(57)【要約】【課題】高熱伝導性を有し、且つ低応力性、密着性が優れた硬化物が得られる封止用エポキシ樹脂組成物を提供する。【解決手段】エポキシ樹脂、硬化剤、熱伝導率が５Ｗ／ｍ・Ｋ以上である無機充填材、低応力材を含有する。前記低応力材がシリコーンゴム、シリコーンゲル、シリコーンオイルのうちの少なくとも一種からなる。前記低応力材の含有量が組成物全量に対して０．１〜３重量％である。硬化物の熱伝導率が３Ｗ／ｍ・Ｋ以上、熱膨張係数が１３ｐｐｍ以下、弾性率が２６〜５０ＧＰａである。【選択図】      なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
エポキシ樹脂、硬化剤、熱伝導率が５Ｗ／ｍ・Ｋ以上である無機充填材、低応力材を含有し、前記低応力材がシリコーンゴム、シリコーンゲル、シリコーンオイルのうちの少なくとも一種からなり、前記低応力材の含有量が組成物全量に対して０．１〜３重量％であり、且つ硬化物の熱伝導率が３Ｗ／ｍ・Ｋ以上、熱膨張係数が１３ｐｐｍ以下、弾性率が２６〜５０ＧＰａであることを特徴とする封止用エポキシ樹脂組成物。
【請求項２】
無機充填材全量の含有量が組成物全量に対して８０〜９５重量％であり、この無機充填材中の熱伝導率が５Ｗ／ｍ・Ｋ以上の球状無機充填材の含有量が組成物全量に対して７０重量％以上であることを特徴とする請求項１に記載の封止用エポキシ樹脂組成物。
【請求項３】
無機充填材全量に対する、粒径７５μｍ以上の無機充填材の含有量が、０．５重量％以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の封止用エポキシ樹脂組成物。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載の封止用エポキシ樹脂組成物にて半導体素子を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、封止用エポキシ樹脂組成物及びこの封止用エポキシ樹脂組成物にて封止された半導体装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、パワーデバイス等の素子を封止する封止用エポキシ樹脂組成物は、素子から発せられる多量の熱を効率よく放熱するために、結晶シリカを高充填するようにしていた。
【０００３】
また、近年パワーデバイスはＩＣの技術を組み込んだインテリジェント化が進んでおり、ワンチップで構成されるものや、モジュールタイプ等があり、このため封止材料に更なる高熱伝導性を付与して信頼性を更に向上することが望まれている。
【０００４】
このような要求に対応するために、非晶質シリカの含有率を上げて熱膨張率を低減したり、また熱伝導率を向上するために結晶シリカ、窒化珪素、窒化アルミニウム、アルミナ粉末等を使用することが必要となってきている（特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平９−１２４７７４号公報
【特許文献２】
特開平１０−１６８２８２号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このように熱伝導率を向上するために結晶シリカ、窒化珪素、窒化アルミニウム、アルミナ粉末等を高充填すると、曲げ弾性率が高くなり、信頼性、密着性に悪影響を及ぼすものであった。
【０００７】
