JP5629168B2 - 半導体チップ実装体の製造方法及び半導体装置 - Google Patents
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Description
これに対し、本発明者は、2以上の半導体チップ等の電子部品を接合する際に電子部品間の距離を高精度に保ち、かつ、信頼性の高い半導体装置等の電子部品を得ることが可能な電子部品用接着剤として、硬化性化合物及び硬化剤を有する接着組成物と、CV値が10%以下のスペーサー粒子とを含有し、E型粘度計を用いて25℃にて粘度を測定したときに所定の粘度特性を示す電子部品用接着剤を発明し、特許文献1に開示している。特許文献1に記載された電子部品用接着剤は、押圧により余剰の電子部品用接着剤をはみ出させ、電子部品間の距離を所望の距離にまで縮めることを前提として設計されている。
以下に本発明を詳述する。
本発明者は、半導体チップと、基板又は他の半導体チップとを接合した半導体チップ実装体の製造方法において、25℃でE型粘度計を用いて測定したときに所定の粘度特性を示す半導体部品用接着剤を用いて、所定の工程を行うことにより、上記半導体チップ、及び、上記基板又は他の半導体チップの厚さが50〜300μmであっても、接着剤の充填性を確保するとともに、ボイドの噛み込み及び樹脂引けを抑制することができ、更に、半導体チップ接合領域からの接着剤のはみ出しを調整できることを見出し、本発明を完成させるに至った。
なお、本発明の半導体チップ実装体の製造方法では、基板に対して半導体チップを接合して半導体チップ実装体を製造してもよく、また、例えば、基板に接合された半導体チップ等の他の半導体チップに対して更に半導体チップを接合して多層の半導体チップ実装体を製造してもよい。
なお、本明細書中、半導体チップ接合領域とは、本発明の半導体チップ実装体の製造方法により接合される半導体チップが接する、基板又は他の半導体チップ上の領域を意味する。
なお、本明細書中、半導体部品用接着剤を塗布する領域とは、塗布した半導体部品用接着剤の最外部を直線で描き、その直線によって形成される1つ以上の多角形の内部の面積及びその面積の和を意味する。
このような粘度特性を示す半導体部品用接着剤を用いることにより、本発明の半導体チップ実装体の製造方法では、接着剤の充填性を確保するとともに、ボイドの噛み込み及び樹脂引けを抑制することができ、更に、半導体チップ接合領域からの接着剤のはみ出しを調整することができる。
上記硬化性化合物は特に限定されず、付加重合、重縮合、重付加、付加縮合、開環重合反応により硬化する化合物を用いることができる。上記硬化性化合物として、具体的には、例えば、ユリア樹脂、メラミン樹脂、フェノール樹脂、レゾルシノール樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、ポリエステル樹脂、ポリアミド樹脂、ポリベンズイミダゾール樹脂、ジアリルフタレート樹脂、キシレン樹脂、アルキル−ベンゼン樹脂、エポキシアクリレート樹脂、珪素樹脂、ウレタン樹脂等の熱硬化性化合物が挙げられる。なかでも、得られる半導体チップ実装体の信頼性及び接合強度に優れていることから、エポキシ樹脂、アクリル樹脂が好ましく、イミド骨格を有するエポキシ樹脂がより好ましい。
上記希釈剤は、エポキシ基を有することが好ましく、1分子中のエポキシ基数の好ましい下限が2、好ましい上限が4である。1分子中のエポキシ基数が2未満であると、半導体部品用接着剤の硬化後に充分な耐熱性が発現しないことがある。1分子中のエポキシ基数が4を超えると、硬化によるひずみが発生したり、未硬化のエポキシ基が残存したりすることがあり、これにより、接合強度の低下又は繰り返しの熱応力による接合不良が発生することがある。上記希釈剤の1分子中のエポキシ基数のより好ましい上限は3である。
