JP3668403B2

JP3668403B2 - 半導体封止用エポキシ樹脂組成物およびそれを用いた半導体装置

Info

Publication number: JP3668403B2
Application number: JP2000004957A
Authority: JP
Inventors: 一雅五十嵐
Original assignee: Nitto Denko Corp
Current assignee: Nitto Denko Corp
Priority date: 2000-01-13
Filing date: 2000-01-13
Publication date: 2005-07-06
Anticipated expiration: 2020-01-13
Also published as: JP2001192537A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、充分な電気的絶縁性と電磁波遮蔽機能とを備えた半導体封止用エポキシ樹脂組成物およびそれを用いて得られる半導体装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、半導体素子をトランスファー成形により樹脂モールドしてなる樹脂封止型の半導体装置は、信頼性、量産性および低価格等の点において優れていることからセラミック封止型半導体装置とともに広く用いられている。
【０００３】
一般に、電気機器では電磁環境両立性（ＥＭＣ：Electromagnetic Compatibility ）の問題が顕在化しており、不要電磁波の放出と耐性の両面からの対策がなされている。特に、近年、情報通信機器は小型高機能化が進み、高性能化のために半導体素子の動作周波数が一段と上昇する傾向にある。特にデジタル信号の高速化では消費電力の低減のために信号の振幅値が低下しており、微弱な高周波ノイズでも誤動作する危険性が高まっている。しかし、従来の対策の一つである半導体パッケージを金属キャップで覆ったりすることは、余分な実装空間を必要とする等の理由により電子部品の密度実装が充分上がらず他の解決方法が検討されている。現在では、このような背景によって高密度実装に適した電磁波遮蔽技術が求められており、エポキシ樹脂組成物自体が電磁波遮蔽機能を有すれば電子部品の高密度実装化が図られることとなり、上記のような点を中心にさらなる検討がなされている。しかしながら、従来のシリカ粉末を主体とする無機質充填剤を混合分散したエポキシ樹脂組成物からなる硬化体では電磁波遮蔽機能を全く有していなかった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
そして、上記のような観点から、例えば、半導体素子の封止樹脂自体に電磁波遮蔽機能を持たせる技術として、特開平５−１２９４７６号公報に記載のように、電磁波遮蔽のための電波吸収材を配合した封止材料により半導体パッケージの外側を封止した封止層と従来の絶縁性封止樹脂でその内側部分を樹脂封止した２層構造の樹脂封止型半導体装置が提案されている。しかしながら、このような２層構造の樹脂封止型半導体装置を得るには、成形金型を２個使用しなければならない等の点から生産性や経済性に問題がある。また、上記同公報には、リードフレームのピン間やプリント基板の配線間のリーク防止策として、封止材料の融点以上の樹脂やゴム等で表面コーティングした電波吸収体粒子を配合した封止材料を用いて樹脂封止する、すなわち、一層構造で電磁波遮蔽機能を持たせることも併せて提案している。しかしながら、上記樹脂やゴム等の有機材料によるコーティングはその硬度が低いために封止材料の溶融混練工程における高い機械的シェアー（剪断力）のもとでは、上記有機材料が剥がれてしまい充分な電気的絶縁性を維持することはできないという問題があった。
【０００５】
