JP3941558B2

JP3941558B2 - 半導体封止用エポキシ樹脂組成物及び半導体装置

Info

Publication number: JP3941558B2
Application number: JP2002087089A
Authority: JP
Inventors: 竜三原
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2002-03-26
Filing date: 2002-03-26
Publication date: 2007-07-04
Anticipated expiration: 2022-03-26
Also published as: JP2003277475A

Description

【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半導体封止用エポキシ樹脂組成物及びこれ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】
ＩＣ、ＬＳＩ等の集積回路部品やダイオード等の個別半導体部品を製造するにあたっては、熱硬化性樹脂組成物を封止樹脂として用いる方法が一般的に行われている。従来、上記の集積回路部品や個別半導体部品等の半導体装置に対しては、電気特性や耐湿性の基準はそれほど厳しくはなかった。そのため封止樹脂としては、エポキシ樹脂の中でも汎用タイプのものが使用されていたが、これによって問題が生じるようなことはなかった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、近年において半導体装置がデジタル家電、通信機器部品、車載等の用途に使用されるに伴い、半導体装置自体の小型化・薄型化に拍車がかかり、従来のような特性では満足されなくなってきた。特に、環境保護の面から採用されるようになった鉛フリー半田によってリフロー加熱の温度が上昇し、半導体装置のパッケージを形成する封止樹脂に対しては、従来よりも優れた吸湿リフロー後の耐湿性が要求されるなど厳しい条件が課されるに至っている。
【０００４】
その一方、耐湿性等の品質を重視するあまり、成形性が悪化して生産性が低下するという問題も発生してきている。
【０００５】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、吸湿リフロー後の耐湿性が高く、また成形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を提供することを目的とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る半導体封止用エポキシ樹脂組成物は、エポキシ樹脂と硬化剤を必須成分とする半導体封止用エポキシ樹脂組成物において、エポキシ樹脂の全部又は一部として、下記の式（１）（２）で示されるエポキシ樹脂のうち少なくともいずれか一方を用いると共に、硬化剤の全部又は一部として、下記の式（３）で示される硬化剤を用いて成ることを特徴とするものである。
【０００７】
【化２】

【０００８】
また請求項１の発明は、離型剤を添加すると共に、離型剤として、ワックスと乳化剤とを溶融混合して微粉砕化したものを用いて成ることを特徴とするものである。
また請求項２の発明は、請求項１において、式（１）（２）で示されるエポキシ樹脂がエポキシ樹脂全量に対して２０〜１００質量％であることを特徴とするものである。
【０００９】
また請求項３の発明は、請求項１又は２において、式（３）で示される硬化剤が硬化剤全量に対して１０〜１００質量％であることを特徴とするものである。
【００１１】
また請求項４の発明は、請求項１乃至３のいずれかにおいて、ワックスと乳化剤とを溶融混合して微粉砕化したものが離型剤全量に対して３０〜１００質量％であることを特徴とするものである。
【００１２】
また請求項５に係る半導体装置は、請求項１乃至４のいずれかに記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成物を用いて半導体素子を封止し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】
本発明に係る半導体封止用エポキシ樹脂組成物（以下単に「エポキシ樹脂組成物」ともいう）は、エポキシ樹脂と硬化剤を必須成分とするものである。
【００１５】
本発明においてエポキシ樹脂としては、式（１）（２）で示されるエポキシ樹脂のうち少なくともいずれか一方を用いるものである。式（１）で示されるエポキシ樹脂としては、ビフェニル型エポキシ樹脂を用いることができ、式（２）で示されるエポキシ樹脂としては、ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂を用いることができる。このようなエポキシ樹脂を用いることによって、成形後における封止樹脂の高密着化及び低吸湿化を図ることができ、吸湿リフロー後の耐湿性を向上させることができるものである。式（１）（２）で示されるエポキシ樹脂は、エポキシ樹脂の全部として用いることができるほか、エポキシ樹脂の一部として用いることもできる。つまり、式（１）（２）で示されるエポキシ樹脂以外のエポキシ樹脂を併用することができる。併用できるエポキシ樹脂としては、特に限定されるものではないが、例えばｏ−クレゾールノボラック型エポキシ樹脂、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、ブロム化エポキシ樹脂など各種多官能エポキシ樹脂を挙げることができる。
【００１６】
また、式（１）（２）で示されるエポキシ樹脂がエポキシ樹脂全量に対して２０〜１００質量％であることが好ましい。式（１）（２）で示されるエポキシ樹脂の配合量をこのように設定すれば、一層確実に封止樹脂の吸湿リフロー後の耐湿性を高く得ることができるものである。しかし、式（１）（２）で示されるエポキシ樹脂がエポキシ樹脂全量に対して２０質量％未満であると、封止樹脂の密着性が低下すると共に吸湿率が大きくなり、吸湿リフロー後の耐湿性が低下するおそれがある。なお、式（１）（２）で示されるエポキシ樹脂を両方用いる場合には、これらの合計量がエポキシ樹脂全量に対して２０質量％以上であればよい。
【００１７】
本発明において硬化剤としては、式（３）で示される硬化剤を用いるものである。式（３）で示される硬化剤としては、ビスＡキシリレンノボラック樹脂を用いることができる。このような硬化剤を用いることによって、成形時における封止樹脂の流動性が高まり、成形性が良好となって生産性を向上させることができるものである。しかも式（３）で示される硬化剤は、式（１）（２）で示されるエポキシ樹脂と同様に、成形後においては封止樹脂の吸湿リフロー後の耐湿性を向上させることができるものである。式（３）で示される硬化剤は、硬化剤の全部として用いることができるほか、硬化剤の一部として用いることもできる。つまり、式（３）で示される硬化剤以外の硬化剤を併用することができる。併用できる硬化剤としては、特に限定されるものではないが、例えばフェノールノボラック型樹脂や下記の式（４）で示されるビスＡジベニルベンゼン付加重合体等を挙げることができる。
【００１８】
【化３】

