JP5716175B2 - 封止用エポキシ樹脂組成物及びこれを用いて封止した半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体の封止に用いられる封止用エポキシ樹脂組成物及びこれを用いて封止した半導体装置に関するものである。

半導体等の電子部品の封止材料として、セラミックや熱硬化性樹脂が一般に用いられている。なかでも熱硬化性樹脂であるエポキシ樹脂を封止材料に用いる方法は、経済性と性能のバランスの点で好ましく、従来より広く使用されている。

通常、半導体の樹脂封止は、金属のリードフレーム上に半導体素子を搭載し、半導体素子とリードフレームを金ワイヤ等により電気的に接続し、成形金型を用いて半導体素子全体とリードフレームの一部を樹脂で封止することにより行われる。

近年、半導体の高性能化に伴って半導体素子の端子数が増加し、半導体素子とリードフレームを電気的に接続する金ワイヤの狭ピッチ化、細線化が進んでいる。

樹脂封止の際、金ワイヤが細くなるほど変形しやすくなるため、封止材料にはより高流動特性が求められている。

一方、エポキシ樹脂組成物を、硬化触媒とその他の成分とともに溶融混練させて製造された封止材料は、製造後の保存状態によっては架橋反応が進み、流動性が低下するという問題がある。そのため、封止用エポキシ樹脂組成物には優れた保存安定性が求められている。

これまでに、封止用エポキシ樹脂組成物の保存安定性を高めるために、マイクロカプセル内に硬化触媒を封入したマイクロカプセル型硬化触媒が提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。これらのマイクロカプセル型硬化触媒は、加熱することにより熱可塑性樹脂で形成されたマイクロカプセルが破壊され、硬化触媒が溶出するものである。

即ち、このマイクロカプセル型硬化触媒を配合した封止用エポキシ樹脂組成物は、加熱しない限りマイクロカプセル内の硬化触媒が溶出することがないため、優れた保存安定性を有する封止用エポキシ樹脂組成物とすることができるものである。

特開平１１−３４３３３２号公報 特開平０８−３０１９７８号公報

しかしながら、前記提案のマイクロカプセル型硬化触媒を用いた封止用エポキシ樹脂組成物では、所望の硬化条件に合わない場合があったり、封止用エポキシ樹脂組成物の製造工程中にニーダー等による混練の工程があった場合に、マイクロカプセル型硬化触媒にかかるシェアによってそのマイクロカプセルが破壊され、保存安定性効果が発揮されないという問題があった。

また、封止材用エポキシ樹脂組成物には、一般に硬化触媒としてホスフィン系化合物、あるいはイミダゾール系化合物が用いられている。

ホスフィン系化合物としては、ボレート等のアニオンで塩にして保存安定性を高めたものが公知であるが、未だ満足のいくものではない。

これに対して、イミダゾール系化合物を硬化触媒として用いて得られる硬化物は、高Ｔｇとなり、反りの抑制効果としてはホスフィン系化合物に比べて優れているが、保存安定性に関しては大幅に劣る。

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、保存安定性に優れ、高流動性を有し、硬化物の反りの抑制効果を有する封止用エポキシ樹脂組成物及びこれを用いて封止した半導体装置を提供することを課題とする。

本発明は、前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。

即ち、本発明の封止用エポキシ樹脂組成物は、エポキシ樹脂、硬化剤、硬化触媒、無機充填材を必須成分とする封止用エポキシ樹脂組成物であって、前記硬化触媒が、下記式（１）で表されるイミダゾール系化合物と、芳香族を有するオレフィン系モノマーやカルボン酸もしくはそれらのエステル基を有するオレフィン系モノマーからの重合体や共重合体を含む混合物（但し、マイクロカプセルを除く）であり、式（１）の成分が前記混合物全体の５０質量％以下であり、かつ、硬化触媒の配合量が、封止用エポキシ樹脂組成物全体に対して０．０５〜５質量％であることを特徴とする。

（Ｒ１は１価の有機基または水素原子、Ｒ２は１価の有機基、Ｒ３は水素原子、Ｒ４は１価の有機基または水素原子を示す）

また、封止用エポキシ樹脂組成物が粉体であることが好ましい。

さらに、前記の封止用エポキシ樹脂組成物が、軟化点または融点が８０℃以下の、エポキシ樹脂、硬化剤の少なくともいずれかを含むことが好ましい。

さらにまた、無機充填材の割合が８０質量％以上、９５質量％以下であることが好ましい。

また、半導体装置においては、前記封止用エポキシ樹脂組成物を用いて封止された半導体装置とするのが好ましい。

本発明の封止用エポキシ樹脂組成物によれば、前記硬化触媒を用いることにより、保存安定性に優れ、高流動性を有し、硬化物の反りの抑制効果を有する封止用エポキシ樹脂組成物とすることができる。

