JP2005325210A - 半導体封止用エポキシ樹脂組成物およびそれを用いた半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】例えば、フリップチップパッケージにおける、充填性および耐ボイド性に優れ、反りの発生を抑制することが可能となる半導体封止用エポキシ樹脂組成物を提供する。
【解決手段】下記の（Ａ）〜（Ｃ）成分とともに無機質充填剤を含有する半導体封止用エポキシ樹脂組成物である。そして、上記無機質充填剤が下記の（Ｄ）成分からなる。
（Ａ）下記の一般式（１）で表されるエポキシ樹脂。
【化１】

（Ｂ）フェノール樹脂。
（Ｃ）硬化促進剤。
（Ｄ）粒径４５μｍ以上の含有割合が０．３重量％以下で、かつ平均粒径が１５μｍ以下であり、アクリル基またはメタクリル基を有するシランカップリング剤により表面処理されてなる球状無機質充填剤。
【選択図】なし

Description

本発明は、例えば、フリップチップパッケージと呼ばれるタイプのパッケージにおいて、成形性および耐湿信頼性に優れた半導体封止用エポキシ樹脂組成物およびそれを用いた半導体装置に関するものである。

トランジスタ、ＩＣ、ＬＳＩ等の半導体素子は、外部環境の保護の観点および半導体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等により封止され半導体装置化されている。最近では、半導体デバイスの性能向上に伴う要求として、半導体素子をフェースダウン構造で、配線回路が形成された基板上に実装される方法（フリップチップ方式）が注目されている。このような構造のパッケージの樹脂封止には、従来から、封止材料として液状樹脂組成物を用い、半導体素子と基板との隙間を浸透圧により充填し封止する方式が採られているが、量産性および信頼性の観点から、トランスファー成形方式での封止方法が検討されている。

このようなフリップチップパッケージをトランスファー成形にて作製する場合に用いられる封止材料としては、例えば、シリカ粉末の粒径を２４μｍ以下に制御した配合にて封止材料を用いることが提案されている（特許文献１参照）。
特開２０００−２８１８７８号公報

しかしながら、上記のような封止材料を用いて、フリップチップパッケージをトランスファー成形にて樹脂封止した場合、（１）半導体素子と基板の隙間において未充填部分が形成され、それに起因したボイドが発生する、（２）成形後の耐湿信頼性評価において半導体素子と封止樹脂部分との界面剥離および基板上のソルダーレジスト部分との界面剥離が発生する、（３）フリップチップパッケージの反りが発生するという問題が生じる。

本発明は、このような事情に鑑みなされたもので、充填性および耐ボイド性に優れた半導体封止用エポキシ樹脂組成物およびそれを用いた耐湿信頼性に優れた半導体装置の提供をその目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、下記の（Ａ）〜（Ｃ）成分とともに無機質充填剤を含有する半導体封止用エポキシ樹脂組成物であって、上記無機質充填剤が下記の（Ｄ）成分からなる半導体封止用エポキシ樹脂組成物を第１の要旨とする。
（Ａ）下記の一般式（１）で表されるエポキシ樹脂。
（Ｂ）フェノール樹脂。
（Ｃ）硬化促進剤。
（Ｄ）粒径４５μｍ以上の含有割合が０．３重量％以下で、かつ平均粒径が１５μｍ以下であり、アクリル基またはメタクリル基を有するシランカップリング剤により表面処理されてなる球状無機質充填剤。

そして、本発明は、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２の要旨とする。

すなわち、本発明者らは、充填性の付与を必須条件に、これに加えて耐湿信頼性においても優れた封止材料となり得るエポキシ樹脂組成物を得るべく一連の研究を重ねた。その結果、上記特定のエポキシ樹脂〔（Ａ）成分〕を用い、さらに特定のシランカップリング剤を用いて表面処理してなる特定の粒径の球状無機質充填剤を用いると、樹脂成分と無機質充填剤の表面抵抗が下がり、特に狭ギャップでの低粘度化作用を奏すると推測されるため、例えば、フリップチップパッケージにおける半導体素子と基板との隙間の充填性が向上し、ボイドの発生が抑制され、しかも耐湿信頼性においても優れ、反り特性の向上が実現することを見出し本発明に到達した。

このように、本発明は、前記特定のエポキシ樹脂〔（Ａ）成分〕および前記特定のシランカップリング剤を用いて表面処理してなる特定の粒径の球状無機質充填剤〔（Ｄ）成分〕を含有する半導体封止用エポキシ樹脂組成物である。このため、例えば、フリップチップ実装方式のパッケージにおける半導体素子と基板との隙間に対して優れた充填性を示すとともに、反りの発生が抑制され、しかも半導体素子と樹脂封止部分との界面剥離の発生も抑制され耐湿信頼性に優れたものが得られるようになる。したがって、本発明は、例えば、フリップチップパッケージと呼ばれるタイプのパッケージをトランスファー成形にて封止し製造する際に有用であり、信頼性の高い半導体装置が得られるようになる。

