JP5093977B2

JP5093977B2 - エリア実装型半導体装置

Info

Publication number: JP5093977B2
Application number: JP2004202709A
Authority: JP
Inventors: 浩規大須賀
Original assignee: Sumitomo Bakelite Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Bakelite Co Ltd
Priority date: 2004-07-09
Filing date: 2004-07-09
Publication date: 2012-12-12
Anticipated expiration: 2024-07-09
Also published as: JP2006022239A

Description

本発明は、半導体封止用エポキシ樹脂組成物及び半導体装置に関するものであり、特にプリント配線板や金属リードフレームの片面に半導体素子を搭載し、その搭載面側の実質的に片面のみが樹脂封止されたエリア実装型半導体装置に用いられるものである。

近年の電子機器の小型化、軽量化、高機能化の市場動向において、半導体の高集積化が年々進み、また半導体装置の表面実装化が促進されるなかで、新規にエリア実装型半導体装置が開発され、従来構造の半導体装置から移行し始めている。エリア実装型半導体装置としては、ボールグリッドアレイ（以下、ＢＧＡという）、あるいは更に小型化を追求したチップサイズパッケージ（以下、ＣＳＰという）が代表的であるが、これらは従来のクワッドフラットパッケージ（以下、ＱＦＰという）、スモールアウトラインパッケージ（以下、ＳＯＰという）に代表される表面実装型半導体装置では限界に近づいている多ピン化・高速化への要求に対応するために開発されたものである。エリア実装型半導体装置の構造としては、ビスマレイミド・トリアジン（以下、ＢＴという）樹脂／銅箔回路基板に代表される硬質回路基板あるいはポリイミド樹脂フィルム／銅箔回路基板に代表されるフレキシブル回路基板の片面上に半導体素子を搭載し、その素子搭載面、即ち基板の片面のみが樹脂組成物等で成形・封止されている。また基板の素子搭載面の反対面には半田ボールを２次元的に並列して形成し、半導体装置を実装する回路基板との接合を行う特徴を有している。更に素子を搭載する基板としては、上記有機回路基板以外にもリードフレーム等の金属基板を用いる構造も考案されている。

これらエリア実装型半導体装置の構造は基板の素子搭載面のみを樹脂組成物で封止し、半田ボール形成面側は封止しないという片面封止の形態をとっている。ごく希に、リードフレーム等の金属基板等では、半田ボール形成面でも数十μｍ程度の封止樹脂層が存在することもあるが、素子搭載面では数百μｍから数ｍｍ程度の封止樹脂層が形成されるため、実質的に片面封止となっている。このため有機基板や金属基板と樹脂組成物の硬化物との間での熱膨張・熱収縮の不整合あるいは樹脂組成物の成形・硬化時の硬化収縮による影響により、これらの半導体装置では成形直後から反りが発生しやすい。また、これらの半導体装置を実装する回路基板上に半田接合を行う場合、エポキシ樹脂組成物の硬化物の吸湿により半導体装置内部に存在する水分が高温で急激に気化することによる応力で半導体装置にクラックが発生する。さらに、近年、環境問題から従来よりも高融点の無鉛半田の使用が増加しており、この半田の適用により実装温度を従来よりも約２０℃高くする必要があり、実装後の半導体装置の信頼性が現状より著しく低下する問題が生じている。このようなことからエポキシ樹脂組成物のレベルアップによる半導体装置の信頼性の向上要求が加速的に強くなってきており、樹脂の低粘度化と無機充填剤の高充填化が進んでいる。

また、成形時に低粘度で高流動性を維持するために、溶融粘度の低い樹脂の使用（例えば、特許文献１参照。）や、また無機充填材の配合量を高めるために無機充填剤をシランカップリング剤で表面処理する方法が知られている（例えば、特許文献２参照。）。しかしこれらは種々ある要求特性のいずれかのみを満足するものが多く、実装時の耐クラック性と低粘度化が両立できる手法は未だ見出されておらず、反りが小さく、耐クラック性に優れた樹脂を用いて、更に無機充填剤の配合量を高めて信頼性を満足させ、流動性と硬化性を損なわない更なる技術が求められていた。

