JP2009227962A - 封止用エポキシ樹脂組成物および半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】Ａｇ、Ｐｄ、Ｐｄ−Ａｕ等との接着性が高く、さらに吸湿リフロー後の剥離も抑制できる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を提供する。
【解決手段】常温で固形のエポキシ樹脂、硬化剤、および無機充填材を必須成分とする封止用エポキシ樹脂組成物であって、一般式（Ｉ）
（Ｒ¹Ｒ²Ｒ³Ｒ⁴）Ｐ・ＳＣＮ （Ｉ）
（式中、Ｒ¹〜Ｒ⁴はそれぞれ独立に１価の炭化水素基を示す。）で表される化合物を含有することを特徴とする。
【選択図】なし

Description

本発明は、封止用エポキシ樹脂組成物および半導体装置に関するものである。

電気、電子部品等に用いられる半導体チップの封止は、エポキシ樹脂組成物を用いた低圧トランスファー成形が主流となっている。

また、集積回路（ＩＣ）、大規模集積回路（ＬＳＩ）、超大規模集積回路（ＶＬＳＩ）等の半導体チップの高密度化、高集積化に伴い、それらの実装方式は、挿入実装から表面実装に移り変わりつつある。

また、実装時に用いられるはんだについては、環境対応の観点から鉛フリー化が進んでいる。そのため、従来の共晶はんだを用いた場合に比較して実装温度が約２０℃上昇し、吸湿リフロー後の半導体パッケージ内における剥離の発生頻度が上がるという問題が見られるようになった。

さらに、近年、集積回路のリードフレームとして４２アロイ合金あるいはＣｕ合金に銀（Ａｇ）メッキが施されているものや、はんだメッキに代わるものとして、パラジウム（Ｐｄ）、パラジウム−金（Ｐｄ−Ａｕ）等によりメッキが施されているものが用いられるようになってきた。しかし、このようなメッキ処理を行うことにより、封止用エポキシ樹脂組成物とリードフレームとの接着性が低下したり、吸湿リフロー後の剥離が生じたりするという新たな問題が生じていた。

そこで、封止用エポキシ樹脂組成物の接着性や耐熱性を向上するために、様々な試みがなされてきた。具体的には、特殊な構造を有する樹脂を用い、封止用エポキシ樹脂組成物そのものを低吸湿化、低弾性化することにより、リードフレームとの接着性を上げることが提案されている（特許文献１、２参照）。しかし、このような封止用エポキシ樹脂組成物においてもＡｇ、Ｐｄ、Ｐｄ−Ａｕ等に対する接着性が十分とは言い難い上、樹脂骨格等に起因して十分な成形性や電気特性が得られないという問題点があった。

また、シリコーン化合物を添加することにより低弾性化した封止用エポキシ樹脂組成物も提案されているが（特許文献３、４参照）、このような封止用エポキシ樹脂組成物においてもＡｇ、Ｐｄ、Ｐｄ−Ａｕ等に対する接着性の大幅な向上は実現されず、反対に吸湿性が高くなるという新たな問題点が生じていた。

一方、金属表面への接着性の向上の観点から、硫黄原子を有する化合物が注目されており、例えば、ジフェニルジスルフィド等の芳香族炭化水素基に結合するジスルフィド基を持つ化合物が提案されている（特許文献５、６、７参照）。
特開平５−２２６５２３号公報 特開平５−２９１４３９号公報 特開平５−０２１６５１号公報 特開平７−１５００１４号公報 特開２００５−００２２２１号公報 特開２００４−２８５３１６号公報 特開２００５−２７２７３９号公報

しかしながら、Ａｇ、Ｐｄ、Ｐｄ−Ａｕ等との接着性が高く、しかも吸湿リフロー後の剥離の少ない封止用エポキシ樹脂組成物は依然として実現されていないのが現状である。

本発明は、以上の通りの事情に鑑みてなされたものであり、Ａｇ、Ｐｄ、Ｐｄ−Ａｕ等との接着性が高く、さらに吸湿リフロー後の剥離も抑制できる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を提供することを課題としている。

本発明は、上記の課題を解決するために、以下のことを特徴としている。

第１に、本発明の封止用エポキシ樹脂組成物は、常温で固形のエポキシ樹脂、硬化剤、および無機充填材を必須成分とする封止用エポキシ樹脂組成物であって、一般式（Ｉ）
（Ｒ¹Ｒ²Ｒ³Ｒ⁴）Ｐ・ＳＣＮ （Ｉ）
（式中、Ｒ¹〜Ｒ⁴はそれぞれ独立に１価の炭化水素基を示す。）で表される化合物を含有することを特徴とする。

