JP2004018790A - エポキシ樹脂組成物及び半導体装置 - Google Patents
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- Compositions Of Macromolecular Compounds (AREA)
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Abstract
【課題】流動性、熱伝導性に優れ、エリア実装型半導体装置での反りが小さい、エポキシ樹脂組成物を提供すること。
【解決手段】（Ａ）平均粒径が３５〜５５μｍである球状アルミナ粗粒（Ａ１）と平均粒径が４〜１０μｍである球状アルミナ細粒（Ａ２）の混合物、（Ｂ）球状溶融シリカ、（Ｃ）１５０℃のＩＣＩ粘度が０．５ポイズ以下である低粘度エポキシ樹脂、（Ｄ）フェノール樹脂硬化剤、（Ｅ）燐又は窒素を含有する硬化促進剤を必須成分とし、３５〜５５μｍである球状アルミナ粗粒（Ａ１）と平均粒径と４〜１０μｍである球状アルミナ細粒（Ａ２）との混合比率が２５重量％／７５重量％〜７５重量％／２５重量％の範囲にあり、３５〜５５μｍである球状アルミナ粗粒（Ａ１）と平均粒径と４〜１０μｍである球状アルミナ細粒（Ａ２）と（Ｂ）球状溶融シリカの総配合量が総樹脂組成物中で８５〜９５重量％であることを特徴とする半導体封止用エポキシ樹脂組成物。
【解決手段】（Ａ）平均粒径が３５〜５５μｍである球状アルミナ粗粒（Ａ１）と平均粒径が４〜１０μｍである球状アルミナ細粒（Ａ２）の混合物、（Ｂ）球状溶融シリカ、（Ｃ）１５０℃のＩＣＩ粘度が０．５ポイズ以下である低粘度エポキシ樹脂、（Ｄ）フェノール樹脂硬化剤、（Ｅ）燐又は窒素を含有する硬化促進剤を必須成分とし、３５〜５５μｍである球状アルミナ粗粒（Ａ１）と平均粒径と４〜１０μｍである球状アルミナ細粒（Ａ２）との混合比率が２５重量％／７５重量％〜７５重量％／２５重量％の範囲にあり、３５〜５５μｍである球状アルミナ粗粒（Ａ１）と平均粒径と４〜１０μｍである球状アルミナ細粒（Ａ２）と（Ｂ）球状溶融シリカの総配合量が総樹脂組成物中で８５〜９５重量％であることを特徴とする半導体封止用エポキシ樹脂組成物。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エリア実装型半導体装置での成形後や半田処理時の反りが小さく、耐半田クラック性、流動性に優れ、かつ高熱伝導性に優れる半導体封止用エポキシ樹脂組成物及び半導体装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年の電子機器の小型化、軽量化、高機能化の市場動向において、半導体の高集積化が年々進み、また半導体装置の表面実装化が促進されるなかで、新規にエリア実装型半導体装置が開発され、従来構造の半導体装置から移行し始めている。
エリア実装型半導体装置としては、ボールグリッドアレイ（以下、ＢＧＡという）、あるいは更に小型化を追求したチップサイズパッケージ（以下、ＣＳＰという）が代表的であるが、これらは従来クワッドフラットパッケージ（以下、ＱＦＰという）、スモールアウトラインパッケージ（以下、ＳＯＰという））に代表される表面実装型半導体装置では限界に近づいている多ピン化・高速化への要求に対応するために開発されたものである。
構造としては、ビスマレイミド・トリアジン（以下、ＢＴという）樹脂／銅箔回路基板に代表される硬質回路基板あるいはポリイミド樹脂フィルム／銅箔回路基板に代表されるフレキシブル回路基板の片面上に半導体素子を搭載し、その素子搭載面、即ち基板の片面のみが樹脂組成物等で成形・封止されている。また基板の素子搭載面の反対面には半田ボールを２次元的に並列して形成し、半導体装置を実装する回路基板との接合を行う特徴を有している。更に素子を搭載する基板としては、上記有機回路基板以外にもリードフレーム等の金属基板を用いる構造も考案されている。
【０００３】
これらエリア実装型半導体装置の構造は基板の素子搭載面のみを樹脂組成物で封止し、半田ボール形成面側は封止しないという片面封止の形態をとっている。ごく希に、リードフレーム等の金属基板等では、半田ボール形成面でも数十μｍ程度の封止樹脂層が存在することもあるが、素子搭載面では数百μｍから数ｍｍ程度の封止樹脂層が形成されるため、実質的に片面封止となっている。このため有機基板や金属基板と樹脂組成物の硬化物との間での熱膨張・熱収縮の不整合あるいは樹脂組成物の成形・硬化時の硬化収縮による影響により、これらの半導体装置では成形直後から反りが発生しやすい。
【０００４】
一方使用する半導体デバイスの発熱は増える一方であり、半導体デバイスが発生する熱を、半導体封止用エポキシ樹脂組成物を介在してパッケージ外部へ放散する必要性は最近急速に重要になってきた。従来エリア実装型半導体装置の構造においては、エリア実装可能なことから外部端子の多ピン化、パッケージの縮小化が容易の為に、大量の熱を発生する半導体デバイスの適用が進み、ＰＫＧ外部への熱放散が大きく注目されている。特に半導体封止用エポキシ樹脂組成物から外部への熱放散を高める為に熱放散性の高い金属板等をパッケージに付着することで改良を行ってきたが、半導体封止用エポキシ樹脂組成物自身の熱放散性を高めない限り限界があり、その重要性が特に着目されている。
