JP4112306B2 - 液状封止樹脂組成物及びこれを用いた半導体装置並びに半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、信頼性に優れ、半導体装置の各部材に対する濡れ性が良好であり、かつ組み立て工程を簡略できる半導体封止用の液状樹脂組成物であり、液状樹脂組成物で封止された半導体装置及び半導体装置の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年半導体パッケージの軽薄短小化の技術革新は目覚しいものがあり、さまざまなパッケージ構造が提唱され、製品化されている。従来のリードフレーム接合に代わり、半田のような突起電極により、回路基板に接合するエリア実装方式は特に重要である。
【０００３】
その中で半導体チップの回路面に直接突起電極が具備されたフリップチップはパッケージを最小化できる方法のひとつである。フリップチップ実装は、半田電極の場合、半田電極の表面の酸化膜を除去するためにフラックスで処理した後リフロー等の方法で接合する。その為半田電極、回路基板等の周囲にフラックスが残存し、不純物として問題となるためフラックスを除去する洗浄を行った後液状封止を行う。その理由としては、直接回路基板(マザーボード)に突起電極で接合するため、温度サイクル試験のような信頼性試験を行うと、チップと回路板の線膨張係数の差により電極接合部の電気的不良が発生するためである。
【０００４】
液状樹脂による封止は、チップの一辺または複数面に液状封止樹脂を塗布し毛細管現象を利用して樹脂を回路板とチップの間隙に流れ込ませる。しかしこの方法はフラクッス処理、洗浄を行うため工程が長くなりかつ洗浄廃液の処理問題等環境管理を厳しくしなければならない。更に液状封止を毛細管現象で行うため封止時間が長くなり、生産性に問題があった。
【０００５】
そこで直接回路基板に樹脂を塗布し、はんだ電極を持ったチップをその上から搭載し半田接合と樹脂封止を同時に行う方法が考案された（米国特許US 5,128,746）。この場合、半田を回路基板に接合させるために、熱硬化製樹脂、硬化剤からなる樹脂組成物にフラックス作用を有する成分を添加することが特徴である。しかし、フラックス作用を有する物質として、酸性度の強いカルボン酸が例示されており、封止樹脂に添加する場合はイオン性不純物または電気伝導性が増加する恐れがあり、特に吸湿処理したときの封止材料の絶縁性に問題を起こす可能性があった。
【０００６】
上記問題点を解決するために、硬化剤とフラックス活性を同時に有する化合物を用いることによりフラックス活性物質を最終的に熱硬化マトリックスの中に取り込み、信頼性の高い半導体素子を得る方法が検討されている。その中で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個以上のカルボン酸基を有する化合物はフラックス活性を有し、且つ硬化剤としての役割を示すことが見出されている(特開２００１−１０６７７０号)。
【０００７】
直接回路基板に樹脂を塗布し、はんだ電極を持ったチップをその上から搭載し半田接合と樹脂封止を同時に行う方法であると、封止樹脂は硬化前から半田接合のための高温炉にさらされる為、封止樹脂材料由来の揮発性ボイドや有機基板などからの揮発性ガスによるボイドが半導体装置内に残ったり、封止樹脂材料を受ける回路基板に、直接液状封止樹脂組成物を塗布し、電極が電気接合されるように回路基板と半導体チップとを位置合わせするという特徴的な組立方法から、巻き込みエアを内包してしまい、それがボイドとして残り信頼性を低下させてしまうという懸念点があった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、液状樹脂組成物を用いて半導体チップ、特に回路面に突起電極を有する半導体チップを封止するエリア実装法において、従来と同様に電気絶縁性に優れ、封止時間が短く、また本液状樹脂材料組成物において、材料と半導体装置とのなじみ性を向上させ、巻き込みエアを発生しにくくすると共に、今まで困難であったボイドフリー化ができる樹脂組成物とその製造方法を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、
（１） （Ａ）１分子あたり２個以上のエポキシ基を有するエポキシ樹脂、（Ｂ）フラックス性を有し、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個以上のカルボン酸基を有する化合物、（Ｃ）硬化促進剤及び（Ｄ）レベリング剤を有する液状封止樹脂組成物であって、前記化合物（Ｂ）が２，３−ジヒドロキシ安息香酸、２，４−ジヒドロキシ安息香酸、２，５−ジヒドロキシ安息香酸、２，６−ジ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、ジフェノール酸から選ばれるものであり、前記レベリング剤（Ｄ）がジエチルエーテル系シロキサン、ジプロピルエーテル系シロキサン、アクリル系シロキサンから選ばれることを特徴とする液状封止樹脂組成物、
