JPS63146917A - 半導体封止用エポキシ樹脂組成物 - 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】 ［技術分野］ 本発明は、半導体封止用に用いられるエポキシ樹脂組成
物に関するものである。

［背景技術］ 半導体封止のほとんどはエポキシ樹脂を用いておこなわ
れており、最近のエポキシ樹脂封止材料の技術的進歩は
目覚ましい。しかし、最近の半導体パッケージの動向は
、スモールアウトラインパッケージ（ｓ　ｏ　ｐ　）や
フラットパッケージ（ＦＰ）に代表されるように小型・
薄型化の傾向にある。これらのパッケージはデュアルイ
ンラインパッケージ（ＤＩＰ）と異なって、回路板上に
面実装で直接半田付けするという実装形態となり、リー
ドへの半田処理のためにパッケージ全体を半田浴に浸漬
する方法がとられている。従って半田浸漬後の耐湿性を
保証することがエポキシ樹脂封止材料に要求されること
になる。

耐湿性が必要とされる主な理由は、半導体の回路に使用
されるアルミニウム配線の腐食を防止することにある。

例えば、半田浸漬による熱ひずみで半導体のリードとエ
ポキシ樹脂封止材料との密着性が低下し、ここから浸入
する湿気がアルミニウム配線を腐食するように作用する
。ここで、アルミニウム腐食を非常に加速するのはエポ
キシ樹脂封止材料に中に含有されるイオン性の不純物で
ある。エポキシ樹脂は一般にエピクロルヒドリンを原料
の一つとして合成されており、このエピクロルヒドリン
に起因して塩素が不純物として含有されることは避けら
れない。そしてこの塩素はエボキシリ（脂にエポキシ基
と開環反応することによって加水分解性塩素として結合
しており、多湿な環境で熱にさらされると容易に加水分
解されて塩素イオンとなり、この塩素イオンによってア
ルミニウム配線が腐食されるのである。このためにエポ
キシ樹脂の純度を高める努力がなされているが、満足で
きる結果を得るには至っておらず、しがも半田処理時に
７ラツクス中の塩素成分が半田の際の高温で密着性の低
下したリードとエポキシ樹脂封止材料との開から浸入す
ることもあるために、エポキシ樹脂の純度を高めるだけ
では本質的な解決にはならないものである。

そこで本発明者等は、エポキシ樹脂封止材料に含まれる
不純物イオンや７ラツクスの浸入などとともに浸入する
不純物イオンをイオン交換して捕捉することによって腐
食作用が発揮されない状態にすることで、耐湿性を向上
させることを検討するに至った。そして不純物イオンを
イオン交換して捕捉するために、イオン交換物質として
最もよく知られているイオン交換樹脂をエポキシ樹脂に
配合することが検討されたが、イオン交換樹脂は交換能
力が不十分であるばかりでなく、半田浸漬などの熱ショ
ックに耐えることができずイオン交換能力を喪失すると
いう問題があり、またこの上うな有機系のイオン交換樹
脂に対して無８ｉ系のものとして、ＭｇやＡＩ、Ｓｉを
主要構成成分とする酸化物がハａデンイオンやアルカリ
イオンに対して有効な吸着剤として知られているが、こ
のものではエポキシ樹脂封止材料における数ｐｐｌｎ〜
数＋１〕ｐｍのオーダーの僅かのイオンに対してはイオ
ン交換能力が低すぎ、十分な効果を得ることができない
という問題がある。

［発明の目的］ 本発明は上記の点に鑑みてなされたものであって、高温
条件化においても能力高く不純物をイオン交換して捕捉
し、耐湿性を高め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ことを目的とするものである。

［発明の構成１ 本発明に係る半導体封止用エポキシ樹脂組成物は、エポ
キシ樹脂に、アンチモンとビスマスとを主要構成成分と
する無機イオン交換体を配合して成ることを特徴とする
ものである。

