JP2010006881A

JP2010006881A - アンダーフィル用エポキシ樹脂組成物とそれを用いた半導体装置

Info

Publication number: JP2010006881A
Application number: JP2008165116A
Authority: JP
Inventors: Takanori Konishi; 孝憲小西
Original assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2008-06-24
Filing date: 2008-06-24
Publication date: 2010-01-14

Abstract

【課題】ヒートサイクル時の応力を低減でき、アンダーフィルの密着性が高く、しかも流動性が良好でありブリードが発生することもないアンダーフィル用エポキシ樹脂組成物とそれを用いた半導体装置を提供する。
【解決手段】常温で液状のエポキシ樹脂、硬化剤、および硬化促進剤を必須成分とするアンダーフィル用エポキシ樹脂組成物であって、アミノシランカップリング剤とエポキシ基含有オルガノポリシロキサンとの反応生成物であるアミノ変性シロキサンをアンダーフィル用エポキシ樹脂組成物の全量に対して０．１〜１質量％含有することを特徴とする。
【選択図】なし

Description

本発明は、アンダーフィル用エポキシ樹脂組成物とそれを用いた半導体装置に関するものである。

近年、樹脂封止型半導体装置は、高密度化、高集積化、および動作の高速化の傾向にあり、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いるが、このような要求に対応するものとしてフリップチップ実装が一般に採用されている。

フリップチップ実装では、半導体チップの外部接続用パッドにバンプ電極を直接形成し、このバンプ電極を用いて回路基板にフェースダウンで接続、搭載する。そして半導体チップと回路基板の間隙にはアンダーフィル材が充填される（特許文献１、２参照）。アンダーフィル材は、半導体チップと回路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、気密性を確保するなどの機能を有している。

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以下と低く、ワイヤボンディング接続の場合のようにワイヤ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、薄型化などの要求に応えることができる。

従来、フリップチップ実装に用いられるアンダーフィル材としては液状のエポキシ樹脂組成物などが代表的なものとして用いられているが、Ｌｏｗ−ｋ（低誘電率）用途、鉛フリーはんだ用途などのアンダーフィル用エポキシ樹脂組成物には低応力化が要求されており、低温でのデバイスおよびフィレットの保護と、高温時のバンプ補強を両立させることが重要な課題とされている。従来、アンダーフィルのヒートサイクル時の低応力化を達成するために、シリコーンゴム、シリコーンパウダー、シリコーンオイルなどの低応力化剤をアンダーフィル用エポキシ樹脂組成物に配合することが提案されている。
特開２００４−０１８７１８号公報特開２００７−２２４１２４号公報

しかしながら、これらの低応力化剤は、アンダーフィル用エポキシ樹脂組成物の流動性の悪化を生じる場合があり、また低分子量成分のシリコーンオイルを用いた場合にはブリードが発生する場合があった。そのため、アンダーフィル用エポキシ樹脂組成物の作業性や信頼性を損なうという問題点があった。

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、ヒートサイクル時の応力を低減でき、アンダーフィルの密着性が高く、しかも流動性が良好でありブリードが発生することもないアンダーフィル用エポキシ樹脂組成物と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。

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。

第１に、本発明のアンダーフィル用エポキシ樹脂組成物は、常温で液状のエポキシ樹脂、硬化剤、および硬化促進剤を必須成分とするアンダーフィル用エポキシ樹脂組成物であって、アミノシランカップリング剤とエポキシ基含有オルガノポリシロキサンとの反応生成物であるアミノ変性シロキサンをアンダーフィル用エポキシ樹脂組成物の全量に対して０．１〜１質量％含有することを特徴とする。

第２に、上記第１のアンダーフィル用エポキシ樹脂組成物において、アミノ変性シロキサンは、１００〜１２０℃で加熱溶融したエポキシ基含有オルガノポリシロキサンに、エポキシ基含有オルガノポリシロキサンに対して５〜３０質量％のアミノシランカップリング剤を添加し、１０〜３０分攪拌混合し反応させて得られたものであることを特徴とする。

第３に、本発明の半導体装置は、上記第１または第２のアンダーフィル用エポキシ樹脂組成物を用いて半導体チップと回路基板との間が封止されていることを特徴とする。

上記第１の発明によれば、アミノシランカップリング剤とエポキシ基含有オルガノポリシロキサンとの反応生成物であるアミノ変性シロキサンを配合することにより、シロキサン構造に起因してアンダーフィルを低弾性率化してヒートサイクル時の応力を低減することができ、さらにアミノシランカップリング剤のアミノ基に起因してアンダーフィルの密着性を高めることができる。さらに、アミノシランカップリング剤とエポキシ基含有オルガノポリシロキサンとを予め反応させているので、低分子量成分および硬化反応に寄与しない成分が除去され、従ってブリードの発生を防止できる。また、アンダーフィル用エポキシ樹脂組成物の充填時における流動性を損なうこともない。

