CN1321179A - 环氧树脂组合物和半导体装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于半导体封装的环氧树脂组合物,其适用于区域装裱型半导体装置并且翘曲小、抗焊接龟裂性优异。该环氧树脂组合物包括(A)环氧树脂、(B)酚醛树脂、(C)固化促进剂和(D)无机填料作为组要组分,通过加热和固化环氧树脂组合物而形成的固化产物的性能符合表达式,a≥10R(R=10×(b+c)－1),300≤a≤20000且0.15≤b+c≤0.50,其中a代表模塑温度下的挠曲模量(N/mm2),b代表固化收缩率(%),c代表从模塑温度降至室温的热收缩率(%)。

Description

环氧树脂组合物和半导体装置
技术领域
本发明涉及一种用于半导体封装的环氧树脂组合物，其适用于所谓的区域装裱型半导体装置，通过在印刷电路板或金属铅框架的一侧安装半导体元件并且基本上仅在安装有半导体元件的那一侧采用树脂封装从而形成该装置，本发明还涉及用树脂组合物制造的一种半导体装置。
背景技术
随着近年来市场的小型化趋向，电子装置的减重和性能增强、半导体元件的高集成化逐年进步，并且半导体装置的表面装裱也已经加速发展。在这种环境下，区域装裱型半导体装置被新发展起来，传统结构的半导体装置也正在向区域装裱型半导体装置转变。
代表性的区域装裱型半导体装置有BGA(球栅阵列)和追求进一步小型化的CSP(芯片级封装)，发展它们以满足插脚增长和加速的需要，而这几乎已经达到了诸如QFP和SOP之类传统表面装裱型半导体装置的极限。区域装裱型半导体装置的结构是这样，即半导体元件安装在诸如BT树脂/铜箔电路板(双马来酰亚胺·三嗪树脂/玻璃布基质)之类硬性电路板或者诸如聚酰亚胺树脂膜/铜箔电路板之类柔性电路板的一侧，并且仅仅在安装有半导体元件的那一侧，即，仅仅板的这一侧采用环氧树脂组合物或类似物进行模塑和封装。而且，该结构的特征在于，焊球按平面排列在板的另一侧以粘接到安装有半导体元件的电路板上。此外，作为安装有半导体元件的电路板，除了以上有机基质外，采用诸如铅框架之类的金属基质的结构也已经得到发展。
这些区域装裱型半导体装置的结构属于一侧封装的形式，也就是说，仅仅在安装有半导体元件的板的一侧采用环氧树脂组合物封装，而形成焊球的一侧不进行封装。在采用诸如铅框架之类的金属基质的情形下，大约几十微米的封装树脂层有时也存在于已形成焊球的一侧，然而大约几百微米至几毫米的封装树脂层形成于安装有半导体元件的一侧，结果，这实际上是一侧封装。因此，在这些半导体装置中，由于有机基质或金属基质与环氧树脂组合物固化产物之间热膨胀·热收缩的不同，或者由于环氧树脂组合物模塑和固化时的固化收缩，使得模塑后易于发生翘曲。而且，若用焊球将这些半导体装置粘接至电路板，则需要通过200℃或更高温度下的加热步骤来进行，在此期间会发生半导体装置的翘曲，许多焊球并非处于平的状态并且从电路板脱落从而引起电连接可靠性的劣化。
为了减小半导体装置的翘曲(该半导体装置基本上仅在板的一侧采用环氧树脂组合物封装)，有两种方法，其一包括使基质的热膨胀系数和固化的环氧树脂组合物的热膨胀系数彼此相近，另一方法包括减小环氧树脂组合物固化产物的固化收缩率。
诸如BT树脂和聚酰亚胺树脂之类具有高的玻璃化转变温度(以下称为“Tg”)的树脂被广泛应用于有机基质，并且它们具有高于约170℃(这是环氧树脂组合物的模塑温度)的Tg。因此，在从模塑温度至室温的冷却步骤期间，只在有机基质的α1区域发生收缩。所以考虑到，如果环氧树脂组合物的固化产物也具有高的Tg和与有机基质相同的α1，除此之外还有固化收缩率为零，则翘曲几乎为零。因而，已经提出了一种方法，通过多官能环氧树脂与多官能酚醛树脂的结合来升高Tg，和通过调整要加入的无机填料的量来满足α1。
此外，在通过诸如红外软熔、汽相钎焊和浸焊之类的软焊处理进行软焊焊接的情形下，由于从环氧树脂组合物固化产物和有机基质中吸收而存在于半导体装置中的水分，在高温产生的压力下突然蒸发，这导致半导体装置开裂，或者有机基质安装有半导体元件的这一侧和环氧树脂组合物固化产物之间的界面分离。因而，减小压力和环氧树脂组合物的吸湿是必需的，另外，使环氧树脂组合物粘接至有机基质也是必需的。
此外，由于有机基质的热膨胀系数与环氧树脂组合物固化产物的热膨胀系数不同，在热循环试验(这是典型的可靠性试验)中也会发生有机基质/环氧树脂组合物固化产物的界面分离或包封破裂。
