JPH08301984A - 半導体封止用エポキシ樹脂組成物および半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 半田耐熱性、難燃性および高温信頼性がと
もに優れる半導体封止用エポキシ樹脂組成物を提供す
る。更にこのエポキシ樹脂組成物により、電子回路部分
が封止された半導体装置を提供すること。 【解決手段】 半導体封止用エポキシ樹脂組成物とし
て、エポキシ樹脂にジシクロペンタジエン−フェノール
骨格を有するエポキシ樹脂を用い、好適には充填剤を８
７〜９５重量％添加する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半田耐熱性、難燃
性および高温信頼性に優れる半導体封止用エポキシ樹脂
組成物およびそれを用いた半導体装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】エポキシ樹脂は耐熱性、耐湿性、電気特
性、接着性などに優れており、塗料、接着剤、電気絶縁
材料など工業材料として利用されている。例えば、半導
体装置などの電子回路部分の封止方法としては、経済
性、生産性、物性のバランスの点からエポキシ樹脂によ
る封止方法が中心になっている。

【０００３】近年、プリント基板への部分実装において
も高密度化、自動化が進められており、従来のリードピ
ンを基板の穴に挿入する“挿入実装方式”に代わり、基
板表面に部品を半田付けする“表面実装方式”が盛んに
なってきた。それに伴いパッケージも従来のＤＩＰ（デ
ュアル・インライン・パッケージ）から高密度実装、表
面実装に適した薄型のＦＰＰ（フラット・プラスチック
・パッケージ）に移行しつつある。

【０００４】表面実装方式への移行に伴い、従来あまり
問題にならなかった半田付け工程が大きな問題になって
きた。従来のピン挿入実装方式の半田付け工程では、リ
ード部が部分的に加熱されるだけであったが、表面実装
方式ではパッケージ全体が熱媒に浸され加熱される。表
面実装方式における半田付け方法としては半田浸漬、不
活性ガスの飽和蒸気による加熱（ベーパーフェイズ法）
や赤外線リフロー法などが用いられるが、いずれの方法
でもパッケージ全体が２１０〜２７０℃の高温に加熱さ
れることになる。そのため、従来の封止樹脂で封止した
パッケージは、半田付け時に樹脂部分にクラックが発生
したり、チップと樹脂の間に剥離が生じたりして、信頼
性が低下して製品として使用できないという問題がおこ
り得る。半田付け工程におけるクラックの発生は、後硬
化してから実装工程までの間に吸湿した水分が半田付け
加熱時に爆発的に水蒸気化、膨脹することに起因すると
いわれており、その対策として後硬化したパッケージを
完全に乾燥し密閉した容器に収納して出荷する方法がと
られている。

【０００５】一方、半導体などの電子部品は安全性確保
のためにＵＬ規格により難燃性の付与が義務づけられて
いる。このため封止用樹脂には通常、ブロム化合物およ
び三酸化アンチモンなどの難燃剤が添加されている。し
かし、難燃性を付与する目的で添加されたブロム化合物
およびアンチモン化合物などの難燃剤は、１５０〜２０
０℃の高温環境下で半導体が使用された場合の信頼性、
すなわち高温信頼性を低下する原因になる。

【０００６】更に封止樹脂の改良も種々検討されてい
る。例えば、半田耐熱性を改良する目的で、マトリック
ス樹脂にノボラック型エポキシ樹脂とフェノールアラル
キル樹脂を配合する方法（特開昭５３−２９９号公報、
特開昭５９−６７６６０号公報）、マトリックス樹脂に
ビフェニル型エポキシ樹脂とフェノールアラルキル樹脂
を用い充填剤を６０〜８５重量％配合する方法（特開平
３−２０７７１４号公報、特開平４−４８７５９号公
報、特開平４−５５４２３号公報）などが提案されてい
る。

