JP5125165B2 - 表面改質処理方法、電極接続基板及び半導体装置の製造方法 - Google Patents

表面改質処理方法、電極接続基板及び半導体装置の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、耐熱性樹脂の表面改質処理方法、表面改質処理された基板と電気的、機械的に接続するのに好適な接着剤や接着フィルムを用いた電極接続基板及び半導体装置の製造方法に関する。
半導体チップや電子部品の小型薄型化に伴い、これらに用いる回路や電極は高密度、高精細化している。このような微細電極の接続は、半田による接続が難しいため、最近では接着剤を用いる方法が多用されるようになってきた。
接着剤を用いる接続方法としては、例えば特許文献1に記載されているように、絶縁性接着剤中にカーボン、ニッケル、金属被覆プラスチック粒子等の導電粒子を分散した異方導電性の接着剤や膜状物を用いて、加熱加圧により接着剤の厚み方向に電気的接続を得るACF(異方導電性フィルム、以下、ACFとする)法と、例えば特許文献2に記載されているように、導電粒子を用いないで接続時に圧着して電極面の微細凹凸の直接接触により電気的接続を得る、NCF(非導電性フィルム、以下、NCFとする)法とがある。
近年、ACFを介した基板材料としてCOG(チップ・オン・グラス)による液晶ドライバーICのフリップチップ実装が行われている。そのドライバーIC表面には、ポリイミド膜やポリベンゾオキサゾール膜などの耐熱性樹脂が用いられている。耐熱性樹脂とACFもしくはNCFなどの接着フィルム間では、フリップチップ実装する際には高耐熱性下での優れた接着性が、また実装後のチップとして耐冷熱サイクル試験や高温高湿試験に対して信頼性の高い接着性が求められている。
また、耐熱性樹脂であるポリイミド膜とACF間の接着性を向上させる手段として、特許文献3では、ポリイミド膜へのプラズマ処理による接着性向上に関する技術が記載されている。
特開昭55−104007号公報 特開昭60−262430号公報 特開2003−73862号公報
しかしながら、特許文献3において、ポリイミド膜へのプラズマ処理により接着性は向上されているが、プラズマ処理は減圧処理に時間を要するため、量産性に適合しないという問題点があった。従って、量産性に優れた化学的手法による表面改質処理方法が望まれていた。
本発明は、以上のような従来の課題を解決するためになされたものであって、量産性に優れた化学的手法による表面改質処理方法を提供するものである。すなわち本発明は、耐熱性樹脂の表面に物理的に凹凸を設けることで表面積を増加して接着性を改善するのではなく、追加的な表面処理で耐熱性樹脂に化学的に安定な官能基を導入して接着性を改善し、高温高圧処理後も耐熱性樹脂及び接着部材間で優れた接着性を示す表面改質処理方法、電極接続基板及び半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
すなわち、本発明による表面改質処理方法は、基板上に形成された耐熱性樹脂層上に表面改質処理液を塗布し乾燥する表面改質処理方法であって、前記表面改質処理液は、アルミニウムキレート化合物、チタニウムキレート化合物、ジルコニウムキレート化合物、アルミニウムアルコレート、チタニウムアルコレート及びジルコニウムアルコレートからなる群から選択される少なくとも1種の表面改質剤成分と、溶媒とを含むことを特徴とする。
また、本発明による表面改質処理方法にあっては、前記表面改質処理液中の表面改質剤成分濃度が、0.1〜95重量%であることを特徴とする。
また、本発明による表面改質処理方法にあっては、前記耐熱性樹脂層が、ポリイミド、ポリベンゾオキサゾール、ポリアミドイミド、ポリアミド及びポリベンゾイミダゾールからなる群から選択される少なくとも1種、又はこれらのコポリマーを含むことを特徴とする。
また、本発明による表面改質処理方法にあっては、前記基板上に形成された耐熱性樹脂層が、半導体素子、ガラス基板、金属基板又はセラミック基板を基板とし、その上に形成された表面保護膜又は絶縁膜であることを特徴とする。
また、本発明による電極接続基板にあっては、前記表面改質処理方法による処理を行った耐熱性樹脂層を有する基板表面に、接着部材を接着してなることを特徴とする。
また、本発明による電極接続基板にあっては、前記接着部材が、エポキシ樹脂を含むことを特徴とする。
また、本発明による半導体装置の製造方法にあっては、耐熱性樹脂を有する基板表面に、前記表面改質処理方法による処理を行った後、改質処理された表面を、接着部材又はパッケージ材と積層処理する工程を含むことを特徴とする。
本発明にかかる表面改質処理方法によれば、耐熱性樹脂に化学的に安定な官能基を導入して接着性を改善する表面改質処理を行うことにより、高温高圧処理後も耐熱性樹脂及び接着部材間で優れた接着性が得られるという効果を奏する。また、本発明にかかる表面改質処理方法を適用することにより、高温高湿化で信頼性の高い電極接続基板及び半導体装置を提供することができるという効果を奏する。
以下に、本発明による表面改質処理方法、電極接続基板及び半導体装置の製造方法をの一実施の形態を、図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態により本発明が限定されるものではない。
[表面改質処理方法]
本発明による表面改質処理方法は、基板上に形成された耐熱性樹脂層上に表面改質処理液を塗布し、塗布された前記表面改質処理液を乾燥する耐熱性樹脂層の表面改質処理方法であって、前記表面改質処理液は、アルミニウムキレート化合物、チタニウムキレート化合物、ジルコニウムキレート化合物、アルミニウムアルコレート、チタニウムアルコレート及びジルコニウムアルコレートからなる群から選択される少なくとも1種の表面改質剤成分と、溶媒とを含む。
