JP2002179882A - エポキシ樹脂組成物及び半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 成形性、耐半田クラック性、難燃性、耐湿
信頼性及び高温保管性に優れた半導体封止用エポキシ樹
脂組成物を提供すること。 【解決手段】 （Ａ）ジフェニレン骨格を含むフェノー
ルアラルキル型エポキシ樹脂、（Ｂ）ジフェニレン骨格
を含むフェノールアラルキル樹脂、（Ｃ）硬化促進剤、
（Ｄ）無機充填材及び（Ｅ）下記式のグリシジルアミン
型エポキシ化合物を必須成分とすることを特徴とする半
導体封止用エポキシ樹脂組成物。 【化１】

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、成形性、耐半田ク
ラック性、難燃性、耐湿信頼性及び高温保管性に優れた
半導体封止用エポキシ樹脂組成物及び半導体装置に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】電子機器の小型化、軽量化、高性能化の
市場動向において、半導体素子の高集積化が年々進み、
又半導体装置の表面実装化が促進されるなかで、半導体
素子の封止に用いられているエポキシ樹脂組成物への要
求は益々厳しいものとなってきている。特に半導体装置
の表面実装化が一般的になってきている現状では、吸湿
した半導体装置が半田リフロー処理時に高温にさらさ
れ、半導体素子やリードフレームとエポキシ樹脂組成物
の硬化物との界面に剥離が発生し、ひいては硬化物にク
ラックを生じる等、半導体装置の信頼性を大きく損なう
不良が生じ、これらの不良の防止、即ち耐半田クラック
性の向上が大きな課題となっている。この課題に対し、
ＩＣ、ＬＳＩ等の半導体素子の封止用エポキシ樹脂組成
物に使用されるエポキシ樹脂や硬化剤であるフェノール
樹脂の改良により、その向上が図られてきた。更に封止
材料では解決できない問題点に対しては、リードフレー
ムの形状変更、特に半導体素子と接着されるアイランド
の形状変更により、対策が行われた。ウインドウ・パッ
ドフレームがこれに相当する。

【０００３】近年、環境負荷物質の撤廃の一環として、
鉛フリー半田への代替化が進められている。鉛フリー半
田では、従来の半田に比べ融点が高いため表面実装時の
リフロー温度は従来より２０℃程度高い、２６０℃が必
要とされる。鉛フリー半田対応のためのリフロー温度の
変更によりウインドウ・パッドフレームでもエポキシ樹
脂組成物の硬化物とパッドの剥離、半導体素子と半導体
樹脂ペーストの剥離に起因する半導体装置のクラックの
問題が生じてきた。このため、２６０℃表面実装時の耐
半田クラック性向上を目指して様々な改良が進められて
きたが、そのいずれにおいても、完全なる解決策とはな
らず、更なる改良が望まれている。

【０００４】又エポキシ樹脂組成物中には、難燃性を付
与するために臭素含有化合物等のハロゲン系難燃剤及び
アンチモン化合物が配合されている。近年、地球環境に
配慮した企業活動の重視により有害性のおそれのある物
質の削減・撤廃の動きがあり、ハロゲン系難燃剤及びア
ンチモン化合物を使用しないで、難燃性に優れたエポキ
シ樹脂組成物の開発が要求されている。これらに代わる
環境対応難燃剤としては、水酸化アルミニウムや水酸化
マグネシウム等の金属水酸化物や赤燐を含むエポキシ樹
脂組成物が提案されるようになってきているが、これら
の難燃剤も、これを用いた半導体装置の耐湿信頼性、高
温保管性に悪影響を及ぼし、更には成形性、硬化性共、
十分に満足の得られるエポキシ樹脂組成物が得られない
という問題があり、全ての要求に対応することができな
かった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、成形性、耐
半田クラック性、難燃剤を含まなくとも難燃性、耐湿信
頼性及び高温保管性に優れた半導体封止用エポキシ樹脂
組成物及び半導体装置に関するものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、 （１） （Ａ）一般式（１）で示されるエポキシ樹脂、
（Ｂ）一般式（２）で示されるフェノール樹脂、（Ｃ）
硬化促進剤、（Ｄ）、無機充填材及び（Ｅ）一般式
（３）で示されるグリシジルアミン型エポキシ化合物を
必須成分とするエポキシ樹脂組成物であって、（Ｅ）一
般式（３）で示されるグリシジルアミン型エポキシ化合
物が、全エポキシ樹脂組成物中０．１０〜２．０重量％
であることを特徴とする半導体封止用エポキシ樹脂組成
物、

