JP4994743B2

JP4994743B2 - フィルム状接着剤及びそれを使用する半導体パッケージの製造方法

Info

Publication number: JP4994743B2
Application number: JP2006218241A
Authority: JP
Inventors: 稔森田; 哲也松尾; 徳之切替; 弘樹高橋; 和宣早田
Original assignee: Nippon Steel and Sumikin Chemical Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel and Sumikin Chemical Co Ltd
Priority date: 2006-08-10
Filing date: 2006-08-10
Publication date: 2012-08-08
Anticipated expiration: 2026-08-10
Also published as: JP2008038111A

Description

本発明は、フィルム状接着剤、それを使用する半導体パッケージの製造方法及びそれにより得られた半導体パッケージに関するものである。詳しくは、半導体パッケージ内の半導体素子とインターポーザ基板を接合するに適した絶縁性フィルム状接着剤に関するものである。

近年、電子機器の小型化及び高機能化が進む中で、内部に搭載される半導体パッケージ構造は限られた実装領域の中で実装効率をより高めることが求められている。例えば、周辺端子配列のクワッドフラットパッケージ（以下、QFP）に代わり、面端子配列のチップサイズパッケージ（以下、CSP）やボールグリッドアレイ（BGA）が増えてきたり、また単一パッケージ内に複数個の半導体素子を搭載することにより、携帯機器等に搭載されるメモリへ付加価値を付与したり、メモリ容量を増大させたりすることを狙ったスタックドパッケージ等の登場が代表的な例である。

このような高密度実装化の要求に対し、半導体パッケージ内部に使用される部材は薄型化されている。スタックドパッケージにおいては、同じパッケージサイズの中でより多くの半導体素子を積層させるために、半導体素子、インターポーザ基板、封止樹脂、半導体素子とインターポーザ基板を接着するダイアタッチ材料等の各種部材が薄型化している。

インターポーザ基板が薄型化すると、半導体素子をインターポーザ基板に搭載するダイアタッチ工程において、熱による基板反りが発生しやすくなる。例えば、代表的なインターポーザ基板材料であるビスマレイミド・トリアジン（BT）基板においては、基板厚みが薄くなると、100℃以上で基板反りが発生する。この基板反りにより、ダイアタッチ工程において半導体素子とインターポーザ基板の間に接着不具合を発生させる(図３参照)。従来のフィルム状のダイアタッチ材料（以下、ダイアタッチフィルム）には基板反りを発生させる100℃以上の高温搭載条件が必要であった(特許文献1参照)。

また、インターポーザ基板表面は必ずしも平滑な面状態ではないため、ダイアタッチ工程において被着体との界面に空気を巻き込むことがある。巻き込まれた空気は加熱硬化後の接着力を低下させるだけでなく、パッケージクラックの原因ともなる。ダイアタッチフィルムが凹凸のあるインターポーザ基板の面によく追従するには、搭載温度における粘度が低いことが必要である。従って、基板反りのない低温領域で搭載可能なダイアタッチフィルム材料特性には、常温ではフィルム性を保持するための高粘度を保ちつつ、60℃〜90℃の温度領域で低粘度領域に到達できることが必要となる。

このような低溶融粘度特性を持たせるためには、常温では固形であり軟化点が低温領域に存在する樹脂を多く配合することが容易である。しかし、一般的に使用されるエポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、アクリル系樹脂などの樹脂骨格にはヘテロ原子（酸素、窒素など）を含有するものが多く、水素結合により水分子を吸収しやすいものが殆どである。そのため、樹脂配合量の増加とともに吸水率が上昇し、吸水された水分が気化膨張し半導体パッケージクラックを発生し易くする。

熱硬化型接着剤には一般的にエポキシ樹脂が使用されるが、樹脂硬化物の吸水率を低減するために、ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂を使用することは公知の技術である。例えば、アクリル系粘着成分にジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂をブレンドしたことで、組成物の低吸水化を発現した例がある（特許文献２、３参照）。しかし、この場合、アクリル系粘着成分の吸水率が高く、またシリカ等の無機フィラーも混在しないため、更なる耐湿信頼性付与には限界がある。

特開2001−49220号公報特開2003−55623号公報特開2003−55632号公報

本発明の目的は、上記のような基板反りの発生しない100℃以下の低温領域で半導体素子を配線基板へ搭載可能にし、耐湿信頼性がより高い絶縁性フィルム状接着剤を提供することにある。また、ダイアタッチフィルムとして優れるフィルム状接着剤を提供することにある。

