JP2012241178A - 半導体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】封止樹脂とニッケルメッキリードフレームとの密着性に優れ、吸湿半田特性の向上を図ることができる半導体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、無機充填剤、および次式（I）を含むニッケルメッキリードフレームに搭載された半導体を封止するための成形材料として用いられる半導体封止用エポキシ樹脂組成物。

（式中、Ｒ¹、Ｒ²、Ｒ³のうち少なくとも１つは−ＣＨ₂ＣＨ₂ＣＯＯＨを示す。）
【選択図】なし

Description

本発明は、半導体封止のための成形材料として用いられる半導体封止用エポキシ樹脂組成物とそれを用いた半導体装置に関する。さらに詳しくは、本発明は、ニッケルメッキリードフレームを用いた半導体封止用エポキシ樹脂組成物に関する。

従来、集積回路等の半導体素子の封止材料としてセラミックや熱硬化性樹脂が一般に用いられている。トランジスタ、ＩＣ等の半導体素子の封止の分野では生産性、コスト等の面から樹脂封止が主流となり、エポキシ樹脂組成物が成形材料として広く用いられている。この理由としては、エポキシ樹脂組成物は電気特性、耐湿性、耐熱性、機械特性、インサート品との接着性等の諸特性のバランスが良く、経済性と性能とのバランスにも優れている点等が挙げられる。

特に集積回路では、エポキシ樹脂、フェノール樹脂系硬化剤、および溶融シリカや結晶シリカ等の無機充填剤を配合した耐熱性、耐湿性に優れ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）。

半導体素子は、これを外部環境から保護して各種信頼性を確保するとともに基板への実装を容易にするためパッケージが必要である。パッケージには種々の形態があるが、一般には低圧トランスファ成形法で封止したパッケージが広く用いられている。このパッケージは、金属製リードフレームに半導体素子が固着され、半導体素子表面の電極とインナーリードとが金ワイヤで電気的に接続される。そして半導体素子、金ワイヤ、およびリードフレームの一部が封止樹脂を用いて低圧トランスファ成形法で封止される。

エポキシ樹脂組成物を用いる封止法においては、クレゾールノボラック型エポキシ樹脂を樹脂成分とし、かつフェノールノボラック樹脂を硬化剤成分とする成形材料が最も一般的に用いられている。

特開２００８−１４３９５０号公報 特開２０１０−０３１１２６号公報

しかしながら、このようなエポキシ樹脂組成物は、ニッケルメッキリードフレームとの密着性が十分に得られない。また、今後はＳｉＣ、ＧａＮ等の新たなパワーデバイスの登場によりさらに使用環境は厳しくなることが予想されるが、封止樹脂とニッケルメッキリードフレームとの密着性の低さによる信頼性の低下が懸念される。

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、封止樹脂とニッケルメッキリードフレームとの密着性に優れ、吸湿半田特性の向上を図ることができる半導体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。

上記の課題を解決するために、本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物は、エポキシ樹脂、硬化剤、および無機充填剤を必須成分として含有しニッケルメッキリードフレームに搭載された半導体を封止するための成形材料として用いられる半導体封止用エポキシ樹脂組成物において、次式（I）

（式中、Ｒ¹、Ｒ²、Ｒ³は、水素原子または−ＣＨ₂ＣＨ₂ＣＯＯＨを示し、Ｒ¹、Ｒ²、Ｒ³のうち少なくとも１つは−ＣＨ₂ＣＨ₂ＣＯＯＨを示す。）で表される化合物を含有することを特徴としている。

この半導体封止用エポキシ樹脂組成物においては、式（I）で表される化合物の含有量は、０．０１〜１．０質量％であることが好ましい。

本発明の半導体装置は、前記の半導体封止用エポキシ樹脂組成物の硬化物により半導体素子が封止されていることを特徴とする。

本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物および半導体装置によれば、封止樹脂とニッケルメッキリードフレームとの密着性に優れ、剥離の発生を抑制することができる。そのため吸湿半田ディップ試験後のパッケージクラックの発生が抑制され、信頼性が大幅に向上する。

