JP4421939B2 - 半導体封止用エポキシ樹脂組成物およびそれを用いた半導体装置 - Google Patents
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Description
本発明は、一般に、ボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）パッケージと呼ばれる片面封止タイプのパッケージにおいて、成形性に優れた半導体封止用エポキシ樹脂組成物およびそれを用いた半導体装置に関するものである。
トランジスタ、ＩＣ、ＬＳＩ等の半導体素子は、外部環境の保護の観点および半導体素子のハンドリングを可能にする観点から、プラスチックパッケージ等により封止され半導体装置化されている。最近では、半導体デバイスの薄型化や、また高密度実装に伴う要求として、ＢＧＡパッケージのような片面封止タイプのパッケージを薄く、また半導体素子を複数重ねた状態でパッケージ化するスタック化が強く要求されてきている。
このようなＢＧＡパッケージに用いられる流動性等に優れた封止材料として、例えば、下記の一般式（Ａ）で表される化合物を配合した封止材料を用いることが提案されている（特許文献１参照）。
しかしながら、上記スタック化されたような片面封止タイプのパッケージにおいて、半導体素子上の封止材料の流動速度と、半導体素子間の封止材料の流動速度とのバランスの乱れから巻き込みボイドが発生するという問題がある。
本発明は、このような事情に鑑みなされたもので、充填性および耐巻き込みボイド性に優れた半導体封止用エポキシ樹脂組成物およびそれを用いた半導体装置の提供をその目的とする。
上記目的を達成するため、本発明は、下記の（Ａ）〜（Ｃ）成分とともに無機質充填剤を含有する半導体封止用エポキシ樹脂組成物であって、上記無機質充填剤が下記の（Ｄ）成分からなる半導体封止用エポキシ樹脂組成物を第１の要旨とする。
（Ａ）下記の構造式（１）で表されるエポキシ樹脂および下記の構造式（２）で表されるエポキシ樹脂。
（Ｂ）下記の構造式（４）で表されるフェノール樹脂およびフェノールノボラック樹脂。
（Ｃ）硬化促進剤。
（Ｄ）下記の（ｄ１）成分を無機質充填剤全体の５〜５０重量％の範囲で含有する無機質充填剤。
（ｄ１）アクリル基またはメタクリル基を有するシランカップリング剤により表面処理されてなる平均粒径が０．５〜３μｍの球状無機質充填剤。
（Ａ）下記の構造式（１）で表されるエポキシ樹脂および下記の構造式（２）で表されるエポキシ樹脂。
（Ｄ）下記の（ｄ１）成分を無機質充填剤全体の５〜５０重量％の範囲で含有する無機質充填剤。
（ｄ１）アクリル基またはメタクリル基を有するシランカップリング剤により表面処理されてなる平均粒径が０．５〜３μｍの球状無機質充填剤。
そして、本発明は、上記半導体封止用エポキシ樹脂組成物を用いて半導体素子を樹脂封止してなる半導体装置を第２の要旨とする。
すなわち、本発明者らは、耐巻き込みボイド性に優れた、片面封止タイプのパッケージの樹脂封止に用いられるエポキシ樹脂組成物を得るべく一連の研究を重ねた。その結果、上記特定のシランカップリング剤を用いて表面処理してなる微細な球状無機質充填剤を特定量含有した無機質充填剤を用いると、無機質充填剤と樹脂成分の抵抗を低くすると推測されるため、封止材料の流動性バランスが向上し、巻き込みボイドの発生が抑制されることを見出し本発明に到達した。
このように、本発明は、前記特定のシランカップリング剤を用いて表面処理してなる微細な球状無機質充填剤（ｄ１）を特定量含有した無機質充填剤〔（Ｄ）成分〕を含有する半導体封止用エポキシ樹脂組成物である。このため、樹脂封止の際の流動速度のバランスが崩れることもなく、良好に樹脂封止が行われることから、巻き込みボイドの発生が抑制され、信頼性の高い半導体装置を得ることができる。したがって、本発明は、例えば、いわゆるＢＧＡパッケージと呼ばれる片面封止タイプのパッケージに関して信頼性の高いものが得られるようになる。
