JP2006216899A - コンプレッション成形用成形材料及び樹脂封止型半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】容易に製造することができる成形材料であって、成形時に、ワイヤ流れが小さく、充填性が高くて巣の発生が抑制できる熱硬化性樹脂成形材料及びそれを用いた半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】７０〜１５０℃で軟化又は溶融する熱硬化性樹脂組成物を、ペレット状又はシート状に成形したコンプレッション用成形材料であって、成形材料の厚さが３．０ｍｍ以下であることを特徴とするコンプレッション成形用成形材料及びこの成形材料を用いた樹脂封止型半導体装置の製造方法。
【選択図】なし

Description

本発明は、微細配線を有する半導体デバイス又は薄型半導体デバイスの信頼性向上、特に封止成形時に生じる配線の不良やボイドの発生を抑えることができるコンプレッション成形用成形材料及びそれを用いた樹脂封止型半導体装置に関する。

従来、エポキシ封止樹脂組成物を用いた封止としては、樹脂組成物を円柱形のペレット状に成形した成形材料とし、それを用いて低圧トランスファー成形法によって半導体デバイスを封止していたが、この方法では樹脂の流動が大きいために、半導体デバイスの配線間距離が短かったり、配線が長かったりすると配線間リーク又はショートが発生し、その結果半導体デバイスの誤動作を起こすことがあった。また、半導体デバイスの樹脂封止厚さが薄くなると巣や未充填が発生し、その結果半導体デバイスの信頼性が低下することとなっていた。

半導体デバイスは、多機能化、高集積化、高速化が進展し、市場要求と設計技術、製造技術の進歩により年々徹細化が進んでおり、封止樹脂に対しても、この高集積化と微細化に合わせた高機能化が求められている。

その一方で、近年の環境保護の立場から、トランスファー成形によって発生するカル、ランナーといった成形屑排出量を低減させることも要求され、半導体デバイスメーカー及びユーザー共に、その対策を検討、実行することが重要になってきている。

そこで、トランスファー成形法に変えて圧縮成形法を用いることが提案されており、圧縮成形法で低熱膨張の樹脂組成物を用いることによって、硬化・冷却時に寸法収縮による反りを低減させることができる半導体装置の樹脂封止方法が知られていた（例えば、特許文献１参照。）。

また、基板又はリードフレームで分割された上下の樹脂封止部の樹脂量をコントロールして成形形状の不具合を改善した粒状のエポキシ樹脂成形材料を用いる樹脂封止型電子部品の製造方法が知られていた（例えば、特許文献２参照。）。
特開２００４−５６１４１号公報 特開２０００−２１９０８号公報

しかしながら、これらの圧縮成形方法では、圧縮成形の際に巣の発生を抑制しようとした場合、中央部を凸状にしたり、切込みを入れたりする等、さらに加工を施さなければならず、粒状の成形材料である場合には、成形時に内部巣が発生する場合があり、成形装置内での計量プロセスが必要であった。また、微粉の飛散により装置内部や成形品が汚染されてしまっていた。

そこで、本発明は、これらの問題点を解消し、容易に製造することができる成形材料であって、成形時に、ワイヤ流れが小さく、充填性が高くて巣の発生が抑制できる熱硬化性樹脂成形材料及びそれを用いた半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。

成形屑排出低減対策としては、成形時デバイス当たりの樹脂使用効率を上げるようにすればよく、これを封止樹脂側から考えれば、その成形方法に最適な形状にして成形材料を供給すればよいこととなる。

そこで、本発明者らは、鋭意検討した結果、本発明を見出したものであり、本発明のコンプレッション成形用成形材料は、７０〜１５０℃で軟化又は溶融する熱硬化性樹脂組成物からなるコンプレッション用成形材料であって、その成形材料が、厚さ３．０ｍｍ以下のペレット状又はシート状に成形されていることを特徴とするものである。