すなわち本発明は、(A)ジシクロペンタジエン骨格含有エポキシ樹脂、（B）平均粒径3〜20μmであり、体積平均粒子径／個数平均粒子径の比が3以下である球状シリカ、(C)フェノキシ樹脂、及び（D）エポキシ樹脂硬化剤を必須成分とし、組成物中の（B）球状シリカ含有量が30〜80重量%であるフィルム状接着剤である。

また、本発明は、（A）ジシクロペンタジエン骨格含有エポキシ樹脂が、式（１）

(式中、nは0〜10の整数である)で示されるエポキシ樹脂である上記のフィルム状接着剤である。更に、本発明は、厚さが10〜150μmのフィルム状である上記のフィルム状接着剤である。

また、本発明は、多数の半導体素子が形成されたウェハ裏面に上記のフィルム状接着剤層を設ける工程、ダイシングテープをフィルム状接着剤層側に貼り合せる工程、フィルム状接着剤層とウェハを同時にダイシングして、フィルム状接着剤付き半導体素子とする工程、フィルム状接着剤付き半導体素子をダイシングテープから剥がし、被着体のインターポーザー基板とダイアタッチする工程を含む半導体パッケージの製造方法及びこの製造方法により製造された半導体パッケージである。

半導体素子を、基板反りの発生しない100℃以下の低温条件でインターポーザ基板に搭載することが可能であり、また、組成物硬化物の吸水率が低いためリフロー時のパッケージクラックを防止できるフィルム状接着剤が提供される。

本発明のフィルム状接着剤は、(A)ジシクロペンタジエン骨格含有エポキシ樹脂、（B）球状シリカ、(C)フェノキシ樹脂、及び（D）エポキシ樹脂硬化剤を必須成分とする組成物をフィルム状に形成してなる。

(A)ジシクロペンタジエン骨格含有エポキシ樹脂（以下、ＤＣＰ型エポキシ樹脂ともいう）は、分子内にジシクロペンタジエン骨格と、反応性のエポキシ基を有する樹脂であり、通常は、常温で固形であり、軟化点は好ましくは50℃〜100℃、更に好ましくは60℃〜80℃程度である。これは、常温ではフィルム性を保持するための高粘度を保ちつつ、60℃〜100℃の温度領域で低粘度領域に到達できることが必要だからである。また、分子量は好ましくは430〜2000、更に好ましくは600〜1200である。更に、エポキシ当量は、好ましくは 200〜300g/eq、特に好ましくは240〜280g/eqである。

このようなＤＣＰ型エポキシ樹脂としては、上記式（１）で示されるエポキシ樹脂が好ましく使用される。式（１）において、nは0〜10、好ましくは0〜5の整数である。ＤＣＰ型エポキシ樹脂としては、nが0〜10の混合物として供給されており、具体的にはXD-1000(商品名：日本化薬社製)、HP-7200H(商品名：大日本インキ化学工業社製)等が挙げられる。

また、ＤＣＰ型エポキシ樹脂と汎用の他のエポキシ樹脂を併用してもよい。特に軟化点の高いＤＣＰ型エポキシ樹脂を用いた場合には、組成物の粘度が上昇し、フィルムとしたときに脆くなるため、分子量300〜500の常温液状のエポキシ樹脂をブレンドして用いるのが好ましい。この場合、ＤＣＰ型エポキシ樹脂100重量部に対し、他のエポキシ樹脂5〜70重量部、更に好ましくは30〜60重量部の割合で用いられる。

（B）球状シリカ（以下、球状シリカという）は、組成物の低吸水化、線膨張係数の低減に貢献する。線膨張率の値が高いと配線基板との線膨張率の差が大きくなるため、これら被接着物との応力を抑制する効果が低く、パッケージクラックを発生させることにつながり好ましくない。

球状シリカは高充填化、流動性の観点から優れる。球状シリカの平均粒径は3〜20μmであり、体積平均粒子径／個数平均粒子径の比（以下、粒子径の比ともいう）が3以下である。平均粒径が3μmより小さいとフィラーが凝集しやすくなるため樹脂バインダー中に分散しにくくなり、また比表面積が大きくなるため樹脂との接触面積を大きくし溶融粘度を上昇させてしまう。粒径が20μmより大きいとロールナイフコーター等の塗工機で薄型のフィルムを作製する際に、フィラーがきっかけとなりフィルム表面にスジを発生しやすくなる。

