JP2000281877A - エポキシ樹脂組成物及び半導体装置 - Google Patents

エポキシ樹脂組成物及び半導体装置

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 成形性、難燃性に優れ、低吸水率で、かつ耐
半田性に優れたエポキシ樹脂組成物を提供すること。 【解決手段】(A)エポキシ樹脂中の全炭素原子の芳香
族由来の炭素原子含有率が70%以上であるエポキシ樹
脂、(B)フェノール樹脂中の全炭素原子の芳香族由来
の炭素原子含有率が70%以上で、かつフェノール性水
酸基当量が140〜300であるフェノール樹脂、
(C)硬化促進剤、及び(D)全エポキシ樹脂組成物中
に含まれる無機充填材の添加量W(重量%)が、88≦
W≦94であるエポキシ樹脂組成物において、硬化した
エポキシ樹脂組成物の空気雰囲気中のTG曲線(Thermo
gravimetric analysis)における燃焼開始温度が、28
0℃以上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。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、低吸水率、及び耐
半田性に優れ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に関するものである。
【0002】
【従来の技術】半導体素子を機械的、化学的作用から保
護するために、従来からエポキシ樹脂組成物(以下、樹
脂組成物という)が開発、生産されてきた。この樹脂組
成物に要求される項目は、半導体素子の種類、封止され
る半導体装置の種類、使用される環境等によって変化し
つつある。表面実装半導体装置の増加から、低吸水化し
た樹脂組成物が要求されており、非常に多くの樹脂組成
物が提案されている。更に現在、環境問題のクローズア
ップにより、ハロゲン系化合物、酸化アンチモンを使用
しない樹脂組成物の要求が非常に強くなってきている。
この要求に対し、ハロゲン系化合物、酸化アンチモン以
外の各種の難燃剤、更にこれらの難燃剤さえ使用しない
樹脂組成物が提案されいるが、現在のところ封止用の樹
脂組成物として良好な成形性、吸水率、耐半田性等を完
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、成形性、難
燃性、低吸水性、及び耐半田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、(A)エポキ
シ樹脂中の全炭素原子の芳香族由来の炭素原子含有率が
70%以上であるエポキシ樹脂、(B)フェノール樹脂
中の全炭素原子の芳香族由来の炭素原子含有率が70%
以上で、かつフェノール性水酸基当量が140〜300
であるフェノール樹脂、(C)硬化促進剤、及び(D)
全エポキシ樹脂組成物中に含まれる無機充填材の添加量
W(重量%)が、88≦W≦94であるエポキシ樹脂組
成物において、硬化したエポキシ樹脂組成物の空気雰囲
気中のTG曲線(Thermogravimetric analysis)におけ
る燃焼開始温度が、280℃以上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、更に(A)エポキ
シ樹脂中の全炭素原子の芳香族由来の炭素原子含有率が
70%以上であるエポキシ樹脂、(B)フェノール樹脂
中の全炭素原子の芳香族由来の炭素原子含有率が70%
以上で、かつフェノール性水酸基当量が140〜300
であるフェノール樹脂、(C)硬化促進剤、及び(D)
全エポキシ樹脂組成物中に含まれる無機充填材の添加量
W(重量%)が、88≦W≦94であるエポキシ樹脂組
成物において、硬化したエポキシ樹脂組成物の空気雰囲
気中のTG曲線における硬化物の残存率A(重量%)
が、 W+〔0.1×(100−W)〕 ≦ A 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
物で、より好ましい態様としてエポキシ樹脂が、一般式
(1)で示されるエポキシ樹脂、又は一般式(2)で示
されるエポキシ樹脂、
【化5】 (R1〜R4は、水素原子、又はメチル基で、同一でも異
なっていてもよい)
【0005】
【化6】 (R1〜R8は、水素原子、メチル基、又はターシャリー
ブチル基で、同一でも異なっていてもよい)
【0006】フェノール樹脂が、一般式(3)で示され
るフェノール樹脂、一般式(4)で示されるフェノール
樹脂、又は石油系重質油とホルムアルデヒド重縮合物と
フェノール類を重縮合させた樹脂であるエポキシ樹脂組
