JP5299279B2 - 封止充てん用フィルム状樹脂組成物、それを用いた半導体パッケージ及び半導体装置の製造方法、並びに半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明は、封止充てん用フィルム状樹脂組成物、それを用いた半導体パッケージ及び半導体装置の製造方法、並びに半導体装置に関する。
近年、電子機器の小型化、高機能化の進展に伴って、半導体装置に対して小型化、薄型化及び電気特性の向上(高周波伝送への対応など)が求められており、従来のワイヤーボンディングで半導体チップを基板に実装する方式から、半導体チップにバンプと呼ばれる導電性の突起を形成して基板電極と直接接続するフリップチップ接続方式への移行が始まっている。
フリップチップ接続方式としては、はんだやスズなどを用いて金属接合させる方法、超音波振動を印加して金属接合させる方法、樹脂の収縮力を利用して機械的接触を保持する方法などが知られているが、中でも、生産性や接続信頼性の観点から、はんだやスズなどを用いて金属接合させる方法が広く用いられており、特にはんだを用いる方法は、高い接続信頼性を示すことからMPU(Micro Processing Unit)などの実装に適用されている。
フリップチップ接続方式では、半導体チップと基板の熱膨張係数差に由来する熱応力が接続部に集中して接続部を破壊する恐れがあることから、この熱応力を分散して接続信頼性を高めるために、半導体チップと基板の間の空隙を樹脂で封止充てんする必要がある。樹脂の封止充てんの方式としては、一般に、半導体チップと基板をはんだなどを用いて接続した後、毛細管現象を利用して、空隙に液状封止樹脂を注入する方式が採用されている。
この方式では、チップと基板を接続する際には、はんだなどの表面の酸化膜を還元除去して金属接合を容易にするために、ロジンや有機酸などからなるフラックスを用いているが、フラックスの残渣が残ると、液状樹脂を注入した場合にボイドと呼ばれる気泡発生の原因になったり、酸成分によって配線の腐食が発生し、接続信頼性が低下することから、残渣を洗浄する工程が必須であった。
しかし、近年、接続ピッチの狭ピッチ化に伴い、半導体チップと基板の間の空隙が狭くなっているため、フラックス残渣の洗浄が困難になる場合が生じる。さらに、半導体チップと基板の間の狭い空隙に液状樹脂を注入するのに長時間を要して生産性が低下してしまう。
そこで、はんだなどの金属の表面に存在する酸化膜を還元除去する性質(以下、フラックス活性と記す)を示す封止樹脂が求められる。このような封止樹脂を使用することにより、封止樹脂を基板に供給した後、半導体チップと基板を接続すると同時に、半導体チップと基板の間の空隙を樹脂で封止充てんし、フラックス残渣の洗浄を省略することが可能になると考えられる。なお、フラックス活性に関連するものとして、以下の公開公報が知られている。
特開2001−223227号公報 特開2005−272547号公報 特開2006−169407号公報
フラックス活性を示す封止樹脂として、カルボン酸などの有機酸を配合したものが検討されているが、有機酸は、封止樹脂に広く用いられているエポキシ樹脂の硬化剤として作用することから、反応性の制御や保存安定性の確保が困難であったり、酸成分によって配線の腐食が発生し、絶縁信頼性が低下する場合があった。また、封止樹脂が液状の場合、ディスペンスなどで基板に樹脂を塗布する際に、樹脂粘度の経時変化によって、供給量を安定的に制御することが困難になる場合があった。
本発明の目的は、良好な保存安定性とフラックス活性を示し、接続信頼性に優れた半導体製品(半導体パーケージや半導体装置等)を製造可能な封止充てん用フィルム状樹脂組成物を提供することにある。本発明の目的はまた、そのような樹脂組成物を用いた半導体製品及びその製造方法を提供することにある。
本発明は、(a)熱可塑性樹脂、(b)エポキシ樹脂、(c)硬化剤及び(d)2個以上のフェノール性水酸基を有する化合物を含有する、封止充てん用フィルム状樹脂組成物を提供する。
本発明の封止充てん用フィルム状樹脂組成物は、良好な保存安定性とフラックス活性を示し、この組成物を用いることにより、接続信頼性に優れた半導体製品(半導体パーケージや半導体装置等)が製造可能となる。なお、上記組成物はフィルム状であることから、液状封止樹脂に比較して格段に取扱性、作業性が優れている。また、本発明者らは特定の理論に拘束されるものではないが、フラックス活性が向上し接続信頼性低下を防止できる主要因は、本発明の封止充てん用フィルム状樹脂組成物が、2個以上のフェノール性水酸基を有する化合物を含有することによるものと考えられる。
なお、本発明の封止充てん用フィルム状樹脂組成物は、(a)熱可塑性樹脂、(b)エポキシ樹脂、(c)硬化剤及び(d)2個以上のフェノール性水酸基を有する化合物を含有するフィルム状封止充てん材(フィルム状封止材又はフィルム状充てん材)として把握することもできる。
(d)2個以上のフェノール性水酸基を有する化合物は、フェノール性水酸基を1個以上有する化合物と、ハロメチル基、アルコキシメチル基又はヒドロキシルメチル基を2個有する芳香族化合物、ジビニルベンゼン及びアルデヒド化合物から選ばれる少なくとも1種類以上の化合物との重縮合物であることが好ましい。重縮合物としては、例えば、フェノールノボラック樹脂、クレゾールノボラック樹脂、ナフトールノボラック樹脂、フェノールアラルキル樹脂等である。
(d)2個以上のフェノール性水酸基を有する化合物は、120〜300℃(好ましくは120〜220℃、更には180〜220℃)で液状を呈する化合物であることが好ましい。すなわち、本化合物は、低融点はんだの溶融温度に対応する120℃から、高融点はんだの溶融温度に対応する300℃において、液体状態で存在する化合物であることが好ましい(当該温度範囲以下で液状であってもよい)。このような構成により、はんだ表面の酸化膜をより均一に除去できるようになる。
