(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機基板の配線パターン面に複数個のバンプを介して半導体チップが搭載され、上記基板と半導体チップとの間の隙間にアンダーフィル材を充填し、封止するに際し、上記アンダーフィル材として、（Ａ）室温で液状のエポキシ樹脂、（Ｂ）無機質充填剤としてフリップチップギャップ幅（基板とチップとの間隙）に対して平均粒径が約１／１０以下、最大粒径が１／２以下の充填剤をエポキシ樹脂と硬化剤との合計量１００重量部に対して１００〜４００重量部、（Ｃ）硬化剤として酸無水物をエポキシ樹脂中のエポキシ基１モルに対して酸無水物化合物中の酸無水物基が０．３〜０．７モル、及び硬化促進剤としてイミダゾール誘導体及び３級アミン化合物から選ばれる１種又は２種以上をエポキシ樹脂と硬化剤の合計量１００重量部に対して０．０１〜１０重量部を必須成分とする液状エポキシ樹脂組成物を使用し、このアンダーフィル材を上記隙間に６０〜１２０℃で侵入させて封止し、次いで半導体装置を５℃／分〜７℃／分で上記アンダーフィル材の硬化温度まで昇温させ、更に１４０〜１７０℃で１〜５時間硬化させることを特徴とするフリップチップ型半導体装置のアンダーフィル材による封止方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フリップチップ型半導体装置用のアンダーフィル材による封止方法に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
電気機器の小型、軽量化、高機能化に伴い、半導体の実装方法もピン挿入タイプから表面実装が主流になっている。そして、ベアチップ実装の一つにフリップチップ（ＦＣ）実装がある。ＦＣ実装とは、ＬＳＩチップの配線パターン面に高さ１０〜１００μｍ程度のバンプといわれる電極を数個から数千個形成し、基板の電極を導電ペースト或いは半田等で接合する方式である。このため、ＦＣの保護に用いる封止材料は、基板とＬＳＩチップのバンプ等による数１０μｍ程度の隙間に浸透させる必要がある。従来のフリップチップ用アンダーフィル材として使用される液状エポキシ樹脂組成物は、エポキシ樹脂と硬化剤及び無機質充填剤を配合し、信頼性を高めるために半導体のチップや基板、バンプと線膨張係数を一致させるために、多量の無機質充填剤を配合する処方が主流となってきている。
【０００３】
しかしながら、このようなフリップチップ用アンダーフィル材においては、応力特性において充填剤の高充填化だけでは緩和されず、デバイスの信頼性テストでチップとの剥離やチップのクラックといった問題点が提示されており、この改善が望まれる。
【０００４】
本発明は、上記事情に鑑みなされたもので、高い信頼性をもって上記隙間をアンダーフィル材で封止することができる、フリップチップ型半導体装置のアンダーフィル材による封止方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段及び発明の実施の形態】
本発明は、上記目的を達成するため、有機基板の配線パターン面に複数個のバンプを介して半導体チップが搭載され、上記基板と半導体チップとの間の隙間にアンダーフィル材を充填し、封止するに際し、上記アンダーフィル材として、（Ａ）室温で液状のエポキシ樹脂、（Ｂ）無機質充填剤としてフリップチップギャップ幅（基板とチップとの間隙）に対して平均粒径が約１／１０以下、最大粒径が１／２以下の充填剤をエポキシ樹脂と硬化剤との合計量１００重量部に対して１００〜４００重量部、（Ｃ）硬化剤として酸無水物をエポキシ樹脂中のエポキシ基１モルに対して酸無水物化合物中の酸無水物基が０．３〜０．７モル、及び硬化促進剤としてイミダゾール誘導体及び３級アミン化合物から選ばれる１種又は２種以上をエポキシ樹脂と硬化剤の合計量１００重量部に対して０．０１〜１０重量部を必須成分とする液状エポキシ樹脂組成物を使用し、このアンダーフィル材を上記隙間に６０〜１２０℃で侵入させて封止し、次いで半導体装置を５℃／分〜７℃／分で上記アンダーフィル材の硬化温度まで昇温させ、更に１４０〜１７０℃で１〜５時間硬化させることを特徴とするフリップチップ型半導体装置のアンダーフィル材による封止方法を提供する。
【０００６】
