JP2003089745A

JP2003089745A - エポキシ樹脂組成物及び半導体装置

Info

Publication number: JP2003089745A
Application number: JP2001283562A
Authority: JP
Inventors: Atsunori Nishikawa; 敦准西川
Original assignee: Sumitomo Bakelite Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Bakelite Co Ltd
Priority date: 2001-09-18
Filing date: 2001-09-18
Publication date: 2003-03-28
Anticipated expiration: 2021-09-18
Also published as: JP4779270B2

Abstract

(57)【要約】【課題】流動性、硬化性、難燃性及び耐半田クラック性
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）エポキシ樹脂、（Ｂ）フェノール樹
脂、（Ｃ）硬化促進剤、（Ｄ）予めカップリング剤によ
り表面処理された無機充填材及び（Ｅ）予めカップリン
グ剤により表面処理された水酸化アルミニウム、水酸化
マグネシウム、ほう酸亜鉛から選ばれる無機系難燃剤を
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、ハロゲン系難燃
剤、アンチモン化合物を含まずに難燃性、成形性に優れ
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】従来、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で封止さ
れている。これらのエポキシ樹脂組成物中には難燃性を
付与するために、通常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。ところが、ハロゲン系難燃剤
及びアンチモン化合物を含むエポキシ樹脂組成物で封止
された半導体装置は、高温下（１８５℃）に保管した後
の半導体素子の接合部（ボンディングパッド部）での腐
食による高温保管特性の低下、更に環境・衛生の点から
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。これに対して、ハロゲン系難燃剤及びアンチ
モン化合物に代わる難燃剤として、無機系難燃剤を配合
する方法が提案されており、多量に配合することによっ
て難燃グレードＶ−０を達成できるが、配合量が多いた
めエポキシ樹脂組成物の成形時の流動性、硬化性及び硬
化物の機械強度が低下、耐半田クラック性の悪化という
問題があった。即ち、ハロゲン系難燃剤及びアンチモン
化合物を用いずに難燃性を維持し、流動性や硬化性等の
成形性、高温保管特性及び耐半田クラック性に優れたエ
ポキシ樹脂組成物が求められている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、ハロゲン系
難燃剤、アンチモン化合物を含まず難燃性、流動性、硬
化性、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て半導体素子を
封止してなる半導体装置を提供するものである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は、［１］（Ａ）エポキシ樹脂、（Ｂ）フェノール樹脂、
（Ｃ）硬化促進剤、（Ｄ）予めカップリング剤により表
面処理された無機充填材及び（Ｅ）予めカップリング剤
により表面処理された水酸化アルミニウム、水酸化マグ
ネシウム、モリブデン酸亜鉛、ジルコニウム化合物、赤
燐、一般式（１）で示される金属水酸化物固溶体又は一
般式（２）で示されるほう酸亜鉛の群から選ばれる無機
系難燃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、Ｍｇ_1-yＭ²⁺y （ＯＨ）₂ （１）（式中Ｍ²⁺は、Ｍｎ²⁺、Ｆｅ²⁺、Ｃｏ²⁺、Ｎｉ²⁺、Ｃｕ
²⁺及びＺｎ²⁺の群から選ばれた少なくとも１種の二価金
属イオンを示し、ｙは０．０１≦ｙ≦０．５である）ｐＺｎＯ・ｑＢ₂Ｏ₃・ｒＨ₂Ｏ（２）（式中ｐ、ｑ、ｒは正数）［２］カップリング剤が、一般式（３）の群から選ばれ
る第［１］項記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成物、

【０００５】

【化２】

【０００６】［３］第［１］項又は［２］項記載の半導
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、である。

【０００７】

【発明の実施の形態】本発明に用いるエポキシ樹脂とし
ては、１分子内にエポキシ基を２個以上有するモノマ
ー、オリゴマー、ポリマー全般を言い、その分子量、分
子構造等を特に限定するものではないが、例えばビフェ
ニル型エポキシ樹脂、ビスフェノール型エポキシ樹脂、
スチルベン型エポキシ樹脂、フェノールノボラック型エ
ポキシ樹脂、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、アルキル変性トリ
フェノールメタン型エポキシ樹脂、トリアジン核含有エ
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、フェノ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）、ナフト
ール型エポキシ樹脂等が挙げられ、単独でも混合して用
いてもよい。

【０００８】本発明に用いるフェノール樹脂としては、
１分子内にフェノール性水酸基を２個以上有するモノマ
ー、オリゴマー、ポリマー全般を言い、その分子量、分
子構造等を特に限定するものではないが、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、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、トリフェノールメタン型樹脂、フェノー
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）、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）等が挙げられ、単
独でも混合して用いてもよい。これらの配合量として
は、全エポキシ樹脂のエポキシ基数と全フェノール樹脂
のフェノール性水酸基数の比で０．８〜１．３が好まし
い。

