JP3862936B2

JP3862936B2 - エポキシ樹脂組成物および半導体封止装置

Info

Publication number: JP3862936B2
Application number: JP2000175132A
Authority: JP
Inventors: 兼央近藤
Original assignee: Kyocera Chemical Corp
Current assignee: Kyocera Chemical Corp
Priority date: 2000-06-12
Filing date: 2000-06-12
Publication date: 2006-12-27
Anticipated expiration: 2020-06-12
Also published as: JP2001354752A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パッケージ反り性、成形性、半田耐熱性に優れたエポキシ樹脂組成物およびその組成物によって半導体チップが封止された、片面封止のＢＧＡ（ＢａｌｌＧｒｉｄＡｒｒａｙ）型である半導体封止装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体集積回路の分野において、チップの高集積化に伴う大型化、多極化が進む一方、パッケージ外径寸法は、携帯情報通信機器を中心に小型、軽量化の要求がますます強くなっている。
【０００３】
このため、リードが周辺に配列されるＱＦＰ（ＱｕａｄＦｌａｔＰａｃｋａｇｅ）では、多電極化に伴う狭ピッチ化が加速し、現状の電極ピッチは０．３ｍｍで一括リフローソルダリングの限界に達している。
【０００４】
そこで、リードをパッケージ下面にエリアアレイ状に配置したＢＧＡ型に移行させて、電極ピッチを１．５ｍｍ〜１．０ｍｍに保ちソルダリングを容易にする動きが数年前より米国を中心に活発化してきた。
【０００５】
しかし、ＢＧＡ型のパッケージは、片面封止のために、従来のノボラック型エポキシ樹脂等のエポキシ樹脂、ノボラック型フェノール樹脂およびシリカ粉末からなる樹脂組成物によって封止した場合、パッケージの反りが大きいという欠点があった。また、ボンディングワイヤの長ループ化により、成形時にワイヤ流れが起こるという欠点があった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の欠点を解消するためになされたもので、パッケージの反りが少なく、かつ流動性が良好で成形性に優れ、また、実装時の半田耐熱性に優れ、樹脂クラックの発生がなく、接着性も良好であり、さらに、実装後の耐湿性に優れ、長期の信頼性を保証するエポキシ樹脂組成物及びＢＧＡ型の半導体封止装置を提供しようとするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記の目的を達成しようと鋭意研究を重ねた結果、特定のエポキシ樹脂混合物、特定のフェノール樹脂を用いることによって、パッケージの反りが少なく、かつ流動性が良好で、成形性に優れ、また、実装時の半田耐熱性に優れ、樹脂クラックの発生がなく、接着性も良好であり、実装後の耐湿性に優れた樹脂組成物が得られることを見いだし、本発明を完成したものである。
【０００８】
即ち、本発明は、
（Ａ）（ａ）次の一般式で示される、ビスフェノールＡ骨格を有する多官能エポキシ樹脂と、
【化７】

（但し、式中、Ｒ¹、Ｒ²、Ｒ³は水素原子又は炭素数１〜１０のアルキル基を表す）
（ｂ）次の一般式で示されるビフェニル骨格を有するエポキシ樹脂
【化８】

（但し、式中、Ｒ¹、Ｒ²、Ｒ³、Ｒ⁴は水素原子又は炭素数１〜４のアルキル基を表す）
とを、重量比［（ａ）／（ｂ）］が０．１〜２．０の割合となるよう、混合したエポキシ樹脂混合物、
（Ｂ）次の一般式で示される多官能フェノール樹脂、
【化９】

（但し、式中、Ｒは水素原子、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基およびｔ−ブチル基の中で１種もしくは２種以上の組合せを、ｎは０又は１〜１０の整数をそれぞれ表す）
（Ｃ）無機質充填剤および
（Ｄ）硬化促進剤
を必須成分とし、樹脂組成物に対して前記（Ｃ）無機質充填剤を２５〜９５重量％の割合で含有してなることを特徴とするエポキシ樹脂組成物である。また別の本発明は、このエポキシ樹脂組成物の硬化物で半導体チップが封止された、片面封止のＢＧＡ型であることを特徴とする半導体封止装置である。
【０００９】
以下、本発明を詳細に説明する。
【００１０】
本発明に用いる（Ａ）エポキシ樹脂混合物のうち、（ａ）成分のビスフェノールＡ骨格を有する多官能エポキシ樹脂としては、前記の一般式化７で示されたものが使用される。具体的な化合物として、例えば、
【化１０】

