KR100620937B1 - 접착제 및 전기 장치 - Google Patents

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미사오 고니시
준지 시노자끼
야스시 아꾸쯔
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소니 케미카루 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은 신뢰성이 높은 반도체칩 접착용 수지를 제공한다.
또한, 본 발명은 중합 가능한 주수지 성분과, 주수지 성분을 자기 중합 반응시키는 주경화제와, 주수지 성분에 부가 중합 반응하는 부경화제를 함유시켜 접착제 (12)를 구성한다. 이 접착제 (12)를 기판 (13)에 도포하여 반도체칩 (11)을 접착하고 가열하면, 주수지 성분의 자기 중합 반응에 의해 형성되는 3차원 그물망 구조의 주쇄에 대하여 부경화제가 부가 중합된다. 부가 중합에 의한 부분이 고무상 구조가 되는 제1 온도는 주쇄가 고무상 구조가 되는 제2 온도보다 저온이기 때문에, 제1 온도에서 탄성률의 저하율이 급격히 커지고, 반도체칩 (11)과 기판 (13) 사이의 응력이 완화된다.
반도체칩 접착용 수지, 자기 중합 반응, 부가 중합, 탄성률, 손실 탄성률

Description

접착제 및 전기 장치 {Adhesives and Electric Devices}
도 1의 (a) 내지 (c)는 본 발명의 접착제 사용 방법의 일례를 나타낸 것이다.
도 2의 (a) 내지 (c)는 본 발명의 접착제 사용 방법의 다른 예를 나타낸 것이다.
도 3은 온도 변화에 대한 탄성률, 손실 탄성률, 손실 정접의 관계를 나타낸 것이다.
도 4는 종래의 접착제를 설명하기 위한 것이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
11: 반도체칩
12, 15: 접착제
13: 기판
5, 6: 전기 장치
P1: 제1 온도
P2: 제2 온도
본 발명은 접착제에 관한 것으로, 특히 반도체칩을 기판에 접속하는 접착제에 관한 것이다.
종래부터 반도체칩을 기판 상에 접착하기 위해 열경화성 또는 열가소성 수지로 이루어지는 접착제가 사용되고 있다.
도 4는 반도체칩 (111)이 접착제 (112)에 의해 기판 (113)에 접착된 상태를 나타내며, 반도체칩 (111)이 갖는 범프형 단자 (121)은 기판 (113) 상의 배선 패턴의 일부로 이루어지는 단자 (122) 상에 접촉되어 있다. 이 상태에서 반도체칩 (111) 내의 전기 소자는 단자 (121), (122)를 통해 기판 (113) 상의 배선 패턴에 전기적으로 접속되어 있다.
그러나, 반도체칩의 선팽창 계수는 3 ppm/℃ 정도인 데 대하여, 접착제 (112)의 선팽창 계수는 25 내지 60 ppm/℃로 크기 때문에 선팽창 계수의 차이로부터 접착 계면에 응력이 잔류한다. 특히, 반도체칩 주변부에서는 칩 크기가 커질 수록 잔류 응력이 커지기 때문에 열경화성 접착제 (112)를 경화시킨 후, 온도 사이클 시험이나 프레셔 쿠커 시험을 행하면 반도체칩 (111)이 박리되어 버린다는 문제가 발생하였다.
또한, 종래 기술의 접착제에서는 흡습 조건에 따라 반도체칩 (111)을 접착한 후의 신뢰성 저하가 현저하여, 그로 인해 반도체칩 (111)을 접착한 후 리플로우로 (reflow furnace)를 통과시켜 접착제 (112)를 경화시키기 전에, 미리 100 ℃ 전후 에서 승온시켜 탈수 처리를 행할 필요가 있었다.
본 발명은 상기 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 창작된 것으로, 그 목적은 신뢰성이 높은 접착제를 제공하는 것이다.
본 발명은, 반도체칩과 기판의 접속에 사용되는 접착제로서, 중합 가능한 주수지 성분과, 이 주수지 성분을 자기 중합 반응시키는 주경화제와, 이 주수지 성분에 부가 중합 반응하는 부경화제를 함유하는 접착제이다.
또한, 본 발명은, 경화 후의 물성에 있어서 온도 상승에 따라 탄성률이 저하하는 제1항에 기재된 접착제로서, 30 ℃보다 고온이고 150 ℃보다 저온인 제1 온도와, 130 ℃ 이상 250 ℃ 이하의 온도 범위에 있으며, 동시에 상기 제1 온도보다 고온인 제2 온도의 양 온도에 있어서 탄성률의 저하율이 급증하는 접착제이다.
또한, 본 발명은 상기 제1 온도와 제2 온도 사이의 온도차가 40 ℃ 이상인 접착제이다.
