JP2012111844A - 封止用エポキシ樹脂組成物及びこれを用いて封止した半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低反り性、耐熱信頼性、ワイヤースイープ性に優れた封止用エポキシ樹脂組成物及びそれを用いて封止した半導体装置を提供する。
【解決手段】エポキシ樹脂、硬化剤、カップリング硬化促進剤、無機充填材を必須成分とする封止用エポキシ樹脂組成物であって、特定の構造を有するエポキシ樹脂、硬化剤、
カップリング剤を配合することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置の封止に用いられる封止用エポキシ樹脂組成物及びこれを用いて封止し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、透明性等に優れ、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、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するという問題があった。また、ＢＧＡパッケージをはんだにより基板等に接続する場合、はんだを溶融させるためのリフローと呼ばれる加熱処理を施すが、この際に封止材料中の樹脂が加熱されることによる半導体素子や基板と封止樹脂の間に剥離が発生するという問題があった。

これらの反りやリフロー時の剥離を解決する方法としては、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、リフロー時の反りの変化量を抑制する方法が考えられる。

特開２００８−７４９３０号公報 特開２００７−１６９４９３号公報

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。

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、低反り性、耐熱剥離性、ワイヤースイープ性に優れた封止用エポキシ樹脂組成物及びそれを用いて封止し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。

即ち、本発明の封止用エポキシ樹脂組成物は、エポキシ樹脂、硬化剤、カップリング剤及び無機充填材を必須の配合成分とする封止用エポキシ樹脂組成物であって、前記エポキシ樹脂が、下記一般式（Ｉ）
（式中、Ｒ_１〜Ｒ_３は、独立して水素原子、アルキル基、アルコキシ基、アリール基、及びアリル基から選択される原子又は基を示し、ＧＯはグリシジルエーテルを示し、ｋは０〜４を示す）で表される疑似アントラセンエポキシ樹脂であり、前記硬化剤が、下記式（ＩＩ）
（ｐ＝０〜２、ｑ＝１〜５を示す）で表されるフェノール樹脂であり、前記カップリング剤が下記一般式（III）
Ｒ_４−Ｘ−（ＣＨ_２）_ｎ−ＳｉＨ_ｍ−（ＯＲ_５）_３−ｍ （III）
（ｎ＝１〜５、ｍ＝０〜３、Ｘ＝Ｎ，Ｓのいずれかの元素、Ｒ_４は水素原子もしくは炭素数１〜８の分子構造をもち置換基をもってもよい。Ｒ_５はＣＨ_３，Ｃ_２Ｈ_５のいずれかを示す）で表されるカップリング剤である。

また、前記一般式（Ｉ）に示す構造を有するエポキシ樹脂の配合量が、前記封止用エポキシ樹脂組成物全体量に対して、０．３〜７質量％の範囲であり、前記一般式（III）に示す構造を有するカップリング剤の配合量が、前記封止用エポキシ樹脂組成物全体量に対して、０．１〜０．５質量％の範囲であることが好ましい。

さらに、本発明の半導体装置は、前記本発明の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半導体装置である。

本発明の封止用エポキシ樹脂組成物によれば、必須の配合成分として、特定の構造を有するエポキシ樹脂、硬化剤、カップリング剤を配合したので、半導体素子が搭載された基板の片面を封止する際の反りの発生を抑制し、リフロー時に発生する半導体素子や基板との剥離を抑制し、さらに、ワイヤースイープの発生を同時に抑制することを可能とする。

実施例のＰＢＧＡ低反り性の評価の説明概要図である。 実施例のワイヤースイープ性のワイヤーボンドの説明概要図である。

以下、本発明の実施の形態について説明する。

本発明で用いられる必須成分としてのエポキシ樹脂としては、下記一般式（Ｉ）で表される疑似アントラセンエポキシ樹脂を用いる。
（式中、Ｒ_１〜Ｒ_３は、独立して水素原子、アルキル基、アルコキシ基、アリール基、及びアリル基から選択される原子又は基を示し、ＧＯはグリシジルエーテルを示し、ｋは０〜４を示す）

