JP2012072209A

JP2012072209A - 半導体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

Info

Publication number: JP2012072209A
Application number: JP2010216034A
Authority: JP
Inventors: Naoki Watanabe; 直樹渡辺
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2010-09-27
Filing date: 2010-09-27
Publication date: 2012-04-12

Abstract

【課題】片面封止型パッケージにおいて、リフロー時の温度領域における反りの変化量を低減することができ、かつ、常温での凸反り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とそれを用いた半導体装置を提供する。
【解決手段】特定のジヒドロアントラセン骨格含有エポキシ樹脂を３０〜１００質量％含有するエポキシ樹脂、フェノール硬化剤、半導体封止用エポキシ樹脂組成物の全量に対して８５〜９５質量％の無機充填剤、および半導体封止用エポキシ樹脂組成物の全量に対して０．５〜２．０質量％のステアリン酸ワックスを含有することを特徴とする。
【選択図】なし

Description

本発明は、半導体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に関するものである。

従来、ＩＣ、ＬＳＩ等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る。エポキシ樹脂組成物は、例えば、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広く用いられている（特許文献１、２参照）。

そして近年では、表面実装型パッケージの中でも、より実装密度の高いエリア実装型のＢＧＡパッケージが多くなりつつある。

特開２０１０−０３１２３３号公報特開２００７−２６２３８４号公報

しかしながら、このＢＧＡパッケージは片面封止型であるために反りが発生し、リフロー時に問題となる。

この反りを低減する方法としては、無機充填剤を高充填することで線膨張を低減し、リフロー時の反りの変化量を低減させる方法がある。しかしながら、この方法では成形時の流動性が低下するためにワイヤースイープが起こってしまう場合がある。

また、近年の片面封止型パッケージにおいては、小型化、薄型化にともない封止材の厚みが薄くなり、また、片面封止型パッケージにおける半導体チップの占有面積が大きくなってきている。そのため、成形後において常温で凸反りになる場合が多く、これを適切に調整することが望まれている。

このように、リフロー時における反りの変化量の低減および常温時の反りの調整を同時に達成する技術が望まれているが、これらの両方を満足することは難しいのが現状である。

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、片面封止型パッケージにおいて、リフロー時の温度領域における反りの変化量を低減することができ、かつ、常温での凸反りを適切に調整することができる半導体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。

本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物は、次式（I）：

（式中、Ｒ¹、Ｒ²、Ｒ³は、それぞれ独立に、水素原子、炭素数１〜１４のアルキル基、炭素数１〜１４のアルコキシ基、炭素数６〜１４のアリール基、またはアリル基を示し、ｋは０〜４の整数を示す。）で表されるジヒドロアントラセン骨格含有エポキシ樹脂を３０〜１００質量％含有するエポキシ樹脂、フェノール硬化剤、半導体封止用エポキシ樹脂組成物の全量に対して８５〜９５質量％の無機充填剤、および半導体封止用エポキシ樹脂組成物の全量に対して０．５〜２．０質量％のステアリン酸ワックスを含有することを特徴とする。

この半導体封止用エポキシ樹脂組成物において、成形収縮率が０．１７％以上であり、線膨張係数α２が３．５×１０^-5以下であることが好ましい。

本発明の半導体装置は、前記の半導体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。

本発明によれば、リフロー時の温度領域における反りの変化量を低減することができ、かつ、常温での凸反りを適切に調整することができる。

以下に、本発明を詳細に説明する。

本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物は、前記の構成とすることで、リフロー時の温度領域における反りの変化量を低減し、かつ、常温での凸反りを適切に調整するものである。すなわち、無機充填剤を半導体封止用エポキシ樹脂組成物の全量に対して８５〜９５質量％と高充填することで、線膨張を低下させ、リフロー時の反りの変化量を低減させることができる。

また、前記の式（I）で表されるジヒドロアントラセン骨格含有エポキシ樹脂を用いることで、線膨張を低下させることができ、片面封止パッケージで問題となるリフロー時の反りの変化量を低減することができる。

