JP3672225B2 - 熱硬化性樹脂組成物およびそれを用いたエポキシ樹脂成形材料ならびに半導体装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、硬化性と保存性が良好で、電気・電子材料分野に有用な熱硬化性樹脂組成物、および、これを用いたエポキシ樹脂成形材料、ならびにその硬化物にて封止された半導体装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電気・電子材料、特に、ＩＣ封止材料は、近年、生産効率の向上を目的とした速硬化性と、物流・保管時のハンドリング性向上のための保存性の向上とが、求められるようになってきている。
【０００３】
従来、電子電気分野向けエポキシ樹脂には、硬化触媒として、アミン類、イミダゾール系化合物、ジアザビシクロウンデセンなどの含窒素複素環式化合物、第四級アンモニウム、ホスホニウムあるいはアルソニウム化合物などの種々の化合物が使用されている。
【０００４】
これら一般に使用される硬化触媒は、常温などの比較的低温においても、硬化促進作用を示す場合が多い。このことは、樹脂組成物の製造および保存時の粘度上昇や、流動性の低下、硬化性のばらつきなど、製品としての品質を低下させる原因となっている。
【０００５】
この問題を解決すべく、近年では、低温での粘度、流動性の経時変化を抑え、賦形、成形時の加熱によってのみ、硬化反応を起こすような、いわゆる潜伏性硬化促進剤の研究が盛んになされている。その手段として、硬化促進剤の活性点をイオン対により保護することで、潜伏性を発現する研究がなされており、特開平８−４１２９０号公報では、種々の有機酸とホスホニウムイオンとの塩構造を有する潜伏性硬化促進剤が提示されている。しかし、このホスホニウム塩は、特定の高次の分子構造を有さず、イオン対が比較的容易に外部環境の影響を受けるため、近年の低分子エポキシ樹脂やフェノールアラルキル樹脂のような分子の動きやすい硬化剤を用いる半導体封止材料では、保存性が低下する問題が生じている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、硬化性と保存性が良好で、電気・電子材料分野に有用な熱硬化性樹脂組成物、および、これを用いたエポキシ樹脂成形材料、ならびにその硬化物にて封止された耐湿信頼性に優れる半導体装置を提供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、１分子内にエポキシ基を２個以上有する化合物、１分子内にフェノール性水酸基を２個以上有する化合物と共に、特定構造の分子化合物を用いることにより、優れた硬化性と保存性を有する樹脂組成物、およびエポキシ樹脂成形材料が得られ、さらには高い耐湿信頼性を有する半導体装置が得られることを見いだし、本発明を完成するに至った。
【０００８】
すなわち、本発明は、１分子内にエポキシ基を２個以上有する化合物（Ａ）、１分子内にフェノール性水酸基を２個以上有する化合物（Ｂ）、および、一般式（１）で表される分子化合物（Ｃ）を必須成分とすることを特徴とする熱硬化性樹脂組成物、
【０００９】
【化５】
【００１１】
（ただし、Ｐはリン原子、Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3およびＲ4は置換もしくは無置換の芳香族基、またはアルキル基、Ａ 1 は２価の芳香族基、Ｂはエーテル基、スルホン基、スルフィド基、カルボニル基等から選ばれる２価の置換基を表す。）
【００１２】
また、分子化合物（Ｃ）が、一般式（３）で表される分子化合物である前記の熱硬化性樹脂組成物、
【００１３】
【化７】
【００１５】
（ただし、Ｐはリン原子、Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3およびＲ4は置換もしくは無置換の芳香族基、またはアルキル基を表し、Ｒ5、Ｒ6、Ｒ7およびＲ8 は水素原子またはハロゲン原子または炭素原子数１〜６で構成される１価の有機基を表す。Ｘはエーテル基、スルホン基、スルフィド基、カルボニル基等から選ばれる２価の置換基を表す。）
【００１６】
また、１分子内にエポキシ基を２個以上有する化合物（Ａ）、１分子内にフェノール性水酸基を２個以上有する化合物（Ｂ）、一般式（１）で表される分子化合物（Ｃ）、さらには一般式（３）で表される分子化合物（Ｃ）、および無機充填材（Ｄ）を必須成分とすることを特徴とするエポキシ樹脂成形材料、ならびにその硬化物にて封止された半導体装置である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明に用いる１分子内にエポキシ基を２個以上有する化合物（Ａ）は、１分子内にエポキシ基を２個以上有するものであれば、何ら制限はなく、例えば、ビフェニル型エポキシ樹脂、ノボラック型エポキシ樹脂、ナフタレン型エポキシ樹脂など、ビフェノールなどのフェノール類やフェノール樹脂、ナフトール類などの水酸基にエピクロロヒドリンを反応させて製造するエポキシ樹脂、エポキシ化合物などが挙げられる。その他に、脂環式エポキシ樹脂のようにオレフィンを過酸を用いて酸化させエポキシ化したエポキシ樹脂や、ハイドロキノン等のジヒドロキシベンゼン類をエピクロロヒドリンでエポキシ化したものが挙げられる。
