JPH11166036A

JPH11166036A - 半導体封止用エポキシ樹脂組成物及びそれを用いた半導体装置

Info

Publication number: JPH11166036A
Application number: JP27633798A
Authority: JP
Inventors: Masanobu Fujii; 昌信藤井; Haruaki To; 晴昭陶; Shinya Yamada; 慎也山田
Original assignee: Hitachi Chemical Co Ltd
Current assignee: Showa Denko Materials Co Ltd
Priority date: 1997-10-03
Filing date: 1998-09-30
Publication date: 1999-06-22

Abstract

(57)【要約】【課題】成形性、信頼性、及びＢＧＡパッケージを封止
した時の低反り性に優れた半導体封止用エポキシ樹脂組
成物及びそれを用いた半導体装置を提供すること。【解決手段】ビフェニル型エポキシ樹脂とナフタレン構
造を有するフェノ−ル樹脂硬化剤とトリフェニルホスフ
ィンとベンゾキノン付加物硬化促進剤とを必須成分とし
て含有するエポキシ樹脂組成物により半導体素子を封止
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、成形性、信頼性に
優れた封止材及びそれを用いた半導体装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体素子は、その外形は小型化、薄型
化が進む一方で、素子の高性能化によりピン数は増加傾
向にある。その結果半導体素子と基板を接続するアウタ
ーリードの間隔は狭くなり、基板実装が困難になってき
ている。この対策としてこれまでのＳＯＰ、ＱＦＰとい
った外形に代わりＢＧＡ(Ball Grid Array)が提案さ
れ、一部量産も始まっている。ＢＧＡは、素子の裏面の
一部あるいは全面に、接続用の半田ボールを形成するた
め、ボール間隔が広く取れ、多ピン化に好適の外形であ
るといえる。一方、ＢＧＡは、ＢＴ（ビスマレイミドト
リアジン）基板あるいはガラエポ基板上に封止材を片面
成形する方式であるため必然的にバイメタル構造とな
り、基板と封止材の収縮率の差によりパッケージに反り
が発生してしまう。この問題に対しては、例えば多官能
エポキシ化合物と特定の硬化剤、硬化促進剤等を組み合
わせる（特開平８−１７６２７７号公報）、あるいはガ
ラス転移温度が２０℃以上異なる封止材を混合して封止
するといった検討がなされている（特開平８−２１３５
１８号公報）が、充分なものではなかった。一般的に
は、反りが１５０ミクロンを超えると基板実装性に問題
が出てくると言われ、好ましくは１００ミクロン以下と
されているが、これまでの技術ではＢＧＡの外形が大き
くなった場合、反りを１００ミクロン以下に抑えること
は困難であった。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、成形性、信
頼性、及びＢＧＡパッケージを封止した時の低反り性に
優れた半導体封止用エポキシ樹脂組成物及びそれを用い
た半導体装置を提供することを目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】すなわち本発明は、一般
式（１）で示されるエポキシ樹脂、一般式（２）で示さ
れる硬化剤及び８５〜９５ｗｔ％の無機充填材を主成分
とする封止材において、トリフェニルホスフィンとｐ−
ベンゾキノンとの付加物および無機充填材を必須成分と
して配合したことを特徴とする半導体封止用エポキシ樹
脂組成物及びそれを用いた半導体装置に関する。

