JP7255227B2 - 半導体封止用樹脂組成物および半導体装置 - Google Patents
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Description
硬化性樹脂と、
無機充填材と、
難燃剤と、
を含み、
前記無機充填材の平均粒径d50が0.3μm以上10μm以下であり、
前記難燃剤の平均粒径d50が2.2μm以下であり、
20μm以下のギャップが設けられた部材の前記ギャップの充填に用いられる、半導体封止用樹脂組成物が提供される。
本実施形態において、半導体封止用樹脂組成物(以下、単に「封止用樹脂組成物」とも呼ぶ。)は、20μm以下のギャップが設けられた部材の上記ギャップの充填に用いられるものであり、硬化性樹脂と、無機充填材と、難燃剤と、を含む。無機充填材の平均粒径d50は、0.3μm以上10μm以下である。そして、難燃剤の平均粒径d50は2.2μm以下である。
硬化性樹脂として、具体的には熱硬化性樹脂が挙げられる。ここで、硬化性樹脂は、後述する難燃剤を除くものである。
熱硬化性樹脂は、封止用樹脂組成物の硬化物の耐熱性を向上させる観点から、たとえば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂、ビスマレイミド樹脂、ユリア(尿素)樹脂、ポリウレタン樹脂、シアネートエステル樹脂、シリコーン樹脂、オキセタン樹脂(オキセタン化合物)、(メタ)アクリレート樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ジアリルフタレート樹脂およびベンゾオキサジン樹脂からなる群から選択される1種または2種以上を含む。
エポキシ樹脂は、1分子内に2個以上のエポキシ基を有する化合物であり、モノマー、オリゴマーおよびポリマーのいずれであってもよく、具体的には、ビフェニル型エポキシ樹脂、ビスフェノール型エポキシ樹脂、スチルベン型エポキシ樹脂等の結晶性エポキシ樹脂;フェノールノボラック型エポキシ樹脂、クレゾールノボラック型エポキシ樹脂等のノボラック型エポキシ樹脂;トリスフェニルメタン型エポキシ樹脂、アルキル変性トリフェノールメタン型エポキシ樹脂等の多官能エポキシ樹脂;フェニレン骨格含有フェノールアラルキル型エポキシ樹脂、ビフェニレン骨格含有フェノールアラルキル型エポキシ樹脂等のフェノールアラルキル型エポキシ樹脂;ジヒドロキシナフタレン型エポキシ樹脂、ジヒドロキシナフタレンの2量体をグリシジルエーテル化して得られるエポキシ樹脂等のナフトール型エポキシ樹脂;トリグリシジルイソシアヌレート、モノアリルジグリシジルイソシアヌレート等のトリアジン核含有エポキシ樹脂;ジシクロペンタジエン変性フェノール型エポキシ樹脂等の有橋環状炭化水素化合物変性フェノール型エポキシ樹脂からなる群から選択される1種または2種以上である。
一方、耐湿信頼性や耐リフロー性を向上させる観点、および、成形体の反りを抑制する観点から、熱硬化性樹脂の含有量は、封止用樹脂組成物全体に対して、たとえば18質量%以下であってよく、好ましくは15質量%以下であり、より好ましくは14質量%以下、さらに好ましくは13質量%以下である。
封止用樹脂組成物は、前述したように、硬化剤を含んでもよい。硬化剤としては、たとえば重付加型の硬化剤、触媒型の硬化剤、および縮合型の硬化剤の3タイプに大別することができる。これらを単独で用いても2種以上を組み合わせて用いてもよい。
フェノール樹脂系硬化剤は、たとえば、フェノールノボラック樹脂、クレゾールノボラック樹脂、ビスフェノールノボラック等のノボラック型フェノール樹脂;ポリビニルフェノール、トリフェノールメタン型フェノール樹脂等の多官能型フェノール樹脂;テルペン変性フェノール樹脂、ジシクロペンタジエン変性フェノール樹脂等の変性フェノール樹脂;フェニレン骨格およびビフェニレン骨格から選ばれる1以上を有するフェノールアラルキル樹脂、フェニレンおよびビフェニレン骨格から選ばれる1以上を有するナフトールアラルキル樹脂等のフェノールアラルキル型フェノール樹脂;ビスフェノールA、ビスフェノールF等のビスフェノール化合物からなる群から選択される1種または2種以上を含む。これらの中でも、成形体の反りを抑制する観点からは、ノボラック型フェノール樹脂、多官能型フェノール樹脂およびフェノールアラルキル型フェノール樹脂を含むことがより好ましい。また、フェノールノボラック樹脂、ビフェニレン骨格を有するフェノールアラルキル樹脂、ホルムアルデヒドで変性したトリフェニルメタン型フェノール樹脂を好ましく使用することもできる。
