JP4850599B2 - 半導体封止用エポキシ樹脂組成物およびそれを用いて得られた半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、成形時のパッケージ内におけるワイヤー流れ等の問題の生じない優れた成形性を有する半導体封止用エポキシ樹脂組成物およびそれを用いて得られた信頼性の高い半導体装置に関するものである。

トランジスター，ＩＣ，ＬＳＩ等の半導体素子は、通常、エポキシ樹脂組成物等の熱硬化性樹脂組成物を用いてトランスファー成形により樹脂封止され半導体装置化されている。この種のパッケージとしては、従来から各種形態のパッケージが開発されている。

上記エポキシ樹脂組成物は、通常、エポキシ樹脂，フェノール樹脂，硬化促進剤，無機質充填剤，離型剤，難燃剤，カップリング剤等から構成され、これら各原料を攪拌混合機で予備混合し、ついで、単軸混練機，二軸混練機，加熱ロール，連続混合釜，バッチ式混練機等の加熱混練機を用いて溶融混合することによって、各原料を混合・分散し製造している。

一方、電気機器の小型化・軽量化・高機能化に伴い、半導体パッケージの小型化・薄型化・狭ピッチ化が加速し、半導体パッケージの半田耐熱性や耐湿性の一層の向上が求められている。このため、上記エポキシ樹脂組成物中の無機質充填剤の含有量がますます多くなってきており、この無機質充填剤の含有量の増加は、樹脂封止成形時の流動性の低下を招き、結果、樹脂の流動に伴うワイヤーの変形やボイドの発生等の成形不良を増大させている。

例えば、表面実装タイプのような薄型のパッケージにおいては、表面実装工程での半田耐熱性を向上させるために、無機質充填剤の含有量の多いエポキシ樹脂組成物を用いての樹脂封止が行われているが、このことに起因して、成形時の欠陥、具体的には、ワイヤー流れ，ボイド形成，リードピンの変形，ダイパッド上下の樹脂流動性の違いによってダイパッドが傾く等の現象が発生しやすいという問題がある。特に、パッケージの吸湿を抑制し、樹脂組成物の強度を向上させる目的で無機質充填剤の含有量を極限にまで多量に配合したエポキシ樹脂組成物を用いた結果、流動性が著しく低下し、上記のような問題が顕著となる。

このような問題を解消するため、無機質充填剤の球状を真球に近い形状とし、これを用いて封止材料であるエポキシ樹脂組成物の流動性を向上させることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、上記無機質充填剤の含有量を増やしながらも成形時の良好な流動性を確保するために、より低粘度の樹脂成分を用いることも提案されている（例えば、特許文献２参照）。
特開平８−１０４７３０号公報 特開２００２−２３７５５２号公報

しかしながら、上記真球に近い形状の無機質充填剤を用いたり、低粘度の樹脂成分を用いたりする方法では、流動性の向上に関して充分とは言い難いものである。また、特定の粒度分布を有する球状の無機質充填剤を用いることも検討されているが、近年の薄型の半導体パッケージの成形に際しては、やはり流動性に関して充分満足のいくものとは言い難い。このように、より一層流動性に優れた封止材料により樹脂封止されてなる高い信頼性を備えた半導体装置が要望さ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、特に薄型の半導体パッケージの成形に際して、無機質充填剤の高充填においても高い流動性を有し、成形時のワイヤー流れ等の発生が抑制され、優れた成形性を有する半導体封止用エポキシ樹脂組成物およびそれを用いて得られ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、本発明は、下記の（Ａ）〜（Ｄ）を含有する半導体封止用エポキシ樹脂組成物であって、下記の（Ｃ）無機質充填剤の含有量が、エポキシ樹脂組成物全体の８０〜９２重量％であり、かつ下記（Ａ）エポキシ樹脂と（Ｂ）フェノール樹脂の配合割合が、下記の不等式（α）を満足す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）無機質充填剤。
（Ｄ）下記の一般式（１）で表される硬化促進剤。

