(57)【要約】【課題】  低誘電特性を有する素子を用いた半導体装置における組み立て時の発生応力や実装時のリフロー加熱による応力による素子へのダメージを大幅に低減することができるエポキシ樹脂組成物及びこれを用いて製造された半導体装置を提供すること。【解決手段】  （Ａ）エポキシ樹脂、（Ｂ）硬化剤、（Ｃ）硬化促進剤及び（Ｄ）平均粒径が３０μｍ以下であり、粒径１５０μｍ以上の粒子の含有量が全シリカ粉末中の１重量％未満であり、且つ粒径７５μｍ以上の粒子の含有量が全シリカ粉末中の１０重量％未満であるシリカ粉末を必須成分とする半導体封止用エポキシ樹脂組成物であり、前記樹脂組成物を硬化成形した成形品の任意の断面においてＥＰＭＡ分析を行った際に、Ｓｉ元素の分布状態のばらつき値が７０以下であることを特徴とするエポキシ樹脂組成物、及びそれ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。【特許請求の範囲】
【請求項１】
（Ａ）エポキシ樹脂、（Ｂ）硬化剤、（Ｃ）硬化促進剤及び（Ｄ）平均粒径が３０μｍ以下であり、粒径１５０μｍ以上の粒子の含有量が全シリカ粉末中の１重量％未満であり、且つ粒径７５μｍ以上の粒子の含有量が全シリカ粉末中の１０重量％未満であるシリカ粉末を必須成分とする半導体封止用エポキシ樹脂組成物であり、前記樹脂組成物を硬化成形した成形品の任意の断面においてＥＰＭＡ（Electron Probe Micro Analyzer）分析を行った際に、Ｓｉ元素の分布状態のばらつき値が７０以下であることを特徴とするエポキシ樹脂組成物。
【請求項２】
前記シリカ粉末が、平均粒径が２５μｍ以下であり、粒径７５μｍ以上の粒子の含有量が全シリカ粉末中の０．５重量％未満であり、且つ粒径５３μｍ以上の粒子の含有量が全シリカ粉末中の１重量％未満であるシリカ粉末である請求項１記載のエポキシ樹脂組成物。
【請求項３】
前記ＥＰＭＡ分析のＳｉ元素の分散状態のばらつき値が５０以下である請求項１又は２記載のエポキシ樹脂組成物。
【請求項４】
前記エポキシ樹脂が一般式（１）で表されるエポキシ樹脂である請求項１、２又は３のいずれかに記載のエポキシ樹脂組成物。
【化１】
2005281581.tif 000009
（式中、Ｒ１、Ｒ２は水素又は炭素数１〜４のアルキル基で、互いに同一でも異なっていてもよい。ａは０〜３の整数、ｂは０〜４の整数。ｎは平均値で、１〜５の正数。）
【請求項５】
前記硬化剤が一般式（２）で表されるフェノール樹脂である請求項１、２、又は３のいずれかに記載のエポキシ樹脂組成物。
【化２】
2005281581.tif 000010
（式中、Ｒ１、Ｒ２は水素又は炭素数１〜４のアルキル基で、互いに同一でも異なっていてもよい。ａは０〜３の整数、ｂは０〜４の整数。ｎは平均値で、１〜５の正数。）
【請求項６】
前記エポキシ樹脂が一般式（１）で表されるエポキシ樹脂であり、且つ前記硬化剤が一般式（２）で表されるフェノール樹脂である請求項１、２、又は３のいずれかに記載のエポキシ樹脂組成物。
【化３】
2005281581.tif 000011
（式中、Ｒ１、Ｒ２は水素又は炭素数１〜４のアルキル基で、互いに同一でも異なっていてもよい。ａは０〜３の整数、ｂは０〜４の整数。ｎは平均値で、１〜５の正数。）
【化４】
2005281581.tif 000012
（式中、Ｒ１、Ｒ２は水素又は炭素数１〜４のアルキル基で、互いに同一でも異なっていてもよい。ａは０〜３の整数、ｂは０〜４の整数。ｎは平均値で、１〜５の正数。）
