JP2003277585A - エポキシ樹脂組成物及び半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 回路面に突起電極が具備された半導体素子が
前記突起電極を介して回路基板に電気的に接合され、回
路基板と突起電極との空隙への充填性に優れ、成形後や
半田処理後の半導体装置の反りが小さく、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）式（１）で示されるエポキシ樹
脂、（Ｂ）一般式（２）で示されるフェノール樹脂、
（Ｃ）球状無機充填材及び（Ｄ）硬化促進剤を必須成分
とするエポキシ樹脂組成物であって、一般式（２）で示
されるフェノール樹脂が全フェノール樹脂中３０〜１０
０重量％であり、球状無機充填材が全エポキシ樹脂組成
物中７０〜８８重量％で、かつ球状無機充填材の平均粒
子径が０．５〜１０μｍであり、球状無機充填材中の粒
子径２４μｍ以上のものが０．１重量％以下、粒子径５
μｍ以上、２４μｍ未満のものが２０〜６０重量％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、充填性が良好で、
成形後や半田処理後の半導体装置の反りが小さく、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
及び半導体装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年半導体装置の軽薄短小化の技術革新
は目覚しいものがあり、種々の半導体装置の構造が提案
され、製品化されている。従来のリードフレーム接合に
代わり半田のような突起電極により、回路基板（マザー
ボード）に接合するエリア実装方式は特に重要である。
その中で半導体素子の回路面に直接突起電極が具備され
たフリップチップは半導体装置を最小化できる方法の一
つである。フリップチップ実装方式の半導体装置は、一
般に半導体素子と回路基板の隙間に充填注入型のアンダ
ーフィルと呼ばれる液状樹脂を用いて封止されている。
液状樹脂のアンダーフィル材は熱硬化性樹脂と無機充填
材から構成され、毛細管現象等を利用して半導体素子、
回路基板、突起電極の隙間を流動する。この方式の半導
体装置の生産性はアンダーフィル材の充填速度に依存し
ており、生産効率を向上させるためにはアンダーフィル
材の速い充填化が必要であるが、速い充填化は未充填、
ボイドを引き起こし易く、半導体装置の信頼性も低下さ
せるため画期的に半導体装置の生産性を高めることは難
しい。又これまでの液状のアンダーフィル材では、無機
充填材の含有量が少なく樹脂成分が多いため樹脂硬化物
が吸湿し易く、このアンダーフィル材を用いたフリップ
チップ実装方式の半導体装置は、ＴＳＯＰやＴＱＦＰ等
の半導体装置よりも耐半田クラック性が劣り、広く普及
するには技術的な問題が残っている。

【０００３】又半導体素子と基板との空隙及び半導体素
子全体を封止する全面封止タイプのフリップチップ実装
方式の半導体装置の場合、成形後や半田リフロー後に反
りが発生し易く、半導体装置を実装する際に回路基板か
ら浮き上がってしまい、電気的接合の信頼性が低下する
問題が発生する場合がある。このような問題から半導体
素子と基板との空隙への充填性、生産性に優れ、かつ耐
半田クラック性にも優れ、更には成形後や半田処理後の
反りが小さいアンダーフィル用エポキシ樹脂組成物の開
発が望まれている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、回路面に突
起電極が具備された半導体素子が前記突起電極を介して
回路基板に電気的に接合された回路基板と突起電極との
空隙への充填性に優れ、成形後や半田処理後の半導体装
置の反りが小さく、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及びこれを用いたエリア実装半
導体装置を提供するものである。

【０００５】

【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、（Ｂ）一般式（２）
で示されるフェノール樹脂、（Ｃ）球状無機充填材及び
（Ｄ）硬化促進剤を必須成分とするエポキシ樹脂組成物
であって、一般式（２）で示されるフェノール樹脂が全
フェノール樹脂中３０〜１００重量％であり、球状無機
充填材が全エポキシ樹脂組成物中７０〜８８重量％で、
かつ球状無機充填材の平均粒子径が０．５〜１０μｍで
あり、球状無機充填材中の粒子径２４μｍ以上のものが
０．１重量％以下、粒子径５μｍ以上、２４μｍ未満の
ものが２０〜６０重量％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、

【０００６】

【化３】

【０００７】

【化４】 （Ｒ１、Ｒ２は炭素数１〜４のアルキル基で、互いに同
一でも異なっていてもよい。ａは０〜３の整数、ｂは０
〜４の整数。ｎは平均値で、１〜５の正数）

【０００８】［２］第[１]項記載のエポキシ樹脂組成物
を用いて、回路面に突起電極が具備された半導体素子が
前記突起電極を介して回路基板に電気的に接合され、前
記回路基板と前記半導体素子との空隙が封止されてなる
ことを特徴とするエリア実装半導体装置、である。

