JPWO2016148121A1 - フリップチップ実装体の製造方法、フリップチップ実装体、および先供給型アンダーフィル用樹脂組成物 - Google Patents

フリップチップ実装体の製造方法、フリップチップ実装体、および先供給型アンダーフィル用樹脂組成物 Download PDF

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Abstract

先供給型フリップチップボンディングプロセスで、アンダーフィル用樹脂組成物中へのボイド発生を抑制することができる、フリップチップ実装体の製造方法を提供することである。(1)半導体素子に設けられた接続用銅バンプ電極と、回路基板に設けられた接続用電極との少なくとも一方にはんだ層を設ける工程、(2)(A)エポキシ樹脂、(B)芳香族アミン硬化剤、(C)無機充填剤、(D)シランカップリング剤および(E)フラックス剤を含む先供給型アンダーフィル用樹脂組成物を回路基板上へ供給する工程、(3)半導体素子と回路基板を熱圧着し、接続用銅バンプ電極と接続用電極とを、はんだ融点温度以上の温度で1秒以上加熱された後で樹脂組成物の特定範囲の反応率のときに、はんだ接続する工程、および(4)特定の加圧下で、樹脂組成物を硬化させる工程を含む、フリップチップ実装体の製造方法である。

Description

本発明は、フリップチップ実装体の製造方法、この製造方法で製造されるフリップチップ実装体、およびこの製造方法に使用される先供給型アンダーフィル用樹脂組成物に関する。
近年、電子機器のさらなる配線等の高密度化、高周波化に対応可能な半導体チップの実装方式として、フリップチップボンディングが利用されている。一般的に、フリップチップボンディングでは、半導体チップと基板の間隙を、アンダーフィルと呼ばれる材料で封止する。
通常、フリップチップボンディングでは、半導体チップと基板をはんだ付け等で接合した後、半導体チップと基板の間隙に、熱硬化性の半導体樹脂封止組成物であるアンダーフィル剤を充填する(以下、「後供給型」という)。しかしながら、近年では、まず、アンダーフィル剤を基板に塗布し、半導体チップを載せた後、アンダーフィル剤の硬化と、半導体チップと基板の接続とを同時に行うことにより、工程の短縮および硬化時間の短縮を可能とし、その結果、低コストかつ低エネルギーで作製できる、先供給型フリップチップボンディングプロセスが注目され、このプロセス向けの封止材樹脂組成物(以下、「先供給型アンダーフィル用樹脂組成物」という)への要求が高まっている。
より近年のフリップチップのバンプ密度のさらなる向上により、この先供給型フリップチップボンディングプロセスで、先供給型アンダーフィル用樹脂組成物中にボイド(気泡)が残存することが問題となってきた。この問題を解決するために、半田からなる先端部を有する突起電極が形成された半導体チップを、接合材を介して基板上に位置合わせする位置合わせ工程と、半田溶融点以上の温度に加熱して、前記接合材の硬化率を40%以下とし、前記半導体チップの突起電極と前記基板の電極部とを溶融接合させる電極接合工程と、硬化率が40%以下の前記接合材を、加圧雰囲気下で加熱してボイドを除去するボイド除去工程とを有する半導体装置の製造方法(特許文献1)が、開示されている。
しかしながら、上述の半導体装置の製造方法で使用される接合剤は、実質的に、硬化剤として酸無水物、硬化促進剤としてイミダゾール化合物を使用している(特許文献1の第0052、0055、0060段落)ため、接合材のゲル化が起こり易く、ボイド発生を十分に抑制することができない、という問題がある。さらに、接合材の安定性に欠けるため、ボイド除去工程において、加圧キュアオーブンを複雑なステップで操作しなければならない(特許文献1の第0054段落)、という問題もある。ここで、接合材は、チキソトロピー付与剤を含有させることによって所望の粘度挙動を達成することができる(特許文献1の第0026段落)、チキソトロピー付与剤が20重量%以上であると接合材の排除性が低下することがある(特許文献1の第0028段落)と記載されている一方で、実施例1、実施例2には40.6%のチキソトロピー付与剤を含有されている(特許文献1の第0052、0055、0060段落)。このように、従来技術の接合材は、非常に不安定な排除性をもつ組成にしなければ、電極接合後の硬化率や信頼性試験にパスすることができないことが推察される上に、それに伴い加圧キュアオーブンを複雑なステップで操作しなければならない、という問題が発生している。
特開2013−123033号公報
