JP4567641B2

JP4567641B2 - 半導体素子封止用エポキシ樹脂組成物およびそれを用いた半導体素子

Info

Publication number: JP4567641B2
Application number: JP2006210947A
Authority: JP
Inventors: ジョギュンキム; クンぺノ; ヨンコパク
Original assignee: Cheil Industries Inc
Current assignee: Cheil Industries Inc
Priority date: 2005-08-02
Filing date: 2006-08-02
Publication date: 2010-10-20
Anticipated expiration: 2026-08-02
Also published as: US20070031675A1; CN101208386A; WO2007015591A1; JP2007039692A; US7825528B2; CN101208386B

Description

本発明は、本発明は半導体素子封止用エポキシ樹脂組成物に関し、より詳細にはハロゲン難燃剤を含有しなくても優れた難燃性を有し、且つパッケージの曲り特性及び耐リフロー性(reflow-resistant property)が良好であり、薄型パッケージにおいても成形性に優
れた半導体封止材用エポキシ樹脂組成物、ならびにそれを用いた半導体素子に関する。

近年、注目されている実装型のBGA(Ball Grid Array)型パッケージは、片面包装構造であるため、熱線膨脹率の非対称性によってパッケージ(package)の曲りが発生しやすいと
いう問題があった。これと同様にBOC(Board On Chip)及びMCP(Multi Chip Package)のよ
うな新たに登場したパッケージにおいても、上下構造の非対称性によって曲り特性の改善が求められている。特に、BOC及びMCPパッケージのような新規パッケージにおいては、封止材が占める部分の厚さが約１００ミクロンまで薄くなることがあるが、これによりパッケージ封止時気孔が生じたり不完全成形となるなどの成形不良が頻繁に発生している。又、近年環境に対する関心が高くなるにつれ、半導体パッケージの実装などにおいて鉛を取り除いた熔接方法が適用されているが、半導体パッケージ分野で使用可能なほとんどの熔接は、従来の鉛を含む熔接に比べて融点が高いため、リフロー(Reflow)の温度が非常に高くなる。

これにより、パッケージの信頼度が低下する問題が発生するため、これを防止することができる耐リフロー性の向上が求められる。

本発明の目的は、ハロゲン系難燃剤及びリン系難燃剤を用いることなく優れた耐リフロー性を保持し且つ非対称片面包装構造の曲りを改善し、BGAパッケージだけではなく、BOC及びMCPのような薄型パッケージにおいても優れた成形性を有する半導体封止材用エポキ
シ樹脂組成物を提供することにある。

本発明によると、エポキシ樹脂、硬化剤及び無機充填剤を含むエポキシ樹脂組成物において、エポキシ樹脂として、下式(１)で示される分子内にビフェニル誘導体を含むノボラック構造のフェノール類化合物と、下式(２)で示される4、4'―ジヒドロキシビフェニル
との混合物をグリシジルエーテル化させて生成される変性エポキシ樹脂0.5乃至15重量％
と、硬化剤として、下式(３)で示される多環芳香族硬化剤と、下式(４)で示される多官能性硬化剤との混合物2乃至10.5重量％と、無機充填剤として、溶融シリカ、合成シリカ或
いはこれらの混合物を80乃至93重量％と、を含むことを特徴とする半導体素子封止用エポキシ樹脂組成物が提供される。

本発明の半導体素子封止用エポキシ樹脂組成物では、前式(３)で示される多環芳香族硬
化剤と、前式(４)で示される多官能性硬化剤とが、20:80乃至60:40の重量比で混合されたことが好ましい。

前記無機充填剤は、その平均粒子が8.7乃至14.9μｍであり、粒子分布が3μｍ以下の累積重量比が15.4乃至23.4重量％、24μｍ以下の累積重量比が66.9乃至84.3重量％、53μｍ以上の大きさを有する粒子の重量比が0.3重量％以下であり、平均球形化度が0.85以上で
あることが好ましい。

本発明の半導体素子は、前記本発明の半導体素子封止用エポキシ樹脂組成物を用いてなることを特徴としている。

従って、本発明によると、パッケージの曲り特性及び耐リフロー性(reflow-resistant property)が良好で且つ、成形性に優れた半導体封止用エポキシ樹脂組成物を得ることが
できる。また、パッケージの曲り特性及び耐リフロー性(reflow-resistant property)が
良好な半導体素子を提供することができる。

