JP2001192436A

JP2001192436A - エポキシ樹脂組成物および半導体封止装置

Info

Publication number: JP2001192436A
Application number: JP2000002213A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Sado; 智佐渡
Original assignee: Toshiba Chemical Corp
Current assignee: Kyocera Chemical Corp
Priority date: 2000-01-11
Filing date: 2000-01-11
Publication date: 2001-07-17

Abstract

(57)【要約】【課題】耐湿性、半田耐熱性、成形性、流動性に優
れ、吸湿による影響が少なく、電極の腐蝕による断線や
水分によるリーク電流の発生もなく、長期信頼性を保証
できるエポキシ樹脂組成物および半導体封止装置を提供
する。【解決手段】（Ａ）次式で示されるエポキシ樹脂、（Ｂ）フェノール樹脂、（Ｃ）アミンなど有機塩基を微
量添加したエポキシ基含有シランカップリング剤、
（Ｄ）最大粒径が４０μｍ以下のシリカ粉末および
（Ｅ）硬化促進剤を必須成分とし、全体の樹脂組成物に
対して前記（Ｄ）のシリカ粉末を２５〜９０重量％の割
合で含有してなるエポキシ樹脂組成物であり、また、こ
のエポキシ樹脂組成物の硬化物によって、半導体チップ
を封止した半導体封止装置である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、耐湿性、半田耐熱性、
成形性に優れたエポキシ樹脂組成物および半導体封止装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体集積回路の分野において、
高集積化、高信頼性化の技術開発と同時に半導体装置の
小型化、薄型化が推進されている。例えばフラットパッ
ケージ型の半導体装置に代わり、ＢＧＡ（ボールグリッ
ドアレイ）型の半導体装置が採用されている。多くのＢ
ＧＡ型半導体装置では、チップ上のパッドから基板上の
回路に金配線して電気的接合をしているが、近年金属バ
ンプを用いたフリップチップ技術により半導体チップと
基板を物理的かつ電気的に接合したフリップチップＢＧ
Ａ型半導体装置が採用されている。また、このフリップ
チップＢＧＡ型半導体装置には、半導体チップと基板と
の間に非常に狭い空間があるために、その空間を十分に
充填して封止する樹脂として、液状型エポキシ封止樹脂
組成物が採用されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来の多官能型エポキ
シ樹脂等のエポキシ樹脂、ノボラック型フェノール樹脂
等のフェノール樹脂および無機充填剤からなる樹脂組成
物によってフリップチップＢＧＡ型半導体装置を封止す
ると、半導体チップと基板との間が充填されずにボイド
が生じるという欠点があった。

【０００４】また、未充填によりボイドが発生した半導
体装置は、半田リフロー実装を行うと、封止樹脂と半導
体チップ、あるいは封止樹脂と基板フレームとの間の剥
がれや、内部樹脂クラックが生じて著しい耐湿性劣化を
起こし、電極の腐蝕による断線や水分によるリーク電流
を生じ、その結果、半導体装置は、長期間の信頼性を保
証することができないという欠点があった。

【０００５】本発明は、上記の欠点を解消するためにな
されたもので、吸湿の影響が少なく、特に半田リフロー
後の耐湿性、半田耐熱性、成形性、流動性に優れ、封止
樹脂と半導体チップあるいは封止樹脂と基板との間の剥
がれや、内部樹脂クラックの発生がなく、また電極の腐
蝕による断線や水分によるリーク電流の発生もなく、長
期信頼性を保証できるエポキシ樹脂組成物および半導体
封止装置を提供しようとするものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明者は、上記の目的
を達成しようと鋭意研究を重ねた結果、特定のエポキシ
樹脂、特定の無機充填剤のシリカ粉末を用いることによ
って、耐湿性、半田耐熱性、成形性等に優れた樹脂組成
物が得られることを見いだし、本発明を完成したもので
ある。

【０００７】即ち、本発明は、（Ａ）次の一般式で示さ
れるエポキシ樹脂、

【化５】（但し、式中、Ｒ¹、Ｒ²、Ｒ³、Ｒ⁴は水素原子又は
一般式Ｃ_kＨ_2k+1で表されるアルキル基を、ｋおよびｎ
は１以上の整数をそれぞれ表す）（Ｂ）フェノール樹脂、（Ｃ）有機塩基を極微量添加し
た、次の一般式で示されるエポキシ基含有シランカップ
リング剤、

