JP2001302763A - エポキシ樹脂組成物及び半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 成形性、難燃性、耐半田ストレス性及び高温
保管特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】 オルソクレゾールノボラック型エポキシ
樹脂、石油系重質油又はピッチ類とホルムアルデヒド重
合物とフェノール類とを酸触媒の存在下で重縮合させて
得られた水酸基当量１５０〜３００ｇ／ｅｑの変性フェ
ノール樹脂、無機充填材、及び硬化促進剤を必須成分と
す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、難燃性、耐半田ス
トレス性に優れる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
回路等の半導体装置は、主にエポキシ樹脂組成物で封止
されているが、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臭素含有有機化合物、及び三酸
化、四酸化、五酸化アンチモン等のアンチモン化合物が
配合されている。しかしながら、世界的環境保護の意識
の高まりの中、臭素含有有機化合物やアンチモン化合物
を使用しないで難燃性を有する封止用樹脂組成物の要求
が大きくなってきている。更に半導体装置を１５０〜２
００℃での高温で長時間保管すると、難燃剤成分である
臭素含有有機化合物やアンチモン化合物は半導体素子の
抵抗値増加や金線の断線を引き起こすことが知られてお
り、このため臭素含有有機化合物やアンチモン化合物を
使用しなくとも高温保管特性に優れるエポキシ樹脂組成
物の開発が望まれていた。又半導体装置のプリント回路
基板への実装時において鉛を含有する半田（スズ−鉛合
金）を使用しているが、同様に環境・衛生の点から鉛を
含有する半田（スズ−鉛合金）を使用しないことが望ま
れている。鉛を含有する半田（スズ−鉛合金）では、融
点は１８３℃である。従って半田処理時の温度は２２０
〜２４０℃である。これに対し、スズ−銀合金に代表さ
れる鉛を含有しない半田では、融点が高く、半田処理時
の温度が２６０℃程度となるため、より耐半田ストレス
性に優れた封止用エポキシ樹脂組成物の開発が望まれて
いる。

【０００３】更に難燃性や耐半田ストレス性を向上させ
るためには、無機充填材を高充填化し樹脂成分の含有量
を減少させる必要があり、この手法の一つとして低粘度
の結晶性エポキシ樹脂等を用いる方法があるが、低粘度
の結晶性エポキシ樹脂は硬化性、離型性が劣ることや成
形品の硬度が低い等、成形性に難点があった。一方エポ
キシ樹脂の硬化剤として一般的に用いられるフェノール
ノボラック樹脂は硬化性に優れているが、樹脂粘度が高
いため無機充填材の高充填化には難点があった。現在、
難燃剤を使用しないで低粘度の結晶性エポキシ樹脂を用
い無機充填材を高充填化したエポキシ樹脂組成物、難燃
性に優れた樹脂を用いたエポキシ樹脂組成物や、各種の
難燃剤を用いたエポキシ樹脂組成物が提案されている
が、樹脂組成物として良好な成形性と耐半田ストレス性
とを完全に満足させるものは、未だ提案されていない。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、一般式
（１）で示されるエポキシ樹脂及び特定の変性フェノー
ル樹脂を用いることによって、臭素含有有機化合物及び
アンチモン化合物を含まなくとも、良好な成形性、難燃
性、高温保管特性、及び耐半田ストレス性に優れた半導
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）一般式
（１）で示されるエポキシ樹脂、（Ｂ）石油系重質油又
はピッチ類とホルムアルデヒド重合物とフェノール類と
を酸触媒の存在下で重縮合させて得られた水酸基当量１
５０〜３００ｇ／ｅｑの変性フェノール樹脂、（Ｃ）無
機充填材、及び（Ｄ）硬化促進剤を必須成分とすること
を特徴とする半導体封止用エポキシ樹脂組成物、及び該
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である。

