JP2002190497A - フリップチップ実装用の封止樹脂 - Google Patents

フリップチップ実装用の封止樹脂

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JP2002190497A JP2000388087A JP2000388087A JP2002190497A JP 2002190497 A JP2002190497 A JP 2002190497A JP 2000388087 A JP2000388087 A JP 2000388087A JP 2000388087 A JP2000388087 A JP 2000388087A JP 2002190497 A JP2002190497 A JP 2002190497A
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雅行 森島
Kaoru Iwabuchi
馨 岩淵
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昌和 中田
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 はんだバンプが狭ピッチの半導体チップを実
装基板上にフリップチップ実装する際にも、実装の信頼
性が高く、更には組立コストの低減及び生産性の向上を
実現できるフリップチップ実装用の封止樹脂を提供す
る。 【解決手段】 本フリップチップ実装用の封止樹脂は、
半導体チップを実装基板にフリップチップ方式によりは
んだ接合して実装する際に、半導体チップと実装基板と
の間に充填し、はんだ接合部を封止する封止樹脂であ
る。本樹脂は、エポキシ樹脂と、エポキシ樹脂を硬化さ
せる酸無水物系硬化剤と、半導体チップ及び実装基板の
はんだバンプ、はんだボール等の酸化皮膜を除去するフ
ラックス剤と、１０μｍ以上２０μｍ以下の平均径を有
する無機質系粒状フィラーとを含有する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体チップを実
装基板にフリップチップ方式によりはんだ接合して実装
する際に、半導体チップと実装基板との間に充填し、は
んだ接合部を封止する、フリップチップ実装用の封止樹
脂に関し、更に詳細には、はんだ接合によるＣ４（Cont
rolled Collapse Chip Connection）プロセスに使用す
るフリップチップ実装用の封止樹脂、特に狭ピッチ・バ
ンプの半導体チップであっても、高い接合率でフリップ
チップ実装できるフリップチップ実装用の封止樹脂に関
するものである。
【０００２】
【従来の技術】半導体チップを実装基板上に実装する方
法には、種々の方法があるものの、特に多ピン半導体チ
ップの高密度実装法の一つとして、フリップチップ実装
法が注目されている。フリップチップ実装法とは、チッ
プ電極にはんだパンプを設け、更にはんだバンプ上にハ
ンダボールを有する半導体チップをフェースダウンにて
実装基板の配線パターンのはんだバンプ又ははんだラン
ド上に、直接、はんだ接合する方法である。フリップチ
ップ実装法による電極接合では、はんだ接合を適用した
Ｃ４（Controlled Collapse Chip Connection）プロセ
スが代表的な工法として挙げられる。
【０００３】Ｃ４プロセスによるフリップチップ実装で
は、半導体チップと実装基板とのはんだ接合部を外部環
境から遮断して保護するために、かつ、半導体チップと
実装基板の線膨張係数の差により発生する熱応力がはん
だ接合部に集中するのを防ぐために、はんだ接合部封止
用の樹脂が、半導体チップと実装基板の間隙に充填さ
れ、はんだ接合部を封止している。
【０００４】ところで、フリップチップ実装用の封止樹
脂を半導体チップと実装基板との間隙に充填する際に、
Ｃ４プロセスで広く使用されている封止樹脂の充填方式
は、キャピラリ・フロー（Capillary Flow）法と、圧縮
