JP4633249B2

JP4633249B2 - 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: JP4633249B2
Application number: JP2000395220A
Authority: JP
Inventors: 比斗志横内; 譲和田; 和俊藤田
Original assignee: Kyocera Chemical Corp
Current assignee: Kyocera Chemical Corp
Priority date: 2000-12-26
Filing date: 2000-12-26
Publication date: 2011-02-16
Anticipated expiration: 2020-12-26
Also published as: JP2002194061A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体などの電子部品の封止樹脂材料として使用されるエポキシ樹脂組成物、およびこれを用いた半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、半導体などの電子部品を熱硬化性樹脂を用いて封止することが広く行われている。このような封止樹脂材料には、耐リフロー性に優れること、パッケージの反りが少ないことなどが要求され、一般に、エポキシ樹脂をベースとし、これに硬化剤や硬化促進剤、さらにはシリカ粉末のような充填剤や顔料などを配合した組成物が使用されている。
【０００３】
ところで、近年、半導体集積回路の分野においては、チップの高集積化に伴い大型化・多極化が進む一方、パッケージは、携帯情報通信機器を中心に小型化・軽量化の要求がますます強まっており、それに伴い、表面実装型のＢＧＡ（Ball Grid Array）型パッケージが注目されてきている。
【０００４】
これは、ＢＧＡ型パッケージでは、アウターリードがパッケージ下面にエリアアレイ状に配置されているため、例えばＱＦＰ（Quad Flat Package）のように、アウターリードがパッケージ周辺に配列されているタイプのものに比べ、より多極化を図ることができる（電極数が同じ場合には、リードピッチをより大きく確保することができるため、ソルダリングの信頼性を向上させることができる）からである。
【０００５】
しかしながら、このＢＧＡ型パッケージは、片面封止構造であるため、従来の封止樹脂材料では、パッケージの反りが大きくなるという問題があった。このため、パッケージの反りがより少なく、かつ、耐リフロー性にも優れたエポキシ樹脂組成物が要求されてきている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、従来に比べパッケージの反りが少ないうえ、耐リフロー性に優れたエポキシ樹脂組成物の要求がある。しかしながら、未だそのようなものは得られていない。
【０００７】
本発明はこのような従来の事情に鑑みてなされたもので、パッケージの反りが少ないうえ、耐リフロー性に優れたエポキシ樹脂組成物、およびそれを用いた半導体装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記の目的を達成するため鋭意研究を重ねた結果、特定量の無機充填剤と特定量のエポキシ化ジエン系ブロック共重合体を併用することによって、上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成したものである。
【０００９】
すなわち、本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物は、（Ａ）多官能型エポキシ樹脂、（Ｂ）多官能型フェノール樹脂、（Ｃ）硬化促進剤、（Ｄ）無機充填剤および（Ｅ）スチレン重合体ブロックとブタジエンおよび／またはイソプレン重合体ブロックからなるブロック共重合体をエポキシ化してなるエポキシ化ジエン系ブロック共重合体を必須成分とし、組成物全体に対して前記（Ｄ）の無機充填剤を60〜93重量％、前記（Ｅ）のエポキシ化ジエン系ブロック共重合体を0.05〜10重量％の割合で含有してなることを特徴としている。
【００１０】
本発明のエポキシ樹脂組成物においては、特定量の無機充填剤と特定量のエポキシ化ジエン系ブロック共重合体を併用したことにより、樹脂組成物の高いガラス転移温度を保持したまま熱膨張係数が低減され、熱特性と低応力性が向上する。その結果、パッケージの反り量が少なくなるとともに、耐リフロー性に優れたものとなる。
【００１１】
本発明において、（Ｅ）エポキシ化ジエン系ブロック共重合体は、請求項２に記載したように、エポキシ当量が320〜8000であることが好ましい。
【００１２】
本発明の半導体装置は、上記した本発明のエポキシ樹脂組成物の硬化物によって、半導体チップが封止されてなることを特徴としている。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
本発明のエポキシ樹脂組成物は、（Ａ）エポキシ樹脂、（Ｂ）フェノール樹脂、（Ｃ）硬化促進剤、（Ｄ）無機充填剤および（Ｅ）エポキシ化ジエン系ブロック共重合体を必須成分とするものである。
【００１４】
（Ａ）のエポキシ樹脂は、分子中にエポキシ基を有するモノマー、オリゴマー、ポリマー全般をいい、分子構造、分子量などに制限されることなく一般に使用されているものを広く用いることができる。具体的には、ビスフェノール型芳香族系、シクロヘキサン誘導体等のエポキシ化によって得られる脂環族系の他、下記一般式［Ｉ］で示されるエポキシノボラック型、下記一般式［II］で示されるビフェニル型、下記一般式［III］で示されるジシクロペンタジエン型、下記一般式［IV］で示されるナフタレン型、下記一般式［Ｖ］や［VI］等で示される多官能型等のエポキシ樹脂が挙げられる。本発明においては、なかでもビフェニル型エポキシ樹脂、ナフタレン型エポキシ樹脂および多官能型エポキシ樹脂の使用が好ましく、多官能型エポキシ樹脂の使用がより好ましい。なお、これらのエポキシ樹脂は、1種を単独で使用してもよく、2種以上を混合して使用してもよい。
【００１５】
【化１】

