CN102241870A - 半导体封装用环氧树脂组合物及利用其的半导体装置 - Google Patents

半导体封装用环氧树脂组合物及利用其的半导体装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及半导体封装用环氧树脂组合物及利用其的半导体装置，所述半导体封装用环氧树脂组合物包含如下成分A～E：A：环氧树脂；B：含有如下成分b1和b2的聚硅氧烷混合物，所述成分b1和b2的重量比按照b1/b2为5/95到25/75：b1：在两端具有氨基且具有600～900的重均分子量的聚硅氧烷化合物，且b2：在两端具有氨基且具有10,000～20,000的重均分子量的聚硅氧烷化合物；C：酚醛树脂；D：固化促进剂；和E：含有如下成分e1和e2的无机填料：e1：结晶二氧化硅，和e2：熔融二氧化硅。

Description

半导体封装用环氧树脂组合物及利用其的半导体装置
技术领域
本发明涉及半导体封装用环氧树脂组合物，其在对已进行钝化处理的半导体装置进行树脂封装时，不仅能够抑制钝化膜的裂纹产生而且能够以优异成形性实现树脂封装。
背景技术
通常，通过使用封装树脂对受到称为钝化膜的表面保护膜保护的半导体元件进行封装来制造半导体装置，在所述封装树脂中，将诸如二氧化硅粉末的无机填料与热固性树脂混合并将其分散在热固性树脂中。
可能存在如下情况：因在进行树脂封装时产生的封装树脂层的热应力而在钝化膜上产生裂纹。为了降低热应力，已经进行了研究以将作为应力降低剂的柔性材料如聚硅氧烷化合物添加到封装树脂中(参见专利文献1和2)。
专利文献1：JP-A-8-151433
专利文献2：JP-A-2002-194064
发明内容
然而，在其中需要封装树脂层具有导热性的半导体装置如功率晶体管的情况下，随封装树脂层本身的厚度的增加，必须增加封装树脂层中具有高导热性的结晶二氧化硅粉末的含量。因此，增加了封装树脂层的线性膨胀系数。为此，在封装树脂层上产生较大热应力，使得难以通过仅使用应力降低剂来充分降低热应力。
同样，通过加入应力降低剂，存在引起成形性中的问题如树脂组合物的流动性降低和有缺陷的外观的趋势。
在这种情况下完成了本发明，其目的在于提供半导体封装用环氧树脂组合物，所述环氧树脂组合物不仅能够在保持导热性的同时抑制钝化膜的裂纹产生而且能够以优异的成形性实现树脂封装。
换句话说，本发明涉及如下项目(1)～(6)。
(1)一种半导体封装用环氧树脂组合物，其包含如下成分A～E：
A：环氧树脂；
B：含有如下成分b1和b2的聚硅氧烷混合物，所述成分b1和b2的重量比根据b1/b2为5/95到25/75；
b1：在两端具有氨基且具有600～900的重均分子量的聚硅氧烷化合物，且
b2：在两端具有氨基且具有10,000～20,000的重均分子量的聚硅氧烷化合物；
C：酚醛树脂；
D：固化促进剂；和
E：含有如下成分e1和e2的无机填料：
e1：结晶二氧化硅，和
e2：熔融二氧化硅。
(2)一种半导体封装用环氧树脂组合物，其包含通过使如下成分A与如下成分B反应得到的聚硅氧烷改性的环氧树脂；以及如下成分C～E：
A：环氧树脂；
B：含有如下成分b1和b2的聚硅氧烷混合物，所述成分b1和b2的重量比按照b1/b2为5/95到25/75；
b1：在两端具有氨基且具有600～900的重均分子量的聚硅氧烷化合物，且
b2：在两端具有氨基且具有10,000～20,000的重均分子量的聚硅氧烷化合物；
C：酚醛树脂；
D：固化促进剂；和
E：含有如下成分e1和e2的无机填料：
e1：结晶二氧化硅；和
e2：熔融二氧化硅。
(3)根据(1)或(2)所述的半导体封装用环氧树脂组合物，其中所述成分E的含量相对于全部环氧树脂组合物为70～93重量％。
