JP2009286845A - 封止用エポキシ樹脂組成物および半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】リードフレームとの密着性に優れ、ニッケルメッキリードフレームを用いた場合にも信頼性の高い半導体装置が得られる封止用エポキシ樹脂組成物とそれを用いた半導体装置を提供する。
【解決手段】エポキシ樹脂、硬化剤、硬化促進剤、および無機充填材を必須成分として含有する封止用エポキシ樹脂組成物であって、硬化促進剤として下記一般式（I）：
【化１】

（式中、Ｒは炭素数８〜１４のアルキル基またはフェニル基を示す。）で表されるイミダゾール化合物のトリメリット酸塩を含有することを特徴とする。
【選択図】なし

Description

本発明は、封止用エポキシ樹脂組成物および半導体装置に関するものである。

従来、半導体チップなどの電子部品の封止材としてセラミックや熱硬化性樹脂組成物が一般に用いられている。中でも、エポキシ樹脂組成物は経済性と性能のバランスの点で優れた封止材であり、近年の電子機器の小型化、薄型化にともない主流になりつつある表面実装型パッケージの封止材としてエポキシ樹脂組成物が広く用いられている（特許文献１参照）。

表面実装型パッケージにおける半導体チップの樹脂封止は、銅のリードフレームに半導体チップを搭載し、半導体チップとリードフレームとをボンディングワイヤなどを用いて電気的に接続し、成形金型を用いて半導体チップ全体とリードフレームの一部とをエポキシ樹脂組成物などの封止材で封止することにより行われるのが一般的である。

このような表面実装型パッケージでは、赤外線リフローなどの手段で回路基板との半田接合を行う際に、直接半田温度に曝されるため、パッケージが吸湿していると半田接合時に吸湿水分が急激に気化膨張し、それによる応力で封止用エポキシ樹脂組成物の硬化物とリードフレームとの界面で剥離が生じる場合がある。

このような封止用エポキシ樹脂組成物の硬化物とリードフレームとの界面での剥離を防止し半導体装置の信頼性を高めるために、封止用エポキシ樹脂組成物の硬化物とリードフレームとの密着性を改善することが検討されてきた。具体的には、封止用エポキシ樹脂組成物に配合されるエポキシ樹脂の分子構造の改良や、封止用エポキシ樹脂組成物へのシランカップリング剤の配合などが検討されてきた。
特開２００６−２７３９０４号公報

しかしながら、近年では半導体装置の製造工程の短縮や歩留まりの向上がさらに要求されており、このような要求に対応するための手段の一つとして、従来の銅のリードフレームの代替として、ワイヤボンディングのための銀メッキ工程を必要とせず、しかも銅のリードフレームに比べて酸化しにくくハンドリング性に優れるニッケルメッキリードフレームが用いられるようになってきている。

ところが、ニッケルメッキ処理を行うことにより、封止用エポキシ樹脂組成物の硬化物とリードフレームとの密着性が大幅に低下し、上記した従来の密着性改善の方法を適用しても必ずしも十分な密着性が得られず、半導体装置の信頼性が損なわれるという問題があった。

本発明は、以上の通りの事情に鑑みてなされたものであり、リードフレームとの密着性に優れ、ニッケルメッキリードフレームを用いた場合にも信頼性の高い半導体装置が得られる封止用エポキシ樹脂組成物とそれを用いた半導体装置を提供することを課題としている。

本発明は、上記の課題を解決するために、以下のことを特徴としている。

第１に、本発明の封止用エポキシ樹脂組成物は、エポキシ樹脂、硬化剤、硬化促進剤、および無機充填材を必須成分として含有する封止用エポキシ樹脂組成物であって、硬化促進剤として下記一般式（I）：

（式中、Ｒは炭素数８〜１４のアルキル基またはフェニル基を示す。）で表されるイミダゾール化合物のトリメリット酸塩を含有することを特徴とする。

第２に、上記第１の封止用エポキシ樹脂組成物において、Ｒがウンデシル基であることを特徴とする。

第３に、上記第１の封止用エポキシ樹脂組成物において、Ｒがフェニル基であることを特徴とする。

第４に、本発明の半導体装置は、上記第１ないし第３のいずれかの封止用エポキシ樹脂組成物を用いて半導体チップが封止されていることを特徴とする。

第５に、上記第４の半導体装置において、半導体チップはニッケルメッキリードフレームに搭載されていることを特徴とする。

上記第１の発明によれば、硬化促進剤として上記一般式（I）で表されるイミダゾール化合物のトリメリット酸塩を用いることで、リードフレームとの密着性が大幅に向上し、特にニッケルメッキリードフレームとの高い密着性が得られる。従って、半田リフロー時における封止用エポキシ樹脂組成物の硬化物とリードフレームとの界面での剥離が抑制され信頼性の高い半導体装置を得ることができる。

