JPH11100491A - エポキシ樹脂組成物及び半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 エリア実装用半導体パッケージに関し、室温
及び半田付け工程での反りが少なく、耐半田性や耐温度
サイクル性などの信頼性に優れ、かつ高温保管性に優れ
た半導体封止用エポキシ樹脂組成物を提供すること。 【解決手段】 一般式（２）、（３）で示されるエポキ
シ樹脂及び／又は融点５０〜１５０℃の結晶性エポキシ
樹脂の群から選択される少なくとも一つのエポキシ樹
脂、一般式（１）のフェノール樹脂硬化剤を総フェノー
ル樹脂硬化剤中に２０重量％以上含み、硬化促進剤、溶
融シリカ粉末及びＳｂ₂Ｏ₄あるいはＳｂ₂Ｏ₅からなる半
導体封止用エポキシ樹脂組成物。 【化１】 【化２】

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は成形性、信頼性、実
装性に優れた樹脂封止型半導体装置に関し、更に詳述す
ればプリント配線板や金属リードフレームの片面に半導
体素子を搭載し、その搭載面側の実質的に片面のみを樹
脂封止されたいわゆるエリア実装型半導体装置におい
て、樹脂封止後の反りや基板実装時の半田付け工程での
反りが小さく、また温度サイクル試験での耐パッケージ
クラック性や半田付け工程での耐パッケージクラック性
や耐剥離性に優れ、かつ高温保管性に優れた半導体封止
用エポキシ樹脂組成物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、高性
能化の市場動向において、半導体の高集積化が年々進
み、又半導体パッケージの表面実装化が促進されるなか
で、新規にエリア実装のパッケージが開発され、従来構
造のパッケージから移行し始めている。エリア実装パッ
ケージとしてはＢＧＡ（ボールグリッドアレイ）あるい
は更に小型化を追求したＣＳＰ（チップサイズパッケー
ジ）が代表的であるが、これらは従来ＱＦＰ、ＳＯＰに
代表される表面実装パッケージでは限界に近づいている
多ピン化・高速化・マルチチップ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、ＢＴ樹脂
／銅箔回路基板（ビスマレイミド・トリアジン／ガラス
クロス基板）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エポキシ樹脂組成物な
どで成形・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、パ
ッケージ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パッケージの構
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など
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、これらのパッケージでは成形直後から反
りが発生しやすい。また、これらのパッケージを実装す
る回路基板上に半田接合を行う場合、２００℃以上の加
熱工程を経るが、この際にパッケージの反りが発生し、
多数の半田ボールが平坦とならず、パッケージを実装す
る回路基板から浮き上がってしまい、電気的接合信頼性
が低下する問題も起こる。基板上の実質的に片面のみを
樹脂組成物で封止したパッケージにおいて、反りを低減
するには、基板の線膨張係数と樹脂組成物の硬化物の線
膨張係数を近付けること、及び樹脂組成物の硬化収縮を
小さくする二つの方法が重要である。基板としては有機
基板ではＢＴ樹脂やポリイミド樹脂のような高ガラス転
移温度の樹脂が広く用いられており、これらはエポキシ
樹脂組成物の成形温度である１７０℃近辺よりも高いガ
ラス転移温度を有する。従って、成形温度から室温まで
の冷却過程では有機基板のα₁ の領域のみで収縮する。
従って、樹脂組成物もガラス転移温度が高くかつα₁ が
回路基板と同じであり、さらに硬化収縮がゼロであれば
反りはほぼゼロであると考えられる。このため、多官能
型エポキシ樹脂と多官能型フェノール樹脂との組み合わ
せによりガラス転移温度を高くし、無機質充填材の配合
量でα₁ を合わせる手法が既に提案されている。

