(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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を封止する際に使用するエリア実装型半導体封止用エポキシ樹脂組成物であって、（Ａ）一般式（１）で示されるエポキシ樹脂、（Ｂ）一般式（２）で示されるフェノール樹脂、（Ｃ）硬化促進剤、及び（Ｄ）無機充填材を必須成分とし、全エポキシ樹脂組成物中に含有される臭素原子及びアンチモン原子が、それぞれ０．１重量％未満であるエリア実装型半導体封止用エポキシ樹脂組成物。
【化１】
0004556324.tif 000011
（Ｒ1は炭素数１〜４のアルキル基であり、互いに同一でも異なっていてもよい。ａは０〜４の整数、ｂは０〜３の整数。ｎは平均値で、１〜１０の正数。）
【化２】
0004556324.tif 000012
（Ｒ2は炭素数１〜４のアルキル基であり、互いに同一でも異なっていてもよい。ｃは０〜４の整数、ｄは０〜３の整数。ｎは平均値で、１〜１０の正数。）
【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記載のエリア実装型半導体封止用エポキシ樹脂組成物によって封止されていることを特徴とするエリア実装型半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、反りが小さく、耐半田クラック性、難燃性に優れた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。
【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、半導体の高集積化が年々進み、又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）が代表的であるが、これらは従来ＱＦＰ、ＳＯＰ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・マルチチップ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／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。又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。ごく希に、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樹脂組成物の硬化物との間での線膨張・熱収縮の不整合、或いは樹脂組成物の成形・硬化時の硬化収縮による影響により、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。又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、電気的接合信頼性が低下する問題も起こる。
【０００４】
又赤外線リフロー、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、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、基板の素子搭載面と樹脂組成物の硬化物との界面で剥離が発生することもあり、硬化物の低応力化・低吸湿化とともに、基板との密着性も求められる。
更に基板と硬化物の線膨張係数の不整合により、信頼性テストの代表例である温度サイクル試験でも、基板／硬化物界面の剥離や半導体装置の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、かつ無機充填材の配合量を増加することにより、低Ｔｇ化かつ低吸湿化を行う対策がとられてきた。しかし、この手法では、片面封止型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。
【０００５】
基板上の実質的に片面のみを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、基板の線膨張係数と樹脂組成物の硬化物の線膨張係数を近付けること、及び樹脂組成物の硬化収縮を小さくする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ガラス転移温度（以下、Ｔｇという）の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。従って、樹脂組成物もＴｇが高く、かつα1 が回路基板と同じであり、更に硬化収縮がゼロであれば反りはほぼゼロであると考えられる。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。
