JP4779221B2 - 半導体封止用エポキシ樹脂組成物および半導体装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体部材を本発明のエポキシ樹脂組成物を用いて封止した際、樹脂が低応力のため樹脂と部材の密着性を高めることが可能となり、半導体の信頼性を高めうる半導体封止用エポキシ樹脂組成物、および該封止用組成物で封止してなる半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
エポキシ樹脂は耐熱性、耐湿性、電気特性 、接着性などに優れているため、樹脂封止型の半導体封止用樹脂として広く用いられている。これらの半導体封止用エポキシ樹脂組成物の主成分としてはエポキシ樹脂、フェノール系硬化剤、硬化促進剤および無機充填剤からなるものが一般的である。
【０００３】
ところで、半導体集積回路の分野では微細加工技術の進歩によりＩＣチップの集積度がますます向上しているが、さらに集積度を上げるためにパッケージ中のＩＣチップの占有率が増加するとともに、パッケージが大型化、多ピン化してきている。
【０００４】
一方、半導体装置パッケージのプリント配線基板への実装においても高密度化が進められており、従来のリードピンを基板の穴に挿入する“挿入実装方式”に代り、基板表面にパッケージを半田付けする“表面実装方式”が一般的になってきた。さらに最近では実装用の半田が環境対応のためにＰｂフリー化が要求され、半田リフロー時の温度も従来の２００℃〜２４５℃に対して２６０℃近くの超高温にさらされるようになり、ＩＣチップやリードフレームと封止材が剥離したり、パッケージにクラックが生じたりして信頼性を著しく損ねる不良が発生するようになった。以上の理由から半導体を封止する樹脂には、リードフレームやＩＣ表面のポリイミド膜や窒化珪素膜などのパッケージ部材との密着性の向上が半導体の信頼性を高めるために益々重要な必須特性となってきた。
【０００５】
従来、エポキシ樹脂組成物の半導体用部材との密着性の向上に対しては樹脂の低応力化が有効であることが知られており、低応力化剤（可撓性付与剤）として長鎖化合物を用いる方法が知られている［新エポキシ樹脂（昭和６０年発行）、２７３頁、昭晃堂］。しかしながら、長鎖化合物使用により樹脂のガラス転移温度が低下し（樹脂の高温弾性率が低下し）、半田リフロー時にクラックが増える傾向があり、トータル的にはその特性は必ずしも十分とは言えなかった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は前述した従来技術における問題点の解決を課題として検討した結果達成されたものである。
【０００７】
従って本発明の目的は、半導体パッケージ部材に対する密着性が高く、半導体の信頼性
を高め得る半導体封止用エポキシ樹脂組成物、および該エポキシ樹脂組成物で封止してなる半導体装置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため、本発明は主として次の構成を有する。
すなわち、「エポキシ樹脂（Ａ）、硬化剤（Ｂ）、無機充填材（Ｃ）、及び、有機化合物（Ｄ）を必須成分として含む半導体封止用エポキシ樹脂組成物であって、前記無機充填材（Ｃ）の含有量が５０重量％以上であり、前記有機化合物（Ｄ）が、３，５，−メトキシフェノール、４−ヒドロキシビフェニル、３，５，３’,５’−テトラメチル−４−ヒドロキシビフェニル、４−ナフトキシフェノール、（１，１−ジメチルブチル）フェノール、２，４−ビス（１，１−ジメチルエチル）フェノール、４−（１−メチル−１−フェニルエチル）フェノール、２，４−ビス（１，１−ジメチルブチル）フェノール、ｍ−イソプロペニルフェノール、２，３，６−トリメチルフェノール、ｐ−シクロヘキシルフェノール、ｐ−フェノキシメチルフェノール、２，６−ジメチル−４−（α，α−ジメチルベンジル）フェノール、および、これらのフェノール類をエポキシ化した化合物から選ばれるものであることを特徴とする半導体封止用エポキシ樹脂組成物。」である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。なお、本発明において「重量」とは「質量」を意味する。
