JP2001192533A - エポキシ樹脂組成物及び半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ハロゲン系難燃剤、及びアンチモン化合物を
含まず、成形性、及び難燃性、高温保管特性、耐湿信頼
性及び耐半田クラック性に優れた半導体封止用エポキシ
樹脂組成物を提供すること。 【解決手段】 （Ａ）エポキシ樹脂、（Ｂ）フェノール
樹脂、（Ｃ）硬化促進剤、（Ｄ）無機充填材、（Ｅ）全
エポキシ樹脂組成物中に１〜１５重量％の一般式（１）
で示される金属水酸化物固溶体、及び（Ｆ）全エポキシ
樹脂組成物中に０．２〜３重量％の一般式（２）で示さ
れるイオン捕捉剤を必須成分とし、（Ｄ）と（Ｅ）と
（Ｆ）の合計量が全エポキシ樹脂組成物中に７０〜９３
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。 Ｍｇ_1-xＭ²⁺ _x（ＯＨ）₂ （１） （式中Ｍ²⁺は、Ｍｎ²⁺、Ｆｅ²⁺、Ｃｏ²⁺、Ｎｉ²⁺、Ｃｕ
²⁺及びＺｎ²⁺からなる群から選ばれた少なくとも１種の
二価金属イオンを示し、ｘは０．０１≦ｘ≦０．５の数
を示す） Ｍｇ_aＡｌ_b（ＯＨ）_2a+3b-2c（ＣＯ₃）_c・ｄＨ₂Ｏ （２） （式中、０＜ｂ／ａ≦１、０≦ｃ／ｂ＜１．５、ｄは正
数）

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ハロゲン系難燃
剤、アンチモン化合物を含まず、難燃性、高温保管特性
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
回路等の電子部品は、主にエポキシ樹脂組成物で封止さ
れている。これらのエポキシ樹脂組成物中には、難燃性
を付与するためにハロゲン系難燃剤、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
ハロゲン系難燃剤、及びアンチモン化合物を使用しない
で、難燃性に優れたエポキシ樹脂組成物の開発が要求さ
れている。又、ハロゲン系難燃剤及びアンチモン化合物
を含むエポキシ樹脂組成物で封止された半導体装置を高
温下で保管した場合、これらの難燃剤成分から熱分解し
たハロゲン化物が遊離し、半導体素子の接合部を腐食
し、半導体装置の信頼性を損なうことが知られており、
難燃剤としてハロゲン系難燃剤とアンチモン化合物を使
用しなくても難燃グレードがＵＬ−９４のＶ−０を達成
できるエポキシ樹脂組成物が要求されている。

【０００３】このように、半導体装置を高温下（例え
ば、１８５℃等）に保管した後の半導体素子の接合部
（ボンディングパッド部）の耐腐食性のことを高温保管
特性といい、この高温保管特性を改善する手法として
は、五酸化二アンチモンを使用する方法（特開昭５５−
１４６９５０号公報）や、酸化アンチモンと有機ホスフ
ィンとを組み合わせる方法（特開昭６１−５３３２１号
公報）等が提案され、効果が確認されているが、最近の
半導体装置に対する高温保管特性の高い要求レベルに対
して、エポキシ樹脂組成物の種類によっては不満足なも
のもある。又、難燃剤として、特定の金属水酸化物と特
定の金属酸化物の併用、或いは特定の金属水酸化物と特
定の金属酸化物の複合化金属水酸化物を用いることによ
り、難燃性と耐湿信頼性を解決する提案がされているが
（特開平１０−２５１４８６号公報、特開平１１−１１
９４５号公報等）、十分な難燃性を発現させるために
は、多量の添加を必要とし、そのため成形性、耐半田ク
ラック性の低下を引きおこす問題があり、かつ、耐湿信
頼性も十分なものとはいえない。即ち、難燃性を維持
し、成形性、高温保管特性、耐湿信頼性及び耐半田クラ
ック性に優れ、ハロゲン系難燃剤、及びアンチモン化合
物を使用しないエポキシ樹脂組成物が求められている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、ハロゲン系
難燃剤、及びアンチモン化合物を含まず成形性、難燃
性、高温保管特性、耐湿信頼性及び耐半田クラック性に
優れた半導体封止用エポキシ樹脂組成物、及びこれを用
いて半導体素子を封止してなる半導体装置を提供するも
のである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、（Ａ）エポキ
シ樹脂、（Ｂ）フェノール樹脂、（Ｃ）硬化促進剤、
（Ｄ）無機充填材、（Ｅ）全エポキシ樹脂組成物中に１
〜１５重量％の一般式（１）で示される金属水酸化物固
溶体、及び（Ｆ）全エポキシ樹脂組成物中に０．２〜３
重量％の一般式（２）で示されるイオン捕捉剤を必須成
分とし、（Ｄ）と（Ｅ）と（Ｆ）の合計量が全エポキシ
樹脂組成物中に７０〜９３重量％であり、 Ｍｇ_1-xＭ²⁺ _x（ＯＨ）₂ （１） （式中Ｍ²⁺は、Ｍｎ²⁺、Ｆｅ²⁺、Ｃｏ²⁺、Ｎｉ²⁺、Ｃｕ
²⁺及びＺｎ²⁺からなる群から選ばれた少なくとも１種の
二価金属イオンを示し、ｘは０．０１≦ｘ≦０．５の数
を示す） Ｍｇ_aＡｌ_b（ＯＨ）_2a+3b-2c（ＣＯ₃）_c・ｄＨ₂Ｏ （２） （式中、０＜ｂ／ａ≦１、０≦ｃ／ｂ＜１．５、ｄは正
数）より好ましくは、一般式（１）で示される金属水酸
化物固溶体のＭ²⁺がＺｎ²⁺又はＮｉ²⁺で、一般式（２）
で示されるイオン捕捉剤がＭｇ_4.3Ａｌ₂（ＯＨ）_12.6Ｃ
Ｏ₃・３．５Ｈ₂Ｏ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、及びこれ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。

