JP2009007420A - 封止用エポキシ樹脂組成物および半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱伝導性に優れ、かつ成形時の流動性が良好であり、しかも、難燃剤を用いずとも高い難燃性を有する封止用エポキシ樹脂組成物およびそれを用いた半導体装置を提供する。
【解決手段】無機充填材として、６０〜７０質量％のSiO_２、２０〜３０質量％のAl_２O_３、および５〜１５質量％のMgOの３成分からなる球状ガラスを組成物全量に対して８５質量％以上含有することを特徴とする。
【選択図】なし

Description

本発明は、封止用エポキシ樹脂組成物および半導体装置に関するものである。

近年では半導体素子の高密度化、動作の高速化等が進み、その消費電力は増加の傾向にある。半導体素子の信頼性は高温になるほど低下するので、高電力消費の樹脂封止型半導体装置においては、封止樹脂の熱伝導性を高めてパッケージの温度上昇を抑えることが要求される。

従来より、このような半導体装置の封止に用いられるものとして、エポキシ樹脂を無機充填材等と組み合わせたエポキシ樹脂組成物が用いられているが、エポキシ樹脂の熱伝導率は約０．１〜０．３Ｗ／ｍ・Ｋと低いため、当該組成物の熱伝導性は無機充填材によって調整される。そのため、無機充填材の配合量を高めることにより封止樹脂の熱伝導性を高めたエポキシ樹脂組成物が用いられている（特許文献１，２参照）。

また、近年では環境への配慮から難燃剤フリーの封止用樹脂組成物も望まれている。従来、このような環境対応型の封止用樹脂組成物としては、金属水酸化物を代替難燃剤として用いたエポキシ樹脂組成物、あるいは球状の溶融シリカを高充填化させたエポキシ樹脂組成物が用いられてきた。
特開平１１−２３３６９４号公報 特許第３１７５９７９号明細書 特開２００４−２６９７５４号公報 特開２００３−２１３０７９号公報 特開平６−６５４７４号公報

しかしながら、封止用樹脂組成物には、熱伝導性以外にも、成形時の流動性などの各種の要求を満足することが要求されており、熱伝導性を高めるために無機充填材を高充填化する場合にも、これらの要求とのバランスを考慮する必要がある。たとえば、熱伝導性を高めるために無機充填材を高充填化すると、成形時の溶融粘度が上昇して流動特性が低下するなどの不具合が生じる場合がある。金属水酸化物を代替難燃剤として用いたエポキシ樹脂組成物では、このように高充填化に伴って流動特性が低下する問題点があり、また、耐熱性も必ずしも十分ではないといった問題点があった。

一方、無機充填材として球状の溶融シリカを用いたエポキシ樹脂組成物は、高充填化しても良好な流動特性を維持できるものの、溶融シリカの熱伝導率が０．７Ｗ／ｍ・Ｋ程度であるため熱伝導性の向上には限界があり、さらに熱伝導性を向上させることが望まれていた。

また、熱伝導性を高めるために無機充填材を高充填化したエポキシ樹脂組成物において、その他の無機充填材の使用も検討されているが、熱伝導性と共に、流動性や難燃性などの特性も同時に満足するものは得られていないのが現状である。

なお、特許文献３〜５には、受光素子や発光素子等の光半導体素子の封止用エポキシ樹脂組成物として、SiO_２、Al_２O_３、MgOの３成分を含むガラス粒子を配合したものが提案されているが、光半導体素子の封止用エポキシ樹脂組成物は、上記したような、無機充填材を高充填化して熱伝導性を高めた封止用エポキシ樹脂組成物と比べて無機充填材の配合量が顕著に少なく、熱伝導性を考慮する程度の無機充填材は配合されないのが通常である。そして、ここで当該ガラス粒子を用いたのは、光半導体素子の封止に必要な透明性を得るためにエポキシ樹脂との屈折率を一致させるためであり、熱伝導性の向上を課題とした本発明を何ら示唆するものではない。

