JP2002293886A - 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、難燃性に優れた特
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）ジフェニレン骨格を含むフェノール
アラルキル型エポキシ樹脂、（Ｂ）ジフェニレン骨格を
含むフェノールアラルキル樹脂、（Ｃ）硬化促進剤、
（Ｄ）無機充填材及び液状アリル化フェノールノボラッ
ク樹脂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、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
及び半導体装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来からダイオード、トランジスタ、集
積回路等の電子部品は、主にエポキシ樹脂組成物を用い
て封止されている。特に集積回路では、エポキシ樹脂、
フェノール樹脂、及び溶シリカ、結晶シリカ等の無機充
填材を配合した耐熱性、耐湿性に優れたエポキシ樹脂組
成物が用いられている。ところが近年、電子機器の小型
化、軽量化、高性能化の市場動向において、半導体素子
の高集積化が年々進み、又半導体装置の表面実装化が促
進されるなかで、半導体素子の封止に用いられているエ
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。特に半導体装置の表面実装化が一般的になって
きている現状では、吸湿した半導体装置が半田リフロー
処理時に高温にさらされ、半導体素子やリードフレーム
とエポキシ樹脂組成物の硬化物との界面に剥離が発生
し、ひいては硬化物にクラックを生じる等、半導体装置
の信頼性を大きく損なう不良が生じ、これらの不良の防
止、即ち耐半田クラック性の向上が大きな課題となって
いる。更に、環境負荷物質の撤廃の一環として、鉛を含
まない半田への代替が進められている。鉛を含まない半
田では、従来の半田に比べ融点が高いため表面実装時の
リフロー温度は従来より２０℃程度高く、２６０℃が必
要とされる。鉛を含まない半田対応のための半田リフロ
ー温度の変更によりエポキシ樹脂組成物の硬化物とパッ
ドの剥離、半導体素子と半導体樹脂ペーストの剥離に起
因する半導体装置のクラックの問題が生じてきた。この
ため２６０℃表面実装時の耐半田クラック性向上を目的
として様々な改良が進められてきたが、そのいずれにお
いても、完全なる解決策とはならず、更なる改良が望ま
れている。

【０００３】又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化合物等のハロゲン系難燃剤及び
アンチモン化合物が配合されている。近年、地球環境に
配慮した企業活動の重視により有害性のおそれのある物
質の削減・撤廃の動きがあり、ハロゲン系難燃剤及びア
ンチモン化合物を使用しないで、難燃性に優れたエポキ
シ樹脂組成物の開発が要求されている。これらに代わる
環境対応難燃剤としては、水酸化アルミニウムや水酸化
マグネシウム等の金属水酸化物や赤燐を含むエポキシ樹
脂組成物が提案されているが、これらの難燃剤を用いた
半導体装置の耐湿信頼性、高温保管性に悪影響を及ぼ
し、更には成形性と硬化性を十分に満足させるエポキシ
樹脂組成物が得られないという問題があり、全ての要求
に対応することができなかった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、成形性に優
れた半導体封止用エポキシ樹脂組成物及び難燃剤を含ま
なくとも難燃性に優れ、かつ耐半田クラック性に優れた
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、［１］
（Ａ）一般式（１）で示されるエポキシ樹脂、（Ｂ）一
般式（２）で示されるフェノール樹脂、（Ｃ）硬化促進
剤、（Ｄ）、無機充填材及び（Ｅ）一般式（３）で示さ
れる液状アリル化フェノールノボラック樹脂を必須成分
とするエポキシ樹脂組成物であって、一般式（３）で示
される液状アリル化フェノールノボラック樹脂が、全エ
ポキシ樹脂組成物中０．１０〜２．０重量％であること
を特徴とする半導体封止用エポキシ樹脂組成物、

【０００６】

【化４】 （式中のＲは、水素原子又は炭素数１〜４のアルキル基
から選択される基であり、互いに同一であっても、異な
っていても良い。ｎは平均値で、１〜５の正数）

【０００７】

【化５】 （式中のＲは、水素原子、又は炭素数１〜４のアルキル
基から選択される基であり、互いに同一であっても、異
なっていても良い。ｎは平均値で、１〜５の正数）

【０００８】

【化６】 （式中のＲ１〜Ｒ４は、炭素数１〜３のアルキル基、又
は水素原子、ｎ≧０）

【０００９】［２］ 第［１］項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。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明を詳細に説明する。
本発明で用いられる一般式（１）で示されるエポキシ樹
脂は、１分子中にエポキシ基を2個以上有し、各エポキ
シ基間に疎水性構造を有することを特徴とする。一般式
（１）で示されるエポキシ樹脂を用いたエポキシ樹脂組
成物の硬化物は、疎水性の構造を多く含むことから吸湿
率が低く、又架橋密度が低いため、 ガラス転移温度を
越えた高温域での弾性率が低いという特徴があり表面実
装の半田付け時における熱応力を低減し、耐半田クラッ
ク性、半田処理後の基材との密着性に優れるという特徴
を有している。一方エポキシ基間の疎水性構造は、剛直
なビフェニル骨格であることから、架橋密度が低い割に
は耐熱性の低下が少ないという特徴を有する。一般式
（１）で示されるエポキシ樹脂の具体例を以下に示す
が、これらに限定されるものでない。

