JP2006265370A - 光半導体封止用エポキシ樹脂組成物及び光半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】硬化性、流動性が良好でかつ透湿性が低い特性を有し、ＣＣＤ用途に好適に用いることができる光半導体封止用エポキシ樹脂組成、及びこれを用いてなる、結露が起こりにくく耐湿信頼性が高いＣＣＤ用の光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、及び（Ｄ）無機充填材を必須成分とするエポキシ樹脂組成物であって、前記無機充填材として比表面積が１０ｍ^２／ｇ以上１００ｍ^２／ｇ以下であるシリカゲル、ゼオライト、及び活性アルミナから選ばれた少なくとも１種の多孔質材（ｄ１）を含むことを特徴とする光半導体封止用エポキシ樹脂組成物。
【選択図】なし

Description

本発明は、光半導体封止用エポキシ樹脂組成物、及びこれを用いた光半導体装置に関するものである。例えば、ＣＣＤ用途等に好適に用いられる。

ＩＣ、ＬＳＩ、トランジスター等の半導体素子の封止には金属缶、セラミック、エポキシ樹脂組成物等が用いられている。中でもエポキシ樹脂組成物のトランスファー成形は低コストかつ大量生産に適しており広く用いられている。また、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、耐湿性の向上や、半田リフローへの対応などが図られてきた。
ＣＣＤにも同様にコストダウンの目的でエポキシ樹脂組成物での封止が行われている。しかし、通常のエポキシ樹脂組成物は透湿性があるため結露の問題が発生する。つまりＣＣＤは中空構造のケースにガラスの蓋を用いて気密しているが、内部の空間に水分があると低温の環境でガラスの結露が発生し撮像が出来なくなる不具合が発生する。このためケースにエポキシ樹脂組成物を用いる場合、樹脂組成物に乾燥剤を添加する（例えば、特許文献１参照。）、透湿を妨げるためケース中に金属板を埋め込む（例えば、特許文献２参照。）等の対応がなされてきた。特に樹脂組成物に乾燥剤を添加する手法は、結露防止の効果が高く、広く用いられている。
しかし、シリカゲルなどの多孔質材添加量を増やすことによって、硬化性、流動性が著しく低下してしまう。一方、多孔質材添加量が少なければ十分な水分保持能力を有することが出来ないためにガラスの結露防止の能力が不十分になってしまうという問題があった。

特開平６−２３２２９２号公報報（第２〜４頁） 特開平４−３１２９６３号公報（第２〜５頁）

本発明は、上述のような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、硬化性、流動性が良好で、かつ透湿性が低い特性を有し、ＣＣＤ用途に好適に用いることができる光半導体封止用エポキシ樹脂組成物、及びこれを用いてなる、結露が起こりにくく耐湿信頼性が高いＣＣＤ用の光半導体装置を提供することにある。

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、及び（Ｄ）無機充填材を必須成分とするエポキシ樹脂組成物であって、前記無機充填材として比表面積が１０ｍ^２／ｇ以上１００ｍ^２／ｇ以下であるシリカゲル、ゼオライト、及び活性アルミナから選ばれた少なくとも１種の多孔質材（ｄ１）を全エポキシ樹脂組成物中に５０重量％以上８５重量％以下の割合で含むことを特徴とする光半導体封止用エポキシ樹脂組成物、
［２］ 第［１］項に記載の光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光半導体装置、
である。

本発明に従うと、硬化性、流動性が良好で、かつ透湿性が低い特性を有し、ＣＣＤ用途に好適に用いることができる光半導体封止用エポキシ樹脂組成物、及びこれを用いてなる、結露が起こりにくく耐湿信頼性が高いＣＣＤ用の光半導体装置を得ることができる。