以下に、本発明について詳細に説明する。

本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物において、エポキシ樹脂としては、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されず各種のものを用いることができる。

具体的には、例えば、グリシジルエーテル型、グリシジルアミン型、グリシジルエステル型、オレフィン酸化型（脂環式）等の各種のエポキシ樹脂を用いることができる。

さらに具体的には、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等のアルキルフェノールノボラック型エポキシ樹脂、ナフトールノボラック型エポキシ樹脂、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ナフトールアラルキル型エポキシ樹脂、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等の多官能型エポキシ樹脂、トリフェニルメタン型エポキシ樹脂、テトラキスフェノールエタン型エポキシ樹脂、ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂、スチルベン型エポキシ樹脂、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂等のビスフェノール型エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂、ナフタレン型エポキシ樹脂、脂環式エポキシ樹脂、ビスフェノールＡ型ブロム含有エポキシ樹脂等のブロム含有エポキシ樹脂、ジアミノジフェニルメタン、イソシアヌル酸等のポリアミンとエピクロルヒドリンとの反応により得られるグリシジルアミン型エポキシ樹脂、フタル酸、ダイマー酸等の多塩基酸とエピクロルヒドリンとの反応により得られるグリシジルエステル型エポキシ樹脂、硫黄原子含有エポキシ樹脂等を用いることができる。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。

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、エポキシ樹脂中に含まれる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、硬化性等を考慮すると、エポキシ樹脂のエポキシ当量は１００〜５００ｇ／ｅｑが好ましい。

これらの中でも、特に融点または軟化点が室温を超えているエポキシ樹脂を含むことが好ましい。例えば、クレゾールノボラック型エポキシ樹脂としては、エポキシ当量１８０〜２１０、軟化点６０〜１１０℃のものが好適に用いられ、硬化性を高めることができる。また、ビフェニル型エポキシ樹脂としては、エポキシ当量１８０〜２１０、融点８０〜１２０℃のものが好適に用いられ、流動性および耐リフロー性を高めることができる。

本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物におけるエポキシ樹脂の含有量は、半導体封止用エポキシ樹脂組成物の全量に対して好ましくは７〜３５質量％である。このような範囲で用いると、封止樹脂の流動性や成形品の物性等を高めることができる。

本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物には、硬化剤が配合される。硬化剤としては、例えば、フェノール樹脂系硬化剤、酸無水物系硬化剤、アミン系硬化剤等を用いることができる。中でも、硬化性や硬化物の物性等を考慮すると、フェノール樹脂系硬化剤が好ましい。

フェノール樹脂系硬化剤としては、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、ナフトールノボラック樹脂等のノボラック型樹脂、フェニレン骨格またはビフェニレン骨格を有するフェノールアラルキル樹脂、フェニレン骨格またはビフェニレン骨格を有するナフトールアラルキル樹脂等のアラルキル型樹脂、トリフェノールメタン型樹脂等の多官能型フェノール樹脂、ジシクロペンタジエン型フェノールノボラック樹脂、ジシクロペンタジエン型ナフトールノボラック樹脂等のジシクロペンタジエン型フェノール樹脂、テルペン変性フェノール樹脂、ビスフェノールＡ、ビスフェノールＦ等のビスフェノール型樹脂、ビスフェノールＳ等の硫黄原子含有型フェノール樹脂、トリアジン変性ノボラック樹脂等を用いることができる。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。

フェノール樹脂系硬化剤は、硬化性等を考慮すると、水酸基当量は７０〜２５０ｇ／ｅｑが好ましく、軟化点は５０〜１１０℃が好ましい。

フェノール樹脂系硬化剤の配合量は、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基当量／エポキシ基当量）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。当量比がこのような範囲内であると、エポキシ樹脂組成物の硬化性を高め、ガラス転移温度の低下を抑制し、耐湿信頼性を高めることができる。