そして、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樹脂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、上記目的を達成するために、半導体装置の封止に用いられるエポキシ樹脂組成物のうち、流動性に大きく関与する樹脂組成である、エポキシ樹脂とフェノール樹脂の配合比および硬化促進剤を中心に研究を重ね、特に樹脂組成について鋭意検討を重ねた。その結果、エポキシ樹脂とフェノール樹脂の配合比を上記特定の範囲となるように設定すると、ワイヤー流れの発生が抑制され優れた成形性を示すことを突き止めた。しかし、通常、上記特定の範囲の設定は、流動性の向上および粘度の低減を目的とするものであって、それだけでは硬化物の硬度不足を招くことになる。そこで、この問題を解決するためにさらに研究を重ねた結果、上記エポキシ樹脂とフェノール樹脂の配合比を上記特定の範囲に設定するとともに、上記特定の硬化促進剤〔（Ｄ）成分〕を用いると、硬化物の硬度不足を解消して高硬度のものが得られ、しかも流動性が良好となり、成形流動時における粘度が低減され、結果、成形時のパッケージ内でのワイヤー流れの発生等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、前記エポキシ樹脂（Ａ）とフェノール樹脂（Ｂ）の配合割合が、前記不等式（α）を満足し、しかも前記特定の構造を有する硬化促進剤（Ｄ）を含有し、しかも無機質充填剤（Ｃ）が高含有量となる半導体封止用エポキシ樹脂組成物である。このため、無機質充填剤（Ｃ）の含有量が従来のように樹脂組成物全体に対して高含有量であっても、封止材料としての流動性が大幅に向上し、優れた成形性が得られる。したがって、本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物を用いて得られる半導体装置としては、その封止成形時において、パッケージ内でのワイヤー流れの発生が抑制され、高い信頼性を備えたものが得られる。

そして、上記エポキシ樹脂（Ａ）として、一般式（２）で表されるビフェニル骨格を有する結晶性エポキシ樹脂を用いると、より一層流動性に優れたものが得られるようになる。

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、無機質充填剤（Ｃ成分）と、特定の構造を有する硬化促進剤（Ｄ成分）を用いて得られるものであって、通常、粉末状もしくはこれを打錠したタブレット状になっている。

上記エポキシ樹脂（Ａ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エポキシ樹脂が用いられ、例えば、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂，フェノールノボラック型エポキシ樹脂，クレゾールノボラック型エポキシ樹脂，ビフェニル型エポキシ樹脂、トリフェノールメタン型エポキシ樹脂等があげられる。これらは単独でもしくは２種以上併せて用いられる。そして、これらエポキシ樹脂のなかでも、耐湿信頼性等の観点から、ビフェニル骨格を有する結晶性エポキシ樹脂、例えば、下記の一般式（２）で表されるビフェニル型エポキシ樹脂や、低級アルキル基をフェニル環に付加したような低吸湿型のエポキシ樹脂を用いることが好ましい。具体的には、下記の一般式（２）中、Ｒ₅ 〜Ｒ₈ が全てメチル基となる４，４′−ビス（２，３−エポキシプロポキシ）−３，３′，５，５′−テトラメチルビフェニルが好ましく用いられる。このようなエポキシ樹脂としては、エポキシ当量９０〜２５０、軟化点もしくは融点が５０〜１４０℃のものが好ましい。

上記エポキシ樹脂（Ａ成分）とともに用いられるフェノール樹脂（Ｂ成分）としては、特に限定するものではなく１分子中に２個以上のフェノール性水酸基を有するモノマー，オリゴマー，ポリマー全般をいう。例えば、フェノールノボラック、クレゾールノボラック、ビフェニル型ノボラック、トリフェノールメタン型、ナフトールノボラック、フェノールアラルキル樹脂、ビフェニルアラルキル樹脂等があげられ、これらは単独でもしくは２種以上併せて用いられる。なかでも、フェノールノボラック樹脂やキシレン変性フェノールノボラック樹脂のような水酸基当量の小さいものを用いることが流動性の観点から好ましい。そして、１５０℃でのＩＣＩ粘度が０．００２〜０．３Ｐａ・ｓとなるものを用いることが流動性の観点から好ましい。上記ＩＣＩ粘度は、ＩＣＩ（英国インペリアルケミカル社）によって開発されたコーンプレート型回転粘度計により測定される値であり、上記範囲内の粘度を有することにより、流動性に優れ、無機質充填剤をより多く配合することができるという効果を奏する。さらに、水酸基当量が１８０未満であることが好ましい。