本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物は、エポキシ樹脂（Ａ成分）と、フェノール樹脂（Ｂ成分）と、硬化促進剤（Ｃ成分）と、特定の無機質充填剤（Ｄ成分）を用いて得られるものであって、通常、粉末状もしくはこれを打錠したタブレット状になっている。
上記エポキシ樹脂（Ａ成分）としては、下記に示す構造式（１），構造式（２）で表されるエポキシ樹脂が用いられる。
上記エポキシ樹脂（Ａ成分）とともに用いられるフェノール樹脂（Ｂ成分）は、上記エポキシ樹脂の硬化剤としての作用を奏するものであり、フェノールノボラック型、構造式（４）で表されるフェノール樹脂が用いられる。
上記エポキシ樹脂（Ａ成分）とフェノール樹脂（Ｂ成分）の配合割合は、エポキシ樹脂中のエポキシ基１当量あたり、フェノール樹脂中の水酸基当量が０．７〜１．５当量となるように配合することが好ましい。より好ましくは０．９〜１．２当量である。
上記Ａ成分およびＢ成分とともに用いられる硬化促進剤（Ｃ成分）としては、特に限定するものではなく従来公知の各種硬化促進剤があげられ、例えば、テトラフェニルホスホニウム・テトラフェニルボレートや、トリフェニルホスフィン等の有機リン系化合物、１，８−ジアザビシクロ（５，４，０）ウンデセン−７、１，５−ジアザビシクロ（４，３，０）ノネン−５等のジアザビシクロアルケン系化合物等があげられる。これらは単独でもしくは２種以上併せて用いられる。
上記硬化促進剤（Ｃ成分）の含有量は、上記フェノール樹脂（Ｂ成分）１００重量部（以下「部」と略す）に対して１〜２０部の範囲に設定することが好ましく、より好ましくは２〜１５部である。すなわち、１部未満では、目的とするエポキシ樹脂（Ａ成分）とフェノール樹脂（Ｂ成分）との硬化反応が進み難いため、充分な硬化性を得ることが困難となり、２０部を超えると、硬化反応が速過ぎて成形性を損なう傾向がみられるからである。
上記Ａ〜Ｃ成分とともに用いられる特定の無機質充填剤（Ｄ成分）は、特定のシランカップリング剤により表面処理されてなる平均粒径０．５〜３μｍの球状無機質充填剤（ｄ１）を一定の割合で含有してなるものである。
上記表面処理に用いられる特定のシランカップリング剤は、メタクリル基またはアクリル基を有するものであり、このような有機基を有することにより、無機質充填剤と有機成分の抵抗が下がるものと推察される。そして、上記特定のシランカップリング剤として、具体的には、下記に示す構造式（５），構造式（６），構造式（７），構造式（８）および構造式（９）で表される各シランカップリング剤があげられる。なかでも、巻き込みボイドを最も効果的に抑えるという観点から、下記の構造式（９）で表されるシランカップリング剤を用いることが好ましい。
上記表面処理される球状無機質充填剤としては、球状溶融シリカ粉末を用いることが好ましい。そして、その平均粒径は、０．５〜３μｍの範囲でなければならず、特に好ましくは０．６〜２．９μｍである。すなわち、０．５μｍ未満のように小さ過ぎると、シリカ比表面積が増大し、低流速時の粘度上昇を伴う。また、３μｍを超えて大きくなると、粘度の増大を伴うからである。
上記特定の球状無機質充填剤の表面をシランカップリング剤を用いて表面処理する方法としては、特に限定するものではなく、溶媒中で球状無機質充填剤とシランカップリング剤を混合することによる湿式処理や、気相中で球状無機質充填剤とシランカップリング剤を処理させる乾式処理等があげられる。
本発明では、上記特定のシランカップリング剤により表面処理されてなる平均粒径０．５〜３μｍの球状無機質充填剤（ｄ１）を無機質充填剤（Ｄ成分）全体の５〜５０重量％の範囲内で含有させる必要がある。特に好ましくは無機質充填剤（Ｄ成分）全体の５〜２０重量％である。すなわち、５重量％未満では、表面処理された球状無機質充填剤（ｄ１）の含有量が少な過ぎて、粘度が増大し、５０重量％を超えると、シリカ比表面積の増大に伴い、低流速時の粘度の増大を伴うからである。
