JP2007081025A - 半導体封止用エポキシ樹脂組成物およびそれを用いて得られた半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】反りの発生が低減され、かつ基板表面のソルダーレジストとの接着性にも優れた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）成分を含有する半導体封止用エポキシ樹脂組成物である。
（Ａ）下記の構造式（１）で表されるエポキシ樹脂を主成分とするエポキシ樹脂。
【化１】

（Ｂ）フェノール樹脂。
（Ｃ）イミダゾール系硬化促進剤。
【選択図】なし

Description

本発明は、例えば、ボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）パッケージと一般に称される片面封止タイプ等の半導体装置の製造に用いて基板との接着性に優れ、反りの発生が抑制された信頼性の高い半導体装置の製造に用いられる半導体封止用エポキシ樹脂組成物およびそれを用いて得られた半導体装置に関するものである。

トランジスター，ＩＣ，ＬＳＩ等の半導体素子は、従来、セラミックパッケージ等によって封止され半導体装置化されていた。が、最近の半導体デバイスの薄型化、また高密度実装に伴う要求として、半導体素子をプリント配線板に、直接、固定し、半導体素子搭載面のみを樹脂封止した片面封止タイプのパッケージが量産されるようになってきている。上記片面封止タイプのパッケージの具体例として、ボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）と通称されるパッケージ形態の半導体装置があげられる。このようなパッケージは、例えば、回路が形成されたビスマレイミドトリアジン（ＢＴ）基板上に、半導体素子が搭載され、上記半導体素子搭載面のみを樹脂硬化体層によって封止された、片面封止タイプである。

このようなＢＧＡに代表される片面封止タイプのパッケージに関しては、封止樹脂である樹脂硬化体層と、半導体素子を搭載し固定する基板の収縮率の不一致等から発生するパッケージの反りの低減が要望されている。さらに、半導体素子を搭載した基板表面に形成されたソルダーレジストと樹脂硬化体層との接着性の向上も要望されており、様々な技術が提案されているが、上記反りの低減と接着性の向上の双方とも満足のいく封止材料が得られていないのが実情である。

本発明は、このような事情に鑑みなされたもので、反りの発生が低減され、かつ基板表面のソルダーレジストとの接着性にも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て得ら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（Ａ）〜（Ｃ）成分を含有す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）下記の構造式（１）で表されるエポキシ樹脂を主成分とするエポキシ樹脂。
（Ｂ）フェノール樹脂。
（Ｃ）イミダゾール系硬化促進剤。

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、片面封止タイプパッケージにおける反りの発生を低減することができ、かつ半導体素子を搭載する基板のソルダーレジストとの接着性にも優れた封止材料を得るために、配合成分を中心に研究を重ねた。その結果、封止材料の配合成分として、上記構造式（１）で表される特定のエポキシ樹脂を用いるとともに、イミダゾール系硬化促進剤を併用すると、上記特定のエポキシ樹脂の有する骨格構造に起因した、剛直構造によって高温での弾性率が低くなり、ガラス転移温度が高くなるという特徴を備え、反りが低減するものの、疎水性基が多いためにソルダーレジストとの密着性に劣るという問題点が解決され、結果、上記反りの発生低減および接着性の向上が図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、前記構造式（１）で表される特定のエポキシ樹脂を主成分とするエポキシ樹脂〔（Ａ）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、反りの発生が低減されるとともに、ＢＧＡ等のような片面封止タイプのパッケージにおいて基板面に形成されたソルダーレジストに対して優れた接着性を示すものである。したがって、本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物は、特に、近年、量産され、反りの発生が問題とされていたＢＧＡ等のような片面封止タイプの半導体装置において、この反りの発生を低減することが可能となるため、本発明の適用により、高い信頼性を付与することが可能となる。