【化７】 （式中のｎは平均値で、１〜５の正数）

【００１１】一般式（１）で示されるエポキシ樹脂の特
徴を損なわない範囲で、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、例えばビスフェノール
Ａ型エポキシ樹脂、ビスフェノール型エポキシ樹脂、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、ナフトールノボラック型エ
ポキシ樹脂、フェニレン骨格を有するフェノールアラル
キル型エポキシ樹脂、ナフトールアラルキル型エポキシ
樹脂（フェニレン骨格、ジフェニレン骨格等を有す
る）、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、スチルベン型エポキ
シ樹脂、トリフェノールメタン型エポキシ樹脂、アルキ
ル変性トリフェノールメタン型エポキシ樹脂、及びトリ
アジン核含有エポキシ樹脂等のエポキシ樹脂を併用して
も差し支えない。併用する場合の一般式（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７０重量
％以上が好ましい。７０重量％未満だとエポキシ樹脂組
成物が燃焼しやすくなったり、硬化物の吸湿率が多くな
ったり、弾性率が高くなり、耐半田クラック性に悪影響
を及ぼすおそれがある。又下記の一般式（２）で示され
るフェノール樹脂を用いたり、無機充填材の配合量を増
加すれば、難燃性を維持できる。

【００１２】本発明で用いられる一般式（２）で示され
るフェノール樹脂は、１分子中にフェノール性水酸基を
2個以上有し、各フェノール性水酸基間に疎水性構造を
有することを特徴とする。一般式（２）で示されるフェ
ノール樹脂を用いたエポキシ樹脂組成物の硬化物は、疎
水性の構造を多く含むことから吸湿率が低く、又架橋密
度が低いため、 ガラス転移温度を越えた高温域での弾
性率が低いという特徴があり、表面実装の半田付け時に
おける熱応力を低減し、耐半田クラック性、半田処理後
の基材との密着性に優れるという特徴を有している。一
方フェニル基間の疎水性構造は剛直なビフェニル骨格で
あることから、架橋密度が低い割には耐熱性の低下が少
ないという特徴を有する。一般式（２）で示されるフェ
ノール樹脂の具体例を以下に示すが、これに限定される
ものでない。

【化８】 （式中のｎは平均値で、１〜５の正数）

【００１３】一般式（２）で示されるフェノール樹脂の
特徴を損なわない範囲で、分子内にフェノール性水酸基
を有するモノマー、オリゴマー、ポリマー、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
ェニレン骨格を有するフェノールアラルキル樹脂、ナフ
トールアラルキル樹脂（フェニレン骨格、ビフェニレン
骨格等を有する）、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、ビスフェノール
Ａ、トリフェノールメタン型樹脂等のフェノール樹脂を
併用しても差し支えない。併用する場合の一般式（２）
で示されるフェノール樹脂の配合量としては、全フェノ
ール樹脂中に７０重量％以上が好ましい。７０重量％未
満だと燃焼しやすくなったり、吸湿率が多くなったり、
弾性率が高くなり、耐半田クラック性に悪影響を及ぼす
おそれがある。又一般式（１）で示されるエポキシ樹脂
を用いたり、無機充填材の配合量を増加すれば、難燃性
を維持できる。一般式（１）で示されるエポキシ樹脂と
一般式（２）で示されるフェノール樹脂とを組合せて用
いた場合には、半導体装置の低吸湿性、吸湿後の半田処
理での耐半田クラック性、密着性等の信頼性で高い効果
が得られるので好ましい。全エポキシ樹脂のエポキシ基
とフェノール樹脂のフェノール性水酸基と下記する一般
式（３）で示される液状アリル化フェノールノボラック
のフェノール性水酸基との合計のフェノール性水酸基の
当量比については、エポキシ基数／フェノール性水酸基
数＝０．７〜１．５の範囲が好ましく、この範囲を外れ
ると、樹脂組成物の硬化性の低下、或いは硬化物のガラ
ス転移温度の低下、耐湿信頼性の低下等が生じるので好
ましくない。

【００１４】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との硬化反応を促進させるもので
あればよく、一般に封止材料に使用されているものを広
く使用することができる。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、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、トリフェニルホス
フィン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、これらの内で
は、特に１，８−ジアザビシクロ（５，４，０）ウンデ
セン−７が、各種基材に対する密着性の向上のために有
効であり、更に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は、樹脂組成物の常温保管
特性を大幅に向上させる効果がある。これらの硬化促進
剤は、単独でも混合して用いても差し支えない。

