JP2003213089A - 半導体封止用エポキシ樹脂組成物及び半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 放熱性が要求される半導体装置の製造に好適
に用いられる半導体封止用エポキシ樹脂組成物を提供す
る。 【解決手段】 エポキシ樹脂、充填材、硬化剤、硬化促
進剤を含む半導体封止用エポキシ樹脂組成物に関する。
充填材として、平均粒径が３０〜６０μｍである球状ア
ルミナと平均粒径が１０μｍである球状アルミナとを併
用する。全充填材を半導体封止用エポキシ樹脂組成物全
量に対して８５〜９５質量％含有する。硬化促進剤とし
て、融点が１５０〜３５０℃であるものを用いる。これ
を半導体封止用エポキシ樹脂組成物全量に対して０．０
５〜０．５質量％含有する。成形時において流動性が高
く成形性を向上することができる。また金型の磨耗を防
止することができる。硬化時において熱伝導率が高く放
熱性を向上することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体素子（チッ
プ）を封止するために用いられる半導体封止用エポキシ
樹脂組成物、及びこれを用いて製造される半導体装置に
関するものであり、より詳しくは、放熱性が要求される
パワートランジスタ等のパワーデバイスを製造する際に
好適に用いられる半導体封止用エポキシ樹脂組成物、及
びこれを用いて製造されるパワーデバイス等の半導体装
置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】トランジスタ等の半導体装置は、リード
フレームに半導体素子を接合し、この半導体素子表面の
電極と外部リードとをワイヤにより電気的に接続した後
に、これを熱硬化性エポキシ樹脂等の封止樹脂を用いて
封止することによって、製造されている。

【０００３】このようにして製造される半導体装置のう
ち、パワートランジスタに代表されるパワーデバイスに
あっては、電力用として使用されたり、大電力を扱う回
路に使用されたりすることによって、大きな電流が流れ
て多量の熱が発生し高温となるものである。そのため通
常、封止樹脂として結晶シリカを高充填したものを用
い、これによって放熱することが行われている。結晶シ
リカのほか、窒化珪素、窒化アルミニウム、アルミナ粉
末等も用いられる。これらのものは熱伝導率が高いた
め、上記のように放熱性を得ることができるのである。

【０００４】また、パワーデバイスは他の半導体装置に
比べて多量の熱を発生し高温となりやすいものであるた
め、他の半導体装置に用いられる封止樹脂と同じものを
用いてパワーデバイスを製造したのでは、封止樹脂の熱
膨張が顕著に起こり、半導体素子と封止樹脂との界面に
剥離やクラックが生じ易くなるものである。そのため、
他の半導体装置に用いられる封止樹脂よりも熱膨張率
（線膨張係数：α１）の低いものが、パワーデバイス製
造用の封止樹脂として用いられる。そして封止樹脂の熱
膨張率を低減するにあたっては、封止樹脂に非晶質シリ
カを高充填することによって行われている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ように放熱性を高めたり熱膨張率を低減したりするため
に、封止樹脂における充填材の含有量を増加させていく
と、封止樹脂の粘度が上昇し、成形時において流動性が
低下することによって、成形性が損なわれるという問題
が生じる。

【０００６】また、熱伝導率が高い結晶シリカ、窒化珪
素、窒化アルミニウム、アルミナ粉末等を使用すること
によって、封止に用いられるトランスファー成形用金型
等の金型の磨耗が激しくなり生産性に悪影響を及ぼすと
いうことも知られている。

【０００７】さらに近年においては、ＩＣ技術を組み込
んだインテリジェント化の進展に伴い、パワーデバイス
としては、ワンチップで構成されるものやモジュールタ
イプのものが出現し、封止樹脂に対して耐湿信頼性等の
更なる信頼性の向上が求められているものである。

【０００８】本発明は上記の点に鑑みてなされたもので
あり、成形時において流動性が高く成形性に優れている
と共に金型の磨耗を防止することができ、硬化時におい
て熱伝導率が高く放熱性に優れている半導体封止用エポ
キシ樹脂組成物、及びこれを用いて製造される放熱性に
優れた半導体装置を提供することを目的とするものであ
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１に係る
半導体封止用エポキシ樹脂組成物は、エポキシ樹脂、充
填材、硬化剤、硬化促進剤を含む半導体封止用エポキシ
樹脂組成物において、充填材として、平均粒径が３０〜
６０μｍである球状アルミナと平均粒径が１０μｍであ
る球状アルミナとを併用し、全充填材を半導体封止用エ
ポキシ樹脂組成物全量に対して８５〜９５質量％含有す
ると共に、硬化促進剤として、融点が１５０〜３５０℃
であるものを用い、これを半導体封止用エポキシ樹脂組
成物全量に対して０．０５〜０．５質量％含有して成る
ことを特徴とするものである。

