JP4013028B2 - 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、半導体素子を封止するために用いられるエポキシ樹脂組成物、及びこのエポキシ樹脂組成物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、半導体素子を樹脂組成物で封止することによって作製される樹脂封止型の半導体装置としては、デバイスの高密度化、高集積度化、動作の高速化等の傾向のため、ＱＦＰ等に代表される従来型のリードスルー実装型パッケージよりも、さらに小型化、薄型化を実現することができるパッケージが要求されている。最近ではこのような要求に対して、ＢＧＡやＣＳＰといった表面実装型パッケージやベアチップ実装などの実装方法が、高密度実装を可能にするものとして注目されている。実際、このようなパッケージや実装方法を利用した電化製品としては、デジタルカメラ、ビデオ、ノート型パソコン、携帯電話といったものを挙げることができる。今後はこのようなモバイル製品自体の小型化、薄型化がさらに進むのに伴い、より高い強度及び耐衝撃性が求められると共に、製品内部に組み込まれる上記のような半導体装置などの電子部品にも同様な性質が求められるものである。
【０００３】
従来、このような半導体装置の作製に用いられる樹脂組成物としては、ビスフェノール型エポキシ樹脂や脂環式エポキシ樹脂等を主要成分とするものであって、硬化剤として液状の酸無水物やフェノールノボラックを用い、その他に無機充填材等を用いたものが使用されていた。しかし、このような液状エポキシ樹脂組成物で封止した半導体装置にあっては、落下等の衝撃試験によって半導体素子及び半導体素子が搭載されている配線基板と半導体素子を封止する樹脂の硬化物との間に剥離が発生したり、硬化物にクラックが発生したりするという問題が生じるものであった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記の問題を解決するにあたっては、樹脂組成物中にシリコーンを添加することにより、硬化物の熱膨張係数を低減させ、硬化物を応力緩和し易くすることが行われているが、実際にはこの応力緩和は不十分であって、結果として硬化物と半導体素子及び配線基板との間の密着性が低下し、耐衝撃性を十分に改善するには至らないものであった。
【０００５】
そこで、樹脂組成物を調製する際にシリコーンゲル等を用い、硬化物のガラス転移温度（Ｔｇ）を低下させることが行われている。これによれば十分な応力緩和が得られ、超低弾性な封止を行うことが可能である。しかしこの反面、硬化物の強度や硬度が著しく低下するため、封止後において種々の加工をする際に硬化物が容易に削られたりして、硬化物中の半導体素子やワイヤーに損傷が生じるという問題があった。
【０００６】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、優れた耐衝撃性と高強度の両立を図ることができるエポキシ樹脂組成物及び半導体装置を提供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係るエポキシ樹脂組成物は、エポキシ樹脂、硬化剤、硬化促進剤を含むエポキシ樹脂組成物を硬化して得られる硬化物のガラス転移温度が５０〜８０℃であり、かつショアーＡ硬度が６０以上であることを特徴とするものである。
【０００８】
また請求項１の発明は、エポキシ樹脂が、下記の式（Ａ）で示されるペンタエリスリトール型エポキシ樹脂、式（Ｂ）で示されるダイマー酸型エポキシ樹脂から選ばれるものを含んで成ることを特徴とするものである。
【０００９】
【化２】

【００１０】
また請求項２の発明は、請求項１において、式（Ａ）及び式（Ｂ）におけるＲが−（ＣＨ_２）_ｎ−又はＣ_ｎＨ_２ｎ＋１−（ｎ＝２〜５の整数）であることを特徴とするものである。
