KR101748888B1 - 반도체 장치의 제법 - Google Patents

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히로유키 호테하마
신야 아키즈키
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Abstract

[과제] 본 발명은 성형성 및 경화성을 저하시키지 않고, 고온 고습 신뢰성이 우수한 반도체 장치의 제법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
[해결수단] 하기 (A)∼(D) 성분을 함유하는 반도체 밀봉용 에폭시 수지 조성물을 이용하여 반도체 소자를 수지 밀봉함으로써 반도체 장치를 제조하는 방법이다. 그리고, 수지 밀봉 후에 가열 처리 공정을 가하며, 이 가열 처리를 하기 (x)에 나타낸 조건으로 행한다.
(A) 하기 일반식 (1)로 표시되는 에폭시 수지:
Figure 112016107897474-pat00021

[상기 일반식 (1)에 있어서, X는 단일 결합, -CH2-, -S- 또는 -O-이고, 또한, R1∼R4는 -H 또는 -CH3로서 서로 동일하여도 좋고 상이하여도 좋음],
(B) 페놀 수지,
(C) 아민계 경화 촉진제,
(D) 무기질 충전제,
(x) 열 처리 시간(t분)과 열 처리 온도(T℃)의 관계가 t≥3.3×10-5 exp (2871/T)를 만족하는 영역으로 이루어진 열 처리 조건[단, 185℃≤열 처리 온도(T℃)≤300℃임].

Description

반도체 장치의 제법{METHOD OF MANUFACTURING SEMICONDUCTOR DEVICE}
본 발명은 성형성 및 경화성, 더욱이 고온 고습 신뢰성이 우수한 반도체 장치의 제법에 관한 것이다.
종래부터, 트랜지스터나 IC, LSI 등의 반도체 소자는, 외부 환경으로부터의 보호 및 반도체 소자의 핸들링을 가능하게 한다고 하는 관점에서, 플라스틱 팩키지, 예컨대, 에폭시 수지 조성물을 이용하여 수지 밀봉되어 반도체 장치화되어 있다.
상기 에폭시 수지 조성물은, 성형시에 있어서의 수지의 경화 반응을 빠르게 하기 위해서, 일반적으로 경화 촉진제가 배합된다. 상기 경화 촉진제로서는, 예컨대, 아민류, 이미다졸계 화합물, 1,8-디아자비시클로[5.4.0]운데센-7 등과 같은 질소 함유 복소환식 화합물, 포스핀계 화합물, 제4급 암모늄 화합물, 포스포늄 화합물, 아르소늄 화합물 등이 이용되고 있다.
통상, 이들 경화 촉진제를 함유하는 에폭시 수지 조성물은 성형시의 고온 조건에 있어서는 신속하게 반응이 일어나고, 단시간 내에 경화가 완료되도록 배합 설계되어 있다. 이 때문에, 성형시에 있어서 상기 에폭시 수지 조성물이 성형 금형에 완전히 충전되기 전에 경화 반응이 시작되는 경우가 있고, 이러한 상황에서는, 수지 점도의 상승이나 유동성의 저하를 초래하여 반도체 소자와 리드 프레임 등의 외부 단자를 접속하는 본딩 와이어의 변형이나, 인접한 본딩 와이어끼리의 접촉, 또는 본딩 와이어의 절단이라는 문제, 또한 수지의 미충전이라는 문제, 성형성에 있어서의 중대한 문제를 일으키는 경우가 있다.
이러한 문제를 회피하는 방법으로서는, 예컨대, 마이크로 캡슐형 경화 촉진제를 이용함으로써 경화 반응의 개시를 지연시키는 방법이 제안되어 있다(특허 문헌 1 참조).
그러나, 상기와 같은 방법에서는, 경화 반응의 진행이 지연됨에 따른 생산성의 대폭적인 저하나, 경화물 자신의 경도 및 강도가 불충분해진다고 하는 문제가 있었다. 이러한 것으로부터, 상기와 같은 경화성의 문제를 고려하고, 또한, 성형성의 문제를 회피하는 방법으로서, 이미다졸계 화합물을 경화 촉진제로서 이용함으로써 양호한 경화성 및 유동성을 얻는 방법이 제안되어 있다(특허 문헌 2 참조).
한편, 반도체용 밀봉 수지의 또 하나의 중요한 요구 특성으로서, 고온 고습 신뢰성을 들 수 있다. 즉, 고온 또는 고습 하에서는, 에폭시 수지에 포함되는 염소 이온 등의 이온성 불순물이 움직이기 쉬워지기 때문에, 반도체 소자 상의 알루미늄 배선의 부식이 진행되기 쉽고, 종래의 반도체 밀봉용 에폭시 수지 조성물에서는, 고온 고습 신뢰성에 관해서 난점이 있었다. 상기 고온 고습 신뢰성의 불량 원인이 되는 에폭시 수지에 포함되는 염소 이온 등의 이온성 불순물은 에폭시 수지의 제조 공정에 있어서의 페놀의 에피택셜 할로히드린에 의한 글리시딜 에테르화에 기인하는 것이다. 종래의 크레졸 노볼락형 에폭시 수지에서는 용제에 대한 용해성이 높기 때문에, 수세가 가능해져 보다 저염소의(고순도의) 에폭시 수지를 얻을 수 있지만, 배합 성분의 하나인 무기질 충전제의 고충전화를 위해 이용되는 저점도 결정성 에폭시 수지는 용제에 대한 용해성이 낮기 때문에, 고순도의 에폭시 수지를 얻는 것이 곤란하다(특허 문헌 3 참조).