【０００６】

【発明の実施の形態】本発明に用いるエポキシ樹脂とし
ては、１分子内にエポキシ基を２個以上有するモノマ
ー、オリゴマー、ポリマー全般を言い、その分子量、分
子構造を特に限定するものではないが、例えば、ビフェ
ニル型エポキシ樹脂、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、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、ト
リフェノールメタン型エポキシ樹脂、アルキル変性トリ
フェノールメタン型エポキシ樹脂、トリアジン核含有エ
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、フェノールアラルキル型エポキシ樹脂（フ
ェニレン骨格、ジフェニレン骨格等を有する）等が挙げ
られ、これらは単独でも混合して用いても差し支えな
い。

【０００７】本発明に用いるフェノール樹脂としては、
１分子内にフェノール性水酸基を２個以上有するモノマ
ー、オリゴマー、ポリマー全般を言い、その分子量、分
子構造を特に限定するものではないが、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、ジシ
クロペンタジエン変性フェノール樹脂、テルペン変性フ
ェノール樹脂、トリフェノールメタン型樹脂、フェノー
ルアラルキル樹脂（フェニレン骨格、ジフェニレン骨格
等を有する）等が挙げられ、これらは単独でも混合して
用いても差し支えない。これらの内では特に、フェノー
ルノボラック樹脂、ジシクロペンタジエン変性フェノー
ル樹脂、フェノールアラルキル樹脂、テルペン変性フェ
ノール樹脂等が好ましい。これらの配合量としては、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比が０．８〜１．３が好ましい。

【０００８】本発明に用い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硬化反応を促進させる
ものであればよく、一般に封止材料に使用するものを使
用することができる。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、２−メチルイミダゾール、テトラフェニルホスホニ
ウム・テトラフェニル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差し支えない。

【０００９】本発明に用いる無機充填材としては、一般
に封止材料に使用されているものを使用することができ
る。例えば、溶融シリカ、結晶シリカ、タルク、アルミ
ナ、窒化珪素等が挙げられ、これらは単独でも混合して
用いても差し支えない。無機充填材の配合量としては、
金属水酸化物固溶体及びイオン捕捉剤と前記の無機充填
材との合計量が、成形性と耐半田クラック性のバランス
から、全エポキシ樹脂組成物中に７０〜９３重量％含有
することが好ましい、７０重量％未満だと、吸水率の上
昇に伴う耐半田クラック性が低下し、９３重量％を越え
ると、ワイヤースィープ及びパッドシフト等の成形性の
問題が生じ、好ましくない。

