JP7151940B1 - 封止用樹脂組成物および半導体装置 - Google Patents
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Abstract
Description
すなわち、本発明は、以下に示すことができる。
GaAsチップを封止するために用いられる封止用樹脂組成物であって、
下記条件1で測定されたダイシェア強度が1.5N/mm2以上である、封止用樹脂組成物が提供される。
(条件1)
前記封止用樹脂組成物を、表面粗さRaが15nmのGaAsテストピース表面に円面積10mm2となるように塗布し、175℃、4時間熱処理して、GaAsテストピースと高さ3mmの硬化物とからなる試験片を得て、前記GaAsテストピース表面からのテスターの距離0.125mm、当該テスターの速度0.3mm/secにて、当該試験片において前記GaAsテストピースと前記硬化物との260℃におけるダイシェア強度を測定する。
GaAsチップと、
前記GaAsチップを封止する前記封止用樹脂組成物の硬化物と、
を備える半導体装置が提供される。
(条件1)
前記封止用樹脂組成物を、表面粗さRaが15nmのGaAsテストピース表面に円面積10mm2となるように塗布し、175℃、4時間熱処理して、GaAsテストピースと高さ3mmの硬化物とからなる試験片を得て、前記GaAsテストピース表面からのテスターの距離0.125mm、当該テスターの速度0.3mm/secにて、当該試験片において前記GaAsテストピースと前記硬化物との260℃におけるダイシェア強度を測定する。
前記条件1で得られた試験片を、温度85℃、湿度85%で24時間吸湿させ、吸湿後の当該試験片において前記GaAsテストピースと前記硬化物との260℃におけるダイシェア強度を測定する。
なお、本実施形態の封止用樹脂組成物は、GaAsチップを封止するために用いられるが、GaAsチップとともに、Siチップやその他部材を封止することができ、SIP(System in Package)に適用することができる。
以下、本実施形態の封止用樹脂組成物に含まれる成分について以下に説明する。
本実施形態の封止用樹脂組成物はエポキシ樹脂を含むことができる。
エポキシ樹脂としては、本発明の効果を奏する範囲で封止用樹脂組成物に一般に使用されるものを用いることができる。エポキシ樹脂としては、1分子内にエポキシ基を2個以上有する(つまり、多官能の)モノマー、オリゴマー、ポリマー全般を用いることができる。
本実施形態の封止用樹脂組成物はフェノール硬化剤を含むことができる。
フェノール硬化剤としては、本発明の効果を奏する範囲で封止用樹脂組成物に一般に使用されるものを用いることができる。
当該範囲となるように前記エポキシ樹脂および前記フェノール硬化剤を用いることにより、耐リフロー性がさらに向上し、充填性もより優れる。
本実施形態の封止用樹脂組成物はカップリング剤を含むことができる。
カップリング剤としては、本発明の効果を奏する範囲で封止用樹脂組成物に一般に使用されるものを用いることができる。
メルカプトプロピルトリメトキシシラン、メルカプトプロピルトリエトキシシラン等のメルカプトシラン系カップリング剤;
グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、グリシドキシプロピルトリエトキシシラン、グリシドキシプロピルメチルジエトキシシラン、グリシジルブチルトリメトキシシラン、(3,4-エポキシシクロヘキシル)エチルトリメトキシシラン等のエポキシシラン系カップリング剤;
メチルトリメトキシシラン、オクタデシルトリメトキシシラン、フェニルトリメトキシシラン、メタクロキシプロピルトリメトキシシラン、イミダゾールシラン、トリアジンシラン等のシラン系カップリング剤;
