JP5297425B2 - 半導体封止用エポキシ樹脂組成物とそれを用いた半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体チップと回路基板との間を封止するための半導体封止用エポキシ樹脂組成物とそれを用い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、高密度化、高集積化、および動作の高速化の傾向にあり、従来型のパッケージよりもさらに小型化、薄型化できる半導体チップのパッケージが要求されているが、このような要求に対応するものとしてフリップチップ実装が一般に採用されている。

フリップチップ実装では、半導体チップの外部接続用パッドにバンプ電極を直接形成し、このバンプ電極を用いて回路基板にフェースダウンで接続、搭載する。そして半導体チップと回路基板の隙間には封止材料としてアンダーフィルが充填される（例えば、特許文献１、２参照）。アンダーフィルは、半導体チップと回路基板との熱膨張率の差異により発生するはんだ接合部の応力を緩和し、耐湿性、気密性を確保する等の機能を有している。

フリップチップ実装に用いられる封止材料としては、常温で液状のエポキシ樹脂を主剤とし、これに硬化剤、無機充填剤等を配合した液状のエポキシ樹脂組成物が代表的なものとして用いられている。

従来、このようなフリップチップ型のパッケージは、リフロー時にクラックが発生し、あるいは半導体チップ／封止材料または回路基板／封止材料の接着界面の剥離が発生する場合があった。特に、近年における鉛フリーはんだへの代替により、溶融温度が鉛含有のはんだよりも高くなることから、リフローの温度も高くなり、クラック等の問題がさらに顕在化してきている。

このクラック等の問題点に対処する手段としては、封止材料の高靭性化による補強が考えられる。従来、一般にエポキシ樹脂の硬化物の靭性を向上するための手段として、分子量４００〜１０００の長鎖の構造を有するエポキシ樹脂を用いることが知られている。

特開２００９−１４９８２０号公報 特開２００７−０９１８４９号公報

しかしながら、この長鎖の構造を有するエポキシ樹脂は反応性が低く、不均一な硬化を誘発する傾向があり、極端な場合には、未反応のエポキシ樹脂が分離してしまう。そしてこのような不均一な硬化部分を起点として、クラックや接着界面の剥離が引き起こされる。

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、靭性および反応性を共に向上させることができ、これによりクラックや接着界面の剥離を抑制することができる半導体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。

本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物は、エポキシ樹脂、硬化剤、および無機充填剤を必須成分とする半導体封止用エポキシ樹脂組成物において、エポキシ樹脂として常温で液状のエポキシ樹脂、硬化剤として下記一般式（I）

（式中、Ｒは水素原子または置換基を有していてもよい炭化水素基を示す。）で表されるジアミンを含有することを特徴とする。

この半導体封止用エポキシ樹脂組成物において、主剤としてエポキシ樹脂とともにエピスルフィド樹脂を含有することが好ましい。さらに、エピスルフィド樹脂を主剤の全量に対して２０質量％以上含有することが好ましい。

この半導体封止用エポキシ樹脂組成物において、一般式（I）の硬化剤として、１，３−ビス（３−アミノフェノキシ）−５−（２−フェニルエチニル）ベンゼンおよび１，３−ビス（４−アミノフェノキシ）−５−（２−フェニルエチニル）ベンゼンから選ばれる少なくとも１種を含有することが好ましい。さらに、１，３−ビス（３−アミノフェノキシ）−５−（２−フェニルエチニル）ベンゼンおよび１，３−ビス（４−アミノフェノキシ）−５−（２−フェニルエチニル）ベンゼンから選ばれる少なくとも１種を硬化剤の全量に対して３０質量％以上含有することが好ましい。

この半導体封止用エポキシ樹脂組成物において、常温で液状のエポキシ樹脂として、Ｎ，Ｎ−ビス（２，３−エポキシプロピル）−４−（２，３−エポキシプロポキシ）アニリンを含有することが好ましい。

本発明の半導体装置は、前記の半導体封止用エポキシ樹脂組成物を用いて半導体チップと回路基板との間が封止されていることを特徴とする。

本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物および半導体装置によれば、靭性および反応性を共に向上させることができ、これによりクラックや接着界面の剥離を抑制することができる。