【００１５】本発明で用いられる無機充填材は、例えば
溶融シリカ、球状シリカ、結晶シリカ、２次凝集シリ
カ、多孔質シリカ、２次凝集シリカ又は多孔質シリカを
粉砕したシリカ、アルミナ、窒化珪素等が挙げられる
が、溶融シリカ粉末、結晶シリカ粉末が好ましい。又無
機充填材の形状としては、破砕状でも球状でもかまわな
いが、耐半田クラック性を向上させるために高充填し、
その他、流動特性、機械強度及び熱的特性のバランスの
点から球状溶融シリカ粉末が好ましい。最大粒径として
は７５μｍ以下が好ましく、平均粒径としては５〜２５
μｍが好ましい。粒度分布としては広いものが、成形時
の樹脂組成物の溶融粘度を低減するために有効である。
これらの無機充填材は単独でも混合して用いてもよい。
更にシランカップリング剤等で予め表面処理をしたもの
を用いてもよい。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６５〜９５重量％が好ましい。６５
重量％未満だと、樹脂組成物の硬化物の吸湿量が増大
し、しかも半田処理温度での強度が低下してしまうた
め、半田処理時に半導体装置にクラックが生じ易くな
り、９５重量％を越えると、樹脂組成物の成形時の流動
性が低下し、未充填や半導体素子のシフト、パッドシフ
トが発生し易くなり好ましくない。しかし、無機充填材
はなるべく多く配合した方が、樹脂組成物の吸湿率が減
り、耐半田クラック性が良くなるので、成形時の流動性
が許容される範囲でなるべく多く配合した方が好まし
い。

【００１６】本発明で用いられる一般式（３）で示され
る液状アリル化フェノールノボラック樹脂は、高強度の
特性を付与するエポキシ樹脂組成物を作製するのに適し
ている。更に一般式（３）で示される液状アリル化フェ
ノールノボラック樹脂を配合することにより、エポキシ
樹脂組成物の流動性が良くなるため、無機充填材の配合
量の増加が可能となり、更に高強度の特性を有するエポ
キシ樹脂組成物を得ることができる。半田処理時に生じ
る半導体装置のクラックは、樹脂組成物の硬化物とリー
ドフレームの界面での剥離又は樹脂組成物の硬化物と半
導体素子の界面での剥離に起因しておるとされ、高強度
のエポキシ樹脂組成物が得られるとこれらの剥離が低減
し、耐半田クラック性を著しく向上させる。一般式
（３）で示される液状アリル化フェノールノボラック樹
脂は、カップリング剤を添加する場合と同様にして用い
ればよい。一般式（３）で示される液状アリル化フェノ
ールノボラック樹脂の配合量は、全エポキシ樹脂組成物
中０．１〜２．０重量％が好ましい。０．１重量％未満
だとエポキシ樹脂組成物の硬化物の高強度化を図ること
ができず、２．０重量％を越えると樹脂組成物の硬化性
の低下、吸湿率の増加による耐半田クラック性の低下、
及び該硬化物の難燃性が低下するので好ましくない。

【００１７】一般式（３）中のＲ１〜Ｒ４は炭素数１〜
３のアルキル基、又は水素原子である。一般式（１）で
示されるエポキシ樹脂、一般式（２）で示されるフェノ
ール樹脂及び一般式（３）で示される液状アリル化フェ
ノールノボラック樹脂を組合せて用いた場合、吸湿後の
半田処理での耐半田クラック性、難燃性等の点で最も高
い効果が得られる。

【００１８】本発明のエポキシ樹脂組成物は、（Ａ）〜
（Ｅ）成分の他、必要によってハロゲン系難燃剤、アン
チモン化合物、カップリング剤、カーボンブラック、ベ
ンガラ等の着色剤、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
種々の添加剤等を適宜配合されても差し支えない。

【００１９】本発明のエポキシ樹脂組成物を成形材料と
して製造するには、（Ａ）〜（Ｅ）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常温混合し
た後、更に熱ロール又はニーダー等で溶融混練し、冷却
後粉砕して封止材料とすることができる。これらの成形
材料は、電気部品或いは電子部品であるトランジスタ、
集積回路等の被覆、絶縁、封止等に適用することができ
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。

