| 【発明の名称】 |
エポキシ樹脂組成物及び半導体装置 |
| 【発明者】 |
【氏名】指田 暢幸
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| 【要約】 |
【課題】熱放散性に優れかつ成形性、さらには半田耐熱性に優れる半導体封止用エポキシ樹脂組成物を提供すること。
【解決手段】（Ａ）エポキシ樹脂、（Ｂ）フェノール樹脂硬化剤、（Ｃ）無機充填材、（Ｄ）アミン系硬化促進剤を主成分とするエポキシ樹脂組成物において、（Ａ）エポキシ樹脂が下記式（１）で示されるビフェニル型エポキシ樹脂を主成分とし、（Ｃ）無機充填材が含窒素無機化合物５５〜８５重量％及び溶融シリカ１５〜４５重量％からなり、全樹脂組成物中７５〜９０重量％含有し、かつ該エポキシ樹脂組成物の１７５℃での高化式粘度が３０〜３００Poiseであるエポキシ樹脂組成物である。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 （Ａ）エポキシ樹脂、（Ｂ）フェノール樹脂硬化剤、（Ｃ）無機充填材、（Ｄ）アミン系硬化促進剤を主成分とするエポキシ樹脂組成物において、（Ａ）エポキシ樹脂が下記式（１）で示されるビフェニル型エポキシ樹脂を主成分とし、（Ｃ）無機充填材が含窒素無機化合物５５〜８５重量％及び溶融シリカ１５〜４５重量％からなり、全樹脂組成物中７５〜９０重量％含有し、かつ該エポキシ樹脂組成物の１７５℃での高化式粘度が３０〜３００Poiseであることを特徴とするエポキシ樹脂組成物。
【化１】
［式中のＲは水素原子、ハロゲン原子又は炭素数１〜１２のアルキル基を示し、互いに同一でも異なっていてもよい。］
【請求項２】 （Ｃ）無機充填材中の含窒素無機化合物が、ＳｉＮ、ＡｌＮ又はＢＮから選ばれた１種以上からなり、かつ溶融シリカで被覆されている請求項１記載のエポキシ樹脂組成物。
【請求項３】 （Ｃ）無機充填材中の溶融シリカが、平均粒径が０．２５〜２５μｍの球状溶融シリカである請求項１又は２記載のエポキシ樹脂組成物。
【請求項４】 請求項１、２又は３記載のエポキシ樹脂組成物で半導体素子を封止してなることを特徴とする半導体装置。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、熱放散性に優れ、かつ厚さ１．５ｍｍ以下の薄型パッケージでの成形性、更には半田耐熱性に優れた低粘度の半導体封止用エポキシ樹脂組成物及びそれによって半導体素子を封止してなる半導体装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】近年、ＩＣ、ＬＳＩなどのプラスチック封止された半導体デバイスは、チップの発熱容量の増加によりプラスチックパッケージにおいてリードフレームからの熱放散のみならず、ヒートシンク、ヒートスプレッダと呼ばれる熱放散性に優れる金属類をパッケージに挿入したりしているが、製造工程が複雑になったり、ヒートシンク、ヒートスプレッダのコストが高い等の問題を有していた。一方封止樹脂組成物自身の熱放散性を高めヒートシンク、ヒートスプレッダを取り除く試みも行われているが、成形性が劣ったり、半田耐熱性が低下し問題になっていた。特に厚さ１．５ｍｍ以下程度のＴＳＯＰ、ＴＳＳＯＰ、ＴＱＦＰ等の薄型パッケージではパッケージ厚さが薄い為にヒートシンク、ヒートスプレッダをパッケージに挿入することが困難であったり、歩留まりが低下するなど大きな問題になっていた。