JP4627208B2

JP4627208B2 - 予備混練組成物、半導体封止用エポキシ樹脂組成物および半導体装置

Info

Publication number: JP4627208B2
Application number: JP2005100868A
Authority: JP
Inventors: 正暁上木; 諭関村; 智佐渡
Original assignee: Kyocera Chemical Corp
Current assignee: Kyocera Chemical Corp
Priority date: 2005-03-31
Filing date: 2005-03-31
Publication date: 2011-02-09
Anticipated expiration: 2025-03-31
Also published as: JP2006282700A

Description

本発明は、ファインピッチ化した半導体パッケージの樹脂封止に好適する予備混練組成物と、封止用エポキシ樹脂組成物、および半導体装置に関する。

従来から、半導体素子のような電気・電子部品の熱硬化性樹脂による封止が広く行われており、封止用樹脂としては、エポキシ樹脂が一般に用いられている。特に、フェノール樹脂を硬化剤とし、シリカ粉末のような無機充填剤などを配合したエポキシ樹脂組成物は、成形性や信頼性に優れ、毒性がなくまた安価であることから、多用されている。また、このような封止用エポキシ樹脂組成物においては、外乱光による動作不良を防止する目的で、カーボンブラックなどの着色剤が配合されている。

ところで近年、半導体素子の高集積化、高速化、多機能化などが求められていることに加えて、設計技術や製造技術が進歩したことにより、配線の微細化（ファインピッチ化）が年々進められている結果、着色剤として封止材に含有されるカーボンブラックが、インナーリード間や接続ピン間またはワイヤ間などに挟まり、リーク不良などの絶縁不良を引き起こす原因になっていた。

このようなカーボンブラックに起因する絶縁不良を防止するために、カーボン代替物質としてアゾ染料などの有機染料を使用することが検討されている。しかし、染料は耐熱性が低いため、半導体組み立て工程の熱履歴により分解し、外乱光の隠ぺい率が大幅に低下するという問題があった。

また、カーボンブラックを樹脂被覆することにより絶縁化する方法、あるいは篩による粗粒分のカット、予備混練による粗粒壊砕などの方法でカーボンブラックを微細化する方法が検討されているが、いずれの方法も工程上の難点を有していた（例えば、特許文献１参照）。

すなわち、樹脂被覆カーボンは製造工程が複雑であるため、またカーボンブラックの粗粒分をカットする方法はカット工程に非常に時間がかかるため、いずれも封止材がコスト高になるという難点があった。さらに、カーボンブラックを予備混練する方法では、予備混練により得られる組成物（マスターバッチ）の溶融粘度が非常に高くなるため、封止用エポキシ樹脂組成物の調製工程において、マスターバッチをエポキシ樹脂に均一分散させることが難しいという問題があった。

カーボンブラックの含有率を低減することで、予備混練組成物（マスターバッチ）の溶融粘度を下げることはできるが、この方法では多量の予備混練組成物を必要とすることになるため、コストの上昇を招いていた。また、封止用エポキシ樹脂組成物の調製の際に各成分の配合の自由度が低下し、応用性が下がるという問題があった。

そもそも、ファインピッチ化された半導体パッケージにおいては、接続ピンやパッド、ワイヤなどの間隔が狭くなるにつれて、封止材として、溶融粘度の低い樹脂を主剤とするエポキシ樹脂組成物を使用する傾向がある。そして、このような低粘度のエポキシ樹脂組成物の調製に際しては、混練時にトルクがかかりにくいため、カーボンブラック分散の不均一がよりいっそう発生しやすくなっていた。
特開２００１−００２８９５号公報

本発明はこれらの問題を解決するためになされたもので、ファインピッチ化した半導体パッケージに対応し、絶縁性に優れ、カーボンブラックの分散性が良好で低コストな封止用エポキシ樹脂組成物を提供することを目的とする。また、そのようなエポキシ樹脂組成物の硬化物で封止された信頼性の高い半導体装置を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記目的を達成するために鋭意研究を重ねた結果、カーボンブラックとともに低融点の脂肪族化合物やシリコーン系化合物を配合することにより、予備混練組成物中のカーボンブラックの含有量を所定の範囲に保持したままで溶融粘度を下げることができ、予備混練組成物の混練・分散性を大幅に向上させることができることを見出し、本発明を完成するに至った。