【０００６】
ところが、一分子中に３個以上のエポキシ基を有する多官能型エポキシ樹脂と一分子中に３個以上のフェノール性水酸基を有する多官能型フェノール樹脂との組み合わせ系は吸水率が大きいこと、半田処理温度でも高弾性を示し、発生応力が高いことなどから、半田処理時のクラック発生や界面剥離の発生が解決されていない。信頼性に優れる半導体装置を得るには、回路基板や半導体素子と樹脂組成物の硬化物との密着性を高めることが必須の条件であった。
【０００７】
一方、半導体封止用エポキシ樹脂組成物には難燃剤成分として、臭素含有の化合物、及び三酸化アンチモン、四酸化アンチモン、五酸化アンチモン等のアンチモン化合物が配合されている。しかしながら、世界的な環境保護の意識の高まりの中、臭素含有の有機化合物や、アンチモン化合物を使用せずに難燃性を有するエポキシ樹脂組成物の要求が大きくなってきている。
更に、半導体装置を１５０〜２００℃での高温で長時間保管すると、難燃剤である臭素化合物やアンチモン化合物は、半導体素子の抵抗値の増加や、金線の断線を引き起こすことが知られている。この観点からも、臭素化合物やアンチモン化合物を使用しないで、高温保管特性に優れるエポキシ樹脂組成物の開発が求められている。
【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、半田処理時の信頼性に優れ、更に難燃性にも優れるため、臭素化合物、アンチモン化合物を削減もしくは含まず、高温保管特性を向上させた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）  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を封止する際に使用するエリア実装型半導体封止用エポキシ樹脂組成物であって、（Ａ）一般式（１）で示されるエポキシ樹脂、（Ｂ）一般式（２）で示されるフェノール樹脂、（Ｃ）硬化促進剤、及び（Ｄ）無機充填材を必須成分とし、全エポキシ樹脂組成物中に含有される臭素原子及びアンチモン原子が、それぞれ０．１重量％未満であるエリア実装型半導体封止用エポキシ樹脂組成物、
【化３】
0004556324.tif 000002
（Ｒ1は炭素数１〜４のアルキル基であり、互いに同一でも異なっていてもよい。ａは０〜４の整数、ｂは０〜３の整数。ｎは平均値で、１〜１０の正数。）
【００１０】
【化４】
0004556324.tif 000003
（Ｒ2は炭素数１〜４のアルキル基であり、互いに同一でも異なっていてもよい。ｃは０〜４の整数、ｄは０〜３の整数。ｎは平均値で、１〜１０の正数。）
（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第（１）項記載のエリア実装型半導体封止用エポキシ樹脂組成物によって封止されていることを特徴とするエリア実装型半導体装置、
である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明に用いられる一般式（１）で示されるエポキシ樹脂について述べる。汎用のオルソクレゾールノボラック型エポキシ樹脂をエポキシ化する前のベース樹脂は、メチレン結合を介してオルソクレゾールが繰り返し構造に組み込まれているのに対し、本発明で用いられる一般式（１）で示されるエポキシ樹脂は、エポキシ化する前のベース樹脂がパラキシリレン類結合を介してフェノール類が繰り返し構造に組み込まれているため、このベース樹脂をエポキシ化したエポキシ樹脂を用いたエポキシ樹脂組成物は、耐熱性を低下させることなく、エポキシ基の官能基密度が適当に緩和されることにより、耐半田クラック性及び熱時強度等が優れているものと考えられる。更にフェノール類間がパラキシリレン類で結合されているため、主鎖中の芳香環の含有率が一定で、かつフェノール樹脂との結合点濃度が小さくなる。従って硬化物中の芳香環含有率が増加し、難燃性に優れ、かつ耐湿性にも優れている。一般式（１）で示されるエポキシ樹脂の内では、硬化性の点から、式（３）で示される樹脂が好ましい。
【００１２】
【化５】
0004556324.tif 000004
（ｎは平均値で、１〜１０の正数。）
【００１３】
一般式（１）で示される樹脂の特性を損なわない範囲で他のエポキシ樹脂と併用することができる。併用する場合の一般式（１）のエポキシ樹脂の配合量としては、全エポキシ樹脂中に２０重量％以上が好ましく、更に望ましくは５０重量％が好ましい。２０重量％未満だと難燃性及び熱時強度が低下するため好ましくない。
