JP5749922B2 - ウェハレベルアンダーフィル組成物およびそれを用いた半導体装置製造方法 - Google Patents
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Description
このような目的で用いられるアンダーフィルには、キャピラリータイプのアンダーフィル(以下、「キャピラリーアンダーフィル」という。)と、先塗布型のアンダーフィルと、に大別される。キャピラリーアンダーフィルとは、基板上に半導体素子を接続した後にギャップに注入した後、加熱硬化させることでギャップを封止するものであり、従来広く用いられている。これに対し、先塗布型のアンダーフィルは接続前の基板もしくは半導体素子にアンダーフィルを塗布し、接続と同時に、および/または、接続の後に加熱硬化させることによって基板と半導体素子との間のギャップを封止するものである。
ウェハレベルアンダーフィルは切断前のウェハの状態の半導体素子に塗布するため、キャピラリーアンダーフィルで必要な塗布領域の確保の問題や、ギャップへのアンダーフィルの充填不足が起こりにくいため、より狭い領域の保護に適している。
ウェハレベルアンダーフィルは、Bステージ化した後、常温に戻した段階でタックがないことがハンドリング性に優れるので好ましい。
しかしながら、Bステージ化の段階でアンダーフィルの硬化反応が過度に進行すると、その後、フリップチップ実装できなくなるので、Bステージ化の段階でアンダーフィルの硬化反応が過度に進行しないことが求められる。
しかしながら、特許文献1に記載の樹脂組成物は、(A)成分のエポキシ樹脂として、常温で固形のエポキシ樹脂、常温で液状のエポキシ樹脂のいずれも使用できるとされているが、実施例では、いずれも常温で液状のエポキシ樹脂を含む樹脂組成物のみが開示されており、Bステージ化した後、常温に戻した段階でタックを生じ、ハンドリング性に劣ると考えられる。
式中、nは0.25〜2.5であり、lは0〜7である。
式中、pは2〜6である。
また、本発明のウェハレベルアンダーフィル組成物は、リフロー時の温度域の溶融粘度の指標として用いられる150℃での溶融粘度が5Pa・s以下と低いため、フリップチップ実装時における基板と半導体素子との間の電気的接続性に優れている。
また、本発明のウェハレベルアンダーフィル組成物は、Bステージ化後の透明性に優れているため、半導体素子に設けたアライメントマークまたはハンダバンプを画像認識用カメラで確認することによって、フリップチップ実装時における半導体素子と基板との位置決めを容易に行うことができる。
また、本発明のウェハレベルアンダーフィル組成物は、ポットライフに優れている。
本発明のウェハレベルアンダーフィル組成物は、以下に示す(A)〜(E)成分を必須成分として含有する。
本発明のウェハレベルアンダーフィル組成物において、(A)成分としての結晶性エポキシ樹脂は、主として、リフロー時の温度域における溶融粘度の低下、及び、Bステージ化した後常温に戻した段階でのタックフリーに寄与する。また、(A)成分としての結晶性エポキシ樹脂は、アンダーフィルの加熱硬化後における強度の発現に寄与する。
本発明における結晶性エポキシ樹脂とは、常温で固形であり、特定の温度域で溶融し急激に粘度が低下し液状となるものをいう。ここで、結晶性エポキシ樹脂が溶融する温度域は50℃以上120℃以下であることが好ましく、55℃以上105℃以下であることが更に好ましい。また、本発明における結晶性エポキシ樹脂は、リフロー時の温度域の溶融粘度の指標として用いられる150℃での溶融粘度が3mPa・s以上5000mPa・s(5Pa・s)以下であることが好ましく、5mPa・s以上1000mPa・s(1Pa・s)以下であることが更に好ましい。
ナフトール又はジヒドロキシナフタレンの二量体をグリシジルエーテル化して得られるエポキシ樹脂等のナフトール型エポキシ樹脂、ナフトールノボラック型エポキシ樹脂、ナフトールアラルキル型エポキシ樹脂、ナフトール−フェノール共縮ノボラック型エポキシ樹脂、ナフトール−クレゾール共縮ノボラック型エポキシ樹脂、ジグリシジルオキシナフタレン、1,1−ビス(2,7−ジグリシジルオキシ−1−ナフチル)アルカン等の分子構造中にナフタレン骨格を有するエポキシ樹脂。