しかし、過去エリア実装型半導体装置の構造に着目した高熱伝導性エポキシ封止樹脂の開発は皆無であった。従来のＱＦＰ、ＳＯＰに代表されるリードフレームを使用した両面封止型パッケージ用途にアルミナ、アルミニウムナイトライド等を利用した高熱伝導性エポキシ封止樹脂の開発があるが、エリア実装型半導体装置の構造への適用では、高流動性やパッケージでの反りが満足されず、新しい半導体用高熱伝導性エポキシ封止樹脂の開発が急務であった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、エリア実装型半導体装置での成形後や半田処理時の反りが小さく、耐半田クラック性、流動性に優れ、かつ高熱伝導性に優れる半導体封止用エポキシ樹脂組成物及び半導体装置を提供するところにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、特定の粒度を有する球状アルミナ、特定の球状シリカを所定比率使用し、かつ低粘度のエポキシ樹脂を使用することにより高流動性、低成形収縮性、耐湿信頼性、かつ高熱伝導性に優れる半導体封止用エポキシ樹脂組成物が得られることを見出したものであり、その構成は、
［１］（Ａ）平均粒径が３５〜５５μｍである球状アルミナ粗粒（Ａ１）と平均粒径が４〜１０μｍである球状アルミナ細粒（Ａ２）の混合物、（Ｂ）球状溶融シリカ、（Ｃ）１５０℃のＩＣＩ粘度が０．５ポイズ以下である低粘度エポキシ樹脂、（Ｄ）フェノール樹脂硬化剤、（Ｅ）燐又は窒素を含有する硬化促進剤を必須成分とし、３５〜５５μｍである球状アルミナ粗粒（Ａ１）と平均粒径と４〜１０μｍである球状アルミナ細粒（Ａ２）との混合比率が２５重量％／７５重量％〜７５重量％／２５重量％の範囲にあり、３５〜５５μｍである球状アルミナ粗粒（Ａ１）と平均粒径と４〜１０μｍである球状アルミナ細粒（Ａ２）と（Ｂ）球状溶融シリカの総配合量が総樹脂組成物中で８５〜９５重量％であ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］（Ｃ）１５０℃のＩＣＩ粘度が０．５ポイズ以下である低粘度エポキシ樹脂が、式（１）又は式（２）で示されるエポキシ樹脂のいずれか１種類又は２種類の混合物である第［１］項記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成物、
【０００７】
【化６】
【０００８】
【化７】
【０００９】
［３］（Ｂ）球状溶融シリカの平均粒径が０．１〜６μｍであり、かつ（Ｂ）球状溶融シリカの配合量が総樹脂組成物中で２〜１２重量％である第［１］又は［２］項記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成物、
［４］（Ｄ）フェノール樹脂硬化剤が、式（３）、式（４）又は式（５）で示されるフェノール樹脂のいずれか１種類又は２〜３種類の混合物であ第［１］〜［３］項記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成物、
【００１０】
【化８】
【００１１】
【化９】
【００１２】
【化１０】
【００１３】
［５］基板の片面に半導体素子が搭載され、この半導体素子が搭載された基板面側の実質的に片面のみが第［１］〜［４］項記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成物によって封止されてなることを特徴とする半導体装置、
である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明に用いる球状アルミナは、平均粒径が３５〜５５μｍである球状アルミナ粗粒（Ａ１）と平均粒径が４〜１０μｍである球状アルミナ細粒（Ａ２）の混合物である。過去、特公平７−４７６８２に示されるように、平均粒径が８〜３５μｍの球状アルミナ粗粒と平均粒径が０．１〜４μｍの球状アルミナ細粒の混合物の組合せが示されているが、この粒径の組合せでは高流動性は得られるものの、充分な高熱伝導性は得られない。
本発明に用いる球状アルミナは平均粒径が３５〜５５μｍである球状アルミナ粗粒は高流動性と高熱伝導性を発現するに重要な役割が得られることがわかった。球状アルミナ粗粒が３５μｍ以下であると高流動性と高熱伝導性が得られず好ましくない。球状アルミナ粗粒が５５μｍ以上であると高熱伝導性は得られるものの、流動性が低下するばかりでなく、パッケージでの充填時にボイドや流動跡が見られるようになり好ましくない。３５〜５５μｍである球状アルミナ粗粒の形状としては、流動性改善のために限りなく真球状であることが好ましい。
本発明に用いる平均粒径が４〜１０μｍである球状アルミナ細粒は、平均粒径が３５〜５５μｍである球状アルミナ粗粒と併用した場合、高充填時に高流動性を発現するのに極めて有効な粒径である。すなわち、平均粒径が３５〜５５μｍである球状アルミナ粗粒と併用する場合、球状アルミナ細粒の平均粒径が４μｍ以下であると高流動性と高熱伝導性が得られず好ましくない。また、球状アルミナ細粒の平均粒径が１０μｍ以上であると高熱伝導性は得られるものの、流動性が低下し好ましくない。４〜１０μｍである球状アルミナ細粒の形状としては、流動性改善のために限りなく真球状であることが好ましい。