以下に、本発明を詳細に説明する。

本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物は、主剤としてエポキシ樹脂を含有し、エポキシ樹脂として常温で液状のエポキシ樹脂を含有する。

常温で液状のエポキシ樹脂は、常温（２５℃）で液状の１分子内に２個以上のエポキシ基を有するものであれば特に限定されないが、中でもＮ，Ｎ−ビス（２，３−エポキシプロピル）−４−（２，３−エポキシプロポキシ）アニリンが好ましい。Ｎ，Ｎ−ビス（２，３−エポキシプロピル）−４−（２，３−エポキシプロポキシ）アニリンを前記の一般式（I）で表される硬化剤と併用することで、靭性を付与しつつ反応性をより高めることができる。

また、常温で液状のエポキシ樹脂として、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型エポキシ樹脂等のビスフェノール型エポキシ樹脂等を用いることもできる。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。

本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物は、主剤としてエポキシ樹脂とともにエピスルフィド樹脂を用いることができる。エピスルフィド樹脂を用いることで、靭性および反応性を維持しつつ耐吸湿性を高めることができる。

エピスルフィド樹脂としては、１分子内に２個以上のエピスルフィド基を有するものであれば特に限定されないが、本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物が液状であること等を考慮すると、中でも常温（２５℃）で液状のエピスルフィド樹脂が好ましい。また、エポキシ樹脂を原料としてエポキシ基の酸素原子の全部または一部を硫黄原子に置換して製造したエピスルフィド樹脂の場合には、１分子内に１個以上のエピスルフィド基を有しておりエポキシ基が残存しているものを含有していてもよい。

エピスルフィド樹脂としては、例えば、ビスフェノールＡ型エピスルフィド樹脂、ビスフェノールＦ型エピスルフィド樹脂等のビスフェノール型エピスルフィド樹脂、水素添加ビスフェノール型エピスルフィド樹脂、クレゾールノボラック型エピスルフィド樹脂、脂肪族型エピスルフィド樹脂、ビフェニル型エピスルフィド樹脂、ジシクロペンタジエン型エピスルフィド樹脂、ナフタレン型エピスルフィド樹脂等を用いることができる。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。中でも、常温（２５℃）で液状のビスフェノール型エピスルフィド樹脂や水素添加ビスフェノール型エピスルフィド樹脂が好ましい。

本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物におけるエピスルフィド樹脂の含有量は、耐吸湿性の向上を考慮すると、主剤の全量に対して好ましくは２０質量％以上である。また、耐吸湿性の向上と靭性および反応性とのバランスを考慮すると、主剤の全量に対して好ましくは２０〜７０質量％、より好ましくは２０〜５０質量％である。

本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物は、硬化剤として一般式（I）で表されるジアミンが用いられる。一般式（I）で表されるジアミンを用いることで、靭性および反応性を共に向上させることができる。

一般式（I）において、Ｒは水素原子または置換基を有していてもよい炭化水素基を示す。炭化水素基は、好ましくは炭素数１〜２０、より好ましくは炭素数４〜１０、さらに好ましくは炭素数７〜１０である。具体的には、フェニルエチニル基等のアリールアルキニル基の他、芳香族炭化水素基、不飽和脂肪族炭化水素基、脂環式炭化水素基、飽和脂肪族炭化水素基、およびこれらを組み合わせたもの等が挙げられる。

中でも、靭性および反応性の向上を考慮すると、一般式（I）の硬化剤として、１，３−ビス（３−アミノフェノキシ）−５−（２−フェニルエチニル）ベンゼンおよび１，３−ビス（４−アミノフェノキシ）−５−（２−フェニルエチニル）ベンゼンから選ばれる少なくとも１種が好ましい。

本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物における１，３−ビス（３−アミノフェノキシ）−５−（２−フェニルエチニル）ベンゼンおよび１，３−ビス（４−アミノフェノキシ）−５−（２−フェニルエチニル）ベンゼンから選ばれる少なくとも１種の含有量は、靭性および反応性の付与を考慮すると、硬化剤の全量に対して好ましくは３０質量％以上であり、これらが硬化剤の全量であってもよい。

