JP4491900B2

JP4491900B2 - エポキシ樹脂組成物及び半導体装置

Info

Publication number: JP4491900B2
Application number: JP2000088884A
Authority: JP
Inventors: 貴志外山
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2000-03-28
Filing date: 2000-03-28
Publication date: 2010-06-30
Anticipated expiration: 2020-03-28
Also published as: JP2001270932A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体を封止するために用いられるエポキシ樹脂組成物、及びこのエポキシ樹脂組成物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、半導体用パッケージの小型・薄型化は急速に進展し、面実装型パッケージとしてＳＯＰやＱＦＰに代表される周辺端子型パッケージの端子数は、実用上の限界に達しつつある。このような中、ＢＧＡに代表されるボール端子型パッケージが新たに開発され、ＩＣやＬＳＩチップのパッケージの主流となってきている。
【０００３】
ＢＧＡの形態としては、チップ接続方法などにより種々のものがある。このうち主として製造されているものは、チップ接続方法としてワイヤボンディング方式を採用しているものである。例えばこのＢＧＡは、パッケージ基板の片面にチップを載置し、チップとパッケージ基板上の導体パターンとを金の細線ワイヤ等で結線し、その後チップ搭載面のみをトランスファー成形法によってエポキシ樹脂組成物などの封止材で成形封止すると共に、チップ搭載面の反対面に位置する電極パッドに半田ボールを設けて形成されるものである。
【０００４】
しかしながら、このようなＢＧＡのパッケージは、線膨張係数（α１）の異なる封止材とパッケージ基板とが片面で貼り合わされているため、成形直後から常温まで冷却される間に、封止材とパッケージ基板との接着面に収縮率の不均衡が生じ、パッケージに反りが発生するといった問題があった。
【０００５】
また、封止材とパッケージ基板との密着性が低い場合には、パッケージをリフロー半田付けにより実装基板に実装する際、パッケージにクラックが発生するなどして、耐リフロー性などの信頼性が低くなるものであった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、封止材として、トリフェノールメタン型のエポキシ樹脂を主成分とするエポキシ樹脂組成物を用いる試みがなされている。これを用いると、封止材のガラス転移温度（Ｔｇ）が成形温度よりも高くなり、成形直後から常温まで冷却される際、封止材とパッケージ基板との収縮率が同程度になって、パッケージに反りが発生しにくくなるものである。
【０００７】
しかしながら、このものではパッケージの反りを低減することは可能になるが、封止材とパッケージ基板との密着性を改善することはできず、パッケージの耐リフロー性は満足できる水準には達していないものであり、反りと耐リフロー性との両方の問題を解決することはできないものであった。
【０００８】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、ＢＧＡ等の半導体パッケージの反りを低減し、耐リフロー性を高めることのできるエポキシ樹脂組成物、及びこのエポキシ樹脂組成物を用いて封止した半導体装置を提供することを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係るエポキシ樹脂組成物は、下記式（１）で示されるエポキシ樹脂、２核体が１０質量％以下である下記式（２）で示されるフェノールノボラック樹脂、無機充填材、硬化促進剤を含有して成ることを特徴とするものである。
【００１０】
【化２】

