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JP5712884B2 - フィルム状接着剤およびこれを用いた半導体装置の製造方法 - Google Patents

フィルム状接着剤およびこれを用いた半導体装置の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、フィルム状接着剤およびこれを用いた半導体装置の製造方法に関する。
近年の電子機器の小型化および機能複合化の進展に伴って、１つの半導体パッケージ内に複数の半導体チップを搭載した形態が広く用いられるようになってきている。搭載する形態としては、基板上に２次元的に複数のチップを配置する方法よりも、チップを３次元的に積層してワイヤボンディングで電気的に接続することによって半導体パッケージの小型化が可能となるいわゆるチップスタック技術が広く適用されている。このチップスタックでは上側のチップと下側のチップを接着剤によって接着しており、ペースト状またはフィルム状の接着剤が使用されている。しかし、ペースト状の接着剤は高流動性であるために、接着時にはみ出した接着剤によってチップ電極が汚染される可能性があることから、フィルム状の接着剤を使用するほうが一般的である。
一方、更なる小型化、薄型化および高速伝送に対応した半導体チップ接続技術として、突出した接続端子(バンプ)を有する半導体チップと基板電極とを直接電気的に接続するフリップチップ接続技術が注目されている。フリップチップ接続技術を用いると、１）ワイヤボンディングのようにワイヤのループ高さを考慮する必要がなくなること、２）基板電極をチップ搭載領域にも配置できること、といった特徴から半導体パッケージの小型化、薄型化が可能になり、先に述べたチップスタック技術への適用が検討されている。フリップチップ接続技術としては、半導体チップに形成されたはんだバンプと基板側の配線パターンを電気的に接続するＣ４方式（例えば非特許文献１参照）、異方導電性接着樹脂を用いて、半導体チップに形成されたバンプと基板側の配線パターンを導電粒子を介して電気的に接続する方法（例えば非特許文献２参照）、半導体チップに形成されたバンプと基板側の配線パターンを接触させた状態で熱硬化性接着樹脂を硬化させ、その収縮力によって接触状態を保つ方法(例えば非特許文献３参照)、半導体チップに形成されたバンプと基板側の配線パターンを位置合わせした後、半導体チップ側から超音波振動を印加して金属接合させる方法（例えば非特許文献４参照）などが知られている。これらの中で、超音波振動を利用した金属接合によるフリップチップ接続方式は、１）低温(常温〜２００℃)でバンプと配線パターンを金属接合させることが可能であること、２）接続に要する時間が１秒以下であること、といった特徴を有しており、接続温度の低温化による熱応力の低減、金属接合部の形成による高接続信頼性および短時間接続による高生産性を実現する方式として注目されている。これまでにＳＡＷ（ＳｕｒｆａｃｅＡｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ）フィルタなどの小チップをセラミック基板にフリップチップ接続する際に適用された例はあるが（例えば特許文献１参照）、半導体チップと基板の間を樹脂で充填するアンダーフィルが不要な場合に限られていた。一方、上記の利点を活かして、より大型のチップと樹脂基板の接続への適用も検討されているが、接続信頼性確保のためにはアンダーフィルが必須である。しかし、チップと基板を接続した後に、液状樹脂を充填する方式では長時間を要することから、生産性の低下につながるおそれがあった。
特開平０８−３３０８８０号公報
ＨｉｄｅｏＡｏｋｉ、外４名、「Ｅｕｔｅｃｔｉｃ Ｓｏｌｄｅｒ Ｆｌｉｐ Ｃｈｉｐ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ−Ｂｕｍｐｉｎｇ ａｎｄ Ａｓｓｅｍｂｌｙ Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｆｏｒ ＣＳＰ／ＢＧＡ」、４７ｔｈ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ、アメリカ、Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ、１９９７年５月、ｐ．３２５−３３０ 藤原伸一、外４名、「異方導電性フィルムを用いたフリップチップ接続の劣化機構と接続信頼性設計技術」、７ｔｈＳｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ Ｍｉｃｒｏｊｏｉｎｉｎｇ ａｎｄ Ａｓｓｅｍｂｌｙ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ、社団法人溶接学会 マイクロ接合研究委員会、２００１年２月、ｐ．１７９−１８４ 西川英信、外４名、「樹脂封止シートによるフリップチップ接合技術」、６ｔｈＳｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ Ｍｉｃｒｏｊｏｉｎｉｎｇ ａｎｄ Ａｓｓｅｍｂｌｙ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ、社団法人溶接学会 マイクロ接合研究委員会、２０００年２月、ｐ．１０７−１１０ 梶原良一、外５名、「多ピンＬＳＩチップ対応の超音波フリップチップ接合技術」、７ｔｈＳｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ Ｍｉｃｒｏｊｏｉｎｉｎｇ ａｎｄ Ａｓｓｅｍｂｌｙ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ、社団法人溶接学会 マイクロ接合研究委員会、２００１年２月、ｐ．１６１−１６６
