JP3803033B2 - 半導体封止用樹脂組成物、およびそ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、エポキシ樹脂系の封止用樹脂組成物であり、パワーデバイスのような高熱伝導性を必要とする封止用途において、低応力性とニッケルメッキフレームへの接着性に優れ、デバイスとしての信頼性を向上させることができる半導体封止用樹脂組成物、およびそれを用いて半導体素子を封止してなる半導体装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、トランジスタやＩＣ、ＬＳＩなどの半導体素子は、通常、セラミックパッケージやプラスチックパッケージなどで封止され、半導体装置とされている。前者のセラミックパッケージは構成材料そのものが耐熱性を有し、耐湿性にも優れているので、高温高湿下に対しても強く、機械的強度にも優れ、信頼性の高い封止が可能である。
【０００３】
しかしながら、構成材料が比較的高価であることや、量産性に劣るという問題点を有するので、近年は後者のプラスチックパッケージによる樹脂封止が主流となっている。プラスチックパッケージによる樹脂封止には、従来から耐熱性に優れるという性質を利用してエポキシ樹脂組成物が用いられており、良好な実績を収めている。
【０００４】
このような半導体素子を封止するためのエポキシ樹脂組成物とは、一般的に主材としてのエポキシ樹脂と、硬化剤としてのフェノール樹脂、硬化促進剤としてのアミン系化合物、その他任意成分として弾性付与剤としてのゴム成分、無機質充填剤としてのシリカ粉末などからなるものが、特にトランスファー成形時の封止作業性などの点に優れたものとして用いられている。
【０００５】
一方、大型家電製品や産業機器において、大電力の制御などを行う半導体として、トランジスターやダイオード、サイリスターなどのパワーデバイスがある。このようなパワーデバイスは、高電圧下にさらされるので、半導体素子の発熱が非常に大きく、放熱性が悪いと、パッケージや半導体素子の破壊が起こりやすいものである。
【０００６】
上記パワーデバイスに用いる封止樹脂は、高熱伝導性を要求されるが、従来から用いられている封止樹脂によって封止した場合には、無機質充填剤として用いられている結晶性シリカ粉末を配合すると熱伝導性が高いために封止樹脂全体の熱膨張係数が大きくなりすぎて、封止後の半導体装置における樹脂の内部応力が大きくなるという問題点を有する。
【０００７】
また、パワーデバイス用のフレームとしては、ニッケルメッキフレームが採用されているが、ニッケルメッキフレームは、一般に銅フレームや４２アロイフレームと比べて封止樹脂との接着性が低いので、パッケージ内で封止樹脂との間で剥離を生じやすい。このような剥離が生じると、封止樹脂内での熱伝導性が低下し、デバイスの信頼性も低下するという問題を有するのである。
【０００８】
一方、封止樹脂内の内部応力を低下させる方法としては、シリコーンオイルや、ゴム成分を封止樹脂組成物中に添加することも考えられるが、これらの添加成分はフレームと封止樹脂の界面に滲出する恐れがあり、前記したように界面での接着力が低下する傾向を示す。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者らは上記問題点を解決し、パワーデバイスのように高熱伝導性を必要とする用途に用いることができる半導体封止用エポキシ樹脂組成物を提供することを目的として鋭意検討を重ねた結果、特定のエポキシ樹脂混合物を主剤とし、カップリング剤としてチオール基を含有する特定のカップリング剤を用いた樹脂組成物が、パワーデバイス用途に優れた樹脂組成物であることが判明し、本発明を完成するに至った。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明は、ニッケルメッキフレームに搭載される半導体素子を封止するために用いる半導体封止用樹脂組成物であって、下記の各成分を含有する半導体封止用樹脂組成物を提供するものである。
