JP5387874B2 - 液状封止樹脂組成物を用いた半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Description
このようなフリップチップパッケージは通常チップと基板とのすき間に毛細管現象を利用して液状封止樹脂組成物を用いて封止する方式が採用されている。しかし、この方式では、ICチップや基板の半田酸化膜を除去するためにフラックス材を塗布する工程、パッケージを組み立てる工程、フラックス残渣を洗浄する工程、液状封止樹脂組成物を塗布する工程、樹脂を硬化させる工程とが必要であり、プロセス工程が非常に長いという問題がある。また、FC−BGAは、多ピン化、狭ピッチ化、狭ギャップ化する傾向にあり、液状封止樹脂組成物の注入が技術的に困難になってきている。その問題を解決するため、樹脂材料自体にフラックス機能を持たせ、フリップチップ及び基板の端子接合と樹脂封止を同時に行うことを目的に先塗布型の液状封止樹脂組成物が提案されている(特許文献1参照)。この液状封止樹脂組成物は、一般的に液状エポキシ樹脂、硬化剤、フラックス成分、場合によっては高信頼性を確保するためにフィラが添加されるが、材料自体がフラックス作用を有していればよいので、硬化剤や主剤自体にフラックス作用を及ぼすような官能基を付けることも考えられる。また、半田で形成されている端子を接合させかつ樹脂の硬化を一括で行わなければならない。この場合、樹脂には、半田の酸化皮膜を除去する機能が必要なため一般的には樹脂に酸性度の強いカルボン酸系化合物が添加される。しかし、カルボン酸系化合物は樹脂のイオン性不純物や電気伝導度を悪化させるため絶縁不良を招いたり、また信頼性試験のPCTやHAST処理による吸湿の際に接着力を低下させるため耐湿信頼性を悪化させる恐れがあった。そこで酸性度の高い添加剤を含有せずに、フラックス機能を有する硬化促進剤として強塩基化合物及び/又はその塩を用いるとはんだ酸化皮膜の除去が可能であること、吸湿処理による信頼性を低下しないこと等が見出された(特許文献2参照)。しかし、この場合、フィラが40重量%以上添加されているためリフロー炉で加熱してチップの自重のみで端子接合を行おうとすると、フィラを排除することができず、端子間に噛み込みが生じ、端子接合を行なうことは困難であった。また、フラックス成分の添加量が多い場合、加熱時の液状封止樹脂組成物の粘度の増加により半田が溶融する前に硬化が完了してしまい、端子間の接合を行なうことができなかった。
また、本発明は、[2]液状封止樹脂組成物が、(A)二官能以上のエポキシ基を有するエポキシ樹脂、(B)硬化剤、(C)フラックス作用を有する硬化促進剤を含有する無溶剤型液状エポキシ樹脂組成物であって、(B)硬化剤が芳香族アミンであり、(A)エポキシ樹脂と(C)フラックス作用を有する硬化促進剤との合計量における(C)フラックス作用を有する硬化促進剤の重量比率が0.04〜0.07であることを特徴とする上記[1]に記載の半導体装置の製造方法に関する。ここで、(C)フラックス作用を有する硬化促進剤が、DBUの塩を含有すると特に好ましい。
また、本発明は、[3]上記[1]又は[2]に記載の半導体装置の製造方法によって得られる半導体装置に関する。
本発明は、リフロー炉を用いたリフロー加熱により液状封止樹脂組成物を用いてフリップチップパッケージの端子接合と封止を同時に行う半導体装置の製造方法において、該液状封止樹脂組成物の粘弾性測定における粘度が、リフロー予備加熱時の温度及び時間が150〜180℃、120s以内で0.1〜1Pa・sの範囲であり、且つ、リフローの本加熱温度が260℃以上で、その温度でのゲルタイムが30s以下であり、リフロー炉のリフロー予備加熱温度が150〜180℃で少なくとも120s、リフロー本加熱温度260℃以上で少なくとも30秒のリフロープロファイルを有する半導体装置の製造方法である。
