JPWO2017175481A1 - 三次元集積積層回路製造用シートおよび三次元集積積層回路の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
〔三次元集積積層回路製造用シート〕
図1には、第1の実施形態に係る三次元集積積層回路製造用シート1の断面図が示される。図1に示すように、本実施形態に係る三次元集積積層回路製造用シート1(以下「製造用シート1」という場合がある。)は、接着剤層13と、当該接着剤層13の少なくとも一方の面に積層された剥離シート14とを備える。なお、剥離シート14は省略されてもよい。
(1)材料
本実施形態に係る三次元集積積層回路製造用シート1,2において、接着剤層13を構成する材料は、熱伝導性フィラーを含有する。また、当該材料は、さらに、熱硬化性成分、硬化剤、硬化触媒、高分子量成分、フラックス機能を有する成分等を含有することが好ましい。
接着剤層13を構成する材料は、熱伝導性フィラーを含有する。ここで、熱伝導性フィラーとは、高い熱伝導率を有するフィラーをいい、例えば、25℃における熱伝導率が10W/m・K以上のフィラーをいい、好ましくは20W/m・K以上のフィラーをいい、特に好ましくは30W/m・K以上のフィラーをいう。なお、熱伝導性フィラーの25℃における熱伝導率の上限値は限定されないものの、通常、300W/m・K以下である。
接着剤層13を構成する材料は、熱硬化性成分を含有することが好ましい。熱硬化性成分としては、半導体チップの接続用に通常用いられる接着剤成分であれば特に限定されない。具体的には、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、尿素樹脂、ポリエステル樹脂、ウレタン樹脂、アクリル樹脂、ポリイミド樹脂、ベンゾオキサジン樹脂、フェノキシ樹脂などが挙げられ、これらは1種を単独でまたは2種以上を組み合わせて用いることができる。これらの中でも、接着性等の観点から、エポキシ樹脂およびフェノール樹脂が好ましく、エポキシ樹脂が特に好ましい。
接着剤層13を構成する材料が前述した熱硬化性成分を含有する場合、当該材料はさらに硬化剤および硬化触媒を含有することが好ましい。
上記接着剤層13を構成する材料は、前述した熱硬化性成分以外の高分子量成分を含有することが好ましい。当該高分子量成分を含有することで、当該材料の90℃溶融粘度と、平均線膨張係数とが、後述する数値範囲を満たしやすくなり、得られる積層回路の接続信頼性が高いものとなる。
本実施形態において、半導体チップの貫通電極またはバンプが半田で接合される場合、接着剤層13を構成する材料は、フラックス機能を有する成分(以下「フラックス成分」ということがある。)を含有することが好ましい。フラックス成分は、電極表面に形成された金属酸化膜を除去する作用を有するものであり、半田による電極間の電気的接続をより確実なものとし、半田接合部における接続信頼性を高めることができる。
接着剤層13は、当該接着剤層13を構成する材料として、さらに、可塑剤、安定剤、粘着付与材、着色剤、カップリング剤、帯電防止剤、酸化防止剤、導電性粒子、前述した熱伝導性フィラー以外の無機フィラー等を含有してもよい。
(2−1)熱伝導率
本実施形態に係る三次元集積積層回路製造用シート1,2において、接着剤層13の硬化後の熱伝導率は、0.5W/m・K以上であることが好ましく、特に0.7W/m・K以上であることが好ましく、さらには1.0W/m・K以上であることが好ましい。また、当該熱伝導率は、8.0W/m・K以下であることが好ましく、特に4.0W/m・K以下であることが好ましく、さらには3.0W/m・K以下であることが好ましい。当該熱伝導率が0.5W/m・K以上であることで、接着剤層13が良好な放熱性を示し易くなり、本実施形態に係る三次元集積積層回路製造用シート1,2を用いて、高い信頼性を有する積層回路を効果的に製造することができる。一方、当該熱伝導率が8.0W/m・K以下であることで、接着剤層13における熱伝導性フィラーの含有量が過度に多くならず、その結果、接着剤層13における良好な放熱性と、接着剤層13の接着性およびシート加工性とを両立し易くなる。なお、接着剤層13の熱伝導率の測定方法は、後述する試験例に示す通りである。
