項1から7のいずれか1項に記載の三次元集積回路積層体。
- 前記半導体基板間に有する前記第1の層間充填材層の中に電気信号接続用のはんだ接続端子を含むことを特徴とする請求項1から8のいずれか1項に記載の三次元集積回路積層体。
- 前記半導体基板積層体がさらに有機基板上に搭載されており、前記半導体基板積層体と前記有機基板との間に、樹脂(a)及び無機フィラー(b)を含有する第2の層間充填材層を有することを特徴とする請求項1から9のいずれか1項に記載の三次元集積回路積層体。
- 前記第2の層間充填材層熱伝導率が、0.4W/(m・K)以上であることを特徴とする請求項10に記載の三次元集積回路積層体。
- 前記第2の層間充填材層の厚みが、50μm以上300μm以下であることを特徴とする請求項10又は11に記載の三次元集積回路積層体。
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