JP5290659B2 - パワーモジュールの半導体封止用エポキシ樹脂組成物およびパワーモジュール - Google Patents

Description

本発明は、パワーモジュールの半導体封止用エポキシ樹脂組成物およびパワーモジュールに関するものである。

従来、半導体素子などの電子部品の封止材としてセラミックや熱硬化性樹脂組成物が一般に用いられている。中でも、エポキシ樹脂組成物は経済性と性能のバランスの点で優れた封止材であり、近年の電子機器の小型化、薄型化にともない主流になりつつある表面実装型パッケージの封止材としてエポキシ樹脂組成物が広く用いられている（特許文献１参照）。

また近年では、半導体パッケージの小型化、薄型化により、回路ピッチ幅やリード端子間距離も小さくなってきており、これらを電気的に絶縁するための空間距離および沿面距離の確保が難しくなっている。そのため、絶縁物である封止材の性能向上が要求されており、特に耐トラッキング性の向上が要求されている。エポキシ樹脂組成物などの封止材において耐トラッキング性を高める手法としては、無機充填材の配合量を多くすることが一般に知られている。
特開２００６−２７３９０４号公報

しかしながら、耐トラッキング性が要求される半導体パッケージの中には放熱板が露出した大型のパッケージが存在するが、放熱板の種類や材質によっては半導体パッケージの反りも考慮する必要がある。中でもアルミニウム放熱板を用いたものはその熱膨張係数が大きいために、エポキシ樹脂組成物における無機充填材の配合量を高くするとアルミニウム放熱板との間で熱膨張係数の差が大きくなり反りが発生する要因となる。

耐トラッキング性を樹脂面から改善する試みも検討されているが、従来から硬化剤として汎用されているｏ−クレゾールノボラック樹脂、フェノールノボラック樹脂、およびこれらの組み合わせによっては十分な改善は見込めないのが実情である。

本発明は、以上の通りの事情に鑑みてなされたものであり、無機充填材の量が比較的少なくても高い耐トラッキング性を得ることができるパワーモジュールの半導体封止用エポキシ樹脂組成物およびそれを用いたパワーモジュールを提供することを課題としている。

本発明は、上記の課題を解決するために、以下のことを特徴としている。

第１に、本発明のパワーモジュールの半導体封止用エポキシ樹脂組成物は、エポキシ樹脂、硬化剤、硬化促進剤、および無機充填材を必須成分として含有するパワーモジュールの半導体封止用エポキシ樹脂組成物であって、硬化剤としてアミノトリアジン変性ノボラック樹脂および固形メラミン樹脂を含有し、固形メラミン樹脂の配合量は、エポキシ樹脂および硬化剤の全量に対して５〜２０質量％であり、エポキシ樹脂としてジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂を含有することを特徴とする。

第２に、本発明のパワーモジュールは、上記第１のパワーモジュール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が封止されていることを特徴とする。

上記第１の発明によれば、パワーモジュールの半導体封止用エポキシ樹脂組成物の硬化物にアミノトリアジン変性ノボラック樹脂およびメラミン樹脂由来のトリアジン構造が導入され、さらにエポキシ樹脂としてジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂を用いることにより、無機充填材の量が比較的少なくても高い耐トラッキング性を得ることができる。

上記第２の発明によれば、上記第１のパワーモジュール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が封止されているので、無機充填材の量が比較的少なくても高い耐トラッキング性を有している。

以下、本発明について詳細に説明する。

本発明において、エポキシ樹脂としては、１分子中に２個以上のエポキシ基を有するものであれば特に制限なく用いることができる。このようなエポキシ樹脂の具体例としては、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、ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂、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、多官能型エポキシ樹脂、ブロム含有エポキシ樹脂などが挙げられる。これらは１種単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。

本発明では特に、耐トラッキング性を向上させる点から、エポキシ樹脂中のベンゼン環の含有量が少なくなるようにし、さらにエポキシ当量が小さいものを用いて架橋密度を下げることにより水酸基の量を減少させることが望ましい。

このような点から、本発明ではジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂が好ましく用いられる。ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂を用いることにより、シクロヘキサン環の効果と架橋密度の低減によって耐トラッキング性が向上する。

ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂としては、例えば下記式（Ｉ）で表されるものを用いることができる。

（式中、Ｒは水素原子、ハロゲン原子、炭素数１〜８の直鎖状、分岐状、もしくは環状の脂肪族アルキル基、炭素数１〜１０のアルコキシ基、またはフェニル基を示し、繰り返し単位数ｎは０〜５０の整数を示し、繰り返し単位数ｎの平均値は０〜１５、好ましくは０〜１の範囲である。）
ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂の配合量は、耐トラッキング性向上の効果を得る点からは、エポキシ樹脂の全量に対して好ましくは４０質量％以上である。

本発明において硬化剤として用いられるアミノトリアジン変性ノボラック樹脂は、アミノトリアジン環構造とフェノール構造とがメチレン基を介してランダムに結合したものであり、その具体例としては、メラミン、ベンゾグアナミン、アセトグアナミンなどのアミノトリアジン化合物類と、フェノール、ビスフェノールＡ、クレゾール、ブチルフェノール、フェニルフェノールなどのフェノール類と、ホルムアルデヒドとを、アルキルアミン類などの弱アルカリ性触媒の存在下または無触媒において中性付近で共縮合反応させるか、あるいは、メチルエーテル化メラミンなどのアミノトリアジン化合物のアルキルエーテル化物とフェノール類とを反応させるなどの方法により得られるアミノトリアジン構造とフェノール構造とそれらを結合するメチレン基とを１分子中に有し、メチロール基を実質的に有していないものなどが挙げられる。

アミノトリアジン変性ノボラック樹脂におけるフェノール構造としては、フェノール残基、クレゾール残基、ビスフェノールＡ残基、ブチルフェノール残基、フェニルフェノール残基、ナフトール残基、およびレゾルシン残基から選ばれる構造が好ましい。ここで、上記の残基とは、芳香環の炭素に結合している水素原子が少なくとも１個抜けた構造を有するものを意味する。

アミノトリアジン変性ノボラック樹脂におけるアミノトリアジン構造としては、例えば、メラミン、ベンゾグアナミン、アセトグアナミンなどのアミノトリアジン化合物の構造を有するものが挙げられる。

本発明に用いられるアミノトリアジン変性ノボラック樹脂は、耐トラッキング性を向上させる点などを考慮して、アミノトリアジン変性ノボラック樹脂の窒素含有量が５〜２５質量％となる範囲内の比率でアミノトリアジン構造とフェノール構造とが含まれていることが好ましい。

本発明において硬化剤として用いられるメラミン樹脂としては、例えば、メラミンとホルムアルデヒドとを反応させて得られるメチロールメラミンなどが挙げられる。例えば、重合度が１〜５の範囲のものを主体としたものなどを挙げることができ、特に数平均分子量Ｍｎが４５０程度のものが好ましいものとして例示される。

メラミン樹脂の配合量は、エポキシ樹脂および硬化剤の全量に対して好ましくは５〜２０質量％である。当該配合量が少な過ぎると耐トラッキング性の向上効果が得られない場合があり、当該配合量が多過ぎると、アンモニウムイオンの量が増加して信頼性に影響を及ぼす場合がある。

本発明の封止用エポキシ樹脂組成物には、本発明の効果を損なわない範囲内において、他の硬化剤、例えばフェノール性水酸基を有する硬化剤を配合することができ、その具体例としては、多価フェノール化合物、多価ナフトール化合物などが挙げられる。多価フェノール化合物の具体例としては、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、ジシクロペンタジエン型フェノールアラルキル樹脂、ビフェニルアラルキル樹脂などが挙げられる。多価ナフトール化合物の具体例としては、ナフトールアラルキル樹脂などが挙げられる。これらは１種単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。

本発明において硬化剤の配合量は、好ましくは、硬化剤のエポキシ樹脂に対する化学量論上の当量比（硬化剤当量／エポキシ基当量）が０．５〜１．５となる量であり、より好ましくは当量比が０．８〜１．２となる量である。当量比が小さ過ぎると、硬化不足、硬化物の耐熱性低下、硬化物の強度低下などを生じる場合がある。一方、当量比が大き過ぎると、硬化物の耐熱性低下、硬化物の吸湿量の増加などを生じる場合がある。