【００１８】
また、１分子内にフェノール性水酸基を２個以上有する化合物（Ｂ）は、１分子内にエポキシ基を２個以上有する化合物（Ａ）の硬化剤として作用するものである。具体的には、フェノールノボラック樹脂、クレゾールノボラック樹脂、アルキル変性ノボラック樹脂（シクロアルケンの二重結合をフリーデルクラフツ型の反応でフェノール類と反応、共縮合した樹脂を含む）、フェノールアラルキル樹脂、ナフトール類とフェノール類をカルボニル基含有化合物と共縮合した樹脂などが例示されるが、１分子内で芳香族性の環に結合する水素原子が、水酸基で２個以上置換された化合物であればよい。
【００１９】
本発明において硬化促進剤として機能する分子化合物（Ｃ）は、一般式（１）、さらには一般式（３）で表されるテトラ置換ホスホニウムとフェノール化合物との分子会合体である。この分子化合物は、１個のテトラ置換ホスホニウムカチオンと、３個のフェノール性水酸基および１個のフェノキシドアニオンの単位で構成され、テトラ置換ホスホニウムイオンの正電荷の周囲を３個のフェノール性水酸基と１個のフェノキシドアニオンが取り囲み、安定化した構造となっているものと考えられる。
【００２０】
このような構造をとりうるホスホニウムイオンは、置換または無置換のアリール基やアルキル基を置換基にもつテトラ置換ホスホニウムイオンが、熱や、加水分解に対して安定であり好ましく、具体的には、テトラフェニルホスホニウム、テトラトリルホスホニウムなどのテトラアリール置換ホスホニウム、トリフェニルメチルホスニウムなどのトリアリールホスフィンとアルキルハライドから合成されたホスホニウムハライドに起源をもつトリアリールモノアルキルホスホニウム、テトラブチルホスホニウムなどのテトラアルキル置換ホスホニウムなどが例示される。
【００２１】
また、分子化合物（Ｃ）を形成するもう一方の成分である、フェノール化合物としては、ビスフェノールＳ（2,2-ビス（4-ヒドロキシフェニル）スルホン）、ビス（4-ヒドロキシフェニル）メタノンなどのビスフェノール類が例示されるが、分子化合物の安定性や硬化性、硬化物物性の点で、ビスフェノールＳが好適である。
【００２２】
分子化合物（Ｃ）は、前述のようなフェノール化合物と、最終的に脱ハロゲン化水素を助ける塩基、例えば水酸化ナトリウム、水酸化カリウムなどのアルカリ金属水酸化物や、ピリジン、トリエチルアミンなどの有機塩基をアルコールなどの溶媒に溶解し、続いて適当な溶媒に溶解した前記テトラ置換ホスホニウムのハライドを添加し反応させて、最終的には再結晶や再沈殿などの操作により固形分として取り出す方法や、テトラ置換ホスホニウムテトラ置換ボレートとフェノール化合物を熱反応後、アルコールなどの溶媒中で加熱反応させる方法で合成可能である。
【００２３】
本発明に用いる分子化合物（Ｃ）は、前述のようにホスホニウム−フェノキシド型の塩を構造に有するが、これが従来のホスホニウム−有機酸アニオン塩型の化合物と異なる点は、分子化合物（Ｃ）では、フェノール性水酸基のプロトンが関与した水素結合による高次構造が、このイオン結合を取り囲んでいる点である。従来の塩では、イオン結合の強さのみにより反応性を制御していたのに対し、分子化合物（Ｃ）では、常温では反応活性点のイオン対が高次構造により囲い込まれて、活性点が保護され、一方、実際の賦形の段階においては、この高次構造が崩れることで活性点がむき出しになり、反応性を発現する、いわゆる潜伏性が付与される。
【００２４】
本発明に用いる、硬化促進剤として機能する、分子化合物（Ｃ）の配合量は、１分子内にエポキシ基を２個以上有する化合物（Ａ）と、硬化剤として機能する、１分子内にフェノール性水酸基を２個以上有する化合物（Ｂ）の合計重量を１００重量部とした場合、０．５〜２０重量部程度が硬化性、保存性、他特性のバランスがよく好適である。また、１分子内にエポキシ基を２個以上有する化合物（Ａ）と、１分子内にフェノール性水酸基を２個以上有する化合物（Ｂ）の配合比率は、１分子内にエポキシ基を２個以上有する化合物（Ａ）のエポキシ基１モルに対し、１分子内にフェノール性水酸基を２個以上有する化合物（Ｂ）のフェノール性水酸基と分子化合物（Ｃ）に含まれるフェノール性水酸基との合算にて０．５〜２モル、好ましくは、０．８〜１．２程度のモル比となるよう用いると、硬化性、耐熱性、電気特性等がより良好となる。
【００２５】
