JP3729225B2

JP3729225B2 - 半導体装置

Info

Publication number: JP3729225B2
Application number: JP24471997A
Authority: JP
Inventors: 徳昌樋口; 隼明福本; 利夫塩原; 英一浅野; 和俊富吉
Original assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Priority date: 1996-08-29
Filing date: 1997-08-26
Publication date: 2005-12-21
Anticipated expiration: 2017-08-26
Also published as: JPH10120878A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶融粘度が低く、成形性に優れ、特に薄型で多ピンの半導体装置を封止した場合における半導体装置の損傷を防止し得るエポキシ樹脂組成物の硬化物で封止された半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
最近の薄型パッケージ用封止材としてのエポキシ樹脂組成物においては、充填性の向上と低吸水化の両立を図るため、非常に細かな平均粒径が１μｍ以下、望ましくは０．５μｍ以下の充填剤を多量に添加する傾向にある。このため、充填剤の比表面積が従来品に比べ非常に大きくなり、樹脂と充填剤界面の濡れが著しく悪くなり、その結果として組成物の粘度が異常に高くなり、成形性の低下を引き起こす。
【０００３】
一方最近、耐半田リフロー性を改善するため、低吸水化を目的に充填剤を高充填化する方向にある。特に充填量を８５重量％以上とする場合、従来より用いていた球状の充填剤では低せん断領域における粘度が非常に高くなり、ダイパッド変形やワイヤー変形、場合によっては断線を引き起こしている。
【０００４】
本発明は、上記事情を改善するためになされたもので、溶融粘度が低く、成形性が高く、ダイパッド変形やワイヤー変形等の損傷のない半導体封止が可能なエポキシ樹脂組成物の硬化物で封止された半導体装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段及び発明の実施の形態】
本発明者らは、上記目的を達成するため、エポキシ樹脂組成物に高充填する無機質充填剤について鋭意検討を行った。即ち、一般に従来から製造されている無機質充填剤では微細領域の粉体粒度や比表面積が制御されていないため、充填剤を多量に配合した場合において、低せん断領域で樹脂組成物の粘度が急激に増粘しワイヤー変形を引き起こすといった問題が最近大きな課題となっており、本発明者らは、この種の不良を改善し、かつ無機質充填剤の高充填時における低粘度化を両立させる目的で、従来から提案されているように、無機質充填剤の粒度分布、比表面積及び形状について検討した。つまり、従来の無機質充填剤についての提案は、いずれも成形特性が無機質充填剤の粒度分布、比表面積、形状等の特性によって規定されているものであり、本発明者らもこれに従ったものである。しかし、従来においても充填剤の諸特性と成形性との関係が完全に把握されているわけではなく、無機質充填剤の粒度分布、比表面積及び形状のみでは最近の薄型で多ピンの大型パッケージで発生しやすい上述したような不良を防止することは困難であった。
【０００６】
そこで、更に検討を進めた結果、特定の粒度と比表面積をもった充填剤を配合した組成物を作成し、せん断速度を変更して粘度を測定し、特定の粘度比となった充填剤を用いることで、成形性の良好な組成物を得ることができることを見出した。
【０００７】
即ち、エポキシ樹脂と硬化剤と無機質充填剤とを必須成分とするエポキシ樹脂組成物において、無機質充填剤として、無機質充填剤全体の１０〜４０重量％が３μｍ以下の微細粒子であり、粒径０．０５〜０．３μｍの充填剤が充填剤全体の１〜１０重量％、０．４〜０．７μｍの充填剤が充填剤全体の５〜２０重量％、０．８〜３μｍの充填剤が充填剤全体の５〜２０重量％であり、無機質充填剤全体としてのＢＥＴ法（窒素吸着法）による比表面積が２．５ｍ²／ｇ以下であると共に、２５℃のガードナーホルト法で測定したときの粘度が３０〜４５ポイズであるビスフェノールＦ型液状エポキシ樹脂に該無機質充填剤７５重量％を混練した混練物を２５℃においてＥ型粘度計を用いて測定した場合のせん断速度０．６／秒と１０／秒との粘度比が２．５以下であり、かつ０．６／秒での粘度が５０，０００ポイズ以下である無機質充填剤を使用し、これを組成物全体の７６．４６〜８８．５２重量％配合することにより、このように無機質充填剤を高充填しても溶融粘度が低く、成形性に優れ、かつワイヤー変形等の不都合なく薄型、多ピンの半導体装置を封止し得ることを知見し、本発明をなすに至ったものである。
【０００８】
従って、本発明は、エポキシ樹脂、硬化剤、無機質充填剤を必須成分とするエポキシ樹脂組成物の硬化物で封止された半導体装置において、エポキシ樹脂が、ナフタレン型エポキシ樹脂及びビフェニル型エポキシ樹脂から選ばれるものであり、無機質充填剤が、粒径０．０５〜０．３μｍのシリカ１〜１０重量％、粒径０．４〜０．７μｍのシリカ５〜２０重量％、粒径０．８〜３μｍのシリカ５〜２０重量％を含有し、かつ粒径が３μｍ以下のシリカ含有量が１０〜４０重量％で、無機質充填剤全体としてのＢＥＴ法（窒素吸着法）による比表面積が２．５ｍ ² ／ｇ以下、平均粒径が４〜３０μｍのシリカであると共に、２５℃のガードナーホルト法で測定したときの粘度が３０〜４５ポイズであるビスフェノールＦ型液状エポキシ樹脂に該無機質充填剤７５重量％を混練した混練物を２５℃においてＥ型粘度計を用いて測定した場合のせん断速度０．６／秒と１０／秒との粘度比が２．５以下であり、かつ０．６／秒での粘度が５０，０００ポイズ以下である無機質充填剤を組成物全体の７６．４６〜８８．５２重量％配合したことを特徴とするエポキシ樹脂組成物の硬化物で封止された半導体装置を提供するものである。
【０００９】
以下、本発明について更に詳しく説明する。
本発明のエポキシ樹脂組成物はエポキシ樹脂、硬化剤、無機質充填剤を必須成分とする。
【００１０】
本発明で使用するエポキシ樹脂としては、従来から公知の１分子あたり２個以上のエポキシ基を持ったものであり、特にビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂、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、ナフタレン型エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂、フェノールアラルキル型エポキシ樹脂、シクロペンタジエン型エポキシ樹脂などが例示される。これらエポキシ樹脂の中でもナフタレン型エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂、下記構造式で示される液晶構造を有するものが望ましい。
【００１１】
【化１】