以下、本発明の実施の形態について説明する。

本発明で用いられる必須成分としての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としては、例えば、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＳ型エポキシ樹脂、フェノールノボラック型エポキシ樹脂、アルキルフェノールノボラック型エポキシ樹脂、フェノールビフェニルアラルキルエポキシ樹脂等のアラルキル型エポキシ樹脂、ビフェノール型エポキシ樹脂、ナフタレン型エポキシ樹脂、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、アントラセン型エポキシ樹脂、フェノール類とフェノール性水酸基を有する芳香族アルデヒドとの縮合物のエポキシ化物、トリグリシジルイソシアヌレート、脂環式エポキシ樹脂等を挙げることができる。さらにこれらを１種単独で用いてもよいし、２種以上を併用して用いてもよい。

本発明で用いられる必須成分としての硬化剤としては、ジシアンジアミド、酸無水物、ノボラック型フェノール樹脂（フェノールノボラック、クレゾールノボラック、フェノールアラルキル等）、ナフトールアラルキル等、各種多価フェノール化合物、あるいはナフトール化合物を用いることができる。これらは１種単独で用いてもよいし、２種以上を併用して用いてもよい。

硬化剤の配合量は、エポキシ樹脂との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０．５未満であると、封止用エポキシ樹脂組成物の硬化特性が低下する場合があり、当量比が１．５を超えると、耐湿性が不十分になる場合がある。

本発明で用いられる必須成分としての硬化触媒は、前記のとおり、下記式（１）で表されるイミダゾール系化合物と高分子量体を含む混合物であり、式（１）のイミダゾール系化合物が前記混合物全体の５０質量％以下である物質である。

この場合の高分子量体としては、式（１）のイミダゾール系化合物と親和性を有し、例えばこれを包接するか、化学的結合を可能とするものが好適に用いられる。例えば代表的には、芳香族を有するオレフィン系モノマーやカルボン酸もしくはそれらのエステル基を有するオレフィン系モノマーからの重合体や共重合体が挙げられる。より詳しくは、例えばスチレンの重合体、アクリル酸エステルの重合体、メタクリル酸エステルの重合体、スチレン−アクリル酸エステル共重合体、アクリル酸エステル−メタクリル酸エステル共重合体等を挙げることができる。

式（１）のイミダゾール系化合物としては、具体的には例えば２−フェニル−４−メチルイミダゾール（Ｒ１が水素原子、Ｒ２がフェニル基、Ｒ３が水素原子、Ｒ４がメチル基）、２−エチル−４−メチルイミダゾール（Ｒ１が水素原子、Ｒ２がエチル基、Ｒ３が水素原子、Ｒ４がメチル基）等を挙げることができる。

これらのイミダゾール系化合物を前記高分子量体と混合することで、あるいはこれらのイミダゾール系化合物の共存下で重合もしくは共重合させることで前記高分子量体を調整することで、本発明の硬化触媒は準備可能とされる。そのための方法、装置等は公知手段として考慮される。もちろん、本発明の効果が阻害されない限り、前記イミダゾール系化合物と高分子量体を樹脂組成物成分として各々配合するようにしてもよい。

以上のとおりの本発明の硬化触媒の配合量は、封止用エポキシ樹脂組成物全体に対して０．０５〜５質量％、好ましくは０．２〜０．７質量％の範囲である。硬化触媒の配合量が０．０５質量％未満であると、封止用エポキシ樹脂組成物の硬化特性が低下する場合があり、５質量％を超えると、高流動性の効果が得られない場合がある。

本発明の封止用エポキシ樹脂組成物は、配合成分として前記のとおりのイミダゾール系化合物と高分子量体との混合物、例えば前記イミダゾール系化合物を高分子量体に内包またはこれに化学結合した硬化触媒を用いたので、保存安定性を飛躍的に向上させることができ、さらに高流動性とすることができ、硬化物の反りの抑制効果を発現させることができる。

本発明で用いられる必須成分としての無機充填材としては、一般にエポキシ樹脂組成物に用いられるものであれば特に限定することなく用いることができる。例えば、溶融シリカ、球状シリカ、球状溶融シリカ、破砕シリカ、結晶シリカ、球状アルミナ、酸化マグネシウム、窒化ホウ素、窒化アルミニウム等を挙げることができる。また、これらの他に、チタン酸バリウムや、酸化チタンのような高誘電率フィラー、ハードフェライトのような磁性フィラー、水酸化マグネシウム、水酸化アルミニウム、三酸化アンチモン、五酸化アンチモン、グアニジン塩、ホウ酸亜鉛、モリブデン化合物、スズ酸亜鉛等の無機系難燃剤や、タルク、硫酸バリウム、炭酸カルシウム、雲母粉等を用いることができる。そして、これらの無機充填材は１種単独で用いてもよいし、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全体に対して８０質量％以上、９５質量％以下、好ましくは８５質量％以上、９０質量％以下の範囲である。

