(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エポキシ樹脂、フェノール樹脂、無機充填材、硬化促進剤、及び炭素含有量が９６〜９７重量％である、１×１０２Ω・ｃｍ以上、１×１０７Ω・ｃｍ未満の半導体領域に電気比抵抗値を有する炭素前駆体を必須成分とするエポキシ樹脂組成物であって、全エポキシ樹脂組成物中に前記無機充填材を６５〜９２重量％、前記炭素前駆体を０．１〜５．０重量％含み、有機着色剤を含まないことを特徴とする半導体封止用エポキシ樹脂組成物。
【請求項２】
前記炭素前駆体は、元素分析によるＨ／Ｃ重量％比が、２／９７〜３／９６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】
前記炭素前駆体は、平均粒径が０．５〜５０μｍの微粒子である請求項１記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成物。
【請求項４】
前記炭素前駆体の電気比抵抗値は、１×１０４Ω・ｃｍ以上、１×１０７Ω・ｃｍ未満であることを特徴とする請求項１記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成物。
【請求項５】
全エポキシ樹脂組成物中に前記無機充填材を７０〜９１重量％含むものであることを特徴とする請求項１記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成物。
【請求項６】
前記炭素前駆体は、フェノール樹脂を６００℃以上、６５０℃以下の焼成温度で焼成して炭化したものであることを特徴とする請求項１記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成物。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
本発明は、レーザーマーキング性及び電気特性に優れた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。
【背景技術】
従来、主にエポキシ樹脂組成物で封止された半導体装置は、その組成に着色剤として導電性を有するカーボンブラックを含んでいる。着色剤としてカーボンブラックを含有するエポキシ樹脂組成物を使用すると、半導体素子の遮蔽性に優れると共に、半導体装置に品名やロット番号等を白字でマーキングする際、背景が黒のためより鮮明な印字が得られる。特に、最近では取り扱いが容易なＹＡＧレーザーマーキングを採用する電子部品メーカーが増加しており、ＹＡＧレーザーの波長を吸収するカーボンブラックは、半導体封止用エポキシ樹脂組成物における必須の成分となっている。
ＹＡＧレーザーマーキングに好適なエポキシ樹脂組成物としては、カーボン含有量が９９．５重量％以上、水素含有量が０．３重量％以下であるカーボンブラックを組成物中、０．１〜３重量％含有する熱硬化性樹脂組成物が知られている（特開平２−１２７４４９号公報）。
しかし、最近の半導体装置のファインピッチ化に伴い、導電性着色剤であるカーボンブラック等が粗大粒子としてインナーリード間、金線間に存在する場合、配線のショートおよびリーク電流の発生といった電気特性不良を生じることがある。またカーボンブラック等の粗大粒子が狭くなった金線間に挟まることで金線が応力を受け、これも電気特性不良の原因となる。
これらの問題を解決するものとして、特開２００１−３３５６７７号公報には、カーボンブラックの代替品として、電気抵抗が１０７Ω以上の非導電性カーボンを含有する封止用エポキシ樹脂組成物が開示されている。該封止用エポキシ樹脂組成物により封止された素子を備えた電子部品装置は、ＹＡＧレーザーマーク性が良好であり、リーク電流が発生せず、成形性及びパッケージ表面の外観に優れるものである。
しかしながら、電気抵抗が１０７Ω以上の非導電性カーボンを含有する封止用エポキシ樹脂組成物で封止された素子を備えた電子部品装置は、配線のショートやリーク電流の発生を防止することができるものの、絶縁性が高いため静電気により粒径約８０μｍ以上の再凝集物が生成してしまい、該再凝集物が金線間に挟まり金線変形や金線流れを生じるため、電気特性が十分ではないという問題がある。このように、電気比抵抗値が高くかつ静電気による再凝集物が発生しないエポキシ樹脂組成物は未だ報告された例がなく、開発が強く望まれている。
