JP2658714B2

JP2658714B2 - エポキシ樹脂封止材

Info

Publication number: JP2658714B2
Application number: JP3319592A
Authority: JP
Inventors: 真治橋本; 泰久岸上
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 1992-01-21
Filing date: 1992-02-20
Publication date: 1997-09-30
Anticipated expiration: 2012-09-30
Also published as: JPH05267505A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体素子を保護する
ために用いられるエポキシ樹脂封止材に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体素子を保護するために用いられる
エポキシ樹脂封止材には、スポット封止用の常温で液状
のタイプとトランスファー成型用の固形タイプがある
が、どちらも無機粉末充填材、エポキシ化合物及び硬化
剤を主成分として含有している。この無機粉末充填材は
エポキシ樹脂封止材の硬化物の熱膨張率低減、吸湿率低
減、熱伝導率向上、強度向上などの目的で使用されてい
る。そして、これらのエポキシ樹脂封止材の硬化物の物
性をさらに向上するためには無機粉末充填材の含有率を
上げること、すなわち、高充填化することが有効である
が、無機粉末充填材の含有率を上げると封止材の粘度が
上昇し、封止材の流動性が低下するという問題が生じる
ため高充填化には限度があるのが現状である。この問題
を改善するための技術としては、球状の充填材を使用し
たり、連続粒度分布で最密充填状態を与えるフューラー
（Fuller）やアンドレーゼン（Andreasen ）などの経験
式を基本に粒度分布関数のパラメーターに着目して粒度
分布の幅を広くしたり、無機粉末充填材のタッピング充
填特性を利用したものがあるが、いまだ、エポキシ樹脂
封止材の無機粉末充填材の含有率を高くし、且つ、封止
材の粘度を低く保持して、流動性を低下させないように
することは達成できていないのが現状である。

【０００３】そして、半導体素子を保護するために用い
られるエポキシ樹脂封止材では、耐湿信頼性、耐半田耐
熱性、耐ヒートショック性等の性能を向上させることが
重要であり、このための方策としてエポキシ樹脂封止材
の硬化物の吸湿率を低減させる方法や硬化物の強度を向
上させる方法が種々検討されている。この吸湿率の低減
には吸湿性の低い樹脂を用いることも有効であるが、樹
脂の低吸湿化だけでは不十分であり、前記の無機粉末充
填材の含有率を高くすることにより硬化物の吸湿率を低
減させる技術の実用化が望まれている。また、硬化物の
強度向上には前記の無機粉末充填材の含有率を高くする
こと以外に破砕状の充填材を用いることが有効であると
知られているが、いずれも封止材の流動性とトレードオ
フの関係にあり、いまだ、硬化物の強度が充分に高く、
且つ、高流動性を有するエポキシ樹脂封止材は得られて
いないのが現状である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記の事情に鑑み、本
願発明が解決しようとする課題は次の二つの課題であ
る。第１の課題はエポキシ樹脂封止材の硬化物の吸湿率
の低減をしようとすると、封止材の粘度を低く保持し
て、流動性を良好に保つことが困難であるという問題点
を解決することである。すなわち、流動性が良好であっ
て、且つ、吸湿率が低い硬化物を得ることのできるエポ
キシ樹脂封止材を提供することが第１の発明の目的であ
る。

【０００５】第２の課題はエポキシ樹脂封止材の硬化物
の強度を向上しようとすると、封止材の粘度を低く保持
して、流動性を良好に保つことが困難であるという問題
点を解決することである。すなわち、流動性が良好であ
って、且つ、強度の強い硬化物を得ることのできるエポ
キシ樹脂封止材を提供することが第２の発明の目的であ
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本願の第１の発明は無機
粉末充填材の含有率が６５重量％以上であるエポキシ樹
脂封止材において、無機粉末充填材が、圧縮成形前の無
機粉末充填材の平均粒子径が圧縮成形後も保持される圧
力で無機粉末充填材のみを圧縮成形して得られる成形体
における無機粉末充填材の体積分率が７５％以上であ
り、且つ、比表面積が７ｍ²／ｇ以下である無機粉末充
填材であることを特徴とするエポキシ樹脂封止材であ
る。

