(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子と、該半導体素子が搭載される基板と、該半導体素子を封止するエポキシ樹脂組成物の硬化物とを具備する半導体装置であって、該基板に対して片面にのみ該エポキシ樹脂組成物が形成されており、かつ該エポキシ樹脂組成物がエポキシ樹脂（Ａ）、フェノールノボラック樹脂とトリスヒドロキシメタンとを含む硬化剤（Ｂ）、充填材（Ｃ）、メルトフローレートが２０ｇ／１０ｍｉｎ以上のエラストマー（Ｄ）を含有し、該エポキシ樹脂組成物の硬化物の、２３℃での曲げ弾性率が１０〜３０ＧＰａ、２３℃からガラス転移点までの線膨張係数が４×１０-6〜２０×１０-6／Ｋ、かつ２３℃での曲げ弾性率と２３℃からガラス転移点までの線膨張係数の積が、３×１０-4ＧＰａ／Ｋ以下であり、さらに該エポキシ樹脂組成物の硬化物の、ガラス転移点温度が１５０℃以上であることを特徴とする樹脂封止型半導体装置。
【請求項２】
エポキシ樹脂組成物の硬化物の２３℃でからガラス転移点までの線膨張係数が４×１０-6〜１６×１０-6／Ｋであることを特徴とする請求項１記載の樹脂封止型半導体装置。
【請求項３】
エポキシ樹脂組成物の硬化物の２３℃からガラス転移点までの線膨張係数が８×１０-6〜１６×１０-6／Ｋ、ガラス転移温度が１７０℃以上であることを特徴とする請求項１記載の樹脂封止型半導体装置。
【請求項４】
半導体素子と、該半導体素子が搭載される基板と、エポキシ樹脂組成物を具備し、該基板に対して片面にのみ該エポキシ樹脂組成物が形成される半導体を封止するためのエポキシ樹脂組成物であって、該エポキシ樹脂組成物がエポキシ樹脂（Ａ）、フェノールノボラック樹脂とトリスヒドロキシメタンとを含む硬化剤（Ｂ）、充填材（Ｃ）、メルトフローレートが２０ｇ／１０ｍｉｎ以上のエラストマー（Ｄ）を含有し、該エポキシ樹脂組成物の硬化物の、２３℃での曲げ弾性率が１０〜３０ＧＰａ、２３℃℃からガラス転移点までの線膨張係数が４×１０-6〜２０×１０-6／Ｋ、かつ２３℃での曲げ弾性率と２３℃でからガラス転移点までの線膨張係数の積が、３×１０-4ＧＰａ／Ｋ以下であり、さらに該エポキシ樹脂組成物の硬化物の、ガラス転移点温度が１５０℃以上であることを特徴とする樹脂封止型半導体装置用エポキシ樹脂組成物。
【請求項５】
エポキシ樹脂組成物の硬化物の２３℃からガラス転移点までの線膨張係数が４×１０-6〜１６×１０-6／Ｋであることを特徴とする請求項４記載の樹脂封止型半導体装置用エポキシ樹脂組成物。
【請求項６】
エポキシ樹脂組成物の硬化物の２３℃からガラス転移点までの線膨張係数が８×１０-6〜１６×１０-6／Ｋ、ガラス転移温度が１７０℃以上であることを特徴とする請求項４記載の樹脂封止型半導体装置用エポキシ樹脂組成物。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、樹脂封止型半導体装置および樹脂封止型半導体装置用エポキシ樹脂組成物に関するものである。特に半導体装置基板の片面にのみ封止樹脂が形成されている半導体装置、およびこの半導体装置に用いる封止用エポキシ樹脂に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
