JP5059582B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、封止用エポキシ樹脂組成物を用いた半導体装置の製造方法に関するものである。

従来、ＩＣチップなどの半導体部品の封止材としてセラミックや熱硬化性樹脂組成物が一般に用いられている。中でも、エポキシ樹脂組成物は経済性と性能のバランスの点で優れた封止材であり、たとえば、近年の電子機器の小型化、薄型化にともない主流になりつつある表面実装型パッケージの封止材としてエポキシ樹脂組成物が広く用いられている（特許文献１、２参照）。

封止用エポキシ樹脂組成物を用いて半導体部品を封止する際には、１７０〜１８０℃の温度において３０〜１２０秒の短時間でトランスファー成形し加熱硬化した後、半導体装置の信頼性を確保するために１７０〜１８０℃の温度で４〜１２時間の長時間に渡る硬化、いわゆるアフターキュアを行って樹脂材を完全に硬化させるのが一般的である。

ところが最近では、低コスト化と省エネルギー化のためにアフターキュアを必要としない封止用エポキシ樹脂組成物に対する要求が強くなってきている。
特開２００７−１９４４２５号公報 特開２００１−０８１２８４号公報

しかしながら、アフターキュアを行わないと封止材の特性が損なわれて半導体装置の信頼性、特に高温での電気特性が低下するという問題点があった。

また、アフターキュアを行わないようにするために封止用エポキシ樹脂組成物に速硬化性を付与した場合、ゲル化時間が短くなって成形時に未充填やボイドが発生し、保存性も低下するという問題点があった。

本発明は、以上の通りの事情に鑑みてなされたものであり、アフターキュアを行わずとも信頼性の高い半導体装置を得ることができ、成形性にも優れた、封止用エポキシ樹脂組成物を用いた半導体装置の製造方法を提供することを課題としている。

本発明の半導体装置の製造方法は、エポキシ樹脂、硬化剤、硬化促進剤、および無機充填材を必須成分とし、硬化促進剤として融点１００℃以上のイミダゾール化合物を含有し、湿度３０〜６０％ＲＨに調湿した条件下にて、水を供給せずに調製し、１７５℃、１時間の加熱処理における揮発成分による重量減量率が０．３％以下とした封止用エポキシ樹脂組成物を用いて、リードフレームに搭載した半導体部品を封止する際に、アフターキュアを行わずに成形時にのみ加熱硬化を行うことを特徴とする。

本発明によれば、硬化促進剤として高融点のイミダゾール化合物を用いると共に、低湿度の条件下にて封止用エポキシ樹脂組成物を調製することにより、加熱による揮発成分の発生が少ないものとしている。そのため、成形後にアフターキュアを行わずとも信頼性、特に高温での電気特性に優れた半導体装置を得ることができ、低コスト化も図ることができる。また、成形時に未充填やボイドが発生することがなく成形性にも優れている。

以下、本発明を詳細に説明する。

本発明において、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特に制限なく使用することができる。このようなエポキシ樹脂の具体例としては、オルトクレゾールノボラック型エポキシ樹脂等のクレゾールノボラック型エポキシ樹脂、トリフェニルメタン型エポキシ樹脂、ブロム含有エポキシ樹脂、ナフタレン環を有するエポキシ樹脂などが挙げられる。これらは１種単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。

本発明において、硬化剤としては、フェノール性水酸基を有する硬化剤が好ましく用いられる。フェノール性水酸基を有する硬化剤としては、多価フェノール化合物、多価ナフトール化合物などが挙げられる。多価フェノール化合物の具体例としては、フェノールノボラック樹脂、クレゾールノボラック樹脂、フェノールアラルキル樹脂、ビフェニルアラルキル樹脂などが挙げられる。多価ナフトール化合物の具体例としては、ナフトール樹脂、ナフトールアラルキル樹脂などが挙げられる。これらは１種単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。

フェノール性水酸基を有する硬化剤の配合量は、好ましくは、フェノール性水酸基とエポキシ基との当量比（水酸基当量／エポキシ基当量）が０．５〜１．５となる量であり、より好ましくは当量比が０．８〜１．２となる量である。当量比が当該範囲外であると、封止用エポキシ樹脂組成物の硬化特性が低下し、あるいは封止材としての特性が低下する場合がある。