【００１１】
また請求項１の発明は、シリコーンレジンで表面が被覆されたシリコーンゴムパウダーを含有して成ることを特徴とするものである。
【００１２】
また請求項２の発明は、請求項１において、硬化促進剤がイミダゾール類であることを特徴とするものである。
【００１３】
また請求項３の発明は、請求項１又は２において、硬化物の線膨張係数（α１）が１．０〜１．６（×１０^−５／℃）であることを特徴とするものである。
【００１４】
また本発明の請求項４に係る半導体装置は、請求項１乃至３のいずれかに記載のエポキシ樹脂組成物で封止されて成ることを特徴とするものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
【００１６】
本発明においてエポキシ樹脂としては、式（１）で示されるエポキシ樹脂を用いるものである。チップを搭載したパッケージ基板に、このエポキシ樹脂を用いて調製したエポキシ樹脂組成物からなる封止材を封止して形成されるパッケージの反りは、封止材の硬化物のガラス転移温度（Ｔｇ）が高まって体積変化が小さくなることにより、低減することができるものである。さらに、後述する式（２）で示されるフェノールノボラック樹脂で、２核体が１０質量％以下であるものと組み合わせることで、パッケージの反りをさらに低減することができると共に、チップやパッケージ基板との密着性を高め、リフロー半田付けによる剥離やクラックなどの発生を防止することができるものである。
【００１７】
また、式（１）で示されるエポキシ樹脂の他に、例えば、オルソクレゾールノボラックエポキシ樹脂、フェノールノボラックエポキシ樹脂、ビスフェノール型エポキシ樹脂、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等、封止材に一般的に配合されているエポキシ樹脂を混合して用いることができる。このようなエポキシ樹脂を併用する場合は、式（１）で示されるエポキシ樹脂の配合量は、エポキシ樹脂全量に対して２０質量％以上であることが好ましく、さらに好ましくはエポキシ樹脂全量に対して５０質量％以上である。配合量には特に上限はなく、１００質量％用いることができる。しかし、配合量が２０質量％未満であると、前述した効果を高く得ることができないおそれがある。
【００１８】
また硬化剤としては、式（２）で示されるフェノールノボラック樹脂であり、且つ２核体が１０質量％以下のものを用いるものである。ここで、２核体とは式（２）において、ｍ＝０で示されるものをいう。そして、上記のものと式（１）で示されるエポキシ樹脂と組み合わせることで、パッケージの反りを少なくすることができると共に、耐リフロー性を向上させることができるものである。２核体が１０質量％を超えたものを用いると、架橋密度の低下をもたらし、ガラス転移温度（Ｔｇ）が下がり、パッケージの反りが大きくなるものである。
【００１９】
また、式（２）で示されるフェノールノボラック樹脂で、２核体が１０質量％以下であるものの他に、例えば、フェノールノボラック樹脂、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、封止材に一般的に配合されている硬化剤を混合して用いることができる。このような硬化剤を併用する場合は、２核体が１０質量％以下である式（２）で示され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質量％以上であることが好ましく、さらに好ましくは硬化剤全量に対して５０質量％以上である。配合量には特に上限はなく、１００質量％用いることができる。しかし、配合量が２０質量％未満であると、パッケージの反りを低減することができないおそれがある。
【００２０】
