JP2007031556A - エポキシ樹脂組成物及び半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】耐湿性及び耐熱衝撃性を共に高く得ることができるエポキシ樹脂組成物を提供する。
【解決手段】エポキシ樹脂、硬化剤、硬化促進剤を含有するエポキシ樹脂組成物に関する。エポキシ樹脂として、下記式（Ａ）で示される骨格を有する常温で液体のエポキシ樹脂と平均エポキシ当量が４００〜１２００である常温で液体のエポキシ樹脂のうち、少なくとも一方のエポキシ樹脂を用いる。硬化剤として、常温で液体の芳香族アミン硬化剤を用いる。
【化１】

【選択図】なし

Description

本発明は、半導体素子等を封止するのに用いられるエポキシ樹脂組成物及びこの組成物で半導体素子等を封止することによって得られる半導体装置に関するものである。

従来より、半導体装置の製造に用いられるエポキシ樹脂組成物としては、種々様々なものが提供されている。例えば、エポキシ樹脂、硬化剤、硬化促進剤、無機充填剤、複合金属水酸化物及び赤リンを必須成分とする封止用エポキシ樹脂成形材料を挙げることができる（例えば、特許文献１参照。）。そして、このような成形材料によれば、耐リフロー性、耐湿性及び高温放置特性等の信頼性が良好な製品を得ることができるというものである。
特開２００２−２１２３９１号公報

しかしながら、上述した成形材料を始め従来のものにあっては、耐湿性及び耐熱衝撃性についてはなお改良の余地があり、これらの特性をさらに高めた成形材料が求められている。

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、耐湿性及び耐熱衝撃性を共に高く得ることができるエポキシ樹脂組成物及び半導体装置を提供することを目的とするものである。

本発明の請求項１に係るエポキシ樹脂組成物は、エポキシ樹脂、硬化剤、硬化促進剤を含有するエポキシ樹脂組成物において、エポキシ樹脂として、下記式（Ａ）で示される骨格を有する常温で液体のエポキシ樹脂と平均エポキシ当量が４００〜１２００である常温で液体のエポキシ樹脂のうち、少なくとも一方のエポキシ樹脂を用いると共に、硬化剤として、常温で液体の芳香族アミン硬化剤を用いて成ることを特徴とするものである。

請求項２の発明は、請求項１において、硬化促進剤として、イミダゾール系硬化促進剤を用いて成ることを特徴とするものである。

請求項３の発明は、請求項１又は２において、常温で液体の芳香族アミン硬化剤として、ジアミノジフェニルメタンを用いて成ることを特徴とするものである。

請求項４の発明は、請求項１乃至３のいずれかにおいて、エポキシ樹脂組成物全量に対して無機充填材を４０〜８０質量％含有して成ることを特徴とするものである。

請求項５の発明は、請求項１乃至４のいずれかにおいて、イオントラップ剤を含有して成ることを特徴とするものである。

請求項６の発明は、請求項１乃至５のいずれかにおいて、エポキシ樹脂組成物全量に対してシランカップリング剤を０．１〜１．０質量％含有して成ることを特徴とするものである。

本発明の請求項７に係る半導体装置は、請求項１乃至６のいずれかに記載のエポキシ樹脂組成物を用いて封止成形して成ることを特徴とするものである。

本発明の請求項１に係るエポキシ樹脂組成物によれば、耐湿性及び耐熱衝撃性を共に高く得ることができるものである。

請求項２の発明によれば、硬化性に優れた組成物を得ることができるものである。

請求項３の発明によれば、その他の硬化剤を用いる場合に比べて耐湿性を高めることができるものである。

請求項４の発明によれば、組成物の粘度が高くならず、封止成形を容易に行うことができると共に、封止成形後においては硬化物の線膨張係数を低減することができるものである。

請求項５の発明によれば、組成物中におけるＮａイオン、Ｃｌイオン、Ｂｒイオン等の不純物をイオントラップ剤で捕捉することができ、信頼性の低下を防止することができるものである。