本発明に用いる無機充填材（Ｄ）の種類については、特に制限はなく、一般に封止材料に用いられているものを使用することができる。例えば、溶融破砕シリカ粉末、溶融球状シリカ粉末、結晶シリカ粉末、２次凝集シリカ粉末、アルミナ、チタンホワイト、水酸化アルミニウム、タルク、クレー、ガラス繊維等が挙げられ、特に溶融球状シリカ粉末が好ましい。形状は限りなく真球状であることが好ましく、又、粒子の大きさの異なるものを混合することにより充填量を多くすることができる。
【００２６】
この無機充填材の配合量としては、１分子内にエポキシ基を２個以上有する化合物（Ａ）と、１分子内にフェノール性水酸基を２個以上有する化合物（Ｂ）の合計量１００重量部あたり、２００〜２４００重量部が好ましい。２００重量部未満だと、無機充填材による補強効果が充分に発現しないおそれがあり、２４００重量部を越えると、樹脂組成物の流動性が低下し成形時に充填不良等が生じるおそれがあるので好ましくない。特に、無機充填材の配合量が、前記成分（Ａ）と（Ｂ）の合計量１００重量部あたり、２５０〜１４００重量部であれば、成形材料の硬化物の吸湿率が低くなり、半田クラックの発生を防止することができ、更に溶融時の成形材料の粘度が低くなるため、半導体装置内部の金線変形を引き起こすおそれがなく、より好ましい。又、無機充填材は、予め充分混合しておくことが好ましい。
【００２７】
本発明のエポキシ樹脂成形材料は、（Ａ）〜（Ｄ）成分の他に、必要に応じてγ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン等のカップリング剤、カーボンブラック等の着色剤、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、シリコーンオイル、シリコーンゴム等の低応力成分、天然ワックス、合成ワックス、高級脂肪酸もしくはその金属塩類、パラフィン等の離型剤、酸化防止剤等の各種添加剤を配合することができ、また、本発明において硬化促進剤として機能する分子化合物（Ｃ）の特性を損なわない範囲で、トリフェニルホスフィン、１，８−ジアザビシクロ（５，４，０）ウンデセン−７、２−メチルイミダゾール等の他の公知の触媒と併用しても何ら問題はない。
【００２８】
本発明のエポキシ樹脂成形材料は、（Ａ）〜（Ｄ）成分、及びその他の添加剤等をミキサーを用いて常温混合し、ロール、押出機等の混練機で混練し、冷却後粉砕して得られる。
【００２９】
本発明のエポキシ樹脂成形材料を用いて、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、インジェクションモールド等の成形方法で硬化成形することができる。
【００３０】
本発明のエポキシ樹脂成形材料の硬化物で封止された半導体装置は、本発明の技術的範囲に含まれ、優れた耐湿性を示す。
【００３１】
【実施例】
以下に、本発明の実施例を示すが、本発明は、これにより何ら制限を受けるものではない。
【００３２】
[硬化促進剤の合成]
合成した分子化合物（Ｃ）の構造確認は、ＮＭＲ、元素分析、および次の方法による中和滴定（ホスホニウムフェノキシド当量の測定）により実施した。
合成した分子化合物（Ｃ）をメタノール／水系溶媒中で、重量既知の過剰量のシュウ酸と反応させ、残余のシュウ酸を規定度既知の水酸化ナトリウム水溶液で定量して、分子化合物（Ｃ）の重量あたり規定度（Ｎ／ｇ）を算出した。この値の逆数がホスホニウムフェノキシド当量となる。
【００３３】
（合成例１）
撹拌装置付きの１リットルのセパラブルフラスコにビス（４−ヒドロキシフェニル）スルホン５０．０ｇ（０．２モル）、メタノール１００ｍｌを仕込み、室温で撹拌溶解し、さらに攪拌しながら水酸化ナトリウム４．０ｇ（０．１モル）を予め、５０ｍｌのメタノールで溶解した溶液を添加した。次いで、予めテトラフェニルホスホニウムクロライド３７．５ｇ（０．１モル）を１５０ｍｌのメタノールに溶解した溶液を加えた。しばらく攪拌を継続し、３００ｍｌのメタノールを追加した後、フラスコ内の溶液を大量の水に撹拌しながら滴下し、白色沈殿を得た。沈殿を濾過、乾燥し、白色結晶８１．０ gを得た。この化合物をＣ４とする。Ｃ４は、ＮＭＲ、マススペクトル、元素分析の結果から、テトラフェニルホスホニウム１分子とビス（４−ヒドロキシフェニル）スルホンとが、モル比１：２で錯化した一般式（３）で表される目的の分子化合物であることが確認された。また、中和滴定の値からホスホニウムフェノキシド当量が、理論値８３８に近く、前述の構造を示した。
【００３５】
（比較合成例１）
撹拌装置付きの１リットルのセパラブルフラスコに、ビス（4-ヒドロキシ-3,5-ジメチルフェニル）メタンを１２．８ｇ（０．０５モル）、メタノール５０ｍｌを仕込み、室温で撹拌溶解し、さらに攪拌しながら水酸化ナトリウム４．０ｇ(０．１モル)を、予め５０ｍｌのメタノールで溶解した溶液を添加した。次いで、予めテトラブチルホスホニウムブロマイド３３．９ｇ（０．１モル）を１５０ｍｌのメタノールに溶解した溶液を加えた。しばらく攪拌を継続し、フラスコ内に純水１００ｍｌを撹拌しながら滴下し、さらに2-プロパノール１００ｍｌを加え白色沈殿を得た。沈殿を濾過、乾燥し、白色結晶を得た。この化合物をＤ１とする。合成例１と同様の分析を行った結果、ビス（4-ヒドロキシ-3,5-ジメチルフェニル）メタンの２個の水酸基のプロトンが解離した各々のフェノキシドに、各１分子のテトラブチルホスホニウムが、１：２でイオン結合した化合物であった。このＤ１は、単なるホスホニウム塩であって、本発明に用いる分子化合物ではない。
