(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アンダーフィル用（半田バンプを有する多数個の半導体素子が形成されたウエハーに塗布し、Ｂ−ステージにする方法を除く。）の封止用液状エポキシ樹脂組成物において、常温で液状のビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、Ｏ−クレゾールノボラック型エポキシ樹脂およびビフェニル型エポキシ樹脂から選ばれるいずれかの常温で固形状のエポキシ樹脂、酸無水物硬化剤、硬化促進剤、および無機充填材として球状の溶融シリカを含有し、常温で固形状のエポキシ樹脂の含有量が、エポキシ樹脂の合計量に対して１５〜５０質量％であり、球状の溶融シリカの平均粒子径が１μｍ以下であることを特徴とする封止用液状エポキシ樹脂組成物。
【請求項２】
請求項１に記載の封止用液状エポキシ樹脂組成物を用いて半導体チップと配線基板との間が封止されてい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、封止用液状エポキシ樹脂組成物および半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、樹脂封止型半導体装置は、高密度化、高集積度化、動作の高速化等の傾向にあり、従来型のパッケージよりもさらに小型化、薄型化できる半導体チップのパッケージが要求されており、このような要求に対応するものとしてフリップチップパッケージが注目されている。
【０００３】
フリップチップパッケージでは、半導体チップの外部接続用パッドにバンプと呼ばれる金属電極を直接形成し、このバンプ電極を用いて配線基板にフェースダウンで接続、搭載する。さらに半導体チップと配線基板の隙間にはアンダーフィルと呼ばれる樹脂が充填される。アンダーフィルは、半導体チップと配線基板間の熱膨張率の差異によって発生するはんだ接合部の応力を緩和し、耐湿性、気密性を確保する等の機能を有している。
【０００４】
このような構造のため、実装面積は半導体チップとほぼ同じ面積で済み、さらにバンプの高さは通常数十μｍと低く、ワイヤーボンディング接続の場合のようにワイヤーまで樹脂封止する必要がないので実装後の高さも低くすることができ、小型化、薄型化等の要求に応えることができる。
【０００５】
従来、フリップチップパッケージに用いられるアンダーフィル材としては、液状エポキシ樹脂組成物が代表的なものとして用いられているが（特許文献１〜３参照）、フリップチップパッケージ用アンダーフィルの市場においては、さらなる信頼性の向上を図るべく、低応力化が望まれている。低応力化のためのアプローチの主なものとしては、低ガラス転移温度化、低線膨張係数化、低弾性率化などが挙げられるが、低ガラス転移温度化ではバンプの保護に不適であること、低線膨張係数化では材料粘度の制約があることの問題があり、アンダーフィルのさらなる低応力化のためには低弾性率化が最も有効な方法であると考えられる。
【０００６】
従来、アンダーフィルを低弾性率化するための方法としては、シリコーンゴム、シリコーンオイル、ウレタンゴム等を液状エポキシ樹脂組成物に配合することが一般に行われている。
【特許文献１】特許第３０３８６２３号明細書
【特許文献２】特開２００７−９１８８号公報
【特許文献３】特開２００３−１８３３５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、これらのシリコーンゴム等の材料は、液状エポキシ樹脂に対して相溶性がそれほど高くないため、アンダーフィル材における他の物性に影響を与える場合があった。
【０００８】
本発明は、以上の通りの事情に鑑みてなされたものであり、他の物性に影響を与えることなくアンダーフィルの応力を緩和させることができ、パッケージの信頼性を高めることが可能な封止用液状エポキシ樹脂組成物およびそれを用いた半導体装置を提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上記の課題を解決するために、以下のことを特徴としている。
【００１０】
第１に、本発明の封止用液状エポキシ樹脂組成物は、アンダーフィル用（半田バンプを有する多数個の半導体素子が形成されたウエハーに塗布し、Ｂ−ステージにする方法を除く。）の封止用液状エポキシ樹脂組成物において、常温で液状のビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、Ｏ−クレゾールノボラック型エポキシ樹脂およびビフェニル型エポキシ樹脂から選ばれるいずれかの常温で固形状のエポキシ樹脂、酸無水物硬化剤、硬化促進剤、および無機充填材として球状の溶融シリカを含有し、常温で固形状のエポキシ樹脂の含有量が、エポキシ樹脂の合計量に対して１５〜５０質量％であり、球状の溶融シリカの平均粒子径が１μｍ以下であることを特徴とする。