【００１５】
本発明に用いる３５〜５５μｍである球状アルミナ粗粒（Ａ１）と平均粒径と４〜１０μｍである球状アルミナ細粒（Ａ２）との混合比率は２５重量％／７５重量％〜７５重量％／２５重量％の範囲であり、より好ましくは４０重量％／６０重量％〜６０重量％／４０重量％である。粗粒の割合が下限値を下回ると、高流動性と高熱伝導性が得られず好ましくない。また、粗粒の割合が上限値を上回ると高熱伝導性は得られるものの、流動性の低下が著しく好ましくない。また、粗粒と細粒の合計量は特には限定されない。一般的には７７〜９３重量％程度が高流動性と高熱伝導性を同時に得るために好ましいが、別途配合する球状溶融シリカとの総配合量が重要であり、これに限定されるものではない。
【００１６】
本発明に用いる球状溶融シリカは球状であれば限定されるものではない。球状溶融シリカの形状としては、流動性改善のために限りなく真球状であることが好ましい。また、平均粒径は０．１〜６μｍであることが好ましい。下限値を下回ると、溶融シリカ同士の凝集が発生するために流動性が低下するので好ましくない。上限値を超えると、球状アルミナ細粒の粒径と同等の粒径となり最密充填性が保てない場合があるため、流動性が低下する可能性があり好ましくない。本発明に用いる球状溶融シリカの配合量は、総樹脂組成物中で２〜１２重量％であることが好ましい。下限値を下回ると、０．１〜６μｍという微粒な粒径部分が減少するため、流動性が向上しないので好ましくない。１２重量％以上であると０．１〜６μｍという微粒な粒径部分が多すぎるために高流動性が低下するばかりではなく、熱伝導性の低い、球状シリカの比率が増える為に高熱伝導性も得られず好ましくない。
【００１７】
本発明に用いる（Ａ）３５〜５５μｍである球状アルミナ粗粒（Ａ１）と平均粒径と４〜１０μｍである球状アルミナ細粒（Ａ２）と（Ｂ）球状溶融シリカの配合量は総樹脂中で８５〜９５重量％であり、より好ましくは８８〜９３重量％である。下限値を下回ると高熱伝導性が得られないばかりか、エリア実装型半導体装置の成形品が反るので好ましくない。また上限値を超えると高熱伝導性は得られるが、流動性が損なわれるので好ましくない。
【００１８】
本発明で用いる（Ａ）３５〜５５μｍである球状アルミナ粗粒（Ａ１）と平均粒径と４〜１０μｍである球状アルミナ細粒（Ａ２）と（Ｂ）球状溶融シリカは、予め十分に混合しておくことが好ましい。また必要に応じて上記混合物をカップリング剤やエポキシ樹脂あるいはフェノール樹脂で予め被覆して用いてもよく、被覆の方法としては、溶剤を用いて混合した後に溶媒を除去する方法や直接無機充填材に添加し、混合機を用いて混合する方法等がある。
【００１９】
本発明に用いるエポキシ樹脂は、１５０℃のＩＣＩ粘度が０．５ポイズ以下である低粘度エポキシ樹脂である。０．５ポイズ以上のエポキシ樹脂を使用すると流動性が損なわれるので好ましくない。１５０℃のＩＣＩ粘度が０．５ポイズ以下である低粘度エポキシ樹脂としては、式（１）、式（２）に示される構造がより好ましいがこれに限定されるものではない。
【００２０】
【化１１】
【００２１】
【化１２】
【００２２】
式（１）、式（２）以外の１５０℃のＩＣＩ粘度が０．５ポイズ以下である低粘度エポキシ樹脂としては、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂、スチルベン型エポキシ樹脂、ナフトールノボラック型エポキシ樹脂、ハイドロキノン型エポキシ樹脂が知られている。しかし各種特性を付与するため、１５０℃のＩＣＩ粘度が０．５ポイズ以上のエポキシ樹脂を少量併用することはなんら差し支えない。これら１５０℃のＩＣＩ粘度が０．５ポイズ以上のエポキシ樹脂としては、フェノールノボラック型エポキシ樹脂、オルソクレゾールノボラック型エポキシ樹脂、トリフェノールメタン型エポキシ樹脂、ジシクロペンタジエン変性フェノール型エポキシ樹脂、テルペン変性フェノール型エポキシ樹脂、が知られている。
本発明に用いるフェノール樹脂硬化剤は特に限定される物ではないが、高流動性、低収縮性を保持するために、式（３）、式（４）、式（５）に示されるフェノール樹脂硬化剤が好ましい。しかし上記に限定される物ではなく、フェノールノボラック樹脂、クレゾールノボラック樹脂、ジシクロペンタジエン変性フェノール樹脂、テルペン変性フェノール樹脂等も使用することもできる。
【００２３】
【化１３】
【００２４】
【化１４】
【００２５】
【化１５】
【００２６】
本発明に用いる（Ｅ）燐又は窒素を含有する硬化促進剤は、半導体封止用エポキシ樹脂組成物において一般に使用される物が使用できる。例えば、１，８−ジアザビシクロ（５，４，０）ウンデセン−７、トリフェニルホスフィン、ベンジルジメチルアミン、２−メチルイミダゾール、式（６）で示される化合物、式（７）で示される化合物等が挙げられるが、これらに限定される物ではない。また使用においては単独でも混合して用いてもよい。
【００２７】
【化１６】
【００２８】
【化１７】
【００２９】
