(57)【要約】  本発明は、エポキシ樹脂、硬化剤、カップリング剤、硬化促進剤、及び接着力向上剤を含み、前記接着力向上剤は、平均粒径が０.１〜５μｍであるイミダゾール系化合物を含むエポキシ樹脂組成物及びこれを含む半導体装置を提供する。本発明のエポキシ樹脂組成物は、銅、ニッケル、銀などの異種素材との接着力が高いので、ＭＳＬ及びＴＣＴなどの自動車用半導体に求められる高いレベルの信頼性を満たすことができる。【特許請求の範囲】
【請求項１】
エポキシ樹脂、硬化剤、カップリング剤、硬化促進剤、及び接着力向上剤を含み、前記接着力向上剤は、平均粒径が０.１〜５μｍであるイミダゾール系化合物を含む、エポキシ樹脂組成物。
【請求項２】
前記イミダゾール系化合物の平均粒径は、０.５〜２.５μｍである、請求項１に記載のエポキシ樹脂組成物。
【請求項３】
前記イミダゾール系化合物は、下記化１の化学構造を有する、請求項１に記載のエポキシ樹脂組成物：
【化１】
2020524198.tif 000007
前記化１において、Ｒ１は、炭素数１〜６のアルキレン基であり、前記Ｒ２は、炭素数１〜６のアルキル基である。
【請求項４】
前記Ｒ１は、メチレン基及びエチレン基のいずれか一つであり、前記Ｒ２は、メチル基及びエチル基のいずれか一つであるものである、請求項３に記載のエポキシ樹脂組成物。
【請求項５】
前記接着力向上剤は、エポキシ樹脂組成物１００重量部を基準として、０.０１〜０.５重量部の含量で含まれる、請求項１に記載のエポキシ樹脂組成物。
【請求項６】
前記エポキシ樹脂は、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、脂環型エポキシ樹脂、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、及びビフェニル型エポキシ樹脂からなる群から選ばれる少なくとも一つであり、
前記エポキシ樹脂は、エポキシ基を１分子内に２つ以上含有する、請求項１に記載のエポキシ樹脂組成物。
【請求項７】
前記硬化剤は、フェノールノボラック樹脂、クレゾールノボラック樹脂、フェノールアラルキル樹脂、及び多官能フェノール化合物からなる群から選ばれる少なくとも一つであり、
前記硬化剤は、フェノール性水酸基を１分子内に２つ以上含有する、請求項１に記載のエポキシ樹脂組成物。
【請求項８】
前記エポキシ樹脂と硬化剤は、１：０.６〜１：１.３の当量比で混合される、請求項１に記載のエポキシ樹脂組成物。
【請求項９】
前記カップリング剤は、エポキシシラン、メルカプトシラン、及びアミノシランから構成される群から選ばれる少なくとも一つを含む、請求項１に記載のエポキシ樹脂組成物。
【請求項１０】
前記硬化促進剤は、アミン系化合物及び有機ホスフィン化合物から構成される群から選ばれる少なくとも一つを含む、請求項１に記載のエポキシ樹脂組成物。
【請求項１１】
前記エポキシ樹脂組成物は、シリカ、シリカナイトライド、アルミナ、アルミニウムナイトライド、及びボロンナイトライドから構成される充填剤の群から選ばれる少なくとも一つをさらに含む、請求項１に記載のエポキシ樹脂組成物。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか一項に記載のエポキシ樹脂組成物を含む、半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エポキシ樹脂組成物及びこれを含む半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車用半導体としてメモリー／非メモリー、電源用半導体、マイクロコントロールユニット（ＭＣＵ）などの約２００個以上の半導体が使用されており、一般車種は、平均４０個、高級車種は、１００個以上の半導体を内蔵している。自動車用半導体は、家庭用または産業用半導体よりも温度、湿度、不良率、保証寿命などの自動車の適用に要求される厳格な品質基準（ＡＥＣ−Ｑ１０１）を満たさなければならない。このため、半導体の密封材料であるエポキシ樹脂組成物に対する要求特性のレベルも高まっている。
