JP2018150456A - 封止用樹脂組成物および半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】温度サイクル信頼性に優れた封止用樹脂組成物およびそれを用いた半導体装置を提供すること。【解決手段】本発明の封止用樹脂組成物は、熱硬化性樹脂と、低応力剤と、充填材と、を含み、当該封止用樹脂組成物を200℃、120秒の条件で硬化させ、さらに、250℃で4時間熱処理して得られる硬化物のガラス転移温度以上での線膨張係数α2[ppm/℃]、および、前硬化物の25℃における曲げ弾性率E25[GPa]が、下記式(I)の条件を満たし、熱機械分析(Thermal Mechanical Analysis:TMA)により測定される前記硬化物のガラス転移温度が180℃以上である。300≦|(16.5−α2)*E25|≦900 (I)【選択図】図1

Description

本発明は、封止用樹脂組成物および半導体装置に関する。
半導体素子を封止するために用いられる封止材に関する技術として、特許文献1〜3に記載のものがある。
特許文献1(特開2016−47872号公報)には、長期耐熱性、低熱膨張性に優れ、適切な曲げ弾性率を有する半導体封止用熱硬化性樹脂組成物を提供するための技術として、特定の構造を有するマレイミド化合物、特定の構造を有する芳香族アリルアミン化合物、硬化促進剤および無機充填材を含有する熱硬化性樹脂組成物について記載されている。
特許文献2(特開2011−26399号公報)には、エポキシ樹脂、硬化剤およびトリメリット酸エステルを含有する封止用エポキシ樹脂組成物により、ノンハロゲンかつノンアンチモンであり、充填剤の割合が高い場合でもリードフレームとの熱膨張係数の差が小さく、高温時における弾性率低減効果による耐半田リフロー性に優れ、かつ、耐熱衝撃性に優れ、銅腐食の可能性となる硫黄を含まない封止用エポキシ樹脂組成物が実現できるとされている。
特許文献3(国際公開第2015/152037号)には、特定の構造を有するフェノール樹脂であって、かかるフェノール樹脂と特定の構造を有するエポキシ樹脂と硬化促進剤とから得られる硬化物に、40℃以上180℃以下において、1.5%以上の熱膨張率を与えるものであるフェノール樹脂について記載されている。そして、かかるフェノール樹脂を用いたエポキシ樹脂組成物から形成された封止材料を有する薄型片面封止パッケージの半導体装置は、該封止材料の加熱時の熱膨張率が高いことに起因して、冷却時の熱収縮率も高く、そのことによって、半導体装置が実装された基板材料に発生したそりを低減させることができるとされている。
特開2016−47872号公報 特開2011−26399号公報 国際公開第2015/152037号
しかしながら、本発明者が検討した結果、上記特許文献1〜3に記載の封止材を用いた半導体装置においては、温度サイクル信頼性の点でなお改善の余地があることが明らかになった。
本発明によれば、
熱硬化性樹脂と、低応力剤と、充填材と、を含む封止用樹脂組成物であって、
当該封止用樹脂組成物を200℃、120秒の条件で硬化させ、さらに、250℃で4時間熱処理して得られる硬化物のガラス転移温度以上での線膨張係数α2[ppm/℃]、および、前記硬化物の25℃における曲げ弾性率E25[GPa]が、下記式(I)の条件を満たし、
300≦|(16.5−α2)*E25|≦900 (I)
熱機械分析(Thermal Mechanical Analysis:TMA)により測定される前記硬化物のガラス転移温度が180℃以上である、封止用樹脂組成物が提供される。
また本発明によれば、上述した本発明における封止用樹脂組成物で半導体素子を封止してなる、半導体装置が提供される。
本発明によれば、温度サイクル信頼性に優れた封止用樹脂組成物およびそれを用いた半導体装置を提供することができる。
実施形態における半導体装置の構成を示す断面図である。 実施形態における半導体装置の構成を示す断面図である。
以下、実施の形態について、図面を用いて説明する。なお、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
まず、本実施形態に係る封止用樹脂組成物について説明する。
本実施形態の封止用樹脂組成物は、熱硬化性樹脂と、低応力剤と、充填材と、を含む。
そして、かかる封止用樹脂組成物の硬化物のガラス転移温度以上での線膨張係数α2[ppm/℃]、および、硬化物の25℃における曲げ弾性率E25[GPa]が、下記式(I)の条件を満たす。
300≦|(16.5−α2)*E25|≦900 (I)
さらに、熱機械分析(Thermal Mechanical Analysis:TMA)により測定される上記硬化物のガラス転移温度が180℃以上である。
ここで、|(16.5−α2)*E25|およびガラス転移温度の測定に用いられる硬化物は、いずれも、封止用樹脂組成物を200℃、120秒の条件で硬化させ、さらに、250℃で4時間熱処理して得られる。
本発明者は、半導体装置の温度サイクル信頼性を向上させる、たとえば、−40℃以上250℃以下という厳しい温度サイクル条件における信頼性を向上させるという観点から、封止用樹脂組成物の構成を検討した。その結果、封止用樹脂組成物が、熱硬化性樹脂と、低応力剤と、充填材と、を含む構成とし、その熱硬化性樹脂の硬化物のガラス転移温度が上述した特定の条件を満たすとともに、上記硬化物が上述した式(I)の条件を満たす構成とすることにより、厳しい温度サイクル条件においても信頼性に優れた半導体装置を得ることができることを見出した。
上記式(I)における「|(16.5−α2)*E25|」は、Cuの線膨張係数(16.5ppm/℃)と硬化物のガラス転移温度以上での線膨張係数α2との差分[ppm/℃]に、硬化物の25℃における曲げ弾性率であるE25[GPa]を乗じて得られる数の絶対値である。そして、かかる絶対値が式(I)の範囲にある硬化物により半導体素子を封止することにより温度サイクル信頼性に優れた半導体装置を得ることができる。
