JP2005029709A - 封止用樹脂組成物および樹脂封止型半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 表面実層タイプの半導体装置を封止したとき、高温下での耐クラック性および耐湿信頼性に優れ、成形時の充填性も優れ、ＢｒとＳｂを実質的に含まない封止用樹脂組成物を提供する。
【解決手段】 （Ａ）下式に示すエポキシ樹脂、

（Ｂ）下式に示すフェノール樹脂硬化剤、

（Ｃ）１，８−ビシクロ［５，４，０］ウンデセン−７および（Ｄ）比表面積が３．０ｍ² ／ｇ以上の充填剤を必須成分としてなり、配合されるエポキシ樹脂におけるエポキシ基数ａと配合されるフェノール樹脂における水酸基数ｂとの当量比（ｂ／ａ）が１．０〜０．４であり、また臭素系難燃剤およびアンチモン化合物を含まない封止用樹脂組成物であり、また、この硬化物によって、半導体チップが封止されてなる樹脂封止型半導体装置である。
【選択図】 なし

Description

本発明は、封止用樹脂組成物および樹脂封止型半導体装置に関する。

従来、半導体装置の封止樹脂としては、フェノールノボラック樹脂を硬化剤とするエポキシ樹脂組成物が用いられており、その硬化物が耐湿性、高温電気特性、成形性などに優れているため、モールド型封止樹脂の主流になっている。ところで、近年、電子機器の高密度実装化および組立工程の自動化の要求から、半導体装置の実装方法は、従来からのピン挿入タイプから表面実装タイプへと移行してきている。表面実装方法で基板にパッケージを半田付けする際には、基板上のクリーム半田を、赤外線やフロロカーボン蒸気で加熱し、パッケージのリードと接続する方法が採られている。このとき、パッケージ全体は２１５〜２６０℃の高いリフロー温度にさらされることになる。この急激なリフロー加熱が原因になって、半導体装置のパッケージにクラックが発生し、デバイスの信頼性の極端な低下を引き起こすことがあり、現在表面実装法における大きな問題の一つになっている。すなわち、そのメカニズムは、吸湿した封止樹脂が高温にさらされ、パッケージ内部の水が気化膨張することによって、パッケージが膨れ、そのときの応力によって封止樹脂が破壊に至るというものである。

これに対して、封止樹脂の側からの解決としては、
（ａ）発生する水蒸気圧を抑えるために樹脂の吸湿を低減する、
（ｂ）生じる水蒸気圧に耐えるだけの接着強度をもたせる、
ことが有効である。

そこで柔軟疎水骨格の構造をもつエポキシ樹脂やフェノール樹脂硬化剤を用い、かつ充填剤を多量に配合した封止用樹脂組成物が提案されている。しかしながら、これらのエポキシ樹脂組成物は、ノボラックタイプの封止樹脂に比べて高価なうえ、成形作業性に劣るという問題があった。

また、パッケージの薄型化、小型化により、パッケージの内部構造がより複雑化され、従来の充填剤を多量に含んだ樹脂組成物では、トランスファー成形時に、充填性の不具合を生じてきている。従来の充填剤組成では、大きな粒子の影響により、パッケージ内部の微細部への充填性が不十分であった。さらに、微細な充填剤を導入しても、粒子間の相互作用が大きいために、樹脂組成物の流動性が悪化し、充填性を改善することは困難であった。

一方、最近における環境についての関心の高まりから、半導体パッケージの分野においても、外装や接合に使用される半田からの鉛の除去、それに有機パッケージ材料中に含まれる臭素化合物やアンチモン化合物の除去が強く求められている。

現在、鉛を使用しない半田のうち、半導体のパッケージ分野に使用可能な半田の多くは従来の半田に比較して融点が高く、前述したリフロー温度は相当高くなる。その結果、加熱により発生する水蒸気圧はいっそう増大し、封止樹脂には更に優れた耐リフロー性が要求される。