現在半導体メモリなどの半導体装置（パッケージ）の多くが、エポキシ樹脂と無機充填材を主成分とする樹脂組成物で封止されている。これは樹脂組成物が従来の材料よりも、安価で生産性が高いなどの点で優れているためである。近年パッケージ生産技術の進歩と、技術開発の結果、更なる低価格で生産、実装のできるパッケージの形態として、ボール・グリッド・アレイ（以下、ＢＧＡ）が考案された。ＢＧＡは半導体基板上にＩＣを配置し、その半導体基板の片面のみを樹脂組成物で封止するという構造を持つ。そのために、ＢＧＡは樹脂組成物と半導体基板の線膨張率の違いから温度によるそりが生じやすい。そりの大きいＢＧＡのパッケージは実装基板への半田付け工程で不良が多くなる原因になる。そしてこのＢＧＡもまた、他のパッケージと同様に、流動性をはじめとする成形性や、信頼性を特性として要求する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上述した従来の樹脂組成物の問題を解決すること、すなわちパッケージのそり量を小さくし、かつ十分な流動性、信頼性を持つエポキシ樹脂組成物、および該エポキシ樹脂組成物によって封止された半導体装置を提供することを課題とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記解決するため、本発明の樹脂封止型半導体装置は次の構成を有する。すなわち、
「半導体素子と、該半導体素子が搭載される基板と、該半導体素子を封止するエポキシ樹脂組成物の硬化物とを具備する半導体装置であって、該基板に対して片面にのみ該エポキシ樹脂組成物が形成されており、かつ該エポキシ樹脂組成物がエポキシ樹脂（Ａ）、フェノールノボラック樹脂とトリスヒドロキシメタンとを含む硬化剤（Ｂ）、充填材（Ｃ）、メルトフローレートが２０ｇ／１０ｍｉｎ以上のエラストマー（Ｄ）を含有し、該エポキシ樹脂組成物硬化物の、２３℃での曲げ弾性率が１０〜３０ＧＰａ、２３℃からガラス転移点までの線膨張係数が４×１０-6〜２０×１０-6／Ｋ、かつ２３℃での曲げ弾性率と２３℃でからガラス転移点までの線膨張係数の積が、３×１０-4Ｐａ／Ｋ以下であり、さらに該エポキシ樹脂組成物硬化物の、ガラス転移点温度が１５０℃以上であることを特徴とする樹脂封止型半導体装置」である。
【０００５】
また、本発明の樹脂封止型半導体装置用エポキシ樹脂組成物は次の構成を有する。すなわち、
「半導体素子と、該半導体素子が搭載される基板と、エポキシ樹脂組成物を具備し、該基板に対して片面にのみ該エポキシ樹脂組成物が形成される半導体封止用エポキシ樹脂組成物であって、該エポキシ樹脂組成物がエポキシ樹脂（Ａ）、フェノールノボラック樹脂とトリスヒドロキシメタンとを含む硬化剤（Ｂ）、充填材（Ｃ）、メルトフローレートが２０ｇ／１０ｍｉｎ以上のエラストマー（Ｄ）を含有し、該エポキシ樹脂組成物硬化物の、２３℃での曲げ弾性率が１０〜３０ＧＰａ、２３℃でからガラス転移点までの線膨張係数が４×１０-6〜２０×１０-6／Ｋ、かつ２３℃での曲げ弾性率と２３℃からガラス転移点までの線膨張係数の積が、３×１０-4ＧＰａ／Ｋ以下であり、さらに該エポキシ樹脂組成物硬化物の、ガラス転移点温度が１５０℃以上であることを特徴とする樹脂封止型半導体装置用エポキシ樹脂組成物」である。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の構成を詳述する。
【０００７】
本発明における半導体装置は図１または図２に示すように、半導体素子と、該半導体素子が搭載される基板２と該半導体素子を封止するエポキシ樹脂組成物３とを具備し、該基板の半導体素子搭載面側である片面にのみエポキシ樹脂組成物３が成形されている。必要に応じて半導体素子１と基板２との間に接着層４を持つことも可能である。また基板２は通常、基板基材２ａ、パターン形成された金属配線２ｃ（図1および図２ではパターンの図示はない）および外部との電気的導通を取るために、基板基材２ｂに貫通して部分的に通電部２ｂが設けられる。また、半導体素子１と金属配線２ｃとをつなぐリード配線５を設けることもできる。
