JP2000198833A - 半導体封止用エポキシ樹脂組成物および該組成物により封止してなる樹脂封止型半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】リードフレーム特に銅系リードフレームとの接
着力に優れ、低吸水性で耐リフロー性が良好で、かつ経
済性に優れたエポキシ樹脂組成物および該組成物により
封止した樹脂封止型半導体装置を提供すること。 【解決手段】エポキシ樹脂と、１５０℃における溶融粘
度が７ｐ以下であるフェノール変性アルキル置換芳香族
炭化水素樹脂と、無機充填剤を必須成分として含有して
なる半導体封止用エポキシ樹脂組成物を用いて半導体素
子を封止する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、低吸水性で耐リフ
ロー性に優れる、特に銅系リードフレームを用いた半導
体素子の封止に適した半導体用エポキシ樹脂組成物およ
び該組成物により封止してなる半導体装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体素子の集積度は益々向上
し、これに用いられるエポキシ樹脂封止材厚みも薄くな
ってきている。これに伴い、封止材層の飽和吸水に至る
時間も短くなってきており、従来用いられているフェノ
ールノボラック樹脂を硬化剤に用いた場合には、吸水率
が高いため吸湿後の耐リフロー性に問題があった。この
ため、封止材の低吸水率化が重要な課題となっている。
特に、樹脂封止型半導体装置にあってはコスト低減の要
求が厳しく、従来の４２アロイ系リードフレームに代っ
てコストの安い銅系リードフレームへの転換が課題にな
っている。しかしながら銅系リードフレームは４２アロ
イ系リードフレームに比べて封止材との接着性が低く耐
リフロー性が低下しやすいといった問題がある。耐リフ
ロー性を向上させるためには、半導体パッケージの低吸
水率化、封止材のリードフレームに対する高い接着性、
はんだリフロー工程の熱履歴をうけた際に吸水した水が
蒸発する応力を低減するためリフロー温度での弾性率を
低くする等の方策が必要である。硬化物の低吸水率化を
図る手法としては、使用するエポキシ樹脂、フェノール
樹脂硬化剤に低吸水性を発現する構造を導入したり、充
填剤として使用するシリカ等を増やすとともに樹脂系の
割合を減らし封止材硬化物自体の吸水量を低減する方法
が検討されている。前者のエポキシ樹脂、フェノール樹
脂硬化剤に低吸水性を発現する構造を導入する手法で
は、ビフェニル構造を有するエポキシ樹脂の使用、疎水
性基であるキシリレン基等を導入し、フェノール性水酸
基密度を低減した樹脂の使用等が一般に知られている。
接着性の向上には、ビフェニル型エポキシ樹脂に代表さ
れる結晶性を有するエポキシ樹脂の使用が有効である。
また、はんだリフロー時の弾性率が低いほど、半導体パ
ッケージの応力緩和能が大きいことが期待できるため、
ビフェニル型エポキシ樹脂に代表される２官能エポキシ
樹脂の使用、並びにキシリレン基を有するフェノール樹
脂に代表される、反応点となるフェノール核の密度を低
減したフェノール樹脂系硬化剤を用いることにより、硬
化物の架橋密度を下げはんだリフロー温度での弾性率を
小さくし、吸湿後の耐リフロー性を向上させた封止材が
実用化されている。しかしながら、 ビフェニル型エポ
キシ樹脂とキシリレン構造を有するフェノール樹脂硬化
剤からなる封止材であっても、銅系リードフレームとの
接着力は不足しており改善が求められている。更にキシ
リレン構造を有するフェノール樹脂は原料に高価な化合
物を使用するため価格が高く、安価な硬化剤の開発が待
たれていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、かかる状況
に鑑みなされたもので、リードフレーム特に銅系リード
フレームとの接着力に優れ、低吸水性で耐リフロー性が
良好で、かつ経済性に優れたエポキシ樹脂組成物および
該組成物により封止した樹脂封止型半導体装置を提供す
ることを目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】すなわち本発明は、エポ
キシ樹脂と、１５０℃における溶融粘度が７ｐ以下であ
るフェノール変性アルキル置換芳香族炭化水素樹脂と、
無機充填剤を必須成分として含有してなる半導体封止用
エポキシ樹脂組成物および該組成物により封止した半導
体装置に関する。