【化１１】

等が挙げられる。
【００１１】
また、（Ａ）エポキシ樹脂混合物のうち、（ｂ）成分のビフェニル骨格を有するエポキシ樹脂としては、前記の一般式化８で示されたものが使用される。具体的な化合物としては、例えば、
【化１２】

等が挙げられる。
【００１２】
本発明では、（Ａ）エポキシ樹脂として上述の（ａ）ビスフェノールＡ骨格を有する多官能エポキシ樹脂と（ｂ）ビフェニル骨格を有するエポキシ樹脂を混合物として併用するものであり、これにより高いガラス転移温度と高流動性を両立させ、高接着性を可能とさせたものである。また、（ａ）成分と（ｂ）成分の重量比としては、（ａ）／（ｂ）＝０．１〜２．０、好ましくは、０．４〜２．０の範囲で使用するものである。重量比が０．１未満では樹脂組成物のガラス転移温度が低下が生じ、また、重量比が２．０を超えると吸水率の増加、高粘度、接着力の低下等が生じる。
【００１３】
また、（ａ）多官能エポキシ樹脂および（ｂ）ビフェニル骨格を有するエポキシ樹脂の他にエピビス系エポキシ樹脂、臭素化エポキシ樹脂、ナフトール型エポキシ樹脂、ノボラック型エポキシ樹脂およびこれらの変性樹脂等をさらに添加することができる。この場合、（ａ）の多官能エポキシ樹脂と（ｂ）のビフェニル骨格を有するエポキシ樹脂との合計は、エポキシ樹脂混合物全体の１０重量％以上、特に４０〜１００重量％となるように配合することが好ましい。
【００１４】
本発明に用いる（Ｂ）多官能フェノール樹脂としては、前記の一般式化９で示されたものが使用される。具体的な化合物としては、例えば、
【化１３】

