JP5185218B2 - 半導体装置用中空パッケージおよび半導体部品装置 - Google Patents

半導体装置用中空パッケージおよび半導体部品装置 Download PDF

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Description

本発明は、封止用エポキシ樹脂成形材料を用いて成形された半導体装置用中空パッケージ、並びに該パッケージ内に半導体素子が封止されてなる半導体部品装置に関する。
トランジスタ、IC、LSI等の半導体素子は、大気中の水分や微細な埃等により、その特性を損なう可能性があるため、セラミックによる気密封止や樹脂封止を行った上で使用されていた。近年は、生産性やコストの面で樹脂を用いた封止が主流となっている。特に、電気特性、耐湿性、耐熱性、機械特性、インサート品との密着性等の特性において優れたバランスを有しているエポキシ樹脂をベースとした封止用樹脂成形材料が広く用いられるようになっている。
厳しい光透過性レベルが要求されるCCD、MOS等の固体撮像素子においても樹脂封止化の流れが見られ、従来のセラミックによる気密封止から、エポキシ樹脂などにより中空プラスチックパッケージを成形、半導体素子を収容後、これを気密封止する方式が普及している。エポキシ樹脂成形材料には一般的に、エポキシ樹脂と、硬化剤であるフェノール樹脂と、硬化促進剤とが含まれる(特許文献1および2を参照)。また、従来から、中空プラスチックパッケージ成形用のエポキシ樹脂成形材料には、難燃剤であるハロゲン化樹脂やアンチモン化合物も含有されてきた。
しかしながら近年、環境保護の観点から、ハロゲン化樹脂やアンチモン化合物に量規制の動きがあり、ノンハロゲン化、ノンアンチモン化の要求が出てきている。また、樹脂封止ICの高温放置特性にブロム化合物が悪影響を及ぼすことが知られており、この観点からもブロム化樹脂量の低減が望まれている。
ブロム化エポキシ樹脂や酸化アンチモンを用いずに難燃化を達成する手法として、1)有機リン系化合物を添加する方法、2)金属水酸化物を添加する方法、3)特定の構造を有するエポキシ樹脂と硬化剤(フェノール樹脂)に特定構造を有する硬化促進剤を添加する方法、4)硬化物の弾性率を調整する方法(特許文献3を参照)、5)エポキシ樹脂と硬化剤(フェノール樹脂)の構造を選択する方法(特許文献4および5を参照)などが提案されているが、それぞれ難燃性、耐熱性、成形性が不十分であるなどの問題がある。
特開平8−143648号公報 特開2001−329051号公報 特開2000−12092号公報 特開2003−176335号公報 特開2008−266647号公報
ブロム化樹脂や酸化アンチモンを用いないエポキシ樹脂成形材料において、難燃性を確保しようとすると、ガラス転移温度、成形収縮率、曲げ強度等が低下し、更に、成形性に悪影響を及ぼすなどの問題が発生する。
本発明はかかる状況に鑑みなされたもので、ハロゲン化樹脂やアンチモン化合物を含むことなく良好な難燃性を有し、ガラス転移温度、曲げ強度、ガラス転移温度、成形性を有し、耐湿性などの信頼性に優れた封止用エポキシ樹脂成形材料を提供する。さらに、その成形品である半導体装置用中空パッケージや、半導体部品装置を提供する。
発明者らは上記の課題を解決するために鋭意検討を重ねた結果、封止用エポキシ樹脂成形材料に、特定の構造を有するエポキシ樹脂、軟化点70℃以上のフェノール系硬化剤、イミダゾール系硬化促進剤、及び金属水酸化物を組み合わせることにより上記目的を達成しうることを見出し、本発明を完成するに至った。
本発明の第一は、以下に示す半導体装置用中空パッケージに関する。
