(57)【要約】【課題】  アンダーフィル材をフリップチップタイプの半導体素子に充填・硬化する際に、フラックス残渣を効果的にアンダーフィル材内に溶解除去させることのできるアンダーフィル材を提供する。【解決手段】  １）熱硬化性樹脂、２）フラックスを溶解し得る添加剤、３）フィラーを主成分とする液状封止樹脂組成物であり、熱硬化性樹脂がエポキシ樹脂、芳香族アミンを主成分とするものであり、フラックスを溶解し得る添加剤が、フラックス洗浄剤、フラックスを溶解し得る界面活性剤又は相溶化剤であることが好ましい。【特許請求の範囲】
【請求項１】
１）熱硬化性樹脂、２）フラックスを溶解し得る添加剤及び３）フィラーを主成分としてなることを特徴とする液状封止樹脂組成物。
【請求項２】
熱硬化性樹脂がエポキシ樹脂及び芳香族アミンを主成分とするものである請求項１記載の液状封止樹脂組成物。
【請求項３】
フラックスを溶解し得る添加剤が、フラックス洗浄剤である請求項１又は２記載の液状封止樹脂組成物。
【請求項４】
フラックスを溶解し得る添加剤が、フラックスを溶解し得る界面活性剤である請求項１又は２記載の液状封止樹脂組成物。
【請求項５】
フラックスを溶解し得る添加剤が、フラックスを溶解し得る相溶化剤である請求項１又は２記載の液状封止樹脂組成物。
【請求項６】
液状封止樹脂組成物１００重量部に対するフラックスを溶解し得る添加剤の割合が０．００５〜１５重量部である請求項１〜５のいずれか１項に記載の液状封止樹脂組成物。
【請求項７】
はんだ電極が具備された半導体素子と対応する基板を、はんだ電極を介して接続した素子と基板の間隙を請求項１〜６のいずれか１項に記載の液状樹脂組成物を用いて封止してなることを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液状封止樹脂組成物及びそれを用いた半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体素子の大型化、半導体装置の多ピン化、多様化に伴い、半導体素子等の周辺に使用される樹脂材料に対する信頼性の要求も厳しくなってきている。従来、リードフレームに半導体素子を接着し、封止樹脂で封止した半導体装置が主流であったが、近年では多ピン化の限界からボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）の様な半導体装置が増えている。ＢＧＡに搭載される半導体素子をインターポーザー（基板）に接続する方式には、ワイヤーボンドで半導体素子をインターポーザーに接続する方式、フリップチップをインターポーザーに接続する方式等がある。特に後者の場合、信号応答性、熱放散性等の観点から近年生産量が著しく伸びている。
【０００３】
フリップチップをインターポーザーに接続する方式の半導体装置の組み立て方法は、その接続にはんだ電極が用いられ、
１）  基板またははんだ電極にフラックスを塗布する工程
２）  リフロー処理によりはんだ電極を接続させる工程
３）  フラックスを洗浄する工程
４）  フリップチップと基板との間隙にアンダーフィル材と呼ばれる封止樹脂を充填・硬化する工程
を含む（図１）。３）の工程はフラックス残渣がその不純物による電気的不良を防ぐために必要な工程であり、４）は装置全体の信頼性を向上させるために必須となっている。近年、３）の工程において高純度、低残渣タイプのフラックスが登場し、３）の洗浄工程を省略することも可能となってきている（図２）（例えば特許文献１参照）。
しかし、最近になり電子回路の微細化に伴いフリップチップのはんだ電極間のピッチ、はんだの高さが狭小化、または大型チップ化する傾向に対し、上記改良フラックスを用いた場合でも、フラックス残渣が残りやすくなる問題が生じるようになった。フラックスははんだ電極の接続に用いられるため、リフロー処理後に多くの場合は、はんだ電極の周りに残渣を形成し（図３）、この残渣は、多くの場合、アンダーフィル材の充填・硬化の工程の際にも、アンダーフィル材と相溶すること無く、はんだ電極の周りに引き続き残る事がわかった(図４)。このフラックス残渣は元来基材との密着に乏しく信頼性において剥離を誘発する要因となる恐れがあった。また、フラックス残渣は線膨張係数が一般に非常に高いため、信頼性特に熱衝撃試験においてはんだに対し大きなストレスを与え、はんだクラック等の重大欠陥を招く恐れがあった。これらの問題を防ぐために改良フラックスに対しても３）の洗浄工程を行うことが考えられるが、先に述べたはんだ電極に関する狭小化により、洗浄が細部にまで行き渡らず、部分的にフラックス残渣が引き続き残るという問題があった。
