JP2002003701A - 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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JP2002003701A
JP2002003701A JP2000183898A JP2000183898A JP2002003701A JP 2002003701 A JP2002003701 A JP 2002003701A JP 2000183898 A JP2000183898 A JP 2000183898A JP 2000183898 A JP2000183898 A JP 2000183898A JP 2002003701 A JP2002003701 A JP 2002003701A
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JP2000183898A
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Takafumi Sumiyoshi
孝文 住吉
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Sumitomo Bakelite Co Ltd
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Sumitomo Bakelite Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 難燃性、低吸水性、耐半田クラック性及び高
温保管特性に優れた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】 (A)一分子中に2個以上のエポキシ基
を有するエポキシ樹脂、(B)一般式(1)で示され、
窒素原子の含有量が5〜20重量%である窒素化合物、
(C)無機充填材、(D)硬化促進剤、及び(E)環状
ホスファゼン化合物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、低吸水
性、低弾性率、耐半田クラック性、耐湿性に優れた半導
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】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が開発、生
産されてきた。このエポキシ樹脂組成物に要求される項
目は、半導体の種類、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が、最近では半
導体装置を表面実装する際にクラックが生じるという問
題がある。これは実装時の半田浴に直接浸漬される等、
高温に曝されるため、エポキシ樹脂組成物の硬化物が吸
水していた水分が膨張した結果、クラックが生じるとい
うものである。このためエポキシ樹脂組成物の硬化物は
低吸水性、高強度であることが求められており、これに
対し無機充填材を多く含有させることや樹脂系を選択し
耐半田クラック性を向上させる等の種々の提案がなされ
ており、効果が認められている。例えば、特開平3−7
9370号公報には、フェノールアラルキル樹脂が提案
されており、これは低吸水性、高強度型樹脂としてある
程度有効である。しかし、フェノールアラルキル樹脂
は、粘度が高いことにより成形性に劣るという難点があ
る。加えてより一層の低吸水性化のために、無機充填材
の配合量を増量する必要があるが、そのために樹脂成分
を低分子量化して低粘度化すると、硬化性やエポキシ樹
脂組成物の硬化物の強度が低下して、成形性や耐半田ク
ラック性が低下するという欠点があった。
【0003】一方、半導体封止用エポキシ樹脂組成物に
は、難燃剤成分として、通常、臭素原子含有難燃剤、及
び三酸化アンチモン、四酸化アンチモン、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、世界的な環境保護の意識の高まりのなか、臭素原
子含有有機化合物やアンチモン化合物を使用しなくと
も、難燃性に優れたエポキシ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150〜200℃で
の高温で長時間保管すると、難燃剤である臭素化合物や
アンチモン化合物は、半導体素子の抵抗値の増加や金線
の断線を引き起こすことが知られており、臭素化合物や
アンチモン化合物を用い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、半導体素
子、リードフレーム等の各種部材との接着性の向上、エ
ポキシ樹脂組成物の硬化物の高温時の低弾性率化による
低応力化、低吸水性化により、基板実装時の半導体装置
の耐半田クラック性を著しく向上させ、更に臭素化合
物、アンチモン化合物を使用せずに難燃性を向上させた
