JP5102095B2 - 圧縮成形用半導体封止エポキシ樹脂組成物およびそれを用いた半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、電気・電子部品、汎用半導体装置、光半導体装置等における半導体を封止するために用いられる圧縮成形用半導体封止エポキシ樹脂組成物およびそれを用いた半導体装置に関するものである。

従来より、電気・電子部品、汎用半導体装置、光半導体装置等における半導体の封止材として、密着性、耐湿性、電気絶縁性、耐熱性、透明性等の点で優れ、大量生産可能なエポキシ樹脂組成物が用いられている。特に、近年の電子機器の小型化、薄型化、高集積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使用されている（例えば、特許文献１−２参照）。

エポキシ樹脂組成物を用いた封止方法としては、トランスファー成形により連続的に封止する方法が汎用されているが、トランスファー成形は、狭間部に未充填が発生したり、ワイヤースイープによるショート不良が発生したりする等の不具合が生じる場合があるため、圧縮成形によって封止する方法が検討されている。しかしながら圧縮成形においても、封止材の樹脂の溶融粘度が高すぎるとワイヤースイープが生じる等、成形性が十分でない場合もあり、またプリフォームされた時に樹脂の広がりが悪いと十分なプリフォーム品が得られず、未充填が生じてしまうという問題があった。
特開２００７−１６９４９３号公報 特開２００３−１７１５２９号公報

そこで圧縮成形用の封止材として、成形性を改善するためには封止材を低フィラーコンテント化して溶融粘度を下げることが考えられるがパッケージの反りを悪化させる原因となり、またプリフォーム性を改善するための封止材の樹脂として軟化点の低いものを採用することはブロッキング性の悪化を招き、成形装置内でのハンドリング性が悪くなり、結果として成形性とプリフォーム性の大幅な向上が望めない。したがって、良好な成形性とプリフォーム性を併せ持つ圧縮成形用の封止材の開発が望まれているのが実情である。

本発明は、以上の通りの背景から、良好な成形性とプリフォーム性を併せ持つ圧縮成形用半導体封止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課題としている。

本発明は、上記の課題を解決するために、以下のことを特徴としている。

第１に、本発明の圧縮成形用半導体封止エポキシ樹脂組成物は、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て含有する圧縮成形用半導体封止エポキシ樹脂組成物であって、前記エポキシ樹脂は、次式（１）

（式中のＧはグリシジル基である）
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エポキシ樹脂の全体量に対して３０〜１００質量％の割合で含有し、前記硬化促進剤は、次式（２）

で表される化合物を含有することを特徴とする。

第２に、半導体装置として、第１の圧縮成形用半導体封止エポキシ樹脂組成物の硬化体で半導体素子が封止されていることを特徴とする。

上記第１の発明によれば、エポキシ樹脂として前記式（１）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エポキシ樹脂の全体量に対して３０〜１００質量％の割合で含有し、硬化促進剤として前記式（２）で表される化合物を含有しているので、低フィラーコンテント化や軟化点の低い樹脂を採用することなく、良好な成形性とプリフォーム性を実現することができる。

以上のような顕著な効果は、上記第２の発明の半導体装置として実際上大きく実現され、ワイヤースイープ性やパッケージの反り量が小さい良好な品質のものとすることができる。

本発明は前記のとおりの特徴をもつものであるが、以下に、本発明を実施するための最良の形態を説明する。

本発明の圧縮成形用半導体封止エポキシ樹脂組成物（以下、単に「エポキシ樹脂組成物」ともいう）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する。

本発明は、特にエポキシ樹脂として前記式（１）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、硬化促進剤として前記式（２）で表される化合物（テトラフェニルホスホニウム・テトラフェニルボラート）を用いている。前記式（１）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は、本発明のエポキシ樹脂組成物におけるエポキシ樹脂の全部として、または他のエポキシ樹脂とともに用いることができ、エポキシ樹脂の全体量に対して３０〜１００質量％の割合で含有されている。これによって、エポキシ樹脂組成物として低フィラーコンテント化や軟化点の低い樹脂を採用することなく、良好な成形性とプリフォーム性を実現することができる。前記式（１）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の含有量が３０質量％未満では、そのビフェニル骨格を有する結晶性エポキシ樹脂による効果を十分に発揮できず、ワイヤースイープ性やパッケージの反り量が大きくなってしまう。

前記式（１）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とともに用いられる他のエポキシ樹脂としては、一般的に半導体封止用として使用される各種のエポキシ樹脂であってよく、特に限定されない。例えば、ビフェニルアラルキル型エポキシ樹脂、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、ビスフェノール型エポキシ樹脂、スチルベン型エポキシ樹脂、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等を挙げることができる。これらは１種に限定されず、複数種を組み合わせて使用してもよい。