【０００９】

【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、流動性に優れ成形性が良好である。式
（１）で示されるエポキシ樹脂は２官能でエポキシ基間
の距離が長いため、これを用いたエポキシ樹脂組成物の
硬化物は架橋密度が低く抑えられ、高温での弾性率が低
く半田処理時等の応力緩和に適しており、成形性と耐半
田クラック性とを向上できる。式（１）のエポキシ樹脂
の特性を損なわない範囲で、他のエポキシ樹脂を併用し
てもよい。併用する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。併用する場合の式（１）で示
されるエポキシ樹脂の配合量としては、全エポキシ樹脂
中に３０〜１００重量％含むことが好ましい。下限値を
下回ると流動性が悪化し、また高温での低弾性率化効果
が充分に得られない恐れがある。

【００１０】本発明で用いられる一般式（２）で示され
るフェノール樹脂は、フェノール骨格間の距離が長く架
橋密度が低いため、ガラス転移温度を越えた高温域での
弾性率が低いという特徴があり、基板の熱膨張係数とエ
ポキシ樹脂組成物の熱膨張差から発生する応力、特にエ
ポキシ樹脂組成物の熱膨張係数が大きいガラス転移温度
以上で発生する応力を緩和する効果があり、反りを低減
させることができる。また、一般式（２）で示されるフ
ェノール樹脂は水酸基間に疎水性構造を有しており、吸
水率が低く耐半田クラック性が良好である。更にフェノ
ール骨格間の疎水性構造は剛直なビフェニル骨格である
ことから、架橋密度が低い割には耐熱性の低下が少ない
という特徴を有する。一般式（２）中のｎは平均値で、
１〜５の正数、好ましくは１〜３である。ｎが下限値を
下回るとエポキシ樹脂組成物の硬化性が低下するので好
ましくない。ｎが上限値を越えると、粘度が高くなりエ
ポキシ樹脂組成物の流動性が低下する。一般式（２）で
示されるフェノール樹脂は、１種類を単独で用いても２
種類以上を併用してもよい。また、一般式（２）で示さ
れるフェノール樹脂の内では、式（３）で示されるフェ
ノール樹脂が特に好ましい。一般式（２）で示されるフ
ェノール樹脂の特性を損なわない範囲で、他のフェノー
ル樹脂を併用してもよい。併用するフェノール樹脂とし
ては、分子内に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、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、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、ビスフェノールＡ、トリフェ
ノールメタン等のフェノール樹脂が挙げられる。これら
は単独でも混合して用いてもよい。併用する場合の一般
式（２）で示されるフェノール樹脂の配合量としては、
全フェノール樹脂中に３０〜１００重量％、好ましくは
５０〜１００重量％である。下限値を下回ると吸水率が
高く、弾性率が高くなり、期待するような半導体装置の
反りの低減が得られず、また吸水率も高くなり低耐半田
クラック性に悪影響を及ぼす恐れがある。

【００１１】本発明に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７０〜８８重量％であ
る。下限値を下回ると耐半田クラック性が低下し、反り
が大きくなり、上限値を越えると流動性が低下し半導体
素子と基板の空隙への充填も難しくなる。本発明に用い
られる球状無機充填材中には、粒子径が２４μｍ以上の
ものが０．１重量％以下である。かつ５μｍ以上、２４
μｍ未満のものが２０〜６０重量％配合される。２４μ
ｍ以上のものの配合量が上限値を越えると３０μｍ程度
より小さい隙間への充填が難しくなり、アンダーフィル
の機能が発現しない。また、粒子径５μｍ以上、２４μ
ｍ未満のものの配合量が上限値を越えると３０μｍ程度
より小さい隙間へ樹脂が均一に充填することが難しくな
り、樹脂の未充填部分の発生により成形性が低下し、下
限値を下回ると流動性が低下し半導体素子と基板の空隙
への充填が難しくなる。なお本発明での球状無機充填材
の粒子径は、ＪＩＳ Ｒ １６２９（１９９７）のファ
インセラミックス原料のレーザー回折・散乱法による粒
子径分布測定方法に準じて、レーザー回折式粒度分布測
定装置を用いて、溶媒に水を用い、球状無機充填材の屈
折率が実数部１．４５、虚数部０．００の条件で測定し
た値である。又必要に応じて球状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で予め被覆
して用いてもよく、被覆の方法としては溶剤を用いて混
合した後に溶剤を除去する方法や直接球状無機充填材に
添加して混合機を用いて混合する方法等がある。

【００１２】本発明で用い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。

【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装置
を製造する方法としては、回路面に突起電極が具備され
た半導体素子が上記突起電極を介して電気的に接合され
た回路基板を金型に載置し、トランスファーモールド等
の成形方法で硬化成形すればよい。

【００１４】

【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（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１９３ｇ／ｅｑ） ６．３重量部 式（３）で示されるフェノール樹脂（軟化点６５℃、水酸基当量２００ｇ／ｅ ｑ） ４．８重量部

