JP2005194435A - 硬化促進剤、エポキシ樹脂組成物および半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 硬化性樹脂組成物に混合され、該硬化性樹脂組成物の硬化反応を促進し得る硬化促進剤であって、前記硬化促進剤は、トリ置換ホスホニオフェノラートと、1分子内にエポキシ基を1個以上有する化合物と、1分子内にフェノール性水酸基を1個以上有する化合物とを反応させて得られるものであることを特徴とする硬化促進剤。1分子内にエポキシ基を2個以上有する化合物と、1分子内にフェノール性水酸基を2個以上有する化合物と、前記硬化促進剤とを含むことを特徴とするエポキシ樹脂組成物。前記エポキシ樹脂組成物の硬化物により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。
Description
また、表面実装に足る耐半田クラック性、耐湿信頼性を得るべく、別の潜伏性硬化促進剤として、種々のホスホニウムベタインの塩構造を有する潜伏性硬化促進剤も提示されている(例えば、特許文献4参照。)が、このホスホニウムベタインの塩は、近年の低分子エポキシ樹脂やフェノールアラルキル樹脂のような硬化剤を用いる半導体封止材料では、硬化が不十分であるという問題が生じている。
前記硬化促進剤は、トリ置換ホスホニオフェノラートと、1分子内にエポキシ基を1個以上有する化合物と、1分子内にフェノール性水酸基を1個以上有する化合物とを反応させて得られるものであることを特徴とする硬化促進剤。
すなわち、I:特定構造のトリ置換ホスホニオフェノラートの誘導体が、各種硬化性樹脂組成物の硬化反応を促進する硬化促進剤として極めて有用であることを見出した。
以下、各成分について、順次説明する。
本発明に用いる1分子内にエポキシ基を2個以上有する化合物(A)は、1分子内にエポキシ基を2個以上有するものであれば、何ら制限はない。
この化合物(A)としては、例えば、ビスフェノールA型エポキシ樹脂、ビスフェノールF型エポキシ樹脂、臭素化ビスフェノール型エポキシ樹脂等のビスフェノール型エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂、ビフェニルアラルキル型エポキシ樹脂、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、ナフタレン型エポキシ樹脂、ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂、ジヒドロキシベンゼン型エポキシ樹脂など、フェノール類やフェノール樹脂、ナフトール類などの水酸基にエピクロロヒドリンを反応させて製造するエポキシ樹脂、エポキシ化合物、または、その他、脂環式エポキシ樹脂のように、オレフィンを過酸を用いて酸化させエポキシ化したエポキシ樹脂や、グリシジルエステル型エポキシ樹脂、グリシジルアミン型エポキシ樹脂等が挙げられ、これらのうちの1種または2種以上を組み合わせて用いることができる。
本発明に用いる1分子内にフェノール性水酸基を2個以上有する化合物(B)は、1分子内にフェノール性水酸基を2個以上有するものであり、前記化合物(A)の硬化剤として作用(機能)するものである。
この化合物(B)としては、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、ビスフェノール樹脂、フェノールアラルキル樹脂、ビフェニルアラルキル型フェノール樹脂、トリスフェノール樹脂、キシリレン変性ノボラック樹脂、テルペン変性ノボラック樹脂、ジシクロペンタジエン変性フェノール樹脂が挙げられ、これらのうちの1種または2種以上を組み合わせて用いることができる。
本発明に用いるトリ置換ホスホニオフェノラート誘導体(C)は、トリ置換ホスホニオフェノラートと、1分子内にエポキシ基を1個以上有する化合物と、1分子内にフェノール性水酸基を1個以上有する化合物とを反応させて得られるものであり、エポキシ樹脂組成物の硬化反応を促進し得る作用(機能)を有するものである。
