JP7283089B2 - 半導体パッケージおよびそれに用いる封止用エポキシ樹脂組成物 - Google Patents
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Description
そこで、本発明者は、銅よりも腐食しにくいが、金より安価である銀(Ag)を、主成分とする銀ワイヤを用いることで、長時間使用後における腐食を防止できると考えた。
このような知見に基づきさらに鋭意研究したところ、銀ワイヤを用いた半導体パッケージにおいて、銀ワイヤを封止する封止材層の材料として、ビフェニル骨格を有するエポキシ樹脂を含む封止用エポキシ樹脂組成物の硬化物を用い、その硬化物中の塩素イオン濃度を低減することで、高温高湿環境下における長期接続信頼性を向上できることを見出し、本発明を完成するに至った。
基板と、
前記基板上に搭載された半導体素子と、
前記基板と前記半導体素子とを接続し、Ag元素を主成分として含むボンディングワイヤと、
前記基板、前記半導体素子、および前記ボンディングワイヤを封止する、封止用エポキシ樹脂組成物の硬化物で構成される封止材層と、
を備える半導体パッケージであって、
前記封止用エポキシ樹脂組成物が、ビフェニル骨格を有するエポキシ樹脂を含み、
下記手順で測定される、前記封止用エポキシ樹脂組成物の硬化物中の塩素イオンの含有量が、20.0ppm以下である、半導体パッケージが提供される。
(手順)
前記封止用エポキシ樹脂組成物の硬化物5gに対して50mLの純水を加え、125℃24時間熱水抽出し、抽出水を得る。得られた前記抽出水をイオンクロマトグラフにより分析することにより、前記封止用エポキシ樹脂組成物の硬化物中のイオン濃度を測定する。
基板と、
前記基板上に搭載された半導体素子と、
前記基板と前記半導体素子とを接続し、Ag元素を主成分として含むボンディングワイヤと、
前記基板、前記半導体素子、および前記ボンディングワイヤを封止する封止材層と、
を備える半導体パッケージにおいて、前記封止材層を形成するために用いる封止用エポキシ樹脂組成物であって、
ビフェニル骨格を有するエポキシ樹脂を含み、
下記手順で測定される、前記封止用エポキシ樹脂組成物の硬化物中の塩素イオンの含有量が、20ppm以下である、封止用エポキシ樹脂組成物が提供される。
(手順)
前記封止用エポキシ樹脂組成物の硬化物5gに対して50mLの純水を加え、125℃24時間熱水抽出し、抽出水を得る。得られた前記抽出水をイオンクロマトグラフにより分析することにより、前記封止用エポキシ樹脂組成物の硬化物中のイオン濃度を測定する。
本実施形態の半導体パッケージは、基板と、基板上に搭載された半導体素子と、基板と半導体素子とを接続し、Ag元素を主成分として含むボンディングワイヤと、基板、半導体素子、およびボンディングワイヤを封止する、封止用エポキシ樹脂組成物の硬化物で構成される封止材層と、を備える。
この半導体パッケージ中の封止材層の形成するために用いる封止用エポキシ樹脂組成物は、ビフェニル骨格を有するエポキシ樹脂を含み、下記手順で測定される、封止用エポキシ樹脂組成物の硬化物中の塩素イオンの含有量が、20.0ppm以下を満たすものである。
(手順)
当該封止用エポキシ樹脂組成物の硬化物5gに対して50mLの純水を加え、125℃24時間熱水抽出し、抽出水を得る。得られた抽出水をイオンクロマトグラフにより分析することにより、封止用エポキシ樹脂組成物の硬化物中のイオン濃度を測定する。
これらの両者を評価する方法として、熱水で抽出された抽出水をイオンクロマトグラフで測定する方法がある。この測定値は、加水分解性塩素量のみならず、遊離塩素量を低減する指標に活用できる。
上記エポキシ樹脂として、1分子内にエポキシ基を2個以上有するモノマー、オリゴマー、ポリマーを使用することが可能である。
このようなエポキシ樹脂の具体例としては、ビスフェノールA型エポキシ樹脂、ビスフェノールF型エポキシ樹脂、ビスフェノールE型エポキシ樹脂、ビスフェノールS型エポキシ樹脂、水添ビスフェノールA型エポキシ樹脂、ビスフェノールM型エポキシ樹脂(4,4’-(1,3-フェニレンジイソプリジエン)ビスフェノール型エポキシ樹脂)、ビスフェノールP型エポキシ樹脂(4,4’-(1,4-フェニレンジイソプリジエン)ビスフェノール型エポキシ樹脂)、ビスフェノールZ型エポキシ樹脂(4,4’-シクロヘキシジエンビスフェノール型エポキシ樹脂)、テトラメチルビスフェノールF型エポキシ樹脂などのビスフェノール型エポキシ樹脂;フェノールノボラック型エポキシ樹脂、臭素化