（Ａ）ジシクロペンタジエン骨格を有するエポキシ樹脂と、ノボラック型エポキシ樹脂との混合物
（Ｂ）チオール基を含有するカップリング剤
（Ｃ）結晶性シリカ
【００１１】
特に、本発明の半導体封止用樹脂組成物は、（Ａ）成分としてのエポキシ樹脂混合物中のジシクロペンタジエン骨格を有するエポキシ樹脂の含有量を、１０〜５０重量％以下となるようにすることによって、封止樹脂の硬化性や硬化物強度が極端に低下することがなく、成形性の点で好ましいものである。
【００１２】
また、本発明は、上記半導体封止用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提供するものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態について詳しく説明する。
【００１４】
本発明の半導体封止用樹脂組成物に用いる（Ａ）成分としてのエポキシ樹脂混合物は、組成物の主剤となるものであり、ジシクロペンタジエン骨格を有するエポキシ樹脂とノボラック型エポキシ樹脂との混合物である。
【００１５】
つまり、本発明では、ガラス転移温度が比較的高いノボラック型エポキシ樹脂に、比較的ガラス転移温度が低いジシクロペンタジエン骨格を有するエポキシ樹脂を配合することによって、優れた硬化物特性を有すると共に、樹脂内部の低応力化（応力緩和）を達成することができるのである。
【００１６】
上記ジシクロペンタジエン骨格を有するエポキシ樹脂としては、下記一般式にて示されるものを用いる。
【００１７】
【化１】

【００１８】
なお、上記一般式におけるＲを水素原子またはメチル基をすることが、流動性や硬化性の点から好ましい。
【００１９】
また、上記ジシクロペンタジエン骨格を有するエポキシ樹脂は、密着性と硬化性の点から、エポキシ当量が２４０〜３００、好ましくは２５０〜３００の範囲のものを用いることが望ましい。エポキシ当量が２４０に満たない場合には密着性が低下する傾向を示し、一方、３００を超えるエポキシ当量では成形時の硬化性が低下する傾向を示す。
【００２０】
さらに、上記ジシクロペンタジエン骨格を有するエポキシ樹脂は、取り扱い性や密着性の点から、軟化点が５０〜９０℃、好ましくは６０〜９０℃の範囲のものを用いることが望ましい。軟化点が５０℃満たない場合には樹脂組成物がブロック化現象を起こす恐れがあり、９０℃を超えると密着性が低下する傾向を示す。
【００２１】
本発明に用いる（Ａ）成分としてのエポキシ樹脂混合物は、上記ジシクロペンタジエン骨格を有するエポキシ樹脂に、ノボラック型エポキシ樹脂を混合した混合物である。ジシクロペンタジエン骨格を有するエポキシ樹脂をノボラック型エポキシ樹脂に混合することによって、本発明の半導体封止用樹脂組成物から得られる封止樹脂に、適度な硬化物特性とパッケージ内部の応力緩和性を併有させることができるのである。
【００２２】
このような特性を付与することができるノボラック型エポキシ樹脂としては、クレゾールノボラック型エポキシ樹脂やフェノールノボラック型エポキシ樹脂などが挙げられ、これらのうち成形性の点から、クレゾールノボラック型エポキシ樹脂を用いることが好ましい。
【００２３】
また、上記クレゾールノボラック型エポキシ樹脂は、樹脂組成物の成形性の点から、エポキシ当量が１８５〜２０５、好ましくは１９２〜１９９の範囲のものを用いることが望ましい。エポキシ当量が１８５に満たない場合には、成形時の流動性が低下する傾向を示し、一方、２０５を超えるエポキシ当量では、成形時に硬化性不良を起こすことがあるので好ましくない。
