JP2007045884A

JP2007045884A - 封止用樹脂組成物および半導体装置

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Publication number: JP2007045884A
Application number: JP2005229766A
Authority: JP
Inventors: Yuichi Takizawa; 雄一瀧澤; Koichi Ibuki; 浩一伊吹
Original assignee: Kyocera Chemical Corp
Current assignee: Kyocera Chemical Corp
Priority date: 2005-08-08
Filing date: 2005-08-08
Publication date: 2007-02-22

Abstract

【課題】成形用金型からの離型性が良好で、支障なく連続成形を行うことができる封止用樹脂組成物およびこのような封止用樹脂組成物で封止された半導体装置を提供する。
【解決手段】（Ａ）エポキシ樹脂、（Ｂ）フェノール樹脂系硬化剤、（Ｃ）無機充填剤および（Ｄ）シリコーンを含有する封止用樹脂組成物であって、該封止用樹脂組成物を金属板上に１７５℃で２分間の条件でトランスファー成形し、その成形体を前記金属板から剥離することを１００回繰り返した後の前記金属板表面の水との接触角をθ_１００とし、前記トランスファー成形前の金属板表面の水との接触角をθ_０としたとき、（θ_０−θ_１００）／θ_０≦０．１である封止用樹脂組成物、および、その硬化物によって半導体素子を封止してなる半導体装置である。
【選択図】なし

Description

本発明は、半導体装置等の封止材料として使用される封止用樹脂組成物およびこれを用いた半導体装置に係り、特に、成形用金型からの離型性を高めた封止用樹脂組成物およびこれを用いた半導体装置に関する。

従来より、半導体集積回路などを機械的、化学的作用から保護するために熱硬化性樹脂による封止が広く行われている。封止樹脂材料としては、なかでもエポキシ樹脂をベースとし、これに硬化剤や硬化促進剤、さらにはシリカ粉末のような無機充填剤や顔料等を配合した組成物が、信頼性や成形性等の点から多用されている。

ところで、近年、半導体集積回路などの半導体装置の実装方法は、従来のピン挿入タイプから表面実装タイプへと移行してきているとともに、高融点半田の使用による高温実装が一般的になってきている。表面実装タイプへの移行は、近年の半導体装置等の高密度実装化および組立工程の自動化等に対応するためである。また、高融点半田の使用は、最近の環境に対する関心の高まりから、人体に有害とされる鉛を除去した半田の使用が強く求められてきているためであって、鉛を使用しない半田のうち、半導体分野で使用可能な半田は、その多くが従来の半田に比較して高い融点を有しているからである。

表面実装タイプの実装方法では、基板に半導体パッケージのリード部分を半田付けする際、基板上のクリーム半田を赤外線やフルオロカーボン蒸気で加熱し、リードと接続する方法が採られる。このような実装方法では、半田を加熱する際にパッケージ自体も加熱されるため、封止樹脂には高い耐リフロー性が要求される。そして、半田として、上述したような高融点半田を使用した場合には、リフロー温度はさらに高温になるため、封止樹脂にはさらに高い耐リフロー性が要求される。

そこで、かかる表面実装および高融点半田に耐え得る高い耐リフロー性を備えた封止樹脂材料が種々開発されてきている（例えば、特許文献１、２参照。）。しかしながら、それらの多くは、耐リフロー性に優れる反面、成形用金型からの型離れ性に乏しく、連続成形時にしばしば成形不具合が発生するという問題があった。
特開平７−８２３４３号公報特開平８−２７７３５６号公報

上述したように、実装方式のピン挿入タイプから表面実装タイプへの移行、および、鉛を使用しない高融点半田の使用に伴い、耐リフロー性に優れた封止樹脂材料が開発されてきているが、これらは成形用金型からの離型性に乏しく、連続成形が困難であるという問題があった。