以下、本発明をさらに具体的に説明する。
本発明の半導体素子封止用エポキシ樹脂組成物は、1) エポキシ樹脂、2) 硬化剤及び3)無機充填剤を含んでなることを特徴とする。

本発明で、前記1)のエポキシ樹脂としては、下式(１)で示される分子内にビフェニル誘導体を含むノボラック構造のフェノール類化合物と、下式(２)で示される4、4'―ジヒド
ロキシビフェニルの混合物(以下、フェノール混合物という)をグリシジルエーテル化させて生成される多環芳香族変性エポキシ樹脂を用いる。

本発明で用いられる成分 1)の多環芳香族変性エポキシ樹脂は、フェノール骨格を基に
途中にビフェニルを含む構造をしているため、吸湿性、靭性、耐酸化性に優れており、又、耐クラック性にも優れている。本発明で適用された前記変性多環芳香族エポキシ樹脂は、架橋密度が低いことから高温での燃焼時、炭素層(char)を形成して難燃性を確保することとなる。本発明で適用された前記多環芳香族エポキシ樹脂の使用量は、全体樹脂組成物の中、0.5乃至15重量％が好ましい。

本発明で用いられる成分 2)の硬化剤としては、下式(３)のような構造を有する多環芳
香族硬化剤と、下式(４)のような構造を有する多官能性硬化剤との混合物が用いられ、配合比は、20:80乃至60:40重量％が好ましい。多環芳香族硬化剤が20重量％未満の場合、難燃特性を確保することが困難となり、60重量％を越える場合は、ガラス転移温度(Tg)の低下が発生して曲り特性を確保することが困難となるという問題点がある。

前式(３)の多環芳香族硬化剤は、前記多環芳香族変性エポキシ樹脂と反応して炭素層を形成し、周辺の熱及び酸素の伝達を遮断することによって、難燃性を達成することとなる。硬化剤の使用量は、全体樹脂組成物の中、2乃至10.5重量％が好ましい。

本発明で用いられる成分 3)の無機充填剤は、溶融シリカ、合成シリカ或いはこれらの
混合物として、その平均粒子が8.7乃至14.9μｍであり、粒子分布が3μｍ以下の累積重量比が15.4乃至23.4重量％を有し、24μｍ以下の累積重量比が66.9乃至84.3重量％を有し、53μｍ以上の大きさを有する粒子の重量比が0.3重量％以下で且つ、平均球形化度が0.85
以上のものが好ましい。53μｍ以上の粒子量が0.3重量％を越えたり、平均球形化度が0.85未満の場合には、狭いギャップを有する薄型パッケージの特性によって、成形時、気孔
が生じたり、不完全充填が生ずることがあるため、成形性に悪影響を及ぼす可能性がある。

充填剤の量は、組成物全体に対して上記した成分以外の残量として、好ましくは80乃至93重量％を用いる。80重量％未満で無機充填剤を用いる場合には、十分な強度と低熱膨脹化を実現することができなくなるという問題点があり、又、水分の浸透が容易になって、信頼性特性に致命的になるという問題点がある。又、無機充填剤の充填量が、93重量％を越える時には、流動特性の低下によって成形性が悪くなるという問題点がある。

本発明では、硬化促進剤をさらに用いることができ、前記硬化促進剤は、前記 1)と 2)成分の硬化反応を促進するために必要な成分として用いられる。硬化促進剤としては、例えば、ベンジルジメチルアミン、トリエタノールアミン、トリエチレンジアミン、ジメチルアミノエタノール、トリ(ジメチルアミノメチル)フェノールなどの3級アミン類、2-メ
チルイミダゾール、2-フェニルイミダゾールなどのイミダゾール類、トリフェニルホスフィン、ジフェニルホスフィン、フェニルホスフィンなどの有機ホスフィン類、テトラフェニルホスホニウムテトラフェニルボレート、トリフェニルホスフィンテトラフェニルボレートなどのテトラフェニルボロン塩などがあり、このうち、1種又は2種以上を併用してもよく、使用量は、エポキシ樹脂組成物全体に対して0.1乃至0.3重量％が好ましい。

