JP2005162944A - 半導体封止用エポキシ樹脂組成物およびそれを用いた半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】成形性および硬化性の双方ともに優れた半導体封止用エポキシ樹脂組成物を提供する。
【解決手段】下記の（Ａ）〜（Ｄ）成分を含有する半導体封止用エポキシ樹脂組成物である。
（Ａ）エポキシ樹脂。
（Ｂ）フェノール樹脂。
（Ｃ）下記の一般式（１）で表される、軟化点が１００〜２００℃の範囲であるテトラ置換ホスホニウム−フェノール樹脂塩化合物。
【化１】

（Ｄ）無機質充填剤。
【選択図】なし

Description

本発明は、成形性および硬化性に優れた半導体封止用エポキシ樹脂組成物およびそれを用いた半導体装置に関するものである。

従来から、トランジスタ、ＩＣ、ＬＳＩ等の半導体素子は、外部環境からの保護および半導体素子のハンドリングを可能にするという観点から、プラスチックパッケージ、例えば、熱硬化性エポキシ樹脂組成物を用いて封止され半導体装置化されている。

上記熱硬化性エポキシ樹脂組成物は、成形時における樹脂の硬化反応を速めるために、一般に硬化促進剤が配合される。上記エポキシ樹脂の硬化促進剤としては、例えば、アミン類、イミダゾール系化合物、１，８−ジアザビシクロ（５，４，０）ウンデセン−７等のような含窒素複素環式化合物、ホスフィン系化合物、第４級アンモニウム化合物、ホスホニウム化合物、アルソニウム化合物等が用いられる。

通常、これら硬化促進剤を含有するエポキシ樹脂組成物は、成形時の高温条件下においては速やかに反応が生起し、短時間のうちに硬化が完了するように配合設計されている。このため、成形時において上記エポキシ樹脂組成物が成形金型キャビティー内に完全に充填される前に硬化反応が始まる場合があり、このような状況では、樹脂粘度の上昇や流動性の低下をもたらし、半導体素子とリードフレーム等の外部端子とを接続するボンディングワイヤーの変形や、隣り合ったボンディングワイヤー同士の接触、あるいはボンディングワイヤーの切断といった不具合、さらに樹脂の未充填といった不具合等、成形性における重大な不具合を生じる場合がある。

このような不具合を回避する方法としては、例えば、マイクロカプセル型硬化促進剤を用いることにより硬化反応の開始を遅らせる方法が採られている（特許文献１参照）。
特開平１０−１６８１６４号公報

しかしながら、上記のような方法では、硬化反応の進行が遅くなることによる生産性の大幅な低下や、硬化物自身の硬度および強度が不充分となるという問題があった。

本発明は、このような事情に鑑みなされたもので、成形性および硬化性に優れた半導体封止用エポキシ樹脂組成物およびそれを用いた半導体装置の提供をその目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明は、下記の（Ａ）〜（Ｄ）成分を含有する半導体封止用エポキシ樹脂組成物を第１の要旨とする。
（Ａ）エポキシ樹脂。
（Ｂ）フェノール樹脂。
（Ｃ）下記の一般式（１）で表される、軟化点が１００〜２００℃の範囲であるテトラ置換ホスホニウム−フェノール樹脂塩化合物。
（Ｄ）無機質充填剤。

そして、本発明は、上記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樹脂封止してなる半導体装置を第２の要旨とする。

すなわち、本発明者らは、適正な硬化反応を生じ、優れた成形性を備えた封止材料となるエポキシ樹脂組成物を得るために鋭意検討を重ねた。その過程で、配合材料として用いられ硬化反応に大きく寄与する硬化促進剤自身に着目し、硬化促進剤としての作用を奏する化合物を中心に研究を重ねた。その結果、硬化促進剤として上記一般式（１）で表される、軟化点が特定範囲のテトラ置換ホスホニウム−フェノール樹脂塩化合物を用いると、適切な硬化反応に制御可能となり良好な硬化性が得られるとともに優れた流動性が得られることを見出し本発明に到達した。

以上のように、本発明は、上記一般式（１）で表される、特定のテトラ置換ホスホニウム−フェノール樹脂塩化合物〔（Ｃ）成分〕を用いてなる半導体封止用エポキシ樹脂組成物である。このため、適切な硬化反応とともに良好な流動性が付与され優れた成形性および硬化性が得られる。したがって、本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物を用いて得られる半導体装置は、パッケージ内のボンディングワイヤーの変形や切断等といった不具合もなく信頼性に優れたものである。