【０００５】

【発明の実施の形態】本発明で用いるフェノール変性ア
ルキル置換芳香族炭化水素樹脂の樹脂構造は、疎水性基
であるアルキル置換芳香族炭化水素構造を分子中に有す
る。かかる樹脂は、アルキル置換芳香族炭化水素とホル
マリンとから合成されるアルキル基置換芳香族炭化水素
−ホルムアルデヒド樹脂とフェノール性水酸基を有する
化合物、必要によりホルマリンとから合成されるもので
ある。アルキル基置換芳香族炭化水素−ホルムアルデヒ
ド樹脂は、トルエン、キシレン、メシチレン、ジュレ
ン、各種アルキルベンセンの混合物等の芳香族炭化水素
とホルムアルデヒドとを酸触媒存在下に反応して得ら
れ、芳香族炭化水素核がメチレン結合、メチレンエーテ
ル結合によって結合し、分子の末端にメチロール基、メ
トキシ基を有する構造を持つものである。成形性、特に
成形後の脱型時に脱型容易な成形品の硬度を得るために
は、フェノール変性アルキル置換芳香族炭化水素樹脂の
両末端にフェノール性水酸基を有する化合物が結合して
いることが望ましく、そのためにはアルキル基置換芳香
族炭化水素−ホルムアルデヒド樹脂の両末端に、フェノ
ール性水酸基を有する化合物と反応するメチロール基、
メトキシ基がなるべく多く結合していることが特性の優
れたフェノール変性アルキル置換芳香族炭化水素樹脂を
得る上で望ましい。

【０００６】本発明にかかるフェノール変性アルキル置
換芳香族炭化水素樹脂の製造方法としては、アルキル置
換芳香族炭化水素−ホルムアルデヒド樹脂とフェノール
性水酸基を有する化合物、必要によりホルマリンを１０
０℃で２〜４時間反応させることにより得ることができ
る。フェノール性水酸基を有する化合物としては、フェ
ノール、ヒドロキノン、カテコール、レゾルシンを単独
あるいは任意の割合で混合して用いることができる。ホ
ルマリン源としては、ホルマリン、パラホルム等の一般
的に使用されているものの他に、ベンズアルデヒドに代
表される芳香族アルデヒド化合物を単独あるいは混合し
て用いることができる。また、触媒としては酸系の化合
物、例えばしゅう酸、硫酸、塩酸、パラトルエンスルホ
ン酸、メタンスルホン酸、ベンゼンスルホン酸、トリフ
ルオロメタンスルホン酸等を用いることができる。この
ようにして合成した樹脂は、下記の一般式で表すことが
できる。

【０００７】

【化１】

【０００８】樹脂特性として重要なことは、充填剤を高
充填化するために樹脂の溶融粘度が低いこととトランス
ファー成形性を維持するため、すなわち硬化速度と架橋
密度を維持するために一定量のフェノール性水酸基数を
有することである。これをフェノール核／芳香族炭化水
素核の比で示せば４／６〜８／２であることが好まし
い。特に分子末端にフェノール性水酸基を有する化合物
がより多く結合していれば、エポキシ樹脂との反応性が
高くなり有利である。また、半導体の封止に用いられる
ため、素子の信頼性を維持するために、Ｎａ＋やＣｌ−
のようなイオン性不純物濃度が低いことも重要である。

【０００９】上述したように、樹脂の溶融粘度は無機充
填剤を高充填し封止材硬化物の吸水率を低減させる場合
に重要な因子になってくる。すなわち、メモリ材に代表
される半導体装置に使用される封止材は、一般に７５体
積％以上の無機充填剤を混練により充填させる必要があ
る。このためには、用いられる樹脂の溶融粘度もある一
定以下の値でなくてはならない。現在最も多くメモリ用
封止材のエポキシ樹脂として使用されている低粘度の二
官能性エポキシ樹脂であるビフェニル型エポキシ樹脂と
組み合わせた場合でも、フェノール変性アルキル置換芳
香族炭化水素樹脂の溶融粘度は、１５０℃において７ｐ
以下（より好ましくは０．５〜４ｐ）でなければ、メモ
リ材用途として必須である無機充填剤７５体積％以上充
填という条件はクリアできない。なお、ここでいう溶融
粘度とはＩＣＩコーンプレート法による。本発明にかか
るフェノール変性アルキル置換芳香族炭化水素樹脂硬化
剤は、エポキシ樹脂のエポキシ当量に対しフェノール性
水酸基が０．５〜１．５当量の割合で配合することが好
ましく、さらに好ましくは０．８〜１．２当量配合され
る。