(c)硬化剤は、イミダゾール化合物であることが好ましい。イミダゾール化合物を硬化剤として使用することにより、封止充てん用フィルム状樹脂組成物としての保存安定性と硬化物の耐熱性を共に向上させることができる。
本発明の封止充てん用フィルム状樹脂組成物は、無機フィラーを含有することも好ましい。無機フィラーを含有することにより、例えば、封止充てん用フィルム状樹脂組成物の粘度の調整が容易になり、硬化物性の制御も可能となる。
本発明はまた、上記の封止充てん用フィルム状樹脂組成物により、半導体チップと基板をフリップチップ接続する、半導体パッケージの製造方法を提供する。
本発明はさらに、封止充てん用フィルム状樹脂組成物により、半導体パッケージと基板を接続する、半導体装置の製造方法を提供する。
これらの製造方法は、液状封止樹脂を注入する方式による、従来の製造方法に比べ、金属接合が容易であり、接続信頼性に優れる半導体パッケージや半導体装置を得ることができる。
本発明はまた、上記の封止充てん用フィルム状樹脂組成物で接続された基板を備える半導体装置を提供する。
上記封止充てん用フィルム状樹脂組成物で接続された基板を備える半導体装置は、液状封止樹脂を注入する方式により製造された半導体装置に比べ、接続信頼性に格段に優れる。
本発明によれば、良好な保存安定性とフラックス活性を示し、接続信頼性に優れた半導体製品(半導体パーケージや半導体装置等)を製造可能な封止充てん用フィルム状樹脂組成物が提供される。また、この樹脂組成物を用いた、接続信頼性に格段に優れた半導体製品及びその製造方法が提供される。
封止充てん用フィルム状樹脂組成物を用いた半導体パッケージの一実施形態を示す断面図である。 封止充てん用フィルム状樹脂組成物を用いた半導体装置の一実施形態を示す断面図である。 封止充てん用フィルム状樹脂組成物を用いた半導体パッケージの製造方法の一実施形態を示す断面図である。
符号の説明
1…はんだボール、2…電極パッド、3,19…バンプ、4,11,14…配線、5,18…半導体チップ、6,12,16…封止充てん用フィルム状樹脂組成物、7,15…基板、8…マザーボード、9…内層配線、10…ビア、13…スルーホール、17…接続ヘッド、20…ステージ、100・・・半導体パッケージ、200・・・半導体装置。
以下、本発明をその好適な実施形態に即して、詳細に説明する。
本発明の封止充てん用フィルム状樹脂組成物は、(a)熱可塑性樹脂、(b)エポキシ樹脂、(c)硬化剤及び(d)2個以上のフェノール性水酸基を有する化合物を含有するものである。以下、各成分について説明する。
(a)熱可塑性樹脂
本発明で用いる(a)熱可塑性樹脂は、封止充てん用フィルム状樹脂組成物の保管温度(25℃以下)で固形であり、少なくとも封止充てん用フィルム状樹脂組成物の適用温度(100℃以上)で溶融状態となる樹脂である。
(a)熱可塑性樹脂としては、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、その中でも耐熱性及びフィルム形成性に優れるフェノキシ樹脂、ポリイミド樹脂、シアネートエステル樹脂、ポリカルボジイミド樹脂等が好ましく、フェノキシ樹脂、ポリイミド樹脂がより好ましい。特に好ましいのは、分子内にフルオレン骨格を有するフェノキシ樹脂である。このようなフェノキシ樹脂はガラス転移点温度が約90℃であり、フルオレン骨格を有しない他のフェノキシ樹脂(約60℃)より高いため、フィルム状封止用樹脂組成物とした場合、ガラス転移点温度が向上し、耐熱性の向上が可能となる。
(a)熱可塑性樹脂の重量平均分子量は、5000より大きいことが好ましいが、より好ましくは10000以上であり、さらに好ましくは20000以上である。5000以下の場合にはフィルム形成能が低下する場合がある。なお、重量平均分子量はGPC(Gel Permeation Chromatography)を用いて、ポリスチレン換算で測定した値である。また、これらの熱可塑性樹脂は単独又は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。
(b)エポキシ樹脂
本発明において用いる(b)エポキシ樹脂は、エポキシ基(オキシラン環)を2以上有する(2官能以上)の化合物である。
(b)エポキシ樹脂としては、例えばビスフェノールA型エポキシ樹脂、ビスフェノールF型エポキシ樹脂、ビスフェノールS型エポキシ樹脂、フェノールノボラック型エポキシ樹脂、クレゾールノボラック型エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂、ハイドロキノン型エポキシ樹脂、ジフェニルスルフィド骨格含有エポキシ樹脂、フェノールアラルキル型多官能エポキシ樹脂、ナフタレン骨格含有多官能エポキシ樹脂、ジシクロペンタジエン骨格含有多官能エポキシ樹脂、トリフェニルメタン骨格含有多官能エポキシ樹脂、アミノフェノール型エポキシ樹脂、ジアミノジフェニルメタン型エポキシ樹脂、その他各種多官能エポキシ樹脂などを用いることができる。
これらの中でも、低粘度化、低吸水率、高耐熱性の観点から、ビスフェノールA型エポキシ樹脂、ビスフェノールF型エポキシ樹脂、ナフタレン骨格含有多官能エポキシ樹脂、ジシクロペンタジエン骨格含有多官能エポキシ樹脂、トリフェニルメタン骨格含有多官能エポキシ樹脂などを用いることが好ましい。また、これらのエポキシ樹脂の性状としては、25℃で液状でも固形でも構わないが、固形のエポキシ樹脂では、例えば、はんだを加熱溶融させて接続する場合、その融点又は軟化点がはんだの融点よりも低いものを用いることが好ましい。また、これらのエポキシ樹脂は単独又は2種以上を混合して用いてもよい。