フロー（Compression Flow）法とに大別される。図１及
び図２を参照して、キャピラリ・フロー法及び圧縮フロ
ー法による封止樹脂の充填方法を説明する。図１（ａ）
と（ｂ）及び図２（ａ）と（ｂ）は、それぞれ、キャピ
ラリ・フロー法及び圧縮フロー法の樹脂充填方式を説明
するための工程毎の半導体チップと実装基板の断面図で
ある。
【０００５】キャピラリ・フロー法では、図１（ａ）に
示すように、半導体チップ１２を実装基板１４上に位置
決めして配置し、フラックス剤（図示せず）によっては
んだバンプ、はんだボール等の酸化皮膜を除去し、半導
体チップ１２と実装基板１４とをリフロー法によりはん
だ接合した後、ディスペンサ１６等の充填器を使って封
止樹脂として熱硬化性樹脂１８を半導体チップ１２の側
面から注入する。図１（ａ）中、２０は半導体チップ１
２のチップ電極に設けられた高融点はんだバンプ（含む
はんだボール）、２２は実装基板１４の配線パターンの
はんだランド上に設けられた低融点はんだバンプ、及び
２４は形成されたはんだ接合部である。熱硬化性樹脂１
８は、半導体チップ１２と実装基板１４の間隙を毛細管
現象により進入して充填する。次いで、加熱して熱硬化
性樹脂１８を硬化させ、図１（ｂ）に示すように、半導
体チップ１２と実装基板１４との間隙に形成されている
はんだ接合部２４を封止する。従って、この方式で使用
される封止樹脂は、フラックス剤を含有していない。
【０００６】ところで、キャピラリ・フロー法を適用し
た熱硬化性樹脂１８の充填作業は、生産性が低いという
問題があった。つまり、キャピラリ・フロー法では、は
んだバンプのリフロー前にフラックス剤を使用して酸化
皮膜を除去し、次いでリフロー炉に入れてはんだバンプ
をリフローさせ、更に、熱硬化性樹脂１８を充填する前
にフラックス剤で汚染された実装基板１４を十分に洗浄
し、次いで加熱して熱硬化性樹脂１８を硬化させること
が必要になるからである。結果として、工程数が多く、
実装の生産性が低い。
【０００７】そこで、生産性を向上させる充填方法とし
て、圧縮フロー法が、近年、開発されつつある。圧縮フ
ロー法では、熱硬化性樹脂にフラックス剤を含有させた
フラックス剤含有樹脂をフリップチップ実装用の封止樹
脂として使用する。圧縮フロー法で使用するフリップチ
ップ実装用の封止樹脂の一例が、特開平４−２８０４４
３号公報に開示されていて、フラックス剤としてリンゴ
酸が使用されている。
【０００８】圧縮フロー法では、図２（ａ）に示すよう
に、半導体チップ１２を実装基板１４上に搭載する前
に、熱硬化性樹脂にフラックス剤を添加したフラックス
剤含有樹脂２６を実装基板１４上に塗布する。次いで、
半導体チップ１２を実装基板１４上に配置し、その際、
半導体チップ１２を押圧することにより熱硬化性樹脂２
６の塗布層を押し拡げる。次いで、半導体チップ１２と
実装基板１４とをリフロー炉に入れ、熱硬化性樹脂２６
中のフラックス剤ではんだバンプ及びはんだボールの酸
化皮膜を除去すると共にはんだをリフローさせてはんだ
接合させる。同時に、半導体チップ１２と実装基板１４
との間隙に充填された熱硬化性樹脂２０を硬化させる。
これにより、図２（ｂ）に示すように、半導体チップ１
２のはんだバンプ２０と実装基板１４のはんだバンプ２
２とがはんだ接合されて、はんだ接合部２４が形成され
ると共に、半導体チップ１２と実装基板１４都の間の間
隙が封止樹脂２６で充填され、はんだ接合部２４が封止
される。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】ところで、近年、半導
体チップの小型化・高機能化に伴い、半導体チップ上の
はんだバンプも狭ピッチ配列となり、それに連れてはん
だバンプの寸法も微細になっている。一方、半導体チッ
プを実装基板に実装した後の電気的接続及び機械的接合
の信頼性は、このはんだバンプ同士の接合、つまりはん