また無機充填材としては、特に限定されるものではなく、例えば、溶融シリカ、結晶シリカ、アルミナ、窒化ケイ素、窒化アルミニウム等、封止材に一般的に配合されているものを用いることができる。これらは１種を単独で用いたり、２種以上を混合して用いたりすることができる。ところで、ＢＧＡ等のパッケージ基板としては、ガラスエポキシ、ＢＴ（ビスマレイミドトリアジン樹脂）材等の有機基板を用いることが一般的であり、このようなパッケージ基板の線膨張係数（α１）は、１．３〜１．７（×１０^-5／℃）である。そのため、封止材の硬化収縮を考慮して、硬化物の線膨張係数（α１）をパッケージ基板のそれよりもやや低めに設定しておくと、パッケージの反りを低減することができるものである。よって、硬化物の線膨張係数（α１）が１．０〜１．６（×１０^-5／℃）の範囲内に入るように、前述した無機充填材を封止材に配合することが好ましい。硬化物の線膨張係数（α１）が上記の範囲から外れると、封止材とパッケージ基板の線膨張係数（α１）の差が大きくなってパッケージに反りが発生し易くなるおそれがある。
【００２１】
また硬化促進剤としてイミダゾール類を用いると、硬化物のガラス転移温度（Ｔｇ）が高まり、体積変化が小さくなってパッケージに反りが発生しにくくなって好ましい。このイミダゾール類としては、特に限定されるものではなく、例えば、２−メチルイミダゾール、２−フェニル−４−メチルイミダゾール、２−フェニルイミダゾール（２ＰＺ）等を用いることができる。この他、イミダゾール類以外の硬化促進剤として、例えば、トリフェニルホスフィン（ＴＰＰ）、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、トリエタノールアミン、ベンジルジメチルアミン等の三級アミン類等を用いることができる。これらは１種を単独で用いたり、２種以上を混合して用いたりすることができる。硬化促進剤の配合量は、エポキシ樹脂組成物全量に対して０．０３〜１．０質量％であることが好ましい。配合量が０．０３質量％未満であると、封止材のゲル化時間が遅くなり、硬化時の剛性が低下して作業性が悪化するおそれがある。逆に１．０質量％を超えると、成形中に硬化反応が進み、ボイド、未充填が発生し易くなるおそれがある。
【００２２】
また上記の成分に加えて、シリコーンゴムパウダーを封止材に添加する。この際、シリコーンゴムパウダーの表面は、シリコーンレジンで被覆しておく。このようにすると、チップやパッケージ基板と封止材との密着性を損なうことなく、パッケージの反りを低減することができるものである。なお、シリコーンゴムパウダーやシリコーンレジンとしては、市販のものを用いることができる。ただし、シリコーンゴムパウダーの平均粒径は、０．５〜２０μｍであることが好ましい。平均粒径が上記の範囲から外れると、成形時における封止材の流動性が低下したり、前述した密着性が低下したりするおそれがある。またシリコーンゴムパウダーの配合量は、エポキシ樹脂組成物全量に対して０．３〜５．０質量％であることが好ましい。配合量が上記の範囲から外れると、成形時における封止材の流動性が低下するおそれがある。
【００２３】
さらに上記の成分以外に、封止材に一般的に配合されている添加剤を適宜配合して用いることができる。例えば、離型剤としては、カルナバワックスを、難燃剤としては、リン系難燃剤、ブロム化合物、三酸化アンチモン等を、着色剤としては、カーボンブラック、有機染料等を、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等を用いることができる。
【００２４】
本発明に係るエポキシ樹脂組成物は、上記のエポキシ樹脂、硬化剤、無機充填材、硬化促進剤を必須成分とし、さらに必要に応じて離型剤、難燃剤、着色剤、カップリング剤等を配合し、これをミキサー、ブレンダー等で均一に混合した後に、ニーダーやロールで加熱混練することによって調製することができるものである。なお、各成分を配合する順序は特に限定されない。また得られた混練物を必要に応じて冷却固化し、粉砕して粉状にしたり、タブレット状にしたりして使用するようにしてもよい。
【００２５】
そして、上記のようにして調製したエポキシ樹脂組成物を用いて封止成形することによって、半導体装置を作製することができる。例えば、ＩＣ等のチップを搭載したパッケージ基板をトランスファー成形金型にセットし、トランスファー成形を行うことによって、チップ搭載面をエポキシ樹脂組成物による封止材で封止した半導体装置を作製することができるものである。
