半導体装置
【課題】ストレスインデックスが低いアンダーフィル材を用いた高信頼性のフリップチップ型半導体装置を提供する。
【解決手段】配線基板、配線基板２にフリップチップ接続された半導体素子、配線基板と半導体素子の間隙を充填するアンダーフィル材４から構成される半導体装置で、アンダーフィル材の硬化後の硬化物のガラス転移温度が９０℃〜１３０℃であり、２５℃での線膨張係数が１５〜３０ｐｐｍ／℃であり、２５℃での弾性率が３〜７ＧＰａであり、かつ２５℃での線膨張係数と２５℃での弾性率の積であるストレスインデックスが１００以上１５０以下である半導体装置。
【解決手段】配線基板、配線基板２にフリップチップ接続された半導体素子、配線基板と半導体素子の間隙を充填するアンダーフィル材４から構成される半導体装置で、アンダーフィル材の硬化後の硬化物のガラス転移温度が９０℃〜１３０℃であり、２５℃での線膨張係数が１５〜３０ｐｐｍ／℃であり、２５℃での弾性率が３〜７ＧＰａであり、かつ２５℃での線膨張係数と２５℃での弾性率の積であるストレスインデックスが１００以上１５０以下である半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
フリップチップ方式の半導体装置では、半導体素子と基板とを半田バンプで電気的に接続している。このフリップチップ方式の半導体装置は、接続信頼性を向上するために半導体素子と基板との間にアンダーフィル材と呼ばれる樹脂組成物を充填して半田バンプの周辺を補強している（特許文献１参照）。近年、半導体素子には層間絶縁膜として低誘電率膜（Ｌｏｗ−ｋ層）を含んでおり、また半田バンプとしては鉛フリー材料が使用されている（特許文献２参照）。このため熱応力によるＬｏｗ−ｋ層の破壊や半田バンプのクラックを防ぐためにアンダーフィル材にはより一層の低熱膨張化が求められる。アンダーフィル材を低熱膨張化するにはフィラーの高充填が必須であり、フィラーを高充填したアンダーフィル材もこれまでに開発されている（特許文献３、４参照）。
しかし、フィラーの高充填に伴い、アンダーフィル材の線膨張係数は低下するものの、アンダーフィル材の室温弾性率が高くなってしまう。アンダーフィル材が高弾性率であると、Ｌｏｗ−ｋ層へのストレスを増加させてしまう。アンダーフィル材の低線膨張率化と低弾性率化を両立させることで、半導体装置の信頼性が増すため、これらの特性が両立したアンダーフィル材を用いたフリップチップ方式の半導体装置が必要とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第４４９２３２６号公報
【特許文献２】特許第４２７４２８０号公報
【特許文献３】特開２００３−１３７５２９号公報
【特許文献４】国際公開第２０１０／０７３５５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、低線膨張係数かつ室温低弾性率のアンダーフィル材を用いて高い信頼性を有するフリップチップ方式の半導体装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は以下の通りである。
（１）配線基板、前記配線基板にフリップチップ接続された半導体素子、前記配線基板と前記半導体素子の間隙を充填するアンダーフィル材から構成される半導体装置で、前記アンダーフィル材の硬化後の硬化物のガラス転移温度が９０℃〜１３０℃であり、２５℃での線膨張係数が１５〜３０ｐｐｍ／℃であり、２５℃での弾性率が３〜７ＧＰａであり、かつ２５℃での線膨張係数と２５℃での弾性率の積であるストレスインデックスが１００以上１５０以下である半導体装置。
（２）前記半導体素子中に低誘電率膜を有し、前記半導体素子と前記配線基板をフリップチップ接続するのに鉛フリー半田バンプを用いた（１）記載の半導体装置。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、低線膨張係数かつ室温低弾性率アンダーフィル材を用いることで高い信頼性を有するフリップチップ方式の半導体装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の半導体装置の実施形態の一例を示す概略断面図
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本発明は、配線基板、前記配線基板にフリップチップ接続された半導体素子、前記配線基板と前記半導体素子の間隙を充填するアンダーフィル材から構成される半導体装置で、前記アンダーフィル材の硬化後の硬化物のガラス転移温度が９０℃〜１３０℃であり、２５℃での線膨張係数が１５〜３０ｐｐｍ／℃であり、２５℃での弾性率が３〜７ＧＰａであり、かつ２５℃での線膨張係数と２５℃での弾性率の積であるストレスインデックスが１００以上１５０以下である半導体装置である。
【０００９】
以下、本発明の半導体装置について説明する。
フリップチップ型半導体装置は、半田電極が具備された半導体素子を基板に接続し、該半導体素子と該基板の間隙をアンダーフィル材で封止する。この場合、基板側の半田電極が接合する部位以外の領域は半田が流れないようにソルダーレジストが形成されていることが好ましい。
【００１０】
この半導体素子は、例えばシリコン基板の主面に銅配線を含む層間絶縁膜、保護膜が順次積層された構造を有している。保護膜の開口部には半田バンプが設けられ、これを介して半導体素子と基板との接続が取られている。層間絶縁膜は多層膜であり、本発明においては比誘電率３．３以下の低誘電率膜を含んでいることが好ましい。この低誘電率膜を一般にＬｏｗ−ｋ層という。本発明において半田バンプは鉛フリー半田からなっていることが好ましい。
【００１１】
該半導体素子と該基板との間隙にアンダーフィル材を充填する。充填する方法としては、毛細管現象を利用する方法が挙げられる。具体的には、半導体素子の一辺にアンダーフィル材を塗布した後、半導体素子と基板との間隙に毛細管現象で流し込む方法、半導体素子の２辺にアンダーフィル材を塗布した後、半導体素子と基板との間隙に毛細管現象で流し込む方法、半導体素子の中央部にスルーホールを開けておき、半導体素子の周囲に本発明のアンダーフィル材を塗布した後、半導体素子と基板との間隙に毛細管現象で流し込む方法などが挙げられる。また、一度に全量を塗布するのではなく、２度以上に分けて塗布する方法でもよい。
【００１２】
次に充填したアンダーフィル材を硬化させる。硬化条件は、特に限定されないが、例えば１００〜１７０℃の温度範囲で１〜１２時間加熱を行うことにより硬化できる。さらに、例えば１００℃で１時間加熱した後、引き続き１５０℃で２時間加熱するような、段階的に温度を変化させながら加熱硬化を行ってもよい。
このようにして、半導体素子と基板との間が、アンダーフィル材の硬化物で封止されている半導体装置を得ることができる。
【００１３】
本発明に使用するアンダーフィル材は、硬化後の硬化物のガラス転移温度が９０〜１３０℃であり、２５℃での線膨張係数が１５〜３０ｐｐｍ／℃であり、２５℃での弾性率が３〜７ＧＰａであり、かつ２５℃での線膨張係数と２５℃での弾性率の積であるストレスインデックスが１００以上１５０以下であることが必要である。ここでストレスインデックスは、２５℃での線膨張係数をＸｐｐｍ／℃、２５℃での弾性率をＹＧＰａとした場合のＸＹの値である。