本発明の予備混練組成物は、（Ａ）カーボンブラック、（Ｂ）エポキシ樹脂またはフェノール樹脂硬化剤、並びに（Ｃ〉脂肪族系低融点化合物および／またはシリコーン系低融点化合物をそれぞれ含有し、前記（Ａ）カーボンブラックの含有割合が０．１〜３０重量％であり、前記（Ｃ）脂肪族系低融点化合物またはシリコーン系低融点化合物あるいはその混合物の含有割合が０．１〜１０重量％であることを特徴とする。

本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物は、（Ｄ）エポキシ樹脂、（Ｅ）フェノール樹脂硬化剤、（Ｆ）硬化促進剤、（Ｇ）無機充填剤、および（Ｈ）前記した本発明の予備混練組成物をそれぞれ含むことを特徴とする。

本発明の半導体装置は、前記した本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物の硬化物により封止された半導体素子を具備することを特徴とする。

本発明の予備混練組成物においては、カーボンブラックとともに脂肪族系低融点化合物および／またはシリコーン系低融点化合物が配合され、かつ予備的に混練されているので、カーボンブラックの粗粒が壊砕されて、その分散性が向上されている。また、カーボンブラックの含有量を所定の範囲に保持したままで溶融粘度を低下させることができるため、このような予備混練組成物を封止用樹脂に混練することで、カーボンブラックの分散性を大幅に高めることができる。

そして、本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物においては、前記した予備混練組成物が配合されているので、カーボンブラックの粗粒あるいは凝集物が存在せず、絶縁性に優れている。したがって、このようなエポキシ樹脂組成物の硬化物で封止することにより、ファインピッチ化された半導体パッケージのような装置において、リーク不良などの絶縁不良の発生を防止し、信頼性の高い樹脂封止型半導体装置を歩留まり良く得ることができる。

以下、本発明の実施の形態について説明する。

本発明の第１の実施形態は半導体封止材用の予備混練組成物であり、（Ａ）カーボンブラック、（Ｂ）エポキシ樹脂またはフェノール樹脂硬化剤、並びに（Ｃ〉脂肪族系低融点化合物、またはシリコーン系低融点化合物、またはそれらの混合物を含有している。そして、（Ａ）成分であるカーボンブラックの含有割合が予備混練組成物全体に対して０．１〜３０重量％であり、（Ｃ）成分である脂肪族系低融点化合物またはシリコーン系低融点化合物あるいはそれらの混合物の含有割合が、予備混練組成物全体に対して０．１〜１０重量％となっている。

この実施形態の予備混練組成物をさらに詳細に説明する。第１の実施形態の予備混練組成物において、（Ａ）成分のカーボンブラックとしては、不純物などのレベルが封止材として適用可能のものであれば、原料の材質および製法などは特に限定されない。着色力並びにその他の特性に鑑みて、１次粒子としての粒子径が２５μｍ以下、より好ましくは５０ｎｍ以下であり、黒色度の高いものが望ましい。

（Ｂ）成分であるエポキシ樹脂またはフェノール樹脂硬化剤は、予備混練組成物の主成分である。エポキシ樹脂としては、１分子中に２個以上のエポキシ基を有するものであれば、分子構造、分子量などは限定されることなく、一般に半導体素子の封止用に使用されているものを広く使用することができる。

例えば、下記一般式（１）で示されるクレゾールノボラック型エポキシ樹脂、一般式（２）で示されるジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂、一般式（３）で示されるビフェニル型エポキシ樹脂、一般式（４）で示されるビフェニルノボラック型エポキシ樹脂、一般式（５）で示される多官能型エポキシ樹脂、あるいは一般式（６）〜（８）で示されるナフタレン骨格含有エポキシ樹脂などが挙げられる。これらの1種を単独で使用してもよく、２種以上を併用してもよい。また、これらのエポキシ樹脂には、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂やビスフェノールＦ型エポキシ樹脂、あるいはこれらの臭素化エポキシ樹脂など、その他の公知のエポキシ樹脂を併用することができる。

（式中、ｎは１以上の整数を表す。）

（式中、ｎは１以上の整数を表す。）

（式中、Ｒ^１〜Ｒ^４は水素またはアルキル基を表す。）

（式中、ｎは１以上の整数を表す。）

（式中、Ｒ^１〜Ｒ^４は水素またはアルキル基を表し、ｎは１以上の整数を表す。）

（式中、ｎは０以上の整数を表す。）

（式中、ｎは０以上の整数を表す。）

（式中、ｎは０以上の整数を表す。）

（Ｂ）成分であるフェノール樹脂硬化剤としては、１分子中にフェノール性水酸基を２個以上有し、（Ａ）成分であるエポキシ樹脂中のエポキシ基と反応して硬化させ得るものであればいかなるものであってもよいが、耐湿信頼性などの点から、以下に示すものを使用することが好ましい。

