(57)【要約】【課題】厳しい吸湿バイアステストのような信頼性においてリーク電流等の電気的問題、吸湿時の密着性の低下による信頼性の劣化の問題等を起こさず、更にフラックス活性がある樹脂組成物を用いた、信頼性に優れた半導体装置の製造方法を提供する。【解決手段】回路基板に、回路面に半田電極が具備された半導体素子を接合するエリア実装法において、回路基板または半導体素子の回路面（半田電極形成面）に液状エポキシ樹脂および芳香族ジカルボン酸ジヒドラジドを５０重量％以上含むヒドラジド化合物を主成分とする液状封止樹脂組成物を塗布し、電極が電気接合されるように回路基板と半導体素子とを位置合わせした後、加熱することによって上記半田電極と回路基板とを電気的に接合し、樹脂を硬化させて製造することを特徴とする半導体装置の製造方法。【特許請求の範囲】
【請求項１】
回路基板に、回路面に半田電極が具備された半導体素子を接合するエリア実装法において、回路基板または半導体素子の回路面（半田電極形成面）に液状エポキシ樹脂および芳香族ジカルボン酸ジヒドラジドを５０重量％以上含むヒドラジド化合物を主成分とし、半田電極に用いられる半田の融点をＴｓ（℃）、ヒドラジド化合物の融点をＴｈ（℃）（但し、複数添加の場合は最も高い融点を持つ化合物の融点）としてＴｓ−２０＜Ｔｈ＜Ｔｓ＋５０である液状封止樹脂組成物を塗布し、電極が電気接合されるように回路基板と半導体素子とを位置合わせした後、加熱することによって上記半田電極と回路基板とを電気的に接合し、樹脂を硬化させて製造することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
該液状封止樹脂組成物が平均粒径５μｍ以下、最大粒径２０μｍ以下の球状フィラーを含んでなる請求項１記載の半導体装置の製造方法
【請求項３】
請求項１又は２記載の半導体装置の製造方法を用いて製造されてなる半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フラックス活性を有する液状封止樹脂組成物を用いて回路基板に、半導体回路面に半田電極が具備された半導体チップを接合し封止することにより得られる半導体装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年半導体パッケージの軽薄短小化の技術革新は目覚しいものがあり、さまざまなパッケージ構造が提唱され、製品化されている。従来のリードフレーム接合に代わり、半田のような突起電極により、回路基板（マザーボード）に接合するエリア実装方式は特に重要である。
【０００３】
その中で半導体素子の回路面に直接突起電極が具備されたフリップチップはパッケージを最小化できる方法のひとつである。フリップチップ実装は、半田電極の場合、半田電極の表面の酸化膜を除去するためにフラックスで処理した後リフロー等の方法により接合する。この場合、半田電極、回路基板等の周囲にフラックスが残存し、不純物として問題となるためフラックスを除去する洗浄を行った後液状封止を行う。その理由としては、直接回路基板（マザーボード）に半田電極で接合するため、熱衝撃試験のような信頼性試験を行うと、素子と回路板の線膨張係数の差により電極接合部の電気的不良が発生するためである。
【０００４】
液状樹脂による封止は、素子の一辺または複数面に液状封止樹脂を塗布し毛細管現象を利用して樹脂を回路板とチップの間隙に流れ込ませる。しかしこの方法はフラクッス処理、洗浄を行うため工程が長くなりかつ洗浄廃液の処理問題等環境管理を厳しくしなければならない。更に液状封止を毛細管現象で行うため封止時間が長くなり、生産性に問題があった。
