JP2015054965A - 封止用樹脂、半導体装置、および光結合装置 - Google Patents

封止用樹脂、半導体装置、および光結合装置 Download PDF

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Abstract

【課題】高温・高湿環境においても、樹脂剥離を抑制可能な封止用樹脂、信頼性が高められた半導体装置、および光結合装置を提供する。
【解決手段】封止用樹脂は、エポキシ基を有するイソシアヌル酸を含む主剤と、酸無水物基を有する酸無水物を含む硬化剤と、を有する。前記エポキシ基に対する前記酸無水物基のモル比は、０．６７以上、かつ０．８以下である。
【選択図】図３

Description

本発明の実施形態は、封止用樹脂、半導体装置、および光結合装置に関する。
半導体装置を高温・高湿環境で使用する場合、封止樹脂の耐熱性および耐湿性を高めることが要求される。
半導体素子を樹脂を用いて封止する半導体装置において、半導体素子と封止樹脂との間、または複数の樹脂間において剥離など生じると信頼性が低下することがある。
さらに、半導体素子が発光素子や受光素子を含む場合、樹脂の剥離により光強度が変化するので、半導体装置の特性が変化する問題を生じることがある。
特開２０１２−４１４０３号公報
高温・高湿環境においても、樹脂剥離を抑制可能な封止用樹脂、信頼性が高められた半導体装置、および光結合装置を提供する。
実施形態の封止用樹脂は、エポキシ基を有するイソシアヌル酸を含む主剤と、酸無水物基を有する酸無水物を含む硬化剤と、を有する。前記エポキシ基に対する前記酸無水物基のモル比は、０．６７以上、かつ０．８以下である。
図１（ａ）はエポキシ基と酸無水基とのモル比に対する密着強度を測定したグラフ図、図１（ｂ）は密着強度の測定方法を表す模式図、である。 第１の実施形態にかかる封止用樹脂を用いて封止された半導体装置である。 図３（ａ）はモル比が０．５７の場合のＰＣＴによる光結合効率の変動率、図３（ｂ）はモル比が０．６７の場合のＰＣＴによる光結合効率の変動率、図３（ｃ）はモル比が０．８の場合のＰＣＴによる光結合効率の変動率、図３（ｄ）はモル比が１の場合のＰＣＴによる光結合効率の変動率、のグラフ図である。 図２に領域Ｈを拡大したＳＥＭ写真図である。 第１の実施形態の封止用樹脂を用いた光結合装置の模式断面図である。 図５に表す光結合装置の１５０℃の高温放置試験による光結合効率の変動率を表すグラフ図である。 比較例にかかる光結合装置の１５０℃の高温放置試験による光結合効率の変動率を表すグラフ図である。 図８（ａ）は光結合装置の第１変形例においてインナ樹脂の方がフィラー重量％が小さい場合の模式断面図、図８（ｂ）は第１変形例においてアウタ樹脂の方がフィラー重量％が小さい場合の模式断面図、図８（ｃ）は樹脂界面の模式断面図、である。 光結合装置の第２変形例を説明する模式図である。
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態を説明する。
第１の実施形態にかかる封止用樹脂は、エポキシ基を有するイソシアヌル酸を主剤（ベースレジン）とし、酸無水物を硬化剤とする。
主剤としては、たとえば、下記式（１）に表すように３つのエポキシ基Ｅを有する1,3,5-トリス（2,3-エポキシプロピル）イソシアヌル酸などとすることができる。

また、酸無水物としては、たとえば、下記式（２）に表すイソメチルテトラヒドロ無水フタル酸などとすることができる。

1,3,5-トリス（2,3-エポキシプロピル）イソシアヌル酸と、イソメチルテトラヒドロ無水フタル酸と、が重合された硬化物は、たとえば、下記式（３）のように表すことができる。