本発明はこのような従来の事情に対処してなされたもので、成形用金型からの離型性が良好で、支障なく連続成形を行うことができる封止用樹脂組成物およびこのような封止用樹脂組成物で封止された半導体装置を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記の目的を達成するため鋭意研究を重ねた結果、金型内面と硬化した封止用樹脂組成物間の相互作用力は、金型内面に蒸留水、有機溶媒、液状シリコーン等を滴下した際の接触角θのｃｏｓθと相関しており、封止用樹脂組成物を用いて成形および剥離を繰り返したときの金型内面の水等との接触角θの変動が、封止用樹脂組成物の成形用金型からの離型性を示す指標となることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本願の請求項１に記載の発明の封止用樹脂組成物は、（Ａ）エポキシ樹脂、（Ｂ）フェノール樹脂系硬化剤、（Ｃ）充填剤および（Ｄ）シリコーンを含有する封止用樹脂組成物であって、該封止用樹脂組成物を所定の条件でトランスファー成形し、その成形体を成形用金型から離型することを１００回繰り返した後の前記金型内面の液体との接触角をθ_１００とし、前記トランスファー成形前の前記金型内面の前記液体との接触角をθ_０としたとき、（θ_０−θ_１００）／θ_０≦０．１であることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１記載の封止用樹脂組成物において、（Ａ）エポキシ樹脂を１．０〜１５．０重量％、（Ｂ）フェノール樹脂系硬化剤を１．０〜１５．０重量％、（Ｃ）充填剤６０．０〜９３．０重量％、（Ｄ）シリコーンを０．１〜２．０重量％含有することを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２記載の封止用樹脂組成物において、（Ｄ）成分が、側鎖にアルキル基を有するシリコーンであることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれか１項記載の封止用樹脂組成物において、（Ａ）成分が、ビフェニルノボラック型エポキシ樹脂を含み、かつ、（Ｂ）成分が、アラルキル型フェノール樹脂を含むことを特徴とする。

また、本願の請求項５に記載の発明の半導体装置は、（Ａ）エポキシ樹脂、（Ｂ）フェノール樹脂系硬化剤、（Ｃ）無機充填剤および（Ｄ）シリコーンを含有する封止用樹脂組成物であって、該封止用樹脂組成物を所定の条件でトランスファー成形し、その成形体を成形用金型から離型することを１００回繰り返した後の前記金型内面の液体との接触角をθ_１００とし、前記トランスファー成形前の前記金型内面の前記液体との接触角をθ_０としたとき、（θ_０−θ_１００）／θ_０≦０．１である封止用樹脂組成物の硬化物によって、半導体素子を封止してなることを特徴とする。

本発明によれば成形用金型からの離型性が良好で、支障なく連続成形を行うことができる封止用樹脂組成物およびこのような封止用樹脂組成物で封止された半導体装置を得ることができる。

以下、本発明を詳細に説明する。

本発明の封止用樹脂組成物は、該封止用樹脂組成物を成形用金型を用いて所定の硬化条件、例えば１７５℃で２分間の条件でトランスファー成形し、その成形体を前記金型から離型することを１００回繰り返した後の前記金型内面の液体、例えば、蒸留水、有機溶媒、液状シリコーン等との接触角（以下、「１００ショット後の接触角」と称する。）をθ_１００とし、前記トランスファー成形前の前記金型内面の前記液体との接触角（以下、「初期接触角」と称する。）をθ_０としたとき、（θ_０−θ_１００）／θ_０≦０．１であるものである。（θ_０−θ_１００）／θ_０が０．１を超える、すなわち、（θ_０−θ_１００）／θ_０＞０．１であると、成形用金型からの離型性が低下し、連続成形が困難になる。

次に、本発明の封止用樹脂組成物を構成する各成分について説明する。

本発明の封止用樹脂組成物の（Ａ）成分であるエポキシ樹脂としては、１分子中に２個以上のエポキシ基を有するものであれば、分子構造、分子量等に制限されることなく一般に使用されているものを広く用いることができる。具体的には、下記一般式（１）で示されるビフェニルノボラック型エポキシ樹脂、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、トリフェノールメタン型エポキシ樹脂、アルキル変性トリフェノールメタン型エポキシ樹脂、トリアジン核含有エポキシ樹脂、ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂、スチルベン型エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂、複素環型エポキシ樹脂、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、縮合環芳香族炭化水素変性エポキシ樹脂、脂環型エポキシ樹脂等が挙げられる。これらのエポキシ樹脂は、１種を単独で使用してもよく、２種以上を混合して使用してもよい。