【０００３】
近年、自動車用半導体の応用分野が急速に拡大し、自動車用半導体の市場規模は、急激に増大しており、特にディスクリートパワー半導体の需要が持続的に増加している。このような自動車用ディスクリートパワー半導体市場の急成長に伴い、リードの基板挿入実装方式のパッケージから表面実装タイプのパッケージへの変化要求が次第に拡大している。これにより、より多くの半導体組立メーカーが自動車用ディスクリート半導体市場に流入し、競争が持続的に激化している。
【０００４】
このため、半導体組立メーカーでは、価格競争力（ｅｘ．工程の短縮）の確保のため、様々な材質のリードフレームを使用しているが、主に銅、ニッケル、銀などの材質でメッキされたリードフレームを使用している。しかし、銅、ニッケル、及び銀材質は、密封材との接着力の低下により、自動車用半導体に求められる重要な信頼性の項目であるＭＳＬ（Ｍｏｉｓｔｕｒｅ  Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ  Ｌｅｖｅｌ）及びＴＣＴ（Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｃｙｃｌｅ  Ｔｅｓｔ）で剥離が発生して信頼性を満たすことができないという問題が発生している。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、銅、ニッケル、及び銀材質との接着力に優れており、自動車用表面実装型半導体の信頼性規格を満たすことができるエポキシ樹脂組成物、及びこれを含む半導体装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一側面は、エポキシ樹脂、硬化剤、カップリング剤、硬化促進剤、及び接着力向上剤を含み、前記接着力向上剤は、平均粒径が０.１〜５μｍであるイミダゾール系化合物を含むエポキシ樹脂組成物を提供する。
【０００７】
また、本発明の他の側面は、前記エポキシ樹脂組成物を含む半導体装置を提供する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明のエポキシ樹脂組成物は、銅、ニッケル、銀などの異種素材との接着力が高いので、ＭＳＬ及びＴＣＴなどの自動車用半導体に求められる高いレベルの信頼性を満たすことができる。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明を詳細に説明する。
【００１０】
１.エポキシ樹脂組成物
本発明の一側面は、エポキシ樹脂組成物を提供する。
【００１１】
前記エポキシ樹脂組成物は、エポキシ樹脂、硬化剤、カップリング剤、硬化促進剤、及び接着力向上剤を含む。
【００１２】
前記エポキシ樹脂は、半導体密封用として一般的に使用されるエポキシ樹脂であれば特に制限されるものではなく、１分子内に２つ以上のエポキシ基を含有するエポキシ化合物であることが好ましい。例えば、前記エポキシ樹脂としては、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、脂環型エポキシ樹脂、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、及びビフェニル型エポキシ樹脂からなる群から選ばれる少なくとも１つまたは２種以上を混合して使用してもよい。
【００１３】
前記エポキシ樹脂の含量は、エポキシ樹脂組成物１００重量部を基準として２〜２０重量部を使用してもよく、例えば、６〜１０重量部を使用してもよい。前記含量が２重量部未満であれば、接着性、流動性、及び成形性が低下し得、２０重量部を超えると、吸湿量の増加により半導体の信頼性が不良となり、後述する充填剤の相対的な含量の減少により強度が低下し得る。
【００１４】
前記硬化剤は、前記エポキシ樹脂成分と反応して組成物の硬化を進行させる成分で、１分子内に２つ以上のフェノール性水酸基を含有する硬化剤であることが好ましい。例えば、前記硬化剤としては、フェノールノボラック樹脂、クレゾールノボラック樹脂、フェノールアラルキル樹脂、及び多官能フェノール化合物からなる群から選ばれる少なくとも１つまたは２種以上を混合して使用してもよい。
