JP2006143951A - エポキシ樹脂組成物及び半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 成形時の離型性、連続成形性が良好で、且つ耐半田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）無機質充填材、（Ｅ）酸化マイクロクリスタリンワックス及び（Ｆ）特定構造のシランカップリング剤を必須成分とし、前記（Ａ）エポキシ樹脂、前記（Ｂ）フェノール樹脂のうちの少なくとも一方が、主鎖にビフェニレン骨格を有するノボラック構造の樹脂を含み、前記（Ｅ）成分を全エポキシ樹脂組成物中に０．０１重量％以上１重量％以下の割合で含み、かつ前記（Ｆ）成分を全エポキシ樹脂組成物中に０．０５％以上０．５重量％以下の割合で含む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、エポキシ樹脂組成物及びそれを用いた半導体装置に関するものであり、特に流動性、離型性、連続成形性に優れた特性を有するエポキシ樹脂組成物及びそれを用いた耐半田性に優れた半導体装置に関するものである。

近年、電子機器の高度化、軽薄短小化が求められる中、半導体素子の高集積化、表面実装化が進んでいる。これに伴い、半導体封止用エポキシ樹脂組成物への要求は益々厳しくなっているのが現状である。特に半導体装置の薄型化に際しては、金型とエポキシ樹脂組成物の硬化物との間の離型不足に伴う応力の発生により、半導体装置内部の半導体素子自体にクラックを生じたり、硬化物と半導体素子との界面における密着性が低下したりするといった問題が生じている。また、環境問題に端を発した有鉛半田から無鉛半田への移行に伴い、半田処理時の温度が高くなり、半導体装置中に含まれる水分の気化によって発生する爆発的な応力による耐半田性が、従来以上に大きな問題となってきている。

このため耐半田性を向上させるための種々の提案がされている。例えば、無機充填材の高充填化が可能な低粘度型エポキシ樹脂であるビフェニル型エポキシ樹脂を含むエポキシ樹脂組成物が提案されているが（特許文献１、２参照。）、無機充填材の高充填化により、流動性の低下が懸念される。そこで流動性、離型性、連続成形性に優れた特性を有するエポキシ樹脂組成物及びそれを用いた耐半田性に優れた半導体装置の開発が求められている。

特公平７−３７０４１号公報（第１〜９頁） 特開平８−２５３５５５号公報（第２〜９頁）

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、低吸湿、低応力の樹脂成分、特定の離型剤及び特定の化合物を用いた流動性、離型性、連続成形性に優れた特性を有するエポキシ樹脂組成物及びそれを用いた耐半田性に優れ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）無機質充填材、（Ｅ）酸化マイクロクリスタリンワックス及び（Ｆ）一般式（１）で示されるシランカップリング剤を必須成分とし、前記（Ａ）エポキシ樹脂、前記（Ｂ）フェノール樹脂のうちの少なくとも一方が、一般式（２）で示される樹脂を含み、前記（Ｅ）成分を全エポキシ樹脂組成物中に０．０１重量％以上１重量％以下の割合で含み、かつ前記（Ｆ）成分を全エポキシ樹脂組成物中に０．０５重量％以上０．５重量％以下の割合で含むことを特徴とする半導体封止用エポキシ樹脂組成物、

（ただし、上記一般式（１）において、Ｒ１は炭素数１〜１２の有機基。Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４は炭素数１〜１２のアルキル基。ｎは１〜３の整数。）

（ただし、上記一般式（２）において、Ｒは水素原子又は炭素数１〜４のアルキル基から選択される基であり、互いに同一であっても、異なっていてもよい。Ｘはグリシジルエーテル基又は水酸基。ｎは平均値で、１〜３の正数。）

［２］ 前記（Ｅ）酸化マイクロクリスタリンワックスの平均粒径が２０μｍ以上７０μｍ以下であり、全酸化マイクロクリスタリンワックス中における粒径１０６μｍ以上の粒子の含有比率が０．１重量％以下である第［１］項記載のエポキシ樹脂組成物、
［３］ 第［１］又は［２］項のいずれかに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、
である。

本発明に従うと、成形封止する時の流動性、離型性、連続成形性に優れ、かつ低吸湿、低応力性、金属系部材との密着力に優れた特性を有するエポキシ樹脂組成物、並びに耐半田性に優れた半導体装置を得ることができる。