（式中、ｎは０以上の整数を表す）

成形用金型からの離型性と、表面実装および高温実装に十分対応可能な耐リフロー性を具備させるためには、なかでも、一般式（１）で示されるビフェニルノボラック型エポキシ樹脂の使用が好ましく、他のエポキシ樹脂を併用する場合は、（Ａ）成分全体の２０重量％以下とすることが好ましい。

この（Ａ）成分のエポキシ樹脂は、全組成物中に１．０〜１５．０重量％配合することが好ましく、１．０〜７．０重量％配合することがより好ましい。配合量が１．０％に満たないと、硬化後の機械的強度が低下するおそれがあり、また、１５．０重量％を超えると、組成物が未硬化になるおそれがある。

本発明の封止用樹脂組成物の（Ｂ）成分であるフェノール樹脂系硬化剤としては、（Ａ）成分のエポキシ樹脂のエポキシ基と反応し得るフェノール性水酸基を分子中に２個以上有するものであれば、特に制限されることなく使用される。具体的には、フェノール、アルキルフェノール等のフェノール類とホルムアルデヒドまたはパラホルムアルデヒドを反応させて得られるノボラック型フェノール樹脂、例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等、これらの変性樹脂、例えばエポキシ化もしくはブチル化したノボラック型フェノール樹脂等、ジシクロペンタジエン変性フェノール樹脂、パラキシレン変性フェノール樹脂、フェノール類とベンズアルデヒド、ナフチルアルデヒド等との縮合物、例えば下記一般式（２）で示されるアラルキル型フェノール樹脂等、トリフェノールメタン化合物、多官能型フェノール樹脂等が挙げられる。これらは、１種を単独で使用してもよく、２種以上を混合して使用してもよい。

（式中、ｎは０以上の整数を表す）

成形用金型からの離型性と、表面実装および高温実装に十分対応可能な耐リフロー性を具備させるためには、なかでも、一般式（２）で示されるアラルキル型フェノール樹脂の使用が好ましく、他のフェノール樹脂系硬化剤を併用する場合は、（Ｂ）成分全体の２０重量％以下とすることが好ましい。

この（Ｂ）成分のフェノール樹脂系硬化剤の配合量は、（Ａ）成分のエポキシ樹脂が有するエポキシ基数（ａ）と（Ｂ）成分のフェノール樹脂硬化剤が有するフェノール性水酸基数（ｂ）との比（ａ）／（ｂ）が０．５〜１．０となる範囲が好ましく、０．６〜０．８となる範囲であるとより好ましい。（ａ）／（ｂ）が０．５未満では、硬化反応が十分に起こらないおそれがあり、逆に、１．０を超えると、流動性が損なわれて充填が困難になる。

本発明の封止用樹脂組成物の（Ｃ）成分である充填剤としては、溶融シリカ、結晶シリカ、アルミナ、ベンガラ、チタンホワイト等の金属酸化物、タルク、炭酸カルシウム、炭化珪素、窒化ホウ素等の粉末、これらを球形化したビーズ、単結晶繊維、ガラス繊維等の無機充填剤やシリコーン樹脂粉末等の有機充填剤が挙げられる。これらは単独または２種以上混合して使用することができる。本発明においては、これらのなかでも、シリカ粉末、アルミナ粉末、チタンホワイト粉末、シリコーン樹脂粉末の使用が好ましく、シリカ粉末が特に好ましい。また、その粒径については、平均粒径が５〜１００μｍであることが好ましく、１０〜３０μｍであるとより好ましい。平均粒径が５μｍ未満であるか、または、１００μｍを超えると、組成物の流動性が低下し、成形性が不良となって実用が困難になる。

