JP3877945B2

JP3877945B2 - エポキシ樹脂組成物および半導体封止装置

Info

Publication number: JP3877945B2
Application number: JP2000243608A
Authority: JP
Inventors: 健史笠井
Original assignee: Kyocera Chemical Corp
Current assignee: Kyocera Chemical Corp
Priority date: 2000-08-11
Filing date: 2000-08-11
Publication date: 2007-02-07
Anticipated expiration: 2020-08-11
Also published as: JP2002060466A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パッケージ反り性、成形性、半田耐熱性に優れたエポキシ樹脂組成物およびその組成物によって半導体チップが封止された片面封止のＢＧＡ（ＢａｌｌＧｒｉｄＡｒｒａｙ）型の半導体封止装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体集積回路の分野において、チップの高集積化に伴う大型化、多極化が進む一方、パッケージ外径寸法については、携帯情報通信機器を中心に小型、軽量化の要求が益々強くなっている。このため、リードが周辺に配列されているＱＦＰ（ＱｕａｄＦｌａｔＰａｃｋａｇｅ）では、多電極化に伴う狭ピッチ化が加速し、現状の０．３ｍｍ電極ピッチでは一括リフローソルダリングの限界に達している。
【０００３】
そこでリードをパッケージ下面にエリアアレイ状配置としたＢＧＡ型に移行して、電極ピッチを１．５〜１．０ｍｍに保ってソルダリングを容易にする動きが、数年前より米国を中心に活発化してきた。
【０００４】
しかし、ＢＧＡ型のパッケージは、片面封止のため、従来のノボラック型エポキシ樹脂等のエポキシ樹脂、ノボラック型フェノール樹脂、およびシリカ粉末からなる樹脂組成物によって封止した場合、パッケージの反りが大きいという欠点があった。また、ボンディングワイヤの長ループ化により、成形時にワイヤ流れが起こるという欠点があった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の欠点を解消するためになされたもので、パッケージの反りが少なく、かつ、流動性が良好で、成形性に優れ、また、実装時の半田耐熱性に優れ、樹脂クラックの発生がなく、接着性も良好であり、実装後の耐湿性に優れ、長期信頼性を保証できるエポキシ樹脂組成物および半導体封止装置を提供しようとするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記の目的を達成しようと鋭意研究を重ねた結果、特定のエポキシ樹脂、特定のフェノール樹脂を用いることによって、パッケージの反りが少なく、かつ、流動性が良好で、成形性に優れ、また、実装時の半田耐熱性に優れ、樹脂クラックの発生がなく、接着性も良好であり、実装後の耐湿性に優れた樹脂組成物が得られることを見いだし、本発明を完成したものである。
【０００７】
即ち、本発明は、
（Ａ）（ａ）次の一般式で示されるビスフェノールＡ骨格を有する多官能エポキシ樹脂と、
【化９】

（但し、式中Ｒ¹，Ｒ²，Ｒ³は水素原子又は炭素数１〜１０のアルキル基を表す）
（ｂ）次の一般式で示されるナフトール骨格を有するエポキシ樹脂
【化１０】

（但し、式中Ｒ¹，Ｒ²，は水素原子又は炭素数１〜１０のアルキル基を、ｎは０〜１０までの整数をそれぞれ表す）
とを重量比で（ａ）成分／（ｂ）成分が０．１〜２．０の割合で含有するエポキシ樹脂、
（Ｂ）（ｃ）次の一般式で示される多官能フェノール樹脂と、
【化１１】

（但し、式中Ｒは水素原子、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基およびｔ−ブチル基の中で１種もしくは２種以上の組合せを、ｎは０〜１０までの整数をそれぞれ表す）
（ｄ）次の一般式で示されるナフトール骨格を有するフェノール樹脂
【化１２】