在诸如QFP和SOP之类传统表面装裱型半导体装置中，将诸如联苯环氧树脂之类结晶性环氧树脂和具有柔韧骨架的酚醛树脂结合使用，用于抑制采用软焊安装时的开裂或材料之间的界面分离，并且增加无机填料的量以降低Tg和吸湿。然而，这些方法还不能解决一侧封装的半导体装置中的翘曲问题。
发明内容
本发明提供了一种环氧树脂组合物和采用该环氧树脂组合物制造的一种半导体装置，在区域装裱型半导体装置中该组合物经模塑或软焊处理后引起很小翘曲，并且因为该组合物对有机基质的粘合性极好，所以在软焊处理可靠性等方面优异。
本发明涉及一种用于半导体封装的环氧树脂组合物，其包括(A)一种环氧树脂、(B)一种酚醛树脂、(C)一种固化促进剂和(D)一种无机填料作为主要组分，其特征在于通过加热和固化环氧树脂组合物而形成的固化产物的性能符合表达式，a≥10R(R=10×(b+c)-1),300≤a≤20000且0.15≤b+c≤0.50，其中a代表模塑温度下的挠曲模量(N/mm2),b代表固化收缩率(％),c代表从模塑温度降至室温的热收缩率(％)，尤其，对于以上环氧树脂组合物，其中，在85℃和60％相对湿度的条件下将固化产物处理168小时之后该固化产物具有不大于0.2wt％的吸水率，环氧树脂和/或酚醛树脂带有萘骨架，还涉及通过用所述环氧树脂组合物封装半导体元件制造的一种半导体装置。
附图简述
图1是表示实施例和对比例中环氧树脂组合物固化产物的挠曲模量、固化收缩率和热收缩率之间关系的图表。
发明详述
为了减小半导体装置的翘曲(该半导体装置实际上仅在基质的一侧采用环氧树脂组合物封装)，两种方法被认为是重要的，即，其一包括使基质的热膨胀系数和环氧树脂组合物固化产物的热膨胀系数彼此相近，另一方法包括减小环氧树脂组合物的固化收缩率。也就是说，为使翘曲减小，需要降低环氧树脂组合物中固化收缩率和从模塑温度至室温时的热收缩率，该环氧树脂组合物包括环氧树脂、酚醛树脂、固化促进剂和无机填料作为主要组分。
然而，仅通过降低固化收缩率和从模塑温度至室温时的热收缩率使翘曲减小还不够，发明人经过深入研究结果发现，通过加热和固化包括主要组分(A)-(D)的环氧树脂组合物而获得的固化产物的挠曲模量(其在模塑温度下测得)极大地影响着翘曲。换句话说，已经发现，若模塑温度下挠曲模量低，则翘曲大，若挠曲模量高，则翘曲小。还进一步发现，模塑温度下的挠曲模量、固化收缩率和从模塑温度至室温时的热收缩率全部综合影响着翘曲。
因而，已经发现，当固化产物在模塑温度下的挠曲模量(N/mm2)以a表示，固化产物的固化收缩率(％)以b表示且从模塑温度至室温时的热收缩率(％)以c表示时，如果这些性能符合表达式，a≥10R(R=10×(b+c)-1),300≤a≤20000且0.15≤b+c≤0.50，则翘曲减小并且实际上仅在基质的一侧采用环氧树脂组合物封装的半导体装置的抗焊接龟裂性得到提高。
本发明的模塑温度是指当通过加热固化环氧树脂组合物时模具的温度，并且其通常为160℃～190℃，但是它并不受此温度范围限制。
按照JIS K 6911测量“a”值。
以下述方式得到“b+c”值。采用传递成型机，在175℃模塑温度、70kg/cm2注塑压力和90秒固化时间的条件下，模塑成型为直径100mm、厚3mm的圆盘形固化产物，测量175℃下模腔内径和室温下(25℃)圆盘固化产物的外径。“b+c”值由下式计算，[{(175℃下模腔内径)-(25℃下圆盘固化产物外径)}/(175℃下模腔内径)]×100。
用于评价的固化产物是未进行后固化处理的制品。
在a、b和c的关系中，若a不小于10R(其中R=10×(b+c)-1)，则翘曲减小并且这是优选的，而若a小于10R，则翘曲增大并且这不是优选的。而且，若a小于300，则固化和模塑时固化产物变软从而导致从模具脱离的脱模性能，即模压加工性变劣，而若a超过20000，则流动性不足且模压加工性会变劣。此外，若b+c小于0.15，则模塑和固化时固化收缩率较小且从模具脱离的脱模性能不够，从而导致模压加工性变劣，而若b+c超过0.50，则热收缩率较大且由于内应力增大，使得抗焊接龟裂性降低。
优选的是，通过加热和固化本发明环氧树脂组合物而获得的固化产物，当其在85℃和60％相对湿度的环境下处理168小时之后，其具有不大于0.20wt％的湿气吸收率。如果湿气吸收率超过0.20wt％，在经软焊处理进行软焊焊接的情形下，由于从环氧树脂组合物固化产物和有机基质中吸收而存在于半导体装置中的水分，在高温产生的压力下突然蒸发，这引起半导体装置开裂，或者有机基质安装有半导体元件的这一侧和环氧树脂组合物固化产物之间的界面分离，导致抗焊接龟裂性劣化。用于测试湿气吸收率的固化产物是从模具脱离然后在175℃下后固化2小时的产物。
