JP2012241177A

JP2012241177A - 圧縮成形用エポキシ樹脂組成物と半導体装置

Info

Publication number: JP2012241177A
Application number: JP2011115794A
Authority: JP
Inventors: Naoki Watanabe; 直樹渡辺
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2011-05-24
Filing date: 2011-05-24
Publication date: 2012-12-10

Abstract

【課題】圧縮成形用エポキシ樹脂組成物について、ＢＧＡパッケージの反りを抑え、耐リフロー性を良好にするとともに、組成物パウダーの耐ブロッキング、計量精度を向上させる。
【解決手段】無機充填材の配合割合を組成物全体の８５質量％以上とし、エポキシ樹脂中のアントラセン骨格グリシジルエーテル系エポキシ樹脂の割合を５０質量％以上、硬化剤中のビフェニル・トリフェニルメタン系フェノールの割合を５０質量％以上とし、組成物のパウダーの粒度分布を２．４ｍｍ以上が２質量％以下、０．１８ｍｍ以下が２質量％以下とする。
【選択図】なし

Description

本発明は、半導体素子の封止に用いられるパウダー状の圧縮成形用エポキシ樹脂組成物とこれにより封止成形された半導体装置に関するものである。

近年の電子機器の小型化、薄型化にともない、表面実装型パッケージが主流になってきており、これらのパッケージのなかでも、より実装密度の高いエリア実装タイプのＢＧＡが多くなりつつある。このＢＧＡパッケージは片面封止であるために反りが発生し、半田リフロー時に問題となる。

このようなＢＧＡパッケージの反りを低減するには、線膨張を低減すること、もしくはガラス転移温度を高くすることで、樹脂の成形収縮率を低減する方法があるが、このような材料は耐リフロー性に問題が生じてしまう。

従来、ＢＧＡパッケージの反りを抑えることと、耐リフロー性を改善するための方策としてアントラセン骨格やナフタレン骨格を有するグリシジルエーテル型エポキシ樹脂を用いることが提案されている（例えば特許文献１−２）。

特開２００７−２６２３８４号公報特開２００８−３１２３３号公報

しかしながら、従来提案の方策においてはＢＧＡパッケージの反りの抑制と耐リフロー性の改善については依然として改良の余地が残されているのが実情であった。

しかもまた、近年新たな成形方法として圧縮成形方式が検討されているが、この成形方式では、パウダー状の組成物を成形機内で直接軽量するために、パウダーの耐ブロッキングや計量精度の向上が問題となる。

したがって、良好な取り扱い性を有する圧縮成形用封止材料が望まれている。

本発明は、以上のことから、ＢＧＡパッケージの反りの抑制とともに耐リフロー性を改善し、かつ、パウダーの耐ブロッキング性、計量精度の向上を図ることのできる、圧縮成形用エポキシ樹脂組成物とこれを用いて樹脂封止した半導体装置を提供することを課題としている。

本発明の圧縮成形用エポキシ樹脂組成物は、エポキシ樹脂、硬化剤、無機充填材を必須成分として含有する半導体素子の封止に用いられるパウダー状の圧縮成形用エポキシ樹脂組成物であって、無機充填材が前記組成物全体量の８５質量％以上であり、エポキシ樹脂として、次式（１）

（式中のＲ^１、Ｒ^２、Ｒ^３は、各々、同一または別異に、水素原子、または炭素数１〜１４の範囲内のアルキル基、アルコキシ基、アリール基もしくはアリル基のうちのいずれかを示し、ＯＧはグリシジルエーテル基を示し、ｋは、０〜４のうちの整数を示す。）
で表わされるエポキシ樹脂を全エポキシ樹脂中の５０質量％以上含有する。

