JP2002128871A - 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、耐半田クラック性、高温保管特性に
優れた特性を有する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）フェノールアラルキル型エポキシ
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。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、成形性とともに高
温保管特性、耐半田クラック性に優れた特性を有する半
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】ＩＣ、ＬＳＩ等の半導体素子の封止方法
として、エポキシ樹脂組成物のトランスファー成形によ
る方法が、低コスト、大量生産に適した方法として採用
されて久しく、信頼性もエポキシ樹脂や硬化剤であるフ
ェノール樹脂の改良により向上が図られてきた。しか
し、近年の電子機器の小型化、軽量化、高性能化の市場
動向において、半導体の高集積化も年々進み、又半導体
装置の表面実装化が促進されるなかで、半導体封止用エ
ポキシ樹脂組成物への要求は益々厳しいものとなってき
ている。このため、従来からのエポキシ樹脂組成物では
解決できない問題点も出てきている。その最大の問題点
は、半導体装置の表面実装の採用により半導体装置が半
田浸漬、或いはリフロー工程で急激に２００℃以上の高
温にさらされ、半導体装置が吸湿した水分が爆発的に気
化する際の応力により、半導体装置が割れたり、半導体
素子、リードフレーム、インナーリード上の各種メッキ
された接合部分との各界面で、剥離が生じ信頼性が著し
く低下する現象である。

【０００３】更に、近年半導体装置の薄型化に伴い、半
導体装置中に占めるエポキシ樹脂組成物の硬化物の厚み
が一段と薄くなってきており、６４Ｍ、２５６ＭＤＲＡ
Ｍ用の半導体装置は、１ｍｍ厚のＴＳＯＰが主流となり
つつある。これら薄型半導体装置には、エポキシ樹脂組
成物の成形時の充填性が良好で、金線変形が少なく、半
導体素子やリードフレームの変形（チップシフトやダイ
パッドシフトと呼ぶ）がないことが要求され、そのため
エポキシ樹脂組成物には、成形時の流動性に優れること
が必要である。

【０００４】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、臭素含有の有機化合物（以下、臭
素化合物という）、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、臭素化合物やアンチモン化合物を使用せ
ずに難燃性を有する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いる。この観点
からも、臭素化合物やアンチモン化合物を使用しない高
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
ている

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、流動性、硬
化性等の成形性に優れ、半導体素子、熱時強度の向上、
吸湿率の低減により、基板実装時における半導体装置の
耐半田クラック性を著しく向上させ、更に難燃性に優れ
るため、臭素化合物、アンチモン化合物を削減もしくは
含まなくとも、高温保管特性に優れた特性を有する半導
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
置を提供するものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、（１）（Ａ）
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２】 （ｎは平均値で、１〜６の正数）

【０００７】（２）石油系重質油又はピッチ類とホルム
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
で重縮合させたフェノール樹脂における水酸基当量が１
５０以上である第（１）項記載の半導体封止用エポキシ
樹脂組成物、（３） 全エポキシ樹脂組成物中に臭素原
子及びアンチモン原子が、それぞれ０．１重量％未満で
ある第（１）項又は第（２）項記載の半導体封止用エポ
キシ樹脂組成物、（４）全エポキシ樹脂組成物中に無機
充填材が、８０〜８５重量％である第（１）項、第
（２）項又は第（３）項記載の半導体封止用エポキシ樹
脂組成物、（５）第（１）〜（４）項のいずれかに記載
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、である。

【０００８】

【発明の実施の形態】本発明で用いられる式（１）で示
されるエポキシ樹脂について述べる。汎用のオルソクレ
ゾールノボラック型エポキシ樹脂をエポキシ化する前の
ベース樹脂は、メチレン結合を介してオルソクレゾール
が繰り返し構造に組み込まれているのに対し、本発明で
用いられる式（１）で示されるエポキシ樹脂はエポキシ
化する前のベース樹脂は、パラキシリレン結合を介して
フェノールが繰り返し構造に組み込まれていることか
ら、このベース樹脂をエポキシ化したエポキシ樹脂を用
いたエポキシ樹脂組成物は、耐熱性を低下させることな
く、エポキシ基の官能基密度が適当に緩和されることに
より、耐半田クラック性及び熱時強度等が優れているも
のと考えられる。更にフェノール間がパラキシリレンで
結合されているため、主鎖中の芳香環の含有率が一定
で、かつフェノール樹脂との結合点濃度が小さくなり、
優れた耐燃性を示す特徴を有し耐湿性にも優れている。