だ接合部の接合強度に依存しているので、従ってバンプ
接合を補強する熱硬化性樹脂の特性に左右されるように
なっている。
【００１０】特に、熱硬化性樹脂の線膨張係数が大きい
と、半導体チップ及び実装基板の間に熱膨張差が生じ、
熱応力が発生して、はんだ接合部の損傷を招来すること
になる。そこで、熱硬化性樹脂の低線膨張係数化を図っ
て、熱影響によるはんだ接合部の損傷を抑制するため
に、フィラーを熱硬化性樹脂に添加することにより、熱
硬化性樹脂の線膨張係数を低くすることが、熱硬化性樹
脂の特性向上対策の一つとして重要視されている。しか
し、従来のフリップチップ実装用の封止樹脂には、熱硬
化性樹脂の低膨張係数化に関し、満足すべきものがなか
った。
【００１１】例えば、圧縮フロー法を適用する従来のフ
リップチップ実装用の封止樹脂は、フィラーを含有して
いないため、熱硬化性樹脂の線膨張係数が高く、半導体
チップと実装基板の線膨張係数の差により発生する応力
がバンプ接合部に集中してしまい、電気的接続及び機械
的接合に損傷を受け易く、結果として接合部の信頼性が
低下していた。
【００１２】また、キャピラリ・フロー法を適用する上
述した従来のフリップチップ実装用の封止樹脂には、フ
ィラーの添加に関し以下のような問題があった。まず、
キャピラリ・フロー法を適用する封止樹脂では、熱硬化
性樹脂にフィラーを添加すると、はんだバンプ間にフィ
ラーが詰まり、熱硬化性樹脂を間隙に完全に充填できな
いという問題があった。そのために、フィラー径を１０
μｍ以下にするというフィラーの微粒子化により、フィ
ラーのはんだバンプ間詰まりを回避して、バンプの狭ピ
ッチ化に対応しているものの、フィラーの微粒子化は、
封止樹脂の製造コストを高くするために、封止樹脂が高
価になり、結果としてフリップチップ実装コストの上昇
を引き起こしている。また、フィラーを添加すると、熱
硬化性樹脂の粘度が高くなるために、充填速度が粘度に
依存する、キャピラリ・フロー法のような充填方式の場
合、充填に要する時間が長くなり、充填作業の能率の向
上が難しい。
【００１３】そこで、本発明の目的は、はんだバンプが
狭ピッチの半導体チップを実装基板上にフリップチップ
実装する際にも、実装の信頼性が高く、更には組立コス
トの低減及び生産性の向上を実現できるフリップチップ
実装用の封止樹脂を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】本発明者は、組立コスト
を低減し、生産性を向上させる、封止樹脂の充填法は、
キャピラリ・フロー法ではなく圧縮フロー法であり、ま
た、実装の信頼性を高めるためには、封止樹脂にフィラ
ーを含有させて、封止樹脂の線膨張係数を低下させるこ
とであると考え、フィラーを含有した、圧縮フロー法用
の封止樹脂を開発することを着想した。そして、種々の
粒子径のフィラーを含有させた、フリップチップ実装用
の封止樹脂を調製し、圧縮フロー法を適用して試料の封
止樹脂を半導体チップと実装基板との間に充填してはん
だ接合するという多数回の接合実験を行い、試料の封止
樹脂で封止したはんだ接合部の接合率を測定した。
【００１５】本接合実験では、９６質量％Ｐｂ−４質量
％Ｓｎからなる高融点はんだバンプを形成した半導体チ
ップを、３７質量％Ｐｂ−６３質量％Ｓｎからなる低融
点はんだバンプを形成した実装基板にフリップチップ実
装した。また、本接合実験では、成分及びその配合量が
以下の表１に示す熱硬化性樹脂の１００質量部に対し
て、２０質量部の添加率で平均径が２、５、１０、１
５、及び２０μｍのシリカ系粒子からなるフィラーを添
加したフリップチップ実装用の封止樹脂を調製し、試料
とした。 表１ 成分 配合量 エポキシ樹脂（ジグリシジルエーテル系） ５０質量％ 硬化剤（酸無水物系） ４０質量％ フラックス剤（カルボン酸系） １０質量％
【００１６】接合実験では、先ず、実装基板上に上述の
試料封止樹脂をディスペンサにて塗布した後、半導体チ
ップを実装基板の所定の位置に位置決めして配置し、低