【００３６】
（比較合成例２）
撹拌装置付きの１リットルのセパラブルフラスコに、p-フェニルフェノール１７．０ｇ（０．１モル）、メタノール５０ｍｌを仕込み室温で撹拌溶解し、さらに攪拌しながら水酸化ナトリウム４．０ｇ(０．１モル)を、予め５０ｍｌのメタノールで溶解した溶液を添加した。次いで、予めテトラフェニルホスホニウムブロミド４１．９ｇ（０．１モル）を１５０ｍｌのメタノールに溶解した溶液を加えた。しばらく攪拌を継続し、フラスコ内に純水１００ｍｌを撹拌しながら滴下し、さらに2-プロパノール１００ｍｌを加え白色沈殿を得た。沈殿を濾過、乾燥し、白色結晶を得た。この化合物をＤ２とする。合成例１と同様の分析を行った結果、p-フェニルフェノールの水酸基のプロトンが脱離したフェノキシドに、１分子のテトラフェニルホスホニウムが、１：１でイオン結合した化合物であった。このＤ２は、単なるホスホニウム塩であって、本発明に用いる分子化合物ではない。
【００３７】
（比較合成例３）
撹拌装置付きの１リットルセパラブルフラスコに、安息香酸１２．２ｇ（０．１モル）、メタノール５０ｍｌを仕込み室温で撹拌溶解し、さらに攪拌しながら水酸化ナトリウム４．０ｇ(０．１モル)を、予め５０ｍｌのメタノールで溶解した溶液を添加した。次いで、予めテトラフェニルホスホニウムブロミド４１．９ｇ（０．１モル）を１５０ｍｌのメタノールに溶解した溶液を加えた。しばらく攪拌を継続し、フラスコ内の溶液を１００ｍｌの水に撹拌しながら滴下し、さらに2-プロパノール１００ｍｌを加え白色沈殿を得た。沈殿を濾過、乾燥し、白色結晶を得た。この化合物をＤ３とする。合成例１と同様の分析を行った結果、安息香酸のカルボキシル基のプロトンが脱離したカルボキシラートに、１分子のテトラフェニルホスホニウムが、１：１でイオン結合した化合物であった。このＤ３は、単なるホスホニウム塩であって、本発明に用いる分子化合物ではない。
比較合成例の結果も、他の合成例と同様に表１にまとめた。
【００３８】
【表１】
【００３９】
[熱硬化性樹脂組成物の評価]
まず、合成した分子化合物（Ｃ）を、１分子内にエポキシ基を２個以上有する化合物（Ａ）と、１分子内にフェノール性水酸基を２個以上有する化合物（Ｂ）、に加えて粉砕混合し、さらに１００℃で５分間、熱板上で溶融混練した後、冷却粉砕して、組成物のサンプルを調製し、評価を行った。評価方法は、下記のとおりである。
（１）硬化トルク
前記のサンプル調製方法により作製した樹脂組成物を用いて、キュラストメーター（オリエンテック社製、ＪＳＲキュラストメーターＰＳ型）により、１７５℃で、４５秒後のトルクを求めた。キュラストメーターにおけるトルクは、硬化性のパラメータであり、値の大きい方が、硬化性が高いことを示す。
（２）硬化発熱量残存率（保存性評価）
前記のサンプル調製方法により作製した樹脂組成物を用いて、調製直後の初期硬化発熱量、および４０℃で３日間保存処理後の硬化発熱量を測定し、初期硬化発熱量（ｍＪ／ｍｇ）に対する保存処理後の硬化発熱量（ｍＪ／ｍｇ）の百分率を算出した。尚、硬化発熱量の測定は、昇温速度１０℃／ｍｉｎの条件で、示差熱分析により測定した。この値が大きいほど、保存性が良好であることを示す。
【００４０】
（実施例１、および比較例１〜４）
実施例１、および比較例１〜４について、表２に示した配合により、前記の方法で、組成物のサンプルを調製し評価した。比較例１では、実施例における化合物（Ｃ）にかえてトリフェニルホスフィンを、比較例２〜４では、前述比較合成例１〜３で合成された化合物Ｄ１〜Ｄ３を用いた。得られた各組成物の評価結果は、表２に示した通りであった。
【００４１】
【表２】
【００４２】
実施例に示すように、本発明の熱硬化性樹脂組成物は、硬化性、保存性が良好であるのに対し、比較例１のトリフェニルホスフィンを硬化促進剤に用いた樹脂組成物は、硬化性、保存性とも悪く、比較例２〜４の本発明に用いる分子化合物ではないホスホニウム塩を用いたものは、硬化性はよいものの保存性がよくない。
【００４８】
【発明の効果】
本発明の熱硬化性樹脂組成物及びエポキシ樹脂成形材料は、優れた硬化性、保存性を有し、このエポキシ樹脂成形材料の硬化物で封止された半導体装置は、耐湿信頼性に優れ有用である。
【発明の属する技術分野】
本発明は、硬化性と保存性が良好で、電気・電子材料分野に有用な熱硬化性樹脂組成物、および、これを用いたエポキシ樹脂成形材料、ならびにその硬化物にて封止された半導体装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電気・電子材料、特に、ＩＣ封止材料は、近年、生産効率の向上を目的とした速硬化性と、物流・保管時のハンドリング性向上のための保存性の向上とが、求められるようになってきている。
