JP5768023B2 - 電子部品封止用熱硬化性樹脂シート、樹脂封止型半導体装置、及び樹脂封止型半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、電子部品封止用熱硬化性樹脂シート、樹脂封止型半導体装置、及び樹脂封止型半導体装置の製造方法に関する。

半導体装置の製造においては、リードフレームや回路基板などの各種基板に半導体チップを搭載した後、半導体チップや回路基板などの電子部品を覆うように樹脂封止が行なわれる。

樹脂封止は、外部からの応力から半導体装置を保護すること、湿気や汚染物質から保護することなどを目的として行われるが、電子部品と封止樹脂との接着性が低いと界面剥離が生じ易く、パッケージにクラックが生じたり、ボンディングワイヤが断線し易いという問題がある。

特許文献１には、特定の樹脂成分、フィラー、及び着色剤を含有し、フロー量が特定値の樹脂層を有する封止フィルムが記載されている。また、特許文献２には、熱硬化前の８０〜１２０℃での粘度が特定値である封止用熱硬化型接着シートが記載されている。しかしながら、特許文献１、２では、電子部品と封止樹脂との接着性について充分な検討はなされていない。

特開２００８−６０５２３号公報 特開２００８−２８５５９３号公報

本発明は前記問題点に鑑みなされたものであり、電子部品との接着性に優れた電子部品封止用熱硬化性樹脂シート、信頼性の高い樹脂封止型半導体装置、及びその製造方法を提供することにある。

本願発明者は、一般的なシリコンウェハはシリコン窒化膜で保護されていること、半導体装置の配線（リードフレームなど）として銅が広く使用されていること、及び半導体装置の基板としてガラス布基材エポキシ樹脂が広く使用されていることに着目した。そして、これらの被着体との接着性に関し、熱可塑性樹脂が関係していることを見出した。加えて、本願発明者は、熱可塑性樹脂の含有量を特定量以下とし、これらの被着体に対する２５℃、及び２６０℃におけるせん断接着力をそれぞれ特定の範囲に調整することで信頼性の高い樹脂封止型半導体装置が得られることを見い出し、本発明を完成させた。

すなわち、本発明は、樹脂成分全体に対する熱可塑性樹脂の含有量が３０重量％以下であり、シリコンウェハ上に形成されたシリコン窒化膜へ接着し、硬化した後のせん断接着力が、２５℃において１５ＭＰａ以上、かつ２６０℃において２ＭＰａ以上であり、銅板へ接着し、硬化した後のせん断接着力が２５℃において１０ＭＰａ以上、かつ２６０℃において０．５ＭＰａ以上であり、ガラス布基材エポキシ樹脂へ接着し、硬化した後のせん断接着力が２５℃において１０ＭＰａ以上、かつ２６０℃において１ＭＰａ以上である電子部品封止用熱硬化性樹脂シートに関する。

本発明によれば、熱可塑性樹脂の含有量が特定量以下であり、シリコンウェハ上に形成されたシリコン窒化膜、銅板、及びガラス布基材エポキシ樹脂へ接着し、硬化した後の２５℃におけるせん断接着力が、それぞれ上記範囲であるので、通常の使用温度帯において良好な接着性が得られ、樹脂シートの界面剥離を防止できる。その結果、信頼性の高い樹脂封止型半導体装置が得られる。

また、熱可塑性樹脂の含有量が特定量以下であり、２６０℃におけるせん断接着力が特定の範囲であるので、パッケージ製造時のリフローによる剥離も防止できる。その結果信頼性の高い樹脂封止型半導体装置が得られる。

前記電子部品封止用熱硬化性樹脂シートは、混練押出により製造されることが好ましい。

本発明の樹脂シートは、熱可塑性樹脂の含有量が特定量以下であるので、シート状に成形し難いが、混練押出により製造することで、シート状に容易に成形できる。

本発明はまた、前記樹脂シートを用いて得られる樹脂封止型半導体装置に関する。

本発明はまた、前記樹脂シートを用いて封止する工程を含む樹脂封止型半導体装置の製造方法に関する。

せん断接着力の測定の様子を示す図である。

本発明の電子部品封止用熱硬化性樹脂シートは、樹脂成分全体に対する熱可塑性樹脂の含有量が３０重量％以下であり、シリコンウェハ上に形成されたシリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）へ接着し、硬化した後のせん断接着力が、２５℃において１５ＭＰａ以上、かつ２６０℃において２ＭＰａ以上であり、銅板へ接着し、硬化した後のせん断接着力が２５℃において１０ＭＰａ以上、かつ２６０℃において０．５ＭＰａ以上であり、ガラス布基材エポキシ樹脂へ接着し、硬化した後のせん断接着力が２５℃において１０ＭＰａ以上、かつ２６０℃において１ＭＰａ以上である。