【００１２】
本発明のエポキシ樹脂組成物は、エポキシ樹脂（Ａ）、硬化剤（Ｂ）、無機充填材（Ｃ）および有機化合物（Ｄ）を含有する。
【００１３】
本発明におけるエポキシ樹脂（Ａ）は、１分子中に２個以上のエポキシ基を有する化合物であれば特に限定されず、例えばクレゾー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、ジシクロペンタジエン骨格含有エポキシ樹脂、トリフェニルメタン型エポキシ樹脂、４，４’−ビス（２，３−エポキシプロポキシ）ビフェニル、４，４’−ビス（２，３−エポキシプロポキシ）−３，３’,５，５’−テトラメチルビフェニル、１，５−ジ（２，３−エポキシプロポキシ）ナフタレン、１，６−ジ（２，３−エポキシプロポキシ）ナフタレン、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、テトラメチルビスフェノルＦ型エポキシ樹脂などが挙げられる。本発明では、これらを単独で用いても２種類以上併用してもかまわない。なかでも、ビフェニル型エポキシ樹脂、テトラメチルビスフェノールＦ型エポキシ樹脂が好ましい。
【００１４】
本発明において、エポキシ樹脂（Ａ）の配合量としては、エポキシ樹脂組成物全体に対して通常３〜２５重量％であり、好ましくは３〜１２重量％であり、さらに好ましくは３〜８重量％である。エポキシ樹脂（Ａ）の配合量が３重量％以上であれば成形性が良好であり、また２５重量以下であるとリフロー試験における耐クラック性が低下することもない。
【００１５】
本発明において硬化剤（Ｂ）は、エポキシ樹脂と反応する化合物であれば任意であるが、硬化物とした場合に吸水率が低い化合物としてフェノール化合物（ｂ）が好ましく用いられる。フェノール化合物（ｂ）の具体例としては、フェノールノボラック樹脂、クレゾールノボラック樹脂、ナフトールノボラック樹脂などのノボラック樹脂、トリス（ヒドロキシフェニル）メタン、１，１，２−トリス（ヒドロキシフェニル）エタン、１，１，３−トリス（ヒドロキシフェニル）プロパン、テルペンとフェノールの縮合化合物、ジシクロペンタジエン骨格含有フェノール樹脂、フェノールアラルキル樹脂、ナフトールアラルキル樹脂、ビフェニル骨格含有フェノールアラルキル樹脂、カテコール、レゾルシン、ヒドロキノン、ピロガロール、フロログルシノールなどが挙げられ、これらを単独で用いても、２種類以上併用して用いてもかまわない。なかでも、フェノールノボラック樹脂、フェノールアラルキル樹脂が好ましい。
【００１６】
本発明において、硬化剤（Ｂ）の配合量はエポキシ樹脂組成物全体に対して通常２〜２２重量％であり、好ましくは２〜１２重量％であり、さらに好ましくは２〜８重量％である。さらには、エポキシ樹脂（Ａ）とフェノール化合物（ｂ）の配合比は、機械的性質および耐湿信頼性の点から（Ａ）に対する（ｂ）の化学当量比が０．５〜２、特に０．７〜１．５の範囲にあることが好ましい。
【００１７】
本発明において硬化促進剤としてはエポキシ樹脂（Ａ）と硬化剤（Ｂ）との反応を促進するものであれば公知の物が任意に使用できる。硬化促進剤の具体例としては２−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、２−ウンデシルイミダゾールなどのイミダゾール類およびそれらの塩、トリエチルアミン、ベンジルジメチルアミン、α−メチルベンジルアミンなどの３級アミン化合物、１，８−ジアザビシクロ（５，４，０）ウンデセン−７、１，５−ジアザビシクロ（４，３，０）ノネン、７−メチル−１，５，７−トリアザビシクロ（４，４，０）デセン−５などのアミジン化合物およびそれらの塩、トリフェニルホスフィン、トリス（２，６−ジメトキシフェニル）ホスフィン、トリス（４−アルキルフェニル）ホスフィン、トリアルキルホスフィンなどリン化合物およびそれらの塩などが用いられる。これらの硬化促進剤は２種以上を併用しても良く、さらには予め使用する硬化剤（Ｂ）またはエポキシ樹脂（Ａ）と溶融混合させた後添加しても良い。
