(57)【要約】【課題】半導体装置における回路基板と半導体素子との間の空隙を確実に充填し、生産性に優れ、なおかつ接続部分に高い信頼性を付与する高熱伝導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こと。【解決手段】（Ａ）固形のエポキシ樹脂、（Ｂ）固形のフェノール樹脂、（Ｃ）硬化促進剤及び（Ｄ）無機充填材として０．５μｍから１２μｍの間に粒度分布の極大点を２つ以上有し、なおかつ粒子径０．１μｍから最大粒子径の間におけるロジン・ラムラー線図の単回帰式の回帰係数が０．９３〜１．００であるアルミナを必須成分とする高熱伝導エポキシ樹脂組成物、及びこれを用いた半導体装置。【特許請求の範囲】
【請求項１】
（Ａ）固形のエポキシ樹脂、（Ｂ）固形のフェノール樹脂、（Ｃ）硬化促進剤及び（Ｄ）無機充填材として０．５μｍから１２μｍの間に粒度分布の極大点を２つ以上有し、なおかつ粒子径０．１μｍから最大粒子径の間におけるロジン・ラムラー線図の単回帰式の回帰係数が０．９３〜１．００であるアルミナを必須成分とする高熱伝導エポキシ樹脂組成物。
【請求項２】
請求項１に記載の高熱伝導エポキシ樹脂組成物を用いて得られることを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高熱伝導エポキシ樹脂組成物及びこれを用いた半導体装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
最近の半導体デバイスの性能向上に伴う要求として、半導体素子をフェイスダウン構造で回路が形成されたマザーボードあるいはドーターボードに実装される方法（フリップチップ方式）が注目されている。これは従来から用いられている方式、例えば半導体素子から金線でリードフレーム上にコンタクトをとりパッケージングされた形態でマザーボードあるいはドーターボードに実装する方法では、回路による情報伝達の遅れ、クロストークによる情報伝達エラー等が生ずる、という問題が発生していることに起因する。一方フリップチップ方式においては、互いの線膨張係数が異なる半導体素子と回路基板とをダイレクトに電気接続を行うことから、接続部分の信頼性が問題となっている。この対策としては、半導体素子と回路基板との空隙に液状樹脂を注入し硬化させて、電気接続部に集中する応力を樹脂にも分散させることにより接続信頼性を向上させる方法がとられている。しかしながら液状樹脂は、毛細管現象を利用して半導体素子と回路基板との空隙に注入されるため、注入に多くの時間を要する。生産性を向上させるためには液状樹脂の早い充填が必要であるが、早い充填は未充填、ボイドを引き起こし易く、半導体装置の信頼性も低下させるため、画期的に生産性を向上させることは難しい。また常温で液状であることが制約条件となり、無機充填材の充填量が低く、吸湿し易いために、固形エポキシ、固形硬化剤をつかったエポキシ樹脂組成物に比べて信頼性が劣る。
この様な問題から、半導体装置における回路基板と半導体素子との間の空隙を確実に充填し、生産性に優れ、なおかつ接続部分に高い信頼性を付与できる固形エポキシ、固形硬化剤を使ったエポキシ樹脂組成物が求められており、更には高速回路による発熱のため、エポキシ樹脂組成物に高熱伝導性も付与する必要がある。
【０００３】
固形エポキシ、固形硬化剤を使ったエポキシ樹脂組成物を用いる場合において、半導体装置における回路基板と半導体素子との間の空隙を確実に充填するために、最大粒径を２４μｍ以下、成形温度での溶融温度を２００ポイズ以下にする方法（例えば、特許文献１参照。）、最大粒径を２０μｍ以下、メジアン径を０．２〜３μｍにする方法（例えば、特許文献２参照。）が知られているが、無機充填材としては最大粒径のみにしか着目しておらず、粒子の種類、粒度分布には触れられていない。
また、無機充填材としてアルミナを必須成分とした時の流動性を向上させるために、０．４〜０．７μｍ、１２〜１８μｍ、３０〜３８μｍに粒度分布の極大ピークをもたせる方法（例えば、特許文献３参照。）が知られているが、流動性においてポイントとなる比較的大きめの粒子と比較的小さめの粒子の配合についての規定がなく、また粒度分布の形状に着目してロジン・ラムラー式を用いた方法（例えば、特許文献４参照。）についても、無機充填材の粒径が１μｍから最大粒径についての記載であり、フリップチップの様な狭い空隙の充填においてポイントとなる１μｍ未満の粒子を含めた粒度分布の形状については触れられていない。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１１−２８８９７９号公報（第２〜９頁）
