JP4119356B2

JP4119356B2 - 半導体装置の製造方法及び半導体装置

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Publication number: JP4119356B2
Application number: JP2003415963A
Authority: JP
Inventors: 有史坂本; 悟桂山; 和哉永冨
Original assignee: Sumitomo Bakelite Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Bakelite Co Ltd
Priority date: 2003-12-15
Filing date: 2003-12-15
Publication date: 2008-07-16
Anticipated expiration: 2023-12-15
Also published as: JP2005175337A

Description

本発明は、半導体装置の製造方法及び半導体装置に関するものである。

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（マザーボード）に接合するエリア実装方式は特に重要である。

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、はんだ電極の場合、はんだ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。その為はんだ電極、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。

該パッケージの封止は、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。

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はんだ接合と樹脂封止を同時に行う方法が考案された（特許文献１参照）。この場合、はんだを回路基板に接合させるために、熱硬化性樹脂、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。
該方法は、はんだ融点まで急速に加熱するため、樹脂を硬化する際に、樹脂且つ又は基板から発生する揮発成分によるボイドの問題があった。

ボイドを解決するための方策としては
（１）樹脂中の加熱温度範囲で揮発する成分を極力低減する。
（２）温度プロファイルの最適化
（３）樹脂の各基材への濡れ性改良
（４）樹脂の硬化性の最適化
（５）基板の予備乾燥
等が検討されているが十分ではなかった。

また、特許文献１は熱硬化性樹脂／硬化剤の系に新たにフラックス活性を有する低分子化合物（例としては脂肪族カルボン酸等）を添加する事例が述べられている。しかし、該フラックス活性を有する化合物は封止されたパッケージが高温高湿化におかれたときの電気特性の低下が懸念される。そこで、フラックス活性及び硬化剤の機能を有する化合物の検討が行なわれている。例えばジヒドロキシカルボン酸類（特許文献２）、ジカルボン酸類等（特許文献３）である。これらの化合物はエポキシ樹脂の硬化剤として機能し且つカルボン酸がフラックス活性を示す。該硬化剤は反応すると熱硬化性樹脂のマトリックスとなるため前記電気特性に関する問題を抑えることができる。

本発明者らは、フラックス活性を有するジヒドロキシカルボン酸系硬化剤を詳細に検討したが、パッケージ信頼性として優れていることは確認したものの、はんだ接続、封止の工程において、ボイドの発生が起きることがわかった。特にはんだの融点が高い鉛フリーはんだの場合顕著であった。その原因として最も重要なのは、硬化剤の熱硬化性樹脂への溶解性であることがわかった。その溶解時に特にボイドの発生が認められたからである。従って、溶解する温度が高くなるにつれてその問題がより顕著になることが判明した。
また、一般に鉛フリーはんだは酸化され易いため、該硬化剤のフラックス活性では十分でなく、検討の余地があった。

更にボイドの問題に関して、近年の環境問題から鉛フリーはんだの使用が必須となり、該はんだは一般に溶融温度が従来のはんだ（融点１８３℃）よりかなり高くなるため、ボイドの無い封止を行うことは困難を極めていた。特に封止樹脂からの問題としては、１）鉛フリーはんだは固化後の表面状態が従来の錫−鉛はんだに比べ粗く、樹脂の濡れ性が不十分であることによる空隙から発生する。２）固形硬化剤のエポキシ樹脂への溶解温度が重要であることが判明した。
米国特許５，１２８，７４６号公報特開２０００−０７２０８３号公報特開２００２−２９３８８３号公報

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半導体装置の製造方法において、ボイドが少なくフラックス活性が高い液状封止樹脂組成物を用いて信頼性に優れた半導体装置を得ることである。

本発明者らは前述の解決法に関し鋭意検討を行い、ジヒドロキシカルボン酸に２官能以上のカルボン酸を含む硬化剤を添加することにより、ボイドの大幅な低減が可能となり、同時にフラックス活性についても信頼性を維持しつつ、その向上が認められ、本発明を完成させるに至った。