【化４】 （式中のＲは、水素原子又は炭素数１〜４のアルキル基
から選択される基であり、互いに同一であっても、異な
っていても良い。ｎは平均値で、１〜５の正数）

【０００７】

【化５】 （式中のＲは、水素原子又は炭素数１〜４のアルキル基
から選択される基であり、互いに同一であっても、異な
っていても良い。ｎは平均値で、１〜５の正数）

【０００８】

【化６】 （式中のＲは、水素原子又は炭素数１〜３のアルキル基
から選択される基である。） （２） 第（１）項記載のエポキシ樹脂組成物を用いて
半導体素子を封止してなることを特徴とする半導体装
置、である。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明を詳細に説明する。
本発明で用いられる一般式（１）で示されるエポキシ樹
脂は、エポキシ基間に疎水性構造を有することを特徴と
する。 一般式（１）で示されるエポキシ樹脂（Ａ）を
用いたエポキシ樹脂組成物の硬化物は、疎水性の構造を
多く含むことから吸湿率が低く、又架橋密度が低いた
め、 ガラス転移温度を越えた高温域での弾性率が低い
という特徴があり表面実装の半田付け時における熱応力
を低減し、耐半田クラック性、半田処理後の基材との密
着性に優れるという特徴を有している。一方、エポキシ
基間の疎水性構造は、剛直なビフェニル骨格であること
から、架橋密度が低い割には耐熱性の低下が少ないとい
う特徴を有する。一般式（１）で示されるエポキシ樹脂
の具体例を以下に示すが、これらに限定されるものでな
い。

【化７】 （式中のｎは平均値で、１〜５の正数）

【００１０】又これらのエポキシ樹脂は単独、もしくは
混合して用いても差し支えない。更には、一般式（１）
で示されるエポキシ樹脂の特徴を損なわない範囲で、分
子内にエポキシ基を有するモノマー、オリゴマー、ポリ
マー、例えばビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、フェノ
ールノボラック型エポキシ樹脂、オルソクレゾールノボ
ラック型エポキシ樹脂、ナフトールノボラック型エポキ
シ樹脂、ジシクロペンタジエン変性フェノール型エポキ
シ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂、スチルベン型エポ
キシ樹脂、トリフェノールメタン型エポキシ樹脂、アル
キル変性トリフェノールメタン型エポキシ樹脂、及びト
リアジン核含有エポキシ樹脂等のエポキシ樹脂を併用し
ても差し支えない。併用する場合の一般式（１）のエポ
キシ樹脂の配合量としては、全エポキシ樹脂中に７０重
量％以上が好ましい。７０重量％未満だとエポキシ樹脂
組成物が燃焼しやすくなったり、硬化物の吸湿率が多く
なったり、弾性率が高くなり、耐半田クラック性に悪影
響を及ぼすおそれがある。又下記の一般式（２）で示さ
れるフェノール樹脂を用いたり、無機充填材の配合量を
増加すれば、全エポキシ樹脂中の一般式（１）で示され
るエポキシ樹脂の配合量を少なくしても、難燃性を維持
できる。

【００１１】本発明で用いられる一般式（２）で示され
るフェノール樹脂は、水酸基間に疎水性構造を有するこ
とを特徴とする。一般式（２）で示されるフェノール樹
脂を用いたエポキシ樹脂組成物の硬化物は、疎水性の構
造を多く含むことから吸湿率が低く、又架橋密度が低い
ため、 ガラス転移温度を越えた高温域での弾性率が低
いという特徴があり、表面実装の半田付け時における熱
応力を低減し、耐半田クラック性、半田処理後の基材と
の密着性に優れるという特徴を有している。一方、フェ
ニル基間の疎水性構造は剛直なビフェニル骨格であるこ
とから、架橋密度が低い割には耐熱性の低下が少ないと
いう特徴を有する。一般式（２）で示されるフェノール
樹脂の具体例を以下に示すが、これに限定されるもので
ない。

