JP3928603B2

JP3928603B2 - エポキシ樹脂組成物並びに半導体装置及びその製造方法

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Publication number: JP3928603B2
Application number: JP2003281248A
Authority: JP
Inventors: 直樹金川
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2003-07-28
Filing date: 2003-07-28
Publication date: 2007-06-13
Anticipated expiration: 2023-07-28
Also published as: JP2005048054A

Description

本発明は、半導体封止材料として好適に使用することができるエポキシ樹脂組成物、並びにこのエポキシ樹脂組成物を用いて製造される半導体装置及びその製造方法に関するものである。

近年、電子機器のさらなる小型化及び高機能化を図るため、プリント配線板等の回路基板上にＩＣチップ等の電子部品を高密度で実装することが要求されている。実装密度を高める有力な手段の一つとして、フリップチップ実装が広く知られている。フリップチップ実装においては、バンプと呼ばれる突起を介してＩＣチップ上の複数の電極とプリント配線板上の所定の電極とを位置合わせした後、これらの電極間の電気接続が一括して形成される。次いで、電気絶縁性を有する封止用樹脂（アンダーフィル材）がＩＣチップとプリント配線板の間に注入されて加熱硬化される。封止用樹脂としては、エポキシ樹脂を配合した液状エポキシ樹脂組成物が汎用されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００１−３２９０４８号公報

しかしながら、上記のフリップチップ実装では、電極接続工程と封止用樹脂の硬化工程を個別に行っていたため製造効率が悪いという問題があった。

そこで、金属バンプを介しての電極接続と同時に封止用樹脂の硬化を行うリフロー同時硬化法や、回路基板の表面に液状エポキシ樹脂を塗布した後に、ＩＣチップをエポキシ樹脂の塗布層上に配置してＩＣチップの背面から加圧加熱して電極接続と封止用樹脂の硬化を一段階で行う圧接法が提案されている。

このうち、圧接法においては、圧接に要する時間がフリップチップ実装効率を決定する律速因子となるため、硬化時間が短く、かつ硬化した樹脂組成物内に気泡（ボイド）が発生しない封止用樹脂組成物の開発が待たれている。

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、フリップチップ実装による半導体装置の製造効率を改善するため、圧接工程において短時間で硬化し、ボイドレスの優れた接着性を備えた硬化樹脂層を形成できるエポキシ樹脂組成物、並びにこのエポキシ樹脂組成物を用いて製造される半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とするものである。

本発明の請求項１に係るエポキシ樹脂組成物は、エポキシ樹脂及び硬化剤を含有すると共に室温で液状であるエポキシ樹脂組成物において、硬化剤として無置換イミダゾールとビスフェノール型ジグリシジルエーテルとの付加反応物を用いて成ることを特徴とするものである。

請求項２の発明は、請求項１において、エポキシ樹脂として、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、ナフタレン環含有エポキシ樹脂、これらの水素添加型のエポキシ樹脂、脂環式エポキシ樹脂から選択される少なくとも１種のものを用いて成ることを特徴とするものである。

請求項３の発明は、請求項１又は２において、下記化学式（I）で示される多官能型エポキシ樹脂をエポキシ当量比で全エポキシ樹脂の５〜３０％含有して成ることを特徴とするものである。

請求項４の発明は、請求項１乃至３のいずれかにおいて、硬化剤がビスマレイミドを含有すると共に、エポキシ樹脂の全エポキシ基とビスマレイミドの全イミド基のモル比が１００：２５〜１００：１であることを特徴とするものである。

請求項５の発明は、請求項４において、ビスマレイミドが、室温で液状であって、下記化学式（II）で示される構造を有して成ることを特徴とするものである。

請求項６の発明は、請求項１乃至５のいずれかにおいて、導電粒子を含有して成ることを特徴とするものである。

請求項７の発明は、請求項１乃至６のいずれかにおいて、ゲル化時間が１５０℃において８〜５０秒であることを特徴とするものである。

請求項８の発明は、請求項１乃至７のいずれかにおいて、充填材として最大粒径が０．１〜１０μｍである球状非晶質シリカを含有して成ることを特徴とするものである。

本発明の請求項９に係る半導体装置は、請求項１乃至８のいずれかに記載のエポキシ樹脂組成物で半導体チップを封止して成ることを特徴とするものである。

本発明の請求項１０に係る半導体装置の製造方法は、請求項１乃至８のいずれかに記載のエポキシ樹脂組成物を用いて回路基板と半導体チップとを熱圧接により接着することを特徴とするものである。

