JP2001234031A - エポキシ樹脂組成物及び半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 優れた耐半田クラック特性を有するエポキシ
樹脂組成物を提供すること。 【解決手段】 エポキシ樹脂及び／又はフェノール樹脂
に全カップリング剤の一部が予め溶融混合された樹脂、
及び残余の全部又は一部のカップリング剤により表面処
理された無機充填材を必須成分とし、全カップリング剤
の一部を予め溶融混合された樹脂が全樹脂中に２５重量
％以上、かつ残余の全部又は一部のカップリング剤によ
り表面処理された無機充填材が全無機充填材中に５０重
量％以上含まれ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、最適のカップリン
グ剤処理による優れた耐半田クラック性を有する半導体
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】従来よりダイオード、トランジスタ、Ｉ
Ｃ、ＬＳＩ等の半導体部品を、外的刺激（機械的・熱的
衝撃、化学的作用等）から保護するためには、生産性や
コストの点を考慮してエポキシ樹脂組成物を封入成形す
るのが一般的になっている。一方近年の半導体素子の集
積度向上とそれに伴う半導体素子の寸法の増大とは相反
し、最近の電子機器の小型化による半導体装置の寸法の
小型化・薄型化が求められ、かつプリント回路基板への
実装方法も、従来のピン挿入型から表面実装型へ移行し
てきたため、表面実装半田処理時の熱衝撃による半導体
装置のクラックや、チップ・リードフレームと樹脂組成
物の硬化物との界面での剥離といった問題が生じ易くな
り、耐熱性に優れたエポキシ樹脂組成物が強く求められ
ている。これらのクラックや剥離は、半田処理前の半導
体素子自身が吸湿し、半田処理時の高温下でその水分が
急激に水蒸気化することによって生じると考えられてお
り、これを防ぐためにエポキシ樹脂や硬化剤であるフェ
ノール樹脂の分子構造を変更したり、無機充填材を高充
填化することにより、封止材としての吸湿性を低減させ
たり、強度を向上させる等の手法が提案されている。一
方各種界面の密着向上による耐半田クラック性向上手法
として、カップリング剤や添加剤の検討もなされてお
り、又無機充填材を予めカップリング剤で表面処理する
ことによる樹脂強度の向上は知られているが、その効果
は十分ではなく、更なるレベルアップが要求されてい
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明者は、樹脂成分
と無機充填材との界面の強度向上を目的として鋭意検討
した結果、従来の様に無機充填材の表面をカップリング
剤で単純処理するのではなく、予めカップリング剤をエ
ポキシ樹脂及び／又はフェノール樹脂に溶融混合した樹
脂と、無機充填材の表面を予めカップリング剤で処理し
た無機充填材を組み合わせることにより、更なる強度向
上が図れること、又特定のカップリング剤を組み合わせ
ることにより吸水率も低減できることを見出し、本発明
に至ったものである。その目的とするところは、優れた
耐半田クラック性を有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半導
体装置を提供するのものである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は、エポキシ樹脂
及び／又はフェノール樹脂に全カップリング剤の一部が
予め溶融混合された樹脂、及び残余の全部又は一部のカ
ップリング剤により表面処理された無機充填材を必須成
分とし、全カップリング剤の一部を予め溶融混合された
樹脂が全樹脂中に２５重量％以上、かつ残余の全部又は
一部のカップリング剤により表面処理された無機充填材
が全無機充填材中に５０重量％以上含まれる半導体封止
用エポキシ樹脂組成物、及びこれを用いて半導体素子を
封止してなる半導体装置である。

【０００５】

【発明の実施の形態】本発明に用いるエポキシ樹脂は、
通常半導体封止用エポキシ樹脂組成物に用いられるエポ
キシ樹脂であれば特に限定するものではなく、例えば、
クレゾールノボラック型エポキシ樹脂、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、
ビフェニル型エポキシ樹脂、ナフタレン型エポキシ樹
脂、トリフェノールメタン型エポキシ樹脂、ジシクロペ
ンタジエン変性フェノール型エポキシ樹脂、臭素化エポ
キシ樹脂等が挙げられ、これらは単独でも併用してもよ
い。本発明に用いるフェノール樹脂は、通常半導体封止
用エポキシ樹脂組成物に用いられるフェノール樹脂であ
れば特に限定するものではなく、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、フェノール
アラルキル樹脂、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、ジシクロペンタジエン変性フェノ
ール樹脂等が挙げられ、これらは単独でも併用してもよ
い。

