JP2006282958A - 半導体封止用エポキシ樹脂組成物及び半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【解決手段】 (A)エポキシ樹脂、(B)硬化剤、(C)無機充填材、(D)アクリルゴム、シリコーンゴム、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸メチル、アクリル酸アルキルとメタクリル酸メチルの共重合物、ポリスチレン、MBS、ABS、ポリブタジェンゴムなどの有機樹脂粒子の表面を無機化合物の粒子によって被覆した複合化合物を必須成分とするエポキシ樹脂組成物。
【効果】 本発明は、成形性が良好であり、半導体装置の反り量が小さく、表面実装性に優れた半導体封止用エポキシ樹脂組成物を与えるものであり、該樹脂組成物の硬化物で封止した半導体装置は、産業上特に有用である。
【選択図】 なし

Description

本発明は、成形性が良好であり、半導体装置の反り量が小さく表面実装性に優れた半導体封止用エポキシ樹脂組成物に関する。
従来から、半導体デバイスは樹脂封止型のダイオード、トランジスター、IC、LSI、超LSIが主流であるが、エポキシ樹脂が他の熱硬化性樹脂に比べ成形性、接着性、電気特性、機械特性、耐湿性等に優れているため、エポキシ樹脂組成物で半導体装置を封止することが一般的である。しかし、ここ数年、電子機器の小型化、軽量化、高性能化へと進む市場に伴い、半導体素子の高集積化がますます進み、また半導体装置の実装技術が促進される中で、半導体封止材として用いられているエポキシ樹脂への要求は鉛フリー化も含めてますます厳しくなってきている。
例えば、高密度実装に優れるLOC(Lead on chip )型TSOP、ボールグリッドアレイ(BGA)やQFNなどが近年ICやLSIの主流となりつつあるが、これらのパッケージはリードフレーム上下の樹脂厚がアンバランスであったり、片面のみ封止するために成型後の反りが大きな問題となってきている。
従来まで、反り改善のため1つの手法として樹脂の架橋密度を多くしガラス転移温度を高めることがあげられるが、鉛フリー化による半田温度上昇により、高温での弾性率高く、また吸湿性も高いため半田リフロー後にエポキシ樹脂硬化物と基板との界面での剥離、半導体素子と半導体樹脂ペーストとの界面での剥離が問題となっている。
一方、架橋密度が低い樹脂を用い無機充填剤を高充填化することにより低吸水性、低膨張率、高温での低弾性率化を向上させられ、耐リフロー性に効果が期待されるが高粘度化になってしまうため成形時の流動性が損なわれてしまう。一方低反り化の為に各種の添加剤の検討も行われている。
なお、本発明に関連する公知文献としては、下記のものがある。
特許第2672671号公報 特許第3378492号公報
本発明は、上記事情に鑑みなされたもので、アクリルゴムのような熱可塑性樹脂の粒子を添加することにより該樹脂組成物の硬化物で封止した半導体装置の反り量を抑えられることを見出した。これはマトリックスの樹脂中と熱可塑樹脂が海島構造をとると、マトリックス樹脂の硬化収縮、または熱収縮による内部応力を熱可塑樹脂が緩和する為と考えられる。しかしながら熱可塑性樹脂の添加量に比例して、エポキシ樹脂組成物の粘度が上昇し、ワイヤー流れ、未充填といった成形不良の問題が発生した。本発明は、 成形性が良好であり、半導体装置の反り量が小さく、表面実装性に優れた半導体封止用エポキシ樹脂組成物、及び該樹脂組成物の硬化物で封止した半導体装置に関する。
本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討を行った結果、アクリル系化合物のような熱可塑性樹脂の粒子の表面に無機化合物粒子によって被覆することにより得られる複合化合物が本来の熱可塑性樹脂、無機化合物粒子とは全く異なる、優れた流動性を示し、該複合化合物を必須成分とする半導体封止用エポキシ樹脂組成物は成形性が良好であり、該樹脂組成物の硬化物で封止した半導体装置は反り量が小さく、表面実装性に優れるものである。
