JP6249332B2

JP6249332B2 - 半導体封止用樹脂組成物及び半導体装置

Info

Publication number: JP6249332B2
Application number: JP2013232896A
Authority: JP
Inventors: 千佳佐田
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2013-11-11
Filing date: 2013-11-11
Publication date: 2017-12-20
Anticipated expiration: 2033-11-11
Also published as: JP2015093896A

Description

本発明は、半導体封止用樹脂組成物及び半導体装置に関する。

従来、半導体チップ等の電子部品の封止材として、一般にセラミックや熱硬化性樹脂組成物が一般に用いられている。中でも、近年の電子機器の小型化、薄型化にともない、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、経済性と性能のバランスの点で優れたエポキシ樹脂組成物が広く用いられている。

表面実装型パッケージにおける半導体チップの樹脂封止は、金属のリードフレーム上に半導体チップを搭載し、半導体チップとリードフレームを、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、成形金型を用いて半導体チップ全体とリードフレームの一部をエポキシ樹脂組成物等の封止材で封止するのが一般的である。

一方、半導体チップを封止することにより製造された半導体装置には、通常、その識別をするためにマーキングが施される。この際のマーキング方法としては、一般的に、インク捺印やレーザーマーキングが適用されている。近年では、これらの中でも、大量生産に適しており低コストでもあるレーザーマーキングが主流になっている。

レーザーマーキング用の半導体封止用樹脂組成物に配合する着色料としては、カーボンブラックやチタンブラックが用いられている（例えば、引用文献１、２を参照）。これらカーボンブラックやチタンブラックは、レーザーマーキング性、すなわちレーザーマーキングによる発色が良好であることが知られている。
特開２００４−１５６０５２号公報特開平４−７２３６０号公報

一方、近年では、半導体装置の小型化が進み、半田ボール間等のピッチ間距離が小さくなってきている。そして、このようなピッチ間距離が小さいファインピッチの半導体装置に用いる半導体封止用樹脂組成物に、カーボンブラック等の導電性物質を着色料として使用した場合、二次凝集等により半導体装置にリーク不良が発生するという問題があった。

また、チタンブラックを着色料として用いた場合には、半導体封止用樹脂組成物全体に対する配合割合をカーボンブラックに比べて多く配合しないと、着色性、遮蔽性、レーザーマーキング性等が低下する傾向があった。また、この問題を回避するために、チタンブラックを多く配合すると、体積抵抗率等の電気特性が低下するといった問題があった。

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、半田ボール間等のピッチ間距離が小さい半導体装置であっても電気特性が低下することがなく、着色性、遮蔽性、レーザーマーキング性及び成形性に優れた半導体封止用樹脂組成物及び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。

即ち、本発明の半導体封止用樹脂組成物は、熱硬化性樹脂、硬化剤、硬化促進剤、無機充填材、及び着色料を必須成分とする半導体封止用樹脂組成物であって、前記着色料がＳｉＯ_２で表面処理された黒色酸化チタン粉末であり、一次粒子径が１００ｎｍ以下であり、電気比抵抗が１０^９Ω・ｃｍ以上であり、かつ、前記半導体封止用樹脂組成物全体に対する前記着色料の配合割合が０．０５〜５質量％であることを特徴とする。

また、この半導体封止用樹脂組成物においては、前記半導体封止用樹脂組成物全体に対する前記充填材の配合割合が７０〜９３質量％であることが好ましい。

また、本発明の半導体装置は、半田ボール間のピッチが２０〜３０μｍである基板に半導体装置を搭載した半導体装置であって、上記の半導体封止用樹脂組成物を用いて封止されていることを特徴とする。

本発明によれば、半田ボール間等のピッチ間距離が小さい半導体装置であっても電気特性が低下することがなく、着色性、遮蔽性、レーザーマーキング性及び成形性に優れた半導体封止用樹脂組成物及び半導体装置を提供することができる。

以下、本発明を詳細に説明する。

半導体封止用樹脂組成物は、熱硬化性樹脂、硬化剤、硬化促進剤、無機充填材、及び着色料を必須成分とする半導体封止用樹脂組成物であって、着色料がＳｉＯ_２で表面処理された黒色酸化チタン粉末である。そして、この着色料は一次粒子径が１００ｎｍ以下であり、かつ、電気比抵抗が１０^９Ω・ｃｍ以上である。

熱硬化性樹脂としては、通常、半導体封止用樹脂組成物で用いられる熱硬化性樹脂であれば特に制限なく用いることができ、中でもエポキシ樹脂を好適に用いることができる。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使用することができる。このようなエポキシ樹脂の具体例としては、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、トリフェニルメタン型エポキシ樹脂、ブロム含有エポキシ樹脂、ナフタレン環を有する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種以上を併用して用いてもよい。

