(57)【要約】【課題】基板や半導体チップでの反りの発生を回避し、かつ接合特性の良好な、アンダーフィル組成物を介する室温でのフリップチップ接合を可能とする。【解決手段】エポキシ樹脂主剤、これを室温で硬化するマイクロカプセル型硬化剤、少なくとも一定量以上の鋭角形状を有する破砕フィラーを含むフィラーなどからなるアンダーフィル組成物を用い、フリップチップ接合時は、荷重をかけるとともに超音波を印加して室温での接合を行う。超音波印加によって、マイクロカプセル型硬化剤が破砕フィラーと接触してカプセルが割れ、硬化剤が滲みだして、エポキシ樹脂主剤を効果的に硬化させ、強固な接合も維持される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エポキシ樹脂と、
マイクロカプセル化樹脂硬化剤と、
鋭角形状を有する無機材質フィラーと、
を含むことを特徴とするフリップチップ型半導体装置用アンダーフィル組成物。
【請求項２】
前記マイクロカプセル化樹脂硬化剤は、室温において硬化作用を有することを特徴とする請求項１記載のフリップチップ型半導体装置用アンダーフィル組成物。
【請求項３】
さらに、球状無機材質フィラーを含むことを特徴とする請求項１または２記載のフリップチップ型半導体装置用アンダーフィル組成物。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載のフリップチップ型半導体装置用アンダーフィル組成物を用いて半導体素子と基板とが接合されていることを特徴とするフリップチップ型半導体装置。
【請求項５】
主面に複数の電極を有する基板の該電極を含む領域を、前記請求項１ないし３のいずれかに記載のアンダーフィル組成物を用いて覆う工程と、
複数のバンプを有する半導体素子を、該バンプと前記電極とが対峙するように位置合わせする工程と、
室温下において、前記バンプと前記電極とを相互に押圧と超音波印加とを行って接合する工程と、
を含むことを特徴とするフリップチップ型半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体チップなどの半導体素子とこれを搭載する回路基板とをフリップチップ接合して半導体装置を形成する際に、両者のギャップの封止剤として用いられるアンダーフィル組成物に関するものであって、特に接合形成時の温度を室温で実施可能で、かつ良好な接合特性が得られる組成物、ならびにそれを用いたフィリップチップ型半導体装置およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電子機器の小型・高性能化に伴い、それに搭載される半導体デバイスの小型高性能・高集積化が進行し、その結果、Ｉ／Ｏピンの増大、パッケージサイズの小型化、ピン間距離の縮小化に伴い、リードフレーム方式に代わり、半導体チップの半田バンプを介して基板電極に実装するフリップチップ実装方式が多く用いられるようになってきた。
【０００３】
この方式においては、半導体デバイスの信頼性を向上させるために、半導体チップと基板との空隙部に樹脂を主体とする組成物を充填させて相互の接触や回路面劣化などを防ぐことと、半導体チップと基板とを含む全体に樹脂を主体とする組成物で封止して半導体デバイス全体を外部から保護することによって、パッケージ化がなされる。ここで、空隙部に介在させる組成物をアンダーフィル（用）組成物、全体を封止する組成物を封止（用）組成物と称する。
【０００４】
フリップチップ実装方式のパッケージ方法については、大別して、（Ａ）半導体チップと基板とをバンプを介して接続した後、同一の樹脂を主体とする組成物で、空隙の充填と全体の封止を行なう方式（例えば、特許文献１）、（Ｂ）半導体チップと基板とをバンプを介して接続した後、アンダーフィル組成物で空隙を充填＜いわゆる、アンダーフィル組成物の、後入れ方式＞し、その後、異なる封止組成物で全体を封止パッケージする方式（例えば、特許文献２）、（Ｃ）基板面にアンダーフィル組成物で空隙を充填後、半導体チップと基板とをバンプを介して接続＜いわゆる、アンダーフィル組成物の、先入れ方式＞し、その後異なる封止組成物で全体を封止パッケージする方式（例えば、特許文献３）、がある。
【０００５】
アンダーフィル組成物と封止組成物とでは、望まれる特性が異なる場合が多いとされる。例えば、アンダーフィル組成物は、チップの回路面を水分などから保護し、チップのシリコンと基板間の膨張率に起因するバンプ破壊の防止し、かつ両者を接着固定する機能などが必要となる。他方封止組成物は、非回路面を覆うことになるため、それほどの回路保護機能や熱サイクル耐性は求められず、むしろ、成形性や外部ショック耐性、遮光性などが一般に求められる。