しかし、従来の熱放散性の良い封止樹脂組成物は粘度が高く、薄型パッケージでの成形性に問題があるばかりではなく、半田耐熱性でも薄型構造に対応できずに問題になっていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記の問題点を解決するため種々の検討を行い、特定の構造を有する無機充填材の組み合わせにより熱放散性に優れかつ成形性、さらには半田耐熱性に優れる半導体封止用エポキシ樹脂組成物及びそれによって半導体素子を封止してなる半導体装置を提供するものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明は、（Ａ）エポキシ樹脂、（Ｂ）フェノール樹脂硬化剤、（Ｃ）無機充填材、（Ｄ）アミン系硬化促進剤を主成分とするエポキシ樹脂組成物において、（Ａ）エポキシ樹脂が下記式（１）で示されるビフェニル型エポキシ樹脂を主成分とし、（Ｃ）無機充填材が含窒素無機化合物５５〜８５重量％及び溶融シリカ１５〜４５重量％からなり、全樹脂組成物中７５〜９０重量％含有し、かつ該エポキシ樹脂組成物の１７５℃での高化式粘度が３０〜３００Poiseであることを特徴とするエポキシ樹脂組成物であり、好ましくは（Ｃ）無機充填材中の含窒素無機化合物が、ＳｉＮ、ＡｌＮ又はＢＮから選ばれた１種以上からなり、かつ溶融シリカで被覆されている上記記載のエポキシ樹脂組成物であり、更に好ましくは（Ｃ）無機充填材中の溶融シリカが、平均粒径が０．２５〜２５μｍの球状溶融シリカである上記記載のエポキシ樹脂組成物である。又それによって半導体素子を封止してなる半導体装置である。
【０００５】
【化２】
［式中のＲは水素原子、ハロゲン原子又は炭素数１〜１２のアルキル基を示し、互いに同一でも異なっていてもよい。］
【０００６】本発明に用いる（Ａ）エポキシ樹脂は、上記式（１）に示されるビフェニル型エポキシ樹脂である。ビフェニル型エポキシ樹脂は、溶融時の粘度が低粘度のために無機充填材を高充填することができ、薄型パッケージでの成形性かつ半田耐熱性に優れている。またその疎水性から密着性等の信頼性、高結晶性からの易作業性など優れた性能を併せ有している。実際には樹脂組成物の耐湿性向上のために、ビフェニル型エポキシ樹脂を精製し、塩素イオン、ナトリウムイオン等の不純物イオンが極力少ないこと好ましい。更には、ビフェニル型エポキシ樹脂の特性を損なわない範囲で、ビフェニル型エポキシ樹脂以外のエポキシ樹脂、例えばフエノールノボラック型エポキシ樹脂、オルソクレゾールノボラック型エポキシ樹脂、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、トリアジン核含有エポキシ樹脂等を併用し、硬化性等を調整するようにしても構わない。
【０００７】本発明に用いる（Ｂ）フェノール樹脂硬化剤は、分子中にフェノール性水酸基を有するものならば特に限定するものではない。例えば、フェノールノボラック樹脂、ジシクロペンタジエン変性フェノール樹脂、キシリレン変性フェノール樹脂、トリフェノールメタン型樹脂、及びこれらの変性樹脂が挙げられる。樹脂組成物として適正な硬化性を得るためには水酸基当量が８０〜２５０であることが好ましい。
【０００８】本発明に用いる（Ｃ）無機充填材は、含窒素無機化合物５５〜８５重量％及び溶融シリカ１５〜４５重量％からなり、全樹脂組成物中７５〜９０重量％含有しているものである。含窒素無機化合物が配合された樹脂組成物は熱伝導性及び流動特性に優れている。他の無機充填材を使用すると、熱伝導性が優れているものでは流動特性が劣り、流動特性が優れているものでは熱放散性が劣り、熱放散性と流動特性が共に優れている無機充填材は他には見いだされていない。含窒素無機化合物にはＳｉＮ（シリコンナイトライド）、ＡｌＮ（アルミニウムナイトライド）、ＢＮ（ボロンナイトライド）等が挙げられるがこれらに限定されるものではない。更に含窒素無機化合物の化学的安定性を高める為に、含窒素無機化合物が溶融シリカ等の安定な皮膜で被覆されているとより好ましい。含窒素無機化合物として熱放散性を損なわずに化学的安定性を高める為には溶融シリカの皮膜の厚さは１μｍ以下であることが好ましい。ここにいう化学的安定性とは例えば、含窒素無機化合物を高温高湿下で処理すると加水分解して、アンモニア等を発生する場合があるが、これらの現象を抑えることをいう。含窒素無機化合物の添加量は無機充填材中５５〜８５重量％が好ましく、５５重量％未満では熱放散性が低下し、８５重量％を越えると薄型パッケージでの成形性が低下するために好ましくない。