本発明の請求項１に係るエポキシ樹脂組成物によれば、無置換イミダゾールとビスフェノール型ジグリシジルエーテルとの付加反応物を硬化剤として用いることによって、エポキシ樹脂組成物の硬化速度を飛躍的に高めることができ、圧接工程を含む半導体装置の製造方法において製造効率を改善することができると共に、ボイドレスの優れた接着性を備えた硬化樹脂層を半導体チップと回路基板との間に形成することができるものである。

請求項２の発明によれば、立体障害の異なるエポキシ樹脂を適宜組み合わせることによって、所望の硬化速度を実現することができるものである。

請求項３の発明によれば、より短時間でボイドレスを実現することができるものである。

請求項４の発明によれば、エポキシ樹脂組成物の硬化速度をさらに短縮することができると共に、高い接着性を達成することができるものである。

請求項５の発明によれば、粘度上昇による作業性の悪化を回避することができるものである。

請求項６の発明によれば、導電粒子を含むエポキシ樹脂組成物は、絶縁性の高い接着剤中に導電粒子が均一に分散した材料であり、電子部品の相対する電極間の電気接続と、隣接電極間の絶縁性、及び固定の目的に使用することができるものである。

請求項７の発明によれば、回路基板と半導体チップとを熱圧接により接着する場合において両者が電気的に接続される前に樹脂が硬化するようなことを防止することができると共に、圧接工程に要する時間が短時間となり、製造効率の向上を十分に達成することができるものである。

請求項８の発明によれば、粘度増加の抑制、低熱膨張率化、金属バンプと基板電極間の高い接続信頼性を実現することができるものである。

本発明の請求項９に係る半導体装置によれば、上記のような半導体装置の製造方法であれば、ボイドレスの優れた接着性を備えた硬化樹脂層を半導体チップと回路基板との間に形成することができるものである。

本発明の請求項１０に係る半導体装置の製造方法によれば、フリップチップ実装による半導体装置の製造効率を改善することができ、圧接工程においてエポキシ樹脂組成物を短時間で硬化させることができるものである。

以下、本発明の実施の形態を説明する。

本発明に係るエポキシ樹脂組成物は、室温で液状であって、エポキシ樹脂及び硬化剤を含有するものである。硬化剤としては、ビスフェノール型ジグリシジルエーテル（ビスフェノール型エポキシ樹脂）と無置換イミダゾールとの付加反応物（イミダゾール誘導体）を用いる。これらの付加反応物を得るにあたっては、米国特許第４０６６６２５号明細書に記載の方法を使用することができる。そして、上記のようなエポキシ樹脂組成物は、例えば、フリップチップ実装工程においてＩＣチップ等の電子部品とプリント配線板等の回路基板との間の隙間を封止するための半導体封止用材料として好適に用いることができるものであり、上記のエポキシ樹脂組成物を用いてフリップチップ実装を行えば、動作信頼性の高い半導体装置を効率よく製造することができると共に、ボイドレスの優れた接着性を備えた硬化樹脂層を半導体チップと回路基板との間に形成することができるものである。すなわち、上記の硬化剤を用いることによって、エポキシ樹脂組成物の硬化速度を飛躍的に高めることができ、後述するような圧接工程を含む半導体装置の製造方法において製造効率を改善することができるものである。なお、上記の硬化剤は、ビスフェノール型ジグリシジルエーテルと無置換イミダゾールとを繰り返し付加することによって得られる化合物を含む。

イミダゾールをエポキシ樹脂の硬化剤として用いる場合、イミダゾールの１位活性水素がエポキシ基に付加反応した後に、３級窒素の電子対が別のエポキシ樹脂を攻撃する。この際、生じた酸素アニオンがさらに反応に寄与することで３次元架橋した硬化物が得られる。このうち、最初の（１位）活性水素の付加反応がこれら一連の反応速度を律速する。本発明は、立体障害の比較的少ない無置換イミダゾールとビスフェノール型ジグリシジルエーテルとの付加反応物を硬化剤として用いると飛躍的に反応性が高まることを見出したことにより、完成に至ったものである。

