JP4494785B2 - 異方導電性接着性フィルム、その製造方法、および半導体装置 - Google Patents

異方導電性接着性フィルム、その製造方法、および半導体装置 Download PDF

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Description

本発明は、異方導電性接着性フィルム、その製造方法、および半導体装置に関する。さらに詳しくは、本発明は、半導体チップ等の電子部品を配線板上に信頼性よく電気的に接続することのできる異方導電性接着性フィルムに関する。さらに、本発明は、このフィルムを製造するための効率的な方法に関する。さらに、本発明は、前述のフィルムにより配線板上に電気的に接続された半導体チップ等の電子部品を含む半導体装置であって、熱衝撃を受けた際、優れた応力緩和性を示し、信頼性のある半導体装置に関する。
半導体チップの小型化・多ピン化に伴い、半導体チップと配線板の接続はフリップチップ方式による接続が多用されている。この接続方法では、半導体チップと配線板との熱膨張係数の差により、熱衝撃を受けた際に熱応力が生じ、信頼性が低下するという問題があった。このため、半導体チップと配線板をはんだボールにより接続した半導体装置では、半導体チップと配線板の間にアンダーフィル材と呼ばれる樹脂を封入して熱応力を緩和する対策がとられている。しかし、この方法は実装工程が増え、コストアップとなるという問題があった。
このため、特開昭６３−８６３２２号公報や特開昭６３−８６５３６号公報では、電気絶縁性接着剤層中に柱状導電体が所定の配列で埋め込まれている異方導電性接着性フィルムが提案されている。これらの導電体は、圧着時に、層の厚み方向に導通し、層の面内方向に絶縁されるように埋め込まれている。しかし、このような異方導電性接着性フィルムを用いて半導体チップを配線板に接続しても、熱衝撃により接続信頼性が低下するという問題があった。
特開昭６３−８６３２２号公報 特開昭６３−８６５３６号公報
本発明の目的は、半導体チップ等の電子部品を配線板上に信頼性よく電気的に接続することのできる異方導電性接着性フィルムを提供することにある。本発明の付加的な目的は、このフィルムを製造するための効率的な方法を提供することにある。さらに、本発明の目的は、前述のフィルムにより半導体チップ等の電子部品が配線板上に電気的に接続され、熱衝撃を受けた際、優れた応力緩和性を示し、信頼性のある半導体装置を提供することにある。
本発明の異方導電性接着性フィルムは、接着性フィルムの厚み方向に貫通し、電気絶縁性エラストマーからなる接着性フィルムの面内方向に絶縁されている導電性エラストマーを有し、該導電性エラストマーと前記電気絶縁性エラストマーの両方が１５０℃において１００ＭＰａ以下の弾性率を有することを特徴とする。
異方導電性接着性フィルムを製造するための本発明の方法は、
電気絶縁性エラストマーからなる接着性フィルムの厚み方向に貫通孔を形成し、
その後は、その貫通孔を導電性エラストマー組成物で充填し、
そして、その貫通孔を充填した後、導電性エラストマーを形成するために前記導電性エラストマー組成物を硬化することを特徴とする。
本発明の半導体装置は、上記の異方導電性接着性フィルムにより、半導体チップの電極と配線板の配線パッドを電気的に接続してなることを特徴とする。