無機イオン交換体としては主要構成成分とじて一４＝ アンチモンとビスマスとを含むものを用いるが、次の一
般式で表される化合物を用いるのが好ましい。

Ｓ　ｂＢ　１ｘｏｙ（ＯＨ）ｚ（Ｎ　Ｏ３）１１＋　・
ｎ（Ｈ２０）［Ｘは０．２〜２．０、ｙは１．０〜５．
０．２は０．１〜３．０、胃は０．１〜３　、’０　、
口は０．５〜３．０］このイオン交換体は無機質である
ために４００〜４５０℃程度の温度までは熱に対して安
定であって、イオン交換能力が低下することはない。従
って半田処理によってイオン交換能力が低下するような
ことはない。

本発明で使用されるエポキシ樹脂は、エピクロルヒドリ
ンを原料の−っとする従来より半導体封止用に用いられ
ているものであれば任意のものを用いることができ、例
えばビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、クレゾールノボ
ラック型エポキシ樹脂などを用いることができる。特に
エポキシ当量１８０〜２２０程度のオルソクレゾールノ
ボラック型エポキシ樹脂が良好な耐湿性を得る上で使用
に適しているが、もちろんこれに限定されるものではな
い。

このエポキシ樹脂に上記無機イオン交換体を混合して半
導体側止用のエポキシ樹脂組成物を得ることができるの
であるが、この組成物にはさらに必要に応じて硬化剤、
硬化促進剤、難燃剤、充てん剤、離型剤等を配合するこ
とができる。硬化剤としては、三級アミン類や、無水マ
レイン酸、無水コハク酸、無水７タル酸、無水テトラヒ
ドロ７タル酸等の酸無水物、フェノール７ボラツク、ク
レゾールノボラック、第三ブチルフェノールノボラック
、ノニルフェノール／ボラック等の７ボラツク型７エ７
−ル樹脂などを用いることができ、これらの中から１つ
又は複数種を組み合わせて使用することができる。耐湿
性及び成形特性を向上させる為には７エ７−ル／ボラツ
ク又は７エ７−ルノボラツクと無水酸化物とを組み合わ
せて用いるのが望ましい。硬化促進剤は任意に用いられ
るものでありイミダゾール類や、１，８ジアザビシクロ
（５，４，，０）ウンテ゛セン、その塩、有機７オスフ
イン等から選んで使用される。イミダゾール類としては
例えば２ウンデシルイミグゾール、２メチルイミグゾー
ル、１シアノエチル２エチル４メチルイミダゾール、２
フエニルイミグゾール、２ヘプタデシルイミグゾールな
どが挙げられる。１，８ノアザビシクロ（５，４，０）
ウンデセンの塩としては７エ７−ル、２エチルヘキサン
酸、オレイン酸、酸性炭酸塩等との塩が挙げられる。難
燃剤はブロム化エポキシ樹脂、塩化パラフィン、臭化ト
ルエン、水臭化ベンゼン、三酸化アンチモンなどから選
択される。充てん剤は周知の無機光てん剤、例えば溶融
シリカ粉末、石英ガラス粉末、グラスファイバー、タル
ク、アルミナ粉末、ケイ酸カルシウム粉末、炭化カルシ
ウム粉末、硫酸バリウム粉末から選択される。本発明で
は上記光てん剤の中の１つ又はそれ以上のものが使用さ
れるが、その中でも特に溶融シリカ粉末が低い熱膨張係
数を持つことから最適である。充てん剤の混入量は使用
されるエポキシ樹脂、硬化剤、充てん剤によって異なる
。シリカ粉末としては成型特性を向上させるように１０
〜３０μの平均粒径のものを用いるのがが好ましい、さ
らに離型剤としてはカルナバワックスや合成ワックス、
直鎖脂肪酸の金属塩、酸アミド、エステルなどの中から
選択して使用される。

