JP2000281754A - エポキシ樹脂組成物及び半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 充填性、離型性に優れ、かつ耐半田性に優れ
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】 ビフェニル型エポキシ樹脂、ビスフェノ
ールＦ型エポキシ樹脂、及びスチルベン型エポキシ樹脂
からなる群から選択される結晶性エポキシ樹脂を総エポ
キシ樹脂中に１０〜６０重量％、かつ１分子中にエポキ
シ基を平均３個以上有する非結晶性エポキシ樹脂を総エ
ポキシ樹脂中に４０〜９０重量％含むエポキシ樹脂、
（Ｂ）フェノール樹脂、（Ｃ）溶融シリカ粉末、（Ｄ）
硬化促進剤、及び（Ｅ）長鎖脂肪酸アミドを必須成分と
することを特徴とする半導体封止用エポキシ樹脂組成
物。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は成形性、耐半田性に
優れ、特に薄型半導体装置に好適な半導体封止用エポキ
シ樹脂組成物に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ＩＣ、ＬＳＩ等の半導体素子の封止方法
としてエポキシ樹脂組成物のトランスファー成形による
方法が低コスト、大量生産に適した方法として採用され
て久しく、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向上が図られてきた。しか
し、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、半導体の高集積化も年々進み、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。このため、従来からのエポキシ樹脂組成物で
は解決できない問題点も出てきている。その最大の問題
点は、半導体装置の表面実装の採用により半導体装置が
半田浸漬、或いはリフロー工程で急激に２００℃以上の
高温にさらされ、吸湿した水分が爆発的気化する際の応
力により、半導体装置が割れたり、半導体素子、リード
フレーム、インナーリード上の各種メッキされた接合部
分との各界面で、剥離が生じ信頼性が著しく低下する現
象である。

【０００３】更に、近年半導体装置の薄型化に伴い、半
導体装置中に占める樹脂組成物の厚みが一段と薄くなっ
てきており、６４Ｍ、２５６ＭＤＲＡＭ用の半導体装置
は、１ｍｍ厚のＴＳＯＰが主流となりつつある。これら
薄型半導体装置には、樹脂組成物の成形時のパッケージ
充填性が良好で、金線変形が少なく、半導体素子やリー
ドフレームの変形（チップシフトやダイパッドシフトと
呼ぶ）がないことが要求され、そのため樹脂組成物は、
成形時の流動性に優れることが必要である。

【０００４】半導体封止用エポキシ樹脂組成物として
は、従来よりオルソクレゾールノボラック型エポキシ樹
脂とフェノール樹脂及び溶融シリカに代表される無機充
填材からなる樹脂組成物が一般的である。この樹脂組成
物は、多官能樹脂同士の硬化反応を伴うため成形時の反
応性が高く、硬化後の架橋密度が高いため成形後の成形
品の硬度が高く離型性に優れ、成形品の耐熱性にも優れ
るなどの特徴を有するため広く使用されている。ところ
が、オルソクレゾールノボラック型エポキシ樹脂は、成
形温度での溶融粘度が高いため、成形時の流動性に劣
り、無機充填材を多量に配合できないため低吸湿化に限
界がある、あるいは薄型半導体装置の充填性に劣る、基
材との濡れ性が不足するため密着性に劣るなど、更なる
改良が望まれている。このためオルソクレゾールノボラ
ック型エポキシ樹脂の分子量が小さく、軟化温度の低い
樹脂を使用して成形時の流動性を向上させる試みもされ
ているが、低軟化温度の樹脂を用いるとエポキシ樹脂組
成物が常温でも粘着性を示し、製造工程、成形時の使用
工程などでエポキシ樹脂組成物の融着やタブレット変形
などの原因となり、作業性が著しく劣る。