【０００６】
アンダーフィル組成物を先に充填させる方式に関しても、前述のように、（Ｂ）後入れ方式と（Ｃ）先入れ方式とがある。一般的には、製造工程や求められるデバイス特性などによって有利な方式を選択するが、特にバンプ密度が高く、かつチップ面と基板面とが近い（低いバンプを適用する）場合は、後入れ方式では、例えば、アンダーフィル組成物の粘度によっては、空隙にその組成物が十分充填されず、ボイドが発生する可能性が大きくなることがある。そこで高密度フリップチップ実装においては、先入れ方式が望まれる場合が多い。
【０００７】
アンダーフィル組成物の材料としては、通常、液状エポキシ樹脂組成物が用いられ、これは、エポキシ樹脂、硬化剤、および無機材質フィラー（無機質充填材）などからなり、それぞれ各種材料やその組成比などを選択して、用途に適したアンダーフィル用組成物が検討されている。また、例えばアルミナやシリカなどを用いる無機材質フィラーに関しては、それまでの固形無機材を単に破砕したままのフィラーによってチップ表面への接触などでアタック障害などが生じていたことから、これを回避するために、近年は、微細な真球状の無機材質フィラーを用いるようになっている（例えば、特許文献１、３）。
【特許文献１】特開２００２−３４８４３８号公報
【特許文献２】特開２０００−２９７２０１号公報
【特許文献３】特開２００７−５６０７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
図４、５の説明用断面図により、通常のアンダーフィル組成物の先入れ方式によるフリップチップ接合方式を説明する。
【０００９】
フリップチップ接合は、図４に示すように、基板１０１上に例えば金からなる電極１０２が形成されている回路基板１０３と、半導体チップ１０４の回路面側の周辺に例えば金からなるバンプ１０５が形成されているバンプ形成半導体チップ１０６とを、図中の矢印で示すように、電極１０２とバンプ１０５とを位置合わせして、加熱・加圧接合を行う。その際、先入れ方式においては、図に示されているように、予めアンダーフィル組成物１０７を回路基板１０３の接合面側上に塗布しておく。ここにおいて、従来の材料組成からなるアンダーフィル組成物を用いたとき、アンダーフィル組成物１０７の塗布時点で、回路基板１０３を例えば５０〜１００℃に加熱し、接合時に例えば２００〜２５０℃加熱・押圧する（例えば、特許文献３）。
【００１０】
このような熱サイクルの負荷がかかることによって、図５の断面図に模式的に示すように、接合後の半導体チップ１０４と基板１０１に反りが生じ、特に、高密度チップのような、低い小さなバンプを用いたチップのフリップチップ接合の場合には、図中の接近領域Aで示すように、両者間のギャップが更に小さくなり、ついには接触して、基板と相対する回路面に損傷を与えるといった問題が発生する。
【００１１】
このような場合の対処として、接合時の温度を下げて接合を行うといった手法も考えられるが、アンダーフィル組成物の確実な固化、フリップチップ接合の安定性の確保などのために接続工程の長時間化は避けられず、当然、製造上のタクトタイムは伸び、また、品質上、不十分な熱の付与から接合不良の増加などが生じやすい。
【００１２】
そこで、以上のことから、本発明の課題は、接合時の処理温度を上げずに、従って半導体チップや基板に反りの発生を抑制し、確実にフリップチップ接合の実現が可能なアンダーフィル組成物、ならびに、それを用いた半導体装置およびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の、フリップチップ型半導体装置用アンダーフィル組成物は、
エポキシ樹脂と、
マイクロカプセル化樹脂硬化剤と、
鋭角形状を有する無機材質フィラーと、
を含むことを特徴とする。
【００１４】
また、前記マイクロカプセル化樹脂硬化剤は、室温において硬化作用を有することを特徴とする。
【００１５】
また、さらに、球状無機材質フィラーを含むことを特徴とする。
【００１６】
そして、本発明の、フリップチップ型半導体装置は、
前記のフリップチップ型半導体装置用アンダーフィル組成物を用いて半導体素子と基板とが接合されていることを特徴とする。
【００１７】
そして、本発明の、フリップチップ型半導体装置の製造方法は、
主面に複数の電極を有する基板の該電極を含む領域を、前記請求項１ないし３のいずれかに記載のアンダーフィル組成物を用いて覆う工程と、
