JP3938502B2 - 液状封止樹脂組成物、半導体素子の組立方法及び半導体装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、バンプ接合方式で基板と接合する半導体素子用の液状樹脂組成物、半導体装置及び半導体素子の組立方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＩＣチップの高集積化、高密度化とＩＣパッケージの小型化という要求からフリップチップ実装方式が登場した。同実装方式はこれまでのワイヤーボンディングによる接続ではなく、ＩＣチップ表面とプリント基板とを金属バンプで電気的接続することで小型、薄型化を可能としている。しかしチップ、プリント配線基板、半田の熱膨張係数が異なるために冷熱衝撃試験時に熱ストレスが発生する。特にチップ中央から遠いコーナー近辺の金属バンプには局所的に熱ストレスが集中する。このため接合部位にクラックが生じ、回路の作動信頼性は大きく低下する。
【０００３】
そこで、熱ストレスを緩和する目的から液状注入封止アンダーフィル材による封止が行われる。しかしこの方法はチップとプリント配線基板との隙間にアンダーフィル材を注入、硬化して、封止する方法が採られるため工程が煩雑であり、コストもかかる。更にこのような半導体素子の場合は、ウエハー作製工程、ウエハー上への電気回路形成工程、個片化工程、バンプ形成工程、バンプ接合工程、アンダーフィル封止工程が必要であり、個々の工程は製造会社又は工場が異なる場合が多くデリバリーコストがかかってしまうので問題があった。
【０００４】
そこで提案されたのがウエハーに電気回路を形成し個片化せずバンプを形成し、その後個片化する方法が考え出された。この方法はウエハー製造から一環のラインでバンプ付半導体素子を作ることも可能であり、大幅に素子のコストが下がる可能性がある。しかしこの方法であっても信頼性を上げるためにはアンダーフィル封止工程又はバンプ補強封止工程が必要であり、コストに反映してしまう問題が残っていた。
これらを解決する方法として特開2000-195904号公報に開示されているＢ−ステージ樹脂をウエハーに塗布する方法がある。ここでＢ−ステージとは常温付近でタックフリー状態であり、加熱溶融し、硬化した後完全なパッケージの封止が行なえることをいう。この方法に従うと接合と封止を同時にできるため更にパッケージ製造工程を短縮することができる。しかし、半田バンプの場合、接続性を向上させるためにはフラックス作用を有する化合物を添加又は予め接合する基板又は半田バンプに塗布しておく必要があった。しかし、従来のフラックス作用を有する化合物はロジン系に代表され、硬化物中に残存すると物性の低下や界面層の密着性が損なわれたり、電気的不良を起こす可能性があった。
【０００５】
また、バンプ接合型パッケージの製造工程短縮技術としてノンフローアンダーフィル材がある。これは、基板又はバンプ付チップのバンプ面に樹脂を塗布しチップと基板を重ね、封止と接合を同時に行う技術である（特許第2589239号公報）。しかし、前記のように樹脂にフラックス機能を有する化合物が用いられるため信頼性において問題であった。そこでフラックス作用を有する硬化剤を適用することにより信頼性のあるノンフローアンダーフィル材が見いだされている(特開2001-106770号公報)
【０００６】
そこで本発明者らはこのような硬化剤をＢ−ステージ樹脂系に適用することを検討した。しかしＢ−ステージ状態（Ｂ−ステージ後一定期間その機能を保持すること）を発現させるのは困難であった。その理由として、フラックス作用を有する硬化剤がエポキシ樹脂との反応性が高くＢ−ステージ状態を維持することが困難であった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、従来の特性を維持しながら、長期にわたって安定したＢ−ステージ状態を維持し製造工程を大幅に改良できるバンプ付半導体素子用の新しい液状樹脂組成物及び新しい組立工程を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