このうち、トリ置換ホスホニオフェノラートは、前記一般式(1)で表されるものであるのが好ましく、前記一般式(2)で表されるものであるのがより好ましく、前記一般式(3)で表されるものであるのがさらに好ましい。
この置換基Arとしては、例えば、フェニレン基、ビフェニレン基、ナフチレン基、または、これらにハロゲン原子、ニトロ基、シアノ基、炭素数1〜12のアルキル基やアルコキシ基等の水酸基以外の置換基により置換された芳香族基が挙げられる。
総じて、前記一般式(1)において、置換基R1、R2、R3およびArの組み合わせとしては、置換基R1、R2およびR3がそれぞれフェニル基であり、Arがフェニレン基であるものが好適である。すなわち、前記一般式(3)において、置換基R4、R5およびR6がそれぞれ水素原子であるものが好適である。このものは、熱安定性、硬化促進能に特に優れ、製造コストが安価である。
これらの3成分を反応させる方法としては、例えば、各成分を常温で混合後、成分の少なくとも1つ以上が溶融する温度まで加熱し、混合しながら反応する方法や、各成分が溶解するような溶媒中で、穏やかに加温し反応させる方法などが挙げられるが、これに限定されるものではない。また、3つの成分のうち、2つをあらかじめ反応させ、さらに3つ目の成分を加えて反応をさせることもできる。
また、前記化合物(A)と、前記化合物(B)との配合比率も、特に限定されないが、前記化合物(A)のエポキシ基1モルに対し、前記化合物(B)のフェノール性水酸基が0.5〜2モル程度となるように用いるのが好ましく、0.7〜1.5モル程度となるように用いるのがより好ましい。これにより、エポキシ樹脂組成物の諸特性のバランスを好適なものに維持しつつ、諸特性がより向上する。
この無機充填材としては、例えば、溶融破砕シリカ、溶融シリカ、結晶シリカ、2次凝集シリカ、アルミナ、チタンホワイト、水酸化アルミニウム、タルク、クレー、ガラス繊維等が挙げられ、これらのうちの1種または2種以上を組み合わせて用いることができる。
また、無機充填材の形状としては、例えば、粒状、塊状、鱗片状等のいかなるものであってもよいが、粒状(特に、球状)であるのが好ましい。
この無機充填材の含有量(配合量)は、特に限定されないが、前記化合物(A)と前記化合物(B)との合計量100重量部あたり、200〜2400重量部程度であるのが好ましく、400〜1400重量部程度であるのがより好ましい。無機充填材の含有量(配合量)が、前記化合物(A)と前記化合物(B)との合計量100重量部あたり、400〜1400重量部であれば、エポキシ樹脂組成物の硬化物の吸湿率が低くなり、半田クラックの発生を防止することができる。また、かかるエポキシ樹脂組成物は、加熱溶融時の流動性も良好であるため、半導体装置内部の金線変形を引き起こすことが好適に防止される。
また、無機充填材の含有量(配合量)は、前記化合物(A)、前記化合物(B)や無機充填材自体の比重を、それぞれ考慮し、重量部を体積%に換算して取り扱うようにしてもよい。
以上、本発明の硬化促進剤、エポキシ樹脂組成物および半導体装置の好適実施形態について説明したが、本発明は、これに限定されるものではない。
1.トリ置換ホスホニオフェノラート誘導体(C)の合成
まず、硬化促進剤として使用する、本発明の硬化促進剤である化合物C1〜C8、比較用の硬化促進剤である化合物C9、C10、およびトリフェニルホスフィンを用意した。
冷却管および撹拌装置付きのセパラブルフラスコ(容量:500mL)に、3−ヨードフェノール22.0g(0.100mol)と、トリフェニルホスフィン31.4g(0.100mol)、塩化ニッケル0.5g、エタノール100mLを仕込み、還流するように加熱し24時間反応させた。
