JP2006176595A - 半導体封止用エポキシ樹脂組成物及び半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 無機充填材の量を多くした場合であっても優れた充填性を得ることができるとともに、パッケージクラックを低減することができ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】 エポキシ樹脂、硬化剤、硬化促進剤及び無機充填材を含有する半導体封止用エポキシ樹脂であって、前記エポキシ樹脂成分としてビスフェノールＡ型エポキシ樹脂を、前記硬化剤成分として下記式（１）に示す構造を有するフェノール樹脂
【化１】

（式（１）中、ｍは１〜３の整数、ｎは１〜１０の整数を示す）を含有するエポキシ樹脂組成物を用いる。

Description

本発明は半導体素子の封止に用いられるエポキシ樹脂組成物及びそのエポキシ樹脂組成物を用いて封止した半導体装置に関する。

近年の電子機器の市場動向においては半導体の高集積化が年々進んでおり、半導体パッケージでは表面実装型パッケージが主流となってきている。このような半導体装置は通常セラミックパッケージやプラスチックパッケージなどで封止されている。前者のセラミックによるハーメチックシール法は耐熱性・耐湿性に優れるが、構成材料が比較的高価であることや量産性に劣るという問題点を有するため、後者のプラスチックによる樹脂封止が主流となっている。

プラスチックパッケージには無機充填材を含有し、エポキシ樹脂を樹脂成分とする硬化性の樹脂組成物を用いた低圧トランスファー成形が採用されている。この種のエポキシ樹脂組成物には、たとえばエポキシ樹脂として耐熱性に優れたｏ−クレゾールノボラック型エポキシ樹脂が、硬化剤としてフェノールノボラック樹脂が、硬化促進剤として有機リン化合物、三級アミン類、イミダゾール化合物等がそれぞれ一般的に使用されている。

また、上記のようなエポキシ樹脂組成物は耐湿性が劣るため金属電極などの腐食劣化をもたらすこと、高温時における半導体素子の機能が低下するなどの問題があり、これを改善するために硬化剤としてフェノールアラルキル樹脂あるいはこれとフェノールノボラック樹脂とを併用することが提案されている（特許文献１、２）。
特許第２５９３５１８号公報 特許第２６５４３７６号公報

しかしながら、半導体装置が利用される電子部品のさらなる小型化、薄型化により従来の封止材料では表面実装に十分に対応することができなくなってきている。例えば、パッケージの小型化・薄型化により金型の間隙部が狭小化するため、無機充填材などの固形分が障害となって成形時に封止材料が細部まで十分充填されず、パッケージに未充填箇所が生じ易くなるという問題がある。

また、リフローハンダ付けによる実装時にはデバイス自身が高温下に曝される。このため、封止成形後の保管中に吸湿した水分が高温に曝されて急激に気化膨張し、封止樹脂がこの膨張に耐え切れずにパッケージ（封止樹脂）にクラックが生じるような問題（耐ハンダリフロー性の低下）が起こっている。

この耐ハンダリフロー性を改善するためにエポキシ樹脂組成物中の無機充填材の組成を８０質量％以上に多くすることが考えられるが、無機充填材の組成を多くすると、上記のようにパッケージに未充填箇所が生じ易くなるとともに、流動性の低下を招くためその使用量にも限界があり、耐ハンダリフロー性の大幅な向上が望めないという問題がある。また、無機充填材を多くして流動性が低下することにより封止材料中に空気が混入しやすく、樹脂組成物中に入り込んだ気泡が内部に残存して微小なボイドが発生し、それによっても充填性が低下するとともに耐ハンダリフロー性も低下する傾向がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、従来のエポキシ樹脂組成物の問題を解決し、無機充填材の量を多くした場合であっても、未充填部分がなく、耐ハンダリフロー性に優れ、パッケージクラックを低減することができる半導体封止用エポキシ樹脂組成物を提供することを目的とする。