|(16.5−α2)*E25|は、成形性を向上させる観点から、300以上であり、好ましくは350以上、より好ましくは400以上である。|(16.5−α2)*E25|が小さすぎる場合、たとえば、α2を低く抑えるために、充填材を大量に添加する配合となってしまい、成形が困難となる懸念がある。また、|(16.5−α2)*E25|が小さすぎる場合、たとえば、弾性率を低く抑えるために低応力剤を大量に添加する配合となってしまい、タブレット打錠が困難となり、成形方法に制約が生じる懸念がある。たとえば、低応力剤の種類によっては添加量が多すぎるとブリードアウトが発生する懸念がある。
また、応力低減により温度サイクル信頼性を高める観点から、|(16.5−α2)*E25|は900以下であり、好ましくは895以下、より好ましくは890以下である。
また、硬化物のガラス転移温度は、硬化物の耐熱性を向上させる観点から、180℃以上であり、好ましくは200℃以上、より好ましくは230℃以上、さらに好ましくは250℃以上、よりいっそう好ましくは260℃以上である。
また、硬化物のガラス転移温度の上限に制限はないが、硬化物の靭性を向上させる観点から、たとえば300℃以下であり、より好ましくは290℃以下である。
ここで、硬化物のガラス転移温度は、熱機械分析(Thermal Mechanical Analysis:TMA)装置(セイコーインスツル社製、TMA100)を用いて測定温度範囲0℃〜400℃、昇温速度5℃/分の条件で測定される。
封止用樹脂組成物が上述した成分を有するとともに、封止用樹脂組成物の硬化物が、上述したガラス転移温度の条件および上述した式(I)の条件を満たすことにより、温度サイクル信頼性が向上する理由は必ずしも明らかではないが、以下の点が推察される。まず、ガラス転移温度について特定の条件を満たすことにより、温度サイクル信頼性試験の高温時(具体的には、250℃)において、封止用樹脂組成物の機械物性の急激な変化が抑制され、温度サイクル信頼性が向上する。また、ガラス転移温度について特定の条件を満たすとともに、式(I)の条件を満たすことで、温度サイクル信頼性試験の温度範囲、具体的には、−40℃から250℃の温度範囲において、半導体装置に使用される銅配線等との応力差を抑制できるため、温度サイクル信頼性が向上すると考えられる。
また、以上のような特性は、本実施形態の封止用樹脂組成物を構成する各成分の種類、配合量を適切に調整することで達成することができる。
ここで、α2とは、ガラス転移温度以上での線膨張係数であり、さらに具体的には、310℃〜330℃にて取得される線膨張係数である。α2の取得温度の下限値が低すぎると、硬化物のTg近辺となるため、α2の測定値が安定しない懸念がある。また、α2の取得温度の上限値が高すぎると、硬化物の構成成分の劣化等により、α2を安定的に測定できない懸念がある。
以下、本実施形態の封止用樹脂組成物の硬化物の特性についてさらに説明する。以下において、特段の説明がない場合、特性評価に用いられる硬化物は、封止用樹脂組成物を200℃、120秒の条件で硬化させ、さらに、250℃で4時間熱処理して得られる。
本実施形態において、封止用樹脂組成物の硬化物のガラス転移温度以上での線膨張係数α2[ppm/℃]、および、硬化物の250℃における曲げ弾性率E250[GPa]は、好ましくは下記式(II)の条件を満たす。
|(16.5−α2)*E250|<480 (II)
α2およびE250が上記(II)式を満たす構成とすることにより、高温環境下における弾性率の過度の向上および応力の過度の低下をさらに効果的に抑制して温度サイクル信頼性をさらに向上させることができる。
|(16.5−α2)*E250|は、優れた成形性の観点から、好ましくは20以上であり、より好ましくは25以上、さらに好ましくは30以上である。
また、応力低減により温度サイクル信頼性を高める観点から、|(16.5−α2)*E250|は、好ましくは480未満であり、より好ましくは440以下、さらに好ましくは400以下である。
動的機械分析(Dynamic Mechanical Analysis:DMA)により測定される封止用樹脂組成物の硬化物の損失係数Tanδは、好ましい応力緩和特性を得る観点から、好ましくは0.07以上であり、より好ましくは0.08以上、さらに好ましくは0.09以上である。
また、リフロー信頼性を向上させる観点から、上記損失係数Tanδは、好ましくは0.23以下であり、より好ましくは0.22以下、さらに好ましくは0.21以下である。
また、動的機械分析(Dynamic Mechanical Analysis:DMA)により測定される封止用樹脂組成物の硬化物のガラス転移温度は、耐熱性を向上させる観点から、好ましくは250℃以上であり、より好ましくは290℃以上、さらに好ましくは310℃以上である。
また、好ましい靭性を得る観点から、上記ガラス転移温度は、好ましくは350℃以下であり、より好ましくは340℃以下である。
封止用樹脂組成物の硬化物の、ガラス転移温度以上における、具体的には310℃から330℃の温度範囲における平均線膨張係数(α2)は、熱履歴時における線膨張係数を低くし、たとえば半導体パッケージの反りを抑制する観点から、好ましくは75ppm/℃以下であり、より好ましくは70ppm/℃以下であり、さらに好ましくは65ppm/℃以下である。上記平均線膨張係数(α2)の下限値は限定されないが、たとえば30ppm/℃以上としてもよい。
平均線膨張係数(α2)の測定には、たとえば、熱機械分析装置(セイコーインスツル社製、TMA100)を用いることができる。
封止用樹脂組成物の硬化物の、25℃における曲げ弾性率E25は、硬化物の強度を高める観点から、好ましくは5GPa以上であり、より好ましくは7GPa以上、さらに好ましくは9GPa以上である。また、応力緩和特性に優れた硬化物を実現する観点から、上記曲げ弾性率E25は、好ましくは20GPa以下であり、好ましくは15GPa以下であり、より好ましくは10GPa以下である。
曲げ弾性率E25は、たとえばJIS K 6911に準拠して測定される。