即ち、本発明は、
(A)エポキシ樹脂
(B)硬化剤
(C)無機充填材
(D)有機樹脂粒子の表面を無機化合物の粒子によって被覆した複合化合物
を必須成分とするエポキシ樹脂組成物であり、熱可塑性樹脂粒子がポリアクリル樹脂化合物、無機化合物粒子が 溶融シリカを含む化合物、タルクを含む化合物、マイカを含む化合物、モリブデン酸亜鉛を含む化合物、水酸化マグネシウムを含む化合物、水酸化アルミニウムを含む化合物、ハイドロタルサイト化合物を含む化合物、希土類酸化物を含む化合物、アルミナを含む化合物、窒化珪素を含む化合物、窒化アルミニウムを含む化合物等から選ばれる化合物であることを特徴とする半導体封止用エポキシ樹脂組成物及びその硬化物で封止された半導体装置で、表面実装性に優れた半導体装置を提供する。
本発明は、 成形性が良好であり、半導体装置の反り量が小さく、表面実装性に優れた半導体封止用エポキシ樹脂組成物を与えるものであり、該樹脂組成物の硬化物で封止した半導体装置は、産業上特に有用である。
以下、本発明について更に詳しく説明する。
[(A)エポキシ樹脂]
本発明で用いるエポキシ樹脂(A)は、特に限定されない。一般的なエポキシ樹脂としては、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、トリフェノールアルカン型エポキシ樹脂、アラルキル型エポキシ樹脂、ビフェニル骨格含有アラルキル型エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂、ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂、複素環型エポキシ樹脂、ナフタレン環含有エポキシ樹脂、ビスフェノールA型エポキシ化合物、ビスフェノールF型エポキシ化合物、スチルベン型エポキシ樹脂等が挙げられ、これらのうち1種又は2種以上を併用することができる。これらのうちでは、芳香環を含むエポキシ樹脂が好ましい。
上記エポキシ樹脂は、加水分解性塩素が1000ppm以下、特に500ppm以下であり、ナトリウム及びカリウムはそれぞれ10ppm以下とすることが好ましい。加水分解性塩素が1000ppmを超えたり、ナトリウム又はカリウムが10ppmを超える場合は、長時間高温高湿下に半導体装置を放置すると、耐湿性が劣化する場合がある。
[(B)硬化剤]
本発明に用いる(B)硬化剤も特に限定されるものではない。一般的な硬化剤としては、フェノール樹脂が好ましく、具体的には、フェノールノボラック樹脂、ナフタレン環含有フェノール樹脂、アラルキル型フェノール樹脂、トリフェノールアルカン型フェノール樹脂、ビフェニル骨格含有アラルキル型フェノール樹脂、ビフェニル型フェノール樹脂、脂環式フェノール樹脂、複素環型フェノール樹脂、ナフタレン環含有フェノール樹脂、ビスフェノールA型樹脂、ビスフェノールF型樹脂等のビスフェノール型フェノール樹脂などが挙げられ、これらのうち1種又は2種以上を併用することができる。上記硬化剤は、エポキシ樹脂と同様に、ナトリウム及びカリウムをそれぞれ10ppm以下とすることが好ましい。ナトリウム又はカリウムが10ppmを超える場合は、長時間高温高湿下に半導体装置を放置すると、耐湿性が劣化する場合がある。ここで、エポキシ樹脂、硬化剤の配合量は特に制限されないが、エポキシ樹脂中に含まれるエポキシ基1モルに対して、硬化剤中に含まれるフェノール性水酸基のモル比が0.5〜1.5、特に0.8〜1.2の範囲であることが好ましい。
[(C)無機質充填剤]
本発明のエポキシ樹脂組成物中に配合される(C)無機質充填剤としては、通常エポキシ樹脂組成物に配合されるものを使用することができる。例えば溶融シリカ、結晶性シリカ等のシリカ類、アルミナ、窒化珪素、窒化アルミニウム、ボロンナイトライド、酸化チタン、ガラス繊維等が挙げられる。