ここで、硬化剤である上記の付加反応物は、例えば、エポキシ樹脂組成物を圧接工法に使用する場合において、エポキシ樹脂１００質量部に対して０．２〜２０質量部配合することが好ましい。０．２質量部より少ない場合は、十分な硬化速度が得られず、ゲル化に長時間を要するおそれがあり、逆に３０質量部より多い場合は、十分な硬化速度は得られるものの、高温で急速に加熱したとき、それ自体が反応に寄与する前に揮発するため、気泡（ボイド）が硬化物中に残存し、製造される半導体装置の信頼性を低下させるおそれがある。

本発明においてエポキシ樹脂としては、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、ビニルフェニル型エポキシ樹脂、ナフタレン環含有エポキシ樹脂、これらの水素添加型のエポキシ樹脂、脂環式エポキシ樹脂の中から選択される少なくとも１種のものを用いることが好ましい。エポキシ樹脂の硬化速度に最も影響するのはエポキシ基近傍の立体障害であり、エポキシ基に置換基が付いていたり、分子構造の平面性が損なわれていたりする場合は、硬化剤の求核攻撃が阻害され、硬化速度は遅くなる。逆にエポキシ基に置換基がなく、分子構造の平面性が保たれている場合は、硬化剤がエポキシ基にアタックしやすいため硬化反応は速くなる。よって、上記のように、立体障害の異なるエポキシ樹脂を適宜組み合わせることで、所望の硬化速度を実現することができるものである。

また、上記化学式（I）で示される多官能型エポキシ樹脂をエポキシ当量比で全エポキシ樹脂の５〜３０％含有することが好ましい。この多官能型エポキシ樹脂は、分子の平面性が極めて高く、さらに反応点となるエポキシ基を複数個有していることから、適当量含有することによって、ボイドレスで、より短時間で硬化可能なエポキシ樹脂組成物を容易に調製することができるものである。なお、上記の多官能型エポキシ樹脂は、室温で固体状態であり、気化しにくい性質を有する。この多官能型エポキシ樹脂がエポキシ当量比で３０％を超える場合は、エポキシ樹脂組成物の粘度が上昇することにより流動性が低下して作業性が低下するおそれがあり、逆にエポキシ当量比で５％未満の場合は、硬化速度を高める効果を十分に得ることができないおそれがある。

また、硬化剤がビスマレイミドを含有すると共に、エポキシ樹脂の全エポキシ基とビスマレイミドの全イミド基のモル比が１００：２５〜１００：１であることが好ましい。すなわち、樹脂系中のエポキシ基の数（＝モル数）とイミド基の数の比が１００：２５〜１００：１であることが好ましい。硬化剤にビスマレイミドを含有させることで、エポキシ樹脂組成物の硬化速度をさらに短縮することができ、かつ、硬化物の密着性（接着性）を高めることができるものである。ただし、上記のモル比が１００：１よりも小さいと、上記のような効果が十分に得られないおそれがあり、逆に上記のモル比が１００：２５よりも大きいと、エポキシ樹脂組成物の硬化物の吸湿性が高くなり、耐湿信頼性が劣化するおそれがある。このとき、エポキシ樹脂組成物の保存安定性が損なわれる可能性もある。

また、上記のビスマレイミドが、室温で液状であって、上記化学式（II）で示される構造を有していることが好ましい。この場合は、粘度上昇を抑えて作業性の低下を回避することができるものである。しかも化学式（II）で示すように、ポリアルキレングリコールからなるユニットの繰り返し数（ｎ）が２〜５の整数である場合、エポキシ樹脂組成物の液体粘度の上昇を抑えることができ、かつ、気化しにくいという長所がある。

