JP2001064522A

JP2001064522A - 半導体封止用樹脂組成物

Info

Publication number: JP2001064522A
Application number: JP24138599A
Authority: JP
Inventors: Yasuaki Tsutsumi; 康章堤; Masayuki Tanaka; 正幸田中
Original assignee: Toray Industries Inc
Current assignee: Toray Industries Inc
Priority date: 1999-08-27
Filing date: 1999-08-27
Publication date: 2001-03-13

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明の課題は、最先端の半導体装置を安定に
製造し、信頼性を確保するための半導体封止用樹脂組成
物を提供することにある。【解決手段】下記式（１）を満たす粒子径範囲内の粒
子（粒子径Ｄ_n）の全粒子に対する頻度を測定した粒度
分布曲線が２つ以上の極大点を有する球状無機充填剤を
含有することを特徴とする半導体封止用樹脂組成物。Ｄ_n／Ｄ_n-1≦１．２
（１）（ただし、粒子径Ｄ_nはある粒子径範囲（Ｄ_n-1＜Ｄ≦Ｄ
_n）の上限であり、ｎは１以上の整数である。）

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体素子を保護
する目的で使用される樹脂組成物であって、特に保護
膜、アンダーフィル、封止材を含む半導体封止用樹脂組
成物に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、携帯機器のダウンサイジング化に
伴い、部品である半導体装置も小型・薄型化、高性能化
が進んでいる。

【０００３】従来の樹脂封止型半導体装置は、半導体素
子（チップ）とインターポーザー（リードフレーム）を
用い、プリント基板に実装するのに必要な外部電極（ピ
ン）以外は、樹脂で覆うように上下両面から樹脂封止さ
れている。よって、半導体装置の小型化は、リードフレ
ームへの半導体素子の搭載方法を開発・改良する事が主
であった。

【０００４】例えば、半導体装置（パッケージ）の２辺
に外部電極を並べていた（ＳＯＪ，ＳＯＰ）のを、４辺
まで増加させたパッケージ（ＱＦＰ）や、リードフレー
ムのステージにチップを搭載していたのを、チップのパ
ッケージ内占有率を増加させるためにインナーリードピ
ンにつるす方法(リードオンチップ＝ＬＯＣ)などが開発
されてきた。

【０００５】これら多ピン化するに従って、半導体素子
から信号を取り出すインナーリードのピン数が増大して
ピン間隔が狭くなり、樹脂組成物が充填されない問題が
生じてきている。また、ＬＯＣでは半導体素子回路面に
両面テープを用いてリードフレームと半導体素子が固定
され、テープのないリードフレーム−素子部分が未充填
になり問題となっている。

【０００６】最近ではさらに、パッケージの小型化、多
ピン化が進展し、外部電極をパッケージ下面に２次元状
に広げたＢＧＡ（ボールグリッドアレイ）、ＰＧＡ（ピ
ングリッドアレイ）、ＬＧＡ（ランドグリッドアレイ）
などが開発されている。これによりピン間隔を狭くする
ことになしにピン数を増加させることができる。さらに
半導体装置をチップサイズと同等の面積にすることで電
子機器に高密度実装が可能となる。

【０００７】チップサイズの半導体装置として、チップ
と実装基板を直接接合し、その間にアンダーフィル材を
流し込む方法（フリップチップ接続方式）などの提案が
されている。その他チップサイズの半導体装置として、
ウェハー状態で半導体素子を一括して封止し、その後チ
ップのサイズに切り出して個々の半導体装置とする方法
も開発されている。

【０００８】これらの方法はいずれも１００μｍ以下の
隙間に樹脂組成物を流動させる必要がある。この隙間は
平坦とは限らず配線パターンやインナーリード、外部電
極ボール、ピンなどが配置されさらに流動しにくくな
り、未充填が発生しやすくなっている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、改良
した半導体装置封止用樹脂組成物の提供によって、半導
体装置をより安定的に製造可能にし、より信頼性を向上
させることにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の半導体封止用樹脂組成物は、主として次の
構成を有する。すなわち、「粒度分布曲線が２つ以上の
極大点を有する球状無機充填剤を含有することを特徴と
する半導体封止用樹脂組成物。」である。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、さらに詳細に本発明につい
て説明する。

