WO2018225323A1 - 半導体用フィルム状接着剤、半導体装置の製造方法及び半導体装置 - Google Patents
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Abstract
Description
なお、図面中、同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。また、上下左右等の位置関係は、特に断らない限り、図面に示す位置関係に基づくものとする。さらに、図面の寸法比率は図示の比率に限られるものではない。
第一実施形態の半導体用フィルム状接着剤は、第一の接着層と、該第一の接着層上に設けられた第二の接着層を備え、硬化後の35℃における弾性率が3.0~5.0GPaである。
本実施形態において、第一の接着層と第二の接着層とは、互いに異なる層であり、互いに異なる接着剤組成物により形成されている。第一の接着層及び第二の接着層の少なくとも一方は、例えば、熱硬化性樹脂組成物により形成された熱硬化性接着層(熱硬化性樹脂組成物を含む接着層)であってよく、光硬化性樹脂組成物により形成された光硬化性接着層(光硬化性樹脂組成物を含む接着層)であってもよい。温度サイクル試験のような環境下での収縮を低減することができ、一層優れた接続信頼性が得られる観点から、第一の接着層及び第二の接着層の少なくとも一方は熱硬化性の樹脂組成物からなら熱硬化性接着層であることが好ましく、両方が熱硬化性接着層であることがより好ましい。
フラックス含有組成物は、例えば、熱硬化性樹脂組成物であり、熱硬化性成分と、フラックス化合物と、を含有する。熱硬化性成分としては、熱硬化性樹脂、硬化剤等が挙げられる。熱硬化性樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂(硬化剤として含有される場合を除く)、ポリイミド樹脂等が挙げられる。これらの中でも、熱硬化性樹脂がエポキシ樹脂であることが好ましい。また、本実施形態の半導体用フィルム状接着剤は、必要に応じて、重量平均分子量が10000以上の高分子成分及びフィラーを含有していてもよい。
エポキシ樹脂としては、分子内に2個以上のエポキシ基を有するものであれば特に制限なく用いることができる。(a)成分として、例えば、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、フェノールノボラック型エポキシ樹脂、クレゾールノボラック型エポキシ樹脂、フェノールアラルキル型エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂、トリフェニルメタン型エポキシ樹脂、ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂及び各種多官能エポキシ樹脂を使用することができる。これらは単独で又は2種以上の混合物として使用することができる。
(b)成分としては、例えば、フェノール樹脂系硬化剤、酸無水物系硬化剤、アミン系硬化剤、イミダゾール系硬化剤及びホスフィン系硬化剤が挙げられる。(b)成分がフェノール性水酸基、酸無水物、アミン類又はイミダゾール類を含むと、接続部に酸化膜が生じることを抑制するフラックス活性を示し、接続信頼性・絶縁信頼性を向上させることができる。このような効果がより得られやすい観点から、イミダゾール系硬化剤がより好ましく用いられる。以下、各硬化剤について説明する。
フェノール樹脂系硬化剤としては、分子内に2個以上のフェノール性水酸基を有するものであれば特に制限はなく、例えば、フェノールノボラック樹脂、クレゾールノボラック樹脂、フェノールアラルキル樹脂、クレゾールナフトールホルムアルデヒド重縮合物、トリフェニルメタン型多官能フェノール樹脂及び各種多官能フェノール樹脂を使用することができる。これらは単独で又は2種以上の混合物として使用することができる。
酸無水物系硬化剤としては、例えば、メチルシクロヘキサンテトラカルボン酸二無水物、無水トリメリット酸、無水ピロメリット酸、ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物及びエチレングリコールビスアンヒドロトリメリテートを使用することができる。これらは単独で又は2種以上の混合物として使用することができる。