【化３】

【化４】

【０００５】

【発明の実施の形態】本発明において用いられる（Ａ）
成分の一般式（１）のエポキシ樹脂としては、例えば、
4，4’−ビス（2，3−エポキシプロポキシ）ビフェニル
や4，4’−ビス（2，3−エポキシプロポキシ）−3，
3’、5，5’−テトラメチルビフェニルを主成分とする
エポキシ樹脂等が挙げられ、中でも4，4’−ビス（2，3
−エポキシプロポキシ）−3，3’、5，5’−テトラメチ
ルビフェニルを主成分とするエポキシ樹脂が好ましい。
本発明では必須成分として、（Ａ）成分の一般式（１）
のエポキシ樹脂を用いるが、必要に応じて他のエポキシ
樹脂を併用してもよい。併用する他のエポキシ樹脂とし
ては、１分子中に反応基を２ケ以上持つものであれば特
に制限はないが、例えば、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、ビスフェノールＡ、ビス
フェノールＦ、ビスフェノールＳ、ジアミノジフェニル
メタン、イソシアヌル酸などのポリアミンとエピクロル
ヒドリンの反応により得られるグリシジルアミン型エポ
キシ樹脂、ジシクロペンタジエンとフェノール類の共縮
合樹脂のエポキシ化物、トリメチロールプロパン型エポ
キシ樹脂、テルペン変性エポキシ樹脂、オレフィン結合
を過酢酸などの過酸で酸化して得られる線状脂肪族エポ
キシ樹脂、及び脂環族エポキシ樹脂などが挙げられ、単
独で用いても２種以上併用しても良い。これらのエポキ
シ樹脂を併用する場合、（Ａ）成分の一般式（１）のエ
ポキシ樹脂の配合量は、エポキシ樹脂全量に対して６０
重量％以上使用することが好ましい。６０重量％未満で
は当該エポキシ樹脂の低吸湿性、高接着性の特長が発揮
されず、流動性に間題が出やすい。併用する（Ａ）成分
以外のエポキシ樹脂の特長を発揮させるためには、１５
〜３０重量％の併用が好適である。

【０００６】本発明において用いられる（Ｂ）成分の一
般式（２）の硬化剤としては、樹脂主鎖骨格中に、
（１）次の成分（ａ）と成分（ｂ）と成分（ｃ）をラン
ダムに含むもの、規則的に含むもの、ブロック状に含む
もの、（２）成分（ａ）と成分（ｂ）をランダムに含む
もの、交互に含むもの、ブロック状に含むもの、（３）
成分（ａ）と成分（ｃ）をランダムに含むもの、交互に
含むもの、ブロック状に含むもの、（４）成分（ｂ）と
成分（ｃ）をランダムに含むもの、交互に含むもの、ブ
ロック状に含むもの、を一種以上含むもの等が挙げら
れ、成分（ａ）、成分（ｂ）、成分（ｃ）、それぞれ単
独で構成されるものを含んでいてもよい。中でも、成分
（ａ）と成分（ｂ）と成分（ｃ）をランダムに含むも
の、成分（ａ）と成分（ｃ）をランダムに含むもの、成
分（ｂ）と成分（ｃ）をランダムに含むものを主成分と
する樹脂が好ましい。

【化５】

【０００７】本発明では必須成分として、一般式（２）
の硬化剤を用いるが、必要に応じて他の硬化剤を併用し
てもよい。併用する他の硬化剤としては、１分子中に水
酸基を２ケ以上持つものであれば特に制限はないが、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、ビスフェノール
Ｆ等のフェノール類、又はα−ナフトール、β−ナフト
ール、ジヒドロキシナフタレン等のナフトール類とホル
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、サリチルアルデヒド等のアルデ
ヒド類とを酸性触媒下で縮合又は共縮合させて得られる
樹脂、ポリパラビニルフェノール樹脂、フェノール類と
ジメトキシパラキシレンから合成されるキシリレン基を
有するフェノールアラルキル樹脂などが挙げられ、単独
又は2種類以上併用しても良い。これらの硬化剤を併用
する場合、（Ｂ）成分の一般式（２）の硬化剤の配合量
は、エポキシ樹脂全量に対して５０重量％以上使用する
ことが好ましい。５０重量％未満では当該硬化剤の特長
が現れ難い。併用する（Ｂ）成分以外の硬化剤の特長を
発揮させるためには、２０〜４０重量％の併用が好適で
ある。本発明において（Ａ）成分を含むエポキシ樹脂の
総量と（Ｂ）成分を含む硬化剤の総量との配合比率は、
耐熱性、硬化性の観点から全エポキシ樹脂の当量に対
し、全硬化剤の当量の比率（エポキシ樹脂のエポキシ基
数／硬化剤の水酸基数）が0．6〜1．4の範囲に設定され
ることが好ましく、０．８〜１．２の範囲がより好まし
い。