併用するエポキシ樹脂としては、分子内にエポキシ基を有するモノマー、オリゴマー、ポリマー全般を指し、例えば、ビスフェノールＡ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、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、ビフェニル型エポキシ樹脂、ハイドロキノン型エポキシ樹脂、スチルベン型エポキシ樹脂、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂等が挙げられるが、これらは限定されるものではない。
【００１４】
一般式（２）で示されるフェノール樹脂は、一分子中に３個以上の水酸基を有しており、これを用いたエポキシ樹脂組成物の硬化物は、汎用のフェノールノボラック樹脂を用いた場合に比べ、架橋密度が高く、高いＴｇとなる特徴があるため、硬化収縮量が少なく、成形後の半導体装置の反り量が小さくなる。
一般式（２）で示されるフェノール樹脂の内では、硬化性の点から、式（４）で示される樹脂が好ましい。
【００１５】
【化６】
0004556324.tif 000005
（ｎは平均値で、１〜１０の正数。）
【００１６】
一般式（２）で示される樹脂の特性を損なわない範囲で他のフェノール樹脂と併用することができる。併用する場合の一般式（２）のエポキシ樹脂の配合量としては、全フェノール樹脂中に２０重量％以上が好ましく、更に望ましくは５０重量％が好ましい。 ２０重量％未満だと、Ｔｇが低下するとともに架橋密度が高くならず、硬化収縮量が増大し、成形後の半導体装置の反り量が大きくなり、好ましくない。
併用するフェノール樹脂としては、分子内にフェノール性水酸基を有するモノマー、オリゴマー、ポリマー全般を指し、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、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、等が挙げられるが、これらは限定されるものではない。
【００１７】
本発明に用いられる硬化促進剤は、エポキシ樹脂と樹脂との架橋反応の触媒であり、具体例としては、トリブチルアミン、１，８−ジアザビシクロ（５，４，０）ウンデセン−７等のアミン系化合物、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。これらの硬化促進剤は単独でも混合して用いてもよい。
【００１８】
本発明に用いられる無機充填材としては、溶融シリカ、結晶シリカ、アルミナ、窒化珪素等が挙げられ、これらは単独でも混合して用いてもよい。これらの内では、球形度の高い溶融シリカを全量、あるいは一部破砕シリカを併用することが好ましい。無機充填材の平均粒径としては５〜３０μｍ、最大粒径としては１５０μｍ以下が好ましく、特に平均粒径５〜２０μｍ、最大粒径７４μｍ以下が好ましい。又粒子の大きさの異なるものを混合することにより充填量を多くすることができる。無機充填材は、予めシランカップリング剤等で表面処理されているものを用いてもよい。
【００１９】
本発明のエポキシ樹脂組成物は、（Ａ）〜（Ｄ）成分の他、必要に応じて臭素化エポキシ樹脂、三酸化アンチモン等の難燃剤を含有することは差し支えないが、半導体装置の１５０〜２００℃の高温下での電気特性の安定性が要求される用途では、臭素原子、アンチモン原子の含有量が、それぞれ全エポキシ樹脂組成物中に０．１重量％未満であることが好ましく、全く含まれない方がより好ましい。臭素原子、アンチモン原子のいずれかが０．１重量％以上だと、半導体装置を高温下に放置したときに半導体装置の抵抗値が時間と共に増大し、最終的には半導体素子の金線が断線する不良が発生する可能性がある。又環境保護の点からも、臭素原子、アンチモン原子のそれぞれの含有量が０．１重量％未満で、極力含有されていないことが望ましい。
【００２０】
本発明のエポキシ樹脂組成物は、（Ａ）〜（Ｄ）成分を必須成分とするが、これ以外に必要に応じてシランカップリング剤、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、及びシリコーンオイル、ゴム等の低応力添加剤を始め、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組成物は、（Ａ）〜（Ｄ）成分、及びその他の添加剤等をミキサー等によって充分に均一に混合した後、更に熱ロール又はニーダー等で溶融混練し、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、半導体素子等の各種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。
【００２１】
【実施例】
以下、本発明を実施例で具体的に説明する。配合割合は重量部とする。
実施例１
0004556324.tif 000006
をミキサーを用いて混合した後、表面温度が９０℃と４５℃の２本ロールを用いて混練し、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１に示す。