また、本発明の樹脂封止型半導体装置は、本発明のコンプレッション成形用成形材料を用いてコンプレッション成形により封止したことを特徴とするものである。

本発明のコンプレッション成形用成形材料によれば、コンプレッションによる半導体封止成形時において、ワイヤ流れが小さく、かつ充填性が高い封止を行うことができる。したがって、半導体装置の封止において、配線不良や巣の発生を抑制することができ、これにより信頼性が高い樹脂封止型半導体装置を得ることができる。

以下、本発明について詳細に説明する。
本発明者らは上記の目的を達成しようと鋭意研究を重ねた結果、特定の薄型のペレット状又はシート状の成形材料がコンプレッション成形に使用されることで、樹脂封止成形時のワイヤ流れ、未充填及び巣の発生を劇的に低減させ得ることを見出し、本発明を完成させたものである。

すなわち、本発明のコンプレッション成形用成形材料は、７０〜１５０℃で軟化又は溶融する熱硬化性樹脂組成物からなるコンプレッション用成形材料であって、その成形材料が、厚さ３．０ｍｍ以下のペレット状又はシート状に成形されていることを特徴とするものである。

ここで、７０〜１５０℃で軟化又は溶融する熱硬化性樹脂組成物とは、成形温度である７０〜１５０℃で、成形することができるものであればよく、その樹脂としては、特に限定されるものではないが、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂であることが好ましく、特にエポキシ樹脂であることが好ましい。

この熱硬化性樹脂組成物の軟化又は溶融する温度を、７０〜１５０℃の範囲とするためには、使用する樹脂の軟化点が１５０℃以下のものを用いればよく、樹脂を２種以上混合して用いる場合には、全ての樹脂の軟化点が１５０℃以下のものとするか又は軟化点が１５０℃以上の樹脂を用いた場合には軟化点の低い樹脂を組合わせて得られる樹脂組成物の軟化点が１５０℃以下になるようにすればよい。

ここで用いる熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂を用いた場合には、（Ａ）エポキシ樹脂、（Ｂ）フェノール樹脂硬化剤、（Ｃ）無機質充填材を必須成分とする樹脂組成物とすることができる。

ここで用いる（Ａ）エポキシ樹脂としては、その分子中にエポキシ基を２個以上有するエポキシ樹脂であればよく、単独又は２種類以上を併用して用いることができる。これらのエポキシ樹脂としては、フェノール又はアルキルフェノール類とヒドロキシべンズアルデヒドとの縮合物をエポキシ化することによって得られるエポキシ樹脂、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、ナフトールのノボラック型エポキシ樹脂、ビスフェノールＡのノボラック型エポキシ樹脂、ビスフェノールＡのグリシジルエーテル、テトラ（ヒドロキシフェニル）アルカンのエポキシ化物、ビスヒドロキシビフェニル系エポキシ樹脂等が挙げられる。これらの樹脂はデバイスの信頼性を確保するため、樹脂中に含まれる塩素が、１０００ｐｐｍ以下であることが好ましい。

ここで用いる（Ｂ）成分であるフェノール樹脂硬化剤は、分子中にフェノール性水酸基を有するものであってエポキシ樹脂の硬化剤として用いられているものであれば特に限定されずに用いることができ、それらは単独又は２種以上混合して用いることができる。このフェノール樹脂硬化剤の水酸基当量は９０以上であることが好ましく、また、信頼性を確保するため、樹脂中に含まれるフリーのフェノール類の濃度が１質量％以下である事が好ましい。

このフェノール樹脂の具体例としては、ビフェノールノボラック型フェノール樹脂（明和化成株式会社製、ＭＥＨ−７８５１シリーズ）、フェノールアラルキル樹脂（三井化学株式会社製、ＸＬ，ＸＬＣシリーズ）、多官能芳香族フェノール樹脂（鹿島工業株式会社製、ＦＰＩシリーズ）、テルペンフェノール樹脂等が挙げられる
これら（Ａ）エポキシ樹脂と（Ｂ）フェノール樹脂との配合比は、硬化剤であるフェノール樹脂のフェノール性水酸基数とエポキシ樹脂のエポキシ基数の比（フェノール性水酸基数／エポキシ基数）が０．５〜１．５の範囲になるように配合することが望ましい。上記値が０．５未満では硬化反応が充分に起こらなくなり、一方上記値が１．５を超えると、硬化物の特性、特に耐湿性が劣化するためである。