無機充填材の配合量が８０質量％未満であるとパッケージ反りや耐吸湿リフロー性が悪くなるおそれがあり、９５質量％を超えると混練性が著しく悪化するおそれがあり、また成形性が低下するおそれがある。

また、封止用エポキシ樹脂組成物中における無機充填材の分散性を向上させるために、エポキシシラン系、メルカプトシラン系、アミノシラン系、ビニルシラン系、スチリルシラン系、メタクリロキシシラン系、アクリロキシシラン系、チタネート系等のカップリング剤や、アルキルエーテル系、ソルビタンエステル系、アルキルポリエーテルアミン系、高分子系等の分散剤を適宜添加することができる。

本発明の封止用エポキシ樹脂組成物には前記必須成分のほか離型剤を配合するのが好ましい。離型剤としては、高級脂肪酸又はその脂肪酸エステルか脂肪酸アミドからなる物質、カルナバワックス、カルボキシル基含有ポリオレフィン等を用いることができ、これらは１種単独で用いてもよいし、２種以上を併用して用いてもよい。

前記の高級脂肪酸は、一般に「高級」の用語を意味している炭素数１２以上の飽和脂肪酸又は不飽和脂肪酸である。

飽和脂肪酸としては、ラウリン酸、ミリスチン酸、パルミチン酸、ステアリン酸、アラギン酸、ベヘン酸、リグノセリン酸、モンタン酸等を挙げることができる。

また、不飽和脂肪酸としては、α−リノレン酸、ステアリドン酸、エイコサペンタエン酸、ドコサヘキサエン酸、リノール酸、γ−リノレン酸、ジホモ−γ−リノレン酸、アラキドン酸、オレイン酸、エライジン酸、エルカ酸、ネルボン酸等を挙げることができる。

軟化点又は融点が８０℃以下であるエポキシ樹脂、硬化剤としてのフェノール樹脂を少なくとも１種以上配合した場合、保存安定性が低下することがあるが、前記硬化触媒により保存安定性の低下を著しく改善することができる。

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で、さらに他の添加剤を配合することができる。このような添加剤の具体例としては、例えば、顔料、難燃剤、シリコーン可撓剤等を挙げることができる。

本発明の封止用エポキシ樹脂組成物は、前記のエポキシ樹脂、硬化剤、前記硬化触媒、無機充填材及び必要に応じて他の成分を配合してミキサー、ブレンダーなどを用いて十分均一に混合し、次いで熱ロールやニーダーなどを用いて加熱状態にて溶融混合し、室温に冷却した後、粉砕することにより製造することができる。

なお、本発明の封止用エポキシ樹脂組成物は、通常、前記の製造方法により、粉体の封止用エポキシ樹脂組成物として製造されるが、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。

また、本発明の半導体装置は前記のようにして得られた本発明の封止用エポキシ樹脂組成物を用いて半導体チップ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。

トランスファーモールドを適用する場合、たとえば、ＩＣチップなどの半導体チップを搭載したリードフレームまたは基板を成形金型のキャビティに配置した後、キャビティに封止用エポキシ樹脂組成物を充填し、これを加熱下にて硬化させることで、半導体チップを封止用エポキシ樹脂組成物で封止した半導体装置を製造することができる。

トランスファーモールドを適用する場合、たとえば、金型温度１７０〜１８０℃、成形時間６０〜１２０秒に設定することができるが、金型温度、成形時間及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。

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。
＜封止用エポキシ樹脂組成物の作成＞
表１に示す各配合成分を、表１に示す割合で配合し、ミキサーで充分混合して均一化した後、加熱ロールで約５分間混練を行い、冷却後、粉砕機で所定粒度に粉砕して粉体の封止用エポキシ樹脂組成物を得た。なお、表１に示す配合量は質量％を表す。

