JP2015086359A - 半導体チップ封止用熱硬化性樹脂シート及び半導体パッケージの製造方法 - Google Patents

半導体チップ封止用熱硬化性樹脂シート及び半導体パッケージの製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 熱硬化性樹脂シートの体積収縮による反り変形を低減できるとともに、信頼性と保存性に優れた半導体チップ封止用熱硬化性樹脂シート及び半導体パッケージの製造方法を提供する。
【解決手段】 本発明は、活性化エネルギー(Ea)が下記式(1)を満たし、かつ150℃で1時間熱硬化処理した後の熱硬化物のガラス転移温度が125℃以上であり、前記熱硬化物の前記ガラス転移温度以下における熱膨張係数α[ppm/K]及び前記熱硬化物の25℃における貯蔵弾性率E’[GPa]が下記式(2)を満たす半導体チップ封止用熱硬化性樹脂シートに関する。
30≦Ea≦120[kJ/mol] ・・・(1)
10000≦α×E’≦300000[Pa/K] ・・・(2)
【選択図】 図1

Description

本発明は、半導体チップ封止用熱硬化性樹脂シート及び半導体パッケージの製造方法に関する。
従来、半導体パッケージの製造方法として、基板などに固定された1又は複数の半導体チップを封止樹脂で封止するという方法が知られている。このような封止樹脂として、例えば、熱硬化性樹脂シートが知られている(例えば、特許文献1参照)。
特開2006−19714号公報
熱硬化過程における封止樹脂の体積収縮により、半導体パッケージに反り変形が生じることがある。熱硬化過程における封止樹脂の体積収縮によって反り変形が生じると、半導体パッケージをステージに充分に固定(例えば吸着固定)できず、半導体パッケージの封止樹脂を研削することが困難なことがある。
また、通常、封止樹脂の熱膨張係数は、半導体パッケージを構成する他の要素(例えば半導体チップ、基板など)より大きいため、半導体パッケージに反りが生じることがあり、信頼性の点で改善の余地がある。
本発明は前記課題を解決し、熱硬化性樹脂シートの体積収縮による反り変形を低減できるとともに、信頼性と保存性に優れた半導体チップ封止用熱硬化性樹脂シート及び半導体パッケージの製造方法を提供することを目的とする。
本発明は、活性化エネルギー(Ea)が下記式(1)を満たし、かつ150℃で1時間熱硬化処理した後の熱硬化物のガラス転移温度が125℃以上であり、前記熱硬化物の前記ガラス転移温度以下における熱膨張係数α[ppm/K]及び前記熱硬化物の25℃における貯蔵弾性率E’[GPa]が下記式(2)を満たす半導体チップ封止用熱硬化性樹脂シートに関する。
30≦Ea≦120[kJ/mol] ・・・(1)
10000≦α×E’≦300000[Pa/K] ・・・(2)
Eaが120kJ/mol以下であり、比較的低温で熱硬化できるため、反りを小さくできる。また、熱硬化させるために長時間加熱する必要がないため、生産性に優れる。
一方、Eaが30kJ/mol以上であるため、加熱により熱硬化性樹脂シートを凹凸(半導体チップなどにより形成された凹凸)に追従させた後に、熱硬化できる。その結果、ボイドの発生を低減できる。また、保存性が良好である。
さらに、熱硬化物のガラス転移温度以下における熱膨張係数α及び熱硬化物の25℃における貯蔵弾性率E’が上記式(2)を満たす。このため、熱膨張係数の違いにより生じる熱応力を緩和でき、信頼性に優れた半導体パッケージを得ることができる。例えば、α×E’の数値範囲において、貯蔵弾性率E’が高い場合は、熱硬化性樹脂シートの剛性が向上して応力を吸収ないし分散できる。このとき熱膨張係数αは低くなり、熱硬化性樹脂シートの熱膨張挙動が抑制されるので、半導体パッケージを構成する他の要素(例えば半導体チップ、基板など)への機械的ダメージを低減できる。
なお、熱硬化物のガラス転移温度は125℃以上であるので、半導体パッケージの通常の使用温度範囲及び熱サイクル信頼性試験の温度範囲(最大125℃)における急激な物性変化を抑制できる。
本発明の半導体チップ封止用熱硬化性樹脂シートは、エポキシ樹脂、フェノールノボラック系硬化剤、無機充填材及び硬化促進剤を含むことが好ましい。
前記無機充填材が平均粒子径0.5μm〜50μmのシリカであることが好ましい。
前記硬化促進剤がイミダゾール系硬化促進剤であることが好ましい。イミダゾール系硬化促進剤を使用することにより、活性化エネルギーを30〜120kJ/molに容易に調整できるとともに、混練温度での硬化反応を抑えられる。
前記無機充填材の含有量が20体積%〜90体積%であることが好ましい。
前記熱硬化物の25℃における貯蔵弾性率E’が3GPa〜30GPaであることが好ましい。
前記熱膨張係数αが3ppm/K〜50ppm/Kであることが好ましい。
本発明はまた、前記半導体チップ封止用熱硬化性樹脂シート及び前記半導体チップ封止用熱硬化性樹脂シートに埋め込まれた1又は複数の半導体チップを備える封止体を形成する工程(A)と、前記封止体の樹脂シートを熱硬化する工程(B)とを含む半導体パッケージの製造方法に関する。
前記工程(A)において、半導体ウェハにフリップチップ接続された前記半導体チップを前記半導体チップ封止用熱硬化性樹脂シートに埋め込んで前記封止体を形成することが好ましい。
前記工程(A)において、仮固定材に固定された前記半導体チップを前記半導体チップ封止用熱硬化性樹脂シートに埋め込んで前記封止体を形成することが好ましい。
前記工程(A)において、前記半導体ウェハにフリップチップ接続された複数の前記半導体チップを前記半導体チップ封止用熱硬化性樹脂シートに埋め込んで前記封止体を形成することが好ましい。そして、本発明の半導体パッケージの製造方法は、前記工程(B)の後、前記封止体を目的の半導体チップ単位でダイシングする工程(C)をさらに含むことが好ましい。