【００１２】
これらエポキシ樹脂中の全塩素含有量は１，５００ｐｐｍ以下、望ましくは１，０００ｐｐｍ以下であり、また、１２０℃で５０％エポキシ樹脂濃度における２０時間での抽出水塩素が５ｐｐｍ以下であることが好ましい。全塩素含有量が１，５００ｐｐｍより多く、抽出水塩素が５ｐｐｍより多いと、半導体の耐湿信頼性が低下するおそれがある。
【００１３】
本発明の硬化剤としては、フェノール化合物、アミン化合物、酸無水物系化合物などエポキシ樹脂の硬化剤として従来より知られているものであればいずれのものも使用できるが、特に１分子中にフェノール性の水酸基を２個以上有するフェノール樹脂が好ましい。フェノール樹脂としては、特に、フェノールノボラック樹脂、クレゾールノボラック樹脂、フェノールアラルキル樹脂、ナフタレン型フェノール樹脂、シクロペンタジエン型フェノール樹脂や下記構造式で示されるフェノール性水酸基を含有するものなどが例示される。
【００１４】
【化２】

（式中、Ｒは水素原子又は炭素数１〜４のアルキル基、例えばメチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基、イソブチル基、ｔｅｒｔ−ブチル基を示す。ｎは０〜５の整数である。）
【００１５】
フェノール樹脂もエポキシ樹脂同様、１２０℃の温度で抽出される塩素イオンやナトリウムイオンなどはいずれも１０ｐｐｍ以下、望ましくは５ｐｐｍ以下であることが好ましい。
【００１６】
硬化剤の配合量は、エポキシ樹脂を硬化させ得る量であり、例えばフェノール樹脂を用いた場合、エポキシ樹脂とフェノール樹脂の混合割合は、エポキシ基１モルに対しフェノール性水酸基が０．５〜１．６モル、望ましくは０．６〜１．４モルであることが好適である。０．５モル未満では水酸基が不足し、エポキシ基の単独重合の割合が多くなり、ガラス転移温度が低くなる。また、１．６モルを超えるとフェノール性水酸基の比率が高くなり、反応性が低下するほか、架橋密度が低く、十分な強度が得られないものとなるおそれがある。
【００１７】
本発明のエポキシ樹脂組成物には硬化促進剤を配合することができる。硬化促進剤としてはリン系、イミダゾール誘導体、シクロアミジン系誘導体などを使用することができる。硬化促進剤の量としては、エポキシ樹脂とフェノール樹脂の合計量１００重量部に対し、０．０１〜１０重量部であることが好ましい。
【００１８】
次に、本発明においては、無機質充填剤として、無機質充填剤全体の１０〜４０重量％が３μｍ以下の微細粒子であり、無機質充填剤全体としてのＢＥＴ法（窒素吸着法）による比表面積が２．５ｍ²／ｇ以下であると共に、２５℃のガードナーホルト法で測定したときの粘度が３０〜４５ポイズであるビスフェノールＦ型液状エポキシ樹脂に無機質充填剤７５重量％を混練した混練物を２５℃においてＥ型粘度計を用いて測定した場合のせん断速度０．６／秒と１０／秒との粘度比が２．５以下であり、かつ０．６／秒での粘度が５０，０００ポイズ以下である無機質充填剤を使用するものである。
【００１９】
更に詳述すると、本発明で用いる無機質充填剤の粒度分布は粒径が３μｍ以下の微細な粒径の充填剤が１０〜４０％、より望ましくは粒径０．０５〜０．３μｍの充填剤が１〜１０％、０．４〜０．７μｍの充填剤が５〜２０％、０．８〜３μｍの充填剤が５〜２０％のものである。３μｍ以下の充填剤が１０％未満では細密充填化が不十分のため十分に組成物の溶融粘度が低下せず、また４０％を超えると微粉が多くなりすぎて樹脂と充填剤界面が十分に濡れないため逆に組成物の粘度が高くなってしまう。望ましくは１０〜３０％の範囲で３μｍ以下の充填剤が含まれることである。
