JP2018044079A - 半導体封止用樹脂組成物および樹脂封止型半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】誘電率が高く熱膨張係数が小さく寸法安定性の高い封止用樹脂組成物および樹脂封止型半導体装置を提供する。【解決手段】（Ａ）エポキシ樹脂と、（Ｂ）フェノール樹脂と、（Ｃ）硬化促進剤と、（Ｄ）チタン酸バリウム粉末と、（Ｅ）（Ｄ）成分以外の無機充填材と、を必須成分とし、（Ｄ）チタン酸バリウム粉末の平均粒子径が３０μｍ〜１００μｍであり、誘電率が３０００〜３００００である半導体封止用樹脂組成物、およびこれを用いた樹脂封止型半導体装置。【選択図】なし

Description

本発明は、半導体等の電子部品の封止材として使用される半導体封止用樹脂組成物、およびこれを用いた樹脂封止型半導体装置に関する。

半導体素子等の電子部品において、一般的に熱硬化性樹脂を用いて封止することが行われている。このような封止材料にはエポキシ樹脂をベースとし、これに硬化剤や硬化促進剤、さらには無機充填材等を配合した組成物が、信頼性、成形性、価格等の観点から多用されている。

近年、個人情報の保護の観点から指紋認証センサの需要が高まっている。この指紋認証センサの方式の一つに静電容量方式がある。この方式は指紋認証センサの課題である乾燥指に対する感度が高いため、多くの指紋認証センサに用いられている。静電容量方式は半導体基板上にセンサ電極を設け、その上に封止材を形成した構造であり、封止材を介して指紋の微細な凹凸とセンサ電極との間の距離によって、発生する静電容量の違いを検出し、指紋を読み取る方式である。

静電容量方式の指紋認証センサ用の封止材として、エポキシ樹脂組成物の誘電率を上げることにより指紋認証センサの感度を上げる方法が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１では誘電率を上げるため、比較的小さな粒子径の誘電体粉末を用いて封止材の膜厚を薄くすることにより高誘電率化を実現している。

一方、半導体封止用エポキシ樹脂組成物の誘電率を上げる方法としては、様々な高誘電無機充填材の充填が検討されている。例えば高誘電無機充填材として酸化チタン、チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム、チタン酸ジルコン亜鉛等が用いられている（例えば、特許文献２〜４参照。）。

国際公開第２０１５／１４６８１６号 特開２００３−６４２４０号公報 特開２００６−１９８６号公報 特開２０１５−３６４１０号公報

しかし、特許文献１記載の手法では、静電容量方式の指紋センサの課題である、センサ表面への衝撃に弱いという欠点が補えない。したがって、センサ電極を保護している封止材の厚みを厚くしつつ、半導体封止用エポキシ樹脂組成物の高誘電率化が求められている。

また、特許文献２や特許文献３記載の手法では誘電率を上げるため、多くの高誘電無機充填材を充填することから、流動性に課題が残っている。さらに、特許文献４では流動性を改善するため、高誘電無機充填材以外の無機充填材と組み合わせているが、十分なものではなかった。

そこで、本発明は、上記課題を解消するためになされたもので、誘電率が高く、流動性に優れ、かつ、膜厚が厚い場合でも小さい線膨張係数のため寸法安定性がよい、という特性の硬化物を得られる封止用樹脂組成物および該封止用樹脂組成物を用いた樹脂封止型半導体装置を提供しようとするものである。

本発明者らは、上記の課題を解決するため鋭意研究を重ねた結果、樹脂組成物中に、平均粒子径が３０μｍ〜１００μｍのチタン酸バリウムを添加することで、十分な流動性を有し、その硬化物が十分な誘電率および良好な寸法安定性を有するものとできる樹脂組成物が得られることを見いだし、本発明を完成させたものである。

すなわち、本発明の半導体封止用樹脂組成物は、（Ａ）エポキシ樹脂と、（Ｂ）フェノール樹脂と、（Ｃ）硬化促進剤と、（Ｄ）チタン酸バリウム粉末と、（Ｅ）（Ｄ）成分以外の無機充填材と、を必須成分とし、前記（Ｄ）チタン酸バリウム粉末の平均粒子径が３０μｍ〜１００μｍであり、誘電率が３０００〜３００００であることを特徴とする。