【００１２】本発明における充填剤としては無機質のも
のが好ましく、具体的には、非晶性シリカ、結晶シリ
カ、アスベスト、ガラス繊維、炭酸カルシウム、炭酸マ
グネシウム、マグネシア、クレー、タルク、ケイ酸カル
シウムや、酸化チタン、酸化アンチモン、α−アルミ
ナ、β−アルミナなどの金属酸化物などが挙げられる
が、なかでも非晶性シリカは樹脂組成物の線膨張係数を
低下させる効果が大きく、低応力化に有効なため特に好
ましく用いられる。非晶性シリカの例としては、石英を
融解して製造した溶融シリカや、各種合成法で製造され
た合成シリカが挙げられる。充填剤の形状は球状である
ことが必要である。

【００１３】また、充填剤の粒度分布曲線は２つ以上の
極大点を有することが必須である。粒度分布曲線が２つ
以上の極大点を有さない場合は、流動性が劣り成形性を
良くすることができない。

【００１４】粒度分布はどのような方法で測定してもよ
い。たとえば顕微鏡を用いて粒子サイズ、数をカウント
する方法、各種目開きのふるいを用いてふるいを通過ま
たは残った重量を測定する方法、レーザー回折／散乱式
粒度分布測定装置で測定する方法などがある。

【００１５】本発明における粒度分布曲線とは、粒子径
Ｄ_nを横軸に、その頻度（重量％）を縦軸にプロットし
た時の曲線を示す。なお、ここでいう粒子径Ｄ_nは、あ
る粒子径範囲（Ｄ_n-1＜Ｄ≦Ｄ_n）の上限で、この粒子径
範囲内の粒子の全粒子に対する割合が頻度（重量％）で
ある。ただし、上記粒子径範囲は下記式（１）を満たす
ように決定することが必要である。

【００１６】Ｄ_n／Ｄ_n-1≦１．２（１）（ただし、ｎは１以上の整数）式（１）の範囲でプロッ
トした粒度分布曲線で２つ以上の極大点を持つ粒子で
も、粒子径範囲を式（１）の範囲より大きく取った場
合、詳細な粒度分布がわからず極大点が複数現れない場
合が生じる。

【００１７】粒度分布曲線が２つ以上の極大点を有する
球状充填剤は、例えば以下のようにして製造することが
できる。市販の球状充填剤を標準ふるいを用いてふるい
分け、各粒子径範囲毎に分離する。その後所定の粒度分
布になるよう、各粒子径範囲毎に分離された粒子を調合
する。最終的な充填剤の粒度分布は、例えばレーザー回
折／散乱式粒度分布測定装置（堀場製作所製「ＬＡ−９
２０」）を用いて測定することができる。

【００１８】本発明における充填剤の最大粒子径は好ま
しくは７５μｍ以下であり、薄型半導体装置の生産性の
点からより好ましくは３０μｍ以下、さらに好ましくは
１０μｍ以下である。最大粒子径が７５μｍを越えると
金型入口（ゲート）で詰まるおそれがあり、小型・薄型
化した半導体装置を成形することが困難になる。充填剤
の最大粒子径はふるい分け、遠心沈降法、サイクロンを
用いる等どのような方法で調整してもよいが、例えばふ
るいにかける場合、そのふるいの目開きを選択すること
によって調整できる。なお、本発明において、充填剤の
最大粒子径とは、レーザー回折／散乱式粒度分布測定装
置で測定した粒子径の最大値をいう。

【００１９】本発明における充填剤の含有量は樹脂組成
物中に３０〜９８重量％添加することが好ましい。かか
る範囲内とすることで温度サイクル性を優れたものと
し、成形を容易にすることができる。

