JP3627736B2 - エポキシ樹脂組成物並びにこれを用いた半導体装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、難燃性および信頼性に優れた半導体封止用エポキシ樹脂組成物及びこれを用いた半導体装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ダイオード、トランジスタ、集積回路等の電子部品は、主にエポキシ樹脂組成物で封止されている。このエポキシ樹脂組成物中には、難燃性を確保するために難燃剤としてハロゲン系難燃剤と三酸化アンチモンが配合されている。ところが、環境・衛生の点からハロゲン系難燃剤、三酸化アンチモンを使用しない難燃性に優れたエポキシ樹脂組成物の開発が要求されている。この要求に対して、水酸化アルミニウムや水酸化マグネシウム等の水酸化物、硼素系化合物が検討されてきたが、多量に配合しないと難燃性の効果が発現しない、不純物が多く耐湿性に問題があることから実用化されていない。また赤燐系の難燃剤は少量の添加で効果がありエポキシ樹脂組成物の難燃化に有用であるが、赤燐は微量の水分と反応しフォスフィンや腐食性の燐酸を生じるため、耐湿性に問題があり耐湿性に対する要求が極めて厳しい半導体封止用エポキシ樹脂組成物には使用できない。このため、赤燐粒子を水酸化アルミニウム、金属酸化物、その他無機化合物、熱硬化性樹脂等の有機化合物で被覆し、赤燐の安定化をはかっているが、依然耐湿性に問題があり、難燃性・耐湿性が両立するハロゲン系難燃剤、三酸化アンチモンを使用しないエポキシ樹脂組成物がないのが実状である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、この様な問題に対して、難燃剤を一切使用することなく難燃性および信頼性に優れた半導体封止用エポキシ樹脂組成物及びそれを用いた半導体装置を提供するものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、特定のエポキシ樹脂、特定のフェノール樹脂を適用すれば難燃剤を使用せずに難燃性および信頼性に優れる半導体封止用エポキシ樹脂組成物が得られることを見いだした。また反応性を制御すればさらに難燃性がレベルアップすることも見いだし本発明を完成するに至った。即ち本発明は、（Ａ）下式（１）、（３）及び（４）；
【化５】

【化６】

【化７】

で表されるビフェニル誘導体及びナフタレン誘導体を含むノボラック構造のフェノール樹脂から選ばれる１種又は２種以上を総フェノール樹脂中に５０〜１００重量％含むフェノール樹脂；
（Ｂ）下式（２）；
【化８】

