JP4971824B2

JP4971824B2 - 半導体封止用エポキシ樹脂組成物及び半導体装置

Info

Publication number: JP4971824B2
Application number: JP2007040789A
Authority: JP
Inventors: 隆史源
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2007-02-21
Filing date: 2007-02-21
Publication date: 2012-07-11
Anticipated expiration: 2027-02-21
Also published as: JP2008201932A

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を用いて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、半導体装置はハンダリフロー工程で実装される、表面実装型パッケージが主流となっている。

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。

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、ハンダリフロー工程の高温条件により、半導体素子やリードフレーム等と封止材との間でハクリを生じたり、パッケージにクラックが生じたりするといった問題があった。これは、パッケージが、高温条件下で、熱応力や吸湿した水分の膨張により寸法変化を生じて起こるものであると考えられている。

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、ビフェニルアラルキル骨格を有するフェノール樹脂を硬化剤として用いる方法が記載されている。
特開２０００−１７１５０号公報

ビフェニルアラルキル骨格を有するフェノール樹脂を含有するエポキシ樹脂組成物の硬化物は、架橋密度が低いために、ハンダリフローの際に生じる熱応力や吸湿による寸法変化等を緩和することができる。そのために上記ハクリやクラックの発生を抑制することができる。しかしながら、架橋密度が低く、硬化性が悪いビフェニルアラルキル骨格を有するフェノール樹脂を硬化剤として用いた場合には、離型不良が頻繁に生じ、連続成形性が悪いという問題があった。このような連続成形性に関する問題は、ビフェニルアラルキル骨格を有するフェノール樹脂が硬化性が悪いために、未硬化の樹脂成分が金型に付着して金型を汚すために生じるものと考えられる。すなわち、半導体装置の製造において、半導体素子を封止するために連続成形する際に、未硬化の樹脂成分が金型に付着して金型汚れが金型表面に徐々に蓄積することにより、ショットを重ねるごとに離型不良が発生しやすくなると考えられる。このような離型不良が、連続成形において頻発すれば、生産性に多大な悪影響を与える。

本発明は、前記問題点に鑑み、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、耐熱信頼性に優れ、且つ、連続成形性にも優れ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、硬化剤、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、前記硬化剤として、下記式（１）で示されるフェノール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である。

（Ｒ_１〜Ｒ_１４は、それぞれ、水素原子、水酸基、及びアルキル基から選択される原子又は基であり、Ｒ_１〜Ｒ_５、Ｒ_６〜Ｒ_９、及びＲ_１０〜Ｒ_１４のそれぞれは、少なくとも２つの水酸基を含有する。また、ｎは０〜３の整数を示す。）
上記フェノール樹脂を含有するエポキシ樹脂組成物の硬化物は、離型性が良く、特に、連続成形においても良好な離型性を維持することができる。また、耐熱信頼性にも優れている。

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硬化剤全量中の前記式（１）で示されるフェノール樹脂の含有割合が１０〜１００質量％であることが好ましい。このような含有割合で前記式（１）で示されるフェノール樹脂を含有させることにより、難燃性にも優れる点から好ましい。

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、量産性に優れており、また、耐熱信頼性にも優れたものである。

本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物は、半導体素子等を封止する際の成形工程における連続成形性に優れており、また、このようなエポキシ樹脂組成物を封止剤として用いて得られる半導体装置は、量産性に優れ、また、耐熱信頼性にも優れたものである。

以下に本発明を具体的に説明する。

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、硬化剤、及び無機充填材を含有するエポキシ樹脂組成物であって、前記硬化剤として、前記式（１）で示されるフェノール樹脂を含有することを特徴とする。

本発明で用いられるエポキシ樹脂は、特に限定されず、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。その具体例としては、例えば、Ｏ−クレゾールノボラック型エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂、ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂、ビスフェノール型エポキシ樹脂、ナフトール型エポキシ樹脂、ブロム含有エポキシ樹脂等が挙げられる。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。