【０００９】式（１）で示される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することができる。併
用する場合の式（１）の樹脂の配合量としては、全エポ
キシ樹脂中に３０重量％以上が好ましく、更に望ましく
は５０重量％以上が好ましい。併用するエポキシ樹脂と
しては、分子内にエポキシ基を有するモノマー、オリゴ
マー、ポリマー全般を指す。例えば、ビスフェノールＡ
型、フェノールノボラック型、オルソクレゾールノボラ
ック型、トリフェノールメタン型、ジシクロペンタジエ
ン変性フェノール型、ビフェニル型、ハイドロキノン
型、スチルベン型、ビスフェノールＦ型等のエポキシ樹
脂が挙げられ、これらは単独でも混合してもよい。

【００１０】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フェノール樹脂は、低粘度、低
吸水性という特性を有している。このフェノール樹脂に
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、ピッチ類は、粘調な液体で、比較的安価
な原料である。用いるホルムアルデヒド重縮合物として
は、パラホルムアルデヒド等の線状重合物、トリオキサ
ン等の塊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、ビスフェノールＡ等が挙げられ、これ
らは単独でも混合して用いてもよい。重合工程では、酸
触媒、ブレンステッド酸としてトルエンスルホン酸、塩
酸等が用いられる。

【００１１】本発明に用いるフェノール樹脂の特性とし
て軟化点は、６０〜１２０℃が好ましい。軟化点が６０
℃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、無機充填
材の高充填化ができなくなるおそれがある。又水酸基当
量としては１５０以上が望ましい。低吸水化と難燃性向
上のためには水酸基当量を大きくする必要があるが、本
発明に用いるフェノール樹脂は硬化性に優れており、あ
る程度水酸基当量が大きくても硬化性の点で問題はな
い。これによりフェノール樹脂中の芳香族系が多くなる
ため、エポキシ樹脂組成物に通常配合されている難燃剤
としての臭素化エポキシ樹脂、三酸化アンチモンを配合
しなくとも難燃性を維持できる特徴がある。

【００１２】本発明に用いる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、低吸水性や難燃性を最大限に引き出すためには、全
総フェノール樹脂中に重量％以上、好ましくは５０重量
％以上の使用が好ましい。３０重量％未満だと低吸水化
や難燃性向上といった本発明に用いるフェノール樹脂の
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もよい。

【００１３】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よい。これら
の内では、球形度の高い溶融シリカを全量、或いは一部
破砕シリカを併用することが好ましい。無機充填材の平
均粒径としては５〜３０μｍ、最大粒径としては１５０
μｍ以下が好ましく、特に平均粒径５〜２０μｍ、最大
粒径７４μｍ以下が好ましい。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。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。本発明の無機充填
材の配合量としては、全エポキシ樹脂組成物中に８０〜
８５重量％が好ましい。８０重量％未満だと、半導体装
置の吸湿量が増加し、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るの
で好ましくない。一方８５重量％を越えると、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、難燃性も劣る。難燃性については、その機構
は不明だが、無機充填材の配合量に最適値がある。

【００１４】本発明に用いられる硬化促進剤は、エポキ
シ樹脂と樹脂硬化剤との架橋反応の触媒であり、具体例
としては、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。

【００１５】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％以上だと、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。

【００１６】本発明のエポキシ樹脂組成物は、（Ａ）〜
（Ｄ）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）〜（Ｄ）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。