【０００９】本発明に用いる硬化促進剤としては、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、一般に半導体用封止材料に使用する
ものを用いることができる。例えば１，８−ジアザビシ
クロ（５，４，０）ウンデセン−７、トリフェニルホス
フィン、２−メチルイミダゾール、テトラフェニルホス
ホニウム・テトラフェニルボレート、ベンゾキノンをア
ダクトしたトリフェニルホスフィン等が挙げられ、単独
でも混合して用いてもよい

【００１０】本発明に用いる無機充填材としては、一般
に半導体用封止材料に使用されているものを用いること
ができる。例えば溶融シリカ、結晶シリカ、タルク、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球
状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０．１〜４０
μｍ、最大粒径としては１５０μｍ以下が好ましく、特
に平均粒径０．２〜３０μｍ、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
によって充填量を多くすることができる。

【００１１】本発明の無機充填材を表面処理するための
カップリング剤は、一般に使用されているカップリング
剤を言い、例えばシランカップリング剤、チタネートカ
ップリング剤、アルミニウムカップリング剤等が挙げら
れるが、最も好適に使用されるものとしてはシランカッ
プリング剤であり、その中でも一般式（１）で示される
構造のものが特に有効である。又カップリング剤は、予
め水及び必要に応じて酸又はアルカリを添加して、加水
分解処理して用いてもよい。カップリング剤の添加量と
しては、無機充填材１００重量部に対し、０．０５〜５
重量部が好ましい。０．０５重量部未満では、表面処理
された無機充填材を配合したエポキシ樹脂組成物の硬化
物の強度の向上が認められず、耐半田クラック性が低下
し、５重量部を越えるとエポキシ樹脂組成物の硬化物の
吸水率が増加し耐半田クラック性が低下する。

【００１２】本発明における無機充填材を表面処理する
方法としては、無機充填材とカップリング剤を攪拌混合
し、混合機から取り出して常温にて１日以上放置する方
法が有効である。カップリング剤を無機充填材の表面に
均一に処理するために水又は有機溶媒を更に加えて攪拌
した後に、常温にて１日以上放置するという手法も有効
である。更により反応を進めるために攪拌混合時に、混
合機内の温度を５０〜１５０℃に加熱するか、或いは常
温で攪拌混合し混合機から取り出した後に５０〜１５０
℃加熱する方法も有効である。混合機としては、特に限
定しないが、例えばボールミル、ヘンシェルミキサー、
Ｖブレンダーやダブルコーンブレンダー等のブレンダー
類、コンクリートミキサーやリボンブレンダー等を示
す。

【００１３】表面処理された無機充填材の配合量は、全
エポキシ樹脂組成物中７０〜９４重量％が好ましく、よ
り好ましくは８０〜９４重量％が望ましい。７０重量％
未満では、半田リフロー処理温度での機械強度が十分得
られず、９４重量％を越えるとエポキシ樹脂組成物の流
動性が低下し、未充填やチップシフト、パッドシフト、
金線変形等が発生し易くなるおそれがある。

【００１４】本発明に用いる無機系難燃材は、水酸化ア
ルミニウム、水酸化マグネシウム、モリブデン酸亜鉛、
ジルコニウム化合物、赤燐、一般式（１）で示される金
属水酸化物固溶体又は一般式（２）で示されるほう酸亜
鉛であり、これらは単独でも混合して用いてもよい。こ
れらの無機系難燃剤の平均粒径としては、０．１〜４０
μｍ、最大粒径としては１５０μｍ以下が好ましく、特
に平均粒径０．２〜３０μｍ、最大粒径７４μｍ以下が
望ましい。本発明に用いるほう酸亜鉛は、一般式ｐＺｎ
Ｏ・ｑＢ₂Ｏ₃・ｒＨ₂Ｏで示されるが、好ましい構造と
しては２ＺｎＯ・３Ｂ₂Ｏ₃・３．５Ｈ₂Ｏがある。その
表面をカップリング剤で処理することにより、溶出する
亜鉛イオン、ほう酸イオンを抑制することができる。又
本発明に用いるジルコニウム化合物は、一般式ｐＺｒＯ
₂・ｑＢ₂Ｏ₃・ｒＨ₂Ｏで示されるが、好ましい構造とし
てはＺｒＯ₂・ｘＨ₂Ｏがあり、更に好ましくはＺｒ
（ＯＨ）₄、ＺｒＯ（ＯＨ）₂がある。その表面をカップ
リング剤で処理することにより、溶出するジルコニウム
イオンを抑制することができる。本発明に用いる赤燐は
黄燐を直接球状体化した赤燐及びその集合体からなる微
粒子が、エポキシ樹脂組成物の成形時の流動性を向上さ
せるため好ましい。又赤燐の表面を無機化合物で被覆し
たものが望ましい。特に赤燐の表面を無機化合物で被覆
した後、更にその表面をカップリング剤で処理すること
により、溶出する燐酸イオン、亜燐酸イオンを抑制する
ことができる。

