JP2009286841A - 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】エリアアレイ型パッケージなどの薄型の半導体装置であってもパッケージの反りを有効に抑制することができ、保存安定性にも優れた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】エポキシ樹脂、フェノール性水酸基を有する硬化剤、硬化促進剤、および無機充填材を必須成分として含有する封止用エポキシ樹脂組成物であって、予めフェノール性水酸基を有する硬化剤に硬化促進剤の２−フェニル−４−メチル−５−ヒドロキシメチルイミダゾールを分散させてマスターバッチを調製し、当該マスターバッチを少なくともエポキシ樹脂および無機充填材を含む他の配合成分と共に混練して得られたものであ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。

従来、ＩＣ（集積回路）、ＬＳＩ（大規模集積回路）などの半導体チップの封止材としてセラミックや熱硬化性樹脂組成物が一般に用いられている。中でも、エポキシ樹脂組成物は経済性と性能のバランスの点で優れた封止材であり、近年の電子機器の小型化、薄型化にともない主流になりつつある表面実装型パッケージの封止材としてエポキシ樹脂組成物が広く用いられている（特許文献１参照）。

そして近年の表面実装型パッケージはさらに薄型化が進み、先端パッケージでは従来のリード端子パッケージではなく有機基板などをインターポーザとして用いたエリアアレイ型パッケージ、例えばＢＧＡ（Ball Grid Array）などが採用されている。このエリアアレイ型パッケージでは、半導体チップの薄型化にともない封止樹脂の厚みもさらに薄くなってきている。

しかしながら、このように表面実装型パッケージの薄型化が進行すると共に、封止樹脂とインターポーザとの熱膨張係数の差によってパッケージの反りが発生し易くなり、特にＢＧＡなどのエリアアレイ型パッケージでは反りの抑制が要求されている。すなわち、パッケージの反りが大きい場合、半導体装置の回路基板への実装時において半導体装置下面の半田と回路基板との導通が確保できなくなるといった不良モードが発生する。

このようなパッケージの反りを抑制するための手段の一つとして、封止用エポキシ樹脂組成物の硬化促進剤として２−フェニル−４−メチル−５−ヒドロキシメチルイミダゾールなどのイミダゾール類を用いることが、硬化物のガラス転移温度の調整などの点から有効であることが知られている。
特開２００６−２７３９０４号公報

しかしながら、２−フェニル−４−メチル−５−ヒドロキシメチルイミダゾールなどのイミダゾール類は、硬化促進剤としての活性が高いため、従来より知られている通常の方法に従って封止用エポキシ樹脂組成物を調製した場合、経時で硬化反応が徐々に進行してしまい、封止用エポキシ樹脂組成物の保存安定性が低下する。そのため、保存安定性の低下を抑制するために２−フェニル−４−メチル−５−ヒドロキシメチルイミダゾールなどのイミダゾール類を多量には配合できず、パッケージの反り抑制効果を十分には得られないという問題点があった。

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、エリアアレイ型パッケージなどの薄型の半導体装置であってもパッケージの反りを有効に抑制することができ、保存安定性にも優れた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、エポキシ樹脂、フェノール性水酸基を有する硬化剤、硬化促進剤、および無機充填材を必須成分として含有する封止用エポキシ樹脂組成物であって、予めフェノール性水酸基を有する硬化剤に硬化促進剤の２−フェニル−４−メチル−５−ヒドロキシメチルイミダゾールを分散させてマスターバッチを調製し、当該マスターバッチを少なくともエポキシ樹脂および無機充填材を含む他の配合成分と共に混練して得られたものであることを特徴とする。

第２に、本発明の半導体装置は、上記第１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、硬化促進剤として２−フェニル−４−メチル−５−ヒドロキシメチルイミダゾールを用いることで、エリアアレイ型パッケージなどの薄型の半導体装置であってもパッケージの反りを有効に抑制することができる。さらに、予めフェノール性水酸基を有する硬化剤に硬化促進剤の２−フェニル−４−メチル−５−ヒドロキシメチルイミダゾールを分散させてマスターバッチを調製し、当該マスターバッチを少なくともエポキシ樹脂および無機充填材を含む他の配合成分と共に混練して封止用エポキシ樹脂組成物を調製するようにしたので、パッケージの反りを抑制するための有効量の２−フェニル−４−メチル−５−ヒドロキシメチルイミダゾールを配合しても経時での硬化反応の進行を大幅に抑制することができ、封止用エポキシ樹脂組成物の保存安定性を高めることができる。