アミン系硬化剤としては、例えばジシアンジアミドを使用することができる。
イミダゾール系硬化剤としては、例えば、2-フェニルイミダゾール、2-フェニル-4-メチルイミダゾール、1-ベンジル-2-メチルイミダゾール、1-ベンジル-2-フェニルイミダゾール、1-シアノエチル-2-ウンデシルイミダゾール、1-シアノ-2-フェニルイミダゾール、1-シアノエチル-2-ウンデシルイミダゾールトリメリテイト、1-シアノエチル-2-フェニルイミダゾリウムトリメリテイト、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、2,4-ジアミノ-6-[2’-ウンデシルイミダゾリル-(1’)]-エチル-s-トリアジン、2,4-ジアミノ-6-[2’-エチル-4’-メチルイミダゾリル-(1’)]-エチル-s-トリアジン、2,4-ジアミノ-6-[2’-メチルイミダゾリル-(1’)]-エチル-s-トリアジンイソシアヌル酸付加体、2-フェニルイミダゾールイソシアヌル酸付加体、2-フェニル-4,5-ジヒドロキシメチルイミダゾール、2-フェニル-4-メチル-5-ヒドロキシメチルイミダゾール、及び、エポキシ樹脂とイミダゾール類の付加体が挙げられる。これらの中でも、優れた硬化性、保存安定性及び接続信頼性の観点から、1-シアノエチル-2-ウンデシルイミダゾール、1-シアノ-2-フェニルイミダゾール、1-シアノエチル-2-ウンデシルイミダゾールトリメリテイト、1-シアノエチル-2-フェニルイミダゾリウムトリメリテイト、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、2,4-ジアミノ-6-[2’-エチル-4’-メチルイミダゾリル-(1’)]-エチル-s-トリアジン、2,4-ジアミノ-6-[2’-メチルイミダゾリル-(1’)]-エチル-s-トリアジンイソシアヌル酸付加体、2-フェニルイミダゾールイソシアヌル酸付加体、2-フェニル-4,5-ジヒドロキシメチルイミダゾール及び2-フェニル-4-メチル-5-ヒドロキシメチルイミダゾールが好ましい。これらは単独で又は2種以上を併用して用いることができる。また、これらをマイクロカプセル化した潜在性硬化剤としてもよい。
ホスフィン系硬化剤としては、例えば、トリフェニルホスフィン、テトラフェニルホスホニウムテトラフェニルボレート、テトラフェニルホスホニウムテトラ(4-メチルフェニル)ボレート及びテトラフェニルホスホニウム(4-フルオロフェニル)ボレートが挙られる。
(c)成分は、フラックス活性を有する化合物であり、フラックス含有組成物において、フラックス化合物として機能する。(c)成分としては、はんだなどの表面の酸化膜を還元除去して、金属接合を容易にするものであれば、特に制限なく公知のものを用いることができる。(c)成分としては、フラックス化合物の1種を単独で用いてもよく、フラックス化合物の2種以上を併用してもよい。ただし、(c)成分には、(b)成分である硬化剤は含まれない。
フラックス含有組成物は、必要に応じて、重量平均分子量が10000以上の高分子成分((d)成分)を含有していてもよい。(d)成分を含有するフラックス含有組成物は、耐熱性及びフィルム形成性に一層優れる。
検出器:LV4000 UV Detector(株式会社日立製作所製、商品名)
ポンプ:L6000 Pump(株式会社日立製作所製、商品名)
カラム:Gelpack GL-S300MDT-5(計2本)(日立化成株式会社製、商品名)
溶離液:THF/DMF=1/1(容積比)+LiBr(0.03mol/L)+H3PO4(0.06mol/L)
流量:1mL/分
フラックス含有組成物は、必要に応じて、フィラー((e)成分)を含有していてもよい。(e)成分によって、フラックス含有組成物の粘度、フラックス含有組成物の硬化物の物性等を制御することができる。具体的には、(e)成分によれば、半導体用フィルム状接着剤の硬化後の弾性率(例えば35℃における弾性率)を調整することができ、接続時のボイド発生の抑制、フラックス含有組成物の硬化物の吸湿率の低減等を図ることができる。