なお、本発明の封止充てん用フィルム状樹脂組成物が適用される半導体製品(半導体パーケージや半導体装置等)に用いられるはんだは、含鉛はんだであっても、鉛フリーはんだ(例えば、SnAgCu系、SnZnBi系、SnCu系)でもよい。また、低融点はんだ(融点:120〜150℃程度)でも、高融点はんだ(融点:180〜300℃程度)でもよい。
(c)硬化剤
本発明において使用する(c)硬化剤は、(b)エポキシ樹脂を硬化する硬化剤を意味し、(b)エポキシ樹脂以外の成分(例えば、2個以上のフェノール性水酸基を有する化合物)の硬化反応をも生じるものであってもよい。
(c)硬化剤としては、イミダゾール化合物、酸無水物類、アミン類、ヒドラジド類、ポリメルカプタン類、ルイス酸-アミン錯体などを用いることができる。その中でも、保存安定性と硬化物の耐熱性に優れるイミダゾール化合物が望ましい。硬化剤がイミダゾール化合物の場合、例えば、2MZ、C11Z、2PZ、2E4MZ、2P4MZ、1B2MZ、1B2PZ、2MZ−CN、2E4MZ−CN、2PZ−CN、C11Z−CN、2PZ−CNS、C11Z−CNS、2MZ−A、C11Z−A、2E4MZ−A、2P4MHZ、2PHZ、2MA−OK、2PZ−OK(四国化成工業株式会社製、製品名)などや、これらのイミダゾール化合物をエポキシ樹脂と付加させた化合物が挙げられる。また、これら硬化剤をポリウレタン系、ポリエステル系の高分子物質等で被覆してマイクロカプセル化したものは可使時間が延長されるために好ましい。これらは単独又は2種以上を混合して使用することもできる。
(d)2個以上のフェノール性水酸基を有する化合物
本発明において用いる(d)2個以上(1分子当り2個以上を意味する)のフェノール性水酸基を有する化合物は、フェノール性水酸基、すなわちベンゼン環に結合した水酸基を2個以上有する化合物である。すなわち、(d)2個以上のフェノール性水酸基を有する化合物は、ベンゼン環を少なくとも1つ有し、ベンゼン環(縮合環を形成していてもよい)に結合する水酸基を少なくとも2つ有する化合物である。
このような化合物としては、例えば、カテコール、レゾルシノール、ハイドロキノン、ビフェノール、ジヒドロキシナフタレン、ヒドロキシハイドロキノン、ピロガロール、メチリデンビフェノール(ビスフェノールF)、イソプロピリデンビフェノール(ビスフェノールA)、エチリデンビフェノール(ビスフェノールAD)、1,1,1−トリス(4−ヒドロキシフェニル)エタン、トリヒドロキシベンゾフェノン、トリヒドロキシアセトフェノン、ポリp−ビニルフェノール、トリフェノールメタン骨格含有多官能フェノール化合物などが挙げられる。
さらに、2個以上のフェノール性水酸基を有する化合物として、フェノール性水酸基を1個以上有する化合物と、ハロメチル基、アルコキシメチル基又はヒドロキシルメチル基を2個有する芳香族化合物、ジビニルベンゼン及びアルデヒド化合物から選ばれる少なくとも1種類以上の化合物との重縮合物も用いることができる。
フェノール性水酸基を1個以上有する化合物としては、例えば、フェノール、アルキルフェノール、ナフトール、クレゾール、カテコール、レゾルシノール、ハイドロキノン、ビフェノール、ジヒドロキシナフタレン、ヒドロキシハイドロキノン、ピロガロール、メチリデンビフェノール(ビスフェノールF)、イソプロピリデンビフェノール(ビスフェノールA)、エチリデンビフェノール(ビスフェノールAD)、1,1,1−トリス(4−ヒドロキシフェニル)エタン、トリヒドロキシベンゾフェノン、トリヒドロキシアセトフェノン、ポリp−ビニルフェノールなどが挙げられる。
ハロメチル基、アルコキシメチル基又はヒドロキシルメチル基を2個有する芳香族化合物としては、例えば、1,2−ビス(クロロメチル)ベンゼン、1,3−ビス(クロロメチル)ベンゼン、1,4−ビス(クロロメチル)ベンゼン、1,2−ビス(メトキシメチル)ベンゼン、1,3−ビス(メトキシメチル)ベンゼン、1,4−ビス(メトキシメチル)ベンゼン、1,2−ビス(ヒドロキシメチル)ベンゼン、1,3−ビス(ヒドロキシメチル)ベンゼン、1,4−ビス(ヒドロキシメチル)ベンゼン、ビス(クロロメチル)ビフェニル、ビス(メトキシメチル)ビフェニルなどが挙げられる。ハロメチル基、アルコキシメチル基又はヒドロキシルメチル基を2個有する芳香族化合物及びジビニルベンゼンは、いずれをフェノール性水酸基を1個以上有する化合物と反応させても、2個以上のフェノール性水酸基を有する化合物になり、フラックス活性向上という同様の効果を発現することが可能である。
アルデヒド化合物としては、ホルムアルデヒド(その水溶液としてホルマリン)、パラホルムアルデヒド、トリオキサン、ヘキサメチレンテトラミンなどが挙げられる。
上記の重縮合物としては、例えば、フェノールとホルムアルデヒドの重縮合物であるフェノールノボラック樹脂、クレゾールとホルムアルデヒドとの重縮合物であるクレゾールノボラック樹脂、ナフトール類とホルムアルデヒドとの重縮合物であるナフトールノボラック樹脂、フェノールと1,4−ビス(メトキシメチル)ベンゼンとの重縮合物であるフェノールアラルキル樹脂、ビスフェノールAとホルムアルデヒドの重縮合物、フェノールとジビニルベンゼンとの重縮合物、クレゾールとナフトールとホルムアルデヒドの重縮合物などが挙げられ、これらの重縮合物をゴム変性したものや分子骨格内にアミノトリアジン骨格やジシクロペンタジエン骨格を導入したものでもよい。
また、これらの化合物の性状としては、室温において固体状でも液状でも構わないが、金属表面の酸化膜を均一に還元除去し、はんだの濡れ性を阻害しないために、液状のものを用いることが好ましく、例えば、これらのフェノール性水酸基を有する化合物をアリル化することによって液状にしたものとして、アリル化フェノールノボラック樹脂、ジアリルビスフェノールA、ジアリルビスフェノールF、ジアリルビフェノールなどが挙げられる。これらの化合物は単独で用いてもよいし、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
