JP4332972B2 - 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、離型性に優れた半導体封止用エポキシ樹脂組成物、及びこれを用いた半導体装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年の電子機器の小型化、軽量化、高性能化の市場動向において、半導体素子の高集積化が年々進み、又、半導体装置の表面実装化が促進されるなかで、半導体封止用エポキシ樹脂組成物への要求は益々厳しいものとなってきている。特に半導体装置の表面実装化が一般的になってきている現状では、吸湿した半導体装置が半田処理時に高温にさらされ、気化した水蒸気の爆発的応力により半導体装置にクラックが発生したり、或いは半導体素子やリードフレームとエポキシ樹脂組成物の硬化物との界面に剥離が発生することにより、電気的信頼性を大きく損なう不良が生じ、これらの不良の防止、即ち耐半田クラック性の向上が大きな課題となっている。
この耐半田クラック性を向上させる手段として、種々の提案がなされており、代表的なものとしては、（１）低粘度の樹脂成分を使用して無機充填材を高充填化し、樹脂成分を減少させて、エポキシ樹脂組成物の硬化物を低熱膨張化、低吸湿化させる、（２）吸湿性が少なく可撓性を有する樹脂の使用等が挙げられる。
低粘度樹脂成分としては、低粘度のエポキシ樹脂や結晶性エポキシ樹脂、硬化剤としての低粘度のフェノール樹脂が挙げられ、これらは一般的に低分子量化合物であり、このため成形時の加熱により３次元化して得られる架橋構造の架橋密度は低くなり、機械的強度や熱時弾性率が低い硬化物となるため、金型からの離型時に硬化物が金型に付着したり、或いは成形品の割れ・欠けが発生する等、離型性に劣るという欠点を有する。
【０００３】
この離型性を向上させるためには、離型剤を多量に配合することが対策として挙げられるが、多量の離型剤が金型側に付着することによる金型曇り、型取られといった成形性の低下の問題があり、必ずしも満足できるものではなかった。このため、金型汚れが少なく、離型性に優れ、耐湿性、耐半田クラック性に優れたエポキシ樹脂組成物の開発が望まれていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、金型汚れが少なく、離型性、耐湿性、耐半田クラック性に優れる半導体封止用エポキシ樹脂組成物、及びこれを用いた半導体装置を提供するものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、（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）酸化マイクロクリスタリンワックスと酸化ポリエチレンワックスをウレタン化させたものを必須成分と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で、特にエポキシ樹脂がビフェニル型エポキシ樹脂であり、フェノール樹脂がフェノールアラルキル樹脂である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ことを特徴とする半導体装置である。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明で用いられるエポキシ樹脂としては、例えば、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、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、トリフェノールメタン型エポキシ樹脂、フェノールアラルキル型エポキシ樹脂、ナフトール型エポキシ樹脂、ナフタレン型エポキシ樹脂、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等が挙げられ、これらは単独でも混合して用いてもよい。
これらの内では、常温では結晶性の固体であるが、融点を越えると極めて低粘度の液状となり、無機充填材を高充填化できる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が好ましい。