本発明の目的は、以下の（１）〜（４）に記載の本発明により達成できる。
（１）回路面にはんだ突起電極が形成された半導体チップ、または回路基板に、エポキシ樹脂組成物を塗布し、該エポキシ樹脂組成物を介して電極が電気接合されるように該突起電極が形成された半導体チップと回路基板とを位置合わせした後、はんだの融点以上に加熱し該突起電極が形成された半導体チップ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であって、前記エポキシ樹脂組成物が、（Ａ）常温で液状であり、１分子中にエポキシ基を２個以上含むエポキシ樹脂、（Ｂ）フラックス活性を有し、１分子中に少なくとも２個のフェノール性水酸基と１個の芳香族カルボキシル基を含む第１の硬化剤、（Ｃ）フラックス活性を有し、第１の硬化剤（Ｂ）より低い融点を有し、少なくとも２個以上のカルボキシル基を含んでなる第２の硬化剤、を必須成分とするものであり、更に第１の硬化剤（Ｂ）の融点が該はんだの融点＋３０℃以下−３０℃以上であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
（２）第１の硬化剤（Ｂ）の融点と第２の硬化剤（Ｃ）の融点との差が１０℃以上である（１）項記載の半導体装置の製造方法。
（３）第２の硬化剤（Ｃ）が第１及び第２の硬化剤（（Ｂ）＋（Ｃ））中に５重量％〜５０重量％含まれてなる（１）または（２）項記載の半導体装置の製造方法。
（４）（１）〜（３）項のいずれかに記載の半導体装置の製造方法を用いて製作された半導体装置。

本発明に従うと、鉛フリーはんだを用いた半導体チップの接合に際しても、ボイドの出ない封止を実現し、かつフラックス活性が高く接続信頼性に優れ、最終的に信頼性の高い半導体装置を提供することができ、また半導体装置の組立工程を簡略化できる。

本発明に用いるエポキシ樹脂は常温で液状であり、平均エポキシ基が２以上であれば、使用することができる。その例としては、ビスフェノールＡジグリシジルエーテル型エポキシ、ビスフェノールＦジグリシジルエーテル型エポキシ、ビスフェノールＳジグリシジルエーテル型エポキシ、ｏ−アリルビスフェノールＡ型ジグリシジルエーテル、３，３’，５，５’−テトラメチル４，４’−ジヒドロキシビフェニルジグリシジルエ
ーテル型エポキシ、４，４’−ジヒドロキシビフェニルジグリシジルエーテル型エポキ
シ、１，６−ジヒドロキシビフェニルジグリシジルエーテル型エポキシ、フェノールノボラック型エポキシ、臭素型クレゾールノボラック型エポキシ、ビスフェノールＤジグリシジルエーテル型エポキシ，１，６ナフタレンジオールのグリシジルエーテル、アミノフェノール類のトリグリシジルエーテル、等がある。これらは単独又は混合して用いても差し支えない。更にフェノールノボラック型エポキシ樹脂、固体のエポキシ樹脂を液状のエポキシ樹脂に溶解、又は分散しても構わない。また、信頼性の優れた液状封止樹脂組成物を得るために、エポキシ樹脂のＮａ⁺、Ｃｌ^-等のイオン性不純物はできるだけ少ないものが好ましい。

次に本発明に用いられる第１の硬化剤（Ｂ）は少なくとも２個のフェノール性水酸基と芳香族カルボキシル基を含むエポキシ樹脂の硬化剤である。その例としては、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、３，７−ジヒドロキシ−２−ナフトエ酸、フェノールフタリン、ジ゛フェノール酸等が挙げられ、これらは単独もしくは複数添加することができるる。何れもフラックス作用を有することが本発明に利用するための条件である。

