JP2012201695A - 封止用エポキシ樹脂組成物及び半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
封止用エポキシ樹脂組成物を用いてのパッケージ成形における、成形金型の内側表面に滲み出た離型剤成分の転写によるマークや汚れ、成形物パッケージ表面での汚れや空孔（ボイド）生成を低減、抑制する。
【解決手段】
エポキシ樹脂、硬化剤、無機充填剤とともに離型剤を含み、離型剤は、
（ａ）酸化ポリエチレン
（ｂ）天然カルナバ
（ｃ）ヒドロキシステアリン酸アミド及びモンタン酸ビスアミドのうちの少なくとも一種、
を含み、かつ、成分（ａ）が離型剤合計に対して５０質量％以下の封止用エポキシ樹脂組成物とする。
【選択図】なし

Description

本発明は、封止用エポキシ樹脂組成物、及び、これを用いて封止された半導体装置に関する。

近年、多くの半導体装置パッケージは、基板へのボンディングが終了した半導体素子を、封止用エポキシ樹脂組成物を用いて封止して製造されている。その際の代表的な製造方法としては、トランスファー成形法がある。

近年、トランスファー成形法で製造される半導体装置パッケージは、電子機器の小型・軽量化の要求に応じて、外形寸法の小さいものが求められるようになっている。それと同時に、パッケージされる半導体素子自体の集積度は大きくなり、チップサイズが大きくなってきている。

このため、封止用エポキシ樹脂組成物には、耐湿性、耐熱性の優れた特性が求められ、無機充填剤が高配合になってきている。ただ、無機充填剤を高配合したエポキシ樹脂組成物は、成形時の硬化収縮率が小さい一方で、金型からの離型性が必ずしも良好ではない。

そこで、離型剤の添加量を多くしたり、金型表面に滲み出し易い離型剤系を配合することが考慮されている（特許文献１〜５参照）。

特開２００３−２４６９１４号公報 特開２００４−０５９７００号公報 特開２００５−０１５６９３号公報 特開平０５−２５９３１６号公報 特開２０１０−２８０８０５号公報

しかしながら、離型剤を配合した封止用エポキシ樹脂組成物を用いてのパッケージ成形では、成形金型の内側表面に、滲み出た離型剤成分が転写されてマークや汚れが付き、成形物パッケージ表面にも汚れや空孔（ボイド）ができやすい。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、封止用エポキシ樹脂組成物の成形で発生するパッケージ表面汚れ、パッケージ空孔を低減、抑制することを課題としている。

上記の課題を解決するために、本発明の封止用エポキシ樹脂組成物は、エポキシ樹脂、硬化剤、無機充填剤とともに離型剤を含み、前記離型剤は、下記（ａ）、（ｂ）、（ｃ）成分を含み、成分（ａ）が離型剤合計に対して５０質量％以下であることを特徴としている。
（ａ）酸化ポリエチレン
（ｂ）天然カルナバ
（ｃ）ヒドロキシステアリン酸アミド及びモンタン酸ビスアミドのうちの少なくとも一種

この封止用エポキシ樹脂組成物においては、離型剤の合計の配合量は、封止用エポキシ樹脂組成物の全体に対して０．０３〜３質量％であることが好ましい。
また、この封止用エポキシ樹脂組成物においては、離型剤は、予め（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の３成分を加熱により溶融、混合後常温まで冷却した固化物として配合されていることが好ましい。
さらに、この封止用エポキシ樹脂組成物は、カップリング剤を含むことが好ましい。
また、本発明の半導体装置は、上記の封止用エポキシ樹脂組成物により封止されていることを特徴とする。

本発明の封止用エポキシ樹脂組成物を用いた半導体装置のパッケージ成形では、成形金型の内側表面への離型剤の滲み出しが抑制され、成形物パッケージ表面の汚れや空孔（ボイド）の生成を低減、抑制することができる。

