JP4265174B2

JP4265174B2 - 液状封止材料及び半導体装置

Info

Publication number: JP4265174B2
Application number: JP2002247822A
Authority: JP
Inventors: 祐司荻巣
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2002-08-27
Filing date: 2002-08-27
Publication date: 2009-05-20
Anticipated expiration: 2022-08-27
Also published as: JP2004083761A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置（デバイス）の製造に用いられる液状封止材料及びこれを用いて製造される半導体装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、プリント配線板等の基板（ドウターボード）などのチップキャリアにＩＣやＬＳＩなどの半導体チップをフリップチップ実装（フェイスダウン実装）などで表面実装した場合、チップキャリアと半導体チップの隙間はアンダーフィル材で封止することが行なわれている。従来、このアンダーフィル材は上記の隙間の全体に液状樹脂を充填して硬化させることにより形成されるものであって、チップキャリアと半導体チップとの機械的な接続強度を向上させると共に大気中の水分から半導体チップの回路等を保護するためなどの目的で設けられるものである。
【０００３】
ところで、バンプによる接続だけでチップキャリアと半導体チップの機械的な接続強度を実用上十分に確保することができる半導体装置、例えば、動作寿命が短期間でよい半導体装置や商品サイクルが短い半導体装置などでは、アンダーフィル材によるバンプ接続部の補強を必要としないものである。また、このデバイス（半導体装置）自身が圧電素子のような振動をするようなデバイス（ＳＡＷなど）である場合、半導体チップの裏面に封止樹脂がかかるだけで、機能が発現することができず、デバイス信頼性の劣化が発生してしまうものである。従って、このような半導体装置ではアンダーフィル材を使用せず、簡易的にチップキャリアと半導体チップの隙間を閉塞し、隙間に大気が浸入するのを防止して大気中の水分から半導体チップの回路等を保護するようにしていた。
【０００４】
このように簡易的に上記の隙間を閉塞する方法としては、例えば、図２（ａ）（ｂ）に示すように、有機合成樹脂等で形成されるフィルム１０を半導体チップ２の全周に沿って貼着する方法がある。この方法ではフィルム１０の上端を半導体チップ２の周面に全周に亘って密着すると共にフィルム１０の下端をチップキャリア（基板）１の表面に密着することによって、チップキャリア１と半導体チップ２の隙間５を閉塞するものである。また、図３（ａ）（ｂ）の例は有機合成樹脂等で形成される枠体１１を半導体チップ２の全周に沿って設ける方法であって、枠体１１の下面をチップキャリア１の表面（上面）に密着すると共に枠体１１の内面をチップキャリア２の周面に全周に亘って密着することによって、チップキャリア１と半導体チップ２の隙間５を閉塞するものである。そして、上記方法ではフィルム１０や枠体１１で隙間５に大気が浸入するのを低減することができ、隙間５に存在する半導体チップ２の回路６やバンプ４に腐食等の化学的な劣化が起こりにくくすることができるのであり、しかも、高価なアンダーフィル材を用いないので、低コスト化を図ることができるものであった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図２や図３に示す方法では予めフィルム１０や枠体１１を有機合成樹脂等から成形しなければならず、アンダーフィル材（液状樹脂）を用いる場合に比べてフィルム１０や枠体１１を製造するための工程が増加し、生産性が低くなるという問題があった。また、従来のアンダーフィル材用の液状樹脂は、上記の隙間５の全体に注入して充填することを目的として製造されているために、隙間５の開口部（隙間５の端部）５ａのみに充填することが難しく、隙間５の全体に充填されてしまうものであり、このために、液状樹脂の使用量が増えて低コスト化を図ることができないものであり、また、圧電素子のような振動をするようなデバイスである場合にはデバイス信頼性の劣化があった。
