JP2008201987A - 半導体封止用エポキシ樹脂組成物及び半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ハンダリフロー処理において、パッケージクラックの発生を低減することができる半導体封止用エポキシ樹脂組成物の提供。
【解決手段】エポキシ樹脂、フェノール樹脂、及び無機充填材を含有する半導体封止用エポキシ樹脂組成物で、前記エポキシ樹脂中に下記式（１）（ｎは１〜５の整数を示す）で示される骨格を有するエポキシ樹脂を含有し、かつ、前記フェノール樹脂中に特定構造の骨格を有するフェノール樹脂を含有する半導体封止用エポキシ樹脂組成物を用いる。

【選択図】なし

Description

本発明は半導体装置の製造において、半導体素子の封止に好適に用いられるエポキシ樹脂組成物及びそれを用いて得られる半導体装置に関する。

近年、電子機器の小型化、薄型化に伴い、半導体装置はハンダリフロー工程を経る表面実装法を用いて実装される、表面実装型パッケージが主流となっている。

表面実装型パッケージは、半導体素子をエポキシ樹脂組成物からなる封止材で封止することにより形成される。

エポキシ樹脂組成物からなる封止材で封止された表面実装型パッケージにおいては、封止材が空気中の水分を吸湿する。そして、吸湿した水分が表面実装工程におけるハンダリフロー際の高温条件下で気化膨張することにより、表面実装型パッケージにクラックを生じさせたり、半導体素子やリードフレーム等との間でハクリを生じさせるという問題があった。

前記問題を解決する方法としては、例えば、下記特許文献１には、無機充填材を高い割合で含有するエポキシ樹脂組成物を封止材として用いて、封止材中のエポキシ樹脂成分の量を相対的に低下させることにより、封止材を構成するエポキシ樹脂組成物全体としての吸湿性を低下させる技術が開示されている。
特開平１０−１８２９４７号公報

しかしながら、特許文献１に開示された、無機充填材を高い割合で含有させたエポキシ樹脂組成物は、封止成形の際の流動性が低く、得られる成形体の薄肉部に未充填部分を生じたり、成形体内部にボイドが生じたりするという未充填部分が発生するという問題があった。そして、前記未充填部分は半導体素子と封止材との剥離の原因になったり、ハンダリフローの高温条件下においてボイド内に存在する空気や水分等が膨張することによるクラック発生の原因になる。

特に、近年、半導体装置における回路の高密度化に伴い、半導体装置に内蔵される端子間のピッチや搭載される半導体素子間のギャップはますます狭くなり、その形状も複雑化しているために、前記未充填部分やボイドが従来の半導体装置等に比べて、より、発生しやすくなっている。

一方、近年、リフローハンダとしては環境負荷の低い、鉛フリーハンダが用いられてきている。鉛フリーハンダは、鉛含有ハンダに比べて融点が高いために、ハンダリフローの温度が、鉛含有ハンダに比べて１０〜３０℃程度も高く設定される。従って、このような、従来よりも高い温度で行われるハンダリフロー工程においては、クラック等がさらに生じやすくなっている。

本発明は、前記従来技術の問題点に鑑み、半導体素子の封止に用いられるエポキシ樹脂組成物であって、ハンダリフロー工程において生じるクラックの発生を抑制することができる半導体封止用エポキシ樹脂組成物及びそれから得られる半導体装置を提供することを目的とする。

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、フェノール樹脂、及び無機充填材を含有する半導体封止用エポキシ樹脂組成物であって、前記エポキシ樹脂中に下記式（１）で示される骨格を有するエポキシ樹脂を含有し、かつ、前記フェノール樹脂中に下記式（２）で示される骨格を有するフェノール樹脂を含有することを特徴とするものである。

