| 【発明の名称】 |
エポキシ樹脂組成物及び半導体装置 |
| 【発明者】 |
【氏名】長谷川 貴志
【氏名】山中 浩史
【氏名】宮田 靖孝
【氏名】牧田 俊幸
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| 【要約】 |
【課題】常温におけるポットライフが良好であり、温度サイクル時や吸湿後リフロー時の耐クラック性に優れたエポキシ樹脂組成物を提供する。
【解決手段】エポキシ樹脂、硬化剤、硬化促進剤、無機充填材を必須成分として含む室温で液状のエポキシ樹脂組成物に関する。硬化剤として、イミド変性液状フェノール樹脂を硬化剤全量中に５０質量％以上含むものを用いる。また硬化促進剤として、下記の式（Ａ）で示されるトリアジン骨格を持つイミダゾール化合物を用いる。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 エポキシ樹脂、硬化剤、硬化促進剤、無機充填材を必須成分として含む室温で液状のエポキシ樹脂組成物において、硬化剤として、イミド変性液状フェノール樹脂を硬化剤全量中に５０質量％以上含むものを用い、かつ硬化促進剤として、下記の式（Ａ）で示されるトリアジン骨格を持つイミダゾール化合物を用いて成ることを特徴とするエポキシ樹脂組成物。
【化１】
【請求項２】 エポキシ樹脂、硬化剤、硬化促進剤、無機充填材を必須成分として含む室温で液状のエポキシ樹脂組成物において、硬化剤として、イミド変性液状フェノール樹脂を硬化剤全量中に５０質量％以上含むものを用い、かつ硬化促進剤として、２液タイプのイミダゾール化合物を用いて成ることを特徴とするエポキシ樹脂組成物。
【請求項３】 エポキシ樹脂、硬化剤、硬化促進剤、無機充填材を必須成分として含む室温で液状のエポキシ樹脂組成物において、硬化剤として、イミド変性液状フェノール樹脂を硬化剤全量中に５０質量％以上含むものを用い、かつ硬化促進剤として、上記の式（Ａ）で示されるトリアジン骨格を持つイミダゾール化合物及び２液タイプのイミダゾール化合物の両方を用いて成ることを特徴とするエポキシ樹脂組成物。
【請求項４】 請求項１乃至３のいずれかに記載のエポキシ樹脂組成物によって半導体素子が封止されて成ることを特徴とする半導体装置。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体素子を封止するために用いられるエポキシ樹脂組成物、及びこのエポキシ樹脂組成物を用いて封止した半導体装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】近年、樹脂封止型の半導体装置としては、デバイスの高密度化、高集積度化、動作の高速化等の傾向のため、ＱＦＰ等に代表される従来型のリードスルー実装型パッケージよりも、さらに小型化・薄型化を実現できるパッケージが要求されている。最近ではこのような要求に対して、ＢＧＡやＣＳＰといった表面実装型パッケージや、あるいはベアチップ実装といった、半導体素子をパッケージに収容することなく基板に搭載する実装方法が、高密度実装を可能とするものとして注目されている。実際にこのようなパッケージや実装方法を利用した電化製品としては、デジタルカメラ、ビデオ、ノート型パソコン、携帯電話といったものを挙げることができる。今後は、このような電化製品自体の小型化・薄型化がさらに進み、これに伴って製品内部に収容される半導体装置等の各種電子部品に対しても小型化・薄型化が進むと共に、より高い性能が求められるものである。
【０００３】ここで、上記のような半導体装置を作製するにあたっては、半導体素子を封止する方法として種々のものを挙げることができるが、特に常温で液状の樹脂組成物を用いて行う場合には、ディスペンス法、マスクを用いた印刷法、金型を用いた射出成形等を挙げることができる。そして、これらのいずれの方法を行う場合であっても、使用される液状樹脂組成物については、作業時に増粘することなく作業可能時間が長いもの、すなわちポットライフが良好なものが求められているものである。