【００１５】本発明で無機系難燃材を表面処理するカッ
プリング剤は、前記した無機充填材の表面処理に用いら
れているものと同一のものである。又表面処理方法につ
いても同一である。カップリング剤の添加量としては、
無機難燃剤１００重量部に対し、０．０５〜５重量部が
好ましい。０．０５重量部未満では、表面処理された無
機難燃剤を配合したエポキシ樹脂組成物の硬化物の強度
の向上が認められず、耐半田クラック性が低下する。５
重量部を越えるとエポキシ樹脂組成物の硬化物の吸水率
が増加し耐半田クラックが低下する。

【００１６】表面処理された無機系難燃剤の配合量は、
全エポキシ樹脂組成物中０．１〜１０重量％が好まし
く、より好ましくは０．５〜８重量％が望ましい。０．
１重量％未満では、十分な難燃性が得られず、１０重量
％を越えるとエポキシ樹脂組成物の成形時の流動性、硬
化性及び硬化物の機械強度が低下し耐半田クラック性が
悪化するおそれがある

【００１７】表面処理された無機充填材又は表面処理さ
れた無機系難燃剤のいずれか一方を用いることにより、
耐半田クラック性を向上させる効果がある。しかし表面
処理された無機充填材のみを使用した場合、エポキシ樹
脂組成物の成形時の流動性、硬化性及び硬化物の機械強
度が低下、耐半田クラック性の悪化という問題が起こ
る。又表面処理された無機系難燃剤のみを使用した場
合、エポキシ樹脂組成物の流動性が不十分である。

【００１８】本発明者は、予めカップリング剤により表
面処理された無機充填材と表面処理された無機系難燃剤
を併用することにより、その相乗効果として高い耐半田
クラック性と成形性、更には良好な難燃性も達成できる
ことを見いだした。併用することによる、特に顕著な相
乗効果は耐半田クラック性の向上であり、各々単独に表
面処理されたものを使用する場合に比べ飛躍的に向上す
る。又難燃性の向上も特記される点で、どちらも表面処
理していない場合又はどちらか一方だけ表面処理してい
る場合に比べて、配合量を減少しても十分な難燃性が得
られる。これは無機充填材、無機系難燃剤共にカップリ
ング剤処理することにより分散性が向上し、無機系難燃
剤の効果が顕著となると考えられる。従って無機系難燃
剤の配合量を減少できるのでエポキシ樹脂組成物の流動
性、硬化性等の成形性が改善されるものと考えられる。

【００１９】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等の
ハロゲン含有難燃剤、酸化アンチモン等のアンチモン化
合物を含有することは差し支えないが、半導体装置の１
５０〜２００℃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、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％を
越えると、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おそれがある。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。

【００２０】本発明のエポキシ樹脂組成物は、（Ａ）〜
（Ｅ）成分を必須とするが、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）〜
（Ｅ）成分及びその他の添加剤等をミキサー用いて充分
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。

【００２１】

【実施例】以下に本発明の実施例を示すが、本発明はこ
れらに限定されるものではない。配合割合は重量部とす
る。なお、実施例及び比較例で用いた表面処理された無
機充填材と表面処理された無機系難燃剤の内容につい
て、以下に示す。無機充填材１（平均粒径２７μｍの溶融球状シリカ１０
０重量部をγ−アミノプロピルトリエトキシシランカッ
プリング剤０．５重量部で表面処理）無機充填材２（平均粒径２７μｍの溶融球状シリカ１０
０重量部を、γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシ
ランカップリング剤０．５重量部で表面処理）無機充填材０（平均粒径２７μｍの溶融球状シリカ表
面処理なし）

【００２２】無機系難燃剤１（平均粒径４μｍの水酸化
アルミニウム１００重量部をγ−アミノプロピルトリエ
トキシシランカップリング剤０．５重量部で表面処理）無機系難燃剤２（平均粒径４μｍの水酸化アルミニウム
１００重量部をγ−グリシドキシプロピルトリメトキシ
シランカップリング剤０．５重量部で表面処理）無機系難燃剤３（平均粒径３μｍの水酸化マグネシウム
１００重量部をγ−アミノプロピルトリエトキシシラン
カップリング剤０．５重量部で表面処理）無機系難燃剤４（平均粒径５μｍのホウ酸亜鉛２ＺｎＯ
・３Ｂ₂Ｏ₃・３．５Ｈ ₂Ｏ１００重量部をγ−アミノ
プロピルトリエトキシシランカップリング剤０．５重量
部で表面処理）