さらに、例えば、はんだを加熱溶融させて接続する場合、フラックス活性を付与するために添加する化合物が、加熱時に分解、揮発せずに接着剤(封止充てん用フィルム状樹脂組成物)中に残っている必要がある。すなわち、フラックス活性を付与するために添加する化合物のTGA(Thermal Gravimetory Analysis)法によって測定される熱重量変化率が0%となる(残存重量が0となる)最低温度が、はんだの溶融温度より高いことが好ましい。また、フラックス活性を付与するために添加する化合物として常温で固体状のものを用いる場合、化合物の溶融温度がはんだの溶融温度より低いもの、すなわち、はんだ表面の酸化膜を均一に除去するために、はんだの溶融温度において、化合物が液体状態又は溶融状態で存在するなど、流動性を有することが好ましい。
なお、本発明におけるフラックス活性とは、金属表面の酸化膜を還元除去して、金属が容易に溶融できるようにし、溶融した金属が濡れ広がるのを阻害せず、金属接合部が形成される状態を達成できる性能を意味し、例えば、はんだボールを銅板上などで加熱溶融させて接続する場合、はんだボールが初期径よりも大きくなって銅表面に濡れ広がり、溶融後のはんだボールをシェア試験した際に、はんだと銅の界面で破断するのではなく、はんだボールのバルク破壊となる状態を達成できることを意味している。
また、溶融後のはんだボールの初期径に対する変化率を、後述するはんだ濡れ広がり率として定義すると、良好なフラックス活性を実現するには、はんだ濡れ広がり率が20%以上となることが好ましく、30%以上となることがより好ましく、40%以上となることがさらに好ましい。
(a)熱可塑性樹脂の配合量は、(a)熱可塑性樹脂及び(b)エポキシ樹脂の総量100重量部に対して、5〜50重量部とすることが好ましく、5〜40重量部とすることがより好ましく、10〜35重量部とすることが特に好ましい。この配合量が5重量部未満ではフィルム形成が困難となる傾向があり、50重量部を超えると粘度が高くなって接続不良が発生する恐れがある。
(b)エポキシ樹脂の配合量は、(a)熱可塑性樹脂及び(b)エポキシ樹脂の総量100重量部に対して、10〜90重量部とすることが好ましく、15〜90重量部とすることがより好ましい、さらに好ましくは20〜80重量部である。この配合量が10重量部未満では硬化物の耐熱性が低下する傾向があり、90重量部を超えるとフィルム形成性が低下する恐れがある。
(c)硬化剤の配合量は、硬化剤の種類によって異なるが、一般には、(b)エポキシ樹脂100重量部に対して0.05〜30重量部である。硬化剤がイミダゾール化合物の場合には、(b)エポキシ樹脂100重量部に対して0.1〜20重量部とすることが好ましく、1〜10重量部とすることがより好ましい。この配合量が0.1重量部未満では、硬化が不充分となる。また20重量部より多いと硬化物の耐熱性が低下する場合がある。
(d)2個以上のフェノール性水酸基を有する化合物の配合量は、(a)熱可塑性樹脂及び(b)エポキシ樹脂の総量100重量部に対して、0.5〜20重量部が好ましく、1〜15重量部がより好ましい。この配合量が0.5重量部未満では、フラックス活性が不充分となる場合があり、20重量部を超えると、エポキシ樹脂単独の硬化系ではなく、エポキシ樹脂とフェノール類との硬化系になるため(硬化物のネットワークにフェノール類が組み込まれる)、使用するフェノール性水酸基を有する化合物によっては、エポキシ樹脂の特性が充分に発現せず、硬化物の耐熱性が低下する恐れがある。
なお、(d)2個以上のフェノール性水酸基を有する化合物の種類及び最適配合量は、フラックス活性の有無だけでなく、フィルム形成性、フィルム製造時の作業性(ワニスの粘度変化など)、フィルムの取扱性(タック性、打ち抜きやスリットなどの加工性など)などを考慮して設定される。
本発明の封止充てん用フィルム状樹脂組成物には、無機フィラーを含有させることも好ましい。無機フィラーを含有させることにより、例えば、封止充てん用フィルム状樹脂組成物の粘度の調整が容易となり、硬化物性の制御も可能となる。また、半導体チップと基板を接続する際のボイド発生や吸湿率抑制も可能となる。
無機フィラーとしては、特に限定されないが、例えば、ガラス、二酸化ケイ素(シリカ)、酸化アルミニウム(アルミナ)、酸化チタン(チタニア)、酸化マグネシウム(マグネシア)、カーボンブラック、マイカ、硫酸バリウムなどが挙げられる。これらは単独又は2種以上を混合して使用してもよい。また、2種類以上の金属酸化物を含む複合酸化物(2種類以上の金属酸化物が単に混合されてなるものではなく、金属酸化物同士が化学的に結合して分離不能な状態となっているもの)であってもよく、例えば、二酸化ケイ素と酸化チタン、二酸化ケイ素と酸化アルミニウム、酸化ホウ素と酸化アルミニウム、二酸化ケイ素と酸化アルミニウムと酸化マグネシウムなどからなる複合酸化物が挙げられる。また、フィラーの粒径は、フリップチップ接続時にフィラーが接続部に捕捉されて電気的な接続を阻害することを防止するため、平均粒径は10μm以下であることが好ましい。さらに、粘度や硬化物の物性を調整するために、粒径の異なるものを2種以上組み合わせて用いてもよい。
本発明におけるフィラーの配合量は、(a)熱可塑性樹脂及び(b)エポキシ樹脂の総量100重量部に対して、200重量部以下とすることが好ましく、150重量部以下とすることがより好ましい。この配合量が200重量部より多いと、接着剤の粘度が高くなり、接続不良が起きる恐れがあり、また、フィルムの可とう性が低下して脆くなる傾向がある。
また、無機フィラーを含有している場合、無機フィラーと樹脂の屈折率をほぼ同一にすることによって、波長555nmの光に対して、少なくとも10%以上の透過率を達成できる。このような透過率を有することにより、封止充てん用フィルム状樹脂組成物を基板又は半導体チップに貼り付けた後、個片化する方法において、個片化する位置や基板と半導体チップの位置合わせを行うための位置合わせマークを封止充てん用フィルム状樹脂組成物を通して認識することが容易になる。