本発明は、このような事情に鑑みなされたものであって、電気的絶縁性に優れた半導体封止用エポキシ樹脂組成物およびそれを用いた、電磁波遮蔽機能を有する半導体装置の提供をその目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明は、下記の（Ａ）〜（Ｄ）成分を含有する半導体封止用エポキシ樹脂組成物を第１の要旨とする。
（Ａ）エポキシ樹脂。
（Ｂ）フェノール樹脂。
（Ｃ）硬化促進剤。
（Ｄ）下記の（ｄ１）および（ｄ２）の少なくとも一方。
（ｄ１）表面がシリカ微粉末またはアルミナ微粉末で処理された導電性粒子。
（ｄ２）表面がシリカ微粉末またはアルミナ微粉末で処理された磁性粒子。
【０００７】
また、本発明は、上記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してなる半導体装置を第２の要旨とする。
【０００８】
すなわち、本発明者は、電磁波遮蔽機能に優れた樹脂封止型の半導体装置を得るために、その樹脂封止に用いられるエポキシ樹脂組成物を中心に一連の研究を重ねた。その結果、導電性粒子や磁性粒子の表面をシリカ微粉末またはアルミナ微粉末で処理してなる構造の粒子を用いると、例えば、先に述べたような２層構造の樹脂封止型半導体装置のような特殊なパッケージ構造をとることなく電磁波遮蔽機能と電気的絶縁性の双方に優れた封止材料となるエポキシ樹脂組成物が得られることを見出し本発明に到達した。
【０００９】
【発明の実施の形態】
つぎに、本発明の実施の形態について詳しく説明する。
【００１０】
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（Ａ成分）と、フェノール樹脂（Ｂ成分）と、硬化促進剤（Ｃ成分）と、特殊な複合無機粒子（Ｄ成分）とを用いて得られるものであり、通常、粉末状あるいはこれを打錠したタブレット状になっている。または、このエポキシ樹脂組成物を溶融混練した後、略円柱状の顆粒体に成形した顆粒状になっている。
【００１１】
上記エポキシ樹脂（Ａ成分）としては、常温（２５℃）で固形を示すものであれば特に限定するものではなく従来公知のもの、例えば、ビフェニル型エポキシ樹脂、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等があげられる。
【００１２】
上記Ａ成分とともに用いられるフェノール樹脂（Ｂ成分）は、上記エポキシ樹脂（Ａ成分）の硬化剤としての作用を奏するものであり、常温（２５℃）で固形を示すものであれば特に限定するものではなく従来公知のもの、例えば、フェノールノボラック、クレゾールノボラック、ビスフェノールＡ型ノボラック、ナフトールノボラックおよびフェノールアラルキル樹脂等があげられる。
【００１３】
上記エポキシ樹脂（Ａ成分）とフェノール樹脂（Ｂ成分）との配合割合は、エポキシ樹脂中のエポキシ基１当量に対してフェノール樹脂中の水酸基当量を０．５〜１．６の範囲に設定することが好ましい。より好ましくは０．８〜１．２の範囲に設定することである。
【００１４】
上記Ａ成分およびＢ成分とともに用いられる硬化促進剤（Ｃ成分）としては、特に限定するものではなく従来公知のもの、例えば、１，８−ジアザ−ビシクロ（５，４，０）ウンデセン−７、トリエチレンジアミン等の３級アミン類、２−メチルイミダゾール等のイミダゾール類、トリフェニルホスフィン、テトラフェニルホスホニウムテトラフェニルボレート等のリン系硬化促進剤等があげられる。
【００１５】
上記硬化促進剤（Ｃ成分）の含有量は、通常、上記フェノール樹脂（Ｂ成分）１００重量部（以下「部」と略す）に対して０．５〜１０部の範囲に設定される。
【００１６】
上記Ａ〜Ｃ成分とともに用いられる特殊な複合無機粒子（Ｄ成分）は、表面が特定の絶縁性無機材料で処理された導電性粒子（ｄ１）および表面が特定の絶縁性無機材料で処理された磁性粒子（ｄ２）の少なくとも一方からなるものである。
【００１７】
