JP3675072B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、接着フィルムを用いて半導体チップとヒートスプレッダーを接着させた半導体装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、電子機器の発達に伴い電子部品の搭載密度が高くなり、半導体装置の小型化が進められ、半導体チップとほぼ同等な大きさであるチップサイズパッケージまたはチップスケールパッケージ(CSP、以下CSPと称することがある)が用いられている。
【0003】
CSPは半導体チップをインターポーザーと呼ばれる半導体チップと外部端子をつなぐ基板に実装して成形されたもので、半導体ベアチップと異なり、良品検査を終えた信頼性のある電子部品である。これらのCSPに使われるインターポーザーとしては、半導体チップの熱膨張係数約4ppm/℃に近い熱膨張係数を有するアルミナ等のセラミック基板や柔軟性のあるポリイミドテープまたは厚いポリイミド基板などが用いられていることが日経エレクトロニクス1996年 No.668号に記載されている。また、CSPでは、半導体チップをインタポーザーに固定する際に接着剤を用いており、セラミック基板をインターポーザーに用いた場合は、銀ペーストに代表される液状の接着剤が使われている。
【0004】
また、フィルム状接着剤は、フレキシブルプリント配線板等で用いられ、アクリロニトリルブタジエンゴムを主成分とする系が多い。
特開昭60−243180号公報には、アクリル系樹脂、エポキシ樹脂、ポリイソシアネート及び無機フィラーを含む接着剤が記載され、特開昭61ー138680号公報には、アクリル系樹脂、エポキシ樹脂、分子中にウレタン結合を有する両末端が第1級アミン化合物及び無機フィラーを含む接着剤が記載されている。
【0005】
近年の半導体装置の高集積化に伴い、動作時の発熱量が多くなってきており、半導体装置の発熱を抑制するために、動作電圧の低減やロスの少ない設計等の本質的な改善とともに、ファンを設置した強制冷却や放熱のためのヒートスプレッダー及び放熱フィンの設置等の対策が取られている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
セラミック基板インターポーザーへの半導体チップ実装に銀ペースト接着剤を使用すると、銀フィラーの沈降があるため分散が均一ではないこと、ペーストの保存安定性に留意しなければならないこと、半導体チップ実装の作業性がLOC等に比較して劣ることなどの問題があった。 また、フィルム状接着剤は、アクリロニトリルブタジエンゴムを主成分とする系が多く用いられているものの、高温で長時間処理した後の接着力の低下が大きいことや、耐電食性に劣ることなどの欠点があった。特に、半導体関連部品の信頼性評価で用いられるPCT(プレッシャークッカーテスト)処理等の厳しい条件下で耐湿性試験を行った場合の劣化が大きかった。
特開昭60ー243180号公報、特開昭61ー138680号公報に示されるものでは、PCT処理等の厳しい条件下での耐湿性試験を行った場合には、劣化が大きく不十分であった。
【0007】
これらプリント配線板関連材料としての接着剤を用いて半導体チップをインターポーザーに実装する場合には、半導体チップとインターポーザーの熱膨張係数の差が大きくリフロー時にクラックが発生したり、温度サイクルテストやPCT処理等の厳しい条件下での耐湿性試験を行った場合の劣化が大きいため使用できなかった。
【0008】
同様に、ヒートスプレッダー等に用いるアルミニウムや銅と半導体チップの接着剤にプリント配線板関連材料としての接着剤を用いた場合には、部品間の熱膨張係数が大きく、リフロー時や温度サイクルテストの際に発生するクラックおよび剥離が発生したり、PCT処理等の厳しい条件下での耐湿性試験を行った場合の劣化が大きく、使用できなかった。
【0009】
本発明は、放熱用のヒートスプレッダーを有するCSPにおいて、ヒートスプレッダーとの熱膨張係数の差が大きい半導体チップを接着する場合に必要な耐熱性、耐電食性、耐湿性を有し、特に、PCT処理等、厳しい条件下での耐湿性試験を行った場合の劣化が小さくなる接着フィルムを用いて構成した半導体装置の提供を課題とした。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明は、放熱性を向上させるためのヒートスプレッダーを有するチップサイズパッケージにおいて、半導体チップとヒートスプレッダーを接着させるための接着フィルムであって、(1)エポキシ樹脂及びその硬化剤100重量部に対し、(2)グリシジル(メタ)アクリレート2〜6重量%を含むTg(ガラス転移温度)が−10℃以上でかつ重量平均分子量が80万以上であるエポキシ基含有アクリル系共重合体100重量部を超えて300重量部まで、硬化促進剤0.1〜5重量部を含む接着剤をベースフィルム上に形成して得られる接着フィルムに関する。
