JP5249170B2

JP5249170B2 - 半導体装置封止用エポキシ樹脂組成物及び半導体装置

Info

Publication number: JP5249170B2
Application number: JP2009245928A
Authority: JP
Inventors: 直樹金川; 洋平西村; 俊幸牧田
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2009-10-26
Filing date: 2009-10-26
Publication date: 2013-07-31
Anticipated expiration: 2029-10-26
Also published as: JP2011089096A

Description

本発明は、半導体装置封止用エポキシ樹脂組成物及びそれを用いて封止した半導体装置に関するものである。

近年、樹脂封止型半導体装置は、デバイスの高密度化、高集積度化、動作の高速化等の傾向にあり、従来型のパッケージ（ＱＦＰ等）よりさらに小型化、薄型化することのできる半導体素子のパッケージが要求されている。これらの要求に対してＢＧＡ及びＣＳＰ、ベアチップ実装といった高密度実装が可能なパッケージやフリップチップ実装したパッケージがある。

また、これらのパッケージを用いた電化製品としてデジタルカメラやビデオ、ノート型パソコン、携帯電話といったものが挙げられるが、今後製品自体の小型化・薄型化・複雑化に伴い、より高信頼性が求められる。

このように、近年の半導体製造においては、パッケージの信頼性を維持しつつ、薄型化、複雑化、ワンチップ化による大型化・高密度化による金線等の狭ピッチ化で難しくなる作業性の向上も必要となる。

このような高密度化、複雑化への傾向に対応するものとして、半導体素子のパッケージでは、エポキシ樹脂組成物を用いた半導体等の封止が採用されている。

半導体装置封止用エポキシ樹脂組成物は、一般的にカーボンブラックにより黒色に着色されているものが多い。これは封止する半導体及びその周辺素子が、外部の光の影響を受けて誤作動することを防止したり、素子及び回路を隠蔽するといった理由から用いられている（例えば特許文献１、２、３参照）。

また、半導体装置製造時の作業性や信頼性の向上を目的として、カーボンブラックに処理を施した着色剤等も提案されている（例えば特許文献４参照）。

ただ、これらカーボンブラックによって着色された従来の半導体装置封止用エポキシ樹脂組成物の問題点として、黒色に着色されているものが多いことから、樹脂の硬化前後での色調の変化が小さく、硬化していることを目視で確認することが非常に困難であるものが多い点が挙げられる。外観から硬化状態の確認ができないために、半導体素子パッケージの製造現場での人的エラーや設備トラブル等を原因とする未硬化、硬化不足等の不具合を目視により発見することが困難であった。

また、これら封止樹脂の未硬化、硬化不足は半導体の信頼性を低下させる原因となっていた。

特開２０００−２７３２８８公報特開２００１−０４６８８０公報特開２００５−２８１６２５公報特開２００７−１８６５３５公報

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、従来の問題点を解消して、半導体装置封止用エポキシ樹脂の硬化状態を目視により確認することが可能な半導体装置封止用エポキシ樹脂組成物と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、エポキシ樹脂、硬化剤、及び着色剤を必須成分とする半導体装置封止用エポキシ樹脂組成物であって、前記着色剤として温度の上昇に応じて色調が変化するロイコ染料からなり、前記着色剤の色調が前記半導体装置封止用エポキシ樹脂組成物の硬化条件のうち、変色温度８０〜１５０℃、変色時間３〜６００秒の範囲で変化し、前記着色剤の色調変化が不可逆反応であり、前記着色剤の配合量が前記半導体装置封止用エポキシ樹脂組成物全体量の０．１〜１０質量％の範囲である。

第２に、上記第１の半導体装置封止用エポキシ樹脂組成物において、充填剤を配合する。

第３に、上記第１または第２の半導体装置封止用エポキシ樹脂組成物を用いて封止されている半導体装置である。

上記第１の発明によれば、半導体装置封止用エポキシ樹脂組成物の着色剤として、温度の上昇に応じて色調が変化する色素を用いることにより、半導体素子封止に際しての硬化時等での樹脂の温度上昇を目視で確認することが可能となる。これにより、半導体素子パッケージの製造現場等での未硬化、硬化不足等の不具合を視認することが容易となる。そして、未硬化や硬化不足による信頼性の低下を抑えることができる。