【００１９】
また、式（３）で示される硬化剤が硬化剤全量に対して１０〜１００質量％であることが好ましい。式（３）で示される硬化剤の配合量をこのように設定すれば、一層確実に封止樹脂の成形性及び吸湿リフロー後の耐湿性を高く得ることができるものである。しかし、式（３）で示される硬化剤が硬化剤全量に対して１０質量％未満であると、成形時における封止樹脂の粘度が十分低下せず、成形性が悪化するおそれがあると共に、封止樹脂の吸湿率が増加して吸湿リフロー後の耐湿性が低下するおそれがある。
【００２０】
また、エポキシ樹脂組成物には離型剤を添加する。特に本発明においては、ワックスと乳化剤とを溶融混合して微粉砕化したもの（以下「ＷＡＸＭＢ」ともいう）を離型剤として用いる。
【００２１】
ＷＡＸＭＢを調製するためのワックスとしては、高級脂肪酸と高級アルコール類のエステルを用いることができ、具体的にはモンタン酸エステル、モンタン酸ビスアマイド、オレイン酸アマイド等を挙げることができる。ＷＡＸＭＢを調製する際には２種以上のワックスを混合して使用することもできる。一方、ＷＡＸＭＢを調製するための乳化剤としては、界面活性剤を用いることができ、具体的には脂肪酸エステル系のもの等を挙げることができる。特に乳化剤としては、ソルビタントリステアレート等のソルビタン脂肪酸エステルを用いることが好ましい。なお、乳化剤はＷＡＸＭＢ全量に対して３〜２０質量％であることが好ましい。
【００２２】
ＷＡＸＭＢを調製するにあたっては、まずワックスを１２０〜１５０℃の温度で溶融させ、次に溶融状態のワックスに乳化剤を添加して１〜２時間撹拌混合した後に、これを冷却して微粉砕化することによって行うことができる。このようにして調製したＷＡＸＭＢは、ワックスが有する離型作用を保持したまま、乳化剤による分散性が付与されている。そのため、エポキシ樹脂組成物中においてＷＡＸＭＢは片寄って存在することなく、均一に分散されることとなり、ワックスによる離型作用を十分に発揮させることが可能になるものである。従って、上記のようにして調製したＷＡＸＭＢを用いることによって、成形品の離型性を高めることができると共に、成形用金型を頻繁にクリーニングしなくても表面に曇りが無く光沢のある成形品を多数回連続して成形することができ、連続成形性を高めて生産性を大幅に向上させることができるものである。
【００２３】
ところが、離型剤としてワックスのみを用いた場合には、エポキシ樹脂組成物中においてワックスが片寄って存在するおそれがあり、また、ワックスと乳化剤とを溶融混合させることなく単にエポキシ樹脂組成物に配合した場合には、ワックス自体に確実に分散性が付与されるとは限らないので、この場合もエポキシ樹脂組成物中においてワックスが片寄って存在するおそれがある。よって、上記いずれの場合であっても離型性を高く得ることができないおそれがある。なお、ＷＡＸＭＢは離型剤の全部として用いることができるほか、離型剤の一部として用いることもできる。つまり、ＷＡＸＭＢ以外の離型剤を併用することができる。併用できる離型剤としては、特に限定されるものではないが、例えばカルナバワックス、ステアリン酸、モンタン酸、カルボキシル基含有ポリオレフィン、モンタン酸エステル、モンタン酸ビスアマイド、オレイン酸アマイド等を挙げることができる。
【００２４】
また、ＷＡＸＭＢが離型剤全量に対して３０〜１００質量％であることが好ましい。ＷＡＸＭＢの配合量をこのように設定すれば、一層確実に成形品の離型性を高めることができると共に、連続成形性を高めて生産性を向上させることができるものである。しかし、ＷＡＸＭＢが離型剤全量に対して３０質量％未満であると、離型性向上の効果を十分に得ることができないおそれがあり、また、少数回の成形で成形品表面の光沢が損なわれるおそれがある。
【００２５】
