JPH07122683A - 半導体封止用エポキシ樹脂組成物 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 エポキシ樹脂、フェノール樹脂硬化剤、硬化
促進剤、無機質充填材、シランカップリング剤を必須成
分とするエポキシ樹脂組成物において、全エポキシ樹脂
組成物中に含まれる沸点が２５０℃以下の揮発性有機物
成分が重量比で５００ｐｐｍ以下である半導体封止用エ
ポキシ樹脂組成物 【効果】 成形時のピンホール・ボイドの発生、及び表
面実装時の半田処理による信頼性低下の両者のいずれを
も防止することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は成形性、半田耐熱性、耐
湿信頼性に優れた半導体封止用樹脂組成物に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】ＩＣ，ＬＳＩ等の半導体素子の封止方法
としてエポキシ樹脂組成物のトランスファー成形による
方法が低コスト、大量生産に適した方法として採用さ
れ、信頼性の面でもエポキシ樹脂や硬化剤であるフェノ
ール樹脂の改良により向上が図られてきた。しかし、近
年の電子機器の小型化、軽量化、高性能化の市場動向に
おいて、半導体の高集積化も年々進み、また半導体パッ
ケージの表面実装化が促進されるなかで、半導体封止材
料への要求は益々厳しいものとなってきている。このた
め、従来の封止材料では解決できない問題点もでてきて
いる。一つには、パッケージの薄型化に伴い、パッケー
ジ中に占める半導体封止材料の厚みが一段と薄くなって
きたことであり、例えば１ｍｍ厚のＴＳＯＰの場合な
ど、チップの上面に形成される封止材料の厚みは０．２
〜０．３ｍｍ程度となる。このために、半導体封止材料
中にピンホールやボイド（空洞）が存在すると耐湿信頼
性、電気絶縁性が著しく低下してまう。従来よりピンホ
ール・ボイドに関しては、タブレット変形や流動樹脂の
乱流による成形時のエアーの巻き込み、あるいはタブレ
ット中に含まれる水分が原因として考えられてきた（特
開昭６３−２３７９１０号公報、特開昭６４−６１０２
８号公報、特開平１−１２９４２４号公報等）。しか
し、エアーの巻き込み防止やタブレット吸湿の防止等の
従来の手法では確かにピンホール・ボイドを低減できる
効果があるが、皆無とならず、特に薄型パッケージで問
題となる０．２ｍｍ以下のピンホール・ボイドを発生さ
せないための更なる改良が望まれている。

【０００３】次に二番目の問題点として、半導体パッケ
ージの表面実装の採用によりパッケージが半田浸漬、あ
るいはリフロー工程で急激に２００℃以上の高温にさら
され、このためにパッケージが割れたり、チップ封止樹
脂との界面剥離が生じて耐湿性が低下したりするという
半田耐熱性がある。この半田耐熱性の向上に関しては耐
熱エポキシ樹脂の使用、半田浸漬時の応力低減やリード
フレーム、チップとの接着性向上のための可撓性樹脂の
使用、接着性付与成分の添加、熱膨張係数を小さくする
ための無機質充填材の配合量の増量、あるいはシリカへ
のシランカップリング剤の処理条件の改良等数多くの提
案がなされてきている。しかし、パッケージクラックや
チップと封止樹脂との界面剥離はいずれも封止樹脂とリ
ードフレームまたは封止樹脂とチップとの接着力が低い
ことが原因であり、しかもこの接着力の低さは成形時の
封止樹脂のチップ、リードフレーム界面への濡れ性の低
下も要因の一つと考えられる。根本的に濡れ性の低下を
改良しなければ、上記諸提案の効果が十分に得ることが
できない。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】半導体パッケージ成形
時のピンホール・ボイドの発生及びチップ・リードフレ
ーム界面での接着力の低下の原因につき種々の検討を行
った結果、これらが封止樹脂組成物中に含まれる揮発性
有機物成分に起因していることを明らかにし、この揮発
性有機物成分をある一定量以下にすることで、飛躍的に
特性が向上することを見いだした。即ち本発明はピンホ
ールやボイドの発生及び表面実装化における半田処理工
程での信頼性低下の両者のいずれをも防止することがで
きる半導体封止用エポキシ樹脂組成物を提供するもので
ある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、エポキシ樹
脂、フェノール樹脂硬化剤、硬化促進剤、無機質充填
材、シランカップリング剤を必須成分とするエポキシ樹
脂組成物において、全エポキシ樹脂組成物中に含まれる
沸点が２５０℃以下の揮発性有機物成分が重量比で５０
０ｐｐｍ以下である半導体封止用エポキシ樹脂組成物で
ある。

