JP2019044006A - 半導体封止用樹脂組成物及び半導体装置 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、かかる知見に基づいて完成したものである。
[1](A)エポキシ樹脂、(B)フェノール樹脂硬化剤、(C)硬化促進剤、及び(D)球状アルミナを含有する半導体封止用樹脂組成物であって、
前記(D)球状アルミナは、該樹脂組成物中に75質量%以上95質量%未満含まれるとともに、(D)球状アルミナ中に(D1)粒径2μm未満の球状アルミナを5〜25質量%、(D2)粒径2μm以上10μm未満の球状アルミナを65〜95質量%、及び(D3)粒径10μm以上20μm以下の球状アルミナを0〜10質量%含有し、質量基準の粒度分布において、粒径2μm未満の領域及び粒径2μm以上10μm未満の領域に、それぞれ1つ以上の極大値を有することを特徴とする半導体封止用樹脂組成物。
[2]さらに、平均粒子径が0.5μm以上2μm未満の(E)微細シリカを(D)球状アルミナと(E)微細シリカの合計量に対し0.1〜20質量%含有することを特徴とする上記[1]に記載の半導体封止用樹脂組成物。
[3]さらに、(F)離型剤を前記樹脂組成物中に0.05〜1.0質量%含有するとともに、前記(F)離型剤は、(F1)融点が75℃以上90℃未満の離型剤、及び(F2)融点が90℃以上125℃以下の離型剤であり、前記(F1)と前記(F2)の配合割合が(F1):(F2)=95:5〜80:20であることを特徴とする上記[1]又は[2]に記載の半導体封止用樹脂組成物。
[4]前記半導体封止用樹脂組成物の硬化物の熱伝導率が3〜6W/mk、及び/又は誘電率が5〜8であることを特徴とする上記[1]乃至[3]のいずれかに記載の半導体封止用樹脂組成物。
[5]上記[1]乃至[4]のいずれかに記載の半導体封止用樹脂組成物を用いて半導体素子を封止してなることを特徴とする半導体装置。
[6]前記半導体装置が指紋センサを備えることを特徴とする上記[5]に記載の半導体装置。
[7]前記半導体装置がシステムインパッケージを備えることを特徴とする上記[5]に記載の半導体装置。
[半導体封止用樹脂組成物]
本発明の半導体封止用樹脂組成物(以下、単に樹脂組成物ともいう)は、(A)エポキシ樹脂、(B)フェノール樹脂硬化剤、(C)硬化促進剤、及び(D)球状アルミナを含有する半導体封止用樹脂組成物であって、前記(D)球状アルミナは、該樹脂組成物中に75質量%以上95質量%未満含まれるとともに、(D)球状アルミナ中に(D1)粒径2μm未満の球状アルミナを5〜25質量%、(D2)粒径2μm以上10μm未満の球状アルミナを65〜95質量%、(D3)粒径10μm以上20μm以下の球状アルミナを0〜10質量%含有し、質量基準の粒度分布において、粒径2μm未満の領域及び粒径2μm以上10μm未満の領域に、それぞれ1つ以上の極大値を有することを特徴とする。
本発明で使用する(A)成分のエポキシ樹脂は、1分子中に2個以上のエポキシ基を有するものであれば、分子構造、分子量等に制限されることなく一般に電子部品の封止材料として使用されているものを広く用いることができる。なかでも、ビフェニル骨格を有するエポキシ樹脂、すなわちビフェニル型エポキシ樹脂が好ましい。
なお、本発明におけるビフェニル骨格には、ビフェニル環のうち少なくとも一方の芳香族環が水素添加されているものも含まれる。
ビフェニル型エポキシ樹脂の使用によって、(D)成分の球状アルミナを多量に配合しても溶融粘度を最適範囲に維持することができ、また耐熱性に優れる半導体封止用樹脂組成物を得ることができる。
なお、エポキシ樹脂は、1種を使用してもよく、2種以上を組み合わせて使用してもよい。
本発明で使用する(B)成分のフェノール樹脂硬化剤は、1分子当たり2個以上のフェノール性水酸基を有し、上記(A)成分のエポキシ樹脂を硬化させることができるものであって、電子部品の封止材料として一般に用いられるものであれば特に制限されることなく使用できる。
本発明で使用する(C)成分の硬化促進剤は、前記(A)成分のエポキシ樹脂と(B)成分のフェノール樹脂硬化剤との反応を促進するものであり、かかる作用を有するものであれば特に制限されることなく使用できる。
