JPH07126348A - エポキシ樹脂組成物および半導体封止装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【構成】 （Ａ）テトラメチルビフェニル型エポキシ樹
脂、（Ｂ）シクロペンタジエン・フェノール重合体、
（Ｃ）メチルメタクリレート・ブタジエン・スチレン共
重合樹脂および（Ｄ）Ｓi Ｏ₂ による表面酸素濃度が0.
5 〜15重量％で、平均粒径10〜50μm の窒化ケイ素粉末
を必須成分とし、樹脂組成物に対して（Ｄ）を25〜90重
量％の割合に含有してなるエポキシ樹脂組成物であり、
その硬化物で半導体チップが封止されてなる半導体封止
装置である。 【効果】 耐湿性、成形性、半田耐熱性、特に薄肉部の
充填性、耐金型摩耗性に優れ、熱膨張係数が小さく、熱
伝導率、熱放散性がよく、それらの特性バランスのとれ
た信頼性の高いエポキシ樹脂組成物。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、耐湿性、成形性、熱的
特性に優れ、特性バランスのよい、エポキシ樹脂組成物
およびその組成物によって半導体チップを封止した半導
体封止装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、ダイオード、トランジスタ、集積
回路の電子部品を熱硬化性樹脂を用いて封止する方法が
行われてきた。この方法は、ガラス、金属、セラミック
を用いたハーメチックシール方式に比較して経済的に有
利なため、広く実用化されている。封止樹脂としては、
熱硬化性樹脂の中でも信頼性および価格の点から、エポ
キシ樹脂が最も一般的に用いられている。エポキシ樹脂
には、酸無水物、芳香族アミン、ノボラック型フェノー
ル樹脂等の硬化剤が用いられるが、これらの中でもノボ
ラック型フェノール樹脂を硬化剤としてたエポキシ樹脂
は、他の硬化剤を利用したものに比べて成形性、耐湿性
に優れ、毒性がなく、安価であるため、半導体封止用樹
脂として広く使用されている。また、充填剤としては、
一般的に溶融シリカ粉末や結晶性シリカ粉末が前述の硬
化剤とともに使用されている。近年、部品の表面実装
化、またさらなる大電力化に伴い、熱放散性に優れ、半
田耐熱性のよい、低応力の半導体封止用樹脂の開発が要
望されてきた。

【０００３】しかしながら、ノボラック型フェノール樹
脂を硬化剤としたエポキシ樹脂と溶融シリカ粉末とから
なる樹脂組成物は、熱膨張係数が小さく、耐湿性がよ
く、また温寒サイクル試験によるボンディングワイヤの
オープン、樹脂クラック、ペレットクラック等対する特
性が優れているという特徴を有するものの、熱伝導率が
小さいために熱放散が悪く、消費電力の大きいパワー半
導体では、その機能が果たせなくなるという欠点があ
る。一方、ノボラック型フェノール樹脂を硬化剤とした
エポキシ樹脂と結晶性シリカ粉末とからなる樹脂組成物
は、結晶性シリカ粉末の配合割合を上げると熱伝導率が
大きくなって、熱放散も良好となるが、熱膨張係数が大
きく、耐湿性に対する信頼性も悪くなるという欠点があ
る。さらに、この樹脂組成物を用いて得られる封止品
は、機械的特性が低下し、また、成形時に金型の摩耗が
大きいという欠点があった。従ってシリカ粉末を用いる
封止用樹脂組成物の高熱伝導化には自ずから限界があっ
た。

【０００４】本発明は、上記の欠点を解消するためにな
されたもので、耐湿性、成形性、半田耐熱性、特に薄肉
部の充填性、耐金型摩耗性に優れ、熱膨張係数が小さ
く、熱伝導率、熱放散性がよく、それらの特性バランス
のとれた信頼性の高いエポキシ樹脂組成物および半導体
封止装置を提供しようとするものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記の目
的を達成しようと鋭意研究を重ねた結果、特定のエポキ
シ樹脂、特定のフェノール樹脂を用い、また、特定の窒
化ケイ素粉末を用いることによって、上記目的が達成で
きることを見いだし、本発明を完成したものである。