２官能以上の固形エポキシ樹脂、フラックス作用を有する固形硬化剤、硬化促進剤、及び溶剤を有する液状封止樹脂組成物において、フラックス作用を有する固形硬化剤が１分子あたり少なくとも２個以上のフェノール性水酸基と１分子当たり少なくとも１個以上の芳香族カルボン酸を有する化合物であり、溶剤が固形エポキシ樹脂に対し良溶媒性であり、フラックス作用を有する硬化剤に対し貧溶媒性であるヘキサン、ヘプタン、ソルベントナフサ、ブチルセルソルブアセテート、ブチルカルビトールアセテートから選ばれた液状封止樹脂組成物である。
【０００９】
更に好ましい形態としては、２官能以上の固形エポキシ樹脂がエポキシ当量２００以上である液状封止樹脂組成物である。また、２官能以上の固形エポキシ樹脂とフラックス作用を有する硬化剤の重量比が、固形エポキシ樹脂／フラックス作用を有する硬化剤で２以上２０以下である液状封止樹脂組成物である。
また上記に記載の液状封止樹脂組成物が、平均粒径が０．５μｍから１２μｍ、かつ最大粒径が５０μｍ 以下である無機フィラーを含む液状封止樹脂組成物である。
フラックス作用を有する硬化剤が硬化剤として１分子あたり少なくとも２個以上のフェノール性水酸基と１分子当たり少なくとも１個以上の芳香族カルボン酸を有する化合物である液状封止樹脂組成物である。
【００１０】
１）基板と電気的接合させるための半田バンプを有する多数個の半導体素子が形成されたウエハーに上記に記載の液状封止樹脂組成を塗布する工程、２）該液状封止樹脂組成物をＢ−ステージにする工程、３）該ウエハーをダイシングし、半導体素子を個片化する工程、４）個片化した半導体素子と基板と接合し同時にＢ−ステージ化した樹脂組成物を加熱溶融させた後冷却することによる圧着工程からなる半導体素子の組立方法である。
更に好ましい形態として、液状封止樹脂組成物を塗布する工程が、スピンコート法、印刷法、ディスペンス法のいずれかにより行われる半導体素子の組立方法である。
また、上記に記載の液状封止樹脂組成物を用いて製作された半導体装置であり、上記６に記載の半導体素子の組立方法を用いて製作された半導体装置である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明について詳細に説明する。
本発明で用いられるエポキシ樹脂のとしてはエポキシ基が２官能以上の固形であれば特に限定されないが、１）後工程で容易に溶融し封止が可能なこと、２）不純物特にイオン性不純物が少ないこと（例：加水分解性塩素1000ppm以下）、３）Ｂ−ステージ化が可能なこと、が満たされていることが必要である。更に好ましくは、エポキシ当量が２００以上であることが好ましい。エポキシ当量が２００より小さいとＢ−ステージ後の樹脂が脆く、ダイシング時に剥離、欠けが生じてしまう可能性がある。
【００１２】
またエポキシ樹脂としては、固形エポキシ樹脂が好ましい。これは、Ｂ−ステージ後のウエハーに塗布した樹脂層のタックフリー(べたつきが無いこと)化が短時間に実現できるからである。タックフリーにすることは後工程の処理を考えると好ましい。液状エポキシ樹脂を適用した場合は、タックフリー化に時間がかかるか、高温にしなければならず、エポキシ樹脂と硬化剤の反応が進行しすぎるため制御されたＢ−ステージ化が困難になる。
【００１３】
次ぎに硬化剤としてフラックス作用を有する固形硬化剤である。半田バンプの場合、接合時に樹脂組成物中にフラックス作用を付与する必要がある。ここでフラックス作用とは半田の表面の酸化膜を還元し、基板と接合できる作用のことをいう。フラックス作用を有する化合物は一般にカルボン酸類又は酸無水物が知られている。しかしカルボン酸の中で例えばモノカルボン酸の場合は、架橋密度低下のため最終的硬化物の物性が著しく低下するため必然的に他の硬化剤を添加する必要がある。そのためカルボン酸の添加量が低くなりフラックス作用が発現しにくくなる。自身が硬化剤として作用するためには２官能以上の多官能カルボン酸があるが、反応性が高いため液状樹脂組成物の粘度上昇が激しく、更にＢ−ステージにした後の作業性(再溶融性)も劣るため本用途に使用することは好ましくない。硬化剤として使用でき且つフラックス作用を示す化合物としては硬化剤として１分子あたり少なくとも２個以上のフェノール性水酸基と１分子当たり少なくとも１個以上の芳香族カルボン酸を有する固形の化合物が好適である。
