JP2000063636A - 半導体封止用エポキシ樹脂組成物及び半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【解決手段】 （１）エポキシ樹脂及び硬化剤
合計量で１００重量部 （２）無機質充填剤
２００〜１１００重量部 を含有してなるエポキシ樹脂組成物に、無機質充填剤と
してガラス化率が１０〜９５重量％の部分球状化シリカ
を全無機質充填剤量に対して２０重量％以上配合したこ
とを特徴とする半導体封止用エポキシ樹脂組成物。この
半導体封止用エポキシ樹脂組成物の硬化物で封止された
半導体装置。 【効果】 本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物
は、無機質充填剤の高充填化が可能であり、かつ線膨張
係数が高く、しかも線膨張係数の調整も容易であり、低
吸水率でクラック及びダイパッド発生率の低い硬化物を
与えるもので、高線膨張係数のリードフレーム材料を使
用したものに対しても優れた封止特性を発揮する。従っ
て、本発明組成物は、高い信頼性を有する半導体装置を
与え、各種半導体装置の封止剤として幅広く利用可能で
ある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、無機質充填剤の高
充填化が可能である上、線膨張係数が高く、低吸水性で
クラック発生率の低い硬化物を与え、表面実装タイプパ
ッケージ用封止剤等として幅広く使用できる半導体封止
用エポキシ樹脂組成物及びこの硬化物で封止された半導
体装置に関する。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】現在、
半導体デバイスは樹脂封止型のダイオード、トランジス
ター、ＩＣ、ＬＳＩ、超ＬＳＩが主流となっており、一
般にエポキシ樹脂が他の熱硬化性樹脂に比べ成形性、接
着性、電気特性、機械特性、耐湿性等に優れているた
め、エポキシ樹脂組成物で半導体装置を封止することが
多く行われている。

【０００３】最近の表面実装タイプパッケージ用封止剤
としては、基板にパッケージを実装する際のクラックを
改善することを目的として、吸水量を低減させるために
低吸水性樹脂を使用したり、球状溶融シリカを高充填化
することが検討されている。上記溶融シリカを高充填化
する方法は、得られる硬化物の線膨張係数も下がるた
め、リードフレーム材に４２アロイのような線膨張係数
の小さいフレームを使用した場合には、半田実装時のク
ラック防止に非常に効果がみられ、有効である。

【０００４】しかしながら、線膨張係数の大きい銅系材
料をリードフレーム材として使用した場合、リードフレ
ームの膨張係数とエポキシ樹脂組成物の膨張係数とが大
きくかけ離れてしまい、温度サイクルや半田実装時のス
トレスにより容易にパッケージクラックが入ってしまう
といった問題があった。なお、溶融シリカの充填量を減
らすことで、線膨張係数を銅系リードフレームに合わせ
ることはできるものの、この場合は上記したように吸水
率が多くなり、半田実装時のクラックが発生し易くなる
という欠点があった。

【０００５】また、膨張係数の大きな無機質充填材を混
合することで膨張係数を調整しようとする試みも行われ
ている。例えば、エポキシ樹脂組成物の充填材として、
溶融シリカに比べて膨張係数の大きな結晶シリカ（石英
粉）を混合したものが数多く提案されている。

【０００６】しかし、これらの提案においては、いずれ
も破砕状の結晶シリカが使用されており、このためエポ
キシ樹脂組成物中への充填率を球状溶融シリカ並に向上
させることは非常に困難であり、しかも、破砕結晶シリ
カの角張ったエッジが半導体素子の表面を傷つけ、半導
体特性を低下させることもあった。

【０００７】従って、線膨張係数の大きい銅系材料に対
しても優れた封止特性を発揮し得るエポキシ樹脂組成物
の開発が望まれる。

【０００８】本発明は、上記事情に鑑みなされたもの
で、無機質充填剤の高充填化が可能である上、線膨張係
数が高く、低吸水率でクラック及びダイパッド発生率の
低い硬化物を与え、高線膨張係数のリードフレーム材を
使用しても信頼性の高い半導体装置を与えることができ
る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。