本発明では、変性シリコーンオイルをさらに用いることができ、前記変性シリコーンオイルとしては、耐熱性に優れたシリコーン重合体がよく、エポキシ官能基を有するシリコーンオイル、アミン官能基を有するシリコーンオイル及びカルボキシ官能基を有するシリコーンオイルなどを1種又は、2種以上を混合して、全体エポキシ樹脂組成物に対して0.5
乃至1.5重量％を用いることができる。但し、シリコーンオイルを1.5重量％以上越えて用いる時には、表面汚染が発生しやすく、レジンブリードが長くなるという問題点があり、0.5重量％未満で用いる時には十分な低弾性率を得ることができないという問題点がある
。

又、本発明の成形材料としては、高級脂肪酸、高級脂肪酸金属塩、エステル系ワックスなどの離型剤、カーボンブラック、有機・無機染料などの着色剤、エポキシシラン、アミノシラン、アルキルシランなどのカップリング剤などを必要に応じて用いることができる。

以上のような原材料を利用して、エポキシ樹脂組成物を製造する一般的な方法では、所定の配合量をヘンセルミキサーやルディガーミキサーを用いて均一に充分混合した後、ロ−ルミルやニーダで溶融混練し、冷却、粉砕過程を経て最終粉末製品を得る方法が用いられている。

本発明で得られたエポキシ樹脂組成物を用いて、半導体素子を封止する方法としては
、低圧トランスファー成形法が最も一般的に用いられる方法であるが、インジェクション(Injection)成形法やキャスティング(Casting)などの方法でも成形可能である。

実施例
以下、本発明を実施例に基づいて詳しく説明するが、本発明が実施例により限定されるものではない。
［実施例1乃至3］
本発明の半導体素子封止用エポキシ樹脂組成物を製造するため、表1に示したように各
成分を坪量した後、ヘンセルミキサーを用いて、均一に混合して粉末状態の1次組成物を
製造し、ミキシング2-ロ−ルミルを用いて100℃で7分間溶融混練した後、冷却及び粉砕過程を経てエポキシ樹脂組成物を製造した。

このようにして得られたエポキシ樹脂組成物に対して、次のような方法で物性及び信頼
性を評価した。信頼性試験のためにMPS(Multi Plunger System)成形器を用いて175℃で70秒間成形させた後、175℃で2時間後硬化させ、BOC型半導体素子を製作した。

本発明によるエポキシ樹脂組成物の物性及び成形性、曲り特性、信頼性の試験結果を下記表2に示した。
信頼性試験は、熱衝撃試験でのパッケージクラックの発生程度及びPCT(Pressure Cooker Test)吸湿後の電気的特性の不良程度を示した。

・物性評価の方法
1) スパイラルフロー(Spiral Flow)
EMMI規格を基準として、金型を製作し、成形温度175℃、成形圧力70Kgf/cm^２で流動長さ
を評価した。

2) ガラス転移温度(Tg)
TMA(Thermomechanical Analyser)で評価した。

3) 熱膨脹係数(α1)
ASTM D696にて評価した。

4) 電気伝導度
硬化されたEMC試験片を、粉砕機により約#100乃至#400メッシュ(Mesh)の粒子大きさで粉
砕し、粉末化した試料2g±0.2mgを坪量して抽出容器に入れ、蒸溜水80CCを入れ、100℃のオーブン内で24時間抽出した後、抽出水の上澄み液を用いて電気伝導度を測定した。

5) 難燃性
UL94V-0規格に準して評価した。

6) 曲り特性
封止用樹脂組成物を用いて、175℃で70秒間のトランスファー成形及び175℃で2時間後硬
化を行い、BOCパッケージ（48ｍｍ×2ｍｍ×1.1ｍｍ）を製作し、非接触式レーザー(laser)測定機にて測定した。