本発明のエポキシ樹脂組成物は、（Ａ）〜（Ｅ）成分の他、必要に応じて酸化ビスマス水和物、マグネシウム−アルミニウム化合物等の無機イオン交換体、γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン等のカップリング剤、カーボンブラック、ベンガラ等の着色剤、シリコーンオイル、シリコーンゴム等の低応力化成分、天然ワックス、合成ワックス、高級脂肪酸及びその金属塩類もしくはパラフィン等の離型剤、臭素化エポキシ樹脂、酸化アンチモン、燐酸エステル、フォスファゼン化合物、水酸化アルミニウム、水酸化マグネシウム等の難燃剤ならびに酸化防止剤等の各種添加剤を適宜配合しても差し支えない。
本発明のエポキシ樹脂組成物は、（Ａ）〜（Ｅ）成分、及びその他の添加剤等を、ミキサーを用いて常温混合し、ロール、ニーダー、押出機等の混練機で溶融混練し、冷却後粉砕して得られる。本発明の樹脂組成物を用いて、半導体素子等の電子部品を封止し、半導体装置を製造するには、トランスファーモールド、コンプレッションモールド、インジェクションモールド等の成形方法で硬化成形すればよい。
【００３０】
【実施例】
以下に、実施例を挙げて本発明を更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例によりなんら限定されるものではない。
実施例１
【００３１】
式（１）を主成分とするエポキシ樹脂（ジャパンエポキシレジン（株）製 Ｙ
Ｘ４０００ＨＫ、１５０℃ＩＣＩ粘度０．１５ポイズ、エポキシ当量１９１ｇ／
ｅｑ） ５．２重量％
【化１８】
【００３２】
式（５）のフェノール樹脂（明和化成（株）製 ＭＥＨ７５００、軟化点１１
０℃、水酸基当量９７ｇ／ｅｑ） ２．８重量％
【化１９】
【００３３】
平均粒径が３８．２μｍの球状アルミナ粗粒 ４３．０重量％
平均粒径が５．１μｍの球状アルミナ細粒 ４３．０重量％
平均粒径が２．６μｍの球状溶融シリカ ４．０重量％
トリフェニルホスフィン ０．１５重量％
三酸化二アンチモン ０．８５重量％
ブロム化エポキシ（１５０℃ＩＣＩ粘度６．７ポイズ、エポキシ当量２７３ｇ
／ｅｑ） ０．４重量％
カーボンブラック ０．３重量％
γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン ０．１重量％
カルナバワックス ０．２重量％
を常温においてミキサーで混合し、７０〜１２０℃で２本ロールにより混練し、冷却後粉砕して樹脂組成物を得た。得られた樹脂組成物を以下の方法で評価した。
［評価方法］
・スパイラルフロー：ＥＭＭＩ−１−６６に準じたスパイラルフロー測定用の金型を用い、金型温度１７５℃、注入圧力６．９ＭＰａ、硬化時間２分で測定した。単位はｃｍ。８０ｃｍ以上を合格とした。
・熱伝導率：トランスファー成形機を用いて、金型温度１７５℃、注入圧力６．９ＭＰａ、硬化時間２分で直径４０ｍｍ、厚さ３０ｍｍの成形品を成形し、１７５℃、８時間で後硬化し、得られた成形品の熱伝導率を熱伝導率計（京都電子工業社製ＱＴＭ−５００）で測定した。単位はＷ／ｍＫ。３Ｗ／ｍＫ以上を合格とした。
・パッケージ反り量ならびに成形性：トランスファー成形機を用いて、金型温度１８０℃、注入圧力７．４ＭＰａ、硬化時間２分で２２５ｐＢＧＡ（基板は厚さ０．３６ｍｍ、ビスマレイミド・トリアジン／ガラスクロス基板、パッケージサイズは２４×２４ｍｍ、厚さ１．１７ｍｍ、シリコンチップはサイズ９×９ｍｍ、厚さ０．３５ｍｍ、チップと回路基板のボンディングパッドとを２５μｍ径の金線でボンディングしている）を成形し、１７５℃、８時間で後硬化した。室温に冷却後パッケージのゲートから対角線方向に、表面粗さ計を用いて高さ方向の変位を測定し、変位差の最も大きい値を反り量とした。単位はμｍ。反り量は１２０μｍ以下が良好であり、成形性は外観にボイド、流動痕等がみられない正常な外観のものを良好と判定した。
【００３４】
実施例２〜１７、比較例１〜１３
表１、表２の組成に従って配合し、実施例１と同様にして樹脂組成物を得、同様に評価した。これらの評価結果を表１、表２に示す。なお、実施例１以外で用いた原材料を以下に示す。
【００３５】
式（２）のエポキシ樹脂（ジャパンエポキシレジン（株）製 ＹＬ６８１０、１５０℃ＩＣＩ粘度０．１ポイズ以下、エポキシ当量１６３ｇ／ｅｑ）
【化２０】
【００３６】
式（８）のエポキシ樹脂（日本化薬（株）製 Ｅ−１０３２、１５０℃ＩＣＩ粘度０．５５ポイズ、エポキシ当量１６９ｇ／ｅｑ）
【化２１】
【００３７】
オルソクレゾールノボラック型エポキシ樹脂（日本化薬（株）製 ＥＯＣＮ、１５０℃ＩＣＩ粘度１．２ポイズ、エポキシ当量１９６ｇ／ｅｑ）
【００３８】
式（３）のフェノール樹脂（新日鐵化学（株）製 ＳＮ４８５、軟化点８７℃、水酸基当量２１０ｇ／ｅｑ）
【化２２】
【００３９】
式（４）のフェノール樹脂（明和化成（株）製 ＭＥＨ７８５１、軟化点７３℃、水酸基当量１９９ｇ／ｅｑ）
【化２３】
【００４０】
平均粒径４４．１μｍの球状アルミナ粗粒
平均粒径５０．９μｍの球状アルミナ粗粒
平均粒径２１．０μｍの球状アルミナ粗粒
平均粒径６１．２μｍの球状アルミナ粗粒
平均粒径８．６μｍの球状アルミナ細粒
平均粒径１．１μｍの球状アルミナ細粒
平均粒径１３．８μｍの球状アルミナ細粒
平均粒径０．５μｍの球状溶融シリカ
１，８−ジアザビシクロ（５，４，０）ウンデセン−７（以下、ＤＢＵという）
【００４１】
式（６）の燐系硬化促進剤
【化２４】
【００４２】
式（７）の燐系硬化促進剤
