JP2001146511A - エポキシ樹脂組成物及び半導体装置 - Google Patents

エポキシ樹脂組成物及び半導体装置

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JP2001146511A
JP2001146511A JP2000266398A JP2000266398A JP2001146511A JP 2001146511 A JP2001146511 A JP 2001146511A JP 2000266398 A JP2000266398 A JP 2000266398A JP 2000266398 A JP2000266398 A JP 2000266398A JP 2001146511 A JP2001146511 A JP 2001146511A
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Hironori Osuga
浩規 大須賀
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 反りが小さく、耐半田クラック性に優れるエ
リア実装型半導体装置に適した半導体封止用エポキシ樹
脂組成物を提供すること。 【解決手段】 エポキシ樹脂、フェノール樹脂、硬化促
進剤、及び無機充填材を主成分とするエポキシ樹脂組成
物において、該エポキシ樹脂組成物を加熱硬化した硬化
物の特性が、成形温度での曲げ弾性率をa(N/m
2)、硬化収縮率をb(%)、成形温度から室温まで
の熱収縮率をc(%)とするとき、a≧10R(式中、
R=10×(b+c)−1である)、300≦a≦20
000、0.15≦b+c≦0.50であることを特徴
とする半導体封止用エポキシ樹脂組成物。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、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を樹脂封止されたいわゆる
エリア実装型半導体装置に適した半導体封止用エポキシ
樹脂組成物、及びこれを用い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、半導体素子の高集積化が年々
進み、又、半導体装置の表面実装化が促進されるなか
で、新規にエリア実装型半導体装置が開発され、従来構
造の半導体装置から移行し始めている。エリア実装型半
導体装置としてはBGA(ボールグリッドアレイ)或い
は更に小型化を追求したCSP(チップスケールパッケ
ージ)等が代表的であるが、これらは従来QFP、SO
Pに代表される表面実装型半導体装置では限界に近づい
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・トリアジン樹脂/ガラスクロス
基板)に代表される硬質回路基板、或いはポリイミド樹
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、その半導体素子
搭載面、即ち基板の片面のみがエポキシ樹脂組成物等で
成形・封止されている。又、基板の半導体素子搭載面の
反対面には半田ボールを2次元的に並列して形成し、半
導体装置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、半導体素子を搭載する基板としては、上
記の有機回路基板以外にもリードフレーム等の金属基板
を用いる構造も開発されている。
【0003】これらエリア実装型半導体装置の構造は、
基板の半導体素子搭載面のみをエポキシ樹脂組成物で封
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。リードフレーム等の金属基板等で
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、半導体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
板とエポキシ樹脂組成物の硬化物との間での熱膨張・熱
収縮の不整合、或いはエポキシ樹脂組成物の成形硬化時
の硬化収縮による影響で、これらの半導体装置では成形
直後から反りが発生しやすい。更に、これらの半導体装
置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、この際に半導体装置の反り
が発生し、多数の半田ボールが平坦とならず、半導体装
置を実装する回路基板から浮き上がってしまい、電気的
接合の信頼性が低下する問題も起こる。
【0004】基板上の実質的に片面のみをエポキシ樹脂
組成物で封止した半導体装置において、反りを低減する
には、基板の熱膨張係数とエポキシ樹脂組成物の硬化物
の熱膨張係数とを近づけること、及びエポキシ樹脂組成
物の硬化物の硬化収縮を小さくすることの二つの方法が
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いガラス転移温度(以下、Tg
という)を有する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Tg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、エポキシ樹脂組成物の硬化物も、Tgが高く且つ
α1が有機基板と同じで、更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Tgを高くし、無機充填材の配合量でα1
を合わせる手法が既に提案されている。
