JP2005048173A - 半導体封止用タブレットの製法およびそれにより得られた半導体封止用タブレットならびにそれを用いた半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】タブレットの高密度化によりパッケージ内部のボイドの発生を低減させることのできる半導体封止用タブレットの製法を提供する。
【解決手段】下記の（Ａ）〜（Ｃ）成分を必須成分とするエポキシ樹脂組成物の混練物を作製した後、上記混練物をシート密度比９８％以上のシート状に成形し、上記シート状成形体を粉砕した後、この粉砕物をタブレット密度比９４％以上９８％未満のタブレット状に打錠成形してなる半導体封止用タブレットの製法である。
（Ａ）エポキシ樹脂。
（Ｂ）フェノール樹脂。
（Ｃ）無機質充填剤。
【選択図】なし

Description

本発明は、半導体装置の封止材料に用いられ、封止樹脂部分の内部ボイドの発生を抑制することのできる半導体封止用タブレットの製法およびそれにより得られた半導体封止用タブレットならびにそれを用いて得られる信頼性の高い半導体装置に関するものである。

従来から、ＩＣ，ＬＳＩ等の半導体素子を封止材料として、エポキシ樹脂、フェノール樹脂および無機質充填剤等を配合して溶融混練した後、圧延し冷却後粉砕してなる粉末状物が用いられている。そして、このようにして得られた粉末状物を直接、パッケージ封止用の成形機に供給して半導体装置の樹脂封止を行う場合もあるが、予め封止に必要な量を所望の形状の金型内で加圧打錠してタブレットを作製し、これをパッケージ封止用の成形機に供給して半導体装置の樹脂封止を行う方法が一般的である。

このように、予め加圧成形により打錠したタブレットを封止材料として用いるのは、加圧成形したタブレットは封止材料における粉砕された粒子間の空隙が圧縮され小さくなっており、いわゆるタブレット内に含有される空気量が少なくなっているからである。したがって、このようなタブレットを封止材料として用いることにより、封止後のパッケージ内および表面にボイドが残留し難く、封止後の信頼性や、封止工程での歩留りが著しく向上するようになる。

しかしながら、最近では、半導体装置の薄型化が進んでおり、このような薄型パッケージにおいては、当然、封止樹脂層の厚みも薄くなり、従来では問題とならなかったようなボイドであっても、薄型パッケージでは重大な欠陥原因となるため、ボイドの発生率の低減を目的に、タブレットの高密度化が要求されている。例えば、タブレットの高密度化に対し、打錠前の粉砕品の粒度分布を限定することにより粒子の充填構造を調整して、高密度のタブレットを得ることが提案されている（特許文献１参照）。あるいは、混練機から吐出される吐出物の温度を特定し、この吐出物を冷却粉砕して得られる成形材料の特性を限定したエポキシ樹脂成形材料の製造方法が提案されている（特許文献２参照）。
特開平８−３９５４９号公報 特開２００２−２２０４７５号公報

しかしながら、最近のタブレットの高密度領域ではほとんどそれらの効果が得られず、結局、タブレット打錠時の加圧力の高圧化に依存してきたのが実情である。その結果、タブレット密度比はすでに真比重比で９４％のレベルにまで達しており、今以上の高圧化は、成形装置の歪みの発生や破損を招いたり、またタブレット製造時の歩留り低下等の問題が発生しており、すでにタブレットの製造装置自体にその解決を求めるには限界がきているのが現状である。

本発明は、このような事情に鑑みなされたものであって、タブレットの高密度化によりパッケージ内部のボイドの発生を低減させることのできる半導体封止用タブレットの製法およびそれにより得られた半導体封止用タブレットならびにそれを用いた信頼性の高い半導体装置の提供をその目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明は、下記の（Ａ）〜（Ｃ）成分を必須成分とするエポキシ樹脂組成物の混練物を作製する工程と、上記混練物をシート密度比９８％以上のシート状に圧延成形する工程と、上記シート状成形体を粉砕した後、この粉砕物をタブレット密度比９４％以上９８％未満のタブレット状に打錠成形する工程とを備えた半導体封止用タブレットの製法を第１の要旨とする。そして、本発明は、上記半導体封止用タブレットの製法により得られた、タブレット密度比９４％以上９８％未満の半導体封止用タブレットを第２の要旨とする。
（Ａ）エポキシ樹脂。
（Ｂ）フェノール樹脂。
（Ｃ）無機質充填剤。