【０００４】また、赤外線リフロー、ベーパーフェイズ
ソルダリング、半田浸漬などの手段での半田処理による
半田接合を行う場合、樹脂組成物の硬化物並びに有機基
板からの吸湿によりパッケージ内部に存在する水分が高
温で急激に気化することによる応力でパッケージにクラ
ックが発生したり、基板の素子搭載面と樹脂組成物の硬
化物との界面で剥離が発生することもあり、硬化物の低
応力化・低吸湿化とともに、基板との密着性も求められ
る。さらに、基板と硬化物の熱膨張係数の不整合によ
り、信頼性テストの代表例である温度サイクル試験で
も、基板／硬化物界面の剥離やパッケージクラックが発
生する。従来のＱＦＰやＳＯＰなどの表面実装パッケー
ジでは、半田実装時のクラックや各素材界面での剥離の
防止のために、ビフェニル型エポキシ樹脂に代表される
ような結晶性エポキシ樹脂と可撓性骨格を有するフェノ
ール樹脂硬化剤とを組み合わせて用い、かつ無機質充填
材の配合量を増加することにより、低ガラス転移温度化
かつ低吸湿化を行う対策がとられてきた。しかし、この
手法では、片面封止パッケージにおける反りの問題は解
決できないのが現状であった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、エリア実装
パッケージでの成形後や半田処理時の反りが小さく、ま
た基板との接着性に特に優れるため温度サイクル試験や
半田処理時などの信頼性、に優れ、さらに高温保管性に
も優れた半導体封止用エポキシ樹脂組成物の開発を目的
としてなされたものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は（Ａ）一般式
（２）、（３）で示される多官能エポキシ樹脂及び／又
は式（４）〜（８）で示され、かつ融点が５０〜１５０
℃の結晶性エポキシ樹脂の群から選択される少なくとも
一つのエポキシ樹脂であり、特に好ましくは式（２）、
（３）で示される多官能エポキシ樹脂を総エポキシ樹脂
中に２０〜９０重量％含み、かつ式（４）〜（８）で示
される結晶性エポキシ樹脂を総エポキシ樹脂中に２０重
量％以上を含むことを特徴とするエポキシ樹脂、（Ｂ）
一般式（１）で示されるフェノール樹脂硬化剤、（Ｃ）
硬化促進剤、（Ｄ）溶融シリカ粉末、及び（Ｅ）Ｓｂ₂
０₄あるいはＳｂ₂Ｏ₅からなることを特徴とする半導体
封止用エポキシ樹脂組成物についてである。また、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これらのエポキシ
樹脂組成物によって封止されていることを特徴とする半
導体装置である。

【０００７】

【化５】

【０００８】

【化６】

【０００９】

【化７】

【００１０】

【化８】

【００１１】式（１）、（２）、（３）および（８）中
のＲはハロゲン原子又は炭素数１〜１２のアルキル基を
示し、互いに同一であっても、異なっていてもよい。ｌ
は１〜１０の正の整数、ｍは０もしくは１〜３の正の整
数、及びｎは０もしくは１〜４の正の整数である。式
（４）〜（７）中のＲは水素原子、ハロゲン原子又は炭
素数１〜１２のアルキル基を示し、互いに同一であって
も、異なっていてもよい。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下に本発明を詳細に説明する。
本発明に用いられる式（２）で示される通常トリフェノ
ールメタン型エポキシ樹脂と総称される樹脂または式
（３）で示されるエポキシ樹脂は、式（１）のフェノー
ル樹脂硬化剤との組み合わせにより硬化物の架橋密度が
高く、高いガラス転移温度となり、また硬化収縮率が小
さい特徴を有するため、本エポキシ樹脂組成物の用途で
あるエリア実装半導体パッケージの封止では反りの低減
に効果的である。式（２）及び式（３）の具体例として
は以下のものが挙げられるが、これらに限定されるもの
ではない。

【００１３】

【化９】

【００１４】

【化１０】

【００１５】また、式（４）〜（８）で示され、かつ融
点が５０〜１５０℃の結晶性エポキシ樹脂は、１分子中
にエポキシ基を２個有するジエポキシ化合物またはこれ
らのオリゴマーである。これらのエポキシ樹脂はいずれ
も結晶性を示すため、融点未満の温度では固体である
が、融点以上の温度で低粘度の液状物質となる。このた
めこれらを用いたエポキシ樹脂組成物は溶融状態で低粘
度を示すため成形時に樹脂組成物の流動性が高く、薄型
パッケージへの充填性に優れる。従って、溶融シリカ粉
末の配合量を増量して、得られるエポキシ樹脂組成物の
硬化物の吸湿率を低減し、耐半田リフロー性を向上させ
る手法をとるに際してはこれら結晶性エポキシ樹脂の使
用が好ましい。

