JP2005239911A

JP2005239911A - エポキシ樹脂組成物及び半導体装置

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Publication number: JP2005239911A
Application number: JP2004052744A
Authority: JP
Inventors: Atsunori Nishikawa; 敦准西川
Original assignee: Sumitomo Bakelite Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Bakelite Co Ltd
Priority date: 2004-02-27
Filing date: 2004-02-27
Publication date: 2005-09-08
Anticipated expiration: 2024-02-27
Also published as: JP4539118B2

Abstract

【課題】流動性、充填性、耐半田性に優れた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）エポキシ樹脂、（Ｂ）フェノール樹脂、（Ｃ）硬化促進剤、（Ｄ）無機充填材、（Ｅ）二級のアミノ基を有するシランカップリング剤、及び（Ｆ）側鎖に長鎖のポリエーテルを有さない低分子量のシリコーンオイル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、及びこれ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。

Description

本発明は、半導体封止用エポキシ樹脂組成物、及びこれを用いた半導体装置に関するものである。

ＩＣ、ＬＳＩ等の半導体素子の封止方法として、エポキシ樹脂組成物のトランスファー成形が低コスト、大量生産に適しており、採用されて久しく、信頼性の点でもエポキシ樹脂や硬化剤であるフェノール樹脂の改良により特性の向上が図られてきた。しかし、近年の電子機器の小型化、軽量化、高性能化の市場動向において、半導体の高集積化も年々進み、また半導体装置の表面実装化が促進されるなかで、半導体封止用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。このため、従来からのエポキシ樹脂組成物では解決出来ない問題点も出てきている。
その最大の問題点は、表面実装の採用により半導体装置が半田浸漬或いは半田リフロー工程で急激に２００℃以上の高温にさらされ、吸湿した水分が爆発的に気化する際の応力により、半導体装置内、特に半導体素子、リードフレーム、インナーリード上の金メッキや銀メッキ等の各種メッキされた各接合部分とエポキシ樹脂組成物の硬化物の界面で剥離が生じたりして、信頼性が著しく低下する現象である。

半田処理による信頼性低下を改善するために、エポキシ樹脂組成物中の無機質充填材の充填量を増加させることで低吸湿化、高強度化、低熱膨張化を達成し耐半田性を向上させ、低溶融粘度の樹脂を使用して、成形時に低粘度で高流動性を維持させる手法がある（例えば、特許文献１参照。）。この手法を用いることにより耐半田性がかなり改良されるが、無機充填材の充填割合の増加と共に、流動性が犠牲になり、エポキシ樹脂組成物がパッケージ内に十分に充填されず、空隙が生じやすくなる欠点があった。こうした欠点を改善するため、シリコーンオイルを添加して流動性と耐半田性の両立を図る手法（例えば、特許文献２参照。）や、メッキ部分とエポキシ樹脂組成物の界面での剥離を防止する為、アミノシランやメルカプトシラン等の各種カップリング剤を添加して流動性と耐半田性の両立を図る手法も提案されている（例えば、特許文献３参照。）が、これらの方法でも十分に良好な流動性、充填性と耐半田性を兼ね備えた半導体封止用エポキシ樹脂組成物は得られるには至らなかった。

特開昭６４−６５１１６号公報（２〜７頁）特開平６−２２８２７５号公報（２〜８頁）特開平９−２５５８５２号公報（２〜７頁）

本発明は、流動性、充填性、耐半田性に優れた半導体封止用エポキシ樹脂組成物、及びこれを用い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）硬化促進剤、（Ｄ）無機充填材、（Ｅ）一般式（１）で表されるシランカップリング剤、及び（Ｆ）一般式（２）で表されるシリコーンオイル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、

［２］第［１］に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、半導体素子等の封止成形時において良好な流動性、充填性を有し、かつ無鉛半田に対応する高温の半田処理によってもクラックが発生しない良好な耐半田性を有する半導体封止用エポキシ樹脂組成物が得られるものである。

本発明は、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、硬化促進剤、無機充填材、二級のアミノ基を有するシランカップリング剤、及び側鎖に長鎖のポリエーテルを有さない低分子量のシリコーンオイルを必須成分とすることにより、半導体素子等の封止成形時において良好な流動性、充填性を有し、かつ無鉛半田に対応する高温の半田処理によってもクラックが発生しない良好な耐半田性を有する半導体封止用エポキシ樹脂組成物が得られるものである。
以下、本発明について詳細に説明する。

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、分子構造は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、ビフェニレン骨格等を有する）等が挙げられ、これらは単独でも混合して用いても差し支えない。

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、ビフェニレン骨格等を有する）等が挙げられ、これらは単独でも混合して用いても差し支えない。

エポキシ樹脂とフェノール樹脂の配合量としては、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であることが好ましく、この範囲を外れると、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可能性がある。

