JP2003277476A - エポキシ樹脂組成物及び半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 成形性に優れ、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る特性を有する半
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）ビ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、（Ｂ）ビフェニレン骨
格を有するフェノールアラルキル樹脂、（Ｃ）下式で示
される硬化促進剤及び（Ｄ）無機充填材を必須成分と
し、全エポキシ樹脂組成物中の無機充填材が８０〜９２
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３】

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。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、また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お
り、特に環境負荷物質の撤廃の一環として、無鉛半田へ
の代替対応が進められている。従来の有鉛半田は融点が
１８３℃で、実装時の半田リフロー温度は２２０〜２４
０℃であったが、無鉛半田では融点が高いため、実装時
の半田リフロー温度は、従来より２０℃程度高く、２６
０℃が必要とされる。無鉛半田対応のための半田リフロ
ー温度の変更によって、エポキシ樹脂組成物の硬化物と
パッドとの界面での剥離、半導体素子と半導体樹脂ペー
ストとの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水し、半田リフ
ロー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水性を付与する等の手法がよく用
いられる。エポキシ樹脂組成物の吸水性は構成する樹脂
成分の影響が大きく、その低吸水化の手法として、低吸
水性のエポキシ樹脂及びフェノール樹脂を用いてエポキ
シ樹脂組成物の硬化物の低吸水化を図る方法、または無
機充填材を高充填化し樹脂成分の含有量を減少させる方
法が主流となっている。無機充填材を高充填化した場
合、エポキシ樹脂組成物の流動性及び充填性が低下する
といった問題点がある。

【０００３】また、通常エポキシ樹脂組成物中には十分
な難燃性を付与するために、臭素含有有機化合物及び三
酸化アンチモン、四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ことが多い。しかしながら、近年、
地球環境に配慮した企業活動の重視によって有害性のお
それのある物質の削減・撤廃の動きがあり、臭素含有有
機化合物、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、水酸化アルミニウ
ム、水酸化マグネシウム等の金属水酸化物やリン系難燃
剤等があるが、前者を多量に含むエポキシ樹脂組成物は
成形性、硬化性共、十分に満足できるものでないという
問題があり、また後者を少量でも含むエポキシ樹脂組成
物を用いた半導体装置は高温多湿下での電気特性の安定
性の低下、即ち、半導体装置の抵抗値が時間と共に増大
して半導体素子の導通不良が発生するという問題があっ
た。前述の低吸水性のエポキシ樹脂及びフェノール樹脂
を用いた場合、難燃材を用いなくともＵＬ−９４垂直試
験（試験片厚さ３．２ｍｍ）でＶ−０を達成するもの
の、最近の表面実装用半導体装置を考慮した試験片厚さ
１．６ｍｍではＶ−０を達成できていない。また、無機
充填材を高充填化し樹脂成分の含有量を減少させること
によって難燃性を向上させる手法があるが、無機充填材
を高充填化した場合、エポキシ樹脂組成物の流動性及び
充填性が低下するといった問題点があり、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）
式（１）で示されるエポキシ樹脂、（Ｂ）式（２）で示
されるフェノール樹脂、（Ｃ）式（３）で示される硬化
促進剤及び（Ｄ）無機充填剤を必須成分とし、全エポキ
シ樹脂組成物中の無機充填剤が８０〜９２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】

【０００７】

【化５】

【０００８】

【化６】

【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】本発明で用いられる式（１）で示
されるエポキシ樹脂は、エポキシ基間に疎水性で剛直な
ビフェニレン骨格を有しており、架橋密度が低い割には
耐熱性の低下が少なく、これを用いたエポキシ樹脂組成
物の硬化物は、吸水率が低く、ガラス転移温度を越えた
高温域での弾性率が低く、半導体素子やリードフレーム
との密着性に優れる。従って、このエポキシ樹脂を用い
たエポキシ樹脂組成物で封止された半導体装置は、実装
時の半田リフロー下でも高い信頼性を得ることが出来
る。式（１）中のｎは平均値で、好ましくは１〜５の正
数、特に好ましくは１〜３の正数である。下限値を下回
るとエポキシ樹脂組成物の硬化性が低下するので好まし
くない。上限値を越えると樹脂粘度が高くなりエポキシ
樹脂組成物の流動性が低下し、ひいては無機充填材の高
充填化ができなくなるので好ましくない。

