JP5134257B2 - 半導体パッケージ用樹脂組成物、半導体パッケージの成形方法および半導体パッケージ用樹脂組成物供給装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体パッケージ用樹脂組成物、半導体パッケージの成形方法および半導体パッケージ用樹脂組成物供給装置に関する。さらに詳しくは、本発明は、簡便に成形金型に供給することができ、かつ欠陥のない良好な半導体パッケージを得ることができ、かつ既存の低圧トランスファ成形装置に適用できるという高信頼性を有する半導体パッケージ用樹脂組成物、半導体パッケージの成形方法および半導体パッケージ用樹脂組成物供給装置に関する。

従来から、ＩＣ、ＬＳＩおよびデイスクリート等の封止、基板に搭載された各種モジュール等は、固体のエポキシ樹脂組成物による低圧トランスファ成形、液状のエポキシ樹脂組成物によるディッピング、ポッティング、スクリーン印刷、転写、ディスペンスにより樹脂封止されてきた（例えば、特許文献１参照）。しかしながら、これらの方法の限界が見えてきている。
すなわち、エポキシ樹脂組成物を用いた低圧トランスファ成形では、粉末のエポキシ樹脂組成物をタブレット状に賦形してから、金型内のポットに投入し、加熱溶融させながらプランジャーで加圧することにより、金型キャビティ内に移送し、加熱硬化させる。しかしながら、この成形方法ではエポキシ樹脂組成物をタブレット状に賦形することが前提となるために、賦形の工程が必要である。また、成形される半導体パッケージの形状や大きさにより必要なタブレットの形状は種々異なるので、賦形には多数の金型を必要とする。
さらに、成形毎にタブレットの投入と熱溶融が必要であるために、成形サイクルを一定時間以下に短縮することができないという問題がある。また、固体のエポキシ樹脂組成物から金属異物等を除くのも容易ではない。一方、液状のエポキシ樹脂組成物を用いてディッピング、ポッティング、スクリーン印刷、転写またはディスペンスを行う場合、常温で液状であり、容易に流動するという液状樹脂組成物本来の基本性能を確保するために、固体のエポキシ樹脂組成物と比べて以下の致命的な問題がある。すなわち、フィラーの高充填化ができない、固体のエポキシ樹脂組成物を構成する高性能の固体エポキシ樹脂を採用することができないという問題である。

特開２０００−６８４１６号公報

本発明は上記事情に鑑みなされたもので、固体状のエポキシ樹脂組成物が有する利点と液状のエポキシ樹脂組成物が有する利点を併せ持つ半導体パッケージ用樹脂組成物、半導体パッケージの成形方法および半導体パッケージ用樹脂組成物供給装置を提供することを目的とするものである。