複数のバンプを有する半導体素子を、該バンプと前記電極とが対峙するように位置合わせする工程と、
室温下において、前記バンプと前記電極とを相互に押圧と超音波印加とを行って接合する工程と、
を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明になる、フリップチップ型半導体装置用アンダーフィル組成物、ならびにそれを用いたフリップチップ型半導体装置、ならびにその製造方法を適用することにより、室温でのフリップチップ接合を可能とし、よって、基板や半導体チップに反りの発生を回避でき、かつ多数回の温度サイクル試験にも十分耐え得る、基板上の電極―半導体チップ上のバンプ間の良好な接続特性を有する半導体装置を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下に、本発明の実施の形態を、添付図を参照しつつ説明する。
【００２０】
（実施例）
（１）アンダーフィル組成物の作製
図１に、作製した、容器中のアンダーフィル組成物の模式的なイメージ図を示す。アンダーフィル組成物１は、液状エポキシ樹脂組成物であって、室温で液状タイプのエポキシ樹脂（エポキシ主剤２）としてビスフェノールF型エポキシ樹脂（商品名：ＥＸＡ８３０ＬＶＰ、大日本インキ化学工業製）、上記エポシシ樹脂の、室温で硬化反応を行う硬化剤として、マイクロカプセル化された樹脂硬化剤（マイクロカプセル型硬化剤３）を用い、具体的には、イミダゾールをコアとしたマイクロカプセル型硬化剤（商品名：ＨＸ−３７２１、旭化成ケミカルズ製）を用いた。さらに、各組成成分の結合性向上のためのカップリング剤４として、シラン系カップリング剤（商品名：ＫＢＭ４０３、信越化学製）を用い、フィラー５として、球状フィラー５１の球状アルミナ粉末（商品名：ＡＯ８０２、アドマテックス製）と、固形アルミナを破砕して作製した破砕アルミナからなる破砕フィラー５２を用いた。
【００２１】
上記の球状アルミナ粉末（商品名：ＡＯ８０２）は図中の球状フィラー５１のＳＥＭ図に示すようにほぼ真円の粉末であって、平均粒径は、およそ０．７μｍである。他方、破砕アルミナは、破砕フィラー５２のＳＥＭ図に示すように前記球状アルミナとほぼ同レベルの平均サイズを有し、それぞれ立体の角形や角錐形で、個々に鋭角形状を有する粉末である。
【００２２】
表１に、上記の各組成材料と組成比率を同一にし、フィラー中の球状フィラー（球状アルミナ）と破砕フィラー（破砕アルミナ）の混合比を、０対１０（破砕アルミナのみ）〜９対１に変えたサンプル１〜５と、同混合比を１０対０（従来用いている球状アルミナのみ）の比較例１のサンプルについての、作製実施したアンダーフィル組成物のサンプル組組成表を示す。
【００２３】
【表１】
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（２）評価用の回路基板およびバンプ形成半導体チップの作製
図２に、上記のように作製したアンダーフィラー組成物１を用いてフリップチップ接合の評価をするための、回路基板６とバンプ形成半導体チップ９を示す。図中基板７は、縦１２ｍｍ、横１２ｍｍ、厚さ０．３５ｍｍのトリアジン系樹脂（商品名：ＢＴレジン、三菱瓦斯化学製）からなり、その上に、金からなる電極８を、電極径３５μｍ、電極ピッチ５０μｍで４００個作製したものを用いた。
【００２４】
この回路基板６上に接合するバンプ形成半導体チップ９については、半導体チップ１０は縦６．６４ｍｍ、横６．６４ｍｍ、厚さ０．２ｍｍのＬＳＩチップを用い、この上に、前記回路基板の電極８に対応して、同様に金で、電極径３５μｍ、電極ピッチ５０μｍのバンプ１１形状の電極を４００個作製したものを用いた。
【００２５】
（３）フリップチップ接合
そして、図２に示すように、上記のように作製したアンダーフィル組成物１（６ｍｇ）を回路基板６の電極７を含む領域に塗布する。次に。回路基板６とバンプ搭載半導体チップの各電極―各バンプとが接するようにフェイスダウンの状態で位置合わせ行う。
【００２６】
そして、図３に示すように、半導体チップ１０が搭載されている半導体チップ基台１２を用いて、接合のための付加する荷重は１バンプあたり５ｇ、超音波振幅は凡そ４μｍ、接合時間１秒の条件下で、超音波接合を行った。このときの接合温度を室温（図示されない接合用加熱ヘッドの温度を室温）とした。
【００２７】
その後、各接合したサンプルを恒温槽内に入れ、１５０℃、１時間のアフターベークを施した。
【００２８】
（４）試験評価