本発明で用いる粘弾性測定とは、被測定物をパラレルプレートで挟み込み、ある外力をかけながらその粘弾性や粘度を測定するものであり、被測定物の粘度挙動や弾性率における温度依存性やその他の外力に対する依存性を測定するのに適している。ここでは、そのパラレルプレートなどの回転運動距離を歪み、角速度を振動数と呼ぶ。
本発明による液状封止樹脂組成物は、温度一定での粘弾性測定における粘度挙動が、リフローの予備加熱温度及び時間が、150〜180℃、120s以内で1Pa・s以下であり、より好ましくは、0.1〜1Pa・sの範囲であり、且つ、リフローの本加熱温度が260℃以上で、その温度でのゲルタイムが30s(秒)以下である。本発明は、脱鉛半田端子を対象としたフリップチップパッケージの端子接合と封止をリフロー加熱により同時に行うことを目的としており、粘度がリフロー予備加熱150〜180℃、120s以内において1Pa・sを超えると、樹脂全体の粘度自体が高くなり、半田バンプの接合時に半田が濡れ拡がることを抑制してしまうため、その接合率の低下を招く可能性があり、また0.1Pa・s未満では、粘度が低すぎるためリフロー炉の僅かな振動によりチップずれを生じる可能性があるため好ましくない。また、リフロー予備加熱150〜180℃から、本加熱温度260℃に昇温する間に半田バンプが溶融し、その後30s以内に液状封止樹脂組成物が硬化しなければならず、それ以上の時間を要すると樹脂が未硬化状態になってしまう。
本発明における液状封止樹脂組成物の動的粘弾性測定において、その時の測定条件は、歪み値100〜200%、振動数1rad/secである。
本発明に用いる(A)液状エポキシ樹脂は、特に制限はなく、例えば、ビスフェノールA、ビスフェノールF、ビスフェノールAD、ビスフェノールS、ナフタレンジオール、水添ビスフェノールA等とエピクロルヒドリンの反応により得られるグリシジルエーテル型エポキシ樹脂、オルソクレゾールノボラック型エポキシ樹脂をはじめとするフェノール類とアルデヒド類とを縮合又は共縮合させて得られるノボラック樹脂をエポキシ化したもの、フタル酸、ダイマー酸等の多塩基酸とエピクロルヒドリンの反応により得られるグリシジルエステル型エポキシ樹脂、ジアミノジフェニルメタン、イソシアヌル酸等のポリアミンとエピクロルヒドリンの反応により得られるグリシジルアミン型エポキシ樹脂、オレフィン結合を過酢酸等の過酸で酸化して得られる線状脂肪族エポキシ樹脂、及び脂環族エポキシ樹脂などを用いることができる。
特に、本発明では、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AD型エポキシ樹脂、ビスフェノールS型エポキシ樹脂、ナフタレンジオール型エポキシ樹脂、水添ビスフェノールA型エポキシ樹脂、グリシジルアミン型エポキシ樹脂から選ばれる少なくとも1種を用いることが望ましく、これらは単独で用いても2種以上を組み合わせて用いてもよい。
また、発明の目的を損なわない範囲であれば固形のエポキシ樹脂を併用しても良い。さらには粘度調整のためエポキシ基を有する反応性希釈剤を混合しても良い。エポキシ基を有する反応性希釈剤としては例えばn−ブチルグリシジルエーテル、バーサティック酸グリシジルエーテル、スチレンオキサイド、エチルヘキシルグリシジルエーテル、フェニルグリシジルエーテル、ブチルフェニルグリシジルエーテル、1,6−ヘキサンジオールジグリシジルエーテル、ネオペンチルグリコールジグリシジルエーテル、ジエチレングリコールジグリシジルエーテル、トリメチロールプロパントリグリシジルエーテルがあり、これらの内の1種類あるいは複数種と併用しても良い。これらのエポキシ樹脂は、十分に精製されたもので、イオン性不純物が少ないものが好ましい。例えば、遊離Naイオン、遊離Clイオンは500ppm以下であることが好ましい。
