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特許7436240アンダーフィル材、及びこれを用いた半導体装置の製造方法
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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-02-13
(45)【発行日】2024-02-21
(54)【発明の名称】アンダーフィル材、及びこれを用いた半導体装置の製造方法
(51)【国際特許分類】
   C08L 63/00 20060101AFI20240214BHJP
   C08L 61/10 20060101ALI20240214BHJP
   C08G 59/62 20060101ALI20240214BHJP
   C08L 33/04 20060101ALI20240214BHJP
   H01L 23/29 20060101ALI20240214BHJP
   H01L 23/31 20060101ALI20240214BHJP
   H01L 21/60 20060101ALI20240214BHJP
【FI】
C08L63/00 A
C08L61/10
C08G59/62
C08L33/04
H01L23/30 R
H01L21/60 311S
【請求項の数】 10
(21)【出願番号】P 2020028422
(22)【出願日】2020-02-21
(65)【公開番号】P2021134219
(43)【公開日】2021-09-13
【審査請求日】2023-02-01
(73)【特許権者】
【識別番号】000108410
【氏名又は名称】デクセリアルズ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100113424
【弁理士】
【氏名又は名称】野口 信博
(74)【代理人】
【識別番号】100185845
【弁理士】
【氏名又は名称】穂谷野 聡
(72)【発明者】
【氏名】森 大地
(72)【発明者】
【氏名】久保田 貴子
【審査官】内田 靖恵
(56)【参考文献】
【文献】特開2016-028167(JP,A)
【文献】特開2016-006205(JP,A)
【文献】特開2012-059743(JP,A)
【文献】特開2019-156997(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
C08L
C08G59
H01L23/29
H01L21/60
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
バインダ樹脂と、
液状のエポキシ樹脂と、
硬化剤と、
フィラーとを含有し、
上記バインダ樹脂が、官能基としてカルボキシル基、ヒドロキシル基、エポキシ基及びアミド基から選択される少なくとも1種を有するアクリルポリマーであって、
上記バインダ樹脂の重量平均分子量が200,000以上であり、かつ、上記バインダ樹脂のガラス転移温度が30℃未満であり、
150~170℃の範囲における昇温速度10℃/minでの溶融粘度が150Pa・s未満であり、
250℃における溶融粘度が500,000Pa・s以上であり、
250℃で60秒加熱後の反応率が30%未満である、アンダーフィル材。
【請求項2】
200℃で2時間加熱後の反応率が80%以上である、請求項1記載のアンダーフィル材。
【請求項3】
上記液状のエポキシ樹脂が4官能のエポキシ樹脂を含む、請求項1又は2記載のアンダーフィル材。
【請求項4】
上記液状のエポキシ樹脂の含有量が24~36wt%である、請求項1~3のいずれか1項に記載のアンダーフィル材。
【請求項5】
上記硬化剤がフェノールノボラック樹脂を含有する、請求項1~4のいずれか1項に記載のアンダーフィル材。
【請求項6】
上記硬化剤が、以下の条件を満たす硬化剤を含有する、請求項1~5のいずれか1項に記載のアンダーフィル材;
ビスフェノールA型エポキシ樹脂(エポキシ当量190)100質量部に対して、硬化剤を15質量部添加した混合物の25℃における粘度が、初期から2倍になるまでの日数が50日以上である。
【請求項7】
加熱加圧雰囲気下で用いられる、請求項1~6のいずれか1項に記載のアンダーフィル材。
【請求項8】
フィルム状である、請求項1~7のいずれか1項に記載のアンダーフィル材。
【請求項9】
半田付き電極が形成され、該電極面にアンダーフィル材が貼り合わされた半導体チップを、上記半田付き電極と対向する対向電極が形成された基板に搭載する工程と、
上記アンダーフィル材を硬化させる工程とを有し、
上記アンダーフィル材が、請求項1~7のいずれか1項に記載のアンダーフィル材である、半導体装置の製造方法。