【０００８】一般式（２）の化合物の合成法としては、
例えば、次のようなナフトールの自己酸化による分子内
閉環反応を用いる方法が利用できる。ナフトール類２０
〜９０モル％含むフェノール類及びアルデヒド類を、一
般的なノボラック樹脂と同様、酸触媒で初期反応を行
う。アルデヒド類にホルマリンを用いる場合には、１０
０℃前後で還流反応を行う。この反応を１〜８時間程度
行い、その後、強酸及び／または超強酸存在下、系内の
水を抜きながら１２０〜１８０℃まで昇温する。この時
の雰囲気は酸化性雰囲気（例えば空気中）とする。２〜
２４時間この状態を続けることにより、一般式（２）の
化合物が合成できる。その後、未反応モノマーを除去し
て所望の硬化剤を得ることができる。

【０００９】合成に用いられるナフトール類としては、
１−ナフトールを必須成分とし、それ以外に２−ナフト
ール、１，５−ジヒドロキシナフタレン、１，６−ジヒ
ドロキシナフタレン、１，７−ジヒドロキシナフタレ
ン、２，６−ジヒドロキシナフタレン等が挙げられ、こ
れらを併用しても良い。ナフトール以外のフェノール類
としては、フェノール、ｏ−クレゾール、ｐ−クレゾー
ル、ｍ−クレゾール、ブチルフェノール、ジメチルフェ
ノール、ノニルフェノール、アリルフェノール等の通常
のフェノール樹脂合成に用いられるフェノール化合物が
挙げられ、単独でも２種類以上併用しても良い。

【００１０】アルデヒド類としては、ホルムアルデヒ
ド、アセトアルデヒド、ベンズアルデヒド、サリチルア
ルデヒド等フェノール樹脂合成に用いられるアルデヒド
類が挙げられ、単独でも、２種以上を併用しても良い。
これらのフェノール類とアルデヒド類とを酸触媒の存在
下に、フェノール類１モルに対してアルデヒド類を好ま
しくは０．３〜１．０モル反応させる。触媒として使用
される酸としては、初期反応ではシュウ酸等の弱酸、塩
酸が用いられる。分子内閉環反応に用いる触媒として、
塩酸、硫酸、パラトルエンスルホン酸、トリフルオロ酢
酸等の強酸、及びトリフルオロメタンスルホン酸、メタ
ンスルホン酸等の超強酸が挙げられる。これらの触媒
は、単独あるいは２種以上併用しても良い。触媒量は用
いるフェノール類１モルに対して０．０００１〜０．１
モルとすることが好ましい。より好ましくはフェノール
類１モルに対して０．００１〜０．０５モル用いるのが
よい。

【００１１】本発明の（Ｃ）成分のトリフェニルホスフ
インとｐ−ベンゾキノンとの付加物は、エポキシ樹脂と
フェノール性水酸基を有する化合物との硬化反応を促進
する硬化促進剤であり、その製造方法は特に限定される
ものではないが、例えば、原料となるトリフェニルホス
フィンとｐ−ベンゾキノンがともに溶解する溶媒中で両
者を撹拝混合する方法等が挙げられる。この場合の製造
条件としては、室温から８０℃の範囲で、原料の溶解度
が高く生成した付加物の溶解度が低いメチルイソブチル
ケトン、メチルエチルケトン、アセトン等のケトン類な
どの溶媒中で、１時間〜１２時間撹拝し、付加反応させ
ることが好ましい。また本発明のエポキシ樹脂組成物に
は、（Ｃ）成分以外に、エポキシ樹脂とフェノール性水
酸基を有する化合物の硬化反応を促進する硬化促進剤と
して一般に用いられているものを一種以上併用すること
ができる。これらの硬化促進剤としては、例えば、1，8
−ジアザビシクロ（5，4，O）ウンデセン−7，1，6−ジ
アザビシクロ（4，3，0）ノネン−5等のジアザビシクロ
アルケン及びその誘導体、トリエチレンジアミン、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
ェノール等の第三アミン類、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、2−ヘプタデシルイミダゾール等のイミダゾ
ール類、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イン、トリス（4−メチル
フェニル）ホスフイン、トリフェニルホスフイン・トリ
フェニルボロン錯体等の有機ホスフィン類または有機ホ
スフィン類と有機ボロン類との錯体、テトラフェニルホ
スホニウム・テトラフェニルボレート、テトラフェニル
ホスホニウム・エチルトリフェニルボレート、テトラブ
チルホスホニウム・テトラブチルボレート等のテトラ置
換ホスホニウム・テトラ置換ボレート、2−エチルー4一
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
ェニルボロン塩などが挙げられる。