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれかに記載の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半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は応力特性に優れた半導体封止用エポキシ樹脂組成物及びそれを用いた半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体装置はエポキシ樹脂組成物にて封止されているものが多くを占めてきた。近年の半導体装置は高速化、高機能化などが進んでおり、それに伴って半導体素子にはより大きな応力が掛かるようになってきている。半導体素子の配線間に用いられる層間絶縁層には低誘電性が要求されるようになってきているが、低誘電性を有する層間絶縁層自体が構造的に弱いため、封止材側から掛かる応力に抵抗できずに層間絶縁層を含む配線を構造的に破壊してしまう不具合が生じ、半導体素子としての機能を発揮することができなくなるという点が問題となっている。半導体装置を製造する際に半導体素子にダメージを与えないようにするために、半導体封止用エポキシ樹脂組成物に低弾性特性を付与するシリコーン系化合物を添加する手法（例えば、特許文献１参照。）や低架橋構造を構成するレジンシステムを用いる手法（例えば、特許文献２参照。）等が開示されている。しかしながら、これらの手法を用いても更なる低誘電性を有する素子には対応が困難になりつつあった。
【０００３】
【特許文献１】特許第２５９５２９２号公報（第１〜４頁）
【特許文献２】特開２００２−１７９７７３号公報（第２〜７頁）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は上記のような従来の問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、低誘電特性を有する素子を用いた半導体装置における組み立て時の発生応力や実装時のリフロー加熱による応力による素子へのダメージを大幅に低減することができるエポキシ樹脂組成物及びこれを用いて製造された半導体装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、
［１］（Ａ）エポキシ樹脂、（Ｂ）硬化剤、（Ｃ）硬化促進剤及び（Ｄ）平均粒径が３０μｍ以下であり、粒径１５０μｍ以上の粒子の含有量が全シリカ粉末中の１重量％未満であり、且つ粒径７５μｍ以上の粒子の含有量が全シリカ粉末中の１０重量％未満であるシリカ粉末を必須成分とする半導体封止用エポキシ樹脂組成物であり、前記樹脂組成物を硬化成形した成形品の任意の断面においてＥＰＭＡ（Electron Probe Micro Analyzer）分析を行った際に、Ｓｉ元素の分布状態のばらつき値が７０以下であることを特徴とするエポキシ樹脂組成物、
【０００６】
［２］前記シリカ粉末が、平均粒径が２５μｍ以下であり、粒径７５μｍ以上の粒子の含有量が全シリカ粉末中の０．５重量％未満であり、且つ粒径５３μｍ以上の粒子の含有量が全シリカ粉末中の１重量％未満であるシリカ粉末である第［１］項記載のエポキシ樹脂組成物、
【０００７】
［３］前記ＥＰＭＡ分析のＳｉ元素の分散状態のばらつき値が５０以下である第［１］又は［２］項記載のエポキシ樹脂組成物、
【０００８】
［４］前記エポキシ樹脂が一般式（１）で表されるエポキシ樹脂である第［１］、［２］又は［３］項のいずれかに記載のエポキシ樹脂組成物、
【化５】
2005281581.tif 000002
（式中、Ｒ１、Ｒ２は水素又は炭素数１〜４のアルキル基で、互いに同一でも異なっていてもよい。ａは０〜３の整数、ｂは０〜４の整数。ｎは平均値で、１〜５の正数。）
【０００９】
［５］前記硬化剤が一般式（２）で表されるフェノール樹脂である第［１］、［２］又は［３］項のいずれかに記載のエポキシ樹脂組成物、
【化６】
2005281581.tif 000003
（式中、Ｒ１、Ｒ２は水素又は炭素数１〜４のアルキル基で、互いに同一でも異なっていてもよい。ａは０〜３の整数、ｂは０〜４の整数。ｎは平均値で、１〜５の正数。）