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、硬化剤、硬化促進剤及び無機充填材を含有する半導体封止用エポキシ樹脂組成物であって、前記エポキシ樹脂成分としてビスフェノールＡ型エポキシ樹脂を、前記硬化剤成分として下記式（１）に示す構造を有するフェノール樹脂

（式（１）中、ｍは１〜３の整数、ｎは１〜１０の整数を示す）またはその誘導体を含有することを特徴とするものである。

また、本発明は前記エポキシ樹脂組成物において、シリコーン可とう剤をエポキシ樹脂組成物中に０．０１〜３質量％含有することが好ましい。

そして、本発明は半導体素子を封止してなる半導体装置に上記エポキシ樹脂組成物を封止剤として用いることを特徴とするものである。

本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物によれば、小型化、薄型化に適したパッケージを得ることができ、無機充填材を多く含有するエポキシ樹脂組成物であっても、充填性の低下を招くことなく、また内部への気泡の混入よる未充填ボイドの発生を抑制し、リフローハンダ付け時のパッケージクラックの発生を低減することができる。

以下本発明を具体的に説明する。

本発明のエポキシ樹脂としては、エポキシ樹脂成分として少なくともビスフェノールＡ型エポキシ樹脂を含有する。前記ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂としては、下記

（式（２）中、Ｒ１〜Ｒ８は独立で、水素原子又はハロゲン原子であり、Ｇはグリシジル基である）の構造を有するものを用いることができる。

上記構造のエポキシ樹脂成分を含有することにより、エポキシ樹脂組成物全体の粘度が低減され、充填性を向上するため好ましい。

ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂は全エポキシ樹脂の配合量に対して２０〜１００質量％含有することが好ましく、より好ましくは５０〜１００質量％含有することが望ましい。ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂の全エポキシ樹脂中の含有量が２０質量％未満となると、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂を用いる特性が十分に発揮されず、組成物全体の粘度が増加する傾向にあり、後述するフェノール樹脂を硬化剤として用いても充填性が不足するとともに、耐ハンダリフロー性が低下する傾向にある。

上記ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂の具体例としては、例えば、ジャパンエポキシレジン（株）社製のＹＬ６８１０などを挙げることができる。

本発明において上記ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂とともに使用することができるエポキシ樹脂成分としては、従来公知のエポキシ樹脂を用いることができる。具体的には、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、スチルベン型エポキシ樹脂、ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂、トリフェニルメタン型エポキシ樹脂、トリフェノールメタン型エポキシ樹脂、フェノールアラルキル型エポキシ樹脂、ブロム含有エポキシ樹脂、ナフトール型エポキシ樹脂、ナフタレン型エポキシ樹脂などを用いることができる。これらのエポキシ樹脂の配合量は全エポキシ樹脂の配合量に対して０〜８０質量％、好ましくは０〜５０質量％とすることが望ましい。上記範囲を外れると、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂の配合量が低下し、上記のような特性が低下する傾向がある。

本発明は、上記エポキシ樹脂とともに硬化剤として下記の構造を有するフェノール樹脂

（式（１）中、ｍは１〜３の整数であり、ｎは１〜１０の整数である）またはその誘導体を使用する。

式（１）で表されるフェノール樹脂は基本骨格中に少なくとも２以上のアラルキル基を含むため、上記ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂を硬化する際に架橋点距離を長くすることが可能となる。そして、それによってエポキシ樹脂組成物のガラス転移温度が低下するため、この組成物を封止材料に用いてパッケージを作製した場合に耐ハンダリフロー性を向上することができる。なお、基本骨格中のアラルキル基は所望の特性を付与するために各種特性基で置換された誘導体であっても良い。

前記基本骨格中のアラルキル基の数が１（すなわち、ｍが０の場合）では、架橋点間距離を十分に長くすることができず、ガラス転移温度があまり低下せず、充填性、耐ハンダリフロー性いずれも低下することとなる。一方、基本骨格中のアラルキル基の数を多くすることもできるが、アラルキル基数が５（すなわち、ｍが４以上）を超えると、架橋点間距離が長くなりすぎてトランスファー成形時に十分な硬度を得ることができず、成形性が低下するため所望の特性を得ることが困難となる。従って、基本骨格中のｍは１〜３であり、好ましくは１〜２、最も好ましくは１である。

