JP4463030B2 - 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

Description

本発明は、半導体封止用樹脂組成物およびそれを用いた半導体装置に関し、詳しくは、成形中における溶融樹脂からの揮発成分量を増加させることによって、巻き込み部が溶融樹脂中に吸収され、未充填部へと成長することを抑制し、半導体素子をトランスファー成形等により封止する際の樹脂充填性を向上させ、成形後、封止樹脂内におけるボイドの発生を低減させることのできる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。

近年、半導体装置は薄型化され、それに伴い封止時に用いられる樹脂材料の流動部分の厚みが薄くなってきている。そして、基板上に搭載された半導体素子上等で流動部分の厚みが薄いと封止樹脂の流動速度が小さくなり、基板上を先回りした封止樹脂が半導体素子上で空隙を巻き込み、隙間部分を樹脂が埋める際に、素子上に巨視的な未充填部分が発生するという問題が生起する。

例えば、ボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）と呼ばれる金属ワイヤーにより半導体素子と基板とを接続する手法を用いた片面封止構造の半導体装置の場合、半導体素子の積層化や半導体装置自体の薄型化により半導体素子上部の樹脂流動部の隙間が狭くなってきており、流動性は低下し、より多くの空隙を巻き込み、より大きな未充填部分が発生することになる。

一方、半導体素子を基板に接続する際に金属ワイヤーを用いず、金属バンプを用いた、いわゆるフリップチップ接続による手法を用いた半導体装置の場合、この接合の強度維持のためにアンダーフィル剤をその隙間（半導体素子と基板の間）に注入することが行われている。そして、このアンダーフィル剤の注入が、半導体装置の樹脂封止と同時に行われている（以下、このような封止方法を「トランスファーアンダーフィル」と称す）。このトランスファーアンダーフィルでは、その注入される隙間が狭い上に金属バンプ部分が障壁となるため、半導体素子と基板との間の樹脂の流動性はさらに低下し、多くの微小気泡を樹脂中に巻き込むこととなる。

このような封止対象となる隙間の狭小化による気泡が取り残される未充填部の存在は、加熱時には気泡内の気体圧力が高まることにより周辺樹脂を破壊させてしまうことがある。特に吸湿させた場合、液状の水が気化膨張する効果も加わって、半田取付け時にパッケージが割れ、電気接続が切断されて半導体素子の動作が起こらないという不具合が生じるという問題が発生する。

これを解決するために、例えば、配合する無機質充填剤の量を少なくし、樹脂構造を最適化して流動特性の向上を目指すことが行われているが、無機質充填剤量を少なくすると、封止材料である樹脂組成物の線膨張係数が増大して、半導体素子や基板のそれとの差が大きくなることにより、温度変化により発生する応力が大きくなり、封止樹脂部分や半導体素子の破壊、フレームと封止樹脂部分との剥離等の不具合が生じるという問題がある。さらに、無機質充填剤では、粒子径が大きい方が、同一量を配合しても、そのトータルの表面積が少なくなるため粘度は下がるが、粒子径が大きくなると当然ながら狭い隙間に無機質充填剤が侵入することができず、隙間の入り口が目詰まりを生起するという問題がある。

このような状況のなか、特定の平均粒径を有する無機質充填剤をカップリング剤で表面処理したものを、表面処理されていない無機質充填剤とともに併用することにより流動性を向上させ未充填の発生を抑制することが提案されている（特許文献１参照）。
特開２００２−３２２２４３号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載された封止材料を用いても、流動性に関して充分な特性が得られているとは言えず、近年の樹脂流動部の隙間が狭くなっている半導体装置において、未充填部分の形成を抑制することが可能な封止材料が望まれているのが実情である。

本発明は、このような事情に鑑みなされたもので、封止材料であるエポキシ樹脂組成物の充填性を向上させ未充填部分の形成によるボイドの発生等を抑制させることのできる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。

上記の目的を達成するために、本発明は、下記の（Ａ）〜（Ｅ）成分を含有する半導体封止用エポキシ樹脂組成物であって、下記（Ｅ）成分の含有量が、エポキシ樹脂組成物中０．１〜１．０重量％の範囲に設定されてい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）エポキシ樹脂。
（Ｂ）フェノール樹脂。
（Ｃ）硬化促進剤。
（Ｄ）無機質充填剤。
（Ｅ）ナフタレン，ｐ−ジクロロベンゼン，イサチンおよびアントラセンからなる群から選ばれた少なくとも一つ。