【００２０】本発明において、充填剤をシランカップリ
ング剤、チタネートカップリング剤などのカップリング
剤であらかじめ表面処理することが信頼性の点で好まし
い。カップリング剤としてエポキシシラン、アミノシラ
ン、メルカプトシランなどのシランカップリング剤が好
ましく用いられる。

【００２１】本発明における樹脂組成物中の樹脂は種類
によらないが、電気特性、接着性、コストの点からエポ
キシ樹脂が好ましい。エポキシ樹脂は、分子内に２ヶ以
上エポキシ基を含有するものであれば特に限定されな
い。このようなエポキシ樹脂には、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、線状
脂肪族エポキシ樹脂、脂環式エポキシ樹脂、複素環式エ
ポキシ樹脂、ハロゲン化エポキシ樹脂、フェノールノボ
ラック型エポキシ樹脂、クレゾールノボラック型エポキ
シ樹脂、ジシクロペンタジエン骨格含有エポキシ樹脂、
ビフェニル骨格含有エポキシ樹脂、ナフタレン骨格含有
エポキシ樹脂などが挙げられる。特に、信頼性の点か
ら、ビフェニル骨格含有エポキシ樹脂が好ましい。これ
らは単独で用いても、２種類以上併用してもよい。

【００２２】本発明におけるエポキシ樹脂の添加量は、
成形性の点から樹脂組成物中に０．５重量％以上添加す
ることが好ましく、温度サイクル信頼性の点から５０重
量％以下が好ましい。

【００２３】硬化剤は、上記エポキシ樹脂を硬化させる
ものであれば、特に限定されない。このような硬化剤と
しては、フェノール性水酸基を２ヶ以上含有するフェノ
ール樹脂誘導体、ポリアミン誘導体、酸無水物、ポリメ
ルカプタンなどが用いられる。耐湿信頼性の点でフェノ
ール樹脂誘導体が好ましい。

【００２４】本発明における硬化剤の添加量は、成形性
の点から樹脂組成物中に０．５重量％以上添加すること
が好ましく、温度サイクル信頼性の点から５０重量％以
下が好ましい。エポキシ樹脂と硬化剤の化学当量比は
０．８〜１．２が、密着性の点で好ましい。

【００２５】また、本発明においてエポキシ樹脂と硬化
剤の硬化反応を促進するため硬化促進剤を用いてもよ
い。硬化促進剤は硬化反応を促進するものならば特に限
定されず、たとえば２−メチルイミダゾール、２，４−
ジメチルイミダゾール、２−エチル−４−メチルイミダ
ゾール、２−フェニルイミダゾール、２−フェニル−４
−メチルイミダゾール、２−ヘプタデシルイミダゾール
などのイミダゾール化合物、トリエチルアミン、ベンジ
ルジメチルアミン、α−メチルベンジルジメチルアミ
ン、２−（ジメチルアミノメチル）フェノール、２，
４，６−トリス（ジメチルアミノメチル）フェノール、
１，８−ジアザビシクロ（５，４，０）ウンデセン−７
などの３級アミン化合物、ジルコニウムテトラメトキシ
ド、ジルコニウムテトラプロポキシド、テトラキス（ア
セチルアセトナト）ジルコニウム、トリ（アセチルアセ
トナト）アルミニウムなどの有機金属化合物およびトリ
フェニルホスフィン、トリメチルホスフィン、トリエチ
ルホスフィン、トリブチルホスフィン、トリ（ｐ−メチ
ルフェニル）ホスフィン、トリ（ノニルフェニル）ホス
フィンなどの有機ホスフィン化合物が挙げられる。なか
でも耐湿性の点から、有機ホスフィン化合物が好まし
く、トリフェニルホスフィンが特に好ましく用いられ
る。これらの硬化促進剤は、用途によっては２種以上を
併用してもよく、その添加量はエポキシ樹脂１００重量
部に対して０．０１〜１０重量部の範囲が好ましい。