【００１３】
第２に、本発明の半導体装置は、上記第１の封止用液状エポキシ樹脂組成物を用いて半導体チップと配線基板との間が封止されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
上記第１の発明によれば、液状エポキシ樹脂との相溶性が高い固形状エポキシ樹脂を特定量配合し、平均粒子径が１μｍ以下の無機充填材を用いたことで、液状エポキシ樹脂と相溶した固形状エポキシ樹脂が硬化後に微細な樹脂部分として硬化物中に分散し、応力緩和材としての機能を発揮する。そのため、アンダーフィル材等としての他の物性に影響を与えることなく低応力化を達成することができ、これによりパッケージの信頼性を高めることができる。
【００１５】
なお、上記のような平均粒子径をもつ無機充填材を用いることで、固形状エポキシ樹脂による応力緩和が効果的に発現する。すなわち、樹脂に対するストレスが起こるクラック（樹脂に対する亀裂）は一般に無機充填材と樹脂の界面に発生すると考えられ、無機充填材の平均粒子径が大きい場合、無機充填材間をマクロ的にクラックが成長し、低応力成分である固形状エポキシ樹脂が応力緩和材として働きにくいと考えられる。
【００１６】
これに対して、無機充填材の平均粒子径が小さい場合、ミクロ的に存在する無機充填材界面よりもマクロ的に存在する低応力成分が支配的となるため、固形状エポキシ樹脂による応力緩和が効果的に発現すると考えられる。
【００１９】
上記第２の発明によれば、上記第１の発明の封止用液状エポキシ樹脂組成物を用いて半導体素子が封止されているので、封止樹脂の応力が緩和され、信頼性が高い半導体装置とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明を詳細に説明する。
【００２１】
本発明で用いられる常温で液状のエポキシ樹脂は、１分子内に２官能基以上のエポキシ基を有するものであり、その具体例としては、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、Ｏ−クレゾールノボラック型エポキシ樹脂等のクレゾールノボラック型エポキシ樹脂などが挙げられる。これらは１種単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。なお、ここで「常温」とは２５℃のことである。
【００２２】
本発明で用いられる常温で固形状のエポキシ樹脂は、１分子内に２官能基以上のエポキシ基を有するものであり、その具体例としては、クレゾールノボラック型エポキシ樹脂、フェノールノボラック型エポキシ樹脂、クレゾールナフトール型エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂、ビフェニルアラルキル型エポキシ樹脂、ナフタレン骨格型エポキシ樹脂、ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂、ブロム含有エポキシ樹脂などが挙げられる。これらは１種単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。
【００２３】
なお、なお、ここで「常温」は上記と同義であり、「固形状」とは、流動性をもたない固体状態あるいは半固体状態のことである。本発明の効果を得る点からは、常温で固形状のエポキシ樹脂の軟化点は、環球法による軟化点で好ましくは６０℃以上、より好ましくは６０〜１００℃である。
【００２４】
常温で固形状のエポキシ樹脂の含有量は、常温で液状のエポキシ樹脂と常温で固形状のエポキシ樹脂の合計量に対して１５〜５０質量％、より好ましくは２０〜４０質量％である。常温で固形状のエポキシ樹脂の配合量が当該範囲外であると応力緩和作用が十分に得られなくなる。
【００２５】
常温で固形状のエポキシ樹脂は、応力緩和作用を有効に発揮させる点からはその粒子径が無機充填材の粒子径よりも大きく、かつ占有領域が無機充填材よりも大きいことが望ましいが、市販の固形状エポキシ樹脂は、通常は数μｍ以上の粒子径を有している。
【００２６】
本発明で用いられる硬化剤の具体例としては、メチルヘキサヒドロ無水フタル酸、メチルテトラヒドロ無水フタル酸、ヘキサヒドロ無水フタル酸等の脂環族酸無水物、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等の芳香族酸無水物などが挙げられる。これらは１種単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。