また、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、樹脂封止の際に形成される巻き込みによる未充填部分の形成を抑制して充填性の向上を図るために鋭意検討を重ねた。そして、封止材料の流動性の向上とは別の観点から未充填部分の形成によるボイドの発生を抑制することを可能とするものを得るためにさらに研究を重ねた結果、封止材料となるエポキシ樹脂組成物に特定の昇華性物質を特定量配合することを想起した。例えば、半導体素子と基板との間の狭ギャップに封止材料を充填する際にも、気泡の巻き込み部における上記特定の昇華性物質の揮発成分の存在により封止材料である樹脂中に巻き込み部が吸収され、結果、未充填部分の形成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、前記特定の昇華性物質（Ｅ成分）を特定の割合で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、樹脂封止の際に形成される巻き込みによる空隙を上記昇華性物質による揮発成分とともに樹脂中に吸収され、未充填部の形成によるボイド等の発生を抑制することができる。

したがって、本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物は、例えば、ボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）と呼ばれる片面封止構造の半導体装置の封止や、トランスファーアンダーフィルと呼ばれる封止方法の際に特に好適に用いられる。そして、上記半導体封止用樹脂組成物により樹脂封止された半導体装置としては、信頼性の高いものが得られる。

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、無機質充填剤（Ｄ成分）と、特定の昇華性物質（Ｅ成分）とを用いて得られるものであり、通常、粉末状もしくは打錠して用いられる。

上記エポキシ樹脂（Ａ成分）としては、特に限定されるものではないが、例えば、ジシクロペンタジエン型，クレゾールノボラック型，フェノールノボラック型，ビスフェノール型，ビフェニル型，トリスヒドロキシフェニルメタン型等の各種のエポキシ樹脂を用いることができる。これらエポキシ樹脂は単独で用いてもよいし２種以上併用してもよい。そして、これらエポキシ樹脂の中でも、特に融点または軟化点が室温を超えていることが好ましい。例えば、クレゾールノボラック型エポキシ樹脂としては、エポキシ当量１８０〜２１０、軟化点６０〜１１０℃のものが好適に用いられる。また、上記ビフェニル型エポキシ樹脂としては、エポキシ当量１８０〜２１０、融点８０〜１２０℃のものが好適に用いられる。

また、上記フェノール樹脂（Ｂ成分）は、上記エポキシ樹脂（Ａ成分）を硬化させるものであり、フェノール樹脂を用いる。上記フェノール樹脂としては、特に限定するものではなく、ジシクロペンタジエン型フェノール樹脂，フェノールノボラック樹脂，クレゾールノボラック樹脂，フェノールアラルキル樹脂等があげられる。これらフェノール樹脂は単独で用いてもよいし２種以上併用してもよい。そして、これらフェノール樹脂としては、水酸基当量が７０〜２５０、軟化点が５０〜１１０℃のものを用いることが好ましい。そして、上記エポキシ樹脂とフェノール樹脂との好適な組み合わせとしては、エポキシ樹脂としてクレゾールノボラック型エポキシ樹脂を用いる場合はフェノールノボラック樹脂を用いることが好ましく、エポキシ樹脂としてビフェニル型エポキシ樹脂を用いる場合はフェノールアラルキル樹脂、もしくはフェノールアラルキル樹脂中におけるメチレン基に挟まれた部分がビフェニル構造に置き換わったフェノール樹脂を用いることが好ましい。

そして、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、エポキシ樹脂を硬化させるに充分な量に設定することが好ましい。一般的には、エポキシ樹脂中のエポキシ基１当量に対して、フェノール樹脂中の水酸基の合計が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、従来公知のものが用いられる。具体的には、テトラフェニルホスホニウム・テトラフェニルボレートやトリフェニルホスフィン等の有機リン系化合物、フェニルイミダゾール等のイミダゾール系化合物、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）の配合割合は、半導体封止用樹脂組成物全体中の０．０５〜０．５重量％の範囲に設定することが好ましい。

上記Ａ〜Ｃ成分とともに用いられる無機質充填剤（Ｄ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充填剤があげられ、例えば、石英ガラス粉末，タルク，シリカ粉末（溶融シリカ粉末や結晶性シリカ粉末等），アルミナ粉末，窒化アルミニウム粉末，窒化ケイ素粉末等があげられる。これらは単独でもしくは２種以上併せて用いられる。なかでも、得られる硬化物の線膨張係数を低減できるという点から上記シリカ粉末を用いることが好ましく、上記シリカ粉末のなかでも溶融シリカ粉末を用いることが高充填性，高流動性という点から特に好ましい。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好ましい。特に平均粒径が１〜１５μｍの範囲、さらには２〜１４μｍの範囲のものを用いることが好ましい。さらに、上記平均粒径のものに加えて、平均粒径が０．５〜２μｍの範囲のものを単独でもしくは２種以上併用すると、流動性の向上という観点から特に好ましい。なお、上記平均粒径は、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。