本発明の目的は、先供給型フリップチップボンディングプロセスで、先供給型アンダーフィル用樹脂組成物中へのボイド発生を抑制することができる、フリップチップ実装体の製造方法と、このフリップチップ実装体の製造方法に使用される先供給型アンダーフィル用樹脂組成物を提供することである。
本発明は、以下の構成を有することによって上記問題を解決したフリップチップ実装体の製造方法、フリップチップ実装体、および先供給型アンダーフィル用樹脂組成物に関する。
〔1〕半導体素子に設けられた接続用銅バンプ電極と、回路基板に設けられた接続用電極とが対向し、半導体素子に設けられた接続用銅バンプ電極と、回路基板に設けられた接続用電極とのはんだ接続により回路基板の上に半導体素子が搭載され、回路基板と半導体素子との空隙が樹脂封止されるフリップチップ実装体の製造方法であって、
(1)半導体素子の接続用銅バンプ電極と、回路基板の接続用電極との少なくとも一方に融点が210〜250℃の高融点はんだ層を設ける工程、
(2)(A)エポキシ樹脂、(B)芳香族アミン硬化剤、(C)無機充填剤、(D)シランカップリング剤、および(E)フラックス剤を含む先供給型アンダーフィル用樹脂組成物を回路基板上へ供給する工程、
(3)半導体素子と回路基板を熱圧着し、半導体素子の接続用銅バンプ電極と回路基板の接続用電極とを、はんだ融点温度以上の温度で1秒以上加熱された後で先供給型アンダーフィル用樹脂組成物の反応率が0.1以上25%以下のときに、はんだ接続する工程、および
(4)圧力:0.6MPa以上の加圧下で、供給した先供給型アンダーフィル用樹脂組成物を硬化させる工程
をこの順に含むことを特徴とする、フリップチップ実装体の製造方法。
〔2〕(B)成分が、化学式(7):
Figure 2016148121
で表される芳香族アミン硬化剤、および化学式(8):
Figure 2016148121
で表される芳香族アミン硬化剤からなる群より選択される少なくとも1種である、上記〔1〕記載のフリップチップ実装体の製造方法。
〔3〕(A)成分が、ビスフェノールF型エポキシ樹脂、ビスフェノールA型エポキシ樹脂、アミノフェノール型エポキシ樹脂、およびナフタレン型エポキシ樹脂からなる群より選択される少なくとも1種である、上記〔1〕または〔2〕記載のフリップチップ実装体の製造方法。
〔4〕上記〔1〕〜〔3〕のいずれか記載のフリップチップ実装体の製造方法で製造される、フリップチップ実装体。
〔5〕(A)エポキシ樹脂、(B)芳香族アミン硬化剤、(C)無機充填剤、(D)シランカップリング剤、および(E)フラックス剤を含み、
温度:25℃での粘度が10〜100Pa・sである、上記〔1〕〜〔3〕のいずれか記載のフリップチップ実装体の製造方法に使用される先供給型アンダーフィル用樹脂組成物。
〔6〕(E)成分が、8−キノリノールであり、かつ(E)成分が、先供給型アンダーフィル用樹脂組成物100質量部に対して、0.5〜3質量部である、上記〔5〕記載の先供給型アンダーフィル用樹脂組成物。
〔7〕上記〔5〕または〔6〕記載の先供給型アンダーフィル用樹脂組成物の硬化物を有する、先供給型フリップチップ実装体。
本発明〔1〕によれば、先供給型フリップチップボンディングプロセスで、アンダーフィル用樹脂組成物中へのボイド発生を抑制することができる、フリップチップ実装体の製造方法を提供することができる。
本発明〔4〕、〔7〕によれば、先供給型フリップチップボンディングプロセスで製造された、アンダーフィル用樹脂組成物中のボイド発生が抑制された、フリップチップ実装体を提供することができる。
本発明〔5〕によれば、先供給型フリップチップボンディングプロセスで、アンダーフィル用樹脂組成物中へのボイド発生を抑制することができる、先供給型アンダーフィル用樹脂組成物を提供することができる。
TCB(Thermal−Compression−Bonding)プロファイルAの温度プロファイルを示す図である。 TCBプロファイルBの温度プロファイルを示す図である。 TCBプロファイルCの温度プロファイルを示す図である。 TCBプロファイルDの温度プロファイルを示す図である。 TCBプロファイルEの温度プロファイルを示す図である。 TCBプロファイルFの温度プロファイルを示す図である。 断面に合金層が形成されたサンプルの写真である。 (1)工程を説明するための概略図である。 (1)〜(4)工程を説明するための概略図の一例である。 (1)〜(4)工程を説明するための概略図の一例である。 (1)〜(4)工程を説明するための概略図の一例である。
〔フリップチップ実装体の製造方法〕