（但し、式中、ｎは０〜１０までの整数を表す）
【化１４】

（但し、式中、ｎは０〜１０までの整数を表す）
等が挙げられる。
【００１５】
本発明に用いる（Ｃ）無機質充填剤としては、一般に使用されているものが広く使用されるが、それらの中でも不純物濃度が低く、平均粒径３０μｍ以下のシリカ粉末が好ましく使用することができる。平均粒径が３０μｍを超えると耐湿性および成形性が劣り好ましくない。無機質充填剤の配合割合は、全体の樹脂組成物に対して２５〜９５重量％の割合で含有することが望ましい。その割合が２５重量％未満では、樹脂組成物の吸湿性が大きく、半田浸漬後の耐湿性に劣り、また、９５重量％を超えると極端に流動性が悪くなり、成形性に劣り好ましくない。
【００１６】
本発明に用いる（Ｄ）硬化促進剤としては、リン系硬化促進剤、イミダゾール系硬化促進剤、ＤＢＵ系硬化促進剤、その他の硬化促進剤等が広く使用される。これらは単独又は２種以上併用することができる。硬化促進剤の配合割合は、樹脂組成物に対して０．０１〜５重量％含有するように配合することが望ましい。その割合が０．０１重量％未満では樹脂組成物のゲルタイムが長く、硬化特性も悪くなり、また、５重量％を超えると極端に流動性が悪くなって成形性に劣り、さらに電気特性も悪くなり耐湿性に劣り好ましくない。
【００１７】
本発明のエポキシ樹脂組成物は、前述した特定のエポキシ樹脂混合物、特定のフェノール樹脂、無機質充填剤および硬化促進剤を必須成分とするが、本発明の目的に反しない限度において、また必要に応じて、例えば天然ワックス類、合成ワックス類、直鎖脂肪酸の金属塩、酸アミド類、エステル類、パラフィン類等の離型剤、三酸化アンチモン等の難燃剤、カーボンブラック、ベンガラ等の着色剤、シランカップリング剤、ゴム系やシリコーン系の低応力付与剤等を適宜、添加配合することができる。
【００１８】
本発明のエポキシ樹脂組成物を成形材料として調製する場合の一般的な方法としては、前述した特定のエポキシ樹脂混合物、特定のフェノール樹脂混合物、無機質充填剤および硬化促進剤その他の成分を所定の組成比に選択した原料成分を配合し、ミキサー等によって十分均一に混合した後、さらに熱ロールによる溶融混合処理又はニーダ等による混合処理を行い、次いで冷却固化させ、適当な大きさに粉砕して成形材料とすることができる。こうして得られた成形材料は、半導体装置をはじめとする電子部品あるいは電気部品の封止、被覆、絶縁等に適用すれば、優れた特性と信頼性を付与させることができる。
【００１９】
本発明の半導体封止装置は、上述した成形材料を用いて、半導体チップを封止することにより容易に製造することができる。封止を行う半導体チップとしては、例えば、集積回路、大規模集積回路、トランジスタ、サイリスタ、ダイオード等で特に限定されるものではない。封止の最も一般的な方法としては、低圧トランスファー成形法があるが、射出成形、圧縮成形、注型等による封止も可能である。成形材料は封止の際に加熱して硬化させ、最終的にはこの硬化物によって封止された半導体封止装置が得られる。加熱による硬化は、１５０℃以上に加熱して硬化させることが望ましい。また、チップを搭載する基板としては、セラミック、プラスチック、ポリイミドフィルム、リードフレーム等特に限定されるものではない。
【００２０】
【作用】
本発明のエポキシ樹脂組成物および半導体封止装置は、前述した特定のエポキシ樹脂混合物、特定のフェノール樹脂を用いたことによって、樹脂組成物の高いガラス転移温度を保持したまま熱膨張係数を低減し、熱機械特性と、低応力性が向上してパッケージの反りを抑えることができ、また、高流動性を兼ね備えることにより良好な成形性が付与され、半田浸漬、半田リフロー後の樹脂クラックの発生がなくなり、耐湿性劣化が少なくなるものである。
【００２１】
【実施例】
次に本発明を実施例によって具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例によって限定されるものではない。以下の実施例及び比較例において「％」とは「重量％」を意味する。
【００２２】
実施例１
前述した化１１のエポキシ樹脂１．７％、前述した化１２のエポキシ樹脂４．１％、前述した化１４のフェノール樹脂３．４％、シリカ粉末８５％、シリコーンゴム２％、硬化促進剤０．２％、エステルワックス０．３％およびシランカップリング剤０．４％を常温で混合し、さらに９０〜９５℃で混練してこれを冷却粉砕して成形材料（Ａ）を製造した。
【００２３】
実施例２
実施例１で用いた化１１のエポキシ樹脂３．９％、化１２のエポキシ樹脂２．０％、実施例１で用いた化１４のフェノール樹脂３．２％、シリカ粉末８５％、シリコーンゴム２％、硬化促進剤０．２％、エステルワックス０．３％およびシランカップリング剤０．４％を常温で混合し、さらに９０〜９５℃で混練してこれを冷却粉砕して成形材料（Ｂ）を製造した。
【００２４】
比較例１
ｏ−クレゾールノボラック型エポキシ樹脂１１％、ノボラック型フェノール樹脂３％、シリカ粉末８５％、硬化促進剤０．３％、エステルワックス０．３％およびシランカップリング剤０．４％を混合し、さらに９０〜９５℃で混練してこれを冷却粉砕して成形材料（Ｃ）を製造した。
【００２５】
比較例２
エピビス型エポキシ樹脂１１％、ノボラック型フェノール樹脂３％、シリカ粉末８５％、硬化促進剤０．３％、エステルワックス０．３％およびシランカップリング剤０．４％を混合し、さらに９０〜９５℃で混練してこれを冷却粉砕して成形材料（Ｄ）を製造した。
【００２６】
こうして製造した成形材料（Ａ）〜（Ｄ）を用いて、１７５℃に加熱した金型内にトランスファー注入し、硬化させて半導体チップを封止して半導体封止装置を製造した。これらの半導体封止装置について、諸試験を行ったのでその結果を表１に示したが、本発明のエポキシ樹脂組成物及び半導体封止装置は、パッケージの反りがなく、流動性、耐湿性、半田耐熱性に優れており、本発明の顕著な効果を確認することができた。
【００２７】
【表１】