【０００３】
従来、電子電気分野向けエポキシ樹脂には、硬化触媒として、アミン類、イミダゾール系化合物、ジアザビシクロウンデセンなどの含窒素複素環式化合物、第四級アンモニウム、ホスホニウムあるいはアルソニウム化合物などの種々の化合物が使用されている。
【０００４】
これら一般に使用される硬化触媒は、常温などの比較的低温においても、硬化促進作用を示す場合が多い。このことは、樹脂組成物の製造および保存時の粘度上昇や、流動性の低下、硬化性のばらつきなど、製品としての品質を低下させる原因となっている。
【０００５】
この問題を解決すべく、近年では、低温での粘度、流動性の経時変化を抑え、賦形、成形時の加熱によってのみ、硬化反応を起こすような、いわゆる潜伏性硬化促進剤の研究が盛んになされている。その手段として、硬化促進剤の活性点をイオン対により保護することで、潜伏性を発現する研究がなされており、特開平８−４１２９０号公報では、種々の有機酸とホスホニウムイオンとの塩構造を有する潜伏性硬化促進剤が提示されている。しかし、このホスホニウム塩は、特定の高次の分子構造を有さず、イオン対が比較的容易に外部環境の影響を受けるため、近年の低分子エポキシ樹脂やフェノールアラルキル樹脂のような分子の動きやすい硬化剤を用いる半導体封止材料では、保存性が低下する問題が生じている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、硬化性と保存性が良好で、電気・電子材料分野に有用な熱硬化性樹脂組成物、および、これを用いたエポキシ樹脂成形材料、ならびにその硬化物にて封止された耐湿信頼性に優れる半導体装置を提供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、１分子内にエポキシ基を２個以上有する化合物、１分子内にフェノール性水酸基を２個以上有する化合物と共に、特定構造の分子化合物を用いることにより、優れた硬化性と保存性を有する樹脂組成物、およびエポキシ樹脂成形材料が得られ、さらには高い耐湿信頼性を有する半導体装置が得られることを見いだし、本発明を完成するに至った。
【０００８】
すなわち、本発明は、１分子内にエポキシ基を２個以上有する化合物（Ａ）、１分子内にフェノール性水酸基を２個以上有する化合物（Ｂ）、および、一般式（１）で表される分子化合物（Ｃ）を必須成分とすることを特徴とする熱硬化性樹脂組成物、
【０００９】
【化５】
（ただし、Ｐはリン原子、Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3およびＲ4は置換もしくは無置換の芳香族基、またはアルキル基、Ａ 1 は２価の芳香族基、Ｂはエーテル基、スルホン基、スルフィド基、カルボニル基等から選ばれる２価の置換基を表す。）
【００１２】
また、分子化合物（Ｃ）が、一般式（３）で表される分子化合物である前記の熱硬化性樹脂組成物、
【００１３】
【化７】
（ただし、Ｐはリン原子、Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3およびＲ4は置換もしくは無置換の芳香族基、またはアルキル基を表し、Ｒ5、Ｒ6、Ｒ7およびＲ8 は水素原子またはハロゲン原子または炭素原子数１〜６で構成される１価の有機基を表す。Ｘはエーテル基、スルホン基、スルフィド基、カルボニル基等から選ばれる２価の置換基を表す。）
【００１６】
また、１分子内にエポキシ基を２個以上有する化合物（Ａ）、１分子内にフェノール性水酸基を２個以上有する化合物（Ｂ）、一般式（１）で表される分子化合物（Ｃ）、さらには一般式（３）で表される分子化合物（Ｃ）、および無機充填材（Ｄ）を必須成分とすることを特徴とするエポキシ樹脂成形材料、ならびにその硬化物にて封止された半導体装置である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明に用いる１分子内にエポキシ基を２個以上有する化合物（Ａ）は、１分子内にエポキシ基を２個以上有するものであれば、何ら制限はなく、例えば、ビフェニル型エポキシ樹脂、ノボラック型エポキシ樹脂、ナフタレン型エポキシ樹脂など、ビフェノールなどのフェノール類やフェノール樹脂、ナフトール類などの水酸基にエピクロロヒドリンを反応させて製造するエポキシ樹脂、エポキシ化合物などが挙げられる。その他に、脂環式エポキシ樹脂のようにオレフィンを過酸を用いて酸化させエポキシ化したエポキシ樹脂や、ハイドロキノン等のジヒドロキシベンゼン類をエピクロロヒドリンでエポキシ化したものが挙げられる。
【００１８】