また、上記希釈剤は、芳香環及び/又はジシクロペンタジエン構造を有することが好ましい。
また、上記希釈剤は、他の硬化性化合物よりも硬化開始温度が低く、硬化速度が大きいものであることが好ましい。
上記CV値が10%以下のスペーサー粒子を含有することにより、チップ間距離を一定に保つことが可能となり、例えば、本発明の半導体チップ実装体の製造方法を用いて多層の半導体チップ実装体を製造する場合、ダミーチップ等を介在させる必要がなくなる。なお、本明細書においてチップ間距離とは、基板と半導体チップとの距離と、半導体チップ同士の距離との両方を意味する。
上記スペーサー粒子のCV値が10%を超えると、粒子径のばらつきが大きいことから、チップ間距離を一定に保つことが困難となり、スペーサー粒子としての機能を充分に果たせないことがある。上記スペーサー粒子のCV値のより好ましい上限は6%、更により好ましい上限は4%である。
粒子径のCV値(%)=(σ2/Dn2)×100 (1)
式(1)中、σ2は粒子径の標準偏差を表し、Dn2は数平均粒子径を表す。
K=(3/√2)・F・S−3/2・R−1/2 (2)
式(2)中、F、Sはそれぞれスペーサー粒子の10%圧縮変形における荷重値(kgf)、圧縮変位(mm)を表し、Rは該スペーサー粒子の半径(mm)を表す。
まず、平滑表面を有する鋼板の上にスペーサー粒子を散布した後、その中から1個のスペーサー粒子を選び、微小圧縮試験機を用いてダイヤモンド製の直径50μmの円柱の平滑な端面でスペーサー粒子を圧縮する。この際、圧縮荷重を電磁力として電気的に検出し、圧縮変位を差動トランスによる変位として電気的に検出する。そして、得られた圧縮変位−荷重の関係から10%圧縮変形における荷重値、圧縮変位をそれぞれ求め、得られた結果からK値を算出する。
上記K値の測定の場合と同様の手法によって圧縮変位を差動トランスによる変位として電気的に検出し、反転荷重値まで圧縮したのち荷重を減らしていき、その際の荷重と圧縮変位との関係を測定する。得られた測定結果から圧縮回復率を算出する。ただし、除荷重における終点は荷重値ゼロではなく、0.1g以上の原点荷重値とする。
上記樹脂粒子を構成する樹脂は特に限定されず、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリメチルペンテン、ポリ塩化ビニル、ポリテトラフルオロエチレン、ポリスチレン、ポリメチルメタクリレート、ポリエチレンテレフタラート、ポリブチレンテレフタラート、ポリアミド、ポリイミド、ポリスルフォン、ポリフェニレンオキサイド、ポリアセタール等が挙げられる。
上記架橋樹脂は特に限定されず、例えば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ジビニルベンゼン重合体、ジビニルベンゼン−スチレン共重合体、ジビニルベンゼン−(メタ)アクリル酸エステル共重合体、ジアリルフタレート重合体、トリアリルイソシアヌレート重合体、ベンゾグアナミン重合体等の網目構造を有する樹脂が挙げられる。なかでも、ジビニルベンゼン重合体、ジビニルベンゼン−スチレン共重合体、ジビニルベンゼン−(メタ)アクリル酸エステル共重合体、ジアリルフタレート重合体等が好ましい。これらの架橋樹脂を用いることにより、上記スペーサー粒子は、上記半導体部品用接着剤の硬化プロセス、ハンダリフロープロセス等の熱処理プロセスへの耐性に優れる。
上記表面処理の方法は特に限定されないが、例えば、上記接着組成物が全体として疎水性を示す場合には、表面に親水基を付与することが好ましい。上記表面に親水基を付与する方法は特に限定されず、例えば、スペーサー粒子として上記樹脂粒子を用いる場合には、親水基を有するカップリング剤で樹脂粒子の表面を処理する方法等が挙げられる。
