説明

エポキシ樹脂組成物及びその製造方法並びに半導体装置

【解決手段】 (A)エポキシ樹脂、
(B)硬化剤、
(C)無機質充填剤、
(D)平均粒子径が10〜1,000nmである超微粒子熱可塑性樹脂、
(E)硬化促進剤
を必須成分とすることを特徴とするエポキシ樹脂組成物。
【効果】 本発明のエポキシ樹脂組成物は、接着性、強靭性に優れる硬化物を得ることができ、また該エポキシ樹脂組成物の硬化物で封止された半導体装置は、耐クラック性に優れた硬化物を得ることができる。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、接着性、強靭性に優れ、耐クラック性が良好な硬化物を与えるエポキシ樹脂組成物、その製造方法及び該エポキシ樹脂組成物の硬化物で封止した半導体装置に関する。
【背景技術】
【0002】
現在、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が主流であるが、エポキシ樹脂が他の熱硬化性樹脂に比べて成形性、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で半導体装置を封止することが一般的である。
最近、これらの半導体装置は集積度がますます大きくなり、それに応じてチップ寸法も大きくなりつつある。その一方で、電子機器の小型化、軽量化等の要求に応じて、パッケージ外形寸法は小さいものとなっている。更に、基板上の部品の高密度化、基板の薄型化等を図るために、半導体装置の回路基板への取り付け方法としては、半導体装置の表面実装が採用されるようになってきた。
【0003】
しかしながら、半導体装置の表面実装方法として、半導体装置全体を半田槽に浸漬するか、又は半田が溶融し得る高温の処理区域を通過させる方法が一般的であるが、その際の熱衝撃により封止樹脂層にクラックが発生したり、封止樹脂層とリードフレーム、チップ等との界面に剥離が生じたりする場合がある。半導体装置の封止樹脂層が吸湿している状態で前記処理を行うと、前記熱衝撃によるクラック又は剥離は更に顕著なものとなる。しかし、実際の作業工程においては封止樹脂層の吸湿を避けることは困難であるため、実装後のエポキシ樹脂封止半導体装置の信頼性が大きく損なわれる場合がある。
【0004】
上記問題に対しては、封止樹脂層の吸湿度を下げること、半導体素子が搭載されている基材との密着性を向上させること、高温時の応力を下げ、ストレスを低減させる等の手段が有効である。封止樹脂層の吸湿度を下げるためには、無機質充填剤を高充填する、あるいは疎水性基を多く含むエポキシ官能基の低いエポキシ樹脂等の手段が用いられている。
しかしながら、無機質充填剤を高充填すると溶融時の粘度が増加し、流動性が著しく損なわれる場合がある。この点を解決し、無機質充填剤を高充填するためには、溶融時の粘度が低いエポキシ樹脂が要求される。
【0005】
これらの低粘度エポキシ樹脂は、低分子量のものが多く、一分子中の官能基数が少ないため、硬化剤との反応後の架橋密度が低くなる場合が多い。架橋密度はガラス転移温度(Tg)と密接な関係があり、一般に架橋密度が低いとTgは低くなる。
Tgが低い場合、半田実装温度での機械的強度が著しく低下する場合がある。その場合、パッケージ中に含まれている水分量がわずかであっても、これらが水蒸気化するときの圧力に耐え切れず、クラックが発生するケースがある。
なお、本発明に関連する先行技術文献としては、下記のものが挙げられる。
【0006】
【特許文献1】特開平10−292094号公報
【特許文献2】特開平11−12438号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
本発明は、上記事情に鑑みなされたもので、接着性、強靭性に優れ、耐クラック性が良好な硬化物を与え、半導体封止用として好適なエポキシ樹脂組成物、その製造方法及び該エポキシ樹脂組成物の硬化物で封止した半導体装置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】
【0008】
本発明者等は、上記目的を達成すべく鋭意検討を行った結果、(A)エポキシ樹脂、(B)硬化剤、(C)無機質充填剤、(D)平均粒子径が10〜1,000nmである超微粒子熱可塑性樹脂、(E)硬化促進剤を必須成分とするエポキシ樹脂組成物が、接着性、強靭性に優れる硬化物を得ることができ、また該エポキシ樹脂組成物の硬化物で封止された半導体装置が、耐クラック性に優れるものであることを見出し、本発明をなすに至ったものである。
【0009】
従って、本発明は、
(A)エポキシ樹脂、