また、１分子内にフェノール性水酸基を２個以上有する化合物（Ｂ）は、１分子内にエポキシ基を２個以上有する化合物（Ａ）の硬化剤として作用するものである。具体的には、フェノールノボラック樹脂、クレゾールノボラック樹脂、アルキル変性ノボラック樹脂（シクロアルケンの二重結合をフリーデルクラフツ型の反応でフェノール類と反応、共縮合した樹脂を含む）、フェノールアラルキル樹脂、ナフトール類とフェノール類をカルボニル基含有化合物と共縮合した樹脂などが例示されるが、１分子内で芳香族性の環に結合する水素原子が、水酸基で２個以上置換された化合物であればよい。
【００１９】
本発明において硬化促進剤として機能する分子化合物（Ｃ）は、一般式（１）、さらには一般式（３）で表されるテトラ置換ホスホニウムとフェノール化合物との分子会合体である。この分子化合物は、１個のテトラ置換ホスホニウムカチオンと、３個のフェノール性水酸基および１個のフェノキシドアニオンの単位で構成され、テトラ置換ホスホニウムイオンの正電荷の周囲を３個のフェノール性水酸基と１個のフェノキシドアニオンが取り囲み、安定化した構造となっているものと考えられる。
【００２０】
このような構造をとりうるホスホニウムイオンは、置換または無置換のアリール基やアルキル基を置換基にもつテトラ置換ホスホニウムイオンが、熱や、加水分解に対して安定であり好ましく、具体的には、テトラフェニルホスホニウム、テトラトリルホスホニウムなどのテトラアリール置換ホスホニウム、トリフェニルメチルホスニウムなどのトリアリールホスフィンとアルキルハライドから合成されたホスホニウムハライドに起源をもつトリアリールモノアルキルホスホニウム、テトラブチルホスホニウムなどのテトラアルキル置換ホスホニウムなどが例示される。
【００２１】
また、分子化合物（Ｃ）を形成するもう一方の成分である、フェノール化合物としては、ビスフェノールＳ（2,2-ビス（4-ヒドロキシフェニル）スルホン）、ビス（4-ヒドロキシフェニル）メタノンなどのビスフェノール類が例示されるが、分子化合物の安定性や硬化性、硬化物物性の点で、ビスフェノールＳが好適である。
【００２２】
分子化合物（Ｃ）は、前述のようなフェノール化合物と、最終的に脱ハロゲン化水素を助ける塩基、例えば水酸化ナトリウム、水酸化カリウムなどのアルカリ金属水酸化物や、ピリジン、トリエチルアミンなどの有機塩基をアルコールなどの溶媒に溶解し、続いて適当な溶媒に溶解した前記テトラ置換ホスホニウムのハライドを添加し反応させて、最終的には再結晶や再沈殿などの操作により固形分として取り出す方法や、テトラ置換ホスホニウムテトラ置換ボレートとフェノール化合物を熱反応後、アルコールなどの溶媒中で加熱反応させる方法で合成可能である。
【００２３】
本発明に用いる分子化合物（Ｃ）は、前述のようにホスホニウム−フェノキシド型の塩を構造に有するが、これが従来のホスホニウム−有機酸アニオン塩型の化合物と異なる点は、分子化合物（Ｃ）では、フェノール性水酸基のプロトンが関与した水素結合による高次構造が、このイオン結合を取り囲んでいる点である。従来の塩では、イオン結合の強さのみにより反応性を制御していたのに対し、分子化合物（Ｃ）では、常温では反応活性点のイオン対が高次構造により囲い込まれて、活性点が保護され、一方、実際の賦形の段階においては、この高次構造が崩れることで活性点がむき出しになり、反応性を発現する、いわゆる潜伏性が付与される。
【００２４】
本発明に用いる、硬化促進剤として機能する、分子化合物（Ｃ）の配合量は、１分子内にエポキシ基を２個以上有する化合物（Ａ）と、硬化剤として機能する、１分子内にフェノール性水酸基を２個以上有する化合物（Ｂ）の合計重量を１００重量部とした場合、０．５〜２０重量部程度が硬化性、保存性、他特性のバランスがよく好適である。また、１分子内にエポキシ基を２個以上有する化合物（Ａ）と、１分子内にフェノール性水酸基を２個以上有する化合物（Ｂ）の配合比率は、１分子内にエポキシ基を２個以上有する化合物（Ａ）のエポキシ基１モルに対し、１分子内にフェノール性水酸基を２個以上有する化合物（Ｂ）のフェノール性水酸基と分子化合物（Ｃ）に含まれるフェノール性水酸基との合算にて０．５〜２モル、好ましくは、０．８〜１．２程度のモル比となるよう用いると、硬化性、耐熱性、電気特性等がより良好となる。
【００２５】
本発明に用いる無機充填材（Ｄ）の種類については、特に制限はなく、一般に封止材料に用いられているものを使用することができる。例えば、溶融破砕シリカ粉末、溶融球状シリカ粉末、結晶シリカ粉末、２次凝集シリカ粉末、アルミナ、チタンホワイト、水酸化アルミニウム、タルク、クレー、ガラス繊維等が挙げられ、特に溶融球状シリカ粉末が好ましい。形状は限りなく真球状であることが好ましく、又、粒子の大きさの異なるものを混合することにより充填量を多くすることができる。
【００２６】
