JP2003096159A - エポキシ樹脂組成物及び半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 流動性に優れ、かつ耐半田クラック性に優れ
た特性を有するエポキシ樹脂組成物を提供すること。 【解決手段】 （Ａ）一般式（１）で示されるエポキシ
樹脂、（Ｂ）フェノール樹脂、（Ｃ）無機充填材及び
（Ｄ）硬化促進剤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】 （Ｒ１は炭素数１〜４のアルキル基、Ｒ２は炭素数１〜
４のアルキル基で、ａは０〜３の整数、ｂは０〜４の整
数で、互いに同一でも異なってもよい、ｍは、平均値で
１〜１０の正数）

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、流動性、耐半田ク
ラック性に優れた特性を有する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】ＩＣ、ＬＳＩ等の半導体素子の封止方法
としてエポキシ樹脂組成物のトランスファー成形による
方法が低コスト、大量生産に適した方法として採用され
て久しく、信頼性も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向上が図られてきた。しかし、近
年の電子機器の小型化、軽量化、高性能化の市場動向に
おいて、半導体の高集積化も年々進み、又半導体装置の
表面実装化が促進されるなかで、半導体封止用エポキシ
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。このため、従来のエポキシ樹脂組成物では解決でき
ない問題点も出てきている。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な
ど、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。

【０００３】更に環境負荷物質の撤廃の一環として、鉛
を含まない半田への代替が進められている。鉛を含まな
い半田では、従来の半田に比べ融点が高いため表面実装
時の半田リフロー温度は、従来より２０℃程度高く、２
６０℃が必要とされる。鉛を含まない半田対応のための
半田リフロー温度の変更によりエポキシ樹脂組成物の硬
化物と半導体素子、リードフレーム、インナーリード上
の各種メッキされた接合部分との各界面での剥離に起因
する半導体装置のクラックの問題が生じてきた。これら
剥離や半田クラックは、半田リフロー処理前の半導体装
置自身が吸湿し、半田リフロー処理時の高温下でその水
分が水蒸気爆発を起こすことによって生じると考えられ
ており、それを防ぐためにエポキシ樹脂組成物に低吸湿
性を付与するなどの手法がよく用いられ、その低吸湿化
の手法の一つとして、例えば低吸湿性のジフェニレン骨
格を有するフェノールアラルキル型エポキシ樹脂を用い
て、エポキシ樹脂組成物の硬化物の低吸湿化を図る方法
がある。しかしながら低吸湿性のエポキシ樹脂を用いた
エポキシ樹脂組成物といえども、鉛を含まない耐半田ク
ラック性対応樹脂としては不十分であった。このため２
６０℃での表面実装時の耐半田クラック性向上を目的と
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】更に、近年半導体装置の薄型化に伴い、半
導体装置中に占めるエポキシ樹脂組成物の硬化物の厚み
が一段と薄くなってきており、６４Ｍ、２５６ＭＤＲＡ
Ｍ用の半導体装置は、１ｍｍ厚のＴＳＯＰが主流となり
つつある。これらの薄型半導体装置には、エポキシ樹脂
組成物の成形時の充填性が良好で、金線変形が少なく、
半導体素子やリードフレームの変形（半導体素子のシフ
トやダイパッドシフトと呼ぶ）がないことが要求され、
そのためエポキシ樹脂組成物には、成形時の流動性に優
れることが必要である。一方エポキシ樹脂組成物には難
燃剤成分として臭素原子含有難燃剤及び三酸化、四酸
化、五酸化アンチモンなどのアンチモン化合物が配合さ
れている。しかしながら、世界的環境保護の意識の高ま
りのなか、臭素原子含有有機化合物やアンチモン化合物
を使用しないで難燃性を有するエポキシ樹脂組成物の要
求が大きくなってきている。更に半導体装置を１５０〜
２００℃での高温で長時間保管すると、難燃剤である臭
素原子やアンチモン化合物は半導体素子の抵抗値増加や
金線の断線を引き起こすことが知られている。この観点
からも臭素原子含有有機化合物やアンチモン化合物を使
用しない高温保管特性に優れる半導体封止用エポキシ樹
脂組成物の開発が求められている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、流動性に優
れ、半導体素子、リードフレーム等の各種部材との接着
性の向上、低弾性率化により、特に２６０℃での基板実
装時における半導体装置の耐半田クラック性を著しく向
上させ、更に臭素原子含有有機化合物、アンチモン化合
物を使用せずに難燃性を維持できる特性を有する半導体
封止用エポキシ樹脂組成物及びこれを用いた半導体装置
を提供するものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、［１］（Ａ）
一般式（１）又は一般式（２）で示されるエポキシ樹
脂、（Ｂ）フェノール樹脂、（Ｃ）無機充填材及び
（Ｄ）硬化促進剤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、

