封止樹脂とは

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封止樹脂とは、半導体チップとボンディングワイヤをまとめて覆い、固めて守るための材料です。 完成した半導体パッケージの黒い樹脂の部分が、これにあたります。

硬く固めて中の部材を拘束することが守る働きで、その硬さはガラス転移温度（Tg）を超えると失われます。Tgを上げれば別の性質が落ち、硬い樹脂はパッケージを反らせます。

封止樹脂は、ワイヤボンディングの後に中身を覆い隠す

半導体パッケージの黒い外装は、ほとんどが封止樹脂です。半導体パッケージはワイヤボンディングを終えてから樹脂で封じるため、完成後のワイヤは外から見えなくなります¹。中身を覆い隠している側が封止樹脂です。

住友ベークライトは、半導体封止材の役割を、チップ保護、外部環境からの絶縁性の確保、チップからの熱拡散性の確保、実装時のハンドリング性の確保としています²。同社はスミコンEMEの特長として絶縁性、耐薬品性、耐湿性、熱耐久性、パッケージの保護、放熱性を掲げています。

中身はシリカと樹脂の混合物で、約175℃・60秒で固める

半導体封止用エポキシ樹脂成形材料は、シリカなどの無機フィラーをエポキシ樹脂や硬化剤と練り合わせ、均一に散らしたコンパウンド製品です³。熱伝導性を高めたい場合は、フィラーの材質をアルミナへ変更します。混ぜる粉の種類と比率が、樹脂そのものと同じくらい性質を左右します。

住友ベークライトの成形方式はトランスファー成形で、硬化条件は約175℃・60秒、成形時の圧力は約10MPaです。同社は、いずれも顧客の使用条件に応じたカスタマイズが可能としています。

粉と樹脂の混合物を、金型の中で1分ほどで固めます

封止材は無機フィラーと樹脂と硬化剤のコンパウンドで、トランスファー成形により約175℃・60秒、約10MPaで固めます。粉を含んだ材料を金型へ押し込み、その場で硬化させる工程です。

硬さで部材を拘束することが、守る働きになる

封止樹脂の役割は、覆うことと、中の部材の膨張収縮を拘束することの2つです。レゾナックは、パワー半導体のパッケージに長く使われてきたシリコーン樹脂は柔らかいために中の部材を拘束する力が弱く、動作温度の高いパワーサイクル試験では、伸び縮みするチップやワイヤを止めきれずに不合格となっていたとしています⁴。ワイヤ（Au、Cu）とチップ（Si）では、熱膨張係数の差がとりわけ大きくなります。

そこでエポキシ樹脂が使われます。ただし、エポキシ樹脂が硬いのはある温度までです。エポキシ樹脂はガラス転移温度（Tg）より低いところでは硬さを保って部材を拘束し、ワイヤの浮き上がりや断線を防ぎます。Tgを超えると樹脂がやわらぐため、Tgが動作温度Tj以上になる封止材を選ぶ必要があります。封止樹脂を選ぶ作業は、その製品が何度まで硬さを保つかという数字を、デバイスの動作温度と並べて比べる作業です。

Tgを境に、硬い材料が柔らかい材料へ入れ替わります

公開資料に載る代表値を、温度の軸へ並べた図です。エポキシ樹脂でも境目の温度は製品ごとに175℃から240℃まで開くため、デバイスの動作温度に合わせて品番を選ぶことになります。

Tgを上げると、分解、密着、応力が悪化する

Tgを上げるには、樹脂の骨格を硬い作りに変える必要があります。骨格が動きにくくなる分だけ、高温での分解は起きやすくなり、他の部材との密着性は落ち、内部にたまる応力は大きくなります⁴。そこから生じる剥離のせいで、今度は温度サイクル試験のほうが通らなくなる問題がありました。

レゾナックは、CEL-400シリーズがTg（TMA）175〜190℃でありながら、分解抑制、剥離防止、応力緩和を並立させたとしています。手段は、エポキシと硬化剤であるフェノールの最適配合、密着付与剤の添加、低応力化材の配合のバランスです。

