JPH0256941A - 半導体素子の封止方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、高密度、高信頼性が求められる半導体素子
の封止方法に関する。

〔従来の技術〕

半導体素子の実装方法の中に、フリップチップ実装があ
る。フリップチップ実装は、第３図にみるように、基板
１表面の電路（電気回路）（図示省略）と半導体素子２
のパッド（図示省略）とを多数のバンプ（突起電極）３
・・・を介して接合し、電気的に接続するものであり、
これにより、実装面積の極小化、接合に要する時間の短
縮、接合強度の向上をはかっている。

フリップチップ実装された半導体素子も、他の半導体素
子実装の場合と同様に、急激な温度変化や水分存在下で
の不純イオン侵入等の外部ストレスから、素子の機能を
保護するための封止が必要である。

他方、フリップチップ実装は、半導体素子を基板にグイ
ボンディングしてワイヤで接続する実装方法と異なり、
基板と半導体素子との間にはバンプの高さ、たとえば、
数十μ腸〜百数十１の間隔の空隙が存在しており、バン
プで両者の機械的な結合をも行っている。半導体素子と
基板とは、熱による膨張収縮率が一般に異なっているた
め、ヒートサイクルなどの温度変化を受けると、バンプ
に応力がかかり、バンプに欠陥が生じるという問題があ
る。

温度変化、たとえばヒートサイクル試験等における熱ス
トレスによりバンプに欠陥が発生するのを防ぐために、
下記■〜■の試みがなされている〔畑田：ワイヤレスボ
ンディングの最新技術動向「月刊セミコンダクターワー
ルド」第６巻、第１０号（１９８７，９）、第８４〜９
２頁〕。

■　半導体素子のパッド部とはんだバンプとの間、およ
び／または、はんだバンプと基板のパッド部との間に導
電性ゴムや導電性接着剤を介在させて応力を吸収する。

■　バンプを複数個重ねて応力を吸収する。

■　バンプ周辺のみを樹脂で補強する。

■　光硬化性樹脂で半導体素子の回路面と基板回路面と
の間を充填して硬化させ、この硬化による収縮応力で半
導体素子の電極と基板の電極とをバンプを介して圧接す
る。

これら以外にも、ポリブタジェンゴムを含有するエポキ
シ樹脂組成物で、半導体素子の回路面と基板回路面との
間を充填することにより、バンプと半導体素子自身を保
護するという試みも行われている（曽我はか：樹脂補強
フリップチップ実装の寿命解析「電子情報通信学会技術
研究報告」ＣＰＭ８７−３９、第２５〜３０頁）。

〔発明が解決しようとする課題〕

以上述べたような封止方法では、耐ヒートサイクル性は
向上するが、耐湿性が充分ではなく、問題がある。

他方、発明者らは、耐湿性も優れたエポキシ樹脂組成物
として、酸無水物硬化剤を用いたものをすでに提案して
いる（特願昭６３−０１５１６２号参照）。このエポキ
シ樹脂組成物は、半導体素子と基板の間にのみ使用する
場合には、耐湿性が非常に優れる上、無封止のものに比
べて耐ヒートサイクル性も充分に向上する。

しかし、このような封止構造だと、封止樹脂と半導体素
子との界面の端部が外部に向けて露出しているため、そ
の界面を伝って水分などが侵入しやすい。これを防ぐた
めに、第２図にみるように、封止樹脂６で、半導体素子
２と基板１の間を充填するとともに、半導体素子２背面
を含む全体を覆ってしまうことが考えられた。ところが
、このように半導体素子２を全体的に封止樹脂６で覆っ
てしまうと、ヒートサイクル試験により半導体素子２背
面の四隅を中心に封止樹脂６にクランク１０が発生する
という問題点が生じる。

そこで、この発明は、フリップチップ型の実装を行った
半導体素子と基板の間を充填し、同半導体素子全体を覆
うことにより樹脂硬化物で封止する場合に、高い耐湿信
頼性と耐ヒートサイクル性を実現することができる、半
導体素子の封止方法を提供することを課題とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題を解決するために、この発明にかかる半導体素
子の封止方法は、基板表面の電路上にバンプを介して接
合された半導体素子と前記基板との間を充填する封止に
、酸無水物硬化剤を含む酸無水物硬化型液状エポキシ樹
脂組成物を使用し、前記半導体素子全体を覆う封止には
、アミン化合物硬化剤および合成ゴム状物質を含むアミ
ン硬化型エポキシ樹脂組成物を使用するものとされてい
る。