ヘキサメチルジシラザン、ヘキサフェニルジシラザン、トリシラザン、シクロトリシラザン、1,1,3,3,5,5-ヘキサメテルシクロトリシラザン等のオルガノシラザン化合物;
ブチルチタネートダイマー、チタンオクチレングリコレート、ジイソプロポキシチタンビス(トリエタノールアミネート)、ジヒドロキシチタンビスラクテート、ジヒドロキシビス(アンモニウムラクテート)チタニウム、ビス(ジオクチルパイロホスフェート)エチレンチタネート、ビス(ジオクチルパイロホスフェート)オキシアセテートチタネート、トリ-n-ブトキシチタンモノステアレート、テトラ-n-ブチルチタネート、テトラ(2-エチルヘキシル)チタネート、テトライソプロピルビス(ジオクチルホスファイト)チタネート、テトラオクチルビス(ジトリデシルホスファイト)チタネート、テトラ(2,2-ジアリルオキシメチル-1-ブチル)ビス(ジトリデシル)ホスファイトチタネート、イソプロピルトリオクタノイルチタネート、イソプロピルトリクミルフェニルチタネート、イソプロピルトリイソステアロイルチタネート、イソプロピルイソステアロイルジアクリルチタネート、イソプロピルジメタクリルイソステアロイルチタネート、イソプロピルトリ(ジオクチルホスフェート)チタネート、イソプロピルトリドデシルベンゼンスルホニルチタネート、イソプロピルトリス(ジオクチルパイロホスフェート)チタネート、イソプロピルトリ(N-アミドエチル・アミノエチル)チタネート等のチタネート系カップリング剤;等が挙げられる。これらは1種または2種以上組み合わせて使用してもよい。
本実施形態の封止用樹脂組成物は無機充填剤を含むことができる。
無機充填剤としては、本発明の効果を奏する範囲で封止用樹脂組成物に一般に使用されるものを用いることができる。
無機酸化物としては、具体的には、シリカ、アルミナ、酸化チタン、タルク、クレー、マイカ、ガラス繊維(石英ガラス)などが挙げられる。なお、シリカとしては、具体的には、溶融破砕シリカ、溶融球状シリカ、結晶性シリカ、2次凝集シリカ、微粉シリカなどを用いることができる。
また、無機窒化物としては、具体的には、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、窒化ホウ素などが挙げられる。
また、無機炭化物としては、具体的には、炭化ケイ素、炭化ジルコニウム、炭化チタン、炭化ホウ素、炭化タンタルなどが挙げられる。
また、無機水酸化物としては、具体的には、水酸化アルミニウム、水酸化マグネシウムなどが挙げられる。
無機充填材の粒子形状は、略真球状であることが好ましい。
本実施形態の封止用樹脂組成物は硬化促進剤を含むことができる。
硬化促進剤としては、本発明の効果を奏する範囲で封止用樹脂組成物に一般に使用されるものを用いることができる。
本実施形態の封止用樹脂組成物は、上述の成分以外の他の成分を含んでもよい。その他の成分として具体的には、離型剤、イオン捕捉剤、難燃剤、低応力剤、酸化防止剤、着色剤等を挙げることができる。封止用樹脂組成物がその他の成分を含む場合は、一種のみを含んでもよいし、二種以上を含んでもよい。
イオン捕捉剤を用いる場合、1種のみを用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。
低応力剤としては、シリコーンオイル、シリコーンゴム、カルボキシル基末端ブタジエンアクリロニトリルゴム等を挙げることができる。
本実施形態の封止用樹脂組成物の性状は、例えば粒子状またはシート状である。
粒子状の封止用樹脂組成物として具体的には、タブレット状または粉粒体のものが挙げられる。
封止用樹脂組成物がタブレット状である場合は、例えばトランスファー成形法を用いて封止用樹脂組成物を成形することができる。
本実施形態の封止用樹脂組成物の製造方法は特に限定されない。
必要に応じて、粉砕後にタブレット状に打錠成形してもよい。
必要に応じて、粉砕後に例えば真空ラミネート成形または圧縮成形によりシート状にしてもよい。
