JP3973137B2 - エポキシ樹脂組成物及び半導体装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ハロゲン系難燃剤、アンチモン化合物を含まず、難燃性、高温保管特性、耐半田性に優れた特性を有する半導体封止用エポキシ樹脂組成物及び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。これらのエポキシ樹脂組成物には難燃性を付与するために、通常ハロゲン系難燃剤及びアンチモン化合物が配合されている。ところが、環境・衛生の観点からハロゲン系難燃剤及びアンチモン化合物を使用しないで、難燃性に優れたエポキシ樹脂組成物の開発が求められている。
又ハロゲン系難燃剤及びアンチモン化合物を含むエポキシ樹脂組成物で封止された半導体装置を高温下で保管した場合、これらの難燃剤成分から熱分解したハロゲン化物が遊離し、半導体素子の接合部を腐食し、半導体装置の信頼性を損なうことが知られており、難燃剤としてハロゲン系難燃剤とアンチモン化合物を使用しなくとも難燃グレードＵＬ−９４のＶ−０を達成できるエポキシ樹脂組成物が要求されている。
【０００３】
このように、半導体装置を高温下（例えば、１８５℃等）に保管した後の半導体素子の接合部（ボンディングパッド部）の耐腐食性のことを高温保管特性といい、この高温保管特性を改善する手法としては、五酸化二アンチモンを使用する方法（特開昭５５−１４６９５０号公報）や酸化アンチモンと有機ホスフィンとを組み合わせる方法（特開昭６１−５３３２１号公報）等が提案され、効果が確認されているが、最近の半導体装置に対する高温保管特性の高い要求レベルに対して、エポキシ樹脂組成物の種類によっては不満足なものもある。
【０００４】
これらの問題に対して、水酸化アルミニウムを使用することが提案されており、多量に添加することによりＵＬ−９４のＶ−０を達成でき、高温保管特性も問題ないが、多量に添加することにより成形性、耐半田性が低下するという問題がある。
しかし、充分な難燃性を得るためには水酸化アルミニウムの使用量の低減には限界がある。更に近年の環境対応で問題になっている無鉛半田化により半田処理温度が高くなり、従来以上に耐半田性への要求が厳しくなってきている。即ちハロゲン系難燃剤及びアンチモン化合物を使用しなくとも成形性、難燃性を維持し、高温保管特性及び耐半田性に優れた特性を有するエポキシ樹脂組成物が求められている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、ハロゲン系難燃剤及びアンチモン化合物を含まず成形性、難燃性、高温保管特性及び耐半田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。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、
［１］ （Ａ）エポキシ樹脂、（Ｂ）フェノール樹脂、（Ｃ）硬化促進剤、（Ｄ）無機充填材及び（Ｅ）平均粒経０．０１〜１４μｍの一般式（１）で示される水酸化アルミニウムを含む半導体封止用エポキシ樹脂組成物であって、前記（Ｅ）成分の配合量が全樹脂組成物中に３〜１５重量％であることを特徴とする半導体封止用エポキシ樹脂組成物、
Ａｌ₂Ｏ₃（Ｈ₂Ｏ）_n （１）
（ｎは２＜ｎ＜３の数）
［２］ 平均粒経０．０１〜１４μｍの一般式（１）で示される水酸化アルミニウムが、比表面積０．１〜４０ｍ²／ｇである第［１］項記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成物、
［３］ 第［１］項又は［２］項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ことを特徴とする半導体装置、である。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明に用いるエポキシ樹脂としては、１分子内にエポキシ基を２個以上有するモノマー、オリゴマー、ポリマー全般を言い、その分子量、分子構造を特に限定するものではないが、例えばビフェニル型エポキシ樹脂、ビスフェノール型エポキシ樹脂、スチルベン型エポキシ樹脂、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、フェノールアラルキル型エポキシ樹脂（フェニレン骨格又はジフェニレン骨格等を有する）等が挙げられ、これらは単独でも併用しても差し支えない。
【０００８】