一方、電子部品の耐湿信頼性や耐リフロー性を向上させる観点、および、得られる成形体の反りを抑制する観点から、硬化剤の含有量は、封止用樹脂組成物全体に対して、好ましくは9質量%以下であり、より好ましくは8質量%以下、さらに好ましくは7質量%以下である。
本実施形態において、無機充填材は、後述する難燃剤を除くものである。無機充填材の構成材料としては、溶融シリカ、結晶シリカ、非晶質シリカ等のシリカ、アルミナ、窒化珪素、窒化アルミニウム等が挙げられる。これらの中でも、汎用性に優れている観点から、無機充填材は好ましくはシリカを含み、溶融シリカを用いることがより好ましい。また、無機充填材は、成形時の流動性および充填性を高める観点から、球状のものであることが好ましく、さらには球状シリカであることが好ましい。
一方、無機充填材の平均粒径d50は、狭ギャップ充填性を向上する観点から、10μm以下であり、好ましくは8μm以下であり、より好ましくは5μm以下である。
一方、封止用樹脂組成物の成形時における流動性や充填性をより効果的に向上する観点から、無機充填材の含有量は、封止用樹脂組成物全体に対して、好ましくは95質量%以下であり、より好ましくは90質量%以下、さらに好ましくは85質量%以下である。
難燃剤は、具体的には、固形成分であり、その構成材料の具体例として、水酸化アルミニウム、水酸化マグネシウム、モリブデン酸亜鉛、ホウ酸亜鉛、酸化亜鉛およびメラミン樹脂からなる群から選択される1種または2種以上が挙げられる。狭ギャップ充填性および耐熱性を向上する観点から、難燃剤は、好ましくは水酸化アルミニウムおよびモリブデン酸亜鉛からなる群から選択される1種以上を含み、より好ましくは水酸化アルミニウムを含む。
また、難燃剤の平均粒径d50の下限に制限はないが、たとえば0.1μm以上であってもよい。
また、狭部充填性を向上する観点から、難燃剤の粒径d90は、好ましくは7.5μm以下であり、より好ましくは6.0μm以下である。
また、封止用樹脂組成物の粘度を低減して狭ギャップ充填性を向上する観点からは、難燃剤のd50>無機充填材のd50とすることが好ましい。
一方、封止用樹脂組成物の粘度を適度に高めつつ狭ギャップ充填性も維持する観点からは、難燃剤のd50<無機充填材のd50とすることが好ましい。
また、封止用樹脂組成物の成形時における流動性や充填性をより効果的に向上する観点から、難燃剤の含有量は、封止用樹脂組成物全体に対して、好ましくは25質量%以下であり、より好ましくは20質量%以下、さらに好ましくは18質量%以下である。
封止用樹脂組成物中のこれら各成分の量は、封止用樹脂組成物全体に対して、それぞれ、0.01~2質量%程度の量とすることができる。
封止用樹脂組成物中の硬化促進剤の含有量は、封止用樹脂組成物の硬化特性を高める観点から、封止用樹脂組成物全体に対して、好ましくは0.01質量%以上であり、より好ましくは0.05質量%以上であり、また、好ましくは2.0質量%以下であり、より好ましくは1.0質量%以下である。
封止用樹脂組成物中の離型剤の含有量は、硬化物の好ましい離型特性を得る観点から、封止用樹脂組成物全体に対して、好ましくは0.01質量%以上であり、より好ましくは0.05質量%以上であり、また、好ましくは2.0質量%以下であり、より好ましくは1.0質量%以下である。
封止用樹脂組成物中の離型剤の含有量は、硬化物の着色と硬化物の封止材としての特性とのバランスを好ましいものとする観点から、封止用樹脂組成物全体に対して、好ましくは0.01質量%以上であり、より好ましくは0.05質量%以上であり、また、好ましくは2.0質量%以下であり、より好ましくは1.0質量%以下である。
封止用樹脂組成物中のカップリング剤の含有量は、封止用樹脂組成物の成形時に好ましい流動性を得る観点から、封止用樹脂組成物全体に対して、好ましくは0.01質量%以上であり、より好ましくは0.05質量%以上であり、また、好ましくは2.0質量%以下であり、より好ましくは1.0質量%以下である。
封止用樹脂組成物中の低応力剤の含有量は、半導体装置の接続信頼性を向上させる観点から、封止用樹脂組成物全体に対して、好ましくは0.01質量%以上であり、より好ましくは0.02質量%以上であり、また、好ましくは2.0質量%以下であり、より好ましくは1.0質量%以下である。