実施形態1の樹脂シートの断面模式図である。 半導体チップをフリップチップ実装した半導体ウェハの断面模式図である。 実施形態1の樹脂シートで半導体チップを封止した様子を模式的に示す図である。 半導体パッケージの樹脂シート部分を研削した様子を模式的に示す図である。 半導体パッケージの半導体ウェハ部分を研削した様子を模式的に示す図である。 半導体パッケージに再配線層とバンプを形成した様子を模式的に示す図である。 半導体パッケージをダイシングした様子を模式的に示す図である。 仮固定材に半導体チップを固定した様子を模式的に示す図である。 樹脂シートで半導体チップを封止した様子を模式的に示す図である。 封止体から仮固定材を剥離した様子を模式的に示す図である。 半導体パッケージの樹脂シート部分を研削した様子を模式的に示す図である。 封止体に再配線とバンプを形成した様子を模式的に示す図である。 封止体をダイシングした様子を模式的に示す図である。
以下に実施形態を掲げ、本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらの実施形態のみに限定されるものではない。
[実施形態1]
図1は、実施形態1の樹脂シート11の断面模式図である。なお、樹脂シート11の両面には、ポリエチレンテレフタレート(PET)フィルムなどの支持体が設けられていてもよい。樹脂シート11からの剥離を容易に行うために、支持体には離型処理が施されていてもよい。
樹脂シート11は熱硬化性を有する。
樹脂シート11の活性化エネルギー(Ea)は、30kJ/mol以上である。30kJ/mol以上であるので、加熱により熱硬化性樹脂シートを凹凸(半導体チップなどにより形成された凹凸)に追従させた後に、熱硬化できる。その結果、ボイドの発生を低減できる。また、保存性が良好である。樹脂シート11の活性化エネルギーは、好ましくは40kJ/mol以上、より好ましくは50kJ/mol以上、さらに好ましくは60kJ/mol以上である。
また、樹脂シート11の活性化エネルギーは、120kJ/mol以下である。120kJ/mol以下であり、比較的低温で熱硬化できるため、反りを小さくできる。また、熱硬化させるために長時間加熱する必要がないため、生産性に優れる。樹脂シート11の活性化エネルギーは、好ましくは100kJ/mol以下である。
なお、活性化エネルギーは実施例に記載の方法で測定できる。
樹脂シート11の活性化エネルギーは、硬化促進剤の種類、硬化促進剤の量などによりコントロールできる。
樹脂シート11は下記式(2)を満たす。
10000≦α×E’≦300000[Pa/K] ・・・(2)
上記式(2)において、αは、150℃で1時間熱硬化処理した後の熱硬化物のガラス転移温度以下における熱膨張係数[ppm/K]である。
上記式(2)において、E’は150℃で1時間熱硬化処理した後の熱硬化物の25℃における貯蔵弾性率[GPa]である。
樹脂シート11は上記式(2)を満たすため、熱膨張係数の違いにより生じる熱応力を緩和できる。例えば、α×E’の数値範囲において、貯蔵弾性率E’が高い場合は、樹脂シート11の剛性が向上して応力を吸収ないし分散できる。このとき熱膨張係数αは低くなり、樹脂シート11の熱膨張挙動が抑制されるので、半導体パッケージを構成する他の要素(例えば半導体チップ、基板など)への機械的ダメージを低減できる。
α×E’は10万Pa/K以上が好ましい。α×E’は20万Pa/K以下が好ましい。
貯蔵弾性率E’は、好ましくは3GPa以上、より好ましくは10GPa以上、さらに好ましくは15GPa以上である。3GPa以上であると、熱応力の緩和効果が高い。一方、貯蔵弾性率E’の上限は特に限定されず、例えば30GPa以下であり、好ましくは25GPa以下である。
なお、貯蔵弾性率E’は実施例に記載の方法で測定できる。
樹脂シート11の貯蔵弾性率E’は、無機充填材の含有量、熱可塑性樹脂の含有量によりコントロールできる。例えば、無機充填材の含有量を増加させること、熱可塑性樹脂の含有量を増加させることにより貯蔵弾性率E’を高めることができる。
熱膨張係数αは、好ましくは50ppm/K以下、より好ましくは20ppm/K以下、さらに好ましくは15ppm/K以下である。50ppm/K以下であると、熱応力の緩和効果が高い。一方、熱膨張係数αの下限は特に限定されず、例えば、3ppm/K以上である。
なお、熱膨張係数αは実施例に記載の方法で測定できる。
樹脂シート11の熱膨張係数αは、無機充填材の含有量などによりコントロールできる。例えば、無機充填材の含有量を増加させることにより熱膨張係数αを小さくできる。
樹脂シート11を150℃で1時間熱硬化処理した後の熱硬化物のガラス転移温度(Tg)は125℃以上である。125℃以上であると、半導体パッケージの通常の使用温度範囲及び熱サイクル信頼性試験の温度範囲(最大125℃)における急激な物性変化を抑制できる。熱硬化物のガラス転移温度の上限は特に限定されず、例えば180℃以下であり、好ましくは160℃以下である。
なお、ガラス転移温度は実施例に記載の方法で測定できる。
樹脂シート11の熱硬化物のガラス転移温度は、熱硬化性樹脂(例えば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂)の官能基による架橋密度によりコントロールできる。例えば、分子中に官能基数の多い熱硬化性樹脂を適用することによりガラス転移温度を高めることができる。
樹脂シート11は、エポキシ樹脂を含むことが好ましい。