【請求項10】
上記アンダーフィル材を硬化させる工程では、加熱加圧雰囲気下で上記アンダーフィル材を硬化させる、請求項9記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本技術は、アンダーフィル材、及びこれを用いた半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
半導体装置の製造方法において、基板と半導体チップ(ダイ)、半導体チップと半導体チップなどの構成要素同士を半田により接合するフリップチップ実装が知られている。構成要素間の空隙を埋める封止材としては、アンダーフィルフィルム(アンダーフィル材)が知られている。
【0003】
アンダーフィルフィルムを用いたフリップチップ実装方法において、従来の方法として、アンダーフィルフィルムが設けられた半導体チップを別の半導体チップや基板に加熱下で搭載し、アンダーフィルフィルムを流動させて半導体チップ間の空隙を充填した後、加熱オーブンで加熱してアンダーフィルフィルムの硬化を行うことが挙げられる。しかし、半導体チップの積層段数は、DRAM(Dynamic Random Access Memory)等のメモリーデバイスの分野で顕著に増加しており、半導体チップを積層するたびアンダーフィルフィルムの流動を行うと、半導体チップの搭載時間が長くなってしまうことが懸念される。そのため、実装プロセスとして、例えば、半導体チップの搭載時には、アンダーフィルフィルムの流動をさせずに半田による接合のみを行い、アンダーフィルフィルムによる構成要素間の充填と硬化を、加熱加圧雰囲気下で行うことが可能なオーブンを用いて行うことがある。
【0004】
ところで、構成要素間の空隙の充填には、ボイドと呼ばれる、アンダーフィルフィルムの充填不足の部位が発生することがある。ボイドは、半導体装置の接続信頼性(耐久性)の低下をもたらすことがある。
【0005】
また、加熱加圧雰囲気下での実装プロセスに用いられるアンダーフィルフィルムは、加熱雰囲気下での実装プロセスに用いられる従来のアンダーフィルフィルムとは、求められる流動性が異なる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【文献】特開2019-19194号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
本技術は、このような従来の実情に鑑みて提案されたものであり、加熱加圧雰囲気下での実装時のボイドを抑制するとともに、良好な接続信頼性が得られるアンダーフィル材、及びこのアンダーフィル材を用いた半導体の製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本技術に係るアンダーフィル材は、バインダ樹脂と、液状のエポキシ樹脂と、硬化剤と、フィラーとを含有し、バインダ樹脂の重量平均分子量が200,000以上であり、かつ、バインダ樹脂のガラス転移温度が30℃未満であり、150~170℃の範囲における昇温速度10℃/minでの溶融粘度が150Pa・s未満であり、250℃における溶融粘度が500,000Pa・s以上であり、250℃で60秒加熱後の反応率が30%未満である。
【0009】
本技術に係る半導体装置の製造方法は、半田付き電極が形成され、電極面にアンダーフィル材が貼り合わされた半導体チップを、半田付き電極と対向する対向電極が形成された基板に搭載する工程と、アンダーフィル材を硬化させる工程とを有し、アンダーフィル材が、上述したアンダーフィル材である。
【発明の効果】
【0010】
本技術によれば、加熱加圧雰囲気下でボイドを抑制するとともに、良好な接続信頼性が得られる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
図1図1は、搭載前の複数の半導体チップと半導体ウエハの一例を示す断面図である。
図2図2は、複数の半導体チップを半導体ウエハに積層した状態の一例を示す断面図である。
図3図3は、硬化工程の圧力と温度のプロファイルの一例を示すグラフである。
図4図4は、ボイドの面積がチップ面積の1%未満である場合の超音波画像の一例である。
図5図5は、ボイドの面積がチップ面積の5%以上である場合の超音波画像の一例である。
【発明を実施するための形態】
【0012】
以下、本技術の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。本明細書において、「常温」とは、JIS K 0050:2019(化学分析方法通則)に規定される15~25℃の範囲をいう。
【0013】
<アンダーフィル材>