【０００６】本発明では、エポキシ樹脂及び／又はフェ
ノール樹脂に全カップリング剤の一部を予め溶融混合さ
れた樹脂を用いることが必須である。予めカップリング
剤を溶融混合し、それぞれの樹脂と反応させると同時
に、樹脂中に均一分散させることによりカップリング剤
の機能を最大限に発揮させるものであり、溶融混合され
た樹脂は、全樹脂中２５重量％以上、好ましくは５０重
量％以上含まれることが望ましい。２５重量％未満だと
半田クラック性の向上の効果が少なく好ましくない。本
発明でいう全樹脂とは、カップリングが溶融混合されて
いないエポキシ樹脂及びフェノール樹脂、エポキシ樹脂
及び／又はフェノール樹脂に全カップリング剤の一部を
予め溶融混合された樹脂を含むものである。溶融混合す
るカップリング剤としては、有機珪素化合物、有機アル
ミニウム化合物及び有機チタン化合物等が挙げられ、エ
ポキシ樹脂又はフェノール樹脂と適度に反応するものが
好ましく、激しく反応するものは望ましくない。更にエ
ポキシ樹脂及び／又はフェノール樹脂に全カップリング
剤の一部を予め溶融混合された樹脂が、１０℃以下に３
ヶ月保存された後、１５０℃での溶融粘度が溶融混合直
後の溶融粘度の２倍以下となる特性を有することが好ま
しい。２倍を越えると封止材としての流動性が得られな
くなり、封止材としての保存性も低下するので好ましく
ない。この樹脂特性を維持するためには、用いるカップ
リング剤の種類、溶融混合する量を調整すればよい。溶
融粘度の測定は、ＩＣＩコーン＆プレート型粘度計によ
る。

【０００７】溶融混合するカップリング剤は、沸点１０
０℃以上で、かつ分子量６００以下の有機珪素化合物が
好ましい。沸点が１００℃未満だと溶融混合時に揮散し
たり、封止材の成形工程でボイドの原因となり、更に分
子量が６００を越えると樹脂の粘度を増大させるおそれ
があり好ましくない。これらの理由から、エポキシ樹脂
に予め溶融混合するカップリング剤としては、表１のＡ
群、フェノール樹脂に予め溶融混合するカップリング剤
としては、表２のＢ群から選ばれる１種以上の有機珪素
化合物が好ましい。本発明でいう全カップリング剤と
は、エポキシ樹脂及び／又はフェノール樹脂に溶融混合
するカップリング剤、及び下記する無機充填材の表面処
理に用いるカップリング剤と、必要により樹脂組成物の
製造時等に添加されるカップリング剤とを加算したもの
のことを指す。

【０００８】

【表１】

【０００９】

【表２】

【００１０】溶融混合の方法としては、特に限定するす
るものではなく、例えば予めエポキシ樹脂又はフェノー
ル樹脂を１５０℃程度に加熱溶融させた後、溶融樹脂を
攪拌しながら所定のカップリング剤を添加し均一溶融混
合すればよい。又エポキシ樹脂又はフェノール樹脂とカ
ップリング剤とを攪拌羽根付き混合機で乾式混合した
後、２軸混練機等を用いて溶融混練することも可能であ
り、更に樹脂合成段階で不純物を除去した後、溶融段階
で添加することも有効である。前記予備溶融混合段階
で、離型剤、無機充填材等の他の材料を添加しても差し
支えなく、硬化促進剤を添加せずにエポキシ樹脂とフェ
ノール樹脂同士の著しい反応が生じないよう工夫すれ
ば、エポキシ樹脂とフェノール樹脂の全部、又は一部と
カップリング剤とを一緒に溶融混合しても差し支えな
い。