（２） 全エポキシ樹脂１００重量部に対してレベリング剤０．０１重量部〜１重量部含んでなる（１）項記載の液状封止樹脂組成物、
（３） 液状封止樹脂組成物がエリア実装方式に使用される（１）項記載の液状封止樹脂組成物、
（４） （１）項に記載の液状封止樹脂組成物を用いて製造された半導体装置、
（５） 回路基板に、回路面に突起電極が具備された半導体チップを接合するエリア実装法において、回路基板または半導体チップの回路面（突起電極形成面）かつ又はこれを受ける回路基板に、（Ａ）１分子あたり２個以上のエポキシ基を有するエポキシ樹脂、（Ｂ）フラックス性を有し、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個以上のカルボン酸基を有する化合物、（Ｃ）硬化促進剤及び（Ｄ）レベリング剤を有する液状封止樹脂組成物であって、前記化合物（Ｂ）が２，３−ジヒドロキシ安息香酸、２，４−ジヒドロキシ安息香酸、２，５−ジヒドロキシ安息香酸、２，６−ジ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、ジフェノール酸から選ばれるものであり、前記レベリング剤（Ｄ）がジエチルエーテル系シロキサン、ジプロピルエーテル系シロキサン、アクリル系シロキサンから選ばれる液状封止樹脂組成物を塗布し、電極が電気接合されるように回路基板と半導体チップとを位置合わせしたのち、加熱することによって該突起電極と回路基板を電気的に接合し、樹脂を硬化させて製造することを特徴とする半導体装置の製造方法、
（６） （５）項に記載の半導体装置の製造方法を用いて製造された半導体装置である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明を詳細に説明する。本発明で用いられるエポキシ樹脂は、１分子あたり２個以上のエポキシ基を有するエポキシ樹脂であれば特に制限なく用いることができる。例えば、既存のビスフェノール系ジグリシジルエーテル類、またそれらの水素添加反応により芳香環を飽和炭化水素化したもの、フェノールノボラックとエピクロールヒドリンとの反応で得られるグリシジルエーテルで常温で液状のもの等、またはそれらを混合したものが挙げられる。またこれらの液状樹脂にジヒドロキシナフタレンのジグリシジルエーテル、テトラメチルビフェノールのジグリシジルエーテル等の結晶性のエポキシ樹脂を混合し、液状にしたものを使用することもできる。
【００１１】
次に本発明に用いられる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の例としては、２，３−ジヒドロキシ安息香酸、２，４−ジヒドロキシ安息香酸、２，５−ジヒドロキシ安息香酸、２，６−ジ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。この硬化剤としての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はフラックス性があり、エリア実装方式の樹脂封止用のエポキシ樹脂の硬化剤として好ましい。
ここで、フラックス性とは通常用いられているようなフラックス剤と同様に、金属酸化膜を還元し、その酸化膜を除去しうる性質を示す。
【００１２】
またこれらの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はいずれも結晶性であり、その最大粒径または最大長さは特に制限されないが３０μｍ以下であることが好ましい。上限値より大きいと結晶中に取り込まれた揮発分または結晶凝集物内に取り込まれた揮発分の量が多くなり、硬化中の急激な温度上昇により揮発分がボイドとなり、また、分散度が低下し、硬化物のむらが生成し、そこからひけを生じてしまう可能性があるからである。
【００１３】
本発明で使用される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のエポキシ樹脂に対する添加量は、エポキシ樹脂に対し５〜６０重量％、好ましくは５〜５０重量％である。この範囲を外れると、架橋密度が減少し、特に接着強度が低下するという問題が起こる。また添加量が多い場合はカルボン酸が遊離するおそれがあるので好ましくない。また該化合物は単独または複数添加する事もできる。
【００１４】
本発明の効果を損なわない範囲で本発明の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以外の硬化剤を添加することも可能である。その例としては、フェノールノボラック樹脂、オルソクレゾールノボラック樹脂等のフェノール樹脂、各種２官能以上のフェノール化合物、及びイミダゾール、ジアザ化合物、ヒドラジッド化合物、ジシアンジアミド等のアミン系化合物等が挙げられる。その添加量は全硬化剤中５０重量％以下であることが好ましい。これを上回るとフラックスとしての効果が減少する。
