(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
下記（Ａ）〜（D）を含む半導体封止用エポキシ樹脂組成物
（Ａ）クレゾールノボラックエポキシ樹脂
（Ｂ）下記（1）式で示されるフェノールアラルキル型樹脂のみから成る硬化剤を、組成物中に含まれるエポキシ基１モルに対して、該硬化剤中に含まれるフェノール性水酸基のモル比が０．８〜１．２となる量
0005201451.tif 000017
（ｍは０〜１００の整数であり、Ｒ１〜Ｒ４は、互いに独立に、水素原子、炭素数１〜６のアルキル基又はアリール基である）
（Ｃ）球状溶融シリカを、組成物総質量の８２〜８７質量％となる量
（Ｄ）下記（２）式で表される硬化促進剤（ｄ１）及び（３）式で表される硬化促進剤（ｄ２）を、合計で成分（Ａ）と成分（Ｂ）の合計１００質量部に対して０．２〜３質量部となる量、且つ、（ｄ１）に対する（ｄ２）の質量比が０．３〜３となる量
0005201451.tif 000018
（Ｒ３は、互いに独立に、水素原子または炭素数１〜４のアルキル基、又はアルコキシ基である）
0005201451.tif 000019
（Ｒ４は、互いに独立に、水素原子、炭素数１〜４のアルキル基、アルコキシ基、又はヒドロキシ基である）。
【請求項２】
（Ｃ）球状溶融シリカの平均粒径（ｄ５０）が５〜４０μｍである請求項１記載の組成物。
【請求項３】
請求項１または２記載のエポキシ樹脂組成物の硬化物で封止された半導体装置。
【請求項４】
半導体装置の総体積のうち、半導体素子が占める体積が２１〜３２％である、請求項３記載の半導体装置
【請求項５】
基板に表面実装されている、請求項３または４記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体封止用エポキシ樹脂組成物に関し、詳細には特定の硬化剤と充填剤の組合せを含み、反りが小さく、耐リフロー性等に優れた、封止された半導体装置を与えることができる半導体封止用エポキシ樹脂組成物に関する。また、本発明は、該樹脂組成物で封止された、反りが小さく表面実装に適する半導体装置にも関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体デバイスは樹脂封止型のダイオード、トランジスター、ＩＣ、ＬＳＩ、超ＬＳＩが主流である。樹脂封止には、成形性、接着性、電気特性、機械特性、耐湿性等に優れているため、エポキシ樹脂組成物が一般的に使用されている。しかし、ここ数年の半導体素子の高集積化、表面実装技術の進歩及び鉛フリー半田の使用等に伴い、上記諸特性において、さらなる改良が求められている。
【０００３】
例えば、近年ＩＣやＬＳＩの主流となっている、ボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）やＱＦＮなどＭＡＰ（マルチアレイパッケージ）等の、基板上に複数の半導体素子を搭載し、樹脂封止後、半導体素子毎に個片化されるＣＳＰ（チップサイズパッケージ）は、大型であるため、封止樹脂の充填性、即ち、樹脂が隅々まで回り込み、欠陥の無い硬化物を形成する性能、また、基板の片面のみ封止することによる成型後の反りが大きな問題となってきている。
【０００４】
特に高集積化によるチップの大型化、コストダウンの為の半導体素子高密度搭載化、ＭＡＰの封止エリアの大型化、パッケージの薄型化に伴い、パッケージ総体積における封止樹脂が占める体積が少なくなっている。これらの半導体装置では、従来の装置とは反対に、半導体素子搭載側を上にした場合、凸側の反りになりやすい。このような凸型の反りを防止するためには、無機充填剤の量を減らすことが考えられる。しかし、充填剤量が少ないと、樹脂硬化物の吸湿量が増加し、リフロー工程時の熱衝撃によるクラックや基板ないし半導体素子界面との剥離が発生しやすい。
【０００５】