また、一般に封止樹脂には難燃剤として臭素化エポキシ樹脂と三酸化アンチモンが使用されていることから、この組合せに代る代替難燃手法の開発も必須である。

本発明の目的は、従来の封止用樹脂組成物における上記問題点を解決するためになされたものであり、実質的に臭素系難燃剤を使用せずに優れた難燃性を有し、かつ高温でのリフローに耐え得る封止用樹脂組成物およびこの樹脂組成物で封止されてＰＣＴ試験など高信頼性をもつ樹脂封止型半導体装置を提供しようとするものである。

本発明者は、上記の目的を達成しようと鋭意研究を重ねた結果、樹脂組成物について下記配合成分の組合せをすることにより、新規な封止用樹脂組成物と半導体封止装置の得られることを見いだし、本発明を完成させたものである。

即ち、本発明は、
（Ａ）下記一般式に示すエポキシ樹脂、

（但し、式中、ｎは１以上の整数を表す）
（Ｂ）下記一般式に示すフェノール樹脂硬化剤、

（但し、式中、ｎは１以上の整数を表す）
（Ｃ）下記構造式に示す硬化促進剤１，８−ビシクロ［５，４，０］ウンデセン−７および

（Ｄ）比表面積が３．０ｍ² ／ｇ以上の充填剤
を必須成分としてなり、配合されるエポキシ樹脂におけるエポキシ基数ａと配合されるフェノール樹脂における水酸基数ｂとの当量比（ｂ／ａ）が１．０〜０．４であり、また臭素系難燃剤およびアンチモン化合物を含まないことを特徴とする封止用樹脂組成物であり、また、（Ｄ）の充填剤における粒径２４μｍ以上の粒子のフロー式解析で表される真円度が、対象粒子の投影面積をＡ、対象粒子の投影周囲をＢとしたとき、（Ａ×４π／Ｂ² ）≧０．８の関係にあり、さらに、（Ｄ）の充填剤における粒径４８μｍ以上の粒子の含有量が、１．０重量％以下である封止用樹脂組成物である。また、この封止用樹脂組成物の硬化物によって、半導体チップが封止されてなることを特徴とする樹脂封止型半導体装置である。

本発明の封止用樹脂組成物の硬化物によれば、高温下での耐クラック性および耐湿信頼性が極めて良好であり、表面実装タイプの半導体装置の封止に好適である。また本発明の封止用樹脂組成物で封止された半導体デバイスは、表面実装を行っても、その後の耐湿性が良好であり、高い信頼性を有するものである。

以下、本発明を詳細に説明する。

本発明に用いる（Ａ）成分のエポキシ樹脂としては、前述の式化１に示すものであり、式中のビフェニル核とエポキシ化したフェノール核を結合するＲ成分はＣＨ² が好ましい。Ｒ成分の炭素数が多くなると難燃性が低下してくるためである。信頼性を確保するため、樹脂中に含まれる塩素が、１０００ｐｐｍ以下であることが好ましい。これらエポキシ樹脂の具体例としては、ＮＣ−３０００Ｐ（日本化薬社製商品名、軟化温度５７℃、エポキシ当量２７３）などが挙げられる。

なお、本発明においては、その効果が失われない範囲で、前記化１に示されるエポキシ樹脂以外のエポキシ樹脂を併用することができる。併用するエポキシ樹脂としては、１分子中に２個以上のエポキシ基を有する化合物であれば特に限定されない。具体的には、フェノール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、ナフトールのノボラック型エポキシ樹脂、ビスフェノールＡのノボラック型エポキシ樹脂、ビスフェノールＡのグリシジルエーテル、テトラ（ヒドロキシフェニル）アルカンのエポキシ化物、ビスヒドロキシビフェニル系エポキシ樹脂などが挙げられ、これらのエポキシ樹脂は、単独もしくは２種類以上混合して用いることができる。

本発明に用いる（Ｂ）フェノール樹脂硬化剤は、前述の式化２に示されるものであり、式中のフェノール核とビフェニル核を結合するＲ成分はＣＨ² が好ましい。Ｒ成分の炭素数が多くなると難燃性が低下してくるためである。これらフェノール樹脂硬化剤の具体例としては、ＭＥＨ−７８５１Ｓ（明和化成社製商品名、軟化温度７２℃、水酸基当量２０９）などが挙げられる。