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

上記特定のエポキシ樹脂（Ａ成分）は、下記の一般式（１）で表されるものである。

上記式（１）において、繰り返し数ｎは好ましくは１〜５の範囲である。そして、エポキシ当量１６０〜１８０の範囲で、軟化点６０〜８０℃の範囲のものが好ましい。

本発明のエポキシ樹脂成分としては、上記一般式（１）で表されるエポキシ樹脂のみで構成することはもちろん、他のエポキシ樹脂と併用してもよい。上記併用する場合の他のエポキシ樹脂としては、特に限定されるものではなく従来公知のエポキシ樹脂が用いられる。例えば、ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂、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、ビスフェノール型エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂、トリスヒドロキシフェニルメタン型等の各種エポキシ樹脂を用いることができる。これらは単独でもしくは２種以上併せて用いられる。なお、上記一般式（１）で表されるエポキシ樹脂とともにこれら他のエポキシ樹脂を併用する場合は、上記一般式（１）で表されるエポキシ樹脂をエポキシ樹脂成分全体中の７０重量％以上の割合となるよう設定することが好ましい。

上記特定のエポキシ樹脂（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各種フェノール樹脂が用いられる。例えば、ジシクロペンタジエン型フェノール樹脂、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。そして、これらフェノール樹脂としては、水酸基当量が７０〜２５０、軟化点が５０〜１１０℃のものを用いることが好ましい。上記フェノール樹脂のなかでも、フェノールノボラック樹脂、下記に示す一般式（２）で表されるフェノールアラルキル樹脂，一般式（３）で表されるフェノール樹脂が好ましく用いられる。

上記特定のエポキシ樹脂（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０．７〜１．５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０．９〜１．２当量である。

上記Ａ成分およびＢ成分とともに用いられる硬化促進剤（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硬化促進剤があげられ、例えば、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、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。これらは単独でもしくは２種以上併せて用いられる。

上記硬化促進剤（Ｃ成分）の含有量は、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く、より好ましくは２〜１５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いため、充分な硬化性を得ることが困難となり、２０部を超えると、硬化反応が速過ぎて成形性を損なう傾向がみられるからである。

上記Ａ〜Ｃ成分とともに用いられる特定の無機質充填剤（Ｄ成分）は、特定のシランカップリング剤により表面処理されてなる球状無機質充填剤である。

上記表面処理に用いられ特定のシランカップリング剤は、メタクリル基またはアクリル基を有するものであり、このような有機基を有することにより、有機成分と無機質充填剤との表面抵抗の低下によるものと考えられる粘度の低下が発現する。そして、上記特定のシランカップリング剤として、具体的には、下記に示す構造式（４），構造式（５），構造式（６），構造式（７）および構造式（８）で表される各シランカップリング剤があげられる。なかでも、下記の構造式（８）で表されるシランカップリング剤を用いることが好ましい。

上記表面処理される球状無機質充填剤としては、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、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の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、高充填性および高流動性という点から特に好ましい。

そして、その粒径分布としては、粒径４５μｍ以上を有するものの含有量が全体の０．３重量％以下であり、かつその平均粒径が１５μｍ以下でなければならない。特に好ましくは、粒径４５μｍ以上を有するものの含有量が全体の０．２重量％以下であり、その平均粒径が１１μｍ以下である。なお、上記粒径４５μｍ以上を有するものの含有量の下限は、０重量％であり、また上記平均粒径の下限は、３μｍである。すなわち、粒径４５μｍ以上のものの含有量が全体の０．３重量％を超えると、フリップチップ部の狭ギャップの充填性が悪化するからである。そして、平均粒径が１５μｍを超えて大きくなると、同じくフリップチップ部の狭ギャップの充填性が悪化するからである。なお、本発明において、上記粒径４５μｍ以上を有するものの含有量については、例えば、篩（メッシュ）を用いて選別し測定する、また平均粒径は、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。そして、上記篩残分および平均粒径は、母集団から任意に抽出される試料を用い、上記篩および測定装置を利用して導出される値である。

上記特定の球状無機質充填剤の表面をシランカップリング剤を用いて表面処理する方法としては、特に限定するものではなく、溶媒中で球状無機質充填剤とシランカップリング剤を混合することによる湿式処理や、気相中で球状無機質充填剤とシランカップリング剤を処理させる乾式処理等があげられる。

そして、上記特定の無機質充填剤（Ｄ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。すなわち、５０重量％未満では、封止樹脂の吸湿量が増大し、かつ樹脂強度が低下するため、半導体パッケージのリフロー時にクラックや剥離が発生しやすくな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には、上記Ａ〜Ｄ成分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、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−アミノエチルアミノ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、低応力化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のハロゲン系難燃剤があげられ、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２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る。例えば、カルナバワックスやポリエチレン系ワックス等があげられ、これらは単独でもしくは２種以上併せて用いられる。

