JP2001220495A

JP2001220495A - 液状エポキシ樹脂封止材及び半導体装置

Info

Publication number: JP2001220495A
Application number: JP2000030579A
Authority: JP
Inventors: Akira Motonaga; 彰元永; Takashi Mihashi; 隆史三橋; Yasuhiro Yougen; 康裕溶原
Original assignee: Mitsubishi Rayon Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Rayon Co Ltd
Priority date: 2000-02-08
Filing date: 2000-02-08
Publication date: 2001-08-14

Abstract

(57)【要約】【課題】無機充填材の配合量が多い場合であっても、
良好な流動性を有し、取り扱いに優れ、フリップチップ
実装の際に半導体素子と基板間の数十μｍのギャップに
も効率良く侵入充填できる液状封止材を提供する。【解決手段】エポキシ樹脂組成物として常温で液状の
エポキシ化合物と硬化剤を主成分とし、無機充填材とし
て、平均粒径５〜１０μｍの球状シリカが全無機充填材
量の２０〜８０重量％、平均粒径１〜３μｍの球状シリ
カが全無機充填材量の８０〜２０重量％、比表面積の理
論値に対するＢＥＴ法による測定値が２倍以下、及び、
粒径が２０μｍを越える球状シリカの割合が全無機充填
材の５重量％以下である球状シリカを使用する液状エポ
キシ樹脂封止材、並びに、その封止材を用いた半導体装
置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体の封止に使用
される液状エポキシ樹脂封止材及び該封止材により封止
された半導体装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体装置などの電子部品の封止方法と
して、セラミックスや、熱硬化性樹脂を用いる方法が、
従来より行われている。なかでも、エポキシ樹脂系封止
材による封止が、経済性及び性能のバランスより好まし
く広く行われている。

【０００３】近年の半導体装置の高機能化、高集積化等
に伴い、従来の主流であったボンディングワイヤーを用
いる方法に変わって、バンプ（突起電極）により半導体
素子と基板を電気的に接続する方法、いわゆるフリップ
チップを用いた表面実装が増加している。

【０００４】このフリップチップ実装方式の半導体装置
では、ヒートサイクル試験でバンプの接合部等にクラッ
ク等の欠陥が発生する場合がある。その為これを防止す
るために、半導体素子と基板の隙間及びバンプの周囲等
を液状のエポキシ樹脂系封止材で充填し硬化することに
より改良する方法（アンダーフィル）が行われている。

【０００５】フリップチップ実装方式の半導体装置を封
止する封止材は、耐湿信頼性、耐電気腐食性、耐ヒート
サイクル性等の特性が要求されるが、その為に、封止材
中にシリカ等の無機充填材を配合することにより吸湿率
を低下させると共に熱膨張率を低下させることにより耐
湿信頼性や耐ヒートサイクル性を向上させる方法が行わ
れている。無機充填材の配合量を増加させる程、封止材
の吸湿率の低下と熱膨張係数の低下が可能となり、耐湿
信頼性や耐ヒートサイクル性を向上できるが、一方無機
充填材の配合量を増加させる程、封止材の粘度が増加
し、流動性が著しく低下する傾向があり問題となる。特
に、フリップチップ実装においては、数十μｍ程度の半
導体素子と基板の隙間に封止材を充填する必要があるた
め、封止材には高い浸入充填性が要求される。よって、
このような封止材には、無機充填材の充填率を高くして
もなるべく粘度が高くならずに、高い侵入充填性を得る
為に、無機充填材として球状で比表面積の小さい無機粒
子が要求されている。その点から、シリカ粒子を火炎中
で溶融する方法（例えば、特開昭５８−１４５６１３号
公報）等により得た球状シリカを封止材用充填材に使用
する試みがなされている（例えば、特開平９-２３５３
５７号公報、特開平１０-５３６９４号公報）。

【０００６】しかしながら、これらの球状シリカは、比
表面積の点においてまだ十分小さいものではなかった。
また一般的に火炎溶融法によって得られる球状シリカ
は、数十μｍ程度の大粒子径の粒子を含む傾向があり数
十μｍ程度の半導体と基板の隙間に侵入充填するには問
題があった。また、表面には凹凸形状が多く、真球度に
劣るなどの点でも十分ではなかった。

