JP2006160560A - 球状焼結フェライト粒子およびそれを用いた半導体封止用樹脂組成物ならびにそれを用いて得られる半導体装置 - Google Patents

球状焼結フェライト粒子およびそれを用いた半導体封止用樹脂組成物ならびにそれを用いて得られる半導体装置 Download PDF

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Abstract

【課題】その硬化体が有効な電磁波遮蔽機能を有し、かつ良好な成形性を示す半導体封止用樹脂組成物を提供する。
【解決手段】下記の特性（ａ）〜（ｃ）を備えた球状焼結フェライト粒子を含有する半導体封止用樹脂組成物である。
（ａ）可溶性イオンの含有量が５ｐｐｍ以下。
（ｂ）平均粒子径が１０〜５０μｍの範囲である。
（ｃ）Ｘ線回折による結晶構造がスピネル構造を示す。
【選択図】なし

Description

本発明は、電磁波遮蔽性に優れた球状焼結フェライト粒子、およびそれを用いてなる電磁波遮蔽機能および電気絶縁性を備えた硬化体形成材料となる半導体封止用樹脂組成物ならびにそれを用いて得られた信頼性の高い半導体装置に関するものである。
一般に、半導体装置の製造工程において、基板へのボンディングが終了した半導体素子は、外部との接触を避けるため、熱硬化性樹脂等のモールド樹脂を用いて封止される。上記モールド樹脂としては、例えば、シリカ粉末を主体とする無機質充填剤をエポキシ樹脂に混合分散したもの等が用いられる。このモールド樹脂を用いた封止方法としては、例えば、基板にボンディングされた半導体素子を金型に入れ、これにモールド樹脂を圧送してモールド樹脂を硬化して成形するトランスファーモールド法等が実用化されている。
従来、半導体素子をモールド樹脂によって封止した樹脂封止型半導体装置は、信頼性、量産性およびコスト等の面において優れており、セラミックを構成材料とするセラミック封止型半導体装置と共に普及している。
ところで、電気機器においては、電磁環境両立性（ＥＭＣ：Electro-Magnetic-Compatibility）の問題が注目されている。例えば、近年の情報通信機器は小型・高機能化が進み、このような機器に用いる半導体素子をより高性能化するにあたっては、消費電力を低減するため、信号の振幅を小さくしている。その結果、たとえ微弱な高周波ノイズでも半導体素子が誤動作を引き起こす可能性が高まっている。そのため、不要な電磁波を放出させない、あるいは周囲で発生した電磁波に対して耐性を有する電子デバイスの開発が進められている。
一般に、半導体封止用樹脂組成物の硬化体は、電磁波が吸収されると、このエネルギーを熱に変換する。このエネルギーの変換効率には、硬化体の誘電率を複素表示した複素誘電率の虚部ε”および透磁率を複素表示した複素透磁率の虚部μ”の各値が関係する。これらの値は入射した電磁波エネルギーの誘電損失、磁気損失の大きさをそれぞれ示し、各値が大きいほどエネルギー変換効率は高くなり、したがって、電磁波遮蔽効果は高くなる。
ところで、上記電磁波障害問題の解決法の一つとして、半導体素子を含む集積回路装置を、フェライトまたはこのフェライトに相当する特性を有する物質よりなるパッケージベースとパッケージキャップを備えたパッケージケース内に内蔵させ、気密封止して、上記ケースにてケース内外の電磁波を吸収させることが提案されている（特許文献１参照）。
また、ダイパッド上に接合された半導体素子と、この半導体素子およびリードに接続されたワイヤとを備え、このワイヤ，上記半導体素子および上記リードの一部を磁性樹脂によって封止してなる樹脂封止型半導体装置が提案されている（特許文献２参照）。この場合、フェライトを分散させた磁性樹脂にて半導体装置の表面を被覆して２層の封止樹脂構造とするか、あるいは封止樹脂中のフィラーとして使用するシリカ粒子の代替としてフェライトを使用することにより１層の封止樹脂構造とすることができる。
さらには、半導体素子、その他のエレメントを収容する半導体パッケージであって、上記半導体パッケージ本体が磁性体粉末を混入してなるプラスチック樹脂からなる半導体パッケージが提案されている（特許文献３参照）。このプラスチック樹脂には、フェライト，アモルファス合金等の磁性体粉末が混入され、その混入量は３０〜６０重量％程度とすることが好ましく、３０重量％未満のような添加量では、電磁雑音特性の改善を図ることができなくなり、また６０重量％を超えて添加してもその増量効果はみられないとされている。
そして、半導体部品，この部品が固着される配線金属基板、そしてこの部品および配線金属基板の所要部を直接被覆するモールド樹脂からなる半導体装置であり、上記モールド樹脂は有機樹脂に３５〜９５重量％のフェライト粉末を添加したものであり、上記モールド樹脂の熱膨張率が１４〜２０ｐｐｍ／℃である半導体装置が提案されている（特許文献４参照）。このモールド樹脂には、エポキシ樹脂に、一般式：ＭＦｅ2 Ｏ4 またはＭＯ・ｎＦｅ2 Ｏ3 （ただし、Ｍは２価金属、ｎは整数）で示される物質からなる前記フェライト粉末が添加されている。
また、半導体素子を封止する半導体封止用樹脂組成物において、熱硬化性を示すエポキシ樹脂と、上記エポキシ樹脂の硬化剤であるフェノール樹脂硬化剤と、上記エポキシ樹脂の充填剤であるシリカ粉末と磁性体粉末とを含有し、上記シリカ粉末の平均粒子径が前記磁性体粉末の平均粒子径よりも小さい半導体封止用樹脂組成物が提案されている（特許文献５参照）。この磁性体粉末は、平均粒子径が１０〜５０μｍであり、最大粒子径が２００μｍ以下のフェライトで、さらに不定形であることを特徴とするものである。