樹脂としてエポキシ樹脂を用いる場合、無機フィラーの屈折率はエポキシ樹脂の屈折率約1.6に対して、1.53〜1.65であることが好ましい。このような屈折率を示す無機フィラーとしては、硫酸バリウム、酸化マグネシウム、二酸化ケイ素と酸化チタンからなる複合酸化物、二酸化ケイ素と酸化アルミニウムからなる複合酸化物、酸化ホウ素と酸化アルミニウムからなる複合酸化物、二酸化ケイ素と酸化アルミニウムと酸化マグネシウムからなる複合酸化物などが挙げられる。
なお、本発明の封止充てん用フィルム状樹脂組成物を用いて、半導体チップと基板を接続する場合、個片に切り出した封止充てん用フィルム状樹脂組成物を基板に貼り付けてもよいし、半導体チップのバンプが形成された面に貼り付けてもよい。また、基板を個片化する前に、複数の基板がつながった状態において、基板全体に封止充てん用フィルム状樹脂組成物を貼り付け、半導体チップを接続した後、個片化してもよい。また、半導体チップに個片化する前の半導体ウエハに封止充てん用フィルム状樹脂組成物を貼り付け、ダイシングによって半導体チップに個片化してもよい。
さらに、本発明の封止充てん用フィルム状樹脂組成物には、硬化促進剤、シランカップリング剤、チタンカップリング剤、酸化防止剤、レベリング剤、イオントラップ剤などの添加剤を配合してもよい。これらは単独で用いてもよいし、2種以上を組み合わせてもよい。配合量については、各添加剤の効果が発現するように調整すればよい。
本発明の封止充てん用フィルム状樹脂組成物の粘度は、150℃において50Pa・s以下であることが好ましく、より好ましくは40Pa・s以下であり、さらに好ましくは30Pa・s以下である。粘度が50Pa・sより高いと、接続不良が発生する場合がある。粘度の測定方法は、ずり粘弾性測定装置(例えば、ティーエーインスツルメント株式会社製 ARES)を用いて、直径8〜25mmの平行円板間にフィルムを挟んで、所定の温度において、周波数1〜10Hzの条件下で測定可能であり、測定は全自動で行われる。
また、円形に打ち抜いた封止充てん用フィルム状樹脂組成物をガラス板間に挟み、所定の温度において、所定の圧力で所定の時間加圧した際の加圧前後の樹脂厚みの変化から計算する方法を用いることができる。すなわち、次式(1)(平行板間の1軸圧縮流動に関するヒーリーの式)によって、算出できる。
η=8πFtZ /3V(Z −Z)…(1)
η:粘度(Pa・s)
F:荷重(N)
t:加圧時間(s)
Z:加圧後の樹脂厚み(m)
:加圧前の樹脂厚み(m)
V:樹脂の体積(m
本発明の封止充てん用フィルム状樹脂組成物の260℃におけるゲル化時間は、1〜60sであることが好ましく、より好ましくは3〜40sであり、さらに好ましくは5〜30sである。1sより短いと、はんだなどが溶融する前に硬化してしまい、接続不良が発生する恐れがあり、60sより長いと生産性が低下したり、硬化が不充分になって信頼性が低下したりする恐れがある。なお、ゲル化時間とは、本発明の封止充てん用フィルム状樹脂組成物を260℃に設定した熱板上に置き、スパチュラなどで攪拌し、攪拌不能になるまでの時間をいう。
本発明の封止充てん用フィルム状樹脂組成物は、例えば以下のようにして製造することができる。すなわち、(a)熱可塑性樹脂、(b)エポキシ樹脂、(c)硬化剤、(d)2個以上のフェノール性水酸基を有する化合物、無機フィラー及びその他添加剤をトルエン、酢酸エチル、メチルエチルケトンなどの有機溶媒中で混合することによってワニスを作製し、そのワニスを、ナイフコーターやロールコーターを用いて、離型処理が施されたポリエチレンテレフタレート樹脂などのフィルム基材上に塗布した後、有機溶媒を乾燥除去することによって、製造することができる。
図1は、本発明の封止充てん用フィルム状樹脂組成物を用いて製造される、半導体パッケージの一実施形態を示す断面図である。図1に示す半導体パッケージ100は、一方面にバンプ3(はんだバンプ等)を備える半導体チップ5と、一方面に配線4を、他方面にはんだボール1が形成された電極パッド2を備える基板7とが、バンプ3と配線4が電気的に接続されるように、封止充てん用フィルム状樹脂組成物6で接合された構成を有している。半導体パッケージ100においては、半導体チップ5と基板7との間の間隙及び半導体チップ5の周囲が封止充てん用フィルム状樹脂組成物6により封止又は充てんされている。
半導体チップ5としては、特に限定はなく、シリコン、ゲルマニウムなどの元素半導体、ガリウムヒ素、インジウムリンなどの化合物半導体等、各種半導体を用いることができる。
基板7としては、通常の回路基板でもよく、また、半導体チップでもよい。回路基板の場合、ガラスエポキシ、ポリイミド、ポリエステル、セラミックなどの絶縁基板表面に形成された銅などの金属層の不要な個所をエッチング除去して配線パターンが形成されたもの、絶縁基板表面に銅めっきなどによって配線パターンを形成したもの、絶縁基板表面に導電性物質を印刷して配線パターンを形成したものなどを用いることができる。配線パターン(配線4)の表面には、低融点はんだ、高融点はんだ、スズ、インジウム、金、ニッケル、銀、銅、パラジウムなどからなる金属層が形成されていてもよく、この金属層は単一の成分のみで構成されていても、複数の成分から構成されていてもよい。また、複数の金属層が積層された構造をしていてもよい。
バンプ3と呼ばれる導電性突起の材質としては、低融点はんだ、高融点はんだ、スズ、インジウム、金、銀、銅などからなるものが用いられ、単一の成分のみで構成されていても、複数の成分から構成されていてもよい。また、これらの金属が積層された構造をなすように形成されていてもよい。バンプは半導体チップ5に形成されていてもよいし、基板7に形成されていてもよいし、半導体チップ5と基板7の両方に形成されていてもよい。
