JP2004091533A

JP2004091533A - エポキシ樹脂組成物及び半導体装置

Info

Publication number: JP2004091533A
Application number: JP2002251703A
Authority: JP
Inventors: Takafumi Sumiyoshi; 住吉　孝文
Original assignee: Sumitomo Bakelite Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Bakelite Co Ltd
Priority date: 2002-08-29
Filing date: 2002-08-29
Publication date: 2004-03-25

Abstract

【課題】難燃性、耐半田リフロー性、成形性に優れ、ハロゲン系難燃剤及びアンチモン化合物を使用しない環境にやさしい半導体封止用エポキシ樹脂組成物を提供する。
【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）１２５℃／２０時間の温水抽出時でのナトリウムイオン検出量が３０ｐｐｍ以下である水酸化マグネシウム、及び（Ｅ）（Ｄ）成分を除く無機充填材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

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、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、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いる。中でも、アルミ配線の微細化・高集積化に伴い、耐湿信頼性などで高い信頼性が要求されている。耐湿信頼性を低下させる原因としては封止材中からのイオン性不純物の溶出等が挙げられ、特にナトリウムイオンや塩素イオンなどの低減が盛んに検討されている。
【０００３】
また、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、通常臭素原子含有難燃剤、及び三酸化アンチモン、四酸化アンチモン、五酸化アンチモンなどのアンチモン化合物が配合されている。しかしながら、世界的な環境保護の意識の高まりの中、ハロゲン系難燃剤やアンチモン化合物を使用しないで、難燃性を有するエポキシ樹脂組成物の要求が大きくなってきている。
これらの要求に対して、種々の難燃剤が検討されている。例えば、金属水酸化物の中でも水酸化マグネシウムが盛んに検討されてきたが、これらは多量に配合しないと難燃性の効果が発現せず、イオン性不純物としてナトリウムイオンが検出されるため耐湿信頼性の低下を招く恐れがある。
【０００４】
即ち、難燃性、成形性、耐湿信頼性に優れ、ハロゲン系難燃剤及びアンチモン化合物を使用しない環境にやさしいエポキシ樹脂組成物が求められている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、難燃性、成形性、耐湿信頼性に優れ、ハロゲン系難燃剤及びアンチモン化合物を使用しない環境にやさしい半導体封止用エポキシ樹脂組成物、及び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）エポキシ樹脂、（Ｂ）フェノール樹脂、（Ｃ）硬化促進剤、（Ｄ）１２５℃／２０時間の温水抽出時でのナトリウムイオン検出量が３０ｐｐｍ以下である水酸化マグネシウム、及び（Ｅ）（Ｄ）成分を除く無機充填材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、
【０００７】
［２］水酸化マグネシウムの比表面積が０．５〜５ｍ^２／ｇである第［１］項記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成物、
［３］　水酸化マグネシウムの平均粒経が０．１〜３０μｍである第［１］項及び第［２］項記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成物、
［４］全エポキシ樹脂組成物中に含有される臭素原子及びアンチモン原子が、それぞれ０．１重量％未満である第［１］項〜第［３］項記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成物、
［５］第［１］項〜第［４］項記載のいずれか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。
【０００８】
【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（フェニレン骨格又はビフェニレン骨格等を有する）等が挙げられ、これらは単独で用いても併用しても差し支えない。
【０００９】
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（フェニレン骨格又はビフェニレン骨格等を有する）等が挙げられ、これらは単独で用いても併用しても差し支えない。
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が０．８〜１．３の範囲にあるのが好ましい。比が下限値を下回ると硬化性と硬化物の耐熱性が低下し、吸湿率が増大するという問題があり、上限値を越えると硬化物の耐熱性と耐燃性が低下するという問題がある。
【００１０】
