(57)【要約】      （修正有）【課題】高温のハンダリフロー処理においてもパッケージクラック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を提供する。【解決手段】エポキシ樹脂成分、フェノール樹脂成分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、無機充填材の含有割合が８０〜９３質量％であり、エポキシ樹脂中にビスフェノールＡ型エポキシ樹脂を含有し、特定の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を用いる。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
エポキシ樹脂成分、フェノール樹脂成分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、
前記エポキシ樹脂組成物中の前記無機充填材の含有割合が８０〜９３質量％であり、
前記エポキシ樹脂成分中にビスフェノールＡ型エポキシ樹脂を含有し、且つ、
前記フェノール樹脂成分中に下記式（１）で示される構造を有す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。
【化１】
2008074930.tif 000005
（ｍは１〜５の整数を示す）
【請求項２】
前記フェノール樹脂成分中の前記式（１）で示される構造を有するフェノール樹脂の含有割合が４０〜１００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３】
前記エポキシ樹脂成分中のビスフェノールＡ型エポキシ樹脂の含有割合が３０〜７０質量％である請求項１または２に記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成物。
【請求項４】
半導体素子を請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成物で封止成形して形成されることを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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用いられるエポキシ樹脂組成物及びそれから得られる半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電子機器の小型化、薄型化に伴い、プリント基板等に実装される半導体装置はハンダリフローによる表面実装法を用いて高密度実装されることが主流となってきている。
【０００３】
前記半導体装置は、半導体素子やリードフレーム等を、無機充填材を含有するエポキシ樹脂組成物で封止して半導体パッケージを形成することにより得られる。前記封止は、トランスファー成形等の手段を用いて、予め半導体素子を搭載したリードフレームを載置した金型内に前記樹脂組成物を充填する方法による。
【０００４】
上記のようにして得られる半導体装置の半導体パッケージは、封止された後プリント配線基板等に実装されるまでの間に、封止材中のエポキシ樹脂が空気中の水分を吸湿する。そして、前記吸湿されたパッケージ中の水分は、半導体装置を実装するためにハンダリフローに供する際に高温条件に曝され、気化膨張する。前記水分の気化膨張は、半導体パッケージ内の樹脂成分にクラックを生じさせるという問題があった。
【０００５】
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、無機充填材を高い割合で含有するエポキシ樹脂組成物を封止材として用いることにより、封止材中のエポキシ樹脂成分の量を相対的に低下させて、封止材を構成するエポキシ樹脂組成物全体としての吸湿率を低下させる技術が開示されている。
【特許文献１】特開平１０−１８２９４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に開示された技術によれば、エポキシ樹脂組成物が高い割合で無機充填材を含有するために、封止工程における成形時の樹脂組成物の充填性が低下し、得られる成形品に未充填部分、具体的には、成形品の薄肉部における未充填部分や成形品内部におけるボイドを生じさせるという問題があった。特に、近年、半導体装置における回路の高密度化に伴い、半導体装置に内蔵される端子間のピッチや搭載される半導体素子間のギャップはますます狭くなり、その形状も複雑化しており、前記未充填部分やボイドの発生を抑制することがますます重要になってきている。
【０００７】
また、上記のような充填性の低下により生じる半導体パッケージの未充填部分やボイドはハンダリフローの際にクラックを発生させる原因にもなる。すなわち、前記ボイド部分に存在する空気や水分等のガス成分はハンダリフローの際に高温に曝されて膨張するために、前記クラックの原因になる。
【０００８】
特に、近年、リフローハンダとしては環境負荷の低い、鉛フリーハンダが用いられてきている。鉛フリーハンダは、鉛含有ハンダに比べて融点が高いために、ハンダリフローの温度が、鉛含有ハンダに比べて１０〜３０℃程度も高く設定される。従って、このような、従来よりも高い温度で行われるハンダリフロー工程においては、前記問題はさらに顕著に生じる。
【０００９】