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、テトラフェノール基エタン型ノボラック型エポキシ樹脂、縮合環芳香族炭化水素構造を有するノボラック型エポキシ樹脂などのノボラック型エポキシ樹脂;ビフェニル型エポキシ樹脂;キシリレン型エポキシ樹脂、ビフェニルアラルキル型エポキシ樹脂などのアラルキル型エポキシ樹脂;ナフチレンエーテル型エポキシ樹脂、ナフトール型エポキシ樹脂、ナフタレン型エポキシ樹脂、ナフタレンジオール型エポキシ樹脂、2官能ないし4官能エポキシ型ナフタレン樹脂、ビナフチル型エポキシ樹脂、ナフタレンアラルキル型エポキシ樹脂などのナフタレン骨格を有するエポキシ樹脂;アントラセン型エポキシ樹脂;フェノキシ型エポキシ樹脂;ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂;ノルボルネン型エポキシ樹脂;アダマンタン型エポキシ樹脂;フルオレン型エポキシ樹脂、リン含有エポキシ樹脂、脂環式エポキシ樹脂、脂肪族鎖状エポキシ樹脂、ビスフェノールAノボラック型エポキシ樹脂、ビキシレノール型エポキシ樹脂、トリヒドロキシフェニルメタン型エポキシ樹脂、スチルベン型エポキシ樹脂、テトラフェニロールエタン型エポキシ樹脂、トリグリシジルイソシアヌレートなどの複素環式エポキシ樹脂;N,N,N’,N’-テトラグリシジルメタキシレンジアミン、N,N,N’,N’-テトラグリシジルビスアミノメチルシクロヘキサン、N,N-ジグリシジルアニリンなどのグリシジルアミン類や、グリシジル(メタ)アクリレートとエチレン性不飽和二重結合を有する化合物との共重合物;ブタジエン構造を有するエポキシ樹脂;ビスフェノールのジグリシジルエーテル化物;ナフタレンジオールのジグリシジルエーテル化物;フェノール類のグリシジルエーテル化物などが挙げられる。これらは、1種を単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。また、アラルキル型エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂、ビスフェノールA型エポキシ樹脂、ビスフェノールF型エポキシ樹脂、およびテトラメチルビスフェノールF型エポキシ樹脂等のビスフェノール型エポキシ樹脂、ならびにスチルベン型エポキシ樹脂は結晶性を有するものであってもよい。中でも、高温高湿環境下における耐湿信頼性を向上させる観点から、ビフェニル型エポキシ樹脂を含むことが好ましい。
なお、一般式(1)中、複数存在するR1及びR2はそれぞれ同一でも異なっていてもよい。
また、封止用エポキシ樹脂組成物を、単に「樹脂組成物」と呼称することもある。
上記封止用エポキシ樹脂組成物は、硬化剤を含むことができる。
上記硬化剤は、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。
このようなフェノール樹脂系硬化剤としては、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樹脂;ポリビニルフェノール;ビフェニルアラルキル型フェノール樹脂や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;フェニレン骨格及び/又はビフェニレン骨格を有するフェノールアラルキル樹脂、フェニレン及び/又はビフェニレン骨格を有するナフトールアラルキル樹脂等のアラルキル型樹脂;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等が挙げられ、これらは1種類を単独で用いても2種類以上を併用してもよい。中でも、高温高湿環境条件下における半導体パッケージの耐湿信頼性を向上させる観点から、多官能型フェノール樹脂を含むことが好ましい。
上記封止用エポキシ樹脂組成物は、無機充填材を含むことができる。
上記無機充填材としては、一般に半導体封止材料に用いられている無機充填材を用いることができる。
上記無機充填材として、溶融破砕シリカ、溶融球状シリカ、結晶シリカ、2次凝集シリカ等のシリカ;アルミナ;チタンホワイト;水酸化アルミニウム;タルク;クレー;マイカ;ガラス繊維等が挙げられる。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。中でも、溶融球状シリカを用いることができる。
また、無機充填材の他に、有機充填材を用いてもよい。
上記有機充填材としては、オルガノシリコーンパウダー、ポリエチレンパウダー等が挙げられる。