エポキシ樹脂としては、特に限定されるものではない。例えば、トリフェニルメタン型エポキシ樹脂、クレゾールノボラック型エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂、変性ビスフェノールA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、変性ビスフェノールF型エポキシ樹脂、ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂、フェノールノボラック型エポキシ樹脂、フェノキシ樹脂などの各種のエポキシ樹脂を用いることができる。これらエポキシ樹脂は単独で用いてもよいし2種以上併用してもよい。
エポキシ樹脂の反応性を確保する観点からは、エポキシ当量150〜250、軟化点もしくは融点が50〜130℃の常温で固形のものが好ましい。なかでも、信頼性の観点から、トリフェニルメタン型エポキシ樹脂、クレゾールノボラック型エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂がより好ましい。また、ビスフェノールF型エポキシ樹脂が好ましい。
樹脂シート11は、フェノールノボラック系硬化剤を含むことが好ましい。フェノールノボラック系硬化剤としては、フェノールノボラック樹脂を好適に使用できる。なかでも、ビフェニルアラルキル骨格を有するフェノールノボラック樹脂を特に好適に使用できる。なお、フェノールノボラック系硬化剤は単独で用いてもよいし、2種以上併用してもよい。
フェノールノボラック系硬化剤としては、エポキシ樹脂との反応性の観点から、水酸基当量が70〜250、軟化点が50〜110℃のものを用いることが好ましい。
樹脂シート11中のエポキシ樹脂及びフェノールノボラック系硬化剤の合計含有量は、5重量%以上が好ましい。5重量%以上であると、半導体チップなどに対する接着力が良好に得られる。樹脂シート11中のエポキシ樹脂及びフェノールノボラック系硬化剤の合計含有量は、40重量%以下が好ましく、20重量%以下がより好ましい。40重量%以下であると、吸湿性を低く抑えることができる。
エポキシ樹脂とフェノールノボラック系硬化剤の配合割合は、硬化反応性という観点から、エポキシ樹脂中のエポキシ基1当量に対して、フェノールノボラック系硬化剤中の水酸基の合計が0.7〜1.5当量となるように配合することが好ましく、より好ましくは0.9〜1.2当量である。
樹脂シート11は、硬化促進剤を含むことが好ましい。
硬化促進剤としては、エポキシ樹脂とフェノールノボラック系硬化剤の硬化を進行させるものであれば特に限定されず、例えば、2−メチルイミダゾール(商品名;2MZ)、2−ウンデシルイミダゾール(商品名;C11−Z)、2−ヘプタデシルイミダゾール(商品名;C17Z)、1,2−ジメチルイミダゾール(商品名;1.2DMZ)、2−エチル−4−メチルイミダゾール(商品名;2E4MZ)、2−フェニルイミダゾール(商品名;2PZ)、2−フェニル−4−メチルイミダゾール(商品名;2P4MZ)、1−ベンジル−2−メチルイミダゾール(商品名;1B2MZ)、1−ベンジル−2−フェニルイミダゾール(商品名;1B2PZ)、1−シアノエチル−2−メチルイミダゾール(商品名;2MZ−CN)、1−シアノエチル−2−ウンデシルイミダゾール(商品名;C11Z−CN)、1−シアノエチル−2−フェニルイミダゾリウムトリメリテイト(商品名;2PZCNS−PW)、2,4−ジアミノ−6−[2’−メチルイミダゾリル−(1’)]−エチル−s−トリアジン(商品名;2MZ−A)、2,4−ジアミノ−6−[2’−ウンデシルイミダゾリル−(1’)]−エチル−s−トリアジン(商品名;C11Z−A)、2,4−ジアミノ−6−[2’−エチル−4’−メチルイミダゾリル−(1’)]−エチル−s−トリアジン(商品名;2E4MZ−A)、2,4−ジアミノ−6−[2’−メチルイミダゾリル−(1’)]−エチル−s−トリアジンイソシアヌル酸付加物(商品名;2MA−OK)、2−フェニル−4,5−ジヒドロキシメチルイミダゾール(商品名;2PHZ−PW)、2−フェニル−4−メチル−5−ヒドロキシメチルイミダゾール(商品名;2P4MHZ−PW)などのイミダゾール系硬化促進剤が挙げられる(いずれも四国化成工業(株)製)。
なかでも、活性化エネルギーを30〜80kJ/molに容易に調整できるとともに、混練温度での硬化反応を抑えられるという理由からイミダゾール系硬化促進剤が好ましく、2−フェニル−4,5−ジヒドロキシメチルイミダゾール、2,4−ジアミノ−6−[2’−エチル−4’−メチルイミダゾリル−(1’)]−エチル−s−トリアジンがより好ましく、2−フェニル−4,5−ジヒドロキシメチルイミダゾールがさらに好ましい。
硬化促進剤の含有量は、エポキシ樹脂及びフェノールノボラック系硬化剤の合計100重量部に対して、好ましくは0.2重量部以上、より好ましくは0.5重量部以上、さらに好ましくは0.8重量部以上である。0.2重量部以上であると、活性化エネルギーを80kJ/mol以下に容易に調整できる。硬化促進剤の含有量は、エポキシ樹脂及びフェノールノボラック系硬化剤の合計100重量部に対して、好ましくは5重量部以下、より好ましくは2重量部以下である。5重量部以下であると、活性化エネルギーを30kJ/mol以上に容易に調整できる。
樹脂シート11は、熱可塑性樹脂(エラストマー)を含むことが好ましい。
熱可塑性樹脂としては、天然ゴム、ブチルゴム、イソプレンゴム、クロロプレンゴム、エチレン−酢酸ビニル共重合体、エチレン−アクリル酸共重合体、エチレン−アクリル酸エステル共重合体、ポリブタジエン樹脂、ポリカーボネート樹脂、熱可塑性ポリイミド樹脂、6−ナイロンや6,6−ナイロンなどのポリアミド樹脂、フェノキシ樹脂、アクリル樹脂、PETやPBTなどの飽和ポリエステル樹脂、ポリアミドイミド樹脂、フッ素樹脂、スチレン−イソブチレン−スチレントリブロック共重合体、メチルメタクリレート−ブタジエン−スチレン共重合体(MBS樹脂)などが挙げられる。これらの熱可塑性樹脂は単独で、又は2種以上を併用して用いることができる。
