JP5527816B2 - ダイボンド剤組成物及び半導体装置。 - Google Patents
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Description
第1基板の一方の面側に配置された第1半導体素子と、前記第1半導体素子と前記第1基板とを電気的に接続するボンディングワイヤと、前記第1半導体素子の前記第1基板と反対側に配置された第2半導体素子とで構成される半導体装置の前記第1半導体素子と前記第2半導体素子との間を封止するダイボンド剤組成物であって、
(A)エポキシ樹脂
(B)硬化促進剤 (A)成分と下記(C)成分の合計100質量部に対して0.1〜10質量部となる量
(C)硬化剤 (A)成分中のエポキシ基1当量に対し、該(C)成分中のエポキシ基と反応性を有する基が0.8〜1.25当量となる量、及び
(D)レーザー回折法で測定される累積頻度99%の粒径が16〜250μmである固体粒子 (A)成分と(C)成分の合計100質量部に対して0.01〜200質量部となる量
を含有し、ただし、(A)成分及び(C)成分の少なくともいずれかがシリコーン変性されているダイボンド剤組成物を提供する。また、さらに本発明は、上記ダイボンド剤組成物の硬化物を備える半導体装置及び、該半導体装置の製造方法を提供する。
本発明において、(A)エポキシ樹脂としては、従来公知のエポキシ樹脂を使用することができ特に制限はされないが、例えばノボラック型、ビスフェノール型、ビフェニル型、フェノールアラルキル型、ジシクロペンタジエン型、ナフタレン型、アミノ基含有型、後述するシリコーン変性エポキシ樹脂及びこれらの混合物等が挙げられる。なかでも(A)エポキシ樹脂はビスフェノールA型、ビスフェノールF型、ノボラック型エポキシ樹脂及びシリコーン変性エポキシ樹脂が好ましい。
本発明の硬化促進剤としては、有機リン、イミダゾール、3級アミン等の塩基性有機化合物が挙げられる。該硬化促進剤は反応性に優れ硬化速度が速いため、該硬化促進剤を含有するダイボンド剤組成物はワイヤーボンドの予備加熱で良好に半硬化することができ、また、ワイヤーボンドをするのに十分な強度を有する半硬化物を提供することができる。3級アミンとしてはトリエチルアミン、ベンジルジメチルアミン、α−メチルベンジルジメチルアミン、1,8−ジアザビシクロ(5,4,0)ウンデセン−7等が挙げられる。
(C)硬化剤は、エポキシ樹脂用硬化剤として公知のものを使用することができ、例えばフェノール樹脂、酸無水物、及びアミン類が挙げられる。この中でも硬化性とBステージ状態での安定性を考慮すると、フェノール樹脂が好ましい。フェノール樹脂としては、アラルキル型、ノボラック型、ビスフェノール型、トリスヒドロキシフェニルメタン型、ナフタレン型、シクロペンタジエン型、フェノールアラルキル型フェノール樹脂、シリコーン変性フェノール樹脂等が挙げられ、これらを単独、あるいは2種類以上を混合して用いても良い。なかでもアラルキル型、ノボラック型、ビスフェノール型フェノール樹脂、シリコーン変性フェノール樹脂が好ましい。
(D)固体粒子は、ワイヤーボンディング時の第1半導体素子と第2半導体素子の平坦性を維持するために、第1半導体素子と第2半導体素子との間にギャップを確保するスペーサーとして機能する。該固体粒子は、レーザー回折法で測定される累積頻度99%の粒径(d99)が、第1半導体素子と第2半導体素子間距離の±20%、好ましくは±10%であることを特徴とする。d99が、上記上限値を超えると、チップ、基板、または金配線等にダメージを与え、後述する無機質充填材とそれ以外の部分との境界において局所的なストレスが発生し半導体装置の機能を損なう恐れがある。また、d99が、上記下限値未満では、第1半導体素子と第2半導体素子との間のスペーサーとしての役割が果たせないので好ましくない。中でも、累積頻度80%の粒径(d80)が、前記d99の80%以上、好ましくは85〜95%である固体粒子が好適に使用できる。このような固体粒子の粒径は、デバイスの設計に応じて適切な粒径の固体粒子を適宜選択すればよい。一般に第1半導体素子と第2半導体素子間の距離は10〜200μm、好ましくは20〜100μmであり、従って、d99は8〜250μm、好ましくは16〜120μm程度である。