【００１１】本発明で用いられる無機充填材については
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、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。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。予め
カップリング剤により表面処理された無機充填材は、全
無機充填材材中に５０重量％以上含まれることが必要で
ある。これは、無機充填材の表面をカップリング剤処理
することにより、エポキシ樹脂、フェノール樹脂及び前
記樹脂に溶融混合されたカップリング剤と強固に反応さ
せるためであり、これにより樹脂と充填材との界面間の
接着力が強くなり、封止材料としての強度を高くできる
が、予めカップリング剤により表面処理された無機充填
材が５０重量％未満だと、その効果が十分発現されない
ので好ましくない。無機充填材を予め表面処理するカッ
プリング剤としては、有機珪素化合物、有機アルミニウ
ム化合物及び有機チタン化合物系等が挙げられ、通常用
いられるものを適宜使用できるが、反応性や疎水性に優
れた表３のＣ群から選ばれる１種以上の有機珪素化合物
が好ましい。

【００１２】

【表３】

【００１３】無機充填材を予めカップリング剤処理する
方法としては、特に限定するものではなく、攪拌羽根付
混合機内に無機充填材を投入した後、無機充填材を攪拌
しながらカップリング剤を噴霧する方法や、メタノール
やエタノール等の有機溶剤で希釈したカップリング剤溶
液に無機充填材を添加した後、溶剤を除去する方法等が
挙げられる。更に表面処理を行った後、１５０℃程度の
温度で数時間焼き付け処理を行うことが好ましいが無機
充填材表面と反応性のよいカップリング剤では、この工
程を省いてもよい。このような工程で得られる予めカッ
プリング剤により表面処理された無機充填材は、カップ
リング剤の結合力により２次凝集物が発生することがあ
る。２次凝集物は、封止料中で粗大粒子と同様に金型の
狭隙への流動時に未充填の原因となるため、表面処理さ
れた無機充填材の所定の粒子径以上の粗粒子成分を、篩
いや空気式分級機を用いて取り除くことが好ましい。

【００１４】本発明のエポキシ樹脂組成物は、エポキシ
樹脂及び／又はフェノール樹脂に全カップリング剤の一
部が予め溶融混合された樹脂、及び全カップリング剤の
残余の全部又は一部により表面処理された無機充填材の
他、必要に応じて硬化促進剤、酸化アンチモン、リン化
合物、水酸化マグネシウム、硼酸化合物等の難燃剤類、
酸化ビスマス水和物等の無機イオン交換体、予め混合処
理しないカップリング剤、カーボンブラック、ベンガラ
等の着色剤、シリコーンオイル、シリコーンゴム等の低
応力化剤、天然ワックス、合成ワックス、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。本発明の
エポキシ樹脂組成物は、エポキシ樹脂及び／又はフェノ
ール樹脂に全カップリング剤の一部が予め溶融混合され
た樹脂、及び全カップリング剤の残余の全部又は一部に
より表面処理された無機充填材、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、ニーダー、押
出機等の混練機で溶融混練し、冷却後粉砕する一般的な
方法で得られる。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成形方法で
成形硬化すればよい。

【００１５】

【実施例】・樹脂のカップリング剤溶融混合物 オルソクレゾールノボラック型エポキシ樹脂（軟化点５
５℃）及びフェノールノボラック樹脂（軟化点８１℃）
を表４の割合でカップリング剤を溶融混合した。溶融混
合は、各樹脂を所定量フラスコに投入し、オイルバス中
で１５０℃に加熱し溶融させた後攪拌しながらカップリ
ング剤も同様に所定量投入し、還流下で３分保持する
し、その後ステンレスバット上に取り出し冷却後粉砕し
た。溶融混合物のは、ＩＣＩコーン＆プレート粘度計
（Research Equipment社・製）を用いて、１５０℃で測
定した。比較例Ｅ、Ｆは、カップリング剤の種類、量に
より溶融粘度が２倍以上となることが分かる。特性を表
４に示す。 ・溶融球状シリカのカップリング剤表面処理品 溶融球状シリカ（平均粒径２０μｍ）を表５の割合でカ
ップリング剤による表面処理を行った。表面処理は、攪
拌羽根付き混合機に所定量の溶融球状シリカを投入した
後、攪拌羽根を回転させながらカップリング剤を噴霧す
ることにより行い、混合機より取り出した後１５０℃で
２時間焼成し１５０μｍの篩で篩分した。