本発明は、（Ａ）エポキシ樹脂、（Ｂ）フェノール樹脂、（Ｃ）硬化促進剤、（Ｄ）無機質充填材、（Ｅ）酸化マイクロクリスタリンワックス及び（Ｆ）特定構造のシランカップリング剤を必須成分とし、前記（Ａ）エポキシ樹脂、前記（Ｂ）フェノール樹脂のうちの少なくとも一方が、主鎖にビフェニレン骨格を有するノボラック構造の樹脂を含み、前記（Ｅ）成分及び前記（Ｆ）成分を特定量含むことにより、成形封止する時の流動性、離型性、連続成形性に優れ、かつ低吸湿、低応力性、金属系部材との密着力に優れた特性を有するエポキシ樹脂組成物、並びに耐半田性に優れた半導体装置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。

本発明で用いられる一般式（２）で示されるエポキシ樹脂（Ｘはグリシジルエーテル基）は、樹脂骨格中に疎水性の構造を多く含むことから、これを用いたエポキシ樹脂組成物の硬化物は吸湿率が低く、また架橋密度が低いため、ガラス転移温度以上の高温域での弾性率が小さいといった特徴を有している。これを用いたエポキシ樹脂組成物の樹脂硬化物は低い吸湿性を有し、半田処理時における水分の気化による爆発的な応力を低減できる。また熱時に低弾性率であることから半田処理時に発生する熱応力が小さくなり、結果として耐半田性に優れる。

本発明で用いられる一般式（２）で示されるエポキシ樹脂（Ｘはグリシジルエーテル基）を用いることによる効果が損なわない範囲で、他のエポキシ樹脂と併用することができる。併用する場合の他のエポキシ樹脂としては、例えば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、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、トリフェノールメタン型エポキシ樹脂、フェノールアラルキル（フェニレン骨格を含む）型エポキシ樹脂、ナフトール型エポキシ樹脂、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等があり、これらは単独でも混合して用いてもよい。一般式（２）で示されるエポキシ樹脂（Ｘはグリシジルエーテル基）の具体例を式（３）に示すが、これらに限定されるものではない。

（ただし、上記式（３）において、ｎは平均値で１〜３の正数。）

本発明で用いられる一般式（２）で示されるフェノール樹脂（Ｘは水酸基）は、樹脂骨格中に疎水性の構造を多く含むことから、これを用いたエポキシ樹脂組成物の硬化物は吸湿率が低く、また架橋密度が低いため、ガラス転移温度以上の高温域での弾性率が小さいといった特徴を有している。これを用いたエポキシ樹脂組成物の樹脂硬化物は低吸湿率を示し、半田処理時における水分の気化による爆発的な応力を低減できる。また熱時に低弾性率であることから半田処理時に発生する熱応力が小さくなり、結果として耐半田性に優れる。

本発明で用いられる一般式（２）で示されるフェノール樹脂（Ｘは水酸基）を用いることによる効果が損なわない範囲で、他のフェノール樹脂と併用することができる。併用する場合の他のフェノール樹脂としては、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、トリフェノールメタン樹脂、テルペン変性フェノール樹脂、ジシクロペンタジエン変性フェノール樹脂、フェノールアラルキル樹脂（フェニレン骨格を含む）、ナフトールアラルキル樹脂等があり、これらは単独でも混合して用いてもよい。一般式（２）を基本骨格とするフェノール樹脂（Ｘは水酸基）の具体例を式（４）に示すが、これらに限定されるものではない。

（ただし、上記式（４）において、ｎは平均値で１〜３の正数。）

本発明に用いられる全エポキシ樹脂のエポキシ基と全フェノール樹脂のフェノール性水酸基の当量比としては、好ましくは０．５以上、２以下であり、特に好ましくは０．７以上、１．５以下である。上記範囲を外れると耐湿性、硬化性等が低下する恐れがあるので好ましくない。

本発明で用いられる硬化促進剤としては、エポキシ樹脂とフェノール樹脂との架橋反応の触媒となり得るものを指し、例えばトリブチルアミン、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、トリフェニルホスフィン、テトラフェニルホスホニウム・テトラフェニルボレート塩等の有機リン系化合物、２−メチルイミダゾール等のイミダゾール化合物等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。またこれらの硬化促進剤は単独でも混合して用いてもよい。