【００１７】

【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 式（１）で示されるエポキシ樹脂Ａ（軟化点５３℃、エポキシ当量２３９、１ ５０℃での溶融粘度０．９ポイズ） ９．６重量部 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 合させたフェノール樹脂Ｃ（軟化点８０℃、水酸基当量１８５、１５０℃での溶 融粘度１．８ポイズ） ７．４重量部 球状溶融シリカ ８２．０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 ） ０．２重量部 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。

【００１８】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２分で測定した。 硬化性：金型温度１７５℃、注入圧力７０ｋｇ／ｃ
ｍ²、硬化時間２分で成形し、型開き１０秒後のバコー
ル硬度を測定した。 熱時曲げ強度・熱時曲げ弾性率：２４０℃での曲げ強度
・曲げ弾性率をＪＩＳＫ ６９１１に準じて測定した。
単位はそれぞれＮ／ｍｍ² 。 難燃性：試験片（厚さ１／１６インチ）を、金型温度１
７５℃、注入圧力７０ｋｇ／ｃｍ²、硬化時間２分でト
ランスファー成形し、ＵＬ−９４垂直試験に準じて、Ｆ
max、ΣＦを求め難燃性を評価した。 耐半田クラック性：１００ピンＴＱＦＰ（パッケージサ
イズは１４×１４ｍｍ、厚み１．４ｍｍ、シリコンチッ
プのサイズは、８．０×８．０ｍｍ、リードフレームは
４２アロイ製）を、金型温度１７５℃、注入圧力７０ｋ
ｇ／ｃｍ²、硬化時間２分でトランスファー成形し、１
７５℃、８時間で後硬化した。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。顕微鏡で観察し、クラック発生率
［（外部クラック発生パッケージ数）／（全パッケージ
数）×１００］を％で表示した。又、チップとエポキシ
樹脂組成物の硬化物と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）／（チップ面
積）×１００］を％で表示した。 高温保管特性：模擬素子を２５μｍ径の金線で配線した
１６ピンＳＯＰを、金型温度１７５℃、注入圧力７０ｋ
ｇ／ｃｍ²、硬化時間２分でトランスファー成形し、１
７５℃、８時間で後硬化した。１８５℃の恒温槽で処理
し、一定時間毎にピン間の抵抗値を測定した。初期の抵
抗値から１０％以上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、高温安定性に優
れていることを示す。単位はｈｒ。 臭素原子、アンチモン原子の含有量：直径４０ｍｍ、厚
さ５〜７ｍｍの成形品を金型温度１７５℃、注入圧力７
０ｋｇ／ｃｍ²、硬化時間２分でトランスファー成形
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％。

【００１９】実施例２〜７、比較例１〜３ 表１の配合に従って、実施例１と同様にエポキシ樹脂組
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。 ビフェニル型エポキシ樹脂Ｂ（融点１０５℃、エポキシ
当量１９５：油化シェルエポキシ（株）・製、ＹＸ４０
００） 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フェノール樹脂Ｄ（軟化
点７０℃、水酸基当量１４０、１５０℃での溶融粘度
１．３ポイズ） 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フェノール樹脂Ｅ（軟化
点１２５℃、水酸基当量１９２、１５０℃での溶融粘度
２．２ポイズ） フェノールノボラック樹脂Ｆ（軟化点８１℃、水酸基当
量１０５、１５０℃での溶融粘度１．９ポイズ） 臭素化フェノールノボラック型エポキシ樹脂（軟化点８
４℃、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】本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成
物は、流動性、硬化性等の成形性、及び半導体素子、リ
ードフレーム等の各種部材との接着性に優れ、硬化物の
高温時における高強度と低吸湿性により、これを用いた
半導体装置は基板実装時における耐半田クラック性に優
れ、更に臭素化合物、アンチモン化合物を配合しなくて
も難燃性に優れ、高温保管特性も優れている。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 （Ａ）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】 （ｎは平均値で、１〜６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
   縮合させたフェノール樹脂における水酸基当量が１５０
   以上である請求項１記載の半導体封止用エポキシ樹脂組
   成物。
3. 【請求項３】 全エポキシ樹脂組成物中に臭素原子及び
   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無機充填材
   が、８０〜８５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】 請求項１〜４のいずれかに記載のエポキ
   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。