JP7238789B2 - 封止組成物及び半導体装置 - Google Patents
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Description
封止材を高熱伝導化する手法の一つとして、封止材に含まれる無機充填材として、シリカ及び高熱伝導性フィラーであるアルミナを用いる方法が挙げられる(例えば、特許文献1参照)。
また、半導体パッケージを封止材により封止する場合、封止後の反りが問題となることがある。この問題は、大判で一括封止となるコンプレッションモールド成形の場合に顕著となりやすい。そのほかにも、封止後の半導体パッケージが様々な熱履歴を受けた際に、半導体パッケージの反り挙動が変わってしまうことがある。その結果、他工程での半導体パッケージのハンドリングが困難になってしまうという懸念が存在する。
また、シリカ及びアルミナは共に硬質のフィラーであることから、硬化物の弾性率が上昇しやすい。硬化物の弾性率が上昇することで、封止後の半導体パッケージに、他工程でのハンドリングが困難になるほどの反りの発生する場合がある。
<1> エポキシ樹脂と、硬化剤と、モース硬度が8以上の無機材料の粒子及びモース硬度が5以下の無機材料の粒子を含む無機充填材と、を含有する封止組成物。
<2> 前記モース硬度が5以下の無機材料の粒子の平均円形度が、0.6以上である<1>に記載の封止組成物。
<3> 前記無機充填材に占める前記モース硬度が5以下の無機材料の粒子の割合が、30質量%未満である<1>又は<2>に記載の封止組成物。
<4> 前記無機充填材の含有率が、88体積%以下である<1>~<3>のいずれか1項に記載の封止組成物。
<5> 半導体素子と、前記半導体素子を封止してなる<1>~<4>のいずれか1項に記載の封止組成物の硬化物と、を含む半導体装置。
本開示において「~」を用いて示された数値範囲には、「~」の前後に記載される数値がそれぞれ最小値及び最大値として含まれる。
本開示中に段階的に記載されている数値範囲において、一つの数値範囲で記載された上限値又は下限値は、他の段階的な記載の数値範囲の上限値又は下限値に置き換えてもよい。また、本開示中に記載されている数値範囲において、その数値範囲の上限値又は下限値は、実施例に示されている値に置き換えてもよい。
本開示において各成分は該当する物質を複数種含んでいてもよい。組成物中に各成分に該当する物質が複数種存在する場合、各成分の含有率又は含有量は、特に断らない限り、組成物中に存在する当該複数種の物質の合計の含有率又は含有量を意味する。
本開示において各成分に該当する粒子は複数種含んでいてもよい。組成物中に各成分に該当する粒子が複数種存在する場合、各成分の粒子径は、特に断らない限り、組成物中に存在する当該複数種の粒子の混合物についての値を意味する。
本開示の封止組成物は、エポキシ樹脂と、硬化剤と、モース硬度が8以上の無機材料(以下、「硬質材料」と称することがある。)の粒子(以下、「硬質粒子」と称することがある。)及びモース硬度が5以下の無機材料(以下、「軟質材料」と称することがある。)の粒子(以下、「軟質粒子」と称することがある。)を含む無機充填材と、を含有する。
本開示の封止組成物は、高い熱伝導性を有し、反りの発生が抑制される。その理由は明確ではないが、以下のように推察される。
封止組成物には、無機充填材として硬質粒子及び軟質粒子が含有される。封止組成物の硬化物中において、硬質粒子同士が接する場合、当該粒子が硬質であるが故に硬質粒子同士の接触は粒子表面での点接触となる。一方、封止組成物の硬化物中において、硬質粒子と軟質粒子とが接触する場合、硬質粒子と接触した軟質粒子が硬質粒子と接触する箇所で変形して、硬質粒子と軟質粒子とは面接触となりやすい。粒子同士が点接触の状態である場合に比較して、粒子同士が面接触する状態であるほうが無機充填材間で形成される熱伝導経路が広くなりやすい。そのため、無機充填材として硬質粒子及び軟質粒子が含有される本開示の封止組成物は、高い熱伝導性を有すると推察される。
また、無機充填材として硬質粒子のみを含有する場合に比較して、硬質粒子と共に軟質粒子を無機充填材として含む本開示の封止組成物では、硬化物の弾性率が低下する。そのため、硬化物内で生じた歪みが緩和されやすく、反りの発生が抑制されると推察される。
