JPS5819136B2 - 半導体封止用エポキシ樹脂組成物 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明はダイオード、トランジスタ、ＩＣ２ＬＳＩな
どのいわゆる半導体素子を封止するために使用するエポ
キシ樹脂組成物に関する。

従来、半導体素子をトランスファー成形により樹脂封止
する方法においては、無機材料からなる素子と樹脂との
間の熱膨張係数の差が大きいため、成形時もしくは成形
後の急激な温度変化を受けると樹脂封止内部にひずみを
生じて大きな応力が一発生しやすいという問題があった
。

とくにエポキシ樹脂組成物では通常１５０〜１９０°Ｃ
の高温で成形を行なうため成形後常温まで放冷される間
に半導体素子に較べて熱膨張係数の大きい樹脂が相対的
に熱収縮し、結果としてこの樹脂に取り込まれた素子が
応力ひずみを受ける。

このような応力ひずみは半導体素子に損傷を与え、割れ
やクラックなどの不良品の発生の原因となるものであっ
た。

ところで、半導体封止用のエポキシ樹脂組成物では一般
の成形材料と同様に価格低減やチキソトロピー性の附与
による成形作業性の向上などの目的で適宜の無機質充填
剤を含有させている。

シリカ粉末はその代表的なものであり、この粉末は優れ
た成形作業性とともに半導体素子に対して悪影響を与え
る不純物が少ないという点で現在もつとも賞月されてい
る。

一般に、樹脂組成物中に無機質充填剤を添加すると成形
樹脂の熱膨張係数がその添加量に比例して小さくなるこ
とが知られている。

この観点からエポキシ樹脂組成物中へのシリカ粉末の添
加は成形樹脂と半導体素子との間の熱膨張係数の差を小
さくし前述した応力ひずみの低下これに伴なう半導体素
子の損傷防止に好結果をもたらすものと期待される。

ところが、このような効果を期待してシリカ粉末の添加
量を非常に多くした場合、シリカ粉末本来の特徴である
成形作業性を損ねるおそれがあるだけでなく、成形樹脂
の弾性率を高くする結果となる。

応力は一般に熱膨張係数と弾性率との積に比例するもの
と考えられているため、添加量を多くして熱膨張係数を
小さくできたとしても結果的には応力ひずみの低下につ
ながらない。

この発明者らは、上述のことを考慮して一般的に許容で
きる充填剤量において、シリカ粉末の添加効果につき詳
細に述べてみたところ、結晶性のシリカ粉末を使用した
場合の後述の実施例に示される測定法による応力ひずみ
は約１，８００ｋｇ／ｃｒＩｔ程度でありこれでは素子
の割れ、クラックなどの不良品の発生を抑えることが難
しいものであることが判った。

また熱膨張係数を小さくするにより適した無定形のシリ
カ粉末においてはその応力ひずみは約１．５００ ｋｇ
／ｉ程度にまで低下する。

これは結晶性のものに較べてかなり改善されており不良
品の発生する確率も少なくなっているがなお改善の余地
は残されていることが判った。

この発明は、このような事情に照らして、シリカ粉末と
してとくに無定形のものを使用するとともにこれと他種
の無機質充填剤を併用しこの場合にシリカ粉末の前記特
徴を損なうことなく応力ひずみを大きく低下させうる新
規なエポキシ樹脂組成物を提供することを目的として、
鋭意検討を続けた結果、見い出されたものである。

すなわち、この発明は、エポキシ樹脂および１分子中に
２個以上の水酸基を有するフェノールノボラック系硬化
剤とともに、無機質充填剤を５０〜８５重量係含ませた
エポキシ樹脂組成物において、前記の充填剤として少な
くとも無定形のシリカ粉末および珪酸カルシウム粉末を
使用し、かつ両粉末中の珪酸カルシウムの割合を２０〜
７５重量係にしたことを特徴とする半導体封止用エポキ
シ樹脂組成物に係るものである。

この発明において使用されるエポキシ樹脂は一分子中に
２個以上のエポキシ基を有する化合物であり、エピクロ
ルヒドリンとビスフェノールＡや各種ノボラック類とか
ら合成される樹脂、脂環式のエポキシ樹脂あるいは難燃
機能を附与するために臭素や塩素のようなハロゲン原子
を導入したエポキシ樹脂などが広範囲に含まれる。

この樹脂の硬化剤としては、フェノールノボラックやク
レゾールノボラックなどの１分子中に２個以上の水酸基
を有するフェノールノボラック系硬化剤が用いられる。

また、後述するように、上記硬化剤とともに各種イミダ
ゾール類や三級アミン類、三弗化ホウ素化合物のような
触媒的硬化剤、つまり硬化促進剤を併用できる。

なお、エポキシ樹脂の硬化剤としてはその他アミン系硬
化剤や酸無水物系硬化剤などが知られているが、上記ア
ミン系硬化剤は毒性やライフが短かくなるなどの一般的
な欠点があり、また酸無水物系硬化剤は成形性に問題が
生じやすいなど封止材料としての実用性にやや欠けるき
らいがある。

