JP4710200B2 - エリア実装型半導体封止用エポキシ樹脂組成物の製造方法及びエリア実装型半導体装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、成形後や半田処理時の反りが小さい特性を有する半導体封止用エポキシ樹脂組成物の製造方法及びエリア実装型半導体装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年の電子機器の小型化、軽量化、高機能化の市場動向において、半導体の高集積化が年々進み、又半導体装置の表面実装化が促進される中で、新規にエリア実装型半導体装置が開発され、従来構造の半導体装置から移行し始めている。エリア実装型半導体装置としてはボールグリッドアレイ（以下ＢＧＡという）、或いは更に小型化を追求したチップサイズパッケージ（以下ＣＳＰという）が代表的であるが、これらは従来ＱＦＰ、ＳＯＰに代表される表面実装型半導体装置では限界に近づいている多ピン化・高速化への要求に対応するために開発されたものである。構造としては、ビスマレイミド・トリアジン（以下、ＢＴという）樹脂／銅箔回路基板に代表される回路基板の片面上に半導体素子を搭載し、その半導体素子搭載面、即ち基板の片面のみがエポキシ樹脂組成物等で成形・封止されている。又基板の半導体素子搭載面の反対面には半田ボールを２次元的に並列して形成し、半導体装置を実装する回路基板との接合を行う特徴を有している。更に、半導体素子を搭載する基板としては、上記有機回路基板以外にもリードフレーム等の金属基板を用いる構造も考案されている。
【０００３】
これらエリア実装型半導体装置の構造は基板の半導体素子搭載面のみをエポキシ樹脂組成物で封止し、半田ボール形成面側は封止しないという片面封止の形態をとっている。極まれに、リードフレーム等の金属基板等では、半田ボール形成面でも数十μｍ程度の封止樹脂層が存在することもあるが、半導体素子搭載面では数百μｍから数ｍｍ程度の封止樹脂層が形成されるため、実質的に片面封止となっている。このため有機基板は金属基板とエポキシ樹脂組成物の硬化物との間での熱膨張・熱収縮の不整合、或いはエポキシ樹脂組成物の成形・硬化時の硬化収縮による影響により、これらの半導体装置では成形直後から反りが発生しやすい。又これらの半導体装置を実装する回路基板上に半田接合を行う場合、２００℃以上の加熱工程を経るが、この際に半導体装置の反りが発生し、多数の半田ボールが平坦とならず、半導体装置を実装する回路基板から浮き上がってしまい、電気的接合信頼性が低下する問題も起こる。
【０００４】
基板上の実質的に片面のみをエポキシ樹脂組成物で封止した半導体装置において、反りを低減するには、基板の線膨張係数とエポキシ樹脂組成物の硬化物の線膨張係数を近づけること、エポキシ樹脂組成物の硬化収縮を小さくすること、及び低応力化が重要である。基板としては有機基板では、ＢＴ樹脂やポリイミド樹脂のような高いガラス転移温度（以下、Ｔｇという）の樹脂が広く用いられており、これらはエポキシ樹脂組成物の成形温度である１７０℃近辺よりも高いＴｇを有する。従って、成形温度から室温までの冷却過程では有機基板のα１の領域のみで収縮する。従って、エポキシ樹脂組成物もＴｇが高く、且つα１が回路基板と同じであり、更に硬化収縮がゼロであれば反りはほぼゼロであると考えられる。このため、トリフェノールメタン型エポキシ樹脂とトリフェノールメタン型フェノール樹脂との組合せによりＴｇを高くし、無機充填材の配合量でα１を合わせる手法が既に提案されている。
【０００５】
又赤外線リフロー、ベーパーフェイズソルダリング、半田浸漬等の手段での半田処理による半田接合を行う場合、エポキシ樹脂組成物の硬化物並びに有機基板からの吸水により半導体装置内部に存在する水分が高温で急激に気化することによる応力で半導体装置にクラックが発生したり、基板の半導体素子搭載面とエポキシ樹脂組成物の硬化物との界面で剥離が発生することもあり、硬化物の高強度化、低応力化、低吸水化とともに、基板との高密着も求められる。更に有機基板とエポキシ樹脂組成物の硬化物の熱膨張の不整合により、信頼性テストの代表例である温度サイクル試験でも、有機基板／エポキシ樹脂組成物の硬化物との界面でのひずみ応力の増大にる剥離や半導体装置のクラックが発生する。
【０００６】
一方、従来のＱＦＰやＳＯＰ等の表面実装型半導体装置では、半田実装時のクラックや各素材界面での剥離防止のために、ビフェニル型エポキシ樹脂に代表されるような結晶性エポキシ樹脂と可撓性骨格を有するフェノール樹脂とを組み合わせて用い、且つ無機充填材の配合量を増加することにより、低Ｔｇ化且つ低吸水化を行う対策がとられてきた。しかし、この手法では、片面封止の半導体装置における反りの問題は解決できないのが現状であった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、エリア実装型半導体装置での成形後や半田処理後の反りが小さく、耐半田クラック性に優れる半導体封止用エポキシ樹脂組成物の製造方法及び半導体装置を提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、
［１］基板の片面に半導体素子が搭載され、この半導体素子が搭載された基板面側の実質的に片面のみを封止されてなるエリア実装型半導体装置の封止に使用するエポキシ樹脂組成物の製造方法であって、前記エポキシ樹脂組成物が（Ａ）式（１）で示されるエポキシ樹脂を３０〜１００重量％含むエポキシ樹脂、（Ｂ）式（２）で示されるフェノール樹脂を３０〜１００重量％含むフェノール樹脂、（Ｃ）球状無機充填材を全エポキシ樹脂組成物中８０〜９０重量％含む球状無機充填材、（Ｄ）硬化促進剤及び（Ｅ）ゴム粒子よりなり、前記ゴム粒子が平均粒径５０μｍ以下のシリコーンゴム粒子で全エポキシ樹脂組成物中に０．１〜５重量％含み、前記ゴム粒子とエポキシ樹脂及び／又はフェノール樹脂の全部或いは一部と予め混合した後、該ゴム粒子混合物と前記の残余の各成分を混練することを特徴とするエリア実装型半導体封止用エポキシ樹脂組成物の製造方法、
【０００９】
【化３】

