JP2002317102A - 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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JP2002317102A
JP2002317102A JP2001122149A JP2001122149A JP2002317102A JP 2002317102 A JP2002317102 A JP 2002317102A JP 2001122149 A JP2001122149 A JP 2001122149A JP 2001122149 A JP2001122149 A JP 2001122149A JP 2002317102 A JP2002317102 A JP 2002317102A
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Fumihiro Umiga
文広 海賀
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Sumitomo Bakelite Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 難燃性、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)ビフェニル型エポ
キシ樹脂、(C)ジフェニレン骨格を含むフェノールア
ラルキル樹脂、(D)硬化促進剤及び(E)無機充填材
を必須成分とし、(A)と(B)との重量比[(A)/
(B)]が1〜10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。

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、及び溶融シリカ、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、ひいては半導体装置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。
【0003】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、26
0℃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
物とパッド界面での剥離、半導体素子と半導体樹脂ペー
スト界面で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。これら、半田クラックや剥離は、半田
リフロー処理前の半導体装置自身が吸湿し、半田リフロ
ー処理時の高温下でその水分が水蒸気爆発を起こすこと
によって生じると考えられており、それを防ぐためにエ
ポキシ樹脂組成物に低吸湿性を付与する等の手法がよく
用いられ、その低吸湿化の手法の一つとして、例えば低
吸湿性の一般式(1)で示されるエポキシ樹脂を用い
て、エポキシ樹脂組成物の硬化物の低吸湿化を図ること
がある。しかしながら、低吸湿性のエポキシ樹脂を使用
したエポキシ樹脂組成物といえども、鉛を含まない耐半
田クラック性対応のエポキシ樹脂組成物としては不十分
であった。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。
【0004】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、これらの難燃剤を含むエ
ポキシ樹脂組成物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、硬化性共、
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。
【0005】
【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
環境対応の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)一般式(1)で示されるエポキシ樹脂、
(B)一般式(2)で示されるエポキシ樹脂、一般式
(3)で示されるエポキシ樹脂一般式(4)で示される
エポキシ樹脂、一般式(5)で示されるエポキシ樹脂の
群から選択される1種以上のエポキシ樹脂、(C)一般
式(6)で示されるフェノール樹脂、(D)硬化促進剤
及び(E)無機充填材を必須成分とし、かつ(A)と
(B)との重量比[(A)/(B)]が1〜10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。
【0007】
【化7】 (式中のR1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。mは0〜4の整数、nは平均値で、1〜5の正
数)
【0008】
【化8】 (式中のR2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。mは0〜4の整数)
【0009】
【化9】 (式中のR3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。mは0〜4の整数)
【0010】
【化10】 (式中のR4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。mは0〜4の整数)
【0011】
【化11】 (式中のR5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。mは0〜4の整数、nは平均値で、1〜5の正
数)
【0012】
【化12】 (式中のR6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。mは0〜4の整数、nは平均値で、1〜5の正
数)
【0013】(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。
【0014】
【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、半田処理後のリードフレーム等の基材との密着性
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、剛直なジフェニレン骨格であることか
ら、架橋密度は低いが、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。
【0015】
【化13】 (式中のnは平均値で、1〜5の正数)
【0016】近年の鉛を含まない半田対応材では、一般
式(1)のエポキシ樹脂を用いただけでは十分に対応す
ることが困難であることが多く、一般式(2)〜一般式
(5)で示される低粘度・低分子量・高強度型のエポキ
シ樹脂を併用することが好ましい。本発明で用いられる
一般式(2)〜一般式(5)で示されるエポキシ樹脂を
一般式(1)で示されるエポキシ樹脂と併用することに
より、一般式(1)のみを使用したエポキシ樹脂組成物
より更に加熱時の溶融粘度が低い樹脂組成物となるた
め、エポキシ樹脂組成物の流動性が良くなり、無機充填
材を更に高充填化することができ、エポキシ樹脂組成物
の硬化物の更なる低吸湿化、ひいては更に高強度のエポ
キシ樹脂組成物を得ることができる。半田リフロー処理
時に生じる半導体装置のクラックは、エポキシ樹脂組成
物の硬化物とリードフレーム間の界面での剥離又はエポ
キシ樹脂組成物の硬化物と半導体素子間の界面での剥離
に起因としており、低吸湿、高強度の特性を有するエポ
キシ樹脂組成物を得ることにより、これらの剥離が低減
し、半導体装置の耐半田クラック性を著しく向上させる
ことができる。一般式(1)で示されるエポキシ樹脂
(A)と一般式(2)〜一般式(5)で示されるエポキ
シ樹脂(B)との配合の重量比[(A)/(B)]とし
ては、1〜10が好ましい。[(A)/(B)]が1未
満だとエポキシ樹脂組成物の硬化物の吸湿性の促進及び
硬化物の難燃性が低下し、重量比[(A)/(B)]が
10を越えるとエポキシ樹脂組成物の無機充填材の高充
填化を図ることができず、低吸湿化及び高強度化が図れ
ないため好ましくない。一般式(2)〜一般式(5)で
示されるエポキシ樹脂(B)は、単独でも2種以上混合
或いは溶融混合して用いてもよい。
【0017】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、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、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。以下の文は削除します
