JP2000299326A - 高密度半導体用接着剤 - Google Patents
高密度半導体用接着剤Info
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Abstract
ともに、半導体装置の組立時及び使用時に半導体装置に
生じる熱応力を緩和することができる、高信頼性の高密
度半導体装置を低コストで製造するための接着剤を提供
する。 【解決手段】表面に水酸基を有する球状細粒シリカ、及
び超微粒シリカを最適な量・比率で含有する柔軟で強靭
な半導体用接着剤において、最適な粒径を有する役割の
異なる2種のシリカを固形接着成分及び粘性調整成分と
して適量含有する。2種のシリカは表面に水酸基を有す
る平均粒径2〜8μmの球状細粒品、及び平均粒径2〜
80nmの超微粒品である。2種シリカの合計含有率は
5〜70重量%であり、球状細粒シリカの含有量は超微
粒シリカの含有量より多い。
Description
接着剤に関するものである。ここでいう接着剤とは、半
導体装置を組み立てるに際し、半導体チップ、放熱板、
回路基板等を取り付けるため異種素材を接着するととも
に衝撃緩衝の役目をするものである。
進歩に呼応して、電子機器の性能向上、小型化、軽量化
及び低コスト化が強く求められている。これらの要望を
満たすため、電子機器の心臓部である半導体装置の高密
度化が必須のものとなっている。半導体装置の高密度化
は、例えば、半導体ベアチップを基板に直接取り付ける
フリップチップ・ボンディング加工法、更には、電極を
面状に配置したBGA(ボール・グリッド・アレイ)加
工法やCSP(チップ・サイズ・パッケージ)加工法等
の技術によりその実現が図られている。
を使用して半導体チップ、放熱板、回路基板等を取り付
ける技術が進歩している。この技術は、異種素材同士を
接着するとともに半導体装置の熱応力による衝撃を緩和
する役目もするものである。半導体装置を接着剤を用い
て組み立てるに際しては、半導体を精密に基板等に接着
させる必要がある。このため接着剤には品質の均一性及
び安定性が求められる。従来の接着剤は液状接着成分を
主に構成されているので、部分的に組成変動を生じ高精
度接着用途には不向きであった。接着力がバラツク、不
均一に滲み出すといった問題を生じていた。また、半導
体装置の組立に当たっては、異種素材を接着しなければ
ならず、従来の接着剤では接着力が不足するという問題
がある。
かり、これが半導体に熱応力を生じさせ、この応力を緩
和しなければならないという問題がある。熱がかかった
場合、半導体チップ自身の熱膨張は小さく、接着剤の熱
膨張が大きいので、接着剤は膨張しようとし、半導体が
その膨張を抑えようとするので応力が発生し、それが半
導体装置の故障原因になり、最悪の場合半導体装置自身
の破壊の原因にもなる。
に充填剤としてシリカが使用されるが、多量に添加する
と柔軟性や強度の低下を招く。また、粒径の大きな異方
性充填剤は、局部応力を発生するという問題がある。さ
らに、接着補強剤として超微粒子異方性シリカを用いる
ことも知られているが、添加により粘度が上昇し流動性
を失って加工性が悪くなるという問題がある。このた
め、液状の接着成分を添加する方法が採用されている
が、滲み出しや接着力の不均一性という問題を抱えてい
る。
る半導体装置を、低コストで組立可能とする半導体用接
着剤を提供するものである。この接着剤は、寸法精度、
保存性及び接着力に優れ、かつ、半導体装置の組立時及
び使用時にかかる熱によって半導体装置に生じる熱応力
を緩和することのできるものである。即ち、表面に水酸
基を有する球状細粒シリカ、及び超微粒シリカを、固形
接着成分及び粘性調整成分として適切な量及び比率で使
用することにより柔軟性・均一性・安定性及び加工性に
優れる高強度の接着剤を提供しようとするものである。
に水酸基を有する平均粒径2〜8μmの球状細粒シリ
