JP4491884B2

JP4491884B2 - エポキシ樹脂組成物及び半導体装置

Info

Publication number: JP4491884B2
Application number: JP2000002431A
Authority: JP
Inventors: 孝志相原
Original assignee: Sumitomo Bakelite Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Bakelite Co Ltd
Priority date: 2000-01-11
Filing date: 2000-01-11
Publication date: 2010-06-30
Anticipated expiration: 2020-01-11
Also published as: JP2001192532A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プリント配線板や金属リードフレームの片面に半導体素子を搭載し、その搭載面側の実質的に片面のみを樹脂封止されたいわゆるエリア実装型半導体装置に適し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に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
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、新規にエリア実装型半導体装置が開発され、従来構造の半導体装置から移行し始めている。
エリア実装型半導体装置としてはＢＧＡ（ボールグリッドアレイ）或いは更に小型化を追求したＣＳＰ（チップスケールパッケージ）等が代表的であるが、これらは従来ＱＦＰ、ＳＯＰに代表される表面実装型半導体装置では限界に近づいている多ピン化・高速化への要求に対応するために開発されたものである。構造としては、ＢＴ樹脂／銅箔回路基板（ビスマレイミド・トリアジン樹脂／ガラスクロス基板）に代表される硬質回路基板、或いはポリイミド樹脂フィルム／銅箔回路基板に代表されるフレキシブル回路基板の片面上に半導体素子を搭載し、その半導体素子搭載面、即ち基板の片面のみがエポキシ樹脂組成物等で成形・封止されている。又、基板の半導体素子搭載面の反対面には半田ボールを２次元的に並列して形成し、半導体装置を実装する回路基板との接合を行う特徴を有している。更に、半導体素子を搭載する基板としては、上記の有機回路基板以外にもリードフレーム等の金属基板を用いる構造も開発されている。
【０００３】
これらエリア実装型半導体装置の構造は、基板の半導体素子搭載面のみをエポキシ樹脂組成物で封止し、半田ボール形成面側は封止しないという片面封止の形態をとっている。リードフレーム等の金属基板等では、半田ボール形成面でも数十μｍ程度の封止樹脂層が存在することもあるが、半導体素子搭載面では数百μｍから数ｍｍ程度の封止樹脂層が形成されるため、実質的に片面封止となっている。このため、有機基板や金属基板とエポキシ樹脂組成物の硬化物との間での熱膨張・熱収縮の不整合、或いはエポキシ樹脂組成物の成形硬化時の硬化収縮による影響で、これらの半導体装置では成形直後から反りが発生しやすい。
更に、これらの半導体装置を実装する回路基板上に半田接合を行う場合、２００℃以上の加熱工程を経るが、この際にも半導体装置の反りが発生し、多数の半田ボールが平坦とならず、半導体装置を実装する回路基板から浮き上がってしまい、電気的接合の信頼性が低下する問題が起こる。
【０００４】
又、赤外線リフロー、ベーパーフェイズソルダリング、半田浸漬等の手段での半田処理による半田接合を行う場合、エポキシ樹脂組成物の硬化物並びに有機基板からの吸湿により半導体装置内部に存在する水分が高温で急激に気化することによる応力で半導体装置にクラックが発生したり、有機基板の半導体素子搭載面とエポキシ樹脂組成物の硬化物との界面で剥離が発生することもあり、エポキシ樹脂組成物の低応力化・低吸湿化とともに、有機基板との接着性も求められる。更に、有機基板とエポキシ樹脂組成物の硬化物の熱膨張の不整合により、信頼性テストの代表例である温度サイクル試験でも、有機基板／エポキシ樹脂組成物の硬化物との界面の剥離やクラックが発生する。