【００１１】式（１）で示されるエポキシ樹脂の使用量
は、これを調節することにより、耐半田クラック性を最
大限に引き出すことが出来る。耐半田クラック性の効果
を引き出すためには、式（１）で示されるエポキシ樹脂
を全エポキシ樹脂中５０重量％以上、更に好ましくは７
０重量％以上含むものが望ましい。下限値を下回ると硬
化物が燃焼しやすくなったり吸水率が高くなったり、弾
性率が高くなったりして、耐半田クラック性が低下する
おそれがある。式（１）で示されるエポキシ樹脂と併用
する場合のエポキシ樹脂としては、分子中にエポキシ基
を有するモノマー、オリゴマー及びポリマー全般で、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、クレゾールノボラッ
ク型エポキシ樹脂、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、
トリフェノールメタン型エポキシ樹脂、ナフトール型エ
ポキシ樹脂、ナフタレン型エポキシ樹脂、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
型エポキシ樹脂等が挙げられる。他のエポキシ樹脂を併
用すると成形性が劣るおそれがある。

【００１２】本発明で用いられる式（２）で示されるフ
ェノール樹脂は、フェノール性水酸基間に疎水性で剛直
なビフェニレン骨格を有しており、これを用いたエポキ
シ樹脂組成物の硬化物は、吸水率が低く、ガラス転移温
度を越えた高温域での弾性率が低く、半導体素子やリー
ドフレームとの密着性に優れる。また架橋密度が低い割
には耐熱性が高いという特徴を有している。従って、こ
のフェノール樹脂を用いたエポキシ樹脂組成物で封止さ
れた半導体装置は、実装時の半田リフロー下でも高い信
頼性を得ることが出来る。式（２）中のｎは平均値で、
好ましくは１〜５の正数、特に好ましくは１〜３の正数
である。下限値を下回るとエポキシ樹脂組成物の硬化性
が低下するので好ましくない。上限値を越えると樹脂粘
度も高くなりエポキシ樹脂組成物の流動性が低下し、ひ
いては無機充填材の高充填化ができなくなるので好まし
くない。

【００１３】式（２）で示されたフェノール樹脂の使用
量は、これを調節することにより耐半田クラック性を最
大限に引き出すことが出来る。耐半田クラック性の効果
を引き出すためには、一般式（２）で示されるフェノー
ル樹脂を、全フェノール樹脂中５０重量％以上、更に好
ましくは７０重量％以上含むものが望ましい。下限値を
下回ると、燃焼しやすくなったり、吸水率が高くなった
り、弾性率が高くなったりして、耐半田クラック性が低
下する可能性がある。式（２）で示されるフェノール樹
脂と併用する場合は、分子中にフェノール性水酸基を有
するモノマー、オリゴマー、ポリマー全般で、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、
ナフトールアラルキル樹脂、トリフェノールメタン樹
脂、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等が挙げられる。本発明に用いら
れる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当量比［（エポキシ基数）／
（フェノール性水酸基数）］は、好ましくは０．５〜２
であり、特に好ましくは０．７〜１．５である。前記範
囲を外れると、エポキシ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】本発明に用いる式（３）で示される硬化促
進剤は、常温では触媒活性を示さないのでエポキシ樹脂
組成物の硬化反応が進むことがなく、成形時の高温にお
いて触媒活性が発現し、エポキシ樹脂組成物を硬化させ
る特徴を有している。特に、比較的狭い温度領域におい
て急激に触媒活性を発現する特徴があることから、これ
を用いたエポキシ樹脂組成物を成形金型に注入した初期
には、反応が大幅に進行することなく流動時の溶融粘度
を低くできるため、無機充填材の配合量を上げても十分
な流動性を保つことができ、無機充填材の配合量を上げ
た結果として難燃性、耐半田性を向上させることができ
るという顕著な特徴を有している。また注入終了後に
は、その高い触媒活性によってエポキシ樹脂組成物を高
度に硬化させることができるため、流動性と硬化性が両
立できるという優れた成形性を示すものである。硬化促
進剤の含有量としては、全エポキシ樹脂組成物中０．１
〜１重量％が好ましい。下限値を下回るとエポキシ樹脂
組成物の硬化促進効果が十分でなく、上限値を越えると
エポキシ樹脂組成物の流動性が低下し好ましくない。

【００１５】本発明で用いる無機充填材の種類について
は特に制限はなく、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、チ
タンホワイト、水酸化アルミニウム、窒化珪素等が挙げ
られ、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
充填する点や、流動性、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が好ましい。最大粒径として
は７５μｍ以下、平均粒径としては５〜２５μｍが好ま
しい。粒度分布として、流動性改善と成形時のエポキシ
樹脂組成物の溶融粘度を低減さすため粒度分布がブロー
ドであることが好ましい。

