JP6631238B2 - 先供給型アンダーフィル材、先供給型アンダーフィル材の硬化物、電子部品装置及び電子部品装置の製造方法 - Google Patents
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Description
キャピラリーアンダーフィル方式では、半導体素子と配線基板との間又はバンプ間のギャップが狭くなると充填が不充分となりやすく、ボイドが発生しやすくなるおそれがある。その結果、半導体素子と配線基板とを接合させた後に、冷却時の体積変化により応力が生じ、接合部が破壊されやすくなることが懸念されている。
エポキシ樹脂組成物は、エポキシ樹脂と硬化触媒及び硬化剤の少なくとも一方とを含有し、熱を加えることによってエポキシ開環反応が起こり高分子量化する。そのため、エポキシ樹脂組成物は硬化するまでには多少の時間を要し、生産性が低下する傾向がある。特に、先供給方式の場合、50℃〜100℃程度の中温領域のホットプレートで加熱された配線基板又は電子部品に、アンダーフィル材が供給される。そのため、エポキシ樹脂組成物が硬化するまでに時間がかかると、配線基板、電子部品等の上に付着する水分、揮発性の化合物等に起因するボイドが発生しやすい傾向がある。ボイドは剥離、クラック等の不良の原因となり、信頼性を低下させる可能性がある。
<1> 下記一般式(I)で表される化合物を含むラジカル重合性化合物と、
ラジカル重合開始剤と、
無機充填材と、
下記一般式(II)又は(III)で表される構造単位を有する化合物を含む可とう剤と、を含有し、
前記一般式(I)で表される化合物の含有率が、3質量%〜30質量%である先供給型アンダーフィル材。
前記電子部品と前記配線基板とを接合部を介して接合し、かつ前記先供給型アンダーフィル材を硬化する接合工程と、を含む、電子部品装置の製造方法。
本明細書において「〜」を用いて示された数値範囲には、「〜」の前後に記載される数値がそれぞれ最小値及び最大値として含まれる。
本明細書においてアンダーフィル材中の各成分の含有率は、アンダーフィル材中に各成分に該当する物質が複数種存在する場合、特に断らない限り、アンダーフィル材中に存在する当該複数種の物質の合計の含有率を意味する。
本明細書においてアンダーフィル材中の各成分の粒子径は、アンダーフィル材中に各成分に該当する粒子が複数種存在する場合、特に断らない限り、アンダーフィル材中に存在する当該複数種の粒子の混合物についての値を意味する。
本明細書において(メタ)アクリレートとは、アクリレート又はメタクリレートを意味し、(メタ)アクリロイルとは、アクリロイル又はメタクリロイルを意味し、(メタ)アクリル酸とは、アクリル酸又はメタクリル酸を意味する。
本明細書において「層」との語には、当該層が存在する領域を観察したときに、当該領域の全体に形成されている場合に加え、当該領域の一部にのみ形成されている場合も含まれる。
本明細書において「積層」との語は、層を積み重ねることを示し、二以上の層が結合されていてもよく、二以上の層が着脱可能であってもよい。
本実施形態の先供給型アンダーフィル材(以下、単にアンダーフィル材とも称する)は、下記一般式(I)で表される化合物を含むラジカル重合性化合物と、ラジカル重合開始剤と、無機充填材と、下記一般式(II)又は(III)で表される構造単位を有する化合物を含む可とう剤と、を含有し、一般式(I)で表される化合物の含有率が、3質量%〜30質量%である。
本明細書において「室温で固体」とは、上記の「室温で液体」の定義に該当せず、かつ気体でない状態を意味する。
以下、アンダーフィル材を構成する各成分について説明する。
アンダーフィル材は、ラジカル重合性化合物として、下記一般式(I)で表される化合物を含み、一般式(I)で表される化合物の含有率が3質量%〜30質量%である。かかる構成をとることで、良好な熱時流動性が付与され、ボイドの発生が効果的に抑制される。
一般式(I)におけるmとnとの合計は、3.0〜20.0であることが好ましく、3.0〜15.0であることがより好ましく、3.0〜10.0であることが更に好ましい。
(検出器:L−2490型RI[株式会社日立ハイテクノロジーズ製、商品名])