本実施形態に係る三次元集積積層回路製造用シート1,2において、接着剤層13を構成する材料は、硬化前における90℃での溶融粘度(以下、「90℃溶融粘度」ということがある。)が、上限値として5.0×105Pa・s以下であることが好ましく、特に1.0×105Pa・s以下であることが好ましく、さらには5.0×104Pa・s以下であることが好ましい。90℃溶融粘度が上記上限値以下であると、接着剤層13を電極間に介在させたときに、半導体チップの表面における貫通電極またはバンプに起因する凹凸に良好に追従し、半導体チップと接着剤層13との界面にボイドが発生するのを防止することができる。また、90℃溶融粘度は、下限値として1.0×100Pa・s以上であることが好ましく、特に1.0×101Pa・s以上であることが好ましく、さらには1.0×102Pa・s以上であることが好ましい。90℃溶融粘度が上記下限値以上であると、接着剤層13を構成する材料がフローし過ぎることがなく、接着剤層13貼付時や半導体チップの積層時において装置の汚染を防止することができる。そのため、本実施形態に係る三次元集積積層回路製造用シート1,2は、構成する材料の90℃溶融粘度が上記範囲にあることで、高い信頼性を有するものとなる。
本実施形態において、接着剤層13を構成する材料は、硬化物の0〜130℃における平均線膨張係数(以下、単に「平均線膨張係数」ということがある。)が、上限値として45ppm以下であることが好ましく、特に35ppm以下であることが好ましく、さらには25ppm以下であることが好ましい。平均線膨張係数が上記上限値以下であると、硬化物からなる接着剤層13と半導体チップとの線膨張係数の差が小さくなり、かかる差に基づき接着剤層13と半導体チップとの間で発生し得る応力を低減することができる。これにより、本実施形態に係る三次元集積積層回路製造用シート1,2は、半導体チップ同士の接続信頼性を高いものとすることができ、特に実施例で示す温度サイクル試験において高い接続信頼性を示すものとなる。
本実施形態において、接着剤層13を構成する材料は、硬化物のガラス転移温度(Tg)が、下限値として150℃以上であることが好ましく、200℃以上であることがさらに好ましく、240℃以上であることが特に好ましい。硬化物のガラス転移温度が上記下限値以上であると、温度サイクル試験時に硬化物が変形せず、応力が発生しづらくなるため、好ましい。一方、硬化物のガラス転移温度の上限値は特に制限されないが、硬化物の脆化を抑制する観点から、350℃以下であることが好ましく、300℃以下であることがより好ましい。
本実施形態に係る三次元集積積層回路製造用シート1,2において、接着剤層13を構成する材料の硬化物は、熱重量測定による5%質量減少温度が、350℃以上であることが好ましく、特に360℃以上であることが好ましい。当該5%質量減少温度が350℃以上であることで、接着剤層13の硬化物が高温に対する耐性に優れたものとなる。そのため、積層回路の製造等において、当該硬化物が高温に曝された場合であっても、当該硬化物の含有成分の分解に伴う揮発成分の発生等が抑制され、積層回路の性能が良好に維持される。なお、当該5%質量減少温度の上限としては特に限定されないものの、当該5%質量減少温度は、通常500℃以下であることが好ましい。
本実施形態に係る三次元集積積層回路製造用シート1,2において、接着剤層13の硬化後の23℃における貯蔵弾性率は、1.0×102MPa以上であることが好ましく、特に1.0×103MPa以上であることが好ましい。また、当該貯蔵弾性率は、1.0×105MPa以下であることが好ましく、特に1.0×104MPa以下であることが好ましい。当該貯蔵弾性率が上記範囲であることで、積層回路を製造する場合に、半導体チップと個片化された接着剤層13とが交互に積層されてなる積層体が良好な強度を有するものとなる。その結果、さらに半導体チップを積層する場合や当該積層体を取り扱う際であっても、積層体した状態が良好に維持され、優れた品質を有する積層回路を製造することができる。
