JP3844098B2 - エポキシ樹脂組成物及び半導体装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は成形性、信頼性、実装性に優れた半導体封止用エポキシ樹脂組成物及び樹脂封止型半導体装置に関し、更に詳述すればプリント配線板や金属リードフレームの片面に半導体素子を搭載し、その搭載面側の実質的に片面のみを樹脂封止されたいわゆるエリア実装型半導体装置において、樹脂封止後の反りや基板実装時の半田付け工程での反りが小さく、又温度サイクル試験での耐パッケージクラック性や半田付け工程での耐パッケージクラック性や耐剥離性に優れ、かつ成形性に優れる半導体封止用エポキシ樹脂組成物及び半導体装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年の電子機器の小型化、軽量化、高性能化の市場動向において、半導体の高集積化が年々進み、又半導体パッケージの表面実装化が促進されるなかで、新規にエリア実装のパッケージが開発され、従来構造のパッケージから移行し始めている。
エリア実装パッケージとしてはＢＧＡ（ボールグリッドアレイ）あるいは更に小型化を追求したＣＳＰ（チップサイズパッケージ）が代表的であるが、これらは従来ＱＦＰ、ＳＯＰに代表される表面実装パッケージでは限界に近づいている多ピン化・高速化への要求に対応するために開発されたものである。構造としては、ＢＴ樹脂／銅箔回路基板（ビスマレイミド・トリアジン／ガラスクロス基板）に代表される硬質回路基板、あるいはポリイミド樹脂フィルム／銅箔回路基板に代表されるフレキシブル回路基板の片面上に半導体素子を搭載し、その素子搭載面、即ち基板の片面のみがエポキシ樹脂組成物などで成形・封止されている。又基板の素子搭載面の反対面には半田ボールを２次元的に並列して形成し、パッケージを実装する回路基板との接合を行う特徴を有している。更に、素子を搭載する基板としては、上記有機回路基板以外にもリードフレーム等の金属基板を用いる構造も考案されている。
【０００３】
これらエリア実装型半導体パッケージの構造は基板の素子搭載面のみを樹脂組成物で封止し、半田ボール形成面側は封止しないという片面封止の形態をとっている。ごく希に、リードフレーム等の金属基板などでは、半田ボール形成面でも数十μｍ程度の封止樹脂層が存在することもあるが、素子搭載面では数百μｍから数ｍｍ程度の封止樹脂層が形成されるため、実質的に片面封止となっている。このため、有機基板や金属基板と樹脂組成物の硬化物との間での熱膨張・熱収縮の不整合、あるいは樹脂組成物の成形・硬化時の硬化収縮による影響により、これらのパッケージでは成形直後から反りが発生しやすい。又、これらのパッケージを実装する回路基板上に半田接合を行う場合、２００℃以上の加熱工程を経るが、この際にパッケージの反りが発生し、多数の半田ボールが平坦とならず、パッケージを実装する回路基板から浮き上がってしまい、電気的接合信頼性が低下する問題も起こる。
基板上の実質的に片面のみを樹脂組成物で封止したパッケージにおいて、反りを低減するには、基板の線膨張係数と樹脂組成物の硬化物の線膨張係数を近付けること、及び樹脂組成物の硬化収縮を小さくする二つの方法が重要である。
基板としては有機基板では、ＢＴ樹脂やポリイミド樹脂のような高ガラス転移温度の樹脂が広く用いられており、これらはエポキシ樹脂組成物の成形温度である１７０℃近辺よりも高いガラス転移温度を有する。従って、成形温度から室温までの冷却過程では有機基板のα₁ の領域のみで収縮する。従って、樹脂組成物もガラス転移温度が高くかつα₁ が回路基板と同じであり、更に硬化収縮がゼロであれば反りはほぼゼロであると考えられる。このため、多官能型エポキシ樹脂と多官能型フェノール樹脂との組み合わせによりガラス転移温度を高くし、無機質充填材の配合量でα₁ を合わせる手法が既に提案されている。
【０００４】
又、赤外線リフロー、ベーパーフェイズソルダリング、半田浸漬などの手段での半田処理による半田接合を行う場合、樹脂組成物の硬化物並びに有機基板からの吸湿によりパッケージ内部に存在する水分が高温で急激に気化することによる応力でパッケージにクラックが発生したり、基板の素子搭載面と樹脂組成物の硬化物との界面で剥離が発生することもあり、硬化物の低応力化・低吸湿化とともに、基板との密着性も求められる。
更に、基板と硬化物の熱膨張係数の不整合により、信頼性テストの代表例である温度サイクル試験でも、基板／硬化物界面の剥離やパッケージクラックが発生する。
従来のＱＦＰやＳＯＰなどの表面実装パッケージでは、半田実装時のクラックや各素材界面での剥離の防止のために、ビフェニル型エポキシ樹脂に代表されるような結晶性エポキシ樹脂と可撓性骨格を有するフェノール樹脂硬化剤とを組み合わせて用い、かつ無機質充填材の配合量を増加することにより、低ガラス転移温度化かつ低吸湿化を行う対策がとられてきた。しかし、この手法では、片面封止パッケージにおける反りの問題は解決できないばかりでなく、樹脂の高粘度化が発生するために、樹脂注入時に金線同士が短絡してしまい大きな問題になっていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、エリア実装パッケージでの成形後や半田処理時の反りが小さく、又基板との接着性に特に優れるため温度サイクル試験や半田処理時などの信頼性に優れ、更に樹脂注入時の金線流れに防止効果が合わせて得られる半導体封止用エポキシ樹脂組成物及びそれにより半導体素子が封止された半導体装置の開発を目的としてなされたものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、（Ａ）一般式（２）、（３）で示される多官能エポキシ樹脂、及び、式（４）〜（８）で示され、かつ融点が５０〜１５０℃の結晶性エポキシ樹脂を含むエポキシ樹脂、（Ｂ）一般式（１）で示されるフェノール樹脂硬化剤、（Ｃ）溶融シリカ粉末、及び（Ｄ）一般式（９）又は（１０）で示されるホスホニウムボレートからなる潜伏性触媒を含み、前記一般式（２）、（３）で示される多官能エポキシ樹脂を総エポキシ樹脂中に２０〜９０重量％、前記式（４）〜（８）で示され、かつ融点５０〜１５０℃の結晶性エポキシ樹脂を総エポキシ樹脂中に１０〜８０重量％含むことを特徴とする半導体封止用エポキシ樹脂組成物及びそれにより半導体素子を封止された半導体装置である。
【０００７】
【化７】