[1](A)下記一般式(1)で表されるエポキシ樹脂と、(B)軟化点70℃〜110℃であるフェノール系硬化剤と、(C)イミダゾール系硬化促進剤と、(D)難燃剤としての金属水酸化物を含む無機充填材と、を含有し、硬化後のガラス転移温度が130℃以上である、エポキシ樹脂成形材料により成形された、半導体装置用中空パッケージであって、前記エポキシ樹脂成形材料における、前記(D)無機充填剤の含有量は80重量%〜92重量%である、半導体装置用中空パッケージ
Figure 0005185218
(一般式(1)において、lは0〜10の整数を表し、R〜Rは水素又は炭化水素基を表し、互いに同じでも異なってもよい)
[2]前記(D)無機充填材は水酸化アルミニウムを含み、前記エポキシ樹脂成形材料における、水酸化アルミニウムの含有量は1〜20重量%である、[1]に記載の半導体装置用中空パッケージ。
[3]前記エポキシ樹脂成形材料における、ハロゲン系難燃剤およびアンチモン系難燃剤の含有量が0.1重量%以下である、[1]または[2]に記載の半導体装置用中空パッケージ
[4](B)フェノール系硬化剤が、下記一般式(2)および(3)の少なくとも1種類を含有する、[1]〜[3]のいずれかに記載の半導体装置用中空パッケージ
Figure 0005185218
(一般式(2)において、mは0〜10の整数を表し、ベンゼン環の水素は炭化水素基で置換されていてもよい)
Figure 0005185218
(一般式(3)において、nは0〜10の整数を表す)
本発明の第二は、半導体部品装置に関する。
[5]前記[1]〜[4]のいずれかに記載の半導体装置用中空パッケージ内に半導体素子が実装されている半導体部品装置。
本発明による封止用エポキシ樹脂成形材料は、難燃性や耐熱性、成形収縮率、曲げ強度及び成形性に優れ、この封止用エポキシ樹脂成形材料を用いることにより、耐湿性等の信頼性に優れた半導体装置用中空パッケージを得ることができる。
本発明のエポキシ樹脂成形材料は、(A)エポキシ樹脂と、(B)フェノール系硬化剤と、(C)硬化促進剤と、(D)無機充填剤とを含む。エポキシ樹脂成形材料の硬化後のガラス転移温度は130℃以上である。成形物の強度(曲げ強度など)などを高めるためである。
本発明のエポキシ樹脂成形材料は、(A)エポキシ樹脂として、特に難燃性の観点から、下記一般式(1)で表される化合物を含むことが必要である。
Figure 0005185218
一般式(1)においてlは、0〜10の整数を表すが、好ましくは1〜7である。混練性、成形性が良好で、高ガラス転移温度を確保するためにこの範囲が好ましい。R〜Rは水素又は炭化水素基を表し、互いに同じでも異なってもよい。炭化水素基とは、例えばメチル基、エチル基等である。一般式(1)で表されるエポキシ樹脂は、軟化点が60〜90℃であることが好ましい。混練性、成形性が良好で、高ガラス転移温度を確保するためにこの範囲が好ましい。
本発明のエポキシ樹脂成形材料は、本発明の目的の一つである高い難燃性を実現するために、(A)エポキシ樹脂として、一般式(1)で示されるエポキシ樹脂を単独、あるいは難燃性や耐熱性等を低下させない範囲で、他のエポキシ樹脂を合わせて含有することができる。一般式(1)で示されるエポキシ樹脂と併用できるエポキシ樹脂は、特に限定されないが、2-[4-(2,3-エポキシプロポキシ)フェニル]-2-[4-[1,1-ビス[4-([2,3-エポキシプロポキシ]フェニル)]エチル]フェニル]プロパンで示されるトリスフェノール型エポキシ樹脂、あるいはナフトールアラルキル型エポキシ樹脂等が好ましい。
本発明のエポキシ樹脂成形材料に含まれる(B)フェノール系硬化剤の軟化点は、70℃以上であればよく、70〜110℃が好ましく、75〜90℃がより好ましい。軟化点が70℃未満であると、エポキシ樹脂成形材料の硬化物のガラス転移温度が所望レベルの130℃に達せず、また110℃を超えると充填材を高充填できないことがある。