さらに、（Ａ）エポキシ樹脂、（Ｂ）硬化剤、（Ｃ）磁性体粉末、および（Ｄ）硬化促進剤を必須成分とするエポキシ樹脂組成物において、上記（Ｃ）磁性体粉末が、５０〜３０００の比透磁率を有し、全エポキシ樹脂組成物中に３０〜９０体積％で含まれるエポキシ樹脂組成物が提案されている（特許文献６参照）。そして、この（Ｃ）磁性体粉末の比透磁率は高いものほど好ましく、５０より低いと樹脂組成物とした時に複素透磁率が低くなり電磁波シールド効果が充分に得られないとされている。上記（Ｃ）磁性体粉末としては、フェライト系の粉体が好適であり、スピネル型では、Ｎｉ−Ｚｎ型フェライトやＭｎ−Ｚｎ型フェライトが、またマグネトプランバイト型では、Ｚｒ−Ｍｎ型フェライトやＴｉ−Ｍｎ型フェライトが好適に使用できるとされている。
特開昭６４−４１２４８号公報 特開平３−２３６５４号公報 特開平６−１５１６２６号公報 特開平１１−４０７０８号公報 特開２００２−３６３３８２号公報 特開２００３−１２８８８０号公報
しかしながら、上記特許文献１のフェライトによる半導体パッケージは加工が困難で、コスト的にも実用的ではなかった。そのため、製造工程が容易で、電磁障害対策用として効果的かつ信頼性の高いフェライトを用いた半導体封止方法が求められていた。
また、上記特許文献２では、封止樹脂のフィラーとしてフェライトを使用することにより、１層樹脂構造として半導体デバイスの製造を容易にし、電磁ノイズによる誤動作を防止することができたが、フェライトを含有する樹脂が半導体素子に直接接触するために、可溶性イオンの多い通常のフェライトを含有する樹脂組成物では信頼性に問題があった。さらに、上記特許文献３においても、磁性体を混入したプラスチックで半導体素子等を直接モールドするために、信頼性に問題があった。
そして、上記特許文献４では、３５〜９５重量％のフェライト粉末を添加した熱膨張率１４〜２０ｐｐｍ／℃のモールド樹脂によってモールドすることにより信頼性を高めているが、樹脂の成形性や絶縁破壊性、あるいはバイアス電圧負荷時の短絡試験結果は開示されておらず、フェライトの高い充填率のモールド樹脂の成形性と、そのバイアス電圧負荷時の信頼性に問題があった。
さらに、上記特許文献５では、上述のように、フェライト粉末を混入したモールド樹脂の成形性と半導体素子とモールド樹脂硬化体との接触によって電流がリークし、誤動作を引き起こす危険性に着目して、特定のシリカ粉末とフェライト磁性体粉末を含有する半導体封止用樹脂組成物を提案しているが、実用的には信頼性に関して不充分であった。
そして、上記特許文献６には、半導体封止用として、５０〜３０００の高透磁率の磁性体粉末を含有するエポキシ樹脂組成物が提案されているが、好適とされるフェライト系の粉体は高透磁率のものでもせいぜい３０程度であるため、実際には上記発明の要件を満たすものとしては程遠かった。また、フェライトに関する信頼性についても言及されておらず、その使用において問題があった。
半導体封止用樹脂組成物であるモールド樹脂においては、低圧トランスファーモールドの要件から成形温度まで低い粘度を有する必要があり、高い流動性が求められている。このようなモールド樹脂系においては、従来のフェライトインゴットを機械的に粉砕してなる粉砕状Ｍｎ−Ｚｎ系フェライトやＮｉ−Ｚｎ系フェライトでは透磁率を高める目的でフェライト粒子の充填率を高めることができなかった。すなわち、半導体封止用樹脂組成物の充填剤としてのフェライト粒子の形状や粒子サイズの適正化、そして樹脂封止型半導体装置の信頼性の面での低いイオン性不純物含有量の検討を必要とされていた。
本発明は、このような事情に鑑みなされたものであって、半導体封止用樹脂組成物の充填剤として有用な球状焼結フェライト粒子と、それを使用した有効な電磁波遮蔽機能を有し、かつ良好な成形性と信頼性を示す半導体封止用樹脂組成物およびそれを用いて封止された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、下記の特性（ａ）〜（ｃ）を備えた球状焼結フェライト粒子を第１の要旨とする。
（ａ）可溶性イオンの含有量が５ｐｐｍ以下。
（ｂ）平均粒子径が１０〜５０μｍの範囲である。
（ｃ）Ｘ線回折による結晶構造がスピネル構造を示す。
また、本発明は、上記球状焼結フェライト粒子とシリカ粒子からなる充填剤を含有する半導体封止用樹脂組成物を第２の要旨とする。
さらに、本発明は、上記半導体封止用樹脂組成物を用いて、半導体素子を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、電磁波遮蔽機能に優れるとともに、良好な成形性と信頼性を備えた封止材料となる樹脂組成物を得るために、その封止材料の配合材料を中心に鋭意検討を重ねた。そして、従来から電磁波遮蔽機能を付与する際に用いられているスピネル型フェライトに着目し、優れた成形性と信頼性さらに電磁波遮蔽性とを兼ね備えたスピネル型フェライト材料を得るために一連の研究を重ねた。その結果、可溶性イオンが５ｐｐｍ以下（ａ）で、その平均粒子径が１０〜５０μｍの範囲であり（ｂ）、Ｘ線回折による結晶構造がスピネル構造を示す（ｃ）球状焼結フェライト粒子を用いると、この球状焼結フェライト粒子の有する優れた電磁波遮蔽機能が有効に発現されるとともに、近年の封止材料に必要不可欠とされる信頼性が確保され、充填成分の高充填化を保ちながら、溶融時の低粘度化や硬化後の高強度化が可能となり、良好な成形性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、前記特性（ａ）〜（ｃ）を備えた球状焼結フェライト粒子であり、この特殊な球状焼結フェライト粒子とシリカ粒子からなる充填剤を含有する半導体封止用樹脂組成物である。このため、低粘度で良好な流動特性を有し、しかも電磁波遮蔽機能を有するようになり、この樹脂組成物を封止材料として用いることにより、得られる半導体装置はＥＭＣに優れたものとなる。