【００１１】
また請求項３の発明は、請求項１又は２において、キシレン重合体を含有して成ることを特徴とするものである。
【００１３】
また請求項４の発明は、請求項３において、キシレン重合体をエポキシ樹脂組成物全量に対して５〜２５質量％含有して成ることを特徴とするものである。
【００１４】
また請求項５の発明は、請求項１乃至４のいずれかにおいて、硬化促進剤として、アミン化合物とイミダゾール類から選ばれるものを用いて成ることを特徴とするものである。
【００１５】
また請求項６に係る半導体装置は、請求項１乃至５のいずれかに記載のエポキシ樹脂組成物を用いて半導体素子を封止して成ることを特徴とするものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
【００１７】
本発明においてエポキシ樹脂は、上記の式（Ａ）で示されるペンタエリスリトール型エポキシ樹脂（以下、「式（Ａ）のエポキシ樹脂」ともいう）、式（Ｂ）で示されるダイマー酸型エポキシ樹脂（以下、「式（Ｂ）のエポキシ樹脂」ともいう）から選ばれるものを含む。これらのエポキシ樹脂を用いてエポキシ樹脂組成物を調製すると、硬化物の耐衝撃性を高めることができるものである。
【００１８】
また、式（Ａ）及び式（Ｂ）のエポキシ樹脂において、Ｒは−（ＣＨ_２）_ｎ−又はＣ_ｎＨ_２ｎ＋１−（ｎ＝２〜５の整数）であることが特に好ましい。詳しくは、式（Ａ）のエポキシ樹脂におけるＲが−（ＣＨ_２）_ｎ−であり、式（Ｂ）のエポキシ樹脂における４個のＲのうち、Ｏ（酸素原子）に隣接する３個のＲが−（ＣＨ_２）_ｎ−であり、残りの１個のＲがＣ_ｎＨ_２ｎ＋１−（いずれもｎ＝２〜５の整数）であることが特に好ましい。ｎ＝０又は１であると、十分な柔軟性を得ることができないおそれがある。逆にｎ＝６以上の整数であると、炭素原子同士による単結合の鎖が大きくなるため、硬化反応が極端に遅くなり、好適な硬化物性を得ることができなくなるおそれがある。
【００１９】
またエポキシ樹脂としては、式（Ａ）及び式（Ｂ）のエポキシ樹脂以外にも、例えばビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＳ型エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂、ナフタレン環含有エポキシ樹脂、脂環式エポキシ樹脂、ジシクロペンタジエン骨格を有するジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂、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、トリフェニルメタン型エポキシ樹脂、脂肪族系エポキシ樹脂、トリグリシジルイソシアヌレート等を用いることができる。式（Ａ）及び式（Ｂ）のエポキシ樹脂とその他のエポキシ樹脂とを併用する場合には、エポキシ樹脂組成物を調製するにあたっては、式（Ａ）及び式（Ｂ）のエポキシ樹脂をエポキシ樹脂全量に対して４０〜１００質量％含有するのが好ましい。式（Ａ）及び式（Ｂ）のエポキシ樹脂の配合量が４０質量％未満であると、硬化物の耐衝撃性を十分に高めることができないおそれがある。
【００２０】
また硬化剤としては、特に限定されるものではなく、例えば液状フェノール樹脂、アリル化フェノール樹脂、ジアミノジフェニルメタン、メタフェニレンジアミン等のアミン系硬化剤、無水フタル酸、無水ピロメリット酸等の酸無水物硬化剤、フェノールノボラック系硬化剤等を用いることができる。そして、本発明では、配合されるエポキシ樹脂に対する硬化剤の、化学量論上の当量比は、０．１〜１．０の範囲が好適である。当量比が０．１未満であると、硬化しにくくなったり、硬化物の耐熱性が低下したり、硬化物の強度が低下したりするおそれがあるので好ましくない。また、当量比が１．０よりも多くなると、硬化物の耐熱性が低下したり、硬化物の吸湿率が高くなるなどの欠点が発現してくるおそれがあるので好ましくない。