이러한 것으로부터, 고온 고습 신뢰성의 불량 원인이 되는 반도체 밀봉용 에폭시 수지 조성물에 포함되는 이온성 불순물을 포착하기 위해서, Bi계 무기 화합물을 포함한 이온 트랩제나 하이드로탈사이트류 화합물을 이용하여 음이온성 불순물을 포착하는 방법이 몇가지 제안되어 있다(특허 문헌 4∼6 참조). 그러나, 이들 방법을 이용하여도, 충분히 만족할만한 고온 고습 신뢰성의 향상 효과를 얻는 것은 곤란하며, 또한 에폭시 수지 조성물의 점도가 높아지기 때문에 유동성이 저하되고, 그 결과, 성형성에 악영향을 부여한다고 하는 문제가 발생하였다.
[특허 문헌]
[특허 문헌 1] 일본 특허 공개 평성 제10-168164호 공보
[특허 문헌 2] 일본 특허 공개 제2005-162943호 공보
[특허 문헌 3] 일본 특허 공개 평성 제2-187420호 공보
[특허 문헌 4] 일본 특허 공개 평성 제11-240937호 공보
[특허 문헌 5] 일본 특허 공개 평성 제9-157497호 공보
[특허 문헌 6] 일본 특허 공개 평성 제9-169830호 공보
본 발명은 이러한 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 성형성 및 경화성을 저하시키지 않고, 고온 고습 신뢰성이 우수한 반도체 장치의 제법의 제공을 그 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 반도체 장치의 제법은, 하기 (A)∼(D) 성분을 함유하는 반도체 밀봉용 에폭시 수지 조성물을 이용하여 반도체 소자를 수지 밀봉함으로써 반도체 장치를 제조하는 방법으로서, 수지 밀봉 후에 가열 처리 공정을 가하며, 이 가열 처리를 하기 (x)에 나타낸 조건으로 행한다고 하는 구성을 취한다.
(A) 하기 일반식 (1)로 표시되는 에폭시 수지:
Figure 112016107897474-pat00018
[상기 일반식 (1)에 있어서, X는 단일 결합, -CH2-, -S- 또는 -O-이고, 또한, R1∼R4는 -H 또는 -CH3로서 서로 동일하여도 좋고 상이하여도 좋음],
(B) 페놀 수지,
(C) 아민계 경화 촉진제,
(D) 무기질 충전제,
(x) 열 처리 시간(t분)과 열 처리 온도(T℃)의 관계가 t≥3.3×10-5 exp (2871/T)를 만족하는 영역으로 이루어진 열 처리 조건[단, 185℃≤열 처리 온도(T℃)≤300℃임].
즉, 본 발명자들은, 적정한 경화 반응을 일으켜, 밀봉 재료가 되는 에폭시 수지 조성물에 우수한 성형성 및 경화성이 부여되고, 예컨대, 금선 와이어 스윕 등의 발생이 억제되어 우수한 고온 고습 신뢰성을 갖춘 반도체 장치를 얻기 위해서 예의 연구를 거듭하였다. 그 과정에서, 종래와 같이 밀봉 재료가 되는 배합 성분만에 의한 해결이 아니라, 밀봉 재료에 덧붙여 반도체 장치의 제조 조건에도 착안하여 배합 성분 및 제조 조건의 쌍방으로부터의 상기 과제의 해결을 상기하여 연구를 거듭하였다. 그리고, 에폭시 수지로서 상기 특정한 비페닐형 에폭시 수지를 이용하고, 또한 경화 촉진제로서 아민계 경화 촉진제를 이용한 밀봉 재료에 의한 수지 밀봉과 함께, 수지 밀봉 후에 가열 처리를 행하면, 성형성 및 경화성과 함께 고온 고습 신뢰성의 향상이 도모되는 것을 밝혀냈다. 이것으로부터, 상기 가열 처리의 조건에 관해서 더욱 연구를 거듭하여 우수한 효과를 발휘하는 가열 시간 및 가열 온도의 관계를 다방면에 걸쳐 실험·검토한 결과, 상기 특정 성분을 이용한 밀봉 재료의 사용과 함께 상기 조건 (x)를 만족하는 가열 조건으로 가열 처리를 행하면, 우수한 성형성 및 경화성을 얻을 수 있고, 게다가 고온 고습 신뢰성이 우수한 반도체 장치를 얻을 수 있는 것을 발견하여 본 발명에 도달하였다.
