JP4329233B2

JP4329233B2 - 封止用エポキシ樹脂組成物及び半導体装置

Info

Publication number: JP4329233B2
Application number: JP2000186694A
Authority: JP
Inventors: 弘志杉山; 貴志外山; 正志中村; 隆行辻
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2000-06-21
Filing date: 2000-06-21
Publication date: 2009-09-09
Anticipated expiration: 2020-06-21
Also published as: JP2002003578A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体素子等の封止に使用される封止用エポキシ樹脂組成物と、これを用いて封止した半導体装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＩＣ等の半導体素子のパッケージ分野において小型薄型化が進む中、リード端子数の増加に対応するために、ＳＯＰ、ＱＦＰに代表される周辺実装パッケージから、ＢＧＡ（ボールグリッドアレイ）を代表とするエリア実装パッケージに主流が移り変わりつつある。現状のＢＧＡパッケージの形状は、半導体チップと端子までの接続方法により様々な構造のものが見られるが、その中で主流となっているのが、半導体チップとＰＣ基板を金ワイヤーで接続したタイプであり、半導体チップ搭載面のみをエポキシ樹脂組成物でトランスファー成形（片面封止）を行った後、ＰＣ基板の裏面にはんだボールを載せたタイプである。
【０００３】
このような片面封止型のパッケージに関して従来から指摘されている問題点としては、その構造が封止樹脂（エポキシ樹脂組成物の硬化物）とベース基板が貼り合わされたバイメタル構造となっていて、成形完了後に常温まで冷却される過程において、それぞれの熱膨張係数の差異により、冷却時の収縮割合がアンバランスとなり、パッケージに反りが発生しやすいということが挙げられる。また、このような片面封止型パッケージについては、封止樹脂とベース基板の密着性が低いために、耐リフロー性が満足するレベルに達していないという問題点もあった。
【０００４】
そこで、封止用エポキシ樹脂組成物の成分としてトリフェニルメタン型のエポキシ樹脂を用いることによって、封止樹脂のガラス転移温度を成形温度より高くなるようにして、成形後の常温までの冷却での収縮率がベース基板のそれと同程度になるようにして、反りを低減する方法が検討されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、片面封止型のパッケージを製造する際に、上記のトリフェニルメタン型のエポキシ樹脂を用いる方法によれば、パッケージの反りについてはかなりの改善が達成されるが、ベース基板のさらなる薄型化に伴い、さらなる改善が求められている。また、パッケージの耐リフロー性の要求レベルも高くなってきていて、耐リフロー性についても、さらなる改善が求められている。
【０００６】
本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、反りが少なくて、且つ、耐リフロー性に優れる片面封止型のパッケージが得られる封止用エポキシ樹脂組成物を提供すること、及びその封止用エポキシ樹脂組成物を用いて封止された、反りが少なくて、且つ、耐リフロー性に優れる片面封止型半導体装置を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明の封止用エポキシ樹脂組成物は、エポキシ樹脂、硬化剤、無機充填材、硬化促進剤を含有する封止用エポキシ樹脂組成物において、エポキシ樹脂として下記式（１）、下記式（２）及び下記式（３）で示されるエポキシ樹脂の少なくとも何れかのエポキシ樹脂を含有し、硬化剤として、下記式（４）で示されるフェノールノボラック樹脂であって、２核体の含有比率が０〜１０重量％であるフェノールノボラック樹脂を含有していることを特徴とする封止用エポキシ樹脂組成物である。
【０００８】
【化５】

【０００９】
【化６】

【００１０】
【化７】

【００１１】
【化８】

【００１２】
請求項２に係る発明の封止用エポキシ樹脂組成物は、式（１）で示されるエポキシ樹脂を、封止用エポキシ樹脂組成物に含有するエポキシ樹脂全量中に４５〜１００重量％の割合で含有している請求項１記載の封止用エポキシ樹脂組成物である。
【００１３】
請求項３に係る発明の封止用エポキシ樹脂組成物は、式（２）で示されるエポキシ樹脂を、封止用エポキシ樹脂組成物に含有するエポキシ樹脂全量中に４５〜１００重量％の割合で含有している請求項１記載の封止用エポキシ樹脂組成物である。
【００１４】
請求項４に係る発明の封止用エポキシ樹脂組成物は、式（３）で示されるエポキシ樹脂を、封止用エポキシ樹脂組成物に含有するエポキシ樹脂全量中に４５〜１００重量％の割合で含有している請求項１記載の封止用エポキシ樹脂組成物である。
【００１５】
請求項５に係る発明の封止用エポキシ樹脂組成物は、硬化促進剤として、テトラフェニルホスホニウム・テトラフェニルボレートとフェノールノボラック樹脂との反応物を含有している請求項１乃至請求項４の何れかに記載の封止用エポキシ樹脂組成物である。なお、テトラフェニルホスホニウム・テトラフェニルボレートの構造式は下記式（５）で表される。
【００１６】
【化９】