【００１２】これらの硬化促進剤を併用する場合、
（Ｃ）成分の配合量は、全硬化促進剤量に対して６０重
量％以上が好ましく、より好ましくは８０重量％以上で
ある。上記第三アミン類は（Ｃ）成分を用いた場合と比
較して耐湿性、保存安定性が悪くなり、上記有機ホスフ
ィン類は酸化による硬化性低下の影響を受けやすい欠点
があり、上記テトラフェニルボロン塩を用いた場合は接
着性に欠点が出やすいため、（Ｃ）成分の配合量が６０
％未満であると本発明の効果が少なくなる。（Ｃ）成分
を含む硬化促進剤の全配合量は、硬化促進効果が達成さ
れる量であれば特に限定されるものではないが、組成物
全体に対して０．００５〜２重量％が好ましく、より好
ましくは０．０１〜０．５重量％である。

【００１３】本発明で用いられる無機充填材は、８５〜
９５ｗｔ％配合され、充填材形状は５０％以上球状であ
り、特に制限はないが、溶融シリカ、結晶シリカ、アル
ミナ等を単独及び併用して用いることが出来る。特に球
状溶融シリカであって、粒径が５０ミクロン以上である
ものが充填材全体の５〜４０％、粒径が１２〜５０ミク
ロンであるものが充填材全体の３０〜７０％、６〜１２
ミクロンであるものが５〜３０％、１〜６ミクロンであ
るものが１０〜４０％、１ミクロン以下であるものが５
〜３０％、１〜６ミクロンであるものが１０〜４０％、
１ミクロン以下であるものが１〜２０％、という構成が
流動性が得られ易く好適である。充填材量が８５重量％
以下では、反り量が増加するし、９５重量％以上では流
動性に問題が出やすい。カップリング剤は、特に制限は
ないが、エポキシシラン、アニリノシラン等が好適に用
いられる。離型剤についても、特に制限はないが、高級
脂肪酸例えばカルナバワックス等とポリエチレン系ワッ
クスを単独又は併用して用いることができるが、特に併
用が好適である。

【００１４】その他の添加物として、着色剤（カーボン
ブラック等）、改質剤（シリコーン、シリコーンゴム
等）、イオントラッパー（ハイドロタルサイト、アンチ
モン−ビスマス等）を用いることが出来る。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、熱ロール、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
出来る。本発明で得られるエポキシ樹脂組成物を用い
て、電子部品を封止する方法としては、低圧トランスフ
ァ成形法が最も一般的であるが、インジェクション成
形、圧縮成形、注型等の方法によっても可能である。上
記した手段を用いて製造したエポキシ樹脂組成物は、流
動性、成形性、低反り性に優れており、ＩＣ、ＬＳＩ等
の封止に好適に用いることができる。特にＢＧＡ構造の
パッケージに対して好適である。

【００１５】半導体素子を基板に固定する接着剤として
は、ペースト状接着剤、フィルム状接着剤等半導体素子
を基板に固定できるものであれば、特に制限は無い。但
し、通常の３〜３０μｍ程度の接着剤層の厚みでは、反
り低減に効果は認められない。接着剤層の厚みを少なく
とも５０μｍ以上、好ましくは１００〜４００μｍとす
ることで、ＢＧＡ構造のパッケージの反りを低減するこ
とが出来る。同様の反り低減効果は、単純に半導体素子
の厚みを厚くすることでも得られるが、この場合耐熱衝
撃性が低下し好ましくない。

