JP2921717B2 - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

半導体装置およびその製造方法

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JP2921717B2 JP3115786A JP11578691A JP2921717B2 JP 2921717 B2 JP2921717 B2 JP 2921717B2 JP 3115786 A JP3115786 A JP 3115786A JP 11578691 A JP11578691 A JP 11578691A JP 2921717 B2 JP2921717 B2 JP 2921717B2
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    • H01L2924/00Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/15Details of package parts other than the semiconductor or other solid state devices to be connected
    • H01L2924/151Die mounting substrate
    • H01L2924/1515Shape
    • H01L2924/15151Shape the die mounting substrate comprising an aperture, e.g. for underfilling, outgassing, window type wire connections

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、ビスフェノール型エポ
キシ樹脂コンポジットを用いた半導体装置およびその製
造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】IC、LSI、トランジスタ、ダイオー
ド等の半導体装置は、封止材料によって密封止されて
いる。従来、封止材料として、エポキシ樹脂を用いたエ
ポキシコンポジット封止材は、ガラス、金属、セラミッ
クスを用いた封止方式であるハーメチックシール方式に
比べ、低価格であること、大量生産が可能であること、
等から半導体装置、電子部品等の封止材として広く用い
られている。
【0003】一方、半導体装置としてフリップチップ製
品があり、開発当初は、ワイヤボンディングに起因する
不良の低減を目的としていたが、最近ではパケージの
小型化、薄型化、等の実装密度の向上のための要求を満
たすものとして有効とされ、その開発が著しい。そして
このフリップチップ製品においても、エポキシ樹脂コン
ポジット封止材を用いて封止が行なわれていた。
【0004】特に、フリップチップ製品を封止するの
に、従来、ビスフェノール型エポキシ樹脂、アミン系硬
化剤、シラン系カップリング剤、カーボン顔料、レベリ
ング剤等を含んだビスフェノール型エポキシ樹脂コンポ
ジットが提案されていた。このコンポジット成分のう
ち、ビスフェノール型エポキシ樹脂は液状樹脂であり、
取扱やすく、充填性も良好で、硬化した場合、弾性率が
低く柔らかい樹脂であることから、基板とフリップチッ
プとの接続部分であるバンプ部に剥離、変形等の少ない
封止樹脂として提案されていた。
【0005】また、アミン硬化剤は、ビスフェノール型
エポキシ樹脂と組み合わせることによって、封止対象と
の接着性を改善するものであった。また、このアミン硬
化剤は、酸無水物系の硬化剤にくらべて接着力が大き
く、ヒートサイクル試験時の耐加水分解性も優れている
ので、耐久性の良いものであった。次に、シラン系カッ
プリング剤は、SiO2 を持つような無機質である半導
体チップとの接着性向上のために使用されているもので
あった。次に、カーボンは例えば、通常良く用いられて
おり、光感受性の素子等を遮光するために添加するもの
であった。次に、レベリング剤は、コンポジットの粘度
を調整したり、形状平面性を調整する役目を果たしてい
た。また、フィラーは、硬化したコンポジット全体の線
膨張係数を、素子等と基板の接続のための半田の線膨張
係数に近づけるために添加するものであった。
【0006】そのフリップチップ製品の構成は図3に示
すように、基板、フリップチップ、ハンダバンプ(接続
部)、封止樹脂からなっている。このフリップチップの
実装方法は、フリップチップ上のパッド部にハンダバン
プを形成した後、基板上にマウントして熱圧着によって
固着して行っている。そして、このフリップチップ実装
品の封止には図3に示すように、基板とフリップチップ
との間の空間にA部あるいはB部から液状樹脂、例え
ば、ビスフェノール型エポキシ樹脂コンポジット封止材
をディスペンサー、注射器等により滴下し、封止される
べき部分を充填して、その樹脂の表面張力によって封止
部の形を保ち、これを硬化させて封止していた。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
ビスフェノール型エポキシ樹脂コンポジットにより封止
したフリップチップ製品においては次のような問題点が
あった。
【0008】従来のビスフェノール型エポキシ樹脂コン
ポジットは、基板とフリップチップとの結合部である半
田バンプ部の剥離、変形等を防止するために、コンポジ
ット成分にフィラーを加えて、コンポジット全体の線膨
張係数を半田の線膨張係数に近づけているが、このフィ
ラーの添加のために全体の粘度が高くなりすぎて次のよ
うな不都合を発生していた。
【0009】図3に示すA部あるいはB部より樹脂をフ
リップチップと基板との間の空間に充填した場合、従来