これら無機質充填剤の平均粒径や形状及び無機質充填剤の充填量は、特に限定されないが、表面実装性を高めるためには、エポキシ樹脂組成物中に成形性を損なわない範囲で可能な限り多量に充填させることが好ましい。この場合、無機質充填剤の平均粒径、形状として、平均粒径5〜30μmの球状の溶融シリカが特に好ましく、また、(C)成分である無機質充填剤の充填量は、(A)、(B)成分の総量100質量部に対し、400〜1300質量部、特に500〜1100質量部とすることが好ましい。
なお、本発明において、平均粒径は、例えばレーザー光回折法等による重量平均値(又はメディアン径)等として求めることができる。
[(D)有機樹脂粒子の表面を無機化合物の粒子によって被覆した複合化合物]
本発明に用いられる(D)有機樹脂粒子の表面を無機化合物の粒子によって被覆した複合化合物は熱可塑性樹脂粒子を芯物質に、無機化合物を膜物質として被覆したものである。複合化手法としては特に限定されないが特許第2672671号(特許文献1)、第3378492号(特許文献2)公報記載の高速気流中衝撃法、即ち芯物質と膜材の両者を混合した後、適当な機械エネルギーを与えることにより芯物質と膜材が付着し、複合化合物が得られる方法が確立されている。
有機樹脂粒子としては加熱時に体積膨張する化合物であれば低反り化に有効であり、特に限定されないが、アクリルゴム(架橋)、シリコーンゴム(架橋)、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸メチル、アクリル酸アルキルとメタクリル酸メチルの共重合物、ポリスチレン、MBS、ABS、ポリブタジェンゴム等があげられ、この中でも、アクリル樹脂化合物が好ましい。粒子径としては0.1〜50μmが好ましく、1次粒子、2次粒子のどちらでも良い。
無機化合物粒子については従来公知の無機化合物を用いることができる。従来エポキシ樹脂組成物に用いられる溶融シリカ、タルク、マイカ等を含む化合物はもとより、モリブデン酸亜鉛を含む化合物、水酸化マグネシウムを含む化合物、水酸化アルミニウムを含む化合物を用いた場合は、成形性、低反り性とともに難燃性も期待できる。またハイドロタルサイト化合物を含む化合物、希土類酸化物を含む化合物を用いた場合はイオン性不純物トラップ能力に優れており、成形性、低反り性とともに耐湿信頼性、耐熱信頼性を付与することが可能である。さらにアルミナを含む化合物、窒化珪素を含む化合物、窒化アルミニウムを含む化合物等を用いた場合、成形性、低反り性とともに高熱伝導性が期待できる。
したがって無機材料は付与させたい特性に応じて選ぶことができる。無機化合物粒子径としては0.001〜20μm 、特に好ましくは0.01〜15μmである。芯物質の熱可塑性樹脂と膜物質の無機化合物の比率としては、流動性の改善が現れる範囲であれば特に限定されない。また各種無機化合物により比重も異なるので一概に言えないが、凡そ熱可塑性樹脂1質量部に対し0.001〜1質量部である。膜層については低反り性の発現を妨げない範囲であれば特に限定されない。複合化合物の粒径としては特に限定されないが 粗粒があると成形性に影響を及ぼす可能性がある為、75μm以下、特に50μm以下が好ましい。
(D)複合化合物の添加量としては優れた成形性、低反り性を発現する範囲であれば特に限定されるものではないが、(A)、(B)成分の総量100質量部に対し、2〜50質量部、特に4〜20質量部とすることが好ましい。2質量部以下では期待される低反り性が得られない場合がある。また50質量部を超える場合、特性的には問題ないがコスト的に不利となる。
[他の配合成分]
本発明の封止樹脂組成物には、更に必要に応じて各種の添加剤を配合することができる。例えば、カルナバワックス、酸化ポリエチレン、モンタン酸エステル等のワックス類、カーボンブラック等の着色剤、モリブデン酸亜鉛担持タルク、モリブデン酸亜鉛担持亜鉛、ホスファゼン化合物、シリコーン化合物等の難燃材、ハイドロタルサイト類、希土類酸化物等のハロゲントラップ剤、の添加剤を添加配合することができる。