(カラムオーブン:L−2350[株式会社日立ハイテクノロジーズ製、商品名])
カラム:Gelpack GL−R440 + Gelpack GL−R450 + Gelpack GL−R400M(計3本)(日立化成株式会社製、商品名)
カラムサイズ:10.7mm(内径)×300mm
溶離液:テトラヒドロフラン
試料濃度:10mg/2mL
注入量:200μL
流量:0.05mL/分
測定温度:25℃
アンダーフィル材は、下記一般式(II)又は(III)で表される構造単位を有する化合物を可とう剤として含有する。特定可とう剤はブロック共重合体である。一般式(II)又は(III)で表される構造単位を有する化合物を可とう剤として用いると、フィレット性及びPKGの外観に優れる傾向がある。
R6及びR11は、プロピル基又はブチル基であることが好ましく、柔軟性及び接着性の観点からは、ブチル基であることがより好ましい。
例えば、ポリメタクリル酸メチルのTgは105℃であり、ポリメタクリル酸−n−ブチルのTgは20℃であり、ポリメタクリル酸−t−ブチルのTgは107℃であり、ポリメタクリル酸イソブチルのTgは48℃である。メタクリル酸メチルとメタクリル酸−n−ブチルとの共重合体(共重合比が40:60(質量基準))であれば、105×0.4+20×0.6=54℃と共重合体のTgを予想することができる。
アンダーフィル材は、ラジカル重合開始剤を含有する。ラジカル重合開始剤の種類は、特に限定されるものではなく、従来から公知のラジカル重合開始剤を用いることができる。
中でも保管安定性の観点から、有機過酸化物を少なくとも一種含むことが好ましい。
アンダーフィル材は、無機充填材を含有する。無機充填材の種類は特に限定されるものではなく、無機充填材は1種単独で用いても、2種以上を併用してもよい。無機充填材を2種類以上併用するとは、例えば、同じ成分で平均粒子径が異なる無機充填材を2種類以上用いる場合、平均粒子径が同じで成分の異なる無機充填材を2種類以上用いる場合並びに平均粒子径及び種類の異なる無機充填材を2種類以上用いる場合が挙げられる。
アンダーフィル材は、重合禁止剤を含有してもよい。重合禁止剤の種類は特に制限されず、公知の重合禁止剤を用いることができる。
アンダーフィル材が室温で液体の場合は、揺変付与剤を含有してもよい。室温で液体のアンダーフィル材に揺変付与剤を含有することによって、ボイドの発生が抑制される傾向にある。すなわち、アンダーフィル材が基板上に供給された状態で形状を保持できずに流動してしまうとボイドを巻き込みやすくなるが、揺変付与剤を含有することによって、アンダーフィル材が流動しにくくなり、ボイドが発生しにくくなる傾向にある。
アンダーフィル材が室温で固体の場合、高分子成分を含有してもよい。
高分子成分の種類は特に制限されず、電子部品用の有機樹脂組成物に一般的に使用される高分子成分を使用できる。
アンダーフィル材は、フラックス剤を含有してもよい。
フラックス剤の種類は特に制限されず、従来から用いられてきたハロゲン化水素酸アミン塩等を用いることができる。電気特性の観点からは、例えば、ヒドロキシ安息香酸等のフェノール性水酸基とカルボキシル基を有する化合物、トリメリット酸等のカルボキシ基を含む酸無水物、アビエチン酸、アジピン酸、アスコルビン酸、クエン酸、2−フランカルボン酸、リンゴ酸等の有機酸、1分子にアルコール性水酸基を2個以上含有する化合物、金属スルホン酸塩、金属カルボニル酸塩等の有機酸塩、及びキノリノール誘導体が挙げられる。より好ましくは、有機酸又は有機酸塩が挙げられる。フラックス剤は1種単独で用いても、2種以上を併用してもよい。
アンダーフィル材は、耐湿性及び高温放置特性をより向上させる観点から、必要に応じてイオントラップ剤を含有してもよい。イオントラップ剤の種類は特に制限されず、電子部品用の有機樹脂組成物に一般的に使用されているイオントラップ剤を用いることができる。具体的には、例えば、下記一般式(VII)又は(VIII)で表される化合物が挙げられる。
BiOx(OH)y(NO3)z ・・・(VIII)
一般式(VIII)中、xは0.9≦x≦1.1、yは0.6≦y≦0.8、zは0.2≦z≦0.4である。
アンダーフィル材は、室温で液体の場合、フィレット性をより向上させる観点から、界面活性剤を含有してもよい。