また、ステアリン酸ワックスを用いることで、ガラス転移温度を下げ、これにより成形収縮量を増加させ、常温におけるパッケージの凸反りを適切に調整することができる。

以下に、本発明の必須成分等について説明する。

本発明において、エポキシ樹脂は、式（I）で表されるジヒドロアントラセン骨格含有エポキシ樹脂をエポキシ樹脂の全量に対して３０〜１００質量％含有する。式（I）で表されるジヒドロアントラセン骨格含有エポキシ樹脂をこの範囲内の量で用いることにより、線膨張を低下させることができ、リフロー時の反りの変化量を低減させることができる。

式（I）において、Ｒ¹、Ｒ²、Ｒ³は、それぞれ独立に、水素原子、炭素数１〜１４のアルキル基、炭素数１〜１４のアルコキシ基、炭素数６〜１４のアリール基、またはアリル基を示す。

アルキル基としては、直鎖または分岐のものを用いることができ、例えば、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、イソプロピル基、イソブチル基、ｔ−ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基、ヘプチル基、オクチル基、２−エチルヘキシル基等を挙げることができる。

アルコキシ基としては、例えば、前記のアルキル基を水酸基で置換したものを挙げることができる。

アリール基としては、例えば、フェニル基、トリル基、キシリル基、ナフチル基、ビフェニル基、ベンジル基、フェネチル基等を挙げることができる。

本発明では、エポキシ樹脂として、式（I）で表されるジヒドロアントラセン骨格含有エポキシ樹脂とともにそれ以外のエポキシ樹脂を用いることもできる。このようなエポキシ樹脂としては、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、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等を用いることができる。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。

本発明において、フェノール硬化剤としては、例えば、フェノール性水酸基を有する多価フェノール化合物、多価ナフトール化合物等を用いることができる。多価フェノール化合物としては、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、ビフェニルアラルキル樹脂等を用いることができる。多価ナフトール化合物としては、例えば、ナフトールアラルキル樹脂等を用いることができる。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。

本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物におけるフェノール硬化剤の含有量は、例えば、フェノール硬化剤のフェノール性水酸基とエポキシ樹脂のエポキシ基との当量比（ＯＨ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。当量比が小さ過ぎると硬化特性が低下する場合があり、当量比が大き過ぎると耐湿信頼性等が不十分になる場合がある。

本発明において、無機充填剤は、例えば、溶融シリカ、結晶シリカ、アルミナ、窒化珪素等を用いることができる。

無機充填剤の含有量は、半導体封止用エポキシ樹脂組成物の全量に対して８５〜９５質量％である。無機充填剤の含有量が少な過ぎると、線膨張が大きくなるため、リフロー時の反りの変化量が大きくなる場合がある。無機充填剤の含有量が多過ぎると、十分な流動性が確保されず、ワイヤースイープが大きくなる場合がある。

本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物は、半導体封止用エポキシ樹脂組成物の全量に対して０．５〜２．０質量％のステアリン酸ワックスを含有する。ステアリン酸ワックスをこの範囲内の量で含有することにより、ガラス転移温度を下げ、これにより成形収縮量を増加させ、常温におけるパッケージの凸反りを適切に調整することができる。ステアリン酸ワックスの含有量が少な過ぎると、パッケージの反りを良好に保つことが困難になる場合がある。ステアリン酸ワックスの含有量が多過ぎると、耐リフロー性が悪化する場合がある。

本発明の半導体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、さらに他の成分を配合することができる。このような他の成分としては、例えば、硬化促進剤、離型剤、シランカップリング剤、難燃剤、着色剤等が挙げられる。

硬化促進剤としては、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、トリフェニルホスフィン等の有機ホスフィン類、ジアザビシクロウンデセン等の三級アミン類、３−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等を用いることができる。

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、カルボキシル基含有ポリオレフィン等を用いることができる。

シランカップリング剤としては、例えば、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を用いることができる。