【００１５】
本発明で用いる硬化促進剤としては、一般的にエポキシ樹脂の硬化促進剤として用いられるものであり、例えば、イミダゾール類、リン化合物、ジアザ化合物、第三級アミン等をあげることができる。
【００１６】
発明で用いられるレベリング剤としては、ジエチルエーテル系シロキサン、ジプロピルエーテル系シロキサン、アクリル系シロキサンなどが用いられる。本発明に用いられるレベリング材料としては全エポキシ樹脂に対し０．０１重量部〜１重量部含むことが好ましい。０．０１重量部以下であるとそのなじみ性を向上させるような効果が発現せず、１重量部を越えると揮発成分の増加やなじみ性に逆効果を与えるなどの懸念点が多いためである。
【００１７】
本発明で樹脂組成物の特性を損なわない程度に、無機フィラーを用いることもできる。無機フィラーの例としては、例えば、炭酸カルシウム、シリカ、アルミナ、窒化アルミ等があげられる。用途によりこれらを複数混合してもよいが、信頼性、コストの点でシリカが好ましい。その添加量は特に制限がないが、 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組成物の６０重量％以下である。６０重量％を超えると、接合の際、絶縁性のフィラーが半導体素子の突起電極と回路板電極との接合を妨げる可能性が極度に増加するからである。
【００１８】
また無機フィラーの形状は球状であることが好ましい。いわゆる破砕型フィラーの場合はその鋭利な面により半導体素子表面の回路を破壊する恐れがあるからである。
無機フィラーの平均粒径としては特に制限されないが、０．１〜５μｍが好ましい。下限値より小さいと無機フィラーの表面積が増加し，粘度が増加する恐れがあり、上限値より大きいと半導体素子の接合を妨げる恐れがある。
【００１９】
本発明の液状封止樹脂組成物は、前記液状エポキシ樹脂、硬化剤、硬化促進剤、無機フィラー以外に、必要に応じて反応性希釈材、顔料、染料、消泡剤、カップリング材等の添加剤を混合し、真空脱泡することにより製造することができる。
【００２０】
本発明の液状封止樹脂組成物を用いて、フリップチップ、ＣＳＰ（チップ・サイズ・パッケージ）等の半導体素子を封止することが出来る。本発明の液状封止樹脂組成物ではフラックスを添加せず、例えば、直接回路基板に本発明の樹脂を塗布し、はんだ電極を持ったチップをその上から搭載して加熱硬化することにより半田接合と樹脂封止を同時に行うことが可能である。また、チップの上に本発明による樹脂を塗布し、回路基板の上に搭載して半田接合と樹脂封止を同時に行うことも可能である。
【００２１】
本発明の半導体装置の製造方法は、回路基板に、回路面に突起電極が具備された半導体チップを接合するエリア実装法において、（１）回路基板または半導体チップの回路面（突起電極形成面）かつ又はこれを受ける回路基板に、上記に記載の液状封止樹脂組成物を塗布する工程、（２）電極が電気接合されるように回路基板と半導体チップとを位置合わせする工程、（３）加熱することによって該突起電極と回路基板を電気的に接合し、樹脂を硬化させる工程である。
【００２２】
上記の液状封止樹脂組成物を塗布する方法は、ディスペンス法，印刷法等があり特に制限されない。樹脂を予備加熱する場合の条件は、４０〜１００℃、時間は１つのパッケージあたり１〜５分程度で搭載が行われる。電極の電気接合の為の加熱は，リフローやパルスヒート加熱，ホットプレートなどによる直接加熱のような方法等が挙げられ，特に制限されない。
半導体素子の製造及び半導体装置のその他の製造工程は従来の公知の方法を用いることが出来る。
【００２３】
【実施例】
＜実施例１−６、比較例１−３＞
表１の処方に従って秤量し、ミキサーにて混練し、真空脱泡後、液状樹脂組成物を作製した。
【００２４】
次に特性を把握するため以下の代用特性を評価した。
（１）常態粘度：２５℃において東機産業（株）製Ｅ型粘度計で初期粘度（コーン回転数２．５ｒｐｍ）及び２５℃における０．５ｒｐｍ/２．５ｒｐｍという比をチキソ比とした。
（２）ボイド評価：通常で使用されるプロセスを模倣する為に、ガラススライド上に適当量（フィラー系であれば２０〜２３ｍｇ，フィラーレス系であれば１５〜１７ｍｇ）液状樹脂組成物をディスペンスし、１０Ｘ１０ｍｍ□のバンプ（バンプ数９００）付きチップを澁谷工業製フリップチップボンダーにてマウントした。その後、リフロー（ピーク２１５℃）を用いて接合状態と同じように熱履歴をかけた後、１５０℃/２ｈｒ後硬化した後、ボイドの発生具合を顕微鏡にて観察し（試験数10）、ボイドが発生したサンプルをカウントした。
（３）接触角：リードフレーム（８０ピン銅）の上にそれぞれ材料組成物の液滴を滴下し，リードフレームとの接触角を測定することで、部材との濡れ性とした。