【００１６】無機充填材の配合量としては、全エポキシ
樹脂組成物中８０〜９２重量％が好ましい。下限値を下
回るとエポキシ樹脂組成物の硬化物の低吸水性が得られ
ず、しかも半田リフロー温度での強度が低下してしまう
ため、耐半田クラック性が不十分となり、また難燃性が
低下し好ましくない。上限値を越えるとエポキシ樹脂組
成物の流動性が低下し、成形時に充填不良や半導体素子
のパッドシフトが発生し易くなり、また高粘度化による
半導体装置内の金線変形等の不都合を生じるおそれがあ
るので好ましくない。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水率を減少で
き、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適宜配合量を調整すれば良い。本
発明に用いる無機充填材は、予め十分に混合しておくこ
とが好ましく、必要に応じて無機充填材をシランカップ
リング剤やエポキシ樹脂或いはフェノール樹脂で予め被
覆処理しても良い。被覆処理の方法としては、溶剤を用
いて混合した後に溶媒を除去する方法や直接無機充填材
に添加し混合する方法等がある。

【００１７】本発明のエポキシ樹脂組成物には、臭素含
有有機化合物、アンチモン化合物、金属水酸化物、或い
はリン系難燃剤等の難燃剤を含有しなくても、ＵＬ−９
４垂直試験（試験片厚さ１．６ｍｍ）で、Ｖ−０を達成
できるものである。ところが、意図して難燃剤を添加し
なくとも、原料や製造段階において上記の難燃剤が混入
する可能性があり、難燃剤の混入量を完全に０重量％に
することは経済上の理由から困難である場合がある。し
かしながら、上記難燃剤の混入量がｐｐｍ、ｐｐｂのオ
ーダーであれば、本発明の成形性、耐半田クラック性等
の効果は阻害されない。本発明のエポキシ樹脂組成物
は、（Ａ）〜（Ｄ）成分の他、必要に応じて酸化ビスマ
ス水和物等の無機イオン交換体、γ−グリシドキシプロ
ピルトリメトキシシラン等のカップリング剤、カーボン
ブラック、ベンガラ等の着色剤、シリコーンオイル、シ
リコーンゴム等の低応力化成分、天然ワックス、合成ワ
ックス、高級脂肪酸及びその金属塩類もしくはパラフィ
ン等の離型剤、酸化防止剤等の各種添加剤を配合するこ
とができる。式（３）で示される硬化促進剤の特性を損
なわない範囲で、１，８−ジアザビシクロ（５，４，
０）ウンデセン−７、２−メチルイミダゾール等の硬化
促進剤と併用しても何ら問題はない。

【００１８】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
常温混合し、ロール、ニーダー、押出機等の混練機で加
熱混練し、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。

【００１９】

【実施例】以下に、本発明の実施例を挙げて詳細に説明
するが、本発明はこれらに限定されるものではない。各
成分の配合割合は重量部とする。 実施例１ エポキシ樹脂ａ：式（１）で示されるエポキシ樹脂（軟化点６０℃、エポキシ 当量２７０、１５０℃でのＩＣＩ溶融粘度０．８×１０²ｍＰａ・ｓ、） ４．８重量部

【化７】

【００２０】 フェノール樹脂ｅ：式（２）で示されるフェノール樹脂（軟化点６５℃、水酸 基当量２０３、１５０℃でのＩＣＩ溶融粘度１．０×１０²ｍＰａ・ｓ、） ３．４重量部

【化８】

【００２１】 硬化促進剤ｉ：式（３）で示される硬化促進剤 ０．５重量部

【化９】

【００２２】 球状溶融シリカ（平均粒径２２μｍ） ９０．０重量部 カルナバワックス ０．３重量部 酸化ビスマス水和物 ０．３重量部 γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン ０．４重量部 カーボンブラック ０．３重量部 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
エポキシ樹脂組成物を得た。この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。