【０００９】更に、無機充填材中の溶融シリカは、樹脂流動性、充填性を調節するために用いる。溶融シリカは平均粒径が０．２５〜２５μｍのものが好ましい。平均粒径が０．２５μｍ未満では流動性が損なわれ、２５μｍを越えると樹脂流動性及び熱放散性が損なわれるので好ましくない。さらに溶融シリカの形状は限定されないものではないが球状であることがより好ましい。無機充填材量は全樹脂組成物中７５〜９０重量％が好ましく、７５重量％未満では熱放散性が低下するばかりではなく、耐湿信頼性も低下し、９０重量％を越えると薄型パッケージでの成形性が低下するために好ましくない。
【００１０】本発明に用いる硬化促進剤は、エポキシ樹脂のエポキシ基とフェノール樹脂硬化剤のフェノール性水酸基との反応を促進するもので、含窒素無機化合物を使用するためアミン系硬化促進剤の使用が必須である。アミン系硬化促進剤としては、１，８−ジアザビシクロ（５，４，０）ウンデセン−７、、ベンジルジメチルアミン、２−メチルイミダゾール等が挙げられ、これらは単独でも併用してもよい。また、アミン系硬化促進剤の作用を補足する為にトリフェニルホスフィン等を併用しても構わない。
【００１１】本発明のエポキシ樹脂組成物は、高化式粘度測定装置での１７５℃での高化式粘度が３０〜３００Poise である。高化式粘度は(株)島津製作所製ＣＦＴ５００にて荷重１０ｋｇ、ノズル径０．５ｍｍφ、長さ１ｍｍのノズルを使用して１７５℃で測定した時の最低粘度の値である。高化式粘度が３０Poise未満では、成形時に気泡を取り込みボイドが発生する為好ましくない。また高化式粘度が３００Poiseを越えると、充填時に金ワイヤーが流れ、不良が発生する為に好ましくない。
【００１２】本発明の樹脂組成物は、（Ａ）〜（Ｄ）の他に、必要に応じてシランカップリング剤等のカップリング剤、酸化アンチモン等の難燃剤、カーボンブラック等の着色剤、天然ワックス、合成ワックス等の離型剤等の種々の添加剤を適宜配合しても差し支えない。本発明の樹脂組成物を成形材料として製造するには、（Ａ）〜（Ｄ）、その他の添加剤をミキサー等によって十分に均一に常温混合した後、更に熱ロール、又はニーダー等で溶融混練し、冷却後粉砕して封止材料とすることができる。本発明のエポキシ樹脂組成物を用いて、半導体等の電子部品を封止し、半導体装置を製造するには、トランスファーモールド、コンプレッションモールド、インジェクッションモールド等の従来からの成形方法で硬化成形すればよい。
【００１３】
【実施例】以下本発明を実施例にて具体的に説明する。実施例、比較例に用いた原料は以下のとおりである。
（Ａ）エポキシ樹脂・Ａ−１：ビフェニル型エポキシ樹脂［油化シェルエポキシ(株) ＹＸ４０００Ｈ融点１０５℃、エポキシ当量１９０］
・Ａ−２：オルソクレゾールノボラック型エポキシ樹脂［住友化学工業(株)、ＥＳＣＮ−１９５Ｌ軟化点７０℃、エポキシ当量２００］
（Ｂ）フェノール樹脂硬化剤・Ｂ−１：フエノールノボラック樹脂［軟化点９５℃、水酸基当量１０５］
・Ｂ−２：パラキシリレン変性フェノール樹脂［軟化点６５℃、水酸基当量１７０］
【００１４】（Ｃ）無機充填材・Ｃ−１：シリコンナイトライド粉末・Ｃ−２：アルミニウムナイトライド粉末・Ｃ−３：ボロンナイトライド粉末・Ｃ−４：シリコンナイトライド粉末（シリカ溶融皮膜付き）
・Ｃ−５：アルミニウムナイトライド粉末（シリカ溶融皮膜付き）