（但し、式中Ｒ¹，Ｒ²，は水素原子、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基およびｔ−ブチル基の中で１種もしくは２種以上の組合せを、ｎは０〜１０までの整数をそれぞれ表す）
とを重量比で（ｃ）成分／（ｄ）成分が０．１〜２．０の割合で含有するフェノール樹脂、
（Ｃ）無機質充填剤および
（Ｄ）硬化促進剤
を必須成分とし、前記（Ｃ）無機質充填剤を樹脂組成物に対して２５〜９５重量％の割合で含有してなることを特徴とするエポキシ樹脂組成物である。また別の本発明は、このエポキシ樹脂組成物の硬化物で、半導体チップが封止された片面封止のＢＧＡ型であることを特徴とする半導体封止装置である。
【０００８】
以下、本発明を詳細に説明する。
【０００９】
本発明に用いる（Ａ）（ａ）ビスフェノールＡ骨格を有する多官能エポキシ樹脂としては、前記の一般式化９で示されたものが使用される。具体的な化合物として、例えば、
【化１３】

【化１４】

等が挙げられる。
【００１０】
本発明に用いる（Ａ）（ｂ）ナフトール骨格を有するエポキシ樹脂としては、前記の一般式化１０で示されたものが使用される。具体的な化合物として、例えば、
【化１５】

（但し、式中、ｎは１〜１０までの整数を表す）
が挙げられる。
【００１１】
（Ａ）エポキシ樹脂において、（ａ）ビスフェノールＡ骨格を有する多官能エポキシ樹脂および（ｂ）ナフトール骨格を有するエポキシ樹脂を併用することにより、高いガラス転移温度と、高流動性、高接着性を可能とすることができる。
【００１２】
本発明においては、（ａ）ビスフェノールＡ骨格を有する多官能エポキシ樹脂と、（ｂ）ナフトール骨格を有するエポキシ樹脂とを、多官能エポキシ樹脂／ナフトールエポキシ樹脂の重量比が０．１〜２．０、好ましくは０．２〜０．７の割合で使用する。重量比が０．１未満では、吸水率の増加、高粘度、接着力の低下が生じ、２．０を超えるとガラス転移温度の低下が生じる。
【００１３】
また、（ａ）多官能エポキシ樹脂および（ｂ）ナフトールエポキシ樹脂の他に、エピビス系エポキシ樹脂、臭素化エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂、ノボラック型エポキシ樹脂およびこれらの変性樹脂をさらに添加することができる。この場合、（ａ）の多官能エポキシ樹脂と（ｂ）のナフトールエポキシ樹脂との合計は、エポキシ樹脂混合物全体の１０重量％以上、特に４０〜１００重量％となるように配合することが好ましい。
【００１４】
本発明に用いる（Ｂ）（ｃ）多官能フェノール樹脂としては、前記の一般式化１１で示されるものが使用される。具体的な化合物として、例えば
【化１６】

（但し、式中、ｎは０〜１０までの整数を表す）
【化１７】

（但し、式中、ｎは０〜１０までの整数を表す）
等が挙げられる。
【００１５】
本発明に用いる（Ｂ）（ｄ）ナフトール骨格を有するフェノール樹脂としては、前記の一般式化１２で示されるものが使用される。具体的な化合物として、例えば
【化１８】