【化２】 （式中Ｒは炭素数１〜３のアルキル基、ａは０〜３の整
数で、互いに同一でも異なってもよい、ｎは平均値で、
１〜１０の正数）

【０００６】

【発明の実施の形態】以下に本発明の詳細を述べる。本
発明で用いる一般式（１）で示されるエポキシ樹脂のＲ
は、炭素数１〜４のアルキル基、ａは０〜３の整数、ｎ
は平均値で、１〜１０の正数である。ｎが１０を越える
と樹脂の粘度が高くなり、成形時の樹脂組成物の流動性
が劣り、より一層の低吸水化のための無機充填材の高充
填化ができなくなるので好ましくない。これらの内では
硬化性の点から、オルソクレゾールノボラック型エポキ
シ樹脂が好ましい。本発明の一般式（１）で示されるエ
ポキシ樹脂の軟化点としては、５０〜１２０℃が好まし
い。５０℃未満だと、常温で液状又は半固形状であり、
取り扱い作業性の問題や、これを用いた樹脂組成物の常
温保存性が低下するおそれがあるので好ましくない。１
２０℃を越えると、溶融混練時に十分融解せず、均一分
散できないので成形性及び硬化性が低下し、不均一な成
形品となり強度が各部分によって異なるために半導体装
置の性能が低下するので好ましくない。エポキシ樹脂の
軟化点は、ＪＩＳ Ｋ ７２３４による。更に半導体装
置の長期信頼性の点から、不純物として含有される塩素
イオン、ナトリウムイオン、その他のフリーのイオン
は、極力少ないことが望ましい。

【０００７】一般式（１）で示されるエポキシ樹脂の特
性を損なわない範囲で、他のエポキシ樹脂と併用しても
よいが耐半田ストレス性を最大限に引き出すためには、
一般式（１）のエポキシ樹脂を全エポキシ樹脂量に対し
て３０重量％以上、好ましくは５０重量％以上の使用が
望ましい。３０重量％未満だと耐半田ストレス性が不十
分となるおそれがある。併用するエポキシ樹脂として
は、例えばビフェニル型エポキシ樹脂、ジシクロペンタ
ジエン変性フェノール型エポキシ樹脂、トリフェノール
型エポキシ樹脂等が挙げられ、これらは単独でも混合し
て用いてもよい。

【０００８】本発明で用いる石油系重質油又はピッチ類
とホルムアルデヒド重合物とフェノール類を酸触媒の存
在下で重縮合させて得られた変性フェノール樹脂は、低
粘度、低吸水性、熱時低弾性という特性を有している。
この変性フェノール樹脂については、例えば、特開平７
−２５２３３９号公報、特開平９−２１６９２７号公報
に詳細に開示されている。石油系重質油、ピッチ類とし
ては原油の蒸留残油、接触分解残油、水添分解残油、Ｌ
ＰＧ又はナフサの熱分解物残油及びこれらの残油の減圧
蒸留物、溶剤抽出によるエキストラクト或いは熱処理物
として得られるものが挙げられる。用いるホルムアルデ
ヒド重合物としては、パラホルムアルデヒド、ポリオキ
シメチレン等の線状重合物、トリオキサン等の環状重合
物が挙げられる。フェノール類としては、フェノール、
クレゾール、ヒドロキノン、ビスフェノールＡ、ビスフ
ェノールＦ等が挙げられ、これらは単独でも混合して用
いてもよい。重縮合工程で用いる酸触媒としてはブレン
ステッド酸が使用できる。ブレンステッド酸としては、
トルエンスルホン酸、キシレンスルホン酸、塩酸、硫酸
等が用いられる。

【０００９】本発明に用いる変性フェノール樹脂は、低
粘度、低吸水性、熱時低弾性の特性を有しており、一般
式（１）で示されるエポキシ樹脂との組み合わせにおい
て、無機充填材を特に高充填させなくても難燃性や耐半
田ストレス性に優れている。本発明に用いる変性フェノ
ール樹脂を用いた特性として、難燃性や耐半田ストレス
性を最大限に引き出すためには、変性フェノール樹脂中
の多環芳香族系が多くなるように、水酸基当量としては
１５０〜３００ｇ／ｅｑのものが好ましい。封止用エポ
キシ樹脂組成物に通常配合されている難燃剤としての臭
素化ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、臭素化フェノー
ルノボラック型エポキシ樹脂等の臭素含有有機化合物、
及び三酸化アンチモン、四酸化アンチモン等のアンチモ
ン化合物を配合しなくとも難燃性を維持できる特徴があ
る。水酸基当量が１５０未満だと難燃性や耐半田ストレ
ス性の向上が不充分であり、３００を越えると硬化性が
劣るおそれがある。