［エポキシ樹脂］
本発明の封止用エポキシ樹脂組成物のエポキシ樹脂としては、その種類は特に制限されず、公知のものをはじめとする各種のものを全て使用することができる。
たとえば、O-クレゾールノボラック型エポキシ、ビフェニル型エポキシ、ジシクロペンタジエン型エポキシ、ビスフェノール型エポキシ、ナフトール型エポキシ、ブロム含有エポキシ等のエポキシ樹脂が挙げられる。これらは、１種単独でも２種以上を組み合わせても使用することができる。

本発明の封止用エポキシ樹脂組成物におけるエポキシ樹脂の配合量は、エポキシ樹脂組成物の全量に対して好ましくは５〜４５質量％の範囲内とすることが考慮される。このような範囲で用いると封止用樹脂組成物の流動成形性や成形品の物性が良好である。

［硬化剤］
本発明の封止用エポキシ樹脂組成物の硬化剤としては、その種類は特に制限されず、公知のもの、たとえば、フェノール樹脂系硬化剤、酸無水物系硬化剤、アミン系硬化剤等各種のものを使用することができる。

硬化性や硬化物の物性などを考慮すると、フェノール樹脂系硬化剤が好ましい。たとえば、フェノールノボラック、クレゾールノボラック、フェノールアラルキル、ビフェニルアラルキル、ナフトールアラルキル等、各種多価フェノール化合物や、ナフトール化合物が挙げられる。これらの硬化剤は、１種単独でも２種以上を組み合わせても使用することができる。

エポキシ樹脂組成物におけるフェノール樹脂系硬化剤の配合量は、好ましくは、フェノール性水酸基とエポキシ基との当量比（ＯＨ基当量／エポキシ基当量）が０．５〜１．５の範囲内となる量とすることが考慮される。より好ましくは、当量比が０．８〜１．２の範囲内となる量である。当量比がこのような範囲内であると、エポキシ樹脂組成物の硬化性を高め、ガラス転移温度の低下を抑制し、耐湿信頼性を高めることができる。他の硬化剤を用いる場合も、その硬化剤の反応基とエポキシ樹脂のエポキシ基との化学当量比が同様の範囲内となるように考慮される。

［硬化促進剤］
本発明の封止用エポキシ樹脂組成物においては、硬化剤として、あるいは硬化剤との併用として、いわゆる硬化促進剤と呼ばれるものを使用することができる。このような硬化促進剤としては、特に制限されず、公知のものをはじめとする各種のものを使用することができる。

たとえば、テトラフェニルホスホニウム・テトラフェニルボレートとトリフェニルホスフィン、あるいは他の有機ホスフィン類、ジアザビシクロウンデセン等の三級アミン類、２−メチルイミダゾール、２−フェニルイミダゾール等のイミダゾール類が挙げられる。

これらは、１種単独でも２種以上を組み合わせても使用することができる。
エポキシ樹脂組成物における硬化促進剤の配合量は、有効量であれば特にその範囲は制限されないが、エポキシ樹脂組成物の全量に対して通常、０．１〜５質量％の範囲内、好ましくは０．５〜２質量％の範囲内とすることが考慮される。

［無機充填剤］
本発明の封止用エポキシ樹脂組成物の無機充填剤としては、その種類は特に制限されず、公知のものをはじめとする各種のものを使用することができる。たとえば、溶融シリカ、結晶シリカ、アルミナ、窒化珪素などが挙げられ、これらは、１種単独でも２種以上を組み合わせても使用することができる。無機充填剤の配合量は、エポキシ樹脂組成物の全量に対して好ましくは７０〜９０質量％の範囲内とすることが考慮される。

無機充填剤のシリカは、得られる硬化成形物の線膨張係数を低減することができ、好ましい。シリカのうちでも、溶融シリカを用いることが、高充填性、高流動性の点で好ましい。

溶融シリカとしては、球状溶融シリカ、破砕溶融シリカを用いることができる。中でも、流動性を考慮すると、球状溶融シリカを用いることが特に好ましい。溶融シリカの粒子サイズとしては、平均粒径が５〜７０μｍの範囲のものを用いることが好ましい。さらに、平均粒径が０．５〜２μｍの範囲の細かいシリカを併用すると、流動性が向上するので特に好ましい。