【００１０】本発明に用いる一般式（１）で示される金
属水酸化物固溶体は、難燃剤として作用し、その難燃機
構としては、燃焼時に金属水酸化物固溶体が脱水を開始
し、吸熱することによって燃焼反応を阻害するものであ
る。又、硬化した樹脂成分の炭化を促進し、硬化物表面
に酸素を遮断する難燃層を形成すると考えられる。更
に、本発明の金属水酸化物固溶体は、吸熱開始温度を適
度に下げ、難燃性能を向上する効果がある。吸熱開始温
度が低いと成形性、信頼性に悪影響を及ぼし、又、吸熱
開始温度が樹脂成分の分解温度より高いと難燃性が低下
するが、本発明の金属水酸化物固溶体の吸熱開始温度
は、３００〜３５０℃近辺で適度な値である。これらの
内で特に好ましいＭ²⁺としては、Ｎｉ²⁺、Ｚｎ²⁺であ
る。本発明の金属水酸化物固溶体の配合量としては、全
エポキシ樹脂組成物中に１〜１５重量％が好ましく、更
に好ましくは１〜１０重量％である。１重量％未満だと
難燃性が不足し、１５重量％を越えると耐半田クラック
性、成形性が低下するので好ましくない。本発明の金属
水酸化物固溶体の平均粒径としては、０．５〜３０μｍ
が好ましく、更に好ましくは０．５〜１０μｍである。

【００１１】一般式（２）で示されるイオン捕捉剤は、
エポキシ樹脂組成物中で高分散化させると、難燃性を有
することから、金属水酸化物固溶体との相乗効果として
難燃性が向上し、配合量を低減することが可能となる。
この結果、配合量を少なくしても難燃性を維持し、成形
性及び強度の低下、吸水率の増加等を防ぐことができ
る。特に好ましくは、Ｍｇ_4.3Ａｌ₂（ＯＨ）_12.6ＣＯ₃
・３．５Ｈ₂Ｏである。本発明の一般式（２）で示され
るイオン捕捉剤の配合量としては、全エポキシ樹脂組成
物中に０．２〜３重量％が好ましい。０．２重量％未満
だと耐湿性が不足し、３重量％を越えると硬化性の低下
が著しく、吸水量も増大し、耐半田クラック性の低下が
著しくなるので好ましくない。又、本発明の一般式
（２）で示されるイオン捕捉剤以外にも、燐酸、有機酸
アニオン、ハロゲンアニオン、アルカリ金属カチオン、
アルカリ土類金属カチオン等を捕捉する他のイオン捕捉
剤を併用することができる。併用できるイオン捕捉剤と
しては、例えば、Ｂｉ₂Ｏ₃・ｎＨ₂Ｏ、Ｚｒ（ＨＰＯ₄）
₂・Ｈ₂Ｏ、Ｔｉ（ＨＰＯ₄）₂・Ｈ₂Ｏ、（ＮＨ₄）₃Ｍｏ
₁₂（ＰＯ₄）₄₀・ｎＨ₂Ｏ、Ｃａ₁₀（ＰＯ₄）₆（Ｏ
Ｈ）₂、ＢｉＯ（ＯＨ）_0.7（ＮＯ₃）_0.3、ＢｉＯ（Ｏ
Ｈ）_0.74（ＮＯ₃）_{0.1 5}（ＨＳｉＯ₃）_0.11、ＢｉＯ（Ｏ
Ｈ）等が挙げられ、これらは単独でも混合して用いても
差し支えない。なお、併用できるイオン捕捉剤の配合量
としては、全エポキシ樹脂組成物中に０．１〜１重量％
が好ましく、１重量％を越えると硬化性が低下する。

【００１２】金属水酸化物固溶体及びイオン捕捉剤は、
各々単独でも難燃性を付与する性質があるが、十分な難
燃性を発現させるには、多量の配合量が必要となる。し
かし多量に配合すると、成形性及び強度の低下、吸水率
の増加を引き起こす傾向にあり、耐半田クラック性が低
下する。これらの諸物性の低下を防ぐためにも配合量は
極力少なくする必要がある。本発明者は、金属水酸化物
固溶体と一般式（２）のイオン捕捉剤とを併用すること
により、その相乗効果として更に難燃性が向上し、配合
量を低減できることを見いだした。各々の難燃剤とも燃
焼時の吸熱作用があり、更に、金属水酸化物固溶体は、
硬化した樹脂成分の炭化を促進させ、一般式（２）のイ
オン捕捉剤は、可燃性ガスを捕捉する働きを有し、難燃
性に寄与すると考えられている。更に、イオン捕捉剤
は、樹脂成分、金属水酸化物固溶体等に含まれるイオン
性不純物を捕捉することによりアルミニウムの腐食を防
止し耐湿信頼性を向上する作用がある。理由は定かでな
いが、両者を併用することにより、互いの能力を補い合
い、その相乗効果として高い難燃性を得ることができ
る。その結果として、配合量を少なくしても難燃性を維
持し、成形性及び強度の低下、吸水率の増加等を防ぐこ
とができる。

