JP4218181B2

JP4218181B2 - 半田接合接着方法

Info

Publication number: JP4218181B2
Application number: JP2000131319A
Authority: JP
Inventors: 亮一岡田; 猛八月朔日; 高橋　　豊誠; 謙介中村
Original assignee: Sumitomo Bakelite Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Bakelite Co Ltd
Priority date: 2000-04-28
Filing date: 2000-04-28
Publication date: 2009-02-04
Anticipated expiration: 2020-04-28
Also published as: JP2001313312A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体搭載用基板の導体端子と、半導体チップの半田バンプを接続するための半田接合に関し、同時に半導体搭載用基板と半導体チップを接着する際の半導体チップ接着剤に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年の電子機器の高機能化並びに軽薄短小化の要求に伴い、電子部品の高密度集積化、さらには高密度実装化が進んできており、これらの電子機器に使用される半導体パッケージは、従来にも増して益々小型化かつ多ピン化が進んできている。
【０００３】
半導体パッケージはその小型化に伴って、従来のようなリードフレームを使用した形態のパッケージでは、小型化に限界がきているため、最近では回路基板上にチップを実装したものとして、ＢＧＡ（ＢａｌｌＧｒｉｄＡｒｒａｙ）や、ＣＳＰ（ＣｈｉｐＳｃａｌｅＰａｃｋａｇｅ）といった、エリア実装型の新しいパッケージ方式が提案されている。これらの半導体パッケージにおいて、半導体チップの電極と、従来型半導体パッケージのリードフレームの機能とを有する、半導体搭載用基板と呼ばれるプラスチックやセラミックス等各種絶縁材料と、導体配線で構成される基板の端子との電気的接続方法として、ワイヤーボンディング方式やＴＡＢ（ＴａｐｅＡｕｔｏｍａｔｅｄＢｏｎｄｉｎｇ）方式、さらにはＦＣ（ＦｌｉｐＣｈｉｐ）方式などが知られているが、最近では、半導体パッケージの小型化に有利な、ＦＣ接続方式を用いたＢＧＡやＣＳＰの構造が盛んに提案されている。
【０００４】
ＢＧＡやＣＳＰのプリント配線板への実装には、半田ボールで形成されたバンプによる、半田接合が採用されている。この半田接合には、フラックスが用いられ、ソルダーペーストが併用されることもある。特に半田ボールが使用される理由は、半田供給量を制御し易く、多量の半田を供給できるので、バンプが高くできるためである。また、ＢＧＡやＣＳＰの作製工程における、半導体チップの電極と半導体搭載用基板の端子との電気的接続方法にも、半田接合が使われる場合が多い。
【０００５】
一般に、半田接合のためには、半田表面と対する電極の、金属表面の酸化物などの汚れを除去すると共に、半田接合時の金属表面の再酸化を防止して、半田の表面張力を低下させ、金属表面に溶融半田が濡れ易くする、半田付け用フラックスが使用される。このフラックスとしては、ロジンなどの熱可塑性樹脂系フラックスに、酸化膜を除去する活性剤等を加えたフラックスが用いられている。
【０００６】
しかしながら、接合後にこのフラックスが残存していると、高温、多湿時に熱可塑性樹脂が溶融し、活性剤中の活性イオンも遊離するなど、電気絶縁性の低下やプリント配線の腐食などの問題が生じる。そのため現在は、半田接合後の残存フラックスを洗浄除去し、上記のような問題を解決しているが、洗浄剤の環境問題や、洗浄工程によるコストアップなどの欠点がある。