必要に応じて、得られた封止用樹脂組成物の分散度や流動性等を調整してもよい。
本実施形態の封止用樹脂組成物を用いて基板上の半導体素子(パワー半導体素子等)を封止するなどして、本実施形態の封止用樹脂組成物の硬化物を備える半導体装置(パワーデバイス等)を製造することができる。
半導体装置100は、基板30上に搭載されたGaAsチップ20と、GaAsチップ20を封止する封止材50とを備えている。封止材50は、本実施形態の封止用樹脂組成物を硬化して得られる硬化物により構成されている。
一方、GaAsチップ20は、基板30に対してフリップチップ実装されていてもよい。ここで、ワイヤ40は、例えば銅で構成される。
図2の半導体装置100は、基板30としてリードフレームを使用している。この場合、GaAsチップ20は、例えば基板30のうちのダイパッド32上に搭載され、かつワイヤ40を介してアウターリード34へ電気的に接続される。GaAsチップ20は、図1の例と同様に、好ましくはSiC、GaN、Ga2O3、ダイヤモンド等により構成されたパワー半導体素子である。また、封止材50は、図1の例と同様に、本実施形態の封止用樹脂組成物を用いて形成される。
図1および2においては、本実施形態の封止用樹脂組成物によりGaAsチップが封止される例によって示したが、GaAsチップとともに、Siチップやその他部材を封止することができ、SIP(System in Package)に適用することができる。
表1に記載された各成分を記載された量比で混合し、混合物を得た。混合は、常温でヘンシェルミキサーを用いて行った。
その後、その混合物を、加熱二軸混練機(東洋精機社製、ラボプラストミル)で混練した。混練条件は、温調を80~100℃とし、混練物の温度が100~110℃となるように混練強度と混練時間を調節した。混練時間は1~5分程度であった。得られた混練物を常温まで冷却し、その後、粉砕し、封止用樹脂組成物を得た。なお、比較例1および実施例1~5の封止用樹脂組成物において、フェノール硬化剤の水酸基当量cに対する、エポキシ樹脂のエポキシ当量dの比d/cは、比較例1が1.2、実施例1~5が全て1.5であった。表1に記載の各成分は以下の通り。
・無機充填材1:シリカ(日鉄ケミカル&マテリアル社製、製品名:TS-6021、平均径10.0μm)
・無機充填材2:シリカ(日鉄ケミカル&マテリアル社製、製品名:TS-6026、平均径9.0μm)
・無機充填材3:シリカ(アドマテックス社製、製品名:SC-2500-SQ、平均径0.5μm)
・無機充填材4:シリカ(アドマテックス社製、製品名:SC-5500-SQ、平均径1.5μm)
・カーボンブラック1:ERS-2001(東海カーボン社製)
・シランカップリング剤1:N-フェニルアミノプロピルトリメトキシシラン(東レ・ダウコーニング社製、CF-4083)
・シランカップリング剤2:γ-メルカプトプロピルトリメトキシシラン(信越化学社製、KBM803P)
・シランカップリング剤3:γ-グリシドキシプロピルトリメトキシシランの加水分解物(住友ベークライト社製、製品名:KE-GS)
・シランカップリング剤4:γ-グリシドキシプロピルトリメトキシシラン(チッソ社製、GPS-M)
・エポキシ樹脂1:ビフェニル骨格含有フェノールアラルキル型エポキシ樹脂(日本化薬社製、NC-3000)
・エポキシ樹脂2:ビフェニル型エポキシ樹脂(三菱ケミカル株式会社、YX-4000K)
・硬化剤1:ビフェニルアラルキル型フェノール樹脂(明和化成社製、MEH-7851SS)
・硬化促進剤1:テトラフェニルホスホニウムテトラ(1-ナフトエ酸)ボレート
・硬化促進剤2:2,3-ジヒドロキシナフタレン
・硬化促進剤3:テトラフェニルホスホニウム4,4'-スルフォニルジフェノラート
・硬化促進剤4:テトラフェニルホスホニウム2,3-ジヒドロキシナフタレート
