JP5047632B2 - フリップチップ接続用熱圧接着剤を用いた実装方法 - Google Patents

フリップチップ接続用熱圧接着剤を用いた実装方法 Download PDF

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Description

本発明は、金属バンプが形成された電子部品と電極パッドを有する基板とを簡便にフリップチップ接続するために用いられるフリップチップ接続用熱圧接着剤を用いた実装方法に関する。
近年、半導体素子を多数個用いるデバイス、機器の開発が促進されている。このようなものとしては、例えばメモリーカード、液晶やEL(Electro luminescence)等のディスプレイパネルがあり、これらはいずれも多数個のIC、LSIを一定の面積を有する基板に、高密度にしかも薄型に搭載しなければならない。IC、LSIの実装手段としては熱圧接続によるフリップチップ方式が公知である(例えば、特許文献1参照。)。
しかしながら、熱圧接続法には以下のような問題がある。すなわち、熱圧接続によるフリップチップ方式は、半導体素子の電極パッド上に金属バンプを形成し、この半導体素子の金属バンプと基板の電極パッドとを接着剤を介して位置合わせし、光もしくは熱により接着剤を硬化させて、圧接のみにより半導体素子の金属バンプと基板の電極パッドとの電気的接続を得るものである。
したがって、熱圧接続によるフリップチップ方式では、電気的接続が圧接のみにより行われているため、半導体素子の金属バンプと基板の電極パッドとが固定されておらず、外部からの熱や機械的歪により基板に膨張や反りが発生したときに、接続部や半導体素子自体の剥離が発生しやすい。
このような熱圧接続よりも接続信頼性の高い接続方法として、半導体素子の金属バンプと基板の電極パッドとを金属共晶接続する方法がある(例えば、特許文献2参照。)。しかしながら、金属共晶接続では一般に280〜418℃の温度範囲で共晶合金が形成されて半導体素子の金属バンプと基板の電極パッドとの電気的接続がなされるが、このような温度では接着剤の硬化が速すぎることとなり、接続不良やボイドが発生するという問題がある。
このような問題を解決するため、微細フィラーを含有させた接着剤を用いることにより、接続信頼性を向上させるという提案がなされているが、厳しい条件下の接続信頼性、特に耐湿性に関しては、未だ不十分である(例えば、特許文献3参照。)。
特開昭60−262430号公報 特開2000−100862号公報 特開2004−349561号公報
本発明は、このような従来の問題点に鑑み、金属バンプが形成された電子部品と電極パッドを有する基板とのフリップチップ接続に用いられる接着剤であって、耐湿性および耐熱性等の接続信頼性が高く、ボイド発生不良や樹脂硬化による接続不良の発生が抑制されたフリップチップ接続用熱圧接着剤を用いた実装方法を提供することを目的としている。
本発明者らは、金属バンプが形成された電子部品と電極パッドを有する基板とのフリップチップ接続に用いられる接着剤において、特定のフッ素化ジアミン化合物を硬化剤として含有させたフリップチップ接続用熱圧接着剤を用いることにより上記問題を解決できることを見出した。
すなわち、本発明の実装方法は、電子部品に形成された金属バンプと、フリップチップ接続用熱圧接着剤が塗布された基板の電極パッドとを、それらの接合部を圧着ツールにより押圧しながら加熱することによって、前記フリップチップ接続用熱圧接着剤を硬化させると共に、共晶合金形成により導通確保を行う実装方法であって、前記フリップチップ接続用熱圧接着剤が、(A)エポキシ樹脂および(B)下記一般式(1)で示されるフッ素化ジアミン化合物を必須成分として含有することを特徴とする。
Figure 0005047632
(式中、X〜Xは独立して水素またはフッ素元素を示し、少なくとも1つはフッ素元素である。また、nは0または1の整数を示す。)