従来のＱＦＰやＳＯＰ等の表面実装型半導体装置では、半田実装時のクラックや各素材界面での剥離の防止のために、ビフェニル型エポキシ樹脂に代表されるような結晶性エポキシ樹脂と可撓性骨格を有するフェノール樹脂とを組み合わせて用い、且つ無機質充填材の配合量を増加することにより、低吸湿化を行う対策がとられてきた。しかし、この手法では、片面封止の半導体装置における反りの問題は解決できないのが現状であった。
【０００５】
基板上の実質的に片面のみをエポキシ樹脂組成物で封止した半導体装置において、反りを低減するには、基板の熱膨張係数とエポキシ樹脂組成物の硬化物の熱膨張係数とを近づけること、及びエポキシ樹脂組成物の硬化物の硬化収縮量を小さくすることの二つの方法が重要である。
基板としては、有機基板ではＢＴ樹脂やポリイミド樹脂のような高いガラス転移温度（以下、Ｔｇという）を有する樹脂が広く用いられており、これらはエポキシ樹脂組成物の成形温度である１７０℃近辺よりも高いＴｇを有する。従って、成形温度から室温までの冷却過程では有機基板の線膨張係数（以下、α１という）の領域のみで収縮する。従って、エポキシ樹脂組成物の硬化物も、Ｔｇが高く且つα１が有機基板と同じで、更に硬化収縮量がゼロであれば、反りはほぼゼロであると考えられる。このため、多官能型エポキシ樹脂と多官能型フェノール樹脂との組み合わせによりＴｇを高くし、無機充填材の配合量でα１を合わせる手法が既に提案されている。
【０００６】
ところが、一分子中に３個以上のエポキシ基を有する多官能型エポキシ樹脂と、一分子中に３個以上のフェノール性水酸基を有する多官能型フェノール樹脂とを組み合わせた系では吸湿率が大きいこと、半田処理温度でも高弾性を示し、発生応力が高いこと等から、半田処理時のクラック発生や界面剥離の発生が解決されていない。信頼性に優れる半導体装置を得るには、回路基板やＩＣチップとの密着性を高めることが必須の条件であった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、成形後や半田処理後の反りが小さく、又、有機基板との接着性に特に優れるため半田処理時等の信頼性に優れるエリア実装型半導体封止に用いられる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。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者は鋭意検討した結果、特定の多官能型エポキシ樹脂と多官能型フェノール樹脂との組み合わせに、可撓性フェノール樹脂を併用することで、Ｔｇの低下を抑えつつ低吸湿化が図れること、半田処理温度での熱時弾性率が低減できるため発生応力が減少し、回路基板との密着性が向上すること等を見いだし、本発明を完成するに至った。
【０００９】
即ち本発明は、（Ａ）一般式（１）、一般式（２）で示されるエポキシ樹脂からなる群から選択される１種以上を総エポキシ樹脂中に２０重量％以上含むエポキシ樹脂、（Ｂ）一般式（３）で示されるフェノール樹脂を総フェノール樹脂中に２０〜９０重量％含み、一般式（４）で示されるフェノール樹脂を総フェノール樹脂中に１０〜８０重量％含むフェノール樹脂、（Ｃ）硬化促進剤、（Ｄ）溶融シリカを必須成分とし、エリア実装型半導体封止に用いられることを特徴とするエポキシ樹脂組成物であり、特に、成形硬化時の硬化収縮率が０．１５％以下、硬化後の線膨張係数α１が８〜１６ｐｐｍ／℃で、且つＴｇが１４０℃以上であるエポキシ樹脂組成物、及び基板の片面に半導体素子が搭載され、この半導体素子が搭載された基板面側の実質的に片面のみが、これらのエポキシ樹脂組成物で封止されていることを特徴とする半導体装置である。
【化５】