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：ビフェニル型エポキシ樹脂（三菱化学（株）製 ＹＸ４０００Ｈ）
低融点エポキシ樹脂１：ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂（三菱化学（株）製 ＹＬ６８１０（融点：４５℃））
低融点エポキシ樹脂２：ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂（新日鐵化学（株）製 ＹＳＬＶ-８０ＸＹ（融点：７５℃））
低軟化点エポキシ樹脂：ビフェニルアラルキル型エポキシ樹脂（日本化薬（株）製 ＮＣ３０００（軟化点：５６℃））
硬化剤（フェノールノボラック樹脂）：明和化成（株）製 ＤＬ−９５
硬化剤（低融点フェノールノボラック樹脂）：明和化成（株）製 ＤＬ−７５（融点７５℃）
硬化触媒（高分子量体を含む）：２−エチル−４−メチルイミダゾールとアクリル酸エステル重合体との混合物
硬化触媒（ヒドロキシメチルイミダゾール系化合物）：四国化成工業（株）製 ２Ｐ４ＭＨＺ
硬化触媒（ホスフィン系化合物）：北興工業（株）製 ＴＰＰ−Ｋ
無機充填材：球状の溶融シリカ
離型剤：カルナバワックス
カップリング剤：γ−グリシドキシプロピルトリエトキシシラン
着色剤：カーボンブラック
[スパイラルフロー変化率]
実施例１〜４、比較例１〜３の封止用エポキシ樹脂組成物について、製造直後の各封止用エポキシ樹脂組成物と、温度２５℃にて７２時間放置した各封止用エポキシ樹脂組成物それぞれについて、ＡＳＴＭ Ｄ３１２３に準拠したスパイラルフロー測定金型を用いて下記条件にて成形し、流動距離（ｃｍ）を測定した。

そして、製造直後の封止用エポキシ樹脂組成物の流動距離と温度２５℃にて７２時間放置した封止用エポキシ樹脂組成物の流動距離から変化率を求めた。
＜成形条件＞
金型温度：１７５℃
注入圧力：７Ｍｐａ
成形時間：９０秒
変化率（％）を表１に示す。
[パッケージ反り試験]
実施例１〜４、比較例１〜３の封止用エポキシ樹脂組成物を以下の成形条件で成形して以下の測定方法によりパッケージ反りを測定した。
＜成形条件＞
評価用ＴＥＧチップ（８ｍｍ×９ｍｍ×０．３５ｍｍ）を搭載したガラス基材ビスマレイミドトリアジン樹脂基板（３５ｍｍ×３５ｍｍ×０．５ｍｍ）にチップ搭載面の片側から１７５℃、１３秒の条件で封止用エポキシ樹脂組成物を注入し、キュア時間９０秒の条件でトランスファー封止した。
＜パッケージ反り測定方法＞
表面粗さ計を用いて反り量を測定し表面の高低差の最大値をパッケージ反りとした。パッケージ反り測定結果を表１に示す。

＜評価結果＞
スパイラルフロー変化率の結果では、前記硬化触媒を配合した本発明の実施例１〜４の封止用エポキシ樹脂組成物のスパイラルフロー変化率は、通常の硬化触媒を用いた比較例１〜３の封止用エポキシ樹脂組成物のスパイラルフロー変化率に比べて変化率が少ない結果となっている。このことから、前記硬化触媒を配合した封止用エポキシ樹脂組成物は、通常の硬化触媒を配合した封止用エポキシ樹脂組成物に比べて保存安定性に優れたものであることが確認された。

また、パッケージ反りの測定結果では、実施例１〜３と比較例２の測定結果が良好な結果となっている。これは硬化触媒にイミダゾール系の硬化触媒を用いたことによる効果であると考えられる。

スパイラルフロー変化率の結果とパッケージ反りの結果を併せて評価すると、実施例１〜３の封止用エポキシ樹脂組成物がバランスの点で優れており、これにより本願発明の効果を確認することができた。

Claims (5)

1. エポキシ樹脂、硬化剤、硬化触媒、無機充填材を必須成分とする封止用エポキシ樹脂組成物であって、前記硬化触媒が、下記式（１）で表されるイミダゾール系化合物と、芳香族を有するオレフィン系モノマーやカルボン酸もしくはそれらのエステル基を有するオレフィン系モノマーからの重合体や共重合体を含む混合物（但し、マイクロカプセルを除く）であり、式（１）の成分が前記混合物全体の５０質量％以下であり、かつ、硬化触媒の配合量が、封止用エポキシ樹脂組成物全体に対して０．０５〜５質量％であることを特徴とする封止用エポキシ樹脂組成物。
   

   

   （Ｒ１は１価の有機基または水素原子、Ｒ２は１価の有機基、Ｒ３は水素原子、Ｒ４は１価の有機基または水素原子を示す）
2. 封止用エポキシ樹脂組成物が粉体であることを特徴とする請求項１に記載の封止用エポキシ樹脂組成物。
3. 軟化点又は融点が８０℃以下の、エポキシ樹脂、硬化剤の少なくともいずれかを含むことを特徴とする請求項１または２に記載の封止用エポキシ樹脂組成物。
4. 無機充填材の割合が８０質量％以上、９５質量％以下であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の封止用エポキシ樹脂組成物。
5. 請求項１から４のいずれかに記載の封止用エポキシ樹脂組成物を用いて封止したことを特徴とする半導体装置。