JP2000273280A

JP2000273280A - エポキシ樹脂組成物及び半導体装置

Info

Publication number: JP2000273280A
Application number: JP11083820A
Authority: JP
Inventors: Nobutaka Takasu; 信孝高須
Original assignee: Sumitomo Bakelite Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Bakelite Co Ltd
Priority date: 1999-03-26
Filing date: 1999-03-26
Publication date: 2000-10-03

Abstract

(57)【要約】【課題】薄型半導体装置への充填性と離型性に優れ、
且つ半導体装置の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】一般式（１）で示されるエポキシ樹脂、
フェノール樹脂、溶融シリカ粉末、及び硬化促進剤、特
に好適にはアミジン化合物、グアニジン化合物、イミダ
ゾール化合物からなる群から選択される少なく一個以上
を必須成分とする半導体封止用エポキシ樹脂組成物にお
いて、総フェノール樹脂のフェノール性水酸基数に対す
る総エポキシ樹脂のエポキシ基数の比率が１．１〜１．
３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。【化１】（式中、Ｒは、水素、炭素数１から９までのアルキル
基、又はハロゲン原子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。ｎは平均値で、
１〜５の正数）

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、特に薄型半導体パッケージに好適な半導体封止
用エポキシ樹脂組成物、及びこ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】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が低コ
スト、大量生産に適しており、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
の改良により特性の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
出来ない問題点も出てきている。その最大の問題点は、
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に気化する際の応力により、半導体
装置にクラックが発生したり、チップ、リードフレー
ム、インナーリード上の各種メッキされた各接合部分と
樹脂組成物の硬化物の界面で、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、例えば、６４Ｍ、２５６ＭＤＲＡＭ用のパ
ッケージは、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、成形時の充填性が良好
で、金線変形が少なく、チップ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）がない樹脂
組成物が要求され、そのためエポキシ樹脂組成物は、成
形時の流動性に優れることが必要である。半田処理によ
る信頼性低下の改善と、成形時の流動性向上を両立する
ために、エポキシ樹脂組成物中の溶融シリカ粉末の充填
量を増加させることで低吸湿化、高強度化、低熱膨張化
を達成し耐半田性を向上させるとともに、低溶融粘度の
樹脂を使用して、成形時に低粘度で高流動性を維持させ
る手法が一般的となりつつある。一方、半田処理による
信頼性において、エポキシ樹脂組成物の硬化物と半導体
パッケージ内部に存在する半導体素子やリードフレーム
等の基材との界面の接着性は非常に重要になってきてい
る。この界面の接着力が弱いと半田処理後の基材との界
面で剥離が生じ、更にはこの剥離に起因するパッケージ
クラックが発生する。界面の接着力向上の観点から、エ
ポキシ樹脂も多くの構造が提案されているが、特に式
（１）のエポキシ樹脂はその可撓性、低吸湿性において
特徴があり、本用途に好適であることが知られている
（特開平８−１４３６４８号公報など）。

【０００４】しかしながら、式（１）のエポキシ樹脂と
低分子量のフェノール樹脂を硬化剤として用いた樹脂組
成物では、成形温度での溶融粘度が低いという特徴はあ
るが、一方、エポキシ基密度が低く可撓性を有する式
（１）のエポキシ樹脂と低分子量フェノール樹脂の組み
合わせという官能基数の限界により硬化物のガラス転移
温度が低くなるという欠点を有する。このため成形時の
硬化が遅く、従って熱時硬度が低く、離型の際に成形品
が金型に付着したり、成形品が破損するといった現象が
みられ、これらの成形作業性改善のため、ガラス転移温
度を高くする必要性が指摘されている。又、これらの樹
脂組成物の成形品は、半田処理の温度での機械的強度が
低いことから、気化・膨張した水分の蒸気圧による発生
応力に耐える充分な強度を得るため、更にガラス転移温
度の向上が望まれている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、薄型半導体
装置への充填性が良好で、金線変形、チップシフト、及
びダイパッドシフトの少ない、即ち成形時高流動性の特
徴を有し、しかも成形時の離型性及び硬化物の耐半田性
にも優れる樹脂組成物の開発を目的としてなされたもの
である。