またエポキシ樹脂組成物には、硬化助剤、難燃剤、シランカップリング剤、着色剤、無機充填剤、シリコーン可撓性付与剤等を添加することができる。硬化助剤としては、リン系、イミダゾール系（２−フェニルイミダゾール等）、アミン系等のものを、難燃剤としては、ブロム化エポキシ樹脂や三酸化アンチモン等を、シランカップリング剤としては、γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン等を、着色剤としては、カーボン等を、無機充填剤としては、シリカ等を用いることができる。
【００２６】
エポキシ樹脂組成物は、上記のエポキシ樹脂、硬化剤、さらに必要に応じてその他の成分を配合し、これをミキサーやブレンダー等で均一に混合した後に、ニーダーやロールで加熱混練することによって調製することができるものである。この混練物を必要に応じて冷却固化し、粉砕して粉状等にして使用するようにしてもよい。
【００２７】
そして、上記のようにして調製したエポキシ樹脂組成物を用いて封止成形することによって、半導体装置を製造することができる。例えば、ＩＣ等の半導体素子を搭載したリードフレームをトランスファー成形用金型にセットし、トランスファー成形を行なうことによって、半導体素子をエポキシ樹脂組成物による封止樹脂で封止した半導体装置を製造することができるものである。成形時においては、式（３）で示される硬化剤によって、エポキシ樹脂組成物の流動性が高められているので、成形を速やかに行うことができる。しかも成形後においては、式（１）（２）で示されるエポキシ樹脂と式（３）で示される硬化剤とによって、半導体素子やリードフレームに対する密着性が高められていると共に、封止樹脂の吸湿率が低く抑えられているので、成形品である半導体装置の吸湿リフロー後の耐湿性を高く得ることができるものである。
【００２８】
【実施例】
以下、本発明を実施例によって具体的に説明する。
【００２９】
エポキシ樹脂として、ｏ−クレゾールノボラック型エポキシ樹脂である住友化学工業（株）製「ＥＯＣＮ１９５ＸＬ−３」、式（２）で示されるジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂である日本化薬（株）製「ＸＤ１０００−２Ｌ」、式（１）で示されるビフェニル型エポキシ樹脂である油化シェルエポキシ（株）製「ＹＸ−４０００Ｈ」、ブロム化エポキシ樹脂である住友化学工業（株）製「ＥＳＢ４００Ｔ」を用いた。
【００３０】
また硬化剤として、式（３）で示されるビスＡキシリレンノボラック樹脂である明和化成（株）製「ＭＥＨ−７８ＢＡ」、フェノールノボラック型樹脂である明和化成（株）製「Ｈ−１Ｍ」、式（４）で示されるビスＡジベニルベンゼン付加重合体である大日本インキ化学工業（株）製「ＣＺ２５６Ａ」を用いた。
【００３１】
また離型剤（ワックス）として、モンタン酸エステルであるクラリアント製「ＷＡＸ−Ｅ」、モンタン酸ビスアマイドである大日化学工業（株）製「Ｊ−９００」、オレイン酸アマイドである大日化学工業（株）製「Ｏ−２００」を用いた。乳化剤として、ソルビタントリステアレートである花王（株）製「レオドールＳＰ−Ｓ３０」を用いた。ここで、ＷＡＸＭＢは、上記「ＷＡＸ−Ｅ」を４５質量部、「Ｊ−９００」を２２．５質量部、「Ｏ−２００」を２２．５質量部として、これらのワックスを１３０℃の温度で溶融混合させ、ここに「レオドールＳＰ−Ｓ３０」を１０質量部添加して２時間撹拌混合した後に、これを冷却して微粉砕化することによって調製した。
【００３２】
また難燃剤として、上記ブロム化エポキシ樹脂のほか、三酸化アンチモンを、シランカップリング剤として、γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシランを、着色剤として、カーボンを、硬化助剤として、２−フェニルイミダゾール（２ＰＺ）を、無機充填剤として、シリカである電気化学工業（株）製「ＦＢ−８２０」を用いた。
