JP3862001B2 - ウエハーモールド用液状エポキシ樹脂組成物及びこれを用いた半導体装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、ウエハーレベルで電子部品を封止するのに好適に使用することができるウエハーモールド用液状エポキシ樹脂組成物及びこれを用いた半導体装置に関する。
【0002】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
ICチップの高集積化、高密度化並びにICパッケージの小型化、薄型化の要求から、フリップチップ(FC)実装方式がワイヤーボンディング方式にとって変わってきた。フリップチップ(FC)実装方式では、シリコンチップとプリント基板の電気的な接続を行うために一般的に金属バンプ(半田ボール、金バンプ)を使用するが、それぞれ熱膨張係数が異なるため、熱衝撃試験時に熱応力が発生する。特にチップ周辺部の金属バンプには局所的な応力が集中する。このため、局所的な応力を緩和する目的でアンダーフィル材による封止が行われている。この方法では、一般的にチップと基板の隙間へアンダーフィル材を毛細管現象或いは加圧注入した後、硬化する方法がとられているが、工程が煩雑であり、かつ時間も長くかかるため、コスト高となる。更に、最近ではチップサイズの大型化、バンプ数の増加、並びにチップと基板の隙間の薄型化に伴い、アンダーフィル材を注入する時間がいっそう長くかかるという問題がある。
【0003】
そこで、ウエハー上に基板と電気的な接合をさせるためのバンプ(銅ポスト)を有する多数個の半導体素子を形成し、これを液状エポキシ樹脂組成物や固形のエポキシ樹脂組成物で封止する方法が提案されてきた。この方法で封止した場合、短時間に多数の半導体素子が成型でき、これを個片化することで、容易に得ることが出来る。しかし、最近の更なる低コスト化の要求から、一度により多くの半導体素子を得るためにシリコンウエハーの大型化(8インチ、12インチ等)が進み、これまで問題にならなかった封止後の基板の反りが問題になってきた。この反りは、ウエハー状態で半田ボールを付ける際やウエハーを個々の半導体素子に切断する際に大きな障害となる。また、樹脂層とシリコンウエハー間及び銅ポスト間の熱膨張係数の差が大きい場合、基板への実装の際の加熱や実装後に行われる信頼性試験(温度サイクル)により、樹脂層にクラックが発生し、半導体装置の信頼性を低下させる問題がある。
【0004】
本発明は上記事情に鑑みなされたもので、大型ウエハーを封止した場合でも反りによる影響がなく、またクラック発生の問題も解消されて、高信頼性の半導体装置を得ることができるウエハーモールド用液状エポキシ樹脂組成物及びこれを用いた半導体装置を提供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段及び発明の実施の形態】
本発明者は、上記目的を達成するため鋭意検討を行った結果、液状エポキシ樹脂、硬化剤、無機質充填剤を含有し、この場合好ましくは、シリコーン変性エポキシ樹脂及び/又はシリコーン変性フェノール樹脂を含有し、また特定粒度分布の無機質充填剤を使用すると共に、その硬化物の引張り弾性率が40〜300MPa、表面硬度がタイプDデュロメーターで60〜90である液状エポキシ樹脂組成物を用いて封止することにより、8インチ、12インチ等の大型のウエハーにおいても、反りによる影響を受けることがなく、個々の半導体素子に切断したり、ウエハー状態で半田ボールを付けることが出来ること、また、樹脂層とシリコンウエハー間及び銅ポスト間の熱膨張係数の差、基板への実装の際の加熱や実装後の温度サイクルによる熱応力を吸収し、樹脂層にクラックが発生する問題を防ぐため、高信頼性の半導体装置を得ることが出来ることを見出し、本発明をなすに至った。
【0006】
従って、本発明は、
(A)液状エポキシ樹脂
(B)硬化剤
(C)無機質充填剤
を必須成分とする液状エポキシ樹脂組成物であって、(A)成分として、アルケニル基含有エポキシ樹脂のアルケニル基と下記平均組成式(1)
H a R b SiO (4-a-b)/2 (1)
(但し、式中Rは置換又は非置換の一価の炭化水素基、aは0.01〜0.1、bは1.8〜2.2、1.81≦a+b≦2.3の正数である。)