（ｎは１〜５の整数を示す）

（ｍは１〜５の整数を示す）

本発明のエポキシ樹脂組成物においては、前記式（１）で示される骨格を有するエポキシ樹脂及び前記式（２）で示される骨格を有するフェノール樹脂を含有することにより、封止成形の際の高い充填性を維持でき、また、半導体素子やリードフレーム等に対する高い密着性も維持することができる。その結果として、ハンダリフローの際に半導体装置に発生するクラックの発生を低減させることができる。

また、本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物に含有されるエポキシ樹脂全量中の前記式（１）で示される骨格を有するエポキシ樹脂の含有割合が２０〜５０質量％であることが好ましい。このような含有割合で前記式（１）で示される骨格を有するエポキシ樹脂を含有させることにより、高い充填性を維持しながら、半導体素子等との密着性をより高めることができ、その結果、ハンダリフローの際のクラックの発生をより低減させることができる。

また、本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物に含有されるフェノール樹脂成分全量中の前記式（２）で示される骨格を有するフェノール樹脂の含有割合が５０〜１００質量％であることが好ましい。このような含有割合で前記式（２）で示される骨格を有するフェノール樹脂を含有させることにより、さらに高い充填性が得られ、その結果、前記クラックの発生をより低減させることができる。

また、前記無機充填材の含有割合が８７質量％以上であることが好ましい。このような含有割合で無機充填材を含有させることにより、得られる封止材の吸湿性をより低下させることができ、その結果、前記クラックの発生をより低減させることができる。

そして、本発明の半導体装置は前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ことを特徴とするものである。このような半導体装置はハンダリフローによる表面実装の際にクラックが生じにくいものである。

本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物は、半導体素子の封止の際において、高い充填性を備える。従って、ハンダリフローの際にパッケージクラックが発生しにくい半導体装置を得ることができる。

以下に本発明を具体的に説明する。

本発明で用いられるエポキシ樹脂は、必須成分として前記式（１）で示される骨格を有するエポキシ樹脂（以下、式（１）のエポキシ樹脂とも呼ぶ）を含有するものである。

前記式（１）のエポキシ樹脂は、前記式（２）のフェノール樹脂と組み合わせて用いることにより、半導体素子やリードフレームに対する密着性を高め、その結果、得られる半導体装置のハンダリフローの際に生じるクラックの発生を抑制することができる。

式（１）のエポキシ樹脂のエポキシ当量としては、２６５〜２８５ｇ／ｅｑの範囲であることが好ましい。

前記式（１）で示される骨格を有するエポキシ樹脂としては、市販品として、例えば、日本化薬（株）製のＮＣ３０００が挙げられる。

エポキシ樹脂全量に対する前記式（１）のエポキシ樹脂の含有割合としては、２０〜５０質量％、さらには２０〜３０質量％であることが、高い充填性を維持しながら、上記クラックの発生を充分に抑制することができる点から好ましい。

前記式（１）で示される骨格を有するエポキシ樹脂と組み合わせて用いられるその他のエポキシ樹脂としては、従来から知られたエポキシ樹脂が特に限定なく用いられる。その具体例としては、例えば、ビフェニル型エポキシ樹脂、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、ビスフェノール型エポキシ樹脂、スチルベン型エポキシ樹脂、トリフェノールメタン型エポキシ樹脂、フェノールアラルキル型エポキシ樹脂、ナフトール型エポキシ樹脂、ナフタレン型エポキシ樹脂などを用いることができる。これらは単独でも、２種以上を組み合わせて用いてもよい。

本発明のエポキシ樹脂組成物全量中のエポキシ樹脂の含有割合は、２〜１５質量％、さらには５〜１５質量％であることが好ましい。

本発明で用いられるフェノール樹脂はエポキシ樹脂を硬化させるための硬化剤であり、必須成分として前記式（２）で示される骨格を有するフェノール樹脂（以下、式（２）のフェノール樹脂とも呼ぶ）を含有するものである。

前記式（２）のフェノール樹脂は、上記式（１）のエポキシ樹脂と併用することにより、半導体素子等との高い密着性を維持しながら、成形時の充填性に優れたエポキシ樹脂組成物が得られる。その結果、得られる半導体装置のハンダリフローの際に生じるクラックの発生を抑制することができる。

