JPH05291436A - 半導体封止用エポキシ樹脂成形材料 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 低応力性で、かつはんだ付け工程時における
耐パッケ−ジクラック性に優れた半導体封止用エポキシ
樹脂成形材料を提供すること。 【構成】 エポキシ樹脂、フェノール性水酸基を有する
化合物、硬化促進剤、両末端にカルボキシル基を有する
平均重合度３５〜６０のジメチルシリコ−ンオイルとエ
ポキシ樹脂とをトリフェニルホスフィンを触媒として反
応させた反応物および、充填剤が最大粒径１２８μｍ以
下の球状溶融シリカと最大粒径６４μｍ以下の角状溶融
シリカの７／３〜９／１の混合物を組成物全体に対して
８３重量％以上含有してなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、低膨張かつ低弾性率な
半導体封止用エポキシ樹脂成形材料に関する。

【０００２】

【従来の技術】エポキシ樹脂は、他の熱硬化性樹脂に比
べて、電気特性、機械特性、耐熱性、接着性、耐水性等
に優れているため各種成形材料として広く利用されてい
る。特に最近においては半導体封止用成形材料として注
目されている。エポキシ樹脂成形材料で封止された樹脂
封止型半導体装置は、線膨張係数の異なる種々の部材か
ら構成されているため、外部環境の温度変化によリ熱応
力が発生する。このうち成形材料に起因する熱応力が最
も大きく、さまざまな故障の原因となる。具体的な故障
モードとしては、アルミ配線変形、パッシベーションク
ラック、パッケージクラックなどであり、この結果、素
子特性変動やアルミ配線腐食を引き起こす。

【０００３】半導体素子の集積度は年々向上しており、
それに伴い配線の徴細化、多層配線化，素子サイズの大
形化が急速に進んでいる。一方、半導体素子を外部環境
から保護するパッケージは、プリント基板の高密度実装
の観点から小形薄形化の傾向を強めている。このような
大形素子を小形薄形パッケージに封入した樹脂封止型半
導体装置では、上述した熱応力に起因する故障が非常に
起こり易くなっている。この解決策として封止用成形材
料の低応力化が強く求められてきた。

【０００４】低応力化を図る方法としては次に示す２つ
の方法がある。成形材料の弾性率をできるだけ小さく
する（低弾性率化）。成形材料の線膨張係数を下げ、
できるだけ半導体素子の線膨張係数に近づける（低膨張
化）。従来より、それぞれの方法が検討されてきてい
る。まず、の低弾性率化については、各種のゴム成分
による改質が検討されてきた。その結果、現在では、熱
的な安定性に優れたシリコーン重合体で改質されたエポ
キシ樹脂成形材料が広く使用されるようになっている。
シリコーンオイルは、成形材料のベース樹脂であるエポ
キシ樹脂及び硬化剤と相溶しないため、ベース樹脂中に
微粒子分散（海島構造）し、耐熱性を維持したまま低弾
性率化が図れる。

【０００５】次に、の低膨張化については、充填剤量
を増す方向で検討されてきた。この場合、当然のことな
がら流動性の低下及び弾性率の増大という問題が生ず
る。流動性が低下すると、半導体の封止方法として一般
的に行われているトランスファー成形ができなくなるた
め充填剤添加量が限定され、したがって、線膨張係数の
低減もおのずと限界があった（１．７×１０^-5／℃程
度）。この解決策として、充填剤の形状及び粒度分布に
ついて種々検討された。その結果、特開昭６３−１２８
０２０号公報及び特開昭６４−１１３５５号公報に示さ
れているように、特定の粒度分布を持つ球形シリカを使
用すれば従来よりはるかに多量の充填剤を配合すること
が可能になり、その結果、硬化物の線膨張係数が１．０
×１０^-5／℃を有する低膨張な成形材料が発明された。
さらに、との手法を組合せ、低膨張低弾性率な硬化
物を与える成形材料が特開昭６３−１０８０２１に開示
されている（線膨張係数：１．０×１０^-5／℃、弾性
率：２１７０ｋｇ／ｍｍ² ）。

