JPH07157537A - 半導体封止用エポキシ樹脂組成物 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 エポキシ樹脂、フェノール樹脂硬化剤、硬化
促進剤および表面を予めシラン系カップリング剤で被覆
した後、１００〜３００℃の雰囲気下で加熱処理されて
なるカップリング層を有する無機質充填材からなるエポ
キシ樹脂組成物において、全エポキシ樹脂組成物中の残
存アルコール成分の含有量が、重量比で５００ｐｐｍ以
下である半導体封止用エポキシ樹脂組成物。 【効果】 エポキシ樹脂組成物中に含まれるアルコール
の量が非常に少ないレベルにあるため、半導体封止を目
的とする成形の際に発生する揮発分が極めて少なく、成
形品パッケージ中にピンホールやボイドが殆ど発生せ
ず、更にリードフレームやチップと封止材料との界面の
濡れ性が向上し、界面の接着力が大きくなり、半田浸漬
時の耐パッケージクラック性や耐湿信頼性を向上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は成形性、半田耐熱性、耐
湿信頼性に優れた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、信頼
性の面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、また半導体パッケージの
表面実装化が促進されるなかで、半導体封止材料への要
求は益々厳しいものとなってきている。このため、従来
の封止材料では解決できない問題点もでてきている。第
１の問題点としては、パッケージの薄型化に伴い、パッ
ケージ中に占める半導体封止材料の厚みが一段と薄くな
ってきたことであり、例えば１ｍｍ厚のＴＳＯＰの場合
など、チップの上面及びアイランド下面に形成される封
止材料の厚みは０．２〜０．３ｍｍ程度となる。このた
めに、半導体封止材料中にピンホールやボイド（空洞）
が存在すると電気絶縁性が著しく低下してしまう耐湿信
頼性の問題がある。

【０００３】従来より、 ピンホールやボイドに関して
は、タブレット変形や流動樹脂の乱流による成形時のエ
アーの巻き込み、あるいはタブレット中に含まれる水分
が原因として考えられてきた（特開昭６３−２３７９１
０号公報、特開昭６４−６１０２８号公報、特開平１−
１２９４２４号公報等）。しかし、エアーの巻き込み防
止やタブレット吸湿の防止等の従来の手法では、確かに
ピンホールやボイドを低減できる効果はあるが、皆無に
はできず、特に薄型パッケージで問題となる０．２ｍｍ
以下のピンホール、ボイドを発生させないための更なる
改良が望まれている。第２の問題点として、半導体パッ
ケージの表面実装の採用によりパッケージが半田浸漬、
ベーパーフェースソルダリング、あるいはリフロー工程
で急激に２００℃以上の高温にさらされ、このためにパ
ッケージが割れたり、チップ封止樹脂との界面剥離が生
じて耐湿性が低下したりするという半田耐熱性がある。
この半田耐熱性の向上に関しては耐熱エポキシの使用、
半田浸漬時の応力低減やリードフレーム、チップとの接
着性向上のための可撓性樹脂の使用、接着性付与成分の
添加、熱膨張係数を小さくするための無機質充填材の配
合量の増量、あるいはシリカへのシランカップリング剤
の処理条件の改良等数多くの提案がなされてきている。
しかし、パッケージクラックやチップと封止樹脂との界
面剥離はいずれも封止樹脂とリードフレーム、または封
止樹脂とチップとの接着力の低いことが原因であり、し
かもこの接着力の低さは成形時の封止樹脂のチップ、リ
ードフレーム界面への濡れ性の低下も要因の一つと考え
られる。根本的に濡れ性の低下を改良しなければ、上記
諸提案の効果が十分に得ることができない。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】半導体パッケージ成形
時のピンホール、ボイドの発生及びチップ・リードフレ
ーム界面での接着力の低下の原因につき種々の検討を行
った結果、これらが封止樹脂組成物中に含まているアル
コール成分に起因していることを明らかにし、このアル
コール成分をある一定量以下にすることで、飛躍的に特
性が向上することを見いだした。即ち本発明は、ピンホ
ールやボイドの発生及び表面実装化における半田処理工
程での信頼性低下の両者のいずれをも防止することがで
きる半導体封止用エポキシ樹脂組成物を提供するもので
ある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、（Ａ）エポキ
シ樹脂、（Ｂ）フェノール樹脂硬化剤、（Ｃ）硬化促進
剤および（Ｄ）表面を予めシラン系カップリング剤で被
覆した後、１００〜３００℃の雰囲気下で加熱処理され
てなるカップリング層を有する無機質充填材からなるエ
ポキシ樹脂組成物において、全エポキシ樹脂組成物中の
残存アルコール成分の含有量が、重量比で５００ｐｐｍ
以下である半導体封止用エポキシ樹脂組成物である。

