(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（Ａ）エポキシ樹脂、（Ｂ）フェノール樹脂、（Ｃ）無機充填材、及び（Ｄ）硬化促進剤を含有してなるエポキシ樹脂成形材料において、前記（Ａ）エポキシ樹脂がビフェニル型エポキシ樹脂であり、（Ｂ）フェノール樹脂がフェノールアラルキル樹脂であり、（Ｃ）無機充填材の含有量が全エポキシ樹脂成形材料中に７５重量％以上９０重量％以下である該エポキシ樹脂成形材料を用いて封止した半導体装置型成形品の２４０℃での引抜き強度が５０Ｎ以上であることを特徴とする半導体封止用エポキシ樹脂成形材料。
【請求項２】
該エポキシ樹脂成形材料の硬化物の−６５℃での曲げ破断エネルギー（ａ）と１５０℃での曲げ破断エネルギー（ｂ）の和（ａ）＋（ｂ）が、０．２０Ｎ・ｍ以上である請求項１記載の半導体封止用エポキシ樹脂成形材料。
【請求項３】
請求項１、２のいずれかに記載の半導体封止用エポキシ樹脂成形材料を用いて半導体素子を封止してな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、半導体封止用エポキシ樹脂成形材料、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】
近年、ＩＣ、ＬＳＩ等の半導体素子を、主にエポキシ樹脂成形材料を用いて封止した半導体装置は、ＱＦＰやＴＳＯＰ等の表面実装型が主流となっている。又、この半導体装置の大型化、チップの大型化、ファインピッチ化が進み、耐半田クラック性に対する要求も厳しくなってきている。従来のエポキシ樹脂成形材料は、無機充填材の高充填化による高強度化と低吸水率化によって耐半田クラック性を改良してきたが、大型の半導体装置ではパッド下の剥離によるクラックが起こり易く、又、耐温度サイクル性の低下の問題もある。
このように、従来のエポキシ樹脂成形材料では、特に大型の半導体装置に対しては、耐半田クラック性と耐温度サイクル性の両立が難しかった。
【０００３】
耐半田クラック性を改良するためには、前述した高強度化と低吸水率化の手法の他に、半導体装置に用いる各種部材、特にリードフレームに対する密着性の改良も重要である。リードフレームに対する密着性を向上するために、リードフレームにディンプルを付けたり、スリットを入れる方法が提案され、実用化されている。又、シランカップリング剤を使用したり、離型剤であるワックスを調整することにより、ある程度は密着性を向上できる。しかし、耐半田クラック性が剥離の有無によって評価されるようになってきたため、密着性について更に厳しい要求が出されるようになり、又、鉛フリー化に伴うリフロー温度の上昇による発生応力の増大により、従来からの手法だけでは不十分になってきている。
又、耐温度サイクル性を向上するためには、従来からシリコーンオイル等を添加したり、シリコーンオイルとエポキシ樹脂、フェノール樹脂等との反応物を添加して低弾性率化を計ってきたが、シリコーンオイルを用いると、強度の低下と共に、各種部材との密着性が低下するという不具合が発生する。このように耐半田クラック性と耐温度サイクル性が両立されていないという問題がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、従来より優れた耐半田クラック性と、耐温度サイクル性とを両立できる半導体封止用エポキシ樹脂成形材料、及びこれを用いた半導体装置を提供するものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、
［１］（Ａ）エポキシ樹脂、（Ｂ）フェノール樹脂、（Ｃ）無機充填材、及び（Ｄ）硬化促進剤を含有してなるエポキシ樹脂成形材料において、該エポキシ樹脂成形材料を用いて封止した半導体装置型成形品の２４０℃での引抜き強度が５０Ｎ以上であることを特徴とする半導体封止用エポキシ樹脂成形材料、
［２］該エポキシ樹脂成形材料の硬化物の−６５℃での曲げ破断エネルギー（ａ）と１５０℃での曲げ破断ネルギー（ｂ）の和（ａ）＋（ｂ）が、０．２０Ｎ・ｍ以上である第［１］項記載の半導体封止用エポキシ樹脂成形材料、
［３］第［１］、［２］項のいずれかに記載の半導体封止用エポキシ樹脂成形材料を用いて半導体素子を封止してなることを特徴とする半導体装置、
である。
【０００６】
【発明の実施の形態】