本発明に用いられる耐熱性樹脂層としては、少なくとも1種以上のポリイミド又はその前駆体、ポリベンゾオキサゾール又はその前駆体、ポリアミドイミド又はその前駆体、ポリアミド及びこれらのコポリマーやベンゾシクロブテンなどの耐熱性樹脂が用いられることが好ましい。この時、予め感光性処理されたポリイミド、ポリベンゾオキサゾールなどを用いることもできる。例えば、ポリイミドは、下記一般式(I)で示される繰り返し単位を有する。
Figure 0005125165
(式中、Wは4価の有機基を有し、Rは2価の有機基を示す。)
これらの耐熱性樹脂組成物は、前記耐熱性樹脂の他、有機溶剤やシランカップリング剤等の接着助剤など、各種添加剤等を含むことができる。また、感光性の耐熱性樹脂組成物の場合には、さらに光酸発生剤、光塩基発生剤、重合開始剤、重合性単量体等を含むことができる。
これらの耐熱性樹脂組成物を用いて、半導体素子、ガラス基板、金属基板、セラミック基板等の各種基板上に、ポリイミド、ポリベンゾオキサゾール、ポリアミドイミド、ポリアミド、ポリベンゾイミダゾール等の各種耐熱性樹脂層(膜)を形成することができる。
本発明に用いる表面改質処理液に含まれる表面改質(処理)剤としては、アルミニウムキレート化合物、チタニウムキレート化合物、ジルコニウムキレート化合物、アルミニウムアルコレート、チタニウムアルコレート及びジルコニウムアルコレートなどが挙げられ、これらの少なくとも1種を使用することができる。
接着フィルムや接着剤などの接着部材を熱圧着する際に、耐熱性樹脂表面に塗布により形成された表面改質処理剤であるキレート化合物が、接着部材中のSi化合物やエポキシ基、アクリル基等と化学結合を形成することにより良好な接着性が得られる。特にエポキシ系樹脂とは、オキシラン環の開裂によりできた−OH基と各キレート化合物とが架橋結合を形成するため、優れた接着性が得られる。
表面改質処理剤として具体的には、アルミニウムキレート化合物として、ジエトキシ・モノ(アセチルアセトナート)アルミニウム、ジ−n−プロポキシ・モノ(アセチルアセトナート)アルミニウム、ジ−i−プロポキシ・モノ(アセチルアセトナート)アルミニウム、ジ−n−ブトキシ・モノ(アセチルアセトナート)アルミニウム、ジ−sec−ブトキシ・モノ(アセチルアセトナート)アルミニウム、ジ−t−ブトキシ・モノ(アセチルアセトナート)アルミニウム、エトキシ・ビス(アセチルアセトナート)アルミニウム、n−プロポキシ・ビス(アセチルアセトナート)アルミニウム、i−プロポキシ・ビス(アセチルアセトナート)アルミニウム、n−ブトキシ・ビス(アセチルアセトナート)アルミニウム、sec−ブトキシ・ビス(アセチルアセトナート)アルミニウム、t−ブトキシ・ビス(アセチルアセトナート)アルミニウム、ジエトキシ・モノ(エチルアセトアセテート)アルミニウム、ジ−n−プロポキシ・モノ(エチルアセトアセテート)アルミニウム、ジ−i−プロポキシ・モノ(エチルアセトアセテート)アルミニウム(又はエチルアセトアセテートアルミニウムジイソプロピレート)、ジ−n−ブトキシ・モノ(エチルアセトアセテート)アルミニウム、ジ−sec−ブトキシ・モノ(エチルアセトアセテート)アルミニウム、ジ−t−ブトキシ・モノ(エチルアセトアセテート)アルミニウム、エトキシ・ビス(エチルアセトアセテート)アルミニウム、n−プロポキシ・ビス(エチルアセトアセテート)アルミニウム、i−プロポキシ・ビス(エチルアセトアセテート)アルミニウム、n−ブトキシ・ビス(エチルアセトアセテート)アルミニウム、sec−ブトキシ・ビス(エチルアセトアセテート)アルミニウム、t−ブトキシ・ビス(エチルアセトアセテート)アルミニウム、トリス(アセチルアセトナート)アルミニウム及びトリス(エチルアセトアセテート)アルミニウムなどが掲げられる。
チタニウムキレート化合物としては、トリエトキシ・モノ(アセチルアセトナート)チタン、トリ−n−プロポキシ・モノ(アセチルアセトナート)チタン、トリ−i−プロポキシ・モノ(アセチルアセトナート)チタン、トリ−n−ブトキシ・モノ(アセチルアセトナート)チタン、トリ−sec−ブトキシ・モノ(アセチルアセトナート)チタン、トリ−t−ブトキシ・モノ(アセチルアセトナート)チタン、ジエトキシ・ビス(アセチルアセトナート)チタン、ジ−n−プロポキシ・ビス(アセチルアセトナート)チタン、ジ−i−プロポキシ・ビス(アセチルアセトナート)チタン、ジ−n−ブトキシ・ビス(アセチルアセトナート)チタン、ジ−sec−ブトキシ・ビス(アセチルアセトナート)チタン、ジ−t−ブトキシ・ビス(アセチルアセトナート)チタン、モノエトキシ・トリス(アセチルアセトナート)チタン、モノ−n−プロポキシ・トリス(アセチルアセトナート)チタン、モノ−i−プロポキシ・トリス(アセチルアセトナート)チタン、モノ−n−ブトキシ・トリス(アセチルアセトナート)チタン、モノ−sec−ブトキシ・トリス(アセチルアセトナート)チタン、モノ−t−ブトキシ・トリス(アセチルアセトナート)チタン、テトラキス(アセチルアセトナート)チタン、トリエトキシ・モノ(エチルアセトアセテート)チタン、トリ−n−プロポキシ・モノ(エチルアセトアセテート)チタン、トリ−i−プロポキシ・モノ(エチルアセトアセテート)チタン、トリ−n−ブトキシ・モノ(エチルアセトアセテート)チタン、トリ−sec−ブトキシ・モノ(エチルアセトアセテート)チタン、トリ−t−ブトキシ・モノ(エチルアセトアセテート)チタン、ジエトキシ・ビス(エチルアセトアセテート)チタン、ジ−n−プロポキシ・ビス(エチルアセトアセテート)チタン、ジ−i−プロポキシ・ビス(エチルアセトアセテート)チタン、ジ−n−ブトキシ・ビス(エチルアセトアセテート)チタン、ジ−sec−ブトキシ・ビス(エチルアセトアセテート)チタン、ジ−t−ブトキシ・ビス(エチルアセトアセテート)チタン、モノエトキシ・トリス(エチルアセトアセテート)チタン、モノ−n−プロポキシ・トリス(エチルアセトアセテート)チタン、モノ−i−プロポキシ・トリス(エチルアセトアセテート)チタン、モノ−n−ブトキシ・トリス(エチルアセトアセテート)チタン、モノ−sec−ブトキシ・トリス(エチルアセトアセテート)チタン、モノ−t−ブトキシ・トリス(エチルアセトアセテート)チタン、テトラキス(エチルアセトアセテート)チタン、モノ(アセチルアセトナート)トリス(エチルアセトアセテート)チタン、ビス(アセチルアセトナート)ビス(エチルアセトアセテート)チタン及びトリス(アセチルアセトナート)モノ(エチルアセトアセテート)などが挙げられる。
ジルコニウムキレート化合物としては、トリエトキシ・モノ(アセチルアセトナート)ジルコニウム、トリ−n−プロポキシ・モノ(アセチルアセトナート)ジルコニウム、トリ−i−プロポキシ・モノ(アセチルアセトナート)ジルコニウム、トリ−n−ブトキシ・モノ(アセチルアセトナート)ジルコニウム、トリ−sec−ブトキシ・モノ(アセチルアセトナート)ジルコニウム、トリ−t−ブトキシ・モノ(アセチルアセトナート)ジルコニウム、ジエトキシ・ビス(アセチルアセトナート)ジルコニウム、ジ−n−プロポキシ・ビス(アセチルアセトナート)ジルコニウム、ジ−i−プロポキシ・ビス(アセチルアセトナート)ジルコニウム、ジ−n−ブトキシ・ビス(アセチルアセトナート)ジルコニウム、ジ−sec−ブトキシ・ビス(アセチルアセトナート)ジルコニウム、ジ−t−ブトキシ・ビス(アセチルアセトナート)ジルコニウム、モノエトキシ・トリス(アセチルアセトナート)ジルコニウム、モノ−n−プロポキシ・トリス(アセチルアセトナート)ジルコニウム、モノ−i−プロポキシ・トリス(アセチルアセトナート)ジルコニウム、モノ−n−ブトキシ・トリス(アセチルアセトナート)ジルコニウム、モノ−sec−ブトキシ・トリス(アセチルアセトナート)ジルコニウム、モノ−t−ブトキシ・トリス(アセチルアセトナート)ジルコニウム、テトラキス(アセチルアセトナート)ジルコニウム、トリエトキシ・モノ(エチルアセトアセテート)ジルコニウム、トリ−n−プロポキシ・モノ(エチルアセトアセテート)ジルコニウム、トリ−i−プロポキシ・モノ(エチルアセトアセテート)ジルコニウム、トリ−n−ブトキシ・モノ(エチルアセトアセテート)ジルコニウム、トリ−sec−ブトキシ・モノ(エチルアセトアセテート)ジルコニウム、トリ−t−ブトキシ・モノ(エチルアセトアセテート)ジルコニウム、ジエトキシ・ビス(エチルアセトアセテート)ジルコニウム、ジ−n−プロポキシ・ビス(エチルアセトアセテート)ジルコニウム、ジ−i−プロポキシ・ビス(エチルアセトアセテート)ジルコニウム、ジ−n−ブトキシ・ビス(エチルアセトアセテート)ジルコニウム、ジ−sec−ブトキシ・ビス(エチルアセトアセテート)ジルコニウム、ジ−t−ブトキシ・ビス(エチルアセトアセテート)ジルコニウム、モノエトキシ・トリス(エチルアセトアセテート)ジルコニウム、モノ−n−プロポキシ・トリス(エチルアセトアセテート)ジルコニウム、モノ−i−プロポキシ・トリス(エチルアセトアセテート)ジルコニウム、モノ−n−ブトキシ・トリス(エチルアセトアセテート)ジルコニウム、モノ−sec−ブトキシ・トリス(エチルアセトアセテート)ジルコニウム、モノ−t−ブトキシ・トリス(エチルアセトアセテート)ジルコニウム、テトラキス(エチルアセトアセテート)ジルコニウム、モノ(アセチルアセトナート)トリス(エチルアセトアセテート)ジルコニウム、ビス(アセチルアセトナート)ビス(エチルアセトアセテート)ジルコニウム及びトリス(アセチルアセトナート)モノ(エチルアセトアセテート)ジルコニウムなどが挙げられる。
また、アルミニウムアルコレートとしては、トリエトキシアルミニウム、トリ−n−プロポキシアルミニウム、トリ−i−プロポキシアルミニウム、トリ−n−ブトキシアルミニウム、トリ−i−ブトキシアルミニウム、トリ−sec−ブトキシアルミニウム及びトリ−t−ブトキシアルミニウムなどが挙げられる。
チタニウムアルコレートとしては、テトラエトキシチタン、テトラ−n−プロポキシチタン、テトラ−i−プロポキシチタン、テトラ−n−ブトキシチタン、テトラ−i−ブトキシチタン、テトラ−sec−ブトキシチタン及びテトラ−t−ブトキシチタンなどが挙げられる。
ジルコニウムアルコレートとしては、テトラエトキシジルコニウム、テトラ−n−プロポキシジルコニウム、テトラ−i−プロポキシジルコニウム、テトラ−n−ブトキシジルコニウム、テトラ−i−ブトキシジルコニウム、テトラ−sec−ブトキシジルコニウム及びテトラ−t−ブトキシジルコニウムなどが挙げられる。以上の各キレート化合物及び各アルコレート化合物は、1種あるいは2種以上を同時に使用することができる。
本発明に用いる表面改質処理剤を含む表面改質処理液の樹脂分濃度(表面改質剤成分濃度)は、0.1重量%未満では、表面処理向上効果が乏しいため、0.1重量%以上であることが好ましい。さらに好ましくは、0.5重量%以上95重量%以下が好ましい。また、表面改質処理剤を含む溶液の樹脂分濃度が95重量%を超えると、作業性が低下する傾向があるため好ましくない。