本実施の形態に係るアンダーフィル材は、バインダ樹脂と、液状のエポキシ樹脂と、硬化剤と、フィラーとを含有する。また、バインダ樹脂の重量平均分子量が200,000以上であり、かつ、バインダ樹脂のガラス転移温度(Tg)が30℃未満である。さらに、アンダーフィル材は、150~170℃の範囲における昇温速度10℃/minでの溶融粘度が150Pa・s未満であり、250℃における溶融粘度が500,000Pa・s以上であり、250℃で60秒加熱後の反応率が30%未満である。
【0014】
アンダーフィル材の150~170℃の範囲における溶融粘度は、例えば、半導体チップの実装荷重に影響する。アンダーフィル材の150~170℃の範囲における昇温速度10℃/minでの溶融粘度を150Pa・s未満とすることにより、半導体チップを積層実装する際の実装荷重の増大を抑制できる。特に、半導体チップを積層実装する際の実装荷重の増大をより効果的に抑制するために、アンダーフィル材の150~170℃の範囲における溶融粘度は140Pa・s以下が好ましく、100Pa・s以下がさらに好ましい。アンダーフィル材の150~170℃の範囲における溶融粘度の下限値は、特に限定されないが、例えば1Pa・s以上とすることができ、10Pa・s以上とすることもできる。
【0015】
アンダーフィル材の250℃における溶融粘度は、例えば、加圧オーブンなどを用いた加熱加圧雰囲気下で、アンダーフィル材を完全に硬化させる際のボイドの発生に影響する。アンダーフィル材の250℃における溶融粘度が500,000Pa・s以上であることにより、加熱加圧雰囲気下でアンダーフィル材を完全に硬化させる際に、ボイドが再発しにくくなる(潰れたボイドが再度元に戻りにくくなる)ため、ボイドを抑制することができる。特に、ボイドをより効果的に抑制するために、アンダーフィル材の250℃における溶融粘度は、600,000Pa・s以上が好ましく、1,000,000Pa・s以上がより好ましい。アンダーフィル材の250℃における溶融粘度の上限値は、特に限定されないが、例えば、5,000,000Pa・s以下とすることができる。
【0016】
アンダーフィル材は、250℃で60秒加熱後の反応率が30%未満である。これにより、アンダーフィル材を加熱加圧雰囲気下での実装プロセス、例えば、後述する搭載工程と硬化工程とを有する半導体装置の製造方法に用いるときに、搭載工程でアンダーフィル材の硬化が進みすぎることが抑制されるため、硬化工程でアンダーフィル材の硬化不良によるボイドの再発を抑制できる。また、アンダーフィル材は、200℃で2時間加熱後の反応率が80%以上であることが好ましい。これにより、アンダーフィル材を加熱加圧雰囲気下での実装プロセス、例えば、後述する搭載工程と硬化工程とを有する半導体装置の製造方法に用いるときに、硬化工程でアンダーフィル材の硬化不良によるボイドの再発をより効果的に抑制でき、より良好な接続信頼性が得られる。
【0017】
[バインダ樹脂]
アンダーフィル材は、重量平均分子量が200,000以上であり、かつ、ガラス転移温度が30℃未満であるバインダ樹脂を含有する。バインダ樹脂は、膜形成樹脂として機能する。
【0018】
バインダ樹脂のガラス転移温度が30℃未満であることにより、アンダーフィル材の反応特性(例えば、上述した溶融粘度)を良好にできる。バインダ樹脂のガラス転移温度は、アンダーフィル材の反応特性をより良好にする観点から、12℃以下が好ましく、-10℃以下がより好ましい。また、バインダ樹脂のガラス転移温度の下限値は、特に限定されないが、例えば-30℃以上とすることができる。バインダ樹脂のガラス転移温度の測定方法としては、公知の方法を用いることができ、例えば、熱機械分析装置を用いて昇温速度10℃/分の条件で測定することができる。
【0019】
バインダ樹脂の重量平均分子量は、フィルム形成性(膜形成性)の観点から、200,000以上であり、300,000以上がより好ましく、350,000以上がさらに好ましい。また、バインダ樹脂の重量平均分子量の上限値は、アンダーフィル材の粘度や、実装時のボイドの観点から、例えば1,000,000以下が好ましく、900,000以下とすることもできる。
【0020】
バインダ樹脂としては、例えばアクリルポリマー(アクリルゴム)を用いることができる。具体的には、バインダ樹脂として、官能基としてカルボキシル基、ヒドロキシル基、エポキシ基及びアミド基から選択される少なくとも1種を有するアクリルポリマーを用いることができる。バインダ樹脂の具体例としては、ナガセムテックス社製のテイサンレジンシリーズ、SG-280(Tg;-29℃)、SG-P3(Tg;12℃)、SG-70L(Tg;-13℃)、SG-708-6(Tg;4℃)、WS-023 EK30(Tg;-10℃)、SG-80H(Tg;12℃)、SG-600TEA(Tg;-37℃)などが挙げられる。
【0021】