上記特定のシランカップリング剤により表面処理されてなる平均粒径０．５〜３μｍの球状無機質充填剤（ｄ１）が一定量含有される無機質充填剤としては、特に限定するものではなく従来公知の各種充填剤が用いられる。例えば、石英ガラス粉末、タルク、シリカ粉末、アルミナ粉末、窒化アルミニウム、窒化珪素粉末等があげられる。これら無機質充填剤は、破砕状、球状、あるいは摩砕処理したもの等いずれのものでも使用可能である。なかでも、高充填、高流動性という点から、溶融シリカ粉末を用いることが好ましい。上記溶融シリカ粉末としては、球状溶融シリカ粉末、破砕溶融シリカ粉末があげられるが、流動性という観点から、球状溶融シリカ粉末を用いることが特に好ましい。そして、その平均粒径としては、５〜３０μｍの範囲が好ましく、特に好ましくは１０〜２０μｍである。なお、本発明において、平均粒径は、例えば、レーザー回折散乱式粒度分布測定装置を用いて測定することができる。
そして、上記特定の無機質充填剤（Ｄ成分）の含有量は、エポキシ樹脂組成物全体の５０〜９５重量％の範囲に設定することが好ましく、特に好ましくは７０〜９０重量％である。すなわち、５０重量％未満では、封止樹脂の吸湿量が増大し、かつ樹脂強度が低下するため、半導体パッケージのリフロー時にクラックや剥離が発生しやすくなる傾向がみられるからである。
なお、本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物には、上記Ａ〜Ｄ成分以外に必要に応じて、難燃剤、難燃助剤、離型剤、カーボンブラック等の顔料や着色料、γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン，γ−メルカプトプロピルトリメトキシシラン，γ−アミノエチルアミノプロピルトリメトキシシラン等のシランカップリング剤、低応力化剤等の他の添加剤を適宜配合することができる。
上記難燃剤としては、ノボラック型ブロム化エポキシ樹脂等のハロゲン系難燃剤があげられ、さらに上記難燃助剤としては、三酸化二アンチモンや五酸化二アンチモン等が用いられる。これらは単独でもしくは２種以上併せて用いられる。
上記離型剤としては、高級脂肪酸、高級脂肪酸エステル、高級脂肪酸カルシウム等の化合物があげられる。例えば、カルナバワックスやポリエチレン系ワックス等があげられ、これらは単独でもしくは２種以上併せて用いられる。
また、上記低応力化剤としては、アクリロニトリル−ブタジエンゴム等があげられる。
本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物は、例えば、つぎのようにして製造することができる。すなわち、上記Ａ〜Ｄ成分および必要に応じて他の添加剤を常法に準じて適宜配合した後、ミキシングロール機等の混練機にかけ加熱状態で溶融混練し、これを室温に冷却固化させる。その後、公知の手段によって粉砕し、必要に応じて打錠するという一連の工程により製造することができる。
このようなエポキシ樹脂組成物を用いての半導体素子の封止方法は、特に限定するものではなく、通常のトランスファー成形等の公知のモールド方法により行うことができ、半導体装置化することができる。
つぎに、実施例について比較例と併せて説明する。
まず、実施例に先立って下記に示す各成分を準備した。
〔エポキシ樹脂ａ〕
下記の構造式（ａ）で表されるエポキシ樹脂（エポキシ当量１７０、軟化点６９℃）
下記の構造式（ａ）で表されるエポキシ樹脂（エポキシ当量１７０、軟化点６９℃）
〔エポキシ樹脂ｂ〕
下記の構造式（ｂ）で表されるエポキシ樹脂（エポキシ当量１７７、融点１４１℃）
下記の構造式（ｂ）で表されるエポキシ樹脂（エポキシ当量１７７、融点１４１℃）
〔エポキシ樹脂ｃ〕
下記の構造式（ｃ）で表されるエポキシ樹脂（エポキシ当量１９５、融点１０７℃）
下記の構造式（ｃ）で表されるエポキシ樹脂（エポキシ当量１９５、融点１０７℃）
〔フェノール樹脂ａ〕
下記の構造式（ｄ）で表されるフェノール樹脂（水酸基当量２１０、軟化点７３℃）
下記の構造式（ｄ）で表されるフェノール樹脂（水酸基当量２１０、軟化点７３℃）
〔フェノール樹脂ｂ〕
下記の構造式（ｅ）で表されるフェノール樹脂（水酸基当量２２０、軟化点７７℃）
下記の構造式（ｅ）で表されるフェノール樹脂（水酸基当量２２０、軟化点７７℃）
〔フェノール樹脂ｃ〕
フェノールノボラック樹脂（水酸基当量１０７、軟化点６４℃）