その例としては、例えば、2,3-ジ#ヒドロキシ安息香酸、2,4-ヒドロキシ安息香酸、2,5-ヒドロキシ安息香酸、2,6-ヒドロキシ安息香酸、3,4-ジ#ヒドロキシ安息香酸、没食子酸、1,4-ジヒドロキシ2-ナフトエ酸、3,5-ジヒドロキシ２−ナフトエ酸、フェノールフタリン、ジフェノール酸等がある。
【００１４】
本発明で用いる硬化促進剤としては、例えば、三級アミン、イミダゾール類、トリフェニルフォスフィン類等がある。その中でイミダゾール類が硬化性の面で好ましい。
【００１５】
本発明で用いる液状封止樹脂組成物は、半導体素子の封止用途として用いるため高い信頼性が必要である。特に耐水性、線膨張係数を被着体に近づけるために無機フィラーを添加することが好ましい。更にその粒径は特に制限されないが、平均粒径が０．５μｍから１２μｍの範囲で且つ最大粒径が５０μｍ以下の球状フィラーであることが好ましい。平均粒径が下限値未満であるとバンプ接合時に溶融するＢ−ステージ化された液状封止樹脂組成物の流動性が不足し、チップの外への樹脂組成物の浸み出し（フィレット）が不十分となり、接着性不足による信頼性の低下の恐れがある。また平均粒径が上限値を超えると液状封止樹脂組成物を塗布時にバンプ上にフィラーが残存した場合、バンプ接合時に接触不良を起こす恐れがある。また最大粒径に関しては、一般にバンプの高さは100μｍ以下であるため少なくとも液状封止樹脂組成物の塗布厚みはそのバンプの高さ以下にしなければならない。最大粒径が上限値を超えると塗布厚みにばらつきが大きくなりバンプ接合時に接合不良を起こす恐れがある。
【００１６】
本発明で用いる無機フィラーの種類は、例えば、窒化アルミ、アルミナ、シリカなどがあるが、熱放散性とコストの面からシリカ粒子が好ましく、低放射線性であればより好ましい。形状は球状、破砕状、フレーク状等があるが、フィラーの高充填化により線膨張係数の低減化が図られる為、球状であることが好ましい。無機フィラーの添加量は、全組成物に対して10〜80重量％が望ましい。下限値未満だと、耐湿性や硬化物の線膨張係数が大きくなり、上限値を越えると結果として得られる組成物の粘度が高くなり過ぎ、流動特性が悪化する恐れがある。
【００１７】
また本発明で用いる溶剤はエポキシ樹脂を溶解するものであり、且つフラックス作用を有する硬化剤に対し貧溶媒であることが必要である。その例としては、例えば、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂／２個以上のフェノール性水酸基と１分子当たり少なくとも１個以上の芳香族カルボン酸を有する固形の化合物の場合には、ヘキサン、ヘプタン、ソルベントナフサ等の脂肪族炭化水素、ブチルセルソルブアセテートやブチルカルビトールアセテート等の水への溶解性が低いエステル類などが挙げられるが、実際にはエポキシ樹脂、フラックス作用を有する硬化剤への溶解性を調べて決められるものである。
この様な溶剤を選択することによりフラックス作用を有する硬化剤が固形のまま系中に分散するため、Ｂ−ステージ後は再溶融性が安定する。
【００１８】
固形エポキシ樹脂とフラックス作用を示す硬化剤の混合比は、重量比で２〜２０の範囲で固形エポキシ樹脂が多い方が好ましい。上限値より高いと充分なフラックス活性が発現しにくく、また下限値より低い場合はＢ−ステージ状態にすることが困難となる可能性がある。
【００１９】
液状封止樹脂組成物には、前記の必須成分の他に必要に応じてダイシング時の剥離、欠けを防ぐため液状封止樹脂組成物に可塑性ポリマー、他の硬化剤、反応を促進するための触媒、希釈剤、顔料、カップリング剤、難燃剤、レベリング剤、消泡剤等の添加物を用いても差し支えない。
【００２０】
本発明で用いる液状封止樹脂組成物の製造例としては、まず予め溶剤で溶解させたエポキシ樹脂、フラックス作用を有する硬化剤、その他の添加剤を秤量し、ロール混練等を用いて均一分散させる。さらに脱泡して作製する。
【００２１】