そして、エポキシ樹脂としてビフェニル基を有するエポキシ樹脂を用いると、硬化物の低吸湿化による一層の信頼性の向上が図られる。

本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物は、エポキシ樹脂（Ａ成分）と、フェノール樹脂（Ｂ成分）と、特定の硬化促進剤（Ｃ成分）と、無機質充填剤（Ｄ成分）を用いて得られ、通常、粉末状もしくはこれを打錠したタブレット状になっている。

本発明に用いるエポキシ樹脂（Ａ成分）は、特に限定されるものではなく１分子内にエポキシ基を２個以上有する化合物が用いられる。例えば、ビスフェノールＡ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、ビフェニル型エポキシ樹脂、トリフェニルメタン型エポキシ樹脂等があげられる。これらは単独でもしくは２種以上併せて用いられる。これらエポキシ樹脂の中でも、ビフェニル型エポキシ樹脂や低級アルキル基をフェニル環に付加したような低吸湿型のエポキシ樹脂を用いることが信頼性の点から好ましい。このようなエポキシ樹脂としては、エポキシ当量１５０〜２５０、軟化点もしくは融点が５０〜１３０℃のものが好ましい。

上記エポキシ樹脂（Ａ成分）とともに用いられるフェノール樹脂（Ｂ成分）は、上記エポキシ樹脂の硬化剤としての作用を奏するものであり、特に限定するものではなく１分子内に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、ポリマー全般をいう。例えば、フェノールノボラック、クレゾールノボラック、ビフェニル型ノボラック、トリフェニルメタン型、ナフトールノボラック、フェノールアラルキル樹脂、ビフェニルアラルキル樹脂等があげられ、これらは単独でもしくは２種以上併せて用いられる。なかでも、フェノールアラルキル樹脂やビフェニルアラルキル樹脂のような低吸湿性のものを用いることが信頼性の点から好ましい。

上記エポキシ樹脂（Ａ成分）とフェノール樹脂（Ｂ成分）の配合割合は、エポキシ樹脂中のエポキシ基１当量あたり、フェノール樹脂中の水酸基当量が０．５〜２．０当量となるように配合することが好ましい。より好ましくは０．８〜１．２当量である。

上記Ａ成分およびＢ成分とともに用いられる特定の硬化促進剤（Ｃ成分）は、下記の一般式（１）で表される、特定のテトラ置換ホスホニウム−フェノール樹脂塩化合物であり、この特定の硬化促進剤（Ｃ成分）を用いることにより成形性および硬化性に優れた半導体封止用エポキシ樹脂組成物が得られるようになる。

上記一般式（１）において、Ｘで表されるフェノール樹脂部としては、分子内にフェノール性水酸基を２個以上有するフェノール樹脂に基づくものであれば特に限定するものではないが、例えば、ノボラック樹脂、ザイロック樹脂、フェノールアラルキル樹脂、ビフェニルアラルキル樹脂等があげられる。一方、上記一般式（１）において、Ｒ₁ 〜Ｒ₄ としては、具体的には、炭素数１〜６のアルキル基、フェニル基、トリル基、キシリル基、メトキシフェニル基、ジメトキシフェニル基等があげられる。

そして、上記一般式（１）で表されるテトラ置換ホスホニウム−フェノール樹脂塩化合物（Ｃ成分）は、上記フェノール樹脂部分の構造や分子量を調整することにより種々の軟化点を有するものが得られる。なかでも、本発明のように、軟化点が１００℃以上のものは、エポキシ樹脂やフェノール樹脂への溶解性が低いために、これら樹脂との溶融混練時において、例えば、上記Ｃ成分と、Ａ成分あるいはＢ成分とは分子レベルでは均一に混合されず、互いに非相溶状態となる。このため、上記溶融混練後の状態ではエポキシ樹脂組成物としての硬化反応はほとんど進行せず、成形時の高温状態において初めて硬化反応が進行する。したがって、硬化開始の時期は、通常用いられる他の触媒系（硬化促進剤）を用いた場合に比べ遅れることから、いわゆる潜在性を示すようになる。このように潜在性を示す、一般式（１）で表されるテトラ置換ホスホニウム−フェノール樹脂塩化合物（Ｃ成分）の軟化点は、１００〜２００℃の範囲内に設定されなければならず、好ましくは１２０〜１７０℃の範囲である。すなわち、軟化点が１００℃未満では、上記溶融混練時に、上記Ｃ成分と、Ａ成分あるいはＢ成分とが分子レベルで均一に相溶し、低温での硬化反応が進行しやすいからである。一方、軟化点が２００℃を超えると、上記Ｃ成分と、Ａ成分あるいはＢ成分との相溶性が著しく悪化し、成形時に短時間で良好な硬化性を発揮することができなくなるからである。