【０００７】
また、半導体パッケージの小型化かつ多ピン化は、バンプの微細化を促し、接合強度や信頼性の低下が懸念されている。そこで、バンプ接続部分の信頼性を得るため、チップと基板との間隙に、アンダーフィルと呼ばれる絶縁樹脂を充填して、バンプ接続部分を封止、補強する検討も盛んである。しかし、これには技術的難易度の高いアンダーフィルを充填し、硬化させる工程が必要となるため、製造工程が複雑で製造コストが高くなる問題がある。
【０００８】
また、半導体パッケージの小型化かつ多ピン化は、バンプの微細化を促し、接合強度、信頼性の低下が懸念されている。そこで、バンプ接続部分の信頼性を得るため、チップと基板との間隙に、アンダーフィルと呼ばれる絶縁樹脂を充填して、バンプ接続部分を封止、補強する検討も盛んである。しかし、これには技術的難易度の高いアンダーフィルを充填し、硬化させる工程が必要となるため、製造工程が複雑で製造コストが高くなる問題がある。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、半導体パッケージの搭載時における、半田接合の現状のこのような問題点に鑑み、半田接合後の残存フラックスの洗浄除去が必要なく、高温、多湿雰囲気でも電気絶縁性を保持し、接合強度と信頼性の高い半田接合を可能とする、半導体チップ接着剤を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明は、少なくとも１つ以上のフェノール性水酸基を有し、且つフリーフェノールが５％以下である樹脂（Ａ）と、その硬化剤として作用する樹脂（Ｂ）とを必須成分とし、半導体搭載用基板または半導体チップの接着面上に塗布される半田バンプ付き半導体チップの接着剤であって、半導体搭載用基板の導体端子と、半導体チップの半田バンプとを位置合せし、半導体チップ接着剤を介して密着、加圧、加温して半田接合させた後、さらに加熱により硬化して、半導体搭載用基板と半導体チップを半田接続且つ接着することを特徴とする半導体チップ接着剤である。
【００１１】
本発明の半導体チップ接着剤は、好ましくは、少なくとも１つ以上のフェノール性水酸基を有し、且つフリーフェノールが５％以下の樹脂（Ａ）である、フェノールノボラック樹脂、アルキルフェノールノボラック樹脂、ビフェノールノボラック樹脂、ナフトールノボラック樹脂、レゾルシノールノボラック樹脂、または、ポリビニルフェノール樹脂を必須成分とし、これにより得られる半導体チップ接着剤の硬化時の重量減少が３％以下であることを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の半導体チップ接着剤は、少なくとも１つ以上のフェノール性水酸基を有し、且つフリーフェノールが５％以下である樹脂（Ａ）と、その硬化剤として作用する樹脂（Ｂ）とを必須成分とするものであり、本発明に用いるフェノール性水酸基を有する樹脂（Ａ）の、フェノール性水酸基は、その還元作用により、半田および金属表面の酸化物などの汚れを除去し、半田接合のフラックスとして作用する。このフェノール性水酸基としては、何ら制約するところはないが、半田接合のフラックスとしての作用を高めるため、フェノール性水酸基を有する樹脂（Ａ）は、フェノール性水酸基に対してのオルソ、パラ位に電子吸引基、メタ位に電子供与基を有するものが好ましい。
【００１３】
更に、その硬化剤として作用する樹脂（Ｂ）により、良好な硬化物を得ることができるため、半田接合後の洗浄除去が必要なく、高温、多湿雰囲気でも電気絶縁性を保持し、接合強度、信頼性の高い半田接合を可能とする。
【００１４】