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。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明は、(A)一分子
中に2個以上のエポキシ基を有するエポキシ樹脂、
(B)一般式(1)で示され、窒素原子の含有量が5〜
20重量%である窒素化合物、(C)無機充填材、
(D)硬化促進剤、及び(E)環状ホスファゼン化合物
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。
【化3】 (R1は炭素数1〜4の炭化水素基であり、互いに同一
でも異なっていてもよい。aは0〜3の整数。R2はア
ミノ基又は炭素数1〜10の有機基であり、互いに同一
でも異なっていてもよい。lは平均値であり、2〜10
の正数である。mは平均値であり、1〜10の正数であ
る。)
【0006】
【発明の実施の形態】本発明に用いられる一分子中に2
個以上のエポキシ基を有するエポキシ樹脂としては、電
子部品封止用エポキシ樹脂成形材料で一般に使用されて
いるもので、特に限定はないが、例えば、フェノールノ
ボラック型エポキシ樹脂、オルソクレゾールノボラック
樹脂をはじめとするフェノール類とアルデヒド類のノボ
ラック樹脂をエポキシ化したもの、ビスフェノールA、
ビスフェノールF、ビスフェノールS、アルキル置換ビ
スフェノール等のグリシジルエーテル化物、ジアミノジ
フェニルメタン、イソシアヌル酸等のポリアミンとエピ
クロルヒドリンの反応により得られるグリシジルアミン
型エポキシ樹脂、ジシクロペンタジエンとフェノール類
の共縮合樹脂のエポキシ化物、ナフタレン環を有するエ
ポキシ樹脂、ナフトールアラルキル樹脂のエポキシ化
物、トリメチロールプロパン型エポキシ樹脂、テルペン
変性エポキシ樹脂、オレフィン結合を過酢酸等の過酸で
酸化して得られる線状脂肪族エポキシ樹脂、及び脂環族
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。中でも、接着性、低吸水性の点から、
4,4’−ビス(2,3−エポキシプロポキシ)−3,
3’,5,5’−テトラメチルビフェニルを主成分とす
るエポキシ樹脂が好適であり、これを用いると、耐リフ
ロークラック性、及び耐湿性に優れたエポキシ樹脂組成
物が得られる。このアルキル置換ビフェニル型エポキシ
樹脂は、全エポキシ樹脂中に60重量%以上使用するこ
とが好ましい。60重量%未満だと低吸水性、接着性が
低下するので好ましくない。
【0007】本発明に用いられる一般式(1)で示され
る窒素化合物は、フェノール性水酸基を有する化合物と
トリアジン環を有する化合物との共縮合物である。R1
は炭素数1〜4の炭化水素基であり、互いに同一でも異
なっていてもよい。炭素数が5以上だと、難燃性が低下
するので好ましくない。aは0〜3の整数である。R2
はアミノ基又は炭素数1〜10の有機基であり、互いに
同一でも異なっていてもよい。炭素数が10以上だと、
成形性が低下するので好ましくない。lは平均値であ
り、2〜10の正数である。mは平均値であり、1〜1
0の正数である。一般式(1)中のR2としては、例え
ば、第1級のアミノ基、第2級のアミノ基、第3級のア
ミノ基、アルキル基、アルケニル基、アルコキシ基、ア
リール基(例えば、フェニル基等)、アリールオキシ基
等が一般的であるが、又、メルカプト基、ヒドロキシ基
等に代表される様に、N、S、O原子等を含有していて
も差し支えない。これらの一般式(1)で示される窒素
化合物は単独でも混合して用いてもよい。本発明の一般
式(1)で示される窒素化合物の具体例を式(3)、式
(4)、式(5)に示す。
【化4】
【0008】
【化5】
【0009】
【化6】 又、本発明の一般式(1)で示される窒素化合物中の窒
素原子の含有量は、5〜20重量%であることが必要で
ある。5重量%未満だと、難燃性が低下するので好まし
くない。20重量%を越えると、材料中への分散性が悪
くなり、流動性や熱時硬度等が低下するので好ましくな
い。本発明の一般式(1)で示される窒素化合物の特性
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、一般式(1)で示される窒素化合物中の窒素原
子が全エポキシ樹脂組成物中に0.1〜3重量%である
ことが好ましい。0.1重量%未満だと難燃性が発揮さ
れず、3重量%を越えると吸水率の増加が顕著になり好
ましくない。更に好ましくは0.4〜0.7重量%であ
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るが、これらに限定されるも
のではない。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。
【0010】本発明に用いられる硬化促進剤は、エポキ
シ樹脂とフェノール樹脂との架橋反応の触媒であり、例