【００１０】
［６］前記エポキシ樹脂が一般式（１）で表されるエポキシ樹脂であり、且つ前記硬化剤が一般式（２）で表されるフェノール樹脂である第［１］、［２］又は［３］項のいずれかに記載のエポキシ樹脂組成物、
【化７】
2005281581.tif 000004
（式中、Ｒ１、Ｒ２は水素又は炭素数１〜４のアルキル基で、互いに同一でも異なっていてもよい。ａは０〜３の整数、ｂは０〜４の整数。ｎは平均値で、１〜５の正数。）
【化８】
2005281581.tif 000005
（式中、Ｒ１、Ｒ２は水素又は炭素数１〜４のアルキル基で、互いに同一でも異なっていてもよい。ａは０〜３の整数、ｂは０〜４の整数。ｎは平均値で、１〜５の正数。）
【００１１】
［７］第［１］ないし［６］項のいずれかに記載の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半導体装置、
である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に従うと、低誘電特性を有する素子を用いた半導体装置における組み立て時の発生応力や実装時のリフロー加熱による応力による素子へのダメージを大幅に低減することができるエポキシ樹脂組成物及びこれを用いて製造された半導体装置が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明は、低誘電特性の半導体素子を用いた半導体装置において、半導体装置を組み立てる際に発生する応力、及び基盤上に表面実装する際にリフロー加熱により発生する応力を低減するために、エポキシ樹脂組成物の構成成分の分散性に着目し、半導体素子にかかる応力を抑制することができるとの知見をもとになされたものであり、（Ａ）エポキシ樹脂、（Ｂ）硬化剤、（Ｃ）硬化促進剤及び（Ｄ）平均粒径が３０μｍ以下であり、粒径１５０μｍ以上の粒子の含有量が全シリカ粉末中の１重量％未満であり、且つ粒径７５μｍ以上の粒子の含有量が全シリカ粉末中の１０重量％未満であるシリカ粉末を必須成分とする半導体封止用エポキシ樹脂組成物であり、前記樹脂組成物を硬化成形した成形品の任意の断面においてＥＰＭＡ（Electron Probe Micro Analyzer）分析を行った際に、Ｓｉ元素の分布状態のばらつき値が７０以下、望ましくは５０以下であることが重要な因子であることを見いだしたものである。
以下、本発明に関する詳細について説明する。
【００１４】
本発明に用いるＥＰＭＡ（Electron Probe Micro Analyzer）分析装置としては、例えば日本電子（株）製ＪＸＡ−８６００Ｍが挙げられ、その測定条件は例えば以下の通りとすることができる。
加速電圧：１５．０ｋＶ
フ゜ローフ゛電流：５．０×１０-8
分解能  ：２０μｍ
測定面積：８．０×８．０ｍｍ（４００ｐｉｘｅｌ×４００ｐｉｘｅｌ）
分析時間：１５０ｍｓ／ｐｉｘｅｌ
測定元素：Ｓｉ
また、本発明のＥＰＭＡ分析に用いるエポキシ樹脂組成物の成形品の作成条件は、例えば以下の通りとすることができる。
成形温度：１７０℃
成形圧力：２．９ＭＰａ
成形時間：１２０秒
上記の条件により得られたエポキシ樹脂組成物の成形品（５０φｍｍ、厚み３ｍｍ）から約１８ｍｍ×１８ｍｍのサイズに切り出した試料を、エポキシ樹脂系包埋剤で包埋し、観察面を研磨・琢磨後、蒸着を施し、ＥＰＭＡ測定試料とすることができる。
データ解析は、測定Ｓｉ元素の分布状態を強度として扱い、その強度のばらつき具合を標準偏差として算出することができるものである（上記の条件におけるｎ数は、１６００００＝４００×４００）。標準偏差が大きいと成形材料の均質性が少ないことを意味する。
【００１５】