本発明のフリップチップ実装体の製造方法は、半導体素子に設けられた接続用銅バンプ電極と、回路基板に設けられた接続用電極とが対向し、半導体素子に設けられた接続用銅バンプ電極と、回路基板に設けられた接続用電極とのはんだ接続により回路基板の上に半導体素子が搭載され、回路基板と半導体素子との空隙が樹脂封止されるフリップチップ実装体の製造方法であって、
(1)半導体素子の接続用銅バンプ電極と、回路基板の接続用電極との少なくとも一方に融点が210〜250℃のはんだ層を設ける工程、
(2)(A)エポキシ樹脂、(B)芳香族アミン硬化剤、(C)無機充填剤、(D)シランカップリング剤、および(E)フラックス剤を含む先供給型アンダーフィル用樹脂組成物を回路基板上へ供給する工程、
(3)半導体素子と回路基板を熱圧着し、半導体素子の接続用銅バンプ電極と回路基板の接続用電極とを、はんだ融点温度以上の温度で1秒以上加熱された後で先供給型アンダーフィル用樹脂組成物の反応率が0.1以上25%以下のときに、はんだ接続する工程、および
(4)圧力:0.6MPa以上の加圧下で、供給した先供給型アンダーフィル用樹脂組成物を硬化させる工程
をこの順に含むことを特徴とする。
本発明は、半導体素子に設けられた接続用銅バンプ電極と、回路基板に設けられた接続用電極とが対向し、半導体素子に設けられた接続用銅バンプ電極と、回路基板に設けられた接続用電極とのはんだ接続により回路基板の上に半導体素子が搭載され、回路基板と半導体素子との空隙が樹脂封止されるフリップチップ実装体の製造方法であり、特に、半導体素子に接続用銅バンプ電極を使用する先供給型フリップチップボンディングプロセスに使用する製造方法である。
(1)半導体素子の接続用銅バンプ電極と、回路基板の接続用電極との少なくとも一方に融点が210〜250℃のはんだ層を設ける工程での、はんだは、融点が低すぎると部品動作時の発熱ではんだが溶融し、誤動作を発生する場合があるため、使用環境が限定的になりやすく、また、高温すぎると実装時の部品への熱的負荷が高くなり、使用できる部材が限定的になるため、融点が210〜250℃であればよく、特に限定されないが、Sn−Ag系、Sn−Cu系またはSn−Ag−Cu系であると、Pbフリーである観点から好ましい。また、基板には、エポキシ樹脂、ガラス−エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂等が挙げられるが、これらに限定されない。
(2)(A)エポキシ樹脂、(B)芳香族アミン硬化剤、(C)無機充填剤、(D)シランカップリング剤、および(E)フラックス剤を含む先供給型アンダーフィル用樹脂組成物(以下、アンダーフィル用樹脂組成物という)を回路基板上へ供給する工程で使用される先供給型アンダーフィル用樹脂組成物については、後述する。
先供給型アンダーフィル用樹脂組成物を回路基板上へ供給する方法としては、ディスペンサー、スクリーン印刷等が挙げられる。
(3)半導体素子と回路基板を熱圧着し、半導体素子の接続用銅バンプ電極と回路基板の接続用電極とを、はんだ融点温度以上の温度で1秒以上加熱された後で先供給型アンダーフィル用樹脂組成物の反応率が0.1以上25%以下のときに、はんだ接続する工程での熱圧着は、フリップチップボンダーを使用すると、温度、圧力の制御性、量産性の観点から好ましい。また、はんだ融点温度以上の温度は、融点より20〜50℃高いと、良好なはんだ接合性の観点から、好ましい。先供給型アンダーフィル用樹脂組成物の反応率は、TCBの前後のアンダーフィル用樹脂組成物の示差走査熱分析(DSC)測定(昇温速度、:10℃/min)を用い、加熱前後の発熱ピーク面積により、
式:{1−(TCB後の発熱量)/(TCB前の発熱量)}×100(%)により、求める。例えば、TCB前のアンダーフィル用樹脂組成物の発熱量が100J/g、TCB後の発熱量が80J/gである場合には、
(1−80/100)×100=20%の反応率になる。解析ソフト(例えば、NETZSCH社製DSCに付属のソフト名:Proteusシリーズ)で発熱量を簡便に表示させることができる。
(4)圧力:0.6MPa以上の加圧下で、供給したアンダーフィル用樹脂組成物を硬化させる工程での圧力は、アンダーフィル用樹脂組成物のボイド低減の観点から、0.6MPa以上であり、構造上の安全面の観点から、1.0MPa以下が、好ましい。
図8〜11に、本発明のフリップチップ実装体の製造方法の一例を説明するための概略図を示す。図8に、(1)工程を説明するための概略図の一例を示す。図8の上図は、半導体素子(Die)の接続用銅バンプ電極(Copper bump)に、はんだ層(Solder)を設ける工程、図8の下図は、回路基板(Substrate)の接続用電極(Electrode)にはんだ層(Solder)を設ける工程である。