硬化剤としては、用いる熱硬化性樹脂に対応する硬化剤を適宜用いることができる。熱硬化性樹脂としてエポキシ樹脂を用いた場合には、フェノール性水酸基を有する硬化剤が好適に用いられる。フェノール性水酸基を有する硬化剤としては、多価フェノール化合物、多価ナフトール化合物等が挙げられる。多価フェノール化合物の具体例としては、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、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具体例としては、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種以上を併用して用いてもよい。

フェノール性水酸基を有する硬化剤の配合量は、フェノール性水酸基とエポキシ基との当量比（水酸基当量／エポキシ当量）が０．５〜１．５となる量であり、好ましくは当量比が０．８〜１．２となる量である。当量比が当該範囲内であると、半導体封止用樹脂組成物の硬化特性を良好なものとすることができ、また、成形後の耐湿性を良好なものとすることができる。

硬化促進剤としては、通常、半導体封止用樹脂組成物で用いられる硬化促進剤であれば特に制限なく用いることができる。具体的には、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が挙げられる。また、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、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。

硬化促進剤の配合量は、熱硬化性樹脂と硬化剤の合計量に対して０．１〜５質量％が好ましい。硬化促進剤の配合量がこの範囲であると、硬化促進作用を十分に発現することができ、硬化特性を良好なものとするこことができる。

無機充填材としては、通常、半導体封止用樹脂組成物で用いられる無機充填材であれば特に制限なく用いることができる。具体的には、溶融シリカ、結晶シリカ、アルミナ、窒化珪素等が挙げられる。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。

無機充填材の配合量は、半導体封止用樹脂組成物の全量に対して７０〜９３質量％の範囲である。無機充填材の配合量がこの範囲であると、良好な硬化特性とバリの発生を抑えることができ、優れた成形時の流動性と金型充填性を得ることができる。

着色料としては、ＳｉＯ_２で表面処理された黒色酸化チタン粉末を用いる。このＳｉＯ_２で表面処理された黒色酸化チタン粉末のコア材となる黒色酸化チタン粉末は、通常公知の黒色酸化チタン粉末を用いることができる。例えば、白色酸化チタン粉末に対して、高温中での窒化還元反応により窒素原子をドープして黒色化した黒色酸化チタン粉末を挙げることができる。

この黒色酸化チタン粉末の表面には、絶縁コーティングを目的としてＳｉＯ_２の連続薄膜による表面処理が行われている。この黒色酸化チタン粉末の表面のＳｉＯ_２の表面処理により、優れた電気特性を得ることができる。また、樹脂への分散性が向上するため、通常のチタンブラックと比較して、優れた着色性、遮蔽性を得ることができる。

ＳｉＯ_２で表面処理された黒色酸化チタン粉末の一次粒子径は１００ｎｍ以下、好ましくは５０〜８０ｎｍ、より好ましくは５０〜６０ｎｍの範囲である。ＳｉＯ_２で表面処理された黒色酸化チタン粉末の一次粒子径がこの範囲であると、優れた分散性、着色性、遮蔽性及び、レーザーマーキング性を得ることができる。

なお、ここで規定する一次粒子径とは、透過型電子顕微鏡で観察されるナノ粒子の数平均値を意味する。

着色料としては、上記ＳｉＯ_２で表面処理された黒色酸化チタン粉末のほか、他の染料を配合することができる。他の染料としては特に制限はない。

着色料の配合量は、半導体封止用樹脂組成物全量に対して０．０５〜５質量％、好ましくは０．１〜３．０質量％の範囲である。着色料の配合量がこの範囲であると、優れた電気特性を得ることができるとともに、優れた着色性、遮蔽性及び、レーザーマーキング性を得ることができる。

半導体封止用樹脂組成物には、本発明の効果を損なわない範囲内において、上記以外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、ステアリン酸、モンタン酸、モンタン酸エステル、リン酸エステル等の離型剤、メルカプトシラン、グリシドキシシラン、アミノ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、シリコーン可とう剤等が挙げられる。

半導体封止用樹脂組成物の製造は、上記の熱硬化性樹脂、硬化剤、硬化促進剤、無機充填材、着色料及び、必要に応じて他の成分を配合してミキサー、ブレンダー等を用いて十分均一に混合し、次いで熱ロールやニーダー等を用いて加熱状態にて溶融混合する。

そして、これを室温に冷却した後、粉砕することにより製造することができる。なお、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。

半導体装置は、上記のようにして得られた半導体封止用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。この封止には、トランスファー成形、コンプレッション成形、インジェクション成形等の従来より用いられている成形方法を適用することができる。

