JP4940486B2

JP4940486B2 - エポキシ樹脂組成物、半導体装置及びその製造方法

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Publication number: JP4940486B2
Application number: JP2005154711A
Authority: JP
Inventors: 直樹金川; 貴志長谷川; 靖孝宮田
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2005-05-26
Filing date: 2005-05-26
Publication date: 2012-05-30
Anticipated expiration: 2025-05-26
Also published as: JP2006328246A

Description

本発明は、半導体封止材料として好適に使用することができるエポキシ樹脂組成物、並びにこのエポキシ樹脂組成物を用いて封止される半導体装置及びその製造方法に関するものである。

近年、電子機器のさらなる小型化及び高機能化を図るため、プリント配線板等の回路基板上にＩＣチップなどの電子部品を高密度で実装することが要求されている。実装密度を高める有力な手段の一つとして、フリップチップ実装が広く知られている。フリップチップ実装においては、バンプと呼ばれる突起を介してＩＣチップ上の複数の電極と回路基板上の所定の電極とを位置合わせした後、これらの電極間の電気接続が一括して形成される。次いで、電気絶縁性を有する封止樹脂（アンダーフィル材）がＩＣチップと回路基板の間に注入されて加熱硬化される。封止用樹脂としては、エポキシ樹脂を配合した液状封止エポキシ樹脂組成物が汎用されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００１−３２９０４８号公報

しかしながら、上記のフリップチップ実装では、電極接続工程と封止用樹脂の硬化工程を個別に行っていたため、製造効率が低いという問題があった。

そこで、金属バンプを介しての電極接続と同時に封止用樹脂の硬化を行うリフロー同時硬化法や、回路基板の表面に液状エポキシ樹脂を塗布した後に、ＩＣチップをエポキシ樹脂の塗布層上に配置してＩＣチップの背面から加圧加熱して電極接続と封止用樹脂の硬化を一段階で行う圧接法が提案されている。

このうち、圧接法においては、圧接に要する時間がフリップチップ実装効率を決定する律速因子となるため、硬化時間が短く、かつ硬化した封止用樹脂内に気泡（ボイド）が発生しない封止用樹脂組成物の開発が待たれている。また、使用にあたっては極微量の塗布量である場合が多く、従来の封止材以上の可使時間が求められている。さらに微細ピッチでのマイグレーション発生による絶縁抵抗劣化が問題となる場合も多い。

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、フリップチップ実装による半導体装置の製造効率を改善するため、圧接工程において室温での可使時間が長く、短時間で硬化し、ボイドレス性に優れて絶縁特性を備えた硬化樹脂層を形成することができるエポキシ樹脂組成物を提供することを目的とするものである。

また、本発明は、ボイドレス性に優れて絶縁特性を備えた硬化樹脂層で封止された半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とするものである。

本発明のエポキシ樹脂組成物は、エポキシ樹脂及び硬化剤を含有すると共に室温で液状であるエポキシ樹脂組成物において、硬化剤として、イミダゾール骨格を有する化合物を核とすると共にこの核の周囲を熱硬化性樹脂による被膜で被覆して得られた微細球粒子と、下記化学式（１）で示される酸無水物とを用い、上記の微細球粒子の配合量がエポキシ樹脂組成物の全量に対して７〜２０質量％であり、導電粒子を含有して成ることを特徴とするものである。

本発明において、エポキシ樹脂として、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、ナフタレン環含有エポキシ樹脂、これらの水素添加型のエポキシ樹脂、脂環式エポキシ樹脂から選択される少なくとも１種のものを用いることができる。

