JP2017088750A - 半導体封止用樹脂組成物および半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】Ｐｄ−Ａｕプレプレーティングフレームとの密着性、成形性、耐リフロークラック性に優れた半導体封止用樹脂組成物および半導体装置を提供する。【解決手段】（Ａ）エポキシ樹脂、（Ｂ）フェノール樹脂、（Ｃ）有機ケイ素化合物、および（Ｄ）無機充填剤を必須成分として含有し、前記（Ｃ）有機ケイ素化合物は、下記式（１）【化１】（式（１）中、Ｒ１は炭素数１〜１０の一価の炭化水素基、Ｒ２は炭素数１〜１０の一価の炭化水素基、Ｒ３は炭素数１〜１０の一価の炭化水素基、Ａは炭素数１〜１２の二価の炭化水素基、Ｘは硫黄原子、−ＮＨ−、または−ＮＲ４−（Ｒ４は炭素数１〜１０の一価の炭化水素基）、ｎは１〜３の整数である）で表される化合物であり、前記（Ｄ）無機充填剤は、半導体封止用樹脂組成物全体に対して、８０〜９０重量部含有される半導体封止用樹脂組成物。【選択図】なし

Description

本発明は、Ｐｄ−ＡｕやＡｇメッキを施したリードフレームを用いた半導体パッケージにおいて耐リフロークラック性などの信頼性に優れた半導体封止用樹脂組成物、およびこれを用いた半導体装置に関する。

従来のエポキシ樹脂、ノボラック型フェノール樹脂、および無機充填剤からなる樹脂組成物によって封止するとともにＰｄ−Ａｕプレプレーティングフレームを採用した半導体装置は、該プレプレーティングフレームと封止樹脂である樹脂組成物との接着性が著しく悪いという欠点があった。特に、吸湿した半導体装置を赤外線（ＩＲ）リフロー方式で表面実装すると、封止樹脂とリードフレーム、あるいは封止樹脂と半導体チップの間で剥がれが生じて著しい耐湿劣化を起こし、電極の腐食による断線や水分によるリーク電流を生じ、その結果、半導体装置は長期の信頼性を保証できないという欠点があった。このため、湿度の影響が少なく、半導体装置全体のＩＲリフローによる表面実装を行っても耐湿劣化の少ない、成形性の良い封止樹脂の材料開発が強く要望されていた。

特開平１１−１２４４２号公報

このため、Ｐｄ−Ａｕプレプレーティングフレームと密着力の高い封止用の樹脂組成物の開発が強く要望されている。その方法として、Ｐｄ−Ａｕプレプレーティングフレームとの密着力を向上させる密着付与剤の樹脂組成物中への導入が行われているが、Ｐｄ−Ａｕプレプレーティングフレームに選択的に密着し、かつ樹脂組成物の成形性を損なわない密着付与剤は見つかっていなかった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、Ｐｄ−Ａｕプレプレーティングフレームとの密着力を向上し、良好な成形性を維持し、耐リフロークラック性に優れた半導体封止用樹脂組成物および半導体装置を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記の目的を達成するため鋭意検討を重ねた結果、樹脂組成物に有機ケイ素化合物を添加することによって、Ｐｄ−Ａｕプレプレーティングフレームとの十分な密着力を有する樹脂組成物を得ることができ、上記目的が達成されることを見いだし、本発明を完成させたものである。

即ち、本発明の一態様に係る半導体封止用樹脂組成物は、（Ａ）エポキシ樹脂、（Ｂ）フェノール樹脂、（Ｃ）有機ケイ素化合物、および（Ｄ）無機充填剤を必須成分として含有し、前記（Ｃ）有機ケイ素化合物は、下記式（１）（式（１）中、Ｒ^１は炭素数１〜１０の一価の炭化水素基、Ｒ^２は炭素数１〜１０の一価の炭化水素基、Ｒ^３は炭素数１〜１０の一価の炭化水素基、Ａは炭素数１〜１２の二価の炭化水素基、Ｘは硫黄原子、−ＮＨ−、または−ＮＲ^４−（Ｒ^４は炭素数１〜１０の一価の炭化水素基）、ｎは１〜３の整数である）で表される化合物であり、前記（Ｄ）無機充填剤は、半導体封止用樹脂組成物全体に対して、８０〜９０重量部含有される。

また、本発明の他の一態様に係る半導体装置は、半導体チップと、前記半導体チップを封止する上記半導体封止用樹脂組成物の硬化物とを有する。

本発明によれば、有機ケイ素化合物を添加することにより、良好な成形性を保ちながら、Ｐｄ−Ａｕプレプレーティングフレームに対する十分な密着力を有し、半導体パッケージにおいて耐リフロークラック性などの信頼性を向上した半導体封止用樹脂組成物および半導体装置を提供することができる。

