JP3740988B2

JP3740988B2 - 封止用樹脂組成物及び半導体装置

Info

Publication number: JP3740988B2
Application number: JP2001049113A
Authority: JP
Inventors: 弘志杉山; 貴志外山
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2001-02-23
Filing date: 2001-02-23
Publication date: 2006-02-01
Anticipated expiration: 2021-02-23
Also published as: JP2002249546A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子を封止するために用いられる封止用樹脂組成物、及びこの封止用樹脂組成物を用いて封止した半導体装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、ダイオード、トランジスター、集積回路等の電気・電子部品や半導体装置の封止方法としては、エポキシ樹脂を用いた低圧トランスファー成形が主流を占めている。このようにエポキシ樹脂を用いる封止方法においては、ｏ−クレゾールノボラック型エポキシ樹脂を樹脂成分として配合し、かつトリフェニルフォスフィンを硬化成分として配合した樹脂組成物を使用するのが、最も一般的である。例えば、このような樹脂組成物を半導体装置等の封止材として用いる場合は、まず金属製リードフレーム上の所定位置に半導体素子をダイボンディングし、次いでワイヤーボンディング等で半導体素子とリードフレームとを結線した後、これらのものを上記の封止材を用いて低圧トランスファー成形により樹脂封止するものである。
【０００３】
そして通常は、この後に１７０〜１８０℃で約４〜１２時間加熱することによりアフターキュアーが行われている。このように半導体素子を封止材で封止した後、アフターキュアーを行っているのは、封止材を完全に硬化させることによって、パッケージ内部に生じている残留応力を開放し、歪みを除去するためである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、半導体メーカーにとっては、半導体装置の作製に要する時間を短縮し、製品を早急にユーザーへ供給したいと望んでおり、上記のようなアフターキュアーの工程は、むしろ省略したりあるいは短縮したりする方が好ましいものである。また、アフターキュアーを行う際にはオーブン管理が必要であり煩雑であるという観点からも、アフターキュアーの工程の省略や短縮は望まれるものであった。
【０００５】
しかし、実際にアフターキュアーの工程を省略したり短縮したりすると、封止材本来の特性が損なわれるという問題が生じる。即ち、アフターキュアーが不十分な半導体装置を配線基板に実装しようとすると、半田浴への浸漬時やＩＲリフロー時においてパッケージクラックが起こり、耐クラック性が大幅に損なわれてしまうものであった。
【０００６】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、アフターキュアーの工程を省略又は短縮しても封止材としての特性が損なわれることなく、半田浴への浸漬時やリフロー時における耐クラック性を維持又は向上することができる封止用樹脂組成物、及びこの封止用樹脂組成物を用いて封止した半導体装置を提供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る封止用樹脂組成物は、エポキシ樹脂及び硬化剤を含有する封止用樹脂組成物において、エポキシ樹脂として、下記の式（Ａ）で示されるジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂をエポキシ樹脂全量中に２０〜１００質量％含有するものを用いると共に、硬化剤として、下記の式（Ｂ）で示されるものを硬化剤全量中に２０〜８０質量％と下記の式（Ｃ）で示されるものを硬化剤全量中に２０〜８０質量％含有するものを用いて成ることを特徴とするものである。
【０００８】
【化３】

【０００９】
また請求項２の発明は、請求項１において、シリコーンレジンによって被覆されたシリコーンゴムパウダーを含有して成ることを特徴とするものである。
【００１０】
また請求項３の発明は、請求項１又は２において、硬化促進剤として、下記の式（Ｄ）で示されるホスフィン系化合物と下記の式（Ｅ）で示されるフェノールノボラック化合物との反応物を含有するものを配合して成ることを特徴とするものである。
【００１１】
【化４】

【００１２】