この発明において無機質充填剤の一種として使用する珪
酸カルシウム粉末は一般に粒径（長径）が１μ以上通常
２ｍｍ程度までの針状性のものであり、市販品ではとく
に珪灰石として称されているνものが好ましく用いられ
る。

この珪酸カルシウム粉末は併用するシリカ粉末の優れた
成形作業性および半導体素子に対する適合性を損なうこ
となく成形樹脂の応力ひずみを低下させるに適した充填
剤であり、この目的を達成・するためにその使用割合は
シリカ粉末との合計量に対し２０〜７５重量係の範囲内
としなければならない。

これは２０重量係に満たない使用量では応力ひずみを充
分に低下させることができず、一方７５重量係を越える
場合は成形作業性が悪くな；るとともに半導体素子の特
性に悪影響をおよぼし、しかもワイヤーボンド使用の半
導体素子においては場合によりワイヤーオープン（ワイ
ヤーの切断）をおこしやすくなるためである。

併用するシリカ粉末は一般に平均粒子径が約５〜１０μ
で最大粒子径が１００μ程度の無定形のものであり、こ
の種のシリカ粉末によれば珪酸カルシウム粉末の使用に
よる応力ひずみの顕著な低下効果が得られ、またその結
果として珪酸カルシウム粉末の使用割合が結晶性のもの
に較べて少なくてすみンリカ粉末本来の特徴をより活か
すことができる点で有利である。

ちなみに、結晶性のシリカ粉末では珪酸カルシウムの使
用割合を２０重量％以上としたときに無定形のシリカ粉
末単独の場合とほぼ同等の約１，５００に９／ｃｅｎｔ
程度の応力ひずみに低下できるが、これをさらに改善し
て素子の損傷を確実に防止しうる約１．２５０ｋＩＩ／
ｃＩｉＬ以下の応力ひずみにするためには通常４０重量
係以上の使用割合としなければならない。

一方、無定形のシリカ粉末を使用した場合には珪酸カル
シウムの使用割合を２０重量係以上とすることによって
上記と同様の約１，２５０ｋｇ／ｆｆｌ程度以下にまで
低下させうる。

この発明においては無機質充填剤として少なくとも上述
した無定形のシリカ粉末と珪酸カルシウム粉末とを使用
することを不可欠とするが、これらの充填剤にさらに他
の無機質充填剤を含有させてもよい。

たとえばアルミナ、タルク、クレー、ガラス繊維、カー
ボンブラックなどが挙げられる。

シリカ粉末、珪酸カルシウム粉末およびその他の任意成
分を含む無機質充填剤の合計量は全組成分中５０〜８５
０〜８５重量部に抑える必要がある。

５００重量部満たないときは組成物にチキントロピーな
性質を附与しにくく作業性に支障をきたし、価格低減に
も問題があり、さらに応力ひずみの低下効果も不充分と
なる。

一方８５５重量部越える割合にすると成形作業性にやは
り問題が生じ被膜形性能も低下する。

この発明のエポキシ樹脂組成物は、上述してきたエポキ
シ樹脂、硬化剤および無機質充填剤を含むものであるが
、これにはさらに通常内部離型剤および硬化促進剤を配
合させることができる。

内部離型剤としてはステアリン酸、パルミチン酸などの
長鎖カルボン酸、ステアリン酸亜鉛、ステアリン酸カル
シウムなどの長鎖カルボン酸の金属塩、。

カルナバワックス、モンタンワックスなどのワックス類
が挙げられる。

硬化促進剤としてはイミダゾール類、三級アミン類、フ
ェノール類、有機金属化合物などが広く用いられる。

また他の添加剤として、β−（３・４−エポキ。

ジシクロヘキシル）エチルトリメトキシシラン、γ−グ
リシドキシプロビルトリメトキシシランなどのシランカ
ップリング剤のような充填剤の表面処理剤、酸化アンチ
モン、ハロゲン化物、りん化物などの難燃化剤、各種顔
料など従来公知の添加。