【０００９】

【課題を解決するための手段及び発明の実施の形態】本
発明者は、上記目的を達成するため鋭意検討を重ねた結
果、エポキシ樹脂及び硬化剤を合計量で１００重量部、
無機質充填剤を２００〜１１００重量部含有してなるエ
ポキシ樹脂組成物において、無機質充填剤としてガラス
化率が１０〜９５重量％であり、好ましくは真円度が
０．６５以上である部分球状化シリカを全無機質充填剤
量に対して２０重量％以上配合することにより、かかる
無機質充填剤は高充填化が可能であり、低吸水化が達成
できる上、線膨張係数が大きく、高線膨張係数のリード
フレーム材料を使用しても低吸水率でクラック及びダイ
パッド発生のほとんどない硬化物を与えることを見出し
た。更に、本発明組成物は、上記部分球状化シリカに溶
融シリカを併用して配合することにより、線膨張係数を
自由に調整することができるため、硬化物の線膨張係数
を簡単に銅系フレーム材等の線膨張係数に合わせること
も可能であり、封止樹脂として幅広く使用できること、
よって、この硬化物で半導体装置を封止することによ
り、極めて信頼性の高い半導体装置を得ることができる
ことを知見し、本発明を完成させたものである。

【００１０】従って、本発明は、 （１）エポキシ樹脂及び硬化剤 合計量で１００重量部 （２）無機質充填剤 ２００〜１１００重量部 を含有してなるエポキシ樹脂組成物において、無機質充
填剤としてガラス化率１０〜９５重量％のシリカを全無
機質充填剤量に対して２０重量％以上配合した半導体封
止用エポキシ樹脂組成物及びこの硬化物で封止された半
導体装置を提供する。

【００１１】以下、本発明につき更に詳細に説明する
と、本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物は、エポ
キシ樹脂、硬化剤、無機質充填剤を含有するもので、本
発明で使用するエポキシ樹脂としては、従来から公知の
一分子あたり２個以上のエポキシ基を持ったものであれ
ば如何なるものでも使用することができる。例えば、フ
ェノールノボラック型エポキシ樹脂、クレゾールノボラ
ック型エポキシ樹脂等の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、トリフェノールプ
ロパン型エポキシ樹脂等のトリフェノールアルカン型エ
ポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂、フェノールア
ラルキル型エポキシ樹脂、ビフェニルアラルキル型エポ
キシ樹脂、複素環型エポキシ樹脂、ナフタレン環含有エ
ポキシ樹脂、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、ビスフ
ェノールＦ型エポキシ樹脂等のビスフェノール型エポキ
シ樹脂、スチルベン型エポキシ樹脂、シクロペンタジエ
ン型エポキシ樹脂等が挙げられ、これらのうち１種又は
２種以上を使用することができる。これらのエポキシ樹
脂の中では、特にクレゾールノボラック型エポキシ樹
脂、ナフタレン環含有エポキシ樹脂、ビフェニル型エポ
キシ樹脂が望ましい。下記に例を示す。

【００１２】

【化１】

【００１３】硬化剤としては、１分子中にフェノール性
の水酸基が２個以上あれば如何なるものでも使用可能で
あり、例えばフェノールノボラック樹脂、クレゾールノ
ボラック樹脂等のノボラック型フェノール樹脂、ナフタ
レン環含有フェノール樹脂、フェノールアラルキル型フ
ェノール樹脂、ビフェニル型フェノール樹脂、ビフェニ
ルアラルキル型フェノール樹脂、トリフェノールメタン
型フェノール樹脂、トリフェノールプロパン型フェノー
ル樹脂等のトリフェノールアルカン型フェノール樹脂、
脂環式フェノール樹脂、複素環型フェノール樹脂、ビス
フェノールＡ型フェノール樹脂、ビスフェノールＦ型フ
ェノール樹脂等のビスフェノール型フェノール樹脂等が
挙げられ、これらのうちの１種又は２種以上を使用する
ことができる。これらの中では、特にフェノールノボラ
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、ナフタレン型フェノール樹脂、シクロペン
タジエン型フェノール樹脂が好ましい。下記に例を示
す。