また、封止用樹脂組成物の硬化物の、250℃における曲げ弾性率E250は、硬化物の強度を高める観点から、好ましくは0.1GPa以上であり、より好ましくは0.5GPa以上、さらに好ましくは1GPa以上である。また、応力緩和特性に優れた硬化物を実現する観点から、上記曲げ弾性率E250は、好ましくは10GPa以下であり、好ましくは8GPa以下であり、より好ましくは6GPa以下である。
曲げ弾性率E250は、たとえばJIS K 6911に準拠して測定される。
DMAにより測定される封止用樹脂組成物の硬化物の30℃における貯蔵弾性率E'は、硬化物の強度を高める観点から、好ましくは1GPa以上であり、より好ましくは3GPa以上、さらに好ましくは5GPa以上である。
また、応力緩和特性に優れた硬化物を実現する観点から、上記30℃における貯蔵弾性率E'は、好ましくは20GPa以下であり、より好ましくは18GPa以下、さらに好ましくは16GPa以下である。
DMAにより測定される封止用樹脂組成物の硬化物の250℃における貯蔵弾性率E'は、硬化物の強度を高める観点から、好ましくは1GPa以上であり、より好ましくは2GPa以上、さらに好ましくは3GPa以上である。
また、応力緩和特性に優れた硬化物を実現する観点から、上記250℃における貯蔵弾性率E'は、好ましくは12GPa以下であり、より好ましくは10GPa以下、さらに好ましくは8GPa以下である。
本実施形態の封止用樹脂組成物において、200℃において、測定開始後、キュラストトルク値が200kgf/cmになるまでの時間が、流動性に優れた硬化物を実現する観点から、好ましくは50秒以上であり、より好ましくは70秒以上、さらに好ましくは90秒以上である。
また、硬化性に優れた硬化物を実現する観点から、本実施形態の封止用樹脂組成物において、200℃において、測定開始後、キュラストトルク値が200kgf/cmになるまでの時間が、好ましくは400秒以下であり、より好ましくは350秒以下、さらに好ましくは300秒以下である。
本実施形態において、封止用樹脂組成物のゲルタイムは、封止用樹脂組成物の成形性の向上を図りつつ成形サイクルを速くする観点から、好ましくは10秒以上であり、より好ましくは20秒以上、さらに好ましくは40秒以上である。
また、硬化性に優れた硬化物を実現する観点から、封止用樹脂組成物のゲルタイムは、好ましくは100秒以下であり、より好ましくは80秒以下、さらに好ましくは70秒以下である。
ゲルタイムの測定は、200℃に加熱した熱板上で封止用樹脂組成物を溶融した後、へらで練りながらタックフリーになるまでの時間(ゲルタイム)を測定することによりおこなうことができる。
本実施形態において、封止用樹脂組成物の高化式粘度は、良好な充填性を得る観点から、好ましくは10Pa・s以下であり、より好ましくは8Pa・s以下、さらに好ましくは6Pa・s以下である。また、高化式粘度の下限値は、限定されないが、たとえば3Pa・s以上とすることができる。
本実施形態において、封止用樹脂組成物のスパイラルフロー流動長は、封止用樹脂組成物を成形する際の充填性をより効果的に向上させる観点から、好ましくは40cm以上であり、より好ましくは50cm以上、さらに好ましくは60cm以上である。また、スパイラルフロー流動長の上限値は、限定されないが、たとえば200cm以下とすることができる。
次に、本実施形態の封止用樹脂組成物の成分について詳述する。
(熱硬化性樹脂)
本実施形態において、熱硬化性樹脂は、たとえばマレイミド基を2つ以上有する化合物、ベンゾオキサジン環を2つ以上有する化合物、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ユリア(尿素)樹脂、メラミン樹脂等のトリアジン環を有する樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリウレタン樹脂、ジアリルフタレート樹脂、シリコーン樹脂、シアネート樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、およびベンゾシクロブテン樹脂からなる群から選択される1種または2種以上を含む。
封止材の耐熱性を向上させる観点から、熱硬化性樹脂が、ビスマレイミド樹脂、ベンゾオキサジン樹脂、エポキシ化合物と多官能フェノール化合物との重合体からなる樹脂、および、多官能エポキシ樹脂からなる群から選択される1種または2種以上であることが好ましく、ビスマレイミド樹脂、ベンゾオキサジン樹脂および多官能エポキシ樹脂からなる群から選択される1種または2種以上であることがより好ましい。
このうち、ビスマレイミド樹脂は、マレイミド基を2つ以上有する化合物の(共)重合体である。
マレイミド基を2つ以上有する化合物は、たとえば下記一般式(1)に示す化合物、および下記一般式(2)に示す化合物のうちの少なくとも一方を含む。これにより、封止用樹脂組成物の硬化物のガラス転移温度を高めることができ、封止材の耐熱性をより効果的に向上させることができる。
Figure 2018150456
上記一般式(1)において、R1は炭素数1以上30以下の2価の有機基であり、酸素原子および窒素原子のうちの1種以上を含んでいてもよい。封止材の耐熱性を向上させる観点からは、R1が芳香環を含む有機基であることがより好ましい。本実施形態においては、R1として、たとえば下記一般式(1a)または(1b)のような構造が例示できる。
Figure 2018150456
上記一般式(1a)において、R11は、酸素原子および窒素原子のうちの1種以上を含んでいてもよい炭素数1以上18以下の2価の有機基である。また、複数のR12は、それぞれ独立して水素原子または炭素数1以上4以下の置換もしくは無置換の炭化水素基である。
Figure 2018150456
上記一般式(1b)において、複数存在するRはそれぞれ独立して存在し、Rは水素原子、炭素数1〜5のアルキル基もしくはフェニル基を表し、好ましくは水素原子である。また、mは平均値であり、1以上5以下の数であり、好ましくは1より大きく5以下の数、より好ましくは1より大きく3以下の数、さらに好ましくは1より大きく2以下の数である。
