JP2007238757A

JP2007238757A - 半導体封止用エポキシ樹脂組成物およびそれを用いた半導体装置

Info

Publication number: JP2007238757A
Application number: JP2006062788A
Authority: JP
Inventors: Kei Toyoda; 慶豊田; Tsuneko Murayama; 凡子村山; Rahman Khan Sazzadur; サジャドウルラフマンカーン; Naoya Taniguchi; 直也谷口
Original assignee: Nitto Denko Corp
Current assignee: Nitto Denko Corp
Priority date: 2006-03-08
Filing date: 2006-03-08
Publication date: 2007-09-20

Abstract

【課題】封止材料であるエポキシ樹脂組成物硬化体のガラス転移温度を高めてパッケージの反りの発生を抑制させることの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】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）一般式（１）で表されるエポキシ樹脂。

（Ｂ）硬化剤。
（Ｃ）無機質充填剤。
【選択図】なし

Description

本発明は、半導体封止用エポキシ樹脂組成物およびそれを用いた半導体装置に関し、詳しくは、ガラス転移温度の高い硬化物を成形することのできる特殊なエポキシ樹脂を使用することにより、成形後のパッケージの反りの発生を抑制することのできる半導体封止用エポキシ樹脂組成物およびそれを用いた半導体装置に関するものである。

近年、半導体装置は薄型化され、それに伴い封止時に用いられる樹脂材料の流動部分の厚みが薄くなってきている。例えば、ボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）と呼ばれる金属ワイヤーにより半導体素子と基板とを接続する手法を用いた片面封止構造の半導体装置の場合、基板と、成形後の封止樹脂層の収縮量の違いにより両者の間で応力が発生し、結果、パッケージに反りが発生するという問題が生じる。

このようにパッケージが反ると、基板内部において半導体素子と樹脂との間で剥離が生起する等、信頼性の低下を招き、また樹脂封止工程に続く、ダイシング工程において作業性が悪化する等の問題が発生することになる。したがって、パッケージの反りの発生を効果的に抑制することが可能な封止材料が望まれているのが実情である。

本発明は、このような事情に鑑みなされたもので、封止材料であるエポキシ樹脂組成物硬化体のガラス転移温度を高めてパッケージの反りの発生を抑制させることのできる半導体封止用エポキシ樹脂組成物およびそれを用い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に、本発明は、下記の（Ａ）〜（Ｃ）成分を含有してな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）下記の一般式（１）で表されるエポキシ樹脂。

（Ｂ）硬化剤。
（Ｃ）無機質充填剤。

また、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、パッケージの反りの発生を抑制することのできる封止材料を得るために研究を重ねた。その結果、封止材料となるエポキシ樹脂組成物の構成成分であるエポキシ樹脂として、上記一般式（１）で表される特殊なエポキシ樹脂を用いると、得られるエポキシ樹脂組成物硬化体がこの特殊なエポキシ樹脂の使用により高いガラス転移温度を示すようになり、基板と封止樹脂部分との収縮量の差を小さくすることが可能となって、結果、パッケージの反りの発生が抑制さ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、前記一般式（１）で表される特殊なエポキシ樹脂〔（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、エポキシ樹脂組成物硬化物のガラス転移温度が上昇し、結果、これを用いて樹脂封止されたパッケージの反りの発生を抑制することができる。

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、例えば、ボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）と呼ばれる片面封止構造の半導体装置の封止の際に特に好適に用いられる。そして、上記半導体封止用樹脂組成物により樹脂封止された半導体装置としては、信頼性の高いものが得られることとなる。

本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物は、特殊なエポキシ樹脂（Ａ成分）と、硬化剤（Ｂ成分）と、無機質充填剤（Ｃ成分）とを用いて得られるものであり、通常、粉末状もしくは打錠して用いられる。

上記特殊なエポキシ樹脂（Ａ成分）は、下記の一般式（１）で表されるエポキシ樹脂である。

上記一般式（１）で表されるエポキシ樹脂は、例えば、つぎのようにして作製される。すなわち、２，７−ジヒドロキシナフタレンとアルデヒド類とを反応して得られる、１，１−ビス（２，７−ジヒドロキシナフチル）メタン構造を有する化合物にエピハロヒドリンを反応させることにより得ることができる（例えば、特開平４−２１７６７５号公報参照）。