アンダーフィル材の硬化後の硬化物のガラス転移温度は、好ましくは９５〜１２５℃であり、２５℃での線膨張係数は好ましくは２０〜３０ｐｐｍ／℃であり、２５℃での弾性率は好ましくは４〜６．５ＧＰａであり、ストレスインデックスは好ましくは１１０〜１４５である。
上記特性を上記範囲内にすることにより、半導体装置において、特にＬｏｗ−ｋ層へのストレスを低減し、かつ鉛フリー半田バンプの破壊を低減することが可能となっている。
【００１４】
次に上記半導体装置が備えるアンダーフィル材について説明する。本実施の形態におけるアンダーフィル材としては、熱硬化性樹脂から構成されていることが好ましい。例えば（Ａ）エポキシ樹脂、（Ｂ）硬化剤、（Ｃ）低応力材、および（Ｄ）無機充填剤を含有するエポキシ樹脂組成物を使用することが出来る。以下エポキシ樹脂組成物を使用する場合について説明する。
【００１５】
アンダーフィル材に用いられる（Ａ）エポキシ樹脂としては、一分子中にエポキシ基を２個以上有するものであれば特に分子量や構造は限定されるものではない。
例えば、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などのノボラック型エポキシ樹脂、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂などのビスフェノール型エポキシ樹脂、Ｎ，Ｎ−ジグリシジルアニリン、Ｎ，Ｎ−ジグリシジルトルイジン、ジアミノジフェニルメタン型グリシジルアミン、アミノフェノール型グリシジルアミンなどの芳香族グリシジルアミン型エポキシ樹脂、ハイドロキノン型エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂、スチルベン型エポキシ樹脂、トリフェノールメタン型エポキシ樹脂、トリフェノールプロパン型エポキシ樹脂、アルキル変性トリフェノールメタン型エポキシ樹脂、トリアジン核含有エポキシ樹脂、ジシクロペンタジエン変性フェノール型エポキシ樹脂、ナフトール型エポキシ樹脂、ナフタレン型エポキシ樹脂、フェニレンおよび／またはビフェニレン骨格を有するフェノールアラルキル型エポキシ樹脂、フェニレンおよび／またはビフェニレン骨格を有するナフトールアラルキル型エポキシ樹脂などのアラルキル型エポキシ樹脂などのエポキシ樹脂、ビニルシクロヘキセンジオキシド、ジシクロペンタジエンオキシド、アリサイクリックジエポキシ−アジペイドなどの脂環式エポキシなどの脂肪族エポキシ樹脂が挙げられる。
【００１６】
さらに本発明の場合、芳香族環にグリシジル構造またはグリシジルアミン構造が結合した構造を含むエポキシ樹脂が耐熱性、機械特性、耐湿性が高くなる点からより好ましく、脂肪族または脂環式エポキシ樹脂は信頼性、特に接着性が低くなる点から使用する量を制限するほうがさらに好ましい。これらは単独でも２種以上混合して使用しても良い。
【００１７】
本発明に使用するアンダーフィル材は、室温で液状であることが好ましい。そのため（Ａ）エポキシ樹脂として、１種の（Ａ）エポキシ樹脂のみを含む場合は、その１種の（Ａ）エポキシ樹脂は、室温で液状であり、また、２種以上の（Ａ）エポキシ樹脂を含む場合は、それら２種以上の（Ａ）エポキシ樹脂全部の混合物が、室温で液状であることが好ましい。このため、（Ａ）エポキシ樹脂が、２種以上の（Ａ）エポキシ樹脂の組合せの場合、（Ａ）エポキシ樹脂は、全てが室温で液状のエポキシ樹脂の組合せであってもよく、あるいは、一部が室温で固形のエポキシ樹脂あっても他の室温で液状のエポキシ樹脂と混合することにより、混合物が室温で液状となるのであれば、室温で液状のエポキシ樹脂と室温で固形のエポキシ樹脂との組合せであってもよい。なお、（Ａ）エポキシ樹脂が、２種以上のエポキシ樹脂が組合せの場合、必ずしも、使用する全てのエポキシ樹脂を混合してから、他の成分と混合して、アンダーフィル材を製造する必要はなく、使用するエポキシ樹脂を別々に混合して、アンダーフィル材を製造してもよい。本発明で、（Ａ）エポキシ樹脂が、室温で液状であるとは、エポキシ樹脂成分（Ａ）として使用する全てのエポキシ樹脂を混合した場合に、その混合物が室温で液状になるということである。
本発明において、室温とは２５℃を指し、また、液状とは樹脂組成物が流動性を有していることを指す。
【００１８】
アンダーフィル材に用いられる（Ｂ）硬化剤としては、エポキシ樹脂を硬化し得るものであれば特に構造は限定されないが、アミン硬化剤を使用することが好ましい。
アミン硬化剤としては、例えばジエチレントリアミン、トリエチレンテトラアミン、テトラエチレンペンタミン、ｍ−キシレンジアミン、トリメチルヘキサメチレンジアミン、２−メチルペンタメチレンジアミン脂肪族ポリアミン、イソフォロンジアミン、１，３−ビスアミノメチルシクロヘキサン、ビス（４−アミノシクロヘキシル）メタン、ノルボルネンジアミン、１，２−ジアミノシクロヘキサンなどの脂環式ポリアミン、Ｎ−アミノエチルピペラジン、１，４−ビス（２−アミノ−２−メチルプロピル）ピペラジンなどのピペラジン型のポリアミン、ジアミノジフェニルメタン、ｍ−フェニレンジアミン、ジアミノジフェニルスルホン、ジエチルトルエンジアミン、トリメチレンビス（４−アミノベンゾエート）、ポリテトラメチレンオキシド−ジ−Ｐ−アミノベンゾエートなどの芳香族ポリアミン類などが挙げられる。
【００１９】
これらのアミン硬化剤は、１種単独で用いても、２種以上の組合せでも良い。また、本発明の効果が達成される範囲であれば、芳香族アミン、脂肪族アミン、固形アミン、フェノール性硬化剤、酸無水物などの硬化剤を併用することもできる。
さらに半導体装置の封止用途では、耐熱性、電気的特性、機械的特性、密着性、耐湿性が高くなる点から芳香族ポリアミン型硬化剤が一層好ましい。さらに本発明の液状樹脂組成物がアンダーフィルとして用いられる場合には、室温（２５℃）で液状を呈するものがより好ましい。
【００２０】
アンダーフィル材に用いられる（Ｃ）低応力剤は、樹脂組成物を低弾性率化させることができ、エポキシ樹脂に少なくとも一部が溶解できることが好ましい。また室温で固形であることが好ましい。低応力材の成分は、限定されるものではないが、アクリル樹脂が好ましく、メタクリル酸エステル又はアクリル酸エステルのモノマーを重合させて得られる重合体であることが好ましい。
メタクリル酸エステルとしては、例えば、メタクリル酸メチル、メタクリル酸エチル、メタクリル酸ｎ−ブチル、メタクリル酸ｎ−プロピル、メタクリル酸イソプロピル、メタクリル酸イソブチル、メタクリル酸ターシャルブチル、メタクリル酸グリシジル、メタクリル酸ラウリル、メタクリル酸n−ヘキシル、メタクリル酸ｎ−オクチル、メタクリル酸トリデシル、メタクリル酸イソボルニル、メタクリル酸シクロヘキシル等が挙げられる。