本実施形態において適用することができる上記一般式(1)に示した化合物としては、たとえば、下記式(1−1)〜(1−3)に示す化合物が挙げられる。
Figure 2018150456
Figure 2018150456
上記一般式(2)において、複数のR2は、それぞれ独立して水素原子または炭素数1以上4以下の置換もしくは無置換の炭化水素基である。nは平均値であり、0以上10以下の数であり、好ましくは0以上5以下の数である。
ベンゾオキサジン樹脂は、ベンゾオキサジン環を2つ以上有する化合物の(共)重合体である。ベンゾオキサジン環を2つ以上有する化合物は、耐熱性を向上させる観点から、たとえば下記一般式(3)に示す化合物および下記一般式(4)に示す化合物のうちの少なくとも一方を含むことができ、好ましくは下記一般式(3)に示す化合物を少なくとも含む。
Figure 2018150456
上記一般式(3)において、R3は炭素数1〜30の2価の有機基であり、酸素原子および窒素原子のうちの1種以上を含んでいてもよい。封止材の高温保管特性を向上させる観点からは、R3が芳香環を含む有機基であることが好ましい。本実施形態においては、上記一般式(3)に示す化合物として、たとえば下記式(3a)に示す化合物を用いることができる。
Figure 2018150456
Figure 2018150456
上記一般式(4)において、R4は炭素数1以上30以下の2価の有機基であり、酸素原子、窒素原子、および硫黄原子のうちの1種以上を含んでいてもよい。二つのR5は、それぞれ独立して炭素数1以上12以下の芳香族炭化水素基である。
多官能エポキシ樹脂は、たとえば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からなる群から選択される1種または2種以上を含むことができる。
また、本実施形態において、封止用樹脂組成物が溶媒を含む場合には、封止用樹脂組成物全体に対する含有量とは、封止用樹脂組成物のうちの溶媒を除く固形分全体に対する含有量を指す。また、封止用樹脂組成物の固形分とは、封止用組成物樹脂中の不揮発分を指し、水や溶媒等の揮発成分を除いた残部を指す。
また、熱硬化性樹脂は、ビスマレイミド樹脂、ベンゾオキサジン樹脂および多官能エポキシ樹脂かなる群から選択される1種または2種以上とともに、他の熱硬化性樹脂を含んでもよい。このような熱硬化性樹脂としては、たとえば、上述した多官能エポキシ樹脂以外のエポキシ樹脂(エポキシ化合物)、ベンゾオキサジン化合物、フェノール樹脂、ユリア(尿素)樹脂、メラミン樹脂等、不飽和ポリエステル樹脂、ポリウレタン樹脂、ジアリルフタレート樹脂、シリコーン樹脂、シアネート樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、およびベンゾシクロブテン樹脂からなる群から選択される1種または2種以上が挙げられる。
上記の中でも、本実施形態において、封止用樹脂組成物として、エポキシ樹脂を含有してもよい。これにより、樹脂組成物としての流動性と硬化性をバランスよく向上させることができる。
上記エポキシ樹脂としては、たとえばビフェニル型エポキシ樹脂;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、テトラメチルビスフェノールF型エポキシ樹脂等のビスフェノール型エポキシ樹脂;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等のノボラック型エポキシ樹脂;ビフェニルノボラック型エポキシ樹脂;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、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等のアラルキル型エポキシ樹脂;ジヒドロキシナフタレン型エポキシ樹脂、ジヒドロキシナフタレンの2量体をグリシジルエーテル化して得られるエポキシ樹脂等のナフトール型エポキシ樹脂;トリグリシジルイソシアヌレート、モノアリルジグリシジルイソシアヌレート等の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等の有橋環状炭化水素化合物変性フェノール型エポキシ樹脂から選択される1種または2種以上を含むことができる。優れた硬化性と高いガラス転移温度とのバランスの観点から、フェノールノボラック型エポキシ樹脂やトリフェノールメタン型エポキシ樹脂を使用することが好ましい。
本実施形態の封止用樹脂組成物において、エポキシ樹脂を使用する場合、さらに上記エポキシ樹脂と反応する硬化剤を併用してもよい。これにより、封止用樹脂組成物の硬化性を一段と向上させることができる。上記硬化剤の具体例として、フェノール樹脂系硬化剤、アミン系硬化剤、および酸無水物系硬化剤からなる群から選択される1種または2種以上が挙げられる。封止用樹脂組成物の硬化性を向上させる観点から、上記硬化剤は、好ましくはフェノール樹脂系硬化剤およびアミン系硬化剤のうちの少なくとも一方を含み、より好ましくはフェノール樹脂系硬化剤を少なくとも含む。
フェノール樹脂系硬化剤の具体例として、フェノールノボラック樹脂、クレゾールノボラック樹脂、ビスフェノールノボラック等のノボラック型樹脂;ポリビニルフェノール;トリスメタンフェノール型樹脂等の多官能型フェノール樹脂;テルペン変性フェノール樹脂、ジシクロペンタジエン変性フェノール樹脂等の変性フェノール樹脂;フェニレン骨格及び/又はビフェニレン骨格を有するフェノールアラルキル樹脂、フェニレン及び/又はビフェニレン骨格を有するナフトールアラルキル樹脂等のアラルキル型樹脂;ビスフェノールA、ビスフェノールF等のビスフェノール化合物;レゾール型フェノール樹脂等からなる群から選択される1種または2種以上が挙げられる。