また請求項４の発明は、請求項１乃至３のいずれかにおいて、充填材として、溶融シリカを充填材全量中に５０〜９０質量％と結晶シリカを充填材全量中に１０〜５０質量％含有するものを配合して成ることを特徴とするものである。
【００１３】
また請求項５に係る半導体装置は、請求項１乃至４のいずれかに記載の封止用樹脂組成物によって封止されて成ることを特徴とするものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
【００１５】
本発明においてエポキシ樹脂としては、上記の式（Ａ）で示されるジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂（以下、式（Ａ）のエポキシ樹脂ともいう）を用いるものであり、これによって封止材を低吸湿化し耐湿性を向上させることができるものである。また式（Ａ）のエポキシ樹脂以外に、一般的に半導体封止用として使用されるものであれば特に限定されることなく用いることができる。例えば、オルソクレゾールノボラックエポキシ樹脂、フェノールノボラックエポキシ樹脂、ビスフェノール型エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂等を挙げることができる。
【００１６】
但し、この際には式（Ａ）のエポキシ樹脂は、エポキシ樹脂全量中の２０〜１００質量％を占めるように配合するものであり、好ましくは５０〜１００質量％である。このとき式（Ａ）のエポキシ樹脂の配合量が２０質量％未満であると、封止材の耐湿性を向上させることができないものである。
【００１７】
また硬化剤としては、上記の式（Ｂ）及び式（Ｃ）で示されるフェノール系硬化剤（以下、それぞれ式（Ｂ）の硬化剤、式（Ｃ）の硬化剤ともいう）を併用するものである。特に、式（Ｂ）の硬化剤は低吸湿性であるため、封止材を低吸湿化し耐湿性を向上させることができるものであり、一方、式（Ｃ）の硬化剤を用いると、封止材のガラス転移温度（Ｔｇ）が通常よりも１０〜２０℃上昇し、アフターキュアーレスであっても、つまりアフターキュアーを行わなくても封止材のガラス転移温度（Ｔｇ）を高く保つことができるものである。尚、本発明において式（Ｃ）の硬化剤は、２〜１２核体（ｎ＝０〜１０）のものからなるものであって、２核体（ｎ＝０）のものが全体の１０質量％以下であるものを用いるものである。また式（Ｂ）や式（Ｃ）の硬化剤以外に、一般的に半導体封止用として使用されるものであれば特に限定されることなく用いることができる。例えば、フェノールノボラック樹脂、ナフタレン骨格含有フェノール樹脂、ジシクロペンタジエン型フェノール樹脂、フェノールアラルキル樹脂等を挙げることができる。
【００１８】
但し、式（Ｂ）及び式（Ｃ）の硬化剤は、それぞれ硬化剤全量中の２０〜８０質量％を占めるように配合するものである。式（Ｂ）の硬化剤が２０質量％未満であると、良好な耐湿性を有する封止材を得ることができないものであり、また式（Ｃ）の硬化剤が２０質量％未満であると、高いガラス転移温度（Ｔｇ）を有する封止材を得ることができなくなるものである。逆に、上記の硬化剤のうちいずれか一方が８０質量％を超えると、必然的に他方が２０質量％未満となり、上記のような問題点が生じるものである。
【００１９】
本発明に係る封止用樹脂組成物は、上記のエポキシ樹脂及び硬化剤からなるものであるが、以下のような成分も含有することができる。
【００２０】
即ち改質剤として、表面がシリコーンレジンによって被覆されたシリコーンゴムパウダーを用いることができる。このようなシリコーンゴムパウダーを用いると、封止材の密着性が向上すると共に低応力化することができ、実装する際の半田浴への浸漬時及びリフロー時における耐クラック性（耐リフロー性）を向上させることができて好ましい。尚、シリコーンゴムパウダーの配合量は、封止用樹脂組成物全量中の０．３〜５質量％であることが好ましい。
【００２１】
また硬化促進剤として、一般的に半導体封止用に使用されるものであれば特に限定されることなく用いることができる。例えば、トリフェニルホスフィン（ＴＰＰ）、トリメチルホスフィン等の有機リン化合物類、２−メチルイミダゾール、２−フェニル−４−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や、１，８−ジアザビシクロ（５，４，０）ウンデセン−７、トリエタノールアミン、ベンジルジメチルアミン等の三級アミン類等を挙げることができる。
【００２２】
ここで、特に好ましい硬化促進剤としては、上記の式（Ｄ）で示されるホスフィン系化合物（以下、式（Ｄ）のＴＰＰＫともいう）と上記の式（Ｅ）で示されるフェノールノボラック化合物（以下、式（Ｅ）のフェノールノボラック化合物ともいう）との反応物（以下、ＴＰＰＫ−Ａともいう）である。このＴＰＰＫ−Ａを用いると、成形直後の封止材の硬化度を向上させることができ、アフターキュアーを行わなくても、アフターキュアーが行われた状態に近付けることができるものである。特に、本発明ではアフターキュアーレス時のガラス転移温度（Ｔｇ）を通常のアフターキュアー時のものに近付けることができるものである。