【００２０】
この場合、充填剤全体としては平均粒径が４〜３０μｍであることが好ましい。平均粒径が４μｍより小さいと粘度が高くなりすぎて多量に充填できず、３０μｍより大きいと粗い粒径が多くなり、ゲート詰まりとなるおそれがある。また最大粒径が１００μｍ以下、より望ましくは７４μｍ以下の粒度分布を持つことが好ましい。
【００２１】
なお、本発明においては、充填剤の最密充填化とチキソ性付与による組成物の低粘度化と樹脂組成物の流動性制御に粒径０．７μｍ以下の充填剤が非常に重要な役割を演ずる。より望ましい充填剤は０．０５〜０．３μｍの微粉の充填剤である。この種の充填剤は球状が望ましく、比表面積が１０〜５０ｍ²／ｇのものがよい。より望ましい充填剤の比表面積は１５〜４０ｍ²／ｇである。
【００２２】
この場合、従来はチキソ性付与にはアエロジルで代表される乾式あるいは湿式の比表面積が１００〜３００ｍ²／ｇと非常に大きな超微粉シリカが主に用いられてきたが、このものは比表面積が大きいため微量添加においても流動性に大きく影響を及ぼすことから、非常に使いづらいものである。
【００２３】
なお、本発明において粒度分布及び平均粒径はレーザー回折式粒度分布測定装置（例えばシーラス社製Ｇｒａｎｕｌｏｍｅｔｅｒ９２０など）による測定値（例えば重量平均値）である。
【００２４】
次に、本発明の無機質充填剤は、その全体のＢＥＴ法（窒素吸着法）による比表面積が２．５ｍ²／ｇ以下、望ましくは１〜２ｍ²／ｇである。比表面積が２．５ｍ²／ｇより大きいと、チキソ性が大きくなり、本発明で目的としている良好な成形特性が得られなくなる。
【００２５】
また、本発明の無機質充填剤は、２５℃（±０．０５℃）におけるガードナーホルト法で測定した粘度が３０〜４５ポイズのビスフェノールＦ型液状エポキシ樹脂に７５重量％混練した混練物について、Ｅ型粘度計を用いて２５℃（±０．０５℃）で測定したせん断速度０．６／秒の粘度Ｖ₁とせん断速度１０／秒の粘度Ｖ₂との粘度比Ｖ₁／Ｖ₂が２．５以下のものを使用する。Ｖ₁／Ｖ₂が２．５を超えるものを使用した場合、キャビティ中を流動する際の樹脂粘度が非常に高くなり、ワイヤー変形やダイパッドシフトを引き起こす結果となる。中でも粘度比が０．５〜２．５、とりわけ０．８〜２．２の充填剤を使用すれば低せん断領域での急激な樹脂粘度の増大を防止できる。この場合、せん断速度０．６／秒での粘度Ｖ₁は５０，０００ポイズ以下、特に５，０００〜３０，０００ポイズであり、この粘度が５０，０００ポイズを超えたものはエポキシ樹脂組成物としての粘度が非常に高くなり成形性が悪くなる。
【００２６】
この種の無機質充填剤を配合することで１７５℃におけるエポキシ樹脂組成物の溶融粘度は２００ポイズ以下となり、成形特性の良好な組成物を得ることができるものである。
【００２７】
なお、無機質充填剤の比表面積は高せん断速度における粘度と低せん断速度における粘度比に大きく影響している。即ち、比表面積が２．５ｍ²／ｇ以下であれば粘度比を２．５以下とすることが可能であることを見出した。これ以上では樹脂と充填剤界面の濡れが不十分となり、粘度が著しく高く、粘度比も２．５を超えるものとなってしまう。また、この粘度比は粒径０．７μｍ以下、特に０．０５〜０．３μｍの微細充填剤によって影響される。この領域の充填剤は容易に振動等で凝集しやすい性質を持っており、２次凝集しているような場合は影響が特に顕著になる。この２次凝集を防止したり、樹脂と充填剤界面を十分に濡らすため、予め樹脂と混練しておくことが望ましい。
【００２８】