【０００６】以下に本発明を詳細に説明する。本発明に
用いられるエポキシ樹脂はエポキシ基を有するモノマ
ー、オリゴマー、ポリマー全般をいい、例えばビスフェ
ノールＡ型エポキシ樹脂、ビフェノール型エポキシ樹
脂、オルソクレゾール型エポキシ樹脂、ナフタレン型エ
ポキシ樹脂、トリフェノールメタン型エポキシ樹脂、ハ
イドロキノン型エポキシ樹脂等が挙げられるが、これら
に限定されるものではない。また、これらのエポキシ樹
脂は単独でも混合して用いても差し支えない。フェノー
ル樹脂硬化剤は前記エポキシ樹脂と硬化反応を行い架橋
構造を形成することが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、ポリマー全般をいい、例えば
フェノールノボラック樹脂、パラキシリレン変性フェノ
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
フェノールメタンなどが例示されるが、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硬化剤は単
独でも混合して用いても差し支えない。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硬化剤との架橋
反応の触媒となりうるものいい、例えば１，８−ジアザ
ビシクロウンデセン等のアミン系化合物、トリフェニル
ホスフィン等の有機ホスフィン化合物、２−メチルイミ
ダゾール等のイミダゾール化合物等が例示できる。これ
らの硬化促進剤は単独でも混合して用いても差し支えな
い。

【０００７】シラン系カップリング剤で被覆される無機
質充填材は、溶融シリカ粉末、結晶シリカ粉末、アルミ
ナ、窒化珪素等が挙げられる。この被覆された無機質充
填材の配合量は成形性と信頼性とのバランスから全総エ
ポキシ樹脂組成物中に７０〜９０重量％であることが好
ましい。特に充填材量の多い配合では、球状の溶融シリ
カを用いるのが一般的である。被覆に用いるシランカッ
プリング剤は、具体的にはγ−グリシドキシプロピルト
リメトキシシラン、γ−アミノプロピルトリメトキシシ
ラン、γ−メルカプトプロピルメトキシシラン、ビニル
トリエトキシシラン等が挙げられるが、これに限定する
ものでなく、またこれらは単独でも混合して用いても差
し支えない。

【０００８】本発明の最も重要な点は、表面を予めシラ
ン系カップリング剤で被覆した後、１００〜３００℃の
雰囲気下で加熱処理されてなるカップリング剤層を有す
る無機質充填材を用いてなるエポキシ樹脂組成物におい
て、全エポキシ樹脂組成物中の残存アルコール成分の含
有量が、重量比で５００ｐｐｍ以下、更に２５０ｐｐｍ
以下に抑えることである。一般に半導体封止用エポキシ
樹脂組成物の原料となるエポキシ樹脂、フェノール樹脂
硬化剤、シランカップリング剤等は、その製造工程、保
管工程で空気中の水分を吸湿しており、更にこれら原料
と無機質充填材等とを加熱混練して製造されるエポキシ
樹脂組成物においても、その製造工程、保管工程におい
て水分を吸湿する。この吸湿水分が成形性や半田耐熱性
の低下の原因となることは既に多くの報告がある。そし
てその対策として、露点−１０℃以下の乾燥空気中で乾
燥させる方法、密閉された保管場所で減圧処理を施し水
分を気化、乾燥させる方法、あるいはシリカゲル、五酸
化燐等の乾燥剤を用いて水分を乾燥剤に吸着させる方法
等の多くの提案がなされている。確かにこれらの方法に
より封止剤組成物中に残存する水分の量は実質的に殆ど
零とすることが可能であり、これにより成形時の揮発成
分が顕著に減少するため、成形品中のピンホール、ボイ
ドの数を減少させたり、あるいは揮発ガスの発生による
樹脂組成物とチップ・リードフレームとの界面の濡れ性
が低下することに起因する密着性低下を改善するのに効
果は認められる。しかしながら、先に述べたように最近
の半導体パッケージの薄型化及び苛酷な半田処理条件に
おいてはこれだけでは不十分となってきていることも事
実である。

