JP4736203B2

JP4736203B2 - 樹脂封止型半導体装置および半導体封止用エポキシ樹脂組成物

Info

Publication number: JP4736203B2
Application number: JP2001046880A
Authority: JP
Inventors: 修一新谷; 真也勝田; 淳人徳永
Original assignee: Sumitomo Bakelite Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Bakelite Co Ltd
Priority date: 2001-02-22
Filing date: 2001-02-22
Publication date: 2011-07-27
Anticipated expiration: 2021-02-22
Also published as: JP2002249640A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、成形品にボイドがなく、かつＹＡＧレーザーマーキング視認性に優れる半導体封止用エポキシ樹脂組成物と樹脂封止型半導体装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
エポキシ樹脂組成物で封止された半導体装置は、従来、熱硬化型もしくはＵＶ硬化型の特殊なインクで半導体デバイスの製造者、製造履歴等をマーキングしていたが、マーキングやその硬化に時間がかかり、更にそのインクの取扱も容易でないため、最近はレーザーマーキングを採用する電子部品メーカーが増加している。ＹＡＧまたは炭酸ガスのレーザー光の短時間照射によるエポキシ樹脂組成物の成形品表面へのマーキングは、インクによるマーキングよりも作業性に優れ、しかも短時間で終了するために、電子部品メーカーにとっては利点の多い方法である。
【０００３】
しかし、従来のエポキシ樹脂組成物を用いて封止した半導体装置の表面にレーザーマーキングした場合は、マーキングした部分とマーキングしていない部分とのコントラストが不鮮明であり、しかも印字が黄色であるために、印字の読みとりが困難であった。
【０００４】
炭酸ガスレーザーマーキングに関しては、既に効果的な着色剤が開発され、鮮明な印字が得られる樹脂組成物が上市されている。
【０００５】
一方、ＹＡＧレーザーマーキングに関しては、例えば特開平２−１２７４４９号公報によると、「カーボン含有量が９９．５重量％以上、水素含有量が０．３重量％以下であるカーボンブラック」が同目的に効果的であると記載されているが、カーボンブラックが揮散した後のマーキングコントラストが未だ不十分で、鮮明な印字は得られていない。さらに、特開２０００−１２８９６０号公報では、ＤＢＰ吸収量が８０ｍｌ／１００ｇ以上で平均粒径が２０ｎｍ以上のカーボンブラックとビフェニル型エポキシ樹脂を用いることで良好なレーザーマーキング性が得られるとされており実際その効果は認められるが、レーザーマーキング性と成形性、特に後述するボイド低減の両方の効果のある組成物は未だない。
【０００６】
一方、近年の要求項目としての半田耐熱性の向上のために封止樹脂の吸水率を低減する必要があり、そのために無機充填剤の配合量を従来以上に増加させることが良く行われる。しかし、あまり無機充填剤を多く配合すると、結果として成形時に発生する気泡によって成形時にボイドが入りやすくなる傾向にある。そのため、発生するボイドを低減するために、粘度が高い樹脂を用いたり、無機充填剤の粒度分布を変更するなど、各種の手法が試みられた。ボイドの低減に効果のあるものとして、ポリエチレンオキサイドとポリプロピレンオキサイドのブロックコポリマーをシリコーン主鎖にグラフト又はブロック共重合させた構造のシリコーンオイルの挙げられる（特公平２−３６１４８号公報）。しかし、この手法は現在の表面実装材に適用した場合、ボイド低減効果が十分には発現しなかった。さらに、これらのシリコーンオイルの添加によって、半田耐熱性の低下が引き起こされることも問題であった。また、樹脂組成物中の揮発成分の除去もボイド低減に有効な手段であることが示されているが（特公昭６１−１３８６２号公報、特公昭６１−２６１３１６号公報）、無機充填剤を多く含む樹脂組成物では、揮発成分量を単に低減するだけではボイド低減の効果は十分ではなかった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、成形品にボイドがなく、かつ優れたレーザーマーキング性を有するエポキシ樹脂組成物と、それを用いて封止したことによりボイドがなくレーザーマーキング視認性に優れる半導体装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
そこで本発明者らは、鋭意検討した結果、驚くべきことに、着色剤としてＤＢＰ吸収量が１００ｃｍ³／１００ｇ以上であるカーボンブラックと特定のエポキシ樹脂（ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂）をともに用いた場合にボイド発生が少なく、かつ非常に優れたレーザーマーキング性（２１ステップセンシティビティーガイドで４以上）が得られることを見出し、本課題の解決に至った。
【０００９】
すなわち、本発明は主として次の構成からなる。すなわち、「エポキシ樹脂（Ａ）、硬化剤（Ｂ）、無機充填剤（Ｃ）および着色剤（Ｄ）を主成分とするエポキシ樹脂組成物において、エポキシ樹脂（Ａ）として下記一般式（Ｉ）
【００１０】
【化３】

