| 【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】前佛 伸一
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| 【要約】 |
【課題】無機充填材を高充填化でき、金型汚れが少なく、離型性、充填性、耐湿性、耐半田クラック性に優れた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】エポキシ樹脂、フェノール樹脂、硬化促進剤、無機充填材、炭素数１２〜２４の脂肪酸、炭素数１２〜２４の脂肪酸金属塩と天然ワックスの溶融混合物からなることを特徴とする半導体封止用エポキシ樹脂組成物。 |
【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、（Ｃ）硬化促進剤、（Ｄ）無機充填材、（Ｅ）炭素数１２〜２４の脂肪酸と炭素数１２〜２４の脂肪酸金属塩の溶融混合物、又は炭素数１２〜２４の脂肪酸、炭素数１２〜２４の脂肪酸金属塩と天然ワックスの溶融混合物からなることを特徴とする半導体封止用エポキシ樹脂組成物。
【請求項２】 請求項１記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成物を用いて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、金型汚れ、離型性に優れた半導体封止用エポキシ樹脂組成物、及びこれを用いた半導体装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】近年の電子機器の小型化、軽量化、高性能化の市場動向において、半導体素子の高集積化が年々進み、又半導体装置の表面実装化が促進されるなかで、半導体封止用エポキシ樹脂組成物への要求は益々厳しいものとなってきている。特に半導体装置の表面実装化が一般的になってきている現状では、吸湿した半導体装置が半田処理時に高温にさらされ、気化した水蒸気の爆発的応力により半導体装置にクラックが発生したり、或いは半導体素子やリードフレームとエポキシ樹脂組成物の硬化物との界面に剥離が発生することにより、電気的信頼性を大きく損なう不良が生じ、これらの不良の防止、即ち耐半田クラック性の向上が大きな課題となっている。
【０００３】この耐半田クラック性を向上させる手段として、種々の提案がなされており、代表的なものとしては、（１）低粘度の樹脂成分を使用して無機充填材を高充填化し、樹脂成分を減少させて、エポキシ樹脂組成物の硬化物を低熱膨張化、低吸湿化させる、（２）吸湿性が少なく可撓性を有する樹脂の使用等が挙げられる。低粘度樹脂成分としては、低粘度のエポキシ樹脂や結晶性エポキシ樹脂、硬化剤としての低粘度のフェノール樹脂が挙げられ、これらは一般的に低分子量化合物であり、このため成形時の加熱により３次元化して得られる架橋構造の架橋密度は低くなり、機械的強度や熱時弾性率が低い硬化物となるため、金型からの離型時に硬化物が金型に付着したり、或いは成形品の割れ・欠けが発生する等、離型性に劣るという欠点を有する。吸湿性が少なく可撓性を有する樹脂としては、フェノールアラルキル樹脂等があり、耐半田クラック性の向上には効果があるが、このタイプの樹脂を用いた場合、硬化物が柔軟な構造を有するという特徴がある反面、熱時の剛性に欠け、又硬化が遅く、離型性に劣るという欠点がある。