アクリル酸エステルとしては、アクリル酸メチル、アクリル酸エチル、アクリル酸ｎ−プロピル、アクリル酸イソプロピル、アクリル酸n−ブチル、アクリル酸イソブチル、アクリル酸ｔ−ブチル、アクリル酸２−エチルヘキシル、アクリル酸ｎ−オクチル、アクリル酸ｎ−ヘキシル、アクリル酸ラウリル、アクリル酸トリデシル、アクリル酸ステアリル等が挙げられる。
これらのモノマーの単独重合体又は共重合体などが選択できるが、共重合体が好ましい。
【００２１】
共重合体とは、２種類以上のモノマーから重合されたポリマーの総称であり、２種類以上のモノマーがランダムに重合されたランダム共重合体、2種のモノマーが交互に重合された交互共重合体、一つの分子中に２種類以上のポリマーが共存していて、共に主鎖を形成しているタイプであるブロック共重合体、一つのポリマー成分が主鎖、別の異なるポリマー成分が枝のようにぶら下がっているタイプであるグラフト共重合体などが選択できる。
これらの中でより好ましいのは、ブロック共重合体である。
ブロック共重合体とは、単一組成の重合物Aと別の単一組成の重合物Bが同一の分子中にA−Bという形でつながれている構造の共重合体である。ブロック共重合体には、ジブロックタイプA−B、トリブロックタイプA−B−A、トリブロックタイプでも３種類の組成からなるA−B−Cなどのタイプが選択できる。
このアクリル樹脂は、A−B−Aタイプのトリブロック共重合体が好ましく、AおよびBについては、上記の例に挙げたモノマーから選択したモノマーから構成される重合体ブロックである。
【００２２】
Ａ−Ｂ−Ａタイプのトリブロック共重合体の重合体ブロックＡは、トリブロック共重合体をエポキシ樹脂に溶解させるためにエポキシ樹脂との親和性が高く、ハンドリング性を向上させるためにガラス転移温度が室温以上であることが好ましく、メタクリル酸メチル、メタクリル酸エチル、メタクリル酸ブチル、メタクリル酸グリシジルなどから選択したモノマーから構成される重合体ブロックであり、好ましくは、メタクリル酸メチル重合体ブロックである。
重合体ブロックＢは、低弾性率効果を発揮するためにガラス転移温度が０℃以下であることが好ましく、アクリル酸エチル、アクリル酸メチル、アクリル酸ブチル、アクリル酸２−エチルヘキシルなどから選択したモノマーから構成される重合体ブロックであり、好ましくは、アクリル酸ｎ−ブチル重合体ブロックである。
【００２３】
Ａ−Ｂ−Ａタイプのトリブロック共重合体において、重合体ブロックＡと重合体ブロックＢの比率については、どのような割合についても選択できるが、好ましくは、重合体ブロックＢが５０〜９０重量％、より好ましくは、６０〜８０重量％である。重合体ブロックＢは、低弾性率効果を示す成分であり、より多く含まれる方が、低弾性率化でき有利である。しかし重合体ブロックＢのみになるとエポキシ樹脂への親和性が悪くなり、エポキシ樹脂へ溶解できなくなる。そのため、重合体ブロックＡが１０重量％以上含まれる事が好ましく、２０重量％以上含まれることがより好ましい。
アクリル樹脂の重量平均分子量は、好ましくは５０００以上１５００００以下、より好ましくは、１００００以上１０００００以下である。
【００２４】
（Ｃ）低応力剤の配合量は、特に制限されるものではないが、上記樹脂組成物に対して、好ましくは０．５〜５重量％であり、より好ましくは２〜４重量％である。（Ｃ）低応力剤の配合量が上記下限値未満の場合は低弾性率の効果が得られない恐れがあり、上記上限値を超える場合は線膨張係数が大きくなりすぎる恐れがある。
【００２５】
アンダーフィル材に用いられる（Ｄ）無機充填剤は、破壊靭性などの機械的強度、熱時寸法安定性、耐湿性を向上することから、半導体装置の信頼性を特に向上することができる。
（Ｄ）無機充填剤としては、例えばタルク、焼成クレー、未焼成クレー、マイカ、ガラスなどのケイ酸塩、酸化チタン、アルミナ、溶融シリカ（溶融球状シリカ、溶融破砕シリカ）、合成シリカ、結晶シリカなどのシリカ粉末の酸化物、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、ハイドロタルサイトなどの炭酸塩、水酸化アルミニウム、水酸化マグネシウム、水酸化カルシウムなどの水酸化物、硫酸バリウム、硫酸カルシウム、亜硫酸カルシウムなどの硫酸塩または亜硫酸塩、ホウ酸亜鉛、メタホウ酸バリウム、ホウ酸アルミニウム、ホウ酸カルシウム、ホウ酸ナトリウムなどのホウ酸塩、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、窒化ケイ素などの窒化物などを用いることができる。これらの（Ｄ）無機充填剤は、１種単独でも２種以上の組合せでも良い。これらの中でも樹脂組成物の耐熱性、耐湿性、強度などを向上できることから溶融シリカ、結晶シリカ、又は合成シリカ粉末が好ましい。前記（Ｄ）無機充填剤の形状は、特に限定されないが、粘度・流動特性の観点から形状は球状であることが好ましい。
【００２６】
上記（Ｄ）無機充填剤の最大粒子径および平均粒子径は特に限定されないが、最大粒子径が２５μｍ以下、かつ平均粒子径が０．１μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましい。最大粒子径を上記上限値以下とすることにより液状封止樹脂組成物が半導体装置へ流動する際のフィラー詰まりによる部分的な未充填や充填不良を抑制する効果が高くなる。また平均粒子径を上記下限値以上にすることにより、液状封止樹脂組成物の粘度が適度に低下し、充填性が向上する。
【００２７】
（Ｄ）無機充填剤の配合量は、特に制限されるものではないが、上記樹脂組成物に対して、好ましくは３０〜７５重量％であり、より好ましくは５０〜６５重量％である。（Ｃ）無機充填剤の配合量が上記下限値未満の場合は線膨張係数が大きくなりすぎる恐れがあり、上記上限値を超える場合は弾性率が大きくなりすぎる恐れがある。
【００２８】
上記樹脂組成物には、上述した各成分以外に、必要に応じてカップリング剤、液状低応力剤、希釈剤、顔料、難燃剤、レベリング剤、消泡剤などの添加剤を用いることができる。
【実施例】
【００２９】
以下、本発明を実施例および比較例に基づいて詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００３０】
（実施例１）
１．アンダーフィル材の製造
（Ａ）液状エポキシ樹脂１を１２．３重量％と液状エポキシ樹脂２を１２．３重量％、（Ｂ）アミン硬化剤１を９．１重量％、アミン硬化剤２を５．７重量％、（Ｃ）低応力剤１として、トリブロックアクリル樹脂を３．７重量％、（Ｄ）無機充填剤を５５重量％、シランカップリング剤としてエポキシシランカップリング剤を１．２重量％、希釈剤を０．５重量％、着色剤を０．１重量％、配合し、プラネタリーミキサーと３本ロールを用いて混合し、真空脱泡処理することにより液状樹脂組成物であるアンダーフィル材を得た。
【００３１】
２．半導体装置の製造
得られたアンダーフィル材を用いて半導体装置を作成した。
使用した半導体装置の構造を図１に示す。基板２と低誘電率材料（ＣＶＤで形成したポーラス化ＳｉＯＣ膜、比誘電率＝２．２）を層間絶縁膜として用いた半導体チップ１が鉛フリー半田（組成：Ｓｎ−３．５Ａｇ）バンプ３によって予めフリップチップ接続されている基板を用いた。半導体チップのサイズは１５ｍｍ×１５ｍｍ×０．７５ｍｍｔで、基板のサイズは５０ｍｍ×５０ｍｍ×０．４ｍｍｔであった。半田バンプの高さは０．０８ｍｍであった。