이와 같이, 본 발명은 상기 (A)∼(D) 성분을 함유하는 에폭시 수지 조성물을 이용하여 반도체 소자를 수지 밀봉함으로써 반도체 장치를 제조하는 방법으로서, 수지 밀봉 후에 가열 처리 공정을 가하며, 이 가열 처리를 상기 (x)에 나타낸 조건으로 행한다고 하는 것이다. 이 때문에, 성형성 및 경화성을 저하시키지 않고, 고온 고습 신뢰성이 우수한 반도체 장치를 얻을 수 있다.
그리고, 아민계 경화 촉진제[(C) 성분]로서, 후술하는 일반식 (2)로 표시되는 이미다졸 화합물을 이용하면, 유동성 등의 성형성 및 경화성이 더욱 우수한 것을 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 반도체 장치의 제법에 있어서의 가열 처리 공정의 조건인 열 처리 시간(종축)-열 처리 온도(횡축)의 관계를 나타낸 곡선도이다.
도 2는 금선 와이어 스윕 평가의 측정에 이용되는 반도체 장치를 모식적으로 나타낸 평면도이다.
도 3은 금선 와이어 스윕량의 측정 방법을 모식적으로 나타낸 설명도이다.
본 발명에 이용되는 반도체 밀봉용 에폭시 수지 조성물은 특정한 에폭시 수지(A 성분)와 페놀 수지(B 성분)와 아민계 경화 촉진제(C 성분)와 무기질 충전제(D 성분)를 이용하여 얻어지는 것으로서, 통상, 액상, 또는 분말형, 또는 그 분말을 타정한 타블릿형, 또는 시트형으로 하여 밀봉 재료에 제공된다.
상기 특정 에폭시 수지(A 성분)는 하기 일반식 (1)로 표시되는 에폭시 수지이다:
Figure 112016107897474-pat00019
[상기 일반식 (1)에 있어서, X는 단일 결합, -CH2-, -S- 또는 -O-이고, 또한, R1∼R4는 -H 또는 -CH3로서 서로 동일하여도 좋고 상이하여도 좋음]
그 중에서도 유동성 등의 성형성의 관점에서, 상기 일반식 (1)에 있어서, X는 단일 결합이며, 또한 R1∼R4는 전부 -CH3가 되는 에폭시 수지를 이용하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 있어서는, 에폭시 수지 성분이 상기 특정 에폭시 수지(A 성분)만으로 구성되어 있는 것이 바람직하지만, 다른 에폭시 수지를 병용하여도 좋다. 상기 다른 에폭시 수지로서는, 예컨대, 비스페놀 A형 에폭시 수지, 페놀 노볼락형 에폭시 수지, 크레졸 노볼락형 에폭시 수지, 트리페닐 메탄형 에폭시 수지 등을 들 수 있다. 이들은 단독으로 또는 2종 이상 함께 이용할 수 있다. 그리고, 이러한 에폭시 수지 중에서도, 상기 A 성분을 포함하여 에폭시 당량 150∼250, 연화점 또는 융점이 50℃∼130℃인 것을 이용하는 것이 바람직하다. 상기 다른 에폭시 수지를 병용하는 경우, 그 병용 비율은 본 발명의 효과를 저해하지 않는 범위라면 특별히 한정되지 않지만, 구체적으로는 에폭시 수지 성분 전체의 30 중량% 이하로 설정하는 것이 바람직하다.
상기 에폭시 수지(A 성분)와 함께 이용되는 페놀 수지(B 성분)는 상기 에폭시 수지(A 성분)의 경화제로서의 작용을 발휘하는 것으로서, 1분자 내에 2개 이상의 페놀성 수산기를 갖는 모노머, 올리고머, 폴리머 전반을 말한다. 예컨대, 페놀 노볼락, 크레졸 노볼락, 비페닐형 노볼락, 트리페닐 메탄형, 나프톨 노볼락, 크실릴렌 노볼락, 페놀아랄킬 수지, 비페닐아랄킬 수지 등을 들 수 있다. 이들은 단독으로 또는 2종 이상 함께 이용된다. 그 중에서도, 페놀아랄킬 수지나 비페닐아랄킬 수지와 같은 저흡습성의 것을 이용하는 것이 성형성 및 신뢰성의 점에서 바람직하다.
상기 에폭시 수지(A 성분) 및 페놀 수지(B 성분)의 배합 비율은 에폭시 수지 중의 에폭시 기 1 당량당 페놀 수지 중의 수산 기가 0.5∼2.0 당량당이 되도록 배합하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 0.8∼1.2 당량이다.
