JP4639460B2 - 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、成形性とともに難燃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】
ＩＣ、ＬＳＩ等の半導体素子の封止方法として、エポキシ樹脂組成物のトランスファー成形による方法が、低コスト、大量生産に適した方法として採用されて久しく、信頼性もエポキシ樹脂や硬化剤であるフェノール樹脂の改良により向上が図られてきた。しかし、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、半導体の高集積化も年々進み、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。このため、従来からのエポキシ樹脂組成物では解決できない問題点も出てきている。
その最大の問題点は、半導体装置の表面実装の採用により半導体装置が半田浸漬、或いはリフロー工程で急激に２００℃以上の高温にさらされ、半導体装置が吸湿した水分が爆発的に気化する際の応力により、半導体装置が割れたり、半導体素子、リードフレーム、インナーリード上の各種メッキされた接合部分との各界面で、剥離が生じ信頼性が著しく低下する現象である。
【０００３】
更に、近年半導体装置の薄型化に伴い、半導体装置中に占めるエポキシ樹脂組成物の硬化物の厚みが一段と薄くなってきており、６４Ｍ、２５６ＭＤＲＡＭ用の半導体装置は、１ｍｍ厚のＴＳＯＰが主流となりつつある。これら薄型半導体装置には、エポキシ樹脂組成物の成形時の充填性が良好で、金線変形が少なく、半導体素子やリードフレームの変形（チップシフトやダイパッドシフトと呼ぶ）がないことが要求され、そのためエポキシ樹脂組成物には、成形時の流動性に優れることが必要である。
【０００４】
一方、半導体封止用エポキシ樹脂組成物には難燃剤成分として、臭素含有の有機化合物（以下、臭素化合物という）、及び三酸化アンチモン、四酸化アンチモン、五酸化アンチモン等のアンチモン化合物が配合されている。しかしながら、世界的な環境保護の意識の高まりのなか、臭素化合物やアンチモン化合物を使用せずに難燃性を有するエポキシ樹脂組成物の要求が大きくなってきている。
更に、半導体装置を１５０〜２００℃での高温で長時間保管すると、難燃剤である臭素化合物やアンチモン化合物は、半導体素子の抵抗値の増加や、金線の断線を引き起こすことが知られている。この観点からも、臭素化合物やアンチモン化合物を使用しない高温保管特性に優れるエポキシ樹脂組成物の開発が求められている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、流動性、硬化性等の成形性に優れ、硬化物の熱時強度の向上、吸湿率の低減により、基板実装時における半導体装置の耐半田クラック性を著しく向上させ、更に難燃性に優れるため、臭素化合物、アンチモン化合物を削減もしくは全く含まず、高温保管特性を向上させ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）式（１）で示されるエポキシ樹脂、（Ｂ）式（２ａ）で示される骨格と式（２ｂ）で示される骨格を有するフェノール樹脂を全フェノール樹脂中に２０重量％以上含むフェノール樹脂、（Ｃ）無機充填材、及び（Ｄ）硬化促進剤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あって、（Ｂ）式（２ａ）で示される骨格と式（２ｂ）で示される骨格を有するフェノール樹脂が式（３）〜（６）で示されるいずれかのフェノール樹脂であり、全エポキシ樹脂組成物中に臭素原子及びアンチモン原子が、それぞれ０．１重量％未満であり、（Ｃ）無機充填材の配合量が全エポキシ樹脂組成物中に８０〜８５重量％である半導体封止用エポキシ樹脂組成物、
【化４】

（ｎは平均値で正数）
【０００７】
【化５】

（Ｒは、炭素数１〜４のアルキル基で、互いに同一であっても、異なっていてもよく、Ｘは芳香族環より１個の水素を除いた残基を示す。ａは０〜３の整数、ｂは０〜４の整数）
【化６】

