CN1330704C - 环氧树脂组合物及其制法和由此得到的半导体器件 - Google Patents

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Abstract

一种生产半导体封装用环氧树脂组合物的方法，该组合物不会引起空隙产生等并且可靠性优异。一种生产半导体封装用环氧树脂组合物的方法，其中环氧树脂组合物包含下列组分(A)至(C)：(A)环氧树脂，(B)酚树脂，和(C)固化促进剂，该方法包括预先在1.333至66.65kPa的减压下和在100至230℃的加热条件下混合包含组分(A)至(C)的组分中除组分(A)外的全部或部分组分，和然后使组分(A)和剩余组分与得到的混合物混合。

Description

环氧树脂组合物及其制法 和由此得到的半导体器件
技术领域
本发明涉及生产模压加工性和可靠性优异的半导体封装用环氧树脂组合物的方法，并涉及半导体封装用环氧树脂组合物和由此得到的半导体器件。
背景技术
通常，通过用塑料封装如使用环氧树脂组合物将晶体管、IC、LSI等半导体元件封装来把它们制成半导体器件，以保护它们不受外部环境影响并使元件的搬运成为可能。例如，通过使用混合滚筒、混合罐、捏和机等混合和捏和环氧树脂、酚树脂、固化促进剂和其它组分如硅烷偶联剂等来得到这类环氧树脂组合物。为了提高各个组分的可分散性和可湿性，利用预先预混合某几部分组分然后将剩余部分组分与得到的混合物混合的生产方法。
作为这种生产方法的一个例子，已提出通过在加热下混合酚醛清漆型酚树脂固化剂和四苯基硼酸四苯基鏻来制备和使用环氧树脂固化剂(参考文献1)。通过上述生产方法得到的环氧树脂组合物对环氧树脂组合物具有良好的储存稳定性和固化产品具有优异耐湿性施有影响。
另一方面，还提出了一种方法，其中将部分或全部酚树脂组分与环氧硅烷偶联剂和胺固化促进剂熔融混合，然后再将其与剩余组分熔融混合(参考文献2)。
参考文献1：JP-B-56-45491
参考文献2：JP-B-7-35432
发明概述
但是，通过这些生产方法得到的环氧树脂组合物存在问题如产生空隙，由于在初步混合时系统中存在或产生的挥发组分仍保留在最后得到的半导体封装用环氧树脂组合物中，因此难于得到不会引起这种问题的固化产品。
通过考虑这种情况进行了本发明，本发明的一个目的是提供生产半导体封装用环氧树脂组合物的方法，该组合物不会引起空隙产生等并且可靠性优异，和提供半导体封装用环氧树脂组合物和由此得到的半导体器件。
为了实现上述目的，本发明提供：
(1)一种生产半导体封装用环氧树脂组合物的方法，其中环氧树脂组合物包含下列组分(A)至(C)：
(A)环氧树脂
(B)酚树脂，和
(C)固化促进剂，
该方法包括预先在1.333至66.65kPa的减压下和在100至230℃的加热条件下混合包含组分(A)至(C)的组分中除组分(A)外的全部或部分组分，和然后使组分(A)和剩余组分与得到的混合物混合；
(2)如上述(1)所述的生产半导体封装用环氧树脂组合物的方法，其中作为上述组分(C)的固化促进剂为四取代硼酸四取代鏻；
(3)一种半导体封装用环氧树脂组合物，该组合物可通过如上述(1)或(2)所述的生产半导体封装用环氧树脂组合物的方法得到；和
(4)一种半导体器件，包括半导体元件和封装半导体元件的如上述(3)所述的半导体封装用环氧树脂组合物。