また、これらの化合物は何れも吸湿し易くボイドの原因となるため製造する際は前もって乾燥を行うほうが好ましい。
次に本発明に用いられる第２の硬化剤（Ｃ）は少なくとも２つのカルボキシル基を含むことが必須である。また、第１の硬化剤（Ｂ）のエポキシ樹脂への溶解及び樹脂組成物全体のフラックス活性を助けるために第２の硬化剤（Ｃ）は作用するため、第２の硬化剤（Ｃ）の融点は第１の硬化剤（Ｂ）の融点より低いことが必要である。第１の硬化剤（Ｂ）を複数用いる場合は、第１の硬化剤中最も高い融点のものより、第２の硬化剤の融点が低いことが必要である。

第２の硬化剤（Ｃ）の融点を、第１の硬化剤（Ｂ）の融点より低くすることにより、より低温で第２の硬化剤（Ｃ）がエポキシ樹脂に溶解することができる。溶解するに従い、カルボン酸の作用によりはんだ表面の酸化膜が除去される。同時に、第２の硬化剤（Ｃ）が溶解した作用で第１の硬化剤（Ｂ）のエポキシ樹脂への溶解温度を低くすることができる。このため、はんだへの濡れ性向上、反応の均一化を図ることが可能になるためボイドに対しても有効な改善策になる。

本発明に用いる第２の硬化剤（Ｃ）の例としては、ｏ−フタル酸、トリメリット酸、ヘキサヒドロフタル酸、メチルヘキサヒドロフタル酸、４−ヒドロキシ（ｏ−フタル酸）、３−ヒドロキシ（ｏ−フタル酸）、マレイン酸、コハク酸、テトラヒドロフタル酸などがあるがこの限りではない。
第１の硬化剤（Ｂ）の融点は、はんだの融点＋３０℃以下、はんだの融点−３０℃以上であることが必要である。はんだの融点＋３０℃より高いと硬化剤（Ｂ）の溶解温度が上がり、フラックス作用が発現しないばかりか硬化剤（Ｃ）の効果が現れ難く、ボイド発生の原因となり好ましくない。またはんだの融点−３０℃より低い場合は、溶解温度は低くなるが、反応が低い温度から開始し、系内の粘度上昇が半田の融点付近で高すぎるため、接続不良を起こし易いので好ましくない。

更に、第１の硬化剤（Ｂ）と第２の硬化剤（Ｃ）の融点の差は１０℃以上であることが好ましく、より好ましくは５０℃以下である。融点の差が１０℃未満では硬化剤（Ｃ）の添加効果（ボイド、フラックス活性）が発現し難くなるり好ましくない。融点の差が５０℃を超えると、硬化剤（Ｃ）によるエポキシ樹脂の反応が早い段階で起こるため、樹脂組成物の粘度が上昇しはんだの接続性に支障をきたす場合がある。

第２の硬化剤（Ｃ）の好ましい添加量は、第１の硬化剤（Ｂ）と第２の硬化剤（Ｃ）の総重量に対し１０重量％から５０重量％である。１０％未満では本発明の効果を発現させることは困難である。また５０％を上回ると硬化物の耐湿性が著しく低下し信頼性に支障をきたす。

本発明に用いるエポキシ樹脂組成物は、液状エポキシ樹脂と硬化剤の反応を促進するために硬化促進剤を添加することができる。その例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、イミダゾール類、リン化合物、ジアザ化合物、第三級アミン等を挙げることができる。

本発明では硬化物性を調節するため無機フィラーを添加することができる。その例としては、炭酸カルシウム、シリカ、アルミナ、窒化アルミ等が挙げられる。用途によりこれらを複数混合してもよいが、純度、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、封止用樹脂組成物としての特性（耐湿性、作業性等）を保つためエポキシ樹脂組成物の８０重量％以下であることが好ましい。より好ましくは５０％以下である。上限値を超えると、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からである。

また本発明に用いる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。また、無機フィラーの粒径は平均粒径で６μｍ以下、最大粒径で３０μｍ以下が好ましい。この範囲を超えるとはんだ接合時にフィラーにより妨げられ、接続不良を起こす可能性がある。