本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討した結果、特定の温度範囲において特定の性状を示す樹脂組成物により、半導体パッケージを成形する際に、上記樹脂組成物を使用し、特定の方法で金型のポットに供給することにより、あるいは特定の機構を有する半導体パッケージ用樹脂組成物供給装置により、上記目的が達成されることを見出し、本発明を完成した。
すなわち、本発明は、以下の半導体パッケージ用樹脂組成物、半導体パッケージの成形方法および半導体パッケージ用樹脂組成物供給装置を提供するものである。
１． エポキシ樹脂、硬化剤、潜在性を示す硬化促進剤および充填剤からなる半導体パッケージ用樹脂組成物であって、３５℃以下において固体としての性状を示すと共に、４５℃から１０５℃の温度範囲において液状化し、かつ１７０〜２００℃の温度において３分間以内で硬化することを特徴とする賦形されていない半導体パッケージ用樹脂組成物。
２． 前記エポキシ樹脂がクレゾールノボラックタイプのエポキシ樹脂、ビフェニルタイプのエポキシ樹脂および多官能のエポキシ樹脂から選ばれるいずれか、前記硬化剤がフェノールノボラック樹脂またはアラルキルフェノール樹脂、前記潜在性を示す硬化促進剤がマイクロカプセル型の硬化触媒、包接タイプの硬化触媒、窒素系のジシアンジアミド、尿素系化合物、潜在性を示す高融点触媒、およびリン系触媒から選ばれるいずれかである上記１記載の半導体パッケージ用樹脂組成物。
３．半導体パッケージ用樹脂組成物がタブレット賦形されていない上記１または２に記載の半導体パッケージ用樹脂組成物。
４． 基板に接続された半導体素子を樹脂組成物にて封止して半導体パッケージを成形する方法において、保温タンクに収納され、液状化された上記１〜３のいずれかに記載の樹脂組成物を、パイプを通して、上記半導体素子の封止に用いる金型に供給することを特徴とする半導体パッケージの成形方法。
５． 半導体素子の封止に用いる金型が、半導体封止用トランスファ成形装置に搭載された成形金型である上記４に記載の半導体パッケージの成形方法。
６． ４５℃から１０５℃の範囲で加熱して液状化される上記３〜５のいずれかに記載の半導体パッケージの成形方法。
７． 少なくとも減圧機能、保温機能および加圧機能を備えた保温タンク、およびそれに接続するパイプを有し、かつ上記１〜３のいずれかに記載の半導体パッケージ用樹脂組成物を、上記パイプを通して半導体素子封止成形用金型のポットに搬送する機構を有することを特徴とする半導体パッケージ用樹脂組成物供給装置。
８． さらに、保温タンクを交換するためのタンク替え機構、該保温タンクの位置を上下左右に駆動するための駆動機構を有し、かつパイプがストッピング機構および樹脂組成物注入口を有する上記７に記載の半導体パッケージ用樹脂組成物供給装置。

本発明の半導体パッケージ用樹脂組成物は高信頼性を有するものであり、本発明の半導体パッケージの成形方法および半導体パッケージ用樹脂組成物供給装置によれば、半導体パッケージ用樹脂組成物を、簡便に成形金型に供給することができ、かつ欠陥のない良好な半導体パッケージを得ることができる。また、本発明の半導体パッケージ用樹脂組成物、半導体パッケージの成形方法および半導体パッケージ用樹脂組成物供給装置は、既存の低圧トランスファ成形装置にも適用できる。

本発明の半導体パッケージ用樹脂組成物は、３５℃以下において固体としての性状を示すと共に、４５℃から１０５℃の温度範囲において流体としての性状を示し、かつ２００℃以下の温度において３分間以内で硬化することを特徴とする。このような性状を有する樹脂組成物は、通常は固体状であり、タンク温度である４５℃から１０５℃の温度範囲において、パイプ内を移動することができる低粘度特性を有し、かつ、供給時にはできるだけ硬化が進行しない、いわゆる潜在性の硬化プロセスを有するものである。上記３分間以内で硬化する温度の下限は１７０℃程度であり、３分以内で硬化する温度は、１７０〜２００℃であることが好ましい。

本発明においては、上記樹脂組成物を構成する樹脂としてエポキシ樹脂を用い、市販されている高信頼性のトランスファ成形用のエポキシ樹脂組成物に適用されているフェノール性水酸基含有化合物を硬化剤として用いるのが好ましい。通常の市販の液状エポキシ樹脂組成物では、常温で低粘度体である有機酸無水物を主要な硬化剤として用いているが、有機酸無水物によって硬化させる液状エポキシ樹脂組成物は、フェノール性水酸基含有化合物によって硬化させる固体エポキシ樹脂組成物と比べて、半導体を樹脂封止成形してプラスチックパッケージを作製した際に、長期の耐湿信頼性に劣るという問題がある。また、本発明の樹脂組成物においては、上記した低粘度特性を付与するためには、主たる充填材として、優れた流動性を発揮できるものを用いることが肝要である。