也就是说，本发明人进行了旨在得到能控制各种问题如空隙(使用环氧树脂组合物制造半导体器件时形成)产生并可用作模压加工性优异的封装材料的环氧树脂组合物的广泛研究。因此，利用改变常规试验的角度继续关于组分本身溶解途径的研究。结果，发现作为环氧树脂组合物的组分，通常用作固化剂的酚树脂、作为环氧树脂组合物成分固化促进剂和硅烷偶联剂在混合形成作为反应产物的所谓挥发性组分时会降解，而且这成为上述问题的因素。作为基于这种事实的进一步研究的结果，发现在制备环氧树脂组合物的过程中，当在特定范围内的减压和加热条件下初步混合除环氧树脂外的全部或部分组分，然后通过使上述环氧树脂和剩余组分与得到的混合物混合的步骤制备环氧树脂组合物时，能在这些条件下除去上述挥发性组分，结果，可基于成型过程中缺陷的抑制得到具有高可靠性的上述半导体器件。这样就完成了本发明。
附图简述
通过实施例使说明书更清楚，附图说明如下：
图1为用于测量半导体器件金属导线流量(metal wire flow quantity)的封装(package)的平面图。
图2为测量半导体器件金属导线流量的方法的示意图。
发明详述
如上所述，在本发明中，通过在特定范围内的减压和加热条件下预先混合除环氧树脂(组分(A))以外的全部或部分组分，然后通过使上述环氧树脂(组分(A))和剩余组分与这种混合物混合生产半导体封装用环氧树脂组合物。因此，挥发性组分在上述条件下预先混合时被从得到的半导体封装用环氧树脂组合物中除去。当使用这种组合物作为封装用树脂组合物时，就可得到具有高可靠性的半导体器件，其中在封装成型(package molding)过程中空隙的产生等得到控制。
另外，当使用四取代硼酸四取代鏻作为固化促进剂时，模制产品的可固化性和可靠性得到进一步提高。
使用环氧树脂(组分A)、酚树脂(组分B)和固化促进剂(组分C)得到本发明的半导体封装用环氧树脂组合物，并且其一般为粉末形式或由其制成的片形。
对上述环氧树脂(组分A)没有特殊限制，并可使用各种环氧树脂。例如可使用苯酚酚醛清漆型环氧树脂、甲酚酚醛清漆型环氧树脂、联苯型环氧树脂、三苯甲烷型环氧树脂等。上述环氧树脂可单独使用，或联合两种或多种使用。在这些环氧树脂中，优选使用联苯型环氧树脂或苯环上加入一个或多个低级烷基的低吸湿性型环氧树脂。对于这类环氧树脂，优选环氧当量为150-250和软化点为50-130℃的那些。
与上述环氧树脂(组分A)一起使用的酚树脂(组分B)用作上述环氧树脂(组分A)的固化剂，并且没有特殊限制。例子包括苯酚酚醛清漆、甲酚酚醛清漆、联苯型酚醛清漆、三苯甲烷型、萘酚酚醛清漆、苯酚芳烷基树脂等。可单独使用酚树脂，或联合两种或多种使用。其中，优选使用具有低吸湿性的化合物如苯酚芳烷基树脂。
对于上述环氧树脂(组分A)和酚树脂(组分B)的比例，优选以下述比例混合它们，即对环氧树脂中的每1环氧基当量，酚树脂中的羟基当量为0.5-2.0当量，优选为0.8-1.2当量。
对与上述环氧树脂(组分A)和酚树脂(组分B)一起使用的固化促进剂(组分C)没有特殊限制，只要它能促进环氧基与羟基的反应即可。可使用通常已知的化合物，如三苯膦等叔膦化合物、四苯基硼酸四苯基鏻(下文中称为“TPP-K”)、四(4-甲基苯基)硼酸四苯基鏻(下文中称为“TPP-MK”)等季鏻化合物、1，8-二氮杂双环(5，4，0)十一烷-7等二氮杂双环烯化合物、三乙二胺等叔胺、和2-甲基咪唑等咪唑，可单独使用它们，或以两种或多种的混合物形式使用。其中，从产品可固化性和可靠性的角度看，优选使用TPP-K等鏻盐固化促进剂。
以100份上述酚树脂(组分B)计，优选设定上述固化促进剂(化合物C)的比例为1至20重量份(下文中称为“份”)的范围。更优选2至10份的范围。当比例少于1份时，可能不会进行上述环氧树脂(组分A)与酚树脂(组分B)的预定固化反应，当比例超过20份时，反应速度可能变得太快，以致于表现出反应在环氧树脂组合物生产过程中进行的趋势或作为封装材料的储存稳定性可能变差。