本発明で用いられる無機質充填材としては、例えば溶融シリカ、結晶シリカ、アルミナ、窒化珪素、窒化アルミ等が挙げられる。無機質充填材の配合量を特に多くする場合は、溶融シリカを用いるのが一般的である。溶融シリカは破砕状、球状のいずれでも使用可能であるが、溶融シリカの配合量を高め、かつエポキシ樹脂組成物の溶融粘度の上昇を抑えるためには、球状のものを主に用いる方が好ましい。更に球状シリカの配合量を高めるためには、球状シリカの粒度分布がより広くなるように調整することが望ましい。

本発明で用いられる酸化マイクロクリスタリンワックスは、一般的にカルボン酸等からなる極性基と長い炭素鎖からなる非極性基を有しているため、成形時に極性基は樹脂硬化物側に配向し、逆に非極性基は金型側に配向することにより離型剤として作用する。本発明で用いられる酸化マイクロクリスタリンワックスの滴点は、８０℃以上、１２０℃以下が好ましく、より好ましくは９０℃以上、１１０℃以下である。下限値未満だと熱安定性が十分でないため、連続成形時に酸化マイクロクリスタリンワックスの焼き付きが発生し、離型性が悪化し、連続成形性を損なう恐れがある。上限値を越えるとエポキシ樹脂組成物の硬化の際、酸化マイクロクリスタリンワックスが十分に溶融しないことにより、酸化マイクロクリスタリンワックスの分散性が低下し、酸化マイクロクリスタリンワックスの硬化物表面への偏析による金型汚れや樹脂硬化物外観の悪化を引き起こす恐れがある。酸価は１０ｍｇ／ＫＯＨ以上、５０ｍｇ／ＫＯＨ以下が好ましく、より好ましくは１５ｍｇ／ＫＯＨ以上、４０ｍｇ／ＫＯＨ以下である。酸価は樹脂硬化物との相溶性に影響し、下限値未満だと酸化マイクロクリスタリンワックスはエポキシ樹脂マトリックスと相分離を起こし、金型汚れや樹脂硬化物外観の悪化を引き起こす恐れがある。上限値を越えるとエポキシ樹脂マトリックスとの相溶性がよすぎるため、硬化物表面に染み出すことが出来ず、十分な離型性を確保することができない恐れがある。鹸化価は２０ｍｇ／ＫＯＨ以上、９０ｍｇ／ＫＯＨ以下が好ましく、より好ましくは３０ｍｇ／ＫＯＨ以上、７５ｍｇ／ＫＯＨ以下である。鹸化価は樹脂硬化物との相溶性に影響し、下限値未満だと酸化マイクロクリスタリンワックスはエポキシ樹脂マトリックスと相分離を起こし、金型汚れや樹脂硬化物外観の悪化を引き起こす恐れがある。上限値を越えるとエポキシ樹脂マトリックスとの相溶性がよすぎるため、硬化物表面に染み出すことが出来ず、十分な離型性を確保することができない恐れがある。平均粒径は２０μｍ以上、７０μｍ以下が好ましく、より好ましくは３０μｍ以上、６０μｍ以下である。下限値未満だと酸化マイクロクリスタリンワックスがエポキシ樹脂マトリックスとの相溶性がよすぎるため、硬化物表面に染み出すことが出来ず、十分な離型付与効果が得られない恐れがある。上限値を越えると酸化マイクロクリスタリンワックスが偏析し、金型汚れや樹脂硬化物外観の悪化を引き起こす恐れがある。また、エポキシ樹脂組成物の硬化の際、酸化マイクロクリスタリンワックスが十分に溶融しないことにより、流動性を阻害する恐れがある。また、全酸化マイクロクリスタリンワックス中における粒径１０６μｍ以上の粒子の含有比率は０．１重量％以下であることが好ましい。上限値を越えると酸化マイクロクリスタリンワックスが偏析し、金型汚れや樹脂硬化物外観の悪化を引き起こす恐れがある。また、エポキシ樹脂組成物の硬化の際、酸化マイクロクリスタリンワックスが十分に溶融しないことにより、流動性を阻害する恐れがある。酸化マイクロクリスタリンワックスの含有量はエポキシ樹脂組成物中に、０．０１重量％以上１重量％以下であり、好ましくは０．０３重量％以上０．５重量％以下である。下限値未満だと離型性不足となり、上限値を越えるとリードフレーム部材との密着性が損なわれ、半田処理時に部材との剥離が発生する恐れがある。また、金型汚れや樹脂硬化物外観の悪化を引き起こす恐れがある。

