JP4569117B2 - 液状封止樹脂組成物及びそれを用いた半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Description
該方法は、半田融点まで急速に加熱するため、樹脂を硬化する際に、樹脂且つ又は基板から揮発成分によるボイドの問題があった。
ボイドを解決するための方策としては
1) 樹脂中の加熱温度範囲で揮発する成分の低減
2) 温度プロファイルの最適化
3) 樹脂の各基材への濡れ性改良
4) 樹脂の硬化性の最適化
5) 基板の予備乾燥
等が検討されているが十分ではなかった。
1) 鉛フリー半田は固化後の表面状態が従来の錫-鉛半田に比べ粗く、樹脂の濡れ性
が不十分であることによる空隙から発生、
2) 加熱温度が高いため、樹脂に含まれる揮発分からのボイド発生、
等が重要であることを突き止め、更にその解決法に関し鋭意検討を行い、本発明を完成させるに至った。
[1] (A)式(1)で示される液状エポキシ樹脂、(B)少なくとも一個の芳香族カルボン酸残基を有し、かつ該カルボン酸残基以外にエポキシ基と反応する官能基を少なくとも一つ以上を有する硬化剤、(C)側鎖又は末端に二重結合を有する液状重合物を主成分とし、前記エポキシ基と反応する官能基がカルボキシル基、フェノール性水酸基、又はアルコール性水酸基であり、前記(C)液状重合物がビニル基末端アクリロニトリル−ブタジエンゴム、ビニル基末端アクリロニトリル−ブタジエン−アクリル酸共重合物、1,2−ポリブタジエン、末端芳香族アミンアクリレートポリブタジエン、末端芳香族アミンアクリレート水添ポリブタジエン、アクリル変成ポリイソプレン、アクリル変性ポリブタジエン、アクリル変性イソブチレン、アクリレート樹脂から選ばれる液状封止樹脂組成物。
[3] さらに、カルボキシル基末端アクリロニトリル−ブタジエンゴムを含有する第[1]又は[2]項に記載の液状封止樹脂組成物。
[4] 前記(C)液状重合物の添加量が、カルボキシル基末端アクリロニトリル−ブタジエンゴム100重量部に対して、50重量部以上100重量部である第[3]項に記載の液状封止樹脂組成物。
[5] 回路基板または回路面に半田突起電極が形成された半導体チップに、第[1]、[2]、[3]又は[4]項記載の液状封止樹脂組成物を塗布し、半田の融点以上に加熱し該突起電極と回路基板を電気的に接合することを特徴とする半導体装置の製造方法。
[6] 第[5]項記載の半導体装置の製造方法により半導体素子を封止して製作された半導体装置。
また硬化性、硬化物性を調整するために他のエポキシ樹脂を添加することもできる。その例としては、平均エポキシ基が2以上であれば、使用することができ、ビスフェノールAジグリシジルエーテル型エポキシ、ビスフェノールFジグリシジルエーテル型エポキシ
、ビスフェノールSジグリシジルエーテル型エポキシ、3,3‘,5,5’−テトラメチル−4,4‘−ジヒドロキシビフェニルジグリシジルエーテル型エポキシ、4,4’−ジヒドロキシビフェニルジグリシジルエーテル型エポキシ、1,6−ジヒドロキシビフェニルジグリシジルエーテル型エポキシ、フェノールノボラック型エポキシ、臭素型クレゾールノボラック型エポキシ、ビスフェノールDジグリシジルエーテル型エポキシ,1,6−
ナフタレンジオールのグリシジルエーテル、アミノフェノール類のトリグリシジルエーテル等がある。これらは単独又は混合して用いても差し支えない。更にフェノールノボラック型エポキシ樹脂、固体のエポキシ樹脂を式(1)のエポキシ樹脂に溶解、又は分散しても構わない。また、信頼性の優れた液状封止樹脂組成物を得るために、エポキシ樹脂のNa+、Cl-等のイオン性不純物はできるだけ少ないものが好ましい。
他のエポキシ樹脂の添加量はエポキシ樹脂全体の40重量%以下であることが好ましい。これを上回ると、式(1)のボイド低減効果が少なくなる。