反応終了後、反応液を室温まで冷却した後、純水500mLに滴下し、反応物を析出させた。析出した反応物は、ろ過後にヘキサン100mLで洗浄し、乾燥して、ホスホニウムハロゲン塩36.2g(収率83%)を得た。このハロゲン塩を、等モルの水酸化ナトリウムで中和して合成した下記式(4)で表されるトリ置換ホスホニウムフェノラート35.4g(0.1mol)、下記式(5)で表される構造のビフェニル型エポキシ樹脂 19.3g(エポキシ基0.1mol相当)を、攪拌装置付きのセパラブルフラスコにしこみ、常温で混合後、内温が140℃になるよう加熱し、90分間反応させた。反応後に、フェノール9.4g(フェノール水酸基0.1mol相当)を加え、さらに100℃で60分反応させ、樹脂状の化合物C1を得た。
融点 :105℃
水酸基当量 :193
150℃のICI溶融粘度:0.15poise
前記同様にして合成した式(4)で表されるトリ置換ホスホニウムフェノラート35.4g(0.1mol)、下記式(6)で表される構造のビフェニルアラルキル型エポキシ樹脂27.2g(エポキシ基0.1mol相当)を、攪拌装置付きのセパラブルフラスコにしこみ、常温で混合後、内温が140℃になるよう加熱し、90分間反応させた。反応後に、下記式(7)で表される構造のビフェニルアラルキル樹脂19.9g(フェノール水酸基0.1mol相当)を加え、さらに100℃で60分反応させ、樹脂状の化合物C2を得た。
軟化点 :60℃
エポキシ当量 :272
150℃のICI溶融粘度:1.3poise
軟化点 :68℃
水酸基当量 :199
150℃のICI溶融粘度:0.9poise
前記同様にして合成した式(4)で表されるトリ置換ホスホニウムフェノラート35.4g(0.1mol)、フェニルグリシジルエーテル15.0g(エポキシ基0.1mol)を、攪拌装置付きのセパラブルフラスコにしこみ、常温で混合後、内温が140℃になるよう加熱し、90分間反応させた。反応後に、下記式(8)で表される構造のフェノールアラルキル樹脂17.2g(フェノール水酸基0.1mol相当)を加え、さらに100℃で60分反応させ、樹脂状の化合物C3を得た。
軟化点 :77℃
水酸基当量 :172
150℃のICI溶融粘度:3.6poise
前記同様にして合成した式(4)表されるトリ置換ホスホニウムフェノラート35.4g(0.1mol)、前記式(5)で表される構造のビフェニル型エポキシ樹脂19.3g(エポキシ基0.1mol)を、攪拌装置付きのセパラブルフラスコにしこみ、常温で混合後、内温が100℃になるよう加熱し、60分間反応させた。反応後に、前記式(8)で表される構造のフェノールアラルキル樹脂17.2g(フェノール水酸基0.1mol相当)を加え、さらに100℃で60分反応させ、樹脂状の化合物C4を得た。
3−ブロモフェノールの代わりに、2−ブロモ−6−ナフトール22.3g(0.1mol)を用いて、化合物C1と同様の手法で合成した下記式(9)で表されるトリ置換ホスホニウムフェノラート40.4g(0.1mol)を用いた以外は、化合物C1の合成と同様に行い、樹脂状の化合物C5を得た。
前記式(4)で表されるトリ置換ホスホニウムフェノラートの代わりに、前記同様にして合成した式(9)で表されるトリ置換ホスホニウムフェノラート40.4g(0.1mol)を用いた以外は、化合物C2の合成と同様に行い、樹脂状の化合物C6を得た。
上記で得た樹脂状の化合物C6を、DSCにより測定を行ったところ、60℃付近に幅広い軟化点による吸熱を確認した。また、高温域で、エポキシ基の開環反応による発熱は見られなかった。これより、仕込んだ原料が適切な反応を起こしていることが確認できた。
トリフェニルホスフィンの代わりに、トリ−p−トリルホスフィン30.4g(0.1mol)、3−ヨードフェノールの代わりに、2−ヨードフェノールを用いて合成した下記式(10)で表されるトリ置換ホスホニウムフェノラート39.7g(0.1mol)を用いた以外は、化合物C2の合成と同様に行い、樹脂状の化合物C7を得た。