【０００６】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、フィルムや枠体を用いる場合に比べ生産性を高くすることができ、低コスト化を図ることができる液状封止材料を提供することを目的とするものである。また、本発明は上記の液状封止材料を用いた低コストの半導体装置を提供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る液状封止材料は、半導体チップ２が実装されるチップキャリア１と半導体チップ２との間に形成される隙間５の開口部５ａのみに充填して封止するための液状封止材料であって、液状エポキシ樹脂、硬化剤としてカチオン系重合開始剤、充填材を含み、かつ比重１．５以下でチキソトロピー指数２．０以上にして成ることを特徴とするものである。
【０００８】
また、本発明の請求項２に係る液状封止材料は、請求項１に加えて、１５０℃でのゲルタイムが１０秒以下で１２０℃でのゲルタイムが３０秒以下であることを特徴とするものである。
【０００９】
また、本発明の請求項３に係る液状封止材料は、請求項１又は２に加えて、２５℃における粘度が１０〜１０００Ｐａ・ｓであることを特徴とするものである。
【００１０】
また、本発明の請求項４に係る液状封止材料は、請求項１乃至３のいずれかに加えて、液状エポキシ樹脂として水添型ビスフェノールエポキシ樹脂を用いて成ることを特徴とするものである。
【００１１】
本発明の請求項５に係る半導体装置は、半導体チップ２が実装されるチップキャリア１と半導体チップ２との間に形成される隙間５の開口部５ａのみに請求項１乃至４のいずれかに記載の液状封止材料を充填して封止して成ることを特徴とするものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
【００１３】
本発明では液状樹脂として、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、ウレタン樹脂、ポリイミド樹脂、フェノール樹脂などの熱硬化性樹脂であって、常温（２５℃）で液状のものを用いることができる。これらの中でも、特に、液状エポキシ樹脂が好ましく、具体的には、ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂、ビスフェノール型エポキシ樹脂、臭素含有エポキシ樹脂、ｏ−クレゾールノボラック型エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂などを例示することができる。ただし、後述の硬化剤との相性、及び粘度制約より、低粘度ではあるが硬化反応性が遅いとされる水添型ビスフェノールタイプのエポキシ樹脂を用いるのがより好ましい。また、液状樹脂として上記のようなエポキシ樹脂を用いる場合、その硬化剤としてはアリル基を有するフェノールなどのフェノール類、エチレントリアミンなどのアミン類、無水フタール酸等の酸無水物、カチオン系重合開始剤などを一種又は二種以上を併せて用いることができるが、これに限定されるものではない。ただし、前述の液状樹脂との相性、及び粘度制約より、カチオン系重合開始剤を用いるのがより好ましい。
【００１４】
本発明では充填材として、比重が１．０以下の低比重充填材と比重が１．０より大きい高比重充填材とを併用して用いるものである。低比重充填材としては、粒径５〜１００μｍの中空シリカ（シリカバルーン）や中空ガラス（ガラスバルーン）などを例示することができる。本発明では一種の低比重充填材を単独で用いたり二種以上の低比重充填材を併用したりすることができる。尚、本発明で使用する低比重充填材としては現在比重０．１以上のものが入手可能であるので、低比重充填材の比重の下限は実質的にこの値となる。また、高比重充填材としては結晶シリカ、溶融シリカ、合成シリカ、アルミナ、窒化珪素等の無機充填材を一種又は二種以上併せて用いることができる。尚、本発明で使用する高比重充填材としては現在比重１０以下のものが入手可能であるので、高比重充填材の比重の上限は実質的にこの値となる。
【００１５】
低比重充填材の配合量は充填材の全量に対して５〜５０質量％であることが好ましく、さらに好ましくは１０〜４０質量％にする。低比重充填材の配合量が充填材の全量に対して５質量％より少ないと、本発明の液状封止材料の比重を１．５以下にするのが難しくなり、低比重充填材の配合量が充填材の全量に対して５０質量％より多いと、本発明の液状封止材料の硬化物により熱等で発生する応力を緩和することが難しくなり、半導体装置に反りが発生する恐れがある。
【００１６】
本発明では、上記の液状樹脂等の特性に応じてカップリング剤、顔料、染料、消泡剤、改質剤などを適量配合することができる。
【００１７】
そして、本発明の液状封止材料は上記の液状樹脂、硬化剤、充填材及びその他の成分をミキサー等によって均一に混合した後、ロール等によって混練することによって、液状樹脂組成物として調製するものである。各成分の配合順は特に限定はない。