このように、一般式（１）で表される、特定の軟化点を有するテトラ置換ホスホニウム−フェノール樹脂塩化合物（Ｃ成分）としては、具体的には、テトラフェニルホスホニウムイオン−フェノールノボラック樹脂塩、トリフェニルメチルホスホニウムイオン−フェノールノボラック樹脂塩、テトラトリルホスホニウムイオン−フェノールノボラック樹脂塩、テトラブチルホスホニウムイオン−フェノールノボラック樹脂塩、トリメチルフェニルホスホニウムイオン−フェノールノボラック樹脂塩等があげられる。これらは単独でもしくは２種以上併せて用いられる。

そして、上記一般式（１）で表される、特定の軟化点を有するテトラ置換ホスホニウム−フェノール樹脂塩化合物（Ｃ成分）は、例えば、つぎのようにして製造することができる。すなわち、テトラ置換ホスホニウムハライドとフェノールノボラック樹脂とを所定の割合で塩基性触媒存在下で反応させることによって製造することができる。

上記特定の硬化促進剤（Ｃ成分）の含有量は、上記フェノール樹脂（Ｂ成分）１００重量部（以下「部」と略す）に対して１〜２０部の範囲に設定することが好ましく、より好ましくは２〜１５部である。すなわち、１部未満では、目的とするエポキシ樹脂（Ａ成分）とフェノール樹脂（Ｂ成分）との硬化反応が進み難いため、充分な硬化性を得ることが困難となり、２０部を超えると、硬化反応が速過ぎて成形性を損なう傾向がみられるからである。

また、本発明においては、上記特定の硬化促進剤（Ｃ成分）とともに、従来公知の各種硬化促進剤を本発明の特性を損なわない範囲で併用してもよい。上記従来公知の各種硬化促進剤としては、例えば、トリアリールホスフィン類、テトラフェニルホスホニウム・テトラフェニルボレート、２−メチルイミダゾール等のイミダゾール類、１，８−ジアザビシクロ（５，４，０）ウンデセン−７等があげられる。これらは単独でもしくは２種以上併せて用いられる。なお、上記従来公知の各種硬化促進剤を併用する場合には、具体的には、この各種硬化促進剤の含有量を硬化促進剤成分全体の５０重量％以下に設定することが好ましい。

上記Ａ〜Ｃ成分とともに用いられる無機質充填剤（Ｄ成分）としては、特に限定するものではなく従来公知の各種充填剤が用いられる。例えば、溶融シリカ粉末や結晶性シリカ粉末等のシリカ粉末、アルミナ粉末、タルク等があげられる。これら無機質充填剤は、破砕状、球状、あるいは摩砕処理したもの等いずれのものでも使用可能である。なかでも、球状溶融シリカ粉末を用いることが好ましい。そして、これら無機質充填剤は単独でもしくは２種以上併せて用いられる。上記無機質充填剤（Ｄ成分）としては、平均粒径が５〜４０μｍの範囲のものを用いることが、流動性を良好にするという点から好ましい。上記平均粒径の測定は、例えば、レーザー回折散乱式粒度分布測定装置により測定することができる。

そして、上記無機質充填剤（Ｄ成分）の含有量は、エポキシ樹脂組成物全体の７０〜９５重量％の範囲に設定する必要がある。特に好ましくは８５〜９２重量％の範囲である。すなわち、７０重量％未満では、エポキシ樹脂組成物の粘度が低くなりすぎて成形時の外観不良（ボイド）が発生し、９５重量％を超えると、流動性が低下し、ワイヤー流れや未充填が発生するからである。

なお、本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物では、上記Ａ〜Ｄ成分に加えて、シランカップリング剤、難燃剤、難燃助剤、離型剤、イオントラップ剤、カーボンブラック等の顔料や着色料、低応力化剤、粘着付与剤等の他の添加剤を適宜配合することができる。