本発明は、また、接着剤が、さらにエポキシ樹脂と相溶性がありかつ重量平均分子量が3万以上の高分子量樹脂を、エポキシ樹脂及びその硬化剤100重量部に対し、10〜40重量部含む上記接着フィルムに関する。
本発明は、また、エポキシ樹脂と相溶性がありかつ重量平均分子量が3万以上の高分子量樹脂接着フィルムがフェノキシ樹脂である上記接着フィルムに関する。
本発明は、また、硬化剤がフェノール樹脂である上記接着フィルムに関する。
本発明は、また、接着剤が、DSCを用いて測定した場合の全硬化発熱量の10〜40%の発熱を終えた状態である上記接着フィルムに関する。
本発明は、また、接着剤が、動的粘弾性測定装置を用いて測定した場合の接着剤硬化物の貯蔵弾性率が25℃で20〜2,000MPaであり、260℃で3〜50MPaのものである上記接着フィルムに関する。
本発明は、また、接着剤が、無機フィラーを、接着剤100体積部に対して1〜60体積部含有してなる上記接着フィルムに関する。
本発明は、また、無機フィラーがアルミナ、シリカ、炭化ケイ素、窒化ホウ素、窒化アルミニウムから選ばれる少なくとも1以上である上記接着フィルムに関する。
【0011】
【発明の実施の形態】
本発明において使用するエポキシ樹脂は、硬化して接着作用を呈するものであればよい。二官能以上で、好ましくは分子量が5000未満、より好ましくは3000未満のエポキシ樹脂が使用される。特に、分子量が500以下のビスフェノールA型またはビスフェノールF型液状樹脂を用いると積層時の流動性を向上することができて好ましい。分子量が500以下のビスフェノールA型またはビスフェノールF型液状樹脂は、油化シェルエポキシ株式会社から、エピコート807、エピコート827、エピコート828という商品名で市販されている。また、ダウケミカル日本株式会社からは、D.E.R.330、D.E.R.331、D.E.R.361という商品名で市販されている。さらに、東都化成株式会社から、YD128、YDF170という商品名で市販されている。
【0012】
エポキシ樹脂としては、高Tg化を目的に多官能エポキシ樹脂を加えてもよく、多官能エポキシ樹脂としては、フェノールノボラック型エポキシ樹脂、クレゾールノボラック型エポキシ樹脂等が例示される。
フェノールノボラック型エポキシ樹脂は、日本化薬株式会社から、EPPN−201という商品名で市販されている。また、クレゾールノボラック型エポキシ樹脂は、住友化学工業株式会社から、ESCN−001、ESCN−195という商品名で、また、前記日本化薬株式会社から、EOCN1012、EOCN1025、EOCN1027という商品名で市販されている。
【0013】
エポキシ樹脂の硬化剤は、エポキシ樹脂の硬化剤として通常用いられているものを使用でき、アミン、ポリアミド、酸無水物、ポリスルフィッド、三弗化硼素及びフェノール性水酸基を1分子中に2個以上有する化合物であるビスフェノールA、ビスフェノールF、ビスフェノールS等が挙げられる。特に吸湿時の耐電食性に優れるためフェノール樹脂であるフェノールノボラック樹脂、ビスフェノールノボラック樹脂またはクレゾールノボラック樹脂等を用いるのが好ましい。
【0014】
このような好ましいとした硬化剤は、大日本インキ化学工業株式会社から、フェノライトLF2882、フェノライトLF2822、フェノライトTD−2090、フェノライトTD−2149、フェノライトVH4150、フェノライトVH4170という商品名で市販されている。
【0015】
硬化剤とともに硬化促進剤を用い、硬化促進剤としては、各種イミダゾール類を用いるのが好ましい。イミダゾールとしては、2−メチルイミダゾール、2−エチル−4−メチルイミダゾール、1−シアノエチル−2−フェニルイミダゾール、1−シアノエチル−2−フェニルイミダゾリウムトリメリテート等が挙げられる。
イミダゾール類は、四国化成工業株式会社から、2E4MZ、2PZ−CN、2PZ−CNSという商品名で市販されている。
【0016】
エポキシ樹脂と相溶性がありかつ重量平均分子量が3万以上の高分子量樹脂としては、フェノキシ樹脂、高分子量エポキシ樹脂、超高分子量エポキシ樹脂、極性の大きい官能基含有ゴム、極性の大きい官能基含有反応性ゴムなどが挙げられる。Bステージにおける接着剤のタック性の低減や硬化時の可撓性を向上させるため重量平均分子量が3万以上とされる。前記極性の大きい官能基含有反応性ゴムは、アクリルゴムにカルボキシル基のような極性が大きい官能基を付加したゴムが挙げられる。ここで、エポキシ樹脂と相溶性があるとは、硬化後にエポキシ樹脂と分離して二つ以上の相に分かれることなく、均質混和物を形成する性質を言う。