(B)硬化剤、
(C)無機質充填剤、
(D)平均粒子径が10〜1,000nmである超微粒子熱可塑性樹脂、
(E)硬化促進剤
を必須成分とする接着性、強靭性に優れ、耐クラック性が良好な硬化物を与え、半導体封止用として好適なエポキシ樹脂組成物、及び該エポキシ樹脂組成物の硬化物で封止した半導体装置を提供する。
【0010】
本発明は、更に上記エポキシ樹脂組成物を製造する方法であって、上記(D)成分を予め(B)成分に分散し、これを他成分と混合することを特徴とするエポキシ樹脂組成物の製造方法を提供する。
【発明の効果】
【0011】
本発明のエポキシ樹脂組成物は、接着性、強靭性に優れる硬化物を得ることができ、また該エポキシ樹脂組成物の硬化物で封止された半導体装置は、耐クラック性に優れた硬化物を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0012】
本発明のエポキシ樹脂組成物を構成する(A)エポキシ樹脂は、一分子中に2個以上のエポキシ基を有するいずれのエポキシ樹脂をも使用することができ、特に限定されない。一般的なエポキシ樹脂としては、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、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、これらのうち1種を単独で又は2種以上を併用することができる。
【0013】
とりわけ、エポキシ樹脂組成物を半導体封止用として用いる場合、封止樹脂層の吸水率を低減するため、フィラーを高充填化するには、150℃のICI溶融粘度が0.1Pa・s以下のエポキシ樹脂を使うことが望ましい。
【0014】
上記エポキシ樹脂は、加水分解性塩素が1,000ppm以下、特に500ppm以下であり、ナトリウム及びカリウムはそれぞれ10ppm以下の含有量とすることが好ましい。加水分解性塩素が1,000ppmを超えたり、ナトリウム又はカリウムが10ppmを超える場合は、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。
【0015】
本発明に用いる(B)硬化剤も特に限定されるものではない。一般的な硬化剤としては、フェノール樹脂が好ましく、具体的にはフェノールノボラック樹脂、ナフタレン環含有フェノール樹脂、アラルキル型フェノール樹脂、トリフェノールアルカン型フェノール樹脂、ビフェニル骨格含有アラルキル型フェノール樹脂、ビフェニル型フェノール樹脂、脂環式フェノール樹脂、複素環型フェノール樹脂、ナフタレン環含有フェノール樹脂、ビスフェノールA型樹脂、ビスフェノールF型樹脂等のビスフェノール型フェノール樹脂などが挙げられ、これらのうち1種を単独で又は2種以上を併用することができる。
【0016】
上記硬化剤は、エポキシ樹脂と同様に、ナトリウム及びカリウムをそれぞれ10ppm以下の含有量とすることが好ましい。ナトリウム又はカリウムが10ppmを超える場合は、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】
ここで、エポキシ樹脂に対する硬化剤の配合量は特に制限されず、エポキシ樹脂を硬化させる有効量とし得るが、硬化剤としてフェノール樹脂を用いる場合、エポキシ樹脂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0.5〜1.5、特に0.8〜1.2の範囲であることが好ましい。
【0018】
本発明のエポキシ樹脂組成物中に配合される(C)無機質充填剤としては、通常エポキシ樹脂組成物に配合されるものを使用することができる。例えば、溶融シリカ、結晶性シリカ等のシリカ類、アルミナ、窒化珪素、窒化アルミニウム、ボロンナイトライド、酸化チタン、酸化亜鉛、ガラス繊維等が挙げられる。
【0019】
これら無機質充填剤の平均粒子径や形状は、特に限定されないが、この場合、無機質充填剤の平均粒子径、形状としては、平均粒子径5〜30μmの球状の溶融シリカが特に好ましい。なお、平均粒子径は、例えばレーザー光回折法による粒度分布測定装置などを用いて重量平均値(メジアン径)などとして求めることができる。
【0020】
また、無機質充填剤の充填量は、特に限定されないが、封止樹脂層の吸湿度を下げるためには、エポキシ樹脂組成物中に成形性を損なわない範囲で可能な限り多量に充填させることが好ましく、(A)成分と(B)成分の総量100質量部に対し、400〜1,200質量部、特に600〜1,000質量部とすることが好ましい。400質量部未満では膨張係数が大きくなり、半導体素子に加わる応力が増大して素子性能の低下を招く場合がある。一方、1,200質量部を超えると流動性が著しく低下し、成形性が悪くなる場合がある。
