JP2010031119A - 半導体封止用エポキシ樹脂組成物およびそれを用いた半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】流動性に優れ、半田リフロー時（リフロー温度域）での反りの変化量を低減した半導体封止用エポキシ樹脂組成物およびそれを用いた半導体装置を提供する。
【解決手段】次式（１）
【化１】

で表される骨格を持つビスフェノールＡ型エポキシ樹脂を含むエポキシ樹脂、硬化剤および無機充填材を必須成分として含有し、前記式（１）で表される骨格を持つビスフェノールＡ型エポキシ樹脂はエポキシ樹脂全体量に対して３０〜１００質量％の割合で含有し、無機充填材はエポキシ樹脂組成物全体量に対して８５〜９５質量％の割合で含有することとする。
【選択図】なし

Description

本発明は、電気・電子部品、汎用半導体装置、光半導体装置等における半導体を封止するために用いられる半導体封止用エポキシ樹脂組成物およびそれを用いた半導体装置に関するものである。

近年の電子機器の小型化、薄型化、高集積化にともない表面実装型パッケージが主流になってきており、これらのパッケージのなかでもより実装密度の高いエリア実装タイプのＢＧＡ（Ｂａｌｌ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ）が多くなりつつある。このような表面実装型パッケージの封止には、従来より耐湿性、電気絶縁性、耐熱性、透明性等の点で優れ、大量生産可能なエポキシ樹脂組成物が用いられている（例えば、特許文献１−２参照）。

前記ＢＧＡパッケージは、半導体素子の裏面に接続用の半田ボールを形成するためボール間隙が広く取れて多ピン化に適しているが、封止材料を片面に成形して片面封止するために基板と封止材料との収縮率の差によってパッケージに反りが発生して半田リフロー時に問題になる場合があった。この反りを低減する方法としては、封止材料中の無機充填材を高充填化して封止材料の線膨張係数を小さくすることにより、半田リフロー時の反りの変化量を抑える方法が考えられる。しかしながら、無機充填材の高充填化による方法は、成形時、封止材料の流動性の低下を招き、ワイヤースイープ等の別の問題が発生する場合があった。
特開２００８−７４９３０号公報 特開２００７−１６９４９３号公報

本発明は、以上のとおりの事情に鑑みてなされたものであり、流動性に優れ、半田リフロー時（リフロー温度域）での反りの変化量を低減した半導体封止用エポキシ樹脂組成物およびそれを用いた半導体装置を提供することを課題としている。

本発明は、上記の課題を解決するために、以下のことを特徴としている。

第１に、本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物は、次式（１）

で表される骨格を持つビスフェノールＡ型エポキシ樹脂を含むエポキシ樹脂、硬化剤および無機充填材を必須成分として含有し、前記式（１）で表される骨格を持つビスフェノールＡ型エポキシ樹脂はエポキシ樹脂全体量に対して３０〜１００質量％の割合で含有し、無機充填材はエポキシ樹脂組成物全体量に対して８５〜９５質量％の割合で含有する。

第２に、上記第１の半導体封止用エポキシ樹脂組成物において、さらに次式（２）

で表されるアミノシランを含むシランカップリング剤を含有し、前記式（２）で表されるアミノシランはシランカップリング剤全体量に対して２０〜１００質量％の割合で含有する。

第３に、半導体装置として、第１または第２の半導体封止用エポキシ樹脂組成物の硬化物で半導体素子が封止されていることを特徴とする。

上記第１の発明によれば、前記式（１）で表される骨格を持つビスフェノールＡ型エポキシ樹脂がエポキシ樹脂全体量に対して３０〜１００質量％の割合で含有し、無機充填材がエポキシ樹脂組成物全体量に対して８５〜９５質量％の割合で含有することにより、エポキシ樹脂組成物の流動性を確保してパッケージ成形時のワイヤースイープ等の問題を防止するとともに、エポキシ樹脂組成物の線膨張係数を小さくして片面封止パッケージで問題となる半田リフロー時の反りの変化を低減することができる。特に本発明のエポキシ樹脂組成物は、総厚み０．５ｍｍ以下の薄型ＰＢＧＡ等の薄型パッケージ用の封止材料として有効であり、封止厚みを０．３ｍｍ以下にすることができる。