【化５】

【００１５】 フェノールノボラック樹脂（軟化点８１℃、水酸基当量１０５ｇ／ｅｑ） １．６重量部 溶融球状シリカＡ（粒子径２４μｍ以上が０．０８重量％、粒子径５μｍ以上 、２４μｍ未満が３８．４重量％、平均粒径４．３μｍ） ８２．０重量部 γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン ０．４重量部 トリフェニルホスフィン ０．２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） ２．０重量部 三酸化アンチモン ２．０重量部 を、常温においてミキサーで混合し、７０〜１２０℃で
２軸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。

【００１６】評価方法 スパイラルフロー：ＥＭＭＩ−Ｉ−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。なお最
大測定長さは２５０ｃｍ。 充填性試験：スリットバリ測定用金型（厚さ２０μｍと
１０μｍ、長さ７０ｍｍ、幅１０ｍｍのスリット）を用
いて、金型温度１７５℃、注入圧力９．８ＭＰａ、注入
時間１５秒、硬化時間１０５秒で成形性し、充填された
距離を測定する。スリット充填性で表現。 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７．４ＭＰａ、硬化時間１２
０秒で、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：トランスファー成形機を用いて、金
型温度１８０℃、注入圧力７．４ＭＰａ、硬化時間１２
０秒で、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
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。

【００１７】実施例２〜７、比較例１〜７ 実施例１と同様にして、表１、表２の組成に従って配合
し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、表２に示す。実施例２〜６、比較例１〜
８に用いた材料を以下に示す。 溶融球状シリカＢ（粒子径２４μｍ以上が０．０７重量
％、粒子径５μｍ以上、２４μｍ未満が２３．８重量
％、平均粒径０．８μｍ） 溶融球状シリカＣ（粒子径２４μｍ以上が０．０８重量
％、粒子径５μｍ以上、２４μｍ未満が５６．３重量
％、平均粒径６．１μｍ） 溶融球状シリカＤ（粒子径２４μｍ以上が０．０６重量
％、粒子径５μｍ以上、２４μｍ未満が１３．２重量
％、平均粒径０．３μｍ） 溶融球状シリカＥ（粒子径２４μｍ以上が０．０５重量
％、粒子径５μｍ以上、２４μｍ未満が７１．２重量
％、平均粒径８．６μｍ） 溶融球状シリカＦ（粒子径２４μｍ以上が６５．９重量
％、粒子径５μｍ以上、２４μｍ未満が１８．２重量
％、平均粒径２２μｍ） オルソクレゾールノボラック型エポキシ樹脂（軟化点６
２℃、エポキシ当量２００ｇ／ｅｑ）

【００１８】

【表１】

【００１９】

【表２】

【００２０】

【発明の効果】本発明のエポキシ樹脂組成物は、回路面
に突起電極が具備された半導体素子が前記突起電極を介
して回路基板に電気的に接合された回路基板において、
前記半導体素子と前記回路基板との空隙への充填性に優
れ、これを用いて封止されたエリア実装型半導体装置は
成形後及び半田処理後の反りが小さく、かつ耐半田クラ
ック性にも優れている。

───────────────────────────────────────────────────── 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） Ｈ０１Ｌ 21/56 Ｈ０１Ｌ 21/56 Ｔ 23/29 23/30 Ｒ 23/31 Ｆターム(参考） 4J002 CC042 CD031 CD041 CD051 CD061 CD131 DE146 DJ016 EU137 EW147 EW177 EY017 FA086 FD016 FD142 FD157 GQ05 4J036 AD07 DC41 DC46 FA01 FA03 FA05 FB08 GA04 GA06 JA07 4M109 AA01 EA02 EB03 EB04 EB13 EC03 EC04 5F061 AA01 BA03 CA21 FA06

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、（Ｂ）一般式（２）で示されるフェノール樹脂、
   （Ｃ）球状無機充填材及び（Ｄ）硬化促進剤を必須成分
   とするエポキシ樹脂組成物であって、一般式（２）で示
   されるフェノール樹脂が全フェノール樹脂中３０〜１０
   ０重量％であり、球状無機充填材が全エポキシ樹脂組成
   物中７０〜８８重量％で、かつ球状無機充填材の平均粒
   子径が０．５〜１０μｍであり、球状無機充填材中の粒
   子径２４μｍ以上のものが０．１重量％以下、粒子径５
   μｍ以上、２４μｍ未満のものが２０〜６０重量％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。 【化１】 【化２】 （Ｒ１、Ｒ２は炭素数１〜４のアルキル基で、互いに同
   一でも異なっていてもよい。ａは０〜３の整数、ｂは０
   〜４の整数。ｎは平均値で、１〜５の正数）
2. 【請求項２】 請求項１記載のエポキシ樹脂組成物を用
   いて、回路面に突起電極が具備された半導体素子が前記
   突起電極を介して回路基板に電気的に接合され、前記回
   路基板と前記半導体素子との空隙が封止されてなること
   を特徴とするエリア実装半導体装置。