JP4366971B2 - 液状封止樹脂組成物の設計方法、および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、半導体装置特にフリップチップパッケージに関する封止樹脂の信頼性を予測するための方法である。
【０００２】
【従来の技術】
近年半導体チップの大型化、パッケージの多ピン化、多様化に伴い周辺材料である樹脂材料に対する信頼性の要求は年々厳しいものとなってきている。従来はリードフレームに半導体チップを接着しモールド樹脂で封止したパッケージが主流であったが、多ピン化の限界からボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）の様なパッケージが増えてきている。
更にＩＣチップの高集積化、高密度化とＩＣパッケージの小型化という要求からフリップチップ実装方式が登場し、ＱＦＰなどはモールドタイプの大型パッケージからフリップチップパッケージへ移行している。
【０００３】
このようなパッケージの信頼性を確保するために通常アンダーフィル材と呼ばれる毛細管現象を用いてチップ/基板の間の狭ギャップ内に充填させる方法、樹脂材料自体にフラックス作用を持たせ、フリップチップ接合と樹脂封止を同時に行うようなノンフローアンダーフィル材料、又は電極の接合部のみを補強したような硬化性フラックスを使用する等により信頼性を向上させる方法等が例えば特許文献１に記載されている。
【０００４】
このようなアンダーフィル材や硬化性フラックスの様な液状封止樹脂組成物を構成する成分としては、液状エポキシ樹脂、シアネート樹脂やその他の液状熱硬化性樹脂のような主剤、酸無水物、フェノール系やアミン系などの硬化剤が使用されることが一般的であったが、信頼性を予測することは困難であり実際のパッケージを用いて判断するしか方法が無かった。そこで本発明は累積応力に着目し更には液状熱硬化性樹脂の硬化温度を中心に低温から硬化温度までの規格化された蓄積応力と、硬化温度からリフロー温度に相当する温度までの規格化された蓄積応力が信頼性に強い相関があることを見出した。更にこれらを同時に満足することにより信頼性設計の尺度となりうることを見出し、本願発明を完成させるに至ったものである。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−１０６７７０号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、液状封止樹脂で封止された半導体装置、特にフリップチップパッケージを代表とする電極を垂直接続させた半導体装置へ高信頼性を与える液状封止樹脂組成物の設計を容易にする方法を提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、フリップチップとその液状封止樹脂組成物との間の累積応力すなわちストレスを計算し、その値を制限することで半導体装置の高信頼性を維持でき、そのような高信頼性半導体装置を与えることができる液状封止樹脂組成物の設計方法である。
【０００８】
すなわち本発明は、
［１］ 液状封止樹脂組成物と接触するＩＣチップとの間に発生する応力を、式（１）を用いて硬化温度から−７０℃まで求めたときの、硬化温度から−７０℃まで、１０℃ごとの累積応力を４００ＭＰａ以下となし、かつ式（２）を用いて硬化温度から２６０℃までの１０℃ごとの累積値として求めた時の、硬化温度から２６０℃まで、１０℃ごとの累積応力を５ＭＰａ以下とすることを特徴とする液状封止樹脂組成物の設計方法、
【０００９】
【数３】

ここで、σ_Lは硬化温度から−70℃までの累積応力（Pa）、α_Tiは温度Ｔｉにおける液状封止樹脂組成物の線膨張係数、α'_Tiは温度ＴｉにおけるICチップの線膨張係数、E_Tiは温度Ｔｉにおける液状封止樹脂組成物の弾性率（Pa）、Tは温度（℃）でＴｉ＝−７０＋１０（ｉ−１）、ｉは１≦ｉ≦ｎ（ｎ＝（Tc＋70）/10＋1）なる整数であり、−70≦Ｔｉ≦硬化温度、ΔT₁＝｜Ｔｉ−Ｔｃ｜、Ｔｃ＝硬化温度とする。
【００１０】
【数４】