アミン系硬化剤の具体例として、ジエチレントリアミン(DETA)、トリエチレンテトラミン(TETA)、メタキシレリレンジアミン(MXDA)等の脂肪族ポリアミン;ジアミノジフェニルメタン(DDM)、m−フェニレンジアミン(MPDA)、ジアミノジフェニルスルホン(DDS)等の芳香族ポリアミン;ベンジルジメチルアミン(BDMA)、2,4,6−トリスジメチルアミノメチルフェノール(DMP−30)などの3級アミン化合物;ジシアンジアミド(DICY)、有機酸ジヒドラジドなどを含む他のアミン化合物からなる群から選択される1種または2種以上が挙げられる。
酸無水物系硬化剤の具体例として、ヘキサヒドロ無水フタル酸(HHPA)、メチルテトラヒドロ無水フタル酸(MTHPA)等の脂環族酸無水物;無水トリメリット酸(TMA)、無水ピロメリット酸(PMDA)、ベンゾフェノンテトラカルボン酸(BTDA)等の芳香族酸無水物からなる群から選択される1種または2種以上が挙げられる。
なお、本明細書においては、これらの硬化剤もエポキシ樹脂と架橋してネットワークを形成するため、この硬化剤そのものも「熱硬化性樹脂」の一部であるものとして扱う。
封止用樹脂組成物中の熱硬化性樹脂の含有量は、封止用樹脂組成物の流動性を向上させ、より安定的な封止材の形成を可能とする観点から、封止用樹脂組成物全体に対して、好ましくは7質量%以上であり、より好ましくは12質量%以上、さらに好ましくは16質量%以上である。また、半導体装置の耐湿信頼性や耐リフロー性を向上させる観点から、封止用樹脂組成物中の熱硬化性樹脂の含有量は、封止用樹脂組成物全体に対して好ましくは40質量%以下であり、より好ましくは35質量%以下、さらに好ましくは30質量%以下である。
なお、熱硬化性樹脂がエポキシ樹脂を含むとき、熱硬化性樹脂の含有量に関し、このエポキシ樹脂に対応する硬化剤も合算した値として定義することができる。
(低応力剤)
本実施形態において、低応力剤は、具体的には、シリコーンレジン;エポキシ基などで修飾した官能基化シリコーンレジン;シリコーンゴムもしくはシリコーンレジンと、アルキッド樹脂、ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、ポリエーテルイミド樹脂などの有機樹脂とを任意の割合で反応させたハイブリッド;アクリルゴム、ブタジエンゴムなどの有機ゴム;有機ゴムとシリコーンゴムを任意の割合で反応させた有機無機ハイブリッドゴムが挙げられる。上記有機無機ハイブリッドゴムの具体例として、アクリル変性シリコーンが挙げられる。低応力剤は、好ましくはシリコーンレジンおよびアクリル変性シリコーンからなる群から選択される1種以上である。
シリコーンレジンの具体例として、AY42−119(東レ・ダウコーニング社製)、SRK−200A(三菱レイヨン社製)、KR−480(信越化学工業社製)が挙げられる。
また、アクリル変性シリコーンの具体例として、R−181S(日信化学工業社製)が挙げられる。
また、封止用樹脂組成物の構成成分、たとえば後述する表1に示す各成分を混練する際の作業性の観点と、熱硬化性樹脂の硬化物を封止材として備える半導体装置の温度サイクル信頼性を向上させる観点から、低応力剤は粉末状であることが好ましい。
封止用樹脂組成物中の低応力剤の含有量は、熱硬化性樹脂の硬化物を封止材として備える半導体装置の温度サイクル信頼性を向上させる観点から、封止用樹脂組成物全体に対して、好ましくは0.1質量%以上であり、より好ましくは1質量%以上、さらに好ましくは2質量%以上である。また、熱硬化性樹脂の硬化物を封止材として備える半導体装置の弾性率の過度の低下を抑制する観点から、封止用樹脂組成物中の低応力剤の含有量は、封止用樹脂組成物全体に対して好ましくは10質量%以下であり、より好ましくは8質量%以下、さらに好ましくは6質量%以下である。
(充填材)
本実施形態の封止用樹脂組成物は、充填材を含む。封止用樹脂組成物が充填材を含む構成とすることにより、封止用樹脂組成物から得られる封止材を剛性に優れたものとすることができる。
充填材として、有機充填材および無機充填材が挙げられ、封止材の剛性を向上させる観点から、好ましくは無機充填材である。
無機充填材の具体例として、酸化チタン、酸化ジルコニウム、シリカ、炭酸カルシウム、炭化ホウ素、クレー、マイカ、タルク、ワラストナイト、ガラスビーズ、ミルドカーボン、グラファイト等からなる群から選択される1種または2種以上が挙げられる。
無機充填材は、封止用樹脂組成物の充填性を向上させる観点、および、封止材の高温長期保管特性等を向上させる観点から、好ましくはシリカを含み、より好ましくは溶融球状シリカ、溶融破砕シリカ、および結晶シリカからなる群から選択される1種または2種以上を含み、さらに好ましくは溶融球状シリカを含む。
上記シリカは、たとえばSiO2の含有量が99.8質量%以上であることが好ましい。このような純度の高いシリカを使用することによって、金属不純物等のイオン性不純物量を低減させつつ、良好な耐熱性や機械特性を有する封止材を実現することが容易となる。封止材の高温長期保管特性をより効果的に向上させる観点からは、シリカにおけるSiO2の含有量が99.9質量%以上であることが好ましい。
本実施形態において、封止用樹脂組成物中の無機充填材の含有量は、封止材としての剛性を効果的に向上させる観点から、封止用樹脂組成物全体に対して、好ましくは65質量%以上であり、より好ましくは70質量%以上である。
また、半導体装置の温度サイクル信頼性について一段と向上を図る観点から、封止用樹脂組成物中の無機充填材の含有量は、たとえば封止用樹脂組成物全体に対して、好ましくは90質量%以下であり、より好ましくは85質量%以下である。
また、本実施形態において、封止用樹脂組成物は、熱硬化性樹脂、低応力剤および充填材以外の成分を含んでもよい。たとえば、封止用樹脂組成物が着色剤、シランカップリング剤または他の添加剤を含んでもよい。
(硬化促進剤)
硬化促進剤は、熱硬化性樹脂の硬化を促進させるものであればよく、熱硬化性樹脂の種類に応じて選択される。