ここで、芳香族アミンの当量はエポキシ基1個に対しアミノ基の活性水素1個が反応するものとして計算される。
これらDBUの塩の配合量は、(A)エポキシ樹脂と(C)硬化促進剤の合計量に対する、(C)フラックス作用を有する硬化促進剤の配合比率がエポキシ樹脂1に対しての重量比率で0.02〜0.1までの範囲が好ましく、より好ましくは0.04〜0.07の範囲である。硬化促進剤の配合量が下限値を下回ると硬化性や半田の酸化皮膜除去性が悪化し、逆に上限値を超えると組成物の常温(15〜25℃)での粘度が上昇するためボイドや接合性が悪化し、またTg(ガラス転移温度)が低下するため好ましくない。
可撓化剤としてはシリコン、アクリル及びポリオレフィン系エラストマーあるいはその粉末、着色剤としてはカーボンブラック、有機染料、有機顔料、酸化チタン、鉛丹、ベンガラなどを用いることができる。
図1に、本発明の液状エポキシ樹脂組成物を用いた半導体装置の製造方法により製造される本発明の半導体素子を基板と電気的に接続し、固定した半導体装置の一例の縦断面図を示す。図1に示すように、配線回路基板3の片面すなわち回路形成面に半導体素子の複数の接続用電極部(バンプ)4を介して半導体素子1が搭載された構造をとる。
配線回路基板3と半導体素子1との間に本発明で用いる液状エポキシ樹脂組成物の硬化物である封止樹脂層8が形成されている。
なお、上記配線回路基板3の回路と半導体素子1の電極とを電気的に接続する上記複数の接続用電極部4は、予め配線回路基板3面に配設されてもよいし、半導体素子1面に配設されていてもよい。
さらには、予め配線回路基板3面及び半導体素子1面の双方にそれぞれ配設されてもよい。
配線回路基板3の材質としては、有機質と無機質のいずれでもよく、特に制限するものではないが、大別して、セラミック基板、プラスチック基板があり、前記プラスチック基板としては、例えば、エポキシ基板、ビスマレイミドトリアジン基板、ポリイミド基板等が挙げられる。
複数の接続用電極部4の材質としては、脱鉛の半田バンプが好ましく、例えば錫バンプ、銀−錫バンプ、銀−錫−銅バンプ等が挙げられ、また、配線回路基板3上の電極部が上記の材質からなるものに対しては、図中の接続用電極部4は金バンプ、銅バンプ等であっても良い。
例えば、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−リン等の化合物半導体等の各種半導体が使用される。
図2は、半導体装置(電子部品装置)の製造工程の一例を示す概略断面図である。
図2(a)に示すように配線回路基板3上に、本発明の液状封止樹脂組成物5をディスペンサー7により塗布する。
ついで、図2(b)に示すように、上記(a)の基板の液状封止樹脂組成物5の上の所定位置に、基板の回路と電気的接合させるための複数の半田バンプ製接続用電極部(ジョイントボール)4が設けられた半導体素子1をチップ搭載ツール6を用いて接続用電極部4が溶融しない温度で仮搭載し、かつ、半導体素子1と配線回路基板3との間の空隙内に溶融状態の液状エポキシ樹脂組成物5を充填させる。
なお、上記半導体装置の製造方法では、複数の接続用電極部4が設けられた半導体素子1を用いた場合について述べたが、これに制限するものではなく、例えば予め配線回路基板3に複数の接続用電極部4が配設されたものを用いてもよい。
配線回路基板3上に、液状封止樹脂組成物5を塗布する方法は、ディスペンス法の他、印刷法、転写法などが挙げられる。
また、液状封止樹脂組成物5の厚み及び重量は、上記同様、搭載される半導体素子1の大きさ及び半導体素子に設けられた球状の接続用電極の大きさ、すなわち、半導体素子1と配線回路基板3との空隙を充填し、封止することにより形成される封止樹脂層8の占める容積により、適宜に設定される。