上記式(2)において、lは0〜7であり、好ましくは0.2〜5であり、より好ましくは0.2〜2である。
質量平均分子量(Mw)についてみた場合、式(1)の結晶性エポキシ樹脂は、300〜1000であることが好ましく、より好ましくは400〜700である。式(2)の結晶性エポキシ樹脂は、500〜3000であることが好ましく、より好ましくは600〜2000である。
本発明のウェハレベルアンダーフィル組成物において、(B)成分としての結晶フェノール樹脂は、主として、リフロー時の温度域における溶融粘度の低下、および、Bステージ化した後常温に戻した段階でのタックフリーに寄与する。また、(B)成分としての結晶性フェノール樹脂は、アンダーフィルの加熱硬化後における強度の発現に寄与する。
本発明における結晶性フェノール樹脂とは、常温で固形であり、特定の温度域で溶融し急激に粘度が低下し液状となるものをいう。ここで、結晶性フェノール樹脂が溶融する温度域は50℃以上120℃以下であることが好ましく、60℃以上90℃以下であることが更に好ましい。また、本発明における結晶性フェノール樹脂は、リフロー時の温度域の溶融粘度の指標として用いられる150℃での溶融粘度が5mPa・s以上5000mPa・s(5Pa・s)以下であることが好ましく、100mPa・s以上1000mPa・s(1Pa・s)以下であることが更に好ましい。
質量平均分子量(Mw)についてみた場合、式(3)の結晶性フェノール樹脂は、1000〜2000であることが好ましく、より好ましくは1300〜1700である。
また、結晶性エポキシ樹脂((A)成分)、および、結晶性フェノール樹脂((B)成分)を必須成分として含有することにより、Bステージ化後の透明性に優れた組成物を得ることができる。
官能基当量比が上記の範囲を外れた場合、ウェハレベルアンダーフィル組成物の加熱硬化物において、ガラス転移点(Tg)の低下、弾性率の低下、接着強度の低下が発生し、バンプ補強性等のアンダーフィルに要求される機能が十分に発揮されない。
なお、本発明のウェハレベルアンダーフィル組成物が液状エポキシ樹脂を含有する場合、上記の官能基当量比は、組成物に含まれる全てのエポキシ基(すなわち、結晶性エポキシ樹脂のエポキシ基、および、液状エポキシ樹脂のエポキシ基)に対する当量比が、上記の官能基当量比を満たすことが好ましい。
本発明のウェハレベルアンダーフィル組成物において、(C)成分としての有機酸は、主として、フラックス剤として機能し、半導体素子に設けられたはんだ電極表面の酸化膜を、基板と電気的に接合できる程度に還元除去する作用を示す。
このため、(C)成分としての有機酸は、はんだ電極表面の酸化膜を除去できること、タックを発生しないこと、および、リフロー後ボイドを発生しないことが求められる。
これらの有機酸は2種以上併用してもよい。
(D)成分の硬化触媒としては、エポキシ樹脂の硬化触媒を用いることができる。
(D)成分の硬化触媒の一例としては、イミダゾール系硬化触媒が挙げられる。
イミダゾール系硬化触媒の具体例としては、2−メチルイミダゾール、2−ウンデシルイミダゾール、2−ヘプタデシルイミダゾール、2−エチル−4−メチルイミダゾール、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−メチルイミダゾール、1−シアノエチル−2−ウンデシルイミダゾール、1−シアノエチル−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リウムトリメリテイト、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物、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物、2−フェニルイミダゾールイソシアヌル酸付加物、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、2,3−ジヒドロ−1H−ピロロ[1,2−a]ベンズイミダゾール、1−ドデシル−2−メチル−3−ベンジルイミダゾリウムクロライド、2−メチルイミダゾリン、2−フェニルイミダゾリン、2,4−ジアミノ−6−ビニル−s−トリアジン、2,4−ジアミノ−6−ビニル−s−トリアジンイソシアヌル酸付加物、2,4−ジアミノ−6−メタクリロイルオキシエチル−s−トリアジン、等のイミダゾール化合物等が挙げられる。
