JP2002284844A - エポキシ樹脂組成物及び半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 流動性、硬化性に優れ、成形後や半田処理時
の反りが小さく、耐半田クラック性に優れた特性を有す
る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）１，５−ジヒドロシキナフタレン
とエピクロルヒドリン及びβ−メチルエピクロルヒドリ
ンとを反応して得られる結晶性エポキシ樹脂、（Ｂ）フ
ェノール樹脂、（Ｃ）硬化促進剤及び（Ｄ）無機充填材
からなることを特徴とする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、成形性に優れた半
導体封止用エポキシ樹脂組成物及び耐半田クラック性に
優れ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、高機
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
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、ボールグリッドアレイ（以下、ＢＧＡとい
う）、あるいは更に小型化を追求したチップサイズパッ
ケージ（以下、ＣＳＰという）等が代表的であるが、こ
れらは従来の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、ビスマレイミド・トリアジン（以下、ＢＴとい
う）樹脂／銅箔回路基板に代表される硬質回路基板、あ
る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
合を行うとい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。ごく希に、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、ある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。又、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、この際にも半導
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が起こる。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、基板の線
膨張係数とエポキシ樹脂組成物の硬化物の線膨張係数を
近づけること、及びエポキシ樹脂組成物の成形・硬化時
の硬化収縮量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線膨張係数α１（以下、α１とい
う）の領域のみで収縮するので、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あ
り、更に硬化収縮量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、トリフェノールメタン型エ
ポキシ樹脂とトリフェノールメタン型フェノール樹脂と
の組合せによりＴｇを高くし、無機充填材の配合量でα
１を合わせる手法が既に提案されている。

【０００４】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硬化物の高強度化、低
応力化、低吸湿化とともに、有機基板との高密着性も求
められる。従来のＢＧＡやＣＳＰ等のエリア実装型半導
体装置には、反りの低減のためにトリフェノールメタン
型エポキシ樹脂とトリフェノールメタン型フェノール樹
脂を樹脂成分とするエポキシ樹脂組成物が用いられてき
た。このエポキシ樹脂組成物は、Ｔｇが高く、硬化性、
熱時曲げ強度に優れた特性を有しているが、硬化物の吸
湿率が高く、又エポキシ樹脂組成物の溶融粘度が比較的
高く、無機充填材の高充填化には限界があり、低吸湿化
が不十分で、耐半田クラック性には問題があった。一
方、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を使用しているが、トリフェノー
ルメタン型エポキシ樹脂を用いたエポキシ樹脂組成物の
硬化物と比較してＴｇが低いため成形温度から室温まで
の冷却課程における収縮が大きくなり半導体装置の反り
が大きく、且つ硬化が遅いのが問題であった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、成形時の流
動性に優れた半導体封止用エポキシ樹脂組成物及び半田
処理時の反りが小さく、耐半田クラック性に優れたエリ
ア実装型半導体装置を提供するものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、［１］（Ａ）
式（１）で示される１，５−ジヒドロシキナフタレンと
エピクロルヒドリン及びβ−メチルエピクロルヒドリン
とを反応して得られる結晶性エポキシ樹脂、（Ｂ）フェ
ノール樹脂、（Ｃ）硬化促進剤及び（Ｄ）無機充填材か
らなることを特徴とするエポキシ樹脂組成物、

【化３】

【０００７】［２］フェノール樹脂が、式（２）で示さ
れるナフトールアラルキル樹脂である第［１］項記載の
エポキシ樹脂組成物、

【化４】 （ｎは平均値で、１〜７の正数）

【０００８】［３］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
面のみが第［１］項又は［２］項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エリア実
装型半導体装置、である。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明に用いる式（１）で示され
る１，５−ジヒドロシキナフタレンとエピクロルヒドリ
ン及びβ−メチルエピクロルヒドリンとを反応して得ら
れる結晶性エポキシ樹脂は、１分子中に２個のエポキシ
基を有する２官能性エポキシ樹脂で、従来の多官能性エ
ポキシ樹脂に比べ、溶融粘度が低く流動性に優ている。
従って無機充填材を多く配合することができ、エポキシ
樹脂組成物の硬化物の低熱膨張化及び低吸湿化が図ら
れ、耐半田クラック性が向上する。又従来のビフェニル
型エポキシ樹脂に比べて立体障害が少なく、かつ剛直な
ナフタレン骨格を有するため硬化性や耐熱性の点で優れ
ている。更に低熱膨張による半導体装置の反りの低減も
図られる。

