JP4534980B2 - アンダーフィル用液状エポキシ樹脂組成物及び半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、ＢＧＡ（ball grid array）やＣＳＰ（chip size package）等の半導体素子（チップ）をバンプにより基板に実装して形成される半導体装置において、半導体素子と基板の間に注入充填して用いられるアンダーフィル用液状エポキシ樹脂組成物、また、このアンダーフィル用液状エポキシ樹脂組成物を半導体素子と基板の間に注入充填して形成される半導体装置に関するものである。

図１に示すように、ＢＧＡやＣＳＰ等の半導体素子２をバンプ４により基板３に実装して形成される半導体装置においては、通常、半導体素子２と基板３の間にアンダーフィル用液状エポキシ樹脂組成物１が注入充填されている。このアンダーフィル用液状エポキシ樹脂組成物１としては、従来より多数のものが提供されており（例えば、特許文献１−４参照。）、このようなアンダーフィル用液状エポキシ樹脂組成物１を用いることによって、半導体素子２と基板３の熱膨張率のミスマッチを防止することができるものである。
特開２００３−１６０６３９号公報 特開平１１−２５５８６４号公報 特開平８−１３４３３０号公報 特開２００１−２２０４９５号公報

しかしながら、これまでに提供されているアンダーフィル用液状エポキシ樹脂組成物１にあっては、半導体装置における半導体素子２と基板３の間の隙間への浸入性（ギャップ浸入性）は十分に高いとはいえないものであった。このギャップ浸入性が低いと、半導体装置の製造効率が低下したり、また、半導体素子２と基板３の間に未充填部分が残存するなどして、半導体素子２と基板３の密着性が低下したりするという問題が生じる。

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、ギャップ浸入性を高く得ることができるアンダーフィル用液状エポキシ樹脂組成物、また、半導体素子と基板の密着性を高く得ることができる半導体装置を提供することを目的とするものである。

本発明の請求項１に係るアンダーフィル用液状エポキシ樹脂組成物は、エポキシ樹脂、硬化剤、無機充填材、硬化促進剤、添加剤を含有するアンダーフィル用液状エポキシ樹脂組成物１において、添加剤として、キシレンで希釈した脂肪酸アマイド樹脂を用いると共に、前記常温で液体である硬化剤として、多官能型酸無水物を用いる場合には、この多官能型酸無水物の含有量がアンダーフィル用液状エポキシ樹脂組成物１全量に対して２０重量％以下であることを特徴とするものである。

請求項２に係る発明は、請求項１において、硬化促進剤として、第三級アミン、イミダゾール、イミダゾール系マイクロカプセル型潜在性触媒のうちの少なくとも１つを用いて成ることを特徴とするものである。

請求項３に係る発明は、請求項１又は２において、無機充填材の最大粒径が１０μｍ以下であることを特徴とするものである。

請求項４に係る発明は、請求項１乃至３のいずれかにおいて、シランカップリング剤をアンダーフィル用液状エポキシ樹脂組成物１全量に対して０．１〜１．０重量％含有して成ることを特徴とするものである。

本発明の請求項５に係る半導体装置は、半導体素子２を基板３に実装して形成される半導体装置において、請求項１乃至４のいずれかに記載のアンダーフィル用液状エポキシ樹脂組成物１を半導体素子２と基板３の間に充填して成ることを特徴とするものである。

本発明の請求項１に係るアンダーフィル用液状エポキシ樹脂組成物によれば、キシレンで希釈した脂肪酸アマイド樹脂によって、ギャップ浸入性を高く得ることができるものである。

請求項２に係る発明によれば、アンダーフィル用液状エポキシ樹脂組成物が一液性となるので、簡便に取り扱うことができると共に、ポットライフを長く得ることができるものである。

請求項３に係る発明によれば、半導体素子と基板の間が狭い半導体装置を容易に製造することができ、半導体装置の薄型化・小型化を図ることができるものである。

請求項４に係る発明によれば、エポキシ樹脂と無機充填材の濡れ性を高めることができ、低粘度化を図ることができると共に、ギャップ浸入性をさらに高く得ることができるものである。

本発明の請求項５に係る半導体装置によれば、半導体素子と基板の間の隙間を全てアンダーフィル用液状エポキシ樹脂組成物によって充填することができ、その結果、半導体素子と基板の密着性を高く得ることができるものである。

