JPH11181237A - 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、またチップと基板間の接続用金
線に対し、影響なく成形でき、さら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るものである。 【解決手段】 多官能エポキシ樹脂及び／又は融点が５
０〜１５０℃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、溶融シリカ粉末、及び一般式
（９）、（１０）で示されるホスホニウムボレートから
なる潜伏性触媒を含む半導体封止用エポキシ樹脂組成物
及び半導体装置。 【化１】 【化６】

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
装性に優れた半導体封止用エポキシ樹脂組成物及び樹脂
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、又温
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
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。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。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。

【０００４】又、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。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
きないばかりでなく、樹脂の高粘度化が発生するため
に、樹脂注入時に金線同士が短絡してしまい大きな問題
になっていた。

【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、又
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、更に樹脂注入時の金線流
れに防止効果が合わせて得られる半導体封止用エポキシ
樹脂組成物及びそれにより半導体素子が封止された半導
体装置の開発を目的としてなされたものである。

【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）溶融シリカ粉末、及び（Ｄ）
一般式（９）又は（１０）で示されるホスホニウムボレ
ートからなる潜伏性触媒を含む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それにより半導体素子を
封止された半導体装置である。

【０００７】

【化７】

【０００８】

【化８】

【０００９】

【化９】

【００１０】

【化１０】

【００１１】

【化１１】 ［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】

【化１２】

【００１３】

【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（Ａ）成分のエポキシ樹脂のうち式
（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。

【００１４】

【化１３】

【００１５】

【化１４】

【００１６】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。

【００１７】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。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。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１５】

【００１９】

【化１６】

【００２０】

【化１７】

【００２１】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（３）、（４）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、更に式
（５）〜（９）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。本発明に用いられるエポキ
シ樹脂は、他のエポキシ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、例えば、前記した他にビス
フェノールＦ型エポキシ樹脂、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。

【００２２】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１８】

【００２３】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
トールノボラック樹脂等が挙げられる。

【００２４】本発明で用いられる（Ｃ）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。

【００２５】本発明で用いられる（Ｄ）成分の一般式
（９）、（１０）で示されるホスホニウムボレートから
なる潜伏性触媒は、特開平８−２９５７２１号公報に開
示されているが、そのうち本件のような有機基板に直接
片側封止する構造への適用を目的とし、特定のフェノー
ル樹脂及び特定のエポキシ樹脂との触媒としての適用は
開示されていない。本発明で使用されるホスホニウムボ
レートからなる潜伏性触媒は、融点が２５０℃以下であ
り、常温においては触媒活性を示さず、硬化反応が進む
こともなく、高温において非常に強い触媒活性を発現す
る。従って樹脂組成物としては、常温においては保存性
が高く、半導体を加熱封止成形する時に触媒活性が発現
し、エポキシ樹脂組成物を高度に硬化させるのである。

【００２６】本発明で用いられる（Ｄ）成分のホスホニ
ウムボレートからなる潜伏性触媒を補助する役目で従来
の硬化促進剤も併用することができる。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。

【００２７】本発明の樹脂組成物は、（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。

【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（１１）で示される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］ ４．６重量部 ・式（１２）で示される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］ ４．６重量部 ・式（１３）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］ ４．８重量部 ・式（９）で示される潜伏性触媒 ０．４重量部 ・球状溶融シリカ ８４．７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】《実施例２および比較例１〜２》実施例１
を基本配合として、触媒の種類を変えて、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。 《実施例３〜９及び比較例３》実施例１を基本配合とし
て、エポキシ樹脂及び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。

【００３０】上記実施例及び比較例で使用した他の式
（１１）、（１２）（１４）〜（１８）のエポキシ樹
脂、式（１３）、（１９）のフェノール樹脂構造及び性
状を以下に示す。

【化１９】

【００３１】

【化２０】

【００３２】

【化２１】

【００３３】・式（１４）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（１５）の構造を主成分とするエポキシ樹脂： 融点 ５２℃、エポキシ当量２２５ ・式（１６）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（１７）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（１８）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（１９）のフェノール樹脂： 軟化点８０℃、水酸基当量１０４

【００３４】《評価方法》 ・スパイラルフロー：ＥＭＭＩ−Ｉ−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。 ・熱時弾性率：２４０℃での曲げ弾性率をＪＩＳ−Ｋ６
９１１に準じて測定した。 ・硬化収縮率：テストピースを１８０℃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、更に１７５℃で８時間、後硬化した。１８０℃に加
熱された状態の金型のキャビティ寸法と１８０℃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硬化収縮率を表した。

【００３５】・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２
４×２４ｍｍ、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／ｃｍ
²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。 ・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、またチップと基板間の
接続用金線に対し、影響なく成形でき、さらに基板上に
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 Ｃ０８Ｇ 59/68 Ｃ０８Ｇ 59/68 Ｃ０８Ｋ 3/36 Ｃ０８Ｋ 3/36 Ｈ０１Ｌ 23/29 Ｈ０１Ｌ 23/30 Ｒ 23/31

Claims (2)

【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）
   溶融シリカ粉末、及び（Ｄ）一般式（９）又は（１０）
   で示されるホスホニウムボレートからなる潜伏性触媒を
   含む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。］ 【化６】
2. 【請求項２】 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。