（但し、式中、ｎは0または1以上の整数を表す。）
【化２】

（但し、式中、Ｒ1〜Ｒ4は水素原子または炭素数1〜20のアルキル基を表す。これらは同一であっても異なっていてもよい。ｎは0または1以上の整数を表す。）
【化３】

（但し、式中、ｎは0または1以上の整数を表す。）
【化４】

【化５】

（但し、式中、Ｒ1〜Ｒ4は水素原子または炭素数1〜20のアルキル基を表す。これらは同一であっても異なっていてもよい。ｎは0または1以上の整数を表す。）
【化６】

（但し、式中、Ｒ1〜Ｒ3は水素原子または炭素数1〜20のアルキル基を表す。これらは同一であっても異なっていてもよい。ｎは0または1以上の整数を表す。）
【００１６】
（Ｂ）のフェノール樹脂は、硬化剤として配合されるものであり、（Ａ）のエポキシ樹脂のエポキシ基と反応し得るフェノール性水酸基を分子中に2個以上有するものであれば、特に制限されることなく使用される。具体的には、フェノールノボラック樹脂、クレゾールノボラック樹脂、ジシクロペンタジエン変性フェノール樹脂、パラキシレン変性フェノール樹脂、フェノール類とベンズアルデヒド、ナフチルアルデヒド等との縮合物、トリフェノールメタン化合物、下記一般式［VII］で示すようなトリス（ヒドロキシフェニル）アルカンベースの化合物等が挙げられる。本発明においては、なかでも、水酸基当量が150以下のものが好ましく、水酸基当量が130以下のものがさらに好ましい。また、特に厳しい寸法安定性が要求される場合には、下記一般式［VIII］で示されるフェノール樹脂の使用が好ましい。
【００１７】
【化７】