ここで、σ_Hは硬化温度から２６０℃までの累積応力（Pa）、α_Tjは温度Ｔｊにおける液状封止樹脂組成物の線膨張係数、α'_Tjは温度ＴｊにおけるICチップの線膨張係数、E_Tjは温度Ｔｊにおける液状封止樹脂組成物の弾性率（Pa）、Tは温度（℃）でＴｊ＝２６０−１０（ｊ−１）、ｊは１≦ｊ≦ｍ(m=(260-Tc)/10+1)なる整数であり、硬化温度≦Ｔ_j≦２６０℃、ΔT₂＝｜Ｔｊ−Ｔｃ｜、Ｔｃ＝硬化温度とする。
【００１１】
［２］ バンプ付きチップと基板とを用いてバンプを垂直接続させ、そこに生じるギャップに液状封止樹脂組成物を用いて封止する半導体装置の製造方法であって、
常温で液状の熱硬化性樹脂、硬化剤を含む液状封止樹脂組成物と接触するＩＣチップとの間に発生する応力を、式（１）を用いて硬化温度から−７０℃まで求めたときの、硬化温度から−７０℃まで、１０℃ごとの累積応力を４００ＭＰａ以下となし、かつ式（２）を用いて硬化温度から２６０℃までの１０℃ごとの累積値として求めた時の、硬化温度から２６０℃まで、１０℃ごとの累積応力を５ＭＰａ以下とし、かつ前記熱硬化性樹脂１００重量部に対して、硬化剤が１６〜８０重量部である液状封止樹脂組成物を用いることを特徴とする半導体装置の製造方法、
【数５】

ここで、σ_Lは硬化温度から−７０℃までの累積応力（Ｐａ）、α_Tiは温度Ｔｉにおける液状封止樹脂組成物の線膨張係数、α'_Tiは温度ＴｉにおけるＩＣチップの線膨張係数、Ｅ_Tiは温度Ｔｉにおける液状封止樹脂組成物の弾性率（Ｐａ）、Ｔは温度（℃）でＴｉ＝−７０＋１０（ｉ−１）、ｉは１≦ｉ≦ｎ（ｎ＝（Ｔｃ＋７０）／１０＋１）なる整数であり、−７０≦Ｔｉ≦硬化温度、ΔＴ₁＝｜Ｔｉ−Ｔｃ｜、Ｔｃ＝硬化温度とする。
【数６】