〔作　　　用〕

この発明によれば、半導体素子と基板との間を充填して
封止する、上記酸無水物硬化型液状エポキシ樹脂組成物
の硬化物の電気特性が良好なため、耐湿信頼性が優れる
。また、耐ヒートサイクル性については、詳細は不明で
あるが、硬化物物性（ヤング率、線膨張係数、ポアソン
比）、樹脂の硬化収縮、樹脂の厚みが数十ｐ〜百数十μ
ｍ程度と薄いことなどの総合的な要因により向上するも
のと考えられる。また、前記酸無水物硬化型エポキシ樹
脂組成物が液状であるため、基板に接合された半導体素
子の端部における基板との間に樹脂を塗布して室温のま
ま、あるいは、数十℃に加熱して半導体素子一基板間の
隙間にボイドなく充填するのが容易である。

また、この発明によれば、半導体素子全体が上記アミン
硬化型エポキシ樹脂組成物の硬化物で覆われて封止され
るので、同硬化物中に合成ゴム状物質がいわゆる海鳥構
造、たとえば、合成ゴム状物質の多数の微小体が硬化樹
脂のマトリックス中に分散している構造で存在している
。このため、同硬化物に応力が生じたときには、硬化樹
脂マトリ・ノクス中に多数分散している合成ゴム状物質
が硬化樹脂よりも先にひずみを生じ、硬化物は低ヤング
率、低線膨張率となり、いわゆる低応力樹脂となる。こ
のため、半導体素子全体を覆うように封止しても、熱応
力が最も大きくなる半導体素子（チップ）のコーナー（
角部）付近において発生する応力の絶対値が小さくなり
、ヒートサイクル試験などでクランクが発生することが
ないか、あるいは、クランクの発生が非常に少なくなる
。

〔実　施　例〕

この発明では、第１図にみるように、多数のバンプ３・
・・を介して基板１側の電路（図示省略）と接合された
半導体素子２と基板１との間を充填し、封止するための
樹脂（以下「樹脂Ａ」と言う）と、樹脂Ａで封止する部
分以外の半導体素子２全体を封止するための樹脂（以下
「樹脂Ｂ」と言う）に、異なる組成のエポキシ樹脂組成
物を用いる。つまり、樹脂Ａには、１分子内に酸無水物
基を１個以上有する有機酸無水物を硬化剤として含む、
いわゆる酸無水物硬化型液状エポキシ樹脂組°成物を用
い、また、樹脂Ｂには、アミン化合物硬化剤および合成
ゴム状物質を含む、いわゆるアミン硬化型エポキシ樹脂
組成物を用いる。そして、酸無水物硬化型液状エポキシ
樹脂組成物を、基板の電路にバンプを介して接合された
半導体素子と前記基板との間に充填して硬化させ、アミ
ン硬化型エポキシ樹脂組成物で前記半導体素子全体を覆
って硬化させ、封止を行うのである。酸無水物硬化型液
状エポキシ樹脂組成物の硬化物が、バンプの回りも覆っ
て同バンプを補強するように封止するのがよい。

前記酸無水物硬化型液状エポキシ樹脂組成物は、エポキ
シ樹脂、硬化剤としての酸無水物、その他必要に応じて
適宜添加される成分を含む。この発明の効果を損なわな
いならば、硬化剤として酸無水物以外のものも併用する
ようにしてもよい。

前記酸無水物硬化型液状エポキシ樹脂組成物は、その硬
化物中の極性基が比較的少なく、これにより水分への親
和性が小さいという特性を持つため、耐湿性に優れる。

酸無水物硬化型エポキシ樹脂組成物は、半導体素子２と
基板１との間にボイドなく充填し、また、バンプを回り
を多いやすくするために、室温（または室温付近の温度
）で液状であるものが好ましい。