또한, 본 발명은 상기 주수지 성분이 에폭시 수지인 접착제이다.
또한, 본 발명은 도전성 입자가 함유된 접착제이다.
또한, 본 발명은 상기 주수지 성분과는 별도로 중합 반응하는 부수지 성분을 함유하는 접착제이다.
또한, 본 발명은 미리 반경화되어 시트형으로 성형된 접착제이다.
<발명의 실시 형태>
반도체칩을 기판에 접속하는 접착제에는 열가소성 수지와 열경화성 수지가 있는데, 열경화성 수지의 경우 반도체칩의 박리를 방지하기 위해 접착제의 유리 전이점을 반도체칩을 사용하는 온도 범위보다 고온측에 둘 필요가 있다.
본 발명의 발명자들은, 열경화성 수지의 경우 3차원 그물망 구조를 형성하는 주쇄가 단일하면, 탄성률의 온도 의존성은 단일한 주쇄의 영향을 받아 탄성률이 단조롭게 변화하기 때문에 반도체칩에 미치는 응력이 커지는 것을 발견하였다. 따라서, 3차원 그물망 구조를 유지하면서 사용 온도 범위 내에서 접착제의 탄성률 저하가 급격히 커지는 온도를 설정하면, 응력을 완화할 수 있게 된다.
본 발명은 상기 사실에 기초하여 창작된 것으로, 반도체칩과 기판 접속에 사용되는 접착제로서, 중합 가능한 주수지 성분과, 이 주수지 성분을 자기 중합 반응시키는 주경화제와, 이 주수지 성분에 부가 중합 반응하는 부경화제를 함유하는 접착제에 관한 것이다.
본 발명의 상기 구성에서는, 주경화제에 의해 주수지 성분이 자기 중합되어 3차원 그물망 구조의 조직을 구성한다. 그리고, 이 그물망 구조의 조직에 부경화제가 부가 중합된다. 그 결과, 탄성률 변화에는 그물망 구조의 부분과, 부가 중합에 의해 형성된 그물망 구조의 부분에서 다른 유리 전이점이 발현되기 때문에, 탄성률의 변화율은 제1 온도와 제1 온도보다 고온인 제2 온도의 두 온도에서 급변하게 된다.
제1, 제2 온도 부근 이외의 온도 범위에서는 탄성률 변화율이 대략 일정하며, 온도 증가에 따라 탄성률은 저하한다.
접착제가 승온되었을 경우 온도 상승에 따라 탄성률이 저하되는데, 제1 온도보다 고온이 되면 부가 중합된 부분이 고무상이 되며, 탄성률이 급격히 감소한다. 따라서, 제1 온도 이상의 온도에서는 응력 증가가 적어진다.
제1 온도보다 고온으로 승온해도 제2 온도보다 낮으면, 자기 중합에 의해 형성된 3차원 그물망 구조의 부분은 유리 상태를 유지하기 때문에 접착력이 저하되지 않고, 반도체칩이 기판으로부터 박리되지 않는다.
또한, 본 발명의 접착제는 반도체칩, 기판, 및 상기 반도체칩과 기판 사이에 배치하며, 열 처리에 의해 경화시켜 반도체칩과 기판을 갖는 전기 장치를 구성할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시 형태를 설명한다.
우선, 중합 가능한 주수지 성분과, 이 주수지 성분을 자기 중합 반응시키는 주경화제와, 주수지 성분에 부가 중합 반응하는 부경화제를 배합하여 본 발명의 접착제를 제조하였다. 이 접착제는 페이스트형이다.
도 1(a)의 부호 (13)은 표면에 구리 배선이 배치된 기판이며, 그 구리 배선의 일부에 의해 접속 단자 (22)가 형성되어 있다. 이 접속 단자 (22) 상에 접착제를 일정량 도포한다. 도 1(b)의 부호 (12)는 도포된 상태의 접착제를 나타낸다.
도 1(c)의 부호 (11)은 반도체칩이다. 이 반도체칩 (11)의 한쪽면에는 내부 회로에 접속된 범프형 접속 단자 (21)이 형성되어 있다. 반도체칩 (11)의 접속 단자 (21)이 위치하는 측면을 접착제 (12)에 눌러대고, 기판 (13)의 접속 단자 (22)와 반도체칩 (11)의 접속 단자 (21)을 접촉시킴과 동시에 가열하여 접착제 (12)를 경화시키면, 반도체칩 (11)과 기판 (13)의 접속 단자 (21), (22)들이 전기적으로 접속된 상태에서 반도체칩 (11)이 기판 (13)에 고정되며, 본 발명의 전기 장치 (5)를 얻을 수 있다.