第２に、上記第１の封止用エポキシ樹脂組成物において、一般式（Ｉ）で表される化合物の含有量が、封止用エポキシ樹脂組成物の全量に対して０．０１〜１質量％であることを特徴とする。

第３に、上記第１または第２の封止用エポキシ樹脂組成物において、硬化剤として、フェノール樹脂系硬化剤を含有することを特徴とする。

第４に、本発明の半導体装置は、上記第１ないし第３のいずれかの封止用エポキシ樹脂組成物を用いて半導体チップが封止されていることを特徴とする。

上記第１の発明によれば、一般式（Ｉ）で表される化合物を封止用エポキシ樹脂組成物に配合することで、Ａｇ、Ｐｄ、Ｐｄ−Ａｕ等でメッキされたリードフレームに対しても高い接着性が得られ、耐湿信頼性も向上する。

上記第２の発明によれば、一般式（Ｉ）で表される化合物を上記の特定範囲内の量で配合することで、上記第１の発明の効果に加え、より確実に、リードフレームに対して高い接着性を発揮し、さらに耐湿信頼性も向上する。そして高い成形性も得ることができる。

上記第３の発明によれば、硬化剤として、フェノール樹脂系硬化剤を用いることで、上記第１および第２の発明の効果に加え、一般式（Ｉ）で表される化合物の使用によるリードフレームに対する接着性の向上作用および耐湿信頼性の向上作用が高く発揮される。

上記第４の発明によれば、上記第１ないし第３の発明の封止用エポキシ樹脂組成物を用いて封止されているので、封止材のリードフレームに対する接着性と吸湿リフロー性が優れている。

以下、本発明を詳細に説明する。

本発明に用いられるエポキシ樹脂は、特に限定されないが、例えば一般に半導体封止用として用いられるものであって常温（１５℃〜３５℃、好ましくは１８℃〜３０℃）で固形であるものを用いることができる。このようなエポキシ樹脂の具体例としては、ｏ−クレゾールノボラック型エポキシ樹脂、フェノールノボラック型エポキシ樹脂、ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂、ナフタレン環含有エポキシ樹脂等が挙げられる。これらは１種単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。また、エポキシ樹脂は常温で液状であっても、他の原料、例えば他のエポキシ樹脂や硬化剤等と、混合または反応させることにより固形とすることができるものであれば、問題なく用いることができる。

本発明において、硬化剤としては、フェノール樹脂系硬化剤が好ましく用いられる。フェノール樹脂系硬化剤の具体例としては、フェノールノボラック樹脂、ジシクロペンタジエン型フェノール樹脂、フェノールアラルキル樹脂、クレゾールノボラック樹脂、ナフトールアラルキル樹脂等のナフタレン骨格含有フェノール樹脂、多価フェノール化合物等が挙げられる。これらは１種単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。

硬化剤の配合量は、特に限定されないが、例えばエポキシ樹脂との当量比（硬化剤の当量／エポキシ樹脂の当量）が０．５〜１．５となる量とすることができる。

本発明に用いられる無機充填材の具体例としては、溶融シリカ、結晶シリカ、アルミナ、窒化ケイ素、窒化アルミニウム等が挙げられる。これらは１種単独で用いてもよく、２種以上を併用して用いてもよい。

無機充填材の配合量は、封止用エポキシ樹脂組成物の全量に対して好ましくは６０〜９３質量％である。無機充填材の配合量が少な過ぎると、熱伝導性、熱膨張率等の特性が低下する場合がある。無機充填材の配合量が多過ぎると、成形時の流動性と金型充填性が低下する場合がある。

本発明に用いられる一般式（Ｉ）で表される化合物は、チオシアネートを有するホスホニウム塩化合物である。一般式（Ｉ）のＲ¹〜Ｒ⁴で示される１価の炭化水素基の具体例としては、フェニル基、メチルフェニル基等のアリール基、アルキル基、シクロアルキル基等が挙げられる。

一般式（Ｉ）で表される化合物の具体例としては、テトラフェニルホスホニウムチオシアネート、（４−メチルフェニル）トリフェニルホスホニウムチオシアネート等が挙げられる。テトラフェニルホスホニウムチオシアネートおよび（４−メチルフェニル）トリフェニルホスホニウムチオシアネートは、硬化促進剤としても作用し、他の硬化促進剤を配合せずにこれらの化合物を配合して用いることができ、またトリフェニルホスフィン（ＴＰＰ）等の他の硬化促進剤と併用して用いることもできる。