【００１０】また請求項２の発明は、請求項１におい
て、硬化促進剤全量に対して、融点が１５０〜３５０℃
である硬化促進剤を５０質量％以上含有して成ることを
特徴とするものである。

【００１１】また請求項３の発明は、請求項１又は２に
おいて、充填材全量のうち、７０質量％以上のものが球
状アルミナであると共に、残りのものが溶融シリカであ
ることを特徴とするものである。

【００１２】また請求項４の発明は、請求項１乃至３の
いずれかにおいて、硬化促進剤として、有機ホスフィ
ン、イミダゾール及びこれらの誘導体からなる群より選
ばれる少なくとも１種のものを用いて成ることを特徴と
するものである。

【００１３】また請求項５に係る半導体装置は、請求項
１乃至４のいずれかに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成ることを特徴と
するものである。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を説明
する。

【００１５】本発明に係る半導体封止用エポキシ樹脂組
成物は、エポキシ樹脂、充填材、硬化剤、硬化促進剤を
含むものである。

【００１６】エポキシ樹脂としては、特に限定されるも
のではないが、例えば、オルトクレゾールノボラック型
エポキシ樹脂、トリフェニルメタン型エポキシ樹脂、ブ
ロム化エポキシ樹脂、ナフタレン環を有するエポキシ樹
脂等を用いることができる。

【００１７】また硬化剤としては、１分子中に２個以上
のフェノール性水酸基を有するものであれば特に限定さ
れるものではないが、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、ナフトール樹脂等を用
いることができる。

【００１８】そして本発明において充填材としては、平
均粒径が３０〜６０μｍである球状アルミナと平均粒径
が１０μｍである球状アルミナとを併用するものであ
る。このように平均粒径が異なる２種の球状アルミナを
用いることによって、成形時において、封止樹脂である
半導体封止用エポキシ樹脂組成物の流動性が向上し、成
形性を高めることができると共に、金型の磨耗を防止す
ることができるものである。金型の磨耗を防止する効果
については、特に平均粒径が１０μｍである球状アルミ
ナが貢献しているものと考えられる。平均粒径が異なる
２種の球状アルミナのうち一方を欠いたり、またアルミ
ナの形状が球状以外のものであったりすると、成形性を
高め、かつ金型の磨耗を防止することは不可能である。
さらに、平均粒径が異なる２種の球状アルミナを併用す
るにしても、平均粒径が大きい方の球状アルミナについ
て平均粒径が３０μｍ未満であると、成形時において封
止樹脂が流動しにくくなり成形性が悪化するものであ
り、逆に平均粒径が６０μｍを超えると、充填性が低下
し成形後の封止樹脂（成形品）中にボイドが発生した
り、金型の表面が磨耗しやすくなったりするものであ
る。

【００１９】また充填材としては、平均粒径が３０〜６
０μｍである球状アルミナと平均粒径が１０μｍである
球状アルミナと共に、溶融シリカを併用することもでき
る。溶融シリカの好ましい平均粒径は１〜３５μｍであ
る。そして充填材が、球状アルミナのみからなる場合で
あっても、球状アルミナと溶融シリカからなる場合であ
っても、本発明においては全充填材を半導体封止用エポ
キシ樹脂組成物全量に対して８５〜９５質量％含有する
ようにしている。このように全充填材の含有量を設定し
ておけば、パワーデバイスのように多量の熱を発生して
高温となる半導体装置において、封止樹脂の熱膨張を極
めて小さく抑えることができ、半導体素子と封止樹脂と
の界面に剥離やクラックが生じるのを防止することがで
きるものである。全充填材の含有量が８５質量％未満で
あると、熱膨張率を十分低減することができないばかり
か、熱伝導率の低下を招き、成形後の封止樹脂が十分な
放熱性を得ることができなくなるものであり、逆に９５
質量％を超えると、成形時において、半導体素子表面の
電極と外部リードとを電気的に接続しているワイヤが、
金型内に圧入された封止樹脂によって曲げられる、いわ
ゆるワイヤ流れが発生しやすくなるものである。