・Ｃ−Ｆ６：溶融球状シリカ粉末（平均粒径 ０．５μm)・Ｃ−Ｆ７：溶融球状シリカ粉末（平均粒径 ３μｍ）
・Ｃ−Ｆ８：溶融球状シリカ粉末（平均粒径 １５μｍ）
・Ｃ−９：アルミナ粉末【００１５】（Ｄ）硬化促進剤・Ｄ−１：１，８−ジアザビシクロ（５，４，０）ウンデセン−７・Ｄ−２：２−メチルイミダゾール・Ｄ−３：トリフェニルホスフィン（Ｅ）その他の添加物・シリコーンオイル［信越化学工業(株)、ＫＥ−１０２］
・シランカップリング剤［信越化学工業(株)、ＫＢＭ−４０３］
・三酸化アンチモン・臭素化エポキシ樹脂・カルナバワックス・カーボンブラック【００１６】
《基本配合処方》
（Ａ）エポキシ樹脂（Ａ−１） ９．０重量部（Ｂ）フェノール樹脂硬化剤（Ｂ−１） ５．０重量部（Ｃ）無機充填材 ８２．３重量部 含窒素無機化合物（Ｃ−５） （７０重量％）
溶融球状シリカ(平均粒径は１２．５μｍ) （３０重量％）
［Ｃ−Ｆ７：Ｃ−Ｆ８＝１：４の割合で配合］
（Ｄ）硬化促進剤（Ｄ−１） ０．２重量部 シリコーンオイル ０．５重量部 シランカップリング剤 ０．５重量部 三酸化アンチモン ０．５重量部 臭素化エポキシ樹脂 １．０重量部 カルナバワックス ０．５重量部 カーボンブラック ０．５重量部上記の配合処方のものをヘンシェルミキサーにて混合し、７０〜１００℃で二軸ロールにて混練し、冷却後粉砕しエポキシ樹脂組成物とした。得られたエポキシ樹脂組成物は下記の測定方法に従い評価した。
【００１７】・熱放散性：成形で得られたカルを使用して熱伝導率（10-1cal／sec・cm・℃）を熱伝導率計［(株)昭和電工製・ＱＴＭ−ＭＤ２］により測定し熱放散性を評価した。数値の高い方が好ましく、実用上４０以上の数値が必要である。
・粘度：(株)島津製作所・ＣＦＴ５００にて荷重１０ｋｇ、ノズル径０．５ｍｍφ、長さ１ｍｍのノズルを使用して高化式粘度を測定した。３０〜３００ Poiseがよい。
・成形性上記の成形品の外観を評価した。外観に異常がないものがよい。
・半田耐熱性：エポキシ樹脂組成物をタブレット化し、低圧トランスファー成形機にて１７５℃、７０ｋｇ／ｍｍ2 、１２０秒の条件で１４４ピンＴＱＦＰ（２０ｍｍ×２０ｍｍ×１．４ｍｍ）を成形し、更にポストモールドキュアとして１７５℃で、８時間の処理を行い、成形品を得た。この成形品を３０℃、相対湿度６０％の雰囲気で１９２時間吸湿後、ＩＲリフロー（２２０℃）での半田クラック試験を行い不良率を測定し、半田耐熱性を評価した。不良がないことが必要である。
【００１８】《実施例１〜５、比較例１》基本配合処方を実施例５とし、無機充填材のうち含窒素無機化合物の種類を表１のとおり変えてエポキシ樹脂組成物を得、これらについて比較評価した。これらの無機充填材の種類及び評価結果を表１に示す。
《実施例６、比較例２、３》基本配合処方において、無機充填材の添加量を表２のとおり変えてエポキシ樹脂組成物を得、これらについて比較評価した。その結果を表２に示す。
《実施例７〜９、比較例４〜６》基本配合処方において、フェノール樹脂硬化剤をパラキシリレン変性フェノール樹脂［Ｂ−２］に変えて使用し、［Ａ−１］を７．４重量部、［Ｂ−２］を６．６重量部の配合割合に変え、無機充填材の含窒素無機化合物の添加率を表３のとおり変えてエポキシ樹脂組成物を得、これらについて比較評価した。その評価結果を表３に示す。
【００１９】《実施例10〜12、比較例７、８》基本配合処方において、下記の点を変えてエポキシ樹脂組成物を得、これらについて比較評価した。その評価結果を表４に示す。