そして、上記球状焼結フェライト粒子として、前記特性（ａ）〜（ｃ）に加えて、その粒度分布において粒径５〜１５μｍの範囲と、粒径２０〜５０μｍの範囲にそれぞれピークを有する〔特性（ｄ）〕ものを用いると、その充填性が向上し、より一層高い流動性と優れた電磁波遮蔽機能を有するようになる。
そして、上記球状焼結フェライト粒子のＢＥＴ法による比表面積が、０．０２〜０．１ｍ2 ／ｇであると、より一層高い流動性を備えたものが得られるようになる。
また、上記球状焼結フェライト粒子の水銀圧入法による細孔容積が、０．２リットル／ｋｇ以下であると、より一層高い流動性を備えたものが得られるようになる。
本発明においては、特定の球状焼結フェライト粒子が用いられ、この特定の球状焼結フェライト粒子を半導体封止用樹脂組成物に用いることを最大の特徴とし、例えば、エポキシ樹脂と、フェノール樹脂系硬化剤と、さらに硬化促進剤およびシリカ粉末を用いて得られるものであり、通常、粉末状あるいはこれを打錠したタブレット状になっている。
上記特定の球状焼結フェライト粒子は、原材料の段階で水洗し、さらに球状に焼結させた後水洗するか、あるいは、球状に焼結させた後、充分に水洗することにより、可溶性イオンを５ｐｐｍ以下とする。好ましくは１ｐｐｍ以下に低減することである。このように、可溶性イオン量を極限まで低減することによって、半導体封止用樹脂組成物の信頼性を高めることが可能になる。なお、可溶性イオン量は測定限界以下の場合は、０ｐｐｍとして、検出されたイオンの総量を計算する。
上記特定の球状焼結フェライト粒子としては、Ｘ線回折による結晶構造がスピネル構造を示す球状焼結フェライト粒子である。近年、半導体の動作周波数が１ＧＨｚを超えてきているため、シールドする必要のある不要電波の高周波数化に対応可能となるからである。また、上記球状焼結フェライト粒子は、Ｍｇ，Ｚｎ，Ｎｉ，ＭｎおよびＣｕからなる群から選ばれた少なくとも一つの金属元素ＭとＦｅとからなる金属酸化物であることが好ましい。すなわち、半導体封止用材料としては、できるだけ高抵抗であることが求められるからである。さらに、球状焼結フェライト粒子の組成は、上記金属元素ＭとＦｅとのモル比が、Ｍ：Ｆｅ＝１：１．５７〜１：２．１７の範囲であることが好ましい。すなわち、両者のモル比が上記範囲を外れると、フェライト化が充分に進行せず、必要な磁気特性を確保することが困難となるからである。また、焼結フェライト粒子が球状以外の形状、例えば、不定形である場合には、樹脂組成物の粘度が高くなり、流動性も悪化することとなる。
そして、上記球状焼結フェライト粒子は、ＢＥＴ法による比表面積が０．０２〜０．１ｍ2 ／ｇの範囲であることが好ましい。さらに、水銀圧入法による細孔容積が０．２リットル／ｋｇ以下であることがより好ましい。このような比表面積および細孔面積を有する球状焼結フェライト粒子は焼結が進み粒子の表面性が滑らかになっているため、半導体装置の封止の際の樹脂組成物の流動性が向上する。さらに、細孔が少ないため、水洗によって可溶性イオンを５ｐｐｍ以下に洗い流すことが容易となる。
本発明における特定の球状焼結フェライト粒子は、その平均粒子径が１０〜５０μｍの範囲である必要があり、より好ましくは１５〜４０μｍであって、粒子径６３μｍを超える粒子が実質上存在しないことが特に好ましい。さらに、本発明の半導体封止用樹脂組成物の充填性を向上させ、流動性を確保し、かつ電磁特性である１ＧＨｚのμ″を高く維持するためには、その粒度分布において、粒子径５〜１５μｍの範囲と粒子径２０〜５０μｍの範囲にそれぞれピークを有することが好ましい。なかでも、粒子径１０μｍ近傍と粒子径３０μｍ近傍にそれぞれピークを有する球状焼結フェライト粒子を用いることが特に好ましい。このように、粒度分布において２つのピークを有する球状焼結フェライト粒子を得る方法としては、例えば、平均粒子径が５〜１５μｍの範囲の球状焼結フェライト粒子と、平均粒子径が２０〜５０μｍの範囲の球状焼結フェライト粒子の２種類の球状焼結フェライト粒子を併用して混合することにより得る方法があげられる。粒子径１０μｍ近傍の粒子サイズの球状焼結フェライト粒子は１ＧＨｚのμ″が高い傾向にあり、半導体封止用樹脂組成物の電磁シールド特性を向上させる効果を有するからである。なお、上記特定の球状焼結フェライト粒子の平均粒子径および粒度分布は、例えば、レーザー回折式粒度分布装置を用いて測定することができる。
このような特定の球状焼結フェライト粒子は、例えば、つぎのようにして製造することができる。まず、フェライト原料粉末を用いる場合について説明する。すなわち、所望の組成に計量した各原料を水溶媒中に攪拌混合してスラリー濃度６０〜９０重量％の水分散スラリーに調節した後、上記スラリーを噴霧乾燥し、その後、８００〜１３００℃程度で熱処理を行うことにより球状焼結フェライト粒子を生成する。得られた球状焼結フェライト粒子を体積率３０倍程度の電気伝導度１μＳ／ｃｍ以下の純水中において３０分間程度攪拌水洗した後、乾燥することにより特定の球状焼結フェライト粒子を製造することができる。
本発明における特定の球状焼結フェライト粒子の成分元素供給源となるフェライト原料粉末としては、Ｍｇ，Ｚｎ，Ｎｉ，Ｍｎ，Ｃｕの酸化物、水酸化物、蓚酸塩、炭酸塩等を用いることができる。また、Ｆｅ元素の供給源としては、酸化鉄を用い、目的とするフェライト組成比率となるように混合して使用する。
