JPWO2009037834A1 - 半導体装置用プライマー樹脂及び半導体装置 - Google Patents
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Abstract
Description
(1) 半導体封止用樹脂組成物の硬化物と、銅または42アロイからなるリードフレームおよび半導体素子のいずれか一方又は両者との接着性を確保するためのプライマー樹脂であって、下記式(1)
R1は下記式(2)
R2は下記式(3)
で表される閉環型ポリイミド構造を有することを特徴とする半導体装置用プライマー樹脂、
(3)(A)上記(1)に記載のプライマー樹脂、(B)エポキシ樹脂、(C)硬化剤、および(D)無機充填材を必須成分とすることを特徴とする半導体封止用エポキシ樹脂組成物、
R2は下記式(3)
で表される閉環型ポリイミド構造を有するプライマー樹脂を、半導体素子を備えたリードフレーム上に、適用して、該プライマー樹脂層を形成させた後、半導体素子を半導体封止用樹脂組成物の硬化物で封止することを特徴とする半導体装置の製造方法、
(7) R1が上記(5)に記載の式(2−1)の少なくともいずれか一方の基である上記(4)に記載の半導体装置の製造方法、
のいずれか一つで表される閉環型ポリイミド構造である上記(2)に記載の半導体装置、
R2は下記式(3)
で表される閉環型ポリイミド構造を有する樹脂の半導体装置用プライマー樹脂としての用途、
に関する。
また、封止用樹脂組成物に本発明のプライマー樹脂を配合した場合には封止用樹脂硬化物の耐熱性が向上すると共にリードフレームおよび/または半導体素子への接着強度も、また、耐久性も向上する。したがって本発明の半導体装置用プライマー樹脂(以下本発明のプライマー樹脂とも言う)を用いた半導体装置は、長期信頼性が向上する。
2:切断部
3:半導体封止用樹脂組成物
4:係止部
得られたポリイミド樹脂は式(1)で表されるポリイミド構造を有する樹脂であり、好ましくは式(6’)からなる群から選ばれる少なくとも1種のジアミンと式(5)からなる群から選ばれるテトラカルボン酸二無水物から選ばれる少なくとも1種との縮合及び閉環によって得られるポリイミド樹脂(式(1)においてR2が上記式(6’)で表されるジアミンの残基であるポリイミド樹脂)であり、より好ましくは式(6’)からなる群から選ばれる少なくとも1種のジアミンと、3,4,3’,4’−ジフェニルエーテルテトラカルボン酸二無水物及び3,4,3’,4’−ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物からなる群から選ばれる少なくとも1種のテトラカルボン酸二無水物との縮合及び閉環によって得られるポリイミド樹脂(式(1)においてR1が上記2種のテトラカルボン酸の何れか一方若しくは両者から選ばれる4価のテトラカルボン酸残基であり、R2が上記式(6’)で表されるジアミンの2価の残基であるポリイミド樹脂)である。最も好ましくは、前記式(7’)〜(9’)で表される構造のポリイミド樹脂である。これらのポリイミドにおいては、両末端が酸無水物基である場合より好ましい。
通常は上記合成で得られたポリイミド樹脂溶液はそのまま塗布溶液として使用することも出来るが、通常塗布に適する濃度に極性溶媒、好ましくは上記ケトン系溶媒で希釈して、塗布溶液とする。また、上記合成例で得られたポリイミド樹脂を、単離後上記極性溶媒、好ましくは上記ケトン系溶媒に溶解して、塗布溶液としてもよい。
また、該ポリイミド樹脂溶液を、半導体封止用エポキシ樹脂組成物に、添加して、本発明における半導体封止用エポキシ樹脂組成物とすることも可能である。
この塗布溶液(以下プライマー樹脂溶液ともいう)中のポリイミド樹脂(プライマー樹脂)濃度は、通常1〜50重量%、好ましくは3〜30重量%、より好ましくは5〜30重量%程度であり、この濃度が取り扱いやすい。
乾燥時の熱源は熱風でも遠赤外線ヒーターでもよいが、溶媒蒸気の滞留防止および樹脂内部までの熱伝導の点で、熱風と遠赤外線ヒーターを併用するとよい。