【００２３】
尚、本発明において上記の式（Ｅ）のフェノールノボラック化合物は、３核体以上（ｋ≧１）のものからなるものであって、３核体（ｋ＝１）のものが全体の４５質量％以上であり、５核体以上（ｋ≧３）のものが全体の４０質量％以下であり、軟化点が８０℃以下であるものを用いるものである。また上記のＴＰＰＫ−Ａを調製するにあたっては、式（Ｅ）のフェノールノボラック化合物１００質量部に対して式（Ｄ）のＴＰＰＫが５０質量部以下、好ましくは式（Ｅ）のフェノールノボラック化合物１００質量部に対して式（Ｄ）のＴＰＰＫが５〜４０質量部となるように両者を混合し、１５０〜２００℃、好ましくは１６０〜１９０℃の温度下において、この混合物が透明になるまで撹拌して行うことができるものである。
【００２４】
上記に例示した硬化促進剤は、１種のみを使用したり２種以上を併用したりすることができるものであるが、添加量は封止用樹脂組成物全量中に０．０３〜２質量％となるように配合することが好ましい。０．０３質量％未満であると、硬化時の剛性を高く得ようとすればゲル化時間を長く取らなければならず、作業性の低下をもたらすおそれがある。逆に２質量％を超えると、成形途中で硬化が進み未充填（ボイド）が発生するおそれがある。
【００２５】
また充填材として、一般的に半導体封止用として使用されるものであれば特に限定されることなく用いることができる。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の無機充填材を挙げることができる。このような充填材の含有量は、封止用樹脂組成物全量中に６５〜８５質量％であることが好ましい。また、上記に例示した充填材の中では、溶融シリカと結晶シリカを併用するのが好ましく、特に溶融シリカが充填材全量中の５０〜９０質量％、かつ結晶シリカが充填材全量中の１０〜５０質量％を占めるように配合するのが好ましい。このように溶融シリカと結晶シリカを併用すると、封止材の密着性が向上すると共に、作製される半導体装置の熱伝導率を高めることができるものである。尚、溶融シリカが５０質量％未満であると、線膨張率（α１）が大きくなり耐リフロー性が低下するおそれがある。逆に９０質量％を超えると、封止材の密着性や熱伝導率を十分に高めることができないおそれがある。一方、結晶シリカが１０質量％未満であると、封止材の密着性や熱伝導率を十分に高めることができないおそれがある。逆に５０質量％を超えると、線膨張率（α１）が大きくなり耐リフロー性が低下すると共に、金型を用いて封止成形する場合に金型摩耗が大きくなるという問題が引き起こされるおそれがある。
【００２６】
また、上述した成分の他に、一般的に半導体封止用として使用されるものであれば特に限定されることなく用いることができる。例えば、カルナバワックス等の離型剤や、リン系難燃剤、ブロム化合物、三酸化アンチモン等の難燃剤や、カーボンブラック、有機染料等の着色剤や、γ−グリシドキシプロピルトリエトキシシラン等のシランカップリング剤等を挙げることができる。
【００２７】
そして、本発明に係る封止用樹脂組成物は、上記のエポキシ樹脂、硬化剤を主成分とし、さらに必要に応じてシリコーンゴムパウダー、硬化促進剤、充填材その他の成分を配合し、これをミキサー等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することができるものである。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く、また混練物を必要に応じて冷却固化し粉砕してパウダー化したり、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。
【００２８】
上記のようにして調製した封止用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、トランスファー成形を行うことによって、半導体素子を封止用樹脂組成物による封止材で封止した半導体装置を作製することができるものである。
【００２９】
このようにして得られる半導体装置にあって、封止材中に式（Ａ）のエポキシ樹脂や式（Ｂ）の硬化剤が含有されていることによって、耐湿性に優れたものとなり、また式（Ｃ）の硬化剤が含有されていることによって、通常よりもガラス転移温度（Ｔｇ）が高められたものとなるものである。従って、アフターキュアーを省略したりあるいはアフターキュアーにかける時間を短縮しても、得られる半導体装置は、アフターキュアーを行ったものと比べて遜色が無い上に、半田浴への浸漬時やリフロー時においてパッケージクラックが発生しなくなり、耐クラック性に優れたものとなるものである。