【００１０】前記エポキシ樹脂を得るためのエポキシ化
剤としては、エピクロルヒドリン又はβ-メチルエピク
ロルヒドリンを単独で使用した場合、１，５−ジヒドロ
キシナフタレンのエポキシ化物は結晶性が強すぎて反応
中の溶剤溶解性が悪く反応中に激しく結晶化して不溶化
する。析出物を単離精製して得られた結晶物の融点は１
７０℃以上で封止材分野では使用できない。本発明での
エピクロルヒドリン及びβ-メチルエピクロルヒドリン
を併用することによって反応中の溶剤溶解性が大幅に改
善される。なかでもエピクロルヒドリン／β-メチルエ
ピクロルヒドリン＝３０／７０（モル比率）の混合比率
においては全反応工程において、結晶化は観察されなか
った。得られたエポキシ樹脂の融点は１２７℃で封止材
分野への適用が可能な範囲内である。エピクロルヒドリ
ンとβ-メチルエピクロルヒドリンのモル比率は、３０
／７０が最も好ましく、これからはずれるとエポキシ樹
脂の融点が高くなり、封止材料不適となるおそれがあ
る。このようにして得られたエポキシ樹脂の特性を損な
わない範囲で、他のエポキシ樹脂を併用できる。併用で
きるエポキシ樹脂としては、例えば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、ビフェ
ニル型エポキシ樹脂、ジシクロペンタジエン型エポキシ
樹脂、トリフェノールメタン型エポキシ樹脂、ナフタレ
ン環含有エポキシ樹脂、ヒドロキノ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良い。

【００１１】本発明で用いるフェノール樹脂としては、
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、ジシクロペンタジエン変性フェノール樹脂、フ
ェノールアラルキル樹脂、式（２）で示されるα−ナフ
トールアラルキル樹脂、テルペン変性フェノール樹脂、
トリフェノールメタン化合物等が挙げられ、これらの内
では式（２）で示されるα−ナフトールアラルキル樹脂
が好ましく、これらは単独でも混合して用いても良い。
式（２）で示されるα−ナフトールアラルキル樹脂は、
剛直なα−ナフトール骨格を１分子中に少なくとも２個
以上有するため、エポキシ樹脂組成物の硬化物の吸湿率
が低くなるという特徴を有している。更にβ−ナフトー
ル骨格を有する樹脂と比較して、硬化時のエポキシ樹脂
組成物の硬化収縮量が小さく、接着強度の低下或いは硬
化物のＴｇの低下等が起こりにくく、このため成形時の
収縮が小さいことから半導体装置の反りが小さくなると
いう特徴を有している。（式（２）中のｎは、平均値で
１〜７の正数が好ましい。１未満だとエポキシ樹脂との
反応性が十分でなく、硬化性に劣るので好ましくない。
７を越えると、流動性が低下し、成形性が劣化する傾向
があるので好ましくない。

【００１２】本発明で用い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。例えば溶融破砕シリカ、溶
融球状シリカ、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等が挙げら
れ、特に溶融球状シリカが好ましい。球状シリカの形状
としては、流動性改善のために限りなく真球状であり、
且つ粒度分布がブロードであることが好ましい。無機充
填材の含有量としては、全エポキシ樹脂と全フェノール
樹脂との合計量１００重量部当たり３００〜１４００重
量部が好ましい。３００重量部未満だと、低熱膨張化、
低吸湿性が得られず、半導体装置の反りが大きく、耐半
田クラック性が不十分となり、１４００重量部を越える
と、流動性が低下し、成形時に充填不良等が生じたり、
高粘度化による半導体装置内の金線変形等の不都合が生
じるおそれがあ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、酸化ビスマス水
和物等の無機イオン交換体、γ-グリシドキシプロピル
トリメトキシシラン等のカップリング剤、カーボンブラ
ック、ベンガラ等の着色剤、シリコーンオイル、シリコ
ーンゴム等の低応力化成分、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、酸化防止剤等の各種添加剤を適宜配合しても
差し支えない。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を用いて
常温混合し、ロール、ニーダー、押出機等の混練機で溶
融混練し、冷却後粉砕して得られる。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
ルド等の成形方法で硬化成形すればよい。本発明のエポ
キシ樹脂組成物は、特にエリア実装型半導体装置用に適
している。

