JP2005162942A - 半導体封止用エポキシ樹脂組成物の製法およびそれによって得られた半導体封止用エポキシ樹脂組成物ならびに半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ボイドの発生等の生じない信頼性に優れた半導体封止用エポキシ樹脂組成物の製法を提供する。
【解決手段】下記の（Ａ）〜（Ｃ）成分を含有する半導体封止用エポキシ樹脂組成物の製法である。まず、下記の（Ａ）〜（Ｃ）成分を含有する配合成分のうち、予め（Ａ）成分を除く配合成分の全部または一部を、１．３３３〜６６．６５ｋＰａの減圧条件、かつ１００〜２３０℃の加熱条件下において予備混合する。ついで、この予備混合物に、下記の（Ａ）成分ならびに残余成分を配合して混合することにより半導体封止用エポキシ樹脂組成物を製造する。
（Ａ）エポキシ樹脂。
（Ｂ）フェノール樹脂。
（Ｃ）硬化促進剤。
【選択図】なし

Description

本発明は、成形性および信頼性に優れた半導体封止用エポキシ樹脂組成物の製法およびそれによって得られた半導体封止用エポキシ樹脂組成物ならびに半導体装置に関するものである。

従来から、トランジスタ、ＩＣ、ＬＳＩ等の半導体素子は、外部環境からの保護および素子のハンドリングを可能にする観点から、プラスチックパッケージ、例えば、エポキシ樹脂組成物を用いて封止され半導体装置化されている。このようなエポキシ樹脂組成物は、例えば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、硬化促進剤、さらにはシランカップリング剤等の各配合成分をミキシングロール、混合釜、ニーダー等を用いて、混合・混練することにより得られるが、各配合成分の分散性、濡れ性を高めるため、配合成分の一部を予め予備混合し、その後、この混合物に残りの配合成分を混合して製造するという方法が一部採られている。

このような製法としては、例えば、予め、ノボラック型フェノール樹脂硬化剤と、テトラフェニルホスホニウム・テトラフェニルボレートとを加熱混合してエポキシ樹脂硬化剤を作製し、これを用いるということが提案されている（特許文献１参照）。上記製法にて得られたエポキシ樹脂組成物は、保存安定性が良好で、耐湿性に優れた硬化物が得られるという効果を奏する。

他方、フェノール樹脂成分の一部または全部とエポキシシランカップリング剤とアミン系触媒とを溶融混合させた後、これに残りの配合成分を溶融混合する手法が提案されている（特許文献２参照）。
特公昭５６−４５４９１号公報 特公平７−３５４３２号公報

しかしながら、これら製法において得られるエポキシ樹脂組成物は、予備混合時に系中に存在、あるいは発生する揮発性成分が最終的に得られる半導体封止用エポキシ樹脂組成物中にも残存するため、ボイドの発生等の不具合が生起するという問題があり、このような不具合の生じない硬化物を得ることは困難であった。

本発明は、このような事情に鑑みなされたもので、ボイドの発生等の生じない信頼性に優れた半導体封止用エポキシ樹脂組成物の製法およびそれによって得られた半導体封止用エポキシ樹脂組成物ならびに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）成分を含有する半導体封止用エポキシ樹脂組成物の製法であって、下記の（Ａ）〜（Ｃ）成分を含有する配合成分のうち、下記の（Ａ）成分を除く配合成分の全部または一部を、１．３３３〜６６．６５ｋＰａの減圧条件、かつ１００〜２３０℃の加熱条件下において予備混合し、ついで、この混合物に、下記の（Ａ）成分ならびに残余成分を配合して混合する半導体封止用エポキシ樹脂組成物の製法を第１の要旨とする。
（Ａ）エポキシ樹脂。
（Ｂ）フェノール樹脂。
（Ｃ）硬化促進剤。

また、上記半導体封止用エポキシ樹脂組成物の製法によって得られた半導体封止用エポキシ樹脂組成物であって、上記（Ａ）〜（Ｃ）成分を含有する半導体封止用エポキシ樹脂組成物を第２の要旨とする。