上記絶縁性無機材料による処理対象となる導電性粒子，磁性粒子としては、銅、鉄、ニッケル、金、銀、アルミニウム、亜鉛、ステンレス、ヘマタイト（Ｆｅ₂Ｏ₃）、マグネタイト（Ｆｅ₃Ｏ₄）、さらに一般式：ｎ（ＭＯ）・Ｆｅ₂Ｏ₃〔式中、Ｍは２価の金属原子であり、ｎは正数である。また、ＭＯの繰り返し時においてＭは同種であってもよく異種であってもよい。〕で表される各種フェライト、ケイ素鋼粉、パーマロイ、Ｃｏ基アモルファス合金等どのような各種金属粉やその合金粉、磁性粉が用いられる。上記一般式中のＭで表される２価の金属原子としては、例えば、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｂａ、Ｍｇ等があげられる。これら粒子は単独でもしくは２種以上併せて用いられる。
【００１８】
上記導電性粒子，磁性粒子としては、最大粒子径が２００μｍ以下で、平均粒子径が０．５〜５０μｍの範囲のものを用いることが好ましく、特に好ましくは平均粒子径が２〜３０μｍの範囲である。上記最大粒子径および平均粒子径は、例えば、レーザー回析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。
【００１９】
上記導電性粒子，磁性粒子の表面の処理に用いられる特定の絶縁性無機材料としては、電気絶縁性を有する、シリカ微粉末やアルミナ微粉末があげられる。特にシリカ微粉末が好ましく用いられ、なかでも球状シリカ微粉末、摩砕処理シリカ微粉末、破砕状シリカ微粉末等が好ましい。そして、粒子径が微細であるという観点から、一次粒子の平均粒子径が１〜１０００ｎｍのシリカ微粉末が好適に用いられ、特に一次粒子の平均粒子径が１０〜５００ｎｍのシリカ微粉末が好適である。
【００２０】
上記表面が特定の絶縁性無機材料で処理された導電性粒子（ｄ１），表面が特定の絶縁性無機材料で処理された磁性粒子（ｄ２）である特殊な複合無機粒子（Ｄ成分）は、例えば、つぎのようにして製造される。すなわち、まず導電性粒子および磁性粒子の少なくとも一方とシリカ微粉末またはアルミナ微粉末を高速回転するローター、ステーターおよび循環回路を有する表面処理装置に投入し、圧縮，摩擦，剪断等の機械的衝撃力を利用した機械的作用を繰り返して受ける処理法による複合化粒子表面処理法等の従来公知の複合化方法を用いて上記特殊な複合無機粒子（Ｄ成分）が製造される。このような処理により、上記導電性粒子，磁性粒子の表面にシリカ微粉末またはアルミナ微粉末がまぶされて、いわばシリカ微粉末またはアルミナ微粉末によって被覆された状態となる。
【００２１】
上記特殊な複合無機粒子（Ｄ成分）の含有量は、エポキシ樹脂組成物全体中の１０〜９０重量％の範囲に設定することが好ましい。より好ましくは２０〜８５重量％であり、特に好ましくは４０〜８０重量％である。すなわち、特殊な複合無機粒子（Ｄ成分）の含有量が１０重量％を下回り少な過ぎると、エポキシ樹脂組成物硬化体（封止樹脂）自身の電磁波遮蔽効果が不充分で所望の効果を得ることが困難となり、９０重量％を超え多過ぎると、低圧トランスファー成形時の溶融粘度が高くなり過ぎて流動性等が低下する傾向がみられるからである。
【００２２】
また、本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物には、通常、上記Ａ〜Ｄ成分とともに無機質充填剤を用いてもよい。この無機質充填剤としては、特に限定するものではなく従来公知の各種無機質充填剤があげられ、例えば、溶融シリカ粉末や結晶性シリカ粉末等のシリカ粉末、炭酸カルシウム粉末、チタン白、アルミナ粉末、窒化ケイ素粉末等があげられる。これらは単独でもしくは２種以上併せて用いられる。なかでも、得られるエポキシ樹脂組成物硬化体の線膨張係数を低減できるという点から、上記シリカ粉末を用いることが好ましく、さらには上記シリカ粉末のなかでも球状シリカ粉末、摩砕処理シリカ粉末、破砕状シリカ粉末が好ましく用いられ、特に球状溶融シリカ粉末を用いることが好ましい。そして、上記無機質充填剤としては、最大粒子径が１００μｍ以下のものを用いることが好ましく、通常、下限値は０．１μｍ程度である。さらに、上記最大粒子径とともに、平均粒子径が１〜２０μｍの範囲のものを用いることが好ましい。なお、上記最大粒子径および平均粒子径は、先の特殊な複合無機粒子（Ｄ成分）の場合と同様、例えば、レーザー回析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。