（但し、式中、Ｒ1〜Ｒ4は水素原子または炭素数1〜20のアルキル基を表す。これらは同一であっても異なっていてもよい。ｎは0または1以上の整数を表す。）
【化８】

（但し、式中、Ｒ1〜Ｒ5は水素原子または炭素数1〜20のアルキル基を表す。これらは同一であっても異なっていてもよい。ｎは0または1以上の整数を表す。）なお、これらのフェノール樹脂は、1種を単独で使用してもよく、2種以上を混合して使用してもよい。この（Ｂ）のフェノール樹脂は、未反応成分を少なくするという観点から、水酸基／（Ａ）のエポキシ樹脂が有するエポキシ基（当量比）が0.7〜1.3となる量を配合することが好ましい。
【００１８】
（Ｃ）の硬化促進剤は、エポキシ樹脂同士、またはエポキシ樹脂と（Ｂ）のフェノール樹脂との反応を促進する作用を有するものであれば、特に限定されるものではない。具体的には、1,8-ジアザビシクロ[5,4,0]ウンデセン-7（ＤＢＵ）、トリエチレンジアミン、ベンジルジメチルアミン、トリエタノールアミン、ジメチルアミノエタノール、トリス（ジメチルアミノメチル）フェノール等の3級アミン類、2-メチルイミダゾール、2-フェニルイミダゾール、2-フェニル-4-メチルイミダゾール等のイミダゾール類、トリブチルホスフィン、ジフェニルホスフィン、トリフェニルホスフィン等の有機ホスフィン類、テトラフェニルホスホニウムテトラフェニルボレート、トリフェニルホスフィンテトラフェニルボレート等のテトラフェニルボロン塩等が挙げられる。これらは単独または2種以上混合して使用することができる。本発明においては、なかでもイミダゾール類の使用が好ましい。
【００１９】
（Ｄ）の無機充填剤としては、溶融シリカ、結晶シリカ、アルミナ、タルク、炭酸カルシウム、チタンホワイト、ベンガラ、炭化珪素、窒化ホウ素等の粉末、これらを球形化したビーズ、単結晶繊維、ガラス繊維などが挙げられる。これらは単独または2種以上混合して使用することができる。本発明においては、これらのなかでも、最大径が100μｍ以下のものが適しており、最大径が75μｍ以下であるとさらに好ましい。最大径が100μｍを越えると狭部への充填が困難になるなど、成形性が低下するようになる。
【００２０】
この（Ｄ）の無機充填剤は、硬化物の熱膨張係数、熱伝導率、吸水性、弾性率などの特性を改善、向上させる目的で配合されるもので、その配合量は、組成物全体の60〜93重量％、好ましくは70〜92重量％の範囲である。配合量が60重量％未満では、前記の熱膨張係数などの特性を改善、向上させる効果が小さく、逆に配合量が93重量％を越えると、組成物の流動性が低下し、成形性に乏しくなって実用が困難になる。
【００２１】
（Ｅ）のエポキシ化ジエン系ブロック共重合体は、ジエン系ブロック共重合体をエポキシ化して得られたものである。
【００２２】
ジエン系ブロック共重合体は、ビニル芳香族化合物を主体とする重合体ブロックと、共役ジエン化合物を主体とする重合体ブロックからなるブロック共重合体であり、ビニル芳香族化合物としては、スチレン、α-メチルスチレン、ビニルトルエン、p-第３級ブチルスチレン、ジビニルベンゼン、p-メチルスチレン、1,1-ジフェニルスチレン等が挙げられ、なかでも、スチレンが好ましい。また、共役ジエン化合物としては、ブタジエン、イソプレン、1,3-ペンタジエン、2,3-ジメチル-1,3-ブタジエン、ピペリレン、3-ブチル-1,3-オクタジエン、フェニル-1,3-ブタジエン等が挙げられ、なかでも、ブタジエン、イソプレン,またはこれらの組み合わせが好ましい。
【００２３】
ジエン系ブロック共重合体は、上記したようなビニル芳香族化合物の少なくとも1種と共役ジエン化合物の少なくとも1種とをリチウム触媒等の存在下、不活性溶媒中で反応させることにより得ることができる。
【００２４】
本発明において、ジエン系ブロック共重合体は、特に、ビニル芳香族化合物と共役ジエン化合物の重量比が5：95〜70：30であることが好ましく、重量比が10：90〜60：40であるとさらに好ましい。
【００２５】
