JP2005139260A - エポキシ樹脂組成物及び半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 高温高湿下でのバイアステスト等で評価される特性が向上して長寿命になり、耐湿信頼性に優れた半導体装置を提供すること。
【解決手段】 （Ａ）エポキシ樹脂、（Ｂ）フェノール樹脂、（Ｃ）無機充填材及び（Ｄ）硬化促進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において、エポキシ樹脂組成物の硬化物から１６０℃の純水中で２０時間抽出した硫酸イオン量が１０〜１５０ｐｐｍ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

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。

近年、半導体装置は生産性、コスト、信頼性等のバランスに優れることからエポキシ樹脂組成物を用いて封止されるのが主流となっている。半導体装置の小型化、配線の微細化、薄型化に伴い、封止用エポキシ樹脂組成物に対し、得られる装置の耐湿信頼性、耐半田クラック性、耐温度サイクル性等の信頼性向上が要求されている。特に、半導体封止に用いるエポキシ樹脂組成物は、エポキシ樹脂、硬化剤であるフェノール樹脂およびこの両者の反応を促進させる硬化促進剤を主成分とするものであるが、このエポキシ樹脂組成物の硬化反応過程でＡｌ配線に対して腐食作用を有するイオン性不純物が生成される。このイオン性不純物は樹脂硬化体内でフリーに存在し、高温になると移動し易く、樹脂硬化体の電気特性（特に電気絶縁性）、耐湿性を著しく低下させ、それによって半導体装置の電気特性および耐湿信頼性が低下するため、その改善が望まれている。

この様にこれまでは、半導体封止用エポキシ樹脂組成物中には腐食作用を有するイオン性不純物が存在し、その結果耐湿性が低下すると考えられ、半導体封止用エポキシ樹脂組成物中のイオン性不純物をいかに低減するかのみに努力が払われ、原料中のイオン性不純物を低減する、或いはイオン捕捉剤等を添加することで信頼性を向上させるという手段がとられてきた（例えば、特許文献１参照。）が、高温高湿下での耐湿信頼性という点では充分なものがなかった。

特願平４−１９０３３６号公報（第２〜９頁）

本発明は、高温高湿下でのバイアステスト等で評価される特性が向上して長寿命になり、耐湿信頼性に優れた半導体装置を提供するものである。

本発明は、
［１］（Ａ）エポキシ樹脂、（Ｂ）フェノール樹脂、（Ｃ）無機充填材及び（Ｄ）硬化促進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において、エポキシ樹脂組成物の硬化物から１６０℃の純水中で２０時間抽出した硫酸イオン量が１０〜１５０ｐｐｍ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、

［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。

本発明に従うと、従来技術では得られなかった耐湿信頼性に優れたエポキシ樹脂組成物及び半導体装置を得ることができる。

本発明は、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、無機充填材、硬化促進剤を必須成分と半導体封止用エポキシ樹脂組成物において、そのエポキシ樹脂組成物の硬化物から１６０℃の純水中で２０時間抽出した耐腐食性を有する硫酸イオン量が１０〜１５０ｐｐｍであることにより、耐湿信頼性に優れたエポキシ樹脂組成物及び半導体装置が得られるものである。
以下、各成分について詳細に説明する。

本発明に用いるエポキシ樹脂は、分子中に２個以上のエポキシ基を有するモノマー、オリゴマー、ポリマー全般であり、その分子量、分子構造は特に限定するものではないが、例えばビスフェノールＡ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、フェノールアラルキル型エポキシ樹脂、ジシクロペンタジエン変性フェノール型エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂、スチルベン型エポキシ樹脂等が挙げられ、これらは単独で用いるか併用することができる。また、硬化性の点からエポキシ当量としては１００〜５００ｇ／ｅｑが好ましい。

本発明に用いるフェノール樹脂は、分子中に２個以上のフェノール性水酸基を有するモノマー、オリゴマー、ポリマー全般であり、その分子量、分子構造は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、フェノールアラルキル樹脂、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、これらは単独で用いるか併用することができる。硬化性の点から水酸基当量は９０〜２５０ｇ／ｅｑが好ましい。

本発明に用いる無機充填材としては、特に限定するものではないが、一般に封止材料に用いられている溶融シリカ、球状シリカ、結晶シリカ、アルミナ、窒化珪素、窒化アルミ等が挙げられる。無機充填材の粒径としては、金型への充填性を考慮すると１５０μｍ以下であることが望ましい。また、無機充填材の配合量としては、全エポキシ樹脂組成物に対して８０〜９５重量％が好ましく、下限値を下回るとエポキシ樹脂組成物の硬化物の吸水量が増加し、強度が低下するため耐半田クラック性が不満足で、上限値を越えると流動性が損なわれるために成形性に不具合を生じ好ましくない。

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の反応を促進す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利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、トリフェニルホスフィン、ベンジルジメチルアミン、２−メチルイミダゾール等があり、これらは単独でも混合して用いてもよい。

本発明のエポキシ樹脂組成物は、（Ａ）〜（Ｄ）成分を必須成分とするが、これ以外に必要に応じてカップリング剤、臭素化エポキシ樹脂、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、シリコーンオイル、シリコーンゴム等の低応力添加剤、無機イオン交換体等の添加剤を適宜配合してもよい。
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で均一に混合した後、加熱ロール又はニーダー、押出機等で溶融混練を行い、冷却後粉砕して製造することができる。
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。