本発明の異方導電性接着性フィルムにおいて、電気絶縁性エラストマーは、１５０℃において１００ＭＰａ以下、特に好ましくは１０ＭＰａ以下の弾性率を有する。１５０℃における電気絶縁性エラストマーの弾性率が１００ＭＰａを超えると、半導体チップの端子と配線板の配線パッドを電気的に確実に接続することができなくなる。この電気絶縁性エラストマーとしては、エポキシ樹脂エラストマー、アクリル樹脂エラストマー、ポリイミド樹脂エラストマー、シリコーンエラストマーが例示される。本発明の異方導電性接着性フィルムにおいて、電気絶縁性エラストマーからなる接着性フィルムとして、特開２０００−３５７６９７号公報に開示されているエポキシ樹脂エラストマーフィルムとポリイミド樹脂エラストマーフィルムを用いることができる。また、本発明の異方導電性接着性フィルムにおいて、電気絶縁性エラストマーからなる接着性フィルムとして、特開平１１−１２５４６号公報や特開２００１−１９９３３号公報に開示されているシリコーンエラストマーフィルムを用いることができる。電気絶縁性エラストマーの抵抗率は、好ましくは１×１０6Ω・ｃｍ以上であり、特に好ましくは１×１０8Ω・ｃｍ以上である。その抵抗率が１×１０6Ω・ｃｍ未満であると、優れた異方導電性が得られない。特に、この接着性フィルムは、硬化性エラストマー組成物を架橋することにより得られ、架橋度によりゲル状やゴム状を呈するものである。シリコーンエラストマーは熱衝撃を受けた際に応力緩和性を示すことから、電気絶縁性エラストマーはシリコーンエラストマーであることが好ましい。一方、接着性フィルムの厚さは限定されないが、この接着性フィルムは、好ましくは１〜５０００μｍ、さらに好ましくは５〜１０００μｍ、特に好ましくは５〜５００μｍの範囲内の厚さを有する。
電気絶縁性エラストマーがシリコーンエラストマーである場合、接着性フィルムを製造する好ましい方法は、硬化性シリコーンエラストマー組成物を、その組成物の硬化物に対して剥離性を有し、かつこの硬化物よりも大きい誘電率を有する基材間で架橋させることからなる。これらの剥離性の基材としては、ポリエーテルサルホン樹脂、トリアセトキシセルロース、ポリイミド樹脂、ポリエステル樹脂、ポリエーテル樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリアミド樹脂等の有機樹脂が例示される。これらの有機樹脂からなる基材としては、これらの有機樹脂のみからなる基材であってもよく、また、これらの有機樹脂を表面や内部に有する複合基材であってもよい。また、これらの基材の形状は限定されず、ブロック、板、フィルムが例示される。特に、基材がフィルムである場合には、接着性フィルムの保護フィルムとして用いることができる。この保護フィルムは半導体チップを配線板に貼り合わせる際に剥がす。また、この保護フィルムの代わりに、別の保護フィルムに貼り替えてもよい。この第２の保護フィルムの誘電率は特に限定されず、この第２の保護フィルムとしては、フッ素樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂等の有機樹脂フィルムが例示される。
この接着性フィルムは、例えば、東レ・ダウコーニング・シリコーン株式会社製の商品名ＦＡ６０、ＦＡ２０００として入手可能である。
本発明の異方導電性接着性フィルムは、接着性フィルムの厚み方向に貫通し、電気絶縁性エラストマーからなる接着性フィルムの面内方向に絶縁されている導電性エラストマーを有する。本発明の異方導電性接着性フィルムにおいて、この導電性エラストマーは、１５０℃において１００ＭＰａ以下、特に好ましくは１０ＭＰａ以下の弾性率を有する。１５０℃における導電性エラストマーの弾性率が１００ＭＰａを超えると、半導体チップの端子と配線板の配線パッドを電気的に確実に接続することができなくなる。そして、導電性エラストマーの抵抗率は、好ましくは１Ω・ｃｍ以下、特に好ましくは１×１０-2Ω・ｃｍ以下である。その抵抗率が１Ω・ｃｍを超えると、優れた異方導電性が得られない。導電性エラストマーの高さは接着性フィルムの厚さと同じか、あるいは導電性エラストマーは凸状に吐出していてもよい。この導電性エラストマーの接続面の大きさは、半導体チップの電極や配線板の配線パッドの大きさとそれらの間隔に依存するので特に限定されない。この導電性エラストマーの形状も特に限定されないが、この導電性エラストマーとしては、円柱、角柱、円錐台、四角錐、紐、帯が例示され、好ましくは、円柱である。