(B)フェノール系硬化剤は、1種のフェノール樹脂または2種以上のフェノール樹脂の混合物でありうるが、下記一般式(2)および(3)の少なくとも1種類の化合物を含むことが好ましい。
Figure 0005185218
一般式(2)におけるmは、0〜10の整数を表すが、好ましくは1〜7である。混寝性、成型性が良好で高ガラス転移温度を確保するためにこの範囲が好ましい。一般式(2)におけるベンゼン環の水素は、炭化水素基で置換されていてもよく、炭化水素基とは、例えばメチル基、エチル基などである。一方、一般式(3)におけるnは、0〜10の整数を表すが、好ましくは1〜7である。
本発明のエポキシ樹脂成形材料の(B)フェノール系硬化剤は、一般式(2)または(3)で表される化合物とともに、エポキシ樹脂成形材料に一般に使用されている他のフェノール系樹脂を、その発明の効果を失わない範囲において含有していてもよい。他のフェノール系硬化剤とは、例えば、フェノール、クレゾール、レゾルシン、ビスフェノールA、ビスフェノールF、フェニルフェノールアミノフェノール等のフェノール類及び/又はα-ナフトール、β-ナフトール、ジヒドロキシナフタレン等のナフトール類と、ホルムアルデヒド、ベンズアルデヒド、サリチルアルデヒド等のアルデヒド基を有する化合物とを、酸性触媒下で縮合又は共重合させて得られるノボラック型フェノール樹脂が挙げられる。信頼性、難燃性の点からは、フェノール・アラルキル樹脂、ナフトール・アラルキル樹脂などが好ましい。
本発明のエポキシ樹脂成形材料は、(C)硬化促進剤として、イミダゾール化合物を含むことが必要である。硬化物のガラス転移温度を130℃以上とするためである。硬化促進剤としてのイミダゾール化合物としては、トリアジン骨格を導入したイミダゾールが好ましい。2,4-ジアミノ-6-[2'-エチル-4'-メチルイミダゾリル-(1’)]-エチル-s-トリアジンが、ガラス転移温度、反応性から特に好ましい。
一方で、半導体封止用組成物で一般に使用できるトリフェニルホスフィンでは、硬化物のガラス転移温度が十分に高まらず、成形するときに金型付着が発生することがある。
本発明のエポキシ樹脂成形材料における(C)硬化促進剤の含有量は、(A)エポキシ樹脂に対して、4〜12phrが好ましく、5〜8phrが特に好ましい。含有量が少ないと、硬化反応の遅延、ガラス転移温度低下、成形時のバリ発生量増大、金型付着等が発生し、好ましくない。また、多すぎると、硬化反応が早くなり、組成物の混練不足、成形時に未充填部分が発生するなどの問題が発生する。
本発明のエポキシ樹脂成形材料における(A)成分と(B)成分の含有割合は、「(B)成分のフェノール性水酸基/(A)成分のエポキシ基」の比率が、0.6〜1.0となるようにすることが好ましく、特に0.7〜0.9となるようにすることが好ましい。この範囲を外れると、ガラス転移温度の低下、硬化収縮率の増大などが発生し、本発明の目的が達成されないことがある。
本発明のエポキシ樹脂成形材料における(D)無機充填剤には、難燃剤としての金属水酸化物が含まれる。金属水酸化物として、水酸化アルミニウム、水酸化マグネシウムが使用できるが、水酸化アルミニウムがより好ましく使用できる。さらに、水酸化アルミニウムは、平均粒径が15〜25μmであり、比表面積が1.3〜1.6m/gの粒子であることが好ましい。
水酸化アルミニウムの含有量は、エポキシ樹脂成形材料に対して1〜20重量%が好ましく、2〜10重量%がより好ましい。水酸化アルミニウムの量が少ないと、十分な難燃性が確保できず、多すぎると耐湿性の悪化、ガラス転移温度の低下等が発生し、好ましくない。