本発明は上記の点に鑑みて為されたものであり、高熱伝導性を有し、且つ低応力性、密着性が優れた硬化物が得られる封止用エポキシ樹脂組成物、及びこの封止用エポキシ樹脂組成物にて封止された半導体装置を提供することを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る封止用エポキシ樹脂組成物は、エポキシ樹脂、硬化剤、熱伝導率が５Ｗ／ｍ・Ｋ以上である無機充填材、低応力材を含有し、前記低応力材がシリコーンゴム、シリコーンゲル、シリコーンオイルのうちの少なくとも一種からなり、前記低応力材の含有量が組成物全量に対して０．１〜３重量％であり、且つ硬化物の熱伝導率が３Ｗ／ｍ・Ｋ以上、熱膨張係数が１３ｐｐｍ以下、弾性率が２６〜５０ＧＰａであることを特徴とするものである。
【０００９】
請求項２の発明は、請求項１において、無機充填材全量の含有量が組成物全量に対して８０〜９５重量％であり、この無機充填材中の熱伝導率が５Ｗ／ｍ・Ｋ以上の球状無機充填材の含有量が組成物全量に対して７０重量％以上であることを特徴とするものである。
【００１０】
請求項３の発明は、請求項１又は２において、無機充填材全量に対する、粒径７５μｍ以上の無機充填材の含有量が、０．５重量％以下であることを特徴とするものである。
【００１１】
請求項４に係る半導体装置は、請求項１乃至３のいずれかに記載の封止用エポキシ樹脂組成物にて半導体素子を封止して成ることを特徴とするものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
【００１３】
本発明に係る封止用エポキシ樹脂組成物は、その硬化物の熱伝導率が３Ｗ／ｍ・Ｋ以上、熱膨張係数が１３ｐｐｍ以下、弾性率が２６〜５０ＧＰａの範囲となるように調製される。
【００１４】
このように硬化物の熱伝導率が３Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることから、この硬化物を半導体装置の封止材として形成した場合に、半導体素子にて発生した熱を効率よく放熱することが可能となる。硬化物の熱伝導率は高いほど好ましいが、実質的な上限は５Ｗ／ｍ・Ｋとなる。
【００１５】
また硬化物の熱膨張係数（線膨脹係数α１）が１３ｐｐｍ以下であることから、半導体素子、リードフレームなどと封止樹脂との熱膨張差を少なくさせ信頼性を向上させることが可能となる。また硬化物の熱膨張係数の実質的な下限は、８ｐｐｍである。
【００１６】
更に硬化物の弾性率が２６〜５０ＧＰａの範囲であることから、硬化物を半導体装置の封止材として形成した場合の、素子表面やリードフレーム等との密着性が向上し、信頼性の高い半導体装置を得ることができる。このとき硬化物の弾性率が２６ＧＰａに満たないと信頼性が劣り、またこの弾性率が５０ＧＰａを超えると密着性が劣ることとなる。
【００１７】
次に、封止用エポキシ樹脂組成物の成分について説明する。
【００１８】
封止用エポキシ樹脂組成物に含有させるエポキシ樹脂としてはｏ−クレゾールノボラック型エポキシ樹脂、トリフェニルメタン型エポキシ樹脂、ブロム含有エポキシ樹脂、ナフタレン環を有するエポキシ樹脂等が挙げられる。
【００１９】
また硬化剤としては、１分子中に２個以上のフェノール性水酸基を有するものであればいずれのものでも良く、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、ナフトール樹脂等を挙げることができる。この硬化剤の組成物中の含有量は、化学量論上の当量比で、エポキシ樹脂１当量に対して０．８〜１．５当量の範囲であることが好ましい。
【００２０】
また、無機充填材としては、その熱伝導率が５Ｗ／ｍ・Ｋ以上のものを必須成分として含有する。この熱伝導率は高ければ高いほど封止材の放熱性が向上して好ましいが、実質的な上限は２００Ｗ／ｍ・Ｋである。このような無機充填材としては、アルミナ、チッ化アルミ、チッ化ケイ素、結晶シリカ等が挙げられる。