上述の半導体チップが搭載された基板にアンダーフィル材を充填する前にプラズマ装置（Ｍａｒｃｈ Ｐｌａｓｍａ Ｓｙｓｔｅｍｓ社製ＡＰ−１０００）でプラズマ処理を行った。プラズマ処理は、ガス種：Ａｒ、ガス流量：５０ｓｃｃｍ、処理強さ：３５０Ｗ、処理時間：４２０ｓ、ダイレクトプラズマモードの条件で処理を行った。
その後、上述の半導体チップが搭載された基板を１１０℃の熱板上で加熱し、アンダーフィル材をディスペンスし、ギャップ内を充填させ、１５０℃のオーブンで１２０分間アンダーフィル材４を加熱硬化し、半導体装置を得た。
【００３２】
３．評価項目
得られたアンダーフィル材および半導体装置について、以下の評価を行った。得られた結果を表１に示す。
（ａ）線膨張係数の測定
上記アンダーフィル材を１５０℃のオーブンで１２０分間硬化後、切削により５ｍｍ×５ｍｍ×１０ｍｍの試験片を得た。この試験片をＴＭＡ装置（セイコーインスツルメント社製ＴＭＡ／ＳＳ６１００）を用いて圧縮荷重５ｇで、−１００℃から３００℃の温度範囲を１０℃／分の条件で測定した。この測定により、ガラス転移温度（Ｔｇ）及び２５℃での線膨張係数を得た。
【００３３】
（ｂ）弾性率の測定
上記アンダーフィル材を１５０℃オーブンで１２０分間硬化し、１０ｍｍ×２０ｍｍ×１．５ｍｍの試験片を得た。この試験片をＤＭＡ装置（セイコーインスツルメント社製ＤＭＳ６１００）を用いて、−３０℃から３００℃の温度範囲を５℃／分の条件で測定した。この測定より２５℃での弾性率を得た。
【００３４】
（ｃ）ストレスインデックスの算出
上述で得られた２５℃での線膨張係数Ｘｐｐｍ／℃、２５℃での弾性率ＹＧＰａの積であるＸＹの値をストレスインデックスとして算出した。
（ｄ）リフロー試験
リフロー試験の試験方法としては、上記の半導体装置をＪＥＤＥＣレベル３の吸湿処理（３０℃相対湿度６０％で１９２時間処理）を行った後、ＩＲリフロー処理（ピーク温度２６０℃）を３回行い、超音波探傷装置にて半導体装置内部での剥離・クラックの有無を確認した。剥離及びクラックのない場合を○とした。
【００３５】
（ｅ）温度サイクル試験（ＴＣサイクル）
温度サイクル試験としては、上記のリフロー試験を行った半導体装置に（−５５℃／３０分）と（１２５℃／３０分）の冷熱サイクル処理を施し、１０００サイクル毎に超音波探傷装置にて半導体装置内部での剥離・クラックの有無を確認した。上記温度サイクル試験は最終的に３０００サイクルまで実施した（ＴＣ１０００サイクル〜ＴＣ３０００サイクル）。剥離及びクラックのない場合を○とした。
アンダーフィル材の詳細な配合および評価結果を表１にまとめた。
【００３６】
（実施例２〜５）
アンダーフィル材の配合を変えた以外は、実施例１と同様にした。アンダーフィル材の詳細な配合および評価結果を表１にまとめた。
【００３７】
（比較例１〜８）
アンダーフィル材の配合を変えた以外は、実施例１と同様にした。アンダーフィル材の詳細な配合および評価結果を表１にまとめた。
【００３８】
実施例および比較例では、以下の材料を使用した。
・液状エポキシ樹脂１：ＤＩＣ（株）製、ＥＸＡ−８３０ＬＶＰ、ビスフェノールＦ型液状エポキシ樹脂とビスフェノールＡ型液状エポキシ樹脂の混合物、エポキシ当量１６５
・液状エポキシ樹脂２：多官能エポキシ樹脂、三菱化学（株）製、ｊＥＲ６３０、Ｎ，Ｎ−ビス（２，３−エポキシプロピル）−４−（２，３−エポキシプロポキシ）アニリン、エポキシ当量１００
・アミン硬化剤１：芳香族１級アミン型硬化剤、日本化薬（株）製、カヤハード−ＡＡ、３，３’−ジエチル−４，４’−ジアミノジフェニルメタン、アミン当量６３．５
・アミン硬化剤２：芳香族２級アミン型硬化剤、三洋化成工業（株）、Ｔ−１2、４，４’−メチレンビス（Ｎ−メチルアニリン）、アミン当量１１６
・低応力剤１：トリブロックアクリル樹脂、クラレ（株）製、ＬＡ２１４０Ｅ（Ａ−Ｂ−Ａ型アクリルトリブロック共重合体、ＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル、ガラス転移温度：１００〜１２０ ℃ ）−ＰｎＢＡ（ポリアクリル酸ｎ−ブチル、ガラス転移温度：−４０〜−５０ ℃ ）−ＰＭＭＡ ）、ＰＭＭＡ割合２０重量％、Ｍｗ＝８００００）
・低応力剤２：ダイセル化学工業（株）製、ＰＢ−３６００、液状ポリブタジエン
・低応力剤３：信越化学工業（株）製、ＫＭＰ−６０５、オルガノポリシロキサン球状粒子
・無機充填剤：（株）アドマテックス製、アドマファインＳＯ−Ｅ３、合成球状シリカ、平均粒径１．０μｍ
・カップリング剤： 信越化学工業（株）製、ＫＢＭ−４０３Ｅ、γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン
・希釈剤：東京化成工業（株）製、エチレングリコールモノ−ｎ−ブチルエーテルアセテート
・着色剤：三菱化学（株）製、ＭＡ−６００、カーボンブラック
【００３９】
表１において、アンダーフィル材のTgが高く、ストレスインデックスも１５０を超えている比較例１では、温度サイクル中の比較的早いサイクルにおいてＬｏｗ−ｋ層にクラックが発生した。
比較例２や比較例３、比較例７、比較例８のように、アンダーフィル材の線膨張係数は低いが、弾性率が高く、ストレスインデックスが１５０を超えている場合、ＴＣ２０００サイクルでＬｏｗ−ｋクラックが発生した。
比較例４のようにアンダーフィル材のＴｇが低い場合、Ｌｏｗ−ｋ層の不具合は見られないが、バンプにかかるストレスが大きくなり、温度サイクル中にバンプクラックが発生した。
比較例５のように、アンダーフィル材の線膨張係数が低いが弾性率が多少高く、ストレスインデックスが１５０を若干越えている場合、ＴＣ２０００サイクルまでは不良は見られないが、ＴＣ３０００サイクルでＬｏｗ−ｋクラックが発生した。
アンダーフィル材の弾性率は低いが、線膨張係数が大きい比較例６の場合、ＴＣ１０００サイクルでバンプクラックが発生した。
これに対し、実施例１〜５はアンダーフィル材の線膨張係数も弾性率も低いためにストレスインデックス１５０以下が達成され、温度サイクルにおいてＬｏｗ−ｋクラックもバンプクラックも発生しなかった。
【００４０】
【表１】
【符号の説明】
【００４１】
１ 基板
２ 半導体チップ
３ 半田バンプ
４ アンダーフィル材
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
フリップチップ方式の半導体装置では、半導体素子と基板とを半田バンプで電気的に接続している。このフリップチップ方式の半導体装置は、接続信頼性を向上するために半導体素子と基板との間にアンダーフィル材と呼ばれる樹脂組成物を充填して半田バンプの周辺を補強している（特許文献１参照）。近年、半導体素子には層間絶縁膜として低誘電率膜（Ｌｏｗ−ｋ層）を含んでおり、また半田バンプとしては鉛フリー材料が使用されている（特許文献２参照）。このため熱応力によるＬｏｗ−ｋ層の破壊や半田バンプのクラックを防ぐためにアンダーフィル材にはより一層の低熱膨張化が求められる。アンダーフィル材を低熱膨張化するにはフィラーの高充填が必須であり、フィラーを高充填したアンダーフィル材もこれまでに開発されている（特許文献３、４参照）。
