JP2007314678A - 半導体封止用エポキシ樹脂組成物及び半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ハンダリフロー処理において、パッケージクラックの発生を低減することができる半導体封止用エポキシ樹脂組成物を提供する。
【解決手段】エポキシ樹脂成分、フェノール樹脂成分及び無機充填材を含有する半導体封止用エポキシ樹脂組成物であって、前記エポキシ樹脂成分中に特定の構造を有するナフタレン型エポキシ樹脂を含有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を用いる。
【選択図】なし

Description

本発明は半導体装置の製造において、半導体素子の封止に好適に用いられるエポキシ樹脂組成物及びそれから得られる半導体装置に関する。

近年、電子機器の小型化、薄型化に伴い、プリント基板等に実装される半導体装置はハンダリフローによる表面実装法を用いて高密度実装される表面実装型パッケージが主流となっている。

前記表面実装型パッケージは、半導体素子をエポキシ樹脂組成物からなる封止材で封止することにより形成される。

前記エポキシ樹脂組成物からなる封止材で封止された表面実装型パッケージにおいては、前記封止材が空気中の水分を吸湿し、前記吸湿した水分がハンダリフローによる表面実装の際の高温条件で気化膨張するために、表面実装型パッケージの封止部分にクラックを生じさせるという問題があった。

前記問題を解決する方法としては、例えば、下記特許文献１には、無機充填材を高い割合で含有するエポキシ樹脂組成物を封止材として用いることにより、封止材中のエポキシ樹脂成分の量を相対的に低下させて、封止材を構成するエポキシ樹脂組成物全体としての吸湿性を低下させる技術が開示されている。
特開平１０−１８２９４７号公報

しかしながら、特許文献１に開示されたようなエポキシ樹脂組成物においても、エポキシ樹脂自身が吸湿するために、ハンダリフローによる表面実装の際のクラックの発生を充分に抑制することができなかった。

また、前記のようなエポキシ樹脂組成物を用いて、さらに吸湿性を低下させるためには、無機充填材をさらに高い割合で含有させる必要があり、このような場合には、封止工程におけるエポキシ樹脂組成物の流動性が低下し、得られる成形体に未充填部分、具体的には、成形体の薄肉部における未充填部分や成形体内部におけるボイドを生じさせるという問題があった。そして、前記未充填部分は半導体素子と封止材との剥離の原因になり、また、ボイドはハンダリフローによる表面実装の際の高温条件下において、ボイド内に存在する空気や水分等のガス成分の膨張によりクラックを発生させる原因になる。

特に、近年、半導体装置における回路の高密度化に伴い、半導体装置に内蔵される端子間のピッチや搭載される半導体素子間のギャップはますます狭くなり、その形状も複雑化しているために、前記未充填部分やボイドの発生を抑制することは、ますます重要になってきている。

さらに、近年、リフローハンダとしては環境負荷の低い、鉛フリーハンダが用いられてきている。鉛フリーハンダは、鉛含有ハンダに比べて融点が高いために、ハンダリフローの温度が、鉛含有ハンダに比べて１０〜３０℃程度も高く設定される。従って、このような、従来よりも高い温度で行われるハンダリフロー工程においては、前記問題はさらに顕著に生じる。

本発明は、前記従来技術の問題点に鑑み、半導体素子の封止に用いられるエポキシ樹脂組成物であって、その吸湿性を低下させることにより高温のハンダリフロー工程において生じるクラックの発生を抑制することができる半導体封止用エポキシ樹脂組成物及びそれから得られる半導体装置を提供することを目的とする。

本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物は、エポキシ樹脂成分、フェノール樹脂成分及び無機充填材を含有する半導体封止用エポキシ樹脂組成物であって、前記エポキシ樹脂成分中に下記式（１）で示される骨格を有するナフタレン型エポキシ樹脂を含有することを特徴とするものである。

（ｎは２〜４の整数を示す）

本発明のエポキシ樹脂組成物においては、前記ナフタレン型エポキシ樹脂を含有することにより、エポキシ樹脂組成物の吸湿性を低下させることができる。そして、その結果、半導体装置のパッケージのハンダリフローの際のクラックの発生を低減させることができる。