本発明は、前記従来技術の問題点に鑑み、半導体素子の封止成形に用いられるエポキシ樹脂組成物において、半導体装置、特に上記のような狭ギャップ等の部分を有する半導体装置の製造において、半導体素子を封止する際の成形時の充填性を高め、さらに、高温のハンダリフロー工程において生じるクラックの発生を大幅に抑制することができる、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。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者は、従来からこのようなさらに高いレベルの充填性が要求される狭ピッチ・狭ギャップ部分を有する半導体装置の封止において、樹脂の充填性を高めることを検討していた。充填性は一般的には、流動性に相関関係があると思われていたが、狭ピッチ・狭ギャップ部分を有する半導体装置においては、単に流動性を改良するだけでは充填性が充分に高められなかった。そして、さらに、上記充填性を高めるべく鋭意検討した結果、本発明の構成からなるエポキシ樹脂組成物を用いて半導体素子を封止した場合には、さらに高い充填性を得ることができ、また、得られた半導体装置を高温のハンダリフローに供した場合においては、クラックの発生が抑制された半導体装置が得られることを見出した。
【００１１】
すなわち、本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物は、エポキシ樹脂成分、フェノール樹脂成分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、前記エポキシ樹脂組成物中の前記無機充填材の含有割合が８０〜９３質量％であり、前記エポキシ樹脂成分中にビスフェノールＡ型エポキシ樹脂を含有し、且つ、前記フェノール樹脂成分中に下記式（１）で示される構造を有するフェノール樹脂を含有することを特徴とするものである。
【００１２】
【化１】
2008074930.tif 000002
（ｍは１〜５の整数を示す）
【００１３】
本発明のエポキシ樹脂組成物においては、エポキシ樹脂組成物中の前記無機充填材の含有割合が８０〜９３質量％である。このような高い割合で無機充填材を含有することによりエポキシ樹脂組成物の吸湿性が低下し、リフローハンダ時に発生する吸湿を原因とするクラック等を抑制することができる。しかしながら、無機充填材の含有割合が高すぎる場合には、樹脂の流動性が低下するために充填性が低下する傾向がある。本発明は、高い無機充填材を含有するエポキシ樹脂組成物において、高い充填性を維持することができるものである。
【００１４】
具体的には、エポキシ樹脂としてビスフェノールＡ型エポキシ樹脂を含有するエポキシ樹脂を用い、また、フェノール樹脂として、前記式（１）に示すような構造を有するものを用いることにより、高い割合で無機充填材を配合しても、充分な充填性を維持することができる。そして、充填性を高めて、パッケージ中のボイドや未充填部の発生を抑制することにより半導体装置のパッケージの耐ハンダリフロー性、特に高温における耐ハンダリフロー性を向上させることができる。
【００１５】
また、本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物は、前記フェノール樹成分脂中の前記式（１）で示されるフェノール樹脂の含有割合が４０〜１００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することにより、充填性を充分に高めることができる。
【００１６】
また、前記エポキシ樹脂成分中のビスフェノールＡ型エポキシ樹脂の含有割合は３０〜７０質量％であることが好ましい。このような含有割合でビスフェノールＡ型エポキシ樹脂を含有することにより、充填性において重要な要素である流動性を高めることができる。
【００１７】
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耐ハンダリフロー性、特に高温における耐ハンダリフロー性に優れたものである。
【発明の効果】
【００１８】
小型・薄肉の半導体装置を製造する際の半導体素子の封止において、本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物を封止材として用いた場合には、高い充填性で半導体素子を封止することができる。そして、前記高い充填性は、得られる半導体装置の実装時にハンダリフローに供する際に発生するクラック、特に鉛フリーハンダに要求されるような高温条件でのハンダリフローの際に発生するクラックを低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下に本発明を具体的に説明する。
【００２０】
本発明で用いられるエポキシ樹脂成分は、必須成分としてビスフェノールＡ型エポキシ樹脂を含有するものであり、また、必要に応じて、従来公知のエポキシ樹脂を含有するものである。
【００２１】
前記ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂のエポキシ樹脂成分全量中の含有割合としては、３０〜７０質量％、さらには４０〜６０であることが特に優れた充填性を得ることができる点から好ましい。前記割合が多すぎる場合には、流動性は高まるが充填性が不充分な傾向があり、前記割合が低すぎる場合には、流動性が低下して、充填性が低下する傾向がある。
【００２２】
前記ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂と組み合わせて用いられるその他のエポキシ樹脂としては、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が、その具体例としては、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、ビスフェノールＡ型以外の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、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、ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂、トリフェニルメタン型エポキシ樹脂、ブロム含有エポキシ樹脂などを用いることができる。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。これらの中ではビフェニル型エポキシ樹脂が吸湿性が低く、ハンダリフロー時のクラックが生じにくい点から好ましく、クレゾールノボラック型エポキシ樹脂は成形時の充填性が優れている点から好ましい。