【０００７】また、異なる粒径分布を有する無機充填材
を併用し液状封止材の流動性を良好にしようとする試み
も提案されている（例えば、特開平２−２２８３５４号
公報、特開平３−１７７４５０号公報、特開平５−２３
０３４１号公報、特開平４−２５３７６０、特開平５−
２０６３３３号公報等）。しかしながら、これらに開示
された方法は、使用する無機充填材の比表面積が大きか
ったり、形状が破砕状であったり、エポキシ化合物と硬
化剤などからなるエポキシ樹脂組成物の粘度が高すぎた
り、固体状であったりする理由より、液状封止材として
十分な流動性を得るに至っていない。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記問題点
を改善するために成されたもので、その目的とするとこ
ろは、無機充填材の配合量が多い場合であっても、良好
な流動性を有し、取り扱いに優れ、フリップチップ実装
の際に半導体素子と基板間の数十μｍのギャップにも効
率良く侵入充填できる液状封止材を提供することにあ
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明者等は、鋭意検討
の結果、エポキシ樹脂組成物と無機充填材を配合してな
る液状エポキシ樹脂封止材において、流動性に優れた特
定のエポキシ樹脂組成物と、特定の平均粒径及び比表面
積を有する２種の無機充填材を特定の比率で併用し、さ
らに、粗粒の量を特定量以下とすることにより、顕著に
粘度が低下し、流動性に優れる液状封止材が得られるこ
とを見いだし、上記課題を解決するに至った。

【００１０】すなわち本発明は、エポキシ樹脂組成物と
無機充填材を配合してなる液状エポキシ樹脂封止材にお
いて、エポキシ樹脂組成物として常温で液状のエポキシ
化合物と硬化剤を主成分とし、無機充填材として、平均
粒径５〜１０μｍの球状シリカを全無機充填材量の２０
〜８０重量％、平均粒径１〜３μｍの球状シリカを全無
機充填材量の８０〜２０重量％、比表面積の理論値に対
するＢＥＴ法による測定値が２倍以下、及び、粒径が２
０μｍを越える球状シリカの割合が全無機充填材の５重
量％以下である球状シリカを使用することを特徴とする
液状エポキシ樹脂封止材、並びに、その封止材を用いて
半導体素子を封止した半導体装置である。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下本発明について、詳細に説明
する。本発明の液状エポキシ樹脂封止材は、エポキシ樹
脂組成物と無機充填材を主成分とする。

【００１２】エポキシ樹脂組成物は、常温で流動性を有
する必要があり、常温で液状のエポキシ化合物と硬化剤
を主成分とする。エポキシ樹脂組成物が常温で流動性を
有することで無機充填材の球状シリカと配合しても良好
な流動性を発現し、無機充填材高配合率の液状エポキシ
樹脂封止材とすることができる。

【００１３】エポキシ化合物としては、常温で液状であ
れば特に限定するものでなく、単一成分でも、２成分以
上を混合しても良い。２成分以上を混合して使用する場
合は、混合物が常温で液状であれば良く、常温液状のエ
ポキシ化合物と、固体状のエポキシ化合物を混合したも
のでもよい。常温液状のエポキシ化合物の具体例として
は、ビスフェノールＡジグリシジルエーテル、ビスフェ
ノールＦジグリシジルエーテル、水添ビスフェノールＡ
ジグリシジルエーテル、１，４−シクロヘキサンジメタ
ノールジグリシジルエーテル、１，６−ヘキサンジオー
ルジグリシジルエーテル、ジエチレングリコールジグリ
シジルエーテル、トリメチロールプロパントリグリシジ
ルエーテル、(３’，４’−エポキシシクロヘキシル)メ
チル−３，４−エポキシシクロヘキサンカルボキシレー
ト、ε−カプロラクトン変性３，４−エポキシシクロヘ
キシルメチル３’，４’−エポキシシクロヘキサンカル
ボキシレート等を挙げることができる。硬化して得られ
る封止材硬化物の耐熱性、機械的強度の点からビスフェ
ノールＡジグリシジルエーテル、ビスフェノールＦジグ
リシジルエーテルを用いるのが好ましい。