（ｌ、ｍは、平均値で正数）
（２）第（１）項に記載の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。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明で用いられる式（１）で示されるエポキシ樹脂について述べる。汎用のオルソクレゾールノボラック型エポキシ樹脂をエポキシ化する前のベース樹脂は、メチレン結合を介してオルソクレゾールが繰り返し構造に組み込まれているのに対し、本発明で用いられる式（１）で示されるエポキシ樹脂はエポキシ化する前のベース樹脂は、パラキシリレン結合を介してフェノールが繰り返し構造に組み込まれていることから、このベース樹脂をエポキシ化した樹脂を用いたエポキシ樹脂組成物は、硬化物の熱時強度を低下させることなく、エポキシ基の官能基密度が適当に緩和されることにより、耐半田クラック性が優れているものと考えられる。
更にフェノール間がパラキシリレンで結合されているため、主鎖中の芳香環の含有率が一定で、かつフェノール樹脂との結合点濃度が小さくなり、優れた難燃性を示す特徴を有し、かつ硬化物の吸湿率が低く耐半田クラック性の向上に寄与する。
【０００９】
式（１）で示される樹脂の特性を損なわない範囲で他のエポキシ樹脂と併用することができる。併用する場合の式（１）のエポキシ樹脂の配合量としては、全エポキシ樹脂中に３０重量％以上が好ましく、更に望ましくは５０重量％以上が好ましい。
併用するエポキシ樹脂としては、分子内にエポキシ基を有するモノマー、オリゴマー、ポリマー全般を指す。例えば、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、フェノールノボラック型エポキシ樹脂、オルソ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、ジシクロペンタジエン変性フェノール型エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂、ハイドロキノン型エポキシ樹脂、スチルベン型エポキシ樹脂、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
【００１０】
本発明に用いられる式（２ａ）で示される骨格と式（２ｂ）で示される骨格を有するフェノール樹脂は、芳香族環を多く含むことから、燃焼時に炭化しやすく、難燃性に優れた特徴を有している。又従来のフェノールノボラック型樹脂を用いた場合に比べ、硬化物の高温時の弾性率が低く半導体装置の反りが減少し、かつ吸湿率が低いため耐半田クラック性に優れる。式中のＸは、芳香族環より１個の水素を除いた残基を示し、具体的にはベンゼン又はナフタリンから１個の水素を除いた残基、フェノール又はナフトールから１個水素を除いた残基等である。本発明に用いられるフェノール樹脂は、例えばビス（メトキシメチル）ベンゼン類と芳香族アルデヒドとフェノールを酸触媒の存在下で反応させて得られる、ランダム共重合体の樹脂である。
以下に具体例を示すが、これらに限定されるものではない。
【化７】

（ｌ、ｍは、平均値で正数）
【００１１】
式（２ａ）で示される骨格と式（２ｂ）で示される骨格を有するフェノール樹脂は、全フェノール樹脂中２０重量％以上が好ましく、２０重量％未満だと難燃性が低下し好ましくない。又高温時の弾性率も大きくなり、半導体装置の反りが低下するおそれがある。
併用するフェノール樹脂としては、特に限定されないが、フェノールノボラック樹脂、クレゾールノボラック樹脂、ナフトールノボラック樹脂、フェノールアラルキル樹脂、ジシクロペンタジエン変性フェノール樹脂等が挙げられる。
【００１２】
本発明に用いられる無機充填材としては、溶融シリカ、結晶シリカ、アルミナ、窒化珪素等が挙げられ、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、球形度の高い溶融シリカを全量、或いは一部破砕シリカを併用することが好ましい。無機充填材の平均粒径としては５〜３０μｍ、最大粒径としては１５０μｍ以下が好ましく、特に平均粒径５〜２０μｍ、最大粒径７４μｍ以下が好ましい。又、粒子の大きさの異なるものを混合することにより充填量を多くすることができる。無機充填材は、予めシランカップリング剤等で表面処理されているものを用いてもよい。
本発明の無機充填材の配合量としては、全エポキシ樹脂組成物中に８０〜８５重量％が好ましい。８０重量％未満だと、半導体装置の吸湿量が増加し、半田処理温度での強度が低下し、半田処理時に半導体装置にクラックが発生し易くなるので好ましくない。一方、８５重量％を越えると、流動性が低下し、未充填やチップシフト、パッドシフトが発生し易くなり、難燃性も劣る。難燃性については、その機構は不明だが、無機充填材の配合量に最適値がある。
【００１３】
本発明に用いられる硬化促進剤は、エポキシ樹脂とフェノール樹脂との架橋反応の触媒であり、具体例としては、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。これらは単独でも混合して用いてもよい。
【００１４】
本発明のエポキシ樹脂組成物は、（Ａ）〜（Ｄ）成分の他、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、半導体装置の１５０〜２００℃の高温下での電気特性の安定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が、それぞれ全エポキシ樹脂組成物中に０．１重量％以下であることが好ましく、全く含まれない方がより好ましい。臭素原子、アンチモン原子のいずれかが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可能性がある。又環境保護の観点からも、臭素原子、アンチモン原子のそれぞれの含有量が０．１重量％以下で、極力含有されていないことが望ましい。
【００１５】
本発明のエポキシ樹脂組成物は、（Ａ）〜（Ｄ）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。
又、本発明のエポキシ樹脂組成物は、（Ａ）〜（Ｄ）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。
【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。