【００１７】
請求項６に係る発明の封止用エポキシ樹脂組成物は、封止用エポキシ樹脂組成物を硬化して、得られる硬化物の成形収縮率が−０．１０〜０．１０％である請求項１乃至請求項５の何れかに記載の封止用エポキシ樹脂組成物である。
【００１８】
請求項７に係る発明の半導体装置は、請求項１乃至請求項６の何れかに記載の封止用エポキシ樹脂組成物を用いて封止されてなる片面封止型半導体装置である。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
【００２０】
（封止用エポキシ樹脂組成物）
本発明の封止用エポキシ樹脂組成物は、半導体素子等の封止に使用されるものであって、エポキシ樹脂、硬化剤、無機充填材及び硬化促進剤を含有して調製されるものである。
【００２１】
本発明に用いるエポキシ樹脂としては、式（１）、式（２）及び式（３）で示されるエポキシ樹脂の少なくとも何れかのエポキシ樹脂を含有していて、このことは、片面封止型のパッケージの反りの改良及び耐リフロー性の改善に有効である。本発明では、エポキシ樹脂として、式（１）、式（２）又は式（３）で示されるエポキシ樹脂以外に、Ｏ−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、ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂、ビスフェノール型エポキシ樹脂等を併用することができる。また、含有量については、式（１）、式（２）及び式（３）で示されるエポキシ樹脂の少なくとも何れかのエポキシ樹脂を、エポキシ樹脂全量中に２０〜１００重量％の割合で含有していることが好ましく、更に好ましくは４５〜１００重量％の割合で含有していることである。
【００２２】
本発明に用いる硬化剤としては、上記式（４）で示されるフェノールノボラック樹脂であって、２核体の含有比率が０〜１０重量％であるフェノールノボラック樹脂を必須成分として使用する。なお、式（４）でｍが０の場合に２核体となる。この２核体の含有比率が０〜１０重量％であるフェノールノボラック樹脂を用いることは、片面封止型のパッケージの反りの改良及び耐リフロー性の改善に有効である。そして、式（４）で示されるフェノールノボラック樹脂以外の硬化剤として、例えば、ナフタレン骨格含有フェノール樹脂、ジシクロペンタジエン型フェノール樹脂、フェノールアラルキル樹脂等を併用することができる。また、式（４）で示されるフェノールノボラック樹脂であって、２核体の含有比率が０〜１０重量％であるフェノールノボラック樹脂の配合量は、硬化剤全量に対して、２０〜１００重量％の範囲が好ましく、更に好ましくは５０〜１００重量％である。
【００２３】
本発明に用いる無機充填材としては、一般的に封止材に使用可能な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、アルミナ、窒化珪素、窒化アルミ等の粉末を使用することができるが、これらのなかでも溶融シリカが好ましい。この無機充填材の含有量は、エポキシ樹脂組成物全体に対し、８０〜９３重量％であることが、片面封止型のパッケージの反りの改良を達成するには好ましい。また、本発明では、無機充填材と共にシランカップリング剤を使用することが耐リフロー性を向上するのに好ましい。
【００２４】
本発明に用いる硬化促進剤としては、テトラフェニルホスホニウム・テトラフェニルボレートとフェノールノボラック樹脂との反応物を用いることが、片面封止型のパッケージの反り改善に有効であるので好ましい。この反応物は、テトラフェニルホスホニウム・テトラフェニルボレート単独のものより硬化促進剤としての活性が大幅に上がり、封止用エポキシ樹脂組成物の硬化促進剤として好適な材料である。この場合、テトラフェニルホスホニウム・テトラフェニルボレートをフェノールノボラック樹脂と単に混合するのではなく、反応させることが重要であり、その反応条件は１５０〜２００℃程度の温度で、テトラフェニルホスホニウム・テトラフェニルボレートとフェノールノボラック樹脂を攪拌し、攪拌初期に白濁しているものが均一透明になるまで攪拌して反応物を得るようにする。反応させるときの、テトラフェニルホスホニウム・テトラフェニルボレートとフェノールノボラック樹脂の配合比率は、特に限定するものではないが、フェノールノボラック樹脂１００重量部に対して、テトラフェニルホスホニウム・テトラフェニルボレートが５〜４０重量部程度であることが好ましい。また、ここでいうフェノールノボラック樹脂とは、上記式（４）で示されるフェノールノボラック樹脂であり、２核体の含有割合については特に制限はないが、ｍ＝１の３核体が全体の４５重量％以上であって、ｍが３以上のもの（５核体以上のもの）が全体の４０重量以下であるものが、硬化促進剤としたときの、他の成分と均一混合性の点から好ましい。
