JP2006282876A - エポキシ樹脂組成物及び半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 離型性と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を提供すること。
【解決手段】 （Ａ）一般式（１）で示されるエポキシ樹脂、（Ｂ）一般式（２）で示されるフェノール樹脂、（Ｃ）無機充填剤、（Ｄ）硬化促進剤、（Ｅ）グリセリンと炭素数２４〜３６の飽和脂肪酸とのグリセリントリ脂肪酸エステル及び（Ｆ）ハイドロタルサイト系化合物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。
【化７】

（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。ｎは、平均値で１〜３の正数。）
【化８】

（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。ｎは、平均値で１〜３の正数。）

Description

本発明は、半導体封止用エポキシ樹脂組成物及び半導体装置に関するものである。

近年、半導体装置は生産性、コスト、信頼性等のバランスに優れることからエポキシ樹脂組成物を用いて封止されるのが主流となっている。半導体装置の小型化、薄型化に伴い、封止用エポキシ樹脂組成物に対しては、より一層の低粘度化、高強度化、低吸水化が要求されている。このような背景から、最近のエポキシ樹脂組成物の動向は、より低粘度の樹脂を適用し、より多くの無機充填剤を配合する傾向が強くなっている。また環境ストレス低減の観点から、従来よりも融点の高い鉛非含有タイプの半田による実装が全世界的に広まりつつある。この半田の適用に際しては、実装温度を以前と比較して約２０℃高くする必要があることから、実装後の半導体装置の信頼性が現状に比べ著しく低下するといった問題が生じている。以上の点より、エポキシ樹脂組成物のレベルアップによる半導体装置の信頼性向上に対する要求が加速度的に強くなっている。

これまで、耐半田クラック性向上の手法として種々の提案がなされているが、例えば一般式（１）で示されるエポキシ樹脂と一般式（２）で示されるフェノール樹脂を用いたエポキシ樹脂組成物は、その骨格中に疎水性の構造を多く含むことから硬化物の吸水率が低く、半田リフロー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、官能基あたりの当量が比較的大きいため、架橋密度が低く熱時に低弾性率を示す。そのため、半田リフロー時に発生する熱応力が小さくなり、結果として耐半田クラック性に優れるといった特性を有している（例えば、特許文献１参照。）。しかしながらこの樹脂系を用いる場合、架橋密度が低い為に硬化直後の成形物が非常に軟らかく、金型からの離型性に劣るといった問題がある。
これを補う目的で、離型剤の配合量を増やしたり、高離型を示す離型剤を添加したりするのが一般的であるが、この場合、離型剤が金型表面に染み出しすぎることで、金型や半導体装置の表面が汚れやすく、生産性を損なうといった問題が生じる。
このような状況から、生産性と半導体装置の信頼性が高いレベルで両立できる手法の開発が強く望まれていた。

特開２００２−１７９７７３号公報（第２〜８頁）

本発明は、成形時の離型性に優れ、かつ金型汚れ、パッケージ表面汚れの少ない半導体封止用エポキシ樹脂組成物、及び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）一般式（１）で示されるエポキシ樹脂、（Ｂ）一般式（２）で示されるフェノール樹脂、（Ｃ）無機充填剤、（Ｄ）硬化促進剤、（Ｅ）グリセリンと炭素数２４〜３６の飽和脂肪酸とのグリセリントリ脂肪酸エステル及び（Ｆ）ハイドロタルサイト系化合物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、

（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。ｎは、平均値で１〜３の正数。）

（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。ｎは、平均値で１〜３の正数。）

［２］全エポキシ樹脂中にＸ重量％の前記エポキシ樹脂（Ａ）と全フェノール樹脂中にＹ重量％の前記フェノール樹脂（Ｂ）の合計（Ｘ＋Ｙ）が、全エポキシ樹脂と全フェノール樹脂中に５０重量％以上である第［１］項記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成物、
［３］第［１］又は［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、
である。