さらに、上記一般式（１）で表されるエポキシ樹脂としては、例えば、溶融粘度０．４Ｐａ・ｓ、エポキシ当量１６６、融点９０℃という物性を備えるものである。

本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物において、エポキシ樹脂成分としては、上記一般式（１）で表されるエポキシ樹脂単独で構成されていてもよいが、この一般式（１）で表されるエポキシ樹脂とともに他のエポキシ樹脂を併用してなる併用系で構成されていてもよい。上記他のエポキシ樹脂としては、特に限定されるものではないが、例えば、ジシクロペンタジエン型，クレゾールノボラック型，フェノールノボラック型，ビスフェノール型，ビフェニル型，トリスヒドロキシフェニルメタン型等の各種のエポキシ樹脂を用いることができる。これらエポキシ樹脂は単独でもしくは２種以上併せて用いられる。そして、併用系において使用されるエポキシ樹脂としては、特に汎用性の高い二官能エポキシ樹脂またはノボラック型エポキシ樹脂と、耐熱性向上を目的とする多官能型エポキシ樹脂等が好ましく用いられる。

本発明においては、エポキシ樹脂成分は、ガラス転移温度の上昇という点から、上記一般式（１）で表されるエポキシ樹脂単独で構成されることが特に好ましいが、上記のように他のエポキシ樹脂を併用する場合には、上記一般式（１）で表されるエポキシ樹脂をエポキシ樹脂成分全体の５０重量％以上占める割合に設定することが好ましい。

上記硬化剤（Ｂ成分）は、上記エポキシ樹脂成分を硬化させるものであれば特に限定するものではないが、フェノール樹脂を用いることが好ましい。上記フェノール樹脂としては、特に限定するものではなく、ジシクロペンタジエン型フェノール樹脂，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等があげられる。これらフェノール樹脂は単独で用いてもよいし２種以上併用してもよい。そして、これらフェノール樹脂としては、水酸基当量が７０〜２５０、軟化点が５０〜１１０℃のものを用いることが好ましい。なかでも、フェノールノボラック樹脂、フェノールアラルキル樹脂、もしくはフェノールアラルキル樹脂中におけるメチレン基に挟まれた部分がビフェニル構造に置き換わった、例えば、下記の一般式（２）で表されるフェノール樹脂を用いることが好ましい。

そして、エポキシ樹脂成分と硬化剤（Ｂ成分）の配合割合は、エポキシ樹脂を硬化させるに充分な量に設定することが好ましい。一般的には、硬化剤（Ｂ成分）としてフェノール樹脂を用いる場合、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の合計が０．７〜１．５当量となるように配合することが好ましい。より好ましくは０．９〜１．２当量である。

上記Ａ成分およびＢ成分とともに用いられる無機質充填剤（Ｃ成分）としては、特に限定するものではなく従来公知の各種充填剤があげられ、例えば、石英ガラス粉末，タルク，シリカ粉末（溶融シリカ粉末や結晶性シリカ粉末等），アルミナ粉末，窒化アルミニウム粉末，窒化ケイ素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。なかでも、得られる硬化物の線膨張係数を低減できるという点から上記シリカ粉末を用いることが好ましく、上記シリカ粉末のなかでも溶融シリカ粉末を用いることが高充填性，高流動性という点から特に好ましい。上記溶融シリカ粉末としては、球状溶融シリカ粉末，破砕溶融シリカ粉末があげられるが、流動性という観点から、球状溶融シリカ粉末を用いることが好ましい。特に平均粒径が１〜１５μｍの範囲、さらには２〜１４μｍの範囲のものを用いることが好ましい。さらに、上記平均粒径のものに加えて、平均粒径が０．５〜２μｍの範囲のものを単独でもしくは２種以上併用すると、流動性の向上という観点から特に好ましい。また、平均粒径に加えて最大粒径が１０〜４５μｍの範囲のものを用いることが好ましい。なお、上記平均粒径および最大粒径は、例えば、レーザー回折散乱式粒度分布測定装置を用いて測定することができる。また、上記平均粒径および最大粒径に加えて、比表面積が３．１〜６．１ｍ²／ｇのものを用いることが好ましい。上記比表面積は、例えば、レーザー散乱式粒度分布計（AccuSizer TM780 、Particle Sizing Systems 社製）により測定される。