上記第２の発明によれば、前記式（２）で表されるアミノシランがシランカップリング剤全体量に対して２０〜１００質量％の割合で含有することにより、上記第１の発明の効果をより一層向上させることができる。近年の片面封止パッケージにおいては、小型化、薄型化のために封止材料の封止厚が薄くなり、またパッケージにおけるチップ占有面積が大きくなってきているために常温で上に凸となる凸反りになる場合があるが、本発明によれば、常温でのエポキシ樹脂組成物の収縮量を増加させて常温における片面封止パッケージの反り量を低減することができる。

以上のような顕著な効果は、上記第３の発明の半導体装置として実際上大きく実現され、流動性低下によるワイヤースイープ等の問題が生じることなく、常温での反り量を抑えるとともに半田リフロー時（リフロー温度域）での反りの変化量を低減して高品質の半導体装置を得ることができる。

本発明は前記のとおりの特徴をもつものであるが、以下に、本発明を実施するための最良の形態を説明する。

本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物（以下、単に「エポキシ樹脂組成物」ともいう）は、エポキシ樹脂、硬化剤および無機充填材を必須成分としている。

本発明に使用されるエポキシ樹脂は、少なくとも前記式（１）で表される骨格を持つビスフェノールＡ型エポキシ樹脂を含有し、このビスフェノールＡ型エポキシ樹脂はエポキシ樹脂全体量に対して３０〜１００質量％の割合で含むものである。これにより、無機充填材を高充填化したエポキシ樹脂組成物の流動性を確保してワイヤースイープを良好なものとし、リフロー温度域での反りの変化量を低減することができる。３０質量％未満の場合には、エポキシ樹脂組成物の高粘度化により流動性を確保することができず、ワイヤースイープ等の不具合や成形時に未充填が生じてしまう。

前記式（１）で表される骨格を持つビスフェノールＡ型エポキシ樹脂以外のエポキシ樹脂としては、一般的に半導体封止用として使用される各種のエポキシ樹脂であってよく、例えば、ビフェニル型エポキシ樹脂、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、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、フェノールアラルキル型エポキシ樹脂、ナフトール型エポキシ樹脂、ナフタレン型エポキシ樹脂等を挙げることができる。これらは１種に限定されず、複数種を組み合わせて使用してもよい。

前記式（１）で表される骨格を持つビスフェノールＡ型エポキシ樹脂を含むエポキシ樹脂は、一般的にはエポキシ樹脂組成物全体量に対して２〜１２質量％、好ましくは３〜１０質量％の割合で配合される。

本発明において使用される硬化剤は、エポキシ樹脂と反応するフェノール性水酸基を有する樹脂であれば特に限定されない。具体的には、フェノールノボラック樹脂、クレゾールノボラック樹脂、フェノールアラルキル樹脂、ナフトールアラルキル樹脂等のナフタレン骨格含有フェノール樹脂等、各種の多価フェノール化合物やナフトール化合物が例示される。これらは１種に限定されず、複数種を組み合わせて使用してもよい。硬化剤の含有量は特に限定されないが、例えば、エポキシ樹脂と硬化剤との当量比（ＯＨ当量／エポキシ当量）が０．５〜１．５の範囲、好ましくは０．８〜１．２の範囲となるように配合することができる。当量比が０．５〜１．５の範囲外であると、エポキシ樹脂組成物の硬化特性が低下したり、成形後の硬化物の耐湿性が低下する場合がある。

本発明に使用される無機充填材としては、一般的に半導体封止用として使用されるものであればよく、その種類は特に限定されない。例えば、溶融シリカ、結晶シリカ、アルミナ、窒化ケイ素、窒化アルミニウム等が挙げられる。このような無機充填材は、エポキシ樹脂組成物全体量に対して８５〜９５質量％の割合で含有される。８５質量％未満ではエポキシ樹脂組成物の線膨張係数が大きくなるために、リフロー時の反りの変化量が大きくなってしまう。９５質量％を超える場合には十分な流動性が確保できず、ワイヤースイープが大きくなってしまう。また成形時に未充填が生じてしまう。