本発明に用いる溶媒の種類としては、キレート及びアルコレートを溶解する、例えば、メタノール、エタノール、1−プロパノール、イソプロパノール、1−ブタノールなどのアルコール系溶媒、トルエン、キシレン、クメンなどの芳香族系溶媒、N−メチル−2−ピロリドン、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジメチルホルムアミドなどのアミド系溶媒、γ―ブチロラクトン、γ―バレロラクトンなどのラクトン系溶媒、メチルセロソルブ、エチルセロソルブ、ブチルセロソルブ、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート等のグリコール系溶媒が挙げられ、これらは、1種あるいは2種以上を同時に使用することができる。
本発明による表面改質処理方法は、基板上に形成された耐熱性樹脂層上に上述した表面改質処理液を塗布し、塗布された表面改質処理液を乾燥することにより行われる。上述した耐熱性樹脂を形成する基板としては、ガラス基板、金属基板、セラミック基板等が含まれ、半導体素子基板であってもよい。さらに、フレキシブル配線板やTABテープ等も使用できる。これらの基板上に、耐熱性樹脂が表面保護膜、多層絶縁膜などの耐熱性樹脂層として形成される。
表面改質処理液は、基板上に形成された耐熱性樹脂層上にスピンコート法などにより塗布するが、他の方法によって塗布してもよい。耐熱性樹脂層上に塗布された表面改質処理液の処理は、乾燥さえすればよいが、例えば80〜400℃の温度範囲で、1分〜2時間程度の時間加熱するのが好ましい。
[電極接続基板]
本発明による電極接続基板は、電極を有する基板と、電極を有する部材とが、接着部材や接着フィルムを用いて相対する電極同士が接続された基板をいう。この電極接続基板は、上述した表面改質処理方法を行った耐熱性樹脂を有する基板表面に、接着剤又は接着フィルムなどの接着部材を接着し、相対する電極を有する部材とを接着することにより作製することができる。電極接続基板としては、バンプなどの接続電極を備えた半導体素子基板や回路基板など種々の基板を含む。基板の材質としては、半導体素子、ガラス基板、金属基板、セラミック基板等を用いることができる。
本発明に用いる接着剤や接着フィルムには、熱可塑性材料や、熱や光により硬化する材料等が広く適用できる。これらは基板表面に接着部材を接着した後の耐熱性や耐湿性に優れることから、硬化性材料の適用が好ましい。潜在性硬化剤を含有したエポキシ系樹脂や過酸化物などのラジカル系硬化剤を含有したアクリル系樹脂は、短時間硬化が可能で接続作業性がよく、分子構造上接着性に優れるので好ましい。
接着部材としてのACF材には、相対する電極間の接続と隣接する電極間の絶縁の性能を向上させるために、導電粒子や少量の絶縁粒子を添加することが好ましい。これらの導電粒子や絶縁粒子は、接着部材付半導体チップの製造時における加熱加圧時に、厚み保持材として作用する点でもで好ましい。この場合、導電粒子や絶縁粒子の割合は、好ましくは0.1〜30体積%であり、異方導電性とするには、導電粒子を好ましくは0.5〜15体積%とすることが好ましい。
導電粒子としては、Au、Ag、Pt、Co、Ni、Cu、W、Sb、Sn、はんだ等の金属粒子やカーボン、黒鉛等があり、またこれら導電粒子を核材とするか、あるいは非導電性のガラス、セラミックス、プラスチック等の高分子等からなる核材に上述したような導電粒子からなる導電層を被覆形成したものでもよい。さらに、導電材料を絶縁層で被覆してなる絶縁被覆粒子や、導電粒子とガラス、セラミックス、プラスチック等の絶縁粒子の併用等も、分解能が向上するので適用可能である。導電粒子の粒径は、微小な電極上に1個以上、好ましくはなるべく多くの粒子数を確保するために、小粒径粒子が好適であり、好ましくは15μm以下、より好ましくは1〜7μmである。
[半導体装置の製造方法]
耐熱性樹脂を有する基板表面に、上述のようにして表面改質処理方法を行った後、改質処理された表面を、接着部材又はパッケージ材と積層処理する工程を含むことにより、半導体装置を製造することができる。
本発明による半導体装置の製造方法について、図面に基づき説明する。図1〜図3は、本発明の実施の形態による半導体装置の製造方法を説明する概略断面図である。図1において、半導体装置としての回路接続構造体1Aは、半導体基板2と、回路部材3とが接着部材4を挟持して構成されている。なお、図1〜図3では、接着部材4として異方導電性フィルム(ACF)を使用した場合について説明している。
半導体基板2の表面には、上述した耐熱性樹脂組成物を用いて形成される耐熱性樹脂膜5を備えており、第1の回路電極6例えば金電極が多数形成されている。また、ガラス基板等の回路部材3の表面には、第1の回路電極6に対向する位置に第2の回路電極7が多数形成されている。なお、これらの第1及び第2の回路電極6,7がそれぞれ形成されている半導体基板2及び回路部材3の面をこれらの表面とする。
半導体基板2と回路部材3とは、接着部材4によって接着されている。特に、耐熱性樹脂膜5と接着部材4とは、後述するように、強固に接着されている。また、接着部材4中には、導電性粒子8が分散されており、第1の回路電極6と第2の回路電極7との間に介在する導電性粒子8によって、第1の回路電極6と第2の回路電極7とが電気的に接続される。一方、これらの電極間に介在していない導電性粒子8は接着部材4内に分散しているので、電極以外の部分では絶縁性が保たれている。
次に、以上のように構成された回路接続構造体1Aの製造方法について説明する。まず、半導体基板2に耐熱性樹脂膜5の原料となる耐熱性樹脂組成物をスピンコート法等により塗布する。次いで、塗布された耐熱性樹脂組成物に加熱処理を施して熱硬化する。これにより、半導体基板2の表面に耐熱性樹脂膜5が形成される。
次に、耐熱性樹脂膜5が形成された半導体基板2の表面に、第1の回路電極6を形成する。この第1の回路電極6は、予め半導体基板2に積層されている金属層をエッチング処理により剥き出して形成することができ、あるいは、バンプ等の電極部材を半導体基板2に設けることにより形成してもよい。