一般式（Ｉ）で表される化合物の配合量は、封止用エポキシ樹脂組成物の全量に対して好ましくは０．０１〜１質量％、より好ましくは０．１〜０．５質量％である。当該配合量が少な過ぎると、リードフレームとの接着性および吸湿リフロー性が十分に向上しない場合がある。当該配合量が多過ぎると、封止用エポキシ樹脂組成物の成形性が著しく悪化し、良好な成形物を得られなくなる場合がある。

本発明の封止用エポキシ樹脂組成物には、本発明の効果を損なわない範囲内において、上記以外の成分を配合することができる。このような成分の具体例としては、カルナバワックス、ポリエチレンワックス、ステアリン酸、モンタン酸、カルボキシル基含有ポリオレフィン等の離型剤；γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン等のシランカップリング剤；トリフェニルホスフィン（ＴＰＰ）、トリメチルホスフィン等の有機リン化合物類、２−メチルイミダゾール、２−フェニル−４−メチルイミダゾール、２−フェニ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、トリエタノールアミン、ベンジルジメチルアミン等の三級アミン類等の硬化促進剤；リン系難燃剤、ブロム化合物、三酸化アンチモン等の難燃剤；カーボンブラック、有機染料等の着色剤；表面がシリコーンレジンによって被覆されたシリコーンゴムパウダー等の改質剤を挙げることができる。

本発明の封止用エポキシ樹脂組成物は、例えば、上記のエポキシ樹脂、硬化剤、無機充填材、一般式（Ｉ）で表される化合物、および必要に応じて他の成分を配合し、ミキサー、ブレンダー等を用いて十分均一になるまで混合した後、熱ロールやニーダー等の混練機により加熱状態で溶融混合し、これを室温に冷却した後、公知の手段によって粉砕することにより製造することができる。なお、封止用エポキシ樹脂組成物は、取り扱いを容易にするために、成形条件に合うような寸法と質量を有するタブレットとしてもよい。

本発明の半導体装置は、上記のようにして得られた封止用エポキシ樹脂組成物を用いてＩＣチップ、ＬＳＩチップ等の半導体チップを封止することにより製造することができる。この封止には、トランスファー成形、コンプレッション成形、インジェクション成形などの従来より用いられている成形方法を適用することができる。

トランスファー成形を適用する場合、例えば、半導体チップを搭載したリードフレームを成形金型のキャビティに配置した後、キャビティに封止用エポキシ樹脂組成物を充填し、これを加熱下にて硬化させることで、半導体チップを封止用エポキシ樹脂組成物で封止した半導体装置を製造することができる。

トランスファー成形を適用する場合、例えば、金型温度１７０〜１８０℃、成形時間３０〜１２０秒に設定することができるが、金型温度、成形時間およびその他の成形条件は、封止用エポキシ樹脂組成物の配合組成等に応じて適宜に変更すればよい。

本発明の半導体装置の具体例としては、リードフレーム上に半導体チップを固定し、ボンディングパッド等の半導体チップの端子部と、リードフレームのリード部とをワイヤボンディングやバンプで接続した後、封止用エポキシ樹脂組成物を用いてトランスファー成形等により封止してなる、ＤＩＰ（Dual Inline Package）、ＰＬＣＣ（Plastic Leaded Chip Carrier）、ＱＦＰ（Quad Flat Package）、ＳＯＰ（Small Outline Package）、ＳＯＪ（Small Outline J-lead package）、ＴＳＯＰ（Thin Small Outline Package）、ＴＱＦＰ（Thin Quad Flat Package）、ＬＱＦＰ（Low profile Quad Flat Package）等が挙げられる。

以下、実施例により本発明をさらに詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではない。

表１に示す配合量（質量部）で各成分を配合し、ブレンダーで３０分間混合して均一化した後、８０℃に加熱したニーダーで混練溶融させて押し出し、冷却した後、粉砕機で所定の粒度に粉砕して粉粒状の封止用エポキシ樹脂組成物を得た。

なお、エポキシ樹脂として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、ＥＳＣＮ−１９５ＸＬ−３、エポキシ当量１９５）または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、ＹＸ４０００Ｈ、エポキシ当量 １９５）を用いた。

また、硬化剤としてフェノールノボラック樹脂（荒川化学工業（株）製、タマノル７５２、水酸基当量 １０４）またはフェノールアラルキル樹脂（三井化学（株）製、ミレックスＸＬＣ−３Ｌ、水酸基当量１７２）を用いた。

