JP4030786B2

JP4030786B2 - エポキシ樹脂組成物及び半導体装置

Info

Publication number: JP4030786B2
Application number: JP2002097550A
Authority: JP
Inventors: 伸一前佛
Original assignee: Sumitomo Bakelite Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Bakelite Co Ltd
Priority date: 2002-03-29
Filing date: 2002-03-29
Publication date: 2008-01-09
Anticipated expiration: 2022-03-29
Also published as: JP2003292569A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属フレームを有する半導体素子を封止した後に成形品をカットして個片化するＭＡＰ成形に適した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】
ＩＣ、ＬＳＩ等の半導体素子は、主に熱硬化性樹脂組成物であるエポキシ樹脂組成物で封止され半導体装置とされている。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、半導体装置への要求は益々厳しいものとなってきている。
近年集積回路の高集積化に伴い半導体素子はＴＳＯＰ、ＴＱＦＰ、ＢＧＡ等の表面実装型に変わってきている。特に小型薄肉化と同時に生産性の向上を図るためには、多数個の素子を一括成形し、成形後に固片に切り分けて各素子とするＭＡＰ成形も検討されている。
【０００３】
ＭＡＰ成形品は、薄く大型の成形品を成形するために樹脂の低粘度化や、個片化する場合の切断に耐え得る強度、割れ欠けしない柔軟さ、更にはカットする刃の摩耗性などが要求される。
表面実装型の半導体装置に使用されるエポキシ樹脂組成物は、実装時の熱応力に耐え得る様にするため、低粘度性の樹脂成分を配合し無機充填材を高充填化し吸湿率を低下させたり、従来のオルソクレゾールノボラック型エポキシ樹脂に比べてより強靱性が得られるビフェニル型エポキシ樹脂等の結晶性エポキシ樹脂や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を用いる様になってきているが、切削抵抗が高く刃が摩耗しやすい、個片化時に刃に噛みこみ破損するという問題もあり、個片化のしやすさや、刃の磨耗性においては十分に満足できるものではない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、金属フレームを有する半導体素子を一括封止した後に、成形品をカットして個片化するＭＡＰ方式の半導体装置において、個片化することが容易で、カットする刃の摩耗が少ない半導体装置を提供するものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、
［１］金属フレームを有する半導体素子を一括封止した後に、成形品をカットして個片化するＭＡＰ方式の半導体装置に用いるエポキシ樹脂組成物であって、（Ａ）式（１）〜式（４）に示すエポキシ樹脂のみからなり、かつ式（１）〜式（４）に示すエポキシ樹脂を少なくとも１種以上含むエポキシ樹脂、（Ｂ）式（５）〜式（８）に示すフェノール樹脂を少なくとも１種以上、（Ｃ）硬化促進剤、（Ｄ）結晶水を２０重量％以上含有する、水酸化アルミニウム、水酸化マグネシウムから選ばれる少なくとも１種以上の金属水酸化物、及び／または結晶水を２０重量％以上含有する、Ｍｇ_０．８Ｚｎ_０．２（ＯＨ）_２で示される組成の金属水酸化物固溶体を全組成物中に０．５重量％以上、３０重量％以下、（Ｅ）溶融破砕シリカ、溶融球状シリカ、結晶シリカ、２次凝集シリカ、アルミナ、チタンホワイトから選ばれる少なくとも１種以上のその他の無機充填材を必須成分とするエポキシ樹脂組成物、
【化３】

