JP2009127002A - 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】常温における保存安定性の高い封止用エポキシ樹脂組成物とそれを用いた半導体装置を提供する。
【解決手段】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、特定のイミダゾール系化合物を硬化促進剤として含有する。
【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。

従来、半導体チップなどの電子部品の封止材としてセラミックや熱硬化性樹脂組成物が一般に用いられている。中でも、エポキシ樹脂組成物は経済性と性能のバランスの点で優れた封止材であり、たとえば、近年の電子機器の小型化、薄型化にともない主流になりつつある表面実装型パッケージの封止材としてエポキシ樹脂組成物が広く用いられている（特許文献１、２参照）。

表面実装型パッケージにおける半導体チップの樹脂封止は、金属のリードフレーム上に半導体チップを搭載し、半導体チップとリードフレームをボンディングワイヤなどを用いて電気的に接続し、成形金型を用いて半導体チップ全体とリードフレームの一部をエポキシ樹脂組成物などの封止材で封止することにより行われるのが一般的である。

このような半導体の封止用エポキシ樹脂組成物としては、エポキシ樹脂、およびクレゾールノボラック樹脂などのフェノール性水酸基を有する硬化剤と共に、硬化促進剤を配合し、さらに無機充填材を配合したものが多く用いられている。この封止用エポキシ樹脂組成物は、常温では少しずつ重合反応が進行するため通常は５℃以下の冷暗所にて保管し、使用時には結露を防ぐため常温戻しを行うようにしているが、常温戻し後の重合反応の進行を考慮すると、常温戻し後の封止用エポキシ樹脂組成物の有効使用期間は一般に２〜５日程度となっている。
特開２０００−８６９１１号公報 特開２０００−７７６０号公報

しかしながら、半導体組立工場の現場においては、近年では生産計画が毎日のように変化しているのが現状であり、このような生産計画の変化に迅速に対応するためには、常温放置後も長期間使用できる封止用エポキシ樹脂組成物が望まれていた。

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、常温における保存安定性の高い封止用エポキシ樹脂組成物と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、下記式（Ｉ）

（式中、Ｒ^１は水素原子、メチル基、ヒドロキシメチル基、またはベンジル基を示し、Ｒ^２は水素原子またはヒドロキシメチル基を示し、ｎは１０〜２６の整数を示す。）で表されるイミダゾール系化合物を硬化促進剤として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チップが封止されていることを特徴とする。

上記第１の発明によれば、硬化促進剤として上記式（Ｉ）のイミダゾール系化合物を配合したので、常温における重合反応の進行が大幅に抑制され、たとえば５日を超える期間常温にて放置した場合であっても特性が劣化することなく使用に供することができる。

さらに、上記式（Ｉ）のイミダゾール系化合物は成形時において離型剤としても機能し、成形金型のクリーニング周期を長くすることができる。

上記第２の発明によれば、硬化促進剤として上記式（Ｉ）のイミダゾール系化合物を配合した封止用エポキシ樹脂組成物を用いて半導体チップが封止されているので、封止用エポキシ樹脂組成物を常温で長期間放置後に封止成形したものであっても、特性が劣化することがなく品質を良好なものとすることができる。

以下、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、ブロム含有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。

エポキシ樹脂の配合量は、封止用エポキシ樹脂組成物全量に対して好ましくは７〜３５質量％である。エポキシ樹脂の配合量が過少であると、成形時の流動性と金型充填性が低下する場合がある。一方、エポキシ樹脂の配合量が過剰であると、無機充填材の配合割合が少なくなるため熱伝導性や熱膨張率などの特性が低下する場合がある。

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としては、多価フェノール化合物、多価ナフトール化合物などが挙げられる。多価フェノール化合物の具体例としては、フェノールノボラック樹脂、クレゾールノボラック樹脂、フェノールアラルキル樹脂、ビフェニルアラルキル樹脂などが挙げられる。多価ナフトール化合物の具体例としては、ナフトールアラルキル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。