また、本発明に係るエポキシ樹脂組成物は、エポキシ樹脂及び硬化剤に加えて、さらに導電粒子を含有することもできる。導電粒子としては、例えば、ポリスチレン系の高分子粒子の核の表面をＡｕめっきしたもの（粒子径５μｍ程度）等を用いることができる。このような導電粒子を含むエポキシ樹脂組成物は、絶縁性の高いエポキシ樹脂及び硬化剤からなる接着剤中に導電粒子が均一に分散した材料であり、電子部品（半導体チップや回路基板など）の相対する電極間の電気接続、隣接電極間の絶縁性の確保、電子部品の固定の目的に使用することができるものである。そして、導電粒子を介して半導体チップの金属バンプと回路基板の基板電極間の電気接続を行うことにより、金属バンプと基板電極の高さのばらつきやチップ搭載時の平行度が緩和されることとなり、より高い接続信頼性を実現することができるものである。

なお、エポキシ樹脂組成物が、特開２０００−１１７６０号公報や特開２０００−２１２３６号公報などに示される導電粒子を含む異方導電性ペースト（ＡＣＰ）の場合においても、上述の硬化剤を併用すれば、エポキシ樹脂組成物内に気泡（ボイド）を発生させることなく、エポキシ樹脂組成物を短時間で硬化させることができるものである。

また、本発明に係るエポキシ樹脂組成物は、１５０℃におけるゲル化時間が８〜５０秒であることが好ましい。これにより、回路基板と半導体チップとを熱圧接により接着する場合において両者が電気的に接続される前に樹脂が硬化するようなことを防止することができると共に、圧接工程に要する時間が短時間となり、製造効率の向上を十分に達成することができるものである。ただし、ゲル化時間が８秒よりも短い場合は、半導体チップを搭載する熱圧接の工程において金属バンプが回路基板の基板電極に接触して電気的な接続が取れる前に樹脂が硬化してしまうおそれがあり、逆にゲル化時間が５０秒よりも長い場合は、圧接工程に長時間を要して製造効率の向上を十分に達成できないおそれがある。

また、本発明に係るエポキシ樹脂組成物は、さらに充填材を含有することもできる。この充填材としては、シリカ、アルミナ、窒化アルミニウム、ボロンナイトライド、窒化珪素、炭化珪素、炭酸カルシウム等の無機フィラーを用いることができる。このような充填材の中でも、特に球状非晶質シリカを用いるのが好ましい。このように粒子形状が球状であると、破砕されたままの不均一な形状であるよりも、充填材の含有量を高めた際のエポキシ樹脂組成物の粘度増加を抑えることができる。また、非晶質シリカは、アモルファスシリカとも呼ばれるが、単一金属元素からなる酸化物、窒化物あるいは炭化物の中では、最も熱膨張係数が小さい点でも好ましい。

さらに、上記の球状非晶質シリカの最大粒径が０．１〜１０μｍであることが好ましい。これにより、粘度増加の抑制、低熱膨張率化、金属バンプと基板電極間の高い接続信頼性を実現することができるものである。最大粒径が０．１μｍより小さいと、比表面積が極めて大きくなり、粘度が増加して作業性が低下するおそれがあり、逆に最大粒径が１０μｍより大きいと、圧接時に金属バンプと基板電極との間に挟み込まれて接続信頼性を低下させるおそれがある。

充填材の添加量はエポキシ樹脂組成物全量に対して６０質量％以下であることが好ましい。添加量が６０質量％を超える場合は、エポキシ樹脂組成物の粘度が高くなりすぎて作業性を悪化させたり、圧接時に金属バンプと基板電極との間に挟み込まれる確率が高くなり、接続信頼性を低下させたりするおそれがある。

また、本発明に係るエポキシ樹脂組成物は、さらにチクソ付与剤を含有することもできる。チクソ付与剤としては、ＢＥＴ法による比表面積が５０ｍ^２／ｇ以上である超微粒の無水シリカを用いるのが好ましく、これをエポキシ樹脂組成物全量に対して０．１〜３質量％含有させることが好ましい。このようにチクソ付与剤を適量添加することによって、半導体チップの端部と回路基板との間に生じるフィレット先端部から液状成分が成分分離する現象を回避することができるものである。ただし、チクソ付与剤のＢＥＴ法による比表面積が５０ｍ^２／ｇより小さい場合や配合量が０．１％より少ない場合には、液状成分の捕捉効果が低下するおそれがある。逆に、チクソ付与剤の配合量が３％より多い場合には、チクソ性が高くなりすぎて樹脂の流動性が悪化し、その結果、圧接時にエアーを巻き込んで硬化物中に気泡として残存し、製造される半導体装置の信頼性を低下させるおそれがある。