で示される1分子中の珪素原子の数が20〜400であり、SiH基の数が1〜5であるオルガノポリシロキサンのSiH基との付加反応により得られる共重合体であるシリコーン変性エポキシ樹脂を(A)及び(B)成分からなる樹脂100重量部中10〜50重量部含み、(B)成分として、アルケニル基含有フェノール樹脂のアルケニル基と上記オルガノポリシロキサンのSiH基との付加反応により得られる共重合体であるシリコーン変性フェノール樹脂を(A)及び(B)成分からなる樹脂100重量部中40〜60重量部含み、(C)成分の無機質充填剤として、最大粒径45μm以上の含有率が1重量%以下、且つ平均粒子径が1〜10μmである無機質充填剤を液状エポキシ樹脂組成物全体に対して60〜80重量%の範囲で含有し、その硬化物の引張り弾性率が40〜300MPaであり、かつ表面硬度がタイプDデュロメーターで60〜90であることを特徴とするウエハーモールド用液状エポキシ樹脂組成物、及びこれを用いて封止したことを特徴とする半導体装置を提供する。
【0007】
以下、本発明につき更に詳しく説明する。
本発明の液状エポキシ樹脂組成物は、
(A)液状エポキシ樹脂
(B)硬化剤
(C)無機質充填剤
を含有する。
【0008】
本発明で使用する液状エポキシ樹脂(A)としては、従来から公知の一分子あたり2個以上のエポキシ基を持った液状のものであれば如何なるものでも使用することが出来る。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AD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、ビフェニル型エポキシ樹脂、グリシジルアミン型エポキシ樹脂、脂環式エポキシ樹脂、ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂等が挙げられる。これらは単独で用いても良く、2種以上を組み合わせてもよい。これらのうち、ナフタレン型エポキシ樹脂、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、ビスフェノールAD型エポキシ樹脂などが比較的低粘度であり、耐熱性や耐湿性に優れていることから好ましい。
【0009】
これら液状エポキシ樹脂の全塩素含有量は、1500ppm以下、望ましくは1000ppm以下であることが好ましく、更に、100℃で50%エポキシ樹脂濃度における20時間での抽出水塩素が10ppm以下であることが好ましい。全塩素含有量が1500ppmを超え、あるいは抽出水塩素が10ppmを超える量では半導体素子の信頼性、特に耐湿性に悪影響を与えるおそれがある。
【0010】
液状エポキシ樹脂の硬化剤(B)としては、液状エポキシ樹脂を硬化させるものであればいかなるものでも使用可能であるが、1分子中に2個以上のフェノール性水酸基を有するフェノール樹脂が特に好ましく用いられる。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、トリフェノールメタン型樹脂、フェノールアラキル樹脂などが列挙される。
【0011】
本発明には、低応力化のために、エポキシ樹脂、フェノール樹脂として、シリコーン変性エポキシ樹脂、シリコーン変性フェノール樹脂を配合することが好ましい。この場合、かかる成分としては、アルケニル基含有エポキシ樹脂又はフェノール樹脂のアルケニル基と下記平均組成式(1)で示される1分子中の珪素原子の数が20〜400であり、SiH基の数が1〜5であるオルガノポリシロキサンのSiH基との付加反応により得られる共重合体を配合することが好ましい。
HaRbSiO(4-a-b)/2 (1)
(但し、式中Rは置換又は非置換の一価の炭化水素基、aは0.01〜0.1、bは1.8〜2.2、1.81≦a+b≦2.3の正数である。)
【0012】
なお、Rの一価炭化水素基としては、炭素数1〜10、特に1〜8のものが好ましく、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基、イソブチル基、tert−ブチル基、ヘキシル基、オクチル基、デシル基等のアルキル基、ビニル基、アリル基、プロペニル基、ブテニル基、ヘキセニル基等のアルケニル基、フェニル基、キシリル基、トリル基等のアリール基、ベンジル基、フェニルエチル基、フェニルプロピル基等のアラルキル基などや、これらの炭化水素基の水素原子の一部又は全部を塩素、フッ素、臭素等のハロゲン原子で置換したフロロメチル基、ブロモエチル基、トリフルオロプロピル基等のハロゲン置換一価炭化水素基を挙げることができる。