【００２５】
また、上述のテトラフェニルホスホニウム・テトラフェニルボレートとフェノールノボラック樹脂との反応物以外に、一般的に封止材に使用可能な硬化促進剤を、本発明では使用することができる。例えば、イミダゾール類、トリフェニルホスフィン、トリメチルホスフィン等の有機リン化合物類、１，８−ジアザビシクロ（５，４，０）ウンデセン−７（ＤＢＵ）、トリエタノールアミン、ベンジルジメチルアミン等の３級アミン類等が挙げられる。そして、硬化促進剤の添加量については、エポキシ樹脂組成物全体に対し、０．０３〜２．０重量％の範囲内であることが好ましい。０．０３重量％未満ではゲル化時間が遅くなり、硬化時の剛性低下により作業性の低下をもたらすおそれがあり、２．０重量％を越えると成形途中で硬化が進み未充填となる不具合が発生しやすくなる。
【００２６】
本発明の封止用エポキシ樹脂組成物は、それを硬化して、得られる硬化物の成形収縮率が−０．１０〜０．１０％であることが、片面封止型のパッケージの反り低減を達成するためには望ましい。ここでいう成形収縮率は、ＪＩＳ規格Ｋ−６９１１の５．７（成形収縮率：成形材料）で規定される方法で測定される値であり、下限を−０．１０％と制限しているのは、−０．１０％よりさらにマイナス側の値になると、金型からの離脱が困難となり、上限を０．１０％としているのは、この値を超えると、パッケージの反りが増大する傾向にあるからである。
【００２７】
本発明の封止用エポキシ樹脂組成物には、上記のエポキシ樹脂、硬化剤、無機充填材、シランカップリング剤、硬化促進剤の他に、必要に応じて、リン系難燃剤、ブロム化合物、三酸化アンチモン等の難燃剤、離型剤、カーボンブラックや有機染料等の着色剤等を適宜配合することができる。
【００２８】
本発明の封止用エポキシ樹脂組成物は、前述した各成分をミキサー、ブレンダー等によって均一に混合した後、加熱ロール、ニーダー等によって混練することで製造することができる。成分の配合順序は特に制限はない。さらに、混練後に、冷却固化した後、粉砕してパウダー化したり、粉砕したものを打錠してタブレット化することも可能である。
【００２９】
（半導体装置）
このようにして得られた封止用エポキシ樹脂組成物を用いてトランスファー成形して、ベース基板に搭載した半導体素子を、半導体素子搭載面側の片面から封止して片面封止型のパッケージ（ＢＧＡ等）の中間製品を製造することができる。さらに、この中間製品の半導体素子搭載面と反対側の面に、はんだボールを載せて半導体装置であるＢＧＡを製造することができる。前記ベース基板としては、ガラス基材ビスマレイミド系樹脂基板、ガラス基材エポキシ樹脂基板等の樹脂基板からなるプリント配線基板を使用することができる。
【００３０】
【実施例】
以下に、本発明の実施例と、本発明の範囲を外れた比較例とを示すが、本発明は下記実施例に限定されない。
【００３１】
実施例、比較例で使用した各成分の材料は以下のとおりである。
【００３２】
エポキシ樹脂としては、オルソクレゾールノボラック型エポキシ樹脂（住友化学工業(株）製、品番ＥＳＣＮ１９５ＸＬ）、トリフェニルメタン型エポキシ樹脂（日本化薬（株）製、品番ＥＰＰＮ５０１ＨＹ）、式（１）で示されるエポキシ樹脂（三井化学(株）製、品番ＶＧ３１０１Ｌ)、式（２）で示されるエポキシ樹脂（住友化学工業(株）製、品番ＥＳＬＶ２１０）、式（３）で示されるエポキシ樹脂（新日鉄化学(株）製、品番ＥＳＬＶ８０ＸＹ)を用いた。
【００３３】
硬化剤としては、前記式（４）で示されるフェノールノボラック樹脂であって、２核体の含有比率が１５重量％であるフェノールノボラック樹脂（明和化成（株）製、品番Ｈ−１）、前記式（４）で示されるフェノールノボラック樹脂であって、２核体の含有比率が４重量％であるフェノールノボラック樹脂（明和化成（株）製、品番ＤＬ−９２）を使用した。また、難燃剤として作用する臭素化ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂も併用した。
