JP2014152302A - 半導体封止用エポキシ樹脂組成物、半導体装置の製造方法及び半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】半導体封止用エポキシ樹脂組成物は、エポキシ樹脂、無機充填材、及び着色剤を少なくとも含む。着色剤は体積抵抗率103Ω・cm以上の黒色系酸化チタンであり、無機充填材は、平均粒径が1μm以上、15μm以下である球状シリカを含む。
【選択図】なし
Description
前記着色剤は体積抵抗率103Ω・cm以上の黒色系酸化チタンであり、
前記無機充填材は、平均粒径が1μm以上、15μm以下である球状シリカを含む
ことを特徴とする半導体封止用エポキシ樹脂組成物。
(a)パッケージの樹脂厚が50μm以上800μm以下
(b)前記パッケージの基板と前記半導体素子との間の隙間が10μm以上100μm以下
(c)前記半田バンプ直径が20μm以上100μm以下
上記(1)ないし(8)のいずれかに記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成物をトランスファーモールド法、コンプレッションモールド法又はインジェクションモールド法で成形して、前記封止樹脂硬化体を形成する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
の隙間が狭小なフリップチップ実装型パッケージ等においても、優れたパッケージの電気的信頼性を備えつつ、充填性も良好である。
エポキシ樹脂として、1分子内にエポキシ基を2個以上有するモノマー、オリゴマー、ポリマー全般が挙げられ、その分子量、分子構造は特に限定されるものではない。エポキシ樹脂として、例えば、ビフェニル型エポキシ樹脂、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、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、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、トリアジン核含有エポキシ樹脂、ジシクロペンタジエン変性フェノール型エポキシ樹脂、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)、硫黄原子含有型エポキシ樹脂等が挙げられる。これらは単独でも混合して用いられてもよい。
硬化剤として、フェノール樹脂が挙げられる。フェノール樹脂としては、1分子内にフェノール性水酸基を2個以上有するモノマー、オリゴマー、ポリマー全般が挙げられ、その分子量、分子構造を特に限定するものではない。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、ジシクロペンタジエン変性フェノール樹脂、テルペン変性フェノール樹脂、トリフェノールメタン型樹脂、フェノールアラルキル樹脂(フェニレン骨格、ビフェニレン骨格等を有する)、硫黄原子含有型フェノール樹脂等が挙げられ、これらは単独でも混合して用いられてもよい。
無機充填材として、平均粒径が1μm以上、15μm以下の球状シリカを含めばよいが、好ましくは平均粒径が1μm以上、12μm以下であることが好ましい。球状シリカの粒径が上記範囲であることにより、基板と半導体素子との隙間が100μm以下であっても、より確実に充填することができる。また、球状のシリカであることにより、半導体封止用エポキシ樹脂組成物の流動性が向上する。また、球状シリカとして、溶融球状シリカ、結晶球状シリカが挙げられるが、溶融球状シリカであることが好ましい。
径が3μm以上、40μm以下の第1球状シリカと、平均粒径が0.1μm以上、5μm以下の第2の球状シリカとを含み、第1の球状シリカ及び第2の球状シリカの全体の平均粒径が上述したように1μm以上、15μm以下、さらに好ましくは1μm以上、12μm以下であり、より好ましい態様としては、平均粒径が5μm以上、25μm以下の第1球状シリカと、平均粒径が0.1μm以上、3μm以下の第2の球状シリカとを含み、第1の球状シリカ及び第2の球状シリカの全体の平均粒径が1μm以上、15μm以下、さらに好ましくは1μm以上、12μm以下である。また、配合される第1の球状シリカ/第2の球状シリカとの配合比は、重量比で99/1から65/35が好ましく、90/10から70/30であることがより好ましい。このように平均粒径の異なるシリカを混合して用いると流動性の向上や充填性の向上を図ることができる。なお、本願の充填剤等の粒度分布は例えば島津製作所製レーザー回折散乱式粒度分布計SALD−7000等を使用して測定すればよい。
