JP5124930B2

JP5124930B2 - 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: JP5124930B2
Application number: JP2005292386A
Authority: JP
Inventors: 慶一作道
Original assignee: Sumitomo Bakelite Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Bakelite Co Ltd
Priority date: 2005-10-05
Filing date: 2005-10-05
Publication date: 2013-01-23
Anticipated expiration: 2025-10-05
Also published as: JP2007099933A

Description

本発明は、半導体封止用エポキシ樹脂組成物及び半導体装置に関するものである。

近年、パーソナルコンピュータ、携帯電話等の情報通信機器は小型化、高機能化、デジタル化が進んでおり、このような機器に用いる半導体素子にもより高性能化、高速化が求められ、その動作周波数が一段と高くなってきている。特にデジタル信号の高速化においては、消費電力低減のため、信号の振幅を小さくする必要がある。その結果、例え微弱な高周波ノイズであっても、半導体素子が誤動作を引き起こす可能性が高まっている。更に、機器の小型多機能化の要求から配線基板への部品実装密度は非常に高まり、半導体装置のピン間、周辺回路、他半導体装置等に電磁波障害が発生し易い問題がある。

この電磁波障害の原因は、これら半導体装置を構成する多数の半導体素子自身であり、半導体素子から発生する妨害波により、線間結合の増大や放射ノイズによる電磁干渉に起因する性能劣化や異常共振等が誘起され、電磁波障害を発生させてしまう。従来このような電磁波障害への対策として、回路にノイズフィルタを挿入したり、金属板や導電メッキ等の導電体で囲むといったシールディング、或いは電波吸収シートを回路基板表面、半導体装置表面に接着剤で貼り付けるといった手段を講じて電磁波障害を抑制してきた。

しかし、高機能化、高密度実装化が進む中、上記のノイズ対策を実装するスペースは限られており、更にノイズ対策部品の実装によりコストが上がってしまう問題がある。このため半導体装置自身にノイズ対策を施す試みが検討されてきた。たとえば半導体装置を封止する封止材にフェライト等の磁性体を練りこみ、電磁波吸収能を付与した封止材が提案されている。しかしフェライトを用いた封止材は電気絶縁性が低く、半導体回路面に接した箇所で電流のリークが発生する問題がある。この問題への対応としてはフェライト自体の比抵抗向上により一応の解決を見たが（例えば、特許文献１参照。）、更なる問題として耐湿信頼性の低下が見つかった。つまり、上記技術を用いたフェライトを含有した封止材はＰＣＴ（プレッシャークッカー試験）等の耐湿信頼性試験において、シリカを用いた封止材に比べ半導体装置の寿命が著しく低下する問題である。
特開２００５−１３９０５０号公報（第２〜１５頁）

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は電磁波障害による半導体素子の誤作動を引き起こさないためのノイズ対策を低コスト、省スペースで実現することができ、かつ従来技術では達成できなかった高い耐湿信頼性をも示す半導体封止用エポキシ樹脂組成物、及びこれを用いた半導体装置を提供するものである。

本発明は、
［１］（Ａ）エポキシ樹脂、（Ｂ）フェノール系樹脂、（Ｃ）硬化促進剤、及び（Ｄ）フェライトを含むエポキシ樹脂組成物において、前記（Ａ）エポキシ樹脂と（Ｂ）フェノール系樹脂の配合量が、全エポキシ樹脂のエポキシ基数と全フェノール系樹脂のフェノール性水酸基数との比が０．８以上、１．３以下であり、前記（Ｄ）フェライトの含有量がエポキシ樹脂組成物全体に対して７０重量％以上、９５重量％以下であり、
前記（Ｄ）フェライトがＦｅ_２Ｏ_３、Ｙ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２を必須成分として含むフェライトであり、前記（Ｄ）フェライト中に含まれるＳｉＯ_２換算成分の含有量が０．１重量％以上、１重量％以下であり、前記（Ｄ）フェライト中に含まれるインジュウムの含有量が０．０２重量％以下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］前記（Ｄ）フェライトが球状である、第［１］項に記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成物、
［３］第［１］項又は第［２］項に記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成物を混合及び／又は溶融混練してなる半導体封止用エポキシ樹脂成形材料、
［４］第［３］項に記載の半導体封止用エポキシ樹脂成形材料を用い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、
である。

