JP3932254B2 - 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、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適した半導体封止用エポキシ樹脂組成物及びこれを用いた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、半導体素子の高集積化が年々進み、又半導体装置の表面実装化が促進されるなかで、新規にエリア実装型半導体装置が開発され、従来構造の半導体装置から移行し始めている。エリア実装型半導体装置としては、ＢＧＡ（ボールグリッドアレイ）或いは更に小型化を追求したＣＳＰ（チップスケールパッケージ）等が代表的であるが、これらは従来ＱＦＰ、ＳＯＰ等に代表される表面実装型半導体装置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・トリアジン樹脂／ガラスクロス基板）に代表される硬質回路基板或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、その半導体素子搭載面、即ち基板の片面のみがエポキシ樹脂組成物等で成形・封止されている。又基板の半導体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、半導体装置を実装する回路基板との接合を行う特徴を有している。更に半導体素子を搭載する基板としては、上記の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開発されている。
【０００３】
これらエリア実装型半導体装置の構造は、基板の半導体素子搭載面のみをエポキシ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。リードフレーム等の金属基板等では、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、半導体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エポキシ樹脂組成物の硬化物との間での熱膨張・熱収縮の不整合、或いはエポキシ樹脂組成物の成形硬化時の硬化収縮による影響で、これらの半導体装置では成形直後から反りが発生しやすい。更にこれらの半導体装置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、この際に半導体装置の反りが発生し、多数の半田ボールが平坦とならず、半導体装置を実装する回路基板から浮き上がってしまい、電気的接合の信頼性が低下する問題も起こる。
【０００４】
基板上の実質的に片面のみをエポキシ樹脂組成物で封止した半導体装置において、反りを低減するには、基板の熱膨張係数とエポキシ樹脂組成物の硬化物の熱膨張係数とを近づけること及びエポキシ樹脂組成物の成形硬化時の硬化収縮を小さくすることの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いガラス転移温度（以下、Ｔｇという）を有する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Ｔｇ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。よってエポキシ樹脂組成物の硬化物も、Ｔｇが高く且つα１が有機基板と同じで、更に成形硬化時の硬化収縮がゼロとなれば、反りはほぼゼロとなると考えられる。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Ｔｇを高くし、無機充填材の配合量でα１を合わせる手法が既に提案されている。
【０００５】
又赤外線リフロー、ベーパーフェイズソルダリング、半田浸漬等の手段での半田処理による半田接合を行う場合、エポキシ樹脂組成物の硬化物並びに有機基板からの吸湿により、半導体装置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、半導体装置にクラックが発生したり、有機基板の半導体素子搭載面とエポキシ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、エポキシ樹脂組成物の低応力化・低吸湿化とともに、有機基板との接着性も求められる。
【０００６】