本発明に用いる、フェノール性水酸基を有し且つフリーフェノールが５％以下である樹脂（Ａ）としては、フェノールノボラック樹脂、アルキルフェノールノボラック樹脂、ビフェノールノボラック樹脂、ナフトールノボラック樹脂、レゾルシノールノボラック樹脂、ポリビニルフェノール樹脂が好ましく、これらの中、少なくとも１種が用いられ、更に好ましくは、重量平均分子量２００００以下のものが良い。分子量が大きすぎると、半田接合時における半導体チップ接着剤の流動性が低下し、半田接合を阻害するため好ましくない。但し、その他の配合剤の使用により、半田接合時における溶融粘度を、５０Ｐａ・ｓ以下に制御できれば何ら問題はない。この目的のため、低溶融粘度の硬化剤として作用する樹脂（Ｂ）や、揮発性分のない可塑剤を添加しても良い。
【００１５】
半田接合接着剤は、半田接合時に、各層に挟まれ密閉状態にあるため、分子量が極端に小さすぎると、低分子成分の揮発等で半田接合時に膨れが生じる場合がある。特にフリーフェノールの量は、５％以下であることが好ましい。フリーフェノールは、１８０℃付近に沸点が存在するため、フェノール性水酸基を有する樹脂（Ａ）中に５％を超えて存在すると、半田接合時の温度での半田接合接着剤の凝集力が、フリーフェノールの揮発に耐えられず、膨れが生じる。従って、半田接合接着剤としては、前記フリーフェノールや、低分子気化成分の揮発を含む硬化時の重量減少を３％以下に抑えることが重要となる。但し、半田接合成形時の圧力、昇温条件で膨れを抑制することも可能である。
【００１６】
フェノール性水酸基を有する樹脂（Ａ）の配合量は、半導体チップ接着剤全体の２０〜８０重量％が好ましい。２０重量％未満であると、半田および金属表面の酸化物などの汚れを除去する作用が低下し、半田接合できなくなってしまう。また、８０重量％より多いと、十分な硬化物が得られず、接合強度と信頼性が低下する。溶融粘度、酸化物除去性と硬化性のバランスが採れた配合による、本発明の半導体チップ接着剤は、従来のフラックスによる半田接合と比較して、接合強度、信頼性を大幅に向上させることができる。
【００１７】
本発明に用いるフェノール性水酸基を有する樹脂（Ａ）の、硬化剤として作用する樹脂（Ｂ）としては、エポキシ樹脂やイソシアネート樹脂などが用いられる。具体的にはいずれも、ビスフェノール系、フェノールノボラック系、アルキルフェノールノボラック系、ビフェノール系、ナフトール系やレソルシノール系などのフェノールベースのものや、脂肪族、環状脂肪族や不飽和脂肪族などの骨格をベースとして変性されたエポキシ化合物やイソシアネート化合物が挙げられる。また、本発明の半導体チップ接着剤の硬化を促進するため、公知の硬化触媒を用いても良い。
【００１８】
硬化剤として作用する樹脂（Ｂ）の量としては、フェノール性水酸基を有する樹脂（Ａ）の水酸基０．５〜２．０倍当量が好ましい。樹脂（Ｂ）が０．５倍当量より少ないと、残存するフェノール性水酸基によって絶縁信頼性や電気特性が低下する場合がある。また、２．０倍当量よりも多い場合、半田接合に十分なフラックス作用を発現できなくなる場合がある。
【００１９】
本発明の半導体チップ接着剤は、前記成分をアルコール類、エーテル類、ケトン類などの有機溶媒で溶解、混合し、半導体チップ接着剤のワニスとして、用いることができる。前記半導体チップ接着剤のワニスを半導体搭載用基板上の半田バンプ付き半導体チップ接着面または前記半導体チップ上の接着面に、スクリーン印刷やスピンコートなどの方法により塗布し乾燥させた後、半導体搭載用基板の導体端子と半導体チップの半田バンプとを位置合せし、半導体チップ接着剤を介して密着、加圧、加温して半田接合させた後、さらに加熱により硬化して、半導体搭載用基板と半導体チップを導体接続且つ接着することできる。
【００２０】
【実施例】
以下、実施例により更に具体的に説明するが、本発明はこれによって何ら限定されるものではない。
【００２１】