【化６】Ｒ⁵−Ｃ_nＨ_2n−Ｓｉ（ＯＲ⁶）₃ （但し、式中Ｒ⁵はエポキシ基を有する原子団を、Ｒ⁶
はメチル基又はエチル基を、ｎは０又は１以上の整数を
それぞれ表す）（Ｄ）最大粒径が４０μｍ以下のシリカ粉末および（Ｅ）硬化促進剤を必須成分とし、全体の樹脂組成物に対して前記（Ｄ）
のシリカ粉末を２５〜９０重量％の割合で含有してなる
ことを特徴とするエポキシ樹脂組成物である。また、こ
のエポキシ樹脂組成物の硬化物によって、半導体チップ
が封止されてなることを特徴とする半導体封止装置であ
る。

【０００８】以下、本発明を詳細に説明する。

【０００９】本発明に用いる（Ａ）エポキシ樹脂は、前
記の一般式化５で示されるものが使用される。また、こ
のエポキシ樹脂には、ノボラック系エポキシ樹脂、エピ
ビス系エポキシ樹脂、その他の公知のエポキシ樹脂を併
用することができる。

【００１０】本発明に用いる（Ｂ）フェノール樹脂とし
ては、前記（Ａ）のエポキシ樹脂のエポキシ基と反応し
得るフェノール性水酸基を２個以上有するものであれば
特に制限するものではない。具体的な化合物として例え
ば

【化７】（但し、ｎは０又は１以上の整数を表す）

【化８】（但し、ｎは０又は１以上の整数を表す）

【化９】（但し、ｎは０又は１以上の整数を表す）

【化１０】（但し、ｎは０又は１以上の整数を表す）

【化１１】（但し、ｎは０又は１以上の整数を表す）等が挙げら
れ、これらは単独又は混合して使用することができる。

【００１１】本発明に用いる（Ｃ）エポキシ基含有シラ
ンカップリング剤としては、前記の一般式化６で示され
るものが使用される。具体的なものとして、例えば、

【化１２】

【化１３】等が挙げられ、これらは単独又は混合して使用すること
ができる。

【００１２】このシランカップリング剤には極微量の有
機塩基を添加処理することが重要である。有機塩基で処
理することによって加水分解性を高めることができる。
ここで処理する有機塩基としては、ジメチルアミン、ジ
エチルアミン、ピリジン、キノリン、ピペリジン等の環
状有機塩基を挙げることができ、これらは単独又は２種
以上混合して使用することができる。有機塩基の配合割
合は、シランカップリング剤に対して０．０５〜５重量
％の範囲内で使用することが望ましい。この配合量が
０．０５重量％未満ではシランカップリング剤の加水分
解を十分に促進することができず、また、５重量％を超
えると耐湿信頼性が低下して好ましくない。

【００１３】本発明に用いる（Ｄ）のシリカ粉末として
は、不純物濃度が低く最大粒径が４０μｍ以下で、特に
平均粒径２０μｍ以下の球状シリカ粉末が好ましく使用
される。平均粒径が２０μｍを超えると成形性が劣り好
ましくない。粒径の分布は、粒径４０〜１０μｍが０〜
５０重量％、１０〜５μｍが１０〜５０重量％、５〜０
μｍが０〜８０重量％の割合で含有するのが好ましい。
シリカ粉末の配合割合は、全体の樹脂組成物に対して２
５〜９０重量％含有するように配合することが好まし
い。その割合が２５重量％未満では樹脂組成物の吸湿性
が高く、半田リフロー後の耐湿性に劣り、また９０重量
％を超えると極端に流動性が悪くなり、成形性に劣り好
ましくない。これらシリカ粉末に、シランカップリング
剤に有機塩基を添加し、直ちにヘンシェルミキサー、ス
ーパーミキサー等で処理を行うと均一に表面処理がで
き、その効果が十分に発揮できる。

【００１４】本発明に用いる（Ｅ）硬化促進剤として
は、リン系硬化促進剤、イミダゾール系硬化促進剤、Ｄ
ＢＵ系硬化促進剤その他の硬化促進剤等を広く使用する
ことができる。これらは単独又は２種以上併用すること
ができる。硬化促進剤の配合割合は、全体の樹脂組成物
に対して０．０１〜５重量％含有するように配合するこ
とが望ましい。その割合が０．０１重量％未満では樹脂
組成物のゲルタイムが長く、硬化特性も悪くなり、ま
た、５重量％を超えると極端に流動性が悪くなって成形
性に劣り、さらに電気特性も悪くなり耐湿性に劣り好ま
しくない。