ここで用いる（Ｃ）無機充填剤としては、溶融シリカ、結晶性シリカ、アルミナ、窒化ケイ素、窒化アルミニウム等があげられるが、コスト、特性のバランスを考えると溶融シリカが最適である。この無機質充填剤の配合割合は７８〜９０質量％であることが好ましい。７８質量％未満では難燃性及び耐クラック性に劣ることとなり、９０質量％を超えると流動性が低下して成形性が悪くなってしまう。

また、一般にこのような半導体封止に用いる樹脂組成物には、速やかな硬化性を付与するため硬化促進剤が用いられる。このような硬化促進剤としては、フェノール樹脂を用いてエポキシ樹脂を硬化する際に使用されるものとして公知であれば特に限定されずに使用することができる。例えば、トリメチルホスフィン、トリエチルホスフィン、トリブチルホスフィン、トリフェニルホスフィン、トリ（ｐ−メチルフェニル）ホスフィン、トリ（ノニルフェニルホスフィン）、メチルジフェニルホスフィン、ジブチルフェニルホスフイン、トリシクロヘキシルホスフイン、１，２−ビス（ジフェニルホスフィノ）エタン、ビス（ジフェニルホスフィノ）メタン等の有機ホスフィン化合物、２−メチルイミダゾール、２，４−ジ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、２−ヘプタデシルイミダゾール等のイミダゾール化合物又はその誘導体、１，８−ジアザビシクロ［５．４．０］ウンデセン−７（ＤＢＵ）又はそのフェノール塩等が挙げられ、必要に応じてこれらを組み合わせて用いても良い。

これら硬化促進剤の添加割合は、それぞれの触媒活性が異なるため一概にその好適量は決められないが、樹脂成分の総量に対し、０．１〜５．０質量％の範囲で加える事が望ましい。これは、０．１質量％未満では硬化性能が劣り、一方、５．０質量％を超えると耐湿信頼性が劣化する傾向があるためである。

本発明のエポキシ樹脂組成物には、本発明の目的に反しない限度において、また必要に応じて、上記の他、各種充填材、天然ワックス類や合成ワックス類等の離型剤、カーボンブラック、酸化チタン等の着色剤、ゴム系やシリコーン系ポリマーの低応力付与剤、アミン変性、エポキシ変性シリコーンオイル等の表面処理剤等を適宜添加配合することができる。

本発明のコンプレッション成形用成形材料の形状は、コンプレッション成形においてワイヤ流れや充填性に優れたものとなる厚さであることを特徴とするものであって、その厚みは３．０ｍｍ以下であることが求められ、さらに、その厚さは０．５〜３．０ｍｍであることが好ましく、０．５〜２．０ｍｍであることが特に好ましい。成形材料の厚さが０．５ｍｍ未満であると、割れやすく、ハンドリング性が低下してしまい、３．０ｍｍを超えると樹脂封止時に金型内での樹脂の溶融が遅延し成形性が悪くなってしまう。なお、０．５ｍｍ未満であっても保護シート等により補強すれば問題なく使用することができる。

また、本発明の成形材料の平面形状としては、円形や三角形、四角形、五角形等の多角形等の様々な形状をとることができるが、円形又は四角形であることが好ましく、四角形の場合、矩形又は正方形であることが好ましい。そして、この成形材料の大きさは、その平面形状の一辺の長さ又は直径が、８〜４０ｍｍであることが好ましく、成形材料の形状としては、高さの低い（上記した厚さのシート状の）円柱形、三角柱形、四角柱形等となる。

