JP4047613B2 - 液状封止樹脂及びそれを用いた半導体装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体を封止する液状樹脂に関し、特にフリップチップを封止するためのアンダーフィル材、及びそれを用いた半導体装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年バンプ接合によるフリップチップ実装技術が著しい成長を見せている。その応用分野はモバイル関連に用いられるチップスケールパッケージ（ＣＳＰ）やＣＰＵの様な大型パッケージと様様なアプリケーションに応用されている。これらのパッケージは一般にチップと基板(インターポーザー)をバンプ接合によって接続しているため外的強度に弱く、アンダーフィル材と呼ばれる封止材をその隙間に充填することにより保護、パッケージを強化している。
【０００３】
その中で特に大型パッケージ用途に関しは、アンダーフィル材の硬化収縮による影響によりチップの反りが起こり半田バンプへのストレスがかかり、バンプクラック等の不良が起こる恐れがあり問題であった。これを解決する為にはアンダーフィル材に低応力性が必要となる。一般に低応力性、即ちそりを改善するためには弾性率を下げることが有効である。しかし、殆どの場合同時にガラス転位温度や熱時弾性率も低下する。これらの特性低下は熱衝撃試験のような環境下にパッケージが置かれ、特に高温に曝されている場合、半田の周囲のアンダーフィル層がやわらかいため、半田に対する形状保持性が低下し半田の変形を生じることがあった。
【０００４】
更には冷却時の応力発生に耐えられなくなり、半田の破壊、クラックが生じてしまう恐れがあった。
反りに関する対応技術として、特開２０００−３０２９４７号公報に示すように、ジシロキサン構造を有するシリコーン変性液状エポキシ樹脂と液状ポリフェノール、硬化促進剤、無機フィラーからなる液状封止樹脂組成物がある。しかし熱時弾性率が非常に低いため厳しい試験条件による熱衝撃試験では、半田の変形且つまたは半田クラックが生じてしまう問題があった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
半導体装置において、従来の特性を維持しながら、パッケージの反りが小さくバンプにかかる応力を減少させ、さらに半田工程において、半田クラックが発生しない長期信頼性に優れたパッケージ用の液状封止樹脂組成物を提供する。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
即ち本発明は、エポキシ樹脂が脂肪族グリシジルエーテル基を有するエポキシ樹脂を含み、活性水素を有する硬化剤、イミダゾール類、無機フィラーを有する液状封止樹脂組成物であって、該液状封止樹脂組成物中の脂肪族グリシジルエーテル基を有するエポキシ樹脂が、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂の水添化合物及びビスフェノールＦ型エポキシ樹脂の水添化合物から選ばれた脂環式エポキシ樹脂であるものであり、エポキシ樹脂の総エポキシ基数をａ、該活性水素を有する硬化剤の活性水素数をｂとしたとき、１．４７＜ａ／ｂ＜４である液状封止樹脂組成物である。更に好ましい形態としては、さらに、前記エポキシ樹脂が芳香族グリシジルエーテル基を有するエポキシ樹脂を含むものである。
【０００７】
活性水素を有する硬化剤が一般式（２）で示されるフェノール樹脂である液状封止樹脂組成物である。
【化４】

Ri(i＝１,２,３,４) ：水素、炭素数１〜３のアルキル基又はアリル基、ｎ＝０が７０〜 ８０％
【０００８】
また、液状封止樹脂の硬化物の１２５℃における熱時動的粘弾性が２０MPa以上である液状封止樹脂である。