【００１５】本発明のエポキシ樹脂組成物は、前述した
特定のエポキシ樹脂、フェノール樹脂、特定のシランカ
ップリング剤、シリカ粉末および硬化促進剤を必須成分
とするが、本発明の目的に反しない限度において、また
必要に応じて、例えば天然ワックス類、合成ワックス
類、直鎖脂肪酸の金属塩、酸アミド類、エステル類、パ
ラフィン類等の離型剤、三酸化アンチモン等の難燃剤、
カーボンブラック等の着色剤、ゴム系やシリコーン系の
低応力付与剤等を適宜添加配合することができる。

【００１６】本発明のエポキシ樹脂組成物を成形材料と
して調製する場合の一般的方法は、シリカ粉末に特定の
シランカップリング剤と有機塩基を配合して表面処理
し、前述した特定のエポキシ樹脂、フェノール樹脂、特
定のシランカップリング剤処理をしたシリカ粉末および
硬化促進剤その他の成分を配合し、ミキサー等によって
十分均一に混合した後、さらに熱ロールによる溶融混合
処理またはニーダ等による混合処理を行い、次いで冷却
固化させ適当な大きさに粉砕して成形材料とすることが
できる。こうして得られた成形材料は、半導体装置をは
じめとする電子部品或いは電気部品の封止・被覆・絶縁
等に適用すれば優れた特性と信頼性を付与させることが
できる。

【００１７】また、本発明の半導体封止装置は、上述の
成形材料を用いて半導体チップを封止することにより容
易に製造することができる。封止を行う半導体チップと
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、ダイオード等で特に限定されるもので
はない。封止の最も一般的な方法としては、低圧トラン
スファー成形法があるが、射出成形、圧縮成形、注形等
による封止も可能である。成形材料で封止後加熱して硬
化させ、最終的にはこの硬化物によって封止された半導
体封止装置が得られる。加熱による硬化は、１５０℃以
上に加熱して硬化させることが望ましい。

【００１８】

【作用】本発明のエポキシ樹脂組成物および半導体封止
装置は、前述した特定のエポキシ樹脂、フェノール樹
脂、特定のシランカップリング剤で処理したシリカ粉末
および硬化促進剤を用いることによって、樹脂組成物の
吸水性を低減し、成形性、流動性、熱機械的特性と低応
力性が向上し、半田浸漬、半田リフロー後の樹脂クラッ
クの発生がなくなり、耐湿性劣化が少なくなるものであ
る。

【００１９】

【実施例】次に本発明を実施例によって説明するが、本
発明はこれらの実施例によって限定されるものではな
い。以下の実施例および比較例において「％」とは「重
量％」を意味する。

【００２０】実施例１球状シリカ粉末（最大粒径４０μｍ以下で平均粒径３．
０μｍ）２４％、微細な溶融球状シリカ粉末（平均粒径
１．２μｍ）５８％をヘンシェルミキサーに入れ、攪拌
しながら前述した化１２のシランカップリング剤０．４
％、ジエチルアミン４×１０^-4％を加えて球状シリカ粉
末の表面処理をした。次に次式に示した多官能型エポキ
シ樹脂９．８％、

【化１４】（但、式中、ｎは１以上の整数を表す）テトラブロモビ
スフェノールＡ型エポキシ樹脂１．５％、前述した化７
のフェノール樹脂３．２％、硬化促進剤０．４％、カル
ナバワックス類０．４％、三酸化アンチモン２．０％、
およびカーボンブラック０．３％を常温で混合し、さら
に７０〜１００℃で混練冷却した後、粉砕して成形材料
（Ａ）を製造した。

【００２１】実施例２球状シリカ粉末（最大粒径４０μｍ以下で平均粒径３．
０μｍ）４４％、微細な溶融球状シリカ粉末（平均粒径
１．２μｍ）３８％をヘンシェルミキサーに入れ、攪拌
しながら前述した化１２のシランカップリング剤０．４
％、ジエチルアミン４×１０^-4％を加えて球状シリカ粉
末の表面処理をした。次に前述した化１４の多官能型エ
ポキシ樹脂９．８％、テトラブロモビスフェノールＡ型
エポキシ樹脂１．５％、前述した化７のフェノール樹脂
３．２％、硬化促進剤０．４％、カルナバワックス類
０．４％、三酸化アンチモン２．０％、およびカーボン
ブラック０．３％を常温で混合し、さらに７０〜１００
℃で混練冷却した後、粉砕して成形材料（Ｂ）を製造し
た。