更に有機基板とエポキシ樹脂組成物の硬化物の熱膨張の不整合により、信頼性テストの代表例である温度サイクル試験でも、有機基板／エポキシ樹脂組成物の硬化物との界面の剥離やクラックが発生する。従来のＱＦＰやＳＯＰ等の表面実装型半導体装置では、半田実装時のクラックや各素材との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とを組み合わせて用い、且つ無機充填材の配合量を増加することにより、低Ｔｇ化と低吸湿化を図る対策がとられてきた。しかし、この手法では、片面封止の半導体装置における反りの問題は解決できないのが現状であった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、成形後や半田処理後の反りが小さく、半田処理後の信頼性に優れた特性を有するエリア実装型半導体封止用に適したエポキシ樹脂組成物及びこれを用いた半導体装置を提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、
［１］ 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半導体封止用エポキシ樹脂組成物を用いて封止されてなるエリア表面実装型の半導体装置の封止に用いられ、（Ａ）エポキシ樹脂、（Ｂ）フェノール樹脂、（Ｃ）硬化促進剤及び（Ｄ）無機充填材を必須成分とするエポキシ樹脂組成物であって、全無機充填材中に粒径０．５μｍ以下の粒子を２〜１５重量％含み、且つ全エポキシ樹脂組成物中の全無機充填材が８０〜９４重量％で、更にエポキシ樹脂組成物を１０５℃、３時間乾燥した際の重量減少率である揮発分が０．０２〜０．１０重量％であることを特徴とするエリア実装型半導体封止用エポキシ樹脂組成物、
［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第［１］項記載のエポキシ樹脂組成物を用いて封止されてなることを特徴とするエリア実装半導体装置、
である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明者らは鋭意検討を進めた結果、エポキシ樹脂組成物において、無機充填材の粒度と揮発分が樹脂の反応性や密着性に影響を及ぼしていることを見出し、無機充填材の粒度と揮発分を制御することにより半導体装置の反りの低減と耐半田クラック性の向上をはかることができ、本発明を完成するに至ったものである。
【００１０】
本発明に用いられるエポキシ樹脂は、１分子内に２個以上のエポキシ基を有するモノマー、オリゴマー、及びポリマー全般を言う。例えば、オルソ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、ビスフェノール型エポキシ樹脂、スチルベン型エポキシ樹脂、トリフェノールメタン型エポキシ樹脂、フェノールアラルキル型エポキシ樹脂（フェニレン骨格、ビフェニル骨格等を含む）、ナフトール型エポキシ樹脂、アルキル変性トリフェノールメタン型エポキシ樹脂、トリアジン核含有エポキシ樹脂、ジシクロペンタジエン変性フェノール型エポキシ樹脂等が挙げられ、これらは１種類を単独で用いても２種類以上を併用してもよい。
これらの内では、特に、溶融粘度が低く、無機充填材を高充填化することができ、ひいてはエポキシ樹脂組成物の低吸湿化が可能となり、耐半田クラック性を向上できる結晶性のエポキシ樹脂が好ましい。
【００１１】
本発明に用いられるフェノール樹脂は、１分子内に２個以上のフェノール性水酸基を有するモノマー、オリゴマー、及びポリマー全般を言う。例えば、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（フェニレン骨格、ビフェニル骨格等を含む）、ナフトールアラルキル樹脂（フェニレン骨格、ビフェニル骨格等を含む）、トリフェノールメタン樹脂、テルペン変性フェノール樹脂、ジシクロペンタジエン変性フェノール樹脂等が挙げられ、これらは１種類を単独で用いても２種類以上を併用してもよい。
【００１２】
本発明に用いられる硬化促進剤としては、前記エポキシ樹脂とフェノール樹脂との架橋反応の触媒となり得るものを指し、例えば１，８−ジアザビシクロ（５，４，０）ウンデセン−７等のジアザビシクロアルケン及びその誘導体、トリブチルアミン、ベンジルジメチルアミン等のアミン化合物、トリフェニルホスフィン、テトラフェニルホスホニウム・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挙げられるが、これらに限定されるものではない。これらは１種類を単独で用いても２種類以上を併用してもよい。
【００１３】