【００２１】
また硬化促進剤としては、特に限定されるものではなく、例えばトリフェニルホスフィン等の有機ホスフィン類を用いることができるが、好ましくはアミン化合物とイミダゾール類から選ばれるものを用いるのがよい。これらの硬化促進剤を用いてエポキシ樹脂組成物を調製すると、硬化物のショアーＡ硬度を高めて高強度を得ることができるものである。上記のアミン化合物の具体例としては、１，８−ジアザビシクロ（５，４，０）ウンデセン−７等の三級アミン類やアミンアダクト化合物を、またイミダゾール類の具体例としては、２−メチルイミダゾール、２−フェニルイミダゾール等を挙げることができる。なお、硬化促進剤の配合量は、エポキシ樹脂組成物全量に対して４〜２０質量％であるのが好ましい。
【００２２】
本発明においてエポキシ樹脂組成物は、上記のようなエポキシ樹脂、硬化剤、硬化促進剤を含むものであるが、その他の成分として、希釈剤、無機充填材、カップリング剤等を用いることができる。ここで希釈剤としては、キシレン樹脂等のキシレン重合体を用いるのが好ましく、これをエポキシ樹脂組成物中に含有させておくと、硬化物のガラス転移温度（Ｔｇ）を低下させることができ、硬化物の耐衝撃性を一層高めることができるものである。そしてかかる効果を確実に得るためには、キシレン重合体の配合量はエポキシ樹脂組成物全量に対して５〜２５質量％としておくのが好ましい。キシレン重合体の配合量が５質量％未満であると、耐衝撃性向上の効果を十分に得ることができないおそれがあり、逆に２５質量％を超えると、硬化後にブリードアウトが起こり易くなり、硬化物の密着性が低下するおそれがある。なお、無機充填剤としては、特に限定されるものではなく、例えば結晶シリカ、溶融シリカ、アルミナ微粉シリカ、マグネシア、窒化珪素等を、カップリング剤としては、例えばエポキシシランカップリング剤を用いることができる。
【００２３】
そして、上記のエポキシ樹脂、硬化剤、硬化促進剤、その他の成分を一緒に又は別々に配合し、必要に応じて加熱・冷蔵処理を行いながら、撹拌、溶解、混合、分散を行い、次にこの混合物に必要に応じて無機充填材を加え、加熱・冷蔵処理を行いながら、撹拌、溶解、混合、分散を行うことによって、エポキシ樹脂組成物を調製することができる。なお、上記の撹拌、溶解、混合、分散の各工程において、ディスパー、プラネタリーミキサー、ボールミル、三本ロールを適宜組み合わせて使用することができる。
【００２４】
上記のエポキシ樹脂組成物を加熱して硬化反応を十分進行させることにより、完全に硬化した硬化物を得ることができるが、本発明においてはこのときの硬化物のガラス転移温度（Ｔｇ）は５０〜８０℃である。ガラス転移温度（Ｔｇ）がかかる範囲にあれば、十分な応力緩和を得ることができ、半導体装置において半導体素子及び配線基板と硬化物との間に剥離が発生することがなくなり、また硬化物にクラックが発生したりすることもなくなり、耐衝撃性を高く得ることができるものである。ガラス転移温度（Ｔｇ）が５０℃未満であると、硬化物の強度が低下し損傷を受け易くなるものであり、逆に８０℃を超えると、耐衝撃性が低下し脆弱になるものである。
【００２５】
さらに、本発明においては上記の硬化物のショアーＡ硬度は６０以上であり、これによって硬化物の強度を高く得ることができ、損傷を受け難くすることができるものである。ショアーＡ硬度が６０未満であると、硬化物の強度が低下し損傷を受け易くなるものである。またショアーＡ硬度の実質上の上限は１００である。
【００２６】
なお、ガラス転移温度（Ｔｇ）及びショアーＡ硬度を上記のような範囲に設定するにあたっては、上述したエポキシ樹脂、硬化剤、硬化促進剤の配合量や成形条件を適宜調整することによって行うことができる。
【００２７】