半導体パッケージとしては、インターポーザーと呼ばれる基板上に半導体チップが搭載され、樹脂封止されたものとして、例えばCSP(チップサイズパッケージ)やBGA(ボールグリッドアレイ)などが挙げられる。また、半導体チップの電極部を半導体チップ表面上で再配線することによって、インターポーザーを用いないで基板に搭載可能とした半導体パッケージとして、例えば、ウエハーレベルパッケージと呼ばれるものが挙げられる。半導体パッケージを搭載する基板としては、通常の回路基板でよく、インターポーザーに対して、マザーボードと呼ばれる。
図2は、本発明の封止充てん用フィルム状樹脂組成物を用いて製造される、半導体装置の一実施形態を示す断面図である。図2に示す半導体装置200は、内層配線9、ビア10及びスルーホール13が形成され一方面に配線11を有するマザーボード8と、半導体パッケージ100(図1参照)とが、はんだボール1と配線11が電気的に接続されるように、封止充てん用フィルム状樹脂組成物12で接合された構成を有している。半導体装置200においては、基板7とマザーボード8との間の間隙及び半導体パッケージ100の周囲が封止充てん用フィルム状樹脂組成物12により封止又は充てんされている。
次に、本発明における半導体パッケージの製造方法について説明する。図3は、本発明の封止充てん用フィルム状樹脂組成物を用いた、半導体チップの製造方法の一実施形態を示す断面図である。
(1)まず、図3(a)に示すように、配線14が形成された基板15を準備する。そして、図3(b)のとおり、配線14を覆うように基板15上に封止充てん用フィルム状樹脂組成物16を積層し、貼り付ける。貼り付けは加熱プレス、ロールラミネート、真空ラミネートなどによって行うことができる。封止充てん用フィルム状樹脂組成物16の供給量は貼付面積とフィルム厚みによって設定され、半導体チップ18の大きさ、バンプ高さ(バンプ19の半導体チップ18表面からの高さ)などによって規定され、粘度等の経時変化が起きても、供給量を容易に制御することができる。
なお、封止充てん用フィルム状樹脂組成物16は半導体チップ18に貼り付けられてもよく、半導体ウエハに封止充てん用フィルム状樹脂組成物16を貼り付けた後、ダイシングして、半導体チップ18に個片化することによって、封止充てん用フィルム状樹脂組成物16を貼り付けた半導体チップ18を作製することができる。
(2)続いて、図3(c)のとおり、バンプ19(はんだバンプ)を備える半導体チップ18をフリップチップボンダーなどの接続装置の接続ヘッド17に取り付け、一方で、封止充てん用フィルム状樹脂組成物16が貼り付けられた配線14付き基板15を同接続装置のステージ20に取り付けて、位置合わせを行なった後、半導体チップ18と基板15をバンプ19の融点以上の温度で加熱しながら押し付ける。そして、図3(d)に示すように、バンプ19と配線14を接合することで半導体チップ18と基板15を電気的に接続するとともに、溶融した封止充てん用フィルム状樹脂組成物16によって半導体チップ18と基板15の間の空隙を封止充てんする。この際、封止充てん用フィルム状樹脂組成物16のフラックス活性によって、バンプ19の表面の酸化膜が還元除去され、バンプ19が溶融し、金属接合による接続部が形成される。
また、図3には記載していないが、半導体チップと基板を位置合わせして、バンプ(はんだバンプ)が溶融しない温度で加熱しながら押し付けることによって封止充てん用フィルム状樹脂組成物を溶融させて、半導体チップのバンプと基板電極の間の樹脂を除去するとともに、半導体チップと基板間の空隙を封止充てんして、半導体チップと基板を仮固定した後、リフロー炉で加熱処理することによってバンプを溶融させて半導体チップと基板を接続することによって半導体パッケージを製造してもよい。
(3)さらに、接続信頼性を高めるために、上記半導体パッケージを加熱オーブンなどで加熱処理し、封止充てん用フィルム状樹脂組成物の硬化をさらに進行させてもよい。
本発明の封止充てん用フィルム状樹脂組成物を用いた、半導体装置の製造方法は、上記半導体チップの製造方法とほぼ同様に実施できる。すなわち、図3における、バンプ19を備える半導体チップ18に代えて、図1の半導体パッケージ100を用い、図3における、配線14が形成された基板15に代えて、図2における、内層配線9、ビア10及びスルーホール13が形成され一方面に配線11を有するマザーボード8を適用し、封止充てん用フィルム状樹脂組成物16を介在させて、半導体パッケージ100及びマザーボード8をはんだボール1の融点以上に加熱しながら、両者を加圧接合すればよい。
以下、参考例、実施例及び比較例によって本発明を説明するが、本発明の範囲はこれらによって限定されるものではない。
(参考例)
(a)熱可塑性樹脂として、フェノキシ樹脂FX293(東都化成株式会社製、製品名)25重量部、(b)エポキシ樹脂として、固形多官能エポキシ樹脂EP1032H60(ジャパンエポキシレジン製、製品名)30重量部、及び液状ビスフェノールA型エポキシ樹脂EP828(ジャパンエポキシレジン製、製品名)45重量部、(d)2個以上のフェノール性水酸基を有する化合物として、表1に示す化合物を5重量部、球状シリカフィラーとしてSE6050(株式会社アドマテックス製、製品名、平均粒径2μm)100重量部、をトルエン−酢酸エチル溶媒中に固形分濃度が60〜70%になるように溶解混合してワニスを作製した。このワニスをセパレータフィルム(PETフィルム)上にナイフコーターを用いて塗布した後、70℃のオーブンで10分間乾燥させることによって、厚さ40〜45μmの参考例1〜7のフィルム状樹脂組成物を作製した。使用する際には、ホットロールラミネータにて2枚重ね合わせて、厚さを80〜90μmに調整して使用した。
(フラックス活性評価方法)
参考例のフラックス活性を以下の手順で評価した。