本実施形態に係る三次元集積積層回路製造用シート1,2において、硬化前における接着剤層13は、示差走査熱量分析(DSC)法により昇温速度10℃/分で測定される発熱開始温度(TS)が、70℃〜150℃の範囲内であることが好ましく、特に100℃〜150℃の範囲内であることが好ましく、さらには120℃〜150℃の範囲内であることが好ましい。当該発熱開始温度(TS)が上記範囲であることで、例えば、ダイシングブレードにより半導体ウエハをダイシングする際に生じる熱を受けた場合のような、意図しない段階において接着剤層13が硬化することが抑制されるとともに、製造用シート1,2の保存安定性にも優れる。特に、積層回路を作製するため、半導体チップを複数積層した後に、半導体チップ間に存在する複数の接着剤層13を一括で硬化させる場合には、半導体チップの積層が完了する前といった意図しない段階において接着剤層13が硬化することを抑制することができる。
本実施形態に係る三次元集積積層回路製造用シート1,2において、接着剤層13の厚さ(T2)は、2μm以上であることが好ましく、特に5μm以上であることが好ましく、さらには10μm以上であることが好ましい。また、当該厚さ(T2)は、500μm以下であることが好ましく、特に300μm以下であることが好ましく、さらには100μm以下であることが好ましい。接着剤層13の厚さ(T2)が2μm以上であることで、半導体チップに存在する貫通電極またはバンプを、接着剤層13に良好に埋め込むことが可能となる。また、接着剤層13の厚さ(T2)が500μm以下であることで、貫通電極を有する半導体チップを、接着剤層13を介して接着する際に、接着剤層13が側面に染み出しすぎることがなく、信頼性の高い半導体装置を製造することができる。なお、接着剤層13の厚さ(T2)は、製造用シート1において、50mm間隔で合計100点を測定した際の平均値とする。
(1)材料
粘着剤層12を備える第2の実施形態に係る三次元集積積層回路製造用シート2において、粘着剤層12は、非硬化性粘着剤から構成されてもよく、または硬化性粘着剤から構成されてもよい。後述する通り、本実施形態に係る三次元集積積層回路製造用シート2を積層回路の製造方法に使用する場合、接着剤層13が、基材11と粘着剤層12との積層体から剥離される。そのため、当該剥離を容易に行う観点から、粘着剤層12は、硬化性粘着剤から構成され、硬化により粘着力が低下するものであることが好ましい。
本実施形態に係る三次元集積積層回路製造用シート2において、粘着剤層12の23℃における貯蔵弾性率は、1×103Pa以上であることが好ましく、特に1×104Pa以上であることが好ましい。また、当該貯蔵弾性率は、1×109Pa以下であることが好ましく、特に1×108Pa以下であることが好ましい。なお、当該貯蔵弾性率は、粘着剤層12が硬化性粘着剤から構成される場合には硬化前の貯蔵弾性率をいうものとする。粘着剤層12の23℃における貯蔵弾性率が上記範囲であることで、半導体ウエハに製造用シート2を貼付する際に、半導体ウエハに存在する貫通電極またはバンプを、接着剤層13に良好に埋め込むことが可能となる。また、製造用シート1,2を使用して、半導体ウエハのバンプが形成されていない面をバックグラインドする場合には、半導体ウエハの反りやディンプルの発生を抑制することができる。なお、粘着剤層12の23℃における貯蔵弾性率は、例えば、動的粘弾性測定装置(ティー・エイ・インスツルメント社製,ARES)により、周波数1Hz、測定温度範囲−50〜150℃、昇温速度3℃/minの条件で測定することができる。
(1)材料