本発明の液状封止樹脂組成物を用いて半導体素子を組み立てる方法は、まずウエハー上に電気回路が形成された多数個の半導体素子にバンプを形成させた後、液状封止樹脂組成物を回路形成面のウエハー全体に塗布する。液状封止樹脂組成物を塗布する方法は、印刷、ディスペンス、スピンコートが使用することができる。
塗布後に樹脂をＢ−ステージ化する。その方法としては、オーブン、真空乾燥機等既存の方法を用いることができる。その場合、温度はエポキシ樹脂にフラックス作用を有する硬化剤が溶解しない温度にすることが好ましい。例えば、先に述べたビスフェノールＡ型エポキシ樹脂／２，５ジヒドロキシ安息香酸の場合は１２０℃程度で溶解するのでそれ以下の温度であることが好ましい。あまり高い温度でＢ−ステージ化すると硬化剤がエポキシ樹脂に溶解し均一化するため保存性が著しく劣るためである。
本発明におけるＢ−ステージの定義は、Ｂ−ステージ後常温以下の温度条件下で少なくとも一ヶ月以上保管し、その後再加熱して樹脂が再溶融し、接続できることをいう。
【００２２】
ウエハー状態で電気的試験をする場合はこの後バンプについた樹脂を取り除くこともできる。その方法としては物理的研磨、プラズマなどによるアッシング、溶剤等により除去する等が挙げられる。
次にウエハーをダイシングして素子を個片化する。
更に、塗布された素子を基板に接合する。その方法はパルスヒート、リフロー法等により行われる。
半田はフラックス作用を有する硬化剤により表面が活性化され、基板の金属端子と接合する。同時に液状封止樹脂組成物が溶融して封止も行われる。硬化が不十分な場合は接合後、ポストベークを行うこともできる。
【００２３】
【実施例】
＜実施例１＞
ビスフェノールＡエポキシ樹脂（エポキシ当量２５０）70重量部を溶剤として30重量部のブチルセロソルブアセテートに溶解させたワニス100重量部、2,5ジヒドロキシ安息香酸16重量部、硬化促進剤として2-フェニル-4-エチルエチルイミダゾール0.2重量部、フィラーとして球状シリカ（平均粒径0.8μｍ、最大粒径20μｍ）80重量部を秤量し３本ロールにて混練・分散後、真空脱泡処理を行い液状封止樹脂組成物を作製した。作製した液状封止樹脂組成物を、高さ８０μｍの半田バンプが形成されたウエハー（厚み350μｍ）にメタルマスクによる印刷法によりウエハー（個片化したあとそれぞれのチップで接続性が調べられるようなデイジーチェーンの回路が形成してあるもの、バンプ配列（フルアレイ、バンプ数：４００）上に作製した液状封止樹脂組成物を塗布した。その後８０℃、９０分でＢ−ステージ化を行なった。最終厚みはバンプ高さとほぼ同じ約８０μｍであった。次にダイシングソーを用いてウエハーを素子毎に個片化した（チップサイズ6x6mm）。カット面付近にＢ−ステージ化した液状封止樹脂組成物層に割れ、欠けは見られなかった。次に最高温度２２０℃、最低温度１８３℃で６０秒のＩＲリフロー炉に通し１０ｍｍ角の有機基板に素子を仮圧着した。半田ボールの基板への接合と同時に行うことができた。
更にポストベークとして１５０℃、１時間硬化させた。樹脂は素子の外側まで流動しフィレットが形成されており封止が完了していた。更に、Ｂ−ステージ化した後、１ヶ月、２ヶ月それぞれ常温にて保存したものを同様に接合を行い、初期と同様に樹脂組成物封止と接合を同時に行うことができた。接続はデイジーチェーンにより調査した。
更に得られたパッケージの信頼性として熱衝撃試験を行い、すべてのバンプの接続信頼性を調べた。試験条件は−４０℃〜１２５℃、1000サイクルである。
【００２４】
＜実施例２＞実施例１における硬化剤を、１，４ジヒドロキシナフトエ酸１６重量部とした以外は実施例１と同様に液状封止樹脂組成物を調製し実施例１と同様の評価を行った。＜実施例３＞実施例１における溶剤をヘプタンに変えた以外は実施例１と同様に液状封止樹脂組成物を調製し実施例１と同様の評価を行った。
【００２５】
＜比較例１＞
実施例１において溶剤としてγ―ブチロラクトンとした以外は実施例１と同様に液状封止樹脂組成物を調製し実施例１と同様の評価を行った。
＜比較例２＞