式（２）のフェノール樹脂の水酸基当量としては、１５０〜１７０ｇ／ｅｑの範囲であることが好ましい。

前記式（２）で示される骨格を有するフェノール樹脂としては、市販品として、例えば、大日本インキ化学工業（株）製のＣＺ−２５６Ａが挙げられる。

前記式（２）のフェノール樹脂のフェノール樹脂全量中の含有割合としては、５０〜１００質量％、さらには５０〜８０質量％であることが、充填性により優れたエポキシ樹脂組成物が得られ、得られる半導体装置のハンダリフローの際に生じるクラックの発生を充分に抑制することができる点から好ましい。

前記式（２）で示される骨格を有するフェノール樹脂と組み合わせて用いられるその他のフェノール樹脂としては、エポキシ樹脂の硬化剤として従来から知られたフェノール樹脂が特に限定なく用いられる。具体例としては、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、フェノールアラルキル樹脂、ナフトールアラルキル樹脂等の各種多価フェノール化合物あるいはナフトール化合物等が挙げられる。

本発明のエポキシ樹脂組成物に配合されるフェノール樹脂成分の割合は特に限定されないが、全エポキシ樹脂に対する配合割合で全エポキシ樹脂／全フェノール樹脂＝０．５〜１．５（当量比）、好ましくは０．８〜１．２であることが好ましい。このような配合割合で配合した場合には、充分にエポキシ樹脂を硬化させることができる。

なお、本発明の樹脂組成物は硬化反応を促進させるために、硬化促進剤を含有することが好ましい。硬化促進剤としてはエポキシ樹脂成分とフェノール樹脂成分との硬化反応を促進することができるものであれば特に限定なく用いることができる。具体的には、例えば、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、トリブチルホスフィン、トリメチルホスフィン等の有機ホスフィン化合物、１，８−ジアザ−ビシクロ（５，４，０）ウンデセン−７、トリエチレンジアミン、ベンジルジメチルアミンなどの三級アミン類、２−メチルイミダゾール、２−エチル−４−メチルイミダゾール、２−フェニルイミダゾール、２−フェニルイミダゾールなどのイミダゾール類等が挙げられる。硬化促進剤は全樹脂成分（エポキシ樹脂成分とフェノール樹脂成分との合計量）に対して０．１〜５質量％配合するのが好ましい。硬化促進剤の配合割合が前記範囲の場合には、成形時の樹脂の流動性を充分維持しながら、硬化促進効果を充分に高めることができる。

本発明のエポキシ樹脂組成物は無機充填材を含有する。前記無機充填材の含有割合としては、エポキシ樹脂組成物の全量に対して８０〜９３質量％、さらには、８５〜９３質量％、好ましくは８７〜９３質量％程度であることが好ましい。無機充填材を含有することにより、エポキシ樹脂組成物全体としての吸湿性を低下させることができる。その結果、ハンダリフローの際のクラックの発生をさらに抑制することができる。前記配合割合がエポキシ樹脂組成物の全体量に対して多すぎる場合には、樹脂の成形流動性が低下しパッケージの未充填箇所が生じやすくなり、また、エポキシ樹脂組成物の粘度が増大して封止材料中に空気の混入が生じやすく、そのため内部にボイドなどが生じてハンダリフロー時にパッケージにクラックが発生しやすくなる。また、前記配合割合が少なすぎる場合にはエポキシ樹脂組成物の吸湿性を充分に低下させることができず、ハンダリフロー時にパッケージにクラックが発生しやすくなる。

前記無機充填材としては、例えば、溶融シリカ、結晶シリカ、アルミナ、窒化珪素等の従来からエポキシ樹脂組成物の無機充填材として用いられているものを用いることができる。これらは単独で用いてもよく、また、２種以上を組み合わせて用いてもよい。これらの中ではシリカを用いることが好ましい。