【０００９】この原因としてはエポキシ樹脂組成物中に
残存しているアルコール成分が、先に述べたような水分
除去の方法では殆ど除去できないためであり、このため
成形時の熱によって気化、揮発するアルコール成分によ
りボイド、ピンホールの生成やチップやリードフレーム
と封止材料界面の濡れ性の低下、延いては接着力の低下
を起こしている。これらアルコール成分は以下の理由に
よりエポキシ樹脂組成物中に残存すると考えられる。 エポキシ樹脂組成物の製造工程中及び保管中に無機
質充填材の水酸基とシラン系カップリング剤のアルコキ
シ基とが反応することにより生成するアルコール成分。
具体的には、メタノール、エタノール、プロパノールが
代表的な例として挙げられる。これらアルコール成分を
低減する方法としては、以下の方法が工業的には重要で
ある。

【００１０】無機質充填材を予めシラン系カップリング
剤で被覆処理した後、加熱することで両者の反応を完結
させると共に、反応生成物であるアルコールを除去し、
このカップリング剤層を有する無機質充填材とエポキシ
樹脂、フェノール樹脂硬化剤、硬化促進剤等を加熱混練
することでエポキシ樹脂組成物を得る。従来より、シリ
カに代表される無機質充填材の表面を、シラン系カップ
リング剤で予め被覆、反応させる方法は提案されている
が、この場合重要なのはその反応させるための温度と時
間である。本発明の、表面を予めシラン系カップリング
剤で被覆した後、１００〜３００℃の雰囲気下で加熱処
理されてなるカップリング剤層を有する無機質充填材を
用いてなるエポキシ樹脂組成物において、全エポキシ樹
脂組成物中の残存アルコール成分の含有量を、重量比で
５００ｐｐｍ以下に抑える必要があり、そのためにはシ
ラン系カップリング剤で被覆された無機質充填材の加熱
処理条件を、１００℃では２４時間以上、１５０℃では
８時間以上、２００℃では２時間以上、３００℃では３
０分以上がよく、特に好ましくは、１００℃〜２００℃
で処理するのが望ましい。

【００１１】無機質充填材に添加するシラン系カップリ
ング剤の量は、０．１〜２．０重量％とする。全組成物
中に残存するアルコール成分が５００ｐｐｍを越える
と、成形品中にピンホールや内部ボイドが多数発生し、
耐湿信頼性が低下する。カップリング剤層を有する無機
質充填材は、全エポキシ樹脂組成物中に７０〜９０重量
％含有することが好ましい。また、成形材料化に際して
行う加熱混練工程において、ニーダー等の混練機を真空
ポンプにより脱気し、減圧状態とすることでアルコール
成分を除去する方法を組み合わせても、より大きな効果
を得ることができる。この場合、通常、加熱混練時の温
度は８０℃から１５０℃の範囲とし、その際の脱気によ
る減圧度は２００ｍｍＨｇ以下とすることが望ましい。
全エポキシ樹脂組成物中に残存するアルコール物質の定
量は、種々の方法があるが、比較的簡便なものとしては
ガスクローマススペクトル法、熱重量天秤−マススペク
トル法が挙げられる。これらはエポキシ樹脂組成物の試
料を６０〜２５０℃に加熱し、発生するアルコール成分
をマススペクトルにて同定、定量する測定方法である。

【００１２】本発明のエポキシ樹脂組成物はエポキシ樹
脂、フェノール樹脂硬化剤、硬化促進剤及びカップリン
グ剤層を有する無機質充填材を必須成分とするが、これ
以外にも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、カーボンブラックに代表される着色
剤、天然ワックス及び合成ワックス等の離型剤、シリコ
ーンオイル、シリコーンゴム、合成ゴム等の低応力添加
剤を適宜配合しても差し支えない。成形材料化するに際
しては、加熱ニーダーや熱ロールにより全組成物を加熱
混練し、続いて冷却、粉砕することで目的とする半導体
封止用エポキシ樹脂組成物が得られる。

【００１３】以下本発明を実施例で具体的に説明する。 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 （融点１０３℃、エポキシ当量１９５） ９．１重量部 パラキシリレン変性フェノール樹脂 （軟化温度７０℃、水酸基当量１７５） ３．８重量部 フェノールノボラック（軟化温度８５℃、水酸基当量１０４）３．０重量部 トリフェニルホスフィン ０．３重量部 溶融シリカ粉末 ８０．０重量部 γ−アミノプロピルトリエトキシシラン ０．５重量部 三酸化アンチモン １．０重量部 臭素化ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂 １．５重量部 カルナバワックス ０．５重量部 カーボンブラック ０．３重量部 上記配合でエポキシ樹脂組成物を製造するにあたって、
予めミキサーで溶融シリカ粉末とγ−アミノプロピルト
リエトキシシランとを充分混合し被覆した後、これを１
５０℃で８時間加熱処理を行った。このカップリング剤
層を有するシリカと他の配合原料とをミキサーで混合し
た後、バレル温度１００℃の２軸ニーダーにて加熱混練
した。混練物をシーティングロールで２ｍｍ厚のシート
状にし、さらに冷却後粉砕して封止材料を得た。

【００１４】上記成形材料を、２００℃で３０分間熱処
理した際に発生するアルコール成分の同定と定量をガス
スペクトル−質量分析装置を用いて行った。エタノール
が重量比で５０ｐｐｍであった。また、上記各成形材料
を用いて８０ｐＱＦＰパッケージ（パッケージサイズは
１４×２０ｍｍ、厚み１．５ｍｍ、チップサイズは９×
９ｍｍ）を金型温度１７５℃、成形圧力７５ｋｇｆ／ｃ
ｍ²、成形時間２分間成形し、更に１７５℃で８時間の
後硬化を行った。この成形品パッケージを超音波探傷装
置を用いて観察し、０．１ｍｍφ以上の内部のボイドの
数（個数／パッケージ）をボイド数で表現した。また、
この成形品パッケージを８５℃、８５％ＲＨの環境下に
１６８時間放置し、その後２６０℃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
数（クラック発生パッケージ数／全パッケージ数）を半
田クラック数で表現した。同様に８０ｐＱＦＰの成形品
パッケージを８５℃、８５％ＲＨの環境下で２４時間放
置し、その後２４０℃のリフロー処理を１０秒間実施し
た。次にこのパッケージを１２５℃、２．３気圧のＰＣ
Ｔ処理を行い、不良率が５０％となる迄のＰＣＴ処理時
間を耐湿信頼性として表現した。これらの結果を表１に
示す。

【００１５】実施例２ 実施例１の配合において、予めミキサーで溶融シリカ粉
末とγ−アミノプロピルトリエトキシシランとを充分混
合し被覆した後、これを１００℃で２４時間加熱処理を
行った。このカップリング剤層を有するシリカを実施例
１と同様にして混練し、封止材料を得た。実施例１と同
様に評価した。評価結果を表１に示す。 実施例３ 実施例１の配合において、予めミキサーで溶融シリカ粉
末とγ−アミノプロピルトリエトキシシランとを充分混
合し被覆した後、これを１２０℃で１６時間加熱処理を
行った。このカップリング剤層を有するシリカを実施例
１と同様にして混練し、封止材料を得た。実施例１と同
様に評価した。評価結果を表１に示す。

【００１６】比較例１ 実施例１において、溶融シリカ粉末とγ−アミノプロピ
ルトリエトキシシランとを充分に混合し被覆した後、熱
処理条件を１２０℃、１時間に変更した以外は実施例１
と全く同様の方法で成形材料を製造した。実施例１と同
様に評価した。評価結果を表１に示す。 比較例２ 比較例１において、２軸ニーダーでの加熱混練を２００
ｍｍＨｇの減圧条件で行った以外は、比較例１と全く同
様の条件で成形材料を製造した。実施例１と同様に評価
した。評価結果を表１に示す。 比較例３ 実施例１の全配合原料をミキサーで混合した後、バレル
温度１００℃の２軸ニーダーにて加熱混練し、実施例１
と同様の方法で成形材料を得た。評価結果を表１に示
す。

【００１７】

【表１】

【００１８】

【発明の効果】本発明に従うと、エポキシ樹脂組成物中
に含まれるアルコールの量が非常に少ないレベルにある
ため、半導体封止を目的とする成形の際に発生する揮発
分が極めて少なく、成形品パッケージ中にピンホールや
ボイドが殆ど発生せず、更にリードフレームやチップと
封止材料との界面の濡れ性が向上することにより、これ
ら界面の接着力が大きくなり、半田浸漬時の耐パッケー
ジクラック性や耐湿信頼性を向上する。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｌ 23/31

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 （Ａ）エポキシ樹脂、（Ｂ）フェノール
   樹脂硬化剤、（Ｃ）硬化促進剤および（Ｄ）表面を予め
   シラン系カップリング剤で被覆した後、１００〜３００
   ℃の雰囲気下で加熱処理されてなるカップリング層を有
   する無機質充填材からなるエポキシ樹脂組成物におい
   て、全エポキシ樹脂組成物中の残存アルコール成分の含
   有量が、重量比で５００ｐｐｍ以下であることを特徴と
   する半導体封止用エポキシ樹脂組成物。