【０００５】
そこで直接回路基板に樹脂を塗布し、半田電極を持った素子をその上から搭載し半田接合と樹脂封止を同時に行う方法が考案された（特許文献１）。この場合、半田を回路基板に接合させるために、熱硬化製樹脂、硬化剤からなる樹脂組成物にフラックス作用を有する成分を添加することが特徴である。しかし、フラックス作用を有する物質として、酸性度の強いカルボン酸が例示されており、封止樹脂に添加する場合はイオン性不純物または電気伝導性が増加する恐れがあり、特に吸湿処理したときの封止材料の絶縁性に問題を起こす可能性があった。
【０００６】
これらを改良するための方法として、硬化剤自身にフラックス活性を持たせた樹脂組成物の検討が行なわれている。
例えば、特許文献２では硬化剤として酸無水物が検討されている。また特許文献３では、フェノール性水酸基とカルボン酸を有する化合物を硬化剤とした検討が行なわれている。
【０００７】
しかしながら、これらの改良はいずれもカルボン酸のフラックス作用を応用したものであり、厳しい吸湿バイアステストのような信頼性においてリーク電流等の電気的問題が生じるおそれがあり、且つ吸湿時の密着性の低下による信頼性の劣化の問題があった。さらに、カルボン酸類は吸湿性が高いために、樹脂を塗布する際の吸湿、樹脂を製造する際の吸湿等組成物の厳密な水分管理が必要であることが判明した。その中でアミン系化合物を硬化剤であれば前記問題点は無いことが予想されるため検討を行なった。これらの検討は既に公知であり、例えば特許文献４で示されているようにエポキシ樹脂／アミン系硬化剤による実験では、アミンアダクト、ヒドラジド、イミダゾールの検討がなされている。しかし、具体的な化合物の例示がなされておらず、詳細は不明であるが、結果としてはフラックス活性が無いという評価であった。その中でヒドラジド化合物は、ある程度までの温度では反応が進まず、かなり高温になりエポキシ樹脂との反応活性が発現する化合物として公知であり、本発明の用途に硬化挙動に関し適しているため、該硬化剤に注目し鋭意検討の結果、ある条件下ではフラックス活性が発現することを見出し、信頼性も良好であるため本願発明を完成させるに至ったものである。
【０００８】
【特許文献１】
米国特許ＵＳ  ５，１２８，７４６
【特許文献２】
特開平２００１−３２９０４８号公報
【特許文献３】
特開平２００１−１０６７７０号公報
【特許文献４】
特開平２００２−２９３８８３号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、厳しい吸湿バイアステストのような信頼性においてリーク電流等の電気的問題、吸湿時の密着性の低下による信頼性の劣化の問題等を起こさず、更にフラックス活性がある樹脂組成物を用いた、信頼性に優れた半導体装置の製造方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
すなわち本発明は、
［１］  回路基板に、回路面に半田電極が具備された半導体素子を接合するエリア実装法において、回路基板または半導体素子の回路面（半田電極形成面）に液状エポキシ樹脂および芳香族ジカルボン酸ジヒドラジドを５０重量％以上含むヒドラジド化合物を主成分とし、半田電極に用いられる半田の融点をＴｓ（℃）、ヒドラジド化合物の融点をＴｈ（℃）（但し、複数添加の場合は最も高い融点を持つ化合物の融点）としてＴｓ−２０＜Ｔｈ＜Ｔｓ＋５０である液状封止樹脂組成物を塗布し、電極が電気接合されるように回路基板と半導体素子とを位置合わせした後、加熱することによって上記半田電極と回路基板とを電気的に接合し、樹脂を硬化させて製造することを特徴とする半導体装置の製造方法、