上記シランカップリング剤としては、特に限定するものではなく各種シランカップリング剤を用いることができ、なかでも２個以上のアルコキシ基を有するものが好適に用いられる。具体的には、β−（３，４−エポキシシクロヘキシル）エチルトリメトキシシラン、γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、γ−メルカプトプロピルトリメトキシシラン、γ−（２−アミノエチル）アミノプロピルトリメトキシシラン、γ−メルカプトプロピルメチルジメトキシシラン、γ−アニリノプロピルトリメトキシシラン、ヘキサメチルジシラザン等があげられる。これらは単独でもしくは２種以上併せて用いられる。

上記難燃剤としては、ノボラック型ブロム化エポキシ樹脂や金属水酸化物等があげられ、さらに上記難燃助剤としては、三酸化二アンチモンや五酸化二アンチモン等が用いられる。これらは単独でもしくは２種以上併せて用いられる。

上記離型剤としては、高級脂肪酸、高級脂肪酸エステル、高級脂肪酸カルシウム等の化合物があげられ、例えば、カルナバワックスやポリエチレン系ワックスが用いられ、これらは単独でもしくは２種以上併せて用いられる。

上記イオントラップ剤としては、イオントラップ能力を有する公知の化合物全てが使用でき、例えば、ハイドロタルサイト類、水酸化ビスマス等が用いられる。

また、上記低応力化剤としては、アクリル酸メチル−ブタジエン−スチレン共重合体、メタクリル酸メチル−ブタジエン−スチレン共重合体等のブタジエン系ゴムやシリコーン化合物があげられる。

本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物は、例えば、つぎのようにして製造することができる。すなわち、上記Ａ〜Ｄ成分および必要に応じて他の添加剤を配合し混合した後、熱ロールやニーダー等の混練機にかけ加熱状態で溶融混合し、これを室温に冷却した後、公知の手段によって粉砕し、必要に応じて打錠するという一連の工程により製造することができる。

このようなエポキシ樹脂組成物を用いての半導体素子の封止は、特に制限するものではなく、通常のトランスファー成形等の公知のモールド方法により行うことができる。

つぎに、実施例について比較例と併せて説明する。

まず、実施例に先立って下記に示す各成分を準備した。

〔エポキシ樹脂〕
ビフェニル型エポキシ樹脂（エポキシ当量１９２、融点１０５℃）

〔フェノール樹脂ａ〕
ビフェニルアラルキル型フェノール樹脂（水酸基当量２０３、軟化点６５℃）

〔フェノール樹脂ｂ〕
フェノールノボラック樹脂（水酸基当量１０４、軟化点６０℃）

〔硬化促進剤ａ〕
トリフェニルメチルホスホニウムイオン−フェノールノボラック樹脂塩（軟化点１０１℃）

〔硬化促進剤ｂ〕
トリフェニルメチルホスホニウムイオン−フェノールノボラック樹脂塩（軟化点１３１℃）

〔硬化促進剤ｃ〕
トリフェニルメチルホスホニウムイオン−フェノールノボラック樹脂塩（軟化点１４３℃）

〔硬化促進剤ｄ〕
トリフェニルメチルホスホニウムイオン−フェノールノボラック樹脂塩（軟化点１９０℃）

〔硬化促進剤ｅ〕
トリフェニルメチルホスホニウムイオン−フェノールノボラック樹脂塩（軟化点９０℃）

〔硬化促進剤ｆ〕
トリフェニルメチルホスホニウムイオン−フェノールノボラック樹脂塩（軟化点２１０℃）

〔硬化促進剤ｇ〕
トリフェニルホスフィン

〔硬化促進剤ｈ〕
テトラフェニルホスホニウム・テトラフェニルボレート

〔無機質充填剤〕
球状溶融シリカ粉末（平均粒径１３μｍ）

〔顔料〕
カーボンブラック

〔難燃剤〕
水酸化マグネシウム

〔シランカップリング剤〕
３−メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン

〔離型剤〕
酸化ポリエチレンワックス

〔実施例１〜８、比較例１〜４〕
下記の表１〜表２に示す各原料を同表に示す割合で配合しミキサーで充分混合した後、２軸混練機を用い１００℃で２分間溶融混練した。つぎに、この溶融物を冷却した後粉砕することにより目的とする粉末状エポキシ樹脂組成物を作製した。なお、比較例２においては、硬化促進剤であるテトラフェニルホスホニウム・テトラフェニルボレートと、ビフェニルアラルキル型フェノール樹脂およびフェノールノボラック樹脂とを予め１８０℃×１時間で予備混合した後、この予備混合物と残りの配合成分とをミキサーで充分混合した後、２軸混練機を用い１００℃で２分間溶融混練した。そして、この溶融物を冷却した後粉砕することにより目的とする粉末状エポキシ樹脂組成物を作製した。