【００１０】
【化６】

【００１１】
【化７】

【００１２】
【化８】

（一般式（１）〜（３）中のＲは、炭素数１〜１２のアルキル基を示し、互いに同一であっても異なっていてもよい。一般式（４）中のＲ’は、水素原子又は炭素数１〜１２のアルキル基を示し、互いに同一であっても異なっていてもよい。ａは０〜４、ｂは０〜３、ｍは平均値で１〜１０、ｎは平均値で１〜１０である。）
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明に用いられるエポキシ樹脂のうち、一般式（１）で示されるトリフェノールメタン型エポキシ樹脂としては、例えば、以下のもの等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。これらのエポキシ樹脂は、単独もしくは混合して用いても差し支えない。これらを用いたエポキシ樹脂組成物の硬化物は、架橋密度が高く、高いＴｇとなり、又、硬化収縮量が小さいという特徴を有する。
【化９】

【００１４】
本発明に用いられるエポキシ樹脂のうち、一般式（２）で示されるエポキシ樹脂としては、例えば、以下のもの等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。これらのエポキシ樹脂は、単独もしくは混合して用いても差し支えない。これらを用いたエポキシ樹脂組成物は比較的低粘度であり、又、エポキシ樹脂組成物の硬化物は架橋密度が高く、硬化収縮量が小さいという特徴を有する。
【化１０】

【００１５】
本発明の一般式（１）、一般式（２）で示される多官能型エポキシ樹脂からなる群から選択される１種以上の含有量としては、総エポキシ樹脂中に２０重量％以上含まれることが、Ｔｇ及び硬化収縮量の点から好ましい。２０重量％未満だと、架橋密度が低下するため、Ｔｇが低下するとともに、硬化収縮量も増大するので好ましくない。
【００１６】
本発明のエポキシ樹脂は、更に他のエポキシ樹脂と併用しても差し支えない。併用可能なエポキシ樹脂としては、エポキシ基を有するモノマー、オリゴマー、ポリマー全般を指し、例えば、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、ナフタレン型エポキシ樹脂、ナフトール型エポキシ樹脂等が挙げられる。又、これらのエポキシ樹脂は、単独もしくは混合して用いても差し支えない。
【００１７】
本発明に用いられるフェノール樹脂の内、一般式（３）で示されるトリフェノールメタン型フェノール樹脂としては、例えば、以下のもの等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
【化１１】

（式中のｍは平均値で１〜１０である。）
これらを用いたエポキシ樹脂組成物の硬化物は、架橋密度が高く、高いＴｇを有するという特徴を有する。
一般式（３）のフェノール樹脂の含有量としては、総エポキシ樹脂中に２０〜９０重量％含まれることが、Ｔｇの点から好ましい。２０重量％未満だと、Ｔｇが低下するとともに、硬化収縮量も増大し、成形後の半導体装置の反り量が大きくなるので好ましくない。９０重量％を越えると、成形時の流動性が低下し、金線変形を起こし易く、又、基板との密着性が低下するので好ましくない。
【００１８】
又、一般式（４）のフェノール樹脂を用いると、エポキシ樹脂組成物の硬化物は、従来のフェノールノボラック樹脂を用いた場合に比べ、半田処理温度での熱時弾性率が低減されるため発生応力が減少し、回路基板やＩＣチップとの密着性に優れる。これは一般式（４）のフェノール樹脂が分子構造中に比較的柔軟な構造を有し、可撓性を有するためであると考えられる。更に低吸湿性にも優れており、これは、一般式（４）のフェノール樹脂が分子構造中に脂肪族骨格を有するためであると考えられる。
一般式（４）中のＲ’は、水素原子又は炭素数１〜１２のアルキル基を示し、互いに同一であっても異なっていてもよいが、硬化反応性のためには、水素原子がより好ましい。一般式（４）のフェノール樹脂の具体例としては、以下のもの等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
【化１２】