導電性エラストマーとしては、導電性エポキシ樹脂エラストマー、導電性アクリル樹脂エラストマー、導電性ポリイミド樹脂エラストマー、導電性シリコーンエラストマーが例示される。半導体チップと配線板を接続する際に、半導体チップの電極と配線板の配線パッドに密着しやすくなったり、接着性フィルムが半導体チップおよび配線板に接着しやすくなることから、導電性シリコーンエラストマーが特に好ましい。この導電性シリコーンエラストマーとしては、導電性シリコーンゴム、導電性シリコーンゲルが例示される。
導電性エラストマーが導電性シリコーンエラストマーである場合、導電性シリコーンエラストマーは、例えば、特開平３−１７０５８１号公報に開示されている導電性シリコーンゴム組成物の硬化物により作製することができる。この導電性シリコーンゴム組成物は、金、銀、ニッケル、銅等の金属粉末、あるいはこれらの金属を蒸着もしくはメッキした微粉末を含有する硬化性シリコーンゴム組成物である。このようなタイプの導電性シリコーンゴム組成物としては、例えば、東レ・ダウコーニング・シリコーン株式会社製の商品名ＤＡ６５２４、ＤＡ６５２５として入手可能である。
この導電性エラストマーは、電気絶縁性エラストマーからなる接着性フィルムの厚み方向に貫通するものの、この接着性フィルムの面内方向には絶縁されている。この導電性エラストマーの配置は半導体チップの電極や配線板の配線パッドの配置に対応して形成することが好ましい。
異方導電性接着性フィルムを製造するための本方法は、
電気絶縁性エラストマーからなる接着性フィルムの厚み方向に貫通孔を形成し、
その後は、その貫通孔を導電性エラストマー組成物で充填し、
そして、その貫通孔を充填した後、導電性エラストマーを形成するために前記導電性エラストマー組成物を硬化することを特徴とする。
この電気絶縁性エラストマーとしては、上記のようなエポキシ樹脂エラストマー、アクリル樹脂エラストマー、ポリイミド樹脂エラストマー、シリコーンエラストマーが例示される。熱衝撃を受けた際に応力緩和性を示すことから、電気絶縁性エラストマーはシリコーンエラストマーであることが好ましい。
本方法では、次いで、接着性フィルムの厚み方向に貫通孔を形成する。貫通孔を形成する方法としては、打抜き、レーザー加工、マイクロドリルによる穴あけ、ケミカルエッチングが例示される。打抜き、レーザー加工が特に好ましい。また、貫通孔を有する接着性フィルムは、予め貫通孔を形成するようにピンが設けられている金型を用いることにより製造することもできる。硬化性シリコーン組成物は、この硬化性シリコーン組成物により得られる硬化物に対して剥離性を有し、かつこの硬化物よりも大きな誘電率を有する基材を設けた金型中に注入され、硬化される。この貫通孔は、半導体チップの電極や配線板の配線パッドの配置に対応して形成することが好ましい。
接着性フィルムに形成された貫通孔には、その後、導電性エラストマー組成物が充填される。この導電性エラストマー組成物としては、導電性エポキシ樹脂エラストマー組成物、導電性アクリル樹脂エラストマー組成物、導電性ポリイミド樹脂エラストマー組成物、導電性シリコーンエラストマー組成物が例示される。半導体チップと配線板を接続する際に、半導体チップの電極と配線板の配線パッドに密着しやすくなったり、また、接着性フィルムが半導体チップおよび配線板に接着しやすくなるから、導電性シリコーンエラストマー組成物は特に好ましい。この導電性シリコーンエラストマー組成物としては、導電性シリコーンゴム組成物、導電性シリコーンゲル組成物が例示される。