(D)無機充填剤には、金属水酸化物以外にも、半導体封止成形材に通常使用される他の無機充填材が含まれていてもよい。他の無機充填材の例としては、溶融シリカ、結晶シリカ、合成シリカ、アルミナ、ジルコン、珪酸カルシウム、炭酸カルシウム、チタン酸カルシウム、炭化珪素、窒化珪素、炭化珪素、窒化アルミなどの粉体が挙げられる。
上記無機充填材のなかでも、高充填性、流動性等の成形性、耐湿性向上などの観点から、水酸化アルミニウム以外の(D)無機充填剤の一部あるいは全部を、球状溶融シリカおよび合成シリカとすることが好ましい。本発明の目的を達成するための高充填性、混練性、バリ長さ、スパイラルフロー等の観点から、球状溶融シリカは、球形度が0.7以上、平均粒子径が10〜30μm、比表面積が1.5〜3.5m2/gであることが好ましく;合成シリカは、球形度が0.7以上、平均粒径が0.8〜1.2μm、比表面積が2.5〜3.5m/gであることが好ましい。
本発明のエポキシ樹脂成形材料における(D)無機充填剤の含有量は、難燃性、硬化収縮率などの観点から、エポキシ樹脂成形材料中に80〜92重量%含まれることが好ましく、85〜90重量%含まれることがより好ましい。(D)無機充填剤の量が少ないと、十分な難燃性を確保するために、多量の金属水酸化物が必要になり、耐湿性が悪化する。また、多すぎると混練性が悪化し、封止用エポキシ樹脂組成物を得ることができない。
本発明のエポキシ樹脂成形材料には、(A)〜(D)成分以外にも、封止用エポキシ樹脂成形材料として、通常使用される(E)カップリング剤が添加されていてもよい。カップリング剤の含有量は、エポキシ樹脂成形材料全体の1重量%未満、特に0.5重量%未満とすることが好ましい。多すぎると、難燃性が悪化する可能性がある。比表面積の小さい無機充填剤の使用時に、カップリング剤量を抑えることは、封止用エポキシ樹脂成形材料の燃焼時に断熱効果の大きい厚い表面層が得られるのに効果的であると予想される。
(E)カップリング剤として、エポキシシラン、メルカプトシラン、アミノシラン、アルキルシラン、ビニルシラン等のシラン化合物などの、封止用エポキシ樹脂成形材料に通常使用されるカップリング剤を単独又は併用して用いることができるが、エポキシシランがより好ましく使用できる。
本発明の封止用エポキシ樹脂成形材料には、(A)〜(E)成分以外に、成形時の金型からの円滑な離型性を確保するために、ステアリン酸、モンタン酸等の高級脂肪酸系ワックス;ステアリン酸エステル、モンタン酸エステル等の高級脂肪酸エステル系ワックス;ポリエチレンワックスなどの、封止用エポキシ樹脂成形材料に用いられる従来公知の離型剤を用いることができる。本発明の封止用エポキシ樹脂成形材料には、離型性の観点からモンタン酸エステル等の高級脂肪酸エステル系ワックスがより好ましい。
本発明においては、耐熱性、環境対応の観点から、ハロゲン系難燃剤及びアンチモン系難燃剤のいずれも含まないことが好ましいが、いずれの難燃剤とも成形材料全体の0.1重量%以下であれば含有してもよい。
さらに、本発明の封止用成形材料には、本発明の効果を損なわない範囲で、カーボンブラック、有機染料、有機顔料、酸化チタン、ベンガラ等の着色剤を必要に応じて配合することができる。
本発明のエポキシ樹脂成形材料は、各種原材料を均一に分散混合できるのであれば、いかなる手法を用いても調製できる。一般的な手法として、所定の配合量の原材料をミキサーなどによって十分混合した後に;ミキシングロール、ニーダ、押出機などによって熱溶融混練して;冷却および粉砕するプロセスを挙げることができる。成形方法に合うような寸法及び重量でタブレット化すると使いやすい。
本発明の封止用エポキシ樹脂成形材料を用いて半導体素子を封止する方法としては、低圧トランスファー成形法が最も一般的であるが、インジェクション成形法、圧縮成形法等の他の成形法を用いてもよい。