上記粒子径の比は粒子径分布を表す指標として用いられるものであって、一般に体積平均粒子径／個数平均粒子径≧１であり、この値が小さいほど粒子径分布がシャープであり、この値が大きいほど粒子径分布がブロードであることを表す。この粒子径の比が3を超えると、組成物において、粒径の大きなフィラーの隙間に粒径の小さなフィラーが存在し樹脂中にフィラーが密に充填される構造をとり、樹脂とフィラーとの接触面積がより大きくなる。そのため、ダイアタッチ工程において、フィルム状接着剤が熱により溶融しにくくなり（図1参照）、インターポーザ基板と接着層の間に空気を巻き込みやすくする。

組成物中（接着剤中）の球状シリカの配合割合は30〜80重量％である。配合量が80重量%を超えると、バインダーとして働く樹脂成分の不足により組成物の粘度が上昇し、フィルムとしたときに脆くなる、30重量%未満ではフィルム表面タック性が生じハンドリング性が著しく悪化する。

(C)フェノキシ樹脂（以下、フェノキシ樹脂という）は、公知のフェノキシ樹脂を用いることができる。フェノキシ樹脂は、例えば、ビスフェノールAのようなビスフェノールとエピクロロヒドリンとから得られる通常、分子量が10000以上の熱可塑性樹脂である。このフェノキシ樹脂は、エポキシ樹脂と構造が類似していることから相溶性がよく、樹脂溶融粘度も低く、接着性もよいという特長を示す。好ましいフェノキシ樹脂は、主骨格がビスフェノールA型であるYP-50S(商品名：東都化成社製)があるが、その他に優れた溶融粘度特性を示すビスフェノールF型であるFX-316(商品名：東都化成社製)、高耐熱性を有したFX-280S(商品名：東都化成社製)などが挙げられる。フェノキシ樹脂の配合割合はＤＣＰ型エポキシ樹脂100重量部に対し10〜200重量部、好ましくは30〜70重量部の割合とすることがよい。10重量部未満の場合、フィルム表面タック性が生じハンドリング性が著しく悪化し、200重量部を超えるとフィルムが硬くなり、フィルム単独では割れやすくなる。

本発明に用いる（D）エポキシ樹脂硬化剤（以下、硬化剤ともいう）には、アミン類、酸無水物類、多価フェノール類等の公知の硬化剤を用いることができるが、好ましくは常温以上の所定の温度、例えば樹脂成分が必要な粘着性を示す温度以上で硬化性を発揮し、しかも速硬化性を発揮する潜在性硬化剤である。潜在性硬化剤には、ジシアンジアミド、イミダゾール類、ヒドラジド類、三弗化ホウ素−アミン錯体、アミンイミド、ポリアミン塩及びこれらの変性物、更にマイクロカプセル型のものも使用可能である。これらは、単独あるいは２種以上混ぜて使用できる。潜在性硬化剤を使用することで室温での長期保存も可能な保存安定性の高いフィルム接着剤を提供できる。エポキシ樹脂硬化剤の使用量は、通常、エポキシ樹脂に対して0.5〜50wt％の範囲である。

上記(A)〜(D)を必須成分とする接着剤形成用の組成物中には、他の添加剤として、例えばカップリング剤、酸化防止剤、難燃剤、着色剤、応力緩和剤としてブタジエン系ゴムやシリコーンゴム等を含有することも可能である。

カップリング剤は、シリカとの界面を補強し高い破壊強度を発現させるとともに接着力向上の目的から好ましい。カップリング剤としては、アミノ基、エポキシ基を含有したものが好ましい。

本発明のフィルム状接着剤は、例えばトルエン、キシレン等の芳香族炭化水素、MIBKやMEK等のケトン系、モノグライム、ジグライム等のエーテル系の単独又は混合系の溶媒に上記(A)〜(D)を必須成分とする組成物を溶解させたワニスを、離型処理されたPP、PE、PET等の基材（保護フィルム）にロールナイフコーター、グラビアコーター、ダイコーター、リバースコーターなど一般的に公知の方法に従って塗工し、樹脂混合物の硬化開始温度以下の熱処理を施し、乾燥することで得られる。本発明のフィルム状接着剤の厚みは、10〜150μｍの範囲であることが好ましい。

本発明のフィルム状接着剤又はその組成物の粘度は、常温では10000Pas以上の高粘度を有し、基板反りが発生しない60℃〜90℃の温度領域で900Pas以下に達することが好ましい。常温の粘度が10000Pas未満だとフィルム表面タック性が生じハンドリング性が著しく悪化する、60℃〜100℃における粘度の値が900Pasより高いと、ダイアタッチ工程において被着体との界面に空気を巻き込みやすくなる。