で表されるビスフェノールＦ型エポキシ樹脂（ａ１）、かつ着色剤（Ｄ）としてＤＢＰ吸収量が１００ｃｍ³／１００ｇ以上であるカーボンブラック（ｄ）を含むことを特徴とする半導体封止用エポキシ樹脂組成物。」である。
【００１１】
本発明のこれを用いた半導体装置はボイド発生がなく、かつ優れたレーザーマーキング性を示し、鮮明なマーキングを得ることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の構成を詳述する。
【００１３】
本発明におけるエポキシ樹脂組成物は、エポキシ樹脂（Ａ）、硬化剤（Ｂ）および無機充填剤（Ｃ）および着色剤（Ｄ）を主成分とするエポキシ樹脂組成物において、エポキシ樹脂（Ａ）として一般式（Ｉ）で表されるビスフェノールＦ型エポキシ樹脂（ａ１）と着色剤（Ｄ）としてＤＢＰ吸収量が１００ｃｍ³／１００ｇ以上であるカーボンブラック（ｄ）を含むことを特徴とするエポキシ樹脂組成物である。
【００１４】
本発明に用いるエポキシ樹脂（Ａ）には一般式（Ｉ）で表されるビスフェノールＦ型エポキシ樹脂（ａ１）が必須成分として含まれる。このエポキシ樹脂を用いることで目的とするボイドがなく良好なレーザーマーキング性が得られるのである。
【００１５】
【化４】

ここで、一般式（Ｉ）中、Ｒ₁〜Ｒ₈は水素原子、ハロゲン原子または炭素数１〜４の低級アルキル基であり、同一であっても異なっていてもよい。好ましい具体例としては、４，４’−ビス（２，３−エポキシプロポキシフェニル）メタン、２，４’−ビス（２，３−エポキシプロポキシフェニル）メタン、２，２’−ビス（２，３−エポキシプロポキシフェニル）メタン、３，３’，５，５’−テトラメチル−４，４’−ビス（２，３−エポキシプロポキシフェニル）メタンなどが挙げられる。
【００１６】
また、一般式（Ｉ）で表されるビスフェノールＦ型エポキシ樹脂（ａ１）はエポキシ樹脂（Ａ）中に３０重量％以上含まれることが好ましい。３０重量％以上とすることにより良好なボイド低減効果、レーザーマーキング性が得られる。
【００１７】
本発明に用いるエポキシ樹脂（Ａ）には一般式（II）で表されるビフェニル型エポキシ樹脂（ａ２）が前記ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂（ａ１）とともに含まれることが好ましい。このエポキシ樹脂（ａ２）を併用することで、さらに、目的とするボイドがなく、良好なレーザーマーキング性のエポキシ樹脂組成物硬化体が得られる。
【００１８】
【化５】