なお、本発明においては、その効果が失われない範囲で、前記化２に示されるフェノール樹脂硬化剤以外のフェノール樹脂を併用することができる。併用するフェノール樹脂としては、１分子中に２個以上のフェノール基を有する化合物であれば特に限定されない。フェノール樹脂の水酸基当量として１３０以上であることが好ましい。これにより十分な難燃性・低吸湿性を確保することができる。また、半導体封止装置の信頼性を確保するためには、フェノール樹脂中に含まれるフリーのフェノール類の濃度が１％以下であることが好ましい。これらフェノール樹脂の具体例としては、フェノールアラルキル樹脂、ナフトール樹脂、テルペンフェノール樹脂などが挙げられる。

配合されるエポキシ樹脂とフェノール樹脂との配合比は、硬化剤となるフェノール樹脂のフェノール性水酸基数とエポキシ樹脂のエポキシ基数との当量比（フェノール性水酸基数ｂ／エポキシ基数ａ）が１．０〜０．４の範囲内となるよう配合することが望ましい。上記基数比が０．４未満では硬化反応が十分に起こりにくく、１．０を超えると、硬化物の特性、特に耐湿性が劣化しやすくなるためである。

本発明に用いる（Ｃ）硬化促進剤としては、前述の式化３に示されるものであり、ＤＢＵ（１，８−ジアザビシクロ［５，４，０］ウンデセン−７）またはそのフェノール塩である。なお、本発明においては、その効果が失われない範囲で、前記化３に示される硬化促進剤以外の硬化促進剤を併用することができる。このような硬化促進剤としては、フェノール樹脂を用いてエポキシ樹脂を硬化する際に硬化促進剤として知られているものであれば特に制限されない。例えば、トリメチルホスフィン、トリエチルホスフィン、トリブチルホスフィン、トリフェニルホスフィン、トリ（ｐ−メチルフェニル）ホスフィン、トリ（ノニルフェニル）ホスフィン、メチルジフェニルホスフィン、ジブチルフェニルホスフィン、トリシクロヘキシルホスフィン、１，２−ビス（ジフェニルホスフィノ）エタン、ビス（ジフェニルホスフィノ）メタンなどの有機ホスフィン化合物、２−メチルイミダゾール、２，４−ジメチルイミダゾール、２−エチル−４−メチルイミダゾール、２−フェニルイミダゾール、２−フェニル−４−メチルイミダゾール、２−ヘプタデシルイミダゾールなどのイミダゾール化合物またはその誘導体等が挙げられ、単独もしくは２種類以上混合して用いることができる。

（Ｃ）硬化促進剤の添加割合は、それぞれの触媒活性が異なるため一概にその好適量は決められないが、樹脂成分の総量に対して０．１〜５．０重量％の範囲で添加することが望ましい。その割合が０．１重量％未満では硬化性能が劣り、一方、５．０重量％を超えると耐湿信頼性が劣化する傾向がある。

本発明の（Ｄ）成分の無機充填剤としては、溶融シリカ、結晶性シリカ、アルミナ、窒化アルミ等が挙げられ、これらは、単独もしくは２種類以上混合して用いることができる。これらのなかでも、コスト、特性のバランスを考えると溶融球状シリカが最適である。本発明に使用される溶融球状シリカは、溶射法にて製造されたものが一般的である。また、本発明の（Ｄ）の無機充填剤においては、ＢＥＴ法にて求められる比表面積が３．０ｍ² ／ｇ以上のものである。３．０ｍ² ／ｇ未満であると、成形時の充填性が不十分で、ボイド不良や未充填不良が発生し、かつ、耐リフロークラック性に劣る。また、流動性が良好であるためには、粒径２４μｍ以上の粒子のフロー式解析で表される真円度が０．８以上であることが望ましい。真円度が０．８未満であると流動性が悪化し、成形性に劣る結果となる。溶射法にて製造された球状シリカにおける粒径２４μｍ以下の粒子は、ほぼ真球であるが、大きな粒子ほど真円度が低く、流動性の低下を招く要因となる。さらに、粒径４８μｍ以上の粒子の含有量が１．０重量％以下であることにより、パッケージ内部における微細部への充填性が良好となる。粒径４８μｍ以上が１．０重量％を超えると、パッケージ内部の微細部や肉薄部への充填性が不十分となり、成形不良を引き起こす。

