JPH1160901A - 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
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
れた半導体装置を提供すること。 【解決手段】一般式（１）〜（４）で示される融点が５
０〜１５０℃の結晶性エポキシ樹脂、一般式（５）で示
されるフェノール樹脂を総フェノール樹脂中に２０重量
％以上含むフェノール樹脂硬化剤、硬化促進剤及び溶融
シリカ粉末からなる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。 【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が樹
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。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。

【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、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
物の線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／硬化物の界面の剥
離やパッケージクラックが発生する。従来のＱＦＰやＳ
ＯＰ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
とパラキシリレン変性フェノール樹脂硬化剤に代表され
る可撓性硬化剤もしくはフェノール樹脂及びその併用に
より、成形時の低粘度化を図り、かつ無機質充填材の配
合量を増加することが対策としてとられてきた。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】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。

【０００６】ところが、一分子中に３個以上のエポキシ
基を有する多官能型エポキシ樹脂と一分子中に３個以上
のフェノール性水酸基を有する多官能型フェノール樹脂
との組み合わせ系は吸湿率が大きいこと、各々の樹脂粘
度が高いため無機質充填材を高充填することができず低
吸湿化が困難なこと、半田処理温度でも高弾性を示し、
発生応力が高いことなどから、半田処理時のパッケージ
クラック発生や界面剥離の発生が解決されていない。ま
た、素子と基板との電気的接続に用いられる金線は数十
μｍと細いうえに、エリア実装パッケージではその長さ
も従来構造パッケージに比較して長く、更に多ピン化に
より金線の配線が高密度化しているため、成形時に低粘
度の樹脂組成物で封止しないと金線が変形し、金線同士
が接触して電気的不良を生じることになる。特にＣＳＰ
のような薄型のパッケージでは充填性が良好で、金線変
形の少ない樹脂組成物による封止が必須の条件であっ
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
た温度サイクル試験や半田処理時などの信頼性に優れ、
かつ充填性が良好で金線変形の少ない、即ち、成形時に
高流動性の特徴を有する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】本発明者は鋭意検討した
結果、特殊な結晶性エポキシ樹脂と多官能型フェノール
樹脂硬化剤との組み合わせで、ガラス転移温度の低下を
少なくしたまま低吸湿化が図れること、低粘度化が達成
できるため無機質充填材の充填量の増量が可能となり、
低吸湿化やα₁ の調整が可能となること、また、成形時
の充填性向上やワイヤー変形量の低減ができること、半
田処理温度での熱時弾性率が低減できるため発生応力が
減少し、回路基板との密着性が向上することなどを明ら
かにしたものである。

【０００９】即ち本発明は、（Ａ）一般式（１）〜
（４）で示される融点５０〜１５０℃の結晶性エポキシ
樹脂、（Ｂ）一般式（５）で示されるフェノール樹脂を
総フェノール樹脂中に２０重量％以上含むフェノール樹
脂硬化剤、（Ｃ）硬化促進剤、（Ｄ）溶融シリカ粉末か
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
物であり、更に好ましくは、成形硬化時の硬化収縮率が
０．１５％以下、硬化後の線膨張係数α₁ が８〜１６ｐ
ｐｍ／℃で、かつガラス転移温度が１４０℃以上、成形
前の１７５℃における樹脂粘度が１５０ｐｏｉｓｅ以下
であることを特徴とした半導体封止用エポキシ樹脂組成
物、及びこの半導体封止用エポキシ樹脂組成物によって
封止された半導体装置である。

【００１０】

【化３】 ［式（１）〜（４）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。］

【００１１】

【化４】 ［式（５）中のＲは水素原子、ハロゲン原子、炭素数１
〜１２のアルキル基又は水酸基を示し、互いに同一であ
っても、異なっていてもよい。ｍ及びｎは１〜１０の正
の整数である。］

【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（Ａ）融点が５０〜１５０℃の結晶
性エポキシ樹脂としては、一分子中にエポキシ基を２個
有するジエポキシ樹脂である。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５０℃未満の融点の結晶性エポキシ樹脂では、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
方法としては示差走査熱量計［セイコー電子(株)製 SSC
／5200］による吸熱ピーク温度（昇温速度５℃／分）か
ら求められる。

【００１３】融点５０〜１５０℃の結晶性エポキシ樹脂
としては、式（１）のビフェニル型エポキシ樹脂、式
（２）のハイドロキノン型エポキシ樹脂、式（３）のス
チルベン型エポキシ樹脂、式（４）のビスフェノールＦ
型エポキシ樹脂が特に好ましい。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。

【００１４】

【化５】

【００１５】これらの結晶性エポキシ樹脂は１分子中の
エポキシ基の数は２個と少なく、単独では架橋密度が低
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。溶融状態では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特に
優れる。また、構造上剛直で配向しやすいという特徴の
ため、多官能型フェノール樹脂と硬化せさた場合、架橋
構造の架橋密度は低下させても、ガラス転移温度などの
耐熱性を低下させ難い。一方、通常の２官能非結晶性エ
ポキシ樹脂を多官能型フェノール樹脂と併用した場合で
は単に架橋密度が低下するだけであり、ガラス転移温度
の大幅な低下がみられる。さらに、結晶性エポキシ樹脂
の場合、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
理工程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。