【００２６】本発明の樹脂組成物には、三酸化アンチモ
ンなどの難燃剤、カーボンブラック、酸化鉄などの着色
剤、ハイドロタルサイトなどのイオン捕捉剤、シリコー
ンゴム、オレフィン系共重合体、変性ニトリルゴム、変
性ポリブタジエンゴム、変性シリコーンオイルなどのエ
ラストマー、ポリエチレンなどの熱可塑性樹脂、長鎖脂
肪酸、長鎖脂肪酸の金属塩、長鎖脂肪酸のエステル、長
鎖脂肪酸のアミド、パラフィンワックスなどの離型剤お
よび有機過酸化物などの架橋剤を任意に添加することが
できる。

【００２７】本発明の樹脂組成物は溶融混練することが
好ましく、たとえば３本ロール、バンバリーミキサー、
ニーダー、ロール、単軸もしくは二軸の押出機およびコ
ニーダーなどを用いた公知の混練方法を用いて溶融混練
することにより製造される。

【００２８】また、本発明における樹脂組成物を用いた
半導体素子の封止方法は特に限定されるものではなく、
従来より採用されている成形法、例えばトランスファ成
形、インジェクション成形、注型法、ポッティング、ス
クリーン印刷などを採用して行なうことができる。この
場合、樹脂組成物の成形温度は室温〜１８０℃、ポスト
キュアーは１５０〜１８０℃で２〜１６時間行なうこと
が好ましい。

【００２９】本発明の樹脂組成物は、例えば、図１、２
に示すようにウェハー状態で半導体素子に半導体封止用
樹脂組成物が形成されてなる半導体装置に特に有用であ
る。このような半導体装置はウェハー状態で成形後、複
数の半導体装置に切り離す。生産方法として、具体的に
は、例えば、日経マイクロデバイス１９９８年８月号第
５２頁記載のものがある。

【００３０】ここで樹脂組成物で保護膜を作成する過程
は、以下の方法で行う。回路を描画し、パッシベーショ
ン膜を形成したウェハーを金型にセットする。セットし
たウェハーの上に樹脂組成物を載せ、上金型との間にフ
ィルムを挿入させて、加熱、加圧成形を行い、所定の厚
みの樹脂組成物膜を形成した。この膜の厚みは特に制限
はなく、通常は３０〜２０００μｍｔ、好ましくは３０
〜３００μｍｔ、さらに好ましくは３０〜１５０μｍｔ
である。次に、成形物を取り出し、フィルムをはがす。
樹脂組成物の後硬化を行うために１８０℃前後で５時間
以上加熱する。保護膜の形成されたウェハーを、半導体
素子の大きさごとに切断し、個別の半導体装置を切り分
ける。

【００３１】この半導体装置の生産方法は、１度の成形
で多数の半導体装置が製造できること、複数の半導体装
置を一度に（ウェハー状態で）良品検査できることか
ら、コストを抑えて、短時間で、大量に生産することが
でき、非常に有用である。さらに、半導体素子と同じ面
積で小さくでき、厚みも薄くできることから付加価値が
高い製品を製造できる。

【００３２】なお、ウェハーの両面を封止してもかまわ
ないが、半導体装置を薄くするためには片側のみ封止す
ることが望ましい。

【００３３】

【実施例】［実施例１〜５、比較例１〜５］以下では、
表１〜２を引用して説明する。表１は原料、表２はトラ
ンスファー成形機を用いて樹脂組成物を評価した結果を
示す表であって、本発明によって行われた実施例１〜５
と従来技術によって行われた比較例１〜５とによって、
各実験条件における、充填剤の種類、粒度分布、最大粒
子径、添加量、表面処理剤の含有量、エポキシ樹脂の種
類およびその含有量、硬化剤の種類およびその含有量、
硬化促進剤の種類およびその含有量、着色剤の含有量、
離型剤の含有量など樹脂組成物の組成を示し、その樹脂
組成物の成形性（流動性）、半導体パッケージの充填
性、ＰＣＴ評価結果を示したものである。