本発明の半導体封止用樹脂組成物は、（Ａ）エポキシ樹脂、（Ｂ）フェノール樹脂、（Ｃ）有機ケイ素化合物、および（Ｄ）無機充填剤を必須成分として含有する。

半導体封止用樹脂組成物に含まれる（Ａ）エポキシ樹脂は、一分子中にエポキシ基を２個以上有するものであれば、分子構造および分子量など特に限定されず、封止用の材料として一般に使用されるものを広く包含することができる。（Ａ）エポキシ樹脂は、例えば、ビフェニル型やビスフェノール型などの芳香族系エポキシ樹脂、シクロヘキサン誘導体型などの脂肪族系エポキシ樹脂、さらには、下記式（２）で表されるエポキシ樹脂などが挙げられる。

式（２）中、Ｒ^４およびＲ^５は、それぞれ独立に、水素原子またはアルキル基であり、ｐは１以上の整数である。

（Ａ）エポキシ樹脂は、上記エポキシ樹脂を単独または２種類以上混合して用いることができる。

半導体封止用樹脂組成物に含まれる（Ｂ）フェノール樹脂は、一分子中に（Ａ）エポキシ樹脂と反応し得るフェノール性水酸基を２個以上有するものであれば、特に限定されない。（Ｂ）フェノール樹脂は、例えば、下記式（３）や下記式（４）で表されるフェノール樹脂などが挙げられる。

式（３）中、ｑは０以上の整数である。

式（４）中、Ｒ^６〜Ｒ^１０は、それぞれ独立に、水素原子または炭素数１〜８のアルキル基であり、ｒは０以上の整数である。

（Ｂ）フェノール樹脂の配合割合は、上述した（Ａ）エポキシ樹脂のエポキシ基（ａ）と（Ｂ）フェノール樹脂のフェノール性水酸基（ｂ）との当量比（ａ）／（ｂ）が０．１〜１０の範囲内であることが好ましい。当量比（ａ）／（ｂ）が０．１未満あるいは１０を超えると、耐湿性、耐熱性、成形性および半導体封止用樹脂組成物を硬化した硬化物の電気特性などが悪くなり、いずれの場合も好ましくない。

半導体封止用樹脂組成物に含まれる（Ｃ）有機ケイ素化合物は、下記式（１）で表される化合物である。（Ｃ）有機ケイ素化合物は、半導体封止用樹脂組成物全体に対して、０．０５〜０．５重量部含有されることが好ましい。（Ｃ）有機ケイ素化合物の配合割合が０．０５重量部未満では、Ｐｄ−Ａｕプレプレーティングフレームに対する密着力向上の効果が十分に得られず、また、０．５重量部を超えると、成形時の硬化性が悪くなり、実用に適さず好ましくない。

式（１）中、Ｒ^１は炭素数１〜１０の一価の炭化水素基、Ｒ^２は炭素数１〜１０の一価の炭化水素基、Ｒ^３は炭素数１〜１０の一価の炭化水素基、Ａは炭素数１〜１２の二価の炭化水素基、Ｘは硫黄原子、−ＮＨ−、または−ＮＲ^４−であり、ｎは１〜３の整数である。Ｒ^４は、炭素数１〜１０の一価の炭化水素基である。

（Ｃ）有機ケイ素化合物は、例えば、チオウレタン型有機ケイ素化合物であるＸ−１２−１０１５Ｍ（信越化学工業製、商品名）、チオウレア型有機ケイ素化合物であるＸ−１２−１０１６Ｍ、Ｘ−１２−１１１１、Ｘ−１２−１１１６、Ｘ−１２−１１１７（いずれも信越化学工業製、商品名）などが挙げられる。

半導体封止用樹脂組成物に含まれる（Ｄ）無機充填剤は、例えば、シリカ粉末、アルミナ粉末、タルク、炭酸カルシウム、酸化チタン、ガラス繊維などが挙げられ、これらを単独または２種類以上混合して用いることができる。これらのなかでも、シリカ粉末やアルミナ粉末が好ましい。（Ｄ）無機充填剤は、半導体封止用樹脂組成物全体に対して、８０〜９０重量部含有される。（Ｄ）無機充填剤の配合割合が８０重量部未満では、耐湿性、耐熱性、半田耐熱性、機械的特性および成形性などが悪くなり、また、９０重量部を超えると、半導体封止用樹脂組成物の混練不能などの作業性が悪くなり、実用に適さない。