バインダ樹脂は、1種単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。アンダーフィル材は、重量平均分子量が200,000以上であり、かつ、ガラス転移温度が30℃未満であるバインダ樹脂以外の膜形成樹脂、例えば、ガラス転移温度が30℃以上のバインダ樹脂や、重量平均分子量が200,000未満のバインダ樹脂を実質的に含有しないことが好ましい。
【0022】
アンダーフィル材中のバインダ樹脂の含有量の下限値は、例えば、3質量%以上とすることができ、5質量%以上であってもよく、7質量%以上であってもよい。また、アンダーフィル材中のバインダ樹脂の含有量の上限値は、14質量%以下とすることができ、12質量%以下であってもよく、11質量%以下であってもよい。アンダーフィル材中のバインダ樹脂の含有量を多くしすぎないことにより、フィルム成形性を良好にしつつ、実装時のボイドをより効果的に抑制できる。
【0023】
[液状のエポキシ樹脂]
アンダーフィル材は、熱硬化樹脂として、常温で液状のエポキシ樹脂を含有する。アンダーフィル材が、常温で液状のエポキシ樹脂を含有することにより、加熱加圧雰囲気下でアンダーフィル材を完全に硬化させる際に、アンダーフィル材の流動性が良好になるため、ボイドを効果的に抑制でき、半導体チップの実装荷重の増大を抑制することもできる。
【0024】
常温で液状のエポキシ樹脂は、高接着性、耐熱性等の観点から、エポキシ基を3つ以上有する多官能エポキシ樹脂を用いることが好ましく、エポキシ基を4つ有する多官能エポキシ樹脂(4官能のエポキシ樹脂)を用いることがより好ましい。多官能エポキシ樹脂としては、例えば、脂肪族エポキシ樹脂(例えば、ソルビトールポリグリシジルエーテル、ペンタエリスリトールポリグリシジルエーテル、グリセロールポリグリシジルエーテル)等が挙げられる。
【0025】
また、常温で液状のエポキシ樹脂としては、多官能エポキシ樹脂とともに、2官能エポキシ樹脂を併用してもよい。2官能エポキシ樹脂は、柔軟性骨格、例えば、エチレンオキシド(EO)変性骨格、プロピレンオキシド(PO)変性骨格を有するものが挙げられる。
【0026】
常温で液状のエポキシ樹脂は、エポキシ当量が100~400g/eqであることが好ましく、100~200g/eqであることがより好ましい。
【0027】
常温で液状のエポキシ樹脂の具体例としては、デナコールEX612、EX614B(ソルビトールポリグリシジルエーテル)、EX411(ペンタエリスリトールポリグリシジルエーテル)(以上、ナガセケムテックス社製)、JER604(テトラグリシジルジアミノジフェニルメタン型エポキシ樹脂、三菱ケミカル社製)、アリルビスフェノールA型エポキシ樹脂のアリル基を酸化させた化合物、エポリードGT401(ブタンテトラカルボン酸テトラ(3,4-エポキシシクロヘキシルメチル)修飾ε-カプロラクトン、ダイセル社製)、AER-9000(旭化成イーマテリアルズ社製)などが挙げられる。
【0028】
アンダーフィル材中、常温で液状のエポキシ樹脂の含有量の下限値は、例えば、20質量%以上とすることができ、24質量%以上であってもよい。また、アンダーフィル材中、常温で液状のエポキシ樹脂の含有量の上限値は、例えば40質量%以下とすることができ、36質量%以下であってもよく、35質量以下であってもよい。常温で液体のエポキシ樹脂は、1種単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。
【0029】
[硬化剤]
硬化剤は、エポキシ樹脂用の硬化剤であり、フェノール類、イミダゾール類、酸無水物類、アミン類、ヒドラジド類、ポリメルカプタン類、ルイス酸-アミン錯体類などを用いることができる。フェノール類としては、フェノールノボラック化合物、クレゾールノボラック化合物、芳香族炭化水素ホルムアルデヒド樹脂変性フェノール化合物、ジシクロペンタジエンフェノール付加型化合物、フェノールアラルキル化合物などが挙げられる。これらの中でも、フェノールとホルムアルデヒドを酸触媒の存在下にて重縮合を行って得られたフェノールノボラック樹脂(例えば、PSM-4261(群栄化学工業社製))が好ましい。
【0030】
また、硬化剤は、以下の条件を満たす硬化剤を含有することが好ましい。すなわち、アンダーフィル材は、ビスフェノールA型エポキシ樹脂(エポキシ当量190)100質量部に対して、硬化剤を15質量部添加した混合物の25℃における粘度が、初期から2倍になるまでの日数が50日以上である硬化剤を含有することが好ましい。このような硬化剤の具体例としては、フジキュアー7000、フジキュアー7001、フジキュアー7002(以上、T&K TOKA社製、25℃で液状)、イミダゾールの1位をシアノエチル基で保護した1-シアノエチル-2-フェニルイミダゾール、イソシアヌル酸で塩基性を保護したイミダゾール系硬化剤(商品名:2MA-OK)、2-フェニル-4-メチル-5-ヒドロキシイミダゾール(商品名:キュアゾール2P4MHZ)、2-フェニル-4,5-ジヒドロキシメチルイミダゾール(商品名:キュアゾール2PHZ)(四国化成工業社製)、アミキュアPN-H、PN-40、PN-50(イミダゾール系潜在性硬化剤、味の素ファインテクノ社製)、U-CAT 3513N(サンアプロ社製)等が挙げられる。