【特許文献２】
特開２０００−２９０４７１号公報（第２〜１０頁）
【特許文献３】
特開平７−２７８４１５号公報（第２〜９頁）
【特許文献４】
特開平７−１１８５０６号公報（第２〜６頁）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、半導体装置における回路基板と半導体素子との間の空隙を確実に充填し、生産性に優れ、なおかつ接続部分に高い信頼性を付与する高熱伝導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。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、（Ａ）固形のエポキシ樹脂、（Ｂ）固形のフェノール樹脂、（Ｃ）硬化促進剤及び（Ｄ）無機充填材として０．５μｍから１２μｍの間に粒度分布の極大点を２つ以上有し、なおかつ粒子径０．１μｍから最大粒子径の間におけるロジン・ラムラー線図の単回帰式の回帰係数が０．９３〜１．００であるアルミナを必須成分とする高熱伝導エポキシ樹脂組成物、及びこれを用いた半導体装置である。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明は、固形のエポキシ樹脂、固形のフェノール樹脂、硬化促進剤及び無機充填材として所定の粒度分布及び分布形状を有するアルミナを含有してなることを特徴とする高熱伝導エポキシ樹脂組成物、及びこれを用いた半導体装置についてである。
【０００８】
本発明で用いる無機充填材は、その粒径が小さく、かつ所定の粒度分布及び分布形状を有することに一つの特徴がある。半導体装置における回路基板と半導体素子との間の空隙を確実に充填する、という点では、無機充填材の粒子径は小さいほど望ましい。しかし粒子径の小さい無機充填材のみでは空隙を充填するのに十分な流動性を得ることが出来ず、十分な流動性を得ようとして無機充填材量を低減すると、十分な信頼性及び熱伝導性を得ることが出来ない。そのため、極大点を０．５μｍから１２μｍの間に２つ以上有し、なおかつ極大点が異なる分布を持つ粒子同士の配合を最適化する必要がある。粒度分布の極大点が下限値未満に存在すると流動性が著しく低下し、極大点が上限値を超えて存在すると流路の形状やサイズによっては比較的大きめの粒子が充填を阻害する場合がある。なお流路の形状やサイズによって充填を阻害する粒径は異なるため、「充填を阻害する粒径」に明確な基準があるわけではなく、半導体装置における回路基板と半導体素子との間の空隙の大きさを考慮して、従来公知の分級法を適宜用いて調整すればよい。
しかし、いくら０．５μｍ〜１２μｍの範囲に粒度分布の極大点を２つ以上有したとしても、極大点の粒子径が最も大きい分布のアルミナ（以下粗粒子と記載する。）と極大点の粒子径が最も小さい分布のアルミナ（以下微粒子と記載する。）、及び粗粒子と微粒子の間に極大点の粒子径が存在する分布のアルミナ（以下中粒子と記載する。ただし中粒子の極大点が１つとは限らない。）の配合により流動性、充填性が大きく異なってくる。ポイントとなるのは微粒子の配合量であるが、微粒子が多過ぎる、即ち単回帰式の回帰係数が１．００を超えると、流動性そのものが損なわれて、未充填が発生し易くなる。なお、粒度分布の極大点が０．５μｍから１２μｍの範囲であれば単回帰式の回帰係数が０．９３未満になることは殆ど無いが、極大点が１２μｍを超えると単回帰式の回帰係数が０．９３未満になる場合が多く、充填を阻害する粒子が存在し易くなる。また、例え極大点が０．５μｍから１２μｍの範囲内であったとしても、極大点が１つであると、粗粒子もしくは中粒子の隙間に微粒子を配置させるという充填理論が適用出来ないことから、極大点の粒子径によらず流動性が著しく低下してしまう。
【０００９】