そして、上記のエポキシ樹脂組成物を用いて半導体素子を封止することによって半導体装置を作製することができる。具体的には、例えば配線基板に半導体素子を搭載し、配線基板の電極と半導体素子の電極とを金線ワイヤー等で結線した後、上記のエポキシ樹脂組成物を用いてポッティング成形を行うことにより、配線基板に搭載された半導体素子と金線ワイヤーとが封止された半導体装置を作製することができる。また、半導体素子に形成されたバンプと配線基板の電極とを接合することによって、配線基板に半導体素子を搭載し、その後、上記のエポキシ樹脂を用いてディスペンス法を行うことにより、半導体素子と配線基板との間の隙間やバンプ間の隙間が封止された半導体装置を作製することもできる。
【００２８】
このようにして作製される半導体装置にあって、半導体素子を封止するエポキシ樹脂組成物の硬化物は、ガラス転移温度（Ｔｇ）が５０〜８０℃であるため、耐衝撃性に優れており、しかもショアーＡ硬度が６０以上であるため、高い強度を有しているものである。つまり、優れた耐衝撃性と高強度の両立を図ることができ、小型化、薄型化の傾向にあるモバイル製品の半導体装置を作製するにあたっては、本発明のエポキシ樹脂組成物を好適に使用することができるものである。
【００２９】
【実施例】
以下、本発明を実施例によって具体的に説明する。
【００３０】
（実施例１〜９並びに比較例１及び２）
エポキシ樹脂として、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂である油化シェルエポキシ（株）製「エピコート８２８」（エポキシ当量１８９、２５℃における粘度３．７Ｐａ・ｓ）、式（Ａ）のエポキシ樹脂であるナガセ化成工業（株）製「デナコールＥＸ４１１」、式（Ｂ）のエポキシ樹脂である油化シェルエポキシ（株）製「エピコート８７１」を使用した。
【００３１】
また硬化剤として、液状アリル化フェノール樹脂である油化シェルエポキシ（株）製「ＹＬＨ９０３」（水酸基当量１７０）を使用した。
【００３２】
また硬化促進剤として、アミン化合物である１，８−ジアザビシクロ（５，４，０）ウンデセン−７（サンアプロ（株）製「ＤＢＵ」）、イミダゾール類である２−フェニル−４−メチルイミダゾール（四国化成工業（株）製「２Ｐ４ＭＺ」）、トリフェニルフォスフィンである北興化学工業（株）製「ＴＰＰ」を使用した。
【００３３】
またカップリング剤として、エポキシシランカップリング剤である日本ユニカー（株）製「Ａ−１８７」を使用した。
【００３４】
また希釈剤として、キシレン樹脂である松下電工（株）製「ＣＪ−２５」を使用した。
【００３５】
そして、上記の各成分を表１に示す配合量で配合したものを混練することによって、実施例１〜９並びに比較例１及び２のそれぞれについてエポキシ樹脂組成物を調製した。次に、このようにして得たエポキシ樹脂組成物を用い、この硬化物について以下のような硬化物性を評価した。
【００３６】
（耐衝撃性）
銅箔基板（１２０ｍｍ×２５０ｍｍ×厚さ１．５ｍｍ）の表面に上記のエポキシ樹脂組成物を半径０．５〜１．０ｍｍの円内に硬化させた。硬化条件は１２０℃、３時間とした。そして、この銅箔基板の６面（表面、裏面、４側面）のうちの１面を下方に向けて銅箔基板を２．５ｍ上方からコンクリートの床の上に１回落下させた。他の５面についてもそれぞれ同様にして銅箔基板を落下させた。合計６回の落下を１セットとし、銅箔基板に形成した硬化物が銅箔基板から剥離するか否かを調べた。表１において、「○」は１００セット以上落下させても剥離が生じなかったものを、「△」は５０〜９９セットの間に剥離が生じたものを、「×」は４９セット以下で剥離が生じたものを示す。
【００３７】
（ショアーＡ硬度）
上記のエポキシ樹脂組成物を１２０℃、３時間、直径１００ｍｍ×厚さ５ｍｍの円板状に硬化させ、この表面のショアーＡ硬度をショアーＡ硬度計を用いて測定した。結果を表１に示す。
【００３８】
（ガラス転移温度（Ｔｇ））