半田処理時、及び温度サイクル時の剥離或はクラックの発生を防止する方法としては、エポキシ樹脂成形材料の硬化物自体に、処理時に発生する応力に耐えられるような材料強度を付与する方法と、半導体装置内部に発生する応力を低減させる方法或は発生する応力に耐えられるような接着強度を付与する方法が考えられる。本発明者は、特に半田処理時には水蒸気爆発による衝撃的な応力が発生することから、この接着強度として引抜き強度に着目し、耐半田クラック性と耐温度サイクル性との関係を調べた結果、該エポキシ樹脂成形材料を用いて封止した半導体装置型成形品の２４０℃での引抜き強度が５０Ｎ以上になるように調整すると、半導体装置の半田処理時に発生するクラック、及び温度サイクル時に発生するクラックが低減することを見出した。更に、該エポキシ樹脂成形材料の硬化物の−６５℃での曲げ破断エネルギー（ａ）と１５０℃での曲げ破断ネルギー（ｂ）の和（ａ）＋（ｂ）が、０．２０Ｎ・ｍ以上になるように調整することにより、よりいっそうの耐半田クラック性、耐温度サイクル性の向上をはかれることを見出し、本発明を完成した。
【０００７】
本発明に用いるエポキシ樹脂としては、１分子中に２個以上のエポキシ基を有するモノマー、オリゴマー、ポリマー全般を言い、特に限定されるものではない。例えば、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、ジシクロペンタジエン変性フェノール型エポキシ樹脂、ビスフェノール型エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂、スチルベン型エポキシ樹脂、ナフトール型エポキシ樹脂、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、テルペン変性フェノール型エポキシ樹脂、フェノールアラルキル型エポキシ樹脂、及びこれらの変性樹脂等が挙げられ、これらは１種類を単独で用いても２種類以上を併用してもよい。エポキシ樹脂成形材料の耐湿性向上のためには、塩素イオン、ナトリウムイオン等の不純物イオンが極力少ないことが望ましい。又、硬化性のためには、エポキシ当量１５０〜３００程度が好ましい。
【０００８】
本発明に用いるフェノール樹脂としては、１分子中に２個以上のフェノール性水酸基を有するモノマー、オリゴマー、ポリマー全般を言い、特に限定されるものではない。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、テルペン変性フェノール樹脂、フェノールアラルキル樹脂、ナフトールアラルキル樹脂、トリフェノールメタン樹脂、及びこれらの変性樹脂等が挙げられ、これらは１種類を単独で用いても２種類以上を併用してもよい。エポキシ樹脂成形材料の耐湿性向上のためには、塩素イオン、ナトリウムイオン等の不純物イオンが極力少ないことが望ましい。又、硬化性のためには、水酸基当量８０〜２５０程度が好ましい。
【０００９】
上記エポキシ樹脂とフェノール樹脂との配合割合は、エポキシ樹脂中のエポキシ基１当量に対してフェノール樹脂中の水酸基が０．８〜１．２当量となるようにすることが好ましい。
【００１０】
本発明に用いる無機充填材としては特に限定されるものではないが、例えば、溶融シリカ、球状シリカ、結晶シリカ、２次凝集シリカ、多孔質シリカ、２次凝集シリカ又は多孔質シリカを粉砕したシリカ、アルミナ等が挙げられ、これらは１種類を単独で用いても２種類以上を併用してもよい。又、粒子の形状としては、破砕状でも球状でも問題ないが、流動特性、機械強度、及び熱的特性のバランスのとれた球状の溶融シリカが好適に用いられる。無機充填材の含有量としては、全エポキシ樹脂成形材料中に７５重量％以上が好ましい。特に好適なのは８３重量％以上である。７５重量％未満だと、諸特性向上の効果が大幅に低下する傾向が見られる。更に、これらの無機充填材は、カップリング剤等で表面処理されていてもよい。
【００１１】
本発明に用いる硬化促進剤としては、一般に封止材料に用いられているものを広く使用できる。代表的なものとしては、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、テトラフェニルホスホニウム・テトラフェニルボレート、テトラフェニルホスホニウム・テトラナフトイックアシッドボレート、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、これらは１種類を単独で用いても２種類以上を併用してもよい。これらの硬化促進剤は、エポキシ樹脂成形材料中にドライブレンドされても、溶融ブレンドされても、又は両者の併用でも構わない。
【００１２】
本発明のエポキシ樹脂成形材料は、（Ａ）〜（Ｄ）成分を必須成分とするが、必要に応じてシランカップリング剤等のカップリング剤、臭素化エポキシ樹脂、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、天然ワックス、合成ワックス等の離型剤等の種々の添加剤を適宜配合しても差し支えない。