基材11を備える第2の実施形態に係る三次元集積積層回路製造用シート2において、基材11を構成する材料としては、特に限定されない。しかしながら、製造用シート2を、ダイシングシート一体型接着シート(ダイシング・ダイボンディングシート)とする場合、基材11を構成する材料は、ダイシングシートを構成する基材に一般的に使用される材料であることが好ましい。例えば、このような基材11の材料としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブテン、ポリブタジエン、ポリメチルペンテン、ポリ塩化ビニル、塩化ビニル共重合体、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリウレタン、エチレン酢酸ビニル共重合体、アイオノマー、エチレン・(メタ)アクリル酸共重合体、エチレン・(メタ)アクリル酸エステル共重合体、ポリスチレン、ビニルポリイソプレン、ポリカーボネート、ポリオレフィン等が挙げられ、これらのうちの1種または2種以上の混合物を用いることができる。
本実施形態に係る三次元集積積層回路製造用シート2において、基材11の23℃における引張弾性率は、100MPa以上であることが好ましく、特に200MPa以上であることが好ましく、さらには300MPa以上であることが好ましい。また、当該引張弾性率は、5000MPa以下であることが好ましく、特に1000MPa以下であることが好ましく、さらには400MPa以下であることが好ましい。基材11の23℃における引張弾性率が上記範囲内であることで、半導体ウエハに製造用シート2を貼付する際に、半導体ウエハに存在する貫通電極またはバンプを、接着剤層13に良好に埋め込むことが可能となる。また、製造用シート2を、ダイシングシート一体型接着シートとする場合、基材11の23℃における引張弾性率が上記範囲内であることで、製造用シート2をエキスパンドして半導体チップ同士の間隔を拡げる際に、基材11が破断しにくくなるため好ましい。なお、基材11の23℃における引張弾性率は、JIS K7127:1999に準拠して、引張試験機を使用して測定することができる。
剥離シート14の構成は任意であり、例えば、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート等のポリエステルフィルム、ポリプロピレン、ポリエチレン等のポリオレフィンフィルムなどのプラスチックフィルムが挙げられる。これらの剥離面(接着剤層13と接する面)には、剥離処理が施されていることが好ましい。剥離処理に使用される剥離剤としては、例えば、シリコーン系、フッ素系、長鎖アルキル系等の剥離剤が挙げられる。
第1の実施形態に係る三次元集積積層回路製造用シート1は、従来の三次元集積積層回路製造用シートと同様に製造することができる。例えば、剥離シート14を備える三次元集積積層回路製造用シート1を製造する場合、前述した熱伝導性フィラー、その他の接着剤層13を構成する材料、および所望によりさらに溶媒または分散媒を含有する塗工液を調製し、剥離シート14の剥離面上に、ダイコーター、カーテンコーター、スプレーコーター、スリットコーター、ナイフコーター等によりその塗工液を塗布して塗膜を形成し、当該塗膜を乾燥させることにより製造用シート2を製造することができる。塗工液は、塗布を行うことが可能であればその性状は特に限定されず、接着剤層13を形成するための成分を溶質として含有する場合もあれば、分散質として含有する場合もある。剥離シート14は工程材料として剥離してもよいし、半導体ウエハに貼付するまでの間、接着剤層13を保護していてもよい。
本実施形態に係る三次元集積積層回路製造用シート1,2を使用して、三次元集積積層回路を製造することができる。以下に、その製造方法の例を説明する。
表1に示す構成成分を含有する組成物を、メチルエチルケトンにて固形分濃度が40質量%となるように希釈し、塗工液を得た。当該塗工液の25℃における粘度を、B型粘度計を用いて測定したところ、50mPa・sであった。当該塗工液を、シリコーン処理された剥離フィルム(リンテック社製,SP−PET381031)上に塗布し、得られた塗膜をオーブンにて100℃で1分間乾燥することで、厚さ45μmの接着剤層と剥離フィルムとからなる第1の積層体を得た。
表1に示す構成成分を含有する組成物を、メチルエチルケトンにて固形分濃度が55質量%となるように希釈し、塗工液を得た。当該塗工液の25℃における粘度を、B型粘度計を用いて測定したところ、150mPa・sであった。当該塗工液を使用して接着剤層を形成した以外は、実施例1と同様にして三次元集積積層回路製造用シートを得た。