【００１３】本発明のエポキシ樹脂組成物は、（Ａ）〜
（Ｆ）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、及びシリ
コーンオイル、ゴム等の低応力添加剤等の種々の添加剤
を適宜配合しても差し支えない。又、本発明のエポキシ
樹脂組成物は、（Ａ）〜（Ｆ）成分、及びその他の添加
剤等をミキサー等を用いて充分に均一に混合した後、更
に熱ロール又はニーダー等で溶融混練し、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
導体素子等の各種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。

【００１４】

【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。配合割合は重量部とす
る。なお、実施例、及び比較例で用いたエポキシ樹脂、
フェノール樹脂、イオン捕捉剤の略号及び構造を、以下
にまとめて示す。 エポキシ樹脂（Ｅ−１）：オルソクレゾールノボラック
型エポキシ樹脂（日本化薬（株）・製、軟化点６２℃、
エポキシ当量１９８ｇ／ｅｑ） エポキシ樹脂（Ｅ−２）：ビフェニル型エポキシ樹脂
（油化シェルエポキシ（株）・製、融点９５℃、エポキ
シ当量１９１ｇ／ｅｑ） フェノール樹脂（Ｈ−１）：フェノールノボラック樹脂
（軟化点８３℃、水酸基当量１０４） フェノール樹脂（Ｈ−１）：フェノールアラルキル樹脂
（軟化点７５℃、水酸基当量１７５） イオン捕捉剤（Ｉ−１）：Ｍｇ_4.3Ａｌ₂（ＯＨ）_12.6Ｃ
Ｏ₃・３．５Ｈ₂Ｏ（協和化学（株）・製、ＤＨＴ） イオン捕捉剤（Ｉ−２）：ＢｉＯ（ＯＨ）_0.7（ＮＯ₃）
_0.3（東亞合成（株）・製）

【００１５】 実施例１ エポキシ樹脂（Ｅ−１） ９５重量部 フェノール樹脂（Ｈ−１） ５０重量部 １，８−ジアザビシクロ（５，４，０）ウンデセン−７（以下、ＤＢＵという ） ２重量部 溶融球状シリカ ７１０重量部 金属水酸化物固溶体（Ｍｇ_0.8Ｚｎ_0.2（ＯＨ）₂、平均粒径１μｍ） １２０重量部 イオン捕捉剤（Ｉ−１） １０重量部 エポキシシランカップリング剤 ５重量部 カーボンブラック ３重量部 カルナバワックス ５重量部 を常温でスーパーミキサーを用いて混合し、７０〜１０
０℃でロール混練し、冷却後粉砕してエポキシ樹脂組成
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。

【００１６】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て、金型温度１７５℃、圧
力７０ｋｇ／ｃｍ²、硬化時間１２０秒で測定した。 硬化性：（株）オリエンテック・製、ＪＳＲキュラスト
メーターＩＶＰＳを用いて、ダイスの直径３５ｍｍ、振
幅角１°、成形温度１７５℃、成形開始９０秒後のトル
ク値を測定した。数値が小さいほど硬化が遅い。単位は
ｋｇｆ・ｃｍ。 難燃性：低圧トランスファー成形機を用いて、成形温度
１７５℃、圧力７０ｋｇ／ｃｍ²、硬化時間１２０秒で
試験片（１２７ｍｍ×１２．７ｍｍ×３．２ｍｍ）を成
形し、アフターベークとして１７５℃、８時間処理した
後、ＵＬ−９４垂直法に準じてΣＦ、Ｆmaxを測定し、
難燃性を判定した。 吸水率：低圧トランスファー成形機を用いて、成形温度
１７５℃、圧力７０ｋｇ／ｃｍ²、硬化時間１２０秒で
試験円盤（直径５０ｍｍ、厚さ４ｍｍ）を成形し、アフ
ターベークとして１７５℃、８時間処理した後、１５０
℃で１６時間乾燥処理を行い、８５℃、相対湿度８５％
で１６８時間処理を行ったものについて、初期重量に対
する増加重量の百分率を求めた。単位は％。 耐半田クラック性：低圧トランスファー成形機を用い
て、成形温度１７５℃、圧力７０ｋｇ／ｃｍ²、硬化時
間１２０秒で８０ｐＱＦＰ（２ｍｍ厚、チップサイズ
９．０ｍｍ×９．０ｍｍ）を成形し、アフターベークと
して１７５℃、８時間処理した後、８５℃、相対湿度８
５％で９６時間の処理を行い、ＩＲリフロー処理（２４
０℃、１０秒）を行った。超音波探傷機を用い、パッケ
ージ内部の剥離、クラック等の不良を観察した。６個の
パッケージ中の不良パッケージ数を示す。 高温保管特性：低圧トランスファー成形機を用いて、成
形温度１７５℃、圧力７０ｋｇ／ｃｍ²、硬化時間１２
０秒で１６ｐＤＩＰ（チップサイズ３．０ｍｍ×３．５
ｍｍ）を成形し、アフターベークとして１７５℃、８時
間処理した後、高温保管試験（１８５℃、１０００時
間）を行い、配線間の電気抵抗値が初期値に対し２０％
増加したパッケージを不良と判定した。１５個のパッケ
ージ中の不良率を百分率で示した。単位は％。 耐湿信頼性：低圧トランスファー成形機を用いて、成形
温度１７５℃、圧力７０ｋｇ／ｃｍ²、硬化時間１２０
秒で模擬素子（パッシベーション膜無し）を搭載した１
６ｐＤＩＰ（チップサイズ３．０ｍｍ×３．５ｍｍ）を
成形し、アフターベークとして１７５℃、８時間処理し
た後、１３０℃、相対湿度８５％で５．５Ｖ印加し、回
路のオープン不良を測定した。１０個のパッケージ中で
半分のパッケージが不良となった時間で表した。尚、評
価は１０００時間まで行った。単位は時間。

