JP5740555B2 - 液状エポキシ樹脂組成物及びこれを用いた半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、液状エポキシ樹脂組成物及びこれを用いた半導体装置に関するものである。

近年、樹脂封止型半導体装置は、高密度化、高集積化、および動作の高速化の傾向にあり、従来型のパッケージよりもさらに小型化、薄型化できる半導体チップのパッケージが要求されている。そして、このような要求に対応するものとしてフリップチップ実装が一般に採用されている。

フリップチップ実装では、半導体チップの外部接続用パッドにバンプ電極を直接形成し、このバンプ電極を用いて回路基板にフェースダウンで接続、搭載する。そして半導体チップと回路基板の間隙にはアンダーフィル材が充填される。

アンダーフィル材は、半導体チップと回路基板間の熱膨張率の差異によって発生するはんだ接合部の応力を緩和し、耐湿性、気密性を確保する等の機能を有している。

このような構造では、実装面積は半導体チップとほぼ同じ面積ですみ、ワイヤボンディング接続の場合のようにワイヤまで樹脂封止する必要がないので実装後の高さも低くすることができ、小型化、薄型化等の要求に応えることができる。

また、フリップチップ実装において、接合後に検査等で導通不良等が確認された場合には、接合部を局所的に加熱して半導体チップを剥離し、アンダーフィル材を除去した後に再実装するリペアが行われる。

このリペアに際して、半導体チップを剥離するためには、バンプ電極と回路基板を接続しているはんだが溶融する温度に加熱をする必要がある。そこで、用いられるアンダーフィル材も、はんだが溶融する温度で軟化して樹脂強度が低下するＴｇ特性を有するものである必要がある。

一方、これまでに熱硬化性樹脂組成物の接着剤等として、硬化後に加熱等により接着力を低下させて、被着物からの剥離を容易にするものが種々提案されている（例えば、特許文献１〜４参照）。

これらの接着剤等は、単に被着物からの剥離を容易にすることを課題とするものであって、半導体装置を対象とするものではなく、半導体装置のアンダーフィル材としての諸特性を満足するものではないため、アンダーフィル材として用いることができるものではない。

これに対し、半導体装置のリペアを容易に行うことができる、リペア性に優れたアンダーフィル材として、低温速硬化性を有するとともに、リペアが必要なときに加熱での剥離を容易とする熱硬化性樹脂組成物が提案されている（例えば、特許文献５参照）。

また、封止樹脂組成物中に多層構造となる粒子を配合させることにより、剥離を容易にした封止樹脂組成物も提案されている（例えば、特許文献６参照）。

特開２００２−１８７９７３号公報 特開２００４−２３１８０８号公報 特開２００８−１５６４２８号公報 特開２００３−２８６４６４号公報 特開２００７−９１８４９号公報 特開２００６−２５７２９５号公報

しかしながら、従来のリペア性に優れたアンダーフィル材においても、アンダーフィル材のＴｇが低い場合には、ヒートサイクルの熱衝撃に対する接続部の強度が著しく低下するため、リペア性とヒートサイクル性の両立については未だ多くの課題を残していた。

そこで本発明は、加熱により優れたリペア性を発現し、通常のヒートサイクルの熱衝撃に対しては、優れた電気的動作を維持することができる、液状エポキシ樹脂組成物とこれを用いた半導体装置を提供することを課題としている。

本発明は、上記の課題を解決するために、以下のことを特徴としている。

即ち、本発明の液状エポキシ樹脂成組成物は、常温で液状のエポキシ樹脂、硬化剤、及び発泡剤を含む液状エポキシ樹脂組成物であって、前記発泡剤が、熱分解温度が１６０℃以上の熱分解型発泡剤であって、配合量が液状エポキシ樹脂組成物全量に対して５〜９質量％であり、前記硬化剤がイミダゾール系マイクロカプセル型硬化促進剤であって、配合量が液状エポキシ樹脂組成物全量に対して０．１〜６０質量％であることを特徴とする液状エポキシ樹脂組成物であって、前記液状エポキシ樹脂組成物は、半導体チップと回路基板間の熱膨張率の差異によって発生するはんだ接続部の応力を緩和するアンダーフィル材であり、前記はんだ接続部の前記はんだを溶融させる温度以上の加熱で発泡を開始する液状エポキシ樹脂組成物とする。