薄型パッケージ内に複数のチップを積層するために、チップの厚みが薄くなっており、１００μｍ以下のチップを用いる必要が出てきている。しかし、熱硬化性接着剤を用いて樹脂基板上に加熱・加圧してチップを搭載するために、常温に戻した時にチップの反りが発生し、チップをさらに積層できなくなるという課題があった。この課題を解決するためにチップ搭載温度の低温化が要求されている。しかし、一般にフィルム状接着剤では加熱時の溶融粘度がペーストまたは液状の接着剤よりも高くなるために、低温ではチップ表面に樹脂が充分なじまず(濡れ性が低く)、接着力が低下するという課題があった。また、フリップチップ接続方式にフィルム状接着剤を用いることによって、チップと基板を接続する工程において、アンダーフィルも形成できることから工程の簡略化が可能であるが、超音波振動を利用したフリップチップ接続方式における低温・短時間接続条件では、バンプと基板電極間からの樹脂排除が不充分となって、接続できない場合があった。
これらの課題を解決するためにはフィルム状接着剤の溶融粘度を低減することが有効である。しかし、半導体用接着剤として広く用いられているエポキシ樹脂などの熱硬化性接着剤の溶融粘度をずり粘弾性によって測定する場合、測定時の昇温過程において硬化反応が開始してしまい、設定温度での溶融粘度を正確に測定することが困難であった。また、超音波振動を使用したフリップチップ接続方式などでは接続時間が１ｓ以下と短いために、測定に数分を要するずり粘弾性測定では、実際のチップ接続時の樹脂粘度挙動を正確に把握することが困難であった。
そこで、本発明では粘度評価基準として、平行板間にはさんだフィルム状接着剤の初期面積と加熱・加圧後の面積の比を流れ量として定義し、この流れ量を増大させることによって、チップ搭載温度の低温化への対応および超音波振動を利用したフリップチップ接続方式への対応が可能となるフィルム状接着剤およびそれを用いた半導体装置の製造方法を提供することを目的としている。
請求項１に記載の本発明は、（ａ）重量平均分子量１００００以下で常温（２５℃）において固形である樹脂と、（ｂ）絶縁性球状無機フィラーと、（ｃ）エポキシ樹脂（但し、（ａ）成分がエポキシ樹脂の場合、（ｃ）成分は（ａ）成分とは異なるエポキシ樹脂である）と、（ｄ）マイクロカプセル型硬化剤を含む硬化剤とを含有し、（ａ）重量平均分子量１００００以下で常温（２５℃）において固形である樹脂の配合量が（ａ）成分、（ｂ）成分及び前記（ｃ）成分の総量１００重量部に対して５〜５０重量部であり、（ｂ）絶縁性球状無機フィラーの配合量が当該総量１００重量部に対して２５〜８０重量％であり、（ｃ）エポキシ樹脂の配合量が当該総量１００重量部に対して１０〜７０重量であり、（ｄ）マイクロカプセル型硬化剤を含む硬化剤の配合量が前記（ｃ）エポキシ樹脂１００重量部に対して０．１〜４０重量部であり、１５０℃での溶融粘度が８００〜３０００Ｐａ・ｓであり、１００℃において加熱・加圧した場合の平行板間にはさんだフィルム状接着剤の初期面積と加熱・加圧後の面積との比である流れ量が１．５以上であり、かつ、硬化物の２０〜３００℃における平均線膨張係数が２００×１０−６／℃以下であることを特徴とするフィルム状接着剤である。
請求項２に記載の本発明は、（ｄ）硬化剤が、カプセル化されていないイミダゾール類をさらに含む請求項１に記載のフィルム状接着剤である。
請求項３に記載の本発明は、請求項１または２に記載のフィルム状接着剤を配線パターンの形成された基板に貼り付ける工程、突出した接続端子を有する半導体チップの接続端子と基板の配線パターンとを位置合わせする工程、加熱・加圧した状態で超音波振動を印加することによって半導体チップの突出した接続端子と基板の配線パターンを金属接合によって電気的に接続する工程、フィルム状接着剤の硬化反応率を８０％以上にするために加熱処理を行なう工程を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法である。
請求項４に記載の本発明は、請求項１または２に記載のフィルム状接着剤を突出した接続端子を有する半導体チップの接続端子が形成された面に貼り付ける工程、半導体チップの接続端子と基板の配線パターンとを位置合わせする工程、加熱・加圧した状態で超音波振動を印加することによって半導体チップの突出した接続端子と基板の配線パターンを金属接合によって電気的に接続する工程、フィルム状接着剤の硬化反応率を８０％以上にするために加熱処理を行なう工程を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法である。 請求項５に記載の本発明は、請求項１または２に記載のフィルム状接着剤を突出した接続端子を有する半導体ウエハに貼り付ける工程、ダイシングによって個片の半導体チップに分割する工程、半導体チップの接続端子と基板の配線パターンとを位置合わせする工程、加熱・加圧した状態で超音波振動を印加することによって半導体チップの突出した接続端子と基板の配線パターンを金属接合によって電気的に接続する工程、フィルム状接着剤の硬化反応率を８０％以上にするために加熱処理を行なう工程を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法である。
