(57)【要約】【課題】有機リン系化合物を用いて、耐湿信頼性や耐リフロー性を確保しながら高い難燃性を付与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。【解決手段】１分子中に２個以上のグリシジル基を持つエポキシ樹脂、１分子中に２個以上のフェノール性水酸基を持つフェノール樹脂硬化剤、硬化促進剤、無機充填材、及び式（１）に示す難燃剤を含有するエポキシ樹脂組成物。そして式（１）の難燃剤をエポキシ樹脂組成物中に０．１質量％以上、３質量％未満の範囲で含有する。式（１）に示す有機リン化合物は赤燐や有機リン酸エステル化合物よりも高温高湿時の安定性に優れており、加水分解を受け難く水分が存在してもリン酸イオンの発生がない。【化１】2004027007.tif 000006【選択図】　　　なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
１分子中に２個以上のグリシジル基を持つエポキシ樹脂、１分子中に２個以上のフェノール性水酸基を持つフェノール樹脂硬化剤、硬化促進剤、無機充填材、及び式（１）に示す化合物を含有するエポキシ樹脂組成物であって、式（１）の化合物をエポキシ樹脂組成物中に０．１質量％以上、３質量％未満の範囲で含有して成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】
2004027007.tif 000005
【請求項２】
半導体素子を請求項１に記載のエポキシ樹脂組成物で封止して成ることを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子の封止に用いられるエポキシ樹脂組成物、及びこのエポキシ樹脂組成物を用いて得られる半導体装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＩＣ等の半導体素子を樹脂封止して得られる半導体装置において、封止用エポキシ樹脂組成物の難燃化のために従来から、ブロム化エポキシ樹脂や、三酸化アンチモンを代表例とするアンチモン化合物が用いられている。ところが近年、環境対応化がクローズアップされるなか、環境に悪影響を及ぼすおそれのある化合物を排除する動きがあり、半導体の封止用エポキシ樹脂組成物においてもこれらハロゲン系やアンチモン系の難燃剤を使用しない配合が望まれている。
【０００３】
ハロゲン化合物やアンチモン化合物を使用しないで封止用エポキシ樹脂組成物を難燃化する方法としては、無機充填材を高充填する方法、赤燐を添加する方法、リン酸エステルなどの有機リン化合物を添加する方法、水酸化アルミニウムや水酸化マグネシウムなどの金属水酸化物を添加する方法などがある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記の方法で難燃化したエポキシ樹脂組成物で半導体素子の封止を行なった場合、これらは従来のハロゲン化合物やアンチモン化合物で難燃化したエポキシ樹脂組成物に比べて、次のような種々の問題を有するものであった。
【０００５】
すなわち、無機充填材を高充填してエポキシ樹脂組成物の難燃化をする方法は、無機充填材を９０質量％程度充填することによって難燃化を達成することができ、薄型半導体パッケージなど一部の半導体装置の封止材料として有用であるが、エポキシ樹脂組成物の流動性を確保することが困難であり、厚型半導体パッケージでは内部にボイドが発生するなど成形性が悪く、封止材料として汎用性に欠けるという問題がある。
【０００６】
また赤燐をエポキシ樹脂組成物に添加して難燃化する方法では、水分が存在するとリン酸イオンが発生し、半導体素子の回路やボンディングパッド部、ボンディングパッド部と金ワイヤーとの接続部が腐食され易く、耐湿信頼性が悪くなるという問題がある。このために赤燐の粒子の表面に熱硬化性樹脂や水酸化アルミニウムなどの無機物をコーティングして耐湿信頼性を向上することが行なわれているが、十分な効果を得ることは難しい。さらに最近、赤燐の微粒子が回路間や金ワイヤーとの間に存在すると、その大きさによっては回路間や金ワイヤーとの間の絶縁性が不十分になることが問題になっている。