【００２２】実施例３球状シリカ粉末（最大粒径４０μｍ以下で平均粒径３．
０μｍ）６０％微細な溶融球状シリカ粉末（平均粒径
１．２μｍ）２２％をヘンシェルミキサーに入れ、攪拌
しながら前述した化１２のシランカップリング剤０．４
％、ジエチルアミン４×１０^-4％を加えて球状シリカ粉
末の表面処理をした。次に前述した化１４の多官能型エ
ポキシ樹脂９．８％、テトラブロモビスフェノールＡ型
エポキシ樹脂１．５％、前述した化７のフェノール樹脂
３．２％、硬化促進剤０．４％、カルナバワックス類
０．４％、三酸化アンチモン２．０％、およびカーボン
ブラック０．３％、を常温で混合し、さらに７０〜１０
０℃で混練冷却した後、粉砕して成形材料（Ｃ）を製造
した。

【００２３】比較例１球状シリカ粉末（最大粒径１００μｍ以下で平均粒径２
５μｍ）２４％、微細な溶融球状シリカ粉末（平均粒径
１．２μｍ）５８％をヘンシェルミキサーに入れ、攪拌
しながら前述した化１２のシランカップリング剤０．４
％、ジエチルアミン４×１０^-4％を加えて球状シリカ粉
末の表面処理をした。次に、前述した化１４の多官能型
エポキシ樹脂９．８％、テトラブロモビスフェノールＡ
型エポキシ樹脂１．５％、前述した化７のフェノール樹
脂３．２％、硬化促進剤０．４％、カルナバワックス類
０．４％、三酸化アンチモン２．０％、およびカーボン
ブラック０．３％を常温で混合し、さらに７０〜１００
℃で混練冷却した後、粉砕して成形材料（Ｄ）を製造し
た。

【００２４】比較例２球状シリカ粉末（最大粒径１００μｍ以下で平均粒径２
５μｍ）７４％、微細な溶融球状シリカ粉末（平均粒径
１．２μｍ）８％をヘンシェルミキサーに入れ、攪拌し
ながら前述した化１２のシランカップリング剤０．４
％、ジエチルアミン４×１０^-4％を加えて球状シリカ粉
末の表面処理をした。次に、前述した化１４の多官能型
エポキシ樹脂９．８％、テトラブロモビスフェノールＡ
型エポキシ樹脂１．５％、前述した化７のフェノール樹
脂３．２％、硬化促進剤０．４％、カルナバワックス類
０．４％、三酸化アンチモン２．０％、およびカーボン
ブラック０．３％を常温で混合し、さらに７０〜１００
℃で混練冷却した後、粉砕して成形材料（Ｅ）を製造し
た。

【００２５】比較例３球状シリカ粉末（最大粒径１００μｍ以下で平均粒径２
５μｍ）７０％、微細な溶融球状シリカ粉末（平均粒径
１．２μｍ）７％をヘンシェルミキサーに入れ、攪拌し
ながら前述した化１２のシランカップリング剤０．４
％、ジエチルアミン４×１０^-4％を加えて球状シリカ粉
末の表面処理をした。次に、前述した化１４の多官能型
エポキシ樹脂１２．８％、テトラブロモビスフェノール
Ａ型エポキシ樹脂２．０％、前述した化７のフェノール
樹脂４．２％、硬化促進剤０．４％、カルナバワックス
類０．４％、三酸化アンチモン２．０％、およびカーボ
ンブラック０．３％を常温で混合し、さらに７０〜１０
０℃で混練冷却した後、粉砕して成形材料（Ｆ）を製造
した。

【００２６】こうして製造した成形材料（Ａ）〜（Ｆ）
を用いて１７５℃に加熱した金型内にトランスファー注
入、半導体チップを封止し硬化させて半導体封止装置を
製造した。これらの半導体封止装置について、諸試験を
行ったのでその結果を表１に示したが、本発明のエポキ
シ樹脂組成物および半導体封止装置は、耐湿性、半田耐
熱性、成形性に優れており、本発明の顕著な効果を確認
することができた。

【００２７】

【表１】＊１：ＥＭＭＩ−Ｉ−６６に準じてスパイラルフロー測
定した（１７５℃）。

【００２８】＊２：高化式フロー粘度（１７５℃）。

【００２９】＊３：１７５℃，８０ｋｇｆ／ｃｍ²，２
分間のトランスファー成形によって得られた成形品（試
験片）をつくり、１７５℃，８時間の後硬化を行い、Ｊ
ＩＳ−Ｋ−６９１１に準じて試験した。