【００２１】
また、無機充填材としては、熱伝導率が５Ｗ／ｍ・Ｋに満たないものを併用することもできる。このような無機充填材としては、溶融シリカ等を挙げることができる。
【００２２】
またこの無機充填材としては球状のものを用いることが好ましい。
【００２３】
上記の無機充填材の配合量は、硬化物の熱伝導率が３Ｗ／ｍ・Ｋ以上、熱膨張係数が１３ｐｐｍ以下、弾性率が２６〜５０ＧＰａとなるように適宜調整するものであるが、特に無機充填材の総量が組成物全量に対して８０〜９５重量％の範囲であり、且つこの無機充填材のうち熱伝導率が５Ｗ／ｍ・Ｋ以上の球状のものが無機充填材全量に対して７０重量％以上含有することが好ましい。すなわち、無機充填材の総量を８０重量％以上とすることで硬化剤の熱伝導性の向上と線膨脹係数の低減とを図ることができ、且つこの総量を９５重量％以下とすることで成形時の流動性を向上すると共に金型摩耗を低減することができるものである。また上記のように熱伝導率が５Ｗ／ｍ・Ｋ以上の球状の無機充填材を無機充填材全量に対して７０重量％以上含有させることで、組成物に更なる流動性を付与すると共にその硬化物に更なる高熱伝導性を付与することができるものである。
【００２４】
また組成物中に含有される無機充填材は、粒径７５μｍ以上の粒子が無機充填材全量に対して０．５重量％以下であることが好ましく、また特に好ましくは粒径７５μｍ以上の粒子を含まないようにするものである。このようにすれば、成形時の組成物の充填性が向上し、例えば隙間０．３ｍｍの狭い空間内にも組成物を充填させることができて、良好な成形性を確保することができるものである。また、粒径７５μｍ以上の粒子を含む場合でも、良好な充填性を確保するためには、無機充填材の最大粒径は１５０μｍ以下であることが好ましい。
【００２５】
また組成物中には、低応力材としてシリコーンゴム、シリコーンゲル、シリコーンオイルのうちの少なくとも一種が含有される。シリコーンゴムとしては、シリコーンパウダー等、またシリコーンゲルとしてはメチル系シリコーン、フェニル系シリコーン等、またシリコーンオイルとしてはジメチルシリコーン、ポリエーテルシリコーン、アミノ変性シリコーン、エポキシ変性シリコーン等が挙げられる。
【００２６】
このような低応力材を含有させることで、硬化物の弾性率が２６〜５０ＧＰａの範囲となるようにすることができる。
【００２７】
このような低応力材の含有量は、硬化物の弾性率が２６〜５０ＧＰａの範囲となるように調整するものであるが、組成物全量に対して０．１〜３重量％の範囲で含有させるようにするものであり、これにより密着性、信頼性を向上させる。。
【００２８】
また組成物中には、必要に応じて硬化促進剤、離型材等を含有させることができる。硬化促進剤としては、リン系、アミン系、イミダゾール系等を使用することができるが、特に２−フェニル−４，５−ジヒドロキシメチルイミダゾール等のような融点１００〜２５０℃の高融点の触媒を用いることが、アルミナ等の高熱伝導性の無機充填材を高充填化するためには望ましい。この硬化促進剤の含有量は特に制限されないが、組成物全量に対して０．０５〜１．０重量％の範囲であることが好ましい。
【００２９】
また離型剤（ＷＡＸ）としては、通常封止材料に用いられるものであれば適宜のものを使用することができ、例えばステアリン酸、モンタン酸、モンタン酸エステル、リン酸エステル等を挙げることができる。この離型剤の含有量は特に制限されないが、組成物全量に対して０．１〜２重量％の範囲であることが好ましい。
【００３０】