상기 A 성분 및 B 성분과 함께 이용되는 아민계 경화 촉진제(C 성분)로서는, 예컨대, 2-메틸이미다졸 등의 이미다졸류, 트리에탄올아민, 1,8-디아자비시클로[5.4.0]운데센-7 등의 3급 아민류, 2,4-디아미노-6-[2'-운데실이미다졸릴(1')]-에틸-s-트리아진 등을 들 수 있다. 이들 아민계 경화 촉진제 중에서도, 하기 일반식 (2)로 표시되는 이미다졸 화합물을 이용하는 것이 유동성 등의 성형성 및 경화성의 점에서 바람직하다:
Figure 112011088526904-pat00003
[상기 일반식 (2)에 있어서, R'는 알킬 기 또는 아릴 기이고, 또한, R5, R6은 -CH3 또는 -CH2OH로서 서로 동일하여도 좋고 상이하여도 좋고, 단, R5 및 R6 중 하나 이상은 -CH2OH임].
상기 일반식 (2)에 있어서, R'로서는 알킬 기, 아릴 기를 들 수 있다. 상기 알킬 기로서는, 구체적으로는, 탄소수 1∼6의 알킬 기 등을 들 수 있다. 또한, 상기 아릴 기로서는, 구체적으로는, 페닐 기, p-톨릴 기 등을 들 수 있다. 그리고, 상기 일반식 (2)로 표시되는 이미다졸 화합물로서는, 구체적으로는, 2-페닐-4-메틸-5-히드록시이미다졸, 2-페닐-4,5-디히드록시메틸이미다졸을 들 수 있다.
상기 일반식 (2)로 표시되는 이미다졸 화합물은, 예컨대, 다음과 같이 하여 제조할 수 있다. 즉, 2-치환 이미다졸류와 포름알데히드를 알칼리 존재 하에서 반응시킴으로써 제조할 수 있다.
상기 아민계 경화 촉진제(C 성분)의 함유량은 상기 페놀 수지(B 성분) 100 중량부에 대하여 1∼20 중량부의 범위인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 2∼10 중량부이다. 즉, 아민계 경화 촉진제(C 성분)의 함유량이 너무 적으면, 목적으로 하는 에폭시 수지(A 성분)와 페놀 수지(B 성분)와의 경화 반응이 진행되기 어렵기 때문에, 충분한 경화성을 얻는 것이 곤란해지고, 너무 많으면, 경화 반응이 너무 빨라 성형성을 손상시키는 경향을 볼 수 있기 때문이다.
또한, 본 발명에 있어서는, 상기 아민계 경화 촉진제(C 성분)와 함께, 본 발명의 특성을 손상시키지 않는 범위에서 다른 경화 촉진제를 병용하여도 좋다. 상기 다른 경화 촉진제로서는, 예컨대, 트리아릴포스핀류, 테트라페닐포스포늄·테트라페닐보레이트 등을 들 수 있다. 이들은 단독으로 또는 2종 이상 함께 이용된다. 또한, 상기 다른 경화 촉진제를 병용하는 경우에는, 구체적으로는, 다른 경화 촉진제의 함유량을 경화 촉진제 성분 전체의 50 중량% 이하로 설정하는 것이 바람직하다.
상기 A∼C 성분과 함께 이용되는 무기질 충전제(D 성분)로서는, 예컨대, 용융 실리카 분말이나 결정성 실리카 분말 등의 실리카 분말, 알루미나 분말, 탈크 등을 들 수 있다. 이들 무기질 충전제는, 파쇄형, 구형, 또는 마쇄 처리한 것 등 어느 것이라도 사용 가능하다. 그 중에서도, 구형 용융 실리카 분말을 이용하는 것이 바람직하다. 그리고, 이들 무기질 충전제는 단독으로 또는 2종 이상 함께 이용된다. 상기 무기질 충전제(D 성분)로서는, 평균 입자 직경이 5∼40 ㎛의 범위인 것을 이용하는 것이, 유동성을 양호하게 한다고 하는 점에서 바람직하다. 상기 평균 입자 직경의 측정은, 예컨대, 레이저 회절 산란식 입도 분포 측정 장치에 의해 측정할 수 있다.
그리고, 상기 무기질 충전제(D 성분)의 함유량은 에폭시 수지 조성물 전체의 70∼95 중량%인 것이 바람직하다. 특히 바람직하게는 85∼92 중량%이다. 즉, 무기질 충전제(D 성분)의 함유량이 너무 적으면, 에폭시 수지 조성물의 점도가 너무 낮아져서 성형시의 외관 불량(보이드)이 발생하기 쉬워지는 경향을 볼 수 있고, 너무 많으면, 유동성이 저하되어 와이어 스윕이나 미충전이 발생하는 경향을 볼 수 있기 때문이다.
또한, 본 발명에 이용되는 반도체 밀봉용 에폭시 수지 조성물에서는, 상기 A∼D 성분에 덧붙여 실란 커플링제, 난연제, 난연 조제, 이형제, 이온 트랩제, 카본 블랙 등의 안료나 착색료, 저응력화제, 점착 부여제 등의 다른 첨가제를 적절하게 배합할 수 있다.
