JP2017088751A - 半導体封止用樹脂組成物および半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高熱伝導性および高流動性であり、かつ成形時の装置の摩耗を低減する半導体封止用樹脂組成物および半導体装置を提供する。
【解決手段】（Ａ）エポキシ樹脂、（Ｂ）フェノール樹脂、および（Ｃ）スピネル型結晶構造を有する酸化アルミニウム基化合物を必須成分として含有し、前記（Ｃ）スピネル型結晶構造を有する酸化アルミニウム基化合物は、半導体封止用樹脂組成物全体に対して、３０〜９３重量部含有される半導体封止用樹脂組成物。
【選択図】なし

Description

本発明は、熱伝導率および流動性が高く、かつ加工工程で用いる装置の摩耗が少ない半導体封止用樹脂組成物、およびこれを用いた半導体装置に関する。

半導体素子などの電子部品においては、一般的に熱硬化性樹脂を用いて封止することが行われている。このような封止材料には、エポキシ樹脂をベースとし、これに硬化剤や硬化促進剤、さらには無機充填剤などを配合した半導体封止用樹脂組成物が、信頼性、成形性、価格などの観点から多用されている。

ところで、近年、半導体素子の高機能化、高速化に伴い、半導体素子の発熱量はさらに増加する傾向にある。このため、半導体封止用樹脂組成物に対して高熱伝導性の要求が高まっており、それを達成するための無機充填剤においても様々な検討が進められている。

特開２０１２−０６７２５２号公報 特開２００８−１０６１８１号公報

高熱伝導性を要求される半導体封止用樹脂組成物に含まれる無機充填剤には、従来では結晶性シリカ、近年ではアルミナが用いられてきた。しかし、結晶性シリカは溶融して球状とする加工が困難であるため、結晶性シリカの形状は破砕状であり、結晶シリカを含有した半導体封止用樹脂組成物は流動性が低い。また、アルミナは球形のものを作ることが可能である一方、硬度が非常に高い。そのため、いずれの無機充填剤も加工工程のときに用いる成形装置を著しく摩耗させるということがあった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、高熱伝導性および高流動性であり、かつ加工工程で用いる装置の摩耗を低減する半導体封止用樹脂組成物および半導体装置を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記の目的を達成するため鋭意検討を重ねた結果、半導体封止用樹脂組成物にスピネル型結晶構造を有する酸化アルミニウム基化合物を添加することによって、十分な熱伝導率を有し、加工工程での装置の摩耗を減少させることができ、上記目的が達成されることを見いだし、本発明を完成させたものである。

即ち、本発明の一態様に係る半導体封止用樹脂組成物は、（Ａ）エポキシ樹脂、（Ｂ）フェノール樹脂、および（Ｃ）スピネル型結晶構造を有する酸化アルミニウム基化合物を必須成分として含有し、前記（Ｃ）スピネル型結晶構造を有する酸化アルミニウム基化合物は、半導体封止用樹脂組成物全体に対して、３０〜９０重量部含有される。

また、本発明の他の一態様に係る半導体装置は、半導体チップと、前記半導体チップを封止する上記半導体封止用樹脂組成物の硬化物とを有する。

本発明によれば、スピネル型結晶構造を有する酸化アルミニウム基化合物を添加することにより、十分な熱伝導率を持ちながら、加工工程で用いる装置の摩耗を低減することができる半導体封止用樹脂組成物および半導体装置を提供することができる。

本発明の半導体封止用樹脂組成物は、（Ａ）エポキシ樹脂、（Ｂ）フェノール樹脂、および（Ｃ）スピネル型結晶構造を有する酸化アルミニウム基化合物を必須成分として含有する。

半導体封止用樹脂組成物に含まれる（Ａ）エポキシ樹脂は、一分子中にエポキシ基を２個以上有するものであれば、分子構造および分子量など特に限定されず、封止用の材料として一般に使用されるものを広く包含することができる。（Ａ）エポキシ樹脂は、例えば、ビフェニル型やビスフェノール型などの芳香族系エポキシ樹脂、シクロヘキサン誘導体型などの脂肪族系エポキシ樹脂、さらには、下記式（１）で表されるエポキシ樹脂などが挙げられる。

式（１）中、Ｒ^１およびＲ^２は、それぞれ独立に、水素原子またはアルキル基であり、ｎは１以上の整数である。

（Ａ）エポキシ樹脂は、上記エポキシ樹脂を単独または２種類以上混合して用いることができる。

半導体封止用樹脂組成物に含まれる（Ｂ）フェノール樹脂は、一分子中に（Ａ）エポキシ樹脂と反応し得るフェノール性水酸基を２個以上有するものであれば、特に限定されない。（Ｂ）フェノール樹脂は、例えば、下記式（２）や下記式（３）で表されるフェノール樹脂などが挙げられる。