［離型剤］
本発明の封止用エポキシ樹脂組成物では、
（ａ）離型剤として金型界面に介在して離型性を高める性能の優れた酸化ポリエチレン、
（ｂ）性能バランスの良い天然カルナバ、
（ｃ）樹脂成分との相溶性の良いヒドロキシステアリン酸アミド、モンタン酸ビスアミド
の３成分を同時に含む。
そして、（ａ）酸化ポリエチレンが、離型剤合計に対して５０質量％以下である。

併用された各離型剤は、封止用エポキシ樹脂組成物のなかに細かく分散する。そして、成形時の流動性、金型からの離型性が優れると共に、離型剤全体のブリードアウト、金型への離型剤の転写、成形品表面の汚れ、ボイド発生等が低減、抑制される。

また、３成分の離型剤を、予め溶融混合して冷却した固化物を調製し、その粉砕物を他の配合材料と共にブレンドして封止用エポキシ樹脂組成物を調製すれば、各離型剤が封止用エポキシ樹脂組成物のなかに更に細かく分散する。これにより３成分で上述の協働作用を奏するので、作用効果がより顕著となる。

（ａ）酸化ポリエチレンの配合については、前記のとおり離型剤合計量の１〜５０質量％の範囲内とするが、好ましくは、１０〜３５質量％、より好ましくは１５〜３０質量％の範囲内とすることが考慮される。

また、離型剤の（ｂ）成分、（ｃ）成分については、各々、離型剤合計量に対して１０〜６０質量％の範囲内、より好ましくは１５〜５０質量％の範囲内とすることが考慮される。
そして、（ａ）（ｂ）（ｃ）３成分を含む離型剤の合計量は、エポキシ樹脂組成物の全量に対して、好ましくは、０．０３〜３質量％の範囲内とすること、より好ましくは、０．１〜１質量％の範囲内とすることが考慮される。成形作業性などを考慮すると、３成分を含む離型剤の合計量は、エポキシ樹脂組成物の全量に対して、０．０３質量％以上が好ましい。また、成形物表面の滑らかさなどを考慮すると、エポキシ樹脂組成物の全量に対して、３質量％以下が好ましい。

［酸化ポリエチレン］
酸化ポリエチレン（酸化ＰＥ）としては、滴点、酸価、数平均分子量、密度、平均粒径等の数値を適宜選定して用いることが好ましい。滴点としては、１００〜１３０℃、酸価としては１０〜７０ｍｇＫＯＨ／ｇ、数平均分子量としては、８００〜３０００、密度としては、０．８〜１．１ｇ／立方ｃｍが好ましい範囲である。本発明の封止用エポキシ樹脂組成物の連続成形性を高めるなどの効果を奏する。

［天然カルナバ］
天然カルナバとしては、好ましくは、数平均分子量：３４０〜８２０、融点：８２〜８６℃、比重：０．９９〜１．００程度のものが用いられる。

［ヒドロキシステアリン酸アミド］
本発明の封止用エポキシ樹脂組成物においては、脂肪族アミド系離型剤の中でも、ヒドロキシステアリン酸アミドが特に好ましく用いられる。ヒドロキシステアリン酸アミドは、いわゆる離型剤として金型界面に介在して離型性を高めるほか、組成物中の樹脂成分と相溶性が良く、樹脂組成物の流動性を高める。
このため、上記した酸化ポリエチレンワックス、天然カルナバとの併用で、それら他の離型剤と親和性を持ち、離型剤全体のブリードアウトや金型への転写が抑制される。

特に、水酸基が脂肪族鎖の中央付近にある１２−ヒドロキシステアリン酸の酸アミド化物である、１２−ヒドロキシステアリン酸アミドは、脂肪族アルコールの部位をもつ分子構造から、樹脂成分との相溶性が特に優れ、樹脂組成物の流動性を高める作用も高いので、酸化ポリエチレンワックス、天然カルナバと併用された場合に、さらに優れた効果を奏する。