着色剤として、体積抵抗率103Ω・cm以上の黒色系酸化チタンを含む。これにより、配線のショート、リーク不良等の電気不良の発生を生じることなく、かつ優れた着色性、レーザーマーキング性を有する半導体封止用エポキシ樹脂組成物が得られる。一般に酸化チタンはTinO(2n−1)(ここでnは正の整数)として存在する。nの値が大きくなり、酸素欠損が少なくなるほど抵抗値が高くなることが知られており、体積抵抗率が103Ω・cm以上となるためには、n=4以上であることが好ましい。またn=4以上であると、樹脂中での分散性が向上する点でも好ましい。一方で、酸素欠損が少な過ぎると、着色性、レーザーマーキング性が低下するので、n=6以下であることが好ましい。即ち、着色剤は、Ti4O7、Ti5O9、Ti6O11のいずれかを含むことが好ましい。
体積抵抗率(Ω・cm)=
抵抗値(Ω)×着色剤の断面積(cm2)÷着色剤の厚み(cm)
進剤は、エポキシ樹脂のエポキシ基とフェノール樹脂系硬化剤の水酸基との反応を促進する機能を有し、半導体封止用エポキシ樹脂組成物に一般的に使用される硬化促進剤が用いられ得る。
上記一般式(1)において、Pはリン原子を表す。R4、R5、R6およびR7は芳香族基またはアルキル基を表す。Aはヒドロキシル基、カルボキシル基、チオール基から選ばれる官能基のいずれかを芳香環に少なくとも1つ有する芳香族有機酸のアニオンを表す。AHはヒドロキシル基、カルボキシル基、チオール基から選ばれる官能基のいずれかを芳香環に少なくとも1つ有する芳香族有機酸を表す。x、yは1〜3の数、zは0〜3の数であり、かつx=yである。
ール、ジヒドロキシナフタレン、アントラキノールなどの縮合多環式フェノール類、ビスフェノールA、ビスフェノールF、ビスフェノールSなどのビスフェノール類、フェニルフェノール、ビフェノールなどの多環式フェノール類などが例示される。
であっても異なっていてもよい。R13、R14およびR15は水素原子または炭素数1〜12の炭化水素基を表し、互いに同一であっても異なっていてもよく、R14とR15が結合して環状構造となっていてもよい。
。
この理由については明らかではないが、従来のパッケージでは見られない、半導体素子−基板間のギャップ、およびバンプ間距離の極めて狭いフリップチップパッケージ特有の流動挙動において、トリフェニルホスフィンなどの極性の小さい化合物に対し、上述した硬化促進剤のような極性の大きい4級ホスフィン類と上述した本願の着色剤との2成分、あるいは硬化促進剤と本願の着色剤と2級アミノシランに例示されるシランカップリング剤加水分解固化物の5%重量減少温度(Td5)が230℃以上であるシランカップリング剤等のシランカップリング剤との3成分、更に、この3成分と好ましくは32μmを超える粒子を0.5重量%以下、より好ましくは24μmを超える粒子を0.5重量%以下、さらに好ましくは15μmを超える粒子を0.5重量%以下に低減した球状シリカとの4成分における相互の極性効果、流動時の特異なせん断挙動等に起因してこのような効果を奏するのではないかと考えられる。
半導体封止用エポキシ樹脂組成物は、シランカップリング剤を含んでいることが好ましい。シランカップリング剤は、エポキシ樹脂と無機充填材との化学結合を形成させ、化学的性質が異なる両者を結びつける機能を有する。シランカップリング剤としては、半導体封止用エポキシ樹脂組成物に用いられ得る公知のシランカップリング剤であれば特に限定されない。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−アミノプロピルトリエトキシシラン、γ−アミノプロピルトリメトキシシラン、γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、γ−グリシドキシプロピルトリエトキシシラン、β−(3,4エポキシシクロヘキシル)エチルトリメトキシシラン、p−スチリルトリメトキシシラン、ビニルトリメトキシシラン、ビニルトリエトキシシラン、メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン等が挙げられる。また、シランカップリング剤加水分解固化物の5%重量減少温度(Td5)が230℃以上であるシランカップリング剤が好ましい。
半導体封止用エポキシ樹脂組成物には、必要に応じ、芳香環を構成する2個以上の隣接する炭素原子にそれぞれ水酸基が結合した化合物が配合されていてもよい。用いられる上記化合物として、例えば、カテコール、ピロガロール、没食子酸、没食子酸エステル、1,2−ジヒドロキシナフタレン、2,3−ジヒドロキシナフタレン及びこれらの誘導体が挙げられる。これらのうち、カテコール、ピロガロール、1,2−ジヒドロキシナフタレン、2,3−ジヒドロキシナフタレンが好ましい。これらの化合物は1種類が単独で配合されても2種以上併用して配合されていてもよい。これらの化合物の配合量は半導体封止用エポキシ樹脂組成物中0.01重量%以上、1重量%以下が好ましく、より好ましくは0.02重量%以上、0.8重量%以下である。上記範囲内であれば、良好な粘度特性及び流動特性が得られ、また硬化性の低下や硬化物の物性の低下が抑えられる。また、芳香環を構成する2個以上の隣接する炭素原子にそれぞれ水酸基が結合した化合物は、シランカップリング剤との相乗効果により、低粘度化と流動性向上が図られるため、着色剤の凝集物等が粗大粒子としてバンプ間に挟まることを抑える効果も有する。