本発明で使用する前記半導体封止用樹脂組成物は通常の半導体素子の封止に使用される樹脂組成物であれば何れでも良いが、エポキシ樹脂組成物が好ましい。半導体素子の封止用エポキシ樹脂組成物は通常、エポキシ樹脂、硬化剤及び無機充填材を含有するエポキシ樹脂組成物が使用される。これらの組成割合は通常使用されている範囲で使用できる。例えば、エポキシ樹脂は、封止用エポキシ樹脂組成物の全量に対して、1〜25重量%(本発明において、特に断らない場合は%は重量%を意味する)、好ましくは3〜15%程度である。硬化剤の含量は、エポキシ樹脂中に含まれるエポキシ基1モルに対して、硬化剤中に含まれる活性水素原子のモル比が0.5〜2、好ましくは0.7〜1.5の範囲である。残部が無機充填材であり、例えば封止用エポキシ樹脂組成物の全体に対して、50〜98%、好ましくは70〜95%、更に好ましくは80〜93%程度である。その他、必要に応じて、封止用組成物に通常添加される種々の添加剤を含んでいても良い。
上記エポキシ樹脂は、通常半導体封止用に使用されるエポキシ樹脂であればいずれでもよく、1分子中に少なくとも2個のエポキシ基を有する化合物が使用される。
また、上記無機充填材は、通常半導体封止用樹脂組成物に使用される無機充填材であれば何れも使用できる。
上記エポキシ樹脂、上記硬化剤、上記無機充填材及び上記その他の添加剤等の具体例は、後記本発明の半導体封止用樹脂組成物の説明における(B)エポキシ樹脂、(C)硬化剤、(D)無機充填材、及び必須成分以外の種々の添加剤の説明の項で記載する添加物等を挙げることが出来る。また、好ましいもの、より好ましいもの等も本発明の半導体封止用樹脂組成物の場合と同じである。例えば、好ましいエポキシ樹脂としては、C1〜C4アルキル置換を有しても良いフェノールノボラックエポキシ樹脂又は及びジシクロペンタジエン骨格含有エポキシ樹脂、硬化剤としてはフェノール性水酸基含有ノボラック樹脂等を挙げることが出来る。また、その他の添加物で、上記半導体封止用樹脂組成物に添加する方が好ましいものとしては、エポキシ樹脂の硬化促進剤を挙げることができる。また、該添加する方が好ましい添加剤として、場合により、該硬化促進剤と共に、シランカップリング剤を挙げることが出来、該硬化促進剤と併用するのが好ましい。 上記の半導体封止に通常使用される、エポキシ樹脂、硬化剤および無機充填材を必須成分とする封止用樹脂組成物において、該必須3成分の含有割合は、例えば、封止用樹脂組成物の全量に対して、該必須3成分が90〜100重量%、好ましくは、95〜100重量%、更に好ましくは98〜100重量%である。その他の添加剤の含量は残部である。
また、場合により、上記の封止用樹脂組成物として、本発明のプライマー樹脂を含有する後述の本発明の半導体封止用樹脂組成物を用いても良い。なお、該本発明の半導体封止用樹脂組成物の場合、プライマー樹脂層を設けなくても、封止材層とリードフレームおよび/または半導体素子との接着強度の向上や金属(具体的には銅及び42金属アロイ等)の防錆効果が発現できるので、通常はプライマー樹脂層無しで使用される。
即ち、半導体素子を備えた前記リードフレーム、好ましくは、半導体素子を備えた非メッキの銅または42アロイからなるリードフレーム、又は半導体素子を備えた、メッキされた銅または42アロイからなるリードフレームに、本発明のプライマー樹脂を適用し、該プライマー樹脂層設け、その後、樹脂封止することにより得ることが出来る。必要に応じて、本発明のプライマー樹脂を適用する前に、上記のリードフレーム上に、シランカップリング層又は他の保護層などを設けたのち、本発明のプライマー樹脂を適用することも出来る。しかし、本発明のプライマー樹脂層は、半導体の保護層としての役割も果たすので、通常は上記のリードフレーム上に、直接本発明のプライマー樹脂層を形成するのが好ましい。従って、本発明における好ましい半導体装置は、半導体素子を備えたメッキされた又は非メッキの銅製若しくは42アロイ製のリードフレーム上に、直接本発明のプライマー樹脂層を有し、その上を、樹脂封止されている半導体装置を挙げることが出来る。
本発明のプライマー樹脂層を形成させた後は、通常の方法で樹脂封止すればよく、例えば半導体封止用樹脂組成物を、好ましくは前記した半導体封止用エポキシ樹脂組成物をモールドすることにより、本発明のプライマー樹脂層を有する半導体装置を得ることができる。