半導体封止用樹脂組成物は、上述した（Ａ）エポキシ樹脂、（Ｂ）フェノール樹脂、（Ｃ）有機ケイ素化合物、および（Ｄ）無機充填剤を必須成分とするが、本発明の目的に反しない限りにおいて、また必要に応じて、例えば、天然ワックス類、合成ワックス類、直鎖脂肪族の金属塩、酸アミド類、エステル類、パラフィン系などの離型剤、エラストマーなどの低応力化成分、カーボンブラックなどの着色剤、シランカップリング剤などの（Ｄ）無機充填剤用の処理剤、種々の硬化促進剤のような添加剤を適宜含有することができる。

半導体封止用樹脂組成物を成形材料として調製する場合の一般的な方法としては、上述した（Ａ）エポキシ樹脂、（Ｂ）フェノール樹脂、（Ｃ）有機ケイ素化合物、（Ｄ）無機充填剤、および添加剤を配合し、ミキサーなどによって十分均一に混合した後、さらに熱ロールによる溶融混合処理またはニーダなどによる混合処理を行い、次いで冷却固化させ、適当な大きさに粉砕することによって、成形材料を調製することができる。

本発明の半導体装置は、半導体チップと、半導体チップを封止する上記の半導体封止用樹脂組成物の硬化物とを有する。半導体チップを封止する一般的な方法としては、低圧トランスファー成形があるが、射出成形、圧縮成形、注型などによる封止も可能である。例えば、半導体チップの封止の際に半導体封止用樹脂組成物の成形材料を加熱して硬化させることによって、半導体封止用樹脂組成物の硬化物で封止された半導体チップを具備する半導体装置が得られる。半導体封止用樹脂組成物が半導体チップをはじめとする電子部品や電気部品の封止、被覆、絶縁などに用いられるため、半導体封止用樹脂組成物で成形された半導体装置は優れた特性と信頼性を有することができる。半導体封止用樹脂組成物は、１５０℃以上に加熱して硬化させることが好ましい。半導体封止用樹脂組成物で成形された半導体装置としては、特に限定されるものではなく、例えば、集積回路、大規模集積回路、トランジスタ、サイリスタ、ダイオードなどが挙げられる。

次に、本発明を実施例によって詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例によって何ら限定されるものではない。以下の実施例および比較例において、「部」とは「質量部」を意味する。

（実施例１）
（Ａ）エポキシ樹脂であるオルソクレゾールノボラック型エポキシ樹脂（住友化学製、 ＥＳＣＮ−１９０、エポキシ当量２１５）１１．３部、（Ｂ）フェノール樹脂であるノボラック型フェノール樹脂（昭和高分子製、ＢＲＧ−５５７、フェノール当量１０７）５．７部、（Ｃ）有機ケイ素化合物であるチオウレタン型有機ケイ素化合物（信越化学工業製、Ｘ−１２−１０１５Ｍ）０．２０部、（Ｄ）無機充填剤である溶融球状シリカ粉末（電気化学工業製、ＦＢ−１００）８２．０部、トリフェニルフォスフィン（北興化学製、ＰＰ−２００）０．１０部、カルナバワックス（離型剤）（セラリカ野田製、カルナバワックスＮｏ１）０．３部、カーボンブラック（着色剤）（三菱化学製、ＭＡ−６００）０．３部、およびシランカップリング剤（モメンティブ製、Ａ−１８７）０．３部を配合し、常温で混合し、９０〜９５℃で混練した後、冷却粉砕して半導体封止用樹脂組成物１を製造した。

（実施例２〜８）
表１に示した原料の種類および配合にした以外は、実施例１と同様にして半導体封止用樹脂組成物２〜８を製造した。

（比較例１〜２）
表１に示した原料の種類および配合にした以外は、実施例１と同様にして半導体封止用樹脂組成物Ｃ１〜Ｃ２を製造した。

表１に示した原料は以下の通りである。
・オルソクレゾールノボラック型エポキシ樹脂（住友化学製、ＥＳＣＮ−１９０）
・ノボラック型フェノール樹脂（昭和高分子製、ＢＲＧ−５５７）
・チオウレタン型有機ケイ素化合物（下記式（５））（信越化学工業製、Ｘ−１２−１０１５Ｍ）
・チオウレア型有機ケイ素化合物（下記式（６））（信越化学工業製、Ｘ−１２−１０１６Ｍ）
・溶融球状シリカ粉末（電気化学工業製、ＦＢ−１００）
・トリフェニルフォスフィン（北興化学製、ＰＰ−２００）
・イミダゾール硬化促進剤（四国化成工業製、２Ｅ４ＭＺ）
・ＤＢＵ硬化促進剤（サンアプロ製、ＵＣＡＴ ＳＡ−８４１）
・カルナバワックス（セラリカ野田製、カルナバワックスＮｏ１）
・カーボンブラック（三菱化学製、ＭＡ−６００）
・シランカップリング剤（モメンティブ製、Ａ−１８７）