25mm角に切断した両面銅はく付きガラスエポキシ基板(日立化成工業株式会社製、製品名:MCL−E−679F、厚み0.3mm、脱脂及び酸洗処理済み)の銅表面に10mm角に切り出したフィルム状樹脂組成物を貼り付け、セパレータフィルムをはく離した後、フィルム状樹脂組成物の上に、はんだボール(千住金属工業株式会社製、製品名:M705(Sn−3Ag−0.5Cu)、ボール径0.4mm、融点217〜220℃)を5個配置し、さらに、カバーガラス(サイズ18mm角、厚み0.17mm)を置いて評価用サンプルを作製し、各フィルム状樹脂組成物について評価用サンプルを2個ずつ用いて評価することとした。
この評価用サンプルを160℃に加熱した熱板上に30秒置き、引き続いて260℃に加熱した熱板上に30秒置いて、室温に戻した後、評価用サンプルをメチルエチルケトン中に浸漬して、フィルム状樹脂組成物を溶解除去し、ガラスエポキシ基板の表面に残ったはんだボールの数及び直径を計測した。はんだ濡れ広がり率は次式(2)に従って算出した。
はんだ濡れ広がり率(%)=(基板表面に残ったはんだボールの直径−初期はんだボール直径)/初期はんだボール直径×100…(2)
さらに、ガラスエポキシ基板の表面に残ったはんだボールについて、シェア試験を実施し、その結果、はんだボールと銅はくの界面で破断したものを「B」、はんだボールのバルク破壊となったものをフラックス活性が充分なものとして「A」とした。なお、シェア試験はボンドテスターシリーズ4000(デイジ社製、製品名)を用いて、室温において、シェア高さ50μm、シェア速度100μm/sの条件で行った。
(揮発終了温度の測定)
化合物の揮発終了温度(熱重量変化率が0%となる最低温度)の測定は、TG/DTA6300(セイコーインスツルメント社製、製品名)を用いて、昇温速度10℃/min、エア流量200ml/min、測定温度範囲30〜300℃、サンプル重量5〜10mgで行った。
フラックス活性の評価結果を表1に示す。(なお、表1内における「≧」は「以上」を、「<」は「未満」を意味する。)
Figure 0005299279
参考例1では、フェノキシ樹脂やエポキシ樹脂に存在するアルコール性水酸基に起因すると思われるフラックス活性が見られるが、その効果は不充分であり、参考例2においても、充分なフラックス活性は示していない。参考例3〜6のように、フェノール性水酸基を2個以上有する化合物を用いることによって、参考例1、2と比較して、はんだボール残存率又ははんだ濡れ広がり率が向上し、シェア試験において、はんだボールと銅はくの界面で破断せずにバルク破壊し、有機酸である2,5−ジヒドロキシ安息香酸(参考例7)と同等のフラックス活性を示すことが分かる。
参照例1、2、実施例3、4、及び比較例1、2)
(a)熱可塑性樹脂として、フェノキシ樹脂FX293(東都化成株式会社製、製品名)25重量部、(b)エポキシ樹脂として、固形多官能エポキシ樹脂EP1032H60(ジャパンエポキシレジン製、製品名)30重量部、及び液状ビスフェノールA型エポキシ樹脂EP828(ジャパンエポキシレジン製、製品名)45重量部、(c)硬化剤として、2,4−ジヒドロキシメチル−5−フェニルイミダゾール2PHZ(四国化成株式会社製、製品名)3重量部、(d)2個以上のフェノール性水酸基を有する化合物として、表2に示す化合物を5重量部、さらに無機フィラーとして、球状シリカフィラーであるSE6050(株式会社アドマテックス製、製品名)100重量部、をトルエン−酢酸エチル溶媒中に固形分濃度が60〜70%になるように溶解混合してワニスを作製した。このワニスをセパレータフィルム(PETフィルム)上にナイフコーターを用いて塗布した後、70℃のオーブンで10分間乾燥させることによって、厚さ40〜45μmの参照例1、2、実施例3、4及び比較例1〜3に示す封止充てん用フィルム状樹脂組成物を作製した。使用する際には、ホットロールラミネータにて2枚重ね合わせて、厚さを80〜90μmに調整して使用した。
(比較例3)
無機フィラーの配合量を220重量部にした以外は、参照例1、2、実施例3、4及び比較例1、2と同様に作製した。
封止充てん用フィルム状樹脂組成物の硬化物の物性は、以下のとおり測定した。
(平均線膨張係数の測定)
200℃/1hの加熱条件で処理したサンプルを3.0mm×25mmの大きさに切り出したものを準備し、TMA/SS6000(セイコーインスツルメント社製、製品名)を用いて、チャック間距離15mm、測定温度範囲20〜300℃、昇温速度5℃/min、フィルム断面積に対して0.5MPaとなる引っ張り荷重の条件で行ない、40〜100℃の温度範囲における平均線膨張係数を算出した。
(弾性率及びガラス転移温度(Tg)の測定)
200℃/1hの加熱条件で処理したサンプルを5.0mm×45mmの大きさに切り出したものを準備し、DMS6100(セイコーインスツルメント社製、製品名)を用いて、チャック間距離20mm、周波数1Hz、測定温度範囲20〜300℃、昇温速度5.0℃/minの条件で、貯蔵弾性率、損失弾性率、及びtanδの測定を行い、40℃の貯蔵弾性率及びガラス転移温度(Tg)としてtanδのピーク温度を読み取った。
(粘度測定)
15mm角(厚さ0.7mm)のガラス板の上に直径4mmの円形に打ち抜いた封止充てん用フィルム状樹脂組成物を貼り付け、セパレーターフィルムをはく離した後、カバーガラス(サイズ18mm角、厚さ0.17mm)を封止充てん用フィルム状樹脂組成物を覆うように載せたものを準備した。これを、フリップチップボンダーFCB3(パナソニックファクトリーソリューションズ製、製品名)に配置し、ヘッド温度185℃、ステージ温度50℃、荷重12.6N、加圧時間1s(到達150℃)の条件で加熱、加圧した。樹脂体積を一定と仮定すると次式(3)の関係が成立することから、加圧後の半径を顕微鏡で測定し、前述した式(1)に従い、150℃での粘度を算出した。
