JP4774784B2 - エポキシ樹脂組成物及び半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、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り、特に高温保管性、高温動作特性、耐湿信頼性に優れた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。

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中には、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要求されている。
また、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、半導体装置の信頼性という観点からも、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ても難燃グレードが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。
特に自動車用に使用される半導体装置では、エンジンルーム内、或いは車体内の過酷な高温環境下での動作保証が要求され、高温保管下に加えて高温動作下での信頼性が要求される。高温保管下における信頼性低下を改善するために、エポキシ樹脂組成物中の不純物を極力低減させたり、イオンキャッチャーを添加したり、或いは臭素、酸化アンチモン類といった難燃剤を根本的に含まない樹脂系を採用したりすることなどによって高温保管下における信頼性を維持させる手法が提案されている（例えば、特許文献１、２参照。）。しかし、これらの手法ではイオン性不純物の低減化と高温保管特性（以下、ＨＴＳＬとも称する。）の向上はできるものの、素子の実働状態、すなわち、高温動作時の特性（以下、ＨＴＯＬとも称する。）としては必ずしも満足できる手法ではなかった。
更にパッケージの小型化に伴うワイヤー接続ピッチの矮小化、ワイヤー自体の細線化、回路の微細化により、湿度雰囲気下での回路腐食の問題が顕在化しつつある。
以上の点から、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、高温保管特性、高温動作特性、耐湿信頼性に優れたエポキシ樹脂組成物が求められている。

特開２００４−０３５７８１号公報（第２〜２０頁） 特開２０００−２３０１１１号公報（第２〜６頁）

本発明は、従来の上述のような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、高温保管特性、高温動作特性及び耐湿信頼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。

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）ゼオラ
イト及び（Ｅ）前記ゼオライトを除く無機充填材を必須成分として含むエポキシ樹脂組成物（赤燐の表面を水酸化アルミニウムで被覆した後、更にその表面をフェノール樹脂で被覆した赤燐系難燃剤を含む場合を除く）において、前記ゼオライトの平均粒径が２μｍ以上、３０μｍ以下、平均細孔径が３Å以上、１０Å以下であり、前記ゼオライトの全エポキシ樹脂組成物中に対する含有率が０．０５重量％以上、１重量％以下であり、かつ、臭素原子及びアンチモン原子の全エポキシ樹脂組成物中に対する含有率がともに０．１重量％未満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。
［２］ 前記ゼオライトが合成ゼオライト及び／又は人工ゼオライトである第［１］項に
記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成物、
［３］ 前記［１］又は［２］項に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。

本発明に従うと、高温保管特性、耐湿信頼性に優れ、更に従来では達成できなかった高いレベルの高温動作特性を有する半導体装置が得られるため、特に高温動作特性が必要とされる半導体装置の製造に好適に用いることができる。

本発明は、ゼオライトを必須成分として含み、ハロゲン系難燃剤、及びアンチモン化合物を実質的に含まないことにより、高温保管特性、高温動作特性及び耐湿信頼性に優れる半導体装置が得られる半導体封止用エポキシ樹脂組成物を提供するものである。
以下、本発明について詳細に説明する。

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、ナフトール型エポキシ樹脂、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、ビ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２種類以上併用して用いても差し支えない。これらの内では特に、ビフェニル型エポキシ樹脂やフェノールアラルキル型エポキシ樹脂等が好ましい。

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、ビフェニレン骨格等を有する）、ナフトールアラルキル樹脂（フェニレン骨格、ビ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２種類以上併用して用いても差し支えない。これらの内では特に、フェノ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、フェノールアラルキル樹脂、ナフトールアラルキル樹脂、テルペン変性フェノール樹脂等が好ましい。
エポキシ樹脂とフェノール樹脂の配合量としては、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で０．８以上、１．３以下が好ましい。

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２種類以上併用して用いても差し支えない。

本発明に用いるゼオライトは半導体封止材用として用いられるために、耐熱性、低不純物、耐薬品性に優れたものが好ましく、合成ゼオライト及び又は人工ゼオライトであることがより好ましい。ゼオライトは樹脂組成物中で吸着体として作用し、塩素などの微量の不純物を吸着し、耐湿信頼性を向上させる効果を示すものである。更に、ゼオライトを配合した樹脂組成物は、金線接合部の腐食を抑え、高温保管特性と、高温動作特性を向上させる効果をも示すものである。
前記合成ゼオライトとは、工業的に合成されたゼオライトであり、不純物が少なく、さまざまな粒径や細孔面積に調整することが容易であるという特徴がある。また、前記人工ゼオライトとは、火力発電で副産物として出来る、主に石灰石を主成分とするフライアッシュを原料として、アルカリ処理により合成したものである。不純物が少なく、さまざまな粒径や細孔面積に調整することが容易であるという合成ゼオライトと同様の特徴に加え、特に吸湿性に大きく影響する比表面積の小さなものが得られるという利点に、更に廃棄物の有効利用、低コストといった特徴もある。
本発明で使用するゼオライトの平均粒径は、２μｍ以上、３０μｍ以下であることが好ましい。この範囲より小さいものは樹脂組成物の粘度が上昇し、加工性が低下する恐れがある。また、この範囲よりも大きいものは、ＨＴＳＬやＨＴＯＬ特性は十分であるが、粒子自体が吸水することで膨潤し、耐湿信頼性の低下が起こる恐れがある。
また、ゼオライトの平均細孔径は、特に限定するものではないが、３Å以上、１０Å以下であることが好ましい。この範囲より小さいものでは組成物中の不純物を十分に吸着できず、耐湿性が向上しない恐れがある。また、この範囲よりも大きすぎる場合は、不純物は吸着するものの、高温化で容易に放出してしまい、ＨＴＳＬやＨＴＯＬといった高温化での特性低下が起こる恐れがある。