【００１８】
本発明における無機充填材（Ｃ）としては、非晶性シリカ、結晶性シリカ、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、アルミナ、マグネシア、窒化珪素、酸化マグネシウムアルミニウム、ジルコニア、ジルコン、クレー、タルク、マイカ、珪酸カルシウム、酸化チタン、酸化アンチモン、アスベスト、ガラス繊維などが挙げられ、球状、破砕状、繊維状など任意の物が使用できる。これらのうち、平均粒径が０．１〜５０μｍの範囲の球状の非晶性シリカが特に好ましい。
【００１９】
無機充填材（Ｃ）の配合量としては、樹脂組成物中、５０重量％以上必要であり、好ましくは７５〜９３重量％であり、８０〜９２重量％が特に好ましい。無機充填材（Ｃ）が５０重量％未満および９６重量％以上では半田耐熱性や成形性が悪いため実用に供せない。
【００２０】
本発明において、エポキシ樹脂組成物にシランカップリング剤、チタネートカップリング剤などのカップリング剤を配合しておくことが、得られる半導体装置の信頼性の点で好ましい。カップリング剤はそのまま配合しても、あらかじめ無機充填材（Ｃ）に表面処理しておいても同様の効果が期待できる。
【００２１】
カップリング剤としては、好ましくは有機基および加水分解性基が珪素原子に直接結合したシランカップリング剤が使用され、例えば、エポキシシラン、アミノシラン、メルカプトシラン、ウレイドシランなどである。中でも、アミノ基を有するシランカップリング剤が特に好ましく用いられる。特に好ましいアミノ基を有するシランカップリング剤の具体例としてはγ−アミノプロピルトリメトキシシラン、γ−アミノプロピルトリエトキシシラン、Ｎ−フェニル−γ−アミノプロピルトリメトキシシラン、Ｎ−フェニル−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などがあげられる。
【００２２】
また、カップリング剤の添加量は通常エポキシ樹脂組成物全体に対し、０．１〜２重量％である。
【００２３】
本発明においては有機化合物（Ｄ）を含有する。
【００２４】
本発明における有機化合物（Ｄ）の具体例としては、３，５，−メトキシフェノール、４−ヒドロキシビフェニル、３，５，３’,５’−テトラメチル−４−ヒドロキシビフェニル、４−ナフトキシフェノール、（１，１−ジメチルブチル）フェノール、２，４−ビス（１，１−ジメチルエチル）フェノール、４−（１−メチル−１−フェニルエチル）フェノール、２，４−ビス（１，１−ジメチルブチル）フェノール、ｍ−イソプロペニルフェノール、２，３，６−トリメチルフェノール、ｐ−シクロヘキシルフェノール、ｐ−フェノキシメチルフェノール、２，６−ジメチル−４−（α，α−ジメチルベンジル）フェノールなど、およびそれらフェノールをエポキシ化した化合物などが挙げられ、本発明の効果を損なわない程度で上記化合物を単独で用いても、２種類以上を併用してもかまわない。ここで、有機化合物（Ｄ）には分子中に有機置換基を有さないフェノールは含まない。
【００２５】
有機化合物（Ｄ）において、分子量が１００未満では成型時の気泡が生成しやすく、また分子量が３００を越えるとエポキシ樹脂との相互溶解性が悪くなるため、分子量が１００〜３００の範囲が好ましい。具体的には３，５，−メトキシフェノール、ｐ−シクロヘキシルフェノール、２，６−ジメチル−４−（α，α−ジメチルベンジル）フェノールなどが好ましい。