さらに、上記半導体封止用エポキシ樹脂組成物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、エポキシ樹脂組成物を用いての半導体装置化に際して生じる、ボイドの発生等様々な不具合の発生を抑制し、優れた成形性を備えた封止材料となるエポキシ樹脂組成物を得ることを目的として鋭意検討を重ねた。そして、従来のような配合成分自身の検討から視点を変え他の解決手段について研究を重ねた。その結果、エポキシ樹脂組成物の構成成分である、従来から硬化剤として用いられているフェノール樹脂や、硬化促進剤およびシランカップリング剤が、混合時において分解，反応生成物である、いわゆる揮発性成分を形成し、これが上記不具合の発生要因となることを突き止めた。この事実に基づきさらに研究を重ねた結果、エポキシ樹脂組成物を作製する際に、まず、エポキシ樹脂を除く他の配合成分の全部または一部を特定範囲の減圧および加熱条件下において予備混合し、ついで、この混合物に、上記エポキシ樹脂および残余成分を配合して混合するという工程を経由してエポキシ樹脂組成物を作製すると、この条件下において、上記揮発性成分が除去され、結果、上記成形時の不良の発生が抑制されて信頼性の高い半導体装置が得られることを見出し本発明に到達した。

以上のように、本発明は、エポキシ樹脂〔（Ａ）成分〕を除く配合成分の全部または一部を特定範囲の減圧および加熱条件下において予備混合し、ついで、この混合物に、上記エポキシ樹脂〔（Ａ）成分〕ならびに残余成分を配合して混合することにより半導体封止用エポキシ樹脂組成物を製造する。このため、得られる半導体封止用エポキシ樹脂組成物は、上記条件下による予備混合時に揮発性成分が除去され、これを封止用樹脂組成物として用いることにより、パッケージ成形の際にボイドの発生等が抑制され信頼性の高い半導体装置が得られる。

そして、硬化促進剤として、テトラ置換ホスホニウム・テトラ置換ボレートを用いると、硬化性および成形体の信頼性が一層向上する。

本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物は、エポキシ樹脂（Ａ成分）と、フェノール樹脂（Ｂ成分）と、硬化促進剤（Ｃ成分）とを用いて得られるものであって、通常、粉末状もしくはそれを打錠したタブレット状になっている。

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各種のエポキシ樹脂が用いられる。例えば、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、ビフェニル型エポキシ樹脂、トリフェニルメタン型エポキシ樹脂等があげられる。これらは単独でもしくは二種以上併せて用いられる。これらエポキシ樹脂のなかでも、ビフェニル型エポキシ樹脂や低級アルキル基をフェニル環に付加したような低吸湿型のエポキシ樹脂を用いることが好ましい。このようなエポキシ樹脂としては、エポキシ当量１５０〜２５０、軟化点５０〜１３０℃のものが好ましい。

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（Ａ成分）の硬化剤として作用するものであり、特に限定するものではなく、フェノールノボラック、クレゾールノボラック、ビフェニル型ノボラック、トリフェニルメタン型、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、これらは単独でもしくは二種以上併せて用いられる。なかでも、フェノールアラルキル樹脂のように低吸湿性のものを用いることが好ましい。

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、フェノール樹脂中の水酸基当量が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硬化促進剤（Ｃ成分）は、エポキシ基と水酸基との反応を促進するものであれば特に限定するものではなく、従来公知のもの、例えば、トリフェニルホスフィン等の三級リン系化合物、テトラフェニルホスホニウム・テトラフェニルボレート（以下「ＴＰＰ−Ｋ」と称す）、テトラフェニルホスホニウム・テトラキス（４−メチルフェニル）ボレート（以下「ＴＰＰ−ＭＫ」と称す）等の四級ホスホニウム系化合物、１，８−ジアザビシクロ（５，４，０）ウンデセン−７等のジアザビシクロアルケン系化合物、トリエチレンジアミン等の三級アミン類、２−メチルイミダゾール等のイミダゾール類等が用いられ、単独でもしくは二種以上併せて用いることができる。なかでも、硬化性および成形物の信頼性の観点から、ＴＰＰ−Ｋ等のホスホニウム塩系硬化促進剤が好ましく用いられる。