えば、トリブチルアミン、1,8−ジアザビシクロ
(5,4,0)ウンデセン−7等のアミン系化合物、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塩等の有機リン系化合物、2−
メチルイミダゾール等のイミダゾール化合物等が挙げら
れる。これらは単独でも混合して用いてもよい。
【0011】本発明に用いられる環状ホスファゼン化合
物は、化合物中に環状ホスファゼン構造を有するもので
あればよく、例えば、一般式(2)で示される構造を有
する化合物等を挙げることができ、難燃剤として作用す
る。ホスファゼン化合物の難燃機構は、その含有してい
るリンによる炭化促進効果、即ち、硬化物の表面に不燃
性の炭化層を形成することにより、硬化物表面の保護、
及び酸素を遮断する効果が得られること、又、含有して
いる窒素により、熱分解時に窒素ガスが発生し、気相に
おいても酸素を遮断することによる。この固相と気相の
両方で働く難燃効果から、ホスファゼン化合物は高い難
燃性を付与することができる。
【化7】 (式中、nは3〜7の整数、R3は互いに同一もしくは
異なる有機基を示す。)一般式(2)中のR3として
は、アルキル基、アルケニル基、アルコキシ基、アリー
ル基、アリールオキシ基等が一般的であるが、又、アミ
ノ基、メルカプト基、ヒドロキシ基、フルオロアルキル
基等に代表される様に、N、S、O、F原子等を含有し
ていても差し支えない。これらの環状ホスファゼン化合
物は、単独でも混合して用いてもよい。更に、3量体の
6員環を主成分としていることがより好ましい。一般式
(2)で示される環状ホスファゼン化合物としては、具
体的には、例えば、ヘキサプロピルシクロトリホスファ
ゼン、テトラエトキシジプロポキシシクロトリホスファ
ゼン、ヘキサフェノキシシクロトリホスファゼン、ヘキ
サアニリノシクロトリホスファゼン、ヘキサキス(3−
メルカプトプロピル)シクロトリホスファゼン、ヘキサ
キス(ヘプタフルオロプロピルオキシ)シクロトリホス
ファゼン等が一例として挙げられる。一般式(2)中の
3としては、耐熱性、耐湿性の観点からはアリールオ
キシ基が好ましく、エポキシ樹脂との相溶性やエポキシ
樹脂組成物の流動性の観点から、2n個のR3のうち、
少なくともn個がフェノキシ基であることが、より好ま
しい。
【0012】又、別の環状ホスファゼン化合物の例とし
て、難燃性を高めるために、一つの環状ホスファゼンが
別の有機基を介して他の環状ホスファゼンと結合した形
態の化合物も好ましい。この場合、環状ホスファゼン
は、同じ種類でも、異なった種類でもよい。例えば、一
般式(2)で示される一つの環状ホスファゼンのR3
一部が他の環状ホスファゼンのR3の一部との間で別の
有機基又はR3を介して結合した形態の化合物でもよ
く、これらの別の有機基は、単独の基だけではなく、他
の基との複合の基でもよい。例えば、有機基の両末端に
ホスファゼン基を有している化合物でもよい。これらの
環状ホスファゼン同士を結合する別の有機基としては、
例えば、1,6−ジオキシヘキサン等の様にジオール化
合物の水酸基から水素原子を除いた有機基、あるいはハ
イドロキノン、4,4’−ビフェノール、ビスフェノー
ルF等の2官能フェノール化合物等のジヒドロキシ化合
物から水素原子を除いた基等を好ましく用いることがで
きる。
【0013】本発明の環状ホスファゼン化合物の配合量
としては、全エポキシ樹脂組成物中に0.01〜10重
量%が好ましく、更に好ましくは0.1〜5重量%であ
る。0.01重量%未満だと難燃性が不足し、10重量
%を越えると硬化性、耐熱性及び強度が低下し、吸水率
が増加するので好ましくない。
【0014】本発明に用いられる無機充填材としては、
溶融シリカ、結晶シリカ、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良い。無機充
填材の最大粒径としては74μm以下が好ましい。平均
粒径としては5〜25μmが好ましい。特に、溶融シリ
カを高充填化するためには、球状溶融シリカを用い、こ
のシリカの粒度分布を広くすることにより成形時のエポ
キシ樹脂組成物の溶融粘度を低減できるので好ましい。
又、無機充填材は、予めシランカップリング剤等で表面
処理されているものを用いてもよい。本発明に用いられ
る無機充填材の配合量としては、全エポキシ樹脂組成物
中70〜93重量%が好ましい。70重量%未満だと、
成形して得られた半導体装置の吸水率が増加し、半田処
理温度での強度が低下し、半田処理時に半導体装置にク
ラックが発生し易くなり好ましくない。一方、93重量
%を越えると、エポキシ樹脂組成物の成形時の流動性が
低下し、未充填やチップシフト、パッドシフトが発生し
易くなり好ましくない。
【0015】本発明のエポキシ樹脂組成物は、(A)〜
(E)成分の他、必要に応じて臭素化エポキシ樹脂、三
酸化アンチモン等の難燃剤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、臭素原子、アンチ
