JP4265679B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半田耐熱性に優れ、半導体を樹脂封止する際にステージシフト、ワイヤー流れが起こらない信頼性の優れた半導体封止用樹脂ペレット、該半導体封止用樹脂ペレットを用いて半導体素子を封止してなる半導体装置、および該半導体封止用樹脂ペレットの製造方法に関するものである。

近年電子機器の小型化のために半導体装置を配線基板に高密度に実装することが非常に重要になってきた。そのため従来のように半導体装置のリードピンを基板の穴に挿入して基板の裏側からはんだ付けする「挿入実装方式」に代わり、基板表面に半導体装置を仮止めした後全体を加熱する「表面実装方式」が一般的になってきた。

表面実装方式への移行に伴い、挿入実装方式ではあまり問題にならなかった半田付け工程が大きな問題になっている。挿入実装方式では半田付け工程はリ−ド部が部分的に加熱されるだけであったが、表面実装方式ではパッケ−ジ全体が加熱されるため、パッケ−ジ全体が２１０〜２７０℃の高温に加熱されることになる。そのため、樹脂封止型パッケージでは、成形してから実装工程の間までに封止材に吸湿された水分が半田付け加熱時に爆発的に水蒸気化、膨脹し、半田付け時にクラックが発生したり、封止材とシリコンチップやリードフレームの間に剥離が生じ、信頼性が低下してしまうという問題があった。従来この問題に対しては封止材を高フィラー化して吸水率を下げる検討が行われてきた。

また、この半導体集積回路の分野では微細加工技術の進歩が著しく、ＩＣチップの高集積化が進められている。集積度をさらに向上させるためにパッケージ中のＩＣチップの占有率を増加するとともに、パッケージの大型化、薄型化、多ピン化が要求されている。しかしながら、高フィラー化してこれら大型、薄型、多ピンのパッケージを封止するにはステージシフト、ワイヤー流れ、ボイドの発生などが起こらない成形性の優れた封止用樹脂特性が要求される。

一方、従来より半導体素子を樹脂封止するにはトランスファー成形法が広く用いられており、通常このトランスファー成形法は、タブレット化した樹脂を金型ポット内に入れ加熱して樹脂を加圧注入して成形する方法である。しかし、ＩＣパッケージの開発が進むにつれて成形方法や金型が多様化し、様々な大きさのタブレットが使用されるようになり、そのため成形方法や金型に適した、タブレットのサイズ管理が必要とされている。タブレットのサイズ管理を省くため、タブレット化する前の粉末を用い半導体素子を樹脂封止する方法が提案されている。ペレットは必要樹脂量を１ショット毎に計量して成形するため、タブレットに比べ樹脂の有効活用と在庫管理の点でコストメリットが大きい。

特開平９−２８３５５０号公報

本発明の目的は、半田耐熱性に優れ、半導体を樹脂封止する際にステージシフト、ワイヤー流れが起こらない信頼性の優れた半導体封止用樹脂ペレットを用いて半導体素子を封止する半導体装置の製造方法を提供することである。

すなわち本発明は、
１．「半導体封止用樹脂ペレットを用いて、低圧トランスファー成形法、インジェクション成形法及び圧縮成形法から選択される成形法により半導体素子を封止して半導体装置を製造する方法であって、
前記ペレットが、無機充填材を全体の８０重量％以上含有する溶融樹脂組成物を成形してなり、かつ該ペレットの比表面積が４０×１０^−４ｍ^２／ｇ〜１５０×１０^−４ｍ^２／ｇであり、
前記ペレットに対する仮想外接球の直径が０．５ｍｍ〜５．０ｍｍのものを個数にして９０％以上含有することを特徴とする半導体装置の製造方法。」
２．「溶融樹脂組成物がエポキシ樹脂および硬化剤を含有するものであることを特徴とする半導体装置の製造方法。」
３．「エポキシ樹脂がビフェニル型エポキシを含有することを特徴とする前記いずれかの半導体装置の製造方法。」
４．「ペレットの最長部長さが０．５ｍｍ〜５．０ｍｍのものを個数にして９０％以上含有することを特徴とする前記いずれかの半導体装置の製造方法。」
５．「無機充填材を８０重量％以上含有する溶融樹脂組成物を溶融状態から成形し、ペレット化したペレットを用いることを特徴とする前記いずれかの半導体装置の製造方法。」６．「エポキシ樹脂、硬化剤および無機充填材を溶融混練し、溶融混練樹脂組成物となした後、溶融状態から成形し、ペレット化したペレットを用いることを特徴とする前記いずれかの半導体装置の製造方法。」
を提供するものである。