また、この液状エポキシ樹脂組成物においては、発泡剤の熱分解温度以上の温度での加熱で、硬化物が被着物から剥離可能であることが好ましい。

さらに、本発明の半導体装置は、前記の液状エポキシ樹脂組成物で半導体チップと回路基板との間が封止されているものである。

本発明の液状エポキシ樹脂組成物及びこれを用いた半導体装置は、特定温度以上の加熱により発泡剤が熱分解することにより発泡を開始して、優れたリペア性を発現し、通常のヒートサイクルの熱衝撃に対しては、優れた電気的動作を維持することができる。

以下、本発明を詳細に説明する。

本発明で用いられる常温（１８〜２５℃）で液状のエポキシ樹脂は、１分子内に２官能基以上のエポキシ基を有するものであり、その具体例としては、以下のようなものが例示される。

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、ビフェニル骨格を有するビフェニル型エポキシ樹脂、ナフタレン環含有エポキシ樹脂、脂環式エポキシ樹脂、ジシクロペンタジエン骨格を有するジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂、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、トリフェニルメタン型エポキシ樹脂、ブロム含有エポキシ樹脂、脂肪族系エポキシ樹脂、トリグリシジルイソシアヌレート等。

これらは１種単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。また、これらのエポキシ樹脂は常温で液状である範囲において、固体のエポキシ樹脂を適宜併用することができる。

本発明での硬化剤については、一般的に「硬化剤」や「硬化促進剤」と呼ばれているもののうちの１種もしくは２種以上のものが考慮される。例えば、具体的には、通常、エポキシ樹脂の硬化剤として用いられる以下のものが例示される。

ジアミノジフェニルメタン、メタフェニレンジアミン等のアミン系硬化材。無水フタル酸、テトラヒドロ無水フタル酸、メチルテトラヒドロ無水フタル酸、ヘキサヒドロ無水フタル酸、メチルヘキサヒドロ無水フタル酸、メチル無水ハイミック酸、無水ナジック酸、無水トリメリット酸等の酸無水物等。
これらは１種単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。

硬化剤の配合量は、好ましくは、硬化剤のエポキシ樹脂に対する化学量論上の当量比（硬化剤当量／エポキシ基当量）が０．６〜１．４となる量であり、より好ましくは当量比が０．７５〜１．０となる量である。

当量比がこの範囲内であると、エポキシ樹脂に対する硬化剤の適正な配合量とすることができ、硬化不足、硬化物の耐熱性低下、硬化物の強度低下、硬化物の吸湿量の増加等を生じることがないため好ましい。

また、硬化促進剤と呼ばれるものの具体例としては、以下のものが例示される。

２−メチルイミダゾール、２−フェニル−４−メチルイミダゾール、２−フェニルイミダゾール、１−ベンジル−２−メチルイミダゾール等のイミダゾール系化合物、１，８−ジアザビシクロ（５，４，０）−７−ウンデセン等の第三級アミン、イミダゾール系マイクロカプセル型硬化促進剤等。

本発明での硬化剤は、これら硬化促進剤単独で用いてもよいし、あるいは２種以上を併用してもよい。また、前記例示の硬化剤の１種または２種以上との併用であってもよい。

硬化促進剤の配合量は、液状エポキシ樹脂組成物全量に対して０．１〜６０質量％、好ましくは０．３〜２０質量％である。硬化促進剤の配合量がこの範囲内であると、設定した加熱条件下で、適正な硬化を行うことができるため好ましい。

本発明で用いられる無機充填材としては、通常、エポキシ樹脂の無機充填材として用いられるものであれば特に制限なく用いることができ、その具体例としては、溶融シリカ、結晶シリカ、微粉シリカ、アルミナ、窒化珪素、マグネシア等が挙げられる。

これらの中でも、溶融シリカは、熱膨張率が小さい点、優れた熱衝撃性の点から、特に好適に用いることができる。また、これら無機充填材は１種単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。

溶融シリカ等の無機充填材の平均粒子径は０．２〜１００μｍ、好ましくは１０〜５０μｍである。なお、平均粒子径はレーザー回折散乱法等により測定することができる。

無機充填材の配合量は、液状エポキシ樹脂組成物全量に対して０〜８０質量％、好ましくは３０〜７５質量％である。配合量がこの範囲内であると、液状エポキシ樹脂組成物を適正な粘度にすることができ、熱膨張係数を小さくすることができるため、取扱い性及び半導体装置の高信頼性の点で好ましい。

本発明で用いられる発泡剤は、熱分解型発泡剤である。熱分解型発泡剤とは、熱により分解ガスを発生させる発泡剤であり、本発明では、無機系、有機系、これらの複合系のいずれのものでも用いることができる。