また、上記フェライト原料粉末の粒子形態としては、立方体状、多面体状、針状、板状等のいずれの形態の粒子であってもよい。このフェライト原料粉末の平均粒子径としては、０．０１〜５．０μｍであることが好ましく、より好ましくは０．１〜２．０μｍの範囲である。すなわち、０．０１μｍ未満では、スラリー粘度が高くなり噴霧乾燥する際に支障が生ずる傾向がみられ、５．０μｍを超えると、焼結体の表面粗度が大きくなり、比表面積が大きくなりすぎて、充填率が上がらなくなる傾向がみられるからである。
上記特定の球状焼結フェライト粒子の製造過程においてスラリー化する際に凝集防止剤を用いてもよい。この凝集防止剤としては、一般の界面活性剤を使用することができ、無機化合物粒子や焼結フェライト粒子表面に有すると水酸基と結合可能な官能基を有するものが好ましく、具体的には、ポリカルボン酸ナトリウム塩、アニオン性ポリカルボン酸アンモニウム塩、ナフタレンスルホン酸ナトリウム塩等があげられる。そして、焼成後のイオン性不純物の残渣を考慮すると、ポリカルボン酸アンモニウム塩アニオン４０％溶液を用いることが好ましい。
また、他の製法について述べると、上記フェライト原料粉末を所望の組成に計量し乾式混合あるいは湿式混合により攪拌混合した後、８００〜９００℃で一次焼結し、乾式粉砕あるいは湿式粉砕を行い、０．１〜５．０μｍのフェライト結晶粒子を作製する。ついで、前記フェライト結晶粒子を含有するスラリーをスラリー濃度６０〜９０重量％の水分散スラリーに調整し、上記スラリーを噴霧乾燥し、その後、９００〜１３００℃の熱処理を行うことにより、球状焼結フェライト粒子を生成する。得られた球状焼結フェライト粒子を希釈体積率３０倍程度の電気伝導度１μＳ／ｃｍ以下の純水中において３０分間程度攪拌水洗した後、乾燥することにより本発明の球状焼結フェライト粒子を製造することができる。なお、上記スラリー化する際に用いる凝集防止剤としては、先に述べたフェライト原料粉末を用いた製造の際に用いられるものと同様のものが用いられる。
上記フェライト結晶粒子は、立方体状、多面体状、針状、板状等のいずれの形態の粒子であってもよい。このフェライト結晶粒子の平均粒子径としては、０．０１〜５．０μｍであることが好ましく、より好ましくは０．２〜３．０μｍの範囲である。すなわち、０．０１μｍ未満では、スラリー粘度が高くなり噴霧乾燥する際に支障が生ずる傾向がみられ、５．０μｍを超えると、焼結体の表面粗度が大きくなり、比表面積が大きくなりすぎて、充填率が上がらなくなる傾向がみられるからである。
本発明における球状焼結フェライト粒子の製造に際しては、上記噴霧乾燥はスラリー濃度５０〜９０重量％にて行うことが好ましく、より好ましくは５０〜８０重量％である。すなわち、５０重量％未満では、細孔容積が大きくなる傾向がみられ、また９０重量％を超えると、スラリー粘度が高くなり、球形の形状の確保が困難となり、また粒度分布の調整が困難となる傾向がみられるからである。
さらに、本発明においては、フェライトの組成によって異なるが、８００〜１３００℃程度の温度で、１〜８時間の焼成を行う。すなわち、８００℃未満では、フェライト化が不充分となる傾向がみられ、１３００℃を超えると、焼結粒子同士が融着し、雪だるま状の形状粒子が増加する傾向がみられるからである。
このような特定の球状焼結フェライト粒子の半導体封止用樹脂組成物中の配合割合は、電磁波遮蔽効果を高めるためには、樹脂組成物硬化体の複素透磁率の虚数部μ″が大きいことが必要で、そのためには上記球状焼結フェライト粒子の配合割合は、樹脂組成物全体の３２．５体積％以上に設定することが好ましく、より好ましくは４０体積％以上である。上限は一般に８０体積％程度である。そして、上限は一般に樹脂組成物の流動性が確保される範囲であり、この上限を超えると、流動性が低下し、加工が困難となる傾向がみられる。
そして、本発明の半導体封止用樹脂組成物としては、先に述べたように、この特定の球状焼結フェライト粒子を用いることを最大の特徴とし、これに、例えば、エポキシ樹脂と、フェノール樹脂系硬化剤と、さらに硬化促進剤およびシリカ粉末を用いて得られる。
上記エポキシ樹脂としては、常温（２５℃）で固形を示す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、ビフェニル型エポキシ樹脂、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。
上記フェノール樹脂系硬化剤は、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、常温（２５℃）で固形を示す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、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。
上記エポキシ樹脂とフェノール樹脂系硬化剤との配合割合は、エポキシ樹脂中のエポキシ基１当量に対してフェノール樹脂中の水酸基当量を０．５〜１．６の範囲に設定することが好ましい。より好ましくは０．８〜１．２の範囲に設定することである。
上記硬化促進剤としては、特に限定するものではなく従来公知のもの、例えば、１，８−ジアザビシクロ（５，４，０）ウンデセン−７、トリエチレンジアミン等の３級アミン類、２−メチルイミダゾール等のイミダゾール類、トリフェニルホスフィン、テトラフェニルホスホニウムテトラフェニルボレート等のリン系硬化促進剤等があげられる。これらは単独でもしくは２種以上併せて用いられる。
上記硬化促進剤の含有量は、通常、上記フェノール樹脂系硬化剤１００重量部（以下「部」と略す）に対して０．５〜１０部の範囲に設定される。