通常，使用硅烷偶联剂作为与上述组分A至C一起的任选组分。对于硅烷偶联剂，可使用各种偶联剂而没有特殊限制，并优选使用具有两个或多个烷氧基的偶联剂。其示例性例子包括β-(3，4-环氧基环己基)乙基三甲氧基硅烷、γ-环氧丙氧丙基三甲氧基硅烷、γ-巯基丙基三甲氧基硅烷、γ-(2-氨基乙基)氨基丙基三甲氧基硅烷、γ-巯基丙基二甲氧基硅烷、γ-苯胺基丙基三甲氧基硅烷、六甲基二硅氮烷等。硅烷偶联剂可单独使用，或以两种或多种的混合物形式使用。
以全部环氧树脂组合物计，优选设定硅烷偶联剂的数量为0.1-2wt％的范围，更优选0.3-1.5wt％。当该量少于0.1wt％时，存在引起降低固化产品强度问题的可能性，当该数量超过2wt％时，存在引起降低固化产品弹性模量问题的趋势。
另外，通常使用无机填料作为与上述组分A至C一起的组分。对于上述无机填料，可使用各种通常已知的填料而没有特殊限制。例如，可使用熔融硅粉末、晶体硅粉末等硅粉末、铝粉末等。可以粉状、球形、研磨处理的等形状中的任意一种使用这些无机填料。特别优选使用球形的熔融硅粉。无机填料可单独使用，或以两种或多种的混合物形式使用。另外，从能提高流动性的观点看，优选使用平均粒度在5-40μm范围内的无机填料。关于平均粒度的测量，优选用激光衍射散射粒度分布分析仪测量。
以环氧树脂组合物计，优选设定上述无机填料的含量在80-92wt％的范围内，特别优选为87-92wt％。当无机填料的量少于80wt％时，存在成型后封装的吸水性值增加和封装后可靠性降低的趋势。另外，当超过92wt％时，存在粘度变高和流动性相应变差的趋势。
在这方面，根据本发明的半导体封装用环氧树脂组合物，除了上述组分A至C外，还可根据场合需要任选地混入其它添加剂，如阻燃剂、阻燃助剂、脱模剂、炭黑等颜料或着色剂、应力缓解剂、胶粘剂等。
对于上述阻燃剂，可列举酚醛清漆型溴化环氧树脂等，并使用三氧化二锑、五氧化二锑等作为阻燃助剂。它们可单独使用，或以两种或多种的混合物形式使用。
对于上述脱模剂，可列举高级脂肪酸、高级脂肪酸脂、高级脂肪酸钙盐等化合物，并可使用例如巴西棕榈蜡和聚乙烯蜡。它们可单独使用，或以两种或多种的混合物形式使用。
另外，上述应力缓解剂的例子包括丙烯酸甲酯-丁二烯-苯乙烯共聚物、甲基丙烯酸甲酯-丁二烯-苯乙烯共聚物等丁二烯系橡胶和硅氧烷化合物。另外，为了在耐湿性可靠性试验中提高可靠性，可混合水滑石化合物、氢氧化铋等离子捕集剂。
可按照例如以下方式生产本发明的半导体封装用环氧树脂组合物。首先，预先在混合罐中于大气压下加热混合除环氧树脂(组分A)外的全部或部分组分，然后通过在减压条件下充分预混合它们制备初级混合物。然后，使环氧树脂(组分A)和剩余组分与该初级混合物混合，使用混合器等在大气压下充分混合，然后与上述类似，使用混合滚筒、混合罐、捏和机等熔融捏和。将其冷却至室温后，可通过利用通常已知的方法粉碎并根据场合需要将其制成片的一系列步骤来生产半导体封装用环氧树脂组合物。
对在减压条件下用于上述初步混合的混合装置没有特殊限制，只要其为装有减压机构的混合罐即可，并可使用真空混合罐等。
关于上述初步混合的减压条件，必需将其设定在1.333至66.65kPa的范围内，特别优选为4至40kPa。在超过66.65kPa的气氛下可能难于除去挥发性组分。当为低于1.333kPa的减压条件时，从便利性观点看，可能难以保证大规模生产，并且必要的组分可能被蒸发，从而对树脂特性造成不利影响。