また、フィルム状接着剤は加熱等により硬化するが、その硬化物の吸水率（85℃、85%RH、100時間）は、1.5重量%以下が好ましい。吸水率が高いと、リフロー時に高温に曝されると、水分の揮発が多くなるので、パッケージクラックが発生し易くなる。ＤＣＰ型エポキシ樹脂は低吸水性を特長としており、耐湿信頼性を付与するには適した樹脂である。

本発明のフィルム状接着剤をダイアタッチフィルムとして使用する場合について、図面を参照して説明する。図２は、半導体素子とインターポーザ基板とを熱圧着する工程を示す。

先ずシリコンウエハ5の一方の面にフィルム状接着剤（ダイアタッチフィルム）6を貼り付けた後、ダイシングテープ7を下地にしてシリコンウエハとフィルム状接着剤を切断して、フィルム状接着剤付き半導体素子1を得る。次いで、接着剤付き半導体素子1をダイシングテープ7から剥がし、インターポーザー基板2に反りの発生しない100℃以下の加温条件でインターポーザ基板に搭載し、加熱することにより接着剤中のエポキシ樹脂を硬化させ、半導体素子とインターポーザ基板とを熱圧着を行う。この場合の加熱温度は通常は80℃〜180℃であり、加熱時間は1分〜180分間である。この様な加熱により、エポキシ樹脂が硬化し、半導体素子とインターポーザ基板とを強固に接着できる。接着して得られる半導体素子接着基板8は、その後、半導体素子とインターポーザ基板とをワイヤー9で接続され、モールド工程で封止材10により封止される。

図３は、ダイアタッチフィルムを貼り付けた半導体素子1をインターポーザー基板2にダイアタッチする従来の工程を模式的に示す。ヒートステージ3で加熱されたインターポーザー基板がBT基板である場合、BT基板は100℃を超える加熱により反りが生じる。そこで、ダイアタッチフィルムを貼り付けた半導体素子のダイアタッチフィルム面とBT基板の接着面に非接触面4が生じ、接着力が低下することになる。

以下本発明を実施例により説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。なお、以下の実施例及び比較例において、「溶融粘度」、「吸水率」、「表面タック性」は次のように評価した。

「溶融粘度」熱硬化前のフィルムを約10g切り取り、簡易プレス機を用いて高さ約4cmの棒状に加工する。このサンプルを島津製作所製高化式フローテスター（CFT-500A）を用いて、各測定温度で測定した。

「吸水率」熱硬化前のフィルムを約10g切り取り、一定寸法金型に入れ熱板上で溶融させ成型する。成型後サンプルを室温下で冷却し、180℃/1時間熱処理を行う。このサンプルを、85℃、相対湿度85%で、168時間放置後の重量増加から吸水率を求めた。

「表面タック性」熱硬化前のフィルムの触感、離型処理PETフィルムからの剥離性を観察し、◎（良好）、○（ほぼ良好）、△（やや悪い）、×（悪い）の4段階で評価した。

実施例１
XD-1000（ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂、軟化点約70℃、日本化薬社製）60g、YP-50S（フェノキシ樹脂、Tg約100℃、東都化成社製）20g、エピコート828(ビスフェノールA型エポキシ樹脂、東都化成社製) 44gを秤量し、70gのMIBKを溶剤として500mlのセパラブルフラスコ中、110℃で2時間加熱攪拌して樹脂ワニスを得た。この溶液187gを800mlのプラネタリーミキサーに秤量し、FB-3SDX(球状シリカ、平均粒径 3μm 、粒子径の比＝2.4、デンカ社製) 72gを加えて混合したものを3本ロールで混練した。この混合物に、AH-150（ジシアンジアミド、味の素社製） 6g、HX-3722 (マイクロカプセル型イミダゾール系潜在性硬化剤、旭化成エポキシ社製) 2gを加えてプラネタリーミキサーで攪拌混合後、真空脱泡して混合ワニスを得た。上記ワニスを厚さ50μmの離型処理されたPETフィルム上に塗布後、80℃/10min、150℃/1minで熱風乾燥させ、30μmの接着シート、すなわちフィルム状接着剤を得た。

実施例２
ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂として、HP-7200H（ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂、軟化点約80℃、大日本インキ化学工業製）60g を使用した他は、実施例1と同様にして接着シートを製造し、評価した。

