JP5592174B2 - 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。

半導体チップ等の電子部品の封止材料としてセラミックや熱硬化性樹脂が一般に用いられている。中でもエポキシ樹脂組成物は、経済性と性能のバランスの点等から従来より封止材料として広く用いられている（特許文献１、２参照）。

半導体チップを樹脂封止したパッケージを製造する際には、例えば、リードフレーム用金属上に半導体チップを搭載し、その半導体チップとリードフレームまたは有機基板とをボンディングワイヤ等を用いて電気的に接続する。そして金型を用いて半導体チップ全体およびリードフレームまたは有機基板の一部を樹脂で封止する。

近年では、有機基板等の基板を用いた片面封止タイプのパッケージの薄型化の要求にともない、半導体チップの薄型化やワイヤーの細線化が進んでいる。

そして片面封止タイプのパッケージは一般に、基板の全面に、あるいは２分割または４分割して複数のパッケージを一括して封止し、成形後にそれを個片化するという工程で生産される。このような一括成形においては、成形後に基板全体に反りが発生するという問題点がある。この反りは基板の厚みや樹脂封止の厚みとのバランスの差により発生するものであり、成形後の基板の収縮力と封止樹脂の収縮力のうち強い方に反りが発生する。例えば、基板の一括封止を行うパッケージの成形においては、樹脂封止体積中の封止樹脂が占める割合が高いパッケージ構造では成形後にパッケージが樹脂側に反るという問題がある。

この問題点に対処するため、成形収縮率を下げてその反りを抑制する方法が各種検討されている。例えば、半導体封止用エポキシ樹脂組成物においては、無機充填材の配合比率を増加することや、多官能エポキシ樹脂を用いて収縮率を下げることが一般に行われている。

特開２０１０−１００７５５号公報 特開２０１０−０３１１１９号公報

しかしながら、パッケージデザインにおいて、封止樹脂の収縮率を上げる方向は、封止樹脂の無機充填材の配合量を下げることで容易に達成できるが、樹脂の収縮率を下げる方向は必ずしも容易ではない。すなわち、無機充填材の配合量が多いと封止樹脂の流動性が大きく低下するため、無機充填材の配合量には限界がある。

そして、成形収縮率が０．１％以下であることが要求される場合には、一般に多官能エポキシ樹脂を用いて反応性を高めた設計にするが、樹脂の粘度が上昇するという問題があった。

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、成形時において封止樹脂の流動性を損なうことなく成形収縮率を下げ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、および無機充填材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、無機充填材としてシリカおよび酸化カルシウム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、無機充填材は、シリカと酸化カルシウムとの配合比率が９５．０：５．０〜９９．９：０．１であることが好ましい。

この半導体封止用エポキシ樹脂組成物において、成形収縮率が０．１％以下であることが好ましい。

この半導体封止用エポキシ樹脂組成物において、酸化カルシウムは、表面をシリコーンまたは脂肪酸で処理したものであることが好ましい。

本発明の半導体装置は、上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が封止されていることを特徴とする。

本発明によれば、無機充填材としてシリカとともに酸化カルシウムを用いることにより、成形時において封止樹脂の流動性を損なうことなく成形収縮率を下げることができる。

以下に、本発明について詳細に説明する。

本発明において、エポキシ樹脂としては、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、ｏ−クレゾールノボラック型エポキシ樹脂、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、ビスフェノール型エポキシ樹脂、ナフトール型エポキシ樹脂、ブロム含有エポキシ樹脂等が挙げられる。これらは１種単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。

エポキシ樹脂の配合量は、封止樹脂の流動性や成形品の物性等を考慮すると、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７〜３５質量％である。

本発明において、硬化剤としては、フェノール性水酸基を有する硬化剤が好ましく用いられる。フェノール性水酸基を有する硬化剤としては、例えば、多価フェノール化合物の樹脂、多価ナフトール化合物の樹脂等が挙げられる。多価フェノール化合物の樹脂としては、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、フェノールアラルキル樹脂、ビフェニルアラルキル樹脂等が挙げられる。多価ナフトール化合物の樹脂としては、例えば、ナフトールアラルキル樹脂等が挙げられる。これらは１種単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。