【０００４】従来、このような液状樹脂組成物の多くは、ビスフェノール型エポキシ樹脂や脂環式エポキシ樹脂等を主要成分とするものであって、硬化剤として、液状の酸無水物やフェノールノボラックを用い、硬化促進剤として、アミン類、イミダゾール類、ホスフィン類等を用い、無機充填材として、シリカ、アルミナ等を用いたものが使用されていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかし、酸無水物系の硬化剤を含む樹脂組成物は、常温に放置された場合に吸湿し易いものであり、この際に主要成分であるエポキシ樹脂とその他の成分との反応性は、この吸湿による影響を受けることとなる。そしてその結果、樹脂組成物の粘度やチクソ等が上昇し易くなってハンドリング性や脱泡性が低下し、作業性が悪化したり、吸湿により硬化物中に取り込まれた水分がリフロー半田付け時の高温によって気化膨張し、パッケージクラックや剥離が発生するという問題が生じるものであった。
【０００６】一方、フェノールノボラックのような液状フェノール系の硬化剤を用いた場合は、上記のような吸湿による影響はかなり少なくなるが、この反面、ガラス転移温度（Ｔｇ）が低下するため、作製された半導体装置の反りが大きくなり、しかも温度サイクル時等における耐クラック性等の信頼性が悪化するという問題も生じるものであった。
【０００７】本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、常温におけるポットライフが良好であり、温度サイクル時や吸湿後リフロー時の耐クラック性に優れたエポキシ樹脂組成物、及びこのエポキシ樹脂組成物を用いて封止された、反りが小さい半導体装置を提供することを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明の請求項１に係るエポキシ樹脂組成物は、エポキシ樹脂、硬化剤、硬化促進剤、無機充填材を必須成分として含む室温で液状のエポキシ樹脂組成物において、硬化剤として、イミド変性液状フェノール樹脂を硬化剤全量中に５０質量％以上含むものを用い、かつ硬化促進剤として、下記の式（Ａ）で示されるトリアジン骨格を持つイミダゾール化合物を用いて成ることを特徴とするものである。
【０００９】
【化２】
【００１０】また請求項２に係るエポキシ樹脂組成物は、エポキシ樹脂、硬化剤、硬化促進剤、無機充填材を必須成分として含む室温で液状のエポキシ樹脂組成物において、硬化剤として、イミド変性液状フェノール樹脂を硬化剤全量中に５０質量％以上含むものを用い、かつ硬化促進剤として、２液タイプのイミダゾール化合物を用いて成ることを特徴とするものである。
【００１１】また請求項３に係るエポキシ樹脂組成物は、エポキシ樹脂、硬化剤、硬化促進剤、無機充填材を必須成分として含む室温で液状のエポキシ樹脂組成物において、硬化剤として、イミド変性液状フェノール樹脂を硬化剤全量中に５０質量％以上含むものを用い、かつ硬化促進剤として、上記の式（Ａ）で示されるトリアジン骨格を持つイミダゾール化合物及び２液タイプのイミダゾール化合物の両方を用いて成ることを特徴とするものである。
【００１２】また請求項４に係る半導体装置は、請求項１乃至３のいずれかに記載のエポキシ樹脂組成物によって半導体素子が封止されて成ることを特徴とするものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を説明する。
【００１４】本発明においてエポキシ樹脂としては、特に限定されるものではなく、例えば、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、ビスフェノールＳ型エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂、ナフタレン環含有エポキシ樹脂、脂環式エポキシ樹脂、ジシクロペンタジエン骨格を有するジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂、フェノール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、トリフェニルメタン型エポキシ樹脂、脂肪族系エポキシ樹脂、トリグリシジルイソシアヌレート等を挙げることができる。そして、これらのうち１種のみ又は２種以上を選んで使用することができる。このとき上記のエポキシ樹脂の中でも、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、ビフェニル型エポキシ樹脂、ナフタレン環含有エポキシ樹脂、脂環式エポキシ樹脂等が好ましい。これらのものを用いると、封止成形時において組成物が増粘し難くなり作業性を高めることができると共に、ガラス転移温度（Ｔｇ）、線膨張係数、弾性率、強度といった硬化物の物性を向上させることができるものである。
