JP2005089710A - 半導体封止用エポキシ樹脂組成物及び半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 湿性信頼性が良好で且つ結露が起こりにくい特性を有し、ＣＣＤ用途に好適に用いることができる半導体封止用エポキシ樹脂組成を提供すること。
【解決手段】 （Ａ）エポキシ樹脂（Ｂ）フェノール樹脂、（Ｃ）硬化促進剤、及び（Ｄ）無機充填材を必須成分とするエポキシ樹脂組成物であって、無機質充填材として表面の水酸基濃度が単位面積当たり１ｍｏｌ／ｍ²以上である多孔質無機充填材を含むことを特徴とする半導体封止用エポキシ樹脂組成物。

Description

本発明は、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。例えば、光半導体装置、特にＣＣＤ用途等に好適に用いられる。

ＩＣ、ＬＳＩ、トランジスター等の半導体素子の封止には金属缶、セラミック、エポキシ樹脂組成物等が用いられている。中でもエポキシ樹脂組成物のトランスファー成形は低コスト且つ大量生産に適しており広く用いられている。また、信頼性の点でもエポキシ樹脂や硬化剤であるフェノール樹脂の改良により、耐湿性の向上や、半田リフローへの対応などが図られてきた。
ＣＣＤにも同様にコストダウンの目的でエポキシ樹脂組成物での封止が行われている。しかし、通常のエポキシ樹脂組成物は透湿性があるため結露の問題が発生する。つまりＣＣＤは中空構造のケースにガラスの蓋を用いて気密しているが、内部の空間に水分があると低温の環境でガラスの結露が発生し撮像が出来なくなる不具合が発生する。このためケースにエポキシ樹脂組成物を用いる場合、樹脂組成物に乾燥剤を添加する（例えば、特許文献１参照。）、透湿を妨げるためケース中に金属板を埋め込む等（例えば、特許文献２参照。）の対応がなされてきた。特に樹脂組成物に乾燥剤を添加する手法は、結露防止の効果が高く広く用いられている。
しかし、結露以外にも高温高湿に晒されることにより必要となる特性が要求され始めている。特にチップ上のアルミ配線腐食に起因する耐湿信頼性への要求として１２０℃以上の高温高湿下の条件での評価がなされる。一方、吸湿材として使われるシリカゲルは高温では極端に水分保持の能力が低下し高温での拡散係数が上昇するため、高温下での耐湿性試験に充分対応出来ていない。

特開平６−２３２２９２号公報報（第２〜４頁） 特開平４−３１２９６３号公報（第２〜５頁）

本発明は、耐湿信頼性が良好で且つ結露が起こりにくい特性を有し、ＣＣＤ用途に好適に用いることができる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。

本発明は、
［１］（Ａ）エポキシ樹脂（Ｂ）フェノール樹脂、（Ｃ）硬化促進剤、及び（Ｄ）無機充填材を必須成分とするエポキシ樹脂組成物であって、無機質充填材として表面の水酸基濃度が単位面積当たり１ｍｏｌ／ｍ²以上である多孔質無機充填材を含むことを特徴とする半導体封止用エポキシ樹脂組成物、
［２］ 上記多孔質無機充填材の配合量がエポキシ樹脂組成物全体に対し５〜４０重量％である第［１］項記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成物、
［３］ 第［１］又は［２］項に記載のエポキシ樹脂組成物を用いて封止してなることを特徴とする半導体装置、
である。

本発明に従うと、耐湿信頼性が良好で且つ結露が起こりにくい特性を有し、ＣＣＤ用途に好適に用いることができる半導体封止用エポキシ樹脂組成物を得ることが出来る。

本発明は、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、硬化促進剤、表面の水酸基濃度が単位面積当たり１ｍｏｌ／ｍ²以上の多孔質無機充填材を含む無機充填材を必須成分とすることにより、耐湿信頼性が良好で且つ結露が起こりにくい特性を有し、ＣＣＤ用途に好適に用いることができる半導体封止用エポキシ樹脂組成物が得られるものである。
以下、本発明について詳細に説明する。