【００１８】
本発明の液状封止材料では上記の液状樹脂、硬化剤、充填材の種類や配合量等を調整することによって、比重１．２〜１．５でチキソトロピー指数（チクソ指数）２．０〜５．０好ましくは３．０〜５．０にするものである。特に、液状封止材料の比重は充填材の配合量、中でも低比重充填材の配合量を調整することによりを容易に調整することができる。上記の比重が１．５より大きかったりチキソトロピー指数が２．０より小さかったりすると、液状封止材料がチップキャリア１と半導体チップ２との間に形成される隙間５の深部（中央部）にまで浸入してしまい、液状封止材料の使用量が多くなって低コスト化を図ることができないものであり、また、圧電素子のような振動をするようなデバイスである場合にはデバイスとしての信頼性が確保できない。また、液状封止材料の比重が１．２より小さいと汎用、高比重の充填材を添加することができず、ＩＣ等の半導体チップ２や基板等のチップキャリア１との線膨張係数の違いによる応力を緩和することができず、液状封止材料のチキソトロピー指数が６．０より大きくなると、液状封止材料の硬化物３にボイドが発生し、隙間５の密閉性が低下する恐れがある。尚、チキソトロピー指数の調整はアエロジル等の増粘剤の添加量の大小によって、より容易に行うことができ、増粘剤を配合する場合は液状封止材料の全量に対して３質量％以下の配合量にするのが好ましい。
【００１９】
また、本発明の液状封止材料は上記の液状樹脂、硬化剤、充填材の種類や配合量等を調整することによって、１５０℃でのゲルタイムが１０秒以下で１２０℃でのゲルタイムが３０秒以下にするのが好ましく、また、１００℃でのゲルタイムが１２０秒以下にするのがさらに好ましい。このゲルタイムは、特に、硬化剤の種類や配合量を調整することにより容易に調整することができる。１５０℃でのゲルタイムが１０秒より長かったり１２０℃でのゲルタイムが３０秒より長かったりすると、液状封止材料が流れにくくなるまでに時間がかかってチップキャリア１と半導体チップ２との間に形成される隙間５の深部（中央部）にまで浸入しやすくなって、液状封止材料の使用量が多くなって低コスト化を図ることができない恐れがあり、また、圧電素子のような振動をするようなデバイスである場合にはデバイスとしての信頼性が確保できない恐れがある。また、液状封止材料のゲルタイムは短すぎると、塗布等ができなくなって取り扱い性が低下したりこの液状封止材料の硬化物の外観劣化などが生じたりするので、１５０℃でのゲルタイムは２秒以上で１２０℃でのゲルタイムは５秒以上にするのが好ましい。
【００２０】
また、本発明の液状封止材料は上記の液状樹脂、硬化剤、充填材の種類や配合量等を調整することによって、２５℃における粘度を１０〜１０００Ｐａ・ｓに、より好ましくは１０〜３０Ｐａ・ｓにするのが好ましい。２５℃における粘度が１０００Ｐａ・ｓより大きいと、液状封止材料の硬化物３の表面の凹凸が顕在化して半導体装置の外観が低下する恐れがある。また、液状封止材料は隙間５の深部にまで浸入させにくくするために、２５℃における粘度を１０Ｐａ・ｓ以上にするのが好ましい。
【００２１】
本発明の液状封止材料は比重、チキソトロピー指数、ゲルタイム、粘度が上記の範囲となるように各成分の配合量を設定すればよいが、例えば、液状樹脂の１当量に対して硬化剤(当量が存在するタイプ)が０．８〜１．２当量になるように、液状樹脂と硬化剤の配合量を設定するのが好ましく、また、充填材は液状封止材料の全量に対して４０〜９３質量％であることが好ましい。
【００２２】
本発明の半導体装置は上記のような液状封止材料の硬化物３で半導体チップ２が実装されるチップキャリア１と半導体チップ２との間に形成される隙間５を封止して閉塞することによって形成されるものである。すなわち、プリント配線板等の基板で形成されるチップキャリア１の表面にフリップチップ実装などで表面実装した後、半導体チップ２の周囲に沿って上記の液状封止材料を塗布や印刷などすることによって、チップキャリア１と半導体チップ２の隙間５の開口部（隙間５の端部）５ａに液状封止材料を充填し、この後、６０〜２２０℃で加熱等することにより充填した液状封止材料を硬化させて硬化物３を形成する。このようにして隙間５の開口部５ａが全周に亘って硬化物３で封止されて閉塞された半導体装置を形成することができる。
【００２３】