また、本発明において上記フェノール樹脂の基本骨格の繰り返し単位数ｎは１〜１０であれば特に制限されず用いることができ、繰り返し単位の数が異なる複数成分により構成されたフェノール樹脂を用いることができる。

上記式（１）のフェノール樹脂は全硬化剤の配合量に対して、１０〜１００質量％（１００質量％は全硬化剤を上記フェノール樹脂とする場合である）とすることが好ましく、より好ましくは５０〜１００質量％であることが望ましい。１０質量％以下では、フェノール樹脂の上記特性が低下する傾向にあり、前記したビスフェノールＡ型エポキシ樹脂と併用しても充填性が不足するとともに、耐ハンダリフロー性が低下する傾向にある。

上記式（１）のフェノール樹脂の具体例としては、例えば、三菱瓦斯化学（株）社製のニカノールＧＬＰなどを挙げることができる。

本発明において上記フェノール樹脂ととともに使用することができる硬化剤成分としては、従来公知の硬化剤を用いることができる。具体的には、例えば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、ナフトールアラルキル樹脂、ナフトールアラルキル樹脂等の各種多価フェノール化合物あるいはナフトール化合物を使用することができる。これらの硬化剤成分の配合量は全硬化剤の配合量に対して、０〜９０質量％とすることが好ましい。上記範囲を外れると、前記した式（１）のフェノール樹脂の配合量が低下し、上記のような特性が低下する傾向がある。

全硬化剤の配合量は特に制限されないが、全エポキシ樹脂に対する配合割合で全エポキシ樹脂／全硬化剤＝０．５〜１．５（当量比）、好ましくは０．８〜１．３に設定する。この配合割合が０．５よりも小さいと、硬化剤の配合量が多すぎて経済的に不利となる恐れがあり、また上記の配合割合が１．５を超えると、硬化剤の配合量が少なすぎて硬化不足になる恐れがある。

本発明において硬化促進剤としては前記したエポキシ樹脂とフェノール樹脂のエポキシ基と水酸基の反応を促進することができるものであれば特に制限することなく使用することができる。具体的には、例えばトリフェニルホスフィンやトリブチルホスフィンなどの有機リン化合物、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、ベンジルジメチルアミンなどの三級アミン類、２−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などのイミダゾール類を用いることができる。

硬化促進剤は全樹脂成分（エポキシ樹脂と硬化剤）に対して０．１〜５．０質量％配合するのが好ましい。硬化促進剤の配合量が全樹脂成分の配合量に対して０．１質量％未満であれば、硬化促進効果を高めることができず、硬化促進剤の配合量が全樹脂成分の配合量に対して５．０質量％を超えると、成形性に不具合を生じる恐れがあり、また、硬化促進剤の配合量が多くなって経済的に不利となる恐れがある。

本発明において無機充填材としては、溶融シリカ、結晶シリカ、アルミナ、窒化珪素などを単独あるいは２種以上混合して使用することができるが、これらの中でもシリカを用いるのが好ましい。本発明において無機充填材はエポキシ樹脂組成物の全体量に対して好ましくは８０〜９３質量％、特に好ましくは８８〜９３質量％配合するのが望ましい。本発明では耐ハンダリフロー性に優れた封止材料とするために上記のように無機充填材の配合量を多くしても、流動性が改善されたエポキシ樹脂組成物とすることができるため、充填不足となることがなく優れた耐ハンダリフロー性を得ることができる。なお、無機充填材の配合量がエポキシ樹脂組成物の全体量に対して９３質量％を超えると、未充填箇所が生じやすくなるだけでなく、エポキシ樹脂組成物の粘度が増大して封止材料中に空気の混入が生じやすく、そのため内部に未充填ボイドなどが生じてパッケージクラックが発生しやすくなる恐れがある。