また、前記着色剤の色調がエポキシ樹脂組成物の硬化条件のうち、温度及び時間の範囲で変化することにより、エポキシ樹脂の硬化が完了するのに合わせて色調も変化させることができる。即ち、エポキシ樹脂の硬化を樹脂の色調で判断することが可能となる。上記の効果をパッケージ製造現場等においてより確実に安定して実現可能とされる。

また、着色剤の色調の変化が不可逆反応であることにより、一度変色した樹脂はその色調を維持し、時間の経過を意識することなく外観から樹脂の硬化状態を確認することが可能となる。前記効果はさらに確実に顕著なものとなる。

第２の発明によれば、上記第１の発明の半導体装置封止用エポキシ樹脂組成物に充填剤を配合しているので、電気的信頼性、耐湿性、耐熱性を向上させることができる。また、熱を加えることによる膨張（線膨張）を小さくすることができ、半導体装置に与えるダメージを軽減することができる。

第３の発明によれば、上記第１または第２の発明の半導体装置封止用エポキシ樹脂組成物を用いて封止されているので、樹脂の硬化状態を色調の変化により目視で判断することができ、信頼性の高い半導体装置を得ることができる。

以下、本発明の実施の形態について説明する。

本発明に用いられる必須成分としてのエポキシ樹脂については、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用いることができる。

このようなエポキシ樹脂としては、例えば、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂、ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂、ナフタレン環含有エポキシ樹脂及びこれらの水素添加型エポキシ樹脂、脂環式エポキシ樹脂等が挙げられる。これらのエポキシ樹脂は１種単独で用いてもよいし、２種以上を併用して用いてもよい。

また、必須成分として本発明に用いられる硬化剤としては、一般的にエポキシ樹脂の硬化剤として用いることができるもの、例えば、フェノール性水酸基を有する硬化剤、アミン類、酸無水物類、イミダゾール類、ポリチオール、シアネート等を用いることができる。

硬化剤の配合量は、エポキシ樹脂との化学量論上の当量比（硬化剤当量／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０．５未満であると、半導体装置封止用エポキシ樹脂組成物の硬化特性が低下する場合があり、当量比が１．５を超えると、耐湿性が不十分になる場合がある。

本発明に用いられる着色剤としては、温度の変化によりその色調を変化させる機能を持つものであれば特に制限なく用いることができる。また、その配合量にもよるが、半導体装置封止用エポキシ樹脂組成物としての封止特性（物理的、化学的特性）を大きく損なうことがなく、しかも、半導体素子についての電気的特性を大きく損なうものでないことが望ましい。

このような着色剤としては、例えば、ロイコ染料、一般式で表される化１（＜１＞２−アニリノ−６−（ｎ−ジエチルアミノ）−３−メチルフルオラン、＜２＞２−アニリノ−６−（ｎ−ジブチルアミノ）−３−メチルフルオラン、＜３＞２−アニリノ−６−（エチル、イソペンチルアミノ）−３−メチルフルオラン、＜４＞２−アニリノ−６−（エチル、シクロヘキシル）−３−メチルフルオラン等の化合物）、また、その他以下に構造を示す化２〜化５の化合物やその誘導体等を挙げることができる。

Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４＝Ｈ、アルキル基もしくはハロゲン基
＜１＞Ｒ１、Ｒ２＝エチル基、Ｒ３＝メチル基、Ｒ４＝Ｈ
＜２＞Ｒ１、Ｒ２＝ブチル基、Ｒ３＝メチル基、Ｒ４＝Ｈ
＜３＞Ｒ１＝エチル基、Ｒ２＝イソペンチル基、Ｒ３＝メチル基、Ｒ４＝Ｈ
＜４＞Ｒ１＝エチル基、Ｒ２＝シクロヘキシル基、Ｒ３＝メチル基、Ｒ４＝Ｈ

この中でもロイコ染料と呼ばれる着色剤のうち、変色後の色調が黒色であり、変色が不可逆的であるものが特に好ましい。

着色剤の配合量は、通常は、組成物全体量の０．１〜１０質量％の範囲とすることが好ましい。より好ましくは１．０〜５．０質量％の範囲である。

この配合量の範囲については、下限値はその発色が確認される量、上限値は封止材の物性が著しく損なわれない量の観点から選択される。

また、これら着色剤は、半導体装置封止用エポキシ樹脂組成物の硬化条件に応じて変色することが好ましいことから、変色条件としては変色温度８０〜１５０℃、変色時間３〜６００秒の範囲が好ましい。