【０００８】
【化８】

【０００９】
【化９】

【００１０】
【化１０】

【００１１】
【化１１】

［式（１）、（２）、（３）及び（８）中のＲは、ハロゲン原子又は炭素数１〜１２のアルキル基を示し、互いに同一であっても、異なっていてもよい。ｌは１〜１０の正の数、ｍは０もしくは１〜３の正の整数、及びｎは０もしくは１〜４の正の整数である。］
［式（４）〜（７）中のＲは、水素原子、ハロゲン原子又は炭素数１〜１２のアルキル基を示し、互いに同一であっても、異なっていてもよい。］
【００１２】
【化１２】

【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に本発明を詳細に説明する。
本発明で用いられる（Ａ）成分のエポキシ樹脂のうち式（２）で示される通常トリフェノールメタン型エポキシ樹脂と総称される樹脂又は式（３）で示されるエポキシ樹脂は、式（１）のフェノール樹脂硬化剤との組み合わせにより硬化物の架橋密度が高く、高いガラス転移温度となり、又硬化収縮率が小さい特徴を有するため、本エポキシ樹脂組成物の用途であるエリア実装半導体パッケージの封止では反りの低減に効果的である。式（２）及び式（３）の具体例としては以下のものが挙げられるが、これらに限定されるものではない。
【００１４】
【化１３】