上記硬化促進剤（Ｃ成分）の含有割合は、上記フェノール樹脂（Ｂ成分）１００重量部（以下「部」と略す）に対して１〜２０部の範囲に設定することが好ましい。より好ましくは２〜１０部である。すなわち、１部未満では、目的とするエポキシ樹脂（Ａ成分）とフェノール樹脂（Ｂ成分）との硬化反応が進み難く、２０部を超えると、反応速度が速過ぎて、エポキシ樹脂組成物の製造工程中に反応が進行したり、封止材料としての保存安定性に著しく劣る傾向がみられるからである。

上記Ａ〜Ｃ成分とともに、通常、任意成分としてシランカップリング剤が用いられる。上記シランカップリング剤としては、特に限定するものではなく各種シランカップリング剤を用いることができ、なかでも、２個以上のアルコキシ基を有するものが好適に用いられる。具体的には、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、γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、γ−メルカプトプロピルトリメトキシシラン、γ−（２−アミノエチル）アミノプロピルトリメトキシシラン、γ−メルカプトプロピルメチルジメトキシシラン、γ−アニリノプロピルトリメトキシシラン、ヘキサメチルジシラザン等があげられる。これらは単独でもしくは二種以上併せて用いられる。

上記シランカップリング剤の含有量は、エポキシ樹脂組成物全体の０．１〜２重量％の範囲に設定することが好ましい。特に好ましくは０．３〜１．５重量％である。すなわち、０．１重量％未満では、硬化物の強度が低下するという不具合が発生する恐れがあり、２重量％を超えると、硬化物の弾性率が低下するという不具合が発生する傾向がみられるからである。

さらに、上記Ａ〜Ｃ成分とともに、通常、無機質充填剤が配合成分として用いられる。上記無機質充填剤としては、特に限定するものではなく従来公知の各種充填剤が用いられる。例えば、溶融シリカ粉末や結晶性シリカ粉末等のシリカ粉末、アルミナ粉末等が用いられる。これら無機質充填剤は、破砕状、球状あるいは摩砕処理したもの等いずれのものであっても使用可能である。なかでも、球状溶融シリカ粉末を用いることが好ましい。そして、これらは単独でもしくは二種以上併せて用いられる。また、上記無機質充填剤としては、平均粒径が５〜４０μｍの範囲のものを用いることが流動性を良好にするという点から好ましい。上記平均粒径の測定は、例えば、レーザー回折散乱式粒度分布測定装置により測定することが好ましい。

上記無機質充填剤の含有量は、エポキシ樹脂組成物中８０〜９２重量％の範囲となるよう設定することが好ましく、特に好ましくは８７〜９２重量％である。すなわち、無機質充填剤の含有量が８０重量％未満では、成形後のパッケージの吸水量が増加し、実装時の信頼性が低下する傾向がみられる。また、９２重量％を超えると、高粘度となり流動性に劣る傾向がみられるからである。

なお、本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物では、上記Ａ〜Ｃ成分および無機質充填剤以外に、必要に応じて、難燃剤、難燃助剤、離型剤、カーボンブラック等の顔料や着色料、低応力化剤、粘着付与剤等の他の添加剤を適宜配合することができる。

上記難燃剤としては、ノボラック型ブロム化エポキシ樹脂等があげられ、さらに上記難燃助剤としては、三酸化二アンチモンや五酸化二アンチモン等が用いられる。これらは単独でもしくは二種以上併せて用いられる。

上記離型剤としては、高級脂肪酸、高級脂肪酸エステル、高級脂肪酸カルシウム等の化合物があげられ、例えば、カルナバワックスやポリエチレン系ワックスが用いられ、これらは単独でもしくは二種以上併せて用いられる。

また、上記低応力化剤としては、アクリル酸メチル−ブタジエン−スチレン共重合体、メタクリル酸メチル−ブタジエン−スチレン共重合体等のブタジエン系ゴムやシリコーン化合物があげられる。さらに、耐湿信頼性テストにおける信頼性向上を目的としてハイドロタルサイト類化合物、水酸化ビスマス等のイオントラップ剤を配合してもよい。