また、本発明は、上記半導体封止用タブレットを用いて半導体素子を樹脂封止してなる半導体装置を第３の要旨とする。

すなわち、本発明者らは、従来の打錠成形装置では、限界であった高密度のタブレットを得るために一連の研究を重ねた。そして、従来のように半導体封止用樹脂組成物である粉砕物をタブレット状に打錠する際の加圧力のみでは、冷却され硬くなった粉砕粒子を押し潰して粉末内のエアーを取り除き、より高密度のタブレットに打錠することは不可能であるという知見を得た。この知見にもとづき、さらに研究を重ねた結果、まず、タブレットに打錠成形する前の封止材料において、上記封止材料の配合成分の溶融状態である混練吐出物を圧延してシート化する際に高密度比のシート状に圧延成形し、この圧延シートを粉砕してタブレット状に打錠すると、粉砕物である粉末内のエアーが大幅に除去され、しかも打錠時の加圧力の低減を図りながらも、より一層高密度のタブレットが得られ、これを用いて半導体素子を封止した際にパッケージにボイドの形成を抑制することが可能となる半導体封止用タブレットが得られることを見出し本発明に到達した。

このように、本発明は、エポキシ樹脂組成物の混練物をシート密度比９８％以上のシート状に圧延成形して、上記シート状成形体を粉砕した後、この粉砕物をタブレット密度比９４％以上９８％未満のタブレット状に打錠成形することにより半導体封止用タブレットを製造する。このように、シート密度比を上記のように設定することにより、その粉砕物を用いると従来のタブレットの打錠技術および打錠装置では、実現が困難であった高密度のタブレットを得ることが可能となる。したがって、本発明の製法により得られたタブレットを用いて樹脂封止して作製された半導体装置は、ボイドの発生が低減され、高信頼性のものが得られるようになる。

そして、上記圧延成形したシートの厚みを１．０ｍｍ以下に設定すると、シート密度比を９８％以上の高密度比とすることが容易となる。

また、上記粉砕物の粒度分布が、粒径１．０ｍｍを超える粒子が５０重量％以下で、粒径０．１２５ｍｍ以下の粒子が１０〜４０重量％であると、タブレットの成形が容易となり、この粉砕物を用いてなるタブレットにより成形された半導体装置において、ボイドの発生がより低減される。

本発明により得られる半導体封止用タブレットは、エポキシ樹脂（Ａ成分）と、フェノール樹脂（Ｂ成分）と、無機質充填剤（Ｃ成分）を必須成分として含有するエポキシ樹脂組成物を用い、これを混練して特定の厚みのシート状に成形した後粉砕して、この粉砕物をタブレット状に打錠成形することにより得られる。

上記エポキシ樹脂（Ａ成分）としては、特に限定するものではなく従来公知の各種エポキシ樹脂が用いられる。例えば、クレゾールノボラック型、フェノールノボラック型、ビスフェノールＡ型、ビフェニル型、トリフェニルメタン型やナフタレン型等の各種エポキシ樹脂等があげられる。これらは、単独で使用できるほか、２種以上を併用してもよい。

上記エポキシ樹脂（Ａ成分）とともに用いられるフェノール樹脂（Ｂ成分）は、上記エポキシ樹脂の硬化剤としての作用を奏するものであり、特に限定するものではなく従来公知のもの、例えば、フェノールノボラック、クレゾールノボラック、ビスフェノールＡ型ノボラック、ナフトールノボラック、フェノールアラルキル樹脂等があげられる。これらは単独でもしくは２種以上併せて用いられる。

上記エポキシ樹脂（Ａ成分）とフェノール樹脂（Ｂ成分）の配合割合は、エポキシ樹脂中のエポキシ基１当量あたり、硬化剤中の水酸基当量が０．５〜２．０当量となるように配合することが好ましい。より好ましくは０．８〜１．２当量である。

上記エポキシ樹脂（Ａ成分）およびフェノール樹脂（Ｂ成分）とともに用いられる無機質充填剤（Ｃ成分）としては、特に限定するものではなく従来公知の各種充填剤があげられ、例えば、石英ガラス粉末、タルク、シリカ粉末（溶融シリカ粉末や結晶性シリカ粉末等）、アルミナ粉末、窒化アルミニウム粉末、窒化珪素粉末等があげられる。これらは単独でもしくは２種以上併せて用いられる。なかでも、得られる硬化物の線膨張係数を低減できるという点から上記シリカ粉末を用いることが好ましく、上記シリカ粉末のなかでも溶融シリカ粉末を用いることが高充填、高流動性という点から特に好ましい。上記溶融シリカ粉末としては、球状溶融シリカ粉末、破砕溶融シリカ粉末があげられるが、流動性という観点から、球状溶融シリカ粉末を用いることが好ましい。なかでも、平均粒径が１０〜６０μｍの範囲、特に好ましくは１５〜４５μｍの範囲のものを用いることが好ましい。なお、上記平均粒径は、例えば、レーザー回折散乱式粒度分布測定装置を用いて測定することができる。