(4)根据(1)～(3)中任一项所述的半导体封装用环氧树脂组合物，其中所述成分e1与e2的重量比按照e1/e2为45/55到75/25。
(5)根据(1)～(4)中任一项所述的半导体封装用环氧树脂组合物，其进一步包含如下成分F：
F：含有如下成分f1和f2的蜡混合物：
f1：酰胺蜡，和
f2：酯蜡。
(6)一种半导体装置，其包含用如(1)～(5)中任一项所述的半导体封装用环氧树脂组合物封装的半导体元件。
本发明的半导体封装用环氧树脂组合物降低在树脂封装时产生的热应力，使得可以在保持导热性的同时抑制钝化膜的裂纹产生并且可以以优异的成形性实现树脂封装。
附图说明
图1为显示用于脱模性的评价方法的环氧树脂组合物固化材料的成形方法的说明图。
图2为显示作为脱模性的评价方法的脱模负荷(release load)的测量方法的说明图。
具体实施方式
接下来，对用于进行本发明的实施方式进行详细说明。
本发明涉及半导体封装用环氧树脂，其包含如下成分A～E：
A：环氧树脂；
B：含有如下成分b1和b2的聚硅氧烷混合物，所述成分b1和b2的重量比按照b1/b2为5/95到25/75；
b1：在两端具有氨基且具有600～900的重均分子量的聚硅氧烷化合物，
b2：在两端具有氨基且具有10,000～20,000的重均分子量的聚硅氧烷化合物；
C：酚醛树脂；
D：固化促进剂；
E：含有如下成分e1和e2的无机填料：
e1：结晶二氧化硅，
e2：熔融二氧化硅。
作为成分A的环氧树脂不受特别限制。例如，可以使用各种环氧树脂如甲酚酚醛清漆型环氧树脂、三苯基甲烷型环氧树脂、联苯型环氧树脂、改性的双酚A型环氧树脂、双酚A型环氧树脂、双酚F型环氧树脂、改性的双酚F型环氧树脂、二环戊二烯型环氧树脂、苯酚酚醛清漆型环氧树脂和苯氧基树脂。这类环氧树脂可以单独使用或者以其两种以上的组合使用。从确保环氧树脂的反应性和环氧树脂组合物的固化材料的韧性的观点来看，优选具有150～250的环氧当量和50℃～130℃的软化点或熔点的环氧树脂，其在室温下为固体。最重要的是，从可靠性的观点来看，优选使用甲酚酚醛清漆型环氧树脂、三苯基甲烷型树脂或联苯型环氧树脂。
优选的是，成分A的含量相对于全部环氧树脂组合物在5～20重量％的范围内。
成分B为含有如下成分b1和b2且成分b1和b2的重量比按照b1/b2为5/95到25/75的聚硅氧烷混合物。
b1：在两端具有氨基且具有600～900的重均分子量的聚硅氧烷化合物，
b2：在两端具有氨基且具有10,000～20,000的重均分子量的聚硅氧烷化合物。
通过使用成分B，可以以优异的成形性实现树脂封装，同时抑制钝化膜的裂纹。
从成形性的观点来看，以按照b1/b2为5/95到25/75的重量比使用成分b1和b2。当b1的重量比小于5时，存在环氧树脂的流动性降低的趋势。另外，当b1的重量比超过25时，存在产生有缺陷的外观如包装雾化的趋势。
成分b1的重均分子量为600～900、优选为650～850且更优选为700～800。当成分b1的重均分子量小于600时，存在产生有缺陷的外观如包装雾化的趋势。当成分b1的重均分子量超过900时，存在环氧树脂组合物的流动性降低的趋势。
成分b2的重均分子量为10,000～20,000、优选为12,000～18,000且更优选为14,000～16,000。当成分b2的重均分子量小于10,000时，存在脱模性降低的趋势。当成分b2的重均分子量超过20,000时，存在与环氧树脂组合物的相容性降低的趋势。
在这方面，成分b1和b2各自的重均分子量都通过凝胶渗透色谱分析测量。
从环氧树脂组合物的弹性模量的观点来看，优选的是，基于100重量份的成分A，成分B的共混量为3～20重量份。