界面活性剤の種類は特に制限されず、電子部品用の有機樹脂組成物に一般的に使用されている界面活性剤を使用できる。界面活性剤としては、例えば、非イオン性の界面活性剤が挙げられ、具体的には、ポリオキシエチレンアルキルエーテル等のポリオキシアルキレンアルキルエーテル界面活性剤、ソルビタン脂肪酸エステル界面活性剤、ポリオキシエチレンソルビタン脂肪酸エステル界面活性剤、ポリオキシエチレンソルビトール脂肪酸エステル界面活性剤、グリセリン脂肪酸エステル界面活性剤、ポリオキシエチレン脂肪酸エステル界面活性剤、ポリオキシエチレンアルキルアミン界面活性剤、アルキルアルカノールアミド界面活性剤、ポリエーテル変性シリコーン界面活性剤、アラルキル変性シリコーン界面活性剤、ポリエステル変性シリコーン界面活性剤、及びポリアクリル界面活性剤が挙げられる。アンダーフィル材における表面張力の低減効果の観点からは、ポリエーテル変性シリコーン界面活性剤及びアラルキル変性シリコーン界面活性剤が好ましい。
これらのオルガノシロキサンは、例えば、BY16−799、BY16−871、及びBY16−004(東レ・ダウコーニング株式会社、商品名)、並びにX−22−1821、及びKF−8010(信越化学工業株式会社、商品名)が市販品として入手可能である。
アンダーフィル材は、その他の添加剤として、例えば、染料、カーボンブラック等の着色剤、及び希釈剤を必要に応じて使用することができる。
アンダーフィル材の揺変指数は、1.0以上であることが好ましく、1.5以上であることがより好ましく、2.0以上であることが更に好ましい。
50℃〜100℃程度の中温領域における粘度は、0.1Pa・s〜20Pa・sであることが好ましく、0.5Pa・s〜15Pa・sであることがより好ましく、1Pa・s〜10Pa・sであることが更に好ましい。
硬化の際の高温領域における粘度は、0.1Pa・s〜10Pa・sであることが好ましく、0.3Pa・s〜8Pa・sであることがより好ましく、0.5Pa・s〜5Pa・sであることが更に好ましい。
(室温で液体のアンダーフィル材の製造方法)
室温で液体のアンダーフィル材の製造方法は、特に制限されない。例えば、所定の成分を秤量し、らいかい機、ミキシングロール、プラネタリミキサ等を用いて混合及び混練し、必要に応じて脱泡することによって、室温で液体のアンダーフィル材を得ることができる。
室温で固体のアンダーフィル材の製造方法は、特に制限されない。例えば、室温で固体のアンダーフィル材がフィルム状である場合は、まず所定の成分を秤量し、攪拌混合、混錬等により、溶解又は分散させて、樹脂ワニスを調製し、離型処理を施した基材フィルム上に、樹脂ワニスをナイフコーター、ロールコーター、アプリケーター等を用いて付与し、加熱により有機溶媒を除去することにより製造することができる。
上述した先供給型アンダーフィル材の硬化物は、電子部品装置の一部として用いることができる。
本実施の形態の電子部品装置は、上述した先供給型アンダーフィル材の硬化物を含む。ある実施態様では、電子部品装置は、電子部品と、前記電子部品と対向して配置され、前記電子部品に接合部を介して電気的に接合される配線基板と、を有し、前記先供給型アンダーフィル材の硬化物が、前記電子部品と前記配線基板との間に配置された構造を有している。
本実施の形態の電子部品装置の製造方法は、電子部品と配線基板とを接合部を介して電気的に接合することで電子部品装置を製造する電子部品装置の製造方法であり、前記電子部品における前記配線基板と対向する側の面及び前記配線基板における前記電子部品と対向する側の面からなる群より選択される少なくとも一方の面に、上述した先供給型アンダーフィル材を供給する供給工程と、前記電子部品と前記配線基板とを接合部を介して接合し、かつ前記先供給型アンダーフィル材を硬化する接合工程と、を含む。
(1)電子部品の配線基板と対向する側の面及び前記配線基板の前記電子部品と対向する側の面からなる群より選択される少なくとも一方に本実施形態のアンダーフィル材を供給する供給工程
(2)前記電子部品と前記配線基板とを前記接続部の金属バンプを介して加圧しながら対向させることで、前記電子部品と前記配線基板との間隙をアンダーフィル材で充填し、かつ、前記電子部品と前記配線基板とを前記接続部の金属バンプを介して接触させる加圧工程