従って、本発明の目的は、優れたＹＡＧレーザーマーキング性を得ることができるとともに、配線のショートやリーク電流の発生が起こらず、金線変形等を生ずることのない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を提供するものである。
【発明の開示】
かかる実情において、本発明者は鋭意検討を行った結果、着色剤として、１×１０２Ω・ｃｍ以上、１×１０７Ω・ｃｍ未満の半導体領域に電気比抵抗値を有する炭素前駆体を含有させたエポキシ樹脂組成物が、優れたＹＡＧレーザーマーキング性を得ることができるとともに、配線のショートやリーク電流の発生が起こらず、金線変形等を生ずることのないことを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明はエポキシ樹脂、フェノール樹脂、無機充填材、硬化促進剤、１×１０２Ω・ｃｍ以上、１×１０７Ω・ｃｍ未満の半導体領域に電気比抵抗値を有する炭素前駆体を必須成分とするエポキシ樹脂組成物であって、全エポキシ樹脂組成物中に前記無機充填材を６５〜９２重量％、前記炭素前駆体を０．１〜５．０重量％含み、有機着色剤を含まない半導体封止用エポキシ樹脂組成物を提供するものである。
また、本発明は、前記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半導体装置を提供するものである。
本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物を半導体素子の封止に用いた場合、黒色の背景にＹＡＧレーザーでマーキングした部分が白く、鮮明なコントラストが得られる。また、ＹＡＧレーザーによる良好な印字が高速、かつ低電圧で得られるため、生産効率が向上する。また着色剤としてカーボンブラック等の導電性粒子を用いる必要がないため、最近の半導体装置のファインピッチ化に伴い、導電性粒子が配線間に詰まることによる配線のショートやリーク電流の発生を回避することができる。さらに半導体領域の電気比抵抗値を有する炭素前駆体を使用することで、静電気による再凝集を防ぎ、該再凝縮物が金線間に挟まり金線変形を生ずる危険性も回避できる。
【発明を実施するための最良の形態】
本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物は、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、無機充填材、硬化促進剤、及び炭素前駆体を必須成分として含有する。本発明に用いるエポキシ樹脂としては、特に制限されず、１分子中に２個以上のエポキシ基を有するものであり、例えば、オルソクレゾールノボラック型エポキシ樹脂、フェノールノボラック型エポキシ樹脂、トリフェノールメタン型エポキシ樹脂、ビスフェノール型エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂、スチルベンゼン型エポキシ樹脂、ジシクロペンタジエン変性フェノール型エポキシ樹脂及びナフトール型エポキシ樹脂等が挙げられる。これらのエポキシ樹脂は、１種単独又は２種以上を混合して用いてもよい。また、当該エポキシ樹脂は、エポキシ当量が１５０〜３００であることが、エポキシ樹脂組成物の硬化性の点で好ましい。
本発明に用いるフェノール樹脂としては、特に制限されず、分子中にフェノール性水酸基を有するものであり、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、トリフェノールメタン型樹脂及びテルペン変性フェノール樹脂等が挙げられる。これらのフェノール樹脂は１種単独又は２種以上を混合して用いてもよい。また当該フェノール樹脂は、水酸基当量が８０〜２５０であることが、エポキシ樹脂組成物の硬化性の点で好ましい。
本発明に用いる無機充填材としては、特に制限はなく、一般に封止材料に用いられているものを使用することができ、例えば、溶融破砕シリカ、溶融球状シリカ、結晶シリカ、アルミナ、チタンホワイト、水酸化アルミニウム、タルク、クレー及びガラス繊維等が挙げられる。これらの無機充填材の粒度分布としては、特に制限されないが、粒径１５０μｍ以下、好ましくは０．１〜７５μｍのものが、成形時、金型の細部への充填が可能である点で好ましい。