【特許文献１】特開平８−２８８６３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、アンダーフィル材をフリップチップタイプの半導体素子に充填・硬化する際に、フラックス残渣を効果的にアンダーフィル材内に溶解除去させることのできるアンダーフィル材を提供することであり、ひいてはそのアンダーフィル材を用いた半導体装置の信頼性を向上することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
このような目的は、下記［１］〜［７］に記載の本発明により達成される。
［１］  １）熱硬化性樹脂、２）フラックスを溶解し得る添加剤及び３）フィラーを主成分としてなることを特徴とする液状封止樹脂組成物。
［２］  熱硬化性樹脂がエポキシ樹脂及び芳香族アミンを主成分とするものである［１］項記載の液状封止樹脂組成物。
［３］  フラックスを溶解し得る添加剤が、フラックス洗浄剤である［１］又は［２］項記載の液状封止樹脂組成物。
［４］  フラックスを溶解し得る添加剤が、フラックスを溶解し得る界面活性剤である［１］又は［２］項記載の液状封止樹脂組成物。
［５］  フラックスを溶解し得る添加剤が、フラックスを溶解し得る相溶化剤である［１］又は［２］項記載の液状封止樹脂組成物。
［６］  液状封止樹脂組成物１００重量部に対するフラックスを溶解し得る添加剤の割合が０．００５〜１５重量部である［１］〜［５］項のいずれか１項に記載の液状封止樹脂組成物。
［７］  はんだ電極が具備された半導体素子と対応する基板を、はんだ電極を介して接続した素子と基板の間隙を［１］〜［６］項のいずれか１項に記載の液状樹脂組成物を用いて封止してなることを特徴とする半導体装置。
【発明の効果】
【０００６】
本発明のアンダーフィル材は、フリップチップタイプの半導体素子に充填・硬化する際に、フラックス残渣を効果的にアンダーフィル材内に溶解除去させることができ、本発明のアンダーフィル材を用いることによって半導体装置の信頼性を向上することである。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、本発明の液状封止樹脂組成物（アンダーフィル材）および半導体装置について詳細に説明する。
本発明の液状封止樹脂組成物は熱硬化性樹脂、フラックスを溶解し得る添加剤及びフィラーが必須の構成である。
本発明に用いる熱硬化性樹脂の例としてはエポキシ樹脂、アクリレート樹脂、ブタジエン樹脂、マレイミド樹脂、シアネート樹脂、ウレタン樹脂等既存の熱硬化性樹脂を用いることができる。その中でエポキシ樹脂が信頼性、多様性、生産性等において好ましい。エポキシ樹脂は硬化させるためにアミン、酸無水物、フェノール樹脂等の硬化剤を必要とするが、硬化剤として芳香族アミンとの組み合わせが特に本発明を発現させるためには好ましい。より好ましい例としては
下記構造（式１）を有するオリゴマーである。
【０００８】
【化１】
2006160852.tif 000002
Ｒ：水素、またはアルキル基
Ｘ：水素、またはアルキル基
【０００９】
例えば、特開平１０−１５８３６５（R=H-,X=C2H5-の場合）等に開示されている芳香族アミン、特開２００４−３５６６８（R=CH3-,X=Hの場合）等に開示されて芳香族アミンが常温で液状であり信頼性に優れるため好適である。
次に、本発明で用いられるフラックスを溶解し得る添加剤としては例えばフラックス洗浄剤であり、市販のものを使用することができる。たとえば荒川化学社製パインアルファＳＴ−１００ＳＸ、花王社製クリンスルー７５０Ｈ、化研テック社製マイクロクリンＷＳ−１９４２などが挙げられる。
【００１０】
