JP2008184544A - 半導体封止用樹脂組成物およびそれを用いた半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】良好な成形性や流動性を維持するとともに、熱伝導性に優れた半導体封止用樹脂組成物を提供する。
【解決手段】（Ａ）熱硬化性樹脂、（Ｂ）硬化剤および（Ｃ）熱伝導性フィラーを含有してなる半導体封止用樹脂組成物である。そして、上記（Ｃ）熱伝導性フィラーが、下記に示す熱伝導性フィラー（α）を上記（Ｃ）熱伝導性フィラー全体の５〜４０重量％の範囲で含有しているものである。
（α）平均粒径２μｍ未満の熱伝導性フィラー。
【選択図】なし

Description

本発明は、良好な成形性を備え、かつ熱伝導性に優れたパッケージを形成することのできる半導体封止用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。

トランジスタ、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材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、各原材料を混合・分散し製造されている。

ところで、上記樹脂封止される半導体素子は、高温になればなるほどその信頼性が低下することから、パワーデバイスやＣＰＵ（中央処理装置）等の電力消費の大きな樹脂封止型半導体装置においては、この樹脂封止型半導体装置の熱伝導性を高めてパッケージの温度の上昇を抑制することが必要とされている。

このような観点から、熱伝導性フィラーを配合してなる熱硬化性樹脂物を封止材料として用いることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開平３−２７３０３９号公報

しかしながら、熱伝導率を高めるために熱伝導率の高いフィラーを高充填すると、熱伝導性は向上するが、樹脂組成物の流動性が悪化し、成形時のワイヤー流れやパッケージにボイドが発生するといった成形時の不具合が発生するという問題が生じ、成形性と高熱伝導性の双方ともに優れた特性を備えた封止材料となり得る熱硬化性樹脂組成物が未だ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、良好な成形性や流動性を維持するとともに、熱伝導性に優れた半導体封止用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、本発明は、（Ａ）熱硬化性樹脂、（Ｂ）硬化剤および（Ｃ）熱伝導性フィラーを含有してなる半導体封止用樹脂組成物であって、上記（Ｃ）熱伝導性フィラーが、下記に示す熱伝導性フィラー（α）を上記（Ｃ）熱伝導性フィラー全体の５〜４０重量％の範囲で含有する半導体封止用樹脂組成物を第１の要旨とする。
（α）平均粒径２μｍ未満の熱伝導性フィラー。

そして、本発明は、上記半導体封止用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、上記目的を達成するため、半導体装置の封止に用いられる熱硬化性樹脂組成物の組成のうち、熱伝導性とフィラーの粒度分布および流動性に大きく関与するフィラーの粒度分布設計に関して研究を重ね、鋭意検討を行った。その結果、熱伝導性フィラー自体の充填量は従来と同様に高充填としながら、その充填される熱伝導性フィラーのうち、平均粒径２μｍ未満という微細な熱伝導性フィラーを特定の割合で用いると、熱伝導性フィラーを高配合として熱伝導性を向上させても、流動性が良好となり、結果、成形時のパッケージ内でのワイヤー流れの発生やボイド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、上記平均粒径２μｍ未満の熱伝導性フィラー（α）を、熱伝導性フィラー全体の５〜４０重量％の範囲で含有してなる熱伝導性フィラー（Ｃ）を含有する半導体封止用樹脂組成物である。このため、優れた熱伝導性を有することはもちろん、上記熱伝導性フィラーを高配合にしても流動性の低下が抑制され、ワイヤー流れやボイドの発生等といった成形性の不具合が生じず、熱伝導性および成形性の双方ともに優れたものが得られる。したがって、本発明の半導体封止用樹脂組成物を用いて得られる半導体装置は、良好な成形性に基づきパッケージにボイドやワイヤー流れ等の不具合がなく、かつ高い熱伝導性を備えており、信頼性に優れたものである。

さらに、上記（Ｃ）熱伝導性フィラーとして球状粒子を用いると、より高い充填率で熱伝導性フィラーを配合することが可能となり、より一層優れた熱伝導性が得られ、また一層の流動性の向上がみられ、優れた成形性が得られる。

本発明の半導体封止用樹脂組成物である熱硬化性樹脂組成物としては、特に限定するものではなく、従来から封止材料として用いられている各種の熱硬化性樹脂が用いられ、これに硬化剤および特定の熱伝導性フィラー、さらに各種添加剤等を用いて得られる。そして、半導体封止用樹脂組成物である熱硬化性樹脂組成物は、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。

本発明の半導体封止用樹脂組成物においては、熱硬化性樹脂としてエポキシ樹脂が好適に用いられる。熱硬化性樹脂としてエポキシ樹脂を用いる場合は、これにフェノール樹脂もしくは酸無水物等の硬化剤と、特定の熱伝導性フィラーを用いて得られる。

上記エポキシ樹脂は、特に限定されるものではなく各種のエポキシ樹脂が用いられる。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、トリフェニ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。これらエポキシ樹脂の中でも、軟化点あるいは融点が低く、常温で液状もしくは流動性を有し、成形温度近傍で低粘度となるエポキシ樹脂を用いることが流動性の点から好ましい。