【０００５】一方、成形温度では低粘度となるが常温で
は固体であるエポキシ樹脂として３，３’，５，５’−
テトラメチル−４，４’−ジヒドロキシビフェニルジグ
リシジルエーテルに代表されるビフェニル型エポキシ樹
脂などの結晶性のエポキシ樹脂が開発され、実用化され
ている。ビフェニル型エポキシ樹脂を用いた樹脂組成物
は、無機充填材の高充填化が可能なため低吸湿化が実現
し易く、かつ成形時に高流動性を示すため薄型半導体装
置などの充填性にも優れている。しかし２官能のエポキ
シ樹脂であることの限界により、成形時の反応性が低く
硬化性や離型性に劣り、又硬化後の架橋密度が低いこと
により、成形品の耐熱性が低く半田浸漬の際の耐半田性
などの信頼性も不十分である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】これらの欠点を改良す
るために、ビフェニル型エポキシ樹脂よりも更に結晶性
の高いエポキシ樹脂（以後、高結晶性エポキシ樹脂と呼
ぶ）とオルソクレゾールノボラック型エポキシ樹脂の様
な１分子中に平均３個以上のエポキシ基を有する多官能
エポキシ樹脂とを併用することも検討されてきている。
特に高結晶性エポキシ樹脂と多官能エポキシ樹脂とを加
熱混合した樹脂、あるいはそれぞれのエポキシ樹脂の前
駆物質である高結晶性フェノール化合物と多官能フェノ
ール化合物とを予め加熱混合した後エピクロロヒドリン
でエポキシ化した樹脂は、高結晶性エポキシ樹脂が多官
能エポキシ樹脂中で結晶化するため、低軟化点の多官能
エポキシ樹脂を用いた場合でも、室温で粘着性を示さ
ず、エポキシ樹脂組成物の製造工程での作業性に優れ、
更に成形時には高結晶性エポキシ樹脂が溶融して低粘度
化することによりエポキシ樹脂組成物は高流動化して、
薄型半導体装置の充填性にも優れ、更に成形硬化後は高
結晶性エポキシ樹脂の剛直な構造が架橋構造を形成する
ため、耐熱性が高く、耐半田性にも優れる成形品を与え
るなど、非常に効果的である。

【０００７】ところが、高結晶性エポキシ樹脂はその結
晶性の高さから、エポキシ樹脂組成物の加熱混練時に溶
融すると共に再結晶化も起こすために、加熱混練後でも
結晶性が残存し、この残存結晶が成形時に初めて溶融す
るため、硬化性が低い、バリやボイドが発生する、成形
品である半導体装置の表面にしみができ易いなどの成形
性に劣る欠点がある。又高結晶化エポキシ樹脂が加熱混
練時に結晶化する過程で、樹脂との相溶性の低いカルナ
バワックス等の離型剤成分を分離・析出させていること
も判明した。この離型剤の不均一化のため、離型性が劣
り、離型剤による金型表面の汚染も発生する。更にこの
高結晶性エポキシ樹脂の結晶残存度が加熱混練条件によ
り左右されるため、同じ配合であっても流動性が一定の
エポキシ樹脂組成物が得られ難いという製造安定性上の
問題点も有する。これらを改良することを目的として、
予め高結晶性エポキシ樹脂と多官能エポキシ樹脂と更に
フェノール樹脂とを溶融混合して、残存結晶の少ない均
一な樹脂を調製してから、他の配合成分を混合後、加熱
混練して均一なエポキシ樹脂組成物を得ることを試みて
も、混練温度である８０〜１１０℃の温度で高結晶エポ
キシ樹脂が再結晶化し易い性質を有するため、良好な成
形性や製造安定性が得られない。以上のように、多官能
型エポキシ樹脂の硬化性・成形性及び成形後の耐熱性を
有し、かつ無機充填材を多量に配合しても成形時の低粘
度・高流動性を実現でき、かつ成形性や製造安定性に優
れるエポキシ樹脂組成物は開発されておらず、その実現
が待たれていた。