図１（ａ）は主剤に含まれるエポキシ基と硬化剤に含まれる酸無水基とのモル比に対する密着強度を測定したグラフ図、図１（ｂ）は密着強度の測定方法を表す模式図、である。
封止用樹脂は、主剤として1,3,5-トリス（2,3-エポキシプロピル）イソシアヌル酸、硬化剤としてイソメチルテトラヒドロ無水フタル酸、を用いているが、材料はこれに限定されない。縦軸は密着強度（Ｎ）、横軸はエポキシ基に対する酸無水基のモル比である。白丸はＰＣＴ（Pressure Cooker Test)前の密着強度、黒丸はＰＣＴ後の密着強度、をそれぞれ表す。
図１（ｂ）に表すように、受光素子などの半導体素子３０のチップの表面に、第１の実施形態にかかる封止用樹脂４０を接合する。荷重センサ（図示せず）に取り付けられたツール５０を封止樹脂に当接し、押しつける。封止樹脂４０が破損する荷重であるシェア強度を求める。なお、半導体素子３０の表面は、通常、ポリイミド樹脂やＳｉ酸化膜などの保護層を含む。また、密着強度は、保護層の材質にはほとんど依存しない。
モル比を０．５７、０．６７、０．８、１と高くしていくと、ＰＣＴ前の密着強度は低下傾向である。他方、ＰＣＴ後の密着強度は、モル比が０．６と１との間でピーク値を示す。なお、ＰＣＴ後の密着力は、５５Ｎ以上であることが好ましい。また、ＰＣＴ前の密着強度は９０Ｎ以上が望ましい。
図２は、第１の実施形態にかかる封止用樹脂を用いて封止された光結合装置（フォトカプラ）である。
第１のリード１０に接着されたＬＥＤ（Light Emitting Diode）のような発光素子２０と、第２のリード１２に接着された受光素子３１と、が互いに対向している。なお、発光素子２０は、エンキャップのためポッティング樹脂２２で覆われている。また、封止用樹脂４０は、赤外光に対して透光性を有するものとする。
発光素子２０を発光させ、受光素子３１に所定の電圧を供給する。たとえば、ＰＣＴ開始時、２０時間後、２００時間後に受光素子３１の電流を測定することにより、光結合効率の変動率を知ることができる。なお、外部光が受光素子３１に入射しないように、半導体装置を遮光することが好ましい。
図３（ａ）はモル比が０．５７の場合のＰＣＴによる光結合効率の変動率（％）、図３（ｂ）はモル比が０．６７の場合のＰＣＴによる光結合効率の変動率（％）、図３（ｃ）はモル比が０．８の場合のＰＣＴによる光結合効率の変動率（％）、図３（ｄ）はモル比が１の場合のＰＣＴによる光結合効率の変動率（％）、のグラフ図である。
光結合効率の変動率（％）は、ＰＣＴを一定時間行い、その後常温常圧に戻してから測定した受光側に流れる電流値を、ＰＣＴ開始前に常温常圧で測定した受光側に流れる電流値で除して、算出している。
ＰＣＴでは、たとえば、光結合装置などの半導体装置を、２．５気圧、１２７℃の飽和水蒸気圧の雰囲気と、水蒸気が樹脂内に押し込まれる。次に１気圧、１００℃以上にし、樹脂に取りこまれた水蒸気分子が自由に動き、樹脂体積が増加する。さらに、１気圧、２５℃とすると、水蒸気が水になり樹脂体積が減少し剥離の起点を生じる。さらに、２６０℃でリフローすると、剥離の起点となる水が水蒸気に変化する時に、水蒸気爆発などにより隙間を生じる。
モル比が１以上の場合、吸水率が高いため、ＰＣＴ中に未反応の酸無水物が開環し水に溶け出し、半導体素子３０の表面と封止用樹脂４０との間で剥離が生じやすくなる。
図４は、図２の領域Ｈを拡大したＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）写真図である。
受光素子３１の表面と封止用樹脂４０との間に剥離により生じた空間Ｇを生じている。このため、光結合効率が変化する。
この結果、たとえば、図３（ｄ）のように（モル比が１）、２０時間での光結合効率の変動率が急激に増加し始める。他方、図３（ａ）のように、モル比を０．５７と低くすると、硬化剤が少なすぎてエポキシ基が余る。このため、ＰＣＴ後に密着力が著しく低下し、受光素子３１の表面と封止用樹脂４０との剥離を生じやすくなる。
これに対して、モル比が０．６７である図３（ｂ）、およびモル比が０．８である図３（ｃ）において、封止用樹脂４０と受光素子３１との間の密着強度の低下が抑制され、剥離を抑制することができる。すなわち、封止用樹脂４０において、主剤に含まれるエポキシ基と硬化剤に含まれる酸無水基とのモル比は、０．６７以上、かつ０．８以下とすることが好ましい。なお、ＰＣＴにおいて、ポッティング樹脂２２と発光素子２０との間において、剥離を生じなかった。