对于在上述减压条件下初步混合时的加热温度条件，必需将其设定在100至230℃的范围内，更优选为130至200℃，以便有效地蒸发出挥发性组分。当低于100℃时，可能难于进行组分的均匀搅拌和除去挥发性组分，当超过230℃时，可能存在组分反应和降解可能性的问题。
另外，对在减压条件下初步混合的时间段没有特殊限制，一般在30分钟至2小时的范围内进行。
尽管对通过上述减压条件下的初步混合除去的挥发性组分没有特殊限制，但其例子包括被认为是酚化合物(组分B)和固化促进剂(组分C)的降解和反应产物的芳香化合物、被认为是作为任选组分的硅烷偶联剂的降解产物的醇等。当使用保留有这种挥发性组分的环氧树脂组合物作为封装材料时，它就成为产生问题如在半导体器件生产中产生空隙的因素。
对使用半导体封装用环氧树脂组合物的半导体元件的封装没有特殊限制，可通过通常已知的成型方法如普通的传递成型(transfer molding)等来进行。
接下来，在下文中描述实施例和对比实施例。
实施例1
使用真空混合罐，在大气压和170℃下将56份苯酚酚醛清漆树脂(羟基当量110，软化点75℃)、3份四苯基硼酸四苯基鏻和0.6份环氧硅烷偶联剂(γ-环氧丙氧丙基三甲氧基硅烷)混合1小时，然后在相同的温度条件和20kPa的减压条件下混合30分钟。然后，通过将气氛恢复至大气压并加入2.5份巴西棕榈蜡制备初级混合物。
随后，在100℃下将全部量的上述初级混合物、100份联苯型环氧树脂(环氧当量195，熔点107℃)、1200份熔融硅粉(平均粒度30μm)、18份三氧化二锑、6份炭黑和3份环氧硅烷偶联剂(3-巯基丙基三甲氧基硅烷)捏和2分钟，然后冷却并粉碎，从而制备了目的半导体封装用环氧树脂组合物。实施例2至8和对比实施例1和2
按与实施例1中相同的方式制备各自的半导体封装用环氧树脂组合物，除了将制备各自的初级混合物时，将减压条件、温度条件和减压时间变为表1和表2中所示的设定条件。
表1
                                   实施例
    1     2   3   4   5   6   7   8
  初步混合条件
  减压条件(kPa)     20     40   13.3   13.3   60   1.4   20   20
  温度条件(℃)     170     170   150   200   190   170   100   230
  减压时间(小时)     0.5     0.5   1   0.5   1   0.5   0.5   0.5
表2
    对比实施例
    1     2
    初步混合条件
    减压条件(kPa)     80     20
    温度条件(℃)     190     90
    减压时间(小时)     1     1
使用在实施例和对比实施例中这样得到的粉状环氧树脂组合物，按以下方式生产半导体器件。即，将每种上述粉状环氧树脂组合物制成片，使用TOWA制造的自动成型机(CPS-40L)通过传递成型(成型条件：固化后在175℃×90秒+175℃×5小时)成模半导体元件来生产半导体器件。这种半导体器件有114针四通扁平封装(four-way flat package)(LQFP-144，尺寸：20mm×20mm×厚度1.4mm)。使用按照这种方式得到的半导体器件，测量和评价金属导线流(metal wire flow)和空隙产生数。
金属导线流：