【００１６】

【実施例】以下、本発明を実施例に基づいて詳細に説明
するが、本発明はこれに限定されるものではない。

【００１７】合成例１撹拌機、冷却器、温度計を備えた２リットルのフラスコ
に１−ナフトール４０５ｇ、フェノール２９８ｇ、３７
％ホルマリン２２８ｇを入れ、オイルバス中１００℃に
昇温する。発熱反応を伴う初期反応が触媒の添加なしに
起こる、１時間還流を続け、そこへ２規定塩酸を２ｍｌ
加え、系内の水が還流する温度で４時間反応する。その
後、１６５℃まで昇温し、１２時間反応を続ける。その
後減圧濃縮を行い未反応フェノール類を除去する。得ら
れた樹脂は、数平均分子量４１０、未反応ナフトール６
％、多分散度１．５８、軟化点９０℃、水酸基当量１７
４であった。数平均分子量（Ｍｎ）及び多分散度（Ｍｗ
／Ｍｎ）の測定は、日立製作所製高速液体クロマトグラ
フＬ６０００及び島津製作所製データ解析装置Ｃ−Ｒ４
Ａを用いた。分析用ＧＰＣカラムは、東ソー製Ｇ２００
０ＨＸＬ＋Ｇ３０００ＨＸＬを使用した。試験濃度は
０．２％、移動相はテトラハイドロフランを用い、流速
１．０ｍｌ／ｍｉｎで測定を行った。ポリスチレン標準
サンプルを用い検量線を作成し、それを用いて数平均分
子量を計算した。

【００１８】実施例１〜５、比較例１〜４まず、表１、２に示す各種の素材を用い、実施例１〜４
及び比較例１〜４は各素材を予備混合（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
１０分間混練し、冷却粉砕して製造した。（表中で用い
た一般式（２）の化合物は合成例、１で得られた化合物
を用いた。）この封止材を用い、トランスファー成形機を用い、金型
温度１８０℃、成形圧力７０ｋｇｆ／ｃｍ² 、硬化時間
９０秒の条件で各試験を行った。スパイラルフローは、
ＥＭＭＩ１−６６により測定した。熱時硬度は、ショア
硬度計にて測定した。また、この封止材を用いて、半導
体素子をトランスファー成形機で同様の条件で成形しポ
ストキュア（１７５℃／５ｈ）後耐湿性と半田耐熱性を
評価した。耐湿性の評価に用いた半導体装置は、ＳＯＰ
−２８ピンであり、８５℃／８５ＲＨ％７２時間吸湿＋
２１５℃／９０秒（ＶＰＳ）の前処理後、ＰＣＴ（１２
１℃／２気圧）に放置してチップ上配線の断線の有無を
評価した。半田耐熱性及び反り量の測定には、３５ｍｍ
角のＢＧＡ型パッケージ（ＢＴ基板０．６ｍｍｔ、チッ
プサイズ１２．６ｍｍ角）を用いた。また、素子の接着
剤としてはフィルム状接着剤を用い、フィルムの厚さを
変えてパッケージの反りに対する影響を確認した（表
３）。半田耐熱性は以下に示す方法で測定した。１２５
℃／２４ｈベーキング後、３０℃／７０ＲＨ％で１６８
時間吸湿した後、２４０℃／１０ｓｅｃの処理を行った
時の樹脂封止型半導体装置のクラック発生の有無を評価
した。上記の試験結果をまとめて表４に示す。

【００１９】

【表１】

【００２０】

【表２】

【００２１】

【表３】実施例４、５の封止材は実施例１のものを使用。

【００２２】

【表４】

【００２３】

【発明の効果】エポキシ樹脂、フェノール硬化剤及び無
機充填材を主成分とする半導体素子封止用エポキシ樹脂
組成物において、特定のエポキシ樹脂、硬化剤、硬化促
進剤、及び所定量の充填材を配合することにより、成形
性、信頼性に優れ、且つ反り量が極めて小さい成形材料
を提供することができる。また、この成形材料を用いて
半導体素子を封止材することで、信頼性、実装作業性に
優れた半導体装置を得ることができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号ＦＩＨ０１Ｌ 23/29 Ｈ０１Ｌ 23/30 Ｒ 23/31

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】（Ａ）一般式（１）で表わされるビフェニ
ル型エポキシ樹脂【化１】（Ｂ）一般式（２）で表わされる硬化剤【化２】（Ｃ）トリフェニルホスフィンとｐ−ベンゾキノンとの
付加物（Ｄ）無機充填材を必須成分とし、（Ｄ）成分の無機充填材の含有量が全
組成物の８５〜９５重量％である半導体封止用エポキシ
樹脂組成物。
【請求項２】請求項１記載の半導体封止用エポキシ樹脂
組成物を用いて、半導体素子を搭載した基板の素子搭載
面のみを封止してなることを特徴とする樹脂封止型半導
体装置。
【請求項３】請求項２記載の樹脂封止型半導体装置であ
って、半導体素子を基板に固定する接着剤層の厚さが５
０〜４００μｍであることを特徴とする半導体装置。