(57)【要約】【課題】成形後や半田処理後の反りが小さく、半田処理後の信頼性に優れた特性を有するエリア実装型半導体封止用エポキシ樹脂組成物を提供すること。【解決手段】（Ａ）エポキシ樹脂、（Ｂ）フェノール樹脂、（Ｃ）硬化促進剤、（Ｄ）溶融球状シリカを必須成分とするエポキシ樹脂組成物であって、該溶融球状シリカが全エポキシ樹脂組成物中に８５〜９５重量％配合されており、該溶融球状シリカのメディアン径が２０μｍ以上、４０μｍ以下であり、該溶融球状シリカ中における粒径２μｍ未満の粒子の配合割合が２０重量％以下であり、該溶融球状シリカの比表面積が１ｍ２／ｇ以上、３ｍ２／ｇ以下であ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。【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）硬化促進剤、（Ｄ）溶融球状シリカを必須成分とするエポキシ樹脂組成物であって、該溶融球状シリカが全エポキシ樹脂組成物中に８５〜９５重量％配合されており、該溶融球状シリカのメディアン径が２０μｍ以上、４０μｍ以下であり、該溶融球状シリカ中における粒径２μｍ未満の粒子の配合割合が２０重量％以下であり、該溶融球状シリカの比表面積が１ｍ２／ｇ以上、３ｍ２／ｇ以下であ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。
【請求項２】
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が請求項１記載の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。例えば、プリント配線板や金属リードフレームの片面に半導体素子を搭載し、その搭載面側の実質的に片面のみを樹脂封止されたいわゆるエリア実装型半導体装置に好適に用いられる。
【０００２】
【従来の技術】
近年の電子機器の小型化、軽量化、高性能化の市場動向において、半導体素子の高集積化が年々進み、また半導体装置の表面実装化が促進されるなかで、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、ＢＧＡ（ボールグリッドアレイ）或いは更に小型化を追求したＣＳＰ（チップスケールパッケージ）等が代表的であるが、これらは従来ＱＦＰ、ＳＯＰ等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、ＢＴ樹脂／銅箔回路基板（ビスマレイミド・トリアジン樹脂／ガラスクロス基板）に代表される硬質回路基板或いはポリイミド樹脂フィルム／銅箔回路基板に代表されるフレキシブル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。また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、上記の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開発されている。
【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。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。このため有機基板や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で、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。更に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、電気的接合の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、基板の熱膨張係数とエポキシ樹脂組成物の硬化物の熱膨張係数とを近づけること、及びエポキシ樹脂組成物の成形硬化時の硬化収縮を小さくすることの二つの方法が重要である。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）を有する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。よってエポキシ樹脂組成物の硬化物も、Ｔｇが高く且つα１が有機基板と同じで、更に成形硬化時の硬化収縮がゼロとなれば、反りはほぼゼロとなると考えられる。このため多官能型エポキシ樹脂と多官能型フェノール樹脂との組み合わせにより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】
また赤外線リフロー、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湿により、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、有機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したりすることもあり、エポキシ樹脂組成物の低応力化・低吸湿化とともに、有機基板との接着性も求められる。
【０００６】
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の剥離やクラックが発生する。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との界面での剥離の防止のために、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化と低吸湿化を図る対策がとられてきた（例えば、特許文献１参照。）。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】