【0017】
フェノキシ樹脂は、東都化成株式会社から、フェノトートYP−40、フェノトートYP−50、フェノトートYP−60等の商品名で市販されている。高分子量エポキシ樹脂は、分子量が3万〜8万の高分子量エポキシ樹脂、さらには、分子量が8万を超える超高分子量エポキシ樹脂(特公平7−59617号、特公平7−59618号、特公平7−59619号、特公平7−59620号、特公平7−64911号、特公平7−68327号公報参照)があり、何れも日立化成工業株式会社で製造している。極性の大きい官能基含有反応性ゴムとして、カルボキシル基含有アクリルゴムは、帝国化学産業株式会社から、HTR−860Pという商品名で市販されている。
上記エポキシ樹脂と相溶性がありかつ重量平均分子量が3万以上の高分子量樹脂の添加量は、エポキシ樹脂を主成分とする相(以下エポキシ樹脂相という)の可撓性の不足、タック性の低減やクラック等による絶縁性の低下を防止するため10重量部以上、エポキシ樹脂相のTgの低下を防止するため40重量部以下とされる。
【0018】
グリシジル(メタ)アクリレート2〜6重量%を含むTgが−10℃以上でかつ重量平均分子量が80万以上であるエポキシ基含有アクリル系共重合体は、帝国化学産業株式会社から市販されている商品名HTR−860P−3を使用することができる。官能基モノマーが、カルボン酸タイプのアクリル酸や、水酸基タイプのヒドロキシメチル(メタ)アクリレートを用いると、架橋反応が進行しやすく、ワニス状態でのゲル化、Bステージ状態での硬化度の上昇による接着力の低下等の問題があるため好ましくない。また、官能基モノマーとして用いるグリシジル(メタ)アクリレートの量は、2〜6重量%の共重合体比とする。接着力を得るため、2重量%以上とし、ゴムのゲル化を防止するために6重量%以下とされる。残部はエチル(メタ)アクリレートやブチル(メタ)アクリレートまたは両者の混合物を用いることができるが、混合比率は、共重合体のTgを考慮して決定する。Tgが−10℃未満であるとBステージ状態での接着フィルムのタック性が大きくなり取扱性が悪化するので、−10℃以上とされる。重合方法はパール重合、溶液重合等が挙げられ、これらにより得ることができる。
【0019】
エポキシ基含有アクリル系共重合体の重量平均分子量は、80万以上とされ、この範囲では、シート状、フィルム状での強度や可撓性の低下やタック性の増大が少ないからである。
【0020】
上記エポキシ基含有アクリル系共重合体の添加量は、フィルムの強度の低下やタック性が大きくなるのを防止するため100重量部以上とされ、エポキシ基含有アクリルゴムの添加量が増えると、ゴム成分の相が多くなり、エポキシ樹脂相が少なくなるため、高温での取扱い性の低下が起こるため、300重量部以下とされる。
【0021】
接着剤には、異種材料間の界面結合をよくするために、カップリング剤を配合することもできる。カップリング剤としては、シランカップリング剤が好ましい。 シランカップリング剤としては、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、γ−アミノプロピルトリエトキシシラン、γ−ウレイドプロピルトリエトキシシラン、N−β−アミノエチル−γ−アミノプロピルトリメトキシシラン等が挙げられる。
【0022】
前記したシランカップリング剤は、γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシランがNUC A−187、γ−メルカプトプロピルトリメトキシシランがNUC A−189、γ−アミノプロピルトリエトキシシランがNUC A−1100、γ−ウレイドプロピルトリエトキシシランがNUC A−1160、N−β−アミノエチル−γ−アミノプロピルトリメトキシシランがNUC A−1120という商品名で、いずれも日本ユニカ−株式会社から市販されており、好適に使用することができる。
【0023】
カップリング剤の配合量は、添加による効果や耐熱性およびコストから、樹脂100重量部に対し0.1〜10重量部を添加するのが好ましい。
【0024】
さらに、イオン性不純物を吸着して、吸湿時の絶縁信頼性をよくするために、イオン捕捉剤を配合することができる。イオン捕捉剤の配合量は、添加による効果や耐熱性、コストより、5〜10重量部が好ましい。イオン捕捉剤としては、銅がイオン化して溶け出すのを防止するため銅害防止剤として知られる化合物例えば、トリアジンチオール化合物、ビスフェノール系還元剤を配合することもできる。ビスフェノール系還元剤としては、2,2’−メチレン−ビス−(4−メチル−6−第3−ブチルフェノール)、4,4’−チオ−ビス−(3−メチル−6−第3−ブチルフェノール)等が挙げられる。
