JP5349538B2 - 電気装置 - Google Patents

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本発明は接着剤にかかり、特に、半導体チップを基板に接続する接着剤に関する。
従来より、半導体チップを基板上に接着するために熱硬化性又は熱可塑性樹脂から成る接着剤が用いられている。
図４は、半導体チップ１１１が、接着剤１１２によって基板１１３に貼付された状態を示しており、半導体チップ１１１が有するバンプ状の端子１２１は、基板１１３上の配線パターンの一部から成る端子１２２上に当接されている。この状態では、半導体チップ１１１内の電気素子は、端子１２１、１２２を介して基板１１３上の配線パターンに電気的に接続されている。
しかし、半導体チップの線膨張係数は３ｐｐｍ／℃程度であるのに対し、接着剤１１２の線膨張係数は２５〜６０ｐｐｍ／℃と大きいため、線膨張係数の差から接着界面に応力が残留する。特に、半導体チップの周辺部では、チップサイズが大きくなるほど残留応力が大きくなるため、熱硬化性の接着剤１１２を硬化させた後、温度サイクル試験やプレッシャークッカー試験を行うと、半導体チップ１１１が剥離してしまうという問題が発生する。
また、従来技術の接着剤では、吸湿の条件によって半導体チップ１１１を接着した後の信頼性の低下が著しく、そのため、半導体チップ１１１を貼付した後、リフロー炉を通過させて接着剤１１２を硬化させる前に、予め１００℃前後に昇温させ、脱水処理を行う必要があった。
特開平０９−２９８３６９号公報 特開平１０−２３７４１０号公報 特開昭６３−１５４７８０号公報 国際公開第９６／０３１５７４号パンフレット 特開平１１−２１９９７９号公報
本発明は上記従来技術の不都合を解決するために創作されたものであり、その目的は信頼性が高い接着剤を提供することにある。
半導体チップを基板に接続する接着剤には、熱可塑性樹脂と熱硬化性樹脂があるが、熱硬化性樹脂の場合、半導体チップの剥離を防止するために、接着剤のガラス転移点を半導体チップを使用する温度範囲よりも高温側に置く必要がある。
本発明の発明者等は、熱硬化性樹脂の場合に三次元網目構造を形成する主鎖が単一であると、弾性率の温度依存性は単一の主鎖に支配され、弾性率が単調に変化するため、半導体チップに及ぼす応力が大きなものになっていることを見出した。従って、三次元網目構造を維持しながら、使用温度範囲内で接着剤の弾性率の低下が急激に大きくなる温度を設定すれば、応力を緩和できることになる。
本発明は上記知見に基づいて創作されたもので、請求項１記載の発明は、半導体チップと、基板と、前記半導体チップと前記基板の間に配置され、熱処理によって硬化された接着剤を有する電気装置であって、当該接着剤の成分は、重合可能な主樹脂成分と、前記主樹脂成分を自己重合反応させる主硬化剤と、前記主樹脂成分に付加重合反応する副硬化剤と、導電性粒子とを含有し、前記主樹脂成分はエポキシ樹脂であり、前記主硬化剤はエポキシ分散イミダゾール硬化剤であり、前記副硬化剤はジシアンジアミド系硬化剤又はフェノール系硬化剤であり、当該接着剤を昇温した場合に、９６〜１０５℃の温度範囲と、１３５〜１６２℃の温度範囲において、弾性率の低下率が変化する第一の温度Ｐ1 と第二の温度Ｐ2がそれぞれ存在し、前記第一の温度Ｐ 1 と前記第二の温度Ｐ 2 との間の温度差は、３７℃以上あり、更に、前記第一の温度Ｐ1での弾性率をＥ1とし、前記第二の温度Ｐ2での弾性率をＥ2とすると、前記第一、第二の温度Ｐ1 ，Ｐ2 の弾性率の低下率(Ｅ1／Ｅ2)が、２．８以上であることを特徴とする電気装置である。
請求項２記載の発明は、前記主樹脂成分とは別に重合反応する副樹脂成分を含有する請求項１記載の電気装置である。
請求項３記載の発明は、予め半硬化され、シート状に成形された請求項１又は請求項２のいずれか１項記載の電気装置である。
本発明は上記のように構成されており、主硬化剤によって主樹脂成分が自己重合され、三次元網目構造の組織を作っており、その組織に副硬化剤が付加重合している。従って、弾性率変化には、網目構造の部分と、付加重合によって形成された網目構造の部分とで異なるガラス転移点が発現し、弾性率の変化率は第１、第２の温度の２点で急変する。第１、第２の温度付近以外の温度範囲では、弾性率の変化率は略一定であり、温度の増加に従って弾性率は低下する。
接着剤が昇温した場合温度上昇に伴って弾性率が低下するが、第１の温度よりも高温になると付加重合した部分がゴム状になり、弾性率が急激に減少する。従って、第１の温度以上の温度では、応力の増加が少なくなっている。
