JP2012251048A - 半導体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】反りを低減することができ、耐リフロー性、ワイヤースイープ性にも優れたエリアアレイ型の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の提供。
【解決手段】特定式で表されるグリシジルエーテル基を４つ以上有する多官能エポキシ樹脂、フェノール系硬化剤（ＩＩ）、シランカップリング剤（ＩＩＩ）を必須成分として含有す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。

【選択図】なし

Description

本発明は、半導体封止のための成形材料として用いられ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に関する。

従来、ＩＣ、ＬＳＩ等の半導体素子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アレイ（片面封止）型のパッケージが多くなりつつある。

従来、ＢＧＡやＣＳＰ等のエリアアレイ型のパッケージに用いられる半導体封止用エポキシ樹脂組成物には、低反り性、ワイヤースイープ性（高流動性）、耐リフロー性が求められている。

特に近年では、取り数を上げるため、基板サイズは大判化の傾向があり、これまで以上の反り制御、特に反り（Ｓｍｉｌｅ反り）の低減が必要となっている。

反りの低減には、線膨張係数、ガラス転移温度（Ｔｇ）、弾性率の調整が必要である。また、耐リフロー性においては、低吸湿性と、熱時弾性率の低減、半導体素子（チップ）や基材との密着力が求められる。ワイヤースイープ性の向上には、低粘度が求められるが、作業性の確保も必要である。

従来の反りを低減する技術としては、無機充填剤の配合比率の向上や、高Ｔｇ化、低線膨張の樹脂の導入等が知られている。

特開２０１０−０３１２３３号公報 特開２００７−２６２３８４号公報

しかしながら、これらの技術では、反りを低減することができる一方で、ワイヤースイープ性や耐リフロー性で所定のレベルを達成することは難しかった。

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、エリアアレイ型の半導体封止用エポキシ樹脂組成物において、反りを低減することができ、耐リフロー性、ワイヤースイープ性にも優れた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ことを課題としている。

上記の課題を解決するために、本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物は、半導体封止のための成形材料として用いられる半導体封止用エポキシ樹脂組成物において、次式（I）で表される多官能エポキシ樹脂

（式中、ＯＧはグリシジルエーテル基を示し、ｎは整数を示す。）、次式（II）で表される硬化剤

（式中、ｎは１〜６の整数を示す。）、無機充填剤、および次式（III）で表されるカップリング剤

（式中、ＸはＮ、Ｓのいずれかの元素を示し、ｎは１〜５の整数、ｍは０〜２の整数を示す。Ｒ¹は水素原子または置換基を有していてもよい炭素数１〜８の炭化水素基を示し、Ｒ²はメチル基またはエチル基を示す。）を必須成分として含有することを特徴としている。

この半導体封止用エポキシ樹脂組成物においては、式（I）のｎが０〜３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の硬化物により半導体素子が封止されていることを特徴とする。

本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物および半導体装置によれば、反りを低減することができ、耐リフロー性、ワイヤースイープ性にも優れている。

以下に、本発明について詳細に説明する。

本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物には、上記式（I）で表される多官能エポキシ樹脂が配合される。

式（I）で表される多官能エポキシ樹脂を用いることで、反りを低減することができる。式（I）で表される多官能エポキシ樹脂の繰り返し数ｎは、４以上のものであってもよいが、流動性および充填性の向上を考慮すると、ｎが３以下のものが好ましく、ｎ＝０のものが最も好ましい。

本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物には、式（I）で表される多官能エポキシ樹脂以外に、他のエポキシ樹脂を配合することができる。このような他のエポキシ樹脂としては、例えば、グリシジルエーテル型、グリシジルアミン型、グリシジルエステル型、オレフィン酸化型（脂環式）等の各種のエポキシ樹脂を用いることができる。