モン原子の含有量が、それぞれ全エポキシ樹脂組成物中
に0.1重量%未満であることが好ましく、完全に含ま
れない方がより好ましい。臭素原子、アンチモン原子の
いずれかが0.1重量%以上であると、高温下に放置し
たときに、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可
能性がある。又、環境保護の観点からも、臭素原子、ア
ンチモン原子のそれぞれの含有量が0.1重量%未満
で、極力含有されていないことが望ましい。臭素原子の
含有量は、蛍光X線分析法、イオンクロマトグラフ分析
法等の元素分析で測定することができる。アンチモン原
子の含有量は、原子吸光分析法、発光分析法、蛍光X線
分光法、イオンクロマトグラフ分析法等の元素分析で測
定することができる。又、本発明のエポキシ樹脂組成物
は、(A)〜(E)成分の他、必要に応じて酸化ビスマ
ス水和物等の無機イオン交換体、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、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が適宜配合可能で
ある。本発明のエポキシ樹脂組成物は、(A)〜(E)
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、ニーダー、押出機等の混練機で溶融混練
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
従来の成形方法で硬化成形すればよい。
【0016】
【実施例】以下、本発明を実施例で具体的に説明する。
配合割合は重量部とする。 実施例1 ビフェニル型エポキシ樹脂[4,4’−ビス(2,3−エポキシプロポキシ) −3,3’,5,5’−テトラメチルビフェニルを主成分とする。融点105℃ 、エポキシ当量195] 8.0重量部 式(3)で示される窒素化合物1(窒素原子の含有量10重量%、軟化点11 5℃、水酸基当量120) 5.0重量部 球状溶融シリカ 85.0重量部 トリフェニルホスフィン 0.2重量部 式(6)で示される環状ホスファゼン化合物 1.0重量部
【化8】 カーボンブラック 0.3重量部 カルナバワックス 0.5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本ロールを用いて混練し、冷却後粉砕してエポ
キシ樹脂組成物とした。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。
【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て、金型温度175℃、
注入圧力70kg/cm2、硬化時間120秒で測定し
た。 熱時曲げ強度・熱時曲げ弾性率:240℃での曲げ強度
・弾性率をJIS K6911に準じて測定した。単位
はN/mm2。 吸水率:トランスファー成形機を用いて、金型温度17
5℃、注入圧力70kg/cm2、硬化時間120秒で
直径50mm、厚さ3mmの円板を形成し、ポストキュ
アーとして175℃、8時間処理した後、煮沸水中に2
4時間放置し、重量変化を測定して吸水率を求めた。単
位は重量%。 耐半田クラック性:トランスファー成形機を用いて、金
型温度175℃、注入圧力75kg/cm2、硬化時間
120秒で80ピンQFPパッケージ(パッケージサイ
ズは14×20mm、厚み2.7mm、シリコンチップ
のサイズは、9.0×9.0mm、リードフレームは4
2アロイ製)を成形し、ポストキュアーとして175
℃、8時間処理した後、85℃、相対湿度85%の環境
下で168時間放置し、その後240℃の半田槽に10
秒間浸漬した。超音波探傷機を用いて観察し、クラック
発生率[(クラック発生パッケージ数)/(全パッケー
ジ数)×100]を求めた。単位は%。又、半導体素子
とエポキシ樹脂組成物の硬化物の剥離面積の割合を超音
波探傷装置を用いて測定し、剥離率[(剥離面積)/
(半導体素子面積)×100]を求めた。単位は%。 金型汚れ:トランスファー成形機を用いて、金型温度1
75℃、注入圧力75kg/cm2、硬化時間120秒
で100ピンTQFPパッケージを連続100回成形
し、成形後の金型の表面を目視で観察した。金型表面に
変色が認められた場合を×、変化が認められなかった場
合を○と表示した。 難燃性:トランスファー成形機を用いて、金型温度17
5℃、注入圧力70kg/cm2、硬化時間120秒で
試験片(厚さ1/8インチ、又は1/16インチ)を成
形し、UL−94垂直試験を行った。 高温保管特性:トランスファー成形機を用いて、金型温
度175℃、注入圧力75kg/cm2、硬化時間12
0秒で、模擬素子を25μm径の金線で配線した16ピ
ンSOPパッケージを成形し、185℃の恒温槽で処理