第１の温度よりも高温に昇温しても、第２の温度よりも低ければ、自己重合によって形成された三次元網目構造の部分はガラス状態を維持するので、接着力が低下せず、半導体チップが基板から剥離することはない。
弾性率の低下率が二段階に変化するので、半導体チップに加わる応力が小さく、信頼性の高い電気装置を得ることができる。
(ａ)〜(ｃ)：本発明の接着剤の使用方法の一例を示す図 (ａ)〜(ｃ)：本発明の接着剤の使用方法の他の例を示す図 温度変化に対する弾性率、損失弾性率、損失正接の関係を示すグラフ 従来の接着剤を説明するための図
本発明の実施形態を説明する。
先ず、重合可能な主樹脂成分と、その主樹脂成分を自己重合反応させる主硬化剤と、主樹脂成分に付加重合反応する副硬化剤とを配合し、本発明の接着剤を作製した。この接着剤はペースト状である。
図１(ａ)の符号１３は表面に銅配線が配置された基板であり、その銅配線の一部によって、接続端子２２が形成されている。この接続端子２２上に、接着剤を一定量塗布する。図１(ｂ)の符号１２は、塗布された状態の接着剤を示している。
図１(ｃ)の符号１１は半導体チップである。この半導体チップ１１の一面には、内部回路に接続されたバンプ状の接続端子２１が形成されている。半導体チップ１１の接続端子２１が位置する側の面を接着剤１２に押し当て、基板１３の接続端子２２と半導体チップ１１の接続端子２１とを当接させると共に加熱し、接着剤１２を硬化させると、半導体チップ１１と基板１３の接続端子２１、２２同士が電気的に接続された状態で半導体チップ１１が基板１３に固定され、本発明の電気装置５が得られる。
上記接着剤はペースト状であったが、本発明の接着剤は、自己支持性を示す程度に半硬化させたフィルム状のものや、固形樹脂を添加してフィルム状にしたものも含まれる。
図２(ａ)の符号１５は、本発明の一例のフィルム状の接着剤を示しており、図２(ｂ)に示すように、この接着剤１５を、先ず、基板１３の接続端子２２が形成された側の面に貼付し、次いで、図２(ｃ)に示すように、接着剤１５の表面に半導体チップ１１を貼付し、基板１３の接続端子２２と半導体チップ１１の接続端子２１とを当接させ、加熱処理して接着剤１５を硬化させると、本発明の電気装置６が得られる。
図３は、本発明の一例の接着剤の温度に対する弾性率と損失弾性率とｔａｎδの関係を示すグラフである。この接着剤は、重合可能な主樹脂成分としてエポキシ樹脂(大日本インキ化学工業(株)製「ＨＰ４０３２Ｄ」)２０重量部と、その主樹脂成分を自己重合反応させる主硬化剤として、エポキシ分散イミダゾール系硬化剤(旭化成(株)製「ＨＸ３９４１ＨＰ」)１５重量部と、主樹脂成分に付加重合反応する副硬化剤として、フェノール系硬化剤(大日本インキ化学工業(株)製「ＶＨ４１７０」)５重量部と、また、エポキシ樹脂とは反応しない副樹脂成分としてフェノキシ樹脂(東都化成(株)製「ＹＰ５０」)１０重量部と、フィラーとしてシリカが４５重量部それぞれ含有されている。
この接着剤を加熱した場合、先ず、約１００℃の第１の温度Ｐ1で弾性率の低下率(温度変化に対する弾性率変化を示す曲線の勾配)が急激に大きくなり、次いで、約１６０℃の第２の温度Ｐ2で、更に弾性率の低下率が大きくなる。室温から第１の温度Ｐ1までの間、第１の温度Ｐ1から第２の温度Ｐ2の間、第２の温度Ｐ2から２００℃までの間では、弾性率低下率は略一定である。
主樹脂成分にエポキシ樹脂を用いた場合、主樹脂成分を自己重合させる主硬化剤としては、イミダゾール系硬化剤の他、３級アミン、ルイス酸系触媒を用いることができる。主樹脂成分に付加重合する副硬化剤としては、活性水素を持ったアミン系硬化剤、フェノール系硬化剤、ヒドラジッド系硬化剤、メルカプト系硬化剤、ジシアンジアミド系硬化剤等を使用することができる。
なお、本発明の樹脂は、生産の効率上短時間で硬化させることが望ましいため１８０℃以上２５０℃以下の温度で５秒以上２０秒以下の時間加熱する。従って、第２の温度Ｐ2は少なくとも１３０℃以上であることが望ましい。また、リフロー炉で硬化させた後に残留応力が残らないためには、加熱中の最高温度において、０．５ＧＰａ以下の弾性率であることが望ましい。目安として２５０℃において、０．５ＧＰａ以下且つ０．１ＧＰａ以上であることが望ましい。
次に、下記表１に示す配合で、実施例１〜実施例６、及び比較例１の接着剤を作製した。
Figure 0005349538