【0005】又、赤外線リフロー、ベーパーフェイズソ
ルダリング、半田浸漬等の手段での半田処理による半田
接合を行う場合、エポキシ樹脂組成物の硬化物並びに有
機基板からの吸湿により半導体装置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半導体装置に
クラックが発生したり、有機基板の半導体素子搭載面と
エポキシ樹脂組成物の硬化物との界面で剥離が発生する
こともあり、エポキシ樹脂組成物の低応力化・低吸湿化
とともに、有機基板との接着性も求められる。更に、有
機基板とエポキシ樹脂組成物の硬化物の熱膨張の不整合
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、有機基板/エポキシ樹脂組成物の硬化物との界面
の剥離やパッケージクラックが発生する。従来のQFP
やSOP等の表面実装型半導体装置では、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
樹脂と可撓性骨格を有するフェノール樹脂とを組み合わ
せて用い、且つ無機質充填材の配合量を増加することに
より、低Tg化且つ低吸湿化を行う対策がとられてき
た。しかし、この手法では、片面封止の半導体装置にお
ける反りの問題は解決できないのが現状であった。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、エリア実装
型半導体装置での成形後や半田処理後の反りが小さく、
又、有機基板との接着性に特に優れるため半田処理時等
の信頼性に優れるエポキシ樹脂組成物、及びこれを用い
た半導体装置を提供するものである。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明は、(A)エポキ
シ樹脂、(B)フェノール樹脂、(C)硬化促進剤、及
び(D)無機充填材を主成分とするエポキシ樹脂組成物
において、該エポキシ樹脂組成物を加熱硬化した硬化物
の特性が、成形温度での曲げ弾性率をa(N/m
2)、硬化収縮率をb(%)、成形温度から室温まで
の熱収縮率をc(%)とするとき、a≧10R(式中、
R=10×(b+c)−1である)、300≦a≦20
000、0.15≦b+c≦0.50であることを特徴
とする半導体封止用エポキシ樹脂組成物であり、特に、
硬化物の85℃、相対湿度60%の環境下で168時間
処理後の吸水率が0.2重量%以下であり、エポキシ樹
脂及び/又はフェノール樹脂がナフタレン骨格を有する
樹脂である半導体封止用エポキシ樹脂組成物、及びこれ
を用いて半導体素子を封止してなる半導体装置である。
【0008】
【発明の実施の形態】基板上の実質的に片面のみをエポ
キシ樹脂組成物で封止した半導体装置において、反りを
低減するには、基板の熱膨張係数とエポキシ樹脂組成物
の硬化物の熱膨張係数とを近づけること、及びエポキシ
樹脂組成物の硬化収縮を小さくすることの二つの方法が
重要と考えられてきた。つまりエポキシ樹脂、フェノー
ル樹脂、硬化促進剤、及び無機充填材を主成分とするエ
ポキシ樹脂組成物において、硬化収縮と、成形温度から
室温までの熱収縮を小さくすることが、反りの低減に必
要となる。しかし、硬化収縮と、成形温度から室温まで
の熱収縮を小さくするだけでは、反りの低減が不十分で
あり、本発明者が鋭意検討を進めた結果、(A)〜
(D)成分を主成分とするエポキシ樹脂組成物を加熱硬
化した硬化物を成形時の温度で測定した曲げ弾性率が、
反りに大きな影響を与えることを見出した。つまり、成
形温度での曲げ弾性率が低いと反りが大きくなり、曲げ
弾性率が高いと反りが小さくなることが判明した。更
に、成形温度での曲げ弾性率と、硬化収縮率、成形温度
から室温までの熱収縮率は、反りに対し複合的に影響を
与えていることが分かった。そして、前記硬化物の成形
温度での曲げ弾性率をa(N/mm2)、硬化収縮率を
b(%)、成形温度から室温までの熱収縮率をc(%)
とするとき、a≧10R(式中、R=10×(b+c)
−1である)、300≦a≦20000、0.15≦b
+c≦0.50を満足することにより、基板上の実質的
に片面のみをエポキシ樹脂組成物で封止した半導体装置
において、反りが低減し、且つ耐半田クラック性が向上
することを見出した。
【0009】本発明における成形温度とは、エポキシ樹
脂組成物を加熱硬化する時の金型温度を指し、通常は1
60〜190℃の範囲であるが、この温度範囲に限定さ
れるものではない。aの値は、JIS K 6911に
準じて測定した。b+cの値は、トランスファー成形機
を用いて、金型温度175℃、注入圧力70kg/cm
2、硬化時間90秒で、直径100mm、厚さ3mmの
円盤の硬化物を成形し、175℃での金型キャビティの
内径と、室温(25℃)での円盤の硬化物の外径を測定
し、{(175℃での金型キャビティの内径)−(25
℃での円盤の硬化物の外径)}/(175℃での金型キ
ャビティの内径)×100の式から算出した。なお、用
いる硬化物については、後硬化処理は行わないもので評
価する。a、b、cの関係において、aが10R以上
(式中、R=10×(b+c)−1)であれば反りが低
減するため好ましく、10R未満だと反りが大きくなる
ので好ましくない。又、aが300未満だと、成形硬化
時の硬化物が柔らかくなるために金型からの離型性が悪
くなり成形性が低下し、20000を越えると、流動性
が悪くなり成形性が低下するので好ましくない。更に、
b+cが0.15未満だと、成形硬化時の硬化収縮が小
さくなり金型からの離型性が悪くなり成形性が低下し、