本発明のフィルム状接着剤を用いることによって、超音波振動を利用したフリップチップ接続方式のような低温・短時間接続条件においても、良好な金属接合部の形成が可能であり、良好な接続信頼性を実現できる。
流れ量測定サンプルの作製方法を説明する側面図およびフィルム面積測定時のガラスを透過して観察した画像である。 流れ量測定サンプル作製時の加圧プロファイルおよび温度プロファイルを説明する図である。 超音波振動を利用したフリップチップ接続方式の接合性を評価する方法を説明する側面図である。
本発明のフィルム状接着剤は、（ａ）重量平均分子量が１００００以下で常温（２５℃）において固形である樹脂、（ｂ）絶縁性球状無機フィラー、（ｃ）エポキシ樹脂、（ｄ）硬化剤を必須成分として含有することが好ましい。
フィルム状接着剤の最低溶融粘度を示す温度は５０〜２５０℃の範囲内であることが望ましく、半導体チップへの熱履歴を低減するために、５０〜２００℃の範囲内であることがより望ましく、５０〜１６０℃の範囲内であることが特に好ましい。最低溶融粘度が２００Ｐａ・ｓ未満の場合、半導体チップを接続した後、硬化反応率を８０％以上にするためのアフターキュア処理工程において、接着剤が液状化していまい、チップと基板の間隙から流れ出してしまう恐れがある。このため、最低溶融粘度は２００Ｐａ・ｓより高いことが必要で、５００Ｐａ・ｓより高いことが望ましい。フィルム状接着剤の最低溶融粘度は市販の動的粘弾性測定装置を用いて測定することが可能であり、測定は全自動で行なわれる。所定の温度に加熱した恒温槽内で、試料を２枚の平行プレートにはさみ、片方のプレートに微小な正弦波状のひねり歪みを付加した時、他方のプレートに発生する応力と歪から弾性率および粘度を算出する。一般に測定周波数は０．５〜１０Ｈｚであり、高分子材料は粘弾性体として挙動するため、弾性成分に由来する貯蔵弾性率Ｇ’と粘性成分に由来する損失弾性率Ｇ”が得られる。この二つの値から複素弾性率Ｇ＊が（数１）で与えられる。さらに粘度をη（Ｐａ・ｓ）、測定周波数をｆ（Ｈｚ）、複素弾性率Ｇ＊（Ｐａ）とすると、粘度は（数２）で与えられる。
本発明において、粘度の評価基準として流れ量を設定する。流れ量Ａは初期フィルム面積Ｂに対して所定の圧力、温度で加熱・加圧した後のフィルム面積Ｃの比であり、（数３）で計算される。
図１に示したように流れ量の測定は以下の手順に従って行なう。１５ｍｍ×１５ｍｍの大きさに切り出した厚さ７００μｍのガラスチップ（＃１７３７ガラス）の表面に、５ｍｍ×５ｍｍに切り出した厚さ５０μｍのフィルム状接着剤を貼り付け、さらに表面に窒化ケイ素膜が形成された厚さ５５０μｍ、大きさ１２ｍｍ×１２ｍｍのＳｉチップの窒化ケイ素膜がフィルム状接着剤に接するように重ね、加熱・加圧装置に配置する。加熱・加圧装置のステージ温度を５０℃に、ツール温度を所定の温度に設定し、５ｍｍ×５ｍｍのフィルムに対して圧力１．０ＭＰａとなる荷重（２５Ｎ）および加圧時間１．０ｓに設定して加熱・加圧する。ガラスチップを透過して観察できる加熱・加圧前のフィルム面積と加熱・加圧後のフィルム面積を画像処理によってそれぞれ測定し、流れ量を（数３）に従って算出する。ここで、例えば１００℃での流れ量という場合、ツール温度を１００℃に設定して測定したことを示す。加熱・加圧装置としては株式会社アルテクス製超音波フリップチップボンダーＳＨ−５０ＭＰを用いて、加熱・加圧時に超音波振動を印加しないで加熱・加圧を行なった。加熱・加圧時の加熱プロファイルおよび加圧プロファイルを図２に示した。加熱プロファイルは流れ量評価サンプルのガラスチップとＳｉチップの間に熱伝対を挿入して、ツール１００℃、ステージ５０℃に設定し、荷重２５Ｎ、加圧時間１．０ｓに設定して測定した。また、加圧プロファイルは株式会社昭和測器製ロードセルＭＲＤ−１ｋＮ（製品名）をステージ上に固定し荷重２５Ｎ、加圧時間１．０ｓに設定して測定した。
流れ量が５０〜１２５℃のいずれかの温度で１．５以上であることが必要であり、１．７以上であることがより好ましく、１．８以上であることが特に望ましい。流れ量が１．５未満の場合には、超音波振動を利用したフリップチップ接続方式における低温・短時間接続条件において、バンプと基板電極間からの樹脂排除が不充分となって、接続できなくなる恐れがある。また、３．０以上になると流れすぎてしまいボイドが生じるおそれがあるので３．０以下とすることが好ましい。
フィルム状接着剤の硬化物の２５〜２６０℃における平均線膨張係数は２００×１０−６／℃以下であることが必要で、１５０×１０−６／℃以下であることが望ましく、１００×１０−６／℃以下であることがより望ましい。２００×１０−６／℃を超えて大きいと接続信頼性が低下する恐れがある。