【００１５】また硬化剤としては、イミド変性液状フェノール樹脂を用いるものである。この中で限定されるものではないが、特にイミド変性ノボラック型フェノール樹脂を用いるのが好ましく、このときの骨格はジシクロペンタジエンであっても、ナフタレンであってもいずれでも良い。上記のような硬化剤の具体例としては、イミド変性液状フェノールノボラック樹脂である明和化成（株）製「ＭＥＨ８１０５」を挙げることができる。そして、この際に他の硬化剤を併用することもできる。すなわちエポキシ樹脂硬化用のものであれば、特に限定されるものではなく、例えば、ジアミノジフェニルメタン、メタフェニレンジアミン等のアミン系硬化剤、無水フタル酸、無水ピロメリット酸等の酸無水物硬化剤、フェノールノボラック系硬化剤等を挙げることができる。ただし、２種以上の硬化剤を併用した場合は、イミド変性液状フェノール樹脂を硬化剤全量中に５０質量％以上含むようにするものである。このようにしておくと、組成物が吸湿し難くなって温度サイクル時やリフロー時における耐クラック性が向上することに加え、組成物について良好な保存性、特に優れたポットライフを得ることができると共に、ガラス転移温度（Ｔｇ）の低下が抑制されて半導体装置に生じる反りを低減することができるものである。逆に、イミド変性液状フェノール樹脂の配合量が硬化物全量に対して５０質量％未満であると、組成物の保存性向上と半導体装置の反り低減という両方の効果を得ることができなくなるものである。
【００１６】ここで、硬化剤の配合量は、エポキシ樹脂に対する硬化剤の化学量論上の当量比が、０．６〜１．４の範囲となるように設定するのが好ましく、より好ましくは０．７５〜１．００である。硬化剤の当量比が０．６未満であると、硬化し難くなったり、硬化物の耐熱性や強度が低下したりするおそれがあり、逆に１．４を超えると、硬化物の耐熱性や接着強度が低下したり、硬化物の吸湿率が高くなったりするおそれがある。
【００１７】なお、上述したエポキシ樹脂及び硬化剤としては、信頼性を確保する点から、Ｎａイオン、Ｃｌイオン、Ｂｒイオン等の不純物ができるだけ少ないものを使用するのが好ましい。
【００１８】また硬化促進剤としては、上記の式（Ａ）で示されるトリアジン骨格を持つイミダゾール化合物や、２液タイプのイミダゾール化合物を用いるものであり、この際に一方のみを用いたり、あるいは両方を用いたりすることができる。ここで、２液タイプのイミダゾール化合物としては、具体的には例えば、四国化成工業（株）製「Ｐ−０５０５」（イミダゾール）と四国化成工業（株）製「Ｌ−０７Ｎ」（イミダゾール安定化剤）とを組にしたものを挙げることができる。この２液タイプのイミダゾール化合物は、後述するエポキシ樹脂組成物の調製にあたって、イミダゾールとイミダゾール安定化剤の２液を混合して用いられるものである。そして、硬化促進剤として上述したものを用いると、組成物の保存性、特にポットライフが良好となり、作業性を向上させることができるものである。なお、硬化促進剤の好ましい配合量は、エポキシ樹脂１００質量部に対して１〜８ｐｈｒである。
【００１９】また無機充填材としては、特に限定されるものではなく、例えば、結晶シリカ、溶融シリカ、アルミナ微粉シリカ、マグネシア、窒化珪素等を挙げることができる。このような無機充填材の添加量は、組成物全量中に対して５０〜８５質量％であることが好ましい。添加量が５０質量％未満であると、硬化物の線膨張係数を低減することが困難となり、半導体装置に大きな反りが発生するおそれがあり、逆に添加量が８５質量％を超えると、組成物の粘度が増加し、実際に使用することができなくなるおそれがあるものである。