前記フリップチップ接続用熱圧接着剤は、前記(B)一般式(1)で示されるフッ素化ジアミン化合物の配合量が、前記(A)エポキシ樹脂100重量部に対して、5重量部以上40重量部以下であることが好ましい。
また、前記フリップチップ接続用熱圧接着剤は(C)無機フィラーを含有し、前記(C)無機フィラーが平均粒径0.1μm以上5.0μm以下のシリカであり、かつ、前記フリップチップ接続用熱圧接着剤中に0.1重量%以上40重量%以下含有されていることが好ましい。
さらに、前記フリップチップ接続用熱圧接着剤の反応性は、DSC法による反応熱量で20mJ/mg以上300mJ/mg以下であることが好ましい。
また、前記フリップチップ接続用熱圧接着剤は、前記(B)一般式(1)で示されるフッ素化ジアミン化合物が、2,2−ビス[4−(4−アミノフェノキシ)フェニル]−ヘキサフルオロプロパンおよび2,2−ビス(4−アミノフェニル)−ヘキサフルオロプロパンの中から選ばれる少なくとも一種であることが好ましい。
本発明によれば、硬化剤として特定のフッ素化ジアミン化合物を含有させることで、耐湿性、耐熱性に関して高い接続信頼性を有し、ボイド発生不良や樹脂硬化による接続不良の発生が抑制されたフリップチップ接続用熱圧接着剤とすることが可能となる。また、本発明によれば、このようなフリップチップ接続用熱圧接着剤を用いて電子部品を基板に実装することで、接続信頼性に優れた機器を容易に製造することが可能となる。
まず、本発明のフリップチップ接続用熱圧接着剤について説明する。
本発明のフリップチップ接続用熱圧接着剤(以下、単に接着剤と呼ぶ。)は、金属バンプが形成された電子部品と電極パッドを有する基板とを接合し、電子部品の金属バンプを基板の電極パッドに導通させるフリップチップ接続に用いられる接着剤であって、(A)エポキシ樹脂および(B)下記一般式(1)で示されるフッ素化ジアミン化合物を必須成分として含有することを特徴とするものである。
Figure 0005047632
(式中、X〜Xは独立して水素またはフッ素元素を示し、少なくとも1つはフッ素元素である。また、nは0または1の整数を示す。)
本発明に用いる(A)エポキシ樹脂としては、1分子中に2個以上のエポキシ基を有する化合物であり、分子構造、分子量等に制限されることなく広く使用することができる。
具体的に例示すると、例えば、フェノールノボラックやクレゾールノボラック等のノボラック樹脂、ビスフェノールA、ビスフェノールF、レゾルシン、ビス(ヒドロキシフェニル)エーテル等の多価フェノール類、エチレングリコール、ネオペンチルグリコール、グリセリン、トリメチノールプロパン、ポリプロピレングリコール等の多価アルコール類、エチレンジアミン、トリエチレンテトラミン、アニリン等のポリアミノ化合物、アジピン酸、フタル酸、イソフタル酸等の多価カルボキシ化合物等と、エピクロルヒドリン又は2−メチルエピクロルヒドリンとを反応させて得られるグリシジル型のエポキシ樹脂が挙げられ、また、ジシクロペンタジエンエポキサイド、ブタジエンダイマージエポキサイド等の脂肪族および脂環族エポキシ樹脂等も挙げられ、これらは単独又は2種以上混合して使用することができる。
本発明に用いる(B)フッ素化ジアミン化合物は上記一般式(1)で示されるものであって、エポキシ樹脂の硬化剤として用いられるものである。この(B)一般式(1)で示されるフッ素化ジアミン化合物は、接着剤の反応性を調整すると共に、耐湿性、耐熱性に関する接続信頼性の向上等に寄与するものである。(B)一般式(1)で示されるフッ素化ジアミン化合物としては、特に2,2−ビス[4−(4−アミノフェノキシ)フェニル]−ヘキサフルオロプロパンおよび2,2−ビス(4−アミノフェニル)−ヘキサフルオロプロパンの中から選ばれる少なくとも1種が好適に用いられるが、必ずしもこれらのものに限定されるものではない。