【０００６】しかしながら、半導体分野の進歩は目覚ま
しく高集積化、素子サイズの大形化は更に進んでいるた
め、より低応力な封止用成形材料が望まれていた。そこ
で、本発明者等は球形充填剤の粒度分布と配合量、さら
に特定の重合度を有するシリコ一ンオイルとエポキシ樹
脂との共重合体について鋭意検討を進めた結果、従来技
術にない低膨張かつ低弾性率な成形材料を提案した。
（特開平３−１９７５２９号）。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】近年、電子機器の高密
度化のニーズから表面実装型パッケージの比率が急速に
増加するに伴い、はんだ付け方法も量産に適したベーパ
ーフェイズリフローあるいは赤外線リフローと呼ばれる
方法が主流になってきている。これらの方法では、パッ
ケ一ジ全体がはんだ溶融温度に曝されるため、パッケー
ジが吸湿していると急激な温度上昇による水分の爆発的
な気化膨張によってパッケージクラックが発生すると、
クラックが発生すると、その後の耐湿信頼性が低下する
ため、大きな問題になってきている。

【０００８】上記のように、近年の半導体封止用成形材
料には、低応力性に加え、はんだ付け工程時における耐
パッケージクラック性という２つの大きな特性要求が求
められている。本発明者等は、上記のような要求に従
い、先に提案した成形材料のはんだ付け工程時の耐パッ
ケ一ジクラック性を評価した。その結果、世の中の要求
レべルに対してやや不十分である事を認識した。そこで
本発明者等は、低応力性を維持したまま上記要求項目を
改善するため鋭意検討を行い、本発明に至った。

【０００９】

【課題を解決するための手段】すなわち本発明は、 （Ａ）１分子中に２個以上のエポキシ基を有するエポキ
シ樹脂 （Ｂ）１分子中に２個以上のフェノール性水酸基を有す
る化合物 （Ｃ）エポキシ基とフェノール性水酸基の反応を促進す
る硬化促進剤 （Ｄ）両未端にカルボキシル基を有する平均重合度３５
〜６０のジメチルシリコ−ンオイルと（Ａ）成分とをト
リフェニルホスフィンを触媒として反応させた反応物 （Ｅ）充填剤が最大粒径１２８μｍ以下の球状溶蝕シリ
カと最大粒径６４μｍ以下の角状溶融シリカの７／３〜
９／１の混合物であって、かつ充填剤全体として下記の
粒度分布を有する混合充填剤

【００１０】 ２μｍ以下 ： ９〜１３重量％ ２〜８μｍ ：１８〜２４重量％ ８〜１６μｍ ：１２〜１６重量％ １６〜３２μｍ：１７〜２１重量％ ３２〜６４μｍ：２６〜３２重量％ ６４μｍ以上 ： ４〜 ８重量％ を必須成分とし、かつ、上記（Ｅ）成分が組成物全体に
対して８３重量％以上含有して成ることを特徴とする半
導体封止用エポキシ樹脂成形材料である。

【００１１】本発明において用いられる（Ａ）成分の１
分子中に２個以上のエポキシ基を有するエポキシ樹脂と
しては、半導体封止用エポキシ樹脂成形材料で、一般に
使用されているものであれば制限はなく、フェノールノ
ボラック型エポキシ樹脂、オルソクレゾールノボラック
型エポキシ樹脂をはじめとするフェノール類とアルデヒ
ド類のノボラック樹脂をエポキシ化したもの、ハイドロ
キノン、ビスフエノールＡ、ビスフェノールＢ、ビスフ
ェノールＦ、ビスフェノ一ルＳ等のジグリシジルエーテ
ル、フタル酸、ダイマー酸等の多塩基とエピクロルヒド
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、ジアミノジフェニルメタン、イソシアヌ一ル酸
等のポリアミンとエピクロルヒドリンとの反応で得られ
るグリシジルアミン型エポキシ樹脂、オレフィン結合を
過酢酸等の過酸で酸化して得られる線状脂肪族エポキシ
樹脂及び脂環式エポキシ樹脂等があり、単独又は２種類
以上併用して使用することができるが、耐熱性、耐湿
性、コストの点から、エポキシ当量２２０以下のオルソ
クレゾールノボラック型エポキシ樹脂を（Ａ）成分全体
の５０重量％以上使用することが好ましい。