本発明は以上の通りの事情に鑑みてなされたものであり、熱伝導性に優れ、かつ成形時の流動性が良好であり、しかも、難燃剤を用いずとも高い難燃性を有する封止用エポキシ樹脂組成物およびそれを用いた半導体装置を提供することを課題としている。

本発明は、上記の課題を解決するために、以下のことを特徴としている。

第１に、本発明の封止用エポキシ樹脂組成物は、エポキシ樹脂、硬化剤、硬化促進剤、および無機充填材を必須成分とする封止用エポキシ樹脂組成物であって、無機充填材として、６０〜７０質量％のSiO_２、２０〜３０質量％のAl_２O_３、および５〜１５質量％のMgOの３成分からなる球状ガラスを組成物全量に対して８５質量％以上含有することを特徴とする。

第２に、本発明の半導体装置は、上記第１の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。

上記第１の発明によれば、特定の組成をもつ球状ガラスを用いているので、封止樹脂に高い熱伝導性を付与することができ、成形時の流動性も良好である。さらに、難燃剤を用いずとも封止樹脂に高い難燃性を付与することができる。

上記第２の発明によれば、上記第１の発明の封止用エポキシ樹脂組成物を用いて封止されているので、パッケージは高い熱伝導性と難燃性を有しており、また、成形時の流動性が良好であるため、高品質な半導体装置を高い歩留まりで得ることができる。

以下に、本発明を詳細に説明する。

本発明において、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なく使用することができる。このようなエポキシ樹脂の具体例としては、Ｏ−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、ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂、ビスフェノール型エポキシ樹脂、多官能型エポキシ樹脂などが挙げられる。これらは１種単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。

中でも、本発明のように無機充填材を高充填化した際に、良好なエポキシ樹脂組成物の特性が得られる点からは、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が好ましい。

本発明において、硬化剤としては、フェノール性水酸基を有する硬化剤が好ましく用いられる。フェノール性水酸基を有する硬化剤の具体例としては、フェノールノボラック、クレゾールノボラック、フェノールアラルキル樹脂、ビフェニルアラルキル樹脂等の多価フェノール化合物、ナフトールアラルキル樹脂等の多価ナフトール化合物などが挙げられる。これらは１種単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。

硬化剤の配合量は、好ましくは、フェノール性水酸基とエポキシ基との当量比（ＯＨ当量／エポキシ当量）が０．５〜１．５となる量であり、より好ましくは当量比が０．８〜１．２となる量である。当量比が０．５未満であると封止用エポキシ樹脂組成物の硬化特性が低下する場合があり、当量比が１．５を超えると、耐湿性が不十分になる場合がある。

本発明に用いられる硬化促進剤の具体例としては、トリフェニルホスフィン等の有機ホスフィン類、ジアザビシクロウンデセン等の第三級アミン類、２−メチルイミダゾール、２−フェニルイミダゾール等のイミダゾール類などが挙げられる。これらは１種単独で用いてもよく、２種以上を併用して用いてもよい。

硬化促進剤の配合量は、エポキシ樹脂と硬化剤の合計量に対して０．１〜５．０質量％が好ましい。硬化促進剤の配合量が０．１質量％未満であると、封止用エポキシ樹脂組成物の硬化特性が低下する場合があり、硬化促進剤の配合量が５．０質量％を超えると、耐湿性が不十分になる場合がある。

本発明では、無機充填材として、６０〜７０質量％のSiO_２、２０〜３０質量％のAl_２O_３、および５〜１５質量％のMgOの３成分からなる球状ガラスが用いられる。

無機充填材として上記の球状ガラスを用いることで、封止樹脂に高い熱伝導性を付与することができ、成形時の流動性も良好なものとすることができる。さらに、難燃剤を用いずとも封止樹脂に高い難燃性を付与することができる。

球状ガラスの配合量は、封止用エポキシ樹脂組成物の全量に対して８５質量％以上、好ましくは８５〜９５質量％、より好ましくは８８〜９５質量％である。球状ガラスの配合量が８５質量％未満であると、封止樹脂の熱伝導性と難燃性が不十分となる。球状ガラスの配合量が９５質量％を超えると、成形時の流動性が低下する場合がある。