本発明において使用する（ａ）重量平均分子量が１００００以下で常温(２５℃)において固形である樹脂としては、例えばエポキシ樹脂、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、フェノール樹脂、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、その中でも耐熱性およびフィルム形成性に優れるエポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、シアネートエステル樹脂、ポリカルボジイミド樹脂等が望ましく、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂がより好ましい。これらは単独または２種以上の混合体や共重合体として使用することもできる。
本発明において使用する（ｂ）絶縁性球状無機フィラーとしては、例えば、ガラス、シリカ、アルミナ、酸化チタン、カーボンブラック、マイカ等が挙げられ、その中でも、ガラス、シリカ、アルミナ、酸化チタン等が好ましく、ガラス、シリカ、アルミナがより好ましい。これらは単独または２種以上の混合体として使用することもできる。同種の絶縁性球状無機フィラーを同重量部配合した場合、粒径の大きいものほど溶融粘度が低くなるが、本発明のフィルム状接着剤をフリップチップ接続方式に適用する場合、絶縁性球状無機フィラーが電極間に捕捉されて電気的な接続を阻害することを防止するため、粒径は１０μｍ以下であることが望ましい。
本発明において使用する（ｃ）エポキシ樹脂としては、２官能以上のビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＳ型エポキシ樹脂、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、ビフェニル型エポキシ樹脂、ナフタレン型エポキシ樹脂、フェノールアラルキル型エポキシ樹脂、ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂、各種多官能エポキシ樹脂などを用いることができる。これらは単独または２種以上を混合して使用することができる。また、エポキシ樹脂は２５℃において液状、固形のいずれでも使用することができる。
本発明において使用する（ｄ）硬化剤としては、イミダゾール類、多価フェノール類、酸無水物類、アミン類、ヒドラジド類、ポリメルカプタン、ルイス酸-アミン錯体などを用いることができる。その中でも、保存安定性と硬化物の耐熱性に優れるイミダゾール類、多価フェノール類、酸無水物等が望ましく、イミダゾール類、多価フェノール類がより望ましい。これらは単独または２種以上の混合体として使用することもできる。また、これら硬化剤をポリウレタン系、ポリエステル系の高分子物質等で被覆してマイクロカプセル化したものは、高い反応性を有する硬化剤を用いても保存安定性に優れていることから好ましい。本発明では、少なくとも２種類の硬化剤を含んでいると好ましい。高い反応性の硬化剤をマイクロカプセル化したものを用いることによって、超音波振動を利用したフリップチップ接続方式などのような低温かつ短時間接続条件においても硬化反応を完全ではないが開始させることができ、接続部の補強によって、チップ接続後の取扱い性が向上したり、樹脂の粘度上昇によってアフターキュア時のボイドの発生を抑制できることから好ましい。しかし、接続信頼性を確保するためには樹脂を充分硬化させる必要があるが、低温かつ短時間接続条件ではカプセルの除去が不充分で硬化剤が充分に反応できず、アフターキュア処理を行なった場合でも硬化が不充分になる恐れがある。そこで、アフターキュア処理によって硬化が充分に進行するように１５０℃以上の融点または分解点を有するカプセル化されていないイミダゾール類とマイクロカプセル化された硬化剤を併用することがより好ましい。１５０℃以上の融点または分解点を有するイミダゾール類としては、例えば２Ｐ４ＭＨＺ、２ＰＨＺ、２ＭＡ−ＯＫ(四国化成工業株式会社製商品名)などが挙げられる。
本発明における（ａ）重量平均分子量が１００００以下で常温（２５℃）において固形である樹脂の配合量は、（ａ）重量平均分子量が１００００以下で常温（２５℃）において固形である樹脂、（ｂ）絶縁性球状無機フィラー、（ｃ）エポキシ樹脂の総量１００重量部に対して、５〜５０重量部とすることが望ましく、５〜３５重量部とすることがより好ましく、５〜２０重量部とすることが特に好ましい。この配合量が５重量部未満ではフィルム形成が困難となる傾向があり、５０重量部を超えると流れ量が低下し接続が困難になる恐れがある。
本発明における（ｂ）絶縁性球状無機フィラーの配合量は、（ａ）重量平均分子量が１００００以下で常温（２５℃）において固形である樹脂、（ｂ）絶縁性球状無機フィラー、（ｃ）エポキシ樹脂の総量１００重量部に対して、２５〜８０重量部とすることが望ましく、４０〜６５重量部とすることがより望ましい。この配合量が２５重量部未満では硬化後の熱膨張係数が大きくなる傾向があり、８０重量部を超えると流れ量が低下して接続が困難になったり、またフィルムの可とう性が低下して脆くなる傾向がある。
本発明における（ｃ）エポキシ樹脂の配合量は、（ａ）重量平均分子量が１００００以下で常温（２５℃）において固形である樹脂、（ｂ）絶縁性球状無機フィラー、（ｃ）エポキシ樹脂の総量１００重量部に対して、１０〜７０重量部とすることが望ましく、２０〜５０重量部とすることがより望ましい。この配合量が１０重量部未満では硬化物の耐熱性が低下する傾向があり、７０重量部を超えると硬化物の熱膨張係数が大きくなる傾向がある。なお、（ａ）重量平均分子量が１００００以下であって常温（２５℃）において固形である樹脂がエポキシ樹脂の場合、その配合量は（ｃ）エポキシ樹脂として計算する。