上述した半導体封止用エポキシ樹脂組成物は、半導体装置(半導体パッケージ)におけ
る半導体素子(半導体チップ)の封止に用いられる。特に、半導体封止用エポキシ樹脂組成物は、フリップチップBGAパッケージ等のフリップチップ実装方式の半導体装置に対して好適に用いられる。
エポキシ樹脂1:ビフェニレン骨格を有するフェノールアラルキル型エポキシ樹脂(日本化薬(株)製、商品名NC3000P、軟化点58℃、エポキシ当量273)
エポキシ樹脂2:ビフェニル型エポキシ樹脂(三菱化学(株)製、商品名YX4000、エポキシ当量180〜192、融点105℃)
フェノール樹脂系硬化剤1:ビフェニレン骨格を有するフェノールアラルキル樹脂(明和化成(株)製、商品名MEH−7851SS、軟化点107℃、水酸基当量204)
フェノール樹脂系硬化剤2:下記式(8)で表されるフェノールアラルキル樹脂(三井化学(株)製、商品名XLC−3L)
溶融球状シリカ1:(平均粒径6μm(24μmを超える粒子0.5重量%以下))
溶融球状シリカ2:(平均粒径10μm(24μmを超える粒子0.5重量%以下))
溶融球状シリカ3:(平均粒径2μm(12μmを超える粒子0.5重量%以下))
なお、充填剤の粒度分布は島津製作所製レーザー回折散乱式粒度分布計SALD−7000を使用して測定した。
硬化促進剤1:トリフェニルホスフィン
硬化促進剤2:下式(5)で示される化合物
硬化促進剤3:下記式(6)で示される1,4−ベンゾキノンとトリフェニルホスフィンを付加させた化合物
メタノール1800gを入れたフラスコに、フェニルトリメトキシシラン249.5g、2,3−ジヒドロキシナフタレン384.0gを加えて溶かし、次に室温攪拌下28%ナトリウムメトキシド−メタノール溶液231.5gを滴下した。さらにそこへ予め用意したテトラフェニルホスホニウムブロマイド503.0gをメタノール600gに溶かした溶液を室温攪拌下滴下すると結晶が析出した。析出した結晶を濾過、水洗、真空乾燥し、桃白色結晶の硬化促進剤2を得た。
冷却管及び攪拌装置付きのセパラブルフラスコにベンゾキノン6.49g(0.060
mol)、トリフェニルホスフィン17.3g(0.066mol)およびアセトン40mlを仕込み、攪拌下、室温で反応した。析出した結晶をアセトンで洗浄後、ろ過、乾燥し暗緑色結晶の硬化促進剤3を得た。
シランカップリング剤1:3−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、KBM−403 加水分解固化物のTd5:280℃)
シランカップリング剤2: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、KBM−573 加水分解固化物のTd5:285℃)
カルナバワックス(東亜化成(株)製)
着色剤1:黒色系酸化チタン(Ti4O7)、体積抵抗率7.3×104Ω・cm
着色剤2:黒色系酸化チタン(Ti6O11)、体積抵抗率2.5×107Ω・cm
着色剤3:黒色系酸化チタン(Ti2O3)、体積抵抗率1.3×101Ω・cm
着色剤4:カーボンブラック(三菱化学(株)製)
上述した試料を、表1に示すそれぞれの配合割合にて各成分をミキサーで混合し、熱ロールを用いて、95℃で8分間混練して冷却後粉砕し、それぞれエポキシ樹脂組成物を得た。得られたエポキシ樹脂組成物を、以下の方法で評価した。
低圧トランスファー成形機を用いて、EMMI−1−66に準じたスパイラルフロー測定用金型に、金型温度175℃、注入圧力6.9MPa、硬化時間120秒の条件で、エポキシ樹脂組成物を注入し、流動長を測定した。スパイラルフローは、流動性のパラメータであり、数値が大きい方が良好な流動性を示す。
175℃に制御された熱板上に、樹脂組成物を載せ、スパチュラで約1回/1秒のストロークで練り、樹脂組成物が熱により溶解してから硬化するまでの時間を測定し、ゲルタイムとした。ゲルタイムは、数値が小さい方が、硬化が早いことを示す。
低圧トランスファー成形機(TOWA製、Yシリーズ)を用いて、金型温度175℃、注入圧力6.9MPa、硬化時間120秒の条件にて、半導体封止用エポキシ樹脂組成物で封止成形し、各実施例、比較例とも下記に記す仕様のフリップチップBGAを20個作製した。ついで各パッケージのバンプと接続した基板側の隣接する端子2箇所を任意に20ペア選び、端子間の175℃におけるリーク電流を測定した。測定した値の平均値を算出し、実施例1を基準としたリーク電流値の相対値を算出した。
・作製したフリップチップBGAのパッケージ仕様
・半田バンプの間隔:40μm
・パッケージの樹脂厚:450μm
・パッケージの基板と半導体素子との間の隙間:25μm