成物、
【化7】 (nは平均値で、1以上の正数)
【0007】
【化8】 (R1は、水素原子、又はメチル基、nは平均値で、1
以上の正数)及びこれら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。
【0008】
【発明の実施の形態】本発明に用いられるエポキシ樹脂
は、エポキシ樹脂中の全炭素原子の芳香族由来の炭素原
子含有率が70%以上である。芳香族由来の炭素原子量
が増えるに従って、このエポキシ樹脂を用いた樹脂組成
物の難燃性は向上する。このエポキシ樹脂は難燃性に優
れているので、後述する硬化剤としての各種のフェノー
ル樹脂と併用した場合、ハロゲン系化合物や酸化アンチ
モン等の難燃剤を含まない樹脂組成物でも高い難燃性を
有し、UL−94のV−0レベルを維持できる。又、フ
ェノール樹脂との反応性も良好なために成形性、機械強
度に優れている。本発明で用いる芳香族由来の炭素原子
とは、ベンゼン、ナフタレン、アントラセン、ピレン等
の芳香環を構成している炭素原子に加え、これらの芳香
環の炭素原子に直接結合している炭素原子も含む。芳香
環に直接結合している炭素原子を、芳香族由来の炭素原
子として換算する理由は、芳香環と直接結合している炭
素−炭素結合の結合エネルギーは、芳香環と直接結合し
ていない炭素−炭素結合の結合エネルギーよりも大きい
ため、熱分解し難いと推定されることによる。
【0009】芳香族由来の炭素原子は、エポキシ樹脂の
化学構造から算出した。例えば、トルエンの場合、メチ
ル基は芳香環に直接結合しているので芳香族由来の炭素
原子として換算し、芳香族由来の炭素原子の含有率は1
00%となる。しかし、クメンの場合、芳香環を構成し
ている炭素原子が6個、芳香環に直接結合している芳香
族でない炭素原子が1個、芳香環と直接結合していない
炭素原子が2個あるので、芳香族由来の炭素原子含有率
は、(6+1)/(6+1+2)×100=78(%)
と計算する。上記の条件を満たすエポキシ樹脂であるな
らば特に限定はしないが、一般式(1)で示されるビフ
ェニル型エポキシ樹脂の内、特に(3,3’,5,
5’)−テトラメチル−4,4’−ビフェノールジグリ
シジルエーテルや、ジフェニル−4,4’−ビフェノー
ルジグリシジルエーテル、又は一般式(2)に示される
スチルベン型エポキシ樹脂、その他にオルソクレゾール
ノボラック型ジグリシジルエーテル、トリフェノールメ
タン型ジグリシジルエーテル、ビスフェノールA型エポ
キシ樹脂、ビスフェノールF型エポキシ樹脂等が挙げら
れる。
【0010】なお、芳香族由来の炭素原子の含有率が7
0%以上であるエポキシ樹脂は、他のエポキシ樹脂と併
用できる。併用する場合の芳香族由来の炭素原子の含有
率が70%以上であるエポキシ樹脂の配合量としては、
全エポキシ樹脂中70重量%以上が好ましい。70重量
%未満であると難燃性が低下する。併用できるエポキシ
樹脂としては特に限定はしないが、ジシクロペンタジエ
ン変性フェノール型エポキシ樹脂が好適に使用される。
本発明に用いられるエポキシ樹脂の特性としての融点、
軟化点、溶融粘度、イオン性不純物量等に関しては特に
限定しないが、イオン性不純物量の低いものほど信頼性
が良好であり、好ましい。
【0011】本発明に用いられるフェノール樹脂は、フ
ェノール樹脂中の全炭素原子の芳香族由来の炭素原子含
有率が70%以上で、かつフェノール性水酸基当量が1
40〜300である。芳香族由来の炭素原子数の計算に
関しては、前記したエポキシ樹脂の場合と同様に取り扱
う。フェノール性水酸基当量が140未満だと、単位体
積あたりの官能基密度(単位体積あたりのエポキシ基及
びフェノール性水酸基のモル数)が高く、難燃性が低下
することが判明している。エポキシ基やフェノール性水
酸基は熱分解し易く、更に熱分解時に可燃性のガスを発
生するのでこれらの官能基のモル数が増えると難燃性が
著しく低下する。上記の官能基のモル数を減らすこと、
即ち官能基密度の低減は、難燃性の向上に有効な手段で
あると判断される。一方、フェノール性水酸基当量が3
00を越えると、官能基密度が低下しすぎ、反応性が低
いために硬化性が低下し成形性が悪化する。
【0012】本発明に用いられるフェノール樹脂として
は、一般式(3)に示されるフェノール樹脂、一般式
(4)に示されるナフトールアラルキル樹脂、石油系重
質油とホルムアルデヒド重合縮合物とフェノール類を縮
合させた変性フェノール樹脂(特開平7−252339
号公報、特開平9−216927号公報に開示)等が好
ましく、一般式(3)以外のフェノールアラルキル樹脂
等も使用可能である。本発明のフェノール樹脂の特性で