また、本発明において、下記化学式（２）で示されるナフタレン環含有４官能型エポキシ樹脂をエポキシ当量比で全エポキシ樹脂の１０〜４０％含有するのが好ましい。

また、本発明において、ゲル化時間が１５０℃において６〜５０秒であることが好ましい。

また、本発明において、充填材として、最大粒径が０．１〜１０μｍである球状非晶質シリカを含有することができる。

本発明の半導体装置は、上記いずれかに記載のエポキシ樹脂組成物で半導体チップを封止して成ることを特徴とするものである。

本発明の半導体装置の製造方法は、上記いずれかに記載のエポキシ樹脂組成物を用いて回路基板と半導体チップとを熱圧接により接着することを特徴とするものである。

本発明では、イミダゾール骨格を有する化合物を核とすると共にこの核の周囲を熱硬化性樹脂による被膜で被覆して得られた微細球粒子と、上記化学式（１）で示される酸無水物とを硬化剤として用いることによって、エポキシ樹脂組成物の硬化速度と可使時間を飛躍的に高めることができ、圧接工程を含む半導体装置の方法において製造効率を改善することができると共に、ボイドレス性に優れて絶縁特性を備えた硬化樹脂層を半導体チップと回路基板との間に形成することができるものである。また、上記の微細球粒子の配合量をエポキシ樹脂組成物の全量に対して７〜２０質量％とすることにより、微細球粒子を硬化剤として作用させることができ、十分な硬化速度が得られてゲル化の長時間化を防止することができると共に硬化物の絶縁性を損なわないようにして半導体装置の信頼性を低下させないようにすることができるものである。

また、上記の立体障害の異なる各種のエポキシ樹脂を適宜組み合わせることによって、所望の硬化速度を実現することができるものである。

また、上記化学式（２）のナフタレン環含有４官能型エポキシ樹脂をエポキシ当量比で全エポキシ樹脂の１０〜４０％含有することによって、より短時間の硬化時間でボイドレスを実現することができると共に、硬化物（硬化樹脂層）のガラス転移温度（Ｔｇ）が上昇することにより加圧圧接後にボンディングツールを半導体チップの背面から離す際においてチップ浮きを低減することができるものである。

また、導電粒子を含有することによって、絶縁性の高いエポキシ樹脂組成物（接着剤）中に導電粒子が均一に分散した材料とすることができ、電子部品の相対する電極間の電気接続と、隣接する電極間の絶縁性、及び固定の目的に好適に使用することができるものである。

また、ゲル化時間が１５０℃において６〜５０秒とすることによって、回路基板と半導体チップとを熱圧接により接着する場合において、両者が電気的に接続される前に樹脂組成物が硬化しないようにすることができると共に、圧接工程に要する時間が短時間となり、製造効率の向上を十分に達成することができるものである。

また、充填材として、最大粒径が０．１〜１０μｍである球状非晶質シリカを含有することにより、硬化物を低熱膨張率化することができ、半導体チップの金属バンプと回路基板の電極との間の高い接続信頼性を実現することができるものである。

本発明の半導体装置は、上記いずれかに記載の液状封止エポキシ樹脂組成物で半導体チップを封止するので、ボイドレスで絶縁特性を備えた硬化樹脂層を半導体チップと回路基板との間に設けて封止することができるものである。

本発明の半導体装置の製造方法は、上記いずれかに記載の液状封止エポキシ樹脂組成物を用いて回路基板と半導体チップとを熱圧接により接着するので、圧接工程において液状封止エポキシ樹脂組成物を短時間で硬化させることができ、フリップチップ実装による半導体装置の製造効率を改善することができるものである。

以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。

本発明に係るエポキシ樹脂組成物は、室温で液状であって、エポキシ樹脂及び硬化剤を含有するものである。硬化剤としては、イミダゾール骨格を有する化合物を核とすると共にこの核の周囲を熱硬化性樹脂による被膜で被覆して得られた微細球粒子と、上記化学式（１）で示される酸無水物を用いる。そして、このようなエポキシ樹脂組成物は、例えば、フリップチップ実装工程においてＩＣチップ等の電子部品とプリント配線板等の回路基板との間の隙間を封止するための半導体封止用材料として好適に用いることができるものであり、上記のエポキシ樹脂組成物を用いてフリップチップ実装を行えば、動作信頼性の高い半導体装置を効率よく製造することができると共に、ボイドレス（ボイドがほとんど無くボイドレス性に優れる）で絶縁特性を備えた硬化樹脂層を半導体チップと回路基板との間に形成することができるものである。すなわち、上記の硬化剤を用いることによって、エポキシ樹脂組成物の硬化速度と保存安定性を飛躍的に高めることができ、後述するような圧接工程を含む半導体装置の製造方法において製造効率を改善することができるものである。