【０００７】本願の第２の発明は、無機粉末充填材の含
有率が６５重量％以上であるエポキシ樹脂封止材におい
て、無機粉末充填材が、圧縮成形前の無機粉末充填材の
平均粒径が圧縮成形後も保持される圧力で無機粉末充填
材のみを圧縮成形して得られる成形体における無機粉末
充填材の体積分率が７５体積％以上であり、且つ、破砕
状の粒子が無機粉末充填材の２０〜８０体積％を占める
無機粉末充填材であることを特徴とするエポキシ樹脂封
止材である。

【０００８】以下、本願の発明をさらに詳しく説明す
る。本願発明で用いる無機粉末充填材の材質としては、
結晶性シリカ、非晶質シリカ、アルミナ、窒化珪素、窒
化アルミニウム、窒化ホウ素等が例示できるが、上記の
例示材質に限定されるものではない。そして、本願発明
の目的である吸湿率が低い硬化物又は強度の強い硬化物
を得ることのできるエポキシ樹脂封止材とするにはエポ
キシ樹脂封止材中の無機粉末充填材の含有率は６５重量
％以上と高充填化されていることが重要である。

【０００９】また、本願発明におけるエポキシ樹脂封止
材は主成分として、上記の無機粉末充填材の他にエポキ
シ化合物、硬化剤を含有し、これらの主成分の他に、必
要に応じて硬化促進剤、難燃剤、離型剤、顔料等が添加
されている組成物である。

【００１０】そして、本願発明で用いるエポキシ化合物
としては１分子内にエポキシ基を２個以上有する化合物
であって、例えばフェノールノボラックエポキシ樹脂、
クレゾールノボラックエポキシ樹脂、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、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などがある。

【００１１】また、本願発明で用いる硬化剤としては、
フェノール系硬化剤やアミン系硬化剤等があるが、硬化
物の吸湿率低減に有効なフェノール系硬化剤を使用する
ことが好ましい。このフェノール系硬化剤とはＳＰ２タ
イプの電子軌道を持つ、炭素原子６個から形成される６
員環に水酸基が１個以上結合した原子団を持つ化合物で
あり、例えばフェノールノボラック樹脂及びその誘導
体、クレゾールノボラック樹脂及びその誘導体、フェノ
ールとジシクロペンタジエンの共重合体、ヒドロキシス
チレン及びその誘導体の重合体、モノ又はジヒドロキシ
ナフタレン及びその誘導体のモノマー又は重合体などで
ある。

【００１２】また、本願発明で用いる硬化促進剤として
は、例えばトリフェニルフォスフィン及びその誘導体、
ジアザビシクロウンデセン及びその誘導体、イミダゾー
ル及びその誘導体等が挙げられる。