本発明に従うと、従来技術では得られなかった成形時の離型性に優れ、かつ金型汚れ、パッケージ表面汚れの少ない半導体封止用エポキシ樹脂組成物、及び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、一般式（１）で示されるエポキシ樹脂、一般式（２）で示されるフェノール樹脂、無機充填剤、及び硬化促進剤を主成分とするエポキシ樹脂組成物において、グリセリンと炭素数２４〜３６の飽和脂肪酸とのグリセリントリ脂肪酸エステルと、ハイドロタルサイト系化合物を特定の比率で配合することにより、成形時の離型性に優れ、かつ金型汚れ、パッケージ表面汚れの少ない半導体封止用エポキシ樹脂組成物が得られ、さら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、各成分について詳細に説明する。

本発明で用いられる一般式（１）で示されるエポキシ樹脂は、その骨格中に疎水性の構造を多く含むことから硬化物の吸水率が低く、半田リフロー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、官能基あたりの当量が比較的大きいため、架橋密度が低く熱時に低弾性率を示す。そのため、半田リフロー時に発生する熱応力が小さくなり、結果として耐半田クラック性に優れる。
さらに、一般式（１）で示されるエポキシ樹脂の低吸水率、低弾性率、低熱応力等の特徴を最大限発現させるには、全エポキシ樹脂中にＸ重量％の一般式（１）で示されるエポキシ樹脂と全フェノール樹脂中にＹ重量％の一般式（２）で示されるフェノール樹脂の合計（Ｘ＋Ｙ）が全エポキシ樹脂と全フェノール樹脂中に５０重量％以上含む必要がある。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挙げられるが、必ずしもこれらに限定されるものではない。また、これらのエポキシ樹脂は単独で用いても２種類以上併用しても構わない。
一般式（１）で示されるエポキシ樹脂の具体例を以下に示すが、必ずしもこれらに限定されるものではない。
半導体封止用エポキシ樹脂組成物としての耐湿信頼性を考慮すると、イオン性不純物であるＮａイオンやＣｌイオンが極力少ない方が好ましく、硬化性の点からエポキシ当量としては１００〜５００ｇ／ｅｑが好ましい。

（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は、樹脂骨格中に疎水性の構造を多く含むことから硬化物の吸湿率が低く、又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する。そのためこの樹脂を用いた半導体封止用エポキシ樹脂組成物の硬化物は低吸水率を示し、半田リフロー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。又熱時に低弾性率であることから半田リフロー時に発生する熱応力が小さくなり、結果として耐半田クラック性に優れる。
さらに、一般式（２）で示されるフェノール樹脂の低吸水率、低弾性率、低熱応力等の特徴を最大限発現させるには、全エポキシ樹脂中にＸ重量％の一般式（１）で示されるエポキシ樹脂と全フェノール樹脂中にＹ重量％の一般式（２）で示されるフェノール樹脂の合計（Ｘ＋Ｙ）が全エポキシ樹脂と全フェノール樹脂中に５０重量％以上含む必要がある。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、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）で示されるフェノール樹脂の具体例を以下に示すが、これらに限定されるものではない。また，硬化性の点から水酸基当量は９０〜２５０ｇ／ｅｑが好ましい。

（ｎは、平均値で１〜３の正数。）

本発明に用いる無機充填剤としては、一般に封止材料に用いられている溶融シリカ、球状シリカ、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。無機充填剤の粒径としては、金型への充填性を考慮するとその最大粒径が１５０μｍ以下であることが望ましい。また配合量としては８０〜９４重量％が好ましく、下限値を下回るとエポキシ樹脂組成物の硬化物の吸水量が増加し、強度が低下するため耐半田性が不満足となる恐れがあり、上限値を越えると流動性が損なわれるために成形性に不具合を生じる恐れがあり好ましくない。

本発明に用いる硬化促進剤は、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よく、一般に封止材料に使用されているものを利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、２−メチルイミダゾール等のイミダゾール化合物、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、これらは単独でも混合して用いてもよい。