本実施形態において、硬化促進剤は、たとえば有機ホスフィン、テトラ置換ホスホニウム化合物、ホスホベタイン化合物、ホスフィン化合物とキノン化合物との付加物、ホスホニウム化合物とシラン化合物との付加物等のリン原子含有化合物;2−メチルイミダゾール、2−エチル−4−メチルイミダゾール(EMI24)、2−フェニル−4−メチルイミダゾール(2P4MZ)、2−フェニルイミダゾール(2PZ)、2−フェニル−4−メチル−5−ヒドロキシイミダゾール(2P4MHZ)、1−ベンジル−2−フェニルイミダゾール(1B2PZ)などのイミダゾール化合物;1,8−ジアザビシクロ[5.4.0]ウンデセン−7、ベンジルジメチルアミン等が例示されるアミジンや3級アミン、上記アミジンやアミンの4級塩等の窒素原子含有化合物からなる群から選択される1種類または2種類以上を含む。封止用樹脂組成物の硬化性を向上する観点および封止材と金属との密着性を向上する観点から、硬化促進剤は好ましくはイミダゾール化合物を含む。
封止用樹脂組成物中の硬化促進剤の含有量は、樹脂組成物の硬化性を効果的に向上させる観点から、封止用樹脂組成物全体に対して好ましくは0.01質量%以上であり、より好ましくは0.03質量%以上、さらに好ましくは0.05質量%以上である。
また、封止用樹脂組成物のハンドリングを向上させる観点から、封止用樹脂組成物中の硬化促進剤の含有量は、封止用樹脂組成物全体に対して好ましくは5質量%以下であり、より好ましくは3質量%以下、さらに好ましくは1質量%以下である。
(シランカップリング剤)
本実施形態において、封止用樹脂組成物がシランカップリング剤を含む構成とすることより、封止用樹脂組成物の密着性のさらなる向上を図ることができる。
封止用樹脂組成物が充填材として無機充填材を含むとき、シランカップリング剤は、たとえばシランカップリング剤により表面処理が施された無機充填材を他成分と混合することにより封止用樹脂組成物中に含ませることができる。一方で、充填材に対して上記表面処理を行わず、各成分とともにシランカップリング剤をミキサー等へ投入し、これを混合することによってシランカップリング剤を封止用樹脂組成物中に含ませてもよい。
シランカップリング剤としては、たとえばエポキシシラン、メルカプトシラン、アミノシラン、アルキルシラン、ウレイドシラン、ビニルシラン、メタクリルシラン等の各種シラン系化合物を用いることができる。
これらを例示すると、ビニルトリクロロシラン、ビニルトリメトキシシラン、ビニルトリエトキシシラン、ビニルトリス(β−メトキシエトキシ)シラン、γ−メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン、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、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、γ−グリシドキシプロピルメチルジメトキシシラン、γ−メタクリロキシプロピルメチルジエトキシシラン、γ−メタクリロキシプロピルトリエトキシシラン、ビニルトリアセトキシシラン、フェニル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−アニリノプロピルメチルジメトキシシラン、γ−[ビス(β−ヒドロキシエチル)]アミノプロピルトリエトキシシラン、N−β−(アミノエチル)−γ−アミノプロピルトリメトキシシラン、N−β−(アミノエチル)−γ−アミノプロピルトリエトキシシラン、N−β−(アミノエチル)−γ−アミノプロピルメチルジメトキシシラン、N−フェニル−γ−アミノプロピルトリメトキシシラン、γ−(β−アミノエチル)アミノプロピルジメトキシメチルシラン、N−(トリメトキシシリルプロピル)エチレンジアミン、N−(ジメトキシメチルシリルイソプロピル)エチレンジアミン、メチルトリメトキシシラン、ジメチルジメトキシシラン、メチルトリエトキシシラン、N−β−(N−ビニルベンジルアミノエチル)−γ−アミノプロピルトリメトキシシラン、γ−クロロプロピルトリメトキシシラン、ヘキサメチルジシラン、ビニルトリメトキシシラン、3−イソシアネートプロピルトリエトキシシラン、3−アクリロキシプロピルトリメトキシシラン、3−トリエトキシシリル−N−(1,3−ジメチルーブチリデン)プロピルアミンの加水分解物等のシラン系カップリング剤が挙げられる。
これらは、1種を単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
本実施形態において、封止用樹脂組成物中のシランカップリング剤の含有量は、樹脂組成物の流動性と密着性を効果的に向上させる観点から、封止用樹脂組成物全体に対して好ましくは0.01質量%以上であり、より好ましくは0.03質量%以上、さらに好ましくは0.05質量%以上である。
また、封止用樹脂組成物の硬化性を向上させる観点から、シランカップリング剤の含有量は、封止用樹脂組成物全体に対して好ましくは5質量%以下であり、より好ましくは3質量%以下、さらに好ましくは1質量%以下である。
(添加剤)
本実施形態の封止用樹脂組成物には、さらに必要に応じて、ハイドロタルサイト類および多価金属酸性塩等の無機イオン交換体に例示されるイオン捕捉剤;カルナバワックス等の天然ワックス、合成ワックス、ステアリン酸亜鉛等の高級脂肪酸およびその金属塩類もしくはパラフィン等の離型剤;カーボンブラック、ベンガラ等の着色剤;水酸化アルミニウム、水酸化マグネシウム、ホウ酸亜鉛、モリブデン酸亜鉛、ホスファゼン等の難燃剤;酸化防止剤等の各種の添加剤を適宜配合してもよい。これらの配合量は任意である。これらを単独で用いても2種以上を組み合わせて用いてもよい。
次に、封止用樹脂組成物の製造方法を説明する。
本実施形態の封止用樹脂組成物は、たとえば前述の各成分を、公知の手段で混合し、さらにロール、ニーダーまたは押出機等の混練機で溶融混練し、冷却した後に粉砕することで得ることができる。さらには、これらをタブレット状に打錠成形したものを封止用樹脂組成物として用いることもできる。これにより、顆粒状またはタブレット状の封止用樹脂組成物を得ることができる。