本発明で用いられる酸化マイクロクリスタリンワックスは市販のものを入手し、粒度調整して使用することができる。
本発明で用いられる酸化マイクロクリスタリンワックスを用いることによる効果を損なわない範囲で他の離型剤を併用することもできる。併用できる離型剤としては、例えばカルナバワックス等の天然ワックス、ステアリン酸亜鉛等の高級脂肪酸の金属塩類等が挙げられる。

本発明に用いられる一般式（１）で示されるシランカップリング剤を使用すると、従来のシランカップリング剤よりもエポキシ樹脂組成物の低粘度化が可能となるため、無機充填材をより多く充填させ易くなり、その結果半導体装置の反り及び耐半田性を向上させることができる。本発明に用いられる一般式（１）で示されるシランカップリング剤は、好ましくはＲ１がフェニル基であり、Ｒ２が炭素数１〜３のアルキル基、かつＲ３、Ｒ４はメチル基もしくはエチル基であることが好ましい。しかしこれらに限定されるものではなく、また単独で用いても併用してもよい。本発明に用いるシランカップリング剤の配合量は、全エポキシ樹脂組成物中に０．０５重量％以上０．５重量％以下が好ましく、下限値未満だと目的とする粘度特性および流動特性が得られない可能性がある。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。また、一般式（１）で示されるシランカップリング剤を用いることによる効果を損なわない範囲であれば、その他のカップリング剤を併用しても差し支えない。併用できるカップリング剤としては、例えば、エポキシシラン、メルカプトシラン、アミノシラン、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が挙げられる。

（ただし、上記一般式（１）において、Ｒ１は炭素数１〜１２の有機基。Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４は炭素数１〜１２のアルキル基。ｎは１〜３の整数。）

本発明のエポキシ樹脂組成物は、（Ａ）〜（Ｆ）成分を必須成分とするが、これ以外に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、金属水酸化物等の難燃剤、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、合成ゴム等の低応力剤、酸化ビスマス水和物等の酸化防止剤等の各種添加剤を適宜配合してもよい。
本発明のエポキシ樹脂組成物は、（Ａ）〜（Ｆ）成分及びその他の添加剤等をミキサー等を用いて混合後、加熱ニーダ、熱ロール、押し出し機等を用いて加熱混練し、続いて冷却、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、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

式（３）のエポキシ樹脂（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）［日本化薬製、ＮＣ３０００Ｐ、軟化点５８℃、エポキシ当量２７３］
７．４５重量部

式（５）のフェノール樹脂（フェニレン骨格を有するフェノールアラルキル樹脂［三井化学（株）製、ＸＬＣ−４Ｌ、軟化点６５℃、水酸基当量１７４］
４．７５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）
０．２０重量部
球状溶融シリカ（平均粒径３０．０μｍ） ８７．００重量部
酸化マイクロクリスタリンワックス１（滴点９５℃、酸価２０ｍｇ／ＫＯＨ、鹸化価３５ｍｇ／ＫＯＨ、平均粒径４５μｍ、粒径１０６μｍ以上の粒子０．０重量％）
０．１０重量部

式（６）で示されるシランカップリング剤［信越化学製、ＫＢＭ−５７３］
０．２０重量部

カーボンブラック ０．３０重量部
をミキサーを用いて混合した後、表面温度が９５℃と２５℃の２軸ロールを用いて２０回混練し、得られた混練物シートを冷却後粉砕して、エポキシ樹脂組成物とした。得られたエポキシ樹脂組成物の特性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。

金線変形率：低圧トランスファー自動成形機を用いて、金型温度１７５℃、注入圧力９．６ＭＰａ、硬化時間７０秒で、１６０ｐＬＱＦＰ（ＣｕＬ／Ｆ、パッケージ外寸：２４ｍｍ×２４ｍｍ×１．４ｍｍ厚、パッドサイズ：８．５ｍｍ×８．５ｍｍ、チップサイズ７．４ｍｍ×７．４ｍｍ）を成形した。成形した１６０ｐＬＱＦＰパッケージを軟Ｘ線透視装置で観察し、金線の変形率を（流れ量）／（金線長）の比率で表した。判定基準は５％未満を○、５％以上を×とした。

連続成形性：低圧トランスファー自動成形機を用いて、金型温度１７５℃、注入圧力９．６ＭＰａ、硬化時間７０秒で、８０ｐＱＦＰ（ＣｕＬ／Ｆ、パッケージ外寸：１４ｍｍ×２０ｍｍ×２ｍｍ厚、パッドサイズ：６．５ｍｍ×６．５ｍｍ、チップサイズ６．０ｍｍ×６．０ｍｍ）を連続で５００ショットまで成形した。判定基準は未充填等の問題が全く発生せずに５００ショットまで連続成形できたものを○、それ以外を×とした。