他の方法として、比較的熱膨張の大きい充填剤を用いることも考えられる。そのような充填剤として、球状クリストバライトを使用した組成物も提案されている（特許文献１）。しかしながら、クリストバライトは２６８℃で、α−クリストバライトからβ−クリストバライトへと相転移し、熱膨張が変化する。そのため、最高温度が２６５℃程度になるリフロー工程において、基板と封止樹脂硬化物との界面で剥離が生じ、あるいは基板の反りが大きくなる場合がある。
【特許文献１】特開平１１−３０２５０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明者らは、反りが少なく、欠陥の無い封止された半導体装置（以下「封止体」という）を作ることができる、半導体封止用エポキシ樹脂組成物を提供すべく研究を重ね、特定の樹脂系と無機充填剤との組み合わせにより、反りを低減できることを見出した（特願２００７−０４９６４９号）。本発明は、さらに反りを低減することができる封止用組成物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】
【０００７】
本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討を行った結果、特定の硬化剤を使用すると無機充填剤の組み合わせが上記目的を達成できることを見出した。
【０００８】
即ち、本発明は、下記（Ａ）〜（D）を含む半導体封止用エポキシ樹脂組成物である。
（Ａ）クレゾールノボラックエポキシ樹脂
（Ｂ）下記（1）式で示されるフェノールアラルキル型樹脂のみから成る硬化剤を、組成物中に含まれるエポキシ基１モルに対して、該硬化剤中に含まれるフェノール性水酸基のモル比が０．８〜１．２となる量
0005201451.tif 000002
（ｍは０〜１００の整数であり、Ｒ１〜Ｒ４は、互いに独立に、水素原子、炭素数１〜６のアルキル基又はアリール基である）
（Ｃ）球状溶融シリカを、組成物総質量の８２〜８７質量％となる量
（Ｄ）下記（２）式で表される硬化促進剤（ｄ１）及び（３）式で表される硬化促進剤（ｄ２）を、合計で成分（Ａ）と成分（Ｂ）の合計１００質量部に対して０．２〜３質量部となる量、且つ、（ｄ１）に対する（ｄ２）の質量比が０．３〜３となる量
0005201451.tif 000003
（Ｒ３は、互いに独立に、水素原子または炭素数１〜４のアルキル基、又はアルコキシ基である）
0005201451.tif 000004
（Ｒ４は、互いに独立に、水素原子、炭素数１〜４のアルキル基、アルコキシ基、又はヒドロキシ基である）。
【発明の効果】
【０００９】
上記本発明の組成物は、反りが顕著に小さく、耐リフロー性に優れた封止体を与える。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、各成分につき、詳細に説明する。
［（Ａ）クレゾールノボラックエポキシ樹脂］
本発明組成物の主剤であるエポキシ樹脂は、成形性、熱膨張/収縮性の面から下記（4）式で示されるクレゾールノボラック型エポキシ樹脂（以下「エポキシ樹脂（Ａ）」と称する）である。
0005201451.tif 000005
【００１１】
式（4）において、ｎは０〜１００であり、その平均が０．１〜５０、好ましくは０．５〜２０である。より好ましくは、ｎが１〜５、もしくは、ポリスチレン換算の重量平均分子量が３００〜１５００である。また、ＡＳＴＭ  Ｄ４２８７に従い、コーン／プレート粘度計を用いて１５０℃で測定されるＩＣＩ粘度が、０．１Ｐａ・ｓ以下であることが、後述する（Ｃ）球状の無機充填剤を多く配合することができるので好ましく、より好ましくは０．０１〜０．１Ｐａ・ｓである。
【００１２】
