JP2008179724A - 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】反りの発生が抑制され信頼性に優れた半導体装置を製造するために用いられ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）エポキシ樹脂。
（Ｂ）フェノール樹脂。
（Ｃ）二硫化モリブデン，二硫化タングステンおよび六方晶系窒化ホウ素からなる群から選ばれた少なくとも一つ。
【選択図】なし

Description

本発明は、反りの発生が抑制された信頼性の高い半導体装置、例えば、樹脂層付ウェハや片面封止タイプ等の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。

従来から、複数の突起状電極部が形成されたウェハの片面に、冷間成形により得られたエポキシ樹脂組成物製のタブレットを用い加熱加圧成形により、硬化樹脂層を形成することが行われている。しかしながら、このようなタブレットを用いて硬化樹脂層が形成された樹脂層付ウェハでは、反りが発生するという問題があった。すなわち、上記タブレットを用いて硬化樹脂層を形成する際、この硬化樹脂層部分であるエポキシ樹脂組成物硬化体とウェハの線膨張係数等の物性が相違するため、樹脂層付ウェハが反ってしまうのである。このような反りが発生した樹脂層付ウェハは、搬送やダイシング時にトラブルを発生し、また基板への実装性が悪くなるという欠点を有する。さらに、ウェハと硬化樹脂層との界面に応力が発生し信頼性を損なうという問題が生じる。

また、近年の半導体装置分野における半導体素子のパッケージ（封止）技術において、例えば、片面封止タイプのものが注目され実用化されている。エポキシ樹脂組成物硬化体で半導体素子が封止された半導体装置は、量産性に優れ、かつ低コストのものであり、さらに上記片面封止タイプの半導体装置は、半導体素子の高集積化による高性能化が可能なものである。また、フリップチップ方式、ダイレクトチップアタッチ方式における、半導体素子を上記絶縁基板であるボードに実装する方法では、通常、半導体素子を内包する状態で片面封止、あるいは絶縁基板と半導体素子の間の空隙に溶融した熱硬化性樹脂組成物を充填し硬化させて樹脂封止することが行われている（特許文献１参照）。
特開２００１−３４５３３２号公報

しかし、これら半導体装置に関し、封止用樹脂の硬化収縮、絶縁基板と封止樹脂（硬化体）の線膨張係数の不一致に起因してパッケージに反りが発生するという問題を有しており、このような反りが発生した半導体装置は、反り応力による封止界面の剥離等が生じ信頼性が低下したり、さらには実装基板への実装性が劣る結果となる。したがって、このような問題の解決が要望されている。

本発明は、このような事情に鑑みなされたもので、反りの発生が抑制され信頼性に優れた半導体装置を得るため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を提供することをその目的とする。

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）エポキシ樹脂。
（Ｂ）フェノール樹脂。
（Ｃ）二硫化モリブデン，二硫化タングステンおよび六方晶系窒化ホウ素からなる群から選ばれた少なくとも一つ。

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。

本発明者らは、半導体装置の反りの原因について様々な角度から再度検討を行った。そして、従来は封止樹脂の線膨張係数の調整により反りの低減が図られていたが、上記線膨張係数の調整では、半導体素子の大きさ，厚み，搭載位置や、半導体装置の大きさ，厚み，基板やリードフレームの材質，形状等により最適な線膨張係数の設定は異なることから、低弾性率化を図っても各種パッケージに対して充分満足いく反りの低減化が実現していないという現状を鑑み、従来の線膨張係数の調整方法とは異なる視点から研究を重ねた。その結果、封止材料の配合成分として、上記特定の化合物〔（Ｃ）成分〕を用いると、封止樹脂の線膨張係数や弾性率の特性によらず、反りの低減が図られた半導体装置が得られることを突き止めた。すなわち、上記特定の化合物〔（Ｃ）成分〕は、いずれも平板状の層状形状を有し、しかも潤滑剤としての作用を奏するため、薄型パッケージの成形時には封止樹脂の剪断流動により層状に配向する。したがって、半導体装置の基板面に平行に上記特定の化合物〔（Ｃ）成分〕が平面状に配向するため、平面間での線膨張係数は比較的小さくなる。一方、配合した特定の化合物〔（Ｃ）成分〕の上下間では、その結合の弱さから応力により層間のずれを生じ、その変形による応力緩和効果を奏する。このため、温度を付与した際の応力緩和が上下の層間で効率的に生起して反り発生の低減化が実現することを見出し本発明に到達した。

このように、本発明は、二硫化モリブデン，二硫化タングステンおよび六方晶系窒化ホウ素からなる群から選ばれた少なくとも一つである特定の化合物〔（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。このため、上記特定の化合物の配向による応力緩和効果が上下の層間で効率的に生起して反りの発生が低減される。したがって、従来のようなエポキシ樹脂組成物の線膨張係数等の調整によるものではないことから、様々な形態，サイズのパッケージに対して適用可能であり、各種半導体装置の封止材料として有用である。