【００２７】
本発明では硬化剤として酸無水物を用いることが好ましく、硬化剤における酸無水物の割合を５０質量％以上とすることが好ましい。硬化剤として酸無水物を用いることで、液状エポキシ樹脂と固形状エポキシ樹脂を用いて低応力化を達成する本発明の効果を十分に発揮させることができる。
【００２８】
すなわち、酸無水物を硬化剤として用いた場合、硬化物が硬くなり且つ脆くなる傾向があるが、固形状エポキシ樹脂の応力緩和作用によってこれを有効に補うことができる。
【００２９】
上記の酸無水物の他、硬化剤としてフェノールノボラック、クレゾールノボラック、フェノールアラルキル樹脂、ナフトールアラルキル樹脂、ジシクロペンタジエン型、トリフェニルメタン型、ザイロック型、テルペン型等の多価フェノール化合物などを配合してもよい。
【００３０】
硬化剤の配合量は、好ましくは、硬化剤の当量とエポキシ樹脂のエポキシ当量との当量比（硬化剤当量／エポキシ当量）が０．５〜１．５となる量であり、より好ましくは当量比が０．７〜１．３となる量である。当量比が０．５未満であると硬化特性が低下する場合があり、当量比が１．５を超えると、硬化物の物性が低下する場合がある。
【００３１】
本発明で用いられる硬化促進剤の具体例としては、２−メチルイミダゾール、２−エチルイミダゾール、１，２−ジメチルイミダゾール、１，２−ジエチルイミダゾール、２−エチル−４−メチルイミダゾール、２−ウンデシルイミダゾール、２−ヘプタデシルイミダゾール、２−フェニルイミダゾール等のイミダゾール系化合物、トリフェニルホスフィン等の有機ホスフィン類、１，８−ジアザビシクロ（５，４，０）ウンデセン等の第三級アミン類、アミンアダクト化合物などが挙げられる。これらは１種単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。
【００３２】
硬化促進剤の配合量は、液状および固形状エポキシ樹脂と硬化剤の合計量に対して０．１〜５．０質量％が好ましい。硬化促進剤の配合量が０．１質量％未満であると、硬化促進作用が不十分となる場合があり、硬化促進剤の配合量が５．０質量％を超えると、硬化特性が低下する場合がある。
【００３３】
本発明で用いられる無機充填材の具体例としては、溶融シリカ、結晶シリカ、微粉シリカ、アルミナ、窒化珪素、マグネシアなどが挙げられる。これらは１種単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。
【００３４】
無機充填材の平均粒子径は、１μｍ以下、より好ましくは０．３〜１μｍである。平均粒子径は、レーザー回折・散乱法で測定することができる。このような平均粒子径をもつ無機充填材の中でも特に、球状の溶融シリカが好ましい。アンダーフィル材など流動性を求められる材料においては、破砕シリカを用いると流動時の抵抗が大きくなるが、球状の溶融シリカを用いることで流動性を高めることができる。
【００３５】
無機充填材の配合量は、封止用液状エポキシ樹脂組成物の全量に対して好ましくは３０〜７５質量％、より好ましくは４０〜７０質量％である。無機充填材の配合量が３０質量％未満であると、線膨張係数が大きくなりパッケージの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。無機充填材の配合量が７５質量％を超えると、封止用液状エポキシ樹脂組成物の粘度が高くなりアンダーフィル材として半導体チップと配線基板の間隙に充填する際に、当該間隙への浸入性が低下する場合がある。
【００３６】
本発明の封止用液状エポキシ樹脂組成物には、本発明の効果を損なわない範囲内において、さらに他の添加剤を配合することができる。このような添加剤の具体例としては、γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、γ−メルカプトプロピルトリメトキシシラン等のカップリング剤、難燃剤、着色剤、反応性希釈剤、改質剤、溶剤などが挙げられる。
【００３７】
本発明の封止用液状エポキシ樹脂組成物は、たとえば、上記の液状および固形状エポキシ樹脂、硬化剤、硬化促進剤、無機充填材、および必要に応じて配合される他の添加剤を同時にまたは別々に、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、真空脱泡することにより得ることができる。これらの混合、撹拌、分散等の装置としては、たとえば、ディスパー、プラネタリーミキサー、３本ロール、ボールミル、撹拌および加熱装置を備えたライカイ機などを用いることができる。