上記第２の発明によれば、硬化促進剤として特定のイミダゾール化合物のトリメリット酸塩を用いることで、リードフレームとの密着性が大幅に向上し、特にニッケルメッキリードフレームとの高い密着性が得られる。従って、半田リフロー時における封止用エポキシ樹脂組成物の硬化物とリードフレームとの界面での剥離が抑制され信頼性の高い半導体装置を得ることができる。

上記第３の発明によれば、硬化促進剤として特定のイミダゾール化合物のトリメリット酸塩を用いることで、リードフレームとの密着性が大幅に向上し、特にニッケルメッキリードフレームとの高い密着性が得られる。従って、半田リフロー時における封止用エポキシ樹脂組成物の硬化物とリードフレームとの界面での剥離が抑制され信頼性の高い半導体装置を得ることができる。

上記第４の発明によれば、上記第１ないし第３の封止用エポキシ樹脂組成物を用いているので、半田リフロー時における封止用エポキシ樹脂組成物の硬化物とリードフレームとの界面での剥離が抑制され、半導体装置の信頼性を高めることができる。

上記第５の発明によれば、上記第１ないし第３の封止用エポキシ樹脂組成物を用いているので、半田リフロー時における封止用エポキシ樹脂組成物の硬化物とニッケルリードフレームとの界面での剥離が抑制され、半導体装置の信頼性を高めることができる。

以下、本発明について詳細に説明する。

本発明において、エポキシ樹脂としては、１分子中に２個以上のエポキシ基を有するものであれば特に制限なく使用することができる。このようなエポキシ樹脂の具体例としては、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、ビスフェノール型エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂、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、ナフトール型エポキシ樹脂、ナフタレン型エポキシ樹脂などが挙げられる。これらは１種単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。

本発明に用いられる硬化剤としては、フェノール性水酸基を有する硬化剤が好ましく用いられる。フェノール性水酸基を有する硬化剤の具体例としては、多価フェノール化合物、多価ナフトール化合物などが挙げられる。多価フェノール化合物の具体例としては、フェノールノボラック樹脂、クレゾールノボラック樹脂、フェノールアラルキル樹脂、ビフェニルアラルキル樹脂などが挙げられる。多価ナフトール化合物の具体例としては、ナフトールアラルキル樹脂などが挙げられる。これらは１種単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。

フェノール性水酸基を有する硬化剤の配合量は、好ましくは、フェノール性水酸基とエポキシ基との当量比（水酸基当量／エポキシ基当量）が０．５〜１．５となる量であり、より好ましくは当量比が０．８〜１．２となる量である。当該当量比が小さ過ぎると、封止用エポキシ樹脂組成物の硬化特性が低下する場合があり、当該当量比が大き過ぎると、耐湿信頼性などが不十分になる場合がある。

本発明の封止用エポキシ樹脂組成物には、硬化促進剤として上記一般式（I）で表されるイミダゾール化合物のトリメリット酸塩が配合される。硬化促進剤として上記一般式（I）で表されるイミダゾール化合物のトリメリット酸塩を配合することで、リードフレームとの密着性が大幅に向上し、特にニッケルメッキリードフレームとの高い密着性が得られる。

上記一般式（I）で表されるイミダゾール化合物のトリメリット酸塩の具体例としては、Ｒがウンデシル基である１−シアノエチル−２−ウンデシルイミダゾリウムトリメリテイト、Ｒがフェニル基である１−シアノエチル−２−フェニルイミダゾリウムトリメリテイトなどが挙げられる。

本発明の封止用エポキシ樹脂組成物には、本発明の効果を損なわない範囲内において、上記一般式（I）で表されるイミダゾール化合物のトリメリット酸塩と共に他の硬化促進剤を配合することができる。このような硬化促進剤の具体例としては、２−メチルイミダゾール、２−フェニルイミダゾール等のイミダゾール類、トリフェニルホスフィン、トリブチルホスフィン、トリメチルホスフィン、テトラフェニルホスホニウム・テトラフェニルボレート等の有機ホスフィン類、１，８−ジアザビシクロ（５，４，０）ウンデセン、トリエタノールアミン、ベンジルジメチルアミン等の第三級アミン類などが挙げられる。これらは１種単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。