上記第２の発明によれば、上記第１の発明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ので、パッケージの反りが小さく、回路基板への実装時において半導体装置下面の半田と回路基板との導通が確保できなくなるといった不良モードの発生を抑制することができる。

以下、本発明について詳細に説明する。

本発明において、エポキシ樹脂としては、１分子中に２個以上のエポキシ基を有するものであれば特に制限なく使用することができる。このようなエポキシ樹脂の具体例としては、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。

本発明に用いられるフェノール性水酸基を有する硬化剤の具体例としては、多価フェノール化合物、多価ナフトール化合物などが挙げられる。多価フェノール化合物の具体例としては、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、ビフェニルアラルキル樹脂などが挙げられる。多価ナフトール化合物の具体例としては、ナフトールアラルキル樹脂などが挙げられる。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。

フェノール性水酸基を有する硬化剤の配合量は、好ましくは、フェノール性水酸基とエポキシ基との当量比（水酸基当量／エポキシ基当量）が０．５〜１．５となる量であり、より好ましくは当量比が０．８〜１．２となる量である。当該当量比が小さ過ぎると、封止用エポキシ樹脂組成物の硬化特性が低下する場合があり、当該当量比が大き過ぎると、耐湿信頼性などが不十分になる場合がある。

本発明の封止用エポキシ樹脂組成物には、硬化促進剤として２−フェニル−４−メチル−５−ヒドロキシメチルイミダゾールが配合される。硬化促進剤として２−フェニル−４−メチル−５−ヒドロキシメチルイミダゾールを用いることで、エリアアレイ型パッケージなどの薄型の半導体装置であってもパッケージの反りを有効に抑制することができる。

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、２−フェニル−４−メチル−５−ヒドロキシメチルイミダゾールと共に他の硬化促進剤を配合することができる。このような硬化促進剤の具体例としては、２−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、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、テトラフェニルホスホニウム・テトラフェニルボレート等の有機ホスフィン類、１，８−ジアザビシクロ（５，４，０）ウンデセン、トリエタノールアミン、ベンジルジメチルアミン等の第三級アミン類などが挙げられる。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。

硬化促進剤の配合量は、エポキシ樹脂と硬化剤の合計量に対して好ましくは０．１〜１５質量％、より好ましくは１〜１５質量％である。当該配合量が少な過ぎると、硬化促進作用が十分に発揮されない場合があり、当該配合量が多過ぎると、耐湿信頼性などが不十分になる場合がある。なお、パッケージの反りを抑制する点から硬化物のガラス転移温度などを考慮し、硬化促進剤における２−フェニル−４−メチル−５−ヒドロキシメチルイミダゾールの配合割合を適宜に調整することが望ましい。

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、破砕シリカ、アルミナ、窒化珪素などが挙げられる。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、熱膨張率などの特性が低下する場合があり、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、上記以外の添加成分を配合することができる。このような添加成分の具体例としては、シランカップリング剤、離型剤、着色剤、難燃剤、シリコーン可とう剤、無機イオントラップ剤などが挙げられる。

本発明の封止用エポキシ樹脂組成物は、次の方法で調製することができる。まず、予めフェノール性水酸基を有する硬化剤に、２−フェニル−４−メチル−５−ヒドロキシメチルイミダゾールを含む硬化促進剤を分散させてマスターバッチを調製する。

マスターバッチは、例えば、フェノール性水酸基を有する硬化剤を軟化点以上に加熱して液状とし、これに硬化促進剤を混合する方法、あるいは、フェノール性水酸基を有する硬化剤と硬化促進剤とを粉末状態のまま混合した後、加熱してさらに混合または混練する方法などにより調製することができる。

次いで、マスターバッチと共に、上記のエポキシ樹脂、無機充填材、および必要に応じて他の添加成分を配合し、ミキサー、ブレンダーなど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などの混練機により加熱状態で混練し、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封止用エポキシ樹脂組成物を調製することができる。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。

このように、予めフェノール性水酸基を有する硬化剤に硬化促進剤の２−フェニル−４−メチル−５−ヒドロキシメチルイミダゾールを分散させてマスターバッチを調製することで、封止用エポキシ樹脂組成物の保存安定性を高めることができる。具体的には、このようなマスターバッチの状態で２−フェニル−４−メチル−５−ヒドロキシメチルイミダゾールを配合して封止用エポキシ樹脂組成物を調製することで、常法に従って２−フェニル−４−メチル−５−ヒドロキシメチルイミダゾールを配合して封止用エポキシ樹脂組成物を調製した場合と比べて、封止用エポキシ樹脂組成物を常温で４日間程度保管した際に成形温度での流動特性に顕著な差が現れる。