上記無機質充填剤（Ｃ成分）の含有量は、エポキシ樹脂組成物全体の５０〜９５重量％の範囲内に設定することが好ましく、特に好ましくは７０〜９０重量％である。

本発明では、上記Ａ〜Ｃ成分に加えて、必要に応じて硬化促進剤、ブロム化エポキシ樹脂等のハロゲン系難燃剤や三酸化アンチモン等の難燃助剤、カーボンブラック等の顔料、β−（３，４−エポキシシクロヘキシル）エチルトリメトキシシランやγ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン等のシランカップリング剤、カルナバワックス等の離型剤等他の添加剤が適宜に用いられる。

上記硬化促進剤としては、特に限定するものではなく、２−メチルイミダゾール等のイミダゾール類、トリエタノールアミン、テトラフェニルホスホニウム・テトラフェニルボレートや、トリフェニルホスフィン等の有機リン系化合物、１，８−ジアザビシクロ〔５．４．０〕ウンデセン−７や、１，５−ジアザビシクロ〔４．３．０〕ノネン−５等のジアザビシクロアルケン系化合物等があげられる。これら化合物は単独でもしくは２種以上併せて用いられる。そして、この硬化促進剤の配合割合は、エポキシ樹脂組成物全体の０．１〜１．０重量％の割合に設定することが好ましい。

本発明の半導体封止用タブレットは、上記各成分を用いて、例えば、つぎのようにして製造される。すなわち、上記各成分を所定の割合で配合して、ミキサー等によりドライブレンドした後、２軸混練機を用いて樹脂温度９０〜１３０℃で混練する。ついで、上記混練機から吐出された混練物をカレンダーロール機等にて、シート密度比９８％以上となるようシート状に圧延成形した後、上記シートを空冷後、粉砕する。つぎに、得られた粉砕物を打錠機にて、所望するタブレット密度比となるよう所定のタブレット高さにまで圧縮してタブレット状に打錠成形することにより目的とする半導体封止用タブレットが製造される。

上記圧延成形されたシートは、先に述べたように、シート密度比９８％以上に成形される。そして、その際に、厚み１．０ｍｍ以下に圧延してシート化することが好ましい。詳しく説明すると、圧延成形による従来のシートは、通常、厚み２ｍｍ以上であり、この場合、シート密度比は９３〜９７％程度であったが、本発明においては、シート厚みが１．０ｍｍではシート密度比９８〜９９％に、シート厚み０．７〜０．５ｍｍではシート密度比９９〜１００％に成形可能となる。したがって、シート密度比の関係からシート厚み０．７ｍｍ以下と設定することが特に好ましい。なお、上記シートの厚みの下限は、通常、０．２ｍｍである。このように、シート厚みが１．０ｍｍ以下に圧延することによりシート密度比が９８％以上と高密度に成形可能となるのは、混練機によって吐出された混練物内に点在する空洞や、ロールまでの移送中に巻き込んだ気泡による空洞等を、溶融状態でシート状に圧延することにより効率良く除去することができるからである。

なお、シート密度比を上記のように９８％以上に設定するには、シート厚みを１．０ｍｍ以下とする以外に、例えば、混練性を上げる、高温で吐出する等による方法があげられる。具体的には、混練機中での減圧や脱気処理、混練時間の延長や混練温度の高温化等の方法があげられる。また、上記シート密度比は、つぎのようにして測定・算出される。すなわち、得られたシートの空気中の質量と水中での質量から求める比重測定方法（ＪＩＳ Ｋ６９１１に準拠）によりシートの比重を求め、同様に求めた封止材成形物（樹脂組成物の硬化物）の真比重値との比によりシート密度比を算出する。より詳しく述べると、シートの比重を上記比重測定方法により求める。一方、上記樹脂組成物の硬化物を、成形条件：温度１７５℃×２分間、６．８６５ＭＰａ、後硬化１７５℃×５時間で成形して、上記と同様、比重測定方法により封止材成形物の真比重を求める。そして、これら測定値から、つぎの式、シート密度比（％）＝〔（シートの比重）／（封止材成形物の真比重）〕×１００にてシート密度比を算出する。