【００１４】本発明で使用する硬化剤としては、常温で
液状のエポキシ化合物と混合した際に常温で液状となる
ものであれば特に限定されない。脂肪族ポリアミン類、
脂環式脂肪族ポリアミン類、芳香族ポリアミン類、酸無
水物類、フェノールノボラック類、ポリメルカプタン類
等を挙げることができる。特に、皮膚刺激性が少なく、
可使時間が長く、硬化物の熱特性、機械特性、電気特性
に優れる点から酸無水物類を使用するのが好ましい。酸
無水物としては、分子中に酸無水物基を１個以上有し、
液状エポキシ化合物と混合した際に液状となれば特に限
定するものでなく、単一成分でも、２成分以上を混合し
ても良い。

【００１５】酸無水物の具体例としては、ヘキサヒドロ
無水フタル酸、４−メチルヘキサヒドロ無水フタル酸、
３−メチルテトラヒドロ無水フタル酸、ドデセニル無水
コハク酸、無水メチルナジック酸、５−（２，５−ジオ
キソテトラヒドロ−３−フラニル）−３−メチル−３−
シクロヘキセン−１，２−ジカルボン酸無水物、グリセ
ロールトリスアンヒドロトリメリテート、無水ピロメリ
ット酸、無水ベンゾフェノンテトラカルボン酸、メチル
シクロヘキセンテトラカルボン酸無水物等が挙げられ
る。特に、エポキシ化合物と混合した際の流動性を考慮
して、常温で液状の単官能酸無水物である、４−メチル
ヘキサヒドロ無水フタル酸、３−メチルテトラヒドロ無
水フタル酸、ドデセニル無水コハク酸、無水メチルナジ
ック酸等が好ましい。

【００１６】エポキシ化合物と、上記単官能酸無水物及
び多官能酸無水物の配合比率は、特に限定するものでは
ないが、全エポキシ基のモル数：全酸無水物基のモル数
が、１０：１０〜１０：６の範囲になるよう配合するこ
とが好ましい。この範囲を越えて酸無水物基が多いと、
液状エポキシ樹脂封止材の硬化物の耐湿信頼性が低下す
る場合があり、酸無水物基の数がこの範囲に満たない場
合、液状エポキシ樹脂封止材の硬化物のガラス転移温度
が低下し、耐熱性が低下する場合がある。なお、本発明
で使用する硬化剤としては、１種類の硬化剤に限定する
ものではなく、例えば酸無水物類硬化剤とポリアミン
類、フェノールノボラック類硬化剤等を併用してもよ
い。

【００１７】本発明で使用される無機充填材は、平均粒
径５〜１０μｍの球状シリカ（以下、大平均粒径球状シ
リカという）を全無機充填材量の２０〜８０重量％、平
均粒径１〜３μｍの球状シリカ（以下、小平均粒径球状
シリカという）を全無機充填材量の８０〜２０重量％、
比表面積の理論値に対するＢＥＴ法による比表面積の測
定値が２倍以下、及び、粒径が２０μｍを越える球状シ
リカの割合が全無機充填材に対して５重量％以下である
球状シリカを特徴とする。

【００１８】平均粒径は、レーザー回折散乱法により測
定される値より得られる平均粒径（メディアン径）を意
味する。また、無機充填材の比表面積の理論値とは以下
の式（１）で示される。

【００１９】ＳＡ＝ＳＡ（１）×ｘ／１００＋ＳＡ（２）×ｙ／１００ …（１）

【００２０】ＳＡ：無機充填材の比表面積理論値（ｍ
^２/ｇ）ＳＡ（１）：大平均粒径球状シリカの比表面積理論値
（ｍ^２/ｇ）ＳＡ（２）：小平均粒径球状シリカの比表面積理論値
（ｍ^２/ｇ）ｘ：大平均粒径球状シリカの全無機充填材に対する配合
比率（重量％）ｙ：小平均粒径球状シリカの全無機充填材に対する配合
比率（重量％）但しｘ＋ｙ＝１００（重量％）