ここで、σ_Hは硬化温度から２６０℃までの累積応力（Ｐａ）、α_Tjは温度Ｔｊにおける液状封止樹脂組成物の線膨張係数、α'_Tjは温度ＴｊにおけるＩＣチップの線膨張係数、Ｅ_Tjは温度Ｔｊにおける液状封止樹脂組成物の弾性率（Ｐａ）、Ｔは温度（℃）でＴｊ＝２６０−１０（ｊ−１）、ｊは１≦ｊ≦ｍ(ｍ＝（２６０−Ｔｃ）／１０＋１)なる整数であり、硬化温度≦Ｔ_j≦２６０℃、ΔＴ₂＝｜Ｔｊ−Ｔｃ｜、Ｔｃ＝硬化温度とする。
［３］ 第１の回路基板に、回路面に電極が具備された半導体チップ又は半導体装置が接合するエリア実装法において、第１の回路基板、半導体チップ又は半導体装置の回路面（突起電極形成面）あるいはこれを受ける第２の回路基板との間に液状封止樹脂組成物を硬化させて製造することを特徴とする［２］項記載の半導体装置の製造方法、
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明について詳細に説明する。
式（１）を用いた計算において、各パラメーターを液状封止樹脂組成物と接触するICチップとの間に発生する応力をそれぞれ硬化温度から−70℃まで求めたとき、かつ同様に式（２）を用いた計算において硬化温度から260℃までの10℃ごとの累積値として求める。
硬化温度から−70℃までの累積応力が400（MPa）以上を超えると、被着部材との累積応力即ちストレスが大きくなり、低温領域でのチップクラックやバンプクラックなどの不良を導きやすくなる。また、硬化温度から260℃までの累積応力が5（MPa）以上であるとチップと材料間での熱時剥離やバンプ変形などの不良を起こしやすくなるために好ましくない。
【００１３】
本発明における液状封止樹脂組成物の式（１）または（２）を用いた累積応力の計算は、液状封止樹脂組成物と被着しているICチップを想定して計算する。この方法により実際の信頼性に極めて相関が発現する。
本発明では、式（１）または（２）を用いて累積応力を計算することにより、信頼性の高い半導体装置を与える液状封止樹脂組成物の設計および半導体装置の製造を可能にすることができる。
【００１４】
次に使用する液状封止樹脂組成物は、熱硬化性樹脂が好ましく、更には常温で液状のものが好ましい。例としてはエポキシ樹脂、シアネート樹脂、ウレタン樹脂、ポリブタジエン樹脂、シリコーン樹脂、フェノール樹脂等これまで知られた熱硬化性樹脂が適用することが出来る。より好ましくはエポキシ樹脂、シアネート樹脂である。ただし半導体素子の封止目的のため不純物、特にイオン性不純物が少ないものが好ましい。また、特性を向上させるためにフィラーを添加することが出来る。その例としてはシリカ、炭酸カルシウム、アルミナ、窒化アルミ等が挙げられる。また熱硬化性樹脂が固形の場合、予め溶剤に溶かして使用することも出来る。更に硬化剤、硬化促進剤、低応力剤等添加することが出来る。
その他の例としては、ノンフローアンダーフィル材など一般的にはフィラーを添加しない系でも適用可能であり、構成する成分としては上記に上げた熱硬化性樹脂などがそれに該当し、特にエポキシ樹脂、フェノール樹脂が好ましい。
また、用いる硬化剤としてはフェノール、アミン、酸無水物などが挙げられ、ノンフローアンダーフィル材のような特別な使用をする際には、カルボン酸やその他フラックス活性を示すようなイミダゾールなどを用いても差し支えない。
【００１５】
【実施例】
＜実施例１−４、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。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）Ｔｇ測定：
セイコーインスツルメンツ社製ＴＭＡ装置を用いて、圧縮法にて−１００℃から３００℃まで昇温速度１０℃/ｍｉｎで上昇させたときの線膨張係数を測定し、そのときの変曲点をガラス転移温度（Ｔｇ）とした。
（３）動的粘弾性測定：
作製した封止樹脂組成物硬化物をセイコーインスツルメンツ社製動的粘弾性測定装置を用いて、−８０℃から２５０℃まで昇温速度３℃／ｍｉｎで上昇させたときの粘弾性を測定した。そのときの振動数は１０Ｈｚと一定とした。
（４）半田バンプ接合率：
信頼性試験前の状態を確認する為、
バンプ付きチップ(５ｍｍ□、Ｓｎ３７Ｐｂ半田バンプ又はＳｎ３．５Ａｇ半田バンプ)、また対となる厚み０．７５ｍｍのＦＲ４基板（パッド開口径：１１５μｍ、ソルダーレジスト：ＴＡＩＹＯ製ＰＳＲ−４０００ＡＵＳ５）を用いてバンプを垂直接続させたものを作製し、そこに生じるギャップに液状封止材を介在させることで封止を行った。そのバンプの接合性をテスターにより観察した。
（５）パッケージ作製：
様々なパッケージ形態を調査するため、フリップチップパッケージとしてＳｎＰｂ半田バンプ（ピッチ３３０μｍ、ギャップ１００μｍ、５ｍｍ□及び１０ｍｍ□）を有するパッケージと、ＳｎＡｇ半田バンプ（ピッチ２５０μｍ、ギャップ８０μｍ）を有するパッケージを上記（４）の方法で作製した。
（６）耐リフロー性試験：
出来上がったパッケージの信頼性を評価する為に、ＪＥＤＥＣレベル４の吸湿条件を施した後、リフロー（ＭＡＸ２３０℃）に３回通すことで、接合不良をテスターにより評価した。
（７）耐熱衝撃試験：
耐熱衝撃試験に対する信頼性を評価する為に、−４０℃⇔１２５℃（気相）の熱サイクル試験を行い、接合不良をテスターにより評価した。
（８）式（１）を用いた計算：
今回接続信頼性試験を行ったバンプ付きチップを想定し、式（１）におけるαに液状封止材料の線膨張係数、α'にシリコンチップの線膨張係数（α'＝３ｐｐｍ）として計算した。
【００１６】
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Ｆ型エポキシ樹脂：粘度；２，０００ｍＰａ・ｓ（２５℃）
フェノール系硬化剤：様々な材料系で評価を行う為、フラックス特性を有するようなノンフローアンダーフィル材の作成を行う為、フラックス特性を有するフェノール性硬化材として、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を用いることが出来るが、ここでは２，５-ヒドロキシ安息香酸を用いた。
アミン系硬化剤：日本化薬製カヤハードAA（ホルムアルデヒド・エチルアニリン重縮合化合物）
酸無水物系硬化剤：無水フタル酸、無水メチルナジック酸を用いた。
多官能エポキシ：主成分２-[４-（２，３-エポキシプロポキシ）フェニル]-２-[４-[１，１-ビス[４-（２，３-エポキシプロポキシ）フェニル]エチル]フェニル]プロパン の３官能エポキシを用いた（日本化薬社製NC-6000）。
硬化促進剤：ジアザビシクロウンデセン（DBU）
【００１７】
上記の測定結果を表１に示す。
【表１】

