JP3801298B2 - 半導体封止用エポキシ樹脂組成物 - Google Patents
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Description
【産業上の利用分野】
本発明は、樹脂封止型半導体装置、特に半導体装置の基板部分の片面のみに封止樹脂が成形されている半導体装置、さらに詳しくはその封止樹脂に特徴を有する半導体装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年の電子機器のダウンサイジング化・小型化に伴い、半導体装置は小型・薄型化、高性能化が進んでいる。従来の半導体装置は、半導体素子とリードフレームを用い、これらをプリント基板に実装するのに必要な部位以外は、樹脂で覆うように両面から樹脂封止されていた。よって、半導体装置小型化の開発は基板となるリードフレームと封止樹脂に関することが主であった。封止樹脂の容積を小さく、薄肉化したTSOP(シン・スモール・アウトライン・パッケージ)や、多ピン化に対応したQFP(クァッド・フラット・パッケージ)などが開発されてきた。
【0003】
さらに、半導体装置が占める実装面積を小さく、高性能化を図るために、半導体装置の基板の背面に半導体装置とマザーボードを接続する端子を配置した構造の半導体装置が開発されている。この構造の場合、封止樹脂は基板の片面のみに成形されるため、従来の両面成形物とは異なり、半導体装置の反りが発生しやすい。半導体装置の反り量が大きいと、水平なマザーボードに実装することが困難である。また、片面成形であるため、基材や半導体素子との接着界面に剥離が発生すると、サーマルサイクル試験および耐ポップコーン試験での故障原因となる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、これまでとは異なる形態の半導体装置に対応した密着性と半導体装置の反り量低減に優れた封止樹脂を提供する必要がある。
【0005】
すなわち、本発明の課題は、基板の片面のみに封止樹脂が成形されている構造の半導体装置に対応した密着性、半導体装置の反り量低減、サーマルサイクル性、耐ポップコーン性に優れるエポキシ樹脂組成物、および該エポキシ樹脂組成物によって封止された半導体装置を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、基板の片面のみに封止樹脂が成形されている構造の半導体装置に関して、密着性の向上、反り量の低減、サーマルサイクル性、および耐ポップコーン性の向上を目的に鋭意検討し、本発明に到達した。すなわち本発明は、「半導体素子と、該半導体素子が搭載される基板と、該半導体素子を封止するエポキシ樹脂組成物の硬化物とを具備する半導体装置であって、該基板に対して片面にのみ該エポキシ樹脂組成物が成形されており、かつ該エポキシ樹脂組成物の硬化物がエポキシ樹脂(A)、硬化剤(B)、無機充填剤(C)およびエラストマー(D)を含んでなり、該エポキシ樹脂(A)がビフェニル型エポキシ樹脂を50重量%以上含み、該硬化剤(B)がフェノールノボラック樹脂、フェノールアラルキル樹脂から選ばれる少なくとも1種からなり、該無機充填剤(C)の配合割合が該エポキシ樹脂組成物中に87重量%以上、92重量%以下であり、かつ該エポキシ樹脂組成物の硬化物が下記(イ)〜(ハ)の特性を有するものである樹脂封止型半導体装置。
(イ)23℃での曲げ弾性率が、10GPaを超え、30GPa以下
(ロ)23℃からガラス転移温度までの線膨張係数が4×10-6〜10×10-6/K
(ハ)(23℃での曲げ弾性率)×(23℃からガラス転移温度までの線膨張係数)が2×10-4GPa/K以下」および
「半導体素子と、該半導体素子が搭載される基板と、エポキシ樹脂組成物とを具備するもので、該基板に対して片面にのみ該エポキシ樹脂組成物が成形されている半導体装置の封止用のエポキシ樹脂組成物であって、かつ該エポキシ樹脂組成物の硬化物がエポキシ樹脂(A)、硬化剤(B)、無機充填剤(C)およびエラストマー(D)を含んでなり、該エポキシ樹脂(A)がビフェニル型エポキシ樹脂を50重量%以上含み、該硬化剤(B)がフェノールノボラック樹脂、フェノールアラルキル樹脂から選ばれる少なくとも1種からなり、該無機充填剤(C)の配合割合が該エポキシ樹脂組成物中に87重量%以上、92重量%以下であり、かつ該エポキシ樹脂組成物の硬化物が下記(イ)〜(ハ)の特性を有するものである樹脂封止型半導体装置封止用エポキシ樹脂組成物。