（但し、式中、ｎは０〜１０までの整数を表す）
【化１９】

（但し、式中、ｎは０〜１０までの整数を表す）
等が挙げられる。
【００１６】
（Ｂ）フェノール樹脂において、（ｃ）多官能フェノール樹脂と（ｄ）ナフトール骨格を有するフェノール樹脂とを併用することにより、高いガラス転移温度と、高いガラス転移温度と、高流動性、高接着性を可能とすることができる。
【００１７】
本発明においては、（ｃ）ビスフェノールＡ骨格を有する多官能フェノール樹脂と、（ｄ）ナフトール骨格を有するフェノール樹脂とを、多官能フェノール樹脂／ナフトールフェノール樹脂の重量比が０．１〜２．０、好ましくは０．２〜０．７の割合で使用する。重量比が０．１未満では、吸水率の増加、高粘度、接着力の低下が生じ、２．０を超えるとガラス転移温度の低下が生じる。
【００１８】
本発明に用いる（Ｃ）無機質充填剤としては、一般に使用されているものが広く使用されるが、それらの中でも不純物濃度が低く、平均粒径３０μｍ以下のシリカ粉末が好ましく使用することができる。平均粒径が３０μｍを超えると耐湿性および成形性が劣り好ましくない。無機質充填剤の配合割合は、全体の樹脂組成物に対して２５〜９５重量％の割合で含有することが望ましい。その割合が２５重量％未満では、樹脂組成物の吸湿性が大きく、半田浸漬後の耐湿性に劣り、また、９５重量％を超えると極端に流動性が悪くなり、成形性に劣り好ましくない。
【００１９】
本発明に用いる（Ｄ）硬化促進剤としては、リン系硬化促進剤、イミダゾール系硬化促進剤、ＤＢＵ系硬化促進剤、その他の硬化促進剤等が広く使用される。これらは単独又は２種以上併用することができる。硬化促進剤の配合割合は、樹脂組成物に対して０．０１〜５重量％含有するように配合することが望ましい。その割合が０．０１重量％未満では樹脂組成物のゲルタイムが長く、硬化特性も悪くなり、また、５重量％を超えると極端に流動性が悪くなって成形性に劣り、さらに電気特性も悪くなり耐湿性に劣り好ましくない。
【００２０】
本発明のエポキシ樹脂組成物は、前述した特定のエポキシ樹脂、特定のフェノール樹脂、無機質充填剤および硬化促進剤を必須成分とするが、本発明の目的に反しない限度において、また必要に応じて、例えば天然ワックス類、合成ワックス類、直鎖脂肪酸の金属塩、酸アミド類、エステル類、パラフィン類等の離型剤、三酸化アンチモン等の難燃剤、カーボンブラック、ベンガラ等の着色剤、シランカップリング剤、ゴム系やシリコーン系の低応力付与剤等を適宜、添加配合することができる。
【００２１】
本発明のエポキシ樹脂組成物を成形材料として調製する場合の一般的な方法としては、前述した特定のエポキシ樹脂、特定のフェノール樹脂、無機質充填剤および硬化促進剤その他の成分を所定の組成比に選択した原料成分を配合し、ミキサー等によって十分均一に混合した後、さらに熱ロールによる溶融混合処理又はニーダ等による混合処理を行い、次いで冷却固化させ、適当な大きさに粉砕して成形材料とすることができる。こうして得られた成形材料は、半導体装置をはじめとする電子部品あるいは電気部品の封止、被覆、絶縁等に適用すれば、優れた特性と信頼性を付与させることができる。
【００２２】
本発明の半導体封止装置は、上述した成形材料を用いて、半導体チップを封止することにより容易に製造することができる。封止を行う半導体チップとしては、例えば、集積回路、大規模集積回路、トランジスタ、サイリスタ、ダイオード等で特に限定されるものではない。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あるが、射出成形、圧縮成形、注型等による封止も可能である。成形材料は封止の際に加熱して硬化させ、最終的にはこの硬化物によって封止された半導体封止装置が得られる。加熱による硬化は、１５０℃以上に加熱して硬化させることが望ましい。チップを搭載する基板としては、セラミック、プラスティック、ポリイミドフィルム、リードフレームなどであるがこれらに限定されるものではない。
【００２３】
【作用】
本発明のエポキシ樹脂組成物および半導体封止装置は、前述した特定のエポキシ樹脂と、特定のフェノール樹脂を用いたことによって、樹脂組成物の高いガラス転移温度を保持したまま、熱膨張係数を低減し、かつ高流動性を兼ね備えることによって、熱機械特性と低応力性が向上してパッケージの反りを抑え、良好な成形性であり、半田浸漬、半田リフロー後の樹脂のクラックの発生がなくなり、耐湿性劣化が少なくなるものである。
【００２４】
【実施例】
次に本発明を実施例によって具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例によって限定されるものではない。以下の実施例及び比較例において「部」とは「重量部」を意味する。
【００２５】
実施例１
前述した化１４のエポキシ樹脂４．８部、前述した化１５のエポキシ樹脂（ｎ＝１）１．３部、化１７のフェノール樹脂（ｎ＝０）２．３部、化１９のフェノール樹脂（ｎ＝０）１．７部、溶融シリカ粉末８７部、硬化促進剤の２−メチルイミダゾール０．２部、カルナバワックス０．３部およびエポキシシランカップリング剤０．４部を常温で混合し、さらに９０〜９５℃で混練してこれを冷却粉砕して成形材料（Ａ）を製造した。
【００２６】
実施例２
実施例１で用いた化１４のエポキシ樹脂３．５部、実施例１で用いた化１５のエポキシ樹脂（ｎ＝１）２．０部、化１７のフェノール樹脂（ｎ＝０）２．０部、化１９のフェノール樹脂（ｎ＝０）２．１部、溶融シリカ粉末８７部、硬化促進剤の２−メチルイミダゾール０．２部、カルナバワックス０．３部およびエポキシシランカップリング剤０．４部を常温で混合し、さらに９０〜９５℃で混練してこれを冷却粉砕して成形材料（Ｂ）を製造した。
【００２７】
比較例１
ｏ−クレゾールノボラック型エポキシ樹脂（軟化点８０℃、エポキシ当量２００）１１部、ノボラック型フェノール樹脂（軟化点８０℃、水酸基当量１０４）３部、溶融シリカ粉末８５部、硬化促進剤の２−メチルイミダゾール０．３部、カルナバワックス０．３部およびエポキシシランカップリング剤０．４部を混合し、さらに９０〜９５℃で混練してこれを冷却粉砕して成形材料（Ｃ）を製造した。
【００２８】
比較例２
エピビス型エポキシ樹脂（エピコート８２８）１１部、ノボラック型フェノール樹脂（軟化点８０℃、水酸基当量１０４）３部、溶融シリカ粉末８５部、硬化促進剤の２−メチルイミダゾール０．３部、カルナバワックス０．３部およびエポキシシランカップリング剤０．４部を混合し、さらに９０〜９５℃で混練してこれを冷却粉砕して成形材料（Ｄ）を製造した。
【００２９】
こうして製造した成形材料（Ａ）〜（Ｄ）を用いて、１７５℃に加熱した金型内にトランスファー注入し、硬化させて半導体チップを封止して半導体封止装置を製造した。これらの半導体封止装置について、諸試験を行ったのでその結果を表１に示したが、本発明のエポキシ樹脂組成物及び半導体封止装置は、パッケージの反りが少なく、流動性、耐湿性、半田耐熱性に優れており、本発明の顕著な効果を確認することができた。
【００３０】
【表１】

