JP2004277509A

JP2004277509A - 高熱伝導エポキシ樹脂組成物及び半導体装置

Info

Publication number: JP2004277509A
Application number: JP2003068814A
Authority: JP
Inventors: Shigeyuki Maeda; 重之前田
Original assignee: Sumitomo Bakelite Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Bakelite Co Ltd
Priority date: 2003-03-13
Filing date: 2003-03-13
Publication date: 2004-10-07

Abstract

【課題】半導体装置における回路基板と半導体素子との間の空隙を確実に充填し、生産性に優れ、なおかつ接続部分に高い信頼性を付与する高熱伝導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こと。
【解決手段】（Ａ）固形のエポキシ樹脂、（Ｂ）固形のフェノール樹脂、（Ｃ）硬化促進剤及び（Ｄ）無機充填材として０．５μｍ〜１．５μｍ及び５〜２０μｍに粒度分布の極大ピークを有し、なおかつ表面がシランカップリング剤で処理されているアルミナを必須成分とする高熱伝導エポキシ樹脂組成物、及びこれを用いた半導体装置。

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高熱伝導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】
最近の半導体デバイスの性能向上に伴う要求として、半導体素子をフェイスダウン構造で回路が形成されたマザーボードあるいはドーターボードに実装される方法（フリップチップ方式）が注目されている。これは従来から用いられている方式、例えば半導体素子から金線でリードフレーム上にコンタクトをとりパッケージングされた形態でマザーボードあるいはドーターボードに実装する方法では、回路による情報伝達の遅れ、クロストークによる情報伝達エラー等が生ずる、という問題が発生していることに起因する。一方フリップチップ方式においては、互いの線膨張係数が異なる半導体素子と回路基板とをダイレクトに電気接続を行うことから、接続部分の信頼性が問題となっている。この対策としては、半導体素子と回路基板との空隙に液状樹脂を注入し硬化させて、電気接続部に集中する応力を樹脂にも分散させることにより接続信頼性を向上させる方法がとられている。しかしながら液状樹脂は、毛細管現象を利用して半導体素子と回路基板との空隙に注入されるため、注入に多くの時間を要する。生産性を向上させるためには液状樹脂の早い充填が必要であるが、早い充填は未充填、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、画期的に生産性を向上させることは難しい。また常温で液状であることが制約条件となり、無機充填材の充填量が低く、吸湿し易いために固形エポキシ、固形硬化剤をつかったエポキシ樹脂組成物に比べて信頼性が劣る。
【０００３】
この様な問題から、半導体装置における回路基板と半導体素子との間の空隙を確実に充填し、生産性に優れ、なおかつ接続部分に高い信頼性を付与するエポキシ樹脂組成物が求められており、更には高速回路による発熱のため、エポキシ樹脂組成物に高熱伝導性も付与する必要がある。
半導体装置における回路基板と半導体素子との間の空隙を確実に充填するために、最大粒径を２４μｍ以下、成形温度での溶融温度を２００ポイズ以下にする方法（例えば、特許文献１参照。）、最大粒径を２０μｍ以下、メジアン径を０．２〜３μｍにする方法（例えば、特許文献２参照。）が知られているが、無機充填材としては最大粒径のみにしか着目しておらず、粒子の種類、粒度分布には触れられていない。
また、無機充填材としてアルミナを必須成分とした時の流動性を向上させるために、０．４〜０．７μｍ、１２〜１８μｍ、３０〜３８μｍに粒度分布の極大ピークをもたせる方法（例えば、特許文献３参照。）、粒度分布の形状に着目してロジン・ラムラー式を用いた方法（例えば、特許文献４参照。）が知られているが、フリップチップ方式の様な狭い空隙の充填に有利な方法には触れられていない。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１１−２８８９７９号公報（第２〜９頁）
【特許文献２】
特開２０００−２９０４７１号公報（第２〜１０頁）
【特許文献３】
特開平７−２７８４１５号公報（第２〜９頁）
【特許文献４】
特開平７−１１８５０６号公報（第２〜６頁）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、半導体装置における回路基板と半導体素子との間の空隙を確実に充填し、生産性に優れ、なおかつ接続部分に高い信頼性を付与する高熱伝導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。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、（Ａ）固形のエポキシ樹脂、（Ｂ）固形のフェノール樹脂、（Ｃ）硬化促進剤及び（Ｄ）無機充填材として０．５μｍ〜１．５μｍ及び５〜２０μｍに粒度分布の極大ピークを有し、なおかつ表面がシランカップリング剤で処理されているアルミナを必須成分とする高熱伝導エポキシ樹脂組成物、及びこれを用いた半導体装置である。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明は、固形のエポキシ樹脂、固形のフェノール樹脂、硬化促進剤及び無機充填材として所定の粒度分布及び処理表面を有するアルミナを含有してなることを特徴とする高熱伝導エポキシ樹脂組成物、及びこれを用いた半導体装置についてである。