接着性フィルムに形成された貫通孔に導電性エラストマー組成物を充填する方法としては、例えば、接着性フィルム上に導電性エラストマー組成物を塗布した後、スキージにより貫通孔に導電性エラストマー組成物を充填する方法が挙げられる。貫通孔に充填した導電性エラストマー組成物を硬化させる必要がある。この導電性組成物が加熱硬化性組成物である場合には、硬化は１５０℃以下の温度で数分加熱で行われる。
本方法を図面により説明する。図１は、電気絶縁性エラストマー１の両面に保護フィルム２が密着している接着性フィルムである。この接着性フィルムを打抜き、レーザー加工、マイクロドリルによる穴あけ、ケミカルエッチング等の方法により貫通孔３を形成することにより、図２で示される接着性フィルムを作製する。次いで、図３で示される接着性フィルムは、貫通孔３を有する接着性フィルム上に導電性エラストマー組成物を塗布した後、スキージにより貫通孔に充填することにより作製される。貫通孔に充填された導電性エラストマー組成物は、導電性エラストマーを形成するため硬化させる。図４は、保護フィルムを剥がした後の異方導電性接着性フィルムを示している。
本発明の半導体装置は、半導体チップの電極と配線板の配線パッドを上記の異方導電性接着性フィルムにより電気的に接続してなることを特徴とする。特に、本発明の半導体装置では、半導体チップの複数の電極（ボンディングパッド）と、電極に対応して配置した配線板の配線パッドが上記の異方導電性接着性フィルムの導電体により電気的に接続され、さらに、半導体チップと回路板が接着性フィルムにより接着されている。このため、得られる半導体装置が熱衝撃を受けても十分に応力を緩和することができるという特徴がある。
図５は、本発明の一例の半導体装置の断面図を示している。本発明の半導体装置において、半導体チップ６の電極７と配線板８の配線パッド９が異方導電性接着性フィルムの導電体５により電気的に接続されている。また、半導体チップ６と配線板８とは電気絶縁性エラストマー１からなる接着性フィルムにより接着されている。このような半導体装置としては、半導体チップを、エポキシ樹脂製配線板、ポリイミド樹脂製配線板、ガラス製配線板、ＢＴレジン製配線板等の配線板に接続した、例えば、ＣＯＸと呼ばれるベアチップ実装したもの、ＦＣ−ＢＧＡの半導体チップを配線板に接続したもの、ランドグリッドアレイ（ＬＧＡ）等の電子部品と前記回路基板とを接続したもの、さらには前記エポキシ系プリント基板とポリイミド系フレキシブル回路基板を接続したものが例示される。
本発明の半導体装置を作製する方法は限定されないが、半導体チップに異方導電性接着性フィルムを貼り付けた後、これに回路板を貼り付けるか、または、この回路板に異方導電性接着性フィルムを貼り付けた後、これに半導体チップを貼り付け、次いで、これらを２００℃以下にて加熱する方法が例示される。この際、上記の異方導電性接着性シートを挟んだ状態で半導体チップと配線板に圧着した状態で加熱することが好ましい。
以下の手順は半導体装置の作製、およびその信頼性の評価についてである。また、物性は２５℃における値である。
［半導体装置の作製方法］
１０個の半導体装置を次のようにして作製した。：半導体チップ（電極の数＝１００）とエポキシ樹脂製の配線板を異方導電性接着性フィルムを介して貼り合わせ、次いで１ＭＰａの力で圧着させながら１９０℃で２秒間加熱し、その後、圧力を除いた状態にして１７０℃で１時間さらに加熱した。
