JP2006057058A - 半導体封止用樹脂組成物及びそれを用いた半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 耐湿信頼性を低下させる不純イオンを低減するとともに、硬化物の透明性を維持することができ、低変色性、低着色特性に優れた半導体封止用樹脂組成物と、この半導体封止用樹脂組成物を用いて封止された半導体装置を提供する。
【解決手段】 次式（１）で表される化合物がエポキシ樹脂、硬化剤とともに必須成分として含有されていることとする。
【化１】

【選択図】なし

Description

本願発明は、電気・電子部品、汎用半導体装置、光半導体装置等における半導体を封止するために用いられる半導体封止用樹脂組成物と、この半導体封止用樹脂組成物を用いて封止された半導体装置に関するものである。

従来より、電気・電子部品、汎用半導体装置、光半導体装置等の封止方法として、エポキシ樹脂組成物やシリコン樹脂組成物等による封止方法や、ガラス、金属、セラミック等を用いたハーメチックシール法が知られている。特に、エポキシ樹脂は、密着性、耐湿性、電気絶縁性、耐熱性、透明性等の点で優れており、さらに、大量生産可能であり、コストメリットがあるため、近年ではエポキシ樹脂組成物を用いる封止方法が主流を占めている。このエポキシ樹脂組成物を、LED、フォトトランジスター、フォトダイオード、CCD、CMOS、EPROM等の光半導体分野で使用する場合、透明性、すなわち光半導体装置が使用される波長域においては高い光透過率が必要であり、低変色性、低着色特性に優れたエポキシ樹脂組成物が望まれている。

ところで、近年、環境対応の観点から鉛を含まない半田（高温半田）を用いた回路板への実装方式が主流となっており、実装時に加わる高い熱ストレスによる半導体装置の実装信頼性の向上や、車載用途への展開を行うための、耐熱応力特性、耐湿信頼性の向上も求められている。エポキシ樹脂組成物としては、例えば、エポキシ樹脂としてｏ−クレゾールノボラック型エポキシ樹脂、硬化剤としてフェノールノボラック樹脂からなるエポキシ樹脂組成物が一般的に使用されている。しかし、このエポキシ樹脂組成物は不純物としてハロゲンイオンを含有しているため、アルミ配線腐食や電気特性劣化等を引き起こして耐湿信頼性を低下させてしまうという問題があった。

そこで、ジシクロペンタジエン骨格や、ナフタレン骨格をもつ低吸湿樹脂の配合設計への導入や、エポキシ樹脂にビフェニル骨格等の結晶性樹脂を使用することで低粘度化を達成し、低吸湿化、低α化、高熱時強度化を狙った無機質充填材の高充填配合設計が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２０００−９５８４０号公報

しかしながら、上記のエポキシ樹脂組成物は十分な耐湿信頼性を有するものであるが、光半導体封止用へ適用しようとした場合には、エポキシ樹脂組成物自体が着色しているため、その硬化物について光半導体装置が使用される波長領域での透明性の確保が困難であった。このため、耐湿信頼性を十分満足させることができ、かつ、光半導体封止用として適用可能なエポキシ樹脂組成物はいまだ報告されていないのが実情である。

本願発明は、以上の通りの背景から、耐湿信頼性を低下させる不純イオンを低減するとともに、硬化物の透明性を維持することができ、低変色性、低着色特性に優れた半導体封止用樹脂組成物と、この半導体封止用樹脂組成物を用いて封止された半導体装置を提供することを課題としている。

本願発明は、前記の課題を解決するものとして、第１には、次式（１）で表される化合物がエポキシ樹脂、硬化剤とともに必須成分として含有されていることを特徴とする。

そして、第２には、上記の半導体封止用樹脂組成物において、上記式（１）で表される化合物の含有率は半導体封止用樹脂組成物全体に対して０．１〜５０質量％の範囲であることを特徴とし、第３には、この半導体封止用樹脂組成物に無機充填材が含有されており、この無機充填材の含有率は半導体封止用樹脂組成物全体に対して３０〜９３質量％の範囲であることを特徴とする。