特に、ビフェニル型エポキシ樹脂を用いると、エポキシ樹脂組成物の粘度を低下でき、無機充填材を高充填化できるため、耐湿性の向上や低線膨張化が図れ、成形品としての特性も向上するので好ましい。ビフェニル型エポキシ樹脂としては、例えば、３，３’，５，５’−テトラメチルビフェノールジグリシジルエーテル、ビフェニルジグリシジルエーテル等が挙げられる。
その他のエポキシ樹脂も極力粘度の低いものを使用することが望ましい。
ところで、低粘度のエポキシ樹脂を用いると、無機充填材を高充填化でき、耐半田クラック性を向上できるが、架橋密度が低くなるため、離型性に難点が生じる。そこで後述する本発明の離型剤と併用することにより、離型性を改善できる。
【０００７】
本発明で用いられるフェノール樹脂としては、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、ナフトールアラルキル樹脂、トリフェノールメタン樹脂、テルペン変性フェノール樹脂、ジシクロペンタジエン変性フェノール樹脂、フェニレン及び／又はジフェニレン骨格を有するフェノールアラルキル樹脂等が挙げられ、これらは単独でも混合して用いてもよい。無機充填材の高充填化のためには、エポキシ樹脂と同様に、低粘度のものが好ましい。
可撓性、低吸湿性のためには、フェニレン及び／又はジフェニレン骨格を有するフェノールアラルキル樹脂の使用が望ましい。
ところで、低粘度、可撓性を有するフェノール樹脂を用いると、架橋密度が低くなるため、離型性に難点が生じる。そこで後述する本発明の離型剤と併用することにより、離型性を改善できる。
【０００８】
本発明で用いられる硬化促進剤としては、前記エポキシ樹脂とフェノール樹脂との架橋反応の触媒となり得るものを指し、例えば、トリブチルアミン、１，８−ジアザビシクロ（５，４，０）ウンデセン−７等のアミン系化合物、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塩等の有機リン系化合物、２−メチルイミダゾール等のイミダゾール化合物等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。又、これらの硬化促進剤は単独でも混合して用いてもよい。
【０００９】
本発明で用いられる無機充填材としては、例えば、溶融シリカ、結晶シリカ、アルミナ、窒化珪素、窒化アルミ等が挙げられる。
無機充填材の配合量を特に大きくする場合は、溶融シリカを用いるのが一般的である。溶融シリカは破砕状、球状のいずれでも使用可能であるが、溶融シリカの配合量を高め、且つエポキシ樹脂組成物の溶融粘度の上昇を抑えるためには、球状のものを主に用いる方が好ましい。更に球状シリカの配合量を高めるためには、球状シリカの粒度分布がより広くなるように調整することが望ましい。
【００１０】
本発明で用いられる離型剤は、酸化マイクロクリスタリンワックスと酸化ポリエチレンワックスをウレタン化させたものを必須成分とする。
酸化マイクロクリスタリンワックスは、重油留分から得られるｎパラフィン及び分岐炭化水素を含むマイクロクリスタリンワックスを酸化することで得られ、カルボキシル基や水酸基を含むものである。一般的に、ｎパラフィン及び分岐炭化水素を含むマイクロクリスタリンワックスは、エポキシ樹脂組成物の低粘度化が図れる反面、樹脂成分との相溶性に乏しく、成形時に金型表面に過度に染みだし、離型性は優れるものの、金型汚れが激しいという欠点を有する。そこで酸化マイクロクリスタリンワックスを用いると、樹脂成分との適度な相溶性による金型汚れの防止と、優れた離型性の両立を図ることができる。
【００１１】
酸化ポリエチレンワックスは、エチレン重合法やポリエチレンの熱分解物として得られるポリエチレンワックスを酸化することで得られ、カルボキシル基や水酸基を含むものである。分子量１０００〜１００００程度のものが一般的である。分子量は特に限定するものではないが、エポキシ樹脂組成物の低粘度化のためには、低分子量のものを用いることが好ましい。一般的に、ポリエチレンワックスは、融点が高く、樹脂成分との相溶性にも乏しく、成形時に金型表面に過度に染みだし、金型汚れが激しいという欠点を有する。そこで酸化ポリエチレンワックスを用いると、樹脂成分との適度な相溶性による金型汚れの防止を図ることができる。
【００１２】
本発明では、前記の酸化マイクロクリスタリンワックスと酸化ポリエチレンワックスをウレタン化させたものを用いることにより、金型汚れの防止と、離型性に優れる上に、半導体装置内部の半導体素子やそれを搭載するリードフレームとエポキシ樹脂組成物の硬化物との界面の密着性も向上し、耐湿性、並びに耐半田クラック性が飛躍的に向上する。