トランスファー成形を適用する場合、例えば、ＩＣチップ、ＬＳＩチップ等の半導体チップを搭載したリードフレームを成形金型のキャビティに配置した後、キャビティに半導体封止用樹脂組成物を充填する。そして、これを加熱下にて硬化させることで、半導体封止用樹脂組成物で封止した半導体装置を製造することができる。

トランスファー成形による成形条件は、半導体封止用樹脂組成物の配合組成等に応じて適宜設定することができるが、例えば、金型温度１７０〜１８０℃、成形時間３０〜１２０秒に設定することができる。

上記、本発明の実施形態の半導体封止用樹脂組成物は、着色料としてＳｉＯ_２で表面処理された黒色酸化チタン粉末を用いているので、リード間、パッド間、半田ボール間等のピッチ間距離が小さいものであっても電気特性が低下することがない。また、優れた着色性、遮蔽性及び、レーザーマーキング性を得ることができる。

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１〜３に表示す各種材料及び、トランスファー成形条件の詳細を以下に示す。
エポキシ樹脂：ｏ−クレゾールノボラック型エポキシ樹脂（ＤＩＣ社製Ｎ６６３ＥＸＰ）
フェノール樹脂：フェノール樹脂（明和化成社製Ｈ−３Ｍ）
硬化促進剤：ＴＰＰ（北興化学工業社製）
着色料Ａ：ＳｉＯ_２被覆黒色酸化チタン粉末（三菱マテリアル電子化成社製）
着色料Ｂ：チタンブラック（三菱マテリアル電子化成社製）、
着色料Ｃ：カーボンブラック＃４０（三菱化学社製）、
無機充填材：溶融シリカ（電気化学工業社製ＦＢ２１０）
トランスファー成形条件：（金型温度：１７５℃、注入圧力：７０ｋｇｆ／ｃｍ^２、成形時間：１２０秒）
上記着色料Ａ〜Ｃ及び、上記無機充填材の絶縁性（μＡ）及び、上記着色料Ａ〜Ｃの体積抵抗（Ω・ｃｍ）を以下に示す方法で測定した。その結果を表１に示す。
（絶縁性）
以下の測定装置及び測定条件で、着色料に流れる電流を測定し、着色料の絶縁性の評価を行った。
測定装置：PROGRAMMABLE CURVE TRACER（ＳＯＮＹＴｅｋｔｒｏｎｉｘ社製）
測定条件：印加電圧６００Ｖ常温測定
（体積抵抗）
以下の条件で着色料の常温時の体積抵抗を測定した。
測定装置：デジタルマルチメーター（アドバンテストＲ６４５１Ａ）
測定条件：５０ｋｇｆ／ｃｍ^２の圧力を印加した後、試料の比抵抗値を測定

表１より、ＳｉＯ_２で表面処理された黒色酸化チタン粉末（着色料Ａ）は、体積抵抗、絶縁性において全て優れた結果であった。

これに対して、チタンブラック（着色料Ｂ）及び、カーボンブラック（着色料Ｃ）、溶融シリカ（充填材Ａ）は体積抵抗、絶縁性が劣っていた。

以上の結果より、ＳｉＯ_２で表面処理された黒色酸化チタン粉末は従来の着色料と比較して絶縁性に優れており、そのレベルは一般的な充填材として用いられる絶縁体のシリカ粉末と同等以上であることが確認された。

表２に示す各配合成分を、表２に示す割合で配合し、ブレンダーで３０分間混合して均一化した後、９０℃に加熱したニーダーで混練溶融させて押し出し、冷却後、粉砕機で所定粒度に粉砕して粒状の実施例１〜６及び比較例１〜７の半導体封止用樹脂組成物を得た。

得られた実施例１〜６、及び比較例１〜７の半導体封止用樹脂組成物について、以下の評価を行った。その結果を表２に示す。
（体積抵抗）
半導体封止用樹脂組成物により成形した、１００φの円板における体積抵抗（常温）を以下の測定装置及び測定条件で測定した。
測定装置：ＴＲ８４１１、ＴＲ３００Ｃ、ＴＲ−４３（ＴＡＫＥＤＡＲＩＫＥＮ社製）測定条件：印加電圧ＤＣ５００Ｖ印加時間１２０秒常温測定
（誘電率・誘電正接）
半導体封止用樹脂組成物により成形した、１００φの円板における誘電率及び誘電正接をＪＩＳＫ６９１１に準じて測定した。
（着色性）
半導体封止用樹脂組成物により封止成形した５０φの円板における着色性（Ｌ値）を分光式色差計を用いて測定した。
（遮蔽性）
半導体封止用樹脂組成物により成形した硬化物の遮蔽性を目視により以下の基準で評価した。
○：良好
△：悪い（対象なし）
×：非常に悪い
（レーザーマーキング性）
半導体封止用樹脂組成物を用いて温度１７５℃にて成形して得られた半導体ＰＫＧのＰＢＧＡをレーザーマーキングし、印字性を目視により以下の基準で評価した。マーキングには、ＹＡＧレーザーＳＬ４７５Ｋ−０１８１（ＮＥＣ社製波長：１．０６μｍ、レーザー出力：１３Ａ）を使用した。
○：良好
△：悪い（対象なし）
×：非常に悪い