樹脂シート11中の熱可塑性樹脂の含有量は、1重量%以上が好ましい。1重量%以上であると、柔軟性、可撓性を付与できる。樹脂シート11中の熱可塑性樹脂の含有量は、30重量%以下が好ましい。30重量%以下であると、半導体チップなどに対する接着力が良好に得られる。
樹脂シート11は、無機充填材を含むことが好ましい。無機充填材を配合することにより、貯蔵弾性率E’を高められるとともに熱膨張係数αを小さくできる。
無機充填材としては、例えば、石英ガラス、タルク、シリカ(溶融シリカや結晶性シリカなど)、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化珪素、窒化ホウ素などが挙げられる。なかでも、熱膨張係数を良好に低減できるという理由から、シリカ、アルミナが好ましく、シリカがより好ましい。シリカとしては、流動性に優れるという理由から、溶融シリカが好ましく、球状溶融シリカがより好ましい。
無機充填材の平均粒子径は、好ましくは0.5μm以上、より好ましくは5μm以上である。0.5μm以上であると、樹脂シート11の可撓性、柔軟性を得易い。無機充填材の平均粒子径は、好ましくは50μm以下、より好ましくは30μm以下である。50μm以下であると、無機充填材を高充填率化し易い。
なお、平均粒子径は、例えば、母集団から任意に抽出される試料を用い、レーザー回折散乱式粒度分布測定装置を用いて測定することにより導き出すことができる。
無機充填材は、シランカップリング剤により処理(前処理)されたものが好ましい。これにより、樹脂との濡れ性を向上でき、無機充填材の分散性を高めることができる。
シランカップリング剤は、分子中に加水分解性基及び有機官能基を有する化合物である。
加水分解性基としては、例えば、メトキシ基、エトキシ基などの炭素数1〜6のアルコキシ基、アセトキシ基、2−メトキシエトキシ基等が挙げられる。なかでも、加水分解によって生じるアルコールなどの揮発成分を除去し易いという理由から、メトキシ基が好ましい。
有機官能基としては、ビニル基、エポキシ基、スチリル基、メタクリル基、アクリル基、アミノ基、ウレイド基、メルカプト基、スルフィド基、イソシアネート基などが挙げられる。なかでも、エポキシ樹脂、フェノールノボラック系硬化剤と反応し易いという理由から、エポキシ基が好ましい。
シランカップリング剤としては、例えば、ビニルトリメトキシシラン、ビニルトリエトキシシランなどのビニル基含有シランカップリング剤;2−(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、3−グリシドキシプロピルメチルジメトキシシラン、3−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、3−グリシドキシプロピルメチルジエトキシシラン、3−グリシドキシプロピルトリエトキシシランなどのエポキシ基含有シランカップリング剤;p−スチリルトリメトキシシランなどのスチリル基含有シランカップリング剤;3−メタクリロキシプロピルメチルジメトキシシラン、3−メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン、3−メタクリロキシプロピルメチルジエトキシシラン、3−メタクリロキシプロピルトリエトキシシランなどのメタクリル基含有シランカップリング剤;3−アクリロキシプロピルトリメトキシシランなどのアクリル基含有シランカップリング剤;N−2−(アミノエチル)−3−アミノプロピルメチルジメトキシシラン、N−2−(アミノエチル)−3−アミノプロピルトリメトキシシラン、3−アミノプロピルトリメトキシシラン、3−アミノプロピルトリエトキシシラン、3−トリエトキシシリル−N−(1,3−ジメチル−ブチリデン)プロピルアミン、N−フェニル−3−アミノプロピルトリメトキシシラン、N−(ビニルベンジル)−2−アミノエチル−3−アミノプロピルトリメトキシシランなどのアミノ基含有シランカップリング剤;3−ウレイドプロピルトリエトキシシランなどのウレイド基含有シランカップリング剤;3−メルカプトプロピルメチルジメトキシシラン、3−メルカプトプロピルトリメトキシシランなどのメルカプト基含有シランカップリング剤;ビス(トリエトキシシリルプロピル)テトラスルフィドなどのスルフィド基含有シランカップリング剤;3−イソシアネートプロピルトリエトキシシランなどのイソシアネート基含有シランカップリング剤などが挙げられる。
シランカップリング剤により無機充填材を処理する方法としては特に限定されず、溶媒中で無機充填材とシランカップリング剤を混合する湿式法、気相中で無機充填材とシランカップリング剤を処理させる乾式法などが挙げられる。
シランカップリング剤の処理量は特に限定されないが、未処理の無機充填材100重量部に対して、シランカップリング剤を0.1〜1重量部処理することが好ましい。
樹脂シート11中の無機充填材の含有量は、好ましくは20体積%以上であり、より好ましくは70体積%以上であり、さらに好ましくは74体積%以上である。20体積%以上であると、α×E’を10000Pa/K以上に容易に調整できる。一方、無機充填材の含有量は、好ましくは90体積%以下であり、より好ましくは85体積%以下である。90体積%以下であると、良好な凹凸追従性が得られる。また、α×E’を300000Pa/K以下に容易に調整できる。
無機充填材の含有量は、「重量%」を単位としても説明できる。代表的にシリカの含有量について、「重量%」を単位として説明する。
シリカは通常、比重2.2g/cmであるので、シリカの含有量(重量%)の好適範囲は例えば以下のとおりである。
すなわち、樹脂シート11中のシリカの含有量は、81重量%以上が好ましく、84重量%以上がより好ましい。樹脂シート11中のシリカの含有量は、94重量%以下が好ましく、91重量%以下がより好ましい。
アルミナは通常、比重3.9g/cmであるので、アルミナの含有量(重量%)の好適範囲は例えば以下のとおりである。