【００１５】
前記硬化剤の含量は、エポキシ樹脂組成物１００重量部を基準として１〜２０重量部を使用してもよく、例えば、３〜７重量部を使用してもよい。前記含量が１重量部未満であれば、硬化性及び成形性に問題が発生し得、２０重量部を超えると、吸湿量の増加により信頼性が低下し、相対的に強度が低くなり得る。
【００１６】
前記エポキシ樹脂と硬化剤の配合比は、自動車用半導体における機械的性質及び耐湿信頼性の要求に応じて、１：０.６〜１：１.３の当量比で混合されることが好ましい。エポキシ基１当量に対する硬化剤の活性基が０.６当量未満である場合、全体の樹脂組成物の硬化速度が遅くなり、１.３当量を超える場合、最終硬化後の硬化物の強度が減少する傾向がある。また、エポキシ基１当量に対する硬化剤の活性基の範囲が０.６〜１.３当量の範囲外にある場合、未反応のエポキシ基または硬化剤による高温熱分解が発生し得る。
【００１７】
前記カップリング剤は、半導体密封用として一般的に使用されるものであれば、特に制限されるものではなく、例えば、エポキシシラン、メルカプトシラン、及びアミノシランから構成される群から選ばれる少なくとも１つまたは２種以上を混合して使用してもよい。
【００１８】
前記カップリング剤の含量は、エポキシ樹脂組成物１００重量部を基準として０.０１〜２.０重量部を使用してもよく、例えば、０.０５〜１.０重量部を使用してもよい。前記含量が０.０１重量部未満であれば、有機物と無機物間のカップリング効果の減少により強度が低下するという問題点が発生し得、２.０重量部を超えると、ゲル形成の問題点が発生し得る。
【００１９】
前記硬化促進剤は、エポキシ樹脂と硬化剤の硬化反応を促進する成分として、アミン系化合物及び有機ホスフィン化合物から構成される群から選ばれる少なくとも１つまたは２種以上を混合して使用してもよい。
【００２０】
例えば、前記アミン系化合物としては、ベンジルジメチルアミン、トリエタノールアミン、トリエチレンジアミン、ジエチルアミノエタノール、トリ（ジメチルアミノメチル）フェノール、２,４,６−トリス（ジアミノメチル）フェノールとトリ−２−エチルヘキシル酸からなる群から選ばれた少なくともいずれか一つを使用してもよい。
【００２１】
例えば、前記ホスフィン化合物としては、トリス-4-メトキシフェニルホスフィン、テトラブチルホスホニウムブロマイド、ブチルトリフェニルホスホニウムブロマイド、フェニルホスフィン、ジフェニルホスフィン、トリフェニルホスフィン、トリフェニルホスフィントリフェニルボラン、トリフェニルホスフィン−１,４−ベンゾキノンからなる群から選ばれた少なくともいずれか一つを使用してもよい。
【００２２】
前記硬化促進剤の含量は、エポキシ樹脂組成物１００重量部を基準として０.０５〜５重量部を使用してもよく、例えば、０.１〜３重量部を使用してもよい。前記含量が０.０５重量部未満であれば、ゲル化時間（ｇｅｌａｔｉｏｎ  ｔｉｍｅ）の増加により適正作業性を確保できず、５重量部を超えると、ゲル化時間の過度な短縮により成形性の低下が発生し得る。
【００２３】
前記接着力向上剤は、銅、ニッケル、銀などの材質でメッキされたリードフレームとの接着力を向上させる成分として、平均粒径が０.１〜５μｍ、例えば、平均粒径が０.５〜２.５μｍであるイミダゾール系化合物を使用してもよい。前記イミダゾール系化合物の平均粒径が０.１μｍ以下である場合、混合時の相互間の引力によって凝集が容易で分散性が減少し、これにより、接着性の低下が発生し得る。平均粒径が５μｍを超える場合、比表面積の減少により銅、ニッケル、及び銀材質の被着剤との接触面積の減少により接着性が低下し得る。
【００２４】
前記イミダゾール系化合物としては、下記化１の化学構造を有することを使用してもよい。
【００２５】
【化１】
2020524198.tif 000002
【００２６】