本発明に従うと、電磁波障害による半導体素子の誤作動を引き起こさないためのノイズ対策を低コスト、省スペースで実現することができ、かつ従来技術では達成できなかった高い耐湿信頼性をも示す半導体封止用エポキシ樹脂組成物を得ることが出来る。

本発明は、エポキシ樹脂、フェノール系樹脂、硬化促進剤、及び（Ｄ）Ｆｅ _２Ｏ _３、Ｙ _２Ｏ _３、ＳｉＯ _２を必須成分として含むフェライトを主成分として含むことにより、電磁波障害による半導体素子の誤作動を引き起こさないためのノイズ対策を低コスト、省スペースで実現することができ、かつ従来技術では達成できなかった高い耐湿信頼性をも示す半導体封止用エポキシ樹脂組成物を得ることが出来るものである。
以下、本発明について詳細に説明する。

本発明に用いるエポキシ樹脂（Ａ）は、１分子内にエポキシ基を２個以上有するモノマー、オリゴマー、ポリマー全般であり、分子構造としては特に限定するものではなく、例えばビフェニル型エポキシ樹脂、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、スチルベン型エポキシ樹脂、ハイドロキノン型エポキシ樹脂、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変性フェノール型エポキシ樹脂、フェノールアラルキル型エポキシ樹脂（フェニレン骨格、ビフェニレン骨格等を有する）、ナフトール型エポキシ樹脂、ナフタレン型エポキシ樹脂、ナフトールアラルキル型エポキシ樹脂（フェニレン骨格、ビフェニレン骨格等を有する）等を用いることが出来る。これらは単独でも２種類以上を混合して用いても良い。

フィラーを高充填した場合における樹脂組成物の流動性確保という観点からは、１５０℃のＩＣＩ粘度が０．０１ポイズ以上、１．５ポイズ以下のエポキシ樹脂を用いるのが好ましい。このようなエポキシ樹脂としては、例えば、ビフェニル型エポキシ樹脂、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂、ジシクロペンタジエン変性フェノール型エポキシ樹脂、フェノールアラルキル型エポキシ樹脂（フェニレン骨格、ビフェニレン骨格等を有する）、等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
また、ＢＧＡ等の片面封止の半導体装置用には、硬化時の反りの少ないトリフェノールメタン型エポキシ樹脂、及び／又はフィラー高充填が可能で成形収縮率を低く出来るビフェニル型エポキシ樹脂、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等の結晶性エポキシ樹脂を用いるのが好ましい。また、ＱＦＰ、ＳＯＰ等のリードフレームを用いる半導体装置用には、リードフレームとの密着性が高く、耐リフロー性の良好なジシクロペンタジエン変性フェノール型エポキシ樹脂、フェノールアラルキル型エポキシ樹脂（フェニレン骨格、ビフェニレン骨格等を有する）、及び／又はフィラー高充填が可能で低吸水化による耐半田リフロー性が良好なビフェニル型エポキシ樹脂、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等の結晶性エポキシ樹脂を用いるのが好ましい。さらに、トランジスター等のディスクリート用途には、コストの点で有利な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等を用いるのが好ましい。

本発明に用いるフェノール系樹脂（Ｂ）は、１分子内にフェノール性水酸基を２個以上有するモノマー、オリゴマー、ポリマー全般であり、その分子量、分子構造を特に限定するものではない。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、ジシクロペンタジエン変性フェノール樹脂、ナフタレン変性フェノール樹脂、テルペン変性フェノール樹脂、トリフェノールメタン型フェノール樹脂、フェノールアラルキル樹脂（フェニレン骨格、ビフェニレン骨格等を有する）、ナフトールアラルキル樹脂（フェニレン骨格、ビフェニレン骨格等を有する）、ビスフェノール化合物等が挙げられる。これらは単独でも混合して用いても差し支えない。

ＢＧＡ等の片面封止の半導体装置用には、硬化時の反りの少ないナフタレン変性フェノール樹脂、トリフェノールメタン型樹脂を用いるのが好ましい。また、ＱＦＰ、ＳＯＰ等のリードフレームを用いる半導体装置用には、リードフレームとの密着性が高く、耐リフロー性の良好なジシクロペンタジエン変性フェノール樹脂、テルペン変性フェノール樹脂、トリフェノールメタン型フェノール樹脂、フェノールアラルキル樹脂（フェニレン骨格、ビフェニレン骨格等を有する）を用いるのが好ましい。さらに、トランジスター等のディスクリート用途には、コストの点で有利なフェノールノボラック樹脂等を用いるのが好ましい。