［半導体装置の信頼性］
半導体装置１０個を−５５℃で３０分間放置した後、直ちに１２５℃で３０分間放置する工程を１サイクルとする熱衝撃試験を１０００サイクル行った。
○外観：半導体装置の外観を顕微鏡により、クラックや剥離等の不良の有無を観察した。
○導通抵抗：半導体装置１０個の各端子の導通抵抗を測定して、熱衝撃試験前に比べてその抵抗値が２倍以上となったものがあった場合を導通抵抗不良とした。
○耐湿性：半導体装置１０個を１３５℃、相対湿度８５％のＨＡＳＴ試験を５００時間行った。その後、半導体装置の各端子の導通試験を行い、各端子間のリーク電流の有無を測定し、リーク電流が測定された場合を耐湿性不良とした。
［実施例１］
片面に厚さ５０μｍのポリエーテルサルフォン（以下、ＰＥＳ）フィルムを貼り合わせ、他方の片面に厚さ３５μｍのＰＥＳフィルムを貼り合せた、厚さ５０μｍの電気絶縁性シリコーンゴム接着性フィルム｛東レ・ダウコーニング・シリコーン株式会社製の商品名ＦＡ６０；硬さ＝５０（ＪＩＳ Ｋ ６２５３に規定のタイプＡデュロメータによる）；１５０℃における弾性率＝１.８ＭＰａ；２５℃における抵抗率＝１×１０15Ω・ｃｍ｝を打抜きにより、直径１００μｍの貫通孔を２００μｍの間隔で形成した。次に、この接着性フィルム上に、シリコーンゴム｛硬さ＝８３（ＪＩＳ Ｋ ６２５３に規定のタイプＡデュロメータによる）；１５０℃における弾性率＝４ＭＰａ；２５℃における抵抗率＝４×１０-4Ω・ｃｍ｝を形成する硬化性の導電性シリコーンゴム組成物（東レ・ダウコーニング・シリコーン株式会社製のＤＡ６５２４）を塗布した後、スキージにより貫通孔に充填した。その後、１５０℃で１分間加熱して異方導電性接着性フィルムを作製した。
この異方導電性接着性フィルムの両面に密着しているＰＥＳフィルムを剥がした後、半導体チップと配線板とを接着して半導体装置を作製した。この半導体装置の信頼性を表１に示した。
［実施例２］
片面に厚さ５０μｍのＰＥＳフィルムを貼り合わせ、他方の片面に厚さ３５μｍのＰＥＳフィルムを張り合せた、厚さ５０μｍの電気絶縁性シリコーンゴム接着性フィルム（東レ・ダウコーニング・シリコーン株式会社製の商品名ＦＡ６０；硬さ＝５０（ＪＩＳ Ｋ ６２５３に規定のタイプＡデュロメータによる）；１５０℃における弾性率＝１.８ＭＰａ；２５℃における抵抗率＝１×１０15Ω・ｃｍ｝を炭酸ガスレーザー（松下電器産業株式会社製の商品名ＹＢ−ＨＣＳ０１）により直径１００μｍの貫通孔を２００μｍの間隔で形成した。次に、この接着性フィルム上に、シリコーンゴム｛硬さ＝８３（ＪＩＳ Ｋ ６２５３に規定のタイプＡデュロメータによる）；１５０℃における弾性率＝４ＭＰａ；２５℃における抵抗率＝４×１０-4Ω・ｃｍ｝を形成する硬化性の導電性シリコーンゴム組成物（東レ・ダウコーニング・シリコーン株式会社製のＤＡ６５２４）を塗布した後、スキージにより貫通孔に充填した。その後、１５０℃で１分間加熱して異方導電性接着性フィルムを作製した。
この異方導電性接着性フィルムの両面に密着しているＰＥＳフィルムを剥がした後、半導体チップと配線板とを接着して半導体装置を作製した。この半導体装置の信頼性を表１に示した。
［実施例３］
特開２０００−３５７６９７号公報の実施例に基いて作製された、片面に厚さ５０μｍのポリエチレンテレフタレート（以下、ＰＥＴ）フィルムを貼り合わせ、他方の片面に厚さ５０μｍのＰＥＴフィルムを貼り合せた、厚さ５０μｍの電気絶縁性エポキシ樹脂接着性フィルム（１５０℃における弾性率＝１０ＭＰａ；２５℃における抵抗率＝１×１０14Ω・ｃｍ）を打抜きにより、直径１００μｍの貫通孔を２００μｍの間隔で形成した。次に、この接着性フィルムに、特開平９−１９４８１３号公報の実施例に基いて作製された、硬化エポキシ樹脂｛１５０℃における弾性率＝３０ＭＰａ；２５℃における抵抗率＝８×１０-3Ω・ｃｍ｝を形成する導電性エポキシ樹脂組成物を塗布した後、スキージにより貫通孔に充填した。その後、１５０℃で１分間加熱して異方導電性接着性フィルムを作製した。