(B)一般式(1)で示されるフッ素化ジアミン化合物の配合量は(A)エポキシ樹脂100重量部に対して、5重量部以上40重量部以下が好ましい。5重量部未満では、耐湿性の向上に効果がなく、接着剤の反応性も上がらない。40重量部を超える場合は、適正な硬化速度がコントロールできず、逆に耐熱性等の特性を大きく損なうため好ましくない。
なお、本発明では(B)一般式(1)で示されるフッ素化ジアミン化合物に加え、その他の硬化剤として、ジエチレントリアミン、トリエチレンテトラミン、メタフェニレンジアミン、ジシアンジアミド、ポリアミドアミン等のポリアミノ化合物、無水フタル酸、無水メチルナジック酸、ヘキサヒドロ無水フタル酸、無水ピロメリツト酸等の有機酸無水物、フェノールノボラック、クレゾールノボラック等のノボラック樹脂等を併用することもでき、また併せて硬化促進剤の使用も好ましい場合は採用できる。硬化剤として(B)一般式(1)で示されるフッ素化ジアミン化合物以外の硬化剤を併用する場合、(B)一般式(1)で示されるフッ素化ジアミン化合物とそれ以外の硬化剤との合計量中、(B)一般式(1)で示されるフッ素化ジアミン化合物以外のものが40重量%以下となるようにすることが好ましい。
本発明の接着剤には、(A)エポキシ樹脂および(B)一般式(1)で示されるフッ素化ジアミン化合物の他に、ボイドの低減等に有効なものとして(C)微細フィラーを含有させることが好ましい。(C)微細フィラーとしてはシリカ粉が好ましく、このようなシリカ粉としては、電子部品用の接着剤として一般に用いられているエポキシ樹脂組成物に含有されているものと同様なものを用いることができ、2種類以上の微細フィラーを配合することも差支えない。この場合、電気的接続性および接着剤の流動性等を勘案して選定することができる。
(C)微細フィラーは、例えば平均粒径0.5μm以上5.0μm以下のものが好ましい。平均粒径が0.5μm未満では接着剤の増粘性が著しく高くなり、5.0μmを超えると電気的接続性が十分でなくなり好ましくない。(C)微細フィラーの配合量は、例えばシリカ粉の場合、接着剤全体の0.1重量%以上40重量%以下が好ましい。0.1重量%未満ではボイドの低減に十分な効果がなく、40重量%を超えると電子部品の金属バンプと基板の電極パッドとの間の電気的接続等が十分でなくなるおそれがある。
本発明の接着剤は(A)エポキシ樹脂および(B)一般式(1)で示されるフッ素化ジアミン化合物を必須成分として含有し、必要に応じて(C)微細フィラーを含有するものであるが、これらのもの以外にも必要に応じて、かつ、本発明の趣旨に反しない限度において、その他の添加剤等を使用することができる。また、本発明の接着剤の製造方法に関しては特に制限されるものではなく、該当分野において一般的に用いられている方法を採用することができ、例えば必須成分その他必要に応じて含有される成分を配合、混合した後、さらに、ディスパース、ニーダー、3本ロールミル等により混練処理を行い、その後減圧脱泡することにより容易に製造することができる。
本発明の接着剤の硬化時間は、300℃〜418℃における硬化時間が1秒〜15秒であることが好ましい。一般に金属共晶接続では、300℃〜418℃の温度範囲が用いられている。そして、このような金属共晶接続温度における接着剤の硬化時間が上記下限値未満となるような速いものの場合、電子部品の金属バンプが基板の電極パッドに触れる前に接着剤が硬化してしまうため接続不良となる。また、接着剤の硬化時間が上記上限値を超えるような遅いものの場合、反応熱量が小さくなりすぎることとなり、接着剤が硬化しなくなり、基板と電子部品との固定が困難となる。なお、このような硬化時間範囲を反応熱量で示すと20mJ/mg〜300mJ/mgとなる。この反応熱量は、JISK7121規格によるDSC法にて準拠して20℃/min昇温の条件下に確認されるものである。