イミダゾール骨格を有する化合物を核とすると共にこの核の周囲を熱硬化性樹脂による被膜で被覆して得られた微細球粒子を硬化剤として用いる場合、室温での粘度変化が少なく、かつ１００℃以上の加熱により急激な硬化反応ボイドレスで進行する。また、さらに上記化学式（１）で示される酸無水物を併用することにより絶縁特性を著しく改善することを見出したことにより、完成に至ったものである。

ここで、硬化剤である上記のイミダゾール骨格を有する化合物を核とすると共にこの核の周囲を一般的には１質量％以下程度の熱硬化性樹脂（この熱硬化性樹脂としては、例えば、フェノール・ホルムアルデヒド樹脂、メラミン・ホルムアルデヒド樹脂、エポキシ樹脂を好適に用いることができる）による被膜で被覆して得られた微細球粒子（マイクロカプセル）は、例えば、エポキシ樹脂組成物を圧接工法に使用する場合において、エポキシ樹脂組成物の全量に対して７〜２０質量％配合するものである。これにより微細球粒子、またはアミンアダクト粒子は酸無水物に求核的に反応してカルボキシルアニオンを生じさせ、酸無水物を硬化構造に化学的に取り込み電気絶縁性を向上させると同時に、室温で粘度変化の少ない硬化剤として１００℃以上の加熱によりエポキシとボイドレスで反応を進行させることができる。上記７質量％より少ない場合は、十分な硬化速度が得られず、ゲル化に長時間を要するおそれがあり、逆に上記２０質量％より多い場合は、十分な硬化速度は得られるものの、電気絶縁性を悪化させるため製造される半導体装置の信頼性を低下させるおそれがある。さらに併用する上記化学式（１）で示される酸無水物はエポキシ樹脂１００質量部に対して１０〜９０質量部配合することが好ましい。１０質量部より少ない場合は、優れた電気絶縁性を発現することができず、また９０質量部より多い場合は、高温で急速に加熱したとき、それ自体が反応に寄与する前に揮発するため、気泡（ボイド）が硬化物中に残存し、同様に製造される半導体装置の信頼性を低下させるおそれがあり、また、後述のように、１５０℃におけるゲル化時間が６秒よりも短くなったり、可使時間が短くなりすぎたりして好ましくない。尚、上記微細球粒子及びアミンアダクト粒子のサイズ（粒径）は、５０μｍ以下が好ましく、１０μｍ以下が更に好ましく、特に好ましくは５μｍ以下である。

本発明においてエポキシ樹脂としては、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂、ナフタレン環含有エポキシ樹脂（例えば、上記化学式（１）で示されるナフタレン環含有ジグリシジルエーテル）、これらの水素添加型のエポキシ樹脂、脂環式エポキシ樹脂の中から選択される少なくとも１種のものを用いることが好ましい。エポキシ樹脂の硬化速度に最も影響するのはエポキシ基近傍の立体障害であり、エポキシ基に嵩高い置換基が付いていたり、分子構造の平面性が損なわれていたりする場合は、硬化剤の求核攻撃が阻害され、硬化速度は遅くなる。逆にエポキシ基に大きな置換基がなく、分子構造の平面性が保たれている場合は、硬化剤がエポキシ基にアタックしやすいため硬化反応は速くなる。よって、上記のように、立体障害の異なるエポキシ樹脂を適宜組み合わせることで、所望の硬化速度を実現することができるものである。