すなわち、樹脂シート11中のアルミナの含有量は、88重量%以上が好ましく、90重量%以上がより好ましい。樹脂シート11中のアルミナの含有量は、97重量%以下が好ましく、95重量%以下がより好ましい。
樹脂シート11は、前記成分以外にも、封止樹脂の製造に一般に使用される配合剤、例えば、難燃剤成分、顔料、シランカップリング剤などを適宜含有してよい。
難燃剤成分としては、例えば水酸化アルミニウム、水酸化マグネシウム、水酸化鉄、水酸化カルシウム、水酸化スズ、複合化金属水酸化物などの各種金属水酸化物;ホスファゼン化合物などを用いることができる。なかでも、難燃性、硬化後の強度に優れるという理由から、ホスファゼン化合物が好ましい。
顔料としては特に限定されず、カーボンブラックなどが挙げられる。
樹脂シート11の製造方法は特に限定されないが、前記各成分(例えば、エポキシ樹脂、フェノールノボラック系硬化剤、無機充填材及び硬化促進剤など)を混練して得られる混練物をシート状に塑性加工する方法が好ましい。これにより、無機充填材を高充填でき、熱膨張係数を低く設計できる。
具体的には、エポキシ樹脂、フェノールノボラック系硬化剤、無機充填材及び硬化促進剤などをミキシングロール、加圧式ニーダー、押出機などの公知の混練機で溶融混練することにより混練物を調製し、得られた混練物をシート状に塑性加工する。混練条件として、温度の上限は、140℃以下が好ましく、130℃以下がより好ましい。温度の下限は、上述の各成分の軟化点以上であることが好ましく、例えば30℃以上、好ましくは50℃以上である。混練の時間は、好ましくは1〜30分である。また、混練は、減圧条件下(減圧雰囲気下)で行うことが好ましく、減圧条件下の圧力は、例えば、1×10−4〜0.1kg/cmである。
溶融混練後の混練物は、冷却することなく高温状態のままで塑性加工することが好ましい。塑性加工方法としては特に制限されず、平板プレス法、Tダイ押出法、スクリューダイ押出法、ロール圧延法、ロール混練法、インフレーション押出法、共押出法、カレンダー成形法などが挙げられる。塑性加工温度としては上述の各成分の軟化点以上が好ましく、エポキシ樹脂の熱硬化性および成形性を考慮すると、例えば40〜150℃、好ましくは50〜140℃、さらに好ましくは70〜120℃である。
樹脂シート11の厚みは特に限定されないが、好ましくは100μm以上、より好ましくは150μm以上である。また、樹脂シート11の厚みは、好ましくは2000μm以下、より好ましくは1000μm以下である。上記範囲内であると、半導体チップを良好に封止できる。
なお、図1では、樹脂シート11が単層である場合を示しているが、樹脂シート11はこれに限定されず、複層であってもよい。
樹脂シート11は半導体チップを封止するために使用される。
[半導体パッケージの製造方法]
例えば、以下の工程を行うことで半導体パッケージを得ることができる。
(準備工程)
準備工程では、複数の半導体チップ13をフリップチップ実装する半導体ウェハ12を準備する(図2参照)。通常、半導体チップ13の回路形成面(活性面)には、バンプ13aが形成されている。また、通常、半導体ウェハ12の回路形成面(活性面)には、電極12aが形成されている。半導体チップ13と半導体ウェハ12とは、通常、電気的に接続されている。図2では、半導体チップ13と半導体ウェハ12とは、バンプ13aと電極12aを介して電気的に接続されている例を示している。半導体チップ13の半導体ウェハ12への搭載には、フリップチップボンダーやダイボンダーなどの公知の装置を用いることができる。また、必要に応じて、半導体チップ13と半導体ウェハ12の間にアンダーフィル材14を充填する。
(封止工程)
封止工程では、半導体チップ13を樹脂シート11で封止する(図3参照)。これにより、樹脂シート11及び樹脂シート11に埋め込まれた半導体チップ13を備える封止体15(半導体パッケージ15)を得る。半導体チップ13を樹脂シート11で封止する方法としては、例えば、半導体ウェハ12にフリップチップ接続された半導体チップ13上に樹脂シート11を積層した後、半導体ウェハ12、半導体ウェハ12にフリップチップ接続された半導体チップ13及び半導体チップ13上に配置された樹脂シート11を備える積層体を平行平板方式で熱プレスすることにより、樹脂シート11に半導体チップ13を埋め込む方法などが挙げられる。
樹脂シート11に半導体チップ13を埋め込む際の熱プレス条件としては、温度が、例えば、40〜100℃、好ましくは50〜90℃であり、圧力が、例えば、0.1〜10MPa、好ましくは0.5〜8MPaであり、時間が、例えば0.3〜10分間、好ましくは0.5〜5分間である。また、樹脂シート11の半導体チップ13及び半導体ウェハ12への密着性および追従性の向上を考慮すると、減圧条件下(例えば0.1〜5kPa)においてプレスすることが好ましい。
(熱硬化工程)
封止体15の樹脂シート11を熱硬化する。
樹脂シート11は上記式(1)を満たすため、比較的低温で熱硬化できる。熱硬化処理の条件は特に限定されないが、例えば以下のとおりである。
熱硬化処理の条件として、加熱温度が好ましくは100℃以上、より好ましくは120℃以上である。一方、加熱温度の上限が、好ましくは200℃以下、より好ましくは180℃以下である。加熱温度が上記範囲であると、封止体15の反りを小さくできるとともに、ボイドの発生を低減できる。
加熱時間が、好ましくは10分以上、より好ましくは30分以上である。一方、加熱時間の上限が、好ましくは300分以下、より好ましくは180分以下である。また、必要に応じて加圧してもよく、好ましくは0.1MPa以上、より好ましくは0.5MPa以上である。一方、上限は好ましくは10MPa以下、より好ましくは5MPa以下である。
(研削工程)