カ、及び平均粒径が2〜80nmの超微粒シリカを含有
する半導体用接着剤である。請求項2の発明は、球状細
粒シリカ及び微粒シリカの合計含有率が、5〜70重量
%であることを特徴とする請求項1に記載の半導体用接
着剤である。請求項3の発明は球状細粒シリカの含有量
が超微粒シリカの含有量より多いことを特徴とする請求
項1又は請求項2に記載の半導体用接着剤である。
布がCV値で60%以下であることを特徴とする請求項
1から請求項3のいずれか1項に記載の半導体用接着剤
である。請求項5は球状細粒シリカの水酸基の量が、該
シリカに対し0.01〜1.0mmol/gであること
を特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記
載の半導体用接着剤である。
柔軟性接着剤、シリコーン系・柔軟エポキシ系・エラス
トマー系の柔軟性接着剤より選択される少なくとも1種
であることを特徴とする請求項1から請求項5のいずれ
か1項に記載の半導体用接着剤である。
シリカ、及び超微粒シリカを最適な量・比率で含有する
柔軟で強靭な半導体用接着剤を提供するものである。最
適な粒径を有する役割の異なる2種のシリカを固形接着
成分及び粘性調整成分として適量含有する接着剤は、柔
軟性・保存性・加工性・接着性に優れたものである。そ
して、本発明の接着剤を用いて組み立てた半導体装置
は、熱応力の緩和に優れ、高密度化が可能で、信頼性が
高く、製造コストも低いものである。
シリカを使用する。水酸基はベース樹脂と物理的・化学
的結合を形成し強度や信頼性面で効果を発揮する。従来
の球状細粒シリカは水酸基をほとんど持たないため、樹
脂の滲み出し、強度及び信頼性の低下といった問題を生
じる。
能基を有する必要はない。表面積即ちベース接着剤との
接触面積が大きいため、相溶性や反応性の官能基がなく
ても強度低下といった問題を生じない。但し、市販品は
表面に水酸基又はアルコキシ基を有するものがほとんど
であり、ベース樹脂との馴染みは良い。
剤に無機系粒子を添加した場合、一般に、接着剤の粘度
が高くなり接着加工性が極端に悪くなる。この点、球状
の粒子を使用すると、粘度の上昇を抑え充填性を高める
ことができ、超微粒子を使用することにより接着剤のチ
キソ性を高め滲み出しを防止することができる。即ち、
球状細粒シリカと超微粒シリカをバランスよく添加する
ことが重要である。また、シリカの含有量が多すぎる
と、接着剤の粘度上昇により加工性が低下する等の問題
がある。よって、球状細粒シリカ及び微粒シリカの含有
量は5〜70重量%が好ましく、球状細粒シリカの含有
量が超微粒シリカの含有量より多いことが好ましい。さ
らに、他のシリカ又は及び他種の充填剤を接着剤特性に
悪影響を与えない範囲で使用しても良い。
が損なわれ、また、局部的に応力が集中するという問題
がある。このような観点から、球状細粒シリカとしては
平均粒径は2〜8μm、CV値が60%以下が好まし
い。ここでCV値というのは、下記式から求められるも
のである。 CV値(%)=(D1−D2)÷2Dp×100 上式中D2は累計16重量%のときの粒径、D1は累計8
4重量%のときの粒径、Dpは平均粒径、即ち、累計5
0重量%のときの粒径を表す。
は、その表面に有する水酸基の量が該球状シリカに対し
0.01〜1.0mmol/gであることが好ましい。
水酸基の量が多過ぎると、チキソ性が増し加工性を低下
させたり、空気中の水分を吸着し半導体装置の信頼性を
低下させるという問題を生じる。ちなみに、水酸基の最
少被覆面積を1770平方メートル/g及び球状シリカ
(平均粒径5μm)の理論比表面積を0.5平方メート
ル/gとすると、球状シリカの表面を全て水酸基で被覆
するのに必要な量は1.6mmol/gとなる。
び従来の球状シリカの測定値より定めた。水酸基が少な
い場合には含有量が極めて小さくなり測定精度の問題が
大きくなるためである。ちなみに、シリカ粒子に水酸基
