JP2008007562A - 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】半導体パッケージのなかでも特に薄型の半導体パッケージの成形に際して、無機質充填剤の高充填においても高い流動性を有し、成形時のワイヤー流れ等の発生が抑制され、優れた成形性を有す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）〜（Ｄ）を含有する半導体封止用エポキシ樹脂組成物である。（Ａ）エポキシ樹脂。（Ｂ）フェノール樹脂。（Ｃ）無機質充填剤。（Ｄ）側鎖ポリエーテル変性シリコーン化合物。
【選択図】なし

Description

本発明は、成形時のパッケージ内におけるワイヤー流れ等の問題の生じない優れた成形性を有す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信頼性の高い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、通常、エポキシ樹脂組成物等の熱硬化性樹脂組成物を用いてトランスファー成形により樹脂封止され半導体装置化されている。この種のパッケージとしては、従来から各種形態のパッケージが開発されている。

上記エポキシ樹脂組成物は、通常、エポキシ樹脂，フェノール樹脂，硬化促進剤，無機質充填剤，離型剤，難燃剤，カップリング剤等から構成され、一般にはこれら各原料を攪拌混合機等で予備混合し、ついで、単軸混練機，二軸混練機，加熱ロール，連続混練機，バッチ式混練機等の加熱混練機を用いて溶融混練することによって、各原料を混合・分散し製造されている。

一方、電気機器の小型化・軽量化・高機能化に伴い、半導体パッケージの小型化・薄型化・狭ピッチ化が加速し、半導体パッケージの半田耐熱性や耐湿性の一層の向上が求められている。このため、上記エポキシ樹脂組成物中の無機質充填剤の含有量がますます多くなってきており、この無機質充填剤の含有量の増加は、樹脂封止成形時の流動性の低下を招き、結果、ワイヤー流れやボイドの発生等の成形不良を増大させている。

例えば、表面実装タイプのような薄型のパッケージにおいては、表面実装工程での半田耐熱性を向上させるために、無機質充填剤の含有量の多いエポキシ樹脂組成物を用いての樹脂封止が行われているが、このことに起因して、成形時の欠陥、具体的には、ワイヤー流れ，ボイド形成，リードピンの変形，ダイパッドシフト等が発生しやすいという問題がある。すなわち、パッケージの吸湿を抑制し、樹脂強度を向上させる目的で無機質充填剤の含有量を極限にまで多量に配合したエポキシ樹脂組成物を用いた結果、上記のような問題が発生する。そして、このようなエポキシ樹脂組成物を用いた場合、流動性が著しく低下し、先に述べたような成形上の種々の問題を引き起こすこととなる。

このような問題を解消するため、無機質充填剤の球状を真球に近い形状とし、これを用いて封止材料であるエポキシ樹脂組成物の流動性を向上させることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、上記無機質充填剤の含有量を増やしながらも成形時の良好な流動性を確保するために、より低粘度の樹脂成分を用いることも提案されている（例えば、特許文献２参照）。
特開平８−１０４７３０号公報 特開２００２−２３７５５２号公報

しかしながら、上記真球に近い形状の無機質充填剤を用いたり、低粘度の樹脂成分を用いたりする方法では、流動性の向上に関して充分とは言い難いものである。また、特定の粒度分布を有する球状の無機質充填剤を用いることも検討されているが、近年の薄型の半導体パッケージの成形に際しては、やはり流動性に関して充分満足のいくものとは言い難い。このように、より一層流動性に優れた封止材料により樹脂封止されてなる高い信頼性を備えた半導体装置が要望さ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、特に薄型の半導体パッケージの成形に際して、無機質充填剤の高充填においても高い流動性を有し、成形時のワイヤー流れ等の発生が抑制され、優れた成形性を有す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）〜（Ｄ）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）エポキシ樹脂。
（Ｂ）フェノール樹脂。
（Ｃ）無機質充填剤。
（Ｄ）下記の一般式（１）で表される側鎖ポリエーテル変性シリコーン化合物。