本発明の樹脂シートは通常、エポキシ樹脂、及びフェノール樹脂を含む。これにより、良好な熱硬化性が得られる。

エポキシ樹脂としては、特に限定されるものではない。例えば、トリフェニルメタン型エポキシ樹脂、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、変性ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂、変性ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂、ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂、フェノールノボラック型エポキシ樹脂、フェノキシ樹脂などの各種のエポキシ樹脂を用いることができる。これらエポキシ樹脂は単独で用いてもよいし２種以上併用してもよい。

エポキシ樹脂の硬化後の靭性及びエポキシ樹脂の反応性を確保する観点からは、エポキシ当量１５０〜２５０、軟化点もしくは融点が５０〜１３０℃の常温で固形のものが好ましく、なかでも、信頼性の観点から、トリフェニルメタン型エポキシ樹脂、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が好ましい。

フェノール樹脂は、エポキシ樹脂との間で硬化反応を生起するものであれば特に限定されるものではない。例えば、フェノールノボラック樹脂、フェノールアラルキル樹脂、ビフェニルアラルキル樹脂、ジシクロペンタジエン型フェノール樹脂、クレゾールノボラック樹脂、レゾール樹脂などが用いられる。これらフェノール樹脂は単独で用いてもよいし、２種以上併用してもよい。

フェノール樹脂としては、エポキシ樹脂との反応性の観点から、水酸基当量が７０〜２５０、軟化点が５０〜１１０℃のものを用いることが好ましく、なかでも硬化反応性が高いという観点から、フェノールノボラック樹脂を好適に用いることができる。また、信頼性の観点から、フェノールアラルキル樹脂やビフェニルアラルキル樹脂のような低吸湿性のものも好適に用いることができる。

エポキシ樹脂とフェノール樹脂の配合割合は、硬化反応性という観点から、エポキシ樹脂中のエポキシ基１当量に対して、フェノール樹脂中の水酸基の合計が０．７〜１．５当量となるように配合することが好ましく、より好ましくは０．９〜１．２当量である。

エポキシ樹脂及びフェノール樹脂の合計含有量は、樹脂成分全体に対して５０〜１００重量％であることが好ましい。５０重量％以上であると、被着体（シリコンウェハ上に形成されたシリコン窒化膜、銅板、及びガラス布基材エポキシ樹脂）に対する２５℃、及び２６０℃におけるせん断接着力が良好に得られる。該合計含有量は、好ましくは５５重量％以上、より好ましくは６０重量％以上、さらに好ましくは７０重量％以上である。また、該合計含有量は、好ましくは９０重量％以下、より好ましは８０重量％以下である。

本発明の樹脂シートは、熱可塑性樹脂を含んでいてもよく、樹脂成分全体に対する熱可塑性樹脂の含有量は３０重量％以下である。熱可塑性樹脂を含む場合、良好な柔軟性、可撓性が得られる。

樹脂成分全体に対する熱可塑性樹脂の含有量が、３０重量％以下であると、被着体（シリコンウェハ上に形成されたシリコン窒化膜、銅板、及びガラス布基材エポキシ樹脂）に対する２５℃、及び２６０℃におけるせん断接着力が良好に得られる。該含有量は、１５重量％以下がより好ましい。また、該含有量の下限は特に限定されないが、４重量％以上が好ましく、８重量％以上がより好ましい。４重量％以上であると、柔軟性が得られ割れにくくなりハンドリング性が向上する。

熱可塑性樹脂としては、天然ゴム、ブチルゴム、イソプレンゴム、クロロプレンゴム、エチレン−酢酸ビニル共重合体、エチレン−アクリル酸共重合体、エチレン−アクリル酸エステル共重合体、ポリブタジエン樹脂、ポリカーボネート樹脂、熱可塑性ポリイミド樹脂、６−ナイロンや６，６−ナイロン等のポリアミド樹脂、フェノキシ樹脂、アクリル樹脂、ＰＥＴやＰＢＴ等の飽和ポリエステル樹脂、ポリアミドイミド樹脂、又はフッ素樹脂などが挙げられる。また、スチレン−イソブチレン−スチレンブロック共重合体なども挙げられる。これらの熱可塑性樹脂は単独で、又は２種以上を併用して用いることができる。