【0021】
なお、無機質充填剤は、樹脂と無機質充填剤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したものを配合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、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。ここで表面処理に用いるカップリング剤の配合量及び表面処理方法については、特に制限されるものではない。
【0022】
本発明のエポキシ樹脂組成物は、(D)平均粒子径が10〜1,000nmである超微粒子熱可塑性樹脂を必須成分とする。これまでにもMBS(メチルメタクリレート−ブタジエン−スチレン共重合体)、インデンオリゴマーなどの熱可塑性樹脂を添加すると、基材との密着性向上、耐クラック性の向上等に効果があることが確認されている。
【0023】
しかしながら、熱可塑性樹脂の軟化温度が高いとエポキシ樹脂−硬化剤中への均一分散が困難であり、期待されるほど基材との密着に効果が見られない場合、あるいは、均一な物性が得られない場合もある。
【0024】
また、熱可塑性樹脂の軟化温度が低いと、エポキシ樹脂−硬化剤中への分散は容易となるが、半田実装時の高温では、組成物自体が可塑化され、熱時強度が弱くなり、耐クラック性に問題が生じる。
【0025】
そこで、熱可塑性樹脂を平均粒子径が10〜1,000nm程度に微粒子化したものをエポキシ樹脂−硬化剤中に添加することにより、エポキシ樹脂−硬化剤中への均一分散が可能となり、基材との密着性、半田実装時での熱時強度が向上し、耐クラック性に優れた硬化物を与えることを見出したものである。
【0026】
熱可塑性樹脂の種類としては、メチルメタクリレート−ブタジエン−スチレン共重合体、スチレン−ブタジエン共重合体、ニトリル−ブタジエン共重合体、シリコーンゴムなどの一般合成ゴム、前述した合成ゴムのカルボン酸変性、アクリル酸変性ゴムなどが一般的であるが、必ずしもこれらに限定される訳ではない。
【0027】
本発明で用いる熱可塑性樹脂の平均粒子径は10〜1,000nmであり、特には50〜500nmが望ましい。10nm未満の微粒子は入手困難である点、また非常に2次凝集しやすい点から本目的では特に必要性はない。1,000nmを超えると、基材との接着性、熱時強度に期待されるほどの効果が得られない。
【0028】
上記超微粒子熱可塑性樹脂としては、市販品が使用でき、例えば北京化学研究所製のNarpow VP−101,VP−301,VP−401,VP−402,VP−501,VP−601,VP−701などが知られている。
【0029】
また、これら超微粒子熱可塑性樹脂の添加量としては、特に限定されるものではないが、(A)成分と(B)成分の総量100質量部に対し、0.05〜5質量部、更に好ましくは0.1〜3質量部であることが好ましい。0.05質量部未満では、接着性、熱時強度にあまり効果が見られない。5質量部を超えると成形性に支障をきたす場合がある。
【0030】
超微粒子熱可塑性樹脂をエポキシ樹脂−硬化剤中に効果的に分散させるためには、予め超微粒子熱可塑性樹脂を硬化剤中に分散させておくと有効である。その際、凝集を解砕するために、剪断力を付与できる添加方法が望ましい。これら分散方法としては、ダイナミックミル、ダイノーミル、ボールミル、加圧ニーダー、石臼、エクストルーダー等が挙げられる。
【0031】
また、本発明においては、エポキシ樹脂と硬化剤との硬化反応を促進させるため、(E)硬化促進剤を用いる。この硬化促進剤は、硬化反応を促進させるものであれば特に制限はなく、例えばトリフェニルホスフィン、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、トリ(ノニルフェニル)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フィン・テトラフェニルボレート、トリフェニルホスフィンとp−ベンゾキノンの付加物、トリフェニルホスフィンとp−ヒドロキノンの付加物等のリン系化合物、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、1,8−ジアザビシクロ(5.4.0)ウンデセン−7等の第3級アミン化合物、2−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等のイミダゾール化合物などを使用することができる。
