JP2003064154A - エポキシ樹脂組成物の製造法及び半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 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エポキシ樹脂組成物を
提供すること。 【解決手段】（Ａ）ビフェニル型エポキシ樹脂を３０〜
１００重量％含むフェノール樹脂、（Ｃ）球状無機充填
材を全エポキシ樹脂組成物中８０〜９０重量％含む球状
無機充填材、（Ｄ）硬化促進剤及び（Ｅ）ゴム粒子より
なるエポキシ樹脂組成物の製造方法において、前記ゴム
粒子とエポキシ樹脂及び／又はフェノール樹脂の全部或
いは一部と予め混合した後、該ゴム粒子混合物と前記の
残余の各成分を混練することを特徴とする半導体封止用
エポキシ樹脂組成物の製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、成形後や半田処理
時の反りが小さい特性を有する半導体封止用エポキシ樹
脂組成物の製造方法及びエリア実装型半導体装置に関す
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中で、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
としてはボールグリッドアレイ（以下ＢＧＡという）、
或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）が代表的であるが、これらは従来
ＱＦＰ、ＳＯＰ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考案されている。

【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。極まれに、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
は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により、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、エポキシ樹脂組成物の硬
化収縮を小さくすること、及び低応力化が重要である。
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）の樹
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
脂組成物もＴｇが高く、且つα１が回路基板と同じであ
り、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、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
基板からの吸水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することも
あり、硬化物の高強度化、低応力化、低吸水化ととも
に、基板との高密着も求められる。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でのひずみ応
力の増大にる剥離や半導体装置のクラックが発生する。

【０００６】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化且つ低吸水
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。

【０００７】

【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、
耐半田クラック性に優れる半導体封止用エポキシ樹脂組
成物の製造方法及び半導体装置を提供するものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、［１］（Ａ）
式（１）で示されるエポキシ樹脂を３０〜１００重量％
含むエポキシ樹脂、（Ｂ）式（２）で示されるフェノー
ル樹脂を３０〜１００重量％含むフェノール樹脂、
（Ｃ）球状無機充填材を全エポキシ樹脂組成物中８０〜
９０重量％含む球状無機充填材、（Ｄ）硬化促進剤及び
（Ｅ）ゴム粒子よりなるエポキシ樹脂組成物の製造方法
において、前記ゴム粒子とエポキシ樹脂及び／又はフェ
ノール樹脂の全部或いは一部と予め混合した後、該ゴム
粒子混合物と前記の残余の各成分を混練することを特徴
とする半導体封止用エポキシ樹脂組成物の製造方法、

【０００９】

【化３】

【００１０】

【化４】 （ｎは平均値で１〜１０の正数）

【００１１】［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
面のみが第［１］項記載のエポキシ樹脂組成物を用いて
封止されてなることを特徴とするエリア実装型半導体装
置、である。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明で用いられる式（１）で示
されるビフェニル型エポキシ樹脂は、低分子量のため溶
融粘度が低く流動性に優れておるため球状無機充填材の
高充填化が可能となり、エポキシ樹脂組成物の硬化物を
低吸水化することができるが、エポキシ基の数が２個と
少なく、フェノールノボラック樹脂や可撓性骨格を導入
したフェノール樹脂との組み合わせでは架橋密度が低
く、耐熱性の低い硬化物しか得られない。しかし構造と
して剛直な平面ないし棒状骨格を有しており、かつ結晶
化する性質、即ち分子同士が配向しやすいという特徴を
有しているため、式（２）で示される多官能型フェノー
ル樹脂と併用した場合、前記フェノールノボラック樹脂
や可撓性骨格を導入したフェノール樹脂に比べ架橋構造
の架橋密度の低下は少なく、Ｔｇ等の耐熱性は低下させ
ない。本発明では、式（１）で示されるエポキシ樹脂を
全エポキシ樹脂中３０〜１００重量％含むことが好まし
い。３０重量％未満では低粘度化の効果が少なく好まし
くない。

【００１３】式（１）で示されるエポキシ樹脂と併用す
る場合のエポキシ樹脂としては、例えばビスフェノール
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、フェノールノボラ
ック型エポキシ樹脂、ナフタレン型エポキシ樹脂、トリ
フェノールメタン型エポキシ樹脂、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る。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式（２）で示されるフ
ェノール樹脂は、いわゆるトリフェノールメタン型フェ
ノール樹脂と呼ばれるもので、フェノールノボラック樹
脂や可撓性骨格を導入したフェノール樹脂に比べ、この
フェノール樹脂を用いると硬化物の架橋密度を高くし高
いＴｇの硬化物が得られる。本発明では、式（２）で示
されるフェノール樹脂を全フェノール樹脂中３０〜１０
０重量％含むことが好ましい。３０重量％未満だとＴｇ
が低下し、成形硬化時の硬化収縮の増大、成形温度から
室温までの熱収縮の増大により、期待するような成形後
や半田処理時の半導体装置の反りの低減が得られない。

