JP2005336418A - エポキシ樹脂組成物及び半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 高温動作時の信頼性に優れた特性を有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）硬化促進剤、（Ｄ）無機充填剤及び（Ｅ）アルミニウム化合物を必須成分とするエポキシ樹脂組成物であって、上記全エポキシ樹脂組成物中の、アルミニウム元素含有率が０．２５重量％以上５重量％以下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、半導体素子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。特に自動車用半導体では、エンジンルーム内、或いは車体内の過酷な高温環境下での動作保証を要求され、従来の耐半田性といった実装特性のみならず、高温保管下、或いは高温動作下での信頼性が要求される。

高温保管下におけ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不純物を極力低減させたり、イオンキャッチャーを添加、或いは臭素、酸化アンチモン類といった難燃剤を根本的に含まない樹脂系の採用などによって高温保管下（以下ＨＴＳＬと称する）における信頼性を維持させる手法が一般的となりつつある。この手法ではイオン性不純物の低減化とＨＴＳＬの向上はできるものの、素子の実働状態、すなわち、高温動作時（以下ＨＴＯＬと称する。）の特性としては必ずしも満足できる手法ではない。（例えば、特許文献１ ２参照。）

特開２００４−０３５７８１号公報［００３５］ 特開２０００−２３０１１１号公報［００１４］

本発明は、高温動作時の信頼性に優れた特性を有する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。

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）無機充填剤及び（Ｅ）アルミニウム化合物を必須成分とするエポキシ樹脂組成物であって、上記全エポキシ樹脂組成物中の、アルミニウム元素含有率が０．２５重量％以上５重量％以下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］ １５０℃を超える高温環境下での動作保証を要求される電子部品に使用される半導体装置を封止するために用いられるエポキシ樹脂組成物であって、（Ａ）エポキシ樹脂、（Ｂ）フェノール樹脂、（Ｃ）硬化促進剤、（Ｄ）無機充填剤及び（Ｅ）アルミニウム化合物を必須成分とし、上記全エポキシ樹脂組成物中の、アルミニウム元素含有率が０．２５重量％以上５重量％以下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、
［３］ 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、
［４］ 第［１］項記載のエポキシ樹脂組成物を用いてリードフレームや基板に金線を用いて接合された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、
［５］ １５０℃を超える高温環境下での動作保証を要求される電子部品に使用される
半導体装置であって、第［２］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、
［６］ １５０℃を超える高温環境下での動作保証を要求される電子部品に使用される半導体装置であって、第［２］項記載のエポキシ樹脂組成物を用いてリードフレームや基板に金線を用いて接合された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。

本発明のエポキシ樹脂組成物は、高温動作時の信頼性に優れ、これを用いた半導体装置の信頼性向上に寄与する。

本発明は、エポキシ樹脂組成物中にアルミニウム元素を０．２５重量％以上５重量％以下添加することで、高温動作下での信頼性に優れた特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。
本組成物に用いられるエポキシ樹脂は、分子内にエポキシ基を有するモノマー、オリゴマー、ポリマーであり、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、フェノールノボラック型エポキシ樹脂、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、ジシクロペンタジエン変性フェノール型エポキシ樹脂、スチルベン型エポキシ樹脂、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、及びトリアジン核含有エポキシ樹脂等が挙げられ、これらは単独でも混合して用いてもよい。これらのエポキシ樹脂の中では、ナフトールノボラック型エポキシ樹脂、ジシクロペンタジエン変性フェノール型エポキシ樹脂が、粘度及び弾性率が低い特長を有し、このため半田リフロー時に発生する応力が低く密着性にも優れるため、耐半田リフロー性が良好であり好ましい。

本発明のアルミニウム化合物は、半導体封止材として用いられるために、耐熱性、低不純物、耐薬品性に優れたものが好ましい。この様なものとしては、例えば、水酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、アルミナなどが上げられる。又、組成物として添加しやすい形態として、平均粒径５０μｍ以下の粉末であることが好ましい。