【化８】 （式中のｎは平均値で、１〜５の正数）

【００１２】又これらのフェノール樹脂は単独、もしく
は混合して用いても差支えない。更には、一般式（２）
で示されるフェノール樹脂の特徴を損なわない範囲で、
分子内にフェノール性水酸基を有するモノマー、オリゴ
マー、ポリマー、例えばフェノールノボラック樹脂、ク
レゾールノボラック樹脂、フェノールアラルキル樹脂、
テルペン変性フェノール樹脂、ジシクロペンタジエン変
性フェノール樹脂、ビスフェノールＡ、トリフェノール
メタン等のフェノール樹脂を併用しても差し支えない。
併用する場合の一般式（２）で示されるフェノール樹脂
の配合量としては、全フェノール樹脂中に７０重量％以
上が好ましい。７０重量％未満だと燃焼しやすくなった
り、吸湿率が多くなったり、弾性率が高くなり、耐半田
クラック性に悪影響を及ぼすおそれがある。又一般式
（１）で示されるエポキシ樹脂を用いたり、無機充填材
の配合量を増加すれば、全フェノール樹脂中の一般式
（２）で示されるフェノール樹脂の配合量を少なくして
も、難燃性を維持できる。一般式（１）で示されるエポ
キシ樹脂と一般式（２）で示されるフェノール樹脂とを
組合せて用いた場合には、半導体装置の低吸湿性、吸湿
後の半田処理での耐半田クラック性、密着性等の信頼性
で高い効果が得られるので好ましい。全エポキシ樹脂の
エポキシ基と下記する一般式（３）で示されるグリシジ
ルアミン型エポキシ化合物のエポキシ基との合計のエポ
キシ基とフェノール樹脂のフェノール性水酸基の当量比
については、エポキシ基数／フェノール性水酸基数＝
０．７〜１．５の範囲が好ましく、この範囲を外れる
と、樹脂組成物の硬化性の低下、或いは硬化物のガラス
転移温度の低下、耐湿信頼性の低下等が生じるので好ま
しくない。

【００１３】本発明に用いる硬化促進剤（Ｃ）は、エポ
キシ基とフェノール性水酸基との硬化反応を促進させる
ものであればよく、一般に封止材料に使用されているも
のを広く使用することができる。例えばトリブチルアミ
ン、１，８−ジアザビシクロ（５，４，０）ウンデセン
−７等のアミン系化合物、テトラフェニルホスホニウム
・テトラナフトイックアシッドボレート、トリフェニル
ホスフィン等の有機リン系化合物、２−メチルイミダゾ
ール等のイミダゾール化合物等が挙げられ、これらの内
では、特に１，８−ジアザビシクロ（５，４，０）ウン
デセン−７が、各種基材に対する密着性の向上のために
有効であり、更にテトラフェニルホスホニウム・テトラ
ナフトイックアシッドボレートは、樹脂組成物の常温保
管特性を大幅に向上させる効果がある。これらの硬化促
進剤は、単独でも混合して用いても差し支えない。

【００１４】本発明で用いられる無機充填材（Ｄ）は、
例えば、溶融シリカ、球状シリカ、結晶シリカ、２次凝
集シリカ、多孔質シリカ、２次凝集シリカ又は多孔質シ
リカを粉砕したシリカ、アルミナ、窒化珪素等が挙げら
れるが、溶融シリカ粉末、結晶シリカ粉末が好ましい。
又無機充填材（Ｄ）の形状としては、破砕状でも球状で
もかまわないが、耐半田クラック性を向上させるために
高充填し、その他、流動特性、機械強度及び熱的特性の
バランスの点から球状溶融シリカ粉末が好ましい。最大
粒径としては７５μｍ以下が好ましく、平均粒径として
は５〜２５μｍが好ましい。粒度分布としては広いもの
が、成形時の樹脂組成物の溶融粘度を低減するために有
効である。これらの無機充填材は単独でも混合して用い
てもよい。更にシランカップリング剤等で予め表面処理
をしたものを用いてもよい。無機充填材（Ｄ）の配合量
としては、全エポキシ樹脂組成物中に６５〜９５重量％
が好ましい。６５重量％未満だと、樹脂組成物の硬化物
の吸湿量が増大し、しかも半田処理温度での強度が低下
してしまうため、半田処理時に半導体装置にクラックが
生じやすくなり、一方９５重量％を越えると、樹脂組成
物の成形時の流動性が低下し、未充填やチップシフト、
パッドシフトが発生し易くなり好ましくない。