住友ベークライトは2024年5月、エポキシ樹脂のTgは樹脂の種類によって異なり、架橋密度を向上させることで上げられるものの、一般には約100℃から200℃程度⁵と述べたうえで、次世代SiCパワーモジュール向けの高Tg材料では、通常の架橋密度向上に加えて樹脂の主鎖骨格を剛直化することで、240℃に達するTgを実現したと発表しました。同社が参考として掲げた表では、量産品のG720シリーズとG780シリーズがTg 195℃、開発品の新グレードが240℃です。同社は、高Tg化にともなって硬く脆くなる現象を硬化剤の種類の最適化で避け、組み立てプロセス中の不具合を抑える応力緩和性能を確かめたとしています。新グレードはサンプル提供が始まり、量産化は2025年度からの見込みです。

硬い樹脂は、冷えるとパッケージを反らせる

硬い樹脂で覆うと、別の問題が出ます。樹脂とチップと基板とでは温度が変わったときの伸び縮みの量に差があるため、成形後に冷えたパッケージが反ります。

レゾナックは、有機基板用エポキシ樹脂封止材⁶の特長の先頭に、弾性率や熱膨張率をコントロールしてパッケージの反りを抑制することを挙げています。製品特性表では、CEL-9750ZHF10HT3Wがガラス転移温度145℃、熱膨張係数α1が12ppm/℃、α2が41ppm/℃、曲げ弾性率27GPaです。41を12で割ると、ガラス転移温度を挟んで熱膨張係数は3.4倍になります。

反りは、パッケージが大きくなるほど歩留まりを左右します。住友ベークライトは2024年11月、パネルレベルパッケージについて、パネルが大きくなるほど実装後の反りや面内での成形厚みのばらつきが品質上の課題になっていたとしています⁷。同社は封止材のフィラーの粒径と樹脂の粘度を調整して反りを抑えた圧縮成形用の顆粒材を製品化し、600×600mmの大型パネルでも厚みのそろった成形ができるようになりました。

よくある質問（FAQ）

封止樹脂とは何ですか？

半導体チップとボンディングワイヤをまとめて覆い、固めて守る材料です。住友ベークライトは、封止材の役割をチップ保護、外部環境からの絶縁性の確保、チップからの熱拡散性の確保、実装時のハンドリング性の確保としています。

何でできているのですか？

樹脂と粉の混合物です。シリカなどの無機フィラーをエポキシ樹脂や硬化剤と練り合わせ、均一に散らしたコンパウンド製品です。

どうやって固めるのですか？

金型の中で加熱と加圧をします。住友ベークライトの封止材はトランスファー成形で、硬化条件は約175℃・60秒、成形時の圧力は約10MPaです。いずれも顧客の使用条件に応じたカスタマイズが可能とされています。

シリコーン樹脂とエポキシ樹脂では何が変わりますか？

部材を拘束する力の大きさが変わります。レゾナックは、パワー半導体のパッケージに長く使われてきたシリコーン樹脂は柔らかく、中の部材を拘束する力が弱いため、動作温度の高いパワーサイクル試験では伸び縮みするチップやワイヤを止めきれずに不合格となっていた、としています。

ガラス転移温度（Tg）はなぜ大事なのですか？

硬さが入れ替わる境目だからです。エポキシ樹脂はTgより低いところでは硬さを保って部材を拘束しますが、Tgを超えるとやわらぐため、Tgが動作温度Tj以上になる封止材を選ぶ必要があります。

Tgは高ければ高いほど良いのですか？

代償が付きます。Tgを上げるには樹脂の骨格を硬い作りに変える必要があり、その分だけ高温での分解が起きやすくなり、密着性は落ち、内部応力は大きくなります。レゾナックは、CEL-400シリーズがTg（TMA）175〜190℃で、分解抑制と剥離防止と応力緩和を並立させたとしています。

反りはなぜ問題になるのですか？

硬い樹脂とチップや基板とで、温度が変わったときの伸び縮みの量に差があるためです。住友ベークライトは2024年11月、パネルが大きくなるほど実装後の反りや成形厚みのばらつきが課題になっていたとし、フィラーの粒径と樹脂の粘度を調整して、600×600mmの大型パネルでも厚みのそろった成形ができるようにしました。

比較・違いを学ぶ

ボンディングワイヤとは── 封止樹脂が拘束する相手であり、拘束が弱いとリフトオフや断線が起きる側です
アンダーフィルとは── 全体を覆う封止樹脂に対し、チップ下の隙間だけを埋める樹脂です
半導体封止材（EMC）とは── 成形方式やMUFまで含めた工程側の解説です

出典

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