【００２３】
エポキシ樹脂成分の含有割合は、本発明のエポキシ樹脂組成物の全体量に対して２〜１５質量％、さらには６〜１２質量％であることが好ましい。
【００２４】
本発明で用いられるフェノール樹脂成分はエポキシ樹脂成分に対する硬化剤であり、必須成分として前記式（１）に示す構造を有するフェノール樹脂を含有するものであり、また、必要に応じて、従来公知のフェノール樹脂を含有するものである。前記式（１）に示す構造を有するフェノール樹脂を含有することにより、高い割合で無機充填材を配合しても、充分な充填性を維持することができる。その結果、ハンダリフローの際のクラックの発生を抑制することができる。
【００２５】
なお、前記式（１）に示す構造を有するフェノール樹脂の基本骨格の繰り返し単位数ｍは１〜５の整数であれば特に限定されず用いることができる。
【００２６】
前記式（１）に示す構造を有するフェノール樹脂の具体例としては、例えば、大日本インキ化学工業（株）製のＣＺ−２５６Ａ等を挙げることができる。
【００２７】
本発明で用いられるフェノール樹脂成分としては、前記式（１）に示す構造を有するフェノール樹脂ととともに、従来公知のフェノール樹脂を組み合わせて用いてもよい。前記式（１）に示す構造を有するフェノール樹脂以外のフェノール樹脂の具体例としては、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、式（１）で示すもの以外のフェノールアラルキル樹脂、ナフトールアラルキル樹脂等の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、式（１）で示すもの以外のフェノールアラルキル樹脂が吸湿性が低く、ハンダリフロー時のクラックが生じにくい点から好ましい。
【００２８】
前記式（１）に示す構造を有するフェノール樹脂はフェノール樹脂成分の全体量に対して、１０〜１００質量％、さらには４０〜１００質量％であることが好ましい。前記割合の場合には、充填性及び耐リフロークラック性がさらに高いものになる。
【００２９】
本発明のエポキシ樹脂組成物に配合されるフェノール樹脂成分の割合は特に限定されないが、全エポキシ樹脂に対する配合割合で全エポキシ樹脂／全フェノール樹脂＝０．５〜１．５（当量比）、好ましくは０．８〜１．３に設定することが好ましい。このような配合割合で配合した場合には、充分に樹脂成分を硬化させることができる。
【００３０】
なお、本発明の樹脂組成物には硬化反応を促進させるために、硬化促進剤を含有することが好ましい。硬化促進剤としてはエポキシ樹脂成分とフェノール樹脂成分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、例えばトリフェニルホスフィンやトリブチルホスフィンなどの有機リン化合物、１，８−ジアザ−ビシクロ（５，４，０）ウンデセン−７、トリエチレンジアミン、ベンジルジメチルアミンなどの三級アミン類、２−メチルイミダゾール、２−エチル−４−メチルイミダゾール、２−フェニルイミダゾール、２−フェニル−４−メチルイミダゾールなどのイミダゾール類等が挙げられる。
【００３１】
硬化促進剤は全樹脂成分（エポキシ樹脂成分とフェノール樹脂成分との合計量）に対して０．１〜５質量％配合するのが好ましい。硬化促進剤の配合割合が前記範囲の場合には、成形時の樹脂の流動性を充分維持しながら、硬化促進効果を充分に高めることができる。
【００３２】
本発明のエポキシ樹脂組成物には高い割合、具体的には、エポキシ樹脂組成物の全体量に対して８０〜９３質量％、好ましくは、８５〜９３質量％の無機充填材が含有される。このような高い割合の無機充填材を含有することにより、エポキシ樹脂組成物全体としての吸湿率を低下させ、その結果、ハンダリフローの際のクラックの発生を抑制し、また、封止成形時の充填性を維持することができる。前記配合割合がエポキシ樹脂組成物の全体量に対して多すぎる場合には、樹脂の成形流動性が低下しパッケージの未充填箇所が生じやすくなり、また、エポキシ樹脂組成物の粘度が増大して封止材料中に空気の混入が生じやすく、そのため内部にボイドなどが生じてハンダリフロー時にパッケージにクラックが発生する。また、前記配合割合が少なすぎる場合にはエポキシ樹脂組成物の吸湿率を充分に低下させることができず、ハンダリフロー時にパッケージにクラックが発生しやすくなる。
【００３３】
本発明のエポキシ樹脂組成物に配合される無機充填材としては、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、また、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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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、フェノール樹脂成分、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、エポキシ樹脂及びフェノール樹脂の組成にもよるが、９０〜１１０℃程度で溶融混練することが好ましい。
【００３９】