【０００８】
本発明の半導体装置は、基板２上に半導体素子１が搭載された半導体装置予備装置を準備し、予備装置を配置した金型内でエポキシ樹脂組成物を成形することにより得られる。成形にあたってエポキシ樹脂組成物は通常粉末、ペレット状またはタブレット状のものが使用される。そして、該エポキシ樹脂組成物をたとえば１２０〜２５０℃、好ましくは１５０〜２００℃の温度で、トランスファー成形、インジェクション成形、注型法などの公知の方法で成形することによって製造される。また必要に応じて追加加熱（たとえば、１５０〜１８０℃、２〜１６時間）を行うことができる。
【０００９】
本発明において、基板基材２ａに用いる材料はとくに限定されないが、半導体素子が駆動することによって発生する熱を逃がす必要があることから、放熱特性の良好な材料を用いなければならない。かつ増大する外部電極と高速化する信号を取り出すためには低誘電率の材料を用いる必要性がある。このような材料としては、セラミック、合成樹脂など、好ましくはエポキシ、ビスマレイミドトリアジン、ポリイミドが挙げられる。
【００１０】
本発明でいうエポキシ樹脂組成物の硬化物とは、本発明のエポキシ樹脂組成物を、たとえば１２０〜２５０℃、好ましくは１５０〜２００℃の温度で、トランスファー成形、インジェクション成形、注型法などの公知の方法で成形し、必要に応じて追加加熱（たとえば、１５０〜１８０℃、２〜１６時間）を行って得られたもので、通常はエポキシ基の化学反応がほぼ完結するか、またはエポキシ樹脂組成物の物理特性がほぼ飽和に達したものである。
【００１１】
本発明におけるエポキシ樹脂組成物の硬化物は、２３℃での曲げ弾性率が１０〜３０ＧＰａ、２３℃からガラス転移点までの線膨張係数が４×１０-6〜２０×１０-6／Ｋ、好ましくは４×１０-6〜１６×１０-6／Ｋ、とくに好ましくは８×１０-6〜１６×１０-6／Ｋ、かつ２３℃での曲げ弾性率と２３℃でからガラス転移点までの線膨張係数の積が、３×１０-4ＧＰａ／Ｋ以下であり、さらにガラス転移点温度が１５０℃以上、好ましくは１７０℃以上である。
【００１２】
エポキシ樹脂組成物の硬化物がこの範囲の物性を満たすときのみ、半導体装置の内部応力が小さく、信頼性の高い半導体装置が得られる。ガラス状領域での線膨張係数が２０×１０-6／Ｋより大きい場合には、半導体装置のそり量が大きくプリント基板への実装が困難になる。線膨張係数が４×１０-6／Ｋより小さい場合には、樹脂と基板の界面に剥離が生じやすく、熱安定性に劣る。
【００１３】
曲げ弾性率が３０ＧＰａより大きい場合には、封止樹脂と基板や半導体素子との密着性が低下し、その結果サーマルサイクル試験で不良になる。曲げ弾性率が１０ＧＰａより小さい場合には作業性が悪い。
【００１４】
また、エポキシ樹脂組成物の硬化物の２３℃での曲げ弾性率が１０〜３０ＧＰａ、２３℃でからガラス転移点までの線膨張係数が４×１０-6〜２０×１０-6／Ｋであっても、２３℃での曲げ弾性率と２３℃からガラス転移点までの線膨張係数の積が、３×１０-4ＧＰａ／Ｋを越える場合には、半導体装置のそり量が大きい。
【００１５】
さらに、ガラス転移温度が１５０℃未満の場合にも、半導体装置のそり量が大きくなる。
【００１６】
本発明におけるエポキシ樹脂組成物には、エポキシ樹脂（Ａ）が配合される。このようなものとしては、１分子中に２個以上のエポキシ基を有するものであればとくに限定されない。例えばクレゾールノボラック型エポキシ樹脂、フェノールノボラック型エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂、線状脂肪族エポキシ樹脂、脂環式エポキシ樹脂、複素環式エポキシ樹脂、スピロ環含有エポキシ樹脂およびハロゲン化エポキシ樹脂などが挙げられる。また、２種以上のエポキシ樹脂を併用してもよい。