本発明の樹脂組成物の構成について具体的に説明すると、主剤であるエポキシ樹脂としては、固体エポキシ樹脂である、クレゾールノボラックタイプのエポキシ樹脂や結晶性を示すビフェニルタイプのエポキシ樹脂、多官能のエポキシ樹脂などが挙げられる。硬化剤として用いるフェノール性水酸基含有化合物としては、フェノールノボラック樹脂およびアラルキルフェノール樹脂などが挙げられる。これらのエポキシ樹脂および硬化剤は、共に常温において固体であって、低い温度で溶融し、低粘度を示す樹脂であるという特性を有するものであり、本発明の樹脂組成物の構成成分として好適である。
上記硬化剤の配合量は、エポキシ樹脂１００質量部に対して、当量比で、通常０．７〜１．２程度、好ましくは０．９〜１．１である。

本発明の樹脂組成物においては、上記フェノール性水酸基含有化合物に加えて硬化促進剤を併用する。このような硬化促進剤としては、潜在性を示す硬化触媒が好ましい。硬化促進剤としては、明確に潜在性を示すマイクロカプセル型の硬化触媒、包接タイプの硬化触媒、窒素系のジシアンジアミドおよび尿素系化合物などが挙げられ、さらには、潜在性を示す高融点触媒、およびリン系触媒なども使用することができる。
これらの硬化促進剤の使用量は、上記フェノール性水酸基含有化合物との合計量基準で０．１〜１．０質量％である。

充填材としては、球状シリカを用いることが好ましく、樹脂組成物に流動性と最密充填性を付与するために、一部を微細な破砕シリカ等で置き換えてもよい。また、半導体パッケージ用樹脂組成物としての性能を発揮させるために、外乱光を遮蔽するためのカーボンブラック等の顔料を配合することができる。なお、カーボンブラックは電導性のため、表面が絶縁処理されていることが好ましい。これらの充填材の平均粒径は、通常０．５〜２０μｍ程度、好ましくは０．５〜１０μｍ程度である。
充填材における球状シリカの割合は、通常８０質量％以上、好ましくは８５〜９５質量％である。

本発明の樹脂組成物には、本発明の効果を損なわない範囲で必要に応じて、各種添加剤を配合することができる。添加剤としては、成形金型から成形品を引き剥がすためのワックス等の離型剤、流動性や界面接着を補強するためのシリコーン系の機能材料、内部素子との接着を増進させるための硫黄化合物、及びチッソ化合物などが挙げられる。
本発明の樹脂組成物は、これらの配合成分を万能混合機などによって混合することにより得ることができる。なお、本発明の樹脂組成物を製造する際には、タンク詰めに際して減圧脱気を行うことが好ましく、信頼性を保持するためには再脱気を行うことがより好ましい。

本発明の半導体パッケージの成形方法は、基板に接続された半導体素子を樹脂組成物にて封止して半導体パッケージを成形する方法において、保温タンクに収納された、液状化された上記樹脂組成物を、パイプを通して、上記半導体素子の封止に用いる金型のポットに供給することを特徴とする。上記樹脂組成物は、金型のポットまたは半導体デバイス搭載基板に直接供給される。
この成形方法において、上記半導体素子は、ワイヤーボンディングおよびボールボンディングなどの方法で基板に接続されている。基板としては、リードフレーム基板および有機基板などが挙げられる。

