(57)【要約】【課題】  本発明の目的は、難燃性を損なうことなく、成形性、信頼性に優れ、熱伝導率が高く、熱膨張率が低く、耐熱性に優れた、パッケージの反りを小さくすることのできる封止用エポキシ樹脂組成物を提供し、更にそれを用いた半導体装置を提供することである。            【解決手段】  上記課題を解決するために、本発明の封止用エポキシ樹脂組成物は、エポキシ樹脂、硬化剤、及び無機充填材を必須成分とする封止用エポキシ樹脂組成物であって、該無機充填材が球状の外形を有し、熱伝導率が５Ｗ／ｍ・Ｋ以上で含有量が８０〜９５質量％であることが必要で、該封止用エポキシ樹脂組成物の硬化物が、    Ａ）熱伝導率が３Ｗ／ｍ・Ｋ以上    Ｂ）線膨張係数α１が１３ｐｐｍ以下    Ｃ）ガラス転移温度が１８５℃以上の特性を有することが必要である。  又、本発明の封止用エポキシ樹脂組成物は、多官能エポキシ樹脂の含有率が５質量％以下であることが望ましい。【選択図】    無し          【特許請求の範囲】
【請求項１】
エポキシ樹脂、硬化剤、及び無機充填材を必須成分とする封止用エポキシ樹脂組成物であって、該無機充填材が球状の外形を有し、熱伝導率が５Ｗ／ｍ・Ｋ以上で含有量が８０〜９５質量％であり、該封止用エポキシ樹脂組成物の硬化物が、
Ａ）熱伝導率が３Ｗ／ｍ・Ｋ以上
Ｂ）線膨張係数α１が１３ｐｐｍ以下
Ｃ）ガラス転移温度が１８５℃以上
の特性を有す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】
上記封止用エポキシ樹脂組成物において、多官能エポキシ樹脂の含有率が５質量％以下であることを特徴とする請求項１記載の封止用エポキシ樹脂組成物。
【請求項３】
請求項１乃至請求項２記載の封止用エポキシ樹脂組成物を用い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】
【０００１】
本発明は、半導体装置の封止用エポキシ樹脂組成物に関し、又、それを用いた半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ダイオード、トランジスタ、集積回路等の電気、電子部品や、半導体装置等の封止方法として、例えばエポキシ樹脂やシリコン樹脂等による封止方法やガラス、金属、セラミック等を用いたハーメチックシール法が採用されていたが、近年では信頼性の向上と共に大量生産が可能な、又、コストメリットのあるトランスファー成形による樹脂封止が主流を占めている。
【０００３】
上記トランスファー成形による樹脂封止方法に用いられる樹脂組成物においては、エポキシ樹脂と、硬化剤としてフェノール樹脂を主成分とする樹脂組成物からなる封止材料が一般的に使用されている。
【０００４】
現在、パワーデバイスなどの素子を保護する目的で使用されるエポキシ樹脂組成物は、素子が放出する多量の熱に対応するため、結晶シリカなどの無機充填材を高密度に充填している。
【０００５】
又、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、例えばワンチップで構成されるものやモジュールタイプなどがあり、封止材料に対する熱放散性、熱膨張性の更なる向上が望まれている。
【０００６】
これらの要求に対応するべく、熱膨張率を低減するために非晶質シリカの含有率を増したり、又、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（特許文献１）、球状アルミナ粉末（特許文献２）を使用するといった試みがなされているが、無機充填材の含有率を上げていくと成形時の粘度上昇とともに流動性が低下し、成形性が損なわれるといった問題が生じる。
【０００７】
更には大容量のパワーデバイスやＩＣをモジュール化し、封止するため、封止面積が大型化され、又、放熱特性を向上するために大型の放熱フィンを有し、その片側に樹脂封止された製品が開発されており、これらのパッケージでは樹脂組成物の成形、硬化時の、いわゆる成形収縮の影響により、反りが発生し易いという問題点がある。
【０００８】
