JP4654550B2

JP4654550B2 - エポキシ樹脂組成物及び半導体装置

Info

Publication number: JP4654550B2
Application number: JP2001254839A
Authority: JP
Inventors: 大介廣兼
Original assignee: Sumitomo Bakelite Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Bakelite Co Ltd
Priority date: 2001-08-24
Filing date: 2001-08-24
Publication date: 2011-03-23
Anticipated expiration: 2021-08-24
Also published as: JP2003064159A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、離型性、連続成形性に優れた半導体封止用エポキシ樹脂組成物及び耐半田クラック性に優れた半導体装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電子機器の高度化、軽薄短小化が求められる中、半導体素子の高集積化、表面実装化が進んでいる。これに伴い半導体封止用エポキシ樹脂組成物への要求は益々厳しくなっているのが現状である。特に半導体装置の薄型化に際しては、金型とエポキシ樹脂組成物の硬化物との間の離型不足に伴う応力の発生により、半導体装置内部の半導体素子自体にクラックを生じたり、硬化物と半導体素子との界面における密着性を低下させるといった問題が生じている。又環境問題に端を発した半田の脱鉛化による半田リフロー温度の上昇に伴い、半導体装置中に含まれる水分の気化によって発生する爆発的な応力による耐半田クラック性が、以前にもまして大きな問題となってきている。
【０００３】
耐半田クラック性を向上させるための種々の提案がされている。例えば一般式（１）で示されるエポキシ樹脂と一般式（２）で示されるフェノール樹脂を用いたエポキシ樹脂組成物が提案されており、この樹脂系は、その骨格中に疎水性の構造を多く含むことから硬化物の吸水率が低く、又架橋密度が低いためガラス転移温度以上の高温域での弾性率が小さい特徴を有し、このエポキシ樹脂組成物の硬化物は低吸水率を示し、半田リフロー時における水分の気化による爆発的な応力を低減でき、又熱時に低弾性率であることから半田リフロー時に発生する熱応力が小さくなり、結果として耐半田クラック性に優れる特性を有しているが、この樹脂系は、疎水部を多く含むために金属部材との密着性に劣り、従来の離型剤を用いた場合、更に密着力が低下し耐半田クラック性の悪化を引き起こすといった問題がある。このため上記エポキシ樹脂組成物の硬化物と金属部材との密着力を損ねることなく、離型性に優れた新規の離型剤の開発が求められている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、低吸水、低応力の特性を有する樹脂成分と特定の離型剤を用い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であり、半導体装置の成形時の離型性、連続成形性に優れ、かつ耐半田クラック性に優れ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、
［１］（Ａ）一般式（１）で示されるエポキシ樹脂を全エポキシ樹脂中に５０〜１００重量％、（Ｂ）一般式（２）で示されるフェノール樹脂を全フェノール樹脂中に５０〜１００重量％、（Ｃ）硬化促進剤、（Ｄ）無機質充填材及び（Ｅ）酸化アルファオレフィンとエタノールアミンとの反応物及び／又は酸化アルファオレフィンとイソシアネートとの反応物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、
【０００６】
【化３】

（Ｒは、水素原子又は炭素数１〜４のアルキル基から選択される基であり、互いに同一であっても、異なっていてもよい。ｎは、平均値で１〜３の正数）
【０００７】
【化４】

（Ｒは、水素原子又は炭素数１〜４のアルキル基から選択される基であり、互いに同一であっても、異なっていてもよい。ｎは、平均値で１〜３の正数）
【０００８】
［２］酸化アルファオレフィンが、炭素数２０〜７０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］酸化アルファオレフィンとエタノールアミンとの反応物及び／又は酸化アルファオレフィンとイソシアネートとの反応物が、全エポキシ樹脂組成物中０．０２〜０．５重量％である第［１］項又は［２］項記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成物、
［４］第［１］項、［２］項又は［３］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。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明で用いられる一般式（１）で示されるエポキシ樹脂は、樹脂骨格中に疎水性の構造を多く含むことから硬化物の吸水率が低く、又架橋密度が低いため、ガラス転移温度以上の高温域での弾性率が小さいといった特徴を有する。そのための樹脂を用いた半導体封止用エポキシ樹脂組成物の硬化物は低吸水率を示し、半田リフロー時における水分の気化による爆発的な応力を低減できる。又熱時に低弾性率であることから半田リフロー時に発生する熱応力が小さくなり、結果として耐半田クラック性に優れる。
一般式（１）で示されるエポキシ樹脂の低吸水率、低弾性率、低熱応力等の特徴を最大限発現させるには、一般式（１）で示されるエポキシ樹脂を全エポキシ樹脂中に５０重量％以上含む必要がある。併用する場合の他の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（フェニレン骨格を含む）型エポキシ樹脂、ナフトール型エポキシ樹脂、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あり、これらは単独でも混合して用いてもよい。一般式（１）で示されるエポキシ樹脂の具体例を以下に示すが、これらに限定されるものではない。
【００１０】
【化５】