液状の樹脂組成物を金型のポットに供給するための供給装置として、本発明の半導体パッケージ用樹脂組成物供給装置を用いることができる。本発明の半導体パッケージ用樹脂組成物供給装置としては、加圧注入可能なディスペンス装置、例えば、粘度１００〜４００Ｐａ・ｓ程度の液体を注入し得る装置を使用することができ、また、減圧機能、保温機能および加圧機能を備えた保温タンク、およびそれに接続するパイプを有し、かつ本発明の半導体パッケージ用樹脂組成物を、上記パイプを通して半導体素子封止成形用金型のポットに搬送する機構を有すること、を特徴とする。
図１を参照して、本発明の半導体パッケージ用樹脂組成物供給装置について説明する。本発明の樹脂組成物を成形装置に送り込む樹脂供給装置１は、当該樹脂組成物の供給源である保温タンク２、および加熱溶融時に減圧して樹脂組成物内部の気泡を除くための減圧弁３を基本構成とする。図１において、４は保温タンク２中の樹脂組成物を送出するためのパイプ、５は保温タンク２を交換するためのタンク替え機構、６は保温タンク２の位置を上下左右に駆動するための駆動機構、７は加圧弁である。パイプ４は、ストッピング機構８および樹脂組成物注入口９を有している。また、成形装置１０において、１１は上金型、１２は下金型、１３は金型のポット、１４はプランジャー、１５はランナー、１６はキャビティである。

保温タンク２には、保温タンク２内の固体状の樹脂組成物を４５℃から１０５℃の範囲で加熱して速やかに液状化するための不図示の加熱装置が付帯されている。通常はヒーターによる加熱でよい。保温タンク２中の液状の樹脂組成物は、パイプ４を通して成形金型のポット１３に送り込まれる。この場合、加圧弁７を介して保温タンク２に導入された高圧ガスによって樹脂組成物が保温タンク２から送出され、パイプ４を通じて樹脂組成物が金型のポット１３に圧入されるが、この圧入は、高圧ガスを用いる代わりにピストン等によって行ってもよい。パイプ４は断熱材等によって保温されていることが好ましい。
金型のポット１３に対する注入口９の数および位置は、金型のポット１３に適合した数および位置であることが望ましい。また、注入口９は、樹脂組成物を定量吐出するための機構を備えていることが好ましい。
上述した各機構は、マイクロコンピュータによって制御されることが好ましい。本発明の樹脂組成物供給装置は、新造の成形装置に組み込むことによって性能が発揮されるが、容易に既存の低圧トランスファ成形装置に付帯させることができる。

次に、本発明を実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの例によってなんら限定されるものではない。
［実施例１］
万能混合機を用いて、エポキシ樹脂組成物を調製した。まず、クレゾールノボラックエポキシ樹脂（融点６５℃）１６質量部とフェノールノボラック樹脂（融点７５℃）７質量部を８５℃に加熱し、攪拌して溶融し、次に、カップリング剤（エポキシシラン）０．３質量部、ワックス（カルノウバ天然ワックス）０．３質量部および高粘度系シリコーンオイル（ＧＥ東芝シリコーン社製、商品名 １０Ｍ）０．２質量部を加えた後、微細粉砕シリカ（平均粒径１μｍ、ふるい径４５μｍ）４質量部を徐々に加え、次いで、球状シリカ（平均粒径１２μｍ、ふるい径４５μｍ）７４質量部を徐々に加え、球状シリカを加え終わった後、すばやくトリフェニルホスフィン（粉砕平均粒径０．０３ｍｍ）０．１０質量部とジシアンジアミド（粉砕平均粒径０．０３ｍｍ）０．１０質量部との混合物を散布し、攪拌しながら減圧脱気して、樹脂タンクに注入し、すばやく冷却した。保管は冷凍（−４０℃）で行った。使用する前日より冷蔵庫（５℃）に保管し、常温戻しを行った。この樹脂組成物は、７５℃以下で固体状となり、８０℃以上で液状を示した。
次に、図１に示す樹脂組成物供給装置Ａと同様の基本構成を有する樹脂組成物供給装置にて、樹脂組成物供給プロセスの確認を行った。この樹脂組成物供給装置には上下左右駆動装置を設けず、手動にてノズル（図１の注入口９に対応）の位置を調整した。また、圧入パイプ（図１の参照番号４に対応）に１個のノズルのみを設けた状態で樹脂組成物供給プロセスの確認を行った。用いた樹脂組成物供給装置の主要項目は、樹脂タンク容量２Ｌ、圧入圧力０．２ＭＰａ、減圧能力１３３Ｐａ、樹脂タンクの加熱温度９０℃、パイプ径１０．２ｍｍ、パイプ長（タンク出口からノズル先端まで）１２００ｍｍとして。