本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物は、例えば、つぎのようにして製造することができる。まず、予めエポキシ樹脂（Ａ成分）を除く配合成分の全部または一部を混合釜にて大気圧下加熱して混合した後、減圧条件下で充分に予備混合して予備混合物を作製する。ついで、この予備混合物に、エポキシ樹脂（Ａ成分）および残余成分を配合し、大気圧下ミキサー等で充分に混合した後、上記と同様、さらにミキシングロール、混合釜、ニーダー等で溶融混練する。これを室温に冷却した後、公知の手段によって粉砕し、必要に応じて打錠するという一連の工程を経由することによって目的とする半導体封止用エポキシ樹脂組成物を製造することができる。

上記減圧条件下で予備混合する際に用いる混合装置としては、減圧機構を備えた混合釜であれば特に限定するものではなく、真空混合釜等が用いられる。

上記予備混合における減圧条件としては、１．３３３〜６６．６５ｋＰａの範囲に設定する必要があり、特に好ましくは４〜４０ｋＰａである。すなわち、６６．６５ｋＰａを超えた雰囲気下では、目的とする揮発成分の除去が困難であり、１．３３３ｋＰａ未満の減圧雰囲気下では、設備上、量産性の確保が困難であり、かつ必要な配合成分が揮発してしまい、結果として樹脂特性に悪影響を及ぼすからである。

また、上記減圧条件下での予備混合時の加熱温度条件としては、揮発成分を効率的に留去するため、１００〜２３０℃の範囲に設定する必要があり、特に好ましくは１３０〜２００℃の範囲である。すなわち、１００℃未満では、混合成分の均一な攪拌および揮発性成分の除去が困難であり、２３０℃を超えると、配合成分の反応、分解が生起しやすいという問題が生じるからである。

さらに、減圧条件下での予備混合の時間については、特に限定するものではないが、通常、３０分間〜２時間の範囲内で行われる。

上記減圧条件下による予備混合にて除去される揮発性成分としては、特に限定されるものではないが、例えば、フェノール樹脂（Ｂ成分）や硬化促進剤（Ｃ成分）の分解，反応物と推定される芳香族化合物や、任意成分であるシランカップリング剤の分解生成物と思われるアルコール類等があげられる。そして、このような揮発性成分がエポキシ樹脂組成物中に残存し封止材料として用いられると、半導体装置化の際にボイドの発生等の不具合の生じる要因となるのである。

このような半導体封止用エポキシ樹脂組成物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。

フェノールノボラック樹脂（水酸基当量１１０、軟化点７５℃）５６部、テトラフェニルホスホニウム・テトラフェニルボレート３部、エポキシ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）０．６部を真空混合釜にて大気圧下１７０℃で１時間混合した後、同温度条件下で２０ｋＰａの減圧条件下で３０分間混合した。その後、大気圧雰囲気に戻し、カルナバワックス２．５部を添加して予備混合物を作製した。

ついで、上記予備混合物全量と、ビフェニル型エポキシ樹脂（エポキシ当量１９５、融点１０７℃）１００部、溶融シリカ粉末（平均粒径３０μｍ）１２００部、三酸化二アンチモン１８部、カーボンブラック６部、エポキシシランカップリング剤（３−メルカプトプロピルトリメトキシシラン）３部を１００℃で２分間混練した後、冷却し粉砕することにより目的とする半導体封止用エポキシ樹脂組成物を作製した。

〔実施例２〜８、比較例１，２〕
予備混合物の作製に際して減圧条件、温度条件および減圧時間を下記の表１〜表２に示す設定条件に変えた。それ以外は実施例１と同様にして半導体封止用エポキシ樹脂組成物を作製した。

このようにして得られた実施例品および比較例品の粉末状エポキシ樹脂組成物を用いて、つぎのようにして半導体装置を製造した。すなわち、上記粉末状エポキシ樹脂組成物を用い打錠してタブレット化し、ＴＯＷＡ社製の自動成型機（ＣＰＳ−４０Ｌ）を用いて半導体素子をトランスファー成形（成形条件：１７５℃×９０秒＋１７５℃×５時間の後硬化）によりモールド成形して半導体装置を製造した。この半導体装置は、１１４ピン四方向フラットパッケージ（ＬＱＦＰ−１４４、大きさ：２０ｍｍ×２０ｍｍ×厚み１．４ｍｍ）である。このようにして得られた半導体装置について、下記の方法にしたがって金線ワイヤー流れ、ボイドの発生数を測定・評価した。その結果を後記の表３〜表４に併せて示した。