本発明の樹脂組成物には、以上の成分の他にカップリング剤、天然ワックス類、合成ワックス類、直鎖脂肪酸やその金属塩、酸アミド類、エステル類、パラフィン類等の離型剤；カーボンブラック、二酸化チタン等の顔料；シリコーンゴム、各種プラスチック粉末、各種エンジニアリングプラスチック粉末、ＡＢＳ樹脂やＭＢＳ樹脂の粉末等の低応力化剤などを適宜、添加配合することができる。カップリング剤としては、無機充填剤の表面処理に使用できるものであればいかなるものでもよいが、シリコン原子に結合したアルコキシ基を有するシラン化合物が好ましく、なかでも一級アミンもしくは二級アミンを有するシランカップリング剤が好ましい。これらのカップリング剤を用いることにより、組成物の成形性をより良好にすることができる。好ましいシランカップリング剤の具体的化合物は、γ−アミノプロピルトリエトキシシラン、γ−アミノプロピルトリメトキシシラン、Ｎ−β−（アミノエチル）−γ−アミノプロピルトリメトキシシラン、γ−ウレイドプロピルトリエトキシシラン、γ−Ｎ−フェニルアミノプロピルトリメトキシシランなどが挙げられる。これらのアミノシランは単独または２種以上混合して使用することができ、さらにアミノシラン以外のカップリング剤を併用しても差支えない。これらのカップリング剤の配合割合は、樹脂組成物全体の０．０１〜５重量％であることが好ましい。０．０１重量％未満では成形性の向上に効果がなく５重量％を超えると信頼性に悪影響を与え好ましくない。

本発明の封止用樹脂組成物を成形材料として調製する場合の一般的な方法としては、前述したエポキシ樹脂、フェノール樹脂硬化剤、硬化促進剤、無機充填剤、その他成分を配合し、ヘンシェルミキサー等の混合機によって十分均一に混合した後、さらに熱ロールによる溶融処理、または二軸押出機等による溶融混練処理を行い、次いで冷却固化させ、適当な大きさに粉砕して成形材料とすることができる。こうして得られた成形材料は、半導体封止をはじめとする電子部品（電気部品を含む）の封止、被覆、絶縁等に適用すれば、優れた特性と信頼性を付与させることができる。

本発明の樹脂封止型半導体装置は、上記のようにして得られた封止用樹脂組成物を用いて、半導体チップなど素子を樹脂封止することにより容易に製造することができる。樹脂封止の最も一般的な方法としては、低圧トランスファー成形があるが、コンプレッション成形、インジェクション成形および注型などによる封止も可能である。封止用樹脂組成物は封止成形の際の加熱によって硬化し、最終的にはこの組成物の硬化物によって封止された半導体封止装置が得られる。加熱による硬化は、１５０℃以上に加熱して後硬化させることが望ましい。封止を行う半導体チップは、特に限定されるものではない。

次に、本発明を実施例によって具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例によって限定されるものではない。

実施例１〜６および比較例１〜４
まず、表２、３に示す各成分を同表に示す割合で配合してなるエポキシ樹脂組成物を以下のようにして調製した（表中の配合量は重量部を示す）。即ち、初めにヘンシェルミキサー中で充填剤を表面処理剤で処理し、次いで他の成分を配合混合した。配合混合物は６０〜１３０℃の加熱ロールで混練し、冷却した後、粉砕することにより、封止用樹脂組成物を得た。