接着剤の硬化時間の調整は、主として(B)一般式(1)で示されるフッ素化ジアミン化合物を含有させることにより行われるものである。特に、(B)一般式(1)で示されるフッ素化ジアミン化合物の含有量を(A)エポキシ樹脂100重量部に対して5重量部以上40重量部以下とすることにより、さらに(B)一般式(1)で示されるフッ素化ジアミン化合物として上記2,2−ビス[4−(4−アミノフェノキシ)フェニル]−ヘキサフルオロプロパンおよび2,2−ビス(4−アミノフェニル)−ヘキサフルオロプロパンの中から選ばれる少なくとも1種を用いることにより、接着剤の硬化時間を容易に上記硬化時間範囲内とすることができる。
次に、本発明の実装方法について説明する。本発明の実装方法は、接着剤として本発明の接着剤を用いることを除き、基本的に公知の実装方法を採用することができる。以下、図面を参照して、本発明の実装方法を具体的に説明する。
図1は、本発明の実装方法を説明するための模式図である。図1において、1は例えば半導体素子等の電子部品を示し、4は基板(配線基板)を示す。電子部品1は、例えばフリップチップ接続が可能なものであり、一方の主面に形成された電極パッド2にCr−Cu、Ti−Pd等の多層金属膜を被着させて、電解メッキ法により金属バンプ3を形成したものである。金属バンプ3は、例えばAu、Ag、Cu、半田等の材料を3〜30μmの厚さに構成したものである。
一方、基板4は、ガラス板、セラミック板、樹脂板、金属酸化物を表面に被覆した金属板等で構成され、その表面において、少なくとも電子部品1の金属バンプ3と対応した位置に電極パッド5が形成されたものである。電極パッド5は、例えばCu、Al、Au、ITO等を母体にし、酸化しやすい材質、例えばCuであれば、Auメッキ、Snメッキ、半田メッキ等の処理が施されたものである。
本発明の実装方法では、まず基板4の電極パッド5が形成された面上に本発明の接着剤6を塗布する。なお、本発明の実装方法では、接着剤6を塗布する場所は電子部品1の金属バンプ3が形成された面上とすることもできる。その後、電子部品1の金属バンプ3と基板4の電極パッド5とを図1に示すように位置合せし、両者を加圧7せしめ、共晶温度範囲で加熱する。
この加圧7により、接着剤6は電子部品1の金属バンプ3側の全面に押し拡げられ、かつ、金属バンプ3と電極パッド5とはその加熱により共晶合金を作り、電気的接続を得る。また、この工程では、押し拡げられた接着剤6が共晶温度範囲の熱により硬化し、この硬化した接着剤6により電子部品1と基板4とが固定される。
すなわち、電子部品1の金属バンプ3と基板4の電極パッド5との電気的接続は共晶合金により行われ、電子部品1と基板4との物理的固定は硬化した接着剤6によってなされる。そして、このような共晶温度範囲に曝される接着剤として、本発明の接着剤6のように硬化剤として特定のフッ素化ジアミン化合物を含有し、特定反応性に調節されたものを用いることで、硬化した接着剤6にボイドが発生することがなく、耐湿信頼性の高い接続を得ることができる。
以下、実施例を参照して本発明を具体的に説明する。なお、本発明はこれらの実施例によって限定されるものではない。
まず、接着剤1〜7の製造について以下に説明する。なお、接着剤1〜7については、接着剤1〜5が一般式(1)で示されるフッ素化ジアミン化合物を含有するものであって、本発明の実施例となるものであり、接着剤6、7が一般式(1)で示されるフッ素化ジアミン化合物を含有しないものであって、本発明の比較例となるものである。また、以下の接着剤1〜7の組成を比較のために表1にまとめて示す。
(接着剤1)
ビスフェノールA型エポキシ樹脂のエピコート828(ジャパンエポキシレジン社製、商品名)90重量部と2,2−ビス[4−(4−アミノフェノキシ)フェニル]−ヘキサフルオロプロパン(セントラルガラス社製)20重量部を混合して得た熱硬化性樹脂中に、無機フィラーとして平均粒径3.4μmのシリカのFB3LDX(電気化学工業社製、商品名)と平均粒径0.6μmのシリカのSE2100(アドマテックス社製、商品名)とを重量比で3:1の割合で予備混合した混合シリカを10重量部加え、分散させて接着剤を得た。
(接着剤2)