本発明において使用される硬化剤としては、一般的に半導体封止用として用いられ、エポキシ樹脂と反応するフェノール性水酸基を有する樹脂であれば特に限定されない。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、フェノールアラルキル樹脂、ナフトールアラルキル樹脂等のナフタレン骨格含有フェノール樹脂等、各種の多価フェノール化合物やナフトール化合物が例示される。これらは１種に限定されず、複数種を組み合わせて使用してもよい。硬化剤の含有量は特に限定されないが、例えば、エポキシ樹脂と硬化剤との当量比（ＯＨ当量／エポキシ当量）が０．５〜１．５の範囲、好ましくは０．８〜１．２の範囲となるように配合することができる。当量比が０．５〜１．５の範囲外であると、エポキシ樹脂組成物の硬化特性が低下したり、成形後の硬化物の耐湿性が低下する場合がある。

本発明に使用される硬化促進剤としては、上述したように、前記式（２）で表される化合物を用いるものである。この化合物の含有量は、例えば従来より半導体封止用として使用される硬化促進剤の含有量と同程度とすることができるが、好ましくは、エポキシ樹脂と硬化剤の合計量に対して０．１〜５．０質量％の範囲である。この範囲内の含有量とすることで、良好な硬化特性が得られる。

さらに本発明に使用される硬化促進剤としては、前記式（２）で表される化合物とともに他の硬化促進剤を用いてもよい。この場合の他の硬化促進剤としては、エポキシ樹脂と硬化剤の反応を促進させる作用があるものであれば特に制限されない。例えば、２−メチルイミダゾール、２−フェニルイミダゾールなどのイミダゾール類、トリフェニルホスフィン、トリブチルホスフィン、トリメチルホスフィン等の有機ホスフィン類、１，８−ジアザビシクロ（５，４，０）ウンデセン−７（ＤＢＵ）、トリエタノールアミン、ベンジルジメチルアミンなどの第三級アミン類などを用いることができる。これらは１種に限定されず、複数種を組み合わせて使用してもよい。

さらに、本発明に使用される無機充填材としては、一般的に半導体封止用として使用されるものであればよく、その種類は特に限定されない。例えば、溶融シリカ、結晶シリカ、アルミナ、窒化ケイ素、窒化アルミニウム等が挙げられる。無機充填材の含有量も特に限定されないが、例えば、エポキシ樹脂組成物全量に対して６０〜９３重量％とすることができる。無機充填材の配合量が過少であると、熱伝導性、熱膨張率等の特性が低下する場合がある。逆に過剰であると、成形時の流動性と金型充填性が低下する場合がある。

また本発明のエポキシ樹脂組成物は、本発明の効果を損なわない範囲内において、上記以外の成分を配合することができる。例えば、γ−メルカプトプロピ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等が挙げられる。また、カルナバワックス、脂肪酸アミド、ステアリン酸、モンタン酸、脂肪酸エステル、カルボキシル基含有ポリオレフィン等の離型剤が配合されていてもよい。

本発明の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、必要に応じてその他の成分を配合し、ミキサーやブレンダーなどで均一に混合した後、ニーダーやロールなどで加熱・混合して調製することができる。なお、加熱・混合した後で必要に応じて冷却固化する。次いでこれを粉砕して粉状にして、例えば成形圧力１ＭＰａ程度、成形温度７０〜１３０℃の条件で圧縮成形してしてプリフォーム品を得る。次いでこのプリフォーム品を用いて、例えば成形圧力３．０〜１５．０ＭＰａ、成形温度１５０〜１９０℃の条件で一般的な圧縮成形方法によって半導体素子を上記エポキシ樹脂組成物による封止樹脂で封止した半導体装置を作製することができる。

以下に実施例を示し、さらに詳しく説明する。もちろん以下の例によって本発明が限定されることはない。

＜実施例１〜５及び比較例１〜４＞
表１に示す配合物（配合量の単位は質量部）をブレンダーで３０分混合し均一化した後、８０℃に加熱した２本ロールで混練溶融させて押出し、冷却後、粉砕機で所定粒度に粉砕して、実施例１〜５及び比較例１〜４のエポキシ樹脂組成物を粒状材料として得た。これらのエポキシ樹脂組成物のプリフォーム性、充填性、ワイヤースイープ性、パッケージ反り性について評価した。