トリフェニルホスフィンの代わりに、トリ−n−ブチルホスフィン20.2g(0.1mol)を用いて合成した下記式(11)で表されるトチ置換ホスホニウムフェノラート29.5g(0.1mol)を用いた以外は、化合物C2の合成と同様に行い、樹脂状の化合物C8を得た。
前記同様にして合成した式(4)で表されるトリ置換ホスホニウムフェノラートを化合物C9とし、前記同様にして合成した式(9)で表されるトリ置換ホスホニウムフェノラートをC10とした。
以下のようにして、前記化合物C1〜C8、比較用の化合物C9、C10、およびトリフェニルホスフィンを含むエポキシ樹脂組成物を調製し、半導体装置を製造した。
まず、化合物(A)として前記式(5)で表されるビフェニル型エポキシ樹脂、化合物(B)として前記式(8)で表されるフェノールアラルキル樹脂(ただし、繰り返し単位数:3は、平均値を示す。)、硬化促進剤(C)として化合物C1、その他の添加剤として、無機充填材の溶融球状シリカ(平均粒径15μm)、カーボンブラック、臭素化ビスフェノールA型エポキシ樹脂およびカルナバワックスを、それぞれ用意した。
100ピンTQFPは、金型温度175℃、注入圧力7.4MPa、硬化時間2分でトランスファーモールド成形し、175℃、8時間で後硬化させることにより製造した。
なお、この100ピンTQFPのパッケージサイズは、14×14mm、厚み1.4mm、シリコンチップ(半導体素子)サイズは、8.0×8.0mm、リードフレームは、42アロイ製とした。
また、16ピンDIPは、金型温度175℃、注入圧力6.8MPa、硬化時間2分でトランスファーモールド成形し、175℃、8時間で後硬化させることにより製造した。
なお、この16ピンDIPのパッケージサイズは、6.4×19.8mm、厚み3.5mm、シリコンチップ(半導体素子)サイズは、3.5×3.5mm、リードフレームは、42アロイ製とした。
まず、化合物(A)として前記式(6)で表されるビフェニルアラルキル型エポキシ樹脂(ただし、繰り返し単位数:3は、平均値を示す。)、化合物(B)として前記式(7)で表されるビフェニルアラルキル型フェノール樹脂(ただし、繰り返し単位数:3は、平均値を示す。)、硬化促進剤(C)として化合物C1、その他の添加剤として、無機充填材である溶融球状シリカ(平均粒径15μm)、カーボンブラック、臭素化ビスフェノールA型エポキシ樹脂およびカルナバワックスを、それぞれ用意した。
次に、このエポキシ樹脂組成物を用いて、前記実施例1と同様にしてパッケージ(半導体装置)を製造した。
化合物C1に代わり、化合物C2:4.13重量部を用いた以外は、前記実施例1と同様にして、エポキシ樹脂組成物(熱硬化性樹脂組成物)を得、このエポキシ樹脂組成物を用いて、前記実施例1と同様にしてパッケージ(半導体装置)を製造した。
化合物C1に代わり、化合物C2:4.13重量部を用いた以外は、前記実施例2と同様にして、エポキシ樹脂組成物(熱硬化性樹脂組成物)を得、このエポキシ樹脂組成物を用いて、前記実施例2と同様にしてパッケージ(半導体装置)を製造した。
化合物C1に代わり、化合物C3:3.38重量部を用いた以外は、前記実施例1と同様にして、エポキシ樹脂組成物(熱硬化性樹脂組成物)を得、このエポキシ樹脂組成物を用いて、前記実施例1と同様にしてパッケージ(半導体装置)を製造した。
化合物C1に代わり、化合物C3:3.38重量部を用いた以外は、前記実施例2と同様にして、エポキシ樹脂組成物(熱硬化性樹脂組成物)を得、このエポキシ樹脂組成物を用いて、前記実施例2と同様にしてパッケージ(半導体装置)を製造した。
化合物C1に代わり、化合物C4:3.60重量部を用いた以外は、前記実施例1と同様にして、エポキシ樹脂組成物(熱硬化性樹脂組成物)を得、このエポキシ樹脂組成物を用いて、前記実施例1と同様にしてパッケージ(半導体装置)を製造した。