本発明によれば、半導体を樹脂封止する際にステージシフト、ワイヤー流れが起こらず、かつボイドが発生しない信頼性の優れた半導体装置の製造方法を提供することができる。

以下、本発明の構成を詳述する。本発明において「ペレット」とは、個々のペレットまたは個々のペレットが複数個集まった集合体を意味する。

本発明の半導体封止用樹脂ペレットは、好ましくはエポキシ樹脂（Ａ）、硬化剤（Ｂ）、無機充填材（Ｃ）を含有する半導体封止用樹脂組成物の溶融物より製造される。以下に該半導体封止用樹脂組成物について説明する。

本発明におけるエポキシ樹脂（Ａ）は、１分子中に２個以上のエポキシ基を有するもので特に限定されず、これらの具体例としては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、フェノールアラルキル型エポキシ樹脂、ナフトールアラルキル型エポキシ樹脂、ジシクロペンタジエン骨格含有エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂、ナフタレン型エポキシ樹脂、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、これらを単独で用いても、２種類以上併用してもかまわない。

また、特に好ましいエポキシ樹脂（Ａ）の具体例としては、４，４’−ビス（２，３−エポキシプロポキシ）ビフェニル、４，４’−ビス（２，３−エポキシプロポキシ）−３，３’５，５’−テトラメチルビフェニル、４，４’−ビス（２，３−エポキシプロポキシ）−３，３’５，５’−テトラエチルビフェニル、４，４’−ビス（２，３−エポキシプロポキシ）−３，３’５，５’−テトラメチル−２−クロロビフェニルなどのビフェニル型エポキシ樹脂が挙げられ、これらのビフェニル型エポキシ樹脂を全エポキシ樹脂中に含有することが好ましく、特に６０〜１００重量％配合することが好ましい。

本発明における硬化剤（Ｂ）は、エポキシ樹脂と反応する化合物であれば任意であるが、硬化物とした場合に吸水率が低い化合物として分子中にヒドロキシル基を有するフェノ−ル化合物が好ましく用いられる。フェノ−ル化合物の具体例としては、フェノ−ルノボラック樹脂、クレゾ−ルノボラック樹脂、ナフト−ルノボラック樹脂、トリス（ヒドロキシフェニル）メタン、１，１，２−トリス（ヒドロキシフェニル）エタン、１，１，３−トリス（ヒドロキシフェニル）プロパン、テルペンとフェノ−ルの縮合化合物、ジシクロペンタジエン変性フェノ−ル樹脂、フェノ−ルアラルキル樹脂、ナフト−ルアラルキル樹脂、カテコ−ル、レゾルシン、ヒドロキノン、ピロガロ−ル、フロログルシノ−ルなどが挙げられる。

本発明では、エポキシ樹脂（Ａ）と硬化剤（Ｂ）の配合当量比（エポキシ基に対するヒドロキシル基のモル比）は通常、０．５〜２．０であるが好ましくは０．７〜１．５である。エポキシ樹脂（Ａ）と硬化剤（Ｂ）の配合量としては、エポキシ樹脂（Ａ）と硬化剤（Ｂ）の和が全組成に対して５〜２０重量％の範囲が好ましく、さらに好ましい配合量の範囲は５〜１５重量％である。

本発明における無機充填材（Ｃ）としては、非晶性シリカ、結晶性シリカ、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、アルミナ、マグネシア、窒化珪素、酸化マグネシウムアルミニウム、ジルコニア、ジルコン、クレー、タルク、珪酸カルシウム、酸化チタン、酸化アンチモン、アスベスト、ガラス繊維、硫酸カルシウム、窒化アルミニウムなどが挙げられ、球状、破砕状、繊維状など任意の形状の物が使用できる。無機充填材（Ｃ）の好ましい具体例としては非晶シリカ、結晶性シリカ、アルミナであり、さらに好ましくは形状が球状のものを無機充填材（Ｃ）中に６０〜１００重量％、特に８０〜１００重量％含有することが好ましい。