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、上記目的を達成するために、半導体装置の封止に用いられるエポキシ樹脂組成物の配合成分を中心に鋭意検討を重ねた。そして、配合成分のなかでも、特にシリコーン化合物に着目し、さらにこのシリコーン化合物に関して研究を重ねた結果、前記一般式（１）で表される特殊な骨格構造を有するシリコーン化合物〔（Ｄ）成分〕を用いると、側鎖ポリエーテル部分が樹脂中にアンカーされ、ワイヤー界面でシリコーン鎖が滑るのにあわせて、周辺の樹脂自体も移動し、ワイヤー間を溶融樹脂がスムーズに通り抜けて滞流が起こりにくく、その結果、全体の流動性が良好となり、成形流動時における粘度が低減され、結果、成形時のパッケージ内でのワイヤー流れの発生等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）で表される特殊な骨格構造を有するシリコーン化合物〔（Ｄ）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、半導体封止用エポキシ樹脂組成物の樹脂封止の際に、ワイヤーに対する抵抗を大幅に低減させることが可能となり、ワイヤー流れがほとんど発生せず、例えば、前記無機質充填剤〔（Ｃ）成分〕の含有量が従来のように樹脂組成物全体に対して高含有量であっても、優れた成形性が得られる。したがって、本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物を用いて得られる半導体装置としては、その封止成形時において、パッケージ内でのワイヤー流れの発生が抑制され、高い信頼性を備えたものが得られる。

さらに、上記一般式（１）において、側鎖ポリエーテル部分の長さが主鎖部分の長さの０．３〜０．８倍であると、樹脂成分に対する溶解性に優れ、より一層ワイヤー流れの発生抑制効果が向上する。

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（Ａ成分）と、フェノール樹脂（Ｂ成分）と、無機質充填剤（Ｃ成分）と、特定のシリコーン化合物（Ｄ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。

上記エポキシ樹脂（Ａ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エポキシ樹脂が用いられ、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、トリフェノールメタン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。そして、これらエポキシ樹脂のなかでも、耐湿信頼性等の観点から、ビフェニル骨格を有する結晶性エポキシ樹脂、例えば、下記の一般式（２）で表されるビフェニル型エポキシ樹脂や、低級アルキル基をフェニル環に付加したような低吸湿型のエポキシ樹脂を用いることが好ましい。具体的には、下記の一般式（２）中、Ｒ₃ 〜Ｒ₆ が全てメチル基となる４，４′−ビス（２，３−エポキシプロポキシ）−３，３′，５，５′−テトラメチルビフェニルが好ましく用いられる。このようなエポキシ樹脂としては、エポキシ当量９０〜２５０、軟化点もしくは融点が５０〜１４０℃のものが好ましい。

上記エポキシ樹脂（Ａ成分）とともに用いられるフェノール樹脂（Ｂ成分）としては、特に限定するものではなく１分子中に２個以上のフェノール性水酸基を有するモノマー，オリゴマー，ポリマー全般をいう。例えば、フェノールノボラック、クレゾールノボラック、ビフェニル型ノボラック、トリフェノールメタン型、ナフトールノボラック、フェノールアラルキル樹脂、ビフェニルアラルキル樹脂等があげられ、これらは単独でもしくは２種以上併せて用いられる。なかでも、フェノールノボラック樹脂やキシレン変性フェノールノボラック樹脂のような水酸基当量の小さいものを用いることが流動性の観点から好ましい。そして、１５０℃でのＩＣＩ粘度が０．００２〜０．３Ｐａ・ｓとなるものを用いることが流動性の観点から好ましい。さらに、水酸基当量が１８０未満であることが好ましい。具体的には、下記の一般式（３）で表されるフェノール樹脂とフェノールノボラック樹脂とを併用することが好ましい。

そして、上記エポキシ樹脂（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（Ａ成分）を硬化させるに充分な量に設定することが好ましい。例えば、エポキシ樹脂（Ａ成分）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く、より好ましくは０．９〜１．２当量である。