【００１０】又１５０℃での溶融粘度は、０．５〜３．
０ポイズが好ましい。０．５ポイズ未満だとボイドによ
る未充填が発生し易くなり、３．０ポイズを越えると溶
融時の流動性が低下することになる。１５０℃での溶融
粘度は、ＩＣＩコーン＆プレート型粘度計による。軟化
点としては、５０〜１２０℃が好ましい。軟化点が５０
℃未満だと樹脂の取り扱い作業性に難点があり、１２０
℃を越えると樹脂組成物の流動性が劣るため好ましくな
い。

【００１１】本発明に用いる変性フェノール樹脂の特性
を損なわない範囲で、他のフェノール樹脂と併用しても
よいが、難燃性や耐半田ストレス性を最大限に引き出す
ためには、全フェノール樹脂量に対して３０重量％以
上、好ましくは５０重量％以上の使用が望ましい。３０
重量％未満だと難燃性や耐半田ストレス性の向上等の特
徴が得られないおそれがある。併用するフェノール樹脂
としては、例えば、フェノールノボラック樹脂、フェノ
ールアラルキル樹脂、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等が挙げられ、
これらは単独でも混合して用いてもよい。本発明に用い
られる全エポキシ樹脂のエポキシ基と全フェノール樹脂
のフェノール性水酸基の当量比は、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。

【００１２】本発明に用いる硬化促進剤は、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等のジアザビシクロアル
ケン及びその誘導体、トリフェニルホスフィン、メチル
ジフェニルホスフィン等の有機ホスフィン類、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、テトラフェニルホスホニウム・テトラナフト
イルオキシボレート、テトラフェニルホスホニウム・テ
トラナフチルオキシボレート等のテトラ置換ホスホニウ
ム・テトラ置換ボレートが挙げられ、これらは単独でも
混合して用いてもよい。

【００１３】本発明に用いる無機充填材の種類について
は特に制限はなく、一般に封止材に用いられている無機
充填材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材量を多く配合でき
る。無機充填材の含有量は、全エポキシ樹脂組成物中７
０〜８５重量％が好ましい。加熱されても燃焼しない無
機充填材は、炎にさらされたとき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作用があ
る。配合量が７０重量％未満だと樹脂組成物中に可燃性
の有機物が多いため熱容量が小さな樹脂組成物の硬化物
となり、難燃試験において燃焼し易くなる。８５重量％
を越えると成形物の剛性が強くなり燃焼時にクラックが
発生し、成形品内部の燃焼成分がクラックから外部に噴
出するため引火し燃焼するおそれがある。

【００１４】本発明のエポキシ樹脂組成物は、（Ａ）〜
（Ｄ）成分の他、必要に応じて臭素含有有機化合物及び
アンチモン化合物を含有することは差し支えないが、半
導体装置の１５０〜２００℃の高温下での電気特性の安
定性が要求される用途では、臭素含有有機化合物及びア
ンチモン化合物含有量が、それぞれの成分毎に全エポキ
シ樹脂組成物中１０００ｐｐｍ以下であることが好まし
い。それぞれの含有量が１０００ｐｐｍを越えると、高
温放置により半導体装置の抵抗値が時間と共に増大し、
最終的には半導体素子の金線が断線する不良が発生する
おそれがある。又環境汚染の観点からも臭素含有有機化
合物及びアンチモン化合物がそれぞれの成分毎に１００
０ｐｐｍ以下で極力含有されていないことが望ましい。

【００１５】本発明のエポキシ樹脂組成物は、ポリシロ
キサン化合物に代表される低応力剤、カップリング剤、
カーボンブラックに代表される着色剤、離型剤が適宜配
合してもよい。本発明のエポキシ樹脂組成物は、（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。本発明のエポキシ樹脂組成物を用
いて、半導体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従来からの成
形方法で硬化成形すればよい。本発明のエポキシ樹脂組
成物が適用される半導体装置としては、ＱＦＰ，ＳＯ
Ｐ，ＴＳＯＰ，ＢＧＡその他特に限定はしない。