〔金線ワイヤー流れ〕
金線ワイヤー（ワイヤー径２３μｍ、ワイヤー長６ｍｍ）を張ったＬＱＦＰ−１４４（大きさ：２０ｍｍ×２０ｍｍ×厚み１．４ｍｍ）を、上記のようにして製造した。そして、上記半導体装置の作製時において、図１に示すように、ダイパッド１を有するＬＱＦＰのパッケージフレームに金線ワイヤー２を張り、これを用い先に述べたように半導体装置（パッケージ）を作製した。図１において、３は半導体チップ、４はリードピンである。そして、作製したパッケージを軟Ｘ線解析装置を用いて、金線ワイヤー流れ量を測定した。測定は、各パッケージから１０本ずつ金線ワイヤーを選定して測定し、図２に示すように、正面方向からの金線ワイヤー２の流れ量を測定した。そして、金線ワイヤー２の流れ量の最大部分となる値をそのパッケージの金線ワイヤー流れ量の値（ｄｍｍ）とし、金線流れ率〔（ｄ／Ｌ）×１００〕を算出した。なお、Ｌは金線ワイヤー２間の距離（ｍｍ）を示す。そして、上記金線流れ率が６％以上のものを×、６％未満のものを○として表示した。

〔ボイドの発生数〕
上記作製したパッケージ（ＬＱＦＰ−１４４）を軟Ｘ線解析装置で観察して、直径０．２ｍｍ以上のボイドをカウントしボイドが発生したパッケージの個数を示した。なお、各実施例および比較例各々につきパッケージは１０個作製した。

上記結果から、エポキシ樹脂を除く配合成分を前記特定範囲の減圧および加熱条件下で予備混合した後、この予備混合物に残りの配合成分を混合して得られたエポキシ樹脂組成物を用いてなる実施例品は、ボイドが全く生じないか、あるいはわずかであり、金線ワイヤー流れに関しても良好な結果が得られた。これに対して、予備混合時の減圧条件が６６．６５ｋＰａを超えて作製されたエポキシ樹脂組成物を用いてなる比較例１品は、金線ワイヤー流れにおいて不良が発生し、ボイドの発生も確認され信頼性に劣るものであった。また、予備混合時の加熱温度条件が１００℃未満にて作製されたエポキシ樹脂組成物を用いてなる比較例２品も、上記比較例１品と同様、金線ワイヤー流れにおいて不良が発生し、ボイドの発生も確認され信頼性に劣るものであった。

半導体装置の金線ワイヤー流れ量を測定するために用いるパッケージを示す正面図である。 半導体装置の金線ワイヤー流れ量の測定方法を示す模式図である。

Claims (4)

1. 下記の（Ａ）〜（Ｃ）成分を含有する半導体封止用エポキシ樹脂組成物の製法であって、下記の（Ａ）〜（Ｃ）成分を含有する配合成分のうち、下記の（Ａ）成分を除く配合成分の全部または一部を、１．３３３〜６６．６５ｋＰａの減圧条件、かつ１００〜２３０℃の加熱条件下において予備混合し、ついで、この混合物に、下記の（Ａ）成分ならびに残余成分を配合して混合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法。
   （Ａ）エポキシ樹脂。
   （Ｂ）フェノール樹脂。
   （Ｃ）硬化促進剤。
2. 上記（Ｃ）成分である硬化促進剤が、テトラ置換ホスホニウム・テトラ置換ボレートである請求項１記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成物の製法。
3. 請求項１または２記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成物の製法によって得られた半導体封止用エポキシ樹脂組成物であって、下記の（Ａ）〜（Ｃ）成分を含有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。
   （Ａ）エポキシ樹脂。
   （Ｂ）フェノール樹脂。
   （Ｃ）硬化促進剤。
4. 請求項３記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成物を用いて半導体素子を樹脂封止してなる半導体装置。