【００１２】本発明において用いられる（Ｂ）成分の１
分子中に２個以上のフェノール性水酸基を有する化合物
としては、フェノール、クレゾール、キシレノール、ハ
イドロキノン、レゾルシン、カテコール、ビスフェノー
ルＡ、ビスフェノールＦなどのフェノール類とアルデヒ
ド類とを酸性触媒下で縮合反応させて得られるノボラッ
ク型フェノール樹脂、ビスフェノールＡ、ビスフェノー
ルＦ、ポリパラビニルフェノール樹脂、レゾルシン、カ
テコール、ハイドロキノンなどの多価フェノール類等が
あり、単独又は２種類以上併用して使用することができ
るが、コスト及び特性のバランスの点から、ノボラック
型フェノール樹脂を（Ｂ）成分全体の５０重量％以上使
用することが好ましい。

【００１３】次に、本発明に用いるは（Ｃ）成分は、上
記（Ａ）成分と（Ｂ）成分の硬化反応を促進するために
必要な成分であり、例えば、１，８−ジアザ−ビシクロ
（５，４，０）ウンデセン−７、べンジルジメチルアミ
ン、トリエタノ一ルアミン、ジメチルアミノエタノー
ル、トリエチレンジアミン、トリス（ジメチルアミノメ
チル）フェノール等の３級アミン類、２−メチルイミダ
ゾール、２−フェニルイミダゾ−ル、２−フェニル−４
−チルイミダゾール、２−ヘプタデシルイミダゾール等
のイミダゾ一ル類、トリブチルトホスフィン、メチルジ
フェニルホスフィン、トリフェニルホスフィン、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
ィン類、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−メチルモリホリンテトラフエニルボレ
ート等のテトラフェニルボロン塩等があげられる。これ
らは、１種に限らず２種以上併用しても良い。

【００１４】本発明に用いる（Ｄ）成分は、両未端にカ
ルボキシル基を有する平均重合度３５〜６０のジメチル
シリコーンオイルと（Ａ）成分とをトリフェニルホスフ
ィンを触媒として反応させた反応物である。本発明者等
は、充填剤を多量に配合したエポキシ樹脂成形材料の弾
性率を効率良く低減するための可撓化剤について検討し
た結果、両末端にカルボキシル基を有する平均重合度３
５〜６０のジメチルシリコ一ンオイルとエポキシ樹脂と
の反応物が有効なことを見出した。低膨張化及び低弾性
率化という本発明の目的を達成するためには上記の特定
な反応物が重要な役割をはたす。（Ｄ）成分を合成する
方法としては、（Ａ）成分とシリコーンオイルをメチル
イソブチルケトン、トルエン、キシレン等の溶媒に溶解
し、トリフェニルホスフィンを触媒として、溶媒の還流
温度で３〜１５時間反応させ、反応終了後溶媒を除去す
ることにより得ることができる。この反応においては、
触媒として、トリフェニルホスフィンを用いることが必
要不可欠である。エポキシ樹脂基とカルボキシル基の反
応を促進するアミシ類やイミダゾール類を用いても反応
物を得ることができるが、この場合、反応物が高分子量
化しやすく、その結果、成形材料に配合した場合流動性
を低下させることになり好ましくない。

【００１５】（Ｄ）成分の合成に際し重要なことは、反
応が完結した時点において、（Ａ）成分中の官能基であ
るエポキシ基の一部が残るように、カルボキシル基含有
シリコ一ンオイル中のカルボキシル基と（Ａ）成分中の
エポキシ基の数を考慮して配合することである。すなわ
ち、（Ａ）成分中のエポキシ基の数を１００とした場
合、シリコ一ンオイル中のカルボキシル基の数が５０以
下となるように配合し合成反応を行うことが好ましい。
このような条件下で合成された（Ｄ）成分を用いること
が、成形材料の低弾性率化に有効である。また、（Ｄ）
成分の合成に用いる（Ａ）成分は、先に述べた理由によ
り、エポキシ当量２２０以下のオルソクレゾールノボラ
ック型エポキシ樹脂が好ましい。（Ｄ）成分の配合量
は、（Ｄ）成分中のシリコ一ン量が（Ａ）＋（Ｂ）＋
（Ｄ）合計量に対して５〜１５重量％の範囲とすること
が好ましい。５重量％未満では十分な低応力性が得られ
ず、１５重量％を超えると硬化物の機械的強度が低下す
るためである。