【００２３】
上記無機質充填剤の含有量は、エポキシ樹脂組成物全体中の５０重量％以下に設定することが好ましい。より好ましくは３０重量％以下である。すなわち、無機質充填剤の含有量が５０重量％を超えて多くなると、エポキシ樹脂組成物の溶融粘度が高くなることから、充填性が悪化する傾向がみられるからである。
【００２４】
本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物には、上記Ａ〜Ｄ成分および無機質充填剤以外に必要に応じて他の添加剤を適宜配合してもよい。
【００２５】
上記添加剤としては、低応力化剤、顔料、離型剤、カップリング剤および難燃剤等があげられる。
【００２６】
上記低応力化剤としては、側鎖エチレングリコールタイプジメチルシロキサン等のシリコーン化合物、アクリロニトリル−ブタジエンゴム等があげられる。
【００２７】
上記顔料としては、カーボンブラック、酸化チタン等があげれらる。また、上記離型剤としては、ポリエチレンワックス、カルナバワックス、脂肪酸塩等があげられる。
【００２８】
上記カップリング剤としては、γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、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シランカップリング剤等があげられる。
【００２９】
また、上記難燃剤としては、ブロム化エポキシ樹脂等があげられ、これに三酸化アンチモン等の難燃助剤が用いられる。
【００３０】
さらに、上記難燃剤以外に、下記の一般式（１）で表される多面体形状の複合化金属水酸化物を用いることができる。この複合化金属水酸化物は、結晶形状が多面体形状を有するものであり、従来の六角板形状を有するもの、あるいは、鱗片状等のように、いわゆる厚みの薄い平板形状の結晶形状を有するものではなく、縦、横とともに厚み方向（ｃ軸方向）への結晶成長が大きい、例えば、板状結晶のものが厚み方向（ｃ軸方向）に結晶成長してより立体的かつ球状に近似させた粒状の結晶形状、例えば、略１２面体、略８面体、略４面体等の形状を有する複合化金属水酸化物をいう。
【００３１】
【化１】

【００３２】
上記一般式（１）で表される複合化金属水酸化物に関して、式（１）中の金属元素を示すＭとしては、Ａｌ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｓｎ，Ｚｎ，Ｃｕ，Ｆｅ，Ｔｉ，Ｂ等があげられる。
【００３３】
また、上記一般式（１）で表される複合化金属水酸化物中のもう一つの金属元素を示すＱとしては、例えば、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｐｄ，Ｃｕ，Ｚｎ等があげられ、単独でもしくは２種以上併せて選択される。
【００３４】
このような結晶形状が多面体形状を有する複合化金属水酸化物は、例えば、複合化金属水酸化物の製造工程における各種条件等を制御することにより、縦，横とともに厚み方向（ｃ軸方向）への結晶成長が大きい、所望の多面体形状、例えば、略１２面体、略８面体、略４面体等の形状を有する複合化金属水酸化物を得ることができ、通常、これらの混合物からなる。
【００３５】
上記多面体形状を有する複合化金属水酸化物の具体的な代表例としては、酸化マグネシウム・酸化ニッケルの水和物、酸化マグネシウム・酸化亜鉛の水和物、酸化マグネシウム・酸化銅の水和物等があげられる。