これらの触媒はメチルメタクリレート、アクリルなどの熱可塑性樹脂によりマイクロカプセル化したものを用いてもよい。
【0032】
硬化促進剤の配合量は有効量であるが、(A)成分と(B)成分の総量100質量部に対し、0.1〜5質量部、特に0.5〜2質量部とすることが好ましい。
【0033】
本発明のエポキシ樹脂組成物は、本発明の目的及び効果を発現できる範囲内において、各種の添加剤を配合することができる。例えばモリブデン酸亜鉛などの難燃剤、ハイドロタルサイトなどイオントラップ材、カルナバワックス、高級脂肪酸などの離型剤、シランカップリング剤、カーボンブラック等の顔料を添加することもできる。
【0034】
本発明のエポキシ樹脂組成物は、(A)エポキシ樹脂、(B)硬化剤、(C)無機質充填剤、(D)平均粒子径が10〜1,000nmである超微粒子熱可塑性樹脂、(E)硬化促進剤、その他の添加剤を所定の組成比で配合し、これをダイナミックミル、ボールミル、ミキサー等によって十分均一に混合した後、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、適当な大きさに粉砕して成形材料とすることができる。この場合、上記超微粒子熱可塑性樹脂を予め硬化剤に分散した混合品を用いる場合には、この混合品を他成分と配合し、同様に混合、溶融混合処理、冷却固化、粉砕すればよい。
【0035】
このようにして得られる本発明のエポキシ樹脂組成物は、各種の半導体装置の封止用として有効に利用でき、この場合、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る。なお、本発明のエポキシ樹脂組成物の成形温度は150〜180℃で30〜180秒、後硬化は150〜180℃で2〜16時間行うことが望ましい。
【実施例】
【0036】
以下、調製例及び実施例と比較例を示し、本発明を具体的に説明するが、本発明は下記の実施例に制限されるものではない。
【0037】
[熱可塑性樹脂と硬化剤の調製例]
[調製例(イ)]
平均粒子径100nmのスチレン−ブタジエン共重合体(北京化学研究所製、Narpow VP−101)10gと硬化剤のフェノールノボラック樹脂DL−92(明和化成(株)製、フェノール性水酸基当量110)100gをアセトン1,000g中に加え、ホモジナイザー、ナノマイザー等を用いて懸濁させた。懸濁液をダイノーミルに20回通した。20回通した液をスプレードライヤーを用いて顆粒状とした。
【0038】
[調製例(ロ)]
平均粒子径100nmのニトリル−ブタジエン共重合体(北京化学研究所製、Narpow VP−401)10gと硬化剤のフェノールノボラック樹脂DL−92(明和化成(株)製、フェノール性水酸基当量110)100gをアセトン1,000g中に加え、ホモジナイザー、ナノマイザー等を用いて懸濁させた。懸濁液をダイノーミルに20回通した。20回通した液をスプレードライヤーを用いて顆粒状とした。
【0039】
[調製例(ハ)]
平均粒子径100nmのスチレン−ブタジエン共重合体(北京化学研究所製、Narpow VP−101)10gと硬化剤のフェノールノボラック樹脂DL−92(明和化成(株)製、フェノール性水酸基当量110)100gをヘンシェルミキサーにて混合し、100℃、30分加圧ニーダーで混練した。冷却、ダイナミックミルにて微粉砕し、2軸混練機で再混練、冷却、粉砕した。
【0040】
[調製例(ニ)]
メチルメタクリレート−ブタジエン−スチレン共重合体(鐘紡化学工業(株)製、カネエースM901)を粉砕後、400メッシュの篩で篩い、平均粒子径15μmの粒子を得た。この粒子10gと硬化剤のフェノールノボラック樹脂DL−92(明和化成(株)製、フェノール性水酸基当量110)100gをアセトン1,000g中に加え、ホモジナイザー、ナノマイザー等を用いて懸濁させた。懸濁液をダイノーミルに20回通した。20回通した液をスプレードライヤーを用いて顆粒状とした。
【0041】
[実施例1〜5、比較例1,2]
表1に示す成分を熱2本ロールにて均一に溶融混合し、冷却、粉砕して、エポキシ樹脂組成物を得た。これらの組成物につき、次の(i)〜(vi)の諸特性を測定した。結果を表2に示す。
(i)基材(42アロイ)との密着性
15×15×0.2mmの42アロイ基材の上に底面積98mm2、高さ10mmの円錘片を温度175℃、圧力6.9N/mm2、時間90秒の条件で成形した。1サンプルにつき12個の試験片を180℃×4時間ポストキュアした後、85℃、60%RH雰囲気下で168時間放置した。放置後、MAX温度260℃のIRリフロー炉に3回通し、室温で剪断接着力を測定した。12個の試験片の平均値を密着性指標とした。