【００１０】
【化４】

（ｎは平均値で１〜１０の正数）
【００１１】
［２］請求項１記載のエリア実装型半導体封止用エポキシ樹脂組成物の製造方法で製造されたエポキシ樹脂組成物を用いて封止されてなることを特徴とするエリア実装型半導体装置、
である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明で用いられる式（１）で示されるビフェニル型エポキシ樹脂は、低分子量のため溶融粘度が低く流動性に優れておるため球状無機充填材の高充填化が可能となり、エポキシ樹脂組成物の硬化物を低吸水化することができるが、エポキシ基の数が２個と少なく、フェノールノボラック樹脂や可撓性骨格を導入したフェノール樹脂との組み合わせでは架橋密度が低く、耐熱性の低い硬化物しか得られない。しかし構造として剛直な平面ないし棒状骨格を有しており、かつ結晶化する性質、即ち分子同士が配向しやすいという特徴を有しているため、式（２）で示される多官能型フェノール樹脂と併用した場合、前記フェノールノボラック樹脂や可撓性骨格を導入したフェノール樹脂に比べ架橋構造の架橋密度の低下は少なく、Ｔｇ等の耐熱性は低下させない。本発明では、式（１）で示されるエポキシ樹脂を全エポキシ樹脂中３０〜１００重量％含むことが好ましい。３０重量％未満では低粘度化の効果が少なく好ましくない。
【００１３】
式（１）で示されるエポキシ樹脂と併用する場合のエポキシ樹脂としては、例えば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、オルソ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、ナフタレン型エポキシ樹脂、トリフェノールメタン型エポキシ樹脂、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等が挙げられる。これらは単独でも混合して用いてもよい。
【００１４】
本発明で用いられる式（２）で示されるフェノール樹脂は、いわゆるトリフェノールメタン型フェノール樹脂と呼ばれるもので、フェノールノボラック樹脂や可撓性骨格を導入したフェノール樹脂に比べ、このフェノール樹脂を用いると硬化物の架橋密度を高くし高いＴｇの硬化物が得られる。本発明では、式（２）で示されるフェノール樹脂を全フェノール樹脂中３０〜１００重量％含むことが好ましい。３０重量％未満だとＴｇが低下し、成形硬化時の硬化収縮の増大、成形温度から室温までの熱収縮の増大により、期待するような成形後や半田処理時の半導体装置の反りの低減が得られない。
【００１５】
式（２）で示されるフェノール樹脂と併用する場合のフェノール樹脂としては、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、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等が挙げられる。これらは単独でも混合して用いてもよい。
【００１６】
本発明で用いられる球状無機充填材の種類は、一般的に封止材料に使用されているものを広く使用できる。球状無機充填材としては、溶融シリカ粉末、アルミナ粉末等があるが、球状無機充填材としては汎用性がある球状溶融シリカが好ましい。又球状溶融シリカの形状としては流動性改善及び回路損傷を極力少なくするため限りなく真球状であることが好ましい。本発明での球状無機充填材は、全エポキシ樹脂組成物中８０〜９０重量％が好ましく、８０重量％未満だと成形硬化時の硬化収縮及び成形温度から室温までの熱収縮の増大により反りが大きくなり、又吸湿率の増大により耐半田クラック性が低下し、９0重量％を越えると流動性が低下し成形性が低下するため好ましくない。
【００１７】
本発明で用いられる硬化促進剤としては、エポキシ樹脂とフェノール樹脂との架橋反応を促進するものであればよく、例えば１,８−ジアザビシクロ（５,４,０）ウンデセン−７等のアミジン系化合物、トリフェニルホスフィン、テトラフェニルホスホニウム・テトラフェニルボレート塩等の有機リン系化合物、２−メチルイミダゾール化合物等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。これらは単独でも混合して用いてもよい。
【００１８】
本発明で用いられるゴム粒子としては、例えばブタジエンスチレンゴム、ブタジエンアクリロニトリルゴム、ポリウレタンゴム、ポリイソプレンゴム、アクリルゴム、フッ素ゴム、シリコーンゴム等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。これらは単独でも併用してもよい。又エポキシ樹脂、フェノール樹脂との親和性を付与するために、メチル基、フェニル基等の有機置換基の他に、Ｃ、Ｏ、Ｎ、Ｓ原子等を有する有機置換基をその架橋構造内に有していてもよい。Ｃ、Ｏ、Ｎ、Ｓ原子等を有する有機置換基としては、例えばビニル基、フェネチル基、ヒドロキシ基、カルボキシル基、アクリル基、アルコキシ基、エポキシ基、ポリエーテル基、カプロラクトン基、アミノ基、ウレイド基、イソシアネート基、メルカプト基等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
【００１９】