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、一般に封止材料に使用するものを使用することができる。例えば、１，８−ジアザビシクロ（５，４，０）ウンデセン−７（ＤＢＵ）、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等が挙げられ、これらは単独でも混合して用いても差し支えない。
硬化促進剤は全エポキシ樹脂組成物中に０．０５〜１．０重量％が好ましく、更に好ましくは０．１５〜０．６重量％配合される。硬化促進剤量が下限値を下回ると硬化が遅いため、成形性が低下し、離型時に成形品が破損したり、金型内に樹脂組成物が残ってしまい、生産性を著しく低下させる。一方、硬化促進剤量が上限値を越えるとエポキシ樹脂組成物の硬化性が著しく増大するために、樹脂組成物の加熱混練中に反応が進行し、ゲル化物を生成したり、樹脂組成物の成形時の流動性が著しく低下するため、成形品の未充填、金線変形が起こる。
【００１１】
本発明に用いる難燃剤は、水酸化マグネシウム５ｇに対し純水５０ｍｌを加え、１２５℃／２０時間抽出した抽出液でのナトリウムイオン量を検出し、その値を水酸化マグネシウム中のナトリウムイオン量に換算した値が３０ｐｐｍ以下であり、好ましくは２０ｐｐｍ以下であることを特徴とする。ナトリウムイオンの検出量が上限値を超えると耐湿信頼性が低下してしまう。耐湿信頼性においてナトリウムイオンはチップ上のアルミ配線を腐食させる原因になるため極力低減することが望ましい。しかし、水酸化マグネシウムは合成上、原料として海水を使用する場合が多く、原料起因として水酸化マグネシウム結晶中にナトリウムイオンが取り込まれてしまう。洗浄工程を増やす、又は、天然の水酸化マグネシウムを使用することでナトリウムイオンの混入を極力さけることができる。
水酸化マグネシウムの難燃機構としては、燃焼時に水酸化マグネシウムが脱水を開始し、吸熱することによって燃焼反応を阻害するものである。また、硬化した樹脂成分の炭化を促進することが知られており、硬化物表面に酸素を遮断する難燃層を形成すると考えられる。更に、水酸化マグネシウムは、吸熱開始温度が３００℃以上にあるため、鉛フリー化による２６０℃半田処理に対する信頼性に悪影響を及ぼさない。
【００１２】
本発明における水酸化マグネシウムの総重量をＰ、エポキシ樹脂とフェノール樹脂の合計重量をＱとした場合、Ｐ／Ｑの値は０．０５〜３であることが好ましく、更に好ましくは０．１〜１．５である。下限値を下回ると難燃性が不足し、上限値を越えると成形性が低下するので好ましくない。本発明の水酸化マグネシウムの平均粒径としては、０．１〜３０μｍが好ましく、更に好ましくは０．５〜１５μｍである。下限値を下回ると流動性が不足するのに加え、イオン性不純物量が増加し耐湿信頼性の低下を招き、上限値を越えると難燃性が低下する。本発明の粒径については、レーザー回折法で測定した値を用いている。平均粒径は、累積重量が５０重量％になった時の粒径である。また、本発明に用いる水酸化マグネシウムの比表面積としては、０．５〜５ｍ^２／ｇが好ましい。比表面積が上限値を超えると流動性が低下し、下限値を下回ると難燃性が低下する。比表面積は、ＢＥＴ法で窒素ガスを用いて測定したものである。
本発明に用いる水酸化マグネシウムを除く無機充填材としては、一般に封止材料に使用されているものを使用することができる。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差し支えない。水酸化マグネシウムも含めた無機充填材全体の配合量としては、成形性と耐半田性のバランスから、全エポキシ樹脂組成物中に６０〜９５重量％含有することが好ましい。下限値を下回ると、吸湿率の上昇に伴う耐半田性が低下し、上限値を越えると、ワイヤースィープ及びパッドシフト等の成形性の問題が生じ好ましくない。
【００１３】
本発明のエポキシ樹脂組成物は、半導体装置の１５０〜２００℃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％未満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％以上だと、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可能性がある。また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％未満で、極力含有されていないことが望ましい。
【００１４】
本発明のエポキシ樹脂組成物は、（Ａ）〜（Ｅ）成分を必須成分とするが、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等の種々の添加剤を適宜配合しても差し支えない。
また、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等を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する方法は、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。
【００１５】
【実施例】
以下、本発明を実施例で具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。配合割合は重量部とする。
実施例及び比較例で使用した水酸化マグネシウム１〜６の物性については表１に記載した。
【００１６】
【表１】