【００１６】上記（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）成分の配合量
としては、３成分中の（エポキシ基数の合計／（フェノ
ール性水酸基数の合計）が０．８〜１．２になるように
配合るすることが、バランスのとれた硬化物を得るため
に好ましい。

【００１７】次に、本発明に用いる（Ｅ）成分の充填剤
は、最大粒径１２８μｍ以下の球状溶融シリカと最大粒
径６４μｍ以下、更に好ましくは４８μｍ以下の角状溶
融シリカの構成比７／３〜９／１の混合物であり、かつ
充填剤全体として下記の粒度分布を有するものである。 ２μｍ以下 ： ９〜１３重量％ ２〜８μｍ ：１８〜２４重量％ ８〜１６μｍ ：１２〜１６重量％ １６〜３２μｍ：１７〜２１重量％ ３２〜６４μｍ：２６〜３２重量％ ６４μｍ以上 ： ４〜 ８重量％

【００１８】ここで、本発明における球形溶融シリカの
粒度分布はＣＩＬＡＳ社製のＧｒａｎｕｌｏｍｅｔｅｒ
モデル７１５型を用い、分散剤としてへキサメタリン酸
ナトリウムを用いて測定した値である。そして、本発明
を達成するためには、この混合充填剤を組成物全体に対
して８３重量％以上配合することが必要である。本発明
者等は先に提案した成形材料（特開平３−１９７５２９
号）の低膨張性、高流動性を維持しながら耐はんだリフ
ロー性を改善するため、充填剤について更に検討を行っ
た。

【００１９】一般に角状溶融シリカは球状溶融シリカに
比べ流動性に劣る傾向があるが、球状溶融シリカを主体
とする全充填剤中の角状シリカの構成割合、粒径、更に
充填剤全体としての粒度分布を管理することにより、高
流動性を維持しながら、耐はんだリフロー性を改善でき
ることを見出した。また、本発明の成形材料には、臭素
化エポキシ樹脂、三酸化アンチモン等の難燃剤、高級脂
肪酸、高級脂肪酸金属塩、エステル系ワックス等の離型
剤、カ一ボンブラック等の着色剤、エポキシシラン、ア
ミノシラン、アルキルシラン、有機チタネート、アルミ
ニウムアリコラート等のカップリング剤等を必要に応じ
て使用することができる。以上のような原材料を用いて
成形材料を作製する一般的な方法としては、所定の配合
量の原材料混合物をミキサー等によって充分混合した
後、熱ロ一ル、押出機等によって混練し、冷却、粉砕す
ることによって成形材料を得ることができる。本発明で
得られる成形材料を用いて半導体を封止する方法として
は、低圧トランスファー成形法が最も一般的であるが、
インジェクション成形、注型等の方法によっても可能で
ある。

【００２０】

【実施例】以下、実施例により本発明を説明するが、本
発明の範囲はこれらの実施例に限定されるものではな
い。まず、実施例及び比較例で用いる（Ｄ）成分を合成
した。エポキシ当量１９３、軟化点６６℃のオルソクレ
ゾールノボラック型エポキシ樹脂と表１に示す両末端に
カルボキシル基を有するシリコーンオイル１〜５を用い
て、Ｄ₁ 〜Ｄ₅ を合成した。なお、反応条件は以下の通
り。 エポキシ樹脂 ： ３０部 シリコ一ンオイル ： １０部 トリフェニルホスフィン：０．４部 トルエン（溶媒） ：１３０部 反応温度 ：還流温度 反応時間 ： ６時間

【００２１】実施例１ （Ａ）成分としてエポキシ当量１９３、軟化点６６℃の
オルソクレゾールノボラック型エポキシ樹脂５５重量部
とエポキシ当量３９６、軟化点６８℃、臭素含有率４９
重量％の臭素化ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂１５重
量部、（Ｂ）成分として水酸基当量１０６、軟化点８１
℃のフェノールノボラック樹脂５０重量部、（Ｃ）成分
としてトリフェニルホスフィン１．０重量部、（Ｄ）成
分として上記のＤ₂ ４０重量部、（Ｅ）成分として表２
に示す球形溶融シリカＥ₁ ８６４部（組成物全体の８３
重量％）、カルナバワックス１．５重量部、三酸化アン
チモン８重量部、カ一ボンブラック１．５重量部、３−
グリシドキシプロピルトリメトキシシラン５重量部を配
合し、１０インチ径の加熱ロールを使用して、混練温度
８０〜９０℃、混練時間１５分の条件で混練した。シー
ト状の混練物を冷却、粉砕することにより実施例１の成
形材料を作製した。