このような打錠成形した組成物とすることにより、トランスファー成形、射出成形、および圧縮成形等の公知の成型方法を用いて封止成形することが容易となる。
本実施形態の封止用樹脂組成物は、一般的な半導体素子やパワー半導体などの半導体素子封止用樹脂組成物、ウェハ封止用樹脂組成物、疑似ウェハ形成用樹脂組成物、車載用電子制御ユニット形成用封止用樹脂組成物、配線基板形成用封止用樹脂組成物、ローター固定部材用封止用樹脂組成物などの各種の用途に用いることができる。
たとえば、本実施形態において、封止用樹脂組成物は、以下の条件(A)〜(C)のいずれかを満たすパワー半導体素子の封止に用いられる。
(A)消費電力2.0W以上の半導体素子
(B)SiC半導体からなる半導体素子
(C)GaN半導体からなる半導体素子
以下、半導体装置について説明する。
(半導体装置)
本実施形態における半導体装置は、本実施形態における封止用樹脂組成物で半導体素子を封止してなる。
図1は、本実施形態に係る半導体装置100の構成を示す断面図である。図1に示した半導体装置100は、基板30上に搭載された半導体素子20と、半導体素子20を封止してなる封止材50と、を備えている。
半導体素子20は、たとえば上述した条件(A)〜(C)のいずれかを満たすパワー半導体素子である。
封止材50は、本実施形態における封止用樹脂組成物を硬化して得られる硬化物により構成されている。
また、図1には、基板30が回路基板である場合が例示されている。この場合、図1に示すように、基板30のうちの半導体素子20を搭載する一面とは反対側の他面には、たとえば複数の半田ボール60が形成される。半導体素子20は、基板30上に搭載され、かつワイヤ40を介して基板30と電気的に接続される。一方で、半導体素子20は、基板30に対してフリップチップ実装されていてもよい。ここで、ワイヤ40は、たとえば銅で構成される。
封止材50は、たとえば半導体素子20のうちの基板30と対向する一面とは反対側の他面を覆うように半導体素子20を封止する。図1に示す例においては、半導体素子20の上記他面と側面を覆うように封止材50が形成されている。封止材50は、たとえば封止用樹脂組成物をトランスファー成形法または圧縮成形法等の公知の方法を用いて封止成形することにより形成することができる。
半導体装置100において、半導体素子20は、たとえば200℃以上、好ましくは250℃以上という高温環境下で動作することができる。本実施形態においては、封止材50が前述した本実施形態における封止用樹脂組成物を用いて形成されているため、このような高温環境での長時間使用においても、優れた耐熱性を示すものとすることができる。このため、半導体装置100の信頼性を向上させることが可能となる。
図2は、本実施形態に係る半導体装置100の構成を示す断面図であって、図1とは異なる例を示すものである。図2に示す半導体装置100は、基板30としてリードフレームを使用している。この場合、半導体素子20は、たとえば基板30のうちのダイパッド32上に搭載され、かつワイヤ40を介してアウターリード34へ電気的に接続される。半導体素子20は、図1に示す例と同様に、たとえばパワー半導体素子である。また、封止材50は、図1に示す例と同様にして、本実施形態に係る封止用樹脂組成物を用いて形成される。
なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
次に、本発明の実施例について説明する。
(実施例1〜5、比較例1および2)
(封止用樹脂組成物の調製)
各実施例、および各比較例のそれぞれについて、以下のように封止用樹脂組成物を調製した。
まず、表1に示す各成分をミキサーにより混合した。次いで、得られた混合物をロール混練した後、冷却、粉砕して粉粒体である封止用樹脂組成物を得た。
表1中の各成分の詳細は下記のとおりである。また、表1中に示す各成分の配合割合は、樹脂組成物全体に対する配合割合(質量%)を示している。
(熱硬化性樹脂およびその原料)
ビスマレイミド化合物1:フェニルメタンビスマレイミド(明和化成社製「BMI−2300」)
ビスマレイミド化合物2:ビスフェノールAジフェニルエーテルビスマレイミド(明和化成社製「BMI−4000」)
ビスマレイミド化合物3:ビフェニルアラルキル型ビスマレイミド(日本化薬社製「MIR−3000」)
ベンゾオキサジン化合物1:3,3'−(メチレン−1,4−ジフェニレン)ビス(3,4−ジヒドロ−2H−1,3−ベンゾオキサジン(Pd−BOZ)
熱硬化性樹脂1:ビフェニルノボラック型エポキシ樹脂(日本化薬社製「NC−3000」)
熱硬化性樹脂2:トリスメタンフェノール型樹脂(明和化成社製「MEH−7500」)
(低応力剤)
低応力剤1:シリコーンゴム(東レ・ダウコーニング社製「CF−2152」)
低応力剤2:シリコーンレジン(三菱レイヨン社製「SRK−200A」)
低応力剤3:シリコーンレジン(信越化学工業社製「KR−480」)
低応力剤4:シリコーンレジン(東レ・ダウコーニング社製「AY42−119」)
低応力剤5:有機無機ハイブリッド系低応力剤(日信化学工業社製「R−181S」)
低応力剤6:熱可塑性樹脂(ユニチカ社製「Uパウダー」)
(充填材)
無機充填材1:溶融球状シリカ
次いで、得られた封止用樹脂組成物について、以下の評価を行った。評価結果を表1にあわせて示す。
(ガラス転移温度Tg(TMA)、平均線膨張係数α2)
トランスファー成形装置を用いて、金型温度200℃、注入圧力9.8MPa、硬化時間120秒で、得られた封止用樹脂組成物を注入成形し、15mm×4mm×4mmの成形品を得た。
次いで、得られた成形品を250℃、4時間で後硬化して試験片を作製した。
その後、得られた試験片に関し、熱機械分析装置(セイコーインスツル社製、TMA100)を用いて、測定温度範囲0℃〜400℃、昇温速度5℃/分の条件下で熱機械分析をおこなった。ガラス転移温度、310℃から330℃の範囲における平面方向(XY方向)の平均線膨張係数α2を算出した。ガラス転移温度の単位は℃である。平均線膨張係数α2の単位はppm/℃すなわち10-6/℃である。