【０００７】
また、水酸化アルミニウムや水酸化マグネシウムなどの金属水酸化物をエポキシ樹脂組成物に添加して難燃化する方法では、金属水酸化物は難燃化効率が悪いので、通常は１０質量％以上を添加する必要があるが、金属水酸化物は粒子が数μｍと小さく、層状構造をとるため、エポキシ樹脂組成物の流動性が大幅に低下し、成形性に問題がある。
【０００８】
さらにリン酸エステルなどの有機リン化合物をエポキシ樹脂組成物に添加して難燃化する方法では、加湿時に有機リン化合物が加水分解され、リン酸イオンを発生して上記の赤燐を用いる場合と同様に半導体素子の耐湿信頼性を低下させるという問題がある。また有機リン化合物の添加によって封止材料の吸湿率が増加し、吸湿後のリフロー実装時にパッケージ内部にクラックが発生したり、半導体素子やリードフレームと封止材料の界面が剥離するという問題が生じ易い。
【０００９】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、有機リン系化合物を用いて、耐湿信頼性や耐リフロー性を確保しながら高い難燃性を付与することができる半導体封止用エポキシ樹脂組成物及び半導体装置を提供することを目的とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る半導体封止用エポキシ樹脂組成物は、１分子中に２個以上のグリシジル基を持つエポキシ樹脂、１分子中に２個以上のフェノール性水酸基を持つフェノール樹脂硬化剤、硬化促進剤、無機充填材、及び式（１）に示す難燃剤を含有するエポキシ樹脂組成物であって、式（１）の難燃剤をエポキシ樹脂組成物中に０．１質量％以上、３質量％未満の範囲で含有して成ることを特徴とするものである。
【００１１】
【化２】
2004027007.tif 000002
【００１２】
また請求項２の発明は、半導体素子を請求項１に記載のエポキシ樹脂組成物で封止して成ることを特徴とするものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
【００１４】
本発明は難燃剤として上記の式（１）に示す有機リン化合物を用いるものであり、式（１）においてＸが水素のトリフェニルホスフィンオキサイドとして、あるいはＸが水酸基のジフェニルホスフォニルハイドロキノンとして用いることができる。トリフェニルホスフィンオキサイドとジフェニルホスフォニルハイドロキノンはそれぞれ単独で用いてもよく、両者を併用してもよい。
【００１５】
式（１）に示す有機リン化合物は赤燐や有機リン酸エステル化合物よりも高温高湿時の安定性に優れており、加水分解を受け難い。このために水分が存在してもリン酸イオンの発生がなく、半導体素子の耐湿信頼性を大幅に向上することができるものである。またこの式（１）に示す有機リン化合物を含有するエポキシ樹脂組成物の封止成形物の吸湿率は、有機リン酸エステル化合物を含有する場合よりも小さく、半導体装置の吸湿後のリフロー時にパッケージ内部にダメージを受け難くすることができるものである。なかでもトリフェニルホスフィンオキサイドは、これらの傾向が大きい。
【００１６】
またジフェニルホスフォニルハイドロキノンを用いる場合は、ジフェニルホスフォニルハイドロキノンは硬化時にエポキシ樹脂と反応するため、マトリクス樹脂中にリン元素を均一に導入することができるものであり、封止成形して得られた成形物の耐熱性や機械的特性の低下を引き起こし難く、さらにこのようにエポキシ樹脂と反応するために成形物の表面にブリードしないという特長がある。
【００１７】
式（１）に示す有機リン化合物の配合量は、エポキシ樹脂組成物全量に対して０．１質量％以上、３質量％未満に設定されるものである。シリカなどの無機充填材を含有するエポキシ樹脂組成物において、無機充填材の配合量が多い程、難燃剤の使用量は少なくても済むので、無機充填材の配合量に応じてこの範囲で式（１）に示す有機リン化合物を適量使用することができるものである。式（１）に示す有機リン化合物がエポキシ樹脂組成物全量に対して０．１質量％未満であると、難燃効果を十分に得ることが困難になる。逆に式（１）に示す有機リン化合物がエポキシ樹脂組成物全量に対して３質量％以上であると、エポキシ樹脂組成物を封止成形した成形物の吸湿率が増大し、またエポキシ樹脂組成物の硬化物性に悪影響が生じ、半導体素子の耐湿信頼性が低下すると共に、半導体装置の実装時の耐リフロー性に大きな影響を及ぼすおそれがある。