エポキシ樹脂（Ａ）に加えて、本発明の目的が阻害されない範囲の量で、他のエポキシ樹脂を併用してもよい。他のエポキシ樹脂としては、例えば、トリフェノールアルカン型エポキシ樹脂、アラルキル型エポキシ樹脂、ビフェニル骨格含有アラルキル型エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂、ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂、複素環型エポキシ樹脂、ナフタレン環含有エポキシ樹脂、ビスフェノールＡ型エポキシ化合物、ビスフェノールＦ型エポキシ化合物、ビスフェノールＳ型エポキシ化合物、スチルベン型エポキシ樹脂等が挙げられ、これらの２種以上を組み合わせても使用することができる。
【００１３】
エポキシ樹脂（Ａ）は、加水分解性塩素が１０００ｐｐｍ以下、特に５００ｐｐｍ以下であり、ナトリウム及びカリウム量が、それぞれ１０ｐｐｍ以下であることが好ましい。加水分解性塩素が１０００ｐｐｍを超えたり、ナトリウム又はカリウム量が１０ｐｐｍを超える樹脂で封止された半導体装置は、長時間高温高湿下に放置されたときも、耐湿性が劣化し易い傾向がある。
【００１４】
［（Ｂ）フェノールアラルキル型硬化剤］
本発明で用いられる硬化剤（Ｂ）は下記（1）式で表される。
0005201451.tif 000006
式（１）において、ｍは０〜１００の整数であり、好ましくは、１〜１０である。Ｒ1〜Ｒ4は、互いに独立に、水素原子、炭素数１〜6のアルキル基又はアリール基であり、好ましくは水素原子及びメチル基である。
【００１５】
該フェノールアラルキル型硬化剤とエポキシ樹脂（Ａ）との硬化物は、熱膨張及び熱収縮量が大きく、封止体体積に占める半導体素子の体積割合が高い半導体素子の反りを小さくするのに有効である。組成物中の該硬化剤の含有量は、組成物中に含まれるエポキシ基１モルに対して、硬化剤中に含まれるフェノール性水酸基のモル比が０．８〜１．２となる量である。該比が前記範囲外であると、封止体の反りが大きく、耐リフロー性に劣る傾向がある。
【００１６】
上記硬化剤（Ｂ）も、エポキシ樹脂（Ａ）と同様に、ナトリウム及びカリウム量がそれぞれ１０ｐｐｍ以下であることが好ましい。ナトリウム又はカリウムが１０ｐｐｍを超える硬化剤を用いた封止体は、長時間高温高湿下に半導体装置を放置すると、耐湿性が劣化する場合がある。
【００１７】
［（Ｃ）球状溶融シリカ］
本発明の組成物において、（Ｃ）球状の溶融シリカ量は、組成物総重量の８２〜８７重量％である。前記下限値未満では、硬化物の吸湿量が大きくなり、耐リフロー特性が低下する場合がある。前記上限値を超えると、組成物の溶融粘度が高くなり、ワイヤー流れが生じて硬化物中に欠陥が生じ、凸反りが大きくなる場合がある。
【００１８】
球状溶融シリカの平均粒径（ｄ５０）は５〜４０μｍであることが好ましく、より好ましくは７〜３０μｍである。該平均粒径は、例えばレーザー回折・散乱法で測定することができる。
【００１９】
球状充填剤は、樹脂成分との結合強度を強くするため、シランカップリング剤、チタネートカップリング剤などのカップリング剤で予め表面処理することが好ましい。このようなカップリング剤としては、γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、γ−グリシドキシプロピルメチルジエトキシシラン、β−（３，４−エポキシシクロヘキシル）エチルトリメトキシシラン等のエポキシシラン、Ｎ−β（アミノエチル）−γ−アミノプロピルトリメトキシシラン、イミダゾールとγ−グリシドキシプロピルトリメトキシシランの反応物、γ−アミノプロピルトリエトキシシラン、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、γ−メルカプトシラン、γ−エピスルフィドキシプロピルトリメトキシシラン等のメルカプトシランなどのシランカップリング剤を用いることが好ましい。カップリング剤の配合量及び表面処理方法については従来法に従ってよい。
【００２０】
［（Ｄ）硬化促進剤］
本発明の組成物は、エポキシ樹脂（Ａ）と硬化剤（Ｂ）との反応を促進するため、下記（３）式で表される硬化促進剤（ｄ１）及び（４）式で表される硬化促進剤（ｄ２）を含む。
0005201451.tif 000007