この反りを低減するには成形収縮を小さくし、ガラス転移温度を高くすることが重要であるが、その方法として、多官能型樹脂を使用し、高活性の硬化触媒を使用することにより、ガラス転移温度を高くし、成形収縮を小さくして反りを低減する手法（特許文献３）が開示されている。
【０００９】
しかしながら、多官能型樹脂を使用すると難燃性が悪化し、又、粘度が高くなって金線流れが発生し易くなり、更に、高活性の硬化触媒を使用することで硬化反応が不安定となり、分子量分布のばらつき等が大きくなって封止剤としての信頼性が低下する傾向があった。
【特許文献１】特開平１１−１４７９３６
【特許文献２】特開２００２−３０９０６７
【特許文献３】特開２００１−０５５４３１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従って、本発明の目的は、上記問題点を解消し、難燃性を損なうことなく、成形性、信頼性に優れ、熱伝導率が高く、熱膨張率が低く、耐熱性に優れた、パッケージの反りを小さくすることのできる封止用エポキシ樹脂組成物を提供し、更にそれを用いた半導体装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明の封止用エポキシ樹脂組成物は、エポキシ樹脂、硬化剤、及び無機充填材を必須成分とする封止用エポキシ樹脂組成物であって、該無機充填材が球状の外形を有し、熱伝導率が５Ｗ／ｍ・Ｋ以上で含有量が８０〜９５質量％であることが必要で、該封止用エポキシ樹脂組成物の硬化物が、
Ａ）熱伝導率が３Ｗ／ｍ・Ｋ以上
Ｂ）線膨張係数α１が１３ｐｐｍ以下
Ｃ）ガラス転移温度が１８５℃以上
の特性を有することが必要である。
【００１２】
上記課題を解決するために、本発明の封止用エポキシ樹脂組成物は、多官能エポキシ樹脂の含有率が５質量％以下であることが望ましい。
【００１３】
又、上記課題を解決するために、本発明の半導体装置は、上記の封止用エポキシ樹脂組成物を用いてなるものであることが望ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の封止用エポキシ樹脂組成物は、エポキシ樹脂、硬化剤、及び無機充填材を必須成分とする封止用エポキシ樹脂組成物であって、該無機充填材が球状の外形を有し、熱伝導率が５Ｗ／ｍ・Ｋ以上で含有量が８０〜９５質量％であり、該封止用エポキシ樹脂組成物の硬化物が、
Ａ）熱伝導率が３Ｗ／ｍ・Ｋ以上
Ｂ）線膨張係数α１が１３ｐｐｍ以下
Ｃ）ガラス転移温度が１８５℃以上
の特性を有することを特徴としており、成形性、信頼性に優れ、熱伝導率が高く、熱膨張率が低く、耐熱性に優れた、パッケージの反りを小さくすることのできる封止用エポキシ樹脂組成物が提供される。
【００１５】
本発明の封止用エポキシ樹脂組成物は、多官能エポキシ樹脂の含有率が５質量％以下であることを特徴としており、難燃性を損なうことなくガラス転移温度を高くし、成形収縮を小さくして反りを低減することができる。
【００１６】
又、本発明の半導体装置は、上記の封止用エポキシ樹脂組成物を用いてなることを特徴としており、信頼性、耐熱性に優れ、反りの小さなパッケージを備えた半導体装置が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明のエポキシ樹脂組成物は、エポキシ樹脂、硬化剤、及び球状無機充填材を必須成分とする。エポキシ樹脂としては、１分子中に２個以上のエポキシ基を有するものであればどのようなものでも良く、半導体装置で一般的にその封止用に用いられているエポキシ樹脂を使用できる。例えば、オルソクレゾールノボラック型エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂、トリフェニルメタン型エポキシ樹脂、フェノールノボラック型エポキシ樹脂、ビスフェノール型エポキシ樹脂、ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂、ナフタレン環を有するエポキシ樹脂等を挙げることができる。又、難燃性付与のため、ブロム等のハロゲンを含有した含ハロゲンエポキシ樹脂を併用しても良い。