【０００６】即ち、本発明は、 （Ａ）次の一般式で示されるエポキシ樹脂、

【０００７】

【化５】 （但し、式中n は 0又は 1以上の整数を表す）

【０００８】（Ｂ）次の一般式で示されるシクロペンタ
ジエン・フェノール重合体

【０００９】

【化６】 （但し、式中ＲはＣ_m Ｈ_2m+1基を、m ，n は 0又は 1以
上の整数を表す） （Ｃ）メチルメタクリレート・ブタジエン・スチレン共
重合樹脂および （Ｄ）Ｓi Ｏ₂ による表面酸素濃度が0.5 〜15重量％
で、平均粒径10〜50μm の窒化ケイ素粉末を必須成分と
し、全体の樹脂組成物に対して前記（Ｄ）の窒化ケイ素
粉末を25〜90重量％の割合で含有してなることを特徴と
するエポキシ樹脂組成物である。また、このエポキシ樹
脂組成物の硬化物で、半導体チップが封止されてなるこ
とを特徴とする半導体封止装置である。

【００１０】以下、本発明を詳細に説明する。

【００１１】本発明に用いる（Ａ）エポキシ樹脂として
は、前記の式で示されるものが使用され、その分子量等
に特に制限されることなく使用することができる。具体
的な化合物として、例えば

【００１２】

【化７】 等が挙げられる。また、これらのエポキシ樹脂に、ノボ
ラック系エポキシ樹脂やエピビス系エポキシ樹脂を併用
することができる。

【００１３】本発明に用いる（Ｂ）シクロペンタジエン
・フェノール重合体としては、前記の一般式で示される
もので、その分子量等に特に制限されることなく広く使
用することができる。具体的な化合物としては、例えば

【００１４】

【化８】 ，

【００１５】

【化９】 ，

【００１６】

【化１０】 等があげられる。また、フェノール、アルキルフェノー
ル等のフェノール類と、ホルムアルデヒド或いはパラホ
ルムアルデヒドを反応させて得られるノボラック型フェ
ノール樹脂およびこれらの変性樹脂、例えばエポキシ化
もしくはブチル化ノボラック型フェノール樹脂等を併用
することができる。

【００１７】本発明に用いる（Ｃ）メチルメタクリレー
ト・ブタジエン・スチレン共重合樹脂としては、メチル
メタクリレート・ブタジエンとスチレンの共重合体であ
ればよく、各々のモノマーの組成比率に限定されるもの
ではない。このメチルメタクリレート・ブタジエン・ス
チレン共重合樹脂の配合割合は、樹脂組成物に対して0.
1 〜10重量％の割合で含有することが好ましい。より好
ましくは、1.0 〜5.0重量％の範囲内である。その割合
が0.1 重量％未満では、弾性率に効果なく、また10重量
％を超えると、成形性に悪く実用に適さない。

【００１８】本発明に用いる（Ｄ）窒化ケイ素粉末とし
ては、150 メッシュ篩上の粗粒分を除去したもので、平
均粒径が10〜50μm のものである。平均粒径が10μm 未
満または50μm を超えると流動性、作業性に問題が生じ
好ましくない。特に粒径が150 メッシュ篩上の粗径があ
る場合には、成形時にワイヤーゲート詰まりやワイヤー
流れ、金型摩耗等が生じることがあり好ましくない。ま
た細径に過ぎると比表面積が増加して充填性が悪くなり
好ましくない。また窒化ケイ素の表面を加水分解によっ
てＳi Ｏ₂ を形成し、そのＳi Ｏ₂ による表面の酸素濃
度が、0.5 〜15重量％の範囲であることが望ましい。酸
素濃度が0.5 重量％未満では耐金型摩耗性に効果なく、
耐湿性が悪くなる。また15重量％を超えると熱伝導率、
熱放散性が低下し、好ましくない。加水分解する窒化ケ
イ素としては、三方晶系（α−Ｓi ₃ Ｎ₄ ）或いは六方
晶系（β−Ｓi ₃ Ｎ₄ ）等が挙げられ、これらは単独ま
たは2 種以上混合して使用することができる。窒化ケイ
素粉末の配合割合は、樹脂組成物に対して25〜90重量％
の割合で含有することが望ましい。その割合が25重量％
未満では、熱膨張係数が大きくなるとともに熱伝導率が
小さくなり好ましくない。また、90重量％を超えるとカ
サバリが大きくなるとともに、成形性が悪く実用に適さ
ない。

【００１９】本発明のエポキシ樹脂組成物は、前述した
特定のエポキシ樹脂、特定のフェノール樹脂、メチルメ
タクリレート・ブタジエン・スチレン共重合樹脂、特定
の窒化ケイ素粉末を必須成分とするが、本発明の目的に
反しない限度において、また必要に応じて、例えば天然
ワックス類、合成ワックス類、直鎖脂肪酸の金属塩、酸
アミド類、エステル類、パラフィン類等の離型剤、塩素
化パラフィン、ブロムトルエン、ヘキサブロムベンゼ
ン、三酸化アンチモン等の難燃剤、カーボンブラック、
ベンガラ等の着色剤、種々の硬化剤等を適宜、添加配合
することができる。