상기 실란 커플링제로서는 각종 실란 커플링제를 이용할 수 있고, 그 중에서도 2개 이상의 알콕시 기를 갖는 실란 커플링제가 적합하게 이용된다. 구체적으로는, β-(3,4-에폭시시클로헥실)에틸트리메톡시실란, γ-글리시독시프로필트리메톡시실란, γ-머캅토프로필트리메톡시실란, γ-(2-아미노에틸)아미노프로필트리메톡시실란, γ-머캅토프로필메틸디메톡시실란, γ-아닐리노프로필트리메톡시실란, 헥사메틸디실라잔 등을 들 수 있다. 이들은 단독으로 또는 2종 이상 함께 이용된다.
상기 난연제로서는 노볼락형 브롬화 에폭시 수지나 금속 수산화물 등을 들 수 있다. 또한, 상기 난연 조제로서는 삼산화이안티몬이나 오산화이안티몬 등이 이용된다. 이들은 단독으로 또는 2종 이상 함께 이용된다.
상기 이형제로서는 고급 지방산, 고급 지방산 에스테르, 고급 지방산 칼슘 등의 화합물을 들 수 있고, 예컨대, 카나우바 왁스나 폴리에틸렌계 왁스 등이 이용된다. 이들은 단독으로 또는 2종 이상 함께 이용된다.
상기 이온 트랩제로서는 이온 트랩 능력을 갖는 화합물 전부를 사용하는 것이 가능하고, 예컨대, 하이드로탈사이트류 화합물, 수산화비스무트 등이 이용된다.
또한, 상기 저응력화제로서는, 예컨대, 아크릴산메틸-부타디엔-스티렌 공중합체, 메타크릴산메틸-부타디엔-스티렌 공중합체 등의 부타디엔계 고무나 실리콘 화합물 등을 들 수 있다.
본 발명에 이용되는 반도체 밀봉용 에폭시 수지 조성물은, 예컨대, 다음과 같이 하여 제조할 수 있다. 즉, 상기 A∼D 성분 및 필요에 따라 다른 첨가제를 배합하여 혼합한 후, 믹싱 롤기 등의 혼련기에 걸어 가열 상태로 용융 혼합하고, 이것을 시트형으로 압연한다. 또는 용융 혼합하여, 이것을 실온으로 냉각시킨 후, 공지의 수단에 의해 분쇄하고, 필요에 따라 타정한다고 하는 일련의 공정에 의해 제조할 수 있다.
이러한 반도체 밀봉용 에폭시 수지 조성물을 이용한 반도체 소자의 수지 밀봉은, 특별히 제한되지 않고, 통상의 트랜스퍼 성형 등의 공지의 몰드 방법에 의해 행할 수 있다.
그리고, 본 발명의 반도체 장치의 제법에서는, 그 제조 공정에 있어서, 상기 수지 밀봉 후에, 가열 처리 공정을 가하는 것으로서, 그 가열 처리를 하기 (x)에 나타낸 조건으로 행하는 것을 특징으로 한다:
(x) 열 처리 시간(t분)과 열 처리 온도(T℃)의 관계가 t≥3.3×10-5 exp (2871/T)를 만족하는 영역으로 이루어진 열 처리 조건[단, 185℃≤열 처리 온도(T℃)≤300℃임].
이와 같이, 본 발명에서는, 상기 가열 처리에 있어서는, 열 처리에 필요한 시간, 즉 열 처리 시간(t분)은 그 열 처리 온도(T℃)에 따라 달리 변화되는 것으로서, 상기 조건 (x)에서의 열 처리 시간과 열 처리 온도의 관계를 도 1에 나타낸다. 도 1에 있어서, 곡선 a는 t=3.3×10-5 exp (2871/T)를 나타낸다. 본 발명에 있어서의 조건 (x)는 곡선 a를 포함하고, 그것보다 큰 값(t분)의 영역을 가리킨다. 그리고, 실제 면에서 생산성 및 반도체 소자의 내열성을 고려한 경우, 열 처리 시간(t분)에 관해서는, 직선 b인 열 처리 시간 t=180분을 일반적인 상한으로 한다. 또한, 열 처리 온도(T℃)에 관해서는, 직선 c인 열 처리 온도 T(℃)=300℃를 상한으로서 각각 나타낸다.
