JPH03287654A - 半導体封止用エポキシ樹脂組成物及び半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 １束上り五里分互 本発明は、高熱伝導性に優れ、かつ成形性、耐湿特性、
電気特性の良好な半導体封止用エポキシ樹脂組成物及び
該組成物の硬化物で封止された半導体装置に関する。

来の　　　び　　が　　しよ゛と　る 従来、半導体封止用エポキシ樹脂組成物の充填材として
は、溶融シリカ、結晶シリカ、アルミナ等の無機質充填
材が主に使用されており、特に熱放射性を要求される用
途には、封止樹脂としての高熱伝導性を高めるため、熱
伝導率が良好な結晶シリカ、アルミナが使用されている
。

しかしながら、充填材として結晶シリカを使用し、その
配合量の増加を行なっても、熱伝導率を５ｏ〜６０ｃａ
ｌ／α・Ｓｅｃ・℃程度までに上げるのが限界であり、
また、アルミナを使用しても半導体封止用樹脂として使
用するには６０〜７５ｃａｌ／（ｍ”ｓｅｃ・℃程度が
限界である。更に、これ以上に熱伝導性を向上させるた
め、結晶シリカやアルミナで高充填化を計ると、組成物
の流動性が極端に悪くなり、硬化物の強度が低下して半
導体封止用として不適当なものとなってしまう。

そこで、エポキシ樹脂組成物の熱伝導性をより高めるた
めに、充填材として結晶シリカよりも熱伝導性の高いチ
ッ化けい素、チッ化アルミニウム。

ボロンナイトライド（ＢＮ）、炭化ケイ素、炭酸カルシ
ウムを使用する方法が考えられる。しかし、これらの無
機充填材を使用した組成物は、結晶シリカが含有組成物
よりも熱伝導率が高いものの流動性や耐湿特性が低下す
るという問題点がある。

それ故、半導体装置のパッケージの小型化、デバイスの
高出力化への要求が高まる状況下において、現状の封止
材では熱放散性の面で対応が難しく、高い熱伝導性と成
形性、耐湿特性、電気特性とを兼ね備えた半導体封止用
エポキシ樹脂組成物の開発が望まれている。

本発明は上記事情に鑑みなされたもので、熱伝導性が高
く、かつ成形性、耐湿特性、電気特性に優れた半導体封
止用エポキシ樹脂組成物及び該組成物の硬化物で封止さ
れた半導体装置を提供することを目的とする。

を　　するための　　　び 本発明者は上記目的を達成するため、半導体封止用エポ
キシ樹脂組成物に使用する充填材について鋭意検討を重
ねた結果、窒化アルミニウム粉体表面を加熱酸化等によ
り表面処理するなどして、窒化アルミニウムと水との反
応を低減し得る酸化物被膜等の表面保護膜が形成された
窒化アルミニウム粉体を充填材として使用した場合、高
い熱伝導性と成形性、耐湿特性及び電気特性とを兼備し
たエポキシ樹脂組成物が得られ、上記目的を達成するこ
とができることを知見した。

即ち、本発明者の検討によると、半導体封止用エポキシ
樹脂組成物の充填材として窒化アルミニウムは熱伝導性
、流動性、電気特性が良好なものであるが、耐湿性が劣
り、吸湿により水と反応して簡単にアンモニア水又はア
ンモニウムイオンとＡｌ２（ＯＨ）３になり、そのまま
では最近の半導体封止用樹脂に要求される高度の特性を
有していないものであった。

しかし、窒化アルミニウムを酸化処理、シラン処理等す
ることにより表面改質し、表面保護膜を形成した場合、
耐湿性が向上し、窒化アルミニウムの熱伝導性、流動性
、電気特性を効果的に発揮させることができることを見
い呂し、本発明をなすに至ったものである。

従って、本発明は充填材として表面処理されて水との反
応を低減する表面保護膜が形成された窒化アルミニウム
粉体を含有することを特徴とする半導体封止用エポキシ
樹脂組成物を提供する。

以下、本発明につき更に詳述する。

本発明の半導体対土用エポキシ樹脂組成物は、エポキシ
樹脂、硬化剤、充填材、更に必要により硬化促進剤、離
型剤、顔料などを用いて構成されるものである。

この場合、本発明組成物に使用するエポキシ樹脂は１分
子中に１個以上のエポキシ基を有するものであれば特に
制限はなく、例えばノボラック型エポキシ樹脂、グリシ
ジルエーテル型エポキシ樹脂、グリシジルエステル型エ
ポキシ樹脂、脂環式エポキシ樹脂等を使用し得るが、こ
れらの中で、特にタ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等のノボラック
型エポキシ樹脂が最適に使用される。なお、これらエポ
キシ樹脂は１種を単独で使用しても２種以上を併用して
も差支えない。