高分子量成分
・ビスフェノールA(BPA)/ビスフェノールF(BPF)共重合型フェノキシ樹脂:東都化成社製,製品名「ZX−1356−2」,ガラス転移温度71℃,重量平均分子量6万
熱硬化性成分
・エポキシ樹脂1:トリス(ヒドロキシフェニル)メタン型固形エポキシ樹脂,ジャパンエポキシレジン社製,製品名「E1032H60」,5%重量減少温度350℃,固形,融点60℃
・エポキシ樹脂2:Bis−F型液状エポキシ樹脂,ジャパンエポキシレジン社製,製品名「YL−983U」,エポキシ当量184
・エポキシ樹脂3:長鎖Bis−F変性型エポキシ樹脂,ジャパンエポキシレジン社製,製品名「YL−7175」
硬化触媒
・2MZA−PW: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,四国化成工業社製,製品名「2MZA−PW」,融点250℃
フラックス成分
・ロジン誘導体:荒川化学工業製,軟化点124〜134℃
フィラー
・熱伝導性フィラー(球状アルミナ):球状アルミナ,電気化学工業社製,製品名「DAM−0」,平均粒径3μm,熱伝導率40W/m・K
・熱伝導性フィラー(球状酸化亜鉛):球状酸化亜鉛,堺化学工業社製,平均粒径0.6μm,熱伝導率54W/m・K
・熱伝導性フィラー(窒化ホウ素):窒化ホウ素,昭和電工社製,製品名「UHP−2」,形状:板状,平均粒径11.8μm,アスペクト比11.2,長軸方向の熱伝導率200W/m・K
・溶融シリカフィラー:平均粒径3μm,熱伝導率2W/m・K
実施例および比較例のそれぞれについて、表1に示す構成成分を含有する組成物を、メチルエチルケトンにて固形分濃度が40質量%となるように希釈し、シリコーン処理された剥離フィルム(リンテック社製,SP−PET381031)上に塗布し、得られた塗膜をオーブンにて100℃で1分間乾燥することで、厚さ40μmの接着剤層を形成した。この手順により得られる接着剤層を、厚さ2mmとなるように複数層積層した。この厚さ2mmの積層体から直径5cmの円盤状の接着剤層を打ち抜いて、測定のための試料とした。
実施例および比較例で作製した第1の積層体について、接着剤層の厚さ(T2)を、50mm間隔で合計100点測定した。この測定結果に基づいて、厚さ(T2)の平均値(μm)および厚さ(T2)の標準偏差(μm)を算出した。結果を表2に示す。
一方の面にバンプが形成され、他方の面にパッドが形成されている評価用ウエハを用意し、フルオートマルチウエハマウンタ(リンテック社製,RAD−2700F/12)を用いて、当該評価用ウエハのバンプが形成されている側の面に、実施例および比較例で製造した三次元集積積層回路製造用シートを貼付し、さらにリングフレームに固定した。
○:接続抵抗値の変化率が20%以下である。
×:接続抵抗値の変化率が20%超である。
試験例3に記載される方法により半導体装置を複数製造した。これらの半導体装置から無作為に選択した5個の半導体装置の4側面をデジタル顕微鏡で観察し、バンプにおけるクラックの発生の有無、および接着剤層へのバンプの埋め込みの状態を確認するとともに、それぞれの面における積層方向の厚さを測定した。これらの結果に基づいて、以下の評価基準に従って、実施例および比較例で得た三次元集積積層回路製造用シートにおけるバンプの埋込性を評価した。結果を表2に示す。
○:5個の半導体装置全てにおいて、バンプにクラックが発生しておらず、バンプが接着剤層に良好に埋め込まれており、積層方向の厚さが4側面間で同一である。
×:5個の半導体装置のうち、バンプにクラックが発生しているか、接着剤層へのバンプの埋め込みが不十分であるか、または積層方向の厚さが4側面間で同一でないものがある。
11…基材
12…粘着剤層
13…接着剤層
14…剥離シート
Claims (16)
- 貫通電極を有する複数の半導体チップの間に介在され、前記複数の半導体チップを相互に接着し、三次元集積積層回路とするために用いられる三次元集積積層回路製造用シートであって、
前記三次元集積積層回路製造用シートは、少なくとも硬化性の接着剤層を備え、