【０００７】

【化５】 （Ｒ１は炭素数１〜４のアルキル基、Ｒ２は炭素数１〜
４のアルキル基で、ａは０〜３の整数、ｂは０〜４の整
数で、互いに同一でも異なってもよい、ｍは、平均値で
１〜１０の正数）

【０００８】

【化６】 （Ｒ１は炭素数１〜４のアルキル基、Ｒ２は炭素数１〜
４のアルキル基、Ｒ３は炭素数１〜４のアルキル基で、
ａは０〜３の整数、ｂは０〜４の整数、ｃは０〜４の整
数で、互いに同一でも異なってもよい、ｎは平均値で１
〜５の正数、ｍは平均値で０．０５〜５の正数）

【０００９】［２］一般式（１）で示されるエポキシ樹
脂が、式（３）である第［１］項記載の半導体封止用エ
ポキシ樹脂組成物、

【００１０】

【化７】

【００１１】［３］一般式（２）で示されるエポキシ樹
脂が、式（４）である第［１］項記載の半導体封止用エ
ポキシ樹脂組成物、

【００１２】

【化８】

【００１３】［４］第［１］項、［２］項又は［３］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。

【００１４】

【発明の実施の形態】本発明で用いられる一般式（１）
で示されるエポキシ樹脂を用いたエポキシ樹脂組成物の
硬化物は、エポキシ当量が大きいために硬化物の物性と
してガラス転移温度を越えた高温域での弾性率が低く低
吸湿性であり、表面実装の半田リフロー処理時の熱スト
レスを低減させることができ、エポキシ樹脂組成物の硬
化物と半導体素子或いはリードフレーム（４２アロイ、
銅合金）との接着性に優れているという特徴があるため
に、半田リフロー処理時の剥離や硬化物のクラックの発
生を抑えることができ、優れた特性を有するエポキシ樹
脂組成物を得ることができる。

【００１５】一般式（１）のＲ１は炭素数１〜４のアル
キル基、Ｒ２は炭素数１〜４のアルキル基、ａは０〜３
の整数、ｂは０〜４の整数で、ｍは平均値で１〜１０の
正数であるが、これらの内では硬化性の点から式（２）
で示される樹脂が好ましい。ｍが１０を越えると樹脂の
粘度が増大し、成形時のエポキシ樹脂組成物の流動性が
劣り、より一層の低吸湿化のための無機充填材の高充填
化が不可能となるので好ましくない。本発明で用いられ
る一般式（２）で示されるエポキシ樹脂を用いたエポキ
シ樹脂組成物の硬化物は、一般式（１）で示されるエポ
キシ樹脂と同様に、半田リフロー処理時の剥離や硬化物
のクラックの発生を抑えることができ、優れた特性を有
するエポキシ樹脂組成物を得ることができる。一般式
（２）で示されるエポキシ樹脂のＲ１は炭素数１〜４の
アルキル基、Ｒ２は炭素数１〜４のアルキル基、Ｒ３は
炭素数１〜４のアルキル基、ａは０〜３の整数、ｂは０
〜４の整数で、 ｃは０〜４の整数、ｎは平均値で１〜
５の正数、ｍは平均値で０．０５〜５の正数である。一
般式（２）で示されるエポキシ樹脂は、２種類のモノマ
ーから合成されたランダムコポリマーである。ｎが１０
を越えると樹脂の粘度が増大し流動性が低下する。ｍが
０．０５より小さければ吸湿量が増えて耐半田クラック
性が低下する。ｍが１０を越えると樹脂の粘度が上昇し
て流動性が低下する。これらの内では硬化性の点から式
（４）で示される樹脂が好ましい。

