JPWO2019123518A1 - 半導体装置、半導体装置の製造方法及び接着剤 - Google Patents
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Abstract
Description
図1、図2及び図3は、半導体装置を製造する方法の一実施形態を示す工程図である。本実施形態に係る方法は、接続部を有する第一の部材と接続部を有する第二の部材とを、熱硬化性の接着剤を介して、第一の部材の接続部の融点及び第二の部材の接続部の融点よりも低い温度で圧着することによって、第一の部材の接続部と第二の部材の接続部とが対向配置されている仮圧着体を得る第一の圧着工程と、仮圧着体を、対向配置された一対の押圧部材の間に挟むことにより、第一の部材の接続部又は第二の部材の接続部のうち少なくとも一方の融点以上の温度に加熱しながら加圧することによって、圧着体を得る第二の圧着工程と、圧着体を加圧雰囲気下で加熱する第三の圧着工程とを含む。
第二の圧着工程後の硬化反応率(%)=(ΔH0−ΔH2)/ΔH0×100
硬化反応による発熱量を測定するための示差走査熱量測定は、昇温速度20℃/分、30〜300℃の温度範囲で行うことができる。実際の圧着工程に代えて、ホットプレート、オーブン等を用いて、第一の圧着工程及び第一の圧着工程と同じ条件で熱履歴を加えた後の接着剤を用いて硬化反応率を測定することにより、第二の圧着工程後の硬化反応率を見積もることができる。
第三の圧着工程後の硬化反応率(%)=(ΔH0−ΔH3)/ΔH0×100
示差走査熱量測定の条件は、第二の圧着工程後の硬化反応率の決定方法と同様である。
図4、図5、図6及び図7は、それぞれ、上述の実施形態に係る方法によって製造することができる半導体装置の他の一実施形態を示す断面図である。
以下、上述の半導体装置の製造方法で用いることのできる接着剤(熱硬化性の接着剤)について説明する。
熱硬化性樹脂の重量平均分子量は、10000未満であってもよい。重量平均分子量10000未満の熱硬化性樹脂が硬化剤と反応することで、接着剤の硬化性が向上する。また、ボイドの抑制、及び耐熱性の点でも有利である。
硬化剤は、熱硬化性樹脂と反応する化合物、熱硬化性樹脂の硬化反応の触媒として機能する化合物、又はこれらの組み合わせであることができる。硬化剤の例としては、フェノール樹脂系硬化剤、酸無水物系硬化剤、アミン系硬化剤、イミダゾール系硬化剤、ホスフィン系硬化剤、アゾ化合物、及び有機過酸化物が挙げられる。これらの中でも、イミダゾール系硬化剤を用いてもよい。
重量平均分子量10000以上の高分子成分は、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂又はこれらの組み合わせであることができる。高分子成分の例としては、エポキシ樹脂、フェノキシ樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、ポリカルボジイミド樹脂、シアネートエステル樹脂、アクリル樹脂、ポリエステル樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリエーテルスルホン樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ポリビニルアセタール樹脂、ウレタン樹脂、アクリルゴム等が挙げられる。耐熱性およびフィルム形成性に優れるエポキシ樹脂、フェノキシ樹脂、ポリイミド樹脂、アクリル樹脂、アクリルゴム、シアネートエステル樹脂、又はポリカルボジイミド樹脂を選択してもよい。耐熱性、フィルム形成性に優れるエポキシ樹脂、フェノキシ樹脂、ポリイミド樹脂、アクリル樹脂、又はアクリルゴムを選択してもよい。これらの高分子成分は単独又は2種以上の混合体又は共重合体として用いることもできる。重量平均分子量10000以上の高分子成分は、硬化剤と反応する熱硬化性樹脂であってもよい。
(1−1)フィルム状接着剤
以下に示す材料を用いて、表1に示す組成を有するフィルム状接着剤(厚さ0.045mm)を作製した。
(i)重量平均分子量10000未満の熱硬化性樹脂
(エポキシ樹脂)