［２］  該液状封止樹脂組成物が平均粒径５μｍ以下、最大粒径２０μｍ以下の球状フィラーを含んでなる［１］項記載の半導体装置の製造方法、
［３］  ［１］又は［２］記載の半導体装置の製造方法を用いて製造されてなる半導体装置
である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明に用いる液状エポキシ樹脂は、平均エポキシ基が２以上であれば、特に制限は無いが、その例としては既存のビスフェノール系ジグリシジルエーテル類、またそれらの水素添加反応により芳香環を飽和炭化水素化したもの、フェノールノボラックとエピクロールヒドリンとの反応で得られるグリシジルエーテルのうち常温で液状のもの、アリルフェノールノボラックとエピクロールヒドリンとの反応で得られるもの、アミノフェノールのトリグリシジルエーテル等、またはそれらを混合したものが挙げられる。またこれらの液状エポキシ樹脂にジヒドロキシナフタレンのジグリシジルエーテル、テトラメチルビフェノールのジグリシジルエーテル等の結晶性エポキシ樹脂を混合し、液状にしたものを使用することもできる。より好ましくは液状エポキシ樹脂の粘度は２５℃において２００Ｐａｓ以下であることが好ましい。これより高いと組成物としての粘度が高すぎ作業性に支障をきたす。また加水分解性イオン性不純物として塩素量が１０００ｐｐｍ以下であることが好ましい。これより高いと吸湿時信頼性において電気的不良の恐れがあるからである。
【００１２】
次に本発明に用いるヒドラジド化合物は芳香族ジカルボン酸ジヒドラジドを全ヒドラジド化合物中５０重量％以上含むことが必須である。これを下回るとフラックス活性力の低下が著しくなり好ましくない。
本発明に用いる芳香族ジカルボン酸ジヒドラジドの例としては、イソフタル酸ジヒドラジド、テレフタル酸ジヒドラジド、２，６−ナフタレンジカルボン酸ジヒドラジド、１，４−ナフトエ酸ジヒドラジド、４，４’−カルボキシビスフェノールＡのジヒドラジド等が挙げられる。また他のジヒドラジド化合物としては、カルボヒドラジド、マロン酸ジヒドラジド、コハク酸ジヒドラジドアジピン酸ジヒドラジド、セバチン酸ジヒドラジド、ドデカン二酸ジヒドラジド等が挙げられる。
【００１３】
本発明に用いるヒドラジド化合物は、更に物性を調節するためにモノヒドラジド化合物を添加することも可能であり、その例としては、サリチル酸ヒドラジド、プロピオン酸ヒドラジド、３−ヒドロキシ−２−ナフトエ酸ヒドラジド、等が挙げられる。
本発明での硬化剤としてのヒドラジド化合物は適用する半田電極に使われる半田の融点Ｔｓ（℃）に対し、構成ヒドラジド化合物のなかで最も高いヒドラジド化合物の融点Ｔｈ（℃）がＴｓ−２０＜Ｔｈ＜Ｔｓ＋５０であることが必要である。より好ましくはＴｓ−２０＜Ｔｈ＜Ｔｓ＋４０である。
ＴｈがＴｓ−２０℃を下回ると、半田の融点よりかなり低い段階でヒドラジド化合物が溶解し、半田の融点近傍で起こるフラックス活性化による半田表面の酸化膜除去、半田の基板への接合が起きうる前に樹脂組成物が硬化またはゲル化をはじめるため接続性の妨げになる。また、同様にＴｈがＴｓ＋５０を上回るとヒドラジド化合物を融解させるためにかなりの熱量を加える必要があり、半田の変形やパッケージの熱ダメージが起き問題となるからである。
【００１４】
本発明に用いる液状封止樹脂組成物の粘度は特に制限は無いが作業性の観点から２５℃で１００Ｐａｓ以下であり、より好ましくは６０Ｐａｓ以下である。粘度が１００Ｐａｓを越えると液状封止樹脂組成物の粘度上昇に伴うボイド発生、素子の濡れ不足、更には半田電極と回路基板の間に樹脂による接合不良を起こすという問題があり、エリア実装法の液状封止樹脂組成物としては好ましくない。