【００３６】
また、上記多面体形状を有する複合化金属水酸化物のアスペクト比は、通常１〜８、好ましくは１〜７、特に好ましくは１〜４である。ここでいうアスペクト比とは、複合化金属水酸化物の長径と短径との比で表したものである。すなわち、アスペクト比が８を超えると、この複合化金属水酸化物を含有するエポキシ樹脂組成物が溶融したときの粘度低下に対する効果が乏しくなる。
【００３７】
本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物は、例えば、つぎのようにして製造することができる。すなわち、エポキシ樹脂（Ａ成分）、フェノール樹脂（Ｂ成分）、硬化促進剤（Ｃ成分）および特殊な複合無機粒子（Ｄ成分）、さらに必要に応じて無機質充填剤、低応力化剤、顔料、離型剤、カップリング剤および難燃剤等の他の添加剤を所定量配合し、熱ロールやエクストルーダー、ニーダー等を用い充分に溶融分散により混合した後、冷却して粉砕し、場合によりタブレット状に圧縮成形するという一連の工程により目的とする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。
【００３８】
このようにして得られる半導体封止用エポキシ樹脂組成物を用いての半導体素子の封止方法としては、特に限定するものではなく、通常の低圧トランスファー成形等の公知の成形方法があげられる。
【００３９】
つぎに、実施例について比較例と併せて説明する。
【００４０】
【実施例１】
平均粒子径３μｍのＭｎ−Ｚｎ系ソフトフェライト（式：Ｍｎ_0.55Ｚｎ_0.40Ｆｅ_2.05Ｏ₄・Ｆｅ₂Ｏ₃）と一次粒子径が約１２ｎｍの球状シリカ微粉末を準備した。そして、上記Ｍｎ−Ｚｎ系ソフトフェライト１００部に対して上記球状シリカ微粉末が１０部となるよう用い、高速回転するローター、ステーターおよび循環回路を有する表面処理装置へ投入し、回転速度４８００ｒｐｍで３分間運転した後、この装置から排出して本発明で用いる、Ｍｎ−Ｚｎ系ソフトフェライト表面を上記球状シリカ微粉末で絶縁被覆してなる複合無機粒子を作製した。
【００４１】
つぎに、上記複合無機粒子４１９部と、ｏ−クレゾールノボラック型エポキシ樹脂（エポキシ当量１９５、軟化点７５℃）１００部と、フェノールノボラック樹脂硬化剤（水酸基当量１０６、軟化点８２℃）６０部と、トリフェニルホスフィン１部と、臭素化フェノールノボラック型エポキシ樹脂（エポキシ当量２８０）２０部と、三酸化アンチモン１５部と、カーボンブラック２部と、シランカップリング剤（γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン）１部と、ポリエチレンワックス２部を同時に配合し、９５〜１００℃に加熱した熱ロールで３分間溶融混練して、冷却した後１０メッシュパスの粉末状エポキシ樹脂組成物を得た。
【００４２】
【実施例２】
Ｍｎ−Ｚｎ系ソフトフェライトに代えて平均粒子径２０μｍの鱗片状ニッケル粉末を用いた。それ以外は実施例１と同様にして目的とする１０メッシュパスの粉末状エポキシ樹脂組成物を得た。
【００４３】
【実施例３】
複合無機粒子の配合量を６２部に代え、同時に平均粒径３５μｍの溶融シリカ粉末を３５７部用いた。それ以外は実施例１と同様にして目的とする１０メッシュパスの粉末状エポキシ樹脂組成物を得た。
【００４４】
【実施例４】
複合無機粒子の配合量を１８０９部に代えた。それ以外は実施例１と同様にして目的とする１０メッシュパスの粉末状エポキシ樹脂組成物を得た。
【００４５】
【実施例５】
一次粒子径が約１２ｎｍの球状シリカ微粉末に代えて一次粒子径が約５００ｎｍの球状シリカ微粉末を用いた。それ以外は実施例１と同様にして目的とする１０メッシュパスの粉末状エポキシ樹脂組成物を得た。
【００４６】
【実施例６】
