JP3842258B2

JP3842258B2 - エポキシ樹脂組成物及び電子部品封止装置

Info

Publication number: JP3842258B2
Application number: JP2003313101A
Authority: JP
Inventors: 功市川
Original assignee: Kyocera Chemical Corp
Current assignee: Kyocera Chemical Corp
Priority date: 2003-09-04
Filing date: 2003-09-04
Publication date: 2006-11-08
Anticipated expiration: 2023-09-04
Also published as: JP2005082625A

Description

本発明は、エポキシ樹脂組成物及び電子部品封止装置に係り、特に、接着性、リフロー性に優れ、かつ成形硬化性に優れた封止用のエポキシ樹脂組成物及びこれを用いた電子部品封止装置に関する。

従来、半導体チップ等の電子部品を熱硬化性樹脂を用いて封止することが広く行われている。このような封止樹脂材料には、エポキシ樹脂をベースとし、これに硬化剤や硬化促進剤、さらにはシリカ粉末のような無機充填材や顔料等を配合した組成物が、信頼性や成形性、価格の点等から一般に使用されている（例えば、特許文献１〜３参照。）。

近年、電子機器の高密度実装化及び組み立て工程の自動化の要求から、半導体装置の実装方法は、従来空のピン挿入タイプから表面実装タイプへと移行してきており、この表面実装法で基板にパッケージをはんだ付けする際には、基板上のクリームはんだを、赤外線やフルオロカ−ボン蒸気で加熱し、リードと接続する方法が採られている。

このときパッケージ全体は２１５〜２６０℃の高温にさらされることになり、この急激な加熱が原因となってパッケ−ジのクラックが発生する等デバイスの信頼性の極端な低下を引き起こすことがあり、現在表面実装法における大きな問題の一つになっている。

また、最近では環境についての関心の高まりから、半導体のパッケージ分野においても外装や接合に使用されるはんだから鉛の除去が強く求められている。現在、鉛を使用しないはんだのうち、半導体のパッケージ分野に使用可能なはんだの多くは従来のはんだに比較して融点が高く、前述したリフロー温度が２０℃近く高くなるため、封止樹脂にはさらに優れた耐リフロー性が要求されている。

ここにおいて耐リフロー性を向上させるためさまざまな検討がなされているが、これらのうち多くのものは、成形硬化性が低下してしまい硬化が不十分になったり、また力学的特性、特に強度が落ちてしまい成形時に折れてしまったりという不具合が発生しており、これを改善するためにイミダゾール骨格を有する触媒を使用することにより耐クラック性を向上させる技術が知られていた（特許文献４参照）。
特開平１−８７６１６号公報（第２−５項）特開平６−８０７６３号公報（第３−８項）特開平７−８２３４３号公報（第３−７項）特開平１１−５２１２２号公報

しかしながら、イミダゾール骨格を有する触媒を使用することにより、成形硬化性は向上しても、かえってリフロー性や電気的な信頼性が低下してしまうといった不具合が発生してしまうため、耐リフロー性に優れ、なお且つ実用上、成形硬化性に優れたエポキシ樹脂組成物を得ることができなかった。

そこで、本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、金属フレームとの接着性に優れ、高温でのリフローに耐えうることができ、なお且つ成形硬化性にも優れたエポキシ樹脂組成物及びこの樹脂で封止された高信頼性の樹脂封止型半導体装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記の目的を達成しようと鋭意研究を重ねた結果、樹脂組成物にビフェノール型フェノール化合物及び特定のリン化合物を触媒として配合し、エポキシ樹脂が有するエポキシ基数と、フェノール樹脂が有するフェノール性水酸基数及びビフェノール型フェノール化合物が有するフェノール性水酸基数を合計したフェノール性水酸基数との比を所定の範囲にすることにより、充分な成形硬化性とともに、信頼性も向上することを見出し、本発明を完成させたものである。