本発明に用いるエポキシ樹脂は、１分子内にエポキシ基を２個以上有するモノマー、オリゴマー、ポリマー全般であり、その分子量、分子構造は特に限定するものではない。例えば、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、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、トリフェノールメタン型エポキシ樹脂、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、フェノールアラルキル型エポキシ樹脂（フェニレン骨格、ビフェニレン骨格等を有する）等を用いることが出来る。中でも無機充填材の充填量を上げるため低粘度のエポキシを用いるのが望ましい。好ましくはＩＣＩ粘度計での１５０℃における溶融粘度が０．４Ｐａ・ｓ以下、より好ましくは０．３Ｐａ・ｓ以下、更に好ましくは０．１Ｐａ・ｓ以下のエポキシ樹脂である。溶融粘度が上記上限値を超えると成形時に未充填が発生する恐れがある。
また、上記エポキシ樹脂は２種類以上混合しても良い。混合する全てのエポキシ樹脂が溶融粘度０．４Ｐａ・ｓ以下である必要はないが、混合エポキシ樹脂での溶融粘度が０．４Ｐａ・ｓを越えない範囲で使用するのが望ましい。

本発明に用いるフェノール樹脂は、１分子内にフェノール性水酸基を２個以上有するモノマー、オリゴマー、ポリマー全般であり、その分子量、分子構造を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、クレゾ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、テルペン変性フェノール樹脂、トリフェノールメタン型樹脂、フェノールアラルキル樹脂（フェニレン骨格、ビフェニレン骨格等を有する）等が挙げられ、これらは単独でも混合して用いても差し支えない。硬化剤の粘度はＩＣＩ粘度計での１５０℃における溶融粘度が０．４Ｐａ・ｓ以下が望ましい。

エポキシ樹脂とフェノール樹脂の配合量は、全エポキシ樹脂のエポキシ基数と全フェノール樹脂のフェノール性水酸基数の比が０．８〜１．３であることが好ましく、この範囲を外れると、エポキシ樹脂組成物の硬化性の低下、或いは硬化物のガラス転移温度の低下、耐湿信頼性の低下等が生じる可能性がある。

本発明に用いる硬化促進剤としては、エポキシ基とフェノール性水酸基との硬化反応を促進させるものであればよく、一般に封止材料に使用するものを使用することができる。例えば、２−メチルイミダゾール、１，８−ジアザビシクロ（５，４，０）ウンデセン−７、トリフェニルホスフィン、２−メチルイミダゾール、テトラフェニルホスホニウム・テトラフェニルボレート、ベンゾキノンをアダクトしたトリフェニルホスフィン等が挙げられ、中でも硬化性が良好な２−メチルイミダゾールが望ましい。これらは単独でも混合して用いても差し支えない。

本発明に用いる無機充填材は、表面の水酸基濃度が単位面積当たり１ｍｏｌ／ｍ²以上である多孔質無機充填材を含む無機充填材である。本発明に用いる多孔質無機充填材は、高温下でのＣＣＤケースの透湿を抑え、耐湿信頼性を向上させるために用いる。多孔質無機充填材は吸湿作用があり水分が樹脂組成物を通過する速度を遅らせる事が出来るが、高温、特に水蒸気圧が常圧を超える１００℃以上では水分子の運動が激しく多孔質無機充填材上に保持する事が容易ではない。本発明に用いる多孔質無機充填材は単位面積当たりの水酸基濃度を上げることにより高温での吸湿特性を大きく改善することができる。つまり多孔質無機充填材上の単位面積当りの水酸基を増やす事により分子運動で離れた水分子を速やかに再補足することが出来、従い、高温での吸湿特性を向上させることが出来る。本発明には表面の水酸基濃度が単位面積当たり１ｍｏｌ／ｍ²以上である多孔質無機充填材を用いる。単位面積当たりの水酸基濃度が下限値を下回ると高温での吸湿特性が低下し、ＣＣＤ内に侵入する水分が増え、耐湿信頼性が低下する。多孔質無機充填材の配合量は好ましくは５〜４０重量％、より好ましくは１０〜３０重量％である。配合量が下限値を下回ると結露防止の効果が充分でなく、上限値を越えると硬化性が著しく低下する恐れがある。表面の水酸基濃度が単位面積当たり１ｍｏｌ／ｍ²以上である多孔質無機充填材としては、シリカゲル等の市販品から選択して用いることができる。