本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物を製造する際には、前記のエポキシ樹脂、フェノール硬化剤、無機充填剤、ステアリン酸ワックス、および必要に応じて他の成分を配合する。そして、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する。これを室温に冷却した後、公知の手段により粉砕することにより半導体封止用エポキシ樹脂組成物を製造することができる。なお、半導体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。

以上に説明した本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物によれば、リフロー時の温度領域における反りの変化量を低減し、かつ、常温での凸反りを適切に調整することができる。

特に、成形収縮率が０．１７％以上であり、線膨張係数α２が３．５×１０^-5以下であることで、リフロー時の温度領域における反りの変化量を大幅に低減し、かつ、常温での凸反りを適切に調整することができる。

本発明の半導体装置は、前記のようにして得られた半導体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等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、半導体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。

このような本発明の半導体装置によれば、リフロー時の温度領域における反りの変化量を低減し、かつ、常温での凸反りを適切に調整することができる。

本発明の半導体装置のパッケージ形態としては、例えば、半導体封止用エポキシ樹脂組成物で半導体チップを封止したＢＧＡ（Ball Grid Array）、ＣＳＰ（Chip Scale Package）等が挙げられる。また、ＰｏＰ（Package on Package）等にも適用することができる。

以下に、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に示す配合量は質量％を表す。

表１に示す配合成分として、以下のものを用いた。
(エポキシ樹脂１)
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
(エポキシ樹脂２)
式（Ｉ）で表されるジヒドロアントラセン骨格含有エポキシ樹脂、ジャパンエポキシレジン（株）製「ＹＬ７１７２」、エポキシ当量１８０、軟化点１０４℃
(フェノール硬化剤)
フェノールノボラック樹脂、明和化成（株）製「ＤＬ−９２」、水酸基当量１０５
(無機充填剤)
溶融シリカ、電気化学工業（株）製「ＦＢ８２０」
(シランカップリング剤)
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」
(ステアリン酸ワックス)
ＷＯ２
(離型剤)
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「４０Ｂ」
(硬化促進剤)
北興化学工業（株）製「ＴＰＰ」
表１に示す各配合成分を、表１に示す割合で配合し、ミキサー、ブレンダー等で均一に混合した後、ニーダーやロールで加熱、混練し、その後冷却固化し、次いで粉砕機で所定粒度に粉砕して粒状の半導体封止用エポキシ樹脂組成物を得た。

この半導体封止用エポキシ樹脂組成物を用いて、次の条件にてトランスファー成形を行った。
金型温度：１７５℃
注入圧力：７０ｋｇｆ／ｃｍ²
成形時間：９０秒
後硬化：１７５℃／６ｈ
次の測定および評価を行った。
１．測定
[スパイラルフロー]
ＡＳＴＭＤ３１２３に準じたスパイラルフロー測定金型を用いて前記の条件にて成形し、流動距離（ｃｍ）を測定した。
[パッケージ反り量[μｍ]（常温）、パッケージ反り変化量[μｍ]（常温〜２６０℃）]
３５×３５×０．５ｍｍｔＰＢＧＡ（封止サイズ２９×２９×１．１７ｍｍｔ、ＢＴ基板、レジストＰＳＲ４０００）を１７５℃、９０ｓキュアにて成形し後硬化してＰＢＧＡのパッケージを作製した。このパッケージについて、ＡＫＲＯＭＥＴＲＩＸ社製のシャドウモアレ(ＰＳ２００)を用いて、常温（２５℃）および２６０℃の反り(コプラナリティー)を測定した。
[ガラス転移温度および線膨張係数]
前記のトランスファー成形条件にて５ｍｍφ×３０ｍｍの試験片を得た。これを東京工業株式会社製の線膨張係数試験機にセットし、昇温５℃／分にて常温から２６０℃まで測定した。