在这方面，从脱模性的观点来看，优选的是，在使成分A和B互相反应以获得聚硅氧烷改性的环氧树脂之后，将如下成分C～E添加到所获得的聚硅氧烷改性的环氧树脂中，接着进行熔融捏合。此时，反应条件优选为：加热温度和加热时间分别为165℃～185℃和10～50分钟。
作为成分C的酚醛树脂不受特别限制，只要其引起与成分A的固化反应即可。可以使用的酚醛树脂的实例包括苯酚酚醛清漆树脂、苯酚芳烷基树脂、联苯芳烷基树脂、二环戊二烯型酚醛树脂、甲酚酚醛清漆树脂和甲阶酚醛树脂。这种酚醛树脂可以单独使用或者以其两种以上的组合使用。从与成分A的反应性的观点来看，优选使用具有70～250的羟基当量和50℃～110℃的软化点的酚醛树脂。最重要的是，从高固化反应性的观点来看，可以合适地使用苯酚酚醛清漆树脂。另外，从可靠性的观点来看，优选使用具有低吸湿性的酚醛树脂如苯酚芳烷基树脂和联苯芳烷基树脂。
从固化反应性的观点来看，以如下方式共混成分C：相对于成分A中每1当量的环氧基，以成分C中羟基的总和计，其共混量优选为0.7～1.5当量且更优选为0.9～1.2当量。
虽然作为成分D的固化促进剂不受特别限制，只要其能够使环氧树脂和酚醛树脂的固化进行即可，但是从固化性能的观点来看，优选使用基于二氮杂双环烯烃的化合物如1，8-二氮杂双环[5.4.0]十一碳-7-烯和1，5-二氮杂双环[4.3.0]壬-5-烯；胺化合物如三乙胺和苄基二甲胺；基于有机磷的化合物如三苯基膦和四苯基硼酸四苯基
Figure BSA00000495494400061
；或咪唑化合物。这种固化促进剂可以单独使用或与其它固化促进剂组合使用。
基于100重量份的成分A和C的总含量，成分D的含量优选为0.3～1.5重量份。
同样，从固化性能的观点来看，优选提前将成分D与成分C熔融混合。此时，熔融混合条件对于加热温度和加热时间优选分别为160℃～230℃和1～5小时。
成分E为含有如下成分e1和e2的无机填料：
e1：结晶二氧化硅，
e2：熔融二氧化硅。
通过组合使用成分e1和e2，可以提供具有优异流动性、同时保持导热性的环氧树脂组合物。
成分e1为结晶二氧化硅。作为成分e1，可以使用通过粉碎天然石英而得到的结晶二氧化硅，且通常，尽管其具有尖锐的形状，但是可以通过研磨加工而使其具有圆形形状。最重要的是，优选使用具有1～50μm的平均粒度的结晶二氧化硅，且更优选使用具有5～20μm的平均粒度的结晶二氧化硅。
成分e2为熔融二氧化硅。成分e2的实例包括球形的熔融二氧化硅粉末和压碎的熔融二氧化硅粉末。从流动性的观点来看，优选使用球形的熔融二氧化硅粉末。最重要的是，优选使用具有1～50μm的平均粒度的熔融二氧化硅粉末，且更优选使用具有5～30μm的平均粒度的熔融二氧化硅粉末。
在这方面，上述平均粒度可以例如经由如下测量导出，所述测量通过使用从母群中任意取出的样品并使用激光衍射/散射粒度分布分析仪来进行测定。
从有缺陷的外观如包装雾化的观点来看，成分e1和e2的重量比按照e1/e2优选为45/55到75/25。
另外，成分E的含量相对于全部环氧树脂组合物优选为70～93重量％且更优选为75～87重量％。
此外，在本发明中，优选使用成分F作为脱模剂，其为含有如下成分f1和f2的蜡混合物。通过组合使用成分f1和f2，可以更加增强环氧树脂组合物的固化材料的脱模性。
f1：酰胺蜡；
f2：酯蜡。
作为成分f1的酰胺蜡为高级脂肪酸和多元胺之间的反应产物且不受特别限制。其实例包括亚甲基双月桂酸酰胺、亚甲基双棕榈酸酰胺、亚乙基双硬脂酸酰胺、亚甲基双肉豆蔻酸酰胺、亚乙基双肉豆蔻酸酰胺、亚乙基双棕榈酸酰胺、亚甲基双山萮酸酰胺和亚乙基双山萮酸酰胺。这种酰胺蜡可以单独使用或者以其两种以上的组合使用。最重要的是，从脱模性的观点来看，优选使用具有17～50个碳原子的高级脂肪酸的酰胺蜡。