実施例３
球状シリカとして、FB-3SDXを134g 使用した他は、実施例1と同様にして接着シートを製造し、評価した。

実施例４
球状シリカとして、FB-3SDXを314g使用した他は、実施例1と同様にして接着シートを製造し、評価した。

比較例１
球状シリカとして、FB-3SDXを58g、SO-25R（龍森社製、微粒子球状シリカ、平均粒径0.5μm、粒子径の比=4.3）を14g使用した他は、実施例1と同様にして接着シートを製造し、評価した。

比較例２
エポキシ樹脂として、YDCN-702H（クレゾールノボラック型エポキシ樹脂、軟化点約75℃、東都化成社製）を60g 使用した他は、実施例1と同様にして接着シートを製造し、評価した。

比較例３
エポキシ樹脂として、EPPN-501H(トリフェニルメタン型エポキシ樹脂、軟化点約55℃、日本化薬社製)を60g使用した他は、実施例1と同様にして接着シートを製造し、評価した。

比較例４
球状シリカを配合しない他は、実施例1と同様にして接着シートを製造し、評価した。
実施例1〜4、比較例1〜4の組成及び評価結果をまとめて表1に示す。

実施例5
XD-1000（ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂）60g、YP-50S（フェノキシ樹脂）20g、エピコート828(ビスフェノールA型エポキシ樹脂) 44gを秤量し、70gのMIBKを溶剤として500mlのセパラブルフラスコ中、110℃で2時間加熱攪拌して樹脂ワニスを得た。この溶液187gを800mlのプラネタリーミキサーに秤量し、FB-3SDX(球状シリカ) 72gを加えて混合したものを真空脱泡して混合ワニスを得た。上記ワニスを厚さ50μmの離型処理されたPETフィルム上に塗布後、80℃/10min、150℃/1minで熱風乾燥させ、30μmの接着シート、すなわちフィルム状接着剤を得た。このフィルムの硬化前の溶融粘度を測定した（図1参照）。なお、本実施例においては未硬化状態における溶融粘度を測定するため、エポキシ樹脂硬化剤は配合していない。

比較例５
球状シリカとして、FB-3SDXを36g、SO-25Rを36g使用した他は、実施例5と同様にして接着シートを製造し、このフィルムの溶融粘度を測定した（図1参照）。

比較例６
球状シリカとして、SO-25Rを72g使用した他は、実施例5と同様にして接着シートを製造し、このフィルムの硬化前の溶融粘度を測定した（図1参照）。

実施例5、比較例5〜6の組成及び溶融粘度結果を表2及び図1に示す。表2に示す粒子径の比の値は単一フィラー配合系では、そのフィラー種の値を記載し、混合配合系では、以下の式により混合系の粒子径の比の値を計算した。
混合配合系の粒子径の比＝（フィラーAの配合割合×フィラーAの[体積平均粒子径]／[個数平均粒子径]）+（フィラーBの配合割合×フィラーBの[体積平均粒子径]／[個数平均粒子径]）

球状シリカの粒子径の比を変化させたときの温度と溶融粘度の関係図フィルム状接着剤が使用される半導体パッケージ製造工程図基板反りによる接着不具合の説明図

符号の説明

1：接着剤付き半導体素子、2：インターポーザー基板、3：ヒートステージ、4：非接触面、5：シリコンウエハ、6：フィルム状接着剤、7：ダイシングテープ、8：半導体素子接着基板、9：ワイヤー、10：封止材

Claims

(A)ジシクロペンタジエン骨格含有エポキシ樹脂、（B）平均粒径3〜20μmであり、体積平均粒子径／個数平均粒子径の比が3以下である球状シリカ、(C)フェノキシ樹脂、及び（D）エポキシ樹脂硬化剤を必須成分とし、（B）球状シリカ含有量が30〜80重量%であるフィルム状接着剤。
（A）ジシクロペンタジエン骨格含有エポキシ樹脂が、式（１）

(式中、nは0〜10の整数である)で示されるエポキシ樹脂である請求項1に記載のフィルム状接着剤。
厚さが10〜150μmのフィルム状である請求項1又は２に記載のフィルム状接着剤。
多数の半導体素子が形成されたウェハ裏面に請求項１〜３のいずれかに記載のフィルム状接着剤層を設ける工程、ダイシングテープをフィルム状接着剤層側に貼り合せる工程、フィルム状接着剤層とウェハを同時にダイシングして、フィルム状接着剤付き半導体素子とする工程、フィルム状接着剤付き半導体素子をダイシングテープから剥がし、被着体のインターポーザー基板とダイアタッチする工程を含む半導体パッケージの製造方法。
請求項４に記載の半導体パッケージの製造方法により製造された半導体パッケージ。