第１の実施形態の封止用樹脂４０は、光結合装置に限定されることなく、発光装置、受光装置、および半導体装置に広く用いることができる。
図５は、第１の実施形態の封止用樹脂を用いた光結合装置の模式断面図である。
光結合装置は、第１のリード１０に接着された発光素子２０と、第２のリード１２に接着された受光素子３１と、が互いに対向している。また、発光素子２０は、エンキャップのためポッティング樹脂２２で覆われている。
本実施形態の光結合装置は、インナ樹脂４１と、アウタ樹脂５０と、のダブルモールド構造とする。インナ樹脂４１は、第１の実施形態にかかる封止用樹脂４０からなり、可視〜赤外光に対して透光性を有するものとする。また、アウタ樹脂５０は、インナ樹脂４１、第１のリード１０の一方の端部と、第２のリード１２の一方の端部と、を包む。アウタ樹脂５０は、発光ダイオード２０の放出光（および外部からの自然光）の波長に対して遮光性を有するものとする。また、第１のリード１０の他方の端部と、第２のリード１２の他方の端部と、は、アウタ樹脂５０から突出し、外部への接続端子となる。インナ樹脂４１と、アウタ樹脂５０と、をそれぞれ成型（モールド）体とすることにより、発光ダイオード周辺の品質の安定化、光結合装置の小型化および高い量産性が可能となる。
図６は、図５に表す光結合装置の１５０℃の高温放置試験による光結合効率の変動率を表すグラフ図である。
縦軸は光結合効率の初期値に対する変動率（％）、横軸は時間、である。２０００時間経過しても、光結合効率の変動率は小さい。なお、第１の実施形態に封止用樹脂であるインナ樹脂４１において、２００℃の雰囲気に９０時間放置後の透過率の変動率も２５％以下と小さかった。
図７は、比較例にかかる光結合装置の１５０℃の高温放置試験による光結合効率の変動率を表すグラフ図である。
インナ樹脂は、母体に対するエポキシ基が１つのオルソクレゾールノボラック（ＯＣＮ）を主剤とし、フェノール系樹脂を硬化剤としている。フェノール系樹脂は、酸化により、キノン構造を生じ変色する。このため、２００℃の雰囲気に９０時間放置後、透過率は、初期値の４２〜５１％に低下する。この結果、１５０℃の雰囲気で１５００時間経過した後、光結合効率の変動率は２０〜５０％にもなる。
これに対して、図５に表す光結合装置は、ＰＣＴにおける樹脂の剥離が抑制され、かつインナ樹脂４１の酸化による変色が低減できる。このため、高温環境下において光結合効率の変動率が低減され、信頼性を高めることができる。
図８（ａ）は光結合装置の第１変形例においてインナ樹脂の方がフィラー重量％が小さい場合の模式断面図、図８（ｂ）はダブルモールド構造のアウタ樹脂の方がフィラー重量％が小さい場合の模式断面図、図８（ｃ）は樹脂層界面の模式断面図、である。
第１の変形例は、インナ樹脂４１と、インナ樹脂４１を包むアウタ樹脂５０と、を含むダブルモールド構造である。インナ樹脂４１は、第１に実施形態の封止用樹脂４０とする。また、アウタ樹脂５０は、オルソクレゾールノボラックを主剤とし、フェノールノボラックを硬化剤として、重合された樹脂である。
インナ樹脂４１とアウタ樹脂５０に無機充填剤（フィラー）を配合することができる。配合されるフィラーとしては、たとえば、溶融シリカや結晶性シリカを含むシリカ類、アルミナ、窒化ケイ素、窒化アルミニウムなどとすることができる。また、その形状は、線状、球状などとすることができる。
インナ樹脂４１には、６０重量％以上、かつ８５重量％以下の第１の配合比である第１のフィラーが配合される。また、アウタ樹脂５０には、６０重量％以上、かつ８５重量％以下の第２の配合比の第２のフィラーが配合される。さらに、第１の配合比と第２の配合比との差が５重量％以上、かつ１２重量％以下とする。なお、フィラー量は、どちらが多くてもよい。また、第１のフィラーと第２のフィラーとが同一の材質および形状であってもよい。
図８（ａ）〜（ｃ）に表すように、フィラー量に差を設けると線膨張率にも差を生じ、成型後のアフタキュアー（たとえば、１９０℃で２時間）時に、線膨張率の大きい方が小さい方よりも膨張するため、界面の凹凸で少なくとも１回の締め付けを生じ、インナ樹脂４１と、アウタ樹脂５０と、の間で密着強度が増す。なお、０．３×１０−５／℃の線膨張係数の差は、フィラー量の差が略５重量％に相当する。また、０．７×１０−５／℃の線膨張係数の差は、フィラー量の差が略１２重量％に相当する。（表１）は、それぞれのフィラー量を変化させた場合、密着強度を測定した結果の一例を表す。