まず、少なくとも１つ以上のフェノール性水酸基を有し、且つフリーフェノールが５％以下である樹脂（Ａ）と、その硬化剤として作用する樹脂（Ｂ）を配合して、半導体チップ接着剤ワニスを調整し、その特性評価のため、半田ボールシェア強度試験、温度サイクル試験、および絶縁抵抗試験を行った。実施例および比較例の評価結果は、まとめて表１に示した。
【００２２】
実施例１．
ハイオルソ型フェノールノボラック樹脂（住友デュレズ(株)製Ｒ−６５、ＯＨ基当量１０５、フリーフェノール２％）を１００ｇと、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂（日本化薬(株)製ＲＥ−４０４Ｓ、エポキシ基当量１６５）１６０ｇを、シクロヘキサノン６０ｇに溶解し、硬化触媒として２−フェニル−４，５−ジヒドロキシメチルイミダゾール０．２ｇを添加し、半導体チップ接着剤ワニスを作製した。
【００２３】
実施例２．
実施例１で用いたハイオルソ型フェノールノボラック樹脂１００ｇに代えて、ランダム型フェノールノボラック樹脂(住友デュレズ(株)製ＰＲ−５１４７０、ＯＨ基当量１０５、フリーフェノール０．５％)１００ｇを用いた以外は、実施例１と同様にして、半導体チップ接着剤ワニスを作製した。
【００２４】
実施例３．
実施例１で用いたハイオルソ型フェノールノボラック樹脂１００ｇに代えて、ポリビニルフェノール樹脂（丸善石油化学(株)製マルカリンカ−Ｍ、ＯＨ基当量１２０、フリーフェノール０．５％）１００ｇを用いた以外は、実施例１と同様にして、半導体チップ接着剤ワニスを作製した。
【００２５】
比較例１．
実施例１で用いたハイオルソ型フェノールノボラック樹脂１００ｇに代えて、フェノールノボラック樹脂（ＯＨ基当量１０５、フリーフェノール；１２％）１００ｇを用いた以外は、実施例１と同様にして、半導体チップ接着剤ワニスを作製した。
【００２６】
１．半田ボールシェア強度試験
厚さ１２５μｍの銅板（古川電気工業(株)製ＥＦＴＥＣ６４Ｔ）を用いて、ランド径４００μｍ、ランドピッチ１ｍｍを含む評価用回路を形成し、そのリードフレームをエポキシ樹脂半導体封止材（住友ベークライト(株)製ＥＭＥ−７３７２）でモールド封止した後、片面から研磨して、前記の評価用回路を露出させ、２０ｍｍ角の評価用パッケージを作製した。研磨の仕上げには、ＪＩＳ−Ｒ６２５２に規定された、耐水研磨紙１０００番を使用した。これをイソプロピルアルコールで洗浄した後、８０℃で３０分乾燥して、半田接合評価用パッケージとした。比較のために、半田接合のためのランド以外をソルダーレジストで被覆した評価用パッケージも準備した。
【００２７】
前記評価用パッケージの評価用回路露出面の全面に、実施例１〜３及び比較例１で得られた半導体チップ接着剤ワニスを、それぞれ塗布し、８０℃で１０分乾燥して、厚さ２０μｍの半導体チップ接着剤膜を形成した。実施例１〜３と比較例１の半導体チップ接着剤、および、比較例２として市販の半田フラックスＭＳＰ５１１（九州松下電器株式会社製）をそれぞれ塗布した、評価用パッケージ回路のランド上に、５００μｍ径の半田ボール（Ｓｎ−Ｐｂ系共晶半田、千住金属鉱業(株)製）６０個を搭載し、ピーク温度２４０℃に設定されたリフロー炉を通して、半田ボールを評価用パッケージに接合させた。その後実施例１〜３と比較例１については、１５０℃で６０分熱処理して、半導体チップ接着剤を硬化させた。
【００２８】
次に、得られた半田ボール付き評価用パッケージの、半田ボールシェア強度（デイジ社製万能型ボンドテスターＰＣ２４００Ｔによる）を測定した。それぞれ６０個の平均値を求め、その結果をまとめて表１に示した。
【００２９】
２．温度サイクル試験
半導体チップテストボード（ＦＢ５００−ＰＣＢ(株)テンリュウテクニクス製）全面に、実施例１〜３と比較例１の半導体チップ接着剤を塗布し、８０℃で３０分乾燥して、厚さ１００μｍの半導体チップ接着剤膜を形成した。この半導体チップテストボードに、バンプ径１９０μｍ、バンプ高さ１４０μｍの半導体チップテストダイ（ＦＢＴ５００）を搭載して、ピーク温度２４０℃に設定されたリフロー炉を通した後、実施例１〜３と比較例１については、１５０℃で６０分熱処理して半導体チップ接着剤を硬化させ、評価用半導体チップ実装テストボードをそれぞれ１０個ずつ作製した。