上記無機質充填剤（Ｄ成分）の配合量は、半導体封止用エポキシ樹脂組成物全体の５０〜９５重量％の範囲内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％未満のように少な過ぎると、エポキシ樹脂組成物中の有機成分の占める割合が多くなり、硬化物の難燃効果に乏しくなり、９５重量％を超えて多くなると、エポキシ樹脂組成物の流動性が著しく低下する傾向がみられるからである。

上記Ａ〜Ｄ成分とともに用いられる特定の昇華性物質（Ｅ成分）は、本発明において、樹脂封止時に半導体素子上にて巻き込んだ空隙を樹脂中に吸収させるための作用を奏する重要な物質であり、例えば、成形中に溶融樹脂成分中に吸収されやすいという観点から昇華性を有する有機化合物を用いることができる。上記昇華性物質が有機化合物でない場合には、半導体装置を封止する際に昇華して気体状になっても溶融樹脂中に吸収されず、充填性を向上させるという効果を奏することが困難となり好ましくない。したがって、昇華性物質が有機化合物の場合には、半導体装置を封止する際、昇華して気体となった後、溶融樹脂中に吸収されやすいことからその使用が好ましい。また、上記昇華性物質の構造上の特徴としては、その組成式がＣj Ｈk Ｏl Ｎm Ｓn Ｃｌo Ｐp （式中、ｊ，ｋ，ｌ，ｍ，ｎ，ｏ，ｐはいずれも整数である）で表され、エポキシ樹脂組成物中のエポキシ樹脂やフェノール樹脂、硬化促進剤をはじめとする組成物の各構成成分と反応しないことが好ましい。

上記特定の昇華性物質は、雰囲気中において、固体から気体に相変化して昇華性を示すものであり、ｐ−ジクロロベンゼン、イサチン、ナフタレン、アントラセンがあげられる。

上記特定の昇華性物質（Ｅ成分）の配合割合は、半導体封止用エポキシ樹脂組成物全体中の０．１〜１．０重量％の範囲に設定する必要がある。特に好ましくは０．２〜０．５重量％である。すなわち、０．１重量％未満では、成形中における巻き込み部の樹脂中への吸収という効果を得ることができず、１．０重量％を超えると、樹脂パウダー（粉末状エポキシ樹脂組成物）のブロッキング現象が生起し、タブレットへの打錠が著しく困難となり封止材料に供することができなくなるからである。

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〜Ｅ成分以外に必要に応じて、離型剤，低応力化剤，難燃剤，カーボンブラックをはじめとする顔料等の他の添加剤を適宜配合することができる。

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、例えば、カルナバワックスやポリエチレン系ワックスが用いられ、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、アクリル酸メチル−ブタジエン−スチレン共重合体，メタクリル酸メチル−ブタジエン−スチレン共重合体等のブタジエン系ゴムやシリコーン化合物があげられる。

そして、上記難燃剤としては、有機リン化合物，酸化アンチモン，水酸化アルミニウムや水酸化マグネシウム等があげられる。

さらに、耐湿信頼性テストにおける信頼性向上を目的としてハイドロタルサイト類，水酸化ビスマス等のイオントラップ剤を配合してもよい。

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、前記Ａ〜Ｅ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、ミキシングロール機等の混練機を用いて加熱状態で溶融混練した後、これを室温下で冷却固化させる。その後、公知の手段により粉砕し、必要に応じて打錠するという一連の工程により目的とする半導体封止用エポキシ樹脂組成物を製造することができる。

このようにして得られた半導体封止用エポキシ樹脂組成物を用いての半導体素子の封止は、特に限定するものではなく、通常のトランスファー成形（トランスファーアンダーフィルを含む）等の公知のモールド方法により行うことができる。このようにして得られる半導体装置としては、ＢＧＡのような片面封止型半導体装置やフリップチップ型半導体装置等があげられる。

このようにして得られる半導体装置は、封止材料として前記特定の昇華性物質（Ｅ成分）を特定の割合で含有するため、例えば、半導体素子と基板との狭ギャップに充填した際にも、巻き込み部分による未充填部分が形成されても、特定の昇華性物質（Ｅ成分）により生じた昇華成分が樹脂中に吸収されるとともに未充填部分が樹脂中の吸収され、ボイドの発生等を抑制して、信頼性の高いものが得られる。