本発明のエポキシ樹脂組成物を成形材料として調整する場合の一般的な方法は、前述した各成分を配合し、ミキサー等によって十分均一に混合し、さらに熱ロール、ニーダ等により加熱溶融混合処理を行い、ついで冷却固化させ適当な大きさに粉砕して一旦樹脂組成物（成形材料）とし、さらに、これを、高い充填密度を確保することができるように、熱硬化性樹脂成形材料を高温の金型内に入れ、それを低圧でプレスして得ることができる。

その際のプレス成形温度は７０〜１５０℃であり、７５〜９０℃であることが好ましい。成形温度が７０℃未満では、樹脂が軟化しないためにプレス成形品の充填密度が低くなってしまい、１５０℃を超えると硬化反応が促進されすぎるため樹脂封止成形性が劣化してしまう。また、この成形材料は、プレス後、その成形品を金型内で又は金型内から取り出して、冷却され固化される。

このプレス成形時に、金属性シート、樹脂製シート等の薄いシートを底面に入れてプレスすることにより、樹脂との二層成形品を得ることもできる。また、このプレス成形品は、その質量が特に制限されるものではないが、好ましくは３．０ｇ以下である。

こうして得られた樹脂成形材料をコンプレッション成形法で成形することで、リードフレームの流れが少なく、未充填、巣のない樹脂封止型半導体装置を得ることができる。

本発明の樹脂封止型半導体装置は、上記した本発明の熱硬化性樹脂成形材料を用い、半導体チップを一般的なコンプレッション成形法で樹脂封止することによって製造することができる。この場合、コンプレッション成形法は、成形温度１６０〜１８５℃、成形圧力３．０〜７．０ＭＰａの低圧コンプレッション成形によって封止することが好ましい。

なお、このとき樹脂成形材料によって封止される半導体チップの種類は、特に限定されるものではないが、樹脂封止後の半導体装置の厚さが０．２〜０．７ｍｍとなるようなものが好ましい。

次に、本発明を実施例により説明するが、本発明はこれらの実施例により限定されるものではない。

成形品の評価としては外観（着色性：目視）、成形時の帯電特性及び配線間の電気特性（不良発生の有無）について確認した。

（実施例１）
多官能型エポキシ樹脂（日本化薬株式会社製、商品名：ＥＰＰＮ−５０２） ９．５質量％、臭素化エポキシ樹脂（旭化成工業株式会社製、商品名：ＡＥＲ−８０２８） ３．０質量％、多官能型フェノール樹脂（明和化成株式会社製、商品名：ＭＥＨ−７５００） ４．４質量％、硬化促進剤として２−メチルイミダゾール ０．２質量％、エステル系ワックス（カルナバ１号） ０．４質量％、エポキシシランカップリング剤 ０．３質量％、カーボンブラック ０．２質量％、球状シリカ（平均粒径：１８μｍ、最大粒径：７４μｍ） ８２．０質量％を配合し、常温で混合して、更に９０〜１１０℃で混練してからこれを冷却粉砕し、さらに８０℃で１８×１８×１．３ｍｍの角型シート状にプレス成形して成形材料を得た。得られた成形材料３個を金型の上に平面に並べて置き、その成形材料の上に半導体基板を重ねて置き１７５℃に加熱した金型でコンプレッション成形し、硬化させてＭＡＰ（Ｍａｔｒｉｘ Ａｒｒａｙ Ｐａｃｋａｇｅ）成形品を製造した。

（実施例２）
実施例１と同一配合の樹脂組成物を用い、冷却粉砕した樹脂組成物を８０℃で４０×４０×０．８ｍｍの角型シート状にプレス成形して成形材料を得た。得られた成形材料１個を使用した以外は実施例１と同様の操作によりＭＡＰ成形品を製造した。

（実施例３）
実施例１と同一配合の樹脂組成物を用い、冷却粉砕した樹脂組成物を８０℃で直径３０×１．８ｍｍの丸型シート状にプレス成形して成形材料を得た。得られた成形材料を１個を使用した以外は実施例１と同様の操作によりＭＡＰ成形品を製造した。

（比較例１）
実施例１と同一配合の樹脂組成物を用い、冷却粉砕した樹脂組成物を６０℃で１８×１８×１．３ｍｍの角型シート状にプレス成形して成形材料を得た。それ以外は実施例１と同様の操作によりＭＡＰ成形品を製造した。