本発明において、無機充填材（Ｃ）の割合は樹脂組成物全体の８０重量％以上であることが必要であるが、８６重量％以上であることがより好ましい。無機充填材は樹脂成分に比べ熱伝導率が高いため、無機充填材を８０重量％以上含有するとペレットが成形時にポット内で加熱される際に、ペレット全体が均質に素早く溶融し樹脂の流動むらが生じることがなく、また吸水率が低下し耐半田性が向上する。

本発明において無機充填材（Ｃ）をシランカップリング剤などのカップリング剤を配合しておくことが半導体装置を封止する場合、信頼性の点で好ましい。カップリング剤はそのまま配合しても、あらかじめ無機充填材（Ｃ）に表面処理してもよい。

カップリング剤としては、エポキシシラン、アミノシラン、メルカプトシラン、ウレイドシランなどの官能基をもつ有機基がケイ素原子に結合し、かつアルコキシ基などの加水分解性基がケイ素原子に直結したシランカップリング剤が好ましく用いられ、２種以上を併用してもかまわない。また、特にアミノ基を有するカップリング剤を配合することが好ましく、その具体例としては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、Ｎ−フェニル−γ−アミノプロピルメチルジメトキシシラン、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、Ｎ−β（アミノエチル）γ−アミノプロピルメチルジメトキシシランなどがあげられる。

また、カップリング剤の添加量は通常エポキシ樹脂組成物全体に対し、０．１〜２重量％である。

本発明では、さらに硬化促進剤を配合できる。用いられる硬化促進剤としては、エポキシ樹脂と硬化剤の反応を促進させるものであれば任意であるが、硬化促進剤の具体例として、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）ホスフィンなどのホスフィン類、２−メチルイミダゾ−ル、２−フェニルイミダゾ−ル、２−フェニル−４−メチルイミダゾ−ル、２−ヘプタデシルイミダゾ−ルなどのイミダゾ−ル類、トリエチルアミン、ベンジルジメチルアミン、α−メチルベンジルアミン、１，８−ジアザビシクロ（５，４，０）ウンデセン−７、１，５−ジアザビシクロ（４，３，０）ノネン−５ 、７−メチル−１，５，７−トリアザビシクロ（４，４，０）デセン−５などのアミン類が挙げられる。

本発明では、ブロム化合物を配合できる。また実質的に存在するブロム化合物は、通常半導体封止用エポキシ樹脂組成物に難燃剤として添加されるもので、特に限定されず、公知のものであってよい。

存在するブロム化合物の好ましい具体例としては、ブロム化ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、ブロム化フェノールノボラック型エポキシ樹脂などのブロム化エポキシ樹脂、ブロム化ポリカーボネート樹脂、ブロム化ポリスチレン樹脂、ブロム化ポリフェニレンオキサイド樹脂、テトラブロモビスフェノールＡ、デカブロモジフェニルエーテルなどが挙げられ、なかでも、ブロム化ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、ブロム化フェノールノボラック型エポキシ樹脂などのブロム化エポキシ樹脂が、成形性の点から好ましい。

本発明では、アンチモン化合物を配合できる。これは通常半導体封止用エポキシ樹脂組成物に難燃助剤として添加されるもので、特に限定されず、公知のものが使用できる。アンチモン化合物の好ましい具体例としては、三酸化アンチモン、四酸化アンチモン、五酸化アンチモンが挙げられる。

本発明では、シリコ−ンゴム、オレフィン系共重合体、変性ニトリルゴム、変性ポリブタジエンゴム、変性シリコーンオイルなどのエラストマ−、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、パラフィンワックスなどの離型剤を配合することができる。なかでも変性シリコーンオイルが好ましく、その好ましい具体例としてはエポキシ変性シリコーンオイル、カルボキシル変性シリコーンオイル、アミノ変性シリコーンオイル、ポリエーテル変性シリコーンオイルなどが挙げられ、エポキシ変性シリコーンオイル、カルボキシル変性シリコーンオイルが特に好ましく用いることができる。