【００１３】次に、本願発明で使用する無機粉末充填材
の性質として取り上げている「圧縮成形して得られる成
形体における無機粉末充填材の体積分率」について説明
する。無機粉末充填材として使用するｎ種（ｎは１以上
の整数）の無機粉末のそれぞれの真比重をｄ_i、各無機
粉末のそれぞれの配合重量をｗ_i（i は１〜ｎの中の整
数）とした場合の無機粉末充填材全体の真比重ｄは下記
の式（Ａ）で算出される値となる。ｄ＝Σｗ_i／Σ（ｗ_i／ｄ_i） −−−−（Ａ）そして、圧縮成形して得られる成形体における無機粉末
充填材の体積分率をＰとしたときに、この体積分率Ｐは
無機粉末充填材Ｗグラムを圧縮して得られる成型体の体
積Ｖｃｃから下記の式（Ｂ）で算出される値となる。Ｐ＝１００（Ｗ／ｄ）／Ｖ −−−−（Ｂ）そして、本願発明では、体積分率Ｐを測定するために行
う無機粉末充填材の圧縮成形の成形圧力は、圧縮成形前
の平均粒子径が圧縮成形後も保持される圧力であること
が重要である。この成形圧力が高すぎると、無機粉末充
填材の粒子が破壊され、圧縮成形後の平均粒子径は圧縮
成形前の平均粒子径とは異なるものになり、測定される
体積分率Ｐはエポキシ樹脂封止材中の無機粉末充填材の
性質を示さなくなる不都合が生じる。なぜなら、どのよ
うな無機粉末充填材でも、圧縮成形の時の成形圧力を極
端に高くすると、粒子が破壊されて、得られる成形体中
には空隙が含まれない状態に近づき、測定される体積分
率Ｐは１００％に漸近するようになるからである。従っ
て、本願発明ではエポキシ樹脂封止材中に含有させる無
機粉末充填材と同じ状態で、圧縮成形して得られる成形
体中に無機粉末充填材が存在するように、圧縮成形の時
の成形圧力は圧縮成形前の無機粉末充填材の平均粒子径
が圧縮成形後も保持される圧力で行うように限定してい
る。

【００１４】なお、圧縮成形前の無機粉末充填材の平均
粒子径が圧縮成形後も保持される圧力の範囲内の最高圧
力（以降Ｆｍａｘと略す）で成型した成型体により得ら
れる体積分率Ｐは、Ｆｍａｘ未満で成型した成型体によ
り得られる体積分率Ｐより必ず大きい値となる。すなわ
ち、Ｆｍａｘ未満で成型した成型体の無機粉末充填材の
体積分率Ｐが７５％以上となる場合には、その無機粉末
充填材の体積分率ＰはＦｍａｘで成型した時には必ず７
５％以上となる。

【００１５】また、本願発明では、上記の圧力及び計算
式を用いて得られる体積分率Ｐが７５％以上である無機
粉末充填材を使用していることが重要であり、体積分率
Ｐが７５％未満の無機粉末充填材を使用した場合には、
無機粉末充填材の含有率が６５重量％以上であるエポキ
シ樹脂封止材の流動状態の粘度を低く保持し、流動性を
良好に保つことが困難になるという問題を生じる。

【００１６】さらに、本願の第１の発明の目的である硬
化物の吸湿率が低いエポキシ樹脂封止材を得るために、
本願の第１の発明では窒素吸着のＢＥＴ法による比表面
積が７ｍ²／ｇ以下の無機粉末充填材を使用するように
限定している。硬化物の吸湿には、樹脂自身の吸湿と樹
脂−充填材粒子界面での吸湿の２種類がある。樹脂−充
填材粒子界面での吸湿については、界面が全面にわたり
化学的に密着していれば吸湿は少ないはずであるが、充
填材表面を化学処理したとしても界面を全面にわたり樹
脂と完全に化学的に密着させることは困難である。その
ため、充填材の添加量が同一であっても、充填材の比表
面積が大きいと、充填材粒子と樹脂の界面が増えること
になり、硬化物の吸湿が増えることになる。そこで、充
填材の比表面積について検討したところ、比表面積が７
ｍ²／ｇ以下の無機粉末充填材を使用すれば硬化物の吸
湿率を低く抑えることができることを見出したものであ
る。

【００１７】また、本願の第２の発明の目的である硬化
物の強度が強いエポキシ樹脂封止材を得るために、本願
の第２の発明では破砕状の粒子が無機粉末充填材の２０
〜８０体積％を占める無機粉末充填材を使用するように
限定している。このように限定している理由は、破砕状
の粒子の含有率が２０体積％未満の無機粉末充填材を使
用した場合には破砕状の粒子を加えて強度を向上させる
効果が顕著に見られず、破砕状の粒子の含有率が８０体
積％を越える無機粉末充填材では、前記の体積分率Ｐが
７５％以上である無機粉末充填材とすることが困難だか
らである。