7) 耐クラック性評価(信頼性試験)
プレコンディション(Precondition)を行った後、熱衝撃試験器(Temperature Cycle Test)で1000サイクルの経過後、非破壊検査器であるSAT(Scanning Acoustic Tomograph)でクラック発生有無の評価及びPCT240時間放置した後、電気特性を評価した。

a) プレコンディションの条件
エポキシ樹脂組成物から製造したBOC型半導体素子を125℃で24時間乾燥させ、5サイクル
の熱衝撃試験を経てから、30℃、70％相対湿度の条件下で96時間放置させた後、255℃で10秒間IRリーフローを1回通過させることを2回繰り返すプレコンディションの条件下での
パッケージクラック発生有無を評価した。この段階でクラックが発生した場合、次の段階の1000サイクルの熱衝撃試験は行わなかった。

b) 熱衝撃試験
前記プレコンディションの条件を通過した半導体パッケージを、−65℃で10分、25℃で5
分、150℃で10分ずつ放置することを1サイクルとして1000サイクルを行った後、非破壊検査器のSATを用いて内部及び外部のクラックを評価した。

c) PCT(Pressure Cooker Test)
前記プレコンディションの条件を通過した半導体パッケージを、121℃、100％相対湿度の条件で240時間放置した後、電気特性を評価した。
［比較例1及び2］
下記表1に示したように、各成分を与えられた組成の通り坪量し、実施例1と同様な方法でエポキシ樹脂組成物を製造し、各物性及び信頼性の評価結果を表2に示した。

前記表2に示したように、本発明による樹脂組成物が既存の比較例に比べて曲り特性及
び信頼性の面において優れており、成形性の側面においても優れた特性を示していることを確認することができる。

以上で、本発明は、記載された具体例に対してのみ詳しく説明したが、本発明の技術思想の範囲内で様々な変形及び修正が可能であることは当業者にとって明らかなことであり、このような変形及び修正は、添付した特許請求の範囲に属することはもちろんである。

図１は、本発明のエポキシ樹脂組成物の調製および使用のフローを示す。

Claims

エポキシ樹脂、硬化剤及び無機充填剤を含むエポキシ樹脂組成物において、エポキシ樹脂として下式（１）で示されるノボラック構造のフェノール類化合物と下式（２）で示される４、４’―ジヒドロキシビフェニルの混合物をグリシジルエーテル化させて生成される変性エポキシ樹脂０．５乃至１５重量％と、
硬化剤として、下式（３）で示される多環芳香族硬化剤と、下式（４）で示される多官能性硬化剤との混合物２乃至１０．５重量％と、
無機充填剤として溶融シリカ、合成シリカ或いはこれらの混合物を８０乃至９３重量％であって、尚且つ、５３μｍ以上の大きさを有する粒子の重量比が０．３重量％以下であり、平均球形化度が０．８５以上である粒度分布を有するものと、を含むことを特徴とする半導体素子封止用エポキシ樹脂組成物。
前式（３）で示される多環芳香族硬化剤と、前式（４）で示される多官能性硬化剤とが、２０：８０乃至６０：４０の重量比で混合されたことを特徴とする請求項１に記載の半導体素子封止用エポキシ樹脂組成物。
ベンジルジメチルアミン、トリエタノールアミン、トリエチレンジアミン、ジメチルアミノエタノール、トリ（ジメチルアミノメチル）フェノール、２−メチルイミダゾール、２−フェニルイミダゾール、トリフェニルホスフィン、ジフェニルホスフィン、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、トリフェニルホスフィンテトラフェニルボレート、又はこれらのうち２つ以上の混合物からなるグループの中から選択される硬化促進剤を、エポキシ樹脂組成物全体に対して０．１乃至０．３重量％さらに含んでなることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子封止用エポキシ樹脂組成物。
耐熱性に優れた変性シリコーンオイルを、エポキシ樹脂組成物全体に対して０．５乃至１．５重量％の量でさらに含んでなることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子封止用エポキシ樹脂組成物。
前記変性シリコーンオイルは、エポキシの官能基を有するシリコーンオイル、アミン官能基を有するシリコーンオイル、カルボキシ官能基を有するシリコーンオイル又は、このうち２つ以上の混合物からなるグループから選択されたことを特徴とする請求項４に記載の半導体素子封止用エポキシ樹脂組成物。
請求項１に記載の半導体素子封止用エポキシ樹脂組成物を用いてなることを特徴とする半導体素子。