(E)成分は、前述した(D)固形粒子及び後述する(F)熱可塑性樹脂粒子を除く無機充填材であり、樹脂組成物の粘度や硬化物の強度を調製するために機能する。該無機質充填剤はレーザー回折法で測定される累積頻度99%の粒径(d99)が、第1半導体素子と第2半導体素子間の距離の20%以下、特に10%以下であることが望ましく、平均粒径が該距離の10%以下、特に5%以下であることが望ましい。d99が上記上限値より大きい、或いは、平均粒径が上記上限値より大きい場合は、チップ、基板、金配線等にダメージを与え、或いは無機質充填材とそれ以外の部分との境界において局所的なストレスが発生し、半導体装置の機能を損なう恐れがある。このような(E)無機充填材の平均粒径としては0.1〜5μm、好ましくは0.3〜3μmであり、平均粒径が上記下限値未満では組成物の粘度が上昇し、上記上限値超では半導体装置の機能を損なう恐れがあるため好ましくない。無機充填材の配合量は、(A)成分と(C)成分の合計100質量部に対して10〜150質量部、好ましくは30〜100質量部である。
(F)成分は、(D)及び(E)成分以外の、25℃で固体状の熱可塑性樹脂粒子であり、硬化物に低応力性を付与するために機能する。(F)熱可塑性樹脂粒子は略球状、円柱もしくは角柱状、不定形状、破砕状、及び燐片状等であるのがよく、特に略球状、及び鋭角部を有しない不定形状の樹脂粒子が好ましい。該熱可塑性樹脂粒子の平均粒径は、用途に応じて適宜選択されるが、レーザー回折法で測定される累積頻度99%の粒径(d99)が10μm以下、特に5μm以下であることが望ましく、平均粒径は0.1〜5μm、特に0.1〜2μmであることが望ましい。d99が前記上限値より大きい、或いは平均粒径が5μmより大きい場合は、半硬化或いは硬化段階において、熱可塑性樹脂粒子の一部が十分に膨潤或いは溶解せずに残存し、硬化後の組成物の特性を損なう恐れがある。一方、平均粒径が前記下限値よりも小さい場合は樹脂組成物の粘度が大きくなり作業性が著しく悪くなる恐れがある。なお樹脂粒子の粒径の測定は電子顕微鏡観察により行うことができる。
上記成分の他、本発明の組成物には用途に応じて、シランカップリング剤、難燃剤、イオントラップ剤、ワックス、着色剤、接着助剤、希釈材等を、本発明の目的を阻害しない量で、添加することができる。
本発明の組成物は、上記各成分を、公知の混合方法、例えば、ミキサー、ロール等を用いて混合することによって製造することができる。また、本発明のダイボンド剤組成物は、E型粘度計により25℃において測定される粘度が1〜400Pa・s、好ましくは5〜300Pa・sであることがよい。粘度が前記上限値超では、脱泡性不良によるボイド等が発生し充填性が劣り、前記下限値未満では平坦性不良となるため好ましくない。
本発明は(i)第1基板の一方の面側に配置された第1半導体素子の基板との接着面と反対側の面に本発明のダイボンド剤組成物を塗布する工程と、(ii)前記第1半導体素子上に塗布された該ダイボンド剤組成物上に第2半導体素子を搭載する工程を含む、半導体装置の製造方法を提供する。
以下、実施例および比較例を示し、本発明を詳細に説明するが、本発明は下記の実施例に制限されるものではない。尚、下記記載において累積頻度99%の粒径(d99)及び80%の粒径(d80)はレーザー回折法で測定したものである。
[合成例1]
攪拌羽、滴下漏斗、温度計、エステルアダプターと環流管を取り付けたフラスコに、式(9)のエポキシ樹脂42.0g(0.10mol)とトルエン168.0gを入れ、130℃/2時間で共沸脱水を行う。これを100℃に冷却し、触媒(信越化学製CAT−PL−50T)0.5gを滴下し、直ちに式(10)のオルガノハイドロジェンポリシロキサン36.3g(0.05mol)とトルエン145.2gの混合物を30分程度で滴下し、更に100℃/6時間で熟成した。これからトルエンを除去し、黄色透明液体(η=5Pa・s/25℃、エポキシ当量400、オルガノポリシロキサン含有量46.4質量%)を得た。これを(A)シリコーン変性エポキシ樹脂とした。
攪拌羽、滴下漏斗、温度計、エステルアダプターと環流管を取り付けたフラスコに、下記(11)のフェノール樹脂30.8g(0.10mol)とトルエン123.2gを入れ、130℃/2時間で共沸脱水を行う。これを100℃に冷却し、触媒(信越化学製CAT−PL−50T)0.5gを滴下し、直ちに上記式(10)のオルガノハイドロジェンポリシロキサン36.3g(0.05mol)とトルエン145.2gの混合物を30分程度で滴下し、更に100℃/6時間で熟成した。これからトルエンを除去し、褐色透明液体(η=20Pa・s/25℃、フェノール当量340、オルガノポリシロキサン含有量54.1質量%)を得た。これを(C)シリコーン変性硬化剤とした。
