JPH09263746A - エポキシ樹脂系封止用接着剤組成物 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 耐湿性に優れ、１mm以下の狭い封止幅でも十
分な耐湿気密性を示す、比較的安価な封止用接着剤組成
物を提供する。 【解決手段】 硬化剤を含有するエポキシ樹脂中に、充
填材として平均粒子径３μｍ以下のカーボン粒子 (黒鉛
粉末、活性炭等) ２〜５重量％を分散させる。チキソト
ロピー性が不足する場合には、シリカ微粒子を併用添加
してもよい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、封止、特にセラミ
ックパッケージ等の電子部品の封止に用いるエポキシ樹
脂系封止用接着剤組成物に関する。より具体的には、耐
湿性に優れ、１mm以下の狭い封止幅でも優れた耐湿気密
性を示すエポキシ樹脂系封止用接着剤組成物に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体素子（ＩＣチップ）等の電子部品
は、これを外部環境から遮断し、機械的衝撃から保護す
ると同時に、取扱いと組立を容易にするために、周囲を
完全に包囲するように封止したパッケージの形態で使用
されることが多い。封止法としては、金属またはセラミ
ックにより気密に保持する気密封止法と、トランスファ
ー成形によりチップの周囲を樹脂（主にノボラック型エ
ポキシ系樹脂に大量の充填材を混合した組成物）で包囲
する樹脂封止法とがある。安価な樹脂封止パッケージが
ＩＣパッケージの大部分を占めている。

【０００３】封止材としてセラミックを使用したセラミ
ックパッケージは、樹脂封止パッケージに比べて高価で
あるが、封止材の熱伝導性がよく、動作中にチップで
発生する熱の放熱性がよい、耐熱性が高く、寸法安定
性がよい、吸湿性がなく、湿度に強い、完全密封が
可能、といった特長がある。

【０００４】そのため、セラミックパッケージは、大型
コンピュータ、高信頼性を必要とする宇宙機器・軍事機
器用、樹脂封止では耐えられない環境で使用される大電
力用、自動車用等といった分野に主に使用されてきた。
しかし、電子部品の小型化・高性能化の要求に応えてＩ
Ｃチップの集積度が上がり、それにつれて発熱量も増え
てきたため、最近では民生用コンピュータ等にも放熱性
に優れたセラミックパッケージを採用する動きが広がっ
ている。

【０００５】セラミックパッケージは、放熱板を兼ねる
セラミック基板上にＩＣチップを搭載した後、封止用の
キャップ (蓋) を基板に封止用接着剤で接合することに
より封止される。封止用のキャップは、基板と同様にセ
ラミック製であることが多いが、金属製のキャップも一
部では使用される。通常は、図１(A) 〜(C) に示すよう
に、キャップの脚部の端面に封止用接着剤を塗布し、基
板に押しつけて接合が行われる。この時に、基板に押し
つけられた接着剤が、図１(C) に示すように、台形状に
裾広がりのメニスカス形状を有することが、接着を確実
にして製品の信頼性を確保するのに重要である。

【０００６】セラミック基板とキャップとの接合に用い
る封止用接着剤としては、樹脂封止材料と同様に、エポ
キシ樹脂系、特にノボラック型エポキシ樹脂を主成分と
するエポキシ樹脂系の接着剤が主に使用されている。こ
の封止用接着剤には、封止に必要な性能、例えば、接着
強度の耐久性や耐湿性が要求されるが、汎用のエポキシ
樹脂系接着剤（エポキシ樹脂＋硬化剤）ではこれらの性
能が不十分であるため、さまざまな添加成分を配合する
ことが試みられている。

【０００７】例えば、硬い熱硬化性ポリマーであるエポ
キシ樹脂に少量の柔軟なポリマーを配合して凝集力を高
め、耐湿気密性を高めることが知られている。エポキシ
樹脂に配合される柔軟なポリマーとしては、エポキシ樹
脂と反応性の末端官能基 (カルボン酸基、アミン基等)
を持つニトリルゴム、シリコーンゴム、ゴム変性エポキ
シ樹脂などがある。