本発明のエポキシ樹脂成形材料は、（Ａ）〜（Ｄ）成分、及びその他の添加剤をミキサー等の混合機を用いて十分に均一に常温混合した後、更に熱ロール、又はニーダー等で溶融混練して、冷却後粉砕して得られる。
本発明のエポキシ樹脂成形材料を用いて、半導体素子等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。特に、本発明のエポキシ樹脂成形材料は、大型の半導体装置の封止用に適しており、半導体装置のサイズとしては、例えば、２０ｍｍ×２０ｍｍ以上のもの、更には２４ｍｍ×２４ｍｍ以上のＱＦＰ等に適している。
【００１３】
本発明のエポキシ樹脂成形材料は、該エポキシ樹脂成形材料を用いて封止した半導体装置型成形品の２４０℃での引抜き強度が５０Ｎ以上になるように調整する必要がある。
本発明において、引抜き強度の測定は、次のように行った。低圧トランスファー成形機を用いて、成形温度１７５℃、圧力７Ｎ／ｍｍ2、硬化時間１２０ｓで半導体装置型成形品として１６ｐＤＩＰ型成形品（図１）を作製した。エポキシ樹脂成形材料で封止した部分は７．６ｍｍ×２０ｍｍ×厚さ４．０ｍｍであり、引抜き用リードフレーム材（厚さ０．２５ｍｍ）がエポキシ樹脂成形材料で封止された部分は５ｍｍ×５ｍｍであり、固定用リードフレーム材は厚さ０．２５ｍｍである。更にポストモールドキュアとして１７５℃で８時間の処理を行った。引張試験機を用いてリードフレーム材の部分を治具ではさみ、２４０℃の高温炉内で５分間予熱後、２ｍｍ／６０ｓで引張り、引抜き用リードフレーム材が引抜かれた時の強度を測定した。
なお、リードフレーム材の材質や固定用リードフレーム材の形状は特に限定しない。
更に、該エポキシ樹脂成形材料の硬化物の−６５℃での曲げ破断エネルギー（ａ）と１５０℃での曲げ破断ネルギー（ｂ）の和（ａ）＋（ｂ）が、０．２０Ｎ・ｍ以上であることが好ましい。
このように調整する手法としては、特に限定しないが、例えば、（Ａ）〜（Ｄ）の各成分として引抜き強度向上に効果のある特定のタイプのものを使用する、又は引抜き強度向上に効果のある特定の添加剤等を使用する、あるいは特定の製造方法で対応する、等が挙げられる。
即ちいずれの手法を用いても、結果的に該エポキシ樹脂成形材料を用いた半導体装置型成形品での２４０℃での引抜き強度が５０Ｎ以上になるように調整すること、更に好ましくは、該エポキシ樹脂成形材料の硬化物の−６５℃での曲げ破断エネルギー（ａ）と１５０℃での曲げ破断エネルギー（ｂ）の和（ａ）＋（ｂ）が０．２０Ｎ・ｍ以上になるように調整することにより、従来より優れた耐半田クラック性と耐温度サイクル性とを両立できるエポキシ樹脂成形材料及び半導体装置が得られる。２４０℃での引抜き強度が５０Ｎ未満だと、耐半田クラック性あるいは耐温度サイクル性が低下しこれらの特性が両立しないので好ましくない。
又、曲げ破断エネルギーの和（ａ）＋（ｂ）が０．２０Ｎ・ｍ未満だと、温度サイクル時に発生する応力によって半導体装置にクラックが発生する可能性がある。
本発明に用いる引抜き強度向上に効果のある添加剤としては、特に限定しないが、例えば、低温での耐温度サイクル性の向上のためにはアクリロニトリル−ブタジエン系共重合体、水添アクリロニトリル−ブタジエン系共重合体、アクリルゴム、イソプレンゴム、スチレンブタジエンゴム、ブタジエンゴム、シリコーンゴム、フッ素ゴム、スチレンブタジエンブロック共重合体、スチレンイソプレンブロック共重合体等が挙げられ、又、高温での耐半田クラック性の向上のためにはポリエーテルイミド、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンエーテル、ポリアリレート等が挙げられる。又、反応性の官能基、エポキシ樹脂やフェノール樹脂への相溶性を高めるような官能基、側鎖等を有していても構わない。これらは１種類を単独で用いても２種類以上を併用してもよいが、耐温度サイクル性と耐半田クラック性の両立のためには、耐温度サイクル性向上のための添加剤と、耐半田クラック性向上のための添加剤とを併用することがより好ましい。含有量は特に限定しない。又、無機充填材の高充填化は非常に有効であるが、流動性低下や粘度上昇を伴うため、無機充填材の粒度分布や樹脂成分の粘度等の調整と共に、無機充填材と樹脂成分との濡れ性を向上するような製造方法の工夫が必要である。
【００１４】
【実施例】