実施例１で用いたウエハー(樹脂塗布せず)を６ｍｍ角のチップにカットし、ノンクリーニングフラックス剤を用い、リフローを用いて有機基板に接合したその後、液状エポキシ樹脂/芳香族アミン系であるアンダーフィル材（住友ベークライト製CRP-4152）を充填、硬化させ、実施例１と同様の評価を行った。
【００２６】
＜評価方法＞
溶解性１：溶剤100ｇに対して100重量％のエポキシ樹脂を加えたときの溶解試験（常温）
溶解性２：溶剤100ｇに対して10重量％のフラックス作用を有する硬化剤を加えたときの溶解試験（常温）
封止性：最終的に硬化した際に樹脂がチップの外周部にはみ出しすべてのチップの側面にフィレットを形成することを良好とし、それ以外を不良とした。
接続性１（試験個数各５）：液状封止樹脂をＢ−ステージ化した直後に封止、接続を行ったときの半田接合性（デイジーチェーンによる接続性確認）を調べた。判定はすべての導通が取れたものを良好、その他を不良とした。
接続性２（試験個数各５）：液状封止樹脂をＢ−ステージ化した後に常温で１ヶ月保管し、その後、封止、接続を行ったときの半田接合性（デイジーチェーンによる接続性確認）を調べた。判定はすべての導通が取れたものを良好、その他を不良とした。
接続性３（試験個数各５）：液状封止樹脂をＢ−ステージ化した後に常温で２ヶ月保管し、その後、封止、接続を行ったときの半田接合性（デイジーチェーンによる接続性確認）を調べた。判定はすべての導通が取れたものを良好、その他を不良とした。
接続性４（試験個数各５）：接続性１を行ったサンプルを用い熱衝撃試験を行なった後の半田接合試験（デイジーチェーンによる接続性確認）を調べた。判定はすべての導通が取れたものを良好、その他を不良とした。
パッケージ組み立て工数：ウエハー状態から封止されるまでの工数。
【００２７】
評価結果を表１に示す。
【表１】
【００２８】
【発明の効果】
本発明の組立方法に従うと個片素子をアンダーフィル材で充填する方法に比べ製造工程を大幅に短縮化することができ、また、ウエハー工程の一環としてウエハー上への樹脂形成も可能となる。更にＢ−ステージ化した樹脂組成物は従来の硬化剤を用いた場合に比べ半田接合と樹脂封止が同時に行える。また途中工程での長期保存も可能となるため工業的メリットは大きい。

Claims (8)

1. ２官能以上の固形エポキシ樹脂、フラックス作用を有する固形硬化剤、硬
   化促進剤、及び溶剤を有する液状封止樹脂組成物において、フラックス作用を有する固形硬化剤が１分子あたり少なくとも２個以上のフェノール性水酸基と１分子当たり少なくとも１個以上の芳香族カルボン酸を有する化合物であり、溶剤が固形エポキシ樹脂に対し良溶媒性であり、フラックス作用を有する硬化剤に対し貧溶媒性であるヘキサン、ヘプタン、ソルベントナフサ、ブチルセルソルブアセテート、ブチルカルビトールアセテートから選ばれたものであることを特徴とする液状封止樹脂組成物。
2. ２官能以上の固形エポキシ樹脂がエポキシ当量２００以上である請求項１記載の液状封止樹脂組成物。
3. ２官能以上の固形エポキシ樹脂とフラックス作用を有する硬化剤の重量比が、固形エポキシ樹脂／フラックス作用を有する固形硬化剤で２以上２０以下である請求項１又は２記載の液状封止樹脂組成物。
4. 液状封止樹脂組成物が、平均粒径が０．５μｍから１２μｍ、かつ最大粒
   径が５０μｍ 以下である無機フィラーを含む請求項１に記載の液状封止樹脂組成物。
5. 請求項１又は４に記載の液状封止樹脂組成物を用いて製作された半導体装置。
6. １）基板と電気的接合させるための半田バンプを有する多数個の半導体素
   子が形成されたウエハーに請求項１又は４に記載の液状封止樹脂組成を塗布する工程、２）該液状封止樹脂組成物をＢ−ステージにする工程、３）該ウエハーをダイシングし、半導体素子を個片化する工程、４）個片化した半導体素子と基板と接合し同時にＢ−ステージ化した樹脂組成物を加熱溶融させた後冷却することによる圧着工程からなることを特徴とする半導体素子の組立方法。
7. 液状封止樹脂組成物を塗布する工程が、スピンコート法、印刷法、ディス
   ペンス法のいずれかにより行われる請求項６記載の半導体素子の組立方法。
8. 請求項６に記載の半導体素子の組立方法を用いて製作された半導体装置。