（式中のｎは平均値で１〜１０である。）
一般式（４）のフェノール樹脂の含有量としては、これ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、総フェノール樹脂中に１０〜８０重量％が好ましく、特に好ましくは３０〜８０重量％である。１０重量％未満だと、高温時の低弾性率化及び回路基板やＩＣチップとの高密着性が得難く、８０重量％を越えると、成形された半導体装置の反りが大きくなり、好ましくない。
【００１９】
本発明の一般式（３）及び一般式（４）の樹脂は、更に他のフェノール樹脂と併用しても差し支えない。併用可能なフェノール樹脂としては、フェノール性水酸基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、ナフトールノボラック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。
【００２０】
本発明で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の触媒となり得るものを指し、例えば、トリブチルアミン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、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が、これらに限定されるものではない。これらの硬化促進剤は、単独でも混合して用いても差し支えない。
【００２１】
本発明で用いられる溶融シリカは、破砕状、球状のいずれでも使用可能であるが、溶融シリカの配合量を高め、且つエポキシ樹脂組成物の溶融粘度の上昇を抑えるためには、球状シリカを主に用いる方が好ましい。更に球状シリカの配合量を高めるためには、球状シリカの粒度分布をより広くとるよう調整することが望ましい。
【００２２】
本発明のエポキシ樹脂組成物は、（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、カップリング剤、カーボンブラックに代表される着色剤、天然ワックス及び合成ワックス等の離型剤等の各種添加剤が適宜配合可能である。
本発明のエポキシ樹脂組成物は、（Ａ）〜（Ｄ）成分、及びその他の添加剤をミキサー等を用いて混合後、加熱ニーダや熱ロール、押し出し機等の混練機で加熱混練し、続いて冷却、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、半導体素子等の各種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からの成形方法で硬化成形すればよい。特に、本発明のエポキシ樹脂組成物は、エリア実装型半導体装置用に適している。
本発明の半導体装置は、有機基板としてＢＴ樹脂基板を用いる場合は、特に、エポキシ樹脂組成物の成形硬化時の硬化収縮率が０．１５％以下、硬化後のα１が８〜１６ｐｐｍ／℃、且つ熱機械分析装置（ＴＭＡ）で測定されるＴｇが１４０℃以上であることが好ましい。ＢＴ樹脂基板の線膨張係数は１４ｐｐｍ／℃程度であるが、これにシリコンチップ、銅箔回路等の金属とが組み合わされる複合基板では、チップの面積比率、銅箔回路の面積比率により線膨張係数が変化する。この基板の線膨張係数に合わせるという目的でエポキシ樹脂組成物の成形硬化時の硬化収縮率と硬化後のα１とを上記の範囲とすることで、ＢＴ樹脂基板の成形温度から室温までの熱収縮量に合わせてエポキシ樹脂組成物の硬化物の熱収縮量がほぼ同じとなり、成形後の反りを小さくできる。なお、ここでいう硬化収縮率とは、成形温度における金型の寸法と成形温度での成形品寸法との比率を指す。
【００２３】
本発明での硬化収縮率、α１、Ｔｇは、以下の方法で測定する。
・硬化収縮率：金型温度１８０℃、射出圧力７５ｋｇ／ｃｍ²、２分間でトランスファー成形したテストピースを、更に１７５℃、８時間で後硬化した。１８０℃に加熱された状態の金型のキャビティ寸法と、１８０℃に加熱された成形品の寸法をノギスを用いて測定し、（成形品寸法）／（金型キャビティ寸法）の比率で硬化収縮率を表した。単位は％。
・α１及びＴｇ：金型温度１７５℃、射出圧力７５ｋｇ／ｃｍ²、２分間でトランスファー成形したテストピースを、更に１７５℃、８時間で後硬化し、熱機械分析装置（セイコー電子（株）・製ＴＭＡ−１２０、昇温速度５℃／分）を用いて測定した。
【００２４】
【実施例】
以下、本発明を実施例で具体的に説明する。配合割合は重量部とする。
《実施例１》
・式（５）で示されるエポキシ樹脂［軟化点６０℃、エポキシ当量１７０］８．３重量部
【化１３】

【００２５】
・式（６）で示されるフェノール樹脂［軟化点１０７℃、水酸基当量９７］３．４重量部
【化１４】

【００２６】
・式（７）で示される可撓性フェノール樹脂［軟化点１２０℃、エポキシ当量１７３、ｎが１から４の混合物であり、ｎ＝１が１０重量％、ｎ＝２が４０重量％、ｎ＝３が３０重量％、及びｎ＝４が２０重量％］２．３重量部
【化１５】