【００１８】
本発明のエポキシ樹脂組成物は、多官能型エポキシ樹脂を５質量％以下の範囲で含有させることができる。多官能型エポキシ樹脂を含有することでエポキシ樹脂硬化物のガラス転移温度を高くし、成形収縮を小さくして反りを低減する効果を得ることができる。但し、後述するように、同様の効果を無機充填材の高密度充填によっても達成できるため、多官能型エポキシ樹脂は必須成分ではない。５質量％を超えると難燃性が悪化し、好ましくない。
【００１９】
本発明のエポキシ樹脂組成物の必須成分の一つである硬化剤は、１分子中に２個以上のフェノール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が代表的であるが、その他、ナフトール樹脂、ジシクロペンタジエン型フェノール樹脂、フェノールアラルキル樹脂等が使用可能である。これらは単独で使用しても良く、又、２種以上併用しても良い。
【００２０】
本発明のエポキシ樹脂組成物では、エポキシ樹脂と硬化剤の配合比率は、エポキシ−フェノール当量比で０．９〜１．５の範囲であることが好ましい。この範囲外では硬化後も未反応のエポキシ基、又はフェノール水酸基が残留し、封止機能に関しての信頼性が低下するため好ましくない。
【００２１】
本発明のエポキシ樹脂組成物では、エポキシ樹脂として含ハロゲンエポキシ樹脂や多官能型エポキシ樹脂を併用する場合、それぞれのエポキシ当量を基準として、エポキシ−フェノール当量比が好ましい範囲となるよう配合割合を決めるのが望ましく、又、硬化剤として上述した２種以上を併用する場合も同様に、それらのフェノール当量を基準に配合割合を決定することが望ましい。
【００２２】
本発明のエポキシ樹脂組成物では、球状無機充填材を配合することが必要である。使用する球状無機充填材は熱伝導率が５Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが必要で、アルミナ、窒化アルミニウム、結晶シリカ等が好適に使用される。その他、必要に応じて形状に関係なく無定形無機充填材として例えば溶融シリカ、結晶シリカなどを併用しても良い。
【００２３】
本発明に使用する球状無機充填材の添加量は、エポキシ樹脂組成物に対して８０〜９５質量％であることが必要である。添加量が８０質量％未満では高い熱伝導性、低い熱膨張性といった本発明が目的とする効果を発揮できず、又、９５質量％を超えると粘度が高くなり、成形性が悪化するため好ましくない。
【００２４】
本発明に使用する無機充填材は、球状の外形を有することが必要である。又、その直径はできるだけ均一であることが好ましい。これにより、面心立方構造や六方稠密構造等の最密充填構造をとり易く、充分な充填量を得ることができる。球形でない場合、充填量が増えると充填材同士の摩擦が増え、上記の上限に達する前に流動性が極端に低下して粘度が高くなり、成形性が悪化するため好ましくない。
【００２５】
本発明のエポキシ樹脂組成物では、熱伝導率が５Ｗ／ｍ・Ｋ以上の値を示すような高い熱伝導性を有した球状無機充填材を高密度に充填することで熱変化に対する安定性が向上する。即ち、熱膨張が小さくなり、１８５℃以上の高いガラス転移温度を示す、耐熱性の良い封止用エポキシ樹脂組成物が得られる。
【００２６】
本発明のエポキシ樹脂組成物においては、封止用エポキシ樹脂組成物に一般的に用いられる硬化触媒が使用できる。例えば、トリフェニルホスフィン、トリメチルホスフィン等の有機リン化合物類、２−メチルイミダゾール、２−フェニル−４−メチルイミダゾール、２−フェニルイミダゾール、１ベンジル−２−フェニルイミダゾールなどのイミダゾール類を挙げることができる。１，８−ジアザビシクロ（５，４，０）ウンデセン−７、トリエタノールアミン、ベンジルジメチルアミン等の３級アミン類等も使用可能である。これらは単独で用いても良く、併用しても良い。
【００２７】
上記硬化触媒の添加量は、エポキシ樹脂（難燃剤としての含ハロゲンエポキシ樹脂を含む）と硬化剤の合計に対して、０．１〜２．０質量％が好ましい。０．１質量％未満ではゲル化時間が遅くなって硬化時の剛性低下による作業性の低下をもたらし、逆に２．０質量％を超えると成形途中で硬化が進んでしまい、未充填が発生し易くなる。