また、本発明において、エポキシ樹脂と硬化剤との硬化反応を促進させるため、硬化促進剤を用いることが好ましい。この硬化促進剤は、硬化反応を促進させるものであれば特に制限はなく、例えばトリフェニルホスフィン、トリブチルホスフィン、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、トリフェニルホスフィン・トリフェニルボラン、テトラフェニルホスフィン・テトラフェニルボレート、トリフェニルホスフィンとp−ベンゾキノンの付加物などのリン系化合物、トリエチルアミン、ベンジルジメチルアミン、α−メチルベンジルジメチルアミン、1,8−ジアザビシクロ(5.4.0)ウンデセン−7などの第3級アミン化合物、2−エチル−4−メチルイミダゾール、2−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化合物等を使用することができる。
硬化促進剤の配合量は有効量であるが、上記リン系化合物、第3級アミン化合物、イミダゾール化合物等のエポキシ樹脂と硬化剤(フェノール樹脂)との硬化反応促進用の硬化促進剤は、(A)、(B)成分の総量100質量部に対し、0.1〜5質量部、特に0.5〜2質量部とすることが好ましい。
離型剤成分としては、例えばカルナバワックス、ライスワックス、ポリエチレン、酸化ポリエチレン、モンタン酸、モンタン酸と飽和アルコール、2−(2−ヒドロキシエチルアミノ)−エタノール、エチレングリコール、グリセリン等とのエステル化合物であるモンタンワックス;ステアリン酸、ステアリン酸エステル、ステアリン酸アミド、エチレンビスステアリン酸アミド、エチレンと酢酸ビニルとの共重合体、等が挙げられこれら1種単独でも2種以上を組み合わせても使用することができる。
離型剤の配合比率としては(B)及び(C)成分の総量100質量部に対して、0.1〜5質量部、更に好ましくは0.3〜4質量部であることが望ましい。
[エポキシ樹脂組成物の調製等]
本発明の封止樹脂組成物を成型材料として調製する場合の一般的な方法としては、エポキシ樹脂、硬化剤、シリカ、その他の添加物を所定の組成比で配合し、これをミキサー等によって十分均一に混合した後、熱ロール、ニーダー、エクストルーダー等による溶融混合処理を行い、次いで冷却固化させ、適当な大きさに粉砕して成形材料とすることができる。
なお、組成物をミキサー等によって十分均一に混合するに際して、保存安定性をよくする為に、或いはウエッターとしてシランカップリング剤等で予め表面処理等を行うことが好ましい。
ここで、シラン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、γ−グリシドキシプロピルメチルジエトキシシラン、γ−グリシドキシプロピルトリエトキシシラン、p−スチリルトリメトキシシラン、γ−メタクリロキシプロピルメチルジメトキシシラン、γ−メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン、γ−メタクリロキシプロピルメチルジエトキシシラン、γ−メタクリロキシプロピルトリエトキシシラン、γ−アクリロキシプロピルトリメトキシシラン、N−β(アミノエチル)γ−アミノプロピルメチルジメトキシシラン、N−β(アミノエチル)γ−アミノプロピルトリメトキシシラン、N−β(アミノエチル)γ−アミノプロピルトリエトキシシラン、γ−アミノプロピルトリメトキシシラン、γ−アミノプロピルトリエトキシシラン、N−フェニル−γ−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−メルカプトプロピルトリメトキシシラン、ビス(トリエトキシプロピル)テトラスルフィド、γ−イソシアネートプロピルトリエトキシシラン等が挙げられる。ここで、表面処理に用いるシランカップリング剤量及び表面処理方法については、特に制限されるものではない。
このようにして得られる本発明の半導体封止用樹脂組成物は、各種の半導体装置の封止に有効に利用でき、この場合、封止の最も一般的な方法としては低圧トランスファー成形法が挙げられる。なお、本発明の封止用樹脂組成物の成形温度は150〜185℃で30〜180秒、後硬化は150〜185℃で2〜20時間行うことが望ましい。