0.50を越えると、熱収縮率が大きくなり内部応力の
増大により耐半田クラック性が低下するので好ましくな
い。
【0010】更に、本発明のエポキシ樹脂組成物の加熱
硬化した硬化物を85℃、相対湿度60%の環境下で1
68時間処理した後の吸湿率は、0.20重量%以下で
あることが好ましい。0.20重量%を越えると、半田
処理による半田接合を行う場合、エポキシ樹脂組成物の
硬化物及び有機基板からの吸湿により半導体装置内部に
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
半導体装置にクラックが発生したり、基板の半導体素子
搭載面とエポキシ樹脂組成物の硬化物との界面で剥離が
発生し、耐半田クラック性が低下する。なお、吸湿率の
測定に用いる硬化物は、金型から離型した後、175
℃、2時間の後硬化をしたものである。
【0011】本発明で用いられる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、トリフェノールメタン型エポキ
シ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂、ビスフェノール型
エポキシ樹脂、スチルベン型エポキシ樹脂、オルソクレ
ゾールノボラック型エポキシ樹脂、ナフタレン骨格を含
むエポキシ樹脂、ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂
等が挙げられ、これらは単独でも混合して用いてもよ
い。特にナフタレン骨格を含むエポキシ樹脂を用いる
と、成形温度での曲げ弾性率が高く、硬化収縮率及び成
形温度から室温までの熱収縮率が小さく、且つ吸湿率が
低くなるため好ましい。
【0012】本発明で用いられるフェノール樹脂として
は、上記のエポキシ樹脂と硬化反応して架橋構造を形成
することができる少なくとも2個以上のフェノール性水
酸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、フェノールノボラック樹脂、クレゾールノ
ボラック樹脂、パラキシリレン変性フェノール樹脂、メ
タキシリレン・パラキシリレン変性フェノール樹脂等の
フェノールアラルキル樹脂、ナフタレン骨格を含む樹
脂、テルペン変性フェノール樹脂、ジシクロペンタジエ
ン変性フェノール樹脂等が挙げられ、これらは単独でも
混合して用いてもよい。特にナフタレン骨格を含む樹脂
を用いると、成形温度での曲げ弾性率が高く、硬化収縮
率及び成形温度から室温までの熱収縮率が小さく、且つ
吸湿率が低くなるため好ましい。
【0013】本発明で用いられる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との架橋反応の触媒
となり得るものを指し、例えば、1,8−ジアザビシク
ロ(5,4,0)ウンデセン−7、トリブチルアミン等
のアミン化合物、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
ール化合物等が挙げられるが、これらに限定されるもの
ではない。これらは単独でも混合して用いてもよい。
【0014】本発明で用いられる無機充填材の種類につ
いては特に制限はなく、一般に封止材料に用いられてい
るものを使用することができる。例えば、溶融シリカ、
結晶シリカ、2次凝集シリカ、アルミナ、チタンホワイ
ト、水酸化アルミニウム、タルク、クレー、ガラス繊維
等が挙げられ、特に溶融シリカが好ましい。溶融シリカ
は、破砕状、球状のいずれでも使用可能であるが、配合
量を高め、且つエポキシ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より好ま
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。
【0015】本発明のエポキシ樹脂組成物は、(A)〜
(D)成分の他、必要に応じて臭素化エポキシ樹脂、酸
化アンチモン、リン化合物等の難燃剤、無機イオン交換
体、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、合成ワックス、高級脂肪酸及びそ
の金属塩類もしくはパラフィン等の離型剤、シリコーン
オイル、ゴム等の低応力成分、酸化防止剤等の各種添加
剤が適宜配合可能である。本発明のエポキシ樹脂組成物
は、(A)〜(D)成分、及びその他の添加剤等をミキ
サー等を用いて混合後、加熱ニーダ、熱ロール、押し出
し機等の混練機で加熱混練し、冷却、粉砕して得られ
る。本発明のエポキシ樹脂組成物を用いて、半導体素子
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
成形すればよい。
【0016】
【実施例】以下、本発明を実施例で具体的に説明する。
配合割合は重量部とする。 実施例1 式(1)で示されるエポキシ樹脂(油化シェルエポキシ(株)・製、エピコー ト1032H、軟化点60℃、エポキシ当量170) 10.2重量部
【化1】
【0017】 式(2)で示されるフェノール樹脂(明和化成(株)・製、MEH7500、 軟化点105℃、水酸基当量97) 5.8重量部
【化2】 トリフェニルホスフィン 0.15重量部 球状溶融シリカ(平均粒径15μm) 83.25重量部 カルナバワックス 0.3重量部 カーボンブラック 0.3重量部 をミキサーで混合した後、表面温度が90℃と45℃の
2本ロールを用いて5分間混練し、冷却後粉砕してエポ
キシ樹脂組成物とした。得られたエポキシ樹脂組成物を
以下の方法で評価した。結果を表1に示す。
【0018】評価方法 スパイラルフロー:EMMI−1−66に準じたスパイ