ここでの無機充填材の粒度分布は、ＪＩＳ  Ｍ８１００  粉塊混合物−サンプリング方法通則に準じて無機充填材を採取し、ＪＩＳ  Ｒ  １６２２−１９９５ファインセラミックス原料粒子径分布測定のための試料調整通則に準じて、無機充填材を測定用試料として調整し、ＪＩＳ  Ｒ  １６２９−１９９７  ファインセラミックス原料のレーザー回折・散乱法による粒子径分布測定方法に準じて（株）島津製作所・製のレーザー回折式粒度分布測定装置ＳＡＬＤ−７０００（レーザー波長：４０５ｎｍ）を用いて、溶媒に水を用い無機充填材の屈折率が実数部１．８０、虚数部１．００の条件のもと測定した値である。
また比表面積は、ＪＩＳ  Ｒ  １６２６−１９９６  ファインセラミックス粉体の気体吸着ＢＥＴ法による比表面積の測定方法に準じて、窒素を吸着質として用い、ＢＥＴ１点法によって測定した値である。
また、ロジン・ラムラー線図の単回帰式の回帰係数は、下記のロジン・ラムラー式よりｘ軸をｌｏｇＤｐ、ｙ軸をｌｏｇ（ｌｏｇ（１００／Ｒ（Ｄｐ）））でロジン・ラムラー線図を作成した時のｘの平方和（Ｓｘｘとあらわす）とｘとｙの偏差積和（Ｓｘｙとあらわす）の比Ｓｘｙ／Ｓｘｘで求められる。
Ｒ（Ｄｐ）＝１００・ｅｘｐ（−ｂ・Ｄｐｎ）
Ｄｐ：粒子径
Ｒ（Ｄｐ）：最大粒径からＤｐまでの積算重量％
ｎ，ｂ：定数
【００１０】
本発明に用いる常温で固形のエポキシ樹脂としては、例えばビフェニル型エポキシ、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、フェノールノボラック型エポキシ樹脂、オルソクレゾールノボラック型エポキシ樹脂、ナフト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、ジシクロペンタジエン変性フェノール型エポキシ樹脂、テルペン変性フェノール型エポキシ樹脂、ハイドロキノン型エポキシ樹脂等が挙げられるが、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。
【００１１】
本発明に用いる常温で固形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、ジシクロペンタジエン変性フェノール樹脂、フェノールアラルキル樹脂、テルペン変性フェノール樹脂、トリフェノールメタン型樹脂等が挙げられるが、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。
【００１２】
本発明に用いる硬化促進剤としては、エポキシ基と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用いることができ、例えば１，８−ジアザビシクロ（５，４，０）ウンデセン−７、トリフェニルホスフィン、ベンジルジメチルアミン、２−メチルイミダゾール等が挙げられるが、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。
【００１３】
本発明に用いるエポキシ樹脂組成物は、（Ａ）〜（Ｄ）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、酸化ビスマス水和物等の無機イオン交換体、γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン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、シリコーンオイル、シリコーンゴム等の低応力成分、天然ワックス、合成ワックス、高級脂肪酸及びその金属塩類もしくはパラフィン等の離型剤、酸化防止剤等の各種添加剤を適宜配合してもよい。更に必要に応じて無機充填材をカップリング剤やエポキシ樹脂あるいはフェノール樹脂で予め処理して用いてもよく、処理の方法としては、溶媒を用いて混合した後に溶媒を除去する方法や、直接無機充填材に添加し、混合機を用いて処理する方法等がある。
【００１４】
本発明に用いるエポキシ樹脂組成物は、（Ａ）〜（Ｄ）成分、その他の添加剤等をミキサーを用いて常温混合し、ロール、ニーダー等の押出機等の混練機で溶融混練し、冷却後粉砕して得られる。
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。
【００１５】
【実施例】
以下に、実施例を挙げて本発明を説明するが、これらの実施例に限定されるものではない。