一次粒子径が約１２ｎｍの球状シリカ微粉末に代えて一次粒子径が約５ｎｍの球状シリカ微粉末を用いた。それ以外は実施例２と同様にして目的とする１０メッシュパスの粉末状エポキシ樹脂組成物を得た。
【００４７】
【比較例１】
Ｍｎ−Ｚｎ系ソフトフェライトに代えて平均粒子径３５μｍの球状溶融シリカ粉末を用いた。それ以外は実施例１と同様にして目的とする１０メッシュパスの粉末状エポキシ樹脂組成物を得た。
【００４８】
【比較例２】
平均粒子径２０μｍの鱗片状ニッケル粉末をそのまま表面処理することなく用いた。それ以外は実施例１と同様にして目的とする１０メッシュパスの粉末状エポキシ樹脂組成物を得た。
【００４９】
【比較例３】
Ｍｎ−Ｚｎ系ソフトフェライトをそのまま表面処理することなく用いた。それ以外は実施例１と同様にして目的とする１０メッシュパスの粉末状エポキシ樹脂組成物を得た。
【００５０】
〔電磁波遮蔽特性〕
上記のようにして得られた各粉末状エポキシ樹脂組成物を用いて、直径３８ｍｍのタブレット状に打錠成形し、その後成形圧力６．８６ＭＰａ、金型温度１７５℃、成形時間２分間の条件で成形した後、後硬化を１７５℃で５時間実施することにより、厚さ２ｍｍの８０ｍｍ×８０ｍｍの板状成形物を作製した。得られた板状成形物を送信用アンテナと受信用アンテナとの間の試料ホルダーに固定して、測定周波数１０００ＭＨｚまでの範囲で、スペクトルアナライザーで電磁波遮蔽性を測定した（一般にＴＲ−１７０３１法と呼ばれている）。そして、５００ＭＨｚでのシールド性（電磁波遮蔽特性）を電界成分と磁界成分とでそれぞれ評価した。その結果を下記の表１〜３に示す。
【００５１】
〔体積抵抗率〕
各粉末状エポキシ樹脂組成物を用いて上記電磁波遮蔽特性の測定と同様にして、厚さ３ｍｍ×直径５０ｍｍの円盤状硬化体を作製した。そして、銀ペーストを用いて主電極の直径３０ｍｍ、ガード電極の直径３２ｍｍ、対抗電極の直径４５ｍｍの銀電極を作製した後、直流５００Ｖを印加して体積抵抗率を測定した（ＪＩＳＫ６９１１に準じる）。その結果を下記の表１〜３に示す。
【００５２】
【表１】

【００５３】
【表２】

【００５４】
【表３】

【００５５】
上記表１〜表３の結果から、複合無機粒子を含有した実施例品は電磁波遮蔽特性の値は比較例品のものと比べた場合その改善効果は明らかである。さらに、実施例品の体積抵抗率も高く充分な電気的絶縁性を有していることがわかる。これに対して比較例１品は体積抵抗率は高かったが、電磁波遮蔽特性に劣っており、また比較例２および３品は高い電磁波遮蔽特性を示したが、体積抵抗率が低く電気的絶縁性に著しく劣っていることがわかる。
【００５６】
【発明の効果】
以上のように、本発明は、表面がシリカ微粉末またはアルミナ微粉末で処理された導電性粒子（ｄ１）および表面がシリカ微粉末またはアルミナ微粉末で処理された磁性粒子（ｄ２）の少なくとも一方（Ｄ成分）を含有する半導体封止用エポキシ樹脂組成物である。このため、例えば、先に述べたような２層構造の樹脂封止型半導体装置のような特殊なパッケージ構造をとることなく電磁波遮蔽特性と電気的絶縁性の双方に優れた封止材料となる。したがって、このようなエポキシ樹脂組成物によって樹脂封止された半導体装置は、電磁環境両立性（ＥＭＣ：Electromagnetic Compatibility ）に優れたものである。

Claims

下記の（Ａ）〜（Ｄ）成分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。
（Ａ）エポキシ樹脂。
（Ｂ）フェノール樹脂。
（Ｃ）硬化促進剤。
（Ｄ）下記の（ｄ１）および（ｄ２）の少なくとも一方。
（ｄ１）表面がシリカ微粉末またはアルミナ微粉末で処理された導電性粒子。
（ｄ２）表面がシリカ微粉末またはアルミナ微粉末で処理された磁性粒子。
請求項１記載の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してなる半導体装置。