JP4238431B2

JP4238431B2 - エポキシ樹脂組成物及び半導体装置

Info

Publication number: JP4238431B2
Application number: JP27168999A
Authority: JP
Inventors: 尚子豊澤
Original assignee: Sumitomo Bakelite Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Bakelite Co Ltd
Priority date: 1999-09-27
Filing date: 1999-09-27
Publication date: 2009-03-18
Anticipated expiration: 2019-09-27
Also published as: JP2001089551A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流動性、耐半田クラック性に優れ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等の半導体素子の封止方法としてエポキシ樹脂組成物のトランスファー成形による方法が低コスト、大量生産に適した方法として採用されて久しく、信頼性もエポキシ樹脂や硬化剤であるフェノール樹脂の改良により向上が図られてきた。
しかし、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、半導体の高集積化も年々進み、又半導体装置の表面実装化が促進されるなかで、半導体封止用エポキシ樹脂組成物への要求は益々厳しいものとなってきている。このため、従来からのエポキシ樹脂組成物では解決できない問題点も出てきている。その最大の問題点は、半導体装置の表面実装の採用により半導体装置が半田浸漬、或いはリフロー工程で急激に２００℃以上の高温にさらされ、半導体装置が吸湿した水分が爆発的に気化する際の応力により、半導体装置が割れたり、半導体素子、リードフレーム、インナーリード上の各種メッキされた接合部分との各界面で、剥離が生じ信頼性が著しく低下する現象である。
更に、近年半導体装置の薄型化に伴い、半導体装置中に占める樹脂組成物の硬化物の厚みが一段と薄くなってきており、６４Ｍ、２５６ＭＤＲＡＭ用の半導体装置は、１ｍｍ厚のＴＳＯＰが主流となりつつある。これら薄型半導体装置には、樹脂組成物の成形時のパッケージ充填性が良好で、金線変形が少なく、半導体素子やリードフレームの変形（チップシフトやダイパッドシフトと呼ぶ）がないことが要求され、そのため樹脂組成物には、成形時の流動性に優れることが必要である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、この様な問題点に対してエポキシ樹脂として一般式（１）で示されるエポキシ樹脂と一般式（２）で示されるフェノール樹脂を用いることにより、流動性に優れ、半導体素子、リードフレーム等の各種部材との接着性の向上、硬化物の高温時における低弾性率化による低応力化により、基板実装時における半導体装置の耐半田クラック性を著しく向上させ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を提供するものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、（Ａ）一般式（１）で示されるエポキシ樹脂、（Ｂ）一般式（２）で示されるフェノール樹脂、（Ｃ）無機充填材、及び（Ｄ）硬化促進剤を必須成分とする半導体封止用エポキシ樹脂組成物及びこれを用いて半導体素子を封止してなる半導体装置である。
【化４】

（式中のＲ₁、Ｒ₂は、炭素数１〜４のアルキル基の中から選択される同一もしくは異なる基、ａは０〜３の整数、ｂは０〜４の整数、ｎは平均値で、ｎ＝０〜１０の正数）
【０００５】
【化５】