前記接着剤層は、熱伝導性フィラーを含み、
前記接着剤層の厚さ(T2)の標準偏差は、2.0μm以下である
ことを特徴とする三次元集積積層回路製造用シート。 - 前記熱伝導性フィラーは、金属酸化物、炭化珪素、炭化物、窒化物および金属水酸化物から選択される材料からなることを特徴とする請求項1に記載の三次元集積積層回路製造用シート。
- 前記接着剤層における前記熱伝導性フィラーの含有量は、35質量%以上、95質量%以下であることを特徴とする請求項1または2に記載の三次元集積積層回路製造用シート。
- 前記熱伝導性フィラーは、23における熱伝導率が10W/m・K以上であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の三次元集積積層回路製造用シート。
- 前記熱伝導性フィラーの平均粒径は、0.01μm以上、20μm以下であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の三次元集積積層回路製造用シート。
- 前記接着剤層の硬化後の熱伝導率は、0.5W/m・K以上、8.0W/m・K以下であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の三次元集積積層回路製造用シート。
- 前記接着剤層を構成する材料は、熱硬化性成分、高分子量成分および硬化触媒を含有することを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載の三次元集積積層回路製造用シート。
- 前記高分子量成分のガラス転移温度は、50℃以上であることを特徴とする請求項1〜7のいずれか一項に記載の三次元集積積層回路製造用シート。
- 前記接着剤層を構成する材料は、フラックス成分を含有することを特徴とする請求項1〜8のいずれか一項に記載の三次元集積積層回路製造用シート。
- 前記接着剤層の厚さは、2μm以上、500μm以下であることを特徴とする請求項1〜9のいずれか一項に記載の三次元集積積層回路製造用シート。
- 前記三次元集積積層回路製造用シートは、前記接着剤層の片面側に積層された粘着剤層と、前記粘着剤層における前記接着剤層とは反対の面側に積層された基材とをさらに備えることを特徴とする請求項1〜10のいずれか一項に記載の三次元集積積層回路製造用シート。
- 前記基材の厚さは、10μm以上、500μm以下であることを特徴とする請求項11に記載の三次元集積積層回路製造用シート。
- 前記基材の厚さ(T1)に対する前記接着剤層の厚さ(T2)の比(T2/T1)は、0.01以上、5.0以下であることを特徴とする請求項11または12に記載の三次元集積積層回路製造用シート。
- 前記粘着剤層の23℃における貯蔵弾性率は、1×103Pa以上、1×109Pa以下であることを特徴とする請求項11〜13のいずれか一項に記載の三次元集積積層回路製造用シート。
- 前記基材の23℃における引張弾性率は、100MPa以上、5000MPa以下であることを特徴とする請求項11〜14のいずれか一項に記載の三次元集積積層回路製造用シート。
- 請求項1〜10のいずれか一項に記載の三次元集積積層回路製造用シートの前記接着剤層の片面または請求項11〜15のいずれか一項に記載の三次元集積積層回路製造用シートの前記接着剤層における前記粘着剤層とは反対の面と、貫通電極を備えた半導体ウエハの少なくとも一方の面とを貼合する工程、
前記半導体ウエハを、前記三次元集積積層回路製造用シートの前記接着剤層とともにダイシングし、接着剤層付き半導体チップに個片化する工程、
個片化された複数の前記接着剤層付き半導体チップを、前記貫通電極同士が電気的に接続され且つ前記接着剤層と前記半導体チップとが交互に配置されるように複数積層して、半導体チップ積層体を得る工程、および
前記半導体チップ積層体における前記接着剤層を硬化して、前記半導体チップ積層体を構成する前記半導体チップ同士を接着する工程
を含むことを特徴とする三次元集積積層回路の製造方法。
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