無機系のものとしては、具体的には、炭酸水素ナトリウム系発泡剤等を挙げることができる。

有機系のものとしては、アゾジカルボンアミド（ＡＤＣＡ）系、ジニトロソペンタメチレンテトラミン（ＤＰＴ）系、オキシビスベンゼンスルホニルヒドラジド（ＯＢＳＨ）系発泡剤等を挙げることができる。

これらの中でも、アゾジカルボンアミド（ＡＤＣＡ）系発泡剤は、熱分解温度が高いことから、特に好適に用いることができる。

本発明で用いる熱分解型発泡剤の熱分解温度は、ヒートサイクル性及びはんだの溶融温度の関係から、１６０℃以上、好ましくは１８０〜２６０℃、より好ましくは２００〜２３０℃の範囲である。

この温度範囲とすることにより、リペアが必要なときに、特定温度以上で加熱することにより、熱分解型発泡剤の発泡により優れたリペア性を発現し、また、例えば上限を１５０℃とするヒートサイクルにおいても優れた電気的動作を維持できる液状エポキシ樹脂組成物とすることができる。

熱分解型発泡剤の含有量は、発泡剤の種類、熱分解温度等に応じて適宜設定することができ、制限されるものではないが、リペア性の観点から、液状エポキシ樹脂組成物全量に対して０．５〜１５質量％、好ましくは５〜９質量％の範囲である。

本発明の液状エポキシ樹脂組成物には、本発明の効果を損なわない範囲内において、さらに他の成分を配合することができる。このような他の成分の具体例としては、難燃剤、顔料、溶剤、反応性希釈剤、レベリング剤等が挙げられる。

本発明の液状エポキシ樹脂組成物は、エポキシ樹脂、硬化剤、硬化促進剤、及び必要に応じて他の成分を同時にまたは別々に配合し、必要に応じて加熱処理や冷却処理を行いながら、撹拌、溶解、混合、分散を行う。

次いで、この混合物に無機充填材を加え、必要に応じて加熱処理や冷却処理を行いながら、再度、撹拌、溶解、混合、分散を行うことにより、本発明の液状エポキシ樹脂組成物を得ることができる。

上記の撹拌、溶解、混合、分散には、ディスパー、プラネタリーミキサー、ボールミル、３本ロール等を組み合わせて用いることができる。

本発明の半導体装置は、このようにして得られた液状エポキシ樹脂組成物により、ＩＣチップ、ＬＳＩチップ等の半導体チップと回路基板（インターポーザ）との間を封止することにより製造することができる。

例えば、セラミック基板やＦＲグレード等の回路基板の回路パターン面に多数のバンプ電極を介して半導体チップが搭載されたもののバンプ電極間の間隙に本発明の液状エポキシ樹脂組成物をディスペンサー等を用いて塗布、充填した後、加熱硬化し、次いで半導体チップ全体の封止を行う等の後工程を経て、フリップチップ実装による半導体装置を製造することができる。

なお、加熱硬化の条件は、特に限定されるものではなく、液状エポキシ樹脂組成物の配合組成等に応じて適宜に変更すればよいが、例えば７０〜１５０℃、０．０５〜３時間である。

本発明のエポキシ樹脂組成物を用いた半導体装置のフリップチップ実装において、接合後の検査で導通不良等が確認された場合には、バンプ電極と回路基板を接続しているはんだを溶融させる温度以上、かつ発泡剤の熱分解温度以上で加熱する。この加熱により封止しているアンダーフィル材は発泡を開始する。

そして、発泡したアンダーフィル材は体積を増加させて、半導体チップと回路基板を引き離し、また、アンダーフィル材と回路基板の界面は微細な発泡セルによって接着力が低下するため、容易に半導体チップと回路基板を剥離することが可能となる。

本発明の半導体装置におけるパッケージ形態の具体例としては、フリップチップ実装の半導体装置の他、各種のエリアアレイ型パッケージ、例えばＢＧＡ（Ball Grid Array）、ＰＯＰ型ＢＧＡ、ＴＡＢ型ＢＧＡ、ＣＳＰ（Chip Size Package）等が挙げられる。

また、本発明のエポキシ樹脂組成物は、これらの半導体パッケージの接続を補強するための二次補強の用途にも好適に用いることができる。

以下、実施例により本発明をさらに詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではない。

表１に示す配合成分として、以下のものを用いた。
エポキシ樹脂：ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、東都化成（株）製、ＹＤ８１２５ エポキシ当量１７０
硬化剤：イミダゾール系マイクロカプセル型硬化促進剤、旭化成イーマテリアルズ（株）製、ノバキュア（登録商標）ＨＸ３７４２
無機充填材：溶融シリカ、ＭＲＣユニテック（株）製、最大３５μｍ、ＱＳ−９
発泡剤１：炭酸水素ナトリウム系発泡剤、三協化成（株）製、セルマイク（登録商標）２６６
発泡剤２：アゾジカルボンアミド（ＡＤＣＡ）系複合発泡剤、三協化成（株）製、セルマイク（登録商標）１７２Ｃ