また、上記低応力化剤としては、アクリロニトリル−ブタジエンゴム等があげられる。

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。すなわち、上記Ａ〜Ｄ成分および必要に応じて他の添加剤を常法に準じて適宜配合した後、ミキシングロール機等の混練機にかけ加熱状態で溶融混練し、これを室温に冷却固化させる。その後、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により製造することができる。

このようなエポキシ樹脂組成物を用いての半導体素子の封止方法は、特に限定するものではなく、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、半導体装置化することができる。

そして、このようなエポキシ樹脂組成物を用いての封止対象となる半導体装置としては、例えば、半導体素子をフェースダウン構造で、配線回路が形成された基板上に実装されたフリップチップパッケージがあげられ、上記半導体素子と基板との隙間をエポキシ樹脂組成物を充填し封止するものである。

つぎに、実施例について比較例と併せて説明する。

まず、実施例に先立って下記に示す各成分を準備した。

〔エポキシ樹脂ａ〕
下記の構造式（ａ）で表されるエポキシ樹脂（エポキシ当量１７０、軟化点６９℃）

〔エポキシ樹脂ｂ〕
下記の構造式（ｂ）で表されるエポキシ樹脂（エポキシ当量１９５、融点６７℃）

〔エポキシ樹脂ｃ〕
下記の構造式（ｃ）で表されるエポキシ樹脂（エポキシ当量１９５、融点１０７℃）

〔フェノール樹脂ａ〕
フェノールノボラック樹脂（水酸基当量１０７、軟化点８５℃）

〔フェノール樹脂ｂ〕
下記の構造式（ｄ）で表されるフェノール樹脂（水酸基当量１７２、軟化点６７℃）

〔フェノール樹脂ｃ〕
下記の構造式（ｅ）で表されるフェノール樹脂（水酸基当量９３、軟化点６６℃）

〔離型剤〕
カルナバワックス

〔硬化促進剤〕
トリフェニルホスフィン

〔無機質充填剤ａ１〕
下記の構造式（α）で表されるシランカップリング剤（信越化学社製、ＫＢＥ−５０２）１ｇと水１０ｇをアセトン３００ｍｌで希釈し、これを１リットルビーカ中の球状溶融シリカ粉末（粒径４５μｍ以上の篩残分０．１７重量％、平均粒径１１μｍ：ＦＢ−７ＳＤＣ，電気化学工業社製）１００ｇに注ぎ、スラリー状とした。そして、このスラリーをマグネティックスターラで約１５時間攪拌した。攪拌後、アルミニウム箔を敷いたアルミニウム製パレット内に上記スラリーを移し、ホットプレート上において１０５℃で溶媒を蒸発乾固させた。つぎに、蒸発乾固させた後、さらにこれを乾燥機中で９５℃で３０分間加熱することにより、上記球状溶融シリカ粉末表面がシランカップリング剤で処理された無機質充填剤ａ１を作製した。

〔無機質充填剤ａ２〕
球状溶融シリカ粉末として、粒径４５μｍ以上の篩残分０．３重量％で平均粒径１５μｍの球状溶融シリカ粉末（電気化学工業社製のＦＢ−８Ｓ）を用いた。それ以外は上記無機質充填剤ａ１と同様にして球状溶融シリカ粉末表面がシランカップリング剤で処理された無機質充填剤ａ２を作製した。

〔無機質充填剤ｂ１〕
粒径４５μｍ以上の篩残分０．１７重量％で、平均粒径１１μｍの球状溶融シリカ粉末。

〔無機質充填剤ｂ２〕
球状溶融シリカ粉末として、粒径４５μｍ以上の篩残分５．０重量％で平均粒径１５μｍの球状溶融シリカ粉末（龍森社製のＭＳＲ−ＦＣ４０８）を用いた。それ以外は上記無機質充填剤ａ１と同様にして球状溶融シリカ粉末表面がシランカップリング剤で処理された無機質充填剤ｂ２を作製した。

〔無機質充填剤ｂ３〕
球状溶融シリカ粉末として、粒径４５μｍ以上の篩残分０．５重量％で平均粒径２０μｍの球状溶融シリカ粉末を用いた。それ以外は上記無機質充填剤ａ１と同様にして球状溶融シリカ粉末表面がシランカップリング剤で処理された無機質充填剤ｂ３を作製した。

〔無機質充填剤ｂ４〕
シランカップリング剤を下記の構造式（β）で表されるシランカップリング剤（信越化学社製、ＫＢＭ８０３）に代えた。それ以外は上記無機質充填剤ａ１と同様にして球状溶融シリカ粉末表面がシランカップリング剤で処理された無機質充填剤ｂ４を作製した。