本発明に用いる多孔質無機充填材の例であるシリカゲルについて、その表面の水酸基濃度の求め方を以下に説明する。シリカゲルの場合、水酸基はシラノール基であり、シリカゲルの表面のシラノール基数については、ＪＩＳ Ｋ１１５０−１９９４の定量試験に従い強熱減量を測定し、強熱減量の測定値によりシラノール基数を求めることができる。シリカゲルの表面の単位面積当たりの水酸基濃度は、単位重量当たりのシラノール基数を、ＪＩＳ Ｋ１１５０−１９９４に従って測定した比表面積で割ることにより求めることができる。

本発明に用いる無機充填材としては、上記多孔質無機充填材のほかに、一般に半導体封止用エポキシ樹脂組成物に使用されているものを併用することができる。併用できる無機充填材としては特に限定するものではないが、例えば、球状溶融シリカ、破砕状溶融シリカ、結晶シリカ、タルク、アルミナ、球状アルミナ、窒化珪素等が挙げられ、ＣＣＤ用途で最も好適に使用されるものとしては、フィラー自体が高い熱伝導性を有し、加えて高充填化により組成物として熱伝導率を高める事ができる球状アルミナが挙げられる。これらの無機充填剤は、単独でも混合して用いても差し支えない。またこれらがカップリング剤により表面処理されていてもかまわない。

本発明のエポキシ樹脂組成物は、エポキシ樹脂、フェノール硬化剤、硬化促進剤、多孔質無機充填剤を含む無機充填材を必須成分とするが、更にこれ以外に、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、ゴム等の低応力添加剤、臭素化エポキシ樹脂や三酸化アンチモン、水酸化アルミニウム等の難燃剤等、種々の添加剤を適宜配合しても差し支えない。

また、本発明のエポキシ樹脂組成物は、ミキサー等を用いて原料を充分に均一に混合した後、更に熱ロール又はニーダー等の混練機で溶融混練し、冷却、粉砕しパウダー状にする。更に得られたパウダーを加圧してタブレット化する。
本発明のエポキシ樹脂組成物を用いて、半導体素子等の各種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。

以下に本発明の実施例を示すが、本発明はこれらに限定されるものではない。配合割合は重量部とする。

実施例１
ビフェニルエポキシ樹脂［エポキシ当量１９５ｇ／ｅｑ、軟化点５５℃、溶融粘度（１５０℃）０．０２Ｐａ・ｓ］ １０．３重量部
フェノールノボラック樹脂Ａ［水酸基当量１０５ｇ／ｅｑ、軟化点８０℃、溶融粘度（１５０℃）０．１９Ｐａ・ｓ］ ５．８重量部
２メチル−イミダゾール ０．２重量部
シリカゲルＡ[平均粒径４．５μｍ、比表面積２７ｍ²/ｇ、細孔径１７ｎｍ、水酸基濃度２．１ｍｏｌ／ｍ²、灼熱減量５．２％］ ５．０重量部
球状アルミナ［平均粒径１０μｍ、］ ７８．０重量部
カルナバワックス ０．５重量部
カーボンブラック ０．２重量部
をミキサーにて混合し後、熱ロールを用いて、９５℃で８分間混練して冷却後粉砕し、エポキシ樹脂組成物を得た。得られたエポキシ樹脂組成物を、以下の方法で評価した。結果を表１に示す。