＊１ 球状シリカ：平均粒径：２μｍ、最大粒径：１０μｍ
＊２ フェノール系硬化剤に関しては、フラックス活性を有する。
【００１８】
表１に示したように、実施例１〜３では式（１）を用いた硬化温度から−７０℃までの累積応力σが４００ＭＰａ以下であり、これは半導体装置の温度履歴の中での累積応力が低いことを意味し、その結果ＴＣ試験中での高信頼性化に繋がっている。また、式（２）を用いた硬化温度から２６０℃までの累積応力σが５ＭＰａ以下であり、このため耐リフロー試験中でも半田変形や剥離などを導くようなストレスが生じず、不良を発生しなかったことを示唆している。
一方、比較例１及び３では累積応力が高く、式（１）を用いた累積応力が４００ＭＰａ以上であり、耐TC試験ではそれぞれダイクラック、半田変形及び半田クラックという不具合が発生した。また、比較例３では耐リフロー中に剥離が発生したが、式（２）を用いた硬化温度から２６０℃までの累積応力σが５ＭＰａ以上と高く、応力が蓄積した為、耐リフロー性試験時に剥離を発生してしまったと推測される。
以上の結果より、式（１）を用いた計算において、液状封止樹脂組成物の硬化温度での値を０と仮定し、各パラメーターを液状封止樹脂組成物と接触するシリコンチップとの間に発生する応力をそれぞれ硬化温度から−７０℃まで求めたとき、かつ同様に式（２）を用いた計算において硬化温度から２６０℃までの１０℃ごとの累積値として求めた時に、硬化温度から−７０℃まで、１０℃ごとの累積応力が４００（ＭＰａ）以下、硬化温度から２６０℃まで、１０℃ごとの累積応力が５（ＭＰａ）以下が望ましいと言え、様々な組み合わせの半導体装置に適応することが可能であること分かる。
【００１９】
【発明の効果】
本発明の液状封止樹脂組成物を用いることにより、ノンフローアンダーフィルや圧接工法などのパッケージングにおいて、非常に高いパッケージ信頼性を得ることができ、その工業的メリットは大きい。

Claims (3)

1. 液状封止樹脂組成物と接触するＩＣチップとの間に発生する応力を、式（１）を用いて硬化温度から−７０℃まで求めたときの、硬化温度から−７０℃まで、１０℃ごとの累積応力を４００ＭＰａ以下となし、かつ式（２）を用いて硬化温度から２６０℃までの１０℃ごとの累積値として求めた時の、硬化温度から２６０℃まで、１０℃ごとの累積応力を５ＭＰａ以下とすることを特徴とする液状封止樹脂組成物の設計方法。
   

   