図9に、(1)〜(4)工程を説明するための概略図の一例を示す。図9は、半導体素子(Die)の接続用銅バンプ電極(Copper bump)に、はんだ層(Solder)を設ける例である。まず、図9の1のように、(1)半導体素子(Die)の接続用銅バンプ電極(Copper bump)に、はんだ層(Solder)を設ける。次に、図9の2のように、先供給型アンダーフィル用樹脂組成物(Pre−applied underfill)を、回路基板(Substrate)上へ供給する。この後、図9の3のように、(3)半導体素子(Die)と回路基板(Substrate)を、フリップチップボンダー(flip chip bondeer)を用いて熱圧着し、半導体素子(Die)の接続用銅バンプ電極(Copper bump)と回路基板(Substrate)の接続用電極(Electrode)とを、はんだ融点温度以上の温度で1秒以上加熱された後で先供給型アンダーフィル用樹脂組成物の反応率が0.1以上25%以下のときに、はんだ(Solder)接続する。このとき、ボイド(Void)が発生することがある。最後に、図9の4のように、(4)圧力:0.6MPa以上の加圧(Pressure)下で、供給した先供給型アンダーフィル用樹脂組成物(Pre−applied underfill)を硬化(Curing)させる。この加圧により、(C)工程でボイドが発生しても、ボイドを先供給型アンダーフィル用樹脂組成物から排出することができる。
図10に、(1)〜(4)工程を説明するための概略図の一例を示す。図9は、回路基板(Substrate)の接続用電極(Electrode)にはんだ層(Solder)を設ける例である。このこと以外は、図9と同様である。
図11に、(1)〜(4)工程を説明するための概略図の一例を示す。図9は、半導体素子(Die)の接続用銅バンプ電極(Copper bump)に、はんだ層(Solder)を設け、かつ回路基板(Substrate)の接続用電極(Electrode)にもはんだ層(Solder)を設ける例である。このこと以外は、図9と同様である。
〔先供給型アンダーフィル用樹脂組成物〕
本発明のアンダーフィル用樹脂組成物は、(A)エポキシ樹脂、(B)芳香族アミン硬化剤、(C)無機充填剤、(D)シランカップリング剤、および(E)フラックス剤を含み、
温度:25℃での粘度が10〜100Pa・sであり、上述のフリップチップ実装体の製造方法に使用される。
(A)成分は、アンダーフィル用樹脂組成物に、接着性、硬化後の耐久性を付与する。(A)成分としては、ビスフェノールA型エポキシ樹脂、臭素化ビスフェノールA型エポキシ樹脂、ビスフェノールF型エポキシ樹脂、ナフタレン型エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂、ノボラック型エポキシ樹脂、脂環式エポキシ樹脂、エーテル系またはポリエーテル系エポキシ樹脂、オキシラン環含有化合物等が挙げられ、ビスフェノールF型エポキシ樹脂、ビスフェノールA型エポキシ樹脂、アミノフェノール型エポキシ樹脂、およびナフタレン型エポキシ樹脂からなる群より選択される少なくとも1種であると、アンダーフィル用樹脂組成物の粘度の観点から好ましい。
ビスフェノールF型エポキシ樹脂としては、好ましくは、式(1):
Figure 2016148121
で示され、式中、nは平均値を表し、好ましくは0〜10、特に好ましくは0〜4である。エポキシ当量は、160〜900g/eqが好ましい。
ビスフェノールA型エポキシ樹脂としては、好ましくは、式(2):
Figure 2016148121
で示され、式中、mは平均値を表し、好ましくは0〜10、特に好ましくは0〜4である。エポキシ当量は、165〜900g/eqが好ましい。
アミノフェノール型エポキシ樹脂は、好ましくは、式(3):
Figure 2016148121
で示される。(A)成分の市販品としては、DIC製ビスフェノールF型エポキシ樹脂(品名:EXA−830CRP)、DIC製ビスフェノールA型エポキシ樹脂(品名:EXA−850CRP)、DIC製ナフタレン型エポキシ樹脂(品名:HP―4032D)、三菱化学製アミノフェノール型エポキシ樹脂(品名:JER630)等が挙げられる。(A)成分は、単独でも2種以上を併用してもよい。