上記のような成分から封止用エポキシ樹脂組成物を調製するにあたっては、一般的な製法を適宜採用することができる。例えば調製される組成物の性状が液体状である場合は各成分を配合した後に溶解混合し、又はミキサー、ブレンダー等で均一に混合した後にニーダーやロール等で加熱混練して、液体状の樹脂組成物を得ることができる。また調製される樹脂組成物の性状が固体状である場合は各成分を配合した後に溶解混合し、又はミキサー、ブレンダー等で均一に混合した後にニーダーやロール等で加熱混練したものを、冷却固化した後粉砕して粉末状の樹脂組成物を得るものであり、また更に必要に応じて粉末状の樹脂組成物をタブレット状に打錠することもできる。
【００３１】
このようにして得られた封止用エポキシ樹脂組成物を用いて半導体素子を封止するにあたっては、一般的な手法を適宜採用することができるが、半導体装置製造の一例を挙げると、先ずリードフレーム上に半導体素子をダイボンディングした後、Ａｕ等の細線ワイヤを用いたワイヤボンディング法等でリードフレームと半導体素子を結線する。次に上記の封止用エポキシ樹脂組成物を用いて半導体装置とワイヤーを樹脂封止する。
【００３２】
ここで樹脂封止を行うにあたっては、封止用エポキシ樹脂組成物が固体状である場合には粉末状又はタブレット状の封止用エポキシ樹脂組成物をトランスファー成形等により金型成形することができ、封止用エポキシ樹脂組成物が液体状である場合にはキャスティングやポッティング、印刷等の方法により注型、固化することができる。また必要に応じてアフターキュアーを施すようにしても良い。
【００３３】
【実施例】
以下、本発明を実施例によって詳述する。
【００３４】
《実施例１〜５、比較例１〜３》
各実施例及び比較例につき、下記表１に示す組成となるように各成分を配合し、ブレンダーで１０分間混合し均一化した後、１００〜１６０℃に加熱したニーダーで混練溶融させて押し出し、冷却後、粉砕機で粉砕して、粒状のエポキシ樹脂組成物を得た。
【００３５】
尚、表１中に示された各成分の詳細は次の通りである。
・Ｏ−クレゾールノボラック型エポキシ樹脂：住友化学工業社製、品番「ＥＳＣＮ１９５ＸＬ」、エポキシ当量１９５
・ブロム化エポキシ樹脂：住友化学工業社製、品番「ＥＳＢ４００」、エポキシ当量４００
・フェノールノボラック樹脂：群栄化学工業社製、品番「ＰＳＭ６２００」、水酸基当量１０５
・無機充填材ａ：球状アルミナ、熱伝導率２５Ｗ／ｍ・Ｋ、粒径７５μｍ以上の粒子の含有率０．１重量％、平均粒径４０μｍ
・無機充填材ｂ：球状アルミナ、熱伝導率２５Ｗ／ｍ・Ｋ、粒径７５μｍ以上の粒子の含有率２重量％、平均粒径４０μｍ
・無機充填材ｃ：結晶シリカ、熱伝導率１．２Ｗ／ｍ・Ｋ、粒径７５μｍ以上の粒子の含有率０．１重量％、最大粒径２０μｍ
・シリコーンゴム：東レ・ダウコーニング・シリコーン社製、品番「Ｅ−５００」
・シリコーンゲル：ＧＥ東芝シリコーン社製、品番「ＴＳＥ３０５１」
・シリコーンオイル：東レ・ダウコーニング・シリコーン社製、品番「ＳＨ２００」
・硬化促進剤：２−フェニル−４，５−ジヒドロキシメチルイミダゾール、四国化成工業株式会社製、「２ＰＨＺ」
《評価試験》
１．熱伝導率評価
各実施例及び比較例について、封止用エポキシ樹脂組成物を用い、金型温度１７５℃、注入圧力１０ＭＰａ、成形時間９０秒間の条件でトランスファ成形を行い、直径１００ｍｍ、厚み３０ｍｍの寸法の試験片を作製した。
【００３６】
得られた試験片について、「ＱＴＭ−Ｄ３」（京都電子工業株式会社製）を用い、非定常プローブ法により熱伝導率を測定した。その結果を表１に示す。
【００３７】
２．線膨脹係数評価