本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物には、硬化促進剤を配合することができる。硬化促進剤としては、例えば、２−メチルイミダゾール、２−エチルイミダゾール、２−フェニルイミダゾール、２−エチル−４−メチルイミダゾール等のイミダゾール類、１，８−ジアザビシクロ［５．４．０］ウンデセン−７、１，５−ジアザビシクロ［４．３．０］ノネン−５、５，６−ジブチルアミノ−１，８−ジアザビシクロ［５．４．０］ウンデセン−７等のシクロアミジン類、２−（ジメチルアミノメチル）フェノール、トリエチレンジアミン、ベンジルジメチルアミン、トリエタノールアミン、ジメチルアミノエタノール、トリス（ジメチルアミノメチル）フェノール等の第３級アミン類、トリブチルホスフィン、メチルジフェニルホスフィン、トリフェニルホスフィン、トリス（４−メチルフェニル）ホスフィン、ジフェニルホスフィン、フェニルホスフィン等の有機ホスフィン類、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・エチルトリフェニルボレート、テトラブチルホスホニウム・テトラブチル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、２−エチル−４−メチルイミダゾール・テトラフェニルボレート、Ｎ−メチルモルホリン・テトラフェニルボレート等のテトラフェニルボロン塩等を用いることができる。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。

本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物には、無機充填剤が配合される。無機充填剤としては、特に制限されず、例えば公知のものを用いることができる。具体的には、例えば、溶融球状シリカ等の溶融シリカ、結晶シリカ、アルミナ、窒化珪素等を用いることができる。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。

これらの中でも、充填性や流動性を考慮すると、溶融球状シリカが好ましく、特に真球に近いものが好ましい。熱伝導性を考慮すると、アルミナ、結晶シリカ、窒化珪素等が好ましい。

溶融シリカとしては、平均粒径が５〜７０μｍの範囲のものを用いることが好ましい。さらに、流動性の向上等の観点から平均粒径が０．５〜２μｍの範囲のものを併用することもできる。

なお、溶融シリカの平均粒径は、例えば、レーザ回折散乱式粒度分布測定装置を用いて測定することができる。そして、平均粒径は、母集団から任意に抽出される試料を用い、上記測定装置を利用して測定し導出される値である。

無機充填剤の含有量は、半導体封止用エポキシ樹脂組成物の全量に対して６０〜９３質量％が好ましい。無機充填剤の含有量が少な過ぎると、線膨張が大きくなるため、リフロー時の反りの変化量が大きくなる場合がある。無機充填剤の含有量が多過ぎると、十分な流動性が確保されず、ワイヤースイープが大きくなる場合がある。

本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物には、前記式（I）で表される化合物が配合される。

式（I）において、Ｒ¹、Ｒ²、Ｒ³は、水素原子または−ＣＨ₂ＣＨ₂ＣＯＯＨを示し、Ｒ¹、Ｒ²、Ｒ³のうち少なくとも１つは−ＣＨ₂ＣＨ₂ＣＯＯＨを示す。

前記式（I）で表される化合物を配合することにより、半導体封止用エポキシ樹脂組成物の封止樹脂とニッケルメッキリードフレームとの密着性が向上する。

式（I）で表される化合物の含有量は、半導体封止用エポキシ樹脂組成物の全量に対して０．０１〜１．０質量％が好ましい。式（I）で表される化合物をこのような範囲内の含有量で用いると、成形性に支障をきたすことなく封止樹脂とニッケルメッキリードフレームとの密着性を向上することができ、剥離の発生を抑制することができる。そのため吸湿半田ディップ試験後のパッケージクラックの発生が抑制され、信頼性が大幅に向上する。

式（I）で表される化合物としては、例えば、１，３，５−トリス（２−カルボキシエチル）イソシアヌレート（ＣＩＣ酸）等を用いることができる。

本発明の半導体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、さらに他の添加剤を配合することができる。このような添加剤としては、例えば、離型剤、カップリング剤、難燃剤、着色剤、低応力化剤、イオントラップ剤等を用いることができる。

離型剤としては、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等を用いることができる。

カップリング剤としては、例えば、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メチルジエトキシシラン、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グリシドキシシラン、γ−メルカプトプロピルトリメトキシシラン等のメルカプトシラン、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−アミノプロピルトリエトキシシラン、Ｎ−フェニル−γ−アミノプロピルトリメトキシシラン等のアミノシラン、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、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を用いることができる。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。