また、本発明のエポキシ樹脂組成物には、上記以外の成分として、本発明の目的とする所望の特性を阻害しない範囲で従来公知の添加剤、例えば離型剤、シランカップリング剤、着色剤、難燃剤、難燃助剤、流動改質剤、滑剤等を必要に応じて添加してもよい。

前記離型剤としては、例えばカルナバワックス、ステアリン酸、モンタン酸、カルボシキル基含有ポリオレフィン等が好ましく用いられる。

また、前記シランカップリング剤としては、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等が好ましく用いられる。

また、前記着色剤としてはカーボンブラック等が好ましく用いられる。

本発明のエポキシ樹脂組成物を調製するにあたっては、エポキシ樹脂成分、フェノール樹脂成分、無機充填材及びその他の成分を所定の量配合し、ミキサーやブレンダーなどで均一に混合した後、ニーダーやロール等で加熱しながら混練する。そして、混練後に、冷却固化し、粉砕して粉状に形成してもよい。前記混練時の温度としては、エポキシ樹脂及びフェノール樹脂の組成にもよるが、９０〜１１５℃程度で溶融混練することが好ましい。

前記のようにして得られた本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物を用いて半導体装置を製造するにあたっては、リードフレームや基板等に半導体素子を搭載した後、これを前記エポキシ樹脂組成物で封止する。この封止にはトランスファー成形（トランスファーモールド）等を採用することができ、半導体素子を搭載したリードフレームや基板等を金型内のキャビティに配置した後、キャビティに上記の半導体封止用エポキシ樹脂組成物を充填し、これを加熱して硬化させて封止を形成するものである。このトランスファー成形を採用した場合の金型の温度は１７０〜１８０℃、成形時間は３０〜１２０秒に設定することができるが、金型の温度や成形時間及びその他の成形条件は、従来の封止成形と同様に設定することができ、半導体封止用エポキシ樹脂組成物の材料の種類や製造される半導体装置の種類によって適宜設定変更できる。

以下に、本発明を実施例により、さらに具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。

表１に示すような配合割合（質量％）で、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、無機充填材、シランカップリング剤、カルナバワックス、カーボンブラック、硬化促進剤をブレンダーで３０分間混合し均一化した後、８０℃に加熱した２本ロールで溶融混練し、冷却後粉砕機で粉砕して半導体封止用エポキシ樹脂組成物を調製した。
なお、実施例及び比較例においては次の原材料を用いた。

・式（１）で示される骨格を有するエポキシ樹脂：日本化薬（株）製のＮＣ３０００（エポキシ当量２７７ｇ／ｅｑ）
・ビフェニル型エポキシ樹脂：ジャパンエポキシレジン（株）製のＹＸ４０００Ｈ（エポキシ当量１９６ｇ／ｅｑ）
・ｏ−クレゾールノボラック型エポキシ樹脂：住友化学工業（株）製ＥＳＣＮ１９５ＸＬ（エポキシ当量１９５ｇ／ｅｑ）
・式（２）で示される骨格を有するフェノール樹脂：大日本インキ化学工業（株）製のＣＺ−２５６Ａ（水酸基当量１６０ｇ／ｅｑ）
・フェノールアラルキル樹脂：三井化学（株）製のＸＬ−２２５（水酸基当量１７６ｇ／ｅｑ）
・無機充填材：電気化学工業（株）製ＦＢ８２０（シリカ）
・シランカップリング剤：信越化学工業（株）製ＫＢＭ４０３（γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン）
・カルナバワックス：大日化学（株）製Ｆ１−１００
・カーボンブラック：三菱化学（株）製４０Ｂ
・ 硬化促進剤：北興化学工業（株）トリフェニルホスフィン