(ガラス転移温度Tg(DMA)、貯蔵弾性率E'、Tanδ)
トランスファー成形装置を用いて、金型温度200℃、注入圧力9.8MPa、硬化時間120秒で、得られた封止用樹脂組成物を注入成形し、55mm×24mm×2mmの成形品を得た。
次いで、得られた成形品を250℃、4時間で後硬化して試験片を作製した。
その後、得られた試験片に関し、動的粘弾性測定装置(セイコーインスツルメンツ社製、DMS6100)を用いて、周波数10Hz、昇温速度5℃/分の条件で動的機械分析(Dynamic Mechanical Analysis:DMA)をおこなった。
得られた測定結果から、30℃および250℃における貯蔵弾性率E'(GPa)、Tanδおよびガラス転移温度(℃)を算出した。なお、ガラス転移温度は、Tanδのピーク値から判定した。
(曲げ弾性率)
トランスファー成形装置を用いて金型温度200℃、注入圧力9.8MPa、硬化時間120秒間で、得られた封止用樹脂組成物を注入成形し、幅10mm×厚さ4mm×長さ80mmの成形品を得た。次いで、得られた成形品を250℃、4時間で後硬化して、試験片を作製した。次いで、試験片の25℃における曲げ弾性率E25および250℃における曲げ弾性率E250をJIS K 6911に準拠して測定した。単位はGPaである。
(キュラストトルク)
キュラストメータ(オリエンテック社製、JSRキュラストメータIVPS型)を用い、200℃において、測定開始後、キュラストトルク値が200kgf/cmになるまでの時間(秒)を求めた。
(ゲルタイム)
得られた封止用樹脂組成物を表面温度200℃の熱板上においてからタックフリーになるまでの時間を測定しゲルタイムとした。単位は秒である。
(高化式粘度)
各実施例および各比較例において得られた封止用樹脂組成物の高化式粘度を、高化式フローテスター(島津製作所社製、CFT−500)を用いて、200℃、圧力10kgf/cm2、キャピラリー径0.5mmの条件で測定した。単位はPa・sである。
(スパイラルフロー)
低圧トランスファー成形機(コータキ精機社製、「KTS−30」)を用いて、EMMI−1−66に準じたスパイラルフロー測定用の金型に、金型温度200℃、注入圧力6.9MPa、保圧時間120秒間の条件で、得られた封止用樹脂組成物を注入、硬化させ、スパイラルフローを測定した。単位はcmである。
(温度サイクル試験)
得られた封止用樹脂組成物を使用し、低圧トランスファー成形機(アピックヤマダ社製「MSL−06M」)を用いて、金型温度200℃、注入圧力10MPa、硬化時間120秒でTO−220(パッケージサイズは114mm×30mm、厚み1.3mm、チップは未搭載、リードフレームはCu製)を成形し、250℃で4時間硬化させることでテスト用の半導体装置を作製した。封止したテスト用半導体装置を、−40℃〜250℃で500サイクル繰り返し、以下の基準で信頼性を評価した。
OK:500サイクル後の剥離無し
NG:0〜499サイクルで剥離
Figure 2018150456
表1より、各実施例においては、封止用樹脂組成物が、熱硬化性樹脂、低応力剤および充填材を含み、その熱硬化性樹脂の硬化物のガラス転移温度が上述した特定の条件を満たすとともに、上記硬化物が上述した式(I)の条件を満たす構成であって、−40℃から250℃までの500サイクルという厳しい温度サイクル条件においても温度サイクル信頼性に優れることがわかる。
100 半導体装置
20 半導体素子
30 基板
32 ダイパッド
34 アウターリード
40 ワイヤ
50 封止材
60 半田ボール

Claims (9)

  1. 熱硬化性樹脂と、低応力剤と、充填材と、を含む封止用樹脂組成物であって、
    当該封止用樹脂組成物を200℃、120秒の条件で硬化させ、さらに、250℃で4時間熱処理して得られる硬化物のガラス転移温度以上での線膨張係数α2[ppm/℃]、および、前記硬化物の25℃における曲げ弾性率E25[GPa]が、下記式(I)の条件を満たし、
    300≦|(16.5−α2)*E25|≦900 (I)
    熱機械分析(Thermal Mechanical Analysis:TMA)により測定される前記硬化物のガラス転移温度が180℃以上である、封止用樹脂組成物。
  2. 前記低応力剤が粉末状である、請求項1に記載の封止用樹脂組成物。
  3. 前記低応力剤が、シリコーンレジンおよびアクリル変性シリコーンからなる群から選択される1種以上である、請求項1または2に記載の封止用樹脂組成物。
  4. 前記硬化物の前記ガラス転移温度以上での線膨張係数α2[ppm/℃]、および、前記硬化物の250℃における曲げ弾性率E250[GPa]が、下記式(II)の条件を満たす、請求項1乃至3いずれか1項に記載の封止用樹脂組成物。
    |(16.5−α2)*E250|<480 (II)
  5. 動的機械分析(Dynamic Mechanical Analysis:DMA)により測定される前記硬化物の損失係数Tanδが、0.07以上0.23以下である、請求項1乃至4いずれか1項に記載の封止用樹脂組成物。
  6. 前記熱硬化性樹脂が、ビスマレイミド樹脂、ベンゾオキサジン樹脂および多官能エポキシ樹脂かなる群から選択される1種または2種以上である、請求項1乃至5いずれか1項に記載の封止用樹脂組成物。
  7. 当該封止用樹脂組成物中の前記充填材の含有量が、当該封止用樹脂組成物全体に対して65質量%以上90質量%以下である、請求項1乃至6いずれか1項に記載の封止用樹脂組成物。
  8. 以下の条件(A)〜(C)のいずれかを満たすパワー半導体素子の封止に用いられる、請求項1乃至7いずれか1項に記載の封止用樹脂組成物。
    (A)消費電力2.0W以上の半導体素子
    (B)SiC半導体からなる半導体素子
    (C)GaN半導体からなる半導体素子
  9. 請求項1乃至8いずれか1項に記載の封止用樹脂組成物で半導体素子を封止してなる、半導体装置。
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