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、下記の不等式（α）を満足する必要がある。

すなわち、エポキシ樹脂（Ａ成分）中のエポキシ基１モル当量に対してフェノール樹脂（Ｂ成分）中の水酸基を０．５モル当量以上０．７モル当量以下となるよう設定する必要がある。上記不等式（α）を外れ、Ｐ／Ｅが０．５未満〔エポキシ基１モル当量に対してフェノール樹脂（Ｂ成分）中の水酸基が０．５モル当量未満〕では、エポキシ樹脂組成物の硬化性が低下して硬化物の強度が低下し、逆にＰ／Ｅが０．７を超える〔エポキシ基１モル当量に対してフェノール樹脂（Ｂ成分）中の水酸基が０．７モル当量を超える〕と、エポキシ樹脂組成物の粘度上昇（増粘）が早く、ワイヤー流れを生じやすいからである。

つぎに、上記Ａ成分およびＢ成分とともに用いられる無機質充填剤（Ｃ成分）としては、従来公知の各種無機粉末が用いられ、例えば、溶融シリカ粉末および結晶性シリカ粉末等のシリカ粉末、アルミナ、窒化アルミニウム、タルク、炭酸カルシウム等があげられる。これらは単独でもしくは２種以上併せて用いられる。好ましくは流動性という観点から、球状無機粉末を用いることが好ましい。なお、無機質充填剤（Ｃ成分）全体が球状無機粉末のみで構成されていてもよいし、それ以外の無機質充填剤を併用してもよい。

上記球状無機粉末とともに球状無機粉末以外の無機質充填剤を併用する場合、上記球状無機粉末以外の無機質充填剤の割合は、無機質充填剤全体の３０重量％以下に設定することが好ましく、特に好ましくは１０重量％以下である。

そして、上記球状無機粉末としては、特に限定するものではなく従来公知の各種球状無機粉末が用いられる。例えば、球状溶融シリカ粉末や球状合成シリカ粉末、球状アルミナ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。そして、これら球状無機粉末以外に、破砕状あるいは摩砕処理したもの等いずれのものでも併用することができる。なかでも、球状のもの、特に球状溶融シリカ粉末を用いることが好ましい。

さらに、上記無機質充填剤（Ｃ成分）としては、レーザー散乱式粒度分布測定装置による平均粒径が０．１〜５０μｍの範囲であることが好ましく、より好ましくは０．１〜３０μｍであり、さらに好ましくは０．５〜１５μｍである。

上記無機質充填剤（Ｃ成分）の含有量は、８０〜９２重量％の範囲である。すなわち、８０重量％未満では、パッケージの耐半田性が低下する傾向がみられ、逆に９２重量％を超えると、流動性が低下し、パッケージ内のワイヤー流れ，ダイパッドシフト，リードピンの変形等が多発する傾向がみられるからである。

上記Ａ〜Ｃ成分とともに用いられる特定の構造を有する硬化促進剤（Ｄ成分）は、下記の一般式（１）で表されるイミダゾール類である。この特定の構造を有する硬化促進剤（Ｄ成分）は、他の硬化促進剤に比べてエポキシ基とフェノール樹脂の水酸基の反応を促進するとともに、エポキシ基のみの自己重合触媒効果も有している。このため、低温でのエポキシ基と水酸基との反応と、高温でのエポキシ基の自己重合の２段階の反応挙動を示す。その結果、金型への樹脂組成物の注入中は低粘度を示し、注入後は樹脂組成物が高粘度となり、優れた流動性と硬化物特性を兼ね備えたものとなる。

上記式（１）において、硬化性、ワイヤー流れの低減という観点から、Ｒ₁ がウンデシル基、Ｒ₂ が３，５−ジアミノ−２，４，６−トリアジニルエチル基、Ｒ₃ ，Ｒ₄ はそれぞれ水素となる化合物が用いられる。

なお、本発明においては、上記特定の構造を有する硬化促進剤（Ｄ成分）とともに、他の硬化促進剤を併用してもよい。上記他の硬化促進剤としては、従来公知の各種硬化促進剤があげられ、例えば、トリフェニルホスフィン等のトリアリールホスフィン類、テトラフェニルホスホニウム・テトラフェニルボレート、１，８−ジアザビシクロ〔５．４．０〕ウンデセン−７等があげられる。上記他の硬化促進剤を併用する場合の割合は、本発明の効果を阻害する範囲でなければ特に限定するものではないが、例えば、硬化促進剤成分全体量のうち他の硬化促進剤の割合を５０重量％以下となるように設定することが好ましい。