本発明に用いられる硬化促進剤の具体例としては、トリフェニルホスフィン、トリブチルホスフィン、トリメチルホスフィン、テトラフェニルホスホニウム・テトラフェニルボレート等の有機ホスフィン類、１，８−ジアザビシクロ（５，４，０）ウンデセン、トリエタノールアミン、ベンジルジメチルアミン等の第三級アミン類、２−メチルイミダゾール、２−フェニルイミダゾール等のイミダゾール類などが挙げられる。これらは１種単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。

硬化促進剤の配合量は、エポキシ樹脂と硬化剤の合計量に対して好ましくは０．１〜５質量％である。当該配合量が少な過ぎると、硬化促進作用が十分に発揮されない場合があり、当該配合量が多過ぎると、耐湿信頼性などが不十分になる場合がある。

本発明に用いられる無機充填材の具体例としては、溶融シリカ、結晶シリカ、アルミナ、窒化珪素などが挙げられる。これらは１種単独で用いてもよく、２種以上を併用して用いてもよい。

無機充填材の配合量は、封止用エポキシ樹脂組成物の全量に対して好ましくは６０〜９０質量％である。無機充填材の配合量が少な過ぎると、熱伝導性、熱膨張率などの特性が低下する場合があり、無機充填材の配合量が多過ぎると、成形時の流動性と金型充填性が低下したり、あるいは放熱板との間で熱膨張係数の差が大きくなり反りが発生したりする場合がある。

本発明の封止用エポキシ樹脂組成物には、本発明の効果を損なわない範囲内において、上記以外の添加成分を配合することができる。このような添加成分の具体例としては、γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、γ−メルカプトプロピルトリメトキシシラン等のカップリング剤、カルナバワックス、ステアリン酸、モンタン酸、カルボキシル基含有ポリオレフィン等の離型剤、カーボンブラック等の着色剤、三酸化アンチモン等の難燃剤、シリコーン可とう剤などが挙げられる。

本発明の封止用エポキシ樹脂組成物は、例えば、上記のエポキシ樹脂、硬化剤、硬化促進剤、無機充填材、および必要に応じて他の成分を配合し、ミキサー、ブレンダーなどを用いて十分均一になるまで混合した後、熱ロールやニーダーなどの混練機により加熱状態で混練し、これを室温に冷却した後、公知の手段によって粉砕することにより調製することができる。なお、封止用エポキシ樹脂組成物は、取り扱いを容易にするために、成形条件に合うような寸法と質量を有するタブレットとしてもよい。

本発明の半導体装置は、上記のようにして得られた封止用エポキシ樹脂組成物を用いて、各種のトランジスタ、ダイオード、サイリスタなどの単機能の半導体素子、あるいはＩＣ、ＬＳＩなどの半導体素子を封止することにより製造することができる。この封止には、トランスファー成形などの従来より用いられている成形方法を適用することができる。

トランスファー成形を適用する場合、例えば金型温度１７０〜１８０℃、成形時間３０〜１２０秒に設定して行うことができ、必要に応じて所定時間のアフターキュアを行う。しかし、金型温度、成形時間およびその他の成形条件は、封止用エポキシ樹脂組成物の配合組成などに応じて適宜に変更すればよい。

本発明の半導体装置の好ましい具体例としては、アルミニウム放熱板などの放熱板を用いて、これをパッケージ裏面などに露出させたＤＩＰ（Dual Inline Package）型パワーモジュール、ＳＩＰ（Single Inline Package）型パワーモジュール、インテリジェントパワーモジュールなどが挙げられる。

以下、実施例により本発明をさらに詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではない。なお、表１中の配合量は質量部を示す。
＜実施例１＞
表１に示す各配合成分を、表１に示す割合で配合し、ブレンダーで３０分間混合して均一化した後、８０℃に加熱したニーダーで混練溶融させて押し出し、冷却後、粉砕機で所定粒度に粉砕して粒状の封止用エポキシ樹脂組成物を得た。