【0018】本発明で用いられる一般式(6)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(6)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
フェノール間の疎水性構造は剛直なジフェニレン骨格で
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(6)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。
【0019】
【化14】 (式中のnは平均値で、1〜5の正数)
【0020】一般式(6)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、ジフェニレン
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(6)
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。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。一般式
(1)で示されるエポキシ樹脂及び一般式(2)〜一般
式(5)で示されるエポキシ樹脂、一般式(6)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、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。
【0021】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、エポキシ樹脂組成物の
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。
【0022】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やすくな
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、エポキシ樹脂組成物の硬化物の吸湿
率が減少し、耐半田クラック性が向上するので、成形時
の流動性が許容される範囲内でなるべく多く配合した方
が好ましい。
【0023】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、ゴム等の低応力剤等、種々
の添加剤等を適宜配合されても差し支えない。
【0024】本発明のエポキシ樹脂組成物を製造するに
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。
【0025】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(13)で示されるエポキシ樹脂a(軟化点60℃、ICI溶融粘度0.8 ×102mPa・s/150℃、エポキシ当量270) 5.40重量%
【0026】
【化15】
【0027】 式(14)で示されるエポキシ樹脂b(軟化点45℃、ICI溶融粘度0.0 5×102mPa・s/150℃、エポキシ当量172) 0.60重量%
【化16】
【0028】式(15)で示されるフェノール樹脂f
(軟化点75℃、水酸基当量195)4.50重量%
【化17】
【0029】 球状溶融シリカ粉末(平均粒径22μm) 88.00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。
【0030】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・熱時曲げ弾性: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175℃、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JISK 6911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160p
LQFP(厚さ1.4mm、チップサイズ7mm×7m
m)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5個を、85℃、相対湿度60%の
環境下で168時間処理した後、IRリフロー処理(2
60℃)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
/5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。
【0031】実施例2〜8、比較例1〜12 実施例1以外で用いた材料を以下に示す。式(16)で
示されるエポキシ樹脂と式(17)で示されるエポキシ
樹脂との溶融エポキシ樹脂c(軟化点50℃、ICI溶
融粘度0.01×102mPa・s/150℃、エポキ
シ当量161)
【0032】
【化18】
【0033】
【化19】
【0034】式(17)で示されるエポキシ樹脂d(融
点105℃、ICI溶融粘度0.15×102mPa・
s/150℃、エポキシ当量185)
【0035】式(18)で示されるエポキシ樹脂e(軟
化点60℃、ICI溶融粘度0.4×102mPa・s
/150℃、エポキシ当量245)
【化20】
【0036】式(19)で示されるフェノール樹脂g
(軟化点75℃、水酸基当量175)
【化21】
【0037】表1、表2に示した配合割合の成分(カー
ボンブラック0.30重量%、カルナバワックス0.3
0重量%、その他の添加剤0.70重量%は表1、表2
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、
表2に示す。
【0038】
【表1】
【0039】
【表2】
【0040】
【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で、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も優れた半導体装
置を得ることができる。
フロントページの続き Fターム(参考) 4J002 CD031 CD051 CE002 DE147 DJ007 DJ017 EN026 EU116 EU136 EW016 EY016 FA087 FD017 FD090 FD142 FD156 GH00 GJ02 GQ01 4J036 AA04 AA05 AA06 AD07 AD08 AE05 DA04 FB08 JA07 4M109 AA01 BA01 CA21 EA02 EB03 EB04 EB07 EB08 EB09 EB12 EC03

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)で示されるエポキシ樹脂、一
    般式(3)で示されるエポキシ樹脂、一般式(4)で示
    されるエポキシ樹脂、一般式(5)で示されるエポキシ
    樹脂の群から選択される1種以上のエポキシ樹脂、
    (C)一般式(6)で示されるフェノール樹脂、(D)
    硬化促進剤及び(E)無機充填材を必須成分とし、かつ
    (A)と(B)との重量比[(A)/(B)]が1〜10
    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R1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。mは0〜4の整数、nは平均値で、1〜5の正
    数) 【化2】 (式中のR2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。mは0〜4の整数) 【化3】 (式中のR3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。mは0〜4の整数) 【化4】 (式中のR4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。mは0〜4の整数) 【化5】 (式中のR5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。mは0〜4の整数、nは平均値で、1〜5の正
    数) 【化6】 (式中のR6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。mは0〜4の整数、nは平均値で、1〜5の正
    数)
  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。
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