難燃剤としては、例えば、水酸化マグネシウム、水酸化アルミニウム、赤リン等を用いることができる。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。

着色剤としては、例えば、カーボンブラック、ベンガラ、酸化チタン、フタロシアニン、ペリレンブラック等を用いることができる。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。

低応力化剤としては、例えば、シリコーンエラストマー、シリコーンオイル、アクリル酸メチル−ブタジエン−スチレン共重合体、メタクリル酸メチル−ブタジエン−スチレン共重合体等のブタジエン系ゴム等を用いることができる。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。

イオントラップ剤としては、例えば、ハイドロタルサイト類化合物、アルミニウム、ビスマス、チタン、およびジルコニウムから選ばれる元素の含水酸化物等を用いることができる。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。

本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物は、例えば、次のようにして製造することができる。例えば、前記のエポキシ樹脂、硬化剤、無機充填剤、および必要に応じて他の添加剤を配合し、ミキサー、ブレンダー等を用いて十分均一になるまで混合する。その後、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、公知の手段により粉砕することにより半導体封止用エポキシ樹脂組成物を製造することができる。

なお、半導体封止用エポキシ樹脂組成物は、粉末状であってもよいが、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に打錠したタブレットとしてもよい。

本発明の半導体装置は、前記のようにして得られた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することにより製造することができる。

半導体素子としては、例えば、集積回路、大規模集積回路、トランジスタ、サイリスタ、ダイオード、固体撮像素子等を用いることができる。またＳｉＣ、ＧａＮ等の新規のパワーデバイスにも用いることができる。

本発明の半導体装置のパッケージ形態としては、例えば、Ｍｉｎｉ、Ｄパック、Ｄ２パック、Ｔｏ２２０、Ｔｏ３Ｐ、デュアル・インライン・パッケージ（ＤＩＰ）等の挿入型パッケージ、クワッド・フラット・パッケージ（ＱＦＰ）、スモール・アウトライン・パッケージ（ＳＯＰ）、スモール・アウトライン・Ｊリード・パッケージ（ＳＯＪ）等の表面実装型のパッケージ等を挙げることができる。

このようなパッケージにおいては、例えば、リードフレームのダイパッド上に、ダイボンド材硬化物を介して半導体素子が固定される。半導体素子の電極パッドとリードフレームとの間は金線等のワイヤにより電気的に接続される。そして半導体素子は、本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物の硬化物により封止される。

本発明の半導体装置は、例えば次のようにして製造される。例えば、半導体素子を搭載したニッケルメッキリードフレームを金型キャビティ内に設置した後、半導体封止用エポキシ樹脂組成物を低圧トランスファ成形法、コンプレッション成形法、インジェクション成形法等の方法で成形硬化することができる。

低圧トランスファ成形法においては、半導体素子が搭載されたニッケルメッキリードフレームを金型のキャビティ内に配置した後、このキャビティ内に溶融状態の半導体封止用エポキシ樹脂組成物を所定の圧力で注入し、溶融した半導体封止用エポキシ樹脂組成物は、基板上の半導体素子を包み込みながらキャビティ内を流動し、キャビティ内に充満する。

このときの注入圧力は、半導体封止用エポキシ樹脂組成物や半導体装置の種類に応じて適宜に設定することができるが、例えば４〜７ＭＰａ、金型温度は、例えば１６０〜１９０℃、成形時間は、例えば３０〜３００秒等に設定することができる。

次に、金型を閉じたまま後硬化（ポストキュア）を行った後、型開きして成形物すなわち半導体装置（パッケージ）を取り出す。このときの後硬化条件は、例えば１６０〜１９０℃で２〜８時間に設定することができる。