また、本発明の樹脂封止型半導体装置は、半導体チップが、本発明の半導体封止用樹脂組成物の硬化物によって封止されていることを特徴とする。

本発明の封止用樹脂組成物および樹脂封止型半導体装置によれば、十分な流動性を持ちながら、その硬化物が十分な誘電率および低線膨張係数による寸法安定性を有するものとできる。

本発明の封止用樹脂組成物は、上記したように（Ａ）エポキシ樹脂と、（Ｂ）フェノール樹脂と、（Ｃ）硬化促進剤と、（Ｄ）チタン酸バリウム粉末と、（Ｅ）（Ｄ）成分以外の無機充填材と、を必須成分として含む樹脂組成物である。以下、この封止用樹脂組成物を構成する各成分について詳細に説明する。

本発明に用いる（Ａ）エポキシ樹脂としては、その分子中にエポキシ基を少なくとも２個有する化合物である限り、分子構造および分子量など特に制限はなく、一般に封止用材料として使用されるものを広く包含することができる。

この（Ａ）エポキシ樹脂としては、例えば、ビフェニル型、ビスフェノール型の芳香族系、シクロヘキサン誘導体等脂肪族系、また、次の一般式（１）で示されるようなものが挙げられる。

（但し、式中、Ｒ^１およびＲ^２は、それぞれ独立して水素原子またはアルキル基を表し、またｎは１以上の整数を表す）

これらのエポキシ樹脂は、単独または２種類以上混合して用いることができる。

本発明に用いる（Ｂ）フェノール樹脂としては、上記（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、特に制限されるものではない。この（Ｂ）フェノール樹脂の具体的なものとしては、例えば、次の一般式（２）または（３）に示されるものが挙げられる。

（但し、式中、ｍは０または１以上の整数を表す）

（但し、式中、Ｒ^３〜Ｒ^７は、それぞれ独立して水素原子またはアルキル基を表し、またｒは１以上の整数を表す）

フェノール樹脂の配合割合は、前述したエポキシ樹脂のエポキシ基の数（ａ）とフェノール樹脂のフェノール性水酸基の数（ｂ）との比（ａ）／（ｂ）の値が０．１〜１０の範囲内であることが望ましい。当該比が０．１未満あるいは１０を超えると、耐湿性、耐熱性、成形作業性および硬化物の電気特性等が悪くなり、いずれの場合も好ましくない。従って上記の範囲内に限定するのがよい。

本発明に用いる（Ｃ）硬化促進剤としては、リン系硬化促進剤、イミダゾール系硬化促進剤、ジアザビシクロウンデセン（ＤＢＵ）系硬化促進剤、その他の硬化促進剤等が広く使用することができ、これらは単独でまたは２種以上を併用して使用することができる。

（Ｃ）硬化促進剤としては、例えば、１，８−ジアザビシクロ［５．４．０］ウンデセン−７（ＤＢＵ）、トリエチレンジアミン、ベンジルジメチルアミン、トリエタノールアミン、ジメチルアミノエタノール、トリス（ジメチルアミノメチル）フェノール等の３級アミン類、２−へプタデシルイミダゾール、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−メチルイミダゾール、２−フェニル−４−メチル−５−ヒドロキシメチルイミダゾール等のイミダゾール類、トリブチルホスフィン、ジフェニルホスフィン、トリフェニルホスフィン等の有機ホスフィン類、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テトラフェニルボレートなどのテトラフェニルボロン塩等が挙げられる。

なかでも、硬化性および耐熱性に優れ、流動性および成形性が良好であるという観点からイミダゾール類が好ましく、例えば、イミダゾール、２−メチルイミダゾール、２−エチルイミダゾール、２−イソプロピルイミダゾール、２−ウンデシルイミダゾール、２−へプタデシルイミダゾール、１，２−ジメチルイミダゾール、２−エチル−４−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−メチルイミダゾール、１−ベンジル−２−メチルイミダゾール、１−ベンジル−２−フェニルイミダゾール、１−シアノエチル−２−メチルイミダゾール、１−シアノエチル−２−エチル−４−メチルイミダゾール、１−シアノエチル−２−ウンデシルイミダゾール、１−シアノエチル−２−フェニルイミダゾール、１−シアノエチル−２−ウンデシルイミダゾリウムトリメリテイト、２，４−ジアミノ−６−［２´−メチルイミダゾリル−（１´）］−エチル−ｓ−トリアジン、２，４−ジアミノ−６−［２´−ウンデシルイミダゾリル−（１´）］−エチル−ｓ−トリアジン、２，４−ジアミノ−６−［２´−エチル−４´−メチルイミダゾリル−（１´）］−エチル−ｓ−トリアジン、２，４−ジアミノ−６−［２´−メチルイミダゾリル−（１´）］−エチル−ｓ−トリアジン、２−フェニルイミダゾールイソシアヌル酸付加物、２−メチルイミダゾールイソシアヌル酸付加物、２−フェニル−４，５−ジヒドロキシメチルイミダゾール、２−フェニル−４−メチル−５−ヒドロキシメチルイミダゾール、２−フェニルイミダゾリン、１−シアノエチル−２−フェニル−４，５−ジ（２−シアノエトキシ）メチルイミダゾール、１−ドデシル−２−メチル−３−ベンジルイミダゾリウムクロライド、１−ベンジル−２−フェニルイミダゾール塩酸塩、１−ベンジル−２−フェニルイミダゾリウムトリメリテイト等を挙げることができる。これらイミダゾール類は単独でまたは２種以上を混合して使用することができる。