本発明における（ｄ）硬化剤の配合量は、硬化剤の種類によって異なるが、硬化剤がイミダゾール類の場合には、（ｃ）エポキシ樹脂１００重量部に対して０．１〜４０重量部とすることが望ましく、１〜３０重量部とすることがより望ましい。この配合量が０．１重量部未満では、硬化が不充分となる。また４０重量部を超えて多いと硬化物物性が低下する場合がある。２種以上の硬化剤を用いた場合には、それぞれの配合量が上記範囲内であることが望ましい。
本発明のフィルム状接着剤には上記必須成分以外に、シラン系またはチタン系のカップリング剤を使用することができる。この使用量としては、（ｂ）絶縁性球状無機フィラー１００重量部に対して、０．１〜１０重量部であることが好ましい。
半導体チップと電気的に接続される基板は、通常の回路基板でもよく、また半導体チップでもよい。回路基板の場合、配線パターンは、ガラスエポキシ、ポリイミド、ポリエステル、セラミックなどの絶縁基板表面に形成された銅などの金属層の不要な個所をエッチング除去して形成したもの、絶縁基板表面にめっきによって形成したもの、絶縁基板表面に導電性物質を印刷して形成したものを用いることができる。また、配線パターンは単一の金属で構成されている必要はなく、金、銀、銅、ニッケル、インジウム、パラジウム、スズ、鉛、ビスマスなど複数の金属成分を含んでいてもよいし、これらの金属層が積層された構造をしていてもよい。
また、基板が、半導体チップの場合、配線パターンは通常アルミニウムで構成されるが、その表面に、金、銀、銅、ニッケル、インジウム、パラジウム、スズ、鉛、ビスマスなどの金属層をめっきによって形成してもよい。
半導体チップの突出した接続端子は、金属ワイヤを用いて形成されるスタッドバンプや金属ボールを半導体チップの電極に熱加熱・加圧や超音波併用熱加熱・加圧によって固定したものやめっき、蒸着によって形成されたものでもよい。突出した接続端子は金、銀、銅、ニッケル、インジウム、パラジウム、スズ、鉛、ビスマスなどの単一の金属で構成されてもよいし、複数の金属成分を含んでいてもよいし、これらの金属層が積層された構造をしていても良い。また、突出した接続端子は導電性ペーストを印刷することによって形成したものでもよい。
フィルム状接着剤を基板表面の半導体チップが搭載される領域に貼り付けるには、個片に切り出した接着フィルムを貼り付け領域に配置し、加熱・加圧によって貼り付けてもよい。
フィルム状接着剤を貼り付ける位置や面積は半導体チップが搭載される領域内では任意であるが、半導体チップの突出した接続端子と電気的に接続される配線パターンの少なくとも一部を覆うように貼り付けることが好ましい。
突出した接続端子を有する半導体チップにフィルム状接着剤を貼り付けるには、個片に切り出した接着フィルムを加熱・加圧によって貼り付けても良い。また、半導体ウエハの状態でフィルム状接着剤をロールラミネータなどで貼り付けた後、ダイシングすることによってフィルム状接着剤が貼り付けられた半導体チップとして個片に切り出しても良い。
フィルム状接着剤を基板表面の半導体チップが搭載される領域あるいは半導体チップの突出した接続端子が形成された面に貼り付けた後、そのまま半導体チップと基板を接続してもよいが、フィルム状接着剤および回路基板中の揮発成分を減少させて、半導体チップと基板の間にボイドと呼ばれる気泡が発生するのを抑制するために、フィルム状接着剤を貼り付けた状態で加熱処理することが好ましい。また、加熱処理することによってフィルム状接着剤の粘度が低下するために配線パターンへの埋め込み性が改善され、気泡巻き込みによるボイド発生を低減することができる。
加熱処理を行なう際には、使用するフィルム状接着剤の硬化反応開始温度より低い温度あるいは反応開始時間よりも短い時間で処理することが望ましい。
硬化反応開始温度は、ＤＳＣ（ＤｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌＳｃａｎｎｉｎｇ Ｃａｌｏｒｉｍｅｔｅｒ、示差走査熱分析）で得られるチャートにおいて、発熱ピークに到達する前の発熱曲線の接線とベースラインの交点から求めてもよいし、粘度と加熱温度の関係をプロットして粘度が上昇し始める温度を求めてもよい。
硬化反応開始時間は、所定の温度で加熱処理した試料の処理時間とＤＳＣで得られる発熱量の関係をプロットして、発熱量が減少し始めるまでの時間を求めてもよいし、粘度と処理時間の関係をプロットして、粘度が上昇し始めるまでの時間を求めてもよい。
半導体チップと基板を電気的に接続するには、基板をステージに固定し、半導体チップを超音波振動方向に平行に取り付ける接合ヘッドに固定し、その接合ヘッドを上から押し付ける機構を有する装置を用いる。このような装置は市販されており、例えば株式会社アルテクス製超音波フリップチップボンダーＳＨ−５０ＭＰ（製品名）を用いることができる。
半導体チップと基板を接続する際の条件は、接続温度：５０〜２５０℃、圧力：０．１〜１０ＭＰａ、超音波の周波数：２０〜２００ｋＨｚ、振動の振幅：０．０１μｍ以上、加圧時間：０．１秒以上、超音波の印加時間：０．０５秒以上の範囲内であり、加圧と超音波印加のタイミングは加圧時間内に超音波印加を開始し、加圧時間内に超音波印加を終了することを満たしていれば、任意のタイミングで印加すればよい。
