JP4660973B2 - エポキシ樹脂組成物及び半導体装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、難燃性に優れる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】
従来、ダイオード、トランジスタ、集積回路等の半導体装置は、主にエポキシ樹脂組成物で封止されているが、これらのエポキシ樹脂組成物中には、通常、難燃性を付与するために臭素含有有機化合物及びアンチモン化合物が配合されている。ところが、環境・衛生の点から、臭素含有有機化合物及びアンチモン化合物を使用しなくとも、難燃性に優れたエポキシ樹脂組成物の開発が望まれている。
更に、半導体装置を１５０〜２００℃での高温で長時間保管すると、難燃剤成分である臭素含有有機化合物やアンチモン化合物は、半導体装置の抵抗値の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、臭素含有有機化合物やアンチモン化合物を使用しないで高温保管特性に優れるエポキシ樹脂組成物の開発が待たれていた。
又、半導体装置のプリント回路基板への実装時において、鉛を含有する半田（スズ−鉛合金）が使用されており、同様に環境・衛生の点から、鉛を含有する半田（スズ−鉛合金）を使用しないことが望まれている。しかし鉛を含有する半田（スズ−鉛合金）では、融点は１８３℃であり、従って半田処理時の温度は２２０〜２４０℃であるが、これに対し、スズ−銀合金に代表される鉛を含有しない半田では、融点が高く、半田処理時の温度が２６０℃程度となるため、より耐半田ストレス性に優れたエポキシ樹脂組成物の開発が望まれている。
難燃性や耐半田ストレス性を向上させるためには、無機充填材を高充填化し、樹脂成分の含有量を減少させる必要があり、この手法の一つとして低粘度の結晶性エポキシ樹脂を用いる方法がある。現在、難燃剤を使用しないで低粘度の結晶性エポキシ樹脂を用いて無機充填材を高充填化したエポキシ樹脂組成物や、難燃性の高い樹脂を用いたエポキシ樹脂組成物が提案されているが、エポキシ樹脂組成物として良好な成形性と耐半田ストレス性とを完全に満足させるものは、未だ提案されていない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、実質的に臭素含有有機化合物、アンチモン化合物を含まず、良好な成形性、難燃性、耐半田ストレス性に優れた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。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、
［１］（Ａ）一般式（３）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）無機充填材、及び（Ｄ）硬化促進剤を必須成分とし、（Ａ）一般式（３）で示されるエポキシ樹脂を全エポキシ樹脂中に３０重量％以上含有し、（Ｂ）一般式（２）で示されるフェノール樹脂を全フェノール樹脂中に３０重量％以上含有し、難燃剤を含有せず、全エポキシ樹脂組成物中に含有される臭素原子及びアンチモン原子が、それぞれ０．０５重量％以下であり、全無機物が全エポキシ樹脂組成物中８７〜９４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６】