硬化促進剤の配合割合は、全体の樹脂組成物に対して０．０１〜５質量％含有するように配合することが望ましい。その割合が０．０１質量％未満では樹脂組成物のゲルタイムが長く、硬化特性も悪くなる。また、５質量％を超えると極端に流動性が悪くなって成形性に劣り、さらに電気特性も悪くなり耐湿性に劣り好ましくない。

本発明に用いる（Ｄ）チタン酸バリウム粉末は、その平均粒子径が３０μｍ〜１００μｍである。また、（Ｄ）チタン酸バリウム粉末は、全体の樹脂組成物に対して１〜３０体積％の割合で含有することが望ましい。また、流動性が必要な場合（Ｄ）チタン酸バリウム粉末は全体の樹脂組成物に対して１〜１０体積％の割合で配合してもよい。さらに、（Ｄ）チタン酸バリウム粉末は、その分極の強弱を示す誘電率が３０００〜３００００である。この（Ｄ）チタン酸バリウムの誘電率は、その粉末中におけるチタン酸バリウムの含有割合（純度）により影響され、大きく変動する。なお、（Ｄ）チタン酸バリウム粉末の誘電率は、１００００〜１５０００が好ましい。

平均粒子径が３０μｍ未満の場合、誘電率上昇の効果が小さく、１００μｍより大きいと成形時に金型の隙間に詰まり充填性に問題が生じる。この範囲の粒子径のチタン酸バリウムを用いると飛躍的に誘電率が向上する。

また、チタン酸バリウム粉末の割合は１体積％未満では、誘電率の十分な上昇が得られず、また、３０体積％を超えるとカサバリが大きく流動性の低下、混練不能などの作業性が悪く実用に適さず好ましくない。この範囲になることで沈降が生じず硬化後の反りなどが発生しない。

また、（Ｄ）チタン酸バリウム粉末は球状に近い方が流動性や混練性が良く好ましい。必ずしも球状にはならないものがあるが、摩砕等によって角がとれたものであることが好ましい。

なお、従来、半導体の封止材料のチタン酸バリウム粉末としては、そのような大きな粒子径のチタン酸バリウムを用いた例は知られておらず、このような大きな粒子径のチタン酸バリウムを所定の組成となるように配合し樹脂組成物を得ることで、流動性に優れ、その硬化物の誘電率が高く、かつ、膜厚が厚い場合でも小さい線膨張係数のため寸法安定性が良好な、これまでにない封止材料を得られることを見出した。

本発明に用いる（Ｅ）無機充填材は、（Ｄ）平均粒子径３０μｍ〜１００μｍのチタン酸バリウム粉末以外の無機充填材であり、一般に封止材に用いられる無機充填材であれば特に制限はない。この（Ｅ）無機充填剤としては、例えば、アルミナ粉末、シリカ粉末、タルク、炭酸カルシウム、酸化チタンおよびガラス繊維等を単独でも複数種組み合わせて用いてもよい。また、平均粒子径３０μｍ未満のチタン酸バリウムを含んでもよい。