本発明に用いるゼオライトの含有量としては、全エポキシ樹脂組成物中に０．０５重量％以上、１重量％以下であり、０．１重量％以上、０．８重量％以下が好ましく、更に好ましくは０．１重量％以上、０．５重量％以下である。下限値を下回ると吸着能が十分でないため、腐食防止効果が不足し耐湿性が低下する可能性がある。また、上限値を越えると流動性や硬化性等の成形性、及び耐半田クラック性が低下する可能性がある。

本発明に用いる前記ゼオライトを除く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使用することができる。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２種類以上併用して用いても差し支えない。特に、溶融シリカが好ましい。
前記ゼオライトを除く無機充填材の含有量としては、成形性と耐半田クラック性のバランスから、全エポキシ樹脂組成物中に６０重量％以上、９５重量％以下が好ましく、更に好ましくは７０重量％以上、９０重量％以下である。下限値を下回ると吸水率の上昇に伴い耐半田クラック性が低下する可能性がある。また、上限値を越えるとワイヤースィープ及びパッドシフト等の問題が生じる可能性がある。

ゼオライトと無機充填材との合計量としては、成形性と耐半田クラック性のバランスから、全エポキシ樹脂組成物中に６０重量％以上、９５重量％以下が好ましい。下限値を下回ると吸水率の上昇に伴う耐半田クラック性が低下する可能性がある。また、上限値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る可能性がある。

本発明のエポキシ樹脂組成物は、臭素原子、アンチモン原子の含有量が、ともに全エポキシ樹脂組成物中に０．１重量％未満であることが必須であり、完全に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上限値を超えると、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。また、環境保護の観点からも、臭素原子、アンチモン原子の含有量がともに０．１重量％未満で極力含有されていないことが望ましい。

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、シランカップリング剤等のカップリング剤等、の種々の添加剤を適宜配合しても差し支えない。
また、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。

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（ジャパンエポキシレジン（株）製 ＹＸ−４０００Ｋ、エポキシ当量１８５、融点１０５℃） ５．６５重量部
フェノールアラルキル樹脂２（三井化学（株）製ＸＬ−２２５、軟化点７９℃、水酸基当量１７４） ５．３５重量部
トリフェニルホスフィン ０．２０重量部
ゼオライト１（天然ゼオライト 日東粉化工業（株）製、ＳＰ＃６００、平均粒径２μｍ、平均細孔径５Å） ０．５０重量部
溶融球状シリカ（平均粒径２８μｍ、比表面積１．２ｍｍ^２／ｇ）
８７．５０重量部
カーボンブラック ０．３０重量部
カルナバワックス ０．２０重量部
γ−グリシジルプロピルトリメトキシシラン ０．３０重量部
上記の全成分を、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。

評価方法
臭素原子、アンチモン原子含有量：圧力５．９ＭＰａで直径４０ｍｍ、厚さ５〜７ｍｍに圧縮成形し、得られた成形品を、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％。

スパイラルフロー：トランスファー成形機を用いて、ＥＭＭＩ−１−６６に準じたスパイラルフロー測定用金型に、金型温度１７５℃、注入圧力６．９ＭＰａ、硬化時間１２０秒の条件でエポキシ樹脂組成物を注入し、流動長を測定した。単位はｃｍ。

ガラス転移温度（Ｔｇ）：トランスファー成形機を用いて、金型温度１７５℃、注入圧力９．８ＭＰａ、硬化時間１８０秒で、１０ｍｍ×４ｍｍ×４ｍｍの試験片を成形し、ポストキュアとして１７５℃で８時間加熱処理した後、昇温速度５℃／分でＴＭＡ分析した。得られたＴＭＡ曲線の６０℃、及び２４０℃の接線の交点温度を読み取り、この温度をガラス転移温度とした。測定にはセイコーインスツルメンツ（株）製ＴＭＡ−１００を用いた。単位は、℃。

曲げ強さ、曲げ弾性率：トランスファー成形機を用いて、金型温度１７５℃、圧力９．８ＭＰａ、硬化時間１２０秒で、長さ８０ｍｍ、幅１０ｍｍ、厚さ４ｍｍの試験片を成形し、ポストキュアとして１７５℃で８時間加熱処理した後、２６０℃での曲げ強さ、曲げ弾性率をＪＩＳ Ｋ ６９１１に準じて測定した。単位は、いずれもＭＰａ。