また、上記半導体装置の製造方法において、上記(b)の仮実装時には、必ずしも液状封止樹脂組成物5を加熱しなくてもよい。
また、上記半導体装置の製造方法において、上記(c)のリフロー炉での加熱時には、本発明の液状封止樹脂組成物は、例えば、JEDEC(Joint Electron Device Engineering Council)規格J−STD−020CのPbフリーはんだ対応に基づき作製したリフロープロファイル(予備加熱:150〜180℃の温度範囲、加熱時間120s、本加熱:ピーク温度が260℃、加熱時間60s)で用いる場合には、液状封止樹脂組成物の粘弾性測定における粘度挙動が、150〜180℃、120s以内で1Pa・s以下であることが好ましく、また、260℃以上でのゲルタイムが30s以下であることが好ましい。
また、パッケージレベルでフリップチップ実装を行うFC−BGA(Flip chip Ball Grid Array)、EBGA(Enhanced BGA)、ABGA(Advanced BGA)、Stacked−BGA、SIP(System in Package)などのベアチップと基板の隙間を充填する封止材として用いるのが好ましい。
なお、BGA、CSP(Chip Size/Scale Package)、WL−CSP(Wafer Level CSP)などの最新のパッケージは、端子がエリアアレイ構造になっており、基板への実装形態はフリップチップ実装と同じである。特に携帯電話のようなモバイル型の電子機器においては接合部の耐衝撃性が厳しく要求されており、接続信頼性を確保するためパッケージと基板の隙間を補強用の樹脂組成物で封止することがある。本発明の液状封止樹脂組成物はこのような用途にも用いることができる。
また、プリント回路板にも本発明の液状封止樹脂組成物は有効に使用できる。
2 電極
3 配線回路基板
4 接続用電極部
5 液状封止樹脂組成物(液状エポキシ樹脂組成物)
6 チップ搭載ツール
7 ディスペンサー
8 封止樹脂層
Claims (1)
- リフロー炉を用いたリフロー加熱により液状封止樹脂組成物を用いてフリップチップパッケージの端子接合と封止を同時に行う半導体装置の製造方法において、該液状封止樹脂組成物の粘弾性測定における粘度が、リフロー予備加熱時の温度及び時間が150〜180℃、120s以内で0.1〜1Pa・sの範囲であり、且つ、リフローの本加熱温度が260℃以上で、その温度でのゲルタイムが30s以下であり、リフロー炉のリフロー予備加熱温度が150〜180℃で少なくとも120s、リフロー本加熱温度260℃以上で少なくとも30秒のリフロープロファイルを有し、
前記液状封止樹脂組成物が、(A)二官能以上のエポキシ基を有するエポキシ樹脂、(B)硬化剤、(C)フラックス作用を有する硬化促進剤を含有する無溶剤型液状エポキシ樹脂組成物であり、
前記(A)エポキシ樹脂が、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AD型エポキシ樹脂、ビスフェノールS型エポキシ樹脂、ナフタレンジオール型エポキシ樹脂、水添ビスフェノールA型エポキシ樹脂及びグリシジルアミン型エポキシ樹脂から選ばれる少なくとも1種の液状エポキシ樹脂であり、前記(B)硬化剤が、液状芳香族アミンであり、前記(C)硬化促進剤が、1,8−ジアザビシクロ[5.4.0]ウンデセン−7であり、
(A)エポキシ樹脂と(C)フラックス作用を有する硬化促進剤との合計量における(C)フラックス作用を有する硬化促進剤の重量比率が0.04〜0.07であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
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