無機充填材の添加量は、全エポキシ樹脂組成物中、６５〜９２重量％、好ましくは７０〜９１重量％である。上記の下限値未満だと樹脂成分が多くなりＹＡＧレーザーマーキングにより熱変色を受け易くなり、鮮明なコントラストを得るためには、樹脂成分の熱変色防止剤等の別途の添加剤の添加が必要となる。またエポキシ樹脂組成物の硬化物の吸湿率が高くなるため、耐半田クラック性や耐湿性等の特性が不充分となる点で好ましくない。また、上記の上限値を越えると、流動性が不充分となるので好ましくない。
本発明に用いる硬化促進剤としては、エポキシ基とフェノール性水酸基の反応を促進するものであれば特に制限されず、一般に封止材料に使用されているものを利用することができる。該硬化促進剤を例示すれば、１，８−ジアザビシクロ（５，４，０）ウンデセン−７、トリフェニルホスフィン、ベンジルジメチルアミン及び２−メチルイミダゾール等が挙げられる。これらの硬化促進剤は１種単独又は２種以上を混合して用いてもよい。
本発明に用いる炭素前駆体は、１×１０２Ω・ｃｍ以上、１×１０７Ω・ｃｍ未満、好ましくは１×１０４Ω・ｃｍ〜１×１０７Ω・ｃｍの半導体領域に電気比抵抗値を有するものである。また、当該炭素前駆体は、Ｈ／Ｃ重量％比が、２／９７〜４／９３、好ましくは２／９７〜４／９４である。電気比抵抗値が１×１０２Ω・ｃｍ未満又はＨ／Ｃ重量％比が２／９７未満では、導電性が高まりリーク電流の原因となる点で好ましくない。また電気比抵抗値が１×１０７Ω・ｃｍを超えるか又はＨ／Ｃ重量％比が４／９３を超えると、絶縁領域へと近づくため、炭素前駆体粒子が静電気によって再凝集を起こしやすくなり、封止成形の際に金線変形等を生ずる恐れがあるので好ましくない。Ｈ／Ｃ重量％比が２／９７〜４／９３とは、元素分析による炭素前駆体のカーボン含有量が９７〜９３重量％であり、水素原子含有量が２〜４重量％のものを言う。また、炭素前駆体は平均粒径が０．５〜５０μｍ、好ましくは０．５〜２０μｍの微粒子である。炭素前駆体の平均粒径が０．５μｍ未満であると、ＹＡＧレーザーマーキング性が低下し好ましくなく、平均粒径が５０μｍを越えると着色力が落ち外観を損ねる点で好ましくない。封止成形物中、約８０μｍを越える凝集物が存在すると金線変形が生じ易くなるが、本発明の炭素前駆体を含有する封止用樹脂組成物を用いればこのような凝集物が生じることがないため、金線に応力がかからず電気特性に優れるものとなる。
上記電気比抵抗値は、公知の方法で求めることができる。具体的にはＪＩＳＺ３１９７に準拠した方法で測定することができる。すなわち、くし形パターンのあるガラス布基材エポキシ樹脂銅張積層板のＧ−１０又はＳＥ−４を基材とし、該基材にフラックスを塗布したのち、はんだ付けを行い、温度２５℃、相対湿度６０％下、抵抗計により直流１００Ｖでの抵抗値を測定する。
本発明に用いる炭素前駆体の製造方法としては、特に制限されないが、例えばレゾール樹脂、フェノール樹脂、ポリアクリロニトリル等の芳香族ポリマーを例えば６００℃以上、６５０℃以下の焼成温度で適宜の時間焼成して炭化したものが挙げられる。当該製造方法で得られた炭素前駆体は１種単独又は２種以上を混合して用いてもよい。
炭素前駆体の添加量は、全エポキシ樹脂組成物中に０．１〜５．０重量％、好ましくは０．３〜５．０重量％である。炭素前駆体の添加量が０．１重量％未満であると硬化物の黒色度が低下し、硬化物自体の色が淡灰色になってしまうため、印字の白色と背景の黒色の鮮明なコントラストが得られない点で好ましくない。また、５．０重量％を越えると、半導体封止用エポキシ樹脂の流動性が低下する点で好ましくない。
本発明の半導体封止用エポキシ樹脂は、上記必須の成分の他、必要に応じてカップリング剤、難燃剤、離型剤、低応力剤、酸化防止剤等の各種添加剤を適宜配合してもよい。
本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物は、上記必須の成分及びその他の添加剤等をミキサー等で均一に常温混合した後、加熱ロール、ニーダー又は押出機等の混練機で溶融混練し、該混練物を冷却した後粉砕して得られる。