【００１４】

【実施例】以下に、本発明を製造例、実施例及びその比
較例を挙げて詳細に説明するが、本発明はこれらの実施
例により何ら限定されるものではない。尚結晶性エポキ
シ樹脂の融点は、ＤＳＣ（昇温速度３℃／分）で測定し
た。又エポキシ樹脂中のβ−置換グリシジルオキシ基と
β−非置換グリシジルオキシ基のそれぞれの基の含有濃
度比率（当量比率）は¹³Ｃ−ＮＭＲで測定したピーク強
度比率から算出した。又溶融粘度は、５０Ｈｚの基にお
いてＲｅｓｅａｒｃｈＥｑｕｉｐｍｅｎｔ ＬＴＤ．
製、ＩＣＩＣＯＮＥ＆ＰＬＡＴＥ ＶＩＳＣＯＭＥＴＥ
Ｒで測定した。全塩素含有量は、次の測定法で測定し
た。エポキシ樹脂約０．３ｇ前後を精秤しｎ−ブチルア
ルコール２０ｍｌに溶解後、金属ナトリウム１ｇを添加
し、１２０℃で３時間加熱処理をする。それを硝酸銀水
溶液を用い滴定し、その滴定量から全塩素含有量を算出
した。

【００１５】〔エポキシ樹脂（１）の製造例〕攪拌機、
温度計、冷却器付きデカンターを付した４つ口フラスコ
に１，５−ジヒドロキシナフタレン１６０ｇ（１モル）
にエピクロルヒドリン１９４ｇとβ−メチルエピクロル
ヒドリン５２２ｇを入れ溶解する。それに減圧下、７０
℃で４８重量％苛性ソーダ水溶液１６７ｇを３時間かけ
て攪拌しながら滴下した。その間エピクロルヒドリンと
β−メチルエピクロルヒドリンと水を蒸留し、デカンタ
ーで冷却し凝縮したエピクロルヒドリン及びβ−メチル
エピクロルヒドリンと水を分離し、エピクロルヒドリン
及びβ−メチルエピクロルヒドリンをフラスコ内に戻し
続けた。更に滴下終了後、３０分間攪拌を続けた後、常
圧に戻した。その後水を１８０ｇ加え静置した。下層の
食塩水を除去し、エピクロルヒドリン及びβ−メチルエ
ピクロルヒドリンを１５０℃で蒸留回収した後、粗樹脂
にメチルイソブチルケトン４００ｇを加え、更に３重量
％苛性ソーダ水溶液２００ｇを加え８０℃にて３時間攪
拌した。そして下層の水層を除去した。その後、更にメ
チルイソブチルケトン層を水２００ｇで水洗し、水を除
去した後、脱水、濾過を経てメチルイソブチルケトンを
１５０℃で脱溶剤して目的のエポキシ樹脂（１）２４５
ｇを得た。この反応工程中、全く結晶化は認められなか
った。得られたエポキシ樹脂（１）は結晶の性状を有
し、融点が１２８℃、１５０℃での溶融粘度が０．０５
ポイズ、エポキシ当量は１６４ｇ/ｅｑ、全塩素量が４
９０ｐｐｍであった。又グリシジル基については（β−
メチル置換）／（β−非置換）＝４７／５３（当量比）
の割合であった。又ナフタレン骨格１個のエポキシ化物
の含有量は８１重量％であった。実施例及び比較例で用
いたエポキシ樹脂、フェノール樹脂の略号及び構造を、
まとめて以下に示す。

【００１６】・エポキシ樹脂（１）：式（３）で示され
るエポキシ樹脂を主成分とする樹脂（融点１２８℃、エ
ポキシ当量：１６４ｇ／ｅｑ）

【化５】

【００１７】・エポキシ樹脂（２）：式（４）で示され
るエポキシ樹脂を主成分とする樹脂（融点１０５℃、エ
ポキシ当量：１８５ｇ／ｅｑ）

【化６】

【００１８】・エポキシ樹脂（３）：式（５）で示され
るエポキシ樹脂（軟化点５９℃、エポキシ当量：１７１
ｇ／ｅｑ）

【化７】

【００１９】・フェノール樹脂（１）：式（６）で示さ
れるフェノール樹脂（軟化点７０℃、水酸基当量１７０
ｇ／ｅｑ）

【化８】

【００２０】・フェノール樹脂（２）：式（７）で示さ
れるフェノール樹脂（軟化点８７℃、水酸基当量２１０
ｇ／ｅｑ）

【化９】

【００２１】・フェノール樹脂（３）：式（８）で示さ
れるフェノール樹脂（軟化点１１０℃、水酸基当量９８
ｇ／ｅｑ）

【化１０】

【００２２】エポキシ樹脂組成物の製造例 配合割合は重量部とする。 実施例１ エポキシ樹脂１ ５．３５重量部 フェノール樹脂（１） ５．６０重量部 トリフェニルホスフィン ０．１５重量部 溶融球状シリカ（平均粒径１５μｍ） ８８．００重量部 γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン ０．３０重量部 カーボンブラック ０．３０重量部 カルナバワックス ０．３０重量部 を、常温でミキサーを用いて混合し、７０〜１２０℃で
２本ロールを用いて混練し、冷却後粉砕してエポキシ樹
脂組成物を得た。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。