実施例１
2004300214.tif 000002
【００１６】
式（１）で表される多官能フェノール樹脂と式（２）で表されるフェノール類を混合してグリシジルエーテル化したもの（ジャパンエポキシレジン（株）製、
エピコートＹＬ６６７７、エポキシ当量１６３）            ８．１８重量％
【化１】
2004300214.tif 000003
【化２】
2004300214.tif 000004
【００１７】
式（１）で表される多官能フェノール樹脂硬化剤（明和化成（株）製、ＭＥＨ
−７５００−３Ｓ、軟化点８３℃、水酸基当量１０３）      ５．３２重量％
γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン            ０．２０重量％
１，８−ジアザビシクロ（５，４，０）ウンデセン−７（以下、ＤＢＵという
）                                                      ０．２０重量％
臭素化ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂（軟化点６３℃、エポキシ基当量３５
９、臭素含有量４８重量％）                              ０．５０重量％
三酸化アンチモン                                      １．００重量％
カルナバワックス                                      ０．３０重量％
カーボンブラック                                      ０．３０重量％
を、常温においてミキサーで混合し、７０〜１２０℃で２本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。結果を表１に示す。
【００１８】
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。単位はｃｍ。
スリット充填性：４０μｍ、６０μｍ、８０μｍの流路厚を有する金型を用いて、金型温度１７５℃、注入圧力９．８ＭＰａ、硬化時間２分でトランスファー成形し、各流路の充填距離を測定した。単位はｍｍ。
模擬金型充填性：長さ１４５ｍｍ、幅１５ｍｍ、厚み０．５ｍｍの矩形型流路中に、９ｍｍ×９ｍｍ×０．４２ｍｍ（厚み）の四角柱を６個有する（四角柱と四角柱の間隔は３ｍｍ）狭路充填を想定した評価用金型、及び長さ１４５ｍｍ、幅１５ｍｍ、厚み０．５ｍｍの矩形型流路中に、９ｍｍ×９ｍｍ×０．４５ｍｍ（厚み）の四角柱を６個有する（四角柱と四角柱の間隔は３ｍｍ）狭路充填を想定した評価用金型を用いて、金型温度１７５℃、注入圧力９．８ＭＰａ、硬化時間２分でトランスファー成形し、８０μｍ及び５０μｍギャップの充填性（未充填、ボイドの有無）を判定した。
【００１９】
実施例２〜６、比較例１〜５
表１、表２の配合に従い、実施例１と同様にしてエポキシ樹脂組成物を得、同様に評価した。これらの評価結果を表１、表２に示す。
実施例１以外で用いたアルミナ及びエポキシ樹脂、フェノール樹脂を以下に示す。
アルミナＢ（平均粒径５．０μｍ、比表面積２．８ｍ２／ｇ、極大点粒径５．０μｍ、最大粒径２４μｍ以下）
アルミナＤ（平均粒径１３．０μｍ、比表面積１．０ｍ２／ｇ、極大点粒径１５．０μｍ、最大粒径２４μｍ以下）
アルミナＥ（平均粒径０．１μｍ、比表面積３０ｍ２／ｇ、極大点粒径０．１μｍ、最大粒径２４μｍ以下）
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、ＹＸ４０００、融点１０８℃、エポキシ当量１８５）
フェノールノボラック樹脂（住友ベークライト（株）製、ＰＲ−ＨＦ３、軟化点８０℃、水酸基当量１０５）
【００２０】
【表１】
2004300214.tif 000005
【００２１】
【表２】
2004300214.tif 000006
【００２２】
【発明の効果】
本発明に従うと、高熱伝導エポキシ樹脂組成物は、半導体装置における回路基板と半導体素子との間の空隙を確実に充填し、生産性に優れ、なおかつ接続部分に高い信頼性を付与することから、産業上有用である。