즉, 상기 직선 b인 상기 열 처리 시간(t분)에 관해서는, 생산성을 고려하여 180분 이상의 열 처리는 현실적이지 않기 때문에, 180분을 상한으로 한다. 또한, 상기 직선 c인 상기 열 처리 온도(T℃)에 관해서는, 반도체 소자의 내열성을 고려하여 300℃가 현실적인 상한 온도가 된다. 따라서, 열 처리 시간(t분)의 상한 시간인 180분에 있어서 신뢰성 개선 효과가 확인되는 열 처리 온도(T℃)는, 도 1로부터 밝혀진 바와 같이, 185℃가 되고, 이것을 열 처리 온도(T℃)의 실질적인 하한 값으로 한다. 또한, 열 처리 시간(t분)의 하한에 관해서는, 도 1로부터 밝혀진 바와 같이, 열 처리 온도(T℃)가 300℃에 있어서, 열 처리 시간 0.47분에 의한 처리에 의해 신뢰성 개선 효과가 확인되고 있고, 이 0.47분을 실질적인 열 처리 시간(t분)의 하한 값으로 한다. 이러한 것으로부터, 본 발명에 있어서의 조건 (x)의 실질적인 범위는, 도 1에 도시된 바와 같이, 곡선 a[t=3.3×10-5 exp (2871/T)], 직선 b(t=180분), 직선 c(T=300℃)로 둘러싸인 영역이 된다(곡선 a, 직선 b, 직선 c 상을 포함함).
상기 조건 (x)에 있어서, 신뢰성에 대한 필요 충분한 효과와 생산성을 고려했을 경우, 특히 바람직한 열 처리 조건의 일례로서, 예컨대, 300℃에서 3분의 열 처리, 275℃에서 5분의 열 처리, 250℃에서 20분의 열 처리 등을 들 수 있다.
본 발명에서는, 수지 밀봉된 반도체 장치에 대하여, 앞서 설명한 조건 (x)로써 가열 처리를 행하는 것을 특징으로 하는 것이지만, 상기 가열 처리의 양태로서는, 예컨대, (1) 반도체 장치의 수지 밀봉 후에 행해지는 후가열(PMC) 공정(후경화 공정: 애프터큐어(aftercure))에서의 가열 처리를, 상기 조건 (x)를 만족하는 가열 처리로 하여 후가열(PMC) 공정을 행하는 것, (2) 후가열(PMC) 공정 후에 행해지는 땜납 리플로우 공정에서의 가열 처리를, 상기 조건 (x)를 만족하는 가열 처리로 하여 땜납 리플로우 공정을 행하는 것, (3) 상기 후가열(PMC) 공정 및 후가열(PMC) 공정 후의 땜납 리플로우 공정과는 별도로 독립된 상기 조건 (x)에서의 가열 처리 공정을 설치하여 가열 처리를 행하는 것 등을 들 수 있다. 또한, 본 발명의 가열 처리의 상기 조건 (x)에 비하여, 통상의 후가열(PMC) 공정에서의 가열 온도는 그 온도가 낮기 때문에 온도 부족이 되고, 또한 통상의 땜납 리플로우 공정에서의 가열 시간은 그 시간이 짧기 때문에 시간 부족이 된다.
[실시예]
이어서, 실시예에 대해서 비교예와 함께 설명한다. 단, 본 발명은 이들 실시예에 한정되지 않는다.
우선, 실시예에 앞서 하기에 나타내는 각 성분을 준비하였다.
[에폭시 수지 a1]
일반식 (1)로 표시되는 비페닐형 에폭시 수지[식 1 중, X는 단일 결합이며, R1∼R4는 전부 CH3임: 에폭시 당량 192, 융점 105℃]
[에폭시 수지 a2]
트리페닐 메탄형 다관능 에폭시 수지(에폭시 당량 169, 융점 60℃)
[페놀 수지 b1]
비페닐 아랄킬형 페놀 수지(수산기 당량 203, 연화점 65℃)
[페놀 수지 b2]
페놀 노볼락 수지(수산기 당량 104, 연화점 60℃)
[페놀 수지 b3]
크실릴렌 노볼락형 페놀 수지(수산기 당량 175, 연화점 72℃)
[페놀 수지 b4]
트리페닐 메탄형 페놀 수지(수산기 당량 103, 연화점 83℃)
[페놀 수지 b5]
트리페닐 메탄형 페놀 수지(수산기 당량 97, 연화점 111℃)
[경화 촉진제 c1]
2-페닐-4-메틸-5-히드록시메틸이미다졸
[경화 촉진제 c2]
2,4-디아미노-6-[2'-운데실이미다졸릴(1')]-에틸-s-트리아진
[경화 촉진제 c3]
테트라페닐포스포늄·테트라-p-톨릴보레이트
[무기질 충전제]
구형 용융 실리카 분말(평균 입자 직경 13 ㎛)
[안료]
카본 블랙
[난연제]
수산화마그네슘
[실란 커플링제]
3-메타크릴옥시프로필트리메톡시실란
[이형제]
산화폴리에틸렌 왁스
[에폭시 수지 조성물의 제작]
하기의 표 1∼표 2에 나타내는 각 성분을 이 표에 나타내는 비율로 배합하여 믹서로 충분히 혼합한 후, 2축 혼련기를 이용하여 100℃에서 2분간 용융 혼련하였다. 이어서, 이 용융물을 냉각시킨 후, 분쇄함으로써 목적으로 하는 분말형의 에폭시 수지 조성물 a∼l을 제작하였다.