本发明所用环氧树脂包括所有带有环氧基的单体、低聚物和高聚物，例如，三苯酚甲烷型环氧树脂，联苯型环氧树脂，双酚型环氧树脂，1,2-二苯乙烯型环氧树脂，邻甲酚酚醛清漆型环氧树脂，带有萘骨架的环氧树脂，和二环戊二烯型环氧树脂。它们可以单独使用或混合使用。特别是，当使用带有萘骨架的环氧树脂时，模塑温度下挠曲模量高，固化收缩率和从模塑温度至室温时的热收缩率小，并且湿气吸收率低，因此优选这些环氧树脂。
本发明所用酚醛树脂包括带有两个或多个、在与上述环氧树脂反应固化时能够形成交联结构的酚羟基的所有单体、低聚物和高聚物。其例子有苯酚酚醛清漆树脂，甲酚酚醛清漆树脂，苯酚芳烷基树脂诸如对-二甲苯改性的酚醛树脂和间-二甲苯·对-二甲苯改性的酚醛树脂，带有萘骨架的树脂，萜烯改性的酚醛树脂，和二环戊二烯改性的酚醛树脂。它们可以单独使用或混合使用。特别是，当使用带有萘骨架的环氧树脂时，模塑温度下挠曲模量高，固化收缩率和从模塑温度至室温时的热收缩率小，并且湿气吸收率低，因此优选这些树脂。
本发明所用固化促进剂是那些能担当环氧树脂和酚醛树脂交联反应催化剂的物质。它们的例子有1,8-二氮杂二环(5,4,0)-十一碳烯-7，胺化合物诸如三丁胺，有机磷化合物诸如三苯膦、四苯基鏻·四苯基硼酸盐，和咪唑化合物诸如2-甲基咪唑。固化促进剂并不限于这些例子。它们可以彼此单独使用或混合使用。
本发明所用无机填料并无特别限制，通常用于封装材料的那些都可以使用。其例子有锻烧二氧化硅，结晶二氧化硅，二次聚集二氧化硅，氧化铝，钛白，氢氧化铝，滑石，粘土和玻璃纤维。特别优选熔融二氧化硅。锻烧二氧化硅要么是破碎形要么是球形，但是更优选使用主要是球形的二氧化硅以增加其加入量和抑制环氧树脂组合物熔融粘度的增加。为了进一步增大所加入的球形二氧化硅的量，理想的是进行调整以使得球形二氧化硅的粒径分布变宽。
关于本发明环氧树脂组合物中组分(A)至(D)的比例，以100重量份环氧树脂(A)为基础，酚醛树脂(B)的比例为20～300重量份，固化促进剂(C)的比例为0.1～30重量份，无机填料(D)的比例为200～2000重量份。若酚醛树脂(B)的比例小于20重量份，则固化不足，若所述比例超过300重量份，则会引起未固化材料残留的问题。若固化促进剂(C)的比例小于0.1重量份，则到固化完成需要很长时间，而若所述比例超过30重量份，则固化进展迅速从而不能得到令人满意的固化产物。若无机填料(D)的比例小于200重量份，则抗焊接龟裂性较差，而若所述比例超过2000重量份，则树脂组合物的流动性变坏从而导致不足的模压加工性。
除了组分(A)-(D)外，本发明环氧树脂组合物可以任选地包含各种添加剂，例如，阻燃剂诸如溴代环氧树脂、氧化锑和含磷化合物，无机离子交换剂，偶联剂，着色剂诸如炭黑，脱模剂诸如天然蜡、合成蜡、高级脂肪酸和其金属盐以及石蜡，低应力组分诸如硅氧烷和橡胶，以及抗氧剂。
采用混合机将组分(A)-(D)和其他添加剂混合，然后采用捏和机诸如热捏和机、热辊和挤出机将混合物加热和捏和，再将经捏和的产物冷却和研磨，由此获得本发明的环氧树脂组合物。
通过用本发明环氧树脂组合物封装电子部件诸如半导体元件来制备半导体装置，为此，可以以传统模塑方法使组合物固化和模塑，诸如传递成型法，压缩模塑法和注塑成型法。
实施本发明的最佳方式
本发明由以下实施例具体说明。各组分的比例以重量份表示。
实施例1
采用混合机将10.2重量份下式(1)所示环氧树脂(由Yuka ShellEpoxy有限公司制造的Epikote 1032H；软化点：60℃，环氧当量：170)：
Figure A0080180000091
5.8重量份下式(2)所示酚醛树脂(由Meiwa kasei有限公司制造的MEH7500；软化点：105℃，羟基当量：97)：
Figure A0080180000092
0.15重量份三苯膦，83.25重量份球形煅制二氧化硅(平均粒径：15μm),0.3重量份巴西棕榈蜡和0.3重量份炭黑混合，然后采用表面温度为90℃和45℃的双辊捏和5分钟，再将经捏和的产物冷却，之后研磨从而获得环氧树脂组合物。所得的环氧树脂组合物由下述方法评价。结果列于下表1中。
评价方法：
螺旋流：按照EMMI-1-66采用螺旋流测量模具，在175℃模塑温度、70kg/cm2注塑压力和2分钟固化时间的条件下进行测量。
固化性能：采用肖氏“D”硬度计，在175℃模塑温度、70kg/cm2注塑压力和90秒固化时间的条件下进行测量。