をミキサーを用いて混合した後、表面温度が９０℃と４５℃の２本ロールを用いて混練し、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。
硬化性：金型温度１７５℃、注入圧力７０ｋｇ／ｃｍ²、硬化時間２分で成形し、型開き１０秒後のバコール硬度を測定した。
熱時曲げ強度・熱時曲げ弾性率：２４０℃での曲げ強度・曲げ弾性率をＪＩＳＫ ６９１１に準じて測定した。単位はそれぞれＮ／ｍｍ² 。
難燃性：試験片（厚さ１／１６インチ）を、金型温度１７５℃、注入圧力７０ｋｇ／ｃｍ²、硬化時間２分でトランスファー成形し、ＵＬ−９４垂直試験に準じて、ΣＦ、Σmaxを求め、難燃性を評価した。
耐半田クラック性：１００ピンＬＱＦＰ（パッケージサイズは１４×１４ｍｍ、厚み１．４ｍｍ、シリコンチップのサイズは、８．０×８．０ｍｍ、リードフレームは４２アロイ製）を、金型温度１７５℃、注入圧力７０ｋｇ／ｃｍ²、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７０ｋｇ／ｃｍ²、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。
臭素原子、アンチモン原子の含有量：直径４０ｍｍ、厚さ５〜７ｍｍの成形品を金型温度１７５℃、注入圧力７０ｋｇ／ｃｍ²、硬化時間２分でトランスファー成形し、蛍光Ｘ線分析装置を用いて、全エポキシ樹脂組成物中の臭素原子、アンチモン原子の含有量を定量した。単位は重量％。
【００１８】
実施例２〜４、参考例５、６、比較例１〜３
表１の配合に従って、実施例１と同様に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に示す。
なお、実施例及び比較例で用いた他の樹脂を以下に示す。
ビフェニル型エポキシ樹脂Ｂ（融点１０５℃、エポキシ当量１９５：油化シェルエポキシ（株）・製、ＹＸ４０００）
式（６）で示されるフェノール樹脂Ｄ（軟化点８５℃、水酸基当量１８５、１５０℃での溶融粘度１．９ポイズ）
式（７）で示されるフェノール樹脂Ｅ（軟化点７１℃、水酸基当量１７０、１５０℃での溶融粘度２．１ポイズ）
【化８】

臭素化フェノールノボラック型エポキシ樹脂（軟化点８４℃、エポキシ当量２８５、臭素原子含有率３５重量％：日本化薬（株）・製、ＢＲＥＮ−Ｓ）
【００１９】
【表１】

【００２０】
【発明の効果】
本発明のエポキシ樹脂組成物は、流動性、硬化性等の成形性に優れ、硬化物の高温時における高強度と低吸湿性により、これを用いた半導体装置は基板実装時における耐半田クラック性に優れ、臭素化合物、アンチモン化合物を含まなくとも難燃性に優れ、かつ高温保管特性に優れている。

Claims (2)

1. （Ａ）式（１）で示されるエポキシ樹脂、（Ｂ）式（２ａ）で示される骨格と式（２ｂ）で示される骨格を有するフェノール樹脂を全フェノール樹脂中に２０重量％以上含むフェノール樹脂、（Ｃ）無機充填材、及び（Ｄ）硬化促進剤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あって、（Ｂ）式（２ａ）で示される骨格と式（２ｂ）で示される骨格を有するフェノール樹脂が式（３）〜（６）で示されるいずれかのフェノール樹脂であり、全エポキシ樹脂組成物中に臭素原子及びアンチモン原子が、それぞれ０．１重量％未満であり、（Ｃ）無機充填材の配合量が全エポキシ樹脂組成物中に８０〜８５重量％である半導体封止用エポキシ樹脂組成物。
   

   

   （ｎは平均値で正数）
   

   

   （Ｒは、炭素数１〜４のアルキル基で、互いに同一であっても、異なっていてもよく、Ｘは芳香族環より１個の水素を除いた残基を示す。ａは０〜３の整数、ｂは０〜４の整数）
   

   

   （ｌ、ｍは、平均値で正数）
2. 請求項１記載の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。