エポキシ樹脂（Ａ）とフェノール系樹脂（Ｂ）の配合量は、全エポキシ樹脂のエポキシ基数と全フェノール系樹脂のフェノール性水酸基数との比が０．８以上、１．３以下であることが好ましく、この範囲を外れると、エポキシ樹脂組成物の硬化性の低下、或いは硬化物のガラス転移温度の低下、耐湿信頼性の低下等が生じる可能性がある。

本発明に用いる硬化促進剤（Ｃ）としては、エポキシ樹脂のエポキシ基とフェノール系樹脂のフェノール性水酸基との硬化反応を促進させるものであればよく、一般に封止材料に使用するものを使用することができる。例えば、１，８−ジアザビシクロ（５，４，０）ウンデセン−７等のジアザビシクロアルケン及びその誘導体、トリブチルアミン、ベンジルジメチルアミン等のアミン系化合物、トリフェニルホスフィン、メチルジフェニルホスフィン等の有機ホスフィン類、２−メチルイミダゾール等のイミダゾール化合物、テトラフェニルホスホニウム・テトラフェニルボレート、テトラフェニルホスホニウム・テトラ安息香酸ボレート、テトラフェニルホスホニウム・テトラナフトイックアシッドボレート、テトラフェニルホスホニウム・テトラナフトイルオキシボレート、テトラフェニルホスホニウム・テトラナフチルオキシボレート等のテトラ置換ホスホニウム・テトラ置換ボレート等が挙げられ、これらは単独でも混合して用いても差し支えない。

また本発明では、硬化促進剤（Ｃ）としてホスフィン化合物とキノン化合物との付加物を使用することもできる。上記ホスフィン化合物としては、例えば、トリフェニルホスフィン、トリ−ｐ−トリフェニルホスフィン、ジフェニルシクロヘキシルホスフィン、トリシクロヘキシルホスフィン、トリブチルホスフィンなどが挙げられる。上記キノン化合物としては、例えば、１，４−ベンゾキノン、メチル−１，４−ベンゾキノン、メトキシ−１，４−ベンゾキノン、フェニル−１，４−ベンゾキノン、１，４−ナフトキノンなどが挙げられる。これらホスフィン化合物とキノン化合物との付加物のうちでは、トリフェニルホスフィンと１，４−ベンゾキノンとの付加物が好ましい。ホスフィン化合物とキノン化合物との付加物の製造方法としては特に制限はないが、例えば、原料として用いられるホスフィン化合物とキノン化合物とを両者が溶解する有機溶媒中で付加反応させて単離すればよい。ホスフィン化合物とキノン化合物との付加物は、１種を単独で用いても２種以上を組み合わせて用いてもよい。

本発明では、フィラーとしてフェライト（Ｄ）を用いることが必須である。フェライトを封止材に用いることにより、半導体素子より放射される電磁波を吸収し、半導体素子のＳ／Ｎ比を向上させることが出来る。本発明では、フェライト（Ｄ）として電気絶縁性が高いガーネット型結晶構造のフェライトを用いる。ガーネット型フェライトとは、Ｆｅ _２Ｏ _３、Ｙ _２Ｏ _３、ＳｉＯ _２を必須成分として含むフェライトである。前記必須成分のうちＳｉＯ_２は耐湿信頼性向上に効果を発揮するものであり、全フェライト中に含まれるＳｉＯ_２換算成分の含有量が０．１重量％以上、１重量％以下であることが望ましい。上記成分以外にも磁気特性の向上等のため、ＣａＯ、Ｖ_２Ｏ_５、Ｉｎ_２Ｏ_３等を含むものを用いても良いが、半導体装置における耐湿信頼性を考慮すると、インジュウムの含有量は０．０２重量％以下であることが望ましい。また、本発明で用いるフェライト（Ｄ）は球状であることが好ましい。ここで言う球状とは、下記式で示されるアスペクト比が０．５以上、１．０以下のものである。
（アスペクト比）＝（粒子の短辺の長さ）／（粒子の長辺の長さ）
アスペクト比の実際の測定には、電子顕微鏡による映像から短辺と長辺の長さを測定し、ｎ数が１００の平均値などとして算出することができる。また、本発明で用いるフェライト（Ｄ）の粒度は、最大粒径７５μｍ以下、平均粒径１μｍ以上、５０μｍ以下が望ま
しい。また、これらのフェライトはカップリング剤により表面処理されていても差し支えない。
樹脂組成物中のフェライト（Ｄ）の含有量としては、７０重量％以上、９５重量％以下が好ましい。下限値を下回ると電磁波吸収特性が不足し、十分なノイズ対策が出来ない恐れがある。上限値を超えると、流動性が低下し成形性を損なう恐れがある。