この（Ｄ）成分の充填剤の配合量は、組成物全体の６０．０〜９３．０重量％の範囲が好ましく、７０．０〜９３．０重量％の範囲であるとさらに好ましく、８０．０〜９３．０重量％の範囲であるとよりいっそう好ましい。配合量が６０．０重量％未満では、耐熱性や耐湿性が低下する。また、配合量が９３．０重量％を越えると、組成物の流動性が低下し、実用が困難になる。

本発明の封止用樹脂組成物の（Ｄ）成分のシリコーンは、本発明の組成物の成形用金型からの離型性を向上させる作用を有する。本成分としては、側鎖にメチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基等のアルキル基を有する液状または粉末状のシリコーンが好ましい。その具体例としては、ＧＥ東芝シリコーン社製のＸＦ−４２−３３４、ＴＳＦ−４３３（以上、商品名）等が挙げられる。

この（Ｄ）成分のシリコーンの配合量は、組成物全体の０．１〜２．０重量％の範囲が好ましく、０．１〜０．８重量％の範囲であるとさらに好ましく、０．１〜０．５重量％の範囲であるとよりいっそう好ましい。配合量が０．１重量％未満では、成形用金型からの離型性を十分に向上させることが困難になり、逆に２．０重量％を超えると、型汚れが発生しやすくなる。

本発明の封止用樹脂組成物には、以上の各成分の他、本発明の効果を阻害しない範囲で、この種の組成物に一般に配合される、硬化促進剤、カップリング剤、合成ワックス、天然ワックス、直鎖脂肪族の金属塩、酸アミド、エステル類等の離型剤、カーボンブラック、コバルトブルー等の着色剤、低応力付与剤等を配合することができる。

硬化促進剤としては、トリメチルホスフィン、トリエチルホスフィン、トリブチルホスフィン、トリフェニルホスフィン、トリ（ｐ‐メチルフェニル）ホスフィン、トリ（ノニルフェニル）ホスフィン、メチルジフェニルホスフィン、ジブチルフェニルホスフィン、トリシクロヘキシルホスフィン、ビス（ジフェニルホスフィノ）メタン、１，２‐ビス（ジフェニルホスフィノ）エタン、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、トリフェニルホスフィントリフェニルボラン等の有機ホスフィン化合物；１，８‐ジアザビシクロ［５，４，０］ウンデセン‐７（ＤＢＵ）等のジアザビシクロアルケン化合物；トリエチルアミン、トリエチレンジアミン、ベンジルジメチルアミン、α−メチル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３級アミン化合物；２‐ヘプタデシルイミダゾール、２‐メチルイミダゾール、２‐エチルイミダゾール、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、４‐メチルイミダゾール、４‐エチルイミダゾール、２‐フェニル‐４‐ヒドロキシメチルイミダゾール、２‐エニル‐４‐メチルイミダゾール、１‐シアノエチル‐２‐メチルイミダゾール、２‐フェニル‐４‐メチル‐５‐ヒドロキシメチルイミダゾール、２‐フェニル‐４、５‐ジヒドロキシメチルイミダゾール等のイミダゾール化合物；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等のテトラフェニルボロン塩等が挙げられる。これらは単独または２種以上混合して使用することができる。

カップリング剤としては、シランカップリング剤が好ましく、例えばγ‐グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、γ-グリシドキシプロピルメチルジエトキシシラン、β-（３，４‐エポキシシクロヘキシル）エチルトリメトキシシラン、γ‐（メタクリロプロピル）トリメトキシシラン、γ‐アミノプロピルトリメトキシシラン、Ｎ‐β‐（アミノエチル）‐γ‐アミノプロピルトリメトキシシラン、Ｎ‐β‐（アミノエチル）‐γ‐アミノプロピルメチルジメトキシシラン、Ｎ‐β‐（アミノエチル）‐γ‐アミノプロピルメチルジエトキシシラン、Ｎ‐フェニル‐γ‐アミノプロピルトリメトキシシラン、γ‐ウレイドプロピルトリエトキシシラン、γ‐メルカプトプロピルトリメトキシシラン、γ‐メルカプトプロピルメチルジメトキシシラン、ビス（３‐トリエトキシシリルプロピル）テトラスルファン、メチルトリメトキシシラン、メチルトリエトキシシラン、ビニルトリメトキシシラン、ビニルトリアセトキシシラン、イミダゾールシラン等が挙げられる。これらは単独または２種以上混合して使用することができる。