本発明の封止用エポキシ樹脂成形材料は、半導体素子を直接、樹脂封止する一般的な封止備品装置にも使用できるが;半導体素子に封止用エポキシ樹脂成形材料が直接接触することのない形態である、半導体装置用中空パッケージの成形材料としても好適に使用できる。半導体装置用中空パッケージの中空部に半導体素子を実装して半導体部品装置の材料として使用できる。
半導体装置用中空パッケージは、一般的にはインサート成形で作製される。例えば、リードフレームを載置したインサート金型内において、本発明の封止用エポキシ樹脂成形材料を成形することにより、中空パッケージが得られる。
以下、実施例により本発明を具体的に説明するが、本発明の範囲は以下の実施例によって限定されるものではない。
(A)エポキシ樹脂
(エポキシ樹脂1)エポキシ当量211g/eq、軟化点65℃のオルソクレゾールノボラック型エポキシ樹脂
(エポキシ樹脂2)エポキシ当量210g/eq、軟化点60℃のトリスフェノール型エポキシ樹脂
(エポキシ樹脂3)エポキシ当量287g/eq、軟化点70℃のビフェニルアラルキル型エポキシ樹脂
(B)フェノール系硬化剤
(硬化剤1)水酸基当量217g/eq、軟化点83℃のフェノール・ビフェニレン樹脂
(硬化剤2)水酸基当量198g/eq、軟化点65℃のフェノール・ビフェニレン樹脂
(硬化剤3)水酸基当量211g/eq、軟化点78℃のフェノール・ビフェニレン樹脂
(硬化剤4)水酸基当量106g/eq、軟化点83℃のフェノール・ホルムアルデヒド樹脂
(C)硬化促進剤
(硬化促進剤1)2,4-ジアミノ-6-[2'-エチル-4'-メチルイミダゾリル-(1’)]-エチル-s-トリアジン
(硬化促進剤2)トリフェニルホスフィン
(D)球状溶融シリカ
(充填材1)平均粒子径25.1μm、比表面積2.8m2/gの球状溶融シリカ
(充填材2)平均粒子径15.3μm、比表面積3.6m2/gの球状溶融シリカ
(充填材3)平均粒子径1.0μm、比表面積3.0m2/gの合成シリカ
(充填材4)金属水酸化物として、平均粒径20μm、比表面積1.4m2/g、吸油量19ml/100gの水酸化アルミニウム
(E)カップリング剤成分
(カップリング剤1)比重1.07/25℃、最小被覆面積330m/gのγ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン
離型剤として、滴点100℃、酸価13mgKOH/g、密度1.02g/cm3のモンタン酸の部分ケン化エステルワックス(離型材1)を用いた。着色剤として、平均粒径24nm、比表面積120m/g、pH8のカーボンブラック(着色剤1)、を使用した。
実施例1〜5、比較例1〜5
上記各種原料をそれぞれ、表1に示す重量部で配合し、混練温度85℃でロール混練を行い、実施例1〜5、および比較例1〜5に該当する封止用エポキシ樹脂成形材料をそれぞれ調製した。
Figure 0005185218
次に、調製した実施例及び比較例の各種封止用エポキシ樹脂成形材料を、以下の試験で評価した。評価結果を表2に示した。
封止用エポキシ樹脂成形材料の成形は、トランスファー成形機を用いて行った。スパイラルフローの評価以外での成形条件を、金型温度180℃、成形圧力3.5MPa、硬化時間60秒とした。
(1)スパイラルフロー
EMMI−1−66に準じてスパイラルフロー測定用金型を用いて、封止用エポキシ樹脂成形材料を、金型温度150℃、成形圧力0.9MPa、硬化時間60秒の条件で成形し、流動距離を測定した。
(2)バリ長さ
バリ長さ測定用金型を用いて、封止用エポキシ樹脂成形材料を、金型温度180℃、成形圧力3.5MPa、硬化時間60秒の条件で成形し、5μm、10μm、15μm及び20μmの各クリアランスに発生したバリ長さを測定した。
(3)成形収縮率