【０００８】

【課題を解決するための手段】即ち本発明は、（Ａ）一
般式（１）〜（３）で示される結晶性エポキシ樹脂を総
エポキシ樹脂中に１０〜６０重量％、かつ１分子中にエ
ポキシ基を平均３個以上有する非結晶性エポキシ樹脂を
総エポキシ樹脂中に４０〜９０重量％含むエポキシ樹
脂、（Ｂ）フェノール樹脂、（Ｃ）溶融シリカ粉末、
（Ｄ）硬化促進剤、及び（Ｅ）長鎖脂肪酸アミドを必須
成分とす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。

【化４】

【０００９】

【化５】

【００１０】

【化６】 （式（３）中のＲは水素原子、ハロゲン原子又は炭素数
１から９までのアルキル基から選択される基であり、互
いに同一であっても、異なっていても良い）

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明に用いられるエポキシ樹脂
は、（Ａ）一般式（１）のビフェニル型エポキシ樹脂、
一般式（２）のビスフェノールＦ型エポキシ樹脂、及び
一般式（３）のスチルベン型エポキシ樹脂からなる群か
ら選択される結晶性エポキシ樹脂を総エポキシ樹脂中に
１０〜６０重量％含み、かつ１分子中にエポキシ基を平
均３個以上有する非結晶性エポキシ樹脂を総エポキシ樹
脂中に４０〜９０重量％含むエポキシ樹脂である。一般
式（３）で示される結晶性エポキシ樹脂の具体例を以下
に示すが、これらに限定されるものではない。

【化７】

【００１２】一般式（１）〜（３）で示される結晶性エ
ポキシ樹脂は、１分子中にエポキシ基を２個有するジエ
ポキシ樹脂であり、更にいずれも非常に強い結晶性を示
すため、融点未満の温度では固体であるが、融点以上の
温度で低粘度の液状物質となる。このため溶融シリカを
多量に配合しても樹脂組成物の成形時の溶融粘度が低
く、薄型半導体装置の充填性に優れ、半導体素子の金線
変形が少なく、又チップシフトやダイパッドシフトが少
ない。一般式式（１）〜（３）で示される結晶性エポキ
シ樹脂は、総エポキシ樹脂中に１０〜６０重量％含まれ
ることを必須とする。１０重量％未満では低粘度化の効
果が得難く、溶融シリカを多量に配合できないため、成
形品の吸湿量が大きく、半導体パッケージの耐半田性に
劣る。又成形時の溶融粘度も大きくなり、薄型半導体装
置の成形性に劣る。又６０重量％を越えると、エポキシ
樹脂組成物の成形時の硬化性が低く、更に硬化物の耐熱
性が低いため耐半田性に劣る。一方、１分子中にエポキ
シ基を平均３個以上有する非結晶性エポキシ樹脂として
は、オルソクレゾールノボラック型エポキシ樹脂、ジシ
クロペンタジエン型エポキシ樹脂、トリフェノールメタ
ン型エポキシ樹脂、ナフタレン型エポキシ樹脂、フェノ
ールアラルキル型エポキシ樹脂などが挙げられる。その
一例を以下に示す。

【００１３】

【化８】

【００１４】

【化９】 これらのエポキシ樹脂は、総エポキシ樹脂中に４０〜９
０重量％含まれることを必須とする。４０重量％未満で
はエポキシ樹脂組成物の成形時の硬化性が低く、又硬化
物の耐熱性が低いため耐半田性に劣る。一方、９０重量
％を越えると粘度が高くなり薄型半導体装置の充填性に
劣る上に基材との接着性が劣るため半田処理時に基材と
の界面で剥離が生じ易く、更に溶融シリカを多量に配合
できないため、成形品の吸湿量が大きく、半導体装置の
耐半田性に劣る。一般式（１）〜（３）で示される結晶
性エポキシ樹脂と１分子中にエポキシ基を平均３個以上
有する非結晶性エポキシ樹脂とは他の成分と混合してか
ら加熱混練して使用することができるが、結晶性エポキ
シ樹脂の残存量をより低減するためには、予めこれらの
エポキシ樹脂を加熱混合して用いるか、あるいは更に好
ましいのはそれぞれのエポキシ樹脂の前駆体であるフェ
ノール化合物を混合して、エピクロロヒドリンなどによ
り常法でエポキシ化した樹脂混合物として用いることも
できる。なお、一般式（１）〜（３）で示される結晶性
エポキシ樹脂と１分子中にエポキシ基を平均３個以上有
する非結晶性エポキシ樹脂以外のエポキシ樹脂を併用し
ても何ら差し支えはない。