【００１５】本発明で用いられる一般式（３）で示され
るグリシジルアミン型エポキシ化合物は、構造用接着剤
の用途に使用され、エポキシ樹脂の中でも特に高い接着
力を有している。一般式（３）で示されるグリシジルア
ミン型エポキシ化合物は、全エポキシ樹脂組成物中に、
０．１〜２．０重量％配合しただけで無機及び有機部材
との高い接着性を示す。半田処理時に生じる半導体装置
のクラックは半導体封止樹脂とリードフレーム間の剥離
又は半導体封止樹脂とシリコンチップ間の剥離を起因と
しており、高接着性のグリシジルアミン型エポキシ化合
物は、これらの剥離を低減させることにより、半導体封
止樹脂の耐半田クラック性を著しく向上させる。 一般
式（３）で示されるグリシジルアミン型エポキシ化合物
は、液状であり、カップリング剤を添加する場合と同様
にして用いればよい。配合量が０．１重量％未満だと無
機及び有機部材と充分な接着力を得ることができず、
２．０重量％を越えると樹脂組成物の硬化物の難燃性が
低下するので好ましくない。グリシジルアミン型エポキ
シ化合物は、芳香族アミン特有の性質である高い反応性
を有しており、例えば代表的な芳香族アミンであるアニ
リンが常温で放置されると、二量体、三量体を形成する
のと同様な性質があり、更に窒素原子は様々な配位形態
をとることが可能であることから、無機充填材と有機部
材間の接着を強くサポートしていると推定される。

【００１６】一般式（３）中のＲは、水素原子又は炭素
数１〜３のアルキル基である。Ｒとしては、水素原子、
メチル基が好ましい。一般式（１）で示されるエポキシ
樹脂、一般式（２）で示されるフェノール樹脂及び一般
式（３）で示されるグリシジルアミン型エポキシ化合物
を組合せて用いた場合、半導体装置の低吸湿性、吸湿後
の半田処理での耐半田クラック性、難燃性等の点で最も
高い効果が得られる。

【００１７】本発明のエポキシ樹脂組成物は、（Ａ）〜
（Ｅ）成分の他、必要によってハロゲン系難燃剤、アン
チモン化合物、カップリング剤、カーボンブラック、ベ
ンガラ等の着色剤、天然ワックス、合成ワックス等の離
型剤及びシリコーンオイル、ゴム等の低応力添加剤等の
種々の添加剤等を適宜配合されても差し支えない。特に
無機充填材と有機物の両者に反応性を有しているカップ
リング剤は、半導体素子を搭載する基板と樹脂組成物の
硬化物との接着界面に作用し、接着力を向上させ、耐半
田クラック性等の信頼性を向上させるので好ましい。

【００１８】本発明のエポキシ樹脂組成物を成形材料と
して製造するには、（Ａ）〜（Ｅ）成分、及びその他の
添加剤等をミキサー等を用いて充分に均一に常温混合し
た後、更に熱ロール又はニーダー等で溶融混練し、冷却
後粉砕して封止材料とすることができる。これらの成形
材料は、電気部品或いは電子部品であるトランジスタ、
集積回路等の被覆、絶縁、封止等に適用することができ
る。本発明のエポキシ樹脂組成物を用いて、半導体素子
等の電子部品を封止し、半導体装置を製造するには、ト
ランスファーモールド、コンプレッションモールド、イ
ンジェクションモールド等の成形方法で成形硬化すれば
よい。