作为成分f2的酯蜡为高级脂肪酸和多元醇之间的反应产物且不受特别限制。其实例包括褐煤酸酯蜡和巴西棕榈蜡。这种酯蜡可以单独使用或者以其两种以上的组合使用。最重要的是，从脱模性的观点来看，优选使用具有17～50个碳原子的高级脂肪酸的酯蜡。
从环氧树脂组合物和钝化膜之间的粘附性以及脱模性的观点来看，成分f1和f2的重量比按照f1/f2优选为20/80到80/20。
另外，成分F的含量相对于全部环氧树脂组合物优选为0.1～1重量％且更优选为0.3～0.6重量％。
在这方面，除了上述成分A～F之外，如果需要，本发明的半导体封装用环氧树脂组合物还可以合适地与其它添加剂如阻燃剂和包括炭黑的颜料共混。
本发明的半导体封装用环氧树脂组合物可以例如以如下方式制造。也就是说，期望的半导体封装用环氧树脂组合物可以通过如下步骤制造：根据常规方法适当共混上述成分A～E和任选的成分F及其它添加剂，且使用捏合机如混合辊将它们在加热状态下熔融捏合。
在这方面，如先前所述，从脱模性的观点来看，优选的是，在使成分A和B相互反应以获得聚硅氧烷改性的环氧树脂之后，将所获得的聚硅氧烷改性的环氧树脂与其它成分熔融捏合。
作为本发明的半导体封装用环氧树脂组合物，可以使用通过根据常规方法粉碎并制片而获得的环氧树脂组合物，在没有被制片的情况下可以原样使用粉末状的环氧树脂组合物，或者可以使用成形为片状的环氧树脂组合物。
使用由此获得的半导体封装用环氧树脂组合物的半导体元件的封装不受特别限制，且其可以通过已知成形方法如常用的转移成形(包括转移底部填充物(transfer underfill))、压缩成形和薄片封装来实现。
实施例
接下来，对实施例和比较例进行说明。然而，不应该解释为本发明受限于这些实施例。
首先，准备如下各成分。
[环氧树脂]
甲酚酚醛清漆型环氧树脂(KI-3000，由Toto Kasei Co.，Ltd.制造，软化点：70℃，环氧当量：105)
[聚硅氧烷化合物X(对应于上述成分b1)]
含氨基的聚二甲基硅氧烷(L655，由瓦克旭化成有机硅公司(Wacker Asahikasei Silicone Co.Ltd.)制造，重均分子量：800)
[聚硅氧烷化合物Y(对应于上述成分b2)]
含氨基的聚二甲基硅氧烷(L652，由瓦克旭化成有机硅公司制造，重均分子量：12,000)
[聚硅氧烷化合物Z]
含氨基的聚二甲基硅氧烷(SF-8417，由东丽道康宁有限公司(DowCorning Toray Co.，Ltd.)制造，重均分子量：25,000)
[聚硅氧烷改性的环氧树脂I～IV]
使环氧树脂、聚硅氧烷化合物X和聚硅氧烷化合物Y以表1中所示的比例在220℃下相互反应2小时，从而获得聚硅氧烷改性的环氧树脂I～IV。
[酚醛树脂]
苯酚酚醛清漆树脂(GS-180，由群荣化学工业株式会社(GuneiChemical Industry Co.，Ltd.)制造，羟基当量：109，软化点：70℃)
[固化促进剂]
1，8-二氮杂双环[5.4.0]十一碳-7-烯
[无机填料X(对应于上述成分e1)]
具有30μm的平均粒度和128μm的最大粒度的结晶二氧化硅粉末(FB-9454，由电气化学工业株式会社(Denki Kagaku Kogyo KabushikiKaisha)制造)
[无机填料Y(对应于上述成分e2)]
具有15μm的平均粒度和128μm的最大粒度的熔融二氧化硅粉末(FB-9454FC，由电气化学工业株式会社制造)
[无机填料Z(对应于上述成分e2)]
具有22μm的平均粒度和128μm的最大粒度的熔融二氧化硅粉末(FB-820，由电气化学工业株式会社制造)