本発明のエポキシ樹脂組成物全量中のエポキシ樹脂の含有割合は、２〜１５質量％、さらには５〜１５質量％であることが好ましい。

本発明で用いられる硬化剤は、必須成分として前記式（１）で示されるフェノール樹脂を含有するものである。

前記式（１）で示されるフェノール樹脂は、異なるベンゼン環の置換基である、Ｒ_１〜Ｒ_５、Ｒ_６〜Ｒ_９、及びＲ_１０〜Ｒ_１４がそれぞれ少なくとも２つの水酸基を含有するものである。そして、このように、比較的多くの水酸基を含有することにより、架橋密度が比較的高くなり、また、硬化性も良好になる。そのために、成形直後で成形品が充分に冷却されていない状態においても硬度が高い。成形直後の硬度が低い場合には、樹脂が金型を汚しやすい傾向があるが、前記フェノール樹脂を用いたエポキシ樹脂組成物においては、硬化性が良好であり、成形直後における硬度も比較的高い。そのために、連続成形においても金型が汚れにくく、そのために、連続成形性がよくなるものと考えている。また、上記フェノール樹脂を含有するエポキシ樹脂組成物で封止された半導体装置は、耐熱信頼性も高いものである。

式（１）で示されるフェノール樹脂においては繰り返し単位ｎはｎ＝０〜３であり、さらには、ｎ＝０〜１のものを主とすることが成形流動性に優れる点から好ましい。

式（１）で示されるフェノール樹脂としては、例えば、明和化成（株）製のＭＥＨ７８５１−Ｒ１０Ｓが挙げられる。

式（１）で示されるフェノール樹脂のフェノール樹脂全量中の含有割合としては、１０〜１００質量％であることが、難燃性に特に優れている点から好ましい。

式（１）で示されるフェノール樹脂と組み合わせて用いられるその他の硬化剤としては、エポキシ樹脂の硬化剤として従来から知られたフェノール樹脂が好ましく用いられる。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、ビフェニルアラルキル樹脂、ナフトールアラルキル樹脂等、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。これらの中では、特に、フェノールノボラック樹脂を用いた場合には、連続成形性がさらに優れる点から好ましい。

本発明のエポキシ樹脂組成物に配合される硬化剤の割合は特に限定されないが、硬化剤／エポキシ樹脂＝０．５〜１．５（当量比）、好ましくは０．８〜１．２になるような割合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、充分にエポキシ樹脂を硬化させることができる。

本発明のエポキシ樹脂組成物には、硬化反応を促進させるために、硬化促進剤を含有させることが好ましい。硬化促進剤としてはエポキシ樹脂と硬化剤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、テトラフェニルホスホニウム・テトラフェニルボレートやトリフェニルホスフィン等の有機ホスフィン化合物、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、及び２−フェニルイミダゾール等のイミダゾール類等が挙げられる。

本発明のエポキシ樹脂組成物は無機充填材を含有する。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量に対して６５〜９２質量％程度であることが好ましい。上記範囲の量で無機充填材を含有することにより、ハンダリフローに供する際の熱応力や吸湿による寸法変化が緩和され、耐熱信頼性に優れた半導体装置が得られる。

前記無機充填材としては、例えば、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、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、硬化剤樹脂成分、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、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）、インジェクション成形、直圧成形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。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、硬化剤、無機充填材、硬化促進剤、シランカップリング剤、カルナバワックス、及びカーボンブラックをブレンダーで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。
・ビフェニル型エポキシ樹脂：ジャパンエポキシレジン（株）製のＹＸ４０００Ｈ（エポキシ当量１９６ｇ／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）
・式（１）で示されるフェノール樹脂：明和化成（株）製のＭＥＨ７８５１−Ｒ１０Ｓ（主としてｎ＝０、Ｒ_１〜Ｒ_５、Ｒ_６〜Ｒ_９、及びＲ_１０〜Ｒ_１４のそれぞれ少なくとも２つは水酸基、水酸基当量１６７ｇ／ｅｑ）
・フェノールノボラック樹脂：明和化成（株）製のＨ−１Ｍ
・ビフェニルアラルキルフェノール樹脂：下式（２）で示される明和化成（株）製のＭＥＨ７８５１ＳＳ