【００１９】以下に、本発明を実施例を挙げて詳細に説
明するが、本発明はこれら実施例によりなんら限定され
るものでない。また各成分の配合割合は重量％とする。

【実施例】 式（１０）で示されるエポキシ樹脂Ａ（軟化点６０℃、エポキシ当量２７０） ６．９２重量％

【化９】

【００２０】 式（１１）で示されるフェノール樹脂Ｃ（軟化点７５℃、水酸基当量１９５） ５．３８重量％

【化１０】

【００２１】 式（１２）で示されるグリシジルアミン型エポキシ化合物Ｅ（粘度１５００ｍ Ｐａｓ/２５℃、エポキシ当量１００） ０．２０重量％

【化１１】

【００２２】 球状溶融シリカ粉末（平均粒径２２μｍ） ８６．００重量％ １，８−ジアザビシクロ（５，４，０）ウンデセン−７（以下、ＤＢＵという ） ０．２０重量％ カーボンブラック ０．３０重量％ カルナバワックス ０．３０重量％ その他の添加剤 ０．７０重量％ （カーボンブラック０．３０重量％、カルナバワックス
０．３０重量％、その他の添加剤０．７０重量％は表１
では省略した）をミキサーを用いて常温で混合し、７０
〜１１０℃でロールを用いて混練し、冷却後粉砕し、タ
ブレット化して樹脂組成物を得た。この樹脂組成物を以
下の方法で評価した。結果を表１に示す。

【００２３】評価方法 ・スパイラルフロー：ＥＭＭＩ−１−６６に準じたスパ
イラルフロー測定用の金型を用いて、金型温度１７５
℃、注入圧力６．９×１０⁶Ｐａ、硬化時間１２０秒で
測定した。単位はｃｍ。 ・熱時曲げ強度・曲げ弾性：得られた材料をタブレット
化し、低圧トランスファー成形機を用いて、金型温度１
７５℃、注入圧力６．９×１０⁶Ｐａ、硬化時間１２０
秒の条件で試験片を成形し、熱時曲げ強度、及び熱時曲
げ弾性率をＪＩＳ Ｋ ６９１１に準じて（２４０℃
で）測定した。単位はいずれもＮ／ｍｍ²。 ・耐湿信頼性：得られた材料をタブレット化し、低圧ト
ランスファー成形機を用いて、金型温度１７５℃、注入
圧力９．８××１０⁶Ｐａ、硬化時間１２０秒の条件で
１６ＳＯＰ（厚さ１．９５ｍｍ、チップサイズ３．５ｍ
ｍ×３．０ｍｍ、リードフレーム：４２アロイ）を成形
した。ポストキュアとして１７５℃で８時間処理した。
封止したテスト用素子のプレッシャークッカー試験（１
２５℃、圧力２．２×１０⁵Ｐａ）を行い、回路のオー
プン不良を測定し、不良発生時間で表した。単位は時
間。 ・高温保管性：得られた材料をタブレット化し、低圧ト
ランスファー成形機を用いて金型温度１７５℃、注入圧
力６．９×１０⁶Ｐａ、硬化時間１２０秒の条件で１６
ｐＤＩＰ（チップサイズ３ｍｍ×３．５ｍｍ）成形し
た。ポストキュアとして１７５℃で８時間処理後、高温
保管試験（１５０℃、１０００時間及び１８５℃、１０
００時間）を行い、配線間の電気抵抗値が初期値に対し
２０％増加したパッケージを不良と判定した。１０配線
間中の不良率を百分率で示した。単位は％。 ・吸湿率：得られた材料をタブレット化し、低圧トラン
スファー成形機にて金型温度１７５℃、注入圧力９．８
×１０⁶Ｐａ、硬化時間１２０秒の条件で直径５０ｍ
ｍ、厚さ３ｍｍの円盤状試験片を成形し、ポストキュア
として１７５℃で８時間処理した。試験片の吸湿処理前
と８５℃、相対湿度８５％の環境下で１６８時間処理し
た後の重量変化を測定し、試験片の吸湿率を百分率で示
した。単位は％。 ・耐半田クラック性：得られた材料をタブレット化し、
低圧トランスファー成形機にて金型温度１７５℃、注入
圧力９．８×１０⁶Ｐａ、硬化時間１２０秒の条件で４
４ｐＴＳＯＰ（厚さ１．０ｍｍ、チップサイズ４ｍｍ×
７．５ｍｍ）を成形した。ポストキュアとして１７５℃
で８時間処理したパッケージ６個を、８５℃、相対湿度
８５％の環境下で１６８時間処理した後、ＩＲリフロー
処理（２６０℃）を行った。処理後の内部の剥離及びク
ラックの有無を超音波探傷装置で観察し、不良パッケー
ジの個数を数えた。不良パッケージの個数がｎ個である
とき、ｎ／６と表示する。 ・難燃性：得られた材料をタブレット化し、低圧トラン
スファー成形機を用いて、１７５℃、注入圧力６．９×
１０６Ｐａ、硬化時間１２０秒の条件で試験片を成形
し、ＵＬ−９４垂直試験（試験片厚さ１／８ｉｎｃｈ）
を行った。