この発明で用いる酸無水物硬化型液状エポキシ樹脂組成
物としては、特に限定するものではないが、発明者らが
先に提案した液状エポキシ樹脂組成物（特願昭６３−０
１５１６２号参照）が好ましい。この液状エポキシ樹脂
組成物は、硬化剤として下記の成分（ａｌが使用され、
充填材として下記の成分（ｂ）が使用されているもので
ある。

（ａ）１分子中に酸無水物基を１個有し液状である化合
物に、１分子中に酸無水物基を複数個有する化合物が熔
解されてなる硬化剤。

（ｂｌ　　組成物全体の１０〜６０重量％を占め、５０
μ以上の粒子の割合が充填材全体中に１Ｍ量％以下、か
つ、平均粒径１０μ以下である充填材。

前記酸無水物としては、たとえば、無水フタル酸、無水
トリメリット酸、無水ピロメリット酸。

無水ヘンシフエノンテトラカルボン酸等の芳香族酸無水
物、メチルテトラヒドロフタル酸無水物（ＭＴＨＰＡ）
、メチルへキサヒドロフタル酸無水物（ＭＨＨＰＡ）、
テトラヒドロフタル酸無水物へキサヒドロフタル酸無水
物、メチルブテニルテトラヒドロフタル酸無水物、メチ
ルシクロヘキセンテトラカルボン酸無水物等の環状脂肪
族酸無水物、下記構造式（Ａ）、＠で表される化合物Ａ
、　　Ｂ等が挙げられる。これらは、それぞれ、単独で
、または、複数混合して使用することができる。また、
これら以外の酸無水物系硬化剤を用いるようであっても
よい。樹脂組成物を液状とする場合には、酸無水物も液
状のものを用いると便利である。なお、１分子中に１個
の酸無水物基を有する単官能酸無水物、たとえば、ＭＴ
ＨＰＡおよび／またはＭＨＨＰＡなどと、１分子中に複
数個の酸無水物基を有する多官能酸無水物、たとえば、
下記化合物Ａ、Ｂなどとを併用するようにしてもよい。

多官能酸無水物と単官能酸無水物とを併用する場合には
、多官能酸無水物を液状の単官能酸無水物に熔解して用
いたり、多官能酸無水物を粉体として成分中に分散させ
たりすることができる。

酸無水物硬化剤が過剰に存在すると、硬化物が、カルボ
ン酸極性基（カルボキシル基）を持つようになる。この
ため、密着性は高まるが、水分が硬化物そのものの内部
を通りやす（なり、信頼性が悪くなることがある。

したがって、酸無水物の使用割合は、エポキシ樹脂のエ
ポキシ基１　（ｆｌｉｔに対して、酸無水物の酸無水物
基、 当量の酸無水物を用いることが好ましい。この割合が０
．６よりも小さいと、充分な硬化が得られず、０．９よ
りも大きいと、耐湿信頼性が劣ることがある。

酸無水物系硬化剤は、下記構造式（Ａ）で表される化合
物Ａ、すなわち、５−　（２，５−ジオキソテトラヒド
ロ−３−フラニル）−３−メチル−３−シクロヘキセン
−１，２−ジカルボン酸無水物、または、下記構造式（
Ｂ） が０．６〜０．９個の割合となるように酸無水物を用　
　で表される化合物Ｂ、すなわち、グリセロールドいる
、すなわち、エポキシ基に対して０．６〜０．９　　　
　リスアンヒドロトリメリテートを含むことが好ましい
。

上記単官能酸無水物と多官能酸無水物との併用比率は、
特に限定されない。しかし１．下記の点を考慮すると、
両者の酸無水物基のモル比が、単官能酸無水物の酸無水
物基のモル数：多官能酸無水物の酸無水物基のモル数＝
８：２〜４：６の範囲内になるように両者を併用するこ
とが好ましい。

このモル比の範囲よりも多官能酸無水物が少なくなると
、硬化物の耐熱温度が充分高くならず、多官能酸無水物
による耐ヒートサイクル性の効果が薄れることがある。

逆に、そのモル比の範囲よりも多官能酸無水物が過剰に
なると、組成物粘度が上昇して液状材料とするのに不適
当となるおそれがある。

前記アミン硬化型エポキシ樹脂組成物は、エポキシ樹脂
、硬化剤としてのアミン化合物、合成ゴム状物質、その
他必要に応じて適宜添加される成分を含む。この樹脂組
成物も固形であってもよ（、液状であってもよい。前記
アミン硬化型エポキシ樹脂組成物は、その硬化物中の極
性基が多くて密着性が高く、しかも、合成ゴム状物質が
散在していて低応力であるという特性を持つ。