融点はんだの融点以上に加熱して、実装基板のはんだバ
ンプをリフローさせた。実際には、２００℃に熱したホ
ットプレート上に、半導体チップを位置決めした実装基
板を載せ、約９０秒保持して、低融点はんだバンプをリ
フローさせ、半導体チップを実装基板にはんだ接合する
と共に封止樹脂を硬化させた。封止後、半導体チップと
実装基板とのバンプ接合部毎、つまりチップ電極毎の電
気導通を検査し、半導体チップの全はんだバンプ数に対
する電気導通の良好なはんだバンプ数の割合を算出し
て、接合率とした。例えば、接合率７０％とは、電気導
通が不良のはんだバンプ、つまりはんだ接合が不良のは
んだバンプが全体の３０％存在することになる。
【００１７】本接合実験の結果は、図３に示す通りであ
って、フィラー粒子の平均粒子径が大きくなるに従って
接合率が向上し、１０μｍ以上では接合率が１００％で
あることが確認された。但し、フィラーの平均粒子径が
２０μｍを越えると、封止樹脂の一様な塗布が難しくな
り、接合率も低下することが判った。この傾向は、フィ
ラー含有量を１０質量部から７０質量部に変化させて調
製した種々の試料封止樹脂についても同様の傾向であっ
た。また、エポキシ樹脂、硬化剤、及びフラックス剤の
配合比を種々に変えたフリップチップ実装用の封止樹脂
についても、フィラーの平均粒子径が１０μｍ以上２０
μｍ以下であれば、接合率が１００％であることが確認
された。本接合実験によって、バンプの狭ピッチ化に対
して、フラックス剤含有熱硬化性樹脂を使用する際、平
均粒子径が１０μｍ以上２０μｍ以下のフィラーを添加
することにより、良好なはんだ接合を実現できることが
分かった。
【００１８】上記目的を達成するために、上述の知見に
基づいて、本発明に係るフリップチップ実装用の封止樹
脂は、半導体チップを実装基板にフリップチップ方式に
よりはんだ接合して実装する際に、半導体チップと実装
基板との間に充填し、はんだ接合部を封止する、フリッ
プチップ実装用の封止樹脂において、エポキシ樹脂と、
エポキシ樹脂を硬化させる酸無水物系硬化剤と、半導体
チップ及び実装基板のはんだバンプ、はんだボール等の
酸化皮膜を除去するフラックス剤と、１０μｍ以上２０
μｍ以下の平均径を有する無機質系粒状フィラーとを含
有することを特徴としている。
【００１９】本発明で、フラックス剤はリンゴ酸等のカ
ルボン酸系の化合物であって、その配合比率はフィラー
を除いた樹脂成分中、１質量％以上２０質量％以下であ
る。また、フィラーの好適な配合比率は エポキシ樹
脂、硬化剤及びフラックス剤の１００質量部に対して１
０質量部以上７０質量部以下である。また、硬化剤は、
エポキシ樹脂の硬化に必要な配合比となっている。本発
明で配合する粒状フィラーは、例えばシリカ、セラミッ
クス等の無機質系粒子からなるフィラーである。
【００２０】本発明に係るフリップチップ実装用の封止
樹脂は、半導体チップと実装基板との間に充填し、はん
だ接合部を封止する際には、圧縮フロー法を好適に適用
できる。
【００２１】
【発明の実施の形態】以下に、実施形態例に基づいて本
発明をより詳細に説明する。実施形態例 本実施形態例は、本発明に係るフリップチップ実装用の
封止樹脂の実施形態の一例である。本実施形態例のフリ
ップチップ実装用の封止樹脂は、前述した表１に示す成
分及びその配合比率のフラックス剤含有熱硬化性樹脂の
１００質量部に平均粒子径１０μｍのシリカ粒子をフィ
ラーとして２０質量部添加したものである。本実施形態
例のフリップチップ実装用の封止樹脂を使って圧縮フロ
ー法によって前述した接合実験と同じ半導体チップを実
装基板上にフリップチップ実装し、本実施形態例のフリ
ップチップ実装用の封止樹脂の接合試験及び信頼性試験
を行った。
【００２２】前述した接合実験と同じ条件の接合試験で
は、本実施形態例のフリップチップ実装用の封止樹脂
は、１００％の接合率を達成できた。また、信頼性試験
では、先ず、−２５℃〜＋１２５℃の温度サイクル試験