【００２４】実施例２〜５、比較例１〜３ 実施例１以外で用いた材料を以下に示す。 ビフェニル型エポキシ樹脂Ｂ（軟化点１０５℃、エポキ
シ当量１９３） フェノールアラルキル樹脂Ｄ（軟化点７５℃、水酸基当
量１７５） 赤燐系難燃剤（赤燐の表面を水酸化アルミニウムで被覆
した後、更にその表面をフェノール樹脂で被覆したもの
で、赤燐含有量９４重量％、平均粒径４．５ｕｍ、最大
粒径１１ｕｍ） 表１に示した配合割合の成分（カーボンブラック０．３
０重量％、カルナバワックス０．３０重量％、その他の
添加剤０．７０重量％は表１では省略した）を実施例１
と同様に樹脂組成物を作製し、実施例１と同様にして評
価した。評価結果を表１に示す。

【００２５】

【表１】

【００２６】

【発明の効果】本発明のエポキシ樹脂組成物は、成形性
に優れ、これを用いて半導体素子を封止してなる半導体
装置は、耐半田クラック性、難燃剤を含まなくとも難燃
性に優れ、かつ耐湿信頼性及び高温保管性に優れてい
る。

フロントページの続き Ｆターム(参考） 4J002 CC043 CC053 CC073 CD041 CD051 CD061 CD071 CD132 CD141 CE003 DE147 DJ007 DJ017 EN026 EU116 EU136 EW146 EW176 EY016 FB097 FD017 FD143 FD156 GQ05 4J036 AA05 AB16 AC02 AD07 AD08 AD10 AE07 AF05 AF06 AF08 AH09 DC05 DC40 DC46 DD07 FA05 FB06 FB08 GA04 GA06 JA07 4M109 AA01 BA01 CA21 EA03 EB03 EB04 EB12 EB18 EC01 EC05 EC20

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 （Ａ）一般式（１）で示されるエポキシ
   樹脂、（Ｂ）一般式（２）で示されるフェノール樹脂、
   （Ｃ）硬化促進剤、（Ｄ）、無機充填材及び（Ｅ）一般
   式（３）で示されるグリシジルアミン型エポキシ化合物
   を必須成分とするエポキシ樹脂組成物であって、（Ｅ）
   一般式（３）で示されるグリシジルアミン型エポキシ化
   合物が、全エポキシ樹脂組成物中０．１０〜２．０重量
   ％であることを特徴とする半導体封止用エポキシ樹脂組
   成物。 【化１】 （式中のＲは、水素原子又は炭素数１〜４のアルキル基
   から選択される基であり、互いに同一であっても、異な
   っていても良い。ｎは平均値で、１〜５の正数） 【化２】 （式中のＲは、水素原子、又は炭素数１〜４のアルキル
   基から選択される基であり、互いに同一であっても、異
   なっていても良い。ｎは平均値で、１〜５の正数） 【化３】 （式中のＲは、水素原子、又は炭素数１〜３のアルキル
   基から選択される基である。）
2. 【請求項２】 請求項１記載のエポキシ樹脂組成物を用
   いて半導体素子を封止してなることを特徴とする半導体
   装置。