これらのなかでも特に平均粒子径０．４μｍ〜４０μｍの範囲の球状の無機充填材が好ましい。これは（Ｄ）成分のチタン酸バリウムと粒子径が異なる充填材を組み合わせることで、流動性や成形性が向上する。すなわち、この（Ｅ）無機充填材としては、その平均粒子径が、（Ｄ）チタン酸バリウムの平均粒子径よりも小さいものとする。さらに、（Ｄ）チタン酸バリウムの平均粒子径は、（Ｅ）無機充填材の平均粒子径の１．５〜６倍であることが好ましく、１．５〜４倍がより好ましい。（Ｄ）チタン酸バリウムの平均粒子径が、（Ｅ）無機充填材の平均粒子径の１．５倍以下だとカサバリが大きくなり、６倍以上だと寸法安定性が悪化する傾向にある。

また、この（Ｅ）無機充填材は、比重が２．１〜６．０の無機充填材が好ましい。例えば、シリカ、水酸化マグネシウム、炭酸カルシウム、アルミナ、酸化チタン、酸化亜鉛等が挙げられる。中でも比重３．０〜５．０の無機充填材、例えばアルミナや酸化チタンを用いることがより好ましい。

チタン酸バリウムは比重が６．０〜６．１と大きいため、（Ｄ）成分の含有量が多くなると沈降が生じ硬化物が不均一となり寸法安定性の悪化の原因となるが、同時に配合する（Ｅ）無機充填材を上記の範囲の比重にすることで均一な硬化物の調製が可能となり寸法安定性が向上する。更に、粒子径と比重の関係より、平均粒子径０．４〜４０μｍの溶融球状アルミナが流動性と寸法安定性の観点より、一層好ましい。

ここで（Ｅ）無機充填材の配合割合は、２９〜６５体積％が好ましい。この配合割合が２９体積％未満であると、線膨張係数が増加し寸法安定性が悪化するおそれや均一な硬化物の調整が難しくなり、６５体積％超であると、所望の誘電率が得られなくなるおそれがある。

（Ｄ）平均粒子径３０μｍ〜１００μｍのチタン酸バリウムと（Ｅ）その他無機充填材の合計配合割合は、全体の樹脂組成物に対して３０〜８０体積％の割合で含有することが望ましい。その割合が３０体積％未満では寸法安定性、耐熱性、耐湿性、半田耐熱性、機械的特性、成形性等が悪くなり、また、８０体積％を超えると、混練不能などの作業性が悪く実用に適さない。

本発明の封止用樹脂組成物は、前述したエポキシ樹脂、フェノール樹脂、硬化促進剤、チタン酸バリウム、無機充填剤を主成分とするが、本発明の目的に反しない限度において、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、パラフィン系等の離型剤、エラストマー等の低応力化成分、カーボンブラック等の着色剤、シランカップリング剤等の無機充填材の処理剤などを適宜、添加配合することができる。

本発明の封止用樹脂組成物を封止用材料として調製する場合の一般的な方法としては、前述したエポキシ樹脂、フェノール樹脂、硬化促進剤、チタン酸バリウム、無機充填材およびその他の成分を配合し、ミキサー等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、またはニーダ等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して封止用材料とすることができる。こうして得られた封止用材料は、半導体封止をはじめとする電子部品、電気部品の封止、被覆、絶縁等に適用すれば、優れた特性と信頼性を付与させることができる。

本発明の樹脂封止型半導体装置は、半導体チップを、上記のようにして得られた封止用樹脂組成物の硬化物によって、封止されたものである。この樹脂封止型半導体装置は、半導体チップを上記封止用樹脂組成物で封止することにより容易に製造することができる。

封止の最も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、圧縮成形および注型などによる封止も可能である。封止用樹脂組成物を封止の際に加熱して硬化させ、最終的にはこの組成物の硬化物によって封止された樹脂封止型半導体装置が得られる。加熱による硬化は、１５０℃以上に加熱して硬化させることが望ましい。封止される半導体装置としては、指紋認証センサ用に用いるのが好ましいが、特に限定されるものではない。

