(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エポキシ樹脂、フェノール樹脂、無機充填材、シランカップリング剤、及びジメチルジスルフィド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。
【請求項２】
前記ジメチルジスルフィドの含有割合が、０．１〜１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】
前記シランカップリング剤が、グリシドキシシランである請求項１又は請求項２に記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成物。
【請求項４】
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半導体素子を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好適に用いられるエポキシ樹脂組成物、及びそれを用いて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、はんだリフローによる表面実装法を用いて高密度実装される、いわゆる表面実装型パッケージが主流となりつつある。前記表面実装型パッケージは、半導体素子等をエポキシ樹脂組成物からなる封止材で封止することにより形成される。
【０００３】
エポキシ樹脂組成物からなる封止材で封止された表面実装型パッケージにおいては、封止材が空気中の水分を吸湿する。そして、表面実装工程におけるはんだリフローの際に、表面実装型パッケージが、直接はんだ温度にさらされるので、吸湿した水分が高温条件下で気化膨張する。この吸湿した水分の気化膨張により、表面実装型パッケージにクラックを生じさせたり、半導体素子やリードフレーム等との間で剥離を生じさせるという問題があった。
【０００４】
上記問題を解決する方法としては、例えば、無機充填材を高い割合で含有する、無機充填材を高充填化したエポキシ樹脂組成物を封止材として用いることが提案されている。しかしながら、無機充填材を高充填化したエポキシ樹脂組成物は、封止成形の際の流動性が低く、得られる成形体の薄肉部に未充填部分を生じたり、成形体内部にボイドが生じたりするという未充填部分が発生するという問題があった。そして、前記未充填部分は、半導体素子と封止材との剥離の原因になったり、はんだリフローの高温条件下においてボイド内に存在する空気や水分等が膨張することによるクラック発生の原因になっていた。
【０００５】
また、上記問題を解決する別の方法としては、例えば、特許文献１には、ジスルフィド系化合物を含有する半導体封止用エポキシ樹脂組成物を封止材として用いて、樹脂組成物の硬化物とリードフレームとの密着性を向上させることにより、吸湿後の半田処理においてリードフレームとの剥離が発生しない、信頼性に優れた技術が開示されている。
【特許文献１】特開２００４−２８５３１６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、ジスルフィド系化合物を含有する半導体封止用エポキシ樹脂組成物は、吸湿後の半田処理においてリードフレームとの剥離は抑制するものの、耐リフロークラック性が充分ではなかった。
【０００７】
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いるために、前記未充填部分やボイドが従来の半導体装置等に比べて、より発生しやすくなっている。
【０００８】
一方、近年、リフローはんだとしては環境負荷の低い、鉛フリーはんだが用いられてきている。鉛フリーはんだは、鉛含有はんだに比べて融点が高いために、はんだリフローの温度が、鉛含有はんだに比べて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はんだリフロー工程においては、クラック等がさらに生じやすくなっている。
【０００９】
本発明は、前記従来技術の問題点に鑑み、半導体素子の封止に用いられるエポキシ樹脂組成物であって、はんだリフロー工程において生じるクラックの発生を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を用いて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】
本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物は、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、無機充填材、シランカップリング剤、及びジメチルジスルフィドを含有することを特徴とする。
【００１１】
本発明のエポキシ樹脂組成物においては、上記構成、特にジメチルジスルフィドを含有することにより、封止成形の際の高い充填性を維持でき、さらに、樹脂組成物の硬化物と半導体素子やリードフレーム等との密着性を向上させることができる。その結果として、はんだリフローの際に半導体装置に発生するクラックの発生を低減させることができる。
【００１２】
また、本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物において、前記ジメチルジスルフィドの含有割合が、０．１〜１質量％であることが、樹脂組成物の硬化物と半導体素子やリードフレーム等との密着性をより向上させる点で好ましい。
【００１３】
また、本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物に含有されるシランカップリング剤が、グリシドキシシランであることが好ましい。このようなシランカップリング剤を含有させることにより、高い充填性を維持しつつ、樹脂組成物の硬化物と半導体素子等との密着性をより高めることができる。
【００１４】
また、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で半導体素子を封止成形して形成されることを特徴とする。このような半導体装置は、はんだリフローによる表面実装の際にクラックが生じにくいものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物は、半導体素子を封止する際の充填性に優れており、また、半導体素子との密着性が高いものである。従って、ハンダリフローの際にパッケージクラックが発生しにくい半導体装置を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