以下、実施例と比較例を示し、本発明を具体的に示すが、本発明は下記の実施例に制限されるものではない。なお、以下の例において部は何いずれも質量部である。
[合成例a〜c]
表1に示す成分を熱2本ロールにて均一に溶融混合し、冷却、粉砕して半導体封止用エポキシ樹脂組成物を得た。使用した原材料を下記に示す。
[合成例a]
コアがアクリルゴム、シェルがアクリルゴムとグラフト重合したポリメタクリル酸メチルであるアクリル化合物 メタブレン KW−4426(三菱レーヨン株式会社製)1000g 、溶融シリカ SO−25R(株式会社アドマテックス製)50gを配合し、メカノフュージョンAMS−Lab(ホソカワミクロン株式会社製)を用いて作成した。回転数 2000rpm、温度80℃、処理時間10分。
処理後 EPMAのSiマッピングにより、溶融シリカが均一にアクリル化合物表面に付着していることを確認した。レーザー光回折法により、平均粒径5μmであることを確認した。以上のことから熱可塑樹脂含有量95質量%の複合化合物を得た。
[合成例b]
コアがアクリルゴム、シェルがアクリルゴムとグラフト重合したポリメタクリル酸メチルであるアクリル化合物メタブレン KW−4426(三菱レーヨン株式会社製)1000g、モリブデン酸亜鉛担持亜鉛 (シャーウインウイリアムズ株式会社製)200gを配合し、メカノフュージョンAMS−Lab(ホソカワミクロン株式会社製)を用いて作成した。回転数 2000rpm、温度80℃、処理時間10分。
処理後 EPMAのMoマッピングにより、モリブデン酸亜鉛担持亜鉛 が均一にアクリル化合物表面に付着していることを確認した。レーザー光回折法により、平均粒径15μmであることを確認した。以上のことから熱可塑樹脂含有量83質量%の複合化合物を得た。
[合成例c]
コアがアクリルゴム、シェルがアクリルゴムとグラフト重合したポリメタクリル酸メチルであるアクリル化合物 メタブレン KW−4426(三菱レーヨン株式会社製)1000g 、ハイドロタルサイト化合物DHT−4A−2(協和化学株式会社製)500gを配合し、メカノフュージョンAMS−Lab(ホソカワミクロン株式会社製)を用いて作成した。回転数2000rpm、温度80℃、処理時間10分。
処理後 EPMAのMgマッピングにより、ハイドロタルサイト化合物 が均一にアクリル化合物表面に付着していることを確認した。レーザー光回折法により、平均粒径20μmであることを確認した。以上のことから熱可塑樹脂含有量67質量%の複合化合物を得た。
[実施例1〜5、比較例1〜3]
表1に示す成分を熱2本ロールにて均一に溶融混合し、冷却、粉砕して半導体封止用エポキシ樹脂組成物を得た。これらの組成物につき、下記の(i)〜(iii)の諸特性を測定した。結果を表1に示した。
(A)〜(D)成分は下記のものを使用した。
(A)成分
エポキシ樹脂(イ): ビフェニルアラルキル型エポキシ樹脂:NC3000(日本化薬株式会社製)、エポキシ当量=272)
エポキシ樹脂(ロ):o−クレゾールノボラック型エポキシ樹脂:EOCN−1020−55(日本化薬株式会社製、エポキシ当量=200)
エポキシ樹脂(ハ):ビフェニル型エポキシ樹脂:YX−4000K(油化シェルエポキシ樹脂株式会社製、エポキシ当量=190)
エポキシ樹脂(ニ):トリフェニルメタン型エポキシ樹脂; EPPN−501H(日本化薬株式会社製、エポキシ当量=165)
(B)成分
フェノール樹脂(ホ):ノボラック型フェノール樹脂:TD−2131大日本インキ化学工業株式会社製、フェノール性水酸基当量=110)
フェノール樹脂(ヘ):ビフェニルアラルキル型フェノール樹脂:MEH−7800SS(明和化成株式会社製、フェノール性水酸基当量=175)
(C)成分
無機質充填剤:球状溶融シリカ(龍森株式会社製、平均粒径20μm)
(D)成分
複合化合物(ト):合成例aの化合物
複合化合物(チ):合成例bの化合物
複合化合物(リ):合成例cの化合物
熱可塑性化合物(ヌ):アクリル化合物 メタブレンKW−4426(三菱レーヨン株式会社製)
その他添加剤