ある融点、軟化点、溶融粘度、イオン性不純物量等に関
しては特に限定しないが、イオン性不純物量が少ないほ
ど信頼性が良好であり、好ましい。本発明で用いられる
芳香族由来の炭素原子含有率が70%以上であるフェノ
ール樹脂は、他のフェノール樹脂と併用できる。併用す
る場合の芳香族由来の炭素原子含有率が70%以上であ
るフェノール樹脂の配合量としては、全フェノール樹脂
中70重量%以上が好ましく、70重量%未満であると
難燃性が低下する。併用できるフェノール樹脂としては
特に限定されないが、ジシクロペンタジエン変性フェノ
ール樹脂、フェノールノボラック樹脂等が好ましい。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
等が低下するので好ましくない。
【0013】本発明に用いられる硬化促進剤は、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、トリフェニルホスフ
ィン、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等が挙げられ、これらは単独で
も混合して用いてもよい。
【0014】本発明に用いられる無機充填材の種類につ
いては特に制限はなく、一般に封止材料に用いられてい
るものを使用することができる。例えば、溶融破砕シリ
カ粉末、溶融球状シリカ粉末、結晶シリカ粉末、2次凝
集シリカ粉末、アルミナ、チタンホワイト、水酸化アル
ミニウム、タルク、クレー、ガラス繊維等が挙げられ、
特に溶融球状シリカ粉末が好ましい。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り充填量を多くすることができ
る。本発明に用いられる無機充填材は、全樹脂組成物中
に無機充填材の添加量W(重量%)が、88≦W≦94
であることが必要である。より好ましいのは88〜92
重量%である。無機充填材量が多いと、吸水率が低減す
ると共に、燃焼しない無機充填材は炎にさらされた時に
熱エネルギーを奪い樹脂組成物の硬化物の難燃性を向上
させる。更に、樹脂組成物の硬化物の弾性率を向上させ
ることにより、良好な成形性(離型性)を発現するのに
有効である。無機充填材量が88重量%未満だと難燃試
験において燃焼し易く、吸水率が高いために耐半田性も
低い樹脂組成物となる。無機充填材量が94重量%を越
えると、流動性が著しく低下して成形できなくなる。
【0015】本発明の樹脂組成物は、難燃剤として臭素
化エポキシ樹脂等のハロゲン系化合物、三酸化アンチモ
ン等の酸化アンチモンを配合しなくとも、UL−94の
難燃レベルのV−0を維持できる。環境への配慮や、高
温保管性等の半導体装置の信頼性の向上の点から、難燃
剤を添加しない樹脂組成物が好ましい。従来の難燃剤を
配合した場合、高温保管特性の著しい劣化があり、半導
体装置の性能低下を招くおそれがある。難燃剤がなくと
も、芳香環由来の炭素数が多ければ、十分な難燃性が得
られることが判明している。本発明における樹脂組成物
は、分子中の芳香環の数を増やして難燃化を図っている
ので、空気中で熱分解し難い特徴を有している。本発明
の樹脂組成物の硬化物は、図1に示すTG曲線(Thermo
gravimetric analysis)での熱分解開始温度が280℃
以上である特徴を有している。熱分解開始温度が280
℃以上であると難燃性の向上に非常に有効である。熱分
解開始温度は、セイコー電子(株)・製TG/DTA2
20を用いて、硬化した樹脂組成物(175℃で4時間
ポストキュアした後の硬化物を微粉砕し、5〜10mg
前後を精秤する)を空気雰囲気中で、昇温速度20℃/
分、空気の流量200ml/分の条件で測定する。図1
で示されるように昇温時に急激に熱分解が始まる温度
が、熱分解開始温度となる。この熱分解開始温度が28
0℃より高ければ、UL−94試験における難燃性も良
好である。一方、熱分解開始温度が280℃未満であれ
ば、難燃性は低下する。
【0016】又、全樹脂組成物中に含まれる無機充填材
の添加量W(重量%)が、88≦W≦94である樹脂組
成物において、硬化した樹脂組成物の空気雰囲気中のT
G曲線における500℃、1時間後の硬化物の残存率A
(重量%)が、 W+〔0.1×(100−W)〕 ≦ A であることも難燃性の向上に有効である。芳香族由来の
炭素原子含有率が高いと完全に燃焼するまでに時間がか
かり、500℃、1時間の処理後も樹脂成分の炭化物が
完全に燃焼せずに残存する。硬化物の残存率Aの値が、
W+〔0.1×(100−W)〕未満だと燃焼が速やか
に進むために難燃性が低い。本発明における硬化物の残