(イ)23℃での曲げ弾性率が、10GPaを超え、30GPa以下
(ロ)23℃からガラス転移温度までの線膨張係数が4×10-6〜10×10-6/K
(ハ)(23℃での曲げ弾性率)×(23℃からガラス転移温度までの線膨張係数)が2×10-4GPa/K以下」
からなる。
【0007】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の構成を詳述する。
【0008】
本発明における半導体装置は、図1または図2に示すように、半導体素子1と、該半導体素子が搭載される基板2と、該半導体素子を封止するエポキシ樹脂組成物3とを具備し、該基板の半導体素子搭載面側である片面にのみエポキシ樹脂組成物3が成形されている。必要に応じて半導体素子1と基板2との間に接着層4を持つことも可能である。また基板2は通常、基板基材2a、パターン形成された金属配線2c(図1及び図2ではパターンは図示していない)および外部との電気的導通をとるために、基板基材2bに貫通して部分的に通電部2bが設けられる。また半導体素子1と金属配線2cをつなぐリード配線5を設けることもできる。
【0009】
本発明の半導体装置は、基板2上に半導体素子1が搭載された半導体装置予備装置を準備し、予備装置を配置した金型内でエポキシ樹脂組成物を成形することにより得られる。成形にあたってエポキシ樹脂組成物は通常粉末またはタブレット状態のものが使用される。そして、エポキシ樹脂組成物を、たとえば120〜250℃、好ましくは150〜200℃の温度で、トランスファ成形、インジェクション成形、注型法などの方法で、成形することによって製造される。また必要に応じて、追加熱処理(たとえば、150〜180℃、2〜16時間)を行うこともできる。
【0010】
本発明において、基板基材2aに用いる材料は特に限定されないが、半導体素子が駆動することによって発生する熱を逃がすことから、放熱特性の良好な材料を用い、かつ絶縁性のものであることが好ましい。このような材料としては、合成樹脂、さらにポリイミドが好ましい。また、半導体装置の内部応力が緩和されるため、該基板が可撓性材料であることが好ましい。
【0011】
本発明におけるエポキシ樹脂組成物の硬化物の23℃での曲げ弾性率が10をGPa超え30GPa以下、23℃からガラス転移温度までの線膨張係数が4×10-6〜10×10-6/Kであり、かつ、(23℃での曲げ弾性率)×(23℃からガラス転移温度までの線膨張係数)2×10-4GPa/K以下であることが必要である。この範囲の物性を満たす場合のみ、密着性が良好で、半導体装置の内部応力が小さく、信頼性の高い半導体装置が得られる。ガラス状領域での線膨張係数が大きい場合は、半導体装置の反り量が大きく、サーマルサイクル性、および耐ポップコーン性が劣る。線膨張係数が小さい場合は、樹脂と基板の界面に剥離が発生しやすく、サーマルサイクル性が劣る。曲げ弾性率が大きいの場合は、封止樹脂と基板や半導体素子との密着性が低下する。曲げ弾性率が低い場合は作業性が悪い。また、エポキシ樹脂組成物の硬化物の23℃での曲げ弾性率が≦30GPa、23℃からガラス転移温度までの線膨張係数が4〜10×10-6/Kであっても、(23℃での曲げ弾性率)×(23℃からガラス転移温度までの線膨張係数)が2×10-4GPa/Kを超える場合は、半導体装置の反り量が大きく、密着性が低下する。
【0012】
ここでいう硬化物とは、本発明のエポキシ樹脂組成物を、たとえば120〜250℃、好ましくは150〜200℃の温度で、トランスファ成形、インジェクション成形、注型法などの方法で成型し、必要に応じて、追加熱処理(たとえば、150〜180℃、2〜16時間)を行って得られ、通常はエポキシ基の化学反応またはエポキシ樹脂組成物の物理的物性がほぼ飽和に達したものである。
【0013】
本発明におけるエポキシ樹脂組成物には、エポキシ樹脂(A)が通常配合される。このようなものとしては、1分子中にエポキシ基を2個以上有するものであれば特に限定されない。
【0014】
たとえば、クレゾールノボラック型エポキシ樹脂、フェノールノボラック型エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂、ナフタレン型エポキシ樹脂、ビスフェノールAやレゾルシンなどから合成される各種ノボラック型エポキシ樹脂、線状脂肪族エポキシ樹脂、脂環式エポキシ樹脂、複素環式エポキシ樹脂、ハロゲン化エポキシ樹脂などがあげられる。