フェノール性水酸基を有する硬化剤の配合量は、好ましくは、フェノール性水酸基とエポキシ基との当量比（ＯＨ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０．８〜１．２となる量である。当量比が小さ過ぎると半導体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、当量比が大き過ぎると耐湿信頼性が不十分になる等の不具合が生じる場合がある。

本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物には、無機充填材としてシリカおよび酸化カルシウムが配合される。

無機充填材のシリカとしては、例えば、溶融シリカ、破砕シリカ、微細シリカ、結晶シリカ等を用いることができる。中でも、パッケージの反り挙動を他の物性との兼ね合いも考慮しつつ適切に制御する点を考慮すると、無機充填材として平均粒子径の異なる少なくとも２種類のシリカが配合することが好ましい。例えば、平均粒子径５〜４０μｍの溶融シリカに平均粒子径５μｍ未満、好ましくは０．３〜１μｍの上記各種のシリカを組み合わせることができる。

なお、本発明においてシリカ等の無機充填材の平均粒子径は、レーザ回折散乱法等により測定することができ、平均粒子径の特に小さいものはドップラー効果を利用した粒度分布測定器等により測定することができる。

無機充填材の酸化カルシウムとしては、例えば、平均粒子径５〜２０のものを用いることができる。

無機充填材は、シリカと酸化カルシウムとの配合比率が好ましくは９５．０：５．０〜９９．９：０．１である。また、酸化カルシウムの配合量は、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０．１〜５質量％、より好ましくは０．５〜２質量％である。酸化カルシウムの配合比率や配合量が少な過ぎると、封止樹脂の流動性を損なうことなく成形収縮率を下げることが困難になる場合がある。酸化カルシウムの配合比率や配合量が多過ぎると、封止樹脂の流動性を損なうことなく成形収縮率を下げる作用と酸化カルシウムの配合量との間に相関がみられなくなる。

また、無機充填材の酸化カルシウムとしては、シリコーンまたは脂肪酸で表面処理したものが好ましく用いられる。すなわち、パッケージの成形の際には、封止樹脂中に含まれる揮発成分のためパッケージ内部にボイドが残り、その後のパッケージ性能に多大な影響を与える可能性がある。従来の半導体封止材料では、成形の際にボイドの発生が恒常的に見受けられ、パッケージ性能において不具合を起こす可能性があるという問題点があった。しかし、無機充填材としてシリコーンまたは脂肪酸で表面処理した酸化カルシウムを用いることで、成形の際に発生するボイドを抑制することができる。

無機充填材としては、シリカおよび酸化カルシウムの他、本発明の効果を損なわない範囲内において他の無機充填材、例えば、アルミナ、窒化珪素等を配合してもよい。

無機充填材の配合量は、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６０質量％以上、より好ましくは６０〜９３質量％である。無機充填材の配合量が少な過ぎると、熱膨張等の物性が不十分となる場合があり、無機充填材の配合量が多過ぎると、成形時の流動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、さらに他の成分を配合することができる。このような成分としては、例えば、硬化促進剤、シランカップリング剤、離型剤、着色剤、シリコーン可とう剤、無機イオントラップ剤、難燃剤等が挙げられる。

硬化促進剤としては、例えば、２−メチルイミダゾール、２−フェニルイミダゾール等のイミダゾール類、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等の第三級アミン類等を用いることができる。

シランカップリング剤としては、例えば、メルカプトシラン、グリシドキシシラン、アミノシラン等を用いることができる。

離型剤としては、例えば、カルナバワックス、ステアリン酸、モンタン酸、カルボキシル基含有ポリオレフィン等を用いることができる。

着色剤としては、例えば、カーボンブラック等を用いることができる。

本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物を調製する際には、例えば、上記のエポキシ樹脂、硬化剤、無機充填材、および必要に応じて他の成分を配合し、ミキサー、ブレンダー等を用いて十分均一になるまで混合する。その後、熱ロールやニーダー等の混練機により加熱状態で溶融混合し、これを室温に冷却した後、公知の手段により粉砕することにより半導体封止用エポキシ樹脂組成物を調製することができる。なお、半導体封止用エポキシ樹脂組成物は、取り扱いを容易にするために、成形条件に合うような寸法と質量を有するタブレットとしてもよい。