上記第２の発明によれば、上記特定のアミノ変性シロキサンを用いることで、上記第１の発明の効果に加え、ヒートサイクル時の応力低減とアンダーフィルの密着性向上を確実に達成することができると共に、流動性を確保することができ、ブリードの発生も確実に防止することができる。

上記第３の発明によれば、上記第１および第２の発明のアンダーフィル用エポキシ樹脂組成物を用いているので、半導体チップおよび回路基板とアンダーフィル材との密着性に優れ、ヒートサイクル試験における耐熱性に優れた信頼性の高い半導体装置とすることができる。

以下、本発明を詳細に説明する。

本発明に用いられる常温（２５℃）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。

本発明に用いられる硬化剤の具体例としては、無水ヘキサヒドロフタル酸、無水テトラヒドロフタル酸、無水ピロメリット酸等の酸無水物系硬化剤、ジアミノジフェニルメタン、メタフェニレンジアミン等のアミン系硬化剤、フェノールノボラック樹脂等のフェノール系硬化剤などが挙げられる。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。

硬化剤の配合量は、好ましくは、硬化剤のエポキシ樹脂に対する化学量論上の当量比（硬化剤当量／エポキシ基当量）が０．６〜１．４となる量であり、より好ましくは当量比が０．７５〜１．０となる量である。当量比が小さ過ぎると、硬化不足、硬化物の耐熱性低下、硬化物の強度低下などを生じる場合がある。一方、当量比が大き過ぎると、硬化物の耐熱性低下、硬化物の吸湿量の増加などを生じる場合がある。

本発明に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−フェニル−４−メチルイミダゾール、２−フェニルイミダゾール、１−ベンジル−２−メチルイミダゾール等のイミダゾール系化合物、１，８−ジアザビシクロ（５，４，０）−７−ウンデセン等の第三級アミン、マイクロカプセル型硬化促進剤などが挙げられる。

硬化促進剤の配合量は、アンダーフィル用エポキシ樹脂組成物の全量に対して好ましくは０．３〜５質量％である。当該配合量が少な過ぎるとゲル化時間の遅延をもたらす場合があり、当該配合量が多過ぎると硬化の進行が早くなり過ぎる場合がある。

本発明のアンダーフィル用エポキシ樹脂組成物には、無機充填材を配合することができる。無機充填材としては、特に制限なく適宜のものを用いることができ、その具体例としては、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。中でも、低粘度化と流動特性の向上の点からは、球状の溶融シリカが好ましい。球状の溶融シリカの平均粒子径は、好ましくは０．２〜３０μｍ、より好ましくは０．２〜５μｍである。なお、平均粒子径はレーザー回折散乱法などにより測定することができる。

無機充填材の配合量は、アンダーフィル用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％である。当該配合量が少な過ぎると熱膨張係数が大きくなり半導体装置の信頼性が低下する場合がある。一方、当該配合量が多過ぎると粘度が高くなり半導体チップと回路基板との間隙への充填性が低下する場合がある。

本発明のアンダーフィル用エポキシ樹脂組成物には、アミノシランカップリング剤とエポキシ基含有オルガノポリシロキサンとの反応生成物であるアミノ変性シロキサンが配合される。

アミノシランカップリング剤の具体例としては、Ｎ−２−（アミノエチル）−３−アミノプロピルメチルジメトキシシラン、Ｎ−２−（アミノエチル）−３−アミノプロピルトリメトキシシラン、Ｎ−２−（アミノエチル）−３−アミノプロピルトリエトキシシラン、３−アミノプロピルトリメトキシシラン、３−アミノプロピルトリエトキシシラン、３−トリエトキシシリル−Ｎ−（１，３−ジメチル−ブチリデン）プロピルアミン、Ｎ−フェニル−３−アミノプロピルトリメトキシシランなどが挙げられる。

エポキシ基含有オルガノポリシロキサンとしては、例えばエポキシ変性シリコーンオイル、エポキシポリエーテル変性シリコーンオイルなどを用いることができ、その粘度は、好ましくは５００〜５０００ｃＰ（２５℃）である。例えば、直鎖状ジメチルシリコーン骨格の側鎖または末端にエポキシ基を導入したものなどが挙げられる。