また、カーボンブラックなどの着色剤やエポキシシラン
などのカップリング剤等を混合して用いるようにしても
よい。

しかして上記エポキシ樹脂組成物は、加熱して溶融させ
た状態で混練し、さらに冷却したのちに粉砕し、エポキ
シ樹脂封止材料として用いられる。

そしてこのエポキシ樹脂封止材料に配合される上記無機
イオン交換体は４００　’Ｃ以上でも安定したイオン交
換能力を持つために、半田処理の際の高温の作用でイオ
ン交換能力が低下することなく半導体封止パッケージ゛
の中に含まれる不純物イオンに対して優れたイオン交換
作用を示す。ここで不純物イオンとは半導体のアルミニ
ウム導線などを腐食させるイオンを指すものであり、例
えば塩素イオンＣ１〜や臭素イオンＢｒ−のようなハロ
ゲンイオン、そしてナトリウムイオンＮａ＋やカリウム
イオンに＋のようなアルカリ金属イオンが挙げられる。

塩素イオンＣＩ−はエポキシ樹脂の合成原料であるエピ
クロルヒドリンや半導体パッケージを半田処理する際の
７ラツクスなどに起因する。また臭素イオンＢｒ−は難
燃性を増す為にエポキシ樹脂組成物に混合されるブロム
化エポキシ樹脂などに起因する。さらにナトリウムイオ
ンＮａ＋やカリウムイオンに４−はエポキシ樹脂を調製
する際に使用されるアルカリ金属を含む触媒や、エポキ
シ樹脂組成物に添加されるシリカ粉末ｉこ付着する物質
などに起因する。

そしてこれらの不純物イオンを本発明で用いる無機イオ
ン交換体に捕捉する作用は、無機イオン交換体に含まれ
る可動性のＯＨ基に起因し、この水酸基がイオン交換基
として働くと共に交換能力や交換速度を無機イオン交換
体に含まれるＮＯ３基が高めていると考えられており、
そのメカニズムは次のように考えられる。すなわちハロ
ゲンイオン、例えば塩素イオンＣＩ−に対してＯＨ基が
陰イオン交換基として次のように作用し、ハロゲンイオ
ンを無機イオン交換体内に捕捉する、：とができる。

Ｒ−ＯＨ＋ＣＩ−→　Ｒ−ＣＩ＋０Ｈ−（Ｒは無機イオ
ン交換体の主体を示す。）またアルカリ金属イオン、例
えばナトリウムイオンＮａ＋に対してはＯＨ基が陽イオ
ン交換基として次のように作用し、アルカリ金属イオン
を無機イオン交換体内に捕捉することができる。

Ｒ−ＯＨ＋Ｎａ”　　　→　Ｒ−０−Ｎａ＋Ｈ”（Ｒは
ｗ、ｍイオン交換体の主体を示す。）上記のようにして
ハロゲンイオンやアルカリ金属イオンが無機イオン交換
体にイオン交換されて捕捉されることによって生成され
るＲ−ＣＩやＲ□Ｏ−Ｈは非常に安定した物質であり、
二次分解されて再びこれらからハロゲンイオンやアルカ
リ金属イオンが解放されることはなく、さらにイオン交
換によって放出されるイオンはＯＨ−やＨ“であってア
ルミニウム腐食には全く影響を及ぼすことはない。この
ように無機イオン交換体はイオン交換能力が高くまたイ
オン交換後の安定性も高く、これらの特性はイオン交換
樹脂や、ＭＦｌ、Ａ１、Ｓｉを主要構成成分とする吸着
剤酸化物では期待することができないものであり、さら
には無機イオン交換体はこのようにハロゲンイオンのよ
うなアニオンに対しでも、アルカリ金属イオンのような
カチオンに対してもそれぞれイオン交換能力を有し、こ
のような単一物質でアニオンとカチオンとの両イオンを
イオン交換できることもイオン交換樹脂や吸着剤酸化物
では期待することができない特性である。従って本発明
に係る無機イオン交換体を配合したエポキシ樹脂組成物
による半導体封止材料においては、ハロゲンイオンやア
ルカリ金属イオンによって半導体のアルミニウム導体が
腐食されることを防止することができ、半導体パッケー
ジの耐湿性を向上させることができるものであり、特に
無機イオン交換体は高温でも安定であるために半田処理
後における耐湿性を向上させる効果が大きく、さらには
高温高湿条件下で半導体パッケージが使用される場合で
も十分な耐湿性を保持させることができるものである。