本発明に用いるフィラーとしては、上記フェライト（Ｄ）以外に他のフィラーを併用することが出来る。併用できるフィラーとしては、一般に半導体封止用エポキシ樹脂組成物に使用されているものを用いることができる。例えば、溶融球状シリカ、溶融破砕シリカ、結晶シリカ、タルク、アルミナ、チタンホワイト、窒化珪素等が挙げられ、これらは単独でも混合して用いても差し支えない。より具体的な併用例を挙げると、例えば、１μｍ以下の微小な球状シリカを適宜加え、フィラー全体の粒度分布を整えることにより、流動性の向上、成形時に発生するバリの低減を図ることができる。また、球状アルミナを適宜加えることにより、熱伝導性の向上等を図ることができる。これらのフィラーの平均粒径としては、０．５μｍ以上、３０μｍ以下、最大粒径としては７５μｍ以下が好ましい。また、これらのファイラーはカップリング剤により表面処理されていても差し支えない。

本発明のエポキシ樹脂組成物は、エポキシ樹脂（Ａ）、フェノール系樹脂（Ｂ）、硬化促進剤（Ｃ）、及びフェライト（Ｄ）を必須成分とし、必要によりフェライト（Ｄ）以外の他のフィラーを用いるが、更にこれら以外に必要に応じて、エポキシシラン、メルカプトシラン、アミノシラン、アルキルシラン、ウレイドシラン、ビニルシラン等のシランカップリング剤や、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、アルミニウム／ジルコニウムカップリング剤等のカップリング剤、カーボンブラック、ベンガラ等の着色剤、カルナバワックス等の天然ワックス、ポリエチレンワックス等の合成ワックス、ステアリン酸やステアリン酸亜鉛等の高級脂肪酸及びその金属塩類若しくはパラフィン等の離型剤、シリコーンオイル、シリコーンゴム等の低応力添加剤、臭素化エポキシ樹脂や三酸化アンチモン、水酸化アルミニウム、水酸化マグネシュウム、硼酸亜鉛、モリブデン酸亜鉛、フォスファゼン等の難燃剤、酸化ビスマス水和物等の無機イオン交換体等、種々の添加剤を適宜配合しても差し支えない。

また、本発明のエポキシ樹脂成形材料は、ミキサー等を用いて上記ポキシ樹脂組成物を充分に均一に混合した後、更に熱ロール又はニーダー等の混練機で溶融混練し、冷却、粉砕しパウダー状にして得られる。更に必要に応じて得られたパウダーを加圧してタブレット化してもよい。

本発明のエポキシ樹脂成形材料のパウダー又はタブレットを用いて、半導体素子等の各種の電子部品を封止し、半導体装置を製造するには、トランスファーモールド、コンプレッションモールド、インジェクションモールド等の従来からの成形方法で硬化成形すればよい。

以下に本発明の実施例を示すが、本発明はこれらに限定されるものではない。配合割合は重量部とする。
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、ＹＸ−４０００、エポキシ当量１９０、融点１０５℃、１５０℃ＩＣＩ粘度０．０２ポイズ）
７．４８重量部
フェノールアラルキル樹脂（三井化学（株）製、ＸＬＣ−４Ｌ、水酸基当量１６８、軟化点６２℃）６．６２重量部
硬化促進剤（トリフェニルホスフィン−１，４−ベンゾキノン）
０．３０重量部
球状ガーネット型フェライトＡ（組成：Ｆｅ２Ｏ₃＝５８．４重量％、Ｙ₂Ｏ₃＝４１．０重量％、ＳｉＯ₂＝０．６重量％の混合物を焼成したフェライト、平均粒径２５μｍ、最大粒径７４μｍ）８５．００重量部
シランカップリング剤（Ｎ−フェニル−γ−アミノプロピルトリメトキシシラン）
０．２０重量部
カーボンブラック０．２０重量部
カルナバワックス０．２０重量部
をミキサーにて混合した後、熱ロールを用いて、９５℃で８分間混練して冷却後粉砕し、エポキシ樹脂成形材料を得た。得られたエポキシ樹脂成形材料を、以下の方法で評価した。結果を表１に示す。