【００１８】
式（１）に示す有機リン化合物の配合方法は、各種の原料を配合してエポキシ樹脂組成物を調製する際に同時に添加して分散する方法や、予めエポキシ樹脂又はフェノール樹脂硬化剤に溶融混合しておく方法などがあるが、いずれの方法でもよい。式（１）に示す有機リン化合物がＸ＝ＯＨのジフェニルホスフォニルハイドロキノンのときには、原料を配合してエポキシ樹脂を調製する際に同時に配合するようにすると、混練時やあるいは成形時に、ジフェニルホスフォニルハイドロキノンの水酸基がエポキシ樹脂と反応し、ガラス転移温度の低下を起さず、機械的強度の低下も起すこともないので、好適である。また、予めエポキシ樹脂とジフェニルホスフォニルハイドロキノンを触媒を用いて反応させておいてもよい。
【００１９】
一方、本発明においてエポキシ樹脂としては、封止成形用に使用可能なものであれば何等制限されることなく用いることができるものであり、例えば、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型エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂などを挙げることができる。
【００２０】
また本発明においてフェノール樹脂硬化剤としては、封止用エポキシ樹脂に使用可能なものであれば何等制限されることなく用いることができるものであり、例えば、フェノールノボラック樹脂、フェノールアラルキル樹脂、ジシクロペンタジエン骨格含有フェノール樹脂、ナフタレン骨格含有フェノール樹脂などを挙げることができる。このフェノール樹脂硬化剤の配合量は特に制限されるものではないが、エポキシ樹脂のエポキシ当量とフェノール樹脂硬化剤のフェノール当量の当量比が０．５〜１．５となる範囲で配合するのが好ましい。
【００２１】
さらに本発明において硬化促進剤としては、封止用エポキシ樹脂に使用可能なものであれば何等制限されることなく用いることができるものであり、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−フェニルイミダゾール、２−ウンデシルイミダゾール、１−シアノエチル−２−フェニルイミダゾリウムトリメリテイト、２，４−ジアミノ−６−（２′−メチルイミダゾリル）−（１′））−エチル−ｓ−トリアジン、２，４−ジアミノ−６−（２′−メチルイミダゾリル）−（１′））−エチル−ｓ−トリアジンのイソシアヌル酸付加物、２−フェニル−４，５−ジヒドロキシメチルイミダゾール、２−フェニル−４−メチル−５−ヒドロキシメチルイミダゾール等のイミダゾール類、トリフェニルホスフィントリフェニルボラン、テトラフェニルホスホニウム・テトラフェニルボレート、又はこれらとフェノール性水酸基を有する樹脂の反応物等の有機リン化合物類、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−ジブチルアミノトリエタノールアミン、ベンジルジメチルアミン等の三級アミン類などを挙げることができる。この硬化促進剤の配合量は特に制限されるものではないが、エポキシ樹脂と硬化剤を含めた樹脂組成物１００質量部に対して０．０５〜５．０質量部の範囲が好ましい。
【００２２】
また、本発明において無機充填材としては、封止材に使用可能なものであれば何等制限されることなく用いるものであり、例えば、溶融シリカ、結晶シリカ、アルミナ、窒化珪素、窒化アルミニウムなどの粉末を用いることができる。この無機充填材の配合量は、エポキシ樹脂組成物の全量に対して６０〜９３質量％の範囲が好ましい。また無機充填材は、表面をγ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、γ−メルカプトプロピルトリメトキシシラン、γ−メルカプトプロピルメチルジメトキシシラン、Ｎ−フェニル−γ−アミノ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等のシランカップリング剤で処理した後に使用するのが好ましい。