本発明は、シランカップリング剤を配合することができる。ここで少なくとも前記式（２）で表されるアミノシランを含有するシランカップリング剤を配合することが好ましい。これによって、ガラス転移温度を低下させ、特に常温でのエポキシ樹脂組成物の収縮量を増加させて常温における片面封止パッケージの反り量を低減することができる。この前記式（２）で表されるアミノシランは、好ましくはシランカップリング剤全体量に対して２０〜１００質量％の割合で含むものである。２０質量％未満の場合には前記アミノシランの効果を十分に発揮することができない場合があるので好ましくない。

前記式（２）で表されるアミノシラン以外のシランカップリング剤としては、γ−メルカプトプロピルトリメトキシシラン等のメルカプトシラン、γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン等のグリシドキシシラン等のシランカップリング剤を挙げることができる。これらは１種に限定されず、複数種を組み合わせて使用してもよい。

前記式（２）で表されるアミノシランを含むシランカップリング剤は、一般的にはエポキシ樹脂組成物全体量に対して０．１〜１．０質量％、好ましくは０．２〜０．５質量％の割合で配合される。

また本発明のエポキシ樹脂組成物には、エポキシ樹脂の硬化反応を促進させるために上記フェノール樹脂とともに硬化促進剤を含有することが望ましい。硬化促進剤としては、エポキシ基とフェノール性水酸基の反応を促進するものであれば特に限定されない。例えば、テトラフェニルホスホニウム・テトラフェニルボレートやトリフェニルホスフィン等の有機ホスフィン類、ジアザビシクロウンデセン等の三級アミン類、２−メチルイミダゾール、２−フェニルイミダゾール等のイミダゾール類が挙げられる。これらは１種に限定されず、複数種を組み合わせて使用してもよい。

さらに本発明のエポキシ樹脂組成物は、本発明の効果を損なわない範囲内において、上記以外の成分を配合することができる。例えば、三酸化アンチモン等の難燃剤、カーボンブラック等の着色剤、シリコーン可とう剤等が挙げられる。また、カルナバワックス、脂肪酸アミド、ステアリン酸、モンタン酸、脂肪酸エステル、カルボキシル基含有ポリオレフィン等の離型剤が配合されていてもよい。

以上のとおりの本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物は、上記エポキシ樹脂、硬化剤、無機充填材及びシランカップリング剤、さらに必要に応じて各種の添加剤を配合し、これをミキサーやブレンダーで均一に混合した後に、加熱ロールやニーダー等で混練することによって調製できる。ここで上記の各成分の配合順序は特に限定されるものではない。また混練物を必要に応じて冷却固化し、粉砕してペレットやパウダーにしたり、あるいはタブレット化したりして使用することができる。

そして、このようにして調製した半導体封止用エポキシ樹脂組成物を用いて封止成形することによって、半導体装置を作製することができる。例えば、ＩＣ等の半導体素子を搭載したリードフレームをトランスファー成形金型にセットし、半導体封止用エポキシ樹脂組成物を供給してトランスファー成形を行うことによって、半導体素子を半導体封止用エポキシ樹脂組成物の硬化物で封止した半導体装置を作製する。ここで半導体封止用エポキシ樹脂組成物の硬化物は、ガラス転移温度が１５０℃以下であり、線膨張係数が４０．０×１０^−６／℃以下の特性を有している。したがって、常温での反り量を低減し、また半田リフロー時（リフロー温度域）での反りの変化量も低減することができる。特に本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物は、総厚み０．５ｍｍ以下の薄型ＰＢＧＡ等の薄型パッケージ用の封止材料として有効であり、封止厚みを０．３ｍｍ以下にすることができる。

以下、実施例を示し、この発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。もちろん、この発明は以下の例に限定されるものではなく、細部については様々な態様が可能であることは言うまでもない。