そして、本発明の半導体装置は低コスト化のために隙間５の開口部５ａのみに液状封止材料を充填して硬化物３を形成し、隙間５の深部にまで液状封止材料を充填しないようにするものである。従って、液状封止材料は半導体チップ２の周面から隙間５の中心に向かって２０μｍ以下の範囲で充填して硬化させるのが好ましい。また、本発明の液状封止材料は上記のように比重１．５以下でチキソトロピー指数２．０以上にするので、上記の範囲を超えて隙間５の深部にまで浸入しないものである。従って、従来例のように予めフィルム１０や枠体１１を有機合成樹脂等から成形する必要がなくてフィルム１０や枠体１１を製造するための工程が増加しないものであり、フィルム１０や枠体１１を用いる場合に比べて生産性を高くすることができるものであり、しかも、本発明の液状封止材料は従来のアンダーフィル材と同様の塗布や印刷等の手段で充填することができ、アンダーフィル材を用いる場合に比べて封止するのに手間が掛からず生産性が低くなることがないものである。また、封止材料の硬化物３により隙間５に大気が浸入するのを低減することができ、隙間５に存在する半導体チップ２の回路６やバンプ４に腐食等の化学的な劣化が起こりにくくすることができるものである。
【００２４】
尚、上記の半導体装置ではチップキャリア１として基板を用いているが、これに限定されず、例えば、上面が開口する箱状のチップキャリア１を用いることもある。この場合、チップキャリア１の上面の開口に本発明の液状封止材料を充填して封止することができる。また、チップキャリア１や半導体チップ２に外部から操作可能な可動部、例えば、チップキャリア１や半導体チップ２の性能や動作を変えるために回転させることができるボリュームなどがあって、しかも、その可動部が上記の隙間５に露出している場合、従来のアンダーフィル材では隙間５が完全に封止されてしまうので、操作することが出来なくなってしまうが、本発明では隙間５が液状封止材料で封止されず、空間のままであるので、上記のような可動部がある半導体装置にも適用することができる。
【００２５】
【実施例】
以下本発明を実施例によって具体的に説明する。
【００２６】
（実施例１〜４、比較例１〜３）
表１に示す配合量（単位は質量部）で液状樹脂、硬化剤、充填材、顔料、カップリング剤、硬化促進剤、増粘剤を配合し、プラネタリーミキサー等のミキサーで均一に混合して液状封止材料を調製した。
【００２７】
尚、上記の成分としては以下のものを用いた。
液状樹脂Ａ：ジャパン・エポキシ・レジン（株）製の「エピコート８２８」
液状樹脂Ｂ：ジャパン・エポキシ・レジン（株）製の「ＹＬ６６６３」（水添型ビスフェノールエポキシ樹脂）
液状樹脂Ｃ：ジャパン・エポキシ・レジン（株）製の「ＹＬ６７５３」（水添型ビスフェノールエポキシ樹脂）
硬化剤Ａ：ジャパン・エポキシ・レジン（株）製の「エピキュアＹＨ−３０７」
硬化剤Ｂ：旭電化工業（株）製の「アデカオプトンＣＰ−７７」（カチオン系重合開始剤）
顔料：カーボンブラック
カップリング剤：信越化学工業（株）製の「ＫＢＭ−４０３」
硬化促進剤：旭化成エポキシ（株）製の「ノバキュアＨＸ−３６１３」
充填材Ａ：（株）龍森製の「ＲＤ−８」、最大粒径３０μｍで比重２．２の結晶シリカ
充填材Ｂ：旭硝子（株）製の「ＣＥＬ−ＳＴＡＲＺ３６」、最大粒径１００μｍで比重０．４のガラスバルーン
充填材Ｃ：最大粒径１００μｍで比重０．８の中空シリカ９０質量％と、最大粒径４０μｍで比重２．２の合成シリカ１０質量％の混合物
増粘剤：日本アエロジル（株）製の「ＲＹ−２００」
上記の実施例１〜４及び比較例１〜３の液状封止材料について、比重、チキソトロピー指数、２５℃における粘度、１５０℃におけるゲルタイム、１２０℃におけるゲルタイムをそれぞれ測定した。
【００２８】
比重の測定方法は、十分に脱泡した液状封止材料を１００ｃｃメスシリンダーにて秤取し、その重量を測定した。
【００２９】
チキソトロピー指数の測定方法は、Ｂ８Ｈ型の回転粘度計を用い、Ｎｏ．７ローターの５ｒｐｍ／５０ｒｐｍにより算出した。
【００３０】
粘度の測定方法は、Ｂ８Ｈ型の回転粘度計を用い、Ｎｏ．７ローターの５０ｒｐｍにより算出した。
【００３１】
ゲルタイムの測定方法は、予め所定の温度に加温された熱板上でゲル化するまでの時間を測定した。
【００３２】
次に、上記の実施例１〜４及び比較例１〜３の液状封止材料を用いて浸入性試験を行なった。まず、２ｍｍ×２ｍｍ×０．３ｍｍ厚の半導体チップ２（下面に金バンプ４及び回路６を有する）をセラミック基板であるチップキャリア１にフリップチップ実装し、この後、液状封止材料を半導体チップ２の全周囲に沿って塗布し、次に、温度１２０℃、時間１２０秒で液状封止材料を硬化させて半導体装置を形成した。
【００３３】
そして、上記の半導体装置をペンチを用いてチップキャリア１から剥離し、液状封止材料が半導体チップ２の端面から浸入している長さを測定し、その長さが２０μｍ以下であるものを合格とし、２０μｍを超えるものを不合格とした。このような試験を４０個の半導体装置に対して行なった。結果を表１に示す。
【００３４】