本発明のエポキシ樹脂組成物は上記以外の組成として、本発明の目的とする所望の特性を阻害しない範囲で従来公知の添加剤、例えば難燃剤、難燃助剤、離型剤、流動改質剤、着色剤、滑剤等を必要に応じてその発現量を添加してもさしつかえない。

例えば、上記添加剤の中でもシリコーン可とう剤を含有するとさらに充填性、耐ハンダリフロー性を向上することができるため好ましい。このようなシリコーン可とう剤としては、シリコーンオイル、シリコーンゲル、シリコーンゴムなどを用いることができる。シリコーン可とう剤の配合量としては、エポキシ樹脂組成物の全体量に対して好ましくは０．０１〜３質量％とすることが望ましい。前記範囲の配合量とすることにより、添加剤としての効果が十分に発現されるとともに、エポキシ樹脂組成物の流動性の低下を抑制することができる。

また、離型剤としては、例えばカルナバワックス、ステアリン酸、モンタン酸、カルボシキル基含有ポリオレフィン等を用いることができ、その他必要に応じて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等のシランカップリング剤を使用することができる。

本発明の封止用樹脂組成物を調製するにあたっては、まず上記のエポキシ樹脂、硬化剤、硬化促進剤、無機充填材及びその他の材料を所定の量配合し、次にミキサーやブレンダーなどで均一に混合した後、ニーダーやロール等で加熱しながら混練するようにする。また混練後に、必要に応じて冷却固化し、粉砕して粉状に形成してもよい。本発明の半導体装置を製造するにあたっては、リードフレームや基板等に半導体素子を搭載した後、これを上記の半導体封止用エポキシ樹脂組成物で形成される封止樹脂で封止するようにする。この封止にはトランスファー成形（トランスファーモールド）を採用することができ、半導体素子を搭載したリードフレームや基板等を金型のキャビティに配置した後、キャビティに上記の半導体封止用エポキシ樹脂組成物を充填し、これを加熱して硬化させて封止樹脂を形成するものである。このトランスファー成形を採用した場合の金型の温度は１７０〜１８０℃、成形時間は３０〜１２０秒に設定することができるが、金型の温度や成形時間及びその他の成形条件は、従来の封止成形と同様に設定することができ、半導体封止用エポキシ樹脂組成物の材料の種類や製造される半導体装置の種類によって適宜設定変更できる。

以下本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。

表１に示すように所定の配合量（質量％）で、エポキシ樹脂、硬化剤、硬化促進剤、離型剤、難燃剤、顔料、無機充填材をブレンダーで３０分間混合し均一化した後、８０℃に加熱した２本ロールで混練溶融させて押し出し、冷却後粉砕機で粉砕して半導体封止用エポキシ樹脂組成物を調製した。なお、表１中のエポキシ樹脂と硬化剤については全エポキシ樹脂中あるいは全硬化剤中の各成分の割合（質量％）も示した。各材料としては次のものを用いた。
・エポキシ樹脂Ａ：ジャパンエポキシレジン（株）社製ＹＬ６８１０（ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂，エポキシ当量１７５）
・エポキシ樹脂Ｂ：住友化学工業（株）社製ＥＳＣＮ１９５ＸＬ（ｏ−クレゾールノボラック型エポキシ樹脂，エポキシ当量１９５）
・硬化剤Ａ：三菱瓦斯化学（株）社製ニカノールＧＬＰ（式（１）の構造を有するフェノール樹脂，ｍ＝１，ｎ＝１〜３の混合物，水酸基当量１６３）
・硬化剤Ｂ：三井化学（株）社製ＸＬ−２２５（フェノール樹脂，式（１）でｍ＝０，ｎ＝１〜３の混合物，水酸基当量１７６）
・硬化剤Ｃ：荒川化学工業（株）社製タマノール７５２（フェノールノボラック樹脂，水酸基当量１０４）
・硬化促進剤：北興化学工業（株）社製トリフェニルホスフィン
・無機充填材：電気化学工業（株）社製ＦＢ８２０（シリカ）
・シリコーン可とう剤：東レダウシリコーン（株）社製Ｅ４０１
・カップリング剤：信越化学工業（株）社製ＫＢＭ４０３（γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン）
・カーボンブラック：三菱化学（株）社製４０Ｂ
・金型離型用ワックス：大日化学（株）社製Ｆ１−１００
上記のように調整した各組成物を用いて、以下に示す方法により各測定用の試料を成形して評価を行った。