また、本発明で用いるフラックスを溶解し得る添加剤として、フラックス洗浄剤の他同等の作用を有するものとして、界面活性剤や相溶化剤のような熱硬化性樹脂に相溶し、かつフラックス剤を溶解するような構造を有する化合物を用いることができる。たとえばフラックスの代表例として活性ロジン系フラックスが挙げられるが、この場合はポリオキシアルキレンアルキルエーテル等のノニオン性界面活性剤、ポリオキシアルキレンリン酸エステル系界面活性剤、ポリオキシアルキレンアミン系界面活性剤等のオリゴマー等を用いることが好ましい。一般的には使用するフラックスの内容成分に応じて、溶解し得る構造を有する化合物を添加すればよい。フラックスを溶解し得る化合物の添加量は全液状封止樹脂組成物100重量部に対して０．００５〜１５重量部であることが好ましい。  ０．００５重量部を下回ると、本発明の効果が発現しない、１５重量部を超えると硬化物の物性の低下、ボイドの発生等を伴い好ましくない。
【００１１】
次に本発明の液状封止樹脂組成物に用いるフィラーとしては、例えばタルク、焼成クレー、未焼成クレー、マイカ、ガラス等のケイ酸塩、酸化チタン、アルミナ、シリカ、溶融シリカ等の酸化物、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、ハイドロタルサイト等の炭酸塩、水酸化アルミニウム、水酸化マグネシウム、水酸化カルシウム等の水酸化物、硫酸バリウム、硫酸カルシウム、亜硫酸カルシウム等の硫酸塩または亜硫酸塩、ホウ酸亜鉛、メタホウ酸バリウム、ホウ酸アルミニウム、ホウ酸カルシウム、ホウ酸ナトリウム等のホウ酸塩、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、窒化ケイ素等の窒化物等を挙げることができる。これらの中でもシリカ（特に球状溶融シリカ）が好ましい。これにより、流動性および供給安定性を向上することができる。フィラー（特に、球状シリカ）の平均粒子径は、特に限定されないが、１０μｍ以下が好ましく、特に５μｍ以下が好ましい。平均粒子径が前記範囲内であると、充填性を特に向上することができる。さらに、フィラーは、その表面がカップリング剤により表面処理されていても良い。
【００１２】
また本発明の液状封止樹脂組成物には、本発明の目的を損なわない範囲で硬化促進剤、カップリング剤、低応力剤、顔料、染料、レベリング剤、消泡剤等の添加剤を混合することができる。製造方法としてはロール、遊星ミキサー等で混合し、真空脱泡することにより作製することができる。
【００１３】
本発明の液状封止樹脂組成物を用いてフリップチップタイプの半導体素子を封止し、半導体装置を製作する方法は公知の方法を用いることができる。
【実施例】
【００１４】
以下、本発明の実施例および比較例に基づいて詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
（実施例１）
(1)液状封止樹脂組成物の調製
硬化性樹脂としてビスフェノールＦ型エポキシ樹脂（日本化薬製、ＲＥ−４０３Ｓ、エポキシ当量１６６）２８．５重量％と、硬化剤としてジエチルジアミノジフェニルメタン（硬化剤A、活性水素当量６３）１０．８重量％と、フラックスを溶解し得る成分として市販のフラックス洗浄剤であるパインアルファＳＴ−１００ＳＸ（荒川化学製）５．０重量％と、無機充填材として球状シリカ（アドマテックス製、ＳＯ−２５Ｈ、平均粒子径０．５μｍ）５５．０重量％と、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（信越化学製、ＫＢＭ−４０３）０．６重量％と、顔料としてカーボンブラック（三菱化学製、ＭＡ−６００）０．１重量％とを３本ロールにて室温で混練した後、真空脱泡機を用いて真空脱泡処理をして液状封止樹脂組成物を得た。
【００１５】
(2)封止樹脂の充填（封止）
はんだ接続用のフラックスとしてＴＳＦ−６５０２（Ｋｅｓｔｅｒ製、ロジン系フラックス）またはＴＳＦ−６５２２（Ｋｅｓｔｅｒ製、ロジン系）を基板に基板に塗布し、フリップチップボンダーで予めはんだ電極（はんだ組成：６７％Ｓｎ３３％Ｐｂ）が具備された半導体素子（回路保護膜：窒化ケイ素、電極数176個、サイズ：１０ｍｍ×１０ｍｍ×０．３５ｍｍｔ、はんだ高さ５０μｍ）を対応する基板（３５２ｐＢＧＡ（サイズ３５ｍｍ×３５ｍｍ×０．５６ｍｍｔのビスマレイミド・トリアジン樹脂／ガラスクロス基板、レジスト：太陽インキ社製、PSR-4000/AUS308）に設置した後、リフロー炉（温度プロファイル図６    参照）に通しはんだを基板に接合し半導体パッケージを得た。