例えば、下記一般式（９）で示されるフェノールノボラック樹脂、一般式（１０）で示されるクレゾールノボラック樹脂、一般式（１１）で示されるジシクロペンタジエン変性フェノール樹脂、一般式（１２）で示されるフェノールアラルキル樹脂、一般式（１３）で示される多官能型フェノール樹脂などが挙げられる。これらの1種を単独で使用しても、２種以上を混合して使用してもよい。また、これらのフェノール樹脂には、本発明の目的に反しない限度において、ナフトールアラルキル樹脂のような公知のフェノール樹脂を併用することができる。

（式中、ｎは１以上の整数を表す。）

（式中、ｎは１以上の整数を表す。）

（式中、ｎは１以上の整数を表す。）

（式中、ｎは１以上の整数を表す。）

（式中、ｎは１以上の整数を表す。）

（Ｃ）成分である脂肪族系低融点化合物またはシリコーン系低融点化合物は、予備混練組成物の溶融粘度を低減し、カーボンブラックの分散性を向上させるための成分である。（Ｃ）成分としては、特に制限はないものの、天然ワックス類、合成ワックス類などの離型剤、シリコーンオイルなどの低応力添加剤など、半導体封止用樹脂材料の添加剤として一般に用いられる化合物から、１種あるいは複数種を選択して使用することが好ましい。

第１の実施形態において、前記（Ａ）カーボンブラックの含有割合は、予備混練組成物全体に対して０．１〜３０重量％より好ましくは８〜１５重量％とする。また、（Ｃ）脂肪族系低融点化合物またはシリコーン系低融点化合物あるいはそれらの混合物の含有割合は、予備混練組成物全体に対して０．１〜１０重量％より好ましくは０．５〜２重量％とする。（Ｃ）脂肪族系低融点化合物および／またはシリコーン系低融点化合物の含有割合が０．１重量％未満では、予備混練組成物の溶融粘度が高くなり、この組成物を後述する(Ｄ)エポキシ樹脂、（Ｅ）フェノール樹脂硬化剤、（Ｆ）硬化促進剤、および（Ｇ）無機充填剤とともに混練して半導体封止用エポキシ樹脂組成物を調製する工程で、予備混練組成物の溶融分散性が損なわれる。また、（Ａ）カーボンブラックの含有割合が３０重量％を超えた場合にも、前記と同様に予備混練組成物の溶融分散性の著しい低下が生じ、好ましくない。

第１の実施形態の予備混練組成物を調製するには、前記した（Ａ）カーボンブラック、（Ｂ）エポキシ樹脂あるいはフェノール樹脂系硬化剤、および（Ｃ）脂肪族系低融点化合物および／またはシリコーン系低融点化合物を配合したものを、ニーダ、熱ロールあるいは押出し混練機のような、樹脂成分の加熱溶融混練が可能な装置により混練し、冷却し固化させた後、半導体封止用樹脂材料の調製に適した粒度に粉砕する方法が採られる。

本発明の第２の実施形態は半導体封止用エポキシ樹脂組成物であり、（Ｄ）エポキシ樹脂、（Ｅ）フェノール樹脂硬化剤、（Ｆ）硬化促進剤、（Ｇ）無機充填剤、および（Ｈ）前記した第１の実施形態の予備混練組成物をそれぞれ含有している。

第２の実施形態において、（Ｄ）成分であるエポキシ樹脂は主成分である。このエポキシ樹脂としては、第１の実施形態の予備混練組成物における（Ｂ）成分のエポキシ樹脂と同様なものを例示することができ、それらの1種を単独で使用するか、あるいは２種以上を併用することができる。

また、（Ｅ）成分であるフェノール樹脂硬化剤としても、前記した予備混練組成物における（Ｂ）成分のフェノール樹脂硬化剤と同様なものを例示することができる。それらの1種を単独で使用してもよいし、あるいは２種以上を併用してもよい。

第２の実施形態において（Ｆ）成分である硬化促進剤は、前記（Ｄ）エポキシ樹脂と（Ｅ）フェノール樹脂硬化剤との反応を促進するものである。（Ｆ）硬化促進剤についても特に制限はなく、不純物濃度が低いものが好ましく使用される。より具体的には、トリフェニルホスフインのような公知の有機リン系の硬化促進剤、イミダゾール系の硬化促進剤、ＤＢＵ（ジアザビシクロウンデセン）系の硬化促進剤などを、単独でまたは２種以上混合して使用することができる。