上記のエポキシ樹脂組成物を１２０℃、３時間、５ｍｍ×５ｍｍ×１５ｍｍの大きさで硬化させたものをサンプルとして用い、ＴＭＡ（熱機械分析装置）により５℃／分の速度で昇温した際の値をガラス転移温度（Ｔｇ）として測定した。結果を表１に示す。
【００３９】
【表１】

【００４０】
表１にみられるように、実施例１〜９のものは耐衝撃性が概ね良好であるのに対し、比較例１及び２のものは耐衝撃性が低いことが確認される。
【００４１】
【発明の効果】
上記のように本発明の請求項１に係るエポキシ樹脂組成物は、エポキシ樹脂、硬化剤、硬化促進剤を含むエポキシ樹脂組成物を硬化して得られる硬化物のガラス転移温度が５０〜８０℃であり、かつショアーＡ硬度が６０以上であるので、上記のガラス転移温度によって硬化物が十分な応力緩和を得ることができ、耐衝撃性を高く得ることができると共に、上記のショアーＡ硬度によって硬化物が強度を高く得ることができ、損傷を受け難くすることができるものである。
【００４２】
また請求項１の発明は、エポキシ樹脂が、上記の式（Ａ）で示されるペンタエリスリトール型エポキシ樹脂、式（Ｂ）で示されるダイマー酸型エポキシ樹脂から選ばれるものを含んでいるので、エポキシ樹脂組成物の硬化物の耐衝撃性を一層高く得ることができるものである。
【００４３】
また請求項２の発明は、式（Ａ）及び式（Ｂ）におけるＲが−（ＣＨ_２）_ｎ−又はＣ_ｎＨ_２ｎ＋１−（ｎ＝２〜５の整数）であるので、エポキシ樹脂組成物の硬化物の耐衝撃性を一層高く得ることができるものである。
【００４４】
また請求項３の発明は、キシレン重合体を含有しているので、エポキシ樹脂組成物の硬化物のガラス転移温度（Ｔｇ）を低下させることができ、硬化物の耐衝撃性を一層高めることができるものである。
【００４６】
また請求項４の発明は、キシレン重合体をエポキシ樹脂組成物全量に対して５〜２５質量％含有しているので、エポキシ樹脂組成物の硬化物のガラス転移温度（Ｔｇ）を低下させ、硬化物の耐衝撃性を高める効果を確実に得ることができるものである。
【００４７】
また請求項５の発明は、硬化促進剤として、アミン化合物とイミダゾール類から選ばれるものを用いているので、エポキシ樹脂組成物の硬化物のショアーＡ硬度を高めて高強度を得ることができるものである。
【００４８】
また請求項６に係る半導体装置は、請求項１乃至５のいずれかに記載のエポキシ樹脂組成物を用いて半導体素子を封止しているので、耐衝撃性に優れていると共に高い強度を有しているものである。

Claims (6)

1. エポキシ樹脂、硬化剤、硬化促進剤を含むエポキシ樹脂組成物において、エポキシ樹脂が、下記の式（Ａ）で示されるペンタエリスリトール型エポキシ樹脂、式（Ｂ）で示されるダイマー酸型エポキシ樹脂から選ばれるものを含むと共に、上記エポキシ樹脂組成物を硬化して得られる硬化物のガラス転移温度が５０〜８０℃であり、かつショアーＡ硬度が６０以上であることを特徴とするエポキシ樹脂組成物。
   

   
2. 式（Ａ）及び式（Ｂ）におけるＲが−（ＣＨ_２）_ｎ−又はＣ_ｎＨ_２ｎ＋１−（ｎ＝２〜５の整数）であることを特徴とする請求項１に記載のエポキシ樹脂組成物。
3. キシレン重合体を含有して成ることを特徴とする請求項１又は２に記載のエポキシ樹脂組成物。
4. キシレン重合体をエポキシ樹脂組成物全量に対して５〜２５質量％含有して成ることを特徴とする請求項３に記載のエポキシ樹脂組成物。
5. 硬化促進剤として、アミン化合物とイミダゾール類から選ばれるものを用いて成ることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のエポキシ樹脂組成物。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載のエポキシ樹脂組成物を用いて半導体素子を封止して成ることを特徴とする半導体装置。