【０００８】また、微粒子状の充填材を配合するとエポ
キシ樹脂系接着剤の耐湿気密性が向上することも知られ
ている。従来の充填材は、シリカ微粒子が主であり、着
色剤を兼ねた充填材として酸化亜鉛が用いられた程度で
ある。しかし、前述した樹脂封止用の組成物とは異な
り、封止用接着剤における充填材の配合量は、一般には
数％程度以下の少量に制限される。充填材を多量に添加
すると、接着時のメニスカス形状が悪化し（図１(C) に
示す裾広がりの台形ではなく、裾がつぼまった円形にな
る）、接着の信頼性が低下するからである。しかし、こ
のような少量の充填材の添加では、耐湿気密性の改善効
果はあまり期待できなかった。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】電子部品の小型化がま
すます進む中で、基板の封止幅も狭くなり、前述した従
来の手法（即ち、シリカ等の充填材の添加または柔軟な
ポリマー成分の添加）を利用した封止用接着剤でも対応
できなくなってきている。

【００１０】例えば、水晶振動子等の封止幅は0.7 mm以
下となり、この封止幅では、現状のエポキシ樹脂系封止
用接着剤では高温高湿試験（PCT と略称されるプレッシ
ャー・クッカー試験) におけるグロスリーク評価での発
泡発生までの耐湿気密時間が８時間未満という不十分な
耐湿気密性しか得られない。即ち、この試験において高
温高湿雰囲気に８時間さらすと、パッケージのキャビテ
ィ内の水分量が20％以上にも達し、従って配線の腐食等
による導通不良が起こり、また接着剤が基板から剥がれ
ることもある。これまでは封止幅が典型的には２〜３mm
程度と広かったため、前述した従来の接着剤でもPCT に
おける耐湿気密時間が25〜50時間という満足すべき耐湿
気密性を保持していた。

【００１１】従って、封止幅が１mm以下と狭くなって
も、従来の広い封止幅の場合と同程度の優れた耐湿気密
性を示す封止用接着剤が望まれている。また、電子部品
の低コスト化の要求が強い現状から、接着剤の成分とし
ては比較的安価な材料のみを使用することが望ましい。
本発明の目的は、耐湿性に優れ、１mm以下の狭い封止幅
でも十分な耐湿気密性を示す、比較的安価な封止用接着
剤組成物を提供することである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明者は、充填材とな
りうる各種粒子が持つ耐湿気密性の向上効果を調べたと
ころ、黒鉛、活性炭などのカーボン粒子が、５％以下と
いう少量の配合量で高い耐湿気密性の改善効果を持ち、
上記目的を達成することができることを見出した。

【００１３】ここに、本発明は、硬化剤を含有するエポ
キシ樹脂中に、充填材として平均粒子径３μｍ以下のカ
ーボン粒子２〜５重量％を分散させたことを特徴とす
る、エポキシ樹脂系封止用接着剤組成物である。

【００１４】本発明によれば、２〜５重量％という少量
のカーボン粒子をエポキシ樹脂に配合することにより、
１mm以下の狭い封止幅でも、PCT における耐湿気密時間
が25〜50時間という優れた耐湿気密性が確保される。

【００１５】

【発明の実施の形態】エポキシ樹脂 本発明の封止用接着剤の主成分はエポキシ樹脂である。
エポキシ樹脂としては、耐湿接着力および耐熱性を確保
するために、官能基数が多く、架橋密度が高くなるノボ
ラック型エポキシ樹脂を主成分とするものが好ましい。
ノボラック型エポキシ樹脂は、フェノールノボラック型
とクレゾールノボラック型のいずれでもよいが、エポキ
シ当量がより小さいフェノールノボラック型エポキシ樹
脂の方が好ましい。ノボラック型エポキシ樹脂は、無溶
剤型のものが好ましいが、少量のケトン系溶媒 (アセト
ン、メチルエチルケトン) で希釈したものでもよい。

