JP2002145992A - エポキシ樹脂組成物及び半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 臭素化合物、アンチモン化合物を含まなくと
も難燃性に優れ、かつ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を提供すること。 【解決手段】（Ａ）式（１）で示されるエポキシ樹脂、
（Ｂ）式（２ａ）で示される骨格と式（２ｂ）で示され
る骨格を有するフェノール樹脂を全フェノール樹脂中に
２０重量％以上含むフェノール樹脂、（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】 【化２】 （Ｒは、炭素数１〜４のアルキル基で、互いに同一であ
っても、異なっていてもよく、Ｘは芳香族環より１個の
水素を除いた残基を示す。ａは０〜３の整数、ｂは０〜
４の整数）

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、成形性とともに難
燃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求めら
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、硬化物の熱時強度の向上、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全く
含まず、高温保管特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。

【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）
式（２ａ）で示される骨格と式（２ｂ）で示される骨格
を有するフェノール樹脂を全フェノール樹脂中に２０重
量％以上含むフェノール樹脂、（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３】

【０００７】

【化４】 （Ｒは、炭素数１〜４のアルキル基で、互いに同一であ
っても、異なっていてもよく、Ｘは芳香族環より１個の
水素を除いた残基を示す。ａは０〜３の整数、ｂは０〜
４の整数） （２） 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無機充填材が、８０〜８５重量
％である第（１）項１又は第（２）項記載の半導体封止
用エポキシ樹脂組成物、（４）第（１）〜（３）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樹脂を用いたエポ
キシ樹脂組成物は、硬化物の熱時強度を低下させること
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、優れた難燃性を
示す特徴を有し、かつ硬化物の吸湿率が低く耐半田クラ
ック性の向上に寄与する。

【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）のエポキシ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型エポキシ樹脂、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、ビフェニル
型エポキシ樹脂、ハイドロキノン型エポキシ樹脂、スチ
ルベン型エポキシ樹脂、ビスフェノールＦ型エポキシ樹
脂等が挙げられるが、これらに限定されるものではな
い。

【００１０】本発明に用いられる式（２ａ）で示される
骨格と式（２ｂ）で示される骨格を有するフェノール樹
脂は、芳香族環を多く含むことから、燃焼時に炭化しや
すく、難燃性に優れた特徴を有している。又従来のフェ
ノールノボラック型樹脂を用いた場合に比べ、硬化物の
高温時の弾性率が低く半導体装置の反りが減少し、かつ
吸湿率が低いため耐半田クラック性に優れる。式中のＸ
は、芳香族環より１個の水素を除いた残基を示し、具体
的にはベンゼン又はナフタリンから１個の水素を除いた
残基、フェノール又はナフトールから１個水素を除いた
残基等である。本発明に用いられるフェノール樹脂は、
例えばビス（メトキシメチル）ベンゼン類と芳香族アル
デヒドとフェノールを酸触媒の存在下で反応させて得ら
れる、ランダム共重合体の樹脂である。以下に具体例を
示すが、これらに限定されるものではない。

【化５】

【００１１】式（２ａ）で示される骨格と式（２ｂ）で
示される骨格を有するフェノール樹脂は、全フェノール
樹脂中２０重量％以上が好ましく、２０重量％未満だと
難燃性が低下し好ましくない。又高温時の弾性率も大き
くなり、半導体装置の反りが低下するおそれがある。併
用するフェノール樹脂としては、特に限定されないが、
フェノールノボラック樹脂、クレゾールノボラック樹
脂、ナフト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等が挙
げられる。

【００１２】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。

【００１３】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、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。

【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％以下であることが好ましく、全く含まれ
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％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、（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。

【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 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 ） １０．８重量部 式（３）で示されるフェノール樹脂Ｃ（軟化点７２℃、水酸基当量１５８、１ ５０℃での溶融粘度１．３ポイズ） ６．２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。

【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、Σ
Ｆ、Σmaxを求め、難燃性を評価した。 耐半田クラック性：１００ピンＬＱＦＰ（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。単位は時間。 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％。

【００１８】実施例２〜６、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他の樹脂を以
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） 式（６）で示されるフェノール樹脂Ｄ（軟化点８５℃、
水酸基当量１８５、１５０℃での溶融粘度１．９ポイ
ズ） 式（７）で示されるフェノール樹脂Ｅ（軟化点７１℃、
水酸基当量１７０、１５０℃での溶融粘度２．１ポイ
ズ）

【化６】 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）

【００１９】

【表１】

【００２０】

【発明の効果】本発明のエポキシ樹脂組成物は、流動
性、硬化性等の成形性に優れ、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、臭素化合
物、アンチモン化合物を含まなくとも難燃性に優れ、か
つ高温保管特性に優れている。

Claims (4)

【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）式（２ａ）で示される骨格と式（２ｂ）で示
   される骨格を有するフェノール樹脂を全フェノール樹脂
   中に２０重量％以上含むフェノール樹脂、（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】 【化２】 （Ｒは、炭素数１〜４のアルキル基で、互いに同一であ
   っても、異なっていてもよく、Ｘは芳香族環より１個の
   水素を除いた残基を示す。ａは０〜３の整数、ｂは０〜
   ４の整数）
2. 【請求項２】 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無機充填材
   が、８０〜８５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】 請求項１〜３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。