本発明では、硬化剤として一般式（I）の硬化剤とともに他の硬化剤を用いることもできる。このような他の硬化剤としては、特に限定されないが、例えば、メタフェニレンジアミンやジアミノジフェニルメタン等の芳香族アミン類、アミンアダクト等の変性ポリアミン等のアミン系硬化剤、脂環族酸無水物、芳香族酸無水物等の酸無水物系硬化剤等を用いることができる。

硬化剤の含有量は、好ましくは、硬化剤の活性水素と、エポキシ樹脂のエポキシ基当量およびエピスルフィド樹脂のエピスルフィド基当量の合計との当量比（[活性水素当量]／[エピスルフィド基当量＋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０．７〜１．３となる量である。当量比がこの範囲外であると、硬化特性が低下し、あるいはこれを用いて封止した半導体装置の特性が低下する場合がある。

本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物に用いられる無機充填剤としては、特に限定されないが、例えば、球状シリカ、溶融シリカ、結晶シリカ、微粉シリカ、アルミナ、窒化珪素、マグネシア等が挙げられる。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、低粘度化と流動特性の向上等の点からは、球状シリカが好ましい。球状シリカの平均粒径は、好ましくは０．２〜３０μｍ、より好ましくは０．２〜５μｍである。なお、平均粒径はレーザー回折・散乱法等により測定することができる。

無機充填剤の含有量は、半導体封止用エポキシ樹脂組成物の全量に対して好ましくは２５〜７５質量％である。無機充填剤の含有量が少な過ぎると、熱膨張係数が大きくなり半導体装置の信頼性が低下する場合がある。無機充填剤の配合量が多過ぎると、粘度が高くなり半導体チップと回路基板との隙間への充填性が低下する場合がある。

本発明の半導体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、さらに他の添加剤を配合することができる。このような添加剤としては、例えば、難燃剤、顔料、硬化促進剤、溶剤、反応性希釈剤、レベリング剤、消泡剤等が挙げられる。

本発明の半導体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。エポキシ樹脂を含む主剤、硬化剤、およ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。次に、この混合物に無機充填剤を加え、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、本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物を得ることができる。この撹拌、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、以上のようにして得られた半導体封止用エポキシ樹脂組成物により、ＩＣチップ、ＬＳＩチップ等の半導体チップと回路基板との間を封止することにより製造することができる。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を搭載する。そしてバンプ間の隙間に本発明の半導体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が、例えば、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としては、例えば、ＢＧＡ、ＣＳＰ等が挙げられる。

以下に、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および表２に示す配合成分として、以下のものを用いた。
（主剤）
１．常温で液状のエポキシ樹脂
ビスフェノールA型エポキシ樹脂、ジャパンエポキシレジン（株）製「エピコート８２８」
２．アミノグリシジルエーテル
Ｎ，Ｎ−ビス（２，３−エポキシプロピル）−４−（２，３−エポキシプロポキシ）アニリン、ジャパンエポキシレジン（株）製「ＥＰ−６３０」
３．エピスルフィド樹脂
水添ビスフェノールＡ型エピスルフィド樹脂、ジャパンエポキシレジン（株）製「ＹＬ７００７」
(硬化剤)
１．アミン系硬化剤１
ジアミノジフェニルメタン、保土谷化学工業（株）製「ＤＤＭ」
２．アミン系硬化剤２
１，３−ビス（３−アミノフェノキシ）−５−（２−フェニルエチニル）ベンゼン、略称ＰＥＭＰＢ、セイカ（株）製
３．アミン系硬化剤３
１，３−ビス（４−アミノフェノキシ）−５−（２−フェニルエチニル）ベンゼン、略称ＰＥＰＰＢ、セイカ（株）製
(無機充填剤)
球状シリカ、（株）アドマテックス製「ＳＯ−Ｃ１」、平均粒径０．３μｍ
表１および表２に示す配合量で各成分が配合された半導体封止用エポキシ樹脂組成物を、主剤と、硬化剤と、無機充填剤とを常法に従って撹拌、溶解、混合、分散することにより調製した。表２では主剤としてエポキシ樹脂とともにエピスルフィド樹脂を用いた場合についても検討した。