フェノール性水酸基を有する硬化剤の配合量は、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。当量比が当該範囲外であると、封止用エポキシ樹脂組成物の硬化特性が低下し、あるいは成形後の耐湿性が低下する場合がある。

本発明において、硬化促進剤として用いられる上記式（Ｉ）のイミダゾール系化合物は、２−フェニルイミダゾールまたはその誘導体と、直鎖飽和脂肪酸との縮合反応による有機酸塩として得ることができる。

式（Ｉ）のイミダゾール系化合物の原料となる２−フェニルイミダゾール誘導体の具体例としては、２−フェニル−４−メチル−５−ヒドロキシメチルイミダゾール、２−フェニル−４，５−ジヒドロキシメチルイミダゾール、２−フェニル−４−ベンジル−５−ヒドロキシメチルイミダゾール、２−フェニル−４−メチルイミダゾールなどが挙げられる。

式（Ｉ）のイミダゾール系化合物の原料となる直鎖飽和脂肪酸の具体例としては、ラウリン酸、ミリスチン酸、ペンタデシル酸、パルミチン酸、マーガリン酸、ステアリン酸、アラキジン酸、ベヘン酸、リグノセリン酸、セロチン酸、モンタン酸などが挙げられる。

式（Ｉ）において、ｎは１０〜２６の範囲内である。ｎが１０未満である場合、封止用エポキシ樹脂組成物の常温における保存安定性向上の効果が得られる場合もあるが、融点が低過ぎる傾向がある。一方、ｎが２６を超える場合、封止用エポキシ樹脂組成物の常温における保存安定性向上の効果は得られるが、原料である直鎖飽和脂肪酸と、２−フェニルイミダゾールまたはその誘導体との反応性が低くなるため式（Ｉ）のイミダゾール系化合物の収率が低下する。従って、工業的な使用の観点からはｎ＝１０〜２６の範囲が適切である。

式（Ｉ）のイミダゾール系化合物は、たとえば原料としてモンタン酸と２−フェニル−４−メチル−５−ヒドロキシメチルイミダゾールを用いた場合を例にすると、これらをＣＯＯＨ当量：ＮＨ当量＝１：１の割合でＤＭＳに溶解させ、煮沸還流下にて３時間攪拌を行い、その後、生成した白色沈殿物を濾過し、溶媒で洗浄し乾燥させることで得ることができる。

硬化促進剤として式（Ｉ）のイミダゾール系化合物を配合することで、常温における重合反応の進行が大幅に抑制され、たとえば５日を超える期間常温にて放置した場合であっても特性が劣化することなく使用に供することができる。さらに、式（Ｉ）のイミダゾール系化合物は、硬化促進剤として機能させるために必要な量を配合することで、成形時において離型剤としても機能し、成形金型のクリーニング周期を長くすることができる。

式（Ｉ）のイミダゾール系化合物の配合量は、たとえば従来より封止用エポキシ樹脂組成物に用いられている硬化促進剤の配合量と同程度とすることができるが、好ましくは、エポキシ樹脂と硬化剤の合計量に対して０．１〜５．０質量％である。配合量を当該範囲内とすることで、良好な硬化特性が得られる。

本発明において、無機充填材としては、特に制限なく各種のものを用いることができ、その具体例としては、結晶シリカ、溶融シリカ、アルミナ、窒化珪素などが挙げられる。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。

無機充填材の配合量は、封止用エポキシ樹脂組成物の全量に対して好ましくは６０〜９３質量％である。無機充填材の配合量が過少であると、熱伝導性、熱膨張率などの特性が低下する場合がある。一方、無機充填材の配合量が過剰であると、成形時の流動性と金型充填性が低下する場合がある。

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、上記以外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、メルカプトシラン、グリシドキシシラン、アミノシラン等のシランカップリング剤、三酸化アンチモン等の難燃剤、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。

また、式（Ｉ）のイミダゾール系化合物と共に、他の硬化促進剤、あるいは他の離型剤を配合するようにしてもよい。このような硬化促進剤の具体例としては、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、トリフェニルホスフィン、トリブチルホスフィン、トリメチルホスフィン等の有機ホスフィン類、１，８−ジアザビシクロ（５，４，０）ウンデセン、トリエタノールアミン、ベンジルジメチルアミン等の第三級アミン類などが挙げられる。