なお、上記の硬化触媒のうち、いずれか1種を使用してもよく、2種以上を併用してもよい。
これらの中でも、DBU、DBNおよびこれらの塩が、イミダゾール系硬化触媒に比べて触媒活性が低いため、リフロー時に硬化反応が起こりにくいため、リフロー時の溶融粘度を低くすることができるという点で好ましい。
また、DBU、DBNおよびこれらの塩は、組成物中に溶解することから、Bステージ化後の組成物の透明性に寄与する。
DBU、DBNおよびこれらの塩の中でも、DBUのフェノールノボラック樹脂塩およびDBNのフェノールノボラック樹脂塩が特に好ましい。
イミダゾール系硬化触媒の場合、組成物中の樹脂成分(すなわち、(A)成分の結晶性エポキシ樹脂および(B)成分の結晶性フェノール樹脂、組成物が液状エポキシ樹脂を含有する場合は、さらに液状エポキシ樹脂)の合計100部に対して、硬化触媒が0.05〜5部であることが好ましく、0.1〜2部であることがより好ましく、0.1〜1部であることがさらに好ましい。
DBU、DBNおよびこれらの塩の場合、組成物中の樹脂成分(すなわち、(A)成分の結晶性エポキシ樹脂および(B)成分の結晶性フェノール樹脂、組成物が液状エポキシ樹脂を含有する場合は、さらに液状エポキシ樹脂)の合計100部に対して、硬化触媒が0.05〜5部であることが好ましく、0.07〜2部であることがより好ましく、0.09〜1部であることがさらに好ましい。
(E)成分の溶剤は、組成物中の樹脂成分(すなわち、(A)成分の結晶性エポキシ樹脂および(B)成分の結晶性フェノール樹脂、組成物が液状エポキシ樹脂を含有する場合は、さらに液状エポキシ樹脂)を溶解することができるものから選択され、具体的には、ジエチレングリコールジエチルエーテル、ジエチレングリコールモノブチルエーテル、ジエチレングリコール モノブチルエーテル アセテート、エチレングリコールモノエチルエーテル、ジエチレングリコールモノエチルエーテルアセテート、プロピレングリコールメチルエーテル等のグリコールエーテル系溶剤、アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン等のケトン系溶剤、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール等のアルコール系溶剤等が挙げられる。
また、たとえば、Bステージ化後の組成物の平坦性を向上させるために、レべリング剤をウェハレベルアンダーフィル組成物に含有させてもよい。レベリング剤としてはシリコーン系やアクリル系のものを用いることができるが、相溶性の観点からポリエーテル変性シリコーンが好ましく、下記式で表されるものが特に好ましい。
ここで、式中、mは0〜10、nは1〜10、pは0〜10、qは0〜1である。
本発明のウェハレベルアンダーフィル組成物にレべリング剤を含有させる場合、レベリング剤の含有量の好適範囲は、樹脂組成物の各成分の合計質量に対して、0.01〜1質量%であることが好ましく、0.03〜0.5質量%であることがより好ましい。
各成分を同時に混合しても、一部成分を先に混合し、残り成分を後から混合するなど、適宜変更しても差支えない。
具体的には、本発明のウェハレベルアンダーフィル組成物は、Bステージ化した後、常温に戻した段階でのタック値が10gf未満である。
本発明のウェハレベルアンダーフィル組成物は、150℃での溶融粘度が2Pa・s以下であることが好ましく、1Pa・s以下であることがより好ましい。
150℃での溶融粘度の下限は特に限定されないが、上述したように、(A)成分の結晶性エポキシ樹脂の150℃での溶融粘度が3mPa・s以上であることが好ましく、(B)成分の結晶性フェノール樹脂の150℃での溶融粘度が5mPa・s以上であることが好ましいことから、これらの含有する本発明のウェハレベルアンダーフィル組成物は、150℃での溶融粘度が8mPa・s以上であることが好ましいことになる。