(B)成分は、アンダーフィル用樹脂組成物に硬化能を付与する。(B)成分としては、フェノール系硬化剤、酸無水物硬化剤、イミダゾール系硬化剤等が挙げられるが、アミン系硬化剤が、反応性制御面から好ましい。特に、芳香族アミン系硬化剤が好ましく、はんだ接続する工程での熱圧着時、その後の加熱圧着時におけるはんだ接続性、ボイド抑制に優れる。また、芳香族アミン系硬化剤として第1級、もしくは第2級アミノ基を分子構造中にもつことが、接着性、信頼性の面から好ましい。芳香族アミン化合物は、1個の芳香族環を有する芳香族アミン化合物および/または複数個の芳香族環を有する芳香族アミン化合物を含むと、好ましい。
1個の芳香族環を有する芳香族アミン化合物としては、メタフェニレンジアミン等が挙げられる。
複数個の芳香族環を有する芳香族アミン化合物としては、ジアミノジフェニルメタン、ジアミノジフェニルスルフォン等が挙げられ、式(4)または式(5):
Figure 2016148121
Figure 2016148121
(式中、Rは、水素、または炭素数1〜5個のアルキル基を表す)で示されるものが好ましく、式(4)または式(5)でRが炭素数2個のアルキル基であるものが、より好ましい。
(B)成分は、1個の芳香族環を有する芳香族アミン化合物および/または複数個の芳香族環を有する芳香族アミン化合物を含み、前記芳香族アミン化合物の合計100質量部に対して、複数個のベンゼン環を有する芳香族アミン化合物が20〜100質量部であるものが、TCB時の反応率制御性、加熱加圧時のボイド抑制効果が高い観点から、より好ましい。(B)成分は、化学式(7):
Figure 2016148121
で表される4,4’−メチレンビス(2−エチルアニリン)、および化学式(8):
Figure 2016148121
で表されるジエチルトルエンジアミンからなる群より選択される少なくとも1種であると、さらに好ましい。(B)成分の市販品としては、日本化薬製芳香族アミン硬化剤(4,4’−メチレンビス(2−エチルアニリン)、品名:KAYAHARD A−A)、アルベマール製ジエチルトルエンジアミン硬化剤(品名:ETHACURE100)等が挙げられる。(B)成分は、単独でも2種以上を併用してもよい。
(C)成分は、アンダーフィル用樹脂組成物の熱膨張係数を低下させる。(C)成分としては、シリカ、アルミナ、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、マイカ、ホワイトカーボン等が挙げられ、硬化後のアンダーフィル用樹脂組成物の熱膨張係数の低下、およびコストの観点から、シリカが好ましい。シリカは、非晶質シリカ、結晶性シリカ、溶融シリカ、粉砕シリカ等、当技術分野で使用される各種シリカを使用することができ、硬化後のアンダーフィル用樹脂組成物の熱膨張係数低下の点から非晶質シリカが好ましい。(C)成分の粒径は、半導体チップと基板の間隙への充填性の観点から、平均粒径:0.1〜2.0μmが好ましく、0.1〜1.0μmがより好ましい。また、(C)成分の形状は、特に限定されず、球状、リン片状、不定形等が挙げられ、アンダーフィル用樹脂組成物の流動性の観点から、球状が好ましい。(C)成分の市販品としては、アドマテックス製シリカ粒子(品名:SOE2)等が挙げられる。(C)成分は、単独でも2種以上を併用してもよい。
(D)成分は、アンダーフィル用樹脂組成物の密着性を向上させる。(D)成分としては、3−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、3−アミノプロピルトリメトキシシラン、ビニルトリメトキシシラン、p−スチリルトリメトキシシラン、3−メタクリロキシプロピルメチルトリメトキシシラン、3−アクリロキシプロピルトリメトキシシラン、3−ウレイドプロピルトリエトキシシラン、3−メルカプ トプロピルトリメトキシシラン、ビス(トリエトキシシリルプロピル)テトラスルフィド、3−イソシアネートプロピルトリエトキシシラン等が挙げられ、3−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、3−アミノプロピルトリメトキシシランが、密着性の観点から好ましい。(D)成分の市販品としては、信越化学工業製KBM403、KBE903、KBE9103等が挙げられる。(D)成分は、単独でも2種以上を併用してもよい。
(E)成分は、アンダーフィル用樹脂組成物のはんだ濡れ性を向上させる。(E)成分としては、式(6):
Figure 2016148121
で示される8−キノリノールや、6−キノリノール、4−キノリノール等が挙げられ、8−キノリノールが好ましい。(E)成分は、単独でも2種以上を併用してもよい。
本発明のアンダーフィル用樹脂組成物は、(A)成分を、アンダーフィル用樹脂組成物100質量部に対して、0.5〜35質量部含むと、アンダーフィル用樹脂組成物の接着性、硬化後の耐久性の観点から、好ましい。