表１に示した各サンプルナンバーのアンダーフィラー組成物を用いて、それぞれ１５個の評価用フリップチチップ接合試料を作製し、各試料における接続点における接合性を評価するために、導通試験を実施した。試験は次の２種の条件下で行った。
（ａ）アフターベーク後の初期導通試験；
各試料のすべて接続点で低抵抗にて導通している試料を良品とし、高抵抗接続点を有
する試料は不良品とする。
（ｂ）−５５〜１２５℃での温度サイクル試験；
初期導通試験をパスした試料に対して、−５５℃・３０分間冷却→室温・１０分間放
置→１２５℃・３０分加熱、の工程を１サイクルとし、これを計５００サイクル繰り
返した後、温度サイクル前後での各接続点における抵抗上昇が１０％以下であった試
料を良品、それ以上となった接続点を有する試料を不良品とする。
【００２９】
この、作製実施したアンダーフィル組成物のサンプルの試験評価結果を表２に示す。表２においては、初期導通の結果と、初期導通で良品とした試料に温度サイクル試験を１００サイクル実施して試験した結果、さらに４００サイクル、従って合計５００サイクルの温度サイクル試験を実施して試験した結果を示す。試験結果の欄において、例えば３／１５と示した数字は、１５個の評価試料中３個の不良が発生したことを表す。
【００３０】
【表２】
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この表２から、フィラー混合比が、球状アルミナ／破砕アルミナに関し、７／３よりも破砕アルミナの混合比が大きいアンダーフィル組成物を適用した接合試料であるサンプル１〜４において、初期導通試験・温度サイクル試験のいずれにおいても良好な結果（不良０）が得られていることがわかる。比較例１の従来のアンダーフィル組成物のようなフィラーが球状フィラーのみの場合、本作製条件においては、初期・熱サイクル何れの試験においても不良接続点を有する試料が発生している。
【００３１】
つまり、アンダーフィル組成物を用いながらのフリップチップ接合において、通常の熱サイクルを加えてこれを行う場合の基板やチップの反り発生等を回避するために、アンダーフィル組成物に、エポキシ樹脂と室温で硬化反応するマイクロカプセル化された樹脂硬化剤（マイクロカプセル型樹脂硬化剤）を含み、かつ通常用いられる球状無機材質フィラーだけでなく、鋭角形状を有する無機材質フィラー（破砕フィラー）をも含む様にし、室温での接合時には加圧と共に超音波を印加してフリップチップ接合するようにする。そして、とくに、良好な接合特性を得るためには、無機材質フィラーにおける鋭角形状を有する無機材質フィラー（破砕フィラー）の含む割合が一定以上であることが必要（球状無機材質フィラーのみでは不可）であることを示している。
【００３２】
このような試験結果は、以下のように考えることができる。
【００３３】
図２に示すように、アンダーフィル組成物１には図示されてはいない室温液状のエポキシ樹脂を硬化させるための、小さなカプセル内に液状硬化剤を封入したマイクロカプセル型硬化剤３と、破砕フィラー５２と、図示されていない球状フィラーとが存在する。言うまでも無く、マイクロカプセル型硬化剤３は、カプセルが何らかの形で割れて内部の液状硬化剤が滲みだし（通常の加熱接続の場合は、加熱の結果カプセルが溶けて、室温液状硬化剤ならば滲みだし、室温固形硬化剤ならこれが溶けて溶出し）、エポキシ樹脂と反応してこれを硬化させる。
【００３４】
このような状態で、図３に示すように、位置合わせされた電極８とバンプ１１とを接合するために、両者間に荷重をかけるようにすると共に、半導体チップ用基台を通して、図中ＵＳの矢印のように超音波を印加して室温下で接合している。
【００３５】
超音波を印加することで、アルミナを成分とする、比重の比較的大きいフィラーの振動振幅は小さいものの、比重の比較的小さいマイクロカプセル型硬化剤３の振動振幅は大きく、このマイクロカプセル型硬化剤３がフィラーと衝突する。室温下では割れないマイクロカプセル型硬化剤３が、衝突するフィラーが鋭角形状を有する破砕フィラーのときは、これと衝突してカプセルが割れる確率は大きく、衝突対象が球状フィラーのときはカプセルが割れる確率は大幅に低下する。従って、破砕フィラーの含有比率が高いフィラーを有するアンダーフィル組成物のほうが、超音波印加時において、マイクロカプセル型硬化剤のカプセルを割る確率が高くなり、よって硬化剤の滲みだしがより効率的になされ、エポキシ樹脂との硬化反応が確実に進行する。この結果、室温条件下でも、基板―半導体チップ間の均一かつ良好な接着が実現でき、電極―バンプの強固な接合も維持され、特に過酷な温度サイクル評価結果においても、十分満足できる結果が得られている。
