JP3874566B2 - 封止用エポキシ樹脂組成物および半導体封止装置 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、耐湿性、半田耐熱性、成形性、特に薄肉部の充填性、耐金型磨耗性に優れ、熱伝導率、熱放散性がよく、機械的特性にも優れるという、特性バランスのとれた信頼性の高い封止用エポキシ樹脂組成物および半導体封止装置に関する。
【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を熱硬化性樹脂を用いて封止する方法が行われてきた。この樹脂封止は、ガラス、金属、セラミックを用いたハーメチックシール方式に比較して経済的に有利なため広く実用化されている。封止樹脂としては、熱硬化性樹脂のなかでも信頼性と価格の点からエポキシ樹脂が最も一般的に用いられている。エポキシ樹脂には、酸無水物、芳香族アミン、ノボラック型フェノール樹脂等の硬化剤が用いられるが、これらのなかでもノボラック型フェノール樹脂を硬化剤としたエポキシ樹脂は、他の硬化剤を利用したものに比べて、成形性、信頼性に優れ、毒性が少なく、かつ安価であるため、半導体封止用樹脂として広く使用されている。また、充填剤としては、一般に溶融シリカ粉末や結晶性シリカ粉末が前述の硬化剤とともに使用されている。近年、半導体部品の表面実装化と更なる大電力化に伴い、熱放散性がよく、半田耐熱性のある半導体封止樹脂の開発が要望されてきた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ノボラック型フェノール樹脂を硬化剤としたエポキシ樹脂と溶融シリカ粉末とからなる樹脂組成物は、熱膨張係数が小さく、耐湿性がよく、また、温寒サイクル試験によるボンディングワイヤのオープン、樹脂クラック、ペレットクラック等に優れているという特徴を有するものの、熱伝導率が小さいために、熱放散性が悪く、消費電力の大きいパワー半導体では、その機能が果たせなくなるという欠点がある。一方、ノボラック型フェノール樹脂を硬化剤としたエポキシ樹脂と結晶性シリカ粉末とからなる樹脂組成物は、結晶性シリカ粉末の配合割合を上げると、熱伝導率が大きくなって熱放散も良好となるが、熱膨張係数が大きく、耐湿性に対する信頼性も悪くなるという欠点がある。更に、この樹脂組成物から得られる封止品は、機械的特性が低下し、また、成形時に金型の磨耗が大きいという欠点があった。従って、結晶性シリカ粉末を用いる封止樹脂組成物の高熱伝導化にはおのずから限界があった。また、ノボラック型フェノール樹脂を硬化剤としたエポキシ樹脂と窒化ケイ素粉末とからなる樹脂組成物も、熱伝導率が大きく熱放散性がよいという特徴をもつ反面、シリカ粉末を用いた材料に比べて機械的特性が低下し、また成形時に金型の磨耗が非常に大きいという点で大きなデメリットがあった。
【０００４】
本発明は、上記の欠点を解消するためになされたもので、流動性を損なわず、高充填でき、有機分と無機分の界面強度が向上し、耐湿性、半田耐熱性、成形性、特に薄肉部の充填性、耐金型磨耗性に優れ、熱伝導率、熱放散性がよく、機械的特性にも優れるという、特性バランスのとれた信頼性の高いエポキシ樹脂組成物および半導体封止装置を提供しようとするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記の目的を達成しようと鋭意研究を重ねた結果、特定のチタネートカップリング剤を用いることによって、樹脂等の有機分とアルミナ粉末等の無機分の双方との反応性を高め、該カップリング剤で処理した最大粒径１００μｍ以下で平均粒径６０μｍ以下のアルミナ粉末を用いることで、上記の課題解決を達成できることを見いだし、本発明を完成したものである。
【０００６】
即ち、本発明は、（Ａ）エポキシ基を１分子中に２個以上有する固形のエポキシ化合物、（Ｂ）フェノール性水酸基を１分子中に２個以上有する固形のフェノール性化合物、（Ｃ）次の一般式で示されるチタネート系カップリング剤、
【化３】