(3)前記加圧工程中及び前記加圧工程後の少なくとも一方で、前記電子部品と前記配線基板とを前記接続部の金属バンプを介して加圧して接触する状態で熱処理して前記前記電子部品と前記配線基板とを前記接続部の金属バンプを介して接合させ、かつ、本実施形態のアンダーフィル材を硬化する接合工程(熱処理工程)
下記の成分をそれぞれ表1〜表3に示す量(単位:質量部)で配合し、三本ロール及びらいかい機にて混練分散した後、真空脱泡して、実施例及び比較例のアンダーフィル材を作製した。表中、「−」は、該当する成分を含有しないことを意味する。作製したアンダーフィル材は、いずれも25℃で液体であった。
・ラジカル重合性化合物1:A−DCP(新中村化学工業株式会社製、商品名、トリシクロデカンジメタノールジアクリレート、官能基当量:152g/eq)
・ラジカル重合性化合物2:ABE−300(新中村化学工業株式会社製、商品名、エトキシ化ビスフェノールAジアクリレート、官能基当量:233g/eq、一般式(I)におけるm+n≒3(カタログ値))
・ラジカル重合性化合物3:FA−321A(日立化成株式会社製、商品名、エトキシ化ビスフェノールAジアクリレート、官能基当量:389g/eq、一般式(I)におけるm+n≒10(カタログ値))
・ラジカル重合性化合物4:UA−13(新中村化学工業株式会社製、商品名、ウレタンアクリレート、官能基当量:744g/eq)
・ラジカル重合性化合物5:HOA−MPE(N)(共栄社化学株式会社製、商品名、2−アクリロイルオキシエチル−2−ヒドロキシエチル−フタル酸、官能基当量:292g/eq)
・可とう剤1:ナノストレングス D51N(アルケマ株式会社製、商品名、変性ポリメタクリル酸メチル−ポリアクリル酸ブチルブロック共重合体、重量平均分子量:57000)
・可とう剤2:ナノストレングス M52N(アルケマ社製、商品名、変性ポリメタクリル酸メチル−ポリアクリル酸ブチル−変性ポリメタクリル酸メチルブロック共重合体、重量平均分子量:183000)
・可とう剤3:クラリティ LA2140e(株式会社クラレ製、商品名、ポリメタクリル酸メチル−ポリアクリル酸ブチル−変性ポリメタクリル酸メチルブロック共重合体、重量平均分子量:120000)
・可とう剤4:クラリティ LA2250(株式会社クラレ製、商品名、ポリメタクリル酸メチル−ポリアクリル酸ブチル−変性ポリメタクリル酸メチルブロック共重合体、重量平均分子量:163000)
・可とう剤5:RICON130MA8(クレイバレー株式会社製、商品名、マレイン酸変性液状ポリブタジエン)
・可とう剤6:YSレジン TO−85(ヤスハラケミカル株式会社製、商品名、芳香族変性テルペン重合体)
・可とう剤7:ニットレジン クロマン L−5(日塗化学株式会社製、商品名、クマロン−インデン−スチレン共重合体)
・ラジカル重合開始剤:Perkadox BC−FF(化薬アクゾ株式会社製、商品名、ジクミルパーオキサイド)
・重合禁止剤:SUMIRIZER GM(住友化学株式会社製、商品名、2−t−ブチル−6−(3−ブチル−2−ヒドロキシ−5−メチルベンジル)−4−メチルフェニルアクリレート)
・フラックス剤:アジピン酸(旭化成ケミカルズ株式会社製)
・カップリング剤:OFS−6030(東レ・ダウコーニング株式会社製、商品名、3−メタクリロイルオキシプロピルトリメトキシシラン)
・揺変付与剤:R805(日本アエロジル株式会社製、商品名、体積平均粒子径12nmの粉末シリカ)
実施例及び比較例で作製したアンダーフィル材を用いて電子部品装置を作製し、以下に示す各試験によって評価した。評価結果を表4〜表6に示す。
配線基板のチップ搭載部に、ディスペンサー(ニードル径:0.3mm)を用いて、アンダーフィル材をクロス形状に塗布し、更に別のクロス形状を45°ずらして重ねるように塗布した(合計塗布量:約3mg)。次いで、70℃に加熱したホットプレートのステージ上に、アンダーフィル材を塗布した配線基板を置き、5分間、30分間又は60分間放置した。その後、配線基板上にチップを搭載し、加重:7.5N、コンタクト温度:150℃、温度/時間:260℃/5秒の条件で熱圧着を行い、その後、175℃、1時間の条件で硬化することで半導体装置を得た。