存率Aは、セイコー電子(株)・製TG/DTA220
を用い、硬化した樹脂組成物(175℃で4時間ポスト
キュアした後の硬化物を微粉砕し、試料として5〜10
mg前後精秤する)を空気雰囲気中で、昇温速度20℃
/分、空気の流量200ml/分、昇温速度20℃/分
で500℃まで昇温した後、500℃で1時間保持する
条件で測定し、その後の硬化物の残存量を求め、残存量
を試料で除して%表示する。
【0017】本発明の樹脂組成物は、(A)〜(D)成
分の他、必要に応じてγ−グリシドキシプロピルトリメ
トキシシラン、γ−アミノプロピルトリエトキシシラン
等のシランカップリング剤、カーボンブラック等着色
剤、シリコーンオイル、シリコーンゴム等の低応力成
分、天然ワックス、合成ワックス、ポリエチレンワック
ス、酸化ポリエチレンワックス、高級脂肪酸及びその金
属塩類もしくはパラフィン等の離型剤、酸化防止剤等の
各種添加剤を配合することができる。特に添加剤のシリ
コーンオイルはボイドの低減に非常に効果的である。本
発明の樹脂組成物は、(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
発明の樹脂組成物を用いて、半導体素子等を封止し、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。
【0018】
【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。配合単位は重量部とす
る。 実施例1 式(E−1)を主成分とするエポキシ樹脂(芳香族由来の炭素原子含有率は7 3%) 5.0重量部
【化9】
【0019】 式(H−1)のフェノール樹脂(芳香族由来の炭素原子含有率は100%) 5.0重量部
【化10】
【0020】 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 溶融球状シリカ(平均粒径15μm) 89重量部 エポキシシランカップリング剤 0.3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 を常温でミキサーを用いて混合した後、100℃で二軸
ロールを用いて混練し、冷却後粉砕し、樹脂組成物を得
た。得られた樹脂組成物を以下の方法で評価した。結果
を表1に示す。
【0021】評価方法 ・熱分解開始温度:前記した測定方法による。 ・樹脂組成物の硬化物の残存率:前記した測定方法によ
る。 ・スパイラルフロー:EMMI−I−66に準拠した金
型を用い、成形温度は175℃で測定した。 ・難燃性:1.6mm厚の成形品を調製し、UL−94
に従い燃焼試験を行った。 ・高温保管特性:模擬素子を実装した16pDIPを成
形しポストキュア後、185℃で1000時間処理す
る。処理後の配線間の抵抗値を測定し、抵抗値が20%
以上大きくなったパッケージを不良とする。15パッケ
ージ中の不良パッケージの数を示す。 ・耐半田性:低圧トランスファー成形機を用い、成形温
度175℃、圧力70kg/cm2、硬化時間2分で、
80pQFP(パッケージサイズ14×20×2 .7mm、チップサイズ9mm×9mm)を成形し、1
75℃、8時間のポストキュアを行った後、6個のパッ
ケージを、85℃、相対湿度85%で168時間吸湿さ
せた後、235℃のIRリフロー処理を行い、パッケー
ジクラック個数を超音波探傷機で観察した。クラックの
生じたパッケージがn個であるとき、n/6と表示す
る。
【0022】実施例2〜6 表1の処方に従って配合し、実施例1と同様にして樹脂
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。 比較例1〜6 表2の処方に従って配合し、実施例1と同様にして樹脂
組成物を得、実施例1と同様にして評価した。結果を表
2に示す。 実施例2、4、5、比較例4〜6に用いたエポキシ樹脂
の式(E−2)、式(E−3)、フェノール樹脂の式
(H−2)、式(H−4)〜式(H−6)の構造式を以
下に示す。 なお、式(E−2)の芳香族由来の炭素原子含有率は6
0%、(E−3)の芳香族由来の炭素原子含有率は42
%。式(H−2)の芳香族由来の炭素原子含有率は10
0%、式(H−4)の芳香族由来の炭素原子含有率は1
00%、式(H−5)の芳香族由来の炭素原子含有率は
100%、式(H−6)の芳香族由来の炭素原子含有率
は50%。フェノール樹脂(H−3)は、石油系重質油
とホルムアルデヒド重縮合物とフェノール類とを酸触媒
の存在下で重縮合させたもので、軟化点82℃、水酸基
当量145、ICI粘度/150℃が2.2ポイズ、芳