【特許文献１】
特開平０７−２４２７３１号公報（第１１〜１４頁）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、成形後や半田処理後の反りが小さく、半田処理後の信頼性に優れた特性を有するエリア実装型半導体封止用に適した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。
【０００９】
【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）硬化促進剤、（Ｄ）溶融球状シリカを必須成分とするエポキシ樹脂組成物であって、該溶融球状シリカが全エポキシ樹脂組成物中に８５〜９５重量％配合されており、該溶融球状シリカのメディアン径が２０μｍ以上、４０μｍ以下であり、該溶融球状シリカ中における粒径２μｍ未満の粒子の配合割合が２０重量％以下であり、該溶融球状シリカの比表面積が１ｍ２／ｇ以上、３ｍ２／ｇ以下であ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、
［２］  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が請求項１記載の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半導体装置、
である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明は、主要な構成として、メディアン径が２０μｍ以上、４０μｍ以下であり、粒径２μｍ未満の粒子の割合が２０重量％以下であり、比表面積が１ｍ２／ｇ以上、３ｍ２／ｇ以下である溶融球状シリカを全エポキシ樹脂組成物中に８５〜９５重量％配合することにより、成形後や半田処理後の反りが小さく、半田処理後の信頼性に優れた特性を有するエリア実装型半導体封止用に適したエポキシ樹脂組成物が得られるものである。
以下、本発明について詳細に説明する。
【００１１】
本発明で用いるエポキシ樹脂としては、特に限定するものではないが、例えばビフェニル型エポキシ樹脂、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。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。
これらの内では、特に、溶融粘度が低く、無機充填材を高充填化することができ、ひいてはエポキシ樹脂組成物の低吸湿化が可能となり、耐半田クラック性を向上できる結晶性のエポキシ樹脂が好ましい。
【００１２】
本発明で用いるフェノール樹脂としては、特に限定するものではないが、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、トリフェノールメタン樹脂、テルペン変性フェノール樹脂、ジシクロペンタジエン変性フェノール樹脂等が挙げられる。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。
【００１３】
本発明に用いられる硬化促進剤としては、前記エポキシ樹脂とフェノール樹脂との架橋反応の触媒となり得るものを指し、例えば１，８−ジアザビシクロ（５，４，０）ウンデセン−７等のジアザビシクロアルケン及びその誘導体、トリブチルアミン、ベンジルジメチルアミン等のアミン化合物、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等の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１種類を単独で用いても２種類以上を併用してもよい。
【００１４】
本発明で用いられる溶融球状シリカの含有量は、全エポキシ樹脂組成物中に８５〜９５重量％にする必要がある。下限値を下回ると、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が増大するため反りが大きくなり、また吸湿率が増大するため耐半田クラック性が低下するので好ましくない。上限値を越えると、流動性が低下し、成形時に充填不良等が生じたり、高粘度化による半導体装置内の金線変形等の不都合が生じたりするおそれがあるので好ましくない。
また、本発明で用いられる溶融球状シリカは、比表面積が１ｍ２／ｇ以上、３ｍ２／ｇ以下であり、メディアン径が２０μｍ以上、４０μｍ以下であり、粒径２μｍ未満の粒子の割合が２０重量％以下である。
本発明において溶融球状シリカの比表面積は、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。また溶融球状シリカのメディアン径及び粒度分布は、ＪＩＳ  Ｍ８１００  粉塊混合物−サンプリング方法通則に準じて溶融球状シリカを採取し、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溶融球状シリカ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、溶媒に水を用い溶融球状シリカの屈折率が実数部１．４５、虚数部０．００の条件のもと測定した値である。
【００１５】