上記エポキシ樹脂とともに用いられる硬化剤は、上記エポキシ樹脂の硬化剤としての作用を奏するものであり、特に限定するものではなく１分子内に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、ポリマー全般や酸無水物等をいう。例えば、上記フェノール性水酸基を有するモノマー、オリゴマー、ポリマーとしては、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、トリフェニルメタン型、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、常温で液状もしくは流動性を有し、成形温度近傍で低粘度となる硬化剤を用いることが流動性の点から好ましい。

上記熱硬化性樹脂と硬化剤の配合割合は、熱硬化性樹脂としてエポキシ樹脂を用い、かつ硬化剤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当量あたり、フェノール樹脂中の水酸基当量が０．５〜２．０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０．８〜１．２当量である。

上記熱硬化性樹脂および硬化剤とともに用いられる特定の熱伝導性フィラーとは、平均粒径２μｍ未満の微粉末の熱伝導性フィラーを、熱伝導性フィラー全体中、特定の割合で含有してなるものである。

上記熱伝導性フィラーとしては、微粉末の熱伝導性フィラーも含め、例えば、アルミナ粉末，球状以外のシリカ粉末（例えば、結晶性シリカ粉末），酸化マグネシウム粉末，窒化アルミニウム粉末，窒化珪素粉末，金属珪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、球状化が容易で、高充填時においても優れた流動性が得られるという点から、アルミナ粉末を用いることが好ましい。

さらに、上記熱伝導性フィラーとしては、微粉末の熱伝導性フィラーを含め全体として、シリカ粉末を除いて球状粉末を用いることが好ましい。なお、この場合、熱伝導性フィラー全体が球状粉末のみで構成されることが好ましいが、球状粉末とともにそれ以外の形状、例えば、破砕状，鱗片状，繊維状等の形状を有する熱伝導性フィラーを併用してもよい。

そして、本発明では、上記平均粒径２μｍ未満の微粉末の熱伝導性フィラーが、熱伝導性フィラー全体の５〜４０重量％の範囲で含有されている必要がある。特に好ましくは１０〜３０重量％である。すなわち、上記微粉末の熱伝導性フィラーが５重量％未満では、充填性を向上させる成分として不充分であり、４０重量％を超えると、逆に充填性を悪化させるだけでなく、比表面積が増大し、流動性に悪影響を及ぼすことになるからである。

上記熱伝導性フィラーでの、平均粒径２μｍ未満の微粉末の熱伝導性フィラーにおける平均粒径としては、０．１μｍ以上２μｍ未満の範囲であることが好ましく、特に好ましくは０．３〜０．８μｍである。すなわち、０．１μｍ未満では、比表面積が増大し、流動性に悪影響を及ぼす傾向がみられ、２μｍを超えると、充填性を向上させる成分としては粒子径が大き過ぎ充分な効果が得られないからである。なお、上記平均粒径２μｍ未満の微粉末の熱伝導性フィラーおよびそれ以外の熱伝導性フィラーの平均粒径は、ともに、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される。そして、上記平均粒径２μｍ未満の微粉末の熱伝導性フィラーおよびそれ以外の熱伝導性フィラーの平均粒径は、母集団から任意に抽出（例えば、１０点抽出）される試料を用い、これを上記測定装置等を利用して導出される値であり、粒子形状が真球状ではなく楕円球状（断面が楕円の球）や破砕状等のように一律に粒径が定まらない場合には、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。

そして、上記平均粒径２μｍ未満の微粉末の熱伝導性フィラーを含む熱伝導性フィラー全体の含有量は、エポキシ樹脂組成物全体の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、充分な熱伝導性を得ることが困難となる傾向がみられ、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、さらにはボイドの発生が多発する傾向がみられるからである。

そして、本発明の半導体封止用樹脂組成物では、上記熱硬化性樹脂，硬化剤および微粉末の熱伝導性フィラーを特定の割合で含有する熱伝導性フィラーに加えて、通常、各種添加剤が必要に応じて適宜配合される。

上記各種添加剤としては、例えば、硬化促進剤、シランカップリング剤、離型剤、難燃剤、難燃助剤、イオントラップ剤、低応力化剤、低粘度化剤、カーボンブラック等の顔料等があげられる。

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、２−メチルイミダゾール等のイミダゾール類、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。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。

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全てが使用でき、例えば、ハイドロタルサイト類、水酸化ビスマス等が用いられる。

また、上記低応力化剤および低粘度化剤としては、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。

本発明の半導体封止用樹脂組成物としての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、上記エポキシ樹脂，硬化剤および微粉末の熱伝導性フィラーを特定量含有する熱伝導性フィラー、さらに必要に応じて上記他の添加剤を配合し混合した後、ミキシングロール機、連続押出混練装置等の混練機にかけ加熱状態で溶融混合し、これを圧延ロール等で圧延、室温に冷却した後、公知の手段によって粉砕し、必要に応じてプレス装置および金型を用いて適当な大きさのタブレット状に打錠成形するという一連の工程により製造することができる。