成形は、トランジスタパッケージ用の大型タブレット１個を用いる低圧トランスファー成形機（ＴＯＷＡ社製）にて行った。まず、上記エポキシ樹脂組成物が収容された樹脂タンクを冷蔵庫から取り出し、樹脂タンクに圧入パイプ、減圧パイプ、加圧パイプ、加熱抱帯および保持台を装着した後、９０℃まで加熱した。エポキシ樹脂組成部物が液状化したことを確認した後、注入バルブ側の中間バルブを閉じた状態で、減圧口から減圧し、１３３Ｐａまで降圧して脱気を行った。その後、樹脂タンク内圧を０．２ＭＰａまで昇圧した後、中間バルブを開けて所定量のエポキシ樹脂組成物を、通常、大型タブレットを投入するための、成形金型のポットに注入した。その後、大型タブレット使用時と同様に成形を行った。成形条件は、金型温度１９０℃、成形圧力７８ＭＰａ、成形時間３分間とした。成形後に、パッケージを２００℃の条件で、１時間かけて後硬化を行った。その際、パッケージの成形状態、成形品の状態およびパッケージの信頼性を、下記の記の方法により評価した。結果を表１に示す。

（１）外観
目視により判定した。
（２）離型性
ＤＩＰタイプのテストパッケージ金型を用いて成形を行い、離型性に支障があるか否かを確認した。
（３）内部巣
上記（２）で得られたＤＩＰ成形品をカットし、光学顕微鏡にて０．２５μｍ以上のボイドの有無を確認した。
（４）プレッシャクッカーテスト（ＰＣＴ）
アルミニウム配線を有するテスト素子をリードフレームに搭載し、金ワイヤーで接続した後、実施例１の条件で成形した。得られたパッケージについて１２１℃のプレッシャクッカーでテストを行い、断線とショートを観察した。
（５）サーマルサイクルテスト（ＴＣＴ）
上記（４）と同様のパッケージについて、１２５℃と−５５℃の温度サイクルにおける
断線とショートを観察した。

［比較例１］
実施例１において、エポキシ樹脂組成物をタンクに入れずに平板として流し出し、急冷した後、粉砕し、樹脂粉とした後に、打錠用の金型を用いてタブレットを成形し、実施例１と同様の成形条件でトランジスタパッケージを成形した。その後、パッケージを２００℃の条件で、１時間かけて後硬化を行った。その際、パッケージの成形状態、成形品の状態およびパッケージの信頼性を、上記の方法により評価した。結果を表１に示す。

［比較例２］
硬化剤として有機酸無水物を用い、万能混合機にてエポキシ樹脂組成物を調製した。まず、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂（液状）１６質量部と有機酸無水物（液状；ＨＨＰＡ）７質量部脂を８５℃に加熱し、攪拌して溶融し、次に、カップリング剤（エポキシシラン）０．３質量部、ワックス（カルノウバ天然ワックス）０．３質量部および高粘度系シリコーンオイル（ＧＥ東芝シリコーン社製、商品名 １０Ｍ）０．２質量部を加えた後、微細粉砕シリカ（平均粒径１μｍ、ふるい径４５μｍ）４質量部徐々に加え、次いで、球状シリカ（平均粒径１２μｍ、ふるい径４５μｍ）７４質量部を徐々に加え、加え終わった後すばやくトリフェニルホスフィン（粉砕平均粒径０．０３ｍｍ）０．１５質量部とジシアンジアミド（粉砕平均粒径０．０３ｍｍ）０．１５質量部との混合物を散布し、攪拌しながら減圧脱気して、樹脂タンクに注入し、すばやく冷却した。保管は冷凍（−４０℃）で行った。使用する前日より冷蔵庫（５℃）に保管し、常温戻しを行った。この樹脂組成物は、常温で液状を示した。
次に、実施例１で用いたものと同様の樹脂組成物供給装置および成形装置にて、成形を行った。成形条件は、金型温度１９０℃、成形圧力７８ＭＰａ、成形時間３分間とした。成形後に、パッケージを２００℃の条件で、１時間かけて後硬化を行った。その際、パッケージの成形状態、成形品の状態およびパッケージの信頼性を、上記の方法により評価した。結果を表１に示す。