なお、無機充填材の平均粒子径d50は、たとえばレーザー回折式粒度分布測定装置(HORIBA社製、LA-500)を用いて測定することが可能である。
上記封止用エポキシ樹脂組成物は、カップリング剤を含むことができる。
充填材には、カップリング剤を用いて表面処理が施されてもよい。
上記封止用エポキシ樹脂組成物は、イオン捕捉剤をさらに含むことができる。イオン捕捉剤は、樹脂組成物中に含まれる不純物イオンをイオン交換することができる。これにより、耐リフロー性、耐湿信頼性および高温動作特性という観点において信頼性に優れた半導体パッケージとすることができる。
上記封止用エポキシ樹脂組成物は、たとえば硬化促進剤をさらに含むことができる。
上記硬化促進剤は、エポキシ樹脂のエポキシ基と、硬化剤(たとえば、フェノール樹脂系硬化剤のフェノール性水酸基)と、の架橋反応を促進させるものであればよく、一般の半導体封止用エポキシ樹脂組成物に使用するものを用いることができる。
上記他の成分として、カーボンブラック、ベンガラ等の着色剤;シリコーンオイルやシリコーンゴム等の低応力成分;カルナバワックス等の天然ワックス、合成ワックス、ステアリン酸亜鉛等の高級脂肪酸及びその金属塩類もしくはパラフィン等の離型剤;水酸化アルミニウム、水酸化マグネシウム、ホウ酸亜鉛、モリブデン酸亜鉛、ホスファゼン等の難燃剤、酸化防止剤等の各種添加剤を含むことができる。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。
封止用エポキシ樹脂組成物の硬化物5gに対して50mLの純水を加え、125℃24時間熱水抽出し、抽出水を得る。得られた抽出水をイオンクロマトグラフにより分析することにより、抽出水中のイオン濃度を測定し、これを封止用エポキシ樹脂組成物の硬化物中のイオン濃度とする。
260℃での熱時弾性率は、たとえば、動的粘弾性測定器を用いて、JIS K-6911の三点曲げモードに準じて、周波数10Hz、測定温度260℃の条件で測定することができる。なお、単位は、MPaである。
上記スパイラルフローは、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、EMMI-1-66に準じたスパイラルフロー測定用の金型に、金型温度175℃、注入圧力6.9MPa、硬化時間120秒の条件で、封止用エポキシ樹脂組成物を注入し、流動長をスパイラルフローとして測定する。
ここで、半導体パッケージの封止成形方法としては、例えば、トランスファー成形法、圧縮成形法、インジェクション成形法等が挙げられる。中でも、当該樹脂組成物の充填性を良好にする観点から、トランスファー成形法または圧縮成形法を採用することが好ましい。そのため、封止用エポキシ樹脂組成物の形態は、粉粒状、顆粒状、タブレット状またはシート状であることが好ましい。
次に、本実施形態に係る半導体パッケージ100について説明する。
図1は、本実施形態に係る半導体パッケージの一例を示す図である。
図1に示すように、半導体パッケージ100は、基板30と、基板30上に搭載された半導体素子20と、基板30と半導体素子20とを接続し、Ag元素を主成分として含むボンディングワイヤ40と、半導体素子20およびボンディングワイヤ40を封止し、上記の封止用エポキシ樹脂組成物の硬化物で構成される封止材層50と、を備える。
ボンディングワイヤ40は、銀を主成分として他の金属を含む銀合金により構成されたものである。上記他の金属としては、パラジウム等が挙げられる。
図1においては、ボンディングワイヤ40が、半導体素子20の電極パッド22と、基板30のうちのアウターリード34と、を電気的に接続する場合が例示されている。
以下、参考形態の例を付記する。
[1]
基板と、
前記基板上に搭載された半導体素子と、
前記基板と前記半導体素子とを接続し、Ag元素を主成分として含むボンディングワイヤと、
前記基板、前記半導体素子、および前記ボンディングワイヤを封止する、封止用エポキシ樹脂組成物の硬化物で構成される封止材層と、
を備える半導体パッケージであって、
前記封止用エポキシ樹脂組成物が、ビフェニル骨格を有するエポキシ樹脂を含み、
下記手順で測定される、前記封止用エポキシ樹脂組成物の硬化物中の塩素イオンの含有量が、20.0ppm以下である、半導体パッケージ。
(手順)
前記封止用エポキシ樹脂組成物の硬化物5gに対して50mLの純水を加え、125℃24時間熱水抽出し、抽出水を得る。得られた前記抽出水をイオンクロマトグラフにより分析することにより、前記封止用エポキシ樹脂組成物の硬化物中のイオン濃度を測定する。
[2]
[1]に記載の半導体パッケージであって、