【００２６】
有機化合物（Ｄ）の添加量は好ましくはエポキシ樹脂組成物全体に対し０．１〜３重量％である。有機化合物（Ｄ）の添加量が０．１重量％〜３重量％の範囲内であれば密着性、信頼性などの本発明の効果が極めて良好である。
【００２７】
本発明のエポキシ樹脂組成物には必要に応じてブロム化合物を配合できる。また実質的に存在するブロム化合物は、通常半導体封止用エポキシ樹脂組成物に難燃剤として添加されるもので、特に限定されず、公知のものであってよい。ここで、例えば無機フィラー量の増量などの手法により目標の難燃性が達成できる場合もあるので、ブロム化合物の添加は必ずしも必須ではない。ブロム化合物を添加する場合、ブロム化合物添加量はエポキシ樹脂組成物に対して０．１〜３重量％が好ましい。０．１重量％以上であれば難燃性が十分発現し、３重量％以下であれば信頼性が低下することもない。
【００２８】
ブロム化合物の好ましい具体例としては、ブロム化ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、ブロム化フェノールノボラック型エポキシ樹脂などのブロム化エポキシ樹脂、ブロム化ポリカーボネート樹脂、ブロム化ポリスチレン樹脂、ブロム化ポリフェニレンオキサイド樹脂、テトラブロモビスフェノールＡ、デカブロモジフェニルエーテルなどがあげられ、なかでも、ブロム化ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、ブロム化フェノールノボラック型エポキシ樹脂などのブロム化エポキシ樹脂が、成形性の点から好ましい。
【００２９】
本発明のエポキシ樹脂組成物では必要に応じてアンチモン化合物を配合できる。これは通常半導体封止用エポキシ樹脂組成物に難燃助剤として添加されるもので、特に限定されず、公知のものが使用できる。アンチモン化合物の好ましい具体例としては、三酸化アンチモン、四酸化アンチモン、五酸化アンチモンがあげられる。ここで、例えば無機フィラー量の増量などの手法により目標の難燃性が達成できる場合もあるので、アンチモン化合物の添加はは必ずしも必須ではない。アンチモン化合物を添加する場合、アンチモン化合物の好ましい添加量はエポキシ樹脂組成物中に０．１〜３重量％が好ましい。０．１重量％以上であれば難燃性が十分発現し、３重量％以下であれば信頼性が低下することもない。
【００３０】
本発明のエポキシ樹脂組成物には、カーボンブラック、酸化鉄などの着色剤、ハイドロタルサイト類、ビスマス系などのイオン捕捉剤、シリコーンゴム、オレフィン系共重合体、変性ニトリルゴム、変性ポリブタジエンゴム、などのエラストマー、ポリエチレンなどの熱可塑性樹脂、長鎖脂肪酸の金属塩、長鎖脂肪酸のエステル、シリコーン化合物およびその誘導体、パラフィンワックスなどの離型剤および有機過酸化物などの架橋剤を任意に添加することができる。このうち、着色剤としてはカーボンブラックが好ましく、好ましい添加量はエポキシ樹脂組成物中に０．１〜１重量％である。また、離型剤の好ましい添加量はエポキシ樹脂組成物中に０．１〜２重量％である。
【００３１】
本発明の樹脂組成物の製造方法としては、例えば溶融混練による方法が用いられ、各原料を混合後、通常は６０〜１４０℃で、たとえばバンバリーミキサー、ニーダー、ロール、単軸もしくは二軸の押出機およびコニーダーなどの公知の混練方法により製造できる。この樹脂組成物は通常粉末、ペレットまたはタブレット状態から、成形によって、半導体封止に供される。半導体素子を成形する方法としては、低圧トランスファー成形法が一般的であるがインジェクション成形法や圧縮成形法も可能である。成形条件としては、例えば樹脂組成物を成形温度１５０〜２００℃、成形圧力５〜１５ＭＰａ、成形時間３０〜３００秒で成形し、樹脂組成物の硬化物とすることによって半導体装置が製造される。また、必要に応じて上記成形物を１００〜２００℃で２〜１５時間、追加加熱処理も行われる。また、半導体装置においては４２アロイ材をリードフレームに使用したもの、銅材をリードフレームに使用したもの、Ｐｄメッキ銅材をリードフレームに使用したものが本発明の効果が発揮される。