本発明の半導体装置の製造方法では、本発明のウェハレベルアンダーフィル組成物をハンダバンプが形成されたウェハ上に塗布する。ウェハ上にウェハレベルアンダーフィル組成物を塗布する方法としては、メタルマスクやメッシュマスクを用いた印刷法、スピンコート法、またはリリースフィルム上にシート化したものを貼り付ける方法などが挙げられるが、本方式では一般的には印刷法またはスピンコート法が用いられる。
次に、ウェハに塗布後のウェハレベルアンダーフィル組成物をBステージ化する。ウェハに塗布後の封止樹脂組成物をBステージ化する方法としては、一般的に加熱乾燥工程が必要であり、乾燥オーブン内で一定時間静置させるか、インラインオーブン、コンベア式加熱炉などでも代替できる。必要に応じて、ステップ加熱、定常昇温、定常降温などが設定される。加熱乾燥工程の条件としては、たとえば、50℃〜150℃の温度で10分〜120分実施すればよい。
次に、ウェハをダイシングし、半導体素子に個片化する。ウェハは、一般的なダイシング装置を使用し、乾式又は湿式ダイシングを行うことによって個片化することが可能である。
次に、個片化した半導体素子の前記ウェハレベルアンダーフィル組成物が塗布された面と基板とを位置決めし、両者を加熱して機械的電気的に接続する。個片化した半導体素子の封止樹脂組成物が塗布された面と基板とを位置決めし、加熱して接続する方法としては、一般的には、フリップチップボンダーを用いて両者を位置決めした後、そのまま加熱圧着とともにはんだ付けすることで両者を接続する方法、または位置決め、仮搭載が終わったものをリフロー炉などで加熱して接続させる方法が用いられる。仮搭載の際に、ボンディングツールを加温することによって樹脂を軟化させて載置してもよい。このときのボンディングツールの温度は80℃〜130℃に設定される。両者を加熱して接続する際には、パッケージや封止法に適した熱プロファイルが用いられる。また、チップ搭載にはフリップチップボンダーのみならず、ダイボンダーなど、半導体素子との基板との位置決めが可能なもので代替することも出来る。
さらに、ウェハレベルアンダーフィル組成物を完全に硬化させるために、ポストキュアの工程を実施してもよい。ポストキュアは、例えば、150〜180℃の温度で1〜3時間程度加熱すればよい。半導体装置にモールドを施す場合は、モールド材の硬化と同時にポストキュアの工程を実施してもよい。
下記表に示す配合割合となるように、ロールミルを用いて原料を混練して実施例1〜7、比較例1〜4の樹脂組成物(ウェハレベルアンダーフィル組成物)を調製した。なお、表中の各組成に関する数値は質量部を表している。
なお、表中の記号は、それぞれ以下を表わす。
エポキシ樹脂
エポキシ樹脂A:結晶性エポキシ樹脂(クレゾールナフトール型エポキシ樹脂(下記式)、製品名NC7300L、日本化薬株式会社製、質量平均分子量500)
エポキシ樹脂B:結晶性エポキシ樹脂(クレゾールナフトール型エポキシ樹脂(下記式)、製品名HP−5000、DIC株式会社製、質量平均分子量820)
エポキシ樹脂C:ビフェニル型エポキシ樹脂(製品名YX−4000H、三菱化学株式会社製、エポキシ当量;192)
エポキシ樹脂D:ビスフェノールF型エポキシ樹脂(製品名YDF8170、新日鐵化学株式会社製、エポキシ当量;158)
エポキシ樹脂E:ビスフェノールA型エポキシ樹脂(製品名エピコート1002、三菱化学株式会社製、エポキシ当量;650)
フェノール樹脂
フェノール樹脂A:結晶性フェノール樹脂(ビフェニル型フェノールノボラック樹脂、(下記式)、製品名MEH7851H、明和化成株式会社製、質量平均分子量;1580)
有機酸
有機酸A:安息香酸
有機酸B:o−メチル安息香酸
有機酸C:m−メチル安息香酸
硬化触媒
DBU−フェノールノボラック樹脂塩(製品名U−CAT SA831、サンアプロ株式会社製)
シランカップリング剤
KBM403(信越化学工業株式会社製)
レベリング剤
57 ADDITIVE(東レ・ダウコーニング株式会社製)
溶剤
ジエチレングリコ−ルジエチルエ−テル(DEDG、日本乳化剤株式会社製)
調製した樹脂組成物について、以下の評価を実施した。
(ポットライフ、増粘倍率)
調製後のウェハレベルアンダーフィル組成物を密閉容器に入れて25℃、湿度50%の環境にて24時間保管した時点における組成物の粘度を測定し、調製直後の粘度に対する倍率を算出した。
(ポットライフ、均一性)