つぎに、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、従来公知の各種無機粉末が用いられ、例えば、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、アルミナ、窒化アルミニウム、タルク、炭酸カルシウム等があげられる。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、球状無機粉末を用いることが好ましい。なお、無機質充填剤（Ｃ成分）全体が球状無機粉末のみで構成されていてもよいし、それ以外の無機質充填剤を併用してもよい。

上記球状無機粉末とともに球状無機粉末以外の無機質充填剤を併用する場合、上記球状無機粉末以外の無機質充填剤の割合は、無機質充填剤全体の３０重量％以下に設定することが好ましく、特に好ましくは１０重量％以下である。

そして、上記球状無機粉末としては、特に限定するものではなく従来公知の各種球状無機粉末が用いられる。例えば、球状溶融シリカ粉末や球状合成シリカ粉末、球状アルミナ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。そして、これら球状無機粉末以外に、破砕状あるいは摩砕処理したもの等いずれのものでも併用することができる。なかでも、球状のもの、特に球状溶融シリカ粉末を用いることが好ましい。

さらに、上記無機質充填剤（Ｃ成分）の粒度分布としては、粒径０．１μｍ以上２μｍ未満の領域（ｃ１）、粒径２〜１０μｍの領域（ｃ２）、粒径１５〜１００μｍの領域（ｃ３）において下記に示す分布割合（重量％）に設定することが好ましい。
（ｃ１）１〜３０重量％。
（ｃ２）１〜５０重量％。
（ｃ３）４９〜９８重量％。

そして、無機質充填剤（Ｃ成分）全体では、レーザー散乱式粒度分布測定装置による平均粒径が１５〜５０μｍの範囲であることが好ましく、より好ましくは２０〜４５μｍである。

上記無機質充填剤（Ｃ成分）の含有量は、通常、樹脂組成物全体の７０〜９５重量％の範囲に設定することが好ましい。特に好ましくは８０〜９２重量％の範囲である。すなわち、７０重量％未満では、パッケージの耐半田性が低下する傾向がみられ、逆に９５重量％を超えると、流動性が低下し、パッケージ内のワイヤー流れ，ダイパッドシフト，リードピンの変形等が多発する傾向がみられるからである。

上記Ａ〜Ｃ成分とともに用いられる特定のシリコーン化合物（Ｄ成分）は、下記の一般式（１）で表される側鎖ポリエーテル変性シリコーン化合物である。下記の式（１）で表される側鎖ポリエーテル変性シリコーン化合物において、繰り返し単位ｎ，ｍはブロック重合，ランダム重合，交互重合のいずれであってもよい。

上記式（１）において、繰り返し数ｎ，ｍのモル比であるｎ／ｍは、３〜７の正数に設定する必要がある。すなわち、ｎ／ｍが３未満では、ワイヤーに対する抵抗が増大し、逆に７を超えても効果の著しい向上がみられず、コスト面から不利となるからである。

また、上記式（１）において、ｎは１０以上１００未満の範囲に設定する必要があり、特に好ましくは１０〜８０である。すなわち、ｎが１０未満では、ワイヤーに対する抵抗を低減させるに足る効果が得られず、逆に１００以上では、エポキシ樹脂（Ａ成分）やフェノール樹脂（Ｂ成分）中に対する疎溶性が大きくなり、本来の効果を充分に発揮することができなくなるからである。

さらに、上記式（１）で表されるシリコーン化合物において、側鎖ポリエーテル部分の長さが主鎖部分の長さの０．３〜０．８倍であることが好ましい。すなわち、０．３倍未満では、ワイヤーに対する抵抗を低減させる充分な効果を得られ難く、逆に０．８倍を超えると、エポキシ樹脂（Ａ成分）やフェノール樹脂（Ｂ成分）中に対する相溶性が大きくなり、本来の効果を充分に発揮することが困難となる傾向がみられるからである。