【００１５】式（２）で示されるフェノール樹脂と併用
する場合の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、フェノー
ルアラルキル樹脂、ジシクロペンタジエン変性フェノー
ル樹脂、テルペン変性フェノール樹脂等が挙げられる。
これらは単独でも混合して用いてもよい。

【００１６】本発明で用いられる球状無機充填材の種類
は、一般的に封止材料に使用されているものを広く使用
できる。球状無機充填材としては、溶融シリカ粉末、ア
ルミナ粉末等があるが、球状無機充填材としては汎用性
がある球状溶融シリカが好ましい。又球状溶融シリカの
形状としては流動性改善及び回路損傷を極力少なくする
ため限りなく真球状であることが好ましい。本発明での
球状無機充填材は、全エポキシ樹脂組成物中８０〜９０
重量％が好ましく、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の増大により
反りが大きくなり、又吸湿率の増大により耐半田クラッ
ク性が低下し、９0重量％を越えると流動性が低下し成
形性が低下するため好ましくない。

【００１７】本発明で用いられる硬化促進剤としては、
エポキシ樹脂とフェノール樹脂との架橋反応を促進する
ものであればよく、例えば１,８−ジアザビシクロ（５,
４,０）ウンデセン−７等のアミジン系化合物、トリフ
ェニルホスフィン、テトラフェニルホスホニウム・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。

【００１８】本発明で用いられるゴム粒子としては、例
えばブタジエンスチレンゴム、ブタジエンアクリロニト
リルゴム、ポリウレタンゴム、ポリイソプレンゴム、ア
クリルゴム、フッ素ゴム、シリコーンゴム等が挙げられ
るが、これらに限定されるものではない。これらは単独
でも併用してもよい。又エポキシ樹脂、フェノール樹脂
との親和性を付与するために、メチル基、フェニル基等
の有機置換基の他に、Ｃ、Ｏ、Ｎ、Ｓ原子等を有する有
機置換基をその架橋構造内に有していてもよい。Ｃ、
Ｏ、Ｎ、Ｓ原子等を有する有機置換基としては、例えば
ビニル基、フェネチル基、ヒドロキシ基、カルボキシル
基、アクリル基、アルコキシ基、エポキシ基、ポリエー
テル基、カプロラクトン基、アミノ基、ウレイド基、イ
ソシアネート基、メルカプト基等が挙げられるが、これ
らに限定されるものではない。

【００１９】本発明で用いられるゴム粒子は、予めエポ
キシ樹脂及び／又はフェノール樹脂の全部或いは一部と
予め均一混合しておく必要がある。一般にゴム粒子は凝
集性が強く、単に配合しただけではエポキシ樹脂やフェ
ノール樹脂への分散性が悪く、低応力化効果が十分に得
られないため反りや耐半田クラック性の向上が得られ
ず、又流動性も低下する。しかし予め均一混合処理する
ことにより流動性が良好で、反りが小さく、耐半田クラ
ック性に優れた硬化物を与えるエポキシ樹脂組成物を得
ることができる。

【００２０】本発明で用いられるゴム粒子の最大粒径と
しては１００μｍ以下、平均粒径としては５０μｍ以下
が好ましい。最大粒径が１００μｍを越えると、半導体
装置の成形時に金型内でゴム粒子が詰まり、未充填が生
じるおそれがあり、又得られるエポキシ樹脂組成物がミ
クロ的に不均一になり局部応力発生や耐湿性劣化といっ
た問題を発生する場合がある。平均粒径が５０μｍを越
えるとエポキシ樹脂組成物の流動性が損なわれ、又強度
の低下も起こるので好ましくない。ゴム粒子の最大粒径
及び平均粒径は、界面活性剤を用いてゴム粒子を水に分
散させ、コールターカウンターを用いて測定することが
できる。本発明において、ゴム粒子をエポキシ樹脂及び
／又はフェノール樹脂の全部或いは一部と予め混合する
方法は、ゴム粒子が前記樹脂中に分散され、均一混合で
きれば特に限定しないが、例えば前記樹脂とゴム粒子を
ミキサー等によって十分混合した後、加熱ロール、加熱
ニーダー等により１１０〜１２０℃で溶融混合後冷却、
粉砕すればよい。このゴム粒子混合物をエポキシ樹脂組
成物の原材料と用いればよい。