球状ガラスは、次の方法で作製することができる。SiO₂供給源として珪石、珪砂等、MgO供給源としてマグネシア、炭酸マグネシウム等、Al₂O₃供給源としてアルミナ、水酸化アルミニウム等を用いて、あるいは、SiO₂とAl₂O₃の同時供給源としてカオリン、カイアナイト、ムライト等を用いて、ガラス化後に目的の組成が得られるように所定量計量し振動ミル等で混合する。それを温度１４００〜１８００℃程度で加熱溶融し、冷却してガラス化し、得られたインゴットを粉砕する。

球状ガラスの粒子形状は、表面に凹凸がなく、粒子の投影図における（短径）／（長径）が０．８以上であるものが好ましい。このような球状ガラスは、たとえば、上記の方法で得られた破砕状のガラス粒子を酸素ガス雰囲気に分散させ、酸素ガスとプロパン等の可燃ガスによる火炎中で溶融・球状化し、捕集・分級することによって得ることができる。

球状ガラスの平均粒子径は、成形性や流動性の点から５〜４０μｍのものが好ましい。平均粒子径は、たとえばレーザー光散乱法で粒子の体積粒径分布を測定し、粒子の真密度の値を用いて重量粒径分布に換算する方法で求めることができる。

球状ガラスの平均粒子径が５μｍ未満であると、封止用エポキシ樹脂組成物の流動性が低下する場合があり、球状ガラスの平均粒子径が４０μmを超えると、封止用エポキシ樹脂組成物の流動性が過度に大きくなり、成形時のゲート詰まり等が生じる場合がある。

本発明の封止用エポキシ樹脂組成物には、本発明の効果を損なわない範囲内において、上記の球状ガラスと共に他の無機充填材を配合することができる。このような無機充填材の具体例としては、非晶質シリカや合成シリカ等のシリカ、アルミナ、ミルドファイバーガラス、酸化チタン、炭酸カルシウム、クレー、タルク、カオリン、窒化珪素、窒化アルミニウムなどが挙げられる。これらは１種単独で用いてもよく、２種以上を併用して用いてもよい。

本発明の封止用エポキシ樹脂組成物には、さらに離型剤を配合することができる。離型剤の具体例としては、カルナバワックス、ステアリン酸、モンタン酸、カルボキシル基含有ポリオレフィンなどが挙げられる。

本発明の封止用エポキシ樹脂組成物には、本発明の効果を損なわない範囲内において、さらに他の成分を配合することができる。このような成分の具体例としては、γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、γ−メルカプトプロピルトリメトキシシラン等のシランカップリング剤、カーボンブラック等の着色剤、シリコーン可とう剤などが挙げられる。

上記のエポキシ樹脂、硬化剤、硬化促進剤、無機充填材、および必要に応じて他の成分を配合し、ミキサー、ブレンダー等を用いて十分均一に混合した後、熱ロールやニーダー等の混練機により加熱状態で溶融混合し、これを室温に冷却した後、公知の手段によって粉砕して本発明の封止用エポキシ樹脂組成物とすることができる。なお、封止用エポキシ樹脂組成物は、取り扱いを容易にするために、成形条件に合うような寸法と質量を有するタブレットとしてもよい。

本発明の半導体装置は、上記のようにして得られた封止用エポキシ樹脂組成物で半導体素子を封止することによって製造することができる。この封止には、トランスファー成形（トランスファーモールド）を適用することができる。たとえば、ＩＣ等の半導体素子を多数搭載したリードフレームをトランスファー成形用金型のキャビティに配置した後、キャビティに封止用エポキシ樹脂組成物を充填し、これを加熱して硬化させることで、半導体素子を封止用エポキシ樹脂組成物で封止した半導体装置を製造することができる。

このトランスファー成形を適用した場合、たとえば、金型温度は１７０〜１８０℃、成形時間は３０〜１２０秒に設定することができるが、金型温度、成形時間およ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、封止用エポキシ樹脂組成物の材料の種類や製造される半導体装置の種類等によって適宜に設定変更できる。