本発明では、硬化促進剤として、融点１００℃以上、好ましくは１００〜２６０℃のイミダゾール化合物が用いられる。このような硬化促進剤の具体例としては、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、１−シアノエチル−２−フェニルイミダゾール、２−フェニル−４，５−ジヒドロキシメチルイミダゾール、２−フェニル−４−メチル−５−ヒドロキシメチルイミダゾール、２，３−ジヒドロ−１Ｈ−ピロロ−[１，２−ａ]ベンズイミダゾール、２−フェニルイミダゾリンなどが挙げられる。これらは１種単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。

イミダゾール化合物の融点が１００℃未満であるものを用いると、加熱により発生する揮発成分が多くなり、成形後にアフターキュアを行わずに半導体装置を製造した場合に高温での電気特性が低下し、さらに成形性も低下する。イミダゾール化合物の融点の上限は特に制限はないが、あまり融点が高過ぎるのは実際上好ましくない。

硬化促進剤の配合量は、エポキシ樹脂と硬化剤の合計量に対して０．１〜５質量％が好ましい。硬化促進剤の配合量が過少であると、硬化促進作用が不十分となる場合があり、硬化促進剤の配合量が過剰であると、硬化特性が低下する場合がある。

本発明において、無機充填材としては、特に制限なく適宜のものを用いることができるが、その具体例としては、溶融シリカ、結晶シリカ、アルミナ、窒化珪素などが挙げられる。これらは１種単独で用いてもよく、２種以上を併用して用いてもよい。中でも、低粘度化や流動特性などの点からは、無機充填材として平均粒子径が５〜４０μｍの範囲のものを用いることが好ましい。なお、平均粒子径はレーザー回折・散乱法などにより測定することができる。

無機充填材の配合量は、封止用エポキシ樹脂組成物の全量に対して好ましくは６０〜９３質量％である。無機充填材の配合量が過少であると、熱伝導性、熱膨張率などの特性が低下する場合がある。一方、無機充填材の配合量が過剰であると、成形時の流動性と金型充填性が低下する場合がある。

本発明の封止用エポキシ樹脂組成物には、本発明の効果を損なわない範囲内において、上記以外の添加成分を配合することができる。このような添加成分の具体例としては、カルナバワックス、ステアリン酸、モンタン酸、モンタン酸エステル、リン酸エステル等の離型剤、エポキシシラン、メルカプトシラン、アミノシラン等のシランカップリング剤、三酸化アンチモン等の難燃剤、カーボンブラック等の着色剤、シリコーン可とう剤などが挙げられる。

本発明の封止用エポキシ樹脂組成物は、上記のエポキシ樹脂、硬化剤、硬化促進剤、無機充填材、および必要に応じて他の添加成分を配合し、これらの各配合成分をミキサー、ブレンダーなどを用いて十分均一に混合し、次いでニーダーや熱ロールなどを用いて加熱混練し、室温に冷却した後、粉砕することにより製造することができる。なお、本発明の封止用エポキシ樹脂組成物は、取り扱いを容易にするために、成形条件に合うような寸法と質量を有するタブレットとしてもよい。

本発明では、封止用エポキシ樹脂組成物の調製時、すなわち各配合成分の混合時および加熱混練時において、湿度７５％ＲＨ以下、好ましくは３０〜７５％ＲＨ、より好ましくは３０〜６０％ＲＨに調湿した条件下にて調製を行う。調製時の湿度が７５％ＲＨを超えると、加熱により発生する揮発成分が多くなり、成形後にアフターキュアを行わずに半導体装置を封止した場合に高温での電気特性が低下し、さらに成形性も低下する。封止用エポキシ樹脂組成物の調製時における湿度の下限は特に制限はないが、封止用エポキシ樹脂組成物への吸湿抑制の目的を超えてあまり湿度を下げ過ぎるのは好ましくない。