前記封止用エポキシ樹脂組成物が、互いに異なる2種以上の前記ビフェニル骨格を有するエポキシ樹脂を含む、半導体パッケージ。
[3]
[1]または[2]に記載の半導体パッケージであって、
前記ビフェニル骨格を有するエポキシ樹脂が、下記の一般式(1)で表される化合物を含む、半導体パッケージ。
[4]
[1]~[3]のいずれか一項に記載の半導体パッケージであって、
前記ビフェニル骨格を有するエポキシ樹脂が、下記の一般式(2)で表される化合物を含む、半導体パッケージ。
[5]
[1]~[4]のいずれか一項に記載の半導体パッケージであって、
上記手順で測定される、前記封止用エポキシ樹脂組成物の硬化物中の塩素イオン、ナトリウムイオン、マグネシウムイオン、カリウムイオン、およびブロモイオンの含有量の合計値が、100ppm以下である、半導体パッケージ。
[6]
[1]~[5]のいずれか一項に記載の半導体パッケージであって、
前記封止用エポキシ樹脂組成物が、無機充填材を含む、半導体パッケージ。
[7]
[1]~[6]のいずれか一項に記載の半導体パッケージであって、
前記封止用エポキシ樹脂組成物が、硬化剤を含む、半導体パッケージ。
[8]
基板と、
前記基板上に搭載された半導体素子と、
前記基板と前記半導体素子とを接続し、Ag元素を主成分として含むボンディングワイヤと、
前記基板、前記半導体素子、および前記ボンディングワイヤを封止する封止材層と、
を備える半導体パッケージにおいて、前記封止材層を形成するために用いる封止用エポキシ樹脂組成物であって、
ビフェニル骨格を有するエポキシ樹脂を含み、
下記手順で測定される、前記封止用エポキシ樹脂組成物の硬化物中の塩素イオンの含有量が、20.0ppm以下である、封止用エポキシ樹脂組成物。
(手順)
前記封止用エポキシ樹脂組成物の硬化物5gに対して50mLの純水を加え、125℃24時間熱水抽出し、抽出水を得る。得られた前記抽出水をイオンクロマトグラフにより分析することにより、前記封止用エポキシ樹脂組成物の硬化物中のイオン濃度を測定する。
実施例、比較例について、次のように封止用エポキシ樹脂組成物を調製した。
まず、表1に従い配合された各原材料を常温でミキサーを用いて混合した後、70~100℃でロール混練した。次いで、得られた混練物を冷却した後、これを粉砕することにより、粉粒状の封止用エポキシ樹脂組成物を得た。
表1中における各成分の詳細は下記のとおりである。また、表1中の単位は、質量%である。
・無機充填材1:溶融球状シリカ(電気化学工業社製、FB-950、平均粒子径d50:23μm)
・無機充填材2:溶融球状シリカ(アドマテックス社製、SD2500-SQ、平均粒子径d50:0.9μm)
・無機充填材3:溶融球状シリカ(アドマテックス社製、SD5500-SQ、平均粒子径d50:1.5μm)
・エポキシ樹脂1:ビフェニルアラルキル型エポキシ樹脂(日本化薬社製、NC―3000L)
・エポキシ樹脂2:下記の化学式で表される、ビフェニルアラルキル型エポキシ樹脂(日本化薬社製、NC-3000-LLC)
・エポキシ樹脂4:下記化学式で表される、4,4’-ビフェノールとの混合物(三菱化学社製、YL7985)
・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)
・硬化剤2: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(エア・ウォーター社製、HE910-20)
・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(東レ・ダウコーニング社製、CF-4083)
・低応力剤1:シリコーンオイル(九州住友ベークライト社製、M69B)
・低応力剤2:ブタジエン-アクリロニトリルゴム(宇部興産社製、CTBN1008SP)
得られた封止用エポキシ樹脂組成物の硬化物中におけるイオン濃度を、次のようにして測定した。
まず、上記で得られた封止用エポキシ樹脂組成物を用いて、金型温度175℃、注入圧力10.0MPa、硬化時間2分の条件で成形し、その後、175℃、4時間の条件で後硬化して硬化物を得た。その硬化物を粉砕ミルにより3分間粉砕したものを、200メッシュの篩で篩分し、篩を通過した粉を試料として調製した。
得られた試料5gと純水50mlとを、テフロン(登録商標)製耐圧容器に入れて密閉し、温度125℃、相対湿度100%RH、24時間の処理(熱水抽出)を行なった。次に、室温まで冷却した後、抽出水を遠心分離し、20μmフィルターにてろ過し、ろ液を抽出水とした。