アンダーフィル用樹脂組成物は、成分(B)を、成分(A)100質量部に対して、30〜120質量部含むと、TCB時の反応率制御性、加熱加圧時のボイド抑制効果が高い観点から、好ましい。
アンダーフィル用樹脂組成物は、成分(C)を、成分(A)100質量部に対して、160〜400質量部含むと、アンダーフィル用樹脂組成物の流動性、および硬化後のアンダーフィル用樹脂組成物の熱膨張係数低下の観点から、好ましい。
アンダーフィル用樹脂組成物は、成分(D)を、成分(A)100質量部に対して、0.05〜2質量部含むと、アンダーフィル用樹脂組成物の密着性の観点から、好ましい。
アンダーフィル用樹脂組成物は、(E)成分を、アンダーフィル用樹脂組成物100質量部に対して、0.5〜3質量部含むと、アンダーフィル用樹脂組成物のはんだ濡れ性、ボイド抑制の観点から、好ましい。
本発明のアンダーフィル用樹脂組成物には、本発明の目的を損なわない範囲で、更に必要に応じ、カーボンブラックなどの顔料、染料、消泡剤、酸化防止剤、その他の添加剤等、更に有機溶剤等を配合することができる。ただし、本発明においては、加熱雰囲気で塗布するときにアンダーフィル用樹脂組成物の発泡を抑制する観点から、低沸点の有機溶媒は含まないことが好ましい。
本発明のアンダーフィル用樹脂組成物は、例えば、(A)成分〜(E)成分およびその他の添加剤等を同時にまたは別々に、必要により加熱処理を加えながら、撹拌、溶融、混合、分散させることにより得ることができる。特に、成分(B)が固形の場合には、そのまま配合すると樹脂粘度が上昇し、作業性が著しく悪くなるため、予め加熱により液状化して、成分(A)と混合することが好ましい。これらの混合、撹拌、分散等の装置としては、特に限定されるものではないが、撹拌、加熱装置を備えたライカイ機、3本ロールミル、ボールミル、プラネタリーミキサー、ビーズミル等を使用することができる。また、これら装置を適宜組み合わせて使用してもよい。
本発明のアンダーフィル用樹脂組成物は、温度:25℃での粘度が10〜100Pa・sである。ここで、粘度は、東機産業製粘度計(型番:TV−20形)で測定する。
本発明のアンダーフィル用樹脂組成物の加圧加熱硬化は、0.6MPa以上、150〜200℃で、30〜240分間行うことが好ましい。
〔フリップチップ実装体〕
本発明のフリップチップ実装体は、上述のフリップチップ実装体の製造方法で製造される。また、本発明のフリップチップ実装体は、上述の先供給型アンダーフィル用樹脂組成物の硬化物を有する。
本発明について、実施例により説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。なお、以下の実施例において、部、%はことわりのない限り、重量部、重量%を示す。
〔実施例1〜28、比較例1〜24〕
表1〜4に示す配合で、3本ロールミルを用いて、アンダーフィル用樹脂組成物を調製した。
〔粘度の評価〕
調製したアンダーフィル用樹脂組成物の粘度を、東機産業製粘度計(型番:TV−20形)を用い、25℃で測定した。表1〜4に、結果を示す。
〔テストピース製造条件〕
調製したアンダーフィル用樹脂組成物の評価をするためのテスト用チップを作製した。まず、テスト用チップ(Siサイズ:7.3mm(幅)×7.3mm(長さ)×0.125mm(厚さ)に、接続用銅バンプ電極(バンプ:30μm(幅)×30μm(長さ)×30μm(高さ)のCuピラー上へはんだ層を形成、バンプ数:1048、エリアアレイ配置)と、テストチップを搭載するための有機樹脂基板(基板サイズ:187.5mm(幅)×64.0mm(長さ)×0.36mm(厚さ)、接続用電極:Cu/OSP(Organic Solderbility Preservatives)処理)を準備した。Cuピラー上へ形成したはんだは、Sn−Ag系はんだ(融点:約223℃)であった。
調製したアンダーフィル用樹脂組成物を、有機樹脂基板上へ、武蔵エンジニアリング社製ディスペンサー(型番:SuperΣCM II V5)を用いて、23Gサイズのニードルで、Xパターン状に塗布した。