しかし、フィラーの高充填に伴い、アンダーフィル材の線膨張係数は低下するものの、アンダーフィル材の室温弾性率が高くなってしまう。アンダーフィル材が高弾性率であると、Ｌｏｗ−ｋ層へのストレスを増加させてしまう。アンダーフィル材の低線膨張率化と低弾性率化を両立させることで、半導体装置の信頼性が増すため、これらの特性が両立したアンダーフィル材を用いたフリップチップ方式の半導体装置が必要とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第４４９２３２６号公報
【特許文献２】特許第４２７４２８０号公報
【特許文献３】特開２００３−１３７５２９号公報
【特許文献４】国際公開第２０１０／０７３５５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、低線膨張係数かつ室温低弾性率のアンダーフィル材を用いて高い信頼性を有するフリップチップ方式の半導体装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は以下の通りである。
（１）配線基板、前記配線基板にフリップチップ接続された半導体素子、前記配線基板と前記半導体素子の間隙を充填するアンダーフィル材から構成される半導体装置で、前記アンダーフィル材の硬化後の硬化物のガラス転移温度が９０℃〜１３０℃であり、２５℃での線膨張係数が１５〜３０ｐｐｍ／℃であり、２５℃での弾性率が３〜７ＧＰａであり、かつ２５℃での線膨張係数と２５℃での弾性率の積であるストレスインデックスが１００以上１５０以下である半導体装置。
（２）前記半導体素子中に低誘電率膜を有し、前記半導体素子と前記配線基板をフリップチップ接続するのに鉛フリー半田バンプを用いた（１）記載の半導体装置。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、低線膨張係数かつ室温低弾性率アンダーフィル材を用いることで高い信頼性を有するフリップチップ方式の半導体装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の半導体装置の実施形態の一例を示す概略断面図
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本発明は、配線基板、前記配線基板にフリップチップ接続された半導体素子、前記配線基板と前記半導体素子の間隙を充填するアンダーフィル材から構成される半導体装置で、前記アンダーフィル材の硬化後の硬化物のガラス転移温度が９０℃〜１３０℃であり、２５℃での線膨張係数が１５〜３０ｐｐｍ／℃であり、２５℃での弾性率が３〜７ＧＰａであり、かつ２５℃での線膨張係数と２５℃での弾性率の積であるストレスインデックスが１００以上１５０以下である半導体装置である。
【０００９】
以下、本発明の半導体装置について説明する。
フリップチップ型半導体装置は、半田電極が具備された半導体素子を基板に接続し、該半導体素子と該基板の間隙をアンダーフィル材で封止する。この場合、基板側の半田電極が接合する部位以外の領域は半田が流れないようにソルダーレジストが形成されていることが好ましい。
【００１０】
この半導体素子は、例えばシリコン基板の主面に銅配線を含む層間絶縁膜、保護膜が順次積層された構造を有している。保護膜の開口部には半田バンプが設けられ、これを介して半導体素子と基板との接続が取られている。層間絶縁膜は多層膜であり、本発明においては比誘電率３．３以下の低誘電率膜を含んでいることが好ましい。この低誘電率膜を一般にＬｏｗ−ｋ層という。本発明において半田バンプは鉛フリー半田からなっていることが好ましい。
【００１１】
該半導体素子と該基板との間隙にアンダーフィル材を充填する。充填する方法としては、毛細管現象を利用する方法が挙げられる。具体的には、半導体素子の一辺にアンダーフィル材を塗布した後、半導体素子と基板との間隙に毛細管現象で流し込む方法、半導体素子の２辺にアンダーフィル材を塗布した後、半導体素子と基板との間隙に毛細管現象で流し込む方法、半導体素子の中央部にスルーホールを開けておき、半導体素子の周囲に本発明のアンダーフィル材を塗布した後、半導体素子と基板との間隙に毛細管現象で流し込む方法などが挙げられる。また、一度に全量を塗布するのではなく、２度以上に分けて塗布する方法でもよい。
【００１２】
次に充填したアンダーフィル材を硬化させる。硬化条件は、特に限定されないが、例えば１００〜１７０℃の温度範囲で１〜１２時間加熱を行うことにより硬化できる。さらに、例えば１００℃で１時間加熱した後、引き続き１５０℃で２時間加熱するような、段階的に温度を変化させながら加熱硬化を行ってもよい。
このようにして、半導体素子と基板との間が、アンダーフィル材の硬化物で封止されている半導体装置を得ることができる。
【００１３】
本発明に使用するアンダーフィル材は、硬化後の硬化物のガラス転移温度が９０〜１３０℃であり、２５℃での線膨張係数が１５〜３０ｐｐｍ／℃であり、２５℃での弾性率が３〜７ＧＰａであり、かつ２５℃での線膨張係数と２５℃での弾性率の積であるストレスインデックスが１００以上１５０以下であることが必要である。ここでストレスインデックスは、２５℃での線膨張係数をＸｐｐｍ／℃、２５℃での弾性率をＹＧＰａとした場合のＸＹの値である。
アンダーフィル材の硬化後の硬化物のガラス転移温度は、好ましくは９５〜１２５℃であり、２５℃での線膨張係数は好ましくは２０〜３０ｐｐｍ／℃であり、２５℃での弾性率は好ましくは４〜６．５ＧＰａであり、ストレスインデックスは好ましくは１１０〜１４５である。
上記特性を上記範囲内にすることにより、半導体装置において、特にＬｏｗ−ｋ層へのストレスを低減し、かつ鉛フリー半田バンプの破壊を低減することが可能となっている。
【００１４】
次に上記半導体装置が備えるアンダーフィル材について説明する。本実施の形態におけるアンダーフィル材としては、熱硬化性樹脂から構成されていることが好ましい。例えば（Ａ）エポキシ樹脂、（Ｂ）硬化剤、（Ｃ）低応力材、および（Ｄ）無機充填剤を含有するエポキシ樹脂組成物を使用することが出来る。以下エポキシ樹脂組成物を使用する場合について説明する。
【００１５】
アンダーフィル材に用いられる（Ａ）エポキシ樹脂としては、一分子中にエポキシ基を２個以上有するものであれば特に分子量や構造は限定されるものではない。