更にこの場合、エポキシ樹脂としては、有機酸含有量が
１１００ｐｐ以下、特に５０ｐｐｍｎ以下、塩素イオン
が２　ｐｐｍ以下、特に１　ｐｐｍ以下、加水分解性の
塩素の含有量が５００ＰＰ！Ｑ以下、特に１１００ｐｐ
以下、エポキシ当量が１８０〜２３０、特Ｌ：１８０〜
２００のものを用いることが好ましく、これにより組成
物の耐湿性をより向上させることができる。なおまた、
エポキシ樹脂と共に、モノエポキシ化合物を適宜併用す
ることは差支えなく、このモノエポキシ化合物としては
スチレンオキシド。

シクロヘキセンオキシド、プロピレンオキシド、メチル
グリシジルエーテル、エチルグリシジルエーテル、フェ
ニルグリシジルエーテル、アリルグリシジルエーテル、
オクチレンオキシド、ドデセンオキシドなどが例示され
る。

また、硬化剤はエポキシ樹脂に応じたものが使用され、
例えばフェノール樹脂、無水トリメリット酸、無水テト
ラヒドロフタル酸等の酸無水物などが用いられるが、中
でもフェノール樹脂が好ましく、特に平均構造式 （Ｒは水素原子又はメチル基、ｎ′＝０〜１０）で示さ
れるフェノールとホルマリンとを酸触媒を用いて反応さ
せて得られるノボラック型フェノール樹脂が好適に使用
できる。

この場合、フェノール樹脂としては、半導体の耐湿性の
点から遊離のＮａ、Ｃρを２　ｐｐｍ以下、特に１　ｐ
ｐｍ以下、フリーのフェノールの量を１％以下、特に０
．２％以下、有機酸の量を１１００ｐｐ以下、特に５０
ｐｐｍ以下、軟化点を５０〜１２０℃、特に８０〜１０
０℃とすることが好ましい。

なお、製造時に残存している微量のホルムアルデヒドの
カニツアロ反応によって生じる蟻酸などの有機酸の量が
１１００ｐｐを超えると、半導体の耐湿性が劣る場合が
ある。

フェノール樹脂の使用量は特に制限されないが。

一般的にはエポキシ樹脂１００重量部に対し１５〜７０
重量部である。

更にフェノール樹脂としてノボラック型フェノール樹脂
に加えて、又はその代りにフェノール−フルフラール樹
脂、レゾルシン−ホルムアルデヒド樹脂、これらのオル
ガノポリシロキサン変性フェノール樹脂、天然樹脂変性
フェノール樹脂、油変性フェノール樹脂などを適宜併用
しても差支えない。

更に、本発明組成物には、エポキシ樹脂と硬化剤との反
応を促進させるために硬化促進剤を配合することが好ま
しい。

ここで、硬化促進剤としては特に制限されず、通常エポ
キシ化合物の硬化に用いられる化合物、例えばイミダゾ
ール化合物、有機ホスフィン化合物、１，８−ジアザビ
シクロ（５，４，０）ウンデセン−７（Ｄ、Ｂ、Ｕ）等
のウンデセン化合物などが用いられるが、組成物の耐湿
特性の面からこのうちトリフェニルフォスフインを用い
ることが好ましい。なお、硬化促進剤の使用量は特に制
限されず、通常の使用量でよい。

本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物は、上述のよ
うなエポキシ樹脂、硬化剤を必須成分とし、更には硬化
促進剤を必要により配合して得るものであるが、本発明
においては、これら成分と共に充填材として表面処理さ
れた窒化アルミニウム粉体を使用する。

ここで、窒化アルミニウム粉体の粒径や構造は別に制限
されないが、粒子径０．１〜２００ｍで平均粒径が５〜
３５１．ａであることが好ましく、通常ウルツ鉱型構造
のものが好適に用いられる。

本発明で使用する窒化アルミニウム粉体は、窒化アルミ
ニウム粉体の表面での窒化アルミニウムと水との反応を
抑制してアンモニア又はアンモニウムイオンの発生を防
止し得るような表面保護膜が粉体表面に形成されている
ものであり、表面保護膜が形成されることで窒化アルミ
ニウムの耐湿特性が向上する。