のビスフェノール型エポキシ樹脂コンポジットでは粘度
が高いために流れ込みが悪く、その充填に時間がかかっ
ていた。また、そのような封止樹脂では、充填空間部に
樹脂が完全に充填されるのが困難なために、未充填部分
が発生していた。
【0010】また、未充填部の発生をなくすために、フ
ィラーの添加量を少なくしてコンポジットの粘度を調整
すると、封止樹脂の線膨張計数と半田の線膨張計数とが
異なることになり、このような樹脂封止半導体装置にヒ
ートサイクル試験を行なうと、バンプ部(電極接続部)
とフリップチップのパッド部に剥離、変形等が発生し、
これに伴って電気的不良、例えばオープン不良が生じ、
半導体装置の信頼性において、問題があった。
【0011】そこで本発明は、前記従来技術が持ってい
た封止樹脂の充填時間に関する問題、未充填部発生の問
題、およびバンプ部とチップ(パッド部)間の剥離、変
形に伴う電気的接続不良の発生の問題を同時に解決し、
充填性の向上および耐ヒートサイクル性の向上等の信頼
性の優れた半導体装置およびその製造方法を提供するこ
とを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】本発明は、前記問題点を
解決するために、〔1〕半導体装置において、基板と、この基板上にその
回路形成面を対向させて搭載される半導体素子と、前記
基板と前記半導体素子の前記回路形成面との間に介在
し、前記回路形成面を封止する、 反応性希釈剤と平均粒
径1.5〜4.5μmの球状シリカとを含むビスフェノ
ール型エポキシ樹脂コンポジットとを含むようにしたも
のである。
【0013】〔2〕半導体装置において、基板と、この基板上にその
回路形成面を対向させて搭載される半導体素子と、前記
基板と前記半導体素子の前記回路形成面との間に介在
し、前記回路形成面を封止するビスフェノール型エポキ
シ樹脂コンポジットとを含み、該 ビスフェノール型エポ
キシ樹脂コンポジットが次の(1)ビスフェノール型エ
ポキシ樹脂、(2)アミン系硬化剤、(3)シラン系カ
ップリング剤、(4)カーボン顔料、(5)反応性希釈
剤、(6)レベリング剤、(7)平均粒径が2〜4μ
m、最大粒径が30μmの球状のシリカの成分を含むよ
うにしたものである。
【0014】〔3〕半導体装置の製造方法において、基板上に半導体
素子をその回路形成面を対向させて搭載する工程と、前
記基板と前記半導体素子との間に、反応性希釈剤と平均
粒径1.5〜4.5μmの球状シリカとを含むビスフェ
ノール型エポキシ樹脂コンポジットを充填する工程とを
施すようにしたものである。
【0015】 〔4〕半導体装置の製造方法において、基板上に半導体
素子をその回路形成面を対向させて搭載する工程と、次
の(1)ビスフェノール型エポキシ樹脂、(2)アミン
系硬化剤、(3)シラン系カップリング剤、(4)カー
ボン顔料、(5)反応性希釈剤、(6)レベリング剤、
(7)平均粒径が2〜4μm、最大粒径が30μmの球
状のシリカの成分を含むビスフェノール型エポキシ樹脂
コンポジットを前記基板と前記半導体素子との間に充填
する工程とを施すようにしたもの である。
【0016】
【作用】本発明の半導体装置は封止材料に、ビスフェノ
ール型エポキシ樹脂コンポジットを用い、そのコンポジ
ットに反応性希釈剤を含ませたので、反応性希釈剤はコ
ンポジットの粘度を下げることができる。しかも、コン
ポジットに含ませる球状シリカの平均粒径を1.5〜
4.5μmとすることにより、樹脂の流動性が最大とな
るようにし、しかも、コンポジットの線膨張率を、基板
とフリップチップを結合している半田の線膨張率と近似
させることができる。そのために、充填性が良く、しか
も、それによって未充填部の発生もなく、更に封止樹脂
の硬化後の基板とフリップチップスとの間に歪みが生じ
ないので、バンプ部とフリップチップのパッド部に剥
離、変形等が発生しない。
【0017】
【実施例1】本実施例で使用するビスフェノール型エポ
キシ樹脂コンポジットを構成する各材料及びそれらの配
合割合は次のとおりである。硬化物中のマトリクス部の
配合割合として、ビスフェノール型エポキシ樹脂24.
2重量%、アミン系硬化剤3.2重量%、シラン系カッ
プリング剤0.9重量%、カーボン顔料0.05重量
%、反応性希釈剤2.1重量%、レベリング剤0.05
重量%となるようにし、硬化物中のフィラーの配合割合
としてシラン系カップリング剤で処理した球状シリカ6
7.5重量%とした。そして、これらの材料を溶剤ジア
セトンアルコールに溶解して、ビスフェノール型エポキ
シ樹脂コンポジットを調製した。マトリクス部を14±
5重量部、フィラー部56±3重量部、溶剤部30±5
重量部とした。
【0018】次に、フリップチップ上のパッド部にハン
ダバンプを形成した後、回路基板上にマウントして熱圧
着によって固着した。次に、図3に示すように、基板と
フリップチップとの間の空間のA部から前記配合のビス
フェノール型エポキシ樹脂コンポジットをディスペンサ
ーにより滴下し、封止されるべき部分を充填して、これ
を硬化させた。
【0019】図1の表1に本発明の樹脂コンポジット組
成と比較例として用いた樹脂コンポジット組成との比
較、及びそれらの樹脂コンポジット組成を用いて樹脂封
止した場合の機械的特性の比較を示す。図1の表1より
明らかなように、本実施例のコンポジットは比較例のコ
ンポジットに較べて線膨張係数が2.4×10-5と低
く、加えてハンダの線膨張係数(2.6×10-5/℃)
に近づいている。このような線膨張係数を得るには、球
状シリカの充填量を硬化樹脂中の67.5重量%前後と
することが好ましい。
【0020】図4に、上記ビスフェノール型エポキシ樹
脂コンポジットのうち、フィラーとして用いる球状シリ
カの平均粒を1.0、2.0、3.0、4.0、5.
