JPH11147936A - 半導体封止用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、かつ成形性にも優れた
熱放散性の良い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）で示される多官能
エポキシ樹脂及び／又は融点が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、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）無機充填材からなるエポ
キシ樹脂組成物において、窒化アルミニウムを２０〜８
５重量％配合する半導体封止用エポキシ樹脂組成物及び
それによって半導体素子を封止してなる半導体装置。 【化１】 【化２】 【化３】

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、熱
伝導性、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、かつ成形性に優れる半導体
封止用エポキシ樹脂組成物及び該半導体封止用エポキシ
樹脂組成物で封止された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（チップスケールパッケ
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。又、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。又、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。

【０００４】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、更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。

【０００５】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。更
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。

【０００６】又ＢＧＡの熱放散性は通常のＱＦＰに比較
して熱放散性は良好であるが半導体メーカーからは、Ｌ
ＳＩの速い処理速度を保つためデバイスの動作温度を一
定以下に保つ必要があり、封止材料の熱放散性を向上す
る要求が次第に出てきている。従来熱放散性向上の為に
は結晶シリカを使用すること、既に述べた様にパッケー
ジの反りを低減するためには無機質充填材の配合量でα
₁ を合わせる手法を取っており、線膨張係数の大きい結
晶シリカはα₁ が大きくなってしまう。更に多官能型エ
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
結晶シリカを適用すると粘度が高くなり、金線流れを起
こしやすく不適切であった。

【０００７】

【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、且つ熱伝導性に優れ
た半導体封止用エポキシ樹脂組成物及びそれにより封止
された半導体装置の開発を目的としてなされたものであ
る。

【０００８】

【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、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５
〜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１０重量％以上
を含むエポキシ樹脂、（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）無機充
填材からなるエポキシ樹脂組成物において窒化アルミニ
ウムを２０〜８５重量％以上配合することを特徴とする
半導体封止用エポキシ樹脂組成物及び基板の片面に半導
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前記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で
ある。

【０００９】

【化６】

【００１０】

【化７】

【００１１】

【化８】

【００１２】

【化９】

【００１３】

【化１０】

【００１４】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。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下に本発明を詳細に説明する。
本発明で用いられるエポキシ樹脂である式（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
れる樹脂又は式（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又硬
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。

【００１６】

【化１１】

【００１７】

【化１２】

【００１８】又、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又はこれらの
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。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、硬化後の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。更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の硬化物界面の剥離発生を防止する
効果がある。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。又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。本発
明で用い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。

【００１９】

【化１３】

【００２０】

【化１４】

【００２１】

【化１５】

【００２２】又、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５〜９０重量％含み、更に式
（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１０重量％以上
を含むことが特に好ましい。本発明のエポキシ樹脂は更
に他のエポキシ樹脂と併用しても差し支えない。併用可
能なエポキシ樹脂としては、エポキシ基を有するモノマ
ー、オリゴマー、ポリマー全般を指し、例えば、ビスフ
ェノールＡ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、ナフトール型エポキシ樹脂等が挙げ
られる。又、これらのエポキシ樹脂は、単独もしくは混
合して用いても差し支えない。

【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１６】

【００２４】これらの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
トール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）成分の窒化アル
ミニウムは、必要とされる高熱伝導性、即ち３０×１０
^-4cal／sec・cm・℃以上を達成するためには２０〜８５重
量％の添加が必要である。その形状としては破砕状、球
状いずれでも良く、より好ましくは窒化アルミニウムの
表面が水分等との反応性を抑制するためにシリカ等で被
覆されているものが好ましい。窒化アルミニウムの配合
量が８５重量％を越えると粘度が高くなり好ましくな
い。その他高熱伝導性及び低線膨張係数を達成するため
には他の無機充填材として溶融シリカ、結晶シリカ、ア
ルミナ、窒化珪素、窒化硼素等を併用しても良く、その
形状は破砕状、球状いずれでも良い。できれば配合量を
高めるためには、球状のものを用い、その粒度分布をよ
り広くとるよう調整することが望ましい。

【００２７】本発明のエポキシ樹脂組成物は、（Ａ）〜
（Ｄ）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、三酸化アンチモン等の難燃剤、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、
コンプッレションモールド、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すればよい。

【００２８】

【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］ ４．７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］ ４．７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］ ４．３重量部 ・硬化促進剤： ［ＤＢＵとフェノールノボラック樹脂の溶融混合物でＤＢＵ量は１１重量％］ （添加量はＤＢＵの量で表示する。） ０．９重量部 ・窒化アルミニウム（シリカ被覆）： ［ダウコーニング(株)製、商品名ＳＣＡＮ−７０、平均粒径２０μm］ ２６．９重量部 ・球状溶融シリカ ６３．５重量部 ・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。

【００２９】

【化１７】

【００３０】《実施例２〜７及び比較例１〜３》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
らの配合量及び窒化アルミニウム及びアルミナの量を変
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及び表２に示す。

【００３１】《実施例８〜１１及び比較例４〜５》実施
例１を基本配合として、上記実施例及び比較例で使用し
た式（１２）〜（１６）のエポキシ樹脂及び式（１
７）、（１８）のフェノール樹脂式の構造及び性状を以
下に示す。 ・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

【００３２】

【化１８】

【００３３】

【化１９】

【００３４】《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１７５℃、
注入圧力７０ｋｇ／ｃｍ²、硬化時間２分で測定した。 ・ガラス転移温度（Ｔｇ）及び線膨張係数（α₁）：１
７５℃、２分間トランスファー成形したテストピースを
更に１７５℃、８時間、後硬化し熱機械分析装置［セイ
コー電子(株)製ＴＭＡ−１２０、昇温速度５℃／分］に
より測定した。 ・硬化収縮率：テストピースを１７５℃の金型温度、７
５ｋｇ／ｃｍ² の射出圧力で２分間トランスファー成形
した。１７５℃に加熱された状態の金型のキャビティ寸
法と１７５℃に加熱された成形品の寸法をノギスにより
測定し、成形品寸法／金型キャビティ寸法の比率で成形
収縮率を表した。 ・パッケージ反り量：２２５ピンＢＧＡパッケージ（基
板は厚み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２４×２４ｍ
ｍ、厚み１．１７ｍｍ、シリコンチップはサイズ９×９
ｍｍ、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／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。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、変異差の最も大きい値を反り量とした。

【００３５】・熱伝導率：ポット径が４０φの金型で成
形したカルを用いて熱伝導率計で測定した。 ・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
ク数及び基板／硬化物界面の剥離数を（発生パッケージ
数）／（全パッケージ数）の％表示で表した。 ・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
の変形率を（流れ量）／（金線長）で％表示した。

【００３６】

【表１】

【００３７】

【表２】

【００３８】

【表３】

【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、耐半田性や耐温度サイ
クル性などの信頼性に優れ、且つ熱放散性が良いもので
ある。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ 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）無機充填材からなるエポキシ
   樹脂組成物において、無機充填材の一部として窒化アル
   ミニウムを総エポキシ樹脂組成物中に対して２０〜８５
   重量％配合す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】 【化５】 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５〜９０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１０重量％以上を含む請求項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。