（式中のＲ₁、Ｒ₂は、炭素数１〜４のアルキル基の中から選択される同一もしくは異なる基、ａは０〜３の整数、ｂは０〜４の整数、ｍ、ｎは平均値で、いずれもｍ、ｎ＝１〜１０の正数）
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明に用いられる一般式（１）で示されるエポキシ樹脂は、例えばビス（メトキシメチル）ベンゼンとフェノール類をフリーデル・クラフツ・アルキル化反応により重合させたフェノール樹脂をグリシジルエーテル化したもので、従来のオクソクレゾールノボラック型エポキシ樹脂に比べ、これを用いた硬化物はガラス転移温度を越えた高温時での弾性率が低く、リードフレーム等の金属類との接着性に優れる。従って表面実装の半田付け時における熱ストレスを低減させることができ、耐半田クラック性に優れている。
式中のＲ₁、Ｒ₂は、炭素数１〜４のアルキル基の中から選択される同一もしくは異なる基、ａは０〜３の整数、ｂは０〜４の整数、ｎは平均値、ｎ＝０〜１０の正数で、これらの中では、硬化性の点からａ及びｂは０のものが好ましい。又炭素数が４を越えると、硬化性が更に低下する傾向にある。ｎは０〜１０であるが、１０を越えると流動性が劣る傾向にある。
一般式（１）で示されるエポキシ樹脂は、１５０℃におけるＩＣＩ粘度計（コーン＆プレート）により測定される溶融粘度が０．１〜２．５ポイズであることが望ましい。これは半導体封止用エポキシ樹脂組成物としての無機充填材量を７５〜９３重量％にする場合、２．５ポイズを越えると溶融時の流動性が低下することによる。
【０００７】
一般式（１）で示されるエポキシ樹脂は、その特性が損なわれない範囲で他のエポキシ樹脂と併用してもかまわないが、このエポキシ樹脂の配合量を調節することにより、耐半田クラック性を最大限に引き出すことができる。耐半田クラック性の効果を引き出すためには、一般式（１）で示されるエポキシ樹脂を総エポキシ樹脂量に対して３０重量％以上、好ましくは５０重量％以上の使用が望ましい。３０重量％未満だと高温時の低弾性化及び接着性が十分に得られず、耐半田クラック性が不十分となるおそれがある。
一般式（１）で示されるエポキシ樹脂以外の他のエポキシ樹脂を併用する場合、用いるエポキシ樹脂としては、分子内にエポキシ基を有するモノマー、オリゴマー、ポリマー全般を指す。例えば、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、フェノールノボラック型エポキシ樹脂、オルソクレゾールノボラック型エポキシ樹脂、ナフトールノボラック型エポキシ樹脂、トリフェノールメタン型エポキシ樹脂、ジシクロペンタジエン変性フェノール型エポキシ樹脂、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、スチルベン型エポキシ樹脂、ビスフェノールＦ型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。
【０００８】
本発明に用いられる一般式（２）で示されるフェノール樹脂は、例えばビス（メトキシメチル）ビフェニル及びビス（メトキシメチル）ベンゼンとフェノール類をフリーデル・クラフツ・アルキル化反応により重合させて得られる。
一般式（２）で示されるフェノール樹脂を用いた樹脂組成物の硬化物は、ガラス転移温度を越えた高温域での弾性率が低く、低吸湿性であるため表面実装の半田付け時における熱ストレスを低減させることができ耐半田クラック性、半田処理後の基材との密着性に優れた特徴を有している。この樹脂は、一般式（４）のジフェニレン骨格のみを含むフェノールアラルキル樹脂に比べ、樹脂組成物の硬化性が向上し成形性に優れている。又、一般式（５）のフェニレン骨格のみを含むフェノールアラルキル樹脂に比べ、樹脂組成物の硬化物は低吸湿性、熱時低弾性の特徴を有し、接着強度、耐湿信頼性に優れている。又、一般式（４）のジフェニレン骨格を含むフェノールアラルキル樹脂と一般式（５）のフェニレン骨格を含むフェノールアラルキル樹脂を単に混合した場合は、硬化性の高い一般式（５）のフェノールアラルキル樹脂が硬化網目構造を先に形成し、硬化性の低い一般式（４）のフェノールアラルキル樹脂が硬化時に取り残されるため、成形品表面と金型との界面に一般式（４）のフェノールアラルキル樹脂がブリードし、金型や成形品表面に汚れを発生したり、硬化網目構造が不均一なため曲げ強度等の機械的特性が低下する。これに対し１分子中にジフェニレン構造とフェニレン構造の両者を有する一般式（２）で示されるフェノール樹脂は、両方の樹脂の特徴をバランス良く有しており、均一な硬化挙動と均一な硬化物構造を形成する。
【０００９】
【化６】

【００１０】
【化７】

一般式（２）中のＲ₁、Ｒ₂は、炭素数１〜４のアルキル基の中から選択される同一もしくは異なる基、ａは０〜３の整数、ｂは０〜４の整数、ｍ、ｎは平均値で、いずれもｍ、ｎ＝１〜１０の正数である。いずれかかが１０を越えると流動性が劣り好ましくない。より好ましいｍ、ｎは１〜５である。
ｍとｎの合計に対するｍの割合は、０．１〜０．９が好ましい。０．１未満だと高温時の弾性率の低下が小さくなり、硬化性が悪く、０．９を越えると硬化性が悪くなる傾向にある。更に、一般式（２）の内では、硬化性、流動性、高温時の弾性率等のバランスから式（３）で示される樹脂が好ましい。
【００１１】
【化８】