上記無機質充填剤（Ｃ成分）の配合量は、半導体封止用エポキシ樹脂組成物全体の５０〜９５重量％の範囲内に設定することが好ましく、特に好ましくは７０〜９０重量％である。すなわち、５０重量％未満のように少な過ぎると、エポキシ樹脂組成物中の有機成分の占める割合が多くなり、硬化物の難燃効果に乏しくなり、９５重量％を超えて多くなると、エポキシ樹脂組成物の流動性が著しく低下する傾向がみられるからである。

なお、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成分以外に必要に応じて、硬化促進剤，離型剤，低応力化剤，難燃剤，カーボンブラックをはじめとする顔料等の他の添加剤を適宜配合することができる。

上記硬化促進剤としては、従来公知のものが用いられる。具体的には、テトラフェニルホスホニウム・テトラフェニルボレートやトリフェニルホスフィン等の有機リン系化合物、フェニルイミダゾール等のイミダゾール系化合物、１，８−ジアザビシクロ（５．４．０）ウンデセン−７、１，５−ジアザビシクロ（４．３．０）ノネン−５等のジアザビシクロアルケ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。

上記硬化促進剤の配合割合は、半導体封止用樹脂組成物全体中の０．０５〜０．５重量％の範囲に設定することが好ましい。

上記離型剤としては、高級脂肪酸，高級脂肪酸エステル，高級脂肪酸カルシウム等の化合物があげられ、例えば、カルナバワックスやポリエチレン系ワックスが用いられ、これらは単独でもしくは２種以上併せて用いられる。

また、上記低応力化剤としては、アクリル酸メチル−ブタジエン−スチレン共重合体，メタクリル酸メチル−ブタジエン−スチレン共重合体等のブタジエン系ゴムやシリコーン化合物があげられる。

そして、上記難燃剤としては、有機リン化合物，酸化アンチモン，水酸化アルミニウムや水酸化マグネシウム等があげられる。

さらに、耐湿信頼性テストにおける信頼性向上を目的としてハイドロタルサイト類，水酸化ビスマス等のイオントラップ剤を配合してもよい。

本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物は、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、前記Ａ〜Ｃ成分および必要に応じて他の添加剤を常法に準じて適宜配合し、ミキシングロール機等の混練機を用いて加熱状態で溶融混練した後、これを室温下で冷却固化させる。その後、公知の手段により粉砕し、必要に応じて打錠するという一連の工程により目的とする半導体封止用エポキシ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た半導体封止用エポキシ樹脂組成物を用いての半導体素子の封止は、特に限定するものではなく、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り行うことができる。このようにして得られる半導体装置としては、ＢＧＡのような片面封止型半導体装置やフリップチップ型半導体装置等があげられる。

このようにして得られる半導体装置は、封止材料として前記特殊なエポキシ樹脂（Ａ成分）を用いるため、封止樹脂部分のガラス転移温度が高くなっており、パッケージの反りの発生が抑制され、信頼性の高いものが得られる。そして、本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物の硬化体のガラス転移温度は、従来のものよりも高く、例えば、ガラス転移温度が１７５℃以上であることが好ましい。なお、通常、従来のもののガラス転移温度の上限は１６０℃である。

このように、前記一般式（１）で表されるエポキシ樹脂を配合してなる半導体封止用エポキシ樹脂組成物は、その硬化後のガラス転移温度が高いことが特徴であるが、上記ガラス転移温度は、例えば、つぎのようにして測定することができる。上記のように作製した半導体封止用エポキシ樹脂組成物を用いて、１７５℃に加熱した専用金型で成形することにより、１．０ｍｍ×５．０ｍｍ×３４．０ｍｍの大きさの硬化物試験片を得る。これを、１７５℃で５時間以上加熱することにより、完全に硬化を終了させる。ついで、この硬化を完全に終了させた試験片を用い、ＳＯＬＩＤＳＡＮＡＬＹＺＥＲＲＳＡ−II〔レオメトリックスサイエンティフィック（Rheometric Scientific)社製〕によって、弾性率の温度変化を測定する。そして、３０〜２６０℃の温度範囲で昇温測定を行う。昇温速度，測定周波数は、例えば、それぞれ５℃／分、１Ｈｚとする。その際、弾性率はガラス転移温度を境に大きく低下するため、その際の同時に測定することのできるＴａｎδのピーク値をガラス転移温度として測定することができる。