【００３８】
本発明の半導体装置は、上記のようにして得られた封止用液状エポキシ樹脂組成物により、半導体チップと配線基板との間を封止することによって製造することができる。たとえば、ＦＲグレード等の配線基板の配線パターン面に複数個のバンプを介してＩＣ、ＬＳＩ等の半導体チップが搭載されたもののバンプ間の間隙に本発明の封止用液状エポキシ樹脂組成物をディスペンサー等を用いて塗布、充填した後、加熱硬化し、次いで、半導体チップ全体の封止を行う等の後工程を経て、フリップチップ方式による半導体装置を製造することができる。
【００３９】
なお、硬化条件は、特に限定されるものではないが、たとえば１２０〜１７０℃、０．５〜５時間である。
【実施例】
【００４０】
以下、実施例により本発明をさらに詳しく説明するが、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。なお、表１に示す配合量は質量部を表す。
[実施例１〜３および比較例１〜７]
表１に示す配合量で各成分が配合された封止用液状エポキシ樹脂組成物を、エポキシ樹脂を含む主剤と、硬化剤および硬化促進剤を含む混合剤とを常法に従って混合することにより調製した。
【００４１】
表１に示す配合成分として、以下のものを使用した。
液状エポキシ樹脂：ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂（ジャパン・エポキシレジン（株）「エピコート８２８」粘度１２００〜１５００ｍＰａ・ｓ（２５℃）  エポキシ当量 １８９）
固形状エポキシ樹脂（１）：Ｏ−クレゾールノボラック型エポキシ樹脂（住友化学（株）「ＥＳＣＮ１９５ＸＬ」 エポキシ当量 １９５）
固形状エポキシ樹脂（２）：ビフェニル型エポキシ樹脂（ジャパン・エポキシレジン（株）「ＹＸ４０００Ｈ」エポキシ当量１８７〜１９７  融点 １０５℃（ＤＳＣ法））
低弾性率化剤（１）：シリコーンオイル（東レ・ダウコーニング（株）「ＳＦ−８４１３」）
低弾性率化剤（２）：固形シリコーンパウダー（東レ・ダウコーニング（株）「Ｅ５００」）
硬化剤：メチルヘキサヒドロ無水フタル酸（日立化成工業（株）「ＨＮ−５５００Ｅ」）
硬化促進剤：２−エチル−４−メチルイミダゾール（四国化成工業（株）「２Ｅ４ＭＺ」）
無機充填材：球状の溶融シリカ（（株）アドマテックス「ＳＯ−Ｅ２」 平均粒子径 ０．５μｍ）
カップリング剤：γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン（日本ユニカー（株）「Ａ１８７」）
[相溶性評価]
実施例および比較例の封止用液状エポキシ樹脂組成物の粘度を、Ｂ８Ｈ型回転粘度計を用いて、２５℃、５ｒｐｍおよび５０ｒｐｍで測定した。５ｒｐｍ粘度と５０ｒｐｍ粘度のチクソ比（５ｒｐｍ粘度／５０ｒｐｍ粘度）の値から相溶性を判断した。チクソ比が大きいほど固形状樹脂の液状樹脂に対する濡れ性が劣り、相溶性が悪いと判断した。判別基準を下記のとおりに定めた。
○：チクソ比１．５未満
×：チクソ比１．５以上
[信頼性試験]
実施例および比較例の封止用液状エポキシ樹脂組成物をＦＲ４基板上に塗布し、硬化後の基板対角の反りを測定し、その平均値により、当該組成物をアンダーフィルとして用いた半導体装置の信頼性を判断した。反りが小さいほど応力の緩和が良好であり、低応力化が達成されていると考えられる。判別基準を下記のとおりに定めた。
○：１０ｍｍ未満
×：１０ｍｍ以上
相溶性評価と信頼性試験の結果を表１に示す。
【００４２】
【表１】
0004966123.tif 000002
【００４３】
表１に示されるように、常温で液状のエポキシ樹脂と、エポキシ樹脂の合計量に対して特定量の常温で固形状のエポキシ樹脂を配合し、さらに無機充填材として特定の平均粒子径をもつ球状の溶融シリカを配合した実施例１〜３では、固形状のエポキシ樹脂の相溶性が良好であり、硬化物の反りも小さく応力が緩和されており、これをアンダーフィル材等として用いることで信頼性の高い半導体装置を得ることができる。
【００４４】
これに対して、常温で固形状のエポキシ樹脂を配合しなかった比較例１、常温で固形状のエポキシ樹脂を配合したが配合量がエポキシ樹脂の合計量に対して過剰もしくは過小である比較例２，３、および常温で固形状のエポキシ樹脂のみ配合し常温で液状のエポキシ樹脂を配合しなかった比較例４では、硬化物に大きな反りが発生した。
【００４５】
また、常温で固形状のエポキシ樹脂を配合せずに、低弾性率化剤としてシリコーンオイルを配合した比較例５，６、および固形シリコーンパウダーを配合した比較例７では、硬化物の反りは抑制されたものの、相溶性が低いものであった。