【化２５】
【００４３】
【表１】
【００４４】
【表２】
【００４５】
【発明の効果】
本発明に従うと、流動性、熱伝導性に優れるエポキシ樹脂組成物が得られ、これを用いたエリア実装型半導体装置は反りが小さい。
【発明の属する技術分野】
本発明は、エリア実装型半導体装置での成形後や半田処理時の反りが小さく、耐半田クラック性、流動性に優れ、かつ高熱伝導性に優れる半導体封止用エポキシ樹脂組成物及び半導体装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年の電子機器の小型化、軽量化、高機能化の市場動向において、半導体の高集積化が年々進み、また半導体装置の表面実装化が促進されるなかで、新規にエリア実装型半導体装置が開発され、従来構造の半導体装置から移行し始めている。
エリア実装型半導体装置としては、ボールグリッドアレイ（以下、ＢＧＡという）、あるいは更に小型化を追求したチップサイズパッケージ（以下、ＣＳＰという）が代表的であるが、これらは従来クワッドフラットパッケージ（以下、ＱＦＰという）、スモールアウトラインパッケージ（以下、ＳＯＰという））に代表される表面実装型半導体装置では限界に近づいている多ピン化・高速化への要求に対応するために開発されたものである。
構造としては、ビスマレイミド・トリアジン（以下、ＢＴという）樹脂／銅箔回路基板に代表される硬質回路基板あるいはポリイミド樹脂フィルム／銅箔回路基板に代表されるフレキシブル回路基板の片面上に半導体素子を搭載し、その素子搭載面、即ち基板の片面のみが樹脂組成物等で成形・封止されている。また基板の素子搭載面の反対面には半田ボールを２次元的に並列して形成し、半導体装置を実装する回路基板との接合を行う特徴を有している。更に素子を搭載する基板としては、上記有機回路基板以外にもリードフレーム等の金属基板を用いる構造も考案されている。
【０００３】
これらエリア実装型半導体装置の構造は基板の素子搭載面のみを樹脂組成物で封止し、半田ボール形成面側は封止しないという片面封止の形態をとっている。ごく希に、リードフレーム等の金属基板等では、半田ボール形成面でも数十μｍ程度の封止樹脂層が存在することもあるが、素子搭載面では数百μｍから数ｍｍ程度の封止樹脂層が形成されるため、実質的に片面封止となっている。このため有機基板や金属基板と樹脂組成物の硬化物との間での熱膨張・熱収縮の不整合あるいは樹脂組成物の成形・硬化時の硬化収縮による影響により、これらの半導体装置では成形直後から反りが発生しやすい。
【０００４】
一方使用する半導体デバイスの発熱は増える一方であり、半導体デバイスが発生する熱を、半導体封止用エポキシ樹脂組成物を介在してパッケージ外部へ放散する必要性は最近急速に重要になってきた。従来エリア実装型半導体装置の構造においては、エリア実装可能なことから外部端子の多ピン化、パッケージの縮小化が容易の為に、大量の熱を発生する半導体デバイスの適用が進み、ＰＫＧ外部への熱放散が大きく注目されている。特に半導体封止用エポキシ樹脂組成物から外部への熱放散を高める為に熱放散性の高い金属板等をパッケージに付着することで改良を行ってきたが、半導体封止用エポキシ樹脂組成物自身の熱放散性を高めない限り限界があり、その重要性が特に着目されている。
しかし、過去エリア実装型半導体装置の構造に着目した高熱伝導性エポキシ封止樹脂の開発は皆無であった。従来のＱＦＰ、ＳＯＰに代表されるリードフレームを使用した両面封止型パッケージ用途にアルミナ、アルミニウムナイトライド等を利用した高熱伝導性エポキシ封止樹脂の開発があるが、エリア実装型半導体装置の構造への適用では、高流動性やパッケージでの反りが満足されず、新しい半導体用高熱伝導性エポキシ封止樹脂の開発が急務であった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、エリア実装型半導体装置での成形後や半田処理時の反りが小さく、耐半田クラック性、流動性に優れ、かつ高熱伝導性に優れる半導体封止用エポキシ樹脂組成物及び半導体装置を提供するところにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、特定の粒度を有する球状アルミナ、特定の球状シリカを所定比率使用し、かつ低粘度のエポキシ樹脂を使用することにより高流動性、低成形収縮性、耐湿信頼性、かつ高熱伝導性に優れる半導体封止用エポキシ樹脂組成物が得られることを見出したものであり、その構成は、
［１］（Ａ）平均粒径が３５〜５５μｍである球状アルミナ粗粒（Ａ１）と平均粒径が４〜１０μｍである球状アルミナ細粒（Ａ２）の混合物、（Ｂ）球状溶融シリカ、（Ｃ）１５０℃のＩＣＩ粘度が０．５ポイズ以下である低粘度エポキシ樹脂、（Ｄ）フェノール樹脂硬化剤、（Ｅ）燐又は窒素を含有する硬化促進剤を必須成分とし、３５〜５５μｍである球状アルミナ粗粒（Ａ１）と平均粒径と４〜１０μｍである球状アルミナ細粒（Ａ２）との混合比率が２５重量％／７５重量％〜７５重量％／２５重量％の範囲にあり、３５〜５５μｍである球状アルミナ粗粒（Ａ１）と平均粒径と４〜１０μｍである球状アルミナ細粒（Ａ２）と（Ｂ）球状溶融シリカの総配合量が総樹脂組成物中で８５〜９５重量％であ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］（Ｃ）１５０℃のＩＣＩ粘度が０．５ポイズ以下である低粘度エポキシ樹脂が、式（１）又は式（２）で示されるエポキシ樹脂のいずれか１種類又は２種類の混合物である第［１］項記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成物、