【００２１】また、大平均粒径球状シリカの比表面積理
論値ＳＡ（１）、小平均粒径球状シリカの比表面積理論
値ＳＡ（２）はそれぞれの平均粒径（メディアン径）を
代表径とする完全な球形と考えたときの比表面積を意味
し、以下の式（２）、（３）で示される。

【００２２】ＳＡ（１）＝６／（ｄ１×Ｄ）… （２）ＳＡ（２）＝６／（ｄ２×Ｄ）… （３）ＳＡ（１）、（２）：大平均粒径球状シリカ、小平均粒
径球状シリカの比表面積理論値（ｍ^２/ｇ）

【００２３】ｄ１：大平均粒径球状シリカの平均粒径
（μｍ）ｄ２：小平均粒径球状シリカの平均粒径（μｍ）Ｄ：球状シリカの比重（２．２）

【００２４】大平均粒径の球状シリカは、平均粒径が５
〜１０μｍである。平均粒径が５μｍ未満では、平均粒
径１〜３μｍの球状シリカと併用したときの液状封止材
の粘度低下、流動性向上の効果が損なわれる。また、平
均粒径が１０μｍを越えると、近年のフリップチップ実
装等の半導体封止における、半導体素子と基板間の数十
μｍの隙間に高い浸入充填性をもつ封止材とすることが
できない。

【００２５】小平均粒径の球状シリカは、平均粒径が１
〜３μｍである。平均粒径が１μｍ未満では、表面積が
大きくなるため液状封止材の粘度が大きくなり流動性が
低下する。また、３μｍを越えると、平均粒径５〜１０
μｍの大平均粒径の球状シリカと併用したときの粘度低
下、流動性向上の効果が損なわれる。

【００２６】配合比に関しては、大平均粒径球状シリカ
／小平均粒径球状シリカ＝８０／２０〜２０／８０（重
量％／重量％）である。この範囲より外では、併用効果
が低下する。好ましくは、大平均粒径球状シリカ／小平
均粒径球状シリカ＝７０／３０〜３０／７０（重量％／
重量％）である。

【００２７】また、無機充填材の比表面積に関しては、
比表面積の理論値に対するＢＥＴ法による比表面積の
測定値が２倍以下であることを特徴とする。倍率が２倍
を越えると液状エポキシ樹脂封止材の粘度が上昇し、十
分な流動性を得られなくなる。好ましくは、１．５倍以
下とするのがよい。

【００２８】また、無機充填材として使用する球状シリ
カは、粒径が２０μｍを越える球状シリカの割合が全無
機充填材１００重量％に対し、５重量％以下であること
が好ましく、特に１重量％以下であることが好ましい。
粒径が２０μｍを越える充填剤の割合が少ないほど、封
止すべき数１０μｍ程度の隙間への充填侵入性が良好と
なる。

【００２９】球状シリカは種々の方法により製造可能で
あるが、通常の火炎溶融法などによる方法においては、
本発明で使用されるような球状シリカの製造は困難であ
る。本発明で使用されるような球状シリカの製造は特開
平７−６９６１７号公報に示された方法によるのが良
い。すなわち、アルカリ珪酸塩水溶液を分散相として細
粒状に分散させた、油中水滴型（Ｗ／Ｏ型）エマルショ
ンと、鉱酸水溶液を分散相として細粒状に分散させた、
油中水滴型（Ｗ／Ｏ型）エマルションとを混合して球状
シリカゲルを生成させ、得られた球状シリカゲルを鉱酸
で処理して得た球状含水シリカを乾燥後、焼成して得る
方法である。得られた、球状シリカは必要に応じシラン
カップリング剤による表面処理を施しても良い。

【００３０】無機充填材の配合量については、特に限定
するものではないが、無機充填材の配合量が少なくなる
と無機充填材の配合効果が低下するので望ましくない。
また、配合量が多くなると封止材の粘度が増加し、流動
性が著しく低下する。好ましい範囲は、封止材全体１０
０重量％に対して無機充填材の配合量が４０〜９０重量
％である。さらに好ましくは５０〜８０重量％とするの
がよい。