（Ｆ）硬化促進剤の配合割合は、第２の実施形態のエポキシ樹脂組成物全体に対して０．０１〜５重量％とすることが望ましい。（Ｆ）硬化促進剤の配合割合が０．０１重量％未満では、樹脂組成物のゲルタイムが長くなり過ぎ、樹脂封止された半導体装置の生産サイクルが長くなってしまうため、好ましくない。また、５重量％を超えると、エポキシ樹脂組成物の流動性が著しく低下するため充填性が悪くなり、また封止後の硬化物の耐湿信頼性が低下するため好ましくない。

（Ｇ）成分である無機充填剤としては、不純物濃度が低い溶融シリカ粉末、結晶シリカ粉末、アルミナ粉末などが挙げられる。これらの（Ｇ）無機充填剤としては、最大粒径が半導体パッケージなどのピン間隔よりも小さいものが好ましく、最大粒径が５０μｍ以下のものが好ましく使用される。（Ｇ）無機充填剤の配合割合は、エポキシ樹脂組成物全体に対して７０〜９５重量％、より好ましくは８０〜９２重量％とする。（Ｇ）無機充填剤が７０重量％未満では、封止後の硬化物の耐湿信頼性に劣り、反対に９５重量％を超えると、エポキシ樹脂組成物の流動性が著しく低下して充填性が悪くなるため、好ましくない。

第２の実施形態のエポキシ樹脂組成物は、これらの（Ｄ）エポキシ樹脂、（Ｅ）フェノール樹脂硬化剤、（Ｆ）硬化促進剤、（Ｇ）無機充填剤、および第１の実施形態のカーボンブラックを含む予備混練組成物を必須成分とするが、本発明の効果を阻害しない範囲で必要に応じて、天然ワックス類、合成ワックス類などの離型剤をさらに配合することができる。また、カーボンブラック以外の着色剤、ゴム系やシリコーン系ポリマーのような低応力付与剤、アミン変性シリコーンオイルやエポキシ変性シリコーンオイルのようなカップリング剤などを適宜添加配合することができる。

第２の実施形態の半導体封止用エポキシ樹脂組成物を調製するには、第１の実施形態の予備混練組成物と、（Ｄ）エポキシ樹脂、（Ｅ）フェノール樹脂硬化剤、（Ｆ）硬化促進剤、（Ｇ）無機充填剤、およびその他の配合成分を、ミキサーなどによって均一に混合し、さらに熱ロールまたはニーダなどにより加熱溶融して混練した後、冷却固化し、次いで適当な大きさに粉砕して封止用材料とする。

こうして得られた封止用材料は、半導体素子をはじめとする電気・電子部品の封止、被覆、絶縁などに適用することができ、優れた成形性と信頼性、絶縁性などの特性を付与することができる。

本発明の第３の実施形態は半導体装置であり、前記した第２の実施形態のエポキシ樹脂組成物の硬化物により封止された半導体素子を備えている。半導体素子は特に限定されるものではなく、例えば集積回路、大規模集積回路、トランジスタ、サイリスタ、ダイオードなどが適用可能である。

第２の実施形態のエポキシ樹脂組成物を用いて半導体素子を封止する方法としては、低圧トランスファー成形法が最も一般的であるが、射出成形、圧縮成形などの方法による封止も可能であり、必要に応じて真空下で成形することにより、隙間への充填性をさらに向上させることができる。封止後加熱して樹脂を硬化させるときの温度は、１５０℃以上にすることが望ましい。

本発明の実施形態の予備混練組成物においては、（Ａ）カーボンブラックとともに、（Ｃ〉脂肪族系低融点化合物および／またはシリコーン系低融点化合物が配合されているので、カーボンブラックの粗粒が壊砕され分散性が向上されている。また、カーボンブラックの含有量を所望の範囲に保持しかつ溶融粘度を低下させることができる。そのため、このような予備混練組成物が配合された本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物においては、カーボンブラックの粗粒あるいは凝集物が存在せず、カーボンブラックの分散性が大幅に向上されており、絶縁性に優れている。

したがって、このようなエポキシ樹脂組成物の硬化物で封止することにより、ファインピッチ化された半導体パッケージなどの装置において、リーク不良などの絶縁不良の発生を防止し、信頼性の高い樹脂封止型半導体装置を歩留まり良く得ることができる。