本発明のエポキシ樹脂組成物は、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、レベリング剤、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。これらの添加剤は何れもボイドの要因になってはならないため、耐熱性、揮発性、基材への濡れ性等確認の上添加することが好ましい。

本発明を実施例及び比較例で説明する。
＜実施例１＞
（Ａ）成分としてビスフェノールＦ型エポキシ樹脂（当量１６５）１００重量部、（Ｂ）成分として予め１２０℃、５ｔｏｒｒで５時間真空乾燥したフェノールフタリン（融点２３４℃）４０重量部、（Ｃ）成分として同様に乾燥したｏ−フタル酸（融点１９１℃）２５重量部、硬化促進剤として２−フェニル−４−メチルイミダゾール０．５重量部を秤量し３本ロールにて分散混練し、真空下脱泡処理をして液状封止樹脂組成物を得た。次に、得られたエポキシ樹脂組成物を基板に塗布し、上部よりフリップチップボンダー用いて位置決めを行ないながらフリップチップを設置した。その際、フリップチップは約１００℃に加温させておいた。次に図１で示された温度プロファイルを用いてはんだを溶融、接続を行なった。接続率はデイジーチェーンでつながった四つのブロック単位で確認した。すなわちあるブロックにおいては一つでも接続不良が出た場合は導通しないため、接続率は導通ブロック数／総ブロック数（＝４×５）でカウントした。その後、後硬化として１５０℃、９０分にて封止材を硬化させ、下記試験を行った。

使用したチップ
はんだ：錫−銀（融点：２２１℃）
バンプ数：４００（１００バンプ／１ブロック）
バンプ高さ：８０μｍ
チップサイズ：１０ｍｍ角
パッシベーション：ポリイミド
チップ厚み：５００μｍ
使用した基板
ＢＴ基板（接続パッド：金メッキ表面）

（１）ボイド、初期剥離観察
封止樹脂を硬化させた後、超音波探傷装置（ＳＡＴ）を用いてボイド、剥離を観察した。（各水準ｎ＝５）界面の剥離状態は一箇所でも剥離が生じたパッケージを不良とし、その大きさを明記した。
（２）耐リフロー試験
接続率１００％のパッケージを選び、３０℃、６０％、７２時間吸湿させたあと最大温度２６０℃の温度プロファイルのリフローに３回通過させ、封止樹脂外観クラック、界面の剥離状態をＳＡＴで調べた（各水準ｎ＝５）。界面の剥離状態は一箇所でも剥離が生じたパッケージを不良とし、その大きさを明記した。

（３）温度サイクル（Ｔ／Ｃ）試験
（２）耐リフロー試験を行ったパッケージを引き続き−５５℃、３０分／−１２５℃、３０分の条件でＴ／Ｃ試験を行った。（各水準ｎ＝５）
クラック、剥離の状態を２５０時間おき最大１０００時間観察した。界面の剥離状態は一箇所でも剥離が生じたパッケージを不良とし、その大きさを明記した。
（４）耐湿度試験
封止樹脂を硬化した直後の接続率１００％のパッケージを１３０℃、８５％ＲＨの環境で１００時間、２００時間処理した後の接続率と界面の剥離状態をＳＡＴで観察した。（各水準ｎ＝５）界面の剥離状態は一箇所でも剥離が生じたパッケージを不良とし、その大きさを明記した。

＜実施例２＞
実施例１における第２の硬化剤（Ｃ）をヘキサヒドロフタル酸（融点１８５℃）２５重量部とした以外は実施例１と同様に試験を行った。
＜実施例３＞
実施例２において第１の硬化剤（Ｂ）を２，５−ジヒドロキシ安息香酸（融点２０５℃）２０重量部とした以外は同様に試験を行った。
＜実施例４＞
実施例１において第１の硬化剤（Ｂ）を２０重量部、硬化剤（Ｃ）を４０重量部とした以外は同様に試験を行った。
＜実施例５＞
実施例２において第２の硬化剤（Ｃ）として４−ヒドロキシ−（ｏ−フタル酸）（融点２０４℃）２６重量部とした以外は同様に試験を行った。