本発明の半導体パッケージ用樹脂組成物は高信頼性を有するものであり、本発明の半導体パッケージの成形方法および半導体パッケージ用樹脂組成物供給装置によれば、本発明の半導体パッケージ用樹脂組成物を、簡便に成形金型に供給することができ、かつ欠陥のない良好な半導体パッケージを得ることができる。また、本発明の半導体パッケージ用樹脂組成物、半導体パッケージの成形方法および半導体パッケージ用樹脂組成物供給装置は、既存の低圧トランスファ成形装置にも適用できる。

本発明の半導体パッケージ用樹脂組成物供給装置の一例を示す概略図である。

符号の説明

１ 半導体パッケージ用樹脂組成物供給装置
２ 保温タンク
３ 減圧弁
４ パイプ
５ タンク替え機構
６ 上下左右駆動台
７ 加圧弁
８ ストッピング機構
９ 注入口
１０ 成形装置
１１ 上金型
１２ 下金型
１３ ポット

Claims (8)

1. エポキシ樹脂、硬化剤、硬化促進剤および充填剤からなる半導体パッケージ用樹脂組成物であって、３５℃以下において固体としての性状を示すと共に、４５℃から１０５℃の温度範囲において液状化し、かつ１７０〜２００℃の温度において３分間以内で硬化することを特徴とする賦形されていない半導体パッケージ用樹脂組成物。
2. 前記エポキシ樹脂がクレゾールノボラックタイプのエポキシ樹脂、ビフェニルタイプのエポキシ樹脂および多官能のエポキシ樹脂から選ばれるいずれか、前記硬化剤がフェノールノボラック樹脂またはアラルキルフェノール樹脂、前記硬化促進剤がマイクロカプセル型の硬化触媒、包接タイプの硬化触媒、窒素系のジシアンジアミド、尿素系化合物、潜在性を示す高融点触媒、およびリン系触媒から選ばれるいずれかである請求項１記載の半導体パッケージ用樹脂組成物。
3. 半導体パッケージ用樹脂組成物がタブレット賦形されていない請求項１または２に記載の半導体パッケージ用樹脂組成物。
4. 基板に接続された半導体素子を樹脂組成物にて封止して半導体パッケージを成形する方法において、保温タンクに収納され、液状化された請求項１〜３のいずれかに記載の樹脂組成物を、パイプを通して、上記半導体素子の封止に用いる金型に供給することを特徴とする半導体パッケージの成形方法。
5. 半導体素子の封止に用いる金型が、半導体封止用トランスファ成形装置に搭載された成形金型である請求項４に記載の半導体パッケージの成形方法。
6. ４５℃から１０５℃の範囲で加熱して液状化される請求項３〜５のいずれかに記載の半導体パッケージの成形方法。
7. 少なくとも減圧機能、保温機能および加圧機能を備えた保温タンク、およびそれに接続するパイプを有し、かつ請求項１〜３のいずれかに記載の半導体パッケージ用樹脂組成物を、上記パイプを通して半導体素子封止成形用金型のポットに搬送する機構を有することを特徴とする半導体パッケージ用樹脂組成物供給装置。
8. さらに、保温タンクを交換するためのタンク替え機構、該保温タンクの位置を上下左右に駆動するための駆動機構を有し、かつパイプがストッピング機構および樹脂組成物注入口を有する請求項７に記載の半導体パッケージ用樹脂組成物供給装置。

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