次に、本発明の具体的な実施例について説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。なお、以下の実施例および比較例において、「％」は重量％を意味する。

実施例１〜３、比較例１，２
カーボンブラック（ＭＡ−６００、三菱化学株式会社製）、多官能型フェノール樹脂（ＭＥＨ−７５００、明和化成株式会社製）、エステル系ワックス（カルナバ１号）およびシリコーンオイル（ＴＳＦ４５１−１Ｍ、ＧＥ東芝シリコーン株式会社製）を、それぞれ表１に示す組成で配合した原料成分を、加圧型ニーダにより溶融混合し、冷却固化した後適当な粒度（平均粒径２５０μｍ）に粉砕し、予備混練組成物を得た。

実施例４〜６、比較例３〜５
実施例１〜３および比較例１，２でそれぞれ得られた予備混練組成物を含む表２に示す組成の原料成分を、ミキサーにより常温で混合した後、ニーダにより７０〜８０℃の温度で加熱しながら混練し、次いでこれを冷却粉砕して半導体封止用樹脂材料を得た。なお、多官能型エポキシ樹脂としてはＥＰＰＮ−５０１（日本化薬株式会社製）、臭素化エポキシ樹脂としてはＡＥＲ−８０２８（旭化成株式会社製）、多官能型フェノール樹脂としてはＭＥＨ−７５００、エステル系ワックスとしてはカルナバ１号、カーボンブラックとしてはＭＡ−６００をそれぞれ使用した。また、硬化促進剤としては２−メチルイミダゾールを使用した。

次いで、こうして実施例４〜６および比較例３〜５により得られた封止用樹脂材料を、１７５℃×２分間の条件でトランスファー成形し、さらに１７５℃で４時間ポストキュアを行い、試験成形品を得た。また、５０μｍのワイヤ配線を有するＰＢＧＡに対して、同様な条件で樹脂封止を行い、樹脂封止型半導体装置を得た。

これらの試験成形品について、外観を観察するとともに、以下に示す方法で、カーボン粗粒および未分散の予備混練組成物の有無を調べた。また、帯電電圧を調べた。さらに、樹脂封止された半導体装置について、以下に示す方法で配線間ショートの発生率を調べた。これらの結果を表２下欄に示す。

[カーボン粗粒および未分散の予備混練組成物の有無]
３０ｍｍ角の試験片２０個を鏡面研磨して研磨面を観察し、直径２５μｍ以上の未分散のカーボン性異物が検出された試験片の数を計上した。また、同様にして、直径２５μｍ以上の未分散の予備混練組成物が検出された試験片の数を形上した。

［帯電電圧］
試験成形品を成形した直後の静電電圧を、ＳＩＭＣＯ社製ＦＭＸ−００２を用いて測定した。

［配線間ショート発生率］
５０μｍのワイヤ配線を有するＰＢＧＡを樹脂封止した後、このＰＢＧＡにバイアスを印加し、配線間のショートを調べた。そして、ショートの発生率を算定した。

表２の試験結果から明らかなように、実施例４〜６のエポキシ樹脂組成物を用いた成形品および樹脂封止型半導体用装置においては、カーボン粗粒および未分散の予備混練組成物が検出されなかった。また、樹脂封止後のショート発生率が低く、絶縁信頼性に優れていることが確かめられた。

Claims

（Ａ）カーボンブラック、（Ｂ）エポキシ樹脂またはフェノール樹脂硬化剤、並びに（Ｃ〉脂肪族系低融点化合物および／またはシリコーン系低融点化合物をそれぞれ含有し、前記（Ａ）カーボンブラックの含有割合が０．１〜３０重量％であり、前記（Ｃ）脂肪族系低融点化合物またはシリコーン系低融点化合物あるいはその混合物の含有割合が０．１〜１０重量％であることを特徴とする予備混練組成物。
前記（Ａ）カーボンブラックの粒径が２５μｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の予備混練組成物。
（Ｄ）エポキシ樹脂、（Ｅ）フェノール樹脂硬化剤、（Ｆ）硬化促進剤、（Ｇ）無機充填剤、および（Ｈ）請求項１または２記載の予備混練組成物をそれぞれ含むことを特徴とする半導体封止用エポキシ樹脂組成物。
請求項３記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成物の硬化物により封止された半導体素子を具備することを特徴とする半導体装置。