【００１６】エポキシ樹脂は、ノボラック型エポキシ樹
脂だけからなるものでもよいが、他の１種または２種以
上のエポキシ樹脂を配合して、その凝集力、セラミック
に対する濡れ性などの特性を向上させることもできる。
他のエポキシ樹脂としては、ビスフェノールＡ型、ビス
フェノールＦ型等のビスフェノール型エポキシ樹脂、ゴ
ム変性エポキシ樹脂等の変性エポキシ樹脂などが挙げら
れる。これらの他のエポキシ樹脂の配合量は、その合計
量がノボラック型エポキシ樹脂より小さくなるように、
即ち、ノボラック型エポキシ樹脂がエポキシ樹脂の主成
分となるようにすることが好ましい。ノボラック型エポ
キシ樹脂の量が半分より少なくなると、耐熱性や耐湿性
が低下する傾向がある。

【００１７】硬化剤 エポキシ樹脂に組合わせる硬化剤の種類は特に制限され
ず、従来よりエポキシ樹脂硬化剤として使用することが
知られている化合物または樹脂から選んだ１種もしくは
２種以上の硬化剤を使用すればよい。

【００１８】適当な硬化剤としては、ジアミノジフェニ
ルメタン、イソホロンジアミンなどのポリアミン、ジシ
アンジアミドといった化合物型の硬化剤；ならびにフェ
ノールノボラック樹脂、多硫化ゴム、ポリアミドといっ
た、エポキシ基と反応性の官能基を有するポリマー型の
硬化剤がある。エポキシ基と反応性のカルボン酸基また
はアミン基を有する変性ニトリルゴムも架橋剤として使
用できる。

【００１９】硬化剤の量は、硬化速度が速すぎて接着時
のメニスカス形状が不良となるほど多くなく、かつ硬化
不十分で接着強度が低下するほどには少なくならないよ
う、硬化剤の種類に応じて選択する。また、未反応の硬
化剤が多量に残存すると耐湿気密性が低下するので、そ
の点からも硬化剤の量が多すぎないようにする。

【００２０】充填材 本発明では、充填材として平均粒子径が３μｍ以下のカ
ーボン粒子をエポキシ樹脂に配合する。それにより、エ
ポキシ樹脂系接着剤組成物の耐湿気密性が著しく改善さ
れる。カーボン粒子の平均粒子径が３μｍを超えると、
硬化表面が粗くり、また接着層が厚くなり、耐湿気密性
低下の要因となる。カーボン粒子の種類は制限されず、
黒鉛粉末、活性炭、カーボンブラックのいずれも使用で
きる。黒鉛粉末は、人造黒鉛と天然黒鉛のいずれの粉末
でもよい。

【００２１】カーボン粒子の配合量が２重量％未満で
は、カーボン粒子の配合による耐湿気密性の改善効果が
非常に小さく、PCT における耐湿気密時間がほとんど増
大しない。カーボン粒子の配合量が２重量％を超える
と、耐湿気密性が著しく向上するようになるが、配合量
が３〜４重量％程度で改善効果が飽和し、カーボン粒子
の配合量をそれより増大させても、耐湿気密時間は長く
ならない。さらに、カーボン粒子の配合量が５重量％を
超えると、カーボン粒子の導通の危険性が出てくる(特
に、カーボン粒子が黒鉛の場合) 。従って、カーボン粒
子の配合量は、組成物全体の２〜５重量％、好ましくは
３〜４重量％とする。