本発明に使用される充填剤としては、ボールミルなどで粉砕した溶融シリカや火炎溶融することで得られる球状シリカ、ゾルゲル法などで製造される球状シリカ、結晶シリカなどが使用される。この場合、充填剤の形状に特に限定はなく、フレーク状、樹枝状、球状等のフィラーを単独で又は混合して用いることができる。中でも球状のものが低粘度化、高充填化には最も望ましいものである。これらの充填剤は予めシランカップリング剤やチタン系カップリング剤などで表面処理したものを使用することが好ましい。
【００２９】
上記無機質充填剤の配合量は、組成物全体の７６．４６〜８８．５２重量％であり、通常、エポキシ樹脂と硬化剤の総量１００重量部に対し４００〜１，０００重量部である。配合量が少なすぎると膨張係数を十分に下げることができない上、吸水率も多くなり、半田リフローの際の温度でパッケージにクラックが入ってしまう。一方、多すぎる場合は粘度が高くなりすぎ、成形できなくなってしまう。
【００３０】
本発明の組成物には、従来から公知のシリコーンゴムやゲルなどの粉末、シリコーン変性エポキシ樹脂やシリコーン変性フェノール樹脂、メタクリル酸メチル−ブタジエン−スチレンよりなる熱可塑性樹脂などを低応力化剤として添加してもよい。
【００３１】
また、粘度を下げる目的のために、従来より公知のｎ−ブチルグリシジルエーテル、フェニルグリシジルエーテル、スチレンオキサイド、ｔｅｒｔ−ブチルフェニルグリシジルエーテル、ジシクロペンタジエンジエポキシド、フェノール、クレゾール、ｔｅｒｔ−ブチルフェノールのようなエポキシ基やフェノール性水酸基を有する希釈剤を添加することができる。
【００３２】
更に、シランカップリング剤、チタン系カップリング剤、アルミニウム系カップリング剤などのカップリング剤やカーボンブラックなどの着色剤、ノニオン系界面活性剤、フッ素系界面活性剤、シリコーンオイルなどの濡れ向上剤や消泡剤なども場合によっては添加することができる。
【００３３】
製造方法としては、液状エポキシ樹脂組成物の場合は、上記した諸原料を品川ミキサーなどの撹拌混合装置を用い十分混練することで製造することができる。混練温度としては２０〜５０℃が望ましい。一方、粉体の場合は、高速混合機などを用い、均一に混合した後、二本ロールや連続混練装置などで十分混練すればよい。混練温度としては５０〜１１０℃が望ましい。
【００３４】
混練後、薄くシート化し冷却、粉砕することでエポキシ樹脂組成物を製造することができる。本発明の樹脂組成物は一般成形材料として、更に半導体封止材料として利用される。
【００３５】
なお、成形方法としては、トランスファー成形、圧縮成形、インジェクション成形等の方法が採用でき、また成形温度は１５０〜１８５℃が好ましい。
【００３６】
また、本発明のエポキシ樹脂組成物で好適に封止される半導体装置としてはデスクリートデバイス、ＩＣやＬＳＩ、超ＬＳＩなどの高集積デバイス等が挙げられる。
【００３７】
【発明の効果】
本発明のエポキシ樹脂組成物は、溶融粘度が低く、成形性もよく、この組成物で封止した半導体装置はダイパッド変形、ワイヤー変形等もなく、信頼性の高いものである。
【００３８】
【実施例】
以下、実施例と比較例を示し、本発明を具体的に説明するが、本発明は下記の実施例に制限されるものではない。
【００３９】
〔実施例１〜３、比較例１〜５〕
下記表１で示される充填剤（シリカ）Ａ〜Ｈを充填剤の０．５重量％のγ−グリシジルオキシプロピルトリメトキシシラン；ＫＢＭ４０３（信越化学（株）製）で表面処理した後、充填剤の特性を評価した。また、このシリカを表２の配合で混合、混練することでエポキシ樹脂組成物を作成した。更に、この樹脂組成物を用い、各種評価を行った。結果を表２に示す。
【００４０】
【表１】