フラックス含有組成物には、酸化防止剤、シランカップリング剤、チタンカップリング剤、レベリング剤、イオントラップ剤等の添加剤を配合してもよい。これらは1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いることができる。これらの配合量については、各添加剤の効果が発現するように適宜調整すればよい。
フラックス非含有組成物は、例えば熱硬化性樹脂組成物である。フラックス非含有組成物は、フラックス化合物を実質的に含有しない。「実質的に含有しない」とは、フラックス非含有組成物におけるフラックス化合物の含有量が、フラックス非含有組成物の全質量基準で、0.5質量%未満であることを意味する。
(A)成分は、熱、光、放射線、及び、電気化学的作用などによるラジカルの発生に伴い、ラジカル重合反応が可能である化合物である。(A)成分としては、(メタ)アクリル化合物、ビニル化合物等が挙げられる。(A)成分としては、耐久性、電気絶縁性及び耐熱性に優れる観点から、(メタ)アクリル化合物が好ましい。(メタ)アクリル化合物は、分子内に1個以上の(メタ)アクリル基((メタ)アクリロイル基)を有する化合物であれば特に制限はなく、例えば、ビスフェノールA型、ビスフェノールF型、ナフタレン型、フェノールノボラック型、クレゾールノボラック型、フェノールアラルキル型、ビフェニル型、トリフェニルメタン型、ジシクロペンタジエン型、フルオレン型、アダマンタン型又はイソシアヌル酸型の骨格を含有する(メタ)アクリル化合物;各種多官能(メタ)アクリル化合物(前記骨格を含有する(メタ)アクリル化合物を除く)等を使用することができる。多官能(メタ)アクリル化合物としては、ペンタエリスリトールトリ(メタ)アクリレート、ジペンタエリスリトールペンタ(メタ)アクリレート、トリメチロールプロパンジ(メタ)アクリレート等が挙げられる。(A)成分は、1種単独で又は2種以上を併用して用いることができる。
(B)成分としては、(A)成分の硬化剤として機能すれば特に制限はないが、取り扱い性に優れる観点から、熱ラジカル発生剤が好ましい。
フラックス非含有組成物は、高分子成分を更に含有することができる。(C)成分は、エポキシ樹脂、フェノキシ樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、ポリカルボジイミド樹脂、シアネートエステル樹脂、(メタ)アクリル樹脂、ポリエステル樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリエーテルスルホン樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ポリビニルアセタール樹脂、ウレタン樹脂、アクリルゴム等が挙げられ、その中でも、耐熱性及びフィルム形成性に優れる観点から、エポキシ樹脂、フェノキシ樹脂、ポリイミド樹脂、(メタ)アクリル樹脂、アクリルゴム、シアネートエステル樹脂及びポリカルボジイミド樹脂からなる群より選ばれる少なくとも1種が好ましく、エポキシ樹脂、フェノキシ樹脂、ポリイミド樹脂、(メタ)アクリル樹脂及びアクリルゴムからなる群より選ばれる少なくとも1種がより好ましい。(C)成分は、1種単独又は2種以上の混合体又は共重合体として使用することもできる。ただし、(C)成分には、(A)成分に該当する化合物、及び、(D)成分に該当する化合物は含まれない。
フラックス非含有組成物は、粘度又は硬化物の物性を制御するため、及び、半導体チップと基板、若しくは半導体チップ同士を接続した際のボイドの発生又は吸湿率の更なる抑制のために、フィラーを更に含有してもよい。(D)成分としては、フラックス含有組成物における(e)成分として挙げたフィラーと同様のフィラーを用いることができる。好ましいフィラーの例も同じである。また、(D)成分中の無機フィラーの含有量の好ましい範囲及び絶縁性フィラーの含有量の好ましい範囲も同じである。
フラックス非含有組成物には、ラジカル重合性化合物以外の重合性化合物(例えば、カチオン重合性化合物及びアニオン重合性化合物)を配合してもよい。また、フラックス非含有組成物には、フラックス含有組成物と同様のその他の成分を配合してもよい。これらは1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いることができる。これらの配合量については、各添加剤の効果が発現するように適宜調整すればよい。