式（２）中、ｐは０以上の整数である。

式（３）中、Ｒ^３〜Ｒ^７は、それぞれ独立に、水素原子または炭素数１〜８のアルキル基であり、ｑは０以上の整数である。

（Ｂ）フェノール樹脂の配合割合は、上述した（Ａ）エポキシ樹脂のエポキシ基（ａ）と（Ｂ）フェノール樹脂のフェノール性水酸基（ｂ）との当量比（ａ）／（ｂ）が０．１〜１０の範囲内であることが好ましい。当量比（ａ）／（ｂ）が０．１未満あるいは１０を超えると、耐湿性、耐熱性、成形性および半導体封止用樹脂組成物を硬化した硬化物の電気特性などが悪くなり、いずれの場合も好ましくない。

半導体封止用樹脂組成物に含まれる（Ｃ）スピネル型結晶構造を有する酸化アルミニウム基化合物は、高熱伝導性であり、硬度が低く、ＡｌとＯとを含有する化合物である。（Ｃ）スピネル型結晶構造を有する酸化アルミニウム基化合物は、例えば、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４、ＭｏＡｌ_２Ｏ_４、ＣｕＡｌ_２Ｏ_４、ＺｎＡｌ_２Ｏ_４、ＳｒＡｌ_２Ｏ_４、ＣｒＡｌ_２Ｏ_４、ＭｏＡｌ_２Ｏ_４、ＦｅＡｌ_２Ｏ_４、ＣｏＡｌ_２Ｏ_４などが挙げられ、これらを単独または２種類以上混合して用いることができる。これらのなかでも、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４（スピネル）は熱伝導性が良好で、成形装置の金型などの摩耗が少ないため好ましい。（Ｃ）スピネル型結晶構造を有する酸化アルミニウム基化合物は、半導体封止用樹脂組成物全体に対して、３０〜９３重量部含有される。（Ｃ）スピネル型結晶構造を有する酸化アルミニウム基化合物の配合割合が３０重量部未満では、熱伝導率が十分に得られず、また、９０重量部を超えると、半導体封止用樹脂組成物のカサバリが大きくなるため、半導体封止用樹脂組成物の混練不能などの作業性が悪くなり、実用に適さない。

ＭｇＡｌ_２Ｏ_４（スピネル）は、例えば、電気炉でマグネシアとアルミナとの配合原料を溶融しインゴットを得る電融法や、微粉原料を混合および造粒してロータリキルンなどで焼結クリンカーを得る焼結法がある。これらの方法から得られたインゴットや焼結クリンカーを粉砕してスピネル粉末が製造される。また、マグネシウム塩水溶液とアルミニウム塩水溶液とを混合し、特定のｐＨで得られた共沈物を加熱してスピネル粉末を製造する共沈法、放電媒体の水中にＭｇ−Ａｌ合金ペレット群を浸漬し、放電媒体を介して接するペレットの接触点で起こる水中火花放電反応によって生成するＭｇ−Ａｌ合金の水酸化物微粉をか焼してスピネル粉末を製造する水中火花放電法、酸マグネシウムと硫酸アルミニウムとの混合水溶液を凍結乾燥した後、熱分解してスピネル粉末を製造する凍結乾燥法、マグネシウムの硝酸溶液とアルミニウムの硝酸溶液とを７４０〜１０３０℃で噴霧、熱分解してスピネル粉末を製造する噴霧熱分解法、マグネシウムの水酸化物とアルミニウムの水酸化物とを２５０℃、４８気圧の高圧熱水中で処理してスピネル粉末を製造する水熱合成法などによっても製造することができる。

（Ｃ）スピネル型結晶構造を有する酸化アルミニウム基化合物の形状は、特に限定されないが、球状であると、充填密度が向上し、装置の摩耗も低減されるため好ましい。また、（Ｃ）スピネル型結晶構造を有する酸化アルミニウム基化合物の平均粒径は、１〜７５μｍの範囲にあることが好ましく、さらに好ましくは５〜６０μｍの範囲である。（Ｃ）スピネル型結晶構造を有する酸化アルミニウム基化合物の平均粒径がこの範囲にあると、充填密度を上げることができ、良好な熱伝導性を発現できるため好ましい。