・トリフェノールメタン骨格含有多官能固形エポキシ樹脂(三菱ケミカル株式会社製、製品名:EP1032H60、重量平均分子量:800〜2000)
・ビスフェノールF型液状エポキシ樹脂(三菱ケミカル株式会社製、製品名:YL983U、重量平均分子量:約336)
・可とう性半固形状エポキシ樹脂(三菱ケミカル株式会社製、製品名:YL7175−1000、重量平均分子量:1000〜5000)
(ii)硬化剤
・2,4−ジアミノ−6−[2’−メチルイミダゾリル−(1’)]−エチル−s−トリアジンイソシアヌル酸付加体(四国化成工業株式会社製、製品名:2MAOK−PW)
(iii)重量平均分子量10000以上の高分子成分
・フェノキシ樹脂(新日鉄住金化学株式会社製、製品名:ZX1356−2、Tg:約71℃、重量平均分子量:約63000、以下「ZX1356」という。)
(iv)フラックス剤(カルボン酸)
・2−メチルグルタル酸(シグマ−アルドリッチ製、融点約77℃)
(v)フィラ
(無機フィラ)
・シリカフィラ(株式会社アドマテックス製、製品名:SE2050、平均粒径0.5μm)
・フィニル表面処理ナノシリカフィラ(株式会社アドマテックス製、製品名:YA050C−SP(以下「SPナノシリカ」という。)、平均粒径約50nm)
(樹脂フィラ)
・有機フィラ(ダウ・ケミカル日本株式会社製、製品名:EXL−2655、コアシェルタイプ有機微粒子)
(実施例1)
第一の圧着工程
作製したフィルム状接着剤を切り抜き、8mm×8mm×厚さ0.045mmのサイズを有するフィルム状接着剤を準備した。これを半導体チップ(10mm、厚さ0.1mm、接続部金属:Au、製品名:WALTS−TEG IP80、WALTS製)に貼付した。そこに、はんだバンプ付き半導体チップ(チップサイズ:7.3mm×7.3mm×厚み0.05mm、はんだバンプ融点:約220℃、バンプ高さ:銅ピラーとはんだの合計で約45μm、バンプ数1048ピン、ピッチ80um、製品名:WALTS−TEG CC80、WALTS製)を貼付し、積層体を得た。積層体を、ステージ及び圧着ヘッドを有するフリップチップボンダー(FCB3、パナソニック株式会社製)のステージ上に設置し、ステージ及び圧着ヘッドで挟む熱プレスにより、1秒間、25Nの荷重で積層体を加圧しながら80℃に加熱して、仮圧着体を得た。
得られた仮圧着体を、別のフリップチップボンダー(FCB3、パナソニック株式会社製)のステージ上に移動させ、ステージ及び圧着ヘッドで挟むことにより、25Nの荷重で加圧しながら230℃で1秒間加熱する熱プレスにより、圧着体を得た。
圧着体を加圧リフロ装置(シンアペックス製、製品名:VSU28)のオーブン内に設置した。オーブン内の圧力を0.4MPaに設定し、室温から昇温速度20℃/分で175℃まで昇温した。次いで圧力及び温度を維持しながら圧着体を加圧雰囲気下で10分間加熱して、評価用の半導体装置サンプルを得た。
圧着体を加圧リフロ装置のオーブン内で加熱する際の加熱温度を175℃から260℃に変更したこと以外は、実施例1と同様にして、評価用の半導体装置サンプルを得た。
実施例1と同様にして仮圧着体を得た。得られた仮圧着体を、オーブン装置(ヤマト科学株式会社製、製品名:DKN402)内で、大気圧下、175℃で10分間加熱して、評価用の半導体装置サンプルを得た。
仮圧着体を大気圧下で加熱する際の加熱温度を175℃から260℃に変更したこと以外は、比較例1と同様にして、評価用の半導体装置サンプルを得た。
実施例1と同様の条件で圧着体を得た。得られた圧着体をオーブン装置(ヤマト科学株式会社製、製品名:DKN402)内で、大気圧下、175℃で10分間加熱して、評価用の半導体装置サンプルを得た。
オーブン装置を用いて圧着体を加熱する際の加熱温度を175℃から260℃に変更したこと以外は比較例3と同様にして、評価用の半導体装置サンプルを得た。
マルチメータ(ADVANTEST製、製品名:R6871E)を用いてサンプルの初期導通の可否を測定した。以下の基準で接続性を判定した。結果を表2に示した。
A:ペリフェラル部分の初期接続抵抗値が30Ω以上35Ω以下
B:初期接続抵抗値が30Ω未満若しくは35Ωを超える、又は未接続