ウレタン化の方法は、特に限定するものではないが、例えば、メチレンジイソシアネート、トリレンジイソシアネート等のイソシアネート類と、酸化マイクロクリスタリンワックスや酸化ポリエチレンワックスの水酸基、カルボキシル基とを反応させて行う。
本発明では、酸化マイクロクリスタリンワックスを予めウレタン化させたものと酸化ポリエチレンワックスを予めウレタン化させたものとを離型剤として用いても、あるいは、酸化マイクロクリスタリンワックスと酸化ポリエチレンワックスとを予め混合してからウレタン化させたものを離型剤として用いても良い。
ウレタン化の割合については、特に限定するものではないが、得られたワックス中の窒素分で０．３〜５重量％程度の含有率が望ましい。ウレタン化部分が多過ぎると、密着性は向上するものの、ワックス自体の粘度が上昇し、材料化が困難になる。ウレタン化部分が少な過ぎると、十分な密着性が得られず、耐湿性、耐半田クラック性が発揮されない。
【００１３】
酸化マイクロクリスタリンワックスを予めウレタン化させたもの（ａ）と、酸化ポリエチレンワックスを予めウレタン化させたもの（ｂ）の配合割合としては、特に限定するものではないが、重量比（ａ／ｂ）で１０／９０〜９０／１０が好ましい。さらに望ましくは３０／７０〜７０／３０である。１０／９０未満だと、ウレタン化された酸化ポリエチレンワックスが多過ぎてワックスの粘度が高くなり、材料化が困難である。又、９０／１０を越えると、ウレタン化された酸化マイクロクリスタリンワックスが多過ぎてワックス全体の粘度が低くなり過ぎ、成形時にワックス分がエポキシ樹脂組成物から分離し、金型への染みだしが多くなり、金型汚れが発生するので好ましくない。
又、酸化マイクロクリスタリンワックスと酸化ポリエチレンワックスとを予め混合してからウレタン化させたものでは、酸化マイクロクリスタリンワックス（ｃ）と酸化ポリエチレンワックス（ｄ）の混合割合としては、特に限定するものではないが、重量比（ｃ／ｄ）で１０／９０〜９０／１０が好ましい。さらに望ましくは３０／７０〜７０／３０である。１０／９０未満だと、酸化ポリエチレンワックスに由来する成分が多過ぎてワックスの粘度が高くなり、材料化が困難である。又、９０／１０を越えると、酸化マイクロクリスタリンワックスに由来する成分が多過ぎてワックス全体の粘度が低くなり過ぎ、成形時にワックス分がエポキシ樹脂組成物から分離し、金型への染みだしが多くなり、金型汚れが発生するので好ましくない。
なお、これらのウレタン化されたワックスは、市場から容易に入手することができる。
【００１４】
本発明のウレタン化されたワックスの特性を損なわない範囲で、他の離型剤を併用することもできる。併用できるものとしては、例えば、カルナバワックス等の天然ワックス、ステアリン酸亜鉛等の高級脂肪酸の金属塩類等が挙げられ、これらは単独でも混合して用いてもよい。
本発明のウレタン化されたワックスの添加量としては、全エポキシ樹脂組成物中に０．０５〜０．４重量％が好ましい。０．０５重量％未満だと、十分な離型性が得られず、０．４重量％を越えると、離型性は十分なものの、金型曇りが発生するので好ましくない。
【００１５】
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、これ以外にも必要に応じてカップリング剤、臭素化エポキシ樹脂、酸化アンチモン、リン化合物等の難燃剤、カーボンブラック等の着色剤、シリコーンオイル、シリコーンゴム、合成ゴム等の低応力剤、酸化防止剤等の各種添加剤を適宜配合してもよい。
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混合後、加熱ニーダ、熱ロール、押し出し機等を用いて加熱混練し、続いて冷却、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。
【００１６】
【実施例】
以下、本発明を実施例で具体的に説明する。配合割合は重量部とする。
実施例１

をミキサーを用いて混合した後、表面温度が９５℃と２５℃の２軸ロールを用いて２０回混練し、得られた混練物シートを冷却後粉砕して、エポキシ樹脂組成物とした。得られたエポキシ樹脂組成物の特性を以下の方法で評価した。結果を表１に示す。