【００２４】
さらに、上記クレゾールノボラック型エポキシ樹脂は、樹脂組成物の取扱性や成形性の点から、軟化点が６０〜８０℃、好ましくは６５〜７５℃の範囲のものを用いることが望ましい。軟化点が６０℃に満たない場合には、樹脂のブロック化現象が生じることがあり、また、８０℃を超えると、成形時の流動性が低下する傾向を示すので好ましくない。
【００２５】
本発明の半導体封止用樹脂組成物において（Ｂ）成分としてのチオール基を含有するカップリング剤は、パワーデバイス用のフレームとして多用されているニッケルメッキを施したフレームと封止樹脂との間の接着性を向上させることができるのである。このようなチオール基を有するカップリング剤としては、シランカップリング剤が好ましく、具体的にはγ−メルカプトプロピルトリメトキシシランや、γ−メルカプトプロピルメチルジメトキシシランなどが挙げられ、これらのうち、接着性の向上の点から、γ−メルカプトプロピルトリメトキシシランを用いることが好ましい。
【００２６】
さらに、本発明において（Ｃ）成分として用いる充填剤としては、結晶性シリカを用いることが好ましく、さらに好ましくは、１０〜３０μｍの平均粒子径を有する粉末を用いる。本発明において結晶性シリカを用いることによって、得られる封止樹脂に高熱伝導性を付与することができ、パワーデバイスのような高熱伝導性を要求する封止樹脂に好適となるので、溶融シリカや無定形シリカなどと比べて、優れた特性を付与することができるのである。
【００２７】
本発明の半導体封止用樹脂組成物は、上記（Ａ）〜（Ｃ）成分を必須成分として含有するものであり、各成分の含有量は（Ａ）成分１００重量部当たり、（Ｂ）成分を０．１〜８重量部、（Ｃ）成分を５００〜９００重量部、好ましくはＢ）成分を０．５〜５重量部、（Ｃ）成分を６００〜８００重量部の範囲とする。このような含有量の範囲に設定することによって、得られる半導体封止樹脂が高熱伝導性が良好であると共に、ニッケルメッキフレームへの密着性に優れ、成形作業性が良好となるのである。
【００２８】
特に、（Ｃ）成分の結晶性シリカは、その含有割合が少ないと、得られる封止樹脂に高熱伝導性を付与することができなくなり、パワーデバイス用途には不向きとなる傾向を示す。一方、結晶性シリカの含有割合が多すぎると、組成物の溶融粘度が高くなって流動性が低下するので、成形性が悪くなる傾向が見られるのである。
【００２９】
なお、本発明の半導体封止用樹脂組成物は上記成分（Ａ）〜（Ｃ）を必須成分として含有するものであるが、本発明の目的や効果に影響しない範囲であれば公知の硬化剤や硬化促進剤（硬化触媒）や結晶性シリカ以外の無機質充填剤、難燃剤、ワックス、顔料、染料、チタネート系カップリング剤などの各種添加剤を適宜配合することができる。
【００３０】
硬化剤としては、例えばフェノールノボラック樹脂やクレゾールノボラック樹脂、フェノールアラルキル樹脂などが挙げられ、これらのうち一種もしくは二種以上を併用して配合することができる。
【００３１】
また、硬化促進剤（硬化触媒）としては、例えば、アミン系、イミダゾール系、リン系、ホウ素系、リン−ホウ素系などの硬化促進剤が挙げられる。具体的には、エチルグアニジン、トリメチルグアニジン、フェニルグアニジン、ジフェニルグアニジンなどのアルキル置換グアニジン類、３−（３，４−ジクロロフェニル）−１，１−ジメチル尿素、３−フェニル−１，１−ジメチル尿素、３−（４−クロロフェニル）−１，１−ジメチル尿素などの３−置換フェニル−１，１−ジメチル尿素類、２−メチルイミダゾリン、２−フェニルイミダゾリン、２−ウンデシルイミダゾリン、２−ヘプタデシルイミダゾリンなどのイミダゾリン類、２−アミノピリジンなどのモノアミノピリジン類、Ｎ，Ｎ−ジメチル−Ｎ−（２−ヒドロキシ−３−アリロキシプロピル）アミン−Ｎ′−ラクトイミド等のアミンイミド系類、エチルホスフィン、プロピルホスフィン、ブチルホスフィン、フェニルホスフィン、トリメチルホスフィン、トリエチルホスフィン、トリブチルホスフィン、トリオクチルホスフィン、トリフェニルホスフィン、トリシクロヘキシルホスフィン、トリフェニルホスフィン／トリフェニルボラン錯体、テトラフェニルホスホニウムテトラフェニルボレートなどの有機リン系化合物、１，８−ジアザビシクロ〔５，４，０〕ウンデセン−７、１，４−ジアザビシクロ〔２，２，２〕オクタンなどのジアザビシクロアルケン系化合物などが挙げられる。これらは単独でもしくは二種以上併せて用いることができる。
【００３２】
無機質充填剤としては、特に限定されるものではなく、熱伝導性を阻害しない範囲で各種無機質充填剤を用いることができる。具体的には、溶融シリカ、クレー、石膏、炭酸カルシウム、硫酸バリウム、酸化アルミナ、酸化ベリリウム、炭化ケイ素、窒化ケイ素、アエロジルなどが挙げられる。
【００３３】
上記難燃剤としては、ノボラック型ブロム化エポキシ樹脂、ブロム化ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、三酸化アンチモン、五酸化アンチモン、水酸化マグネシウム、水酸化アルミニウムなどの金属化合物、赤リン、リン酸エステルなどのリン系化合物などが挙げられ、これらは単独で、もしくは二種以上併せて用いられる。
【００３４】
上記ワックスとしては、高級脂肪酸、高級脂肪酸エステル、高級脂肪酸カルシウム、アミド系などの化合物が挙げられ、これらは単独で、もしくは二種以上併せて用いられる。
【００３５】
さらに、本発明の半導体封止用樹脂組成物には、必要に応じて上記他の添加剤以外に、シリコーンオイルやシリコーンゴム、合成ゴム、反応性希釈剤などの成分を配合して、さらなる低応力化を図ったり、耐湿信頼性テストにおける信頼性向上を目的としてハイドロタルサイト類、水酸化ビスマスなどのイオン捕捉剤を適宜配合してもよい。
【００３６】
本発明の半導体封止用樹脂組成物は、例えば、次のようにして製造することができる。すなわち、上記（Ａ）〜（Ｃ）成分および必要に応じて他の添加剤を混合した後、ニーダーなどの混練機にかけ加熱状態で混練りして溶融混合して組成物とする。次いで、これを室温（２５℃程度）にて冷却したのち、破砕し、これを打錠機にて打錠してタブレット状に成形することができる。なお、破砕工程を省略して溶融状態の組成物を直接タブレット状に成形できることは云うまでもない。
【００３７】
本発明の半導体封止用樹脂組成物を用いて半導体装置を製造するには、自体公知の各種方法によって行うことができる。例えば、上記のようにして打錠成形して得た半導体封止用樹脂タブレットを、所定温度に加熱し、これをトランスファー成形機を用いて所定温度で所定時間加熱成形、硬化させて半導体素子を樹脂封止し、本発明の半導体装置を製造することができる。
【００３８】
【実施例】
次に、本発明を実施例を用いてさらに詳細に説明するが、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形、応用が可能であることは云うまでもない。
【００３９】
実施例１〜３および比較例１〜３
下記表１に示す配合にて原材料を配合、混合して混練機を用いて溶融混練し、混練品を冷却、破砕して、これを打錠機にて打錠し、半導体封止用樹脂タブレットを作製した。
なお、表１中の配合材料は、以下のものを用いた。
【００４０】
・エポキシ樹脂Ａ：ジシクロペンタジエン骨格を有するエポキシ樹脂（エポキシ当量２６０、軟化点６５℃）２０重量部
【００４１】
・エポキシ樹脂Ｂ：クレゾールノボラック型エポキシ樹脂（エポキシ当量２００、軟化点７０℃）
【００４２】