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を主成分とするエポキシ樹脂（Ａ成分）と、フェノール樹脂（Ｂ成分）と、イミダゾール系硬化促進剤（Ｃ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、下記の構造式（１）で表される特殊なエポキシ樹脂を主成分とするものである。なお、本発明において、「主成分とする」とは、エポキシ樹脂成分全体が上記構造式（１）で表される特殊なエポキシ樹脂のみからなる場合も含める趣旨である。そして、下記の構造式（１）で表されるエポキシ樹脂では、つぎのような特性を備えている。すなわち、メチル基やフェニル基を多く含むために低吸湿性を示し、また剛直な骨格構造を有するため、硬化物のガラス転移温度が高い。そして、エポキシ基が分子内において離れた位置に存在するため、硬化物における架橋点間が長くなり、高温下で低弾性となる。さらに、分子構造的には、平面状になるため、層状に配置しやすくなり、層間ずれを生じることによる反りの低減効果を奏するものである。

上記構造式（１）で表されるエポキシ樹脂は、例えば、つぎのようにして製造される。すなわち、有機溶媒にトリメチルハイドロキノンを溶解した溶液に、パラトルエンスルホン酸を加え、さらにホルマリンを加えて水分を留去しながら高温にて攪拌した後、冷却して析出した結晶物を取り出し、多価ヒドロキシ化合物を作製する。ついで、この多価ヒドロキシ化合物と、エピクロルヒドリン、ｎ−ブタノール、テトラエチルベンジルアンモニウムクロライドを仕込み溶解し、所定の操作にて水酸化ナトリウムを加え反応させ、未反応のエピクロルヒドリンを留去して得られた粗エポキシ樹脂にメチルイソブチルケトンとｎ−ブタノールを加え、さらに水酸化ナトリウム加えて反応し、洗浄・精製することにより上記構造式（１）で表されるエポキシ樹脂を製造することができる。

そして、本発明においては、エポキシ樹脂成分全体が、上記構造式（１）で表されるエポキシ樹脂のみで構成されてもよいし、これらの２量体以上のエポキシ樹脂や他の各種エポキシ樹脂との併用系で構成されてもよい。上記他の各種エポキシ樹脂としては、特に限定するものではなく従来公知のエポキシ樹脂、例えば、ビスフェノールＡ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，ビフェニル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。上記他の各種エポキシ樹脂を併用する場合、上記構造式（１）で表されるエポキシ樹脂の含有割合は、エポキシ樹脂成分全体の５０重量％以上となるように設定することが好ましい。なお、反り発生の低減およびソルダーレジストに対する接着性の向上という点を考慮すると、エポキシ樹脂成分全体を上記構造式（１）で表されるエポキシ樹脂のみで構成することが好ましい。

上記エポキシ樹脂成分（Ａ成分）の硬化剤として作用するフェノール樹脂としては、特に限定するものではなく、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，ナフトールノボラック樹脂等があげられる。これらフェノール樹脂は、一般に、軟化点が４０〜１２０℃、水酸基当量が７０〜２８０があげられる。より具体的には、下記の一般式（２），式（３）で表されるフェノール樹脂が、反りの発生を抑制するとともに、耐半田性に優れるという点から好ましく用いられる。

そして、上記エポキシ樹脂成分（Ａ成分）とフェノール樹脂（Ｂ成分）の配合割合は、エポキシ樹脂成分（Ａ成分）中のエポキシ基１当量に対してフェノール樹脂（Ｂ成分）中の水酸基を０．８〜１．２当量となるよう配合することが好ましい。特に好ましくは０．９〜１．１である。

さらに、上記Ａ成分およびＢ成分とともに用いられるイミダゾール系硬化促進剤（Ｃ成分）としては、硬化促進剤として用いられる各種イミダゾール系化合物があげられる。このように、本発明では、硬化促進剤としてイミダゾール系化合物を用いることが特徴の一つである。上記イミダゾール系化合物としては、例えば、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−５−ヒドロキシメチルイミダゾール、２，４−ジアミノ−６−〔２′−ウンデシルイミダゾリル（１′）〕エチル−ｓ−トリアジン（Ｃ₁₁Ｚ−ＡＺＩＮ）等の各種イミダゾール系硬化促進剤があげられる。