上述の半導体パッケージを１１０℃の熱板上で加熱し、半導体素子の一辺に(1)で調製した液状封止樹脂組成物をディスペンスし充填させ、１５０℃のオーブンで９０分間樹脂を硬化し、半導体装置を得た。
【００１６】
（実施例２）
液状封止樹脂組成物の配合を以下のようにした以外は、実施例１と同様にした。
硬化性樹脂としてビスフェノールＦ型エポキシ樹脂（日本化薬製、ＲＥ−４０３Ｓ、エポキシ当量１６６）２３．７重量％と、硬化剤として下記の構造（式２）のアミン系硬化剤（硬化剤B、活性水素当量１１６）１６．６重量％と、フラックスを溶解し得る成分として市販のフラックス洗浄剤であるパインアルファＳＴ−１００ＳＸ（荒川化学製）４．１重量％と、無機充填材として球状シリカ（アドマテックス製、ＳＯ−２５Ｈ、平均粒子径０．５μｍ）５５．０重量％と、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（信越化学製、ＫＢＭ−４０３）０．５重量％と、顔料としてカーボンブラック（三菱化学製、ＭＡ−６００）０．１重量％とを３本ロールにて室温で混練した後、真空脱泡機を用いて真空脱泡処理をして液状封止樹脂組成物を得た。
得られた液状封止樹脂組成物を用いて、実施例１と同様にして半導体装置を得た。
【００１７】
【化２】
2006160852.tif 000003
【００１８】
（実施例３）
液状封止樹脂組成物の配合を以下のようにした以外は、実施例１と同様にした。
硬化性樹脂としてビスフェノールＦ型エポキシ樹脂（日本化薬製、ＲＥ−４０３Ｓ、エポキシ当量１６６）３２．０重量％と、硬化剤としてジエチルジアミノジフェニルメタン（硬化剤A,活性水素当量６３）１２．２重量％と、フラックスを溶解し得る成分としてポリオキシエチレントリデシルエーテル系の界面活性剤であるペグノールＴ−６（東邦化学工業製）０．１重量％と、無機充填材として球状シリカ（アドマテックス製、ＳＯ−２５Ｈ、平均粒子径０．５μｍ）５５．０重量％と、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（信越化学製、ＫＢＭ−４０３）０．６重量％と、顔料としてカーボンブラック（三菱化学製、ＭＡ−６００）０．１重量％とを３本ロールにて室温で混練した後、真空脱泡機を用いて真空脱泡処理をして液状封止樹脂組成物を得た。
得られた液状封止樹脂組成物を用いて、実施例１と同様にして半導体装置を得た。
【００１９】
（実施例４）
液状封止樹脂組成物の配合を以下のようにした以外は、実施例１と同様にした。
硬化性樹脂としてビスフェノールＦ型エポキシ樹脂（日本化薬製、ＲＥ−４０３Ｓ、エポキシ当量１６６）２６．１重量％と、硬化剤として式２のアミン系硬化剤（硬化剤B、活性水素当量１１６）１８．２重量％と、フラックスを溶解し得る成分としてポリオキシエチレントリデシルエーテル系の界面活性剤であるペグノールＴ−６（東邦化学工業製）０．１重量％と、無機充填材として球状シリカ（アドマテックス製、ＳＯ−２５Ｈ、平均粒子径０．５μｍ）５５．０重量％と、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（信越化学製、ＫＢＭ−４０３）０．５重量％と、顔料としてカーボンブラック（三菱化学製、ＭＡ−６００）０．１重量％とを３本ロールにて室温で混練した後、真空脱泡機を用いて真空脱泡処理をして液状封止樹脂組成物を得た。
得られた液状封止樹脂組成物を用いて、実施例１と同様にして半導体装置を得た。
【００２０】
（比較例１）
液状封止樹脂組成物の配合を以下のようにした以外は、実施例１と同様にした。
硬化性樹脂としてビスフェノールＦ型エポキシ樹脂（日本化薬製、ＲＥ−４０３Ｓ、エポキシ当量１６６）３２．１重量％と、硬化剤としてジエチルジアミノジフェニルメタン（硬化剤A、活性水素当量６３）１２．２重量％と、無機充填材として球状シリカ（アドマテックス製、ＳＯ−２５Ｈ、平均粒子径０．５μｍ）５５．０重量％と、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（信越化学製、ＫＢＭ−４０３）０．７重量％と、顔料としてカーボンブラック（三菱化学製、ＭＡ−６００）０．１重量％とを３本ロールにて室温で混練した後、真空脱泡機を用いて真空脱泡処理をして液状封止樹脂組成物を得た。
得られた液状封止樹脂組成物を用いて、実施例１と同様にして半導体装置を得た。
【００２１】
（比較例２）