熱可塑性樹脂の軟化点は、好ましくは１２０℃以上、より好ましくは１５０℃以上である。１２０℃以上であると、被着体（シリコンウェハ上に形成されたシリコン窒化膜、銅板、及びガラス布基材エポキシ樹脂）に対する２６０℃におけるせん断接着力が良好に得られる。また、該軟化点は、好ましくは１９０℃以下、より好ましくは１７０℃以下である。

本発明の樹脂シートは、無機質充填剤を含むことが好ましい。無機質充填剤は、特に限定されるものではなく、従来公知の各種充填剤を用いることができ、例えば、石英ガラス、タルク、シリカ（溶融シリカや結晶性シリカなど）、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化珪素などの粉末が挙げられる。

なかでも、硬化物の線膨張係数を低減できるという点から、シリカ粉末を用いることが好ましく、シリカ粉末のなかでも溶融シリカ粉末を用いることがより好ましい。溶融シリカ粉末としては、球状溶融シリカ粉末、破砕溶融シリカ粉末が挙げられるが、流動性という観点から、球状溶融シリカ粉末を用いることが特に好ましい。なかでも、成型する樹脂厚みと想定される部品の高さから、平均粒径が１０〜３０μｍの範囲のものを用いることが好ましく、１５〜２５μｍの範囲のものを用いることが特に好ましい。
なお、平均粒径は、例えば、母集団から任意に抽出される試料を用い、レーザー回折散乱式粒度分布測定装置を用いて測定することにより導き出すことができる。

無機質充填剤の含有量は、樹脂シート全体に対して、７０〜９５重量％であることが好ましく、８０〜９０重量％であることがより好ましく、８５〜９０重量％であることがさらに好ましい。無機充填材の含有量が７０重量％未満であると、部品や基板との線膨張差が大きく封止剤として適さない。一方、無機充填材の含有量が９５重量％を超えると、空隙率の問題でシート状の樹脂が得られないおそれがある。

本発明の樹脂シートは、硬化促進剤を含むことが好ましい。硬化促進剤は、硬化を進行させるものであれば特に限定されるものではないが、硬化性と保存性の観点から、トリフェニルホスフィンやテトラフェニルホスホニウムテトラフェニルボレートなどの有機リン系化合物や、イミダゾール系化合物が好適に用いられる。

硬化促進剤の含有量は、樹脂成分１００重量部に対して０．１〜５重量部であることが好ましい。

（その他の成分）
本発明の樹脂シートは、難燃剤成分を含むことが好ましい。これにより、部品のショート等による発火や燃焼の拡大を防ぐ事ができる。難燃剤組成分としては、例えば水酸化アルミニウム、水酸化マグネシウム、水酸化鉄、水酸化カルシウム、水酸化スズ、複合化金属水酸化物などの各種金属水酸化物を用いることができる。比較的少ない添加量で難燃性を発揮できる点や、コスト的な観点から水酸化アルミニウム又は水酸化マグネシウムを用いることが好ましく、水酸化アルミニウムを用いることが特に好ましい。

なお、本発明の樹脂シートは、上記の各成分以外に必要に応じて、カーボンブラックをはじめとする顔料、シランカップリング剤、接着付与剤など、他の添加剤を適宜配合することができる。

本発明の樹脂シートは、一般的な方法で製造できるが、混練押出により製造することが好ましい。本発明の樹脂シートは熱可塑性樹脂の含有量が少なく、シート状に成形し難いが、混練押出により容易に成形できる。また、ボイド（気泡）などの少ない均一なシートとすることができる。

混練押出により製造する方法としては、例えば、上述の各成分をミキシングロール、加圧式ニーダー、押出機などの公知の混練機で溶融混練することにより混練物を調製し、得られた混練物を可塑加工してシート状に形成する方法などが挙げられる。
混練条件として、温度は、上述の各成分の軟化点以上であることが好ましく、例えば３０〜１５０℃、エポキシ樹脂の熱硬化性を考慮すると、好ましくは４０〜１４０℃、さらに好ましくは６０〜１２０℃である。時間は、例えば１〜３０分間、好ましくは５〜１５分間である。これによって、混練物を調製することができる。