【００１７】
本発明におけるエポキシ樹脂組成物には、硬化剤（Ｂ）が配合される。硬化剤（Ｂ）としては、エポキシ樹脂（Ａ）と反応して硬化させるものであればとくに限定されず、これらの具体例としては、たと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−ｐ−キシリレンコポリマー、ビスフェノールＡやレゾルシンから合成されるものなどの各種のノボラック樹脂、ポリビニルフェノールなどの多価フェノール化合物、無水マレイン酸、無水フタル酸、無水ピロメリット酸などの酸無水物、およびメタフェニレンジアミン、ジアミノジフェニルメタン、ジアミノジフェニルスルホンなどの芳香族ジアミンなどが挙げられる。なかでも、フェノールノボラック樹脂、トリスヒドロキシメタン、テルペン骨格含有フェノールなどが好ましい。
【００１８】
本発明において、エポキシ樹脂（Ａ）と硬化剤（Ｂ）の配合比に関してはとくに制限はないが、機械的性質および耐湿信頼性の点から、エポキシ樹脂（Ａ）に対する硬化剤（Ｂ）の化学当量比が０．５〜１．５、とくに０．８〜１．２の範囲にあることが好ましい。
【００１９】
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は、上記エポキシ樹脂（Ａ）と硬化剤（Ｂ）との反応を促進させるための硬化促進剤を用いてもよい。硬化促進剤は硬化反応を促進するものならばとくに限定されず、その具体例としては、たとえば２−メチルイミダゾール、２，４−ジ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−４−メチルイミダゾールおよび２−ヘプタデシルイミダゾールなどのイミダゾール化合物、トリエチルアミン、ベンジルジメチルアミン、α−メチルベンジルジメチルアミン、２−（ジメチルアミノメチル）フェノール、２，４，６−トリス（ジメチルアミノメチル）フェノールおよび１，８−ジアザビシクロ（５，４，０）ウンデセン−７などの３級アミン化合物、ジルコニウムテトラメトキシド、ジルコニウムテトラプロポキシド、テトラキス（アセチルアセトナト）ジルコニウムおよびトリ（アセチルアセトナト）アルミニウムなどの有機金属化合物、およびトリフェニルホスフィン、トリフェニルホスフィントリフェニルボラン、テトラフェニルホスホニウム・テトラフェニルボレート、トリメチルホスフィン、トリエチルホスフィン、トリブチルホスフィン、トリ（ｐ−メチルフェニル）ホスフィンおよびトリ（ノニルフェニル）ホスフィンなどの有機ホスフィン化合物などが挙げられる。
【００２０】
これら硬化促進剤の中でも反応性の点から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や１，８−ジアザビシクロ（５，４，０）ウンデセン−７が好ましく用いられる。これらの硬化促進剤は、用途によっては２種以上を併用してもよく、その添加量は、エポキシ樹脂（Ａ）１００重量部に対して０．０１〜１０重量部の範囲が好ましい。
【００２１】
本発明のエポキシ樹脂組成物では充填材（Ｃ）が配合される。これには非晶性シリカ、結晶シリカ、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、アルミナ、マグネシア、クレー、タルク、ケイ酸カルシウム、酸化チタン、酸化アンチモン、アスベスト、ガラス繊維などが挙げられるが、なかでも非晶性シリカは線膨張係数を低下させる効果が大きく、低応力化に有効なため好ましく用いられる。非晶シリカの例としては、石英を融解して製造した溶融シリカや、各種合成法で製造された合成シリカが挙げられ、破砕状のものや球状のものが用いられる。