以下、本発明の実施の形態を説明する。

本発明に係るアンダーフィル用液状エポキシ樹脂組成物は、エポキシ樹脂、硬化剤、無機充填材、硬化促進剤、添加剤を含有するものである。

本発明においてエポキシ樹脂としては、特に限定されるものではないが、例えば、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂等を用いることができる。

また、本発明において硬化剤としては、特に限定されるものではないが、例えば、メチルテトラヒドロ無水フタル酸等の酸無水物、多官能型酸無水物、アミン型硬化剤等を用いることができる。硬化剤の含有量は、特に限定されるものではないが、例えば、０．６〜１．２ｐｈｒに設定することができる。

また、本発明において無機充填材としては、特に限定されるものではないが、例えば、合成シリカやアルミナ等を用いることができる。無機充填材の含有量は、特に限定されるものではないが、例えば、アンダーフィル用液状エポキシ樹脂組成物全量に対して、３０〜７５重量％に設定することができる。

ここで、無機充填材の最大粒径は１０μｍ以下であることが好ましい。これにより、半導体素子と基板の間が狭い半導体装置を容易に製造することができ、半導体装置の薄型化・小型化を図ることができるものである。しかし、無機充填材の最大粒径が１０μｍを超えると、半導体素子と基板の間が２０μｍ以下であるような狭ギャップの半導体装置を製造するのが困難となるおそれがあり、逆に、無機充填材の最大粒径が０．５μｍ以下であると、アンダーフィル用液状エポキシ樹脂組成物の粘度が増加し、ギャップ浸入性が悪化するおそれがある。なお、最大粒径はレーザー回折・散乱法で測定することができる。

また、本発明において硬化促進剤としては、例えば、第三級アミン、イミダゾール、イミダゾール系マイクロカプセル型潜在性触媒（マイクロカプセル化イミダゾール）、トリフェニルホスフィン（ＴＰＰ）等のリン系触媒等を用いることができる。硬化促進剤の含有量は、特に限定されるものではないが、例えば、アンダーフィル用液状エポキシ樹脂組成物全量に対して、０．３〜５重量％に設定することができる。なお、イミダゾール系マイクロカプセル型潜在性触媒とは、イミダゾール骨格を有する化合物を核として、この核の周囲をフェノール樹脂、メラミン樹脂、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂による被膜で被覆することによって得られる微細球粒子のことをいう。

前記硬化促進剤の中でも、第三級アミン、イミダゾール、イミダゾール系マイクロカプセル型潜在性触媒のうちの少なくとも１つを用いるのが好ましい。これにより、アンダーフィル用液状エポキシ樹脂組成物が一液性となるので、簡便に取り扱うことができると共に、ポットライフを長く得ることができるものである。

また、本発明において添加剤としては、キシレンで希釈した脂肪酸アマイド樹脂を用いる。ここで、前記脂肪酸アマイド樹脂の炭素数はＣ７〜Ｃ２０であることが好ましい。Ｃ６以下であると、期待される効果が得られにくくなるおそれがあり、逆に、Ｃ２１以上であると、エポキシ樹脂等との相溶性が悪くなり、ブリードしやすくなるおそれがある。また、脂肪酸アマイド樹脂は固形であるため、キシレンで希釈しておかなければ、粘度が高くなり、ギャップに浸入する際に引っ掛かりが生じる。よって、本発明においては、脂肪酸アマイド樹脂をキシレンで希釈しておくものである。また、脂肪酸アマイド樹脂はキシレン中において２〜３５重量％となるように希釈するのが好ましい。また、添加剤の含有量は、特に限定されるものではないが、例えば、アンダーフィル用液状エポキシ樹脂組成物全量に対して、０．０５〜３重量％に設定することができる。