前記のようにして得られた本発明の半導体封止用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）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樹脂を形成するものである。この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。
【００４０】
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。
【実施例】
【００４１】
表１に示すような配合割合（質量％）で、エポキシ樹脂成分、フェノール樹脂成分、無機充填材、シランカップリング剤、カルナバワックス、カーボンブラック、硬化促進剤をブレンダーで３０分間混合し均一化した後、８０℃に加熱した２本ロールで混練溶融し、冷却後粉砕機で粉砕して半導体封止用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）
・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１９６）
・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１９５）
・式（１）の構造を有するフェノール樹脂：大日本インキ化学工業（株）製のＣＺ−２５６Ａ（ｍ＝１〜３、水酸基当量１６０）
・式（２）の構造を有するフェノールアラルキル樹脂：三井化学（株）製ミレックスＸＬ−２２５
【００４２】
【化２】
2008074930.tif 000003
（ｎ＝１〜３の混合物，水酸基当量１７６）
【００４３】
・無機充填材：電気化学工業（株）製ＦＢ８２０（シリカ）
・シランカップリング剤：信越化学工業（株）製ＫＢＭ４０３（γ−グリシドキシ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
・硬化促進剤：北興化学工業（株）トリフェニルホスフィン
【００４４】
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。
【００４５】
（スパイラルフロー流動性）
ＡＳＴＭ  Ｄ３１２３に準じたスパイラルフロー測定金型を用いて金型温度１７５℃、注入圧力：６．９ＭＰａ、成形時間９０秒間、後硬化１７５℃／６時間の条件で成形し、流動距離（ｃｍ）を測定した。
【００４６】
（充填性）
充填性１：
Ｃｕリードフレームに寸法８×９×０．４（ｍｍ）のテスト用チップを銀ペーストを用いて搭載した外形寸法１４×１４×１．０（ｍｍ）の１２８ｐｉｎＴＱＦＰ（Ｔhin Ｑuad Ｆlat Ｐackage）のパッケージを各エポキシ樹脂組成物を用いてトランスファー成形（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）により封止成形し、評価用試料を作製した。
そして、実体顕微鏡にて、径が０．１ｍｍ以上の未充填ボイドの数を確認し、試験パッケージ数（２０個）に対する未充填発生パッケージ数を評価した。
充填性２：
充填性１で評価したパッケージを、軟Ｘ線装置にて撮影した写真により径が０．１ｍｍ以下の未充填ボイドの大きさを計測し、その最大値（ｍｍ）にて評価した。
【００４７】
（耐リフロークラック性）
Ｃｕリードフレームに８×９×０．４ｍｍのテスト用チップを銀ペーストにより搭載した外形寸法２８×２８×３．２ｍｍの１６０ｐｉｎＱＦＰのパッケージを各エポキシ樹脂組成物を用いてトランスファー成形（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）により封止成形し、評価用試料を作製した。
そして、評価用試料を温度８５℃、湿度８５％の条件で７２時間、９６時間、１６８時間のそれぞれの時間で吸湿処理した後、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い、評価用試料１０個中のパッケージクラックが発生していたパッケージの数を数えた。
【００４８】
結果を表１に示す。
【００４９】
【表１】
2008074930.tif 000004
【００５０】
表１の実施例１〜８の結果から、本発明の樹脂組成物を用いて得られるパッケージは、上記のように端子数が多く、ピッチ間隔が小さい半導体パッケージにおいても、優れた充填性を示し、ボイドの発生が大幅に抑制されていることが分かる。
【００５１】
一方、式（１）で示される構造を有するフェノール樹脂の代わりに、比較的優れた流動性を付与する硬化剤として知られているフェノールアラルキル樹脂を用いた比較例１の場合、流動性は優れているものの、パッケージには比較的大きいボイドが多数発生し、また、リフロー時に多数のクラックが発生した。
【００５２】
また、ビフェニル型エポキシ樹脂を式（１）で示される構造を有するフェノール樹脂で硬化させた比較例２の場合にも、流動性は優れているものの、充填性は優れず、また、リフロー時に多数のクラックが発生した。
【００５３】
さらに、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂を用い、式（１）で示される構造を有するフェノール樹脂を硬化剤として用いても、無機充填材の量が少ない比較例３の場合にも、流動性は優れているものの、充填性は優れず、また、リフロー時に多数のクラックが発生した。
【００５４】
また、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂を用い、式（１）で示される構造を有するフェノール樹脂を硬化剤として用いても、無機充填材の量が多すぎる場合にも、流動性が大幅に低下するために充填性は優れず、また、リフロー時には多数のクラックが発生した。
【００５５】
上記のように、本発明のエポキシ樹脂組成物を用いた場合には、充填性に優れ、また、リフロー時に発生するクラックを大幅に抑制することができる。