本発明では他の添加剤として、カーボンブラック、酸化鉄などの着色剤、ハイドロタルサイト類、ビスマス系などのイオン捕捉剤、ポリエチレン、ポリプロピレンなどの熱可塑性樹脂および有機過酸化物などの架橋剤を任意に添加することができる。

本発明において半導体封止用樹脂ペレットとは、通常複数のペレットからなる集合体として使用され、半導体を樹脂封止する際、１回の成形サイクルで１つのポットに一般的には１０個以上を使用して成形が行われる。

本発明において、「比表面積」とは、個々のペレットにおける場合はそのペレット自体の比表面積を意味し、集合体における場合はその集合体から無作為に採取した１００個のペレットの比表面積の平均値を意味する。本発明の半導体封止用樹脂ペレットは、比表面積が４．５×１０^−４ｍ^２／ｇ以上であり、４．５×１０^−４〜２００×１０^−４ｍ^２／ｇが好ましい。比表面積が大きいと熱伝導率が良く、成形時にポット内で加熱される際に、ペレット全体が均質に素早く溶融するため樹脂の流動むらが生じることがなく、ステージシフトやワイヤー流れなどの問題が起きない。ただし、比表面積が２００×１０^−４ｍ^２／ｇ以上では微粉となってしまうため、取り扱い上および作業環境上、好ましくない。

ペレットの大きさは限定されないが、ペレットに対し仮想外接球を想定した場合、その直径が１０．０ｍｍ以下となる範囲に個数にして９０％以上が含まれるのが好ましく、またその直径が０．５ｍｍ〜８．０ｍｍが９０％以上、さらに０．５ｍｍ〜５．０ｍｍが９０％以上となることが特に好ましい。

本発明において、「最長部長さ」とは、ペレットの大きさを測定した場合、最も長い部分の長さを意味する。例えば、円柱状の場合、２つの底面の円の中心を含む断面の対角線に相当し、立方体や直方体であればその対角線に相当する。本発明の半導体封止用樹脂ペレット集合体は、その最長部長さが１０．０ｍｍ以下のものが個数にして９０％以上が含まれるのが好ましく、０．５ｍｍ〜８．０ｍｍが９０％以上となることがさらに好ましく、０．５ｍｍ〜５．０ｍｍが９０％以上となることが特に好ましい。

ペレットの形状は特に限定されないが、円柱状、球状、繭型、板状が好ましく、形状はできる限り揃っている方が好ましい。

本発明の半導体封止用樹脂ペレットの製造方法としては、次のような方法が挙げられる。まず、好ましくはエポキシ樹脂（Ａ）、硬化剤（Ｂ）、無機充填材（Ｃ）を含有する組成物を混合し、その後好ましくは６０〜１４０℃の温度で、さらに好ましくは６０℃〜１２０℃の温度で溶融混練する。溶融混練装置としては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などの公知の混練機を用いて製造される。溶融混練装置には溶融吐出物にボイドを残さないためにベント装置が付いていることが好ましい。また、スクリューアレンジは、樹脂や無機充填材などを均質に混練するために、ニーディングスクリューやダルメージスクリューなどを用いることが好ましい。

次に、溶融状態の溶融樹脂組成物をペレット化するが、溶融樹脂組成物を棒状やシート状に押出し、様々なカッターで切断しペレット化する方法、溶融樹脂組成物を金型に流し込みペレット化する方法など公知の方法で得られる。

本発明の半導体封止用樹脂ペレットを用い半導体素子を封止して半導体装置を製造する方法としては、低圧トランスファ−成形法が一般的であるがインジェクション成形法や圧縮成形法も可能である。成形条件としては、例えば半導体封止用樹脂ペレットを成形温度１５０〜２００℃、圧力５〜１５ＭＰａ、成形時間３０〜３００秒で成形し、封止用樹脂組成物の硬化物とすることによって半導体装置が製造される。また、必要に応じて上記成形物を１００〜２００℃で２〜１５時間、追加加熱処理も行われる。