本発明は、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、硬化促進剤、多孔質材を含む無機充填材を必須成分とすることにより、硬化性、流動性が良好で、かつ透湿性が低い特性を有し、ＣＣＤ用途に好適に用いることができる光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（Ａ）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。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）等を用いることができる。中でも無機充填材の充填量を上げるため低粘度のエポキシを用いるのが望ましい。好ましくはＩＣＩ粘度計での１５０℃における溶融粘度が０．４Ｐａ・ｓ以下、より好ましくは０．３Ｐａ・ｓ以下、更に好ましくは０．１Ｐａ・ｓ以下のエポキシ樹脂である。溶融粘度が上記範囲内であると、無機充填材を高配合した場合であっても成形時において良好な充填性を得ることができる。
また、上記エポキシ樹脂は２種類以上混合しても良い。混合する全てのエポキシ樹脂が溶融粘度０．４Ｐａ・ｓ以下である必要はないが、混合エポキシ樹脂での溶融粘度が０．４Ｐａ・ｓを越えない範囲で使用するのが望ましい。

本発明に用いるフェノール樹脂（Ｂ）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、ポリマー全般であり、その分子量、分子構造を特に限定するものではない。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。硬化剤の粘度はＩＣＩ粘度計での１５０℃における溶融粘度が０．４Ｐａ・ｓ以下が望ましい。

本発明の用いるエポキシ樹脂（Ａ）とフェノール樹脂（Ｂ）の配合量は、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以上１．３以下であることが好ましい。この範囲内であると、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を抑えることができる。

本発明に用いる硬化促進剤（Ｃ）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するものを使用することができる。例えば、２−メチルイミダゾール、１，８−ジアザビシクロ（５，４，０）ウンデセン−７、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、ベンゾキノンをアダクトしたトリフェニルホスフィン等が挙げられ、中でも硬化性が良好な２−メチルイミダゾールが望ましい。これらは単独でも混合して用いても差し支えない。

本発明に用いる無機充填材（Ｄ）は、比表面積が１０ｍ^２／ｇ以上１００ｍ^２／ｇ以下であるシリカゲル、ゼオライト、活性アルミナから選ばれた少なくとも１種の多孔質材（ｄ１）を含むものである。多孔質材の比表面積が大きいほどエポキシ樹脂組成物の吸湿性が高くなり、ＣＣＤケースの透湿性は低くなるが、逆に多孔質材の比表面積が大きすぎる場合はエポキシ樹脂組成物の硬化性、流動性が極端に低下する。このため、前記多孔質材の比表面積は１０ｍ^２／ｇ以上１００ｍ^２／ｇ以下であることが必須であり、好ましくは２０ｍ^２／ｇ以上８０ｍ^２／ｇ以下である。比表面積については、ＪＩＳ Ｋ１１５０−１９９４ ５．１比表面積に従って測定することができる。
このような、比表面積が１０ｍ^２／ｇ以上１００ｍ^２／ｇ以下であるシリカゲル、ゼオライト、活性アルミナから選ばれた少なくとも１種の多孔質材（ｄ１）（以下、低比表面積多孔質材ともいう。）は、メーカーから購入したものをそのまま使用または、高温で焼成することにより細孔構造を潰し、比表面積を調整して得ることができる。

前記低比表面積多孔質材を用いると、良好な硬化性、流動性を有し、かつ高温下でのＣＣＤケースの透湿を抑え、耐湿信頼性の高いＣＣＤ用光半導体装置を与える光半導体封止用エポキシ樹脂組成物を得ることができる。多孔質材として従来から用いられているシリカゲルなどは、水分が樹脂組成物を通過する速度を遅らせることができるが、その比表面積が大き過ぎるために、添加量を増加させるとエポキシ樹脂組成物の硬化性、流動性を著しく低下させてしまう。しかし、本発明の低比表面積多孔質材を用いることにより、エポキシ樹脂組成物の硬化性、流動性を低下させることなく、十分な量の低比表面積多孔質材を添加することが可能になる。低比表面積多孔質材の含有量は、エポキシ樹脂組成物全体に対し５０重量％以上８５重量％以下であることが必須であり、好ましくは５０重量％以上７５重量％以下である。低比表面積多孔質材の含有量が上記範囲内であると、エポキシ樹脂組成物の硬化性、流動性を著しく低下させることなく、ＣＣＤ用光半導体装置の良好な結露防止効果を得ることができる。