さらに具体的には、例えば、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等のアルキルフェノールノボラック型エポキシ樹脂、ナフトールノボラック型エポキシ樹脂、フェニレン骨格、ビフェニレン骨格等を有するフェノールアラルキル型エポキシ樹脂、フェニレン骨格、ビフェニレン骨格等を有するナフトールアラルキル型エポキシ樹脂、トリフェノールメタン型エポキシ樹脂、アルキル変性トリフェノールメタン型エポキシ樹脂等の多官能型エポキシ樹脂、トリフェニルメタン型エポキシ樹脂、テトラキスフェノールエタン型エポキシ樹脂、ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂、スチルベン型エポキシ樹脂、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂等のビスフェノール型エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂、ナフタレン型エポキシ樹脂、脂環式エポキシ樹脂、ビスフェノールＡ型ブロム含有エポキシ樹脂等のブロム含有エポキシ樹脂、ジアミノジフェニルメタン、イソシアヌル酸等のポリアミンとエピクロルヒドリンとの反応により得られるグリシジルアミン型エポキシ樹脂、フタル酸、ダイマー酸等の多塩基酸とエピクロルヒドリンとの反応により得られるグリシジルエステル型エポキシ樹脂、硫黄原子含有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。

これらの中でも、特に融点または軟化点が室温を超えているエポキシ樹脂を含むことが好ましい。例えば、ビフェニル型エポキシ樹脂としては、エポキシ当量１７０〜２１０、融点８０〜１３０℃のものが好適に用いられ、流動性および耐リフロー性を高めることができる。

式（I）で表される多官能エポキシ樹脂の含有量は、エポキシ樹脂の全量に対して２０〜１００質量％が好ましい。式（I）で表される多官能エポキシ樹脂をこの範囲内の量で用いることにより、反りを有効に低減することができる。

本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物には、式（II）で表されるキシリレンアラルキル型フェノールノボラック樹脂の硬化剤が配合される。式（II）において、ｎは１〜６の整数を示す。

式（II）で表される硬化剤を用いることで、反りと耐リフロー性を改善することができる。例えば、多官能のトリフェノールメタン型樹脂の硬化剤は、架橋間密度を上げ、ガラス転移温度を高くし、成形収縮を小さくできるため、ＰＢＧＡのようなＳｍｉｌｅ反りを起こしやすいパッケージの反りを低減させることができる。一方でビフェニルアラルキル型フェノール樹脂は、架橋間密度が低いため、靭性が高まるが、熱時剛性が下がる傾向にある。これに対してキシリレンアラルキル型フェノールノボラック樹脂は、ガラス転移温度と熱時剛性の点でバランスがよく、反りと耐リフロー性を改善することができる。

本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物には、式（II）で表されるキシリレンアラルキル型フェノールノボラック樹脂の硬化剤以外に、他の硬化剤を配合することができる。このような他の硬化剤としては、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、ナフトールアラルキル樹脂、フェノール・キシリレン重合体等の多価フェノール化合物や、ナフトール化合物、トリアジン骨格を有するフェノール樹脂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における硬化剤の含有量は、例えば上記のようなフェノール系の硬化剤を用いる場合、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。

本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物には、硬化促進剤を配合することができる。硬化促進剤としては、特に制限されず、例えば公知のものを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、トリフェニルホスフィン等の有機ホスフィン類、１，８−ジアザビシクロ(５,４,０)ウンデセン等の第３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、２−フェニル−４−メチルヒドロキシ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。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は、無機充填剤が配合される。無機充填剤としては、特に制限されず、例えば公知のものを用いることができる。具体的には、例えば、溶融球状シリカ等の溶融シリカ、結晶シリカ、合成シリカ、アルミナ、窒化珪素、酸化カルシウム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。

これらの中でも、充填性や流動性を考慮すると、溶融球状シリカが好ましく、特に真球に近いものが好ましい。熱伝導性を考慮すると、アルミナ、結晶シリカ、窒化珪素等が好ましい。

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％が好ましい。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には、式（III）で表わされるカップリング剤が配合される。式（III）で表わされるカップリング剤を配合することで、反りを低減し、ワイヤースイープ性と耐リフロー性を高めることができる。これは、カップリング剤により収縮率や熱時の弾性率が変動し、反りに影響を与えるためと推定される。

式（III）において、ＸはＮ、Ｓのいずれかの元素を示し、ｎは１〜５の整数、ｍは０〜２の整数を示す。Ｒ¹は水素原子または置換基を有していてもよい炭素数１〜８の炭化水素基を示し、Ｒ²はメチル基またはエチル基を示す。

Ｒ¹の炭素数１〜８の炭化水素基としては、例えば、アルキル基、アリール基等を挙げることができる。

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。

具体的には、例えば、Ｎ−フェニル−γ−アミノプロピルトリメトキシシラン、γ−アニリノプロピルトリメトキシシラン、γ−アニリノプロピルトリエトキシシラン等のアミノシラン、γ−メルカプトプロピルトリメトキシシラン、γ−メルカプトプロピルジメトキシシラン等のメルカプトシラン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。