【００２０】本発明のエポキシ樹脂組成物を成形材料と
して調製する場合の一般的な方法としては、前述した特
定のエポキシ樹脂、特定のフェノール樹脂、メチルメタ
クリレート・ブタジエン・スチレン共重合樹脂、特定の
窒化ケイ素粉末およびその他の成分を所定の組成比に選
択した原料成分を配合し、ミキサー等によって十分均一
に混合した後、さらに熱ロールによる溶融混合処理又は
ニーダ等による混合処理を行い、次いで冷却固化させ、
適当な大きさに粉砕して成形材料とすることができる。
こうして得られた成形材料は、半導体装置をはじめとす
る電子部品あるいは電気部品の封止、被覆、絶縁等に適
用すれば、優れた特性と信頼性を付与させることができ
る。

【００２１】本発明の半導体封止装置は、上述したエポ
キシ樹脂組成物を用いて、半導体チップを封止すること
により容易に製造することができる。封止を行う半導体
チップとしては、例えば、集積回路、大規模集積回路、
トランジスタ、サイリスタ、ダイオード等で特に限定さ
れるものではない。封止の最も一般的な方法としては、
低圧トランスファー成形法があるが、射出成形、圧縮成
形、注型等による封止も可能である。成形材料は封止の
際に加熱して硬化させ、最終的にはこの硬化物によって
封止された半導体封止装置が得られる。加熱による硬化
は、150 ℃以上に加熱して硬化させることが望ましい。

【００２２】

【作用】本発明は、フェノール樹脂を硬化剤とするエポ
キシ樹脂組成物において、前述した特定のエポキシ樹
脂、特定のフェノール樹脂、メチルメタクリレート・ブ
タジエン・スチレン共重合樹脂、特定の窒化ケイ素粉末
を用いたことによって、耐湿性、半田耐熱性、成形性、
耐金型摩耗性に優れ、熱膨張係数が小さく、熱伝導率、
熱放散性がよく、それらの特性バランスのとれた信頼性
の高い樹脂組成物とすることができ、この樹脂組成物を
用いることによって信頼性の高い半導体封止装置を製造
することができる。

【００２３】

【実施例】次に本発明を実施例によって説明するが、本
発明はこれらの実施例によって限定されるものではな
い。以下の実施例及び比較例において「％」とは「重量
％」を意味する。

【００２４】実施例１ 前記化７のエポキシ樹脂13％、前記化８のフェノール樹
脂11％、六方晶系窒化ケイ素粉末（150 メッシュ篩上の
粗粒分を除去した平均粒径17μm 、表面酸素濃度7 ％）
71％、メチルメタクリレート・ブタジエン・スチレン共
重合樹脂2 ％および離型剤等3 ％を常温で混合し、さら
に90〜95℃で混練してこれを冷却粉砕して成形材料を製
造した。

【００２５】実施例２ 実施例１において、六方晶系窒化ケイ素粉末の代わりに
三方晶系窒化ケイ素粉末（150 メッシュ篩上の粗粒分を
除去した平均粒径17μm 、表面酸素濃度7 ％）31％と結
晶性シリカ粉末（平均粒径38μm ）40％との混合粉末を
用いた以外は、全て実施例と同一にして成形材料を製造
した。

【００２６】比較例１ クレゾールノボラックエポキシ樹脂（エポキシ当量215
）18％に、ノボラック型フェノール樹脂（フェノール
当量107 ）9 ％、六方晶系窒化ケイ素粉末（150メッシ
ュ篩上の粗粒分を除去した平均粒径17μm ）70％および
離型剤等3 ％を常温で混合し、実施例１と同様にして成
形材料を製造した。

【００２７】比較例２ 比較例１において用いた六方晶系窒化ケイ素粉末の代わ
りに、六方晶系窒化ケイ素粉末（60メッシュを通過した
平均粒径60μm ）を用いた以外は全て比較例１と同一に
して成形材料を製造した。

【００２８】実施例１〜２及び比較例１〜で製造した成
形材料を用いて半導体チップを封止し、170 ℃で加熱硬
化させて半導体封止装置を製造した。成形材料及び半導
体封止装置について、諸試験を行ったのでその結果を表
１に示したが、本発明のエポキシ樹脂組成物及び半導体
封止装置は、熱的特性がよく、耐湿性、半田耐熱性、成
形性に優れており、本発明の顕著な効果を確認すること
ができた。