一般式（２）で示されるフェノール樹脂の１５０℃での溶融粘度としては、０．１〜１．５ポイズが好ましい。１．５ポイズを越えると、溶融時の流動性が低下することによる。本発明のフェノール樹脂の１５０℃での溶融粘度は、前記のエポキシ樹脂と同様にＩＣＩ粘度計（コーン＆プレート型）を用いて測定したものである。
一般式（２）で示されるフェノール樹脂は、その特性が損なわれない範囲で他のフェノール樹脂と併用してもかまわないが、このフェノール樹脂の配合量を調節することにより、耐半田クラック性を最大限に引き出すことができる。耐半田クラック性の効果を引き出すためには、一般式（２）で示されるフェノール樹脂を総フェノール樹脂量に対して３０重量％以上、好ましくは５０重量％以上の使用が望ましい。３０重量％未満だと高温時の低弾性化及び接着性が十分に得られず、耐半田クラック性が不十分となるおそれがある。
併用するフェノール樹脂としては、分子内にフェノール性水酸基を有するモノマー、オリゴマー、ポリマー全般を指し、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。又、これらのフェノール樹脂は、単独もしくは混合して用いても差し支えない。
【００１２】
本発明に用いられる無機充填材としては、溶融シリカ、結晶シリカ、アルミナ、窒化珪素等が挙げられ、これらは単独でも混合して用いても良い。特に、溶融シリカを高充填化するためには、球状溶融シリカを用い、このシリカの粒度分布を広くすることにより成形時の樹脂組成物の溶融粘度を低減できるので好ましい。又無機充填材は、予めシランカップリング剤で表面処理されているものを用いても良い。
本発明に用いられる無機充填材の配合量としては、全エポキシ樹脂組成物中７５〜９３重量％が好ましい。７５重量％未満だと、成形して得られた半導体装置の吸湿量が増加し、半田処理温度での強度が低下し、半田処理時に半導体装置にクラックが発生し易くなり好ましくない。一方、９３重量％を越えると、樹脂組成物の成形時の流動性が低下し、未充填やチップシフト、パッドシフトが発生し易くなり好ましくない。
【００１３】
本発明に用いられる硬化促進剤は、エポキシ樹脂とフェノール樹脂との架橋反応の触媒であり、具体例としては、トリブチルアミン、１，８−ジアザビシクロ（５，４，０）ウンデセン−７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。これらは単独でも混合して用いても差し支えない。
【００１４】
本発明の樹脂組成物は、（Ａ）〜（Ｄ）成分の他、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、ポリシロキサン化合物に代表される低応力剤、カップリング剤、カーボンブラックに代表される着色剤が適宜配合可能である。成形材料とするには、全成分を混合後、加熱ニーダや熱ロールを用いて加熱混練し、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の成形方法で硬化成形すればよい。
【００１５】
【実施例】
以下、本発明を実施例で具体的に説明する。
実施例１
式（６）で示されるエポキシ樹脂（軟化点５０℃、エポキシ当量２４０、溶融粘度２．０ポイズ／１５０℃）６．２重量部
【化９】