中でも、熱時反りの改善を考慮すると、Ｎ−フェニル−γ−アミノプロピルトリメトキシシランが好ましい。また式（III）で表わされるカップリング剤の含有量は、反りの低減やワイヤースイープ性と耐リフロー性を高めること等を考慮すると半導体封止用エポキシ樹脂組成物の全量に対して０．０２〜１質量％が好ましい。

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、さらに他の添加剤を配合することができる。このような添加剤としては、例えば、離型剤、難燃剤、着色剤、低弾性化剤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、ステアリン酸塩、カルボキシル基含有ポリオレフィン、モンタン酸、ビスアマイド等を用いることができる。

難燃剤としては、例えば、水酸化マグネシウム、水酸化アルミニウム等の金属水酸化物、２以上の元素を含む複合金属水酸化物、チタネート系カップリング剤等で表面処理した金属水酸化物または金属酸化物、表面処理した赤リン、ホスフィン、リン酸エステル等の有機リン等のリン系難燃剤、酸化アンチモン、臭素化エポキシ樹脂等を用いることができる。

着色剤としては、例えば、カーボンブラック、染料、顔料等を用いることができる。

低弾性化剤としては、例えば、シリコーンエラストマー、シリコーンオイル、シリコーンゲル等を用いることができる。

上記の添加剤は、樹脂との混合の前に予め溶融混合し、冷却粉砕化したマスターバッチを用いることもできる。上記以外の添加剤としては、例えば、ハイドロタルサイトや、ビスマス系、マグネシウム/アルミニウム系等の無機イオントラップ剤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は、例えば、次のようにして製造することができる。上記のエポキシ樹脂、硬化剤、無機充填剤、カップリング剤および必要に応じて他の添加剤を配合し、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する。その後、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、粉末状であってもよいが、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に打錠した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半導体封止用エポキシ樹脂組成物を用いてＩＣ、ＬＳＩ等の半導体素子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、低圧トランスファ成形、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。

低圧トランスファ成形においては、半導体素子が実装された回路基板を金型のキャビティ内に配置した後、このキャビティ内に溶融状態の半導体封止用エポキシ樹脂組成物を所定の圧力で注入する。溶融した半導体封止用エポキシ樹脂組成物は、回路基板上の半導体素子を包み込みながらキャビティ内を流動し、キャビティ内に充満する。

このときの注入圧力は、半導体封止用エポキシ樹脂組成物や半導体装置の種類に応じて適宜に設定することができるが、例えば４〜７ＭＰａ、金型温度は、例えば１６０〜１９０℃、成形時間は、例えば３０〜３００秒等に設定することができる。

次に、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１６０〜１９０℃で２〜８時間に設定することができる。

このような本発明の半導体装置によれば、常温での凸反り（Smile反り）を低減することができ、耐リフロー性にも優れている。

なお、半導体素子の封止は、一括封止法で行うこともできる。すなわち、１枚の有機基板の片面に多数の半導体素子（チップ）を電気的に接続して格子状に配列したものを用意する。これを成形金型のキャビティにセットした後、成形金型のゲート側より、ベント側から空気を排出しながら半導体封止用エポキシ樹脂組成物をキャビティに注入し、半導体封止用エポキシ樹脂組成物で一括封止を行う。次いで、個々のパッケージの外周に沿って切断分離することにより、多数個のパッケージを一括して得ることができる。

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素子を封止した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部を表す。