耐半田性：低圧トランスファー成形機を用いて、金型温度１７５℃、注入圧力８．３ＭＰａ、硬化時間１２０秒で、１６０ピンＬＱＦＰ（パッケージサイズは２４×２４ｍｍ、厚み１．４ｍｍ、シリコンチップサイズは７．０×７．０ｍｍ、リードフレームは銅素材に銅のフラッシュメッキを施したものを用いた）を成形し、１７５℃、８時間で後硬化させた。得られたパッケージを８５℃、相対湿度８５％の環境下で７２時間（２０ヶ）、並びに１６８時間（２０ヶ）加湿処理し、その後２６０℃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［（クラック発生率）＝（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。

耐湿信頼性：トランスファー成形機を用いて、金型温度１７５℃、注入圧力９．８ＭＰａ、硬化時間１２０秒で、１６ｐＤＩＰ（チップサイズ３．０ｍｍ×３．５ｍｍ）を成形し、ポストキュアとして１７５℃で８時間加熱処理した後、プレッシャークッカー試験（１２５℃、圧力２．２×１０^５Ｐａ、５００時間）を行い、回路のオープン不良を測定した。１５個のパッケージ中の不良個数を示す。

高温保管特性：トランスファー成形機を用いて、金型温度１７５℃、圧力９．８ＭＰａ、硬化時間２分で、１６ｐＳＯＰ（チップサイズ３．５ｍｍ×３．５ｍｍ）を成形し、１７５℃、８時間で後硬化した後、高温保管試験（１８５℃）を行い、配線間の電気抵抗値が初期値に対し２０％増加したパッケージを不良と判定し、不良になるまでの時間を測定した。不良時間はｎ＝４ヶの平均値。単位は時間。

高温動作特性：トランスファー成形機を用いて、金型温度１７５℃、圧力９．８ＭＰａ、硬化時間２分で、１６ｐＳＯＰ（チップサイズ３．５ｍｍ×３．５ｍｍ）を成形し、１７５℃、８時間で後硬化した後、デイジーチェーンにつないだ両端に０．５Ａの直流電流を流す。この状態で１８５℃での高温保管を行い、配線間の電気抵抗値が初期値に対し２０％増加したパッケージを不良と判定し、不良になるまでの時間を測定した。不良時間はｎ＝４ヶの平均値。単位は時間。

実施例２〜５、比較例１〜７
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。

実施例１以外で用いた成分について、以下に示す。
オルソクレゾールノボラック型エポキシ樹脂：日本化薬（株）製、ＥＯＣＮ−１０２０−６２、軟化点６２℃、水酸基当量１９８

アラルキル型エポキシ樹脂：式（１）に示すエポキシ樹脂、軟化点５８℃、エポキシ当量２７２

ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂：大日本インキ工業（株）製、ＨＰ−７２００、軟化点６０℃、水酸基当量２６３
Ｂｒ化エポキシ樹脂：日本化薬（株）製、ＢＲＥＮ−Ｓ、軟化点８４℃、水酸基当量２７３
フェノールノボラック型樹脂：軟化点８０℃、水酸基当量１０４

フェノールアラルキル樹脂１：式（２）に示すフェノール樹脂、軟化点７３℃、水酸基当量２００

ＤＢＵ：１，８−ジアザビシクロ（５，４，０）ウンデセン−７
ゼオライト２（合成ゼオライト、東ソー（株）製、トヨビルダー粉末、平均粒径３μｍ、平均細孔径４Å）
ゼオライト３（人工ゼオライト、前田建設工業（株）製、ｆＡゼオライトｃａ、平均粒径２０μｍ、平均細孔径８Å）
ゼオライト４（合成ゼオライト、東ソー（株）製、ゼオラムＦ９粉末、平均粒径５０μｍ、平均細孔径１０Å）

本発明によると、高温保管特性、高温動作特性及び耐湿信頼性に優れた半導体装置が得られるため、本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物は、車載用等の、特に高温環境下での動作保証が要求される半導体装置用に好適に用いることができる。

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）ゼオライト及び（Ｅ）前記ゼオライトを除く無機充填材を必須成分として含むエポキシ樹脂組成物（赤燐の表面を水酸化アルミニウムで被覆した後、更にその表面をフェノール樹脂で被覆した赤燐系難燃剤を含む場合を除く）において、前記ゼオライトの平均粒径が２μｍ以上、３０μｍ以下、平均細孔径が３Å以上、８Å以下であり、前記ゼオライトの全エポキシ樹脂組成物中に対する含有率が０．０５重量％以上、１重量％以下であり、かつ、臭素原子及びアンチモン原子の全エポキシ樹脂組成物中に対する含有率がともに０．１重量％未満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。
2. 前記ゼオライトが合成ゼオライト及び／又は人工ゼオライトである請求項１に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に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。