評価方法
スパイラルフロー：低圧トランスファー成形機を用いて、ＥＭＭＩ−１−６６に準じたスパイラルフロー測定用金型に、金型温度１７５℃、注入圧力６．９ＭＰa、硬化時間１２０秒の条件でエポキシ樹脂成形材料を注入し、流動長を測定した。単位はｃｍ。

電磁波吸収特性：低圧トランスファー成形機を用いて、金型温度１７５℃、注入圧力９．８ＭＰａ、硬化時間１２０秒の条件で、φ５０ｍｍ厚み３ｍｍの円盤を成形し、この円盤より外形７ｍｍ、内径３ｍｍ、厚さ２ｍｍのドーナツ状のテストピースに仕上げた。このテストピースをネットワークアナライザー（ヒューレット・パッカード製８７２０Ｄ）により５ＧＨｚでのＳ２１（透過損失）を測定し電磁波吸収特性とした。

耐湿信頼性：トランスファー成形機を用いて、金型温度１７５℃、注入圧９．８ＭＰａ、硬化時間１２０秒の条件で、１６ｐＳＯＰ（モールドサイズ１１ｍｍ×７ｍｍ、厚さ１．９５ｍｍ、半導体素子サイズ３．５ｍｍ×３．０ｍｍ、厚さ０．４８ｍｍ、半導体素子のボンディングパッドと４２アロイフレームを２５μｍ径の金線で１２箇所ボンディングしている。半導体素子はアルミ配線幅１０μｍ、配線間距離１０μｍ、アルミ蒸着厚み１μｍ。）を成形し、１７５℃、４時間で後硬化してサンプルを得た。得られた半導体装置１５個を室温に冷却後、プレッシャークッカー試験（１２５℃、圧力２．２×１０⁵Ｐａ）を行い、４０時間ごとに導通を確認し、導通不良の個数が８個以上になった時間を測定した。

実施例２〜３、比較例１〜２
表１の配合に従い、実施例１と同様にしてエポキシ樹脂成形材料を得て、実施例１と同様にして評価した。結果を表１に示す。
実施例１で用いたもの以外で、該実施例及び比較例で用いた原材料を以下に示す。
ビフェニルアラルキル型エポキシ樹脂（日本化薬（株）製、ＮＣ−３０００、エポキシ当量２７２、軟化点５８℃、１５０℃ＩＣＩ粘度１．３ポイズ）
球状ガーネット型フェライトＣ（組成：Ｆｅ２Ｏ_３＝５８．３重量％、Ｙ_２Ｏ_３＝４１．０重量％、Ｉｎ_２Ｏ_３＝０．７重量％の混合物を焼成したフェライト、平均粒径２５μｍ、最大粒径７４μｍ）
球状溶融シリカ（平均粒径２０μｍ）

Claims

（Ａ）エポキシ樹脂、（Ｂ）フェノール系樹脂、（Ｃ）硬化促進剤、及び（Ｄ）フェライトを含むエポキシ樹脂組成物において、
前記（Ａ）エポキシ樹脂と（Ｂ）フェノール系樹脂の配合量が、全エポキシ樹脂のエポキシ基数と全フェノール系樹脂のフェノール性水酸基数との比が０．８以上、１．３以下であり、前記（Ｄ）フェライトの含有量がエポキシ樹脂組成物全体に対して７０重量％以上、９５重量％以下であり、
前記（Ｄ）フェライトがＦｅ_２Ｏ_３、Ｙ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２を必須成分として含むフェライトであり、前記（Ｄ）フェライト中に含まれるＳｉＯ_２換算成分の含有量が０．１重量％以上、１重量％以下であり、前記（Ｄ）フェライト中に含まれるインジュウムの含有量が０．０２重量％以下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。
前記（Ｄ）フェライトが球状である、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又は２に記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成物を混合及び／又は溶融混練してなる半導体封止用エポキシ樹脂成形材料。
請求項３に記載の半導体封止用エポキシ樹脂成形材料を用い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。