一般式（Ｉ）で表される疑似アントラセンエポキシ樹脂は、繰り返し数ｋが０〜４の範囲であり、好ましくは０である。ｋが５以上であると粘度が高くなり、流動性、充填性が著しく低下することがある。

本発明の封止用エポキシ樹脂組成物に配合されるエポキシ樹脂としては、上記一般式（Ｉ）で表される疑似アントラセンエポキシ樹脂の他に、一般に公知のエポキシ樹脂を併用することができる。これらのものとしては、例えば、ｏ−クレゾールノボラック型エポキシ樹脂等の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、ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂等のビスフェノール型エポキシ樹脂、ナフトール型エポキシ樹脂、フェニレン型エポキシ樹脂、フェノ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、及びトリフェニルメタン型エポキシ樹脂等が挙げることができる。これらは一般式（Ｉ）に示す疑似アントラセンエポキシ樹脂と公知のエポキシ樹脂の１種以上を併用して用いてもよい。

エポキシ樹脂の配合量は、特に限定されるものではないが、エポキシ樹脂組成物全量に対して０．２〜３０質量％、好ましくは０．３〜７質量％の範囲である。

本発明で用いられる必須成分としての硬化剤としては、下記一般式（ＩＩ）で表される硬化剤としてのフェノール樹脂を用いる。
（ｐ＝０〜２、ｑ＝１〜５を示す）

一般式（ＩＩ）に示す多官能トリフェノールメタンタイプのフェノール樹脂よりなる硬化剤を用いることにより、ガラス転移温度を高くすることができ、特に反りの発生しやすいＰＢＧＡ（Ｐｌａｓｔｉｃ Ｂａｌｌ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ）パッケージ等の反りを低減させることができる。

本発明の封止用エポキシ樹脂組成物に配合される硬化剤としては、上記一般式（ＩＩ）で表される硬化剤としてのフェノール樹脂の他に、他の硬化剤を併用することができる。これらのものとしては、例えばジシアンジアミド、酸無水物、ノボラック型フェノール樹脂（フェノールノボラック、クレゾールノボラック、フェノールアラルキル樹脂等）、ナフトールアラルキル樹脂等、各種多価フェノール化合物、あるいはナフトール化合物を挙げることができる。これらは一般式（ＩＩ）に示すフェノール樹脂と他の硬化剤の１種以上を併用して用いてもよい。

硬化剤の配合量は特に制限されるものではないが、エポキシ樹脂との化学量論上の当量比（硬化剤当量／エポキシ基当量）が０．５〜１．５となる量であり、より好ましくは当量比が０．８〜１．２となる量である。当量比が０．５未満であると、封止用エポキシ樹脂組成物の硬化特性が低下する場合があり、当量比が１．５を超えると、耐湿性が不十分になる場合がある。

本発明で用いられる必須成分としてのカップリング剤としては、下記一般式（III）で表されるカップリング剤を用いる。
Ｒ_４−Ｘ−（ＣＨ_２）_ｎ−ＳｉＨ_ｍ−（ＯＲ_５）_３−ｍ （III）
（ｎ＝１〜５、ｍ＝０〜３、Ｘ＝Ｎ，Ｓのいずれかの元素、Ｒ_４は水素原子もしくは炭素数１〜８の分子構造をもち置換基をもってもよい。Ｒ_５はＣＨ_３，Ｃ_２Ｈ_５のいずれかを示す）

これらのカップリング剤としては、例えば、γ−アミノプロピルトリメトキシシラン、Ｎ−フェニル−アミノプロピルトリメトキシシラン（γ−アニリノプロピルトリメトキシシラン）やＮ−フェニル−アミノプロピルトリエトキシシラン（γ−アニリノプロピルトリエトキシシラン）等のＮ−フェニル−アミノプロピルトリアルコキシシラン等のアミノシラン系カップリング剤等を挙げることができる。