剤を配合してもよい。

この発明のエポキシ樹脂組成物を得るには、通常の方法
で行なえばよく、前記の各成分を混合するに当たりトラ
イブレンド法および溶融混合法いずれを採用してもよい
。

以上詳述したとおり、この発明のエポキシ樹脂組成物は
、エポキシ樹脂および１分子中に２個以上の水酸基を有
するフェノールノボラック系硬化剤以外の必須成分であ
る無機質充填剤として無定形のシリカ粉末と珪酸カルシ
ウム粉末とを併用し・かつその使用割合を特定範囲に設
定しているから、シリカ粉末に起因する優れた成形作業
性および半導体素子に対する適合性が得られ、かつこの
両特性を損なうことなく応力ひずみを顕著に低下でき、
成形時もしくは成形後の急激な温度変化に対する半導体
素子の損傷を抑制できる利点がある。

次に、この発明を実施例によりさらに具体的に説明する
。

なお以下において部および係とあるはそれぞれ重量部お
よび重量部を意味するものとする。

実施例 クレゾールノボラックエポキシ樹脂（エポキシ当量２２
０、軟化点８０℃）ｉｏｏ部、フェノールノボラック（
軟化点８０℃）５０部、２−メチルイミダゾール０．７
部、無定形のシリカ粉末と珪灰石粉末とからなる混合粉
末であって肉粉末中の珪灰石粉末の使用割合が２２％（
Ａ：１）、５０係（Ａ２）および７２％（ム３）からな
る混合粉末３５０部、シランカップリング剤Ａ−１８６
（日本ユニカー社製商品名）１．８部、カーボンブラッ
ク２．０部およびカルナバワックス６．０部を、７０〜
８０℃の熱ロールにより混練し、冷却粉砕してこの発明
に係る３種の半導体封止用のエポキシ樹脂組成物を得た
。

比較例 １ 無定形のシリカ粉末と珪灰石粉末とからなる混合粉末中
の珪灰石粉末の使用割合を１７重量％（Ａ４）および７
８重量％ （Ａ：５ ）にした以外は、実施例と全く同
様にして２種のエポキシ樹脂組成物を得た。

比較例 ２ 混合粉末の代りに無定形のシリカ粉末を単独で３５０部
使用した以外は、実施例と全く同様にして試料＆６のエ
ポキシ樹脂組成物を得た。

比較例 ３ 混合粉末の代りに結晶性のシリカ粉末を単独で３５０部
使用した以外は、実施例と全く同様にして試料嵐７のエ
ポキシ樹脂組成物を得た。

上記実施例および比較例１〜３の７種の組成物につき、
トランスファー成形時の応力ひずみの測定、温度衝撃試
験および電食試験を行なった結果は、下記の表に示され
るとおりであった。

なお各測定試験はそれぞれ次の方法で行なったものであ
る。

応力ひずみの測定 東芝社製の応力検知素子をセットした１６ピンＤＩＰ型
ＩＣのフレームに、１７５℃、３分の成形条件で各組成
物をトランスファー成形し、冷却後上記の素子により応
力ひずみを測定した。

温度衡機試験 １ｉ５℃、３分の成形条件で各組成物をトランスファー
成形して得た５６ピンのフラットパッケージに付き、−
６５℃から１２５℃までサイクル数１００回で温度衡機
を与えた後素子にクラック割れなどの不良品が発生する
かどうかを調べた。

表の数値は試験個数１００個中の不良品の発生個数を示
したものである。

電食試験 アルミニウム線材を配設したシリコーン片に、各組成物
を１７５°Ｃ２３分の成形条（４でトランスファー成形
し、にの成形体に８″５°Ｃ，８５’７％Ｒ，Ｈ下５０
Ｖの電圧を印加してアルミニウム線材が腐食するかどう
かを調べた。

表の数値は１，０００時間経過後の不良率（試験個数１
００個中の不良品の発生個数）を示したものである。

上表から明らかなように、シリカ粉末として結晶性のも
のを単独で使用した場合（比較例３）に較べて無定形の
ものを単独で使用した場合（比較ン例２）の方が応力ひ
ずみおよび温度衝撃試１験に比較的良好な結果が得られ
ているが、このシリカ粉末とともにさらに珪酸カルシウ
ム粉末を併用した場合には上記の特性がさらに一段と改
善されていることが判る。

また珪酸カルシウム粉末を併用する場合でもその使用割
合が２０重重量に満たないもの（比較例１のＡ４）では
上述の顕著な改善効果が得られず、またその使用割合が
７５重重量を越えるとき（比較例１の煮５）は電食試験
に問題をきたし半導体素子に対し悪影響を与えるもので
；あることが判る。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ エポキシ樹脂および１分子中に２個以上の水酸基を
   有するフェノールノボラック系硬化剤とともに、無機質
   充填剤を５０〜８５重量係含ませたエポキシ樹脂組成物
   において、主たる無機質充填剤として無定形のシリカ粉
   末および珪酸カルシウム粉末を使用し、かつ両粉末中の
   珪酸カルシウム粉末の割合を２０〜７５重量係としたこ
   とを特徴とする半導体封止用エポキシ樹脂組成物。