【００２０】以下に、本発明の実施例を挙げて詳細に説
明するが、本発明はこれら実施例によりなんら限定され
るものでない。また各成分の配合割合は重量％とする。

【実施例】 式（１０）で示されるエポキシ樹脂Ａ（軟化点６０℃、エポキシ当量２７０） ６．５５重量％

【化９】

【００２１】 式（１１）で示されるフェノール樹脂Ｃ（軟化点７５℃、水酸基当量１９５） ４．７５重量％

【化１０】

【００２２】 式（１２）で示される液状アリル化フェノールノボラック樹脂Ｅ（水酸基当量 １４９） ０．２０重量％

【化１１】

【００２３】 球状溶融シリカ粉末（平均粒径２２μｍ） ８７．００重量％ １，８−ジアザビシクロ（５，４，０）ウンデセン−７（以下、ＤＢＵという ） ０．２０重量％ カーボンブラック ０．３０重量％ カルナバワックス ０．３０重量％ その他の添加剤 ０．７０重量％ （カーボンブラック０．３０重量％、カルナバワックス
０．３０重量％、その他の添加剤０．７０重量％は表１
では省略した）をミキサーを用いて常温で混合し、７０
〜１１０℃でロールを用いて混練し、冷却後粉砕し、タ
ブレット化して樹脂組成物を得た。この樹脂組成物を以
下の方法で評価した。結果を表１に示す。

【００２４】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６．９ＭＰａ、硬化時間１２０秒で測定し
た。単位はｃｍ。 ・熱時曲げ強度・曲げ弾性：得られた材料をタブレット
化し、低圧トランスファー成形機を用いて、金型温度１
７５℃、注入圧力６．９ＭＰａ、硬化時間１２０秒の条
件で試験片を成形し、熱時曲げ強度及び熱時曲げ弾性率
をＪＩＳ Ｋ６９１１に準じて（２４０℃で）測定し
た。単位はいずれもＮ／ｍｍ²。 ・吸湿率：得られた材料をタブレット化し、低圧トラン
スファー成形機にて金型温度１７５℃、注入圧力９．８
ＭＰａ、硬化時間１２０秒の条件で直径５０ｍｍ、厚さ
３ｍｍの円盤状試験片を成形し、ポストキュアとして１
７５℃で８時間処理した。試験片の吸湿処理前と８５
℃、相対湿度８５％の環境下で１６８時間処理した後の
重量変化を測定し、試験片の吸湿率を百分率で示した。
単位は％。 ・耐半田クラック性：得られた材料をタブレット化し、
低圧トランスファー成形機にて金型温度１７５℃、注入
圧力９．８ＭＰａ、硬化時間１２０秒の条件で８０ｐＱ
ＦＰ（厚さ２．０ｍｍ、チップサイズ６ｍｍ×６ｍｍ）
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６個を、８５℃、相対湿度８５％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
を超音波探傷装置で観察し、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／６
と表示する。 ・難燃性：得られた材料をタブレット化し、低圧トラン
スファー成形機を用いて、１７５℃、注入圧力６．９Ｍ
Ｐａ、硬化時間１２０秒の条件で試験片を成形し、ＵＬ
−９４垂直試験（試験片厚さ１／８ｉｎｃｈ）を行っ
た。

【００２５】実施例２〜５、比較例１〜３ 実施例１以外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（油化シェルエポキシ
（株）製、ＹＸ−４０００、融点１０５℃、エポキシ当
量１９３） フェノールアラルキル樹脂Ｄ（三井化学（株）製、ＸＬ
−２２５、軟化点７５℃、水酸基当量１７５） 表１に示した配合割合の成分（カーボンブラック０．３
０重量％、カルナバワックス０．３０重量％、その他の
添加剤０．７０重量％は表１では省略した）を実施例１
と同様に樹脂組成物を作製し、実施例１と同様にして評
価した。評価結果を表１に示す。

【００２６】

【表１】

【００２７】

【発明の効果】本発明は、成形性に優れた半導体封止用
エポキシ樹脂組成物及び従来の難燃剤を用いなくとも難
燃性に優れ、かつ耐半田クラック性に優れた半導体装置
を得ることがてきる。

Claims (2)

【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）一般式（２）で示されるフェノール樹脂、
   （Ｃ）硬化促進剤、（Ｄ）、無機充填材及び（Ｅ）一般
   式（３）で示される液状アリル化フェノールノボラック
   樹脂を必須成分とするエポキシ樹脂組成物であって、一
   般式（３）で示される液状アリル化フェノールノボラッ
   ク樹脂が、全エポキシ樹脂組成物中０．１０〜２．０重
   量％であ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】 （式中のＲは、水素原子又は炭素数１〜４のアルキル基
   から選択される基であり、互いに同一であっても、異な
   っていても良い。ｎは平均値で、１〜５の正数） 【化２】 （式中のＲは、水素原子、又は炭素数１〜４のアルキル
   基から選択される基であり、互いに同一であっても、異
   なっていても良い。ｎは平均値で、１〜５の正数） 【化３】 （式中のＲ１〜Ｒ４は、炭素数１〜３のアルキル基、又
   は水素原子、ｎ≧０）
2. 【請求項２】 請求項１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。