【００１６】

【実施例】以下に、実施例を挙げて本発明を更に詳細に
説明するが、本発明はこれらの実施例によりなんら限定
されるものではない。配合単位は重量部とする。 実施例１ オルソクレゾールノボラック型エポキシ樹脂（軟化点６５℃、エポキシ当量２ １０ｇ／ｅｑ 。以下エポキシ樹脂（Ｅ−１）という） １３．６重量部 原油の接触分解残油の減圧蒸留物（蒸気圧浸透法による平均分子量２７５、Ａ ＳＴＭ Ｄ−１１６０による常圧換算にて沸点２４５〜４７０℃）とパラホルム アルデヒドとフェノールとをトルエンスルホン酸の存在下で重縮合させて得られ た変性フェノール樹脂（軟化点８５℃、水酸基当量１７５ｇ／ｅｑ、ＩＣＩ粘度 ２．１ポイズ／１５０℃）（Ｈ−１） １１．４重量部 溶融球状シリカ（平均粒径１５μｍ） ７０．０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 ） ０．３５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 γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン ０．４重量部 を常温でミキサーを用いて混合した後、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。

【００１７】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の金型を用い、金型温度１７５℃、
注入圧力６．８ＭＰａ 、硬化時間２分で測定した。単
位はｃｍ。 ・硬化トルク：キュラストメータ（（株）オリエンテッ
ク・製、ＪＳＲキュラストメータＩＶＰＳ型）を用い、
振幅角１度、金型温度１７５℃、加熱開始９０秒後のト
ルクを求めた。キュラストメータにおけるトルクは硬化
性のパラメータであり、数値の大きい方が硬化性が良好
である。単位はＮ・ｍ。 ・難燃性：トランスファー成形機を用いて、金型温度１
７５℃、注入圧力７．４ＭＰａ、硬化時間２分で長さ１
２７ｍｍ、幅１２．７ｍｍ、厚さ３．２ｍｍ及び１．６
ｍｍの成形品を成形し、ＵＬ−９４に従って難燃性試験
を行った。 ・耐半田ストレス性：樹脂組成物をタブレット化し、低
圧トランスファー成形機を用いて金型温度１７５℃、注
入圧力９．８ＭＰａ、硬化時間２分の条件で８０ｐＱＦ
Ｐ（パッケージサイズ１４×２０×２．７ｍｍ、チップ
サイズ７．５×７．５ｍｍ）を成形した。ポストキュア
として１７５℃で８時間処理したパッケージ８個を、８
５℃、相対湿度６５％の環境下で１６８時間処理した
後、ＩＲリフロー処理（２６０℃）を行った。処理後の
内部の剥離、及びクラックの有無を超音波探傷機で観察
し、不良パッケージの個数を数えた。不良パッケージの
個数がｎ個であるとき、ｎ／８と表示する。 ・高温保管特性：樹脂組成物をタブレット化し、低圧ト
ランスファー成形機を用いて金型温度１７５℃、注入圧
力９．８ＭＰａ 、硬化時間２分の条件で１６ｐＳＯＰ
（パッケージサイズ７．２×１１．５×１．９５ｍｍ、
チップサイズ３．０×３．５ｍｍの模擬素子を２５μｍ
径の金線で配線）を成形した。ポストキュアとして１７
５℃で８時間処理したパッケージ１５個を、１８５℃の
恒温槽で処理し、一定時間ごとのピン間の抵抗値を測定
した。初期の抵抗値から１０％抵抗値が増大したパッケ
ージが１５個中８個以上になった恒温槽処理時間を高温
保管特性として表示した。この時間が長いと、高温での
安定性に優れていることを示す。