また、硬化剤として、次式（２）

（式中のｎ，ｍは、ｎ／ｍ＝１〜２．５を満足する整数を示す。）
で表わされる硬化剤を全硬化剤中の５０質量％以上含有する。

さらに、前記組成物のパウダーの粒度分布は、２．４ｍｍ以上が２質量％以下、０．１８ｍｍ以下が２質量％以下であることを特徴とする。

この圧縮成形用エポキシ樹脂組成物においては、前記硬化剤として、式（２）で表わされる硬化剤とともにフェノールノボラック樹脂を含有することが好ましい。

本発明は、以上の圧縮成形用エポキシ樹脂組成物をもって半導体素子が封止成形されていることを特徴とする半導体装置も提供する。

本発明の圧縮成形用エポキシ樹脂組成物によれば、ＢＧＡパッケージの反りの抑制、耐リフロー性が良好であるとともに、パウダーの耐ブロッキング性並びに計量精度の向上が図られることになる。

本発明においては、エポキシ樹脂は、前記式（１）で示される骨格を持つエポキシ樹脂を全エポキシ樹脂中５０質量％以上含有する。これにより、圧縮成形用エポキシ樹脂組成物の成形収縮を小さくすることができ、ＢＧＡパッケージの反りの抑制、すなわちＰＫＧ反りを良好に保つ。５０質量％以下では成形収縮が大きくなってしまい、ＰＫＧ反りが大きくなってしまう。

式（１）で示される骨格を持つエポキシ樹脂については、式（１）中の符号Ｒ^１、Ｒ^２、Ｒ^３は、各々、同一または別異に、水素原子、または炭素数１〜１４の範囲内のアルキル基、アルコキシ基、アリール基、もしくはアリル基のうちのいずれかを示す。本発明の効果を阻害しない許容範囲内において他の置換基を有していてもよい。

符号ＯＧはグリシジルエーテル基を示し、係数ｋは０〜４のうちの整数である。
Ｒ^１、Ｒ^２、Ｒ^３は、好ましくは水素原子、もしくは炭素数１〜８のアルキル基、アルコキシ基、またはアリール基である。

式（１）のエポキシ樹脂は市販品として入手使用してもよいし、公知技術に従って合成して使用してもよい。

また、エポキシ樹脂としては、式（１）で示される骨格を持つエポキシ樹脂とともに他のものの併用も可能である。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などを併用することができる。

組成物全体量に占めるエポキシ樹脂の割合としては、２〜２０質量％、好ましくは５〜１２質量％の範囲内とすることが考慮される。

本発明では、硬化剤は、前記式（２）で示される骨格を持つ硬化剤を全硬化剤中５０質量％以上含有する。これにより、圧縮成形用エポキシ樹脂組成物の、熱時の弾性率を低下することができ、耐リフロー性を良好にする。

式（２）においてはｎ，ｍは、ｎ／ｍ＝１〜２．５を満足する整数を示す。水酸基当量は、例えば１７０〜１９０のものを用いることができる。

式（２）の硬化剤化合物は、市販品として入手して使用してもよいし、公知技術に従って合成したものを使用してもよい。

式（２）においては、アリール環は、本発明の効果を阻害しない範囲において、アルキル基、アルコキシ基、アリール基等の置換基を有していてもよい。

また、本発明の硬化剤としては、例えばフェノールノボラック、クレゾールノボラック、フェノールアラルキル、ナフトールアラルキル等、各種多価フェノール化合物、あるいはナフトール化合物などを併用することができる。

なかでも、フェノールノボラックの併用が好ましい。

組成物全体量に占める硬化剤の割合としては、２〜１０質量％、より好ましくは５〜１８質量の範囲内であることが考慮される。

また、本発明では、必要に応じて、硬化促進剤として、エポキシ基とフェノール性水酸基の反応を促進するものであれば特に限定しないが、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など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、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を併用することもできる。