硬化反応率(%)=(1-[熱処理後の測定サンプルの発熱量]/[未処理の測定サンプルの発熱量])×100
第二実施形態の半導体用フィルム状接着剤において、硬化後の35℃における弾性率は3.0~5.0GPaでなくてよい。第二実施形態の半導体用フィルム状接着剤の詳細は、例えば、フラックス化合物の含有量、第一の接着層と第二の接着層におけるフィラー含有量の差等が異なる点を除き、第一実施形態の半導体用フィルム状接着剤と同じであってよい。
本実施形態の半導体用フィルム状接着剤は、例えば、第一の接着層を備える第一のフィルム状接着剤と、第二の接着層を備える第二のフィルム状接着剤とを用意し、第一の接着層を備える第一のフィルム状接着剤と、第二の接着層を備える第二のフィルム状接着剤とを貼り合わせることにより得ることができる。
本実施形態の半導体装置について、図1及び2を用いて以下説明する。図1は、本発明の半導体装置の一実施形態を示す模式断面図である。図1(a)に示すように、半導体装置100は、互いに対向する半導体チップ10及び基板(回路配線基板)20と、半導体チップ10及び基板20の互いに対向する面にそれぞれ配置された配線15と、半導体チップ10及び基板20の配線15を互いに接続する接続バンプ30と、半導体チップ10及び基板20間の空隙に隙間なく充填された接着剤(例えば、フラックス含有組成物及びフラックス非含有組成物)の硬化物からなる封止部40とを有している。半導体チップ10及び基板20は、配線15及び接続バンプ30によりフリップチップ接続されている。配線15及び接続バンプ30は、接着剤の硬化物により封止されており外部環境から遮断されている。封止部40は、フラックス含有組成物又はフラックス非含有組成物の硬化物を含む上部部分40aと、フラックス含有組成物又はフラックス非含有組成物の硬化物を含む下部部分40bとを有している。上部部分40aと下部部分40bとは互いに異なる熱硬化性樹脂組成物の硬化物を含んでいる。
本実施形態の半導体装置の製造方法について、図4を用いて、第一の接着層がフラックス含有組成物により形成された接着層であり、第二の接着層がフラックス非含有組成物により形成された接着層である場合を例に挙げて説明する。ただし、第一の接着層及び第二の接着層を形成する熱硬化性樹脂組成物が異なる場合であっても、同様にして半導体装置を製造できる。
フラックス含有層を備える単層フィルムA、及び、フラックス非含有層を備える単層フィルムBの作製に使用した化合物を以下に示す。
(a)エポキシ樹脂
・トリフェノールメタン骨格含有多官能固形エポキシ(三菱ケミカル株式会社製、商品名:jER1032H60)
・ビスフェノールF型液状エポキシ(三菱ケミカル株式会社製、商品名:jERYL983U)
(b)硬化剤
・2,4-ジアミノ-6-[2’-メチルイミダゾリル-(1’)]-エチル-s-トリアジンイソシアヌル酸付加体(四国化成工業株式会社製、商品名:2MAOK-PW)
(c)フラックス化合物
・グルタル酸(東京化成株式会社製、融点約98℃)
・2-メチルグルタル酸(シグマアルドリッチ社製、融点約78℃)
(d)高分子成分
・フェノキシ樹脂(東都化成株式会社製、商品名:ZX1356-2、Tg:約71℃、重量平均分子量Mw:約63000)
(e)フィラー
・シリカフィラー(株式会社アドマテックス製、商品名:SE2050、平均粒径:0.5μm)
・エポキシシラン表面処理フィラー(株式会社アドマテックス製、商品名:SE2050-SEJ、平均粒径:0.5μm)
・メタクリル表面処理ナノシリカフィラー(株式会社アドマテックス製、商品名:YA050C-MJE、平均粒径:約50nm)
・有機フィラー(樹脂フィラー、ロームアンドハースジャパン株式会社製、EXL-2655:コアシェルタイプ有機微粒子)
フラックス非含有層を備える単層フィルムCの作製に使用した化合物を以下に示す。
(A)(メタ)アクリル化合物
・フルオレン型骨格を有するアクリレート(大阪ガスケミカル株式会社製、商品名:EA-0200、2官能基)
・ジクミル過酸化物(日油株式会社製、商品名:パークミル(登録商標)D)