【００２１】本発明のゴム粒子の含有量は、全エポキシ
樹脂組成物中に０．１〜５重量％が好ましい。より好ま
しくは０．５〜３重量％が望ましい。０．１重量％未満
だと弾性率低減の効果が充分に発現されず、反りが大き
くなるおそれがあり、５重量％を越えると強度が低下
し、耐半田クラック性が低下するおそれがあるので好ま
しくない。又本発明のゴム粒子の特性を損なわない範囲
で、他の可撓性付与剤を添加してもかまわない。併用で
きる可撓性付与剤としては、例えば液状オルガノポリシ
ロキサン、液状ポリブタジエン等の液状合成ゴム等が挙
げられるが、これらに限定されるものではない。又これ
らは単独でも併用してもよい

【００２２】本発明においては、（Ａ）〜（Ｅ）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
等の難燃剤、カップリング剤、カーボンブラックに代表
される着色剤、天然ワックス及び合成ワックス等の離型
剤等が適宜配合可能である。エポキシ樹脂組成物とする
には各成分を混合後、加熱ニーダや熱ロールにより加熱
混練し、続いて冷却、粉砕することで得られる。本発明
のエポキシ樹脂組成物を用いて、半導体素子を封止して
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。

【００２３】ゴム粒子混合物の製造例 製造例１ 式（１）を主成分とするエポキシ樹脂（ジャパンエポキ
シレジン（株）・製、ＹＸ−４０００ＨＫ、融点１０５
℃、エポキシ当量１９５ｇ／ｅｑ）６．２８重量部とゴ
ム粒子（シリコーンゴム：最大粒径１０μｍ、平均粒径
５μｍ）１．０重量部をミキサーで混合後、加熱ロール
により１１０〜１２０℃で溶融混合後冷却、粉砕する。
以下、ゴム粒子混合物１という。 製造例２ 式（２）のフェノール樹脂（軟化点１１０℃ 水酸基当
量９７ｇ／ｅｑ）３．４７重量部と上記ゴム粒子１．０
重量部をミキサーで混合後、加熱ロールにより１１０〜
１２０℃で溶融混合後冷却、粉砕する。以下ゴム粒子混
合物２という。 製造例３ 前記エポキシ樹脂６．２３重量部と前記ゴム粒子１．０
重量部をミキサーで混合後、加熱ロールにより１１０〜
１２０℃で溶融混合後冷却、粉砕する。以下、ゴム粒子
混合物３という。 製造例４ 前記エポキシ樹脂２．０重量部、オルソクレゾールノボ
ラック型エポキシ樹脂（軟化点５５℃、エポキシ当量１
９６ｇ／ｅｑ）２．０重量部と前記ゴム粒子１．０重量
部をミキサーで混合後、加熱ロールにより１１０〜１２
０℃で溶融混合後冷却、粉砕する。以下、ゴム粒子混合
物４という。 製造例５ 式（１）を主成分とするエポキシ樹脂５．０重量部と前
記ゴム粒子１．０重量部をキサーで混合後、加熱ロール
により１１０〜１２０℃で溶融混合後冷却、粉砕する。
以下、ゴム粒子混合物５という。

【００２４】製造例６ 前記エポキシ樹脂６．１５重量部と前記ゴム粒子１．０
重量部をミキサーで混合後、加熱ロールにより１１０〜
１２０℃で溶融混合後冷却、粉砕する。以下、ゴム粒子
混合物６という。 製造例７ 前記エポキシ樹脂１．５５重量部、オルソクレゾールノ
ボラック型エポキシ樹脂（軟化点は５５℃、エポキシ当
量は１９６ｇ／ｅｑ）４．７５重量部と前記ゴム粒子
１．０重量部をミキサーで混合後、加熱ロールにより１
１０〜１２０℃で溶融混合後冷却、粉砕する。以下、ゴ
ム粒子混合物７という。 製造例８ 式（１）を主成分とするエポキシ樹脂１２．３重量部と
前記ゴム粒子１．０重量部をミキサーで混合後、加熱ロ
ールにより１１０〜１２０℃で溶融混合後冷却、粉砕す
る。以下、ゴム粒子混合物８という。 製造例９ 前記エポキシ樹脂２．３重量部と前記ゴム粒子１．０重
量部をミキサーで混合後、加熱ロールにより１１０〜１
２０℃で溶融混合後冷却、粉砕する。以下、ゴム粒子混
合物９という。