また、離型剤の具体例としては、天然カルナバワックス、脂肪酸アミド、ステアリン酸、モンタン酸、脂肪酸エステル、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は、上記のエポキシ樹脂、硬化剤、式（Ｉ）のイミダゾール系化合物、無機充填材、および必要に応じて他の成分を配合してミキサー、ブレンダーなどを用いて十分均一に混合し、次いで熱ロールやニーダーなどを用いて加熱状態にて溶融混合し、室温に冷却した後、粉砕することにより製造することができる。なお、本発明の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を用いて半導体チップを封止することにより製造することができる。この封止には、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などの従来より用いられている成形方法を適用することができる。

トランスファーモールドを適用する場合、たとえば、ＩＣチップなどの半導体チップを搭載したリードフレームを成形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、これを加熱下にて硬化させることで、半導体チップ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。

トランスファーモールドを適用する場合、たとえば、金型温度１７０〜１８０℃、成形時間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、封止用エポキシ樹脂組成物の配合組成などに応じて適宜に変更すればよい。

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。

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、９０℃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：o−クレゾールノボラック型エポキシ樹脂（住友化学（株）製、ＥＳＣＮ１９５ＸＬ、エポキシ当量 １９５）
エポキシ樹脂：ブロム化エポキシ樹脂（住友化学（株）製、ＥＳＢ４００Ｔ、エポキシ当量 ４００）
硬化剤：フェノールノボラック樹脂（荒川化学（株）製、タマノール７５２、水酸基当量 １０４）
式（Ｉ）のイミダゾール系化合物：モンタン酸（ｎ＝２６）と２−フェニル−４−メチル−５−ヒドロキシメチルイミダゾール（２Ｐ４ＭＨＺ）との縮合生成物
硬化促進剤：２−フェニル−４−メチル−５−ヒドロキシメチルイミダゾール（四国化成工業（株）製、２Ｐ４ＭＨＺ）
無機充填材：結晶シリカ（平均粒子径 ２５μｍ）
離型剤：モンタン酸
難燃剤：三酸化アンチモン
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）製、ＫＢＭ４０３）
着色剤：カーボンブラック
[常温保存安定性の評価]
実施例１〜３、比較例１、２の封止用エポキシ樹脂組成物を製造した後、温度２５℃、湿度５０％にて所定時間放置した。その後、ＡＳＴＭ Ｄ３１２３に準拠したスパイラルフロー測定金型を用いて下記条件にて成形し、流動距離（ｃｍ）を測定した。
〈成形条件〉
金型温度：１７０℃
プレス：５ｔプレス、ポット径＝３０ｍｍ
注入圧力：７０ｋｇｆ／ｃｍ^２
注入時間：材料を入れずに空打ちで４秒以下
成形時間：９０秒
評価結果を表１に示す。

表１より、式（Ｉ）のイミダゾール系化合物を配合した実施例１〜３の封止用エポキシ樹脂組成物では、常温で６日放置した後もスパイラルフローの低下はみられず、常温で１２日放置した後もスパイラルフローはほとんど低下しなかった。この結果より、有効使用期間が一般に２〜５日である従来のものと比較して常温の保存安定性が大幅に向上していることが分かる。

一方、従来の硬化促進剤である２Ｐ４ＭＨＺを配合した比較例１、２の封止用エポキシ樹脂組成物では、いずれも時間の経過と共にスパイラルフローが低下し、６日後には大幅に低下していた。

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、下記式（Ｉ）
   

   

   （式中、Ｒ^１は水素原子、メチル基、ヒドロキシメチル基、またはベンジル基を示し、Ｒ^２は水素原子またはヒドロキシメチル基を示し、ｎは１０〜２６の整数を示す。）で表されるイミダゾール系化合物を硬化促進剤として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チップが封止されていることを特徴とする半導体装置。