また、上記化学式（２）で示されるナフタレン環含有４官能型エポキシ樹脂をエポキシ当量比で全エポキシ樹脂の１０〜４０％含有することが好ましい。このナフタレン環含有４官能型エポキシ樹脂は、分子の平面性が極めて高く、さらに反応点となるエポキシ基を４個有していることから、適当量含有することによって、ボイドレスで、より短時間で硬化可能なエポキシ樹脂組成物を容易に調製することができると共に、硬化物のガラス転移温度（Ｔｇ）を高めることができるものである。さらに、硬化物のガラス転移温度(Ｔｇ)が上昇することにより、加圧圧接後にボンディングツールをＩＣチップの背面から離す際においてチップ浮きを低減することができるものである。なお、上記化学式（２）で示されるナフタレン環含有４官能型エポキシ樹脂は、室温で固体状態であり、気化しにくい性質を有する。このナフタレン環含有４官能型エポキシ樹脂がエポキシ当量比で４０％を超える場合は、エポキシ樹脂組成物の粘度が上昇することにより流動性が低下して作業性が低下するおそれがあり、逆にエポキシ当量比で１０％未満の場合は、硬化速度及びガラス転移温度（Ｔｇ）を高める効果を十分に得ることができないおそれがある。

また、本発明に係るエポキシ樹脂組成物は、エポキシ樹脂及び硬化剤に加えて、さらに導電粒子を含有することもできる。導電粒子としては、例えば、ポリスチレン系の高分子粒子の核の表面をＡｕめっきしたもの（粒子径５μｍ程度）等を用いることができる。このような導電粒子を含むエポキシ樹脂組成物は、絶縁性の高いエポキシ樹脂及び硬化剤からなる接着剤中に導電粒子が均一に分散した材料であり、電子部品（半導体チップや回路基板など）の相対する電極間の電気接続、隣接電極間の絶縁性の確保、電子部品の固定の目的に使用することができるものである。そして、導電粒子を介して半導体チップの金属バンプと回路基板の基板電極間の電気接続を行うことにより、金属バンプと基板電極の高さのばらつきやチップ搭載時の平行度が緩和されることとなり、より高い接続信頼性を実現することができるものである。

なお、エポキシ樹脂組成物が、特開２０００−１１７６０号公報や特開２０００−２１２３６号公報などに示される導電粒子を含む異方導電性ペースト（ＡＣＰ）の場合においても、上述の硬化剤を併用すれば、エポキシ樹脂組成物内に気泡（ボイド）を発生させることなく、エポキシ樹脂組成物を短時間で硬化させることができるものである。

また、本発明に係るエポキシ樹脂組成物は、１５０℃におけるゲル化時間が６〜５０秒であることが好ましい。これにより、回路基板と半導体チップとを熱圧接により接着する場合において両者が電気的に接続される前に樹脂が硬化するようなことを防止することができると共に、圧接工程に要する時間が短時間となり、製造効率の向上を十分に達成することができるものである。ただし、ゲル化時間が６秒よりも短い場合は、半導体チップを搭載する熱圧接の工程において金属バンプが回路基板の基板電極に接触して電気的な接続が取れる前に樹脂が硬化してしまうおそれがあり、逆にゲル化時間が５０秒よりも長い場合は、圧接工程に長時間を要して製造効率の向上を十分に達成できないおそれがある。尚、上記ゲル化時間は硬化剤の配合量（特に、酸無水物の配合量）によって、調整可能である。

また、本発明に係るエポキシ樹脂組成物は、さらに充填材を含有することもできる。この充填材としては、シリカ、アルミナ、窒化アルミニウム、ボロンナイトライド、窒化珪素、炭化珪素、炭酸カルシウム等の無機フィラーを用いることができる。このような充填材の中でも、特に球状非晶質シリカを用いるのが好ましい。このように粒子形状が球状であると、破砕されたままの不均一な形状であるよりも、充填材の含有量を高めた際のエポキシ樹脂組成物の粘度増加を抑えることができる。また、非晶質シリカは、アモルファスシリカとも呼ばれるが、単一金属元素からなる酸化物、窒化物あるいは炭化物の中では、最も熱膨張係数が小さい点でも好ましい。