【００３４】
硬化促進剤としては、トリフェニルホスフィン（ＴＰＰと略す。）又はテトラフェニルホスホニウム・テトラフェニルボレートとフェノールノボラック樹脂との反応物（ＴＰＰＫ−Ａと略す。）を使用した。使用したＴＰＰＫ−Ａは、テトラフェニルホスホニウム・テトラフェニルボレート２５重量部と、３核体の含有比率が６９．７重量％、５核体以上の含有比率が４．６重量％であるフェノールノボラック樹脂７５重量部を、窒素雰囲気下１７０〜１８０℃で、２時間加熱攪拌して均一透明溶融物とし、その後冷却、粉砕して得たものを使用した。また、離型剤としてはカルナバワックスを使用し、難燃剤として、上記の臭素化ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂と共に三酸化アンチモンを使用した。
【００３５】
無機充填材としては、球状の溶融シリカ（平均粒径１５μｍ）を用いた。また、カップリング剤としてはγ−グリシドキシプロピルトリエトキシシランを使用し、着色剤として、カーボンブラックを使用した。
【００３６】
（実施例１〜８及び比較例１〜５）
各成分を表１〜表２に示す配合量（重量部）で配合し、ミキサーで十分混合した後、加熱ロールで約５分間混練を行い、冷却固化し、粉砕機で粉砕して封止用エポキシ樹脂組成物を得た。
【００３７】
得られた封止用エポキシ樹脂組成物について、硬化物の成形収縮率を測定し、表１、表２にその結果を記載した。なお、成形収縮率は、ＪＩＳ規格Ｋ−６９１１の５．７（成形収縮率：成形材料）で規定される方法で測定した（成形条件は温度１７５℃、成形時間１２０秒、アフターキュアー条件は温度１７５℃、時間６時間）。
【００３８】
また、各実施例及び各比較例の封止用エポキシ樹脂組成物を用いて次のようにしてＢＧＡパッケージとしての性能評価のための評価用パッケージを作製した。
【００３９】
評価用パッケージの作製：その上面に評価用ＴＥＧチップ（サイズ：７．６mm×７．６mm×０．３５mm）を搭載したガラス基材ビスマレイミドトリアジン樹脂基板（サイズ：３５mm×３５mm×０．４mm）のチップ搭載面側の片面から封止成形（トランスファ成形）して、図１に断面図が、図２に平面図が示される評価用パッケージ１を得た。図１、図２において、２は樹脂基板、３は評価用ＴＥＧチップ、４は封止樹脂を示していて、この封止樹脂厚みは０．８mmである。成形条件は、１７０℃で１２０秒とし、アフターキュアーを１７５℃で６時間の条件で行った。
【００４０】
そして、各実施例及び各比較例の封止用エポキシ樹脂組成物及びその成形体の物性評価を以下のようにして行い、その結果を表１、表２に記載した。
【００４１】
耐リフロー性：前記の評価用パッケージを用いて、１２５℃で２４時間の前乾燥処理を行った後、３０℃、７０％ＲＨの条件に設定した恒温恒湿機中で１６８時間の吸湿処理を行い、その後にリフロー処理（２４５℃ピークの熱風併用式遠赤外線式リフロー炉で処理）を行った。このリフロー処理後の評価用パッケージについて、超音波顕微鏡（（株）キャノン製Ｍ−７００II）で内部の観察を行い、封止樹脂とチップ表面の界面（チップ面と表１、２では表示）、及び封止樹脂と樹脂基板の界面（基板界面と表１、２では表示）における剥離発生の有無を調べた。なお、各実施例及び各比較例について、それぞれ１０個の評価用パッケージを用いて評価した。
【００４２】
パッケージ反り：
サイズが５０mm×１４０mmであって、厚みが０．５mmと０．２mmの２種類のＦＲ５グレードのガラス基材エポキシ樹脂基板の一方の表面に、サイズ：４mm×４mm×０．３mmの半導体チップをマトリックス状に搭載し（チップピッチ１０mm）、チップ搭載面側の片面から、実施例又は比較例の封止用エポキシ樹脂組成物を用いて、封止成形（トランスファ成形）して、反り評価用サンプルを作製した。なお、封止樹脂厚みは０．８mmであり、成形条件は、１７０℃で１２０秒とし、アフターキュアーを１７５℃で６時間の条件で行った。
【００４３】
上記で得た反り評価用サンプルについて、測定顕微鏡を用い、Ｚ座標測定値の最大値を反り量（単位mm）とした。すなわち、図３に示すように、反り評価用サンプルを静置したときの、最大持ちあがり量をパッケージ反り（単位mm）とした。
【００４４】
【表１】