トリアジンチオール化合物を成分とする銅害防止剤は、三協製薬株式会社から、ジスネットDBという商品名で市販されている。またビスフェノール系還元剤を成分とする銅害防止剤は、吉富製薬株式会社から、ヨシノックスBBという商品名で市販されている。
【0025】
さらに、接着剤の取扱い性や熱伝導性をよくすること、難燃性を与えること、溶融粘度を調整すること、チクソトロピック性を付与すること、表面硬度の向上などを目的として、無機フィラーを接着剤100体積部に対して1体積部以上で60体積部を超えない範囲で配合することが好ましい。配合量が少ないと配合効果に乏しく、配合量が多くなると、接着剤の貯蔵弾性率の上昇、接着性の低下、ボイド残存による電気特性の低下等の問題を起こすので60体積部以下とされる。
【0026】
無機フィラーとしては、水酸化アルミニウム、水酸化マグネシウム、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、ケイ酸カルシウム、ケイ酸マグネシウム、酸化カルシウム、酸化マグネシウム、アルミナ、窒化アルミニウム、ほう酸アルミニウムウイスカ、窒化ホウ素、結晶性シリカ、非晶性シリカ、炭化ケイ素などが挙げられる。
【0027】
熱伝導性をよくするために、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、結晶性シリカ、非晶性シリカ、炭化ケイ素等が特に好ましい。
この内、アルミナは、放熱性が良く、耐熱性、絶縁性が良好な点で好適である。また、結晶性シリカまたは非晶性シリカは、放熱性の点ではアルミナより劣るが、イオン性不純物が少ないため、PCT処理時の絶縁性が高く、銅箔、アルミ線、アルミ板等の腐食が少ない点で好適である。
難燃性を与えるためには、水酸化アルミニウム、水酸化マグネシウム等が好ましい。
溶融粘度の調整やチクソトロピック性の付与の目的には、水酸化アルミニウム、水酸化マグネシウム、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、ケイ酸カルシウム、ケイ酸マグネシウム、酸化カルシウム、酸化マグネシウム、アルミナ、結晶性シリカ、非晶性シリカ等が好ましい。
表面硬度の向上に関しては、短繊維アルミナ、ほう酸アルミニウムウイスカ等が好ましい。
【0028】
本発明で用いる接着フィルムは、接着剤の各成分を溶剤に溶解ないし分散してワニスとし、ベースフィルム上に塗布、加熱し溶剤を除去することにより、接着剤層をベースフィルム上に形成して得られる。ベースフィルムとしては、ポリテトラフルオロエチレンフィルム、ポリエチレンテレフタレートフィルム、離型処理したポリエチレンテレフタレートフィルム、ポリエチレンフィルム、ポリプロピレンフィルム、ポリメチルペンテンフィルム、ポリイミドフィルムなどのプラスチックフィルムが使用できる。ベースフィルムは、使用時に剥離して接着フィルムのみを使用することもできるし、ベースフィルムとともに使用し、後で除去することもできる。
本発明で用いるプラスチックフィルムとしては、例えば、カプトン(東レ、デュポン株式会社製商品名)、アピカル(鐘淵化学工業株式会社製商品名)等のポリイミドフィルム、ルミラー(東レ、デュポン株式会社製商品名)、ピューレックス(帝人株式会社製商品名)等のポリエチレンテレフタレートフィルムなどを使用することができる。
【0029】
ワニス化の溶剤は、比較的低沸点の、メチルエチルケトン、アセトン、メチルイソブチルケトン、2−エトキシエタノール、トルエン、ブチルセルソルブ、メタノール、エタノール、2−メトキシエタノールなどを用いるのが好ましい。また、塗膜性を向上するなどの目的で、高沸点溶剤を加えても良い。高沸点溶剤としては、ジメチルアセトアミド、ジメチルホルムアミド、メチルピロリドン、シクロヘキサノンなどが挙げられる。
ワニスの製造は、無機フィラーの分散を考慮した場合には、らいかい機、3本ロール及びビーズミル等により、またこれらを組み合わせて行なうことができる。フィラーと低分子量物をあらかじめ混合した後、高分子量物を配合することにより、混合に要する時間を短縮することも可能となる。また、ワニスとした後、真空脱気によりワニス中の気泡を除去することが好ましい。
【0030】