また、本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物に含有される前記エポキシ樹脂成分中の前記ナフタレン型エポキシ樹脂の含有割合は２５〜９０質量％であることが好ましい。このような含有割合で前記ナフタレン型エポキシ樹脂を含有させることにより、吸湿性を特に低下させることができる。

そして、本発明の半導体装置は前記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封止してなることを特徴とするものである。このような半導体装置はハンダリフローによる表面実装の際にクラックが生じにくいものである。

本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物を半導体装置を製造する際の封止材として用いることにより、得られる半導体装置の封止材の吸湿性を低下させることができる。従って、半導体装置のハンダリフローによる表面実装、特に鉛フリーハンダに要求されるような高温条件でのハンダリフローによる表面実装の際のクラックの発生を抑制することができる。

以下に本発明を具体的に説明する。

本発明で用いられるエポキシ樹脂成分は、必須成分として前記式（１）で示される骨格を有するナフタレン型エポキシ樹脂を含有するものである。

前記ナフタレン型エポキシ樹脂は、エポキシ樹脂組成物の吸湿性を低下させ、その結果、得られる半導体装置のハンダリフロー時に生じるクラックの発生を抑制するための成分である。

前記ナフタレン型エポキシ樹脂としては、前記式（１）で示される骨格を有すれば、前記骨格の両末端に結合する分子末端構造は特に限定されないが、前記両末端の分子末端構造の少なくとも何れか一方の末端構造中に、エポキシ基を含有することが吸湿性が充分に低下する点から好ましい。

このような特徴を有する前記ナフタレン型エポキシ樹脂のエポキシ当量としては、２４０〜２６０ｇ／ｅｑの範囲であることが好ましい。

前記式（１）で示される骨格を有するナフタレン型エポキシ樹脂としては、市販品として、大日本インキ化学工業（株）製のＥＸＡ−７３２０が挙げられる。

前記ナフタレン型エポキシ樹脂のエポキシ樹脂成分全量中の含有割合としては、１０〜９０質量％、さらには２５〜９０質量％であることが前記吸湿性を充分に低下させることができる点から好ましい。

前記式（１）で示される骨格を有するナフタレン型エポキシ樹脂と組み合わせて用いられるその他のエポキシ樹脂としては、従来から知られたエポキシ樹脂が特に限定なく用いられるが、その具体例としては、例えば、クレゾールノボラック型エポキシ樹脂、前記式（１）で示される骨格を有するナフタレン型エポキシ樹脂以外のナフタレン型エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂、フェノールノボラック型エポキシ樹脂、ビスフェノール型エポキシ樹脂、スチルベン型エポキシ樹脂、トリフェノールメタン型エポキシ樹脂、フェノールアラルキル型エポキシ樹脂、ナフトール型エポキシ樹脂、ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂、トリフェニルメタン型エポキシ樹脂、ブロム含有エポキシ樹脂などを用いることができる。これらは単独でも、２種以上を組み合わせて用いてもよい。

エポキシ樹脂成分の含有割合は、本発明のエポキシ樹脂組成物の全体量に対して２〜１５質量％、さらには７〜１５質量％であることが好ましい。

本発明で用いられるフェノール樹脂成分はエポキシ樹脂成分に対する硬化剤であり、従来公知のフェノール樹脂が特に限定なく用いられる。

本発明で用いられるフェノール樹脂の具体例としては、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、フェノールアラルキル樹脂、ナフトールアラルキル樹脂等の各種多価フェノール化合物あるいはナフトール化合物等が挙げられる。

本発明のエポキシ樹脂組成物に配合されるフェノール樹脂成分の割合は特に限定されないが、全エポキシ樹脂に対する配合割合で全エポキシ樹脂／全フェノール樹脂＝０．５〜１．５（当量比）、好ましくは０．８〜１．２であることが好ましい。このような配合割合で配合した場合には、充分に樹脂成分を硬化させることができる。