上記実施例１〜８で製造した半導体封止用樹脂組成物１〜８および比較例１〜２で製造した半導体封止用樹脂組成物Ｃ１〜Ｃ２について、下記に示す方法で各種特性を評価した。なお、半導体封止用樹脂組成物１〜８および半導体封止用樹脂組成物Ｃ１〜Ｃ２の成形は、トランスファー成形機により、金型温度１７５℃、成形圧力６．９ＭＰａ、硬化時間２分間の条件で行い、その後、１７５℃で４時間の後硬化を行った。

（最低溶融粘度）
高化式フロー測定装置（島津製作所製、ＣＦＴ−５００Ｃ）を用いて半導体封止用樹脂組成物を１７５℃、せん断応力１．２３×１０^５Ｐａの環境下に配置し、最低溶融粘度を測定した。

（硬化時間）
１７５℃に保たれた熱盤上で一定量の半導体封止用樹脂組成物を直径４〜５ｃｍの円状に広げ一定速度で練り合わせ、半導体封止用樹脂組成物が増粘し最終的に粘りがなくなるまでの時間を計測した。

（成形性）
トランジスタ８０個に対して、半導体封止用樹脂組成物を用いてトランスファー成形し、成形物の表面巣の発生を観察した。評価は、以下のようにして実施した。
Ａ：巣が発生しない
Ｂ：巣がわずかに発生
Ｃ：巣が多数発生

（吸収率）
直径５０ｍｍ、厚さ３ｍｍの成形品を１２１℃、２．１ａｔｍの条件下で２４時間吸水処理した前後の質量増加率から算出した。

（密着力）
トランスファー成形によって接着面積４ｍｍ^２の成形品をＰｄ−Ａｕプレプレーティングされたリードフレーム上に成形し、１７５℃、４時間放置した後、リードフレームに対する成形品のせん断接着力を測定した。

（耐はんだリフロー性）
半導体封止用樹脂組成物を用いて、２本以上のアルミニウム配線を有するシリコン製チップ（テスト用素子）をＰｄ−Ａｕプレプレーティングフレームに接着し、１７５℃で１２０秒間トランスファー成形して、ＱＦＰ−２０８，２．８ｍｍ^ｔの成形品を２２個作り、これらを１７５℃、４時間の後硬化を行った。こうして得た成形品２２個を予め６０℃、６０％ＲＨ、４０時間の吸湿処理をした後、Ｍａｘ２６０℃のＩＲリフロー炉に３回通した。その後、ＳＡＴ（超音波探傷装置）によりＰｄ−Ａｕプレプレーティングフレームと成形品の剥離を評価した。

以上の説明および表１から明らかなように、本発明の半導体封止用樹脂組成物および半導体装置は、Ｐｄ−Ａｕプレプレーティングフレームとの接着性に優れ、ＩＲリフロー後においても剥離することなく、耐湿性に優れ、その結果、電極の腐食による断線や水分によるリーク電流の発生を著しく低減することができ、しかも長期間にわたって信頼性を保証することができる。

Claims (3)

1. （Ａ）エポキシ樹脂、（Ｂ）フェノール樹脂、（Ｃ）有機ケイ素化合物、および（Ｄ）無機充填剤を必須成分として含有し、
   前記（Ｃ）有機ケイ素化合物は、下記式（１）
   

   

   （式（１）中、Ｒ^１は炭素数１〜１０の一価の炭化水素基、Ｒ^２は炭素数１〜１０の一価の炭化水素基、Ｒ^３は炭素数１〜１０の一価の炭化水素基、Ａは炭素数１〜１２の二価の炭化水素基、Ｘは硫黄原子、−ＮＨ−、または−ＮＲ^４−（Ｒ^４は炭素数１〜１０の一価の炭化水素基）、ｎは１〜３の整数である）で表される化合物であり、
   前記（Ｄ）無機充填剤は、半導体封止用樹脂組成物全体に対して、８０〜９０重量部含有されることを特徴とする半導体封止用樹脂組成物。
2. 前記（Ｃ）有機ケイ素化合物は、前記半導体封止用樹脂組成物全体に対して、０．０５〜０．５重量部含有されることを特徴とする請求項１記載の半導体封止用樹脂組成物。
3. 半導体チップと、前記半導体チップを封止する請求項１または２記載の半導体封止用樹脂組成物の硬化物とを有することを特徴とする半導体装置。