【化４】

［２］第［１］項に示すエポキシ樹脂組成物を用いて金属フレームを有する半導体素子を封止した後に、成形品をカットして個片化することを特徴とする半導体装置、
である。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明に用いられるエポキシ樹脂は、式（１）〜式（４）に示される、フェノールアラルキル型エポキシ樹脂（フェニレン骨格、ビフェニレン骨格等を有する）やナフトールアラルキル型エポキシ樹脂（フェニレン骨格を有する）が挙げられる。これらの樹脂を用いると低吸水率な成形品を得られるため、半田耐熱性に優れ、且つ柔軟な成形品が得られるため、個片化時に成形品の割れ欠けを防止して、個片化を容易にする。これらは単独で使用しても、２種類以上を併用してもよい。
【０００７】
また上記エポキシ樹脂の特性を損なわない範囲で、他のエポキシ樹脂を併用することも可能である。例えばビフェニル型エポキシ樹脂、ハイドロキノン型エポキシ樹脂、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、フェノールノボラック型エポキシ樹脂、ジシクロペンタジエン変性フェノール型エポキシ樹脂、トリフェノールメタン型エポキシ樹脂、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等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。又、これらは単独で使用しても、２種類以上を併用してもよい。特に組成物の低粘度が図れるビフェニル型エポキシ樹脂や、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、ハイドロキノン型エポキシ樹脂が好ましい。併用比は、エポキシ樹脂中の５０％以下が好ましい。これ以上の併用では成形品の柔軟性が低下して個片化時に成形品の割れ欠けが発生する可能性がある。
【０００８】
本発明に用いられるフェノール樹脂としては、式（５）〜式（８）に示すフェノールアラルキル樹脂（フェニレン骨格、ビフェニレン骨格等を有する）やナフトールアラルキル樹脂（フェニレン骨格を有する）が挙げられる。これらは単独で使用しても、２種類以上を併用してもよい。これら樹脂を用いると成形品の吸水率を低減出来、半田耐熱性に優れるとともに、柔軟な成形品が得られるため、個片化時に成形品の割れ欠けを防止して、個片化を容易にする。
【０００９】
また上記フェノール樹脂の特性を損なわない範囲で、他のフェノール樹脂を併用することも可能である。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、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、トリフェノールメタン型樹脂等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。これらは単独で使用しても、２種類以上を併用してもよい。特に組成物の硬化性と強度が向上するクレゾールノボラック樹脂が望ましい。併用比は、フェノール樹脂中の５０％以下が好ましい。これ以上の併用では流動性と硬化性の（両立が困難）バランスが取りにくく、更に成形品の柔軟性が低下して個片化時に成形品の割れ欠けが発生する可能性がある。
【００１０】
全エポキシ樹脂のエポキシ基と全フェノール樹脂のフェノール性水酸基との当量比としては、特に限定しないが、好ましくは０．７〜１．４、特に好ましくは０．８〜１．２である。好ましい範囲を外れると、硬化性、耐湿信頼性等が低下する可能性がある。
【００１１】
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を促進するものであればよく、例えば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等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。又、これらは単独で使用しても２種類以上を併用してもよい。
【００１２】
本発明に用いられる（Ｄ）成分は、結晶水を２０重量％以上含有する金属水酸化物及び／又は結晶水を２０重量％以上含有する金属水酸化物固溶体である。
金属水酸化物としては特に限定しないが、例えば、水酸化アルミニウム、水酸化マグネシウム等が挙げられる。又、一部分をベーマイト化、微細化、あるいはナトリウムイオンの低減化等をして、結晶水の放出開始温度を上げた高耐熱タイプの水酸化アルミニウムを用いることもできる。これらは単独で使用しても、２種類以上を併用してもよい。
又、金属水酸化物の結晶中の一部の元素を、鉄、ニッケル、チタン、亜鉛等の別の元素と置換し、固溶体を形成した金属水酸化物固溶体を用いることもできる。これらは単独で使用しても、２種類以上を併用してもよい。
【００１３】
本発明の（Ｄ）成分は、半導体装置を個片化する際に結晶水を放出し、刃との摩擦による発熱を抑えることで、切削抵抗を低減し、ひいては刃の摩耗を抑える効果を発揮する。
金属水酸化物中の結晶水の含有率、金属水酸化物固溶体中の結晶水の含有率としては、いずれも２０重量％以上であることが必須である。２０重量％未満のものを用いると結晶水の放出による発熱の抑制や、切削抵抗の低減の効果が十分に発揮されないので好ましくない。
又、全（Ｄ）成分の添加量としては、全エポキシ樹脂組成物中に０．５重量％以上、３０重量％以下であることが必須である。特に１〜５重量％が好ましい。下限値を下回ると、結晶水の放出による発熱の抑制や切削抵抗の低減の効果が期待できないので好ましくない。上限値を超えると、極端に流動性が低下したり、成形品の強度が低下するために、固片化時に割れ欠けを生じるという問題がある。
【００１４】
本発明に用いられるその他の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、溶融破砕シリカ、溶融球状シリカ、結晶シリカ、２次凝集シリカ、アルミナ、チタンホワイト、ガラス繊維等が挙げられ、これらは単独で使用しても２種類以上を併用してもよい。特に溶融球状シリカが好ましい。粒子の形状は限りなく真球状であることが好ましく、又、粒子の大きさの異なるものを混合することにより充填量を多くすることができる。球状シリカを用いることで切削性も向上するという利点もある。
無機充填材の含有量としては、全エポキシ樹脂組成物中に６５〜９４重量％が好ましく、より好ましくは７５〜９１重量％である。下限値を下回ると、無機充填材による補強効果が十分に発現せず、且つ吸湿要因である樹脂成分の配合量が多くなるので、エポキシ樹脂組成物の硬化物の吸湿量が増大してしまうため、半田処理時に半導体装置にクラックが発生しやすくなる可能性がある。上限値を越えると、エポキシ樹脂組成物の流動性が極端に低下し、成形時に充填不良やチップシフト、パッドシフト、ワイヤースイープが発生しやすくなる可能性がある。又、本発明に用いる無機充填材は、予め十分に混合しておくことが好ましい。
【００１５】
特に無機充填材を、カップリング剤で予め処理して用いることが望ましい。これにより成形品の強度が向上し、ＭＡＰ成形後の個片化時にリードフレームと成形品界面との剥離や、成形品の割れ欠けが生じにくくなり、更に個片化が容易になるという特徴がある。処理の方法としては、例えば、γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、β−（３、４−エポキシシクロヘキシル）エチルトリメトキシシランといったエポキシ系カップリング剤、γ−アミノプロピルトリエトキシシラン、Ｎ−β（アミノエチル）−γ−アミノプロピルトリメトキシシラン、Ｎ−フェニル−γ−アミノプロピルトリメトキシシラン、γ−ウレイドプロピルトリエトキシシランといったアミノ系カップリング剤、γ−メルカプトプロピルトリメトキシシランといったメルカプト系カップリング剤などを溶媒に薄めて噴霧、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挙げられる。
【００１６】
本発明のエポキシ樹脂組成物は、（Ａ）〜（Ｅ）成分の他、必要に応じてカーボンブラック、ベンガラ等の着色剤、シリコーンオイル、シリコーンゴム等の低応力化剤、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、酸化防止剤等の各種添加剤を配合することができる。
本発明のエポキシ樹脂組成物は、（Ａ）〜（Ｅ）をミキサーを用いて混合後、熱ロール、加熱ニーダー、押出機等の混練機で溶融混練し、冷却後粉砕して得られる。
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成形方法で硬化成形すればよい。
本発明のエポキシ樹脂組成物は特に薄型のＭＡＰ成形を行う半導体装置に好適である。
【００１７】
【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、比較例で用いた表面処理球状シリカとは、球状溶融シリカ（平均粒径１５μｍ、比表面積２．４ｍ²／ｇ）９９．８重量部をミキサーで攪拌しながら、γ−アミノプロピルトリエトキシシラン０．２重量部を噴霧し、そのまま攪拌を１５分間継続した後、室温で８時間放置し、１５０メッシュを通過させたものである。
実施例１
【００１８】
式（１）に示すエポキシ樹脂（軟化点５８℃、エポキシ当量２７２）
９．５５重量部
【化５】