この場合、窒化アルミニウム粉体の表面保護膜は、上記
反応を抑制するという点から表面処理された窒化アルミ
ニウム粉体を１５０”Ｃ，１６時間の条件で加熱抽出し
た際に抽出されるアンモニウムイオン量が５０ｐｐｍ以
下になるように形成されることが好ましく、このような
表面保護膜として具体的には、窒化アルミニウムの酸化
物被膜、けい素化合物による被膜などが好適である。

ここで、窒化アルミニウム粉体表面に酸化物被膜を形成
するには、窒化アルミニウム粉体の表面を酸化する方法
として例えば窒化アルミニウム粉体を空気中で加熱して
粉体表面を准化し、窒化アルミニウム粉体の表面にＡＱ
２０．などの窒化アルミニウム酸化物からなる被膜を形
成する加熱酸化法、窒化アルミニウムの加水分解性を利
用し、酸化剤雰囲気中で窒化アルミニウム粉体表面に酸
化物被膜を形成する方法などが好ましく採用される。

なお、加熱酸化法では、加熱温度が高い場合や酸化時間
が長い場合、窒化アルミニウム粉体表面の酸化被膜が厚
くなって熱伝導性が低下することがある。このため、加
熱温度や時間は厳密に制御することが好ましいが、一般
には５００℃以上で１時間以上、特に６００〜１８ｏｏ
°Ｃで１〜３５時間加熱することが好ましい。

ここで、窒化アルミニウム粉体表面に形成される酸化物
被膜の膜厚は例えばＸ線マイクロアナライザー等の分析
手段で求めた場合、通常１０〜５００人、好ましくは１
０〜１００人程度とされ、これより厚い場合には上記し
たように熱伝導性が低下する場合があり、これより薄す
ぎる場合には、保護膜としての機能が充分発揮されず、
窒化アルミニウム粉体が耐湿性に劣るものとなる場合が
ある。

更に、窒化アルミニウム粉体表面に酸化物被膜を形成し
た後、シランカップリング剤やアルミニウムアルコキシ
ド等で表面処理すると、耐湿性を格段に向上することが
できるのでより好適である。

ここで、上記酸化物被膜の表面処理に用いられるシラン
カップリング剤としては、例えばビニルトリクロルシラ
ン、ビニルトリエトキシシラン。

ビニルトリ（β−メトキシエトキシ）シラン、γ−グリ
シドキシプロピルトリメトキシシラン、β−（３，４ニ
ポキシシクロヘキシル）トリメトキシシラン、Ｎ−β−
（アミノエチル）−γ−アミノプロピルトリメトキシシ
ラン、Ｎ−β−（アミノエチル）−γ−アミノプロピル
メチルジメトキシシラン、γ−クロロプロピルトリメト
キシシラン。

γ−メルカプトプロピルトリメトキシシラン。

γ−アミノプロピルトリエトキシシラン、フェニルトリ
メトキシシラン等のビニル基、エポキシ基、アミノ基、
メルカプト基、クロロプロピル基等の官能基を有するア
ルコキシシラン又はクロルシラン等の他、フェニルトリ
メトキシシラン、テトラメトキシシラン等の官能基を持
たないアルコキシシラン等を挙げることができ、アルミ
ニウムアルコキシドとしては、例えばアルミニウムイソ
プロポキシド、アルミニウムエトキシド等を挙げること
ができる。

なお、シランカップリング剤やアルミニウムアルコキシ
ド等での表面処理は、通常の方法と同様に行うことがで
きる。

なおまた、上記シランカップリング剤やアルミニウムア
ルコキシドによる表面処理は、窒化アルミニウム粉体表
面に直接行ってもよい。

また、窒化アルミニウム粉体の表面処理には、別法とし
て前記した酸化物被膜の表面処理に用いたものと同様の
シランカップリング剤やフルオロシリコーン樹脂等を用
いてプラスチックコーティングの手法を採用することも
できる。プラスチックコーティングとしては例えばＣＶ
Ｄ法、マイクロカプセル化法として知られている種々の
方法、樹脂を溶剤に溶かしてコーティングする方法、ゾ
ルゲル法による表面コーティング法、液状樹脂を直接コ
ーティングする方法等が挙げられる。なお、窒化アルミ
ニウム粉体表面に樹脂層を形成する場合は、例えば樹脂
、硬化剤および促進剤を溶媒に溶解して得た溶液と窒化
アルミニウム粉体とをミキサー中で混合しながら加熱す
ることによって溶剤を揮散させ、硬化した樹脂で窒化ア
ルミニウム粉体をコーティングすることが好適である。

このように表面処理された窒化アルミニウム粉体の配合
量は、エポキシ樹脂１００部（重量部、以下同様）に対
して２０〜１０００部、特に１００〜５５０部の範囲と
することが好ましい。