【００２３】
本発明のエポキシ樹脂組成物には、上記のエポキシ樹脂、フェノール樹脂硬化剤、硬化促進剤、難燃剤、シランカップリング剤の他に、必要に応じて離型剤、カーボンブラック等の顔料や有機染料等の着色剤などを適宜配合することができる。
【００２４】
そして上記の各成分をミキサーやブレンダーなどで均一に混合した後、加熱ロール、ニーダー等で混練することによって、本発明に係るエポキシ樹脂組成物を調製することができるものである。各成分の配合順序等に特に制限はない。さらに混練して冷却固化した後に、粉砕してパウダー化したり、粉砕したものを打錠してタブレット化したりすることもできる。
【００２５】
また、上記のようにして得られたエポキシ樹脂組成物を用い、ＩＣ等の半導体素子をトランスファー成形などで封止成形することによって、半導体装置を製造することができるものである。
【００２６】
【実施例】
以下、本発明を実施例によって具体的に説明する。
【００２７】
表１及び表２に示す配合で各成分をミキサーで十分に混合した後、加熱ロールで５分間混練を行ない、これを冷却固化して粉砕機で粉砕することによって、実施例１〜８及び比較例１〜１０の封止用エポキシ樹脂組成物を得た。
【００２８】
ここで、表１及び表２において、エポキシ樹脂及び硬化剤は次のものを用いた。
（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：住友化学（株）製「ＥＯＣＮ１９５ＸＬ４」
・ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂：大日本インキ（株）製「ＨＰ７２００」
・ビフェニル型エポキシ樹脂：ジャパンエポキシ（株）製「ＹＸ４０００Ｈ」
・トリフェニルメタン型エポキシ樹脂：日本化薬（株）製「ＥＰＰＮ５０１ＨＹ」
（硬化剤）
・フェノールノボラック樹脂：明和化成（株）製「Ｈ−４」
・フェノールアラルキル樹脂：明和化成（株）製「ＭＥＨ７８００Ｓ」
・トリフェニルメタン型フェノール樹脂：明和化成（株）製「ＭＥＨ７５００Ｓ」
そして、上記のようにして得た実施例１〜８及び比較例１〜１０の封止用エポキシ樹脂組成物について、難燃性を評価した。難燃性の測定は、封止用エポキシ樹脂組成物を１７５℃で９０秒間加熱して硬化させ、さらに１７５℃で６時間アフターキュアーすることによって、ＵＬ９５規格に従って試験片を作製し、これをＵＬ９５規格に基づいて耐炎性試験することによって行なった。合否の結果を表１及び表２に示す。
【００２９】
また、実施例１〜８及び比較例１〜１０の封止用エポキシ樹脂組成物を用いてＱＦＰ及びＢＧＡの評価用パッケージを作製し、耐リフロー性を評価した。
【００３０】
ここで、ＱＦＰの評価用パッケージの作製は次のようにして行なった。まず、９．６ｍｍ×９．６ｍｍ×厚み０．４ｍｍのＩＣチップからなる半導体素子を銅合金のリードフレーム上に銀ペーストで実装し、半導体素子とリードフレーム端子部の間に直径２５μｍの金線をワイヤボンドして、チップ実装フレームを作製した。次にこのチップ実装フレームをトランスファー型ＩＣ成形機にセットし、実施例１〜８及び比較例１〜１０の封止用エポキシ樹脂組成物をトランスファー成形して封止することによって、外形寸法２８ｍｍ×２８ｍｍ×厚み３．２ｍｍの１６０ピンＱＦＰを得た。成形条件は１７５℃で９０秒とし、アフターキュアーを１７５℃で６時間行なった。
【００３１】
またＢＧＡの評価用パッケージの作製は次のようにして行なった。まず、サイズ３５ｍｍ×３５ｍｍ、コア部厚みが０．４ｍｍのＢＴ（ビスマレイミドトリアジン）基板（三菱瓦斯化学（株）製「ＨＬ８３２」）の両面銅張板を用い、プリント配線加工してパッケージ回路を描画し、さらにレジスト（太陽インキ（株）製「ＰＳＲ４０００ＡＵＳ５」）を塗布し、これに半導体素子として８ｍｍ角の評価用ＴＥＧチップを搭載し、チップと基板の端子部の間に直径２５μｍの金線をワイヤボンドして、チップ実装基板を作製した。次にこのチップ実装基板のチップ搭載側の片面に実施例１〜８及び比較例１〜１０の封止用エポキシ樹脂組成物をトランスファー成形して封止することによって、評価用のＢＧＡパッケージを得た。成形条件は１７５℃で９０秒とし、アフターキュアーを１７５℃で６時間行なった。