【００３０】
得られた評価用半導体チップ実装テストボードの導通を確認後、−５０℃で１０分、１２５℃で１０分を１サイクルとする温度サイクル（ＴＣ）試験を実施した。ＴＣ試験１０００サイクル後の断線不良数の結果をまとめて表１に示した。更に比較例としては、半導体チップテストボードに前記市販のフラックスを塗布し、半導体チップテストダイを搭載して、ピーク温度２４０℃に設定されたリフロー炉を通したものを比較例３、さらに、アンダーフィルを充填したものを比較例４とした。比較例３、４については、半田接合後イソプロピルアルコールで洗浄して使用した。
【００３１】
３．絶縁抵抗試験
半田メッキが施された導体間隔１５０μｍのくし形パターンを有する、絶縁信頼性試験用プリント配線板を使用し、このプリント配線板に実施例１〜３と比較例１で得られた半導体チップ接着剤ワニスを、それぞれ塗布し、８０℃で１０分乾燥して厚さ２０μｍの半導体チップ接着剤層を形成した。比較例１の他の比較例として、市販のフラックスを塗布した試験用プリント配線板も準備した。ピーク温度２４０℃に設定されたリフロー炉を通した後、実施例１〜３と比較例１については、１５０℃で６０分熱処理して半導体チップ接着剤を硬化させ、試験用プリント配線板とした。
【００３２】
このプリント配線板の絶縁抵抗を測定した後、８５℃／８５％の雰囲気中で、直流電圧５０Ｖを印加し、１０００時間経過後の絶縁抵抗を測定した。測定時の印加電圧は１００Ｖで１分とし、絶縁抵抗をまとめて表１にした。市販のフラックスを用いた比較例としては、フラックスを洗浄していないものを比較例５とした。
【００３３】
【表１】

【００３４】
表１に示した評価結果から分かるように、本発明の半導体チップ接着剤を用いた場合、従来のフラックスを用いた場合に比べて、半田ボールシェア強度では、２倍という高い値を示し、また、ＴＣ試験では、断線不良の発生はほとんどなくなった。絶縁抵抗試験でもほとんど低下を示さず、本発明の半導体チップ接着剤の効果が明白である。
【００３５】
【発明の効果】
本発明の半導体チップ接着剤は、半田接合後の残存フラックスの洗浄除去を必要とせず、高温、多湿雰囲気でも電気絶縁性を保持し、また、接合強度と信頼性の高い半田接合を可能にするので、半導体パッケージのプリント配線板への搭載、層間の立体接続等の密閉系における工程を簡素化して、製造コストを抑制し、また、半田接合の信頼性向上に極めて有用である。

Claims

少なくとも１つ以上のフェノール性水酸基を有し、且つ、フリーフェノールが５％以下である樹脂（Ａ）と、その硬化剤として作用する樹脂（Ｂ）とを必須成分とすることを特徴とする半導体チップ接着剤を半導体搭載用基板、または、半田バンプ付き半導体チップ上の接着面に塗布して、該半導体チップ接着剤を介し、半導体搭載用基板の導体端子と、半導体チップの半田バンプとを位置合せし、加圧、加温して半田接合させた後、さらに加熱により硬化して、半導体搭載用基板と半導体チップを半田接続且つ接着することを特徴とする半田接合接着方法。
前記フェノール性水酸基を有し且つフリーフェノールが５％以下である樹脂（Ａ）が、フェノールノボラック樹脂、アルキルフェノールノボラック樹脂、ビフェノールノボラック樹脂、ナフトールノボラック樹脂、レゾルシノールノボラック樹脂、及び、ポリビニルフェノール樹脂からなる群より選ばれる、少なくとも１種である、請求項１記載の半田接合接着方法。
前記半導体チップ接着剤の硬化時の重量減少が３％以下であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の半田接合接着方法。