また、ジエン系ブロック共重合体は、数平均分子量が5,000〜1,000,000で、重量平均分子量（Ｍｗ）と数平均分子量（Ｍｎ）との比（Ｍｗ／Ｍｎ）が10以下のものであることが好ましく、数平均分子量が10,000〜800,000で、重量平均分子量（Ｍｗ）と数平均分子量（Ｍｎ）との比（Ｍｗ／Ｍｎ）が2以下であるとさらに好ましい。なお、分子構造は、直鎖状、分岐状、放射状など、特に制限されるものではない。
【００２６】
（Ｅ）のエポキシ化ジエン系ブロック共重合体は、上記のようなジエン系ブロック共重合体を、ハイドロパーオキサイド類、過酸類等のエポキシ化剤と、不活性溶媒中で反応させることにより得ることができる。過酸類としては、過ギ酸、過酢酸、過安息香酸等が挙げられる。ハイドロパーオキサイド類を使用する場合、タングステン酸と苛性ソーダの混合物を過酸化水素と、有機酸を過酸化水素と、あるいはモリブデンヘキサカルボニルをt-ブチルハイドロパーオキサイドと併用して触媒効果を得ることができる。ここで使用するエポキシ化剤の量は、その種類や所望するエポキシ化度、また、ジエン系ブロック共重合体の種類などによって適宜定められる。また、生成されたエポキシ化ジエン系ブロック共重合体の溶媒からの単離は、貧溶媒で沈殿させる方法、重合体を熱水中に撹拌下で投入し溶媒を蒸留除去する方法、溶媒を直接除去する直接脱溶媒法などを用いることができる。
【００２７】
本発明においては、特にエポキシ当量が320〜8000のエポキシ化ジエン系ブロック共重合体の使用が好ましい。具体的には、ダイセル工業社製のエポフレンド（商品名）が好ましく使用される。
【００２８】
また、その配合量は、組成物全体の0.05〜10重量％、好ましくは0.1〜5重量％の範囲である。配合量が0.05重量％未満では、パッケージ反り量を低減する効果および耐リフロー性を向上させる効果が小さく、逆に配合量が10重量％を越えると、成形性、金型汚れ性、信頼性などが不良となる。
【００２９】
本発明のエポキシ樹脂組成物には、以上の各成分の他、本発明の効果を阻害しない範囲で、この種の組成物に一般に配合される、三酸化アンチモン、リン化合物、ブロム化エポキシ等の難燃剤、カーボンブラック、コバルトブルー等の着色剤、エポキシシラン、アミノシラン、アルキルシラン、ビニルシラン等のシランカップリング剤、アルキルチタネート等の表面処理剤、合成ワックス、天然ワックス等の離型剤、ハロゲントラップ剤を必要に応じて配合することができる。
【００３０】
本発明のエポキシ樹脂組成物を封止材料として調製するにあたっては、（Ａ）エポキシ樹脂、（Ｂ）フェノール樹脂、（Ｃ）硬化促進剤、（Ｄ）無機充填剤、（Ｅ）エポキシ化ジエン系ブロック共重合体、および前述した必要に応じて配合される成分をミキサーなどによって十分に混合（ドライブレンド）した後、熱ロールやニーダなどにより溶融混練し、冷却後粉砕するようにすればよい。ただし、（Ｅ）エポキシ化ジエン系ブロック共重合体については、（Ａ）エポキシ樹脂または（Ｂ）フェノール樹脂と予め加熱混練しておくことが好ましい。
【００３１】
本発明の半導体装置は、上記の封止材料を用いて半導体チップを封止することにより製造することができる。半導体チップとしては、集積回路、大規模集積回路、トランジスタ、サイリスタ、ダイオードなどが例示される。また、封止方法としては、低圧トランスファー法が一般的であるが、射出成形、圧縮成形、注型などによる封止も可能である。封止材料で封止後は、加熱して硬化させ、最終的にその硬化物によって封止された半導体装置が得られる。後硬化させる際の加熱温度は、150℃以上とすることが好ましい。さらに、半導体チップを搭載する基板としては、セラミック基板、プラスチック基板、ポリイミドフィルム、リードフレームなどが挙げられるが、特にこれらに限定されるものではない。
【００３２】
【実施例】
次に、本発明を実施例によりさらに詳細に説明するが、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、以下の記載において「部」は「重量部」を意味する。
【００３３】
実施例１