・実施例10：球状溶融シリカ粉末をＣ−Ｆ６とＣ−Ｆ８の混合物（Ｃ−Ｆ６：Ｃ−Ｆ８＝１：４の割合で配合、平均粒径１２．０μｍ）に変えたエポキシ樹脂組成物・実施例11：球状溶融シリカ粉末をＣ−Ｆ６とＣ−Ｆ８の混合物（Ｃ−Ｆ６：Ｃ−Ｆ８＝１：４の割合で配合、平均粒径１２．０μｍ）に、無機充填材の添加量を７８重量％とし、含窒素無機化合物（Ｃ−５）の添加率を８２重量％に変えたエポキシ樹脂組成物・比較例７：エポキシ樹脂をＡ−２に変えたエポキシ樹脂組成物・実施例12：硬化促進剤をＤ−２に変えたエポキシ樹脂組成物・比較例８：硬化促進剤をＤ−３に変えたエポキシ樹脂組成物【００２０】
表 １ 実 施 例 比較例 １ ２ ３ ４ ５ １ 含窒素無機化合物の種類 Ｃ−１ Ｃ−２ Ｃ−３ Ｃ−４ Ｃ−５ Ｃ−９ 特性 熱伝導率 65 60 65 60 60 35 (10-1cal／sec・cm・℃) 粘度（poise） 100 85 120 80 70 35 成形性 良好 良好 良好 良好 良好 バリ 半田耐熱性（％） ０ ０ ０ ０ ０ ０ 【００２１】
表 ２ 実 施 例 比 較 例 ５ ６ ２ ３ 無機充填材量（重量％） 82.3 87.0 72.0 92.0 特性 ∧ 熱伝導率 60 80 30 成 (10-1cal／sec・cm・℃) 形 粘度（poise） 70 250 15 不 成形性 良好 良好 ボイド 能 半田耐熱性（％） ０ ０ 100 ∨ 【００２２】
表 ３ 実 施 例 比 較 例 ７ ８ ９ ４ ５ ６ フェノール樹脂の種類 Ｂ−２ Ｂ−２ Ｂ−２ Ｂ−２ Ｂ−２ Ｂ−２含窒素無機化合物の種類 Ｃ−５ Ｃ−５ Ｃ−５ Ｃ−５ Ｃ−５ Ｃ−５ 〃 の添加率(重量％) 58 70 83 40 95 100 特性 熱伝導率 50 60 70 35 85 不能 (10-1cal／sec・cm・℃) 粘度（poise） 40 50 175 30 480 不能 成形性 良好 良好 良好 ボイド パッド パッド 半田耐熱性（％） ０ ０ ０ ０ 不能 不能 【００２３】
表 ４ 実 施 例 比 較 例 ５ 10 11 12 ７ ８ エポキシ樹脂の種類 Ａ−１ Ａ−１ Ａ−１ Ａ−１ Ａ−２ Ａ−１含窒素無機化合物の種類 Ｃ−５ Ｃ−５ Ｃ−５ Ｃ−５ Ｃ−５ Ｃ−５ 〃 の添加率(重量％) 70 70 82 70 70 70 球状溶融シリカの種類 C-F7 C-F6 CF-6 CF-7 CF-7 CF-7 C-F8 C-F8 CF-8 CF-8 CF-8 CF-8 無機充填材量（重量％） 82.3 82.3 78.0 82.3 82.3 82.3 硬化促進剤の種類 Ｄ−１ Ｄ−１ Ｄ−１ Ｄ−２ Ｄ−１ Ｄ−３ 特性 ∧ 熱伝導率 60 60 45 55 65 硬 (10-1cal／sec・cm・℃) 化 粘度（poise） 70 85 35 150 450 せ 成形性 良好 良好 良好 良好 パッド ず 半田耐熱性（％） ０ ０ ０ ０ 不能 ∨ 【００２４】
【発明の効果】本発明では、熱放散性が必要な薄型パッケージに必要な成形性、半田耐熱性の優れた信頼性の高いエポキシ樹脂組成物が得られ、ＩＣ、ＬＳＩ高密度化に対応するＴＳＯＰ、ＴＳＳＯＰ、ＴＱＦＰ等の薄型パッケージの高信頼性要求に対して広範囲に適用できる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００２１４１
【氏名又は名称】住友ベークライト株式会社
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| 【出願日】 |
平成９年（１９９７）９月３日 |
| 【代理人】 |
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| 【公開番号】 |
特開平１１−８０５０９ |
| 【公開日】 |
平成１１年（１９９９）３月２６日 |
| 【出願番号】 |
特願平９−２３８１８７ |
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