本発明のエポキシ樹脂組成物は、エポキシ樹脂組成物の硬化物から１６０℃の純水中で２０時間抽出した硫酸イオン量が１０〜１５０ｐｐｍであることが必須である。これは、本発明者が半導体封止用エポキシ樹脂組成物の耐湿信頼性を向上させる為に研究を行った際に、従来から言われるようにエポキシ樹脂組成物中のイオン性不純物、全てが耐湿信頼性に対して悪影響を与えているのではなく、硫酸イオンに関しては、上記記載の量が含有されることにより高温高湿下でのバイアステストにおける電気的不良数が改善されることを見出したものである。これは硫酸イオンが存在することによって、Ａｌ配線上に安定で保護作用のある水酸化アルミニウムを形成する効果の為であると考えられる。また、硫黄を含んだ物質が金属の腐食防止剤として使用されている例もあり、上記と同様の効果の為であると考えられる。さらに、硫酸イオンの量に関してはアルミ配線の保護効果の面から１０ｐｐｍ以上が好ましく、更に好ましくは３０ｐｐｍ以上が好ましい。また、硫酸イオン量が１５０ｐｐｍを超えるとエポキシ樹脂組成物の硬化物の吸湿時の電気伝導度が高くなり、バイアステスト下では硫酸イオン以外の不純物イオン（耐湿信頼性に悪影響を与えるイオン）の移動を促進してしまうので好ましくない。
エポキシ樹脂組成物の硬化物から１６０℃の純水中で２０時間抽出した硫酸イオン量を１０〜１５０ｐｐｍとするためには、硫酸イオンの素となるメルカプト基、スルフィド構造、スルホン構造等を分子中に有する硫黄含有化合物を添加する方法等があるが、これに限定されるものではない。

以下、本発明を実施例にて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１
式（１）のビフェニル型エポキシ樹脂を主成分とする樹脂（ジャパンエポキシレジン（株）製、ＹＸ−４０００、エポキシ当量１９５、融点１０５℃） ６．２７重量部

式（２）のフェノールアラルキル樹脂（三井化学（株）製、ＸＬＣ−ＬＬ、水酸基当量１７４、軟化点７５℃） ５．６８重量部

溶融球状シリカ（平均粒径２０μｍ、最大粒径７５μｍ） ８７．０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）
０．２０重量部
γ−メルカプトプロピルトリメトキシシラン ０．０５重量部
γ−グリシジルプロピルトリメトキシシラン ０．３０重量部
カーボンブラック ０．２０重量部
カルナバワックス ０．３０重量部
上記の全成分をミキサーを用いて混合した後、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。評価結果を表１に示す。

評価方法
硫酸イオン量、電気伝導度：エポキシ樹脂組成物を１７５℃で８時間硬化させた後、粉砕を行い５０ｍｅｓｈの篩をパスする様に粒度を調整した後、耐圧構造を有する外側が金属製、内側がテフロン（Ｒ）製の容器内で純水中１６０℃２０時間の抽出を行い、この抽出物の硫酸イオン量をキャピラリー電気泳動測定装置で、電気伝導度を伝導度計で測定を行った。
耐ＨＡＳＴ性（高温高湿下での加速バイアステスト）：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１６ピンＳＯＰ（パッケージサイズは７．２×１１．５ｍｍ、厚み１．９５ｍｍ、シリコンチップサイズは３．０×３．５ｍｍ（模擬素子：１チップ３回路）、リードフレームは４２アロイ製）を成形し、１７５℃、８時間で後硬化させた。得られたパッケージを１４０℃、相対湿度８５％、電圧ＤＣ４０Ｖの環境下で４００時間放置したもの、及び８００時間放置したものをそれぞれ、オープンチェッカーにより、導通不良がある回路数を測定した。（１０パッケージ×３回路＝３０回路について測定を行った。）
実施例２〜７、比較例１〜７
実施例１と同様にして、エポキシ樹脂組成物を製造し、同様にして評価した。評価結果を表１に示す。
実施例１以外で用いた成分について、以下に示す。

式（３）の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（エポキシ当量２７２、軟化点５８℃）

オルソクレゾールノボラック型エポキシ樹脂（エポキシ当量１９６、軟化点５５℃）

式（４）のビフェニレン骨格を有するフェノールアラルキル樹脂（水酸基当量２００、軟化点６５℃）

フェノールノボラック樹脂（水酸基当量１０５、軟化点１０５℃）
メルカプトチアジアゾール化合物（三洋化成製、キューバン８２６）

本発明に従うと、従来技術では得られなかった耐湿信頼性に優れた半導体装置を得ることができるため、車戴用途など高耐湿信頼性が要求される製品に好適に用いられる。

Claims (2)

1. （Ａ）エポキシ樹脂、（Ｂ）フェノール樹脂、（Ｃ）無機充填材及び（Ｄ）硬化促進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において、エポキシ樹脂組成物の硬化物から１６０℃の純水中で２０時間抽出した硫酸イオン量が１０〜１５０ｐｐｍ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。
2. 請求項１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。