このように、キシレンで希釈した脂肪酸アマイド樹脂によって、従来よりも、ギャップ浸入性を高く得ることができるものである。

また、本発明においては、エポキシシランカップリング剤等のシランカップリング剤を用いることができるが、この場合には、シランカップリング剤をアンダーフィル用液状エポキシ樹脂組成物全量に対して０．１〜１．０重量％含有するのが好ましい。これにより、エポキシ樹脂と無機充填材の濡れ性を高めることができ、低粘度化を図ることができると共に、ギャップ浸入性をさらに高く得ることができるものである。しかし、シランカップリング剤の含有量が０．１重量％未満であると、上記のような効果を得ることができないおそれがあり、逆に、シランカップリング剤の含有量が１．０重量％を超えると、耐熱性が徐々に低下するおそれがある。

そして、本発明に係るアンダーフィル用液状エポキシ樹脂組成物は、次のようにして製造することができる。まず、前記エポキシ樹脂、硬化剤、硬化促進剤、添加剤を一緒に又は別々に配合し、必要に応じて加熱処理や冷却処理を行いながら、撹拌、溶解、混合、分散を行う。次に、この混合物に無機充填材を加えて、必要に応じて加熱処理や冷却処理を行いながら、再度、撹拌、溶解、混合、分散を行う。そうすると、本発明に係るアンダーフィル用液状エポキシ樹脂組成物を得ることができる。なお、前記撹拌、溶解、混合、分散等の工程においては、ディスパー、プラネタリーミキサー、ボールミル、３本ロール等を組み合わせて使用することができる。

また、本発明に係る半導体装置は、図１に示すように、ＢＧＡ等の半導体素子２をＦＲグレード等の基板３にバンプ４により実装すると共に、前記アンダーフィル用液状エポキシ樹脂組成物１を前記半導体素子２と基板３の間に注入充填した後、これを硬化させることによって、製造することができる。なお、硬化条件は、特に限定されるものではないが、例えば、１２０〜１７０℃、０．５〜５時間である。

このようにして形成される半導体装置にあっては、半導体素子２と基板３の間の隙間が全てアンダーフィル用液状エポキシ樹脂組成物１によって充填されるので、その結果、半導体素子２と基板３の密着性を高く得ることができるものである。また、本発明に係るアンダーフィル用液状エポキシ樹脂組成物は、ギャップ浸入性に優れているので、半導体装置の製造効率を高めることができるものである。

以下、本発明を実施例によって具体的に説明する。

エポキシ樹脂として、常温で液状であるビスフェノールＡ型エポキシ樹脂（ジャパンエポキシレジン（株）製「エピコート８２８」、エポキシ当量１８９）を用いた。

また、硬化剤として、メチルテトラヒドロ無水フタル酸（新日本理化（株）製「ＭＨ−７００」、酸無水物当量１６６）、多官能型酸無水物（ジャパンエポキシレジン（株）製「ＹＨ３０９」）、アミン型硬化剤（日本化薬工業（株）製「カヤハードＡ−Ａ」、分子量２０６）を用いた。いずれも常温で液状である。

また、無機充填材として、合成シリカ（（株）アドマテックス製「ＳＯ−Ｅ２」（最大粒径３μｍ）、「ＳＥ２０５０」（最大粒径５μｍ）、「ＳＥ２１００」（最大粒径１０μｍ）、「ＳＥ８２００」（最大粒径２０μｍ））、アルミナ（住友化学（株）製「ＡＡ０４」（最大粒径０．５μｍ））を用いた。

また、硬化促進剤として、第三級アミン（アミン変性触媒である旭電化工業（株）製「ＥＨ３８４９Ｓ」）、イミダゾール（四国化成工業（株）製「１Ｂ２ＰＺ」）、イミダゾール系マイクロカプセル型潜在性触媒（旭化成エポキシ（株）製「ＨＸ−３９４１ＨＰ」）、リン系触媒（北興化学工業（株）製「ＴＰＰ」）を用いた。

また、添加剤として、キシレンで希釈した脂肪酸アマイド樹脂（楠本化学（株）製「ＤＡ４１０Ｎ」、共栄化学工業（株）製「ＥＤ−１０００」）、フッ素含有シリコーン樹脂（信越化学工業（株）製「ＦＡ６００」「ＦＡ６３０」）を用いた。