＜比較例１＞
実施例１において全硬化剤をｏ−フタル酸２５重量部とした以外は同様に試験を行った。
＜比較例２＞
実施例１において全硬化剤をフェノールフタリン６０重量部とした以外は同様に試験を行った。
＜比較例３＞
実施例１において第２の硬化剤（Ｃ）をトリメリット酸（融点：２３８℃）３０重量部とした以外は同様に試験を行なった。
＜比較例４＞
実施例１において、接続するはんだを錫−鉛はんだ（融点１８３℃）に変えた以外は同様に試験を行った。但し、この場合リフロー温度は図２で示された温度プロファイルを用いた。
＜比較例５＞
実施例３において硬化剤（Ｂ）を２，６−ジヒドロキシ安息香酸（融点１６６℃）にした以外は同様に試験を行った。

比較例１は全硬化剤をジカルボン酸としたため硬化後の接続性、Ｔ／Ｃでの接続性が良好であるが、耐湿度試験による吸湿試験において吸水による密着性不良により剥離が生じている。
比較例２は全硬化剤をジヒドロキシモノカルボン酸化合物としたためフラックス活性が不足のため初期接続不良が起き、硬化剤の溶解温度が高くなるためボイドも多数発生した。更にＴ／Ｃにおいて、接続不良が起きていた。はんだの接続が不十分であることと考えられる。

比較例３は添加する第２の硬化剤（Ｃ）の融点が第１の硬化剤（Ｂ）の融点より高いため、ボイド不良がおきている。そのボイドの影響により、リフロー時に接続不良が起きた。大きなボイドのため、隣接するはんだ同士がブリッジングしたためと考えられる。
比較例４は、第１の硬化剤（Ｂ）の融点がはんだの融点＋３０℃を下回っているため、ボイドが多く発生し、ボイドに起因する初期接続不良が起きている。但し、錫−鉛はんだのため接続したものに関して信頼性は問題なかった。
比較例５は第１の硬化剤（Ｂ）の融点がはんだの融点−３０℃を下回っているため、はんだの融点に到達する間にエポキシ樹脂組成物の反応がかなり起こったため接続不良が起こってしまい、以後の信頼性評価は中止した。

実施例１等で用いた加熱温度プロファイルを示す。比較例４で用いた加熱温度プロファイルを示す。

Claims

回路面にはんだ突起電極が形成された半導体チップ、または回路基板に、エポキシ樹脂組成物を塗布し、該エポキシ樹脂組成物を介して電極が電気接合されるように該突起電極が形成された半導体チップと回路基板とを位置合わせした後、はんだの融点以上に加熱し該突起電極が形成された半導体チップ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であって、
前記エポキシ樹脂組成物が、（Ａ）常温で液状であり、１分子中にエポキシ基を２個以上含むエポキシ樹脂、（Ｂ）フラックス活性を有し、１分子中に少なくとも２個のフェノール性水酸基と１個の芳香族カルボキシル基を含む第１の硬化剤、（Ｃ）フラックス活性を有し、第１の硬化剤（Ｂ）より低い融点を有し、少なくとも２個以上のカルボキシル基を含んでなる第２の硬化剤、を必須成分とするものであり、更に第１の硬化剤（Ｂ）の融点が該はんだの融点＋３０℃以下-３０℃以上であることを特徴とする半導体装置の製造
方法。
第１の硬化剤（Ｂ）の融点と第２の硬化剤（Ｃ）の融点との差が１０℃以上である請求項１記載の半導体装置の製造方法。
第２の硬化剤（Ｃ）が第１及び第２の硬化剤（（Ｂ）＋（Ｃ））中に５重量％〜５０重量％含まれてなる請求項１または２記載の半導体装置の製造方法。
請求項１〜３のいずれかに記載の半導体装置の製造方法を用いて製作された半導体装置。