表２、３に示した各成分としては、それぞれ以下に示すものを用いた。なお、顔料として若干同量のカーボンブラックを用いた。

・エポキシ樹脂Ａ：化１に示される低吸湿性エポキシ樹脂（ＮＣ−３０００Ｐ、日本化薬株式会社製、エポキシ当量２７３）、
・エポキシ樹脂Ｂ：オルソクレゾールノボラックエポキシ樹脂（ＥＳＣＮ１９５ＸＬ、住友化学株式会社製、エポキシ当量１９７）、
・フェノール樹脂Ａ：化２に示される低吸湿性フェノール樹脂（ＭＥＨ−７８５１Ｓ、明和化成株式会社製、水酸基当量２０９）、
・フェノール樹脂Ｂ：フェノールノボラック樹脂（ＢＲＧ−５５６、昭和高分子株式会社製、水酸基当量１０４）、
・硬化促進剤：ＤＢＵフェノールノボラック塩（ＤＢＵ含有率３０％、フェノール樹脂当量１０４）、
・離型剤：カルナバワックス、
・表面処理剤：γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン（Ａ−１８７、日本ユニカー株式会社製）、
・充填剤Ａ〜Ｅ：表１の特性をもつ溶融球状シリカ。

次いで、実施例１〜６、比較例１〜４の封止用樹脂組成物について、それぞれ下記の評価試験を行った。

［１］流動性を調べるために、スパイラルフローを調べた。スパイラルフローは、ＥＭＭＩ−１−６６に準じて測定し、その結果を表４、５に示した。

［２］パッケージの充填性を調べるために、ＱＦＰ２０８−２８２８（厚さ１．４ｍｍ、チップサイズ１１×１１ｍｍ）とＴＳＯＰ５４（ＬＯＣ構造、チップサイズ４×６ｍｍ）を成形した。その結果を表４、５に示した。

［３］耐湿信頼性を調べるために以下の試験を行った。即ち、それぞれの樹脂組成物を用い、試験用デバイスを封止した後、１８０℃において４時間アフターキュアを行なった。次いで、このパッケージを８５℃、相対湿度６０％の雰囲気中に１６８時間放置して吸湿処理を行なった後、これを最高温度２６０℃のＩＲリフロー炉に３回通した。この時点でパッケージのクラック発生率を調べた。その後、ＰＣＴ試験を行ない、４００時間までの耐湿不良率を調べた。その結果を表６、７に示した。

＊１：◎印…良好、○印…問題なし、×印…未充填発生、
＊２：◎印…良好、○印…問題なし、×印…傾き大。

＊１：◎印…良好、○印…問題なし、×印…未充填発生、
＊２：◎印…良好、○印…問題なし、×印…傾き大。

表４〜７にみるように、実施例１〜６の封止用樹脂組成物は、比較例１〜４の封止用樹脂組成物に比べ高温下での耐クラック性およびその後の耐湿信頼性が良好で、かつパッケージの充填性も良好である。また難燃性も保持しており成形作業性にも問題がない。

Claims (4)

1. （Ａ）下記一般式に示すエポキシ樹脂、
   

   

   
   （但し、式中、ｎは１以上の整数を表す）
   （Ｂ）下記一般式に示すフェノール樹脂硬化剤、
   

   

   
   （但し、式中、ｎは１以上の整数を表す）
   （Ｃ）下記構造式に示す硬化促進剤１，８−ビシクロ［５，４，０］ウンデセン−７および
   

   

   
   （Ｄ）比表面積が３．０ｍ² ／ｇ以上である充填剤
   を必須成分としてなり、配合されるエポキシ樹脂におけるエポキシ基数ａと配合されるフェノール樹脂における水酸基数ｂとの当量比（ｂ／ａ）が１．０〜０．４であり、また臭素系難燃剤およびアンチモン化合物を含まないことを特徴とする封止用樹脂組成物。
2. （Ｄ）の充填剤における粒径２４μｍ以上の粒子のフロー式解析で表される真円度が、対象粒子の投影面積をＡ、対象粒子の投影周囲をＢとしたとき、（Ａ×４π／Ｂ² ）≧０．８の関係にある請求項１記載の封止用樹脂組成物。
3. （Ｄ）の充填剤における粒径４８μｍ以上の粒子の含有量が、１．０重量％以下である請求項２記載の封止用樹脂組成物。
4. 請求項１〜３記載の封止用樹脂組成物の硬化物によって、半導体チップが封止されてなることを特徴とする樹脂封止型半導体装置。