これらの中でも、Ｎ−フェニル−アミノプロピルトリアルコキシシランを好適に用いることができ、特に下記一般式（ＩＶ）で表されるＮ−フェニル−３−アミノプロピルトリメトキシシランを好適に用いることができる。

Ｎ−フェニル−アミノプロピルトリアルコキシシランを配合することにより、半導体素子が搭載された基板の片面を封止する際に発生しうる反り、特に片面封止した基板を加熱した後に発生しうる反りをより抑制し、リフロー時に半導体素子や基板と封止樹脂との剥離の発生をより抑制することができる。

カップリング剤の配合量は、特に限定されるものではないが、エポキシ樹脂組成物全量に対して０．１〜１質量％、好ましくは０．１〜０．５質量％の範囲である。

本発明で用いられる必須成分としての無機充填材としては、従来公知の無機充填材を用いることができる。具体的には、例えば、溶融シリカ、結晶シリカ、合成シリカ、アルミナ、窒化珪素、酸化カルシウム等を挙げることができる。

これらの中でも、充填性や流動性の観点から溶融シリカが好ましく、さらに球状のものが好ましく、真球状に近いものほど好ましい。また、熱伝導性の観点からは、アルミナ、結晶シリカ、及び窒化珪素が好ましい。これらは１種単独で用いてもよいし、２種以上を併用して用いてもよい。

無機充填材の配合量は、特に限定されるものではないが、エポキシ樹脂組成物全量に対して６０〜９５質量％、好ましくは７０〜９２質量％の範囲である。無機充填材の配合量が６０質量％より少ないと、低吸湿性、低線膨張率が得られないために低反り性と耐リフロー性が低下する場合がある。また、９５質量％より多いと、流動性が低下して、ボイドなどが生じてパッケージクラックが発生する場合がある。

本発明の封止用エポキシ樹脂組成物には、本発明の効果を損なわない範囲内において、必須の成分以外の配合成分を配合することができる。このような配合成分としては、硬化促進剤、離型剤等を挙げることができる。

硬化促進剤としては、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、１，８−ジアザビシクロ（５，４，０）ウンデセン等の３級アミン類、２−メチルヒドロキシイミダゾール等のイミダゾール類等を用いることができる。これらは１種単独で用いてもよいし、２種以上を併用して用いてもよい。

離型剤としては、例えばカルナバワックス、ステアリン酸、モンタン酸、ステアリン酸塩、カルボシキル基含有ポリオレフィン、モンタン酸ビスアマイド等を用いることができる。これらは１種単独で用いてもよいし、２種以上を併用して用いてもよい。

また、他の成分、例えば、カーボンブラック、染料、顔料等の着色剤、シリコーンエラストマー、シリコーンオイル、シリコーンゲル等の低弾性化剤を用いることもでき、これらは予めエポキシ樹脂と溶融混合し、冷却粉砕したマスターバッチとして用いることもできる。

さらに他の成分として、ハイドロタルサイト、あるいはビスマス系及び、マグネシウム系、アルミニウム系等の無機イオントラップ剤を適宜添加することもできる。

本発明の封止用エポキシ樹脂組成物は、例えば、必須成分としてのエポキシ樹脂、硬化剤、カップリング剤、無機充填材、及び必要に応じて他の成分を配合し、ミキサー、ブレンダーなどを用いて十分均一になるまで混合した後、熱ロールやニーダーなどの混練機により加熱状態で混練し、これを室温に冷却した後、公知の手段によって粉砕することにより調製することができる。なお、封止用エポキシ樹脂組成物は、取り扱いを容易にするために、成形条件に合うような寸法と質量を有するタブレットとしてもよい。

また、本発明の封止用エポキシ樹脂組成物を用いて片面封止型半導体装置を製造する場合には、リードフレームや基板等に半導体素子を搭載した後、これを本発明の封止用エポキシ樹脂組成物により封止する。この封止にはトランスファー成形（トランスファーモールド）を採用することができ、半導体素子を搭載したリードフレームや基板等を金型のキャビティに配置した後、キャビティに上記の本発明の封止用エポキシ樹脂組成物を充填し、これを加熱して硬化させて封止する。このトランスファー成形を採用した場合の金型の温度は、１６０〜１９０℃、成形時間は、４５〜３００秒間に設定することができるが、金型の温度や成形時間及びその他の成形条件は、従来の封止成形と同様に設定することができ、封止用エポキシ樹脂組成物の材料の種類や製造される半導体装置の種類によって適宜設定変更することができる。