例えば、下記式（I）で表されるエポキシ基含有オルガノポリシロキサンを用いることができる。

[式中、Ｒはそれぞれ独立に水素原子または１価の置換もしくは非置換の炭化水素基であり、ｌは０以上の整数、ｍは０以上の整数、ｎは０以上の整数であり、Ｘはそれぞれ独立に下記式（II-a）、（II-b）、および（II-c）から選ばれるいずれかのエポキシ含有基である。

（式中、ａは２〜１５の整数、ｂは０〜１００の整数、ｃは０〜１００の整数であり、ｂ＋ｃは１〜１００の整数である。）

（式中、ｄは２〜１５の整数を示す。）

（式中、ｅは２〜１５の整数を示す。）
Ｙは、下記式（III）で示されるポリエーテル基である。

（式中、Ａは水素原子、１価の炭化水素基、またはＲ²−(ＣＯ)−（Ｒ²は１価の炭化水素基を示す。）であり、ｘは２〜１５の整数、ｙは０〜１００の整数、ｚは０〜１００の整数であり、ｙ＋ｚは１〜１００の整数である。）
Ｒ¹は、上記Ｒ、Ｘ、およびYから選ばれる任意の基であるが、ｍが０の場合、Ｒ¹の少なくとも１個はＸである。]
エポキシ基含有オルガノポリシロキサンの配合量は、アンダーフィル用エポキシ樹脂組成物の全量に対して０．１〜１質量％である。当該配合量が少な過ぎると応力低減効果、密着付与効果が十分に得られない場合があり、当該配合量が多過ぎるとブリードが発生する場合がある。

本発明のアンダーフィル用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、さらに他の成分を配合することができる。このような他の成分の具体例としては、難燃剤、顔料、溶剤、反応性希釈剤、レベリング剤、消泡剤などが挙げられる。

本発明のアンダーフィル用エポキシ樹脂組成物は、エポキシ樹脂、硬化剤、硬化促進剤、エポキシ基含有オルガノポリシロキサン、および必要に応じて他の成分を同時にまたは別々に配合し、必要に応じて加熱処理や冷却処理を行いながら、撹拌、溶解、混合、分散を行うことにより調製することができる。

上記の撹拌、溶解、混合、分散には、ディスパー、プラネタリーミキサー、ボールミル、３本ロールなどを組み合わせて用いることができる。

本発明の半導体装置は、上記のようにして得られたアンダーフィル用エポキシ樹脂組成物により、ＩＣチップ、ＬＳＩチップなどの半導体チップと回路基板（インターポーザ）との間を封止することにより製造することができる。例えば、セラミック基板やＦＲグレードなどの回路基板の回路パターン面に多数のバンプを介して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アンダーフィル用エポキシ樹脂組成物をディスペンサーなどを用いて塗布、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などの後工程を経て、フリップチップ実装による半導体装置を製造することができる。

なお、加熱硬化の条件は、特に限定されるものではなくアンダーフィル用エポキシ樹脂組成物の配合組成などに応じて適宜に変更すればよいが、例えば１２０〜１７０℃、０．５〜５時間である。

本発明の半導体装置におけるパッケージ形態の具体例としては、各種のエリアアレイ型パッケージ、例えばＢＧＡ（Ball Grid Array）、ＣＳＰ（Chip Size Package）などが挙げられる。

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。

表１に示す配合量で各成分が配合されたアンダーフィル用エポキシ樹脂組成物を、各配合成分を常法に従って撹拌、溶解、混合、分散することにより調製した。

表１に示す配合成分として、以下のものを用いた。
常温で液状のエポキシ樹脂：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）製、エピコート８２８、エポキシ当量１８９
常温で液状のエポキシ樹脂：ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂、ジャパン・エポキシレジン（株）製、エピコート８０６、エポキシ当量１６５
硬化剤：メチルテトラヒドロ無水フタル酸、新日本理化（株）製、ＭＨ−７００、酸無水物当量１６６
硬化促進剤：１−ベンジル−２−メチルイミダゾール、四国化成工業（株）製、キュアゾール１Ｂ２ＭＺ
無機充填材：球状の溶融シリカ、（株）アドマテックス製、ＳＯ−Ｃ１、平均粒子径０．３μｍ
アミノ変性シロキサンａ：１００〜１２０℃で加熱溶融したエポキシ基含有オルガノポリシロキサン（エポキシポリエーテル変性シリコーンオイル、東レ・ダウコーニング（株）製、ＳＦ８４２１ＥＧ、粘度３０００ｃＰ（２５℃））１００質量部にアミノシランカップリング剤（Ｎ−２−（アミノエチル）−３−アミノプロピルトリメトキシシラン、信越化学工業（株）製、ＫＢＭ−６０３）５質量部を添加し、１０〜３０分攪拌混合し反応させて調製した。
アミノ変性シロキサンｂ：ＫＢＭ−６０３の添加量を１０質量部とした以外はアミノ変性シロキサンａと同様の方法で調製した。
アミノ変性シロキサンｃ：ＫＢＭ−６０３の添加量を２０質量部とした以外はアミノ変性シロキサンａと同様の方法で調製した。
アミノ変性シロキサンｄ：ＫＢＭ−６０３の添加量を３０質量部とした以外はアミノ変性シロキサンａと同様の方法で調製した。