なお、本発明の樹脂組成物は硬化反応を促進させるために、硬化促進剤を含有することが好ましい。硬化促進剤としてはエポキシ樹脂成分とフェノール樹脂成分との硬化反応を促進することができるものであれば特に限定なく用いることができる。具体的には、例えばトリフェニルホスフィン、トリブチルホスフィン、トリメチルホスフィン等の有機リン化合物、１，８−ジアザ−ビシクロ（５，４，０）ウンデセン−７、トリエチレンジアミン、ベンジルジメチルアミンなどの三級アミン類、２−メチルイミダゾール、２−エチル−４−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などのイミダゾール類等が挙げられる。硬化促進剤は全樹脂成分（エポキシ樹脂成分とフェノール樹脂成分との合計量）に対して０．１〜５質量％配合するのが好ましい。硬化促進剤の配合割合が前記範囲の場合には、成形時の樹脂の流動性を充分維持しながら、硬化促進効果を充分に高めることができる。

本発明のエポキシ樹脂組成物には無機充填材が含有される。前記無機充填材の含有割合としては、エポキシ樹脂組成物の全体量に対して８０〜９３質量％、さらには、８５〜９３質量％程度であることが好ましい。無機充填材を含有することにより、エポキシ樹脂組成物全体としての吸湿性を低下させることができる。その結果、ハンダリフローの際のクラックの発生をさらに抑制することができる。前記配合割合がエポキシ樹脂組成物の全体量に対して多すぎる場合には、樹脂の成形流動性が低下しパッケージの未充填箇所が生じやすくなり、また、エポキシ樹脂組成物の粘度が増大して封止材料中に空気の混入が生じやすく、そのため内部にボイドなどが生じてハンダリフロー時にパッケージにクラックが発生しやすくなる。また、前記配合割合が少なすぎる場合にはエポキシ樹脂組成物の吸湿性を充分に低下させることができず、ハンダリフロー時にパッケージにクラックが発生しやすくなる。

本発明のエポキシ樹脂組成物に配合される無機充填材としては、溶融シリカ、結晶シリカ、アルミナ、窒化珪素等の従来からエポキシ樹脂組成物の無機充填材として用いられているものを用いることができる。これらは単独で用いてもよく、また、２種以上を組み合わせて用いてもよい。これらの中ではシリカを用いることが好ましい。

また、本発明のエポキシ樹脂組成物には、上記以外の成分として、本発明の目的とする所望の特性を阻害しない範囲で従来公知の添加剤、例えば離型剤、シランカップリング剤、着色剤、難燃剤、難燃助剤、流動改質剤、滑剤等を必要に応じて添加してもよい。

前記離型剤としては、例えばカルナバワックス、ステアリン酸、モンタン酸、カルボシキル基含有ポリオレフィン等が好ましく用いられる。

また、前記シランカップリング剤としては、γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、γ−メルカプトプロピルトリメトキシシラン等が好ましく用いられる。

また、前記着色剤としてはカーボンブラック等が好ましく用いられる。

本発明のエポキシ樹脂組成物を調製するにあたっては、エポキシ樹脂成分、フェノール樹脂成分、無機充填材及びその他の成分を所定の量配合し、ミキサーやブレンダーなどで均一に混合した後、ニーダーやロール等で加熱しながら混練する。そして、混練後に、冷却固化し、粉砕して粉状に形成してもよい。前記混練時の温度としては、エポキシ樹脂及びフェノール樹脂の組成にもよるが、９０〜１１５℃程度で溶融混練することが好ましい。

前記のようにして得られた本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物を用いて半導体装置を製造するにあたっては、リードフレームや基板等に半導体素子を搭載した後、これを前記エポキシ樹脂組成物で封止する。この封止にはトランスファー成形（トランスファーモールド）等を採用することができ、半導体素子を搭載したリードフレームや基板等を金型内のキャビティに配置した後、キャビティに上記の半導体封止用エポキシ樹脂組成物を充填し、これを加熱して硬化させて封止を形成するものである。このトランスファー成形を採用した場合の金型の温度は１７０〜１８０℃、成形時間は３０〜１２０秒に設定することができるが、金型の温度や成形時間及びその他の成形条件は、従来の封止成形と同様に設定することができ、半導体封止用エポキシ樹脂組成物の材料の種類や製造される半導体装置の種類によって適宜設定変更できる。

以下に、本発明を実施例により、さらに具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。

表１に示すような配合割合（質量％）で、エポキシ樹脂成分、フェノール樹脂成分、無機充填材、シランカップリング剤、カルナバワックス、カーボンブラック、硬化促進剤をブレンダーで３０分間混合し均一化した後、８０℃に加熱した２本ロールで溶融混練し、冷却後粉砕機で粉砕して半導体封止用エポキシ樹脂組成物を調製した。

