JP4961635B2

JP4961635B2 - エポキシ樹脂組成物及び半導体装置

Info

Publication number: JP4961635B2
Application number: JP2001161891A
Authority: JP
Inventors: 孝文住吉
Original assignee: Sumitomo Bakelite Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Bakelite Co Ltd
Priority date: 2001-05-30
Filing date: 2001-05-30
Publication date: 2012-06-27
Anticipated expiration: 2021-05-30
Also published as: JP2002356539A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ハロゲン系難燃剤及びアンチモン化合物を含まず、成形性、難燃性、高温保管特性に優れた特性を有する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。
【０００２】
【従来の技術】
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・衛生の観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。
又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、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。
【０００３】
従来、難燃剤として水酸化アルミニウムを配合する方法が提案されており、多量に配合することによって難燃性を維持し、高温保管特性も問題ないが、一方配合量が多いため成形性、耐半田クラック性が低下する。同様に難燃剤として水酸化マグネシウムが提案されているが、前記水酸化アルミニウムと比較して難燃性付与の寄与が低いため、水酸化アルミニウムに比べより多く配合することにより難燃グレードＶ−０を達成でき、高温保管特性も問題ないが、配合量が多いため耐半田クラック性が低下し、成形性も低下する傾向にある。即ち、難燃性を維持し、流動性や硬化性等のバランスのとれた成形性、高温保管特性及び耐半田クラック性に優れ、ハロゲン系難燃剤及びアンチモン化合物を使用しないエポキシ樹脂組成物が求められている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、ハロゲン系難燃剤及びアンチモン化合物を含まず成形性、難燃性、高温保管特性、耐半田クラック性に優れた特性を有す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）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、（Ｅ）水酸化アルミニウム（Ｗ１）及び（Ｆ）水酸化マグネシウム（Ｗ２）を必須成分とするエポキシ樹脂組成物であって、水酸化アルミニウムが平均粒径０．１〜３０μｍで液相沈降法により測定したアスペクト比が、１．０〜５．０の粒子であり、水酸化マグネシウムが平均粒径０．１〜３０μｍで液相沈降法により測定したアスペクト比が、１．０〜５．０の粒子であり、その配合重量比（Ｗ１）／（Ｗ２）＝０．１〜６．０で、かつ［（Ｗ１）＋（Ｗ２）］が全エポキシ樹脂組成物中２〜８重量％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］第［１］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。
【０００６】
【発明の実施の形態】
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等が挙げられ、これらは単独でも混合して用いても差し支えない。
【０００７】
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やナフト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差し支えない。
これらの配合量としては、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は０．８〜１．３が好ましい。
【０００８】
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使用することができる。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、これらは単独でも混合して用いても差し支えない。
【０００９】
本発明に用いる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用いることができる。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、これらは単独でも混合して用いても差し支えないが、特に溶融シリカが好ましい。
無機充填材の配合量としては、全エポキシ樹脂組成物中５０〜９０重量％が好ましく、更に好ましくは６０〜８８重量％である。５０重量％未満だと吸水率の上昇に伴う耐半田クラック性が低下し、難燃性も低下する。９０重量％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ので好ましくない。
【００１０】
本発明に用いる水酸化アルミニウムは難燃剤として作用し、その難燃機構としては、燃焼時に水酸化アルミニウムが脱水を開始し、吸熱することによって燃焼反応を阻害するものである。又硬化した樹脂成分の炭化を促進することが知られており、硬化物表面に酸素を遮断する難燃層を形成すると考えられる。
本発明に用いる水酸化マグネシウムは、水酸化アルミニウムと同様に難燃剤として作用する。水酸化マグネシウムの難燃機構としては、水酸化アルミニウムと同様である。
本発明での水酸化アルミニウム（Ｗ１）と水酸化マグネシウム（Ｗ２）の配合重量比（Ｗ１）／（Ｗ２）は０．１〜６．０で、かつ［（Ｗ１）＋（Ｗ２）］は全エポキシ樹脂組成物中２〜１６重量％が好ましい。配合重量比（Ｗ１）／（Ｗ２）が０．１未満、又は６．０を越えると難燃性の相乗効果による配合量の低減が得られず好ましくない。
本発明では、水酸化アルミニウム及び水酸化マグネシウムは、各々全エポキシ樹脂組成物中に少なくとも１重量％以上配合する必要がある。［（Ｗ１）＋（Ｗ２）］が全エポキシ樹脂組成物中２重量％未満だと十分な難燃性が達成されず、全エポキシ樹脂組成物中１６重量％を越えると流動性の他、硬化性、耐半田クラック性、耐湿信頼性がいずれも低下するので好ましくない。
【００１１】
水酸化アルミニウム及び水酸化マグネシウムは、各々単独でも難燃性を付与する性質があるが、十分な難燃性を発現させるには多くの配合量が必要となり、流動性や硬化性等の成形性或いは強度の低下、吸水率の増加を引き起こす傾向にあり、その結果として耐半田クラック性が低下するので、これらの諸物性の低下を防ぐためにも配合量は極力少なくする必要がある。
本発明者は、水酸化アルミニウムと水酸化マグネシウムとを併用することにより、その相乗効果として更に難燃性が向上し、配合量を低減できることを見いだしたものである。水酸化アルミニウムは燃焼時に吸熱作用があり、水酸化マグネシウムにも同様の効果がある。水酸化アルミニウムの吸熱作用の発現する温度領域と水酸化マグネシウムのそれとは異なるため、両者を併用することで効率よく難燃効果が発揮され、相乗効果として配合量を少なくしても難燃性を維持し、流動性や硬化性等の成形性或いは強度の低下、吸水率の増加等を防ぐことができる。
【００１２】
本発明に用いる水酸化アルミニウムの平均粒径としては、０．１〜３０μｍが好ましく、より好ましくは０．１〜１５μｍが望ましい。平均粒径が０．１μｍ未満であると流動性の低下や製法上不純物の含有量が増加することによる耐湿信頼性の低下に加え、更には水酸化アルミニウムの脱水開始温度の低下から耐半田クラック性が低下し、３０μｍを越えると十分な難燃性を発現させるために多量に配合する必要があり好ましくない。更に粒子の形状としては球形に近いほど流動性向上の点で望ましい。アスペクト比としては、１．０〜５．０であることが望ましい。アスペクト比が５．０を越えると流動性が低下するおそれがあり好ましくない。アスペクト比は、試料１ｇを液相沈降法により測定した。
【００１３】
本発明に用いる水酸化マグネシウムの平均粒径としては、０．１〜３０μｍが好ましく、より好ましくは０．１〜１５μｍが望ましい。平均粒径が０．１μｍ未満であると流動性が低下し、３０μｍを越えると難燃性が低下するおそれがあり好ましくない。又粒子の形状は球形に近いほど流動性向上の点で望ましい。アスペクト比としては、１．０〜５．０であることが望ましい。アスペクト比が５．０を超えると流動性が低下するおそれがあり好ましくない。
【００１４】
水酸化アルミニウム、水酸化マグネシウム及び無機充填材の合計配合量としては、全エポキシ樹脂組成物中に６０〜９５重量％が好ましく、６０重量％未満だと吸水率の上昇に伴い耐半田クラック性が低下し、９５重量％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ので好ましくない。
【００１５】
本発明のエポキシ樹脂組成物は、（Ａ）〜（Ｆ）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、ゴム等の低応力剤等の添加剤を適宜配合しても差し支えない。
本発明のエポキシ樹脂組成物は、（Ａ）〜（Ｆ）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