特開平７−１３０９１９号公報（第２〜５頁）特開平８−２０６７３号公報（第２〜４頁）

本発明は、流動性が良好で、反りが小さく、耐半田クラック性に優れ、特にエリア実装型半導体封止用に適したエポキシ樹脂組成物、及びこれを用いた半導体装置を提供するものである。

本発明は、
［１］基板の片面に半導体素子が搭載され、この半導体素子が搭載された基板面側の実質的に片面のみがエポキシ樹脂組成物を用いて封止されているエリア実装型半導体装置であって、前記エポキシ樹脂組成物が、（Ａ）結晶性エポキシ樹脂、（Ｂ）一般式（１）で表されるフェノール樹脂、（Ｃ）一般式（２）で表される硬化促進剤、及び（Ｄ）無機充填剤を必須成分とし（Ａ）結晶性エポキシ樹脂が全エポキシ樹脂中に５０重量％以上含み、（Ｂ）一般式（１）のフェノール樹脂が全フェノール樹脂中に５０重量％以上含み、（Ｄ）成分が溶融シリカのみからなり、（Ｄ）成分を全エポキシ樹脂組成物中に対し８７〜９５重量％含むものであるエリア実装型半導体、
である。

（式中、Ｒ１、Ｒ２は水素又は炭素数１〜４のアルキル基で、互いに同一でも異なっていてもよい。ａは０〜４の整数、ｂは０〜４の整数、ｃは０〜３の整数。ｎは平均値で、１〜１０の正数。）

（式中、Ｘは水素又は炭素数１〜３のアルキル基、Ｙは水素又はヒドロキシル基を表す。ｍ、ｎは１〜３の整数。）

本発明に従うと、無機充填材の高充填化と高流動性との両立が可能となり、特にエリア実装型の半導体装置においては、低そりと耐半田特性等の高信頼性との両立が可能となるという、顕著な効果が得られるものである。

本発明は、（Ａ）結晶性エポキシ樹脂、（Ｂ）一般式（１）で表されるフェノール樹脂、（Ｃ）一般式（２）で表される硬化促進剤、及び（Ｄ）無機充填剤を必須成分とし、（Ｄ）成分を全エポキシ樹脂組成物中に対し８５〜９５重量％含むことより、流動性が良好で、反りが小さく、更に耐半田クラック性に優れ、特にエリア実装型半導体封止用に適したエポキシ樹脂組成物が得られるものである。

（式中、Ｘは水素又は炭素数１〜３のアルキル基、Ｙは水素又はヒドロキシル基を表す。ｍ、ｎは１〜３の整数。）
以下、各成分について詳細に説明する。

本発明で用いられるエポキシ樹脂としては、常温時には固体で取扱い作業性に優れ、かつ成形時の溶融粘度が非常に低い結晶性エポキシ樹脂が必要である。溶融粘度が低いことにより、エポキシ樹脂組成物の高流動化を得ることができ、無機充填材を高充填化できるため、耐湿性の向上や低線膨張化が図れ、成形品としての特性向上が得られる。
本発明で用いられる結晶性エポキシ樹脂としては、ハイドロキノンのグリシジルエーテル化物、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＡ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）で示されるスチルベン型エポキシ樹脂等が挙げられる。

（式中、Ｒ３〜Ｒ１０は水素又は炭素数４以下のアルキル基で互いに同一でも異なっても良い。）

（式中、Ｒ１１〜Ｒ２０は水素又は炭素数４以下のアルキル基で互いに同一でも異なっても良い。）

一般式（３）のビフェニル型エポキシ樹脂の内では、作業性、実用性のバランスの取れた４，４’−ジグリシジルビフェニル、あるいは３，３’，５，５’−テトラメチル−４，４’−ジグリシジルビフェニル及びこの両者の溶融混合物等が好ましい。
また、一般式（４）のスチルベン型エポキシ樹脂の内では、作業性、実用性のバランスの取れた５−ターシャリブチル−４，４’−ジグリシジル−２，３’，５’−トリメチルスチルベン、あるいは４，４’−ジグリシジル−３，３’，５，５’−テトラメチルスチルベン及びこの両者の溶融混合物等が好ましい。