このようにして調製した実施例および比較例の半導体封止用エポキシ樹脂組成物について次の評価を行った。
[靭性]
半導体封止用エポキシ樹脂組成物をガラス板で挟み込み、硬化させた後、長さ５８ｍｍ、厚さ７ｍｍ、幅１４ｍｍの試験片を作製した。硬化条件は１６５℃、２時間とした。この試験片に予めクラックを入れ、シャルピー耐衝撃性試験ＪＩＳＫ ７１１１を行い、次の基準により評価した。
○：１０ｋＪ／ｍ²以上
△：５ｋＪ／ｍ²以上１０ｋＪ／ｍ²未満
×：５ｋＪ／ｍ²未満
[反応性]
半導体封止用エポキシ樹脂組成物をセラミック基板に塗布し、塗布面に２ｍｍ角のシリコンチップ（ポリイミド膜コート）を設置し、半導体封止用エポキシ樹脂組成物を硬化させて基板にシリコンチップを接着し、その密着強度を測定した。

硬化条件は１６５℃、２時間とし、得られた密着強度の値を、１６５℃、５時間の硬化（フルキュア）時の値で割った数値の百分率を反応性の指標として次の基準により評価した。
○：９０％以上
△：５０％以上９０％未満
×：５０％未満
[耐吸湿性]
半導体封止用エポキシ樹脂組成物をセラミック基板に塗布し、１６５℃、２時間の硬化条件にて硬化させた。得られた硬化物にＰＣＴ処理（１２１℃、２ａｔｍ、４８時間）を施し、処理前後における重量増加率を測定して次の基準により評価した。
○：１．０％未満
△：１．０％以上２％未満
×：２．０％以上
主剤としてエポキシ樹脂（エピコート８２８、ＥＰ−６３０）を用いた場合の靭性および反応性についての評価結果を表１に示し、主剤としてさらにエピスルフィド樹脂を用いた場合も含めた靭性、反応性、および耐吸湿性についての評価結果を表２に示す。

表１および表２より、硬化剤として前記の一般式（I）で表されるジアミンを配合した実施例１〜１７では、これを配合しなかった比較例１〜３に比べて靭性および反応性を共に向上させることができた。

また、実施例６と実施例７、実施例９と実施例１６を対比すると、Ｎ，Ｎ−ビス（２，３−エポキシプロピル）−４−（２，３−エポキシプロポキシ）アニリンを用いることで反応性が向上することが分かる。そして実施例９と実施例１４を対比すると、エピスルフィド樹脂を用いることで靭性および反応性を維持しつつ耐吸湿性が向上することが分かる。

Claims (6)

1. エポキシ樹脂、硬化剤、および無機充填剤を必須成分とする半導体封止用エポキシ樹脂組成物において、前記エポキシ樹脂として常温で液状のエポキシ樹脂、前記硬化剤として１，３−ビス（３−アミノフェノキシ）−５−（２−フェニルエチニル）ベンゼンおよび１，３−ビス（４−アミノフェノキシ）−５−（２−フェニルエチニル）ベンゼンから選ばれる少なくとも１種を含有することを特徴とする半導体封止用エポキシ樹脂組成物。
2. 主剤として前記エポキシ樹脂とともにエピスルフィド樹脂を含有することを特徴とする請求項１に記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成物。
3. 前記エピスルフィド樹脂を前記主剤の全量に対して２０質量％以上含有することを特徴とする請求項２に記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成物。
4. 前記１，３−ビス（３−アミノフェノキシ）−５−（２−フェニルエチニル）ベンゼンおよび１，３−ビス（４−アミノフェノキシ）−５−（２−フェニルエチニル）ベンゼンから選ばれる少なくとも１種を前記硬化剤の全量に対して３０質量％以上含有することを特徴とする請求項１ないし３いずれか一項に記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成物。
5. 前記常温で液状のエポキシ樹脂として、Ｎ，Ｎ−ビス（２，３−エポキシプロピル）−４−（２，３−エポキシプロポキシ）アニリンを含有することを特徴とする請求項１ないし４いずれか一項に記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成物。
6. 請求項１ないし５いずれか一項に記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成物を用いて半導体チップと回路基板との間が封止されていることを特徴とする半導体装置。