香族由来の炭素原子含有率は約95%である。
【0023】
【化11】
【0024】
【化12】
【0025】
【化13】
【0026】
【表1】
【0027】
【表2】
【0028】
【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、難燃性に優れ、低吸水率で、これで封止
された半導体装置は、耐半田性に優れている。
【図面の簡単な説明】
【図1】 TG曲線と熱分解開始温度の関係を表す模式
図。
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 23/29 H01L 23/30 R 23/31 Fターム(参考) 4J002 CC03X CC07X CD05W CE00X DE137 DE147 DJ017 DJ037 DJ047 DL007 EU096 EW016 EW176 EY016 FA047 FD017 FD090 FD130 FD156 FD160 GQ05 4J032 CA03 CA04 CA12 CB04 CG06 4J033 CA02 CA05 CA11 CA24 CA29 CA31 FA01 FA08 HB06 4J036 AD07 AD10 FA03 FA05 FB08 GA23 GA29 JA07 4M109 AA01 BA01 CA21 EA03 EB03 EB04 EB06 EB08 EB09 EB12 EB19 EC01 EC03 EC05 EC20

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 (A)エポキシ樹脂中の全炭素原子の芳
    香族由来の炭素原子含有率が70%以上であるエポキシ
    樹脂、(B)フェノール樹脂中の全炭素原子の芳香族由
    来の炭素原子含有率が70%以上で、かつフェノール性
    水酸基当量が140〜300であるフェノール樹脂、
    (C)硬化促進剤、及び(D)全エポキシ樹脂組成物中
    に含まれる無機充填材の添加量W(重量%)が、88≦
    W≦94であるエポキシ樹脂組成物において、硬化した
    エポキシ樹脂組成物の空気雰囲気中のTG曲線(Thermo
    gravimetric analysis)における燃焼開始温度が、28
    0℃以上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。
  2. 【請求項2】 (A)エポキシ樹脂中の全炭素原子の芳
    香族由来の炭素原子含有率が70%以上であるエポキシ
    樹脂、(B)フェノール樹脂中の全炭素原子の芳香族由
    来の炭素原子含有率が70%以上で、かつフェノール性
    水酸基当量が140〜300であるフェノール樹脂、
    (C)硬化促進剤、及び(D)全エポキシ樹脂組成物中
    に含まれる無機充填材の添加量W(重量%)が、88≦
    W≦94であるエポキシ樹脂組成物において、硬化した
    エポキシ樹脂組成物の空気雰囲気中のTG曲線における
    硬化物の残存率A(重量%)が、 W+〔0.1×(100−W)〕 ≦ A 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。
  3. 【請求項3】 エポキシ樹脂が、一般式(1)で示され
    るエポキシ樹脂、又は一般式(2)で示されるエポキシ
    樹脂である請求項1、又は2記載の半導体封止用エポキ
    シ樹脂組成物。 【化1】 (R1〜R4は、水素原子、又はメチル基で、同一でも異
    なっていてもよい) 【化2】 (R1〜R8は、水素原子、メチル基、又はターシャリー
    ブチル基で、同一でも異なっていてもよい)
  4. 【請求項4】 フェノール樹脂が、一般式(3)で示さ
    れるフェノール樹脂、一般式(4)で示されるフェノー
    ル樹脂、又は石油系重質油とホルムアルデヒド重縮合物
    とフェノール類を重縮合させた樹脂である請求項1、
    2、又は3記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成物。 【化3】 (nは平均値で、1以上の正数) 【化4】 (R1は、水素原子、又はメチル基、nは平均値で、1
    以上の正数)
  5. 【請求項5】 請求項1、2、3、1又は4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
    してなることを特徴とする半導体装置。
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