電子部品装置の作製に用いたチップは、サイズが縦7.3mm、横7.3mm、厚み0.15mmであり、バンプが銅(高さ30μm)とはんだ(材質:SnAg、高さ:15μm)とからなり、バンプピッチが80μmであり、バンプ数が328であった。
B:ボイド面積が全面積の1%を超え5%以下
C:ボイド面積が全面積の5%を超え20%以下
D:ボイド面積が全面積の20%を超える
上記方法にて作製した電子部品装置を120℃/12時間加熱乾燥した後、30℃/70%RHの条件下に192時間放置し、遠赤外線加熱方式のリフロー炉(予熱150℃〜180℃で50秒、ピーク温度260℃、250℃以上の加熱時間40秒)中を3回通した。
その後、超音波探傷装置(AT−5500、日立建機株式会社製、商品名)を用いて、アンダーフィル材の硬化物とチップ及び配線基板との剥離、並びに硬化物のクラックの有無を不良パッケージ数として確認した。吸湿耐熱性として、(不良パッケージ数)/(評価パッケージ数)を評価した。
2 はんだバンプ
3 接続パッド
4 ソルダーレジスト
5 配線基板
6 封止材
10 半導体チップ(電子部品)
15 配線
20 基板
30 接続バンプ
40 フィルム状アンダーフィル材
60 ソルダーレジスト
600 電子部品装置
Claims (7)
- 下記一般式(I)で表される化合物を含むラジカル重合性化合物と、
ラジカル重合開始剤と、
無機充填材と、
下記一般式(II)又は(III)で表される構造単位を有するブロック共重合体を含む可とう剤と、を含有し、
前記一般式(I)で表される化合物の含有率が、3質量%〜30質量%である先供給型アンダーフィル材。
〔一般式(I)中、R1及びR2は、各々独立に、水素原子又はメチル基であり、m及びnは、各々独立に、正数である。一般式(II)及び(III)中、R3、R4、R7、R8及びR9は、各々独立に、水素原子又はメチル基であり、R5、R6、R10、R11及びR12は、各々独立に、CtH2t+1であり、tは1〜8の整数であり、p、q、x、y及びzは、各々独立に、正数である。R3とR4は、同一でも異なっていてもよい。R7、R8及びR9は、同一でも異なっていてもよい。R5とR6は、互いに異なる。R10とR11は互いに異なる。R11とR12は互いに異なる。R10とR12は、同一でも異なっていてもよい。R5、R6、R10、R11及びR12は、各々独立に、部分的に変性されていてもよい。〕 - 前記一般式(I)におけるmとnとの合計が、3.0〜20.0である請求項1に記載の先供給型アンダーフィル材。
- 前記一般式(II)又は(III)で表される構造単位を有するブロック共重合体の重量平均分子量が、10,000〜700,000である請求項1又は請求項2に記載の先供給型アンダーフィル材。
- 請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の先供給型アンダーフィル材の硬化物。
- 請求項4に記載の先供給型アンダーフィル材の硬化物を有する電子部品装置。
- 電子部品と配線基板とを接合部を介して電気的に接合することで電子部品装置を製造する電子部品装置の製造方法であり、前記電子部品における前記配線基板と対向する側の面及び前記配線基板における前記電子部品と対向する側の面からなる群より選択される少なくとも一方の面に、請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の先供給型アンダーフィル材を供給する供給工程と、
前記電子部品と前記配線基板とを接合部を介して接合し、かつ前記先供給型アンダーフィル材を硬化する接合工程と、を含む、電子部品装置の製造方法。 - 電子部品と、前記電子部品と対向して配置され、前記電子部品に接合部を介して電気的に接合される配線基板と、前記電子部品と前記配線基板との間に配置される、請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の先供給型アンダーフィル材の硬化物と、を含有する電子部品装置。
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