【００３２】
そして、上記のように作製したＱＦＰとＢＧＡを１２５℃で１２時間前乾燥処理をした後、３０℃、６０％ＲＨの条件に設定した恒温恒湿機中で１９２時間の吸湿処理を行ない、その後にピーク温度２４５℃のリフロー処理を行なった。このリフロー処理後のＱＦＰとＢＧＡについて、超音波顕微鏡（日立建機（株）製「Ｍｙ　ｓｃｏｐｅ　ｈｙｐｅｒ」）で内部の観察を行ない、封止樹脂とチップ表面の界面、及び封止樹脂とＢＴ基板の界面における剥離発生の有無を調べることによって、耐リフロー性の測定を行なった。耐リフロー性の測定は１０個のパッケージについて行ない剥離あるいはクラックが発生した個数を表１及び表２に示す。
【００３３】
また、実施例１〜８及び比較例１〜１０の封止用エポキシ樹脂組成物を用いてＤＩＰの評価用パッケージを作製し、耐湿信頼性を評価した。
【００３４】
ここで、ＤＩＰの評価用パッケージの作製は次のようにして行なった。まず、幅３μｍ、５μｍ、１０μｍの櫛型アルミニウム回路が形成された２ｍｍ×４ｍｍ×厚み０．４ｍｍの半導体素子を銅合金のリードフレーム上に銀ペーストで実装し、半導体素子とリードフレーム端子部の間に直径２５μｍの金線をワイヤボンドして、素子実装フレームを作製した。次にこの素子実装フレームをトランスファー型ＩＣ成形機にセットし、実施例１〜８及び比較例１〜１０の封止用エポキシ樹脂組成物をトランスファー成形して封止することによって、１６ピンＤＩＰを得た。成形条件は１７５℃で９０秒とし、アフターキュアーを１７５℃で６時間行なった。
【００３５】
そしてこのように作製したＤＩＰの評価用パッケージについて、プレッシャークッカーテスト（ＰＣＴ）を、０．２ＭＰａ（２気圧）、１２１℃の条件で５００時間行ない、この５００時間処理後の回路の腐食による断線不良を測定した。ＰＣＴは１０個のパッケージについて行ない、不良が発生した個数を表１及び表２に示す。また、上記のように作製したＤＩＰの評価用パッケージについて、不飽和プレッシャークッカーバイアステスト（ＰＣＢＴ）を、１３８．５℃、８５％ＲＨの条件下でバイアス２５Ｖを印加して３００時間行ない、この３００時間処理後の回路の腐食による断線不良を測定した。ＰＣＢＴは１０個のパッケージについて行ない、不良が発生した個数を表１及び表２に示す。
【００３６】
【表１】
2004027007.tif 000003
【００３７】
【表２】
2004027007.tif 000004
【００３８】
表１、表２において、実施例１〜４は難燃剤として式（１）のＸが水素であるトリフェニルホスフィンオキサイドを使用したものであり、実施例５〜８は難燃剤として式（１）のＸが水酸基であるジフェニルホスフォニルハイドロキノンを使用したものである。また比較例１〜４は実施例１〜４と同じエポキシ樹脂及び硬化剤の配合系であるが難燃剤を使用しなかったもの、比較例５〜８は実施例５〜８と同じエポキシ樹脂及び硬化剤の配合系であるが難燃剤を使用しなかったもの、比較例９，１０は難燃剤の配合量が少な過ぎるものと多すぎるものである。そして表１及び表２にみられるように、各実施例のものは難燃性がＵＬ９４−Ｖ０を達成しており、難燃剤を配合しない比較例に比べて高い難燃性を有するものであり、また難燃剤を配合しない比較例と同等に耐リフロー性や耐湿信頼性が良好であることが確認される。
【００３９】
【発明の効果】
上記のように本発明は、１分子中に２個以上のグリシジル基を持つエポキシ樹脂、１分子中に２個以上のフェノール性水酸基を持つフェノール樹脂硬化剤、硬化促進剤、無機充填材、及び上記の式（１）に示す難燃剤を含有するエポキシ樹脂組成物であって、式（１）の難燃剤をエポキシ樹脂組成物中に０．１質量％以上、３質量％未満の範囲で含有するので、式（１）に示す有機リン化合物は赤燐や有機リン酸エステル化合物よりも高温高湿時の安定性に優れており、加水分解を受け難く水分が存在してもリン酸イオンの発生がないものであり、難燃剤として有機リン系化合物を用いて、耐湿信頼性や耐リフロー性を確保しながら高い難燃性を付与することができるものである。