【００１６】一般式（１）又は一般式（２）で示される
エポキシ樹脂は、その特性が損なわれない範囲で他のエ
ポキシ樹脂と併用してもかまわないが、このエポキシ樹
脂の配合量を調節することにより、耐半田クラック性と
難燃性を最大限に引き出すことができる。これらのエポ
キシ樹脂はエポキシ当量が大きいため少量の樹脂の配合
量で硬化物の架橋構造を改質させることができ、耐半田
クラック特性の向上にも有効に作用すると考えられる。

【００１７】併用するエポキシ樹脂としては、分子内に
エポキシ基を有するモノマー、オリゴマー、ポリマー全
般を指す。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、トリフェノールメタン型エ
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、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂、フェ
ノールアラルキル（フェニレン骨格を有する）型エポキ
シ樹脂、ナフトール型エポキシ樹脂などが挙げられる。
又これらは単独でも混合して用いてもよい。

【００１８】本発明で用いられるフェノール樹脂は、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、ポリマー全般を指し、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、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、
トリフェノールメタン型樹脂、フェノールアラルキル
（フェニレン骨格を有する）樹脂、ナフトールアラルキ
ル樹脂などが挙げられる。又これらは単独でも混合して
用いてもよい。本発明に用いられる全エポキシ樹脂のエ
ポキシ基数と全フェノール樹脂のフェノール性水酸基数
の当量比としては、好ましくは０．５〜２であり、特に
０．７〜１．５がより好ましい。０．５〜２の範囲を外
れると、耐湿性、硬化性などが低下するので好ましくな
い。

【００１９】本発明に用いる無機充填材としては、特に
制限はなく、一般に封止材料に使用されているものを使
用することができる。例えば溶融シリカ、結晶シリカ、
２次凝集シリカ、アルミナ、チタンホワイト、窒化珪素
などが挙げられ、これらは単独でも混合して用いてもよ
い。これらの内では、球形度の高い溶融シリカを全量或
いは一部破砕シリカと併用することが望ましい。無機充
填材の平均粒径としては５〜３０μｍ、最大粒径として
は１５０μｍ以下が好ましく、特に平均粒径５〜２０μ
ｍ、最大粒径７４μｍ以下が好ましい。又粒子の大きさ
の異なるものを混合することにより充填量を多くするこ
とができる。無機充填材は、予めシランカップリング剤
などで表面処理されているものを用いてもよい。無機充
填材の含有量としては、全エポキシ樹脂組成物中７０〜
９４重量％が好ましい。加熱されても燃焼しない無機充
填材は、炎に曝されたときに熱エネルギーを奪い、エポ
キシ樹脂組成物の硬化物の難燃性を向上させる作用があ
る。配合量が７０重量％未満だと、熱容量が小さなエポ
キシ樹脂組成物の硬化物となり、難燃試験において燃焼
し易くなるので好ましくない。９４重量％を越えると、
成形時の流動性が劣るので好ましくない。

【００２０】本発明に用いる硬化促進剤は、エポキシ樹
脂とフェノール樹脂の反応を促進できるものであれば特
に限定しないが、例えば１，８−ジアザビシクロ（５，
４，０）ウンデセン−７、トリブチルアミン等のアミン
化合物、トリフェニルホスフィン、テトラフェニルホス
フォニウム・テトラフェニルボレート塩などの有機リン
系化合物、２−メチルイミダゾールなどのイミダゾール
化合物、ベンゾキノンをアダクトしたトリフェニルホス
フィンなどが挙げられ、これらは単独でも混合して用い
てもよい。