本発明に用いるフェノール樹脂としては、１分子内にフェノール性水酸基を２個以上有するモノマー、オリゴマー、ポリマー全般を言い、その分子量、分子構造を特に限定するものではないが、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、テルペン変性フェノール樹脂、トリフェノールメタン型樹脂、フェノールアラルキル樹脂（フェニレン骨格又はジフェニレン骨格等を有する）等が挙げられ、これらは単独でも併用しても差し支えない。
これらの配合量としては、全エポキシ樹脂のエポキシ基数と全フェノール樹脂のフェノール性水酸基数の比が０．８〜１．３が好ましい。
【０００９】
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するものを用いることができる。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、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。
【００１０】
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用いることができる。例えば溶融シリカ、結晶シリカ、タルク、アルミナ、窒化珪素等が挙げられ、これらは単独でも併用しても差し支えない。無機充填材の配合量は、一般式（１）で示される水酸化アルミニウムと無機充填材との合計量が、成形性と耐半田性のバランスから、全エポキシ樹脂組成物中６０〜９５重量％とすることが好ましく、更に好ましくは７０〜９２重量％である。６０重量％未満だと、吸水率の上昇に伴う耐半田性が低下し、９５重量％を越えると、ワイヤースィープ及びパッドシフト等の成形性の問題が生じ好ましくない。
【００１１】
本発明に用いる平均粒経０．０１〜１４μｍの一般式（１）で示される水酸化アルミニウムは、難燃剤として作用するものである。一般式（１）で示される水酸化アルミニウムは、従来難燃剤として用いられている結晶水が３の水酸化アルミニウムに較べ、一般式（１）で示される水酸化アルミニウムを用いたエポキシ樹脂組成物の硬化物は熱膨張率が小さく、耐半田性の向上に効果があり、近年の無鉛半田化による半田処理温度の上昇にも対応できる。一般式（１）中のｎが３だと耐半田性は低下し、ｎが２以下だと脱水する水分量が少なくなるため難燃性が低下する。
【００１２】
本発明に用いる一般式（１）で示される水酸化アルミニウムの平均粒径は、０．０１〜１４μｍである。平均粒径が０．０１μｍ未満であると流動性が低下し、更に硬化物の抽出時の不純物量が増加するために耐湿信頼性の低下が生じる。平均粒径が１４μｍを越えると充分な難燃性が得られない。本発明での粒径は、レーザー回折法で測定した値を用い、平均粒径は５０重量％の累積になった時の粒径である。
水酸化アルミニウムの比表面積としては、０．１〜４０ｍ²/ｇが好ましく、０．１ｍ²/ｇ未満だと難燃性に劣る傾向にあり、４０ｍ²/ｇを越えると硬化性が低下するおそれがあり好ましくない。比表面積は、ＢＥＴ法で窒素ガスを用いて測定したものである。又粒子の形状は限りなく球状に近いものが流動性の向上に効果があり好ましい。
本発明に用いる水酸化アルミニウムの配合量は、全エポキシ樹脂組成物中に０．１〜３０重量％が好ましく、更に好ましくは３〜１５重量％が望ましい。０．１重量％未満だと難燃性が不足し、３０重量％を越えると耐半田性、成形性が低下するおそれがあり好ましくない。
【００１３】
本発明のエポキシ樹脂組成物は、（Ａ）〜（Ｅ）成分の他に、必要に応じて臭素化エポキシ樹脂、三酸化アンチモン等の難燃剤を含有することは差し支えないが、１５０〜２００℃での半導体装置の高温保管特性が要求される用途では、臭素原子、アンチモン原子の含有量は、各々０．１重量％未満であることが好ましく、更に好ましくは零が望ましい。各々が０．１重量％以上だと高温下に放置したときに半導体装置の抵抗値が時間と共に増大し、最終的には半導体素子の金線が断線する不良が発生するおそれがある。
【００１４】
本発明のエポキシ樹脂組成物は、（Ａ）〜（Ｅ）成分を必須成分とするが、これ以外に必要に応じてシランカップリング剤、カーボンブラック等の着色剤、天然ワックス、合成ワックス等の離型剤及びシリコーンオイル、ゴム等の低応力添加剤等の種々の添加剤を適宜配合しても差し支えない。
本発明のエポキシ樹脂組成物は、（Ａ）〜（Ｅ）成分及びその他の添加剤等をミキサー等を用いて充分に均一に混合した後、更に熱ロール又はニーダー等で溶融混練し、冷却後粉砕して得られる。
本発明のエポキシ樹脂組成物を用いて、半導体素子等の各種の電子部品を封止し、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の従来からの成形方法で硬化成形すればよい。
【００１５】
【実施例】
以下に本発明の実施例を示すが、本発明はこれらに限定されるものではない。配合割合は重量部とする。