Figure 112011088526904-pat00004
Figure 112011088526904-pat00005
상기한 바와 같이 하여 제작한 에폭시 수지 조성물을 이용하여 하기의 방법에 따라 겔화 시간 및 고온 경도를 측정하였다.
[겔화 시간]
175℃의 열판 상에서 에폭시 수지 조성물을 용융시켜, 겔화할 때까지의 시간을 측정하였다. 또한, 경화성을 고려하면, 겔화 시간은 60초 이하가 타당한 시간이다.
[열시 경도]
에폭시 수지 조성물을 이용하여 금형 온도 175℃, 경화 시간 90초로 성형하고, 몰드를 개방하여 10초 후에 쇼어 D 경도계를 이용하여 측정한 경화물의 쇼어 D 경도의 값을 열시 경도로 하였다. 즉, 이 열시 경도의 값이 높을수록 경화성이 양호하다고 할 수 있다.
〈반도체 장치의 제조〉
[실시예 1∼12, 비교예 1∼24]
이어서, 상기 각 에폭시 수지 조성물을 이용하여 반도체 소자를, TOWA사에서 제조한 자동 성형기(CPS-40 L)에 의해 트랜스퍼 성형(성형 조건: 175℃×90초)으로 수지 밀봉하고, 또한, 175℃×3시간으로 후경화함으로써 반도체 장치(LQFP-144: 크기 20 ㎜×20 ㎜×두께 1.4 ㎜)를 제작하였다. 계속해서 상기 반도체 장치에 대하여 하기의 조건으로 가열 처리(미처리도 포함함)를 행함으로써 목적으로 하는 반도체 장치를 얻었다. 얻어진 반도체 장치의 고온 고습 신뢰성 및 금선 와이어 스윕의 각 평가를 하기의 방법에 따라 평가하였다.
또한, 상기 고온 고습 신뢰성의 평가에 있어서, 에폭시 수지 조성물 a∼f를 이용하고, 또한 본 발명의 조건 (x) 하에서의 열 처리를 가한 경우(250℃×3분, 250℃×20분)의 반도체 장치를 실시예 물품으로 하였다. 한편, 열 처리가 없는 경우에 에폭시 수지 조성물 a∼f를 이용한 것(비교예 1∼6), 조건 (x)의 범위 밖이 되는 조건에서의 열 처리를 가한 경우(250℃×1분)의 반도체 장치(비교예 7∼12), 열 처리가 없는 경우에 에폭시 수지 조성물 g∼l을 이용한 것(비교예 13∼18), 더욱이 본 발명의 조건 (x)를 만족하는 조건에서의 열 처리를 가한 경우(250℃×20분)이지만 에폭시 수지 조성물 g∼l을 이용한 것(비교예 19∼24)을 비교예 물품으로 하였다.
[고온 고습 신뢰성 수명 상승률]
제작한 반도체 장치에 대하여, 전술한 조건으로 열 처리를 가하였다(열 처리가 없는 경우도 포함함). 이와 같이 처리하여 얻어진 반도체 장치를, 130℃×85% RH 환경 하에서의 HAST 시험(Highly Accelerated Steam and Temperatuer Test: 반도체 장치를 130℃×85% RH의 조건 하에서 노출시키면서 일정 시간마다의 저항 값을 측정: 바이어스 없음)에 제공하였다. 그리고, HAST 시험 처리 후의 저항 값의 측정을 행하여, 이 저항 값의 상승률이 10% 이상이었을 경우를 단선 불량으로 하고, 이 단선 불량이 발생하는 HAST 처리 시간이, 전술한 조건으로 열 처리를 가한(미처리의 열 처리가 없는 경우도 포함함) 경우, 그 열 처리 전의 경우에 비하여 어느 정도 길어졌는지를 산출하고(열 처리를 가한 경우의 단선 불량이 발생하는 HAST 처리 시간/열 처리 전의 단선 불량이 발생하는 HAST 처리 시간), 고온 고습 신뢰성의 수명 상승률로서 평가하였다.
[금선 와이어 스윕]
상기 에폭시 수지 조성물 a∼l을 이용하여 금선 와이어(와이어 직경 23 ㎛, 와이어 길이 6 ㎜)를 부설한 LQFP-144(크기: 20 ㎜×20 ㎜×두께 1.4 ㎜)를, TOWA사 제조의 자동 성형기(CPS-40L)에 의해 성형(조건: 175℃×90초)하여 175℃×3시간으로 후경화함으로써 반도체 장치를 얻었다. 즉, 상기 반도체 장치의 제작시에 있어서, 도 2에 도시된 바와 같이, 다이패드(1)를 갖는 LQFP-144의 팩키지 프레임에 금선 와이어(2)를 부설하고, 이것을 이용하여 상기 에폭시 수지 조성물에 의해 수지 밀봉하여 팩키지를 제작하였다. 도 2에 있어서, 도면 부호 3은 반도체 칩, 도면 부호 4는 리드 핀이다. 그리고, 제작한 팩키지를 연 X선 해석 장치를 이용하여 금선 와이어 스윕량을 측정하였다. 측정은, 각 팩키지로부터 10줄씩 금선 와이어를 선정하여 측정하고, 도 3에 도시된 바와 같이, 정면 방향으로부터의 금선 와이어(2)의 스윕량을 측정하였다. 그리고, 금선 와이어(2)의 스윕량의 최대 부분이 되는 값을 그 팩키지의 금선 와이어 스윕량의 값(dmm)으로 하여 금선 스윕률[(d/L)×100]을 산출하였다. 또한, L은 금선 와이어(2)의 양단 사이의 거리(㎜)를 나타낸다. 그리고, 상기 금선 스윕률이 6% 이상인 것을 ×, 금선 스윕률이 4% 이상 6% 미만인 것을 △, 금선 스윕률이 4% 미만인 것을 ○로서 표시하였다.