上記一般式（II）中、Ｒ₁〜Ｒ₈は水素原子、ハロゲン原子または炭素数１〜４の低級アルキル基であり、同一であっても異なっていてもよい。アルキル基の好ましい具体例としてはメチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基、イソブチル基、ｓｅｃ−ブチル基、ｔｅｒｔ−ブチル基などが挙げられる。
【００１９】
本発明に用いられるエポキシ樹脂（Ａ）は、上記（ａ１）、（ａ２）以外のエポキシ樹脂を併用してもよく、特にその種類については限定されない。例えば、クレゾールノボラック型エポキシ樹脂、フェノールノボラック型エポキシ樹脂、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、ジシクロペンタジエンフェノール型エポキシ樹脂、ナフタレン型エポキシ樹脂、脂環式エポキシ樹脂、複素環式エポキシ樹脂、スピロ環含有エポキシ樹脂およびハロゲン化エポキシ樹脂などが挙げられる。
【００２０】
本発明におけるエポキシ樹脂（Ａ）の配合量は樹脂組成物全体に対して、１．５〜１５重量％である。
【００２１】
本発明には、エポキシ樹脂（Ａ）を硬化させるために硬化剤（Ｂ）が用いられるが、特にその種類は限定されない。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、フェノールアラルキル樹脂、ビスフェノールＡやレゾルシンから合成される各種ノボラック樹脂、多価フェノール類、無水マレイン酸、無水フタル酸などの酸無水物、およびメタフェニレンジアミン、ジアミノジフェニルメタン、ジアミノジフェニルスルホンなどの芳香族ジアミンなどが挙げられ、中でもフェノールノボラック樹脂、フェノールアラルキル樹脂が好適に用いられる。
【００２２】
本発明における硬化剤（Ｂ）の配合量は樹脂組成物全体に対して、１．５〜１５重量％である。さらには、エポキシ樹脂（Ａ）と硬化剤（Ｂ）の配合比は、機械的性質等の点から、エポキシ樹脂（Ａ）に対する硬化剤（Ｂ）の化学当量比が０．５〜２．０、特に０．６〜１．５の範囲にあることが好ましい。
【００２３】
また、本発明には無機充填剤（Ｃ）が含まれる。無機充填剤としては具体例には、非晶性シリカ（溶融シリカ）、結晶性シリカ、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、アルミナ、マグネシア、酸化マグネシウム、ジルコニア、ジルコン、クレー、タルク、ケイ酸カルシウム、酸化チタン、酸化アンチモン、アスベスト、ガラス繊維などが挙げられる。好ましくはシリカ、アルミナ、ジルコニアであり、より好ましくはシリカである。無機充填剤としてこれらを単独でも２種類以上併用してもかまわない。これら無機充填剤の形状については特に限定せず、球状、破砕状、繊維状などを挙げることができるが、球状がより好ましい。形状の異なる無機充填剤の併用でもかまわない。また、無機充填剤の平均粒径は特に限定されないが、０．１〜４０μmが好ましい。
【００２４】
本発明において、無機充填剤（Ｃ）の配合量は特に限定されないが、樹脂組成物全体の７５〜９７重量％、好ましくは８０〜９７重量％である。
【００２５】
本発明には、着色剤（Ｄ）としてＤＢＰ吸収量が１００ｃｍ³／１００ｇ以上であるカーボンブラック（ｄ）が用いられる。カーボンブラックのＤＢＰ吸収量は以下の方法で求められる。すなわち、１５０±１℃で１時間乾燥した試料２０ｇをアブソープトメーターの混合室に投入し、予めリミットスイッチを所定の位置に設定した混合室の回転機を回転する。同時に、自動ビュレットからＤＢＰ（ジブチルフタレート；比重１．０４５〜１．０５０）を４ｍｌ／分の割合で添加し始める。終点近くになるとトルクが急速に増加してリミットスイッチが切れる。それまでに添加したＤＢＰ量（ｃｍ³）よりＤＢＰ吸収量（ｃｍ³／１００ｇ）を次式により求める。
ＤＢＰ吸収量＝ＤＢＰ量／試料量×１００
【００２６】
ＤＢＰ吸収量が１００ｃｍ³／１００ｇ未満のカーボンブラックでは満足なレーザーマーキング性が得られず、さらにボイド低減に大きな効果を発揮しない。１００ｃｍ³／１００ｇ以上のカーボンブラック（ｄ）を用いることにより、満足なレーザーマーキング性が得られ、ボイド低減に効果を発揮するのである。１００ｃｍ³／１００ｇ以上のものであればこれらに対し十分な効果が得られるが、より十分な効果を得るためにはＤＢＰ吸収量が１１０ｃｍ³／１００ｇ以上のカーボンブラック、さらに好ましくはＤＢＰ吸収量が１２０ｃｍ³／１００ｇ以上のカーボンブラックを用いるのがよい。
【００２７】
本発明においてカーボンブラック（ｄ）の平均粒径、比表面積やｐＨは、ＤＢＰ吸収量が１００ｃｍ³／１００ｇ以上であれば特に限定されない。カーボンブラック（ｄ）のＤＢＰ吸収量は１００ｃｍ³／１００ｇ以上であればレーザーマーキング性向上やボイド低減に有効であるが、好ましくは１１０ｃｍ³／１００ｇ以上、より好ましくは１２０ｃｍ³／１００ｇ以上がさらに有効である。
【００２８】
また、カーボンブラック（ｄ）の樹脂組成物全体に対する配合量は特に限定されない。通常、その配合量は０．０５〜３．０重量％であるが、ボイド発生がなく、かつより良いレーザーマーキング性を得るためには、好ましくは０．１〜２．０重量％、より好ましくは０．２〜１．０重量％がよい。
【００２９】
そしてカーボンブラック（ｄ）としては熱分解法、不完全燃焼法等の公知の方法で製造されるいずれのカーボンブラックでもよく、ＤＢＰ吸収量が１００ｃｍ³／１００ｇ以上であればその製造方法には特に限定されない。
【００３０】
本発明にはエポキシ樹脂と硬化剤の反応を促進する硬化促進剤を用いてもよい。硬化促進剤はエポキシ樹脂と硬化剤との硬化反応を促進するものであればその種類は特に限定されない。具体的には、各種イミダゾール化合物、各種アミン化合物、各種有機金属化合物、各種有機ホスフィン化合物などが好ましく用いられる。これらの硬化促進剤は用途に応じて２種類以上を併用してもよく、その添加量はエポキシ樹脂（Ａ）１００重量部に対して０．１〜１０重量部の範囲が望ましい。
【００３１】
さらに本発明には、エラストマ、各種カップリング剤、ハロゲン化エポキシ樹脂などのハロゲン化物やリンなどの難燃剤、アンチモン化合物などの難燃助剤、カーボンブラック以外の各種着色剤、長鎖脂肪酸アミドなどの各種離型剤など、各種添加剤を任意に配合できる。
【００３２】
本発明のエポキシ樹脂組成物の製造方法としては、溶融混練することが好ましい。例えば、バンバリーミキサー、ニーダー、ロール、単軸もしくは二軸の押出機およびコニーダーなどの公知の混練方法を用いて溶融混練後、固化、粉砕し、必要に応じてタブレット化またはペレット化することにより製造される。
【００３３】
そして、これらタブレット、ペレットや粉末状の樹脂組成物を用いて、例えばトランスファ成形などの公知の成形手段によって半導体素子を封止することにより半導体装置が得られる。このようにして得られた半導体装置は、これまで述べてきたように半導体素子を封止した硬化体にボイドが少なく、レーザーマーキング性に優れた半導体装置である。
【００３４】
【実施例】
以下、実施例に基づいて本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されない。
【００３５】
[実施例１〜１０、１４、１７〜１９、参考例１１〜１３、１５、１６、比較例１〜６]
＜エポキシ樹脂組成物の調製＞表１に示した原料を、表２〜４に示した組成比（重量比）で配合し、ミキサーによりブレンドした。これらの混合物を２軸押出機を用いて９０℃で溶融混練したのち、冷却、粉砕してエポキシ樹脂組成物を得た。
【００３６】
【表１】