（４）半田バンプ接合率：住商化製品工業社製のバンプ付きチップ、また対となる厚み０．７５ｍｍの基板を用いて基板上に液状封止樹脂組成物を塗布し、澁谷工業社製フリップチップボンダーを用いて仮圧着させた。そのサンプルをピーク温度２３０℃、１８３℃以上の時間が６０ｓｅｃ、トータル時間が３００ｓｅｃのプロファイルを有するリフローに通してバンプの接合性をテスターにより観察し（試験数10）、接続不良数をカウントした。
【００２５】
実施例に用いた原材料の内容は下記のとおりである。
・ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂：粘度；２，０００ｃｐｓ（室温）
・アリル化ビスフェノールＡ：粘度；１，０００〜１０，０００ｃｐｓ（室温）
・ナフタレン骨格エポキシ樹脂：軟化点６０℃
・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：
２，５−ジヒドロキシ安息香酸、フェノールフタリン
・硬化促進剤：ジアザビシクロウンデセン（ＤＢＵ）
・レベリング剤：エレメンテス製，商品名ダブロＳ６５、日本ユニカ製，商品名ＳＩＬＷＥＴ８０６
・球状シリカ：平均粒径：２μｍ、最大粒径：１０μｍ
【００２６】
【表１】

【００２７】
表１に示したように、実施例１−４及び６では適当量のレベリング剤の添加により濡れ性が向上（接触角が低下）することで部材とのなじみ性が向上し、巻き込みエアなどのボイドを発生させることなくPKG化することが可能であった。また、これによりフェノール系硬化物に稀に見られるひけなどの現象が、部材とのなじみ性が向上することで発生しにくくなったことも原因の一つであると考えられる。
また，実施例５ではフィラー系であるため、接続性に若干の懸念点を残すものの、微小巻き込みエアと思われるボイドを含むサンプルもあったが、概ね良好な結果を示した。
一方、比較例１―３ではレベリング剤が含まれていない為に接触角が高く，部材とのなじみ性が劣り、巻き込みエアと思われるボイドを多く含んでしまったと考えられる。
以上の結果から、本樹脂系において、高熱プロセスを踏まえる本半導体装置の組立方においても、巻き込みエア、材料ひけなどのボイドを含むことなく良好な半導体装置の組立を達成できることが見いだされた。
【００２８】
【発明の効果】
本発明に従うとエリア実装素子を回路基板に直接実装することができ、封止プロセスの短縮化とともに、ボイドフリー化の達成かつ良好な接続信頼性を与える封止樹脂を提供でき、パッケージとしての信頼性も向上する。

Claims (6)

1. （Ａ）１分子あたり２個以上のエポキシ基を有するエポキシ樹脂、（Ｂ）フラックス性を有し、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個以上のカルボン酸基を有する化合物、（Ｃ）硬化促進剤及び（Ｄ）レベリング剤を有する液状封止樹脂組成物であって、前記化合物（Ｂ）が２，３−ジヒドロキシ安息香酸、２，４−ジヒドロキシ安息香酸、２，５−ジヒドロキシ安息香酸、２，６−ジ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、ジフェノール酸から選ばれるものであり、前記レベリング剤（Ｄ）がジエチルエーテル系シロキサン、ジプロピルエーテル系シロキサン、アクリル系シロキサンから選ばれることを特徴とする液状封止樹脂組成物。
2. 全エポキシ樹脂１００重量部に対してレベリング剤を０．０１重量部〜１重量部含んでなる請求項１記載の液状封止樹脂組成物。
3. 液状封止樹脂組成物がエリア実装方式に使用される請求項１記載の液状封止樹脂組成物。
4. 請求項１に記載の液状封止樹脂組成物を用いて製造された半導体装置。
5. 回路基板に、回路面に突起電極が具備された半導体チップを接合するエリア実装法において、回路基板または半導体チップの回路面（突起電極形成面）かつ又はこれを受ける回路基板に、（Ａ）１分子あたり２個以上のエポキシ基を有するエポキシ樹脂、（Ｂ）フラックス性を有し、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個以上のカルボン酸基を有する化合物、（Ｃ）硬化促進剤及び（Ｄ）レベリング剤を有する液状封止樹脂組成物であって、前記化合物（Ｂ）が２，３−ジヒドロキシ安息香酸、２，４−ジヒドロキシ安息香酸、２，５−ジヒドロキシ安息香酸、２，６−ジ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、ジフェノール酸から選ばれるものであり、前記レベリング剤（Ｄ）がジエチルエーテル系シロキサン、ジプロピルエーテル系シロキサン、アクリル系シロキサンから選ばれる液状封止樹脂組成物を塗布し、電極が電気接合されるように回路基板と半導体チップとを位置合わせしたのち、加熱することによって該突起電極と回路基板を電気的に接合し、樹脂を硬化させて製造することを特徴とする半導体装置の製造方法。
6. 請求項５に記載の半導体装置の製造方法を用いて製造された半導体装置。