【００１４】

【化２】

【００１５】エポキシ樹脂と硬化剤としてのフェノール
樹脂の混合割合は、エポキシ樹脂中のエポキシ基１モル
に対してフェノール樹脂中のフェノール性水酸基が０．
５〜１．６モル、特に０．６〜１．４モルとなる範囲の
量が好適である。フェノール性水酸基が０．５モル未満
の量では、水酸基が不足し、エポキシ基の単独重合の割
合が多くなり、ガラス転移温度が低くなる場合があり、
１．６モルを超えるとフェノール性水酸基の比率が高く
なり、反応性が低下するほか架橋密度が低く十分な強度
が得られないものとなる場合がある。

【００１６】本発明では、無機質充填剤としてガラス化
率が１０〜９５重量％の部分球状化シリカを配合する。
この部分球状化シリカは、表面に近い部分が溶融してガ
ラス化し、シリカ内部に進むにつれて結晶質が残ってい
る状態のシリカである。このような部分球状化シリカの
特徴は、結晶質と非晶質が共存しているため、非晶質シ
リカに比べて膨張係数が大きく、また熱伝導率が高い。
また、球形度が高いために高充填化が可能であり、低吸
水率を達成できる上、組成物製造時の摩耗、半導体部品
を成形する際の金型摩耗、及び半導体素子の表面にダメ
ージを与えないといった特徴も有している。内部に残る
結晶質としては、トリジマイトあるいはクリスタバライ
ト等を含むものである。

【００１７】上記部分球状化シリカのガラス化率は１０
〜９５％（重量％、以下同様）、好ましくは２０〜８０
％、より好ましくは２０〜６５％である。ガラス化率が
１０％未満であると表面の球形度が十分でないため高充
填化が困難であり、９５％を超えると熱伝導率が低下
し、線膨張係数も小さくなる。なお、ガラス化率は、Ｘ
線解析装置を使って回折線積分強度比を測定することに
より定量分析ができる。

【００１８】また、上記特定のガラス化率を有する部分
球状化シリカは、球形度の指標となる真円度が０．６５
以上、特に０．７０以上であることが望ましい。真円度
が０．６５未満であると、球形度が不足し、高充填化が
困難となったり、流動性が悪くなり、パッドシフト、ワ
イヤー流れ等の成形不良を起こしやすくなる場合があ
る。

【００１９】なお、真円度は、シリカを光学顕微鏡で観
察し、画像解析装置を併用することにより、以下の式
（１）を用いて算出することができる。

【００２０】

【数１】

【００２１】ここで、Ａは粒子の投影面積であり、ＰＭ
は粒子の投影像の周囲長を表わす。シリカが完全な真円
（真球度）である場合には、式（１）により真円度は１
である。一方、粒子形状が真円からずれていくにつれ、
即ち、粒子投影像が凸凹になるにつれ、この真円度は１
より低い値になっていく。従って、この真円度とは０〜
１の値をとるものである。

【００２２】本発明に使用される部分球状化シリカの平
均粒径は、０．３〜５０μｍ、特に３〜３０μｍ、更に
望ましくは３〜２０μｍで、最大粒径が１５０μｍ以
下、望ましくは１００μｍ以下、更に望ましくは７５μ
ｍ以下であることが好ましい。平均粒径が５０μｍを超
えると、粒径が粗く成りすぎてゲートずまりや金型摩耗
を引き起こしやすくなる場合があり、平均粒径が０．３
μｍ未満では粒子が細かくなりすぎて多量に充填するこ
とができなくなる場合がある。最大粒径が１５０μｍを
超えると、粒径が粗くなりすぎてゲートづまりや金型摩
耗を引き起こしやすくなる場合がある。なお、ここでの
平均粒径は、レーザー光回折法による重量平均（メジア
ン径）の値である。

【００２３】上記部分球状化シリカは、ＢＥＴ吸着法に
よる比表面積が０．２〜２．０ｍ²／ｇ、特に０．５〜
１．５ｍ²／ｇ、真比重は２．３０〜２．６５、特に
２．３５〜２．６０の範囲であることが望ましい。