得られる混練物を押出成形により成形することにより、樹脂シートを得ることができる。具体的には、溶融混練後の混練物を冷却することなく高温状態のままで、押出成形することで、樹脂シートを形成することができる。このような押出方法としては、特に制限されず、Ｔダイ押出法、ロール圧延法、ロール混練法、共押出法、カレンダー成形法などが挙げられる。押出温度としては、上述の各成分の軟化点以上が好ましく、エポキシ樹脂の熱硬化性および成形性を考慮すると、例えば４０〜１５０℃、好ましくは５０〜１４０℃、さらに好ましくは７０〜１２０℃である。以上により、樹脂シートを形成することができる。

このようにして得られた樹脂シートは、単層構造にて使用してもよいし、２層以上の多層構造に積層してなる積層体として使用してもよい。

本発明の樹脂シートは、シリコンウェハ上に形成されたシリコン窒化膜へ接着し、硬化した後のせん断接着力が、２５℃において１５ＭＰａ以上である。１５ＭＰａ以上であると、通常の使用温度帯においてシリコン窒化膜との接着性が良好であり、信頼性の高い樹脂封止型半導体装置が得られる。該せん断接着力の上限は特に限定されないが、例えば、２４ＭＰａ以下が好ましい。

本発明の樹脂シートは、シリコンウェハ上に形成されたシリコン窒化膜へ接着し、硬化した後のせん断接着力が、２６０℃において２ＭＰａ以上である。２ＭＰａ以上であると、部品実装時のリフロー工程における剥離を防ぐことができ、信頼性の高い樹脂封止型半導体装置が得られる。該せん断接着力の上限は特に限定されないが、例えば、４ＭＰａ以下が好ましい。

本発明の樹脂シートは、銅板へ接着し、硬化した後のせん断接着力が、２５℃において１０ＭＰａ以上である。１０ＭＰａ以上であると、通常の使用温度帯において銅板との接着性が良好であり、信頼性の高い樹脂封止型半導体装置が得られる。該せん断接着力の上限は特に限定されないが、例えば、２２ＭＰａ以下が好ましい。

本発明の樹脂シートは、銅板へ接着し、硬化した後のせん断接着力が、２６０℃において０．５ＭＰａ以上である。０．５ＭＰａ以上であると、部品実装時のリフロー工程における剥離を防ぐことができ、信頼性の高い樹脂封止型半導体装置が得られる。該せん断接着力の上限は特に限定されないが、例えば、２．５ＭＰａ以下が好ましい。

本発明の樹脂シートは、ガラス布基材エポキシ樹脂へ接着し、硬化した後のせん断接着力が、２５℃において１０ＭＰａ以上である。１０ＭＰａ以上であると、通常の使用温度帯においてガラス布基材エポキシ樹脂との接着性が良好であり、信頼性の高い樹脂封止型半導体装置が得られる。該せん断接着力の上限は特に限定されないが、例えば、２２ＭＰａ以下が好ましい。

本発明の樹脂シートは、ガラス布基材エポキシ樹脂へ接着し、硬化した後のせん断接着力が、２６０℃において１ＭＰａ以上である。１ＭＰａ以上であると、部品実装時のリフロー工程における剥離を防ぐことができ、信頼性の高い樹脂封止型半導体装置が得られる。該せん断接着力の上限は特に限定されないが、例えば、３ＭＰａ以下が好ましい。

なお、本発明において、せん断接着力は、実施例に記載の方法で測定される。

本発明の樹脂シートは、シリコン窒化膜が形成された半導体（シリコンウェハ、シリコンチップなど）、銅板（リードフレームなど）、ガラス布基材エポキシ樹脂（ＦＲ−４など）、コンデンサ、抵抗などの電子部品の封止に使用される。なかでも、シリコン窒化膜が形成された半導体、銅板、及びガラス布基材エポキシ樹脂からなる群より選択される少なくとも何れか１種の封止に好適に使用できる。

封止方法としては特に限定されず、従来公知の方法で封止できる。例えば、本発明の樹脂シートが、ワイヤーボンドタイプの封止に使用される場合、ワイヤーボンドタイプのデバイス上に、本発明の樹脂シートを載置し、熱及び圧力を加えて封止する方法が挙げられる。このような方法により、樹脂封止型半導体装置が得られる。

以下、本発明に関し実施例を用いて詳細に説明するが、本発明はその要旨を超えない限り、以下の実施例に限定されるものではない。また、各例中、部は特記がない限りいずれも重量基準である。