次に、パナソニックファクトリーソリューションズ社製フリップチップボンダー(型番:FCB3)を用い、テスト用チップと有機樹脂基板を加熱圧接(TCB:Thermal−Compression−Bonding)し、テスト用チップの接続用銅バンプ電極と、有機樹脂基板の接続用電極との接続を行った。このとき、フリップチップボンダーのステージ温度を60℃に設定し、TCBプロファイルをA、B、C、D、E、Fの6条件で設定した。図1〜6に、この6条件のTCB温度プロファイルを示す。このTCBプロファイルは、テスト用チップと有機樹脂基板の間に、熱電対(50μmφ)を入れ、測定した。プロファイルA〜Eの最高温度は262℃、プロファイルFの最高温度は、155℃であった。プロファイルAでは、はんだ融点以上の温度で1.2秒加熱であり、プロファイルBでは、はんだ融点以上の温度で3.8秒加熱であり、プロファイルCでは、はんだ融点以上の温度で6.9秒加熱であり、プロファイルDでは、はんだ融点以上の温度で10.9秒加熱であり、プロファイルEでは、はんだ融点以上の温度で15.8秒加熱であり、プロファイルFでは、はんだ融点以上の温度に達していなかった。この6条件のTCBプロファイルプロファイルの圧力は、40Nであった。
TCBした試験片を、下記温度プロファイルA〜C、温度プロファイルA〜Dが組まれたプレッシャーオーブン(加熱加圧オーブン)中へ入れ、アンダーフィル用樹脂組成物を硬化させた。
温度プロファイルA:室温から165℃まで30分間で昇温させ、165℃で90分間保持させた後、室温まで降温させた。
温度プロファイルB:室温から165℃まで30分間で昇温させ、165℃で60分間保持させた後、室温まで降温させた。
温度プロファイルC:室温から165℃まで30分間で昇温させ、165℃で30分間保持させた後、室温まで降温させた。
圧力プロファイルA:昇温開始と同時に常圧から圧力を上げ始め、5分以内にオーブン内の圧力を0.7MPaまで上昇させ、加熱時間終了と同時に降圧を開始し、常圧まで圧力を降下させた。
圧力プロファイルB:昇温開始と同時に常圧から圧力を上げ始め、5分以内にオーブン内の圧力を0.6MPaまで上昇させ、加熱時間終了と同時に降圧を開始し、常圧まで圧力を降下させた。
圧力プロファイルC:昇温開始と同時に常圧から圧力を上げ始め、5分以内にオーブン内の圧力を0.5MPaまで上昇させ、加熱時間終了と同時に降圧を開始し、常圧まで圧力を降下させた。
圧力プロファイルD:昇温開始と同時に常圧から圧力を上げ始め、5分以内にオーブン内の圧力を0.3MPaまで上昇させ、加熱時間終了と同時に降圧を開始し、常圧まで圧力を降下させた。
〔反応率の測定〕
アンダーフィル用樹脂組成物の反応率(単位:%)を測定した。TCBの前後のアンダーフィル用樹脂組成物の示唆走査熱分析(DSC)測定(昇温速度、:10℃/min)を用い、加熱前後の発熱ピーク面積により、式:{1−(TCB後の発熱量)/(TCB前の発熱量)}×100(%)により、求めた。
〔初期評価〕
テストピースは、各実施例、比較例について、7ピースを作製した。
《C−SAM試験》
各実施例、比較例で作製したテストピースを、超音波探傷装置を用い、反射法で、ボイド、デラミネーションの発生状態を確認した。この測定は作製したテストピースすべてについて、実施した。C−SAM画像上で、白い影が見えたものを、不良品とした。
《平面研磨試験》
作製した7テストピースの内、2テストピースを取り出し、チップ部分のみを研磨して除去した。次に、チップを除去した有機樹脂基板のチップを取り除いた部分を、光学顕微鏡(×100、×200)で観察し、ボイドの存在状態を確認した。ボイドが1箇所以上観察されたものを不良とした。なお、C−SAM試験で、良品、不良品の両モードが確認された場合には、良品、不良品を1テストピースずつ観察した。
《はんだ濡れ試験》
作製した7テストピースの内、2テストピースを取り出し、チップと基板の接合部が観察できるように切断した後、研磨して、チップと基板の接合部を露出させた。次に、走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて1000倍で、露出した接合部を観察した。このとき、接合部に合金層が形成されていないものを不良とした。なお、C−SAM試験で、良品、不良品の両モードが確認された場合には、良品、不良品を1テストピースずつ観察した。図7に、断面に合金層が形成されたピースの写真を示す。図7からわかるように、合金層は、はんだ中に形成され、特に、銅バンプ電極(図7の下部)とはんだの界面近傍と、接続用電極(図7の上部)とはんだの界面近傍に、形成されていた。
《抵抗値試験》
作製した7テストピースを、抵抗値測定パッド間の抵抗値を測定した。テストピースは、デイジーチェーン構造であり、28〜32Ωの抵抗値を示したものを合格とした。
《X線観察》
各実施例、比較例で作製したテストピースを、X線検査装置を用いて端子間のはんだブリッジの有無を確認した。この測定は、作製したテストピースすべてで、実施した。X線画像上、はんだが端子間でつながっているものを不良品とした。