【００１５】本発明に用いられる（Ｂ）成分のフェノー
ル樹脂としては、エポキシ樹脂と硬化反応し、架橋構造
を形成できるフェノール性水酸基を有するモノマー、オ
リゴマー、ポリマー全般を指し、例えば、フェノールノ
ボラック樹脂、アラルキルフェノール樹脂、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、ビスフェノールＡ、トリフェノールメタン等が
挙げられるが、これらに限定されるものではない。これ
らのフェノール樹脂は、単独もしくは混合して用いるこ
とができる。

【００１６】本発明に用いられる（Ｃ）成分の溶融シリ
カ粉末は、例えば、火炎中で溶融された天然シリカ、及
び、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン等を
加水分解して得られる合成シリカを指す。又、その形状
・製法により球状シリカと破砕シリカに分類される。本
発明に用いられる（Ｃ）成分の溶融シリカ粉末の配合量
としては、全樹脂組成物中に７５〜９３重量％が好まし
い。７５重量％未満だと、成形した半導体装置の吸湿量
が増大し、半田処理温度での強度が低下してしまうた
め、半田処理時に半導体装置にクラックが発生し易くな
り好ましくない。一方、９３重量％を越えると、樹脂組
成物の成形時の流動性が低下し、未充填やチップシフ
ト、パッドシフトが発生し易くなり好ましくない。特に
溶融シリカ粉末を高充填するためには球状シリカを用
い、又、シリカ粉末の粒度分布を広くすることは成形流
動時の樹脂組成物の溶融粘度を低減するためには有効で
ある。

【００１７】本発明に用いられる（Ｄ）成分の硬化促進
剤は、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、具体例としては、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。これらは単
独でも混合して用いても差し支えない。

【００１８】本発明に用いられる（Ｅ）成分の長鎖脂肪
酸アミドとはステアリン酸、セバシン酸などの長鎖脂肪
酸とステアリルアミン、エチレンジアミン、ｍ−キシリ
レンジアミンなどのアミノ基を有する化合物との反応生
成物、又はステアリルジアミンなどの長鎖脂肪族アミン
とステアリン酸、セバシン酸などのカルボキシル基を有
する化合物との反応生成物であり、例えば、Ｎ−ステア
リルステアリン酸アミド、エチレンビスステアリン酸ア
ミド、Ｎ，Ｎ’−ジステアリルセバシン酸アミド、ｍ−
キシリレンビスステアリルアミドなどが挙げられる。こ
れら長鎖脂肪酸アミドは離型剤と知られ、半導体封止用
エポキシ樹脂組成物に使用されることもある。しかし、
カルナバワックスやモンタン酸エチレングリコールエス
テルなどの長鎖脂肪酸エステル、長鎖脂肪酸、長鎖脂肪
酸金属塩、酸化ポリオレフィンなど、通常使用される離
型剤と異なり、長鎖脂肪酸アミドを本発明の高結晶性エ
ポキシ樹脂と多官能非結晶性エポキシ樹脂との混合物に
用いると、これら長鎖脂肪酸アミドとエポキシ樹脂との
相溶性が良好なため、エポキシ樹脂組成物の加熱混練条
件において高結晶性エポキシ樹脂が再結晶化するのを防
止し均一な樹脂混合物を得ることができるために、硬化
性の低下が少なく、又バリやボイドの発生がなく、更に
加熱混練条件による流動性のバラツキがない。一方、他
の離型剤と異なり、長鎖脂肪酸アミドが本発明のエポキ
シ樹脂とフェノール樹脂の混合物から分離・析出し難い
性質を有することから、離型性に優れ、金型汚れや成形
品である半導体装置表面の汚れも発生し難い。なお、他
の上記離型剤と併用することも可能である。