硬化促進剤は、硬化剤に対して、質量比０．１〜０．５の範囲内で使用することが好ましい。

そして本発明の圧縮成形品エポキシ樹脂組成物においては、無機充填材が全エポキシ樹脂組成物において８５質量％以上の割合で配合される。

８５質量％未満では線膨張が大きくなるために、収縮率が大きくなり、パッケージの反りが大きくなってしまう。

無機充填材として、溶融シリカ、結晶シリカ、アルミナ、窒化珪素などを用いることができる。

無機充填材の平均粒径としては５〜２０μｍの範囲内のものが考慮される。なお、溶融シリカの平均粒径は、例えば、レーザ回折散乱式粒度分布測定装置を用いて測定することができる。そして、平均粒径は、母集団から任意に抽出される試料を用い、上記測定装置を利用して測定し導出される値である。

さらに本発明では、離型剤として、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。

その他、必要に応じて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のシランカップリング剤、難燃剤、着色剤、シリコーン可とう剤などを加えることができる。

そして、本発明の圧縮成形用エポキシ樹脂組成物は、固形パウダー（粉末または粒状）としてあるが、この場合のパウダーは、粒度分布が、２．４ｍｍ以上が２質量％以下で、０．１８ｍｍ以下が２質量％以下であることを必須としている。０．１８ｍｍ以下のパウダーが２質量％を超えて存在することにより、パウダーのブロッキングが発生し、２．４ｍｍ以上のパウダーが２質量％を超えて存在することにより、計量精度が悪化する。

ここで粒度分布は、ＪＩＳＺ８８０１規定の篩を用いて測定することができる。

このような粒度分布を必須とする本発明の圧縮成形用エポキシ樹脂組成物については、公知技術に従って、前述のとおりのエポキシ樹脂、硬化剤、無機充填材、硬化促進剤及びその他の成分を配合し、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、混練後冷却固化し、粉砕して粉粒状のものとして製造することができる。

本発明の圧縮成形用エポキシ樹脂組成物を用いての圧縮成形による樹脂封止については、例えば、圧力１０ＭＰａ、金型温度１７５℃、成形時間１５０秒等に設定することができる。

その後、金型を閉じたまま後硬化（ポストキュア）を行った後、型開きして成形物すなわち半導体装置（パッケージ）を取り出す。このときの後硬化条件は、例えば１７５℃、６時間に設定することができる。

本発明においては、このような成形によって、たとえば、成形後の収縮率が０．１２％以下とすることができ、パッケージの反りを良好に保つことができる。

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。

表１に示した実施例、比較例の各配合材料を調整し、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本のロールで混練溶融させて押し出し、冷却後、粉砕機で粉砕して、粒状材料を得た。この粒状材料を篩い機で篩うことにより所定の粒度分布の樹脂組成物を得た。

表１中の配合材料については以下のものを用いた。

エポキシ樹脂１〔式（１）のエポキシ樹脂〕：
ジャパンエポキシレジン株式会社製ＹＬ７１７２エポキシ当量１８０軟化点：１０４℃
エポキシ樹脂２〔ビフェニル型エポキシ樹脂〕：
ジャパンエポキシレジン株式会社製ＹＸ４０００Ｈエポキシ当量１９５
硬化剤１〔式（２）の硬化剤〕：エアウォーター株式会社製ＨＥ６２５Ｃ−０４水酸基当量１８０
硬化剤２〔フェノールノボラック〕：明和化成（株）ＤＬ−９２水酸基当量１０５
無機充填材〔シリカ〕：電気化学工業株式会社製ＦＢ８２０
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
カルナバワックス：大日化学Ｆ１−１００
カーボンブラック：三菱化学製４０Ｂ
硬化促進剤：北興化学（株）製ＴＰＰ

また、表１中の組成物パウダーの粒度分布について表２に示した区分を示している。

＜評価＞
評価は以下のようにして行った。
（評価方法と条件）
コンプレッション成形条件
金型温度：１７５℃
圧縮圧力：１０ＭＰａ
圧縮時間：１５０秒
後硬化：１７５℃／６ｈ
トランスファー成形条件
金型温度：１７５℃
注入圧力：７０ｋｇｆ／ｃｍ^２
圧縮時間：１２０秒