また、チクソ付与剤である無水シリカ表面のシラノール基（Ｓｉ−ＯＨ）が疎水性の基で処理されていないことが好ましい。表面にシラノール基が存在することで、樹脂成分に静電引力により吸着し、チクソ性（揺変性）を効果的に発現することができる。すなわち、シラノール基の電気的な分極により、樹脂成分との濡れ性が変化し、その結果、所望のチクソ性が得られるのである。

なお、本発明に係るエポキシ樹脂組成物には、本発明の目的を損なわない限り、必要に応じて、難燃剤、低弾性化剤、密着性付与剤、着色剤、希釈剤、カップリング剤等の他の物質を配合してもよい。

本発明に係るエポキシ樹脂組成物を調製するにあたっては、上記の各成分を撹拌型の分散機で混合したり、ビーズミルで分散混合したり、３本ロールで分散混合したりすることによって、行うことができる。なお、これら以外の混合方法を採用してもよい。

本発明に係る半導体装置は、上記のようにして得たエポキシ樹脂組成物で半導体チップを封止することによって、製造することができる。特に、本発明に係るエポキシ樹脂組成物は、半導体チップをフリップチップ実装する際に用いるのが好ましい。具体的には、まず、上記のようにして得たエポキシ樹脂組成物を回路基板の表面に塗布する。この回路基板としては、ＦＲ４やＦＲ５等の繊維基材を含む有機基板や、ポリイミドやポリエステル等の有機フィルムのほか、セラミックス等の無機基板等を用いることができる。次に、エポキシ樹脂組成物を塗布した回路基板の基板電極と、半導体チップの表面に形成されている金属バンプとの位置合わせを行った後に、半導体チップの背面（回路基板と対向していない側の面）からこの半導体チップを熱圧接し、回路基板と半導体チップとを接着することによって、半導体装置を製造することができる。熱圧接する際の圧接条件としては、回路基板の種類によって制約を受けるので特に限定されるものではないが、例えば、有機基板を用いる場合には、樹脂温度が１５０〜２５０℃の条件で数秒〜数十秒間圧接すればよい。また、塗布した樹脂に流動性をもたせたり、回路基板との濡れ性を良くする目的で５０〜１００℃に加温してもよい。なお、エポキシ樹脂組成物の硬化をより完全にするため、１２０〜１７５℃で０．５〜２時間の後硬化を行うことが好ましい。

上記のような半導体装置の製造方法であれば、フリップチップ実装による半導体装置の製造効率を改善することができ、圧接工程においてエポキシ樹脂組成物を短時間で硬化させることができるものであり、また、このようにして得られた半導体装置にあっては、ボイドレスの優れた接着性を備えた硬化樹脂層を半導体チップと回路基板との間に形成することができるものである。

以下、本発明を実施例によって具体的に説明する。

まず、実施例１〜８及び比較例１〜３のエポキシ樹脂組成物を調製するのに使用した材料について説明する。各材料の配合量（質量部）は表１に示す。

（エポキシ樹脂）
樹脂Ａ：ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂（東都化成株式会社製、品番「エポトートＹＤＦ−８１７０」、エポキシ当量１６０）
樹脂Ｂ：ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂（東都化成株式会社製、品番「エポトートＹＤ−８１２５」、エポキシ当量１７２）
樹脂Ｃ：ナフタレン環含有エポキシ樹脂（大日本インキ化学工業株式会社製、品番「エピクロンＨＰ−４０３２」、エポキシ当量１４３）
樹脂Ｄ：脂環式エポキシ樹脂（ダイセル化学工業株式会社製、品番「セロキサイド２０２１」、エポキシ当量１３４）
樹脂Ｅ：化学式（I）で示される多官能型エポキシ樹脂（大日本インキ化学工業株式会社製、品番「エピクロンＥＸＡ４７０１」、エポキシ当量１６５）
（硬化剤）
硬化剤Ａ：イミダゾール誘導体を作製した。すなわち、この硬化剤Ａは、無置換イミダゾールである無置換メチルイミダゾール（ナカライテスク株式会社製試薬）２１ｇと、ビスフェノール型ジグシリジルエーテルであるビスフェノールＡ型ジグリシジルエーテル（上記のビスフェノールＡ型エポキシ樹脂と同じ）４８ｇとを用いて、米国特許第４０６６６２５号明細書に記載されているのと同様の方法によって作製した。