配合量が２０部に満たないと、窒化アルミニウム粉体と
、配合樹脂との分離により、成形時に金型から樹脂パリ
が発生したり、樹脂洩れ等のために成形物中にボイドが
発生したりする場合があり、１０００部を越えると組成
物の流動性が悪くなり、混線、成形等が困難になる場合
がある。

なお、本発明においては、充填材として上記窒化アルミ
ニウム粉体と共に溶融石英、結晶石英などを本発明の目
的を損なわない範囲で併用することができる。

本発明の組成物には、更に必要によりその目的、用途な
どに応じ、各種添加剤を配合することができる。例えば
、ワックス類、ステアリン酸などの脂肪酸及びその金属
塩等の離型剤、カーボンブラック等の顔料、染料、難燃
化剤、老化防止剤、その他の添加剤を配合することは差
支えない。

本発明の組成物は、上述した成分の所用量を均一に撹拌
、混合し、予め７０〜９５℃に加熱しであるロール、ニ
ーダ−などにより混線、冷却し、粉砕するなどの方法で
得ることができる。なお。

成分の配合順序に特に制限はない。

本発明のエポキシ樹脂組成物は、ＩＣ，ＬＳＩ。

トランジスタ、サイリスタ、ダイオード等の半導体装置
の封止用、プリント回路板の製造などに使用される。な
お、半導体装置の封止を行う場合は、従来より採用され
ている成形法、例えばトランスファ成形、インジェクシ
ョン成形、注型法などを採用して行うことができる。こ
の場合、エポキシ樹脂組成物の成形温度は１５０〜１８
０℃、ポストキュアーは１５０〜１８０℃で２〜１６時
間行うことが好ましい。

ｌユ生麦見 以上説明したように、本発明のエポキシ樹脂組成物は、
高熱伝導性に優れ、かつ成形性、耐湿特性、電気特性が
良好であり、半導体装置封止用として好適に用いられる
もので、工業的に価値が大きい。

次に、参考例として窒化アルミニウム粉体表面の改質法
を示す。

〔参考例１〕 窒化アルミニウム粉体（日本電工■製）を第１表に示す
条件で加熱処理し、表面に酸化被膜が形成された窒化ア
ルミニウム酸化被膜粉体を４種類得た。

得られた粉体の酸化の程度を確認するため、ＥＳＣＡに
より得られた４種類の酸化被膜粉体及び非処理の原料窒
化アルミニウム粉体表面の元素濃度を分析した。

結果を第１表に併記する。

第　　１　　表 〔参考例２〕 参考例１で得られた窒化アルミニウム酸化被膜粉末（Ｈ
Ａ−１）５００ｇ、γ−グリシドキシトリメトキシシラ
ン２ｇ、トルエン溶剤５００ｇをフラスコに入れて５時
間還流した後、溶剤を除去し、窒化アルミニウム酸化被
膜粉末の表面をシランカップリング剤で処理した粉体（
ＨＡ−５）を得た。

〔参考例３〕 窒化アルミニウム粉末を８５℃、８５％ＲＨの雰囲気で
１４８時間放置し、窒化アルミニウムの表面を加水分解
させた後、８００℃で５時間窒素雰囲気下で加熱処理し
、表面改質された窒化アルミニウム粉体（ＨＡ−６）を
得た。

〔参考例４〕 窒化アルミニウム粉末５００ｇにトルエン溶剤５００ｇ
、メチルトリメトキシシラン５ｇを加え、１１０℃まで
加温して５時間撹拌した後、溶剤除去のため１２０℃に
おいて減圧５ｍｍＨｇの条件で溶剤をストリップし、窒
化アルミニウム粉体を得た。次に、この粉体をＮ２ガス
雰囲気の電気炉で８００℃、４８時間処理し、ケイ素と
アルミニウム化合物で被覆された窒化アルミニウム粉体
（ＨＡ−７）を得た。

〔参考例５〕 窒化アルミニウム粉末５００ｇにフェニルトリメトキシ
シラン０．５ｇ、テトラメトキシシラン１０ｇ、Ｄ、Ｂ
、Ｕｏ、０１　ｇの混合物をトライブレンドし、密閉下
で２４時間放置後、乾燥器で２００℃、１６時間加熱し
、粉体表面がシリコーン化合物で被覆された窒化アルミ
ニウム粉体を得た。次に、この窒化アルミニウム粉体を
参考例４と同様に熱処理し、ケイ素化合物で被覆された
窒化アルミニウム粉体（ＨＡ−８）を得た。