【００１６】

【表４】

【００１７】

【表５】

【００１８】以下、本発明を実施例で具体的に示す。配
合割合は重量部とする。 実施例１ 実施例Ａのエポキシ樹脂 １３０ 重量部 実施例Ｄのフェノール樹脂 ６５ 重量部 トリフェニルホスフィン ２ 重量部 カルナバワックス ３ 重量部 実施例Ｆの溶融球状シリカ ８００ 重量部 をミキサーを用いて混合した後、表面温度が９０℃と４
５℃の２本ロールを用いて３０回混練し、得られた混練
物シートを冷却後粉砕して、樹脂組成物とした。得られ
た樹脂組成物の特性を以下の方法で評価した。結果を表
６に示す。

【００１９】評価方法 流動性／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１
７５℃、注入圧力６．９ＭＰａ、硬化時間２分で測定し
た。 熱時強度：トランスファー成形機を用いて、金型温度１
７５℃、注入圧力６．９ＭＰａ、硬化時間２分で幅１０
ｍｍ、厚さ４ｍｍ、長さ１００ｍｍの成形品を成形し、
１７５℃、２時間で後硬化し、得られた成形品をＪＩＳ
Ｋ ６９１１に準じた方法に従って、２４０℃の雰囲
気中で曲げ強さを測定した。 吸湿性／煮沸吸水率：上記と同様に直径５０ｍｍ、厚さ
３ｍｍの成形品を成形し、１７５℃、２時間で後硬化
し、得られた成形品を煮沸水中に２４時間放置し、重量
変化を測定して吸水率を計算した。単位は重量％。 半田耐熱性／外部クラック：マルチプランジャー成形機
を用いて、金型温度１８０℃、注入圧力９．８ＭＰａ、
硬化時間６０秒で８０ｐＱＦＰ（パッケージサイズは１
４×２０ｍｍ、厚み２．７ｍｍ、半導体素子の寸法は６
×６ｍｍ、リードフレームはＣｕ製）を成形した後、１
７５℃、２時間で後硬化した。該ＱＦＰを８５℃、相対
湿度６０％で１６８時間放置した後、赤外線リフロー装
置にて２３５℃以上、最大温度２４５℃で１０秒間加熱
した。顕微鏡でパッケージを観察し、外部クラックの発
生数を求めた。

【００２０】実施例２〜５、比較例１〜５ 表６の配合に従い、実施例１と同様にして樹脂組成物を
得て、実施例１と同様にして評価した。実施例４、５、
比較例１〜５のカップリング剤は、樹脂組成物の製造時
に添加したものである。結果を表６に示す。

【表６】

【００２１】

【発明の効果】本発明のエポキシ樹脂を用いて半導体素
子が封止した半導体装置は、耐半田クラック性に極めて
優れている。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 4J002 CC021 CC022 CC051 CC052 CD041 CD042 CD051 CD052 CD121 CD122 CD201 CD202 CE001 CE002 DE137 DE138 DE147 DE148 DJ017 DJ018 EX036 EZ006 FA087 FA088 FB097 FB167 FD017 FD018 GQ00 4M109 AA01 BA01 CA21 EA02 EB03 EB06 EB13 EC03 EC09

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 エポキシ樹脂及び／又はフェノール樹脂
   に全カップリング剤の一部が予め溶融混合された樹脂、
   及び残余の全部又は一部のカップリング剤により表面処
   理された無機充填材を必須成分とし、全カップリング剤
   の一部を予め溶融混合された樹脂が全樹脂中に２５重量
   ％以上、かつ残余の全部又は一部のカップリング剤によ
   り表面処理された無機充填材が全無機充填材中に５０重
   量％以上含まれ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】 エポキシ樹脂及び／又はフェノール樹脂
   に全カップリング剤の一部が予め溶融混合された樹脂
   が、１０℃以下に３ヶ月保存された後、１５０℃での溶
   融粘度が溶融混合直後の溶融粘度の２倍以下である請求
   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】 エポキシ樹脂及び／又はフェノール樹脂
   に予め溶融混合するカップリング剤が、沸点１００℃以
   上で、かつ分子量６００以下である請求項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記載のエポキシ樹脂組成物
   のいずれかを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。