（式中、ｎは平均値で、１〜１０の正数）
【０００５】
【化５】

（式中、ｎは平均値で、１〜１０の正数）
【０００６】
［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。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明で用いる一般式（３）で示されるエポキシ樹脂は、常温では結晶性の固体であるが、融点以上の温度域では急速に融解して極めて低粘度の液状になる特性を有している。これによって無機充填材の高充填化、ひいてはエポキシ樹脂組成物の硬化物の低吸湿化が可能となる。又、硬化性に優れており、エポキシ樹脂組成物の硬化物のガラス転移温度を越えた高温時での弾性率が低く、リードフレーム等の金属類との接着性に優れており、本発明の一般式（３）で示されるエポキシ樹脂を用いたエポキシ樹脂組成物で封止された半導体装置は、実装時の半田処理下でも高い信頼性を得ることができる。又、難燃性に優れ
ているため、硬化剤との組合せによっては難燃剤を配合しなくても良好な難燃性を発現できる。
一般式（３）中のｎは平均値で１〜１０の正数であるが、ｎが１０を越えるとエポキシ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できなくなるので好ましくない。これらの内では硬化性の点から、一般式（３）で示されるエポキシ樹脂が好ましい。
本発明の一般式（３）で示されるエポキシ樹脂の融点としては、６０〜１２０℃が好ましく、特に８０〜１１０℃が好ましい。６０℃未満だと、常温では液状又は半固形状であるため、作業性の問題や、これを用いたエポキシ樹脂組成物の常温保存性が低下する可能性がある。１２０℃を越えると、溶融混練時に十分に融解せず、均一分散できないので成形性及び硬化性が低下し、不均一な成形品となり、強度が各部分によって異なるために半導体装置の性能が低下する可能性がある。
本発明におけるエポキシ樹脂の融点は、示差走査熱量計（セイコー電子工業（株）、ＳＳＣ／５２００）を用いて、常温から昇温速度５℃／分で昇温したときの融解ピークの頂点の温度を示す。
更に、半導体装置の長期信頼性の点から、不純物として含有される塩素イオン、ナトリウムイオン、その他のフリーのイオンは、極力少ないことが望ましい。一般式（３）で示されるエポキシ樹脂の特性を損なわない範囲で、他のエポキシ樹脂と併用してもよいが、耐半田ストレス性を最大限に引き出すためには、一般式（３）で示されるエポキシ樹脂を全エポキシ樹脂中に３０重量％以上含むことが好ましく、特に５０重量％以上が好ましい。３０重量％未満だと、耐半田ストレス性が不十分となる可能性がある。併用するエポキシ樹脂としては、例えば、ビフェニル型エポキシ樹脂、ジシクロペンタジエン変性フェノール型エポキシ樹脂、トリフェノール型エポキシ樹脂等が挙げられ、これらは１種類を単独で用いても２種類以上を併用してもよい。
【０００８】
本発明で用いる一般式（２）で示されるフェノール樹脂は、メチレン−ビフェニル骨格−メチレン構造を有しており、これを用いたエポキシ樹脂組成物の硬化物は弾性率が低くなり、又、吸湿量が抑えられるので、リードフレーム等の金属類、及びシリコンチップ等の半導体素子との密着性に優れる。又、難燃性に優れ、エポキシ樹脂との組合せによっては難燃剤を配合しなくても良好な難燃性を発現できる。
本発明のフェノール樹脂の特性を損なわない範囲で、他のフェノール樹脂と併用してもよいが、低吸湿性や難燃性を最大限に引き出すためには、一般式（２）で示されるフェノール樹脂を全フェノール樹脂中に３０重量％以上含むことが好ましく、特に５０重量％以上が好ましい。３０重量％未満だと、低吸湿化や難燃性の向上といった一般式（２）で示されるフェノール樹脂の特徴が得られない可能性がある。併用するフェノール樹脂としては、例えば、フェノールノボラック樹脂、フェノールアラルキル樹脂、ジシクロペンタジエン変性フェノール樹脂、ナフトールアラルキル樹脂、テルペン変性フェノール樹脂等が挙げられ、これらは１種類を単独で用いても２種類以上を併用してもよい。更に、半導体装置の長期信頼性の点から、不純物として含有される塩素イオン、ナトリウムイオン、その他フリーのイオンは極力少ないことが望ましい。
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との当量比は、０．５〜２．０が好ましく、この範囲を外れると、エポキシ樹脂組成物の硬化性の低下、或いは硬化物のＴｇの低下等の可能性がある。
【０００９】
本発明で用いる硬化促進剤は、エポキシ基とフェノール性水酸基の反応を促進するものであれば特に限定はしないが、例えば、１，８−ジアザビシクロ（５，４，０）ウンデセン−７等のジアザビシクロアルケン及びその誘導体、トリフェニルホスフィン、メチルジフェニルホスフィン等の有機ホスフィン類、テトラフェニルホスホニウム・テトラフェニルボレート、テトラフェニルホスホニウム・テトラ安息香酸ボレート、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、テトラフェニルホスホニウム・テトラナフトイルオキシボレート、テトラフェニルホスホニウム・テトラナフチルオキシボレート等のテトラ置換ホスホニウム・テトラ置換ボレート等が挙げられ、これらは１種類を単独で用いても２種類以上を併用してもよい。
【００１０】
本発明で用いる無機充填材の種類については特に制限はなく、一般に封止材に用いられているものを使用することができる。例えば、溶融破砕シリカ、溶融球状シリカ、結晶シリカ、２次凝集シリカ、アルミナ、チタンホワイト、水酸化アルミニウム等が挙げられ、特に溶融球状シリカが好ましい。粒子の形状は限りなく真球状であることが好ましく、又、粒子の大きさの異なるものを混合することによって、充填量を多くできる。
又、本発明でいう全無機物とは、前記無機充填材、必要によって添加される難燃剤として用いられるアンチモン化合物、及びイオン捕捉剤としての無機イオン交換体等を合計したものである。全無機物の含有量としては、全エポキシ樹脂組成物中に８７〜９４重量％が好ましい。８７重量％未満だと、低吸湿性が得られず耐半田ストレス性が不十分となり、又、熱容量の小さい硬化物となるため、臭素含有有機化合物及びアンチモン化合物を添加しないと難燃性が不足するので好ましくない。９４重量％を越えると、流動性が低下し、成形時に充填不良等が生じたり、高粘度化による半導体装置内の金線変形等の不都合が生じるおそれがあるので好ましくない。
【００１１】
本発明のエポキシ樹脂組成物において、半導体装置の１５０〜２００℃の高温下での電気特性の安定性が要求される用途では、臭素原子及びアンチモン原子がそれぞれ全エポキシ樹脂組成物中に０．０５重量％以下であることが好ましく、完全に含まれない方がより好ましい。臭素原子及びアンチモン原子のいずれかが０．０５重量％を越えると、高温下に放置したとき半導体装置の抵抗値が時間と共に増大し、最終的には半導体装置の金線が断線する不良が発生する可能性がある。又、環境保護の観点からも、臭素原子及びアンチモン原子がそれぞれ全エポキシ樹脂組成物中に０．０５重量％以下で、極力含有されていないことがより望ましい。
本発明のエポキシ樹脂組成物は、（Ａ）〜（Ｄ）成分を必須成分とするが、これ以外に必要に応じてシランカップリング剤、カーボンブラック等の着色剤、天然ワックス、合成ワックス等の離型剤、及びポリシロキサン化合物、ゴム等の低応力剤等の種々の添加剤を適宜配合しても差し支えない。
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等を、ミキサー等を用いて常温混合し、ロール、押出機等の混練機で加熱混練し、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等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。
【００１２】
【実施例】
以下に、実施例を挙げて本発明を更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例によってなんら限定されるものではない。配合単位は重量部とする。
実施例１
式（３）で示されるエポキシ樹脂（融点９０℃、エポキシ当量２５５。以下、エポキシ樹脂（Ｅ−１）という） ４．４５重量部
【化７】