（比較例２）
実施例１と同一配合の樹脂組成物を用い、冷却粉砕した樹脂組成物を１５０℃で１８×１８×１．３ｍｍの角型シート状にプレス成形して成形材料を得た。それ以外は実施例１と同様の操作によりＭＡＰ成形品を製造した。

（比較例３）
実施例１と同一配合の樹脂組成物を用い、冷却粉砕した樹脂組成物を８０℃で１８×１８×３．９ｍｍの角型シート状にプレス成形して成形材料を得た。それ以外は実施例１と同様の操作によりＭＡＰ成形品を製造した。

（比較例４）
実施例１と同一配合の樹脂組成物を用い、冷却粉砕した樹脂組成物を２５℃で直径１４×４．５ｍｍの丸型シート状にプレス成形して成形材料を得た。それ以外は実施例１と同様の操作によりＭＡＰ成形品を製造した。

（比較例５）
実施例１と同一配合の樹脂組成物を用い、冷却粉砕して得られた粉状の樹脂組成物を成形材料とした以外は実施例１と同様の操作によりＭＡＰ成形品を製造した。

（試験例）
実施例及び比較例で製造したＭＡＰ成形品について、外観観察による巣の有無、ワイヤ流れ、ＰＫＧ（パッケージ）反り、耐リフロー性、フィラー偏析について試験を行い、その結果を表１に示した。

＊１：封止後の外部、分解した内部及び個片化した後の側面について観察し、巣の発生の有無を調べた。分母に検査したパッケージの個数、分子に巣が発生したパッケージの個数を示した。
＊２：封止後にＸ線検査装置（ポニー工業株式会社製）にてワイヤを観察し、ワイヤ流れ率を測定した。
＊３：ＭＡＰ成形後に個片化したＰＫＧをレーザー変位計（京セラケミカル株式会社製）にて反り量を測定した。
＊４：ＭＡＰ成形後に個片化したＰＫＧを、３０℃／７０％ＲＨにて１９２時間処理した後、ＩＲリフロー（２４０℃Ｍａｘ）炉に３回通し、その後ＳＡＴ（超音波映像装置：日立建機ファインテック株式会社製）にて剥離の有無を調べた。
＊５：個片化したＰＫＧをＳＡＴで観察し、偏析の有無を調べた。

表１に示したように、実施例１〜３の樹脂成形材料は、比較例１〜５の樹脂成形材料に比べ、樹脂封止時のワイヤ流れが小さく、また外部巣及び内部巣の発生が抑制されていることがわかった。また、実施例ではＭＡＰ内でのフィラーの偏析も抑制されているため、結果としてＰＫＧ反り量が小さくなっていることもわかった。

Claims (6)

1. ７０〜１５０℃で軟化又は溶融する熱硬化性樹脂組成物からなるコンプレッション成形用成形材料であって、
   前記成形材料が、厚さ３．０ｍｍ以下のペレット状又はシート状に成形されていることを特徴とするコンプレッション成形用成形材料。
2. 前記成形材料がシート状に成形されたものであって、その平面形状が、円形又は四角形であることを特徴とする請求項１記載のコンプレッション成形用成形材料。
3. 前記成形材料の平面形状の一辺の長さ又は直径が８〜４０ｍｍであることを特徴とする請求項１又は２記載のコンプレッション成形用成形材料。
4. 前記樹脂組成物が、（Ａ）エポキシ樹脂と、（Ｂ）フェノール樹脂硬化剤と、（Ｃ）無機質充填材とを必須成分とするものであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載のコンプレッション成形用成形材料。
5. 前記形成材料が、７０〜１５０℃で軟化又は溶融させながらプレス成形により得られたものであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載のコンプレッション成形用成形材料。
6. 前記１乃至５のいずれか１項記載のコンプレッション成形用成形材料を用いてコンプレッション成形により封止したことを特徴とする樹脂封止型半導体装置。