本発明の半導体封止用樹脂組成物においては、充填剤として上記球状焼結フェライト粒子とともに、成形バリを減ずるために従来から半導体封止用材料として用いられているシリカ粒子が併用される。上記球状焼結フェライト粒子とシリカ粒子との併用割合は特に限定するものではないが、電磁波遮蔽効果を高めるためには、球状焼結フェライト粒子が多い程好ましいので、球状焼結フェライト粒子とシリカ粒子との比率において、球状焼結フェライト粒子の占める割合を充填剤全体（球状焼結フェライト粒子とシリカ粒子）の５０体積％以上とすることが好ましい。さらに、上記球状焼結フェライト粒子とシリカ粒子の合計体積を、樹脂組成物全体の６５〜８０体積％の範囲に設定することが好ましい。すなわち、合計体積が６５体積％未満では、半導体封止用樹脂組成物の線膨張係数が大きくなってしまい、半導体素子の線膨張係数との差によって、温度サイクル等によりクラックが生じるおそれがある。また、８０体積％を超えると、半導体封止用樹脂組成物の流動性が低下してしまい、半導体素子を封止することが困難となり、半導体素子と電極とを結合する金線の変形あるいは切断等が生じるおそれがあるからである。
上記シリカ粒子としては、平均粒子径が１〜４０μｍで、最大粒子径が２００μｍ以下、より好ましくは最大粒子径が１００μｍ以下、特に好ましくは６３μｍ以下のものを用いる。そして、さらに好ましくは、平均粒子径５〜１５μｍのシリカ粒子と、平均粒子径０．２〜２μｍのシリカ粒子を併用することであり、このような構成とすることにより球状焼結フェライト粒子の充填性と流動性を高めることが可能となる。詳しくは、平均粒子径５〜１５μｍのシリカ粒子を充填剤全体の４〜３０体積％に、平均粒子径２０〜５０μｍの球状焼結フェライト粒子を充填剤全体の５０〜９３体積％に、平均粒子径０．２〜２μｍのシリカ粒子を充填剤全体の３〜３０体積％にそれぞれ設定することが好ましい。または、上記平均粒子径５〜１５μｍのシリカ粒子の一部または全部を球状焼結フェライト粒子に置き換える、すなわち平均粒子径５〜１５μｍの球状焼結フェライト粒子とすることによって、さらに電磁波遮蔽特性を高めることが可能となる。なお、上記シリカ粒子の平均粒子径は、前述の特定の球状焼結フェライト粒子の場合と同様、例えば、レーザー回折式粒度分布装置を用いて測定することができる。
上記シリカ粒子としては、例えば、球状溶融シリカ粉末、摩砕処理シリカ粉末、破砕状シリカ粉末等が用いられる。特に、球状溶融シリカ粉末を用いることにより、半導体封止用樹脂組成物の溶融粘度を低減する効果が高くなり好ましい。
なお、半導体装置の用途や使用環境等に応じて、本発明の半導体封止用樹脂組成物には、さらに各種充填剤を配合してもよい。このような充填剤としては、例えば、炭酸カルシウム粉末、チタン白、アルミナ粉末、窒化珪素粉末等を用いることができ、これらは単独でもしくは２種以上併せて用いることができる。
さらに、半導体封止用樹脂組成物には、低応力化剤、顔料、離型剤、カップリング剤および難燃剤等の他の添加剤を必要に応じて適宜配合してもよい。
上記低応力化剤としては、側鎖エチレングリコールタイプのジメチルシロキサン等のシリコーン化合物、アクリロニトリル−ブタジエンゴム等があげられる。
上記顔料としては、カーボンブラック、酸化チタン等があげられる。
上記離型剤としては、ポリエチレンワックス、カルナバワックス、脂肪酸塩等があげられる。
また、上記カップリング剤としては、γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、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等のシランカップリング剤等があげられる。
また、上記難燃剤としては、臭素化エポキシ樹脂等を用いることができ、これに三酸化アンチモン等の難燃助剤等が用いられる。
さらに、上記難燃剤以外に、下記の一般式（１）で表される金属水酸化物を用いることができる。この金属水酸化物は、結晶形状が多面体形状を有するものであり、従来の六角板形状を有するもの、あるいは、鱗片状等のように、いわゆる厚みの薄い平板形状の結晶形状を有するものではなく、縦、横とともに厚み方向（ｃ軸方向）への結晶成長が大きい、例えば、板状結晶のものが厚み方向（ｃ軸方向）に結晶成長してより立体的かつ球状に近似させた粒状の結晶形状、例えば、略１２面体、略８面体、略４面体等の形状を有する金属水酸化物をいう。
Figure 2006160560
このような結晶形状が多面体形状を有する金属水酸化物は、例えば、金属水酸化物の製造工程における各種条件等を制御することにより、縦，横とともに厚み方向（ｃ軸方向）への結晶成長が大きい、所望の多面体形状、例えば、略１２面体、略８面体、略４面体等の形状を有する金属水酸化物を得ることができ、通常、これらの混合物からなる。
上記多面体形状を有する金属水酸化物の具体的な代表例としては、Ｍｇ1-X ＮｉX （ＯＨ）2 〔０．０１＜Ｘ＜０．５〕、Ｍｇ1-X ＺｎX （ＯＨ）2 〔０．０１＜Ｘ＜０．５〕等があげられる。これら金属水酸化物の市販品としては、例えば、タテホ化学工業社製のエコーマグをあげることができる。
また、上記多面体形状を有する金属水酸化物のアスペクト比は、通常１〜８、好ましくは１〜７、特に好ましくは１〜４である。ここでいうアスペクト比とは、金属水酸化物の長径と短径との比で表したものである。すなわち、アスペクト比が８を超えると、この金属水酸化物を含有するエポキシ樹脂組成物の溶融粘度が高まる傾向がみられる。