本発明で用いられるグリセリンと炭素数２４〜３６の飽和脂肪酸とのグリセリントリ脂肪酸エステルは、エポキシ樹脂組成物に充分な流動性を付与し、更に離型性を向上する機能を有している。具体的には、グリセリントリリグノセリン酸エステル、グリセリントリセロチン酸エステル、グリセリントリモンタン酸エステル等が挙げられる。これらは、単独でも混合して用いてもよい。
エステル化に用いる飽和脂肪酸が、炭素数２３以下では十分な離型性が得られないため好ましくない。炭素数３７以上では分子量が大きいため流動性が低下したり、過度に染み出すことによって金型汚れやリードフレーム／樹脂間剥離の原因となったりするので好ましくない。また，モノエステル、ジエステルでは、残存する水酸基の影響によってエポキシ樹脂組成物の硬化物の耐湿性が低下し、その結果として耐半田クラック性に悪影響を及ぼすので好ましくない。なお、本発明での飽和脂肪酸の炭素数とは、飽和脂肪酸中のアルキル基とカルボキシル基の炭素数を合計したものを指す。

本発明で用いるハイドロタルサイト系化合物は、アルミニウムとマグネシウムを主成分とした層状化合物であり、プラスチック中のイオン性不純物を補足する為のイオントラップ剤として用いられるのが一般的であるが、本発明においては、それに併せて、滑剤を均一に染み出させる為の分散補助剤とするところに特徴がある。一般に、エポキシ樹脂とフェノール樹脂の反応においては、グリシジル基／水酸基間の反応のみならず、グリシジル基／グリシジル基の反応が誘起される。また，その割合については系全体のｐＨに大きく影響を受ける。半導体封止材として用いられるエポキシ樹脂組成物はフェノールが酸性で有ること、及び各種微量添加剤の影響で系全体としては酸性を示す場合が多い。酸性雰囲気中においては、フェノール性水酸基中の水素の解離が制限され、エポキシ樹脂のグリシジル基とフェノール樹脂の水酸基間の反応が遅延される。その為、酸性度が高くなるに従ってグリシジル基／グリシジル基間の反応割合が大きくなる。この反応が促進される場合、理想的なグリシジル基／水酸基間の反応のみ進行する場合と比較して硬化物の樹脂骨格構造が不均一となる為、含有される滑材の染み出しが不均一となる。これによって、金型表面、及びパッケージに不均一な汚れが発生し易くなる。本発明のハイドロタルサイト系化合物を添加することにより、系全体のｐＨを中性よりに戻すことができる為、上記樹脂骨格構造の不均一性を抑制することが可能となる。結果として、滑剤の均一な染み出しを実現でき、ひいては金型表面、パッケージの局所的な汚れを防ぐことができる。ハイドロタルサイトは化学式Ｍｇ₆Ａｌ₂(ＯＨ)₁₆ＣＯ₃・４Ｈ₂Ｏで示されるが，必ずしもこれに限定されるものではなく、原料鉱石によって含有元素の比率等に若干の差異があると考えられる。また、些少の不純物を含有することも有るが、基本的にはｐＨを中性付近に戻す事が可能であれば本発明の効果が期待できる。

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、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、カルナバワックス等の天然ワックス、ポリエチレンワックス等の合成ワックス、ステアリン酸やステアリン酸亜鉛等の高級脂肪酸及びその金属塩類若しくはパラフィン等の離型剤、シリコーンオイル、シリコーンゴム等の低応力化成分、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、硼酸亜鉛、モリブデン酸亜鉛、フォスファゼン等の難燃剤、酸化ビスマス等の無機イオン交換体等、種々の添加剤を適宜配合しても差し支えない。