【００２４】このような部分球状化シリカは、従来から
行なわれている火炎溶融法等で製造することができる。

【００２５】例えばシリカ原料を可燃性ガスと酸素との
燃焼により火炎溶融して溶融球状シリカを製造する際、
火炎の温度を下記範囲に下げることにより製造できる。
この場合、火炎の温度は、１６００〜１９００℃、特に
１６５０〜１８５０℃、とりわけ１８００℃付近が好適
である。温度が１６００℃より低いと、シリカの表面部
分が満足に溶融せず、真円度が低くなってしまう場合が
あり、１９００℃より上げ過ぎると、表面が完全にツル
ツルになるまで溶融され、流動性は向上するものの、結
晶質が少なく、非晶質になるため、線膨張係数が小さく
なってしまう場合がある。

【００２６】上記部分球状化シリカは、予めシランカッ
プリング剤、チタン系カップリング剤、アルミニウム系
カップリング剤などのカップリング剤で表面を処理して
使用しても良い。

【００２７】本発明では、無機質充填剤として上記部分
球状化シリカ以外に他の無機質充填剤を配合することが
できる。具体的には、ボールミルなどで粉砕した溶融シ
リカや火炎溶融することで得られる球状のシリカ、ゾル
ゲル法などで製造される球状シリカ、結晶シリカ、アル
ミナ、ボロンナイトライド、チッカアルミ、チッ化珪
素、マグネシア、マグネシウムシリケートなどが例示さ
れる。

【００２８】なお、本発明では、上記部分球状化シリカ
に溶融シリカを併用して配合することにより、線膨張係
数を自由に調整して、硬化物の線膨張係数を銅系フレー
ム材等の線膨張係数に合わせることができる。

【００２９】本発明において上記部分球状化シリカの配
合量は、全無機質充填剤量の２０％以上（即ち、２０〜
１００％）、望ましくは５０〜１００％、より望ましく
は６０〜９５％の範囲である。部分球状化シリカの配合
量が２０％に満たないと、所定の熱伝導率、線膨張係数
を得ることができない。

【００３０】本発明組成物の無機質充填剤の配合量は、
エポキシ樹脂と硬化剤との総量１００重量部に対して２
００〜１１００重量部、望ましくは３００〜１０００重
量部、更に望ましくは６００〜１０００重量部である。
配合量が２００重量部未満では、吸水率が多くなり半田
リフローの際の温度でパッケージにクラックが入ってし
まい、１１００重量部を超えると粘度が高くなりすぎ、
成形できなくなってしまう。

【００３１】更に、本発明のエポキシ樹脂組成物には、
その他の任意成分として従来から公知のシリコーンゴム
やゲルなどの粉末、シリコーン変性エポキシ樹脂やシリ
コーン変性フェノール樹脂、メタクリル酸メチル−ブタ
ジエン−スチレンよりなる熱可塑性樹脂などを低応力化
材として添加してもよい。

【００３２】更に、硬化促進剤としてリン系化合物、イ
ミダゾール誘導体、シクロアミジン系誘導体などを使用
することができる。具体的には、トリフェニルホスフィ
ン、４級ホスフィン化合物のボロン塩、２−フェニルイ
ミダゾール、ＤＢＵ等が例示される。硬化促進剤の添加
量は、エポキシ樹脂とフェノール樹脂の合計量１００重
量部に対し、０．０１〜１０重量部が好適である。

【００３３】更に、本発明組成物には、シランカップリ
ング剤、チタン系カップリング剤、アルミニウム系カッ
プリング剤等のカップリング剤、カーボンブラック等の
着色剤、天然ワックス等の離型剤、フッ素系界面活性
剤、シリコーンオイル等の濡れ向上剤なども場合によっ
ては添加することができる。なお、これら任意成分の添
加量は、本発明の効果を妨げない範囲で通常量とするこ
とができる。