【００２２】
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℃、射出圧力７０Ｋｇ／ｃｍ2、硬化時間２分で測定した。
ガラス転移温度（Ｔｇ）：樹脂組成物を１７５℃、射出圧力７０Ｋｇ／ｃｍ2、２分間トランスファー成形したテストピースを、更に１７５℃、８時間で後硬化し、熱機械分析装置［セイコー電子（株）製ＴＭＡ−１２０、昇温速度５℃／分］で測定した。
硬化収縮率：金型温度１８０℃、射出圧力７５Ｋｇ／ｃｍ2、２分間でトランスファー成形したテストピースを、更に１７５℃、８時間で後硬化した。１８０℃に加熱された状態の金型のキャビティ寸法と、１８０℃に加熱された成形品の寸法を、ノギスを用いて測定し、（成形品寸法）／（金型キャビティ寸法）の比率で硬化収縮率を表した。単位は％。
熱時強度：２４０℃での曲げ強度をＪＩＳ  Ｋ  ６９１１に準じて測定した。
単位はＮ／ｍｍ2 。
パッケージ反り量：２２５ピンＢＧＡパッケージ（基板は０．３６ｍｍ厚ＢＴ樹脂基板、パッケージサイズは２４×２４ｍｍ、厚み１．１７ｍｍ、シリコンチップはサイズ９×９ｍｍ、厚み０．３５ｍｍ、チップと回路基板のボンディングパッドとを２５μｍ径の金線でボンディングしている）を１８０℃の金型温度、射出圧力７５ｋｇ／ｃｍ2 で２分間トランスファー成形を行い、更に１７５℃で８時間、後硬化した。室温に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反り量とした。
難燃性：試験片（厚さ１／１６インチ）を、金型温度１７５℃、射出圧力７０Ｋｇ／ｃｍ2、硬化時間２分でトランスファー成形し、ＵＬ−９４垂直試験を行い、ΣＦ、Ｆmaxを求めた。
耐半田クラック性：パッケージ反り量測定に用いた成形品パッケージを８５℃、相対湿度６０％の環境下で１６８時間放置し、その後２４０℃の半田槽に１０秒間浸漬した。顕微鏡でパッケージを観察し、外部クラックを［（クラック発生パッケージ数）／（全パッケージ数）×１００］％で表示した。又チップと樹脂組成物の硬化物との剥離面積の割合を超音波探傷装置を用いて測定し、剥離率を［（剥離面積）／（チップ面積）×１００］％で表示した。
高温保管特性：模擬素子を２５μｍ径の金線で配線した１６ピンＳＯＰを、金型温度１７５℃、射出圧力７０Ｋｇ／ｃｍ2、硬化時間２分でトランスファー成形し、１７５℃、８時間で後硬化した。１８５℃の恒温槽で処理し、一定時間毎にピン間の抵抗値を測定した。初期の抵抗値から１０％以上抵抗値が増大したパッケージ数が、１５個中８個以上になった恒温槽処理時間を高温保管特性として表示した。この時間が長いと、高温安定性に優れていることを示す。単位は時間。
臭素原子、アンチモン原子の含有量：直径４０ｍｍ、厚さ５〜７ｍｍの成形品を金型温度１７５℃、射出圧力７０Ｋｇ／ｃｍ2、硬化時間２分でトランスファー成形し、蛍光Ｘ線分析装置を用いて、全エポキシ樹脂組成物中の臭素原子、アンチモン原子の含有量を定量した。単位は重量％。
【００２３】
実施例２〜６、比較例１〜３
表１、の配合に従って、実施例１と同様に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。
なお、実施例、及び比較例で用いた材料を以下に示す。
オルソクレゾールノボラック型エポキシ樹脂（軟化点５５℃、エポキシ当２００）
ビフェニル型エポキシ樹脂（融点１０５℃、エポキシ当量１９５：油化シェルエポキシ（株）・製、ＹＸ４０００）
式（５）で示されるエポキシ樹脂（軟化点６０℃、エポキシ当量１７０）
【化７】
0004556324.tif 000007
【００２４】
フェノールノボラック樹脂（軟化点８０℃、水酸基当量１０４）
式（６）で示されるフェノール樹脂（軟化点１２０℃、水酸基当量１７３）
【化８】
0004556324.tif 000008
【００２５】
式（７）で示されるフェノール樹脂（軟化点７１℃、水酸基当量１７０）
【化９】
0004556324.tif 000009
臭素化フェノールノボラック型エポキシ樹脂（軟化点８４℃、エポキシ当量２８５、臭素原子含有率３５重量％：日本化薬（株）・製、ＢＲＥＮ−Ｓ）
【００２６】
【表１】
0004556324.tif 000010
【００２７】
【発明の効果】
本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物は、成形後や半田処理後の反りが小さく、流動性、硬化性等の成形性、及び半導体素子、リードフレーム等の各種部材との接着性に優れ、硬化物の高温時における高強度と低吸湿性により、これを用いた半導体装置は基板実装時における耐半田クラック性に優れ、更に臭素化合物、アンチモン化合物を配合しなくても難燃性に優れるため、高温保管特性に優れる。