前記アミン化合物としては、第１アミン、第２アミン、
第３アミンのいずれもが使用される。たとえば、芳香族
アミン系化合物、脂肪族アミン系化合物、ジヒドラジド
類、ジシアンジアミド、ＮＨ基を有するイミダゾール化
合物、アミンイミドなどが挙げられる。これらは、それ
ぞれ、単独で、または、複数混合して使用することがで
きる。また、これら以外のアミン化合物硬化剤を用いる
ようであってもよい。

前記合成ゴム状物質は、室温（または室温付近の温度）
でゴム状または液状であることが好ましく、たとえば、
分子末端にカルボキシル基を持つポリブタジェン、分子
末端にカルボキシル基を持つアクリロニトリルとブタジ
ェン共重合物などが使用されるが、これに限るものでは
ない。

特に限定するものではないが、アミン硬化型エポキシ樹
脂組成物としては、特開昭６０−２４８７６９号公報で
示されたジシアンジアミド、イミダゾール系化合物、ア
ミンイミド化合物、ヒドラジド系化合物や特開昭６２−
２５１１７号公報で示されたＡＤＨ（アジピン酸ジヒド
ラジド）や下式で示される構造のトリアジン系化合物、
たとえば２．４−ＨＴ　（２，４−ジヒドラジン−６−
メチルアミノ−ｓｙｍ　−トリアジン：Ｒ’＝Ｈ，Ｒ”
＝ＣＨ８の場合）等を硬化剤とし、合成ゴム状物質とし
て、ＣＴＢＮ　（末端カルボキシル基を有する、アクリ
ロニトリルとブタジェン共重合物）などを用いたエポキ
シ樹脂組成物が好ましい。

この発明で用いるエポキシ樹脂としては、１分子内に複
数個のエポキシ基を有するものであれば特に限定はなく
、たとえば、ビスフェノールＡジグリシジルエーテル、
ビスフェノールＦジグリシジルエーテルなどのいわゆる
エピ−ビス型エポキシ樹脂、フェノールノボラック樹脂
のグリシジルエーテルなどのフェノールノボラック型エ
ポキシ樹脂、タレゾールノボラック樹脂のグリシジルエ
ーテルなどのタレゾールノボラック型エポキシ樹脂、脂
環式エポキシ樹脂、ハロゲン化エポキシ樹脂などが挙げ
られる。これらは、それぞれ、単独で、または、複数混
合して使用することができる。また、これら以外のエポ
キシ樹脂を用いるようにであってもよい。硬化物の高信
頼性、高剛性、高密着性を得るためには、エポキシ樹脂
として、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂を用いること
が好ましい。樹脂組成物を液状とする場合には、エポキ
シ樹脂も液状のものを用いると便利である。

この発明で用いる両エポキシ樹脂組成物は、それぞれ、
最終的に上述した各必須成分が混合１分散、混練された
状態となるのであれば、−液性組成物、二液性組成物、
ペレット材等、供給される形態は特に限定されない。ま
た、通常、エポキシ樹脂組成物に添加される各種の添加
剤のうち、この発明の目的に反しない物質については、
作用効果を阻害しない量であれば、配合することもでき
る。そのような添加剤としては、たとえば、硬化促進剤
、充填材、顔料、希釈剤、カップリング剤、レヘリング
剤、消泡剤、イオントラップ剤などが挙げられる。これ
らは、いずれか１種だけが用いられたり、２種以上が用
いられたりする。