【０００６】

【課題を解決するための手段】即ち、本発明は、（Ａ）
一般式（１）で示されるエポキシ樹脂、（Ｂ）フェノー
ル樹脂、（Ｃ）溶融シリカ粉末、及び（Ｄ）硬化促進
剤、特に好適な硬化促進剤としてアミジン化合物、グア
ニジン化合物、イミダゾール化合物からなる群から選択
される少なくとも一個以上を必須成分とする半導体封止
用エポキシ樹脂組成物において、（Ｂ）フェノール樹脂
のフェノール性水酸基数に対する（Ａ）エポキシ樹脂の
エポキシ基数の比率が１．１〜１．３である半導体封止
用エポキシ樹脂組成物、及びこれを用いて半導体素子を
封止してなる半導体装置である。

【化２】（式（１）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、ｎは
平均値で、１〜５の正数）

【０００７】

【発明の実施の形態】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、式（１）で示され
るエポキシ樹脂である。一般式（１）で示されるエポキ
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３】

【０００８】これらのエポキシ樹脂は、１分子中にエポ
キシ基を２個以上有するエポキシ化合物であり、エポキ
シ基間に疎水性構造を有することを特徴とする。フェノ
ール樹脂との硬化物は架橋密度が低く、かつ疎水性の構
造を多く有することから吸湿率が低いため、エポキシ樹
脂組成物の成形時の熱応力あるいは成形品である半導体
装置の吸湿後の半田処理における発生熱応力を低減し、
基材との密着性に優れる。一方、エポキシ基間の疎水性
構造は剛直なビフェニル骨格であることから、架橋密度
が低い割には耐熱性の低下が少ないという特徴を有す
る。

【０００９】本発明に用いられるエポキシ樹脂は、更に
他のエポキシ樹脂と併用しても差し支えない。併用可能
なエポキシ樹脂としては、エポキシ基を有するモノマ
ー、オリゴマー、ポリマー全般を指し、例えば、ビフェ
ニル型エポキシ樹脂、スチルベン型エポキシ樹脂、ハイ
ドロキノン型エポキシ樹脂、ビスフェノールＦ型エポキ
シ樹脂などの結晶性エポキシ樹脂、ビスフェノールＡ型
エポキシ樹脂、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変性フェノール型エポキシ
樹脂、トリフェノールメタン型エポキシ樹脂、ナフトー
ル型エポキシ樹脂等が挙げられる。又、これらのエポキ
シ樹脂は、単独もしくは混合して用いても差し支えな
い。特にエポキシ樹脂組成物の溶融シリカ粉末の充填量
を高めるためには、室温では結晶性を示し、成形温度に
おいては溶融粘度が極めて低下する上記結晶性エポキシ
樹脂が好ましい。

【００１０】本発明に用いられる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、クレゾールノボラック樹脂、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
フェノールメタン等が挙げられるが、これらに限定され
るものではない。樹脂組成物の硬化物の低吸湿性や基材
との密着性の向上のためには水酸基当量が１３０〜２１
０の範囲のフェノール樹脂が特に好適である。

【００１１】本発明に用いられる溶融シリカ粉末として
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等が挙げられる。又、その形
状・製法により球状シリカと破砕シリカがある。溶融シ
リカ粉末の配合量としては、全樹脂組成物中に７５〜９
３重量％が好ましい。７５重量％未満だと、樹脂組成物
の硬化物の吸湿量が増大し、しかも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、球状のものが好ましい。又、粒度分布としては広い
ものが、成形時の樹脂組成物の溶融粘度を低減するため
に有効である。