(ii)基材(Cu)との密着性
15×15×0.2mmのCu基材の上に底面積98mm2、高さ10mmの円錘片を温度175℃、圧力6.9N/mm2、時間90秒の条件で成形した。1サンプルにつき12個の試験片を180℃×4時間ポストキュアした後、85℃、60%RH雰囲気下で168時間放置した。放置後、MAX温度260℃のIRリフロー炉に3回通し、室温で剪断接着力を測定した。12個の試験片の平均値を密着性指標とした。
(iii)基材(Agメッキ)との密着性
15×15×0.2mmのAgメッキCu基材の上に底面積98mm2、高さ10mmの円錘片を温度175℃、圧力6.9N/mm2、時間90秒の条件で成形した。1サンプルにつき12個の試験片を180℃×4時間ポストキュアした後、85℃、60%RH雰囲気下で168時間放置した。放置後、MAX温度260℃のIRリフロー炉に3回通し、室温で剪断接着力を測定した。12個の試験片の平均値を密着性指標とした。
(iv)基材(NiPdAuメッキ)との密着性
15×15×0.2mmのNiPdAuメッキCu基材の上に底面積98mm2、高さ10mmの円錘片を温度175℃、圧力6.9N/mm2、時間90秒の条件で成形した。1サンプルにつき12個の試験片を180℃×4時間ポストキュアした後、85℃、60%RH雰囲気下で168時間放置した。放置後、MAX温度260℃のIRリフロー炉に3回通し、室温で剪断接着力を測定した。12個の試験片の平均値を密着性指標とした。
(v)高温時の熱時(K1C)強度
ASTM♯D5045に基づき260℃にて強靭性K1Cの値を測定した。
(vi)耐クラック性
7×7×0.30mmの大きさのシリコンチップを100pin QFP フレーム(42アロイ)に接着し、更にチップ表面のアルミニウム電極とリードフレームとを25μmφの金線でワイヤボンディングした後、これにエポキシ樹脂組成物を温度175℃、成形圧力6.9N/mm2、成形時間120秒の条件で成形し、180℃で4時間ポストキュアーした。このパッケージ14×20×1.4mmそれぞれ18個を85℃、60%RH雰囲気下で168時間放置した。放置後、MAX温度260℃のIRリフロー炉に3回通し、パッケージクラックを目視及び超音波探傷装置で調べた。
【0042】
【表1】

【0043】
(A)エポキシ樹脂:ビフェニル含有アラルキル型エポキシ樹脂(商品名:NC−3000、日本化薬(株)製、エポキシ当量=272)
(B)硬化剤:フェノールノボラック樹脂、DL−92(明和化成(株)製、フェノール性水酸基当量110)
(C)無機質充填剤:球状溶融シリカ((株)龍森製、平均粒子径20μm)
(D)調製例(イ)〜(ニ)の熱可塑性樹脂と硬化剤の混合物
(E)硬化促進剤:トリフェニルホスフィン(北興化学工業(株)製)
離型剤:カルナバワックス(日興ファインプロダクツ(株)製)
カーボンブラック:デンカブラック(電気化学工業(株)製)
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)
【0044】
【表2】

【0045】
表2の結果から明らかなように、本発明のエポキシ樹脂組成物は、接着性、強靭性に優れた硬化物を与え、該樹脂組成物の硬化物で封止された半導体装置は、耐クラック性に優れるものである。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
(A)エポキシ樹脂、
(B)硬化剤、
(C)無機質充填剤、
(D)平均粒子径が10〜1,000nmである超微粒子熱可塑性樹脂、
(E)硬化促進剤
を必須成分とすることを特徴とするエポキシ樹脂組成物。
【請求項2】
請求項1記載のエポキシ樹脂組成物を製造する方法であって、(D)平均粒子径が10〜1,000nmである超微粒子熱可塑性樹脂を予め(B)硬化剤に分散し、これを他成分と混合することを特徴とするエポキシ樹脂組成物の製造方法。
【請求項3】
請求項1記載のエポキシ樹脂組成物の硬化物で封止した半導体装置。

【公開番号】特開2006−22188(P2006−22188A)
【公開日】平成18年1月26日(2006.1.26)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2004−200854(P2004−200854)
【出願日】平成16年7月7日(2004.7.7)
【出願人】(000002060)信越化学工業株式会社 (3,361)
【Fターム(参考)】