【００３３】
そして、各成分を表１に示す配合量で配合し、これをブレンダーで３分間混合して均一化した後、１００℃に加熱したロールで１０分間混練し、冷却後、粉砕機で所定粒度に粉砕して、実施例１〜５及び比較例１〜７のエポキシ樹脂組成物からなる粒状の成形材料を調製した。
【００３４】
このようにして調製した成形材料について、スパイラルフロー、ゲルタイム、１７５℃での溶融粘度を測定した。これらの結果を表１に示す。
【００３５】
また、上記成形材料について以下のような試験を行った。
【００３６】
（線膨張係数（α１））
上記成形材料を用いて円柱状の成形品（直径５ｍｍ×長さ３０ｍｍ）を成形した。成形条件は、成形温度を１７５±５℃、注入スピードを８秒、注入圧力を７ＭＰａ、キュアータイムを９０秒、アフターキュアーを１７５℃で６時間とした。上記成形品の線膨張係数（α１）をキュラストメーターを用いて測定した。結果を表１に示す。
【００３７】
（ショアーＤ）
上記成形材料を用いて円板状の成形品（直径５０ｍｍ×厚み３ｍｍ）を成形した。成形条件は、線膨張係数（α１）の場合と同様である。成形後、１０秒経過してから上記成形品のショアーＤ（熱時硬度）をショアーＤ硬度計を用いて測定した。結果を表１に示す。
【００３８】
（吸湿率）
上記成形材料を用いて円板状の成形品（直径５０ｍｍ×厚み３ｍｍ）を成形した。成形条件は、線膨張係数（α１）の場合と同様である。上記成形品を８５℃、湿度８５％ＲＨの雰囲気下に７２時間放置した後、吸湿率を測定した。結果を表１に示す。
【００３９】
（プリン密着性）
図１に示すように、上記成形材料を用いて２５ｍｍ角のＣｕ板２上に、直径１１．３ｍｍ、高さ１０．０ｍｍのプリン状成形品１を成形した。成形条件は、線膨張係数（α１）の場合と同様である。上記プリン状成形品１とＣｕ板２との剪断密着強度を測定した。結果を表２に示す。
【００４０】
（プリン連続離型性）
図１において２５ｍｍ角のＣｕ板２を２５ｍｍ角のＣｒメッキ板に変更した以外は、プリン密着性の場合と同様にプリン状成形品１を成形した。そしてこのプリン状成形品１とＣｒメッキ板との剪断離型抵抗力を測定した。以上の操作を、成形箇所を変えずに３０ショット分連続して行った。１ショット目、３ショット目、５ショット目、１０ショット目における剪断離型抵抗力を表２に示す。通常、ショットを重ねて成形を繰り返し行うと、剪断離型抵抗力は小さくなっていく。つまり、この値が早くゼロになる方が離型性が良いと考えられる。
【００４１】
（耐リフロー性）
上記成形材料を用いて、８０ピンＱＦＰ（外形１５ｍｍ×１９ｍｍ×厚み２．４ｍｍ）を性能評価用パッケージとして成形した。成形条件は、成形温度を１７５±５℃、注入スピードを８秒、注入圧力を７ＭＰａ、キュアータイムを９０秒、アフターキュアーを１７５℃で６時間とした。上記性能評価用パッケージを８５℃、湿度８５％ＲＨの雰囲気下に１６８時間放置して吸湿させた後、ＩＲリフロー（ＥＩＡＪ規格）を行い、パッケージクラックの有無を観察した。表２において分母に観察したパッケージの個数を、分子にクラックが発生したパッケージの個数を示す。
【００４２】
（耐湿信頼性）
上記リフロー処理したパッケージを１３３℃、湿度１００％ＲＨの雰囲気下に５００時間放置した後、オープン不良の発生を検査した。表２において分母に検査したパッケージの個数を、分子にオープン不良が発生したパッケージの個数を示す。
【００４３】
（連続成形性）
上記成形材料を用いて、ＴＯ−２２０フィン付きタイプをマルチプランジャー型プレスで成形した。成形条件は、成形温度を１７５±５℃、注入スピードを７秒、注入圧力を７ＭＰａ、キュアータイムを９０秒とした。上記パッケージの表面を観察し、曇りが現れるまでショットを重ねて成形を繰り返し行った。パッケージの表面に曇りが現れたときのショット回数を表２に示す。
【００４４】
【表１】