次に、本発明を実施例によって具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例によって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）成分としてビフェニル型エポキシ樹脂（ＪＥＲ社製、商品名：ＹＸ−４０００；エポキシ当量 １７２） ６．５部に、（Ｂ）成分としてトリフェニルメタン型フェノール樹脂（明和化成社製、商品名：ＭＥＨ−７５００；フェノール当量 ９７） ３．５部、（Ｄ）成分としてチタン酸バリウム粉末（共立マテリアル株式会社製、商品名：ＹＨ−１２２０；平均粒子径 ５０μｍ、比重 ６．０８、誘電率 １００００）） ４０部、（Ｃ）成分として硬化促進剤（四国化成工業社製、商品名：２Ｅ４ＭＺ） ０．０８部、（Ｅ）成分として（Ｅ１）微細溶融アルミナ粉末（マイクロン製、商品名：ＡＭ−１０−２５Ｒ；平均粒子径 ２５μｍ、比重 ３．９５） ４６．６部、難燃剤（大塚化学社製、商品名：ＦＰ−１００） ０．４部、カーボンブラック（三菱化学社製、商品名：ＭＡ−１００） １．４部、シランカップリング剤（モメンティブ社製、商品名：Ａ−１８７） ０．６部およびカルナバワックス（セラリカ野田社製、Ｎｏ１（商品名）） ０．３部を配合し常温で混合し、さらに９０〜９５℃で混練してこれを冷却粉砕して封止用樹脂組成物を作成した。

（実施例２〜４、比較例１〜５）
表１に示した配合により、実施例１と同様にして封止用樹脂組成物を得た。実施例１では配合していない使用した原料は以下の通りである。

（Ｅ成分）
（Ｅ２）チタン酸バリウム（共立マテリアル社製、商品名：ＢＴ−ＨＰ５００；平均粒子径 ５００ｎｍ、比重 ６．０８、誘電率 １００００）
（Ｅ３）チタン酸バリウム（共立マテリアル社製、商品名：ＢＴ−ＨＰ１０００ＥＳＣ；平均粒子径 １０００ｎｍ、比重 ６．０８、誘電率 １００００）
（Ｅ４）球状溶融シリカ（電気化学工業社製、商品名：ＦＢ−９４０Ａ、平均粒子径 １７μｍ、比重 ２．２）

（試験例）
上記各実施例および各比較例で得られた封止用樹脂組成物について、下記に示す方法で各種特性を評価した。なお、封止用樹脂組成物の成形は、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。

［流動性］
成形温度１７５℃、成形圧力９．８ＭＰａでトランスファー成形することでスパイラルフローを測定した。

［硬化時間］
１７５℃に保たれた熱盤上で一定量の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、試料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。
○：巣が発生しない
△：巣がわずかに発生した
×：巣が多数発生した

［誘電率］
エポキシ樹脂組成物を成形して直径５０ｍｍ×厚さ３ｍｍの成形品を作り、テストピースは１７５℃／８ｈポストキュア後に横川ヒューレットパッカード株式会社製Ｑメータにて誘電率を周波数１ＭＨｚで測定した。

［線膨張係数］
ＴＭＡ法にて、室温から３００℃まで５℃／分の速度で昇温させて、線膨張係数を測定した。
α１：Ｔｇ以下の温度領域での線膨張係数
α２：Ｔｇ以上の温度領域での線膨張係数

以上得られた特性も、樹脂組成と合わせて表１にまとめて示した。

以上の結果から明らかなように、本発明の封止用樹脂組成物は誘電率が高く、流動性に優れ、またこれを使い樹脂封止型半導体装置を得る場合、線膨張係数が小さく寸法安定性の高い硬化物とでき、所望の形状に安定した特性を有する樹脂封止型半導体装置を得ることができる。

Claims (5)

1. （Ａ）エポキシ樹脂と、（Ｂ）フェノール樹脂と、（Ｃ）硬化促進剤と、（Ｄ）チタン酸バリウム粉末と、（Ｅ）（Ｄ）成分以外の無機充填材と、を必須成分とし、
   前記（Ｄ）チタン酸バリウム粉末の平均粒子径が３０μｍ〜１００μｍであり、誘電率が３０００〜３００００であることを特徴とする半導体封止用樹脂組成物。
2. 前記半導体封止用樹脂組成物中に、前記（Ｄ）チタン酸バリウム粉末の含有量が１〜３０体積％、前記（Ｅ）無機充填材の含有量が２９〜６５体積％、前記（Ｄ）チタン酸バリウムと前記（Ｅ）無機充填材の合計含有量が３０〜８０体積％、であ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. 前記（Ｅ）無機充填材の平均粒子径が０．４〜４０μｍであり、比重が２．１〜６．０であることを特徴とする請求項１または２記載の半導体封止用樹脂組成物。
4. 前記（Ｅ）無機充填材が溶融アルミナである請求項１〜３のいずれか１項記載の半導体封止用樹脂組成物。
5. 半導体チップが、請求項１〜４のいずれか１項記載の半導体封止用樹脂組成物の硬化物によって封止されていることを特徴とする樹脂封止型半導体装置。