【００１８】実施例２、３、比較例１〜４ 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。実施例３では、原油の接触分解残油の減圧蒸
留物（蒸気圧浸透法による平均分子量２７５、ＡＳＴＭ
Ｄ−１１６０による常圧換算にて沸点２４５〜４７０
℃）とパラホルムアルデヒドとフェノールとをトルエン
スルホン酸の存在下で重縮合させて得られた変性フェノ
ール樹脂（軟化点９０℃、水酸基当量２８０ｇ／ｅｑ。
以下フェノール樹脂（Ｈ−４）と記す）を用いた。比較
例１、４では、フエノールノボラック樹脂（軟化点９０
℃、水酸基当量１０３ｇ／ｅｑ。ＩＣＩ粘度２．０ポイ
ズ／１５０℃。以下フェノール樹脂（Ｈ−２）と記す）
を用いた。比較例２では原油の接触分解残油の減圧蒸留
物（蒸気圧浸透法による平均分子量２７５、ＡＳＴＭ
Ｄ−１１６０による常圧換算にて沸点２４５〜４７０
℃）とパラホルムアルデヒドとフェノールとをトルエン
スルホン酸の存在下で重縮合させて得られた変性フェノ
ール樹脂（軟化点８０℃、水酸基当量１３５ｇ／ｅｑ、
ＩＣＩ粘度１．６ポイズ／１５０℃。以下フェノール樹
脂（Ｈ−３）と記す）を用いた。比較例３では原油の接
触分解残油の減圧蒸留物（蒸気圧浸透法による平均分子
量２７５、ＡＳＴＭ Ｄ−１１６０による常圧換算にて
沸点２４５〜４７０℃）とパラホルムアルデヒドとフェ
ノールとをトルエンスルホン酸の存在下で重縮合させて
得られた変性フェノール樹脂（軟化点６５℃、水酸基当
量３２０ｇ／ｅｑ、ＩＣＩ粘度０．３ポイズ／１５０
℃。以下フェノール樹脂（Ｈ−５）と記す）を用いた。

【００１９】

【表１】

【００２０】

【発明の効果】本発明のエポキシ樹脂組成物は成形性に
優れ、これを用いた半導体装置は難燃性、耐半田ストレ
ス性及び高温保管特性に優れている。

───────────────────────────────────────────────────── 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） Ｃ０８Ｌ 63/00 Ｃ０８Ｌ 63/00 Ｚ Ｈ０１Ｌ 23/29 Ｈ０１Ｌ 23/30 Ｒ 23/31 Ｆターム(参考） 4J002 CC07X CD06W DE127 DE136 DE146 DJ016 EU138 EW018 EW178 EY018 FD090 FD158 4J033 CA03 CA11 CA12 CA13 CA18 CA19 CA31 CC03 CC08 HA22 HB06 4J036 AF08 DC46 DD07 FA03 FA05 FB08 GA04 GA06 GA23 JA07 4M109 AA01 EA04 EB03 EC05 EC20

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 （Ａ）一般式（１）で示されるエポキシ
   樹脂、（Ｂ）石油系重質油又はピッチ類とホルムアルデ
   ヒド重合物とフェノール類とを酸触媒の存在下で重縮合
   させて得られた水酸基当量１５０〜３００ｇ／ｅｑの変
   性フェノール樹脂、（Ｃ）無機充填材、及び（Ｄ）硬化
   促進剤を必須成分とすることを特徴とする半導体封止用
   エポキシ樹脂組成物。 【化１】 （式中Ｒは炭素数１〜４のアルキル基、ａは０〜３の整
   数 、互いに同一でも異なってもよい、ｎは平均値で、
   １〜１０の正数）
2. 【請求項２】 石油系重質油又はピッチ類とホルムアル
   デヒド重合物とフェノール類とを酸触媒の存在下で重縮
   合させて得られた水酸基当量１５０〜３００ｇ／ｅｑの
   変性フェノール樹脂（Ｂ）が、１５０℃における溶融粘
   度０．５〜３．０ポイズである請求項１記載の半導体封
   止用エポキシ樹脂組成物。
3. 【請求項３】 無機充填材が、全エポキシ樹脂組成物中
   ７０〜８５重量％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】 全エポキシ樹脂組成物中に含有される臭
   素含有有機化合物及びアンチモン化合物が、それぞれの
   成分毎に１０００ｐｐｍ以下である請求項１、２、又は
   ３記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成物。
5. 【請求項５】 請求項１、２、３、又は４記載のエポキ
   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。