上記のように調製した各組成物を用いて、以下に示す方法により評価を行った。
［スパイラルフロー流動性］
ＡＳＴＭ Ｄ３１２３に準じたスパイラルフロー測定金型を用いて、下記成形条件により流動距離（ｃｍ）を測定した。
（成形条件）
金型温度１７５℃、注入圧力６．９ＭＰａ、成形時間９０秒間、後硬化１７５℃／６時間
［充填性］
充填性１：
Ｃｕリードフレームに寸法８×９×０．４（ｍｍ）のテスト用チップを銀ペーストを用いて搭載した外形寸法１４×１４×１．０（ｍｍ）の１２８ｐｉｎＴＱＦＰ（Ｔhin Ｑuad Ｆlat Ｐackage）のパッケージを各エポキシ樹脂組成物を用いて上記成形条件でトランスファー成形により封止成形し、評価用試料を作製した。
そして、実体顕微鏡にて、径が０．１ｍｍ以上の未充填ボイドの数を確認し、試験パッケージ数（２０個）に対する未充填ボイドが発生したパッケージ数を評価した。
充填性２：
充填性１で評価したパッケージを、軟Ｘ線装置にて撮影した写真により未充填ボイドの径を計測し、その最大値（ｍｍ）にて評価した。

［耐リフロークラック性］
Ｃｕリードフレームに８×９×０．４ｍｍのテスト用チップを銀ペーストにより搭載した外形寸法２８×２８×３．２ｍｍの１６０ｐｉｎＱＦＰ（Ｑuad Ｆlat Ｐackage）のパッケージを各エポキシ樹脂組成物を用いて上記成形条件でトランスファー成形することにより封止成形し、評価用試料を作製した。
次に、前記評価用試料を温度８５℃、湿度８５％の条件で７２時間、９６時間、１６８時間でそれぞれ吸湿処理した後、ＩＲリフロー装置により２６０℃、１０秒間の条件でリフロー処理を行なった。そして、評価用試料１０個中のパッケージクラックが発生したパッケージの数を数えた。

結果を表１に示す。

表１の結果より、式（１）のエポキシ樹脂及び式（２）のフェノール樹脂を含有する実施例１〜６のエポキシ樹脂組成物は、式（１）のエポキシ樹脂又は式（２）のフェノール樹脂のいずれか一方、または、両方を含有しない比較例１〜４のエポキシ樹脂組成物に比べて、充填性及び耐リフロークラック性のいずれにおいても優れていることが分かる。

また、エポキシ樹脂全量中の式（１）のエポキシ樹脂の含有割合が低い（１３質量％）実施例４、及び高い（８３質量％）実施例５のエポキシ樹脂組成物は充填性及び耐リフロークラック性は実施例１〜３のエポキシ樹脂組成物に比べてやや劣っていた。

さらに、フェノール樹脂全量中の式（２）のフェノール樹脂の含有割合が低い（３５質量％）実施例６のエポキシ樹脂組成物も充填性及び耐リフロークラック性は実施例１〜３のエポキシ樹脂組成物に比べてやや劣っていた。

Claims (5)

1. エポキシ樹脂、フェノール樹脂、及び無機充填材を含有する半導体封止用エポキシ樹脂組成物であって、
   前記エポキシ樹脂中に下記式（１）で示される骨格を有するエポキシ樹脂を含有し、かつ、前記フェノール樹脂中に下記式（２）で示される骨格を有するフェノール樹脂を含有することを特徴とする半導体封止用エポキシ樹脂組成物。
   

   

   （ｎは１〜５の整数を示す）
   

   

   （ｍは１〜５の整数を示す）
2. エポキシ樹脂全量中の前記式（１）で示される骨格を有するエポキシ樹脂の含有割合が２０〜５０質量％である請求項１に記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成物。
3. フェノール樹脂全量中の前記式（２）で示される骨格を有するフェノール樹脂の含有割合が５０〜１００質量％である請求項１または請求項２に記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成物。
4. 前記無機充填材の含有割合が８７質量％以上である請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成物。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成物で半導体素子を封止成形して形成されることを特徴とする半導体装置。