このような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り行うことができる。

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、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〕
ビフェニル型エポキシ樹脂（エポキシ当量１９４、融点１０６℃、粘度０．０２Ｐａ・ｓ／１５０℃）

〔硬化剤〕
ビフェニル変性フェノールノボラック樹脂（水酸基当量２０３、軟化点６７℃、粘度０．０７Ｐａ・ｓ／１５０℃）

〔硬化促進剤〕
四国化成社製、Ｃ１１Ｚ−Ａ（イミダゾール）

〔離型剤〕
カルナバワックス

〔熱伝導性フィラー〕
（１）球状アルミナ粉末Ａ（平均粒径１５μｍ）
（２）球状アルミナ粉末Ｂ（平均粒径１．２μｍ）
（３）球状アルミナ粉末Ｃ（平均粒径０．５μｍ）
なお、上記各平均粒径は、レーザー回折散乱式粒度分布測定装置（堀場製作所社製、ＬＡ９１０）を用いて測定した。

〔顔料〕
カーボンブラック

〔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

〔離型剤〕
カルナバワックス

〔実施例１〜５、比較例１〜５〕
下記の表１〜表２に示す各原料を同表に示す割合で配合し、ロール混練機を用いて４０〜１１０℃で１分間溶融混練した。つぎに、この溶融物を圧延ロールで圧延、冷却した後粉砕したものをプレス装置を用いて打錠することにより目的とする半導体封止用エポキシ樹脂組成物（タブレット）を作製した。

得られた各エポキシ樹脂組成物を用い、下記の方法にしたがって熱伝導率を測定した。また、上記各エポキシ樹脂組成物を用いて半導体装置を製造し、このときの成形性を下記の方法にしたがって測定・評価した。これらの結果を下記の表３〜表４に示した。

〔熱伝導率〕
各エポキシ樹脂組成物を用いて、低圧トランスファー成形装置（ＴＯＷＡ社製の自動成型機、ＣＰＳ−４０Ｌ）にて成形温度１７５℃×成形時間９０秒の成形条件にて厚み１ｍｍの円板形状の試験用成形物を成形し、さらに１７５℃×５時間にて後硬化することにより熱伝導率測定用試験片を作製した。そして、これを用いて、京都電子工業社製の熱線法熱伝導率測定装置にて、試験片の熱伝導率を測定・評価した。なお、熱伝導率が３．０Ｗ／ｍＫ以上のものを本発明では良好なものと評価した。

〔成形性〕
各エポキシ樹脂組成物を用いて低圧トランスファー成形装置（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、１７５℃×５時間で後硬化することにより半導体装置を得た。この半導体装置は、ＰＢＧＡ（３５ｍｍ×３５ｍｍ）であり、チップサイズは６ｍｍ×６ｍｍである。そして、作製したこのパッケージを軟Ｘ線解析装置を用いて、ボイドの発生，ワイヤー流れ等を観察した。その結果、パッケージに何ら問題がなく良好なものが得られたものを○、パッケージ内にボイドの発生やワイヤー流れが確認されたものを×として評価した。

上記結果から、実施例品は、いずれも熱伝導率が３．０Ｗ／ｍＫ以上であり、熱伝導性に優れたものであることがわかる。しかも、パッケージにボイド等の発生も無く成形性に関しても良好な結果が得られた。

これに対して、微粉末の熱伝導性フィラーを含有しない比較例１品、また微粉末の熱伝導性フィラーの含有量が前述の特定の割合を外れ、少な過ぎる比較例２，４品、および多過ぎる比較例３，５品は、熱伝導率は３．０Ｗ／ｍＫ以上であり、熱伝導性に関しては同等のものが得られたが、パッケージにボイドの発生や、未充填部分，ワイヤー流れが確認され、成形性に劣るものであった。

Claims (5)

1. （Ａ）熱硬化性樹脂、（Ｂ）硬化剤および（Ｃ）熱伝導性フィラーを含有してなる半導体封止用樹脂組成物であって、上記（Ｃ）熱伝導性フィラーが、下記に示す熱伝導性フィラー（α）を上記（Ｃ）熱伝導性フィラー全体の５〜４０重量％の範囲で含有することを特徴とする半導体封止用樹脂組成物。
   （α）平均粒径２μｍ未満の熱伝導性フィラー。
2. 上記（Ｃ）熱伝導性フィラーが、アルミナ粉末，結晶性シリカ粉末，酸化マグネシウム粉末，窒化アルミニウム粉末，窒化珪素粉末および金属珪素粉末からなる群から選ばれた少なくとも一つである請求項１記載の半導体封止用樹脂組成物。
3. 上記熱硬化性樹脂がエポキシ樹脂である請求項１または２記載の半導体封止用樹脂組成物。
4. 上記（Ｃ）熱伝導性フィラーが、球状粒子である請求項１〜３のいずれか一項記載の半導体封止用樹脂組成物。
5. 請求項１〜４のいずれか一項記載の半導体封止用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。