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封止用エポキシ樹脂組成物を用いてＩＣチップ、ＬＳＩチップ等の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。本発明の半導体装置としては、例えば、有機基板のインターポーザに半導体チップをワイヤボンディングやフリップチップにより搭載したエリアアレイ型パッケージ等が挙げられる。パッケージ形態としては、例えば、ＦＢＧＡ（Fine-pitch Ball Grid Array）、ＦＣ−ＢＧＡ（Flip-Chip Ball Grid Array）、ＣＳＰ（Chip Size Package）、ＭＣＰ（Multi Chip Package）、ＳｉＰ（System in Package）、ＰｏＰ（Package on Package）等が挙げられる。

半導体チップの封止は、一括封止法で行うことができる。一括封止法では、１枚の有機基板の片面に多数の半導体チップを電気的に接続して格子状に配列したものを用意する。これを成形金型のキャビティにセットした後、成形金型のゲート側より、ベント側から空気を排出しながら半導体封止用エポキシ樹脂組成物をキャビティに注入し、半導体封止用エポキシ樹脂組成物で一括封止を行う。次いで、個々のパッケージの外周に沿って切断分離することにより、多数個のパッケージを一括して得ることができる。

一括成形は、トランスファー成形を適用して、例えば、金型温度１７０〜１８０℃、成形時間３０〜１５０秒に設定して行うことができる。しかし、金型温度、成形時間およびその他の成形条件は、半導体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。

本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物は、封止樹脂の流動性を損なうことなく成形収縮率を下げることができることから、成形収縮率が０．１％以下であることが要求される用途に好適である。

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。なお、表１に示す配合量は質量部を表す。
＜実施例１〜５、比較例１＞
表１に示す配合成分として、以下のものを用いた。
（無機充填材）
溶融シリカ、電気化学工業（株）製「ＦＢ９４０」、平均粒子径１３μｍ
溶融シリカ、アドマテックス（株）製「ＳＯ２５Ｒ」、平均粒子径０．５μｍ
酸化カルシウム、ノボンジャパン（株）製「イーフロー」
（エポキシ樹脂）
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「ＹＸ４０００Ｈ」、エポキシ当量 １９３
（硬化剤）
フェノールノボラック樹脂、明和化成工業（株）製「ＤＬ−９２」、水酸基当量 １０５
（シランカップリング剤）
N−フェニル−γ−アミノプロピルトリメトキシシラン、信越化学工業（株）製「ＫＢＭ５７３」
（硬化促進剤）
イミダゾール系硬化促進剤、四国化成工業（株）製「２Ｐ４ＭＨＺ−ＰＷ」
（離型剤）
ステアリン酸、大日化学工業（株）製「Ｗ0−２」
（着色剤）
カーボンブラック、三菱化学（株）製「ＭＡ６００」
表１に示す各配合成分を、表１に示す割合で配合し、ミキサー、ブレンダー等で均一に混合した後、ニーダーやロールで加熱、混練し、その後冷却固化し、次いで粉砕機で所定粒度に粉砕して粒状の半導体封止用エポキシ樹脂組成物を得た。

この半導体封止用エポキシ樹脂組成物を用いて次の評価を行った。
[ゲルタイム]
キュラストメータ（（株）ＪＳＲ製）を用い、半導体封止用エポキシ樹脂組成物の１7０℃でのゲルタイム（トルクが０．１ｋｇｆになるまでの時間）を測定した。
[スリット粘度]
矩形粘度測定機（パナソニック電工（株）製）を用いてスリット粘度を測定した。幅Ｗ、厚さＤの長尺スリットの上流側と下流側にそれぞれ圧力センサＳ₁、Ｓ₂を設け（センサ間距離Ｌ）、金型温度を１７５℃として注入圧：１０ＭＰａ、注入速度Ｑ：１．３ｍｍ／ｓ、ポット保持時間：１０ｓの条件にて圧力センサＳ₁上流からスリット内へ半導体封止用エポキシ樹脂組成物を注入してスリット内を通過させ、圧力センサＳ₁、Ｓ₂により圧力損失ΔＰを測定し、下記式からスリット粘度ηを求めた。
ΔＰ＝（１２η／ＷＤ³）ＱＬ
[成形収縮率]
ＪＩＳＫ６９１１５．７に規定される方法で、半導体封止用エポキシ樹脂組成物の成形収縮率を測定した。温度１７５℃、圧力８ＭＰａ、成形時間１５０秒の条件でトランスファー成形してＪＩＳ成形品を作製し、成形品寸法を測定し、金型との寸法比率を成形収縮率とした。