・硬化促進剤5:テトラフェニルホスホニウムビス(ナフタレン-2,3-ジオキシ)フェニルシリケート
・離型剤1:カルナバワックス
・イオン捕捉剤1:マグネシウム・アルミニウム・ハイドロオキサイド・カーボネート・ハイドレート(協和化学工業社製、DHT-4H)
・イオン捕捉剤2:ハイドロキシタルサイト(東亞合成化学社製)
・シリコーン化合物1:エポキシ・ポリエーテル変性シリコーンオイル(東レダウコーニング社製、FZ-3730)
(GaAs密着(条件1))
実施例、比較例で得られた封止用樹脂組成物を、表面粗さRaが15nmのGaAsテストピース表面に円面積10mm2となるように塗布し、175℃、4時間熱処理して、GaAsテストピースと高さ3mmの硬化物とからなる試験片を得た。自動ダイシェア測定装置(ノードソン・アドバンスド・テクノロジー社製、DAGE4000型)を用いて、前記GaAsテストピース表面からのテスターの距離0.125mm、当該テスターの速度0.3mm/secにて、260℃温度下にてGaAsテストピースと硬化物とのせん断強度(ダイシェア強度)を測定した。
前記条件1で得られた試験片を、温度85℃、湿度85%で24時間吸湿させ、吸湿後の当該試験片において、条件1と同様にGaAsテストピースと硬化物とのせん断強度(ダイシェア強度)を測定した。
低圧トランスファー成形機(コータキ精機社製、KTS-15)を用いて、ANSI/ASTM D 3123-72に準じたスパイラルフロー測定用金型に、金型温度175℃、注入圧力6.9MPa、保圧時間120秒の条件にて、封止用樹脂組成物を注入し、流動長を測定した。
スパイラルフローは、流動性のパラメータであり、数値が大きい方が、流動性が良好である。
各例で得られた封止用樹脂組成物の矩形流路圧(矩形圧)を次のように測定した。
まず、封止用樹脂組成物(粉砕物)を、プランジャー(プランジャーサイズφ18mm)内で、175℃で3秒間加熱して予備加熱して軟化させた。
低圧トランスファー成形機(NEC社製、40tマニュアルプレス)を用いて、金型温度175℃、注入速度24.7mm/secの条件にて、幅13mm、厚さ0.5mm、長さ175mmの矩形状の流路に、上記で得られた、軟化した封止用樹脂組成物を注入した。このとき、流路の上流先端から25mmの位置に埋設した圧力センサーにて圧力の経時変化を測定し、封止用樹脂組成物の流動時における最低圧力(kgf/cm2)を測定し、これを矩形圧とした。矩形圧は、溶融粘度のパラメータであり、数値が小さい方が、溶融粘度が低いことを示す。
175℃に設定されたホットプレート上に、各実施例または比較例の封止用樹脂組成物を置いた。試料が溶融した後、ヘラで練りながら、硬化するまで(ヘラで練ることができなくなるまで)の時間を測定した。
ゲルタイムが短いほど、硬化速度が速いことを示す。
各実施例および比較例について、得られた封止用樹脂組成物の硬化物のガラス転移温度(Tg)、線膨張係数(CTE1、CTE2)を、以下のように測定した。まず、低圧トランスファー成形機(コータキ精機(株)製「KTS-15」)を用いて金型温度175℃、注入圧力6.9MPa、硬化時間120秒で封止用樹脂組成物を注入成形し、10mm×4mm×4mmの試験片を得た。次いで、得られた試験片を175℃、4時間で後硬化した後、熱機械分析装置(セイコー電子工業(株)製、TMA100)を用いて、測定温度範囲0℃~320℃、昇温速度5℃/分の条件下で測定を行った。この測定結果から、ガラス転移温度(Tg)、ガラス転移温度以下における線膨張係数(CTE1)、ガラス転移温度超過における線膨張係数(CTE2)を算出した。
各実施例または比較例の封止用樹脂組成物を打錠成形してタブレットを得た。得られたタブレットを、トランスファー成形機を用いて、金型温度175℃、注入圧力9.8MPa、硬化時間120秒の条件で封止用樹脂組成物を注入成形し、幅10mm×厚さ4mm×長さ80mmの硬化物を得た。その後、得られた試験片を175℃、4時間で後硬化し、評価用の試験片を得た。得られた試験片の、室温および260℃における曲げ弾性率を、JIS K 6911に準じて測定した。