【００１５】
本発明に用いる全ヒドラジド化合物添加量はエポキシ樹脂に対し５〜６０重量％が好ましく、さらに好ましくは１０〜４０重量％である。６０重量％以上になると製品粘度の増加による問題を引き起こす。またはヒドラジド化合物が融解した直後の硬化性が著しく早くなり、接続性に支障をきたす。１０重量％以下になるとフラックス活性が低くなりやはり接続不良を起こす。
【００１６】
本発明に用いる液状封止樹脂組成物には、本発明の効果を損なわない範囲でヒドラジド化合物以外の硬化剤を添加することも可能である。その例としては、フェノールノボラック樹脂、オルソクレゾールノボラック樹脂等のフェノール樹脂、各種２官能以上のフェノール化合物、及びイミダゾール、ジアザ化合物、ジシアンジアミド等のアミン系化合物等が挙げられる。その添加量は全硬化剤中１０重量％以下であることが好ましい。これを上回るとフラックスとしての効果が減少する。
【００１７】
本発明で用いる球状フィラーの例としては、炭酸カルシウム、シリカ、アルミナ、窒化アルミ等が挙げられる。用途によりこれらを複数混合してもよいが、信頼性、コストの点でシリカが好ましい。その添加量は特に制限がないが、  封止樹脂としての特性（耐湿性、作業性等）を保つため液状封止樹脂組成物の８０重量％以下である。より好ましくは５０％以下である。８０重量％を超えると、接合の際、絶縁性のフィラーが半導体素子の半田電極と回路板電極との接合を妨げるからである。
またフィラーの形状は球状であることが必須である。破砕フィラーの場合はその鋭利な面により半導体素子表面の回路を破壊する恐れがあるからである。
【００１８】
本発明の液状封止樹脂組成物は、前記液状エポキシ樹脂、硬化剤以外に、必要に応じて反応性希釈剤、顔料、染料、レベリング剤、消泡剤、カップリング材等の添加剤を混合し、真空脱泡することにより製造することができる。
【００１９】
次に組み立て方法について説明する。
まず、前記液状封止樹脂組成物を用いて半田電極が具備された半導体素子または対応する回路基板上に塗布する。この場合ディスペンス法が最も好ましい方法である。基板は吸湿によるボイドの発生を防ぐために予め行なっていることが好ましい。次にフリップチップボンダーを用いて半田電極と回路基板側の対応するパッドを位置決めし、素子を回路基板に正確に載置する。樹脂粘度を下げ作業性を改善させるため素子且つ又は基板側を加熱することが好ましい。つきにこのまま試験片を該ボンダー上で急速加熱を行なういわゆる部分加熱法、又はリフロー炉を通すことにより（全体化熱法）、接合と封止を同時に行なう。その後必要あれば樹脂を後硬化してより特性を向上させることも可能である。
【００２０】
本発明の液状封止樹脂組成物はフラックス活性を有した硬化剤として新たにフラックス添加することも無いため、それで封止した半導体素子により信頼性の優れた半導体装置を提供することができる。更に従来技術であるカルボン酸起因のフラックス活性と異なるため特に耐湿性により優れた半導体装置を提供することができる。
【００２１】
【実施例】
以下、本発明を実施例により説明するが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではない。
［実施例１］
液状エポキシ樹脂として、エポキシ当量１６５のビスフェノールＦ型エポキシ樹脂１００重量部、ヒドラジド化合物としてイソフタル酸ジヒドラジド（融点２２０℃）を予め２５℃、５０％の環境下に２４時間曝した物を３０重量部を混錬し、真空脱泡して液状封止樹脂組成物を得た。
次に評価として以下の項目を行なった