さらに、上記の球状非晶質シリカの最大粒径が０．１〜１０μｍであることが好ましい。これにより、低熱膨張率化、金属バンプと基板電極間の高い接続信頼性を実現することができるものである。最大粒径が１０μｍより大きいと、圧接時に金属バンプと基板電極との間に挟み込まれて接続信頼性を低下させるおそれがある。さらに圧接時のフィレット形状を良好に形成するためにチクソ付与剤として微粉シリカを併用してもよい。また、最大粒径が０．１μｍ未満の球状非晶質シリカは容易に入手することができず、好ましくない。

充填材の添加量はエポキシ樹脂組成物全量に対して６０質量％以下であることが好ましい。添加量が６０質量％を超える場合は、エポキシ樹脂組成物の粘度が高くなりすぎて作業性を悪化させたり、圧接時に半導体チップの金属バンプと回路基板の基板電極との間に挟み込まれる確率が高くなり、接続信頼性を低下させたりするおそれがある。

なお、本発明に係るエポキシ樹脂組成物には、本発明の目的を損なわない限り、必要に応じて、難燃剤、低弾性化剤、密着性付与剤、着色剤、希釈剤、カップリング剤等の他の物質を配合してもよい。

本発明に係るエポキシ樹脂組成物を調製するにあたっては、上記の各成分を撹拌型の分散機で混合したり、ビーズミルで分散混合したり、３本ロールで分散混合したりすることによって、行うことができる。なお、これら以外の混合方法を採用してもよい。

本発明に係る半導体装置は、上記のようにして得たエポキシ樹脂組成物で半導体チップを封止することによって、製造することができる。特に、本発明に係るエポキシ樹脂組成物は、半導体チップをフリップチップ実装する際に用いるのが好ましい。具体的には、まず、上記のようにして得たエポキシ樹脂組成物を回路基板の表面に塗布する。この回路基板としては、ＦＲ４やＦＲ５等の繊維基材を含む有機基板や、ポリイミドやポリエステル等の有機フィルムのほか、セラミックス等の無機基板等を用いることができる。次に、エポキシ樹脂組成物を塗布した回路基板の基板電極と、半導体チップの表面に形成されている金属バンプとの位置合わせを行った後に、半導体チップの背面（回路基板と対向していない側の面）からこの半導体チップを熱圧接し、回路基板と半導体チップとを接着することによって、半導体装置を製造することができる。熱圧接する際の圧接条件としては、回路基板の種類によって制約を受けるので特に限定されるものではないが、例えば、有機基板を用いる場合には、樹脂温度が１００〜２５０℃の条件で数秒〜数十秒間圧接すればよい。また、塗布した樹脂に流動性をもたせたり、回路基板との濡れ性を良くする目的で５０〜１００℃に加温してもよい。なお、エポキシ樹脂組成物の硬化をより完全にするため、１００〜１７５℃で０．５〜２時間の後硬化を行うことが好ましい。

上記のような半導体装置の製造方法であれば、フリップチップ実装による半導体装置の製造効率を改善することができ、圧接工程においてエポキシ樹脂組成物を短時間で硬化させることができるものであり、また、このようにして得られた半導体装置にあっては、ボイドレスの優れた絶縁特性を備えた硬化樹脂層を半導体チップと回路基板との間に形成す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。