模塑温度下挠曲模量a：按照JIS K 6911如上所述进行测量。采用传递模塑成型机，在175℃模塑温度、70kg/cm2注塑压力和90秒固化时间的条件下模塑成型固化产物，并且在175℃下测量挠曲模量。单位为N/mm2。
“b+c”：如上所述，采用传递模塑成型机，在175℃模塑温度、70kg/cm2注塑压力和90秒固化时间的条件下模塑成型直径100mm、厚3mm的圆盘形固化产物，并且测量175℃下模腔内径和室温(25℃)下圆盘固化产物的外径。由下式计算“b+c”值，[{(175℃下模腔内径)-(25℃下圆盘固化产物外径)}/(175℃下模腔内径)]×100。单位为％。
湿气吸收率：采用传递模塑成型机，在175℃模塑温度、70kg/cm2注塑压力和90秒固化时间的条件下模塑成型直径50mm、厚3mm的圆盘，并且在175℃下后固化2小时。在85℃和60％相对湿度的环境下进一步处理固化产物168小时，然后测量重量变化。单位是wt％。
封装翘曲量：采用传递模塑成型机，在175℃模塑温度、70kg/cm2注塑压力和90秒固化时间的条件下模塑成型一个225pBGA(厚度0.36mm的BT树脂基质；芯片尺寸：12mm×12mm×0.35mm厚；封装尺寸：24mm×24mm；包封树脂的厚度：1.17mm)，并且在175℃下后固化2小时。将固化产物冷却至室温，其后，采用表面粗糙度测定仪沿封装口斜线方向测量高度方向上的位移。以最大位移值作为翘曲量。单位是μm。
抗焊接龟裂性：模塑成型以上225pBGA，并且在175℃下后固化2小时以获得十个样品。将这些样品在60℃和60％相对湿度的环境下或者在85℃和60％相对湿度的环境下处理168小时，然后用IR软熔(240℃)处理10秒。通过超声波探伤器观测样品以检查内部裂缝和各种界面分离的存在。若有缺陷的封装数量为n，则该性能以n/10来表示。
脱模性能：检查以上225pBGA模塑成型时从模具脱离的脱模性能。不能平滑地从模具中脱离出来的产品被判断为差的。
实施例2-6和对比例1-6
按照表1和2将各组分混合，以与实施例1相同的方式制备出环氧树脂组合物并且以与实施例1相同的方式对它们进行评价。结果列于表1和2中。实施例和对比例中所用环氧树脂和酚醛树脂示于以下。
包括下式(3)所示主要组分的环氧树脂(由Yuka Shell Epoxy有限公司生产的YX-4000H；熔点：105℃，环氧当量：195)：
下式(4)所示环氧树脂(由Nippon kayaku有限公司生产的NC7000；软化点：90℃，环氧当量：225)
Figure A0080180000112
下式(5)所示酚醛树脂(软化点：83℃，羟基当量：175)
下式(6)所示酚醛树脂(软化点：80℃，羟基当量：200)
苯酚酚醛清漆树脂(软化点：80℃，羟基当量：105)
                               表1
                                      实施例
     1      2      3      4      5      6
式(1)的环氧树脂     10.2     10.2     7.6
式(3)的环氧树脂     4.2     5.9
式(4)的环氧树脂     6.4
式(2)的酚醛树脂     5.8     5.8     4.4
式(5)的酚醛树脂     3.8
式(6)的酚醛树脂     6.1     5.6
球形煅制二氧化硅     83.25     83.30     91.25     87.20     87.30     87.30
三苯膦     0.15     0.10     0.15     0.20     0.10     0.10
炭黑     0.3     0.3     0.3     0.3     0.3     0.3
巴西棕榈蜡     0.3     0.3     0.3     0.3     0.3     0.3
螺旋流(cm)     100     100     80     70     80     70
固化性能     95     95     90     95     95     95
挠曲模量a(N/mm2)     14000     8000     1500     600     1500     10000
b+c(％)     0.28     0.42     0.40     0.28     0.20     0.20