＜実施例１〜１０及び比較例１〜４＞
表１に示す配合量で各成分を配合し、ブレンダーで３０分間混合して均一化した後、８０℃に加熱した２本ロールで混練溶融させて押し出し、冷却した後、粉砕機で所定粒度に粉砕して粉粒状（パウダー状）の半導体封止用エポキシ樹脂組成物を得た。

なお、エポキシ樹脂としては、エポキシ樹脂１：ビフェニル型エポキシ樹脂（ジャパンエポキシレジン（株）製 ＹＸ４０００Ｈ エポキシ当量１９５）、エポキシ樹脂２：前記式（１で表される骨格を持つビスフェノールＡ型エポキシ樹脂（ジャパンエポキシレジン（株）製 ＹＬ６８１０ エポキシ当量１７５）を使用した。

硬化剤としては、フェノールノボラック樹脂（明和化成（株）製 ＤＬ−９２ 水酸基当量１０５）を使用した。

無機充填材としては、溶融シリカ（電気化学工業（株）製 ＦＢ８２０）を使用した。

さらに、シランカップリング剤としては、シランカップリング剤１：前記式（２）で表されるアミノシラン（Ｎ−フェニル−３−アミノプロピルトリメトキシシラン）（信越化学工業（株）製 ＫＢＭ５７３）、シランカップリング剤２：γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン（信越化学工業（株）製 ＫＢＭ４０３）を使用した。

また、離型剤としてカルナバワックス（大日化学工業（株）製 Ｆ１−１００）を使用し、着色剤としてカーボンブラック（三菱化学（株）製 ４０Ｂ）を使用し、硬化促進剤としてトリフェニルホスフィン（北興化学工業（株）製 ＴＰＰ）を使用した。

以上の半導体封止用エポキシ樹脂組成物を下記成形条件でトランスファー成形し、以下の測定方法によりその特性を評価した。
＜成形条件＞
金型温度：１７５℃
注入圧力：７０ｋｇｆ／ｃｍ^２
成形時間：９０秒
後硬化：１７５℃／６ｈ
＜スパイラルフロー＞
ＡＳＴＭ Ｄ３１２３に準じたスパイラルフロー測定金型を用いて上記成形条件で成形し、流動距離（ｃｍ）を測定した。

流動距離が１８０ｃｍを超える場合を「◎」、１８０ｃｍ未満１４５ｃｍ以上の場合を「○」、１４５ｃｍ未満１４０ｃｍ以上の場合を「＝」、１４０ｃｍ未満の場合を「×」の４段階で評価し、流動距離が１４０ｃｍ以上であれば問題のないレベルとして評価した。
＜ＰＢＧＡパッケージ反り量＞
３５×３５×０．５ｍｍｔＰＢＧＡ（封止サイズ２９×２９×１．１７ｍｍｔ、ＢＴ基板、レジストＰＳＲ４０００）を１７５℃９０ｓキュアにて成形し、後硬化させたＰＢＧＡパッケージを、ＡＫＲＯＭＥＴＲＩＸ社製のシャドウモアレ（ＰＳ２００）を用いて、リフロー温度域（常温（２５℃）〜２６０℃）の反り（コプラナリティー）を測定した。

ＰＢＧＡパッケージ反り量（常温）が２００μｍ以下１７０μｍ以上の場合を「◎」、１７０μｍ未満１２０μｍ以上の場合を「○」、１２０μ未満１００μｍ以上の場合を「＝」、１００μｍ未満の場合を「×」の４段階で評価し、反り量が１００μｍ〜２００μｍであれば問題のないレベルとして評価した。なお、このＰＢＧＡパッケージ反り量（常温）の４段階評価は薄型パッケージ用途での適用を評価している。ここでは封止厚の厚いＰＢＧＡパッケージの反り量（常温）を測定しているため、その封止厚の厚いパッケージの反りの挙動をそのまま薄型パッケージの反りの挙動として評価することができない。例えば、表１において実施例１のＰＢＧＡパッケージ反り量（常温）の測定値は１７８μｍ（下に凸）であるが、実際の薄型パッケージでの反り量は±５０μｍ程度になる。他方、比較例１のＰＢＧＡパッケージ反り量（常温）の測定値は８９μｍ（下に凸）であり、実施例１のそれと比較して反り量が小さくなっているが、実際の薄型パッケージでの反り量は実施例１と比較して上に凸に大きく反ったものになる。そこで本評価では、ＰＢＧＡパッケージの反り量（常温）が１００μｍ〜２００μｍであれば、薄型パッケージ用途への適用につき問題のないレベルとして評価した。