Ｒ３は、互いに独立に、水素原子または炭素数１〜４のアルキル基、又はアルコキシ基であり、好ましくは水素原子である。
0005201451.tif 000008
Ｒ４は、互いに独立に、水素原子、炭素数１〜４のアルキル基、アルコキシ基、又はヒドロキシ基であり、好ましくは水素原子である。
【００２１】
硬化促進剤（Ｄ）の組成物中の含有量は、（ｄ１）と（ｄ２）の合計質量が、成分（Ａ）と成分（Ｂ）の合計１００質量部に対して０．２〜３質量部、好ましくは０．９〜２質量部である。含有量が前記下限値未満では、硬化までの時間が長くなりすぎる為、生産性が低下する。前記上限値よりも大きくなると、硬化時間が短くなり、未充填、ワイヤー流れなどを引き起こす傾向がある。
【００２２】
さらに、（ｄ１）に対する（ｄ２）の質量比、（ｄ２）／（ｄ１）、は０．３〜３、好ましくは０．５〜３である。（ｄ１）と（ｄ２）の合計質量が同じであっても、該質量比が前記下限値未満では硬化性が早くなり、充填性が不十分となる恐れがあり、前記上限値を超えると硬化性が不十分であり、反り、耐リフロー性が低下する場合がある。（ｄ１）と（ｄ２）は、そのまま配合しても硬化剤（Ｂ）と予混合した後に配合してもかまわない。
【００２３】
本発明の樹脂組成物には、上記成分に加えて、必要に応じて各種の添加剤を配合することができる。例えば、カルナバワックス、脂肪酸エステル等の離型剤、カーボンブラック等の着色剤、モリブデン酸亜鉛担持タルク、モリブデン酸亜鉛担持亜鉛、ホスファゼン化合物、シリコーン化合物等の難燃剤、ハイドロタルサイト類、ビスマス化合物、希土類酸化物等のハロゲントラップ剤等が挙げられる。
【００２４】
［エポキシ樹脂組成物の調製等］
本発明の封止樹脂組成物は、成分（Ａ）〜（D）及び、所望により上記添加剤を、所定の組成比で配合し、これをミキサー等によって十分混合して均一にした後、熱ロール、ニーダー、エクストルーダー等による溶融混合処理を行い、次いで、冷却固化させた後、適当な大きさに粉砕して調製することができる。
【００２５】
なお、組成物をミキサー等によって混合するに際して、ウエッターとしてシランカップリング剤を配合してよい。該シランカップリング剤としては、球状充填剤の表面処理に関して既に述べたものを使用することができる。
【００２６】
このようにして得られる本発明の半導体封止用樹脂組成物は、各種の半導体装置の封止に有効に利用できる。封止の最も一般的な方法としては、低圧トランスファー成形法が挙げられ、その成形温度は１５０〜１８５℃で３０〜１８０秒である。また、後硬化は１５０〜１８５℃で２〜２０時間行うことが望ましい。
【００２７】
以下、実施例により、本発明をさらに説明するが、本発明は下記の実施例に制限されるものではない。
【実施例】
【００２８】
［実施例１〜５、比較例１〜５］
表２に示す量（質量部）の各成分を、熱２本ロールにて均一に溶融混合した後、冷却し、次いで、粉砕して半導体封止用エポキシ樹脂組成物を得た。表中の各成分を下記に示す。
【００２９】
（Ａ）クレゾールノボラックエポキシ樹脂
（イ）（4）式のクレゾールノボラックエポキシ樹脂：ＥＯＣＮ−１０２０−５５、日本化薬（株）製）
0005201451.tif 000009
（Ｍｗ＝５００）
（Ｂ）フェノールアラルキル硬化剤
（ロ）下記式（1）式で表されるフェノールアラルキル樹脂
0005201451.tif 000010
（式中  Ｒ１及びＲ３は水素、Ｒ２及びＲ４はメチル基、Mｗ＝１，３００）
（Ｃ）球状充填剤
（ホ）球状溶融シリカ：平均粒径１２μｍ（（株）龍森製）
（Ｄ）硬化促進剤
（ト）硬化促進剤（ｄ１）
0005201451.tif 000011
（チ）硬化促進剤（ｄ２）：ＴＰＰ−Ｋ（北興化学（株）製）
0005201451.tif 000012
その他の成分
（リ）離型剤：カルナバワックス、TOWAX132（東亜化成株式会社製）
（ヌ）シランカップリング剤：ＫＢＭ−４０３、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）製）