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、ＬＳＩなど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、例えば金型温度１７０〜１８０℃、成形時間３０〜１２０秒に設定して行うことができ、必要に応じて所定時間のアフターキュアを行う。しかし、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など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、有機基板のインターポーザに半導体チップをワイヤボンディングやフリップチップによって搭載したエリアアレイ型パッケージを挙げることができ、パッケージ形態としては、ＦＢＧＡ（Fine-pitch Ball Grid Array）、ＦＣ−ＢＧＡ（Flip-Chip Ball Grid Array）、ＣＳＰ（Chip Size Package）、ＭＣＰ（Multi Chip Package）、ＳｉＰ（System in Package）、ＰｏＰ（Package on Package）などが挙げられる。

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。なお、表１中の配合量は質量部を示す。
＜実施例１＞
表１に示す各配合成分を、表１に示す割合で配合した封止用エポキシ樹脂組成物を調製した。表１に示す配合成分として、以下のものを使用した。
エポキシ樹脂：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
硬化剤：フェノールノボラック樹脂、明和化成（株）製、ＤＬ９２
硬化剤：ビフェニルアラルキル樹脂、明和化成（株）製、ＭＥＨ７８５１ＳＳ
硬化促進剤：２−フェニル−４−メチル−５−ヒドロキシメチルイミダゾール、四国化成工業（株）製、キュアゾール ２Ｐ４ＭＨＺ−ＰＷ
硬化促進剤：テトラフェニルホスホニウム・テトラフェニルボレート含有混合物、明和化成（株）製、ＫＸＭ
無機充填材：溶融シリカ、電気化学工業（株）製、ＦＢ９４０Ｘ
シランカップリング剤：γ−メルカプトプロピルメチルジメトキシシラン、信越化学工業（株）製、ＫＢＭ８０２
シランカップリング剤：Ｎ−フェニル−γ−アミノプロピルトリメトキシシラン、信越化学工業（株）製、ＫＢＭ５７３
離型剤：天然カルナバワックス、大日化学工業（株）製、Ｆ１−１００
着色剤：カーボンブラック、三菱化学（株）製、ＭＡ６００ＭＪ
封止用エポキシ樹脂組成物は、以下の手順に従って調製した。最初に硬化剤のフェノールノボラック樹脂およびビフェニルアラルキル樹脂を１３０℃で３０分間加熱攪拌し十分に溶解させた。次いで硬化促進剤の２−フェニル−４−メチル−５−ヒドロキシメチルイミダゾールおよび明和化成（株）製 ＫＸＭを少しずつ加え、全て投入した後に液温を１５０℃まで上昇させた。樹脂が透明感を帯びた時点でこれを外部に取り出し、硬化剤に硬化促進剤が分散されたマスターバッチを得た。

次いで、このマスターバッチと、他の配合成分とを表１に示す割合で配合しブレンダーで３０分間混合して均一にした後、８０℃に加熱した２本ロールで混練溶融させて押し出し、冷却後、粉砕機で所定粒度に粉砕して粒状の封止用エポキシ樹脂組成物を得た。

得られた封止用エポキシ樹脂組成物について次の評価を行った。
[パッケージの反り]
封止用エポキシ樹脂組成物を用いて、２８ｍｍ×２８ｍｍの封止面積を有するＢＧＡパッケージを金型温度１７５℃、注入圧力７０ｋｇｆ／ｃｍ^２、成形時間９０秒、後硬化１７５℃／６ｈの条件にてトランスファー成形した。