【００２３】実施例１エポキシ樹脂［ジャパンエポキシレジン（株）製、ＹＸ−４０００ＨＫ。エポキシ当量１９０ｇ／ｅｑ、融点１０５℃、以下Ｅ−１という］４７重量部フェノール樹脂［三井化学（株）製、ＸＬＣ−ＬＬ、水酸基当量１６５ｇ／ｅｑ、軟化点７５℃、以下Ｈ−１という］４０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）５重量部表面処理された無機充填材１８７０重量部表面処理無機系難燃剤１３０重量部カーボンブラック３重量部カルナバワックス５重量部を混合し、熱ロールを用いて、９５℃で８分間混練して
冷却後粉砕し、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。

【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、金型温度１７５℃、注
入圧力６．９ＭＰａ、硬化時間２分で測定した。スパイ
ラルフローは、流動性のパラメータであり、数値が大き
い方が流動性が良好である。単位はｃｍ。硬化性:キュラストメーター（オリエンテック（株）
製、ＪＳＲキュラストメーターIVＰＳ型）を用い、１７
５℃、４５秒後のトルクを測定した。この値の大きい方
が硬化性は良好である。単位はＮ・ｍ。難燃性：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９．８ＭＰａ、硬化時間１２０秒で
試験片（１２７ｍｍ×１２．７ｍｍ×３．２ｍｍ）を成
形し、アフターベークとして１７５℃、８時間処理した
後、ＵＬ−９４垂直法に準じてΣＦ、Ｆｍａｘを測定
し、難燃性を判定した。熱時曲げ強度・熱時曲げ弾性率：２６０℃での曲げ強度
・曲げ弾性率をＪＩＳＫ６９１１に準じて測定した。
単位はそれぞれＮ／ｍｍ²。耐半田クラック性：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９．８ＭＰａ、硬化時
間１２０秒で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）を成形し、１７５℃、８時間で後硬化した。８
５℃、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。顕微鏡と超
音波探傷装置で観察し、外部クラックと内部剥離の発生
個数（１０個中）で表した。

【００２５】実施例２〜５、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
組成物を得て、実施例１と同様にして評価した。結果を
表１に示す。なお、比較例１〜３に用いる水酸化アルミ
ニウムは、表面処理されていないもので平均粒径４μ
ｍ、比較例４に用いるほう酸亜鉛２ＺｎＯ・３Ｂ₂Ｏ₃・
３．５Ｈ₂Ｏは、表面処理されていないもので平均粒径
５μｍ。

【００２６】

【表１】

【００２７】

【発明の効果】本発明に従うと、流動性、硬化性等の成
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
性、耐半田クラック性に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 CC03X CC05X CC07X CD04W CD05W CD06W DA058 DE078 DE098 DE118 DE147 DE148 DE188 DJ007 DJ017 DJ047 DK008 EU116 EU136 EW016 EW176 EY016 FB087 FB097 FB167 FD017 FD138 FD14X FD156 GQ01 GQ05 4J036 AA01 AC01 AC02 AC03 AD01 AD08 AF01 AF05 AF06 DC41 DC46 DD07 DD09 FA01 FA02 FA03 FA05 FB07 GA04 GA06 JA07 4M109 AA01 EA02 EB04 EB12

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】（Ａ）エポキシ樹脂、（Ｂ）フェノール樹
脂、（Ｃ）硬化促進剤、（Ｄ）予めカップリング剤によ
り表面処理された無機充填材及び（Ｅ）予めカップリン
グ剤により表面処理された水酸化アルミニウム、水酸化
マグネシウム、モリブデン酸亜鉛、ジルコニウム化合
物、赤燐、一般式（１）で示される金属水酸化物固溶体
又は一般式（２）で示されるほう酸亜鉛の群から選ばれ
る無機系難燃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。Ｍｇ_1-yＭ²⁺y （ＯＨ）₂ （１）（式中Ｍ²⁺は、Ｍｎ²⁺、Ｆｅ²⁺、Ｃｏ²⁺、Ｎｉ²⁺、Ｃｕ
²⁺及びＺｎ²⁺の群から選ばれた少なくとも１種の二価金
属イオンを示し、ｙは０．０１≦ｙ≦０．５である）ｐＺｎＯ・ｑＢ₂Ｏ₃・ｒＨ₂Ｏ（２）（式中ｐ、ｑ、ｒは正数）
【請求項２】カップリング剤が、一般式（３）の群から
選ばれる請求項１記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成
物。【化１】
【請求項３】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。