【０００４】離型性を向上させるためには、離型剤を多量に配合する方法が対策として挙げられるが、多量の離型剤が半導体装置内部の半導体素子やそれを搭載するリードフレームとエポキシ樹脂組成物の硬化物との界面に移行するので、これら界面の密着性を著しく損なってしまう。このため半導体装置を吸湿後半田処理すると、これらの界面で剥離が発生したり、その剥離に起因するクラックが発生する不良が起こる。更に多量の離型剤が金型側に付着することによる金型汚れ、型取られといった成形性の低下の問題もある。更に成形方式が従来のトランスファー成形からマルチプランジャー式のトランスファー成形やインジェクション成形化になり、従来にもまして材料の流動性、充填性の向上が要求され、数種類の離型剤を併用する必要が有り、そのため配合される離型剤量が増大し、金型汚れ、耐半田クラック性が低下するという問題もある。このため金型汚れが少なく、無機充填材を高充填化でき、充填性、離型性、耐湿性、耐半田クラック性に優れるエポキシ樹脂組成物の開発が望まれていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、金型汚れが少なく、無機充填材を高充填化でき、充填性、離型性、耐湿性に優れるとともに、耐半田クラック性に優れた半導体封止用エポキシ樹脂組成物、及びこれを用いた半導体装置を提供するものである。
【０００６】
【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、（Ｃ）硬化促進剤、（Ｄ）無機充填材、（Ｅ）炭素数１２〜２４の脂肪酸と炭素数１２〜２４の脂肪酸金属塩の溶融混合物、又は炭素数１２〜２４の脂肪酸、炭素数１２〜２４の脂肪酸金属塩と天然ワックスの溶融混合物からなることを特徴とする半導体封止用エポキシ樹脂組成物及びこれを用いて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である。
【０００７】
【発明の実施の形態】本発明で用いられるエポキシ樹脂としては、例えば、フェノールノボラック型エポキシ樹脂、クレゾールノボラック型エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂、ビスフェノール型エポキシ樹脂、スチルベン型エポキシ樹脂、トリフェノールメタン型エポキシ樹脂、フェノールアラルキル型エポキシ樹脂、ナフタレン型エポキシ樹脂、アルキル変性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、ジシクロペンタジエン変性フェノール型エポキシ樹脂等が挙げられ、これらは単独でも混合して用いてもよい。これらの内では、常温では結晶性の固体であるが、融点を越えると極めて低粘度の液状となり、無機充填材を高充填化できるビフェニル型エポキシ樹脂、ビスフェノール型エポキシ樹脂、スチルベン型エポキシ樹脂が好ましい。ビフェニル型エポキシ樹脂としては、例えば、３，３’，５，５’−テトラメチルビフェノールジグリシジルエーテル、ビフェノールジグリシジルエーテル等が挙げられる。その他のエポキシ樹脂も極力粘度の低いものを使用することが望ましい。低粘度のエポキシ樹脂を用いることにより、無機充填材を高充填化でき、耐半田クラック性を向上できるが、架橋密度が低くなるため、離型性に難点があり、本発明の離型剤を用いることにより離型性を改善できる。
【０００８】本発明で用いられるフェノール樹脂としては、例えば、フェノールノボラック樹脂、クレゾールノボラック樹脂、ナフトールアラルキル樹脂、トリフェノールメタン樹脂、テルペン変性フェノール樹脂、ジシクロペンタジエン変性フェノール樹脂、フェニレン及び／又はジフェニレン骨格を有するフェノールアラルキル樹脂等が挙げられ、これらは単独でも混合して用いてもよい。無機充填材の高充填化のためには、エポキシ樹脂と同様に、低粘度のものが好ましい。可撓性、低吸湿性のためには、フェニレン及び／又はジフェニレン骨格を有するフェノールアラルキル樹脂の使用が望ましい。低粘度、可撓性を有するフェノール樹脂は、架橋密度が低くなるため、離型性に難点があり、本発明の離型剤と併用することにより、離型性を改善できる。