つぎに、実施例について比較例と併せて説明する。ただし、本発明は、これら実施例に限定されるものではない。

まず、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１６６、融点９０℃）

〔エポキシ樹脂Ｂ〕
下記の構造式（ｂ）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１０６℃）

〔エポキシ樹脂Ｃ〕
下記の構造式（ｃ）で表されるエポキシ樹脂（エポキシ当量１９８、軟化点６４℃）

〔硬化剤Ａ〕
下記の構造式（ｄ）で表されるフェノール樹脂（水酸基当量２０５、軟化点６７℃）

〔硬化剤Ｂ〕
下記の構造式（ｅ）で表されるフェノール樹脂（水酸基当量１０４、軟化点７０℃）

〔硬化促進剤〕
トリフェニルホスフィン

〔離型剤〕
酸化ポリエチレンワックス（酸価１６）

〔シランカップリング剤〕
３−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン

〔シリカ粉末１〕
平均粒径１３．２μｍの球状溶融シリカ粉末（最大粒径４５μｍ、比表面積３．１ｍ²／ｇ）

〔シリカ粉末２〕
平均粒径０．６μｍの球状溶融シリカ粉末（最大粒径２０μｍ、比表面積３．８ｍ²／ｇ）

〔シリカ粉末３〕
平均粒径１．６μｍの球状溶融シリカ粉末（最大粒径１０μｍ、比表面積６．１ｍ²／ｇ）

〔カーボンブラック〕
三菱化学社製、＃３０３０Ｂ

〔難燃剤〕
Ｓｂ₂Ｏ₃

〔実施例１〜４、比較例１〜４〕
後記の表１〜表２に示す各成分を、同表に示す割合で配合し、８０℃〜１２０℃に加熱したロール混練機（５分間）にて溶融混練した。つぎに、この溶融物を冷却した後粉砕し、さらにタブレット状に打錠することによりエポキシ樹脂組成物を作製した。なお、得られたエポキシ樹脂組成物のガラス転移温度を前述の方法に従って測定し、その結果を後記の表１〜表２に併せて示した。

このようにして得られた各エポキシ樹脂組成物を用い、つぎのようにして反り量を測定・評価した。すなわち、図１に示すように、大きさ１０ｍｍ×１０ｍｍ×厚み０．３２５ｍｍのシリコンチップ１を、ガラスエポキシ基板２上に等間隔となるよう銀（Ａｇ）ペーストを用いて実装し、プレス機（ＴＯＷＡ社製）にて樹脂封止した。なお、プレス機の金型温度は１７５℃とし、封止条件は、トランスファースピード１．５ｍｍ／ｓｅｃ、クランプ圧１９６０Ｎ、トランスファー圧４９Ｎ、キュア時間９０秒とした。また、ガラスエポキシ基板上の封止樹脂層の厚みは４５０μｍである。そして、樹脂封止終了後のパッケージを１７５℃で５時間加熱し、加熱後のパッケージを温度可変レーザー３次元装置（ティーテック社製）にて観察することにより、パッケージの反り量を測定評価した。その結果を下記の表１〜表２に併せて示した。

上記結果から、一般式（１）で表されるエポキシ樹脂を配合してなる実施例品は、いずれもガラス転移温度が高く、反り量も非常に小さかった。これに対して、一般式（１）で表されるエポキシ樹脂以外のエポキシ樹脂を用いた比較例品は、いずれもガラス転移温度が低く、反り量が極端に大きかった。

実施例および比較例のエポキシ樹脂組成物を用いて封止してなるパッケージの反り量を測定するためのパッケージの構成を示す平面図である。

Claims

下記の（Ａ）〜（Ｃ）成分を含有してなる半導体封止用エポキシ樹脂組成物。
（Ａ）下記の一般式（１）で表されるエポキシ樹脂。

（Ｂ）硬化剤。
（Ｃ）無機質充填剤。
ボールグリッドアレイ用封止材料である請求項１記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成物。
請求項１または２記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成物を用いて、半導体素子を封止してなる半導体装置。
上記半導体素子を封止してなる半導体装置が、ボールグリッドアレイ構造の半導体装置である請求項３記載の半導体装置。