【００３１】本発明の液状封止樹脂には、必要に応じ
て、硬化促進剤、可塑剤、顔料、カップリング剤、界面
活性剤、レベリング剤、消泡剤等を配合してもよい。本
発明で使用することができる硬化促進剤としては特に限
定するものではなく、例えば、１−シアノエチル−２−
エチル−４−メチルイミダゾール、２−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
ール等のイミダゾール化合物、トリフェニルホスフィ
ン、トリブチルホスフィン等の有機ホスフィン化合物、
トリエチレンジアミン、ベンジルジメチルアミン等の三
級アミン化合物、トリアゾール化合物、有機金属錯塩、
有機酸金属塩、四級アンモニウム塩等が挙げられる。こ
れらは単独で用いても、２種類以上を併用してもよい。
なお、イミダゾール化合物を用いると、液状封止樹脂の
硬化物の耐熱性が向上して好ましい。

【００３２】可塑剤としては、シリコーン系ポリマー、
アクリル系ポリマー等を挙げることができる。また、顔
料としては例えば、カーボン、酸化チタン等が挙げられ
る。カップリング剤としては例えば、シラン系カップリ
ング剤、チタネート系カップリング剤等を挙げることが
できる。界面活性剤としては例えば、ポリエチレングリ
コール脂肪酸エステル、ソルビタン脂肪酸エステル、脂
肪酸モノグリセリド等が挙げられる。

【００３３】

【実施例】本発明をさらに実施例で説明する。実施例、
比較例に用いた無機充填材を、表１に示した。表１中の
形状、平均粒径測定、ＢＥＴ法による比表面積測定、粒
径２０μｍを越える無機充填材の割合の測定は以下の方
法に従い行った。形状：走査型電子顕微鏡により観察した。平均粒径測定：コールター社のレーザー回折散乱法粒径
測定装置ＬＳ−１３０型により測定した。ＢＥＴ法比表面積測定：日機装（株）ベーターソーブ自
動表面積計ＭＯＤＥＬ４２００型により測定した。粒径が２０μｍを越える球状シリカの割合の測定：１０
００ｍｌのビーカーに、球状シリカ５０ｇ、純水４５０
ｇを入れ混合した。このビーカーを５分間超音波処理を
行ない、径２０ｃｍの篩（６３５メッシュ、ＪＩＳＺ
８８０１）に少量ずつ投入した。篩いながら、洗瓶より
の純水で篩上を十分洗い流した後、篩上に残った球状シ
リカを秤量瓶に移し乾燥機で１５０℃１２時間以上乾燥
した後デシケーター内で放冷した後、重量を測定した。
得られた篩上の残存球状シリカ重量を初期重量（５０
ｇ）に対する割合（重量％）で表した。

【００３４】また、実施例、比較例で行なった評価方法
は以下の方法に従った。粘度：東機産業（株）製のＥ型粘度計ＲＥ８０Ｒ型にて
２５℃での粘度測定を行なった。流動性評価：図１に示すような評価装置（５０μｍ厚の
ステンレス箔１をスライドガラス２上に１５ｍｍの間隔
をおいて設け、この間にまたがるようにカバーガラス３
を置いた後、粘着テープ４を用いて、ステンレス箔１及
びカバーガラス３を、スライドガラス２に固定したも
の）を作製し乾燥機中で１００℃に加熱し保温する。次
いでカバーガラス３とスライドガラス２との間の５０μ
ｍ厚の隙間の一方に実施例、比較例で得た液状エポキシ
封止材５を塗布し、隙間に１０ｍｍ浸入する時間（秒）
を測定し流動性の指標とした。なお、３００秒加熱して
も１０ｍｍ浸入しないものは不合格（×）とした。硬化性評価：流動性を評価した後のサンプル（図１の評
価装置に液状封止樹脂を侵入したもの）を乾燥機で１５
０℃で２時間加熱し液状エポキシ封止材の硬化度合いを
評価した。硬化した封止材に指で触れて、タックのない
ものを良好（○）。タックのあるものを不良（×）とし
た。

