JP5263050B2 - 接着剤組成物及びそれを用いた半導体装置の製造方法、半導体装置 - Google Patents
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Description
本実施形態の接着剤組成物(半導体封止用接着剤)は、半導体チップ及び配線回路基板(以下、場合により単に「基板」という。)のそれぞれの接続部が互いに電気的に接続された半導体装置、又は、複数の半導体チップのそれぞれの接続部が互いに電気的に接続された半導体装置において接続部を封止する接着剤組成物であって、重量平均分子量が10000以上の高分子成分(以下、場合により「(A)成分」という。)と、エポキシ樹脂(以下、場合により「(B)成分」という。)と、硬化剤(以下、場合により「(C)成分」という。)と、アミン系表面処理フィラー(以下、場合により「(D)成分」という。)とを含有する。以下、本実施形態の接着剤組成物の含有成分について説明する。
(A)成分としては、フェノキシ樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、ポリカルボジイミド樹脂、シアネートエステル樹脂、アクリル樹脂、ポリエステル樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリエーテルスルホン樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ポリビニルアセタール樹脂、ウレタン樹脂、アクリルゴム等が挙げられる。これらの中でも耐熱性及びフィルム形成性に優れるとの観点から、フェノキシ樹脂、ポリイミド樹脂、ポリカルボジイミド樹脂、シアネートエステル樹脂、アクリルゴム等が好ましく、フェノキシ樹脂、ポリイミド樹脂、アクリルゴムがより好ましく、ポリイミド樹脂が更に好ましい。これらの(A)成分は、単独又は2種以上の混合体や共重合体として使用することもできる。但し、(A)成分には、(B)成分であるエポキシ樹脂は含まれない。
[式中、Q4及びQ9は各々独立に炭素数1〜5のアルキレン基又は置換基を有してもよいフェニレン基を示し、Q5、Q6、Q7、及びQ8は各々独立に炭素数1〜5のアルキル基、フェニル基又はフェノキシ基を示し、dは1〜5の整数を示す。]
(B)成分は、分子内に2個以上のエポキシ基を有するものが好ましく、例えば、ビスフェノールA型、ビスフェノールF型、ナフタレン型、アントラセン型、フェノールノボラック型、クレゾールノボラック型、フェノールアラルキル型、ビフェニル型、トリフェニルメタン型、ジシクロペンタジエン型、各種多官能エポキシ樹脂等を使用することができる。これらは単独又は2種以上の混合体として使用することができる。
(C)成分としては、例えば、フェノール樹脂系硬化剤、酸無水物系硬化剤、アミン系硬化剤、イミダゾール系硬化剤及びホスフィン系硬化剤が挙げられる。(C)成分がフェノール性水酸基、酸無水物、アミン類、イミダゾール類等を含むと、接続部に酸化膜が生じることを抑制するフラックス活性を示し、接続性・絶縁信頼性を向上させることができる。以下、各硬化剤について説明する。
フェノール樹脂系硬化剤としては、分子内に2個以上のフェノール性水酸基を有するものであれば特に制限はなく、例えば、フェノールノボラック、クレゾールノボラック、フェノールアラルキル樹脂、クレゾールナフトールホルムアルデヒド重縮合物、トリフェニルメタン型多官能フェノール、各種多官能フェノール樹脂等を使用することができる。これらは単独又は2種以上の混合体として使用することができる。
酸無水物系硬化剤としては、例えば、メチルシクロヘキサンテトラカルボン酸二無水物、無水トリメリット酸、無水ピロメリット酸、ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物、エチレングリコールビスアンヒドロトリメリテート等を使用することができる。これらは単独又は2種以上の混合体として使用することができる。