【0013】
上記共重合体としては、中でも下記構造(2)、(3)のものが好ましい。
【0014】
【化1】
(式中、Rは上記と同じであり、R1は水素原子又はグリシジル基、R2は水素原子又は炭素数1〜4のアルキル基であり、R3は−CH2CH2CH2−、−OCH2−CH(OH)−CH2−O−CH2CH2CH2−又は−O−CH2CH2CH2−である。nは0〜100、好ましくは2〜60の整数、pは1〜10の整数、qは1〜10の整数である。)
【0015】
【化2】
(式中、Rは上記と同じ、R 1 は水素原子又はグリシジル基、R4は水素原子、R5は二価の炭化水素基であって、好ましくは炭素数1〜5、より好ましくは炭素数1〜3のアルキレン基である。mは0以上の整数、好ましくは0〜60、より好ましくは10〜40である。)
【0016】
ここで、R 1 のグリシジル基は、下記式で示されるものである。
【0017】
【化3】
【0018】
上記シリコーン変性エポキシ樹脂、シリコーン変性フェノール樹脂の配合量は、樹脂100重量部のうち、シリコーン変性エポキシ樹脂が10〜50重量部、好ましくは30〜40重量部、シリコーン変性フェノール樹脂が40〜60重量部、好ましくは50〜60重量部である。
【0019】
なお、上記シリコーン変性フェノール樹脂は、エポキシ樹脂の硬化剤として作用し、従ってこれを硬化剤として使用することができる。
【0020】
本発明の樹脂組成物で上記シリコーン変性エポキシ樹脂、シリコーン変性フェノール樹脂を含むエポキシ樹脂とフェノール樹脂の配合比は、公知のエポキシ樹脂やフェノール樹脂も考慮して、当量比で0.8≦(エポキシ基)/(フェノール性水酸基)≦1.25であることが望ましく、特に0.9≦(エポキシ基)/(フェノール性水酸基)≦1.1であることが望ましい。当量比がこの範囲にない場合、一部未反応になり、硬化物の特性、更にはこれを用いる半導体装置の性能に支障をきたす恐れがある。
【0021】
なお、本発明においては、硬化剤として、例えばメチルテトラヒドロ無水フタル酸、メチルヘキサヒドロ無水フタル酸、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等の酸無水物全般も好ましく使用される。硬化剤としてこのような酸無水物を用いる場合は、エポキシ樹脂中のエポキシ基1モルに対して0.7〜1.3モル、特に0.9〜1.1モルの酸無水物を配合することが望ましく、配合量が0.7モル未満では硬化性が不充分となる場合があり、1.3モルを超えると未反応の酸無水物が残存し、ガラス転移温度の低下、耐熱性の低下となる場合がある。
【0022】
更に、硬化剤としては、上記の他にジシアンジアミド、アジピン酸ジヒドラジド、イソフタル酸ヒドラジド等の有機酸ヒドラジドも使用することができる。
【0023】
本発明には、膨張係数を小さくする目的から、従来より知られている各種の無機質充填剤(C)を添加する。無機質充填剤としては、例えば溶融シリカ、結晶シリカ、アルミナ、ボロンナイトライド、アルミニウムナイトライド、シリコンナイトライド、マグネシア、マグネシウムシリケートなどが使用される。なお、これら無機質充填剤は単独或いは併用して用いても良い。無機質充填剤の含有率は、組成物全体の60〜80重量%であることが望ましく、より望ましくは、65〜75重量%の範囲が好ましい。60重量%未満では、膨張係数が大きく硬化後の反り問題を誘発させるおそれがあり、80重量%を超えると粘度が高くなり、表面状態が粗悪になってしまうおそれがある。
【0024】
また、無機質充填剤は、最大粒径45μm以上の含有率が1重量%以下、かつ平均粒子径が1〜10μmであることが好ましい。ここで、最大粒径45μm以上の含有率が1重量%を超えると、封止後の表面状態を粗悪にするばかりでなく、エポキシ樹脂組成物をスクリーン印刷する場合、目開きに無機質充填剤が詰まり、塗布量が不均一となるおそれがある。
【0025】
また、平均粒子径が1μm未満であると、エポキシ樹脂組成物の粘度が高すぎて、一回のスクリーン印刷による塗布量が少なくなるため、多重印刷が必要となり、印刷時間が長くなることから実際的でなく、10μmを超えると、エポキシ樹脂組成物をスクリーン印刷する場合、目開きに無機質充填剤が詰まり塗布量が不均一となる。
【0026】