を行ったところ、本実施形態例のフリップチップ実装用
の封止樹脂で接合した半導体チップと実装基板のはんだ
接合部は、１０００サイクルを経過した後も、良好な電
気的接続と機械的接合を維持した。また、温度８５℃及
び相対湿度８５％（ＲＨ）の雰囲気で電圧５Ｖを印加し
た動作環境下で絶縁劣化試験を行ったところ、２０００
時間をクリアすることが確認できた。以上の接合試験及
び信頼性試験から、本実施形態例のフリップチップ実装
用の封止樹脂は、はんだバンプの接合性が高く、かつ機
械的強度及び電気的接続性の信頼性が高いことを示して
いる。
【００２３】
【発明の効果】本発明のよれば、半導体チップの小型化
・高機能化に伴ってはんだバンプが微細化しても、フラ
ックス剤含有熱硬化性樹脂に１０μｍ以上２０μｍ以下
の平均粒子径のフィラーを添加した、フリップチップ実
装用の封止樹脂を使用することにより、高い接合率を達
成することができる。本発明に係るフリップチップ実装
用の封止樹脂を使用することにより、フリップチップ実
装に対して高い信頼性を維持することができる。更に
は、本発明に係る半導体チップ実装用の封止樹脂の充填
には、樹脂粘度に依存しない圧縮フロー法を適用できる
ので、フリップチップ実装に際し、高い生産性とコスト
の低減を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（ａ）と（ｂ）は、それぞれ、キャピラリ
・フロー法の樹脂充填方式を説明するための工程毎の半
導体チップと実装基板の断面図である。
【図２】図２（ａ）と（ｂ）は、それぞれ、圧縮フロー
法の樹脂充填方式を説明するための工程毎の半導体チッ
プと実装基板の断面図である。
【図３】接合実験でのフィラー平均径と接合率との関係
を示すグラフである。
【符号の説明】
１２……半導体チップ、１４……実装基板、１６……デ
ィスペンサ、１８……熱硬化性樹脂、２０……半導体チ
ップのチップ電極に設けられた高融点はんだバンプ、２
２……実装基板の配線パターンのはんらランド上に設け
られた低融点はんだバンプ、２４……はんだ接合部、２
６……フラックス剤含有熱硬化性樹脂。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中田 昌和 愛知県額田郡幸田町大字坂崎字雀ヶ入１番 地 ソニー幸田株式会社内 Ｆターム(参考） 4M109 AA01 BA03 CA04 EA02 EB01 EB12 5F044 KK16 LL01 LL11 QQ01 RR17

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 半導体チップを実装基板にフリップチッ
    プ方式によりはんだ接合して実装する際に、半導体チッ
    プと実装基板との間に充填し、はんだ接合部を封止す
    る、半導体チップのフリップチップ実装用の封止樹脂に
    おいて、 エポキシ樹脂と、 エポキシ樹脂を硬化させる酸無水物系硬化剤と、 半導体チップ及び実装基板のはんだバンプ、はんだボー
    ル等の酸化皮膜を除去するフラックス剤と、 １０μｍ以上２０μｍ以下の平均粒子径を有する無機質
    系粒状フィラーとを含有することを特徴とするフリップ
    チップ実装用の封止樹脂。
  2. 【請求項２】 エポキシ樹脂、硬化剤、及びフラックス
    剤の１００質量部に対して１０質量部以上７０質量部以
    下の無機質系粒状フィラーを含有することを特徴とする
    請求項１に記載のフリップチップ実装用の封止樹脂。
  3. 【請求項３】 半導体チップと実装基板との間に充填
    し、はんだ接合部を封止する際には、圧縮フロー（Comp
    ression Flow）法を適用できることを特徴とする請求項
    １又は２に記載のフリップチップ実装用の封止樹脂。
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