ＰＢＧＡパッケージ反りの変化量（常温〜２６０℃）が３００μｍ以下の場合を「◎」、３００μｍを超えて３５０μｍ以下の場合を「○」、３５０μｍを超えて４００μｍ以下の場合を「＝」、４００μｍを超えるの場合を「×」の４段階で評価し、反り量が４００μｍ以下であれば問題のないレベルとして評価した。
＜ガラス転移温度および線膨張係数＞
上記成形条件にて５ｍｍφ×３０ｍｍの試験片を作製した。この試験片を東京工業（株）製の線膨張率試験機にセットし、昇温５℃／分にて常温（２５℃）から２６０℃まで測定した。寸法変化と温度グラフを作成し、ガラス転移温度以下の線膨張係数α１（１／℃）を（８０℃での寸法−６０℃での寸法）／｛（８０−６０）×（６０℃における試験片の長さ）｝より算出した。また、ガラス転移温度以下の線膨張係数α２（１／℃）を（２５０℃での寸法−２３０℃での寸法）／｛（２５０−２３０）×（２３０℃における試験片の長さ）｝より算出し、グラフ上にて６０℃と８０℃をつなぐ直線と、２３０℃と２５０℃をつなぐ直線の交点の温度をガラス転移温度とした。

上記スパイラルフロー、ＰＢＧＡパッケージ反り量（常温）、ＰＢＧＡパッケージ反りの変化量（常温〜２６０℃）、ガラス転移温度および線膨張係数を測定した結果を表１に示す。

表１にみられるように、前記式（１）で表される骨格を持つビスフェノールＡ型エポキシ樹脂を含むエポキシ樹脂、硬化剤および無機充填材を必須成分として含有し、前記式（１）で表される骨格を持つビスフェノールＡ型エポキシ樹脂はエポキシ樹脂全体量に対して３０〜１００質量％の割合で含有し、無機充填材はエポキシ樹脂組成物全体量に対して８５〜９５質量％の割合で含有するエポキシ樹脂組成物（実施例１〜１０）は、流動性が良好であり、かつ、リフロー温度域での反りの変化量が効果的に低減していることが確認できた。

他方、前記式（１）で表される骨格を持つビスフェノールＡ型エポキシ樹脂を含まず、もしくは無機充填材がエポキシ樹脂組成物全体量に対して８５〜９５質量％の割合で含有しないエポキシ樹脂組成物（比較例１〜４）は、流動性が劣るか、あるいは半田リフロー時（リフロー温度域）での反りの変化量が大きくなっていることが確認できた。

Claims (3)

1. 次式（１）
   

   

   で表される骨格を持つビスフェノールＡ型エポキシ樹脂を含むエポキシ樹脂、硬化剤および無機充填材を必須成分として含有し、前記式（１）で表される骨格を持つビスフェノールＡ型エポキシ樹脂はエポキシ樹脂全体量に対して３０〜１００質量％の割合で含有し、無機充填材はエポキシ樹脂組成物全体量に対して８５〜９５質量％の割合で含有することを特徴とする半導体封止用エポキシ樹脂組成物。
2. さらに次式（２）
   

   

   で表されるアミノシランを含むシランカップリング剤を含有し、前記式（２）で表されるアミノシランはシランカップリング剤全体量に対して２０〜１００質量％の割合で含有することを特徴とする請求項１に記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成物。
3. 請求項１または２に記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成物の硬化物で半導体素子が封止されていることを特徴とする半導体装置。