液状封止樹脂組成物の配合を以下のようにした以外は、実施例１と同様にした。
硬化性樹脂としてビスフェノールＦ型エポキシ樹脂（日本化薬製、ＲＥ−４０３Ｓ、エポキシ当量１６６）２６．１重量％と、硬化剤として式２のアミン系硬化剤（硬化剤B,活性水素当量１１６）１８．３重量％と、無機充填材として球状シリカ（アドマテックス製、ＳＯ−２５Ｈ、平均粒子径０．５μｍ）５５．０重量％と、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（信越化学製、ＫＢＭ−４０３）０．５重量％と、顔料としてカーボンブラック（三菱化学製、ＭＡ−６００）０．１重量％とを３本ロールにて室温で混練した後、真空脱泡機を用いて真空脱泡処理をして液状封止樹脂組成物を得た。
得られた液状封止樹脂組成物を用いて、実施例１と同様にして半導体装置を得た。
【００２２】
各実施例および比較例で得られた半導体装置について、以下の半導体装置の断面観察および信頼性試験を行った。得られた結果を表１に示す。
＜半導体の断面観察１＞
各実施例および比較例で得られた半導体装置のうち、フラックスにＴＳＦ−６５０２とＴＳＦ−６５２２を用いたものを各々２個ずつ、断面研磨を行い、はんだバンプ周りのフラックス残渣の有無を観察し、フラックス残渣が観察された半導体装置の数を評価した。
＜信頼性試験＞
各実施例および比較例得られた半導体装置のうち、上記の＜半導体の断面観察１＞に用いていないものを吸湿処理（３０℃／６０％／１９２時間）、耐リフロー試験（ＪＥＤＥＣ２２０℃条件）３回、熱衝撃試験（−５５℃／３０分〜１２５℃／３０分、１，０００サイクル）を行った後に、導通試験を行い、導通しなかった半導体装置の数を評価した。
＜半導体の断面観察２＞
上記の＜信頼性試験＞に用いた全ての半導体装置の断面研磨を行い、はんだバンプ周りの観察を行った。
【００２３】
【表１】
2006160852.tif 000004
【００２４】
表から明らかなように、実施例１〜４は、はんだ周りのフラックス残渣がアンダーフィル材内に溶解除去されており（図５）、信頼性試験後も導通が取れており、半導体装置の信頼性が向上していることが示された。
一方、比較例１、２はフラックスを溶解し得る添加剤が添加されていないために、はんだバンプ周りのフラックス残渣が除去されておらず、信頼性試験後にフラックス残渣と基板の間に剥離が生じ、はんだバンプがクラックしたために、半導体装置が導通しなくなったものが存在した。
実施例１〜４は、はんだ周りのフラックス残渣がアンダーフィル材内に溶解除去されており、信頼性試験後も導通が取れており、半導体装置の信頼性が向上していることが示された。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】フリップチップパッケージの製造工程例を示す。図１（ａ）は基板またははんだ電極にフラックスを塗布した後の状態図である。図１（ｂ）はリフロー処理によりはんだ電極を接続させた後の状態図である。図１（ｃ）フラックスを洗浄した後の状態図である。図１（ｄ）アンダーフィル材を充填・硬化した後の状態図である。
【図２】洗浄工程を省略したフリップチップパッケージの製造工程例を示す。図２（ａ）は基板またははんだ電極にフラックスを塗布した後の状態図である。図２（ｂ）はリフロー処理によりはんだ電極を接続させた後の状態図である。図２（ｃ）アンダーフィル材を充填・硬化した後の状態図である。
【図３】フラックス残渣の状態を示す断面図である。
【図４】フラックス残渣のある状態でアンダーフィル材にて封止された状態を示す断面図である。
【図５】本発明のアンダーフィル材で封止された状態を示す断面図である。
【図６】本発明のはんだ電極をフラックスを介して接合するために用いたリフロー炉の温度プロファイルである。
【符号の説明】
【００２６】
１    半導体素子
２    基板
３    はんだバンプ
４    フラックス
５    フラックス残渣
６    封止樹脂
【図１】
2006160852.tif 000005
【図２】
2006160852.tif 000006
【図３】
2006160852.tif 000007
【図４】
2006160852.tif 000008
【図５】
2006160852.tif 000009
【図６】
2006160852.tif 000010