【００４１】
粒度分布及び平均粒径：
レーザー回折／散乱式粒度分布測定装置を用い、粒度分布を測定した。
比表面積：
上記比率で混合した充填剤の比表面積を比表面積測定装置（ＢＥＴ法、窒素吸着法）で測定した。
粘度比及び０．６／秒での粘度：
エポキシ当量１６８，粘度３８ポイズ（２５℃）のビスフェノールＦ型エポキシ樹脂；エピコート８０７（シェル（株）製）１ｇとシリカ３ｇをはかりとり、ガラスシャーレ上で十分に混練した後、ローターコーンとしてＲ−Ｕを備えたＥ型粘度計（東機産業製）を用い、２５℃±０．０５℃でせん断速度０．６／秒（Ｖ₁）と１０／秒（Ｖ₂）で粘度を測定し、その比率Ｖ₁／Ｖ₂をとった。
【００４２】
【表２】

＊１ビフェニル型エポキシ樹脂（油化シェル（株）製）
＊２ナフタレン型エポキシ樹脂（日本化薬（株）製）
＊３フェノールノボラック樹脂（大日本インキ化学工業（株）製）
＊４ブロム化ノボラック型エポキシ樹脂（日本化薬（株）製）
【００４３】
スパイラルフロー：
成形温度１７５℃、成形圧力７０ｋｇ／ｃｍ²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。
ゲル化時間：
１７５℃の熱板でエポキシ樹脂組成物がゲルになるまでの時間を測定した。
内部ボイド及び外部ボイド：
ＱＦＰパッケージ（サンプル数＝５）を用い、成形温度１７５℃、成形圧力７０ｋｇｆ／ｃｍ²でトランスファー成形した後、超音波探傷装置を用い、内部ボイドの数を数えた。また、外部ボイドは目視観察することでボイドの数を数えた。ボイドの数は５サンプルの合計数である。
ワイヤー変形：
３ｍｍ長の金線を接続したＱＦＰパッケージを用い、成形温度１７５℃、成形圧力７０ｋｇｆ／ｃｍ²でトランスファー成形し、その後軟Ｘ線装置を用いて金線の変形具合を観察した。
ダイパッド変形：
ＱＦＰパッケージを用い、成形温度１７５℃、成形圧力７０ｋｇｆ／ｃｍ²でトランスファー成形した後、パッケージを切断し、ダイパッドの変形状態を観察した。
【００４４】
〔実施例４，５、比較例６〕
下記表３で示される配合組成で実施例１と同様にしてエポキシ樹脂組成物を製造し、実施例１と同様に評価を行った。結果を表３に併記する。
【００４５】
【表３】

＊５フェノールアラルキル樹脂（三井東圧化学（株）製）

Claims

エポキシ樹脂、硬化剤、無機質充填剤を必須成分とするエポキシ樹脂組成物の硬化物で封止された半導体装置において、エポキシ樹脂が、ナフタレン型エポキシ樹脂及びビフェニル型エポキシ樹脂から選ばれるものであり、無機質充填剤が、粒径０．０５〜０．３μｍのシリカ１〜１０重量％、粒径０．４〜０．７μｍのシリカ５〜２０重量％、粒径０．８〜３μｍのシリカ５〜２０重量％を含有し、かつ粒径が３μｍ以下のシリカ含有量が１０〜４０重量％で、無機質充填剤全体としてのＢＥＴ法（窒素吸着法）による比表面積が２．５ｍ²／ｇ以下、平均粒径が４〜３０μｍのシリカであると共に、２５℃のガードナーホルト法で測定したときの粘度が３０〜４５ポイズであるビスフェノールＦ型液状エポキシ樹脂に該無機質充填剤７５重量％を混練した混練物を２５℃においてＥ型粘度計を用いて測定した場合のせん断速度０．６／秒と１０／秒との粘度比が２．５以下であり、かつ０．６／秒での粘度が５０，０００ポイズ以下である無機質充填剤を組成物全体の７６．４６〜８８．５２重量％配合したことを特徴とするエポキシ樹脂組成物の硬化物で封止された半導体装置。