また、無機充填材（Ｄ）としては、上記シリカゲル、ゼオライト、及び活性アルミナから選ばれた少なくとも１種の多孔質材（ｄ１）のほかに、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併用することができる。併用できる無機充填材としては特に限定するものではないが、例えば、球状溶融シリカ、破砕状溶融シリカ、結晶シリカ、タルク、吸湿性を有さない通常のアルミナ（破砕状又は球状）、窒化珪素等が挙げられ、これらの無機充填材は、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構わない。
多孔質材（ｄ１）及びその他の無機充填材を含めた無機充填材全体の含有量としては、エポキシ樹脂組成物の成形時の流動性や充填性、並びに耐半田性等の半導体装置としての信頼性を考慮すると、エポキシ樹脂組成物全体に対し６５重量％以上９５重量％以下が好ましく、より好ましくは７５重量％以上９０重量％以下である。

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、及び低比表面積多孔質材を含む無機充填材を必須成分とするが、更にこれら以外に、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、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等の難燃剤等、種々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の混練機で溶融混練し、冷却、粉砕しパウダー状にする。更に得られたパウダーを必要に応じて加圧してタブレット化する。
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。

実施例１
エポキシ樹脂１：ビフェニルエポキシ樹脂［エポキシ当量１９５ｇ／ｅｑ、軟化点５５℃、溶融粘度（１５０℃）０．０２Ｐａ・ｓ］ １０．３重量部
フェノール樹脂１：フェノールノボラック樹脂Ａ［水酸基当量１０５ｇ／ｅｑ、軟化点８０℃、溶融粘度（１５０℃）０．１９Ｐａ・ｓ］ ５．８重量部
硬化促進剤：２−メチルイミダゾール ０．２重量部
多孔質材１：低比表面積多孔質材Ａ［平均粒径５μｍ、比表面積２５ｍ^２／ｇ、細孔径１５ｎｍ、水澤化学工業（株）製シリカゲル（シルトン）］ ５０．０重量部
球状溶融シリカ［平均粒径２８μｍ、比表面積２．４ｍ^２／ｇ］ ３３．０重量部
カルナバワックス ０．５重量部
カーボンブラック ０．２重量部
をミキサーにて混合し後、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：低圧トランスファー成形機を用いて、ＥＭＭＩ−１−６６に準じたスパイラルフロー測定用金型に、金型温度１７５℃、注入圧力６．９ＭＰa、硬化時間１２０秒の条件でエポキシ樹脂組成物を注入し、流動長を測定した。単位はｃｍ。スパイラルフローは流動性のパラメータであり、値が大きい方が、流動性が良好である。望ましいスパイラルフローは３０ｃｍ以上、より好ましくは４０ｃｍ以上のものである。

熱時硬度：直径５０ｍｍ、３ｍｍ厚のテストピースを、低圧トランスファー成形機を用いて、成形温度１７５℃、注入圧力９．８ＭＰa、硬化時間７０秒にて成形した。型開き１０秒後、熱板上のランナー部でショアＤ硬度計にて熱時硬度を測定した。熱時硬度は硬化性のパラメータであり、値が大きい方が硬化性が良好である。望ましい熱時硬度は６５以上、さらに好ましくは７０以上のものである。