（ｎは、平均値で１〜３の正数）
【００１１】
本発明で用いられる一般式（２）で示されるフェノール樹脂は、樹脂骨格中に疎水性の構造を多く含むことから硬化物の吸水率が低く、又架橋密度が低いため、ガラス転移温度以上の高温域での弾性率が小さいといった特徴を有する。そのためこの樹脂を用いた半導体封止用エポキシ樹脂組成物の硬化物は低吸水率を示し、半田リフロー時における水分の気化による爆発的な応力を低減できる。又熱時に低弾性率であることから半田リフロー時に発生する熱応力が小さくなり、結果として耐半田クラック性に優れる。
一般式（２）で示されるフェノール樹脂の低吸水率、低弾性率、低熱応力等の特徴を最大限発現させるには、一般式（２）で示されるフェノール樹脂を全フェノール樹脂中に５０重量％以上含む必要がある。併用する場合の他の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、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、フェノールアラルキル樹脂、ナフトールアラルキル樹脂等があり、これらは単独でも混合して用いてもよい。一般式（１）で示されるエポキシ樹脂の具体例を以下に示すが、これらに限定されるものではない。本発明に用いられる全エポキシ樹脂のエポキシ基と全フェノール樹脂のフェノール性水酸基の当量比としては、好ましくは０．５〜２であり、特に０．７〜１．５が望ましい。０．５〜２を外れると耐湿性、硬化性等が低下するので好ましくない。
【００１２】
【化６】