本発明で使用する(D)成分の球状アルミナは、(D1)粒径2μm未満の球状アルミナを5〜25質量%、(D2)粒径2μm以上10μm未満の球状アルミナを65〜95質量%、(D3)粒径10μm以上20μm以下の球状アルミナを0〜10質量%含有するものである。また、(D4)20μmを超える大粒径の球状アルミナは含有しないことが好ましい。
(D1)成分、(D2)成分、及び(D3)成分の配合割合がそれぞれ上記範囲内であれば球状アルミナが最密充填され、流動性が良好となり、さらに誘電率が向上する。一方、上記配合割合を逸脱し、(D1)成分が5質量%より少ないと溶融粘度が上昇し、25質量%より多いと十分な熱伝導率が得られない。(D2)成分が65質量%より少ないと十分な熱伝導率が得られなくなり、95質量%より多いと溶融粘度が上昇し狭小部の充填性が悪化する。(D3)成分が10質量%より多いと溶融粘度が上昇し、ワイヤ流れが生じる可能性がある。また、(D4)成分が含まれると狭小部の充填性が不十分となるおそれがある。
熱伝導率は粒子径に依存する為、大粒子径ほど高熱伝導となる傾向にあるが、(D2)成分の含有量が上記範囲内であると20μmを超える大粒子径の球状アルミナを含有しなくても十分な熱伝導性が得られる。
また、本明細書において、「粒径」とは、特に限定しない限り、レーザ回折・光散乱法に基づく粒度分布測定によって得られた体積基準の粒径をいう。本明細書において「平均粒子径」とは、特に限定しない限り、レーザ回折・光散乱法に基づく体積基準の粒度分布において、粒径が小さい微粒子側からの累積頻度50体積%に相当する粒径(D50、メジアン径ともいう。)をいう。
なお、本明細書において、「ベアリング効果」とは、粒径の大きな粒子の間に粒径の小さな粒子が入り込むことにより、粒径の大きな粒子の移動をより自由にし、樹脂組成物全体としての流動性を向上させるものである。
本発明の半導体封止用樹脂組成物は、さらに(E)成分の微細シリカを含有することで、溶融粘度を低下させ、流動性を高めることができる。一般的に熱伝導率の高い充填材を高充填すると、該充填材が互いに接し、充填材同士のみで熱を伝える。その為、樹脂組成物の溶融粘度が高くなる傾向がある。この為、アルミナに比べ熱伝導率の低いシリカを加えることにより、外部より加えられた熱を樹脂内部に伝えることができ溶融粘度を低下させることができる。
(E)成分の微細シリカの形状は特に制限されないが、球状であることが好ましい。また、(E)成分の微細シリカは、平均粒子径が0.5〜2.0μmであることが好ましく、(D1)粒径が2μm未満に極大値をもつ球状アルミナの粒度分布と(D2)粒径2μm以上10μm未満に極大値をもつ球状アルミナの粒度分布との間に極大値をもつ粒度分布であることが好ましい。これにより、(D)成分の球状アルミナと樹脂との間を補完することができ、効果的に溶融粘度を低下させることができる。更に、シリカ成分であることにより、後述するカップリング剤との親和性が高まり樹脂組成物の機械的強度が上昇する。また、溶融粘度が低下するため、流動性を高めることができ、ワイヤ流れの低減に効果がある。
本発明の半導体封止用樹脂組成物には、樹脂組成物の離型性を高め、フローマークの発生を抑制し、流動性を高めるために、さらに(F)離型剤を含有させることができる。(F)成分の離型剤としては、(F1)融点が75℃以上90℃未満の離形剤、及び(F2)融点が90℃以上125℃以下の離形剤の、異なる融点を有する2種類以上の離形剤を組み合わせることが好ましい。(F1)成分の融点が75℃より低いとシミ等の外観異常が生じ、(F2)成分の融点が125℃より高いと所望の離型性が得られない。更に、(F1)成分と(F2)成分の融点の差が10℃以上あり、(F2)の融点が樹脂組成物の融点より低いことが好ましい。これは(F1)成分、(F2)成分、及び樹脂組成物の融点の違いにより、段階的に溶融する為、(F1)成分が金型の最表面に形成され、(F1)成分の内側に(F2)成分が形成され、その内側に封止用樹脂組成物が形成される。このことにより、封止用樹脂組成物が離型剤で保護された表面を流動する為、流動性が上昇し狭小部の充填性が良好となる。