【００４５】
【表２】

【００４６】
表１、表２にみるように、実施例１〜実施例８の封止用エポキシ樹脂組成物で封止した場合には、パッケージ反りが小さく、且つ耐リフロー性が優れていることが確認された。
【００４７】
特に、成形収縮率が０．１０％以下の実施例３〜実施例８では、パッケージ反りがより小さくなっていることが確認された。
【００４８】
【発明の効果】
以上、説明したように請求項１〜６に係る発明の封止用エポキシ樹脂組成物を用いて片面封止型のパッケージを封止すれば、反りが少なくて、耐リフロー性に優れる片面封止型のパッケージが得られる。
【００４９】
請求項６に係る発明の封止用エポキシ樹脂組成物を用いて片面封止型のパッケージを封止すれば、上記の効果に加えて、片面封止型のパッケージの反りがより改善されるという効果を奏する。
【００５０】
請求項７に係る発明の半導体装置は、請求項１から請求項６までのいずれかに記載のエポキシ樹脂組成物を用いているので、パッケージ反りが少なくて、且つ、耐リフロー性に優れる片面封止型半導体装置となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】評価用パッケージの構造を説明するための断面図である。
【図２】同上の平面図である。
【図３】パッケージ反りの測定方法を説明するための断面図である。
【符号の説明】
１評価用パッケージ
２樹脂基板
３評価用ＴＥＧチップ
４封止樹脂

Claims

エポキシ樹脂、硬化剤、無機充填材、硬化促進剤を含有する封止用エポキシ樹脂組成物において、エポキシ樹脂として下記式（１）、下記式（２）及び下記式（３）で示されるエポキシ樹脂の少なくとも何れかのエポキシ樹脂を含有し、硬化剤として、下記式（４）で示されるフェノールノボラック樹脂であって、２核体の含有比率が０〜１０重量％であるフェノールノボラック樹脂を含有していることを特徴とする封止用エポキシ樹脂組成物。
式（１）で示されるエポキシ樹脂を、封止用エポキシ樹脂組成物に含有するエポキシ樹脂全量中に４５〜１００重量％の割合で含有している請求項１記載の封止用エポキシ樹脂組成物。
式（２）で示されるエポキシ樹脂を、封止用エポキシ樹脂組成物に含有するエポキシ樹脂全量中に４５〜１００重量％の割合で含有している請求項１記載の封止用エポキシ樹脂組成物。
式（３）で示されるエポキシ樹脂を、封止用エポキシ樹脂組成物に含有するエポキシ樹脂全量中に４５〜１００重量％の割合で含有している請求項１記載の封止用エポキシ樹脂組成物。
硬化促進剤として、テトラフェニルホスホニウム・テトラフェニルボレートとフェノールノボラック樹脂との反応物を含有している請求項１乃至請求項４の何れかに記載の封止用エポキシ樹脂組成物。
封止用エポキシ樹脂組成物を硬化して、得られる硬化物の成形収縮率が−０．１０〜０．１０％である請求項１乃至請求項５の何れかに記載の封止用エポキシ樹脂組成物。
請求項１乃至請求項６の何れかに記載の封止用エポキシ樹脂組成物を用いて封止されてなる片面封止型半導体装置。