請求項６の発明によれば、耐湿性をさらに高めることができるものである。

本発明の請求項７に係る半導体装置によれば、耐湿性及び耐熱衝撃性を共に高く得ることができるものである。

以下、本発明の実施の形態を説明する。

本発明に係るエポキシ樹脂組成物は、エポキシ樹脂、硬化剤、硬化促進剤を必須成分として含有するものである。

本発明においてエポキシ樹脂としては、上記式（Ａ）で示される骨格を有する常温（２０〜４０℃程度）で液体のエポキシ樹脂と平均エポキシ当量が４００〜１２００である常温で液体のエポキシ樹脂のうち、少なくとも一方のエポキシ樹脂を用いるものである。平均エポキシ当量が４００未満であると、低応力性が乏しくなり耐熱衝撃性が悪化しやすくなるおそれがあり、逆に平均エポキシ当量が１２００を超えると、反応性に乏しくなるため、硬化時間が長くなり、生産性が悪化するおそれがあるものである。

上記のエポキシ樹脂のほか、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、ビフェニル型エポキシ樹脂、脂環式エポキシ樹脂、ジシクロペンタジエン骨格を有するジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂、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、トリフェニルメタン型エポキシ樹脂、脂肪族系エポキシ樹脂、トリグリシジルイソシアヌレート等のエポキシ樹脂を１種又は２種以上併用することができる。中でも、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、ビフェニル型エポキシ樹脂、脂環式エポキシ樹脂、下記官能基を有するエポキシ樹脂（アミノ型エポキシ樹脂）が、組成物の粘度と硬化物の物性の点から、好ましい。

また、本発明において硬化剤としては、常温で液体の芳香族アミン硬化剤を用いるものである。このような硬化剤としては、例えば、ジアミノジフェニルメタン、メタフェニレンジアミン、ジアミノジフェニルスルフォン、ジエチルトルエンジアミン、芳香族ポリアミン、下記化学式で示されるもの等を用いることができる。特にジアミノジフェニルメタンを用いるのが好ましく、これにより、その他の硬化剤を用いる場合に比べて耐湿性を高めることができるものである。

ここで、エポキシ樹脂に対する硬化剤の化学量論上の当量比は０．２〜０．６であることが好ましい。上記当量比が０．２未満であると、硬化しにくくなったり、硬化物の耐熱性が低下したり、硬化物の強度が低下したりするおそれがあり、逆に、上記当量比が０．６を超えると、硬化物の耐熱性が低下したり、硬化後の接着強度が低下したり、硬化物の吸湿率が高くなったりするおそれがある。より好ましい当量比は０．２５〜０．４５である。

また、本発明において硬化促進剤としては、特に限定されるものではないが、例えば、トリアゾール類若しくはその塩、イミダゾール類若しくはその塩、ジアザビシクロアルケン類若しくはその塩、トリフェニルホスフィン等のリン系硬化促進剤等を１種又は２種以上用いることができる。特にイミダゾール系硬化促進剤（イミダゾール骨格を有する化合物）を用いるのが好ましく、これにより、硬化性に優れた組成物を得ることができるものである。また、イミダゾール骨格を有する化合物からなる核の表面を熱硬化性樹脂の被膜で被覆した微細球（いわゆるマイクロカプセル）やアミンアダクト粒子を用いるのも好ましい。

また、本発明においては無機充填材（フィラー）を用いることができる。無機充填材としては、特に限定されるものではないが、例えば、結晶シリカ、溶融シリカ、アルミナ、微粉シリカ、マグネシア、窒化珪素等を用いることができる。

ここで、エポキシ樹脂組成物全量に対して無機充填材を４０〜８０質量％含有するのが好ましい。これにより、組成物の粘度が高くならず、封止成形を容易に行うことができると共に、封止成形後においては硬化物の線膨張係数を低減することができるものである。しかしながら、無機充填材の含有量が４０質量％未満であると、線膨張係数を低減することが難しくなるおそれがあり、逆に、無機充填材の含有量が８０質量％を超えると、組成物の粘度が高くなり、実際に使用するのが困難となるおそれがある。