【００２０】さらに近年、半導体素子が搭載された配線基板において、半導体素子と配線基板とを電気的に接続する金線ワイヤー間あるいはバンプ間の間隔や、半導体素子と配線基板との間に形成される隙間が、狭小化している傾向にあるため、無機充填材の粒径としては、ある程度細かいものを用いるのが好ましい。ここで、無機充填材の粒径を細かくしていくと組成物の粘度が上昇するという不都合が生じ、逆に無機充填材の粒径を大きくしていくと硬化時において無機充填材が沈降するという不都合が生じる。このため以上の点を留意すると、無機充填材として具体的には、粒径が３０μｍ以上のもの（上限は１００μｍ）が無機充填材全量中の２０質量％以下含まれると共に、粒径１μｍ以下のものが無機充填材全量中の５〜４０質量％含まれるものを用いるのが好ましい。
【００２１】また本発明においては、必要に応じて他の樹脂、顔料、希釈剤、カップリング剤、消泡剤等を用いることができる。このうちカップリング剤としては、シランカップリング剤を用いるのが好ましく、特にその種類としては、エポキシ系、アミノ系、ビニル系、メタクリル系、チタネート系等のシランカップリング剤であって、エポキシ樹脂組成物を改質したり、配線基板等への密着性を向上させたりする目的で用いられるものが好ましい。
【００２２】そして、上記のエポキシ樹脂、硬化剤、硬化促進剤、その他の成分を一緒に又は別々に配合し、必要に応じて加熱・冷蔵処理を行いながら、撹拌、溶解、混合、分散を行い、次にこの混合物に無機充填材を加え、必要に応じてさらに加熱・冷蔵処理を行いながら、撹拌、溶解、混合、分散を行うことによって、本発明に係るエポキシ樹脂組成物を調製することができるものである。なお、上記の撹拌、溶解、混合、分散の各工程において、ディスパー、プラネタリーミキサー、ボールミル、三本ロールを適宜組み合わせて使用することができる。
【００２３】上記のようにして調製されたエポキシ樹脂組成物は、室温で液状であり、ディスペンス法、マスクを用いた印刷法、金型を用いた射出成形等に用いることができ、上記の方法によって封止成形することによって、以下のような半導体装置を作製することができるものである。すなわち半導体装置の一例として、配線基板に半導体素子を搭載し、配線基板の電極と半導体素子の電極とを金線ワイヤ等で結線した後、上記のエポキシ樹脂組成物を用いてポッティング成形を行うことにより、配線基板に搭載された半導体素子と金線ワイヤとが封止された半導体装置を作製することができるものである。また他の具体例として、半導体素子に形成されたバンプと配線基板の電極とを接合することによって、配線基板に半導体素子を搭載し、その後、上記のエポキシ樹脂組成物を用いてディスペンス法を行うことにより、半導体素子と配線基板との間の隙間やバンプ間の隙間が封止された半導体装置を作製することができるものである。ここで、本発明に係るエポキシ樹脂組成物は優れたポットライフを有するため、上記の封止成形時に増粘して作業を中断することがなくなるものである。
【００２４】そして、上記のようにして作製された半導体装置にあって、硬化剤としてイミド変性液状フェノール樹脂が用いられているので、配線基板には反りが生じておらず、あるいは反りが生じていてもそれは極めて小さいものである。また、このような半導体装置を一定期間保管していても吸湿量は極めて少量であると共に、その後この半導体装置をマザーボードのような配線基板に実装するにあたって、この半導体装置がリフロー半田付けの高温過酷な環境下に曝されても、パッケージクラックが発生したり、硬化物と半導体素子や配線基板との間に剥離が発生したりするようなことがなくなるものである。しかも、このような半導体装置が高温下と低温下とに交互に放置されるような温度サイクル時であっても、上記のようなパッケージクラックや剥離が発生するようなことはないものである。
【００２５】
【実施例】以下、本発明を実施例によって具体的に説明する。
【００２６】（実施例１〜６及び比較例１〜９）エポキシ樹脂として、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂である油化シェルエポキシ（株）製「エピコート８２８」（エポキシ当量１８９）、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂である油化シェルエポキシ（株）製「エピコート８０７」（エポキシ当量１６９）を使用した。