さらに、半導体基板2の表面に形成された耐熱性樹脂膜5の表面改質処理を行う。表面改質処理は、まず、耐熱性樹脂膜5に表面改質処理液をスピンコート法等により塗布する。次いで、表面改質処理液が塗布された半導体基板2を例えばホットプレート上で加熱することにより、耐熱性樹脂膜5の表面改質処理を行う。
次に、図2に示すように、表面改質処理を施した半導体基板2と、第1の回路電極6に対向する第2の回路電極7が表面に多数形成された回路部材3とを用意し、第1の回路電極6と第2の回路電極7とが重なり合うように、半導体基板2と回路部材3とを位置合わせして対向配置する。この時、図3に示すように、これらの半導体基板2と回路部材3との間に、接着部材4を配置しておく。
続いて、図3の矢印で示すように、半導体基板2と回路部材3とを圧着することによりこれらの半導体基板2及び回路部材3を接着する。半導体基板2と回路部材3との接着は、公知の方法を用いることができる。例えば、接着部材4を一旦半導体基板2又は回路部材3に仮付けし、これらの半導体基板2及び回路部材3の位置合わせ行った後、加熱加圧もしくは加圧によって、半導体基板2及び回路部材3を接着する。この時、図1に示すように、相対向する第1及び第2の回路電極6、7同士を、接着部材4内の導電性粒子8によって電気的に接続することができる。
半導体基板2と回路部材3との位置合わせは、顕微鏡や画像記憶装置を用いて行っても良く、この時、位置合わせマークの併用も有効である。上記加熱加圧処理は、半導体基板2としてのチップ1個毎(シングルチップ)でもよいが、多数個(マルチチップ)同時に圧着可能であると、生産性の向上に有効である。本発明による耐熱性樹脂膜5と接着部材4との接着方法は、シングルチップでもマルチチップの実装に対しても適応可能である。
次に、接着部材4として、非導電性フィルム(NCF)を使用した回路接続構造体について、図4及び図5に基づいて説明する。なお、上述のACFを使用した回路接続構造体と同様な材料や製造方法を適用できるので、重複する記載は省略する。
図4において、半導体装置としての回路接続構造体1Bは、半導体基板2と、回路部材3とが接着部材4を挟持して構成されている。なお、接着部材4は、導電性粒子を含んでいない。半導体基板2の表面には、耐熱性樹脂膜5を備えており、第1の回路電極例えば金電極が多数形成されている。回路部材3の表面には、第1の回路電極6に対向する第2の回路電極7が多数形成されている。
半導体基板2と回路部材3とは、接着部材4によって接着されている。第1の回路電極6と第2の回路電極7とは、相互に直接接触することにより、電気的に接続される。これらの第1の回路電極6及び第2の回路電極7は、金電極などのバンプの他に、先端を切断した状態のはんだやボンディングワイヤ等であってもよい。
次に、以上のように構成された回路接続構造体1Bの製造方法について説明する。図2に示すように、上述と同様に表面改質処理を施した半導体基板2と、第1の回路電極6に対向する第2の回路電極7が表面に多数形成された回路部材3とを用意する。次に、図5に示すように、第1の回路電極6と第2の回路電極7とが重なり合うように、半導体基板2と回路部材3とを位置合わせして対向配置する。この時、これらの半導体基板2と回路部材3との間に、接着部材4を配置しておく。
続いて、図5の矢印で示すように、接着部材4を挟持した状態で、半導体基板2と回路部材3とを圧着する。半導体基板2と回路部材3とを圧着することにより、図4に示すように、半導体基板2と回路部材3とが機械的に接着し、且つ第1の回路電極6と第2の回路電極7とは、直接接触することにより電気的に接続される。こうして、高温、高湿下でも良好な接着性を長期に亘り維持できる回路接続構造体1Bを製造することができる。
以下、実施例及び比較例により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
実施例1
[1](合成例1)ポリイミド前駆体ワニスの調製
温度計、攪拌装置、冷却管及び窒素導入管を備えた4つ口セパラブルフラスコ中に、N−メチル−2−ピロリドン289.2gを仕込み、これに4,4'−ジアミノジフェニルエーテル20.02g(0.1モル)を溶解させた後、ピロメリット酸二無水物31.02g(0.1モル)を加え、室温で6時間攪拌した後、粘度調整を行い、15重量%のポリイミド前駆体ワニスを得た。
得られたポリイミド前駆体を、樹脂分1重量%のγ−アミノプロピルトリエトキシシランを含むN−メチル−2−ピロリドン溶液で13重量%のポリイミド前駆体ワニスとなるように希釈し、1μm孔のフッ素樹脂フィルタを用いて加圧濾過し、ポリイミド前駆体ワニス(α)を得た。
[2]ポリイミド膜の作成
合成例1で得られたポリイミド前駆体ワニス(α)を直径5インチのシリコン基板上にスピン塗布をして、ホットプレート上130℃で2分間、拡散炉を用いて窒素雰囲気下200℃で30分間、350℃で60分間加熱処理をして、膜厚5μmのポリイミド膜(X)が形成されたシリコン基板(以下、ポリイミド膜(X)付き基板とする)を得た。
[3]表面処理
N−メチル−2−ピロリドン溶液にアルミニウムキレート化合物であるエチルアセトアセテートアルミニウムジイソプロピレートを1重量%溶解させた溶液を、上記ポリイミド膜(X)付き基板にスピン塗布をして、ホットプレート上130℃で2分間、250℃で2分間加熱処理をして、ポリイミド膜(X)の表面にアルミニウムキレート処理による表面改質処理を行った。
[4]接続処理