化合物C1に代わり、化合物C4:3.60重量部を用いた以外は、前記実施例2と同様にして、エポキシ樹脂組成物(熱硬化性樹脂組成物)を得、このエポキシ樹脂組成物を用いて、前記実施例2と同様にしてパッケージ(半導体装置)を製造した。
化合物C1に代わり、化合物C5:3.46重量部を用いた以外は、前記実施例1と同様にして、エポキシ樹脂組成物(熱硬化性樹脂組成物)を得、このエポキシ樹脂組成物を用いて、前記実施例1と同様にしてパッケージ(半導体装置)を製造した。
化合物C1に代わり、化合物C5:3.46重量部を用いた以外は、前記実施例2と同様にして、エポキシ樹脂組成物(熱硬化性樹脂組成物)を得、このエポキシ樹脂組成物を用いて、前記実施例2と同様にしてパッケージ(半導体装置)を製造した。
化合物C1に代わり、化合物C6:4.38重量部を用いた以外は、前記実施例1と同様にして、エポキシ樹脂組成物(熱硬化性樹脂組成物)を得、このエポキシ樹脂組成物を用いて、前記実施例1と同様にしてパッケージ(半導体装置)を製造した。
化合物C1に代わり、化合物C6:4.38重量部を用いた以外は、前記実施例2と同様にして、エポキシ樹脂組成物(熱硬化性樹脂組成物)を得、このエポキシ樹脂組成物を用いて、前記実施例2と同様にしてパッケージ(半導体装置)を製造した。
化合物C1に代わり、化合物C7:3.63重量部を用いた以外は、前記実施例1と同様にして、エポキシ樹脂組成物(熱硬化性樹脂組成物)を得、このエポキシ樹脂組成物を用いて、前記実施例1と同様にしてパッケージ(半導体装置)を製造した。
化合物C1に代わり、化合物C7:3.63重量部を用いた以外は、前記実施例2と同様にして、エポキシ樹脂組成物(熱硬化性樹脂組成物)を得、このエポキシ樹脂組成物を用いて、前記実施例2と同様にしてパッケージ(半導体装置)を製造した。
化合物C1に代わり、化合物C8:3.85重量部を用いた以外は、前記実施例1と同様にして、エポキシ樹脂組成物(熱硬化性樹脂組成物)を得、このエポキシ樹脂組成物を用いて、前記実施例1と同様にしてパッケージ(半導体装置)を製造した。
化合物C1に代わり、化合物C8:3.85重量部を用いた以外は、前記実施例2と同様にして、エポキシ樹脂組成物(熱硬化性樹脂組成物)を得、このエポキシ樹脂組成物を用いて、前記実施例2と同様にしてパッケージ(半導体装置)を製造した。
化合物C1に代わり、化合物C9:1.77重量部を用いた以外は、前記実施例1と同様にして、エポキシ樹脂組成物(熱硬化性樹脂組成物)を得、このエポキシ樹脂組成物を用いて、前記実施例1と同様にしてパッケージ(半導体装置)を製造した。
化合物C1に代わり、化合物C9:1.77重量部を用いた以外は、前記実施例2と同様にして、エポキシ樹脂組成物(熱硬化性樹脂組成物)を得、このエポキシ樹脂組成物を用いて、前記実施例2と同様にしてパッケージ(半導体装置)を製造した。
化合物C1に代わり、化合物C10:2.02重量部を用いた以外は、前記実施例1と同様にして、エポキシ樹脂組成物(熱硬化性樹脂組成物)を得、このエポキシ樹脂組成物を用いて、前記実施例1と同様にしてパッケージ(半導体装置)を製造した。
化合物C1に代わり、化合物C10:2.02重量部を用いた以外は、前記実施例2と同様にして、エポキシ樹脂組成物(熱硬化性樹脂組成物)を得、このエポキシ樹脂組成物を用いて、前記実施例2と同様にしてパッケージ(半導体装置)を製造した。
化合物C1に代わり、トリフェニルホスフィン:1.00重量部を用いた以外は、前記実施例1と同様にして、エポキシ樹脂組成物(熱硬化性樹脂組成物)を得、このエポキシ樹脂組成物を用いて、前記実施例1と同様にしてパッケージ(半導体装置)を製造した。
化合物C1に代わり、トリフェニルホスフィン:1.00重量部を用いた以外は、前記実施例2と同様にして、エポキシ樹脂組成物(熱硬化性樹脂組成物)を得、このエポキシ樹脂組成物を用いて、前記実施例2と同様にしてパッケージ(半導体装置)を製造した。