上記プラスチックフィルム等のベースフィルム上に接着剤ワニスを塗布し、加熱乾燥して溶剤を除去するが、これにより得られる接着剤は、DSCを用いて測定した全硬化発熱量の10〜40%の発熱を終えた状態とされる。溶剤を除去する際に加熱するが、この時、接着剤組成物の硬化反応が進行しゲル化してくる。その際の硬化状態が接着剤の流動性に影響し、接着性や取扱い性を適正化する。DSC(示差走査熱分析)は、測定温度範囲内で、発熱、吸熱の無い標準試料との温度差をたえず打ち消すように熱量を供給または除去するゼロ位法を測定原理とするものであり、測定装置が市販されておりそれを用いて測定できる。樹脂組成物の反応は、発熱反応であり、一定の昇温速度で試料を昇温していくと、試料が反応し熱量が発生する。その発熱量をチャートに出力し、ベースラインを基準として発熱曲線とベースラインで囲まれた面積を求め、これを発熱量とする。室温から250℃まで5〜10℃/分の昇温速度で測定し、上記した発熱量を求める。これらは、全自動で行なうものもあり、それを使用すると容易に行なうことができる。 上記ベースフィルムに塗布し、乾燥して得た接着剤の発熱量は、つぎのようにして求める。まず、25℃で真空乾燥器を用いて溶剤を乾燥させた未硬化試料の全発熱量を測定し、これをA(J/g)とする。つぎに、塗工、乾燥した試料の発熱量を測定し、これをBとする。試料の硬化度C(%)(加熱乾燥により発熱を終えた状態)は、つぎの数1で与えられる。
【0031】
【数1】
C(%)=(A−B)×100/A
【0032】
本発明で用いる接着フィルムの動的粘弾性測定装置で測定した貯蔵弾性率は、25℃で20〜2,000MPaで、260℃で3〜50MPaという低弾性率であることが好ましい。貯蔵弾性率の測定は、接着剤硬化物に引張り荷重をかけて、周波数10Hz、昇温速度5〜10℃/分で−50℃から300℃まで測定する温度依存性測定モードで行った。25℃での貯蔵弾性率が2,000MPaを超えるものでは、半導体チップとヒートスプレッダーの熱膨張係数の差によってリフロー時に発生する応力を緩和させる効果が小さくなるためクラックを発生させてしまう。一方、貯蔵弾性率が20MPa未満では、接着フィルムの取扱性が悪くなる。
【0033】
本発明は、半導体チップとヒートスプレッダーを接着させる際の接着フィルムが、エポキシ基含有アクリル系共重合体とエポキシ樹脂系接着剤を用いているため接着フィルムの室温付近での弾性率が低いことにより、エポキシ基含有アクリル系共重合体の混合比を大きくすることで、半導体チップとヒートスプレッダーの熱膨張係数の差に起因してリフロー時の加熱冷却過程で発生する応力を緩和する効果によりクラックや剥離を抑制することができ、優れた信頼性を示す半導体パッケージを得るものである。また、エポキシ基含有アクリル系共重合体はエポキシ樹脂との反応性に優れるため、接着剤硬化物が化学的、物理的に安定するためPCT処理に代表される耐湿性試験に優れた性能を示す。また、下記の方法により、従来の接着フィルムの強度の低下、可撓性の低下、タック性の増大等取り扱い性の点での問題を解決し、半導体装置の信頼性を高くすることができた。
1)本発明で規定したエポキシ基含有アクリル系共重合体を使用することにより、リフロー時のクラック発生を抑制できる。
2)分子量の大きいアクリル系共重合体を使用することで共重合体の添加量が少ない場合でも、接着フィルムのフィルム強度、可撓性を確保できる。
3)エポキシ樹脂と相溶性がありかつ重量平均分子量3万以上の高分子量樹脂を加えることで、タック性を低減することができる。
【0034】
さらに、本発明で用いる接着フィルムは、エポキシ樹脂と高分子量樹脂とが相溶性が良く均一になる接着剤を用いており、エポキシ基含有アクリル系共重合体に含まれるエポキシ基がそれらと部分的に反応し、未反応のエポキシ樹脂を含んで全体が架橋してゲル化するために、それが流動性を抑制し、エポキシ樹脂等を多く含む場合においても取扱い性を損なうことがない。また、未反応のエポキシ樹脂がゲル中に多数残存しているため、圧力がかかった場合、ゲル中より未反応成分がしみだすため、全体がゲル化した場合でも、接着性の低下が少なくなる。接着剤の乾燥時には、エポキシ基含有アクリル系共重合体に含まれるエポキシ基やエポキシ樹脂がともに反応するが、エポキシ基含有アクリル系共重合体は分子量が大きく、1分子鎖中にエポキシ基が多く含まれるため、反応が若干進んだ場合でもゲル化する。通常、DSCを用いて測定した場合の全硬化発熱量の10から40%の発熱を終えた状態、すなわちAまたはBステージ前半の段階でゲル化がおこる。そのため、エポキシ樹脂等の未反応成分を多く含んだ状態でゲル化しており、溶融粘度がゲル化していない場合に比べて、大幅に増大しており、取扱性を損なうことがない。また圧力がかかった場合、ゲル中より未反応成分がしみだすため、ゲル化した場合でも、接着性の低下が少ない。さらに、接着剤がエポキシ樹脂等の未反応成分を多く含んだ状態でフィルム化できるため、接着フィルムのライフ(有効使用期間)が長くなるという利点がある。
【0035】
従来のエポキシ樹脂系接着剤ではBステージの後半から、Cステージ状態で初めてゲル化が起こり、ゲル化が起こった段階でのエポキシ樹脂等の未反応成分が少ないため、流動性が低く、圧力がかかった場合でも、ゲル中よりしみだす未反応成分が少ないため、接着性が低下する。