また、本発明の半導体封止用樹脂組成物において、(A)〜(D)の必須成分及びそれ以外の上記添加剤の含有割合は、上記(A)〜(D)の必須成分が、該樹脂組成物全量に対して、90〜100重量%、好ましくは、95〜100重量%、更に好ましくは98〜100重量%であり、その他の添加量が残部である場合が好ましい。
温度計、環流冷却器、ディーンスタークトラップ、粉体導入口、窒素導入装置及び攪拌装置のついた300mlの反応器に、ジアミン成分としてAPB−N(1,3−ビス−(3−アミノフェノキシ)ベンゼン:三井化学株式会社製、 分子量292.34)24.84g(0.085モル)を仕込み、乾燥窒素を流しながら、そこに溶剤としてメチルベンゾエート38.42gを加え、60℃で30分撹拌した。その後、更に、そこに、テトラカルボン酸二無水物成分として、ODPA(3,3’−オキシジフタル酸無水物:マナック株式会社製、分子量310.22)26.88g(0.087モル)、溶剤としてγ−ブチロラクトンを57.63g及びγ−バレロラクトンを0.868g、触媒としてピリジンを1.371g、及び脱水剤としてトルエン22.2gを添加した。反応器内を180℃まで加熱し、発生する水をディーンスタークトラップより抜きながら、その温度を6時間保持し、ポリアミック酸の合成と閉環反応(イミド反応)を行った。イミド化反応終了後、得られた反応液を80℃以下に冷却し、次いで孔径3μmのテフロン(登録商標)フィルターを用い加圧濾過した。下記式(7)
で表されるポリイミド樹脂がγ−ブチロラクトン及びメチルベンゾエートの混合溶媒に34重量%の濃度で溶解した溶液(プライマー樹脂溶液という)を168g得た。このプライマー樹脂溶液1.00mlを、E型回転粘度計を用い25℃で測定した回転粘度は、26.8Pa・sであった。また、このプライマー樹脂溶液のうち50gを、水300gに投入した。析出した樹脂を濾過分離した。該樹脂の精製のため、分離された樹脂に水200gを加え、還流した。次いで得られた液を室温まで冷却した後濾過し、得られた樹脂 を乾燥させて樹脂粉末16g(収率94.1%)を得た。
温度計、環流冷却器、ディーンスタークトラップ、粉体導入口、窒素導入装置、攪拌装置のついた500mlの反応器に、ジアミン成分としてAPB−N(1,3-ビス−(3−アミノフェノキシ)ベンゼン 三井化学株式会社製、分子量292.34)14.67g(0.050モル)、ABPS(3,3’−ジアミノ−4,4’−ジヒドロキシジフェニルスルホン:日本化薬株式会社製 分子量280.3)26.13g(0.093モル)を仕込み、乾燥窒素を流しながら、そこに、溶剤としてメチルベンゾエート64.02gを加え、60℃で30分撹拌した。その後、更に、そこにテトラカルボン酸二無水物成分として、ODPA(4,4’−オキシジフタル酸無水物 マナック製 分子量310.22)45.38g(0.146モル)、溶剤としてγ−ブチロラクトンを96.03g、触媒としてγ−バレロラクトンを1.465g、ピリジンを2.314g、脱水剤としてトルエン32.5gを添加した。反応器内を180℃まで加熱し、発生する水をディーンスタークトラップより抜きながら、その温度を6時間保持し、ポリアミック酸の合成と閉環反応(イミド化反応)を行った。イミド化反応終了後、反応液を80℃以下に冷却した後、孔径3μmのテフロン(登録商標)フィルターを用い加圧濾過した。下記式(8)
で表されるポリイミド樹脂がγ−ブチロラクトン及びメチルベンゾエートの混合溶媒に34重量%の濃度で溶解した溶液(プライマー樹脂溶液という)を279g得た。このプライマー樹脂溶液1.00mlを、E型回転粘度計を用い25℃で測定した回転粘度は、23.2Pa・sであった。このプライマー樹脂溶液のうち50gを、水300gに投入した。析出した樹脂を濾過分離した。該樹脂の精製のため、分離された樹脂に水200gを加え、還流した。次いで得られた液を室温まで冷却した後濾過し、得られた樹脂を乾燥させて樹脂粉末16.5g(収率97.1%)を得た。