もし、ダブルモールド構造において、インナ樹脂４１とアウタ樹脂５０との密着強度が不十分であると界面での剥離を生じる。剥離領域から樹脂クラックが広がると、特性が変動することがある。第１変形例では、ダブルモールド構造の密着強度が高められるので剥離が抑制され、特性変動が低減できる。
図９は、光結合装置の第２変形例を説明する模式図である。
樹脂成型体にワックスを添加すると、成型後の金型からの離型を容易にし生産性を高めることができる。通常、インナーとアウター樹脂には外滑ワックスを用いている。しかしながら、アウタ樹脂５０と、インナ樹脂４１と、の間に、ワックスがしみ出し、被膜が形成されると水素結合が阻害され、密着強度が低下する。（表２）は、第２の変形例のワックスの組み合わせの一例を表す。

本実施形態では、インナ樹脂４１には、極性が低い外滑ワックスＷ２と、極性の高い内滑ワックスＷ０と、混合して用い、アウター樹脂には外滑ワックスを用いる。極性の高い内滑ワックスＷ０は、たとえば、ステアリン酸、パルミチン酸、ベヘン酸、アラキジン酸などの脂肪酸とすることができる。極性が低い外滑ワックスＷ２は、たとえば、ステアリン酸エステル、パルミチン酸エステル、ベヘン酸エステル、アラキジン酸エステルなどの脂肪酸エステルとすることができる。これは、図９に示すように、極性が低い外滑ワックスＷ２が極性の高い内滑ワックスＷ０をひきつけ、一部は樹脂界面に集まり、樹脂界面でアウタ樹脂５０側の外滑ワックスＷ２を、インナ樹脂４１側の内滑ワックスＷ０が引きつけるため、密着強度を高めることができる。このため、密着強度を９４Ｎなどさらに高めることができる。
第１の実施形態の封止用樹脂は、半導体素子の表面との間の密着強度を高めることができる。この封止用樹脂を用いて半導体素子を封止した半導体装置は、高温・高湿環境においても、特性変動を低減できる。特に、発光ダイオードと、受光素子と、を有する光結合装置は、高温・高湿環境下において、光結合効率を安定に保つことができる。このため、産業機器、情報機器、車両などに広く用いることができる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
２０ 発光素子、４０ 封止用樹脂、４１ インナ樹脂、５０ アウタ樹脂、３０ 半導体素子、３１ 受光素子、Ｗ０ 内滑ワックス、Ｗ２ 外滑ワックス

Claims (9)

  1. エポキシ基を有するイソシアヌル酸を含む主剤と、
    酸無水物基を有する酸無水物を含む硬化剤と、
    を備え、
    前記エポキシ基に対する前記酸無水物基のモル比は、０．６７以上、かつ０．８以下である封止用樹脂。
  2. 前記イソシアヌル酸は、1,3,5-トリス（2,3-エポキシプロピル）イソシアヌル酸を含み、
    前記酸無水物は、イソメチルテトラヒドロ無水フタル酸を含む請求項１記載の封止用樹脂。
  3. 請求項１または２に記載の封止用樹脂と、
    前記封止用樹脂に覆われた半導体素子と、
    を備えた半導体装置。
  4. 前記半導体素子は、発光素子または受光素子を含む請求項３記載の半導体装置。
  5. 請求項１または２に記載の封止用樹脂と、
    前記封止用樹脂に包まれ、入力電気信号で駆動される発光素子と、
    前記封止用樹脂に包まれ、前記発光素子の放出光を電気信号に変換して出力する受光素子と、
    を備えた光結合装置。
  6. 前記封止用樹脂を包み、前記放出光を遮光するアウタ樹脂をさらに備えた請求項５記載の光結合装置。
  7. 前記封止用樹脂には、６０重量％以上、かつ８５重量％以下の第１の配合比である第１の無機充填剤が配合され、
    前記アウタ樹脂には、６０重量％以上、かつ８５重量％以下の第２の配合比の第２の無機充填剤が配合され、
    前記第１の配合比と前記第２の配合比との差が５重量％以上、かつ１２重量％以下である請求項６記載の光結合装置。
  8. 前記アウタ樹脂には、極性が低い第１の外滑ワックスが配合され、
    前記封止用樹脂には、極性が高く脂肪酸を含む内滑ワックスおよび極性が低い第２の外滑ワックスが配合された請求項６または７に記載の光結合装置。
  9. 前記第１および第２の外滑ワックスは、脂肪酸エステルをそれぞれ含み、
    前記内滑ワックスは、脂肪酸を含む請求項８記載の光結合装置。
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