を常温でスーパーミキサーを用いて混合し、７０〜１００℃でロール混練し、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金型を用いて、金型温度１７５℃、圧力６．９ＭＰａ、硬化時間１２０秒で測定した。
硬化性：（株）オリエンテック・製、ＪＳＲキュラストメーターＩＶＰＳを用いて、ダイスの直径３５ｍｍ、振幅角１°、成形温度１７５℃、成形開始９０秒後のトルク値を測定した。数値が大きいほど硬化が速い。単位はＮ・ｍ。
難燃性：低圧トランスファー成形機を用いて、成形温度１７５℃、圧力６．９ＭＰａ、硬化時間１２０秒で試験片（１２７ｍｍ×１２．７ｍｍ×厚さ３．２ｍｍ）を成形し、アフターベークとして１７５℃、８時間処理した後、ＵＬ−９４垂直法に準じてΣＦ、Ｆmaxを測定し、難燃性の判定をした。
耐半田クラック性：低圧トランスファー成形機を用いて、成形温度１７５℃、圧力６．９ＭＰａ、硬化時間１２０秒で、８０ｐＱＦＰ（厚さ２ｍｍ、チップサイズ９．０ｍｍ×９．０ｍｍ）を成形し、アフターベークとして１７５℃、８時間処理した後、８５℃、相対湿度８５％で９６時間の処理を行い、ＩＲリフロー処理（２４０℃、１０秒）を行った。超音波探傷機を用いて、パッケージ内部の剥離、クラック等の不良を観察した。６個のパッケージ中の不良パッケージ数を示す。
高温保管特性：低圧トランスファー成形機を用いて、成形温度１７５℃、圧力６．９ＭＰａ、硬化時間１２０秒で１６ｐＤＩＰ（チップサイズ３．０ｍｍ×３．５ｍｍ）を成形し、アフターベークとして１７５℃、８時間処理した後、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、不良が発生しはじめるまでの時間を測定した。１５個のパッケージ中の不良率を百分率で示す。単位は％。
耐湿信頼性：低圧トランスファー成形機を用いて成形温度１７５℃、圧力６．９ＭＰａ、硬化時間１２０秒で１６ｐＤＩＰ（チップサイズ３．０ｍｍ×３．５ｍｍ）を成形し、後硬化として１７５℃、８時間処理した後、２０Ｖのバイアスをかけながら１２５℃、２００時間の処理を行った。配線間の導通を確認し、導通がなくなった状態を不良と判定した。１５個のパッケージ中の不良パッケージ数を示す。
【００１８】
実施例２〜６、比較例１〜５
表１、表２の水酸化アルミニウム及び水酸化マグネシウムを用い、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３に示す。
比較例１に用いた臭素化ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂のエポキシ当量は、３６５ｇ／ｅｑ．である。
【００１９】
【表１】

【００２０】
【表２】

【００２１】
【表３】

【００２２】
【発明の効果】
本発明に従うと、ハロゲン系難燃剤及びアンチモン化合物を含まず、流動性、硬化性等の成形性に優れた半導体封止用エポキシ樹脂組成物が得られ、これを用いた半導体装置は難燃性、高温保管特性及び耐半田クラック性に優れている。

Claims

（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、（Ｅ）水酸化アルミニウム（Ｗ１）及び（Ｆ）水酸化マグネシウム（Ｗ２）を必須成分とするエポキシ樹脂組成物であって、水酸化アルミニウムが平均粒径０．１〜３０μｍで液相沈降法により測定したアスペクト比が、１．０〜５．０の粒子であり、水酸化マグネシウムが平均粒径０．１〜３０μｍで液相沈降法により測定したアスペクト比が、１．０〜５．０の粒子であり、その配合重量比（Ｗ１）／（Ｗ２）＝０．１〜６．０で、かつ［（Ｗ１）＋（Ｗ２）］が全エポキシ樹脂組成物中２〜８重量％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。
請求項１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。