さらに、本願発明は、第４には、半導体装置として、以上のいずれかの半導体封止用樹脂組成物で半導体素子が封止されてなることを特徴とする。

前記のとおりの上記の第１の発明によれば、上記式（１）で表される化合物がエポキシ樹脂、硬化剤とともに必須成分として含有されていることで、耐湿信頼性を低下させる不純イオンを低減するとともに、硬化物の透明性を維持することができる。また、この硬化物は耐熱変色性が良好で、高温放置した場合でも低変色性、低着色特性に優れた効果を示し、硬化物の透明性を維持することができる。

上記の第２の発明によれば、上記式（１）で表される化合物の含有率を半導体封止用樹脂組成物全体に対して０．１〜５０質量％の範囲にすることで、第１の発明の効果に加え、さらに耐湿信頼性を低下させる不純イオンを低減するとともに、硬化物の透明性を維持することができる。また、この硬化物を高温放置した場合でもさらに低変色性、低着色特性に優れた効果を示し、硬化物の透明性を維持することができる。

また、上記の第３の発明によれば、この半導体封止用樹脂組成物に無機充填材が含有されており、この無機充填材の含有率を半導体封止用樹脂組成物全体に対して３０〜９３質量％の範囲にすることで、第１、第２の発明の効果に加え、より耐湿信頼性を低下させる不純イオンを低減するとともに、硬化物の吸湿を低減することができる。

以上のような顕著な効果は、上記の第４の発明の半導体装置として実際上大きく実現される。

本願発明は前記のとおりの特徴をもつものであるが、以下に、発明を実施するための最良の形態を説明する。

本願発明の半導体封止用樹脂組成物では、前記のとおり、次式（１）で表される化合物がエポキシ樹脂、硬化剤とともに必須成分として含有されているものである。

上記式（１）で表される化合物の含有率は半導体封止用樹脂組成物全体に対して０．１〜５０質量％の範囲であることが好ましく、より一層耐湿信頼性を低下させる不純イオンを低減でき、低変色性や低着色特性に優れた半導体封止用樹脂組成物とすることができる。上記式（１）で表される化合物の含有率が半導体封止用樹脂組成物全体に対して０．１質量％未満の場合には、この硬化物の透明性、低変色性、低着色特性の効果が十分でない場合があるため好ましくない。５０質量％を超える場合には、成形性（ボイド）が悪化する場合があるため好ましくない。

エポキシ樹脂としては、１分子中に２個以上のエポキシ基を有するものであれば特に制限されることなく使用することができる。例えば、ｏ−クレゾールノボラック型エポキシ樹脂、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、ビスフェノールＳ型エポキシ樹脂、脂環式エポキシ樹脂、トリグリシジルイソシアヌレート、脂肪族系エポキシ樹脂等を用いることができる。また、これらエポキシ樹脂の芳香格部に水素添加したエポキシ樹脂等を用いてもよい。光半導体封止用樹脂組成物として使用する場合には比較的着色の少ないものが好ましい。これらのエポキシ樹脂は単独もしくは複数種併用してもよい。また、Episulfide樹脂等を単独もしくは併用して用いてもよい。

硬化剤としては、上記のエポキシ樹脂を硬化させることができるものであれば特に制限されることなく使用することができる。例えば、無水ヘキサヒドロフタル酸、無水テトラヒドロフタル酸等の酸無水物、フェノール、クレゾール、キシレノール、レゾールシン等とホルムアルデヒドとを縮合反応して得られるノボラック型フェノール樹脂、液状ポリメルカプタンやポリサルファイド樹脂等のポリメルカプト系硬化剤等を用いることができる。この他にアミン系硬化剤を用いることができるが、硬化時の変色が大きいため使用する際は添加量等に注意する必要がある。光半導体封止用樹脂組成物として使用する場合には比較的着色の少ないものが好ましい。これらの硬化剤は単独もしくは複数種併用してもよい。

エポキシ樹脂と硬化剤の当量比は、色目や硬化物物性の点からエポキシ樹脂/硬化剤の当量比＝０.８〜２であることが好ましい。

以上のような半導体封止用樹脂組成物は、耐湿信頼性を低下させる不純イオンを低減するとともに、硬化物の透明性を維持することができ、低変色性や低着色特性に優れた効果をもつものである。