【００１５】
【化１４】

【００１６】
又、式（４）〜（８）で示され、かつ融点が５０〜１５０℃の結晶性エポキシ樹脂は、１分子中にエポキシ基を２個有するジエポキシ化合物又はこれらのオリゴマーである。これらのエポキシ樹脂はいずれも結晶性を示すため、融点未満の温度では固体であるが、融点以上の温度で低粘度の液状物質となる。このためこれらを用いたエポキシ樹脂組成物は溶融状態で低粘度を示すため成形時に樹脂組成物の流動性が高く、薄型パッケージへの充填性に優れる。従って、溶融シリカ粉末の配合量を増量して、得られるエポキシ樹脂組成物の硬化物の吸湿率を低減し、耐半田リフロー性を向上させる手法をとるに際してはこれら結晶性エポキシ樹脂の使用が好ましい。
【００１７】
これらの結晶性エポキシ樹脂は１分子中のエポキシ基の数が２個と少なく、一般的には架橋密度が低く、耐熱性の低い硬化物しか得られない。しかし構造として剛直な平面ないし棒状骨格を有しており、かつ結晶化する性質、即ち分子同士が配向しやすいという特徴を有するため、一般式（１）で示される多官能型フェノール樹脂硬化剤と組み合わせて用いた場合、硬化後ガラス転移温度などの耐熱性を低下させ難い。このため、これら結晶性エポキシ樹脂と一般式（１）で示されるフェノール樹脂硬化剤との組み合わせによるエポキシ樹脂組成物で封止された半導体パッケージは反り量を小さくできる。更に一旦ガラス転移温度を越えた温度領域では低官能基数化合物の特徴である低弾性率を示すため、半田処理温度での低応力化に効果的である。このため、半田処理でのパッケージクラック発生や基板と樹脂組成物界面の剥離発生を防止する効果がある。上記結晶性エポキシ樹脂は５０℃未満の融点では、エポキシ樹脂組成物の製造工程において融着を起こしやすく、作業性が著しく低下する。又１５０℃を越える融点を示す結晶性エポキシ樹脂では、エポキシ樹脂組成物を加熱混練する製造工程で充分に溶融しないため、材料の均一性に劣るといった問題点を有する。融点の測定方法は、示差走査熱量計［セイコー電子(株)ＳＳＣ５２０、昇温速度５℃／分］で吸熱ピーク温度から求められる。
以下に、これら結晶性エポキシ樹脂の具体例を示すがこれらに限定されるものではない。
【００１８】
【化１５】

【００１９】
【化１６】

【００２０】
【化１７】

【００２１】
又、パッケージの反りの低減と成形時の高流動化、及び実装時の耐半田性の両立という観点からは上記一般式（２）、（３）で示される多官能エポキシ樹脂を総エポキシ樹脂中に２０〜９０重量％含み、更に式（４）〜（８）で示され、かつ融点５０〜１５０℃の結晶性エポキシ樹脂を総エポキシ樹脂中に１０〜８０重量％含むことが特に好ましい。
本発明に用いられるエポキシ樹脂は、他のエポキシ樹脂と適宜併用可能であり特に限定されるものではないが、例えば、前記した他にビスフェノールＦ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、オルソクレゾールノボラック型エポキシ樹脂、ナフトール型エポキシ樹脂等が挙げられる。又、これらのエポキシ樹脂は、単独もしくは混合して用いても差し支えない。
【００２２】
本発明で用いられる（Ｂ）成分の式（１）で示されるフェノール樹脂硬化剤は、いわゆるトリフェノールメタン型フェノール樹脂と呼ばれるもので、具体例を以下に示すがこれらに限定されるものではない。
【化１８】