なお、エポキシ基含有アクリル系共重合体に含まれるエポキシ基と低分子量のエポキシ樹脂のエポキシ基の反応しやすさについては明らかではないが、少なくとも同程度の反応性を有していればよく、アクリル系共重合体に含まれるエポキシ基のみが選択的に反応するものである必要はない。
なおこの場合、A、B、Cステージは、接着剤の硬化の程度を示す。Aステージはほぼ未硬化でゲル化していない状態であり、DSCを用いて測定した場合の全硬化発熱量の0〜20%の発熱を終えた状態である。Bステージは若干硬化、ゲル化が進んだ状態であり全硬化発熱量の20〜60%の発熱を終えた状態である。Cステージはかなり硬化が進み、ゲル化した状態であり、全硬化発熱量の60〜100%の発熱を終えた状態である。
ゲル化の判定については、THF(テトラヒドロフラン)等の浸透性の大きい溶剤中に接着剤を浸し、25℃で20時間放置した後、接着剤が完全に溶解しないで膨潤した状態にあるものをゲル化したと判定した。なお、実験的には、以下のように判定した。
THF中に接着剤(重量W1)を浸し、25℃で20時間放置した後、非溶解分を200メッシュのナイロン布で濾過し、これを乾燥した後の重量を測定(重量W2)した。THF抽出率(%)をつぎの数2のように算出した。THF抽出率が80重量%を越えるものをゲル化していないとし、80重量%以下のものをゲル化していると判定した。
【0036】
【数2】
Figure 0003675072
【0037】
本発明で用いるヒートスプレッダーとしては、アルミニウム、銅、アルミニウム合金及び銅合金などが用いられるが、熱伝導性に優れるものであれば特に制限されるものではない。また、接着フィルムとの密着性を良好にするために、ヒートスプレッダーの接着フィルムに接する表面を改質することが好ましい。アルミニウムの場合は、表面粗化やカップリング剤等の表面処理が特に好ましい。また、銅または銅合金の場合は、配線板の内層回路表面処理として一般的な黒化処理することが好適である。また、酸化処理または酸化還元処理などや、サンドブラストによる表面粗化処理なども好ましい。
【0038】
本発明で用いる接着フィルムは、接着剤にフィラーを添加することにより、溶融粘度が大きくでき、さらにチクソトロピック性を発現できるために、上記効果をさらに大きくすることが可能となる。
さらに、上記の効果に加えて、接着剤の放熱性向上、接着剤に難燃性を付与、接着時の温度において適正な粘度をもたせること、表面硬度の向上等の特性も付与できる。本発明の半導体装置は、接着フィルムを用いて半導体チップと表面処理が施されたヒートスプレッダーを接着させており、耐リフロー性、温度サイクルテスト、耐電食性、耐湿性(耐PCT性)等に優れる。
以下実施例により本発明をさらに具体的に説明する。
【0039】
【実施例】
(実施例1)
エポキシ樹脂としてビスフェノールA型エポキシ樹脂(エポキシ当量200、油化シェルエポキシ株式会社製商品名のエピコート828を使用)45重量部、クレゾールノボラック型エポキシ樹脂(エポキシ当量220、住友化学工業株式会社製商品名のESCN001を使用)15重量部、エポキシ樹脂の硬化剤としてフェノールノボラック樹脂(大日本インキ化学工業株式会社製商品名のフェノライトLF2882を使用)40重量部、エポキシ樹脂と相溶性がありかつ重量平均分子量が3万以上の高分子量樹脂としてフェノキシ樹脂(分子量5万、東都化成株式会社製商品名のフェノトートYP−50を使用)15重量部、エポキシ基含有アクリル共重合体としてエポキシ基含有アクリルゴム(分子量100万、帝国化学産業株式会社製商品名のHTR−860P−3を使用)150重量部、硬化促進剤として硬化促進剤1−シアノエチル−2−フェニルイミダゾール(四国化成工業株式会社製商品名のキュアゾール2PZ−CN)0.5重量部、シランカップリング剤としてγ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン(日本ユニカー株式会社製商品名のNUC A−187を使用)0.7重量部からなる組成物に、メチルエチルケトンを加えて撹拌混合し、真空脱気した。得られたワニスを、厚さ75μmの離型処理したポリエチレンテレフタレートフィルム上に塗布し、140℃で5分間加熱乾燥して、膜厚が50μmのBステージ状態の塗膜を形成し接着フィルムを作製した。
なおこの状態での接着剤の硬化度は、DSC(デュポン社製商品名、912型DSC)を用いて測定(昇温速度、10℃/分)した結果、全硬化発熱量の15%の発熱を終えた状態であった。また、THF中に接着剤(重量W1)を浸し、25℃で20時間放置した後、非溶解分を200メッシュのナイロン布で濾過し、これを乾燥した後の重量を測定(重量W2)し、THF抽出率(=(W1−W2)×100/W1)を求めたところ、THF抽出率は35重量%であった。さらに、接着剤硬化物の貯蔵弾性率を動的粘弾性測定装置(レオロジ社製商品名、DVE−V4)を用いて測定(サンプルサイズ 長さ20mm、幅4mm、膜厚50μm、昇温速度5℃/分、引張りモード 自動静荷重)した結果、25℃で360MPa、260℃で4MPaであった。