【００２５】

【実施例】以下、本発明を実施例で具体的に説明する。 実施例１ 式（２）で示されるフェノール樹脂（軟化点１１０℃ 水酸基当量９７ｇ／ｅ ｑ） ３．４７重量部 溶融球状シリカ（平均粒径１５μｍ） ８６．０重量部 ゴム粒子混合物１ ７．２８重量部 シランカップリング剤 ０．４重量部 トリフェニルホスフィン ０．１５重量部 カーボンブラック ０．３重量部 カルナバワックス ０．４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２７５ｇ／ｅｑ） １．０重量部 三酸化アンチモン １．０重量部 上記の各成分を常温においてミキサーで混合し、７０〜
１２０℃で加熱ロールにより混練し、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。評価結果を表１に示す。

【００２６】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、金型温度１７５℃、注
入圧力６．９ＭＰａ、硬化時間２分で測定した。 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１８０℃、注入圧力６．９ＭＰａ、硬化時間２分
で２２５ｐＢＧＡ（基板は厚さ０．３６ｍｍのビスマレ
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を成形し
た。更に後硬化として１７５℃で２時間処理した。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：前記の２２５ｐＢＧＡを成形し、後
硬化として１７５℃で２時間処理したパッケージ８個
を、８５℃、相対湿度６０％で１６８時間処理した後、
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／８と表示する。

【００２７】実施例２〜５ 実施例１と同様にして、表１の配合に従って得られたエ
ポキシ樹脂組成物について評価した。評価結果を表１に
示す。なお、実施例に用いるオルソクレゾールノボラッ
ク型エポキシ樹脂の軟化点は５５℃、エポキシ当量は１
９６ｇ／ｅｑ、又実施例及び比較例に用いるフェノール
ノボラック樹脂の軟化点は９２℃、水酸基当量は１０４
ｇ／ｅｑである。 比較例１〜５ 実施例１と同様にして、表２の配合に従って得られたエ
ポキシ樹脂組成物について評価した。評価した結果を表
２に示す。比較例１に用いたゴム粒子は、前記ゴム粒子
混合物に用いたものと同一である。

【００２８】

【表１】

【００２９】

【表２】

【００３０】

【発明の効果】本発明で得られるエポキシ樹脂組成物を
用いた半導体装置は、成形後及び半田処理時の反りが小
さく、かつ耐半田クラック性に優れている。

───────────────────────────────────────────────────── 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） Ｃ０８Ｌ 63/00 Ｃ０８Ｌ 63/00 Ｚ Ｈ０１Ｌ 23/29 Ｈ０１Ｌ 23/30 Ｒ 23/31 Ｆターム(参考） 4F070 AA06 AA07 AA08 AA23 AA32 AA44 AA46 AA53 AA60 AC15 AC23 AC46 AC55 AE01 AE08 FB06 FC03 4J002 AC06Y AC07Y AC08Y BD12Y BG04Y CC04X CD05W CK02Y CP03Y DE147 DJ017 EU116 EU136 EW016 EY016 FD017 FD090 FD130 FD156 FD160 GQ05 4J036 AC02 AD04 AD07 AD08 AD10 AE07 AF05 AF06 AF08 AF15 AJ18 DC40 DC46 DD07 FA03 FA05 FB03 FB05 FB08 FB10 FB16 GA04 GA06 JA07 4M109 AA01 BA03 CA21 DB17 EA03 EB03 EB04 EB12 EB19

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】（Ａ）式（１）で示されるエポキシ樹脂を
   ３０〜１００重量％含むエポキシ樹脂、（Ｂ）式（２）
   で示されるフェノール樹脂を３０〜１００重量％含むフ
   ェノール樹脂、（Ｃ）球状無機充填材を全エポキシ樹脂
   組成物中８０〜９０重量％含む球状無機充填材、（Ｄ）
   硬化促進剤及び（Ｅ）ゴム粒子よりなるエポキシ樹脂組
   成物の製造方法において、前記ゴム粒子とエポキシ樹脂
   及び／又はフェノール樹脂の全部或いは一部と予め混合
   した後、該ゴム粒子混合物と前記の残余の各成分を混練
   することを特徴とする半導体封止用エポキシ樹脂組成物
   の製造方法。 【化１】 【化２】 （ｎは平均値で１〜１０の正数）
2. 【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を用いて封止されて
   なることを特徴とするエリア実装型半導体装置。