本発明では、結晶性エポキシ樹脂を配合することによる特徴を損なわない範囲で、他のエポキシ樹脂を併用することができる。併用する場合、結晶性エポキシ樹脂は全エポキシ樹脂中の少なくとも３０重量％以上が好ましく、より好ましくは５０重量％以上、更に好ましくは８０重量％以上である。下限値未満であれば、結晶性エポキシ樹脂の特徴である流動性が損なわれる恐れがある。併用可能なエポキシ樹脂としては特に限定はしないが、例えば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、トリフェノールメタン型エポキシ樹脂、フェノールアラルキル型エポキシ樹脂、ナフトール型エポキシ樹脂、ナフタレン型エポキシ樹脂、アルキル変性トリフェノールメタン型エポキシ樹脂、トリアジン核含有エポキシ樹脂、ジシクロペンタジエン変性フェノール型エポキシ樹脂等が挙げられ、これらは１種類を単独で用いても２種類以上を併用してもよい。併用するエポキシ樹脂は、成形時の溶融粘度が非常に低い結晶性エポキシ樹脂の特徴を損なわないよう、極力粘度の低いものを使用することが望ましい。

本発明で用いられる一般式（１）で表されるフェノール樹脂は、フェノール性水酸基間に疎水性で剛直なビフェニレン骨格を有しており、これを用いたエポキシ樹脂組成物の硬化物は低反りの特徴を有し、また吸湿率が低く、Ｔｇを越えた高温域での弾性率が低く、半導体素子、有機基板、及び金属基板との密着性に優れる。また、難燃性にも優れ、架橋密度が低い割には耐熱性が高いという特徴を有している。
一般式（１）のＲ１、Ｒ２は水素又は炭素数４以下のアルキル基、ａは０〜４の整数、ｂは０〜４の整数、ｃは０〜３の整数、ｎは平均値で０〜１０の数であるが、これらの内では硬化性の点から式（５）の樹脂等が好ましい。ｎが上記上限値を越えると樹脂の粘度が増大し、成形時の樹脂組成物の流動性が劣り、より一層の低吸湿化、低そり化のための無機充填材の高充填化が不可能となるので好ましくない。

（式中、ｎは平均値で０〜１０の正数。）

本発明では、一般式（１）のフェノール樹脂を配合することによる特徴を損なわない範囲で、他のフェノール樹脂を併用することができる。併用する場合、一般式（１）のフェノール樹脂は全フェノール樹脂中の少なくとも２０重量％以上が好ましく、より好ましくは５０重量％以上、更に好ましくは８０重量％以上である。上記下限値未満であれば、高温時の低弾性化や低吸湿化及び接着性が十分に得られず、また低反りの特徴も損なわれるおそれがあり、また耐燃性が低下する恐れがある。併用するフェノール樹脂は特に限定しないが、例えばフェノールノボラック樹脂、クレゾールノボラック樹脂、ナフトールアラルキル樹脂、トリフェノールメタン樹脂、テルペン変性フェノール樹脂、ジシクロペンタジエン変性フェノール樹脂、フェニレン骨格を有するフェノールアラルキル樹脂等が挙げられ、これらは１種類を単独で用いても２種類以上を併用してもよい。無機充填材の高充填化のためには、エポキシ樹脂と同様に、低粘度のものが好ましい。
本発明に用いられる全エポキシ樹脂のエポキシ基数と全フェノール樹脂のフェノール性水酸基数の当量比としては、好ましくは０．５〜２であり、特に０．７〜１．５がより好ましい。上記範囲を外れると、耐湿性、硬化性などが低下する恐れがあるので好ましくない。

本発明に用いられる硬化促進剤である一般式（２）に示す化合物は、例えば沃化フェノール類とトリ芳香族置換ホスフィンを有機溶媒に均一に混合し、ニッケル触媒によりヨードニウム塩として沈殿させ、このヨードニウム塩と塩基を有機溶剤に均一に混合し、必要により水を加え沈殿させることにより得られる。一般式（２）に示す化合物としては、好ましくはＸが水素又はメチル基であり、かつＹが水素又はヒドロキシル基であるものが好ましい。しかし、これらに限定されるものではなく、単独で用いても併用してもよい。本発明に用いる硬化促進剤の含有量は、全エポキシ樹脂組成物中に０．０５〜０．３重量％が好ましく、下限値未満だと目的とする硬化性が得られず、上限値を越えると流動性が損なわれるおそれがあり好ましくない。本発明に用いられる硬化促進剤を使用すると、従来の硬化促進剤よりもIＣパッケージの反り量を低減することができる。