本発明においては、樹脂組成物を硬化成形した成形品の任意の断面においてＥＰＭＡ分析を行った際に、Ｓｉ元素の分布状態のばらつき値が７０以下であることが必須であり、より好ましくは５０以下である。これは、Ｓｉ元素の分布状態を表す強度のばらつき値が７０を越えると成形品の均質性が悪いことを意味し、そのことにより、低誘電素子に対する局部応力が増大し、素子へのダメージ又は素子自体の破壊につながるものである。
樹脂組成物を硬化成形した成形品の任意の断面においてＥＰＭＡ分析を行った際に、Ｓｉ元素の分布状態のばらつき値が７０以下となるようにするには、粒径の大きなシリカ粉末の含有量を規定すること、原材料混合時の混合条件や混合物の微粉砕化、凝集防止を目的とした微粉砕工程の導入等により、調整することができる。
【００１６】
本発明に用いるシリカ粉末としては、結晶構造を特に限定するものではなく、溶融シリカ粉末、結晶シリカ粉末のいずれも使用可能である。また、その形状としても、特に限定するものではなく、不定形、球形のいずれも使用可能である。しかしながら、本発明に用いるシリカ粉末は、平均粒径が３０μｍ以下であり、粒径１５０μｍ以上の粒子の含有量が全シリカ粉末中の１重量％未満であり、且つ粒径７５μｍ以上の粒子の含有量が全シリカ粉末中の１０重量％未満であることが必須である。また、好ましくは、シリカ粉末の平均粒径が２５μｍ以下であり、７５μｍ以上の粒子の含有量が全シリカ粉末中の０．５重量％未満であり、且つ５３μｍ以上の粒子の含有量が全シリカ粉末中の１重量％未満である。
これは、平均粒径が大きく、特定粒径以上の粒子が多いと半導体素子にかかる局部的な応力が大きくなり、半導体素子とエポキシ樹脂組成物の硬化物との界面での剥離や、素子の配線層破壊につながるためである。また、本発明に用いるシリカ粉末は、一般的なカップリング剤による処理をはじめ、レジン成分との相溶性を向上させる処理を施しても差し支えない。
本発明に用いるシリカ粉末の含有量としては、特に限定されないが、全エポキシ樹脂組成物中６０〜９６重量％が好ましく、より好ましくは８０〜９３重量％である。上記下限値を下回ると十分な耐半田性が得られない可能性があり、上記上限値を超えると十分な流動性が得られない可能性がある。
【００１７】
本発明に用いるエポキシ樹脂としては、１分子中にエポキシ基を２個以上有するモノマー、オリゴマー、ポリマー全般を言い、その分子量、分子構造は特に限定されるものではないが、例えばフェニレン及び／又はビフェニレン骨格を有するアラルキル型エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂、ビスフェノール型エポキシ樹脂、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、ナフタレン型エポキシ樹脂、ジシクロペンタジエン変性フェノール型エポキシ樹脂、アルキル変性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等が挙げられ、これらは単独でも混合して用いても差し支えない。その中でも、特に架橋点間距離が長く、強靱性を有しているフェニレン及び／又はビフェニレン骨格を有するフェノールアラルキル型エポキシ樹脂は、ＩＲリフローによる実装時にクラックが発生し難いため好ましく、ビフェニレン骨格を有するアラルキル型エポキシ樹脂がより好ましい。また、樹脂組成物の耐湿性向上のためには、Ｃｌイオン、Ｎａイオン等の不純物イオンが極力少ないことが望ましく、また、硬化性の観点からエポキシ当量としては１５０〜３００ｇ／ｅｑが望ましい。
【００１８】