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で用いて常温で均一に混合した後、加熱ロール又はニーダー、押出機等で溶融混練し、冷却後粉砕して製造することができる。
本発明のエポキシ樹脂組成物を用いて、半導体素子を封止し、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、本発明を実施例にて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。
式（３）のエポキシ樹脂（軟化点５８℃、エポキシ当量２７４） ７．０重量部
式（５）のフェノール樹脂（軟化点６７℃、水酸基当量２０３） ５．１重量部
トリフェニルホスフィン ０．２重量部
球状シリカ(平均粒径２０μｍ) ８７．０重量部
グリセリントリモンタン酸エステル（炭素数２９） ０．２重量部
ハイドロタルサイト（Ｍｇ₆Ａｌ₂(ＯＨ)₁₆ＣＯ₃・４Ｈ₂Ｏ） ０．１重量部
酸化ビスマス ０．１重量部
カーボンブラック ０．３重量部
をミキサーにて常温混合し、８０〜１００℃の加熱ロールで溶融混練後，冷却後粉砕し、エポキシ樹脂組成物を得た。評価結果を表１に示す。

評価項目
連続成形性：トランスファー成形機を用いて、金型温度１７５℃、注入圧力９．３ＭＰａ、硬化時間６０秒で１６０ｐＱＦＰ（２４ｍｍ×２４ｍｍ×１．４ｍｍ厚さ）を連続で成形した。ゲート詰まり、エアベント詰まり、金型へのパッケージ取られ、カル落ち等の成形不良が発生するまでのショット数を離型不良として示した。また，パッケージ表面の油浮き，かすれ等の不良が発生するまでのショット数をパッケージ外観不良として示した。
耐半田性：トランスファー成形機を用いて、金型温度１８０℃、注入圧力９．３ＭＰａ、硬化時間１分で１６０ｐＱＦＰ（２４×２４×１．４ｍｍ厚さ）を成形した後、１７５℃、８時間で後硬化させた。このパッケージを温度８５℃、相対湿度８５％の環境下で１６８時間吸湿処理し、ＩＲリフロー処理（２６０℃、３回）をした。その後、超音波探傷装置で内部を透視し、内部剥離不良については半導体素子表面の剥離が無く，かつアイランド裏面の剥離がアイランド全面積の１０％のものを良品，半導体素子表面に剥離が発生したもの、あるいはアイランド裏面の剥離がアイランド全面積の１０％以上にわたるものについては不良品とした。クラック不良については、発生無きものを良品．発生したものを不良品とした。ｎ＝３６。

実施例２〜８、比較例１〜５
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製造し、同様にして評価した。評価結果を表１に示す。
実施例１以外で用いた成分について、以下に示す。
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、ＹＸ４０００ＨＫ、融点１０５℃、エポキシ当量１９１）
フェノールアラルキル樹脂（三井化学（株）製、ＸＬＣ−ＬＬ、軟化点７９℃、水酸基当量１７４）
グリセリントリセロチン酸エステル（炭素数２６）
グリセリントリステアリン酸エステル（炭素数１８）
グリセリンと炭素数３７の脂肪酸とのトリエステル
グリセリンモノモンタン酸エステル（炭素数２９）
グリセリンジモンタン酸エステル（炭素数２９）
ステアリン酸亜鉛

本発明は、成形時の離型性に優れ、かつ金型汚れ、パッケージ表面汚れの少ない半導体封止用樹脂組成物、及び耐半田性に優れた半導体装置を提供するものであり、鉛フリー半田に適用可能な環境対応材として、電化製品、自動車分野等において、好適に用いることが可能である。

Claims (3)

1. （Ａ）一般式（１）で示されるエポキシ樹脂、（Ｂ）一般式（２）で示されるフェノール樹脂、（Ｃ）無機充填剤、（Ｄ）硬化促進剤、（Ｅ）グリセリンと炭素数２４〜３６の飽和脂肪酸とのグリセリントリ脂肪酸エステル及び（Ｆ）ハイドロタルサイト系化合物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。
   

   

   （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。ｎは、平均値で１〜３の正数。）
   

   

   （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。ｎは、平均値で１〜３の正数。）
2. 全エポキシ樹脂中にＸ重量％の前記エポキシ樹脂（Ａ）と全フェノール樹脂中にＹ重量％の前記フェノール樹脂（Ｂ）の合計（Ｘ＋Ｙ）が、全エポキシ樹脂と全フェノール樹脂中に５０重量％以上である請求項１記載の半導体封止用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。