【００２０】また充填材として、球状アルミナと溶融シ
リカからなるものを用いる場合は、充填材全量のうち、
７０質量％以上のものが球状アルミナであると共に、残
りのものが溶融シリカであることが好ましい。球状アル
ミナが全充填材の７０質量％未満であると、熱伝導率が
低下し、成形後において封止樹脂が十分な放熱性を得る
ことができなくなるおそれがある。

【００２１】また本発明において硬化促進剤としては、
融点が１５０〜３５０℃であるものを用いるものであ
る。融点が１５０℃未満であるものを用いると、比較的
低温下で封止樹脂の硬化が促進されることとなり、封止
樹脂の反応性が高まり、粘度が上昇してワイヤ流れが発
生しやすくなるものであり、逆に融点が３５０℃を超え
るものを用いると、比較的高温下でなければ封止樹脂の
硬化が促進されないこととなり、封止樹脂の反応性が低
下するものである。

【００２２】ここで、融点が１５０〜３５０℃である硬
化促進剤としては、有機ホスフィン（有機フォスフィ
ン）、イミダゾール及びこれらの誘導体からなる群より
選ばれる少なくとも１種のものを用いることが好まし
い。かかる硬化促進剤と用いると、耐湿信頼性等の信頼
性を向上させることができると共に、成形性をより高く
得ることができるものである。

【００２３】また硬化促進剤としては、融点が１５０〜
３５０℃であるものと共に、融点が１５０℃未満である
ものや融点が３５０℃を超えるものを併用することもで
きる。この場合には硬化促進剤全量に対して、融点が１
５０〜３５０℃である硬化促進剤を５０質量％以上含有
することが好ましい。５０質量％未満であると、硬化時
間が極端に短くなったり長くなったりして硬化性が悪化
するおそれがある。

【００２４】さらに本発明においては、融点が１５０〜
３５０℃である硬化促進剤を半導体封止用エポキシ樹脂
組成物全量に対して０．０５〜０．５質量％含有するよ
うにしている。上記硬化促進剤の含有量が０．０５質量
％未満であると、硬化時間が長くなって硬化性が悪化す
るものであり、逆に０．５質量％を超えると、金型の表
面が磨耗しやすくなったり、耐湿信頼性等の信頼性が著
しく悪化したりするものである。

【００２５】そして、上記のエポキシ樹脂、充填材、硬
化剤、硬化促進剤を配合し、さらに必要に応じて三酸化
アンチモン等の難燃剤、離型剤、カーボンブラック等の
着色剤を配合し、これをミキサーやブレンダー等で均一
に混合した後にカップリング剤等を配合し、ニーダーや
ロールで加熱混練することによって、半導体封止用エポ
キシ樹脂組成物を調製することができる。混練物を必要
に応じて冷却固化し、粉砕して粉状等にして使用するよ
うにしてもよい。なお、上記離型剤としては、通常の封
止樹脂に使用されるものであれば制限されることなく用
いることができるが、例えば、カルナバワックス、ステ
アリン酸、モンタン酸、モンタン酸エステル、リン酸エ
ステル等を用いることができる。

【００２６】上記のようにして調製した半導体封止用エ
ポキシ樹脂組成物を用いて半導体素子を封止することに
よって、半導体装置を製造することができる。例えば、
Ｃｕ系又はＦｅ系のリードフレームに半導体素子を接合
し、この半導体素子表面の電極と外部リードとをＡｌ
線、Ａｕ線、Ｃｕ線等のワイヤにより電気的に接続した
後に、これをトランスファー成形用金型にセットし、ト
ランスファー成形を行うことによって、半導体素子を半
導体封止用エポキシ樹脂組成物による成形品に封止した
半導体装置を製造することができるものである。

【００２７】上記のようにして半導体装置を製造するに
あたって、本発明に係る半導体封止用エポキシ樹脂組成
物については、成形時において高い流動性を確保するこ
とができ、成形性を向上させることができるものであ
り、成形品の量産を安定して実施することができるもの
である。しかも、成形時において上記半導体封止用エポ
キシ樹脂組成物は、金型のキャビティ、ランナー、ゲー
ト等の部分を流れるが、それによって生じる磨耗の程度
は従来よりも格段に減少するので、金型の寿命が長くな
り、良好な生産性を長期にわたって維持することが可能
となるものである。

【００２８】そして、本発明に係る半導体封止用エポキ
シ樹脂組成物は、硬化時において高い熱伝導率を確保す
ることができるので、特に放熱性が要求されるパワート
ランジスタ等のパワーデバイスを製造する際に封止樹脂
として好適に用いることができるものである。すなわち
この場合には、半導体素子等から発生する多量の熱を素
早く外部に逃がすことができ、半導体素子等の性能を安
定化させると共に長寿命化を図ることができるものであ
る。また、パワーデバイス内部に熱が滞留しにくくなる
ので、封止樹脂の熱膨張が抑制され、半導体素子と封止
樹脂との界面に剥離やクラックが生じにくくなるもので
ある。