即ち、本発明者は、上記（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）成分を含む液状エポキシ樹脂組成物をアンダーフィル材に用い、上記特定の封止温度及び硬化条件を用いることにより、信頼性テスト後のデバイスチップの剥離とクラックの抑制が図られることを見出した。特に、硬化剤として酸無水物やカルボン酸ヒドラジドは、その低粘性よりアンダーフィル材に使用されているが、一方その揮発性により製造過程で含有量が減少し、硬化性に影響を及ぼすことが判明してきた。その際、封止時の温度及び硬化時の条件を制御することにより、酸無水物等の揮発量を抑制し、チップ面にかかる応力を均一化することにより、チップの剥離及びクラックを防止することができること、よって、本発明のフリップチップ型半導体装置は非常に信頼性の高いものであることを見出し、本発明をなすに至ったものである。
【０００７】
以下、本発明について更に詳しく説明する。
本発明に係るフリップチップ型半導体装置は、図１に示したように、有機基板１の配線パターン面に複数個のバンプ２を介して半導体チップ３が搭載されているものであり、上記有機基板１と半導体チップ３との間の隙間（バンプ２間の隙間）にアンダーフィル材４が充填され、その側部がフィレット材５で封止されたものであるが、本発明は上記アンダーフィル材を特定条件で封止することを特徴とする。
【０００８】
ここで、本発明においては、上記アンダーフィル材として、
（Ａ）液状エポキシ樹脂、
（Ｂ）無機質充填剤、
（Ｃ）硬化剤
を必須成分とする液状エポキシ樹脂組成物を使用する。
【０００９】
本発明に用いられる（Ａ）成分の液状エポキシ樹脂は、一分子中に２個以上のエポキシ基があればいかなるものでも使用可能であるが、特に、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂等のビスフェノール型エポキシ樹脂、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等のノボラック型エポキシ樹脂、ナフタレン型エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂、シクロペンタジエン型エポキシ樹脂などが例示される。この中でも室温で液状のエポキシ樹脂を使用する。これらのエポキシ樹脂には、下記構造で示されるエポキシ樹脂を浸入性に影響を及ぼさない範囲で添加しても何ら問題はない。
【００１０】
【化１】
0003633819.tif 000002
【００１１】
上記液状エポキシ樹脂中の全塩素含有量は、１５００ｐｐｍ以下、望ましくは１０００ｐｐｍ以下であることが好ましい。また、１００℃で５０％エポキシ樹脂濃度における２０時間での抽出水塩素が１０ｐｐｍ以下であることが好ましい。全塩素含有量が１５００ｐｐｍを超え、抽出水塩素が１０ｐｐｍを超えると、半導体素子の信頼性、特に耐湿性に悪影響を与えるおそれがある。
【００１２】
本発明の組成物には、（Ｂ）成分として、膨張係数を小さくする目的から従来より知られている各種の無機質充填剤を添加する。無機質充填剤としては、溶融シリカ、結晶シリカ、アルミナ、ボロンナイトライド、窒化アルミ、窒化珪素、マグネシア、マグネシウムシリケートなどが使用される。好ましくは、侵入性の向上と低線膨張化の両立を図るためフリップチップギャップ幅（基板とチップとの間隙）に対して平均粒径が約１／１０以下、最大粒径が１／２以下の充填剤をエポキシ樹脂と硬化剤との合計量１００重量部に対して１００〜４００重量部、望ましくは、エポキシ樹脂と硬化剤との合計量１００重量部に対して１５０〜２５０重量部の範囲で配合することが好ましい。１００重量部未満では、膨張係数が大きく、冷熱試験においてクラックの発生を誘発させるおそれがある。４００重量部を超えると、粘度が高くなり、薄膜侵入性の低下をもたらすおそれがある。なお、平均粒径は例えば、レーザー光回折法等による重量平均値（又はメジアン径）等として求めることができる。
【００１３】
本発明で用いるエポキシ樹脂組成物（アンダーフィル材）の（Ｃ）成分の硬化剤としては、酸無水物系硬化剤が好適であり、酸無水物系硬化剤として、例えばテトラヒドロフタル酸、メチルテトラヒドロ無水フタル酸、メチルヘキサヒドロ無水フタル酸、ヘキサヒドロ無水フタル酸、無水メチルハイミックス酸、ピロメリット酸二無水物、ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物、３，３’，４，４’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物、ビス（３，４−ジカルボキシフェニル）エーテル二無水物、ビス（３，４−ジカルボキシフェニル）メタン二無水物、２，２−ビス（３，４−ジカルボキシフェニル）プロパン二無水物などの、好ましくは分子中に脂肪族環又は芳香族環を１個又は２個有すると共に、酸無水物基を１個又は２個有する、炭素原子数４〜２５個、好ましくは８〜２０個程度の酸無水物化合物を挙げることができる。硬化剤としてこのような酸無水物を用いる場合は、エポキシ樹脂中のエポキシ基１モルに対して酸無水物化合物中の酸無水物基が０．３〜０．７モル、特に０．４〜０．６モルの範囲で配合することが望ましく、配合量が０．３モル未満では硬化性が不十分となる場合があり、０．７モルを超えると未反応の酸無水物が残存し、ガラス転移温度の低下となる場合がある。