按照上述方式生产用金属线(导线直径23μm，线长度6mm)缚住的LQFP-144(尺寸：20mm×20mm×厚度1.4mm)。在制备上述半导体器件时，金属导线2被缚到具有如图1所示压料垫(die pad)1的LQFP封装框架上，使用它按照前面的描述制备半导体器件(封装)。在图1中，3为半导体芯片，4为引线针(lead pin)。使用这样制备的封装，用软性X射线分析仪测量金属导线流量。关于测量，如图2所示，通过选择和测量来自每个封装的10个金属导线测量金属导线2来自前方的流量。然后，通过定义与金属导线2流量的最大部分相对应的值为封装的金属导线流值(mm)来计算金属导线流率[(d/L)×100]。在这点上，L表示金属导线2之间的距离(mm)。另外，上述金属导线流率为6％或更高的情况表示为XX，小于6％的情况表示为○○。
空隙产生数：
使用软性X射线分析仪观察上面制备的封装(LQFP-144)以计算直径为0.2mm或更高的空隙，并示出产生空隙的封装的数目。在这种情况下，对于每个实施例和对比实施例，都制备10个封装。
表3
实施例
1   2   3   4   5   6   7   8
  金属导线流量 ○○   ○○   ○○   ○○   ○○   ○○   ○○   ○○
  空隙产生数 0   0   0   0   1   0   2   0
表4
    对比实施例
    1     2
    金属导线流量     XX     XX
    空隙产生数     10     7
根据上述结果，使用环氧树脂组合物(通过在上述特定的减压和加热条件范围下初步混合除环氧树脂外的组分和然后使这种初级混合物与剩余组分混合得到)制备的实施例的产品没有产生空隙或只有少量空隙并在金属导线流方面显示出良好结果。相反，使用环氧树脂组合物(初步混合时在超过66.65kPa的减压条件下制备)得到的对比实施例1的产品在金属导线流方面产生故障并且可靠性差，因为确认有空隙产生。另外，与对比实施例1的上述产品类似，使用环氧树脂组合物(初步混合时在低于100℃的加热温度条件下制备)得到的对比实施例2的产品也在金属导线流方面产生故障并且可靠性差，因为确认有空隙产生。
尽管已结合具体实施方案详细描述了本发明，但对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明范围的情况下在其中进行各种变化和变更是显而易见的。
本申请基于2003年12月4日提交的日本专利申请No.2003-406213，本文引入其全部内容作为参考。

Claims (6)

1、一种生产半导体封装用环氧树脂组合物的方法，该环氧树脂组合物包含下列组分(A)～(C)：
(A)环氧树脂
(B)酚树脂，和
(C)固化促进剂，
该方法包括预先在1.333至66.65kPa的减压下和在100至230℃的加热条件下混合包含组分(A)至(C)的组分中除组分(A)以外的全部或部分组分以得到混合物，然后使组分(A)和剩余的组分与得到的该混合物混合。
2、权利要求1所述的生产半导体封装用环氧树脂组合物的方法，其中作为上述组分(C)的固化促进剂为四取代硼酸四取代鏻。
3、一种半导体封装用环氧树脂组合物，该组合物是通过权利要求1所述的生产半导体封装用环氧树脂组合物的方法得的。
4、一种半导体封装用环氧树脂组合物，该组合物是通过权利要求2所述的生产半导体封装用环氧树脂组合物的方法得的。
5、一种半导体器件，其包括半导体元件和封装半导体元件的权利要求3所述的环氧树脂组合物。
6、一种半导体器件，其包括半导体元件和封装半导体元件的权利要求4所述的环氧树脂组合物。
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