【００２９】なお、本発明に係る半導体封止用エポキシ
樹脂組成物を成形して得られる成形品について、熱伝導
率は２．３Ｗ／ｍ・ｓ以上となり、また線膨張係数（α
１）は１．４ｐｐｍ以下となり、また金型の磨耗の程度
は充填材として結晶シリカを用いた場合の半分となり、
さらに耐湿信頼性は硬化促進剤を０．５質量％を超えて
用いた場合に比べて良好となる。

【００３０】

【実施例】以下、本発明を実施例によって具体的に説明
する。

【００３１】（実施例１〜４及び比較例１〜３）エポキ
シ樹脂として、オルトクレゾールノボラック型エポキシ
樹脂である住友化学工業（株）製「ＥＳＣＮ１９５」
（エポキシ当量ｅｑ＝１９５）、ブロム化エポキシ樹脂
である住友化学工業（株）製「ＥＳＢ４００」を用い
た。

【００３２】また充填材として、球状アルミナである昭
和電工（株）製「ＡＳ１０」（平均粒径３７μｍ）、球
状アルミナである昭和電工（株）製「ＡＳ５０」（平均
粒径１０μｍ）、溶融シリカである電気化学工業（株）
製「ＦＢ６０」（平均粒径２３μｍ）を用いた。

【００３３】また硬化剤として、フェノールノボラック
樹脂である群栄化学（株）製「ＰＳＭ６２００」（水酸
基当量ｅｑ＝１０５） また硬化促進剤として、トリフェニルホスフィンである
北興化学工業（株）製「ＴＰＰ」（融点８２℃）、有機
ホスフィン系である北興化学工業（株）製「ＴＰＰ−
Ｋ」（融点３０５℃）、イミダゾール系である四国化成
工業（株）製「２ＰＨＺ」（融点２１８℃）を用いた。

【００３４】また難燃剤である三酸化アンチモン、離型
剤であるカルナバワックス、着色剤であるカーボンブラ
ックを用いた。

【００３５】そして、表１に示す配合量で、上記のエポ
キシ樹脂、充填材、硬化剤、硬化促進剤、難燃剤、離型
剤、着色剤を配合し、これをミキサーで均一に混合した
後にニーダーで加熱混練することによって、実施例１〜
４及び比較例１〜３の半導体封止用エポキシ樹脂組成物
を調製した。このようにして得た半導体封止用エポキシ
樹脂組成物を用いて、以下のような特性評価を行った。

【００３６】１．線膨張係数 上記の半導体封止用エポキシ樹脂組成物を用いてＪＩＳ
規格の成形品を成形し、この成形品についてＴＭＡ装置
（理学電機（株）製）を用いて線膨張係数を測定した。
その結果を表１に示す。

【００３７】２．熱伝導率 上記の半導体封止用エポキシ樹脂組成物を用いてテスト
ピース（φ１００ｍｍ、２５ｍｍ厚）を成形し、このテ
ストピースについて、非定常プローブ法のＱＴＭ−Ｄ３
（京都電子工業（株）製）を用いて熱伝導率を測定し
た。その結果を表１に示す。

【００３８】３．金型磨耗性 予め質量を測定しておいたアルミニウム製オリフィス
（ノズル径φ１．５ｍｍ）の中に、上記の半導体封止用
エポキシ樹脂組成物を溶融させて注入した。その後、上
記オリフィスから半導体封止用エポキシ樹脂組成物を除
去し、再度オリフィスの質量を測定した。そして、注入
に用いた半導体封止用エポキシ樹脂組成物全量（ｇ）に
対する注入前後のオリフィスの質量差（ｍｇ）の割合を
求め、これを磨耗量として金型磨耗性を評価した。その
結果を表１に示す。

【００３９】４．耐湿信頼性 ３μｍのアルミニウム配線で回路が形成された試験用半
導体素子（ＴＥＧ）を１６ピンＤＩＰフレームに搭載
し、これを上記の半導体封止用エポキシ樹脂組成物で封
止成形することによって、１６ピンＤＩＰを製造した。
そして、１３０℃、８５％ＲＨの条件下において上記１
６ピンＤＩＰの回路に３０Ｖの電圧を印加し、このとき
から不良が発生するまでの経過時間を計測することによ
って、耐湿信頼性を評価した。その結果を表１に示す。