また、近年においては、半導体装置において、金線ワイヤー間、バンプ間、充填ギャップ間が狭くなっており、無機充填材の粒径はある程度細かい方が好ましいが、無機充填材の粒径を細かくすることによる粘度上昇や硬化時における沈降を考慮すると、粒径３０μｍ以上のものが２０質量％以下、かつ、粒径１μｍ以下のものが５〜４０質量％含有している無機充填材を用いるのが好ましい。

また、本発明においては、エポキシ樹脂組成物にイオントラップ剤を添加剤として含有させるのが好ましい。このようにしておくと、組成物中におけるＮａイオン、Ｃｌイオン、Ｂｒイオン等の不純物をイオントラップ剤で捕捉することができ、信頼性の低下を防止することができるものである。なお、イオントラップ剤は、エポキシ樹脂組成物全量に対して０．３〜３．０質量％含有するのが好ましい。

また、本発明においてはカップリング剤を用いることができる。カップリング剤としては、エポキシ系、アミノ系、ビニル系、メタクリル系、チタネート系など、エポキシ樹脂の改質や回路基板等に対する密着性の向上を目的として用いられるものが好ましく、中でもシランカップリング剤を用いるのが好ましい。

シランカップリング剤としては、γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、γ−グリシドキシプロピルトリエトキシシラン、β−（３，４−エポキシシクロヘキシル）エチルトリメトキシシラン等のエポキシシラン、γ−アミノプロピルトリエトキシシラン、Ｎ−β（アミノエチル）γ−アミノプロピルトリメトキシシラン、Ｎ−β（アミノエチル）γ−アミノプロピルトリメトキシシラン、γ−ウレイドプロピルトリエトキシシラン等のアミノシラン、３−メルカプトプロピルトリメトキシシラン等のメルカプトシラン、ｐ−スチリルトリメトキシシラン、ビニルトリクロルシラン、ビニルトリス（β−メトキシエトキシ）シラン、ビニルトリメトキシシラン、ビニルトリエトキシシラン、γ−メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン等のビニルシラン、さらには、エポキシ系、アミノ系、ビニル系の高分子タイプのシラン等があり、特に、エポキシシラン、アミノシラン、メルカプトシランが好ましい。

また、チタネートカップリング剤としては、イソプロピルトリイソステアロイルチタネート、イソプロピルトリ（Ｎ−アミノエチル・アミノエチル）チタネート、ジイソプロピルビス（ジオクチルホスフェート）チタネート、テトライソプロピルビス（ジオクチルホスファイト）チタネート、テトラオクチルビス（ジトリデシルホスファイト）チタネート、ビス（ジオクチルパイロホスフェート）オキシアセテートチタネート、ビス（ジオクチルパイロホスフェート）エチレンチタネート等を用いることができる。

上述したカップリング剤は、エポキシ樹脂組成物中に配合されることで、この組成物の硬化物と半導体素子及び回路基板との界面の接着性を向上させ、半導体装置の信頼性を高める働きをする。また、カップリング剤は、無機充填材を用いる場合においては、あらかじめこの充填材に対して湿式法あるいは乾式法で処理して使用してもよいし、無機充填材の使用有無にかかわらず、エポキシ樹脂に混合するインテグラルブレンド法で使用してもよい。

ここで、シランカップリング剤を用いる場合には、エポキシ樹脂組成物全量に対してシランカップリング剤を０．１〜１．０質量％含有するのが好ましい。これにより、耐湿性をさらに高めることができるものである。しかしながら、シランカップリング剤の含有量が０．１質量％未満であると、耐湿性を高める効果を十分に得ることができないおそれがあり、逆に、シランカップリング剤の含有量が１．０質量％を超えると、耐湿性を高める効果が頭打ちとなるおそれがある。