【００２６】
このようにして得られる半導体装置は、成形直後から常温まで冷却される間に、チップやパッケージ基板と封止材との間に収縮率の不均衡が生じることがなく、反りが発生しなくなるものであり、またこの半導体装置を実装基板へ実装するにあたって、リフロー半田付けを行ってもチップやパッケージ基板と封止材との間に、剥離やパッケージクラックが発生しなくなるものである。
【００２７】
【実施例】
以下、本発明を実施例によって具体的に説明する。
【００２８】
表１及び表２の配合物をミキサーで均一に混合した後、加熱ロールで約５分間混練することによって、実施例１〜５及び比較例１〜５のエポキシ樹脂組成物を得た。
【００２９】
ここで表１及び表２において、オルソクレゾールノボラックエポキシ樹脂として、住友化学社製「ＥＳＣＮ１９５ＸＬ」を、式（１）で示されるエポキシ樹脂として、日本化薬社製「ＥＰＰＮ５０１ＨＹ」を、一般のフェノールノボラック樹脂として、明和化成社製「Ｈ−１」（２核体は、約１５質量％）を、式（２）で示されるフェノールノボラック樹脂として、明和化成社製「ＤＬ−９２」（２核体は、約４質量％）を、ブロム化エポキシ樹脂として、住友化学社製「ＥＳＢ４００」を用いた。
【００３０】
また硬化促進剤として、２−フェニルイミダゾール（２ＰＺ）、トリフェニルホスフィン（ＴＰＰ）を、無機充填材として、カップリング剤であるγ−グリシドキシプロピルトリエトキシシランで処理した溶融シリカ（平均粒径１５μｍ）を用いた。
【００３１】
また表面がシリコーンレジンで被覆されたシリコーンゴムパウダーとして、信越化学社製「ＫＭＰ−６００」（平均粒径５μｍ）を、表面がシリコーンレジンで被覆されていないシリコーンゴムパウダーとして、東レダウコーニングシリコーン社製「Ｅ６０１」（平均粒径２μｍ）を用いた。なお、このシリコーンゴムパウダーはエポキシ基を有するものである。
【００３２】
また難燃剤として、三酸化アンチモンを、離型剤として、カルナバワックスを用いた。
【００３３】
次に、上記のようにして得たエポキシ樹脂組成物の性能を以下の試験で評価した。結果を表１及び表２にまとめて示す。
（ＢＧＡパッケージ反り）
図１（ａ）に示すように、パッケージ基板３としてＢＴ（ビスマレイミドトリアジン樹脂）材を用い、このパッケージ基板３に評価用ＴＥＧチップ２を搭載して、外形サイズ７．６ｍｍ×７．６ｍｍ×厚み０．４ｍｍのＢＧＡ用の金型にセットし、上記の実施例１〜５及び比較例１〜５の成形材料を用いて、この金型にトランスファー成形した。成形条件は、温度１７０℃、注入圧力９．８ＭＰａ、注入スピード１０秒、キュアータイム１２０秒であり、成形後に温度１７５℃で、６時間アフターキュアーすることによって、封止材１の厚みが０．８ｍｍのＢＧＡパッケージを得た。
【００３４】
このようにして得たＢＧＡパッケージについて、図１（ｂ）の矢印で示す２箇所の反りを表面粗さ計を用いて測定した。
（耐リフロー性）
前処理として上記のＢＧＡパッケージを１２５℃、２４時間乾燥させた後、３０℃、７０％ＲＨの恒温恒湿機で１６８時間の吸湿処理を行い、このＢＧＡパッケージにＩＲリフロー処理（ＥＩＡＪ規格）を行った。この処理後のＢＧＡパッケージの内部を超音波探査装置（キャノン社製「Ｍ−７００ＩＩ」）で観察し、封止材とチップとの界面部、及び封止材とパッケージ基板との界面部との間の剥離やクラックの有無を調べた。結果を評価数（分母）に対する剥離発生数（分子）で示す。
（ガラス転移温度（Ｔｇ））
上記のようにして得たエポキシ樹脂組成物について、ＴＭＡで（α１（８０〜１２０℃）とα２（２２０〜２６０℃）との交点として）ガラス転移温度（Ｔｇ）を測定した。
（線膨張係数（α１））
上記のようにして得たエポキシ樹脂組成物について、ＴＭＡで（８０〜１２０℃の温度域の）線膨張係数（α１）を測定した。
【００３５】
【表１】

【００３６】
【表２】

【００３７】