【００１９】
式（６）に示すフェノール樹脂（三井化学（株）製ＸＬ−２２５、軟化点７９℃、水酸基当量１７４）
６．１０重量部
【化６】

【００２０】
水酸化アルミニウム１（平均粒径１０μｍ、結晶水３４％含有）３．００重量部
１，８−ジアザビシクロ（５，４，０）ウンデセン−７（以下、ＤＢＵという）０．２５重量部
球状溶融シリカ（平均粒径２６μｍ、比表面積１．４ｍ²／ｇ）４０．５０重量部
表面処理球状シリカ４０．００重量部
カルナバワックス０．３０重量部
カーボンブラック０．３０重量部
をミキサーを用いて各成分を混合した後、表面温度が９５℃と２５℃の２軸ロールを用いて２０回混練して得られた混練物シートを冷却後粉砕し樹脂組成物を得た。結果を表１に示す。
【００２１】
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。
熱時強度：２６０℃での曲げ強さをＪＩＳＫ６９１１に準じて測定した。単位はＮ／ｍｍ²。
熱時弾性率：２６０℃での曲げ弾性率をＪＩＳＫ６９１１に準じて測定した。単位はＮ／ｍｍ²。
切削抵抗及び工具摩耗性：金型温度１７５℃、注入圧力６．９ＭＰａ、硬化時間１８０秒で成形した３ｍｍ厚の試験片を成形後ポストキュアとして１７５℃で８時間処理し、特公平７−１７８１４で使用されたドリル摩耗試験装置を用いて行った。この試験装置はドリル径３ｍｍ、刃の切れが同等のドリルを使用し、ドリル回転数８５０ｒｐｍ、荷重２Ｋｇ重（１９．６Ｎ）に設定されたものである。試験片はそれぞれ３０回ずつ穿孔して評価を行うが、刃の切れ具合の差による誤差を回避するため試験片を３０回穿孔し、その前後に３ｍｍ厚のＡｌ板を穿孔し、次に示す値より切削抵抗並びに工具摩耗性を評価した。
切削抵抗：ｔ₁／ｔＡｌ
工具磨耗性：ｔＡｌ³⁰／ｔＡｌ
ｔ₁：試験片１回目穿孔時の穿孔所要時間
ｔＡｌ：試験片穿孔前のＡｌ板穿孔所要時間
ｔＡｌ³⁰：試験片３０回目穿孔後の、Al板穿孔所要時間
尚、切削抵抗及び工具磨耗性は共に値が小さいもの程良好である。
【００２２】
実施例２〜４、比較例１〜５
表１、表２の配合に従い、実施例１と同様にしてエポキシ樹脂組成物を得て、
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１以外で使用した成分について、下記に示す。
【００２３】
式（２）に示すエポキシ樹脂：軟化点５２℃、エポキシ当量２３７
【化７】