この無機充填材の配合量としては、１分子内にエポキシ基を２個以上有する化合物（Ａ）と、１分子内にフェノール性水酸基を２個以上有する化合物（Ｂ）の合計量１００重量部あたり、２００〜２４００重量部が好ましい。２００重量部未満だと、無機充填材による補強効果が充分に発現しないおそれがあり、２４００重量部を越えると、樹脂組成物の流動性が低下し成形時に充填不良等が生じるおそれがあるので好ましくない。特に、無機充填材の配合量が、前記成分（Ａ）と（Ｂ）の合計量１００重量部あたり、２５０〜１４００重量部であれば、成形材料の硬化物の吸湿率が低くなり、半田クラックの発生を防止することができ、更に溶融時の成形材料の粘度が低くなるため、半導体装置内部の金線変形を引き起こすおそれがなく、より好ましい。又、無機充填材は、予め充分混合しておくことが好ましい。
【００２７】
本発明のエポキシ樹脂成形材料は、（Ａ）〜（Ｄ）成分の他に、必要に応じてγ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン等のカップリング剤、カーボンブラック等の着色剤、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、シリコーンオイル、シリコーンゴム等の低応力成分、天然ワックス、合成ワックス、高級脂肪酸もしくはその金属塩類、パラフィン等の離型剤、酸化防止剤等の各種添加剤を配合することができ、また、本発明において硬化促進剤として機能する分子化合物（Ｃ）の特性を損なわない範囲で、トリフェニルホスフィン、１，８−ジアザビシクロ（５，４，０）ウンデセン−７、２−メチルイミダゾール等の他の公知の触媒と併用しても何ら問題はない。
【００２８】
本発明のエポキシ樹脂成形材料は、（Ａ）〜（Ｄ）成分、及びその他の添加剤等をミキサーを用いて常温混合し、ロール、押出機等の混練機で混練し、冷却後粉砕して得られる。
【００２９】
本発明のエポキシ樹脂成形材料を用いて、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、インジェクションモールド等の成形方法で硬化成形することができる。
【００３０】
本発明のエポキシ樹脂成形材料の硬化物で封止された半導体装置は、本発明の技術的範囲に含まれ、優れた耐湿性を示す。
【００３１】
【実施例】
以下に、本発明の実施例を示すが、本発明は、これにより何ら制限を受けるものではない。
【００３２】
[硬化促進剤の合成]
合成した分子化合物（Ｃ）の構造確認は、ＮＭＲ、元素分析、および次の方法による中和滴定（ホスホニウムフェノキシド当量の測定）により実施した。
合成した分子化合物（Ｃ）をメタノール／水系溶媒中で、重量既知の過剰量のシュウ酸と反応させ、残余のシュウ酸を規定度既知の水酸化ナトリウム水溶液で定量して、分子化合物（Ｃ）の重量あたり規定度（Ｎ／ｇ）を算出した。この値の逆数がホスホニウムフェノキシド当量となる。
【００３３】
（合成例１）
撹拌装置付きの１リットルのセパラブルフラスコにビス（４−ヒドロキシフェニル）スルホン５０．０ｇ（０．２モル）、メタノール１００ｍｌを仕込み、室温で撹拌溶解し、さらに攪拌しながら水酸化ナトリウム４．０ｇ（０．１モル）を予め、５０ｍｌのメタノールで溶解した溶液を添加した。次いで、予めテトラフェニルホスホニウムクロライド３７．５ｇ（０．１モル）を１５０ｍｌのメタノールに溶解した溶液を加えた。しばらく攪拌を継続し、３００ｍｌのメタノールを追加した後、フラスコ内の溶液を大量の水に撹拌しながら滴下し、白色沈殿を得た。沈殿を濾過、乾燥し、白色結晶８１．０ gを得た。この化合物をＣ４とする。Ｃ４は、ＮＭＲ、マススペクトル、元素分析の結果から、テトラフェニルホスホニウム１分子とビス（４−ヒドロキシフェニル）スルホンとが、モル比１：２で錯化した一般式（３）で表される目的の分子化合物であることが確認された。また、中和滴定の値からホスホニウムフェノキシド当量が、理論値８３８に近く、前述の構造を示した。
【００３５】
（比較合成例１）
撹拌装置付きの１リットルのセパラブルフラスコに、ビス（4-ヒドロキシ-3,5-ジメチルフェニル）メタンを１２．８ｇ（０．０５モル）、メタノール５０ｍｌを仕込み、室温で撹拌溶解し、さらに攪拌しながら水酸化ナトリウム４．０ｇ(０．１モル)を、予め５０ｍｌのメタノールで溶解した溶液を添加した。次いで、予めテトラブチルホスホニウムブロマイド３３．９ｇ（０．１モル）を１５０ｍｌのメタノールに溶解した溶液を加えた。しばらく攪拌を継続し、フラスコ内に純水１００ｍｌを撹拌しながら滴下し、さらに2-プロパノール１００ｍｌを加え白色沈殿を得た。沈殿を濾過、乾燥し、白色結晶を得た。この化合物をＤ１とする。合成例１と同様の分析を行った結果、ビス（4-ヒドロキシ-3,5-ジメチルフェニル）メタンの２個の水酸基のプロトンが解離した各々のフェノキシドに、各１分子のテトラブチルホスホニウムが、１：２でイオン結合した化合物であった。このＤ１は、単なるホスホニウム塩であって、本発明に用いる分子化合物ではない。
【００３６】
（比較合成例２）