ビスフェノールA型エポキシ樹脂のエピコート828(ジャパンエポキシレジン社製、商品名)90重量部と2,2−ビス(4−アミノフェニル)−ヘキサフルオロプロパン20重量部を混合して得た熱硬化性樹脂中に、無機フィラーとして平均粒径3.4μmのシリカのFB3LDX(電気化学工業社製、商品名)と平均粒径0.6μmのシリカのSE2100(アドマテックス社製、商品名)とを重量比で3:1の割合で予備混合した混合シリカを10重量部加え、分散させて接着剤を得た。
(接着剤3)
ビスフェノールA型エポキシ樹脂のエピコート828(ジャパンエポキシレジン社製、商品名)90重量部と2,2−ビス[4−(4−アミノフェノキシ)フェニル]−ヘキサフルオロプロパン(セントラルガラス社製)20重量部を混合して接着剤を得た。
(接着剤4)
ビスフェノールA型エポキシ樹脂のエピコ−ト828(ジャパンエポキシレジン社製、商品名)90重量部と2,2−ビス[4−(4−アミノフェノキシ)フェニル]−ヘキサフルオロプロパン(セントラルガラス社製)4重量部を混合して得た熱硬化性樹脂中に、無機フィラーとして平均粒径3.4μmのシリカのFB3LDX(電気化学工業社製、商品名)と平均粒径0.6μmのシリカのSE2100(アドマテックス社製、商品名)とを重量比で3:1の割合で予備混合した混合シリカを10重量部加え、分散させて接着剤を得た。
(接着剤5)
ビスフェノールA型エポキシ樹脂のエピコート828(ジャパンエポキシレジン社製、商品名)90重量部と2,2−ビス[4−(4−アミノフェノキシ)フェニル]−ヘキサフルオロプロパン(セントラルガラス社製)60重量部を混合して得た熱硬化性樹脂中に、無機フィラーとして平均粒径3.4μmのシリカのFB3LDX(電気化学工業社製、商品名)と平均粒径0.6μmのシリカのSE2100(アドマテックス社製、商品名)とを重量比で3:1の割合で予備混合した混合シリカを10重量部加え、分散させて接着剤を得た。
(接着剤6)
ビスフェノールA型エポキシ樹脂のエピコート828(ジャパンエポキシレジン社製、商品名)90重量部と2,2−ビス[4−(4−アミノフェノキシ)フェニル]−ヘキサヒドロキシプロパン(和光純薬社製)20重量部を混合して得た熱硬化性樹脂中に、無機フィラーとして平均粒径3.4μmのシリカのFB3LDX(電気化学工業社製、商品名)と平均粒径0.6μmのシリカのSE2100(アドマテックス社製、商品名)とを重量比で3:1の割合で予備混合した混合シリカを10重量部加え、分散させて接着剤を得た。
(接着剤7)
ビスフェノールA型エポキシ樹脂のエピコート828(ジャパンエポキシレジン社製、商品名)90重量部とジシアンジアミド1重量部、イミダゾール2E4MZ(四国化成工業製)0.5重量部を混合して得た熱硬化性樹脂中に、無機フィラーとして平均粒径3.4μmのシリカのFB3LDX(電気化学工業社製、商品名)と平均粒径0.6μmのシリカのSE2100(アドマテックス社製、商品名)とを重量比で3:1の割合で予備混合した混合シリカを10重量部加え、分散させて接着剤を得た。
次に、上記接着剤1〜7について下記項目について測定を行った。各接着剤についての測定結果を表2に示す。
(測定項目)
(1)粘度[Pa・s]:EHD型粘度計を用いて25℃、2.5rpmで測定した。
(2)硬化時間[sec]:測定温度350℃のホットプレート上に測定対象である接着剤を0.25gのせ、テフロン(登録商標)製ミニスパチュラでかきまぜ、糸引きがなくなった時間を測定した。
(3)反応熱量[mJ/mg]:JISK7121規格によるDSC法に準拠し、20℃/minの昇温条件に測定した。
(4)吸水率[%]:接着剤の硬化物を85℃、85%RHの雰囲気中に168時間放置した後の増加質量に基づいて求めた。
(5)不純物イオン[ppm]:接着剤の硬化物を121℃、2.1atmの雰囲気中に20時間放置した後、100℃の熱水でイオン抽出し、抽出液をイオンクロマトグラフィー法を用いて測定した。
(6)電気伝導度[uS/cm]:上記不純物イオンの測定と同様にして得た抽出液を電気伝導度測定装置を用いて測定した。