[脱膜剂X(对应于上述成分f1)]
酰胺蜡(Kao Wax EB-FF，由花王株式会社(Kao Corporation)制造)
[脱膜剂Y(对应于上述成分f2)]
褐煤酸部分皂化的酯蜡(Licowax(注册商标)OP，由科莱恩公司(Clariant)制造)
[脱膜剂Z(对应于上述成分f2)]
棕榈蜡
[实施例1～7和比较例1～4]
将下表2和3中所示的各成分以同一表中所示的比例共混并在100℃下使用轧辊捏合机熔融捏合3分钟，从而制备环氧树脂组合物。
[制造半导体装置]
在175℃下，使用80针QFP用铜制引线框对所获得的环氧树脂组合物中的每一种进行转移成形并持续120秒，然后在175℃下后固化5小时，从而制造半导体装置。芯片具有7.5mm×7.5mm×0.37mm厚度的尺寸；包装具有14mm×20mm×2.7mm厚度的尺寸；且提供由聚酰亚胺制成的钝化膜。
[外观]
肉眼检查并如下评价所获得的半导体装置中的每一个的外观。也就是说，将在包装上观察到雾化的情况指定为“B”，且将在包装中没有观察到雾化的情况指定为“A”。将结果示于表2和表3中。
[钝化膜裂纹的抑制]
对所获得的半导体装置中的每一个进行重复热循环1000次：在-65℃下5分钟且随后在150℃下5分钟，然后如下评价。也就是说，将通过肉眼检查在钝化膜上观察到裂纹产生的情况指定为“C”；将虽然通过肉眼检查在钝化膜上没有观察到裂纹但通过超声波扫描显微镜观察到剥离的情况指定为“B”；和在上述任何检查中在钝化膜上都没有观察到改变的情况指定为“A”。将结果示于表2和表3中。
[导热性]
在175℃下，对所获得的环氧树脂组合物中的每一种进行转移成形并持续2分钟，然后在干燥器中在175℃下后固化5小时，从而制造具有50mm直径×1mm厚度的尺寸的成形制品且用作盘形试样。该成形制品的导热系数利用导热系数测量系统(KEMTHERMQ QTM-D3，由京都电子工业株式会社(Kyoto Electronics Manufacturing Co.，Ltd.)制造)来测量。然后，如下评价导热性。也就是说，将导热系数为2.5以上的情况指定为“A”；将导热系数为2.0以上且小于2.5的情况指定为“B”；将导热系数为1.5以上且小于2.0的情况指定为“C”；且将导热系数小于1.5的情况指定为“D”。将结果示于表2和表3中。
[流动性]
根据EMMI1-66的方法，在70kg/cm2下，在175±5℃×120秒的条件下使用螺旋流测量用模对螺旋流值(cm)进行测量。如下评价流动性。将螺旋流值为120cm以上的情况指定为“A”；将螺旋流值为100cm以上且小于120cm的情况指定为“B”；且将螺旋流值小于100cm的情况指定为“C”。将结果示于表2和表3中。
[脱模性]
首先，在175℃×60秒的条件下使用图1中所示的具有三层结构(上模1、中模2和下模3)的成形模进行成形，且对在环氧树脂组合物固化材料中脱模时的负荷进行测量。在图1中，4表示残料(cull)；5表示注口(sprue)；6表示流道(runner)；且7表示空腔(cavity)。如图2中所示，通过如下进行脱模时负荷的测量：在支撑台8上放置成形模的中模2，且使用推拉力计9从上部对在中模2中的环氧树脂组合物固化材料10进行脱模。测量并如下评价此时的负荷值。也就是说，将负荷值小于14.7N的情况指定为“A”；将负荷值为14.7N以上且小于19.6N的情况指定为“B”；且将负荷值为19.6N以上的情况指定为“C”。将结果示于表2和表3中。
表1
Figure BSA00000495494400131
Figure BSA00000495494400141
表3
Figure BSA00000495494400151