超音波映像診断装置(製品名:Insight−300、インサイト製)により、サンプルの外観画像を撮影した。得られた画像から、スキャナ(製品名:GT−9300UF、セイコーエプソン株式会社製)でチップ上の接着剤層の部分を取り込んだ。画像処理ソフトAdobe Photoshopを用いて、色調補正、二階調化によりボイド部分を識別し、接着剤層の面積を100%として、ヒストグラムによりボイド部分の占める割合(ボイド発生率)を算出した。以下の基準によりボイドの発生状態を評価した。結果を表2に示した。
A:ボイド発生率が5%以下
B:ボイド発生率が5%より多い
(2−1)フィルム状接着剤
検討1のフィルム状接着剤作製に用いた材料と同様の材料を用いて、表3に示す組成を有するフィルム状接着剤(厚さ0.040〜0.045mm)を作製した。
実施例1と同様の条件で、評価用の半導体装置サンプルを得た。得られたサンプルの接続及びボイドを検討1と同様の方法で評価した。結果を表4に示した。
フィルム状接着剤を、ロールラミネータ((株)ラミーコーポレーション製、HOT DOG Leon 13DX)を用いて、60℃に加熱しながら、全体の厚さが300〜450μmになるように複数枚積層した。得られた積層体を試験片として、回転式レオメータ(TA製、ARES G2)を用いて、昇温速度10℃/分、周波数:10Hz、回転モードの条件で、20℃〜300℃の温度範囲における粘度(複素粘性率)の変化を測定した。測定された粘度変化における粘度の最小値を最低溶融粘度とした。
第一の圧着工程に用いられる前のフィルム状接着剤から10mgのサンプルを採取し、DSC(パーキンエルマー社製DSC−7型)を用いて、昇温速度20℃/分で、30〜300℃の温度範囲の示差走査熱量測定を行った。得られたDSCサーモグラムから、初期の硬化反応による発熱量ΔH0(J/g)を求めた。
フィルム状接着剤に、ホットプレート及びオーブンを用いて、実施例1と同様の第一、第二及び第三の圧着工程に相当する熱履歴を加えた。その後、フィルム状接着剤から採取したサンプルを用いた上記と同様の条件の示差走査熱量測定により、第三の圧着工程後に相当する接着剤の硬化反応による発熱量ΔH3(J/g)を求めた。得られたΔH0及びΔH3から、第三の圧着工程後の硬化反応率を以下の式で算出した。
第三の圧着工程後の硬化反応率(%):(ΔH0−ΔH3)/ΔH0×100
(3−1)フィルム状接着剤
検討1のフィルム状接着剤作製において用いた材料と同様の材料を用いて、表5に示す組成を有するフィルム状接着剤(厚さ0.045mm)を作製した。
(実施例5)
第一の圧着工程において積層体を加熱及び加圧する時間を3秒に変更したこと以外は実施例1と同様にして、評価用の半導体装置サンプルを得た。
第一の圧着工程において積層体を加熱及び加圧する時間を3秒間に変更し、第三の圧着工程においてオーブン内の圧力を0.8MPaに変更したこと以外は実施例1と同様にして、評価用の半導体装置サンプルを得た。
フィルム状接着剤を切り抜き、8mm×8mm×厚さ0.045mmのサイズを有するフィルム状接着剤を準備した。これを半導体チップ(10mm、厚さ0.1mm厚、接続部金属:Au、製品名:WALTS−TEG IP80、WALTS製)上に貼付した。そこに、はんだバンプ付き半導体チップ(チップサイズ:7.3mm×7.3mm×厚さ0.05mm、バンプ融点:約220℃バンプ高さ:銅ピラーとはんだの合計で約45μm、バンプ数1048ピン、ピッチ80um、製品名:WALTS−TEG CC80、WALTS製)を貼付し、積層体を得た。積層体を、ステージ及び圧着ヘッドを有するフリップチップボンダー(FCB3、パナソニック株式会社製)のステージ上に設置した。ステージ及び圧着ヘッドで挟むことにより、3秒間、25Nの荷重で加圧しながら温度80℃で加熱する熱プレスにより、仮圧着体を得た。得られた仮圧着体を別のフリップチップボンダー(FCB3、パナソニック株式会社製)のステージ上に移動した。仮圧着体をステージ及び圧着ヘッドで挟むことにより、5秒間、25Nの荷重で加圧しながら温度260℃で加熱して、評価用の半導体装置サンプルを得た。
検討1と同様の方法により、得られた半導体装置サンプルの接続及びボイドを評価した。結果を表6に示した。