本発明で用いられるゴム粒子は、予めエポキシ樹脂及び／又はフェノール樹脂の全部或いは一部と予め均一混合しておく必要がある。一般にゴム粒子は凝集性が強く、単に配合しただけではエポキシ樹脂やフェノール樹脂への分散性が悪く、低応力化効果が十分に得られないため反りや耐半田クラック性の向上が得られず、又流動性も低下する。しかし予め均一混合処理することにより流動性が良好で、反りが小さく、耐半田クラック性に優れた硬化物を与えるエポキシ樹脂組成物を得ることができる。
【００２０】
本発明で用いられるゴム粒子の最大粒径としては１００μｍ以下、平均粒径としては５０μｍ以下が好ましい。最大粒径が１００μｍを越えると、半導体装置の成形時に金型内でゴム粒子が詰まり、未充填が生じるおそれがあり、又得られるエポキシ樹脂組成物がミクロ的に不均一になり局部応力発生や耐湿性劣化といった問題を発生する場合がある。平均粒径が５０μｍを越えるとエポキシ樹脂組成物の流動性が損なわれ、又強度の低下も起こるので好ましくない。ゴム粒子の最大粒径及び平均粒径は、界面活性剤を用いてゴム粒子を水に分散させ、コールターカウンターを用いて測定することができる。
本発明において、ゴム粒子をエポキシ樹脂及び／又はフェノール樹脂の全部或いは一部と予め混合する方法は、ゴム粒子が前記樹脂中に分散され、均一混合できれば特に限定しないが、例えば前記樹脂とゴム粒子をミキサー等によって十分混合した後、加熱ロール、加熱ニーダー等により１１０〜１２０℃で溶融混合後冷却、粉砕すればよい。このゴム粒子混合物をエポキシ樹脂組成物の原材料と用いればよい。
【００２１】
本発明のゴム粒子の含有量は、全エポキシ樹脂組成物中に０．１〜５重量％が好ましい。より好ましくは０．５〜３重量％が望ましい。０．１重量％未満だと弾性率低減の効果が充分に発現されず、反りが大きくなるおそれがあり、５重量％を越えると強度が低下し、耐半田クラック性が低下するおそれがあるので好ましくない。
又本発明のゴム粒子の特性を損なわない範囲で、他の可撓性付与剤を添加してもかまわない。併用できる可撓性付与剤としては、例えば液状オルガノポリシロキサン、液状ポリブタジエン等の液状合成ゴム等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。又これらは単独でも併用してもよい
【００２２】
本発明においては、（Ａ）〜（Ｅ）成分の他、必要に応じて臭素化エポキシ樹脂、酸化アンチモン等の難燃剤、カップリング剤、カーボンブラックに代表される着色剤、天然ワックス及び合成ワックス等の離型剤等が適宜配合可能である。
エポキシ樹脂組成物とするには各成分を混合後、加熱ニーダや熱ロールにより加熱混練し、続いて冷却、粉砕することで得られる。
本発明のエポキシ樹脂組成物を用いて、半導体素子を封止して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。
【００２３】
ゴム粒子混合物の製造例
製造例１
式（１）を主成分とするエポキシ樹脂（ジャパンエポキシレジン（株）・製、ＹＸ−４０００ＨＫ、融点１０５℃、エポキシ当量１９５ｇ／ｅｑ）６．２８重量部とゴム粒子（シリコーンゴム：最大粒径１０μｍ、平均粒径５μｍ）１．０重量部をミキサーで混合後、加熱ロールにより１１０〜１２０℃で溶融混合後冷却、粉砕する。以下、ゴム粒子混合物１という。
製造例２
式（２）のフェノール樹脂（軟化点１１０℃ 水酸基当量９７ｇ／ｅｑ）３．４７重量部と上記ゴム粒子１．０重量部をミキサーで混合後、加熱ロールにより１１０〜１２０℃で溶融混合後冷却、粉砕する。以下ゴム粒子混合物２という。
製造例３
前記エポキシ樹脂６．２３重量部と前記ゴム粒子１．０重量部をミキサーで混合後、加熱ロールにより１１０〜１２０℃で溶融混合後冷却、粉砕する。以下、ゴム粒子混合物３という。
製造例４
前記エポキシ樹脂２．０重量部、オルソクレゾールノボラック型エポキシ樹脂（軟化点５５℃、エポキシ当量１９６ｇ／ｅｑ）２．０重量部と前記ゴム粒子１．０重量部をミキサーで混合後、加熱ロールにより１１０〜１２０℃で溶融混合後冷却、粉砕する。以下、ゴム粒子混合物４という。
製造例５
式（１）を主成分とするエポキシ樹脂５．０重量部と前記ゴム粒子１．０重量部をキサーで混合後、加熱ロールにより１１０〜１２０℃で溶融混合後冷却、粉砕する。以下、ゴム粒子混合物５という。
【００２４】
製造例６
前記エポキシ樹脂６．１５重量部と前記ゴム粒子１．０重量部をミキサーで混合後、加熱ロールにより１１０〜１２０℃で溶融混合後冷却、粉砕する。以下、ゴム粒子混合物６という。
製造例７
前記エポキシ樹脂１．５５重量部、オルソクレゾールノボラック型エポキシ樹脂（軟化点は５５℃、エポキシ当量は１９６ｇ／ｅｑ）４．７５重量部と前記ゴム粒子１．０重量部をミキサーで混合後、加熱ロールにより１１０〜１２０℃で溶融混合後冷却、粉砕する。以下、ゴム粒子混合物７という。
製造例８
式（１）を主成分とするエポキシ樹脂１２．３重量部と前記ゴム粒子１．０重量部をミキサーで混合後、加熱ロールにより１１０〜１２０℃で溶融混合後冷却、粉砕する。以下、ゴム粒子混合物８という。
製造例９
前記エポキシ樹脂２．３重量部と前記ゴム粒子１．０重量部をミキサーで混合後、加熱ロールにより１１０〜１２０℃で溶融混合後冷却、粉砕する。以下、ゴム粒子混合物９という。
【００２５】
【実施例】
以下、本発明を実施例で具体的に説明する。
実施例１