また、本願発明は、半導体封止用樹脂組成物に無機充填材を含有してもよく、この無機充填材の含有率は半導体封止用樹脂組成物全体に対して３０〜９３質量％の範囲であることが好ましい。これによって、さらに耐湿信頼性を低下させる不純イオンを低減でき、硬化物の吸湿を低減することができる。無機充填材の含有率が半導体封止用樹脂組成物の全量に対して３０質量％未満の場合、半導体封止用樹脂組成物の硬化物（封止樹脂）の吸湿率が大幅に増加し、耐湿信頼性が低下する場合があるため好ましくない。９３質量％を超える場合には、半導体封止用樹脂組成物の流動性が悪くなり、成形性不良が発生する場合があるため好ましくない。

無機充填材としては、溶融シリカ、結晶シリカ、アルミナ、酸化チタン、チタン酸バリウム、酸化マグネシウム、酸化ベリリウム等に代表される金属酸化物、窒素アルミニウム、窒素硼素等に代表される金属窒化物、炭化珪素等に代表される金属炭化物、硼化チタンに代表される金属硼化物、銅分等に代表される金属単体、ＺｎＳ：Ｃｕ系、ＹＡＧ系、Ｅｕ系等に代表される蛍光剤、無アルカリガラス等が挙げられるが特に制限されるものではない。無色透明な成形体を得るためには、シリカやガラス等に代表される様に無機化合物自体が無着色透明であることが好ましい。これらの無機充填材は単独もしくは複数種併用してもよい。

本願発明は、さらに、硬化促進剤を併用してもよく、エポキシ樹脂と硬化剤の反応を促進させる作用があるものであれば特に制限されるものではない。例えば、トリフェニルホスフィン、ジフェニルフォスフィン等の有機フォスフィン系硬化促進剤、１，８−ジアザビシクロ（５，４，０）ウンデセン−７、トリエタノールアミン、ベンジルジメチルアミン等の３級アミン系硬化促進剤及びその有機酸塩類、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・ブロマイド等の有機酸塩類、１−ベンジル,２−フェニルイミダゾール等のイミダゾール類等を用いることができる。光半導体封止用樹脂組成物として使用する場合には比較的着色の少ないものが好ましい。これらの硬化促進剤は単独もしくは複数種併用してもよい。硬化促進剤の含有率は半導体封止用樹脂組成物全体に対して０.０５〜５質量％の範囲であることが好ましい。硬化促進剤の含有率が半導体封止用樹脂組成物の全量に対して０.０５質量％未満の場合、エポキシ樹脂と硬化剤の反応の十分な促進効果が得られず、成形サイクルが悪化する場合があるため好ましくない。また、５質量％を超える場合には、ゲル化時間が短くなりすぎて、ボイド、未充填、表面ひけ等が発生しやすくなり成形性が悪化する場合があるため好ましくない。

そして、上記のエポキシ樹脂、硬化剤、必要に応じて添加される無機充填材及び硬化促進剤、さらに必要に応じて、変色防止剤、劣化防止剤、染料、紫外線吸収剤、有機充填材、その他シラン系カップリング剤、変性剤、可塑剤、光拡散剤、希釈剤等を配合してもよい。これらを溶解混合、またはミキサー、ブレンダー等で均一にドライブレンドした後、ニーダーやロール等の連続混合機で溶融混練することにより、半導体封止用樹脂組成物を調製することができる。なお、溶融混練した後で必要に応じて冷却固化し、粉砕して粉状等にして使用してもよいし、タブレット状、スティック状に成形して使用してもよい。

そして、上記のようにして調製した半導体封止用樹脂組成物を封止成形により硬化させることによって、半導体装置を作製することができる。例えば、ＩＣ等の半導体素子を搭載したリードフレームをトランスファー成形金型にセットし、トランスファー成形を行うことによって、半導体素子を半導体封止用樹脂組成物で封止した半導体装置を作製することができる。金型の温度や成形時間及びその他の成形条件は、従来の封止成形と同様に設定することができ、半導体封止用樹脂組成物の材料（成分）の種類や製造される半導体装置の種類等によって適宜設定変更するものである。