本発明に用いる硬化剤としては、フェノール系、アミン系、ポリアミノアミド系、酸無水物系が挙げられ、それらの分子構造は特に限定されるものではないが、例えばフェノール系では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、フェニレン及び／又はビフェニレン骨格を有するフェノ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、トリフェノールメタン型フェノール樹脂等、アミン系では脂肪族ジアミンやポリアミン、芳香族ジアミンやポリアミン等、酸無水物系では脂肪族、脂環式、芳香族系等が挙げられ、ポリアミノアミド系ではポリアミノビスマレイミドおよびその誘導体等が挙げられ、これらは単独でも混合して用いても差し支えない。先に挙げたリフロークラック性の観点より、ビフェニレン骨格を有するフェノールアラルキル樹脂が望ましい。
【００１９】
本発明に用いる硬化促進剤は、エポキシ樹脂と硬化剤の反応を促進するものであればよく、一般に封止材料に使用されているものを利用することができる。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、トリフェニルホスフィン等の有機ホスフィン類、２−メチルイミダゾール等のイミダゾール化合物等があり、これらは単独でも混合して用いてもよい。
【００２０】
本発明のエポキシ樹脂組成物は、（Ａ）〜（Ｄ）成分を必須とするが、これ以外に必要に応じて、シランカップリング剤、難燃剤、難燃助剤、離型剤及びシリコーン系や合成ゴム系の低応力剤等の種々の添加剤、着色剤等を適宜配合しても差し支えない。
本発明のエポキシ樹脂組成物は、例えば（Ａ）〜（Ｄ）成分及びその他の添加剤をミキサー等により混合した後、更に熱ロールやニーダー等で溶融混練し、冷却後粉砕して製造すればよい。
Ｓｉ元素の分散性向上には上記に示したミキサーを用いるだけでなく、バッチ式のボールミルや連続式のボールミルおよびそれに相当する措置を用いると更に分散性を向上させることが可能になる。また、凝集防止には混合後に長時間放置しないことが重要である。具体的には混合後１２時間以内に溶融混練工程をおこなうことが望ましい。
【００２１】
本発明のエポキシ樹脂組成物を用いて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。
【実施例】
【００２２】
以下本発明を実施例にて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。
実施例１
【００２３】
エポキシ樹脂１：式（３）で示されるビフェニレン骨格を有するフェノールアラルキル型エポキシ樹脂（軟化点５８℃、エポキシ当量２７２ｇ／ｅｑ）        ８．０重量部
【化９】
2005281581.tif 000006
【００２４】
フェノール樹脂１：式（４）で示されるビフェニレン骨格を有するフェノールアラルキル樹脂（軟化点６５℃、エポキシ当量２００ｇ／ｅｑ）                ６．０重量部
【化１０】
2005281581.tif 000007
【００２５】
１，８−ジアザビシクロ（５，４，０）ウンデセン−７（以下、ＤＢＵという）
０．２重量部
溶融シリカ粉末１（平均粒径２０μｍ、粒径１５０μｍ以上の粒子の配合割合０．１重量％未満、粒径７５μｍ以上の粒子の配合割合０．５重量％、球状）  ８５．５重量部
カルナバワックス                                                ０．３重量部
をミキサーにて常温混合し、８０〜１１０℃で二軸混練機により混練し、冷却後粉砕しエポキシ樹脂組成物を得た。評価結果を表１に示す。
【００２６】
評価方法
ＥＰＭＡ分散性：日本電子（株）製ＪＸＡ−８６００Ｍを用いて、下記の測定条件で測定を行なった。
加速電圧：１５．０ｋＶ
フ゜ローフ゛電流：５．０×１０-8
分解能  ：２０μｍ
測定面積：８．０×８．０ｍｍ（４００ｐｉｘｅｌ×４００ｐｉｘｅｌ）
分析時間：１５０ｍｓ／ｐｉｘｅｌ
測定元素：Ｓｉ
エポキシ樹脂組成物の成形品は、下記の成形条件で作成した。