【００１４】
また、硬化剤としては、上記の他にジシアンジアミド、アジピン酸ヒドラジド、イソフタル酸ヒドラジド等のカルボン酸ヒドラジドも使用することができる。これら硬化剤の配合量は、硬化有効量とすることができる。
【００１５】
更に、酸無水物を硬化剤として使用する場合の硬化促進剤として、イミダゾール誘導体及び３級アミン化合物から選ばれる１種又は２種以上を配合することができる。ここで、イミダゾール誘導体としては、２−メチルイミダゾール、２−エチルイミダゾール、４−メチルイミダゾール、４−エチルイミダゾール、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、２−フェニル−４−ヒドロキシメチルイミダゾール、２−エチル−４−メチルイミダゾール、１−シアノエチル−２−メチルイミダゾール、２−フェニル−４，５−ジヒドロキシメチルイミダゾール等が挙げられる。また、３級アミン化合物としては、トリエチルアミン、ベンジルトリメチルアミン、α−メチルベンジルジメチルアミン等の窒素原子に結合する置換基としてアルキル基やアラルキル基を有するアミン化合物、１，８−ジアザヒシクロ［５．４．０］ウンデセン−７及びそのフェノール塩、オクチル酸塩、オレイン酸塩などのシクロアミジン化合物やその有機酸との塩、或いは下記式の化合物などのシクロアミジン化合物と４級ホウ素化合物との塩又は錯塩などが挙げられる。
【００１６】
【化２】
0003633819.tif 000003
【００１７】
なお、これらイミダゾール誘導体及び３級アミン化合物は、酸無水物系硬化剤の硬化促進剤としてもエポキシ樹脂の硬化剤としても使用できるものであるが、硬化促進剤として使用する場合は、エポキシ樹脂と硬化剤の合計量１００重量部に対して０．０１〜１０重量部、特に０．５〜５重量部の範囲で添加することが好適である。添加量が０．０１重量部に満たないと硬化性が低下する場合があり、１０重量部を超えると硬化性に優れるが保存性が低下する傾向となる場合がある。
【００１８】
本発明の組成物には、応力を低下させる目的でシリコーンゴム、シリコーンオイルや液状のポリブタジエンゴム、メタクリル酸メチル−ブタジエン−スチレン共重合体といった熱可塑性樹脂などを配合してもよい。好ましくは、アルケニル基含有エポキシ樹脂又はフェノール樹脂のアルケニル基と、下記式（１）で示される一分子中の珪素原子の数が２０〜４００であり、ＳｉＨ基の数が１〜５であるオルガノポリシロキサンのＳｉＨ基との付加反応により得られる共重合体［（Ｄ）成分］を配合することがよい。
ＨａＲｂＳｉＯ（４−ａ−ｂ）／２                            （１）
（式中、Ｒは置換又は非置換の一価炭化水素基、ａは０．０１〜０．１、ｂは１．８〜２．２、１．８１≦ａ＋ｂ≦２．３を満足する正数を示す。）
【００１９】
なお、Ｒの一価炭化水素基としては、炭素数１〜１０、特に１〜８のものが好ましく、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基、イソブチル基、ｔｅｒｔ−ブチル基、ヘキシル基、シクロヘキシル基、オクチル基、デシル基等のアルキル基、ビニル基、アリル基、プロペニル基、ブテニル基、ヘキセニル基等のアルケニル基、フェニル基、キシリル基、トリル基等のアリール基、ベンジル基、フェニルエチル基、フェニルプロピル基等のアラルキル基などや、これらの炭化水素基の水素原子の一部又は全部を塩素、フッ素、臭素等のハロゲン原子で置換したクロロメチル基、ブロモエチル基、トリフルオロプロピル基等のハロゲン置換一価炭化水素基を挙げることができる。
上記共重合体としては、中でも下記構造のものが望ましい。
【００２０】
【化３】
0003633819.tif 000004
【００２１】
【化４】
0003633819.tif 000005
（上記式中、Ｒは上記と同じ、Ｒ１は水素原子又は炭素数１〜４のアルキル基、Ｒ２は−ＣＨ２ＣＨ２ＣＨ２−、−ＯＣＨ２−ＣＨ（ＯＨ）−ＣＨ２−Ｏ−ＣＨ２ＣＨ２ＣＨ２−又は−Ｏ−ＣＨ２ＣＨ２ＣＨ２−である。ｎは４〜１９９、好ましくは１９〜９９の整数、ｐは１〜１０の整数、ｑは１〜１０の整数である。）