本発明にかかる半導体封止用樹脂組成物は、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、エポキシ樹脂、フェノール樹脂系硬化剤、硬化促進剤、球状焼結フェライト粒子、さらに必要に応じてシリカ粒子等の無機質充填剤、低応力化剤、顔料、離型剤、カップリング剤および難燃剤等の他の添加剤を所定量配合する。ついで、熱ロールやエクストルーダー、ニーダー等を用いて、例えば、温度９５〜１００℃の温度環境下にて充分に溶融混練分散する。そして、この混合物を冷却して粉砕し、１０メッシュの篩を通過した粉末状の半導体封止用樹脂組成物を製造することができる。また、必要に応じてタブレット状に圧縮成形するという一連の工程により目的とする形態の半導体封止用樹脂組成物を製造することができる。
このようにして得られる半導体封止用樹脂組成物は、主に半導体装置が有する半導体素子を細部にわたって封止することになり、半導体素子を外部との物理的接触から保護し、かつ電磁波を遮蔽する用途に用いられる。
本発明の半導体封止用樹脂組成物を用いて樹脂封止された半導体装置について、その断面図に基づいて説明する。
図１に示す半導体装置１０は、エリア実装型の半導体装置であって、基板１１にはスルーホールに配線１２が埋め込まれ形成されている。そして、上記基板１１上には上記配線１２に接続された電極１５が形成されるとともに半導体素子１４が搭載されている。一方、基板１１の他面側にはソルダボール１３が設けられ、配線１２を介して上記電極１５と導通しており、半導体素子１４がワイヤーボンディング１７を介して上記電極１５と導通している。図１において、１６は半導体素子１４を封止する、本発明の半導体用樹脂組成物によって形成される硬化体である。
図２は本発明の半導体用樹脂組成物を用いて樹脂封止された半導体装置の他の例の断面図である。この半導体装置２０は、周辺端子実装型の半導体装置であって、基板２１上に搭載された半導体素子２２が、電極２３にワイヤーボンディング２５を介して接続されている。そして、この半導体素子２２の全体が、基板２１の両面にわたって硬化体２４によって樹脂封止されている。
上記図１および図２に示す構成の半導体装置１０，２０は、例えば、基板１１，２１に搭載された半導体素子１４，２２を成形用金型に入れた後、加熱した半導体封止用樹脂組成物を低圧で移送して成形する低圧トランスファーモールド法等を用いて製造することができる。
その一例として、まず、基板１１，２１上に配置されて、ワイヤーボンディング１７，２５を介して電極１５，２３にそれぞれ接続された半導体素子１４，２２が、上型と下型からなる成形用金型にセットされる。ついで、半導体封止用樹脂組成物をプランジャーで加圧して移送し、硬化するまで加圧を維持する。硬化後、上型と下型を取り外し、硬化体１６，２４によって半導体素子１４，２２が樹脂封止された半導体装置１０，２０が製造される。
このようにして得られた半導体装置１０，２０は、半導体素子１４，２２が外部から保護されるとともに、硬化体１６，２４に含まれる前記特定の焼結体フェライト粉末が有する磁気損失によって電磁波が遮蔽されるため、ＥＭＣを必要とする電子デバイスあるいは電子機器への適用が可能である。
つぎに、実施例について比較例と併せて説明する。
まず、下記に示すように球状焼結体フェライトを作製した。
〔球状焼結体フェライトａの作製〕
フェライト原料粉末であるＮｉＯを１５ｍｏｌ％、ＺｎＯを２５ｍｏｌ％、ＣｕＯを１２ｍｏｌ％、Ｆｅ2 Ｏ3 を４８ｍｏｌ％の割合とし、合計で４ｋｇとなる量を純水２．６ｋｇとともにボールミルに仕込み、２０分間攪拌した。ついで、凝集防止剤としてポリカルボン酸アンモニウム塩アニオン４０％（サンノプコ社製、ＳＮディスパーサント５４６８）２０ｇと、消泡剤としてシリコーン消泡剤（サンノプコ社製、ＳＮデフォーマー４６５）１０ｇを添加し、混合してスラリーを作製した。得られたスラリー濃度は６０重量％であった。続いて、上記スラリーを噴霧乾燥して造粒粉末を得た。得られた粉末は、原料粒子が球状に集合した粉体で、表面は原料の大きさとその分布がそのまま表面の凹凸となっていた。つぎに、上記粉末を８００℃で２時間熱処理し、引き続き１０００℃で３時間熱処理（焼成）することによって、表面が滑らかな球状焼結フェライト粒子を得た。続いて、２回にわたって計３０倍重量のイオン交換水中で各２０分間攪拌・水洗・脱水し、乾燥することにより、可溶性イオンが５ｐｐｍ以下の球状焼結フェライト粒子ａを作製した。なお、Ｘ線回折による結晶構造はスピネル構造であった。
〔球状焼結体フェライトｂの作製〕
フェライト原料粉末であるＮｉＯを１５ｍｏｌ％、ＺｎＯを２５ｍｏｌ％、ＣｕＯを１２ｍｏｌ％、Ｆｅ2 Ｏ3 を４８ｍｏｌ％の割合となるよう、湿式混合し、脱水後従来法にて８００℃で２時間熱処理（仮焼）して、得られたフェライト粉末を乾式で粉砕し、平均粒子径１μｍのフェライト結晶粒子を得た。続いて、上記フェライト結晶粒子４ｋｇを分取し、純水１．３ｋｇに投入した。ついで、凝集防止剤としてポリカルボン酸アンモニウム塩アニオン４０％（サンノプコ社製、ＳＮディスパーサント５４６８）３０ｇと、消泡剤としてシリコーン消泡剤（サンノプコ社製、ＳＮデフォーマー４６５）１６ｇを添加し、混合・攪拌してスラリーを作製した。得られたスラリー濃度は７５重量％であった。続いて、上記スラリーを噴霧乾燥して造粒粉末を得た。得られた粉末は、平均粒子径１μｍの大きさのフェライト結晶粒子が球状に集合した粉体で、表面は粒子径の分布がそのまま表面の凹凸となっていた。続いて、１０００℃で３時間熱処理（焼成）することによって、表面が滑らかな球状焼結フェライト粒子を得た。そして、２回にわたって計３０倍重量のイオン交換水中で各２０分間攪拌・水洗・脱水し、乾燥することにより、可溶性イオンが５ｐｐｍ以下の球状焼結フェライト粒子ｂを作製した。なお、Ｘ線回折による結晶構造はスピネル構造であった。
〔球状焼結フェライト粒子ｃ〜ｋの作製〕