また、上記の液状封止樹脂を用いて封止された半導体装置である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明で用いられるエポキシ樹脂は、グリシジルエポキシ樹脂であり、この中では脂肪族グリシジルエーテル基を有するエポキシ樹脂、芳香族グリシジルエーテル基を有するエポキシ樹脂が好ましい。
芳香族グリシジルエーテル基を有するエポキシ樹脂の例としては、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Ｆ型エポキシ樹脂、ナフタレンジオールのジグリシジルエーテル等各種フェノール化合物のグリシジルエーテル等が挙げられる。
【００１０】
脂肪族グリシジルエーテル基を有するエポキシ樹脂の例としては、例えば、脂肪族ジオールのジグリシジルエーテル、脂肪族トリオールのトリグリジシルエーテル、両末端水酸基を有するポリアルキルエーテルのジグリシジルエーテル、グリセリントリグリシジルエーテル、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂の水添化合物、式（１）で示されるシリコーン変性エポキシ樹脂等が挙げられる。
【００１１】
式（１）のエポキシ樹脂の場合、硬化中のアウトガス発生やブリードが起き易い為、以下のような変成樹脂にすることが好ましい。即ち、式（１）で示されるシリコーン変性エポキシ樹脂とビスフェノール類とを加熱反応により生成されたものである。式（１）で示されるシリコーン変性エポキシ樹脂とビスフェノール類の反応としては、式（１）のエポキシ樹脂（Ａ）とビスフェノール類（Ｂ）とを混合し、必要により溶媒、反応触媒を加え１００℃以上、１時間以上の条件で反応させる。
モル比｛（Ａ）のエポキシ基数／（Ｂ）の水酸基数｝としては、エポキシ基の過剰の下での加熱反応が好ましく、（Ａ）／（Ｂ）が１〜１０であることがより好ましい。これは当量比が１未満であるとエポキシ基が残存しないので硬化剤を添加してももはや反応しないためであり、１０を越えると未反応原料のシリコーンエポキシ樹脂が残り、硬化中にアウトガスやブリードにより周辺部材を汚染する恐れがあるからである。
特に前記２種のエポキシ樹脂を混合した場合、本発明の目的である低反り性、高熱時弾性率が発現できるので好ましい。
【００１２】
この場合、脂肪族グリシジルエーテル基を有するエポキシ樹脂c(重量部)と芳香族グリシジルエーテル基を有するエポキシ樹脂ｄ(重量部)の混合比は特に限定されないが、好ましい比率としては、０．２＜d／（d+c）＜０．８である。下限値を下回ると熱時動的弾性率の向上の効果が低くなる恐れがあり、上限値を上回ると反りが大きくなる恐れがある。
【００１３】
次に本発明に用いられる硬化剤は活性水素を有するものである。その例としては、例えば、フェノール樹脂類、芳香族アミン類、フェノール酸類、ヒドラジッド類、ジシアンジアミド等が挙げられる。尚、脂肪族アミンは液状封止樹脂のポットライフが短いため好ましくない。
この中でフェノール樹脂は信頼性において優れているが、より好ましい構造としては式（２）に示されるフェノール樹脂である。特にアリル基を有する樹脂は低粘度であり、アンダーフィル材のような用途に対して好ましい。尚、粘度は核体数ｎやベンゼン環置換基の種類により制御することができる。
【００１４】
硬化剤の添加量については、総エポキシ基数ａ、硬化剤の活性水素基数をｂとした時、その比ａ／ｂは、１．２＜ａ／ｂ＜４であることが好ましい。その比が下限値を下回ると熱時弾性率の向上が期待できず、上限値を超えると、硬化時間が長くなり、且つ封止直後の反りの増大を招いてしまう為である。
【００１５】
次に硬化促進剤としてイミダゾール類を用いる。これはイミダゾール類はエポキシ樹脂とフェノール樹脂の反応を促進するだけでなく、芳香族エポキシ樹脂に対しては優先的に架橋剤としての役割もおこなう。