すなわち、本発明のエポキシ樹脂組成物は、（Ａ）エポキシ樹脂と、（Ｂ）フェノール樹脂と、（Ｃ）次の一般式（Ｉ）で表されるビフェノール型フェノール化合物

（但し、式中Ｒ^１〜Ｒ^４は水素原子又はメチル基を表す。）と、（Ｄ）次の一般式（II）で表される有機リン化合物

（但し、式中Ｒ^５はアルキル基又はメトキシ基を表す。）と、（Ｅ）無機充填材とを含有し、（Ａ）エポキシ樹脂が有するエポキシ基数（ａ）と、（Ｂ）フェノール樹脂硬化剤が有するフェノール性水酸基数（ｂ）及び（Ｃ）ビフェノール型フェノール化合物が有するフェノール性水酸基数（ｃ）を合計したフェノール性水酸基数との比［（ｂ）＋（ｃ）］／（ａ）が０．５〜０．７の範囲であることを特徴とするものである。

ここで、本発明の（Ａ）エポキシ樹脂がクレゾールノボラック型エポキシ樹脂、ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂又はビフェニルノボラック型エポキシ樹脂から選ばれた２種以上のエポキシ樹脂を組合わせたものであり、（Ｂ）フェノール樹脂がノボラック型フェノール樹脂であることが好ましく、さらに、（Ｅ）無機充填材がエポキシ樹脂組成物に対して７０〜９５質量％含有していることが好ましい。

配合量が７０質量％未満であると、耐熱性や硬化物の機械特性が低下し、逆に９５質量％を超えると、組成物の流動性が低下し、成形性が不良となって実用が困難になってしまう。

また、本発明の電子部品装置は、本発明の封止用樹脂組成物の硬化物によって、電子部品が封止されてなることを特徴とするものである。

本発明の電子部品装置においては、耐リフロー性に優れた封止用樹脂組成物の硬化物によって電子部品が封止されているので、表面実装方式であっても、また、鉛を含まない高融点のはんだを使用しても、信頼性の高い実装が可能となる。

以下、本発明を詳細に説明する。

本発明に用いる（Ａ）エポキシ樹脂としては、その分子中にエポキシ基を２個以上有する化合物であれば、分子構造、分子量など特に制限は無く、一般に電子部品封止用材料に使用されるものを広く用いることができる。具体的な化合物として、例えば、下記の一般式（III）で表されるクレゾールノボラック型エポキシ樹脂、一般式（IV）で表されるジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂、一般式（Ｖ）で表されるビフェニルノボラック型エポキシ樹脂、一般式（VI）で表されるビフェノール型エポキシ樹脂、一般式（VII）で表されるビスフェノールＡ型エポキシ樹脂等が挙げられる。

これらのエポキシ樹脂は単独又は２種類以上を混合して用いることもでき、クレゾールノボラック型エポキシ樹脂、ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂又はビフェニルノボラック型エポキシ樹脂から選ばれた２種以上のエポキシ樹脂を組合わせたものであることが好ましく、クレゾールノボラック型エポキシ樹脂及びジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂とを混合したエポキシ樹脂、ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂及びビフェニルノボラック型エポキシ樹脂とを混合したエポキシ樹脂又はクレゾールノボラック型エポキシ樹脂、ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂及びビフェニルノボラック型エポキシ樹脂とを混合したエポキシ樹脂であることが特に好ましい。

（但し、式中ｎは０以上の整数を表す。）

（但し、式中ｎは０以上の整数を表す。）

（但し、式中ｎは０以上の整数を表す）

（但し、式中Ｒ^６〜R^９は水素原子又はメチル基を表す。）

（但し、式中ｎは０以上の整数を表す。）

また、本発明における（Ａ）エポキシ樹脂の配合量は、エポキシ樹脂組成物に対し、３〜２５質量％であることが好ましい。この配合量が、３質量％未満であると充分な硬化反応を起こさず成形が困難となり、２５質量％を超えると無機充填材を充分含有させることができず接着性が低下しリフロー性をおとしてしまう。

本発明に用いる（Ｂ）フェノール樹脂としては、前記（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ることなく使用することができる。具体的な化合物として、例えば、下記の一般式（VIII）で表されるフェノールノボラック系フェノール樹脂、一般式（IX）で表されるアリールアルキル系フェノール樹脂、一般式（Ｘ）で表されるジシクロペンタジエン系フェノール樹脂、一般式（XI）で表される多官能系フェノール樹脂等が挙げられる。これらの樹脂は、単独又は２種類以上を混合して使用することができる。