なお、本明細書においてアスペクト比とは、粒子の短径の長さに対する長径の長さの比(長径の長さを短径の長さで割った値)を意味する。このアスペクト比の値が1に近いほどスペーサー粒子の形状は真球に近くなる。
上記スペーサー粒子の平均粒子径以上の粒子径を有する固形成分の融点は、上記半導体部品用接着剤の硬化温度以下であることが好ましい。
上記スペーサー粒子の平均粒子径以上の粒子径を有する固形成分の最大粒子径は、上記スペーサー粒子の平均粒子径の1.1〜1.5であることが好ましく、1.1〜1.2であることがより好ましい。
上記チキソトロピー付与剤は特に限定されず、例えば、金属微粒子、炭酸カルシウム、ヒュームドシリカ、酸化アルミニウム、窒化硼素、窒化アルミニウム、硼酸アルミ等の無機微粒子等が挙げられる。なかでも、ヒュームドシリカが好ましい。
上記エポキシ基を有する高分子化合物を添加することで、上記半導体部品用接着剤の硬化物は、上記硬化性化合物としてのエポキシ樹脂に由来する優れた機械的強度、耐熱性及び耐湿性と、上記エポキシ基を有する高分子化合物に由来する優れた可撓性とを兼備することができ、耐冷熱サイクル性、耐ハンダリフロー性、寸法安定性等に優れるものとなり、高い接着信頼性又は高い導通信頼性を発現する。
上記溶媒は特に限定されず、例えば、芳香族炭化水素類、塩化芳香族炭化水素類、塩化脂肪族炭化水素類、アルコール類、エステル類、エーテル類、ケトン類、グリコールエーテル(セロソルブ)類、脂環式炭化水素類、脂肪族炭化水素類等が挙げられる。
上記無機イオン交換体のうち、市販品としては、例えば、IXEシリーズ(東亞合成社製)等が挙げられる。上記半導体部品用接着剤における上記無機イオン交換体の配合量の好ましい上限は10重量%、好ましい下限は1重量%である。
上記混合の方法は特に限定されず、例えば、ホモディスパー、万能ミキサー、バンバリーミキサー、ニーダー等を使用する方法が挙げられる。
上記積層工程(2)では、上記半導体部品用接着剤を介して、上記基板又は他の半導体チップに対し、上記半導体チップを位置合わせすることにより積層する。
なお、本明細書中、室温とは、10〜35℃程度の温度を意味する。
更に、このとき、上記半導体部品用接着剤は、表面張力によって、上記半導体チップと、上記基板又は他の半導体チップとの間に保持される。このように保持した状態のまま、上記半導体部品用接着剤を後述する硬化工程(4)において硬化させることにより、半導体チップ接合領域からの接着剤のはみ出しを調整することができる。
なお、本明細書中、フィレットとは、半導体部品用接着剤の半導体チップ接合領域からはみ出した部分をいう。また、本明細書中、半導体チップ接合領域の2以上の部位に部分的にフィレットを形成するとは、半導体チップ接合領域の周囲全体ではなく、例えば、角又は辺等の半導体チップ接合領域の一部分のうち、2以上の箇所に部分的にフィレットを形成することをいう。
この問題に対し、上記半導体部品用接着剤を濡れ広がらせる工程(3)において、半導体チップ接合領域の2以上の部位に部分的にフィレットを形成しながら上記半導体部品用接着剤を濡れ広がらせることで、フィレットの量を調整して小型化した半導体チップ実装体においても良好なワイヤーボンディングを可能にしながら、チップシフトを抑制することができ、得られる半導体チップ実装体の信頼性を更に高めることができる。
なお、部分的にフィレットを形成する部位が半導体チップ接合領域のうちの1つの部位である場合には、上記半導体チップが上記半導体部品用接着剤上で回転してしまい、チップシフトを充分に抑制することができないことがある。
また、半導体チップ上に半導体チップを階段状に積層する場合は、1段目の半導体チップと2段目の半導体チップがオーバーハングした部分の下側の2以上の部位に部分的にフィレットを形成することにより、効果的にチップシフトを抑制することができる。