原料粉末あるいはフェライト結晶粒子の平均粒子径、組成、スラリー濃度、洗浄水希釈倍率を後記の表１に示すように変えた。それ以外は、上記球状焼結フェライト粒子ａまたはｂと同様の方法にて球状焼結フェライト粒子ｃ〜ｋを作製した。なお、Ｘ線回折による結晶構造はいずれもスピネル構造であった。
ただし、球状焼結フェライト粒子ｈにおいては水洗を行わなかった。また、球状焼結フェライト粒子ｅ，ｇ，ｊおよびｋにおいては、スラリー濃度のみを変更しただけではなく、分級操作によって平均粒子径をコントロールした。
そして、球状焼結フェライト粒子ａ〜ｋの作製に関わる製造条件を後記の表１に示すとともに、得られた球状焼結フェライト粒子ａ〜ｋの物性を下記に示す方法に従って測定し、その結果を後記の表２に示す。なお、後記の表１に記載の作製方法（ａ）とは、前記球状焼結フェライト粒子ａと同様の作製方法で作製したことを示し、作製方法（ｂ）とは、前記球状焼結フェライト粒子ｂと同様の作製方法で作製したことを示す。また、作製方法（ａ）における平均粒子径は原料粉末の粒径を表し、作製方法（ｂ）における平均粒子径はフェライト結晶粒子の平均粒子径を表す。
〔粒子形態の観察〕
走査型電子顕微鏡（日立製作所社製、Ｓ−８００）を用いて、粒子形態を観察した。
〔平均粒子径と粒度分布の測定〕
平均粒子径と粒度分布はレーザー回折式粒度分布装置（ＳＹＭＰＡＴＥＣ社製、ＨＥＬＯＳ＆ＲＯＤＯＳ）を用いて乾式法で測定した。体積基準の粒径であり、平均粒子径には５０％径を用いている。分散空気圧は３００Ｐａに設定し、分散時間は１．５〜４秒、透過率は２〜５０％の範囲で再現性の良い条件で測定した。
〔細孔容積の測定〕
水銀圧入式オートポア９２２（島津製作所社製）により細孔容積を測定した。
〔ＢＥＴ比表面積の測定〕
湯浅アイオニクス社製の全自動表面積測定装置４ソープにより窒素吸着法でＢＥＴ比表面積を測定した。
〔可溶性イオン量の測定〕
テフロン（登録商標）製圧力容器を用いて、試験検体５ｇに純水５ｇを加え、密閉後１２１℃で２０時間抽出して冷却した後、抽出液をイオンクロマトグラフ（日本ダイオネクス社製、ＤＸ−５００およびＤＸ−ＡＱ）を用いてイオン種とその量を測定した。
Figure 2006160560
Figure 2006160560
〔実施例１〜８、比較例１〜６〕
ビフェニル型エポキシ樹脂（軟化点１０５℃、エポキシ当量１９２）、フェノールアラルキル樹脂（軟化点６０℃、水酸基当量１６９）、難燃剤として臭素化ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂（軟化点７７℃、エポキシ当量４６５）、三酸化アンチモン、テトラフェニルホスホニウム・テトラフェニルボレート、カーボンブラック、シランカップリング剤としてγ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、ポリエチレンワックスおよび球状シリカ粉末α（球状溶融シリカ、平均粒子径８．０μｍ、最大粒子径９．０μｍ）、球状シリカ粉末β（球状溶融シリカ、平均粒子径１．５μｍ、最大粒子径１．９μｍ）を用いるとともに上記球状焼結体フェライトａ〜ｋを用い、下記の表３〜表４に示す割合で配合し混合した。なお、実施例４，５，７，８については、二種類の平均粒子径の異なる球状焼結フェライト粒子を予め混合して用いた。この実施例５の混合した球状焼結フェライト粒子の粒度分布を図３に示す。図３において、１０μｍ付近と３０μｍ付近にピークがあることがわかる。同様にして実施例４，７，８について、その粒度分布を測定した。その結果、実施例４では、その粒度分布において１０μｍ付近と３０μｍ付近にピークがあった。また、実施例７では、その粒度分布において１２μｍ付近と４０μｍ付近にピークがあった。さらに、実施例８では、その粒度分布において１２μｍ付近と３０μｍ付近にピークがあった。
ついで、上記混合物を温度９５〜１１０℃に加熱した熱ロールで３分間溶融混合して冷却した後、１０メッシュの篩を通過した粉末状の半導体封止用樹脂組成物を作製した。
Figure 2006160560
Figure 2006160560
〔試験片の作製〕
磁気特性および誘電特性を測定するための成形体をつぎのようにして作製した。すなわち、上記粉末状の半導体封止用樹脂組成物を、成形圧力６．８６ＭＰａ×金型温度１７５℃×成形時間２分間の条件で直径３５ｍｍのタブレット状に打錠成形し、さらに温度１７５℃で５時間の条件で硬化させ成形体を作製した。ついで、この成形体を超音波カッターにより、外径７ｍｍ、内径３ｍｍ、厚み２ｍｍの円筒ドーナツ状の試験片に切り出した。
〔磁気特性および誘電特性の測定〕
磁気特性および誘電特性の測定は、ヒューレットパッカード社製のネットワークアナライザー８７２０Ｄに、上述したドーナツ状試験片を装着し、同軸管法、１ＧＨｚの条件で測定した。
〔溶融粘度の測定〕
得られた粉末状の半導体封止用樹脂組成物を高化式フローテスター（島津製作所社製、ＣＦＴ５００型）を用いて、１７５℃における溶融粘度を測定した。
〔成形バリの測定〕
樹脂バリ評価金型を用いて（５〜２０μｍクリアランス）、キャビティからもれた樹脂バリの長さをノギスを用いて測定した。
〔加速信頼性試験〕
粉末状の半導体封止用樹脂組成物を用い、半導体素子をトランスファー成形（条件：１７５℃×２分、１７５℃×５時間後硬化）することにより半導体装置を作製した。この半導体装置（パッケージ）は１６ピンデュアルインラインパッケージ（ＤＩＰ）であり、半導体素子はＳｉ上に絶縁膜を介してアルミニウム配線が形成されたものである。このようにして作製された実施例，比較例の半導体装置各々１０個について、プレッシャークッカーバイアステスト（ＰＣＢＴ）を行った。このＰＣＢＴは、１３０℃×８５％ＲＨの高温高湿槽中で５Ｖのバイアス電圧を印加し、アルミニウム配線が断線する時間を測定した。そして、半導体素子の５０％が断線した時間が１００時間を超えたものを○、１００時間以内に半導体素子の５０％が断線したものを×、さらに４０時間以内に半導体素子の５０％が断線したものを××として評価した。