し、一定時間ごと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数が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、高温保管特性に優れて
いることを示す。臭素原子、アンチモン原子の含有量:
圧力60kg/cm2で直径40mm、厚さ5〜7mm
に圧縮成形し、蛍光X線分析装置を用いて、全エポキシ
樹脂組成物中の臭素原子、アンチモン原子の含有量を定
量した。単位は重量%。
【0018】実施例2〜6、比較例1〜6 表1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、実施例1と同様にして評価した。結果を表
1に示す。なお、実施例、及び比較例で用いた材料を以
下に示す。式(3)で示される窒素化合物2(窒素原子
の含有量3重量%、軟化点70℃、水酸基当量10
0)、式(3)で示される窒素化合物3(窒素原子の含
有量6重量%、軟化点81℃、水酸基当量110)、式
(3)で示される窒素化合物4(窒素原子の含有量19
重量%、軟化点100℃、水酸基当量220)、式
(3)で示される窒素化合物5(窒素原子の含有量25
重量%、軟化点133℃、水酸基当量250)、フェノ
ールアラルキル樹脂(軟化点84℃、水酸基当量17
5)、式(7)で示される環状ホスファゼン化合物、
【化9】
【0019】臭素化フェノールノボラック型エポキシ樹
脂(軟化点84℃、エポキシ当量285、臭素原子含有
率35重量%、日本化薬(株)・製、BREN−S)
【表1】
【0020】
【発明の効果】本発明のエポキシ樹脂組成物は、難燃
性、低吸水性、耐半田クラック性、高温保管特性に優れ
た特性を有している。
───────────────────────────────────────────────────── 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) H01L 23/31 Fターム(参考) 4J002 CD011 CD021 CD041 CD051 CD061 CD071 CD111 CD131 CD141 CM012 DE147 DJ007 DJ017 EN028 EU138 EU186 EW018 EW159 EW178 EY018 FD017 FD142 FD146 FD158 GQ05 4J036 AA01 DC43 FA01 FA04 JA07 4M109 AA01 BA01 CA21 EA02 EB03 EB04 EB07 EB12 EC04 EC05 EC09 EC20

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 (A)一分子中に2個以上のエポキシ基
    を有するエポキシ樹脂、(B)一般式(1)で示され、
    窒素原子の含有量が5〜20重量%である窒素化合物、
    (C)無機充填材、(D)硬化促進剤、及び(E)環状
    ホスファゼン化合物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】 (R1は炭素数1〜4の炭化水素基であり、互いに同一
    でも異なっていてもよい。aは0〜3の整数。R2はア
    ミノ基又は炭素数1〜10の有機基であり、互いに同一
    でも異なっていてもよい。lは平均値であり、2〜10
    の正数である。mは平均値であり、1〜10の正数であ
    る。)
  2. 【請求項2】 環状ホスファゼン化合物が、一般式
    (2)で示される環状ホスファゼン化合物である請求項
    1記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成物。 【化2】 (式中、nは3〜7の整数、R3は互いに同一もしくは
    異なる有機基を示す。)
  3. 【請求項3】 一般式(2)で示される環状ホスファゼ
    ン化合物の2n個のR3のうち、少なくともn個がフェ
    ノキシ基である請求項2記載の半導体封止用エポキシ樹
    脂組成物。
  4. 【請求項4】 一般式(1)で示され、窒素原子の含有
    量が5〜20重量%である窒素化合物中の窒素原子が、
    全エポキシ樹脂組成物中に0.1〜3重量%であり、且
    つ無機充填材が全エポキシ樹脂組成物中に70〜93重
    量%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】 全エポキシ樹脂組成物中に含有される臭
    素原子及びアンチモン原子が、それぞれ0.1重量%未
    満である請求項1、2、3、又は4記載の半導体封止用
    エポキシ樹脂組成物。
  6. 【請求項6】 請求項1〜5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。
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