上記硬化工程(4)を行うことにより、上記半導体部品用接着剤を硬化させて、上記半導体チップと、上記基板又は他の半導体チップとを接合した半導体チップ実装体を得ることができる。
上記硬化工程(4)では、上記半導体部品用接着剤が上述のような粘度特性を有することにより、例えば上記基板が反った場合等にも、樹脂引けを抑制しながら上記半導体部品用接着剤の硬化を行うことができる。
また、本発明の半導体チップ実装体の製造方法を用いて多層の半導体チップ実装体を製造する場合、上記硬化工程(4)の後に得られる半導体チップ実装体のチップ間距離のばらつきは、3σで5μm未満であることが好ましい。ばらつきが3σで5μm以上であると、得られる半導体チップ実装体のワイヤーボンディング不良、フリップチップボンディング不良が発生することがある。なお、σは標準偏差を表す。
なお、以下の実施例及び比較例に記載の粒子径の測定には粒子サイズ測定機(コールターカウンターZB/C−1000、コールターエレクトロニクス社製)を使用した。
(1)半導体部品用接着剤の製造
表1の実施例1の組成に従って、下記に示すスペーサー粒子以外の各材料を、ホモディスパーを用いて攪拌混合して、接着組成物を作製した。得られた接着組成物に、スペーサー粒子を表1の組成に従って配合し、更にホモディスパーを用いて攪拌混合することにより半導体部品用接着剤を製造した。
E型粘度測定装置(商品名「VISCOMETER TV−22」、TOKI SANGYO CO.LTD社製、使用ローターφ15mm、設定温度25℃)を用いて、得られた半導体部品用接着剤の回転数0.5rpm及び10rpmにおける粘度を測定した。
ビスフェノールF型エポキシ樹脂(EXA−830−CRP、DIC社製)
レゾルシノール型エポキシ樹脂(EX−201、ナガセケムテックス社製)
ポリエーテル型エポキシ樹脂(エポゴーセーPT、四日市合成社製)
2.エポキシ基を有する高分子化合物
エポキシ基含有アクリル樹脂(ブレンマーCP−30、日油社製)
3.硬化剤
酸無水物(YH−306、ジャパンエポキシレジン社製)
4.硬化促進剤
イミダゾール(2MZA、四国化成工業社製)
5.接着性付与剤
イミダゾールシランカップリング剤(SP−1000、日鉱マテリアル社製)
6.チキソトロピー付与剤
ヒュームドシリカ(MT−10、トクヤマ社製)
7.スペーサー粒子
樹脂粒子(ミクロパールSP−210、積水化学工業社製、平均粒子径10μm、CV値=4%)
8.シリカフィラー
球状シリカ(SE−4050−SPE、アドマテックス社製、平均粒子径1μm、最大粒子径5μm)
得られた半導体部品用接着剤を10mLシリンジ(岩下エンジニアリング社製)に充填し、シリンジ先端に精密ノズル(岩下エンジニアリング社製、ノズル先端径0.3mm)を取り付け、ディスペンサ装置(SHOT MASTER300、武蔵エンジニアリング社製)を用いて、吐出圧0.4MPa、有機基板とニードルとのギャップ200μm、塗布量2.3μLにて図16に示す形状で有機基板(大昌電子社製、厚さ110μm)上に塗布した。
このとき、下記式(3)で表される理論塗布量に対する、半導体部品用接着剤の塗布量の割合(塗布量/理論塗布量)は、1.2であり、半導体部品用接着剤を塗布した領域(塗布領域)は、半導体チップ接合領域の50%であった。
理論塗布量=(半導体チップ接合領域の面積)×(目的とする接着剤層の厚み) (3)
このとき、半導体部品用接着剤の濡れ広がった領域(積層工程(2)後の濡れ広がり領域)は、半導体チップ接合領域の70%であり、図17に示す形状であった。
表1に示す組成に従って表1に示す粘度特性を有する半導体部品用接着剤を調製し、表1に示すプロセス条件に変更したこと以外は実施例1と同様にして、半導体チップ実装体を得た。