各実施例および各比較例で得られたエポキシ樹脂組成物の特性評価I〜III、および、各実施例および各比較例で得られた半導体装置の特性評価IVおよびVを、それぞれ、以下のようにして行った。
I:スパイラルフロー
EMMI−I−66に準じたスパイラルフロー測定用の金型を用い、金型温度175℃、注入圧力6.8MPa、硬化時間2分で測定した。
このスパイラルフローは、流動性のパラメータであり、数値が大きい程、流動性が良好であることを示す。
II:硬化トルク
キュラストメーター(オリエンテック(株)製、JSRキュラストメーターIV PS型)を用い、175℃、45秒後のトルクを測定した。
この硬化トルクは、数値が大きい程、硬化性が良好であることを示す。
III:フロー残存率
得られたエポキシ樹脂組成物を、大気中30℃で1週間保存した後、前記Iと同様にしてスパイラルフローを測定し、調製直後のスパイラルフローに対する百分率(%)を求めた。
このフロー残存率は、数値が大きい程、保存性が良好であることを示す。
IV:耐半田クラック性
100ピンTQFPを85℃、相対湿度85%の環境下で168時間放置し、その後、260℃の半田槽に10秒間浸漬した。
その後、顕微鏡下に、外部クラックの発生の有無を観察し、クラック発生率=(クラックが発生したパッケージ数)/(全パッケージ数)×100として、百分率(%)で表示した。
また、シリコンチップとエポキシ樹脂組成物の硬化物との剥離面積の割合を、超音波探傷装置を用いて測定し、剥離率=(剥離面積)/(シリコンチップの面積)×100として、8個のパッケージの平均値を求め、百分率(%)で表示した。
これらのクラック発生率および剥離率は、それぞれ、数値が小さい程、耐半田クラック性が良好であることを示す。
V:耐湿信頼性
16ピンDIPに、125℃、相対湿度100%の水蒸気中で、20Vの電圧を印加し、断線不良を調べた。15個のパッケージのうち8個以上に不良が出るまでの時間を不良時間とした。
なお、測定時間は、最長で500時間とし、その時点で不良パッケージ数が8個未満であったものは、不良時間を500時間超(>500)と示す。
この不良時間は、数値が大きい程、耐湿信頼性に優れることを示す。
これに対し、比較例1ないし比較例4で得られたエポキシ樹脂組成物は、いずれも流動性に劣るものであった。また、比較例5および比較例6で得られたエポキシ樹脂組成物は、いずれも、硬化性、保存性、流動性が極めて悪く、これらの比較例で得られたパッケージは、いずれも、耐半田クラック性に劣るものであった。
(実施例17〜24および比較例7)
ジアミノジフェニルメタンのビスマレイミド樹脂(ケイ・アイ化成製BMI−H)100重量部に、硬化促進剤として化合物C1〜C8およびトリフェニルホスフィンを、それぞれ、表2に示す配合比で配合し、これらを均一に混合した樹脂組成物(熱硬化性樹脂組成物)を得た。
実施例17〜24および比較例7で得られた樹脂組成物に対して、190℃におけるゲル化時間を測定した。
Claims (7)
- 硬化性樹脂組成物に混合され、該硬化性樹脂組成物の硬化反応を促進し得る硬化促進剤であって、
前記硬化促進剤は、トリ置換ホスホニオフェノラートと、1分子内にエポキシ基を1個以上有する化合物と、1分子内にフェノール性水酸基を1個以上有する化合物とを反応させて得られるものであることを特徴とする硬化促進剤。 - 前記一般式(3)において、オキシアニオンは、リン原子に対してオルト位またはメタ位に位置する請求項4に記載の硬化促進剤。
- 1分子内にエポキシ基を2個以上有する化合物と、1分子内にフェノール性水酸基を2個以上有する化合物と、請求項1ないし5のいずれかに記載の硬化促進剤とを含むことを特徴とするエポキシ樹脂組成物。
- 請求項6に記載のエポキシ樹脂組成物の硬化物により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。
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