【００２４】
式（３）に示すエポキシ樹脂：軟化点８０℃、エポキシ当量２７０
【化８】

【００２５】
式（４）に示すエポキシ樹脂：軟化点６１℃、エポキシ当量２４６
【化９】

【００２６】
ビフェニル型エポキシ樹脂：ジャパンエポキシレジン（株）・製ＹＸ−４０００、融点１０５℃、エポキシ当量１９５
フェノールノボラック樹脂：軟化点８０℃、水酸基当量１０４
【００２７】
式（５）に示すフェノール樹脂：軟化点７２℃、水酸基当量２００
【化１０】

【００２８】
式（７）に示すフェノール樹脂：軟化点９０℃、水酸基当量２３０
【化１１】

【００２９】
式（８）に示すフェノール樹脂、軟化点７２℃、水酸基当量１８３
【化１２】

【００３０】
水酸化アルミニウム２：高耐熱タイプで平均粒径１μｍ、結晶水含有量３４％
水酸化マグネシウム：平均粒径２μｍ、結晶水含有量３１％
金属水酸化物個溶体：Ｍｇ_0.8Ｚｎ_0.2（ＯＨ）₂で示す組成のもの、平均粒径１μｍ、結晶水含有量２７％
未焼成クレー：ＳｉＯ2・Ｈ2Ｏで示す組成のもの、平均粒径２μｍ、結晶水含有量１３％
硼酸亜鉛：２ＺｎＯ・３Ｂ₂Ｏ₃・３．５Ｈ₂Ｏで示す組成のもの、平均粒径５μｍ、結晶水含有量１４％
トリフェニルホスフィン
尚、結晶水含有量はＴＧ／ＤＴＡ分析装置で、２５℃〜７００℃まで５℃／分で昇温した時の、重量減少値で表した。
【００３１】
【表１】

【００３２】
【表２】

【００３３】
【発明の効果】
本発明の半導体装置は、一括封止した後に成形品をカットして個片化することが容易で、刃の磨耗も少なく、生産性に優れ、産業上有用である。

Claims

金属フレームを有する半導体素子を一括封止した後に、成形品をカットして個片化するＭＡＰ方式の半導体装置に用いるエポキシ樹脂組成物であって、（Ａ）式（１）〜式（４）に示すエポキシ樹脂のみからなり、かつ式（１）〜式（４）に示すエポキシ樹脂を少なくとも１種以上含むエポキシ樹脂、（Ｂ）式（５）〜式（８）に示すフェノール樹脂を少なくとも１種以上、（Ｃ）硬化促進剤、（Ｄ）結晶水を２０重量％以上含有する、水酸化アルミニウム、水酸化マグネシウムから選ばれる少なくとも１種以上の金属水酸化物、及び／または結晶水を２０重量％以上含有する、Ｍｇ_０．８Ｚｎ_０．２（ＯＨ）_２で示される組成の金属水酸化物固溶体を全組成物中に０．５重量％以上、３０重量％以下、（Ｅ）溶融破砕シリカ、溶融球状シリカ、結晶シリカ、２次凝集シリカ、アルミナ、チタンホワイトから選ばれる少なくとも１種以上のその他の無機充填材を必須成分とするエポキシ樹脂組成物。
請求項１に示すエポキシ樹脂組成物を用いて金属フレームを有する半導体素子を封止した後に、成形品をカットして個片化することを特徴とする半導体装置。