実施例で使用した成分について説明する。
エポキシ樹脂：新日鐵化学社製のＹＳＬＶ−８０ＸＹ（ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂）
フェノール樹脂：明和化成社製のＭＥＨ７８５１ＳＳ（フェノールビフェニレン）
エラストマー（熱可塑性樹脂）：カネカ社製のＳＩＢＳＴＥＲ ０７２Ｔ（ポリスチレン・ポリイソブチレン系樹脂、軟化点：１５０〜１７０℃）
球状溶融シリカ：電気化学工業社製のＦＢ−９４５４ＦＣ（溶融球状シリカ、５４μｍカット、平均粒子径２０μｍ）
シランカップリング剤：信越化学社製のＫＢＭ−４０３（３−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン）
カーボンブラック：三菱化学社製の＃２０
難燃剤（有機系）：伏見製薬所製のＦＰ−１００（ホスホニトリル酸フェニルエステル）
触媒：四国化成工業社製の２ＰＨＺ−ＰＷ（イミダゾール系触媒）

実施例で使用した被着体について説明する。
シリコン窒化膜：シリコン窒化膜が形成されたシリコンウェハ（トーニック社の加工品：膜厚３０００Å（オングストローム）±１０％、総厚み３７０μｍ±２５μｍ）
銅板：大日本印刷社製のＮＤ−００２（Ｃｕ）
ＦＲ−４：パナソニック電工社製のガラスエポキシマルチ（ＦＲ−４） Ｒ−１７６６（ガラス布基材エポキシ樹脂）

＜樹脂シートの作製＞
（実施例及び比較例）
表１に記載の配合比に従い、各成分を２軸混練り機により、６０〜１２０℃で１０分間混練し、混練物を調製した。次に、上記混練物を押出成形し、厚さ０．８ｍｍの樹脂シートを得た。

得られた樹脂シートを用いて下記の評価を行った。結果を表１に示す。

＜各被着体に対するせん断接着力の測定＞
（試験片の作成）
樹脂シートを直径３ｍｍの円形に打ち抜いた。得られた円形の樹脂シートを用い、貯蔵粘弾性が１０００Ｐａｓ以下の温度領域（１００℃）で、樹脂シートの厚みが０．７ｍｍ程度になるまで平板プレスで被着体に圧着し、１５０℃で１時間硬化させた。これにより、被着体に樹脂シートが接着硬化された試験片を得た。
（測定）
図１は、せん断接着力の測定の様子を示す図である。図１に示すように、加温可能なサンプルテーブル３上に試験片（被着体２に樹脂シート１が接着硬化したもの）をセットし、吸着させた。テストツール４を被着体２上面から０．１ｍｍ浮かせ、被着体２と樹脂シート１との接着面に平行な方向に移動速度０．２ｍｍ／ｓで樹脂シート１を押し、その時の荷重を測定した。
測定は、樹脂シート１が２５℃及び２６０℃である状態で行った。
なお、２６０℃の測定では、試験片の樹脂シート１に熱が伝わるように、２６０℃のサンプルテーブル３上に試験片をセットし、３０秒間待機してから測定を行った。
また、樹脂シート１の樹脂痕を測定し面積（ｍｍ^２）を計算した。
（算出）
せん断接着力は下記式により算出した。
せん断荷重（Ｎ）／面積（ｍｍ^２）＝せん断接着力（ＭＰａ）

１ 樹脂シート
２ 被着体
３ サンプルテーブル
４ テストツール

Claims (3)

1. 樹脂成分全体に対する熱可塑性樹脂の含有量が４重量％以上３０重量％以下であり、
   シリコンウェハ上に形成されたシリコン窒化膜へ接着し、硬化した後のせん断接着力が、２５℃において１５ＭＰａ以上、かつ２６０℃において２ＭＰａ以上であり、
   銅板へ接着し、硬化した後のせん断接着力が２５℃において１０ＭＰａ以上、かつ２６０℃において０．５ＭＰａ以上であり、
   ガラス布基材エポキシ樹脂へ接着し、硬化した後のせん断接着力が２５℃において１０ＭＰａ以上、かつ２６０℃において１ＭＰａ以上であり、
   混練押出により製造される電子部品封止用熱硬化性樹脂シート。
2. 請求項１に記載の樹脂シートを用いて得られる樹脂封止型半導体装置。
3. 請求項１に記載の樹脂シートを用いて封止する工程を含む樹脂封止型半導体装置の製造方法。

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