【0031】
硬化剤は、1種単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。特に、硬化剤として、フェノールノボラック樹脂、及び、ビスフェノールA型エポキシ樹脂(エポキシ当量190)100質量部に対して、硬化剤を15質量部添加した混合物の25℃における粘度が、初期から2倍になるまでの日数が50日以上である硬化剤の少なくとも1種を用いることが好ましい。アンダーフィル材中の硬化剤の含有量の合計量は、例えば16~27質量%とすることができる。
【0032】
[フィラー]
フィラーは、例えば圧着時(後述する半導体装置の製造方法の搭載工程や硬化工程)のアンダーフィル材の流動性を調整する目的で用いられる。フィラーは、例えば、シリカ、タルク、酸化チタン、炭酸カルシウム、酸化マグネシウム等の無機フィラーを用いることができ、シリカが好ましい。フィラーは、1種単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。アンダーフィル材中のフィラーの含有量の合計は、例えば26~50質量%とすることができ、26~32質量%とすることもできる。
【0033】
アンダーフィル材は、本技術の効果を損なわない範囲で、上述したバインダ樹脂、液状のエポキシ樹脂、硬化剤及びフィラー以外の他の成分をさらに含有してもよい。
【0034】
アンダーフィル材の形状としては、フィルム状、ペースト状などが挙げられる。半田付き電極が形成された半導体チップ側や、半田付き電極と対向する対向電極が形成された基板側にアンダーフィル材を予め貼り合わせる場合には、フィルム状のアンダーフィル材とすることが好ましい。
【0035】
以上のように、本実施の形態に係るアンダーフィル材は、バインダ樹脂と、液状のエポキシ樹脂と、硬化剤と、フィラーとを含有する。また、アンダーフィル材中のバインダ樹脂の重量平均分子量が200,000以上であり、かつ、バインダ樹脂のガラス転移温度(Tg)が30℃未満である。さらに、アンダーフィル材は、150~170℃の範囲における昇温速度10℃/minでの溶融粘度が150Pa・s未満であり、250℃における溶融粘度が500,000Pa・s以上であり、250℃で60秒加熱後の反応率が30%未満である。このようなアンダーフィル材によれば、加熱加圧雰囲気下でボイドを抑制するとともに、良好な接続信頼性が得られる。
【0036】
次に、アンダーフィル材が膜状に形成されたアンダーフィルフィルムの製造方法について説明する。まず、上述したバインダ樹脂と、液状のエポキシ樹脂と、硬化剤と、フィラーとを含有する接着剤組成物を溶剤に溶解させる。溶剤としては、トルエン、酢酸エチルなど、又はこれらの混合溶剤を用いることができる。樹脂組成物を調整後、バーコーター、塗布装置などを用いて剥離基材上に塗布する。剥離基材は、例えば、シリコーンなどの剥離剤をPET(Poly Ethylene Terephthalate)、OPP(Oriented Polypropylene)、PMP(Poly-4-methylpentene-1)、PTFE(Polytetrafluoroethylene)などに塗布した積層構造からなり、組成物の乾燥を防ぐとともに、組成物の形状を維持する。そして、剥離基材上に塗布された樹脂組成物を熱オーブン、加熱乾燥装置などを用いて乾燥させる。これにより、所定の厚さのアンダーフィルフィルムが得られる。
【0037】
<半導体装置の製造方法>
次に、上述したアンダーフィル材を用いた半導体装置の製造方法について説明する。例えば、半導体装置の製造方法は、半田付き電極が形成され、この電極面にアンダーフィル材からなるアンダーフィルフィルムが貼り合わされた半導体チップを、半田付き電極と対向する対向電極が形成された基板に搭載する工程(搭載工程)と、アンダーフィルフィルムを硬化させる工程(硬化工程)とを有する。
【0038】
以下、図1及び図2を用いて、半導体チップを半導体ウエハ上に複数段積層実装させる方法の一例を説明する。図1は、搭載前の複数の半導体チップと半導体ウエハの一例を示す断面図であり、図2は、複数の半導体チップを半導体ウエハに積層した状態の一例を示す断面図である。
【0039】
[搭載工程]