で表されるビフェニル誘導体を含むノボラック構造のエポキシ樹脂を総エポキシ樹脂中に８０〜１００重量％含むエポキシ樹脂、（Ｃ）無機充填材、（Ｄ）硬化促進剤を必須成分とし、且つ難燃剤を無配合とすることを特徴とする難燃性半導体封止用エポキシ樹脂組成物である。本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物は総エポキシ樹脂のエポキシ基数に対する総フェノール樹脂のフェノール性水酸基数の比が、１より大きく２以下であればなお好ましい。本発明は、これらの樹脂組成物により半導体素子が封止されてなる樹脂封止型半導体装置をも提供する。
【０００５】
【発明の実施の形態】
本発明はエポキシ樹脂組成物において、特定のフェノール樹脂との特定のエポキシ樹脂の組み合わせが難燃性、信頼性に優れることをみいだした。また反応性を制御することにより難燃性がさらに向上することを見いだした。本発明のフェノール樹脂とは分子中にビフェニル誘導体および／またはナフタレン誘導体を含むノボラック構造のフェノール樹脂のことであり、エポキシ樹脂とは分子中にビフェニル誘導体および／またはナフタレン誘導体を含むノボラック構造のエポキシ樹脂のことであり、フェノール樹脂、エポキシ樹脂の分子中にビフェニル誘導体やナフタレン誘導体などの芳香族環を含有するものである。フェノール樹脂およびエポキシ樹脂にビフェニル誘導体やナフタレン誘導体のような芳香族環が含まれると分子間の結合間エネルギーが大きくなり燃焼による分解が起こりにくくなり難燃性が発現する。フェノール樹脂あるいはエポキシ樹脂の分子中の芳香族環数は多い方すなわちナフタレンよりアントラセンの方が燃えにくくなり難燃性は向上するが、軟化点が高くなりすぎ流動性の問題があり、ビフェニル誘導体、ナフタレン誘導体が難燃性と流動性のバランスが良く最適である。また、反応性を制御することによりさらに難燃性を向上させることができる。即ち、総エポキシ樹脂のエポキシ基数に対する総フェノール樹脂のフェノール性水酸基数の比を１より大きくすると難燃性がさらに向上する。これは、樹脂組成物中にエポキシ基と反応せずに余った水酸基が存在しており、樹脂組成物の硬化物を燃焼させる際、残余の水酸基同士の脱水熱分解による吸熱反応が起こるためである。総エポキシ樹脂のエポキシ基数に対する総フェノール樹脂のフェノール性水酸基数の比は２以下が好ましく、２を越えると反応性が極端に低下する。さらに好ましくは１．１以上、１．５以下である。汎用のフェノール樹脂（フェノールノボラック）とエポキシ樹脂（オルソクレゾールノボラック型エポキシ）の組み合わせでは、総エポキシ樹脂のエポキシ基数に対して総フェノール樹脂のフェノール性水酸基数の比を大きくしていくと吸水率が大きくなり耐湿信頼性は低下する傾向にある。しかしながら、本発明のフェノール樹脂とエポキシ樹脂との組み合わせにおいては、吸水率の大幅な増加はみられず耐湿信頼性の低下も認められない。これは、本発明のフェノール樹脂、エポキシ樹脂が疎水性の芳香族環を有していることと、架橋間距離が汎用のフェノール樹脂（フェノールノボラック）とエポキシ樹脂（オルソクレゾールノボラック型エポキシ）と比較して大きいために吸水率の大幅な増加は認められないと考えられる。
【０００６】
本発明のフェノール樹脂とは分子中にビフェニル誘導体および／またはナフタレン誘導体を含むノボラック構造のフェノール樹脂のことであり、具体的にはビフェニル誘導体を含むノボラック構造のフェノール樹脂は式（１）に示される。式（１）で示されるフェノール樹脂は、フェノールとビスメチレンビフェノール類をフリーデル・クラフツ・アルキル化反応により得られる樹脂である。式（１）のｎは１〜１０であり、ｎが１１以上の重量比率が大きくなると、樹脂粘度が高くなり過ぎ流動性が低下する。難燃性の特性を発現させるには、式（１）で示されるフェノール樹脂を総フェノール樹脂量中に３０重量％以上、好ましくは５０重量％以上配合することが望ましい。３０重量％未満であると難燃性が不十分である。具体的なナフタレン誘導体を含むノボラック構造のフェノール樹脂は式（３）、式（４）で示されそれぞれα−ナフトール、およびβ−ナフトールをベースとしている。式（３）のｎは１〜７であり、ｎが８以上の重量比率が大きくなると、樹脂粘度が高くなり過ぎ流動性が低下する。難燃性の特性を発現させるには、式（３）で示されるフェノール樹脂を総フェノール樹脂量中に３０重量％以上、好ましくは５０重量％以上配合することが望ましい。３０重量％未満であると難燃性が不十分である。式（４）のｎは１〜１０であり、ｎが１１以上の重量比率が大きくなると、樹脂粘度が高くなり過ぎ流動性が低下する。難燃性の特性を発現させるには、式（４）で示されるフェノール樹脂を総フェノール樹脂量中に３０重量％以上、好ましくは５０重量％以上配合することが望ましい。３０重量％未満であると難燃性が不十分である。本発明でのフェノール樹脂以外に、他のフェノール樹脂を併用することができ、１分子中に２個以上のフェノール性水酸基を有するものを用いれば良い。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、ジシクロペンタジエン変性フェノール樹脂、キシリレン変性フェノール樹脂、テルペン変性フェノール樹脂、トリフェノールメタン型ノボラック樹脂等が挙げられる。本発明のエポキシ樹脂とは分子中にビフェニル誘導体および／またはナフタレン誘導体を含むノボラック構造のエポキシ樹脂のことであり、具体的にはビフェニル誘導体を含むノボラック構造のエポキシ樹脂は式（１）のフェノール樹脂をグリシジルエーテル化させて得られ、式（２）で示される。