表２より、着色料としてＳｉＯ_２で表面処理された黒色酸化チタン粉末を用いた実施例１〜６は、体積抵抗、誘電率、誘電正接の電気特性、着色性、遮蔽性、レーザーマーキング性において全て優れた結果であった。

これに対して、着色料を添加しない比較例１及び、ＳｉＯ_２で表面処理された黒色酸化チタン粉末を少なく配合した比較例２は着色性、遮蔽性、レーザーマーキング性が劣っていた。

また、ＳｉＯ_２で表面処理された黒色酸化チタン粉末を多く配合した比較例３及びカーボンブラックを配合した比較例６、７は、着色性、遮蔽性、レーザーマーキング性については優れていたものの、体積抵抗、誘電率、誘電正接の電気特性については実施例１〜６に比べて劣っていた。

また、一般的なチタンブラックを少なく配合した比較例４は、体積抵抗、誘電率、誘電正接の電気特性については優れていたものの、着色性、遮蔽性、レーザーマーキング性については実施例１〜６に比べて劣っていた。

また、一般的なチタンブラックを多く配合した比較例５は、着色性、遮蔽性、レーザーマーキング性については優れていたものの、体積抵抗、誘電率、誘電正接の電気特性については実施例１〜６に比べて劣っていた。

これらの結果から、着色料としてＳｉＯ_２で表面処理された黒色酸化チタン粉末を用いた本発明の半導体封止用樹脂組成物は、従来使用されていた着色料と比較して、電気特性に優れ、しかも、着色性、遮蔽性、レーザーマーキング性に優れた半導体封止用樹脂組成物であることが確認された。

次に、充填材の配合割合による評価を行うために、表３に示す各配合成分を、表３に示す割合で配合し、ブレンダーで３０分間混合して均一化した後、９０℃に加熱したニーダーで混練溶融させて押し出した。これを冷却後、粉砕機で所定粒度に粉砕して粒状の実施例７〜１０及び比較例８、９の半導体封止用樹脂組成物を得た。

得られた実施例７〜１０及び比較例８、９の半導体封止用樹脂組成物について、以下の評価を行った。その結果を表３に示す。
（ショアＤ硬度）
半導体封止用樹脂組成物により成形した硬化物のショアＤ硬度をＪＩＳＫ６２５３に準拠して測定し、以下の基準で評価した。
良好：７０〜９０
硬化不良：７０未満
（バリ）
半導体封止用樹脂組成物により成形した硬化物のバリの状態を目視により以下の基準で評価した。
○：バリの発生なし
×：バリの発生あり
（充填性）
半導体封止用樹脂組成物により３５×３５×０．５ｍｍｔＰＢＧＡ（封止サイズ２９×２９×１．１７ｍｍｔ、ＢＴ基板、レジストＰＳＲ４０００）を１７５℃、１２０ｓキュアにて成形し、充填性を以下の基準で評価した。
良好：ＰＢＧＡ端部に未充填部なし
未充填：ＰＢＧＡ端部に未充填部あり

表３より、無機充填材の配合割合を本発明で規定した範囲とした実施例７〜１０は、全ての項目で良好な結果であった。

これに対して、本発明の配合割合の範囲から少なく外れた比較例８は、充填性は優れていたもののショアＤ硬度及びバリの状態が劣っていた。また本発明の配合割合の範囲から多く外れた比較例９は、ショアＤ硬度及びバリの状態は良好であったものの、充填性が劣っていた。

これらの結果から、本願発明の無機充填材で規定した配合割合の範囲とすることにより、優れた成形性が得られることが確認された。

Claims

熱硬化性樹脂、硬化剤、硬化促進剤、無機充填材、及び着色料を必須成分とする半導体封止用樹脂組成物であって、前記着色料がＳｉＯ_２で表面処理された黒色酸化チタン粉末であり、一次粒子径が１００ｎｍ以下であり、電気比抵抗が１０^９Ω・ｃｍ以上であり、かつ、前記半導体封止用樹脂組成物全体に対する前記着色料の配合割合が０．０５〜５質量％であることを特徴とする半導体封止用樹脂組成物。
前記半導体封止用樹脂材料全体に対する前記無機充填材の配合割合が７０〜９３質量％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樹脂組成物。
半田ボール間のピッチが２０〜３０μｍである基板に半導体装置を搭載した半導体装置であって、請求項１又は２に記載の半導体封止用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。