必要に応じて、封止体15の樹脂シート11を研削する(図4参照)。研削方法としては、例えば、高速回転する砥石を用いるグラインディング法などが挙げられる。
(再配線層形成工程)
必要に応じて、封止体15の半導体ウェハ12を研削する。研削により、ビア(Via)12bを形成できる(図5参照)。研削方法としては、例えば、高速回転する砥石を用いるグラインディング法などが挙げられる。次いで、必要に応じて、封止体15に配線21を有する再配線層22を形成する(図6参照)。次いで、必要に応じて、配線21上にバンプ23を形成する。図6では、ビア12bと配線21とが接続されている例を示している。
(ダイシング工程)
必要に応じて、封止体15のダイシングを行う(図7参照)。これにより、チップ状の半導体パッケージ16を得ることができる。
(基板実装工程)
必要に応じて、封止体15又は半導体パッケージ16を基板に実装する。
(レーザーマーキング工程)
レーザーマーキングは、封止体15又は半導体パッケージ16に任意のタイミングで行うことができる。例えば、熱硬化前の封止体15にレーザーマーキングを行ってもよく、熱硬化後の封止体15にレーザーマーキングを行ってもよく、半導体パッケージ16にレーザーマーキングを行ってもよい。
[半導体パッケージの製造方法]
例えば、以下の工程を行うことでも半導体パッケージを得ることができる。以下の工程は、Fan−out(ファンアウト)型ウェハレベルパッケージ(WLP)の製造に好適である。
(仮固定工程)
まず、仮固定材41に複数の半導体チップ13を固定する(図8参照)。このとき、必要に応じて、半導体チップ13の回路形成面が仮固定材41と対向するように配置固定する。半導体チップ13の固定には、フリップチップボンダーやダイボンダーなどの公知の装置を用いることができる。
仮固定材41は、通常、支持体42と、支持体42上に積層された粘着剤層43とを有する。
粘着剤層43としては特に限定されないが、容易に剥離できるという理由から、通常は、熱剥離性粘着剤層、放射線硬化型粘着剤層等を使用する。支持体42の材料としては特に限定されない。例えば、SUS等の金属材料、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルサルフォン等のプラスチック材料等である。
(封止工程)
封止工程では、半導体チップ13を樹脂シート11で封止する(図9参照)。これにより、樹脂シート11及び樹脂シート11に埋め込まれた半導体チップ13を備える封止体51を得る。半導体チップ13を樹脂シート11で封止する方法としては、例えば、仮固定材41上に配置された半導体チップ13上に樹脂シート11を積層した後、仮固定材41、仮固定材41上に配置された半導体チップ13及び半導体チップ13上に配置された樹脂シート11を備える積層体を平行平板方式で熱プレスすることにより、樹脂シート11に半導体チップ13を埋め込む方法などが挙げられる。
樹脂シート11に半導体チップ13を埋め込む際の熱プレス条件は、前述の製法で説明した内容を採用できる。
(熱硬化工程)
封止体51を熱硬化する(封止体51の樹脂シート11を熱硬化する)。
熱硬化処理の条件は、前述の製法で説明した内容を採用できる。
(剥離工程)
次いで、封止体51から仮固定材41を剥離する(図10参照)。剥離方法は特に限定されないが、粘着剤層43の粘着力を低下させた後に剥離することが好ましい。例えば、粘着剤層43が熱剥離性粘着剤層である場合、粘着剤層43を加熱し、粘着剤層43の粘着力を低下させた後に剥離する。
(研削工程)
次いで、必要に応じて、封止体51の樹脂シート11を研削する(図11参照)。研削方法としては、例えば、高速回転する砥石を用いるグラインディング法などが挙げられる。
(配線層形成工程)
次いで、セミアディティブ法などを利用して、封止体51に再配線52を形成する(図12参照)。図12では、再配線52と半導体チップ13とが接続されている例を示している。
その後、封止体51の再配線52を形成した面に、ポリイミドやポリベンゾオキサゾール(PBO)などの絶縁層を形成する。絶縁層は、例えば、ドライフィルムレジストなどのフィルムをラミネートすることで形成できる。
次いで、再配線52上にバンプ53を形成するバンピング加工を行う。バンピング加工は、半田ボールや半田メッキ等公知の方法で行うことができる。
(ダイシング工程)
半導体チップ13、樹脂シート11及び再配線52などを備える封止体51のダイシングを行ってもよい(図13参照)。以上により、チップ領域の外側に配線を引き出した半導体パッケージ61得ることができる。なお、ダイシングせずに封止体51をそのまま半導体パッケージとして使用してもよい。
(基板実装工程)
必要に応じて、半導体パッケージ61を基板に実装する。
(レーザーマーキング工程)
レーザーマーキングは、封止体51又は半導体パッケージ61に任意のタイミングで行うことができる。例えば、熱硬化前の封止体51にレーザーマーキングを行ってもよく、熱硬化後の封止体51にレーザーマーキングを行ってもよく、半導体パッケージ61にレーザーマーキングを行ってもよい。
以上のとおり、例えば、樹脂シート11及び樹脂シート11に埋め込まれた1又は複数の半導体チップ13を備える封止体15、51を形成する工程(A)と、封止体15、51の樹脂シート11を熱硬化する工程(B)とを含む方法により、半導体パッケージ16、61を製造できる。
工程(A)において、半導体ウェハ12にフリップチップ接続された半導体チップ13を樹脂シート11に埋め込むことにより封止体15を形成してもよい。このとき、工程(A)において、半導体ウェハ12にフリップチップ接続された複数の半導体チップ13を樹脂シート11に埋め込んで封止体15を形成することができる。そして、上記方法は、工程(B)の後、封止体15を目的の半導体チップ単位でダイシングする工程(C)をさらに含んでもよい。