アミン系硬化剤としては、例えば、ジシアンジアミド等を使用することができる。
イミダゾール系硬化剤としては、例えば、2−フェニルイミダゾール、2−フェニル−4−メチルイミダゾール、1−ベンジル−2−メチルイミダゾール、1−ベンジル−2−フェニルイミダゾール、1−シアノエチル−2−ウンデシルイミダゾール、1−シアノ−2−フェニルイミダゾール、1−シアノエチル−2−ウンデシルイミダゾールトリメリテイト、1−シアノエチル−2−フェニルイミダゾリウムトリメリテイト、2,4−ジアミノ−6−[2’−メチルイミダゾリル−(1’)]−エチル−s−トリアジン、2,4−ジアミノ−6−[2’−ウンデシルイミダゾリル−(1’)]−エチル−s−トリアジン、2,4−ジアミノ−6−[2’−エチル−4’−メチルイミダゾリル−(1’)]−エチル−s−トリアジン、2,4−ジアミノ−6−[2’−メチルイミダゾリル−(1’)]−エチル−s−トリアジンイソシアヌル酸付加体、2−フェニルイミダゾールイソシアヌル酸付加体、2−フェニル−4,5−ジヒドロキシメチルイミダゾール、2−フェニル−4−メチル−5−ヒドロキシメチルイミダゾール、エポキシ樹脂とイミダゾール類の付加体等が挙げられる。これらの中でも、優れた硬化性、保存安定性、接続性・絶縁信頼性の観点から、1−シアノエチル−2−ウンデシルイミダゾール、1−シアノ−2−フェニルイミダゾール、1−シアノエチル−2−ウンデシルイミダゾールトリメリテイト、1−シアノエチル−2−フェニルイミダゾリウムトリメリテイト、2,4−ジアミノ−6−[2’−メチルイミダゾリル−(1’)]−エチル−s−トリアジン、2,4−ジアミノ−6−[2’−エチル−4’−メチルイミダゾリル−(1’)]−エチル−s−トリアジン、2,4−ジアミノ−6−[2’−メチルイミダゾリル−(1’)]−エチル−s−トリアジンイソシアヌル酸付加体、2−フェニルイミダゾールイソシアヌル酸付加体、2−フェニル−4,5−ジヒドロキシメチルイミダゾール、2−フェニル−4−メチル−5−ヒドロキシメチルイミダゾールが好ましい。これらは単独又は2種以上を併用してもよい。また、これらをマイクロカプセル化した潜在性硬化剤としてもよい。
ホスフィン系硬化剤としては、例えば、トリフェニルホスフィン、テトラフェニルホスホニウムテトラフェニルボレート、テトラフェニルホスホニウムテトラ(4−メチルフェニル)ボレート、テトラフェニルホスホニウム(4−フルオロフェニル)ボレート等が挙げられる。
(D)成分は、アミン化合物により予め表面処理されたフィラーである。好適に用いることができるアミン化合物としては、例えば、フィラーがシリカフィラーである場合にはアミノシランが挙げられる。
本実施形態の半導体装置について、図1,2を用いて以下説明する。図1は、本発明の半導体装置の一実施形態を示す模式断面図である。図1(a)に示すように、半導体装置100は、互いに対向する半導体チップ10及び基板(回路配線基板)20と、半導体チップ10及び基板20の互いに対向する面にそれぞれ配置された配線15と、半導体チップ10及び基板20の配線15を互いに接続する接続バンプ30と、半導体チップ10及び基板20間の空隙に隙間なく充填された接着剤組成物40とを有している。半導体チップ10及び基板20は、配線15及び接続バンプ30によりフリップチップ接続されている。配線15及び接続バンプ30は、接着剤組成物40により封止されており外部環境から遮断されている。
本実施形態の半導体装置の製造方法について、図4を用いて以下説明する。図4は、本発明の半導体装置の製造方法の一実施形態を模式的に示す工程断面図である。