このＢＧＡパッケージの封止面を、対角線上に沿いながら触針付きの表面粗さ測定器によりプロファイルし、表面粗さ（μｍ）を測定した。
[保存安定性]
封止用エポキシ樹脂組成物を調製後、２５℃でシリカゲル入りの容器内に９６ｈ放置し、その粘度劣化をスパイラルフロー、ゲルタイム、スリット粘度で評価した。
（スパイラルフロー）
ＡＳＴＭ Ｄ３１２３に準じたスパイラルフロー測定金型を用いて、金型温度１７５℃、注入圧力７０ｋｇｆ／ｃｍ^２、成形時間９０秒の条件にて封止用エポキシ樹脂組成物の成形を行い、流動距離（ｃｍ）を測定した。封止用エポキシ樹脂組成物の調製直後における測定値Ａ_１と、９６ｈ放置後の測定値Ｂ_１より、変化率＝[Ｂ_１／Ａ_１］×１００（％）を求めて粘度劣化の指標とした。
（ゲルタイム）
キュラストメータ（（株）オリエンテック製）を用い、封止用エポキシ樹脂組成物の１７５℃でのゲルタイム（トルクが０．１ｋｇｆになるまでの時間）を測定した。封止用エポキシ樹脂組成物の調製直後における測定値Ａ_２と、９６ｈ放置後の測定値Ｂ_２より、変化率＝[Ｂ_２／Ａ_２]×１００（％）を求めて粘度劣化の指標とした。
（スリット粘度）
矩形粘度測定機（松下電工（株）製）を用いてスリット粘度を測定した。幅Ｗ、厚さＤの長尺スリットの上流側と下流側にそれぞれ圧力センサＳ₁、Ｓ₂を設け（センサ間距離Ｌ）、金型温度を１７５℃として注入圧：１０ＭＰａ、注入速度Ｑ：１．３ｍｍ／ｓ、ポット保持時間：１０ｓの条件にて圧力センサＳ₁上流からスリット内へ封止用エポキシ樹脂組成物を注入してスリット内を通過させ、圧力センサＳ₁、Ｓ₂により圧力損失ΔＰを測定し、下記式からスリット粘度ηを求めた。
ΔＰ＝（１２η／ＷＤ³）ＱＬ
封止用エポキシ樹脂組成物の調製直後におけるスリット粘度ηの測定値Ａ_３と、９６ｈ放置後のスリット粘度ηの測定値Ｂ_３より、変化率＝[Ｂ_３／Ａ_３]×１００（％）を求めて粘度劣化の指標とした。
＜比較例１＞
硬化促進剤として実施例１と同じものを使用し、マスターバッチを調製せずに、硬化促進剤をそのまま表１に示す他の配合成分と共に配合し、常法に従ってこれらを混合、混練し、冷却した後に粉砕することにより封止用エポキシ樹脂組成物を得た。

得られた封止用エポキシ樹脂組成物について実施例１と同様にパッケージの反りと保存安定性の評価を行った。
＜比較例２＞
硬化促進剤として明和化成（株）製 ＫＸＭのみを使用し、マスターバッチを調製せずに、硬化促進剤をそのまま表１に示す他の配合成分と共に配合し、常法に従ってこれらを混合、混練し、冷却した後に粉砕することにより封止用エポキシ樹脂組成物を得た。

得られた封止用エポキシ樹脂組成物について実施例１と同様にパッケージの反りと保存安定性の評価を行った。

実施例１および比較例１、２の評価結果を表１に示す。

表１より、予めフェノール性水酸基を有する硬化剤に硬化促進剤の２−フェニル−４−メチル−５−ヒドロキシメチルイミダゾールを分散させてマスターバッチを調製し、当該マスターバッチを他の配合成分と共に混練して封止用エポキシ樹脂組成物を調製した実施例１では、パッケージの反りは十分に小さく、さらに保存安定性も良好であった。

一方、実施例１と同様に硬化促進剤として２−フェニル−４−メチル−５−ヒドロキシメチルイミダゾールを配合したがマスターバッチを調製せずに常法に従って封止用エポキシ樹脂組成物を調製した比較例１では、２−フェニル−４−メチル−５−ヒドロキシメチルイミダゾールの配合量が実施例１の１／６であるにも関わらず保存安定性が実施例１よりも大きく低下した。そしてパッケージの反りは実施例１よりも大きいものであった。

また、硬化促進剤としてイミダゾール類以外のものを用いた比較例２では、保存安定性は実施例１と同程度であったものの、パッケージに大きな反りが発生した。

Claims (2)

1. エポキシ樹脂、フェノール性水酸基を有する硬化剤、硬化促進剤、および無機充填材を必須成分として含有する封止用エポキシ樹脂組成物であって、予めフェノール性水酸基を有する硬化剤に硬化促進剤の２−フェニル−４−メチル−５−ヒドロキシメチルイミダゾールを分散させてマスターバッチを調製し、当該マスターバッチを少なくともエポキシ樹脂および無機充填材を含む他の配合成分と共に混練して得られたものであることを特徴とする封止用エポキシ樹脂組成物。
2. 請求項１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。