・1,4-ビス-((tert-ブチルパーオキシ)ジイソプロピル)ベンゼン(日油株式会社製、商品名:パーブチル(登録商標)P)
・アクリル樹脂(日立化成株式会社製、商品名:KH-CT-865、重量平均分子量Mw:100000、Tg:10℃)
単層フィルムA及びBの作製に用いたフィラー((e)成分)と同様のフィラーを用いた。
(実施例1~6及び比較例1~4)
上記で作製した単層フィルムのうち、同一又は異なる2つのフィルムを50℃でラミネートし、総厚40μmのフィルム状接着剤を作製した。単層フィルムの組み合わせは、表1に示すとおりとした。なお、同一のフィルムを用いた場合には、第二の接着層が存在しないため、表1では第一の接着層のみを示している。
以下に示す方法で、実施例及び比較例で得られたフィルム状接着剤及び該フィルム状接着剤を用いて作製した半導体装置について、弾性率測定、チップ反り評価、初期接続性の評価、ボイド評価、及び温度サイクル試験評価を行った。結果を表1に示す。
実施例又は比較例で得られたフィルム状接着剤を所定のサイズ(縦40mm×横4.0mm×厚さ0.06mm)に切り出し、クリーンオーブン(ESPEC株式会社製)中でキュアすることで、試験サンプルを得た。キュアの条件は、240℃、1時間とした。
実施例又は比較例で得られたフィルム状接着剤を、真空ラミネータ(株式会社エヌ・ピー・シー製、商品名:LM-50X50-S)を用いてシリコンチップ(縦10mm×横10mm×厚さ0.05mm、酸化膜コーティング)上にラミネートした。次に、フィルム状接着剤をラミネートしたサンプルを、クリーンオーブン(ESPEC株式会社製)中でキュアし、試験サンプルを得た。キュアの条件は240℃、1時間とした。
実施例又は比較例で作製したフィルム状接着剤を所定のサイズ(縦8mm×横8mm×厚さ40μm)に切り出し、評価用サンプルを作製した。次いで、評価用サンプルをガラスエポキシ基板(ガラスエポキシ基材:420μm厚、銅配線:9μm厚)上に貼付し、はんだバンプ付き半導体チップ(チップサイズ:縦7.3mm×横7.3mm×厚さ0.15mm、バンプ高さ:銅ピラー+はんだ計約40μm、バンプ数328)をフリップ実装装置「FCB3」(パナソニック株式会社製、商品名)で実装した。実装条件は、圧着ヘッド温度350℃、圧着時間3秒、圧着圧力0.5MPaとした。これにより、図4と同様に上記ガラスエポキシ基板と、はんだバンプ付き半導体チップとがデイジーチェーン接続された半導体装置を作製した。なお、実施例1~5、並びに比較例1及び4の評価用サンプルは、第二の接着層とガラスエポキシ基板とが接するように、ガラス基板上に貼付した。
上記の方法で作製した半導体装置について、超音波映像診断装置(商品名:Insight-300、インサイト株式会社製)により外観画像を撮り、スキャナGT-9300UF(セイコーエプソン株式会社製、商品名)でチップ上の接着剤部分(半導体用フィルム状接着剤の硬化物からなる部分)の画像を取り込み、画像処理ソフトAdobe Photoshop(登録商標)を用いて、色調補正、二階調化によりボイド部分を識別し、ヒストグラムによりボイド部分の占める割合を算出した。チップ上の接着剤部分の面積を100%として、ボイド発生率が5%以下の場合を「A」とし、5%より多く10%以下の場合を「B」とし、10%より多い場合を「C」として評価した。
上記の方法で作製した半導体装置を、封止材(日立化成株式会社製、商品名:CEL9750ZHF10)を用いて、180℃、6.75MPa、90秒の条件でモールドした。次いで、クリーンオーブン(ESPEC株式会社製)中で、175℃、5時間の条件でアフターキュアを行い、パッケージを得た。次に、このパッケージを冷熱サイクル試験機(楠本化成株式会社製、商品名:THERMAL SHOCK CHAMBER NT1200)につなぎ、1mA電流を流し、25℃2分間/-55℃15分間/25℃2分間/125℃15分間/25℃2分間を1サイクルとして、1000サイクル繰り返した後の接続抵抗の変化を評価した。初期の抵抗値波形と比べて1000サイクル後も大きな変化がなかった場合(差が生じなかった又は1Ω未満の差が生じた場合)を「A」、1Ω以上の差が生じた場合を「B」とした。
Claims (18)