温度計、攪拌機及び塩化カルシウム管を備えた300mlフラスコに、ジアミンとして1,12−ジアミノドデカン2.10g(0.035モル)、ポリエーテルジアミン(BASF製、商品名:ED2000、重量平均分子量:1923)17.31g(0.03モル)、1,3−ビス(3−アミノプロピル)テトラメチルジシロキサン(信越化学社製、商品名:LP−7100)2.61g(0.035モル)、及び、N−メチル−2−ピロリドン(関東化学製)150gを仕込み攪拌した。上記ジアミンの溶解後、フラスコを氷浴中で冷却しながら、無水酢酸で再結晶精製した4,4’−(4,4’−イソプロピリデンジフェノキシ)ビス(フタル酸二無水物)(ALDRICH社製、商品名:BPADA)15.62g(0.10モル)を少量ずつ添加した。室温で8時間反応させた後、キシレン100gを加え、窒素ガスを吹き込みながら180℃で加熱し、水と共にキシレンを共沸除去し、SP値が10.2のポリイミド樹脂(以下、「ポリイミドA」とする。)を得た。
(i)分子量10000以上の高分子成分
上述の通り合成したポリイミドA(250℃における熱重量減少率:0.5%)
(ii)エポキシ樹脂
トリフェノールメタン骨格含有多官能固形エポキシ(ジャパンエポキシレジン株式会社製、商品名:EP1032H60、250℃における熱重量減少率:0.22%、以下「EP1032」とする。)
(iii)硬化剤
1−シアノエチル−2−フェニルイミダゾリウムトリメリテイト(四国化成株式会社製、商品名:2PZ−CNS)
(iv)シリカフィラー
・アミノシラン処理シリカフィラー(株式会社アドマテックス社製、商品名:SE5050−SXJ、平均粒径1.5μm、以下「SXJシリカ」とする。)
・(未処理)シリカフィラー(株式会社アドマテックス社製、商品名:SE5050、平均粒径1.5μm、以下「未処理シリカ」とする。)
・フェニルシラン処理シリカフィラー(株式会社アドマテックス社製、商品名:SE5050−SPJ、平均粒径1.5μm、以下「SPJシリカ」とする。)
・エポキシシラン処理シリカフィラー(株式会社アドマテックス社製、商品名:SE5050−SEJ、平均粒径1.5μm、以下「SEJシリカ」とする。)
(フィルム状接着剤の作製方法)
N−メチル−2−ピロリドン(関東化学製)溶媒を仕込んだガラス製スクリュー管20mlに、下記表1に示す比率(単位:質量部)でポリイミドA、エポキシ樹脂、硬化剤、フィラーを固形分が40%になるように仕込んだ後、撹拌・脱泡装置AR−250(株式会社シンキー製)を用いて撹拌・脱泡した。脱泡後、得られた接着剤組成物を、基材フィルム(帝人デュポンフィルム株式会社製、商品名:ピューレックスA53)に、塗工機「PI1210FILMCOATER」(テスター産業株式会社製、商品名)で塗工し、クリーンオーブン(エスペツク株式会社製)で乾燥(80℃で30分間の後、120℃で20分間乾燥)して、フィルム状接着剤(厚み:30μm)を作製した。
作製したフィルム状接着剤を切り抜き(円形、直径Φ:6mm、厚み:約0.03mm)、ガラスチップ(縦15mm×横15mm×高さ0.7mm)上に貼付した後、シリコンチップ(縦10mm×横10mm×高さ0.55mm)を積載して、図5に示すようにガラス基板70上にフィルム状接着剤40、シリコンチップ80が順に積層されたサンプルAを作製した。サンプルAにおけるフィルム状接着剤の圧着前の厚み及び面積を測定し、フィルム状接着剤の体積を算出した。次に、サンプルAを熱圧着装置で圧着し(圧着条件:圧着時のヘッド温度278℃、ステージ温度40℃、フィルム状接着剤の到達温度250℃、10秒間、0.5MPa)、フィルム状接着剤の圧着後の面積を測定した。更に、フィルム状接着剤は圧着前後において体積が変化しないものと仮定し、予め算出したフィルム状接着剤の体積を圧着後の上記面積で除して、圧着後のフィルム状接着剤の厚みを算出した。なお、面積は、スキャナGT−9300UF(EPSON社製)でフィルム状接着剤の画像を取り込み、画像処理ソフトAdobe Photoshopを用いて、色調補正、二階調化によりフィルム部分を識別し、ヒストグラムによりフィルム部分面積の占める割合を算出して測定した。