上記特定の構造を有する硬化促進剤（Ｄ成分）の含有量は、樹脂組成物全体の０．０２〜５重量％の範囲に設定することが好ましく、特に好ましくは０．１〜１重量％である。すなわち、０．０２重量％未満では、硬化物に対し充分な硬度を付与することが困難となる傾向がみられ、５重量％を超えると、硬化が速く、成形時の金型内への充填性が低下する傾向がみられるからである。

本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物には、上記Ａ〜Ｄ成分以外に、必要に応じて、シランカップリング剤、離型剤、難燃剤、難燃助剤、イオントラップ剤、低応力化剤、低粘度化剤、カーボンブラック等の着色剤や顔料等の各種添加剤を必要に応じて適宜配合することができる。

上記シランカップリング剤としては、特に限定するものではなく各種シランカップリング剤を用いることができ、なかでも２個以上のアルコキシ基を有するものが好適に用いられる。具体的には、β−（３，４−エポキシシクロヘキシル）エチルトリメトキシシラン、γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、γ−メルカプトプロピルトリメトキシシラン、γ−（２−アミノエチル）アミノプロピルトリメトキシシラン、γ−メルカプトプロピルメチルジメトキシシラン、γ−アニリノプロピルトリメトキシシラン、ヘキサメチルジシラザン等があげられる。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等が用いられ、これらは単独でもしくは２種以上併せて用いられる。

上記難燃剤としては、ノボラック型ブロム化エポキシ樹脂や水酸化マグネシウムや水酸化アルミニウム等の金属水酸化物等があげられ、さらに上記難燃助剤としては、三酸化二アンチモンや五酸化二アンチモン等が用いられる。これらは単独でもしくは２種以上併せて用いられる。

上記イオントラップ剤としては、イオントラップ能力を有する公知の化合物を全て用いることができ、例えば、水酸化ビスマス、ハイドロタルサイト類化合物等があげられる。

また、上記低応力化剤、低粘度化剤としては、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等があげられる。

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、上記Ａ〜Ｄ成分および必要に応じて他の添加剤を所定の割合で配合し混合する。ついで、これら混合物を、ミキシングロール機，単軸押出機あるいは二軸押出機等の装置にかけて加熱状態で溶融混合する。ついで、これを室温に冷却した後、公知の方法によって粉砕し、さらに必要に応じてタブレット状に打錠するという一連の工程を経由することにより製造することができる。

このようにして得られる半導体封止用エポキシ樹脂組成物を用いて、半導体素子を封止する方法としては、特に制限するものではなく、通常のトランスファー成形等の公知のモールド方法によって行うことができる。このようにして、半導体装置を作製することができる。

つぎに、実施例について比較例と併せて説明する。ただし、本発明は、これら実施例に限定されるものではない。

まず、実施例に先立って下記に示す各成分を準備した。

〔エポキシ樹脂〕
ビフェニル型エポキシ樹脂〔４，４′−ビス（２，３−エポキシプロポキシ）−３，３′，５，５′−テトラメチルビフェニル、エポキシ当量１９４、融点１０６℃〕

〔フェノール樹脂Ａ〕
ビフェニル変性フェノールノボラック樹脂（１５０℃でのＩＣＩ粘度０．０７Ｐａ・ｓ、水酸基当量２０３、軟化点６９℃）

〔フェノール樹脂Ｂ〕
キシレン変性フェノールノボラック樹脂（１５０℃でのＩＣＩ粘度０．１０Ｐａ・ｓ、水酸基当量１７０、軟化点６２℃）

〔フェノール樹脂Ｃ〕
フェノールノボラック樹脂（１５０℃でのＩＣＩ粘度０．２８Ｐａ・ｓ、水酸基当量１０５、軟化点８３℃）

〔硬化促進剤Ａ〕
前記一般式（１）において、Ｒ₁ がウンデシル基，Ｒ₂ が３，５−ジアミノ−２，４，６−トリアジニルエチル基、Ｒ₃ ，Ｒ₄ はそれぞれ水素原子である化合物