本発明に配合する充填剤としては、シリカ粉末、アルミナ、窒化ケイ素等、各種のものを用いることができ、その種類は特に制限されない。これらは１種単独で用いてもよいし、２種以上を併用して用いてもよい。中でもシリカ粉末を好ましいものとして用いることができ、より具体的には、結晶シリカ、溶融シリカ、低α線シリカ等である。その形状は特に制限されず、例えば、球状、破砕状等の適宜の形状のものを用いることができる。

これら充填剤は、半導体装置封止用エポキシ樹脂組成物全量に対して０〜９０質量％の範囲で用いることができ、必要に応じてその表面をカップリング処理して用いることができる。

これら充填剤を添加することにより、電気的信頼性、耐湿性、耐熱性を向上させることができる。また、熱を加えることによる膨張（線膨張）を小さくすることができ、半導体装置に与えるダメージを軽減することができる。

本発明においては、さらに必要に応じ各種の配合成分を用いてもよい。例えば、遮光成分、紫外線吸収剤、酸化防止剤を挙げることができる。

本発明では遮光成分として、酸化チタンを半導体装置封止用エポキシ樹脂組成物全量に対して０．１〜３０質量％の範囲で用いることができる。この遮光成分を配合することにより、外部の光の影響による半導体の誤作動を防止することができる。

本発明では紫外線吸収剤または酸化防止剤の少なくとも一方を、半導体装置封止用エポキシ樹脂組成物全量に対して０．１〜１０質量％の範囲で用いることができる。

紫外線吸収剤としては、例えば、ＥＶＥＲＳＯＲＢ９０（台湾光永化学工業股分有限公司）を用いることができる。

また、酸化防止剤としては、例えば、Ｈ−ＢＨＴ（本州化学工業製）を用いることができる。

これら紫外線吸収剤または酸化防止剤を選択的に用いることにより、樹脂硬化物の紫外線や酸化による劣化を緩やかにすることができる。

また、本発明では、その目的を損なわない範囲で必要に応じて他の物質を配合することもできる。例えば、アミン類、ポリアミド類、イミダゾール類、ルイス酸等の硬化促進剤、分散安定剤、低弾性化剤、密着性付与剤、チクソ性付与剤、希釈剤、カップリング剤、撥水剤等を配合することができる。

本発明の半導体装置封止用エポキシ樹脂組成物は、例えば、次の手順で製造することができる。エポキシ樹脂、硬化剤、着色剤、及びその他の添加剤を同時にまたは別々に配合し、必要に応じて加熱処理や冷却処理を行いながら、撹拌、溶解、混合、分散を行う。次いで、この混合物に充填剤を加え、必要に応じて加熱処理や冷却処理を行いながら、再度、撹拌、混合、分散を行うことにより、本発明の半導体装置封止用エポキシ樹脂組成物を得ることができる。

上記の撹拌、溶解、混合、分散には、ディスパー、プラネタリーミキサー、ボールミル、３本ロール等を組み合わせて用いることができる。

本発明の半導体装置は、上記のようにして得られた半導体装置封止用エポキシ樹脂組成物を用いて半導体チップを封止することにより製造することができる。この封止方法としては、ディスペンス、印刷等、用途としてはアンダーフィル、接着、オーバーコート等、液状の封止材が用いられるところであれば特に制限なく用いることができる。

例えば、セラミック基板やＦＲグレード等の回路基板の回路パターン面に多数のバンプを介して半導体チップが搭載されたもののバンプ間の間隙に本発明の半導体装置封止用エポキシ樹脂組成物をディスペンサー等を用いて塗布、充填した後、加熱硬化することにより、フリップチップ実装による半導体装置を製造することができる。

なお、加熱硬化の条件は、特に限定されるものではなく半導体装置封止用エポキシ樹脂組成物の配合組成等に応じて適宜に変更すればよいが、例えば１００〜２００℃で０．５〜２時間、好ましくは１５０〜１６５℃で１〜２時間である。

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、ＢＧＡ（Ball Grid Array）、ＣＳＰ（Chip Size Package）等が挙げられる。