硬化促進剤の配合量は、エポキシ樹脂と硬化剤の合計量に対して好ましくは０．１〜５質量％である。当該配合量が少な過ぎると、硬化促進作用が十分に発揮されない場合があり、当該配合量が多過ぎると、耐湿信頼性などが不十分になる場合がある。

本発明に用いられる無機充填材の具体例としては、溶融シリカ、結晶シリカ、破砕シリカ、アルミナ、窒化珪素などが挙げられる。これらは１種単独で用いてもよく、２種以上を併用して用いてもよい。

無機充填材の配合量は、封止用エポキシ樹脂組成物の全量に対して好ましくは６０〜９３質量％である。無機充填材の配合量が少な過ぎると、熱伝導性、熱膨張率などの特性が低下する場合があり、無機充填材の配合量が多過ぎると、成形時の流動性と金型充填性が低下する場合がある。

本発明の封止用エポキシ樹脂組成物には、本発明の効果を損なわない範囲内において、上記以外の添加成分を配合することができる。このような添加成分の具体例としては、シランカップリング剤、離型剤、難燃剤、着色剤、シリコーン可とう剤、無機イオントラップ剤などが挙げられる。

シランカップリング剤の具体例としては、γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン等のグリシドキシシラン、γ−アミノプロピルトリエトキシシラン、Ｎ−フェニル−γ−アミノプロピルトリメトキシシラン等のアミノシラン、γ−メルカプトプロピルトリメトキシシラン等のメルカプトシランなどが挙げられる。

シランカップリング剤の配合量は、封止用エポキシ樹脂組成物の全量に対して好ましくは０．０２〜１質量％である。当該配合量が少な過ぎると、リードフレームに対する十分な密着強度が得られない場合があり、当該配合量が多過ぎると、封止用エポキシ樹脂組成物の硬化特性が低下する場合がある。

本発明の封止用エポキシ樹脂組成物は、例えば、上記のエポキシ樹脂、硬化剤、硬化促進剤、無機充填材、および必要に応じて他の添加成分を配合し、ミキサー、ブレンダーなどを用いて十分均一になるまで混合した後、熱ロールやニーダーなどの混練機により加熱状態で溶融混合し、これを室温に冷却した後、公知の手段によって粉砕することにより製造することができる。なお、封止用エポキシ樹脂組成物は、取り扱いを容易にするために、成形条件に合うような寸法と質量を有するタブレットとしてもよい。

本発明の半導体装置は、上記のようにして得られた封止用エポキシ樹脂組成物を用いてＩＣチップ、ＬＳＩチップなどの半導体チップを封止することにより製造することができる。この封止には、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などの従来より用いられている成形方法を適用することができる。

トランスファー成形を適用する場合、例えば、半導体チップを搭載したニッケルメッキリードフレームなどのリードフレームを成形金型のキャビティに配置した後、キャビティに封止用エポキシ樹脂組成物を充填し、これを加熱下にて硬化させることで、半導体チップを封止用エポキシ樹脂組成物で封止した半導体装置を製造することができる。この場合、例えば、金型温度１７０〜１８０℃、成形時間３０〜１２０秒に設定することができるが、金型温度、成形時間およびその他の成形条件は、封止用エポキシ樹脂組成物の配合組成などに応じて適宜に変更すればよい。

本発明の半導体装置の具体例としては、ニッケルメッキリードフレームなどのリードフレームに半導体チップを搭載し、ボンディングパッドなどの半導体チップの端子部と、リードフレームのリード部とをワイヤボンディングやバンプで接続した後、封止用エポキシ樹脂組成物を用いてトランスファー成形などにより封止してなる、ＤＩＰ（Dual Inline Package）、ＰＬＣＣ（Plastic Leaded Chip Carrier）、ＱＦＰ（Quad Flat Package）、ＳＯＰ（Small Outline Package）、ＳＯＪ（Small Outline J-lead package）、ＴＳＯＰ（Thin Small Outline Package）、ＴＱＦＰ（Thin Quad Flat Package）、ＬＱＦＰ（Lowprofile Quad Flat Package）などが挙げられる。

以下、実施例により本発明をさらに詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではない。なお、表１に示す配合量は質量部を表す。