本発明で用いられ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の反応を促進するものであれば特に限定しないが、例えば、１，８−ジアザビシクロ（５，４，０）ウンデセン−７等のジアザビシクロアルケン及びその誘導体、トリブチルアミン、ベンジルジメチルアミン等のアミン系化合物、２−メチルイミダゾール等のイミダゾール化合物、トリフェニルホスフィン、メチルジフェニルホスフィン等の有機ホスフィン類、テトラフェニルホスホニウム・テトラフェニルボレート、テトラフェニルホスホニウム・テトラ安息香酸ボレート、テトラフェニルホスホニウム・テトラナフトイックアシッドボレート、テトラフェニルホスホニウム・テトラナフトイルオキシボレート、テトラフェニルホスホニウム・テトラナフチルオキシボレート等のテトラ置換ホスホニウム・テトラ置換ボレート等が挙げられ、これらは１種類を単独で用いても２種類以上を併用してもよい。

本発明に用いる無機充填材としては、一般に半導体封止用エポキシ樹脂組成物に使用されているものを用いることができる。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、最も好適に使用されるものとしては、球状の溶融シリカである。これらの無機充填剤は、単独でも混合して用いても差し支えない。無機充填材の配合量は、特に限定されないが、全エポキシ樹脂組成物中８０〜９４重量％が好ましい。下限値を下回ると十分な耐半田性が得られない可能性があり、上限値を超えると十分な流動性が得られない可能性がある。

本発明においては、一般式（１）で表されるシランカップリング剤と、一般式（２）で表されるシリコーンオイルとを、併用することが必須である。一般式（１）で表されるシランカップリング剤及び一般式（２）で表されるシリコーンオイルは、共に単独でも流動性と充填性を向上させる効果があるものの、両者を併用するとその相乗効果により、顕著に流動性と充填性が向上する効果が得られる。一般式（１）で表されるシランカップリング剤と、一般式（２）で表されるシリコーンオイルのどちらか一方だけ配合していても、半導体素子等の封止成形時に十分な流動性、充填が得られず、結果として表面実装における半田処理において十分な耐半田性を示すことができない。

本発明において用いられる一般式（１）で表されるシランカップリング剤としては、例えば、Ｎ−フェニルγアミノプロピルトリメトキシシラン、Ｎ−フェニルγアミノプロピルトリエトキシシラン、Ｎ−フェニルγアミノプロピルメチルジメトキシシラン、Ｎ−ブチルγアミノプロピルトリメトキシシラン、Ｎ−β（アミノエチル）γアミノプロピルトリメトキシシラン、Ｎ−β（アミノエチル）γアミノプロピルメチルジメトキシシラン等が挙げられ、最も好適に使用されるものとしては、Ｎ−フェニルγアミノプロピルトリメトキシシラン等である。一般式（１）で表されるシランカップリング剤は１種類を単独で使用しても２種類以上を併用してもよい。また配合量は、特に限定されないが、全エポキシ樹脂組成物中０．０１〜１重量％が望ましく、より好ましくは０.０５〜０．８重量％である。上記の下限値を下回ると一般式（２）で表されるシリコーンオイルとの相乗効果による期待するような粘度特性および流動特性が得られない可能性があり、上限値を超えると硬化性が低下する可能性がある。

本発明において用いられる一般式（２）で表されるシリコーンオイルは、側鎖に炭素数１〜２０の炭化水素基を有し、かつシロキサン結合の重合度が３〜１０の低分子量のシリコーンオイルであり、好適に使用されるものとしては側鎖に炭素数４〜１２の炭化水素基を有し、かつシロキサン結合の重合度が３〜８のシリコーンオイルであり、最も好適に使用されるものとしては、側鎖に炭素数６〜１０の炭化水素基を有し、かつシロキサン結合の重合度が３〜５のシリコーンオイルである。従来、無機充填材の表面や樹脂とのなじみを良くするために、シリコーンオイルの側鎖には長鎖のポリエーテルがよく用いられてきたが、これは材料中に水を貯める要因ともなっており、そのため吸水率が大きくなり、耐半田性の悪化の一因となっていた。そこで側鎖の酸素の数を抑えることで親水性を高めず、吸水率の増加を防ぎ、さらに低分子量にすることで、無機充填材や樹脂のなじみをよくすることができるのである。これらのシリコーンオイルは単独で用いても２種以上併用してもよい。これらのシリコーンオイルの配合量は全エポキシ樹脂組成物中０．０１〜１重量％が望ましく、より好ましくは０．０５〜０．８重量％である。下限値未満だと一般式（１）で表されるシランカップリング剤との相乗効果による期待するような粘度特性および流動特性が得られない可能性があり、上限値を越えるとエポキシ樹脂組成物の硬化が阻害され、また硬化物の物性が劣り、半導体封止樹脂としての性能が悪化する可能性があるので好ましくない。

本発明のエポキシ樹脂組成物は、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、硬化促進剤、無機充填材、一般式（１）で表されるシランカップリング剤、及び一般式（２）で表されるシリコーンオイルを必須成分とし、更にこれ以外に必要に応じて、一般式（１）で表される以外のアミノシラン、エポキシシラン、メルカプトシラン、アルキルシラン、ウレイドシラン、ビニルシラン等のシランカップリング剤や、チタネートカップリング剤、アルミニウムカップリング剤、アルミニウム／ジルコニウムカップリング剤等のカップリング剤、一般式（２）で表される以外のシリコーンオイル、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、ゴム等の低応力添加剤、臭素化エポキシ樹脂や三酸化アンチモン、水酸化アルミニウム、水酸化マグネシウム、ほう酸亜鉛、モリブデン酸亜鉛、フォスファゼン等の難燃剤等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、ミキサー等を用いて原料を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従来からの成形方法で硬化成形すればよい。