各実施例および比較例について、得られた封止用樹脂組成物の成形収縮率を測定した。測定は、低圧トランスファー成形機(コータキ精機(株)製「KTS-15」)を用いて金型温度175℃、注入圧力6.9MPa、硬化時間120秒の条件で作製した試験片に対して、JIS K 6911に準じて行った。
(MSL評価用の半導体装置の作製)
各種性能評価のために、次のようにして半導体装置を作製した。後述の評価のため、各実施例/比較例において、12個ずつの半導体パッケージを作製した。
(1)GaAsチップ(長さ4mm×幅4mm、厚み0.35mm)を、表面がAgによりめっきされたリードフレームのダイパッド部上に搭載した。
(2)(1)で得られた構造体を、低圧トランスファー成形機を用いて、金型温度175℃、注入圧力10.0MPa、硬化時間2分の条件で、各実施例または比較例の封止用樹脂組成物を用いて封止成形し、半導体パッケージを作製した。
(3)その後、得られた半導体パッケージを175℃、4時間の条件で後硬化し、半導体装置を得た。
まず、得られた半導体装置12個を、85℃相対湿度60%の環境下に168時間放置した。その後、IRリフロー処理(260℃)を行った。
処理後の半導体装置内部を、超音波探傷装置で観察した。そして、全ての半導体装置において、封止樹脂と、GaAsチップと、の界面において剥離が生じなかった場合を○、半導体装置の1個でも界面に剥離が生じた場合を×とした。
20 GaAsチップ
30 基板
32 ダイパッド
34 アウターリード
40 ワイヤ
50 封止材
60 半田ボール
Claims (8)
- GaAsチップを封止するために用いられる封止用樹脂組成物であって、
下記条件1で測定されたダイシェア強度が1.5N/mm2以上である、封止用樹脂組成物。
(条件1)
前記封止用樹脂組成物を、表面粗さRaが15nmのGaAsテストピース表面に円面積10mm2となるように塗布し、175℃、4時間熱処理して、GaAsテストピースと高さ3mmの硬化物とからなる試験片を得て、前記GaAsテストピース表面からのテスターの距離0.125mm、当該テスターの速度0.3mm/secにて、当該試験片において前記GaAsテストピースと前記硬化物との260℃におけるダイシェア強度を測定する。 - 下記条件2で測定された加湿後の260℃ダイシェア強度が1.3N/mm以上である、請求項1に記載の封止用樹脂組成物。
(条件2)
前記条件1で得られた試験片を、温度85℃、湿度85%で24時間吸湿させ、吸湿後の当該試験片において前記GaAsテストピースと前記硬化物との260℃におけるダイシェア強度を測定する。 - さらにエポキシ樹脂およびフェノール硬化剤を含み、
前記フェノール硬化剤の水酸基当量cに対する、前記エポキシ樹脂のエポキシ当量dの比d/cが1.3以上である、請求項1または2に記載の封止用樹脂組成物。 - 2級アミン系カップリング剤、メルカプトシラン系カップリング剤、およびエポキシシラン系カップリング剤から選択される少なくとも1種を含む、請求項1~3のいずれかに記載の封止用樹脂組成物。
- さらに無機充填剤を含む、請求項1~4のいずれかに記載の封止用樹脂組成物。
- さらに硬化促進剤を含む、請求項1~5のいずれかに記載の封止用樹脂組成物。
- 顆粒またはタブレットである、請求項1~6のいずれかに記載の封止用樹脂組成物。
- GaAsチップと、
前記GaAsチップを封止する請求項1~7のいずれかに記載の封止用樹脂組成物の硬化物と、
を備える半導体装置。
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