【００２２】充填材はカーボン粒子だけでもよいが、必
要であれば、従来より用いられてきた充填材、例えば、
シリカを併用することもできる。一般に、充填材として
カーボン粒子を配合しただけでは、エポキシ樹脂の流動
性が大きすぎ、流れてしまってうまく塗布できないこと
が多い。そのような場合には、チキソトロピー性を付与
するために、平均粒子径が100 nmより小さい微粒子状の
シリカ (乾性または水性のコロイド状シリカ、特に無水
ケイ酸とも呼ばれる水性コロイダルシリカが好ましい)
を、カーボン粒子と一緒に配合すればよい。チキソトロ
ピー性を付与できれば、シリカ以外の微粒子も使用でき
る。この微粒子状シリカの配合量が多すぎると、エポキ
シ樹脂の流動性が小さくなりすぎて、接着時にメニスカ
ス形状が不良となるので、配合量は適切なチキソトロピ
ー性が付与されるように配慮する必要がある。一般に、
微粒子状シリカの配合量は２重量％以下、例えば１重量
％程度で十分である。

【００２３】その他の任意添加成分 本発明のエポキシ樹脂系封止用接着剤組成物は、上記の
成分以外にも、少量であれば１種もしくは２種以上の任
意添加剤を含有しうる。かかる添加剤としては、溶媒、
硬化触媒、濡れ剤（例、シランカップリング剤）などが
ある。いずれも、その配合量は必要以上に多くならない
ようにする。

【００２４】本発明の組成物は、例えば、エポキシ樹脂
を溶媒中で加熱して（例、95±５℃に30〜40分) 完全に
溶解させた後、50±５℃に冷却し、この温度で硬化剤や
濡れ剤といった可溶性成分を添加混合した後、充填材を
加えて、三本ロールで混練することにより、充填材を樹
脂中に均一に分散させ、必要であれば溶媒を加えて粘度
調整することにより調整できる。

【００２５】本発明の封止用エポキシ樹脂系接着剤組成
物は、セラミック基板の封止 (即ち、セラミック基板と
キャップの接合) に好適であるが、用途はこれに限定さ
れるものではなく、例えば、樹脂封止したプラスチック
パッケージにも利用できる。本発明の接着剤組成物で封
止できる素材としては、アルミナ、コージエライト、ム
ライト、ガラスセラミック、窒化アルミニウム等のセラ
ミック、ニッケル、コバルト等の金属、エポキシ、ポリ
イミド等のプラスチック成形品などがある。

【００２６】

【実施例】

（実施例１）フェノールノボラック型エポキシ樹脂35重
量部、エポキシ当量189 のビスフェノールＡ型エポキシ
樹脂４重量部、エポキシ当量500 のビスフェノールＡ型
エポキシ樹脂20重量部、硬化剤として多硫化ゴム (チオ
コールゴム) ４重量部、4,4'−ジアミノジフェニルメタ
ン1.5 重量部、ジシアンジアミド４重量部、ならびに濡
れ剤 (信越化学社製シランカップリング剤KBM-403)２重
量部からなる、硬化剤含有エポキシ樹脂液に、充填材と
してシリカ粒子 (平均粒子系が100 nm以下のコロイド状
シリカもしくは平均粒子系が１μｍを超えるシリカ) 、
またはカーボン粒子 (黒鉛または活性炭) を組成物全体
の１〜５重量％の割合で配合して、試験用のエポキシ樹
脂系封止用接着剤組成物を調製した。なお、充填材がカ
ーボン粒子である場合には、チキソトロピー性を付与す
るために、平均粒子系16 nm のコロイド状シリカ (無水
ケイ酸) １重量％を一緒に添加した。

【００２７】このエポキシ樹脂系封止用接着剤組成物を
用いて、図１(A) 〜(C) に示すようにしてセラミック基
板とキャップを接合し、次いで160 ℃に２時間加熱する
ことにより接着剤を硬化させて、セラミックパッケージ
を作製した。基板とキャップのいずれも材質はアルミナ
・セラミックであり、接着剤の性能を調べるための試験
であるため、基板としては単にアルミナ・セラミックの
平板を使用し、ＩＣチップは搭載しなかった。図１(A)
に示した寸法からわかるように、キャップの脚部の幅、
従って封止幅は、 0.7〜0.75mmとなる。接着剤組成物の
耐湿気密性を次のようにして調べた。試験結果を、接着
剤組成物の配合割合と共に、次の表１にまとめて示す。