ＪＩＳ成形品により、ＴＭＡ装置（理学電機社製）を使用して線膨脹係数を測定した。
【００３８】
３．曲げ弾性率
ＪＩＳ  Ｋ６９１１に準じて測定した。
【００３９】
４．密着性
各実施例及び比較例の封止用エポキシ樹脂組成物について、プリン金型を用いて、金型温度１７５℃、注入圧力１０ＭＰａ、成形時間９０秒間の条件でトランスファ成形を行い、Ｃｕ−Ｎｉめっき金属板上に底面積１００ｍｍ２、高さ１０ｍｍのプリン状成形体を形成した。
【００４０】
このようにして得られた成形体について、金属板を治具で固定した状態で、オートグラフを用いて、金属板と成形体との接着面の剪断密着力を測定し、その測定値にて密着性を評価した。
【００４１】
５．耐湿信頼性
リードフレーム（４２アロイ製）上に、評価用の半導体素子としてＴＥＧ（ｔｅｓｔ  ｅｌｅｍｅｎｔｓ  ｇｒｏｕｐ；アルミニウム配線幅３μｍ）をダイボンディングし、各実施例及び比較例にて調製した半導体封止用樹脂組成物を用いて、金型温度１７５℃、注入圧力１０ＭＰａ、成形時間９０秒間の条件でトランスファー成形を行って樹脂封止し、外形寸法６ｍｍ×１８ｍｍ×３ｍｍの評価用の半導体装置（１６ＤＩＰ）を作製した。
【００４２】
この評価用半導体装置に対して恒温恒湿機内で１３０℃／８５％ＲＨの条件で、３０Ｖの電圧を印加し続け、ＴＥＧのアルミニウム配線に断線が生じるまでに要した経過時間を測定した。
【００４３】
以上の結果を表１に示す。
【００４４】
６．充填性
実施例１及び２について、金型温度１７５℃、注入圧力１０ＭＰａ、成形時間９０秒間の条件でトランスファー成形を行って樹脂封止することにより、外形寸法１５ｍｍ×１８ｍｍ×５ｍｍ、隙間部（放熱部の樹脂厚み）０．２ｍｍの評価用のＴＯＰ３ＰＦ（フルモールドパッケージ）を形成した。
【００４５】
そして、実施例１，２につき、それぞれ１０個のサンプルを作製し、充填不良が発生したサンプル数により充填性を評価した。
【００４６】
以上の結果を表２に示す。
【００４７】
【表１】
2004256644.tif 000002
【００４８】
【表２】
2004256644.tif 000003
【００４９】
【発明の効果】
上記のように請求項１に係る封止用エポキシ樹脂組成物は、エポキシ樹脂、硬化剤、熱伝導率が５Ｗ／ｍ・Ｋ以上である無機充填材、低応力材を含有し、前記低応力材がシリコーンゴム、シリコーンゲル、シリコーンオイルのうちの少なくとも一種からなり、前記低応力材の含有量が組成物全量に対して０．１〜３重量％であり、且つ硬化物の熱伝導率が３Ｗ／ｍ・Ｋ以上、熱膨張係数が１３ｐｐｍ以下、弾性率が２６〜５０ＧＰａであるため、その硬化物は高熱伝導性を有すると共に素子表面やリードフレームとの密着性に優れるものであり、特に半導体装置の封止用途に用いた場合に信頼性の高い半導体装置を得ることができるものである。
【００５０】
また請求項２の発明は、請求項１において、無機充填材全量の含有量が組成物全量に対して８０〜９５重量％であり、この無機充填材中の熱伝導率が５Ｗ／ｍ・Ｋ以上の球状無機充填材の含有量が組成物全量に対して７０重量％以上であるため、硬化剤の熱伝導性を更に向上すると共に線膨脹係数を更に低減することができ、且つ成形時の流動性を更に向上すると共に金型摩耗を更に低減することができるものである。
【００５１】
また請求項３の発明は、請求項１又は２において、無機充填材全量に対する、粒径７５μｍ以上の無機充填材の含有量が、０．５重量％以下であるため、成形時の組成物の流動性が更に向上して充填性が向上し、例えば隙間０．３ｍｍの狭い空間内にも組成物を充填させることができて、良好な成形性を確保することができるものである。