【0015】
用途によっては二種以上のエポキシ樹脂を併用してもよいが、耐熱性および耐湿性の点から、ビフェニル型エポキシ樹脂を前エポキシ樹脂中に50%以上含むことが好ましい。本発明のエポキシ樹脂組成物中のエポキシ樹脂の含有量は2〜15重量%、さらには2〜12重量%が好ましい。
【0016】
本発明のエポキシ樹脂組成物には、硬化剤(B)が通常配合される。このようなものとしては、エポキシ樹脂(A)と反応して硬化させるものであれば特に限定されず、これらの具体例としては、たとえば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、テルペン骨格含有フェノール樹脂、トリスヒドロキシフェニルメタン、ビスフェノールAやレゾルシンから合成される各種ノボラック樹脂、レゾール樹脂、ポリビニルフェノールなどの各種多価フェノール化合物、無水マレイン酸、無水フタル酸、無水ピロメリット酸などの酸無水物およびメタフェニレンジアミン、ジアミノジフェニルメタン、ジアミノジフェンルスルホンなどの芳香族アミンなどがあげられる。なかでも、密着性の点から1分子中に水酸基を2個以上有するフェノール化合物が好ましく、なかでもフェノールノボラック樹脂、フェノールアラルキル樹脂などが好ましい。
【0017】
本発明において、エポキシ樹脂(A)と硬化剤(B)の配合比に関しては特に制限はないが、得られるエポキシ樹脂の硬化物および半導体装置の機械的性質および密着性の点から(A)に対する(B)の化学当量比が0.5〜1.5、特に0.8〜1.2の範囲にあることが好ましい。本発明のエポキシ樹脂組成物中の硬化剤の含有量は2〜15重量%、さらには2〜12重量%が好ましい。
【0018】
また、本発明においてエポキシ樹脂(A)と硬化剤(B)の硬化反応を促進するための硬化触媒を用いてもよい。硬化触媒は硬化反応を促進するものならば特に限定されず、たとえば2−メチルイミダゾール、2,4−ジメチルイミダゾール、2−メチル−4−メチルイミダゾール、2−ヘプタデシルイミダゾールなどのイミダゾール化合物、トリエチルアミン、ベンジルジメチルアミン、α−メチルベンジルジメチルアミン、2−(ジメチルアミノメチル)フェノール、2,4,6−トリス(ジメチルアミノメチル)フェノール、1,8−ジアザビシクロ(5,4,0)ウンデセン−7、1,5−ジアザビシクロ(4,3,0)ノネン−5などの3級アミン化合物、ジルコニウムテトラメトキシド、ジルコニウムテトラプロポキシド、テトラキス(アセチルアセトナト)ジルコニウム、トリ(アセチルアセトナト)アルミニウムなどの有機金属化合物およびトリフェニルホスフィン、トリメチルホスフィン、トリエチルホスフィン、トリブチルホスフィン、トリ(p−メチルフェニル)ホスフィン、トリ(ノニルフェニル)ホスフィン、トリフェニルホスフィン・トリフェニルボラン、テトラフェニルホスフォニウム・テトラフェニルボレートなどの有機ホスフィン化合物があげられる。なかでも反応性の点からトリフェニルホスフィンやテトラフェニルホスフォニウム・テトラフェニルボレートや1,8−ジアザビシクロ(5,4,0)ウンデセン−7が特に好ましく用いられる。これらの硬化触媒は、用途によっては2種以上を併用してもよく、その添加量はエポキシ樹脂(A)100重量部に対して0.01〜10重量部の範囲が好ましい。
【0019】
本発明のエポキシ樹脂組成物においては通常充填剤(C)が配合され、非晶性シリカ、結晶性シリカ、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、アルミナ、マグネシア、クレー、タルク、ケイ酸カルシウム、酸化チタン、酸化アンチモン、アスベスト、ガラス繊維なおがあげられるが、中でも非晶性シリカは線膨張係数を低下させる効果が大きく、低応力化に有効なため好ましく用いられる。非晶性シリカの例としては、石英を溶融して製造した溶融シリカや、各種合成法で製造された合成シリカがあげられ、破砕状のものや球状のものが用いられる。
【0020】
本発明において、充填剤(C)の配合量は、特に限定されないが、本発明の硬化物の室温での曲げ弾性率が30GPa以下、室温からガラス転移温度までの線膨張係数が4×10-6〜10×10-6/Kであるために、エポキシ樹脂組成物全体の80〜95重量%、さらに85〜93重量%であることが好ましい。
【0021】