前記硬化促進剤としては、第３アミンもしくはその塩、
トリアゾール類もしくはその塩、イミダゾール類もしく
はその塩、有機金属錯塩、有機酸金属塩、第４級アンモ
ニウム塩、ホスフィン類、ホスホニウム塩、ジアザビシ
クロアルケン類もしくはその塩など、公知のものが、単
独でまたは２種以上混合して使用される。これら硬化促
進剤は１液タイプ、２液タイプのいずれを用いてもよい
。耐湿性の優れた硬化物が得られるという点からは、硬
化促進剤として、ジアザビシクロウンデセン（ＤＢＵ）
塩を用いるのがよい。ＤＢＵ塩とは、ＤＢＵカチオンと
それに対応する対アニオンとからなるものを言う。この
ようなりＢＵ塩としては、たとえば、ＤＢＵ−フェノー
ルノボラック樹脂塩、ＤＢＵ−オクチル酸塩、ＤＢＵ−
ホウ酸塩、ＤＢＵ−フタル酸塩、ＤＢＵ−トルエンスル
フォン酸塩など種々のものが挙げられる。これらＤＢＵ
塩も、それぞれ、単独で、または、複数混合して使用す
ることができる。

前記充填材としては、エポキシ樹脂に使用される一般的
なものが使用される。たとえば、溶融シリカ、結晶シリ
カ、タルク、炭酸カルシウムなどが、それぞれ、単独で
または複数混合して用いられる。これら以外の充填材も
使用できるが、耐湿信頼性に悪影響を与える遊離イオン
や加水分解性ハロゲンの含有量が少ないものが好ましい
。

なお、酸無水物硬化型液状エポキシ樹脂組成物に充填材
を用いる場合、充填材は、平均粒径が１０μｍ以下であ
り、かつ、５０ｘ以上の粒径の粒子が全充填材中に１重
量％以下しか含まれていないものを使用し、酸無水物硬
化型液状エポキシ樹脂組成物の充填材含量は、１０〜６
０重量％とすることが好ましい。これらの数値範囲を外
れると、樹脂組成物を狭い間隙に侵入させにく（なった
り、線膨張率、吸湿率が大きくなったりして、封止に適
さな（なることがある。

前記顔料としては、たとえば、カーボンブラック、ベン
ガラ、チタンホワイトなどの一般に使用されるものが挙
げられ、半導体素子と基板との間に侵入させやすくする
ため、平均粒径１　ｐｙｉ以下であって、エポキシ樹脂
中に分散されている状態が好ましい。前記希釈剤として
は、たとえば、フェニルグリシジルエーテルなどが挙げ
られる。カップリング剤としては、たとえば、シランカ
ップリング剤などが挙げられる。

なお、この発明は、上記実施例に限るものではない。

以下に、この発明の具体的な実施例および比較例を示す
が、この発明は、下記実施例に限定されない。

なお、下記実施例および比較例で用いた、酸無水物硬化
型液状エポキシ樹脂組成物（樹脂Ａ）の配合を第１表に
、アミン硬化型エポキシ樹脂組成物（樹脂Ｂ）の配合を
第２表にそれぞれ示した。

一実施例１〜５− 酸無水物硬化型液状エポキシ樹脂組成物、および、アミ
ン硬化型エポキシ樹脂組成物として、それぞれ、第３表
に示すものを用いた。

基板１として、アルミベース基板（松下電工株式会社製
Ｒ−０７１２）を用い、半導体素子２として、アルミパ
ターンをｔ苗いた８識１角のシリコンチップを用い、基
板１上のアルミパターンの電極と半導体素子２のパッド
とをバンプ３・・・を介して接合し、電気的に接続した
。半導体素子２と基板１の間隔（バンプ高さ）は約７０
μ−であった。

第１表の樹脂Ａに用いたのは、エポキシ当量１７４のビ
スフェノールＡ型エポキシ樹脂（東部化成−のＹＤ−８
１２５）、酸無水物当量１６８のＭＨＨＰＡ　（大日本
インキ化学工業■のＢ−６５０）、酸無水物当Ｎ１３２
の化合物Ａ（大日本インキ化学工業■のＢ−４４００）
、硬化促進剤（ジアザビシクロウンデセンオクチル酸塩
。サンアブローの５Ａ−１０２）、硬化促進剤（アミン
系化合物とエポキシ化合物のプレポリマー。味の素Ｇ増
のＭＹ−２４）、充填材（平均粒径８／／ｍの熔融シリ
カ。龍森■のＹ−４０）であった。第２表の樹脂Ｂに用
いたのは、エポキシ当量１８５のビスフェノールＡ型エ
ポキシ樹脂（東部化成０零のＹＤ１２８）、アミン系硬
化剤（ＡＤＨ，日本ヒドラジン＠ｆＡ）　、アミン系硬
化剤（２，４−ＨＴ。