【００１６】これらの結晶性エポキシ樹脂は１分子中の
エポキシ基の数が２個からせいぜい数個と少なく、一般
的には架橋密度が低く、耐熱性の低い硬化物しか得られ
ない。しかし構造として剛直な平面ないし棒状骨格を有
しており、かつ結晶化する性質、即ち分子同士が配向し
やすいという特徴を有するため、一般式（１）で示され
る多官能型フェノール樹脂硬化剤と組み合わせて用いた
場合、硬化後ガラス転移温度などの耐熱性を低下させ難
い。このため、これら結晶性エポキシ樹脂と一般式
（１）で示されるフェノール樹脂硬化剤との組み合わせ
によるエポキシ樹脂組成物で封止された半導体パッケー
ジは反り量を小さくできる。さらに一旦ガラス転移温度
を越えた温度領域では低官能基数化合物の特徴である低
弾性率を示すため、半田処理温度での低応力化に効果的
である。このため、半田処理でのパッケージクラック発
生や基板と樹脂組成物界面の剥離発生を防止する効果が
ある。

【００１７】上記結晶性エポキシ樹脂は５０℃未満の融
点では、エポキシ樹脂組成物の製造工程において融着を
起こしやすく、作業性が著しく低下する。また、１５０
℃を越える融点を示す結晶性エポキシ樹脂では、エポキ
シ樹脂組成物を加熱混練する製造工程で充分に溶融しな
いため、材料の均一性に劣るといった問題点を有する。
融点の測定方法は、示差走査熱量計［セイコー電子(株)
ＳＳＣ５２０、昇温速度５℃／分］で吸熱ピーク温度か
ら求められる。以下にこれら結晶性エポキシ樹脂の具体
例を示すがこれらに限定されるものではない。

【００１８】

【化１１】

【００１９】

【化１２】

【００２０】

【化１３】

【００２１】

【化１４】

【００２２】また、パッケージの反りの低減と成形時の
高流動化、及び実装時の耐半田性の両立という観点から
は上記一般式（２）、（３）で示される多官能エポキシ
樹脂を総エポキシ樹脂中に２０〜９０重量％含み、さら
に式（４）〜（８）で示され、かつ融点５０〜１５０℃
の結晶性エポキシ樹脂を総エポキシ樹脂中に２０重量％
以上を含むことが特に好ましい。更に本発明では、一般
式（２）〜（８）のエポキシ樹脂の特性を損なわない範
囲でオルソクレゾールノボラック型エポキシ樹脂、ナフ
タレン型エポキシ樹脂等の他のエポキシ樹脂を添加して
も構わない。

【００２３】本発明で用いられる（Ｂ）成分の式（１）
で示されるフェノール樹脂硬化剤はいわゆるトリフェノ
ールメタン型フェノール樹脂と呼ばれるもので、具体例
を以下に示すがこれらに限定されるものではない。

【化１５】

【００２４】これらフェノール樹脂を使用すると硬化物
の架橋密度が高くなり、高いガラス転移温度の硬化物が
得られる。このため、得られたエポキシ樹脂組成物によ
り封止されたパッケージの反りが低減できる。式（１）
のフェノール樹脂は他のフェノール樹脂と適宜併用可能
であり、特に限定されるものではないが、フェノールノ
ボラック樹脂、クレゾールノボラック樹脂、ナフトタレ
ン型ノボラック樹脂等が挙げられる。

【００２５】本発明で用いられる（Ｃ）成分の硬化促進
剤としては、前記エポキシ樹脂とフェノール樹脂硬化剤
との架橋反応の触媒となり得るものを指し、具体的には
トリブチルアミン等のアミン系化合物、トリフェニルホ
スフィン、テトラフェニルホスフォニウム・テトラフェ
ニルボレート塩等の有機リン系化合物、２−メチルイミ
ダゾール等のイミダゾール化合物等が例示できるがこれ
らに限定されるものではない。これらの硬化促進剤は単
独であっても混合して用いても差し支えない。

【００２６】本発明で用いられる（Ｄ）成分の溶融シリ
カ粉末は、破砕状、球状のいずれでも使用可能である
が、溶融シリカ粉末の配合量を高め、かつ樹脂組成物の
溶融粘度の上昇を抑えるためには、球状シリカを主に用
いる方が好ましい。更に球状シリカの配合量を高めるた
めには、球状シリカの粒度分布をより広くとるよう調整
することが望ましい。