以下、本発明を実施例で具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。配合割合は重量部とする。
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をミキサーを用いて常温で混合し、９０〜１３０℃で二軸ロールを用いて混練して、冷却後粉砕し、エポキシ樹脂成形材料を得た。得られたエポキシ樹脂成形材料を以下の方法で評価した。結果を表１に示す。
【００１５】
評価方法
引抜き強度：低圧トランスファー成形機を用いて、成形温度１７５℃、圧力７Ｎ／ｍｍ2、硬化時間１２０ｓで半導体装置型成形品として１６ｐＤＩＰ型成形品（図１）を作製した。エポキシ樹脂成形材料で封止した部分は７．６ｍｍ×２０ｍｍ×厚さ４．０ｍｍであり、引抜き用リードフレーム材（厚さ０．２５ｍｍ）がエポキシ樹脂成形材料で封止された部分は５ｍｍ×５ｍｍであり、固定用リードフレーム材は厚さ０．２５ｍｍである。更にポストモールドキュアとして１７５℃で８時間の処理を行った。引張試験機を用いてリードフレーム材の部分を治具ではさみ、２４０℃の高温炉内で５分間予熱後、２ｍｍ／６０ｓで引張り、引抜き用リードフレーム材が引抜かれた時の強度を測定した。単位はＮ。
曲げ破断エネルギー：ＪＩＳ  Ｋ  ６９１１に準拠し、低圧トランスファー成形機を用いて、成形温度１７５℃、圧力７Ｎ／ｍｍ2、硬化時間１２０ｓで曲げ試験片を成形し、更にポストモールドキュアとして１７５℃で８時間の処理を行った。得られた曲げ試験片を用いて測定温度−６５℃及び１５０℃での曲げ破断エネルギーを測定し、（ａ）＋（ｂ）を求めた。単位はＮ・ｍ。
耐半田クラック性：低圧トランスファー成形機を用いて、成形温度１７５℃、圧力７Ｎ／ｍｍ2、硬化時間１２０ｓで２０８ｐＱＦＰ（ダミーチップのサイズ９ｍｍ×９ｍｍ×厚み３５０μｍ、パッケージサイズ２８ｍｍ×２８ｍｍ×厚み３．２ｍｍ）を成形し、更にポストモールドキュアとして１７５℃で８時間の処理を行った（サンプル数は１２個）。得られたパッケージを８５℃、相対湿度６０％の雰囲気中で１６８時間吸湿後、２６０℃のＩＲリフロー処理を行った。処理後のパッケージ内部を超音波探傷機を用いて観察し、チップ表面、又はパッド裏面の剥離又はクラックがある不良パッケージの個数で耐半田クラック性（及び密着性）を判定した。
耐温度サイクル性：低圧トランスファー成形機を用いて、成形温度１７５℃、圧力７Ｎ／ｍｍ2、硬化時間１２０ｓで２０８ｐＱＦＰ（ダミーチップのサイズ９ｍｍ×９ｍｍ×厚み３５０μｍ、パッケージサイズ２８ｍｍ×２８ｍｍ×厚み３．２ｍｍ）を成形し、更にポストモールドキュアとして１７５℃で８時間の処理を行った（サンプル数は１２個）。得られたパッケージを３０℃、相対湿度６０％の雰囲気中で１９２時間吸湿後、耐温度サイクル性試験を−６５℃〜１５０℃で２００サイクル、５００サイクル、１０００サイクル行い、サイクル毎に剥離又はクラックが発生したパッケージの個数で耐温度サイクル性を判定した。
【００１６】
実施例２〜６、比較例１〜４
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成形材料を得、実施例１と同様にして評価した。結果を表１、表２に示す。
なお実施例３、実施例４では、エポキシ変性シリコーンゴム、及びポリエーテルサルフォンを使用した。又、実施例６では、二軸混練機を用い１２０〜１３０℃で混練した。
【表１】
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【００１７】
【表２】
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【００１８】
【発明の効果】
本発明に従うと、従来より優れた耐半田クラック性と耐温度サイクル性とを両立する、特に大型の半導体装置に適した半導体封止用エポキシ樹脂成形材料、及び半導体装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  １６ｐＤＩＰ型成形品及び引抜き強度試験方法を示す模式図。
【図２】  図１の１６ｐＤＩＰ型成形品の断面を示す模式図。
【符号の説明】
１  引抜き用リードフレーム材
２  固定用リードフレーム材
３  エポキシ樹脂成形材料で封止した部分
４  引抜き用リードフレーム材がエポキシ樹脂成形材料で封止された部分
５  断面
【図１】
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【図２】
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