表１に示す各配合成分を、表１に示す割合で配合し、ブレンダーで３０分間混合して均一化した後、８０℃に加熱した２本ロールで混練溶融させて押し出し、冷却後、粉砕機で所定粒度に粉砕して粒状の封止用エポキシ樹脂組成物を得た。

表１に示す配合成分として、以下のものを使用した。
エポキシ樹脂：ｏ−クレゾールノボラック型エポキシ樹脂／ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂＝３／１の混合品、ＤＩＣ（株）製、Ｎ−５２３
硬化剤：フェノールノボラック樹脂、明和化成（株）製、ＨＦ−１Ｍ
無機充填材：破砕シリカ、（株）マイクロン製、Ｓ４３０
硬化促進剤：１−シアノエチル−２−ウンデシルイミダゾリウムトリメリテイト、四国化成工業（株）製、キュアゾール Ｃ１１Ｚ−ＣＮＳ
硬化促進剤：１−シアノエチル−２−フェニルイミダゾリウムトリメリテイト、四国化成工業（株）製、キュアゾール ２ＰＺ−ＣＮＳ−ＰＷ
硬化促進剤：２−フェニル−４−メチル−５−ヒドロキシメチルイミダゾール、四国化成工業（株）製、キュアゾール ２Ｐ４ＭＨＺ−ＰＷ
硬化促進剤：トリフェニルホスフィン、北興化学（株）製、ＴＰＰ
シランカップリング剤：γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、信越化学工業（株）製、ＫＢＭ４０３
離型剤：カルナバワックス
着色剤：カーボンブラック
得られた封止用エポキシ樹脂組成物について次の評価を行った。
[スパイラルフロー]
ＡＳＴＭ Ｄ３１２３に準じたスパイラルフロー測定金型を用いて、金型温度１７５℃、注入圧力７０ｋｇｆ／ｃｍ^２、成形時間９０秒の条件で封止用エポキシ樹脂組成物の成形を行い、流動距離（ｃｍ）を測定した。
[ゲルタイム]
キュラストメータ（（株）オリエンテック製）を用い、封止用エポキシ樹脂組成物の１７５℃でのゲルタイム（トルクが０．１ｋｇｆになるまでの時間）を測定した。
[密着強度]
トランスファー成形用金型に２５ｍｍ×２５ｍｍ角の銅−ニッケルメッキ板をインサートし、銅−ニッケルメッキ板上に金型温度１７５℃、注入圧力７０ｋｇｆ／ｃｍ^２、成形時間１００秒の条件で封止用エポキシ樹脂組成物の成形を行い、その後、１７５℃で６時間硬化させて底面直径３．５ｍｍの側面視台形状の硬化物からなる試験材を作製した。

この試験材にプッシュプルゲージを用いて荷重を加え、試験材が銅−ニッケルメッキ板から剥離したときの最大荷重を測定し、単位面積当たりの密着強度（単位：ＭＰａ）を求めた。

評価結果を表１に示す。

表１より、硬化促進剤として上記一般式（I）で表されるイミダゾール化合物のトリメリット酸塩を配合した実施例１〜３の封止用エポキシ樹脂組成物は、半導体装置の封止材として適切な流動特性を有すると共に、ニッケルメッキ面との高い密着性を有していた。

一方、硬化促進剤として、従来より封止用エポキシ樹脂組成物に用いられている硬化促進剤のみを配合した比較例１、２の封止用エポキシ樹脂組成物は、ニッケルメッキ面との密着性が著しく低いものであった。

Claims (5)

1. エポキシ樹脂、硬化剤、硬化促進剤、および無機充填材を必須成分として含有する封止用エポキシ樹脂組成物であって、硬化促進剤として下記一般式（I）：
   

   

   （式中、Ｒは炭素数８〜１４のアルキル基またはフェニル基を示す。）で表されるイミダゾール化合物のトリメリット酸塩を含有することを特徴とする封止用エポキシ樹脂組成物。
2. Ｒがウンデシル基であることを特徴とする請求項１に記載の封止用エポキシ樹脂組成物。
3. Ｒがフェニル基であることを特徴とする請求項１に記載の封止用エポキシ樹脂組成物。
4. 請求項１ないし３いずれか一項に記載の封止用エポキシ樹脂組成物を用いて半導体チップが封止されていることを特徴とする半導体装置。
5. 半導体チップはニッケルメッキリードフレームに搭載されていることを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。