（充填性１）
Ｃｕリードフレームに８×９×０．４ｍｍのテスト用チップを銀ペーストにより搭載した外形寸法１４×１４×１．０ｍｍの１２８ｐｉｎＱＦＰのパッケージを各調製した封止用エポキシ樹脂組成物を用いてトンラスファー成形機（金型温度：１７５℃，注入圧力：７０ｋｇｆ／ｃｍ²，成形時間：９０秒間，後硬化１７５℃／６時間）で封止成形することによって評価用試料を各２０個作製した。外観検査により、０．１ｍｍ以上の未充填箇所の有無を実体顕微鏡で観察し、未充填箇所が発生していたパッケージの数を評価した。

（充填性２）
充填性１で評価した各パッケージを軟Ｘ線装置にて内部の未充填ボイドを観察し、そのボイドの最大径の平均値（ｍｍ）を評価した。

（耐ハンダリフロー性１）
Ｃｕリードフレームに８×９×０．４ｍｍのテスト用チップを銀ペーストにより搭載した外形寸法２８×２８×３．２ｍｍの１６０ｐｉｎＱＦＰのパッケージを各調製した封止用エポキシ樹脂組成物を用いてトンラスファー成形機（金型温度：１７５℃，注入圧力：７０ｋｇｆ／ｃｍ²，成形時間：９０秒間，後硬化１７５℃／６時間）で封止成形することによって評価用試料を各１０個作製した。評価用試料を温度８５℃、湿度８５％の条件で１６８時間吸湿させた後、ＩＲリフロー装置により２４０℃、１０秒の条件でリフロー処理を行ない、パッケージクラックが発生していたパッケージの数を評価した。

（耐ハンダリフロー性２）
上記の耐ハンダリフロー性１と同様の条件で作製し、吸湿させた評価試料をＩＲリフロー装置により２６０℃、１０秒の条件でリフロー処理を行ない、パッケージクラックの発生の有無を観察した。

表１に示すように本発明のビスフェノールＡ型エポキシ樹脂と式（１）の構造を有するフェノール樹脂を実施例１〜８の配合量の範囲で含有するエポキシ樹脂組成物を用いて封止した半導体装置は未充填箇所がほとんど観察されず、また内部の未充填ボイドも小さく、無機充填材の配合量が多い組成であっても高充填性が得られていることが分かる。また、実施例のエポキシ樹脂組成物を用いて封止したパッケージは高温でのリフローにおいてもパッケージクラックの発生が見られず、耐ハンダリフロー性に優れていることが分かる。

これに対して硬化剤としてアラルキル基を含むフェノール樹脂であっても、基本骨格中のアラルキル基の数が少ないフェノール樹脂Ｂを用いた比較例１〜３は、充填性、耐ハンダリフロー性いずれも劣っている。また実施例及び比較例２あるいは３との対比から分かるように、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂を用いた場合であっても、充填不足となり、高温での耐ハンダリフロー性が低下することが確認された。

Claims (3)

1. エポキシ樹脂、硬化剤、硬化促進剤及び無機充填材を含有する半導体封止用エポキシ樹脂組成物であって、
   前記エポキシ樹脂成分としてビスフェノールＡ型エポキシ樹脂を、
   前記硬化剤成分として下記式（１）に示す構造を有するフェノール樹脂
   

   

   （式（１）中、ｍは１〜３の整数、ｎは１〜１０の整数を示す）またはその誘導体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。
2. シリコーン可とう剤を前記エポキシ樹脂組成物中に０．０１〜３質量％含有することを特徴とする請求項１に記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成物。
3. 請求項１または２に記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成物を用いて封止されてなることを特徴とする半導体装置。