調製後のウェハレベルアンダーフィル組成物を密閉容器に入れて25℃、湿度50%の環境にて24時間保管した時点における組成物の均一性を白濁の有無で評価する。下記表中の符号は以下を意味する。
○:白濁は認められず、組成物が均一な状態を維持していた。
×:白濁が認められた。
(Bステージ化後のタック値)
調製後のウェハレベルアンダーフィル組成物をウェハ上に塗布した後、70℃60分加熱してBステージ化させた。その後、常温まで冷却した時点でのタック値をプローブタック法により測定した。
(ハンダ広がり率)
上記と同様の条件でBステージ化させた後のウェハレベルアンダーフィル組成物をCu板に適量取り、半径が既知であるSn−Ag−Cu系半田ボール(千住金属工業株式会社製M−705)をのせ、JEDEC規定のリフロー条件にてリフロー炉に通し、ハンダ濡れ広がり率(ハンダ広がり率)をアスペクト比として求めた。
(ノーマルリフローでの接続)
ウェハレベルアンダーフィル組成物をハンダ電極を具備した10mm2チップに所定量塗布し、上記と同様の条件でBステージ化させた後、上部よりフリップチップボンダー(パナソニック製FCB3)を用いて位置決めを行いながらフリップチップを同配列に設計された基板上に設置した。その際、フリップチップボンダーのボンディングツールは約100℃に、ステージは約70℃に加温させておいた。次にリフロー炉によりはんだ溶融、接続を行った。デイジーチェーンでつながった四つのブロック単位で導通を以下の基準で判断した。
OK:全て導通がとれる
NG:1つでも導通がとれない
(透明性)
上述した手順でフリップチップボンダー(パナソニック製FCB3)を用いてフリップチップを基板上に設置し、フリップチップの位置ズレを確認した。同じ手順を10回実施し、位置ズレが認められなかった場合をOKとし、1回でも位置ズレが認められた場合をNGとした。なお、比較例2では、10回の試行全てで位置ズレが認められた。
(溶融粘度)
レオロジカ・インスツルメンツ株式会社製Viscoanalyser VAR100を用い、昇温速度を10℃/minとし、常温から200℃までの測定を行い、150℃での溶融粘度の測定値を得た。
Claims (4)
- (A)結晶性エポキシ樹脂、(B)結晶性フェノール樹脂、(C)有機酸、(D)硬化触媒、および、(E)溶剤よりなり、前記(A)結晶性エポキシ樹脂として、下記式(1)、(2)で示されるもののうち、少なくとも1種を含み、前記(B)結晶性フェノール樹脂として、下記式(3)で示されるものを含み、前記(C)有機酸として、安息香酸、o−メチル安息香酸、m−メチル安息香酸、およびp−メチル安息香酸のうち、少なくとも1つを含み、前記(D)硬化触媒として、DBU(1,8−ジアザビシクロ(5.4.0)ウンデセン−7)のフェノールノボラック樹脂塩を含み、前記(A)結晶性エポキシ樹脂のエポキシ基と、前記(B)結晶性フェノール樹脂のフェノール基と、の当量比が0.9〜1.2であり、前記(A)結晶性エポキシ樹脂および前記(B)結晶性フェノール樹脂の合計100部に対して、前記(D)硬化触媒が0.07〜2部であり、150℃での溶融粘度が2Pa・s以下であることを特徴とするウェハレベルアンダーフィル組成物。
- 前記(A)結晶性エポキシ樹脂および前記(B)結晶性フェノール樹脂の合計質量に対して、前記(C)有機酸を3〜30質量%含むことを特徴とする請求項1に記載のウェハレベルアンダーフィル組成物。
- さらに、下記式で示されるレベリング剤を、樹脂組成物の各成分の合計質量に対して、0.01〜1質量%含有することを特徴とする請求項1または2に記載のウェハレベルアンダーフィル組成物。
- 請求項1〜3のいずれかに記載のウェハレベルアンダーフィル組成物をウェハ上に塗布する工程、
ウェハに塗布後の前記ウェハレベルアンダーフィル組成物をBステージ化する工程、
前記ウェハをダイシングし、半導体素子に個片化する工程、および、
前記個片化した半導体素子の前記ウェハレベルアンダーフィル組成物が塗布された面と基板とを位置決めし、加熱して接続する工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
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