〔実施例１〜１６、比較例１〜１４〕
下記の表１〜表４に示す各成分を同表に示す割合で配合し、ミキシングロール機（温度１００℃）で３分間溶融混練した。つぎに、この溶融物を冷却した後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得た。

このようにして得られた実施例および比較例のエポキシ樹脂組成物を用い、下記の方法に従って、未充填の発生、反りの確認、プレッシャークッカー試験（ＰＣＴテスト）を測定・評価した。これらの結果を後記の表５〜表８に併せて示す。

〔充填性・界面剥離の発生〕
図１（ａ）および（ｂ）に示すように、下面に共晶半田バンプ２が１００個設けられた半導体素子１（チップサイズ：７ｍｍ×７ｍｍ×厚み０．３ｍｍ）を９個、基板３（サイズ：５０ｍｍ×５０ｍｍ×厚み０．３ｍｍ）上にフリップチップ実装したものを作製した。

そして、上記フリップチップ実装した基板を、実施例および比較例で得られたエポキシ樹脂組成物を用い、キャビティサイズ：５０ｍｍ×５０ｍｍ×深さ０．７ｍｍの金型にてトランスファー成形（条件：１７５℃×９０秒間）し、続いて１７５℃×５時間の後硬化を行った。このようにして、図２に示すように、基板３と半導体素子１間との隙間を樹脂封止するとともに、基板３上にフリップチップ実装された半導体素子１を包含するよう封止樹脂層４を形成して樹脂封止した。その後、図２に示すように、破線Ｘに沿って、各半導体素子１単位毎に切断することにより半導体パッケージを作製した。この半導体パッケージは、ＰＢＧＡ（プラスチックボールグリッドアレイ、サイズ：１６ｍｍ×１６ｍｍ×封止樹脂層４厚み０．７ｍｍ）であった。その結果、半導体素子１と基板３との隙間に未充填部分が確認されたパッケージの個数をカウントした。なお、上記未充填部分の確認は、超音波探傷装置を用い、またパッケージを切断してその断面を観察することよって確認した。また、上記基板３に半導体素子１を９個実装したもの（図１参照）を２つ作製してトランスファー成形を行ったことから、作製したパッケージの個数は１８個であった。

〔反りの確認〕
上記作製し得られた半導体パッケージの反り量をつぎのようにして確認した。すなわち、半導体パッケージを水平面に載置した際の水平面からの最大反り部分の長さを測定した。測定には、光学顕微鏡を用いた。なお、一般に、反り量が５０μｍ以下の場合、良好であるとされる。

〔ＰＣＴテスト〕
上記作製し得られた半導体パッケージを１３０℃×８５％ＲＨの条件でＰＣＴチャンバーに投入し、１９６時間放置した。これを用いて、超音波探傷装置にて半導体パッケージ内の界面剥離の有無を確認し、界面剥離の生じたパッケージの個数をカウントした。なお、作製したパッケージの個数は上記と同様１８個であった。

上記結果から、実施例品は、半導体素子と基板の隙間における充填性に優れ、界面剥離も生じず、反り量も全て５０μｍ以下であった。また、ＰＣＴテストにおいても優れた結果が得られ、耐湿信頼性に優れた半導体装置が得られたことがわかる。

これに対して、比較例１〜３品は、表面処理されていない球状溶融シリカを用いたため、未充填部分が確認された。比較例３〜６品は、粒径４５μｍ以上の篩残分が３．０重量％と多い表面処理された微細球状溶融シリカを用いたため、未充填部分が多く確認された。また、比較例７，８品は、特定のエポキシ樹脂を用いなかったため、充填性には優れていたが、半導体素子と封止樹脂層との界面剥離が確認され、しかも反り量が大きかった。さらに、比較例９〜１１品は、粒径が大きく未充填部分が確認され、また比較例１２〜１４品は、表面処理剤が本発明のものではないため、未充填部分が確認された。

（ａ）は充填性および界面剥離の発生を評価する際に用いられる半導体素子搭載基板のサンプルを示す平面図であり、（ｂ）はその側面図である。 上記サンプルを樹脂封止した状態を示す平面図である。

Claims (2)

1. 下記の（Ａ）〜（Ｃ）成分とともに無機質充填剤を含有する半導体封止用エポキシ樹脂組成物であって、上記無機質充填剤が下記の（Ｄ）成分からな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）下記の一般式（１）で表されるエポキシ樹脂。
   （Ｂ）フェノール樹脂。
   （Ｃ）硬化促進剤。
   （Ｄ）粒径４５μｍ以上の含有割合が０．３重量％以下で、かつ平均粒径が１５μｍ以下であり、アクリル基またはメタクリル基を有するシランカップリング剤により表面処理されてなる球状無機質充填剤。
2. 請求項１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。