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。

表１に示す配合成分として以下のものを使用した。なお、表１に示す配合量は質量％を表す。
エポキシ樹脂１：ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂東都化成工業製ＹＤＦ８１７０エポキシ当量１６０
エポキシ樹脂２：ナフタレン環含有エポキシ樹脂ＤＩＣ製エピクロンＨＰ−４０３２Ｄエポキシ当量１４３
エポキシ樹脂３：水添型エポキシ樹脂ＡＤＥＫＡ製アデカレジン４０８８Ｓエポキシ当量１７０
硬化剤１：フェノール硬化剤明和化成製ＭＥＨ８０００Ｈ水酸基当量１４１
硬化剤２：酸無水物硬化剤ジャパンエポキシレジン製エピキュアＹＨ３０６酸無水物当量２３４
硬化剤３：アミン硬化剤ＡＤＥＫＡ製ＥＨ３４７０Ｓポリアミンン系硬化剤
硬化促進剤：旭化成ケミカルズ製ノバキュアＨＸ３７２２
無機充填剤（溶融シリカ）：ＭＲＣユニテック製ＱＳ９平均粒径１０μｍ最大粒径４０μｍ真比重２．２
カーボンブラック：三菱化学製ＭＡ１００平均粒径２４μｍ最大粒径４５μｍ
ロイコ系着色剤：日本槽達製ＰＳＤ−２９０
表１に示す各組成物を、以下の製造方法Ａ、Ｂにより調製した。
製造方法Ａ：半導体装置封止用エポキシ樹脂組成物の構成成分であるエポキシ樹脂、硬化剤、その他成分を表１に示す配合量で配合し、これをホモディスパー（特殊機化工業製）にて３００〜５００ｒｐｍの条件で分散・混合することによって半導体装置封止用エポキシ樹脂組成物を調整した。
製造方法Ｂ：半導体装置封止用エポキシ樹脂組成物の構成成分であるエポキシ樹脂、硬化剤、無機充填剤及びその他の成分を表１に示す配合量で配合し、これをプラネタリーミキサーで混合し、さらに３本ロールにて分散することによって半導体装置封止用エポキシ樹脂組成物を調整した。

この半導体装置封止用エポキシ樹脂組成物について、以下の条件でゲル化時間及び粘度を測定した。

その結果を表１に示す。
＜ゲル化時間＞
ホットプレートの温度を１５０±２℃に設定し、このホットプレート上に約１ｇの半導体装置封止用エポキシ樹脂組成物を載置し、これを１秒間隔で攪拌して攪拌不能になるまでの時間を測定した。
＜粘度＞
室温（２５℃）にてＢ型粘度計を用いて測定した。粘度はＮｏ．７ロータを用いて１０ｒｐｍの数値を用い測定限界を越える場合は５ｒｐｍ、更には１ｒｐｍへ回転数を下げながら測定を行った。その結果を表１に示す。

表１より、実施例１〜４の着色剤にロイコ系着色剤を配合したものは、すべて硬化前の色調と硬化後の色調の変化が確認され、硬化後のものはすべて黒色に変色した。

これに対し、比較例１〜４の着色剤にカーボンブラックを配合したものは、すべて硬化前後の色調が黒色であり、色調の変化を確認できなかった。

また、比較例５の着色剤を配合しなかったものは、硬化前後の色調変化は確認できたものの、硬化後のものは黒色にはならなかった。

Claims

エポキシ樹脂、硬化剤、及び着色剤を必須成分とする半導体装置封止用エポキシ樹脂組成物であって、前記着色剤として温度の上昇に応じて色調が変化するロイコ染料からなり、前記着色剤の色調が前記半導体装置封止用エポキシ樹脂組成物の硬化条件のうち、変色温度８０〜１５０℃、変色時間３〜６００秒の範囲で変化し、前記着色剤の色調変化が不可逆反応であり、前記着色剤の配合量が前記半導体装置封止用エポキシ樹脂組成物全体量の０．１〜１０質量％の範囲であることを特徴とする半導体装置封止用エポキシ樹脂組成物。
充填剤を配合することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置封止用エポキシ樹脂組成物。
請求項１または２に記載の半導体装置封止用エポキシ樹脂組成物を用いて封止されていることを特徴とする半導体装置。