本発明に用いられる無機充填材の種類については特に制限はなく、一般に封止材料に用いられているものを使用することができる。例えば溶融シリカ、結晶シリカ、２次凝集シリカ、アルミナ、チタンホワイト、水酸化アルミニウム、タルク、クレー、ガラス繊維等が挙げられ、これらは１種類を単独で用いても２種類以上を併用してもよい。特に溶融シリカが好ましい。溶融シリカは、破砕状、球状のいずれでも使用可能であるが、配合量を高め、且つエポキシ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より好ましい。
【００１４】
無機充填材の粒度分布は、０．５μｍ以下の粒子を全無機充填材中に２〜１５重量％にする必要がある。２重量％未満では、半導体素子や基板との密着性が低下し、耐半田クラック性が悪くなる。これは界面近傍の封止材は無機充填材量が少なくなるため、局所的に熱膨張係数が大きくなり半田処理時の発生応力が高くなるが、０．５μｍ未満の微粒の無機充填材を２重量％以上配合することにより界面の局所的な発生応力を低下させることができるからである。又１５重量％を越えると、エポキシ樹脂とフェノ−ル樹脂の反応を阻害し、耐熱性の低下、熱収縮が増大し反りが大きくなる。本発明での無機充填材の粒度は、（株）島津製作所のレーザー回折式粒度分布測定装置ＳＡＬＤ−７０００（レーザー波長：４０５ｎｍ）を用いて測定したものである。
【００１５】
全無機充填材の配合量としては、成形性、信頼性のバランスから全エポキシ樹脂組成物中に８０〜９４重量％にする必要がある。８０重量％未満では、成形硬化時の硬化収縮及び成形温度から室温までの熱収縮が増大するため反りが大きくなり、又吸湿率が増大するため耐半田クラック性が低下する。９４重量％を越えると流動性が低下し成形性が悪くなる。
又必要に応じて無機充填材をカップリング剤やエポキシ樹脂或いはフェノール樹脂等で予め処理して用いてもよく、処理の方法としては、例えば溶剤を用いて混合した後に溶媒を除去する方法や直接無機充填材に添加し、混合機を用いて処理する方法等がある。
【００１６】
本発明のエポキシ樹脂組成物は、（Ａ）〜（Ｄ）成分の他、必要に応じて無機イオン交換体、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、合成ワックス、高級脂肪酸及びその金属塩類もしくはパラフィン等の離型剤、臭素化エポキシ樹脂、酸化アンチモン、リン化合物等の難燃剤、シリコーンオイル、ゴム等の低応力成分、酸化防止剤等の各種添加剤が適宜配合可能である。
本発明のエポキシ樹脂組成物は、（Ａ）〜（Ｄ）成分及びその他の添加剤等をミキサー等を用いて混合後、加熱ニーダ、熱ロール、押し出し機等の混練機で加熱混練し、冷却、粉砕して得られる。
【００１７】
本発明のエポキシ樹脂組成物は、揮発分を０．０２〜０．１０重量％に制御する必要がある。本発明における揮発分は、成形材料約５ｇをシャ−レに採取し、オ−ブン中で１０５℃、３時間乾燥した後の重量減少率を求め、これを揮発分とした。揮発分が０．０２重量％未満では、樹脂と半導体素子や基板との濡れ性が低下し密着性が低下するため、耐半田クラック性が悪くなる。揮発分が０．１０重量％を越えると、エポキシ樹脂とフェノ−ル樹脂の反応を阻害し、耐熱性の低下、熱収縮が増大し、反りが大きくなる。
【００１８】
揮発分を制御するには、温湿度管理と混練機での混練条件管理が重要である。温湿度管理が必要な工程としては、各成分の保管、混合、混練物の冷却、粉砕、エポキシ樹脂組成物の保管、成形機内での材料保管等、成形により半導体装置を得るまでの全工程が挙げられ、揮発分の変動が少ない密閉状態或いは低湿度状態が好ましいが、低湿度状態で長時間保管すると揮発分が更に低下し、０．０２重量％未満になると樹脂と半導体素子や基板との密着性が劣るため、耐半田クラック性が悪くなる。混練条件としては、混練温度が揮発分に大きく影響し、１００〜１３０℃で混練することが好ましい。１００℃未満では、各成分に含まれる揮発分の除去が不十分になり、エポキシ樹脂とフェノ−ル樹脂の反応を阻害し、耐熱性の低下、熱収縮が増大し反りが大きくなり好ましくない。１３０℃を越えると混練中にエポキシ樹脂とフェノ−ル樹脂の反応が進行し、成形時の流動性の低下を招くため、金線変形や未充填を引きおこし好ましくない。
【００１９】
本発明のエポキシ樹脂組成物を用いて、半導体素子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すればよい。特に本発明のエポキシ樹脂組成物は、エリア実装型半導体装置用に最適である。
【００２０】
【実施例】
以下、本発明を実施例で具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。配合割合は重量部とする。
実施例１
式（１）で示されるビフェニル型エポキシ樹脂（融点１０５℃、エポキシ当量１９０） ８．４重量部
【００２１】
【化１】