上記の各成分を常温においてミキサーで混合し、７０〜１２０℃で加熱ロールにより混練し、冷却後粉砕してエポキシ樹脂組成物を得た。得られたエポキシ樹脂組成物を以下の方法で評価した。評価結果を表１に示す。
【００２６】
評価方法
スパイラルフロー：ＥＭＭＩ−１−６６に準じたスパイラルフロー測定用の金型を用い、金型温度１７５℃、注入圧力６．９ＭＰａ、硬化時間２分で測定した。
パッケージ反り量：トランスファー成形機を用いて、金型温度１８０℃、注入圧力６．９ＭＰａ、硬化時間２分で２２５ｐＢＧＡ（基板は厚さ０．３６ｍｍのビスマレイミド・トリアジン／ガラスクロス基板、パッケージサイズは２４×２４ｍｍ、厚さ１．１７ｍｍ、シリコンチップはサイズ９×９ｍｍ、厚さ０．３５ｍｍを成形した。更に後硬化として１７５℃で２時間処理した。室温に冷却後パッケージのゲートから対角線方向に、表面粗さ計を用いて高さ方向の変位を測定し、変位差の最も大きい値を反り量とした。単位はμｍ。
耐半田クラック性：前記の２２５ｐＢＧＡを成形し、後硬化として１７５℃で２時間処理したパッケージ８個を、８５℃、相対湿度６０％で１６８時間処理した後、ＩＲリフロー処理（２４０℃）を行った。処理後の内部の剥離及びクラックの有無を超音波探傷機で観察し、不良パッケージの個数を数えた。不良パッケージの個数がｎ個であるとき、ｎ／８と表示する。
【００２７】
実施例２〜５
実施例１と同様にして、表１の配合に従って得られたエポキシ樹脂組成物について評価した。評価結果を表１に示す。
なお、実施例に用いるオルソクレゾールノボラック型エポキシ樹脂の軟化点は５５℃、エポキシ当量は１９６ｇ／ｅｑ、又実施例及び比較例に用いるフェノールノボラック樹脂の軟化点は９２℃、水酸基当量は１０４ｇ／ｅｑである。
比較例１〜５
実施例１と同様にして、表２の配合に従って得られたエポキシ樹脂組成物について評価した。評価した結果を表２に示す。比較例１に用いたゴム粒子は、前記ゴム粒子混合物に用いたものと同一である。
【００２８】
【表１】