【００１７】実施例２〜７、比較例１〜７ 表１、表２の配合に従い、実施例１と同様にしてエポキ
シ樹脂組成物を得て、実施例１と同様にして評価した。
結果を表１、表２に示す。比較例１に用いた臭素化ビス
フェノールＡ型エポキシ樹脂のエポキシ当量は、３６５
ｇ／ｅｑ．。

【表１】

【００１８】

【表２】

【００１９】

【発明の効果】本発明に従うと、ハロゲン系難燃剤、及
びアンチモン化合物を含まず、成形性に優れた半導体封
止用エポキシ樹脂組成物が得られ、これを用いた半導体
装置は難燃性、高温保管特性、耐湿信頼性及び耐半田ク
ラック性に優れる。

───────────────────────────────────────────────────── 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 23/29 Ｈ０１Ｌ 23/30 Ｒ 23/31 Ｆターム(参考） 4J002 CC03X CC07X CD00W CD03W CD04W CD05W CD06W CD13W CE00W CE00X DE078 DE079 DE098 DE108 DE147 DE149 DE259 DJ007 DJ017 DJ047 EU096 EU116 EW016 EY016 FD017 FD138 FD139 FD156 GQ05 4M109 EA02 EB03 EB04 EB18 EC14 EC20

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 （Ａ）エポキシ樹脂、（Ｂ）フェノール
   樹脂、（Ｃ）硬化促進剤、（Ｄ）無機充填材、（Ｅ）全
   エポキシ樹脂組成物中に１〜１５重量％の一般式（１）
   で示される金属水酸化物固溶体、及び（Ｆ）全エポキシ
   樹脂組成物中に０．２〜３重量％の一般式（２）で示さ
   れるイオン捕捉剤を必須成分とし、（Ｄ）と（Ｅ）と
   （Ｆ）の合計量が全エポキシ樹脂組成物中に７０〜９３
   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。 Ｍｇ_1-xＭ²⁺ _x（ＯＨ）₂ （１） （式中Ｍ²⁺は、Ｍｎ²⁺、Ｆｅ²⁺、Ｃｏ²⁺、Ｎｉ²⁺、Ｃｕ
   ²⁺及びＺｎ²⁺からなる群から選ばれた少なくとも１種の
   二価金属イオンを示し、ｘは０．０１≦ｘ≦０．５の数
   を示す） Ｍｇ_aＡｌ_b（ＯＨ）_2a+3b-2c（ＣＯ₃）_c・ｄＨ₂Ｏ （２） （式中、０＜ｂ／ａ≦１、０≦ｃ／ｂ＜１．５、ｄは正
   数）
2. 【請求項２】 一般式（１）で示される金属水酸化物固
   溶体のＭ²⁺がＺｎ²⁺、又はＮｉ²⁺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】 一般式（２）で示されるイオン捕捉剤が
   Ｍｇ_4.3Ａｌ₂（ＯＨ）_12.6ＣＯ₃・３．５Ｈ₂Ｏ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１〜３記載のいずれかの半導体封
   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。