接続温度が５０℃未満であると、バンプと配線パターンの間に接着樹脂が残存し、未接続となったり、接続抵抗が高くなるおそれがある。接続温度が２５０℃を超えると、半導体チップと基板との熱膨張係数差に由来する熱応力が増大し、接続部にダメージが発生するおそれがある。また樹脂基板の場合、基板が軟化して、超音波振動が吸収されてしまい金属接合できなくなるおそれがある。より好ましくは５０〜２００℃の範囲である。
圧力が０．１ＭＰａ未満であると、対向する接続端子間に樹脂が残存し、未接続となったり、あるいは接続抵抗が高くなるおそれがあり、圧力が１０ＭＰａを超えると、接続端子や配線が破壊されるおそれがある。より好ましくは、０．３〜４．０ＭＰａの範囲である。
超音波の周波数が２０ｋＨｚ未満であると、接続端子や配線が破壊されるおそれがあり、周波数が２００ｋＨｚを超えると、接続部に超音波振動が伝達されず、対向する接続端子間に樹脂が残存し、未接続となったり、あるいは金属接合が不充分なために接続抵抗が高くなるおそれがある。より好ましくは、４０〜１００ｋＨｚの範囲である。
超音波振動の振幅が０．０１μｍ未満であると、対向する接続端子間に樹脂が残存し、未接続となったり、あるいは金属の拡散が不充分なために接続抵抗が高くなったり、接続信頼性が低下するおそれがある。より好ましくは、０．１〜１０μｍの範囲である。
加圧時間が０．１秒未満であると、対向する接続端子間に樹脂が残存し、未接続となったり、あるいは接続抵抗が高くなったり、接続信頼性が低下するおそれがあり、加圧時間が長くなると生産性が低下することから、加圧時間の短縮が必要である。好ましくは１０秒以内がよい。
超音波の印加時間が０．０５秒未満であると、金属表面の有機物や酸化物の除去が不充分のため、金属接合が不充分であり、接続抵抗が高くなったり、接続信頼性が低下する場合がある。また、振幅を大きくした場合や周波数を低くした場合、印加時間を長くすると、接続端子や配線が破壊されるおそれがある。より好ましくは５秒以内であり、さらに５秒を超えると生産性が低下するおそれもある。
半導体チップの突出した接続端子と基板表面の配線パターンを電気的に接続した後、フィルム状接着剤の硬化反応率が８０％以上になるように加熱処理することによって、高い接続信頼性を確保することができる。硬化反応率が９０％以上になるように加熱処理することがより好ましい。
硬化反応率が８０％以上になるように加熱処理するには、ヒートステージ上に放置してもよいし、加熱オーブン中に放置してもよい。この加熱処理工程は複数の半導体装置について一括で行なうことが可能である。
加熱処理は硬化開始温度よりも高い温度で行なうことが好ましいが、半導体チップと基板を接続した直後ではフィルム状接着剤の硬化反応率が８０％以下であるために、高温雰囲気下に急激に放置すると、半導体チップと基板との熱膨張係数差に由来する熱応力が接続部に集中して接続部にダメージが発生する恐れがある。硬化開始温度よりも低い温度から加熱を開始して、少なくとも２段階以上の加熱温度で処理することがより好ましい。
熱硬化性樹脂の硬化反応率は、ＤＳＣ（示差走査熱分析）による測定方法を用いることができる。ＤＳＣは測定温度範囲内で、発熱、吸熱のない標準試料との温度差を打ち消すように熱量を供給または除去するゼロ位法を測定原理とするものであり、測定装置が市販されており、全自動で測定を行なうことができる。エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂の硬化反応は発熱反応であり、一定の昇温速度で試料を加熱していくと、試料が反応し反応熱が発生する。その発熱量をチャートに出力し、ベースラインを基準として発熱曲線とベースラインで囲まれた領域の面積を発熱量とする。測定は室温から硬化反応が完了する温度を充分カバーする範囲で行なう。例えば、エポキシ樹脂の場合、室温から２５０℃まで５〜２０℃／分の昇温速度で測定し、上記した発熱量を求める。熱硬化性樹脂の硬化反応率は次のようにして求める。まず、未硬化試料の全発熱量を測定し、これをＡ（Ｊ／ｇ）とする。次に、測定試料の発熱量を測定し、これをＢとする。測定試料の硬化度Ｃ（％）は次の（数３）で与えられる。

また、熱硬化性樹脂としてエポキシ樹脂を用いた場合には、可視レーザ励起のラマン分光計や近赤外レーザ励起のラマン分光計等で測定したエポキシ基のラマンスペクトルのピーク強度や面積強度を用いて反応硬化率を評価することもできる（例えば、特開２０００−１７８５２２公報参照）。
（実施例）
重量平均分子量が１００００以下であり常温（２５℃）で固形である樹脂としてビスフェノールＡ型固形樹脂ＥＰ１０１０（重量平均分子量５５００）、ＥＰ１００９（重量平均分子量３７００）、ＥＰ１００７（重量平均分子量２９００）（いずれもジャパンエポキシレジン株式会社製製品名）、エポキシ樹脂として多官能エポキシ樹脂ＥＰ１０３２Ｈ６０（ジャパンエポキシレジン株式会社製 製品名）、ビスフェノールＡ型液状エポキシ樹脂ＥＰ８２８（ジャパンエポキシレジン株式会社製製品名）、固形イミダゾールとして２ＰＨＺ（四国化成工業株式会社製 製品名）、マイクロカプセル型硬化剤としてＨＸ−３９４１ＨＰ（旭化成株式会社製 製品名）、絶縁性球状無機フィラーとしてシリカフィラーＳＥ２０５０（株式会社アドマテックス製製品名 平均粒径０．４〜０．６μｍ）を用いて、表１に示す組成でトルエン−酢酸エチル混合溶媒中に溶解ないし分散してワニスを作製し、このワニスをセパレータフィルム（ＰＥＴフィルム）上にロールコータを用いて塗布した後、７０℃のオーブンで１０分間乾燥させることによって、フィルム状接着剤を作製した。