また、本発明においては、必要に応じて他の樹脂、顔料、希釈剤、消泡剤等を用いることができる。

そして、本発明に係るエポキシ樹脂組成物は、次のようにして調製することができる。まず、上述したエポキシ樹脂、硬化剤、硬化促進剤、その他の成分を一緒に又は別々に配合し、必要に応じて加熱処理や冷却処理を行いながら、撹拌、溶解、混合、分散を行う。次に、この混合物に無機充填材を加えて、必要に応じて加熱処理や冷却処理を行いながら、再度、撹拌、溶解、混合、分散を行う。そうすると、液状のエポキシ樹脂組成物を得ることができる。ここで、上記の撹拌、溶解、混合、分散等の工程において、ディスパー、プラネタリーミキサー、ボールミル、３本ロール等を組み合わせて使用することができる。

また、本発明に係る半導体装置は、上記のエポキシ樹脂組成物を用いて封止成形することによって、製造することができる。例えば、ガラス・エポキシ配線基板（ガラエポ基板）に搭載されたＩＣチップ等の半導体素子をエポキシ樹脂組成物でポッティング方式によりモールドすることによって、半導体素子をエポキシ樹脂組成物による封止樹脂で封止した半導体装置を製造することができる。

そして、上記の半導体装置にあって、エポキシ樹脂として、上記式（Ａ）で示される骨格を有する常温で液体のエポキシ樹脂と平均エポキシ当量が４００〜１２００である常温で液体のエポキシ樹脂のうち、少なくとも一方のエポキシ樹脂を用い、硬化剤として、常温で液体の芳香族アミン硬化剤を用いたエポキシ樹脂組成物の硬化物で半導体素子を封止しているので、この硬化物は吸湿しにくくなっていると共に、半導体素子や基板に対する密着力が増大しているものである。従って、上記の半導体装置が、一定の高温状態又は高温と低温の繰り返されるような状態におかれても、吸湿水分の気化膨張に起因するクラックの発生を防止することができ、耐湿性及び耐熱衝撃性等の耐熱性を共に高く得ることができるものである。

以下、本発明を実施例によって具体的に説明する。

（エポキシ樹脂組成物）
エポキシ樹脂として、上記式（Ａ）で示される骨格を有する常温で液体のエポキシ樹脂（旭電化工業（株）製「ＥＰＵ７８−１３Ｓ」）、高分子量エポキシＡ（大日本インキ化学工業（株）製「ＥＸＡ４８５０−１５０」、エポキシ当量４５０）、高分子量エポキシＢ（大日本インキ化学工業（株）製「ＥＸＡ４８５０−１０００」、エポキシ当量１０００）、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂（ジャパンエポキシレジン（株）製「エピコート８２８」、エポキシ当量１８９）、アミノ型エポキシ樹脂（日本化薬（株）製「ＧＯＴ−Ｈ」）を用いた。

硬化剤として、ジエチルトルエンジアミン（旭電化工業（株）製）、ジアミノジフェニルメタン（日本化薬（株）製「カヤハードＡ−Ａ」）、芳香族ポリアミン（ジャパンエポキシレジン（株）製「Ｗ」）を用いた。

硬化促進剤として、イミダゾール系マイクロカプセル型潜在性触媒（旭エポキシ（株）製「ＨＸ３９４１ＨＰ」）、トリフェニルホスフィン（北興化学工業（株）製「ＴＰＰ」）、１−ベンジル−２−メチルイミダゾールを用いた。

添加剤であるイオントラップ剤として、東亜合成（株）製「ＩＸＥ７００Ｆ」を用いた。

カップリング剤として、エポキシシランカップリング剤（日本ユニカー（株）製「Ａ−１８７」）を用いた。

無機充填材として、溶融シリカ（（株）トクヤマ製「ＳＥ１５」、平均粒径１５μｍ）を用いた。

そして、上記のエポキシ樹脂、硬化剤、硬化促進剤、イオントラップ剤、カップリング剤を下記［表１］に示す配合量（質量部）で配合し、撹拌、溶解、混合、分散を行った。次に、この混合物に上記の無機充填材を下記［表１］に示す配合量（質量部）で加えて、再度、撹拌、溶解、混合、分散を行うことによって、実施例１〜１４及び比較例１のエポキシ樹脂組成物を得た。