【００２１】本発明のエポキシ樹脂組成物は、（Ａ）〜
（Ｄ）成分の他、必要に応じてエポキシシランなどのシ
ランカップリング剤、カーボンブラックなどの着色剤、
シリコーンオイル、シリコーンゴムなどの低応力成分、
天然ワックス、合成ワックス、高級脂肪酸及びその金属
塩類もしくはパラフィンなどの離型剤、酸化防止剤など
の各種添加剤を配合することができる。又本発明のエポ
キシ樹脂組成物は、難燃剤を配合しないでも難燃性が高
い樹脂構造をしているが、更に難燃剤を配合しても何ら
問題はない。難燃剤としては臭素化エポキシ樹脂、三酸
化アンチモン等の酸化アンチモン類、赤燐難燃剤、有機
燐系難燃剤、水酸化マグネシウムや水水酸化マグネシウ
ムの亜鉛との固溶体や酸化アルミニウム等の金属水酸化
物、硼酸亜鉛やモリブデン酸亜鉛等亜鉛系難燃剤、シリ
コ−ン系難燃剤などが挙げられる。ただし、高温保管特
性や環境への配慮のためには極力臭素化エポキシ樹脂や
三酸化アンチモンなどのアンチモン類を難燃剤から排除
した、いわゆる臭素原子含有難燃剤及び酸化アンチモン
を含まない配合が望ましい。

【００２２】本発明のエポキシ樹脂組成物は、（Ａ）〜
（Ｄ）成分及びその他の添加剤などをミキサーを用いて
常温混合し、ロール、押出機等の混練機で混練し、冷却
後粉砕して得られる。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などの従来か
らの成形方法で硬化成形すればよい。本発明のエポキシ
樹脂組成物が適用される半導体装置としては、ＱＦＰ、
ＳＯＰ、ＴＳＯＰ、ＢＧＡ、その他特に限定はしない。

【００２３】

【実施例】以下に本発明の実施例を示すが、本発明はこ
れらに限定されるものではない。配合割合は重量部とす
る。 実施例１ 式（５）で示されるエポキシ樹脂（エポキシ当量３４
０） ９．２ 重量部

【００２４】

【化９】

【００２５】 フェノールアラルキル樹脂（三井化学（株）製、ＸＬＣ−ＬＬ、水酸基当量１ ７４） ４．７重量部 溶融球状シリカ（平均粒径１５μｍ） ８５．０重量部 １、８−ジアザビシクロ（５，４，０）ウンデセン−７（以下、ＤＢＵという ） ０．２重量部 カーボンブラック ０．２重量部 カルナバワックス ０．３重量部 その他添加剤 ０．４重量部 を常温でミキサーを用いて混合した後、二軸ロールを用
いて混練し、冷却後粉砕し、エポキシ樹脂組成物を得
た。得られたエポキシ樹脂組成物を以下の方法で評価し
た。結果を表１に示す。