さらに(F1)成分はエステル系ワックスが好ましく、(F2)成分はオレフィン系ワックスが好ましい。
なお、上記(F)成分以外の離型剤、例えば、合成ワックス、天然ワックス、高級脂肪酸、高級脂肪酸の金属塩等を使用してもよい。
本発明の半導体封止用樹脂組成物の溶融粘度は、好ましくは10Pa・s以下、より好ましくは7Pa・s以下である。
また、上記半導体封止用樹脂組成物の硬化物の熱伝導率は、好ましくは3〜6W/mkとすることができる。
さらに、上記半導体封止用樹脂組成物の硬化物の誘電率は、好ましくは5〜8、より好ましくは6〜8とすることができる。
なお、上記各物性値の測定は、具体的には実施例に記載の方法により測定できる。
本実施形態の樹脂封止型半導体装置は、本実施形態の樹脂組成物を用いて、次のように製造することができる。すなわち、基板を用意し、これに半導体素子を固定する。半導体素子は、ボンディングワイヤにより基板上に形成されている配線と接続され回路を形成する。このように基板上に固定された半導体素子を、上記の本実施形態の樹脂組成物により封止して、樹脂封止型の半導体装置が得られる。なお、封止には、公知の封止方法が特に限定されずに用いられる。
エポキシ樹脂(a)6.55部;フェノール性硬化剤(b)3.30部;硬化促進剤(c−1)0.22部、硬化促進剤(c−2)0.10部;球状アルミナ(d−1)5.00部、球状アルミナ(d−2)82.50部および球状の微細シリカ(e)2.80部の混合物;離型剤(f−1)0.10部、離型剤(f−2)0.10部、離型剤(f−3)0.03部、;カップリング剤0.40部、消泡剤0.1部、ならびに着色剤0.30部を常温(20℃)で混合し、次いで、ミキシング2軸ロールを用い120℃で加熱混練し半導体封止用樹脂組成物を得た。
表2に記載の種類及び配合量の各成分に変更した以外は、実施例1と同様にして半導体封止用樹脂組成物を得た。なお、表2中、空欄は配合なしを表す。
(1)スパイラルフロー
半導体封止用樹脂組成物を金型温度175℃、注入圧力9.8MPa、硬化時間150秒間の条件で、トランスファ成形し、樹脂組成物の流動距離(cm)を測定した。
175℃に保持された熱板上で、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た際に、半導体封止用樹脂組成物が増粘し、最終的に粘りのなくなった時間を測定した。
高化式フローテスタ((株)島津製作所製、CFT−500C)を用い、ノズル長1.0mm、ノズル径0.5mm、温度175℃、荷重圧力10kgf/cm2(約0.98MPa)の条件で溶融粘度を測定した。
半導体封止用樹脂組成物を用いて、FBGAパッケージ(50mm×50mm×0.54mm、チップ厚0.31mm)を、金型温度175℃で、硬化時間2分間の条件でトランスファ成形した後、得られた成型品20個の外観を目視観察し、金型と半導体素子間の狭小部の未充填部や突起等の発生を下記の基準で評価した。
○:狭小部への未充填部、及び突起がなく、外観不良なし(良好)
×:狭小部への未充填部、及び/又は突起があり、外観不良あり(不良)
半導体封止用樹脂組成物を用いて、FBGAパッケージ(50mm×50mm×0.54mm、チップ厚0.31mm)を、金型温度175℃で、硬化時間2分間の条件でトランスファ成形した後、得られた成型品20個の外観を目視観察し、ボイドの発生状況を観察し、下記の基準により判定した。 さらに、超音波探傷装置〔日立建機ファインテック (株)製、FS300II〕により成形品の内部及び外部ボイドの発生状況を観察し、下記の基準により判定した。
○:外観異常またはボイドの発生なし
△:長径0.3mm以下のボイドが発生
×:長径0.3mmを超えるボイドが発生
半導体封止用樹脂組成物を用いて、FBGAパッケージ(50mm×50mm×0.54mm、チップ厚0.31mm)を、金型温度175℃で、硬化時間2分間の条件でトランスファ成形した後、得られた成型品20個の外観を目視観察し、シミやムラ等の発生を下記の基準で評価した。
○:封止材表面にシミやムラの発生なし
△:封止材表面の一部にシミやムラが発生