【０００７】また、封止樹脂の耐湿性や耐熱性を改良す
るため、ハイドロタルサイト系化合物（特開昭６１−１
９６２５号公報）、四酸化アンチモンの添加（特開昭５
７−３２５０６号公報、特開平２−１７５７４７号公
報）が提案されている。しかし、乾燥パッケージを容器
に封入する方法は、製造工程および製品の取扱作業が繁
雑になる上、製品価格が高価になる欠点がある。

【０００８】また、種々の方法で改良された樹脂も、そ
れぞれ効果を上げてきているが、まだ十分ではない。マ
トリックス樹脂にノボラック型エポキシ樹脂とフェノー
ルアラルキル樹脂を配合する方法（特開昭５３−２９９
号公報、特開昭５９−６７６６０号公報）、マトリック
ス樹脂にビフェニル型エポキシ樹脂とフェノールアラル
キル樹脂を用い破砕系充填剤を６０〜８５重量％配合す
る方法（特開平３−２０７７１４号公報、特開平４−４
８７５９号公報、特開平４−５５４２３号公報）は、溶
融粘度が高く充填性に問題があるばかりか、半田付け工
程における樹脂部分のクラック防止においても十分なレ
ベルではなかった。

【０００９】高温信頼性は１５０〜２００℃の高温環境
下での半導体の機能を保証するもので、発熱量の大きい
半導体や自動車のエンジンまわりで使用する半導体など
では必須の性能である。難燃性を付与するために添加し
ているブロム化合物およびアンチモン化合物などの難燃
剤の分解が主原因で低下することがわかっている。この
ため、難燃性および高温信頼性ともに優れる半導体封止
用エポキシ樹脂組成物は得られていなかった。

【００１０】一方、封止樹脂の耐湿性を改良するため
に、ハイドロ化合物を添加する方法（特開昭６１−１９
６２５号公報）は、高温信頼性の向上には有効である
が、十分ではなく、さらに向上することが望まれてい
た。

【００１１】一方、封止樹脂の耐熱性を改良するため
に、四酸化アンチモンの添加（特開昭５７−３２５０６
号公報、特開平２−１７５７４７号公報）は、高温信頼
性の向上に効果がなかった。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、難燃
性および高温信頼性がともに優れる半導体封止用エポキ
シ樹脂組成物およびそれを用いた半導体装置を提供する
ことにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、マトリッ
クス樹脂として、もっとも好適にはジシクロペンタジエ
ン−フェノール骨格を有するエポキシ樹脂を用い、充填
剤を好ましくは８０〜９５重量％添加することに加え、
更に必要に応じてブロム化合物およびアンチモン化合物
の含有量を低減することにより、上記の課題を達成し、
目的に合致した半導体封止用エポキシ樹脂組成物がえら
れることを見出だし、本発明に達した。

【００１４】すなわち、本発明の樹脂組成物は、エポキ
シ樹脂（Ａ）、硬化剤（Ｂ）、充填剤（Ｃ）からなる組
成からなり、かつ、調製した組成物の硬化物の酸素指数
が４２％以上の樹脂組成物である。そして、前記エポキ
シ樹脂（Ａ）は次の一般式（Ｉ）

【化３】 （ただしｎは０または１である。Ｘはビシクロ構造を有
する２価の炭化水素基である。）で表される骨格を有す
るエポキシ樹脂（ａ）をその必須成分として含有し、か
つまた好ましくは、前記の充填剤（Ｃ）の割合が全体の
８０〜９５重量％、ブロム化合物の割合が全体の０．３
重量％以下、アンチモン化合物の割合が全体の０．３重
量％以下である半導体封止用エポキシ樹脂組成物であ
る。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の構成を詳述する。

【００１６】本発明におけるエポキシ樹脂（Ａ）は、上
記式（Ｉ）で表される骨格を有するエポキシ樹脂（ａ）
を必須成分として含有することが重要である。好ましく
は式（Ｉ）において、Ｘが下記（II）の構造を有するも
のである。

【化４】

【００１７】エポキシ樹脂（ａ）を含有しない場合は、
半田付け工程におけるクラック発生防止効果が発揮され
ないばかりか、十分な流動性や難燃性が得られない。

【００１８】本発明におけるエポキシ樹脂（Ａ）は上記
のエポキシ樹脂（ａ）とともにそのエポキシ（ａ）以外
の他のエポキシ樹脂をも併用して含有することができ
る。

【００１９】併用できる他のエポキシ樹脂としては、た
とえば、クレゾールノボラック型エポキシ樹脂、フェノ
ールノボラック型エポキシ樹脂、ビスフェノールＡやレ
ゾルシンなどから合成される各種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、直鎖状脂肪族
エポキシ樹脂、脂環式エポキシ樹脂、複素環式エポキシ
樹脂などがあげられる。

【００２０】エポキシ樹脂（Ａ）中に含有されるエポキ
シ樹脂（ａ）の割合は、成形時の流動性の点から、エポ
キシ樹脂（ａ）をエポキシ樹脂（Ａ）中に７０重量％以
上が好ましく、さらに好ましくは９０重量％以上含有せ
しめる。

【００２１】本発明において、エポキシ樹脂（Ａ）の配
合量は通常２〜７重量％が好ましく、さらに好ましくは
２〜５重量％である。エポキシ樹脂（Ａ）の配合量が２
重量％未満では成形性や接着性が不十分となることがあ
り好ましくない。

【００２２】本発明における硬化剤（Ｂ）は、エポキシ
樹脂（Ａ）と反応して硬化させるものであれば特に限定
されず、それらの具体例としては、たとえばフェノール
ノボラック樹脂、クレゾールノボラック樹脂、下記、一
般式（III ）で表されるフェノール化合物、

【化５】 （ただし、Ｒはそれぞれ異なっていてもよく、水素原子
または炭素数１〜４のアルキル基、ｍは０以上の整数を
示す。）ビスフェノールＡやレゾルシンから合成される
各種ノボラック樹脂、トリス（ヒドロキシフェニル）メ
タン、ジヒドロキシビフェニルなどの多種多価フェノー
ル化合物、無水マレイン酸、無水フタル酸、無水ピロメ
リット酸などの酸無水物およびメタフェニレンジアミ
ン、ジアミノジフェニルメタン、ジアミノジフェニルス
ルホンなどの芳香族アミンなどがあげられる。半導体封
止用としては、耐熱性、耐湿性および保存性の点から、
フェノール系硬化剤が好ましく用いられ、用途によって
は２種類以上の硬化剤を併用してもよい。

【００２３】本発明において、硬化剤（Ｂ）の配合量は
通常２〜７重量％が好ましく、さらに好ましくは２〜５
重量％である。さらには、エポキシ樹脂（Ａ）と硬化剤
（Ｂ）の配合比は、機械的性質および耐湿信頼性の点か
ら（Ａ）に対する（Ｂ）の化学当量比が０．５〜１．５
が好ましく、さらに０．８〜１．２の範囲にあることが
好ましい。

【００２４】また、本発明においてエポキシ樹脂（Ａ）
と硬化剤（Ｂ）の硬化反応を促進するため硬化触媒を用
いてもよい。硬化触媒は硬化反応を促進するものならば
特に限定されず、たとえば２−メチルイミダゾール、
２，４−ジメチルイミダゾール、２−エチル−４−メチ
ルイミダゾール、２−フェニルイミダゾール、２−フェ
ニル−４−メチルイミダゾール、２−ヘプタデシルイミ
ダゾールなどのイミダゾール化合物、トリエチルアミ
ン、ベンジルジメチルアミン、α−メチルベンジルジメ
チルアミン、２−（ジメチルアミノメチル）フェノー
ル、２，４，６−トリス（ジメチルアミノメチル）フェ
ノール、１，８−ジアザビシクロ（５，４，０）ウンデ
セン−７などの三級アミン化合物、ジルコニウムテトラ
メトキシド、ジルコニウムテトラプロポキシド、テトラ
キス（アセチルアセト）ジルコニウム、トリ（アセチル
アセト）アルミニウムなどの有機金属化合物およびトリ
フェニルホスフィン、トリメチルホスフィン、トリエチ
ルホスフィン、トリブチルホスフィン、トリ（ｐ−メチ
ルフェニル）ホスフィン、トリ（ノニルフェニル）ホス
フィンなどの有機ホスフィン化合物があげられる。なか
でも耐湿性の点から、有機ホスフィン化合物が好ましく
用いられる。これらの硬化触媒は、用途によっては２種
類以上を併用してもよく、その添加量はエポキシ樹脂
（Ａ）１００重量部に対して０．１〜１０重量部の範囲
が好ましい。

【００２５】本発明における充填剤（Ｃ）としては、結
晶性シリカ、溶融シリカ、炭酸カルシウム、炭酸マグネ
シウム、アルミナ、マグネシア、クレー、タルク、ケイ
酸カルシウム、酸化チタン、酸化アンチモン、アスベス
ト、ガラス繊維などがあげられるが、なかでも溶融シリ
カは線膨張係数を低下させる効果が大きく、低応力化に
有効なため好ましく用いられる。その製造法としては任
意の製造法をもちいることができる。

【００２６】溶融シリカの形状および粒径は特に限定さ
れないが、平均粒径３μｍ以上４０μｍ以下の球状溶融
シリカを充填剤（Ｃ）中に４０重量％以上が好ましく、
より好ましくは６０重量％以上が好ましく、さらに好ま
しくは９０重量％以上含有することが流動性の点から好
ましい。

【００２７】ここでいう平均粒径は、累積重量５０％に
なる粒径（メジアン系）を意味する。本発明において、
充填剤（Ｃ）の割合は成形性および低応力性の点から全
体の、８０〜９５重量％、８５〜９５重量％、８７〜９
５重量％の順に好ましく、さらに好ましくは８８〜９５
重量％である。

【００２８】本発明において、充填剤をシランカップリ
ング剤、チタネートカップリング剤などのカップリング
剤であらかじめ表面処理することが、信頼性の点で好ま
しい。カップリング剤としてエポキシシラン、アミノシ
ラン、メルカプトシランなどのシランカップリング剤が
好ましく用いられる。

【００２９】本発明においては、ブロム化合物が配合で
きる。通常半導体封止用エポキシ樹脂組成物に難燃剤と
して添加されるもので、特に限定されず、公知のものが
使用できる。

【００３０】ブロム化合物の好ましい具体例としては、
ブロム化ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、ブロム化フ
ェノールノボラック型エポキシ樹脂などのブロム化エポ
キシ樹脂、ブロム化ポリカーボネート樹脂、ブロム化ポ
リスチレン樹脂、ブロム化ポリフェニレンオキサイド樹
脂、テトラブロモビスフェノールＡ、デカブロモジフェ
ニルエーテルなどがあげられ、なかでも、ブロム化ビス
フェノールＡ型エポキシ樹脂、ブロム化フェノールノボ
ラック型エポキシ樹脂などのブロム化エポキシ樹脂が、
成形性の点から特に好ましく用いられる。

【００３１】ブロム化合物を含有する場合、その含有量
は、臭素原子に換算して０．１５重量％以下が高温信頼
性の点で好ましい。特に好ましくは０．０５重量％以下
である。本発明におけるアンチモン化合物は、通常半導
体封止用エポキシ樹脂組成物に難燃助剤として添加され
るもので、特に限定されず、公知のものが使用できる。
アンチモン化合物の好ましい具体例としては、三酸化ア
ンチモン、四酸化アンチモン、五酸化アンチモンがあげ
られる。アンチモン化合物を含有する場合、その含有量
は、全体の０．３重量％以下が高温信頼性の点で好まし
い。特に好ましくは０．１重量％以下である。またアン
チモン原子に換算すると０．２５重量％以下、さらに
０．０８重量％以下が好ましい。

【００３２】本発明のエポキシ樹脂組成物において、硬
化後の組成物の酸素指数を４２％以上とすることによ
り、難燃性および高温信頼性がとも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が可能となる。つ
まり、通常、封止用樹脂には、難燃性の付与のために難
燃剤が添加されているが、難燃剤は高温信頼性を低下さ
せる原因となっており、必要最低限の添加量とすること
が高温信頼性の観点から望ましく、酸素指数を４２％以
上とした場合は、難燃剤を添加しなくても十分な難燃性
を有する樹脂組成物を得ることができる。

【００３３】本発明のエポキシ樹脂組成物には、カーボ
ンブラック、酸化鉄などの着色剤、ハイドロタルサイト
などのイオン捕捉材、シリコーンゴム、オレフィン系共
重合体、変性ニトリルゴム、変性ポリブタジエンゴム、
変性シリコーンオイルなどのエラストマー、ポリエチレ
ンなどの熱可塑性樹脂、長鎖脂肪酸、長鎖脂肪酸の金属
塩、長鎖脂肪酸のエステル、長鎖脂肪酸のアミド、パラ
フィンワックスなどの離型剤および有機過酸化物などの
架橋剤を任意に添加することができる。

【００３４】本発明のエポキシ樹脂組成物は溶融混練す
ることが好ましく、たとえばバンバリーミキサー、ニー
ダー、ロール、単軸もしくは二軸の押出機およびコニー
ダーなどの公知の混練方法を用いて溶融混練することに
より製造される。

【００３５】ここで半導体装置とは、トランジスタやダ
イオード、抵抗、コンデンサーなどを半導体チップや基
板の上に集積し配線して作った電子回路（集積回路）の
ことをさし、広くは本発明のエポキシ樹脂組成物により
封止した電子部品をさす。

【００３６】

【実施例】以下、実施例により本発明を具体的に説明す
る。なお、実施例中の％は、重量％を示す。

【００３７】実施例１〜６、比較例１〜４ 表１に示した成分を、表２に示した組成比でミキサーに
よりドライブレンドした。表１においてジシクロペンタ
ジエン−フェノール重付加物のポリグリシジルエーテル
が本発明の一般式（Ｉ）の構造を有するものである。実
施例ではエポキシ当量２６４のものを用いた。また三酸
化アンチモンに対するアンチモン原子の含有量は、８３
重量％である。

【００３８】

【表１】 （ただし、ｎは０以上の整数を示し、ｎが１〜３である
成分を約９０重量％含む。）

【００３９】

【表２】

【００４０】これを、ロール表面温度９０℃のミキシン
グロールを用いて５分間加熱混練後、冷却・粉砕して半
導体封止用エポキシ樹脂組成物を製造した。

【００４１】この組成物を用い、低圧トランスファー成
形法により１７５℃×２分の条件で成形し、１８５℃×
５時間の条件でポストキュアーして次の物性測定法によ
り各組成物を測定した。 半田耐熱性：表面にAl蒸着し
た模擬素子を搭載したチップサイズ１２×１２mmの１６
０ｐｉｎＱＦＰ（クアッド・フラット・パッケージ）２
０個を成形し、８５℃／８５％ＲＴで所定時間加湿し、
外部クラック、内部クラックの発生数を調べた。

【００４２】吸水率：半田耐熱試験に用いる１６０ｐｉ
ｎＱＦＰでの吸水率を測定した。

【００４３】高温信頼性：半導体模擬素子を搭載した１
６ｐｉｎＤＩＰを用い、２００℃で高温信頼性を評価
し、累積故障率６３％になる時間を求め高温特性寿命と
した。

【００４４】難燃性試験：５”×１／２”×１／１６”
の燃焼試験片を成形、ポストキュアーし、ＵＬ９４規格
に従い難燃性を評価した。

【００４５】酸素指数：６．５×３．２×１２０ｍｍの
試験片を成形、ポストキュアーし、ＪＩＳ Ｋ７２０１
に従って、燃焼限界点における各ガス体積濃度を求め
た。

【００４６】 酸素指数（％）＝［酸素］／（［酸素］＋［窒素］） パッケージ充填性：半田耐熱試験に用いる１６０ｐｉｎ
ＱＦＰを、成形後に目視および顕微鏡を用いて観察し、
未充填、ピンホールの有無を調べた。

【００４７】表２にみられるように、本発明のエポキシ
樹脂組成物（実施例１〜６）は、半田耐熱性、難燃性、
高温信頼性、パッケージ充填性に優れている。これに対
して、充填剤（Ｃ）の添加量が８７％未満で、酸素指数
が４２％未満である比較例１は、半田耐熱性、難燃性、
パッケージ充填性が劣っている。

【００４８】また、ブロム化合物、アンチモン化合物の
含有率がそれぞれ本発明の０．３重量％以上の比較例２
は、高温信頼性が劣っている。

【００４９】本発明のエポキシ樹脂（ａ）を用いていな
い比較例３〜５は、組成物の酸素指数が低く、十分な難
燃性が得られないばかりか、半田耐熱性にも劣ってい
る。

【００５０】

【発明の効果】本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成
物で封止した半導体装置は、半田耐熱性に優れるのみな
らず、難燃性、高温信頼性にも優れている。

───────────────────────────────────────────────────── 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 (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 エポキシ樹脂（Ａ）、硬化剤（Ｂ）お
   よび充填剤（Ｃ）からなる樹脂組成物であって、前記エ
   ポキシ樹脂（Ａ）が次の一般式（Ｉ） 【化１】 （ただし、ｎは０または１、Ｘはビシクロ構造を有する
   ２価炭化水素基である。）で表される骨格を有するエポ
   キシ樹脂（ａ）を必須成分として含有し、さらに調製し
   た組成物の酸素指数が４２％以上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。
2. 【請求項２】 前記Ｘが 【化２】 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３】 前記充填剤（Ｃ）の割合が全体の８０
   〜９５重量％であることを特徴とする請求項１または２
   記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成物。
4. 【請求項４】 前記充填剤（Ｃ）の割合が全体の８５
   〜９５重量％であることを特徴とする請求項１または２
   記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成物。
5. 【請求項５】 前記充填剤（Ｃ）の割合が全体の８７
   〜９５重量％であることを特徴とする請求項１または２
   記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成物。
6. 【請求項６】 半導体封止用エポキシ樹脂組成物にお
   けるブロム化合物の含有量が全体の０．３重量％以下で
   ある請求項１〜４いずれかに記載の半導体封止用エポキ
   シ樹脂組成物。
7. 【請求項７】 エポキシ樹脂組成物におけるアンチモ
   ン化合物の含有量が全体の０．３重量％以下である請求
   項１〜６いずれかに記載の半導体封止用エポキシ樹脂組
   成物。
8. 【請求項８】 半導体封止用エポキシ樹脂組成物にお
   ける臭素原子の含有量が全体の０．１５重量％以下であ
   る請求項１〜７いずれかに記載の半導体封止用エポキシ
   樹脂組成物。
9. 【請求項９】 エポキシ樹脂組成物におけるアンチモ
   ン原子の含有量が全体の０．２５重量％以下である請求
   項１〜８いずれかに記載の半導体封止用エポキシ樹脂組
   成物。
10. 【請求項１０】請求項１〜９いずれかに記載された半導
    体封止用エポキシ樹脂組成物で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。