まず、実施例１〜５、参考例１、２及び比較例１〜３のエポキシ樹脂組成物を調製するのに使用した材料について説明する。各材料の配合量（質量部）は表１に示す。

（エポキシ樹脂）
樹脂Ａ：ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂（東都化成株式会社製、品番「エポトートＹＤＦ−８１７０」、エポキシ当量１６０）
樹脂Ｂ：ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂（東都化成株式会社製、品番「エポトートＹＤＦ−８１２５」、エポキシ当量１７２）
樹脂Ｃ：ナフタレン環含有エポキシ樹脂（大日本インキ化学工業株式会社製、品番「エピクロンＨＰ−４０３２」、エポキシ当量１４３）
樹脂Ｄ：脂環式エポキシ樹脂（ダイセル化学工業株式会社製、品番「セロキサイド２０２１」、エポキシ当量１３４）
樹脂Ｅ：上記化学式（２）で示されるナフタレン環含有４官能型エポキシ樹脂（大日本インキ化学工業株式会社製、品番「エピクロンＥＸＡ４７０１」、エポキシ当量１６５）
（硬化剤）
硬化剤Ａ：イミダゾール類を核とするマイクロカプセル（旭化成ケミカルズ株式会社製、品番「ノバキュアＨＸ３７２２」、エポキシ樹脂との質量比２：１配合物）
硬化剤Ｂ：アミンアダクト粒子（味の素ファインテクノ株式会社製、品番「アミキュアＰＮ２３」）
硬化剤Ｃ：炭素数１０個のトリエンと無水マレイン酸から合成された脂環式酸無水物（化学式（１）で示される酸無水物、ジャパンエポキシレジン株式会社製、品番「ＹＨ−３０６」、硬化剤当量２３４）
硬化剤Ｄ：四塩基酸無水物（大日本インキ化学工業株式会社製、品番「エピクロンＢ−６５０」、硬化剤当量１６８）
硬化剤Ｅ：カチオン重合開始剤（三新化学工業株式会社製、品番「サンエイドＳＩ−６０Ｌ」）
硬化剤Ｆ：２−メチルイミダゾール（四国化成株式会社製、品番「２ＭＺ」）
尚、硬化剤当量とは、エポキシ樹脂に対する硬化剤との化学量論上の反応基のモル比で硬化剤の分子量を除した量である。

（無機充填材）
充填材Ａ：球状非晶質シリカ（三菱レイヨン株式会社製、品番「シリカエースＱＳ−０７」、最大粒径３μｍ、真比重２．２）
充填材Ｂ：球状非晶質シリカ（株式会社アドマテックス製、品番「アドマファインＳＥ１０５０」、最大粒径０．６μｍ、真比重２．２）
（導電粒子）
ポリスチレン系の高分子粒子の核の表面をＡｕめっきしたもの（積水ファインケミカル株式会社製、品番「ミクロパールＡＵ−２０５」、粒子経５μｍ）
（添加剤）
チクソ付与剤無水シリカ（日本アエロジル株式会社製、品番「ＡＥＲＯＳＩＬ３００」、比表面積３００ｍ^２／ｇ）

そして、上記の材料を用いて下記の製造方法Ａ〜Ｃによりエポキシ組成物を調製した。

（製造方法Ａ）
エポキシ樹脂組成物の構成成分であるエポキシ樹脂、硬化剤、導電粒子を表１に示す配合量で配合し、これをホモディスパー（特殊機化工業製）にて３００〜５００ｒｐｍの条件で分散・混合することによって、エポキシ樹脂組成物を調製した。

（製造方法Ｂ）
エポキシ樹脂組成物の構成成分であるエポキシ樹脂、硬化剤、無機充填材及びその他の成分を表１に示す配合量で配合し、これをプラネタリーミキサーで混合し、さらに３本ロールにて分散することによって、エポキシ樹脂組成物を調製した。

（製造方法Ｃ）
エポキシ樹脂組成物の構成成分であるエポキシ樹脂、硬化剤、無機充填材及びその他の成分を表１に示す配合量で配合し、これをビューラー社製ビーズミルにて分散・混合した後、さらにホモディスパー（特殊機化工業製）にて３００〜５００ｒｐｍの条件で分散・混合することによって、エポキシ樹脂組成物を調製した。