【００２９】
【表２】

【００３０】
【発明の効果】
本発明で得られるエポキシ樹脂組成物を用いた半導体装置は、成形後及び半田処理時の反りが小さく、かつ耐半田クラック性に優れている。

Claims (2)

1. 基板の片面に半導体素子が搭載され、この半導体素子が搭載された基板面側の実質的に片面のみを封止されてなるエリア実装型半導体装置の封止に使用するエポキシ樹脂組成物の製造方法であって、前記エポキシ樹脂組成物が（Ａ）式（１）で示されるエポキシ樹脂を３０〜１００重量％含むエポキシ樹脂、（Ｂ）式（２）で示されるフェノール樹脂を３０〜１００重量％含むフェノール樹脂、（Ｃ）球状無機充填材を全エポキシ樹脂組成物中８０〜９０重量％含む球状無機充填材、（Ｄ）硬化促進剤及び（Ｅ）ゴム粒子よりなり、前記ゴム粒子が平均粒径５０μｍ以下のシリコーンゴム粒子で全エポキシ樹脂組成物中に０．１〜５重量％含み、前記ゴム粒子とエポキシ樹脂及び／又はフェノール樹脂の全部或いは一部と予め混合した後、該ゴム粒子混合物と前記の残余の各成分を混練することを特徴とするエリア実装型半導体封止用エポキシ樹脂組成物の製造方法。
   

   

   

   （ｎは平均値で１〜１０の正数）
2. 請求項１記載のエリア実装型半導体封止用エポキシ樹脂組成物の製造方法で製造されたエポキシ樹脂組成物を用いて封止されてなることを特徴とするエリア実装型半導体装置。