実施例、比較例及び参考例で得られた半導体チップ実装体について、以下の方法により評価を行った。結果を表1に示した。
有機基板−半導体チップ間について、超音波探査映像装置(mi−scope hyper II、日立建機ファインテック社製)を用いて観察し、樹脂引けの状態を下記の基準で評価した。
◎ 樹脂引けが全く観察されなかった。
○ 樹脂引けがわずかに観察された。
× 大きな樹脂引けが観察された。
有機基板−半導体チップ間について、半導体チップ接合領域からはみ出した半導体部品用接着剤のはみ出し距離(フィレット距離)の最大値を測定することにより、下記の基準で評価した。
◎ はみ出し距離の最大値が1〜100μmであった。
○ はみ出し距離の最大値が101〜200μmであった。
△ はみ出し距離の最大値が201〜300μmであった。
× はみ出し距離の最大値が301μm以上であった、又は、半導体チップ接合領域全体に半導体部品用接着剤が充填されておらず、はみ出し距離の最大値が0μmであった。
有機基板−半導体チップ間について、超音波探査映像装置(mi−scope hyper II、日立建機ファインテック社製)を用いて観察し、半導体チップ接合領域における半導体部品用接着剤の充填性を下記の基準で評価した。
◎ 半導体チップ接合領域の100%に半導体部品用接着剤が充填されていた。
○ 半導体チップ接合領域の95%以上100%未満に半導体部品用接着剤が充填されていた。
× 有機基板から見て、半導体チップ接合領域に半導体部品用接着剤が充填されていない部分が5%よりも多くあった。
超音波探査映像装置(mi−scope hyper II、日立建機ファインテック社製)を用いて、半導体チップ実装体のボイドを観察し、下記の基準で評価した。
◎ ボイドがほとんど観察されなかった。
○ ボイドがわずかに観察された。
× ボイドによる目立った剥離が観察された。
半導体チップ実装体を、−55℃〜125℃を30分に1サイクルする温度サイクルオーブンに入れた。2000サイクル後の有機基板−半導体チップ間について、超音波探査映像装置(mi−scope hyper II、日立建機ファインテック社製)を用いて観察し、下記の基準で評価した。
○ 剥離が全く観察されなかった。
× 剥離が観察された。
半導体チップ実装体の歩留まりを下記の基準で評価した。
○ 上記(1)〜(5)の評価結果として、×が全くなかった。
× 上記(1)〜(5)の評価結果として、1つ以上×があった。
2 半導体チップ
3 半導体部品用接着剤
Claims (2)
- 半導体チップと、基板又は他の半導体チップとを接合した半導体チップ実装体の製造方法あって、
基板又は他の半導体チップ上の半導体チップ接合領域の40〜90%に、半導体部品用接着剤を塗布する工程(1)と、
前記半導体部品用接着剤を介して、前記基板又は他の半導体チップ上に半導体チップを積層することにより、前記基板又は他の半導体チップ上の半導体チップ接合領域の60%以上100%未満に、前記半導体部品用接着剤を濡れ広がらせる工程(2)と、
室温下にて、前記基板又は他の半導体チップ上の半導体チップ接合領域全体に、前記半導体部品用接着剤を濡れ広がらせる工程(3)と、
前記半導体部品用接着剤を硬化させる工程(4)とを有し、
前記半導体チップ、及び、前記基板又は他の半導体チップは、厚さが50〜300μmであり、
前記半導体部品用接着剤は、25℃でE型粘度計を用いて測定したときの0.5rpmにおける粘度が25〜40Pa・s、10rpmにおける粘度が10〜30Pa・sである
ことを特徴とする半導体チップ実装体の製造方法。 - 請求項1記載の半導体チップ実装体の製造方法を用いて製造されることを特徴とする半導体装置。
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