以下、実施例により本発明をさらに詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではない。

表１に示す各配合成分を、表１に示す割合で配合し、ブレンダーで１０分間混合して均一化した後、１０５〜１２０℃に加熱したニーダーで混練溶融させて押し出し、冷却後、粉砕機で所定粒度に粉砕して粒状の封止用エポキシ樹脂組成物を得た。なお、表１中の配合量は質量％を示す。

表１に示す配合成分として、以下のものを使用した。
エポキシ樹脂１：ビフェニルエポキシ樹脂、ジャパンエポキシレジン（株）製、ＹＸ４０００ＨＫ（エポキシ当量：１９５ｇ／ｅｑ 融点９５℃）
エポキシ樹脂２：疑似アントラセンエポキシ樹脂、ジャパンエポキシレジン（株）製、ＹＬ７１７２（エポキシ当量：１９７ｇ／ｅｑ 融点１０５℃）
エポキシ樹脂３：ビフェニルエポキシ樹脂、ジャパンエポキシレジン（株）製、ＹＬ１６２１Ｈ（エポキシ当量：１７５ｇ／ｅｑ 融点１３０℃）
エポキシ樹脂４：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：１７３ｇ／ｅｑ 融点４５℃）

硬化剤１：フェノールアラルキル、エアーウォーター（株）製、ＨＥ１１２Ｃ−０５（水酸基当量：１７６ｇ／ｅｑ）
硬化剤２：フェノールアラルキル、明和化成（株）製、ＭＥＨ７８００−３Ｌ（水酸基当量：１７６ｇ／ｅｑ）
カップリング剤１：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
カップリング剤２：３−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

無機充填材：溶融シリカ（球状）、電気化学工業（株）製、ＦＢ９４５
離型剤：カルナバワックス、大日化学工業（株）製、Ｆ１−１００
硬化促進剤：トリフェニルホスフィン、北興化学工業（株）製、ＴＰＰ
着色剤：カーボンブラック、三菱化学（株）製、＃４０

得られた封止用エポキシ樹脂組成物について次の評価を行った。
＜ＰＢＧＡ低反り性＞
ビスマレイミドトリアジン樹脂（ＢＴ）基板（３５ｍｍ×３５ｍｍ×０．５ｍｍ（ｔ））上に、１個のチップ（８ｍｍ×９ｍｍ×０．３５ｍｍ（ｔ））をマトリクス状に搭載し、ＣＤＶにてパッシベーションＳｉＮを施した。そして、調製した各組成物を用いて、封止サイズ２９ｍｍ×２９ｍｍ×０．０８ｍｍ（ｔ）の片面封止型の半導体パッケージであるＰＢＧＡ（Plastic Ball Grid Array）をトランスファー成形した。

トランスファー成形の条件は以下の通りとした。
金型圧力：１７５℃×９０秒
注入圧：９．８ＭＰａ
注入時間：１３秒
そして、得られたＰＢＧＡの、常温（２５℃）の環境下での反り量を、表面粗さ測定器（（株）ミツトヨ製ＳＪ−４０２）で計測し、以下の基準で評価した。ＰＢＧＡの反り量（μｍ）は、図１に示すようにＰＢＧＡ１の対角線２本の両端を結んだ線とＰＢＧＡ１表面との距離の最大値を測定した。
○：１３０μｍ未満
×：１３０μｍ以上