なお、実施例及び比較例においては次の原材料を用いた。
・式（１）で示される骨格を有するナフタレン型エポキシ樹脂：大日本インキ化学工業（株）製のＥＸＡ−７３２０（ｎ＝３、エポキシ当量２５５ｇ／ｅｑ）
・ｏ−クレゾールノボラック型エポキシ樹脂：住友化学工業（株）製ＥＳＣＮ１９５ＸＬ（エポキシ当量１９５ｇ／ｅｑ）
・フェノールノボラック樹脂：荒川化学（株）製タマノール７５２（水酸基当量１７６ｇ／ｅｑ）
・無機充填材：電気化学工業（株）製ＦＢ８２０（シリカ）
・シランカップリング剤：信越化学工業（株）製ＫＢＭ４０３（γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン）
・カルナバワックス：大日化学（株）製Ｆ１−１００
・カーボンブラック：三菱化学（株）製４０Ｂ
・ 硬化促進剤：北興化学工業（株）トリフェニルホスフィン

上記のように調製した各組成物を用いて、以下に示す方法により評価を行った。
（吸湿率）
金型温度１７５℃、注入圧力：６．９ＭＰａ、成形時間９０秒間、後硬化１７５℃／６時間の条件で各エポキシ樹脂組成物を成形し、厚み３ｍｍ、直径５０ｍｍの円板成形体を成形した。次に、前記円板成形体を８５℃、８５ＲＨ％の条件で７２時間吸湿処理した。そして前記成形体の吸湿処理前後の重量を測定することにより、吸湿率を測定した。

（耐リフロークラック性Ａ）
Ｃｕリードフレームに８×９×０．４ｍｍのテスト用チップを銀ペーストにより搭載した外形寸法２８×２８×３．２ｍｍの１６０ｐｉｎＱＦＰのパッケージを各エポキシ樹脂組成物を用いてトランスファー成形（金型温度：１７５℃，注入圧力：６．９ＭＰａ，成形時間：９０秒間，後硬化１７５℃／６時間）により封止成形し、評価用試料を作製した。

次に、前記評価用試料を温度８５℃、湿度８５％の条件で１６８時間吸湿処理した後、ＩＲリフロー装置により２４０℃、１０秒間の条件でリフロー処理を行なった。そして、評価用試料１０個中のパッケージクラックが発生したパッケージの数を数えた。

（耐リフロークラック性Ｂ）
前記吸湿時間を７２時間、９６時間、１６８時間とし、ＩＲリフロー装置により２６０℃、１０秒間の条件でリフロー処理を行なった以外は耐リフロークラック性Ａと同様の条件で処理し、評価用試料１０個中のパッケージクラックが発生したパッケージの数を数えた。

結果を表１に示す。

表１の結果から、式（１）の骨格を有するナフタレン型エポキシ樹脂を含有する実施例１〜４のエポキシ樹脂組成物の硬化物の吸湿率は、前記ナフタレン型エポキシ樹脂を含有しない比較例１のエポキシ樹脂組成物の硬化物よりも低かった。また、耐リフロークラック性も同等以上であった。

さらに、実施例１〜４においては、ナフタレン型エポキシ樹脂の含有割合が高いほど、吸湿率が低くなり、また、耐リフロークラック性も向上した。

従って、本発明の樹脂組成物を半導体装置の封止材として用いた場合に耐リフローハンダ性に優れた半導体装置を得ることができる。

Claims (3)

1. エポキシ樹脂成分、フェノール樹脂成分及び無機充填材を含有する半導体封止用エポキシ樹脂組成物であって、
   前記エポキシ樹脂成分中に下記式（１）で示される骨格を有するナフタレン型エポキシ樹脂を含有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。
   

   

   （ｎは２〜４の整数を示す）
2. 前記エポキシ樹脂成分中の前記ナフタレン型エポキシ樹脂の含有割合が２５〜９０質量％である請求項１に記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成物。
3. 請求項１又は２のいずれか１項に記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成物で半導体素子を封止成形して形成されることを特徴とする半導体装置。