封止組成物は、エポキシ樹脂を含有する。エポキシ樹脂の種類は特に限定されず、公知のエポキシ樹脂を使用することができる。
具体的には、例えば、フェノール化合物(例えば、フェノール、クレゾール、キシレノール、レゾルシン、カテコール、ビスフェノールA及びビスフェノールF)並びにナフトール化合物(例えば、α-ナフトール、β-ナフトール及びジヒドロキシナフタレン)からなる群より選択される少なくとも1種と、アルデヒド化合物(例えば、ホルムアルデヒド、アセトアルデヒド、プロピオンアルデヒド、ベンズアルデヒド及びサリチルアルデヒド)と、を酸性触媒下で縮合又は共縮合させて得られるノボラック樹脂をエポキシ化したもの(例えば、フェノールノボラック型エポキシ樹脂及びオルソクレゾールノボラック型エポキシ樹脂);ビスフェノール(例えば、ビスフェノールA、ビスフェノールAD、ビスフェノールF及びビスフェノールS)及びビフェノール(例えば、アルキル置換又は非置換のビフェノール)からなる群より選択される少なくとも1種のジグリシジルエーテル;フェノール・アラルキル樹脂のエポキシ化物;フェノール化合物とジシクロペンタジエン及びテルペン化合物からなる群より選択される少なくとも1種との付加物又は重付加物のエポキシ化物;多塩基酸(例えば、フタル酸及びダイマー酸)とエピクロルヒドリンの反応により得られるグリシジルエステル型エポキシ樹脂;ポリアミン(例えば、ジアミノジフェニルメタン及びイソシアヌル酸)とエピクロルヒドリンとの反応により得られるグリシジルアミン型エポキシ樹脂;オレフィン結合を過酸(例えば、過酢酸)で酸化して得られる線状脂肪族エポキシ樹脂;並びに脂環族エポキシ樹脂が挙げられる。エポキシ樹脂は1種類を単独で使用しても、2種類以上を併用してもよい。
無機充填材を除く封止組成物に占めるエポキシ樹脂の含有率は、30質量%~65質量%であることが好ましく、35質量%~60質量%であることがより好ましく、40質量%~55質量%であることがさらに好ましい。
封止組成物は、硬化剤を含有する。硬化剤の種類は特に限定されず、公知の硬化剤を使用することができる。
具体的には、例えば、フェノール化合物(例えば、フェノール、クレゾール、レゾルシン、カテコール、ビスフェノールA及びビスフェノールF)並びにナフトール化合物(例えば、α-ナフトール、β-ナフトール及びジヒドロキシナフタレン)からなる群より選択される少なくとも1種と、アルデヒド化合物(例えば、ホルムアルデヒド、アセトアルデヒド、プロピオンアルデヒド、ベンズアルデヒド及びサリチルアルデヒド)とを、酸性触媒下で縮合又は共縮合させて得られるノボラック樹脂;フェノール・アラルキル樹脂;ビフェニル・アラルキル樹脂;トリフェニルメタン型フェノール樹脂;並びにナフトール・アラルキル樹脂;が挙げられる。硬化剤は、1種類を単独で使用しても、2種類以上を併用してもよい。
封止組成物は、モース硬度が8以上の無機材料の粒子及びモース硬度が5以下の無機材料の粒子を含む無機充填材を含有する。封止組成物が無機充填材を含むことで、封止組成物の吸湿性が低減し、硬化状態での強度が向上する傾向にある。
硬質粒子の平均粒子径としては、0.1μm~80μmであることが好ましく、0.3μm~50μmであることがより好ましく、1μm~40μmであることがさらに好ましい。
無機充填材の平均粒子径は、以下の方法により測定することができる。
硬質粒子の平均円形度は、0.80以上であることが好ましく、0.85以上であることがより好ましく、0.90以上であることがさらに好ましい。
円形度=(相当円の周囲長)/(粒子断面像の周囲長)
具体的に平均円形度は、走査型電子顕微鏡で倍率1000倍に拡大した画像を観察し、任意に10個の無機充填材を選択し、上記方法にて個々の無機充填材の円形度を測定し、その算術平均値として算出される値である。なお、円形度、相当円の周囲長及び粒子の投影像の周囲長は、市販されている画像解析ソフトによって求めることが可能である。
軟質材料のモース硬度は5以下であり、4以下であることが好ましい。軟質材料のモース硬度は、2以上であってもよい。