つぎに、実施例について比較例と併せて説明する。

まず、下記に示す各成分を準備した。

〔エポキシ樹脂〕
下記の構造式（ａ）で表されるビフェニル型エポキシ樹脂（エポキシ当量１９５、融点１０６℃）

〔硬化剤１〕
下記の構造式（ｂ）で表されるフェノール樹脂（水酸基当量２０６、軟化点７５．８℃）

〔硬化剤２〕
ノボラック型フェノール樹脂（三井化学社製、ＶＲ８２１０）

〔硬化促進剤〕
テトラフェニルホスホニウム・テトラフェニルボレート（北興化学社製、ＴＰＰＫ）

〔離型剤〕
酸化ポリエチレンワックス（クラリアントジャパン社製、ＰＥＤ５２１）

〔昇華性物質〕
Ａ：ナフタレン
Ｂ：ｐ−ジクロロベンゼン
Ｄ：イサチン
Ｅ：アントラセン
Ｆ：１−メチルナフタレン
Ｇ：２−メチルナフタレン
Ｈ：ドデカン
Ｉ：１−オクタデカノール

〔シランカップリング剤〕
３−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン

〔シリカ粉末１〕
平均粒径１３．２μｍの球状溶融シリカ粉末（電気化学工業社製、ＦＢ５７０２ＦＣ）

〔シリカ粉末２〕
平均粒径０．６μｍの球状溶融シリカ粉末（アドマファイン社製、ＳＯ２５Ｒ）

〔シリカ粉末３〕
平均粒径１．６μｍの球状溶融シリカ粉末（アドマファイン社製、ＳＯ３２Ｒ）

〔カーボンブラック〕
三菱化学社製、＃３０３０Ｂ

〔難燃剤〕
Ｓｂ₂ Ｏ₃

〔実施例１〜６、比較例１〜７〕
後記の表１〜表２に示す各成分を、同表に示す割合で配合し、８０℃〜１２０℃に加熱したミキシングロール混練機（５分間）にて溶融混練した。つぎに、この溶融物を冷却した後粉砕し、さらにタブレット状に打錠することによりエポキシ樹脂組成物を作製した。

このようにして得られた各エポキシ樹脂組成物を用い、つぎのようにして狭ギャップへの充填性を観察・評価した。すなわち、大きさ２４ｍｍ×２４ｍｍのシリコンチップを実装したガラスエポキシ基板をプレス機（ＴＯＷＡ社製）にて封止した。なお、ガラスエポキシ基板上面とシリコンチップ底面との隙間は１５０μｍとなるよう調整した。また、充填条件は、１７５℃、トランスファー圧５ｋＮ、トランスファースピードを１．３ｍｍ／ｓとした。そして、封止後隙間内を超音波内部探査装置を用いて観察し、その画像から未充填部分の面積を見積もり、シリコンチップ全体の面積に対する比率から未充填率を算出した。その結果を下記の表１〜表２に併せて示した。

上記結果から、昇華性物質を配合した実施例品は、いずれも未充填率が低く充填性が向上したことがわかる。これに対して、昇華性を示さないもの（Ｆ，Ｇ，Ｈ，Ｉ）を配合した比較例１〜４品および昇華性物質を配合しなかった比較例７品、さらに昇華性物質の配合量が少な過ぎた比較例５品は、いずれも未充填率が高く充填性に劣ることがわかる。さらに、昇華性物質の配合量が多過ぎた比較例６品は、樹脂パウダーがブロッキングを起こし、タブレット状に打錠することができず、封止に供することができなかった。

Claims (5)

1. 下記の（Ａ）〜（Ｅ）成分を含有する半導体封止用エポキシ樹脂組成物であって、下記（Ｅ）成分の含有量が、エポキシ樹脂組成物中０．１〜１．０重量％の範囲に設定されてい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）エポキシ樹脂。
   （Ｂ）フェノール樹脂。
   （Ｃ）硬化促進剤。
   （Ｄ）無機質充填剤。
   （Ｅ）ナフタレン，ｐ−ジクロロベンゼン，イサチンおよびアントラセンからなる群から選ばれた少なくとも一つ。
2. （Ｄ）成分である無機質充填剤が、下記の（ｄ１）〜（ｄ３）からなる無機質充填剤〔ただし、（ｄ１）の平均粒径＞（ｄ２）の平均粒径、（ｄ１）の平均粒径＞（ｄ３）の平均粒径である。〕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。
   （ｄ１）平均粒径１〜１５μｍの無機質充填剤。
   （ｄ２）平均粒径０．５〜２μｍの無機質充填剤。
   （ｄ３）上記（ｄ２）の平均粒径とは異なる平均粒径０．５〜２μｍの無機質充填剤。
3. ボールグリッドアレイ用封止材料またはトランスファーアンダーフィル用封止材料である請求項１または２項記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成物。
4. 請求項１〜３のいずれか一項記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成物を用いて、半導体素子を封止してなる半導体装置。
5. 上記半導体素子を封止してなる半導体装置が、ボールグリッドアレイ構造の半導体装置またはトランスファーアンダーフィルによる半導体装置である請求項４記載の半導体装置。