【００１６】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。

【００１７】本発明で用いられる式（５）で示されるフ
ェノール樹脂硬化剤の具体例を以下に示す。

【化６】

【００１８】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、使用量としては、ガラス転移温度のバランスか
ら総フェノール樹脂中の２０重量％以上配合することが
必要である。２０重量％未満ではガラス転移温度が低下
し、また硬化収縮率も大きくなり、成形後のパッケージ
の反り量が大きくなる。尚、これら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。

【００１９】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。

【００２０】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。

【００２１】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、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。また、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。

【００２２】本発明の半導体装置は有機基板としてＢＴ
樹脂基板を用いる場合は、エポキシ樹脂組成物の硬化後
の線膨張係数（α₁)が８〜１６ｐｐｍ／℃、熱機械分析
装置で測定されるガラス転移温度が１４０℃以上、硬化
収縮率が０．１５％以下、かつ１７５℃における溶融粘
度が１５０ｐｏｉｓｅ以下であることが特に好ましい。
ＢＴ樹脂基板の線膨張係数は１４ｐｐｍ／℃程度である
が、これにシリコンチップ、銅箔回路などの金属とが組
合される複合基板では、チップの面積比率、銅箔回路の
面積比率により線膨張係数が変化する。この基板の線膨
張係数と合わせて樹脂組成物の硬化物の線膨張係数と硬
化収縮率を上記範囲とすることで、ＢＴ樹脂基板の成形
温度から室温までの熱収縮量に合わせて樹脂組成物の硬
化物の熱収縮量がほぼ同じとなり、成形後の反りを小さ
くできる。なお、ここでいう硬化収縮率とは、成形温度
における金型の寸法と成形温度での成形品寸法との比率
を指す。

【００２３】本発明でのガラス転移温度、線膨張係数、
硬化収縮率は以下の方法で測定する。 ・ガラス転移温度（Ｔｇ）及び線膨張係数（α₁)：１７
５℃、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］で測
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。 ・溶融粘度 島津製作所製高化式フローテスターにより、１７５℃荷
重１０ｋｇで測定した。

【００２４】

【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》 ・前記式（６）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、ＹＸ−４０００Ｈ、融点１０５℃、エポキシ当 量１９５］ ８．２重量部 ・前記式（１１）で示されるフェノール樹脂 ［明和化成(株)製、ＭＥＨ−７５０、軟化点７２℃、水酸基当量１３８］ ５．８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 ・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。

【００２５】なお、実施例及び比較例で使用した前記式
（７）〜（１０）のエポキシ樹脂の性状を以下に示す。 ・式（７）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（８）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（９）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（１０）の構造を主成分とするエポキシ樹脂：［液
状、粘度(25℃)５５Poise、エポキシ当量１６８］ ・オルソクレゾールノボラックエポキシ樹脂：[日本化
薬(株)製、ＥＯＣＮ−１０２０、軟化点６２℃、エポキ
シ当量２００] ・パラキシリレン変性フェノール樹脂：[明和化成(株)
製、ＭＥＨ−７８００、軟化点７８℃、エポキシ当量１
７５］ ・フェノールノボラック樹脂：［群栄化学工業(株)製、
ＰＳＭ−４２６１、軟化点８１℃、当量１０４］

【００２６】《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)：前記
した方法による。 ・熱時弾性率：２４０℃での曲げ弾性率をＪＩＳ−Ｋ６
９１１の試験条件により測定した。 ・硬化収縮率：前記した方法による。 ・溶融粘度：前記した方法による。 ・パッケージ反り量：２２５ピンＢＧＡパッケージ（基
板は０．３６ｍｍ厚の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／
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。 ・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／樹脂組成物界面の剥離数を（発生パッケ
ージ数）／（全パッケージ数）の％表示で表した。 ・金線変形率：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。

【００２７】《実施例２〜５及び比較例１〜４》表１及
び表２の処方に従い配合し、実施例１と同様に成形材料
を得た。この成形材料で実施例１と同様に上記評価を行
った。評価結果を表１に示す。

【００２８】

【表１】

【００２９】

【発明の効果】本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成
物は金線変形など成形性においても優れおり、該半導体
封止用エポキシ樹脂組成物により封止されたエリア実装
型半導体装置は、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が高いも
のである。

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

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 （Ａ）一般式（１）〜（４）で示される
   融点が５０〜１５０℃の結晶性エポキシ樹脂、（Ｂ）一
   般式（５）で示されるフェノール樹脂を総フェノール樹
   脂中に２０重量％以上含むフェノール樹脂硬化剤、
   （Ｃ）硬化促進剤、（Ｄ）溶融シリカ粉末からなること
   を特徴とする半導体封止用エポキシ樹脂組成物。 【化１】 ［式（１）〜（４）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２】 ［式（５）中のＲは水素原子、ハロゲン原子、炭素数１
   〜１２のアルキル基又は水酸基を示し、互いに同一であ
   っても、異なっていてもよい。ｍ及びｎは１〜１０の正
   の整数である。］
2. 【請求項２】 成形硬化時の硬化収縮率が０．１５％以
   下、硬化後の線膨張係数α₁ が８〜１６ｐｐｍ／℃で、
   かつガラス転移温度が１４０℃以上である請求項１記載
   の半導体封止用エポキシ樹脂組成物。
3. 【請求項３】 成形前の１７５℃における溶融粘度が１
   ５０ｐｏｉｓｅ以下である請求項１又は２記載の半導体
   封止用エポキシ樹脂組成物。
4. 【請求項４】 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、２又は３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。