本発明における無機充填材は、その粒径が小さく、かつ所定の粒度分布を有することに一つの特徴がある。半導体装置における回路基板と半導体素子との間の空隙を確実に充填する、という点では、無機充填材の粒子径は小さいほど望ましい。しかし粒子径の小さい無機充填材のみでは空隙を充填するのに十分な流動性を得ることが出来ず、十分な流動性を得ようとして無機充填材量を低減すると、十分な信頼性及び熱伝導性を得ることが出来ない。そのため、極大ピークを０．５μｍ〜１．５μｍに有するアルミナと極大ピークを５〜２０μｍに有するアルミナを組み合わせる必要がある。
粒径が小さい方の極大ピークが０．５μｍ未満もしくは１．５μｍを超えると、流動性が著しく低下する。さらに粒径が大きい方の極大ピークでも、５μｍ未満もしくは２０μｍを超えると、同様に流動性が著しく低下する。
【０００８】
しかし、回路基板と半導体素子との間の空隙の大きさを考慮して粒子径を調整しても、粒子同士が凝集してしまっては空隙を充填する際の障害となって未充填もしくはボイドを引き起こし易くなり、半導体装置の信頼性を低下させる恐れがある。そこで、アルミナ表面に表面処理剤を固着させて粒子同士の凝集を抑制する手法が有効となる。表面に固着させる表面処理剤としては、エポキシ樹脂、フェノール樹脂との相溶性を考慮した場合シランカップリング剤が好ましい。アルミナ表面にシランカップリング剤を固着させる方法としては、アルミナとシランカップリング剤を攪拌混合する方法が有効である。カップリング剤をアルミナの表面に均一に処理するために、水又は有機溶媒を、更に加えて攪拌するという手法も有効である。また、アルミナ表面にシランカップリング剤をより強固に固着させるには、アルミナとシランカップリング剤を攪拌混合した後、混合機から取り出して常温にて１日以上放置したものを用いるのがより好ましい。また、より反応を進めるために攪拌時に混合機内の温度を５０〜１５０℃に加熱するか、或いは常温で攪拌し混合機から取り出した後に５０〜１５０℃で加熱してもよい。混合機としては、特に限定しないが、例えばボールミル、ヘンシェルミキサー、Ｖブレンダーやダブルコーンブレンダー等のブレンダー類、コンクリートミキサーやリボンブレンダー等が挙げられる。
また、気化させたアミノ基含有シランカップリング剤を処理したアルミナ（例えば、アドマテックス（株）製アルミナ等が挙げられる）に、更にシランカップリング剤を表面に固着させるのがより好ましい。最も好ましいのは、気化させたアミノ基含有シランカップリング剤を処理したアルミナに、更にグリシジル基含有シランカップリング剤を表面に固着させる方法である。
なおアルミナの最大粒径については、半導体装置における回路基板と半導体素子との間の空隙の大きさを考慮して、従来公知の分級法を適宜用いて調整することが出来る。
【０００９】
ここでの無機充填材の粒度分布は、ＪＩＳＭ８１００粉塊混合物−サンプリング方法通則に準じて無機充填材を採取し、ＪＩＳＲ１６２２−１９９５ファインセラミックス原料粒子径分布測定のための試料調整通則に準じて、無機充填材を測定用試料として調整し、ＪＩＳＲ１６２９−１９９７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（株）島津製作所・製のレーザー回折式粒度分布測定装置ＳＡＬＤ−７０００（レーザー波長：４０５ｎｍ）を用いて、溶媒に水を用い無機充填材の屈折率が実数部１．８０、虚数部１．００の条件のもと測定した値である。
また比表面積は、ＪＩＳＲ１６２６−１９９６ファインセラミックス粉体の気体吸着ＢＥＴ法による比表面積の測定方法に準じて、窒素を吸着質として用い、ＢＥＴ１点法によって測定した値である。
【００１０】
常温で固形のエポキシ樹脂としては、例えばビフェニル型エポキシ、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂、スチルベン型エポキシ樹脂、フェノールノボラック型エポキシ樹脂、オルソクレゾールノボラック型エポキシ樹脂、ナフトールノボラック型エポキシ樹脂、トリフェノールメタン型エポキシ樹脂、ジシクロペンタジエン変性フェノール型エポキシ樹脂、テルペン変性フェノール型エポキシ樹脂、ハイドロキノン型エポキシ樹脂等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
【００１１】
常温で固形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、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、テルペン変性フェノール樹脂、トリフェノールメタン型樹脂等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
【００１２】
硬化促進剤としては、エポキシ基とフェノール性水酸基との硬化反応を促進させるものであればよく、一般に封止材料に使用するものを用いることができ、例えば１，８−ジアザビシクロ（５，４，０）ウンデセン−７、トリフェニルホスフィン、ベンジルジメチルアミン、２−メチルイミダゾール等が挙げられ、これらは単独でも混合して用いてもよい。
【００１３】
本発明に用いる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、酸化ビスマス水和物等の無機イオン交換体、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よい。
本発明に用いるエポキシ樹脂組成物は、（Ａ）〜（Ｄ）成分、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、ニーダー等の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。
【００１４】
【実施例】
以下に、実施例を挙げて本発明を説明するが、これらの実施例に限定されるものではない。