得られたアルミニウムキレート処理済みポリイミド膜付き基板をダイヤモンドカッター付きダイサーによって、10×10mm角を接着性評価用下層チップ、2×10mmを接着性評価用上層チップとして切り出した。フェノキシ樹脂(高分子量エポキシ樹脂)を含有するACF材(日立化成工業株式会社製、商品名:AC−8408)を切断して挟み、この構成で加熱温度を160℃に設定し50MPaで10秒間加熱圧着を行い、評価用電極接続基板を得た。
[5]評価
得られた評価用電極接続基板を85℃、85RH%の高温高湿加速試験機に、168時間投入した。接合強度試験機(Dage製、Series4000)を用いて、高温高湿加速試験を行っていない未処理サンプルと共に、室温ステージにサンプルを載せてから30秒後にせん断処理を行い、接着強度と破壊モードの比較評価を行った。高温高湿加速試験の未処理品の結果を併せて表1に示す。
実施例2
[3]表面処理
トルエンにチタンキレート剤であるジ−i−プロポキシ・ビス(アセチルアセトナート)チタンを2重量%溶解させた溶液を、実施例1で得られたポリイミド膜(X)付き基板にスピン塗布をして、ホットプレート上100℃で2分間、250℃で2分間加熱処理をして、ポリイミド膜(X)の表面にチタンキレート処理による表面改質処理を行った。
[4]接続フィルム
実施例1と同様に、フェノキシ樹脂(高分子量エポキシ樹脂)を含有するACF材(日立化成工業株式会社製、商品名:AC−8408)を用いた。
[5]接続
実施例1と同様に、チタンキレート処理済みのポリイミド膜(X)付き基板を上層チップとし、下層チップとしてACF材(日立化成工業株式会社製、商品名:AC−8408)を挟み、この構成で加熱温度を160℃に設定し50MPaで10秒間加熱圧着を行い、評価用電極接続基板を得た。
[6]評価
実施例1と同様に、得られた評価用電極接続基板を85℃、85RH%の高温高湿加速試験機に、168時間投入した。接合強度試験機(Dage製、Series4000)を用いて、高温高湿加速試験を行っていない未処理サンプルと共に、室温ステージにサンプルを載せてから30秒後にせん断処理を行い、接着強度と破壊モードの比較評価を行った。高温高湿加速試験の未処理品の結果を併せて表1に示す。
実施例3
[3]表面処理
トルエン/1−ブタノール溶液にジルコニウムアルコレート剤であるテトラ−n−ブトキシジルコニウムを2重量%溶解させた溶液を、実施例1で得られたポリイミド膜(X)付き基板にスピン塗布をして、ホットプレート上100℃で2分間、250℃で2分間加熱処理をして、表面にジルコニウムキレート処理による表面改質処理を行った。
[4]接続フィルム
実施例1と同様に、フェノキシ樹脂(高分子量エポキシ樹脂)を含有するACF材(日立化成工業株式会社製、商品名:AC−8408)を用いた。
[5]接続
実施例1と同様に、ジルコニウムアルコレート剤処理済みのポリイミド膜付き基板を上層とし、下層チップとしてACF材(日立化成工業株式会社製、商品名:AC−8408)を挟み、この構成で加熱温度を160℃に設定し50MPaで10秒間加熱圧着を行い、評価用電極接続基板を得た。
[6]評価
実施例1と同様に、得られた評価用電極接続基板を85℃、85RH%の高温高湿加速試験機に、168時間投入した。接合強度試験機(Dage製、Series4000)を用いて、高温高湿加速試験を行っていない未処理サンプルと共に、室温ステージにサンプルを載せてから30秒後にせん断処理を行い、接着強度と破壊モードの比較評価を行った。高温高湿加速試験の未処理品の結果を併せて表1に示す。
実施例4
[3]表面処理
N−メチル−2−ピロリドン溶液にエチルアセトアセテートアルミニウムジイソプロピレートを1重量%溶解させた溶液を、実施例1で得られたポリイミド膜(X)付き基板にスピン塗布をして、ホットプレート上130℃で2分間、250℃で2分間加熱処理をして、表面にアルミニウムキレート処理による表面改質処理を行った。
[4]接続フィルム
フェノキシ樹脂(高分子量エポキシ樹脂)を含有する日立化成工業株式会社製、商品名:AC−8955を用いた。
[5]接続
実施例1と同様に、アルミニウムキレート処理済みのポリイミド膜付き基板を上層とし、下層チップとしてACF材(日立化成工業株式会社製、商品名:AC−8955)を挟み、この構成で加熱温度を190℃に設定し50MPaで10秒間加熱圧着を行い、評価用電極接続基板を得た。
[6]評価
実施例1と同様に、得られた評価用電極接続基板を85℃、85RH%の高温高湿加速試験機に、168時間投入した。接合強度試験機(Dage製、Series4000)を用いて、高温高湿加速試験を行っていない未処理サンプルと共に、室温ステージにサンプルを載せてから30秒後にせん断処理を行い、接着強度と破壊モードの比較評価を行った。高温高湿加速試験の未処理品の結果を併せて表1に示す。
実施例5
[1](合成例2)ポリイミド前駆体ワニスの調製
温度計、攪拌装置、冷却管及び窒素導入管を備えた4つ口セパラブルフラスコ中で、N−メチル−2−ピロリドン270.0gに4,4′−ジアミノジフェニルエーテル18.02g(0.09モル)と1,3−ビス(3−アミノプロピル)−1,1,1−テトラメチルジシロキサン2.49g(0.01モル)とを溶解させた後、ピロメリット酸二無水物6.54g(0.03モル)と3,3′,4,4′−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物20.60g(0.07モル)とを加え、室温で6時間攪拌した。その後、粘度調整を行い、さらに1μm孔のフッ素樹脂フィルタを用いて加圧濾過し、15重量%のポリイミド前駆体ワニス(β)を得た。
[2]ポリイミド膜の作成