搭載工程では、図1に示すように、半導体ウエハ1上に、中間層の半導体チップ2~4と、最上層の半導体チップ5とを、アンダーフィルフィルム6~9を介して積層配置させる。そして、搭載工程では、図2に示すように、アンダーフィルフィルム6~9と半導体チップ2~5とが複数積層配置された半導体チップ群を、アンダーフィルフィルム6~9に流動性は生じるが、本硬化が生じない程度の所定の温度、荷重、時間で、熱圧着ツール(例えば、フリップチップボンダー)を用いて押圧する。これにより、半田付き電極の半田2c~5cを溶融させて金属結合が形成された積層体を得る。
【0040】
熱圧着ツールを用いて押圧する際の温度、荷重、時間の条件は、半田2c~5cが溶融して金属結合が形成され、半導体ウエハ1と半導体チップ2~5とが導通接続される範囲が好ましい。例えば、搭載工程後のアンダーフィルフィルムの反応率が30%未満となる範囲が好ましい。搭載工程後のアンダーフィルフィルムの反応率が30%未満、すなわち、搭載工程後のアンダーフィルフィルムがほぼ未硬化の状態であることにより、後に行う硬化工程でボイドを抜きやすくすることができる。熱圧着ツールを用いて押圧する際の温度、荷重、時間の条件の具体例としては、例えば、温度が200~280℃、荷重が50~200N、時間が1~3秒程度とすることができる。このように、搭載工程では、1回あたりの搭載時間を1~3秒程度とすることができるため、半導体チップの搭載数増加に対するタクトタイムを削減できる。
【0041】
半導体ウエハ1は、例えば、サポート基板10上に仮貼材11を介して固定されている。半導体ウエハ1の材質は、シリコンであってもよいし、化合物系半導体(例えば窒化ガリウム等)であってもよい。半導体ウエハ1には、後に個片化される単位毎に電子回路が形成されている。
【0042】
半導体ウエハ1は、例えば一方の面に形成された半田付き電極1aと、他方の面に形成された電極1bとを有する。半田付き電極1aは、例えばCuピラー頂上に半田をメッキしたものである。半田付き電極1aの半田1cは、いわゆる鉛フリー半田であり、例えば、Sn/Ag/Cu半田(融点:220℃~240℃)、Sn/Ag半田(融点:220℃)などを用いることができる。電極1bは、半導体チップ2の半田付き電極2cと接続されるものであり、例えばCuピラーなどを用いることができる。
【0043】
サポート基板10は、例えば半導体ウエハ1と同じ面形状を有し、半導体ウエハ1を固定するものである。サポート基板10の材質には、例えば、ガラス、シリコンなどが用いられる。サポート基板10の厚みは、通常500~1000μm程度とすることができる。
【0044】
仮貼材11は、半導体ウエハ1をサポート基板10に固定するためのものであり、例えば接着材からなる接着層である。仮貼材11は、実装後に剥離されるため、比較的柔らかい組成とすることが好ましい。仮貼材11としては、例えばアクリル系の光硬化性接着剤(一例として、UV-Curable Adhesive LC-3200(3M社製))を用いることができる。
【0045】
半導体チップ2~4は、例えば、シリコン貫通電極と、一方の面に形成された半田付き電極2a~4aと、他方の面に形成された電極2b~4bとを有する。シリコン貫通電極は、半導体チップの内部を垂直に貫通する電極であり、上下のチップ同士の接続を行う。半田付き電極2a~4a、電極2b~4b及び半田2c~4cは、上述した半田付き電極1a、電極1b及び半田1cと同様に構成できる。
【0046】
半導体チップ5は、一方の面に形成された半田付き電極5aを有する。半田付き電極5aは、半導体チップ2~4と同様に、例えばCuピラー頂上に半田をメッキしたものである。
【0047】
半導体チップ2~5の半田付き電極2a~5aが形成された一方の面には、それぞれアンダーフィルフィルム6~9が予め貼り合わされている。これにより、半導体チップ2~5を積層配置する工程数を削減できる。
【0048】
[硬化工程]
硬化工程では、搭載工程で半導体ウエハ1と半導体チップ2~5とが導通接続された積層体のアンダーフィルフィルム6~9を硬化させる。硬化工程は、ボイドの発生を抑制するために、加熱加圧雰囲気下で行うことが好ましい。硬化工程は、例えば、加圧オーブン(プレッシャーキュアオーブン、オートクレーブ等)を用いて行うことができる。加圧オーブンを用いることにより、多数の積層体を容易に均一に加熱できるため、生産性が向上する。
【0049】
硬化工程における温度は、例えば、所定の圧力で、第1の温度から第2の温度まで所定の昇温速度で昇温させ、アンダーフィルフィルム6~9の硬化率が90%以上となる条件が好ましい。圧力は、例えば0.1~20MPaの範囲とすることができる。第1の温度は、例えば80~150℃の範囲とすることができる。昇温速度は、例えば0.5~10℃/分の範囲とすることができる。第1の温度での保持時間は、例えば5~60分の範囲とすることができる。第2の温度は、例えば180~250℃の範囲とすることができる。第2の温度での保持時間は、例えば5~180分の範囲とすることができる。第2の温度で保持した後に、冷却する際の速度は、例えば5~40℃/分とすることができる。
