JP2002173578A

JP2002173578A - エポキシ樹脂組成物及び半導体装置

Info

Publication number: JP2002173578A
Application number: JP2000368165A
Authority: JP
Inventors: Daisuke Oka; 大祐岡
Original assignee: Sumitomo Bakelite Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Bakelite Co Ltd
Priority date: 2000-12-04
Filing date: 2000-12-04
Publication date: 2002-06-21

Abstract

(57)【要約】【課題】成形後や半田処理後の反りが小さく、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】（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、及び
（Ｅ）一般式（１）で示される化合物を必須成分とする
エポキシ樹脂組成物において、一般式（１）で示される
化合物が全エポキシ樹脂組成物中に０．１０〜０．４０
重量％であり、無機充填材が全エポキシ樹脂組成物中に
８０〜９４重量％であることを特徴とするエリア実装型
半導体封止用エポキシ樹脂組成物。［ＣＨ₃（ＣＨ₂）_nＣＯＯＣ₂Ｈ₄］₂ＮＨ（１）（式中、ｎは２７〜３１の整数）

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、
ＳＯＰ等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
物の成形硬化時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。よって、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、更に成形硬化時の硬化
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
の界面の剥離やクラックが発生する。従来のＱＦＰやＳ
ＯＰ等の表面実装型半導体装置では、半田実装時のクラ
ックや各素材との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、且つ低吸湿化を図る対策がとられてき
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、成形後や半
田処理後の反りが小さくエリア実装型半導体封止用に適
した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、及び（Ｅ）一般式（１）で示される
化合物を必須成分とするエポキシ樹脂組成物において、
一般式（１）で示される化合物が全エポキシ樹脂組成物
中に０．１０〜０．４０重量％であり、無機充填材が全
エポキシ樹脂組成物中に８０〜９４重量％であることを
特徴とするエリア実装型半導体封止用エポキシ樹脂組成
物、及び基板の片面に半導体素子が搭載されこの半導体
素子が搭載された基板面側の実質的に片面のみが前記エ
ポキシ樹脂組成物によって封止されていることを特徴と
する半導体装置である。［ＣＨ₃（ＣＨ₂）_nＣＯＯＣ₂Ｈ₄］₂ＮＨ（１）（式中、ｎは２７〜３１の整数）

【０００８】

【発明の実施の形態】本発明者は、エポキシ樹脂組成物
において、成形硬化時の硬化収縮と、成形温度から室温
までの熱収縮を小さくすることが、反りの低減に必要で
あると考え、鋭意検討を進めた結果、特定のワックスを
使用したエポキシ樹脂組成物が、成形硬化時の硬化収縮
が小さく、エリア実装型半導体装置での反りの低減に優
れることを見出し、本発明を完成するに至った。

【０００９】本発明に用いられるエポキシ樹脂は、１分
子内に２個以上のエポキシ基を有するモノマー、オリゴ
マー、及びポリマー全般を言う。例えば、オルソクレゾ
ールノボラック型エポキシ樹脂、フェノールノボラック
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、ト
リフェノールメタン型エポキシ樹脂、フェノールアラル
キル型エポキシ樹脂、ナフトール型エポキシ樹脂、アル
キル変性トリフェノールメタン型エポキシ樹脂、トリア
ジン核含有エポキシ樹脂、ジシクロペンタジエン変性フ
ェノール型エポキシ樹脂等が挙げられ、これらは単独で
も二種類以上を混合して用いてもよい。これらの内で
は、特に、溶融粘度が低く、無機充填材を高充填化する
ことができ、ひいてはエポキシ樹脂組成物の低吸湿化が
可能となり、耐半田クラック性を向上できる結晶性エポ
キシ樹脂が好ましい。

【００１０】本発明に用いられるフェノール樹脂は、１
分子内に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、及びポリマー全般を言う。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、
フェノールアラルキル樹脂、ナフトールアラルキル樹
脂、トリフェノールメタン樹脂、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、これらは単独でも二種類以上を混合して用い
てもよい。

【００１１】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。これらは単独でも二種類以上を混合して用い
てもよい。

【００１２】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。この無機充填材の含有量としては、成形性、信
頼性のバランスから全エポキシ樹脂組成物中に８０〜９
４重量％が好ましい。８０重量％未満だと、成形硬化時
の硬化収縮及び成形温度から室温までの熱収縮が増大す
るため反りが大きくなり、又、吸湿率が増大するため耐
半田クラック性が低下するので好ましくない。９４重量
％を越えると、流動性が低下し、成形性が悪くなるので
好ましくない。又、必要に応じて無機充填材をカップリ
ング剤やエポキシ樹脂、或いはフェノール樹脂硬化剤等
で予め処理して用いても良く、処理の方法としては、例
えば、溶剤を用いて混合した後に溶媒を除去する方法
や、直接無機充填材に添加し、混合機を用いて処理する
方法等がある。