×:封止材表面の全体にシミやムラが発生
半導体封止用樹脂組成物を金型温度175℃で、硬化時間2分間の条件で短冊状(3mm×4mm×10mm)の成型品を作成し、熱機械測定装置TMA SS6000(セイコー社製)を用いてTMA法により測定し、α1とα2の交点をガラス転移点とした。尚、測定条件は室温(25℃)から300℃まで、昇温速度5℃/minで行った。
半導体封止用樹脂組成物を金型温度175℃、硬化時間10分間の条件で円盤状試験片状(直径100mm、厚さ26mm)の成型品を作成し、迅速熱伝導率計(京都電子工業(株)製、製品名:Kemtherm QTM−3)を用いて熱伝導率を測定した。
なお、熱伝導率3〜6W/mkを合格とした。
半導体封止用樹脂組成物を金型温度175℃、硬化時間10分間の条件で円盤状試験片状(直径50mm、厚さ3mm)の成形品(テストピース)を作成し、該テストピースを金型温度175℃で8時間ポストキュアした後、日本ヒューレットパッカード(株)製のQメータにて誘電率を周波数1MHzで測定した。
なお、誘電率5〜8を合格とした。
半導体封止用樹脂組成物を用いて、金型温度175℃、硬化時間2分間、次いで金型温度175℃、硬化時間8時間の条件でFBGAパッケージ(50mm×50mm×0.54mm、チップ厚0.31mm)をトランスファ成形法で成形した後、X線検査装置((株)島津製作所製 SMX-1000 Plus)によりワイヤの変形を観察し、最大変形部のワイヤ流れ率を測定し、下記の基準で評価した。
○:ワイヤ流れ率5%未満(良好)
△:ワイヤ流れ率5%以上10%未満
×:ワイヤ流れ率10%以上(不良)
(11)耐半田リフロー性
上記(10)で作製したFBGAパッケージに、30℃、相対湿度60%、192時間の吸湿処理を施した後、IRリフロー処理(260℃、10秒)を行い、パッケージの内部クラック(剥離)の発生の有無を超音波探傷装置(SAT)で観察し、その発生率(不良数(個)/総数(個))を調べた(n=20)。
Claims (7)
- (A)エポキシ樹脂、(B)フェノール樹脂硬化剤、(C)硬化促進剤、及び(D)球状アルミナを含有する半導体封止用樹脂組成物であって、
前記(D)球状アルミナは、該樹脂組成物中に75質量%以上95質量%未満含まれるとともに、(D)球状アルミナ中に(D1)粒径2μm未満の球状アルミナを5〜25質量%、(D2)粒径2μm以上10μm未満の球状アルミナを65〜95質量%、及び(D3)粒径10μm以上20μm以下の球状アルミナを0〜10質量%含有し、質量基準の粒度分布において、粒径2μm未満の領域及び粒径2μm以上10μm未満の領域に、それぞれ1つ以上の極大値を有することを特徴とする半導体封止用樹脂組成物。 - さらに、平均粒子径が0.5μm以上2μm未満の(E)微細シリカを(D)球状アルミナと(E)微細シリカの合計量に対し0.1〜20質量%含有することを特徴とする請求項1に記載の半導体封止用樹脂組成物。
- さらに、(F)離型剤を前記樹脂組成物中に0.05〜1.0質量%含有するとともに、前記(F)離型剤は、(F1)融点が75℃以上90℃未満の離型剤、及び(F2)融点が90℃以上125℃以下の離型剤であり、前記(F1)と前記(F2)の配合割合が(F1):(F2)=95:5〜80:20であることを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体封止用樹脂組成物。
- 前記半導体封止用樹脂組成物の硬化物の熱伝導率が3〜6W/mk、及び/又は誘電率が5〜8であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の半導体封止用樹脂組成物。
- 請求項1乃至4のいずれか1項に記載の半導体封止用樹脂組成物を用いて半導体素子を封止してなることを特徴とする半導体装置。
- 前記半導体装置が指紋センサを備えることを特徴とする請求項5に記載の半導体装置。
- 前記半導体装置がシステムインパッケージを備えることを特徴とする請求項5に記載の半導体装置。
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