上記のようにして得られたアンダーフィル用エポキシ樹脂組成物を用いて下記の評価を行った。
[ブリード性試験]
アンダーフィル用エポキシ樹脂組成物をセラミック基板に０．０３ｇ塗布し、これを予め１００℃に加熱した熱盤上に１０分間放置した後、硬化物とセラミック基板との界面における透明樹脂の発生（ブリード）を目視で確認し、下記基準に従って評価した。
○：ブリードあり
×：ブリードなし
[密着性試験]
アンダーフィル用エポキシ樹脂組成物をセラミック基板に塗布し、塗布面に２ｍｍ角のシリコンチップ（ポリイミド膜コート）を設置し、１５０℃で２時間アンダーフィル用エポキシ樹脂組成物を硬化させることでセラミック基板にシリコンチップを接着した。接着後の積層基板について、（株）アークテック製のボンドテスターシリーズ４０００を用いて接着力を測定し、下記基準に従って評価を行った。
○：９０ＭＰａ以上
△：５０ＭＰａ以上９０ＭＰａ未満
×：５０ＭＰａ未満
[ヒートサイクル試験]
半導体チップ（１０ｍｍ×７００μｍ）、バンプ（Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ２０００ピン）、基板（熱硬化性ソルダーレジストコート樹脂基板）を用いたＴＥＧの半導体チップと基板との間にアンダーフィル用エポキシ樹脂組成物を１００℃で充填し、その後１５０℃で１時間硬化したものを試験用ＴＥＧとした。

温度サイクル試験は、液槽ヒートサイクル機によって−５５℃／+１２５℃（各５分ずつ）を１０００サイクル連続で処理することによって行い、処理後の試験用ＴＥＧにおける剥離、クラック、電気的導通を確認し、いずれの異常もないものをＯＫ、いずれかについて異常があるものをＮＧとして下記基準に従って評価した。
○：１０００サイクルＯＫ
×：１０００サイクルＮＧ
ブリード性試験、密着性試験、ヒートサイクル試験の評価結果を表１に示す。

表１より、アミノシランカップリング剤とエポキシ基含有オルガノポリシロキサンとの反応生成物であるアミノ変性シロキサンをアンダーフィル用エポキシ樹脂組成物の全量に対して０．１〜１質量％配合した実施例１〜４のアンダーフィル用エポキシ樹脂組成物は、ブリードの発生がなく、密着性が良好であり、ヒートサイクル試験の結果も良好であった。

一方、アミノ変性シロキサンを配合しなかった比較例１では、密着性とヒートサイクル性が大きく低下した。

また、アミノ変性シロキサンを配合したが配合量が０．１質量％未満または１質量％超であった比較例２〜４では、ブリード性、密着性、ヒートサイクル性のいずれかの物性について低下が見られた。

Claims

常温で液状のエポキシ樹脂、硬化剤、および硬化促進剤を必須成分とするアンダーフィル用エポキシ樹脂組成物であって、アミノシランカップリング剤とエポキシ基含有オルガノポリシロキサンとの反応生成物であるアミノ変性シロキサンをアンダーフィル用エポキシ樹脂組成物の全量に対して０．１〜１質量％含有することを特徴とするアンダーフィル用エポキシ樹脂組成物。
アミノ変性シロキサンは、１００〜１２０℃で加熱溶融したエポキシ基含有オルガノポリシロキサンに、エポキシ基含有オルガノポリシロキサンに対して５〜３０質量％のアミノシランカップリング剤を添加し、１０〜３０分攪拌混合し反応させて得られたものであることを特徴とする請求項１に記載のアンダーフィル用エポキシ樹脂組成物。
請求項１または２に記載のアンダーフィル用エポキシ樹脂組成物を用いて半導体チップと回路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。