【００３４】さらに、表３および図４には無機充填剤の
粒度分布を示した。本発明に用いた無機充填剤は市販の
各種球状溶融シリカを標準ふるいを用いてふるい分け各
粒子径範囲毎に分離し、その後所定の粒度分布になるよ
う調合し、最終的に粒度分布を測定して用いた。粒度分
布はレーザー回折／散乱式粒度分布測定装置（堀場製作
所製「ＬＡ−９２０」）を用いて行った。

【００３５】樹脂組成物の製造は次の２種類の方法で行
った。＜製造方法ａ＞表１に示した原料を、表２に示した割合
でミキサーによって一括してドライブレンドした。その
後、これらの混合物をロールを用いて９０℃で混練後、
冷却、破砕して樹脂組成物を得た。

【００３６】実施例４、５および比較例１〜３、５に用
いた樹脂組成物は上記製造方法ａで製造した。トランス
ファー成形を行う際にはタブレット状にした樹脂組成物
を用いた。タブレットは所定重量の樹脂組成物を圧縮成
形した。

【００３７】＜製造方法ｂ＞表２に示した充填剤、表面
処理剤、着色剤、離型剤をあらかじめドライブレンドし
た。その後、残りの原料と一緒に３本ロールを用いて１
５分間混練した。

【００３８】実施例１〜３および比較例４に用いた樹脂
組成物は上記製造方法ｂで製造した。製造された樹脂組
成物は液状で、トランスファー成形する際には所定量を
直接金型内に投入した。

【００３９】また、評価は以下の方法で行った。成形性（流動性）：トランスファ成形機の下金型に３０
ｃｍ四方のポリイミドフィルムを敷き、その中心に２０
ｍｍφ×２ｇの樹脂組成物タブレット（液状組成物の場
合２ｇ）をセットした。その上に３０ｃｍ四方のポリイ
ミドフィルムを敷き上金型を閉め、温度１７５℃、、ト
ランスファー圧力７０ｋｇ／ｃｍ²の条件でタブレット
をつぶし、２分間保持した。その後、ほぼ円形となった
成形物を取り出し、その直径を測定した。

【００４０】成形性（充填性）：成形方法を図３にを示
す。３００個の半導体素子（６ｍｍ×６ｍｍ、４８ピ
ン）が描画されている６インチのシリコンウェハー
（Ｂ）をトランスファ成形機の下金型（Ａ）にセットす
る。シリコンウェハー（Ｂ）の中央に実施例に示した樹
脂組成物の２０ｍｍφ×４ｇのタブレット（液状樹脂組
成物の場合４ｇの樹脂組成物）（Ｃ）を置く。これと上
金型（Ｅ）の間に厚み１００μｍのフィルム（Ｄ）を挿
入し、金型を閉めてウェハー上に樹脂組成物厚み１００
μｍに加熱圧縮成形した。成形は、成形温度１７５℃、
成形時間２分、トランスファー圧力７０ｋｇ／ｃｍ²の
条件で行った。ピンの直径は０．３５ｍｍピン、間隔は
０．７５ｍｍである。次に、成形物を取り出しフィルム
をはがした（図２）。その後外部電極部分に半田ボール
を搭載し、各半導体素子ごとに切断し、半導体装置とし
た（図１）。切断した半導体装置を外観検査し、０．５
ｍｍ以上のボイド、未充填の発生している物を不良品と
して除き、良品の個数をカウントした。また、肉眼によ
って、樹脂の流動による流れ模様、斑点が見られる場
合、さらに、電極ピンが変形している場合も不良品とし
て除いた。