硬化促進剤:トリフェニルホスフィン(北興化学株式会社製)
離型剤:カルナバワックス(日興ファインプロダクツ株式会社製)
カーボンブラック:デンカブラック(電気化学工業株式会社製)
シランカップリング剤:KBM−403(信越化学工業株式会社製)
半導体封止用エポキシ樹脂組成物の諸特性
(i)スパイラルフロー値
EMMI規格に準じた金型を使用して、175℃、6.9N/mm、成形時間120秒の条件で測定した。
(ii)溶融粘度
高化式フローテスターを用い、10kgfの加圧下、直径1mmのノズルを用い、温度175℃で粘度を測定した。
(iii)パッケージ反り量
0.40mm厚のBT樹脂基板を用いパッケージサイズが32x32mmで厚みが1.2mm、10x10x0.3mmのシリコンチップを搭載し175℃、6.9N/mm、キュア時間2分のトランスファー条件で成型し、その後175℃で5時間、ポストキュアを行ったものをレ−ザ−三次元測定機を用いてパッケージの対角線方向に高さの変位を測定し、変位差の最も大きい値を反り量とした。
Figure 2006282958

Claims (9)

  1. (A)エポキシ樹脂
    (B)硬化剤
    (C)無機充填材
    (D)有機樹脂粒子の表面を無機化合物の粒子によって被覆した複合化合物
    を必須成分とするエポキシ樹脂組成物。
  2. (D)成分の複合化合物がアクリルゴム(架橋)、シリコーンゴム(架橋)、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸メチル、アクリル酸アルキルとメタクリル酸メチルの共重合物、ポリスチレン、MBS、ABS、ポリブタジェンゴムから選択される有機樹脂の表面を無機化合物の粒子によって被覆した物であることを特徴とする請求項1に記載のエポキシ樹脂組成物。
  3. (D)成分の複合化合物がアクリルゴム(架橋)、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸メチル、アクリル酸アルキルとメタクリル酸メチルの共重合物から選択されるポリアクリル樹脂化合物の表面を無機化合物の粒子によって被覆した物であることを特徴とする請求項1に記載のエポキシ樹脂組成物。
  4. (D)成分の複合化合物が、有機樹脂粒子の表面を溶融シリカ、タルク、マイカを含む化合物の中から選ばれる無機化合物の粒子によって被覆した物であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載のエポキシ樹脂組成物。
  5. (D)成分の複合化合物が、有機樹脂粒子の表面をモリブデン酸亜鉛、モリブデン酸亜鉛担持亜鉛、水酸化マグネシウム、水酸化アルミニウムを含む化合物の中から選ばれる無機化合物の粒子によって被覆した物であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載のエポキシ樹脂組成物。
  6. (D)成分の複合化合物が、有機樹脂粒子の表面をハイドロタルサイト化合物、希土類酸化物を含む化合物の中から選ばれる無機化合物の粒子によって被覆した物であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載のエポキシ樹脂組成物。
  7. (D)成分の複合化合物が、有機樹脂粒子の表面をアルミナ、窒化珪素、窒化アルミニウムを含む化合物の中から選ばれる無機化合物の粒子によって被覆した物であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載のエポキシ樹脂組成物。
  8. 請求項1〜7のいずれか1項に記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成物で封止された半導体装置。
  9. 請求項8に記載の半導体装置が表面実装により基板と接続されることを特徴とする半導体装置。
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