【０００７】
【化６】
【化７】
［３］（Ｂ）球状溶融シリカの平均粒径が０．１〜６μｍであり、かつ（Ｂ）球状溶融シリカの配合量が総樹脂組成物中で２〜１２重量％である第［１］又は［２］項記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成物、
［４］（Ｄ）フェノール樹脂硬化剤が、式（３）、式（４）又は式（５）で示されるフェノール樹脂のいずれか１種類又は２〜３種類の混合物であ第［１］〜［３］項記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成物、
【００１０】
【化８】
【化９】
【化１０】
［５］基板の片面に半導体素子が搭載され、この半導体素子が搭載された基板面側の実質的に片面のみが第［１］〜［４］項記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成物によって封止されてなることを特徴とする半導体装置、
である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明に用いる球状アルミナは、平均粒径が３５〜５５μｍである球状アルミナ粗粒（Ａ１）と平均粒径が４〜１０μｍである球状アルミナ細粒（Ａ２）の混合物である。過去、特公平７−４７６８２に示されるように、平均粒径が８〜３５μｍの球状アルミナ粗粒と平均粒径が０．１〜４μｍの球状アルミナ細粒の混合物の組合せが示されているが、この粒径の組合せでは高流動性は得られるものの、充分な高熱伝導性は得られない。
本発明に用いる球状アルミナは平均粒径が３５〜５５μｍである球状アルミナ粗粒は高流動性と高熱伝導性を発現するに重要な役割が得られることがわかった。球状アルミナ粗粒が３５μｍ以下であると高流動性と高熱伝導性が得られず好ましくない。球状アルミナ粗粒が５５μｍ以上であると高熱伝導性は得られるものの、流動性が低下するばかりでなく、パッケージでの充填時にボイドや流動跡が見られるようになり好ましくない。３５〜５５μｍである球状アルミナ粗粒の形状としては、流動性改善のために限りなく真球状であることが好ましい。
本発明に用いる平均粒径が４〜１０μｍである球状アルミナ細粒は、平均粒径が３５〜５５μｍである球状アルミナ粗粒と併用した場合、高充填時に高流動性を発現するのに極めて有効な粒径である。すなわち、平均粒径が３５〜５５μｍである球状アルミナ粗粒と併用する場合、球状アルミナ細粒の平均粒径が４μｍ以下であると高流動性と高熱伝導性が得られず好ましくない。また、球状アルミナ細粒の平均粒径が１０μｍ以上であると高熱伝導性は得られるものの、流動性が低下し好ましくない。４〜１０μｍである球状アルミナ細粒の形状としては、流動性改善のために限りなく真球状であることが好ましい。
【００１５】
本発明に用いる３５〜５５μｍである球状アルミナ粗粒（Ａ１）と平均粒径と４〜１０μｍである球状アルミナ細粒（Ａ２）との混合比率は２５重量％／７５重量％〜７５重量％／２５重量％の範囲であり、より好ましくは４０重量％／６０重量％〜６０重量％／４０重量％である。粗粒の割合が下限値を下回ると、高流動性と高熱伝導性が得られず好ましくない。また、粗粒の割合が上限値を上回ると高熱伝導性は得られるものの、流動性の低下が著しく好ましくない。また、粗粒と細粒の合計量は特には限定されない。一般的には７７〜９３重量％程度が高流動性と高熱伝導性を同時に得るために好ましいが、別途配合する球状溶融シリカとの総配合量が重要であり、これに限定されるものではない。
【００１６】
本発明に用いる球状溶融シリカは球状であれば限定されるものではない。球状溶融シリカの形状としては、流動性改善のために限りなく真球状であることが好ましい。また、平均粒径は０．１〜６μｍであることが好ましい。下限値を下回ると、溶融シリカ同士の凝集が発生するために流動性が低下するので好ましくない。上限値を超えると、球状アルミナ細粒の粒径と同等の粒径となり最密充填性が保てない場合があるため、流動性が低下する可能性があり好ましくない。本発明に用いる球状溶融シリカの配合量は、総樹脂組成物中で２〜１２重量％であることが好ましい。下限値を下回ると、０．１〜６μｍという微粒な粒径部分が減少するため、流動性が向上しないので好ましくない。１２重量％以上であると０．１〜６μｍという微粒な粒径部分が多すぎるために高流動性が低下するばかりではなく、熱伝導性の低い、球状シリカの比率が増える為に高熱伝導性も得られず好ましくない。
【００１７】
本発明に用いる（Ａ）３５〜５５μｍである球状アルミナ粗粒（Ａ１）と平均粒径と４〜１０μｍである球状アルミナ細粒（Ａ２）と（Ｂ）球状溶融シリカの配合量は総樹脂中で８５〜９５重量％であり、より好ましくは８８〜９３重量％である。下限値を下回ると高熱伝導性が得られないばかりか、エリア実装型半導体装置の成形品が反るので好ましくない。また上限値を超えると高熱伝導性は得られるが、流動性が損なわれるので好ましくない。