【００２７】また硬化剤として、メチルテトラヒドロ無水フタル酸である新日本理化（株）製「ＭＨ−７００」（酸無水物当量１６６）、液状フェノール樹脂である明和化成（株）製「ＭＥＨ８００５」（水酸基当量１３５）、イミド変性液状フェノール樹脂である明和化成（株）製「ＭＥＨ８１０５」（エポキシ当量１３８）を使用した。
【００２８】また硬化促進剤として、式（Ａ）で示される化合物である四国化成工業（株）製「２ＭＡ−ＯＫ」、２液型イミダゾール類である四国化成工業（株）製「Ｐ−０５０５」（Ａタイプ）及び「Ｌ−０７Ｎ」（Ｂタイプ）、イミダゾール系マイクロカプセル型潜在性触媒である旭エポキシ（株）製「ＨＸ−３０８８」、トリフェニルホスフィンである北興化学工業（株）製「ＴＰＰ」を使用した。
【００２９】またカップリング剤として、エポキシシランカップリング剤である日本ユニカー（株）製「Ａ−１８７」を使用した。
【００３０】また無機充填材として、溶融シリカである（株）トクヤマ製「ＳＥ１５」（平均粒径１５μｍ）を使用した。
【００３１】そして、上記の各成分を表１に示す配合量で配合し、実施例１〜６及び比較例１〜９について常温で液状のエポキシ樹脂組成物を調製した。具体的には、このエポキシ樹脂組成物の調製にあたっては、エポキシ樹脂、硬化剤、硬化促進剤を配合したものを三本ロールを用いて混合し、次いでこの混合物にカップリング剤で処理した無機充填材を加え、再度三本ロールを用いて混練することによって、行った。
【００３２】（保存性試験）調製した直後のエポキシ樹脂組成物について、Ｂ型粘度計を用いて温度２５℃、回転数２．５ｒｐｍにおける粘度を測定し、初期粘度とした。その後、２４時間毎に最初と同じ温度及び回転数で粘度を測定していき、調製後から初期粘度の１．５倍の粘度となるまでの時間を計測した。この時間は長いほど良好であるため、２４時間未満のものは「×」、２４〜１２０時間のものは「△」、１２０時間を超えるものは「○」と判定した。
【００３３】（評価用パッケージの作製）評価用の半導体素子であるアルミ回路を形成した３ｍｍ角チップを、評価用の配線基板であるＦＲ４グレード相当のガラエポ基板（５０ｍｍ×５０ｍｍ、厚さｔ＝０．６ｍｍ）に搭載し、上記のチップと基板との間を２５μｍ金線でワイヤボンディングすることにより、ＴＥＧ（テストエレメントグループ）を作製した。次いで、このＴＥＧに上記の液状エポキシ樹脂組成物を１．５〜３ｇ程度、上記のチップ及び金線が見えなくなるように封止し、１００℃で１時間硬化させた後、さらに１５０℃で３時間硬化させることによって、評価用パッケージを作製した。
【００３４】（温度サイクル試験）上記のようにして作製した評価用パッケージを、−２５℃で３０分、室温で５分、１２５℃で３０分、室温で５分を１サイクルとする、気相下における温度サイクル（ＴＣ）試験にかけ、１０００サイクル後においてデバイスとしての動作確認を行うと共に、樹脂クラックの有無を観察した。表１において、分母に動作確認と観察を行ったパッケージの総数（１０個）を、分子に動作不良が発生したパッケージの個数と樹脂クラックが発生した個数を示す。
【００３５】（半田耐熱試験）上記のようにして作製した評価用パッケージをさらに１２５℃で１２時間アフターキュアーし、次いで８５℃、湿度６０％ＲＨの雰囲気に１６８時間放置した後に、２６０℃の半田槽に１０秒間浸した。そして、硬化物とチップ、基板との剥離の有無、また樹脂クラックの有無をそれぞれ検査した。表１において、分母に検査したパッケージの総数（１０個）を、分子に剥離や樹脂クラックが発生したパッケージの個数を示す。
【００３６】（基板反り）表面粗さ計を用いて、評価用パッケージの裏面（チップが搭載されていない側の面）の対角線に沿って基板の表面粗さを測定し、チャートを得た。次に、測定の始点と終点とを結んだ線に対して、最大に反りあがっている点までの距離を、上記のチャートをもとに測定し、これを基板反りとした。上記の距離は短いほど良好であるため、５００μｍを超えるものを「×」、５００〜３００μｍのものを「△」、３００μｍ未満のものを「○」と判定した。