本発明に用いられる無機充填材の種類については特に制限はなく、一般に封止材料に用いられているものを使用することができる。例えば溶融シリカ、結晶シリカ、２次凝集シリカ、アルミナ、チタンホワイト、水酸化アルミニウム、タルク、クレー、ガラス繊維等が挙げられ、これらは１種類を単独で用いても２種類以上を併用してもよい。特に溶融シリカが好ましい。溶融シリカは、破砕状、球状のいずれでも使用可能であるが、含有量を高め、且つエポキシ樹脂組成物の溶融粘度の上昇を抑えるためには、球状シリカを主に用いる方がより好ましい。更に球状シリカの含有量を高めるためには、球状シリカの粒度分布をより広くとるよう調整することが望ましい。全無機充填材の含有量は、成形性、信頼性のバランスから全エポキシ樹脂組成物中に８５〜９５重量％であることが必須であり、好ましくは８７〜９３重量％である。下限値未満だと、低吸湿性、低熱膨張性が得られず耐半田性が不十分となったり、反りが大きくなったりする恐れがあるので好ましくない。上限値を超えると流動性が低下し、成型時に充填不良等が生じたり、高粘度化による半導体装置内の金線変形等の不都合が生じたりする恐れがあるので好ましくない。

本発明に用いるエポキシ樹脂組成物は、（Ａ）〜（Ｄ）成分の他、必要に応じて臭素化エポキシ樹脂、酸化アンチモン、リン化合物等の難燃剤、酸化ビスマス水和物等の無機イオン交換体、γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン等のカップリング剤、カーボンブラック、ベンガラ等の着色剤、シリコーンオイル、シリコーンゴム等の低応力成分、天然ワックス、合成ワックス、高級脂肪酸及びその金属塩類もしくはパラフィン等の離型剤、酸化防止剤等の各種添加剤を適宜配合してもよい。更に、必要に応じて無機充填材をカップリング剤やエポキシ樹脂あるいはフェノール樹脂で予め処理して用いてもよく、処理の方法としては、溶媒を用いて混合した後に溶媒を除去する方法や、直接無機充填材に添加し、混合機を用いて処理する方法等がある。
本発明に用いるエポキシ樹脂組成物は、（Ａ）〜（Ｄ）成分、その他の添加剤等をミキサーを用いて常温混合し、ロール、ニーダー等の押出機等の混練機で溶融混練し、冷却後粉砕して得られる。
本発明のエポキシ樹脂組成物を用いて、半導体素子等の電子部品を封止し、半導体装置を製造するには、トランスファーモールド、コンプレッションモールド、インジェクションモールド等の従来からの成形方法で硬化成形すればよい。特に本発明のエポキシ樹脂組成物は、エリア実装型半導体装置用に最適である。

以下、本発明を実施例にて具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例により限定されるものではない。配合割合は重量部とする。
実施例１
エポキシ樹脂１：ビフェニル型エポキシ樹脂（ジャパンエポキシレジン（株）製、ＹＸ４０００Ｋ、融点１０５℃、エポキシ当量１８５）４．８重量部
フェノール樹脂１：ビフェニレン骨格を有するフェノ−ルアラルキル樹脂（明和化成（株）製、ＭＥＨ−７８５１ＳＳ、軟化点６５℃、水酸基当量２０３）５．２重量部

式（６）で示される硬化促進剤０．１重量部

球状溶融シリカ（平均粒径３０μｍ）８９．０重量部
γ−グリシジルプロピルトリメトキシシラン０．３重量部
カルナバワックス０．３重量部
カーボンブラック０．３重量部
を、常温においてミキサーで混合し、７０〜１２０℃で２本ロールにより混練し、冷却後粉砕してエポキシ樹脂組成物を得た。得られたエポキシ樹脂組成物を以下の方法で評価した。結果を表１に示す。

評価方法
スパイラルフロー：ＥＭＭＩ−１−６６に準じたスパイラルフロー測定用の金型を用いて、金型温度１７５℃、注入圧力６．９ＭＰａ、硬化時間１２０秒で測定した。単位はｃｍ。