【００１３】
式（４）で示されるフェノール樹脂（水酸基当量２０３） ３．５５重量部
【化８】

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。
【００１４】
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６．８ＭＰａ、硬化時間１２０秒で測定した。単位はｃｍ。
硬化トルク：キュラストメータ（（株）オリエンテック・製、ＪＳＲキュラストメータＩＶＰＳ型）を用いて、振幅角１度、金型温度１７５℃、加熱開始９０秒後のトルクを求めた。キュラストメータにおけるトルクは硬化性のパラメータであり、数値の大きい方が硬化性が良好である。単位はＮ・ｍ。
難燃性：トランスファー成形機を用いて、金型温度１７５℃、注入圧力７．４ＭＰａ、硬化時間１２０秒で、長さ１２７ｍｍ、幅１２．７ｍｍ、厚さ３．２ｍｍ又は厚さ１．６ｍｍに成形し、ＵＬ−９４に準じて難燃性試験を行った。
耐半田ストレス性：トランスファー成形機を用いて、金型温度１７５℃、注入圧力９．８ＭＰａ、硬化時間１２０秒で、８０ｐＱＦＰ（パッケージサイズ１４×２０×２．０ｍｍ、チップサイズ６．０×６．０ｍｍ）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１０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機で観察し、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／１０と表示する。
臭素原子、アンチモン原子含有量：圧力５．９ＭＰａで直径４０ｍｍ、厚さ５〜７ｍｍに圧縮成形し、蛍光Ｘ線分析装置を用いて、全エポキシ樹脂組成物中の臭素原子、アンチモン原子の含有量を定量した。単位は重量％。
【００１５】
実施例２〜３、比較例１〜４
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２、比較例４では４，４’−ジヒドロキシ−３，３’，５，５’−テトラメチルビフェニルのグリシジルエーテル化物を主成分とするエポキシ樹脂（融点１０５℃、エポキシ当量１９７。以下、エポキシ樹脂（Ｅ−２）という）を用いた。
比較例３ではパラキシリレン変性フェノール樹脂（水酸基当量１７５）を用いた。
【表１】

【００１６】
【発明の効果】
本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物は成形性に優れ、これを用いた半導体装置は難燃性及び耐半田ストレス性に優れている。

Claims (2)

1. （Ａ）一般式（３）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）無機充填材、及び（Ｄ）硬化促進剤を必須成分とし、（Ａ）一般式（３）で示されるエポキシ樹脂を全エポキシ樹脂中に３０重量％以上含有し、（Ｂ）一般式（２）で示されるフェノール樹脂を全フェノール樹脂中に３０重量％以上含有し、難燃剤を含有せず、全エポキシ樹脂組成物中に含有される臭素原子及びアンチモン原子が、それぞれ０．０５重量％以下であり、全無機物が全エポキシ樹脂組成物中に８７〜９４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。
   

   

   （式中、ｎは平均値で、１〜１０の正数）
   

   

   （式中、ｎは平均値で、１〜１０の正数）
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。