【0050】
図3は、硬化工程の圧力と温度のプロファイルの一例を示すグラフである。図3において、横軸は時間(min)を表し、左側の縦軸は温度(℃)を表し、右側の縦軸は圧力(MPa)を表し、実線(Temp)は温度の継時変化を表し、破線(Pressure)は圧力の継時変化を表す。
【0051】
以上のように、本実施の形態に係る半導体装置の製造方法では、上述したアンダーフィル材からなるアンダーフィルフィルムを用いるため、硬化工程において加熱加圧雰囲気下でボイドを抑制するとともに、得られる半導体装置の接続信頼性を良好にすることができる。
【0052】
上述した具体例では、アンダーフィルフィルム6~9を介して、半導体ウエハ1上に半導体チップ2~5を複数積層配置させ、一括圧着させるようにしたが、これに限定されるものではない。例えば、半導体チップを1段ずつ圧着実装してもよい。
【0053】
また、上述した具体例では、半導体チップを半導体ウエハ上に4段積層実装させる方法について説明したが、これに限定されず、半導体チップを半導体ウエハ上に5段以上積層実装させてもよく、例えば半導体チップを半導体ウエハ上に12段以上積層実装させてもよい。
【0054】
また、上述した具体例では、アンダーフィルフィルム6~9を、半田付き電極2a~5aが形成された半導体チップ2~5側に予め貼り合わせるようにしたが、これに限定されるものではない。例えば、半導体ウエハ基板1の電極1b側、半導体チップ2~4の電極2b~4b側に予め貼り合わせてもよい。
【実施例
【0055】
以下、本技術の実施例について説明する。なお、本技術は、以下の実施例に限定されるものではない。
【0056】
下記材料を用いてアンダーフィルフィルムを作製した。
[バインダ樹脂]
アクリルゴム:SG-80H(ナガセムテックス社製)、Tg;-12℃、Mw;350,000
アクリルゴム:SG-70L(ナガセムテックス社製)、Tg;-13℃、Mw;900,000
フェノキシ樹脂:YP-50(日鉄ケミカル&マテリアル社製)、Tg;84℃、Mw;70,000
[エポキシ樹脂]
JER-604:4官能エポキシ樹脂(三菱ケミカル社製)、25℃で液体、エポキシ当量;110~130g/eq
EX-614:4官能エポキシ樹脂(ナガセムテックス社製)、25℃で液体、エポキシ当量;167g/eq
AER-9000:2官能エポキシ樹脂(PO変性のポリエーテル型エポキシ樹脂)(旭化成社製)、25℃で液体、エポキシ当量;380g/eq
JER-1032H60:3官能エポキシ樹脂(三菱ケミカル社製)、25℃で固体、エポキシ当量;163~175g/eq
JER-1031S:4官能エポキシ樹脂(三菱ケミカル社製)、25℃で固体、エポキシ当量;200g/eq
[硬化剤]
フェノール樹脂:PSM-4261(群栄化学工業社製)
変性アミン:フジキュアー7002(T&K TOKA社製)
ウレア樹脂:U-CAT 3513N(サンアプロ社製)
[フィラー]
非晶性シリカ:SC1050(アドマテックス社製)、溶剤分散品
非晶性シリカ:YA050C-MJE(アドマテックス社製)
【0057】
<アンダーフィルフィルムの作製>
表1に示す配合比(質量部)となるように各成分を秤量し、常温のボールミルで混合・分散し、均一に溶解混合された樹脂組成物を得た。得られた樹脂組成物を、剥離処理されたPETにバーコーターを用いて塗布し、80℃のオーブンで3分間乾燥させ、アンダーフィルフィルムを作製した(カバー剥離PET:25μm/アンダーフィルフィルム:20μm/ベース剥離PET:50μm))。
【0058】
[フィルム特性]
作製したアンダーフィルフィルムについて、ベースフィルムを剥離する際の温度を以下の基準で評価した。結果を表1に示す。
A:常温でベースフィルムを剥離可能
B:0℃以上、常温未満でベースフィルムを剥離可能
【0059】
<溶融粘度>
アンダーフィルフィルムの150~170℃における溶融粘度(Pa・s)、及び、250℃における溶融粘度(Pa・s)は、各アンダーフィルフィルムについて、レオメータ(TA社製ARES)を用いて、10℃/min、1Hzの条件で測定した。結果を表1に示す。表1中の「MV」は、溶融粘度(Melt Viscosity)を表す。
【0060】
<反応率>