【００１０】本発明にかかるエポキシ樹脂組成物は、エ
ポキシ樹脂、フェノール樹脂系硬化剤、硬化促進剤、充
填剤、離型剤、着色剤、難燃剤等から構成されるもので
あり、これら原材料を配合、混合、混練の工程を経て製
造される。エポキシ樹脂としては、ビフェニル型エポキ
シ樹脂のほか、ｏ−クレゾールノボラック型エポキシ樹
脂、フェノールノボラック型エポキシ樹脂、ビスフェノ
ールＡエポキシ樹脂、ビスフェノールＦエポキシ樹脂等
の化合物並びにこれらを任意の割合で混合したエポキシ
樹脂を使用することができる。また、必要に応じてハロ
ゲン化エポキシ樹脂、特に臭素化エポキシ樹脂を併用す
ることができる。硬化剤としては、本発明にかかるアル
キル置換芳香族炭化水素ホルムアルデヒド樹脂硬化剤を
全量用いる他、従来から使用されているフェノールノボ
ラック樹脂、キシリレン変性フェノール樹脂、またメラ
ミン変性フェノール樹脂、レゾール型フェノール樹脂等
を併用することができる。硬化促進剤としては、エポキ
シ基とフェノール性水酸基との反応を促進するものであ
ればよく、通常封止材に使用されているジアザシクロウ
ンデセン、トリフェニルホスフィン等の有機ホスフィン
化合物類、イミダゾール類あるいはこれらの塩を単独あ
るいは混合して用いることができる。これら硬化促進剤
の添加量は、エポキシ樹脂およびフェノール樹脂系硬化
剤の合計量に対し０．１〜５重量％使用することが望ま
しい。

【００１１】充填剤としては、溶融シリカ粉末、球状シ
リカ粉末、結晶性シリカ粉末、二次凝集シリカ粉末、多
孔質シリカ粉末を粉砕したシリカ粉末、アルミナ、窒化
珪素、窒化アルミ、ボロンナイトライド、酸化チタン等
を使用することができる。これら充填剤の配合量として
は、成形性を阻害しない範囲で多いほうが吸水性低下の
観点から有利であるが、通常エポキシ樹脂組成物全体に
対して７０〜 ８５体積％配合される。充填剤形状は成
形時の流動性及び金型摩耗性の点から球形であることが
好ましい。本発明のエポキシ樹脂組成物においては、更
に離型剤や難燃剤を配合することができる。離型剤とし
ては、天然ワックス、合成ワックス等が、着色剤として
は、カーボンブラック、ベンガラ等の顔料を用いること
ができる。難燃剤としては、ハロゲン化エポキシ樹脂の
他に、三酸化アンチモン、水酸化アルミニウムを併用す
ることができる。これら添加剤の配合量は、離型剤と着
色剤がエポキシ樹脂および硬化剤合計量に対し０．１〜
５重量％、難燃剤としてのハロゲン化エポキシ樹脂が８
〜２０重量％配合する。ハロゲン化エポキシ樹脂が８重
量％未満ではＵＬ−０を達成することができず、２０重
量％を越えると高温時におけるワイヤーボンド接続部の
腐食がおきやすくなる。また、必要によりカップリング
剤、シリコーンオイル、ゴム、エラストマ等の低応力剤
等の種々の添加剤を用いることができる。これらの材料
を用いてエポキシ樹脂封止材を製造するには、エポキシ
樹脂、硬化剤、無機充填剤、硬化促進剤、その他の添加
剤をミキサー等により均一に混合した後、更に熱ロール
またはニーダー等で溶融混練し、冷却後粉砕して封止材
とすることができる。