硬化剤Ｂ：化学式（II）で示されるオリゴアルキレングリコール・ビスマレイミド（大日本インキ化学工業株式会社製、品番「ルミキュアＭＩＡ２００」、硬化剤当量３８０）
硬化剤Ｃ：アミンアダクト（株式会社味の素製、品番「アミキュアＰＮ２３」）
硬化剤Ｄ：メチルヘキサヒドロ無水フタル酸（ＭＨＨＰＡ、大日本インキ化学工業株式会社製、品番「エピクロンＢ−６５０」、硬化剤当量１６８）
硬化剤Ｅ：四塩基酸無水物（大日本インキ化学工業株式会社製、品番「エピクロンＢ−４４００」、硬化剤当量１３２）
硬化剤Ｆ：イミダゾール類を核とするマイクロカプセル（旭化成工業株式会社製、品番「ノバキュアＨＸ３７２２」）
硬化剤Ｇ：カチオン重合開始剤（三新化学工業株式会社、品番「サンエイドＳＩ−６０Ｌ」）
なお、硬化剤当量とは、エポキシ樹脂に対する硬化剤との化学量論上の反応基のモル比で硬化剤の分子量を除した量である。

（無機充填材）
充填材Ａ：球状非晶質シリカ（三菱レイヨン株式会社製、品番「シリカエースＱＳ−０７」、最大粒径３μｍ、真比重２．２）
充填材Ｂ：球状非晶質シリカ（株式会社アドマテックス製、品番「アドマファインＳＥ１０５０」、最大粒径０．６μｍ、真比重２．２）
（チクソ付与剤）
無水シリカ（日本アエロジル株式会社製、品番「ＡＥＲＯＳＩＬ３００」、比表面積３００ｍ^２／ｇ）
（導電粒子）
ポリスチレン系の高分子粒子の核の表面をＡｕめっきしたもの（積水ファインケミカル株式会社製、品番「ミクロパールＡＵ−２０５」、粒子径５μｍ）
（添加剤）
シランカップリング剤

そして、上記の材料を用いて下記の製造方法Ａ〜Ｃによりエポキシ樹脂組成物を調製した。

（製造方法Ａ）
エポキシ樹脂組成物の構成成分であるエポキシ樹脂、硬化剤、導電粒子を表１に示す配合量で配合し、これをホモディスパー（特殊機化工業製）にて３００〜５００ｒｐｍの条件で分散・混合することによって、エポキシ樹脂組成物を調製した。

（製造方法Ｂ）
エポキシ樹脂組成物の構成成分であるエポキシ樹脂、硬化剤、無機充填材及びその他の成分を表１に示す配合量で配合し、これをプラネタリーミキサーで混合し、さらに３本ロールにて分散することによって、エポキシ樹脂組成物を調製した。

（製造方法Ｃ）
エポキシ樹脂組成物の構成成分であるエポキシ樹脂、硬化剤及び無機充填材を表１に示す配合量で配合し、これをゲッツマン社製ビーズミルにて分散・混合した後、さらにホモディスパー（特殊機化工業製）にて３００〜５００ｒｐｍの条件で分散・混合することによって、エポキシ樹脂組成物を調製した。

なお、表１においてフィラー質量％とは、エポキシ樹脂組成物中における充填材の質量％を示す。

また、実施例８では、樹脂Ｅ（化学式（I））を全エポキシ樹脂中にエポキシ当量比で２０％配合した（請求項３）。

また、実施例４及び８では、チクソ付与剤を全量に対して２質量％配合した。実施例４におけるフィラー質量％は、チクソ付与剤と充填材である球状非晶質シリカの合計の全量に対する質量％である。