（但し、式中Ｒ^１、Ｒ^２はアルキル基を表し、ａ、ｂは整数で、１≦ａ≦４、１≦ｂ≦２の条件をそれぞれ満たす）
（Ｄ）最大粒径１００μｍ以下で平均粒径６０μｍ以下のアルミナ粉末および（Ｅ）硬化促進剤を必須成分とし、前記（Ｄ）のアルミナ粉末を全体の樹脂組成物に対して２５〜９０重量％の割合で含有してなることを特徴とする封止用エポキシ樹脂組成物である。また、このエポキシ樹脂組成物の硬化物によって、半導体チップが封止されてなることを特徴とする半導体封止装置である。
【０００７】
以下、本発明を詳細に説明する。
【０００８】
本発明に用いる（Ａ）エポキシ化合物は、エポキシ基を１分子中に２個以上有する固形のものであればよい。この固形のエポキシ化合物としては、ビスフェノール型エポキシ樹脂、ノボラック型エポキシ樹脂、トリフェニルメタン系エポキシ樹脂、ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂、フェノール系多官能エポキシ樹脂等が挙げられるが、なかでもフェノールノボラック樹脂の水酸基をエポキシ化したノボラック型エポキシ樹脂やフェノール系多官能エポキシ樹脂が好適である。
【０００９】
本発明に用いる（Ｂ）フェノール性化合物は、１分子中にフェノール性水酸基を２個以上有する固形のものであればよい。この固形の有機化合物としては、フェノールノボラック樹脂が好適である。
【００１０】
本発明に用いる（Ｃ）チタネート系カップリング剤としては、前記の一般式化３で示されるものが使用される。具体的なものとしては、例えば、
【化４】