【００３０】
【実施例】
以下、本発明を実施例によって具体的に説明する。
【００３１】
（実施例１〜５及び比較例１，２）
エポキシ樹脂として、ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂である大日本インキ化学工業（株）製「ＨＰ７２００」（式（Ａ）のエポキシ樹脂）、オルソクレゾールノボラックエポキシ樹脂である住友化学工業（株）製「ＥＳＣＮ１９５ＸＬ」、ブロム化エポキシ樹脂である住友化学工業（株）製「ＥＳＢ４００」（難燃剤を兼ねる）を用いた。
【００３２】
また硬化剤として、ジビニルベンゼン系フェノール樹脂である大日本インキ化学工業（株）製「ＣＺ２５６Ａ」（式（Ｂ）の硬化剤）、一般のフェノールノボラック樹脂である明和化成（株）製「Ｈ−１」、２核体（ｎ＝０）が全体の１０質量％以下のフェノールノボラック樹脂である明和化成（株）製「ＤＬ−９２」（式（Ｃ）の硬化剤）を用いた。
【００３３】
また改質剤として、表面がシリコーンレジンにより被覆されたシリコーンゴムパウダーである信越化学工業（株）製「ＫＭＰ−６００」（平均粒径５μｍ）を用いた。
【００３４】
また硬化促進剤として、トリフェニルホスフィン（ＴＰＰ）、ＴＰＰＫ−Ａを用いた。ここで、ＴＰＰＫ−Ａを調製するにあたっては、北興化学工業（株）製テトラフェニルホスホニウム・テトラフェニルボレート（式（Ｄ）のＴＰＰＫ）２５ｇと、３核体（ｋ＝１）の含有量が６９．７質量％、５核体以上（ｋ≧３）の含有量が４．６質量％、軟化温度が６３℃のフェノールノボラック化合物（式（Ｅ）のフェノールノボラック化合物）７５ｇとを５００ｍｌのステンレスビーカーに入れ、窒素雰囲気下、１７０〜１８０℃で加熱溶解し撹拌して行った。
【００３５】
また充填剤として、溶融シリカ及び結晶シリカにそれぞれγ−グリシドキシプロピルトリエトキシシランを噴霧して表面処理したものを用いた。
【００３６】
また難燃剤として、上記のブロム化エポキシ樹脂の他に三酸化アンチモンを用い、離型剤として、カルナバワックスを用い、着色剤として、カーボンブラックを用いた。
【００３７】
そして、上記の各成分を表１に示す配合量で配合し、これをミキサーで十分混合した後、加熱ロールで約５分間混練することによって、実施例１〜５及び比較例１，２の封止用樹脂組成物を調製した。
【００３８】
（スパイラルフロー及びゲルタイム）
上記のようにして得た実施例１〜５及び比較例１，２の封止用樹脂組成物について、１７０℃でのスパイラルフロー及びゲルタイムを測定した。
【００３９】
（耐リフロー性）
リードフレームとして、銅製のものを用い、このリードフレームのダイパッドに半導体素子（チップ）を搭載して２ｍｍ×３ｍｍ×厚み０．４ｍｍの１８ＳＯＰ用の金型にセットし、上記の実施例１〜５及び比較例１，２の封止用樹脂組成物を用いてこの金型にトランスファー成形することによって、性能評価用のパッケージを得た。成形条件は１７５℃、注入時間１０秒、加圧時間９０秒、注入圧力６．９ＭＰａである。上記のパッケージを１２５℃の雰囲気に２４時間放置して前乾燥処理を行い、次いで恒温高湿機を用いてこのパッケージを８５℃、湿度６０％ＲＨの雰囲気に１６８時間放置して吸湿処理を行った後、２６０℃の半田浴に１０秒間浸漬して半田処理を行った。この処理の後、超音波探査装置（キャノン（株）製「Ｍ−７００II」）によってパッケージ内部の観察を行い、封止材とチップ、ダイパッドとの間の剥離の有無、封止材のクラックの有無を検査した。結果を表１の「耐リフロー性」（チップ及びダイパッド）の欄に示す。表１において分母に検査したパッケージの個数を、分子に剥離やクラックが発生したパッケージの個数を示す。
【００４０】
（プリン密着）
上記のようにして得た実施例１〜５及び比較例１，２の封止用樹脂組成物を用い、１７５℃、注入圧力６．９ＭＰａ、注入スピード１０秒、キュアータイム９０秒の条件でＣｕプレート上に接着面積１ｃｍ²のプリン型成形品をトランスファー成形により作製した。このプリン型成形品に剪断力を加え、Ｃｕプレートから剥がれるときの剪断強度を計測することによって、封止材とＣｕプレートとの密着性を評価した。
【００４１】
ここで、実施例１〜５及び比較例１，２に関する耐リフロー性及びプリン密着の測定結果は、いずれもアフターキュアーを行わなかった場合のものである。また、比較例１で耐リフロー性及びプリン密着の測定を行ったパッケージに、１７５℃、６時間のアフターキュアーを行い、得られたパッケージを比較例３とした。そして、この比較例３について、耐リフロー性及びプリン密着の測定を行った。
【００４２】
（ガラス転移温度（Ｔｇ））