（比較例）
重量平均分子量が１００００より大きく常温（２５℃）で固形である樹脂として、フェノキシ樹脂ＦＸ２９３Ｓ（東都化成工業株式会社製製品名）、ビスフェノールＡ型固形樹脂ＥＰ１０１０（重量平均分子量５５００ ジャパンエポキシレジン株式会社製 製品名）、ビスフェノールＡ型液状エポキシ樹脂ＥＰ８２８（ジャパンエポキシレジン株式会社製製品名）、固形イミダゾールとして２ＰＨＺ（四国化成工業株式会社製 製品名）、マイクロカプセル型硬化剤としてＨＸ−３９４１ＨＰ（旭化成株式会社製 製品名）、絶縁性球状無機フィラーとしてシリカフィラーＳＥ２０５０（株式会社アドマテックス社製製品名 平均粒径０．４〜０．６μｍ）を用いて、表１に示す組成でトルエン−酢酸エチル混合溶媒中に溶解ないし分散してワニスを作製し、このワニスをセパレータフィルム（ＰＥＴフィルム）上にロールコータを用いて塗布した後、７０℃のオーブンで１０分間乾燥させることによって、フィルム状接着剤を作製した。
溶融粘度測定はレオメトリックス・サイエンティフィック・エフ・イー株式会社製粘弾性測定装置ＡＲＥＳを用いて測定した。測定プレートは直径８ｍｍの平行プレート、フィルム状接着剤はラミネートして厚み５００〜６００μｍものを９ｍｍ×９ｍｍの大きさに切り出して用いた。測定条件は温度１５０℃、周波数１０Ｈｚに設定した。
フィルム状接着剤の硬化サンプルとして、２００℃−１ｈの加熱条件で処理したものを準備した（厚み５０μｍ）。平均線膨張係数の測定は、セイコーインスツルメント社製ＴＭＡ／ＳＳ６０００（製品名）を用いて、硬化物サンプルを２ｍｍ×２５ｍｍの大きさに切り出し、チャック間距離１５ｍｍ、測定温度範囲２０〜３００℃、昇温速度５℃／ｍｉｎ、フィルム断面積に対して０．５ＭＰａとなる引っ張り荷重の条件で行なった。Ｔｇ（ｔａｎδピーク）の測定は、セイコーインスツルメント社製ＤＭＳ６１００（製品名）を用いて、硬化物サンプルを０．５ｍｍ×４５ｍｍの大きさに切り出し、チャック間距離２０ｍｍ、周波数１Ｈｚ、測定温度範囲２０〜３００℃、昇温速度５．０℃／ｍｉｎの条件で行なった。
図３に示したように接合性を評価するために以下の評価を行なった。Ｎｉ／Ａｕめっき処理された配線パターンを有するガラスエポキシ基板に上記フィルム状接着剤を貼り付けてセパレータフィルムを剥離した後、金スタッドバンプが形成された半導体チップを超音波振動を利用したフリップチップ接続方式によって基板に接続した。半導体チップとしては１０．２ｍｍ×１０．２ｍｍの大きさで１８４個の金スタッドバンプがペリフェラル配置で形成されているものを用いて、ヘッド温度１００℃、ステージ温度５０℃、振幅２．０μｍ、周波数５０ｋＨｚ、印加時間０．５ｓ、荷重１．０Ｎ／バンプ（半導体チップに対して１．７７ＭＰａの圧力）の接続条件に設定し、株式会社アルテクス製超音波フリップチップボンダーＳＨ−５０ＭＰ（製品名）を用いて接続を行なった。接続サンプルについて、初期接続抵抗を測定した後、２−ブタノン中に浸漬してフィルム状接着樹脂を溶解し、再度接続抵抗を測定した。さらに、塩酸または水酸化ナトリウム水溶液中に浸漬して半導体チップのアルミ電極を溶解して半導体チップを除去した後、配線パターン上に残った金バンプの数を計測し、接合率を算出した。（接合率＝配線パターン上に残った金バンプの数／全バンプ数１８４）。次いで、シェアツールを用いて配線パターン上に残った金バンプのシェア試験を行なった。シェア試験はデイジ社製デイジ２４００を用いて行い、常温（２５℃）、シェア速度２００μｍ／ｓの条件で行なった。
接続信頼性の評価は以下の手順で行なった。上記フィルム状接着剤を用いて、Ｎｉ／Ａｕめっき処理された配線パターンを有するガラスエポキシ基板に貼り付けた後、金スタッドバンプが形成された半導体チップを超音波振動を利用したフリップチップ接続方式によって基板に接続した。半導体チップとしては１０．２ｍｍ×１０．２ｍｍの大きさで１８４個の金スタッドバンプがペリフェラル配置で形成されているものを用いて、ヘッド温度１００℃、ステージ温度５０℃、振幅２．０μｍ、周波数５０ｋＨｚ、印加時間０．５ｓ、荷重１．０Ｎ／バンプ（半導体チップに対して１．７７ＭＰａの圧力）の接続条件に設定し、株式会社アルテクス製超音波フリップチップボンダーＳＨ−５０ＭＰ（製品名）を用いて接続を行なった。さらに、接続サンプルを１５０℃に加熱したオーブン中に２時間放置することによってアフターキュア処理を行なった後、接続抵抗を測定した。この時、フィルム状接着剤の硬化反応率は全て９０％以上であった。次に、接続サンプルを１２５℃に加熱したオーブン中に２４時間放置し、引き続き３０℃、相対湿度６０％に調整した恒温恒湿槽に１９２時間放置した後、ＩＲリフロ処理（２６５℃ｍａｘ）を３回行なった。リフロ処理後の接続サンプルの接続抵抗を測定し、抵抗上昇が初期抵抗の１０％以下であるものを合格とした。
最低溶融粘度測定結果、流れ量測定結果、硬化物の熱膨張係数測定結果、超音波方式によるチップ接続試験の結果を纏めて表２に示した。