ＨＰ４０３２ＤとＥＰ８２８が、本発明の重合可能な主樹脂成分であり、ＨＸ３９４１ＨＰが主樹脂成分を自己重合反応させる主硬化剤である。また、ＤＩＣＹとＶＨ４１７０が、主樹脂成分に付加重合反応する副硬化剤である。ＹＰ５０は、主樹脂成分とは別に重合反応する副樹脂成分である。比較例１は、副硬化剤を含有していない。
上記実施例１〜６及び比較例１の接着剤はフィルム状であり、図１(ａ)〜(ｃ)に示すように、接続試験用に特別に作製された半導体チップ１１をガラスエポキシ基板である基板１３に乗せ、１８０℃×２０秒の条件で接続した。このとき印加した荷重は、半導体チップ１１の接続端子１１の１個当たり１００ｇである。なお、用いた半導体チップ１１の大きさは１０ｍｍ角であり、シリコンチップである。
上記とは別に、実施例１〜６及び比較例１の接着フィルムを２００℃の温度で５分間加熱して硬化させた後、２ｍｍ×５ｃｍ、厚み５０μｍの大きさに切り取り、試験片を作製した。その試験片によって半導体チップ１１を基板１３に貼付し、３０℃、ＲＨ７０％の雰囲気中に１９２時間放置した後、リフロー炉中を通過させ、最高温度２４０℃で加熱し、接着剤を硬化させた。
試験片に対し、損失正接(ｔａｎδ)と２５０℃の弾性率、及び弾性率の変化率が増加方向に急変する第１、第２の温度Ｐ1、Ｐ2と、その第１、第２の温度Ｐ1、Ｐ2での弾性率を測定した。損失正接(ｔａｎδ)の測定方法は、ＪＩＳ Ｋ７１８９-1991に従った。
また、半導体チップ１１が接続された基板１３に対し、温度サイクル試験(ＴＣＴ)とプレッシャークッカー試験(ＰＣＴ)を行った。
それらの結果を下記表２に示す。
Figure 0005349538
上記表２から分かるとおり、実施例１〜６では、比較例１に比べ、温度サイクル試験で数十倍の信頼性が得られており、また、３００時間のプレッシャークッカー試験の結果は、比較例１では、半導体チップ１１と基板１３の接続端子２１、２２間の電気的接続が失われ、不良になっているのに対し、本発明の接着剤を用いた実施例１〜６は電気的接続が維持され、全て良品になっている。
第１の温度Ｐ1での弾性率Ｅ1と第２の温度での弾性率Ｅ2の比Ｅ1/Ｅ2を求めてみると、表２から分かるように、本発明の接着剤では、Ｅ1/Ｅ2が２．８以上の値になっている。Ｅ1/Ｅ2の値が２．８以上であれば温度サイクル試験(ＴＣＴ)
に合格できると予想される。
なお、上記各実施例では、導電性粒子に金属被膜樹脂粒子を用いたが、金属の粒子を用いることもできる。また、実施例３のように、導電性粒子を含有させなくてもよい。
更にまた、上記実施例ではフィラーにシリカを用いたが、アルミナや酸化チタン等の他のフィラーを用いてもよい。主樹脂成分とは別に重合反応する副樹脂成分としてフェノキシ樹脂を用いたが、ポリエステル樹脂、アクリル樹脂、ウレタン樹脂等の他の種類の樹脂を用いることができる。また、副樹脂成分を含有させなくてもよい。また、カップリング剤等の添加剤を配合することもできる。
１１……半導体チップ
１２、１５……接着剤
１３……基板
５、６……電気装置
Ｐ1……第１の温度
Ｐ2……第２の温度

Claims (3)

  1. 半導体チップと、基板と、前記半導体チップと前記基板の間に配置され、熱処理によって硬化された接着剤を有する電気装置であって、当該接着剤の成分は、
    重合可能な主樹脂成分と、
    前記主樹脂成分を自己重合反応させる主硬化剤と、
    前記主樹脂成分に付加重合反応する副硬化剤と、
    導電性粒子とを含有し、
    前記主樹脂成分はエポキシ樹脂であり、
    前記主硬化剤はエポキシ分散イミダゾール硬化剤であり、
    前記副硬化剤はジシアンジアミド系硬化剤又はフェノール系硬化剤であり、
    当該接着剤を昇温した場合に、９６〜１０５℃の温度範囲と、１３５〜１６２℃の温度範囲において、弾性率の低下率が変化する第一の温度Ｐ1 と第二の温度Ｐ2がそれぞれ存在し、
    前記第一の温度Ｐ 1 と前記第二の温度Ｐ 2 との間の温度差は、３７℃以上あり、
    更に、前記第一の温度Ｐ1での弾性率をＥ1とし、前記第二の温度Ｐ2での弾性率をＥ2とすると、前記第一、第二の温度Ｐ1 ，Ｐ2 の弾性率の低下率(Ｅ1／Ｅ2)が、２．８以上であることを特徴とする電気装置。
  2. 前記主樹脂成分とは別に重合反応する副樹脂成分を含有する請求項１記載の電気装置。
  3. 予め半硬化され、シート状に成形された請求項１又は請求項２のいずれか１項記載の電気装置。

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