〔硬化促進剤Ｂ〕
テトラフェニルホスホニウム・テトラフェニルボレート

〔硬化促進剤Ｃ〕
前記一般式（１）において、Ｒ₁ がフェニル基，Ｒ₂ が水素原子、Ｒ₃ がメチル基、Ｒ₄ がヒドロキシメチル基である化合物

〔離型剤〕
カルナバワックス

〔無機質充填剤〕
球状溶融シリカ粉末（球形度０．９０、平均粒径１８μｍ、比表面積３．０ｍ² ／ｇ、粒子径７５μｍ以上のものが０．５重量％以下）

〔実施例１〜５、参考例１〜１１、比較例１〜８〕
上記各成分を下記の表１〜表３に示す割合で配合し、連続混練機を用いて１１０℃で２分間溶融混練を行なった。つぎに、この溶融物を冷却固化した後、粉砕して目的とする粉末状のエポキシ樹脂組成物を得た。なお、表中の数値は、配合成分全体に占める各成分の重量割合（重量％）である。

このようにして得られたエポキシ樹脂組成物を用いて半導体装置を製造し、このときの金線ワイヤーの変形状態（金線ワイヤー流れ率）を下記の方法に従って測定・評価した。これらの結果を後記の表４〜表６に示す。

〔金線ワイヤー流れ率〕
上記各エポキシ樹脂組成物を用いタブレット状に打錠成形し、これを用いて低圧トランスファー成形機（ＴＯＷＡ社製の自動成型機、ＣＰＳ−４０Ｌ）にて成形温度１７５℃×成形時間９０秒の成形条件でパッケージを封止し、さらに１７５℃×５時間で後硬化することにより半導体装置を作製した。この半導体装置は、ボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）タイプのパッケージ（樹脂封止部分サイズ：３５ｍｍ×３５ｍｍ×厚み１．２ｍｍ）であり、チップサイズは７．５ｍｍ×７．５ｍｍ×厚み０．３ｍｍである。また、金線ワイヤーは、金線ワイヤー径１８μｍ、平均金線ワイヤー長さが６ｍｍである。そして、作製した半導体装置を軟Ｘ線解析装置を用いて、金線ワイヤーの変形状態を観察し金線ワイヤーの流れ率（変形率）を測定・算出した。すなわち、図１に示すように、金線ワイヤー２の流れ量の最大部分となる値（変形した弧の頂点から金線ワイヤー２両端を結んだ直線に引いた垂線の長さ）をそのパッケージの金線ワイヤー流れ量の値（ｄｍｍ）とし、この値を金線ワイヤー長さ（Ｌｍｍ）で除して金線流れ率〔（ｄ／Ｌ）×１００（％）〕を算出した。

上記結果から、実施例品は、金線ワイヤー流れ率がいずれも２．９％以下であり、成形性に優れたものであり、全ての実施例品において充分な硬化が確認された。

これに対して、エポキシ樹脂とフェノール樹脂の配合割合が特定の範囲を外れ超えた比較例１〜３，６，８品は、金線ワイヤー流れ率が３．７％以上となり、変形が大きく成形性に劣るものであった。また、エポキシ樹脂とフェノール樹脂の配合割合が特定の範囲を外れ下回る比較例５，７品、さらにテトラフェニルホスホニウム・テトラフェニルボレートを用いた比較例４品は、硬化せず成形できなかった。

半導体装置の金線ワイヤー流れ量の測定方法を示す模式図である。

Claims (6)

1. 下記の（Ａ）〜（Ｄ）を含有する半導体封止用エポキシ樹脂組成物であって、下記の（Ｃ）無機質充填剤の含有量が、エポキシ樹脂組成物全体の８０〜９２重量％であり、かつ下記（Ａ）エポキシ樹脂と（Ｂ）フェノール樹脂の配合割合が、下記の不等式（α）を満足す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）無機質充填剤。
   （Ｄ）下記の一般式（１）で表される硬化促進剤。
   

   

   
2. 上記（Ｂ）フェノール樹脂が、１５０℃でのＩＣＩ粘度が０．００２〜０．３Ｐａ・ｓを有する樹脂である請求項１記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成物。
3. 上記（Ａ）エポキシ樹脂が、下記の一般式（２）で表されるビフェニル骨格を有する結晶性エポキシ樹脂を含有する請求項１または２記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成物。
   

   
4. 上記（Ｂ）フェノール樹脂が、水酸基当量１８０未満のものである請求項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。
5. 上記（Ｂ）フェノール樹脂が、キシレン変性フェノールノボラック樹脂である請求項１〜４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。
6. 請求項１〜５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樹脂封止してなる半導体装置。

Images