【００２８】耐湿気密性 試験用セラミックパッケージを、プレッシャー・クッカ
ー内において、2.09気圧、121 ℃、相対湿度100 ％ (水
蒸気飽和) の高温高湿条件下に放置し、気密性を確認す
るためグロスリーク評価（１２０℃フロン液に浸漬）で
発泡が起こるまでの時間 (耐湿気密時間) を測定した。
また、封止内水分量は、GC-MASで測定した。なお、充填
材を配合しない場合の上記エポキシ樹脂系組成物の耐湿
気密時間は、８時間未満（＜８hr) であった。

【００２９】表１の結果からわかるように、代表的な充
填材であるシリカ粒子を使用した場合には、コロイド状
の微粒子と粒径１μｍを超える比較的粗粒のシリカのい
ずれであっても、耐湿気密性の改善効果は小さく、しか
もその配合量が３〜５％を超えると耐湿気密性はかえっ
て低下し、充填材を配合しない場合と同程度に戻ってし
まう。

【００３０】これに対し、本発明によりカーボン粒子を
配合した場合には、配合量が２％で耐湿気密性がかなり
向上し、その量が３重量％を超えると耐湿気密時間が50
時間と著しい耐湿気密性の改善効果が得られ、５重量％
を超えてもその効果はなお発揮される。これから、カー
ボン粒子の耐湿気密性の改善効果が予想外に高いことが
わかる。但し、前述したように、５重量％を超える多量
のカーボン粒子の配合は、導電性が高くなることから、
セラミックパッケージの封止用接着剤としては好ましく
ない。

【００３１】

【表１】

【００３２】（実施例２）実施例１において調製したエ
ポキシ樹脂系封止用接着剤組成物のうち、平均粒子系16
nm のシリカ微粒子を１重量％配合した組成物と、平
均粒子系２μｍ以下の黒鉛粉末を配合した組成物 (こ
れにはシリカ微粒子１重量％も併用添加)を用いて作製
したセラミックパッケージを、実施例１と同様にしてプ
レッシャー・クッカー試験 (PCT)により高温高湿条件下
に曝した。グロスリークが認められた時点、即ち、組成
物については８時間後、組成物については50時間後
のキャビティ内の水分量をGC-MASにより測定した結果
を、封止初期 (プレッシャー・クッカーに入れる前) の
データと一緒に次の表２にまとめて示す。

【００３３】

【表２】

【００３４】表２からわかるように、従来のシリカを充
填材とするエポキシ樹脂系封止用接着剤では、PCT ８時
間後にグロスリークが起きた時に、キャビティ内の水分
量は21.8重量％と高くなっていたが、本発明の黒鉛粉末
を含有するエポキシ樹脂系封止用接着剤では、耐湿気密
時間が50時間と大幅に延長された上、その時のキャビテ
ィ内の水分量は４重量％と低かった。これからも、カー
ボン粒子の配合は耐湿気密性の改善効果が著しく高いこ
とがわかる。

【００３５】

【発明の効果】本発明の封止用エポキシ樹脂系接着剤組
成物は、従来のシリカ充填材に代えて、またはこれに加
えて、カーボン粒子という安価な充填材を少量配合する
だけで、１mm以下の狭い封止幅でも優れた耐湿気密性を
示すようになり、信頼性の高い封止を達成することがで
きる。従って、セラミックパッケージの小型化と低コス
ト化の要請に適した封止用接着剤組成物である。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１(A) 〜(C) は、耐湿気密性の測定に用いた
セラミックパッケージの作製方法を示す説明図である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 硬化剤を含有するエポキシ樹脂中に、充
   填材として平均粒子径３μｍ以下のカーボン粒子２〜５
   重量％を分散させたことを特徴とする、エポキシ樹脂系
   封止用接着剤組成物。
2. 【請求項２】 充填材として該カーボン粒子と一緒にさ
   らに微粒子状シリカ２重量％以下を分散させた請求項１
   記載のエポキシ樹脂系封止用接着剤組成物。