【００２９】

【表１】 ＊1 ：トランスファー成形によって直径50mm、厚さ3 mm
の成形品を作り、これを127℃， 2.5気圧の飽和水蒸気
中に24時間放置し、増加した重量によって測定した。 ＊2 ：ＪＩＳ−Ｋ−６９１１により測定した。 ＊3 ：半導体封止装置を、迅速熱伝導計（昭和電工社
製、商品名ＱＴＭ−ＭＤ）を用いて室温で測定した。 ＊4 ：120 キャビティ取り16ピンＰ金型を用いて、成形
材料を170 ℃で3 分間トランスファー成形し、充填性を
評価した。○印…良好、×印…不良。 ＊5 ：成形材料を用いて、 2本のアルミニウム配線を有
するシリコン製チップを、通常の42アロイフレームに接
着し、175 ℃で 2分間トランスファー成形した後、175
℃で 8時間の後硬化を行った。こうして得た成形品を予
め、40℃，95％ＲＨ， 100時間の吸湿処理した後、250
℃の半田浴に10秒間浸漬した。その後、127 ℃，2.5 気
圧の飽和水蒸気中でＰＣＴ試験を行い、アルミニウム腐
食による50％断線（不良発生）の起こる時間を評価し
た。 ＊6 ： 8×8 mmダミーチップをＱＦＰ（14×14×1.4 m
m）パッケージに納め、成形材料を用いて、175 ℃で 2
分間トランスファー成形した後、175 ℃で 8時間の後硬
化を行った。こうして製造した半導体封止装置を85℃，
85％，24時間の吸湿処理をした後、240 ℃の半田浴に 1
分間浸漬した。その後、実体顕微鏡でパッケージ表面を
観察し、外部樹脂クラックの発生の有無を評価した。 ＊7 ：成形材料をプレヒートし、径0.5mm の硬質クロム
メッキ材料流動穴を設けた金型により、175 ℃でトラン
スファー成形を行う。穴径が5 ％摩耗した時のショット
数によって評価した。

【００３０】

【発明の効果】本発明のエポキシ樹脂組成物及び半導体
封止装置は、樹脂組成物の耐湿性、成形性、半田耐熱性
特に薄肉部の充填性に優れ、耐金型摩耗性に優れ、熱膨
張係数が小さく、熱伝導率、熱放散性がよく、信頼性の
高い半導体封止装置が製造できる。

───────────────────────────────────────────────────── 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 Ｈ０１Ｌ 23/29 23/31

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 （Ａ）次の一般式で示されるエポキシ樹
   脂、 【化１】 （但し、式中n は 0又は 1以上の整数を表す） （Ｂ）次の一般式で示されるシクロペンタジエン・フェ
   ノール重合体、 【化２】 （但し、式中ＲはＣ_m Ｈ_2m+1基を、m ，n は 0又は 1以
   上の整数を表す） （Ｃ）メチルメタクリレート・ブタジエン・スチレン共
   重合樹脂および （Ｄ）Ｓi Ｏ₂ による表面酸素濃度が0.5 〜15重量％
   で、平均粒径10〜50μm の窒化ケイ素粉末を必須成分と
   し、全体の樹脂組成物に対して前記（Ｄ）の窒化ケイ素
   粉末を25〜90重量％の割合で含有してなることを特徴と
   するエポキシ樹脂組成物。
2. 【請求項２】 （Ａ）次の一般式で示されるエポキシ樹
   脂、 【化３】 （但し、式中n は 0又は 1以上の整数を表す） （Ｂ）次の一般式で示されるシクロペンタジエン・フェ
   ノール重合体、 【化４】 （但し、式中ＲはＣ_m Ｈ_2m+1基を、m ，n は 0又は 1以
   上の整数を表す） （Ｃ）メチルメタクリレート・ブタジエン・スチレン共
   重合樹脂および （Ｄ）Ｓi Ｏ₂ による表面酸素濃度が0.5 〜15重量％
   で、平均粒径10〜50μm の窒化ケイ素粉末を必須成分と
   し、全体の樹脂組成物に対して前記（Ｄ）の窒化ケイ素
   粉末を25〜90重量％の割合で含有したエポキシ樹脂組成
   物の硬化物で、半導体チップが封止されてなることを特
   徴とする半導体封止装置。