また、ヒートスプレッダーとして、厚さ1.5mmのアルミニウム板の接着フィルムに接する表面を#600番手のブラシで研磨し、清浄化した後γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン(日本ユニカー株式会社製のNUC A−187を使用)のメチルエチルケトン溶液で表面処理したものを作製した。 半導体装置は、厚み25μmのポリイミドフィルムを基材に用いたフレキシブルプリント配線板をインターポーザーに用い、これと半導体チップを一体化させた12mm角のCSPを用い、半導体チップと接する部分に接着フィルムを介してヒートスプレッダーを貼り合せることにより作製した。、150℃、0.5MPaで30秒間加熱圧着した。これを170℃で60分間乾燥機中で後硬化させた。
【0040】
(実施例2)
実施例1で用いたアルミニウム板を、配線板の内層回路表面処理として一般的な酸化処理を施し引き続き還元処理を施した銅板に変更したヒートスプレッダーを作製したほかは、実施例1と同様にして材料を作製した。
(実施例3)
実施例1で用いたフェノキシ樹脂を、カルボキシル基含有アクリロニトリルブタジエンゴム(分子量40万、日本合成ゴム株式会社製商品名のPNR−1を使用)に変更したほか、実施例1と同様にして接着フィルムを作製した。なお、この状態での接着剤の硬化度は、DSCを用いて測定した結果、全硬化発熱量の20%の発熱を終えた状態であった。THF抽出率は、35重量%であった。さらに、接着剤硬化物の貯蔵弾性率を動的粘弾性測定装置を用いて測定した結果、25℃で300MPa、260℃で3MPaであった。
【0041】
(実施例4)
実施例1の接着剤ワニスの接着剤固形分100体積部に対してアルミナを10体積部添加し、ビーズミルで60分間混練したワニスを用いて実施例1と同様にして接着フィルムを作製した。DSCを用いて測定した結果、全硬化発熱量の15%の発熱を終えた状態であった。THF抽出率は、30重量%であった。さらに、接着剤硬化物の貯蔵弾性率を動的粘弾性測定装置を用いて測定した結果、25℃で1,800MPa、260℃で10MPaであった。
【0042】
(実施例5)
実施例1で用いたフェノキシ樹脂を用いないこと以外実施例1と同様にして接着フィルムを作製した。DSCを用いて測定した結果、全硬化発熱量の15%の発熱を終えた状態であった。THF抽出率は、35重量%であった。さらに、接着剤硬化物の貯蔵弾性率を動的粘弾性測定装置を用いて測定した結果、25℃で350MPa、260℃で4MPaであった。
【0043】
(比較例1)
実施例1のエポキシ基含有アクリルゴムの量を150重量部から50重量部にしたこと以外は実施例1と同様にして接着フィルムを作製した。DSCを用いて測定した結果、全硬化発熱量の20%の発熱を終えた状態であった。THF抽出率は、40重量%であった。さらに、接着剤硬化物の貯蔵弾性率を動的粘弾性測定装置を用いて測定した結果、25℃で3,000MPa、260℃で5MPaであった。
【0044】
(比較例2)
実施例1のエポキシ基含有アクリルゴムの量を150重量部から400重量部にしたこと以外は実施例1と同様にして接着フィルムを作製した。DSCを用いて測定した結果、全硬化発熱量の20%の発熱を終えた状態であった。THF抽出率は、30重量%であった。さらに、接着剤硬化物の貯蔵弾性率を動的粘弾性測定装置を用いて測定した結果、25℃で200MPa、260℃で1MPaであった。
【0045】
(比較例3)
実施例1のエポキシ基含有アクリルゴムの150重量部をフェノキシ樹脂に変更(フェノキシ樹脂165重量部)した他、実施例1と同様にして接着フィルムを作製した。この接着フィルムの全硬化発熱量は20%であり、THF抽出率は、90重量%であった。また、貯蔵弾性率は、25℃で3,400MPa、260℃で3MPaであった。
【0046】
得られた接着フィルムを用いて半導体チップにヒートスプレッダーを接着することにより作製した半導体装置の耐熱性および耐湿性を調べた。耐熱性の評価方法には、耐リフロークラック性と温度サイクル試験を適用した。
半導体装置サンプルの耐リフロー性の評価は、サンプル表面の最高温度が240℃でこの温度を20秒間保持するように温度設定したIRリフロー炉にサンプルを通し、室温で放置することにより冷却する処理を2回繰り返したサンプル中の半導体チップとヒートスプレッダーの間の剥離の観察で行った。剥離の発生していないものを良好とし、発生していたものを不良とした。