【００１９】本発明の樹脂組成物は、（Ａ）〜（Ｅ）成
分の他、必要に応じて臭素化エポキシ樹脂、三酸化アン
チモン等の難燃剤、ポリシロキサン化合物に代表される
低応力剤、カップリング剤、カーボンブラックに代表さ
れる着色剤が適宜配合可能である。。成形材料とするに
は、全成分を混合後、加熱ニーダや熱ロールを用いて加
熱混練し、続いて冷却、粉砕することで目的とする樹脂
組成物が得られる。本発明の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の成形方法で硬
化成形すればよい

【００２０】以下、本発明を実施例で具体的に説明す
る。 実施例１ 式（４）を主成分とするエポキシ樹脂（融点１０３℃、
エポキシ当量２２５）２．９重量部

【化１０】

【００２１】 オルソクレゾールノボラック型エポキシ樹脂（軟化点５５℃、エポキシ当量２ ００） ４．５重量部 フェノールノボラック樹脂（軟化点７５℃、水酸基当量１０３） ３．６重量部 球状溶融シリカ粉末 ８８．０重量部 トリフェニルホスフィン ０．２重量部 エチレンビスステアリン酸アミド ０．３重量部 カルナバワックス ０．２重量部 カーボンブラック ０．３重量部 の各成分をミキサーを用いて混合した後、表面温度が９
０℃と４５℃の２本ロールを用いて３０回混練し、得ら
れた混練物シートを冷却後粉砕して、樹脂組成物とし
た。得られた樹脂組成物の特性を以下の方法で評価し
た。結果を表１に示す。

【００２２】評価方法 スパイラルフロー：ＥＭＭＩ−Ｉ−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。 チップシフト量：３２ピンのリードオンチップ構造ＴＳ
ＯＰ（パッケージサイズは、１０×２１ｍｍ、厚み１．
０ｍｍ、シリコンチップはサイズ９×１８ｍｍ、リード
フレームは鉄／ニッケル合金（４２アロイ）製、チップ
とインナーリード間は厚み１００μｍのポリイミドテー
プで接着されている）を１７５℃の金型温度、７５ｋｇ
／ｃｍ²の成形圧力で２分間トランスファー成形を行っ
た。成形品を樹脂組成物の注入方向に沿ってパッケージ
中心で切断し、断面を観察することでチップ両端のパッ
ケージ成形品下面からの距離を求め、その差をチップシ
フト量としてμｍ単位で表示した。 バリ量：チップシフト量を測定したリードオンチップ構
造ＴＳＯＰの成形時にエアベント部に発生したバリの長
さをｍｍ単位で表示した。 ガラス転移温度（Ｔｇ）：１７５℃、２分間トランスフ
ァー成形したテストピースを更に１７５℃、４時間後硬
化し、熱機械分析装置〔セイコー電子（株）・製ＴＭＡ
−１２０、昇温速度５℃／分〕により測定した。 熱時強度：２４０℃での曲げ強さをＪＩＳ−Ｋ６９１１
の試験条件で測定した。 耐半田性：１００ピンＴＱＦＰパッケージ（パッケージ
サイズは１４×１４ｍｍ、厚み１．４ｍｍ、シリコンチ
ップサイズは８．０×８．０ｍｍ、リードフレームは４
２アロイ製）を１７５℃の金型温度、７５ｋｇ／ｃｍ²
の射出圧力で２分間トランスファー成形を行い、１７５
℃で８時間の後硬化をした。成形品パッケージを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。顕微鏡でパッ
ケージを観察し、外部クラック（（クラック発生パッケ
ージ数）／（全パッケージ数）×１００）を％で表示し
た。又、チップと樹脂組成物との剥離面積の割合を超音
波探傷装置を用いて測定し、剥離率（（剥離面積）／
（チップ面積）×１００）を％で表示した。 離型性：耐半田性を評価した１００ピンＴＱＦＰを成形
する際に、金型が開いた際の金型からの離型性を評価し
た。○は離型性良好を示し、×は金型付着、又はランナ
ー折れが発生したことを示す。 金型汚れ：離型性を評価した金型で、エポキシ樹脂組成
物を上記条件で連続１００回成形し、成形後の金型の表
面を目視で観察した。金型表面に変色が認められた場合
を×、変化がなかった場合に○で表示した。