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、特定の化合物（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、例えば、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Ａ型、ナフタレン型、ビフェニル型等の各種エポキシ樹脂があげられる。上記各種エポキシ樹脂のなかでも、ガラス転移温度に基づき反りが低減するという観点から、下記の一般式（１）で表されるエポキシ樹脂をエポキシ樹脂成分の全部または一部として用いることが好ましい。

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従来公知の各種フェノール樹脂が用いられる。例えば、フェノールノボラック、クレゾールノボラック、ビスフェノールＡ型ノボラック、ナフトールノボラック、トリフェニルメタンタイプおよびフェノールアラルキル樹脂等があげられる。さらには、下記の一般式（２）で表されるナフトール系化合物があげられる。

そして、上記エポキシ樹脂（Ａ成分）と上記フェノール樹脂（Ｂ成分）の配合割合は、上記エポキシ樹脂（Ａ成分）中のエポキシ基１当量当たり、フェノール樹脂（Ｂ成分）中の水酸基が０．７〜１．５当量となるように設定することが好ましく、なかでも０．９〜１．２当量となるよう設定することが特に好ましい。

上記Ａ成分およびＢ成分とともに用いられる特定の化合物（Ｃ成分）は、二硫化モリブデン，二硫化タングステン，六方晶系窒化ホウ素であり、これらは単独でもしくは２種以上併せて用いられる。これら化合物はいずれも固体で層状形状を有し、潤滑剤としての作用を奏するものである。

上記特定の化合物（Ｃ成分）は、平均粒径０．１〜２０μｍで、最大粒径が７５μｍ以下のものを用いることが好ましい。特に好ましくは平均粒径１〜５μｍ、最大粒径５０μｍ以下である。すなわち、平均粒径が０．１μｍ未満では、エポキシ樹脂組成物の流動性が低下する傾向がみられ、２０μｍを超えると、樹脂封止される狭い隙間に対する充填性が低下する傾向がみられるからである。なお、上記粒径に関しては、例えば、レーザー式粒度測定機により測定することができる。また、この場合の平均粒径とは、上記特定の化合物（Ｃ成分）の粒子形状が球状ではないことから、一律に粒径が定まり難いため、最長径と最短径との単純平均値をその粒子の粒径とする。

上記特定の化合物（Ｃ成分）は、先に述べたように、層状で、いわゆる平板形状を有するものであり、この平板形状の厚みに対する平板面の最大径の比率が３以上であることが好ましく、特に好ましくは５〜２０である。すなわち、この比率が３未満では、上記特定の化合物（Ｃ成分）が層状態に配向しにくく、逆に比率が大き過ぎると、添加量に対する粘度の上昇が大きく、エポキシ樹脂組成物の混合特性に悪影響を与える恐れがあるからである。

上記特定の化合物（Ｃ成分）の含有量は、後述の無機質充填剤の含有量に対して０．５〜１０重量％の範囲となるように設定することが好ましく、特に好ましくは２．５〜５重量％である。すなわち、０．５重量％未満では、応力緩和効果が得られ難く、１０重量％を超えると、エポキシ樹脂組成物の流動性が低下して、成形物にボイド等が発生しやすくな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〜Ｃ成分とともに、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０．５〜２０μｍ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、硬化促進剤、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）、γ−メタクリロキシプロピルトリエトキシシラン等の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）、難燃剤等を必要に応じて適宜に添加することができる。

上記硬化促進剤としては、特に限定するものではなくエポキシ基と水酸基の反応を促進するものであればよく、例えば、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、トリエチレンジアミン等の三級アミン類、２−メチルイミダゾール等のイミダゾール類、トリフェニルホスフィン等のリン系化合物等があげられる。これら化合物は単独でもしくは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、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、さらには結晶形状が多面体形状を有する金属水酸化物を用いることができる。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、タブレット状の場合、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〜Ｃ成分および無機質充填剤、さらに必要に応じて他の添加剤を、混合機、例えば、ヘンシェルミキサーでドライブレンドし、この混合物を混練押出機で溶融混練する。ついで、この溶融物をタブレット成形金型に充填し、上記成形金型を通水等により冷却しつつ充填物を加圧冷却する。冷却終了後、タブレットを成形金型から取り出すことによりタブレットを作製することができる。

上記作製工程において、好適には、溶融混練温度は６０〜１５０℃に、充填時の溶融樹脂温度は８０〜１２０℃に、また成形金型温度は５〜５０℃にそれぞれ設定される。

また、上記成形金型内での溶融樹脂の加圧成形には、タブレット成形金型に上下のプランジャーを、これらで金型を閉型可能なように配備し、タブレット成形金型に供給した溶融樹脂組成物をプランジャーの操作にて４９０×１０⁴ 〜２９４０×１０⁴ Ｐａ程度で加圧しながら成形する方法が好適である。