从上述结果可发现，本发明的半导体封装用环氧树脂组合物在所有评价项目都显示出有利结果，特别地，在涉及通过使环氧树脂与指定的聚硅氧烷化合物预先反应而获得的聚硅氧烷改性的环氧树脂的实施例5～7中，脱模性更有利。另一方面，在不含指定的无机填料的比较例1、不含指定的聚硅氧烷化合物的比较例2和4、以及其中指定的聚硅氧烷化合物的重量比不满足本发明条件的比较例3中，虽然钝化膜的裂纹得到了抑制，但是在其它评价项目中存在不足。
尽管已经参考本发明的具体实施方式详细描述了本发明，但是对本领域的技术人员显而易见的是，在不背离本发明的主旨和范围的情况下，可以在其中进行各种改变和修正。
顺便提及，本申请基于2010年5月10日提交的日本专利申请2010-108026，且通过参加将其内容并入到本文中。
通过参考将本文引用的所有参考文献以它们的全部并入到本文中。
并且，本文所引用的所有参考文献都整体并入。
本发明的半导体封装用环氧树脂组合物降低在树脂封装时产生的热应力，从而使得可以在保持导热性的同时抑制钝化膜的裂纹产生，并且可以以优异的成形性实现树脂封装。
附图标记
1：上模
2：中模
3：下模
4：残料
5：注口
6：流道
7：空腔
8：支撑台
9：推拉力计
10：环氧树脂组合物固化材料

Claims (10)

1.一种半导体封装用环氧树脂组合物，其包含如下成分A～E：
A：环氧树脂；
B：含有如下成分b1和b2的聚硅氧烷混合物，所述成分b1和b2的重量比按照b1/b2为5/95到25/75；
b1：在两端具有氨基且具有600～900的重均分子量的聚硅氧烷化合物，且
b2：在两端具有氨基且具有10,000～20,000的重均分子量的聚硅氧烷化合物；
C：酚醛树脂；
D：固化促进剂；和
E：含有如下成分e1和e2的无机填料：
e1：结晶二氧化硅，和
e2：熔融二氧化硅。
2.一种半导体封装用环氧树脂组合物，其包含通过使如下成分A与如下成分B反应获得的聚硅氧烷改性的环氧树脂；以及如下成分C～E：
A：环氧树脂；
B：含有如下成分b1和b2的聚硅氧烷混合物，所述成分b1和b2的重量比按照b1/b2为5/95到25/75；
b1：在两端具有氨基且具有600～900的重均分子量的聚硅氧烷化合物，且
b2：在两端具有氨基且具有10,000～20,000的重均分子量的聚硅氧烷化合物；
C：酚醛树脂；
D：固化促进剂；和
E：含有如下成分e1和e2的无机填料：
e1：结晶二氧化硅，和
e2：熔融二氧化硅。
3.如权利要求1所述的半导体封装用环氧树脂组合物，其中所述成分E的含量相对于全部环氧树脂组合物为70～93重量％。
4.如权利要求1所述的半导体封装用环氧树脂组合物，其中所述成分e1与e2的重量比按照e1/e2为45/55到75/25。
5.如权利要求1所述的半导体封装用环氧树脂组合物，其进一步包含如下成分F：
F：含有如下成分f1和f2的蜡混合物：
f1：酰胺蜡，和
f2：酯蜡。
6.一种半导体装置，其包含用如权利要求1所述的半导体封装用环氧树脂组合物封装的半导体元件。
7.如权利要求2所述的半导体封装用环氧树脂组合物，其中所述成分E的含量相对于全部环氧树脂组合物为70～93重量％。
8.如权利要求2所述的半导体封装用环氧树脂组合物，其中所述成分e1与e2的重量比按照e1/e2为45/55到75/25。
9.如权利要求2所述的半导体封装用环氧树脂组合物，其进一步包含如下成分F：
F：含有如下成分f1和f2的蜡混合物：
f1：酰胺蜡，和
f2：酯蜡。
10.一种半导体装置，其包含用如权利要求2所述的半导体封装用环氧树脂组合物封装的半导体元件。
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