参考例１〜５で得られた窒化アルミニウム粉体及び表面
非処理の窒化アルミニウム（信越金属■製）各々５ｇと
蒸留水５０ｇとを密閉・加熱ができる容器（ユニシール
、ユニシール社製）に入れ、１５０℃、１６時間放置し
、試料から抽出されるアンモニウムイオン濃度と電気伝
導度を測定した。

結果を第２表に示す。

第　　２　　表 以下、実施例及び比較例を挙げて、本発明を具体的に説
明するが、本発明は下記実施例に制限されるものではな
い、なお、以下の例において部はいずれも重量部である
。

〔実施例１〜８．比較例１〜４〕 下記配合物をよく混合し、１００℃に加熱した８インチ
ロールで３分間混線した後、冷却、粉砕してエポキシ樹
脂組成物（実施例１〜８．比較例１〜４）を得た。

エポキシ　脂 クレゾールノボラック型エポキシ樹脂＊　　　　６０　
部フェノール型ノボラック樹脂＊＊　　　　　　　　　
３０臭素化エポキシ樹脂＊＊＊　　　　　　　　　　　
　１０窒化アルミニウム粉体　　　　　　　　　第３表
に示す量カルナバワックス　　　　　　　　　　　　　
　　２．０γ−グリシドキシトリメトキシシラン　　　
　　　１．５カーボンブラツク　　　　　　　　　　　
　　　　　１．０二酸化アンチモン　　　　　　　　　
　　　　　　５結晶シリカ　　　　　　　　　　　　　
　第３表に示す量溶融シリカ　　　　　　　　　　　　
　　　　　　”トリフェニルホスフィン Ｄ、Ｂ、Ｕ ２−フェニルイミダゾール ＊塩素イオンＩＰＰｍ＋加水分解性Ｃｆｆ３００ｐｐｍ
。

有機酸含有量２０ｐｐｍ、エポキシ当量１９６＊＊ナト
リウムイオン、塩素イオン各ｌｐｐｍ。

フリーフェノール０．１％、有機酸含有量１０ｐｐｍｔ
軟化点８０’Ｃ ＊＊＊塩素イオン２ｐｐｍ、加水分解性ＣＱ４００ＰＰ
ｍｌ有機酸含有量２０ｐｐｍ、Ｂｒ含有量３５％。

エポキシ当量２８０ 次に、得られたエポキシ樹脂組成物の特性を下記方法で
測定した。

結果を第３表に併記する。

（イ）成形不良率の測定 トランスファー成形機で１００個取りの１４ピンＩＣ用
金型を用いて１ｏシヨツト成形し、この時の外観不良率
（ボイド、未充填、スネークアイ等の不良）を測定した
。

（ロ）スパイラルフロー ＥＭＭＩ規格に準じた金型にエポキシ樹脂を充填し、成
形温度１７５℃、成形圧カフ０ｋｇ／ｃｄの条件下で測
定した。

（ハ）体積抵抗率の測定 成形温度１６０℃、成形圧カフ０ｋｇ／ａｄ、成形時間
２分の条件でエポキシ樹脂組成物を成形して直径６α、
厚さ２ｍの円板を作り、これを１８０℃で４時間ポスト
キュアーした後、１２０℃のＰＣＴ中で２４時間放置し
たテストピースについて、１５０℃での体積抵抗率をＪ
ＩＳ−に−６９１１に準じて測定した。

（ニ）耐湿特性（ＡＱ腐食テスト） 銅にニッケルめっきした材質のフレームを使用した１４
ピンＤＩＰのＩＣ形状に成形したサンプルを高圧釜に入
れて１２１℃、２気圧の高温高湿雰囲気に１０００時間
放置し、アルミニウム配線のオープン不良が生じたサン
プル数を測定し、配線のオープン不良率を算出した。得
られた配線のオープン不良率から耐湿特性を評価した。

（ホ）パーコール硬度 エポキシ樹脂を成形温度１７５℃、成形圧カフ０ｋｇ／
ｃＪ、成形時間９０秒で成形し、成形金型解体後パーコ
ール硬度９３５にて成形物の熱時硬度を測定した。

第３表の結果より、本発明のエポキシ樹脂組成物は、高
熱伝導性に優れ、しかも成形性、耐湿特性、電気特性が
良好であることが確認された。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、充填材として表面処理されて水との反応を低減し得
   る表面保護膜が形成された窒化アルミニウム粉体を含有
   す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、請求項１記載のエポキシ樹脂組成物の硬化物で封止
   された半導体装置。