撹拌装置付きの１リットルのセパラブルフラスコに、p-フェニルフェノール１７．０ｇ（０．１モル）、メタノール５０ｍｌを仕込み室温で撹拌溶解し、さらに攪拌しながら水酸化ナトリウム４．０ｇ(０．１モル)を、予め５０ｍｌのメタノールで溶解した溶液を添加した。次いで、予めテトラフェニルホスホニウムブロミド４１．９ｇ（０．１モル）を１５０ｍｌのメタノールに溶解した溶液を加えた。しばらく攪拌を継続し、フラスコ内に純水１００ｍｌを撹拌しながら滴下し、さらに2-プロパノール１００ｍｌを加え白色沈殿を得た。沈殿を濾過、乾燥し、白色結晶を得た。この化合物をＤ２とする。合成例１と同様の分析を行った結果、p-フェニルフェノールの水酸基のプロトンが脱離したフェノキシドに、１分子のテトラフェニルホスホニウムが、１：１でイオン結合した化合物であった。このＤ２は、単なるホスホニウム塩であって、本発明に用いる分子化合物ではない。
【００３７】
（比較合成例３）
撹拌装置付きの１リットルセパラブルフラスコに、安息香酸１２．２ｇ（０．１モル）、メタノール５０ｍｌを仕込み室温で撹拌溶解し、さらに攪拌しながら水酸化ナトリウム４．０ｇ(０．１モル)を、予め５０ｍｌのメタノールで溶解した溶液を添加した。次いで、予めテトラフェニルホスホニウムブロミド４１．９ｇ（０．１モル）を１５０ｍｌのメタノールに溶解した溶液を加えた。しばらく攪拌を継続し、フラスコ内の溶液を１００ｍｌの水に撹拌しながら滴下し、さらに2-プロパノール１００ｍｌを加え白色沈殿を得た。沈殿を濾過、乾燥し、白色結晶を得た。この化合物をＤ３とする。合成例１と同様の分析を行った結果、安息香酸のカルボキシル基のプロトンが脱離したカルボキシラートに、１分子のテトラフェニルホスホニウムが、１：１でイオン結合した化合物であった。このＤ３は、単なるホスホニウム塩であって、本発明に用いる分子化合物ではない。
比較合成例の結果も、他の合成例と同様に表１にまとめた。
【００３８】
【表１】
[熱硬化性樹脂組成物の評価]
まず、合成した分子化合物（Ｃ）を、１分子内にエポキシ基を２個以上有する化合物（Ａ）と、１分子内にフェノール性水酸基を２個以上有する化合物（Ｂ）、に加えて粉砕混合し、さらに１００℃で５分間、熱板上で溶融混練した後、冷却粉砕して、組成物のサンプルを調製し、評価を行った。評価方法は、下記のとおりである。
（１）硬化トルク
前記のサンプル調製方法により作製した樹脂組成物を用いて、キュラストメーター（オリエンテック社製、ＪＳＲキュラストメーターＰＳ型）により、１７５℃で、４５秒後のトルクを求めた。キュラストメーターにおけるトルクは、硬化性のパラメータであり、値の大きい方が、硬化性が高いことを示す。
（２）硬化発熱量残存率（保存性評価）
前記のサンプル調製方法により作製した樹脂組成物を用いて、調製直後の初期硬化発熱量、および４０℃で３日間保存処理後の硬化発熱量を測定し、初期硬化発熱量（ｍＪ／ｍｇ）に対する保存処理後の硬化発熱量（ｍＪ／ｍｇ）の百分率を算出した。尚、硬化発熱量の測定は、昇温速度１０℃／ｍｉｎの条件で、示差熱分析により測定した。この値が大きいほど、保存性が良好であることを示す。
【００４０】
（実施例１、および比較例１〜４）
実施例１、および比較例１〜４について、表２に示した配合により、前記の方法で、組成物のサンプルを調製し評価した。比較例１では、実施例における化合物（Ｃ）にかえてトリフェニルホスフィンを、比較例２〜４では、前述比較合成例１〜３で合成された化合物Ｄ１〜Ｄ３を用いた。得られた各組成物の評価結果は、表２に示した通りであった。
【００４１】
【表２】
実施例に示すように、本発明の熱硬化性樹脂組成物は、硬化性、保存性が良好であるのに対し、比較例１のトリフェニルホスフィンを硬化促進剤に用いた樹脂組成物は、硬化性、保存性とも悪く、比較例２〜４の本発明に用いる分子化合物ではないホスホニウム塩を用いたものは、硬化性はよいものの保存性がよくない。
【００４８】
【発明の効果】
本発明の熱硬化性樹脂組成物及びエポキシ樹脂成形材料は、優れた硬化性、保存性を有し、このエポキシ樹脂成形材料の硬化物で封止された半導体装置は、耐湿信頼性に優れ有用である。
Claims (5)
- １分子内にエポキシ基を２個以上有する化合物（Ａ）、１分子内にフェノール性水酸基を２個以上有する化合物（Ｂ）、および、一般式（１）で表される分子化合物（Ｃ）を必須成分とすることを特徴とする熱硬化性樹脂組成物。
- 分子化合物（Ｃ）が、一般式（３）で表される分子化合物である請求項１記載の熱硬化性樹脂組成物。
- １分子内にエポキシ基を２個以上有する化合物（Ａ）、１分子内にフェノール性水酸基を２個以上有する化合物（Ｂ）、一般式（１）で表される分子化合物（Ｃ）、および無機充填材（Ｄ）を必須成分とすることを特徴とするエポキシ樹脂成形材料。
- 分子化合物（Ｃ）が、一般式（３）で表される分子化合物である請求項３記載のエポキシ樹脂成形材料。
- 請求項３または４記載のエポキシ樹脂成形材料の硬化物にて封止された半導体装置。
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