実施例１
ビフェニル型エポキシ樹脂（融点１０５℃、エポキシ当量１９５：ジャパンエポキシレジン（株）製、ＹＸ−４０００） ７．６重量部
フェノールアラルキル樹脂（軟化点７７℃、水酸基当量１７５、三井化学（株）製、ＸＬＣ−ＬＬ） ６．９重量部
１、８−ジアザビシクロ（５、４、０）ウンデセン−７（以下、ＤＢＵという） ０．２重量部
溶融球状シリカ ７７．０重量部
水酸化アルミニウム１（特性を表１に示す） ７．０重量部
エポキシシランカップリング剤 ０．５重量部
カーボンブラック ０．３重量部
カルナバワックス ０．５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、冷却後粉砕してエポキシ樹脂組成物を得た。得られたエポキシ樹脂組成物を以下の方法で評価した。結果を表２に示す。
【００１６】
評価方法
スパイラルフロー：ＥＭＭＩ−１−６６に準じたスパイラルフロー測定用金型を用いて、金型温度１７５℃、注入圧力６．９ＭＰａ、硬化時間１２０秒で測定した。
硬化性：（株）オリエンテック・製、ＪＳＲキュラストメーターIVＰＳを用いて、ダイスの直径３５ｍｍ、振幅角１°、成形温度１７５℃、成形開始９０秒後のトルク値を測定した。数値が小さいほど硬化が遅い。単位はｋｇｆ・ｃｍ。
難燃性：低圧トランスファー成形機を用いて、成形温度１７５℃、注入圧力９．８ＭＰａ、硬化時間１２０秒で試験片（１２７ｍｍ×１２．７ｍｍ×３．２ｍｍ）を成形し、後硬化として１７５℃、８時間処理した後、ＵＬ−９４垂直法に準じてΣＦ、Ｆmaxを測定し、難燃性を判定した。
耐半田性：８０ピンＱＦＰ（パッケージサイズは１４ｍｍ×２０ｍｍ、厚み２．０ｍｍ、シリコンチップのサイズは、９．０ｍｍ×９．０ｍｍ、リードフレームは４２アロイ製）を、金型温度１７５℃、注入圧力８．３ＭＰａ、硬化時間２分でトランスファー成形し、１７５℃、８時間で後硬化した。８５℃、相対湿度８５％の環境下で７２時間放置し、その後２６０℃の半田槽に１０秒間浸漬した。顕微鏡で観察し、クラック発生率［（外部クラック発生パッケージ数）／（全パッケージ数）×１００］を％で表示した。又チップとエポキシ樹脂組成物の硬化物との剥離面積の割合を超音波探傷装置を用いて測定し、剥離率［（剥離面積）／（チップ面積）×１００］を％で表示した。
高温保管特性：模擬素子を２５μｍ径の金線で配線した１６ピンＳＯＰを、金型温度１７５℃、注入圧力９．８ＭＰａ、硬化時間２分でトランスファー成形し、１７５℃、８時間で後硬化した。１８５℃の恒温槽で処理し、一定時間毎にピン間の抵抗値を測定した。初期の抵抗値から１０％以上抵抗値が増大したパッケージ数が、１５個中８個以上になった恒温槽処理時間を高温保管特性として表示した。この時間が長いと、高温安定性に優れていることを示す。単位は時間。
熱膨張率：真空理工（株）製ＤＬＹ−９４００ＲＯＢＯＴを用いて測定した。α１（ガラス転移温度以下の温度範囲での熱膨張係数）は６０℃、α２（ガラス転移温度以下の温度範囲での熱膨張係数）は２４０℃での熱膨張係数を示す。
【００１７】
実施例２、比較例１〜５
表１の配合に従い、実施例１と同様にしてエポキシ樹脂組成物を得て、実施例１と同様にして評価した。結果を表２に示す。
なお、実施例、比較例に用いた水酸化アルミニウムの特性は、表１に示す。
比較例５に用いた臭素化ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂のエポキシ当量は、３６５ｇ／ｅｑ．である。
【００１８】
【表１】

【００１９】
【表２】

【００２０】
【発明の効果】
本発明に従うと、ハロゲン系難燃剤及びアンチモン化合物を含まず、成形性、熱膨張率に優れた特性を有する半導体封止用エポキシ樹脂組成物が得られ、これを用いた半導体装置は難燃性、高温保管特性及び耐半田性に優れている。

Claims (3)

1. （Ａ）エポキシ樹脂、（Ｂ）フェノール樹脂、（Ｃ）硬化促進剤、（Ｄ）無機充填材及び（Ｅ）平均粒経０．０１〜１４μｍの一般式（１）で示される水酸化アルミニウムを含む半導体封止用エポキシ樹脂組成物であって、前記（Ｅ）成分の配合量が全樹脂組成物中に３〜１５重量％であることを特徴とする半導体封止用エポキシ樹脂組成物。
   Ａｌ₂Ｏ₃（Ｈ₂Ｏ）_n （１）
   （ｎは２＜ｎ＜３の数）
2. 平均粒経０．０１〜１４μｍの一般式（１）で示される水酸化アルミニウムが、比表面積０．１〜４０ｍ²／ｇである請求項１記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成物。
3. 請求項１又は２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ことを特徴とする半導体装置。