合成例2で得られたポリイミド前駆体ワニス(β)を直径5インチのシリコン基板にスピン塗布をして、ホットプレート上130℃で2分間、拡散炉を用いて窒素雰囲気下200℃30分間、350℃60分間加熱処理をして、膜厚5μmのポリイミド膜(Y)が形成されたシリコン基板(以下、ポリイミド膜(Y)付き基板とする)を得た。
[3]表面処理
N−メチル−2−ピロリドン溶液にエチルアセトアセテートアルミニウムジイソプロピレートを1重量%溶解させた溶液を、上記のポリイミド膜(Y)付き基板にスピン塗布をして、ホットプレート上130℃で2分間、250℃で2分間加熱処理をして、表面にアルミニウムキレート処理による表面改質処理を行った。
[4]接続フィルム
実施例1と同様に、フェノキシ樹脂(高分子量エポキシ樹脂)を含有するACF材(日立化成工業株式会社製、商品名:AC−8408)を用いた。
[5]接続
実施例1と同様に、アルミニウムキレート処理済みのポリイミド膜(Y)付き基板を上層とし、下層チップとしてACF材(日立化成工業株式会社製、商品名:AC−8408)を挟み、この構成で加熱温度を160℃に設定し50MPaで10秒間加熱圧着を行い、評価用電極接続基板を得た。
[6]評価
実施例1と同様に、得られた評価用電極接続基板を85℃、85RH%の高温高湿加速試験機に、168時間投入した。接合強度試験機(Dage製、Series4000)を用いて、高温高湿加速試験を行っていない未処理サンプルと共に、室温ステージにサンプルを載せてから30秒後にせん断処理を行い、接着強度と破壊モードの比較評価を行った。高温高湿加速試験の未処理品の結果を併せて表1に示す。
実施例6
[1](合成例3)ポリベンゾオキサゾール前駆体ワニスの調製
攪拌機及び温度計を備えた0.5リットルのフラスコ中に、4,4'−ジカルボキシルジフェニルエーテル21.7g(0.084モル)及びN−メチルピロリドン125.0gを仕込み、フラスコを0℃に冷却し、塩化チオニル20.0g(0.168モル)を、反応温度を10℃以下に保持しながら滴下し、滴下後10℃付近で30分間撹拌して、4,4'−ジカルボキシルジフェニルエーテルのジクロリド溶液を得た。
温度計、攪拌装置、冷却管及び窒素導入管を備えた4つ口セパラブルフラスコ中に、N−メチルピロリドン100gを仕込み、2,2−ビス(3−アミノ−4−ヒドロキシフェニル)−1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロプロパン37.0g(0.10モル)を添加し、攪拌溶解した後、ピリジン26.6gを添加した。この溶液を冷却し、温度を0〜10℃に保ちながら、1,4−ジカルボキシシクロヘキサンジクロリドの溶液を30分間かけて滴下した後、10℃付近で30分間撹拌した。反応液を4リットルの水に投入し、析出物を回収、洗浄した後、40℃で二日間減圧乾燥してポリヒドロキシアミドを得た。
上記ポリヒドロキシアミド15.0gを、樹脂分1重量%のγ−アミノプロピルトリエトキシシランを溶解したN−メチル−2−ピロリドン溶液22.5gに溶解させた後、1μm孔のフッ素樹脂フィルタを用いて加圧濾過して40重量%のポリベンゾオキサゾール前駆体ワニス(γ)を得た。
[2]ポリベンゾオキサゾール膜の調製
合成例3で得られたポリベンゾオキサゾール前駆体ワニス(γ)を直径5インチのシリコン基板にスピン塗布をして、ホットプレート上120℃で2分間、拡散炉を用いて窒素雰囲気下200℃で30分間、320℃で60分間加熱処理をして、膜厚5μmのポリベンゾオキサゾール膜(Z)が形成されたシリコン基板(以下、ポリイミド膜(Z)付き基板とする)を得た。
[3]表面処理
N−メチル−2−ピロリドン溶液にエチルアセトアセテートアルミニウムジイソプロピレートを1重量%溶解させた溶液を、得られたポリベンゾオキサゾール膜(Z)付き基板にスピン塗布をして、ホットプレート上130℃で2分間、250℃で2分間加熱処理をして、表面にアルミニウムキレート処理による表面改質処理を行った。
[4]接続フィルム
実施例1と同様に、フェノキシ樹脂(高分子量エポキシ樹脂)を含有するACF材(日立化成工業株式会社製、商品名:AC−8408)を用いた。
[5]接続
実施例1と同様に、アルミニウムキレート処理済みのポリベンゾオキサゾール膜(Z)付き基板を上層とし、下層チップとしてACF材(日立化成工業株式会社製、商品名:AC−8408)を挟み、この構成で加熱温度を160℃に設定し50MPaで10秒間加熱圧着を行い、評価用電極接続基板を得た。
[6]評価
実施例1と同様に、得られた評価用電極接続基板を85℃、85RH%の高温高湿加速試験機に、168時間投入した。接合強度試験機(Dage製、Series4000)を用いて、高温高湿加速試験を行っていない未処理サンプルと共に、室温ステージにサンプルを載せてから30秒後にせん断処理を行い、接着強度と破壊モードの比較評価を行った。高温高湿加速試験の未処理品の結果を併せて表1に示す。
比較例1
[5]接続
キレート化合物で表面改質処理を行っていないポリイミド膜(X)付き基板を実施例1と同様に、上層、下層チップとしてACF材(日立化成工業株式会社製、商品名:AC−8408)を挟み、この構成で加熱温度を160℃に設定し50MPaで10秒間加熱圧着を行い、評価用電極接続基板を得た。
[6]評価
実施例1と同様に、得られた評価用電極接続基板を85℃、85RH%の高温高湿加速試験機に、168時間投入した。接合強度試験機(Dage製、Series4000)を用いて、高温高湿加速試験を行っていない未処理サンプルと共に、室温ステージにサンプルを載せてから30秒後にせん断処理を行い、接着強度と破壊モードの比較評価を行った。高温高湿加速試験の未処理品の結果を併せて表1に示す。
比較例2
[5]接続