フェノールノボラック樹脂（水酸基当量１０７、軟化点６４℃）
〔離型剤〕
カルナバワックス
カルナバワックス
〔硬化促進剤〕
トリフェニルホスフィン
トリフェニルホスフィン
〔無機質充填剤ａ１〕
下記の構造式（α）で表されるシランカップリング剤（信越化学社製、ＫＢＥ５０２）１ｇと水１０ｇをアセトン３００ｍｌで希釈し、これを１リットルビーカ中の球状溶融シリカ粉末（平均粒径０．７μｍ）１００ｇに注ぎ、スラリー状とした。そして、このスラリーをマグネティックスターラで約１５時間攪拌した。攪拌後、アルミニウム箔を敷いたアルミニウムパレット内に上記スラリーを移し、ホットプレート上において１０５℃で溶媒を蒸発乾固させた。蒸発乾固させた後、さらにこれを乾燥機中で９５℃で３０分間加熱することにより、上記球状溶融シリカ粉末表面がシランカップリング剤で処理された無機質充填剤ａ１を作製した。
下記の構造式（α）で表されるシランカップリング剤（信越化学社製、ＫＢＥ５０２）１ｇと水１０ｇをアセトン３００ｍｌで希釈し、これを１リットルビーカ中の球状溶融シリカ粉末（平均粒径０．７μｍ）１００ｇに注ぎ、スラリー状とした。そして、このスラリーをマグネティックスターラで約１５時間攪拌した。攪拌後、アルミニウム箔を敷いたアルミニウムパレット内に上記スラリーを移し、ホットプレート上において１０５℃で溶媒を蒸発乾固させた。蒸発乾固させた後、さらにこれを乾燥機中で９５℃で３０分間加熱することにより、上記球状溶融シリカ粉末表面がシランカップリング剤で処理された無機質充填剤ａ１を作製した。
〔無機質充填剤ａ２〕
球状溶融シリカ粉末として、平均粒径３μｍの球状溶融シリカ粉末を用いた。それ以外は上記無機質充填剤ａ１と同様にして球状溶融シリカ粉末表面がシランカップリング剤で処理された無機質充填剤ａ２を作製した。
球状溶融シリカ粉末として、平均粒径３μｍの球状溶融シリカ粉末を用いた。それ以外は上記無機質充填剤ａ１と同様にして球状溶融シリカ粉末表面がシランカップリング剤で処理された無機質充填剤ａ２を作製した。
〔無機質充填剤ｂ１〕
シランカップリング剤を下記の構造式（β）で表されるシランカップリング剤（信越化学社製、ＫＢＭ８０３）に代えた。それ以外は上記無機質充填剤ａ１と同様にして球状溶融シリカ粉末表面がシランカップリング剤で処理された無機質充填剤ｂ１を作製した。
シランカップリング剤を下記の構造式（β）で表されるシランカップリング剤（信越化学社製、ＫＢＭ８０３）に代えた。それ以外は上記無機質充填剤ａ１と同様にして球状溶融シリカ粉末表面がシランカップリング剤で処理された無機質充填剤ｂ１を作製した。
〔無機質充填剤ｂ２〕
シランカップリング剤を下記の構造式（γ）で表されるシランカップリング剤（信越化学社製、ＫＢＥ９０３）に代えた。それ以外は上記無機質充填剤ａ１と同様にして球状溶融シリカ粉末表面がシランカップリング剤で処理された無機質充填剤ｂ２を作製した。
シランカップリング剤を下記の構造式（γ）で表されるシランカップリング剤（信越化学社製、ＫＢＥ９０３）に代えた。それ以外は上記無機質充填剤ａ１と同様にして球状溶融シリカ粉末表面がシランカップリング剤で処理された無機質充填剤ｂ２を作製した。
〔無機質充填剤ｃ〕
球状溶融シリカ粉末（平均粒径１３．２μｍ）
球状溶融シリカ粉末（平均粒径１３．２μｍ）
〔無機質充填剤ｄ〕
球状溶融シリカ粉末（平均粒径１６．２μｍ）
球状溶融シリカ粉末（平均粒径１６．２μｍ）
〔実施例１〜２、比較例１〜９〕
下記の表１〜表２に示す各成分を同表に示す割合で配合し、ミキシングロール機（温度１００℃）で３分間溶融混練した。つぎに、この溶融物を冷却した後粉砕することにより目的とする半導体封止用エポキシ樹脂組成物を得た。
下記の表１〜表２に示す各成分を同表に示す割合で配合し、ミキシングロール機（温度１００℃）で３分間溶融混練した。つぎに、この溶融物を冷却した後粉砕することにより目的とする半導体封止用エポキシ樹脂組成物を得た。
このようにして得られた実施例および比較例のエポキシ樹脂組成物を用い、下記の方法に従って、耐巻き込みボイド性、反りの確認、プレッシャークッカー試験（ＰＣＴテスト）を測定・評価した。これらの結果を後記の表３〜表４に併せて示す。