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）
エポキシ樹脂Ａ、結晶性多官能エポキシ樹脂（前記式（I）で表わされる多官能エポキシ樹脂（ｎ＝０））、新日鐵化学（株）製「ＧＫ−３００７」、エポキシ当量１７５ｇ／ｅｑ、融点１４０℃
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式会社製「ＹＸ４０００ＨＫ」、エポキシ当量１９５ｇ／ｅｑ、融点９５℃
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「ＹＬ６１２１Ｈ」、エポキシ当量１７５ｇ／ｅｑ、融点１３０℃
エポキシ樹脂３、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、ジャパンエポキシレジン株式会社製「ＹＬ６８１０」、エポキシ当量１７３ｇ／ｅｑ、軟化点４５℃
（硬化剤）
硬化剤Ａ、キシリレンアラルキル型フェノール樹脂、前記式（II）で表わされる硬化剤、エアウォーター社製「ＨＥ１１２Ｃ−０５」、水酸基当量１７６ｇ／ｅｑ
硬化剤１、ビフェニルアラルキル型フェノール樹脂、明和化成工業（株）製「ＭＥＨ７８５１ＳＳ」、水酸基当量２０３ｇ／ｅｑ
（硬化促進剤）
トリフェニルホスフィン、北興化学工業（株）製「ＴＰＰ」
（無機充填剤）
溶融シリカ（溶融球状シリカ）、電気化学工業（株）製「ＦＢ９４５」
（カップリング剤）
カップリング剤１、前記式（III）で表わされるカップリング剤、Ｎ-フェニル−３−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」
カップリング剤２、前記式（III）で表わされるカップリング剤、γ−メルカプトプロピルトリメトキシシラン、信越化学工業（株）製「ＫＢＭ８０３」
カップリング剤３、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」
（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「♯４０」

表１に示す各配合成分を、表１に示す割合で配合し、ブレンダーで３０分間混合し均一化した後、８０℃に加熱したニーダー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評価を行った。
[ＰＢＧＡ反り]
３５×３５×０．５ｍｍｔＰＢＧＡ基板（封止サイズ２９×２９×０．８０ｍｍｔ、ＢＴ基板、レジストＰＳＲ４０００、チップ：８×９×０．３５ｍｍｔ パッシベーションＳｉＮ）を１７５℃、９０ｓキュア、注入圧９．８ＭＰａ、注入時間１３ｓの条件にて成形し、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℃）の反り(コプラナリティー)を測定した。

[耐リフロー性]
上記のＰＢＧＡ基板（２４サンプル）について、３０℃／６０％Ｒｈ／１６８ｈｒ＋Ｍａｘ.２６０℃のリフローを３回通し、超音波測定装置にてチップと基板の剥離を観察し、剥離があったものの数で評価した。

[ワイヤースイープ性]
３５×３５のＰＢＧＡ（封止サイズ２９×２９×１．１７ｍｍｔ）にチップ（８．３５×８．３５×０．３５ｍｍｔ）を実装し、２３μｍφの金ワイヤーをボンディングした。ワイヤーパッド間距離は１３０μｍであり、コーナー部にＭａｘ.５ｍｍｌのワイヤーを３本ずつボンディングした。上記の半導体封止用エポキシ樹脂組成物を用いて封止を行い、ワイヤースイープを観察して平均値（Ave.）をワイヤースイープ率（％）とした。

評価結果を表１に示す。

表１より、式（I）で表される多官能エポキシ樹脂、式（II）で表わされる硬化剤、式（III）で表わされるカップリング剤を用いた実施例１〜７ではＰＢＧＡの反りが小さく、耐リフロー性を有し、ワイヤースイープ性も良好であった。

これに対して式（II）で表わされる硬化剤を用いなかった比較例１では反りが発生し、チップの剥離も見られた。

式（I）で表される多官能エポキシ樹脂を用いなかった比較例２では、反りが発生した。

式（III）で表わされるカップリング剤以外のものを用いた比較例３では、反りが発生し、チップと基板の両方に剥離が見られ、ワイヤースイープ率も高くなった。

Claims (3)

1. 半導体封止のための成形材料として用いられる半導体封止用エポキシ樹脂組成物において、次式（I）で表される多官能エポキシ樹脂
   

   

   （式中、ＯＧはグリシジルエーテル基を示し、ｎは整数を示す。）、次式（II）で表される硬化剤
   

   

   （式中、ｎは１〜６の整数を示す。）、無機充填剤、および次式（III）で表されるカップリング剤
   

   

   （ＸはＮ、Ｓのいずれかの元素を示し、ｎは１〜５の整数、ｍは０〜２の整数を示す。Ｒ¹は水素原子または置換基を有していてもよい炭素数１〜８の炭化水素基を示し、Ｒ²はメチル基またはエチル基を示す。）を必須成分として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。
2. 前記式（I）のｎが０〜３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。
3. 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の硬化物により半導体素子が封止されていることを特徴とする半導体装置。