なお、本発明の半導体装置において、封止用エポキシ樹脂組成物を用いた封止の対象となる半導体素子は、フォトダイオード等の受光素子や発光ダイオード等の発光素子などの光半導体素子を除いた、光の入出を伴わない半導体素子である。

以下、実施例により本発明をさらに詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではない。なお、表１に示す配合量は質量部を表す。
＜実施例１，２＞
表１に示す各配合成分を、表１に示す割合で配合し、ブレンダーで３０分間混合して均一化した後、８０℃に加熱したニーダーで混練溶融させて押し出し、冷却後、粉砕機で所定粒度に粉砕して粒状の封止用エポキシ樹脂組成物を得た。

表１に示す配合成分として、以下のものを使用した。
エポキシ樹脂：ビフェニル型エポキシ樹脂（ジャパンエポキシレジン（株）「ＹＸ４０００Ｈ」 エポキシ当量 １９６）
硬化剤１：ビフェニルアラルキル樹脂
硬化剤２：フェノールアラルキル樹脂（三井化学（株）「ＸＬ−２２５」 水酸基当量 １７６）
硬化促進剤：トリフェニルホスフィン（北興化学（株））
無機充填材：SiO_２−Al_２O_３−MgOの３成分からなる球状ガラス（日東紡マテリアル（株）「Ｔ−２０１」 SiO_２：６４〜６６質量％ Al_２O_３：２４〜２６質量％ MgO：９〜１１質量％ 平均粒子径 １２〜１５μｍ）
離型剤：カルナバワックス（大日化学工業（株）「Ｆ１−１００」）
カップリング剤：γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン（信越化学工業（株）「ＫＢＭ４０３」）
着色剤：カーボンブラック（三菱化学（株）「４０Ｂ」）
上記のようにして得られた実施例１，２の封止用エポキシ樹脂組成物を用いて、次の評価を行った。
（１）スパイラルフロー
ＡＳＴＭ Ｄ３１２３に準じたスパイラルフロー測定金型を用いて、金型温度１７５℃、注入圧力７０ｋｇｆ／ｃｍ^２、成形時間９０秒、後硬化１７５℃／６ｈの条件にて成形し、流動距離（ｃｍ）を測定した。
（２）熱伝導率
（１）と同様の成形条件にて封止用エポキシ樹脂組成物を成形して１００φ×２０ｍｍｔのテストピースを作製し、プローブ法により熱伝導率を測定した。
（３）耐炎性試験
（１）と同様の成形条件にて封止用エポキシ樹脂組成物を成形したものを用いて、ＵＬ−９４に準じた試験を行い、難燃性の確認を行った。

評価結果を表１に示す。
＜比較例１＞
無機充填材として、球状の溶融シリカ（電気化学工業（株）「ＦＢ８２０」）を用い、表１の配合量にて封止用エポキシ樹脂組成物を調製し、実施例１，２と同様の評価を行った。評価結果を表１に示す。

表１に示されるように、無機充填材としてSiO_２−Al_２O_３−MgOの３成分からなる球状ガラスを特定量配合した実施例１，２の封止用エポキシ樹脂組成物を用いた場合には、難燃剤フリーの熱伝導性の無機充填材として従来から用いられている球状の溶融シリカを用いた比較例１と比較して熱伝導率が大幅に向上した。また、成形時の流動性の尺度となるスパイラルフローも球状の溶融シリカを用いた比較例１と同等の良好な値を示した。

さらに、耐炎性試験より、実施例１，２の封止用エポキシ樹脂組成物は難燃剤を配合せずとも封止樹脂に難燃性を付与することができ、特に無機充填材を適切な量で配合した実施例１では封止樹脂に高い難燃性を付与できることが示された。

Claims (2)

1. エポキシ樹脂、硬化剤、硬化促進剤、および無機充填材を必須成分とする封止用エポキシ樹脂組成物であって、無機充填材として、６０〜７０質量％のSiO_２、２０〜３０質量％のAl_２O_３、および５〜１５質量％のMgOの３成分からなる球状ガラスを組成物全量に対して８５質量％以上含有することを特徴とする封止用エポキシ樹脂組成物。
2. 請求項１に記載の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半導体装置。