軟質粒子の平均粒子径としては、0.1μm~20μmであることが好ましく、0.3μm~10μmであることがより好ましく、0.5μm~5μmであることがさらに好ましい。
軟質粒子の平均円形度は、0.6以上であることが好ましく、0.7以上であることがより好ましく、0.8以上であることがさらに好ましい。
無機充填材に占めるその他の無機材料の粒子の割合は、10質量%以下であってもよく、1質量%以下であってもよい。
封止組成物は、硬化促進剤をさらに含有してもよい。硬化促進剤の種類は特に制限されず、公知の硬化促進剤を使用することができる。
具体的には、1,8-ジアザ-ビシクロ[5.4.0]ウンデセン-7、1,5-ジアザ-ビシクロ[4.3.0]ノネン、5,6-ジブチルアミノ-1,8-ジアザ-ビシクロ[5.4.0]ウンデセン-7等のシクロアミジン化合物;シクロアミジン化合物に無水マレイン酸、1,4-ベンゾキノン、2,5-トルキノン、1,4-ナフトキノン、2,3-ジメチルベンゾキノン、2,6-ジメチルベンゾキノン、2,3-ジメトキシ-5-メチル-1,4-ベンゾキノン、2,3-ジメトキシ-1,4-ベンゾキノン、フェニル-1,4-ベンゾキノン等のキノン化合物、ジアゾフェニルメタン、フェノール樹脂などのπ結合をもつ化合物を付加してなる分子内分極を有する化合物;ベンジルジメチルアミン、トリエタノールアミン、ジメチルアミノエタノール、トリス(ジメチルアミノメチル)フェノール等の3級アミン化合物、3級アミン化合物の誘導体;2-メチルイミダゾール、2-フェニルイミダゾール、2-フェニル-4-メチルイミダゾール等のイミダゾール化合物、イミダゾール化合物の誘導体;トリブチルホスフィン、メチルジフェニルホスフィン、トリフェニルホスフィン、トリス(4-メチルフェニル)ホスフィン、ジフェニルホスフィン、フェニルホスフィン等の有機ホスフィン化合物;有機ホスフィン化合物に無水マレイン酸、上記キノン化合物、ジアゾフェニルメタン、フェノール樹脂等のπ結合をもつ化合物を付加してなる分子内分極を有するリン化合物;テトラフェニルホスホニウムテトラフェニルボレート、トリフェニルホスフィンテトラフェニルボレート、2-エチル-4-メチルイミダゾールテトラフェニルボレート、N-メチルモルホリンテトラフェニルボレート等のテトラフェニルボロン塩、テトラフェニルボロン塩の誘導体;トリフェニルホスホニウム-トリフェニルボラン、N-メチルモルホリンテトラフェニルホスホニウム-テトラフェニルボレート等のホスフィン化合物とテトラフェニルボロン塩との付加物などが挙げられる。硬化促進剤は、1種類を単独で使用しても、2種類以上を併用してもよい。
封止組成物は、イオントラップ剤をさらに含有してもよい。
本開示において使用可能なイオントラップ剤は、半導体装置の製造用途に用いられる封止材において、一般的に使用されているイオントラップ剤であれば特に制限されるものではなく、ハイドロタルサイト等が挙げられる。イオントラップ剤としては、例えば、下記一般式(II-1)又は下記一般式(II-2)で表される化合物を用いてもよい。
(一般式(II-1)中、aは0<a≦0.5であり、uは正数である。)
BiOb(OH)c(NO3)d (II-2)
(一般式(II-2)中、bは0.9≦b≦1.1、cは0.6≦c≦0.8、dは0.2≦d≦0.4である。)
イオントラップ剤は、1種類を単独で使用しても、2種類以上を併用してもよい。
封止組成物は、カップリング剤をさらに含有してもよい。カップリング剤の種類は、特に制限されず、公知のカップリング剤を使用することができる。カップリング剤としては、例えば、シランカップリング剤及びチタンカップリング剤が挙げられる。カップリング剤は、1種類を単独で使用しても、2種類以上を併用してもよい。
封止組成物は、離型剤をさらに含有してもよい。離型剤の種類は特に制限されず、公知の離型剤を使用することができる。具体的には、例えば、高級脂肪酸、高級脂肪酸エステル、カルナバワックス及びポリエチレン系ワックスが挙げられる。離型剤は、1種類を単独で使用しても、2種類以上を併用してもよい。
封止組成物が離型剤を含有する場合、離型剤の含有率は、エポキシ樹脂と硬化剤の合計量に対して、10質量%以下であることが好ましく、その効果を発揮させる観点からは、0.5質量%以上であることが好ましい。