【００２２】
上記共重合体は、ジオルガノポリシロキサン単位が液状エポキシ樹脂と硬化剤の合計量１００重量部に対し０〜２０重量部、特には２〜１５重量部含まれるように配合することで、応力をより一層低下させることができる。
【００２３】
本発明の封止材（液状エポキシ樹脂組成物）には、更に必要に応じ、接着向上用炭素官能性シラン、カーボンブラックなどの顔料、染料、酸化防止剤、表面処理剤（γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシランなど）、その他の添加剤を配合することができる。
【００２４】
なお、このエポキシ樹脂組成物の粘度は２５℃において１０，０００ポイズ以下であることが好ましい。
【００２５】
本発明のエポキシ樹脂組成物は、例えば、エポキシ樹脂、硬化剤、硬化促進剤、無機質充填剤を同時に又は別々に必要により加熱処理を加えながら撹拌、溶解、混合、分散させることにより製造することができる。これらの混合物の撹拌、溶解、混合、分散等の装置は特に限定されないが、撹拌、加熱装置を備えたライカイ機、３本ロール、ボールミル、プラネタリーミキサー等を用いることができる。これら装置を適宜組み合わせて使用してもよい。
【００２６】
而して、本発明においては、フリップチップ型半導体装置の基板と半導体チップとの間の隙間に上記アンダーフィル材（液状エポキシ樹脂組成物）を侵入、充填する。この場合、半導体装置の温度条件（アンダーフィル材の充填温度）は、６０〜１２０℃であり、好ましくは７０〜１００℃である。６０℃未満であると、組成物の粘度が高いため、基板とチップの隙間を侵入させることができず、また、１２０℃を超えると反応が生起し、やはり侵入を妨げる原因となる。
【００２７】
次に、硬化条件としては、上記のように封止した後、このデバイスを硬化工程に移行し、硬化到達温度までの昇温速度が５℃／分〜７℃／分であり、硬化温度及び時間が１４０〜１７０℃、１〜５時間の条件が採用される。好ましくは、硬化温度及び時間が１５０〜１６０℃、２〜３時間である。５℃／分未満であると、酸無水物が揮発し未硬化となり、また、７℃／分を超えると内部温度が急激に上昇することによるボイドの発生を招くので好ましくない。更に、硬化温度は、１４０℃未満であると未反応物が残存し、１７０℃を超えると基板の反りの原因になる。硬化時間は、硬化温度にもよるが、１時間未満であると未反応物が残存し、５時間を超えると工程が長くなり、好ましくない。
【００２８】
なお、本発明において、フィレット材による封止は、公知のフィレット材を用いて公知の条件で封止することができる。
【００２９】
【実施例】
以下、実施例と比較例を示し、本発明を具体的に説明するが、本発明は下記の実施例に制限されるものではない。
【００３０】
［実施例、比較例］
表１に示すように、液状エポキシ樹脂としてビスフェノールＡ型エポキシ樹脂（ＲＥ３１０：日本化薬社製）、硬化剤としてメチルテトラヒドロ無水フタル酸（リカシッドＭＨ７００：新日本理化社製）、溶融シリカ（ＰＬＶ７−１−１（平均粒径３μｍ、最大粒径２０μｍ）：龍森社製）、シランカップリング剤としてγ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン（ＫＢＭ４０３：信越化学工業社製）、下記に示す硬化促進剤（ＵＣＡＴ５００２：旭化成社製）を配合し、均一に混練することによりエポキシ樹脂組成物を得た。
【化５】
0003633819.tif 000006
【００３１】
得られたエポキシ樹脂組成物を１０ｍｍ角のチップに対し１００μｍの隙間をもつような基板に積載されたデバイスに、表１に示すような条件下で侵入させ、表１に示すような条件下で硬化させた。硬化物については、剥離、反り、クラック、ボイドを評価した。剥離とボイドは市販の超音波探傷機にてチェックし、反りはチップ面上の高低差を測定し、クラックは外観にてチェックした。
【００３２】
【表１】
0003633819.tif 000007
【００３３】
【発明の効果】
本発明によれば、アンダーフィル封止材の剥離、クラック、ボイドがなく、反りの小さいフリップチップ型半導体装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】フリップチップ型半導体装置の一例を示す概略図である。
【符号の説明】
１  有機基板
２  バンプ
３  半導体チップ
４  アンダーフィル材
５  フィレット材
【図１】
0003633819.tif 000008