JP5491295B2 - 半導体封止用エポキシ樹脂組成物とそれを用いた半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体封止用エポキシ樹脂組成物とそれを用いた半導体装置に関するものである。

従来、ＩＣ、ＬＳＩ等の半導体チップの封止材としてセラミックや熱硬化性樹脂組成物が一般に用いられている。中でも、エポキシ樹脂組成物は経済性と性能のバランスの点で優れた封止材である。エポキシ樹脂組成物は、例えば、近年の電子機器の小型化、薄型化にともない主流になりつつある表面実装型パッケージの封止材として広く用いられている（特許文献１、２参照）。

そして近年では、表面実装型パッケージの中でも、より実装密度の高いエリア実装タイプのＢＧＡが多くなりつつある。

ところが、これらのうち片面封止タイプのＢＧＡパッケージは、近年における金線の細線化によりワイヤースイープ（成形工程時の金線変形）が起こりやすくなっているという問題がある。

このワイヤースイープを低減させるためには、封止材に用いる樹脂の高流動化が不可欠である。そして高流動化の実現には、無機充填材の配合量を少なく抑えること、および低粘度樹脂を用いることが必要である。

特開２００９−２４９４２４号公報 特開２００７−２３１１５９号公報

しかしながら、高流動化の実現のために無機充填材の配合量を少なく抑えるとともに低粘度樹脂を用いると、成形後において樹脂の収縮量が大きくなってしまう。そのため、片面封止タイプのＢＧＡパッケージでは反りが発生してしまい、リフロー時に問題となる。

本発明は、以上の通りの事情に鑑みてなされたものであり、樹脂を高流動化することができるとともに、パッケージの反り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とそれを用いた半導体装置を提供することを課題としている。

本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物は、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂を７０〜１００質量％含有するエポキシ樹脂、フェノール硬化剤、半導体封止用エポキシ樹脂組成物の全量に対して７０〜９０質量％の無機充填材、半導体封止用エポキシ樹脂組成物の全量に対して１〜３質量％のエポキシ変性シリコーンレジン、半導体封止用エポキシ樹脂組成物の全量に対して２〜４質量％のＮ−フェニル−γ−アミノプロピルトリメトキシシラン、および半導体封止用エポキシ樹脂組成物の全量に対して０．５〜２質量％のステアリン酸ワックスを含有することを特徴とする。

本発明の半導体装置は、上記の半導体封止用エポキシ樹脂組成物を用いて半導体チップが封止されていることを特徴とする。

本発明によれば、無機充填材の充填量を少なく抑え、低粘度樹脂を用いることで樹脂を高流動化することができるとともに、片面封止タイプのＢＧＡパッケージ等の半導体装置におけるパッケージの反りを低減することができる。

以下に、本発明を詳細に説明する。

本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物は、上記のとおり、無機充填材の充填量を半導体封止用エポキシ樹脂組成物の全量に対して７０〜９０質量％と比較的少ない量に抑えている。これにより、流動性を確保することができ、パッケージ成形時のワイヤースイープを低減させることができる。

そして溶融時に低粘度のビスフェノールＦ型エポキシ樹脂を用いることで、流動性を確保することができ、パッケージ成形時のワイヤースイープを低減させることができる。

一方で、無機充填材の充填量を抑えるとともに溶融時に低粘度のビスフェノールＦ型エポキシ樹脂を用いた場合、成形による収縮率が大きくなり、片面封止タイプのＢＧＡ等では大きなパッケージの反りが発生してしまう。しかし、本発明ではエポキシ変性シリコーンレジンを用いることでパッケージの反り(リフロー時の反り変化量)を低減することができる。そして、Ｎ−フェニル−γ−アミノプロピルトリメトキシシランおよびステアリン酸ワックスを用いることで、収縮率を調整し、常温時のパッケージの反りを最適にすることができる。

以下に、本発明の必須成分等について説明する。

本発明に用いられるエポキシ樹脂は、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂をエポキシ樹脂の全量に対して７０〜１００質量％含有する。これにより、無機充填材を配合しても樹脂の流動性を確保し、ワイヤースイープが良好になる。ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂の含有量が少な過ぎると、樹脂の高粘度化により流動性が十分に確保できない場合があり、ワイヤースイープ等の不具合や成形時の未充填が生じる場合がある。

本発明では、エポキシ樹脂として、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂とともにそれ以外のエポキシ樹脂を用いることもできる。例えば、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、クレゾールノボラック型エポキシ樹脂、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、ナフタレン型エポキシ樹脂等を用いることができる。これらは１種単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。