が1000個存在する場合、平均粒径が2μmでは水酸
基量は1.7×10E−6mmol/gになる。又、2
000℃程度で熔射した理論上は水酸基をほとんど有し
ないとされている従来の球状シリカの水酸基量を測定し
た結果は、現在の測定精度である0.01mmol/g
より小さい数値(検出限界以下)を示した。
使用することができるが、応力の緩和に有効に作用する
ことから柔軟性接着剤を使用するのが好ましい。具体的
には、シリコーン系接着剤・エポキシ系柔軟接着剤・エ
ラストマー系接着剤から選択される少なくとも1種の接
着剤が好ましい。そして、各柔軟性接着剤は、エポキシ
基・カルビノール基・水酸基・アミノ基・アルコキシ基
・ビニル基等の接着性官能基のうち少なくとも1種を骨
格に持つことが好ましい。
有型ポリシロキサンを好ましく使用することができる。
該ポリシロキサンは各種添加剤を加えることができ、硬
化剤や触媒類の存在下硬化しゴム弾性を有するシリコー
ンゴムとなる。このゴム弾性により半導体装置の組立時
又は使用時に発生する熱応力を緩和することができる。
硬化剤や触媒類はシリコーンメーカーのカタログ等に記
載の通りである。
持たない硬質なものが多い。本発明では柔軟性を有する
エポキシ樹脂及び硬化剤を使用するのが好ましく、具体
的には炭化水素変性・エラストマー変性・ゴム変性・シ
リコーン変性等の変性樹脂を用いる。これらの樹脂に、
各種添加剤を加えた硬化物は弾性を持ち応力を緩和する
ことができる。
チレン系・オレフィン系・ポリエステル系・ポリアミド
系・ウレタン系等のものである。ビニル基・エポキシ基
・水酸基・アルコキシ基・アクリル基・イソシアネート
基等の反応性官能基を有するものが使用される。
で他の接着成分を添加しても良い。エポキシ基・水酸基
・アミノ基・アルコキシ基等の官能基を有する化合物が
使用できる。
リカを多量に用いるため、接着精度が悪い、加工性が悪
い、接着力がバラツク、不均一に滲み出す、歩留まりが
悪いといった問題を有している。
で使用でき、テープ状等に加工することもできる。テー
プ状にした場合も、安定した高い接着力を保持すること
ができる。
接着剤をつけて硬化させるものである。即ち、接着剤本
体が未硬化の状態で、半導体チップ等を貼付硬化させ半
導体装置を組立てるものである。その際、表面に水酸基
を有する球状細粒シリカと超微粒シリカを固形接着成分
及び粘性調整成分として用いることにより、接着効果を
一層大きく安定なものにすることができる。
状セラミックの効果を特願平10−330463にて発
表している。本発明は、さらに大きさの異なる複数のシ
リカを併用することにより、抜群に優れた効果があるこ
とを見い出したものである。
たものである。半導体チップ25は、接着剤26を介し
て基板28に取り付けられている。29は半田ボールで
ある。半導体チップ25が接着剤26を介して基板28
に取り付けられており、これら全体がフレーム30で囲
まれている。外部へは配線27により接続されている。
接着剤26は、半導体チップ25を基板28に接着させ
るとともに、半導体装置に加わる熱応力を緩和する機能
をもつ。
用例である。半導体チップ47は、接着剤43を介して
基板44に取り付けられている。42は半田ボールであ
り、46は封止材料である。外部へは配線45で接続さ
れている。接着剤43は、半導体チップ47を基板44
に接着させるとともに、半導体装置にかかる熱応力を緩
和する機能をもつ。
る。ここで、部は全て重量部である。
球状細粒シリカA45部、超微粒シリカ(DM−10、
トクヤマ)5部、シクロペンタジエン変性エポキシ樹脂
(XD−1000、日本化薬)80部、キシレン変性フ
ェノール樹脂(XL−225、三井化学)20部及び触
媒(TPP−K、北興化学工業)1部を混合し3本ロー
ルにて5分間混練し接着剤を製造した。この接着剤を模
擬BGAにおいて、FPC(フレキシブル・プリント・