＊１：トランスファー成形によって直径５０ｍｍ、厚さ３ｍｍの成形品を作り、これを１２７℃，２．５気圧の飽和水蒸気中に２４時間放置し、増加した重量によって測定した。
【００２８】
＊２：吸水率の場合と同様な成形品を作り、１７５℃で８時間の後硬化を行い、適当な大きさの試験片とし、熱機械分析装置を用いて測定した。
【００２９】
＊３：ＪＩＳ−Ｋ−６９１１に準じて試験した。
【００３０】
＊４：成形材料を用いて、２本のアルミニウム配線を有するシリコン製チップを、通常のＢＧＡ用フレームに接着し、１７５℃で２分間トランスファー成形した後、１７５℃で８時間の後硬化を行った。こうして得た成形品を、１２７℃，２．５気圧の飽和水蒸気中で耐湿試験を行い、アルミニウム腐食による５０％断線（不良発生）の起こる時間を評価した。
【００３１】
＊５：１０×１０ｍｍダミーチップをＢＧＡ（３０×３０×１．２ｍｍ）パッケージに納め、成形材料を用いて、１７５℃で２分間トランスファー成形した後、１７５℃で８時間の後硬化を行った。こうして製造した半導体封止装置を３０℃，６０％，１９６時間の吸湿処理をした後、２４０℃のＩＲリフローを３０秒間行い、パッケージクラックの発生の有無を評価した。
【００３２】
＊６：１０×１０ｍｍダミーチップをＢＧＡ（３０×３０×１．２ｍｍ）パッケージに納め、成形材料を用いて、１７５℃で２分間トランスファー成形した後、１７５℃で８時間の後硬化を行った。こうして製造した半導体封止装置の反り量を非接触式レーザー測定機により測定した。
【００３３】
【発明の効果】
以上の説明及び表１から明らかなように、本発明のエポキシ樹脂組成物及び半導体封止装置は、パッケージ反りが少なく、かつ、流動性が良好で、成形性に優れ、また、実装時の半田耐熱性に優れ、樹脂クラックもなく、接着性も良好であり、また実装後の耐湿性に優れ、長期間にわたって信頼性を保証することができる。

Claims

（Ａ）（ａ）次の一般式で示される、ビスフェノールＡ骨格を有する多官能エポキシ樹脂と、

（但し、式中、Ｒ¹、Ｒ²、Ｒ³は水素原子又は炭素数１〜１０のアルキル基を表す）
（ｂ）次の一般式で示されるビフェニル骨格を有するエポキシ樹脂

（但し、式中、Ｒ¹、Ｒ²、Ｒ³、Ｒ⁴は水素原子又は炭素数１〜４のアルキル基を表す）
とを、重量比［（ａ）／（ｂ）］が０．１〜２．０の割合となるよう、混合したエポキシ樹脂混合物、
（Ｂ）次の一般式で示される多官能フェノール樹脂、

（但し、式中、Ｒは水素原子、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基およびｔ−ブチル基の中で１種もしくは２種以上の組合せを、ｎは０又は１〜１０の整数をそれぞれ表す）
（Ｃ）無機質充填剤および
（Ｄ）硬化促進剤
を必須成分とし、樹脂組成物に対して前記（Ｃ）無機質充填剤を２５〜９５重量％の割合で含有してなることを特徴とするエポキシ樹脂組成物。
（Ａ）（ａ）次の一般式で示される、ビスフェノールＡ骨格を有する多官能エポキシ樹脂と、

（但し、式中、Ｒ¹、Ｒ²、Ｒ³は水素原子又は炭素数１〜１０のアルキル基を表す）
（ｂ）次の一般式で示されるビフェニル骨格を有するエポキシ樹脂

（但し、式中、Ｒ¹、Ｒ²、Ｒ³、Ｒ⁴は水素原子又は炭素数１〜４のアルキル基を表す）
とを、重量比［（ａ）／（ｂ）］が０．１〜２．０の割合となるよう、混合したエポキシ樹脂混合物、
（Ｂ）次の一般式で示される多官能フェノール樹脂、

（但し、式中、Ｒは水素原子、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基およびｔ−ブチル基の中で１種もしくは２種以上の組合せを、ｎは０又は１〜１０の整数をそれぞれ表す）
（Ｃ）無機質充填剤および
（Ｄ）硬化促進剤
を必須成分とし、樹脂組成物に対して前記（Ｃ）無機質充填剤を２５〜９５重量％の割合で含有したエポキシ樹脂組成物の硬化物で半導体チップが封止された、片面封止のＢＧＡ型であることを特徴とする半導体封止装置。