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、フェノール樹脂、無機充填材、シランカップリング剤、及びジメチルジスルフィドを含有することを特徴とするものである。
【００１７】
本発明で用いられるエポキシ樹脂としては、公知のエポキシ樹脂を特に限定なく用いることができる。具体的には、例えば、ビフェニル骨格を有するエポキシ樹脂である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、及びブロム含有エポキシ樹脂等が挙げられる。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。これらの中でも、ビフェニル型エポキシ樹脂が好ましい。
【００１８】
前記エポキシ樹脂のエポキシ当量としては、１５０〜２２０ｇ／ｅｑであることが好ましい。
【００１９】
本発明のエポキシ樹脂組成物におけるエポキシ樹脂の含有割合は、特に限定されないが、エポキシ樹脂組成物全量に対して、４〜９質量％であることが好ましい。
【００２０】
本発明で用いられるフェノール樹脂は、前記エポキシ樹脂に対する硬化剤であり、公知のフェノール樹脂を特に限定なく用いることができる。具体的には、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、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。これらの中でも、フェノールアラルキル樹脂が好ましい。
【００２１】
前記フェノール樹脂の水酸基当量としては、１００〜２２０ｇ／ｅｑであることが好ましい。
【００２２】
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（当量比）＝０．５〜１．５、好ましくは０．８〜１．２であることが好ましい。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。
【００２３】
なお、本発明のエポキシ樹脂組成物は、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、エポキシ樹脂とフェノール樹脂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、テトラフェニルホスホニウム・テトラフェニルボレート、トリフェニルホスフィン、トリブチルホスフィン、トリメチルホスフィン等の有機ホスフィン化合物、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等の三級アミン類、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−フェニルイミダゾールなどのイミダゾール類等が挙げられる。
【００２４】
前記硬化促進剤は、全樹脂成分（エポキシ樹脂とフェノール樹脂との合計量）に対して、１．５〜３．５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。
【００２５】
本発明で用いられる無機充填材としては、公知の無機充填材を特に限定なく用いることができる。具体的には、例えば、溶融シリカや結晶シリカ等のシリカ、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が挙げられる。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。これらの中でも、シリカが好ましい。
【００２６】
前記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熱膨張率を低減させるとともに、吸湿性を低減できる。その結果、はんだリフローの際のクラックの発生をさらに抑制することができる。
【００２７】
前記無機充填材の含有割合は、エポキシ樹脂組成物の全体量に対して８５〜９１質量％であることが好ましい。前記含有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い。そのため内部にボイド等が生じてはんだ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傾向がある。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性を充分に低下させることができず、はんだ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傾向がある。
【００２８】
本発明で用いられるシランカップリング剤としては、公知のシランカップリング剤を特に限定なく用いることができる。具体的には、例えば、γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシランやγ−グリシドキシプロピルトリエトキシシラン等のグリシドキシシラン、γ―アミノプロピルトリエトキシシランやＮ−フェニル−γ−アミノプロピルトリメトキシシラン等のアミノシラン、及びγ−メルカプトプロピルトリメトキシシラン等のメルカプトシラン等が挙げられる。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。これらの中でも、グリシドキシシランが好ましく、γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシランが特に好ましい。
【００２９】
前記シランカップリング剤を含有することにより、エポキシ樹脂組成物の硬化物と半導体素子等との密着性をより高めることができる。その結果、はんだリフローの際のクラックの発生をさらに抑制することができる。
【００３０】
前記シランカップリング剤の含有割合は、エポキシ樹脂組成物の全体量に対して、０．３〜０．７質量％であることが好ましい。前記含有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、無機充填材（フィラー）の凝集物が発生しやすく、エポキシ樹脂組成物の粘度が低くなったり、シランカップリング剤を含有しない場合より、耐リフロークラック性が悪化する傾向がある。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硬化物と半導体素子等との密着性を充分に高めることができず、はんだ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傾向がある。