【００２２】
（１）接続性
１０ｍｍ角のサイズ２５０μｍピッチ、８０μｍギャップのＳｎ／Ｐｂ系共晶半田（融点１８３℃）が具備されたフリップチップ模擬素子（バンプ数約１００、デイジーチェーンによるすべての電極接続性確認可能）と対応する接合パッド（金メッキ）が具備された１５ｍｍ角のＢＴ基板（予め１２０℃、３時間で乾燥させたもの）を用意し、フリップチップボンダー（渋谷工業社製ＤＢ−２００）にて位置決めをした後、素子側を加熱し（温度条件：常温から２２０℃まで７秒、その後５秒間約２２０℃で保持し強制冷却）半田電極の接合を行なった。更にオーブンにて後硬化１５０℃、１時間行い樹脂を硬化させた。その後接続性を調べた。
（接続性＝全電極接続数／全電極数（５００）、サンプル数＝５）
【００２３】
（２）ボイド
（１）で作製した試験片を超音波探傷装置（ＳＡＴ）にてボイドの確認を行なった。半田電極にまたがるボイドの個数をカウントした（５ケのサンプルに対する総計）。
（３）信頼性―１
３０℃、６０％の環境下で作製した試験片を１９６時間吸湿させた後、リフロー（前記半田に適合する条件：最高温度２４５−２５５℃を一分間保持）三回通した後、１）と同様な接続性を調べ、ＳＡＴにてボイドを観察した。更に熱衝撃試験（条件−４０℃（３０分）−１２５℃（３０分））を行い２５０サイクル毎に接続性、界面剥離を観察し１０００サイクルまで行なった。剥離は一箇所でも出たものを一個とカウントした（サンプル数＝５）
【００２４】
（４）信頼性−２
間隔２５μｍ、配線幅２５μｍの銅線くし型電極が具備された基板に作製した樹脂でコートし、接続試験と同様の硬化条件で硬化させ、１２５℃、８５％ＲＨの湿度条件下印加電圧６Ｖの条件でバイアステストを行なった。時間は２０００時間まで行い５００時間毎に電極間の絶縁性を調べた。
（サンプル数＝５）
【００２５】
［実施例２］
模擬素子の半田電極をＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ（融点２１７℃）にかえた以外は実施例１と同一の樹脂を用いて試験片を組み立て、各試験を行った。
（この場合のボンダーでの接続温度条件：常温から２４０℃まで８秒、その後５秒間約２４０℃で保持し強制冷却）
［実施例３］
液状エポキシ樹脂として、エポキシ当量１６５のビスフェノールＦ型エポキシ樹脂１００重量部、イソフタル酸ジヒドラジド２０重量部、他のヒドラジド化合物としてアジピン酸ジヒドラジド（融点１８０℃）１０重量部を混錬し、真空脱泡して液状封止樹脂組成物を得た。
この樹脂を用いて実施例１と同様の試験片を作製し、各試験を行った。
【００２６】
［実施例４］
液状エポキシ樹脂として、エポキシ当量１６５のビスフェノールＦ型エポキシ樹脂１００重量部、ヒドラジド化合物としてイソフタル酸ジヒドラジド３０重量部し、平均粒径２μｍ、最大粒径１０μｍの球状シリカ８０重量部を混錬し真空脱泡して液状封止樹脂組成物を得た。この樹脂を用いて実施例１と同様の試験片を作製し、各試験を行った。
【００２７】
［比較例１］
液状エポキシ樹脂として、エポキシ当量１６５のビスフェノールＦ型エポキシ樹脂１００重量部、ヒドラジド化合物としてアジピン酸ジヒドラジド（融点１８０℃）を予め２５℃、５０％の環境下に２４時間曝した物を２６重量部を混錬し、真空脱泡して液状封止樹脂組成物を得た。の樹脂を用いて実施例２と同様の試験片を作製し、各試験を行った。
［比較例２］
液状エポキシ樹脂として、エポキシ当量１６５のビスフェノールＦ型エポキシ樹脂１００重量部、イソフタル酸ジヒドラジド１０重量部、他のヒドラジド化合物としてアジピン酸ジヒドラジド（融点１８０℃）２０重量部を混錬し、真空脱泡して液状封止樹脂組成物を得た。