【００４１】耐湿信頼性（ＰＣＴ）：線幅８μｍ、線間
８μｍのアルミ配線を施した模擬素子に窒化ケイ素のパ
ッシベーション膜をつけ、４４ピンＱＦＰをトランスフ
ァー成形機を用いて成形した。成形は、成形温度１７５
℃、成形時間２分、トランスファー圧力７０ｋｇ／ｃｍ
²の条件で行った。粉末状の樹脂組成物はタブレット状
にあらかじめ成形したものをトランスファー成形機に投
入した。液状の樹脂組成物は必要量を成形機ポット内に
計量して用いた。得られた半導体装置を１４３℃、１０
０％ＲＨの環境下に放置し、アルミニウム配線の断線が
発生するまでの時間を測定し、特性寿命を求めた。この
評価は加速試験であり、５００時間たっても断線が起こ
らなければ良品と判断した。

【００４２】

【表１】

【００４３】

【表２】

【００４４】

【表３】

【００４５】比較例１、２に示したように破砕状の充填
剤を用いた場合流動性も低く、それに伴って成形性（充
填性）も低くなっている。充填剤を破砕状から球状にす
ると流動性が向上するが、比較例３に示したように成形
性（充填性）のレベルは低くさらに改良する必要がある
ことがわかる。さらに、樹脂成分の粘度を低くすると組
成物粘度も下がり、流動性が向上することが期待され
た。しかし比較例４に示すように比較例３に用いた充填
剤を用いる限り成形性に劣ることがわかる。

【００４６】このような状況下で鋭意検討した結果、充
填剤の粒度分布を設計することによって、かかる課題を
解決した。すなわち、粒度分布曲線において、２つ以上
のピークを持った充填剤を設計し、使用することによっ
て充填性に優れた樹脂組成物を提供できる。中でもさら
に最大粒子径を小さくすることによって、大幅に改善さ
れた成形性を実現することが可能である（実施例２、
３、５）。

【００４７】

【発明の効果】半導体装置を封止するための樹脂組成物
として該樹脂組成物が、充填剤（Ａ）を含有し、該充填
剤（Ａ）の粒度分布曲線が２つ以上の極大点を有する球
状無機充填剤であることを特徴とする樹脂組成物を使用
すると、薄膜、狭所への成形性に優れ、半導体装置をよ
り安定的に製造することができる。

【００４８】また、信頼性に優れた小型、薄型の半導体
装置を提供できることから工業的に有用である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の樹脂組成物で封止した半導体装置の一
例の縦断面図。

【図２】本発明の樹脂組成物で封止するウェハーの一例
の平面図。

【図３】本発明の樹脂組成物で封止する過程の一例。

【図４】実施例で用いた粒度分布曲線が２つ以上の極大
点を有する無機充填剤の粒度分布。

フロントページの続きＦターム(参考） 4J002 AA001 CD011 CD021 CD031 CD041 CD051 CD061 CD121 CD141 DE076 DE126 DE136 DE146 DE236 DJ006 DJ016 DJ026 DJ036 DJ046 DL006 FA046 FA086 FB136 FB146 FB156 FB166 FD016 FD090 FD130 FD140 FD150 FD160 GQ05 4M109 AA01 BA03 CA05 CA12 CA21 EA02 EB03 EB04 EB06 EB07 EB08 EB09 EB13 EB16 EB19 EC20

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】下記式（１）を満たす粒子径範囲内の粒子
（粒子径Ｄ_n）の全粒子に対する頻度を測定した粒度分
布曲線が２つ以上の極大点を有する球状無機充填剤を含
有することを特徴とする半導体封止用樹脂組成物。Ｄ_n／Ｄ_n-1≦１．２（１）（ただし、粒子径Ｄ_nはある粒子径範囲（Ｄ_n-1＜Ｄ≦Ｄ
_n）の上限であり、ｎは１以上の整数である。）
【請求項２】充填剤の最大粒子径が７５μｍであること
を特徴とする請求項１に記載の半導体封止用樹脂組成
物。
【請求項３】充填剤の最大粒子径が３０μｍであること
を特徴とする請求項１に記載の半導体封止用樹脂組成
物。