【００２３】
これらのフェノール樹脂を使用すると硬化物の架橋密度が高くなり、高いガラス転移温度の硬化物が得られる。このため、得られたエポキシ樹脂組成物により封止されたパッケージの反りが低減できる。
式（１）のフェノール樹脂は他のフェノール樹脂と適宜併用可能であり、特に限定されるものではないが、フェノールノボラック樹脂、クレゾールノボラック樹脂、ナフトールノボラック樹脂等が挙げられる。
【００２４】
本発明で用いられる（Ｃ）成分の溶融シリカ粉末は、破砕状、球状のいずれでも使用可能であるが、溶融シリカ粉末の配合量を高め、かつ樹脂組成物の溶融粘度の上昇を抑えるためには、球状シリカを主に用いる方が好ましい。更に球状シリカの配合量を高めるためには、球状シリカの粒度分布をより広くとるよう調整することが望ましい。
【００２５】
本発明で用いられる（Ｄ）成分の一般式（９）、（１０）で示されるホスホニウムボレートからなる潜伏性触媒は、特開平８−２９５７２１号公報に開示されているが、そのうち本件のような有機基板に直接片側封止する構造への適用を目的とし、特定のフェノール樹脂及び特定のエポキシ樹脂との触媒としての適用は開示されていない。本発明で使用されるホスホニウムボレートからなる潜伏性触媒は、融点が２５０℃以下であり、常温においては触媒活性を示さず、硬化反応が進むこともなく、高温において非常に強い触媒活性を発現する。従って樹脂組成物としては、常温においては保存性が高く、半導体を加熱封止成形する時に触媒活性が発現し、エポキシ樹脂組成物を高度に硬化させるのである。
【００２６】
本発明で用いられる（Ｄ）成分のホスホニウムボレートからなる潜伏性触媒を補助する役目で従来の硬化促進剤も併用することができる。具体的にはトリブチルアミン等のアミン系化合物、トリフェニルホスフィン、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塩等の有機リン系化合物、２−メチルイミダゾール等のイミダゾール化合物等が例示できるがこれらに限定されるものではない。これらの硬化促進剤は単独であっても混合して用いても差し支えない。
【００２７】
本発明の樹脂組成物は、（Ａ）〜（Ｄ）までの必須成分以外にも必要に応じて臭素化エポキシ樹脂、三酸化アンチモン等の難燃剤、カップリング剤、カーボンブラックに代表される着色剤、天然ワックス及び合成ワックス等の離型剤等が適宜配合可能である。
樹脂組成物とするには各成分を混合後、加熱ニーダや熱ロールにより加熱混練し、続いて冷却、粉砕することで目的とする樹脂組成物が得られる。
本発明のエポキシ樹脂組成物を用いて、半導体等の電子部品を封止し、半導体装置を製造するには、トランスファーモールド、コンプレッションモールド、インジェクションモールド等の従来からの成形方法で硬化成形をすればよい。
【００２８】
【実施例】
以下、本発明を実施例で具体的に説明する。

上記の全成分をミキサーにより混合した後、表面温度が９０℃と４５℃の２本ロールを用いて３０回混練し、得られた混練物シートを冷却後粉砕して、樹脂組成物とした。得られた樹脂組成物の特性を以下の方法で評価をした。評価結果を表１に示す。
【００２９】
《実施例２および比較例１〜２》
実施例１を基本配合として、触媒の種類を変えて、その他は基本配合と同じ割合で各成分を配合し、実施例１と同様に混合、混練して樹脂組成物を得た。実施例１と同様に評価を行った。配合処方及び評価結果を表１に示す。
《実施例３、５、参考例４、６〜９及び比較例３》
実施例１を基本配合として、エポキシ樹脂及びフェノール樹脂の種類並びにそれらの配合量を変えて、その他は基本配合と同じ割合で各成分を配合し、実施例１と同様に混合、混練して樹脂組成物を得た。実施例１と同様に評価を行った。配合処方及び評価結果を表１に示す。
【００３０】
上記実施例及び比較例で使用した他の式（１１）、（１２）（１４）〜（１８）のエポキシ樹脂、式（１３）、（１９）のフェノール樹脂構造及び性状を以下に示す。
【化１９】