（評価用パッケージ）
評価用のアルミ回路を形成した３ｍｍ角のチップを、ＦＲ４グレード相当のガラエポ基板（５０ｍｍ×５０ｍｍ、厚さｔ＝０．６ｍｍ）に搭載し、２５μｍの金線ワイヤーをボンディングすることによって、ＴＥＧ（テストエレメントグループ）を作製した。次いで、上記のエポキシ樹脂組成物を１．５〜３ｇ程度用いてチップ及び金線ワイヤーが見えなくなるようにＴＥＧを封止し、１００℃で１時間硬化させた後に、さらに１５０℃で２時間硬化させることによって、評価用パッケージを得た。

（温度サイクル試験）
上記の評価用パッケージのＴＥＧの動作状態を確認し、良品であるものについて、次のような気相の温度サイクル試験（ＴＣ）を行った。すなわち、上記の評価用パッケージ（各１０個）を、−４０℃の雰囲気下に３０分間、室温下に５分間、１２５℃の雰囲気下に３０分間、室温下に５分間、この順に放置することを１サイクルとして、これを１０００サイクル繰り返した。その後、評価用パッケージのＴＥＧの動作状態を確認し、不良が発生した個数をカウントした。そして、１０個の評価用パッケージのうち不良数が、０〜３個であるものを「○」、４〜６個であるものを「△」、７〜１０個であるものを「×」と判定した。その結果を下記［表１］に示す。

また、ＴＥＧを封止している硬化物の外観を検査し、樹脂フィレット部にクラックが発生した個数をカウントした。そして、１０個の評価用パッケージのうち不良数が、０〜３個であるものを「○」、４〜６個であるものを「△」、７〜１０個であるものを「×」と判定した。その結果を下記［表１］に示す。

（ＰＣＴ試験）
上記の評価用パッケージのＴＥＧの動作状態を確認し、良品であるものについて、次のようなＰＣＴ試験を行った。すなわち、２気圧（２０２．６５ｋＰａ）、１２１℃のプレッシャークッカー試験（ＰＣＴ）を行い、１６８時間後のＴＥＧの動作確認を行い、良否を判定した。１０個の評価用パッケージのうち不良数が、０〜３個であるものを「○」、４〜６個であるものを「△」、７〜１０個であるものを「×」と判定した。その結果を下記［表１］に示す。

上記［表１］にみられるように、比較例１のものは、樹脂クラックの判定は「○」であるものの、デバイス動作不良判定及びＰＣＴ試験の結果がいずれも「×」であるのに対し、実施例１〜１４のものは、温度サイクル試験及びＰＣＴ試験の結果はいずれも「○」又は「△」であり、耐熱衝撃性及び耐湿性を共に高く得ることができることが確認される。

Claims (7)

1. エポキシ樹脂、硬化剤、硬化促進剤を含有するエポキシ樹脂組成物において、エポキシ樹脂として、下記式（Ａ）で示される骨格を有する常温で液体のエポキシ樹脂と平均エポキシ当量が４００〜１２００である常温で液体のエポキシ樹脂のうち、少なくとも一方のエポキシ樹脂を用いると共に、硬化剤として、常温で液体の芳香族アミン硬化剤を用いて成ることを特徴とするエポキシ樹脂組成物。
   

   
2. 硬化促進剤として、イミダゾール系硬化促進剤を用いて成ることを特徴とする請求項１に記載のエポキシ樹脂組成物。
3. 常温で液体の芳香族アミン硬化剤として、ジアミノジフェニルメタンを用いて成ることを特徴とする請求項１又は２に記載のエポキシ樹脂組成物。
4. エポキシ樹脂組成物全量に対して無機充填材を４０〜８０質量％含有して成ることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のエポキシ樹脂組成物。
5. イオントラップ剤を含有して成ることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のエポキシ樹脂組成物。
6. エポキシ樹脂組成物全量に対してシランカップリング剤を０．１〜１．０質量％含有して成ることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のエポキシ樹脂組成物。
7. 請求項１乃至６のいずれかに記載のエポキシ樹脂組成物を用いて封止成形して成ることを特徴とする半導体装置。