尚、表１において、フィラー質量％とは、エポキシ樹脂組成物中における充填材の質量％を示す。

また、実施例２、３、及び参考例１では樹脂Ｅ（化学式（２））を全エポキシ樹脂中にエポキシ基当量比で２０％配合した（請求項３）。

そして、上記のようにして得た実施例１〜５、参考例１、２及び比較例１〜３のエポキシ樹脂組成物の特性を下記の方法により評価した。

（１）ゲル化時間
ホットプレートの温度を１５０±２℃に設定し、このホットプレート上の約１ｇのエポキシ樹脂組成物を置き、これを１秒間隔で攪拌して攪拌不能になるまでの時間を測定した。結果を表２に示す。

（２）初期接続性
この試験では、以下の回路基板と半導体チップを用いた。回路基板のチップ搭載部にエポキシ樹脂組成物をディスペンサー約０．０１ｇ塗布し、回路基板の基板電極と半導体チップの金属バンプとの位置合わせを行った後、１バンプ当たり５０ｇとなるように荷重を加えて半導体チップを回路基板に押し付けることによって、半導体装置を得た。この際、樹脂部分が２６０℃で５秒間曝されるように加熱を行った。圧接後の半導体装置を室温まで冷却した後、プローブを回路基板の電極に当てて電気的動作確認を行い、初期接続性を評価した。各エポキシ樹脂組成物について２０個の初期接続性を評価した。結果を表２に示す。

（３）フィレット性
（２）で用いたのと同じ半導体装置について、半導体チップの端部と回路基板との間に形成されるフィレットの形状、成分分離の有無を評価した。評価基準は、半導体チップの４辺に形成されたフィレットが成分分離せずにチップ側面全体を覆っており、チップ上面に這い上がっていない場合は「○」とし、チップ側面の一部しか保護していないかあるいは全部を覆っていてもフィレット先端部に成分分離が認められた場合は「△」とし、フィレットが形成されていないかあるいは形成されてもチップ上面に這い上がっている場合は「×」として、フィレット性を判定した。結果を表２に示す。

（４）ボイド発生量
（２）で用いたのと同じ半導体装置について、半導体チップと回路基板との間の樹脂部分のボイド（気泡）発生の有無を複合材料用超音波検査装置で評価した。評価基準は、ボイドの大きさが３０μｍ未満で、全ボイドの面積の合計が半導体チップの面積に対して１％未満であれば「○」とし、１％以上１０％未満であれば「△」とし、１０％以上であれば「×」として、ボイド発生量を判定した。結果を表２に示す。

（５）温度サイクル（ＴＣ）性
（２）で用いたのと同じ半導体装置について、半導体装置の電気的動作が良品であったものを１０個取り出し、これらを温度サイクル性を評価するためのサンプルとした。これらのサンプルに−２５℃で５分間、１２５℃で５分間を１サイクルとする気相の温度サイクルを与え、２０００サイクルまで１００サイクルごとに半導体装置の動作確認を行い、良否を判定した。１０個のサンプルのうち不良の数が５個に達したときのサイクル数を求めた。結果を表２に示す。

（６）耐ＴＨＢ信頼性（耐湿絶縁信頼性）
（２）で用いたのと同じ半導体装置について、半導体装置の電気的動作が良品であったものを１０個取り出し、これらを耐ＴＨＢ信頼性を評価するためのサンプルとした。これらのサンプルについて、４０Ｖ印加で８５℃／８５％の耐湿絶縁試験（ＴＨＢ）を行い、抵抗値変化をモニタリングしながら１０００時間まで半導体装置の動作確認を行い、良否を判定した。１０個のサンプルのうち抵抗値変化が１０^５以下になった不良品数が５個に達したときの通算処理時間を求めた。結果を表２に示す。

（７）ポットライフ
室温での粘度上昇が２倍に上昇するまでの時間を測定し、その結果を表２に示す。この際に１６８時間（１週間）で粘度が２倍に達しなかった場合には十分な可使時間があるものとしてそこで測定を中断した。