【００３７】
【表２】

【００３８】
【表３】

【００３９】
【表４】

【００４０】
＜評価用サンプルの作成＞
樹脂組成物の粉末をタブレット状に圧縮成形したのち（タブレットの充填率が９５．０〜９８．５％）、トランスファ成形機を用いて１６０ピンＱＦＰ（ＱｕａｄＦｌａｔＰａｃｋａｇｅ）（外形寸法：２４ｍｍ×２４ｍｍ×３．４ｍｍｔ）を成形温度１７５℃、注入時間７秒、成形圧力９．８ＭＰａ、成形時間２分の条件で成形し、さらにこれを１７５℃、１０時間の条件で後硬化させ半導体装置を得た。
【００４１】
＜レーザーマーキング視認性の評価＞
得られた半導体装置の硬化体表面に（株）キーエンス製ＹＡＧレーザー”マーカーＭＹ９５００”を用いてレーザー波長１．０６μｍ、レーザー出力１４Ａ（アンペア）で、字幅０．９ｍｍ、字の太さ０．１ｍｍでマーキングした。
【００４２】
視認性の評価はＳＴＯＵＦＦＥＲＧＲＡＰＨＩＣＡＲＴＳＥＱＵＩＰＭＥＮＴＣＯ．製の２１ステップセンシティビティーガイド（１〜２１の黒味の異なるフィルムによる視認性の評価。数字が大きいほど視認性が良い。光学濃度Ｄはステップ１で０．０５、ステップ２で０．２０、ステップ３で０．３５、ステップ４で０．４９、ステップ５で０．６４、ステップ６で０．７９、ステップ７で０．９３、以下ステップ２１まで続く。ここで光学濃度Ｄは、入射光強度をＩ₀（ｍＪ／ｃｍ²）、透過または反射光の強度をＩ（ｍＪ／ｃｍ²）とすると式（III）のように定義される。
光学濃度Ｄ＝ｌｏｇ₁₀（Ｉ₀／Ｉ）・・・（III）
）を用いて行った。
【００４３】
半導体装置の硬化体表面の印字部分に２１ステップセンシティビティーガイドを合わせるように載せ、印字部分が読めなくなる時の２１ステップセンシティビティーガイドの指示値を測定した。
【００４４】
＜ボイドの評価＞
外部ボイド：１６０ｐｉｎＱＦＰを１６個、上記条件で成形し、パッケージ表面にある外部ボイドの数を光学顕微鏡（倍率は１０倍）観察した。観察された外部ボイドの合計数（１６個のパッケージでの合計数）により、次の５段階で評価した。
Ａ：０〜１（個／１６パッケージ）
Ｂ：２〜５（個／１６パッケージ）
Ｃ：６〜１０（個／１６パッケージ）
Ｄ：１１〜１５（個／１６パッケージ）
Ｅ：１６以上（個／１６パッケージ）
【００４５】
内部ボイド：１６０ｐｉｎＱＦＰを４個を上記条件で成形し、パッケージ内部にある内部ボイドを超音波探傷機により観察した。各パッケージで観察された内部ボイドの数（個／パッケージ）の平均値により、次の５段階で評価した。
Ａ：０〜１０（個／パッケージ）
Ｂ：１１〜２０（個／パッケージ）
Ｃ：２１〜３０（個／パッケージ）
Ｄ：３１〜４０（個／パッケージ）
Ｅ：４１以上（個／パッケージ）
【００４６】
＜評価結果＞
評価結果を表５に示す。
【００４７】
【表５】