【０００９】本発明で用いられる硬化促進剤としては、前記エポキシ樹脂とフェノール樹脂との架橋反応の触媒となり得るものを指し、例えば、トリブチルアミン、１，８−ジアザビシクロ（５，４，０）ウンデセン−７等のアミン系化合物、トリフェニルホスフィン、テトラフェニルホスホニウム・テトラフェニルボレート塩等の有機リン系化合物、２−メチルイミダゾール等のイミダゾール化合物等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。又、これらの硬化促進剤は単独でも混合して用いてもよい。
【００１０】本発明で用いられる無機充填材としては、例えば、溶融シリカ、結晶シリカ、アルミナ、窒化珪素、窒化アルミ等が挙げられる。無機充填材の配合量を特に大きくする場合は、溶融シリカを用いるのが一般的である。溶融シリカは破砕状、球状のいずれでも使用可能であるが、溶融シリカの配合量を高め、且つエポキシ樹脂組成物の溶融粘度の上昇を抑えるためには、球状のものを主に用いる方が好ましい。更に球状シリカの配合量を高めるためには、球状シリカの粒度分布がより広くなるように調整することが望ましい。
【００１１】本発明で用いられる炭素数１２〜２４の脂肪酸と炭素数１２〜２４の脂肪酸金属塩の溶融混合物、又は炭素数１２〜２４の脂肪酸、炭素数１２〜２４の脂肪酸金属塩及び天然ワックスの溶融混合物は、離型剤として作用するものである。本発明の溶融混合物を用いることにより、離型剤の配合量が少なくても十分な離型性、流動性、充填性を発現でき、過剰に離型剤を配合する必要がなく、金型汚れ、耐半田クラック性が低下するという問題も発生しない。本発明で用いられる炭素数１２〜２４の脂肪酸としては、例えば、ステアリン酸、ラウリン酸等が挙げられ、これらは単独でも混合して用いてもよく、又炭素数が同一のものでも、異なるものの混合物でもよい。炭素数１２〜２４の脂肪酸としては飽和脂肪酸、不飽和脂肪酸のいずれを用いても良いが、耐熱性に優れ金型汚れを発生しにくい飽和脂肪酸を用いることがより望ましい。脂肪酸部分の炭素数が１１以下だと、分子量が低過ぎ耐熱性に劣るため、成形時に金型汚れが起こり、又炭素数が２５以上だと、樹脂成分と十分に相溶せず粘度が上昇するため、無機充填材の高充填化ができないので好ましくない。
【００１２】本発明で用いられる炭素数１２〜２４の脂肪酸金属塩としては、例えば、ステアリン酸亜鉛、ステアリン酸マグネシウム、ステアリン酸カルシウム等が挙げられ、これらは単独でも混合して用いても良く、又炭素数が同一のものでも、異なるものの混合物でもよい。炭素数１２〜２４の脂肪酸金属塩の脂肪酸部分としては、飽和脂肪酸、不飽和脂肪酸のいずれを用いても良いが、耐熱性に優れ金型汚れを発生しにくい飽和脂肪酸を用いることがより望ましい。脂肪酸部分の炭素数が１１以下だと、分子量が低過ぎ耐熱性に劣るため、成形時に金型汚れが起こり、又炭素数が２５以上だと、融点が高くエポキシ樹脂組成物の流動性が低下するため好ましくない。エポキシ樹脂として、ビフェニル型エポキシ樹脂を用いる場合は、特に高温時の離型性に劣るので高温での離型性を補うために、脂肪酸金属塩との併用が効果的である。上記溶融混合物を用いることにより、優れた流動性、充填性の付与と、脂肪酸金属塩による優れた離型性の両立が図れるものである。添加量については特に限定されるものではないが、好ましくは全エポキシ樹脂組成物中に０．０２〜０．５重量％、更に好ましくは０．０５〜０．４重量％が望ましく、用いる樹脂系に応じ極力少ない添加量とすることが望ましい。
【００１３】本発明で用いられる炭素数１２〜２４の脂肪酸、炭素数１２〜２４の脂肪酸金属塩と天然ワックスの溶融混合物に用いる天然ワックスは、カルナバロウから得られるカルナバワックス、米糠から得られるライスワックス、羊毛から得られるラノリン等が挙げられる。一般に天然ワックスは分子量分布が広く、融点の幅が広いため、特に射出成形の様に、シリンダー内では半溶融状態を維持しつつ、金型内では素早く溶融し充填するといった幅広い温度域での流動性と充填性を付与できる反面、不飽和結合を有する成分や低分子成分を多く含むために多量に用いると金型汚れが生じ易いという欠点がある。従って、本発明の炭素数１２〜２４の脂肪酸と炭素数１２〜２４の脂肪酸金属塩と共に予め溶融混合することで、添加量を減らし、離型性、流動性と金型汚れの両立を図ることが可能となる。特にインジエクション成形においては、材料がインジェクション成形機内で一旦半溶融状態で計量保持され、射出成形時には溶融し、硬化後には離型するということが必要であり、本発明の炭素数１２〜２４の脂肪酸と炭素数１２〜２４の脂肪酸金属塩と天然ワックスの３種類の成分を配合することで、材料の融点幅を広くし、半溶融、溶融、離型性を両立することが出来るものである。