封止用樹脂組成物の製造方法としては、たとえば、まず、平均粒径d50が上述した範囲にある難燃剤および平均粒径d50が上述した範囲にある無機充填材を準備する。このとき、難燃剤の粒度分布は、たとえば、固体材料を破砕し、得られた破砕物を適宜篩い分けすることにより得ることができる。
封止用樹脂組成物の各成分を準備したら、これらを公知の手段で混合することにより混合物を得る。さらに、混合物を溶融混練することにより、混練物を得る。混練方法としては、たとえば、1軸型混練押出機、2軸型混練押出機等の押出混練機や、ミキシングロール等のロール式混練機を用いることができるが、無機充填材および難燃剤を破砕しない方法が好ましく、2軸型混練押出機を用いることが好ましい。混練物を冷却した後、粉砕することで固形の封止用樹脂組成物を得ることができる。さらには、これらをタブレット状に打錠成形したものを封止用樹脂組成物として用いることもできる。これにより、顆粒状またはタブレット状の封止用樹脂組成物を得ることができる。
このような打錠成形した組成物とすることにより、トランスファー成形、射出成形、および圧縮成形等の公知の成形方法を用いて封止成形することが容易となる。
本実施形態における半導体装置は、たとえば上述した本実施形態における封止用樹脂組成物で半導体素子を封止してなるものである。また、封止用樹脂組成物は、半導体装置の封止材、モールドアンダーフィル材等として用いることができる。
以下、図面を参照してさらに具体的に説明する。
構造体102は、基板10と、複数の半導体素子20と、封止材30と、を備えている。複数の半導体素子20は、基板10上に配置されている。図2においては、各半導体素子20が、バンプ22を介して基板10上にフリップチップ実装される場合が例示されている。封止材30は、複数の半導体素子20を封止し、かつ基板10と各半導体素子20との間の隙間24に充填されている。封止材30は、上述した封止用樹脂組成物を、たとえば圧縮成形法を用いて成形することにより得られる。この場合、充填性に優れた封止用樹脂組成物を用いて、各半導体素子20を封止しつつ各隙間24内を充填することができる。
また、半導体装置100および構造体102においては、たとえば、20μm以下、好ましくは10μm以下の狭ギャップ部分への充填性に優れたものとすることも可能となる。
以下、参考形態の例を付記する。
1. 硬化性樹脂と、
無機充填材と、
難燃剤と、
を含み、
前記無機充填材の平均粒径d 50 が0.3μm以上10μm以下であり、
前記難燃剤の平均粒径d 50 が2.2μm以下であり、
20μm以下のギャップが設けられた部材の前記ギャップの充填に用いられる、半導体封止用樹脂組成物。
2. 前記難燃剤の粒径d 90 が2.0μm以上7.5μm以下である、1.に記載の半導体封止用樹脂組成物。
3. 前記難燃剤が、水酸化アルミニウム、水酸化マグネシウム、モリブデン酸亜鉛、ホウ酸亜鉛、酸化亜鉛およびメラミン樹脂からなる群から選択される1種または2種以上を含む、1.または2.に記載の半導体封止用樹脂組成物。
4. 前記無機充填材がシリカを含む、1.乃至3.いずれか1つに記載の半導体封止用樹脂組成物。
5. 前記無機充填材の平均粒径d 50 に対する前記難燃剤の平均粒径d 50 の比(難燃剤のd 50 /無機充填材のd 50 )が1.1以上3.0以下である、1.乃至4.いずれか1つに記載の半導体封止用樹脂組成物。
6. 1.乃至5.いずれか1つに記載の半導体封止用樹脂組成物で半導体素子を封止してなる、半導体装置。
各例について、表1に記載の配合にて封止用樹脂組成物を調製し、評価した。各例で用いた成分は以下のとおりである。
以下において、無機充填材および難燃剤の粒度分布は、いずれも、レーザー回折式粒度分布測定装置(島津製作所社製、SALD-7000)により測定した。
無機充填材1:シリカ、アドマテックス社製、d50=1.5μm、電気伝導度=6.8μS/cm
(エポキシ樹脂)
エポキシ樹脂1:ビフェニルアラルキル型エポキシとビフェノールグリシジルエーテルの混合物(CER-3000-L、日本化薬社製)
(エポキシ樹脂以外の硬化性樹脂)
硬化性樹脂1:ビフェニルアラルキル型フェノール(MEH-7851SS、明和化成社製)
難燃剤1:水酸化アルミニウム粉砕物、d50=2.8μm、d90=9.3μm、電気伝導度=23μS/cm