また、上記圧延成形されたシートの粉砕には、配合される無機質充填剤の有する硬度以上の硬度を備えた通常の機械式粉砕機、例えば、ハンマー式の粉砕機等を使用することができる。

そして、上記粉砕された樹脂組成物（粉砕物）の粒度は、ＪＩＳ標準篩にてその粒度分布を確認することができる。本発明では、１．０ｍｍ篩上に残存する粉砕粒子の割合が全体の５０重量％以下であることが好ましい。なお、好適な下限は７重量％である。すなわち、５０重量％を超えて多くなると、前述のシート密度比が高くても、粒子間に空隙が残ってしまい逆に成形時のボイドが増加する傾向がみられるからである。したがって、粉砕物全体の、粒径１．０ｍｍを超える粒子が５０重量％以下であることが好ましい。

さらに、０．１２５ｍｍ篩を通過する粉砕粒子の割合が全体の１０〜４０重量％であることが好ましく、特に好ましくは１０〜２５重量％である。０．１２５ｍｍ篩を通過する粉砕粒子のような微細粒子は大きな粒径の粒子間の空間を埋めて、タブレットを成形する際にタブレット中に取り込まれる気泡の量を低減するという効果を奏するのである。しかし、その割合が４０重量％を超えると、逆にかさ密度が低くなって、取り込まれる気泡の量が多くなってしまい、タブレットの成形が難しくなる傾向がみられる。したがって、圧縮圧力，タブレット密度のばらつきの関係から、粒径０．１２５ｍｍ以下の粒子は２５重量％以下に抑えることが特に好ましい。このように、粉砕物全体の、粒径０．１２５ｍｍ以下の粒子が１０〜４０重量％であることが好ましく、特に好ましくは１０〜２５重量％である。

上記打錠成形されたタブレット密度比は、９４％以上９８％未満に設定される。特に好ましくは９６％以上９８％未満である。上記打錠成形されたタブレット密度比を９８％未満と設定するのは、つぎのような理由による。すなわち、（１）シート密度を９９〜１００％としても、タブレット密度を９８％以上とするためには、非常に大きな加圧が必要となり、装置的に不可または好ましくない、（２）混練機より吐出されたものの中には揮発成分が残存しており、また粉砕により表面積が増すことにより保管中に吸湿する等、打錠時点で樹脂組成物中に揮発成分が存在している。このような樹脂組成物を９８％以上の高密度で打錠すると、後に脱ガス脱湿され難く、また成形時の樹脂流動中に高密度層から揮発成分が分離され難い等によりボイドとして残存し易いからである。また、上記タブレット密度比は、つぎのようにして測定・算出される。すなわち、タブレットが円柱状であることから、タブレットの直径と高さと重量からタブレットの嵩比重を求め、封止材成形物（樹脂組成物の硬化物）の真比重値との比によりタブレット密度比を算出する。より詳しく述べると、タブレットの嵩比重を上記のようにして求めるとともに、先に述べた方法により求めた封止材成形物の真比重により、つぎの式、タブレット密度比（％）＝〔（タブレットの嵩比重）／（封止材成形物の真比重）〕×１００にてタブレット密度比を算出する。

上記圧縮してタブレット状に打錠成形する際の圧力は、特に限定するものではないが、例えば、２４５〜７８４ＭＰａの範囲に設定することが好ましい。

このように、本発明においては、シート密度比と、タブレット密度比の各値全てが上記範囲を満足することにより、タブレットを用いて成形された半導体装置の内部ボイドの形成を効果的に抑制することが可能となる。したがって、上記各値のいずれか一つでもその設定範囲を外れると、本発明における効果を得ることができない。例えば、最終的に得られるタブレットの密度比がたとえ９７％であっても、粉砕前のシート密度比が９８％未満では、半導体装置の内部ボイドの形成を抑制することは困難である。

本発明の半導体封止用タブレットは、略円柱状であれば、その大きさ等は特に限定するものではないが、通常、直径７〜３０ｍｍ、高さ１０〜４５ｍｍの範囲であることが好ましい。

このようにして得られた半導体封止用タブレットを用いての半導体素子の封止は、特に制限するものではなく、通常のトランスファー成形等の公知のモールド方法により行うことができる。

つぎに、実施例について比較例と併せて説明する。

下記に示す各成分を準備した。

〔ビフェニル型エポキシ樹脂〕
エポキシ当量１７３、融点１００℃
〔フェノールノボラック樹脂〕
水酸基当量１０７、融点６０℃
〔硬化促進剤〕
トリフェニルホスフィン
〔カルナバワックス〕
〔無機質充填剤〕
溶融球状シリカ粉末（平均粒径２０μｍ）
〔カーボンブラック〕
〔シランカップリング剤〕
γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン

〔実施例１〜６、比較例１〜６〕
下記の表１に示す各成分を同表に示す割合でミキサーに投入してドライブレンドした後、上記混合物を２軸混練機に供給し樹脂温度１１０℃にて溶融混練した。つぎに、この混練機より吐出された混練物を直径１５０ｍｍのカレンダーロールにて圧延することによりシート状に成形加工した。このとき、後記の表２に示す厚みのシートとなるようロールのギャップおよび押し圧等を調整した。ついで、上記シート状に成形した溶融混練物を空冷した後ハンマーミルを用いて粉砕し、さらにタブレット状に打錠成形した。この打錠成形は、一対に設けられた臼と杵が複数個配置された回転盤が回転しながら連続的にタブレットの打錠成形を行うロータリー打錠機（菊水製作所社製、３３連式）を用いた。そして、所望のタブレット密度比となるように圧縮することにより半導体封止用タブレットを作製した。

このようにして得られた各半導体封止用タブレットについて、タブレット密度比を先に述べた方法に従って測定・算出した。また、上記各シート状に圧延成形した際のシート密度比についても先に述べた方法に従って測定・算出した。なお、上記シート厚みは、シート状に成形加工したものを空冷した後、ノギスを用いて測定した。これらの結果を下記の表２および表３に併せて示した。

このようにして得られた各半導体封止用タブレットを用いて、下記の条件にて半導体装置（試料数２０個）を作製した。そして、得られた半導体装置の内部をＸ線装置を用いて観察して１００μｍ以上の大きさの内部ボイド数をカウントし、半導体装置２０個の内部ボイド数の平均値を算出した。この結果を後記の表２および表３に示した。

半導体装置サイズ：１４４ピンクワッドフラットパッケージ（１４４ピンＱＦＰ）・ ２０ｍｍ×２０ｍｍ
チップサイズ：７．５ｍｍ×７．５ｍｍ
トランスファー成形条件：１７５℃×９０秒間の熱硬化
成形圧力：６．８６５ＭＰａ
成形機：ＴＯＷＡ社製マルチプランジャーシステム

〔重量のばらつき〕
タブレット状に成形したもの（直径１４ｍｍ、目標重量６ｇ）を５０個準備して個々のタブレット重量を計量し、下記の判断基準にて重量のばらつきを調べ、その結果を下記の表２および表３に併せて示した。
◎：（最大値−最小値）／平均値＜０．３％
○：０．３％≦（最大値−最小値）／平均値＜０．５％
△：０．５％≦（最大値−最小値）／平均値＜２．０％
×：２．０％≦（最大値−最小値）／平均値

〔加圧力指数〕
タブレット成形時に必要な加圧力を各実施例および比較例で測定し、比較例１の値を基準値１とした場合の比率を下記の表２および表３に併せて示した。

上記結果から明らかなように、シート密度比が９８％以上の圧延シートからなる粉砕物を打錠成形してなるタブレット密度比９４％以上９８％未満のタブレットを用いて作製した半導体装置は、内部ボイドが形成されなかったか、もしくは形成されても極僅かであった。

これに対して、シート密度比が９８％未満、あるいはタブレット密度比が９４％未満９８％以上のいずれか一つでも該当するタブレットを用いて作製した半導体装置は、内部ボイドが実施例に比べて多く形成された。

Claims (5)

1. 下記の（Ａ）〜（Ｃ）成分を必須成分とするエポキシ樹脂組成物の混練物を作製する工程と、上記混練物をシート密度比９８％以上のシート状に圧延成形する工程と、上記シート状成形体を粉砕した後、この粉砕物をタブレット密度比９４％以上９８％未満のタブレット状に打錠成形する工程とを備えたことを特徴とする半導体封止用タブレットの製法。
   （Ａ）エポキシ樹脂。
   （Ｂ）フェノール樹脂。
   （Ｃ）無機質充填剤。
2. 上記シート状成形体の厚みが１．０ｍｍ以下である請求項１記載の半導体封止用タブレットの製法。
3. 上記粉砕物の粒度分布が、粒径１．０ｍｍを超える粒子が５０重量％以下で、粒径０．１２５ｍｍ以下の粒子が１０〜４０重量％である請求項１または２記載の半導体封止用タブレットの製法。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体封止用タブレットの製法により得られた、タブレット密度比９４％以上９８％未満の半導体封止用タブレット。
5. 請求項４記載の半導体封止用タブレットを用いて半導体素子を樹脂封止してなる半導体装置。