(平行板プラストメータ法の溶融粘度の算出式)
μ=8πFtZ4Z0 4/3V2(Z0 4−Z4) (1)
μ:溶融粘度(Pa・s)
F:荷重(N)
t:加圧時間(s)
Z0:接着剤の初期厚み(m)
Z:加圧後の接着剤の厚み(m)
V:接着剤の体積(m3)
作製したフィルム状接着剤を所定のサイズ(縦11mm×横11mm×高さ0.03mm)に切り抜いて、ガラスエポキシ基板(ガラスエポキシ基材:400μm厚、銅配線:15μm厚、ハンダボール高さ:28μm厚、ソルダーレジスト付き、日立化成工業株式会社製)上に貼付し、金バンプ付き半導体チップ(チップサイズ:縦10mm×横10mm×高さ0.4mm、バンプ高さ約25μm、バンプ数186、日立化成工業株式会社製)をフリップチップ実装装置FCB3(パナソニック社製、商品名)で実装した(実装条件:フィルム状接着剤の到達温度250℃、10秒間、0.5MPa)。これにより、図4と同様の半導体装置を得た。
ボイド発生率=(ボイド部分の面積)/(フィルム部分の面積)×100 (2)
作製したフィルム状接着剤(厚み:30μm)を、くし型電極TEG(新藤電子社製、商品名:perflex−S、配線ピッチ:30μm、配線材料:スズめっき銅、基板材料:ポリイミド)にボイドを発生させることなく貼付し、図6に示すように、くし型電極90が形成された基板20上にフィルム状接着剤40が積層されたサンプルBを4つ作製した。なお、図6では、便宜上フィルム状接着剤の図示を省略した。続いて、各サンプルBをクリーンオーブン(ESPEC社製)中、185℃で1時間保持して硬化した。硬化後、各サンプルBを取り出し、加速寿命試験装置(HIRAYAMA社製、商品名:PL−422R8、条件:110℃/85%RH/100時間)に設置し、絶縁抵抗を測定した。100時間を通して、4つのサンプルのうち1つ以上のサンプルの絶縁抵抗が109Ω以上である場合を「A」とし、107Ω超109Ω未満である場合を「B」として、107Ω以下である場合を「C」として評価した。
Claims (10)
- 半導体チップ及び配線回路基板のそれぞれの接続部が互いに電気的に接続された半導体装置、又は、複数の半導体チップのそれぞれの接続部が互いに電気的に接続された半導体装置において前記接続部を封止する接着剤組成物であって、
重量平均分子量が10000以上の高分子成分と、エポキシ樹脂と、硬化剤と、アミン系表面処理フィラーとを含有する、接着剤組成物。 - 前記高分子成分、前記エポキシ樹脂及び前記硬化剤から選ばれる少なくとも一つの有機成分が25℃、大気圧において固形である、請求項1に記載の接着剤組成物。
- 前記高分子成分、前記エポキシ樹脂及び前記硬化剤から選ばれる少なくとも一つの有機成分の含有量が10質量%以上であり、
前記含有量が10質量%以上である前記有機成分の250℃における熱重量減少率が10%以下である、請求項1又は2に記載の接着剤組成物。 - 前記高分子成分がポリイミド樹脂である、請求項1〜3のいずれか一項に記載の接着剤組成物。
- 前記ポリイミド樹脂の重量平均分子量が30000以上であり、前記ポリイミド樹脂のガラス転移温度が100℃以下である、請求項4に記載の接着剤組成物。
- 形状がフィルム状である、請求項1〜5のいずれか一項に記載の接着剤組成物。
- 250℃、10秒における溶融粘度が1000Pa・s以下である、請求項1〜6のいずれか一項に記載の接着剤組成物。
- 前記接続部が主成分として金、銀、銅、ニッケル、スズ及び鉛からなる群より選ばれる少なくとも一種の金属を含有する、請求項1〜7のいずれか一項に記載の接着剤組成物。
- 請求項1〜8のいずれか一項に記載の接着剤組成物を用いる、半導体装置の製造方法。
- 請求項9に記載の製造方法によって得られる、半導体装置。
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