キレート化合物で表面改質処理を行っていないポリイミド膜(Y)付き基板を実施例1と同様に、上層、下層チップとしてACF材(日立化成工業株式会社製、商品名:AC−8408)を挟み、この構成で加熱温度を160℃に設定し50MPaで10秒間加熱圧着を行い、評価用電極接続基板を得た。
[6]評価
実施例1と同様に、得られた評価用電極接続基板を85℃、85RH%の高温高湿加速試験機に、168時間投入した。接合強度試験機(Dage製、Series4000)を用いて、高温高湿加速試験を行っていない未処理サンプルと共に、室温ステージにサンプルを載せてから30秒後にせん断処理を行い、接着強度と破壊モードの比較評価を行った。高温高湿加速試験の未処理品の結果を併せて表1に示す。
比較例3
[5]接続
キレート化合物で表面改質処理を行っていないポリベンゾイミダゾール膜(Z)付き基板を実施例1と同様に、上層、下層チップとしてACF材(日立化成工業株式会社製、商品名:AC−8408)を挟み、この構成で加熱温度を160℃に設定し50MPaで10秒間加熱圧着を行い、評価用電極接続基板を得た。
[6]評価
実施例1と同様に、得られた評価用電極接続基板を85℃、85RH%の高温高湿加速試験機に、168時間投入した。接合強度試験機(Dage製、Series4000)を用いて、高温高湿加速試験を行っていない未処理サンプルと共に、室温ステージにサンプルを載せてから30秒後にせん断処理を行い、接着強度と破壊モードの比較評価を行った。高温高湿加速試験の未処理品の結果を併せて表1に示す。
以上の評価結果をまとめて表1に示す。
Figure 0005125165
表1から明らかなように、実施例1〜6では、評価用電極接続基板を高温高湿加速試験機に168時間投入した後においても、初期値と同様な接着強度が維持されている。また、接着強度評価における破壊モードは、ACF自体の凝集破壊であり、ACFと耐熱性樹脂膜との接着は保持されていた。従って、本発明による表面改質処理方法を行った電極接続基板は、長期に亘ってしかも高湿度下で高い接着強度を維持できることが判った。
これに対して、比較例1〜3では、評価用電極接続基板を高温高湿加速試験機に168時間投入した後においては、接着強度が著しく低下した。また、接着強度評価における破壊モードは、ACF凝集破壊が起こる前にポリイミド(α)とACF間の界面で剥離が起こった(表1中、PI/ACFで示す)。
以上のように、本発明による表面改質処理方法、電極接続基板及び半導体装置の製造方法によれば、表面改質処理によって耐熱性樹脂に化学的に安定な官能基を導入して接着性を改善し、高温高圧処理後も耐熱性樹脂及び接着部材間で優れた接着性を示すことができるので、電極接続基板や各種小型半導体製品に有用であり、特に、高温高湿下で使用される例えば車載用半導体製品、車載用液晶表示装置等に適している。
本発明の実施の形態による半導体装置の製造方法を説明する概略断面図であり、半導体基板と回路部材とが接着された状態を示す概略断面図である。 半導体基板と回路部材とを対向させた状態を示す概略断面図である。 半導体基板と回路部材との間に接着部材(ACF)を配置した状態を示す概略断面図である。 半導体基板と回路部材とが接着された状態を示す概略断面図である。 半導体基板と回路部材との間に接着部材(NCF)を配置した状態を示す概略断面図である。
符号の説明
1A、1B 回路接続構造体
2 半導体基板
3 回路部材
4 接着部材
5 耐熱性樹脂膜
6 第1の回路電極
7 第2の回路電極
8 導電性粒子

Claims (8)

  1. 基板上に形成された耐熱性樹脂層上に、プラズマ処理を行うことなく、表面改質処理液を塗布し乾燥する表面改質処理方法であって、
    前記表面改質処理液は、エチルアセトアセテートアルミニウムジイソプロピレート、ジ−i−プロポキシ・ビス(アセチルアセトナート)チタン及びテトラ−n−ブトキシジルコニウムからなる群から選択される少なくとも1種の表面改質剤成分と、溶媒とを含むことを特徴とする表面改質処理方法。
  2. 前記表面改質処理液中の表面改質剤成分濃度は、0.1〜95重量%であることを特徴とする請求項1に記載の表面改質処理方法。
  3. 前記耐熱性樹脂層は、ポリイミド、ポリベンゾオキサゾール、ポリアミドイミド、ポリアミド及びポリベンゾイミダゾールからなる群から選択される少なくとも1種、又はこれらのコポリマーを含むことを特徴とする請求項1又は2に記載の表面改質処理方法。
  4. 前記基板上に形成された耐熱性樹脂層は、半導体素子、ガラス基板、金属基板又はセラミック基板を基板とし、その上に形成された表面保護膜又は絶縁膜であることを特徴とする請求項1から請求項3のうち、いずれか1項に記載の表面改質処理方法。
  5. 請求項1から請求項4のうち、いずれか1項に記載の表面改質処理方法による処理を行った耐熱性樹脂層を有する基板表面に、接着部材を接着してなることを特徴とする電極接続基板。
  6. 前記接着部材は、エポキシ樹脂を含むことを特徴とする請求項5に記載の電極接続基板。
  7. 耐熱性樹脂を有する基板表面に、請求項1から請求項4のうち、いずれか1項に記載の表面改質処理方法による処理を行った後、改質処理された表面を、接着部材又はパッケージ材と積層処理する工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  8. 耐熱性樹脂を有する基板表面に、請求項1から請求項4のうち、いずれか1項に記載の表面改質処理方法による処理を行った後、改質処理された表面を、エポキシ系樹脂と積層処理する工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
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