成形品外観及び金型汚れ：上記連続成形性の評価において５００ショット経過後のパッケージ及び金型について、目視で汚れを評価した。パッケージ外観判断及び金型汚れ基準は、汚れているものを×、５００ショットまで汚れていないものを○で表す。

半田耐熱性：上記連続成形性の評価において成形したパッケージを１７５℃、８時間で後硬化し、得られたパッケージを８５℃、相対湿度８５％で１６８時間加湿処理後、２６０℃の半田槽にパッケージを１０秒間浸漬した。顕微鏡でパッケージを観察し、クラック発生率［（クラック発生率）＝（外部クラック発生パッケージ数）／（全パッケージ数）×１００］を算出した。単位は％。評価したパッケージの数は２０個。また、半導体素子とエポキシ樹脂組成物界面の密着状態を超音波探傷装置により観察した。評価したパッケージの数は２０個。耐半田クラック性判断基準は、クラック発生率が０％で、かつ剥離なしのものを○、クラックもしくは剥離が発生したものは×とした。

実施例２〜１０、比較例１〜８
表１、表２に示す割合で各成分を配合し、実施例１と同様にしてエポキシ樹脂組成物を得、実施例１と同様にして評価した。結果を表１、表２に示す。
実施例１以外で用いた成分について、以下に示す。

式（７）のエポキシ樹脂（ビフェニル型エポキシ樹脂）［ジャバンエポキシレジン（株）製、ＹＸ−４０００Ｈ、融点１０５℃、エポキシ当量１９１］

式（４）のフェノール樹脂（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、ＭＥＨ７８５１ＳＳ、軟化点６７℃、水酸基当量２０３］

酸化マイクロクリスタリンワックス２（滴点１０５℃、酸価３０ｍｇ／ＫＯＨ、鹸化価５０ｍｇ／ＫＯＨ、平均粒径４５μｍ、粒径１０６μｍ以上の粒子０．０重量％）
マイクロクリスタリンワックス（滴点９５℃、平均粒径４５μｍ、粒径１０６μｍ以上の粒子０．０重量％、非酸化品）

式（８）で示されるシランカップリング剤［信越化学製、Ｘ−１２−８０６］

γ−グリシジルプロピルトリメトキシシラン
γ−アミノプロピルトリエトキシシラン

本発明のエポキシ樹脂組成物は、離型性、低吸湿、低応力性に優れた特性を有しており、これを用いて半導体素子を成形封止する時の離型性、連続成形性に優れ、且つリードフレーム等の金属系部材に対し密着力が高く、耐半田性に優れた半導体装置を得ることができるため、無鉛半田を用いて表面実装を行う半導体装置に好適に用いることができる。

Claims (3)

1. （Ａ）エポキシ樹脂、（Ｂ）フェノール樹脂、（Ｃ）硬化促進剤、（Ｄ）無機質充填材、（Ｅ）酸化マイクロクリスタリンワックス及び（Ｆ）一般式（１）で示されるシランカップリング剤を必須成分とし、前記（Ａ）エポキシ樹脂、前記（Ｂ）フェノール樹脂のうちの少なくとも一方が、一般式（２）で示される樹脂を含み、前記（Ｅ）成分を全エポキシ樹脂組成物中に０．０１重量％以上１重量％以下の割合で含み、かつ前記（Ｆ）成分を全エポキシ樹脂組成物中に０．０５重量％以上０．５重量％以下の割合で含むことを特徴とする半導体封止用エポキシ樹脂組成物。
   

   

   （ただし、上記一般式（１）において、Ｒ１は炭素数１〜１２の有機基。Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４は炭素数１〜１２のアルキル基。ｎは１〜３の整数。）
   

   

   （ただし、上記一般式（２）において、Ｒは水素原子又は炭素数１〜４のアルキル基から選択される基であり、互いに同一であっても、異なっていてもよい。Ｘはグリシジルエーテル基又は水酸基。ｎは平均値で、１〜３の正数。）
2. 前記（Ｅ）酸化マイクロクリスタリンワックスの平均粒径が２０μｍ以上７０μｍ以下であり、全酸化マイクロクリスタリンワックス中における粒径１０６μｍ以上の粒子の含有比率が０．１重量％以下である請求項１記載のエポキシ樹脂組成物。
3. 請求項１又は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。