また、シランカップリング剤として、エポキシシランカップリング剤（日本ユニカー（株）製「Ａ−１８７」）を用いた。

そして、前記エポキシ樹脂、硬化剤、硬化促進剤、添加剤、シランカップリング剤を下記［表１］に示す配合量（重量部）で配合し、撹拌、溶解、混合、分散を行った。次に、この混合物に前記無機充填材を下記［表１］に示す配合量（重量部）で加えて、再度、撹拌、溶解、混合、分散を行うことによって、実施例１〜１２及び比較例１〜６のアンダーフィル用液状エポキシ樹脂組成物を製造した。

次に、実施例１〜１２及び比較例１〜６のアンダーフィル用液状エポキシ樹脂組成物について、アンダーフィル浸入性（ギャップ浸入性）を調査すると共に、リフロー性試験を行った。具体的には以下の通りである。

（アンダーフィル浸入性）
半導体素子２として、ＣＭＯＳゲートアレイ素子（チップサイズ０．４ｍｍ厚、７ｍｍ角）を用い、基板３として、ＦＲ−５の回路基板を用いた。前記半導体素子２のチップ周辺部の電極と、前記基板３上の電極とを金バンプ４により接続することによって、図２に示すような半導体装置を製造した。なお、前記半導体素子２と基板３との間隔は２０μｍである。

そして、前記半導体素子２の一辺に沿ってアンダーフィル用液状エポキシ樹脂組成物１をディスペンサーで塗布した直後、この基板３を８０℃のホットプレート上に置いて、反対側の他辺にアンダーフィル用液状エポキシ樹脂組成物１が到達するまでの時間を計測した。

この時間が６０秒以下であるものを「○」、２分以下であるものを「△」、２分を超えるものを「×」と判定することによって、アンダーフィル浸入性を評価した。その結果を下記［表１］に示す。

（リフロー性試験）
半導体素子２として、ＣＭＯＳゲートアレイ素子（チップサイズ０．４ｍｍ厚、７ｍｍ角）を用い、基板３として、ＦＲ−５の回路基板を用いた。前記半導体素子２を基板３に金バンプ４により実装すると共に、アンダーフィル用液状エポキシ樹脂組成物１を前記半導体素子２と基板３の間に注入充填した後、これを１５０℃、２時間で硬化させることによって、図１に示すような半導体装置を１０個ずつ製造した。なお、前記半導体素子２と基板３との間隔は２０μｍである。

上記のようにして製造した半導体装置の電気的動作結果が良好であることを確認した上で、次のようなリフロー性試験を行った。すなわち、３０℃、７０％ＲＨの雰囲気下に１９２時間、半導体装置を置いて吸湿させた後、リフロー炉（ピーク温度２５０℃以上、５秒以内）を通過させた。

そして、半導体素子２と基板３との間に剥離がないか、超音波探査装置を用いて観察した。１０個の半導体装置のうち、不良数が０〜３個であるものを「○」、４〜６個であるものを「△」、７〜１０個であるものを「×」と判定することによって、半導体素子２と基板３の密着性を評価した。その結果を下記［表１］に示す。

半導体装置の一例を示す断面図である。 アンダーフィル用液状エポキシ樹脂組成物を充填する前の半導体装置の一例を示す断面図である。

符号の説明

１ アンダーフィル用液状エポキシ樹脂組成物
２ 半導体素子
３ 基板

Claims (5)

1. エポキシ樹脂、硬化剤、無機充填材、硬化促進剤、添加剤を含有するアンダーフィル用液状エポキシ樹脂組成物において、添加剤として、キシレンで希釈した脂肪酸アマイド樹脂を用いて成ることを特徴とするアンダーフィル用液状エポキシ樹脂組成物。
2. 硬化促進剤として、第三級アミン、イミダゾール、イミダゾール系マイクロカプセル型潜在性触媒のうちの少なくとも１つを用いて成ることを特徴とする請求項１に記載のアンダーフィル用液状エポキシ樹脂組成物。
3. 無機充填材の最大粒径が１０μｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載のアンダーフィル用液状エポキシ樹脂組成物。
4. シランカップリング剤をアンダーフィル用液状エポキシ樹脂組成物全量に対して０．１〜１．０重量％含有し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アンダーフィル用液状エポキシ樹脂組成物。
5. 半導体素子を基板に実装して形成される半導体装置において、請求項１乃至４のいずれかに記載のアンダーフィル用液状エポキシ樹脂組成物を半導体素子と基板の間に充填して成ることを特徴とする半導体装置。

Images