（ル）着色剤：デンカブラック（電気化学工業（株）製）
比較例で使用の材料
（Ｂ）以外の硬化剤
（ハ）ＭＥＨ−７８００ＳＳ（明和化成（株）製）フェノール性水酸基当量１７５）
0005201451.tif 000013
（Ｍｗ＝９００）
（ニ）ＭＥＨ−７８５１ＳＳ（明和化成（株）製）フェノール性水酸基当量１９９
0005201451.tif 000014
（Ｍｗ＝７６０）
（ヘ）球状クリストバライト： 粒径２６μｍ（（株）龍森製）
【００３０】
得られた組成物を、以下の方法で評価した。結果を表２に示す。
（ａ）スパイラルフロー値
ＥＭＭＩ規格に準じた金型を使用して、１７５℃、６．９Ｎ／ｍｍ２の条件で測定した。５０インチ以上が好ましい。
（ｂ）溶融粘度
高化式フローテスターを用い、１０ｋｇｆの加圧下、直径１ｍｍのノズルを用い、温度１７５℃で粘度を測定した。最低粘度が１０Ｐａ・ｓ以下であることが好ましい。
（ｃ）反り量
図１に示す断面構造、但し、表１に示すチップ数N（装置１：４×４、装置２：５×５）の半導体装置を作製した。表１のサイズＦ〜Lは、図２に示すとおりである。使用した基板及びダイボンド剤は以下のとおりである。
有機回路基板：ＣＣＬ−ＨＬ−８３２、三菱ガス化学製、ガラス転移温度１８０℃、ガラス転移温度以下熱膨張係数１．５×１０−５／℃、ガラス転移温度以上の熱膨張/収縮係数１．１×１０−５／℃；
ダイボンド剤：Ａｂｌｅ６２０２Ｃ、日本Ａｂｌｅｓｔｉｃｋ社製、ガラス転移温度４０℃、ガラス転移温度以下の熱膨張７．０×１０−５／℃、ガラス転移温度超の熱膨張係数３５．０×１０−５／℃、硬化後の厚み５０μｍ。
上記装置を、各組成物により、１７５℃、６．９Ｎ／ｍｍ２、成形時間１２０秒で封止した。得られた半導体装置を、室温まで冷却した後、レーザー三次元測定機を用いて、対角線方向に高さの変位を測定し、変位差の最も大きい値を基板の反り量とした。表３において、凸型の反りの値を正の値、凹型の反りを負の値で表した。＋／−５００μｍ以下であることが好ましい。
【００３１】
【表１】
0005201451.tif 000015
（ｄ）耐リフロー性
反り量の測定をした半導体装置２を、チップ毎に切断し、８５℃／６０％ＲＨの恒温恒湿器に１６８時間放置した後、半導体パッケージの表面温度が、図３に示す変化を示すような温度プロフィールのＩＲリフローを３回通した後に、超音波探査装置を用いて内部クラック又は剥離の発生したチップ数を数えた。
【００３２】
【表２】
0005201451.tif 000016
【産業上の利用可能性】
【００３３】
実施例１〜５の組成物で封止された装置は、反りがいずれも５００μｍ以下であり、耐リフロー性にも優れた。
これに対して、本発明の（Ｂ）成分以外の硬化剤を含む比較例１及び２の組成物で封止された装置、特に装置２は反りが大きかった。
球状シリカの量が少ない比較例３の組成物は装置１で、及び球状シリカの量が多い比較例４の組成物は装置２で、夫々、反りが大きくなった。
比較例５の組成物は、球状クリストバライトを含み、該組成物で封止された装置はリフロー工程でクラックが発生した。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】ボードオンチップボールグリッドアレイパッケージの一例の断面図である。
【図２】実施例で作成したボードオンチップボールグリッドアレイパッケージ及び該パッケージ中の半導体素子の体積の求め方を示す平面図及び断面図である。
【図３】実施例で使用したＩＲリフローの温度プロフィールを示す図である。
【符号の説明】
【００３５】
１  エポキシ樹脂組成物
２  半導体チップ
３  ダイボンド層
４  有機回路基板
５  ワイヤー
６  エポキシ樹脂組成物
【図１】
0005201451.tif 000020
【図２】
0005201451.tif 000021
【図３】
0005201451.tif 000022