金線変形率：トランスファー成形機を用いて、金型温度１７５℃、注入圧力６．９ＭＰａ、硬化時間９０秒で、３５２ｐＢＧＡ（基板は厚さ０．５６ｍｍのビスマレイミド・トリアジン樹脂／ガラスクロス基板、半導体装置のサイズは３０ｍｍ×３０ｍｍ、厚さ１．１７ｍｍ、半導体素子のサイズ１５ｍｍ×１５ｍｍ、厚さ０．３５ｍｍ）を成形し、１７５℃、２時間で後硬化した。室温まで冷却後、軟Ｘ線透視装置で観察し、金線の変形率を（流れ量）／（金線長）の比率で表した。単位は％。

パッケージ反り量：金線変形率の評価で成形した３５２ｐＢＧＡパッケージをパッケージのゲートから対角線方向に、表面粗さ計を用いて高さ方向の変位を測定し、変位差の最も大きい値をパッケージ反り量とした。単位はμｍ。

耐半田クラック性：前記の３５２ｐＢＧＡを成形し、１７５℃、２時間で後硬化してサンプルを得た。各１０個のサンプルを別々に６０℃、相対湿度６０％の環境下で１２０時間と８５℃、相対湿度６０％の環境下で１６８時間処理し、その後ＩＲリフロ−（２６０℃）で１０秒間処理した。超音波探傷装置を用いて観察し、内部クラック及び各種界面剥離の有無を調べた。不良パッケージの個数がｎ個であるとき、ｎ／１０と表示する。

実施例２〜１２、比較例１〜９
表１及び表２の配合に従い、実施例１と同様にしてエポキシ樹脂組成物を製造し、実施例１と同様にして評価した。評価結果を表１及び表２に示す。実施例１以外で用いた成分について、以下に示す。
エポキシ樹脂２：オルソクレゾ−ルノボラック型エポキシ樹脂（軟化点５５℃、エポキシ当量１９６）

エポキシ樹脂３：式（７）で示されるスチルベン型エポキシ樹脂（融点１３０℃、エポキシ当量２１０）

フェノール樹脂２：フェノ−ルノボラック樹脂（軟化点８０℃、水酸基当量１０５）
フェノール樹脂３：フェノールアラルキル樹脂（三井化学（株）製、ＸＬＣ−ＬＬ、軟化点７５℃、水酸基当量１７５）
トリフェニルホスフィン

本発明により得られる半導体封止用エポキシ樹脂は、流動性が良好なため金線変形に優れ、また、反り量が小さく、耐半田クラック性に優れている。そのため、プリント配線板や金属リードフレームの片面に半導体素子を搭載し、その搭載面側の実質的に片面のみを樹脂封止されたいわゆるエリア実装型半導体装置に対して、本発明により得られる半導体封止用エポキシ樹脂を適用することで、その信頼性を向上させることが可能である。

Claims

基板の片面に半導体素子が搭載され、この半導体素子が搭載された基板面側の実質的に片面のみがエポキシ樹脂組成物を用いて封止されているエリア実装型半導体装置であって、前記エポキシ樹脂組成物が、（Ａ）結晶性エポキシ樹脂、（Ｂ）一般式（１）で表されるフェノール樹脂、（Ｃ）一般式（２）で表される硬化促進剤、及び（Ｄ）無機充填剤を必須成分とし、（Ａ）結晶性エポキシ樹脂が全エポキシ樹脂中に５０重量％以上含み、（Ｂ）一般式（１）のフェノール樹脂が全フェノール樹脂中に５０重量％以上含み、（Ｄ）成分が溶融シリカのみからなり、（Ｄ）成分を全エポキシ樹脂組成物中に対し８７〜９５重量％含むものであるエリア実装型半導体装置。

（式中、Ｒ１、Ｒ２は水素又は炭素数１〜４のアルキル基で、互いに同一でも異なっていてもよい。ａは０〜４の整数、ｂは０〜４の整数、ｃは０〜３の整数。ｎは平均値で、１〜１０の正数。）

（式中、Ｘは水素又は炭素数１〜３のアルキル基、Ｙは水素又はヒドロキシル基を表す。ｍ、ｎは１〜３の整数。）