サーキット)上に厚み150μmでスクリーン印刷し、
半導体チップを装着した。その後180℃で5分間加熱
した。この接着層の厚み精度は±10μm以下で、樹脂
の滲み出しもなく基板との実装は全く問題なかった。
又、この模擬BGAの吸湿半田テストを行ったところ、
クラックやポップコーン等の不良発生は認められなかっ
た。更に、耐湿性テストを実施したところ回路の電流漏
れや断線等の不良は発生しなかった。
開平10−287415に準じて製造(焼成温度950
℃)したもので、平均粒径は3.8μm、CV値56
%、水酸基含有量0.2mmol/gである。又、超微
粒シリカDM−10は、平均粒径10nmのメトキシ変
性品である。
にて24時間放置した後、赤外線炉で260℃・10秒
で3回加熱する。 耐湿性テスト :半田吸湿テストを施したものを、温度
125℃・湿度100%で1000時間放置する。
部標準物質として添加し、FT−IR拡散反射法により
3740cm−1の吸収を測定し水酸基量を算出する。
尚、検体とトリメチルシランを反応させ、シランの消費
量より水酸基量を算出する方法では測定精度は0.1m
mol/gであった。今後、高精度の測定方法を検討す
ることにより、水酸基量の最適範囲はより明確になると
考えれる。
60−3U、東芝シリコーン)95部、テルペン系重合
体(YS−125、ヤスハラケミカル)5部、高活性球
状細粒シリカB24部及び超微粒シリカ(#200、日
本アエロジル)1部、触媒(TC−8、東芝シリコー
ン)0.5部を使用し実施例1同様に接着剤を製造し
た。印刷では優れた加工性を示し滲み出し等の問題もな
かった。又、実施例1同様に吸湿半田テスト及び耐湿性
テストを実施したところ不良は発生しなかった。
ムの水溶液を乳化させ酸添加により球状化し、これを濾
過乾燥した後、700℃で焼成したものである。平均粒
径は6.2μm、CV値は27%、水酸基量は0.8m
mol/gであった。又、超微粒シリカは平均粒径が1
5nmで水酸基を有するものである。
粒シリカ(L−90、CABOT)15部、熱可塑系エ
ラストマー(D−1117、シェルジャパン)95部及
び液状合成ゴム(B−1000、日本曹達)5部、ベン
ゾイルパーオキサイド0.5部を2本ロールにて5分間
混練し、固形接着剤を得た。次にFPC上に加熱圧縮成
形により150μmの接着剤層を加工した後、吸湿半田
テスト及び耐湿テストを実施した。厚み精度は良く、模
擬BGAのテストでも不良発生はなかった。
−4、龍森)をフツ酸で洗い表面に水酸基を生成させた
ものである。平均粒径は2.8μm、CV値32%、水
酸基量0.15mmol/gであった。超微粒シリカは
平均粒径8nmで水酸基を有するものである。
リカ(MIBK−ST、日産化学工業)10部、シリコ
ーン変性エポキシ樹脂(SIN−620、大日本インキ
化学工業)90部及びポリブタジエングリコール(G−
1000、日本曹達)10部を、真空加熱ニーダ中で混
合加熱し超微粒シリカを分散させていた溶媒を除去し
た。その後、当該混合物に触媒(TPP−K、北興化学
工業)1部を混合し3本ロールにて5分間混練し接着剤
を製造した。実施例1同様に印刷加工及び吸湿半田・耐
湿性テストを行ったが全く問題はなかった。
ダルシリカの30重量%溶液である。本シリカは表面に
水酸基を有するもので、分散溶媒はメチルイソブチルケ
トン(MIBK)である。
りに、熔射法で製造された不活性シリカの空気分級品
(TSS−4、龍森)、即ち、表面に水酸基をほとんど
持たない平均粒径3.8μm、CV値51%の球状細粒
シリカを用いて同様に処理した。得られた接着剤はスク
リーン印刷時に樹脂分が滲み出し、印刷加工時に15%
が不良となった。良品を実施例1同様に吸湿半田テスト
したところ40%にクラックが発生した。不良が多いの
で次の耐湿性テストは中止した。球状細粒シリカが表面
に水酸基を持たないため、ベース樹脂との相溶性が悪く