【化５】

等が挙げられ、これらは単独又は２種以上混合して使用することができる。また、公知のシランカップリング剤と併用して使用することもできる。チタネート系カップリング剤の配合割合は、全体の樹脂組成物に対して０．０１〜５重量％含有するように配合することが望ましい。その割合が０．０１重量％未満では有機分と無機分の境界強度の向上が図れず、また５重量％を超えると極端に硬化性や成形性に劣り、好ましくない。
【００１１】
本発明に用いる（Ｄ）最大粒径が１００μｍ以下で平均粒径６０μｍ以下のアルミナ粉末としては、不純物濃度が低いものが使用される。平均粒径６０μｍを超えると耐湿性および成形性が劣り好ましくない。アルミナ粉末の配合割合は、全体の樹脂組成物に対して２５〜９０重量％含有するように配合することが好ましい。その割合が２５重量％未満では樹脂組成物の吸湿性が高く、半田浸漬後の耐湿性に劣り、また９０重量％を超えると極端に流動性が悪くなり、成形性に劣り好ましくない。
【００１２】
本発明に用いる（Ｅ）硬化促進剤としては、（Ａ）のエポキシ化合物（ノボラック型エポキシ樹脂など）のエポキシ基と（Ｂ）のフェノール性化合物（フェノールノボラック樹脂など）の水酸基の硬化反応を促進するものであればよく、リン系硬化促進剤、イミダゾール系硬化促進剤、ＤＢＵ系硬化促進剤、その他の硬化促進剤等を広く使用することができる。これらは単独又は２種以上併用することができる。特に、軟化点１００℃以上のアミン化合物、イミダゾール化合物、もしくはリン化合物が好適である。具体的には、例えば、２−（ジメチルアミノメチル）フェノール、２，４，６−トリス（ジメチルアミノメチル）フェノール、ベンジルジメチルアミン、α−メチルベンジルジメチルアミン、１，８−ジアザビシクロウンデセン等のアミン類、２−メチルイミダゾール、２−フェニルイミダゾール、２−ヘプタデシルイミダゾール、２−エチル−４−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、トリシクロヘキシルホスフィン、トリブチルホスフィン、メチルジフェニルホスフィン、ジブチルフェニルホスフィン、ジフェニルブチルホスフィン、トリス（パラメトキシフェニル）ホスフィン、トリ（メタトリル）ホスフィン、トリナフチルホスフィン、トリス（２，６−ジメトキシフェニル）ホスフィン等のリン化合物等が挙げられる。更に、これらの硬化促進剤は、予め軟化点１００℃以上の滑剤に加熱混練し、その後粉砕して表面被覆型の硬化促進剤として使用するのが好ましい。
【００１３】
硬化促進剤の配合割合は、全体の樹脂組成物に対して０．０１〜５重量％含有するように配合することが望ましい。その割合が０．０１重量％未満では樹脂組成物のゲルタイムが長く、硬化特性も悪くなり、また、５重量％を超えると極端に流動性が悪くなって成形性に劣り、さらに電気特性も悪くなり耐湿性に劣り好ましくない。
【００１４】
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、特定のチタネート系カップリング剤、最大粒径が１００μｍ以下で平均粒径６０μｍ以下のアルミナ粉末および硬化促進剤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、例えば天然ワックス類、合成ワックス類、直鎖脂肪酸の金属塩、酸アミド、エステル類、パラフィン等の離型剤、三酸化アンチモン等の難燃剤、カーボンブラック等の着色剤、ゴム系やシリコーン系の低応力付与剤等を適宜添加配合することができる。
【００１５】
本発明のエポキシ樹脂組成物を成形材料として調製する場合の一般的方法は、前述したエポキシ樹脂、フェノール樹脂、特定のチタネート系カップリング剤、最大粒径が１００μｍ以下で平均粒径６０μｍ以下のアルミナ粉末、硬化促進剤および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た後、さらに熱ロールによる溶融混合処理またはニーダ等による混合処理を行い、次いで冷却固化させ適当な大きさに粉砕して成形材料とすることができる。こうして得られた成形材料は、半導体装置をはじめとする電子部品或いは電気部品の封止、被覆、絶縁等に適用すれば優れた特性と信頼性を付与させることができる。
【００１６】
また、本発明の半導体封止装置は、上述の成形材料を用いて半導体チップを封止することにより容易に製造することができる。封止を行う半導体チップとしては、例えば集積回路、大規模集積回路、トランジスタ、サイリスタ、ダイオード等で特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、低圧トランスファー成形法があるが、射出成形、圧縮成形、注形等による封止も可能である。成形材料で封止後加熱して硬化させ、最終的にはこの硬化物によって封止された半導体封止装置が得られる。加熱による硬化は、１５０℃以上に加熱して硬化させることが望ましい。
【００１７】
【作用】
本発明のエポキシ樹脂組成物および半導体封止装置は、前述したエポキシ樹脂とフェノール樹脂および特定のアルミナ粉末に対して特定のチタネート系カップリング剤を用いることによって、樹脂界面を強化し、その結果、機械的特性が向上し、耐湿性、半田耐熱性、成形性、特に薄肉部の充填性、耐金型磨耗性に優れ、熱伝導率、熱放散性がよく、それらの特性バランスのとれた信頼性の高いものとすることができたものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