また、実施例５における硬化剤Ｂは、エポキシ当量１００に対する硬化剤当量が２である（請求項４）。

そして、上記のようにして得た実施例１〜８及び比較例１〜３のエポキシ樹脂組成物の特性を下記の方法により評価した。

（１）ゲル化時間
ホットプレートの温度を１５０±２℃に設定し、このホットプレート上に約１ｇのエポキシ樹脂組成物を置き、これを１秒間隔で撹拌して撹拌不能になるまでの時間を測定した。結果を表２に示す。

（２）密着性
接触面積が０．７ｃｍ角の剪断引っ張り試験で密着性を評価した。具体的には、１．６ｍｍ厚のＦＲ４の銅張り両面板に金メッキを施し、これを０．７ｃｍ幅×７ｃｍ長に切り出し、端部から１ｃｍの部分をアセトンで十分に脱脂した。このようにして得られた２枚の板の脱脂した端部同士をエポキシ樹脂組成物により接着して引っ張り試験片を得た。エポキシ樹脂組成物の硬化条件は１５０℃、１時間である。そして剪断引っ張り試験機を用いて上記の試験片について密着力を測定した。結果を表２に示す。

（３）初期接続性
この試験では、以下の回路基板と半導体チップを用いた。回路基板のチップ搭載部にエポキシ樹脂組成物をディスペンサーで約０．０１ｇ塗布し、回路基板の基板電極と半導体チップの金属バンプとの位置合わせを行った後、１バンプ当たり５０ｇとなるように荷重を加えて半導体チップを回路基板に押し付けることによって、半導体装置を得た。この際、樹脂部分が２３０℃で５秒間曝されるように加熱を行った。圧接後の半導体装置を室温まで冷却した後、プローブを回路基板の電極に当てて電気的動作確認を行い、初期接続性を評価した。各エポキシ樹脂組成物について２０個の初期接続性を評価した。結果を表２に示す。

（４）フィレット性
（３）で用いたのと同じ半導体装置について、半導体チップの端部と回路基板との間に形成されるフィレットの形状、成分分離の有無を評価した。評価基準は、半導体チップの４辺に形成されたフィレットが成分分離せずにチップ側面全体を覆っており、チップ上面に這い上がっていない場合は「○」とし、チップ側面の一部しか保護していないかあるいは全部を覆っていてもフィレット先端部に成分分離が認められた場合は「△」とし、フィレットが形成されないかあるいは形成されてもチップ上面に這い上がっている場合は「×」として、フィレット性を判定した。結果を表２に示す。

（５）ボイド発生量
（３）で用いたのと同じ半導体装置について、半導体チップと回路基板との間の樹脂部分のボイド（気泡）発生の有無を複合材料用超音波検査装置で評価した。評価基準は、ボイドの大きさが３０μｍ未満で、全ボイドの面積の合計が半導体チップの面積に対して１％未満であれば「○」とし、それ以外であれば「×」として、ボイド発生量を判定した。結果を表２に示す。

（６）温度サイクル（ＴＣ）性
（３）で用いたのと同じ半導体装置について、半導体装置の電気的動作が良品であったものを１０個取り出し、これらを温度サイクル性を評価するためのサンプルとした。これらのサンプルに−２５℃で５分間、１２５℃で５分間を１サイクルとする気相の温度サイクルを与え、２０００サイクルまで１００サイクルごとに半導体装置の動作確認を行い、良否を判定した。１０個のサンプルのうち不良の数が５個に達したときのサイクル数を求めた。結果を表２に示す。

（７）ＰＣＴ信頼性（耐湿信頼性）
（３）で用いたのと同じ半導体装置について、半導体装置の電気的動作が良品であったものを１０個取り出し、これらをＰＣＴ信頼性を評価するためのサンプルとした。これらのサンプルについて、２気圧で１２１℃のプレッシャークッカー試験（ＰＣＴ）を行い、１０００時間まで５０時間ごと半導体装置の動作確認を行い、良否を判定した。１０個のサンプルのうち不良数が５個に達したときの通算処理時間を求めた。結果を表２に示す。