分離現象を起こしたものと思われる。即ち、ベース樹脂
との接着強度が低いため界面破壊を起こしたと考えられ
る。尚、本シリカの水酸基測定結果は検出限界以下の数
値を示した。
様に接着剤を製造した。この接着剤は、印刷時に滲み出
し不良4%、厚み精度不良1%を発生した。良品で吸湿
半田テスト及び耐湿性テストを行ったところ不良率は
0.1%以下で問題はなかった。即ち、超微粒シリカを
添加しないと、加工時の歩留まりが悪くなりコストが高
くなる。
285部として接着剤を製造した。この接着剤はシリカ
含有量が約75重量%と多く流動性が悪く、圧縮成形時
に7%の未充填不良を発生した。
代わりに、熔射法で製造された不活性球状シリカ(FB
−6S、電気化学工業)、平均粒径6μmでCV値が8
3%、を用いて接着剤を製造した。この接着剤は印刷時
に滲み出しで20%、厚み精度で10%の不良を発生し
た。粒径の大きなシリカは加工性に大きな悪影響を及ぼ
す。尚、本シリカの水酸基量は検出限界以下であった。
代わりに、同製法で焼成温度を450℃に低下させた水
酸基が1.2mmol/gのシリカを用いて接着剤を製
造した。この接着剤は成形時に未充填不良を10%発生
した。又、良品は吸湿率が0.3重量%と実施例3の
0.2重量%の1.5倍であった。水酸基が多いと樹脂
との相溶性や反応性が高くなりすぎ、流動性の低下やゲ
ル化を招く。又、水分を吸収するため耐湿性の低下が危
惧される。
代えて、シランカップリング剤(A−186、日本ユニ
カー)5部を使用して、実施例1と同様に処理した。こ
の接着剤は、印刷時に不均一な滲み出不良45%、厚み
精度不良25%を発生した。数少ない良品を吸湿半田テ
スト及び耐湿性テストにて評価したところ、部分剥離や
部分腐食によりテスト品の86%が不良となった。シラ
ンカップリング剤のような液状の接着性成分を主体に接
着剤を設計すると、接着力及び品質がバラツクといった
重大な問題を発生することが明らかである。
装置を低コストで加工するための接着剤を提供するもの
である。即ち、半導体チップ、放熱板等と回路基板等を
接着させるための高密度半導体用接着剤である。さら
に、本接着剤は。半導体装置の組立時及び使用時に半導
体装置に生ずる熱応力を緩和することができ、本発明に
よって製造した半導体装置は、その作動が安定した信頼
性の高いものである。
安定性に優れており、作業性に優れたものとなってい
る。さらに、本接着剤は、接着力に優れており、必要な
部品を互いに強力に接着するものである。このため、で
きあがった半導体装置は構造的に強靭堅固なものであ
る。
ある。
Claims (6)
- 【請求項1】表面に水酸基を有する平均粒径が2〜8μ
mの球状細粒シリカ、及び平均粒径が2〜80nmの超
微粒シリカを含有する半導体用接着剤。 - 【請求項2】球状細粒シリカ及び超微粒シリカの合計含
有量が5〜70重量%であることを特徴とする請求項1
に記載の半導体用接着剤。 - 【請求項3】球状細粒シリカの含有量が超微粒シリカの
含有量より多いことを特徴とする請求項1又は請求項2
に記載の半導体用接着剤。 - 【請求項4】球状細粒シリカが、その粒径分布がCV値
で60%以下であることを特徴とする請求項1から請求
項3のいずれか1項に記載の半導体用接着剤。 - 【請求項5】球状細粒シリカの水酸基量が、該シリカに
対して0.01〜1.0mmol/gであることを特徴
とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の半
導体用接着剤。 - 【請求項6】ベースとなる接着剤が、シリコーン系接着
剤・柔軟エポキシ系接着剤・エラストマー系接着剤から
選択される少なくとも1種であることを特徴とする請求
項1から請求項5のいずれか1項に記載の半導体用接着
剤。
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