【００１７】
＜実施例１＞
エポキシ樹脂１：式（１）で示されるエポキシ樹脂を主成分とするエポキシ樹
脂（融点１０５℃、１５０℃ＩＣＩ溶融粘度０．２×１０^２ｍＰａ・ｓ、エポキ
シ基当量１８５）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　５．７重量部
【化１】

【００１８】
フェノール樹脂１：式（２）で示されるフェノール樹脂（軟化点７１℃、１５
０℃ＩＣＩ溶融粘度２．１×１０^２ｍＰａ・ｓ、水酸基当量１７０）５．３重量部
【化２】

【００１９】
水酸化マグネシウム１　　　　　　　　　　　　　　　　　　１０．０重量部
溶融球状シリカ（平均粒径２０μｍ）　　　　　　　　　　　７８．０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
）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　０．２重量部
エポキシシラン（γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン）０．２重量部
カーボンブラック　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　０．３重量部
カルナバワックス　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　０．３重量部
をミキサーを用いて常温で混合した後、表面温度が９０℃と４５℃の２本ロールを用いて混練し、冷却後粉砕して、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２に示す。
【００２０】
＜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：キュラストメーター（（株）オリエンテック製、ＪＳＲキュラストメーターＩＶＰＳ型）を用い、１７５℃での５分後のトルクに対し９０％のトルクに達するまでの時間を硬化性の指標とした。すなわち、９０％に達する時間が遅いほど硬化が遅いことになる。
難燃性：低圧トランスファー成形機を用いて金型温度１７５℃、注入圧力９．８ＭＰａ、硬化時間１２０秒で、長さ１２７ｍｍ、幅１２．７ｍｍ、厚み３．２ｍｍの試験片を成形し、１７５℃、８時間で後硬化した後、ＵＬ９４垂直法に準じてΣＦ、Ｆｍａｘを測定し、難燃性を判定した。
臭素原子、アンチモン原子の含有量：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２分で、直径５０ｍｍ、厚さ３ｍｍの試験片を成形し、蛍光Ｘ線分析装置を用いて、全エポキシ樹脂組成物中の臭素原子、アンチモン原子の含有量を定量した。単位は重量％。
【００２１】
耐湿信頼性：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１２０秒で、１６ｐＳＯＰ（模擬素子のＴＥＧ３使用、配線幅２０μｍ）を成形し、１７５℃、８時間で後硬化した後、耐湿信頼性評価（１４０℃／相対湿度８５％のプレッシャークッカー釜で１０Ｖの印加電圧をかけて処理）を行い、配線間のオープン不良を確認した。１５個のパッケージについて、処理５００時間後と１０００時間後での不良パッケージ個数を不良率として百分率で示した。単位は％。
高温保管特性：低圧トランスファー成形機を用いて金型温度１７５℃、圧力９．８ＭＰａ、硬化時間１２０秒で、１６ｐＤＩＰ（チップサイズ３．０ｍｍ×３．５ｍｍ）を成形し、１７５℃、８時間で後硬化した後、高温保管試験（１８５℃、１０００時間）を行い、配線間の電気抵抗値が初期値に対し２０％増加したパッケージを不良と判定した。１５個のパッケージ中の不良なパッケージ個数の率（不良率）を百分率で示した。単位は％。
【００２２】
＜実施例２〜１３、比較例１〜３＞
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と同様にして評価を行った。結果を表２に示す。
実施例１以外で使用した成分について、下記に示す。
【００２３】
エポキシ樹脂２：式（３）で示されるエポキシ樹脂（融点６０℃、１５０℃ＩＣＩ溶融粘度０．８×１０^２ｍＰａ・ｓ、エポキシ基当量２６３）
【化３】

【００２４】
フェノール樹脂２：式（４）で示されるフェノール樹脂（軟化点８０℃、１５０℃ＩＣＩ溶融粘度１．９×１０^２ｍＰａ・ｓ、水酸基当量１０５）
【化４】

【００２５】
実施例及び比較例で使用した水酸化マグネシウム１〜６の物性については表１に記載した。
臭素化ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂：軟化点６２℃、１５０℃ＩＣＩ溶融粘度１．３×１０^２ｍＰａ・ｓ、エポキシ当量３６５ｇ／ｅｑ．、臭素原子含有率４８重量％
三酸化二アンチモン
テトラフェニルホスホニウム
【００２６】
【表２】

【００２７】
【発明の効果】
本発明に従うと、難燃性、成形性、耐湿信頼性に優れ、ハロゲン系難燃剤及びアンチモン化合物を使用しない環境にやさしい半導体封止用エポキシ樹脂組成物が得られ、これを用いた半導体装置は、成形性、難燃性、高温保管特性、及び耐湿信頼性に優れる。

Claims

（Ａ）エポキシ樹脂、（Ｂ）フェノール樹脂、（Ｃ）硬化促進剤、（Ｄ）１２５℃／２０時間の温水抽出時でのナトリウムイオン検出量が３０ｐｐｍ以下である水酸化マグネシウム、及び（Ｅ）（Ｄ）成分を除く無機充填材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。
水酸化マグネシウムの比表面積が０．５〜５ｍ^２／ｇである請求項１記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成物。
水酸化マグネシウムの平均粒経が０．１〜３０μｍである請求項１及び２記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成物。
全エポキシ樹脂組成物中に含有される臭素原子及びアンチモン原子が、それぞれ０．１重量％未満である請求項１〜３記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成物。
請求項１〜４記載のいずれか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。