温度計、環流冷却器、ディーンスタークトラップ、粉体導入口、窒素導入装置及び攪拌装置のついた500mlの反応器に、ジアミン成分としてカヤボンドC−300S(4,4’−ジアミノ−3,3’,5,5’−テトラエチルジフェニルメタン 日本化薬製 分子量310.48)49.072g(0.158モル)を仕込み、乾燥窒素を流しながら、溶剤としてN−メチル−2−ピロリドン390.0gを加え、60℃で30分撹拌した。その後、更にそこに、テトラカルボン酸二無水物成分として、BTDA(3,4,3’,4’−ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物:デグッサ株式会社製、分子量322.23)50.928g(0.158モル)、脱水剤としてトルエン30.0gを添加し、反応器内を180℃まで加熱し、発生する水をディーンスタークトラップより抜きながら、同温度を6時間保持し、ポリアミック酸の合成と閉環反応(イミド反応)を行った。イミド化反応終了後、反応液を80℃以下に冷却した後、孔径3μmのテフロン(登録商標)フィルターを用い加圧濾過した。下記式(9)
で表されるポリイミド樹脂がN−メチル−2−ピロリドンに20重量%の濃度で溶解した溶液(プライマー樹脂溶液という)を500g得た。このプライマー樹脂溶液1.00mlを、E型回転粘度計を用い25℃で測定した回転粘度は、870mPa・sであった。このプライマー樹脂溶液のうち50gを、水300gに投入し、析出した樹脂を濾過分離した。該樹脂の精製のため、分離された樹脂に水200gを加え、還流した。次いで得られた液を室温まで冷却した後濾過し、得られた樹脂を乾燥させて樹脂粉末9g(収率90.0%)を得た。
後記表1に示す組成割合の配合物を、ミキシングロールを用いて均一に混合し半導体封止用樹脂組成物を得た。この樹脂組成物をミキサーにて粉砕し、更にタブレットマシーンにてタブレット化した。
また、それとは別に、下記のようにして、本発明の半導体装置用プライマー樹脂層を有するリードフレーム(1)(接着性評価用)及び(2)(耐半田クラック性評価用)を作成した。
プライマー樹脂層付きリードフレーム(1)(接着性評価用):
合成例1で得られたプライマー樹脂(5%溶液、溶媒:N-メチルピロリドン)を、図1に示す銅製リードフレームにアプリケーターを用い乾燥後の膜厚が1.2μmになるよう塗布した。得られた塗膜を130℃×60分乾燥し、その後、室温まで放冷し、厚さ1.2μmの本発明の半導体装置用プライマー樹脂層を有するリードフレーム(1)(接着性評価用)を得た。なお図1の3つのリードフレームは、図1に示すように、同一平面上で一体化している。
プライマー樹脂層付きリードフレーム(2)(耐半田クラック性評価用):
図3に示す銅製96PinQFP(パッケージサイズ:14×14×厚み1.35mm、チップサイズ:7×7×厚み0.4mm)リードフレームを、上記リードフレーム(1)の場合と同様に処理し、本発明の半導体装置用プライマー樹脂層を有するリードフレーム(2)(耐半田クラック性評価用)を作成した。なお、図3の2つのリードフレームは図3に示すように、同一平面上で一体化している。
評価試験用模擬半導体装置(評価用試験片)の製造:
上記で得られたリードフレーム(1)及び(2)をそれぞれトランスファー成型機にセットし、それぞれに前記タブレット化した半導体封止用樹脂組成物を圧入し、成型した(175℃×60秒)。次ぎにそのまま、更に160℃×2時間+180℃×6時間の条件で後硬化した。
上記リードフレーム(1)からは、接着性評価用模擬半導体装置(図2)を得た。なお、接着性評価用模擬半導体装置は、図5に示すようにリードフレームの一部(5mm)のみが半導体封止用樹脂組成物3で封止されるように型枠を調整した。また、硬化後に、3つのリードフレーム同士をそれぞれ図5の切断部2で切断して、接着性評価用評価試験用試験片(模擬半導体装置)(図2)とした。
また、リードフレーム(2)からは耐半田クラック性評価用試験片(模擬半導体装置)(図4)を得た。
試験片(価試験用模擬半導体装置)の評価は、下記の方法で行い、結果を表1に示した。
得られた接着性評価用試験片(図2)の樹脂封止部のうち、封止された引き抜き部の両端(図2における係止部4)を鍵爪状の治具で固定し、引き抜き部を万能引っ張り試験機によりクロスヘッドスピード3mm/分にて引き抜く事により行った。なお、この時の接着面積は74.25平方ミリメートルである。