【００１２】本発明に用いられる硬化促進剤は、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が、特に好適な硬化促進剤
はアミジン化合物、グアニジン化合物、及びイミダゾー
ル化合物からなる群から選ばれる一種以上である。これ
らの化合物は、前記エポキシ樹脂とフェノール樹脂との
架橋反応を促進するとともに、更にその塩基性の強さか
らエポキシ樹脂中のエポキシ基同士の開環重合の開始触
媒としても作用することが特徴である。アミジン化合物
としては、例えば、１，８−ジアザビシクロ（５，４，
０）ウンデセン−７、１，５−ジアザビシクロ（４，
３，０）ノネン−５、６−ジブチルアミノ−１，８−ジ
アザビシクロ（５，４，０）ウンデセン−７等が、グア
ニジン化合物としては、例えば、１，５，７−トリアザ
ビシクロ（４，４，０）デセン−５、７−メチル−１，
５，７−トリアザビシクロ（４，４，０）デセン−５、
ペンタメチルグアニジン、テトラメチルグアニジン等
が、又、イミダゾール化合物としては、例えば、２−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−４−メチル−イミダゾール等が挙
げられるが、これらに限定されるものではない。又、上
記群の化合物は、無機酸或いは有機酸との塩の形でも使
用できる。又、これらは単独でも混合して用いても差し
支えない。

【００１３】本発明の樹脂組成物では、総フェノール樹
脂のフェノール性水酸基数に対する総エポキシ樹脂のエ
ポキシ基数の比率が１．１〜１．３の範囲にあることが
重要である。一般式（１）のエポキシ樹脂は低吸湿性、
可撓性のために、半導体装置の半田処理後の基材とエポ
キシ樹脂組成物の硬化物との界面の接着性が良好であ
り、又耐半田クラック性にも優れることは既に述べたと
おりであるが、一方、成形時の硬化性に劣る欠点があ
る。特に反応点であるエポキシ基の間に剛直なビフェニ
ル構造が存在するために立体障害の影響があるものと推
定されるが、エポキシ樹脂組成物中の全ての反応基の反
応が完結しにくいため、エポキシ基と水酸基の比率を
１：１で配合したエポキシ樹脂組成物の場合は、成形後
にエポキシ基及び水酸基が残ってしまう傾向が強い。硬
化物中に残存する反応基のうち、フェノール性水酸基が
残存すると、吸湿率が高く、又曲げ強度等の機械特性が
低下するため、半導体装置の耐半田性が低い結果とな
る。そこで、エポキシ樹脂のエポキシ基とフェノール樹
脂の水酸基との官能基数をエポキシ基過剰にすることに
より、エポキシ樹脂組成物の硬化性の向上が図れるとと
もに、硬化物中のフェノール性水酸基の残存率をほぼゼ
ロにすることが可能となり、吸湿特性、機械特性の低下
を防止することができる。総フェノール樹脂のフェノー
ル性水酸基数に対する総エポキシ樹脂のエポキシ基数の
比率が１．１より小さいとこの効果が得られず、一方
１．３より大きいと逆に架橋密度が小さくなりすぎて、
硬化性や耐熱性を損なう。なお、硬化物中に残存した過
剰なエポキシ基は半導体素子やリードフレームなどの基
材との接着性向上に効果があるため、上記範囲内であれ
ば好ましい結果を与える。

【００１４】更に、総フェノール樹脂のフェノール性水
酸基数に対する総エポキシ樹脂のエポキシ基数の比率が
１．１〜１．３の範囲にあり、かつ硬化促進剤としてア
ミジン化合物、グアニジン化合物、及びイミダゾール化
合物からなる群から選ばれる一種以上を使用すると、エ
ポキシ基がフェノール性水酸基と付加反応すると同時
に、エポキシ基同士の開環重合も行い、硬化性の更なる
向上と硬化物のガラス転移温度を高くすることができ
る。エポキシ基同士の開環重合により樹脂組成物の硬化
物の架橋密度が向上し、ガラス転移温度が高くなるた
め、成形時の離型性に優れ、又、半田処理時の機械的強
度の上昇による耐半田性の向上も図ることができる。更
に、エポキシ基同士の開環重合では、フェノール性水酸
基との付加反応の場合と異なり、反応後に水酸基が生成
しないため、硬化物の吸湿率を低減できるという特徴も
有する。

【００１５】本発明の樹脂組成物は、（Ａ）〜（Ｄ）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、天然ワックス及び合成ワックス等の離型剤
等が適宜配合可能である。本発明の樹脂組成物は、
（Ａ）〜（Ｄ）成分、及びその他の添加剤等を、ミキサ
ー等を用いて混合後、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。