金型で成型した厚さ4mm×幅10mm×長さ100mmの試験片を、23℃/50%RHにて12時間以上放置した後、金型及び試験片の長さを電気マイクロメーターで測定した。
(4)曲げ強度試験
成形した厚さ4mm×幅10mm×長さ100mmの曲げ試験片を180℃で3時間後硬化させ、23℃/50%RHで16時間放置した。JIS K 6911に準じて、テンシロンを使用して曲げ強度を測定した。
(5)ガラス転移温度、線膨張係数
成形した厚さ4mm×幅10mm×長さ40mmの試験片を、180℃で3時間後硬化させ、23℃/50%RHで12時間放置した。熱膨張計で昇温速度10℃/minで230℃までの温度と伸びの関係を記録し、チャート上から熱膨張係数(α1、α2)及びガラス転移温度を求めた。
(6)難燃性
94UL規格に従い、180℃で3時間後硬化させた厚み0.77〜0.79mm×幅1.27mm×長さ127mmの試験片について試験を行い、難燃性を判定した。
Figure 0005185218
表1および表2に示されるように、エポキシ樹脂3と、硬化剤1、硬化剤3または硬化剤4(軟化点が70℃以上である)と、イミダゾール系の硬化促進剤1と、水酸化アルミニウムである充填材4と、を含む実施例1〜4では、難燃性、高ガラス転移温度が優れる。
一方、水酸化アルミニウムである充填材4を含まない比較例1および2は、難燃性が劣っている。また比較例3は、水酸化アルミニウムである充填材4を含まずとも難燃性が維持されているが、イミダゾール系の硬化促進剤1をトリフェニルホスフィンである硬化促進剤2としたため、ガラス転移温度、曲げ強度が低下した(比較例3および4)。さらに、軟化点の低い(65℃)硬化剤2を用いた比較例5も、難燃性は維持されているが、ガラス転移温度が低下し、曲げ強度もやや低下した。
本発明の封止用エポキシ樹脂成形材料により、優れた封止材料が提供され、特に半導体中空パッケージの成形材料として好適に用いられる。

Claims (5)

  1. (A)下記一般式(1)で表されるエポキシ樹脂と、(B)軟化点70℃〜110℃であるフェノール系硬化剤と、(C)イミダゾール系硬化促進剤と、(D)難燃剤としての金属水酸化物を含む無機充填材と、を含有し、硬化後のガラス転移温度が130℃以上である、エポキシ樹脂成形材料により成形された、半導体装置用中空パッケージであって、
    前記エポキシ樹脂成形材料における、前記(D)無機充填剤の含有量は80重量%〜92重量%である、半導体装置用中空パッケージ
    Figure 0005185218
    (一般式(1)において、lは0〜10の整数を表し、R〜Rは水素又は炭化水素基を表し、互いに同じでも異なってもよい)
  2. 前記(D)無機充填材は水酸化アルミニウムを含み、
    前記エポキシ樹脂成形材料における、水酸化アルミニウムの含有量は1〜20重量%である、請求項1に記載の半導体装置用中空パッケージ。
  3. 前記エポキシ樹脂成形材料における、ハロゲン系難燃剤およびアンチモン系難燃剤の含有量が0.1重量%以下である、請求項1または2に記載の半導体装置用中空パッケージ
  4. (B)フェノール系硬化剤が、下記一般式(2)および(3)の少なくとも1種類を含有する、請求項1〜3のいずれか一項に記載の半導体装置用中空パッケージ
    Figure 0005185218
    (一般式(2)において、mは0〜10の整数を表し、ベンゼン環の水素は炭化水素基で置換されていてもよい)
    Figure 0005185218
    (一般式(3)において、nは0〜10の整数を表す)
  5. 請求項1〜4のいずれか一項に記載の半導体装置用中空パッケージ内に半導体素子が実装されている半導体部品装置。
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