この樹脂を用いて実施例１と同様の試験片を作製し、各試験を行った。
【００２８】
［比較例３］
液状エポキシ樹脂として、エポキシ当量１６５のビスフェノールＦ型エポキシ樹脂１００重量部、予め２５℃、５０％ＲＨの環境下に曝した２，５−ジヒドロキシ安息香酸３０重量部、硬化促進剤として、２−フェニル−４−メチルイミダゾール０．５重量部を混錬し、真空脱泡して液状封止樹脂組成物を得た。これを用いて実施例１と同様の試験を行った。
［比較例４］
液状エポキシ樹脂として、エポキシ当量１６５のビスフェノールＦ型エポキシ樹脂１００重量部、予め２５℃、５０％ＲＨの環境下に曝した後、１５０℃、３時間、１０ｔｏｒｒの条件で乾燥させた２，５−ジヒドロキシ安息香酸３０重量部、硬化促進剤として、２−フェニル−４−メチルイミダゾール０．５重量部を混錬し、真空脱泡して液状封止樹脂組成物を得た。これを用いて実施例１と同様の試験を行った。
【００２９】
［比較例５］
液状エポキシ樹脂として、エポキシ当量１６５のビスフェノールＦ型エポキシ樹脂１００重量部、予め２５℃、５０％ＲＨの環境下に曝した２，６−ナフトエ酸ジヒドラジド（融点３００℃）３６重量部を混錬し、真空脱泡して液状封止樹脂組成物を得た。
この樹脂を用いて実施例２と同様の試験片を作製し際し、フラックス活性を発現させるために３００℃以上の温度をかけなければならないため回路基板の劣化が起き以後の評価を中止した。
［比較例６］
実施例１で作製した液状封止樹脂組成物を用いて融点２６２℃のＡｇ−Ｂｉ系半田電極が具備された模擬素子を用いた以外は実施例１と同様に試験片を作製したが半田の融点が高すぎるため樹脂が硬化してしまい、接続性は全くなかったので以下の評価を中止した。
【００３０】
【表１】
2004303874.tif 000002
【００３１】
以上表１に示した通り、実施例では初期の接合性は良好であった。更に、信頼性−１においては熱衝撃試験５００サイクルまでは良好な結果を示し、以後芳香族ジカルボン酸ジヒドラジドの割合が多いと信頼性は向上した。更にフィラーの添加はより優れた信頼性を示した。また信頼性−２において実施例はいずれも良好な絶縁特性を示した。
一方、比較例１，２においては芳香族ジカルボン酸ジヒドラジドが必要量存在しないためフラックス活性力が不十分であり、接続歩留まりが低下し、以後の熱衝撃試験結果にも影響があった。
【００３２】
比較例３は硬化剤としてカルボン酸を含む化合物による評価を行なったが、硬化剤が吸湿したため電極接合時に多量の揮発分起因によるボイドが生じ、同時に接合性も大幅に低下した。比較例４では比較例３の硬化剤を予め十分に乾燥を行なったものを用いたため、接合性、ボイド共良好であった。また信頼性に関しても熱衝撃試験では５００サイクルで不良がなく信頼性は十分であった。しかし、吸湿バイアステストにおいて抵抗率が初期値、及び時間経過による低下が見られた。
比較例５では、使用した半田の融点より硬化剤のヒドラジド化合物の融点が、本発明の範囲を逸脱しているため接続させるために試験片にその耐熱性を超えた熱がかかりパッケージとして使用に耐えないものになった。また比較例６では使用した半田の融点より硬化剤のヒドラジド化合物の融点が本発明を逸脱して低いため半田の接合するよりも前に硬化剤が溶解して反応が進行し、全く接合ができなかった。
【００３３】
【発明の効果】
本発明に従うとフラックス材を添加することなくエリア実装素子を回路基板に実装することができ封止プロセスの短縮化とともに、耐湿性、信頼性に優れた封止樹脂を提供でき、パッケージとしての信頼性も向上する。