【０００６】以下に本発明を詳細に説明する。本発明に
用いられるエポキシ樹脂はエポキシ基を有するモノマ
ー、オリゴマー、ポリマー全般を指し、例えばビスフェ
ノールＡ型エポキシ樹脂、ビフェノール型エポキシ樹
脂、オルソクレゾール型エポキシ樹脂、ナフタレン型エ
ポキシ樹脂、トリフェノールメタン型エポキシ樹脂、ハ
イドロキノン型エポキシ樹脂等が挙げられるが、これら
に限定されるものではなく、またこれらのエポキシ樹脂
は単独もしくは併用しても差し支えない。フェノール樹
脂硬化剤は、上記エポキシ樹脂と硬化反応を行い架橋構
造を形成することができるフェノール性水酸基を有する
モノマー、オリゴマー、ポリマー全般を指し、例えばフ
ェノールノボラック樹脂、パラキシリレン変性フェノー
ル樹脂、テルペン変性フェノール樹脂、ジシクロペンタ
ジエン変性フェノール樹脂、ビスフェノールＡ、トリフ
ェノールメタン等が挙げられが、これらに限定されるも
のではない。これらのフェノール樹脂硬化剤は単独もし
くは併用しても差し支えない。

【０００７】硬化促進剤としては、上記エポキシ樹脂と
フェノール樹脂硬化剤との架橋反応の触媒となるもので
あり、例えばジアザビシクロウンデセン等のアミン系化
合物、トリフェニルホスフィン等の有機ホスフィン化合
物、２−メチルイミダゾール等のイミダゾール化合物等
が挙げられる。これらの硬化促進剤は単独であっても、
また併用であっても差し支えない。無機質充填材として
は、溶融シリカ粉末、結晶シリカ粉末、アルミナ、窒化
珪素等が挙げられる。これら無機質充填材の配合量は成
形性と信頼性とのバランスから全エポキシ樹脂組成物中
に７０から９０重量％含有することが好ましい。特に充
填材量の多い配合では、球状の溶融シリカを用いるのが
一般的である。シランカップリング剤としては、例えば
γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、γ−ア
ミノプロピルトリメトキシシラン、γ−メルカプトプロ
ピルメトキシシラン、ビニルトリエトキシシラン等が挙
げられるが、これらに限定するものでなく、またこれら
は単独または併用しても差し支えない。本発明のエポキ
シ樹脂組成物はエポキシ樹脂、フェノール樹脂硬化剤、
硬化促進剤、無機質充填材及びシランカップリング剤を
必須成分とするが、これ以外にも必要に応じて臭素化エ
ポキシ樹脂、三酸化アンチモン等の難燃剤、カーボンブ
ラックに代表される着色剤、天然ワックス及び合成ワッ
クス等の離型剤、シリコーンオイル、シリコーンゴム、
合成ゴム等の低応力添加剤を適宜配合しても差し支えな
い。成形材料化するに際しては、加熱ニーダや熱ロール
により全組成物を加熱混練し、続いて冷却、粉砕するこ
とにより目的とする半導体封止用エポキシ樹脂組成物が
得られる。