イミダゾール類としては、例えば、イミダゾール、２−メチルイミダゾール、２−エチルイミダゾール、２−エチル−４−メチルイミダゾール、２−フェニルイミダゾール、２−フェニル−４−メチルイミダゾール、１−ベンジル−２−メチルイミダゾール、１−ベンジル−２−エチルイミダゾール、１−ベンジル−２−エチル−５−メチルイミダゾール、２−フェニル−４−メチル−５−ヒドロキシジメチルイミダゾール等が挙げられる。その添加量は、総エポキシ樹脂１００重量部に対して、５重量部以下であることが好ましい。５重量部を越えると硬化が急激に起こることによるパッケージ反りが増大してしまうからである。
【００１６】
本発明で用いられる無機フィラーの例としては、絶縁性であることが好ましく、例えば、炭酸カルシウム、シリカ、アルミナ、窒化アルミ等挙げられる。用途によりこれらを複数混合してもよいが、信頼性、コストの点で絶縁性の場合シリカ且つ形状は球状であることが好ましい。その添加量は特に制限はないが、封止樹脂としての特性（耐湿性、作業性等）を保つため液状封止樹脂の３０〜９０重量％であることが好ましい。下限値より低いと熱時弾性率が低下する恐れがあり、上限値を上回ると製品粘度が高すぎ、流動性等作業性に支障をきたす恐れがある。
【００１７】
次に液状封止樹脂のより好ましい物性としては、熱時弾性率が２０MPa以上であることである。熱衝撃試験の最大温度における熱時弾性率が重要である。熱衝撃試験における最大温度は１００〜１５０℃程度であるが１２５℃が一般的である。しかし１５０℃での弾性率はほぼ飽和値であるため１２５℃における熱時弾性率で代表できる。この熱時弾性率が２０MPa未満であると信頼性試験においてバンプの変形、又はクラックを引き起こしてしまう。尚、熱時弾性率の測定方法は動的粘弾性試験により測定される。測定のためのパラメーターとして代表的な変位周波数は１０Hzが用いられる。
【００１８】
本発明の液状封止樹脂は、前記樹脂、硬化剤、イミダゾール類と無機フィラー以外に、必要に応じてイミダゾール類以外の硬化促進剤、顔料、染料、レベリング剤、消泡剤、カップリング剤等の各種添加剤を混合し、真空脱泡することにより製造することができる。
本発明の液状封止樹脂を用いて半導体装置を製作する方法は、公知の方法を用いることができる。
【００１９】
本発明の液状封止樹脂を用いると、特にアンダーフィル材としての用途で且つ大型チップの場合、封止樹脂の硬化後の反りが小さく、且つ熱時弾性率が向上するため、熱衝撃試験等におけるバンプ変形、クラックが起きないため、信頼性に優れた半導体装置となる
【００２０】
【実施例】
＜実施例１＞
脂肪族グリシジルエーテル基を有するエポキシ樹脂としてビスフェノールＡ型エポキシ樹脂の水添化合物(エポキシ当量：２１０、商品名：ＥＸＡ−７０１５、大日本インキ工業製)５０重量部、芳香族グリシジルエーテル基を有するエポキシ樹脂としてビスフェノールＡ，Ｆ混合エポキシ樹脂(エポキシ当量１６０、ＥＸＡ−８３０ＬＶＰ，大日本インキ工業社製)５０重量部、硬化剤として液状フェノール樹脂（式（２）においてRiの一つがアリル基、水酸当量１４１、商品名ＭＥＨ−８０００（明和化成株式会社製））３９重量部、イミダゾール類として２−フェニル４−メチルイミダゾール０．５重量部、カップリング材としてエポキシ基含有アルコキシシラン（ＫＢＭ−４０３Ｅ、信越化学工業社製）３重量部、無機フィラーとして最大粒径１０μｍ、平均粒径２μｍの球状シリカフィラー１４２重量部を三本ロールにて混錬、脱泡後液状封止樹脂を得た。
【００２１】
硬化物物性としては動的粘弾性試験により１２５℃における弾性率を測定した。（試験片サイズ：５０ｍｍ×４ｍｍ×０．１ｍｍ、変位周波数：１０Hz）
次にパッケージ評価としてＢＴ基板に接続されたフリップチップを用いた。フリップチップの仕様は以下のとおりである。
チップサイズ：２０ｍｍ角
パッシベーション：ポリイミド樹脂