本発明に用いられるフェノール硬化剤は、フェノール性水酸基を有する多価フェノール化合物、多価ナフトール化合物等を用いることができる。多価フェノール化合物としては、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等を用いることができる。多価ナフトール化合物としては、例えば、ナフトールアラルキル樹脂等を用いることができる。これらは１種単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。

本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物におけるフェノール硬化剤の含有量は、特に限定されないが、例えば、フェノール硬化剤のフェノール性水酸基とエポキシ樹脂の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となる量であり、より好ましくは当量比が０．８〜１．２となる量である。当量比が小さ過ぎると硬化特性が低下する場合があり、当量比が大き過ぎると耐湿信頼性等が不十分になる場合がある。

本発明に用いられる無機充填材は、特に限定されないが、例えば、溶融シリカ、結晶シリカ、アルミナ、窒化珪素等を用いることができる。

無機充填材の含有量は、半導体封止用エポキシ樹脂組成物の全量に対して７０〜９０質量％である。無機充填材の含有量が少な過ぎると、線膨張が大きくなるため収縮率が大きくなり、パッケージの反りが大きくなってしまう場合がある。無機充填材の含有量が多過ぎると、十分な流動性が確保されず、ワイヤースイープが大きくなってしまう場合がある。

本発明に用いられるエポキシ変性シリコーンレジンは、例えば、下記の一般式（ａ）および（ｂ）を有し、末端がＲ¹、水酸基およびアルコキシ基から選ばれる官能基であり、エポキシ当量が５００〜１７００であるものを用いることができる。

（ここで、Ｒ¹は炭素数１〜１２の置換または非置換の１価の炭化水素基であり、重合体中のＲ¹はすべてが同一でも異なっていてもよい。Ｘはエポキシ基を含む１価の有機基を示す。）
このようなエポキシ変性シリコーンレジンとして、例えば、分岐状ポリシロキサン等を用いることができる。

上記一般式（ａ）および（ｂ）中のＲ¹としては、例えば、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、イソプロピル基、イソブチル基、ｔ−ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基、ヘプチル基、オクチル基、２−エチルヘキシル基等のアルキル基、ビニル基、アリル基、ブテニル基、ペンテニル基、ヘキセニル基等のアルケニル基、フェニル基、トリル基、キシリル基、ナフチル基、ビフェニル基等のアリール基、ベンジル基、フェネチル基等のアラルキル基等が挙げられる。

また、上記一般式（ｂ）中のＸとしては、例えば、２，３−エポキシプロピル基、３，４−エポキシブチル基、４，５−エポキシペンチル基、２−グリシドキシエチル基、３−グリシドキシプロピル基、４−グリシドキシブチル基、２−（３，４−エポキシシクロヘキシル）エチル基、３−（３，４−エポキシシクロヘキシル）プロピル基等が挙げられる。

また、エポキシ変性シリコーンレジンの末端は上記のＲ¹、水酸基およびアルコキシ基のいずれかであることが好ましい。この場合のアルコキシ基としては、例えば、メトキシ基、エトキシ基、プロポキシ基、ブトキシ基等が挙げられる。

エポキシ変性シリコーンレジンのエポキシ当量は、流動性の向上作用等も考慮すると、５００〜１７００の範囲であることが好ましい。

エポキシ変性シリコーンレジンはさらに、下記の一般式（ｃ）を有するものであってもよい。

（ここで、Ｒ¹は炭素数１〜１２の置換または非置換の１価の炭化水素基であり、重合体中のＲ¹はすべてが同一でも異なっていてもよい。）
上記一般式（ｃ）中のＲ^１としては、例えば、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、イソプロピル基、イソブチル基、ｔ−ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基、ヘプチル基、オクチル基、２−エチルヘキシル基等のアルキル基、ビニル基、アリル基、ブテニル基、ペンテニル基、ヘキセニル基等のアルケニル基、フェニル基、トリル基、キシリル基、ナフチル基、ビフェニル基等のアリール基、ベンジル基、フェネチル基等のアラルキル基等が挙げられる。

このようなエポキシ変性シリコーンレジンの軟化点は硬化物の機械強度や分散性等を考慮すると４０℃〜１２０℃に設定されることが好ましい。

エポキシ変性シリコーンレジンの重量平均分子量（Ｍｗ）は、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー（ＧＰＣ）で測定し標準ポリスチレン検量線を用いて換算した値で、好ましくは１０００〜３００００である。

このようなエポキシ変性シリコーンレジンは、特に制限なく公知の方法等で製造することができるが、市販品としては東レ・ダウコーニング・シリコーン（株）製の商品名ＡＹ４２−１１９として入手可能である。