表１にみられるように、各実施例のものは耐リフロー性に優れていると共に、ＢＧＡパッケージの反りが小さいことが確認される。
【００３８】
また実施例１と比較例５とを比較すると、表面をシリコーンレジンで被覆したシリコーンゴムパウダーを添加することによって、ＢＧＡパッケージの反りが低減することが確認される。
【００３９】
また実施例１と実施例２とを比較すると、硬化促進剤としてイミダゾール類を用いることによって、ＢＧＡパッケージの反りが低減すると共に、ガラス転移温度（Ｔｇ）が高まることが確認される。
【００４０】
また表２にみられるように、比較例１及び比較例２のものにはエポキシ樹脂として、式（１）で示されるエポキシ樹脂が配合されていないため、耐リフロー性に乏しいことが確認される。
【００４１】
また比較例３及び比較例４のものは、比較例の中では耐リフロー性に優れているものの、硬化剤として、２核体が１０質量％以下である式（２）で示されるフェノールノボラック樹脂が配合されていないため、ＢＧＡパッケージの反りが大きくなることが確認される。
【００４２】
【発明の効果】
上記のように本発明の請求項１に係るエポキシ樹脂組成物は、式（１）で示されるエポキシ樹脂、２核体が１０質量％以下である式（２）で示されるフェノールノボラック樹脂、無機充填材、硬化促進剤を含有して成るので、式（１）で示されるエポキシ樹脂によって、硬化物のガラス転移温度（Ｔｇ）が高まって体積変化が小さくなり、パッケージの反りを低減させることができるものである。しかも、２核体が１０質量％以下である式（２）で示されるフェノールノボラック樹脂と組み合わせることで、パッケージの反りをさらに低減することができると共に、チップやパッケージ基板との密着性を高め、リフロー半田付けによる剥離やクラックなどの発生を防止することができるものである。
【００４３】
また請求項１の発明は、シリコーンレジンで表面が被覆されたシリコーンゴムパウダーを含有して成るので、チップやパッケージ基板と封止材との密着性を損なうことがなく、優れた耐リフロー性を維持することができると共に、パッケージの反りを低減することができるものである。
【００４４】
また請求項２の発明は、請求項１において、硬化促進剤がイミダゾール類であるので、硬化物のガラス転移温度（Ｔｇ）が高まり、温度変化に対する体積変化を小さくすることができ、パッケージに反りが発生しにくくなるものである。
【００４５】
また請求項３の発明は、請求項１又は２において、硬化物の線膨張係数（α１）が１．０〜１．６（×１０^−５／℃）であるので、ガラスエポキシ、ＢＴ（ビスマレイミドトリアジン樹脂）材等のパッケージ基板の線膨張係数（α１）よりもやや低めとなり、パッケージの反りを低減することができるものである。
【００４６】
また本発明の請求項４に係る半導体装置は、請求項１乃至３のいずれかに記載のエポキシ樹脂組成物で封止されて成るので、反りの無いものであり、さらに実装基板へリフロー半田付けを行っても、チップやパッケージ基板と上記のエポキシ樹脂組成物との間の密着性が高められており、剥離やパッケージクラックが発生しないものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＢＧＡパッケージを示すものであり、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図である。
【符号の説明】
１封止材
２評価用ＴＥＧチップ
３パッケージ基板

Claims

下記式（１）で示されるエポキシ樹脂、２核体が１０質量％以下である下記式（２）で示されるフェノールノボラック樹脂、無機充填材、硬化促進剤、シリコーンレジンで表面が被覆されたシリコーンゴムパウダーを含有して成ることを特徴とするエポキシ樹脂組成物。
硬化促進剤がイミダゾール類であることを特徴とする請求項１に記載のエポキシ樹脂組成物。
硬化物の線膨張係数（α１）が１．０〜１．６（×１０^−５／℃）であることを特徴とする請求項１又は２に記載のエポキシ樹脂組成物。
請求項１乃至３のいずれかに記載のエポキシ樹脂組成物で封止されて成ることを特徴とする半導体装置。