以下、実施例により本発明を具体的に説明する。なお、表２、３中の数字は、重量％を示す。

実施例１〜８、比較例１〜４
表１に示した成分を、表２、３に示した組成比でミキサーにより粉末状態でブレンドした。これをバレル温度９０℃の二軸押出機を用いて溶融混練し、溶融状態で吐出口より円柱棒状に押出した。これをカッターで切断し、ほぼ円柱状の表２、３に示す大きさのペレットを得た。このペレットを用いて、低圧トランスファー成形法により１７５℃×２分の条件で、半導体素子を封止成形して半導体装置を得た。

ステージシフト：３６ピンＴＳＯＰデバイス（外形：１０×２３×１．０ｍｍ、ダミーチップ：６×１６×０．３ｍｍ、フレーム材料：４２アロイ、チップ表面：ポリイミド膜）を各８個成形し、超音波探傷装置による断面の観察、およびパッケージを切断して切断面の顕微鏡観察を行った。ステージシフトやチップ変位量が全て５０μｍ未満のものを◎、５０μｍ以上１００μｍ未満のものを○、１００μｍ以上ステージシフトやチップ変位が生じたものを×とした。

耐半田性：３６ピンＴＳＯＰデバイス（外形：１０×２３×１．０ｍｍ、ダミーチップ：６×１６×０．３ｍｍ、フレーム材料：４２アロイ、チップ表面：ポリイミド膜）を各８個成形し、１７５℃、４時間追加加熱して半導体装置を得た。これらを８５℃、８５％ＲＨの条件で１６８時間加湿した後、２４５℃に加熱されたＩＲ（赤外線）リフロ−炉に２４５℃、１０秒の条件で通した。その後外部クラックの有無個数を調べクラックの入ったパッケージを不良パッケージとし、不良数を求めた。

ペレットの仮想外接球の直径および最長部長さは次の方法で求めた。無作為に採取した１００個のペレットの顕微鏡写真を撮影し、ペレットを円柱として考え、この写真から外径と長さを測定しその分布を求め、仮想外接球の直径および最長部長さを計算する。次にその仮想外接球の直径および最長部長さの大きいものから１０個を除外し、残り９０個の内最も大きいものの値を記載した。

また、比表面積は、無作為に採取した１００個のペレットの重量分布および上記の方法で求めた外径と長さの分布およびそれらの平均値から計算した。

表２、３にみられるように、実施例１〜８の比表面積が４０×１０ ^−４ 〜１５０×１０ ^−４ ｍ ^２ ／ｇの半導体封止用ペレットを用いるとステージシフトがなく耐半田性に優れた半導体装置が得られる。一方、比較例１では無機充填材が８０重量％未満であるため、ま
た比較例２〜４では比表面積が４．５×１０^−４ｍ^２／ｇ未満であるため流動むらが生じステージシフトが起き、耐半田性も悪くなっている。

Claims (6)

1. 半導体封止用樹脂ペレットを用いて、低圧トランスファー成形法、インジェクション成形法及び圧縮成形法から選択される成形法により半導体素子を封止して半導体装置を製造する方法であって、
   前記ペレットが、無機充填材を全体の８０重量％以上含有する溶融樹脂組成物を成形してなり、かつ該ペレットの比表面積が４０×１０^−４ｍ^２／ｇ〜１５０×１０^−４ｍ^２／ｇであり、
   前記ペレットに対する仮想外接球の直径が０．５ｍｍ〜５．０ｍｍのものを個数にして９０％以上含有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 溶融樹脂組成物がエポキシ樹脂および硬化剤を含有するものである請求項１記載の半導体装置の製造方法。
3. エポキシ樹脂がビフェニル型エポキシを含有することを特徴とする請求項２記載の半導体装置の製造方法。
4. ペレットの最長部長さが０．５ｍｍ〜５．０ｍｍのものを個数にして９０％以上含有することを特徴とする請求項１〜３いずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
5. 無機充填材を８０重量％以上含有する溶融樹脂組成物を溶融状態から成形し、ペレット化したペレットを用いることを特徴とする請求項１〜４いずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
6. エポキシ樹脂、硬化剤および無機充填材を溶融混練し、溶融樹脂組成物となした後、溶融状態から成形し、ペレット化したペレットを用いることを特徴とする請求項１〜４いずれか記載の半導体装置の製造方法。