拡散係数：直径１００ｍｍ、２ｍｍ厚の円盤を、低圧トランスファー成形機を用いて、成形温度１７５℃、注入圧力９．８ＭＰa、硬化時間７０秒にて成形し、拡散係数測定用のテストピースとした。このテストピースに前処理としてポストキュアー１７５℃／４ｈｒ、及び乾燥１２５℃／１６８ｈｒを行い、速やかに絶乾時の重量測定を行った。重量測定後速やかにＰＣＴ１２５℃／１００％処理を開始し、１〜８時間後の吸湿率を１時間毎に測定しそれぞれＱ１〜Ｑ８とした。８ｈｒ後、更に吸湿を継続し、吸湿が飽和した時点での吸湿率を飽和吸湿率（Ｑｓ）とした。上記Ｑ１〜Ｑ８をそれぞれＱｓで割った値ｑ１〜ｑ９を時間（ｈｒ）の平方根に対しプロットし、最小二乗法により得られた直線の傾きをＩとした。上記ＩよりＤ＝π／４×Ｉ^２である拡散係数Ｄを求めた。拡散係数は水分保持の能力を示すパラメータであり、値が小さい方が、水分保持能力が高く良好である。望ましい拡散係数は４．０×１０^−４ｃｍ^２／ｈｒ以下、さらに好ましくは３．０×１０^−４ｃｍ^２／ｈｒ以下のものである。

結露試験：低圧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分にて、図１及び図２に示す成形品を成形した。得られた成形品内部の底面中心部にチップの模擬素子を固定した後、開口部をエポキシ樹脂接着剤にてガラスで塞ぎ、中空のパッケージを得た。得られたパッケージをＰＣＴ１２５℃／１００％の雰囲気下にて４ｈｒ処理後、ガラス面を目視にて観察し、ガラスの曇り状態にてガラスが曇っていないものを良、曇っていたものを不良として判定を行った。１５パッケージ中の不良数を記載した。不良数が７以下であることが好ましく、さらに好ましくは３以下である。

実施例２〜９、比較例１〜３
表１、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、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。
エポキシ樹脂２：クレゾールノボラック型エポキシ樹脂［エポキシ当量２００ｇ／ｅｑ、軟化点５５℃、溶融粘度（１５０℃）１．２０Ｐａ・ｓ］
フェノール樹脂２：フェノールノボラック樹脂Ｂ［水酸基当量１０５ｇ／ｅｑ、軟化点９２℃、溶融粘度（１５０℃）１．１０Ｐａ・ｓ］
多孔質材２：低比表面積多孔質材Ｂ［平均粒径１０μｍ、比表面積９０ｍ^２／ｇ、細孔径１９ｎｍ、水澤化学工業（株）製ゼオライト（ミズカシーブス）］
多孔質材３：低比表面積多孔質材Ｃ［平均粒径２μｍ、比表面積６０ｍ^２／ｇ、細孔径４ｎｍ、水澤化学工業（株）製（ネオビード）］
多孔質材４：高比表面積多孔質材［平均粒径１０μｍ、比表面積３６０ｍ^２／ｇ、細孔径１８ｎｍ、水澤化学工業（株）製シリカゲル（ミズカソーブ）］

本発明の光半導体封止用エポキシ樹脂組成物は、硬化性、流動性が良好でかつ透湿性が低い特性を有しているため、光半導体装置、特にＣＣＤ用途等に好適に用いることができる。

結露試験用成形品の断面図 結露試験用成形品の上面図

Claims (2)

1. （Ａ）エポキシ樹脂、（Ｂ）フェノール樹脂、（Ｃ）硬化促進剤、及び（Ｄ）無機充填材を必須成分とするエポキシ樹脂組成物であって、前記無機充填材として比表面積が１０ｍ^２／ｇ以上１００ｍ^２／ｇ以下であるシリカゲル、ゼオライト、及び活性アルミナから選ばれた少なくとも１種の多孔質材（ｄ１）を全エポキシ樹脂組成物中に５０重量％以上８５重量％以下の割合で含むことを特徴とする光半導体封止用エポキシ樹脂組成物。
2. 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光半導体装置。

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