次に本発明を実施例によって具体的に説明するが、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。以下の実施例および比較例において「％」とは「重量％」を意味する。
【００１９】
実施例１
最大粒径１００μｍ以下で平均粒径６０μｍ以下のアルミナ粉末８５．０％をヘンシェルミキサーに入れ、攪拌しながら前述した化４のチタネート系カップリング剤０．４％を加えて、上記のアルミナ粉末の表面処理をした。
【００２０】
次に、ノボラック型エポキシ樹脂（エポキシ当量２００）７．６％、フェノールノボラック樹脂（水酸基当量１０４）３．８％、トリフェニルホスフィン０．５％、カルナバワックス類０．４％、カーボンブラック０．３％および三酸化アンチモン２．０％を常温で混合し、さらに９０〜１１０℃で混練冷却した後、粉砕して成形材料（Ａ）を製造した。
【００２１】
実施例２
最大粒径１００μｍ以下で平均粒径６０μｍ以下のアルミナ粉末８５．０％をヘンシェルミキサーに入れ、攪拌しながら前述した化４のチタネート系カップリング剤０．４％を加えて、上記のアルミナ粉末の表面処理をした。
【００２２】
次に、フェノール系多官能エポキシ樹脂（エポキシ当量２１５）７．６％、フェノールノボラック樹脂（水酸基当量１０４）３．８％、トリフェニルホスフィン０．５％、カルナバワックス類０．４％、カーボンブラック０．３％および三酸化アンチモン２．０％を常温で混合し、さらに９０〜１１０℃で混練冷却した後、粉砕して成形材料（Ｂ）を製造した。
【００２３】
実施例３
最大粒径１００μｍ以下で平均粒径６０μｍ以下のアルミナ粉末８５．０％をヘンシェルミキサーに入れ、攪拌しながら前述した化４のチタネート系カップリング剤０．４％を加えて、上記のアルミナ粉末の表面処理をした。
【００２４】
次に、フェノール系多官能エポキシ樹脂（エポキシ当量１７０）７．６％、多官能ノボラック樹脂（水酸基当量９７）３．８％、トリフェニルホスフィン０．５％、カルナバワックス類０．４％、カーボンブラック０．３％および三酸化アンチモン２．０％を常温で混合し、さらに９０〜１１０℃で混練冷却した後、粉砕して成形材料（Ｃ）を製造した。
【００２５】
比較例１
最大粒径１００μｍ以下で平均粒径６０μｍ以下のアルミナ粉末８５．０％をヘンシェルミキサーに入れ、攪拌しながらエポキシシラン系カップリング剤０．４％を加えて、上記のアルミナ粉末の表面処理をした。
【００２６】
次に、ノボラック型エポキシ樹脂（エポキシ当量２００）７．６％、フェノールノボラック樹脂（水酸基当量１０４）３．８％、トリフェニルホスフィン０．５％、カルナバワックス類０．４％、カーボンブラック０．３％および三酸化アンチモン２．０％を常温で混合し、さらに９０〜１１０℃で混練冷却した後、粉砕して成形材料（Ｄ）を製造した。
【００２７】
比較例２
最大粒径１００μｍ以下で平均粒径６０μｍ以下の溶融シリカ粉末８５．０％をヘンシェルミキサーに入れ、攪拌しながら前述した化４のチタネート系カップリング剤０．４％を加えて、上記の溶融シリカ粉末の表面処理をした。
【００２８】
次に、ノボラック型エポキシ樹脂（エポキシ当量２００）７．６％、フェノールノボラック樹脂（水酸基当量１０４）３．８％、トリフェニルホスフィン０．５％、カルナバワックス類０．４％、カーボンブラック０．３％および三酸化アンチモン２．０％を常温で混合し、さらに９０〜１１０℃で混練冷却した後、粉砕して成形材料（Ｅ）を製造した。
【００２９】
比較例３
最大粒径１１０μｍで平均粒径８０μｍのアルミナ粉末８５．０％をヘンシェルミキサーに入れ、攪拌しながら前述した化３のチタネート系カップリング剤０．４％を加えて、上記のアルミナ粉末の表面処理をした。
【００３０】
次に、ノボラック型エポキシ樹脂（エポキシ当量２００）７．６％、フェノールノボラック樹脂（水酸基当量１０４）３．８％、トリフェニルホスフィン０．５％、カルナバワックス類０．４％、カーボンブラック０．３％および三酸化アンチモン２．０％を常温で混合し、さらに９０〜１１０℃で混練冷却した後、粉砕して成形材料（Ｆ）を製造した。
【００３１】
比較例４
最大粒径１００μｍ以下の窒化ケイ素粉末８５．０％をヘンシェルミキサーに入れ、攪拌しながら前述した化４のチタネート系カップリング剤０．４％を加えて、上記の窒化ケイ素粉末の表面処理をした。
【００３２】
次に、ノボラック型エポキシ樹脂（エポキシ当量２００）７．６％、フェノールノボラック樹脂（水酸基当量１０４）３．８％、トリフェニルホスフィン０．５％、カルナバワックス類０．４％、カーボンブラック０．３％および三酸化アンチモン２．０％を常温で混合し、さらに９０〜１１０℃で混練冷却した後、粉砕して成形材料（Ｇ）を製造した。
【００３３】
こうして製造した成形材料（Ａ）〜（Ｇ）を用いて１７０℃に加熱した金型内にトランスファー注入、半導体チップを封止し硬化させて半導体封止装置を製造した。これらの半導体封止装置について、諸試験を行ったのでその結果を表１、表２に示したが、本発明のエポキシ樹脂組成物および半導体封止装置は、機械的特性が向上し、成形性、熱伝導率、耐湿性、半田耐熱性に優れ、耐金型磨耗性も良好であり、本発明の顕著な効果を確認することができた。
【００３４】
【表１】