なお、表１におけるエポキシ樹脂組成物の配合材料としては、下記のものを用いた。
エポキシ樹脂１：前記式（１）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（ジャパンエポキシレジン（株）製、ＹＸ４０００Ｈ、エポキシ当量１９６）
エポキシ樹脂２：多官能型エポキシ樹脂（日本化薬（株）製、ＥＰＰＮ−５０２、エポキシ当量１７５）
硬化剤１：フェノールノボラック樹脂（荒川化学工業（株）製、タマノール７５２、水酸基当量１０４）
硬化剤２：多官能型フェノール樹脂（昭和化成（株）製、ＭＥＨ７５００、水酸基当量１００）
硬化促進剤１：前記式（２）で表される化合物（テトラフェニルホスホニウム・テトラフェニルボラート）（北興化学（株）製、ＴＰＰ−Ｋ）
硬化促進剤２：トリフェニルホスフィン（北興化学（株）製、ＴＰＰ）
無機充填材：溶融シリカ（電気化学工業（株）製、ＦＢ８２０）
カップリング剤：γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン（信越化学工業（株）製、ＫＢＭ４０３）
離型剤：カルナバワックス（大日化学（株）製、Ｆ１−１００）
カーボンブラック：三菱化学製、４０Ｂ
上記粒状材料の成形条件、評価方法は下記のとおりである。
＜圧縮成形条件＞
金型温度：１７５℃
圧縮圧力：１０ＭＰａ
圧縮時間：１５０秒
後硬化：１７５℃／６時間
＜プリフォーム性＞
金型温度８０℃にて、圧縮圧力１ＭＰａで３０秒間、粒状材料を圧縮し、その広がり距離（ｍｍ）を計測してプリフォーム性を評価した（広がり距離が大きい程、良好なプリフォーム性を示す）。
＜充填性＞
４２×１４０×０．２ｍｍｔの有機基板上に８ｍｍ×９×０．３ｍｍｔの半導体チップを銀ペーストを用いて３×１０列に均等に搭載し、金線径２０μｍワイヤー長３ｍｍのワイヤーをボンディングしたものを、外形３８×１３５×０．５ｍｍｔの粒状材料のプリフォーム品を用いて上記圧縮成形条件にて圧縮成形したＦＢＧＡパッケージを用いて、外観検査により、０．１ｍｍ以上の未充填ボイドの有無を実体顕微鏡にて確認した。試験パッケージ数に対する未充填発生パッケージ数で充填性を評価した。
＜ワイヤースイープ性＞
充填性で評価したパッケージを、軟Ｘ線装置にてワイヤースイープ率を測定し、その平均値にてさらに比較評価した。単位は％である。
＜パッケージ反り性＞
充填性で評価したパッケージを、表面粗さ計にてパッケージの対角線を計測し、その最大値−最小値を、パッケージ反り量として評価した。単位はｍｍである。

評価結果を表１に示す。

表１の結果より、エポキシ樹脂の全体量に対して３０〜１００質量％の割合で含有する前記式（１）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と、前記式（２）で表される化合物を配合した実施例１〜５のエポキシ樹脂組成物は、いずれもプリフォーム性、充填性が良好であることが確認できた。またワイヤースイープ性やパッケージ反り性も良好であることが確認できた。

他方、エポキシ樹脂の全体量に対して３０〜１００質量％の割合で含有する前記式（１）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および前記式（２）で表される化合物のいずれか、あるいは両者を配合していない比較例１〜４のエポキシ樹脂組成物は、いずれも実施例１〜５と比較してプリフォーム性、充填性、ワイヤースイープ性、パッケージ反り性が劣ることが確認できた。

Claims (5)

1. エポキシ樹脂組成物をプリフォームして圧縮成形方法によって半導体を封止するための圧縮成形用半導体封止エポキシ樹脂組成物であって、
   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て含有し、前記エポキシ樹脂は、次式（１）
   

   

   （式中のＧはグリシジル基である）
   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エポキシ樹脂の全体量に対して３０〜１００質量％の割合で含有し、前記硬化剤は、その全体量がフェノールノボラック樹脂であり、前記硬化促進剤は、次式（２）
   

   

   で表される化合物を含有することを特徴とする圧縮成形用半導体封止エポキシ樹脂組成物。
2. 前記硬化剤は、前記エポキシ樹脂と前記硬化剤との当量比（ＯＨ当量／エポキシ当量）が０．５〜１．５の範囲内で含有することを特徴とする請求項１に記載の圧縮成形用半導体封止エポキシ樹脂組成物。
3. 前記硬化促進剤は、前記エポキシ樹脂と前記硬化剤の合計量に対して０．１〜５．０質量％の割合で含有することを特徴とする請求項１または２に記載の圧縮成形用半導体封止エポキシ樹脂組成物。
4. 前記無機充填材は、エポキシ樹脂組成物全量に対して６０〜９３質量％の割合で含有することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の圧縮成形用半導体封止エポキシ樹脂組成物。
5. 請求項１から４のいずれかに記載の圧縮成形用半導体封止エポキシ樹脂組成物の硬化体で半導体素子が封止されていることを特徴とする半導体装置。