本発明のエポキシ樹脂組成物においては、シランカップリング剤、チタネートカップリング剤などのカップリング剤を配合することができ、なかでも、これらカップリング剤で前もって充填剤を表面処理しておくことが信頼性の点で好ましい。シランカップリング剤として、アルコキシ基および「エポキシ基、アミノ基、メルカプト基、などの官能基が結合した炭化水素基」がケイ素原子に結合したシランカップリング剤が好ましく用いられる。なかでも、流動性の点から、アミノ基を有するシランカップリング剤を用いることが特に好ましい。
【0022】
本発明のエポキシ樹脂組成物にはエラストマー(D)を配合することができ、半導体装置反り量の低減、低応力化の効果がある。このようなものとしては、たとえば、シリコーンゴム、EPR、EPDM、SEBSなどのオレフィン系共重合体、ニトリルゴム、ポリブタジエンゴム、変性シリコーンオイルなどがあげられる。また、エラストマー(D)以外にもポリエチレンなどの熱可塑性樹脂を低応力化剤として配合することができる。本発明の硬化物の室温での曲げ弾性率が30GPa以下とするために、これらのエラストマー、低応力化剤を用いることが好ましい。
【0023】
本発明のエポキシ樹脂組成物にはハロゲン化エポキシ樹脂などのハロゲン化合物、リン化合物などの難燃剤、三酸化アンチモンなどの難燃助剤、カーボンブラック、酸化鉄などの着色剤、長鎖脂肪酸、長鎖脂肪酸の金属塩、長鎖脂肪酸のエステル、長鎖脂肪酸のアミド、パラフィンワックスなどの離型剤および有機過酸化物などの架橋剤を任意に添加することができる。
【0024】
本発明のエポキシ樹脂組成物はこれら原料を溶融混練して得ることが好ましく、たとえばバンバリーミキサー、ニーダー、ロール、単軸もしくは二軸の押し出し機およびコニーダーなどの公知の混練方法を用いて溶融混練することにより、製造される。そしてペレットやパウダー状のエポキシ樹脂を用いて、基板2上に半導体素子1が搭載された半導体装置予備装置を配置した金型内で成形することにより半導体装置が得られる。特に本発明のエポキシ樹脂組成物は、エポキシ樹脂組成物を実質的に囲む構造体を有さない半導体装置に有利である。
【0025】
【実施例】
以下、実施例により本発明を具体的に説明する。なお、表2の値は、重量部を示す。
【0026】
実施例1〜4、比較例1〜4
表1、2に示した成分を、表3に示した組成比でミキサーによりドライブレンドした。これを、ロール表面温度90℃のミキシングロールを用いて5分間加熱混練後、冷却粉砕してエポキシ樹脂組成物を製造した。
【0027】
【表1】
【化1】
(nは0以上の整数。)
【0028】
【表2】
【0029】
この組成物を用い、低圧トランスファー成形法により成形温度175℃、成形時間2分、トランスファー圧力7MPaの条件で成形し、180℃×5時間の条件でポストキュアして、各組成物の曲げ弾性率、線膨張係数を測定した。線膨張係数はTMAを用い、 23℃とガラス転移温度との間の熱膨張曲線から平均値を求めた。曲げ弾性率は、室温下で3点曲げ試験を行い、荷重−たわみ曲線から求めた。この結果を表3に示す。
【0030】
また組成物を用い、図3に示す形状の半導体装置予備装置を金型内に設けて、上述と同じ条件でトランスファー成形およびポストキュアーし、図2に示すような模擬半導体装置を組み立てた。次の物性測定法により、各組成物、半導体装置の物性を測定した。模擬半導体装置は図2において、半導体素子1と該半導体素子が搭載される基板2とこの組成物を用いた半導体素子を封止するエポキシ樹脂組成物3とを具備し、該基板2はPIフィルムによって形成されている。
【0031】
なお図2の半導体装置の各部分の寸法は以下のとおりである。
【0032】
半導体素子1: 7×7×0.5mm
接着層4厚み: 0.1mm
エポキシ樹脂3:20×20×1.0 mm
金属配線2c厚み:0.1mm
基板基材厚み: 0.15mm
PIフィルム剥離強度:上記の成形方法で、縦10×横10mm、高さ5mmの四角柱をPIフィルム上に成形し、180度剥離試験により剥離強度を測定した。この値は基板と封止樹脂との密着性を反映する。
【0033】
パッケージ反り量:模擬半導体装置平面部の対角線上を表面あらさ計を用いて表面の凹凸を測定し、水平方向から見た場合の最下点と最上点との間の距離を垂直方向で測定した。
【0034】