【００２３】・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、金型温
度１７５℃、注入圧力７０ｋｇ／ｃｍ²、硬化時間２分
で測定した。単位はｃｍ。 ・硬化トルク：キュラストメータ（（株）オリエンテッ
ク・製、ＪＳＲキュラストメータＩＶＰＳ型）を用い、
金型温度１７５℃、加熱開始９０秒後のトルクを求め
た。キュラストメータにおけるトルクは硬化性のパラメ
ータであり、数値の大きい方が硬化性が良好である。単
位はＮ・ｍ。 ・吸湿率：トランスファー成形機を用いて、金型温度１
７５℃、注入圧力７５ｋｇ／ｃｍ²、硬化時間２分で直
径５０ｍｍ、厚さ３ｍｍの円盤を成形し、１７５℃、８
時間で後硬化し、更に８５℃、相対湿度６０％の環境下
で１６８時間放置し、重量変化を測定して吸湿率を求め
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７５ｋｇ／ｃｍ²、硬化時
間２分で２２５ｐＢＧＡ（基板は厚さ０．３６ｍｍ、ビ
スマレイミド・トリアジン／ガラスクロス基板、パッケ
ージサイズは２４×２４ｍｍ、厚さ１．１７ｍｍ、シリ
コンチップはサイズ９×９ｍｍ、厚さ０．３５ｍｍ、チ
ップと回路基板のボンディングパッドとを２５μｍ径の
金線でボンディングしている。）を成形し、１７５℃、
８時間で後硬化した。室温に冷却後、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μｍ。 ・耐半田クラック性：トランスファー成形機を用いて、
金型温度１７５℃、注入圧力７５ｋｇ／ｃｍ²、硬化時
間２分で２２５ｐＢＧＡ（基板は厚さ０．３６ｍｍ、ビ
スマレイミド・トリアジン／ガラスクロス基板、パッケ
ージサイズは２４×２４ｍｍ、厚さ１．１７ｍｍ、シリ
コンチップはサイズ９×９ｍｍ、厚さ０．３５ｍｍ、チ
ップと回路基板のボンディングパッドとを２５μｍ径の
金線でボンディングしている。）を成形し、１７５℃、
８時間で後硬化した。得られたパッケージ１０個を、６
０℃、相対湿度６０％の環境下で１２０時間放置、もし
くは８５℃、相対湿度６０％の環境下で１６８時間放置
した後、ＩＲリフロー処理（２４０℃）を行った。処理
後の内部の剥離、及びクラックの有無を超音波探傷機で
観察し、不良パッケージの個数を数えた。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。

【００２４】実施例２〜４、比較例１〜６ 表１、表２の配合に従って、実施例１と同様にエポキシ
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。尚、実施例３、比較例３に用いた
フェノールノボラック樹脂の水酸基当量は１０４ｇ／ｅ
ｑである。

【表１】

【００２５】

【表２】

【００２６】

【発明の効果】本発明は、成形時の硬化性，流動性に優
れた半導体封止用エポキシ樹脂組成物で、これを用いた
半導体装置は、成形後や半田処理時の反りが小さく、耐
半田クラック性に優れ、特にエリア実装型半導体装置と
して最適である。

───────────────────────────────────────────────────── 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 CC033 CC043 CD022 CD031 CD032 CD052 CD072 CE003 DE136 DE146 DJ016 FD016 FD143 GQ05 4J036 AC01 AC02 AD07 AE05 AF06 AF08 AF15 AJ08 FA03 FA05 FB06 FB08 JA07 4M109 AA01 EA03 EB03 EB04 EB12 EC05

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 （Ａ）式（１）で示される１，５−ジヒ
   ドロシキナフタレンとエピクロルヒドリン及びβ−メチ
   ルエピクロルヒドリンとを反応して得られる結晶性エポ
   キシ樹脂、（Ｂ）フェノール樹脂、（Ｃ）硬化促進剤及
   び（Ｄ）無機充填材からなることを特徴とするエポキシ
   樹脂組成物。 【化１】
2. 【請求項２】 フェノール樹脂が、式（２）で示される
   ナフトールアラルキル樹脂である請求項１記載のエポキ
   シ樹脂組成物。 【化２】 （ｎは平均値で、１〜７の正数）
3. 【請求項３】 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又は２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エリア実装型半導体装
   置。