（計量精度）
圧縮成形機の計量ユニットを用い、自動で５ｇを計量するように設定した。３０回計量を繰り返し、実際に計量された重量と設定値のバラツキ（最大値）により、計量精度を測定した。パウダーにブロッキングが見られる場合には記録無しとした。

（ブロッキング性）
所定の容器に、エポキシ樹脂組成物パウダーを１００ｇ計量し、２５℃５０％の環境に２時間放置し、ブロッキングの有無を確認した。

（ＰＢＧＡパッケージ反り量（常温での反り）
３５×３５×０．５ｍｍｔＰＢＧＡ（封止サイズ２９×２９×１．１７ｍｍｔ、ＢＴ基板、レジストＰＳＲ４００）を１７５℃１２０ｓキュアにて成形し後硬化させたＰＢＧＡのパッケージを、ＡＫＲＯＭＥＴＲＩＸ社製のシャドウモアレ（ＰＳ２００）を用いて、常温の反り（コプラナリティー）を測定した。

（成形収縮率）
上記トランスファー成形条件にて、試験片（φ９０ｍｍ）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。

（耐リフロークラック性）
上記３５ＰＢＧＡ基板に寸法８×９×０．３５ｍｍのテスト用チップを銀ペーストを用いて搭載した。

３５ＰＢＧＡのパッケージを上記条件で成形し、８５℃、６０％の条件で１６８時間吸湿させた後、ＩＲリフロー装置により、２６０℃、１０秒の条件で３回リフロー処理を行い、チップおよび基板剥離の有無を確認し、試験パッケージ数に対する剥離発生パッケージ数で評価した。

（評価の結果）
表１には、結果と判定評価を示した。ＰＢＧＡ反り（常温反り）の判定は、表３による区分とした。

表１より明らかなように本発明の実施例１〜４の全てにおいて、評価の結果は優良であることが確認された。一方、無機充填材の配合が８５質量％未満（比較例１）、式（１）のエポキシ樹脂を配合しない場合（比較例２）、式（２）の硬化剤の割合が５０質量％未満（比較例３）、粒度分布が０．１８ｍｍ以下または２．４ｍｍ以上のものが多過ぎる場合（比較例４、５）のいずれも問題があることが確認された。

Claims

エポキシ樹脂、硬化剤、無機充填材を必須成分として含有する半導体素子の封止に用いられるパウダー状の圧縮成形用エポキシ樹脂組成物であって、無機充填材が前記組成物全体量の８５質量％以上であり、エポキシ樹脂として、次式（１）

（式中のＲ_１、Ｒ_２、Ｒ_３は、各々、同一または別異に水素原子、または炭素数１〜１４の範囲内のアルキル基、アルコキシ基、アリール基もしくはアリル基のうちのいずれかを示し、ＯＧはグリシジルエーテル基を示し、ｋは、０〜４のうちの整数を示す。）
で表わされるエポキシ樹脂を全エポキシ樹脂中の５０質量％以上含有し、硬化剤として、次式（２）

（式中のｎ，ｍは、ｎ／ｍ＝１〜２．５を満足する整数を示す。）
で表わされる硬化剤を全硬化剤中の５０質量％以上含有し、前記組成物のパウダーの粒度分布は、２．４ｍｍ以上が２質量％以下、０．１８ｍｍ以下が２質量％以下であることを特徴とする圧縮成形用エポキシ樹脂組成物。
硬化剤として、前記式（２）で表わされる硬化剤とともにフェノールノボラック樹脂を含有することを特徴とする請求項１に記載の圧縮成形用エポキシ樹脂組成物。
請求項１または２に記載の圧縮成形用エポキシ樹脂組成物をもって半導体素子が封止成形されていることを特徴とする半導体装置。