【００１４】本発明に用いられる溶融混合物を得る条件としては、各成分が均一に溶融混合されれば特に限定しないが、通常１２０〜１４０℃程度、１０分〜３０分程度の時間が好ましい。必要以上の高温で長時間の加熱を続けると、各成分の揮発、分解が進み変質する恐れがある。従って特に耐熱性の低い成分を溶融混合する必要がある場合には、窒素気流中で溶融混合を行ったり、酸化防止剤を適量加え溶融混合すればよい。
【００１５】本発明の溶融混合物の特性を損なわない範囲で、他の離型剤を併用することもできる。併用できるものとしては、例えば、ポリエチレンワックス等の合成ワックス、パラフィンワックス等が挙げられ、これらは単独でも予め溶融混合して用いてもよい。又全離型剤の添加量としては、特に限定されるものではないが全エポキシ樹脂組成物中に０．０２〜０．５重量％、更に好ましくは０．０５〜０．４重量％である。０．０２重量％未満だと、十分な流動性と離型性が得られず、０．５重量％を越えると、成形時に過剰な離型剤成分が半導体装置内部の半導体素子やそれを搭載するリードフレームとエポキシ樹脂組成物の硬化物との界面に移行するため、密着性を著しく損ない、耐湿性と耐半田クラック性を低下させ、更に金型汚れが発生するので好ましくない。
【００１６】本発明のエポキシ樹脂組成物は、（Ａ）〜（Ｅ）成分を必須成分とするが、これ以外にも必要に応じてカップリング剤、臭素化エポキシ樹脂、酸化アンチモン、リン化合物等の難燃剤、カーボンブラック等の着色剤、シリコーンオイル、シリコーンゴム、合成ゴム等の低応力剤、酸化防止剤等の各種添加剤を適宜配合してもよい。本発明のエポキシ樹脂組成物は、（Ａ）〜（Ｅ）成分、及びその他の添加剤等をミキサー等を用いて混合後、加熱ニーダ、熱ロール、押し出し機等を用いて加熱混練し、続いて冷却、粉砕して得られる。本発明のエポキシ樹脂組成物を用いて半導体素子等の電子部品を封止し、半導体装置を製造するには、トランスファー成形、コンプレッション成形、インジェクション成形等の従来からの成形方法で硬化成形すればよい。
【００１７】
【実施例】以下、本発明を実施例で具体的に説明する。配合割合は重量部とする。
実施例１ ３，３’，５，５’−テトラメチルビフェノールジグリシジルエーテルを主成分とするエポキシ樹脂（油化シェルエポキシ（株）・製、ＹＸ４０００Ｈ、融点１０５℃、エポキシ当量１９５、以下、ビフェニル型エポキシ樹脂という）
７．５重量部 フェノールアラルキル樹脂（軟化点７５℃、水酸基当量１７５）６．７重量部 １，８−ジアザビシクロ（５，４，０）ウンデセン−７（以下、ＤＢＵという）
０．２重量部 球状溶融シリカ ８４．９５重量部 ステアリン酸 ０．１重量部 ステアリン酸亜鉛 ０．０５重量部 γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン ０．２重量部 カーボンブラック ０．３重量部をミキサーを用いて混合した後、表面温度が９５℃と２５℃の２軸ロールを用いて２０回混練し、得られた混練物シートを冷却後粉砕して、エポキシ樹脂組成物とした。ステアリン酸、ステアリン酸亜鉛及びカルナバワックスは、フラスコで１４０℃で１０分溶融混合したものである。得られたエポキシ樹脂組成物の特性を以下の方法で評価した。評価結果を表１に示す。
【００１８】評価方法スパイラルフロー：ＥＭＭＩ−１−６６に準じたスパイラルフロー測定用の金型を用いて、金型温度１７５℃、注入圧力７０ｋｇ／ｃｍ2、硬化時間２分で測定した。単位はｃｍ。