상기 접착제는 페이스트형이었지만, 본 발명의 접착제에는 자기 지지성을 나타낼 정도로 반경화시킨 필름형의 것이나 고형 수지를 첨가하여 필름형으로 한 것도 포함된다.
도 2(a)의 부호 (15)는 본 발명의 일례인 필름형 접착제를 나타내며, 도 2(b)에 나타낸 바와 같이 이 접착제 (15)를 우선 기판 (13)의 접속 단자 (22)가 형성된 측면에 접착하고, 이어서 도 2(c)에 나타낸 바와 같이 접착제 (15) 표면에 반도체칩 (11)을 접착하고, 기판 (13)의 접속 단자 (22)와 반도체칩 (11)의 접속 단자 (21)을 접촉시켜 가열 처리하고 접착제 (15)를 경화시키면, 본 발명의 전기 장치 (6)을 얻을 수 있다.
도 3은, 본 발명의 일례인 접착제의 온도에 대한 탄성률과 손실 탄성률과 tanδ의 관계를 나타낸 것이다. 이 접착제는 중합 가능한 주수지 성분으로서 에폭시 수지 (다이닛본 잉크 가가꾸 고교(주) 제조 "HP4032D") 20 중량부와, 이 주수지 성분을 자기 중합 반응시키는 주경화제로서 에폭시 분산 이미다졸계 경화제 (아사히 가세이(주) 제조 "HX3941HP") 15 중량부와, 주수지 성분에 부가 중합 반응하는 부경화제로서 페놀계 경화제 (다이닛본 잉크 가가꾸 고교(주) 제조 "VH4170") 5 중량부, 및 에폭시 수지와는 반응하지 않는 부수지 성분으로서 페녹시 수지 (도또 가세이(주) 제조 "YP50") 10 중량부와, 충전재로서 실리카 45 중량부가 각각 함유되 어 있다.
이 접착제를 가열하는 경우, 우선 약 100 ℃의 제1 온도 P1에서 탄성률의 저하율 (온도 변화에 대한 탄성률 변화를 나타내는 곡선의 경사)이 급격히 커지고, 이어서 약 160 ℃의 제2 온도 P2에서 탄성률의 저하율이 더 커진다. 실온에서 제1 온도 P1까지의 사이, 제1 온도 P1에서 제2 온도 P2 사이, 제2 온도 P2 에서 200 ℃까지의 사이에서는 탄성률 저하율은 대략 일정하다.
주수지 성분에 에폭시 수지를 사용한 경우, 주수지 성분을 자기 중합시키는 주경화제로서는 이미다졸계 경화제 외에 3급 아민, 루이스산계 촉매를 사용할 수 있다. 주수지 성분에 부가 중합하는 부경화제로서는 활성 수소를 가진 아민계 경화제, 페놀계 경화제, 히드라지드계 경화제, 머캅토계 경화제, 디시안디아미드계 경화제 등을 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 수지는 생산 효율상 단시간에 경화시키는 것이 바람직하기 때문에 180 ℃ 이상 250 ℃ 이하의 온도에서 5초 이상 20초 이하의 시간 가열한다. 따라서, 제2 온도 P2는 적어도 130 ℃ 이상인 것이 바람직하다. 또한, 리플로우로로 경화시킨 후에 잔류 응력이 남지 않도록 하기 위해서는, 가열 중의 최고 온도에서 탄성률이 0.5 GPa 이하인 것이 바람직하다. 기준으로서 250 ℃에서 0.5 GPa 이하 0.1 GPa 이상인 것이 바람직하다.
이어서, 하기 표 1에 나타낸 배합으로 실시예 1 내지 실시예 6 및 비교예 1의 접착제를 제조하였다.
Figure 112001025509938-pat00001
HP4032D와 EP828이 본 발명의 중합 가능한 주수지 성분이고, HX3941HP가 주수지 성분을 자기 중합 반응시키는 주경화제이다. 또한, DICY와 VH4170이 주수지 성분에 부가 중합 반응하는 부경화제이다. YP50은 주수지 성분과는 별도로 중합 반응하는 부수지 성분이다. 비교예 1은 부경화제를 함유하지 않는다.
상기 실시예 1 내지 6 및 비교예 1의 접착제는 필름형이며, 도 1(a) 내지 (c)에 나타낸 바와 같이 접속 시험용으로 특별히 제작된 반도체칩 (11)을 유리 에폭시 기판인 기판 (13)에 얹고 180 ℃×20초의 조건으로 접속하였다. 이 때 인가 된 하중은 반도체칩 (11)의 접속 단자 (21) 1개당 100 g이다. 또한, 사용한 반도체칩 (11)의 크기는 가로세로 10 mm이며, 실리콘칩이다.