ポキシ基と反応する官能基を少なくとも一つ以上含む硬化剤である。芳香族カルボン酸残基とは、ベンゼン環等の芳香族性を示す構造に直接結合したカルボン酸を有する構造を示す。芳香族カルボン酸残基を含む化合物は脂肪族カルボン酸残基を含む化合物に比べ、エポキシ基との反応性且つ耐水性に優れるため、硬化剤として用いた場合、硬化物の耐水、耐湿性が向上し、しかもフラックス活性を有するため本発明目的に最適である。エポキシ基と反応する官能基とは、カルボキシル基、フェノール性水酸基、アルコール性水酸基等の活性水素を放出する官能基が挙げられる。これは、系中にフラックス作用を示す芳香族カルボン酸残基が存在するため、上に示した酸性の官能基が好ましい。塩基性の官能基が存在すると酸−塩基反応が起こり、材料の保存安定性が悪くなるため、あまり好ましくない。以上のことから本発明に用いられる硬化剤の例としては、フタル酸等の二価カルボン酸、フェノール酸類、ジフェノール酸類等が挙げられる。これらの例は何れもフラックス作用を有することが本発明に利用するための条件である。
クリレートポリブタジエン、末端芳香族アミンアクリレート水添ポリブタジエン、アクリル変成ポリイソプレン、アクリル変性ポリブタジエン、アクリル変性イソブチレン、アクリレート樹脂等が挙げられる。特にビニル基末端ブタジエン・アクリロニトリル・アクリル酸共重合物は本発明のエポキシ樹脂との相乗効果により、鉛フリー半田等への濡れ性が向上するため好ましい。
その添加量は、エポキシ樹脂+硬化剤に対して、0.1重量%から20重量%、好ましくは0.5重量%から10重量%である。下限値を下回ると、鉛フリー半田等への濡れ性向上の効果が期待できない。また、上限値を超えると、架橋密度が低下し、熱的特性の低下を導くなどの恐れがある。
液状エポキシ樹脂と硬化剤の反応を促進するために硬化促進剤を添加することができる。その例としては一般的にエポキシ樹脂の硬化促進剤として用いられるものであり、イミダゾール類、リン化合物、ジアザ化合物、第三級アミン等を挙げることができる。
キシ樹脂組成物の80重量%以下である。より好ましくは50重量%以下である。上限値を超えると、接合の際、絶縁性のフィラーが半導体素子の突起電極と回路板電極との接合を妨げるからである。
またフィラー形状は球状であることが好ましい。いわゆる破砕フィラーの場合はその鋭利な面により半導体素子表面の回路を破壊する恐れがある。また、フィラー粒径は平均粒径で6μm以下、最大粒径で30μm以下が好ましい。この範囲を超えると半田接合時に半導体素子の突起電極と回路板電極との接合をフィラーにより妨げられ、接続不良を起こす可能性がある。
表1の処方に従って秤量し、ミキサーにて混練して、真空脱泡後、液状封止樹脂組成物を作製した。
液状エポキシ樹脂は、揮発分によるボイドの影響を防ぐために、エバポレーターにより120℃、5torrの条件下で減圧乾燥させたものを用いた。
硬化剤は、150℃、5torrの条件下で減圧乾燥させたものを用いた。
次に特性を把握するために、以下の代用特性を評価した。
(2)ゲルタイム:作製した液状封止樹脂組成物を170℃のホットプレート上でタックフリー状態になるまでの時間をゲルタイムとして測定した。
以下のフリップチップを作製した。
チップサイズ:10mm
半田組成:錫−銀半田(融点221℃)
バンプピッチ:200μm
バンプ高さ:80μm
バンプ数:400個
パッシベーション:ポリイミド
サンプル数:n=5
該フリップチップは回路がデイジーチェーンになっているため、基板接続時に各バンプの導通試験が可能であり、接合率を求めることができるように設計した。
(接合=導通合格数(バンプ数)/総バンプ数(400×5))
該チップに対となる厚み1.0mmのFR−5有機基板を予め150℃、4時間乾燥さ
せて、該基板上に液状封止樹脂組成物を塗布し、フリップチップボンダーを用いてバンプが電気接合されるように該基板と半導体チップとを位置合わせした後仮圧着させた。それを以下のリフロープロファイルによる加熱後、150℃90minの条件で後硬化を行った。組み立てたパッケージのバンプ導通をテスターにより検査して、バンプ接合率を算出した。
リフロープロファイル(1):
150〜200℃(プレヒート)の時間:150sec、ピークの温度:240℃、2
21℃(半田融点)以上の時間:50sec、トータル時間:400sec
リフロープロファイル(2):