その結果を表１に示す。

表１より、無機充填材としてシリカとともに酸化カルシウムを配合した実施例１〜５は、酸化カルシウムを配合しなかった比較例１に比べて、成形時において封止樹脂の流動性を損なうことなく成形収縮率を下げることができた。
＜実施例６〜１０、比較例２＞
表２に示す配合成分として、以下のものを用いた。
（無機充填材）
溶融シリカ、電気化学工業（株）製「ＦＢ９４０」
酸化カルシウム、シリコーン表面処理品、ノボンジャパン（株）製「イーフロー」
酸化カルシウム、脂肪酸表面処理品、ノボンジャパン（株）製
（エポキシ樹脂）
ジャパンエポキシレジン（株）製「ＹＸ４０００Ｈ」
（硬化剤）
明和化成工業（株）製「ＤＬ−９２」
（シランカップリング剤）
信越化学工業（株）製「ＫＢＭ８０２」
（硬化促進剤）
リン系硬化促進剤、北興化学工業（株）製「ＴＰＰ」
（離型剤）
大日化学工業（株）製「Ｆ１−１００」
（着色剤）
カーボンブラック、三菱化学（株）製「ＭＡ６００」
表２に示す各配合成分を、表２に示す割合で配合し、ミキサー、ブレンダー等で均一に混合した後、ニーダーやロールで加熱、混練し、その後冷却固化し、次いで粉砕機で所定粒度に粉砕して粒状の半導体封止用エポキシ樹脂組成物を得た。

この半導体封止用エポキシ樹脂組成物を用いて次の評価を行った。
[ゲルタイム]
実施例１〜５および比較例１と同様に測定した。
[スパイラルフロー]
ＡＳＴＭＤ３１２３に準じたスパイラルフロー測定金型を用いて、金型温度１７０℃、注入圧力６．９ＭＰａ、成形時間１２０秒の条件にて半導体封止用エポキシ樹脂組成物の成形を行い、流動距離（ｃｍ）を測定した。
[加熱減量]
１７５℃、１時間の条件で半導体封止用エポキシ樹脂組成物を放置し、これに含まれる揮発成分による重量変化を測定した。

その結果を表２に示す。

表２より、無機充填材としてシリカとともにシリコーンまたは脂肪酸で表面処理した酸化カルシウムを配合した実施例６〜１０は、無機充填材としてシリカのみを配合した比較例２に比べて、通常の成形時と同等の条件でも加熱減量が少なく、流動特性も良好であった。

Claims (3)

1. １枚の有機基板の片面に複数の半導体チップを電気的に接続して格子状に配列したものを用意し、これを成形金型にて一括封止した後、個々のパッケージの外周に沿って切断分離することにより、複数個のパッケージを一括して得る一括封止法による半導体装置の製造に使用される半導体封止用エポキシ樹脂組成物であって、エポキシ樹脂、硬化剤、および無機充填材を必須成分として含有し、無機充填材としてシリカと、半導体封止用エポキシ樹脂組成物の調製前に予めシリコーンまたは脂肪酸で表面処理した酸化カルシウムとを含有し、無機充填材は、シリカと酸化カルシウムとの配合比率が９５．０：５．０〜９９．９：０．１であり、酸化カルシウムの配合量が半導体封止用エポキシ樹脂組成物の全量に対して０．１〜５質量％であ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. 成形収縮率が０．１％以下であ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. 有機基板のインターポーザに半導体チップを搭載した片面封止タイプの半導体装置であって、請求項１または２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が封止されていることを特徴とする半導体装置。