【表２】

（表１及び表２の注記について）
＊１：１２０キャビティ取り１６ピンＰ金型を用いて、成形材料を１７０℃で３分間のトランスファー成形をし、充填性を評価した。○印…良好、△印…やや不良、×印…不良。
【００３５】
＊２：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。
【００３６】
＊３：１７５℃，８０ｋｇ／ｃｍ² ，２分間のトランスファー成形をして成形品（試験片）をつくり、１７５℃，８時間の後硬化を行い、ＪＩＳ−Ｋ−６９１１に準じて試験した。
【００３７】
＊４：＊２と同様な成形品を作り、適当な大きさの試験片とし、熱分析装置を用いて測定した。
【００３８】
＊５：半導体封止装置を、迅速熱伝導度計（昭和電工製、商品名ＱＴＭ−ＭＤ）を用いて室温で測定した。
【００３９】
＊６：５．３×５．３ｍｍチップをＶＱＦＰ（１２×１２×１．４ｍｍ厚）パッケージに納め、成形材料を用いて１７５℃，２分間のトランスファー成形をした後、１７５℃，８時間の後硬化を行った。こうして得た半導体封止装置を８５℃，８５％，４８時間の吸湿処理をした後、増加した重量によって計算した。また、これをエアーリフローマシン（Ｍａｘ２４０℃）に通し、外部および内部クラックの有無を調査した。
【００４０】
＊７：成形材料をプレヒートし、径０．５ｍｍの硬質クロムメッキ材料流動穴を設けた金型により、１７５℃でトランスファー成形を行う。穴径が５％磨耗したときのショット数によって評価した。
【００４１】
【発明の効果】
以上の説明および表１、表２から明らかなように、本発明のエポキシ樹脂組成物および半導体封止装置は、機械的特性が向上し、成形性、熱伝導率、耐湿性、半田耐熱性に優れ、耐金型磨耗性も良好であり、それらの特性バランスのとれた信頼性の高いものである。

Claims (2)

1. （Ａ）エポキシ基を１分子中に２個以上有する固形のエポキシ化合物、（Ｂ）フェノール性水酸基を１分子中に２個以上有する固形のフェノール性化合物、（Ｃ）次の一般式で示されるチタネート系カップリング剤、
   

   

   （但し、式中Ｒ^１、Ｒ^２はアルキル基を表し、ａ、ｂは整数で、１≦ａ≦４、１≦ｂ≦２の条件をそれぞれ満たす）
   （Ｄ）最大粒径１００μｍ以下で平均粒径６０μｍ以下のアルミナ粉末および（Ｅ）硬化促進剤を必須成分とし、前記（Ｄ）のアルミナ粉末を全体の樹脂組成物に対して２５〜９０重量％の割合で含有してなることを特徴とする封止用エポキシ樹脂組成物。
2. （Ａ）エポキシ基を１分子中に２個以上有する固形のエポキシ化合物、（Ｂ）フェノール性水酸基を１分子中に２個以上有する固形のフェノール性化合物、（Ｃ）次の一般式で示されるチタネート系カップリング剤、
   

   

   （但し、式中Ｒ^１、Ｒ^２はアルキル基を表し、ａ、ｂは整数で、１≦ａ≦４、１≦ｂ≦２の条件をそれぞれ満たす）
   （Ｄ）最大粒径１００μｍ以下で平均粒径６０μｍ以下のアルミナ粉末および（Ｅ）硬化促進剤を必須成分とし、前記（Ｄ）のアルミナ粉末を全体の樹脂組成物に対して２５〜９０重量％の割合で含有した封止用エポキシ樹脂組成物の硬化物によって、半導体チップが封止されてなることを特徴とする半導体封止装置。