【００２７】本発明で用いられる（Ｅ）成分のＳｂ
₂Ｏ₄、Ｓｂ₂Ｏ₅は難燃化が達成されればどちらを用いて
も差し支えない。これらの酸化アンチモンは臭素化エポ
キシと組み合わせることにより難燃性が高められるため
臭素化エポキシ樹脂を併用することが望ましい。

【００２８】本発明の樹脂組成物は、（Ａ）〜（Ｅ）ま
での必須成分以外にも必要に応じて臭素化エポキシ樹脂
等の難燃剤、カップリング剤、カーボンブラックに代表
される着色剤、天然ワックス及び合成ワックス等の離型
剤等が適宜配合可能である。樹脂組成物とするには各成
分を混合後、加熱ニーダや熱ロールにより加熱混練し、
続いて冷却、粉砕することで目的とする樹脂組成物が得
られる。本発明のエポキシ樹脂組成物を用いて、半導体
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従来からの成形方法で硬化
成形をすればよい。

【００２９】

【実施例】以下、本発明を実施例で具体的に説明する。 《実施例１》 ・式（９）の構造を主成分とするエポキシ樹脂 ［油化シェルエポキシ(株)製、商品名エピコート１０３２Ｈ、軟化点６０℃、 エポキシ当量１７０］ ３．８重量部 ・式（１０）の構造を主成分とするビフェニル型エポキシ樹脂 ［油化シェルエポキシ(株)製、商品名ＹＸ−４０００Ｈ、融点１０５℃、エポ キシ当量１９５］ ３．８重量部 ・式（１１）で示されるフェノール樹脂 ［明和化成(株)製、商品名ＭＥＨ−７５００、軟化点１０７℃、水酸基当量９ ７］ ４．４重量部 ・トリフェニルホスフィン ０．２重量部 ・球状溶融シリカ ８５．０重量部 ・Ｓｂ₂Ｏ₄ １．０重量部 ・臭素化エポキシ樹脂 １．０重量部 [日本化薬（株）製、商品名ＢＲＥＮ、エポキシ当量２８５] ・カルナバワックス ０．５重量部 ・カーボンブラック ０．３重量部 上記の全成分をミキサーにより混合した後、表面温度が
９０℃と４５℃の２本ロールを用いて３０回混練し、得
られた混練物シートを冷却後粉砕して、樹脂組成物とし
た。得られた樹脂組成物の特性を以下の方法で評価をし
た。評価結果を表１に示す。

【００３０】

【化１６】

【００３１】《実施例２〜９及び比較例１〜２》実施例
１を基本配合として、式（９）及び（１０）のエポキシ
樹脂及び式（１１）のフェノール樹脂の種類並びにそれ
らの配合量を変えて、その他は基本配合と同じ割合で各
成分を配合し、実施例１と同様に混合、混練して樹脂組
成物を得た。実施例１と同様に評価を行った。配合処方
及び評価結果を表１に示す。 《比較例３》実施例１を基本配合として、酸化アンチモ
ンをＳｂ₂Ｏ₃に変えて配合し、実施例１と同様に混合、
混練して樹脂組成物を得た。実施例１と同様に評価を行
った。配合処方及び評価結果を表１に示す。

【００３２】上記実施例及び比較例で使用した式（１
２）〜（１６）のエポキシ樹脂、式（１７）、（１８）
のフェノール樹脂の構造及び性状を以下に示す。

【化１７】

【００３３】

【化１８】

【００３４】

【化１９】

【００３５】 ・式（１２）の構造を主成分とするエポキシ樹脂： 融点１４４℃、エポキシ当量１７５ ・式（１３）の構造を主成分とするエポキシ樹脂： 融点１０３℃、エポキシ当量２２５ ・式（１４）の構造を主成分とするエポキシ樹脂： 融点１３３℃、エポキシ当量１８２ ・式（１５）の構造を主成分とするエポキシ樹脂： 融点 ８２℃、エポキシ当量１９０ ・式（１６）の構造を主成分とするエポキシ樹脂： 軟化点６５℃、エポキシ当量２１０ ・式（１７）のフェノール樹脂： 軟化点８０℃、水酸基当量１０４ ・式（１８）のフェノール樹脂： 軟化点７２℃、水酸基当量１７１