工程(A)において、仮固定材41に固定された半導体チップ13を樹脂シート11に埋め込むことにより封止体51を形成してもよい。
以下に、この発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。ただし、この実施例に記載されている材料や配合量などは、特に限定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。
実施例で使用した成分について説明する。
エポキシ樹脂A:新日鐵化学(株)製のYSLV−80XY(ビスフェノールF型エポキシ樹脂、エポキン当量200g/eq.軟化点80℃)
エポキシ樹脂B:日本化薬社製のEPPN501−HY(エポキシ当量169g/eq.軟化点60℃)
フェノール樹脂A:明和化成社製のMEH−7851−SS(ビフェニルアラルキル骨格を有するフェノールノボラック樹脂、水酸基当量203g/eq.軟化点67℃)
フェノール樹脂B:明和化成社製のMEH−7500−3S(フェノールノボラック樹脂、水酸基当量103g/eq.軟化点83℃)
硬化促進剤A:四国化成工業社製の2PHZ−PW(2−フェニル−4,5−ジヒドロキシメチルイミダゾール)
硬化促進剤B:北興化学工業社製のTPP−K(テトラフェニルホスホニウムテトラフェニルボレート)
硬化促進剤C:四国化成工業社製の2E4MZ−A(2,4−ジアミノ−6−[2’−エチル−4’−メチルイミダゾリル−(1’)]−エチル−s−トリアジン)
エラストマーA:カネカ社製のSIBSTAR 072T(スチレン−イソブチレン−スチレントリブロック共重合体)
エラストマーB:下記合成例1により得られたアクリル共重合体(ブチルアクリレート:アクリロニトリル:グリシジルメタクリレート=85:8:7重量%からなる共重合体、重量平均分子量80万)
無機充填材A:電気化学工業社製のFB−9454(球状溶融シリカ粉末、平均粒子径20μm)
無機充填材B:アドマテックス社製のSO−25R(球状溶融シリカ粉末、平均粒子径0.5μm)
シランカップリング剤:信越化学社製のKBM−403(3−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン)
カーボンブラック:三菱化学社製の#20
[合成例1]
ブチルアクリレート、アクリロニトリル、グリシジルメタクリレートを85:8:7の仕込み重量比率にて、2,2’−アゾビスイソブチロニトリルを重合開始剤に用い、メチルエチルケトン中で窒素気流下、70℃で5時間と80℃で1時間のラジカル重合を行うことにより、上記アクリル共重合体を得た。
[実施例及び比較例]
表1に記載の配合比に従い、各成分をミキサーにてブレンドし、2軸混練機により120℃で2分間溶融混練し、続いてTダイから押出しすることにより、厚さ500μmの樹脂シートを作製した。
[評価]
得られた樹脂シートを用いて下記の評価を行った。結果を表1に示す。
(活性化エネルギー)
活性化エネルギーは、Friedman(フリードマン)法を用いて、以下の手順で算出した。
まず、樹脂シートを10mg秤量した。10mgの樹脂シートについて、装置名:Q2000(TA インスツルメンツ社製)を用いて、昇温速度1degC/min、2degC/min、5degC/min及び10degC/minでDSC測定して、DSC曲線を得た。
得られたDSC曲線において、発熱ピークにおける積分値がピーク全体において20%に達する温度をT1、60%に達する温度をT2とし、T1からT2まで昇温するのにかかった時間をdtとして、ln(dα/dt)を算出した(dα=0.6−0.2=0.4)。
得られたln(dα/dt)を各測定条件における1/T2軸でプロットし、各プロットから最小二乗法を用いてグラフ(直線)の傾きを算出した。グラフの傾きがEa/Rとなるので、これを利用してEaを算出した(下記式参照)。
Figure 2015086359
(貯蔵弾性率E’の測定)
樹脂シートを150℃で1時間熱硬化処理してから、固体粘弾性測定装置(レオメトリックサイエンティック社製:形式:RSA−III)を用いて貯蔵弾性率を測定した。すなわち、サンプルサイズを長さ40mm×幅10mm×厚さ200μmとし、測定試料をフィルム引っ張り測定用治具にセットし−50〜300℃の温度域での引張貯蔵弾性率及び損失弾性率を、周波数1Hz、昇温速度10℃/minの条件下で測定し、25℃での貯蔵弾性率(E’)を読み取ることにより得た。
(熱膨張率αの測定)
樹脂シートを150℃で1時間熱硬化処理した後、熱硬化物から、長さ15mm×幅5mm×厚さ200μmの測定試料を切り出した。測定試料を熱機械測定装置(ティーエーインスツルメント社製:形式Q−400EM)のフィルム引張測定用治具にセットした後、−50〜300℃の温度域で、引張荷重2g、昇温速度10℃/minの条件下におき、50℃〜70℃での膨張率から熱膨張係数αを算出した。
(ガラス転移温度の測定)
樹脂シートを150℃で1時間の加熱処理により熱硬化させ、その後厚さ200μm、長さ40mm(測定長さ)、幅10mmの短冊状にカッターナイフで切り出し、固体粘弾性測定装置(RSAIII、レオメトリックサイエンティフィック(株)製)を用いて、−50〜300℃における貯蔵弾性率及び損失弾性率を測定した。測定条件は、周波数1Hz、昇温速度10℃/minとした。さらに、tanδ(G’’(損失弾性率)/G’(貯蔵弾性率))の値を算出することによりガラス転移温度を得た。
(キュア評価)
110℃で5時間加熱処理した後の樹脂シートと加熱処理前の樹脂シートについて、装置名:Q2000(TA インスツルメンツ社製)を用いて、DSC測定して、発熱量を求めた(昇温速度10℃/min)。加熱処理後の樹脂シートにおいて発熱ピークが観測されない場合、又は加熱処理後の樹脂シートの発熱量が加熱処理前の樹脂シートの発熱量の10%以下の場合を○と判定した。加熱処理後の樹脂シートの発熱量が加熱処理前の樹脂シートの発熱量の10%より大きい場合を×と判定した。