得られた耐半田クラック性評価用試験片(図4)を85℃/85%RHの相対湿度に設定された恒温槽中に24時間放置し吸湿させた後、260℃×10秒間の半田リフロー試験を行った。この時の熱衝撃によって生じたパッケージクラックについて目視によってクラックの発生が認められた物を×、目視、超音波探傷機いずれにおいてもクラックの発生が認められなかった物を○として評価した。
実施例1で用いた、合成例1で得られたプライマー樹脂の代わりに合成例2で得られたプライマー樹脂を用いた以外は、実施例1と同様にして試験片(模擬半導体装置)とした。試験片の評価を表1に示した。
実施例1で用いた、合成例1で得られたプライマー樹脂の代わりに合成例3で得られたプライマー樹脂を用いた以外は、実施例1と同様にして試験片(模擬半導体装置)とした。試験片の評価を表1に示した。
実施例1で用いた、プライマー樹脂を用いなかった以外は、実施例1と同様にして試験片(模擬半導体装置)とした。試験片の評価を表1に示した。
実施例1で用いた、銅製リードフレームの代わりに銅表面にパラジウムめっきを施したリードフレームを用いた以外は、実施例1と同様にして試験片(模擬半導体装置)とした。試験片の評価を表2に示した。
実施例1で用いた、合成例1で得られたプライマー樹脂の代わりに合成例2で得られたプライマー樹脂を用い、銅製リードフレームの代わりに銅表面にパラジウムめっきを施したリードフレームを用いた以外は、実施例1と同様にして試験片(模擬半導体装置)とした。試験片の評価を表2に示した。
実施例1で用いた、プライマー樹脂を使用せず、銅製リードフレームの代わりに銅表面にパラジウムめっきを施したリードフレームを用いた以外は、実施例1と同様にして試験片(模擬半導体装置)とした。試験片の評価を表2に示した。
実施例1で用いた、銅製リードフレームの代わりに銅表面に金めっきを施したリードフレームを用いた以外は、実施例1と同様にして試験片(模擬半導体装置)とした。試験片の評価を表3に示した。
実施例1で用いた、合成例1で得られたプライマー樹脂の代わりに合成例2で得られたプライマー樹脂を用い、銅製リードフレームの代わりに銅表面に金めっきを施したリードフレームを用いた以外は、実施例1と同様にして試験片(模擬半導体装置)とした。試験片の評価を表3に示した。
実施例1で用いた、プライマー樹脂を使用せず、銅製リードフレームの代わりに銅表面に金めっきを施したリードフレームを用いた以外は、実施例1と同様にして試験片(模擬半導体装置)とした。試験片の評価を表3に示した。
EOCN-1020 : o-クレゾールノボラック型エポキシ樹脂(日本化薬株式会社製、エポキシ当量195g/eq、軟化点55℃)
PN : フェノールノボラック樹脂(日本化薬株式会社製、水酸基当量103g/eq)
TPP : トリフェニルホスフィン(純正化学株式会社製)
FB-74 : 球状シリカ(旭電化株式会社製)
ZA-30 : 破砕シリカ(龍森株式会社製)
カルナバワックス: 微粉カルナバ(東亜化成株式会社製)
KBM-303 : シランカップリング剤(信越化学株式会社製)
Claims (10)
- 半導体封止用樹脂組成物の硬化物と、銅または42アロイからなるリードフレーム、および半導体素子のいずれか一方又は両者との間に請求項1に記載のプライマー樹脂から形成された樹脂層を含むことを特徴とする半導体装置。
- (A)請求項1記載のプライマー樹脂、(B)エポキシ樹脂、(C)硬化剤、および(D)無機充填材を必須成分とすることを特徴とする半導体封止用エポキシ樹脂組成物。
- R1が請求項5に記載の式(2−1)の少なくともいずれか一方の基である請求項3に記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成物。
- R1が請求項5に記載の式(2−1)の少なくともいずれか一方の基である請求項4に記載の半導体装置の製造方法。
- 閉環型ポリイミド構造が請求項8に記載の式(7’)〜(9’)の少なくともいずれか一つの基である請求項4に記載の半導体装置の製造方法。
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