・半田バンプ直径:40μm
・チップ厚:200μm
・パッケージサイズ:10mm×10mm
・チップサイズ:7mm×7mm
・バンプ数:400個(ただしチップ側の配線は接続されていない)
電気特性を測定したすべてのパッケージを各水準とも研磨によりチップ下の樹脂断面まで削り出し、各実施例および比較例2はSEM−EDSによるマッピングでチタン元素濃度の高い部分を特定し、その後、金属顕微鏡で当該部分を観察した。そして、各20個のパッケージにおける15μm以上の着色剤凝集物個数総計をカウントした。また、比較例1については、蛍光顕微鏡(オリンパス製)で15μm以上の着色剤凝集物個数をカウントした。
電気特性の評価用パッケージの作製と同様の方法でパッケージを作製し、基板−チップ間の間隙における長径100μm以上のボイドを超音波探傷機(日立建機 My Scope)で評価し、各水準とも20個のパッケージの総計を算出した。
Claims (13)
- エポキシ樹脂、無機充填材、及び着色剤を少なくとも含む半導体封止用エポキシ樹脂組成物において、
前記着色剤は体積抵抗率103Ω・cm以上の黒色系酸化チタンであり、
前記無機充填材は、平均粒径が1μm以上、15μm以下である球状シリカを含む
ことを特徴とする半導体封止用エポキシ樹脂組成物。 - 表面に形成された半田バンプの間隔が100μm以下の半導体素子を封止して半導体装置を形成し、その封止の際に、基板と前記半導体素子との間隙にも充填される
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。 - 前記半導体装置が、以下(a)〜(c)の特徴を備えることを特徴とする請求項2に記載の半導体封止用樹脂組成物。
(a)パッケージの樹脂厚が50μm以上800μm以下
(b)前記パッケージの基板と前記半導体素子との間の隙間が10μm以上100μm以下
(c)前記半田バンプ直径が20μm以上100μm以下 - 前記球状シリカの最大粒径は32μm以下である
ことを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか一項に記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成物。 - 前記球状シリカは平均粒径が異なる第1の球状シリカと第2の球状シリカを含み、いずれかの平均粒径が0.1μm以上、5μm以下である
ことを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか一項に記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成物。 - 前記無機充填材の前記半導体封止用エポキシ樹脂組成物の全体に対する配合量は、40重量%以上、92重量%以下である
ことを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれか一項に記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成物。 - 前記着色剤は、Ti4O7、Ti5O9、Ti6O11のうちから選ばれるいずれか1種以上を含む
ことを特徴とする請求項1ないし請求項6のいずれか一項に記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成物。 - 前記着色剤の前記半導体封止用エポキシ樹脂組成物の全体に対する配合量は0.05%重量%以上、5重量%以下である
ことを特徴とする請求項1ないし請求項7のいずれか一項に記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成物。 - 基板と、前記基板上に搭載された半導体素子と、前記半導体素子と前記基板の間隙に充填された封止樹脂硬化体とを備えるフリップチップ実装方式の半導体装置の製造方法であって、
請求項1ないし請求項8のいずれか一項に記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成物をトランスファーモールド法、コンプレッションモールド法又はインジェクションモールド法で成形して、前記封止樹脂硬化体を形成する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項9に記載の半導体装置の製造方法で製造される半導体装置。
- 前記半導体素子の表面には半田バンプが形成されていて、前記半田バンプの間隔は50μm以下である
ことを特徴とする請求項10に記載の半導体装置。 - 前記半田バンプの間隔は40μm以下である
ことを特徴とする請求項11に記載の半導体装置。 - 前記半田バンプの間隔は20μm以上、40μm以下である
ことを特徴とする請求項12に記載の半導体装置。
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