(7)pH:上記不純物イオンの測定と同様にして得た抽出液について測定した。
Figure 0005047632
Figure 0005047632
次に、上記接着剤1〜7を用いて、Auバンプ付ICチップをSnメッキ回路パターンに接合すると共に、共晶合金を形成させることにより電気的接続を行い接続サンプルを作製した。なお、接続サンプルの作製は、芝浦メカトロニクス社製のフリップチップボンダーTE−900を用い、ヘッド温度350℃、ステージ温度350℃、荷重5kgf、荷重時間1secの条件で行った。その後、得られた接続サンプルについて下記項目の評価を行った。評価結果を表3に示す。
(評価項目)
(1)ピール強度[N]:常態および吸湿処理後(85℃/85%RH/168h)
(2)ボイド:顕微鏡で接着剤の硬化物中の空隙(ボイド)の有無を観察した。
(3)高温高湿バイアス試験(THB試験):常態および吸湿処理(121℃、2.1atm/20h)したものについて、85℃/85%RH/45V印加/168h後の抵抗変化率[%]を測定した。
Figure 0005047632
表3から明らかなように、一般式(1)で示される特定のフッ素化ジアミン化合物を含有させた接着剤1〜5は、従来の接着剤6、7に比べてほぼ同等あるいはそれ以上の接着強度を有すると共に、高温・高湿下での接続信頼性に優れていることが認められる。特に、一般式(1)で示される特定のフッ素化ジアミン化合物を所定の範囲内で含有させた接着剤1〜3については、接着強度、高温・高湿下での接続信頼性のいずれについても極めて優れていることが認められる。
本発明の実装方法を説明するための模式図。
符号の説明
1…半導体素子、2…電極パッド、3…金属バンプ、4…基板、5…電極パッド、6…接着剤、7…加圧

Claims (5)

  1. 電子部品に形成された金属バンプと、フリップチップ接続用熱圧接着剤が塗布された基板の電極パッドとを、それらの接合部を圧着ツールにより押圧しながら加熱することによって、前記フリップチップ接続用熱圧接着剤を硬化させると共に、共晶合金形成により導通確保を行う実装方法であって、
    前記フリップチップ接続用熱圧接着剤が、
    (A)エポキシ樹脂および(B)下記一般式(1)で示されるフッ素化ジアミン化合物を必須成分として含有することを特徴とする実装方法
    Figure 0005047632
    (式中、X〜Xは独立して水素またはフッ素元素を示し、少なくとも1つはフッ素元素である。また、nは0または1の整数を示す。)
  2. 前記フリップチップ接続用熱圧接着剤は、前記(B)一般式(1)で示されるフッ素化ジアミン化合物の配合量が、前記(A)エポキシ樹脂100重量部に対して、5重量部以上40重量部以下であることを特徴とする請求項1記載の実装方法
  3. 前記フリップチップ接続用熱圧接着剤は、(C)無機フィラーを含有し、前記(C)無機フィラーが平均粒径0.1μm以上5.0μm以下のシリカであり、かつ、前記フリップチップ接続用熱圧接着剤中に0.1重量%以上40重量%以下含有されていることを特徴とする請求項1または2記載の実装方法
  4. 前記フリップチップ接続用熱圧接着剤の反応性がDSC法による反応熱量で20mJ/mg以上300mJ/mg以下であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項記載の実装方法
  5. 前記(B)一般式(1)で示されるフッ素化ジアミン化合物が、2,2−ビス[4−(4−アミノフェノキシ)フェニル]−ヘキサフルオロプロパンおよび2,2−ビス(4−アミノフェニル)−ヘキサフルオロプロパンの中から選ばれる少なくとも一種であることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項記載の実装方法
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