本発明のエポキシ樹脂組成物製タブレットを用いた半導体素子を内包する状態で樹脂封止してなる半導体装置の製造は、特に限定するものではなく、従来公知の方法、例えば低圧トランスファー成形等により製造することができる。すなわち、半導体素子上に本発明のエポキシ樹脂組成物製タブレットを配置し、これを加熱し溶融硬化させることによりエポキシ樹脂組成物硬化体を形成して半導体装置を作製することができる。

そして、本発明において、半導体装置としては、各種タイプのパッケージに適用することができ、その適用範囲が広いものであるが、特に、薄型パッケージ等の剪断力がかかり、前記特定の化合物（Ｃ成分）が層状に配向されやすい場合に有効である。例えば、片面封止タイプのパッケージがあげられ、ＢＧＡ（ボールグリッドアレイ：Ball Grid Array ）と通称されるパッケージ形態の半導体装置等において、反りの低減効果が顕著に現れる。

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〕
下記の構造式（ａ）で表されるトリフェノールメタン型エポキシ樹脂（エポキシ当量１７０、軟化点６０℃）

〔フェノール樹脂Ａ〕
フェノールノボラック樹脂（水酸基当量１０５、軟化点６０℃）

〔フェノール樹脂Ｂ〕
下記の構造式（ｂ）で表されるナフトール系化合物〔式（ｂ）中、ｍは０．８であり、水酸基当量２１０、軟化点７５℃〕

〔固体潤滑剤Ａ〕
二硫化モリブデン（平均粒径２μｍ、厚みに対する平板面の最大径の比率１５）

〔固体潤滑剤Ｂ〕
二硫化タングステン（平均粒径０．８μｍ、厚みに対する平板面の最大径の比率１０）

〔固体潤滑剤Ｃ〕
六方晶系窒化ホウ素（平均粒径１０μｍ、厚みに対する平板面の最大径の比率１５）

〔グラファイト〕
平均粒径２．２μｍ、厚みに対する平板面の最大径の比率１５

〔硬化促進剤〕
１，５−ジアザビシクロ（４，３，０）ノネン−５（ＤＢＮ）

〔無機質充填剤〕
球状溶融シリカ粉末（平均粒径３μｍ）

〔密着性付与剤〕
γ−メタクリロキシプロピルトリエトキシシラン

〔離型剤〕
カルナバワックス

〔難燃剤〕
三酸化アンチモン

〔着色剤〕
カーボンブラック粉末

〔実施例１〜８、比較例１〜５〕
下記の表１〜表２に示す各成分を同表に示す割合で配合し、ミキシングロール機（温度１００℃）で３分間溶融混練を行い、冷却固化した後粉砕して打錠することによりエポキシ樹脂組成物製タブレットを作製した。

このようにして得られた実施例および比較例の各エポキシ樹脂組成物を用い、半導体装置の反り量、成形金型に対する充填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。

〔半導体装置の反り量〕
絶縁基板上に搭載された半導体素子をトランスファー成形（条件：１７５℃×２分間＋１７５℃×５時間の後硬化）することにより下記に示す片面封止タイプの半導体装置を製造した。

樹脂封止部分（エポキシ樹脂組成物硬化体）サイズ：３５×３５×厚み１．２ｍｍ
半導体素子サイズ：１２×１２×厚み０．４ｍｍ
絶縁基板サイズ：４０×４０×厚み０．６ｍｍ
絶縁基板材料：ビスマレイミドトリアジン（ＢＴ）樹脂／ガラスクロス基板（三菱瓦斯化学社製）

そして、得られた半導体装置において反りを測定した。この反りの測定は、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、３はエポキシ樹脂組成物硬化体（硬化樹脂層）、６は半導体素子、５は絶縁基板である。

〔充填性〕
上記片面封止タイプの半導体装置の樹脂封止に際して、成形物の外観を目視にて観察した。そして、充填されていない部分が確認されたものを×、充填されていない部分が確認されなかったものを○として評価した。

〔ボイドの有無〕
上記片面封止タイプの半導体装置の樹脂封止に際して、成形物の外観を目視にて観察した。そして、ボイドの形成が確認されたものを×、ボイドの形成が確認されなかったものを○として評価した。

上記結果から、実施例品は比較例品に比べて、反り量の値が非常に小さく、信頼性の高い半導体装置が得られたことがわかる。また、充填性にも優れ、成形時のトラブルもなく良好な封止作業が行なわれたことがわかる。これに対して、固体潤滑剤を配合しなかった比較例１品は、充填性に関しては問題なかったが、反り量が高かった。また、グラファイトを配合した比較例２〜５品は、反り量が高いか、あるいは充填性に関して問題が生じた。さらに、電気絶縁性にも劣るものであった。

半導体装置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）エポキシ樹脂。
   （Ｂ）フェノール樹脂。
   （Ｃ）二硫化モリブデン，二硫化タングステンおよび六方晶系窒化ホウ素からなる群から選ばれた少なくとも一つ。
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。

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