離型性：トランスファー成形機を用いて、金型温度１７５℃、注入圧力７５ｋｇ／ｃｍ2、硬化時間２分で１４４ｐＱＦＰ（２０×２０×１．７ｍｍ厚さ）を１０回連続で成形した。この１０回の成形で、離型時に金型に付着したり、成形品に割れ・欠けが発生した回数が５回以上のものを×、発生なしのものを○と判定した。
金型汚れ ：トランスファー成形機を用いて、金型温度１７５℃、注入圧力７５ｋｇ／ｃｍ2、硬化時間２分で１４４ｐＱＦＰ（２０×２０×１．７ｍｍ厚さ）を５００回連続で成形した。成形品表面と金型表面の両方に白化があるものを×、どちらにも白化のないものを○と判定した。
充填性：トランスファー成形機を用いて、金型温度１７５℃、注入圧力７５ｋｇ／ｃｍ2、硬化時間２分で１４４ｐＱＦＰ（２０×２０×１．７ｍｍ厚さ）を１０個成形し、１７５℃、８時間で後硬化させた成形品を得た。得られた１０個全てのパッケージを観察し外部にボイドが１個以上有るものを×、超音波探傷装置で内部を透視し内部に直径１．０ｍｍ以上のボイドが１１個以上有るものを△、直径１．０ｍｍ以上の内部ボイドが１０個以下のものを○とした。
耐湿性：トランスファー成形機を用いて、金型温度１７５℃、注入圧力７５ｋｇ／ｃｍ2、硬化時間２分で１４４ｐＱＦＰ（２０×２０×１．７ｍｍ厚さ）を２０個成形し、１７５℃、８時間で後硬化させ、８５℃、相対湿度８５％の環境下で１６８時間放置し、その後２４０℃の半田槽に１０秒間浸漬した。超音波探傷装置で内部を透視し、内部素子との剥離があるものを×、ないものを○と判定した。
耐半田クラック性：トランスファー成形機を用いて、金型温度１７５℃、注入圧力７５ｋｇ／ｃｍ2、硬化時間２分で１４４ｐＱＦＰ（２０×２０×１．７ｍｍ厚さ）を２０個成形し、１７５℃、８時間で後硬化させ、８５℃、相対湿度８５％の環境下で１６８時間放置し、その後２４０℃の半田槽に１０秒間浸漬した。顕微鏡で外部クラックを観察し、クラック発生率（（クラック発生パッケージ数）／（全パッケージ数）×１００）の値を求めた。単位は％。
【００１９】実施例２〜６、比較例１〜５表１、表２の配合に従い、実施例１と同様にしてエポキシ樹脂組成物を得、実施例１と同様にして評価した。実施例の成分（Ｅ）は、表１に示す重量比のものを予めフラスコで１４０℃、１０分溶融混合したものを用いた。評価結果を表１、表２に示す。比較例の成分（Ｅ）は全て溶融混合をせずに用いた。実施例３〜５、比較例２〜４で用いたオルソクレゾールノボラック型エポキシ樹脂は、軟化点６５℃、エポキシ当量２００である。実施例３、４、比較例２、３で用いたフェノールノボラック樹脂は、軟化点９１℃、水酸基当量１０５である。
【表１】
【００２０】
【表２】
【００２１】
【発明の効果】本発明のエポキシ樹脂組成物は、無機充填材を高充填化でき、トランスファー成形、インジェクション成形等において、金型汚れが少なく、充填性、離型性に優れると共に、これを用いた半導体装置は、耐湿性、耐半田クラック性に優れている。
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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１２年５月３０日（２０００．５．３０） |
| 【代理人】 |
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| 【公開番号】 |
特開２００１−３４２３２３（Ｐ２００１−３４２３２３Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１３年１２月１４日（２００１．１２．１４） |
| 【出願番号】 |
特願２０００−１６０８６６（Ｐ２０００−１６０８６６） |
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