このようにして作製された半導体装置は、耐湿信頼性、透明性、低変色性、低着色特性に優れた効果を持つものである。

そこで以下に実施例を示し、さらに詳しく説明する。もちろん以下の例によって本願発明が限定されることはない。

＜実施例１〜４及び比較例＞
表１に示す配合物（配合量の単位は質量部）をミキサーで均一に混合した後、ニーダーで加熱混練することによって、実施例１〜４及び比較例１の半導体封止用樹脂組成物を得た。

テストピースの作製：金型温度１５０℃、キュア時間１５０ｓで半導体封止用樹脂組成物を金型を用いてトランスファー成形した後、１５０℃で２時間ポストキュアしてテストピースを作製した。

光透過率の評価：５０φ×１ｍｍｔのテストピースを上記方法にて作製した。次に島津製作所製の積分球付き分光光度計を使用し、４５０〜１１００ｎｍの波長における光透過率を測定した。光透過率が９０％以上のものを「◎」、７５％以上〜９０％未満のものを「○」、５０％以上〜７５％未満のものを「△」、５０％未満のものを「×」として評価した。

吸湿率の測定：５０φ×３ｍｍｔのテストピースを上記方法にて作製した。このテストピースを１２５℃−１６ｈｒでベーク処理をし、室温までデシケータ中で冷却する。その後、電子天秤で初期重量を測定し、高温高湿試験機で８５℃／８５％ＲＨ／２０ｈｒ処理する。室温まで冷却したものの重量を測定し、重量増加分÷初期重量×１００で吸湿率（％）データを測定した。

不純イオンの評価：上記方法にて作成したテストピースをスタンプミルにて粉砕した。次にこの粉砕品を１００メッシュの篩にてＰａｓｓしたものを試料として評価した。試料５ｇを秤量しメタノールと蒸留水を使用して２０時間煮沸還流させることにより、試料から不純イオンを抽出した。イオンクロマトグラフィにてナトリウムとクロルイオンを定量化した。

耐リフロー性の評価：光ピックアップ用のテストピースである受光ＰＫＧ（４×５×１．８ｍｍｔ）を上記方法にて２０ケ作製し、評価に用いた。受光ＰＫＧを乾燥（１２５℃／１６ｈｒ）した後ドライボックス内で常温まで冷却する。次に前処理として高温高湿機にて３０℃／７０％ＲＨ／１６８時間の条件で吸湿処理した後に２６０℃ピークのＩＲリフロー炉に３回投入し、電気的な接続不良率を測定した。

耐湿信頼性の評価：アルミ配線を施した２×４ｍｍの素子を搭載した１６ＤＩＰを上記方法にて２０ケ作製し、評価に用いた。８５℃／８５％ＲＨ／１０００ｈ処理後の電気的な故障率を測定した。

以上の結果を表１に示す。

表１の結果より、実施例１〜４では、前記式（１）で表される化合物がエポキシ樹脂、硬化剤とともに必須成分として含有されていることで、耐湿信頼性を低下させる不純イオンを低減するとともに、硬化物の透明性を維持することができることが確認された。また、この硬化物は耐リフロー性、耐湿信頼性に優れていることが確認された。比較例では、光透過率は良好であるものの、不純イオンを低減することができず、耐湿信頼性、耐リフロー性が悪化していることが確認された。

Claims (4)

1. 次式（１）で表される化合物がエポキシ樹脂、硬化剤とともに必須成分として含有されていることを特徴とする半導体封止用樹脂組成物。
   

   
2. 式（１）で表される化合物の含有率は半導体封止用樹脂組成物全体に対して０．１〜５０質量％の範囲であることを特徴とする請求項１に記載の半導体封止用樹脂組成物。
3. 請求項１または２に記載の半導体封止用樹脂組成物に無機充填材が含有されており、この無機充填材の含有率は半導体封止用樹脂組成物全体に対して３０〜９３質量％の範囲であることを特徴とする半導体封止用樹脂組成物。
4. 請求項１から３のいずれかに記載の半導体封止用樹脂組成物で半導体素子が封止されてなることを特徴とする半導体装置。