【００２３】実施例２〜４、比較例１〜４ 実施例１の配合に代えて、表１に示す割合で各成分を配
合し、実施例１と同様に混合・混練して樹脂組成物を得
た。実施例１と同様に評価した結果を表１に示した。な
お、実施例２〜４、比較例３、４で用いたエポキシ樹脂
Ａ〜Ｃの内容を以下に示す。エポキシ樹脂Ａは、式
（５）のスチルベン型フェノール樹脂と軟化点７０℃の
オルソクレゾールノボラックとの重量比１：１の混合物
をエピクロロヒドリンにより常法でエポキシ化したエポ
キシ樹脂（エポキシ当量１９３）である。

【化１１】

【００２４】エポキシ樹脂Ｂは、４，４’−ビフェノー
ルと軟化点７０℃のオルソクレゾールノボラックとの重
量比２：８の混合物をエピクロロヒドリンにより常法で
エポキシ化したエポキシ樹脂（エポキシ当量１９０）で
ある。エポキシ樹脂Ｃは、ビスフェノールＦと式（６）
のフェノール樹脂（軟化点９０℃）との重量比３：７の
混合物をエピクロロヒドリンにより常法でエポキシ化し
たエポキシ樹脂（エポキシ当量２６０）である。

【化１２】

【００２５】

【表１】

【００２６】

【発明の効果】本発明の樹脂組成物を用いると、成形時
の硬化性、薄型半導体装置の充填性及び離型性に優れ、
かつ封止された半導体装置は耐熱性、低吸湿性に優れて
おり吸湿後の耐半田性にも優れる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｃ０８Ｌ 63/00 Ｃ０８Ｌ 63/00 Ｃ Ｈ０１Ｌ 23/29 Ｈ０１Ｌ 23/30 Ｒ 23/31 Ｆターム(参考） 4J002 CC032 CC082 CD051 CD061 CD071 DJ016 EP017 EP027 FB016 FD167 GQ05 4J036 AD04 AD05 AD08 AD09 AD10 AJ02 AJ14 DA04 FA05 FA12 FB08 JA07 4M109 EA06 EB03 EB04 EB06 EB07 EB08 EB09 EB13 EB19 EC01 EC03 EC05 EC20

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 （Ａ）一般式（１）〜（３）で示される
   結晶性エポキシ樹脂を総エポキシ樹脂中に１０〜６０重
   量％、かつ１分子中にエポキシ基を平均３個以上有する
   非結晶性エポキシ樹脂を総エポキシ樹脂中に４０〜９０
   重量％含むエポキシ樹脂、（Ｂ）フェノール樹脂、
   （Ｃ）溶融シリカ粉末、（Ｄ）硬化促進剤、及び（Ｅ）
   長鎖脂肪酸アミドを必須成分とすることを特徴とする半
   導体封止用エポキシ樹脂組成物。 【化１】 【化２】 【化３】 （式（３）中のＲは水素原子、ハロゲン原子又は炭素数
   １から９までのアルキル基から選択される基であり、互
   いに同一であっても、異なっていても良い）
2. 【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。