Z/Z=(r/r)…(3)
:加圧前の樹脂厚み
Z:加圧後の樹脂厚み
:加圧前の樹脂の半径(直径4mmで打ち抜いているので、2mm)
r:加圧後の樹脂の半径
(保存安定性)
40℃の恒温槽に封止充てん用フィルム状樹脂組成物を放置し、6日後の粘度が初期粘度の2倍以下であるものを保存安定性があるとして「A」とし、2倍より大きいものを保存安定性がないとして「B」とした。粘度測定は前述の方法で測定した。
(ゲル化時間測定)
260℃の熱板上にセパレーターをはく離した封止充てん用フィルム状樹脂組成物を配置し、スパチュラで攪拌不能になるまでの時間をゲル化時間とした。
(接続サンプル作製)
銅配線表面にSn−3.0Ag−0.5Cuの受けはんだ層が形成されたプリント基板JKIT TYPE III(日立超LSIシステムズ製、製品名)のチップ搭載領域に、10mm角に切り出した封止充てん用フィルム状樹脂組成物を80℃/50N/5sの条件で貼り付けた後、セパレータフィルムをはく離し、高融点はんだバンプ(95Pb−5Sn)が形成されたチップPhase2E175(日立超LSIシステムズ製、製品名、サイズ10mm角、厚み550μm、バンプ数832、バンプピッチ175μm)とプリント基板をフリップチップボンダーFCB3(パナソニックファクトリーソリューションズ製、製品名)を用いて位置合わせを行い、荷重5Nで加圧しながら、180℃/5〜30s+230〜280℃/5sの温度プロファイルで加熱してチップと基板を接続した。その後、165℃のオーブンで2時間加熱処理を行い、接続サンプルを作製した。
(はんだ接合性)
接続サンプルの導通検査を行い、導通がとれたものについて「A」とした。そして、接続部の断面を観察し、バンプと受けはんだが均一に濡れて接合されているものを「A」とし、均一に濡れていないものを「B」とした。
(耐湿信頼性)
接続サンプルを温度130℃/相対湿度85%に設定した試験槽内に100時間放置した後、導通検査を行い、放置前の接続抵抗と比較して、抵抗変化率が±10%以内であるものを耐湿信頼性があるとして「A」とした。
(絶縁信頼性)
配線幅20μm、配線間距離40μmで形成された銅配線の櫛型パターンを有するポリイミド基板に、封止充てん用フィルム状樹脂組成物を80℃/100N/5sの条件で櫛型パターンを覆うように貼り付けて、セパレータフィルムをはがした後、165℃のオーブンで2時間加熱処理を行い、評価用サンプルを作製した。このサンプルを温度130℃/相対湿度85%に設定した試験槽内に5Vの直流電圧を印加しながら放置し、マイグレーションテスターMIG−8600(IMV社製、製品名)にて試験槽内における絶縁抵抗を連続測定した。100時間の測定中に10Ω以上の絶縁抵抗を保持しているものを「A」とし、絶縁抵抗が10Ω未満となったものを「B」とした。
(総合判定)
上記の各評価指標を踏まえた総合的な評価として、封止充てん用フィルム状樹脂組成物として接続信頼性を有するものを「A」、接続信頼性を有さないものを「B」とした。
評価結果を表2に示す。
Figure 0005299279
表2に示す結果から分かるように、参照例1、2、実施例3、4では良好な保存安定性、はんだ接合性、耐湿信頼性及び絶縁信頼性を示した。一方、比較例1では断面観察において、バンプと受けはんだが均一に濡れておらず、フラックス活性が不充分であった。比較例2では、はんだ接合性は良好であったが、保存安定性が悪く、絶縁信頼性評価において、80時間測定後に不良が発生した。比較例3では、保存安定性が悪く、また、バンプと受けはんだが均一に濡れておらず、フィルム状樹脂組成物の粘度が高いために、溶融したはんだが濡れ広がるのを阻害したと考えられる。
以上に説明したとおり、本発明によって、良好な保存安定性とフラックス活性を示し、接続信頼性に優れた封止充てん用フィルム状樹脂組成物を得ることができる。また、本発明の封止充てん用フィルム状樹脂組成物を用いることによって、金属接合が容易となり、接続信頼性に優れた半導体装置を製造することが可能となる。さらに、良好な生産性を実現することが可能となる。
本発明によれば、良好な保存安定性とフラックス活性を示し、接続信頼性に優れた封止充てん用フィルム状樹脂組成物を提供することができる。また、本発明の封止充てん用フィルム状樹脂組成物を用いることによって、金属接合が容易となり、接続信頼性に優れた製造方法及び半導体装置をも提供することができる。

Claims (7)

  1. (a)熱可塑性樹脂、(b)エポキシ樹脂、(c)硬化剤及び(d)2個以上のフェノール性水酸基を有する化合物を含有し、
    (d)2個以上のフェノール性水酸基を有する化合物は、アリル化フェノールノボラック樹脂、ジアリルビスフェノールA、ジアリルビスフェノールF及びジアリルビフェノールからなる群より選ばれる少なくとも1種である、封止充てん用フィルム状樹脂組成物。
  2. (d)2個以上のフェノール性水酸基を有する化合物は、120〜300℃で液状を呈する化合物である、請求項1に記載の封止充てん用フィルム状樹脂組成物。
  3. (c)硬化剤はイミダゾール化合物である、請求項1又は2に記載の封止充てん用フィルム状樹脂組成物。
  4. さらに無機フィラーを含有する、請求項1〜のいずれか一項に記載の封止充てん用フィルム状樹脂組成物。
  5. 請求項1〜のいずれか一項に記載の封止充てん用フィルム状樹脂組成物により、半導体チップと基板をフリップチップ接続する、半導体パッケージの製造方法。
  6. 請求項1〜のいずれか一項に記載の封止充てん用フィルム状樹脂組成物により、半導体パッケージと基板を接続する、半導体装置の製造方法。
  7. 請求項1〜のいずれか一項に記載の封止充てん用フィルム状樹脂組成物で、接続された基板を備える半導体装置。
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