【００２６】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６．９ＭＰａ、硬化時間１２０秒で測定した。
単位はｃｍ。 熱時曲げ強度・熱時曲げ弾性率：２４０℃での曲げ強度
・弾性率をＪＩＳ Ｋ６９１１に準じて測定した。単位
はＮ／ｍｍ²。 吸湿率：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３．７ＭＰａ、硬化時間１２０秒で
直径５０ｍｍ、厚さ３ｍｍの円板を成形し、１７５℃、
８時間で後硬化し、８５℃、相対湿度８５％の環境下で
１６８時間放置し、重量変化を測定して吸湿率を求め
た。単位は重量％。 耐半田クラック性：１００ピンＴＱＦＰパッケージ（パ
ッケージサイズは１４×１４ｍｍ、厚み１．４ｍｍ、シ
リコンチップのサイズは、８．０×８．０ｍｍ、リード
フレームは４２アロイ製）を金型温度１７５℃、注入圧
力９．８ＭＰａで１２０秒間トランスファー成形を行
い、１７５℃で８時間の後硬化をした。成形品パッケー
ジを８５℃、相対湿度８５％の環境下で１６８時間放置
し、その後成形品パッケージを別々に２４０℃と２６０
℃の半田槽に１０秒間浸漬した。顕微鏡でパッケージを
観察し、外部クラック率［（クラック発生パッケージ
数）／（全パッケージ数）×１００］を％で表示した。
又チップと樹脂組成物の硬化物との剥離面積の割合を超
音波探傷装置を用いて測定し、剥離率［（剥離面積）／
（チップ面積）×１００］を％で表示した。 難燃性：トランスファー成形機を用いて、金型温度１７
５℃、注入圧力１１ＭＰａ、硬化時間１２０秒で、長さ
１２７ｍｍ、幅１２．７ｍｍ、厚さ３．２ｍｍの成形品
を成形し、ＵＬ−９４に準じてΣＦ、Ｆｍａｘを測定
し、難燃性を判定した。

【００２７】実施例２〜４、比較例１、２ 表１の処方に従って配合し、実施例１と同様にしてエポ
キシ樹脂組成物を得、実施例１と同様にして評価した。
結果を表１に示す。実施例１以外に用いた原料は、以下
の性状のものである。

【００２８】式（６）で示されるエポキシ樹脂（エポキ
シ当量２８２）

【化１０】

【００２９】式（７）で示されるエポキシ樹脂（エポキ
シ当量３０４）

【化１１】

【００３０】式（８）で示されるエポキシ樹脂（エポキ
シ当量２６５）

【化１２】

【００３１】式（９）で示されるフェノールアラルキル
樹脂（水酸基当量１９５）

【化１３】

【００３２】ビフェニル型エポキシ樹脂（ジャパンエポ
キシレジン（株）製、ＹＸ−４０００ＨＫ、融点１０
５、エポキシ当量１９１）

【００３３】

【表１】

【００３４】

【発明の効果】本発明のエポキシ樹脂組成物は、流動性
に優れ、半導体素子、リードフレーム等の各種部材との
接着性の向上、硬化物の高温時における低弾性率化によ
る低応力化により、特に２６０℃での基板実装時におけ
る半導体装置の耐半田クラック性を著しく向上させ、更
に臭素原子含有有機化合物、アンチモン化合物などの難
燃剤などの難燃剤を使用せずに難燃性を維持できる特性
を有している。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】（Ａ）一般式（１）又は一般式（２）で示
   されるエポキシ樹脂、（Ｂ）フェノール樹脂、（Ｃ）無
   機充填材及び（Ｄ）硬化促進剤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】 （Ｒ１は炭素数１〜４のアルキル基、Ｒ２は炭素数１〜
   ４のアルキル基で、ａは０〜３の整数、ｂは０〜４の整
   数で、互いに同一でも異なってもよい、ｍは、平均値で
   １〜１０の正数） 【化２】 （Ｒ１は炭素数１〜４のアルキル基、Ｒ２は炭素数１〜
   ４のアルキル基、Ｒ３は炭素数１〜４のアルキル基で、
   ａは０〜３の整数、ｂは０〜４の整数、ｃは０〜４の整
   数で、互いに同一でも異なってもよい、ｎは平均値で１
   〜５の正数、ｍは平均値で０．０５〜５の正数）
2. 【請求項２】一般式（１）で示されるエポキシ樹脂が、
   式（３）である請求項１記載の半導体封止用エポキシ樹
   脂組成物。 【化３】
3. 【請求項３】一般式（２）で示されるエポキシ樹脂が、
   式（４）である請求項１記載の半導体封止用エポキシ樹
   脂組成物。 【化４】
4. 【請求項４】 請求項１、２又は３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。