表1に示す各成分を、25℃のプラネタリーミキサーを用いて混合し、25℃の3本ロールを通過させた後、25℃でプラネタリーミキサーを用いて混合し、各組成物を調製した。各組成物について、後述の(a)乃至(c)の諸試験を行った。結果を表1に示す。
(A)エポキシ樹脂
エポキシ樹脂a1:ビスフェノールA型エポキシ樹脂(エポキシ当量180、日本化薬社製RE310S)
エポキシ樹脂a2:合成例1で調製したシリコーン変性エポキシ樹脂(エポキシ当量400)
(B)硬化促進剤
硬化促進剤b1:2−フェニル−4−メチル−5−ヒドロキシメチルイミダゾール(四国化成製 2E4MHZ−PW)
(C)硬化剤
硬化剤c1:ジアリルビスフェノールA(フェノール当量154、小西化学製 BPA−CA)
硬化剤c2:合成例2で調製したシリコーン変性硬化剤(フェノール当量340)
(D)固体粒子:ジビニルベンゼン(球状単分散:60μm、d99:65μm、d80:62μm、積水化学製、ミクロパールGS−260)
(E)無機充填材:球状溶融シリカ(平均粒径:0.8μm、d99:3μm、アドマッテクス製SE2030)
(F)熱可塑性樹脂粒子:ポリメタクリル酸メチル(数平均分子量:50,000、重量平均分子量:150,000、平均粒径:1μm、d99:3μm、軟化点:80〜100℃)
(G)その他の添加剤
シランカップリング剤:KBM−403(信越化学工業製)
(a)粘度
各組成物について、JIS Z−8803に準じ、E型粘度計(HBDV−III、ブルックフィールド社製)を用いて、測定温度25℃、ずり速度2.00(sec−1)、回転開始後2分における粘度を測定した。
各組成物を150℃で5分間加熱した後のDSC発熱量と、加熱前のDSC発熱量を測定装置TG-DSC(メトラー社製)、条件試料10mg、昇温速度10℃/minを用いて測定し、(150℃で5分間加熱した後のDSC発熱量/加熱前のDSC発熱量)×100(%)を算出し、150℃で5分間加熱した後のDSC発熱量が初期のDSC発熱量の50%以下であるものを○、50%超であるものを×とした。
AUS308(20μm厚)を塗布したBT基板(200μm厚、35mm×35mm)上に、ディスペンサーを用いて各組成物を塗布した(3mm3)。各組成物上に半導体素子(700μm厚、5mm×5mm)をダイボンダーを用いて搭載し、チップ温度50℃、基板温度25℃、圧力0.1kg/チップ面積、時間0.1秒の条件でダイボンディングした。その後150℃/5minで加熱した後、25℃でのせん断接着力を測定し、せん断接着力が5kg以上のものを○、5kg以下のものを×とした。
AUS308(20μm厚)を塗布したBT基板(200μm厚、35mm×35mm)上に、ディスペンサーを用いて各ダイボンド剤組成物を塗布した(7mm3)。該ダイボンド剤組成物上に第1半導体素子(200μm厚、10mm×10mm)をダイボンダーを用いて搭載し、チップ温度50℃、基板温度25℃、圧力0.1kg/チップ面積、時間0.1秒の条件でダイボンディングした。その後150℃/5minで予備加熱した後ワイヤーボンディングした。次に、該第1半導体素子上に各ダイボンド剤組成物をディスペンサーを用いて塗布し(6mm3)、該ダイボンド剤組成物上に第2半導体素子(200μm厚、9mm×9mm)をダイボンダーを用いて搭載し、チップ温度50℃、基板温度25℃、圧力0.1kg/チップ面積、時間0.1秒の条件でダイボンディングした。その後150℃/5minで予備加熱した後ワイヤーボンディングした。次に、窒素通気下120℃/1時間+165℃/2時間でダイボンド剤組成物を硬化した。さらに、前記積層体をKMC−2520(信越化学工業製エポキシ封止材)で封止した。製造した半導体装置の断面図を図1に示す。封止条件は金型温度175℃、注入時間10秒、注入圧70KPa、成型時間90秒、後硬化条件は180℃/2時間であり、成型後の試験片全体は1000ミクロン厚、35mm×35mmである。該試験片を20個作成し、以下の(d)乃至(f)の諸試験に用いた。結果を表1に示す。
上記で得た試験片を、85℃/85%RHの恒温恒湿器に168時間放置して、更に最高温度が260℃であるIRリフローオーブン中を3回通過させた後に、超音波索傷装置で、剥離、クラック等の不良の有無を観測し、不良が見られる試験片数/総試験片数(20個)を数えた。