成形温度：１７０℃
成形圧力：２．９ＭＰａ
成形時間：１２０秒
上記の条件により作成したエポキシ樹脂組成物の成形品（５０φｍｍ、厚み３ｍｍ）を約１８ｍｍ×１８ｍｍのサイズに切り出した試料を、エポキシ樹脂系包埋剤で包埋し、観察面を研磨・琢磨後、蒸着を施し、ＥＰＭＡ測定試料とした。
分散性のデータ解析は、Ｓｉ元素の分布状態を強度として扱い、その強度のばらつき具合を標準偏差として算出したものを用いた。ここで、測定のｎ数は１６万とした。
【００２７】
耐半田性：金型温度１７５℃、注入圧力７．３ＭＰａ、硬化時間１分の成形条件でエポキシ樹脂組成物を１００ｐＴＱＦＰ（半導体素子のサイズは８．０×８．０ｍｍ、リードフレームはＣｕアロイ製）を成形し、１７５℃、８時間で後硬化した。得られたパッケージを、８５℃、相対湿度８５％で１６８時間加湿処理し、その後２４０℃の半田槽に１０秒間浸漬した。半導体素子とエポキシ樹脂組成物の硬化物との界面の剥離の有無、及び素子配線層の破壊の有無を顕微鏡により観察した（ｎ＝１０）。半導体素子と樹脂組成物の硬化物との界面の剥離については剥離面積が２０％を越えたものを不合格とし、素子配線層の破壊については破壊が見られたものを不合格とした。
【００２８】
実施例２〜５、比較例１〜３
表１に示す割合で各成分を配合し、実施例１と同様にしてエポキシ樹脂組成物を得、実施例１と同様にして評価した。結果を表１に示す。
実施例５
実施例４の配合において、同一配合の成分をミキサーにて常温混合し、ボールミルを用いて混合物を微粉砕混合し、作製後６時間後に８０〜１１０℃で二軸混練機により混練し、冷却後粉砕しエポキシ樹脂組成物を得た。評価結果を表１に示す。
【００２９】
実施例１以外で用いた成分について、以下に示す。
エポキシ樹脂２：ビフェニル型エポキシ樹脂（ＪＳＲ製ＹＸ４０００Ｈ、軟化点１０９℃、エポキシ当量１９０）
エポキシ樹脂３：ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂（大日本インキ製ＨＰ−７２００、軟化点６０℃、エポキシ当量２６３）
フェノール樹脂２：フェニレン骨格を有するフェノールアラルキル樹脂（三井化学製ＸＬ２２５−ＬＬ、軟化点７５℃、水酸基当量１７４）
溶融シリカ粉末２（平均粒径１３μｍ、粒径１５０μｍ以上の粒子の配合割合０．１重量％、粒径７５μｍ以上の粒子の配合割合２．０重量％、不定形）
溶融シリカ粉末３（平均粒径２８μｍ、粒径１５０μｍ以上の粒子の配合割合０．１重量％、粒径７５μｍ以上の粒子の配合割合１．０重量％、球状）
溶融シリカ粉末４（平均粒径１５μｍ、粒径１５０μｍ以上の粒子の配合割合０．１重量％未満、粒径７５μｍ以上の粒子の配合割合０．１重量％未満、粒径５３μｍ以上の粒子の配合割合０．５重量％、球状）
溶融シリカ粉末５（平均粒径４０μｍ、粒径１５０μｍ以上の粒子の配合割合２重量％、粒径７５μｍ以上の粒子の配合割合１３重量％、球状）
溶融シリカ粉末６（平均粒径１８μｍ、粒径１５０μｍ以上の粒子の配合割合２重量％、粒径７５μｍ以上の粒子の配合割合８重量％、不定形）
溶融シリカ粉末７（平均粒径２８μｍ、粒径１５０μｍ以上の粒子の配合割合０．５重量％、粒径７５μｍ以上の粒子の配合割合１２重量％、球状）
【００３０】
【表１】
2005281581.tif 000008
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明に従うと、低誘電特性を有する素子を用いた半導体装置における組み立て時の発生応力や実装時のリフロー加熱による応力による素子へのダメージを大幅に低減することができるエポキシ樹脂組成物、及びこれを用いて製造された半導体装置が得られるため、通信用、パソコン用などの産業用途を始め民生用等の半導体装置等に好適に用いることができるものである。