（但し、式中ｎは０以上の整数）

（但し、式中ｎは０以上の整数）

（但し、式中ｎは０以上の整数）

（但し、式中ｎは０又は１以上の整数を表す。）

フェノール樹脂の配合量は、エポキシ樹脂組成物に対して０．５〜５質量％であることが好ましく、１〜３質量％であることが特に好ましい。

本発明に用いる（Ｃ）ビフェノール型フェノール化合物としては、前記一般式（Ｉ）で表されるものであり、置換基が全て水素原子であるビフェノールであることが好ましく、これを配合することによってリフロー性が著しく改善する。

また（Ｃ）ビフェノール型フェノール化合物は含有されていれば特にその量について限定はないが、エポキシ樹脂組成物に対し０．５〜５質量％含有させると耐ＩＲリフロー性を充分向上させることができるので好ましい。

本発明に用いる（Ｄ）有機リン化合物としては、前記一般式（II）で表されるリン原子のパラ位にアルキル基又はメトキシ基を有したものを使用することができる。置換基であるアルキル鎖の長さは特に限定されないが、炭素数１〜１０であることが好ましく、特に炭素数１〜４であることが好ましく、この有機リン化合物を配合することにより成形硬化性が向上する。

この（Ｄ）有機リン化合物の配合量は、エポキシ樹脂組成物に対して０．１〜０．５質量％の割合で含有することが好ましく、０．２〜０．３質量％の範囲であるとさらに好ましい。配合量が０．１質量％未満では成形時に充分硬化することができず、また配合量が０．５質量％以上だと、硬化が早すぎ、充分な流動性を得ることができず実用に適しない。

本発明に用いる（Ｅ）無機充填材としては、シリカ、アルミナ、タルク、炭酸カルシウム、チタンホワイト、ベンガラ、炭化珪素、窒化ホウ素等の粉末、これらを球形化したビーズ、単結晶繊維及びガラス繊維等が挙げられ、これらのうちシリカ粉末、アルミナ粉末であることが好ましい。これらは単独又は２種類以上混合して使用することができる。

この（Ｅ）無機充填材の配合割合は、エポキシ樹脂組成物に対して７０〜９５質量％の割合で含有することが好ましく、８０〜９３質量％であることがより好ましく、８３〜９１質量％であるとよりいっそう好ましい。配合量が７０質量％未満では、耐熱性や硬化物の機械的特性が低下してしまい、逆に配合量が９５質量％を超えると、組成物の流動性が低下し、成形性が不良となって実用が困難となる。

また、その粒径に関しては平均粒径が５〜１００μmであることが好ましく、１０〜３０μmであるとより好ましい。平均粒径が５μm未満又は１００μm以上であると、組成物の流動性が低下し実用が困難となってしまう。

本発明のエポキシ樹脂組成物については、前述したエポキシ樹脂のエポキシ基数（ａ）と、フェノール樹脂のフェノール性水酸基数（ｂ）及びビフェノール型フェノール化合物のフェノール性水酸基数（ｃ）を合計したフェノール性水酸基数との比［（ｂ）＋（ｃ）］／（ａ）が０．５〜０．７の範囲であることが必須であり、０．６〜０．７となる範囲であることが好ましい。この比が０．５未満であると成形性や硬化物の電気特性等が低下し、逆に０．７を超えると、耐リフロー性を十分に向上させることができない。

本発明のエポキシ樹脂組成物は、前述したエポキシ樹脂、フェノール樹脂、ビフェノール化合物、有機リン化合物及び無機充填材を必須成分とするが、本発明の目的に反しない限度において、また必要に応じて、例えばトリフェニルホスフィンなどの他の有機リン化合物、天然ワックス類、合成ワックス類等の離型剤、カーボンブラック等の着色剤、ゴム系やシリコーン系ポリマーの低応力付与剤、アミン変性、チオール変性及びエポキシ変性シリコーンオイル等のカップリング剤等を適宜添加配合することができる。