このような一般式（１）で表される側鎖ポリエーテル変性シリコーン化合物（Ｄ成分）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、分子鎖中にケイ素と直接結合する水素原子を有する下記の一般式（α）で表される化合物に、例えば、下記の一般式（β）で表される、片末端にビニル基を有するポリオキシアルキレン化合物を白金系触媒の存在下にて付加反応させることによって製造することができる。

上記特定のシリコーン化合物（Ｄ成分）の含有量は、エポキシ樹脂組成物全体の０．０１〜２重量％に設定することが好ましく、特に好ましくは０．１〜１重量％である。すなわち、２重量％を超えて多過ぎると、硬化物の機械的強度が低下して脆くなり、耐熱性も低下する傾向がみられ、０．０１重量％未満のように少な過ぎると、ワイヤーに対する抵抗を低減させる充分な効果を得られ難く、パッケージ内のワイヤー流れ、ダイパッドシフト、リードピンの変形等が発生する傾向がみられるからである。

本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物には、上記Ａ〜Ｄ成分以外に、必要に応じて、硬化促進剤、シランカップリング剤、難燃剤、難燃助剤、イオントラップ剤、カーボンブラック等の着色剤や顔料等の各種添加剤を必要に応じて適宜配合することができる。

上記硬化促進剤としては、従来公知の各種硬化促進剤があげられ、例えば、トリフェニルホスフィン等のトリアリールホスフィン類、テトラフェニルホスホニウム・テトラフェニルボレート、１，８−ジアザビシクロ〔５．４．０〕ウンデセン−７等があげられる。

上記シランカップリング剤としては、特に限定するものではなく各種シランカップリング剤を用いることができ、なかでも２個以上のアルコキシ基を有するものが好適に用いられる。具体的には、β−（３，４−エポキシシクロヘキシル）エチルトリメトキシシラン、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、γ−（２−アミノエチル）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−アニリノプロピルトリメトキシシラン、ヘキサメチルジシラザン等があげられる。これらは単独でもしくは２種以上併せて用いられる。

上記難燃剤としては、ノボラック型ブロム化エポキシ樹脂や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等があげられ、さらに上記難燃助剤としては、三酸化二アンチモンや五酸化二アンチモン等が用いられる。これらは単独でもしくは２種以上併せて用いられる。

上記イオントラップ剤としては、イオントラップ能力を有する公知の化合物をすべて用いることができ、例えば、水酸化ビスマス、ハイドロタルサイト類化合物等があげられる。

本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物は、例えば、つぎのようにして製造することができる。すなわち、上記Ａ〜Ｄ成分および必要に応じて他の添加剤を所定の割合で配合し混合する。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にかけて加熱状態で溶融混合する。ついで、これを室温に冷却した後、公知の方法によって粉砕し、さらに必要に応じてタブレット状に打錠するという一連の工程を経由することにより製造することができる。

このようにして得られる半導体封止用エポキシ樹脂組成物を用いて、半導体素子を封止する方法としては、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、半導体装置を作製することができる。

つぎに、実施例について比較例と併せて説明する。

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〕
下記の構造式（ａ）で表されるビフェニル型エポキシ樹脂（エポキシ当量１９３、融点１０５℃）

〔フェノール樹脂Ａ〕
下記の構造式（ｂ）で表されるフェノール樹脂（水酸基当量２０３、軟化点７３℃）

〔フェノール樹脂Ｂ〕
下記の構造式（ｃ）で表されるフェノール樹脂（水酸基当量１０４、軟化点６０℃）

〔硬化促進剤〕
下記の構造式（ｄ）で表される化合物

〔離型剤〕
カルナバワックス

〔無機質充填剤Ａ〕
溶融球状シリカ粉末（球形度０．８８、平均粒子径１８μｍ、粒径７５μｍ以上のものが全体の０．５重量％以下）

〔無機質充填剤Ｂ〕
溶融球状シリカ粉末（球形度０．９、平均粒子径０．５μｍ、粒径１μｍ以上のものが全体の１０重量％以下、比表面積６．５ｍ² ／ｇ）

〔無機質充填剤Ｃ〕
溶融球状シリカ粉末（球形度０．９、平均粒子径１．５μｍ、粒径１０μｍ以上のものが全体の０．１重量％以下、比表面積５ｍ² ／ｇ）

〔側鎖ポリエーテル変性シリコーン化合物ａ〜ｅ〕
下記の表１に示す特徴〔一般式（１）中の、ｎ数，ｍ数、モル比ｎ／ｍ、側鎖ポリエーテル部分の長さ／主鎖部分の長さ〕を備えた式（１）で表される側鎖ポリエーテル変性シリコーン化合物ａ〜ｅをそれぞれ準備した。

〔実施例１〜６、比較例１〜２〕
上記各成分を下記の表２〜表３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作製した。

このようにして得られたエポキシ樹脂組成物を用い、下記の方法に従い溶融粘度を測定するとともに、半導体装置を製造し、このときの金線ワイヤーの変形状態（金線ワイヤー流れ率）を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４〜表５に示す。

〔溶融粘度〕
上記各エポキシ樹脂組成物を用い、パラレルプレート型レオメーター(Haake社製、Rheostress１）を用いて、１４０℃で剪断速度５（１／ｓ）の条件における粘度を測定した。

〔金線ワイヤー変形〕
上記各エポキシ樹脂組成物を用いタブレット状に打錠成形し、これを用いて低圧トランスファー成形機（ＴＯＷＡ社製の自動成型機、ＣＰＳ−４０Ｌ）にて成形温度１７５℃×成形時間９０秒の成形条件でパッケージを封止し、さらに１７５℃×５時間で後硬化することにより半導体装置を作製した。この半導体装置は、ボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）タイプのパッケージ（樹脂封止部分サイズ：３５ｍｍ×３５ｍｍ×厚み１．２ｍｍ）であり、チップサイズは７．５ｍｍ×７．５ｍｍ×厚み０．３ｍｍである。また、金線ワイヤーは、金線ワイヤー径２３μｍ、平均金線ワイヤー長さが５ｍｍである。そして、作製した半導体装置を軟Ｘ線解析装置を用いて、金線ワイヤーの変形状態を観察し金線ワイヤーの流れ率（変形率）を測定・算出した。すなわち、図１に示すように、金線ワイヤー２の流れ量の最大部分となる値（変形した弧の頂点から金線ワイヤー２両端を結んだ直線に引いた垂線の長さ）をそのパッケージの金線ワイヤー流れ量の値（ｄｍｍ）とし、この値を金線ワイヤー長さ（Ｌｍｍ）で除して金線流れ率〔（ｄ／Ｌ）×１００（％）〕を算出した。その結果、金線ワイヤー流れ率が３％以下のものを○、３％を超えるものを×として評価した。なお、上記算出した金線ワイヤー流れ率を併せて記載した。

上記結果から、実施例品は、極端な溶融粘度の上昇が抑制され、金線ワイヤー変形が抑制された、成形性に優れたものであることがわかる。

これに対して、従来の離型剤を用いた比較例品は、金線ワイヤー変形が大きく成形性に劣るものであった。

半導体装置の金線ワイヤー流れ量の測定方法を示す模式図である。

Claims (3)

1. 下記の（Ａ）〜（Ｄ）成分を含有する半導体封止用エポキシ樹脂組成物。
   （Ａ）エポキシ樹脂。
   （Ｂ）フェノール樹脂。
   （Ｃ）無機質充填剤。
   （Ｄ）下記の一般式（１）で表される側鎖ポリエーテル変性シリコーン化合物。
   

   
2. 上記一般式（１）で表される側鎖ポリエーテル変性シリコーン化合物において、側鎖ポリエーテル部分の長さが、主鎖部分の長さの０．３〜０．８倍である請求項１記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成物。
3. 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樹脂封止してなる半導体装置。

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