半導体チップを基板に搭載する工程(搭載工程)を想定した250℃で60秒加熱後のアンダーフィルフィルムの反応率と、アンダーフィルフィルムを硬化させる工程(硬化工程)を想定した200℃で2時間加熱後のアンダーフィルフィルムの反応率を測定した。アンダーフィルフィルムの反応率は、温度計、圧力計、およびヒーターを備えた耐圧容器(オーエムラボテック(株)製「OM-50」)に投入前と投入後のアンダーフィルフィルム中のエポキシ基の減少率から求めた。具体的には、アンダーフィルフィルム中のエポキシ基が、オートクレーブ投入前後でどれだけ減少したかを、赤外吸収スペクトルの914cm-1の吸収を測定して求めた。結果を表1に示す。
【0061】
<導通接続>
評価用のTEG(Test Element Group)として以下のトップチップとボトムチップとを用い、実装装置(FCB3、パナソニック社製)で荷重100N、240℃、3秒間の条件で押圧し、押圧後のトップチップとボトムチップ間の半田接続(デイジーチェーン接続)状態をプローブテスタで確認した。全ての導通経路の接続が確認できた場合をOKと評価し、1ヵ所でも接続できなかった場合をNGと評価した。結果を表1に示す。
[トップチップ]
大きさ:6×6mm□、厚み:200μm
バンプ仕様:Cuピラー(8μm)+Sn/Ag半田(8μm)、φ15μm、バンプ数5000pin、ピッチ40μm
[ボトムチップ]
大きさ:8×8mm□、厚み:200μm
バンプ仕様:Cuピラー(3μm)、φ15μm、バンプ数5000pin、ピッチ40μm
【0062】
<ボイド>
導通接続試験で用いたTEGの実装体におけるチップ間のボイドの有無を、超音波映像装置(SAT:Scanning Acoustic Tomograph)(装置名:FS300、日立ハイテクノロジーズ社製)を用いて非破壊検査した。観察で得られた超音波画像における白点(ボイド)の有無を以下の基準で評価した。結果を表1に示す。
A:ボイドの面積がチップ面積の1%未満(例えば図4
B:ボイドの面積がチップ面積の1%以上、5%未満
C:ボイドの面積がチップ面積の5%以上(例えば図5
【0063】
[信頼性]
<吸湿リフロー>
導通接続試験で用いたTEGの実装体を温度85℃、湿度85%、24時間の条件で吸湿させ、最大260℃のリフロー炉で3サイクル加熱(吸湿リフロー)させた。吸湿リフロー後のTEGの実装体におけるチップ間の剥離を、超音波映像装置(SAT)で観察した。吸湿リフローさせる前後で、剥離起因の変化がない場合をOKと評価し、変化がある場合をNGと評価した。結果を表1に示す。
【0064】
<温度サイクル(TCT)試験>
導通接続試験で用いたTEGの実装体について、-55℃(30min)⇔125℃(30min)の温度サイクル試験を200サイクル行った。温度サイクル試験後の各実装体について、デジタルマルチメータを用いて導通抵抗値の測定を行い、以下の基準で評価した。結果を表1に示す。
A:抵抗値上昇が5%以内
B:抵抗値上昇が5%超、10%以内
C:抵抗値上昇が10%超
【0065】
【表1】
【0066】
比較例1,2,5では、150~170℃の範囲における昇温速度10℃/minでの溶融粘度が150Pa・s以上であるアンダーフィル材を用いたため、ボイド及び信頼性試験の結果が良好ではなく、さらに接続性も良好ではないことが分かった。
【0067】
比較例3では、150~170℃の範囲における昇温速度10℃/minでの溶融粘度が150Pa・s以上であるアンダーフィル材を用いたため、ボイド及び信頼性試験の結果が良好ではないことが分かった。
【0068】
比較例4では、フィラーを含有しないアンダーフィル材を用いたため、信頼性試験の結果が良好ではないことが分かった。
【0069】
比較例6では、250℃で60秒加熱後の反応率が30%以上であるアンダーフィル材を用いたため、ボイド及び信頼性試験の結果が良好ではなかった。
【0070】
比較例7では、250℃における溶融粘度が500,000Pa・s未満であるアンダーフィル材を用いたため、ボイド及び信頼性試験の結果が良好ではないことが分かった。
【0071】
比較例8では、ガラス転移温度が30℃未満であるバインダ樹脂を含有せず、かつ、150~170℃の範囲における昇温速度10℃/minでの溶融粘度が150Pa・s以上であるアンダーフィル材を用いたため、ボイド及び信頼性試験の結果が良好ではなく、さらに接続性も良好ではないことが分かった。
【0072】
比較例9では、150~170℃の範囲における昇温速度10℃/minでの溶融粘度が150Pa・s以上のアンダーフィル材を用いたため、ボイド及び信頼性試験の結果が良好ではないことが分かった。
【符号の説明】
【0073】
1 基板(半導体ウエハ)、2,3,4,5 半導体チップ、1a,2a,3a,4a,5a 半田付き電極、1b,2b,3b,4b 電極、1c,2c,3c,4c,5c 半田、6,7,8,9 アンダーフィルフィルム、10 サポート基板、11 仮貼材
図1
図2
図3
図4
図5