本発明のエポキシ樹脂組成物を封止用樹脂組成物として調整する場合の一般的な方法は、前述したエポキシ樹脂、フェノール樹脂、ビフェノール化合物、有機リン化合物及び無機充填材、その他の成分を配合し、ミキサー等によって十分均一に混合し、さらに熱ロール又はニーダ等により加熱溶融混合処理を行い、次いで冷却固化させ適当な大きさに粉砕して封止用樹脂組成物とすることができる。

こうして得られた封止用樹脂組成物は、半導体装置をはじめとする電子部品又は電気部品の封止、被覆、絶縁等に適用すれば、優れた成形性と信頼性などの特性を付与することができる。

また、本発明の電子部品封止装置は、上記の封止用樹脂組成物を用いて電子部品を封止することにより、容易に製造することができる。封止される電子部品としては、例えば集積回路、大規模集積回路、トランジスタ、サイミスタ、ダイオード等の半導体電子部品や他の電子部品等が挙げられるが、特にこれらに限定されるものではない。

封止の最も一般的な方法としては、トランスファー成形法があるが、射出成形、圧縮成形等による封止も可能であり、封止及び封止後樹脂を硬化させる際には、１５０℃以上に加熱することが望ましい。

本発明のエポキシ樹脂組成物及び電子部品封止装置は、金属フレームとの接着性に優れ、高温でのリフローに耐えうることができ、且つ成形作業性に優れたエポキシ樹脂組成物及びこの樹脂で封止された高信頼性の樹脂封止型半導体装置を得ることができるものである。

次に本発明を実施例によって説明する。本発明はこれらの実施例によって限定されるものではない。

（実施例１〜７、比較例１〜８）
クレゾールノボラック型エポキシ樹脂（長春人造株式会社製商品名：ＣＮＥ−２００、エポキシ当量２００）、ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂（大日本インキ化学工業株式会社製商品名：ＨＰ−７２００、エポキシ当量２６４）、ビフェニルノボラック型エポキシ樹脂（日本化薬株式会社製商品名：ＮＣ−３０００、エポキシ当量２７３）、臭素化ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂（長春人造株式会社製商品名：ＢＥＢ、エポキシ当量３７０、臭素含有量４８．０％）、フェノールノボラック型フェノール樹脂（明和化成株式会社製商品名：Ｈ−４、水酸基当量１０４）、一般式（Ｉ）で表される化合物において置換基Ｒ^１〜Ｒ^４が全て水素原子であるビフェノール型フェノール化合物（本州化学工業株式会社製商品名：ビフェノール、水酸基当量９３）、硬化促進剤としてトリフェニルホスフィン（北興化学工業社製商品名：ＰＰ−２００）、一般式（II）において置換基Ｒ^５がメチル基であるトリ−ｐ−トリルホスフィン（北興化学工業社製商品名：ＴＰＴＰ）、一般式（II）において置換基Ｒ^５がメトキシ基のトリス−（４−メトキシフェニル）ホスフィン（北興化学工業社製商品名：ＴＰＡＰ）、無機充填材として平均粒径２４μｍの球状シリカ粉末、難燃助剤として三酸化アンチモン（日本精鉱株式会社製商品名：ＰＡＴＯＸ−ＭＺ）、離型剤としてカルナバワックス、着色剤としてカーボンブラック、シランカップリング剤としてγ−メルカプトプロピルトリメトキシシラン（信越化学工業社製商品名：ＫＢＭＢ０３）及びＮ−フェニル−γ−アミノプロピルトリメトキシシラン（日本ユニカー商品名：Ｙ９６６９）及び低応力化剤としてアミノ変性ポリメチルフェニルシロキサン（信越化学工業社製商品名：Ｘ２２−１６６０Ｂ−３）を用い、表１及び表２に示す配合割合で各成分を常温でドライブレンドした後、９０〜１１０℃で加熱溶融混練し、冷却後粉砕して封止用樹脂組成物を製造した。