【００２３】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。 ・硬化性：キュラストメータ（（株）オリエンテック・
製、ＪＳＲキュラストメータＩＶＰＳ型）を用い、金型
温度１７５℃、加熱開始９０秒後、３００秒後のトルク
を求め、トルク比＝（９０秒後のトルク）／（３００秒
後のトルク）を計算した。このトルク比は硬化性のパラ
メータであり、トルク比の大きい方が硬化性が良好であ
る。 ・熱時曲げ強度・熱時曲げ弾性率：低圧トランスファー
成形機を用いて、金型温度１７５℃、９．８ＭＰａ、硬
化時間１２０秒で、長さ８０ｍｍ、幅１０ｍｍ、厚さ４
ｍｍの試験片を成形し、ポストキュアとして１７５℃で
８時間加熱処理した後、熱時曲げ強度及び熱時曲げ弾性
率をＪＩＳ Ｋ６９１１に準じて（２６０℃で）測定し
た。単位はいずれもＮ／ｍｍ²。 ・吸水率：低圧トランスファー成形機を用いて金型温度
１７５℃、９．８ＭＰａ、硬化時間１２０秒で直径５０
ｍｍ、厚さ３ｍｍの円盤状試験片を成形し、ポストキュ
アとして１７５℃で８時間加熱処理した。試験片の吸水
処理前と、８５℃、相対湿度８５％の環境下で１６８時
間加湿処理した後の重量変化を測定し、試験片の吸水率
を百分率で示した。単位は重量％。 ・充填性：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９．３ＭＰａ、硬化時間１分で１
６０ｐＬＱＦＰ（厚さ１．４ｍｍ、チップサイズ７ｍｍ
×７ｍｍ）を成形した（２０パッケージ／ショット、１
０ショット）。未充填が発生したパッケージの数から
［（未充填パッケージ数）／（全パッケージ数）×１０
０］］を求め、０％のものを○、２０％未満のものを
△、２０％以上のものを×とした。ｎ＝１００。 ・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９．３ＭＰａ、硬化時間
１分で、１６０ｐＬＱＦＰ（厚さ１．４ｍｍ、チップサ
イズ７ｍｍ×７ｍｍ）を成形した。ポストキュアとして
１７５℃で８時間加熱処理したパッケージ５個を、８５
℃、相対湿度６０％の環境下で１６８時間加湿処理した
後、ＩＲリフロー処理（２６０℃）を行った。処理後の
内部の剥離又は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：
低圧トランスファー成形機を用いて、金型温度１７５
℃、９．８ＭＰａ、硬化時間１２０秒で、長さ１２７ｍ
ｍ、幅１２．７ｍｍ、厚さ１．６ｍｍ及び３．２ｍｍの
試験片を成形し、ポストキュアとして１７５℃で８時間
加熱処理した後、ＵＬ−９４垂直試験を行い、難燃性を
判定した。

【００２４】実施例２〜１２、比較例１〜７ 表１及び表２の処方に従い、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、表２に示す。以下に実施例１以外で用
いた原材料を示す。 硬化促進剤ｊ：１，８−ジアザビシクロ（５，４，０）
ウンデセンー７

【００２５】エポキシ樹脂ｂ：式（１）で示されるエポ
キシ樹脂（軟化点５８℃、エポキシ当量２７６、１５０
℃でのＩＣＩ溶融粘度０．７×１０²ｍＰａ・ｓ、）

【化１０】

【００２６】フェノール樹脂ｆ：式（２）で示されるフ
ェノール樹脂（軟化点６８℃、水酸基当量２０３、１５
０℃でのＩＣＩ溶融粘度０．８×１０²ｍＰａ・ｓ、）

【化１１】

【００２７】エポキシ樹脂ｃ：式（４）で示されるエポ
キシ樹脂（融点１０５℃、エポキシ当量１８５、１５０
℃でのＩＣＩ溶融粘度０．２×１０²ｍＰａ・ｓ）

【化１２】

【００２８】フェノール樹脂ｇ：式（５）で示されるフ
ェノール樹脂（軟化点６５℃、水酸基当量１６８、１５
０℃でのＩＣＩ溶融粘度０．９×１０²ｍＰａ・ｓ）

【化１３】

【００２９】エポキシ樹脂ｄ：式（６）で示されるエポ
キシ樹脂（融点４５℃、エポキシ当量１７２、１５０℃
でのＩＣＩ溶融粘度０．１×１０²ｍＰａ・ｓ）

【化１４】

【００３０】フェノール樹脂ｈ：式（７）で示されるフ
ェノール樹脂（軟化点７８℃、水酸基当量１１２、１５
０℃でのＩＣＩ溶融粘度０．７×１０²ｍＰａ・ｓ）

【化１５】

【００３１】

【表１】

【００３２】

【表２】

【００３３】

【発明の効果】本発明に従うと、成形性に優れる半導体
封止用エポキシ樹脂組成物が得られ、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できる。

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｌ 23/31

Claims (2)

【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（２）で示されるフェノール樹脂、（Ｃ）
   式（３）で示される硬化促進剤及び（Ｄ）無機充填剤を
   必須成分とし、全エポキシ樹脂組成物中の無機充填剤が
   ８０〜９２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】 【化２】 【化３】
2. 【請求項２】 請求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。