150〜200℃(プレヒート)の時間:150sec、ピークの温度:275℃、221℃(半田融点)以上の時間:100sec、トータル時間:450sec
ボイド評価基準
◎:数μm以上のボイドが全くない
○:数μm以上のボイドが1パッケージ#あたり数個あるが、信頼性上問題ないレベ
ル
△:数μm以上のボイドが1パッケージ#あたり数個から数十個あり、一部バンプに
またがる大きなボイドが存在するため、信頼性上支障をきたす恐れのあるレベル
×:数μm以上のボイドが多数見られ、バンプにまたがる大きなボイドが数個存在するため、信頼性に明らかに問題があるレベル
上記の測定結果を表1に示す。
エポキシ樹脂:
・式(1)で示されたエポキシ樹脂(日本化薬(株)製、RE−810NM):エポキシ当量220〜230
・ビスフェノールF型エポキシ樹脂(BPF型Ep):エポキシ当量150〜170
硬化剤:
・2,5−ジヒドロキシ安息香酸(DHBA)
硬化促進剤:
・2−フェニル−4−メチルイミダゾール(2P4MZ)
添加剤:
・カルボキシル基末端アクリロニトリル−ブタジエンゴム(宇部興産(株)製、CTBN)
・ビニル基末端アクリロニトリル−ブタジエンゴム(宇部興産(株)製、VTBN)
・1,2−ポリブタジエン(日本曹達(株)製、1,2−PB)
実施例4では、側鎖に二重結合を有する液状重合物として1,2−ポリブタジエンを用いた。得られた結果として、ビニル基末端アクリロニトリル−ブタジエンゴムと同様に、ボイド抑制効果が見られた。
一方、比較例1では、プロファイル(1)に対して信頼性に影響がないボイドレベルであったが、プロファイル(2)に対しては信頼性に支障をきたすボイドレベルとなった。また、プロファイル(2)においては、ボイドが原因と考えられる接続不良が発生した。
比較例2は実施例3との比較において、明らかに差異が見られた。
比較例3は一般的なエポキシ樹脂と二重結合を有する液状重合物の組み合わせだけではボイドに関し効果は見られない。
以上の結果から、本発明に式(1)で示された液状エポキシ樹脂と側鎖又は末端に二重結合を有する液状重合物、特にビニル基末端アクリロニトリル−ブタジエンゴムを適用することにより、鉛フリー半田のような融点の高い半田接合時の加熱に対して、接続性とボイド性のマージンを大きく広げることが可能であることが見出された。
プチップパッケージのチップと基板の隙間を封止する封止材や半導体装置等に好適に用いることができる。
Claims (6)
- (A)式(1)で示される液状エポキシ樹脂、(B)少なくとも一個の芳香族カルボン酸残基を有し、かつ該カルボン酸残基以外にエポキシ基と反応する官能基を少なくとも一つ以上を有する硬化剤、(C)側鎖又は末端に二重結合を有する液状重合物を主成分とし、前記エポキシ基と反応する官能基がカルボキシル基、フェノール性水酸基、又はアルコール性水酸基であり、前記(C)液状重合物がビニル基末端アクリロニトリル−ブタジエンゴム、ビニル基末端アクリロニトリル−ブタジエン−アクリル酸共重合物、1,2−ポリブタジエン、末端芳香族アミンアクリレートポリブタジエン、末端芳香族アミンアクリレート水添ポリブタジエン、アクリル変成ポリイソプレン、アクリル変性ポリブタジエン、アクリル変性イソブチレンから選ばれる液状封止樹脂組成物。
- 前記(C)液状重合物の添加量が、エポキシ樹脂+硬化剤に対して、0.83重量%以上1.67重量%以下である請求項1記載の液状封止樹脂組成物。
- さらに、カルボキシル基末端アクリロニトリル−ブタジエンゴムを含有する請求項1又は2に記載の液状封止樹脂組成物。
- 前記(C)液状重合物の添加量が、カルボキシル基末端アクリロニトリル−ブタジエンゴム100重量部に対して、50重量部以上100重量部である請求項3に記載の液状封止樹脂組成物。
- 回路基板または回路面に半田突起電極が形成された半導体チップに、請求項1、2、3又は4記載の液状封止樹脂組成物を塗布し、半田の融点以上に加熱し該突起電極と回路基板を電気的に接合することを特徴とする半導体装置の製造方法。
- 請求項5記載の半導体装置の製造方法により半導体素子を封止して製作された半導体装置。
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