上記イミダゾール系硬化促進剤（Ｃ成分）の含有量は、エポキシ樹脂組成物全体の０．１〜１．０重量％の割合に設定することが好ましい。

本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物には、上記Ａ〜Ｃ成分に加えて、通常、無機質充填剤が用いられる。上記無機質充填剤としては、従来公知の各種充填剤が用いられ、例えば、石英ガラス粉末、溶融シリカ粉末および結晶性シリカ粉末等のシリカ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。好ましくは流動性という観点から溶融シリカ粉末が、とりわけ球状溶融シリカ粉末を用いることが好ましい。そして、上記無機質充填剤としては、レーザー散乱式粒度分布測定装置による平均粒径が０．１〜５０μｍの範囲であることが好ましく、より好ましくは０．１〜３０μｍであり、さらに好ましくは０．５〜１０μｍである。

上記無機質充填剤の含有量は、通常、エポキシ樹脂組成物全体の６０〜９５重量％となるよう設定することが好ましい。

さらに、本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物には、上記Ａ〜Ｃ成分および無機質充填剤以外に、必要に応じて、カーボンブラック等の着色剤や顔料、カルナバワックス等の離型剤、可撓性付与剤（各種シリコーン化合物やアクリロニトリル−ブタジエンゴム等）、各種シランカップリング剤である密着性付与剤、イオントラップ剤（水酸化ビスマス、ハイドロタルサイト類化合物等）、難燃剤等を適宜に配合することができる。

上記難燃剤としては、特に限定するものではなく従来公知の各種難燃剤、例えば、ノボラック型ブロム化エポキシ樹脂、ブロム化ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、三酸化アンチモン、五酸化アンチモン、水酸化マグネシウムや水酸化アルミニウム等の金属水酸化物、赤リン、リン酸エステル等のリ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。

本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物は、例えば、上記Ａ〜Ｃ成分および無機質充填剤、そして必要に応じて着色剤や顔料、離型剤、可撓性付与剤、各種シランカップリング剤、イオントラップ剤、難燃剤等の他の添加剤を所定の割合で配合する。ついで、これら混合物を、ミキシングロール機，単軸押出機あるいは二軸押出機等の装置で加熱溶融混合する。ついで、冷却した後、公知の方法で粉砕し、さらに必要に応じてタブレット状に打錠することにより製造することができる。

つぎに、上記半導体封止用エポキシ樹脂組成物を用いて、絶縁基板上等に搭載された半導体素子を封止する方法は、特に制限するものではなく、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って行うことができる。このようにして、本発明の半導体装置を作製することができる。

本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物を用いた封止対象となる半導体装置としては、特に限定するものではないが、なかでも、ＢＧＡと一般に称される片面封止タイプのパッケージ、すなわち、絶縁基板の片面に搭載された半導体素子が、これを内包する状態でエポキシ樹脂組成物硬化体によって樹脂封止してなる半導体装置があげられる。一例として、半導体素子が絶縁基板上に搭載され、上記半導体素子を内包し半導体素子搭載面側がエポキシ樹脂組成物硬化体により樹脂封止されてなるパッケージである。

上記絶縁基板材料としては、特に限定するものではなく従来公知の各種基板材料が用いられる。具体的には、ビスマレイミドトリアジン樹脂／ガラスクロスからなる基板（ＢＴ基板）、エポキシ樹脂／ガラスクロス基板、ポリイミド基板、セラミック基板等があげられる。