＊１：トランスファー成形によって直径５０ｍｍ、厚さ３ｍｍの成形品を作り、これを１２７℃，２．５気圧の飽和水蒸気中に２４時間放置し、増加した重量によって測定した。
【００３１】
＊２：吸水率の場合と同様な成形品を作り、１７５℃で８時間の後硬化を行い、適当な大きさの試験片とし、熱機械分析装置を用いて測定した。
【００３２】
＊３：ＪＩＳ−Ｋ−６９１１に準じて試験した。
【００３３】
＊４：成形材料を用いて、２本のアルミニウム配線を有するシリコン製チップを、通常のＢＧＡ用フレームに接着し、１７５℃で２分間トランスファー成形した後、１７５℃で８時間の後硬化を行った。こうして得た成形品を１２７℃，２．５気圧の飽和水蒸気中で耐湿試験を行い、アルミニウム腐食による５０％断線（不良発生）の起こる時間を評価した。
【００３４】
＊５：１０×１０ｍｍダミーチップをＢＧＡ（３０×３０×１．２ｍｍ）パッケージに納め、成形材料を用いて、１７５℃で２分間トランスファー成形した後、１７５℃で８時間の後硬化を行った。こうして製造した半導体封止装置を３０℃，６０％，１９６時間の吸湿処理をした後、２４０℃のＩＲリフローを３０秒間行い、パッケージクラックの発生の有無を評価した。
【００３５】
＊６：１０×１０ｍｍダミーチップをＢＧＡ（３０×３０×１．２ｍｍ）パッケージに納め、成形材料を用いて、１７５℃で２分間トランスファー成形した後、１７５℃で８時間の後硬化を行った。こうして製造した半導体封止装置の反り量を非接触レーザー測定機により測定した。
【００３６】
【発明の効果】
以上の説明及び表１から明らかなように、本発明のエポキシ樹脂組成物及び半導体封止装置は、パッケージの反りが少なく、かつ、流動性が良好で、成形性に優れ、また、実装時の半田耐熱性に優れ、樹脂クラックもなく、接着性も良好であり、また、実装後の耐湿性に優れ、しかも長期間の信頼性を保証することができる。