第一の圧着工程に用いられる前のフィルム状接着剤から10mgのサンプルを採取し、DSC(パーキンエルマー社製DSC−7型)を用いて、昇温速度20℃/分で、30〜300℃の温度範囲の示差走査熱量測定を行った。得られたDSCサーモグラムから、初期の硬化反応による発熱量ΔH0(J/g)を求めた。
フィルム状接着剤に、ホットプレート及びオーブンを用いて、実施例5及び6と同様の第一及び第二の圧着工程に相当する熱履歴を加えた。その後、フィルム状接着剤から採取したサンプルを用いた上記と同様の条件の示差走査熱量測定により、第二の圧着工程後に相当する接着剤の硬化反応による発熱量ΔH2(J/g)を求めた。得られたΔH0及びΔH2から、第二の圧着工程後の硬化反応率を以下の式で算出した。
第二の圧着工程後の硬化反応率(%):(ΔH0−ΔH2)/ΔH0×100
半導体装置サンプルの外観画像を、デジタルマイクロスコープ(KEYENCE製、VHX−5000)によって撮影した。得られた画像より、半導体チップの周囲4辺それぞれからはみ出した接着剤層の長さ(半導体チップの主面に平行な方向における長さ)を計測し、計測値の平均値をフィレット値として記録した。
Claims (11)
- 接続部を有する第一の部材と接続部を有する第二の部材とを、熱硬化性の接着剤を介して、前記第一の部材の接続部の融点及び前記第二の部材の接続部の融点よりも低い温度で圧着することによって、前記第一の部材の接続部と前記第二の部材の接続部とが対向配置されている仮圧着体を得る工程と、
前記仮圧着体を、対向配置された一対の押圧部材の間に挟むことにより、前記第一の部材の接続部又は前記第二の部材の接続部のうち少なくとも一方の融点以上の温度に加熱しながら加圧することによって、圧着体を得る工程と、
前記圧着体を、加圧雰囲気下で更に加熱する工程と、
を備え、
前記第一の部材が半導体チップ又は半導体ウエハで、前記第二の部材が配線回路基板、半導体チップ又は半導体ウエハである、半導体装置を製造する方法。 - 前記仮圧着体を加熱しながら加圧することによって前記圧着体を得る前記工程において、前記熱硬化性の接着剤を部分的に硬化させ、
前記圧着体を加圧雰囲気下で加熱する前記工程において、前記熱硬化性の接着剤を更に硬化させる、請求項1に記載の方法。 - 前記仮圧着体を加熱しながら加圧することによって前記圧着体を得る前記工程において、前記熱硬化性の接着剤を、硬化反応率が30%以下となるまで硬化させる、請求項2に記載の方法。
- 前記圧着体を加圧雰囲気下で加熱する前記工程において、前記熱硬化性の接着剤の硬化反応率が85%以上となるまで更に硬化させる、請求項2又は3に記載の方法。
- 前記圧着体を加圧雰囲気下で加熱する前記工程において、複数の前記圧着体を一括して加熱する、請求項1〜4のいずれか一項に記載の方法。
- 前記圧着体を加圧雰囲気下で加熱する前記工程における加熱温度が、130℃以上300℃以下である、請求項1〜5のいずれか一項に記載の方法。
- 前記熱硬化性の接着剤が、重量平均分子量10000未満の熱硬化性樹脂と、前記熱硬化性樹脂の硬化剤と、重量平均分子量10000以上の高分子成分と、を含有する、請求項1〜6のいずれか一項に記載の方法。
- 前記熱硬化性の接着剤の最低溶融粘度が、3000Pa・s以下である、請求項1〜7のいずれか一項に記載の方法。
- 請求項1〜7のいずれか一項に記載の方法に用いられるための熱硬化性の接着剤であって、
最低溶融粘度が3000Pa・s以下である、熱硬化性の接着剤。 - フィルム状である、請求項9に記載の熱硬化性の接着剤。
- 接続部を有する第一の部材と、接続部を有する第二の部材と、これらの間に介在する接着剤層とを備え、前記第一の部材の接続部と前記第二の部材の接続部とが金属接合によって電気的に接続されている、半導体装置であって、
前記接着剤層が、熱硬化性の接着剤の硬化物からなり、
前記熱硬化性の接着剤の最低溶融粘度が、3000Pa・s以下であり、
前記第一の部材が半導体チップ又は半導体ウエハで、前記第二の部材が配線回路基板、半導体チップ又は半導体ウエハである、半導体装置。
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