【００３６】
また、良好な結果を得られた各サンプルは、室温下で接合が行われているために、基板側、あるいは半導体チップ側共に熱変形や反りの発生は見られず、両者の接触に対する懸念も解消できる。
【００３７】
本実施例において用いたアンダーフィル組成物の構成材料は、これに限らない。例えば、室温で液状タイプのエポキシ主剤として、ビスフェノールF型エポキシ以外に、ビスフェノールＡ型エポキシ、ナフタレン型エポシキ、臭素化エポキシ、フェノールボラック型エポキシ、クレゾールノボラック型エポキシ、ビフェニル型エポキシ、シクロペンタジェン型エポキシ等及びこれらの混合物を用いることができる。硬化剤についても、イミダゾールをコアとしたマイクロカプセル型硬化剤に限らず、本発明の趣旨に沿う、コア材料を用いたマイクロカプセル型硬化剤であれば適宜選択可能である。フィラーについても、アルミナ粉末以外に、シリカ、窒化硼素、窒化アルミニウム、窒化珪素等の粉末が適用可能であり、粉末の平均サイズ（粒径）も、０．７μｍに限らず、０．５〜２０μｍの範囲で適宜選択すれば良い。
【００３８】
以上の実施例を含む実施の形態に関し、更に以下の付記を開示する。
（付記１）
エポキシ樹脂と、
マイクロカプセル化樹脂硬化剤と、
鋭角形状を有する無機材質フィラーと、
を含むことを特徴とするフリップチップ型半導体装置用アンダーフィル組成物。
（付記２）
前記マイクロカプセル化樹脂硬化剤は、室温において硬化作用を有することを特徴とする付記１記載のフリップチップ型半導体装置用アンダーフィル組成物。
（付記３）
さらに、球状無機材質フィラーを含むことを特徴とする付記１または２記載のフリップチップ型半導体装置用アンダーフィル組成物。
（付記４）
前記鋭角形状を有する無機材質フィラーの、前記球状無機材質フィラーと併せて構成するフィラー中での重量混合割合は、３０％以上であることを特徴とする付記３記載のフリップチップ型半導体装置用アンダーフィル組成物。
（付記５）
前記無機材質フィラーは、アルミナ粉末あるいはシリカ粉末であることを特徴とする付記１ないし４のいずれかに記載のフリップチップ型半導体装置用アンダーフィル組成物。
（付記６）
さらに、カップリング材を含むことを特徴とする付記１ないし５のいずれかに記載のフリップチップ型半導体装置用アンダーフィル組成物。
（付記７）
付記１ないし６のいずれかに記載のフリップチップ型半導体装置用アンダーフィル組成物を用いて半導体素子と基板とが接合されていることを特徴とするフリップチップ型半導体装置。
（付記８）
主面に複数の電極を有する基板の該電極を含む領域を、前記付記１ないし６のいずれかに記載のアンダーフィル組成物を用いて覆う工程と、
複数のバンプを有する半導体素子を、該バンプと前記電極とが対峙するように位置合わせする工程と、
室温下において、前記バンプと前記電極とを相互に押圧と超音波印加とを行って接合する工程と、
を含むことを特徴とするフリップチップ型半導体装置の製造方法。
（付記９）
さらに、高温ベーキング工程を含むことを特徴とする付記８記載のフリップチップ型半導体装置の製造方法。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明のアンダーフィル組成物を説明する図
【図２】本発明のフリップフロップ摂動を説明する図（その１）
【図３】本発明のフリップフロップ摂動を説明する図（その２）
【図４】従来のフリップフロップ摂動を説明する図（その１）
【図５】従来のフリップフロップ摂動を説明する図（その２）
【符号の説明】
【００４０】
１    アンダーフィル組成物
２    エポキシ主剤
３    マイクロカプセル型硬化剤
４    カップリング剤
５    フィラー
５１  球状フィラー
５２  破砕フィラー
６、１０３    回路基板
７、１０１    基板
８、１０２    電極
９、１０６    バンプ形成半導体チップ
１０、１０４  半導体チップ
１１、１０５  バンプ
１２  半導体チップ用基台
【図１】
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【図２】
2008270415.tif 000006
【図３】
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【図４】
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【図５】
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