【００３２】
【実施例】
以下、実施例により本発明を具体的に説明する。
【００３３】
＜実施例１〜５、比較例１〜２＞
表１に示した成分を、表２に示した組成比でミキサーによりドライブレンドした。これを、バレル温度９０℃の二軸押出機を用いて５分間加熱溶融混練後、冷却・粉砕して半導体封止用樹脂組成物を製造した。
【００３４】
【表１】

【００３５】
【表２】

【００３６】
これらの組成物を用いて、低圧トランスファー成形法により１７５℃×９０秒の条件で成形して半導体装置を得た。また、以下の方法により各種評価を行い、結果を表２に示した。
半田耐熱性試験：
・１７６ｐｉｎＬＱＦＰ（模擬半導体素子：大きさ１０×１０ｍｍ、厚み０．３ｍｍ、チップ表面にポリイミド膜付き）、２５０℃で３分酸化させた銅フレーム
・２０８ｐｉｎＬＱＦＰ（模擬半導体素子：大きさ１２×１２ｍｍ、厚み０．３ｍｍ、チップ表面にポリイミド膜付き）、Ｐｄメッキ付き銅フレーム
【００３７】
以上のＬＱＦＰを上記成形条件で各々１０個成形し、１７５℃で４時間硬化させた後、３０℃、８０％ＲＨの条件で銅フレームパッケージは１９２時間、Ｐｄフレームパッケージは１４４時間それぞれ加湿処理後、ＩＲリフロー炉を用いて２６０℃で１０秒間加熱処理した。その後目視で外部クラックの有無を調べ、クラックの入ったパッケージを不良パッケージとし、不良率（パッケージ１０個中の不良個数）で表した。密着性は上記、耐クラック性試験後のＬＱＦＰを超音波探傷機を使用してチップ面、ダイパッド面を観察し、剥離が生じているパッケージを不良パッケージとして不良率（パッケージ１０個中の不良個数）で表した。
【００３８】
表２にみられるように、実施例１〜５のエポキシ樹脂組成物は比較例１〜２に対して、ＩＣチップ、リードフレーム材料との密着性（剥離不良率で表示）に優れているばかりでなく、耐クラック性（クラック不良率で表示）にも優れている。
【００３９】
【発明の効果】
本発明のエポキシ樹脂組成物は、リフロー実装時の半導体パッケージ部材に対する密着性が良好であるばかりでなく耐クラック性にも優れるので半導体装置の封止に好適である。また、本発明のエポキシ樹脂組成物で封止した半導体装置は信頼性が向上する。

Claims (3)

1. エポキシ樹脂（Ａ）、硬化剤（Ｂ）、無機充填材（Ｃ）、及び、有機化合物（Ｄ）を必須成分として含む半導体封止用エポキシ樹脂組成物であって、前記無機充填材（Ｃ）の含有量が５０重量％以上であり、前記有機化合物（Ｄ）が、３，５，−メトキシフェノール、４−ヒドロキシビフェニル、３，５，３’,５’−テトラメチル−４−ヒドロキシビフェニル、４−ナフトキシフェノール、（１，１−ジメチルブチル）フェノール、２，４−ビス（１，１−ジメチルエチル）フェノール、４−（１−メチル−１−フェニルエチル）フェノール、２，４−ビス（１，１−ジメチルブチル）フェノール、ｍ−イソプロペニルフェノール、２，３，６−トリメチルフェノール、ｐ−シクロヘキシルフェノール、ｐ−フェノキシメチルフェノール、２，６−ジメチル−４−（α，α−ジメチルベンジル）フェノール、および、これらのフェノール類をエポキシ化した化合物から選ばれるものであることを特徴とする半導体封止用エポキシ樹脂組成物。
2. 有機化合物（Ｄ）の樹脂組成物に対する添加量が０．１〜３重量％であることを特徴とする請求項１記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成物。
3. 請求項１または２に記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成物の硬化物により半導体素子が封止されてなることを特徴とする半導体装置。