例えば、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などのノボラック型エポキシ樹脂、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂などのビスフェノール型エポキシ樹脂、Ｎ，Ｎ−ジグリシジルアニリン、Ｎ，Ｎ−ジグリシジルトルイジン、ジアミノジフェニルメタン型グリシジルアミン、アミノフェノール型グリシジルアミンなどの芳香族グリシジルアミン型エポキシ樹脂、ハイドロキノン型エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂、スチルベン型エポキシ樹脂、トリフェノールメタン型エポキシ樹脂、トリフェノールプロパン型エポキシ樹脂、アルキル変性トリフェノールメタン型エポキシ樹脂、トリアジン核含有エポキシ樹脂、ジシクロペンタジエン変性フェノール型エポキシ樹脂、ナフトール型エポキシ樹脂、ナフタレン型エポキシ樹脂、フェニレンおよび／またはビフェニレン骨格を有するフェノールアラルキル型エポキシ樹脂、フェニレンおよび／またはビフェニレン骨格を有するナフトールアラルキル型エポキシ樹脂などのアラルキル型エポキシ樹脂などのエポキシ樹脂、ビニルシクロヘキセンジオキシド、ジシクロペンタジエンオキシド、アリサイクリックジエポキシ−アジペイドなどの脂環式エポキシなどの脂肪族エポキシ樹脂が挙げられる。
【００１６】
さらに本発明の場合、芳香族環にグリシジル構造またはグリシジルアミン構造が結合した構造を含むエポキシ樹脂が耐熱性、機械特性、耐湿性が高くなる点からより好ましく、脂肪族または脂環式エポキシ樹脂は信頼性、特に接着性が低くなる点から使用する量を制限するほうがさらに好ましい。これらは単独でも２種以上混合して使用しても良い。
【００１７】
本発明に使用するアンダーフィル材は、室温で液状であることが好ましい。そのため（Ａ）エポキシ樹脂として、１種の（Ａ）エポキシ樹脂のみを含む場合は、その１種の（Ａ）エポキシ樹脂は、室温で液状であり、また、２種以上の（Ａ）エポキシ樹脂を含む場合は、それら２種以上の（Ａ）エポキシ樹脂全部の混合物が、室温で液状であることが好ましい。このため、（Ａ）エポキシ樹脂が、２種以上の（Ａ）エポキシ樹脂の組合せの場合、（Ａ）エポキシ樹脂は、全てが室温で液状のエポキシ樹脂の組合せであってもよく、あるいは、一部が室温で固形のエポキシ樹脂あっても他の室温で液状のエポキシ樹脂と混合することにより、混合物が室温で液状となるのであれば、室温で液状のエポキシ樹脂と室温で固形のエポキシ樹脂との組合せであってもよい。なお、（Ａ）エポキシ樹脂が、２種以上のエポキシ樹脂が組合せの場合、必ずしも、使用する全てのエポキシ樹脂を混合してから、他の成分と混合して、アンダーフィル材を製造する必要はなく、使用するエポキシ樹脂を別々に混合して、アンダーフィル材を製造してもよい。本発明で、（Ａ）エポキシ樹脂が、室温で液状であるとは、エポキシ樹脂成分（Ａ）として使用する全てのエポキシ樹脂を混合した場合に、その混合物が室温で液状になるということである。
本発明において、室温とは２５℃を指し、また、液状とは樹脂組成物が流動性を有していることを指す。
【００１８】
アンダーフィル材に用いられる（Ｂ）硬化剤としては、エポキシ樹脂を硬化し得るものであれば特に構造は限定されないが、アミン硬化剤を使用することが好ましい。
アミン硬化剤としては、例えばジエチレントリアミン、トリエチレンテトラアミン、テトラエチレンペンタミン、ｍ−キシレンジアミン、トリメチルヘキサメチレンジアミン、２−メチルペンタメチレンジアミン脂肪族ポリアミン、イソフォロンジアミン、１，３−ビスアミノメチルシクロヘキサン、ビス（４−アミノシクロヘキシル）メタン、ノルボルネンジアミン、１，２−ジアミノシクロヘキサンなどの脂環式ポリアミン、Ｎ−アミノエチルピペラジン、１，４−ビス（２−アミノ−２−メチルプロピル）ピペラジンなどのピペラジン型のポリアミン、ジアミノジフェニルメタン、ｍ−フェニレンジアミン、ジアミノジフェニルスルホン、ジエチルトルエンジアミン、トリメチレンビス（４−アミノベンゾエート）、ポリテトラメチレンオキシド−ジ−Ｐ−アミノベンゾエートなどの芳香族ポリアミン類などが挙げられる。
【００１９】
これらのアミン硬化剤は、１種単独で用いても、２種以上の組合せでも良い。また、本発明の効果が達成される範囲であれば、芳香族アミン、脂肪族アミン、固形アミン、フェノール性硬化剤、酸無水物などの硬化剤を併用することもできる。
さらに半導体装置の封止用途では、耐熱性、電気的特性、機械的特性、密着性、耐湿性が高くなる点から芳香族ポリアミン型硬化剤が一層好ましい。さらに本発明の液状樹脂組成物がアンダーフィルとして用いられる場合には、室温（２５℃）で液状を呈するものがより好ましい。
【００２０】
アンダーフィル材に用いられる（Ｃ）低応力剤は、樹脂組成物を低弾性率化させることができ、エポキシ樹脂に少なくとも一部が溶解できることが好ましい。また室温で固形であることが好ましい。低応力材の成分は、限定されるものではないが、アクリル樹脂が好ましく、メタクリル酸エステル又はアクリル酸エステルのモノマーを重合させて得られる重合体であることが好ましい。
メタクリル酸エステルとしては、例えば、メタクリル酸メチル、メタクリル酸エチル、メタクリル酸ｎ−ブチル、メタクリル酸ｎ−プロピル、メタクリル酸イソプロピル、メタクリル酸イソブチル、メタクリル酸ターシャルブチル、メタクリル酸グリシジル、メタクリル酸ラウリル、メタクリル酸n−ヘキシル、メタクリル酸ｎ−オクチル、メタクリル酸トリデシル、メタクリル酸イソボルニル、メタクリル酸シクロヘキシル等が挙げられる。
アクリル酸エステルとしては、アクリル酸メチル、アクリル酸エチル、アクリル酸ｎ−プロピル、アクリル酸イソプロピル、アクリル酸n−ブチル、アクリル酸イソブチル、アクリル酸ｔ−ブチル、アクリル酸２−エチルヘキシル、アクリル酸ｎ−オクチル、アクリル酸ｎ−ヘキシル、アクリル酸ラウリル、アクリル酸トリデシル、アクリル酸ステアリル等が挙げられる。
これらのモノマーの単独重合体又は共重合体などが選択できるが、共重合体が好ましい。
【００２１】
共重合体とは、２種類以上のモノマーから重合されたポリマーの総称であり、２種類以上のモノマーがランダムに重合されたランダム共重合体、2種のモノマーが交互に重合された交互共重合体、一つの分子中に２種類以上のポリマーが共存していて、共に主鎖を形成しているタイプであるブロック共重合体、一つのポリマー成分が主鎖、別の異なるポリマー成分が枝のようにぶら下がっているタイプであるグラフト共重合体などが選択できる。
これらの中でより好ましいのは、ブロック共重合体である。
ブロック共重合体とは、単一組成の重合物Aと別の単一組成の重合物Bが同一の分子中にA−Bという形でつながれている構造の共重合体である。ブロック共重合体には、ジブロックタイプA−B、トリブロックタイプA−B−A、トリブロックタイプでも３種類の組成からなるA−B−Cなどのタイプが選択できる。
このアクリル樹脂は、A−B−Aタイプのトリブロック共重合体が好ましく、AおよびBについては、上記の例に挙げたモノマーから選択したモノマーから構成される重合体ブロックである。
【００２２】
Ａ−Ｂ−Ａタイプのトリブロック共重合体の重合体ブロックＡは、トリブロック共重合体をエポキシ樹脂に溶解させるためにエポキシ樹脂との親和性が高く、ハンドリング性を向上させるためにガラス転移温度が室温以上であることが好ましく、メタクリル酸メチル、メタクリル酸エチル、メタクリル酸ブチル、メタクリル酸グリシジルなどから選択したモノマーから構成される重合体ブロックであり、好ましくは、メタクリル酸メチル重合体ブロックである。