以下に、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に示す配合成分として、以下のものを用いた。
（エポキシ樹脂）
Ｏ−クレゾールノボラック型エポキシ樹脂、ＤＩＣ（株）製「Ｎ６６３ＥＸＰ」
（硬化剤）
フェノールノボラック樹脂、明和化成工業（株）製「ＨＦ−１Ｍ」
（無機充填剤）
溶融シリカ
（硬化促進剤）
トリフェニルホスフィン(ＴＰＰ）
（前記式（I）で表わされる化合物）
１，３，５−トリス（２−カルボキシエチル）イソシアヌレート（ＣＩＣ酸）
（その他の添加剤）
水酸化アルミニウム、昭和電工（株）製「ＨＰ３６０」
カルナバワックス
カーボンブラック
γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン

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半導体封止用エポキシ樹脂組成物を得た。
この半導体封止用エポキシ樹脂組成物を用いて次の評価を行った。

[スパイラルフロー]
ＡＳＴＭ Ｄ３１２３に準拠したスパイラルフロー測定金型を用いて、金型温度１７０℃、注入圧力６．９ＭＰａ、成形時間１２０秒の条件で半導体封止用エポキシ樹脂組成物の成形を行い、流動距離（ｃｍ）を測定した。スパイラルフローは成形性の目安となり、この値が長いほど流動性が良い材料であることを示す。

[ゲルタイム]
キュラストメータ（オリエンテック社製）を用いて、１７０℃にて半導体封止用エポキシ樹脂組成物の硬化トルクを経時的に測定し、硬化トルク値が０．１ｋｇｆになるまでの時間（ｓ）をゲルタイムとして測定した。速硬化性という観点では、この値の小さい方が良好である。

[せん断密着力]
２５×２５×５ｍｍｔのニッケルメッキ銅基板に前記の半導体封止用エポキシ樹脂組成物のプリン状の成形品を低圧トランスファ成形により作製した。成形後、１７５℃で６時間後硬化し、得られたテストピースについてボンドテスタを用いてせん断密着力（ＭＰａ）を測定した。

[吸湿半田ディップ試験]
ＤＩＰ（１６ピン）を用いて実機パッケージ評価を行った。ニッケルメッキリードフレーム（リードダイ）に前記の半導体封止用エポキシ樹脂組成物を低圧トランスファ成形により成形した後、１７５℃で６時間後硬化した。その後、８５℃／８５％ＲＨで２４時間吸湿処理を行い、半田ディップ試験（２６０℃）を行った。試験後のパッケージ（１０サンプル）についてダイパッド面を超音波探査装置により観察し、剥離とクラックの有無を確認した。

評価結果を表１に示す。

表１より、前記式（I）で表わされる化合物を配合した実施例１〜３は、封止樹脂とニッケルメッキリードフレームとの密着性に優れ、剥離の発生を抑制することができた。そのため吸湿半田ディップ試験後のパッケージクラックの発生が抑制され、信頼性が大幅に向上した。また成形時の流動性の指標となるスパイラルフローとゲルタイムも良好であった。特に式（I）で表される化合物の含有量が半導体封止用エポキシ樹脂組成物の全量に対して０．０１〜１．０質量％の範囲である場合にはこのような結果が良好に得ることができた。

一方、前記式（I）で表わされる化合物を配合しなかった比較例１は、ニッケルメッキリードフレームとの密着性が悪く、リードダイの剥離とパッケージクラックの発生が目立つようになった。

Claims (3)

1. エポキシ樹脂、硬化剤、および無機充填剤を必須成分として含有しニッケルメッキリードフレームに搭載された半導体を封止するための成形材料として用いられる半導体封止用エポキシ樹脂組成物において、次式（I）
   

   

   （式中、Ｒ¹、Ｒ²、Ｒ³は、水素原子または−ＣＨ₂ＣＨ₂ＣＯＯＨを示し、Ｒ¹、Ｒ²、Ｒ³のうち少なくとも１つは−ＣＨ₂ＣＨ₂ＣＯＯＨを示す。）で表される化合物を含有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。
2. 式（I）で表される化合物の含有量は、０．０１〜１．０質量％であることを特徴とする請求項１に記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成物。
3. 請求項１または２に記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成物の硬化物により半導体素子が封止されていることを特徴とする半導体装置。