【０００７】
式（２）のｎは１〜１０であり、ｎが１１以上の重量比率が大きくなると、樹脂粘度が高くなり過ぎ流動性が低下する。難燃性の特性を発現させるには、式（２）で示されるエポキシ樹脂を総エポキシ樹脂に中に３０重量％以上、好ましくは５０重量％以上配合することが望ましい。３０重量％未満であると難燃性が不十分である。具体的なナフタレン誘導体を含むノボラック構造のエポキシ樹脂は式（３）、式（４）のそれぞれのフェノール樹脂をグリシジルエーテル化させて得られ、式（５）、式（６）で示される。式（５）のｎは１〜７であり、ｎが８以上の重量比率が大きくなると、樹脂粘度が高くなり過ぎ流動性が低下する。難燃性の特性を発現させるには、式（５）で示されるエポキシ樹脂を総エポキシ樹脂量中に３０重量％以上、好ましくは５０重量％以上配合することが望ましい。３０重量％未満であると難燃性が不十分である。式（６）のｎは１〜１０であり、ｎが１１以上の重量比率が大きくなると、樹脂粘度が高くなり過ぎ流動性が低下する。難燃性の特性を発現させるには、式（６）で示されるエポキシ樹脂を総エポキシ樹脂量中に３０重量％以上、好ましくは５０重量％以上配合することが望ましい。３０重量％未満であると難燃性が不十分である。本発明でのエポキシ樹脂以外に、他のエポキシ樹脂を併用する場合は１分子中にエポキシ基を２個以上有するものを用いれば良い。例えば、ビフェニル型エポキシ樹脂、ヒドロキノン型エポキシ樹脂、スチルベン型エポキシ樹脂、ビスフェノール型エポキシ樹脂、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、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、トリアジン核含有エポキシ樹脂、ジシクロペンタジエン変性フェノール型エポキシ樹脂等が挙げられる。
【０００８】
本発明に用いる硬化促進剤としては、エポキシ基とフェノール性水酸基との硬化反応を促進させるものであればよく、一般に封止材料に使用されているものを広く使用することができる。例えば、１，８−ジアザビシクロ（５，４，０）ウンデセン−７、トリフェニルホスフィン、２−メチルイミダゾール等が挙げられ、これらは単独でも混合して用いても差し支えない。
【０００９】
本発明に用いる無機充填材としては、一般に封止材料に使用されているものを広く使用することができ、例えば、溶融シリカ粉末、結晶シリカ粉末、アルミナ、窒化珪素等が挙げられ、これらは単独でも混合して用いても差し支えない。これら無機充填材の配合量としては、成形性と信頼性のバランスから全樹脂組成物中に７０〜９５重量％含有することが好ましい。７０重量％未満だと難燃性が得られず、９５重量％を越えると成形性の問題が生じ好ましくない。
【００１０】
本発明の樹脂組成物は、（Ａ）〜（Ｄ）成分の他、必要に応じてカーボンブラック等の着色剤、γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン等のカップリング剤、シリコーンオイル、シリコーンゴム等の低応力成分、天然ワックス、合成ワックス、高級脂肪酸及びその金属塩類もしくはパラフィン等の離型剤、酸化防止剤等の各種添加剤を適宜配合しても差し支えない。本発明の樹脂組成物は、（Ａ）〜（Ｄ）成分、およびその他の添加剤等をミキサーを用いて常温混合し、ロール、押出機等の混練機で混練し、冷却後粉砕して得られる。本発明の樹脂組成物を用いて、半導体等の電子部品を封止し、樹脂封止型半導体装置を製造するには、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等、従来からの公知の手法で成形硬化すればよい。これらの樹脂組成物は、電気部品或いは電子部品であるトランジスタ、集積回路等の被覆、絶縁、封止等に適用することができる。また、電気部品、電子部品以外の通常の成型品にも有効であり適用することができる。
【００１１】
【実施例】
以下に本発明の実施例を示すが、本発明はこれに限定されるものではない。実施例及び比較例で用いたエポキシ樹脂、フェノール樹脂の略号及び構造を、まとめて以下に示す。
・フェノール樹脂１：式（１）で示されるフェノール樹脂（水酸基当量１９９ｇ／ｅｑ）
【化７】