상기와는 별도로 실시예 1 내지 6 및 비교예 1의 접착 필름을 200 ℃의 온도에서 5분간 가열하여 경화시킨 후, 2 mm×5 cm, 두께 50 ㎛의 크기로 절단하여 시험편을 제조하였다. 이 시험편에 의해 반도체칩 (11)을 기판 (13)에 접착하고, 30 ℃, RH 70 ％의 분위기 중에 192시간 방치한 후, 리플로우로 안을 통과시켜 최고 온도 240 ℃로 가열하여 접착제를 경화시켰다.
시험편에 대하여 손실 정접 (tanδ)과 250 ℃의 탄성률, 및 탄성률의 변화율이 증가 방향으로 급변하는 제1, 제2 온도 P1, P2와, 그 제1, 제2 온도 P1, P2에서의 탄성률을 측정하였다. 손실 정접 (tanδ), 손실 탄성률, 탄성률의 측정 방법은 JlS K7198-1991 (현재 JIS K7244-4: 1999로 이행)에 의거하였다.
또한, 반도체칩 (11)이 접속된 기판 (13)에 대하여 온도 사이클 시험 (TCT)과 프레셔 쿠커 시험 (PCT)을 행하였다.
이들의 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
Figure 112001025509938-pat00007
상기 표 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 실시예 1 내지 6에서는 비교예 1과 비교하여 온도 사이클 시험에서 몇십배의 신뢰성을 얻을 수 있었고, 또한 300시간의 프레셔 쿠커 시험의 결과는 비교예 1에서는 반도체칩 (11)과 기판 (13)의 접속 단자 (21), (22) 사이의 전기적 접속이 끊기고 불량해진 데 대하여, 본 발명의 접착제를 사용한 실시예 1 내지 6은 전기적 접속이 유지되고 모두 양호한 제품이었다.
제1 온도 P1에서의 탄성률 E1과 제2 온도 P2에서의 탄성률 E2의 비 E1/E2를 구해 보면, 표 2로부터 알 수 있는 바와 같이 본 발명의 접착제에서는 E1/E2가 2.8 이상의 값이 되었다. E1/E2의 값이 2.8 이상이면 온도 사이클 시험 (TCT)에 합격할 수 있다고 예상된다.
또한, 상기 각 실시예에서는 도전성 입자로 금속 피막 수지 입자를 사용했지만, 금속 입자를 사용할 수도 있다. 또한, 실시예 3과 같이 도전성 입자를 함유시킬 수도 있다.
또한, 상기 실시예에서는 충전재로 실리카를 사용했지만, 알루미나 및 산화티탄 등의 다른 충전재를 사용할 수도 있다. 주수지 성분과는 별도로 중합 반응하는 부수지 성분으로서 페녹시 수지를 사용했지만, 폴리에스테르 수지, 아크릴 수지, 우레탄 수지 등의 다른 종류의 수지를 사용할 수 있다. 또한, 부수지 성분을 함유시키지 않을 수도 있다. 또한, 커플링제 등의 첨가제를 배합할 수도 있다.
본 발명의 접착제를 시트형으로 형성시키기 위해서는, 본 발명의 접착제를 평탄한 판 등의 위에 도포하고, 가열하여 10% 내지 40%의 경화율로 반경화시키는 것이 바람직하다.
탄성률의 저하율이 두 단계로 변화하기 때문에 반도체칩에 가해지는 응력이 작고, 신뢰성이 높은 전기 장치를 얻을 수 있다.

Claims (8)

  1. 반도체칩과 기판의 접속에 사용되는 접착제로서, 중합 가능한 주수지 성분과, 이 주수지 성분을 자기 중합 반응시키는 주경화제와, 이 주수지 성분에 부가 중합 반응하는 부경화제를 함유하고,
    30 ℃보다 고온이고 150 ℃보다 저온인 제1 온도와, 130 ℃ 이상 250 ℃ 이하의 온도 범위에 있으며 상기 제1 온도보다 고온인 제2 온도의 양 온도에 있어서 탄성률의 저하율이 급증하고,
    상기 제1 온도와 제2 온도 사이의 온도차가 40 ℃ 이상인 접착제.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 주수지 성분은 에폭시 수지인 접착제.
  5. 제1항에 있어서, 도전성 입자가 함유된 접착제.
  6. 제1항에 있어서, 상기 주수지 성분과는 별도로 중합 반응하는 부수지 성분을 함유하는 접착제.
  7. 제1항에 있어서, 미리 반경화되어 시트형으로 성형된 접착제.
  8. 반도체 칩, 기판, 이 반도체 칩과 기판 사이에 배치되고 열 처리에 의해 경화된 제1항의 접착제를 갖는 전기 장치.
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