得られた抽出水を、イオンクロマト装置(サーモフィッシャーサイエンティフィック社製)を用いたイオンクロマトグラフにより分析し、その抽出水中のイオン濃度を測定した。得られたイオン濃度を硬化物中のイオン濃度とした。結果を表2に示す。
(電気伝導度)
上記(イオン濃度)で得られた抽出水の電気伝導度を、サーモフィッシャーサイエンティフィック社製の伝導度計を用いて測定した。結果を表2に示す。
(pH)
上記(イオン濃度)で得られた抽出水のpHを、サーモフィッシャーサイエンティフィック社製のpHメーターを用いて測定した。結果を表2に示す。
実施例および比較例について、次のように半導体パッケージを作製した。
まず、アルミニウム製電極パッドを備えるTEG(Test Element Group)チップ(3.5mm×3.5mm)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。次いで、TEGチップの電極パッドと、リードフレームのアウターリード部と、Agを96質量%含む銀合金により構成されるボンディングワイヤを用いて、ワイヤピッチ120μmでワイヤボンディングし、構造体を得た。
この構造体を、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、上記で得られた封止用エポキシ樹脂組成物を用いて封止成形し、その後、175℃、4時間の条件で後硬化して、図1に示すような半導体パッケージを得た。
得られた半導体パッケージについて、温度を135℃とし、85%RH、印加電圧20Vの条件でHAST試験を実施し、電気接続の不良が発生する時間(h)を測定した。
測定結果は、実施例1が400h、比較例1が320hであった。
10 ダイアタッチ材
20 半導体素子
22 電極パッド
30 基板
32 ダイパッド
34 アウターリード
40 ボンディングワイヤ
50 封止材層
Claims (7)
- 基板と、
前記基板上に搭載された半導体素子と、
前記基板と前記半導体素子とを接続し、Ag元素を主成分として含むボンディングワイヤと、
前記基板、前記半導体素子、および前記ボンディングワイヤを封止する、封止用エポキシ樹脂組成物の硬化物で構成される封止材層と、
を備える半導体パッケージであって、
前記封止用エポキシ樹脂組成物が、ビフェニル骨格を有するエポキシ樹脂を含み、
下記手順で測定される、前記封止用エポキシ樹脂組成物の硬化物中の塩素イオンの含有量が、20.0ppm以下であり、
前記封止用エポキシ樹脂組成物が、互いに異なる2種以上の前記ビフェニル骨格を有するエポキシ樹脂を含む、半導体パッケージ。
(手順)
前記封止用エポキシ樹脂組成物の硬化物5gに対して50mLの純水を加え、125℃24時間熱水抽出し、抽出水を得る。得られた前記抽出水をイオンクロマトグラフにより分析することにより、前記封止用エポキシ樹脂組成物の硬化物中のイオン濃度を測定する。 - 請求項1~3のいずれか一項に記載の半導体パッケージであって、
上記手順で測定される、前記封止用エポキシ樹脂組成物の硬化物中の塩素イオン、ナトリウムイオン、マグネシウムイオン、カリウムイオン、およびブロモイオンの含有量の合計値が、100ppm以下である、半導体パッケージ。 - 請求項1~4のいずれか一項に記載の半導体パッケージであって、
前記封止用エポキシ樹脂組成物が、無機充填材を含む、半導体パッケージ。 - 請求項1~5のいずれか一項に記載の半導体パッケージであって、
前記封止用エポキシ樹脂組成物が、硬化剤を含む、半導体パッケージ。 - 基板と、
前記基板上に搭載された半導体素子と、
前記基板と前記半導体素子とを接続し、Ag元素を主成分として含むボンディングワイヤと、
前記基板、前記半導体素子、および前記ボンディングワイヤを封止する封止材層と、
を備える半導体パッケージにおいて、前記封止材層を形成するために用いる封止用エポキシ樹脂組成物であって、
ビフェニル骨格を有するエポキシ樹脂を含み、
下記手順で測定される、前記封止用エポキシ樹脂組成物の硬化物中の塩素イオンの含有量が、20.0ppm以下であり、
前記封止用エポキシ樹脂組成物は、互いに異なる2種以上の前記ビフェニル骨格を有するエポキシ樹脂を含む、封止用エポキシ樹脂組成物。
(手順)
前記封止用エポキシ樹脂組成物の硬化物5gに対して50mLの純水を加え、125℃24時間熱水抽出し、抽出水を得る。得られた前記抽出水をイオンクロマトグラフにより分析することにより、前記封止用エポキシ樹脂組成物の硬化物中のイオン濃度を測定する。
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