【００３４】本発明のエポキシ樹脂組成物は、上記した
諸原料を高速混合機などを用い、均一に混合した後、二
本ロールや連続混練装置などで十分混練することにより
製造することができる。二本ロールの場合、混練温度は
５０〜１２０℃、混練時間は２〜１０分が望ましい。混
練後、薄くシート化し冷却、粉砕することで、エポキシ
樹脂組成物を製造することができる。

【００３５】このようにして得られる本発明の半導体封
止用エポキシ樹脂組成物は、各種の半導体装置、特にＩ
Ｃ、ＬＳＩ或いはトランジスター等の封止剤に有効に利
用でき、この場合、封止の最も一般的な方法としては、
低圧トランスファー成形法が挙げられる。なお、本発明
の半導体封止用エポキシ樹脂組成物の成形条件は１５０
〜１８０℃で３０〜１８０秒、後硬化は１５０〜１８０
℃で２〜１６時間行うことが望ましい。

【００３６】

【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、無機質充填剤の高充填化が可能であり、かつ線膨
張係数が高く、しかも線膨張係数の調整も容易であり、
低吸水率でクラック及びダイパッド発生率の低い硬化物
を与えるもので、高線膨張係数のリードフレーム材料を
使用したものに対しても優れた封止特性を発揮する。従
って、本発明組成物は、高い信頼性を有する半導体装置
を与え、各種半導体装置の封止剤として幅広く利用可能
である。

【００３７】

【実施例】以下、調製例、実施例及び比較例を示して本
発明を具体的に説明するが、本発明は下記実施例に制限
されるものではない。

【００３８】〔調製例１〕下記粒度分布を有する破砕結
晶形シリカを原料とし、これを１８００℃で加熱溶融
し、部分的に球状化されたシリカを得た。得られたシリ
カをＸ線回折により解析した結果、ガラス化率は６４％
であり、粒度分布等の物性は表１の通りであった。な
お、得られた部分的に球状化されたシリカの電子顕微鏡
写真を図１に示す。

【００３９】

【表１】

【００４０】〔調製例２〕調製例１で使用した原料の破
砕結晶形シリカを表２で示される製造条件で溶融し、部
分球状化シリカを得た。得られたシリカの粒度分布等の
物性は、表２の通りであった。

【００４１】

【表２】

【００４２】〔実施例、比較例〕表３に示す配合でエポ
キシ樹脂組成物を連続押し出し機で調製し、次の項目に
ついて評価を行った。結果を表４に示す。 スパイラルフロー：成形温度１７５℃、成形圧力７０ｋ
ｇ／ｃｍ²でトランスファー成形機で成形した。 ゲル化時間：１７５℃の熱板でエポキシ樹脂組成物がゲ
ル化するまでの時間を測定した。 溶融粘度：高化式フローテスターを用い、１０ｋｇの加
圧下、直径１ｍｍのノズルを用い温度１７５℃で粘度を
測定した。 熱伝導率：昭和電工社製のＳｈｏｔｈｅｒｍＱＴＭ−Ｄ
１１迅速熱伝導計を使用し、直径５０ｍｍ×７ｍｍの大
きさの円板状の硬化物を非定熱線法により測定した。 線膨張係数：１５×１５×５ｍｍの成形物を１７５℃／
１２０秒で成形し、１８０℃／６時間ポストキュアーを
行った。この成形物を用い、ディラトメーターにより毎
分５℃の昇温で測定した。α１は５０〜１００℃の範囲
で、α２は１９０〜２４０℃の範囲でそれぞれ算出し
た。 吸水量：５０φｍｍ×４ｍｍの成形物を１７５℃／１２
０秒で成形し、１８０℃／６時間ポストキュアーを行っ
た。この成形物を用い、８５℃／８５％ＲＨの条件で１
６８時間後の吸水量を測定した。 ダイパッド変形：ＱＦＰパッケージを用い、成形温度１
７５℃／成形圧力７０ｋｇ／ｍｍ²でトランスファー成
形した後、パッケージを切断し、ダイパッドの変形状態
を観察した。 パッケージサイズ＝１４×２０×２．２ｍｍ チップサイズ＝７×９ｍｍ ダイパッドサイズ＝８×１０ｍｍ クラック性：ＱＦＰパッケージを用い、成形温度１７５
℃／成形圧力７０ｋｇ／ｍｍ²でトランスファー成形
し、１８０℃／５時間ポストキュアーを行った。パッケ
ージを１５０℃で３０分と−５０℃で３０分の温度サイ
クルを５００回繰り返したときのパッケージクラックを
観察した。 パッケージサイズ＝１４×２０×２．２ｍｍ チップサイズ＝７×９ｍｍ ダイパッドサイズ＝８×１０ｍｍ