表２に示すように、実施例１〜８の結果と比較例１〜３の結果とを比較すると、実施例１〜８ではゲル化時間が８〜５０秒の範囲内であり、半導体チップを回路基板に搭載する際の熱圧接工程を短時間で実施することができ、電気的な初期接続性、温度サイクル性及び耐湿信頼性も良好であることが確認された。また、この熱圧接時にエアーの巻き込みや成分揮発によるボイド発生もなく、実用的な条件下でも問題なく使用できることが確認された。

一方、比較例１では、ゲル化時間が長すぎて熱圧接条件では完全な硬化物が得られなかった。これが、実施例１〜８に比べてＴＣ性やＰＣＴ性が著しく悪化した原因と考えられる。また、比較例２では、ボイド発生量が多く、ＴＣ性やＰＣＴ性が実施例１〜８に比べて悪いことが確認された。また、比較例３では、エポキシ樹脂硬化物中にボイドは観察されなかったが、ゲル化時間が短すぎて基板電極と金属バンプとの間の電気的な接続が取れる前にエポキシ樹脂組成物が硬化した。その結果、比較例３においては初期接続性が全数不良であり、ＴＣ性及びＰＣＴ性の評価を行うことができなかった。

上記のように、本発明に係るエポキシ樹脂組成物は、硬化剤として、無置換イミダゾールとビスフェノール型ジグリシジルエーテルとの付加反応物を用いるので、エポキシ樹脂組成物の硬化速度を飛躍的に高めることができ、圧接工程を含む半導体装置の製造方法において製造効率を改善することができるものである。特に、硬化剤がビスマレイミドを含有すると共に、エポキシ樹脂の全エポキシ基とビスマレイミドの全イミド基のモル比が１００：２５〜１００：１である場合は、エポキシ樹脂組成物の硬化速度をさらに短縮することができると共に、硬化樹脂の高い密着性を得ることができる。また、上記化学式（I）で示される多官能型エポキシ樹脂をエポキシ当量比で全エポキシ樹脂の５〜３０％含有する場合は、より短時間でボイドレスなエポキシ樹脂組成物の硬化層を得ることができる。このように、本発明に係るエポキシ樹脂組成物によれば、フリップチップ実装工程によって動作信頼性の高い半導体装置を効率よく製造することができる。

Claims

エポキシ樹脂及び硬化剤を含有すると共に室温で液状であるエポキシ樹脂組成物において、硬化剤として、無置換イミダゾールとビスフェノール型ジグリシジルエーテルとの付加反応物を用いて成ることを特徴とするエポキシ樹脂組成物。
エポキシ樹脂として、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、ナフタレン環含有エポキシ樹脂、これらの水素添加型のエポキシ樹脂、脂環式エポキシ樹脂から選択される少なくとも１種のものを用いて成ることを特徴とする請求項１に記載のエポキシ樹脂組成物。
下記化学式（I）で示される多官能型エポキシ樹脂をエポキシ当量比で全エポキシ樹脂の５〜３０％含有して成ることを特徴とする請求項１又は２に記載のエポキシ樹脂組成物。
硬化剤がビスマレイミドを含有すると共に、エポキシ樹脂の全エポキシ基とビスマレイミドの全イミド基のモル比が１００：２５〜１００：１であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のエポキシ樹脂組成物。
ビスマレイミドが、室温で液状であって、下記化学式（II）で示される構造を有して成ることを特徴とする請求項４に記載のエポキシ樹脂組成物。
導電粒子を含有して成ることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のエポキシ樹脂組成物。
ゲル化時間が１５０℃において８〜５０秒であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のエポキシ樹脂組成物。
充填材として最大粒径が０．１〜１０μｍである球状非晶質シリカを含有して成ることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載のエポキシ樹脂組成物。
請求項１乃至８のいずれかに記載のエポキシ樹脂組成物で半導体チップを封止して成ることを特徴とする半導体装置。
請求項１乃至８のいずれかに記載のエポキシ樹脂組成物を用いて回路基板と半導体チップとを熱圧接により接着することを特徴とする半導体装置の製造方法。