本発明の封止用樹脂組成物を成形材料として調製するにあたっては、上記したような（Ａ）エポキシ樹脂、（Ｂ）フェノール樹脂系硬化剤、（Ｃ）充填剤、（Ｄ）シリコーン、並びに、前述した必要に応じて配合される各種成分とを、ミキサー等によって十分に混合した後、熱ロールやニーダ等により溶融混練し、冷却後適当な大きさに粉砕するようにすればよい。

本発明の半導体装置は、上記の封止用樹脂組成物を用いて半導体素子を封止することにより製造することができる。封止方法としては、低圧トランスファー法が一般的であるが、射出成形、圧縮成形等による封止も可能である。封止用樹脂組成物で封止後は、加熱して硬化させ、最終的にその硬化物によって封止された半導体装置が得られる。後硬化させる際の加熱温度は、１５０℃以上とすることが好ましい。なお、封止を行う半導体装置としては、集積回路、大規模集積回路、ダイオード、トランジスタ、サイリスタ等が例示されるが、特にこれらに限定されるものではない。

次に、本発明を実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではない

実施例１〜７、比較例１〜６
下記に示すエポキシ樹脂、フェノール樹脂硬化剤およびシリコーン、並びに、充填剤として溶融シリカ粉末（龍森社製商品名ＭＳＲ−２２１２）、着色剤としてカーボンブラック（三菱化学社製ＭＡ−６００）、硬化促進剤として２‐メチルイミダゾール（四国化成社製商品名２ＭＺＰ）、離型剤としてカルバナワックス（東洋ペトライト社製商品名カルナバ１号）およびシランカップリング剤としてγ‐グリシドキシプロピルトリメトキシシラン（日本ユニカー社製商品名Ａ−１８７）を用い、表１および表２に示す配合割合で封止用樹脂組成物を製造した。
すなわち、各成分を常温で混合（ドライブレンド）した後、９０〜９５℃の加熱ロールを用いて加熱混練し、冷却後、粉砕して封止用樹脂組成物を製造した。

エポキシ樹脂Ａ：ビフェニルノボラック型エポキシ樹脂
（日本化薬社製商品名ＮＣ−３０００、エポキシ当量２７６）
エポキシ樹脂Ｂ：ｏ‐クレゾールノボラック型エポキシ樹脂
（長春人造樹脂社製商品名ＣＮＥ−２００ＥＬＢ、エポキシ当量１９８）
フェノール樹脂系硬化剤：アラルキル型フェノール樹脂
（昭和高分子社製商品名ＢＲＧ−５５６、水酸基当量１９８）
シリコーンＡ：シリコーンオイル
（ＧＥ東芝シリコーン社製商品名ＸＦ−４２−３３４）
シリコーンＢ：シリコーンオイル
（ＧＥ東芝シリコーン社製商品名ＴＳＦ−４３３）
シリコーンＣ：シリコーンオイル
（東レ・ダウコーニング社製商品名ＳＦ−８４２１）

上記各実施例および各比較例で得られた封止用樹脂組成物について、「密着力」を測定するとともに、「初期接触角θ_０」、「１００ショット後の接触角θ_１００」および「加速後の接触角θ_ａｃ」を測定し、「初期接触角θ_０」からの「１００ショット後の接触角θ_１００」の低下率［(θ_０−θ_１００)/θ_０］および同「加速後の接触角θ_ａｃ」の低下率［(θ_０−θ_ａｃ)/θ_０］を算出した。また、連続成形試験を行い、その連続成形作業性を評価した。測定方法を以下にまとめて説明する。また、測定結果を、表１および表２の下欄に示す。