さらに、難燃剤としてブロム化エポキシ樹脂（住友化学工業（株）製、ＥＳＢ４００Ｔ、エポキシ当量４００）および三酸化アンチモンを、離型剤としてカルナバワックスを、着色剤としてカーボンブラックを、無機充填材として溶融シリカ（平均粒径２０μｍ）を、そしてシランカップリング剤としてγ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン（信越化学工業（株）製、ＫＢＭ４０３）を用いた。

このようにして得られた実施例１〜１０および比較例１、２の封止用エポキシ樹脂組成物を用いて次の評価を行った。
[接着強度]
上記の封止用エポキシ樹脂組成物を用いて、Ａｇメッキ、Ｐｄメッキ、またはＰｄ−Ａｕメッキを施したＣｕ合金基板上に接着面積４ｍｍ^２の成形品をトランスファー成形し、次いで１７５℃、６時間の後硬化を行い評価用チップを得た。この評価用チップの剪断方向に荷重をかけて成形品とメッキ基板とが剥離するまでの剪断接着力（ＭＰａ）を測定した。
[吸湿リフロー性]
上記の封止用エポキシ樹脂組成物を用いて、Ｃｕ合金リードフレームにＡｇメッキ、Ｐｄメッキ、またはＰｄ−Ａｕメッキを施した２８ｍｍ×２８ｍｍ×３．２ｍｍの１６０ピンＱＦＰパッケージをトランスファー成形し、次いで１７５℃、６時間の後硬化を行い評価用チップを得た。このチップ面を超音波探査装置により観察して、Ａｇメッキ、Ｐｄメッキ、Ｐｄ−Ａｕメッキ部分の剥離の有無を確認した。

さらにその後、８５℃ ８５％ＲＨで７２時間吸湿処理を行い、ＩＲリフロー炉にてＭａｘ ２４０℃でリフロー処理を行った。この後、チップ面を超音波探査装置により観察し、Ａｇメッキ、Ｐｄメッキ、Ｐｄ−Ａｕメッキ部分の剥離の有無を確認した。剥離の確認されたものを不良と判定して１０個当たりの不良数を評価した。

接着強度および吸湿リフロー性の評価結果を表１に示す。

表１より、エポキシ樹脂、硬化剤、無機充填材、および０．０１〜１質量％のテトラフェニルホスホニウムチオシアネートまたは（４−メチルフェニル）トリフェニルホスホニウムチオシアネートを含有する封止用エポキシ樹脂組成物（実施例１〜１０）では、テトラフェニルホスホニウムチオシアネートまたは（４−メチルフェニル）トリフェニルホスホニウムチオシアネートにより、Ａｇ、Ｐｄ、Ｐｄ−Ａｕメッキされたリードフレームに対する接着性が高くなり、吸湿リフロー後の剥離もほとんど起こらなかった。

特に、０．１質量％と０．５質量％のテトラフェニルホスホニウムチオシアネートまたは（４−メチルフェニル）トリフェニルホスホニウムチオシアネートを含有する封止用エポキシ樹脂組成物（実施例３〜５、８〜１０）は、高いリードフレーム接着性と優れた吸湿リフロー性を示した。

一方、テトラフェニルホスホニウムチオシアネートおよび（４−メチルフェニル）トリフェニルホスホニウムチオシアネートを含有しない封止用エポキシ樹脂組成物（比較例１、２）では、十分なリードフレーム接着性が得られず、全ての評価用チップにおいて吸湿リフロー後に剥離が生じた。

以上より、本発明により、Ａｇ、Ｐｄ、Ｐｄ−Ａｕ等でメッキされたリードフレームに対する高い接着性と優れた吸湿リフロー性を示す封止用エポキシ樹脂組成物が提供されることが確認された。

Claims (4)

1. 常温で固形のエポキシ樹脂、硬化剤、および無機充填材を必須成分とする封止用エポキシ樹脂組成物であって、一般式（Ｉ）
   （Ｒ¹Ｒ²Ｒ³Ｒ⁴）Ｐ・ＳＣＮ （Ｉ）
   （式中、Ｒ¹〜Ｒ⁴はそれぞれ独立に１価の炭化水素基を示す。）で表される化合物を含有することを特徴とする封止用エポキシ樹脂組成物。
2. 一般式（Ｉ）で表される化合物の含有量が、封止用エポキシ樹脂組成物の全量に対して０．０１〜１質量％であることを特徴とする請求項１に記載の封止用エポキシ樹脂組成物。
3. 硬化剤として、フェノール樹脂系硬化剤を含有することを特徴とする請求項１または２に記載の封止用エポキシ樹脂組成物。
4. 請求項１ないし３いずれか一項に記載の封止用エポキシ樹脂組成物を用いて半導体チップが封止されていることを特徴とする半導体装置。