【００１２】
・フェノール樹脂２：式（３）で示されるフェノール樹脂（水酸基当量：２１０ｇ／ｅｑ）
【化８】

【００１３】
・フェノール樹脂３：式（４）で示されるフェノール樹脂（水酸基当量：２１０ｇ／ｅｑ）
【化９】

【００１４】
・フェノール樹脂４：式（７）で示されるフェノール樹脂（水酸基当量１７５ｇ／ｅｑ）
【化１０】

【００１５】
・フェノール樹脂５：式（８）で示されるフェノール樹脂（水酸基当量：９７ｇ／ｅｑ）
【化１１】

【００１６】
・エポキシ樹脂１：式（２）で示される構造を主成分とするエポキシ樹脂（エポキシ当量２７４ｇ／ｅｑ）
【化１２】

【００１７】
・エポキシ樹脂２：式（５）で示される構造を主成分とするエポキシ樹脂（エポキシ当量２７０ｇ／ｅｑ）
【化１３】

【００１８】
・エポキシ樹脂３：式（６）で示される構造を主成分とするエポキシ樹脂（エポキシ当量２７０ｇ／ｅｑ）
【化１４】

【００１９】
・エポキシ樹脂４：式（９）で示される構造を主成分とするエポキシ樹脂（エポキシ当量１９０ｇ／ｅｑ）
【化１５】

【００２０】
・エポキシ樹脂５：式（１０）４，４’−ビス（２，３−エポキシプロポキシ）−３，３’，５，５’−テトラメチルスチルベンを主成分とする樹脂６０重量％と式（１１）４，４’−ビス（２，３−エポキシプロポキシ）−５−ターシャリブチル−２，３’，５’−トリメチルスチルベンを主成分とする樹脂４０重量％の混合物（エポキシ当量２１０ｇ／ｅｑ）
【化１６】

【００２１】
・エポキシ樹脂６：式（１２）で示されるエポキシ樹脂（エポキシ当量１９６ｇ／ｅｑ）
【化１７】

【００２２】
・エポキシ樹脂７：式（１３）で示される構造を主成分とするエポキシ樹脂（エポキシ当量１７１ｇ／ｅｑ）
【化１８】

【００２３】
なお実施例１１、１４、比較例１〜３、５〜７に用いるフェノールノボラック樹脂の水酸基当量は、１０４ｇ／ｅｑ、実施例９、１０、比較例１〜３、５〜７に用いるオルソクレゾールノボラック型エポキシ樹脂のエポキシ当量は２００ｇ／ｅｑである。実施例４〜１５、比較例５〜７に用いる溶融球状シリカの平均粒径２２μｍ、比表面積５．０ｍ^２／ｇである。
【００２４】
【実施例】
実施例１
・フェノール樹脂１ １２３重量部
・エポキシ樹脂１ １７０重量部
（フェノール性水酸基の数とエポキシ基数との比 １．０）
・溶融破砕シリカ（平均粒径 １５μｍ、比表面積 ２．２ｍ^２／ｇ） ７００重量部
・トリフェニルホスフィン ２重量部
・カーボンブラック ２重量部
・カルナバワックス ３重量部
を常温でスーパーミキサーを用いて混合し、７０〜１００℃でロール混練し、冷却後粉砕して樹脂組成物とした。得られた樹脂組成物をタブレット化し、低圧トランスファー成形機にて１７５℃、７０ｋｇ／ｃｍ^２、１２０秒の成形条件で難燃性試験用試験片を作製した。また、耐湿試験用として３．０×３．５ｍｍのチップを１６ｐＤＩＰに封止した。下記の難燃性試験、耐湿信頼性を実施した。評価結果を表１に示す。

耐湿性試験：封止したテスト用素子をプレッシャークッカー試験（１２５℃、１００ＲＨ％）をおこない、回路のオープン不良を測定した。耐湿性をプレッシャークッカー試験での不良発生時間とした。
【００２５】
実施例２〜５、比較例１〜７
表１の配合に従い、実施例１と同様にして樹脂組成物を作製し、実施例１と同様に評価した。評価結果を表１、表３に示す。
【００２６】
【表１】

【００２７】
【００２８】
【表３】

【００２９】
【発明の効果】
本発明のハロゲン系、三酸化アンチモン等の難燃剤を含まない樹脂組成物で封止された半導体装置は難燃性に優れている。

Claims (4)

1. （Ａ）下式（１）、（３）及び（４）；
   

   

   

   

   で表されるビフェニル誘導体及びナフタレン誘導体を含むノボラック構造のフェノール樹脂から選ばれる１種又は２種以上を総フェノール樹脂中に５０〜１００重量％含むフェノール樹脂；
   （Ｂ）下式（２）；
   

   

   で表されるビフェニル誘導体を含むノボラック構造のエポキシ樹脂を総エポキシ樹脂中に８０〜１００重量％含むエポキシ樹脂、（Ｃ）無機充填材、（Ｄ）硬化促進剤を必須成分とし、且つ難燃剤を無配合とすることを特徴とする難燃性半導体封止用エポキシ樹脂組成物。
2. 前記エポキシ基と反応せずに余った水酸基が存在することを特徴とする請求項１記載の難燃性半導体封止用エポキシ樹脂組成物。
3. 総エポキシ樹脂のエポキシ基数に対する総フェノール樹脂のフェノール性水酸基数の比が、１より大きく２以下である請求項１又は２記載の難燃性半導体封止用エポキシ樹脂組成物。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の難燃性半導体封止用エポキシ樹脂組成物を用いて封止してなることを特徴とする半導体装置。