表１に示す配合成分として、以下のものを使用した。
エポキシ樹脂：ｏ−クレゾールノボラック型エポキシ樹脂、ＤＩＣ（株）製、Ｎ６６５ＥＸＰ
エポキシ樹脂：ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂、ＤＩＣ（株）製、エピクロン ＨＰ７２００Ｈ
エポキシ樹脂（難燃剤）：ビスフェノールA型ブロム含有エポキシ樹脂、エポキシ当量 ３８０〜４２０
硬化剤：アミノトリアジン変性ノボラック樹脂、ＤＩＣ（株）製、フェノライトＬＡ−７０５２
メラミン樹脂：数平均分子量Ｍｎ＝４５０の固形メラミン樹脂
硬化促進剤：トリフェニルホスフィン、北興化学工業（株）製、ＴＰＰ
無機充填材：溶融シリカ、平均粒子径 １５μｍ
シランカップリング剤：γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、信越化学工業（株）製、ＫＢＭ４０３
離型剤：天然カルナバワックス、大日化学工業（株）製、Ｆ１−１００
着色剤：カーボンブラック、三菱化学（株）製、ＭＡ６００ＭＪ
難燃剤：三酸化アンチモン
なお、比較例２ではアミノトリアジン変性ノボラック樹脂に代えて、硬化剤として従来より封止用エポキシ樹脂組成物に用いられている市販のフェノールノボラック樹脂を用いた。

得られた封止用エポキシ樹脂組成物について次の評価を行った。
[スパイラルフロー]
ＡＳＴＭ Ｄ３１２３に準じたスパイラルフロー測定金型を用いて、金型温度１７０℃、注入圧力６．９ＭＰａ、成形時間９０秒の条件にて封止用エポキシ樹脂組成物の成形を行い、流動距離（ｃｍ）を測定した。
[ゲルタイム]
キュラストメータ（（株）オリエンテック製）を用い、封止用エポキシ樹脂組成物の１７０℃でのゲルタイム（トルクが０．１ｋｇｆになるまでの時間）を測定した。
[耐トラッキング性]
ＵＬ規格の評価方法に基づき、φ５０ｍｍ×３ｍｍｔの成形品をトランスファー成形し、１７５℃×６時間のポストキュアを行った。その後２３℃、５０％ＲＨで４０ｈ前処理し、これをテストピースとした。

テストピース表面に電極を接触させ、電極の中央部に３０±５秒／１滴の割合で０．１％塩化アンモニウム水溶液を滴下した。５０滴を滴下した後、トラッキングを生じない場合（Ｎ＝５）はさらに２５Ｖづつ電圧を上昇させていき同様の試験を繰り返した。絶縁破壊を起こさない最高電圧（ＣＴＩ）を求めて耐トラッキング性を評価した。

スパイラルフロー、ゲルタイム、および耐トラッキング性の評価結果を表１に示す。

表１より、硬化剤としてアミノトリアジン変性ノボラック樹脂およびメラミン樹脂を配合した実施例１〜３では、これらを配合しない従来の配合処方とした比較例２に比べて、さらにはアミノトリアジン変性ノボラック樹脂を配合したがメラミン樹脂を配合しなかった比較例１に比べても、耐トラッキング性が大幅に向上し、成形時の流動性の指標となるスパイラルフローおよびゲルタイムも良好であった。また、エポキシ樹脂としてジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂を用いた実施例２、３では耐トラッキング性がさらに向上した。

Claims (2)

1. エポキシ樹脂、硬化剤、硬化促進剤、および無機充填材を必須成分として含有するパワーモジュールの半導体封止用エポキシ樹脂組成物であって、硬化剤としてアミノトリアジン変性ノボラック樹脂および固形メラミン樹脂を含有し、固形メラミン樹脂の配合量は、エポキシ樹脂および硬化剤の全量に対して５〜２０質量％であり、エポキシ樹脂としてジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂を含有することを特徴とするパワーモジュールの半導体封止用エポキシ樹脂組成物。
2. 請求項１に記載のパワーモジュール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が封止されていることを特徴とするパワーモジュール。