［密着力］
封止用樹脂組成物を用いて、銅フレーム上に２ｍｍ角のテストピースを熱プレスにより成形した後、このテストピースにＳＥＩＳＨＩＮＴＲＡＤＩＮＧ社製ボンドテスターによりせん断をかけて銅フレームから剥離させ、そのときの荷重を測定した。
［初期接触角θ_０］
トランスファー成形用金型で、型なじみ材（京セラケミカル社製商品名Ｍ−９６、ワックス０．７重量％含有）を２ショット成形した後、金型内面に蒸留水２０μLを滴下し、常温（２０℃）で、エルマ光学（株）製の接触角計により、金型内面と水との接触角を測定した。
［１００ショット後の接触角θ_１００］
４２アロイ合金からなるフレーム上にシリコンチップを銀ペーストを用いて接着し、１７５℃に加熱した上記初期接触角θ_０測定後の金型内に封止用樹脂組成物を注入し、２分間トランスファー成形を行った後、成形体を金型より剥離離型した。これを１００ショット繰り返した後、その剥離面に蒸留水２０μLを滴下し、常温で、エルマ光学（株）製の接触角計により、剥離面と水との接触角を測定した。
［加速後の接触角θ_ａｃ］
１００ショット後の接触角θ_１００測定後、金型内面（剥離面）をブラシで擦って表面に付着しているワックスをほぼ除去し、次いで、その表面に蒸留水２０μLを滴下し、常温で、エルマ光学（株）製の接触角計により、剥離面と水との接触角を測定した。
［連続成形試験］
４２アロイ合金からなるフレーム上にシリコンチップを銀ペーストを用いて接着した後、１７５℃に加熱した金型内に封止用樹脂組成物を注入し、２分間トランスファー成形を行った。これを連続的に行い、未充填等の成形不具合が発生するまでのショット数等を調べた。

表１および表２からも明らかなように、実施例の封止用樹脂組成物は、密着力が大きくかつ、良好な連続成形作業性を有していた。

Claims

（Ａ）エポキシ樹脂、（Ｂ）フェノール樹脂系硬化剤、（Ｃ）充填剤および（Ｄ）シリコーンを含有する封止用樹脂組成物であって、
該封止用樹脂組成物を所定の条件でトランスファー成形し、その成形体を成形用金型から離型することを１００回繰り返した後の前記金型内面の液体との接触角をθ_１００とし、前記トランスファー成形前の前記金型内面の前記液体との接触角をθ_０としたとき、（θ_０−θ_１００）／θ_０≦０．１であることを特徴とする封止用樹脂組成物。
（Ａ）エポキシ樹脂を１．０〜１５．０重量％、（Ｂ）フェノール樹脂系硬化剤を１．０〜１５．０重量％、（Ｃ）充填剤６０．０〜９３．０重量％、（Ｄ）シリコーンを０．１〜２．０重量％含有することを特徴とする請求項１記載の封止用樹脂組成物。
（Ｄ）成分が、側鎖にアルキル基を有するシリコーンであることを特徴とする請求項１または２記載の封止用樹脂組成物。
（Ａ）成分が、ビフェニルノボラック型エポキシ樹脂を含み、かつ、（Ｂ）成分が、アラルキル型フェノール樹脂を含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の封止用樹脂組成物。
（Ａ）エポキシ樹脂、（Ｂ）フェノール樹脂系硬化剤、（Ｃ）充填剤および（Ｄ）シリコーンを含有する封止用樹脂組成物であって、該封止用樹脂組成物を所定の条件でトランスファー成形し、その成形体を成形用金型から離型することを１００回繰り返した後の前記金型内面の液体との接触角をθ_１００とし、前記トランスファー成形前の前記金型内面の前記液体との接触角をθ_０としたとき、（θ_０−θ_１００）／θ_０≦０．１である封止用樹脂組成物の硬化物によって、半導体素子を封止してなることを特徴とする半導体装置。