難燃剤2:水酸化アルミニウム粉砕物、d50=2.1μm、d90=7.1μm、電気伝導度=24μS/cm
難燃剤3:水酸化アルミニウム粉砕物、d50=1.5μm、d90=4.6μm、電気伝導度=38μS/cm
難燃剤4:水酸化アルミニウム粉砕物、d50=1.0μm、d90=3.5μm、電気伝導度=34μS/cm
着色剤1:カーボンブラック(ERS-2001、東海カーボン社製)
(硬化促進剤)
硬化促進剤1:下記式で表される硬化促進剤(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(TOWAX-132、東亞合成社製)
(カップリング剤)
カップリング剤1:フェニルアミノプロピルトリメトキシシラン(CF-4083、東レダウコーニング社製)
(低応力剤)
低応力剤1:カルボキシル基末端ブタジエン・アクリロニトリル共重合体(HYCAR CTBN1008SP、ピィ・ティ・アイ社製)
まず、表1に示す各成分をミキサーにより混合した。次いで、得られた混合物を、ロール混練した後、冷却、粉砕して粉粒体である封止用樹脂組成物を得た。
(ギャップ充填性)
各例で得られた封止用樹脂組成物を用い、狭部充填評価用Cu-TEG(18.8mm四方×0.64mm厚、Cuピラーバンプ径100μm、Cuピラーバンプピッチ200μm、GAP高さ10μm)を、トランスファー成形機を用いて、金型温度165℃、注入圧力4.5MPa、硬化時間180秒で成形した。成形後に成形物を基材から剥離したのち、充填部を日立ハイテクノロジーズ製、卓上顕微鏡TM3030で観察し、ボイドの有無やレジンリッチ、フィラーリッチ層(分離層)の確認をおこなった。評価基準を以下に示す。
○:完全充填かつフィラーと樹脂が分離した不均一部分が無い(合格)。
△:完全充填しているが外周部にレジンリッチの分離層が観察される。
×:未充填部がある、もしくは狭部充填部にレジンリッチの分離層が観察される。
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、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。
各実施例および各比較例について、得られた封止用樹脂組成物の硬化物の難燃性を、次のように測定した。まず、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3分で封止用樹脂組成物を注入成形し、3.2mm×13mm×125mmの試験片を得た。得られた試験片について、ポストキュアとして175℃で8時間処理した後、UL-94垂直試験(試験片厚さ3.2mm)をおこない、難燃性を判定した。ここでは、サンプルの最大燃焼時間Fmax(秒)の比較で優劣を判定した。
102 構造体
10 基板
20 半導体素子
22 バンプ
24 隙間
30 封止材
Claims (6)
- 硬化性樹脂と、
無機充填材と、
難燃剤と、
を含み、
前記無機充填材の平均粒径d50が0.3μm以上10μm以下であり、
前記難燃剤の平均粒径d50が2.2μm以下であり、
前記無機充填材の平均粒径d 50 に対する前記難燃剤の平均粒径d 50 の比(難燃剤のd 50 /無機充填材のd 50 )が0.5以上3.0以下であり、
20μm以下のギャップが設けられた部材の前記ギャップの充填に用いられる、半導体封止用樹脂組成物。 - 前記難燃剤の粒径d90が2.0μm以上7.5μm以下である、請求項1に記載の半導体封止用樹脂組成物。
- 前記難燃剤が、水酸化アルミニウム、水酸化マグネシウム、モリブデン酸亜鉛、ホウ酸亜鉛、酸化亜鉛およびメラミン樹脂からなる群から選択される1種または2種以上を含む、請求項1または2に記載の半導体封止用樹脂組成物。
- 前記無機充填材がシリカを含む、請求項1乃至3いずれか1項に記載の半導体封止用樹脂組成物。
- 前記無機充填材の平均粒径d50に対する前記難燃剤の平均粒径d50の比(難燃剤のd50/無機充填材のd50)が1.1以上3.0以下である、請求項1乃至4いずれか1項に記載の半導体封止用樹脂組成物。
- 請求項1乃至5いずれか1項に記載の半導体封止用樹脂組成物で半導体素子を封止してなる、半導体装置。
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