上記(d)耐リフロー性試験を行なった後にクラック等の無かった試験片を、温度サイクル試験機に投入した。−55℃/30分+(−55℃→125℃)/5分+125℃/30分+(125℃→−55℃)/5分を1サイクルとし、500サイクル或いは1000サイクル施した後に、超音波索傷装置を用いて剥離及びクラック等の不良の有無を観測し、不良が見られる試験片数/総試験片数を数えた。
上記(d)及び(e)で使用した後の半導体素子を対角線で垂直に切断し、第1半導体素子と第2半導体素子間のダイボンド剤の厚さを測定し、次の式を用いて各組成物の平坦性を算出し、平坦性が10%未満のものを○、平坦性が10%以上のものを×とした。
平坦性=((ダイボンド剤の最厚部−ダイボンド剤の最薄部)/ダイボンド剤の平均厚さ)×100(%)
[実施例4]
2 第1半導体素子
3 ボンディングワイヤ
4 ダイボンド剤組成物
5 第2半導体素子
6 ダイボンド剤組成物
7 封止樹脂
Claims (17)
- 第1基板の一方の面側に配置された第1半導体素子と、前記第1半導体素子と前記第1基板とを電気的に接続するボンディングワイヤと、前記第1半導体素子の前記第1基板と反対側に配置された第2半導体素子とで構成される半導体装置の前記第1半導体素子と前記第2半導体素子との間を封止するダイボンド剤組成物であって、
(A)エポキシ樹脂
(B)硬化促進剤 (A)成分と下記(C)成分の合計100質量部に対して0.1〜10質量部となる量
(C)硬化剤 (A)成分中のエポキシ基1当量に対し、該(C)成分中のエポキシ基と反応性を有する基が0.8〜1.25当量となる量、及び
(D)レーザー回折法で測定される累積頻度99%の粒径が16〜250μmである固体粒子 (A)成分と(C)成分の合計100質量部に対して0.01〜200質量部となる量
を含有し、ただし、(A)成分及び(C)成分の少なくともいずれかがシリコーン変性されているダイボンド剤組成物。 - 120〜180℃のいずれかの温度で、1〜10分のいずれかの時間加熱した後のDSC発熱量が、加熱前のDSC発熱量の50%以下であることを特徴とする、請求項1に記載のダイボンド剤組成物。
- さらに(E)無機充填材を(A)成分と(C)成分の合計100質量部に対して10〜200質量部で含有する、請求項1または2に記載のダイボンド剤組成物。
- さらに(F)25℃において固体状の熱可塑性樹脂粒子を(A)成分と(C)成分の合計100質量部に対して5〜50質量部で含有する、請求項1〜3のいずれか1項に記載のダイボンド剤組成物。
- (D)成分が室温〜150℃のいずれかの温度で固体状の粒子である、請求項1〜4のいずれか1項に記載のダイボンド剤組成物。
- (D)成分が球状粒子或いは略球状粒子である、請求項1〜5のいずれか1項に記載のダイボンド剤組成物。
- (B)成分が、有機リン、イミダゾール、及び3級アミンから選ばれる、請求項1〜6のいずれか1項記載のダイボンド剤組成物。
- 成分(F)が、メタクリル樹脂、フェノキシ樹脂、ブタジエン樹脂、ポリスチレン樹脂又はこれらの共重合体から選択される熱可塑性樹脂粒子である、請求項4〜9のいずれか1項に記載のダイボンド剤組成物。
- 成分(F)が、ポリスチレン換算の数平均分子量が1,000〜10,000,000であり、及び重量平均分子量が10,000〜100,000,000である熱可塑性樹脂粒子である、請求項4〜10のいずれか1項に記載のダイボンド剤組成物。
- E型粘度計により25℃において測定される粘度が1〜400Pa・sである、請求項1〜11のいずれか1項に記載のダイボンド剤組成物。
- 溶剤を含まない、請求項1〜12のいずれか1項記載のダイボンド剤組成物。
- 請求項1〜13のいずれか1項に記載のダイボンド剤組成物の硬化物を備える半導体装置。
- (i)第1基板の一方の面側に配置された第1半導体素子の、該基板との接着面と反対側の面に請求項1〜13のいずれか1項に記載のダイボンド剤組成物を塗布する工程、(ii)前記第1半導体素子上に塗布されたダイボンド剤組成物上に第2半導体素子を搭載する工程
を含む、半導体装置の製造方法。 - 前記工程(ii)の後に、120〜180℃で1〜10分間加熱してダイボンド剤組成物を半硬化し、その後第2半導体素子と第1基板とをワイヤーボンディングする工程を含む、請求項15記載の製造方法。
- 前記ワイヤーボンディングする工程の前に、ダイボンド剤組成物をCステージ化する工程を含まない、請求項16記載の製造方法。
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