【００１７】
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の金型を用いて、金型温度１７５℃、注入圧力７０ｋｇ／ｃｍ²、硬化時間２分で測定した。単位はｃｍ。
離型性：トランスファー成形機を用いて、金型温度１７５℃、注入圧力７５ｋｇ／ｃｍ²、硬化時間２分で１４４ｐＱＦＰ（２０×２０×１．７ｍｍ厚さ）を１０回連続で成形した。この１０回の成形で、離型時に金型に付着したり、成形品に割れ・欠けが発生した回数が５回以上のものを×、１〜４回のものを△、発生なしのものを○と判定した。
金型汚れ：トランスファー成形機を用いて、金型温度１７５℃、注入圧力７５ｋｇ／ｃｍ²、硬化時間２分で１４４ｐＱＦＰ（２０×２０×１．７ｍｍ厚さ）を５００回連続で成形した。成形品表面と金型表面の両方に白化があるものを×、どちらかに白化があるものを△、どちらにも白化のないものを○と判定した。耐湿性：トランスファー成形機を用いて、金型温度１７５℃、注入圧力７５ｋｇ／ｃｍ²、硬化時間２分で１４４ｐＱＦＰ（２０×２０×１．７ｍｍ厚さ）を成形し、１７５℃、８時間で後硬化させ、８５℃、相対湿度８５％の環境下で１６８時間放置し、その後２４０℃の半田槽に１０秒間浸漬した。その後超音波探傷装置で内部を透視し、内部素子との剥離があるものを×、ないものを○と判定した。
耐半田クラック性：トランスファー成形機を用いて、金型温度１７５℃、注入圧力７５ｋｇ／ｃｍ²、硬化時間２分で１４４ｐＱＦＰ（２０×２０×１．７ｍｍ厚さ）を成形し、１７５℃、８時間で後硬化させ、８５℃、相対湿度８５％の環境下で１６８時間放置し、その後２４０℃の半田槽に１０秒間浸漬した。顕微鏡で外部クラックを観察し、クラック発生率［（クラック発生パッケージ数）／（全パッケージ数）×１００］の値を計算した。単位は％。
【００１８】
実施例２〜６、比較例１〜５
表１、表２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、実施例１と同様にして評価した。結果を表１、表２に示す。
なお、実施例２〜４、比較例２〜４で用いたオルソクレゾールノボラック型エポキシ樹脂は軟化点６５℃、エポキシ当量２２０である。
実施例２、３、比較例２、３で用いたフェノールノボラック樹脂は水酸基当量１２０である。
実施例４〜６で用いたワックス２は、酸化マイクロクリスタリンワックスと酸化ポリエチレンワックスのＴＤＩ（トリレンジイソシアネ−ト）変性品で、融点８２℃、酸価１８、鹸化価５０である。
比較例２、５で用いた酸化マイクロクリスタリンワックスは融点９０℃である。
比較例１〜３で用いた酸化ポリエチレンワックスは融点９２℃である。
【表１】

【００１９】
【表２】

【００２０】
【発明の効果】
本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物は、金型汚れが少なく、離型性、耐湿性、耐半田クラック性に優れ、これを用いた半導体装置は、耐湿信頼性に優れる。

Claims (5)

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）酸化マイクロクリスタリンワックスと酸化ポリエチレンワックスをウレタン化させたものを必須成分と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。
2. 酸化マイクロクリスタリンワックスと酸化ポリエチレンワックスをウレタン化させたものが、全エポキシ樹脂組成物中に０．０５〜０．４重量％含まれることを特徴とする請求項１記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成物。
3. エポキシ樹脂が、ビフェニル型エポキシ樹脂である請求項１、又は２記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成物。
4. フェノール樹脂が、フェノールアラルキル樹脂である請求項１、２、又は３記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成物。
5. 請求項１、２、３、又は４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。