【００１８】
本発明で用いる（Ａ）３５〜５５μｍである球状アルミナ粗粒（Ａ１）と平均粒径と４〜１０μｍである球状アルミナ細粒（Ａ２）と（Ｂ）球状溶融シリカは、予め十分に混合しておくことが好ましい。また必要に応じて上記混合物をカップリング剤やエポキシ樹脂あるいはフェノール樹脂で予め被覆して用いてもよく、被覆の方法としては、溶剤を用いて混合した後に溶媒を除去する方法や直接無機充填材に添加し、混合機を用いて混合する方法等がある。
【００１９】
本発明に用いるエポキシ樹脂は、１５０℃のＩＣＩ粘度が０．５ポイズ以下である低粘度エポキシ樹脂である。０．５ポイズ以上のエポキシ樹脂を使用すると流動性が損なわれるので好ましくない。１５０℃のＩＣＩ粘度が０．５ポイズ以下である低粘度エポキシ樹脂としては、式（１）、式（２）に示される構造がより好ましいがこれに限定されるものではない。
【００２０】
【化１１】
【化１２】
式（１）、式（２）以外の１５０℃のＩＣＩ粘度が０．５ポイズ以下である低粘度エポキシ樹脂としては、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂、スチルベン型エポキシ樹脂、ナフトールノボラック型エポキシ樹脂、ハイドロキノン型エポキシ樹脂が知られている。しかし各種特性を付与するため、１５０℃のＩＣＩ粘度が０．５ポイズ以上のエポキシ樹脂を少量併用することはなんら差し支えない。これら１５０℃のＩＣＩ粘度が０．５ポイズ以上のエポキシ樹脂としては、フェノールノボラック型エポキシ樹脂、オルソクレゾールノボラック型エポキシ樹脂、トリフェノールメタン型エポキシ樹脂、ジシクロペンタジエン変性フェノール型エポキシ樹脂、テルペン変性フェノール型エポキシ樹脂、が知られている。
本発明に用いるフェノール樹脂硬化剤は特に限定される物ではないが、高流動性、低収縮性を保持するために、式（３）、式（４）、式（５）に示されるフェノール樹脂硬化剤が好ましい。しかし上記に限定される物ではなく、フェノールノボラック樹脂、クレゾールノボラック樹脂、ジシクロペンタジエン変性フェノール樹脂、テルペン変性フェノール樹脂等も使用することもできる。
【００２３】
【化１３】
【化１４】
【化１５】
本発明に用いる（Ｅ）燐又は窒素を含有する硬化促進剤は、半導体封止用エポキシ樹脂組成物において一般に使用される物が使用できる。例えば、１，８−ジアザビシクロ（５，４，０）ウンデセン−７、トリフェニルホスフィン、ベンジルジメチルアミン、２−メチルイミダゾール、式（６）で示される化合物、式（７）で示される化合物等が挙げられるが、これらに限定される物ではない。また使用においては単独でも混合して用いてもよい。
【００２７】
【化１６】
【化１７】
本発明のエポキシ樹脂組成物は、（Ａ）〜（Ｅ）成分の他、必要に応じて酸化ビスマス水和物、マグネシウム−アルミニウム化合物等の無機イオン交換体、γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン等のカップリング剤、カーボンブラック、ベンガラ等の着色剤、シリコーンオイル、シリコーンゴム等の低応力化成分、天然ワックス、合成ワックス、高級脂肪酸及びその金属塩類もしくはパラフィン等の離型剤、臭素化エポキシ樹脂、酸化アンチモン、燐酸エステル、フォスファゼン化合物、水酸化アルミニウム、水酸化マグネシウム等の難燃剤ならびに酸化防止剤等の各種添加剤を適宜配合しても差し支えない。
本発明のエポキシ樹脂組成物は、（Ａ）〜（Ｅ）成分、及びその他の添加剤等を、ミキサーを用いて常温混合し、ロール、ニーダー、押出機等の混練機で溶融混練し、冷却後粉砕して得られる。本発明の樹脂組成物を用いて、半導体素子等の電子部品を封止し、半導体装置を製造するには、トランスファーモールド、コンプレッションモールド、インジェクションモールド等の成形方法で硬化成形すればよい。
【００３０】
【実施例】
以下に、実施例を挙げて本発明を更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例によりなんら限定されるものではない。
実施例１
【００３１】
式（１）を主成分とするエポキシ樹脂（ジャパンエポキシレジン（株）製 Ｙ
Ｘ４０００ＨＫ、１５０℃ＩＣＩ粘度０．１５ポイズ、エポキシ当量１９１ｇ／
ｅｑ） ５．２重量％
【化１８】
式（５）のフェノール樹脂（明和化成（株）製 ＭＥＨ７５００、軟化点１１
０℃、水酸基当量９７ｇ／ｅｑ） ２．８重量％
【化１９】
平均粒径が３８．２μｍの球状アルミナ粗粒 ４３．０重量％
平均粒径が５．１μｍの球状アルミナ細粒 ４３．０重量％
平均粒径が２．６μｍの球状溶融シリカ ４．０重量％
トリフェニルホスフィン ０．１５重量％
三酸化二アンチモン ０．８５重量％
ブロム化エポキシ（１５０℃ＩＣＩ粘度６．７ポイズ、エポキシ当量２７３ｇ
／ｅｑ） ０．４重量％
カーボンブラック ０．３重量％
γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン ０．１重量％
カルナバワックス ０．２重量％
を常温においてミキサーで混合し、７０〜１２０℃で２本ロールにより混練し、冷却後粉砕して樹脂組成物を得た。得られた樹脂組成物を以下の方法で評価した。