【００４５】
【表２】

【００４６】
表１及び表２にみられるように、実施例１〜５のものはいずれも、吸湿率が低く、プリン密着性が高く、耐リフロー性及び耐湿信頼性が良好であることから、吸湿リフロー後の耐湿性が高いことが確認され、また、スパイラルフロー、ゲルタイム及び溶融粘度の値から、成形性にも優れていることが確認される。さらにＷＡＸＭＢを添加している実施例１〜５のものはいずれも、ＷＡＸＭＢを添加していない比較例７のものよりも、プリン連続離型性の結果が良好であることから、連続成形性に優れていることが確認される。しかも実施例１〜５のうち、ＷＡＸＭＢを離型剤全量に対して３０〜１００質量％添加している実施例１〜４のものはいずれも、ＷＡＸＭＢを離型剤全量に対して３０質量％未満添加している比較例７のものよりも、連続成形性評価の結果が良好であることから、連続成形性がさらに優れていることが確認される。
【００４７】
これに対して、式（３）で示される硬化剤を用いていない比較例１，３〜５のものはいずれも、実施例１〜５のものよりも、吸湿率が高い。しかも比較例１，４，５のものにあっては、プリン密着性及び耐リフロー性が悪く、また比較例３のものにあっては、耐湿信頼性が悪い。つまり、比較例１，３〜５のものはいずれも、吸湿リフロー後の耐湿性が悪いことが確認される。なお、比較例２及び６のものも、式（３）で示される硬化剤を用いていないが、前者のものは耐湿信頼性が悪く、また後者のものはショアーＤの値が低く、成形品の表面硬さが良好ではない。
【００４８】
【発明の効果】
上記のように本発明の請求項１に係る半導体封止用エポキシ樹脂組成物は、エポキシ樹脂と硬化剤を必須成分とする半導体封止用エポキシ樹脂組成物において、エポキシ樹脂の全部又は一部として、式（１）（２）で示されるエポキシ樹脂のうち少なくともいずれか一方を用いると共に、硬化剤の全部又は一部として、式（３）で示される硬化剤を用いているので、式（３）で示される硬化剤を用いることによって、成形時においては成形性を高めることができるものであり、また、式（１）（２）で示されるエポキシ樹脂と式（３）で示される硬化剤とを用いることによって、成形後においては吸湿リフロー後の耐湿性を高めることができるものである。
また請求項１の発明は、離型剤を添加すると共に、離型剤として、ワックスと乳化剤とを溶融混合して微粉砕化したものを用いているので、離型性を高めることができると共に、連続成形性を高めて生産性を大幅に向上させることができるものである。
【００４９】
また請求項２の発明は、式（１）（２）で示されるエポキシ樹脂がエポキシ樹脂全量に対して２０〜１００質量％であるので、吸湿リフロー後の耐湿性を確実に高めることができるものである。
【００５０】
また請求項３の発明は、式（３）で示される硬化剤が硬化剤全量に対して１０〜１００質量％であるので、成形性を確実に高めることができるものである。
【００５２】
また請求項４の発明は、ワックスと乳化剤とを溶融混合して微粉砕化したものが離型剤全量に対して３０〜１００質量％であるので、離型性や生産性を確実に高めることができるものである。
【００５３】
また請求項５に係る半導体装置は、請求項１乃至４のいずれかに記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成物を用いて半導体素子を封止しているので、式（１）（２）で示されるエポキシ樹脂と式（３）で示される硬化剤とによって、吸湿リフロー後の耐湿性が高められているものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】プリン密着性及びプリン連続離型性を評価するにあたって成形したプリン状成形品を示すものであり、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図である。

Claims

エポキシ樹脂と硬化剤を必須成分とする半導体封止用エポキシ樹脂組成物において、エポキシ樹脂の全部又は一部として、下記の式（１）（２）で示されるエポキシ樹脂のうち少なくともいずれか一方を用い、硬化剤の全部又は一部として、下記の式（３）で示される硬化剤を用い、離型剤を添加すると共に、離型剤として、ワックスと乳化剤とを溶融混合して微粉砕化したものを用いて成ることを特徴とする半導体封止用エポキシ樹脂組成物。
式（１）（２）で示されるエポキシ樹脂がエポキシ樹脂全量に対して２０〜１００質量％であることを特徴とする請求項１に記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成物。
式（３）で示される硬化剤が硬化剤全量に対して１０〜１００質量％であることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成物。
ワックスと乳化剤とを溶融混合して微粉砕化したものが離型剤全量に対して３０〜１００質量％であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成物。
請求項１乃至４のいずれかに記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成物を用いて半導体素子を封止して成ることを特徴とする半導体装置。