・フェノール樹脂：ノボラック型フェノール樹脂（水酸基当量１０５、軟化点８０℃）
【００４３】
・硬化触媒：１，８−ジアザビシクロ［５，４，０］ウンデセン−７
【００４４】
・結晶シリカ粉末：平均粒子径２０μｍ
【００４５】
・溶融シリカ粉末：平均粒子径２３μｍ
【００４６】
・臭化エポキシ樹脂：ノボラック型臭化エポキシ樹脂（エポキシ当量２８５、軟化点８４℃）
【００４７】
・カップリング剤Ａ：γ−メルカプトプロピルトリメトキシシラン
・カップリング剤Ｂ：γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン
【００４８】
【表１】

【００４９】
上記のようにして作製した半導体封止用樹脂タブレットを用いて下記の試験を行い、その結果を表２に示した。
【００５０】
＜熱伝導率＞
各実施例および各比較例にて作製した半導体封止用樹脂タブレットをプレヒータにて８０℃で予備加熱し、さらにトランスファープレスを用いて、１７５℃で２分間成形して、熱伝導測定用試験片に成形し、熱伝導率を測定した。熱伝導率測定機は、京都電子工業社製のＫＥＭＴＨＥＲＭＯ ＱＴＭ−Ｄ３を用いた。
【００５１】
＜フレーム接着力＞
ニッケルメッキを施した銅フレームにて、接着力評価試験を行なうために、上記熱伝導率測定試験と同様に条件で成形し、１７５℃で５時間ポストキュアを行なった。このようにして得られた半導体装置（パッケージ）をオートグラフを用いて、樹脂とフレームとの剪断接着力を測定した。
【００５２】
＜剥離発生率＞
ＴＯ−２２０パッケージ用のニッケルメッキを施したフレームを用いた以外は、上記フレーム接着力試験と同様にして得られた半導体装置（パッケージ）を超音波探査装置を用いてパッケージ内の剥離を観察し、剥離したパッケージと観察数から剥離発生率（％）を測定した。
【００５３】
【表２】

【００５４】
上記表２の結果から明らかなように、本発明の実施例品では特定のエポキシ樹脂混合物と特定のカップリング剤を用いているので、ニッケルメッキフレームに対して高い接着性を有しており、剥離発生率も全くないものである。特に、実施例品ではジシクロペンタジエン骨格を有するエポキシ樹脂を配合しているので、硬化性や硬化物の機械的強度が充分であり、しかも成形時の問題としてのゲートブレイク不良やランナー折れ、パッケージの欠け、パッケージの割れなどの諸問題を生じない優れた結果を示すものである。また、結晶性シリカ粉末を充填剤に用いた場合には、熱伝導性に優れるので、パワーデバイスにて要求される高熱伝導性を付与することができることが明らかである。
【００５５】
【発明の効果】
以上のように、本発明の半導体封止用樹脂組成物および半導体装置は、上記の構成からなるものであるので、優れたフレーム密着性を有すると共に、パワーデバイスに要求される高熱伝導性にも優れた効果を発揮するものである。

Claims (4)

1. ニッケルメッキフレームに搭載される半導体素子を封止するために用いる半導体封止用樹脂組成物であって、下記の各成分を含有する半導体封止用樹脂組成物。
   （Ａ）ジシクロペンタジエン骨格を有するエポキシ樹脂と、ノボラック型エポキシ樹脂との混合物
   （Ｂ）チオール基を含有するカップリング剤
   （Ｃ）結晶性シリカ
2. （Ａ）成分としてのエポキシ樹脂混合物中のジシクロペンタジエン骨格を有するエポキシ樹脂の含有量が混合物総量の１０〜５０重量％である請求項１記載の半導体封止用樹脂組成物。
3. （Ｂ）成分としてのカップリング剤が、γ−メルカプトプロピルトリメトキシシランである請求項１記載の半導体封止用樹脂組成物。
4. 請求項１〜３の何れかに記載の半導体封止用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。