本発明者が鋭意検討を行った結果、比表面積が１ｍ２／ｇ以上、３ｍ２／ｇ以下であり、メディアン径が２０μｍ以上、４０μｍ以下であり、粒径２μｍ未満の粒子の割合が２０重量％以下である球状シリカを配合することで、流動性が良好で、且つ成形後や半田処理後の反りが小さい特性を有するエポキシ樹脂組成物が得られることを見いだし、本発明をなすに至った。本発明において、溶融シリカの比表面積が下限値を下回ると、流動性、充填性が低下するため好ましくない。また、溶融シリカの比表面積が上限値を越えると、増粘し、流動性が低下するため好ましくなく、加えて、成型時の収縮率が増大し、反り特性が低下するので好ましくない。また、本発明における溶融球状シリカのメディアン径が下限値を下回ると、増粘し、流動性が低下するので好ましくない。また、溶融球状シリカのメディアン径が上限値を超えると、流動性、充填性が低下するため好ましくない。また、粒径２μｍ未満の粒子が上限値を超えると成型時の収縮率が増大し、反り特性が低下するので好ましくない。
【００１６】
本発明の溶融球状シリカは、予め十分に混合しておくことが好ましい。また必要に応じて溶融球状シリカをカップリング剤やエポキシ樹脂或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、溶剤を用いて混合した後に溶媒を除去する方法や直接溶融球状シリカに添加し、混合機を用いて処理する方法等がある。
【００１７】
本発明のエポキシ樹脂組成物は、（Ａ）〜（Ｄ）成分の他、必要に応じて無機イオン交換体、カップリング剤、カーボンブラックに代表される着色剤、臭素化エポキシ樹脂、酸化アンチモン、リン化合物等の難燃剤、シリコーンオイル、ゴム等の低応力成分、酸化防止剤等の各種添加剤、溶融破砕シリカ、結晶シリカ、アルミナ、水酸化アルミニウム、タルク等の無機充填材が適宜配合可能である。
本発明のエポキシ樹脂組成物は、（Ａ）〜（Ｄ）成分、及びその他の添加剤等を、ミキサー等を用いて常温混合し、ロール、ニーダー、押出機等の混練機で加熱混練、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。その他の半導体装置の製造方法は、公知の方法を用いることができる。
【００１８】
【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。配合割合は重量％とする。
使用した溶融球状シリカの粒度分布及び比表面積を表１に示す。これらの溶融球状シリカの粒度分布は、（株）島津製作所・製レーザー回折式粒度分布測定装置ＳＡＬＤ−７０００（レーザー波長：４０５ｎｍ）を用いて測定した。また、比表面積は、ユアサアイオニクス（株）・製モノソーブＭＳ−１７を用いて測定した。
【００１９】
【表１】
2005029624.tif 000002
【００２０】
2005029624.tif 000003
を常温でミキサーを用いて混合し、二軸混練機を用いて吐出物温度が１００℃となるように、混練機回転数１２０ｒｐｍの条件で混練し、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２に示す。
【００２１】
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て、金型温度１７５℃、注入圧力６．９ＭＰａ、硬化時間１２０秒の条件で測定した。単位はｃｍ。
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９．８ＭＰａ、硬化時間９０秒の条件で３５２ｐＢＧＡ（パッケージサイズ３２ｍｍ×３２ｍｍ×厚さ１．２ｍｍ、半導体素子のサイズ１０ｍｍ×１０ｍｍ）を成形し、ポストキュアとして１７５℃で、２時間加熱処理した。室温まで冷却後、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半田処理前のパッケージ反り量とした。次いで、測定後のパッケージを、８５℃、相対湿度６０％の環境下で１６８時間加湿処理し、その後２６０℃の半田槽に１０秒間浸漬したのち、上記と同様にして半田処理後のパッケージ反り量を測定した。単位はμｍ。
耐半田ストレス性：前記のパッケージ反り量と同様にして３５２ｐＢＧＡを成形し、ポストキュアとして１７５℃で、２時間処理したパッケージ１０個を８５℃、相対湿度６０％の環境下で１６８時間加湿処理し、その後２６０℃の半田槽に１０秒間浸漬した。処理後の内部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／１０と表示する。
【００２２】
実施例２〜４、比較例１〜６
表２の配合に従い、実施例１と同様に二軸混練機を用い、吐出物温度が１００℃となるよう混練機回転数を調整して混練を行ない、エポキシ樹脂組成物を得た。得られた樹脂組成物について、実施例１と同様の評価を行った。結果を表２に示す。
実施例２では溶融球状シリカＢ（メディアン径３９．０μｍ、比表面積２．０ｍ２／ｇ、粒径２．０μｍ以下が１８．３重量％）を用いた。
比較例３では溶融球状シリカＣ（メディアン径４６．６μｍ、比表面積１．３ｍ２／ｇ、粒径２．０μｍ以下が４．３重量％）を用いた。
比較例４では溶融球状シリカＤ（メディアン径２３．４μｍ、比表面積３．６ｍ２／ｇ、粒径２．０μｍ以下が２３．８重量％）を用いた。
比較例５では溶融球状シリカＥ（メディアン径１８．８μｍ、比表面積４．０ｍ２／ｇ、粒径２．０μｍ以下が２６．２重量％）を用いた。
比較例６では溶融球状シリカＦ（メディアン径２６．６μｍ、比表面積２．９ｍ２／ｇ、粒径２．０μｍ以下が２４．３重量％）を用いた。
実施例４及び比較例３、４、５では、エポキシ樹脂としてオルソクレゾールノボラック型エポキシ樹脂（軟化点６２℃、エポキシ当量２１０）を用いた。
【００２３】
【表２】
2005029624.tif 000004
【００２４】
【発明の効果】
本発明によれば、成形後や半田処理後の反りが小さく、半田処理後の信頼性に優れた特性を有するエリア実装型半導体封止用に適したエポキシ樹脂組成物が得られる。