［モンタン酸ビスアミド］
本発明の封止用エポキシ樹脂組成物において、ヒドロキシステアリン酸アミドと同様に好適な脂肪族アミド系離型剤として、モンタン酸ビスアミドのメチレンビスモンタン酸アミド、エチレンビスモンタン酸アミドが挙げられる。
モンタン酸ビスアミドは、脂肪酸アミドがメチレン鎖で繋がって２量化したアルキレン脂肪酸アミドの構造を持ち、１００℃以上の高融点で、樹脂成分と相溶性が優れ、樹脂組成物の流動性を高める作用も高い。このため、酸化ポリエチレンワックス、天然カルナバと併用の場合、離型剤全体のブリードアウトや金型への転写が低減、抑制される。

［カップリング剤］
カップリング剤として、シランカップリング剤、チタネートカップリング剤、アルミニウムカップリング剤、ジルコニウムカップリング剤等を更に配合することが考慮される。
シリカ系の無機充填剤を配合する場合は、シランカップリング剤が好適である。γ−メルカプトプロピルトリメトキシシラン等のメルカプトシラン、γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン等のグリシドキシシラン、アミノシラン等が挙げられる。これらは単独で使用しても、２種類以上の併用でもよい。

カップリング剤の配合により、無機充填剤の分散性、耐熱性や、樹脂成形物の耐トラッキング性をより高めることができる。
なお、カップリング剤は、封止用エポキシ樹脂組成物の調製時に配合しても良いが、予め無機充填剤の表面処理に適用すれば、より効果的である。

［その他配合成分］
本発明の封止用エポキシ樹脂組成物には、本発明の効果を損なわない範囲内において、さらに他の成分を配合することができる。例えば、水酸化マグネシウム、水酸化アルミニウム、赤リンなどの難燃剤、カーボンブラックなどの着色剤、シリコーンエラストマーなどの低応力化剤、無機イオントラップ剤等である。これらは単独で使用しても、２種類以上の併用でもよい。

［封止用エポキシ樹脂組成物の製造］
本発明の封止用エポキシ樹脂組成物の製造では、まず、上記のエポキシ樹脂をはじめとする各成分をミキサー、ブレンダー等を用いて十分均一になるまで混合する。その後、熱ロールやニーダー等の混練機により加熱状態で溶融混合し、これを室温に冷却した後、公知の手段により粉砕する。

なお、本発明の封止用エポキシ樹脂組成物は、粉末状であっても良いが、取扱いを容易にするために、成形条件に合うような寸法と質量に打錠したタブレットとしてもよい。
本発明の封止用エポキシ樹脂組成物では、良好な成形性、離型性を備え、且つ、成形物表面への離型剤滲みだしが少ないので、成形物表面上の汚れを低減、抑制することができる。
また、半導体装置のパッケージ成形において、成形物が滑らかに成形金型から離型し、成形作業性に優れると共に、金型側に離型剤の残留や転写が起こりにくいので、それら離型剤による金型の汚染も起こりにくい。

［半導体装置］
本発明の半導体装置は、上記のようにして得られた封止用エポキシ樹脂組成物を用いて封止することにより製造することができる。
半導体素子としては、例えば、集積回路、大規模集積回路、トランジスタ、サイリスタ、ダイオード、固体撮像素子等を用いることができる。

本発明の半導体装置のパッケージ形態としては、例えば、プラスチック・リード付きチップ・キャリア（ＰＬＣＣ）、クワッド・フラット・パッケージ（ＱＦＰ）、薄型クワッド・フラット・パッケージ（ＴＱＦＰ）、スモール・アウトライン・パッケージ（ＳＯＰ）、スモール・アウトライン・Ｊリード・パッケージ（ＳＯＪ）、薄型スモール・アウトライン・パッケージ（ＴＳＯＰ）、テープ・キャリア・パッケージ（ＴＣＰ）等の表面実装型パッケージを挙げることができる。
また、本発明の半導体装置のパッケージ形態としては、ボール・グリッド・アレイ（ＢＧＡ）等のエリア実装型のパッケージや、デュアル・インライン・パッケージ（ＤＩＰ）等の挿入型パッケージを挙げることもできる。