を、常温においてミキサーで混合し、７０〜１２０℃で２本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。結果を表１に示す。
【００１５】
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。単位はｃｍ。
スリット充填性：４０μｍ、６０μｍ、８０μｍの流路厚を有する金型を用いて、金型温度１７５℃、注入圧力９．８ＭＰａ、硬化時間２分でトランスファー成形し、各流路の充填距離を測定した。単位はｍｍ。
模擬金型充填性：長さ１４５ｍｍ、幅１５ｍｍ、厚み０．５ｍｍの矩形型流路中に、９ｍｍ×９ｍｍ×０．４２ｍｍ（厚み）の四角柱を６個有する（四角柱と四角柱の間隔は３ｍｍ）狭路充填を想定した評価用金型を用いて、金型温度１７５℃、注入圧力９．８ＭＰａ、硬化時間２分でトランスファー成形し、０．０８ｍｍギャップの充填性（未充填、ボイドの有無）を判定した。
【００１６】
実施例２〜１０、比較例１〜７
表１、表２の配合に従い、実施例１と同様にしてエポキシ樹脂組成物を得、同様に評価した。これらの評価結果を表１、表２に示す。
実施例１以外で用いたアルミナを以下に示す。
カップリング剤処理アルミナＢ：アルミナＰ（平均粒径８．２μｍ、比表面積１．１ｍ^２／ｇ、極大ピーク粒径９．８μｍ、最大粒径４５μｍ以下）１００重量％に気化させたアミノ基含有シランカップリング剤数百ｐｐｍ固着させた（アドマテックス（株）製）後、γ−メルカプトプロピルトリメトキシシラン０．３重量％を添加し、ヘンシェルミキサーにて３分間混合したもの。
カップリング剤処理アルミナＣ：アルミナＰ（平均粒径８．２μｍ、比表面積１．１ｍ^２／ｇ、極大ピーク粒径９．８μｍ、最大粒径４５μｍ以下）１００重量％にγ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン０．３重量％を添加し、ヘンシェルミキサーにて３分間混合したもの。
カップリング剤処理アルミナＤ：アルミナＰ（平均粒径８．２μｍ、比表面積１．１ｍ^２／ｇ、極大ピーク粒径９．８μｍ、最大粒径４５μｍ以下）１００重量％にγ−メルカプトプロピルトリメトキシシラン０．３重量％を添加し、ヘンシェルミキサーにて３分間混合したもの。
カップリング剤処理アルミナＥ：アルミナＰ（平均粒径８．２μｍ、比表面積１．１ｍ^２／ｇ、極大ピーク粒径９．８μｍ、最大粒径４５μｍ以下）１００重量％にＮ−フェニル−γ−アミノプロピルトリメトキシシラン０．３重量％を添加し、ヘンシェルミキサーにて３分間混合したもの。
カップリング剤処理アルミナＦ：アルミナＲ（平均粒径１８．５μｍ、比表面積０．９ｍ^２／ｇ、極大ピーク粒径１８．５μｍ、最大粒径４５μｍ以下）１００重量％にγ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン０．３重量％を添加し、ヘンシェルミキサーにて３分間混合したもの。
カップリング剤処理アルミナＧ：アルミナＳ（平均粒径２３．０μｍ、比表面積０．７ｍ^２／ｇ、極大ピーク粒径２３．０μｍ、最大粒径４５μｍ以下）１００重量％にγ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン０．３重量％を添加し、ヘンシェルミキサーにて３分間混合したもの。