Claims

（Ａ）（ａ）次の一般式で示されるビスフェノールＡ骨格を有する多官能エポキシ樹脂と、

（但し、式中Ｒ¹，Ｒ²，Ｒ³は水素原子又は炭素数１〜１０のアルキル基を表す）
（ｂ）次の一般式で示されるナフトール骨格を有するエポキシ樹脂

（但し、式中Ｒ¹，Ｒ²，は水素原子又は炭素数１〜１０のアルキル基を、ｎは０〜１０までの整数をそれぞれ表す）
とを重量比で（ａ）成分／（ｂ）成分が０．１〜２．０の割合で含有するエポキシ樹脂、
（Ｂ）（ｃ）次の一般式で示される多官能フェノール樹脂と、

（但し、式中Ｒは水素原子、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基およびｔ−ブチル基の中で１種もしくは２種以上の組合せを、ｎは０〜１０までの整数をそれぞれ表す）
（ｄ）次の一般式で示されるナフトール骨格を有するフェノール樹脂

（但し、式中Ｒ¹，Ｒ²，は水素原子、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基およびｔ−ブチル基の中で１種もしくは２種以上の組合せを、ｎは０〜１０までの整数をそれぞれ表す）
とを重量比で（ｃ）成分／（ｄ）成分が０．１〜２．０の割合で含有するフェノール樹脂、
（Ｃ）無機質充填剤および
（Ｄ）硬化促進剤
を必須成分とし、前記（Ｃ）無機質充填剤を樹脂組成物に対して２５〜９５重量％の割合で含有してなることを特徴とするエポキシ樹脂組成物。
（Ａ）（ａ）次の一般式で示されるビスフェノールＡ骨格を有する多官能エポキシ樹脂と、

（但し、式中Ｒ¹，Ｒ²，Ｒ³は水素原子又は炭素数１〜１０のアルキル基を表す）
（ｂ）次の一般式で示されるナフトール骨格を有するエポキシ樹脂

（但し、式中Ｒ¹，Ｒ²，は水素原子又は炭素数１〜１０のアルキル基を、ｎは０〜１０までの整数をそれぞれ表す）
とを重量比で（ａ）成分／（ｂ）成分が０．１〜２．０の割合で含有するエポキシ樹脂、
（Ｂ）（ｃ）次の一般式で示される多官能フェノール樹脂と、

（但し、式中Ｒは水素原子、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基およびｔ−ブチル基の中で１種もしくは２種以上の組合せを、ｎは０〜１０までの整数をそれぞれ表す）
（ｄ）次の一般式で示されるナフトール骨格を有するフェノール樹脂

（但し、式中Ｒ¹，Ｒ²，は水素原子、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基およびｔ−ブチル基の中で１種もしくは２種以上の組合せを、ｎは０〜１０までの整数をそれぞれ表す）
とを重量比で（ｃ）成分／（ｄ）成分が０．１〜２．０の割合で含有するフェノール樹脂、
（Ｃ）無機質充填剤および
（Ｄ）硬化促進剤
を必須成分とし、前記（Ｃ）無機質充填剤を樹脂組成物に対して２５〜９５重量％の割合で含有したエポキシ樹脂組成物の硬化物で、半導体チップが封止された片面封止のＢＧＡ型であることを特徴とする半導体封止装置。