【００１３】本発明で用いられる一般式（１）で示され
る化合物（ジエタノールアミン−モンタン酸ワックス）
は、従来離型剤として使用されてきたが、新たにエリア
実装型半導体装置の反りを低減する効果が見出された。
一般式（１）で示される化合物の含有量としては、全エ
ポキシ樹脂組成物中に０．１０〜０．４０重量％が好ま
しい。０．１０重量％未満だと反りの低減効果が低く、
０．４０重量％を越えると硬化性や成形品の外観等の成
形性に不具合を生じ、又、密着性の低下によりクラック
性が低下するので好ましくない。本発明のエポキシ樹脂
組成物は、硬化性等の成形性を損なわない程度で、例え
ば、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を併用してもよ
く、これらは単独でも二種類以上を混合して用いてもよ
い。

【００１４】本発明のエポキシ樹脂組成物は、（Ａ）〜
（Ｅ）成分の他、必要に応じて無機イオン交換体、カッ
プリング剤、カーボンブラックに代表される着色剤、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、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）〜（Ｅ）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。特に、本発明のエポキ
シ樹脂組成物は、エリア実装型半導体装置用に適してい
る。

【００１５】

【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ビフェニル型エポキシ樹脂（融点１０５℃、エポキシ当量１８５）６．４０重量部フェノールノボラック樹脂（軟化点８１℃、水酸基当量１０５）４．００重量部球状溶融シリカ（平均粒径１５μｍ）８７．０５重量部トリフェニルホスフィン０．１５重量部ワックス１：［ＣＨ₃（ＣＨ₂）₂₉ＣＯＯＣ₂Ｈ₄］₂ＮＨ０．２０重量部カルナバワックス０．２０重量部カーボンブラック０．３０重量部臭素化フェノールノボラック型エポキシ樹脂（エポキシ当量２７３）１．００重量部三酸化アンチモン１．００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。

【００１６】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６．９ＭＰａ、硬化時間１２０秒で測定した。
単位はｃｍ。ショアＤ硬度：金型温度１７５℃、注入圧力６．９ＭＰ
ａ、硬化時間１２０秒で成形し、型開き１０秒後に測定
したショアＤ硬度の値を硬化性とした。ショアＤ硬度は
硬化性の指標であり、数値が大きい方が硬化性が良好で
ある。パッケージ反り量（半田処理前）：トランスファー成形
機を用いて、金型温度１７５℃、注入圧力６．９ＭＰ
ａ、硬化時間９０秒で、２２５ｐＢＧＡ（厚さ０．３６
ｍｍＢＴ樹脂基板、チップサイズ１２ｍｍ×１２ｍｍ×
厚さ０．３５ｍｍ、パッケージサイズ２４ｍｍ×２４ｍ
ｍ、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パッケージ
反り量とした。単位はμｍ。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。パッケージ反り量（半田処理後）：前記の２２５ｐＢＧ
Ａを成形し、１７５℃、２時間で後硬化してサンプルを
得た。６０℃、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。室温まで冷却後、不良発生のないパッケージを選
んで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パッケー
ジ反り量とした。単位はμｍ。

【００１７】実施例２〜５、比較例１〜４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、フェノール樹脂の性状を以下に示す。ジ
シクロペンタジエン型エポキシ樹脂（軟化点５３℃、エ
ポキシ当量２４４）、ナフトールアラルキル樹脂（軟化
点８７℃、水酸基当量２１０）。

【表１】

【００１８】

【表２】

【００１９】

【発明の効果】本発明に従うと、エリア実装型半導体封
止用に適したエポキシ樹脂組成物が得られ、これを用い
た半導体装置は、成形後や半田処理後の反りが小さい。

───────────────────────────────────────────────────── 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 CC042 CC052 CD041 CD051 CD061 CD141 CE002 DE137 DE147 DJ017 DJ037 DJ047 EN026 EN098 EU136 EW016 EW176 FD017 FD142 FD156 GQ05 4J036 AB02 AC18 AD07 AD08 AD10 AE05 AE07 AF05 AF06 AF08 DC04 DC16 DC41 DC46 DD07 FA01 FB06 FB07 GA04 JA07 4M109 AA01 BA01 BA03 CA21 DB15 EA02 EB03 EB04 EB12 EB18 EC20

Claims

【特許請求の範囲】

【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、及び
（Ｅ）一般式（１）で示される化合物を必須成分とする
エポキシ樹脂組成物において、一般式（１）で示される
化合物が全エポキシ樹脂組成物中に０．１０〜０．４０
重量％であり、無機充填材が全エポキシ樹脂組成物中に
８０〜９４重量％であることを特徴とするエリア実装型
半導体封止用エポキシ樹脂組成物。［ＣＨ₃（ＣＨ₂）_nＣＯＯＣ₂Ｈ₄］₂ＮＨ（１）（式中、ｎは２７〜３１の整数）
【請求項２】基板の片面に半導体素子が搭載され、こ
の半導体素子が搭載された基板面側の実質的に片面のみ
が請求項１記載のエポキシ樹脂組成物によって封止され
ていることを特徴とする半導体装置。