ここで、無機イオン交換体としては、平均粒径が５μ以
下の微粒子のものを使用するのがよい。

平均粒径が５μを超えて大きくなるとその合計表面積が
小さくなるためにイオン交換能力が低下する傾向が生じ
、添加量の割合に対する効果が十分ではなくなることが
ある。また最大粒径は組成物に対する均一な分散のため
に１００μ以下がよい。

最大粒径が１００μより大トいと分散性の低下を招くば
かりでなくイオン交換能力の低下が大きくなり、さらに
は封止の際の成形性の低下を招くおそれがある。さらに
無機イオン交換体の配合量は、エポキシ樹脂組成物の全
量１００重量部に対して０．１〜１０重量部が望ましい
。０．１重量部未満の場合には耐湿性の向上の大きな効
果を得ることは難しく、また逆に１０重量部を超えても
イオン交換能力は大幅に増大することはないものであっ
て耐湿性の向上を大きく期待することはできず経済的で
ないばかりでなく、封止材料の取り扱いや特性が低下す
ることがある。

次に、本発明を具体的に説明する。

まず数種類のイオン交換物質についてそのイオン交換能
力を確認した。試験した物質は第１表に示すように、主
要構成成分としてアンチモンとビスマスを有する無機イ
オン交換体である「Ａ〜Ｇ」、イオン交換性陰イオンと
してアミ７基を持つポリスチレン系のイオン交換樹脂で
ある「Ｈ」、マグネシウムやアルミニウム、ケイ素を有
する無機質吸収剤であるｌ”Ｉ、ＪＪ、アンチモンを有
する無機イオン交換体であるｒＫＪである。光透過法で
測定した各イオン交換物質の平均粒径を第１表に示す。

また試験は次の条件でおこなった。

［イオン交換能力Ｊ’＝　１００　ｐｐｍ／　１００　
ｍｌの濃度で塩素イオンが存在する水溶液中に、水溶液
１００ｍＮ当たり１ｇの量でイオン交換物質を添加し、
これを１２１℃で２０時間加熱処理した後の水溶液の残
留塩素イオンの濃度をイオンクロマトグラフィーで測定
した。

「３５０“Ｃイオン交換能力」・・・イオン交換物質を
３５０“Ｃで２時間加熱処理したのち、１００　ｐｐＩ
Ｉｌ／　１００　ｍ（ｌの濃度で塩素イオンが存在する
水溶液中に水溶液１００ｍ１当たり１ｇの量でイオン交
換物質を添加し、これを１２１℃で２０時間加熱処理し
た後の水溶液の残留塩素イオンの濃度をイオ第１表 第１表の結果、アンチモンとビスマスを有する無機イオ
ン交換体の「Ａ−ＧＪでは、イオン交換能力が高いと共
に高温が作用したあとでもイオン交換能力が大きく低下
しないことが確認される。

実　０］〜１１、　　１１〜３ 次に、以下に示す各材料に第１表で示した各イオン交換
物質を第２表の添加量で配合し、これを回転混合機で５
分間混合したのちにさらに二軸のロールで混練した。混
線は前ロールが５０〜７０°Ｃ１後ロールが１００〜１
２０℃の加熱条件でロールに全材料が巻ききった後１０
回線ることによっておこなった。このように混練した材
料をシート状で取り出し、これを室温で冷却してカッタ
ーミルで粉砕することによってエポキシ樹脂封止材料を
得た。ここで、第２表におけるイオン交換物質の添加量
は配合材料の全量を１００重量部としたときの重量部で
示す。

・オルソクレゾールノボラック型エポキシ樹脂（エポキ
シ当量１９５．軟化温度７５°Ｃ）・・・１６０重量部 ・硬化剤（７エ７−ル／ボラック樹脂：分子量７００、
水酸基当量７００）　　・・・９０重量部・硬化促進剤
（２−ウンデシルイミグゾール）・・・３重量部 ・難燃剤（ブロム化エポキシ樹脂：エポキシ当量２５０
、軟化温度９０℃）・・・２０重量部・難燃剤（三酸化
アンチモン）・・・３０重量部・離型剤（カルナバワッ
クス）・・・４重量部・着色剤（カーボンブラック）・
・・４重量部・充てん剤（溶融シリカ：平均粒径２０μ
）・・・６４０重量部 上記のようにして得た各エポキシ樹脂封止材料について
、次の試験をおこなった。