本発明の半導体装置パッケージの具体的な製造方法を、代表的なトランスファー成形法で例示、説明する。
まず、半導体素子を搭載したリードフレーム、回路基板等を金型キャビティ内に設置し、その後、このキャビティ内に溶融状態の封止用エポキシ樹脂組成物を所定の圧力で注入し、溶融したエポキシ樹脂組成物で半導体素子を包み込みながら充満する。
このときの注入圧力は、エポキシ樹脂組成物や半導体装置の種類等に応じて適宜設定することができるが、例えば４〜７ＭＰａ、金型温度は、例えば、１６０〜１９０℃、成形時間は、例えば３０〜３００秒等に設定することができる。

次に、金型を閉じたまま後硬化（ポストキュア）を行った後、型開きして、成形物の半導体装置パッケージを取り出す。後硬化条件は、例えば、１６０〜１９０℃、２〜８時間に設定することができる。
本発明の半導体装置の成形品パッケージは、表面のボイド生成が抑制された滑らかな成形表面を持ち、高充填で緻密に成形されているので、耐湿性、耐熱性も高く、物理的な諸特性も安定しており、信頼性が高い。併せて、成形作業性も優れたものとなる。

さらに、本発明の封止用エポキシ樹脂組成物により封止された半導体装置は、成形されたパッケージ表面に離型剤の滲みだしや汚染が極めて少なく、成形物表面が滑らかできれいなため、その後のリフロー半田付け、表面実装などの工程でも不具合を発生しにくく、性能が高く安定している。

以下に実施例および比較例を示す。
〈実施例１〉
下記の各材料を表１の配合処方で調整し、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本ロールで混練溶融させて押し出し、冷却後、粉砕機で所定粒度に粉砕して、粒状の封止用エポキシ樹脂組成物を得た。

（エポキシ樹脂）
Ｏ−クレゾールノボラック型エポキシ樹脂：住友化学（株）製の「ＥＳＣＮ １９５ＸＬ」エポキシ当量１９５
（硬化剤）
フェノールノボラック樹脂：荒川化学（株）製の「タマノール７５２」水酸基当量１０４
（無機充填剤）
結晶シリカ：龍森製の「３Ｋ」平均粒径３０μｍ

（酸化ポリエチレン）
酸化ポリエチレンワックス：クラリアント社製の「ＰＥＤ−１３６」
（天然カルナバ）
天然カルナバワックス：大日化学工業（株）製の「Ｆ１−１００」
（ヒドロキシステアリン酸アミド）
１２−ヒドロキシステアリン酸アミド：大日化学工業（株）製
（モンタン酸ビスアミド）
メチレンビスモンタン酸アミド：大日化学工業（株）製

（カップリング剤）
γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン：信越化学工業（株）製の「ＫＢＭ４０３」
（着色剤）
カーボンブラック：三菱化学（株）製の「ＭＡ６００ＭＪ」
〈実施例２、比較例１〜６〉
上記の各材料を表１の配合処方で調整し、〈実施例１〉と同様にして粒状の封止用エポキシ樹脂組成物を得た。

〈実施例３〉
実施例３では、実施例１と同じ量比の離型剤３種（酸化ポリエチレン２５質量％、天然カルナバ２５質量％、モンタン酸ビスアミド５０質量％）について、予め、１２０℃で融解し、ディスパーで１５分間溶融混合した後、常温まで冷却して溶融混合固化物を調製した。その粉砕物を他の配合材料と共に実施例１と同じ配合量比でブレンダーに投入して３０分間混合し均一化した後、８０℃に加熱した２本ロールで混練溶融させて押し出し、冷却後、粉砕機で所定粒度に粉砕して、粒状の封止用エポキシ樹脂組成物を得た。