このようにして測定した結果を下記の表５〜表６に併せて示す。
Figure 2006160560
Figure 2006160560
上記表５〜表６の結果から、可溶性イオンが５ｐｐｍ以下で、平均粒子径が１０〜５０μｍであるスピネル構造の球状焼結フェライト粒子を配合した実施例品となる半導体封止用樹脂組成物は、複素透磁率が大きく、電磁波遮蔽機能に優れたものであることがわかる。また、溶融粘度はいずれも３００〜４００ｄＰａ・ｓと適度な粘度を有し、流動性に優れるものである。しかも、成形バリも小さく、加速信頼性試験において好ましい結果が得られた。さらに、その粒度分布において粒径５〜１５μｍの範囲と、粒径２０〜５０μｍの範囲にそれぞれピークを有するスピネル構造の球状焼結フェライト粒子を配合した実施例４，５品となる半導体封止用樹脂組成物は、特に複素透磁率が大きく、電磁波遮蔽機能に優れたものであった。また、実施例７，８においては、複素透磁率の高さの割に溶融粘度の低い樹脂組成物が得られた。
これに対して、本発明に用いられる上記球状焼結フェライト粒子の特性から外れた球状焼結フェライト粒子を配合した比較例品は、信頼性試験に劣っているか、溶融粘度が高過ぎて連続生産が困難であるか、あるいは溶融粘度が低過ぎて成形バリが大きい、また必要とする磁気損失μ″を確保することができないという問題を有するものであった。
本発明の半導体装置の一例を示す断面図である。 本発明の半導体装置の他の例を示す断面図である。 実施例５にて用いた球状焼結フェライト粒子の粒度分布を示す曲線図である。
符号の説明
１０，２０ 半導体装置
１１，２１ 基板
１４，２２ 半導体素子
１６，２４ 硬化体

Claims (15)

  1. 下記の特性（ａ）〜（ｃ）を備えたことを特徴とする球状焼結フェライト粒子。
    （ａ）可溶性イオンの含有量が５ｐｐｍ以下。
    （ｂ）平均粒子径が１０〜５０μｍの範囲である。
    （ｃ）Ｘ線回折による結晶構造がスピネル構造を示す。
  2. 上記特性（ａ）〜（ｃ）に加えて、下記の特性（ｄ）を備えている請求項１記載の球状焼結フェライト粒子。
    （ｄ）球状焼結フェライト粒子の粒度分布において粒径５〜１５μｍの範囲と、粒径２０〜５０μｍの範囲にそれぞれピークを有する。
  3. 球状焼結フェライト粒子が、Ｍｇ，Ｚｎ，Ｎｉ，ＭｎおよびＣｕからなる群から選ばれた少なくとも一つの金属元素Ｍと、Ｆｅとからなる酸化物である請求項１または２記載の球状焼結フェライト粒子。
  4. 上記球状焼結フェライト粒子を構成する金属元素ＭとＦｅとのモル比（Ｍ：Ｆｅ）が、Ｍ：Ｆｅ＝１：１．５７〜１：２．１７の範囲である請求項３記載の球状焼結フェライト粒子。
  5. 上記球状焼結フェライト粒子のＢＥＴ法による比表面積が、０．０２〜０．１ｍ2 ／ｇである請求項１〜４のいずれか一項に記載の球状焼結フェライト粒子。
  6. 上記球状焼結フェライト粒子の水銀圧入法による細孔容積が、０．２リットル／ｋｇ以下である請求項１〜５のいずれか一項に記載の球状焼結フェライト粒子。
  7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の球状焼結フェライト粒子とシリカ粒子からなる充填剤を含有することを特徴とする半導体封止用樹脂組成物。
  8. 上記球状焼結フェライト粒子とシリカ粒子からなる充填剤の含有割合が、樹脂組成物全体の６５〜８０体積％の範囲である請求項７記載の半導体封止用樹脂組成物。
  9. 上記球状焼結フェライト粒子とシリカ粒子からなる充填剤において、球状焼結フェライト粒子の占める割合が、充填剤全体の５０体積％以上である請求項７または８記載の半導体封止用樹脂組成物。
  10. 上記球状焼結フェライト粒子とシリカ粒子からなる充填剤の配合組成が、下記の（ｄ１）〜（ｄ３）に設定されている請求項９記載の半導体封止用樹脂組成物。
    （ｄ１）平均粒子径５〜１５μｍのシリカ粒子が充填剤全体の４〜３０体積％。
    （ｄ２）平均粒子径２０〜５０μｍの球状焼結フェライト粒子が充填剤全体の５０〜９３体積％。
    （ｄ３）平均粒子径０．２〜２μｍのシリカ粒子が充填剤全体の３〜３０体積％。
  11. 上記球状焼結フェライト粒子とシリカ粒子からなる充填剤の配合組成が、下記の（ｄ４）〜（ｄ６）に設定されている請求項９記載の半導体封止用樹脂組成物。
    （ｄ４）平均粒子径５〜１５μｍの球状焼結フェライト粒子が充填剤全体の４〜３０体積％。
    （ｄ５）平均粒子径２０〜５０μｍの球状焼結フェライト粒子が充填剤全体の５０〜９３体積％。
    （ｄ６）平均粒子径０．２〜２μｍのシリカ粒子が充填剤全体の３〜３０体積％。
  12. シリカ粒子が、球状シリカ粒子である請求項７〜１１のいずれか一項に記載の半導体封止用樹脂組成物。
  13. 上記半導体封止用樹脂組成物が、エポキシ樹脂とフェノール樹脂系硬化剤を含有する請求項７〜１２のいずれか一項に記載の半導体封止用樹脂組成物。
  14. 上記半導体封止用樹脂組成物が、エポキシ樹脂およびフェノール樹脂系硬化剤とともに硬化促進剤を含有する請求項１３記載の半導体封止用樹脂組成物。
  15. 請求項７〜１４のいずれか一項に記載の半導体封止用樹脂組成物を用いて、半導体素子を封止してなる半導体装置。
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