これら無機質充填剤は予めシラン系カップリング剤やチタン系カップリング剤等のカップリング剤で表面処理したものを使用することが分散性の点から好ましい。
【0027】
更に、本発明の液状エポキシ樹脂組成物は、硬化促進剤として、2−メチルイミダゾール、2−エチル−4−メチルイミダゾール、1−シアノエチル−2−メチルイミダゾール、2−フェニル−4,5−ジヒドロキシメチルイミダゾール等のイミダゾール誘導体、トリフェニルホスフィン(以下、TPPと記述する。)、トリ(p−メチルフェニル)ホスフィンなどの有機ホスフィン化合物が使用される。
【0028】
なお、これらイミダゾール誘導体は、酸無水物系硬化剤の硬化促進剤としてもエポキシ樹脂の硬化剤としても使用できるものであるが、硬化促進剤として使用する場合は、エポキシ樹脂と硬化剤の合計量100重量部に対して0.1〜10重量部、特に0.5〜6重量部の範囲で添加することが好適である。添加量が0.1重量部に満たないと硬化性が低下する場合があり、10重量部を超えると硬化性に優れるが保存性が低下する傾向となる場合がある。硬化剤がフェノール樹脂である場合には硬化促進剤として有機ホスフィン化合物の硬化有効量が好適に用いられる。
【0029】
また、本発明の液状エポキシ樹脂組成物には、応力を低下させる目的でシリコーンパウダー、シリコーンゴム、シリコーンオイルや液状のポリブタジエンゴム、アクリルコアシェル樹脂などを配合してもよい。
【0030】
本発明の液状エポキシ樹脂組成物には、更に必要に応じ、シランカップリング剤等の接着向上剤、カーボンブラックなどの顔料、染料、酸化防止剤、イオントラップ剤、表面処理剤(γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシランなど)、その他の添加剤を配合することができる。
【0031】
本発明の液状エポキシ樹脂組成物は、80〜200℃で30分〜5時間の条件で硬化させることができるが、この場合、その硬化物の引張り弾性率が40〜300MPa、好ましくは40〜100MPa、更に好ましくは50〜60MPaであり、かつその硬化物の表面硬度がタイプDデュロメーターで60〜90、特に65〜85であることが必要である。硬化後の引張り弾性率が40MPa未満または硬度が60未満であると、封止後、電極露出のための研磨工程で面の平滑度が悪くなる。一方、引張り弾性率が100MPaを超える、または硬度が90を超えると、基板に反りが発生しウエハーの個片切断の際、得られる半導体素子に悪影響を及ぼす。
【0032】
本発明の液状エポキシ樹脂組成物は、例えば、液状エポキシ樹脂、硬化剤、無機質充填剤及びその他の成分を、同時にまたは別々に必要により加熱処理を加えながら攪拌、溶解、混合、分散させる。これらの混合物の混合、攪拌、分散等の装置には特に限定されないが、攪拌、加熱装置を備えたライカイ機、3本ロール、ボールミル、プラネタリーミキサー等を用いることができる。これら装置を適宜組み合わせてもよい。
【0033】
ここで、ウエハーを封止する工程についてであるが、室温の状態でも特に問題ないが、予めウエハー及び樹脂を加熱しておき、加熱された状態で印刷或いは圧縮成型を行うことにより樹脂の低粘度化が図れ、印刷性やレベリング性が良くなる。
【0034】
更に、印刷封止工程は常圧による印刷、その後封止樹脂内部に取り込まれたエアー等を、真空容器等で脱泡することが一般的であるが、減圧下での印刷を行っても特に問題はない。
【0035】
なお、本発明の液状エポキシ樹脂組成物の粘度は、25℃において、150〜400Pa・s、特に200〜300Pa・sであることが好ましい。
【0036】
【発明の効果】
本発明の液状エポキシ樹脂組成物を使用すれば、8インチ、12インチ等の大型のウエハーにおいても、反りによる影響を受けることがなく、個々の半導体素子に切断したり、ウエハー状態で半田ボールを付けることが出来る。また、樹脂層とシリコンウエハー間及び銅ポスト間の熱膨張係数の差、基板への実装の際の加熱や実装後の温度サイクルによる熱応力を吸収し、樹脂層にクラックが発生する問題を防ぐため、高信頼性の半導体装置を得ることが出来る。
【0037】
【実施例】
以下、実施例及び比較例を示して本発明を具体的に説明するが、本発明は下記の実施例に制限されるものではない。なお、以下の例において部はいずれも重量部である。更に、シリカはエポキシ樹脂組成物全体を100重量%としたときの配合量を重量%で表す。