【００２８】
本発明のエポキシ樹脂組成物においては、封止用エポキシ樹脂組成物に一般的に用いられる離型剤としてワックスが使用できる。ワックスとしては、例えばステアリン酸、モンタン酸、モンタン酸エステル、リン酸エステル等が使用可能である。
【００２９】
本発明のエポキシ樹脂組成物においては、無機充填材と樹脂成分の接着力を向上させるため、封止用エポキシ樹脂組成物に一般的に用いられるカップリング剤を用いることができる。カップリング剤としては、例えばエポキシシランが使用可能である。カップリング剤の添加量は、封止用エポキシ樹脂組成物に対して、０．１〜２．０質量％が好ましい。０．１質量％未満では樹脂と基材のなじみが悪く成形性が悪くなり、逆に２．０質量％を超えると連続成形性での成形品汚れが生じる。
【００３０】
以上の他、一般的に封止用エポキシ樹脂組成物に使用可能なものを適宜配合して用いることができる。例えば、リン系難燃剤、ブロム化合物や三酸化アンチモン等の難燃剤、及びカーボンブラックや有機染料等の着色剤等を使用することができる。
【００３１】
本発明のエポキシ樹脂組成物は、エポキシ樹脂、硬化剤、無機充填材と、カップリング剤以外のその他の成分をミキサー等によって均一に混合した後、カップリング剤を添加し、加熱ロール、ニーダー等によって混練して製造する。カップリング剤以外の成分の配合順序には特に制限はない。更に又、混練後に溶融混練物の粉砕を行い、パウダー化することやタブレット化することも可能である。
【００３２】
本発明のエポキシ樹脂組成物は、特に半導体装置に封止用として用いられる。
【実施例】
【００３３】
以下、本発明を、実施例、比較例にて説明する。但し、本発明はここに記載した実施例に限定されるものではない。
【００３４】
［評価用サンプル試作］
（実施例１〜５）
表１に示す成分を配合し、ミキサーで十分混合した後、カップリング剤を添加して加熱ロールで約５分間混練したものを冷却し、粉砕してそれぞれ実施例１〜５の封止用エポキシ樹脂組成物を得た。
（比較例１、２）
表１に示す成分を配合し、ミキサーで十分混合した後、カップリング剤を添加して加熱ロールで約５分間混練したものを冷却し、粉砕してそれぞれ比較例１、２の封止用エポキシ樹脂組成物を得た。
【００３５】
表１の無機充填材比率は、配合された成分全量に対する無機充填材の質量％を示す。又、多官能型エポキシ樹脂含有率は、同様に配合された成分全量に対する多官能型エポキシ樹脂の質量％を示す。
【００３６】
［評価］
（１）熱伝導率
熱伝導率は、金型を用い、実施例１〜５、比較例１、２で得られたエポキシ樹脂組成物を、温度１７５℃、注入時間１０秒、加圧時間１００秒、注入圧力７ＭＰａの成形条件でトランスファー成形した後、１７５℃で６時間アフターキュアしてφ１００、厚さ２５±５ｍｍの円盤状の評価用サンプルを作製した。得られた評価用サンプルを京都電子工業（株）製ＱＴＭ−Ｄ３迅速熱伝導率計を用いて非定常熱線法により測定した。結果は表１に示した。
（２）線膨張係数、ガラス転移温度
線膨張係数は、実施例１〜５、比較例１、２で得られたエポキシ樹脂組成物を用いて性能評価用のＪＩＳ成形品を作製し、１７５℃で６時間アフターキュアした後、理学電機（株）製の測定器を用いＴＭＡの圧縮法にて５０〜１００℃の温度範囲で測定して求めた。ガラス転移温度は、同じサンプル、同じ測定器にて３℃／ｍｉｎ．の昇温速度で測定して求めた。線膨張係数、ガラス転移温度の測定結果は表１に示した。
（３）成形収縮率
成形収縮率の評価は、実施例１〜５、比較例１、２で得られたエポキシ樹脂組成物を用いて、温度１７５℃、注入時間７秒、加圧時間１２０秒、注入圧力７ＭＰａの成形条件でトランスファー成形してＪＩＳ成形品を作製し、成形品寸法を測定し、金型との寸法比率を成形収縮率とした。結果は表１に示した。
（４）耐熱信頼性
耐熱信頼性は、以下の方法で評価した。