＜耐熱信頼性＞
＜ＰＢＧＡ低反り性＞の評価で成形した、２９ｍｍ×２９ｍｍ×０．８０ｍｍ（ｔ）のＰＢＧＡを、３０℃、６０％Ｒｈの条件で、１６８時間放置して吸湿させた。そして、吸湿処理した後のＰＢＧＡを、リフロー装置により２６０℃の条件で３回通しのリフロー処理を行った。そして、超音波測定装置を用いて、ＰＢＧＡのチップとパッケージ内部の剥離の有無を確認し、２４個のＰＢＧＡ中の剥離が発生したＰＢＧＡの数を数えた。その際、チップと封止樹脂との剥離（チップ剥離）、及び基板と封止樹脂との剥離（基板剥離）をそれぞれ数えた。

＜ワイヤースイープ性＞
図２に示すように、３５ｍｍ×３５ｍｍのＰＢＧＡ１（封止サイズ２９ｍｍ×２９ｍｍ×１．１７ｍｍ（ｔ））に、１個のチップ３（８．３５ｍｍ×８．３５ｍｍ×０．３５ｍｍ（ｔ））を実装し、２３μｍφの金ワイヤーボンドを実施した。
ワイヤーパッド間距離は１３０μｍであり、コーナー部に最長５ｍｍの金ワイヤー４を３本ずつワイヤーボンドした。その平均値をワイヤースイープ率とした。

表１より、本発明の必須の成分であるエポキシ樹脂２、硬化剤１及びカップリング剤１を配合した実施例１〜７では、ＰＢＧＡ低反り性、耐熱信頼性、ワイヤースイープ性の結果は全て良好であった。

これに対して、エポキシ樹脂として本発明の必須成分である一般式（Ｉ）に示す疑似アントラセンエポキシ樹脂を配合しなかった比較例１には反りの発生が確認された。また、カップリング剤として本発明の必須成分である一般式（III）に示すカップリング剤を配合しなかった比較例２では、ワイヤースイープ率の値が大きく、チップ剥離及び基板剥離が発生が確認された。

これらの結果から、本発明の必須の配合成分を配合することにより、ＰＢＧＡ低反り性、耐熱信頼性、ワイヤースイープ性に優れた封止用エポキシ樹脂組成物が得られることが確認された。

１ ＰＧＢＡ
２ 封止部
３ チップ
４ 金ワイヤー

Claims (4)

1. エポキシ樹脂、硬化剤、カップリング剤及び無機充填材を必須の配合成分とする封止用エポキシ樹脂組成物であって、前記エポキシ樹脂が、下記一般式（Ｉ）
   （式中、Ｒ_１〜Ｒ_３は、独立して水素原子、アルキル基、アルコキシ基、アリール基、及びアリル基から選択される原子又は基を示し、ＧＯはグリシジルエーテルを示し、ｋは０〜４を示す）で表される疑似アントラセンエポキシ樹脂であり、前記硬化剤が、下記式（ＩＩ）
   （ｐ＝０〜２、ｑ＝１〜５を示す）で表されるフェノール樹脂であり、前記カップリング剤が下記一般式（III）
   Ｒ_４−Ｘ−（ＣＨ_２）_ｎ−ＳｉＨ_ｍ−（ＯＲ_５）_３−ｍ （III）
   （ｎ＝１〜５、ｍ＝０〜３、Ｘ＝Ｎ，Ｓのいずれかの元素、Ｒ_４は水素原子もしくは炭素数１〜８の分子構造をもち置換基をもってもよい。Ｒ_５はＣＨ_３，Ｃ_２Ｈ_５のいずれかを示す）で表されるカップリング剤であることを特徴とする封止用エポキシ樹脂組成物。
2. 前記一般式（Ｉ）に示す構造を有するエポキシ樹脂の配合量が、前記封止用エポキシ樹脂組成物全体量に対して、０．３〜７質量％の範囲であることを特徴とする請求項１に記載の封止用エポキシ樹脂組成物。
3. 前記一般式（III）に示す構造を有するカップリング剤の配合量が、前記封止用エポキシ樹脂組成物全体量に対して、０．１〜０．５質量％の範囲であることを特徴とする請求項１又は２に記載の封止用エポキシ樹脂組成物。
4. 請求項１から３のいずれかに記載の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。