封止用エポキシ樹脂組成物の調製時における調湿方法として、必要に応じて真空ポンプなどによる脱気、減圧を行ってもよい。

そして上記のように調湿した条件下にて封止用エポキシ樹脂組成物の調製を行うことにより、１７５℃の加熱処理における揮発成分による重量減量率を０．３％以下とする。加熱処理は、たとえば１７５℃に保持された恒温槽中に１時間放置して行われる。

重量減量率を０．３％以下とすることにより、成形後にアフターキュアを行わずとも高温での電気特性に優れた半導体装置を得ることができる。また、成形時に未充填やボイドが発生することがなく成形性にも優れたものとすることができる。

本発明の半導体装置は、上記のようにして得られた封止用エポキシ樹脂組成物を用いてＩＣチップ、ＬＳＩチップ、ダイオード、トランジスタなどの半導体部品を封止することにより製造することができる。この封止には、トランスファー成形、コンプレッション成形、インジェクション成形などの従来より用いられている成形方法を適用することができる。

トランスファー成形を適用する場合、たとえば、ＩＣチップなどの半導体部品を搭載したリードフレームを成形金型のキャビティに配置した後、キャビティに封止用エポキシ樹脂組成物を充填し、これを加熱下にて硬化させることで、半導体部品を封止用エポキシ樹脂組成物で封止した半導体装置を製造することができる。

トランスファー成形を適用する場合、たとえば、金型温度１７０〜１８０℃、成形時間３０〜１２０秒に設定することができるが、金型温度、成形時間およびその他の成形条件は、封止用エポキシ樹脂組成物の配合組成などに応じて適宜に変更すればよい。

半導体装置を封止する際には一般に、成形後にたとえば１７０〜１８０℃の温度で４〜１２時間のアフターキュアを行っているが、本発明では成形後にアフターキュアを行わずに半導体装置を製造する。本発明の封止用エポキシ樹脂組成物を用いることにより、アフターキュアを行わずとも信頼性と成形性に優れた半導体装置を得ることができるので、低コスト化と省エネルギー化を図ることができる。

本発明の半導体装置におけるパッケージ形態の具体例としては、リードフレーム上に半導体部品を固定し、ボンディングパッドなどの半導体部品の端子部と、リードフレームのリード部とをワイヤボンディングやバンプで接続した後、封止用エポキシ樹脂組成物を用いてトランスファー成形などにより封止してなる、ＤＩＰ（Dual Inline Package）、ＰＬＣＣ（Plastic Leaded Chip Carrier）、ＱＦＰ（Quad Flat Package）、ＳＯＰ（Small Outline Package）、ＳＯＪ（Small Outline J-lead package）、ＴＳＯＰ（Thin Small Outline Package）、ＴＱＦＰ（Thin Quad Flat Package）、ＬＱＦＰ（Lowprofile Quad Flat Package）などが挙げられる。その他の具体例としては、封止用エポキシ樹脂組成物で半導体部品を封止したＢＧＡ（Ball Grid Array）、ＣＳＰ（Chip Size Package）などが挙げられる。

以下、実施例により本発明をさらに詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではない。なお、表１に示す配合量は質量部を表す。

表１に示す各配合成分を、表１に示す割合で配合し、ミキサーとブレンダーを用いて混合して均一化した後、ニーダーと熱ロールを用いて１００〜１４０℃で加熱混練し、冷却後、粉砕機で所定粒度に粉砕し、さらにタブレット状に打錠成形することにより封止用エポキシ樹脂組成物を得た。この封止用エポキシ樹脂組成物の調製、すなわち各配合成分の混合および加熱混練は、実施例１、２および比較例１では湿度５０％ＲＨに調湿し、比較例２、３では湿度８０％ＲＨに調湿して行った。