〔耐巻き込みボイド性〕
図１（ａ）および（ｂ）に示すように、半導体素子１（チップサイズ：１０ｍｍ×１０ｍｍ×厚み０．５ｍｍ）を９個、基板２（サイズ：５０ｍｍ×５０ｍｍ×厚み０．３ｍｍ）上に実装したものを作製した。
図１（ａ）および（ｂ）に示すように、半導体素子１（チップサイズ：１０ｍｍ×１０ｍｍ×厚み０．５ｍｍ）を９個、基板２（サイズ：５０ｍｍ×５０ｍｍ×厚み０．３ｍｍ）上に実装したものを作製した。
そして、上記半導体素子を実装した基板を、実施例および比較例で得られたエポキシ樹脂組成物を用い、キャビティサイズ：５０ｍｍ×５０ｍｍ×深さ０．７ｍｍの金型にてトランスファー成形（条件：１７５℃×９０秒間）を行い、図２に示すように、基板２上の半導体素子１を包含するよう封止樹脂層３を形成して樹脂封止した。その結果、半導体素子１上に外部ボイド４が発生したパッケージの個数をカウントした。なお、上記基板２に半導体素子１を９個実装したものを２つ作製してトランスファー成形を行ったことから、作製したパッケージの個数は１８個であった。
〔反りの確認〕
上記作製し得られた半導体パッケージの反り量をつぎのようにして確認した。すなわち、半導体パッケージを水平面に載置した際の水平面からの最大反り部分の長さを測定した。測定には、光学顕微鏡を用いた。
上記作製し得られた半導体パッケージの反り量をつぎのようにして確認した。すなわち、半導体パッケージを水平面に載置した際の水平面からの最大反り部分の長さを測定した。測定には、光学顕微鏡を用いた。
〔ＰＣＴテスト〕
上記作製し得られた半導体パッケージを１３０℃×８５％ＲＨの条件でＰＣＴチャンバーに投入し、１９６時間放置した。これを用いて、超音波探傷装置にて半導体パッケージ内の界面剥離の有無を確認し、界面剥離の生じたパッケージの個数をカウントした。なお、作製したパッケージの個数は上記と同様１８個であった。
上記作製し得られた半導体パッケージを１３０℃×８５％ＲＨの条件でＰＣＴチャンバーに投入し、１９６時間放置した。これを用いて、超音波探傷装置にて半導体パッケージ内の界面剥離の有無を確認し、界面剥離の生じたパッケージの個数をカウントした。なお、作製したパッケージの個数は上記と同様１８個であった。
上記結果から、実施例品は、半導体素子上にボイドが全く発生せず、信頼性の高い片面封止タイプの半導体装置が得られたことがわかる。
これに対して、比較例１品は、表面処理された微細球状溶融シリカの含有量が少な過ぎて半導体素子上にボイドが発生した。比較例２，３品は、表面処理された微細球状溶融シリカの含有量が多過ぎて半導体素子上にボイドが発生した。また、比較例４，５品は、いずれもアクリル基あるいはメタクリル基を有さないシランカップリング剤により表面処理された微細球状溶融シリカを用いたため、ボイド発生の抑制効果が得られなかった。さらに、比較例６〜９は、表面処理された微細球状溶融シリカの含有量が多過ぎて半導体素子上にボイドが発生した。
Claims (3)
- 下記の（Ａ）〜（Ｃ）成分とともに無機質充填剤を含有する半導体封止用エポキシ樹脂組成物であって、上記無機質充填剤が下記の（Ｄ）成分からなることを特徴とする半導体封止用エポキシ樹脂組成物。
（Ａ）下記の構造式（１）で表されるエポキシ樹脂および下記の構造式（２）で表されるエポキシ樹脂。
（Ｄ）下記の（ｄ１）成分を無機質充填剤全体の５〜５０重量％の範囲で含有する無機質充填剤。
（ｄ１）アクリル基またはメタクリル基を有するシランカップリング剤により表面処理されてなる平均粒径が０．５〜３μｍの球状無機質充填剤。 - 上記シランカップリング剤が、下記の構造式（９）で表されるシランカップリング剤である請求項１記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成物。
- 請求項１または２記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成物を用いて半導体素子を樹脂封止してなる半導体装置。
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