また、液状封止材料の硬化物３の表面を目視で確認し、凹凸が確認できないものに○を、凹凸が若干確認できるものに△を、凹凸が顕著に確認できるものに×をそれぞれ付した。結果を表１に示す。
【００３５】
【表１】

【００３６】
表１から明らかなように、実施例１〜４の液状封止材料は比較例１〜３のものに比べて隙間５への浸入性が低いものであった。特に、比重、チキソトロピー指数、２５℃における粘度、１５０℃におけるゲルタイム、１２０℃におけるゲルタイムの全てが好適な範囲となっている実施例３については、実施例１、２に比べても浸入性が非常に低いものとなり、また、硬化物３の表面の凹凸も少ないものであった。実施例４については粘度が高いために表面状態が低下した。
【００３７】
【発明の効果】
上記のように本発明の請求項１の発明は、半導体チップが実装されるチップキャリアと半導体チップとの間に形成される隙間の開口部のみに充填して封止するための液状封止材料であって、液状エポキシ樹脂、硬化剤としてカチオン系重合開始剤、充填材を含み、かつ比重１．５以下でチキソトロピー指数２．０以上にするので、予めフィルムや枠体を形成する必要がなく、従来のアンダーフィル材とほぼ同様の操作で隙間を封止することができ、フィルムや枠体を用いる場合に比べて生産性を高くすることができると共にアンダーフィル材を用いる場合に比べて生産性が低くなることなく、しかも、従来のアンダーフィル材のように隙間の深部にまで浸入しないようにすることができ、使用量を抑えることができて低コスト化を図ることができるものである。また、本発明は、弾性表面波フィルター（ＳＡＷフィルター）や半導体チップに外部から操作可能な可動部で性能や動作を制御できるデバイスにおいて、空間を維持して封止できるためにこれらの性能を発揮させることができるものである。
【００３８】
また本発明の請求項２の発明は、１５０℃でのゲルタイムが１０秒以下で１２０℃でのゲルタイムが３０秒以下であるので、隙間への浸入をより抑えることができ、低コスト化を確実に図ることができるものである。
【００３９】
また、本発明の請求項３の発明は、２５℃における粘度が１０〜１０００Ｐａ・ｓであるので、硬化物の表面に凹凸を生じにくくすることができ、半導体装置の外観の低下を抑えることができるものである。
【００４０】
また、本発明の請求項４の発明は、液状エポキシ樹脂として水添型ビスフェノールエポキシ樹脂を用いるので、ゲルタイムの調整や粘度の調整を容易に行うことができるものである。
【００４１】
本発明の請求項５の発明は、半導体チップが実装されるチップキャリアと半導体チップとの間に形成される隙間の開口部のみに請求項１乃至４のいずれかに記載の液状封止材料を充填して封止するので、予めフィルムや枠体を形成する必要がなく、従来のアンダーフィル材とほぼ同様の操作で隙間を封止することができ、アンダーフィル材を用いる場合に比べて生産性が低くなることなく、しかも、従来のアンダーフィル材のように隙間の深部にまで浸入しないようにすることができ、使用量を抑えることができて低コスト化を図ることができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体装置の実施の形態の一例を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。
【図２】従来例を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。
【図３】他の従来例を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。
【符号の説明】
１チップキャリア
２半導体チップ
５隙間
５ａ開口部

Claims

半導体チップが実装されるチップキャリアと半導体チップとの間に形成される隙間の開口部のみに充填して封止するための液状封止材料であって、液状エポキシ樹脂、硬化剤としてカチオン系重合開始剤、充填材を含み、かつ比重１．５以下でチキソトロピー指数２．０以上にして成ることを特徴とする液状封止材料。
１５０℃でのゲルタイムが１０秒以下で１２０℃でのゲルタイムが３０秒以下であることを特徴とする請求項１に記載の液状封止材料。
２５℃における粘度が１０〜１０００Ｐａ・ｓであることを特徴とする請求項１又は２に記載の液状封止材料。
液状エポキシ樹脂として水添型ビスフェノールエポキシ樹脂を用いて成ることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の液状封止材料。
半導体チップが実装されるチップキャリアと半導体チップとの間に形成される隙間の開口部のみに請求項１乃至４のいずれかに記載の液状封止材料を充填して封止して成ることを特徴とする半導体装置。