ラルフロー測定用の金型を用いて、金型温度175℃、
注入圧力70kg/cm2、硬化時間2分で測定した。 硬化性:ショアD硬度計を用い、金型温度175℃、注
入圧力70kg/cm 2、硬化時間90秒で測定した。 成形温度での曲げ弾性率a:前記した通り、JIS K
6911に準じて測定した。トランスファー成形機を
用いて、金型温度175℃、注入圧力70kg/c
2、硬化時間90秒で硬化物を成形し、175℃で曲
げ弾性率を測定した。単位はN/mm2。 b+c:前記した通り、トランスファー成形機を用い
て、金型温度175℃、注入圧力70kg/cm2、硬
化時間90秒で、直径100mm、厚さ3mmの円盤の
硬化物を成形し、175℃での金型キャビティの内径
と、室温(25℃)での円盤の硬化物の外径を測定し、
{(175℃での金型キャビティの内径)−(25℃で
の円盤の硬化物の外径)}/(175℃での金型キャビ
ティの内径)×100の式から算出した。単位は%。 吸湿率:トランスファー成形機を用いて、金型温度17
5℃、注入圧力70kg/cm2、硬化時間90秒で、
直径50mm、厚さ3mmの円盤を成形し、175℃、
2時間で後硬化した。更に、85℃、相対湿度60%の
環境下で168時間処理し、重量変化を測定した。単位
は重量%。 パッケージ反り量:トランスファー成形機を用いて、金
型温度175℃、注入圧力70kg/cm2、硬化時間
90秒で、225pBGA(厚さ0.36mmBT樹脂
基板、チップサイズ12mm×12mm×厚さ0.35
mm、パッケージサイズ24mm×24mm、封止樹脂
の厚さ1.17mm)を成形し、175℃、2時間で後
硬化した。室温まで冷却後、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、変位差の最も大きい値を反り量とした。単位はμ
m。 耐半田クラック性:前記の225pBGAを成形し、1
75℃、2時間で後硬化して10個のサンプルを得た。
60℃、相対湿度60%の環境下で168時間、又は8
5℃、相対湿度60%の環境下で168時間処理し、そ
の後IRリフロー(240℃)で10秒間処理した。超
音波探傷装置を用いて観察し、内部クラック及び各種界
面剥離の有無を調べた。不良パッケージの個数がn個で
あるとき、n/10と表示する。 離型性:前記の225pBGAの成形時に、金型からの
離型性を調べた。スムーズに金型から離型しないものを
不良と判定した。
【0019】実施例2〜6、比較例1〜6 表1、表2に従って配合し、実施例1と同様にしてエポ
キシ樹脂組成物を得、実施例1と同様にして評価した。
結果を表1、表2に示す。実施例及び比較例で使用した
エポキシ樹脂、フェノール樹脂の構造及び性状を以下に
示す。式(3)を主成分とするエポキシ樹脂(油化シェ
ルエポキシ(株)・製、YX−4000H、融点105
℃、エポキシ当量195)
【化3】
【0020】式(4)で示されるエポキシ樹脂(日本化
薬(株)・製、NC7000、軟化点90℃、エポキシ
当量225)
【化4】
【0021】式(5)で示されるフェノール樹脂(軟化
点83℃、水酸基当量175)
【化5】
【0022】式(6)で示されるフェノール樹脂(軟化
点80℃、水酸基当量200)
【化6】
【0023】フェノールノボラック樹脂(軟化点80
℃、水酸基当量105)
【表1】
【0024】
【表2】
【0025】
【発明の効果】本発明によると、エリア実装型半導体装
置は成形後や半田処理後の反りが小さく、且つ耐半田ク
ラック性に優れる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 実施例及び比較例のエポキシ樹脂組成物の硬
化物の曲げ弾性率、硬化収縮率、及び熱収縮率の関係を
示すグラフである。

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 (A)エポキシ樹脂、(B)フェノール
    樹脂、(C)硬化促進剤、及び(D)無機充填材を主成
    分とするエポキシ樹脂組成物において、該エポキシ樹脂
    組成物を加熱硬化した硬化物の特性が、成形温度での曲
    げ弾性率をa(N/mm2)、硬化収縮率をb(%)、
    成形温度から室温までの熱収縮率をc(%)とすると
    き、a≧10R(式中、R=10×(b+c)−1であ
    る)、300≦a≦20000、0.15≦b+c≦
    0.50であることを特徴とする半導体封止用エポキシ
    樹脂組成物。
  2. 【請求項2】 硬化物の85℃、相対湿度60%の環境
    下で168時間処理後の吸湿率が、0.20重量%以下
    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】 エポキシ樹脂及び/又はフェノール樹脂
    がナフタレン骨格を有する樹脂である請求項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】 請求項1、2、又は3記載の半導体封止
    用エポキシ樹脂組成物を用いて封止してなることを特徴
    とする半導体装置。
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JP2001192532A (ja) * 2000-01-11 2001-07-17 Sumitomo Bakelite Co Ltd エポキシ樹脂組成物及び半導体装置
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