・無機充填材：溶融シリカ
・硬化促進剤：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（いずれも北興化学工業（株）製）
・シランカップリング剤：信越化学工業（株）製ＫＢＭ８０３（メルカプト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
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。
［連続成形性］
２９ｍｍ角のＰＢＧＡ(Plastic Ball Grid Arrey)のパッケージを各エポキシ樹脂組成物を用いて下記成形条件でトランスファー成形により連続成形した。
・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
そして、成形された各パッケージの離型抵抗をプッシュプルゲージを用いて各ショットごとに測定し、以下の基準で評価した。
◎：３００ショット以上のときに、離型抵抗力が２０Ｎ以上に達した。
○：２００〜２９９ショットのときに、離型抵抗力が２０Ｎ以上に達した。
△：１００〜１９９ショットのときに、離型抵抗力が２０Ｎ以上に達した。
×：１００ショット未満のときに、離型抵抗力が２０Ｎ以上に達した。
［耐熱信頼性］
基板にテスト用チップを銀ペーストにより搭載した２９ｍｍ角のＰＢＧＡのパッケージを各エポキシ樹脂組成物を用いて上記成形条件でトランスファー成形することにより封止成形し、評価用試料を作製した。

次に、前記評価用試料を温度３０℃、湿度７０％ＲＨの条件で９６時間吸湿処理した後、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。そして、評価用試料を観察し、ハクリの発生状態を以下の基準により判定した。
◎：ハクリなし。
○：基板面積５％以下でハクリ発生。
△：基板面積５〜１０％でハクリ発生。
×：基板面積１０％以上でハクリ発生。
［難燃性］
１．６ｍｍ厚で１０×１００ｍｍの試験片５本を用いて、ＵＬ９４に準じた方法により燃焼性試験を行い、１回目の接炎時の燃焼時間及び２回目の接炎時の燃焼時間を計測した。そして、計測された５本の試験片の燃焼時間を合計し、以下の基準により判定した。
◎：１０秒以下
○：３０秒以下
△：５０秒以下
×：５１秒以上
結果を表１に示す。

表１の結果より、式（１）で示される骨格を有するフェノール樹脂を含有する実施例１〜５のエポキシ樹脂組成物は、連続成形性及び耐熱信頼性がいずれも○または◎であり、その他のフェノール樹脂を含有する比較例１〜６のエポキシ樹脂組成物が連続成形性及び耐熱信頼性の何れかが×または△であるのに比べて、優れていることが分かる。なお、フェノール樹脂全量中の式（１）のフェノール樹脂の含有割合が低い（５質量％）実施例５のエポキシ樹脂組成物は、実施例１〜４のエポキシ樹脂組成物に比べて難燃性が劣っていた。

以上の結果より、本発明のエポキシ樹脂組成物が連続成形性及び耐熱信頼性の点で優れていることが分かる。

Claims

エポキシ樹脂、硬化剤、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、
前記硬化剤として、下記式（１）で示されるフェノール樹脂及びフェノールノボラック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。

（Ｒ_１〜Ｒ_１４は、それぞれ、水素原子、水酸基、及びアルキル基から選択される原子又は基であり、Ｒ_１〜Ｒ_５、Ｒ_６〜Ｒ_９、及びＲ_１０〜Ｒ_１４のそれぞれは、少なくとも２つの水酸基を含有する。また、ｎは０〜３の整数を示す。）
前記硬化剤全量中の前記式（１）で示されるフェノール樹脂の含有割合が１０〜５０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。
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。