   ここで、σ_Lは硬化温度から−７０℃までの累積応力（Ｐａ）、α_Tiは温度Ｔｉにおける液状封止樹脂組成物の線膨張係数、α'_Tiは温度ＴｉにおけるＩＣチップの線膨張係数、Ｅ_Tiは温度Ｔｉにおける液状封止樹脂組成物の弾性率（Ｐａ）、Ｔは温度（℃）でＴｉ＝−７０＋１０（ｉ−１）、ｉは１≦ｉ≦ｎ（ｎ＝（Ｔｃ＋７０）／１０＋１）なる整数であり、−７０≦Ｔｉ≦硬化温度、ΔＴ₁＝｜Ｔｉ−Ｔｃ｜、Ｔｃ＝硬化温度とする。
   

   

   ここで、σ_Hは硬化温度から２６０℃までの累積応力（Ｐａ）、α_Tjは温度Ｔｊにおける液状封止樹脂組成物の線膨張係数、α'_Tjは温度ＴｊにおけるＩＣチップの線膨張係数、Ｅ_Tjは温度Ｔｊにおける液状封止樹脂組成物の弾性率（Ｐａ）、Ｔは温度（℃）でＴｊ＝２６０−１０（ｊ−１）、ｊは１≦ｊ≦ｍ(ｍ＝（２６０−Ｔｃ）／１０＋１)なる整数であり、硬化温度≦Ｔ_j≦２６０℃、ΔＴ₂＝｜Ｔｊ−Ｔｃ｜、Ｔｃ＝硬化温度とする。
2. バンプ付きチップと基板とを用いてバンプを垂直接続させ、そこに生じるギャップに液状封止樹脂組成物を用いて封止する半導体装置の製造方法であって、
   常温で液状の熱硬化性樹脂、硬化剤を含む液状封止樹脂組成物と接触するＩＣチップとの間に発生する応力を、式（１）を用いて硬化温度から−７０℃まで求めたときの、硬化温度から−７０℃まで、１０℃ごとの累積応力を４００ＭＰａ以下となし、かつ式（２）を用いて硬化温度から２６０℃までの１０℃ごとの累積値として求めた時の、硬化温度から２６０℃まで、１０℃ごとの累積応力を５ＭＰａ以下とし、かつ前記熱硬化性樹脂１００重量部に対して、硬化剤が１６〜８０重量部である液状封止樹脂組成物を用いることを特徴とする半導体装置の製造方法。
   

   

   ここで、σ_Lは硬化温度から−７０℃までの累積応力（Ｐａ）、α_Tiは温度Ｔｉにおける液状封止樹脂組成物の線膨張係数、α'_Tiは温度ＴｉにおけるＩＣチップの線膨張係数、Ｅ_Tiは温度Ｔｉにおける液状封止樹脂組成物の弾性率（Ｐａ）、Ｔは温度（℃）でＴｉ＝−７０＋１０（ｉ−１）、ｉは１≦ｉ≦ｎ（ｎ＝（Ｔｃ＋７０）／１０＋１）なる整数であり、−７０≦Ｔｉ≦硬化温度、ΔＴ₁＝｜Ｔｉ−Ｔｃ｜、Ｔｃ＝硬化温度とする。
   

   

   ここで、σ_Hは硬化温度から２６０℃までの累積応力（Ｐａ）、α_Tjは温度Ｔｊにおける液状封止樹脂組成物の線膨張係数、α'_Tjは温度ＴｊにおけるＩＣチップの線膨張係数、Ｅ_Tjは温度Ｔｊにおける液状封止樹脂組成物の弾性率（Ｐａ）、Ｔは温度（℃）でＴｊ＝２６０−１０（ｊ−１）、ｊは１≦ｊ≦ｍ(ｍ＝（２６０−Ｔｃ）／１０＋１)なる整数であり、硬化温度≦Ｔ_j≦２６０℃、ΔＴ₂＝｜Ｔｊ−Ｔｃ｜、Ｔｃ＝硬化温度とする。
3. 第１の回路基板に、回路面に電極が具備された半導体チップ又は半導体装置が接合するエリア実装法において、第１の回路基板、半導体チップ又は半導体装置の回路面（突起電極形成面）あるいはこれを受ける第２の回路基板との間に液状封止樹脂組成物を硬化させて製造することを特徴とする請求項２記載の半導体装置の製造方法。