【００１８】なお、本願発明の無機粉末充填材と他の原
料とを混合する方法については特に限定はなく、ロー
ル、ニーダー、バンバリーミキサー等を用いて行うこと
ができる。

【００１９】

【作用】無機粉末充填材を圧縮成形して得られる成形体
における無機粉末充填材の密な充填状態は、流動可能な
状態にある封止材中の無機粉末充填材の充填状態に近似
している。そして、成形体における無機粉末充填材の体
積分率Ｐが大きいということは、成形体中の粉末粒子間
に残っている空隙が小さいことを意味している。この空
隙部分を液状成分で埋めた複合材を考えると、液状成分
の体積が空隙部分の体積と等しいか又は小さい場合に
は、粒子同士の接触により複合材全体の変形が妨げら
れ、全く流動しないものとなり、一方、液状成分の体積
が空隙部分の体積よりも大きい場合には、粒子は液状成
分により隔てられるので、粒子はある程度自由に動くこ
とが可能であり、複合材全体としては変形可能、つまり
流動可能な状態となる。従って、無機粉末充填材含有率
の同じ封止材では、体積分率Ｐが大きい無機粉末充填材
を使用することは、封止材の流動性を良くし、流動状態
の粘度を低くする働きをする。そして、無機粉末充填材
含有率が６５重量％を越えるような高充填化されたエポ
キシ樹脂封止材では、上記の無機粉末充填材の体積分率
Ｐが７５％以上であることがエポキシ樹脂封止材の粘度
を低く保持して、流動性を良好に保つのに有効である。

【００２０】また、充填材の添加量が同一の場合には、
充填材の比表面積が大きいものの方が充填材粒子と樹脂
の界面が増えることになり、従って、硬化物の吸湿が増
えることになる。そこで、使用する充填材の比表面積を
７ｍ²／ｇ以下に抑えることは、充填材粒子と樹脂の界
面の面積を一定範囲内に抑える作用をするので、硬化物
の吸湿率を低く抑えるのに有効である。

【００２１】また、エポキシ樹脂封止材の硬化物の強度
は、樹脂の強度、樹脂−充填材粒子界面の強度及び充填
材の強度に依存している。そして、破砕状の充填材は球
状の充填材に比べアンカー効果や表面活性が強いので、
樹脂−充填材粒子界面の強度を向上させる作用をするの
で、硬化物の強度向上に有効である。ただし、充填材中
に破砕状の充填材を多量に含有させることは、充填材の
体積分率Ｐを下げる方向に作用するので充填材中の破砕
状の充填材の含有量については、ある限度までの含有量
に止めることが必要である。

【００２２】

【実施例】以下、本願発明を実施例に基づき説明する。
勿論、本願発明は下記の実施例に限定されるものではな
い。そして、以下に述べる実施例及び比較例では無機粉
末充填材として表１に示すシリカ粉末を使用した。

【００２３】

【表１】

【００２４】まず、第１の発明に関する、実施例１〜４
及び比較例１〜３について説明する。

【００２５】前記の表１に示したシリカ粉末の中の５種
類のシリカ粉末を表２に示す配合で混合し、得られた混
合シリカ粉末の比表面積と、圧縮成型して得られる成型
体における混合シリカ粉末の体積分率Ｐを測定し、その
結果を表２に示した。（但し、比較例１のみは単一のシ
リカ粉末を使用した。）なお、混合シリカ粉末の圧縮成
型は３００ｋｇ／ｃｍ²の圧力で単軸加圧により行い、
円筒状の成形体を得るようにした。得られた成型体を解
砕して圧縮成型後の粉末の平均粒径を測定した結果、成
型に供した粉末の平均粒径の測定結果と同じであったの
で、この圧力では圧縮成型による粒子の破壊は生じてい
ないといえる。また、圧縮成型して得られる成型体にお
ける混合シリカ粉末の体積分率Ｐは成型体の直径と厚み
から算出される成型体の体積Ｖと重量Ｗ及び無機粉末充
填材の真比重ｄからすでに述べた式（Ｂ）で算出した。