【００４８】
表５の実施例１〜１９にみられるように、ＤＢＰ吸収量が１００ｃｍ³／１００ｇ以上のカーボンブラックとビスフェノールＦ型エポキシ樹脂をともに用いたエポキシ樹脂組成物で封止された半導体装置はボイド発生が少なく、かつレーザーマーキング視認性に優れていることがわかる。一方、比較例１〜６にみられるように、ＤＢＰ吸収量が１００ｃｍ³／１００ｇ未満のカーボンブラックを用いたエポキシ樹脂組成物で封止された半導体装置やビスフェノールＦ型エポキシ樹脂を用いないエポキシ樹脂組成物で封止された半導体装置はボイド発生が多く、レーザーマーキング視認性にも劣っている。
【００４９】
【発明の効果】
本発明は、成形品にボイドがなく、かつＹＡＧレーザーマーキング性に優れる半導体封止用エポキシ樹脂組成物およびそれを用いて封止した半導体装置を提供することができる。

Claims

エポキシ樹脂（Ａ）、硬化剤（Ｂ）、無機充填剤（Ｃ）および着色剤（Ｄ）を主成分とするエポキシ樹脂組成物において、無機充填剤（Ｃ）が非晶性シリカ、溶融シリカ、結晶性シリカ、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、アルミナ、マグネシア、酸化マグネシウム、ジルコニア、ジルコン、クレー、タルク、ケイ酸カルシウム、酸化チタン、酸化アンチモン、アスベスト、又はガラス繊維であり、無機充填剤（Ｃ）の配合量が７５〜８７重量％であり、エポキシ樹脂（Ａ）として下記一般式（Ｉ）で表されるビスフェノールＦ型エポキシ樹脂（ａ１）、かつ着色剤（Ｄ）としてＤＢＰ吸収量が１４０ｃｍ³／１００ｇ以上で１７５ｃｍ ³ ／１００ｇ以下であるカーボンブラック（ｄ）を含むことを特徴とする半導体封止用エポキシ樹脂組成物。
エポキシ樹脂（Ａ）中に一般式（Ｉ）で表されるビスフェノールＦ型エポキシ樹脂（ａ１）が３０重量％以上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。
エポキシ樹脂（Ａ）として、一般式（Ｉ）で表されるビスフェノールＦ型エポキシ樹脂(ａ１）と下記一般式（II）で表されるビフェニル型エポキシ樹脂（ａ２）をともに含有することを特徴とする請求項１または２いずれかに記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成物。
印字部分のマーキング視認性が２１ステップセンシティビティーガイドを用いた評価で６以上となることを特徴とする請求項１〜３いずれか一項に記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成物。
請求項１〜４いずれか一項に記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成物で封止してなる樹脂封止型半導体装置。