0、8.0μmと各種変化させて樹脂流動長さの関係を
測定して得たグラフを示す。図4からは、平均粒径1.
5〜4.5μmのものが好ましく、特に3±1μmのも
のが優れた流動特性を示すことがわかる。
【0021】このように、フィラー部として球状シリカ
を用い、その平均粒3±1μm、最大粒30μmと
調製することにより流動性及び細部の充填性が良好であ
り、充填時間が短縮され、しかも未充填部の発生が無
い。
【0022】次に図1の表2に本発明のビスフェノール
型エポキシ樹脂コンポジットを封止材として用いたフリ
ップチップ製品の耐ヒートサイクル性試験結果条件の比
較を示す。ヒートサイクルの条件は、−65℃/30分
〜室温/5分〜150℃/30分とした。比較例では、
200サイクル時点で不良が発生しているのに対して本
発明のビスフェノール型エポキシ樹脂コンポジットで
は、1000サイクル時点においても不良は発生してい
ない。
【0023】本発明は、上記実施例に限定されることな
く本発明の趣旨にしたがって、種々の応用が可能であ
る。例えば、封止する対象は半導体チップのすべてに適
用可能である。
【0024】
【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明は
ビスフェノール型エポキシ樹脂コンポジットを用いて半
導体を樹脂封止した半導体装置およびその製造方法にお
いて、ビスフェノール型エポキシ樹脂コンポジットに反
応性希釈剤と球状シリカを含むことを特徴とする樹脂封
止半導体装置とすることにより、基板〜チップ間に充填
される樹脂コンポジットの未充填部の発生がなくなり、
封止樹脂の膨張、収縮を著しく低減でき、またハンダ電
極の線膨張率と封止樹脂の線膨張係数を極力近づけるこ
とができ、加えて細部充填性が向上するために、これに
より耐ヒートサイクル性試験時に生じるチップと基板間
の樹脂の膨張及び収縮を低減することが可能となり、さ
らにバンプ部の剥離、変形等による電気的不良を排除す
ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のビスフェノール型エポキシ樹脂コンポ
ジットと従来のコンポジットとの組成、機械的特性及び
耐ヒートサイクル性との比較を示す。
【図2】本発明で使用するビスフェノール型エポキシ樹
脂コンポジットを構成する材料の化学式を示す。
【図3】フリップチップ実装品の樹脂封止方法を示す。
【図4】球状シリカの平均粒と樹脂流動長さの関係を
示す。
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01L 23/28 - 23/30 C08G 59/20 C08G 59/50 C08L 63/00

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】基板と、該基板上にその回路形成面を対向
    させて搭載される半導体素子と、 前記基板と前記半導体素子の前記回路形成面との間に介
    在し、前記回路形成面を封止する、 反応性希釈剤と平均
    粒径1.5〜4.5μmの球状シリカとを含むビスフェ
    ノール型エポキシ樹脂コンポジットとを含むことを特徴
    とする半導体装置。
  2. 【請求項2】基板と、該基板上にその回路形成面を対向
    させて搭載される半導体素子と、 前記基板と前記半導体素子の前記回路形成面との間に介
    在し、前記回路形成面を封止するビスフェノール型エポ
    キシ樹脂コンポジットとを含み、該 ビスフェノール型エ
    ポキシ樹脂コンポジットが次の(1)〜(7)の成分を
    含むことを特徴とする半導体装置。 (1)ビスフェノール型エポキシ樹脂 (2)アミン系硬化剤 (3)シラン系カップリング剤 (4)カーボン顔料 (5)反応性希釈剤 (6)レベリング剤 (7)平均粒径が2〜4μm、最大粒径が30μmの球
    状のシリカ。
  3. 【請求項3】 基板上に半導体素子をその回路形成面を対
    向させて搭載する工程と、 前記基板と前記半導体素子との間に、反応性希釈剤と平
    均粒径1.5〜4.5μmの球状シリカとを含むビスフ
    ェノール型エポキシ樹脂コンポジットを充填する工程と
    を施すことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  4. 【請求項4】 基板上に半導体素子をその回路形成面を対
    向させて搭載する工程と、 次の(1)〜(7)の成分を含むビスフェノール型エポ
    キシ樹脂コンポジットを前記基板と前記半導体素子との
    間に充填する工程とを施すことを特徴とする半導体装置
    の製造方法。 (1)ビスフェノール型エポキシ樹脂 (2)アミン系硬化剤 (3)シラン系カップリング剤 (4)カーボン顔料 (5)反応性希釈剤 (6)レベリング剤 (7)平均粒径が2〜4μm、最大粒径が30μmの球
    状のシリカ。
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