カップリング剤処理アルミナＩ：アルミナＱ（平均粒径０．７μｍ、比表面積７．９ｍ^２／ｇ、極大ピーク粒径０．７μｍ、最大粒径４５μｍ以下）１００重量％に気化させたアミノ基含有シランカップリング剤数百ｐｐｍ固着させた（アドマテックス（株）製）後、γ−メルカプトプロピルトリメトキシシラン０．３重量％を添加し、ヘンシェルミキサーにて３分間混合したもの。
カップリング剤処理アルミナＪ：アルミナＱ（平均粒径０．７μｍ、比表面積７．９ｍ^２／ｇ、極大ピーク粒径０．７μｍ、最大粒径４５μｍ以下）１００重量％にγ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン０．３重量％を添加し、ボールミルにて１０分間混合したもの。
カップリング剤処理アルミナＫ：アルミナＱ（平均粒径０．７μｍ、比表面積７．９ｍ^２／ｇ、極大ピーク粒径０．７μｍ、最大粒径４５μｍ以下）１００重量％にγ−メルカプトプロピルトリメトキシシラン０．３重量％を添加し、ボールミルにて１０分間混合したもの。
カップリング剤処理アルミナＬ：アルミナＱ（平均粒径０．７μｍ、比表面積７．９ｍ^２／ｇ、極大ピーク粒径０．７μｍ、最大粒径４５μｍ以下）１００重量％にＮ−フェニル−γ−アミノプロピルトリメトキシシラン０．３重量％を添加し、ボールミルにて１０分間混合したもの。
カップリング剤処理アルミナＭ：アルミナＴ（平均粒径１．５μｍ、比表面積６．０ｍ^２／ｇ、極大ピーク粒径１．５μｍ、最大粒径４５μｍ以下）１００重量％にγ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン０．３重量％を添加し、ヘンシェルミキサーにて３分間混合したもの。
カップリング剤処理アルミナＮ：アルミナＵ（平均粒径０．１μｍ、比表面積３０．０ｍ^２／ｇ、極大ピーク粒径０．１μｍ、最大粒径４５μｍ以下）１００重量％にγ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン０．３重量％を添加し、ヘンシェルミキサーにて３分間混合したもの。
カップリング剤処理アルミナＯ：アルミナＶ（平均粒径２．３μｍ、比表面積５．１ｍ^２／ｇ、極大ピーク粒径２．３μｍ、最大粒径４５μｍ以下）１００重量％にγ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン０．３重量％を添加し、ヘンシェルミキサーにて３分間混合したもの。
【００１７】
【表１】

【００１８】
【表２】

【００１９】
【発明の効果】
本発明に従うと、高熱伝導エポキシ樹脂組成物は、半導体装置における回路基板と半導体素子との間の空隙を確実に充填し、生産性に優れ、なおかつ接続部分に高い信頼性を付与することから、産業上有用である。

Claims

（Ａ）固形のエポキシ樹脂、（Ｂ）固形のフェノール樹脂、（Ｃ）硬化促進剤及び（Ｄ）無機充填材として０．５μｍ〜１．５μｍ及び５〜２０μｍに粒度分布の極大ピークを有し、なおかつ表面がシランカップリング剤で処理されているアルミナを必須成分とする高熱伝導エポキシ樹脂組成物。
請求項１に記載の高熱伝導エポキシ樹脂組成物を用いて得られることを特徴とする半導体装置。