本発明の半導体装置は、前記半導体封止用エポキシ樹脂組成物を用いて半導体等の電子部品を封止することにより製造される。本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物を用いて電子部品を封止する方法としては、例えば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成形方法が挙げられる。
以下、実施例を挙げて本発明を更に具体的に説明するが、これは単に例示であって、本発明を制限するものではない。
【実施例１】
第１表の配合成分をミキサーで常温混合し、８０〜１００℃の加熱ロールで溶融混練し、該混練物を冷却した後、粉砕してエポキシ樹脂組成物を得た。得られたエポキシ樹脂組成物は以下の評価方法で評価した。その結果を第２表に示す。
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＜評価方法＞
（スパイラルフロー）
ＥＭＭＩ−１−６６に準じた金型を用いて、金型温度１７５℃、注入圧力６．９ＭＰａ、保圧時間１２０秒下の流動距離を測定（ｃｍ）した。スパイラルフロー判定の基準は、１００ｃｍ未満を不合格、１００ｃｍ以上を合格とした。
（ＹＡＧレーザーマーキング性）
低圧トランスファー成形機を用いて、金型温度１７５℃、注入圧力６．９ＭＰａ、保圧時間１２０秒で８０ｐＱＦＰ（２．７ｍｍ厚）を成形し、更に１７５℃、８時間でポストキュアした。次に、マスクタイプのＹＡＧレーザー捺印機（日本電気社製）を用い、印加電圧２．４ｋＶ、パルス幅１２０μｓの条件でマーキングし、印字の視認性（ＹＡＧレーザーマーキング性）を評価した。印字が鮮明であるものを合格とした。
（外観観察）
低圧トランスファー成形機を用いて、金型温度１７５℃、注入圧力６．９ＭＰａ、硬化時間７０秒で８０ｐＱＦＰ（１４×２０×２．０ｍｍ厚）を成形し、１２個のパッケージを得た。外観（硬化物の色）を目視観察した。黒色を合格とし、灰色を不合格とした。
（耐半田クラック性）
低圧トランスファー成形機を用いて、金型温度１７５℃、注入圧力６．９ＭＰａ、保圧時間１２０秒で８０ｐＱＦＰ（２．７ｍｍ厚）を２２個成形し、更に１７５℃、８時間でポストキュアした。次に、１５０℃で２０時間乾燥させた後、恒温恒湿槽（８５℃、相対湿度６０％）に１６８時間加湿処理後、ＪＥＤＥＣ条件のピーク温度２３５℃でＩＲリフロー処理し、外部クラックの有無を光学顕微鏡にて観察した。不良品の個数がｎ個であるとき、ｎ／２２と表示した。また吸湿前後の重量変化から吸湿率を重量％で算出した。
（高温リーク特性）
低圧トランスファー成形機を用いて、金型温度１７５℃、注入圧力７．８ＭＰａ、保圧時間９０秒で金線接合間が６０μｍピッチのテスト用チップに径３０μｍの金線を施した１４４ｐＴＱＦＰを１００個封止成形した。次に、ＡＤＶＡＮＴＥＳＴ製の微少電流計８２４０Ａを用いてリーク電流を測定した。判断基準は１７５℃においてリーク電流がそのメジアン値より２オーダー高くなった場合を不良とした。不良品の個数がｎ個であるとき、ｎ／１００と表示した。
（凝集物評価）
低圧トランスファー成形機を用いて、金型温度１７５℃、注入圧力６．９ＭＰａ、保圧時間１２０秒で１００ｍｍφの円板を成形した。この表面を研磨し研磨面を蛍光顕微鏡（「ＢＸ５１Ｍ−５３ＭＦ」オリンパス社製）にて観察し、８０μｍ以上の凝集物個数を測定した。
（金線変形評価）
低圧トランスファー成形機を用いて、金型温度１７５℃、注入圧力７．８ＭＰａ、保圧時間９０秒で金線接合間が６０μｍピッチのテスト用チップに長さ３ｍｍ、径２５μｍの金線を施した１４４ｐＴＱＦＰを封止成形した。次に、Ｘ線を照射してパッケージ内部の金線を非破壊で観察できる軟Ｘ線装置ＰＲＯ−ＴＥＳＴ−１００（ソフテックス社製）を用いて金線流れを測定した。金線の長さ方向に対して垂直な方向における変形の最大変形量をａとし、金線長さをｂとしたとき、ａ／ｂ×１００（％）を最大金線流れ率とした。判断基準は最大金線流れが３％以上になった場合を不良とした。
【実施例２〜実施例４】
炭素前駆体Ａの配合量１．０重量部に代えて、１．８重量部（実施例２）、３．０重量部（実施例３）、０．５重量部（実施例４）とした以外は、実施例１と同様の方法で行った。なお、炭素前駆体Ａの配合量の変化に応じて、球状溶融シリカの配合量を調整した。
【実施例５】
炭素前駆体Ａに代えて、下記炭素前駆体Ｂを用いた以外は、実施例１と同様にして行った。その結果を第２表に示す。