以上の実施例１〜３、比較例１〜６の各々の封止用エポキシ樹脂組成物を用いて次の評価を行った。
〈評価〉
［スパイラルフロー］
ＡＳＴＭ Ｄ３１２３Ａに準じたスパイラルフロー測定金型を用いて、金型温度：１７５℃、注入圧力：７０ｋｇｆ／平方ｃｍ、成形時間：９０秒、後硬化：１７５℃／６ｈの条件で、封止用エポキシ樹脂組成物のトランスファー成形を行い、流動距離（ｃｍ）を測定した。

スパイラルフローは、成形性の目安となる値であり、流動距離（ｃｍ）が長いほど流動性の良い成形材料であることを示す。
［ゲルタイム］
キュラストメータを用いて、１６０℃に保持した封止用エポキシ樹脂組成物の硬化トルクを経時的に測定し、硬化トルク値が０．１ｋｇｆになるまでの時間（ｓ）をゲルタイムとして測定した。この値が小さい方が硬化性が早いことを示す。

［パッケージ表面汚れ］
ガラス基材エポキシ樹脂基板（寸法１４０×５０×０．５ｍｍｔ）に、寸法４×４×０．４ｍｍｔの評価用チップを、マトリックス状に３０個銀ペーストを用いて搭載した、外形寸法１３８×３８×０．８ｍｍｔの一括封止型ＢＧＡ（Ball Grid Array）パッケージを上記のスパイラルフロー試験と同じ条件でトランスファー成形し、目視にてパッケージ表面の汚れ具合を確認した。
○：汚れ有 ×：汚れ無

［評価結果］
表１の評価結果をみると、酸化ポリエチレンを含まない２成分の離型剤のエポキシ樹脂組成物（比較例３〜４）、天然カルナバを含まない２成分の離型剤のエポキシ樹脂組成物（比較例５）、 ヒドロキシステアリン酸アミド、モンタン酸ビスアミドのいずれも含まない２成分の離型剤のエポキシ樹脂組成物（比較例６）では、どれも、パッケージ表面汚れが見られる。

また、酸化ポリエチレンが５０質量％を越えた過剰の事例（比較例１〜２）では、３成分の離型剤を同時に含むエポキシ樹脂組成物であっても、やはり、パッケージ表面汚れが見られる。
実施例１、実施例２、並びに、実施例１と同じ量比の離型剤３種を予め、溶融混合し固化物を調製し、その粉砕物を配合したエポキシ樹脂組成物の実施例３では、パッケージ表面汚れが全く見られず、スパイラルフロー値も高く成形時の流動性も優れていることが確認された。特に、実施例３では、パッケージ表面汚れの抑制、スパイラルフロー値、ゲルタイムのいずれも優れていた。また、パッケージ表面を精査すると、離型剤の溶け残りに由来する細かな凹凸が認められなかった。

Claims (5)

1. エポキシ樹脂、硬化剤、無機充填剤とともに離型剤を含む封止用エポキシ樹脂組成物であって、前記離型剤は、下記（ａ）、（ｂ）、（ｃ）成分を含み、成分（ａ）が離型剤合計に対して５０質量％以下であることを特徴とする封止用エポキシ樹脂組成物。
   （ａ）酸化ポリエチレン
   （ｂ）天然カルナバ
   （ｃ）ヒドロキシステアリン酸アミド及びモンタン酸ビスアミドのうちの少なくとも一種
2. 離型剤の合計の配合量は、封止用エポキシ樹脂組成物の全体に対して０．０３〜３質量％であることを特徴とする請求項１に記載の封止用エポキシ樹脂組成物。
3. 離型剤は、予め前記（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の３成分を加熱により溶融、混合後常温まで冷却した固化物として配合されていることを特徴とする請求項１または２に記載の封止用エポキシ樹脂組成物。
4. さらに、カップリング剤を含むことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の封止用エポキシ樹脂組成物。
5. 請求項１から４のいずれかに記載の封止用エポキシ樹脂組成物により封止されたことを特徴とする半導体装置。