【００４０】

【表１】

【００４１】表１にみられるように、実施例１〜４のも
のはいずれも、熱伝導率が大きく、線膨張係数が小さ
く、金型が磨耗しにくく、耐湿信頼性に富むものである
ことが確認される。

【００４２】これに対して、平均粒径が１０μｍである
球状アルミナを全く使用していない比較例１のものは、
熱伝導率、線膨張係数、耐湿信頼性については実施例１
〜４と同程度であるものの、金型が磨耗しやすいことが
確認される。また、融点が１５０〜３５０℃である硬化
促進剤を全く使用していない比較例２のものも、比較例
１と同様に金型が磨耗しやすくなるが、その程度は比較
例１のものよりも激しいことが確認される。さらに、融
点が１５０〜３５０℃である硬化促進剤を封止樹脂全量
に対して０．５質量％を超えて使用した比較例３のもの
は、熱伝導率、線膨張係数、金型の磨耗の程度について
は実施例１〜４と同程度であるものの、耐湿信頼性が著
しく悪いことが確認される。

【００４３】

【発明の効果】上記のように本発明の請求項１に係る半
導体封止用エポキシ樹脂組成物は、エポキシ樹脂、充填
材、硬化剤、硬化促進剤を含む半導体封止用エポキシ樹
脂組成物において、充填材として、平均粒径が３０〜６
０μｍである球状アルミナと平均粒径が１０μｍである
球状アルミナとを併用し、全充填材を半導体封止用エポ
キシ樹脂組成物全量に対して８５〜９５質量％含有する
と共に、硬化促進剤として、融点が１５０〜３５０℃で
あるものを用い、これを半導体封止用エポキシ樹脂組成
物全量に対して０．０５〜０．５質量％含有しているの
で、成形時においては高い流動性を確保することがで
き、成形性を向上させることができると共に金型の磨耗
を防止することができ、また硬化時においては高い熱伝
導率を確保することができ、放熱性を向上させることが
できるものである。

【００４４】また請求項２の発明は、硬化促進剤全量に
対して、融点が１５０〜３５０℃である硬化促進剤を５
０質量％以上含有しているので、硬化性の悪化を防止す
ることができるものである。

【００４５】また請求項３の発明は、充填材全量のう
ち、７０質量％以上のものが球状アルミナであると共
に、残りのものが溶融シリカであるので、熱伝導率の低
下を抑え、成形後において十分な放熱性を得ることがで
きるものである。

【００４６】また請求項４の発明は、硬化促進剤とし
て、有機ホスフィン、イミダゾール及びこれらの誘導体
からなる群より選ばれる少なくとも１種のものを用いて
いるので、信頼性を向上することができると共に、成形
性をより高く得ることができるものである。

【００４７】また請求項５に係る半導体装置は、請求項
１乃至４のいずれかに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いるので、パワー
トランジスタ等のパワーデバイスとして用いても、半導
体素子等から発生する熱を素早く外部に逃がすことがで
きるものである。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 エポキシ樹脂、充填材、硬化剤、硬化促
   進剤を含む半導体封止用エポキシ樹脂組成物において、
   充填材として、平均粒径が３０〜６０μｍである球状ア
   ルミナと平均粒径が１０μｍである球状アルミナとを併
   用し、全充填材を半導体封止用エポキシ樹脂組成物全量
   に対して８５〜９５質量％含有すると共に、硬化促進剤
   として、融点が１５０〜３５０℃であるものを用い、こ
   れを半導体封止用エポキシ樹脂組成物全量に対して０．
   ０５〜０．５質量％含有して成ることを特徴とする半導
   体封止用エポキシ樹脂組成物。
2. 【請求項２】 硬化促進剤全量に対して、融点が１５０
   〜３５０℃である硬化促進剤を５０質量％以上含有して
   成ることを特徴とする請求項１に記載の半導体封止用エ
   ポキシ樹脂組成物。
3. 【請求項３】 充填材全量のうち、７０質量％以上のも
   のが球状アルミナであると共に、残りのものが溶融シリ
   カであることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導
   体封止用エポキシ樹脂組成物。
4. 【請求項４】 硬化促進剤として、有機ホスフィン、イ
   ミダゾール及びこれらの誘導体からなる群より選ばれる
   少なくとも１種のものを用いて成ることを特徴とする請
   求項１乃至３のいずれかに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乃至４のいずれかに記載の半導
   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
   して成ることを特徴とする半導体装置。