炭素前駆体Ｂ；平均粒径１５μｍの球状フェノール樹脂を乾燥させた後、６５０℃で４時間焼成して炭素前駆体Ｂを収率９９％で得た。得られた炭素前駆体Ｂの物性は水素／炭素重量％比＝２／９７、平均粒径１０μｍ、最大粒径３０μｍ、電気比抵抗値１×１０４Ω・ｃｍであった。
【実施例６】
炭素前駆体Ａ１．０重量部に代えて、下記炭素前駆体Ｃ３．０重量部を用いた以外は、実施例１と同様にして行った。なお、炭素前駆体Ａの配合量の変化に応じて、球状溶融シリカの配合量を調整した。その結果を第２表に示す。
炭素前駆体Ｃ；平均粒径６５μｍの球状フェノール樹脂を乾燥させた後、６００℃で４時間焼成して炭素前駆体Ｃを収率９９％で得た。得られた炭素前駆体Ｃの物性は水素／炭素重量％比＝３／９６、平均粒径４５μｍ、最大粒径６０μｍ、電気比抵抗値１×１０６Ω・ｃｍであった。
【実施例７】
炭素前駆体Ａに代えて、下記炭素前駆体Ｄを用いた以外は、実施例１と同様にして行った。その結果を第２表に示す。
炭素前駆体Ｄ；平均粒径１．５μｍの球状フェノール樹脂を乾燥させた後、６００℃で４時間焼成して炭素前駆体Ｄを収率９９％で得た。得られた炭素前駆体Ｄの物性は水素／炭素重量％比＝３／９６、平均粒径１μｍ、最大粒径１０μｍ、電気比抵抗値１×１０６Ω・ｃｍであった。
比較例１
配合成分の添加量を第２表に示す値とした以外は、実施例１と同様の方法で行った。すなわち、比較例１は球状溶融シリカの配合量をエポキシ樹脂組成物中、９２重量部を越える９３重量部としたものである。その結果を第３表に示す。
比較例２
炭素前駆体Ａの配合量１．０重量部に代えて、配合量７．０重量部とした以外は、実施例１と同様の方法で行った。なお、炭素前駆体Ａの配合量の変化に応じて、球状溶融シリカの配合量を調整した。その結果を第３表に示す。
比較例３
炭素前駆体Ａの配合量１．０重量部に代えて、配合量０．１重量部とした以外は、実施例１と同様の方法で行った。なお、炭素前駆体Ａの配合量の変化に応じて、球状溶融シリカの配合量を調整した。その結果を第３表に示す。
比較例４
炭素前駆体Ａに代えて、下記炭素前駆体Ｅを用いた以外は、実施例１と同様にして行った。その結果を第３表に示す。
炭素前駆体Ｅ；平均粒径８０μｍのフェノール樹脂を乾燥させた後、５００℃で４時間焼成して炭素前駆体Ｅを収率９９％で得た。得られた炭素前駆体Ｅの物性は水素／炭素重量％比＝６／９２、平均粒径５５μｍ、最大粒径７０μｍ、電気比抵抗値１×１０１０Ω・ｃｍであった。
比較例５
炭素前駆体Ａに代えて、下記炭素前駆体Ｆを用いた以外は、実施例１と同様にして行った。その結果を第３表に示す。
炭素前駆体Ｆ；平均粒径４．５μｍのフェノール樹脂を乾燥させた後、５２０℃で４時間焼成して炭素前駆体Ｆを収率９９％で得た。得られた炭素前駆体Ｆの物性は水素／炭素重量％比＝５／９２、平均粒径３μｍ、最大粒径１５μｍ、電気比抵抗値１×１０９Ω・ｃｍであった。
比較例６
炭素前駆体Ａに代えて、下記炭素前駆体Ｇを用いた以外は、実施例１と同様にして行った。その結果を第３表に示す。
炭素前駆体Ｇ；平均粒径４．５μｍのフェノール樹脂を乾燥させた後、５５０℃で４時間焼成して炭素前駆体Ｇを収率９９％で得た。得られた炭素前駆体Ｇの物性は水素／炭素重量％比＝５／９３、平均粒径３μｍ、最大粒径１５μｍ、電気比抵抗値１×１０８Ω・ｃｍであった。
比較例７
炭素前駆体Ａ１．０重量部に代えて、下記カーボンブラックＡ０．５重量部を用いた以外は、実施例１と同様にして行った。なお、炭素前駆体Ａの配合量の変化に応じて、球状溶融シリカの配合量を調整した。その結果を第３表に示す。
カーボンブラックＡ；「ＭＡ６００」，（三菱化学社製，水素／炭素重量％比＝１．５／９８、アグリゲートサイズ３００ｎｍ、アグロメレートサイズ１００μｍ、電気比抵抗値４×１０−１Ω・ｃｍ）
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【産業上の利用可能性】
本発明の半導体装置は、半導体装置製造分野及び該半導体装置を使用する電子部品に有用であり、特に狭い金線間を持ち且つＹＡＧレーザーマーキングを採用する半導体装置に適している。また、本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物は、特に狭い金線間を持ち且つＹＡＧレーザーマーキングを採用する半導体装置を封止するエポキシ樹脂を製造する際に有用である。