【００２２】
本発明において、充填材（Ｃ）の配合量は、とくに限定されないが本発明におけるエポキシ樹脂組成物の硬化物の２３℃での曲げ弾性率が３０ＧＰａ以下、２３℃からガラス転移点までの線膨張係数が４×１０-6〜２０×１０-6／Ｋとなるように、配合量はエポキシ樹脂組成物全体の７５〜９７重量％、さらに８０〜９５重量％が好ましい。
【００２３】
本発明のエポキシ樹脂組成物には、エラストマー（Ｄ）が配合される。このエラストマーは流動性の点から、ＭＦＲ値が２０ｇ／ｍｉｎ以上である必要があり、さらにそり及びサーマルサイクル性の点で４０ｇ／ｍｉｎ以上が好ましい。ＭＦＲ値が２０ｇ／ｍｉｎ未満であると、成形時にワイヤー流れ等の不都合が生じることがある。ＭＦＲ値が２０ｇ／ｍｉｎ以上である限り、配合されるエラストマーはとくに限定されず、これらの具体例としては、ブタジエン−ニトリルゴム、ポリウレタン、アクリロニトリル−ブタジエンゴム、シリコンゴム、エチレン・エチルアクリレート共重合体、エチレン・酢酸ビニル共重合体、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブタジエン、 シリコーンゴム、オレフィン系共重合体、ニトリルゴム、ポリブタジエンゴムやその変性物などがあげられる。これらのエラストマーの添加量は、低弾性化の効果のために、該半導体装置用エポキシ樹脂組成物中０．１〜１０重量％が好ましく、０．３〜５重量％が特に好ましい。
【００２４】
本発明では、シランカップリング剤、チタンカップリング剤などのカップリング剤を配合することができる。これらで充填材を樹脂組成物とブレンドする以前に表面処理しておくことが好ましい。シランカップリング剤としては、アルコキシ基、ハロゲン原子、アミノ基などの加水分解性基および有機基がケイ素原子に直結したもの、およびその部分加水分解縮合物が一般的に用いられる。なかでも流動性の点からアミノ基を有するものが好ましい。
【００２５】
本発明のエポキシ樹脂組成物は、さらにハロゲン化エポキシなどのハロゲン化合物、リンなどの難燃剤、アンチモン化合物等の難燃助剤、カーボンブラックや各種着色剤、シリコーンオイル、ポリエチレンなどの各種熱可塑性樹脂、長鎖脂肪酸、長鎖脂肪酸の金属塩、長鎖脂肪酸のエステル、長鎖脂肪酸のアミドおよびパラフィンワックスなどの各種離型剤、ハイドロタルサイト類などのイオン補足剤、有機過酸化物などの各種添加剤を任意に含有することができる。
【００２６】
本発明のエポキシ樹脂組成物は、溶融混練することが好ましく、たとえばバンバリーミキサー、ニーダー、ロール、単軸もしくは二軸の押出機およびコニーダーなどの公知の混練方法を用いて溶融混練することにより製造される。そしてペレットやパウダー状のエポキシ樹脂を用いて、基板２上に半導体素子１が搭載された半導体装置予備装置を配置した金型内で成形することにより半導体装置が得られる。特に本発明のエポキシ樹脂組成物は、基板のＩＣチップを実装した側のみを封止する形態の半導体装置に有利である。
【００２７】
【実施例】
以下、実施例により本発明をさらに具体的に説明する。
【００２８】
＜実施例３、５、６、参考例１、２、４、７、比較例１〜７＞
表１に示したエポキシ樹脂、硬化剤、無機充填材、シランカップリング剤およびその他の添加剤を、それぞれ表２、３に示した組成比でミキサーによってドライブレンドした。これらの混合物を、各々ロール温度９０℃のミキシングロールを用いて５分間加熱混練後、冷却、粉砕して、エポキシ樹脂組成物を製造した。
【００２９】
＜評価方法＞