【００２２】実施例２〜５、比較例１〜５ 実施例１の（Ｄ）成分及び（Ｅ）成分を表３に示すよう
にかえた以外は実施例１と同様にして作製した。以上の
１０種の成形材料について、線膨張係数、弾性率、流動
性、はんだ時の耐パッケージクラック性（耐リフローク
ラック性）の評価を行った。その結果を表３に示す。な
お、評価方法は以下の通り。

【００２３】

【表１】

【００２４】（１）線膨張係数 低圧トランスファープレスを用い、金型温度１７５℃、
成形圧力７０ｋｇ／ｃｍ² 、成形時間１２０秒の条件で
成形し、その後１７５℃、６時間、後硬化することによ
り４×４×２０ｍｍの試験片を作製した。これを用い、
熱機械分析装置で測定した。 （２）弾性率 上記と同様の条件で作製した１０×７０×３ｍｍの試験
片を用い、ＪＩＳ−Ｋ−６９１１の方法で測定した。 （３）流動性 ＥＭＭＩ−１−６６に準じたスパイラルフロー測定用金
型を用い、金型温度１７５℃、成形圧力７０ｋｇ／ｃｍ
² の条件で成形し流動距離を求めた。

【００２５】（４）耐リフロークラック性 各成形材料を用い、寸法２０×１４×２ｍｍ、ピン数８
０のＱＦＰ（ＱｕａｄＦｌａｔ Ｐａｃｋａｇｅ）を成
形し、１７５℃、６時間、後硬化することにより試験用
パッケ−ジを作製した。このパッケ一ジを恒温恒湿槽を
用い、８５℃／８５端％ＲＨの条件下、一定時間加湿し
た。その後直ちにベーパーフェイズリフロ−装置を用
い、２１５℃／９０秒の条件で試験し、パッケージクラ
ックの有無を観察した。

【００２６】

【表２】

【００２７】

【表３】

【００２８】表３の結果から、比較例１及び２は線膨張
係数及び弾性率が高く低応力性に欠け、また、比較例３
は、耐リフロークラック性が十分でない。更に、比較例
４及び５は流動性に問題がある。これに対し、実施例１
〜５は、線膨張係、弾性率、流動性が優れており、更に
耐リフロークラック性も良好であることが分かる。

【００２９】

【発明の効果】本発明の成形材料は、従来の成形材料に
比ベ超低応力、かつ、はんだ工程時の耐リフロ−クラッ
ク性にも優れているため、これを用いて半導体部品、特
に表面を封止すれば、信頼性の高い製品を得ることがで
きる。

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｃ０８Ｇ 59/62 ＮＪＦ 8416−4Ｊ ＮＪＳ 8416−4Ｊ Ｃ０８Ｋ 3/36 ＮＫＸ 7242−4Ｊ Ｃ０８Ｌ 63/00 ＮＫＢ 8830−4Ｊ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】（Ａ）１分子中に２個以上のエポキシ基を
   有するエポキシ樹脂 （Ｂ）１分子中に２個以上のフェノール性水酸基を有す
   る化合物 （Ｃ）硬化促進剤 （Ｄ）両末端にカルボキシル基を有する平均重合度３５
   〜６０のジメチルシリコ−ンオイルと（Ａ）成分とをト
   リフェニルホスフィンを触媒として反応させた反応物 （Ｅ）充填剤が最大粒径１２８μｍ以下の球状溶融シリ
   カと最大粒径６４μｍ以下の角状溶融シリカの７／３〜
   ９／１の混合物であって、かつ充填剤全体として下記の
   粒度分布を有する混合充填剤 ２μｍ以下 ： ９〜１３重量％ ２〜８μｍ ：１８〜２４重量％ ８〜１６μｍ ：１２〜１６重量％ １６〜３２μｍ：１７〜２１重量％ ３２〜６４μｍ：２６〜３２重量％ ６４μｍ以上 ： ４〜 ８重量％ を必須成分とし、かつ、上記（Ｅ）成分が組成物全体に
   対して８３重量％以上含有して成ることを特徴とする半
   導体封止用エポキシ樹脂成形材料。