３μｍのアルミニウム配線を施したＴＥＧ（Ｔｅｓｔ  Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ  Ｇｒｏｕｐ）を用い、１６ＤＩＰ（Ｄｕａｌ  Ｉｎ−ｌｉｎｅ  Ｐａｃｋａｇｅ）用の金型を使用し、実施例１〜５、比較例１、２で得られたエポキシ樹脂組成物をトランスファー成形して成形品を作製した。なお、成形条件は、温度１７５℃、注入時間７秒、加圧時間１２０秒、注入圧力７ＭＰａとした。この成形品を１７５℃で６時間アフターキュアし、性能評価用の１６ＤＩＰの半導体装置を得た。この性能評価用の半導体装置を温度サイクル（−６５℃、３０分⇔１５０℃、３０分）の条件で試験し、５０％不良発生サイクル数（ＴＥＧのアルミニウム配線の５０％が通電不良となるまでのサイクル数＝時間）を測定した。結果は表１に示した。
【００３７】
熱伝導率の大きな無機充填材を含有する実施例１〜４の封止用エポキシ樹脂組成物成形品は、比較例１，２の封止用エポキシ樹脂組成物成形品と比べて３倍以上の熱伝導率を示し、その結果、耐熱信頼性において３０００サイクル問題なしという十分優れた結果を示した。
【００３８】
これに対し、含有する無機充填材の熱伝導率が低い比較例１，２の封止用エポキシ樹脂組成物成形品は、それぞれ１０００サイクル、１５００サイクルで不良が５０％を超え、その時点で測定を中止した。  
【００３９】
実施例１と実施例２を比較すると、無機充填材の含有量の違いによる効果の差が現れており、即ち、無機充填材の含有量が多いほど熱伝導率が高く、線膨張係数が低く、ガラス転移温度が高く、成形収縮率が小さいことが判る。
【００４０】
実施例３は、無機充填材の含有量が実施例１と２の間で、エポキシ樹脂の種類が異なるが、実施例３の測定データは前記実施例１と実施例２の中間と見なしてよく、エポキシ樹脂の種類よりも無機充填材の含有量で特性が決まることが判る。
【００４１】
実施例４は、実施例２に使用したオルトクレゾールノボラック型エポキシ樹脂の配合量を減らし、減量分を多官能型エポキシ樹脂に置き換えたもので、多官能型エポキシ樹脂の効果でガラス転移温度が上昇していることが判る。
【００４２】
多官能型エポキシ樹脂の効果は、比較例１と比較例２のデータからも明らかで、ガラス転移温度が実施例２、４の場合よりも大きな差となって現れている。この結果は無機充填材の違いによるものであり、実施例２、４の場合、無機充填材の効果で元々のガラス転移温度が高いため、多官能型エポキシ樹脂の効果が現れ難いと考えられる。
【００４３】
実施例５は硬化触媒の違いであり、ガラス転移温度を高くするために有効な手法として高活性のイミダゾール系触媒を使用するが、ガラス転移温度が大きく変化しない。このことから熱伝導率が５Ｗ／ｍ・Ｋ以上の値を示すような高い熱伝導性を有した球状無機充填材を高密度に充填することで熱変化に対する安定性が向上し、１８５℃以上の高いガラス転移温度を示す、耐熱性の良い封止用エポキシ樹脂組成物が得られる。
【００４４】
【表１】
2005146229.tif 000002
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明の封止用エポキシ樹脂組成物は、エポキシ樹脂、硬化剤、及び無機充填材を必須成分とする封止用エポキシ樹脂組成物であって、該無機充填材が球状の外形を有し、熱伝導率が５Ｗ／ｍ・Ｋ以上で含有量が８０〜９５質量％であり、該封止用エポキシ樹脂組成物の硬化物が、
Ａ）熱伝導率が３Ｗ／ｍ・Ｋ以上
Ｂ）線膨張係数α１が１３ｐｐｍ以下
Ｃ）ガラス転移温度が１８５℃以上
の特性を有することを特徴としており、成形性、信頼性に優れ、熱伝導率が高く、熱膨張率が低く、耐熱性に優れた、パッケージの反りを小さくすることのできる封止用エポキシ樹脂組成物が提供される。
【００４６】
本発明の封止用エポキシ樹脂組成物は、多官能エポキシ樹脂の含有率が５質量％以下であることを特徴としており、難燃性を損なうことなくガラス転移温度を高くし、成形収縮を小さくして反りを低減することができる。
【００４７】
又、本発明の半導体装置は、上記の封止用エポキシ樹脂組成物を用いてなることを特徴としており、信頼性、耐熱性に優れ、反りの小さなパッケージを備えた半導体装置が提供される。