重合体ブロックＢは、低弾性率効果を発揮するためにガラス転移温度が０℃以下であることが好ましく、アクリル酸エチル、アクリル酸メチル、アクリル酸ブチル、アクリル酸２−エチルヘキシルなどから選択したモノマーから構成される重合体ブロックであり、好ましくは、アクリル酸ｎ−ブチル重合体ブロックである。
【００２３】
Ａ−Ｂ−Ａタイプのトリブロック共重合体において、重合体ブロックＡと重合体ブロックＢの比率については、どのような割合についても選択できるが、好ましくは、重合体ブロックＢが５０〜９０重量％、より好ましくは、６０〜８０重量％である。重合体ブロックＢは、低弾性率効果を示す成分であり、より多く含まれる方が、低弾性率化でき有利である。しかし重合体ブロックＢのみになるとエポキシ樹脂への親和性が悪くなり、エポキシ樹脂へ溶解できなくなる。そのため、重合体ブロックＡが１０重量％以上含まれる事が好ましく、２０重量％以上含まれることがより好ましい。
アクリル樹脂の重量平均分子量は、好ましくは５０００以上１５００００以下、より好ましくは、１００００以上１０００００以下である。
【００２４】
（Ｃ）低応力剤の配合量は、特に制限されるものではないが、上記樹脂組成物に対して、好ましくは０．５〜５重量％であり、より好ましくは２〜４重量％である。（Ｃ）低応力剤の配合量が上記下限値未満の場合は低弾性率の効果が得られない恐れがあり、上記上限値を超える場合は線膨張係数が大きくなりすぎる恐れがある。
【００２５】
アンダーフィル材に用いられる（Ｄ）無機充填剤は、破壊靭性などの機械的強度、熱時寸法安定性、耐湿性を向上することから、半導体装置の信頼性を特に向上することができる。
（Ｄ）無機充填剤としては、例えばタルク、焼成クレー、未焼成クレー、マイカ、ガラスなどのケイ酸塩、酸化チタン、アルミナ、溶融シリカ（溶融球状シリカ、溶融破砕シリカ）、合成シリカ、結晶シリカなどのシリカ粉末の酸化物、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、ハイドロタルサイトなどの炭酸塩、水酸化アルミニウム、水酸化マグネシウム、水酸化カルシウムなどの水酸化物、硫酸バリウム、硫酸カルシウム、亜硫酸カルシウムなどの硫酸塩または亜硫酸塩、ホウ酸亜鉛、メタホウ酸バリウム、ホウ酸アルミニウム、ホウ酸カルシウム、ホウ酸ナトリウムなどのホウ酸塩、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、窒化ケイ素などの窒化物などを用いることができる。これらの（Ｄ）無機充填剤は、１種単独でも２種以上の組合せでも良い。これらの中でも樹脂組成物の耐熱性、耐湿性、強度などを向上できることから溶融シリカ、結晶シリカ、又は合成シリカ粉末が好ましい。前記（Ｄ）無機充填剤の形状は、特に限定されないが、粘度・流動特性の観点から形状は球状であることが好ましい。
【００２６】
上記（Ｄ）無機充填剤の最大粒子径および平均粒子径は特に限定されないが、最大粒子径が２５μｍ以下、かつ平均粒子径が０．１μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましい。最大粒子径を上記上限値以下とすることにより液状封止樹脂組成物が半導体装置へ流動する際のフィラー詰まりによる部分的な未充填や充填不良を抑制する効果が高くなる。また平均粒子径を上記下限値以上にすることにより、液状封止樹脂組成物の粘度が適度に低下し、充填性が向上する。
【００２７】
（Ｄ）無機充填剤の配合量は、特に制限されるものではないが、上記樹脂組成物に対して、好ましくは３０〜７５重量％であり、より好ましくは５０〜６５重量％である。（Ｃ）無機充填剤の配合量が上記下限値未満の場合は線膨張係数が大きくなりすぎる恐れがあり、上記上限値を超える場合は弾性率が大きくなりすぎる恐れがある。
【００２８】
上記樹脂組成物には、上述した各成分以外に、必要に応じてカップリング剤、液状低応力剤、希釈剤、顔料、難燃剤、レベリング剤、消泡剤などの添加剤を用いることができる。
【実施例】
【００２９】
以下、本発明を実施例および比較例に基づいて詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００３０】
（実施例１）
１．アンダーフィル材の製造
（Ａ）液状エポキシ樹脂１を１２．３重量％と液状エポキシ樹脂２を１２．３重量％、（Ｂ）アミン硬化剤１を９．１重量％、アミン硬化剤２を５．７重量％、（Ｃ）低応力剤１として、トリブロックアクリル樹脂を３．７重量％、（Ｄ）無機充填剤を５５重量％、シランカップリング剤としてエポキシシランカップリング剤を１．２重量％、希釈剤を０．５重量％、着色剤を０．１重量％、配合し、プラネタリーミキサーと３本ロールを用いて混合し、真空脱泡処理することにより液状樹脂組成物であるアンダーフィル材を得た。
【００３１】
２．半導体装置の製造
得られたアンダーフィル材を用いて半導体装置を作成した。
使用した半導体装置の構造を図１に示す。基板２と低誘電率材料（ＣＶＤで形成したポーラス化ＳｉＯＣ膜、比誘電率＝２．２）を層間絶縁膜として用いた半導体チップ１が鉛フリー半田（組成：Ｓｎ−３．５Ａｇ）バンプ３によって予めフリップチップ接続されている基板を用いた。半導体チップのサイズは１５ｍｍ×１５ｍｍ×０．７５ｍｍｔで、基板のサイズは５０ｍｍ×５０ｍｍ×０．４ｍｍｔであった。半田バンプの高さは０．０８ｍｍであった。
上述の半導体チップが搭載された基板にアンダーフィル材を充填する前にプラズマ装置（Ｍａｒｃｈ Ｐｌａｓｍａ Ｓｙｓｔｅｍｓ社製ＡＰ−１０００）でプラズマ処理を行った。プラズマ処理は、ガス種：Ａｒ、ガス流量：５０ｓｃｃｍ、処理強さ：３５０Ｗ、処理時間：４２０ｓ、ダイレクトプラズマモードの条件で処理を行った。
その後、上述の半導体チップが搭載された基板を１１０℃の熱板上で加熱し、アンダーフィル材をディスペンスし、ギャップ内を充填させ、１５０℃のオーブンで１２０分間アンダーフィル材４を加熱硬化し、半導体装置を得た。
【００３２】
３．評価項目
得られたアンダーフィル材および半導体装置について、以下の評価を行った。得られた結果を表１に示す。
（ａ）線膨張係数の測定
上記アンダーフィル材を１５０℃のオーブンで１２０分間硬化後、切削により５ｍｍ×５ｍｍ×１０ｍｍの試験片を得た。この試験片をＴＭＡ装置（セイコーインスツルメント社製ＴＭＡ／ＳＳ６１００）を用いて圧縮荷重５ｇで、−１００℃から３００℃の温度範囲を１０℃／分の条件で測定した。この測定により、ガラス転移温度（Ｔｇ）及び２５℃での線膨張係数を得た。
【００３３】
（ｂ）弾性率の測定
上記アンダーフィル材を１５０℃オーブンで１２０分間硬化し、１０ｍｍ×２０ｍｍ×１．５ｍｍの試験片を得た。この試験片をＤＭＡ装置（セイコーインスツルメント社製ＤＭＳ６１００）を用いて、−３０℃から３００℃の温度範囲を５℃／分の条件で測定した。この測定より２５℃での弾性率を得た。
【００３４】
（ｃ）ストレスインデックスの算出