以下に本発明の実施例を示すが、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。
なお、実施例、及び比較例で用いたカップリング剤及びシリコーンオイルについて、以下に示す。

カップリング剤１：式（３）で示されるカップリング剤（信越化学（株）製、ＫＢＭ−５７３）

カップリング剤２：式（４）で示されるカップリング剤（信越化学（株）製、Ｘ１２−８０６）

カップリング剤３：式（５）で示されるカップリング剤（信越化学（株）製、ＫＢＭ−４０３）

カップリング剤４：式（６）で示されるカップリング剤（信越化学（株）製、ＫＢＥ−９０３）

シリコーンオイル１：式（７）で示されるシリコーンオイル（日本ユニカー（株）試作品）

シリコーンオイル２：式（８）で示されるシリコーンオイル（日本ユニカー（株）試作品）

シリコーンオイル３：式（９）で示されるシリコーンオイル（日本ユニカー（株）試作品）

シリコーンオイル４：式（１０）で示されるシリコーンオイル（日本ユニカー（株）製、ＦＺ−３７３０）

実施例１
エポキシ樹脂１：ビフェニル型エポキシ樹脂（ジャパンエポキシレジン（株）製、ＹＸ−４０００、エポキシ当量１９０ｇ／ｅｑ、融点１０５℃、以下、Ｅ−１という）
４４重量部
フェノール樹脂１：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１６５ｇ／ｅｑ、軟化点７９℃、以下Ｈ−１という）３８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）
５重量部
溶融球状シリカ（平均粒径２１μｍ）９００重量部
カップリング剤１３重量部
シリコーンオイル１２重量部
カーボンブラック３重量部
カルナバワックス５重量部
をミキサーにて混合し、熱ロールを用いて、９５℃で８分間混練して冷却後粉砕し、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１に示す。

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金型を用いて、金型温度１７５℃、圧力６．９ＭＰa、硬化時間１２０秒で測定した。単位はｃｍ。
充填性（ボイド）：低圧トランスファー成形機を用いて成形温度１７５℃、圧力９．３ＭＰa、硬化時間１２０秒で１６０ｐＱＦＰを成形したものを、超音波探傷装置で観察し内部のボイドの評価を行った。○はボイドなし。△は一部にボイドあり。×は全面にボイドあり。
硬化性: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IVＰＳ型）を用い、１７５℃、４５秒後のトルクを測定した。この値の大きい方が硬化性は良好である。単位はＮ・ｍ。
吸湿率：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７．９ＭＰａ、硬化時間１２０秒で、直径５０ｍｍ、厚さ３ｍｍの円板を成形し、１７５℃、８時間加熱処理し、８５℃、相対湿度８５％の環境下で１６８時間加湿処理し、重量変化を測定して吸湿率を求めた。単位は重量％。
耐半田性：低圧トランスファー成形機を用いて、成形温度１７５℃、圧力８．３ＭＰａ、硬化時間１２０秒で、８０ｐＱＦＰ（Ｃｕフレーム、チップサイズ６．０ｍｍ×６．０ｍｍ）を成形し、アフターベークとして１７５℃、８時間加熱処理した後、８５℃、相対湿度８５％で１２０時間の加湿処理を行った後、２６０℃のＩＲリフロー処理をした。パッケージ内部の剥離とクラックを超音波探傷機で確認した。１０個のパッケージ中の不良パッケージ数を示す。

実施例２〜１０、比較例１〜９
表１、及び表２の配合に従い、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、及び表２に示す。
実施例１以外で用いた原材料を以下に示す。
エポキシ樹脂２：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（日本化薬（株）製、ＮＣ３０００Ｐ、軟化点５８℃、エポキシ当量２７３、以下、Ｅ−２という。）

フェノール樹脂２：ビフェニレン骨格を有するフェノールアラルキル樹脂（明和化成（株）製、ＭＥＨ−７８５１ＳＳ、軟化点１０７℃、水酸基当量２０４、以下、Ｈ−２という。）

本発明に従うと、半導体素子等の封止成形時において良好な流動性、充填性を有し、かつ無鉛半田に対応する高温の半田処理によってもクラックが発生しない良好な耐半田性を有する半導体封止用エポキシ樹脂組成物が得られるので、特に表面実装型の半導体装置の製造用として好適に用いることができる。

Claims

（Ａ）エポキシ樹脂、（Ｂ）フェノール樹脂、（Ｃ）硬化促進剤、（Ｄ）無機充填材、（Ｅ）一般式（１）で表されるシランカップリング剤、及び（Ｆ）一般式（２）で表されるシリコーンオイル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。
請求項１に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封止してなることを特徴とする半導体装置。