また、無機充填剤として、（Ｃ）スピネル型結晶構造を有する酸化アルミニウム基化合物に加えて、シリカ粉末、タルク、炭酸カルシウム、酸化チタン、およびガラス織維などを必要に応じて併用しても良い。これらのなかでも、特に平均粒径０．４〜４０μｍの範囲の溶融球状シリカ粉末が好ましい。（Ｃ）スピネル型結晶構造を有する酸化アルミニウム基化合物を含む無機充填剤は、半導体封止用樹脂組成物全体に対して、７０〜９３重量部含有されることが好ましい。無機充填剤の配合割合が７０重量部未満では、耐熱性、耐湿性、半田耐熱性、機械的特性および成形性などが悪くなり、また、９３重量部を超えると、半導体封止用樹脂組成物の混練不能などの作業性が悪くなり、実用に適さない。

半導体封止用樹脂組成物は、上述した（Ａ）エポキシ樹脂、（Ｂ）フェノール樹脂、（Ｃ）スピネル型結晶構造を有する酸化アルミニウム基化合物を必須成分とするが、本発明の目的に反しない限りにおいて、また必要に応じて、例えば、天然ワックス類、合成ワックス類、直鎖脂肪族の金属塩、酸アミド類、エステル類、パラフィン系などの離型剤、エラストマーなどの低応力化成分、カーボンブラックなどの着色剤、シランカップリング剤などの無機充填剤用の処理剤、種々の硬化促進剤のような添加剤を適宜含有することができる。

半導体封止用樹脂組成物を成形材料として調製する場合の一般的な方法としては、上述した（Ａ）エポキシ樹脂、（Ｂ）フェノール樹脂、（Ｃ）スピネル型結晶構造を有する酸化アルミニウム基化合物、および（Ｃ）スピネル型結晶構造を有する酸化アルミニウム基化合物以外の無機充填剤や添加剤を配合し、ミキサーなどによって十分均一に混合した後、さらに熱ロールによる溶融混合処理またはニーダなどによる混合処理を行い、次いで冷却固化させ、適当な大きさに粉砕することによって、成形材料を製造することができる。

本発明の半導体装置は、半導体チップと、半導体チップを封止する上記の半導体封止用樹脂組成物の硬化物とを有する。半導体チップを封止する一般的な方法としては、低圧トランスファー成形があるが、射出成形、圧縮成形、注型などによる封止も可能である。例えば、半導体チップの封止の際に半導体封止用樹脂組成物の成形材料を加熱して硬化させることによって、半導体封止用樹脂組成物の硬化物で封止された半導体チップを具備する半導体装置が得られる。半導体封止用樹脂組成物が半導体チップをはじめとする電子部品や電気部品の封止、被覆、絶縁などに用いられるため、半導体封止用樹脂組成物で成形された半導体装置は優れた特性と信頼性を有することができる。半導体封止用樹脂組成物は、１５０℃以上に加熱して硬化させることが好ましい。半導体封止用樹脂組成物で成形された半導体装置としては、特に限定されるものではなく、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、ダイオードなどが挙げられる。

次に、本発明を実施例によって詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例によって何ら限定されるものではない。以下の実施例および比較例において、「部」とは「質量部」を意味する。

（実施例１）
（Ａ）エポキシ樹脂であるビフェニル型エポキシ樹脂（ＪＥＲ製、ＹＸ−４０００、エポキシ当量１７２）５．２部、（Ｂ）フェノール樹脂であるトリフェニルメタン型フェノール樹脂（明和化成製、ＭＥＨ−７５００、フェノール当量９７）２．８部、（Ｃ）スピネル型結晶構造を有する酸化アルミニウム基化合物であるアルミナを含む球状のスピネル（ＭｇＡｌ_２Ｏ_４）（マエダマテリアル製、ＭＸ−Ｂ、平均粒径：７．４μｍ）７５．０部、（Ｃ）スピネル型結晶構造を有する酸化アルミニウム基化合物以外の無機充填剤である微細溶融球状シリカ粉末（アドマテックス製、ＳＯ−３１Ｒ）１５．０部、イミダゾール硬化促進剤（四国化成工業製、２Ｅ４ＭＺ）０．０５部、難燃剤（大塚化学製、ＦＰ−１００）１．０部、カルナバワックス（離型剤）（セラリカ野田製、カルナバワックスＮｏ１）０．３部、カーボンブラック（着色剤）（三菱化学製、ＭＡ−６００）０．３部、およびシランカップリング剤（モメンティブ製、Ａ−１８７）０．３部を配合し、常温で混合し、９０〜９５℃で混練した後、冷却粉砕して半導体封止用樹脂組成物１を製造した。