この異方導電性接着性フィルムの両面に密着しているＰＥＴフィルムを剥がした後、半導体チップと配線板とを接着して半導体装置を作製した。この半導体装置の信頼性を表１に示した。
［比較例１］
実施例１において、実施例１で使用した異方導電性接着性フィルムの代わりに、特開昭６３−８６５３６号公報の実施例に基いて異方導電性接着性フィルムを作製した。このフィルムは絶縁接着剤としてポリアリレート樹脂（１５０℃における弾性率＝２５００ＭＰａ）とＡｕ、Ｃｕ、Ａｕの順にメッキした柱状導電体（１５０℃における弾性率＝２００００ＭＰａ）からなる。これを２５０℃、８９ｇ／ピン、５秒の条件で圧着して接続し、半導体装置を作製した。この半導体装置の信頼性を表１に示した。
Figure 0004494785
本発明の異方導電性接着性フィルムは、半導体チップ等の電子部品を配線板上に信頼性よく電気的に接続することができるという特徴がある。この異方導電性接着性フィルムを製造するための本発明の方法は、このフィルムを効率よく製造できるという特徴がある。本発明の半導体装置は、半導体チップ等の電子部品を配線板上に電気的に接続するためにこの発明のフィルムを使用しているので、信頼性が優れ、また、熱衝撃を受けた際の応力緩和性が優れるという特徴がある。
両面に保護フィルムが密着している電気絶縁性接着性フィルムの斜視図である。 貫通孔を形成した電気絶縁性接着性フィルムの斜視図である。 貫通孔を導電性エラストマー組成物で充填した後の異方導電性接着性フィルムの斜視図である。 両面に密着した保護フィルムを剥離した異方導電性接着性フィルムの斜視図である。 異方導電性接着性フィルムにより半導体チップと配線板を電気的に接続して作製した半導体装置の断面図である。
符号の説明
１ 電気絶縁性エラストマー
２ 保護フィルム
３ 貫通孔
４ 導電性エラストマー組成物
５ 導電性エラストマー
６ 半導体チップ
７ 電極
８ 配線板
９ 配線パッド

Claims (5)

  1. １×１０ 6 Ω・ｃｍ以上の抵抗率を有し、１５０℃において１０ＭＰａ以下の弾性率を有する電気絶縁性シリコーンエラストマーからなる接着性フィルムの厚み方向に貫通し、該接着性フィルムの面内方向に絶縁されている、１Ω・ｃｍ以下の抵抗率を有し、１５０℃において１０ＭＰａ以下の弾性率を有する導電性シリコーンエラストマーを有することを特徴とする異方導電性接着性フィルム。
  2. １）電気絶縁性シリコーンエラストマーからなる接着性フィルムの厚み方向に貫通孔を形成し、
    ２）その後は、その貫通孔を導電性シリコーンエラストマー組成物で充填し、そして、
    ３）その貫通孔を充填した後、導電性シリコーンエラストマーを形成するために前記導電性シリコーンエラストマー組成物を硬化することを特徴とする、請求項１の異方導電性接着性フィルムを製造する方法。
  3. 貫通孔が打抜きにより形成されていることを特徴とする、異方導電性接着性フィルムを製造するための請求項２の方法。
  4. 貫通孔がレーザー加工により形成されていることを特徴とする、異方導電性接着性フィルムを製造するための請求項２の方法。
  5. 請求項１の異方導電性接着性フィルムにより、半導体チップの電極と配線板の配線パッドを電気的に接続してなることを特徴とする半導体装置。
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