【００３１】
【化２０】

【００３２】
【化２１】

【００３３】
・式（１４）の構造を主成分とするエポキシ樹脂：
融点１４４℃、エポキシ当量１７５
・式（１５）の構造を主成分とするエポキシ樹脂：
融点 ５２℃、エポキシ当量２２５
・式（１６）の構造を主成分とするエポキシ樹脂：
融点１３３℃、エポキシ当量１８２
・式（１７）の構造を主成分とするエポキシ樹脂：
融点 ８２℃、エポキシ当量１９０
・式（１８）の構造を主成分とするエポキシ樹脂：
軟化点６５℃、エポキシ当量２１０
・式（１９）のフェノール樹脂：
軟化点８０℃、水酸基当量１０４
【００３４】
《評価方法》
・スパイラルフロー：
ＥＭＭＩ−Ｉ−６６に準じたスパイラルフロー測定用の金型を用いて、金型温１７５℃、注入圧力７０ｋｇ／ｃｍ² 、硬化時間２分で測定した。
・ガラス転移温度（Ｔｇ）及び線膨張係数（α₁）：
１７５℃、２分間トランスファー成形したテストピースを更に１７５℃、８時間、後硬化し熱機械分析装置［セイコー電子(株)製ＴＭＡ−１２０、昇温速度５℃／分］により測定した。
・熱時弾性率：
２４０℃での曲げ弾性率をＪＩＳ−Ｋ６９１１に準じて測定した。
・硬化収縮率：
テストピースを１８０℃の金型温度、７５ｋｇ／ｃｍ² の射出圧力で２分間トランスファー成形し、更に１７５℃で８時間、後硬化した。１８０℃に加熱された状態の金型のキャビティ寸法と１８０℃に加熱された成形品の寸法をノギスにより測定し、成形品寸法／金型キャビティ寸法の比率で硬化収縮率を表した。
【００３５】
・パッケージ反り量：
２２５ピンＢＧＡパッケージ（基板は厚み０．３６ｍｍ、ビスマレイミド・トリアジン／ガラスクロス基板、パッケージサイズは２４×２４ｍｍ、厚み１．１７ｍｍ、シリコンチップはサイズ９×９ｍｍ、厚み０．３５ｍｍ、チップと回路基板のボンディングパッドとを２５μｍ径の金線でボンディングしている）を１８０℃の金型温度、７５ｋｇ／ｃｍ²の射出圧力で２分間トランスファー成形を行い、更に１７５℃で８時間、後硬化した。室温に冷却後パッケージのゲートから対角線方向に、表面粗さ計を用いて高さ方向の変位を測定し、変異差の最も大きい値を反り量とした。
・金線変形量：
パッケージ反り量評価で成形した２２５ピンＢＧＡパッケージを軟Ｘ線透視装置で観察し、金線の変形率を（流れ量）／（金線長）で％表示した。
【００３６】
【表１】

【００３７】
【表２】

【００３８】
【表３】

【００３９】
【発明の効果】
本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物は、これを用いたエリア実装型半導体装置の室温及び半田付け工程での反りが小さく、またチップと基板間の接続用金線に対し、影響なく成形でき、さらに基板上に形成されたソルダーレジスト層との密着性に優れるため耐半田性や耐温度サイクル性などの信頼性に優れるものである。

Claims (2)

1. （Ａ）一般式（２）、（３）で示される多官能エポキシ樹脂、及び、式（４）〜（８）で示され、かつ融点が５０〜１５０℃の結晶性エポキシ樹脂を含むエポキシ樹脂、（Ｂ）一般式（１）で示されるフェノール樹脂硬化剤、（Ｃ）溶融シリカ粉末、及び（Ｄ）一般式（９）又は（１０）で示されるホスホニウムボレートからなる潜伏性触媒を含み、前記一般式（２）、（３）で示される多官能エポキシ樹脂を総エポキシ樹脂中に２０〜９０重量％、前記式（４）〜（８）で示され、かつ融点５０〜１５０℃の結晶性エポキシ樹脂を総エポキシ樹脂中に１０〜８０重量％含むことを特徴とする半導体封止用エポキシ樹脂組成物。
   

   

   

   

   

   

   ［式（１）、（２）、（３）及び（８）中のＲは、ハロゲン原子又は炭素数１〜１２のアルキル基を示し、互いに同一であっても、異なっていてもよい。ｌは１〜１０の正の数、ｍは０もしくは１〜３の正の整数、及びｎは０もしくは１〜４の正の整数である。］
   ［式（４）〜（７）中のＲは、水素原子、ハロゲン原子又は炭素数１〜１２のアルキル基を示し、互いに同一であっても、異なっていてもよい。］
   

   
2. 基板の片面に半導体素子が搭載され、この半導体素子が搭載された基板面側の実質的に片面のみが請求項１記載のエポキシ樹脂組成物によって封止されていることを特徴とする半導体装置。