予め万能混合撹拌機により90℃で3時間加熱混合させておいた多官能型エポキシ樹脂のＥＰＰＮ−５０２Ｈ（日本化薬社製商品名、エポキシ当量：168）8.1部とエポキシ化ジエン系ブロック共重合体のエポフレンドＡ−１０２０（ダイセル工業社製商品名）1.0部の混合物、フェノールノボラック型臭素化エポキシ樹脂のＢＲＥＮ−Ｓ（日本化薬社製商品名）1.5部、多官能型フェノール樹脂のＭＥＨ−７５００（明和化成社製商品名、水酸基当量：97）4.4部、溶融球状シリカ粉末（最大粒径75μｍ）84部、三酸化アンチモン1部、イミダゾール系硬化促進剤の２ＭＺ（四国化成社製商品名）0.2部、γ-グリシドキシプロピルトリメトキシシラン0.4部およびカーボンブラック0.2部を常温で混合し、次いで、80℃で加熱混練した。冷却後、適当な大きさに粉砕してエポキシ樹脂組成物を得た。
【００３４】
実施例２、３
配合量を表１に示すように変えた以外は、実施例１と同様にしてエポキシ樹脂組成物を得た。
【００３５】
比較例1
多官能型エポキシ樹脂のＥＰＰＮ−５０２Ｈ 7.7部、フェノールノボラック型臭素化エポキシ樹脂のＢＲＥＮ−Ｓ 1.5部、多官能型フェノール樹脂のＭＥＨ−７５００ 4.8部、溶融球状シリカ粉末（最大粒径75μｍ）84部、三酸化アンチモン1部、イミダゾール系硬化促進剤の２ＭＺ0.2部、γ-グリシドキシプロピルトリメトキシシラン0.4部およびカーボンブラック0.2部を常温で混合し、次いで、80℃で加熱混練した。冷却後、適当な大きさに粉砕してエポキシ樹脂組成物を得た。
【００３６】
比較例２
配合量を表１に示すように変えた以外は、比較例１と同様にしてエポキシ樹脂組成物を得た。
【００３７】
上記各実施例および各比較例で得られたエポキシ樹脂組成物の特性を以下に示すようにして測定した。
すなわち、ガラス転移温度および熱膨張係数は、エポキシ樹脂組成物を175℃、2分間の条件でトランスファー成形し、次いで175℃、8時間の後硬化を行い、得られた硬化物から試験片を作製して、熱機械分析装置により測定した。曲げ強度および曲げ弾性率は、上記と同様にして硬化物を作製し、JIS K 6911に準じて測定した。パッケージ反り量は、エポキシ樹脂組成物を用いて175℃、2分間のトランスファー成形および175℃で8時間の後硬化によりＢＧＡパッケージ（30mm×30mm×1.2mm、チップサイズ：10mm×10mm）を作製し、非接触式レーザ測定機により測定した。耐リフロー性は、上記と同様にして作製したＢＧＡパッケージに、85℃、60％RH、168時間の吸湿処理を行なった後、240℃のＩＲリフローを30秒間行い、樹脂と基板の界面における剥離の度合いを超音波探傷装置により観察して、面積50％以上の剥離の発生率を調べた。
これらの結果を表1下欄に示す。
【００３８】
【表１】

【００３９】
表１からも明らかなように、実施例のエポキシ樹脂組成物は、パッケージ反り量が少なく、かつ、耐リフロー性にも優れていた。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、パッケージ反り量が少なく、かつ、耐リフロー性にも優れたエポキシ樹脂組成物、およびそれを用いた高信頼性の半導体装置を得ることができる。

Claims

（Ａ）多官能型エポキシ樹脂、（Ｂ）多官能型フェノール樹脂、（Ｃ）硬化促進剤、（Ｄ）無機充填剤および（Ｅ）スチレン重合体ブロックとブタジエンおよび／またはイソプレン重合体ブロックからなるブロック共重合体をエポキシ化してなるエポキシ化ジエン系ブロック共重合体を必須成分とし、組成物全体に対して前記（Ｄ）の無機充填剤を60〜93重量％、前記（Ｅ）のエポキシ化ジエン系ブロック共重合体を0.05〜10重量％の割合で含有して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。
前記（Ｅ）エポキシ化ジエン系ブロック共重合体のエポキシ当量が320〜8000であることを特徴とする請求項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の硬化物によって、半導体チップが封止されてなることを特徴とする半導体装置。