【０００８】本発明の最も重要な点は、全エポキシ樹脂
組成物中に含まれる沸点が２５０℃以下の揮発性有機物
成分の量を重量比で５００ｐｐｍ以下、さらに好ましく
は２５０ｐｐｍ以下に抑えることである。一般に半導体
封止用エポキシ樹脂組成物の原料の有機化合物であるエ
ポキシ樹脂、フェノール樹脂硬化剤、シランカップリン
グ剤等は、その製造工程、保管工程で空気中の水分を吸
湿しており、さらにこれら原料と無機質充填材等とを加
熱混練して製造されるエポキシ樹脂組成物においても、
その製造工程、保管工程において水分を吸湿する。この
吸湿水分が成形性や半田耐熱性の低下の原因となること
は、既に多くの報告がある。そしてその対策として、露
点−１０℃以下の乾燥空気中で乾燥させたり、密閉され
た保管場所で減圧処理を施し水分を気化、乾燥させた
り、あるいはシリカゲル、五酸化燐等の乾燥剤を用いて
水分を乾燥剤に吸着させておく等多くの提案がなされて
いる。確かにこれらの方法により封止剤組成物中に残存
する水分の量は実質的に殆どゼロとすることが可能であ
り、これにより成形時の揮発成分が顕著に減少するた
め、成形品中のピンホール・ボイドの数を減少させた
り、あるいは揮発ガスの発生による樹脂組成物とチッ
プ、リードフレームとの界面の濡れ性が低下することに
起因する密着性低下を改善するのに効果は認められる。
しかしながら、先に述べたように最近の半導体パッケー
ジの薄型化及び苛酷な半田処理条件においてはこれだけ
では不十分となってきていることも事実である。この原
因としては、エポキシ樹脂組成物中に含まれる揮発性有
機物成分が、前記したような水分除去の方法では殆ど除
去できないためであり、このため成形温度において気化
・揮発する有機物成分によって、ボイド・ピンホールの
生成やチップ・リードフレームと封止材料界面の濡れ
性、延いては接着力の低下を起こしているためである。
ここでいうエポキシ樹脂組成物中に含まれる揮発性有機
物成分とは、成形時に気化、揮発する有機化合物を指
し、さらに詳しく言えば、沸点が２５０℃以下の有機成
分のことである。

【０００９】これらの揮発性有機物成分は、主に以下の
二つの理由によりエポキシ樹脂組成物中に残存すると考
えられる。 （１）エポキシ樹脂組成物中のエポキシ樹脂、フェノー
ル樹脂硬化剤の製造工程で使用した沸点２５０℃以下の
有機物成分が除去しきれずに残存したもの。揮発性有機
物成分の例としては、トルエン（沸点１１０℃）、アセ
トン（沸点５６℃）、メチルエチルケトン（沸点８０
℃）、メチルイソブチルケトン（沸点１１７℃）、ジメ
チルスルフォキシド（沸点１８９℃）、オルソクレゾー
ル（沸点１９１℃）、フェノール（沸点１８２℃）等が
挙げられる。 （２）エポキシ樹脂組成物の製造工程中及び保管中に無
機質充填材の水酸基とシランカップリング剤のアルコキ
シ基とが反応することにより生成するアルコール成分。
具体的にはメタノール、エタノールが代表的な例として
挙げられる。