上記のようにして得た実施例１〜５及び比較例１，２の封止用樹脂組成物を用いて作製された成形品にアフターキュアーを行った場合とアフターキュアーを行わなかった場合のそれぞれについて、熱機械分析法（ＴＭＡ）でディラトメータによりガラス転移温度（Ｔｇ）を測定した。
【００４３】
以上の測定結果を表１に示す。
【００４４】
【表１】

【００４５】
表１にみられるように、各実施例のものは剥離やクラックの発生個数がいずれも少なく、耐クラック性に優れると共に密着性が高いことが確認される。
【００４６】
また実施例１〜５のものは、アフターキュアーを行わなくても、アフターキュアーを行った比較例１，２のものと同程度のガラス転移温度（Ｔｇ）を有していることが確認される。
【００４７】
また実施例１と実施例２との比較により、改質剤としてシリコーンゴムパウダーを用いると、密着性が高まることが確認される。
【００４８】
さらに実施例１と実施例３との比較により、硬化促進剤としてＴＰＰＫ−Ａを用いると、ガラス転移温度（Ｔｇ）が高まることが確認される。
【００４９】
尚、スパイラルフロー及びゲルタイムについては、実施例と比較例との間には大きな差がみられないことが確認される。
【００５０】
【発明の効果】
上記のように本発明の請求項１に係る封止用樹脂組成物は、エポキシ樹脂及び硬化剤を含有する封止用樹脂組成物において、エポキシ樹脂として、上記の式（Ａ）で示されるジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂をエポキシ樹脂全量中に２０〜１００質量％含有するものを用いると共に、硬化剤として、上記の式（Ｂ）で示されるものを硬化剤全量中に２０〜８０質量％と上記の式（Ｃ）で示されるものを硬化剤全量中に２０〜８０質量％含有するものを用いるので、式（Ａ）のエポキシ樹脂と式（Ｂ）の硬化剤の含有によって、耐湿性を高めることができ、また式（Ｃ）の硬化剤の含有によって、通常よりもガラス転移温度（Ｔｇ）を高めることができるものであり、封止成形を行うにあたって、アフターキュアーにかける時間を短縮することができるのは勿論、アフターキュアーの工程を省略しても、本来の特性を損なうことが無く、半田浴への浸漬時やリフロー時における耐クラック性を向上させることができるものである。
【００５１】
また請求項２の発明は、シリコーンレジンによって被覆されたシリコーンゴムパウダーを含有しているので、密着性を高めることができると共に低応力化することができるものである。
【００５２】
また請求項３の発明は、硬化促進剤として、上記の式（Ｄ）で示されるホスフィン系化合物と上記の式（Ｅ）で示されるフェノールノボラック化合物との反応物を含有するものを配合しているので、成形後の硬化度を向上させることができ、アフターキュアーを行わなくても、アフターキュアを行った状態に近付けることができると共に、通常よりもガラス転移温度（Ｔｇ）を高めることができるものである。
【００５３】
また請求項４の発明は、充填材として、溶融シリカを充填材全量中に５０〜９０質量％と結晶シリカを充填材全量中に１０〜５０質量％含有するものを配合しているので、密着性を向上させることができると共に、成形品の熱伝導率を高めることができるものである。
【００５４】
また請求項５に係る半導体装置は、請求項１乃至４のいずれかに記載の封止用樹脂組成物によって封止されているので、アフターキュアーにかける時間を短縮あるいはアフターキュアーを省略することが可能となり、成形後すぐに次工程へ供給することができて、ユーザーへの製品供給速度を高めることができるものである。

Claims

エポキシ樹脂及び硬化剤を含有する封止用樹脂組成物において、エポキシ樹脂として、下記の式（Ａ）で示されるジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂をエポキシ樹脂全量中に２０〜１００質量％含有するものを用いると共に、硬化剤として、下記の式（Ｂ）で示されるものを硬化剤全量中に２０〜８０質量％と下記の式（Ｃ）で示されるものを硬化剤全量中に２０〜８０質量％含有するものを用いて成ることを特徴とする封止用樹脂組成物。
シリコーンレジンによって被覆されたシリコーンゴムパウダーを含有して成ることを特徴とする請求項１に記載の封止用樹脂組成物。
硬化促進剤として、下記の式（Ｄ）で示されるホスフィン系化合物と下記の式（Ｅ）で示されるフェノールノボラック化合物との反応物を含有するものを配合して成ることを特徴とする請求項１又は２に記載の封止用樹脂組成物。
充填材として、溶融シリカを充填材全量中に５０〜９０質量％と結晶シリカを充填材全量中に１０〜５０質量％含有するものを配合して成ることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の封止用樹脂組成物。
請求項１乃至４のいずれかに記載の封止用樹脂組成物によって封止されて成ることを特徴とする半導体装置。