上述で得られた２５℃での線膨張係数Ｘｐｐｍ／℃、２５℃での弾性率ＹＧＰａの積であるＸＹの値をストレスインデックスとして算出した。
（ｄ）リフロー試験
リフロー試験の試験方法としては、上記の半導体装置をＪＥＤＥＣレベル３の吸湿処理（３０℃相対湿度６０％で１９２時間処理）を行った後、ＩＲリフロー処理（ピーク温度２６０℃）を３回行い、超音波探傷装置にて半導体装置内部での剥離・クラックの有無を確認した。剥離及びクラックのない場合を○とした。
【００３５】
（ｅ）温度サイクル試験（ＴＣサイクル）
温度サイクル試験としては、上記のリフロー試験を行った半導体装置に（−５５℃／３０分）と（１２５℃／３０分）の冷熱サイクル処理を施し、１０００サイクル毎に超音波探傷装置にて半導体装置内部での剥離・クラックの有無を確認した。上記温度サイクル試験は最終的に３０００サイクルまで実施した（ＴＣ１０００サイクル〜ＴＣ３０００サイクル）。剥離及びクラックのない場合を○とした。
アンダーフィル材の詳細な配合および評価結果を表１にまとめた。
【００３６】
（実施例２〜５）
アンダーフィル材の配合を変えた以外は、実施例１と同様にした。アンダーフィル材の詳細な配合および評価結果を表１にまとめた。
【００３７】
（比較例１〜８）
アンダーフィル材の配合を変えた以外は、実施例１と同様にした。アンダーフィル材の詳細な配合および評価結果を表１にまとめた。
【００３８】
実施例および比較例では、以下の材料を使用した。
・液状エポキシ樹脂１：ＤＩＣ（株）製、ＥＸＡ−８３０ＬＶＰ、ビスフェノールＦ型液状エポキシ樹脂とビスフェノールＡ型液状エポキシ樹脂の混合物、エポキシ当量１６５
・液状エポキシ樹脂２：多官能エポキシ樹脂、三菱化学（株）製、ｊＥＲ６３０、Ｎ，Ｎ−ビス（２，３−エポキシプロピル）−４−（２，３−エポキシプロポキシ）アニリン、エポキシ当量１００
・アミン硬化剤１：芳香族１級アミン型硬化剤、日本化薬（株）製、カヤハード−ＡＡ、３，３’−ジエチル−４，４’−ジアミノジフェニルメタン、アミン当量６３．５
・アミン硬化剤２：芳香族２級アミン型硬化剤、三洋化成工業（株）、Ｔ−１2、４，４’−メチレンビス（Ｎ−メチルアニリン）、アミン当量１１６
・低応力剤１：トリブロックアクリル樹脂、クラレ（株）製、ＬＡ２１４０Ｅ（Ａ−Ｂ−Ａ型アクリルトリブロック共重合体、ＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル、ガラス転移温度：１００〜１２０ ℃ ）−ＰｎＢＡ（ポリアクリル酸ｎ−ブチル、ガラス転移温度：−４０〜−５０ ℃ ）−ＰＭＭＡ ）、ＰＭＭＡ割合２０重量％、Ｍｗ＝８００００）
・低応力剤２：ダイセル化学工業（株）製、ＰＢ−３６００、液状ポリブタジエン
・低応力剤３：信越化学工業（株）製、ＫＭＰ−６０５、オルガノポリシロキサン球状粒子
・無機充填剤：（株）アドマテックス製、アドマファインＳＯ−Ｅ３、合成球状シリカ、平均粒径１．０μｍ
・カップリング剤： 信越化学工業（株）製、ＫＢＭ−４０３Ｅ、γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン
・希釈剤：東京化成工業（株）製、エチレングリコールモノ−ｎ−ブチルエーテルアセテート
・着色剤：三菱化学（株）製、ＭＡ−６００、カーボンブラック
【００３９】
表１において、アンダーフィル材のTgが高く、ストレスインデックスも１５０を超えている比較例１では、温度サイクル中の比較的早いサイクルにおいてＬｏｗ−ｋ層にクラックが発生した。
比較例２や比較例３、比較例７、比較例８のように、アンダーフィル材の線膨張係数は低いが、弾性率が高く、ストレスインデックスが１５０を超えている場合、ＴＣ２０００サイクルでＬｏｗ−ｋクラックが発生した。
比較例４のようにアンダーフィル材のＴｇが低い場合、Ｌｏｗ−ｋ層の不具合は見られないが、バンプにかかるストレスが大きくなり、温度サイクル中にバンプクラックが発生した。
比較例５のように、アンダーフィル材の線膨張係数が低いが弾性率が多少高く、ストレスインデックスが１５０を若干越えている場合、ＴＣ２０００サイクルまでは不良は見られないが、ＴＣ３０００サイクルでＬｏｗ−ｋクラックが発生した。
アンダーフィル材の弾性率は低いが、線膨張係数が大きい比較例６の場合、ＴＣ１０００サイクルでバンプクラックが発生した。
これに対し、実施例１〜５はアンダーフィル材の線膨張係数も弾性率も低いためにストレスインデックス１５０以下が達成され、温度サイクルにおいてＬｏｗ−ｋクラックもバンプクラックも発生しなかった。
【００４０】
【表１】
【符号の説明】
【００４１】
１ 基板
２ 半導体チップ
３ 半田バンプ
４ アンダーフィル材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
配線基板、前記配線基板にフリップチップ接続された半導体素子、前記配線基板と前記半導体素子の間隙を充填するアンダーフィル材から構成される半導体装置で、前記アンダーフィル材の硬化後の硬化物のガラス転移温度が９０℃〜１３０℃であり、２５℃での線膨張係数が１５〜３０ｐｐｍ／℃であり、２５℃での弾性率が３〜７ＧＰａであり、かつ２５℃での線膨張係数と２５℃での弾性率の積であるストレスインデックスが１００以上１５０以下である半導体装置。
【請求項２】
前記半導体素子中に低誘電率膜を有し、前記半導体素子と前記配線基板をフリップチップ接続するのに鉛フリー半田バンプを用いた請求項１記載の半導体装置。
【請求項１】
配線基板、前記配線基板にフリップチップ接続された半導体素子、前記配線基板と前記半導体素子の間隙を充填するアンダーフィル材から構成される半導体装置で、前記アンダーフィル材の硬化後の硬化物のガラス転移温度が９０℃〜１３０℃であり、２５℃での線膨張係数が１５〜３０ｐｐｍ／℃であり、２５℃での弾性率が３〜７ＧＰａであり、かつ２５℃での線膨張係数と２５℃での弾性率の積であるストレスインデックスが１００以上１５０以下である半導体装置。
【請求項２】
前記半導体素子中に低誘電率膜を有し、前記半導体素子と前記配線基板をフリップチップ接続するのに鉛フリー半田バンプを用いた請求項１記載の半導体装置。
【図１】
【公開番号】特開２０１３−８８９６（Ｐ２０１３−８８９６Ａ）
【公開日】平成２５年１月１０日（２０１３．１．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１４１５５３（Ｐ２０１１−１４１５５３）
【出願日】平成２３年６月２７日（２０１１．６．２７）
【出願人】（０００００２１４１）住友ベークライト株式会社 (2,927)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月１０日（２０１３．１．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月２７日（２０１１．６．２７）
【出願人】（０００００２１４１）住友ベークライト株式会社 (2,927)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]