上記各実施例及び比較例で得られた封止用樹脂組成物について下記に示す方法で各種特性を評価した。

［スパイラルフロー］
ＥＭＭＩ−Ｉ−６６に準じて１７５℃におけるスパイラルフローを測定した。
［ゲルタイム］
１７５℃に保たれた熱板上で一定量の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たとき、試料が増粘し、最終的に粘りのなくなった時間を計測した。
［接着力］
予め１５０℃で１時間ベイクしたＦｅ−Ｎｉ（４２％）合金フレーム、Ｃｕ合金（ＫＬＦ−１２５）フレーム及びＣｕ母材にＮｉ／Ｐｄ／Ａｕメッキを施したフレーム上に、封止用樹脂組成物により直径２ｍｍ、高さ２ｍｍのテストピースを作製接着させ、室温（２０℃）で接着界面に水平方向の力を加え、界面が破壊されたときの強度を測定した。
［耐リフロー性］
アルミニウム配線を有するシリコンチップ（９．０ｍｍ×９．０ｍｍ）を、銅フレーム（ＫＬＦ−１２５）上に銀ペーストを用いて１５０℃で１時間加熱して接着し、次いで封止用樹脂組成物を用いて、１７５℃で１分間トランスファー成形をした後、１７５℃で８時間の後硬化させてＱＦＰ２０８−Ｐ−２８２８（２８ｍｍ×２８ｍｍ×３．６ｍｍ）を作製した。これに対し８５℃、６０％ＲＨ、１６８時間、吸湿処理を行い、試料表面が２６０℃に加熱するように設定したＩＲリフロー炉に３回通し、冷却後、樹脂硬化物とフレームとの界面及び樹脂硬化物とシリコンチップとの界面における剥離及びクラックの発生の有無を超音波探傷装置により観察し、その発生率を調べた。
［成形性］
ＦＦＭＳ成形機によりＱＦＰ２０８−Ｐ−２８２８（２８ｍｍ×２８ｍｍ×３．６ｍｍ）において封止用樹脂組成物を１８５℃、７．５秒注入、４５秒成形を行ったときに樹脂の未硬化起因によるランナー部のかすれや折れ、カル部の膨れの発生を観察した。
これらの結果を表３及び表４に示した。

Claims

（Ａ）エポキシ樹脂と、（Ｂ）次の一般式で表されるフェノール樹脂

（但し、式中ｎは０以上の整数である。）又は次の一般式で表されるフェノール樹脂

（但し、式中ｎは０以上の整数である。）と、（Ｃ）次の一般式で表されるビフェノール型フェノール化合物

（但し、式中Ｒ^１〜Ｒ^４は水素原子又はメチル基を表す。）と、（Ｄ）次の一般式で表される有機リン化合物

（但し、式中Ｒ^５はアルキル基又はメトキシ基を表す。）と、（Ｅ）無機充填材とを含有し、前記（Ａ）エポキシ樹脂が有するエポキシ基数（ａ）と、前記（Ｂ）フェノール樹脂硬化剤が有するフェノール性水酸基数（ｂ）及び前記（Ｃ）ビフェノール型フェノール化合物が有するフェノール性水酸基数（ｃ）を合計したフェノール性水酸基数との比［（ｂ）＋（ｃ）］／（ａ）が０．５〜０．７の範囲であることを特徴とするエポキシ樹脂組成物。
前記（Ａ）エポキシ樹脂がクレゾールノボラック型エポキシ樹脂及びジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂とを含有し、前記（Ｂ）フェノール樹脂がノボラック型フェノール樹脂であることを特徴とする請求項１記載の封止用樹脂組成物。
前記（Ａ）エポキシ樹脂がジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂及びビフェニルノボラック型エポキシ樹脂を含有し、前記（Ｂ）フェノール樹脂がノボラック型フェノール樹脂であることを特徴とする請求項１記載の封止用樹脂組成物。
前記（Ａ）エポキシ樹脂がクレゾールノボラック型エポキシ樹脂、ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂及びビフェニルノボラック型エポキシ樹脂を含有し、前記（Ｂ）フェノール樹脂がノボラック型フェノール樹脂であることを特徴とする請求項１記載の封止用樹脂組成物。
前記（Ｅ）無機充填材の含有量が、エポキシ樹脂組成物に対して７０〜９５質量％であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載のエポキシ樹脂組成物。
請求項１乃至５のいずれか１項記載の封止用樹脂組成物の硬化物によって、電子部品が封止されてなることを特徴とする電子部品装置。