エラストマーのメルトフローレート（ＭＦＲ）はＡＳＴＭ  Ｄ  １２３８に準拠し、２００℃、荷重５ｋｇで測定した。
【００３０】
これらの樹脂組成物を用い、低圧トランスファー成形法により、成形温度１７５℃、成形時間２分、トランスファー圧力７０ｋｇ／ｃｍ2の条件で半導体装置を成形した、さらに１７５℃×５時間の条件でポストキュアし、次の物性測定法により各組成物の硬化物の物性を測定した結果を表に示す。
【００３１】
線膨張係数：ＴＭＡを用い、２３℃からガラス転移点までの熱膨張曲線から、その平均値を求めた。ガラス転移温度は熱膨張曲線の５７℃と２５０℃の接線同士の交点とした。
【００３２】
曲げ弾性率：２３℃で３点曲げ試験を行い、荷重−たわみ曲線から求めた。
【００３３】
またこの組成物を用い、図３に示す形状の半導体予備装置を金型内に設けて、上述と同じ条件でトランスファー成形および後硬化を行い、図２に示すような模擬半導体装置を組み立てた。次の物性測定法により各組成物、半導体装置の物性を測定した。模擬半導体装置は図２において半導体素子１と該半導体素子が搭載されるＰＩフィルム基板２とこの組成物を用いた半導体素子を封止するエポキシ樹脂組成物３からなる。  なお、図２の半導体装置の各部分の寸法は以下のとおりである。
【００３４】
半導体素子１：７×７×０．５ｍｍ
接着層４厚み：０．１ｍｍ
エポキシ樹脂３：８×８×1．０ｍｍ
基板基材厚み：０．１ｍｍ
パッケージそり量：模擬半導体装置平面部の基板側の対角線上を表面荒さ計を用いて、水平方向から見た場合のそり量を測定した。そり量が１００μｍ以上になると半導体の実装不良率が悪化する。
【００３５】
サーマルサイクル性：模擬半導体装置を−６５℃×３０ｍｉｎ、２５℃×１０ｍｉｎ、１５０℃×３０ｍｉｎ、２５℃×１０ｍｉｎを１サイクルとして半導体装置２０個を用いて試験を行った。１００サイクル経過後に、４個の半導体装置を分解して内部の目視検査を行い、樹脂クラックの発生半導体素子の割れを故障として判定し、不良率が５０％を越えたときのサイクル数を測定した。
【００３６】
また、以下の特性を評価した。
【００３７】
スパイラルフロー：上記成形条件において成形速度２５ｍ／ｓｅｃで、ＥＭＭＩ型評価用金型を用いて測定した。
【００３８】
熱時硬度：上記成形条件において成形時間１８０秒後の成形の表面を、バーバーコールマン硬度計を用いて測定した。
【００３９】
この結果を表２及び３に示す。表２及び３に見られるように、本発明のエポキシ樹脂組成物、および樹脂封止型半導体装置はパッケージそり量の低減、サーマルサイクル性に優れている。
【００４０】
【表１】
0004033990.tif 000002
【表２】
0004033990.tif 000003
【表３】
0004033990.tif 000004
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の樹脂組成物は流動性に優れ、本発明の樹脂組成物で封止された半導体装置は、そり量の低減に優れ、サーマルサイクル性にも優れている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体装置の一態様を示す模式的断面図。
【図２】本発明の半導体装置の一態様を示す模式的断面図。
【図３】本発明の実施例に使用した半導体装置予備装置の模式的断面図。
【符号の説明】
１：半導体素子
２：基板
２ａ：基板基材
２ｂ：通電部
２ｃ：金属配線
３：エポキシ樹脂組成物
４：接着層
５：リード線
６：半田ボール
【図１】
0004033990.tif 000005
【図２】
0004033990.tif 000006
【図３】
0004033990.tif 000007