寸法変化と温度のグラフを作成し、ガラス転移温度以上の線膨張係数α２（℃^-1）を（２５０℃での寸法−２３０℃での寸法）／（２５０−２３０）×（２３０℃における試験片の長さ）より算出した。
[成形収縮率]
前記のトランスファー成形条件にて、試験片を得た。成形後の試験片の寸法を測定し、金型寸法に対する試験片の寸法により収縮率[％]を算出した。
２．評価
[流動性]
前記のスパイラルフローの測定結果より次の基準に基づき評価した。
◎：２００ｃｍ以上
○：１６０ｃｍ以上２００ｃｍ未満
△：１４０ｃｍ以上１６０ｃｍ未満
×：１４０ｃｍ未満
[パッケージ反り（常温）]
上記の常温でのパッケージ反り量の測定結果より次の基準に基づき評価した。
◎：１６０μｍ以上１９０μｍ未満
○：１４０μｍ以上１６０μｍ未満または１９０μｍ以上２１０μｍ未満
△：２１０μｍ以上２２０ｃｍ未満
×：１４０μｍ未満または２２０μｍ以上
[パッケージ反り（変化量）]
上記の常温および２６０℃でのパッケージ反り量の測定結果より、反り変化量から次の基準に基づき評価した。
◎：４００μｍ未満
○：４００μｍ以上４５０μｍ未満
△：４５０μｍ以上５００μｍ未満
×：５００μｍ以上
その結果を表１に示す。

表１より、実施例１〜５では、式（I）で表されるジヒドロアントラセン骨格含有エポキシ樹脂を３０〜１００質量％含有するエポキシ樹脂、フェノール硬化剤、半導体封止用エポキシ樹脂組成物の全量に対して８５〜９５質量％の無機充填剤、および半導体封止用エポキシ樹脂組成物の全量に対して０．５〜２．０質量％のステアリン酸ワックスを含有する半導体封止用エポキシ樹脂組成物を用いた。これらの実施例では、成形収縮率が０．１７％以上であり、線膨張係数α２が３．５×１０^-5以下であった。そして無機充填剤を高充填しても優れた流動性を有し、リフロー時の温度領域（２６０℃）における反りの変化量を低減することができ、かつ、常温でのパッケージの凸反りも適切に調整することができた。

一方、比較例１では、式（I）で表されるジヒドロアントラセン骨格含有エポキシ樹脂を配合しなかった。その結果、リフロー時の温度領域における反りの変化量が大きくなった。比較例２では、比較例１においてさらにステアリン酸ワックスを配合しなかったところ、パッケージの凸反りも比較例１に比べると最適な範囲を逸脱した。

比較例３では、比較例２において無機充填剤の含有量を９５質量％を超えるまで増加したところ、リフロー時の温度領域における反りの変化量は低減したが、流動性が大きく低下しパッケージの凸反りも適切な範囲から大きく逸脱した。

比較例４では、式（I）で表されるジヒドロアントラセン骨格含有エポキシ樹脂を配合したが、無機充填剤の含有量が８５質量％未満と少ないため、線膨張係数α２が大きくなりパッケージの凸反りが適切な範囲から大きく逸脱した。また、リフロー時の温度領域における反りの変化量も大幅に増大した。

Claims

次式（I）：

（式中、Ｒ¹、Ｒ²、Ｒ³は、それぞれ独立に、水素原子、炭素数１〜１４のアルキル基、炭素数１〜１４のアルコキシ基、炭素数６〜１４のアリール基、またはアリル基を示し、ｋは０〜４の整数を示す。）で表されるジヒドロアントラセン骨格含有エポキシ樹脂を３０〜１００質量％含有するエポキシ樹脂、フェノール硬化剤、半導体封止用エポキシ樹脂組成物の全量に対して８５〜９５質量％の無機充填剤、および半導体封止用エポキシ樹脂組成物の全量に対して０．５〜２．０質量％のステアリン酸ワックス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。
成形収縮率が０．１７％以上であり、線膨張係数α２が３．５×１０^-5以下であることを特徴とする請求項１に記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成物。
請求項１または２に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チップが封止されていることを特徴とする半導体装置。