エポキシ変性シリコーンレジンの含有量は、半導体封止用エポキシ樹脂組成物の全量に対して１〜３質量％である。エポキシ変性シリコーンレジンの含有量をこの範囲内とすることで、樹脂を低弾性化し常温および熱時でのパッケージ反りを良好に保つことができる。エポキシ変性シリコーンレジンの含有量が少な過ぎると、パッケージの反りを十分に低減できない場合がある。エポキシ変性シリコーンレジンの含有量が多過ぎると、流動性が悪化してしまい、ワイヤースイープ等の不具合が生じてしまう場合がある。

エポキシ変性シリコーンレジンは、可とう剤として作用するが、本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物は、必要に応じて他のシリコーン可とう剤を併用することもできる。

本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物は、半導体封止用エポキシ樹脂組成物の全量に対して２〜４質量％のＮ−フェニル−γ−アミノプロピルトリメトキシシランをカップリング剤として含有する。また、半導体封止用エポキシ樹脂組成物の全量に対して０．５〜２質量％のステアリン酸ワックスを添加剤として含有する。これにより、樹脂の収縮量の最適化を図り、常温でのパッケージ反りを低減することができる。Ｎ−フェニル−γ−アミノプロピルトリメトキシシランおよびステアリン酸ワックスの含有量が少な過ぎると、パッケージの反りを十分に低減できない場合がある。Ｎ−フェニル−γ−アミノプロピルトリメトキシシランおよびステアリン酸ワックスの含有量が多過ぎると、耐リフロー性が悪化してしまう等の不具合が生じる場合がある。また、Ｎ−フェニル−γ−アミノプロピルトリメトキシシランとステアリン酸ワックス以外のカップリング剤と添加剤の組み合わせではこれらの効果は発揮されない。

本発明の半導体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。このような他の成分としては、例えば、硬化促進剤、離型剤、シランカップリング剤、難燃剤、着色剤等が挙げられる。

硬化促進剤としては、特に限定されないが、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、トリフェニルホスフィン等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、３−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等を用いることができる。

離型剤としては、特に限定されないが、例えば、カルナバワックス、ステアリン酸、モンタン酸、カルボキシル基含有ポリオレフィン等を用いることができる。

シランカップリング剤として、例えば、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を用いることができる。

本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物は、例えば、上記のエポキシ樹脂、硬化剤、硬化促進剤、無機充填材、カップリング剤、および必要に応じて他の成分を配合し、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した後、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ことにより製造することができる。なお、半導体封止用エポキシ樹脂組成物は、取り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を有するタブレットとしてもよい。

本発明の半導体装置は、上記のようにして得られた半導体封止用エポキシ樹脂組成物を用いてＩＣチップ、ＬＳＩチップ等の半導体チップを封止することにより製造することができる。この封止には、トランスファー成形、コンプレッション成形、インジェクション成形等の従来より用いられている成形方法を適用することができる。

トランスファー成形を適用する場合、例えば、金型温度１７０〜１８０℃、成形時間３０〜１２０秒に設定することができるが、金型温度、成形時間およびその他の成形条件は、半導体封止用エポキシ樹脂組成物の配合組成等に応じて適宜に変更すればよい。

本発明の半導体装置のパッケージ形態としては、例えば、半導体封止用エポキシ樹脂組成物で半導体チップを封止したＢＧＡ、ＣＳＰ等が挙げられる。

以下に、実施例により本発明をさらに詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではない。なお、表１に示す配合量は質量％を表す。

表１に示す配合成分として、以下のものを用いた。
(エポキシ樹脂１)
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「ＹＸ４０００Ｈ」、エポキシ当量１９５
(エポキシ樹脂２)
ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂、東都化成（株）製「ＹＳＬＶ８０ＸＹ」、エポキシ当量１７３
(エポキシ樹脂３)
ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、ジャパンエポキシレジン（株）製「ＹＬ６８１０」、エポキシ当量１７５
(フェノール硬化剤)
フェノールノボラック樹脂、明和化成（株）製「ＤＬ−９２」、水酸基当量１０５
(無機充填材)
溶融シリカ、電気化学工業（株）製「ＦＢ８２０」
(エポキシ変性シリコーンレジン)
東レ・ダウコーニング（株）製「ＡＹ４２−１１９」
(カップリング剤１)
Ｎ−フェニル−γ−アミノプロピルトリメトキシシラン、信越化学工業（株）製「ＫＢＭ５７３」
(カップリング剤２)
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「ＫＢＭ４０３」
(ステアリン酸ワックス)
Ｗ０２
(金型離型用ワックス)
カルナバワックス、大日化学工業（株）製「Ｆ１−１００」
(着色剤)
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）製「ＴＰＰ」
表１に示す各配合成分を、表１に示す割合で配合し、ミキサー、ブレンダー等で均一に混合した後、ニーダーやロールで加熱、混練し、その後冷却固化し、次いで粉砕機で所定粒度に粉砕して粒状の半導体封止用エポキシ樹脂組成物を得た。