表２に示すように、実施例１〜５及び参考例１、２ではゲル化時間が６〜５０秒の範囲内（１０〜１５秒の範囲内）であり、半導体チップを回路基板に搭載する際の熱圧接工程を短時間で実施することができ、電気的な初期接続性、温度サイクル性及び耐ＴＨＢ信頼性も良好であることが確認された。また、この熱圧接時にエアーの巻き込みや成分揮発によるボイド発生もなく、実用的な条件下でも問題なく使用できることが確認された。

一方、比較例１及び２では、ゲル化時間が長すぎて熱圧接条件では完全な硬化物が得られなかった。これが、実施例１〜５及び参考例１、２に比べてＴＣ性やＴＨＢ性が著しく悪化した原因と考えられる。また、比較例１及び２では、ボイド発生率が多く、ＴＣ性やＴＨＢ性が実施例１〜５及び参考例１、２に比べて悪いことが確認された。

また、比較例３では初期接続性は良好であったが熱硬化性樹脂による被膜で被覆されていないイミダゾールを硬化剤として用いているためにポットライフが著しく短く、微量塗布に際しては使用可能なものとはならない。

また、参考例２は実施例１〜５及び参考例１に比べてボイドがやや多く観察され、このボイドの影響によりＴＣ性、及びＴＨＢ試験において電気絶縁性がやや低下したものと思われる。

上記のように、本発明に係るエポキシ樹脂組成物は、硬化剤として、イミダゾール骨格を有する化合物を核とすると共にこの核の周囲を熱硬化性樹脂による被膜で被覆して得られた微細球粒子と、上記化学式（１）で示される酸無水物とを硬化剤として用いることによって、エポキシ樹脂組成物の硬化速度と可使時間を飛躍的に高めることができ、圧接工程を含む半導体装置の方法において製造効率を改善することができるものである。

また、上記化学式（２）のナフタレン環含有４官能型エポキシ樹脂をエポキシ当量比で全エポキシ樹脂の１０〜４０％含有する場合は、より短時間の硬化時間でボイドレスなエポキシ樹脂組成物の硬化層を得ることができる。

このように本発明に係るエポキシ樹脂組成物によれば、フリップチップ実装工程によって絶縁信頼性の高い半導体装置を効率よく製造することができる。

Claims

エポキシ樹脂及び硬化剤を含有すると共に室温で液状であるエポキシ樹脂組成物において、硬化剤として、イミダゾール骨格を有する化合物を核とすると共にこの核の周囲を熱硬化性樹脂による被膜で被覆して得られた微細球粒子と、下記化学式（１）で示される酸無水物とを用い、上記の微細球粒子の配合量がエポキシ樹脂組成物の全量に対して７〜２０質量％であり、導電粒子を含有して成ることを特徴とするエポキシ樹脂組成物。
エポキシ樹脂として、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、ナフタレン環含有エポキシ樹脂、これらの水素添加型のエポキシ樹脂、脂環式エポキシ樹脂から選択される少なくとも１種のものを用いて成ることを特徴とする請求項１に記載のエポキシ樹脂組成物。
下記化学式（２）で示されるナフタレン環含有４官能型エポキシ樹脂をエポキシ当量比で全エポキシ樹脂の１０〜４０％含有して成ることを特徴とする請求項１又は２に記載のエポキシ樹脂組成物。
ゲル化時間が１５０℃において６〜５０秒であ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エポキシ樹脂組成物。
充填材として、最大粒径が０．１〜１０μｍである球状非晶質シリカを含有して成ることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のエポキシ樹脂組成物。
請求項１乃至５のいずれかに記載のエポキシ樹脂組成物で半導体チップを封止して成ることを特徴とする半導体装置。
請求項１乃至５のいずれかに記載のエポキシ樹脂組成物を用いて回路基板と半導体チップとを熱圧接により接着することを特徴とする半導体装置の製造方法。