【００３７】
【表１】
【００３８】
【表２】
【００３９】表１にみられるように、各実施例のものはいずれも保存性が良好であり、また動作不良発生個数、剥離やクラックの発生個数がいずれも少なく、温度サイクル時の信頼性や吸湿後リフロー時の耐クラック性に優れていると共に、基板に発生する反りが低減されていることが確認される。
【００４０】
【発明の効果】上記のように本発明の請求項１に係るエポキシ樹脂組成物は、エポキシ樹脂、硬化剤、硬化促進剤、無機充填材を必須成分として含む室温で液状のエポキシ樹脂組成物において、硬化剤として、イミド変性液状フェノール樹脂を硬化剤全量中に５０質量％以上含むものを用い、かつ硬化促進剤として、上記の式（Ａ）で示されるトリアジン骨格を持つイミダゾール化合物を用いるので、イミド変性液状フェノール樹脂と式（Ａ）で示されるトリアジン骨格を持つイミダゾール化合物の配合によって、常温において良好なポットライフを得ることができ、封止成形を作業性良く行うことができると共に、イミド変性液状フェノール樹脂の配合によって、温度サイクル時や吸湿後リフロー時の耐クラック性を向上することができるものである。
【００４１】また請求項２に係るエポキシ樹脂組成物は、エポキシ樹脂、硬化剤、硬化促進剤、無機充填材を必須成分として含む室温で液状のエポキシ樹脂組成物において、硬化剤として、イミド変性液状フェノール樹脂を硬化剤全量中に５０質量％以上含むものを用い、かつ硬化促進剤として、２液タイプのイミダゾール化合物を用いるので、イミド変性液状フェノール樹脂と２液タイプのイミダゾール化合物の配合によって、常温において良好なポットライフを得ることができ、封止成形を作業性良く行うことができると共に、イミド変性液状フェノール樹脂の配合によって、温度サイクル時や吸湿後リフロー時の耐クラック性を向上することができるものである。
【００４２】また請求項３に係るエポキシ樹脂組成物は、エポキシ樹脂、硬化剤、硬化促進剤、無機充填材を必須成分として含む室温で液状のエポキシ樹脂組成物において、硬化剤として、イミド変性液状フェノール樹脂を硬化剤全量中に５０質量％以上含むものを用い、かつ硬化促進剤として、上記の式（Ａ）で示されるトリアジン骨格を持つイミダゾール化合物及び２液タイプのイミダゾール化合物の両方を用いるので、イミド変性液状フェノール樹脂と式（Ａ）で示されるトリアジン骨格を持つイミダゾール化合物と２液タイプのイミダゾール化合物の配合によって、常温において良好なポットライフを得ることができ、封止成形を作業性良く行うことができると共に、イミド変性液状フェノール樹脂の配合によって、温度サイクル時や吸湿後リフロー時の耐クラック性を向上することができるものである。
【００４３】また請求項４に係る半導体装置は、請求項１乃至３のいずれかに記載のエポキシ樹脂組成物によって半導体素子が封止されているので、配線基板の反りが低減されていると共に、温度サイクル時や吸湿後リフロー時の耐クラック性に優れているものである。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００５８３２
【氏名又は名称】松下電工株式会社
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| 【出願日】 |
平成１３年２月２３日（２００１．２．２３） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００８７７６７
【弁理士】
【氏名又は名称】西川 惠清 （外１名）
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| 【公開番号】 |
特開２００２−２４９５４７（Ｐ２００２−２４９５４７Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１４年９月６日（２００２．９．６） |
| 【出願番号】 |
特願２００１−４９１７１（Ｐ２００１−４９１７１） |
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