日本ヒドラジン■製）、合成ゴム状物質（末端カルボキ
シル基のアクリロニトリル−ブタジェン共重合物。宇部
興産−のＣＴＢＮ１３００＊８）、硬化促進剤（２，４
−ジアミノ−６−（２’−メチルイミダゾリル−（１’
））エチル−５−トリアジンのイソシアヌル酸付加物。

四国化成工業−の２ＭＡ−ＯＫ）　、充填材（平均粒径
８μ朧の熔融シリカ。龍森■のＹ−４０）であった。

なお、各表中の配合量を表す「部」は重量部である。

樹脂Ａおよび樹脂Ｂとも、各表に記載の配合をホモデイ
スパー（特殊機化工業■製）で１１００Ｏｒｐで１０分
間混合した後、真空脱泡して調製した。

以上のようにして調製した樹脂Ａおよび樹脂Ｂを第３表
に示す組み合わせで用い、第１図にみるように、樹脂Ａ
を半導体素子２と基板１との間に充填して硬化させ、そ
の上から樹脂Ｂで半導体素子２全体を覆って硬化させ、
半導体素子２を封止した。第３表において、樹脂種類の
内側とは、半導体素子２と基板１の間を意味し、外側と
は、内側以外の半導体素子２全体を覆う部分を、意味す
るー比較例１ 第３表にみるように、実施例で用いた半導体素子２につ
いて、実施例と同様に基板１に実装した後、封止を行わ
なかった。

一比較例２．３− 第３表にみるように、内外の樹脂の種類を同じにして、
実施例と同様にして封止を行った。

上記実施例および比較例において封止した半導体素子（
比較例１は封止せず）を、２ａｔｍの飽和ＰＣＴで耐湿
性を調べた。また、別途、マイナス２０℃←→プラス１
２０℃（各３０分間ずつ）の気相ヒートサイクル試験も
行った。ＰＣＴでの評価項目は、所定時間処理後、基板
１の電路からバンブ３−半導体素子２上のアルミパター
ン回路−バンブ３を経て基板１の電路に至る経路上に断
線（主としてアルミ腐食による）があるか否かである。

ヒートサイクル試験での評価項目は、ＰＣＴと同様の断
線があるか否か（ただし、アルミ腐食でなく、バンブの
クランクによる断線が主）、および、半導体素子全体を
覆っている外側の樹脂表面にクラックが発生しているか
否かである。

これらの評価結果も第３表に併せて示した。

第３表かられかるように、内側に、酸無水物硬化型エポ
キシ樹脂組成物を用い、外側に、合成ゴム系物質を含む
アミン硬化型エポキシ樹脂組成物を用いた場合のみ、耐
湿性および耐ヒートサイクル性がともに向上することが
わかる。

〔発明の効果〕

この発明にかかる半導体素子の封止方法は、以上のよう
なものであるので、この発明によれば、高い耐湿信頼性
と耐ヒートサイクル性を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１１ｆｆｌはこの発明にかかる半導体素子の封止方法
の１実施例の断面図、第２図は従来の半導体素子の封止
方法の１例の断面図、第３図はフリップチップ型の実装
を行った半導体素子の１例の断面図である。 ■・・・基板　２・・・半導体素子　３・・・バンプ　
Ａ・・・樹脂ＡＢ・・・樹脂Ｂ 代理人　弁理士　　松　本　武　彦 第３図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １基板表面の電路上にバンプを介して接合された半導体
   素子を樹脂硬化物で封止する方法であって、前記半導体
   素子と基板との間を充填する封止には、酸無水物硬化剤
   を含む酸無水物硬化型液状エポキシ樹脂組成物を使用し
   、前記半導体素子全体を覆う封止には、アミン化合物硬
   化剤および合成ゴム状物質を含むアミン硬化型エポキシ
   樹脂組成物を使用することを特徴とする半導体素子の封
   止方法。