【００１０】これら揮発性有機物成分を低減する方法と
して、以下の三つの方法が工業的には重要である。 使用する原料のエポキシ樹脂、フェノール樹脂硬化剤
等を予め減圧下で加熱することで、残存する揮発性有機
物成分を除去する方法。この場合、加熱温度は樹脂の軟
化温度以上、好ましくは１５０℃以上、２５０℃以下の
温度とし、真空度５０ｍｍＨｇ以下で攪拌しながら処理
することで効果が得られる。 無機質充填材を予めシランカップリング剤で被覆処理
した後、加熱することで両者の反応を完結させるととも
に、反応生成物であるアルコールを除去する。このシラ
ンカップリング剤処理無機質充填材をエポキシ樹脂、フ
ェノール樹脂硬化剤、硬化促進剤等と加熱混練すること
でエポキシ樹脂組成物とする方法。従来より、シリカに
代表される無機質充填材とシランカップリング剤とを予
め被覆、反応させる方法は提案されてはいるが、この場
合重要なのはその反応させるための温度と時間である。
本発明の２５０℃以下の揮発性有機物成分の量を重量比
で５００ｐｐｍ以下に抑えるためには、シランカップリ
ング剤で被覆された無機質充填材の加熱処理条件を２０
０℃では３０分以上、１５０℃では８時間以上、１００
℃で２４時間以上とすることが望ましい。 成形材料化における加熱混練工程において、ニーダー
等の混練機を真空ポンプにより脱気し、減圧状態とする
ことでエポキシ樹脂組成物の加熱溶融混練と同時に低沸
点の揮発性有機物成分を除去する方法。この場合、通
常、加熱混練されるエポキシ樹脂組成物の溶融混練時の
温度は８０℃から１５０℃とし、その際の脱気の減圧度
は２００ｍｍＨｇ以下とすることが望ましい。 以上のからまでの方法を用いればエポキシ樹脂組成
物中の揮発性有機物を効果的に低減できる。特に、沸点
２５０℃以下の揮発性有機物成分を全エポキシ樹脂組成
物中の５００ｐｐｍ以下に抑えるためにはこれらの手法
を組み合わせることが望ましい場合がある。エポキシ樹
脂組成物中に残存する揮発性有機物成分の定量は、種々
の方法があるが、比較的簡便なものとしてはガスクロ−
マススペクトル法、熱重量天秤−マススペクトル法が挙
げられる。これらはエポキシ樹脂組成物の試料を任意の
温度に加熱し、発生する揮発成分をマススペクトルにて
同定、定量する測定方法である。

【００１１】以下本発明を実施例で具体的に説明する。 実施例１ ３，３’，５，５’−テトラメチルビフェノールジグリシジルエーテル（融点 １０３℃、エポキシ当量１９５） ６ 重量部 パラキシリレン変性フェノール樹脂硬化剤（商品名ザイロック 三井東圧化学 製、軟化点７０℃、水酸基当量１７５） ２．５重量部 フェノールノボラック樹脂（軟化点８５℃、水酸基当量１０４） ２ 重量部 トリフェニルホスフィン ０．２重量部 溶融シリカ粉末 ８６ 重量部 γ−アミノプロピルトリエトキシシラン ０．５重量部 三酸化アンチモン １ 重量部 臭素化ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂 １ 重量部 カルナバワックス ０．５重量部 カーボンブラック ０．３重量部 上記配合でエポキシ樹脂組成物を製造するにあたって、
予め３，３’，５，５’−テトラメチルビフェノールジ
グリシジルエーテル、パラキシリレン変性フェノール樹
脂硬化剤、及びフェノールノボラック樹脂をそれぞれ１
５０℃に加熱し、２０ｍｍＨｇ減圧下３０分間攪拌し、
揮発成分を除去した。次に全配合原料をミキサーにより
混合した後、バレル温度１００℃で、真空ポンプにより
１５０ｍｍＨｇの減圧条件下の２軸ニーダーで加熱混練
を行った。混練物をシーティングロールで２ｍｍ厚のシ
ート状にし、さらに冷却後粉砕して、封止材料とした。

【００１２】実施例２ 実施例１の配合において、予めミキサーで溶融シリカ粉
末とγ−アミノプロピルトリエトキシシランとを十分混
合後、これを１５０℃で８時間加熱処理を行った。この
処理シリカと実施例１の他の配合物とをミキサーで混合
した後、バレル温度１００℃の２軸ニーダーにて加熱混
練した。このとき２軸ニーダーの減圧脱気は行わなかっ
た。混練物を実施例１同様シート化、粉砕して封止材料
を得た。 実施例３ 実施例１の配合において、実施例１の３，３’，５，
５’−テトラメチルビフェノールジグリシジルエーテ
ル、パラキシリレン変性フェノール樹脂硬化剤、及びフ
ェノールノボラック樹脂をそれぞれ１５０℃に加熱し、
２０ｍｍＨｇ減圧下３０分間攪拌し、揮発成分を除去し
た。また、予めミキサーで溶融シリカ粉末とγ−アミノ
プロピルトリエトキシシランとを十分混合後、これを１
００℃で１６時間加熱処理を行った。全配合原料をミキ
サーにより混合した後、実施例１と同様バレル温度１０
０℃で、真空ポンプにより１５０ｍｍＨｇの減圧条件下
の２軸ニーダーで加熱混練を行い、さらに混練物をシー
ティングロールで２ｍｍ厚のシート状にし、さらに冷却
後粉砕して、封止材料とした。