【００１６】以下、本発明を実施例で具体的に説明す
る。配合単位は重量部とする。実施例１式（２）のエポキシ樹脂（エポキシ当量２７０、軟化点６０℃）７．６重量部

【化４】

【００１７】フェノールアラルキル樹脂（三井化学（株）・製ＸＬ２２５−ＬＬ、軟化点７５℃、水酸基当量１７５；以下フェノールアラルキル樹脂という）４．４重量部球状溶融シリカ粉末８７．０重量部トリフェニルホスフィン０．２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重量部をミキサーを用いて混合した後、表面温度が９０℃と４
５℃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、樹脂組成物を得た。得られ
た樹脂組成物を以下の方法で評価した。結果を表１に示
す。

【００１８】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。
単位はｃｍ。離型性：５０ピンのリードオンチップ構造のＴＳＯＰ
（パッケージサイズは、１０×２１ｍｍ、厚み１．０ｍ
ｍ、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、金型温度１７５℃、成形圧力７５
ｋｇ／ｃｍ²、硬化時間２分でトランスファー成形し
た。成形後、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。熱時硬度：前記５０ピンリードオンチップ構造のＴＳＯ
Ｐを成形後、金型が開いてから１０秒後に、バーコル＃
９３５硬度計を用いてパッケージ表面の硬度を測定し
た。ガラス転移温度（Ｔｇ）：金型温度１７５℃、射出圧力
７５ｋｇ／ｃｍ²、硬化時間２分でトランスファー成形
したテストピースを、更に１７５℃、４時間で後硬化さ
せ、熱機械分析装置〔セイコー電子（株）・製ＴＭＡ−
１２０、昇温速度５℃／分〕を用いて測定した。単位は
℃。熱時強度：２４０℃での曲げ強さをＪＩＳ−Ｋ６９１１
に準じて測定した。単位はｋｇｆ／ｍｍ²。耐半田性：１００ピンＴＱＦＰ（パッケージサイズは１
４×１４ｍｍ、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４２アロイ
製）を、金型温度１７５℃、射出圧力７５ｋｇ／ｃ
ｍ²、硬化時間２分でトランスファー成形し、１７５
℃、８時間で後硬化させた。得られた半導体パッケージ
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
鏡で外部クラックを観察し、クラック数（（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）として、５個のパッケ
ージの平均値を求め、％で表示した。

【００１９】実施例２〜５、比較例１〜４表１に示す割合で各成分を配合し、実施例１と同様にし
て樹脂組成物を得、実施例１と同様にして評価した。結
果を表１に示す。なお、実施例２〜５、比較例１〜４で
用いたエポキシ樹脂の性状を以下に示す。式（３）を主
成分とするエポキシ樹脂（エポキシ当量１９５、融点１
０５℃）、式（４）を主成分とするエポキシ樹脂（エポ
キシ当量２００、軟化点６５℃）、式（５）のフェノー
ル樹脂（水酸基当量１９５、軟化点７０℃）。構造式
（３）〜（５）を以下に示す。

【化５】

【００２０】

【化６】

【００２１】

【化７】

【００２２】

【表１】

【００２３】

【発明の効果】本発明の樹脂組成物を用いると、薄型半
導体装置への充填性と離型性に優れ、且つ封止された半
導体装置は、熱時強度、低吸湿性に優れるため、吸湿後
の耐半田性に優れる。

───────────────────────────────────────────────────── 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）Ｈ０１Ｌ 23/29 Ｈ０１Ｌ 23/30 Ｒ 23/31

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】（Ａ）一般式（１）で示されるエポキシ
樹脂、（Ｂ）フェノール樹脂、（Ｃ）溶融シリカ粉末、
及び（Ｄ）硬化促進剤を必須成分とする半導体封止用エ
ポキシ樹脂組成物において、総フェノール樹脂のフェノ
ール性水酸基数に対する総エポキシ樹脂のエポキシ基数
の比率が１．１〜１．３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。【化１】（式（１）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、ｎは
平均値で、１〜５の正数）
【請求項２】（Ｄ）硬化促進剤がアミジン化合物、グア
ニジン化合物、イミダゾール化合物からなる群から選択
される少なくとも一種以上である請求項１記載の半導体
封止用エポキシ樹脂組成物。
【請求項３】請求項１、及び２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。