一般に、半導体素子とリードフレーム間は、金線にて導通接続される。特にリードフレーム側は、金線とアルミパッドとが熱及び超音波により接合される。この時、金とアルミニウムは共晶、金属間化合物と呼ばれる合金を作る。高温下での保存時（ＨＴＳＬ）にはこの金属間化合物の成長や、クラック、腐食といったことから接続抵抗が上昇するという不良を起すことが知られている。一方高温動作時（ＨＴＯＬ）には、実電流を流すために電子の流れがある環境下での現象となり、高温保管（ＨＴＳＬ）とは違う挙動を示す。特に高温、大電流下では、電子による金属間化合物の移動（電気的マイグレーション）が発生し、陰極での金属間化合物の移動、接合部分にクラック、ボイドが発生し、抵抗値増大、導通不良といった問題が起こる。そのため、陰極でのマイグレーションを抑えることが重要である。本発明のごとく、全エポキシ樹脂組成物中に０．２５重量％以上５重量％以下のアルミニウム元素を含有することで、電気的マイグレーションを大幅に抑制することが可能となるものである。

本発明に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されているものを広く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等
の有機リン系化合物等が挙げられ、これらは単独でも混合して用いてもよい。

アルミニウム元素の含有量は、全エポキシ樹脂組成物中に０．２５重量％以上であり、更に好ましくは１重量％以上である。０．２５重量％未満では十分なＨＴＯＬ特性を付与することが出来ない。又５重量％以上の大量添加してもＨＴＯＬ改善の効果は変わらないが、成形品強度、流動性低下などの問題が発生するため、好ましくない。

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、溶融球状シリカ、溶融破砕シリカ、結晶シリカ、チタンホワイト、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、球状溶融シリカ、並びに破砕状溶融シリカである。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。またこれらがカップリング剤により表面処理されていてもかまわない。無機充填材の形状としては、流動性改善のために、できるだけ真球状であり、かつ粒度分布がブロードであることが好ましい。

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、必要に応じて、臭素化エポキシ樹脂、三酸化アンチモン、リン化合物、水酸化マグネシウム、硼酸化合物等の難燃剤類、酸化ビスマス水和物等の無機イオン交換体、γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシランやγ−アミノプロピルトリエトキシシラン等のカップリング剤、カーボンブラック、ベンガラ等の着色剤、シリコーンオイル、シリコーンゴム等の低応力化成分、天然ワックス、合成ワックス、高級脂肪酸及びその金属塩類もしくはパラフィン等の離型剤等の各種添加剤を配合することもできる。
但し、臭素化エポキシ樹脂、三酸化アンチモンは、大量に添加すると、ＨＴＳＬにおける信頼性を低下させるため、ＨＴＳＬにおける信頼性を満足できる範囲内で少量添加しても良い。

本発明のエポキシ樹脂組成物は、ミキサー等を用いて常温混合し、ロール、ニーダー、押し出し機等の混錬機で溶融混錬し、冷却後粉砕する一般的な方法で得られる。
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成形方法で成形硬化すればよい。

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−４０００Ｋ、エポキシ当量１８５、融点１０５℃） ５．６５重量部
フェノールアラルキル樹脂２（三井化学（株）製ＸＬ−２２５、軟化点７９℃、水酸基当量１７４） ５．３５重量部
水酸化アルミニウム（平均粒径３μｍ） １．５重量部
溶融シリカ（平均粒径２８μｍ、比表面積１．２ｍｍ２／ｇ） ８６．５重量部
トリフェニルホスフィン ０．２重量部
カルナバワックス ０．２重量部
γ−グリシジルプロピルトリメトキシシラン ０．３重量部
カーボンブラック ０．３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℃、注入圧力６．９ＭＰａ、硬化時間１２０秒で測定した。単位はｃｍ。
ガラス転移温度（Ｔｇ）：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１８０秒で１０ｍｍ×４ｍｍ×４ｍｍの硬化物を成形し、ポストキュアとして１７５℃で８時間処理した後、昇温速度５℃／分でＴＭＡ分析した。得られたＴＭＡ曲線の６０℃、及び２４０℃の接線の交点温度を読み取り、この温度をガラス転移温度とした。測定にはセイコーインスツルメンツ（株）製ＴＭＡ−１００を用いた。単位は、℃。
曲げ強さ、曲げ弾性率：トランスファー成形機を用いて成形温度１７５℃、圧力９．８ＭＰａ、硬化時間１２０秒で長さ８０ｍｍ、幅１０ｍｍ、厚さ４ｍｍの試験片を成形し、ポストキュアとして１７５℃で８時間加熱処理した後、２６０℃での曲げ強さ、曲げ弾性率をＪＩＳ Ｋ ６９１１に準じて測定した。単位は、いずれもＭＰａ。
高温保管特性：トランスファー成形機を用いて成形温度１７５℃、圧力９．８ＭＰａ、硬化時間２分で１６ｐＳＯＰ（チップサイズ３．５ｍｍ×３．５ｍｍ）を成形し、１７５℃、８時間で後硬化した後、高温保管試験（１８５℃）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、不良になるまでの時間を測定した。不良時間はｎ＝４ヶの平均値。単位は時間。
高温動作特性：トランスファー成形機を用いて成形温度１７５℃、圧力９．８ＭＰａ、硬化時間２分で１６ｐＳＯＰ（チップサイズ３．５ｍｍ×３．５ｍｍ）を成形し、１７５℃、８時間で後硬化した後、デイジーチェーンにつないだ両端に０．５Ａの直流電流を流す。この状態で１８５℃での高温保管を行い、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、不良になるまでの時間を測定した。不良時間はｎ＝４ヶの平均値。単位は時間。