【００２２】
式（２）で示されるトリフェノ−ルメタン型樹脂（軟化点１０５℃、水酸基当量９８） ２．３重量部
【００２３】
【化２】

【００２４】

をミキサーで混合した後、２本ロールを用いて５分間混練し、冷却後粉砕してエポキシ樹脂組成物とした。実施例、比較例の混練は、ロ−ル温度を変更し、混練温度を調整した。得られたエポキシ樹脂組成物を以下の方法で評価した。結果を表１に示す。
【００２５】
評価方法
スパイラルフロー：ＥＭＭＩ−１−６６に準じたスパイラルフロー測定用の金型を用いて、金型温度１７５℃、注入圧力６．９ＭＰａ、硬化時間１２０秒で測定した。単位はｃｍ。
揮発分：エポキシ樹脂組成物約５ｇ精秤し、シャーレに採取しオーブン中で１０５℃、３時間乾燥した後の重量減少率を揮発分とした。
パッケージ反り量（半田処理前）：トランスファー成形機を用いて、金型温度１７５℃、注入圧力６．９ＭＰａ、硬化時間９０秒で、２２５ｐＢＧＡ（厚さ０．３６ｍｍＢＴ樹脂基板、チップサイズ１２ｍｍ×１２ｍｍ×厚さ０．３５ｍｍ、パッケージサイズ２４ｍｍ×２４ｍｍ、封止樹脂の厚さ１．１７ｍｍ）を成形し、１７５℃、２時間で後硬化した。室温まで冷却後、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、変位差の最も大きい値をパッケージ反り量とした。単位はμｍ。
耐半田クラック性：前記の２２５ｐＢＧＡを成形し、１７５℃、２時間で後硬化して各１０個のサンプルを得た。各１０個のサンプルを別々に６０℃、相対湿度６０％の環境下で１６８時間と８５℃、相対湿度６０％の環境下で１６８時間処理し、その後ＩＲリフロ−（２６０℃）で１０秒間処理した。超音波探傷装置を用いて観察し、内部クラック及び各種界面剥離の有無を調べた。不良パッケージの個数がｎ個であるとき、ｎ／１０と表示する。
パッケージ反り量（半田処理後）：前記の２２５ｐＢＧＡを成形し、１７５℃、２時間で後硬化してサンプルを得た。６０℃、相対湿度６０％の環境下で１６８時間処理し、その後ＩＲリフロ−（２６０℃）で１０秒間処理した。室温まで冷却後、不良発生のないパッケージを選んで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、変位差の最も大きい値をパッケージ反り量とした。単位はμｍ。
【００２６】
実施例２〜９、比較例１〜７
表１、表２に従って配合し、実施例１と同様にしてエポキシ樹脂組成物を得、実施例１と同様にして評価した。結果を表１、表２に示す。
実施例及び比較例で使用した球状溶融シリカの性状を以下に示す。
球状溶融シリカＢ（平均粒径１６μｍ、粒径０．５μｍ以下が３．８重量％）
球状溶融シリカＣ（平均粒径１３μｍ、粒径０．５μｍ以下が１２．３重量％）
球状溶融シリカＤ（平均粒径１６μｍ、粒径０．５μｍ以下が１．２重量％）
球状溶融シリカＥ（平均粒径１３μｍ、粒径０．５μｍ以下が１７．７重量％）
実施例５、比較例２では、混練、冷却、粉砕して得られたエポキシ樹脂組成物をシリカゲルと共にビニ−ル袋に密閉し、２５℃にて２４時間の処理をした。又比較例３では、混練、冷却、粉砕して得られたエポキシ樹脂組成物を２５℃、相対湿度７０％の環境で２４時間処理をした。
【００２７】
【表１】

【００２８】
【表２】

【００２９】
【発明の効果】
本発明に従うと、エリア実装型半導体封止用に適したエポキシ樹脂組成物が得られ、これを用いた半導体装置は、成形後や半田処理後の反りが小さく、半田処理後の信頼性に優れる。

Claims (2)

1. 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半導体封止用エポキシ樹脂組成物を用いて封止されてなるエリア表面実装型の半導体装置の封止に用いられ、（Ａ）エポキシ樹脂、（Ｂ）フェノール樹脂、（Ｃ）硬化促進剤及び（Ｄ）無機充填材を必須成分とするエポキシ樹脂組成物であって、全無機充填材中に粒径０．５μｍ以下の粒子を２〜１５重量％含み、且つ全エポキシ樹脂組成物中の全無機充填材が８０〜９４重量％で、更にエポキシ樹脂組成物を１０５℃、３時間乾燥した際の重量減少率である揮発分が０．０２〜０．１０重量％であることを特徴とするエリア実装型半導体封止用エポキシ樹脂組成物。
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を用いて封止されてなることを特徴とするエリア実装半導体装置。