【0038】
[実施例1〜3及び比較例1〜4]
表1に示すように、上記式(2)のシリコーン変性エポキシ樹脂(式中、Rはメチル基、R1はグリシジル基、R2は水素原子、R3は−OCH2−CH(OH)−CH2−O−CH2CH2CH2−、p=5、q=5、n=10)、ビスフェノールA型エポキシ樹脂としてRE−310S(日本化薬社製)、ナフタレン型エポキシ樹脂としてHP4032D(大日本インキ工業社製)及び、硬化剤として上記式(2)のシリコーン変性フェノール樹脂(式中、Rはメチル基、R1は水素原子、R2は水素原子、R3は−OCH2−CH(OH)−CH2−O−CH2CH2CH2−、p=5、q=5、n=10)、かつ、硬化促進剤としてTPP(トリフェニルホスフィン)を1部、KBM−403(信越化学工業社製)を1部添加し、更に、無機質充填剤として球状溶融シリカ(龍森社製平均粒径2μm、最大粒径10μm)を表1に示す含有率で配合し、均一に混練することにより液状エポキシ樹脂組成物を得た。
【0039】
これらの樹脂組成物について、以下の(a)〜(f)の諸試験を行い、評価した結果を表1に示す。
【0040】
また、硬化条件はすべて100℃×1時間+150℃×2時間である。
(a)粘度
JIS Z 8803に準じ、測定温度25℃でBrookfield HBDV III Cone&Plateで2分後の値を測定した。
(b)硬化物の引張弾性率
JIS K 7113に基づき25℃の引張り弾性率を測定した。
(c)反り量
液状エポキシ樹脂組成物を、8インチウエハーに100μm厚みになるようにスクリーン印刷を施し、印刷後100℃×1時間+150℃×2時間の条件下で硬化させた。冷却後、作成した試験片(8インチウエハー)の樹脂塗布面を上側にし、レーザー変位計を使い、ウエハーの高低差を測定し、反り量を計測した。
(d)表面硬度
デュロメーターのタイプDで硬化物の表面硬度を測定した。
(e)耐湿信頼性
表1の樹脂組成物で14pinDIP(アルミ配線を施したシリコンチップを42アロイ製のフレームに搭載し金ワイヤで配線する)を封止した半導体装置20個を121℃/100%RH/2atm/100時間、300時間、1000時間放置し、断線により異常値を示すパッケージ数/総パッケージ数を測定した。
(f)耐冷熱サイクル性
BT基板及びUPILEX(宇部興産製:50μm厚)に表1の樹脂組成物を8mm×8mm×50μmで塗布し、この上から7mm×7mm×0.3mmのシリコンチップを搭載し、樹脂組成物を硬化させた試験片20個を240℃半田浴/10秒と液体窒素/10秒を10回、30回、100回往復させ、クラック、剥離発生試験片数/総試験片数を測定した。
【0041】
【表1】
Claims (4)
- (A)液状エポキシ樹脂
(B)硬化剤
(C)無機質充填剤
を必須成分とする液状エポキシ樹脂組成物であって、(A)成分として、アルケニル基含有エポキシ樹脂のアルケニル基と下記平均組成式(1)
HaRbSiO(4-a-b)/2 (1)
(但し、式中Rは置換又は非置換の一価の炭化水素基、aは0.01〜0.1、bは1.8〜2.2、1.81≦a+b≦2.3の正数である。)
で示される1分子中の珪素原子の数が20〜400であり、SiH基の数が1〜5であるオルガノポリシロキサンのSiH基との付加反応により得られる共重合体であるシリコーン変性エポキシ樹脂を(A)及び(B)成分からなる樹脂100重量部中10〜50重量部含み、(B)成分として、アルケニル基含有フェノール樹脂のアルケニル基と上記オルガノポリシロキサンのSiH基との付加反応により得られる共重合体であるシリコーン変性フェノール樹脂を(A)及び(B)成分からなる樹脂100重量部中40〜60重量部含み、(C)成分の無機質充填剤として、最大粒径45μm以上の含有率が1重量%以下、且つ平均粒子径が1〜10μmである無機質充填剤を液状エポキシ樹脂組成物全体に対して60〜80重量%の範囲で含有し、その硬化物の引張り弾性率が40〜300MPaであり、かつ表面硬度がタイプDデュロメーターで60〜90であることを特徴とするウエハーモールド用液状エポキシ樹脂組成物。 - 請求項1乃至3のいずれか1項記載のウエハーモールド用液状エポキシ樹脂組成物を用いて封止したことを特徴とする半導体装置。
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