〔MRT評価〕
初期評価として作製したテストピース(n=3)を、恒温恒湿槽(30℃/60%RH)中、192時間放置した後、260℃のリフロー炉へ、3回繰返し通した。
初期評価と同様に、C−SAM試験、抵抗値試験、X線観察を行った。なお、初期評価の結果が悪かったテストピースについては、MRT評価を行わなかった。
Figure 2016148121
Figure 2016148121
Figure 2016148121
Figure 2016148121
Figure 2016148121
Figure 2016148121
表1〜6からわかるように、実施例1〜28のすべてで、初期評価のボイド試験、接続性試験、MRT評価でのボイド試験、接続性試験の結果が良好であった。これに対して、TCBプロファイル終了時の反応率が高すぎる比較例1〜4、15〜20は、初期評価でボイドが観察された。加熱加圧オーブンでの圧力が低すぎる比較例5〜14でも、初期評価でボイドが観察された。(E)成分を含まない比較例21では、初期評価での接続性が悪かった。TCBプロファイルでの温度が低すぎる(最高温度が155℃)である比較例22も、初期評価での接続性が悪かった。(D)成分を含まない比較例23は、初期評価での抵抗値とX線観察の結果が悪かった。(C)成分を含まない比較例24は、初期評価でボイドが観察された。
本発明は、先供給型フリップチップボンディングプロセスで、先供給型アンダーフィル用樹脂組成物中へのボイド発生を抑制することができる、フリップチップ実装体の製造方法と、このフリップチップ実装体の製造方法に使用される先供給型アンダーフィル用樹脂組成物を提供でき、非常に有用である。

Claims (7)

  1. 半導体素子に設けられた接続用銅バンプ電極と、回路基板に設けられた接続用電極とが対向し、半導体素子に設けられた接続用銅バンプ電極と、回路基板に設けられた接続用電極とのはんだ接続により回路基板の上に半導体素子が搭載され、回路基板と半導体素子との空隙が樹脂封止されるフリップチップ実装体の製造方法であって、
    (1)半導体素子の接続用銅バンプ電極と、回路基板の接続用電極との少なくとも一方に融点が210〜250℃のはんだ層を設ける工程、
    (2)(A)エポキシ樹脂、(B)芳香族アミン硬化剤、(C)無機充填剤、(D)シランカップリング剤、および(E)フラックス剤を含む先供給型アンダーフィル用樹脂組成物を回路基板上へ供給する工程、
    (3)半導体素子と回路基板を熱圧着し、半導体素子の接続用銅バンプ電極と回路基板の接続用電極とを、はんだ融点温度以上の温度で1秒以上加熱された後で先供給型アンダーフィル用樹脂組成物の反応率が0.1以上25%以下のときに、はんだ接続する工程、および
    (4)圧力:0.6MPa以上の加圧下で、供給した先供給型アンダーフィル用樹脂組成物を硬化させる工程
    をこの順に含むことを特徴とする、フリップチップ実装体の製造方法。
  2. (B)成分が、化学式(7):
    Figure 2016148121
    で表される芳香族アミン硬化剤、および化学式(8):
    Figure 2016148121
    で表される芳香族アミン硬化剤からなる群より選択される少なくとも1種である、請求項1記載のフリップチップ実装体の製造方法。
  3. (A)成分が、ビスフェノールF型エポキシ樹脂、ビスフェノールA型エポキシ樹脂、アミノフェノール型エポキシ樹脂、およびナフタレン型エポキシ樹脂からなる群より選択される少なくとも1種である、請求項1または2記載のフリップチップ実装体の製造方法。
  4. 請求項1〜3のいずれか1項記載のフリップチップ実装体の製造方法で製造される、フリップチップ実装体。
  5. (A)エポキシ樹脂、(B)芳香族アミン硬化剤、(C)無機充填剤、(D)シランカップリング剤、および(E)フラックス剤を含み、
    温度:25℃での粘度が10〜100Pa・sである、請求項1〜3のいずれか1項記載のフリップチップ実装体の製造方法に使用される先供給型アンダーフィル用樹脂組成物。
  6. (E)成分が、8−キノリノールであり、かつ(E)成分が、先供給型アンダーフィル用樹脂組成物100質量部に対して、0.5〜3質量部である、請求項5記載の先供給型アンダーフィル用樹脂組成物。
  7. 請求項5または6記載の先供給型アンダーフィル用樹脂組成物の硬化物を有する、先供給型フリップチップ実装体。
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