【００３０】＊４：＊３と同様な成形品を作り、１７５
℃，８時間の後硬化を行い、適当な大きさの試験片と
し、熱機械分析装置を用いて測定した。

【００３１】＊５，６，７：１８×１８ｍｍチップをフ
リップチップ型にてＢＧＡパッケージ（３５×３５ｍ
ｍ）に納め、成形材料を用いて、１７５℃，８０ｋｇｆ
／ｃｍ²，２分間のトランスファー成形した後、１７５
℃，８時間の後硬化を行った。こうして得た半導体封止
装置を超音波探傷装置を用いて内部ボイドを調査した。
また、この半導体装置を３０℃，７０％，１９２時間の
吸湿処理した後、増加した重量によって計算した。ま
た、これをエアリーフローマシーン（Ｍａｘ２４０℃）
に通し、内部クラックおよび剥離の有無を調査した。

【００３２】

【発明の効果】以上の説明および表１から明らかなよう
に、本発明のエポキシ樹脂組成物および半導体封止装置
は、耐湿性、半田耐熱性、成形性に優れ、また、フリッ
プチップＢＧＡ型パッケージ等の充填性にも優れ、吸湿
による影響が少なく、電極の腐蝕による断線や水分によ
るリーク電流の発生等を著しく低減することができ、し
かも長期間にわたって信頼性を保証することができる。

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０１Ｌ 23/29 Ｈ０１Ｌ 23/30 Ｒ 23/31 Ｆターム(参考） 4J002 CC04X CC05X CD06W CE00X DJ017 EU108 EW008 EX066 FA087 FD017 FD146 FD158 GJ02 GQ05 4J036 AA02 AD09 AF06 AF07 AF08 DA02 DA04 DA05 DC41 DD07 DD08 FA05 FA08 FA11 FB07 JA07 4M109 AA01 BA01 CA21 EB03 EB04 EB06 EB13 EB16 EC01 EC03 EC04 EC05 EC20

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】（Ａ）次の一般式に示されるエポキシ樹
脂、【化１】（但し、式中、Ｒ¹、Ｒ²、Ｒ³、Ｒ⁴は水素原子又は
一般式Ｃ_kＨ_2k+1で表されるアルキル基を、ｋおよびｎ
は１以上の整数をそれぞれ表す）（Ｂ）フェノール樹脂、（Ｃ）有機塩基を極微量添加した、次の一般式で示され
るエポキシ基含有シランカップリング剤、【化２】Ｒ⁵−Ｃ_nＨ_2n−Ｓｉ（ＯＲ⁶）₃ （但し、式中Ｒ⁵はエポキシ基を有する原子団を、Ｒ⁶
はメチル基又はエチル基を、ｎは０又は１以上の整数を
それぞれ表す）（Ｄ）最大粒径が４０μｍ以下のシリカ粉末および（Ｅ）硬化促進剤を必須成分とし、全体の樹脂組成物に対して前記（Ｄ）
のシリカ粉末を２５〜９０重量％の割合で含有してなる
ことを特徴とするエポキシ樹脂組成物。
【請求項２】（Ａ）次の一般式で示されるエポキシ樹
脂、【化３】（但し、式中、Ｒ¹、Ｒ²、Ｒ³、Ｒ⁴は水素原子又は
一般式Ｃ_kＨ_2k+1で表されるアルキル基を、ｋおよびｎ
は１以上の整数をそれぞれ表す）（Ｂ）フェノール樹脂、（Ｃ）有機塩基を極微量添加した、次の一般式で示され
るエポキシ基含有シランカップリング剤、【化４】Ｒ⁵−Ｃ_nＨ_2n−Ｓｉ（ＯＲ⁶）₃ （但し、式中Ｒ⁵はエポキシ基を有する原子団を、Ｒ⁶
はメチル基又はエチル基を、ｎは０又は１以上の整数を
それぞれ表す）（Ｄ）最大粒径が４０μｍ以下のシリカ粉末および（Ｅ）硬化促進剤を必須成分とし、全体の樹脂組成物に対して前記（Ｄ）
のシリカ粉末を２５〜９０重量％の割合で含有したエポ
キシ樹脂組成物の硬化物によって、半導体チップが封止
されてなることを特徴とする半導体封止装置。