【００３１】
本発明で用いるジメチルジスルフィドは、成形時の樹脂の流動性を充分維持しながら、エポキシ樹脂組成物の硬化物と半導体素子等との密着性を高めることができる。その結果、半導体素子を封止する際の充填性に高め、はんだ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。
【００３２】
前記ジメチルジスルフィドの含有割合は、０．１〜１質量％であることが好ましい。前記含有割合が０．１質量未満であると、エポキシ樹脂組成物の硬化物と半導体素子等との密着性を充分に高めることができず、はんだ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。また、前記含有割合が１質量％を超えると、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い。そのため内部にボイド等が生じてはんだ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】
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、着色剤、シリコーン可とう剤、難燃剤、難燃助剤、流動改質剤、及び滑剤等を必要に応じて添加してもよい。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
前記シリコーン可とう剤としては、公知のシリコーン可とう剤を使用することができる。具体的には、例えば、シリコーンオイル、シリコーンゲル、シリコーンゴム及びシリコーンエラストマ等が挙げられる。シリコーン可とう剤を含有すると、充填性及び耐はんだリフロー性を向上させることができるため好ましい。
【００３７】
本発明のエポキシ樹脂組成物を調製するにあたっては、前記エポキシ樹脂、フェノール樹脂、無機充填材、シランカップリング剤、ジメチルジスルフィド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等の組成にもよるが、８０〜１２０℃程度で溶融混練することが好ましい。
【００３８】
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、これを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。
【００３９】
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】
【００４０】
表１に示すような配合割合（質量％）で、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、無機充填材、ジメチルジスルフィド、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本ロールで溶融混練し、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。
【００４１】
なお、実施例及び比較例においては次の原材料を用いた。
・エポキシ樹脂：ビフェニル型エポキシ樹脂（ジャパンエポキシレジン株式会社製のＹＸ４０００Ｈ、エポキシ当量１９６ｇ／ｅｑ）
・フェノール樹脂：フェノールアラルキル樹脂（三井化学株式会社製のＸＬ−２２５、水酸基当量１７６ｇ／ｅｑ）
・無機充填材：シリカ（電気化学工業株式会社製のＦＢ８２０）
・ジメチルジスルフィド：和光純薬工業株式会社製
・ジプロピルジスルフィド：和光純薬工業株式会社製
・シランカップリング剤：γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン（信越化学工業株式会社製のＫＢＭ４０３）
・カルナバワックス：大日化学株式会社製のＦ１−１００
・カーボンブラック：三菱化学株式会社製の４０Ｂ
・硬化促進剤：トリフェニルホスフィン（北興化学工業株式会社製）
【００４２】
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。
［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、下記成形条件により流動距離（ｃｍ）を測定した。
（成形条件）
金型温度１７５℃、注入圧力７０ｋｇｆ／ｃｍ２（６．９ＭＰａ）、成形時間９０秒間、後硬化１７５℃／６時間
［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（Ｑuad Ｆlat Ｐackage）のパッケージを各エポキシ樹脂組成物を用いて上記成形条件でトランスファー成形することにより封止成形して各々１０個の評価用試料を作製した。
【００４３】
次に、前記評価用試料を温度８５℃、湿度８５％の条件で１６８時間吸湿させた後、ＩＲリフロー装置により、２４０℃、１０秒間の条件でハンダリフロー処理を行ない、パッケージクラックの有無を確認し、クラックが発生していたパッケージの数で評価した。
【００４４】
また、さらに７２時間、９６時間、１６８時間のそれぞれの時間で前記と同条件の吸湿処理をした後、その評価試料をさらにＩＲリフロー装置により２６０℃、１０秒間の条件でハンダリフロー処理を行ない、同様に、クラックが発生していたパッケージの数で評価した。
【００４５】
結果を表１に示す。
【００４６】
【表１】
0004760785.tif 000002
【００４７】
表１からわかるように、ジメチルジスルフィドを含有する実施例１〜４のエポキシ樹脂組成物は、ジメチルジスルフィドを含有しない比較例１、及びジメチルジスルフィドを含有せずにジプロピルジスルフィドを含有する比較例２のエポキシ樹脂組成物に比べて、耐リフロークラック性が優れている。
【００４８】
さらに、シランカップリング剤を含有する実施例１〜４のエポキシ樹脂組成物は、シランカップリング剤を含有しない比較例３に比べて、流動性及び耐リフロークラック性のいずれにおいても優れている。このことから、ジメチルジスルフィドとシランカップリング剤とを併用することによって、流動性及び耐リフロークラック性を向上させることができることがわかる。
【００４９】
また、ジメチルジスルフィドの含有割合が０．１〜１質量％である実施例１〜３のエポキシ樹脂組成物は、ジメチルジスルフィドを１質量％を超えて含有する実施例４のエポキシ樹脂組成物に比べて、流動性及び耐リフロークラック性のいずれにおいても優れている。