- 第一の接着層と、該第一の接着層上に設けられた第二の接着層を備え、
硬化後の35℃における弾性率が3.0~5.0GPaである、半導体用フィルム状接着剤。 - フィラーを含む半導体用フィルム状接着剤であって、
第一の接着層と、該第一の接着層上に設けられた第二の接着層を備え、
前記フィラーの含有量が、半導体用フィルム状接着剤の全質量を基準として、30~60質量%である、半導体用フィルム状接着剤。 - 前記第一の接着層及び前記第二の接着層の少なくとも一方が熱硬化性接着層である、請求項1又は2に記載の半導体用フィルム状接着剤。
- 前記第一の接着層及び前記第二の接着層の両方が熱硬化性接着層である、請求項1~3のいずれか一項に記載の半導体用フィルム状接着剤。
- 前記第一の接着層及び前記第二の接着層の少なくとも一方がフラックス化合物を含有する熱硬化性接着層である、請求項1~4のいずれか一項に記載の半導体用フィルム状接着剤。
- 前記フラックス化合物がカルボキシル基を有する、請求項5に記載の半導体用フィルム状接着剤。
- 前記フラックス化合物が2つ以上のカルボキシル基を有する、請求項5又は6に記載の半導体用フィルム状接着剤。
- 前記フラックス化合物の融点が150℃以下である、請求項5~8のいずれか一項に記載の半導体用フィルム状接着剤。
- 前記第一の接着層及び前記第二の接着層の一方がフラックス化合物を含有しない熱硬化性接着層であり、
前記フラックス化合物を含有しない熱硬化性接着層が、ラジカル重合性化合物と熱ラジカル発生剤とを含有する、請求項5~9のいずれか一項に記載の半導体用フィルム状接着剤。 - 前記熱ラジカル発生剤は過酸化物である、請求項10に記載の半導体用フィルム状接着剤。
- 前記ラジカル重合性化合物は(メタ)アクリル化合物である、請求項10又は11に記載の半導体用フィルム状接着剤。
- 前記(メタ)アクリル化合物はフルオレン型骨格を有する、請求項12に記載の半導体用フィルム状接着剤。
- 前記第一の接着層及び前記第二の接着層の一方がフラックス化合物を含有しない熱硬化性接着層であり、
前記フラックス化合物を含有しない熱硬化性接着層が、エポキシ樹脂を含有する、請求項5~9のいずれか一項に記載の半導体用フィルム状接着剤。 - 前記フラックス化合物を含有しない熱硬化性接着層が、潜在性硬化剤を更に含有する、請求項14に記載の半導体用フィルム状接着剤。
- 前記潜在性硬化剤がイミダゾール系硬化剤である、請求項15に記載の半導体用フィルム状接着剤。
- 半導体チップ及び配線回路基板のそれぞれの接続部が互いに電気的に接続された半導体装置、又は、複数の半導体チップのそれぞれの接続部が互いに電気的に接続された半導体装置の製造方法であって、
前記接続部の少なくとも一部を、請求項1~16のいずれか一項に記載の半導体用フィルム状接着剤を用いて封止する工程を備える、半導体装置の製造方法。 - 半導体チップ及び配線回路基板のそれぞれの接続部が互いに電気的に接続された半導体装置、又は、複数の半導体チップのそれぞれの接続部が互いに電気的に接続された半導体装置であって、
前記接続部の少なくとも一部が、請求項1~16のいずれか一項に記載の半導体用フィルム状接着剤の硬化物によって封止されている、半導体装置。
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Ref document number: 20197033477 Country of ref document: KR Kind code of ref document: A |
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NENP | Non-entry into the national phase |
Ref country code: DE |
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122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
Ref document number: 18813745 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |