JPH1087962A - エポキシ樹脂組成物および半導体封止装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 耐湿性、半田耐熱性、薄肉部の充填性、耐金
型摩耗性に優れ、熱膨張係数が小さく、熱伝導率大で熱
放散性がよいエポキシ樹脂組成物および半導体封止装置
を提供するものである。 【解決手段】 （Ａ）四官能エポキシ樹脂、（Ｂ）ビフ
ェニル骨格を含むフェノール樹脂（Ｃ）メチルメタクリ
レート・ブタジエン・スチレン共重合樹脂および（Ｄ）
Ｓi Ｏ₂ 層による表面酸素濃度が 0.5〜15％で、平均粒
径が10〜50μｍの窒化ケイ素粉末を必須成分とし、組成
物に対して前記（Ｄ）窒化ケイ素粉末を25〜90重量％の
割合で含有してなるエポキシ樹脂組成物であり、このエ
ポキシ樹脂組成物の硬化物によって、半導体チップが封
止されてなる半導体封止装置である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、耐湿性、成形性、
半田耐熱性に優れ、特性バランスのよい、エポキシ樹脂
組成物および半導体封止装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、ダイオード、トランジスタ、集積
回路等の電子部品を熱硬化性樹脂を用いて封止する方法
が行われてきた。この封止樹脂は、ガラス、金属、セラ
ミックを用いたハーメチックシール方式に比較して経済
的に有利なため、広く実用化されている。封止樹脂とし
ては、熱硬化性樹脂の中でも信頼性と価格の点からエポ
キシ樹脂が最も一般的に用いられている。エポキシ樹脂
には、酸無水物、芳香族アミン、ノボラック型フェノー
ル樹脂等の硬化剤が用いられるが、これらのなかでもノ
ボラック型フェノール樹脂を硬化剤としたエポキシ樹脂
は、他の硬化剤を利用したものに比べて、成形性、信頼
性に優れ、毒性がなく、かつ安価であるため、半導体封
止用樹脂として広く使用されている。また、充填剤とし
ては、一般的に溶融シリカ粉末や結晶性シリカ粉末が前
述の硬化剤とともに使用されている。近年、半導体部品
の表面実装化とさらなる大電力化に伴い、熱放散性がよ
く、半田耐熱性、低応力の半導体封止樹脂の開発が要望
されてきた。

【０００３】しかしながら、ノボラック型フェノール樹
脂を硬化剤としたエポキシ樹脂と溶融シリカ粉末とから
なる樹脂組成物は、熱膨張係数が小さく、耐湿性がよ
く、また温寒サイクル試験によるボンディングワイヤの
オープン、樹脂クラック、ペレットクラック等に優れて
いるという特徴を有するものの、熱伝導率が小さいため
に熱放散性が悪く、消費電力の大きいパワー半導体で
は、その機能が果たせなくなるという欠点がある。一
方、ノボラック型フェノール樹脂を硬化剤としたエポキ
シ樹脂と結晶性シリカ粉末とからなる樹脂組成物は、結
晶性シリカ粉末の配合割合を上げると熱伝導率が大きく
なって、熱放散も良好となるが、熱膨張係数が大きく、
耐湿性に対する信頼性も悪くなるという欠点がある。さ
らにこの樹脂組成物から得られる封止品は、機械的特性
が低下し、また成形時に金型の摩耗が大きいという欠点
があった。従って結晶性シリカ粉末を用いる封止用樹脂
組成物の高熱伝導化にはおのずから限界があった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記の欠点
を解消するためになされたもので、耐湿性、半田耐熱
性、成形性、特に薄肉部の充填性、耐金型摩耗性に優
れ、熱膨張係数が小さく、熱伝導率、熱放散性がよく、
それらの特性バランスのとれた信頼性の高いエポキシ樹
脂および半導体封止装置を提供しようとするものであ
る。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明者は、上記の目的
を達成しようと鋭意研究を重ねた結果、特定のエポキシ
樹脂、特定のフェノール樹脂、特定の窒化ケイ素粉末を
用いることによって、上記目的が達成できることを見い
だし、本発明を完成したものである。

【０００６】即ち、本発明は、 （Ａ）次の一般式で示されるエポキシ樹脂、

【０００７】

【化５】 （但し、式中Ｒ¹ はＣ_l Ｈ_2l+1基を、l は0 又は1 以上
の整数を、n は1 以上の整数をそれぞれ表す） （Ｂ）次の一般式で示されフェノール樹脂、

【０００８】

【化６】 （但し、式中Ｒ⁵ はＣ_p Ｈ_2p+1基を、Ｒ⁶ はＣ_q Ｈ_2q+1
基をそれぞれ表し、各基におけるp 及びq 、並びにn は
0 又は1 以上の整数を表す） （Ｃ）メチルメタクリレート・ブタジエン・スチレン共
重合樹脂および （Ｄ）Ｓi Ｏ₂ 層による表面酸素濃度が 0.5〜15％で、
平均粒径が10〜50μｍの窒化ケイ素粉末を必須成分と
し、樹脂組成物に対して前記（Ｄ）の窒化ケイ素粉末を
25〜90重量％の割合で含有してなることを特徴とするエ
ポキシ樹脂組成物である。また、このエポキシ樹脂組成
物の硬化物によって、半導体チップが封止されてなるこ
とを特徴とする半導体封止装置である。

【０００９】以下、本発明を詳細に説明する。

【００１０】本発明に用いる（Ａ）エポキシ樹脂として
は、前記の化５で示されるものが使用される。具体的な
ものとして、例えば

【００１１】

【化７】

【００１２】

【化８】 が挙げられ、これらは単独又は混合して使用することが
できる。

【００１３】本発明に用いる（Ｂ）フェノール樹脂とし
ては、前記の一般式化６で示されるものが使用され、分
子構造、分子量等に特に制限されることなく広く包含さ
れる。具体的なものとして、例えば

【００１４】

【化９】 （但し、n は1 以上の整数を表す）

【００１５】

【化１０】 （但し、n は1 以上の整数を表す）等が挙げられ、これ
らは単独又は混合して使用することができる。

【００１６】また、フェノール、アルキルフェノール等
のフェノール類とホルムアルデヒドあるいはパラホルム
アルデヒドとを反応させて得られるノボラック型フェノ
ール樹脂およびこれらの変性樹脂を併用することができ
る。

【００１７】本発明に用いる（Ｃ）メチルメタクリレー
ト・ブタジエン・スチレン共重合樹脂は、メチルメタク
リレートとブタジエンとスチレンとの共重合体であっ
て、各々のモノマーの組成比率に限定されるものではな
い。このメチルメタクリレート・ブタジエン・スチレン
共重合樹脂の配合割合は、全体の樹脂組成物に対して0.
1 〜10重量％含有するように配合することが好ましい。
より好ましくは1.0 〜5.0 重量％の範囲内である。その
割合が0.1 重量％未満では弾性率に効果なく、また10重
量％を超えると成形性が悪く実用に適さない。

【００１８】本発明に用いる（Ｄ）窒化ケイ素粉末とし
ては、150 メッシュ篩上の粗粒分を除去したもので、平
均粒径が10〜50μｍであるものである。平均粒径が10μ
ｍ未満又は50μｍを超えると流動性、作業性に問題が生
じ好ましくない。特に粒径が150 メッシュ篩上の粗径が
ある場合は、成形時にワイヤーゲート詰まりやワイヤー
流れ、金型摩耗等が生じることがあり好ましくない。ま
た細径に過ぎると比表面積が増加して充填性が悪くなり
好ましくない。また窒化ケイ素の表面は加水分解によっ
てＳi Ｏ₂ 層を形成し、そのＳi Ｏ₂ 層による表面の酸
素濃度が、0.5〜15％の範囲であることが望ましい。酸
素濃度が0.5 ％未満では耐金型摩耗性に効果なく、耐湿
性が悪くなる。また15％を超えると熱伝導率、熱放散性
が低下し好ましくない。加水分解する窒化ケイ素として
は、三方晶系（α−Ｓi ₃ Ｎ₄ ）あるいは六方晶系（β
−Ｓi ₃ Ｎ₄ ）等が挙げられ、これらは単独又は2 種以
上混合して使用することができる。窒化ケイ素粉末の配
合割合は、全体の樹脂組成物に対して25〜90重量％の割
合で含有させる。その割合が25重量％未満では熱膨張係
数が大きくなるとともに、熱伝導率が小さくなり好まし
くない。また90重量％を超えるとカサバリが大きくなる
とともに、成形性が悪く実用に適さない。

【００１９】本発明のエポキシ樹脂組成物は、特定のエ
ポキシ樹脂、特定のフェノール樹脂、メチルメタクリレ
ート・ブタジエン・スチレン共重合樹脂および特定の窒
化ケイ素粉末を必須成分とするが、本発明の目的に反し
ない限度において、また必要に応じて、例えば天然ワッ
クス類、合成ワックス類、直鎖脂肪酸の金属塩、酸アミ
ド類、エステル類、パラフィン類等の離型剤、塩素化パ
ラフィン、ブロムトルエン、ヘキサブロムベンゼン、三
酸化アンチモン等の難燃剤、カーボンブラック、ベンガ
ラ等の着色剤、種々の硬化剤等を適宜添加配合すること
ができる。

【００２０】本発明のエポキシ樹脂組成物を成形材料と
して調製する場合の一般的方法は、前述した特定のエポ
キシ樹脂、特定のフェノール樹脂、メチルメタクリレー
ト・ブタジエン・スチレン共重合樹脂、特定の窒化ケイ
素粉末およびその他を所定の組成比に選択した原料成分
をミキサー等によって十分均一に混合した後、さらに熱
ロールによる溶融混合処理を行い、次いで冷却固化させ
適当な大きさに粉砕して成形材料とすることができる。
こうして得られた成形材料は、半導体装置をはじめとす
る電子部品或いは電気部品の封止・被覆・絶縁等に適用
すれば優れた特性と信頼性を付与させることができる。

【００２１】また、本発明の半導体封止装置は、上述の
成形材料を用いて半導体チップを封止することにより容
易に製造することができる。封止を行う半導体チップと
しては、例えば集積回路、大規模集積回路、トランジス
タ、サイリスタ、ダイオード等で特に限定されるもので
はない。封止の最も一般的な方法としては、低圧トラン
スファー成形法があるが、射出成形、圧縮成形、注形等
による封止も可能である。エポキシ樹脂組成物は封止の
際に加熱して硬化させ、最終的にはこの組成物の硬化物
によって封止された半導体封止装置が得られる。加熱に
よる硬化は、150 ℃以上に加熱して硬化させることが望
ましい。

【００２２】本発明は、エポキシ樹脂組成物において、
特定のエポキシ樹脂、特定のフェノール樹脂、メチルメ
タクリレート・ブタジエン・スチレン共重合樹脂および
特定の窒化ケイ素粉末を用いたことによって、耐湿性、
成形性、耐金型摩耗性に優れ、熱膨張係数が小さく、熱
伝導率、熱放散性がよく、それらの特性バランスのとれ
た信頼性の高い樹脂組成物とすることができ、この樹脂
組成物を用いることによって信頼性の高い半導体装置を
製造することができる。

【００２３】

【発明の実施の形態】次に本発明を実施例によって説明
するが、本発明はこれらの実施例によって限定されるも
のではない。以下の実施例および比較例において「％」
とは「重量％」を意味する。

【００２４】実施例１ 前記の化７に示したエポキシ樹脂12.5％、前記の化９に
示したフェノール樹脂11.5％、六方晶系窒化ケイ素粉末
（150 メッシュ篩上の粗粒分を除去した平均粒径17μ
ｍ、表面酸素濃度7 ％）71％、メチルメタクリレート・
ブタジエン・スチレン共重合樹脂2 ％および離型剤等3
％を常温で混合し、さらに90〜95℃で混練冷却した後、
粉砕して成形材料を製造した。

【００２５】実施例２ 実施例１で用いた六方晶系窒化ケイ素粉末の代わりに三
方晶系窒化ケイ素粉末（150 メッシュ篩上の粗粒分を除
去した平均粒径17μｍ、表面酸素濃度7 ％）31％と結晶
性シリカ粉末（平均粒径38μｍ）40％との混合粉末を用
いた以外は、全て実施例１と同一にして成形材料を製造
した。

【００２６】比較例１ クレゾールノボラックエポキシ樹脂（エポキシ当量215
）18％、ノボラック型フェノール樹脂（フェノール当
量107 ）8 ％、六方晶系窒化ケイ素粉末（150 メッシュ
篩上の粗粒分を除去した平均粒径17μｍ）71％および離
型剤等3 ％を常温で混合し、実施例１と同様にして成形
材料を製造した。

【００２７】比較例２ 比較例１において六方晶系窒化ケイ素粉末の代わりに、
六方晶系窒化ケイ素粉末（60メッシュを通過した平均粒
径60μｍ）を用いた以外は、全べて比較例１と同一にし
て成形材料を製造した。

【００２８】実施例１〜２及び比較例１〜２で製造した
成形材料を用いて半導体チップを封止し、 170℃に加熱
硬化させて半導体封止装置を製造した。成形材料及び半
導体封止装置について、諸試験を行ったのでその結果を
表１に示したが、本発明のエポキシ樹脂組成物および半
導体封止装置は、熱的特性がよく、耐湿性、半田耐熱
性、成形性に優れており、本発明の顕著な効果を確認す
ることができた。

【００２９】

【表１】 ＊1 ：トランスファー成形によって直径50ｍｍ、厚さ3 ｍｍ の成形品を作り、 これを127 ℃， 2.5気圧の飽和水蒸気中に24時間放置し、増加した重量によって 測定した。 ＊2 ：吸水率の場合と同様な成形品を作り、175 ℃，8 時間の後硬化を行い、適 当な大きさの試験片とし、熱機械分析装置を用いて測定した。 ＊3 ：ＪＩＳ−Ｋ−６９１１に準じて試験した。 ＊4 ：半導体封止装置を、迅速熱伝導計（昭和電工社製、商品名ＱＴＭ−ＭＤ） を用いて室温で測定した。 ＊5 ：120 キャビティ取り１６ピンＰ金型を用いて、成形材料を170 ℃で3 分間 トランスファー成形し、充填性を評価した。○印…良好、×印…不良。 ＊6 ：成形材料を用いて、2 本以上のアルミニウム配線を有するシリコン製チッ プを、通常の42アロイフレームに接着し、175 ℃，2 分間トランスファー成形し た後、175 ℃，8 時間の後硬化を行った。こうして得た成形品を、予め40℃，95 ％ＲＨ，100 時間の吸湿処理した後、250 ℃の半田浴に10秒間浸漬した。その後 、127 ℃， 2.5気圧の飽和水蒸気中でＰＣＴを行い、アルミニウムの腐蝕による 50％断線不良を起こす時間によって評価した。 ＊7 ：8 ×8 ｍｍ ダミーチップをＱ−ＦＰ（14×14× 1.4ｍｍ）パッケージに 納め、成形材料を用いて175 ℃，2 分間トランスファー成形した後、175 ℃，8 時間の後硬化を行った。こうして得た半導体封止装置を85℃，85％，24時間の吸 湿処理した後、240 ℃の半田浴に 1分間浸漬した。その後、実体顕微鏡でパッケ ージ表面を観察し、外部樹脂クラックの発生の有無を評価した。 ＊8 ：成形材料をプレヒートし、径0.5 ｍｍ の硬質クロムメッキ材料流動穴を 設けた金型により、175 ℃でトランスファー成形を行う。穴径が5 ％摩耗したと きのショット数によって評価した。

【００３０】

【発明の効果】以上の説明および表１から明らかなよう
に、本発明のエポキシ樹脂組成物および半導体封止装置
は、樹脂組成物の耐湿性、半田耐熱性、成形性特に薄肉
部の充填性に優れ、また耐金型摩耗性に優れ、熱膨張係
数が小さく、熱伝導率、熱放散性がよく、それらの特性
バランスのとれたもので、信頼性の高い半導体封止装置
が製造できたものである。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 （Ａ）次の一般式に示されるエポキシ樹
   脂、 【化１】 （但し、式中Ｒ¹ はＣ_l Ｈ_2l+1基を、l は0 又は1 以上
   の整数を、n は1 以上の整数をそれぞれ表す） （Ｂ）次の一般式に示されるフェノール樹脂、 【化２】 （但し、式中Ｒ⁵ はＣ_p Ｈ_2p+1基を、Ｒ⁶ はＣ_q Ｈ_2q+1
   基をそれぞれ表し、各基におけるp 及びq 、並びにn は
   0 又は1 以上の整数を表す） （Ｃ）メチルメタクリレート・ブタジエン・スチレン共
   重合樹脂および （Ｄ）Ｓi Ｏ₂ 層による表面酸素濃度が 0.5〜15％で、
   平均粒径が10〜50μｍの窒化ケイ素粉末を必須成分と
   し、全体の樹脂組成物に対して前記（Ｄ）の窒化ケイ素
   粉末を25〜90重量％の割合で含有してなることを特徴と
   するエポキシ樹脂組成物。
2. 【請求項２】 （Ａ）次の一般式に示されるエポキシ樹
   脂、 【化３】 （但し、式中Ｒ¹ はＣ_l Ｈ_2l+1基を、l は0 又は1 以上
   の整数を、n は1 以上の整数を、それぞれ表す） （Ｂ）次の一般式に示されるフェノール樹脂、 【化４】 （但し、式中Ｒ⁵ はＣ_p Ｈ_2p+1基を、Ｒ⁶ はＣ_q Ｈ_2q+1
   基をそれぞれ表し、各基におけるp 及びq 、並びにn は
   0 又は1 以上の整数を表す） （Ｃ）メチルメタクリレート・ブタジエン・スチレン共
   重合樹脂および （Ｄ）Ｓi Ｏ₂ 層による表面酸素濃度が 0.5〜15％で、
   平均粒径が10〜50μｍの窒化ケイ素粉末を必須成分と
   し、樹脂組成物に対して前記（Ｄ）の窒化ケイ素粉末を
   25〜90重量％の割合で含有してなることを特徴とするエ
   ポキシ樹脂組成物の硬化物によって、半導体チップが封
   止されてなることを特徴とする半導体封止装置。