実施例２〜７、比較例１〜４
表１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に示す。
なお、実施例１以外で用いた成分について以下に示す。
オルソクレゾールノボラック型エポキシ樹脂：日本化薬（株）製 ＥＯＣＮ−１０２０−６２、軟化点６２℃、水酸基当量１９８
アラルキル型エポキシ樹脂：式（１）に示すエポキシ樹脂、軟化点５８℃、エポキシ当量２７２

ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂：大日本インキ工業（株）製 ＨＰ−７２００、
軟化点６０℃、水酸基当量２６３
Ｂｒ化エポキシ樹脂：日本化薬（株）製 ＢＲＥＮ−Ｓ、軟化点８４℃、水酸基当量２７３
フェノールノボラック型樹脂：軟化点８０℃、水酸基当量１０４
フェノールアラルキル樹脂１：式（２）に示すフェノール樹脂、軟化点７３℃、水酸基当量２００

酸化亜鉛：平均粒径 ０．５μｍ
水酸化マグネシウム：Ｍｇ（ＯＨ）₂ 平均粒径 ３μｍ
窒化アルミニウム：ＡｌＮ 平均粒径 １５μｍ
アルミナ：Ａｌ₂０₃ 平均粒径 ２０μｍ
ＤＢＵ：１，８−ジアザビシクロ（５，４，０）ウンデセン−７

本発明によると、高温保管特性、高温動作時の信頼性に優れるエポキシ樹脂組成物が得られるので、高温の環境下で使用される半導体装置、例えば自動車のエンジンルーム内或いは車体内の半導体装置に好適に用いることができる。

Claims (6)

1. （Ａ）エポキシ樹脂、（Ｂ）フェノール樹脂、（Ｃ）硬化促進剤、（Ｄ）無機充填剤及び（Ｅ）アルミニウム化合物を必須成分とするエポキシ樹脂組成物であって、上記全エポキシ樹脂組成物中の、アルミニウム元素含有率が０．２５重量％以上５重量％以下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. １５０℃を超える高温環境下での動作保証を要求される電子部品に使用される半導体装置を封止するために用いられるエポキシ樹脂組成物であって、（Ａ）エポキシ樹脂、（Ｂ）フェノール樹脂、（Ｃ）硬化促進剤、（Ｄ）無機充填剤及び（Ｅ）アルミニウム化合物を必須成分とし、上記全エポキシ樹脂組成物中の、アルミニウム元素含有率が０．２５重量％以上５重量％以下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。
3. 請求項１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。
4. 請求項１記載のエポキシ樹脂組成物を用いてリードフレームや基板に金線を用いて接合された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。
5. １５０℃を超える高温環境下での動作保証を要求される電子部品に使用される半導体装置であって、請求項２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。
6. １５０℃を超える高温環境下での動作保証を要求される電子部品に使用される半導体装置であって、請求項２記載のエポキシ樹脂組成物を用いてリードフレームや基板に金線を用いて接合された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。