【0047】
温度サイクル試験は、サンプルを−55℃雰囲気に30分間放置し、その後125℃の雰囲気に30分間放置する工程を1サイクルとして、耐リフロー性評価と同様な半導体チップとヒートスプレッダーの間の剥離が起きるまでのサイクル数を測定し、そのサイクル数が2000回以上のものを良好とし、2000回未満のものを不良とした。
また、耐湿性評価は、半導体装置サンプルをプレッシャークッカーテスター中で96時間処理(PCT処理)後半導体チップとヒートスプレッダーの間の剥離及び接着フィルムの変色を観察することにより行った。半導体チップとヒートスプレッダーの間の剥離及び接着フィルムの変色の認められなかったものを良好とし、剥離のあったもの又は変色のあったものを不良とした。その結果を表1に示した。
【0048】
【表1】
Figure 0003675072
【0049】
実施例1、2、3及び4は、何れも、エポキシ樹脂及びその硬化剤、エポキシ樹脂と相溶性の高分子量樹脂、エポキシ基含有アクリル系共重合体、硬化促進剤をともに含む接着剤であり、実施例5は、エポキシ樹脂及びその硬化剤、エポキシ基含有アクリル系共重合体、硬化促進剤をともに含む接着剤であり、本発明で規定した25℃及び260℃での貯蔵弾性率を示す接着フィルムを用いて半導体チップと本発明で規定したヒートスプレッダーを貼り合せた半導体装置である。これらは、耐リフロー性、温度サイクル試験、耐PCT性が良好であった。
比較例1は、本発明で規定した接着フィルム中のエポキシ基含有アクリル系共重合体の量が少ないため貯蔵弾性率が高く応力を緩和できずに耐リフロー性、温度サイクル試験での結果が悪く信頼性に劣る。また、比較例2は、本発明で規定した接着フィルム中のエポキシ基含有アクリル系共重合体の量が多すぎるため貯蔵弾性率が低く良好であるが、接着フィルムの取扱性が悪い。比較例3は、本発明で規定したエポキシ基含有アクリル系共重合体を含まない接着フィルム組成であるため貯蔵弾性率が高く比較例1と同様、応力を緩和できずに耐リフロー性、温度サイクル試験での結果が悪い。
【0050】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の接着フィルムを用いて半導体チップとヒートスプレッダーを貼り合せた半導体装置は、接着フィルムの室温付近での弾性率が低いために、半導体チップとヒートスプレッダーの間の熱膨張係数の差がもとで起きる加熱冷却時の熱応力を緩和させることができる。そのため、リフロー時の半導体チップとヒートスプレッダーの間の剥離の発生が認められず、耐熱性に優れている。また、エポキシ基含有アクリル系共重合体を低弾性率成分として含んでおり、耐湿性、特にPCT処理等厳しい条件下で耐湿試験を行なった場合の劣化が少なく優れた特徴を有する放熱性に優れた半導体装置を提供することができる。

Claims (8)

  1. 放熱性を向上させるためのヒートスプレッダーを有するチップサイズパッケージにおいて、半導体チップとヒートスプレッダーを接着させるための接着フィルムであって、(1)エポキシ樹脂及びその硬化剤100重量部に対し、(2)グリシジル(メタ)アクリレート2〜6重量%を含むTg(ガラス転移温度)が−10℃以上でかつ重量平均分子量が80万以上であるエポキシ基含有アクリル系共重合体100重量部を超えて300重量部まで、硬化促進剤0.1〜5重量部を含む接着剤をベースフィルム上に形成して得られる接着フィルム。
  2. 接着剤が、さらにエポキシ樹脂と相溶性がありかつ重量平均分子量が3万以上の高分子量樹脂を、エポキシ樹脂及びその硬化剤100重量部に対し、10〜40重量部含む請求項1記載の接着フィルム。
  3. エポキシ樹脂と相溶性がありかつ重量平均分子量が3万以上の高分子量樹脂接着フィルムがフェノキシ樹脂である請求項2記載の接着フィルム。
  4. 硬化剤がフェノール樹脂である請求項1〜3のいずれかに記載の接着フィルム。
  5. 接着剤が、DSCを用いて測定した場合の全硬化発熱量の10〜40%の発熱を終えた状態である請求項1〜4のいずれかに記載の接着フィルム。
  6. 接着剤が、動的粘弾性測定装置を用いて測定した場合の接着剤硬化物の貯蔵弾性率が25℃で20〜2,000MPaであり、260℃で3〜50MPaのものである請求項1〜5のいずれかに記載の接着フィルム。
  7. 接着剤が、無機フィラーを、接着剤100体積部に対して1〜60体積部含有してなる請求項1〜6のいずれかに記載の接着フィルム。
  8. 無機フィラーがアルミナ、シリカ、炭化ケイ素、窒化ホウ素、窒化アルミニウムから選ばれる少なくとも1以上である請求項7に記載の接着フィルム。
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