上記の半導体封止用エポキシ樹脂組成物を用いて、下記条件にてトランスファー成形を行った。
金型温度：１７５℃
注入圧力：７０ｋｇｆ／ｃｍ²
成形時間：９０秒
後硬化：１７５℃／６ｈ
次の測定および評価を行った。
１．測定
[スパイラルフロー]
ＡＳＴＭＤ３１２３に準じたスパイラルフロー測定金型を用いて上記条件にて成形し、流動距離（ｃｍ）を測定した。
[パッケージ反り量（常温）、パッケージ反り変化量（常温〜２６０℃）]
３５×３５×０．５ｍｍｔＰＢＧＡ（封止サイズ２９×２９×Ｌ１７ｍｍｔ、ＢＴ基板、レジストＰＳＲ４０００）を１７５℃、９０ｓキュアにて成形し後硬化してＰＢＧＡのパッケージを作製した。このパッケージについて、ＡＫＲＯＭＥＴＲＩＸ社製のシャドウモアレ(ＰＳ２００)を用いて、常温（２５℃）および２６０℃の反り(コプラナリティー)を測定した。
２．評価
[流動性]
上記のスパイラルフローの測定結果より次の基準に基づき評価した。
◎：２３０ｃｍ以上
○：２００ｃｍ以上２３０ｃｍ未満
△：１７０ｃｍ以上２００ｃｍ未満
×：１７０ｃｍ未満
[パッケージ反り（常温）]
上記の常温でのパッケージ反り量の測定結果より次の基準に基づき評価した。
◎：１００μｍ以上１３０μｍ未満
○：７０μｍ以上１００μｍ未満または１３０μｍ以上１６０μｍ未満
△：４０μｍ以上７０μｍ未満
×：４０μｍ未満または１６０μｍ以上
[パッケージ反り（変化量）]
上記の常温および２６０℃でのパッケージ反り量の測定結果より、反り変化量から次の基準に基づき評価した。
◎：４００μｍ未満
○：４００μｍ以上４５０μｍ未満
△：４５０μｍ以上５００μｍ未満
×：５００μｍ以上
その結果を表１に示す。

表１より、実施例１〜６では、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂を７０〜１００質量％含有するエポキシ樹脂、フェノール硬化剤、半導体封止用エポキシ樹脂組成物の全量に対して７０〜９０質量％の無機充填材、半導体封止用エポキシ樹脂組成物の全量に対して１〜３質量％のエポキシ変性シリコーンレジン、半導体封止用エポキシ樹脂組成物の全量に対して２〜４質量％のＮ−フェニル−γ−アミノプロピルトリメトキシシラン、および半導体封止用エポキシ樹脂組成物の全量に対して０．５〜２質量％のステアリン酸ワックスを含有する半導体封止用エポキシ樹脂組成物を用いた。これらの実施例では、無機充填材の充填量を少なく抑え、低粘度樹脂のビスフェノールＦ型エポキシ樹脂を用いることで樹脂を高流動化することができた。さらに、パッケージの反りも低減することができた。

これに対して、比較例１、３では、無機充填材の配合量が上記の範囲外であるものを用いた。比較例２、４では、エポキシ樹脂としてビスフェノールＦ型エポキシ樹脂を配合せず、あるいは配合量が上記の範囲外であるものを用いた。比較例５〜７では、エポキシ変性シリコーンレジン、Ｎ−フェニル−γ−アミノプロピルトリメトキシシラン、ステアリン酸ワックスのいずれかを配合しないものを用いた。そしてこれらの比較例では、流動性とパッケージの反り低減のいずれかに性能低下が見られた。

Claims (2)

1. 有機回路基板と半導体チップとがワイヤで電気的に接続された片面封止タイプの半導体装置の封止に使用されるエポキシ樹脂組成物であって、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂を７０〜１００質量％含有するエポキシ樹脂、フェノール硬化剤、半導体封止用エポキシ樹脂組成物の全量に対して７０〜９０質量％の無機充填材、半導体封止用エポキシ樹脂組成物の全量に対して１〜３質量％のエポキシ変性シリコーンレジン、半導体封止用エポキシ樹脂組成物の全量に対して２〜４質量％のＮ−フェニル−γ−アミノプロピルトリメトキシシラン、および半導体封止用エポキシ樹脂組成物の全量に対して０．５〜２質量％のステアリン酸ワックス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。
2. 有機回路基板と半導体チップとがワイヤで電気的に接続された片面封止タイプの半導体装置であって、請求項１に記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成物を用いて半導体チップが封止されていることを特徴とする片面封止タイプの半導体装置。