得られた各エポキシ樹脂組成物を用い、下記の方法にしたがって特性（ゲル化時間、硬化立ち上がり時間、熱時硬度）を測定・評価した。また、上記各エポキシ樹脂組成物を用いて半導体装置を製造し、このときの金線ワイヤー流れの状況を下記の方法にしたがって測定・評価した。これらの結果を下記の表３〜表４に示した。

〔ゲル化時間〕
１７５℃の熱板上でエポキシ樹脂組成物を溶融させ、ゲル化するまでの時間を測定した。

〔硬化立ち上がり時間〕
キュラストメーター（オリエンテック社製、ＪＳＲキュラストメーターＩＶＰＳ型）を用い、ダイス温度１７５℃、振幅±１°、振動数１００ｃｐｍで、トルク値が０．０２Ｎ・ｍに到達した点を硬化の立ち上がり時間とした。

〔熱時硬度〕
金型温度１７５℃、硬化時間９０秒で成形し、型開き１０秒後にショアＤ硬度計を用いて測定したショアＤ硬度の値を熱時硬度とした。すなわち、熱時硬度の値が高いほど硬化性が良好であるといえる。

〔金線ワイヤー流れ〕
上記実施例および比較例で得られたエポキシ樹脂組成物を用い、金線ワイヤー（ワイヤー径２３μｍ、ワイヤー長６ｍｍ）を張ったＬＱＦＰ−１４４（大きさ：２０ｍｍ×２０ｍｍ×厚み１．４ｍｍ）を、ＴＯＷＡ社製の自動成型機（ＣＰＳ−４０Ｌ）により成形（条件：１７５℃×９０秒）し、１７５℃×５時間で後硬化することにより半導体装置を得た。すなわち、上記半導体装置の作製時において、図１に示すように、ダイパッド１を有するＬＱＦＰのパッケージフレームに金線ワイヤー２を張り、これを用い上記エポキシ樹脂組成物により樹脂封止してパッケージを作製した。図１において、３は半導体チップ、４はリードピンである。そして、作製したパッケージを軟Ｘ線解析装置を用いて、金線ワイヤー流れ量を測定した。測定は、各パッケージから１０本ずつ金線ワイヤーを選定して測定し、図２に示すように、正面方向からの金線ワイヤー２の流れ量を測定した。そして、金線ワイヤー２の流れ量の最大部分となる値をそのパッケージの金線ワイヤー流れ量の値（ｄｍｍ）とし、金線流れ率〔（ｄ／Ｌ）×１００〕を算出した。なお、Ｌは金線ワイヤー２間の距離（ｍｍ）を示す。そして、上記金線流れ率が６％以上のものを×、６％未満のものを○として表示した。

上記結果から、実施例品は、硬化立ち上がり時間も適当な時間であり、熱硬度も高く、金線ワイヤー流れに関しても良好な結果が得られた。このことから、実施例品は、成形性および硬化性の双方に優れたものであることがわかる。

これに対して、従来の硬化促進剤を配合した比較例１，２品は、ゲル化時間および硬化立ち上がり時間ともに短く、熱時硬度も低かった。さらに、金線ワイヤー流れに関しても劣る結果が得られた。また、軟化点が１００〜２００℃の範囲を外れた硬化促進剤ｅ，ｆを用いた比較例３，４品のうち、比較例３品は、熱時硬度が高かったが、金線ワイヤー流れに劣っていた。また、比較例４品は、金線ワイヤー流れは良好であったが、熱時硬度が低く硬化性も悪かった。

半導体装置の金線ワイヤー流れ量を測定するために用いるパッケージを示す正面図である。 半導体装置の金線ワイヤー流れ量の測定方法を示す模式図である。

Claims (3)

1. 下記の（Ａ）〜（Ｄ）成分を含有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。
   （Ａ）エポキシ樹脂。
   （Ｂ）フェノール樹脂。
   （Ｃ）下記の一般式（１）で表される、軟化点が１００〜２００℃の範囲であるテトラ置換ホスホニウム−フェノール樹脂塩化合物。
   （Ｄ）無機質充填剤。
2. 上記（Ａ）成分であるエポキシ樹脂が、ビフェニル基を有するエポキシ樹脂である請求項１記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成物。
3. 請求項１または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樹脂封止してなる半導体装置。