表１に示す配合成分として、以下のものを使用した。
無機充填材：溶融シリカ（平均粒子径 １０μｍ）
エポキシ樹脂：オルトクレゾールノボラック型エポキシ樹脂、住友化学（株）製、ＥＳＣＮ １９５ＸＬ、エポキシ当量 １９５
エポキシ樹脂：ブロム含有エポキシ樹脂、住友化学（株）製、ＥＳＢ４００Ｔ、エポキシ当量 ４００
硬化剤：フェノールノボラック樹脂：荒川化学（株）製、タマノール７５２、水酸基当量 １０５
硬化促進剤１：イミダゾール化合物（２−フェニル−４，５−ジヒドロキシメチルイミダゾール）、四国化成工業（株）製、２ＰＨＺ、融点２３０℃
硬化促進剤２：イミダゾール化合物（２−フェニルイミダゾリン）、四国化成工業（株）製、２ＰＺＬ、融点１００℃
硬化促進剤３：イミダゾール化合物（２−ウンデシルイミダゾール）、四国化成工業（株）製、Ｃ１１Ｚ、融点７０℃
難燃剤：三酸化アンチモン
離型剤：モンタン酸
着色剤：カーボンブラック
カップリング剤：エポキシシランカップリング剤
以上のようにして製造した実施例１、２および比較例１〜３の封止用エポキシ樹脂組成物について下記の評価を行った。
[加熱減量評価]
封止用エポキシ樹脂組成物を１７５℃の温度で１時間加熱処理した後の重量減量率を測定した。重量減量率は下記式より算出した。
重量減量率（％）＝（[加熱処理前の封止用エポキシ樹脂組成物の重量]−[加熱処理後の封止用エポキシ樹脂組成物の重量]）／[加熱処理前の封止用エポキシ樹脂組成物の重量]×１００
[成形性評価]
封止用エポキシ樹脂組成物を用いて、ＴＯ２２０−ＰＫＧを下記条件にてトランスファー成形し、成形品２０個当たりの外観不具合が発生した個数をカウントした。
〈成形条件〉
金型温度：１７５℃
注入圧力：１０ＭＰａ
注入時間：１０秒
硬化時間：５０秒
[信頼性評価]
３μｍのアルミ配線ＴＥＧ（Test Element Group：試験用半導体チップ）を用い、封止用エポキシ樹脂組成物を用いて成形したＤＩＰ−１６ピン成形品の半導体装置について、１５０℃の温度でＴＥＧのアルミ配線に２５Ｖの電圧を印加し、成形品２０個当たりの不良が発生するまでの経過時間と不良が発生した個数により半導体装置の信頼性を評価した。ＤＩＰ−１６ピン成形品は上記と同条件にて成形し、アフターキュアを行わなかった場合と、１７５℃の温度で６時間のアフターキュアを行った場合のそれぞれについて信頼性評価を行った。

評価結果を表１に示す。

表１より、硬化促進剤として融点１００℃以上のイミダゾール化合物を用い、特定の低湿度に調湿して調製し、加熱処理後の重量減量率を０．３％以下とした実施例１、２の封止用エポキシ樹脂組成物は、成形品に外観不良が発生せず、これを用いて成形した半導体装置は、成形後にアフターキュアを行わずとも高い信頼性を有していた。

一方、硬化促進剤として融点１００℃未満のイミダゾール化合物を用いた比較例１の封止用エポキシ樹脂組成物は、加熱処理後の重量減量率が０．３％を超え、そして成形品にボイドなどの外観不良が発生した。また、当該組成物を用いて成形し、成形後にアフターキュアを行わなかった半導体装置は、信頼性評価において不良品が発生し、高温での電気特性の低下が見られた。

また、実施例１、２に比べて高湿度の条件下で調製した比較例２、３の封止用エポキシ樹脂組成物では、融点１００℃以上のイミダゾール化合物を用いた比較例２と、融点１００℃未満のイミダゾール化合物を用いた比較例３のいずれにおいても比較例１と同様に外観不良の発生と高温での電気特性の低下が見られた。

Claims (1)

1. エポキシ樹脂、硬化剤、硬化促進剤、および無機充填材を必須成分とし、硬化促進剤として融点１００℃以上のイミダゾール化合物を含有し、湿度３０〜６０％ＲＨに調湿した条件下にて、水を供給せずに調製し、１７５℃、１時間の加熱処理における揮発成分による重量減量率が０．３％以下とした封止用エポキシ樹脂組成物を用いて、リードフレームに搭載した半導体部品を封止する際に、アフターキュアを行わずに成形時にのみ加熱硬化を行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。