(反り評価)
キャリア(300mm×400mm×厚み1.4mmのガラス板(テンパックスガラス)に仮固定粘着シート(日東電工社製のNo.3195V)を積層し、さらに仮固定粘着シート上に6mm×6mm×厚み200μmの半導体素子を9mm間隔となるように配列したもの)に樹脂シートを積層し、150℃で1時間加熱した。キャリアから樹脂シートを剥離した後、樹脂シートの反り量を測定し、1mm以下である場合を○と判定し、1mmより大きいものを×と判定した。
(充填性)
キャリア(300mm×400mm×厚み1.4mmのガラス板(テンパックスガラス)に仮固定粘着シート(日東電工社製のNo.3195V)を積層し、さらに仮固定粘着シート上に6mm×6mm×厚み200μmの半導体素子を9mm間隔となるように配列したもの)に樹脂シートを積層し、150℃で1時間加熱した。キャリアから樹脂シートを剥離した後、樹脂シートのチップ周辺部(半導体素子周辺部)を観察した。チップ周辺部にボイドがない場合を○と判定し、ボイドがある場合を×と判定した。
(熱サイクル試験)
キャリア(300mm×400mm×厚み1.4mmのガラス板(テンパックスガラス)に仮固定粘着シート(日東電工社製のNo.3195V)を積層し、さらに仮固定粘着シート上に6mm×6mm×厚み200μmの半導体素子を9mm間隔となるように配列したもの)に樹脂シートを積層し、150℃で1時間加熱した。その後、積層体(成形物)を個片化し、半導体パッケージを得た。得られた半導体パッケージに対し、熱サイクル試験(温度−50℃〜125℃、1サイクル1時間)を実施した。熱サイクル試験後に半導体パッケージを観察し、2000サイクル以上で樹脂の割れ及び剥離が生じなかったものを◎と判定し、1000サイクル以上で樹脂の割れ及び剥離が生じなかったものを○と判定し、樹脂の割れ又は剥離が生じたものを×と判定した。
Figure 2015086359
上記式(1)及び上記式(2)を満たす樹脂シートを用いた実施例では、樹脂シートの反り変形を低減できた。また、実施例では、比較的低温の加熱処理(110℃で5時間加熱処理)で、熱硬化反応が進んだ。また、実施例では、150℃で1時間の加熱により、樹脂シートがキャリアの凹凸に追従し、チップ周辺部にボイドが見られなかった。また、実施例では、熱サイクル試験において、割れや剥離が生じなかった。
一方、上記式(1)及び上記式(2)のいずれかを満たさない比較例では、いずれかの性能が劣っていた。例えば、比較例3は熱硬化反応の進行が速く、樹脂シートによりチップ周辺部を充填できなかった。
11 樹脂シート
12 半導体ウェハ
12a 電極
12b ビア
13 半導体チップ
13a バンプ
14 アンダーフィル材
15 封止体
16 半導体パッケージ
21 配線
22 再配線層
23 バンプ
41 仮固定材
42 支持体
43 粘着剤層
51 封止体
52 再配線
53 バンプ
61 半導体パッケージ

Claims (11)

  1. 活性化エネルギー(Ea)が下記式(1)を満たし、かつ
    150℃で1時間熱硬化処理した後の熱硬化物のガラス転移温度が125℃以上であり、
    前記熱硬化物の前記ガラス転移温度以下における熱膨張係数α[ppm/K]及び前記熱硬化物の25℃における貯蔵弾性率E’[GPa]が下記式(2)を満たす半導体チップ封止用熱硬化性樹脂シート。
    30≦Ea≦120[kJ/mol] ・・・(1)
    10000≦α×E’≦300000[Pa/K] ・・・(2)
  2. エポキシ樹脂、フェノールノボラック系硬化剤、無機充填材及び硬化促進剤を含む請求項1に記載の半導体チップ封止用熱硬化性樹脂シート。
  3. 前記無機充填材が平均粒子径0.5μm〜50μmのシリカである請求項2に記載の半導体チップ封止用熱硬化性樹脂シート。
  4. 前記硬化促進剤がイミダゾール系硬化促進剤である請求項2又は3に記載の半導体チップ封止用熱硬化性樹脂シート。
  5. 前記無機充填材の含有量が20体積%〜90体積%である請求項2〜4のいずれかに記載の半導体チップ封止用熱硬化性樹脂シート。
  6. 前記熱硬化物の25℃における貯蔵弾性率E’が3GPa〜30GPaである請求項1〜5のいずれかに記載の半導体チップ封止用熱硬化性樹脂シート。
  7. 前記熱膨張係数αが3ppm/K〜50ppm/Kである請求項1〜6のいずれかに記載の半導体チップ封止用熱硬化性樹脂シート。
  8. 請求項1〜7のいずれかに記載の半導体チップ封止用熱硬化性樹脂シート及び前記半導体チップ封止用熱硬化性樹脂シートに埋め込まれた1又は複数の半導体チップを備える封止体を形成する工程(A)と、
    前記封止体の樹脂シートを熱硬化する工程(B)とを含む半導体パッケージの製造方法。
  9. 前記工程(A)において、半導体ウェハにフリップチップ接続された前記半導体チップを前記半導体チップ封止用熱硬化性樹脂シートに埋め込んで前記封止体を形成する請求項8に記載の半導体パッケージの製造方法。
  10. 前記工程(A)において、仮固定材に固定された前記半導体チップを前記半導体チップ封止用熱硬化性樹脂シートに埋め込んで前記封止体を形成する請求項8に記載の半導体パッケージの製造方法。
  11. 前記工程(A)において、前記半導体ウェハにフリップチップ接続された複数の前記半導体チップを前記半導体チップ封止用熱硬化性樹脂シートに埋め込んで前記封止体を形成し、
    前記工程(B)の後、前記封止体を目的の半導体チップ単位でダイシングする工程(C)をさらに含む請求項8又は9に記載の半導体パッケージの製造方法。
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