サーマルサイクル性:模擬半導体装置を−65℃×30min、常温×10min、150℃×30min、常温×10minを1サイクルとして、半導体装置20個を用いて放置試験を行った。100cycle放置後に、半導体装置を分解して内部を目視で観察し、樹脂部分のクラックの発生、半導体素子の割れを故障として判定し、故障率を求めた。
【0035】
ポップコーン試験:模擬半導体装置20個を85℃/85%RHで48時間加湿後、最高温度245℃のIRリフロー炉で加熱処理し、半導体装置のPIフィルム基板と樹脂界面の剥離の有無を目視で観察した。故障率として、剥離の発生したパッケージの割合を求めた。
【0036】
これらの結果を表3に示す。
【0037】
【表3】
【0038】
表3に見られるように、本発明のエポキシ樹脂組成物、および樹脂封止型半導体装置は、密着性、パッケージ反り量の低減、サーマルサイクル性、耐ポップコーン性に優れている。これに対して、曲げ弾性率が本発明の30GPa以下ではなく、11.2GPaである比較例1はパッケージ反り量は小さいが、そのほかの物性が劣っている。また、線膨張係数が本発明の範囲でない11×10-6/Kである比較例2は、密着性は優れるものの、パッケージ反り量、耐ポップコーン性、サーマルサイクル性が劣っている。また、線膨張係数3×10-6/Kの比較例3はパッケージ反り量は小さく、サーマルサイクル性も良好だが、密着性、耐ポップコーン性は劣っている。(曲げ弾性率)×(線膨張係数)が2.05×10-4GPa/Kの比較例4はすべての物性が劣っている。
【0039】
【発明の効果】
本発明の樹脂組成物によれば密着性、半導体装置の反り量の低減に優れ、該樹脂組成物を用いた該半導体装置はサーマルサイクル性、耐ポップコーン性に優れている。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の半導体装置の一態様を示す模式図(断面)
【図2】本発明の半導体装置の一態様を示す模式図(断面)
【図3】本発明の実施例に使用した半導体装置予備装置の模式図(断面)
【符号の説明】
1:半導体素子
2:基板
2a:基板基材
2b:通電部
2c:金属配線
3:エポキシ樹脂組成物
4:接着層
5:リード線
6:半田ボール
Claims (2)
- 半導体素子と、該半導体素子が搭載される基板と、該半導体素子を封止するエポキシ樹脂組成物の硬化物とを具備する半導体装置であって、該基板に対して片面にのみ該エポキシ樹脂組成物が成形されており、かつ該エポキシ樹脂組成物の硬化物がエポキシ樹脂(A)、硬化剤(B)、無機充填剤(C)およびエラストマー(D)を含んでなり、該エポキシ樹脂(A)がビフェニル型エポキシ樹脂を50重量%以上含み、該硬化剤(B)がフェノールノボラック樹脂、フェノールアラルキル樹脂から選ばれる少なくとも1種からなり、該無機充填剤(C)の配合割合が該エポキシ樹脂組成物中に87重量%以上、92重量%以下であり、かつ該エポキシ樹脂組成物の硬化物が下記(イ)〜(ハ)の特性を有するものである樹脂封止型半導体装置。
(イ)23℃での曲げ弾性率が、10GPaを超え、30GPa以下
(ロ)23℃からガラス転移温度までの線膨張係数が4×10-6〜10×10-6/K
(ハ)(23℃での曲げ弾性率)×(23℃からガラス転移温度までの線膨張係数)が2×10-4GPa/K以下 - 半導体素子と、該半導体素子が搭載される基板と、エポキシ樹脂組成物とを具備するもので、該基板に対して片面にのみ該エポキシ樹脂組成物が成形されている半導体装置の封止用のエポキシ樹脂組成物であって、かつ該エポキシ樹脂組成物の硬化物がエポキシ樹脂(A)、硬化剤(B)、無機充填剤(C)およびエラストマー(D)を含んでなり、該エポキシ樹脂(A)がビフェニル型エポキシ樹脂を50重量%以上含み、該硬化剤(B)がフェノールノボラック樹脂、フェノールアラルキル樹脂から選ばれる少なくとも1種からなり、該無機充填剤(C)の配合割合が該エポキシ樹脂組成物中に87重量%以上、92重量%以下であり、かつ該エポキシ樹脂組成物の硬化物が下記(イ)〜(ハ)の特性を有するものである樹脂封止型半導体装置封止用エポキシ樹脂組成物。
(イ)23℃での曲げ弾性率が、10GPaを超え、30GPa以下
(ロ)23℃からガラス転移温度までの線膨張係数が4×10-6〜10×10-6/K
(ハ)(23℃での曲げ弾性率)×(23℃からガラス転移温度までの線膨張係数)が2×10-4GPa/K以下
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