【００２６】次いで、混合シリカ粉末、エポキシ樹脂、
フェノール系硬化剤、硬化促進剤及び離型剤をそれぞれ
表２に示す配合量（重量部）で配合し、混合してエポキ
シ樹脂封止材を作製した。なお、エポキシ樹脂としては
ビフェニル型エポキシ樹脂である油化シェル（株）製の
エポキシ樹脂ＹＸ−４０００Ｈを、フェノール系硬化剤
としては日本化薬（株）製のナフタレンノボラック樹脂
ＯＣＮ７０００を、硬化促進剤しては北興化学（株）製
のトリフェニルフォスフィンを、離型剤としては天然カ
ルナバワックスをそれぞれ使用し、また、エポキシ樹脂
封止材の作製は、各原料を配合したものを９０℃のミキ
シングロールで１０分間混練後、室温まで冷却し、粉砕
する方法を取った。

【００２７】得られたエポキシ樹脂封止材の溶融粘度を
島津製作所（株）製のフローテスターを用いて、温度１
７５℃、荷重１０ｋｇの条件で測定し、その結果を表２
に示す。また、前記のエポキシ樹脂封止材を成型温度１
７０℃でトランスファー成型した後、１７５℃で６時間
のアフターキュアーを行い硬化物である成形品を得て、
この成形品の５０〜１００℃の範囲での線膨張係数をＴ
ＭＡ装置により求めた。得られた線膨張係数の測定結果
を表２に示す。また、前記の成形品と同様にして作製し
た成形品を温度８５℃、相対湿度８５％の雰囲気下に７
２時間放置して、吸湿率を測定した。得られた吸湿率の
測定結果を同じく表２に示す。

【００２８】

【表２】

【００２９】表２の測定結果の比較から明らかなよう
に、成型体における無機粉末充填材の体積分率Ｐが７５
％以上の混合シリカ粉末を用いた実施例１、３、４及び
比較例３の溶融粘度は、同一シリカ含有率（７７重量
％）であって体積分率Ｐが７５％未満の混合シリカ粉末
を用いた比較例１、２の溶融粘度より低くなっている。
また、実施例２では、エポキシ封止材中のシリカ含有率
を７９重量％と増し、高充填化して、硬化物（成形品）
の吸湿率及び線膨張係数を低減することを達成し、且
つ、溶融粘度は比較例１、２よりも低く抑えることも達
成している。従って、本願発明の特徴である体積分率Ｐ
が７５％以上の無機粉末充填材を使用することの効果を
確認できた。

【００３０】また、本願の第１の発明の特徴である体積
分率Ｐが７５％以上であって、比表面積が７ｍ²／ｇ以
下で混合シリカ粉末を用いたものは、硬化物（成形品）
の吸湿率を低く抑えることができることが、表２に示す
実施例１、３、４と比較例２、３の吸湿率の結果から確
認できた。

【００３１】次に、第２の発明に関する、実施例５〜８
及び比較例４〜６について説明する。

【００３２】前記の表１に示したシリカ粉末の中の６種
類のシリカ粉末を表３に示す配合で混合し、得られた混
合シリカ粉末の成型体における体積分率Ｐを測定し、そ
の結果を表３に示した。なお、混合シリカ粉末の圧縮成
型は３００ｋｇ／ｃｍ²の圧力で単軸加圧により行い、
円筒状の成形体を得るようにした。得られた成型体を解
砕して圧縮成型後の粉末の平均粒径を測定した結果、成
型に供した粉末の平均粒径の測定結果と同じであったの
で、この圧力では圧縮成型による粒子の破壊は生じてい
ないといえる。また、圧縮成型して得られる成型体にお
ける混合シリカ粉末の体積分率Ｐは成型体の直径と厚み
から算出される成型体の体積Ｖと重量Ｗ及び無機粉末充
填材の真比重ｄからすでに述べた式（Ｂ）で算出した。