封止組成物は、着色剤(例えば、カーボンブラック)を含有してもよい。また、封止組成物は、改質剤(例えば、シリコーン及びシリコーンゴム)を含有してもよい。着色剤及び改質剤は、それぞれ、1種類を単独で使用しても、2種類以上を併用してもよい。
封止組成物が導電性粒子を含有する場合、導電性粒子の含有率は、エポキシ樹脂と硬化剤の合計量に対して3質量%以下であることが好ましい。
封止組成物の作製方法は特に制限されず、公知の方法により行うことができる。例えば、所定の配合量の原材料の混合物をミキサー等によって充分混合した後、熱ロール、押出機等によって混練し、冷却、粉砕等の処理を経ることによって作製することができる。封止組成物の状態は特に制限されず、粉末状、固体状、液体状等であってよい。
本開示の半導体装置は、半導体素子と、前記半導体素子を封止してなる本開示の封止組成物の硬化物と、を含む。
表1に示す配合の材料を予備混合(ドライブレンド)した後、二軸ロール(ロール表面温度:約80℃)で約15分間混練し、冷却粉砕して粉末状の封止組成物を製造した。
(エポキシ樹脂)
E1:ビフェニル型エポキシ樹脂、エポキシ当量:192g/eq
E2:ビスフェノール型エポキシ樹脂、エポキシ当量:192g/eq
H1:多官能フェノール樹脂、水酸基当量が104g/eqのトリフェニルメタン型フェノール樹脂
リン系硬化促進剤(有機リン化合物)
(カップリング剤)
アニリノシラン(N-フェニル-3-アミノプロピルトリメトキシシラン)
(離型剤)
カルナバワックス
(応力緩和剤)
シリコーン樹脂
(着色剤)
カーボン:カーボンブラック
・硬質粒子
HF1:アルミナフィラー(平均粒子径:10μm)
HF2:アルミナフィラー(平均粒子径:0.7μm)
・軟質粒子
SF1:ベーマイト(平均粒子径:1.7μm、平均円形度:0.95)
・シリカ(平均粒子径:1.4μm)
上記で得られた封止組成物を用いて、圧縮成形機により、金型温度175℃~180℃、成形圧力7MPa、硬化時間150秒の条件で半導体素子を封止して熱伝導率評価用の試験片を作製した。次いで、試験片の熱伝導率をキセノンフラッシュ(Xe-flash)法により測定した。熱伝導率4.0W/(m・K)以上をAとし、4.0W/(m・K)未満をBとした。
封止組成物の反りの評価は、下記により行った。具体的には、上記で得られた封止組成物を用いて、金型温度180℃、成形圧力7MPa、硬化時間300秒間の条件でトランスファー成形を行い、40mm×40mmのパッケージを得た。このパッケージについて、レーザー変位計を用いて室温(25℃)での反り量及び250℃で30分加熱後、高温(250℃)での反り量を測定した。また、室温(25℃)での反り量及び高温加熱後の反り量が、共に400μm以下をAとし、少なくとも一方が400μmを超えた場合をBとした。
本明細書に記載された全ての文献、特許出願、及び技術規格は、個々の文献、特許出願、及び技術規格が参照により取り込まれることが具体的かつ個々に記された場合と同程度に、本明細書中に参照により取り込まれる。
Claims (4)
- エポキシ樹脂と、硬化剤と、モース硬度が8以上の無機材料の粒子及びモース硬度が5以下の無機材料の粒子を含む無機充填材と、を含有し、
前記無機充填材に占める前記モース硬度が5以下の無機材料の粒子の割合が、30質量%未満であり、
前記モース硬度が5以下の無機材料が、ベーマイト及びドロマイトの少なくとも一方を含み
前記硬化剤が、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、トリフェニルメタン型フェノール樹脂及びナフトール・アラルキル樹脂からなる群より選択される少なくとも1種を含む封止組成物。 - 前記モース硬度が5以下の無機材料の粒子の平均円形度が、0.6以上である請求項1に記載の封止組成物。
- 前記無機充填材の含有率が、88体積%以下である請求項1又は請求項2に記載の封止組成物。
- 半導体素子と、前記半導体素子を封止してなる請求項1~請求項3のいずれか1項に記載の封止組成物の硬化物と、を含む半導体装置。
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