評価方法
多孔質無機充填材中の不純物量（Ｎａ、Ｋ、Ｃａ、Ｍｇ、ＳＯ₄イオン濃度）：最大粒径７４μ以下に砕いた原料の多孔質無機充填材であるシリカゲル５ｇに対し蒸留水５０ｍｌをよく洗浄したＰＣＴ容器にいれ１２５℃、２０時間の条件で抽出する。得られた抽出液はイオンクロマトグラフィーにて検量法により定量する。
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金型を用いて、金型温度１７５℃、圧力６．９ＭＰａ、硬化時間１２０秒で測定した。単位はｃｍ。
拡散係数：１００φ−２ｍｍの円盤を、低圧トランスファー成形機を用いて、成形温度１７５℃、圧力９．８ＭＰa、硬化時間７０秒にて成形し、拡散係数測定用のテストピースとした。このテストピースに前処理としてポストキュアー１７５℃／４時間、及び乾燥１２５℃／１６８ｈｒを行い速やかに乾燥時の重量測定を行った。重量測定後速やかにＰＣＴ１２５℃／１００％処理を開始し、１〜８時間後の吸湿率を1時間毎に測定しそれぞれＱ１〜Ｑ８とした。８時間後、更に吸湿を継続し、吸湿が飽和した時点での吸湿率を飽和吸湿率（Ｑｓ）とし、上記Ｑ１〜Ｑ８をそれぞれＱｓで割った値ｑ１〜ｑ８を時間（ｈｒ）の平方根に対しプロットし、最小二乗法により得られた直線の傾きをＩとする。上記ＩよりＤ＝π／４×Ｉ²である拡散係数Ｄを求めた。
耐湿信頼性試験：低圧トランスファー成形機を用いて、成形温度１７５℃、圧力９．８ＭＰa、２分にて図１及び図２に示す成形品を成形した。得られた成形品内部の底面中心部にチップの模擬素子を固定した後、開口部をエポキシ樹脂接着剤にてガラスで塞ぎ、中空のパッケージを得た。得られたパッケージをＰＣＴ１２５℃／１００％の雰囲気下にて４８時間処理後、チップ上のアルミ回路の腐食を観察し、腐食具合にて良、不良の判定を行った。ｎ数は１５パッケージ。

実施例２〜６、比較例１〜３
表１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て、実施例１と同様にして評価した。結果を表１に示す。
実施例１以外で用いた成分について、以下に示す。
クレゾールノボラック型エポキシ樹脂［エポキシ当量２００ｇ／ｅｑ、軟化点５５℃、溶融粘度（１５０℃）１．２０Ｐａ・ｓ］
フェノールノボラック樹脂Ｂ［水酸基当量１０５ｇ／ｅｑ、軟化点９２℃、溶融粘度（１５０℃）１．１０Ｐａ・ｓ］
シリカゲルＢ[平均粒径３０．０μｍ、比表面積１２０ｍ²/ｇ、細孔径１０．８ｎｍ、水酸基濃度１．２ｍｏｌ／ｍ²、灼熱減量１３．２％］
シリカゲルＣ[平均粒径１０．２μｍ、比表面積３６０ｍ²/ｇ、細孔径１９ｎｍ、水酸基濃度０．１ｍｏｌ／ｍ²、灼熱減量４％］
シリカゲルＤ[平均粒径２．１μｍ、比表面積５９０ｍ²/ｇ、細孔径４．１ｎｍ、水酸基濃度０．３ｍｏｌ／ｍ²、灼熱減量１７．６％］

本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物は、耐湿信頼性が良好で且つ結露が起こりにくい特性を有しているため、光半導体装置、特にＣＣＤ用途等に好適に用いることができる。

耐湿信頼性試験用成形品の断面図 耐湿信頼性試験用成形品の上面図

Claims (3)

1. （Ａ）エポキシ樹脂（Ｂ）フェノール樹脂、（Ｃ）硬化促進剤、及び（Ｄ）無機充填材を必須成分とするエポキシ樹脂組成物であって、無機質充填材として表面の水酸基濃度が単位面積当たり１ｍｏｌ／ｍ²以上である多孔質無機充填材を含むことを特徴とする半導体封止用エポキシ樹脂組成物。
2. 上記多孔質無機充填材の配合量がエポキシ樹脂組成物全体に対し５〜４０重量％である請求項１記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成物。
3. 請求項１又は２に記載のエポキシ樹脂組成物を用いて封止してなることを特徴とする半導体装置。