（実施例２〜３）
表１に示した原料の種類および配合にした以外は、実施例１と同様にして半導体封止用樹脂組成物２〜３を製造した。

（比較例１〜５）
表１に示した原料の種類および配合にした以外は、実施例１と同様にして半導体封止用樹脂組成物Ｃ１〜Ｃ５を製造した。

表１に示した原料は以下の通りである。
・ビフェニル型エポキシ樹脂（ＪＥＲ製、ＹＸ−４０００）
・トリフェニルメタン型フェノール樹脂（明和化成製、ＭＥＨ−７５００）
・スピネル（ＭｇＡｌ_２Ｏ_４）（マエダマテリアル製、ＭＸ−Ｂ）
・溶融球状シリカ粉末（龍森製、Ｓ−ＣＯ）
・微細溶融球状シリカ粉末（アドマテックス製、ＳＯ−３１Ｒ）
・球状アルミナ（マイクロン製、ＡＭ１０−２５Ｒ）
・結晶性シリカ（龍森製、３Ｋ−Ｓ）
・イミダゾール硬化促進剤（四国化成工業製、２Ｅ４ＭＺ）
・難燃剤（大塚化学製、ＦＰ−１００）
・カルナバワックス（離型剤）（セラリカ野田製、カルナバワックスＮｏ１）
・カーボンブラック（着色剤）（三菱化学製、ＭＡ−６００）
・シランカップリング剤（モメンティブ製、Ａ−１８７）

上記実施例１〜３で製造した半導体封止用樹脂組成物１〜３および比較例１〜５で製造した半導体封止用樹脂組成物Ｃ１〜Ｃ５について、下記に示す方法で各種特性を評価した。なお、半導体封止用樹脂組成物１〜３および半導体封止用樹脂組成物Ｃ１〜Ｃ５の成形は、トランスファー成形機により、金型温度１７５℃、成形圧カ６．９ＭＰａ、硬化時間２分間の条件で行い、その後、１７５℃で４時間の後硬化を行った。

（流動性）
成形温度１７５℃、成形圧力１００ｋｇ／ｃｍ^２でトランスファー成形することで流動性を測定した。

（硬化時間）
１７５℃に保たれた熱盤上で一定量の半導体封止用樹脂組成物を直径４〜５ｃｍの円状に広げ一定速度で練り合わせ、半導体封止用樹脂組成物が増粘し最終的に粘りがなくなるまでの時間を計測した。

（成形性）
トランジスタ８０個に対して、半導体封止用樹脂組成物を用いてトランスファー成形し、成形物の表面巣の発生を観察した。評価は、以下のようにして実施した。
Ａ：巣が発生しない
Ｂ：巣がわずかに発生
Ｃ：巣が多数発生

（熱伝導率）
半導体封止用樹脂組成物を成形して直径１００ｍｍ×厚さ１５ｍｍの成形品を作り、リファレンスプレート（標準物質：石英ガラス、１．４Ｗ／ｍ・Ｋａｔ３２℃）により確認、校正された迅速熱伝導率計を用いて熱伝導率を測定した。

（金型摩耗性）
１７５℃、荷重５０ｋｇ（島津フローテスターＣＦＴ−５００型）でアルミニウム製ダイ（穴径φ１ｍｍ）の１０ショット後の穴径を測定した。そして、初期の穴径からの変化率を算出し、以下の基準で判定した。
Ａ：２０％未満
Ｂ：２０％以上、４０％未満
Ｃ：４０％以上

以上の説明および表１から明らかなように、本発明の半導体封止用樹脂組成物については、熱伝導率が高く、またこれを用いて半導体装置を製造する場合、加工工程に用いられる装置を構成する金型などの摩耗が少ないため、効率よく半導体装置を製造することが可能となる。

Claims (3)

1. （Ａ）エポキシ樹脂、（Ｂ）フェノール樹脂、および（Ｃ）スピネル型結晶構造を有する酸化アルミニウム基化合物を必須成分として含有し、
   前記（Ｃ）スピネル型結晶構造を有する酸化アルミニウム基化合物は、半導体封止用樹脂組成物全体に対して、３０〜９３重量部含有されることを特徴とする半導体封止用樹脂組成物。
2. 前記（Ｃ）スピネル型結晶構造を有する酸化アルミニウム基化合物は球状であることを特徴とする請求項１記載の半導体封止用樹脂組成物。
3. 半導体チップと、前記半導体チップを封止する請求項１または２記載の半導体封止用樹脂組成物の硬化物とを有することを特徴とする半導体装置。