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２７１、軟化点９９℃）

〔エポキシ樹脂Ｂ〕
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、軟化点８０℃）

〔エポキシ樹脂Ｃ〕
下記の構造式（ｃ）で表されるビフェニル型エポキシ樹脂（エポキシ当量１９５、融点１０７℃）

〔フェノール樹脂Ｄ〕
下記の構造式（ｄ）で表されるフェノール樹脂（水酸基当量２１０、軟化点７３℃）

〔フェノール樹脂Ｅ〕
下記の構造式（ｅ）で表されるフェノール樹脂（水酸基当量２２０、軟化点７７℃）

〔フェノール樹脂Ｆ〕
フェノールノボラック樹脂（水酸基当量１０７、軟化点６４℃）

〔無機質充填剤〕
球状溶融シリカ粉末（平均粒径１６．２μｍ）

〔硬化促進剤Ｇ〕
２，４−ジアミノ−６−〔２′−ウンデシルイミダゾリル（１′）〕エチル−ｓ−トリアジン（Ｃ₁₁Ｚ−ＡＺＩＮ）

〔硬化促進剤Ｈ〕
２−フェニル−４−メチル−５−ヒドロキシメチルイミダゾール

〔硬化促進剤Ｉ〕
２−フェニルイミダゾール

〔硬化促進剤Ｊ〕
トリフェニルホスフィン

〔硬化促進剤Ｋ〕
１，５−ジアザビシクロ〔４．３．０〕ノネン−５（ＤＢＮ）

〔硬化促進剤Ｌ〕
テトラフェニルホスホニウム・テトラフェニルボレート

〔離型剤〕
カルナバワックス

〔実施例１〜１０、比較例１〜５〕
上記各成分を下記の表１および表２に示す割合で配合し、ミキシングロール機（温度１００℃）で３分間溶融混練を行なった。つぎに、この溶融物を冷却固化した後、粉砕して目的とする粉末状のエポキシ樹脂組成物を得た。

このようにして得られたエポキシ樹脂組成物を用いて半導体パッケージを作製し、その半導体パッケージの反り量、半導体素子搭載基板上に形成されたソルダーレジストに対する接着性について下記の方法に従って測定・評価した。これらの結果を後記の表３〜表４に併せて示す。

〔半導体パッケージの反り量〕
まず、半導体素子（正方形状、チップサイズ：１０×１０×厚み０．５ｍｍ）をＢＴ基板（正方形状、サイズ：３５×３５×厚み０．５６ｍｍ）上に実装したものを作製した。ついで、上記エポキシ樹脂組成物を用いて、上記半導体素子を実装したＢＴ基板を、キャビティサイズ（３０×３０×１．２ｍｍ）の金型にてトランスファー成形（成形条件：１７５℃×９０秒＋後硬化１７５℃×５時間）することにより、片面封止タイプの半導体パッケージ（封止樹脂層サイズ：３０×３０×厚み１．２ｍｍ）を作製した。

そして、上記得られた半導体パッケージを用いて、成形後の半導体パッケージの反りの測定を行なった。上記反りの測定は、図１に示す反り量Ｌをマイクロディプスメータ（ＴＥＣＬＯＣＫ社製）を用いて行った。図１において、５はＢＴ基板、６は半導体素子、３は封止樹脂層（エポキシ樹脂組成物硬化体）である。

〔ソルダーレジストに対する接着性〕
プラズマクリーニング（条件：アルゴン１００％を４０ｃｃ／ｍｉｎ、１００Ｗ×６０秒）をかけたＢＴ基板（基板表面にソルダーレジスト形成、太陽インキ社製のＰＳＲ−４０００−ＡＵＳ３０３）を用い、エポキシ樹脂組成物による樹脂封止を１７５℃×９０秒の条件にて行なった。ついで、室温（２５℃）下にて封止樹脂層をＢＴ基板上から剥離し、封止樹脂層形成エリアのＢＴ基板上に残存するソルダーレジスト面積を封止樹脂層形成エリア（３０×３０ｍｍ）で除した値（残存ソルダーレジスト面積／封止樹脂層形成エリア）から残存するソルダーレジストの占める割合（％）を算出した。したがって、値が大きいほどソルダーレジストが残存していることになり接着性に劣るといえる。

上記結果から、実施例品は、封止樹脂のソルダーレジストに対する接着性に非常に優れており、しかも反り量も抑制されていることがわかる。

これに対して、特殊なエポキシ樹脂とイミダゾール系硬化促進剤以外の硬化促進剤を併用した比較例１〜３品は反り量は抑制されているが、実施例品に比べてソルダーレジストに対する接着性に劣るものであった。また、イミダゾール系硬化促進剤を用いた比較例４，５品はソルダーレジストに対する接着性は優れているが、反り量が著しく大きかった。

半導体パッケージの反り量を測定する状態を示す説明図である。

Claims (2)

1. 下記の（Ａ）〜（Ｃ）成分を含有する半導体封止用エポキシ樹脂組成物。
   （Ａ）下記の構造式（１）で表されるエポキシ樹脂を主成分とするエポキシ樹脂。
   （Ｂ）フェノール樹脂。
   （Ｃ）イミダゾール系硬化促進剤。
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。