【００３６】《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て、金型温度１７５
℃、注入圧力７０ｋｇ／ｃｍ² 、硬化時間２分で測定し
た。 ・パッケージ反り量：２２５ピンＢＧＡパッケージ（基
板は０．３６ｍｍ厚ＢＴ樹脂基板、パッケージサイズは
２４×２４ｍｍ、厚み１．１７ｍｍ、シリコンチップは
サイズ９×９ｍｍ、厚み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１８０℃の金型温度、７５ｋｇ／ｃ
ｍ² の射出圧力で２分間トランスファー成形を行い、更
に１７５℃で８時間、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。 ・耐半田性：パッケージ反り量測定に用いた成形品パッ
ケージを８５℃、相対湿度６０％の環境下で１６８時間
放置し、その後２４０℃の半田槽に１０秒間浸漬した。
超音波探傷機を用いてパッケージを観察し、内部クラッ
ク数を（発生パッケージ数）／（全パッケージ数）の％
表示し、耐半田不良率とした。

【００３７】・金線変形量：パッケージ反り量評価で成
形した２２５ピンＢＧＡパッケージを軟Ｘ線透視装置で
観察し、金線変形率を（流れ量）／（金線長）で％表示
した。 ・耐温度サイクル性：パッケージ反り測定に用いた成形
品パッケージを−６５℃／３０分→１５０℃／３０分を
１サイクルとした温度サイクル試験機に投入し、３００
サイクル後のクラック発生率を（発生パッケージ数）／
（全パッケージ数）の％表示し、耐温度サイクル不良率
とした。 ・高温保管性：８０ｐＱＦＰ（外寸２０×１４×２．７
ｍｍ、チップサイズ６×６ｍｍ、金線２５μｍ）を１８
０℃の金型温度、７５ｋｇ／ｃｍ² の射出圧力で２分間
トランスファー成形を行い、更に１７５℃で８時間、後
硬化した。このパッケージを２００℃の雰囲気に放置
し、抵抗値の増加、断線を観察し、抵抗値上昇開始時間
を測定した。 ・耐燃性：１ｍｍ厚の耐燃試験片を成形し、ＵＬ９４規
格に従い難燃性を評価した。

【００３８】

【表１】

【００３９】

【発明の効果】本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成
物は、これを用いたエリア実装型半導体装置の室温及び
半田付け工程での反りが小さく、また特に基板上に形成
されたソルダーレジスト層との密着性に優れるため耐半
田性や耐温度サイクル性などの信頼性に優れ、また高温
保管性に優れるものである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ Ｃ０８Ｋ 3/22 Ｃ０８Ｋ 3/22 3/36 3/36 Ｈ０１Ｌ 23/29 Ｈ０１Ｌ 23/30 Ｒ 23/31

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】（Ａ）一般式（２）、（３）で示される多
   官能エポキシ樹脂及び／又は式（４）〜（８）で示さ
   れ、かつ融点が５０〜１５０℃の結晶性エポキシ樹脂の
   群から選択される少なくとも一つのエポキシ樹脂、
   （Ｂ）一般式（１）で示されるフェノール樹脂硬化剤、
   （Ｃ）硬化促進剤、（Ｄ）溶融シリカ粉末、及び（Ｅ）
   Ｓｂ₂０₄あるいはＳｂ₂Ｏ₅からなることを特徴とする半
   導体封止用エポキシ樹脂組成物。 【化１】 【化２】 【化３】 【化４】 式（１）、（２）、（３）及び（８）中のＲはハロゲン
   原子又は炭素数１〜１２のアルキル基を示し、互いに同
   一であっても、異なっていてもよい。ｌは１〜〜１０以
   下の正の整数、ｍは０もしくは１〜３の正の整数、及び
   ｎは０もしくは１〜４の正の整数である。式（４）〜
   （７）中のＲは水素原子、ハロゲン原子又は炭素数１〜
   １２のアルキル基を示し、互いに同一であっても、異な
   っていてもよい。
2. 【請求項２】 式（２）、（３）で示される多官能エポ
   キシ樹脂を総エポキシ樹脂中に２０〜９０重量％含み、
   かつ式（４）〜（８）で示される結晶性エポキシ樹脂を
   総エポキシ樹脂中に２０重量％以上を含むことを特徴と
   する請求項１又は２記載の半導体封止用エポキシ樹脂組
   成物。
3. 【請求項３】 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又は２記載のエポキシ樹脂組成物によって封
   止されていることを特徴とする半導体装置。