［評価方法］
・スパイラルフロー：ＥＭＭＩ−１−６６に準じたスパイラルフロー測定用の金型を用い、金型温度１７５℃、注入圧力６．９ＭＰａ、硬化時間２分で測定した。単位はｃｍ。８０ｃｍ以上を合格とした。
・熱伝導率：トランスファー成形機を用いて、金型温度１７５℃、注入圧力６．９ＭＰａ、硬化時間２分で直径４０ｍｍ、厚さ３０ｍｍの成形品を成形し、１７５℃、８時間で後硬化し、得られた成形品の熱伝導率を熱伝導率計（京都電子工業社製ＱＴＭ−５００）で測定した。単位はＷ／ｍＫ。３Ｗ／ｍＫ以上を合格とした。
・パッケージ反り量ならびに成形性：トランスファー成形機を用いて、金型温度１８０℃、注入圧力７．４ＭＰａ、硬化時間２分で２２５ｐＢＧＡ（基板は厚さ０．３６ｍｍ、ビスマレイミド・トリアジン／ガラスクロス基板、パッケージサイズは２４×２４ｍｍ、厚さ１．１７ｍｍ、シリコンチップはサイズ９×９ｍｍ、厚さ０．３５ｍｍ、チップと回路基板のボンディングパッドとを２５μｍ径の金線でボンディングしている）を成形し、１７５℃、８時間で後硬化した。室温に冷却後パッケージのゲートから対角線方向に、表面粗さ計を用いて高さ方向の変位を測定し、変位差の最も大きい値を反り量とした。単位はμｍ。反り量は１２０μｍ以下が良好であり、成形性は外観にボイド、流動痕等がみられない正常な外観のものを良好と判定した。
【００３４】
実施例２〜１７、比較例１〜１３
表１、表２の組成に従って配合し、実施例１と同様にして樹脂組成物を得、同様に評価した。これらの評価結果を表１、表２に示す。なお、実施例１以外で用いた原材料を以下に示す。
【００３５】
式（２）のエポキシ樹脂（ジャパンエポキシレジン（株）製 ＹＬ６８１０、１５０℃ＩＣＩ粘度０．１ポイズ以下、エポキシ当量１６３ｇ／ｅｑ）
【化２０】
式（８）のエポキシ樹脂（日本化薬（株）製 Ｅ−１０３２、１５０℃ＩＣＩ粘度０．５５ポイズ、エポキシ当量１６９ｇ／ｅｑ）
【化２１】
オルソクレゾールノボラック型エポキシ樹脂（日本化薬（株）製 ＥＯＣＮ、１５０℃ＩＣＩ粘度１．２ポイズ、エポキシ当量１９６ｇ／ｅｑ）
【００３８】
式（３）のフェノール樹脂（新日鐵化学（株）製 ＳＮ４８５、軟化点８７℃、水酸基当量２１０ｇ／ｅｑ）
【化２２】
式（４）のフェノール樹脂（明和化成（株）製 ＭＥＨ７８５１、軟化点７３℃、水酸基当量１９９ｇ／ｅｑ）
【化２３】
平均粒径４４．１μｍの球状アルミナ粗粒
平均粒径５０．９μｍの球状アルミナ粗粒
平均粒径２１．０μｍの球状アルミナ粗粒
平均粒径６１．２μｍの球状アルミナ粗粒
平均粒径８．６μｍの球状アルミナ細粒
平均粒径１．１μｍの球状アルミナ細粒
平均粒径１３．８μｍの球状アルミナ細粒
平均粒径０．５μｍの球状溶融シリカ
１，８−ジアザビシクロ（５，４，０）ウンデセン−７（以下、ＤＢＵという）
【００４１】
式（６）の燐系硬化促進剤
【化２４】
式（７）の燐系硬化促進剤
【化２５】
【表１】
【表２】
【発明の効果】
本発明に従うと、流動性、熱伝導性に優れるエポキシ樹脂組成物が得られ、これを用いたエリア実装型半導体装置は反りが小さい。
Claims (5)
- （Ａ）平均粒径が３５〜５５μｍである球状アルミナ粗粒（Ａ１）と平均粒径が４〜１０μｍである球状アルミナ細粒（Ａ２）の混合物と、（Ｂ）球状溶融シリカと、（Ｃ）１５０℃のＩＣＩ粘度が０．５ポイズ以下である低粘度エポキシ樹脂、（Ｄ）フェノール性樹脂硬化剤、（Ｅ）燐又は窒素を含有する硬化促進剤を必須成分とし、３５〜５５μｍである球状アルミナ粗粒（Ａ１）と平均粒径と４〜１０μｍである球状アルミナ細粒（Ａ２）との混合比率が２５重量％／７５重量％〜７５重量％／２５重量％の範囲にあり、３５〜５５μｍである球状アルミナ粗粒（Ａ１）と平均粒径と４〜１０μｍである球状アルミナ細粒（Ａ２）と（Ｂ）球状溶融シリカの総配合量が総樹脂組成物中で８５〜９５重量％であることを特徴とする半導体封止用エポキシ樹脂組成物。
- （Ｃ）１５０℃のＩＣＩ粘度が０．５ポイズ以下である低粘度エポキシ樹脂が、式（１）又は式（２）で示されるエポキシ樹脂のいずれか１種類又は２種類の混合物である請求項１記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成物。
- （Ｂ）球状溶融シリカの平均粒径が０．１〜６μｍであり、かつ（Ｂ）球状溶融シリカの配合量が総樹脂組成物中で２〜１２重量％である請求項１又は請求項２記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成物。
- （Ｄ）フェノール樹脂硬化剤が、式（３）、式（４）又は式（５）で示されるフェノール樹脂のいずれか１種類又は２〜３種類の混合物である請求項１〜３記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成物。
- 基板の片面に半導体素子が搭載され、この半導体素子が搭載された基板面側の実質的に片面のみが請求項１〜４記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成物によって封止されてなることを特徴とする半導体装置。
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