（ｎは、平均値で１〜３の正数）
【００１３】
本発明で用いられる硬化促進剤としては、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。
【００１４】
本発明で用いられる無機質充填材としては、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。無機質充填材の配合量を特に多くする場合は、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、か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。
【００１５】
本発明で用いられる酸化アルファオレフィンとエタノールアミンとの反応物又は酸化アルファオレフィンとイソシアネートとの反応物は、石油留分から得られるアルファオレフィンを酸化して得られるカルボキシル基や水酸基を有する酸化アルファオレフィンとエタノールアミン又はイソシアネートとを反応させて得られる。
一般的にアルファオレフィンは、エポキシ樹脂やフェノール樹脂との相溶性に乏しいため、過度に染み出すことで金型汚れを引き起こすという欠点を有している。
これに対し酸化アルファオレフィンは、エポキシ樹脂やフェノール樹脂と適度に相溶することで、金型汚れを引き起こすことなく良好な離型性を示す。しかしながら酸化アルファオレフィンは、長時間高温にさらされることにより一部が熱分解し徐々に離型性を低下させるという欠点がある。
本発明の酸化アルファオレフィンとエタノールアミンとの反応物又はイソシアネートとの反応物を用いると高温での熱分解を抑えることができ、金型を高温で長時間放置しても優れた離型性を維持することができるという特徴がある。
本発明で用いられる酸化アルファオレフィンの炭素数としては２０〜７０、更に好ましくは４０〜６０が望ましい。炭素数が２０未満の場合、エポキシ樹脂やフェノール樹脂と相溶しすぎることで十分な離型性が得られないおそれがあり、一方炭素数が７０を越えるとエポキシ樹脂やフェノール樹脂との相溶性に乏しく、過度に金型に染み出すことで金型汚れを引き起こすことがある。なお本発明で用いる酸化アルファオレフィンの炭素数とは、分子中に含まれる全ての炭素の数を言う。
【００１６】
酸化アルファオレフィンとエタノールアミンとの反応物のアミン化又は酸化アルファオレフィンとイソシアネートとの反応物のウレタン化の割合は、特に限定するものではないが、得られる離型剤中の窒素分としては０．３〜５重量％の含有率が望ましい。アミン化又はウレタン化部分が多過ぎると、離型剤自体の粘度が上昇し材料化が困難になるおそれがあり好ましくない。
酸化アルファオレフィンとエタノールアミンとの反応物又は酸化アルファオレフィンとイソシアネートとの反応物の添加量としては、全エポキシ樹脂組成物中に０．０２〜０．５重量％が好ましい。０．０２重量％未満の場合では十分な離型性が得られないおそれがあり、０．５重量％を越えると成形時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に移行するため、密着性を著しく損ない耐湿性を低下させ、その結果として耐半田クラック性に悪影響を及ぼす。更に過度に染み出すことで金型汚れが発生するおそれがあるので好ましくない。
【００１７】
エタノールアミン反応物は酸化アルファオレフィンの水酸基或いはカルボキシル基とをエタノールアミンと反応させアミン化させて得られ、一方イソシアネート反応物は酸化アルファオレフィンの水酸基或いはカルボキシル基とをメチレンジイソシアネート、トルエンジイソシアネート等のイソシアネート類と反応させウレタン化させて得られる。これらのものは、東洋ペトロライト（株）より市販されており市場より容易に入手できる。
酸化アルファオレフィンとエタノールアミンとの反応物と酸化アルファオレフィンとイソシアネートとの反応物は単独でも併用してもよく、又前記離型剤の特性を損なわない範囲で他の離型剤と併用してもよい。併用できる離型剤としては、例えばカルナバワックス等の天然ワックス、ポリエチレンワックス等の合成ワックス、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る。
【００１８】
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カップリング剤、臭素化エポキシ樹脂、三酸化アンチモン、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。
【００１９】
【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
式（３）のエポキシ樹脂（軟化点５８℃、エポキシ当量２７４）８．２重量部
式（５）のフェノール樹脂（軟化点６７℃、水酸基当量２０３）６．０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
球状溶融シリカ８５．０重量部
化合物１０．３重量部
カーボンブラック０．３重量部
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。なお化合物１は、酸化アルファオレフィン（炭素数５０）とエタノールアミンとの反応物と、酸化アルファオレフィン（炭素数５０）とトルエンジイソシアネートとの反応物との重量比１：１の混合物（融点７５℃、酸価２、鹸化価３０）である。
【００２０】
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６．９ＭＰａ、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９．３ＭＰａ、硬化時間１分で１６０ｐＱＦＰ（２４×２４×１．４ｍｍ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、硬化物に割れ・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。
連続成形性：トランスファー成形機を用いて、金型温度１７５℃、注入圧力９．３ＭＰａ硬化時間１分で１６０ｐＱＦＰ（２４×２４×１．４ｍｍ厚さ）を連続で成形した。カル落ち、パッケージ欠け等の成形不良が発生した時の成形ショット数を示した。
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９．３ＭＰａ、硬化時間１分で１６０ｐＱＦＰ（２４×２４×１．４ｍｍ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２６０℃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、［（剥離発生パッケージ数）／（全パッケージ数）×１００］］を求め、０％のものを○、２０％未満のものを△、２０％以上のものを×とした。ｎ＝１０個。
【００２１】
実施例２〜５、比較例１〜５
実施例１以外に用いた各成分は、以下の通りである。
ビフェニル型エポキシ樹脂（ジャパンエポキシレジン（株）、ＹＸ−４０００ＨＫ、軟化点１０５℃、エポキシ当量１９１）、フェノールアラルキル樹脂（三井化学（株）ＸＬＣ−ＬＬ、軟化点７５℃）、化合物２、ステアリン酸亜鉛、酸化ポリエチレン（融点９４℃、酸価１０、鹸化価２０）、カルナバワックス。
なお化合物２は、酸化アルファオレフィン（炭素数５０）とトルエンジイソシアネートとの反応物（融点９０℃、酸価１２、鹸化価４０）である。
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、実施例１と同様にして評価した。結果を表１、表２に示す。
【００２２】
【表１】

【００２３】
【表２】

【００２４】
【発明の効果】
本発明のエポキシ樹脂組成物は、離型性、耐半田クラック性に優れた特性を有しており、これを用いて半導体素子を成形封止する時の離型性、連続成形性に優れ、かつ耐半田クラック性に優れた半導体装置を得ることができる。

Claims

（Ａ）一般式（１）で示されるエポキシ樹脂を全エポキシ樹脂中に５０〜１００重量％、（Ｂ）一般式（２）で示されるフェノール樹脂を全フェノール樹脂中に５０〜１００重量％、（Ｃ）硬化促進剤、（Ｄ）無機質充填材及び（Ｅ）酸化アルファオレフィンとエタノールアミンとの反応物及び／又は酸化アルファオレフィンとイソシアネートとの反応物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。

（Ｒは、水素原子又は炭素数１〜４のアルキル基から選択される基であり、互いに同一であっても、異なっていてもよい。ｎは、平均値で１〜３の正数）

（Ｒは、水素原子又は炭素数１〜４のアルキル基から選択される基であり、互いに同一であっても、異なっていてもよい。ｎは、平均値で１〜３の正数）
酸化アルファオレフィンが、炭素数２０〜７０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。
酸化アルファオレフィンとエタノールアミンとの反応物及び／又は酸化アルファオレフィンとイソシアネートとの反応物が、全エポキシ樹脂組成物中０．０２〜０．５重量％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。
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。