表１に示すエポキシ樹脂、硬化剤、発泡剤を配合し、三本ロールにて、混合を行った。なお、表１に示す配合量は質量％を表す。

次いで、この混合物に無機充填材を加え、プラネタリーミキサーを用いて、再度、撹拌、混合して、液状エポキシ樹脂組成物を得た。

このようにして得られた液状エポキシ樹脂組成物を用いて下記の評価を行った。
［ヒートサイクル性］
半導体チップ（０．７５厚、１４ｍｍ角）を回路基板（ＦＲ−４）上に実装した後、表１に示した各エポキシ樹脂樹脂組成物を半導体チップと回路基板との隙間に注入充填し、１２０℃１時間で硬化させることにより半導体装置を作製した。

硬化後の半導体装置について電気的動作をおこない、良品であったものについて−５５℃で５分、８５℃で５分を１サイクルとする液相のヒートサイクル試験１と、−５５℃５分、１５０℃５分を１サイクルとする液相のヒートサイクル試験２を行い、１０００サイクル後の半導体装置の動作を行い下記基準に従って評価した。
○：不良率０〜３０％未満
△：不良率３０％以上〜６０％未満
×：不良率６０％以上〜１００％

[リペア性]
回路基板（ＦＲ−４）上に、表１に示す各エポキシ樹脂組成物を約５０ｍｇ滴下して、１２０℃、１時間にて硬化させた。その後、テストピースをホットプレート上で２００℃に加熱した。

加熱した状態で回路基板上のエポキシ樹脂硬化物を竹串を用いて取り除き、エポキシ樹脂硬化物がきれいに取り除くことが可能か否かを、下記基準に従って評価した。

×：エポキシ樹脂硬化物が残る、回路基板上のレジストがはがれる。
○：エポキシ樹脂硬化物がきれいに取り除かれ、回路基板上にエポキシ樹脂硬化物が残らない。

ヒートサイクル性、リペア性の評価結果を表１に示す。

表１より、発泡剤１及び２を用いた実施例１、２では、ヒートサイクル性１、リペア性ともに良好な結果であった。

発泡剤を用いなかった比較例１では、ヒートサイクル性については良好であったが、リペア性については良好な結果が得られなかった。

これらの結果から、発泡剤を配合した実施例１、２の液状エポキシ樹脂組成物は、発泡剤を配合していない比較例１に比して、優れたリペア性を有することが確認された。

Claims (3)

1. 常温で液状のエポキシ樹脂、硬化剤、及び発泡剤を含む液状エポキシ樹脂組成物であって、前記発泡剤が、熱分解温度が１６０℃以上の熱分解型発泡剤であって、配合量が液状エポキシ樹脂組成物全量に対して５〜９質量％であり、前記硬化剤がイミダゾール系マイクロカプセル型硬化促進剤であって、配合量が液状エポキシ樹脂組成物全量に対して０．１〜６０質量％であることを特徴とする液状エポキシ樹脂組成物であって、
   前記液状エポキシ樹脂組成物は、半導体チップと回路基板間の熱膨張率の差異によって発生するはんだ接続部の応力を緩和するアンダーフィル材であり、
   前記はんだ接続部の前記はんだを溶融させる温度以上の加熱で発泡を開始することを特徴とする液状エポキシ樹脂組成物。
2. 発泡剤の熱分解温度以上の温度での加熱で、硬化物が被着物から剥離可能であることを特徴とする請求項１に記載の液状エポキシ樹脂組成物。
3. 常温で液状のエポキシ樹脂、硬化剤、及び発泡剤を含む液状エポキシ樹脂組成物であって、前記発泡剤が、熱分解温度が１６０℃以上の熱分解型発泡剤であって、配合量が液状エポキシ樹脂組成物全量に対して５〜９質量％であり、前記硬化剤がイミダゾール系マイクロカプセル型硬化促進剤であって、配合量が液状エポキシ樹脂組成物全量に対して０．１〜６０質量％であることを特徴とする液状エポキシ樹脂組成物で半導体チップと回路基板との間が封止されていることを特徴とする半導体装置。