【００３５】実施例１〜７及び比較例１〜１９エポキシ化合物としてビスフェノールＦジグリシジルエ
ーテル（東都化成（株）製、商品名ＹＤＦ−８１７０
Ｃ、エポキシ当量１５８．５ｇ／eｑ）１００ｇ、硬化
剤として３−メチルテトラヒドロ無水フタル酸（新日本
理化（株）製、商品名リカシッドＭＴ−５００、分子量
１６２）を１０４ｇをよく攪拌した。さらに無機充填材
１と無機充填材２を表２に示した比に従って混合した無
機充填材を、エポキシ化合物と硬化剤、無機充填材混合
物に対し配合率７０重量%（但し、エポキシ化合物、硬
化剤、無機充填材の合計量を１００重量％とする）にな
るように配合し均一になるまでよく混合した。さらに硬
化促進剤として１−シアノエチル−２−エチル−４−メ
チルイミダゾール（四国化成（株）製、商品名２Ｅ４Ｍ
Ｚ−ＣＮ）を０．５０g添加し、よく混合し液状エポキ
シ樹脂封止材を得た。得られた封止材の粘度測定、流動
性、硬化性の評価を行った結果と、用いた混合無機充填
材について別途ＢＥＴ法により比表面積を測定した結果
を表２に示した。

【００３６】実施例１〜７で得られた封止材は、無機充
填材を混合しない場合の比較例１（無機充填材Ａ１０
０重量％）、比較例２（無機充填材Ｂ１００重量％）、
比較例４（無機充填材Ｄ１００重量％）、比較例５（無
機充填材Ｅ１００重量％）に比較して格段の低粘度と良
好な流動性を示した。また、硬化性の評価を行ったとこ
ろいずれも良好な硬化性を示した。

【００３７】本発明の規定する範囲からはずれる比較例
１〜１９で得られた封止材は、実施例に比較して高粘度
であり流動性に劣っていた。

【表１】

【表２】

【００３８】

【発明の効果】本発明の請求項１に係る液状エポキシ樹
脂封止材は、常温で液状のエポキシ化合物と酸無水物を
主成分とし、無機充填材として、特定の平均粒子径を有
する大小２種類の球状シリカを併用し、特定の比表面積
とし、かつ、粗粒の量を特定量以下とすることにより低
粘度で、流動性に優れた液状封止材とすることができ
る。得られる液状エポキシ樹脂封止材を用いると、フリ
ップチップ実装におけるような数十μｍの隙間へも効率
よく短時間で侵入充填でき、気泡が残留しにくい優れた
液状封止樹脂となることが期待できる。また、この液状
エポキシ樹脂封止材で封止された請求項２に係る半導体
装置は、気泡の残留が少ない半導体装置となることが期
待できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の流動性の測定方法を説明す
る斜視図。

【符号の説明】

１ステンレス箔（厚み５０μｍ）２スライドガラス３カバーガラス４粘着テープ５液状エポキシ樹脂封止材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０１Ｌ 23/31 Ｆターム(参考） 4J002 CD001 CD011 CD021 CD051 EL136 EN037 EU117 EW017 FD157 GQ05 4M109 AA01 BA04 CA05 EA03 EB02 EB13 EC20

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】エポキシ樹脂組成物と無機充填材を配合
してなる液状エポキシ樹脂封止材において、エポキシ樹
脂組成物として常温で液状のエポキシ化合物と硬化剤を
主成分とし、無機充填材として、平均粒径５〜１０μｍ
の球状シリカが全無機充填材量の２０〜８０重量％、平
均粒径１〜３μｍの球状シリカが全無機充填材量の８０
〜２０重量％、比表面積の理論値に対するＢＥＴ法によ
る測定値が２倍以下、及び、粒径が２０μｍを越える球
状シリカの割合が全無機充填材の５重量％以下である球
状シリカを使用することを特徴とする液状エポキシ樹脂
封止材。
【請求項２】請求項１記載の液状エポキシ樹脂封止
材を用いて、半導体素子を封止してなる半導体装置。