バンプ高さ：８０μｍ
バンプピッチ：２５０μｍ
バンプ配置：フルアレイ
バンプ：共晶半田
ディジーチェーンによる接続試験可能
【００２２】
封止はパッケージを１００℃の熱盤に載置し、液状封止樹脂をチップの一辺に塗布し封止を行なった後、オーブンにて硬化させた（１５０℃、９０分）。次にパッケージの接触式表面粗さ計を用いて対角線方向に変位を調べ、その最大変位を反り量とした。
さらに、パッケージを熱衝撃試験（温度条件；−５５℃／３０分〜１２５℃／３０分、５００、１０００、１５００サイクル）に曝した後、ディジーチェーンによる接続性を調べた(試験片数：１０)。判定基準はチップクラックの数、１パッケージにおいて一箇所でも接続不良が出たものに関しカウントした。
【００２５】
＜比較例１＞
実施例１においてフェノール樹脂８２重量部、無機フィラーを１８５重量部とした以外は実施例１と同様に液状封止樹脂を調整し、実施例１と同様の試験を行なった。
＜比較例２＞
実施例２においてフェノール樹脂６０重量部、無機フィラーを１６３重量部とした以外は実施例２と同様に液状封止樹脂を調整し、実施例１と同様の試験を行なった。
＜比較例３＞
市販アンダーフィル材として住友ベークライト社製ＣＲＰ−４１５２Ｓ（芳香族グリシジルエーテル型エポキシ樹脂／芳香族アミン系、エポキシ基／活性水素＝１．０、球状シリカ６０％含有）を用いて実施例１と同様に試験を行なった。
【００２６】
【表１】

＊１：バンプ変形またはバンプクラック
＊２：チップクラック
＊３：総エポキシ基数／総活性水素数。変成物のエポキシ基数は反応時の式（１）の仕込みのエポキシ基とフェノール化合物の水酸基の差により計算した。
＊４：良品数／試験実施個数
【００２７】
実施例では硬化後の反りの値が小さく、且つ熱時弾性率が高いため熱衝撃試験において不良は全くおきなかった。
比較例１では熱時弾性率が低いために熱衝撃試験において徐々にバンプへの応力が蓄積し、バンプ変形又はバンプクラックが生じた。
比較例２では硬化後の反りが大きいためにパッケージ全体に応力がかかり熱衝撃試験においてチップクラックが生じた。
【００２８】
【発明の効果】
本発明に従うと、特に大きいサイズのフリップチップパッケージの封止に対し、反りが小さくバンプにかかる応力を最小化し、さらに熱衝撃試験において、高温時のバンプにかかる応力を低減できるため長期信頼性に優れたパッケージを提供することができる。

Claims (5)

1. エポキシ樹脂が脂肪族グリシジルエーテル基を有するエポキシ樹脂を含み、活性水素を有する硬化剤、イミダゾール類、無機フィラーを有する液状封止樹脂組成物であって、該液状封止樹脂組成物中の脂肪族グリシジルエーテル基を有するエポキシ樹脂が、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂の水添化合物及びビスフェノールＦ型エポキシ樹脂の水添化合物から選ばれた脂環式エポキシ樹脂であるものであり、エポキシ樹脂の総エポキシ基数をａ、該活性水素を有する硬化剤の活性水素数をｂとしたとき、１．４７＜ａ／ｂ＜４であることを特徴とする液状封止樹脂組成物。
2. さらに、前記エポキシ樹脂が芳香族グリシジルエーテル基を有するエポキシ樹脂を含むものである請求項１記載の液状封止樹脂組成物。
3. 活性水素を有する硬化剤が一般式（２）で示されるフェノール樹脂である請求項１記載の液状封止樹脂組成物。
   

   

   Ri(i＝１,２,３,４)：水素、炭素数１〜３のアルキル基又はアリル基、ｎ＝０が７０〜８０％
4. 液状封止樹脂組成物の硬化物の１２５℃における熱時動的粘弾性が２０ＭＰａ以上である請求項１記載の液状封止樹脂組成物。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の液状封止樹脂組成物を用いて封止された半導体装置。