【００２７】

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、エポキシ樹脂組成物とした。得られたエポキシ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。
【００２８】
《評価方法》
・硬化収縮率：前記した方法による。
・α１及びＴｇ：前記した方法による。
・熱時弾性率：２４０℃での曲げ弾性率を、ＪＩＳＫ６９１１に準じて測定した。
・パッケージ反り量：２２５ピンＢＧＡパッケージ（基板は０．３６ｍｍ厚のＢＴ樹脂基板、パッケージサイズは２４×２４ｍｍ、厚み１．１７ｍｍ、シリコンチップはサイズ９×９ｍｍ、厚み０．３５ｍｍ、チップと回路基板のボンディングパッドとを２５μｍ径の金線でボンディングしている）を、金型温度１８０℃、射出圧力７５ｋｇ／ｃｍ²、２分間でトランスファー成形し、更に１７５℃、８時間で後硬化した。室温に冷却後、パッケージのゲートから対角線方向に、表面粗さ計を用いて高さ方向の変位を測定し、変異差の最も大きい値を反り量とした。単位はμｍ。
・耐半田性：パッケージ反り量の測定に用いたパッケージを、８５℃、相対湿度６０％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。超音波探傷機を用いてパッケージを観察し、内部クラック数、及び基板／エポキシ樹脂組成物の硬化物界面の剥離数のそれぞれを（発生パッケージ数）／（全パッケージ数）の比率で表した。単位は％。
【００２９】
《実施例２〜６、比較例１〜４》
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。
なお、実施例及び比較例で使用したエポキシ樹脂及びフェノール樹脂の構造及び性状を以下に示す。
・式（８）で示されるエポキシ樹脂：軟化点６５℃、エポキシ当量２１０
【化１６】

【００３０】
・フェノールノボラック型エポキシ樹脂：軟化点５５℃、エポキシ当量２００
・式（９）で示される構造の樹脂を主成分とするエポキシ樹脂：液状、２５℃での粘度５５Ｐｏｉｓｅ、エポキシ当量１６８
【化１７】

【００３１】
・フェノールノボラック樹脂：軟化点８０℃、水酸基当量１０４
【表１】

【００３２】
【表２】

【００３３】
【発明の効果】
本発明のエポキシ樹脂組成物を用いて封止されたエリア実装型半導体装置は、半田付け工程での反りが小さく、耐半田性等の信頼性が高いものである。

Claims

（Ａ）一般式（１）、一般式（２）で示されるエポキシ樹脂からなる群から選択される１種以上を総エポキシ樹脂中に２０重量％以上含むエポキシ樹脂、（Ｂ）一般式（３）で示されるフェノール樹脂を総フェノール樹脂中に２０〜９０重量％含み、一般式（４）で示されるフェノール樹脂を総フェノール樹脂中に１０〜８０重量％含むフェノール樹脂、（Ｃ）硬化促進剤、（Ｄ）溶融シリカを必須成分とし、エリア実装型半導体封止に用いられることを特徴とするエポキシ樹脂組成物。

（一般式（１）〜（３）中のＲは、炭素数１〜１２のアルキル基を示し、互いに同一であっても異なっていてもよい。一般式（４）中のＲ’は、水素原子又は炭素数１〜１２のアルキル基を示し、互いに同一であっても異なっていてもよい。ａは０〜４、ｂは０〜３、ｍは平均値で１〜１０、ｎは平均値で１〜１０である。）
成形硬化時の硬化収縮率が０．１５％以下、硬化後の線膨張係数が８〜１６ｐｐｍ／℃であり、且つガラス転移温度が１４０℃以上である請求項１記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成物。
基板の片面に半導体素子が搭載され、この半導体素子が搭載された基板面側の実質的に片面のみが、請求項１又は２記載のエポキシ樹脂組成物で封止されていることを特徴とする半導体装置。