【００３３】次いで、混合シリカ粉末、エポキシ樹脂、
フェノール系硬化剤、硬化促進剤及び離型剤をそれぞれ
表３に示す配合量（重量部）で配合し、混合してエポキ
シ樹脂封止材を作製した。なお、エポキシ樹脂としては
ビフェニル型エポキシ樹脂である油化シェル（株）製の
エポキシ樹脂ＹＸ−４０００Ｈを、フェノール系硬化剤
としては日本化薬（株）製のナフタレンノボラック樹脂
ＯＣＮ７０００を、硬化促進剤しては北興化学（株）製
のトリフェニルフォスフィンを、離型剤としては天然カ
ルナバワックスをそれぞれ使用し、また、エポキシ樹脂
封止材の作製、及び得られたエポキシ樹脂封止材の溶融
粘度の測定は前記の実施例１〜４と同様にして行った。
また、得られたエポキシ樹脂封止材を用いて前記の実施
例１〜４と同様にして成型及びアフターキュアーを行い
硬化物である成形品を得、この成形品の常温での曲げ強
度を，曲げ強度試験機を用いて測定した。得られた溶融
粘度及び曲げ強度の測定結果を表３に示す。

【００３４】

【表３】

【００３５】表３の測定結果の比較から明らかなよう
に、体積分率Ｐが７５％以上の混合シリカ粉末を用いた
実施例５〜８及び比較例５の溶融粘度は、同一シリカ含
有率（７７重量％）であって体積分率Ｐが７５％未満の
混合シリカ粉末を用いた比較例４、６の溶融粘度より低
くなっている。そして、体積分率Ｐが７５％以上であっ
て、破砕状のシリカ粉末を２０〜８０体積％含有してい
る無機粉末充填材（混合シリカ粉末）を用いた実施例５
〜８の曲げ強度は、破砕状のシリカ粉末を１０体積％し
か含有していない無機粉末充填材（混合シリカ粉末）を
用いた比較例５の曲げ強度より高い値となっている。従
って、本願の第２の発明の特徴である体積分率Ｐが７５
％以上であって、破砕状のシリカ粉末を２０〜８０体積
％含有している無機粉末充填材を使用することがエポキ
シ樹脂封止材の流動性を保持して、硬化物の強度を向上
させるのに有効であると確認できた。

【００３６】

【発明の効果】本願の第１の発明によれば、エポキシ樹
脂封止材の硬化物の吸湿率の低減をしようとすると、封
止材の粘度を低く保持して、流動性を良好に保つことが
困難であるという問題点を解決することができ、流動性
が良好であって、且つ、吸湿率が低い硬化物を得ること
のできるエポキシ樹脂封止材を提供することができる。

【００３７】本願の第２の発明によれば、エポキシ樹脂
封止材の硬化物の強度を向上しようとすると、封止材の
粘度を低く保持して、流動性を良好に保つことが困難で
あるという問題点を解決することができ、流動性が良好
であって、且つ、強度の強い硬化物を得ることのできる
エポキシ樹脂封止材を提供することができる。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】無機粉末充填材の含有率が６５重量％以
上であるエポキシ樹脂封止材において、無機粉末充填材
が、圧縮成形前の無機粉末充填材の平均粒子径が圧縮成
形後も保持される圧力で無機粉末充填材のみを圧縮成形
して得られる成形体における無機粉末充填材の体積分率
が７５％以上であり、且つ、比表面積が７ｍ²／ｇ以下
である無機粉末充填材であることを特徴とするエポキシ
樹脂封止材。
【請求項２】無機粉末充填材の含有率が６５重量％以
上であるエポキシ樹脂封止材において、無機粉末充填材
が、圧縮成形前の無機粉末充填材の平均粒径が圧縮成形
後も保持される圧力で無機粉末充填材のみを圧縮成形し
て得られる成形体における無機粉末充填材の体積分率が
７５体積％以上であり、且つ、破砕状の粒子が無機粉末
充填材の２０〜８０体積％を占める無機粉末充填材であ
ることを特徴とするエポキシ樹脂封止材。