【００１６】

【化１０】

【００１７】
球状溶融シリカ粉末８８．０重量部
トリフェニルホスフィン０．２重量部
カーボンブラック０．３重量部
カルナバワックス０．５重量部
の各成分をミキサーを用いて混合した後、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した。結果を表１に示す。
【００１８】
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７０ｋｇ／ｃｍ²、硬化時間２分で測定した。
チップシフト量：３２ピンのリードオンチップ構造のＴＳＯＰ［パッケージサイズは、１０×２１ｍｍ、厚み１．０ｍｍ、シリコンチップのサイズは、９×１８ｍｍ、リードフレームは鉄／ニッケル合金（４２アロイ）製、チップとインナーリード間は厚み１００μｍのポリイミドテープで接着されている］を１７５℃の金型温度、注入圧力７５ｋｇ／ｃｍ²で２分間トランスファー成形を行った。成形品を樹脂組成物の注入方向に沿ってパッケージ中心で切断し、断面を観察することでチップ両端のパッケージ成形品下面からの距離を求め、その差をチップシフト量としてμｍ単位で表示した。
熱時弾性率：２４０℃での弾性率をＪＩＳＫ６９１１に準じて測定した。単位はｋｇｆ／ｍｍ²。
硬化性：エポキシ樹脂組成物を金型温度１７５℃、硬化時間２分で成形し、型開き１０秒後のバコール硬度（Ｎｏ９３５）を測定した値。
耐半田クラック性：１００ピンＴＱＦＰパッケージ（パッケージサイズは１４×１４ｍｍ、厚み１．４ｍｍ、シリコンチップのサイズは、８．０×８．０ｍｍ、リードフレームは４２アロイ製）を１７５℃の金型温度、注入圧力７５ｋｇ／ｃｍ²で２分間トランスファー成形を行い、１７５℃で８時間の後硬化をした。成形品パッケージを８５℃、相対湿度８５％の環境下で１６８時間放置し、その後２４０℃の半田槽に１０秒間浸漬した。顕微鏡でパッケージを観察し、外部クラック［（クラック発生パッケージ数）／（全パッケージ数）×１００］を％で表示した。又、チップと樹脂組成物の硬化物との剥離面積の割合を超音波探傷装置を用いて測定し、剥離率［（剥離面積）／（チップ面積）×１００］を％で表示した。
金型汚れ：１００ピンＴＱＦＰパッケージを成形した金型で、エポキシ樹脂組成物を上記条件で連続１００回成形し、成形後の金型の表面を目視で観察した。金型表面に変色が認められた場合を×、変化がなかった場合に○で表示した。
【００１９】
実施例２〜６、比較例１〜５
実施例１の配合に代えて、表１、表２に示す割合で各成分を配合し、実施例１と同様にして樹脂組成物を得た。実施例１と同様に評価した結果を表１、表２に示す。
なお、実施例、及び比較例で用いた材料を以下に示す。
オルソクレゾールノボラック型エポキシ樹脂（軟化点５８℃、エポキシ当量２００）
式（３）で示されるフェノール樹脂Ｂ（軟化点７２℃、水酸基当量１９６、溶融粘度０．８ポイズ／１５０℃、ｍ：ｎ＝７７：２３）
フェノールノボラック樹脂（軟化点６５℃、水酸基当量１０５）
式（７）で示されるフェノール樹脂Ｃ（軟化点７７℃、水酸基当量１９９）
式（８）で示されるフェノール樹脂Ｄ（軟化点７９℃、水酸基当量１７５）
【化１１】

【００２０】
【化１２】

【００２１】
【表１】

【００２２】
【表２】

【００２３】
【発明の効果】
本発明のエポキシ樹脂組成物は、流動性に優れ、リードフレーム及び半導体素子との接着性、高温時の低応力化により、これを用いた半導体装置は耐半田クラック性に優ている。

Claims

（Ａ）一般式（１）で示されるエポキシ樹脂、（Ｂ）一般式（２）で示されるフェノール樹脂、（Ｃ）無機充填材、及び（Ｄ）硬化促進剤を必須成分とすることを特徴とする半導体封止用エポキシ樹脂組成物。

（式中のＲ₁、Ｒ₂は、炭素数１〜４のアルキル基の中から選択される同一もしくは異なる基、ａは０〜３の整数、ｂは０〜４の整数、ｎは平均値で、ｎ＝０〜１０の正数）

（式中のＲ₁、Ｒ₂は、炭素数１〜４のアルキル基の中から選択される同一もしくは異なる基、ａは０〜３の整数、ｂは０〜４の整数、ｍ、ｎは平均値で、いずれもｍ、ｎ＝１〜１０の正数）
一般式（２）で示されるフェノール樹脂が、式（３）である請求項１記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成物。

（ｍ、ｎは平均値で、いずれもｍ、ｎ＝１〜１０の正数）
一般式（１）で示されるエポキシ樹脂の１５０℃における溶融粘度が０．１〜２．５ポイズである請求項１又は２記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成物。
一般式（２）で示されるフェノール樹脂の１５０℃における溶融粘度が０．１〜１．５ポイズである請求項１、２又は３記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成物。
請求項１〜４のいずれかのエポキシ樹脂組成物で半導体素子を封止してなることを特徴とする半導体装置。