湿气吸收率(wt％)     0.26     0.27     0.10     0.10     0.09     0.22
脱模性能     良好     良好     良好     良好     良好     良好
封装翘曲量(μm)     50     80     80     30     20     30
抗焊接龟裂性(60℃)     0/10     0/10     0/10     0/10     0/10     0/10
抗焊接龟裂性(85℃)     10/10     10/10     0/10     0/10     0/10     8/10
                           表2
                                      对比例
     1      2      3      4      5      6
式(1)的环氧树脂     4.9     7.6     12.7
式(3)的环氧树脂     10.7     6.3     5.2
式(2)的酚醛树脂     5.3     4.4     7.3
式(5)的酚醛树脂     5.7
苯酚酚醛清漆树脂     2.8     3.1
球形煅制二氧化硅     83.25     87.20     91.35     91.35     87.15     79.10
三苯膦     0.15     0.20     0.05     0.05     0.25     0.30
炭黑     0.3     0.3     0.3     0.3     0.3     0.3
巴西棕榈蜡     0.3     0.3     0.3     0.3     0.3     0.3
螺旋流(cm)     100     80     70     70     20     140
固化性能     95     85     50     85     95     100
挠曲模量a(N/mm2)     400     1000     200     1600     24000     17000
b+c(％)     0.38     0.45     0.16     0.13     0.20     0.52
湿气吸收率(wt％)     0.16     0.11     0.08     0.15     0.26     0.33
脱模性能     好     好     差     差     空     良好
封装翘曲量(μm)     110     120     40     30     空     130
抗焊接龟裂性(60℃)     0/10     0/10     0/10     0/10     空     10/10
抗焊接龟裂性(85℃)     2/10     0/10     0/10     5/10     空     10/10
上表1清楚地表明，采用本发明环氧树脂组合物而获得的区域装裱型半导体装置经模塑或软焊处理后翘曲小，并且抗焊接龟裂性优异。
工业实用性
本发明环氧树脂组合物可应用于各种半导体装置的包封，尤其适用于BGA(球栅阵列)和CSP(芯片级组件)。采用本发明树脂组合物封装而获得的半导体装置可用于计算机、液晶显示装置、携带式电话或类似物。

Claims (4)

1．一种用于半导体封装的环氧树脂组合物，其包括(A)环氧树脂、(B)酚醛树脂、(C)固化促进剂和(D)无机填料作为主要组分，其特征在于通过加热和固化该环氧树脂组合物而形成的固化产物的性能符合表达式：a≥10R(R=10×(b+c)-1),300≤a≤20000且0.15≤b+c≤0.50,其中a代表模塑温度下的挠曲模量(N/mm2),b代表固化收缩率(％),c代表从模塑温度降至室温的热收缩率(％)。
2．权利要求1的用于半导体封装的环氧树脂组合物，其中，在85℃和60％相对湿度的环境下将固化产物处理168小时之后，该固化产物具有不大于0.20wt％的湿气吸收率。
3．权利要求1或2的用于半导体封装的环氧树脂组合物，其中环氧树脂和/或酚醛树脂带有萘骨架。
4．通过用权利要求1、2或3的环氧树脂组合物封装而获得的一种半导体装置。
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