【００４３】

【表３】 ＊）結晶シリカ：結晶系シリカ 平均粒子径２５μｍの破砕状結晶シリカ 溶融シリカ：球状溶融シリカ 平均粒子径１０μｍ／最大粒子径４５μｍ 微細シリカ：平均粒子径０．５μｍの球状シリカ （アドマテックス社製、ＳＯ２５Ｈ） エポキシ樹脂１：ビフェニル型エポキシ樹脂 油化シェル社製 ＹＸ４０００ＨＫ エポキシ当量１９０ エポキシ樹脂２：クレゾールノボラック型エポキシ樹脂 日本化薬社製 ＥＯＣＮ−４４００ エポキシ当量１９０ エポキシ樹脂３：臭素化クレゾールノボラック型エポキシ樹脂 日本化薬社製 ＢＲＥＮ−１０５ エポキシ当量２８３ 硬化剤１：フェノールノボラック型フェノール樹脂 明和化成社製 ＤＬ−９２ フェノール当量１０７ 硬化剤２：フェノールアラルキル型フェノール樹脂 三井東圧社製 ＸＬ−２２５−３Ｌ フェノール当量１６８ シリコーン変性剤（シリコーン変性エポキシ樹脂）： シロキサン分３４％ エポキシ当量３１０ ＴＰＰ：トリフェニルフォスフィン シランカップリング剤：信越化学工業社製 ＫＢＭ５７３：Ｎ−フェニル− γ−アミノプルピルトリメトキシシラン

【００４４】

【表４】

【００４５】表４の結果より、本発明のエポキシ樹脂組
成物は、低吸水性を維持しながら高熱伝導性、高線膨張
係数であり、銅フレームでの信頼性に優れていることが
わかった。

【図面の簡単な説明】

【図１】調製例１で得られた部分的に球状化されたシリ
カの電子顕微鏡写真である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｌ 23/31 (72)発明者 富吉 和俊 群馬県碓氷郡松井田町大字人見１番地10 信越化学工業株式会社シリコーン電子材料 技術研究所内 (72)発明者 塩原 利夫 群馬県碓氷郡松井田町大字人見１番地10 信越化学工業株式会社シリコーン電子材料 技術研究所内 Ｆターム(参考） 4J002 CC032 CC042 CC052 CC062 CD021 CD031 CD041 CD051 CD061 CD071 DJ016 FA086 FD016 FD142 GQ05 4M109 AA01 BA01 CA21 EA02 EB02 EB04 EB06 EB13 EB15 EB16 EB19 EC01 EC03 EC05

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 （１）エポキシ樹脂及び硬化剤 合計量で１００重量部 （２）無機質充填剤 ２００〜１１００重量部 を含有してなるエポキシ樹脂組成物において、無機質充
   填剤としてガラス化率が１０〜９５重量％の部分球状化
   シリカを全無機質充填剤量に対して２０重量％以上配合
   したことを特徴とする半導体封止用エポキシ樹脂組成
   物。
2. 【請求項２】 部分球状化シリカの真円度が０．６５以
   上である請求項１記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成
   物。
3. 【請求項３】 部分球状化シリカが、原料シリカを１６
   ００〜１９００℃で溶融することにより得られるもので
   ある請求項１又は２記載の半導体封止用エポキシ樹脂組
   成物。
4. 【請求項４】 請求項１、２又は３記載の半導体封止用
   エポキシ樹脂組成物の硬化物で封止された半導体装置。