【００１３】比較例１ 実施例１の配合において、全配合原料をミキサーで混合
した後、バレル温度１００℃の２軸ニーダーにて加熱混
練した。このとき２軸ニーダーの減圧脱気を行わなかっ
た。混練物を実施例１同様シート化、粉砕して封止材料
を得た。 比較例２ 実施例２において、溶融シリカ粉末とγ−アミノプロピ
ルトリエトキシシランとの混合後の熱処理条件を１２０
℃、１時間に変更した以外は実施例２と全く同様の方法
で成形材料を製造した。 比較例３ 比較例１において、２軸ニーダーでの加熱混練を３５０
ｍｍＨｇの減圧条件下で行った以外は比較例１と全く同
様の条件で成形材料を製造した。上記各成形材料を、２
００℃で３０分間熱処理した際に発生する揮発性有機物
成分の同定と定量をガススペクトル−質量分析装置を用
いて行った。また、上記各成形材料を用いて８０ｐＱＦ
Ｐパッケージ（パッケージサイズは１４×２０ｍｍ、厚
み１．５ｍｍ、チップサイズは９×９ｍｍ）を１７５℃
の金型温度、７５ｋｇｆ／ｃｍ²の圧力で２分間成形
し、さらに１７５℃で８時間の後硬化を行った。この成
形品パッケージを超音波探傷装置を用いて観察し、０．
１ｍｍφ以上の内部のボイドの数を内部ボイド数（個数
／パッケージ）で表した。また、この成形品パッケージ
を８５℃、８５％ＲＨの環境下で１６８時間放置し、そ
の後２６０℃の半田槽に１０秒間浸漬した。顕微鏡でパ
ッケージを観察し、外部のクラックの数を外部クラック
数（クラック発生パッケージ数／全パッケージ数）で表
した。同様に８０ｐＱＦＰの成形品パッケージを８５
℃、８５％ＲＨの環境下で２４時間放置し、その後２６
０℃の半田槽に１０秒間浸漬した。次にこのパッケージ
に１２５℃、２．３気圧のＰＣＴ処理を行い、不良率が
５０％となる迄のＰＣＴ処理時間を耐湿信頼性として表
した。上記の結果を表１に示す。

【００１４】

【表１】

【００１５】

【発明の効果】本発明に従うと、半導体封止用エポキシ
樹脂組成物中に含まれる揮発性有機物成分の量が非常に
少ないレベルにあるため、半導体封止を目的とする成形
の際に発生する揮発分が極めて少ないので、成形品パッ
ケージ中にピンホール・ボイドが殆ど発生せず、更にリ
ードフレームやチップと封止材料との界面の濡れ性が向
上することにより、これら界面の接着性が向上するた
め、半田浸漬時の耐パッケージクラック性や耐湿信頼性
を向上する効果がある。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｃ０８Ｌ 63/00 ＮＬＣ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 エポキシ樹脂、フェノール樹脂硬化剤、
   硬化促進剤、無機質充填材、シランカップリング剤を必
   須成分とするエポキシ樹脂組成物において、全エポキシ
   樹脂組成物中に含まれる沸点が２５０℃以下の揮発性有
   機物成分が重量比で５００ｐｐｍ以下であることを特徴
   とする半導体封止用エポキシ樹脂組成物。