【００１２】

【実施例】以下、本発明を実施例を用いて具体的に説明
するが、本発明はこれのみに限定されるものではない。 実施例１〜５および比較例１〜５ （封止材の製造に用いた材料） ・エポキシ樹脂 ビフェニル型エポキシ樹脂：２，２’，６，６’−テト
ラメチル−４，４’−ジヒドロキシビフェニルグリシジ
ルエーテル（エポキシ当量１９５：ＹＬＨ−４０００油
化 シェルエポキシ（株）商品名） ｏ−クレゾールノボラック樹脂：（エポキシ当量１９
０、住友化学（株）製） ・フェノール変性キシレン樹脂（硬化剤）の合成 キシレンおよびホルムアルデヒドを原料に、硫酸を触媒
にして合成したキシレンホルムアルデヒド樹脂（フェノ
ール変性キシレン樹脂Ａ：粘度５４００ｃｐｓ／２５
℃、フェノール変性キシレン樹脂Ｂ：同９３００、フェ
ノール変性キシレン樹脂Ｃ：同１２５００）１５００ｇ
に、フェノール２２１６ｇ、ｐ−トルエンスルフォン酸
０．６ｇを加え、１１０℃で１時間反応させた。この
後、８０℃に冷却し、ホルマリン４００ｇ、蓚酸１２ｇ
を加え、１０５℃で２時間反応させた。ついで、１６０
℃で減圧濃縮しフェノール変性キシレン樹脂を得た。 フェノール変性キシレン樹脂Ａ（溶融粘度２．０ｐ／１
５０℃、軟化点８５℃、水酸基当量１６８） フェノール変性キシレン樹脂Ｂ（溶融粘度５．０ｐ／１
５０℃、軟化点８７℃、水酸基当量１６４） フェノール変性キシレン樹脂Ｃ（溶融粘度７．５ｐ／１
５０℃、軟化点８７℃、水酸基当量１７６） フェノールノボラック樹脂（軟化点８０℃、水酸基当量
１０８、ＨＰ−８５Ｎ：日立化成工業（株）商品名） フェノールアラルキル樹脂（溶融粘度２．０ｐ／１５０
℃、軟化点７０℃、水酸基当量１７５、Ｘｙｌｏｋ−３
Ｌ：三井化学（株）商品名） ・無機充填材：溶融シリカ粉末（平均粒径が２５μｍの
ものと平均粒径が１０μｍのものの７：３混合物） ・硬化促進剤：トリフェニルホスフィン ・カップリング剤：Ａ−１８７（日本ユニカ（株）製商
品名） ・離型剤：カルナバワックス ・着色剤：カーボンブラック （封止材の製造）表１に示した割合で材料をミキサーで
混合し、ロール表面温度が１１０℃の２軸ロールにより
混練し、冷却後粉砕し成形材料としこれをタブレット化
して半導体用封止材とした。 （封止材の成形）タブレット化した封止材をトランスフ
ァー成形機（成形条件：１８５℃、７０ｋｇｆ／ｃｍ
、９０秒）により成形し、得られた成形品を１７５
℃、６時間後硬化した。なお、チップサイズ８×１０×
０．４ｍｍの半導体チップをマウントしたＣ−１９４系
リードフレーム（８０ピン）である。評価結果を表１に
示す。 （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金
型を用い、金型温度１８５℃、圧力７０ｋｇｆ／ｃｍ
、硬化時間９０秒で測定した。 ・硬化性 ショア硬度計を用い、金型温度１８５℃、硬化時間９０
秒で測定した。 ・吸水率 成形品を８５℃、８５％ＲＨの条件下４８時間放置した
後吸水率を測定した。 ・耐リフロー性 当該封止材で封止したチップサイズ８×１０×０．４ｍ
ｍ、８０ピンＱＦＰを８５℃、８５％ＲＨの環境下１６
８ｈ処理し、その後２１５℃のＩＲリフロー炉に９０秒
間通した。外観クラックは目視で、内部クラックは超音
波探査装置で観察した。

【００１３】

【表１】 注）実施例１〜２、比較例１〜２は、充填剤８０体積％ 実施例３〜５、比較例３と５は、充填剤７０体積％（充
填剤７５体積％以上は成形不可）

【００１４】

【発明の効果】本発明によれば、リードフレーム特に銅
系リードフレームとの接着力に優れ、低吸水性で耐リフ
ロー性が良好で、かつ経済性に優れたエポキシ樹脂組成
物および樹脂封止型半導体装置を提供することが可能と
なった。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 七海 憲 茨城県下館市大字小川1500番地 日立化成 工業株式会社下館事業所内 (72)発明者 古沢 文夫 茨城県結城市大字鹿窪1772−１ 日立化成 工業株式会社下館事業所内 (72)発明者 仁保 明 茨城県結城市大字鹿窪1772−１ 日立化成 工業株式会社下館事業所内 (72)発明者 沼田 俊一 茨城県つくば市和台48 日立化成工業株式 会社総合研究所内 (72)発明者 吉村 幸雄 茨城県下館市大字小川1425番地 日立化成 コーテッドサンド株式会社内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】エポキシ樹脂と、１５０℃における溶融粘
   度が７ｐ以下であるフェノール変性アルキル置換芳香族
   炭化水素樹脂と、無機充填剤を必須成分として含有して
   なる半導体封止用エポキシ樹脂組成物。
2. 【請求項２】フェノール変性アルキル置換芳香族炭化水
   素樹脂がアルキル置換芳香族炭化水素−ホルムアルデヒ
   ド樹脂に、フェノール性水酸基を有する化合物あるい
   は、フェノール性水酸基を有する化合物とホルマリンを
   反応させたものである請求項１記載の半導体封止用エポ
   キシ樹脂組成物。
3. 【請求項３】アルキル置換芳香族炭化水素−ホルムアル
   デヒド樹脂がキシレン−ホルムアルデヒド樹脂である請
   求項２記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成物。
4. 【請求項４】半導体素子を請求項１乃至３のいずれか記
   載のエポキシ樹脂組成物により封止してなる樹脂封止型
   半導体装置。
5. 【請求項５】半導体素子が銅系のリードフレームにマウ
   ントされたものである請求項４記載の樹脂封止型半導体
   装置。