이들 평가 결과를 하기의 표 3 내지 표 8에 함께 나타낸다.
Figure 112011088526904-pat00006
Figure 112011088526904-pat00007
Figure 112011088526904-pat00008
Figure 112011088526904-pat00009
Figure 112011088526904-pat00010
Figure 112011088526904-pat00011
상기 결과로부터, 특정 배합 성분으로 이루어진 에폭시 수지 조성물을 이용하여 수지 밀봉하고, 또한 특정 조건 (x)를 만족하는 조건으로 가열 처리된 실시예 물품은, 유동성 및 경화성에 있어서 양호한 결과를 얻을 수 있으며, 또한, 신뢰성 수명 상승률도 높고, 금선 와이어 스윕 평가도 우수하여 신뢰성이 우수한 반도체 장치를 얻을 수 있었던 것을 알 수 있다.
또한, 수지 밀봉 후의 가열 처리 조건을 300℃×3분으로 한 경우, 또한 275℃×5분으로 한 경우의 반도체 장치를 제작하고, 이 반도체 장치에 대해서도 상기와 동일한 측정 평가를 행하였다. 그 결과, 상기와 같은 우수한 측정 평가를 얻을 수 있어, 신뢰성이 우수한 반도체 장치를 얻을 수 있었다.
이것에 대하여, 수지 밀봉 후에 가열 처리를 행하지 않았거나(열 처리 없음) 또는 특정 에폭시 수지 또는 아민계 경화 촉진제를 이용하지 않은 에폭시 수지 조성물에 의해 수지 밀봉하여 가열 처리된 또는 특정 조건 (x)에서 제외된 조건으로 가열 처리된 각 비교예 물품은 고온 고습 신뢰성의 상승률이 낮거나 와이어 스윕 평가가 뒤떨어지는 결과가 되었다.
본 발명의 반도체 장치의 제법에 의해 얻어지는 반도체 장치는, 종래의 밀봉재료로는 실현할 수 없었던, 우수한 고온 고습 신뢰성을 갖는 것이다. 따라서, 본 발명의 제법은, 각종 반도체 장치의 제조에 있어서 유용하다.

Claims (3)

  1. 하기 (A)∼(D) 성분을 함유하는 반도체 밀봉용 에폭시 수지 조성물을 이용하여 반도체 소자를 수지 밀봉함으로써 반도체 장치를 제조하는 방법으로서, 수지 밀봉 및 후경화의 후에 가열 처리 공정을 가하며, 이 가열 처리를 하기 (x)에 나타낸 조건으로 행하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제법:
    (A) 하기 일반식 (1)로 표시되는 에폭시 수지:
    Figure 112016107897474-pat00020

    [상기 일반식 (1)에 있어서, X는 단일 결합, -CH2-, -S- 또는 -O-이고, 또한, R1∼R4는 -H 또는 -CH3로서 서로 동일하여도 좋고 상이하여도 좋음],
    (B) 페놀 수지,
    (C) 아민계 경화 촉진제,
    (D) 무기질 충전제,
    (x) 열 처리 시간(t분)과 열 처리 온도(T℃)의 관계가 t≥3.3×10-5 exp (2871/T)를 만족하는 영역으로 이루어진 열 처리 조건[단, 185℃≤열 처리 온도(T℃)≤300℃이고, 또한 열 처리 시간 t분은 t≤180분임].
  2. 제1항에 있어서, 상기 (C) 성분인 아민계 경화 촉진제의 함유량은 (B) 성분인 페놀 수지 100 중량부에 대하여 1∼20 중량부인 반도체 장치의 제법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 (C) 성분인 아민계 경화 촉진제는 하기 일반식 (2)로 표시되는 이미다졸 화합물인 반도체 장치의 제법.
    Figure 112011088526904-pat00013

    [상기 일반식 (2)에 있어서, R'는 알킬 기 또는 아릴 기이고, 또한, R5, R6은 -CH3 또는 -CH2OH로서 서로 동일하여도 좋고 상이하여도 좋고, 단, R5 및 R6 중 하나 이상은 -CH2OH임].
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