「イオン交換能力（抽出水分析）」・・・各エポキシ樹
脂封止材料を１７５℃で５時間加熱することによって硬
化させ、これを１００メツシユを通過するように粉砕し
、不純物イオンをイオン交換して除去したイオン交換水
４６ｇとメタノール４ｇの水溶液に１００メツシユより
も小さく粉砕した試料を５ｇ投入し、この溶液を１５１
°Ｃで１００時間加熱したのちに濾過し、濾液をイオン
クロマトグラフィーで測定し、水中に抽出された塩素イ
オンとナトリウムイオンの濃度を測定した。

「耐湿性」・・・各エポキシ樹脂封止材料を金型温度１
７５±５°Ｃ１硬化時間９０秒、注入圧カフ０ｋｇ／ｃ
ｍ２、アフターキュアー１７５°Ｃ，５時間の条件で、
２　、３　Ｘ　３．２　＋ｎ＋ｎの半導体チップと５μ
幅のくし状のアルミニウム導体とを封止して１８リード
のスモールアウトフィン半導体パッケージ（ＳＯＰ）を
成形した。このパッケージの外部リード線を回路板の半
田付けに即した形に曲げた後に２６０℃の半田浴に１０
秒間浸し、次にこのように半田処理したパッケージを温
度１５１°Ｃ１圧力５気圧、相対湿度１００％の条件で
プレッシャークッカーテス）（ＰＣＴ）をおこない、半
導体チップのアルミニウム導線の５０％が腐食するまで
の時間を測定した。この腐食の判定はマルチビン電気測
定器を用いてくし状のアルミニウム導体の断線が現れた
かどうかによっておこなった。

第２表 第２表の結果、イオン交換物質としてアンチモンとビス
マスを有する無機イオン交換体を用いた各実施例のもの
では、［イオン交換能力（抽出水分析）の項目に見られ
るようにイオンの抽出量が少なく、イオンの発生を少な
く抑えることができることが確認され、従って「耐湿性
」の項目にみられるように半田処理後の耐湿性が高まる
ことが確認される。

［発明の効果］ 上述のように本発明は、主要構成成分としてアンチモン
とビスマスを含む無機イオン交換体をエポキシ樹脂に配
合するようにしたものであるから、この無機イオン交換
体は不純物イオンをイオン交換して捕捉する能力が優れ
ているものであって、不純物イオンによる半導体の金属
腐食を防止する耐湿性を高めることができるものであり
、しかもこの無機イオン交換体は高温が作用してもイオ
ン交換能力が低下することはなく、半田処理後において
も不純物イオンを捕捉することができて耐湿性が低下す
ることを防止することができるもので代理人　弁理士　
石　１）艮　七 手続補正書（自発） 昭和６２年４月１３日

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）エポキシ樹脂に、アンチモンとビスマスとを主要
   構成成分とする無機イオン交換体を配合して成ることを
   特徴とする半導体封止用エポキシ樹脂組成物。
2. （２）無機イオン交換体は一般式が、 ＡｓＢｉ＿ｘＯ＿ｙ（ＯＨ）＿ｚ（ＮＯ＿３）＿ｗ・＿
   ｎ（Ｈ＿２Ｏ） ［ｘは０．２〜２．０、ｙは１．０〜５．０、ｚは０．
   １〜３．０、ｗは０．１〜３．０、ｎは０．５〜３．０
   ］で表される化合物であることを特徴とする特許請求の
   範囲第１項記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成物。
3. （３）無機イオン交換体はエポキシ樹脂組成物１００重
   量部に対して０．１〜１０重量部配合されていることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項又は第２項記載の半導
   体封止用エポキシ樹脂組成物。
4. （４）無機イオン交換体は平均粒径が５μ以下で最大粒
   径が１００μ以下の粒度の微粒子であることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項乃至第３項のいずれかに記載の
   半導体封止用エポキシ樹脂組成物。