１００℃での流れ量が１．５以上である実施例１〜４のフィルム状接着剤では、１）チップ接続後の初期抵抗が２ｍΩ／バンプ以下となっていること、２）接着剤溶解後にオープン不良は発生していないこと、３）バンプのシェア強度が高いこと、４）吸湿リフロ処理によって不良が発生していないといった結果から、超音波振動を利用したフリップチップ接続方式において、良好な金属接合部が形成されており、良好な接続信頼性を示すことが分かる。一方、最低溶融粘度が２００Ｐａ・ｓ未満で、流れ量が１．５未満である比較例１は、チップ接続後の初期抵抗がやや高く、接着剤溶解後にオープン不良が発生し、接合率８０％と悪く、また、シェア強度が低い。また、最低溶融粘度が２００Ｐａ・ｓ未満で、流れ量が１．５以上である比較例２は、比較例１の特性が改善されるものの接続信頼性に劣る。最低溶融粘度が２００Ｐａ・ｓ以上で、流れ量が１．５未満である比較例３は、比較例１と同様、チップ接続後の初期抵抗がやや高く、接着剤溶解後にオープン不良が発生し、接合率８０％と悪く、また、シェア強度が低い。
本発明におけるフィルム状接着剤は半導体チップの突出した接続端子と基板の配線パターンを直接電気的に接続するフリップチップ接続方式におけるアンダーフィル材として使用できるだけでなく、半導体チップの回路形成面を上に向けて基板表面に接着固定し、金ワイヤーなどで半導体チップの電極と基板の配線パターンを電気的に接続するワイヤーボンディング方式において、チップと基板を接着するための接着剤としても用いることができる。また、半導体チップを多段に積層するスタックドパッケージにおいて、半導体チップと半導体チップを接着固定するための接着剤としても用いることができる。
１．ガラスチップ
２．フィルム状接着剤
３．Ｓｉチップ
４．窒化ケイ素膜
５．ステージ
６．接合ヘッド
７．加熱・加圧後のフィルム状接着剤
８．ガラスエポキシ基板
９．配線パターン
１０．フィルム状接着剤
１１．接合ヘッド
１２．ステージ
１３．半導体チップ
１４．アルミ電極
１５．金スタッドバンプ
１６．シェアツール

Claims (5)

  1. （ａ）重量平均分子量１００００以下で常温（２５℃）において固形である樹脂と、（ｂ）絶縁性球状無機フィラーと、（ｃ）エポキシ樹脂（但し、（ａ）成分がエポキシ樹脂の場合、（ｃ）成分は（ａ）成分とは異なるエポキシ樹脂である）と、（ｄ）マイクロカプセル型硬化剤を含む硬化剤とを含有し、
    前記（ａ）重量平均分子量１００００以下で常温（２５℃）において固形である樹脂の配合量が前記（ａ）成分、前記（ｂ）成分及び前記（ｃ）成分の総量１００重量部に対して５〜５０重量部であり、前記（ｂ）絶縁性球状無機フィラーの配合量が当該総量１００重量部に対して２５〜８０重量部であり、前記（ｃ）エポキシ樹脂の配合量が当該総量１００重量部に対して１０〜７０重量部であり、（ｄ）マイクロカプセル型硬化剤を含む硬化剤の配合量が前記（ｃ）エポキシ樹脂１００重量部に対して０．１〜４０重量部であり、
    １５０℃での溶融粘度が８００〜３０００Ｐａ・ｓであり、１００℃において加熱・加圧した場合の平行板間にはさんだフィルム状接着剤の初期面積と加熱・加圧後の面積との比である流れ量が１．５以上であり、かつ、硬化物の２０〜３００℃における平均線膨張係数が２００×１０−６／℃以下であることを特徴とするフィルム状接着剤。
  2. 前記（ｄ）硬化剤は、カプセル化されていないイミダゾール類をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のフィルム状接着剤。
  3. 請求項１または２に記載のフィルム状接着剤を配線パターンの形成された基板に貼り付ける工程、突出した接続端子を有する半導体チップの接続端子と基板の配線パターンとを位置合わせする工程、加熱・加圧した状態で超音波振動を印加することによって半導体チップの突出した接続端子と基板の配線パターンを金属接合によって電気的に接続する工程、フィルム状接着剤の硬化反応率を８０％以上にするために加熱処理を行なう工程を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  4. 請求項１または２に記載のフィルム状接着剤を突出した接続端子を有する半導体チップの接続端子が形成された面に貼り付ける工程、半導体チップの接続端子と基板の配線パターンとを位置合わせする工程、加熱・加圧した状態で超音波振動を印加することによって半導体チップの突出した接続端子と基板の配線パターンを金属接合によって電気的に接続する工程、フィルム状接着剤の硬化反応率を８０％以上にするために加熱処理を行なう工程を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  5. 請求項１または２に記載のフィルム状接着剤を突出した接続端子を有する半導体ウエハに貼り付ける工程、ダイシングによって個片の半導体チップに分割する工程、半導体チップの接続端子と基板の配線パターンとを位置合わせする工程、加熱・加圧した状態で超音波振動を印加することによって半導体チップの突出した接続端子と基板の配線パターンを金属接合によって電気的に接続する工程、フィルム状接着剤の硬化反応率を８０％以上にするために加熱処理を行なう工程を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
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