前記化１において、前記Ｒ１は、炭素数１〜６のアルキレン基であり、Ｒ２は、炭素数１〜６のアルキル基である。例えば、前記Ｒ１は、炭素数１〜４のアルキレン基であり、前記Ｒ２は、炭素数１〜４のアルキル基であってもよく、他の例として、前記Ｒ１は、炭素数１〜２のアルキレン基であり、前記Ｒ２は、炭素数１〜２のアルキル基であってもよい。例えば、前記Ｒ１は、メチレン基及びエチレン基のいずれかであり、前記Ｒ２は、メチル基及びエチル基のいずれかであってもよい。
【００２７】
前記接着力向上剤は、エポキシ樹脂組成物１００重量部を基準として、０.０１〜０.５重量部を使用してもよい。前記含量が０.０１重量部未満であれば、十分な接着性を確保できず、０.５重量部を超えると、構造内のＨ２Ｏ分子が増加して成形時の接着界面での気化現象により接着性が低下し得る。
【００２８】
前記エポキシ樹脂組成物は、エポキシ樹脂組成物の機械的物性（例えば、強度）の向上と吸湿量を下げるために充填剤をさらに含んでいてもよい。例えば、前記充填剤としては、シリカ、シリカナイトライド、アルミナ、アルミニウムナイトライド、及びボロンナイトライドからなる群から選ばれる少なくとも一つを使用してもよい。充填剤の形状は、特に制限されるものではなく、角状及び球状の充填剤を全て使用してもよい。例えば、天然シリカ、合成シリカ、溶融シリカ等を使用してもよく、一例として、球状シリカ粒子を使用してもよい。前記充填剤の粒径は、金型への充填性を考慮して１５０μｍ以下であることが好ましい。
【００２９】
前記充填剤の含量は、エポキシ樹脂組成物１００重量部を基準として７０〜９１重量部を使用してもよく、例えば、７５〜８９重量部を使用してもよい。前記含量が７０重量部未満であれば、エポキシ樹脂組成物の硬化物中の吸湿量が増加し、前記吸湿量の増加が半導体装置の信頼性の低下を招くことがあり、９１重量部を超えると、流動性の損失を引き起こして成形性不良を発生させ得る。
【００３０】
また、本発明のエポキシ樹脂組成物は、半導体密封用エポキシ樹脂組成物に一般的に使用される添加剤をさらに含んでいてもよい。前記添加剤は、難燃剤、着色剤、離型剤、または低応力化剤などを始めとして、当業界で一般的に用いられる様々な成分であってもよい。
【００３１】
前記エポキシ樹脂組成物それ自体でも優れた難燃性を示すことができるが、難燃性をより向上させるために難燃剤をさらに含んでもよい。前記難燃剤としては、金属水酸化物、リン、及び窒素含有有機化合物（例えば、レゾルシノールジホスフェート（Ｒｅｓｏｒｃｉｎｏｌ  ｄｉｐｈｏｓｐｈａｔｅ）、リン酸塩（Ｐｈｏｓｐｈａｔｅ）、フェノキシホスファゼン（Ｐｈｅｎｏｘｙｐｈｏｓｐｈａｚｅｎｅ）、メラミンシアヌレート（Ｍｅｌａｍｉｎｅ  Ｃｙａｎｕｒａｔｅ）、及びフェノールメラミン樹脂（Ｐｈｅｎｏｌｉｃ  Ｍｅｌａｍｉｎｅ  Ｒｅｓｉｎ））などを単独で、又は２種以上を混合して使用してもよいが、必ずしもこれに限定されるものではない。前記金属水酸化物としては、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、ボロン、アルミニウム、及びガリウムの中から選ばれた金属の水酸化物を使用してもよい。
【００３２】
前記着色剤としては、カーボンブラック、有機染料、無機染料などの通常の着色剤のうち１種または２種以上を混合して使用してもよい。
【００３３】
前記離型剤としては、長鎖脂肪酸、長鎖脂肪酸の金属塩、パラフィンワックス、カルナウバワックスなどの通常の離型剤のうち１種または２種以上を混合して使用してもよい。
【００３４】
前記低応力化剤としては、変性シリコーン樹脂、変性ポリブタジエンなどの通常の低応力化剤のうち１種または２種以上を混合して使用してもよい。
【００３５】
それぞれの添加剤は、エポキシ樹脂組成物１００重量部を基準として、０.１〜５重量部が含まれてもよいが、これに限定されるものではない。
【００３６】
前記エポキシ樹脂組成物を製造する方法は、特に制限されるものではなく、当分野の一般的な方法を用いて製造してもよい。例えば、バンバリーミキサー、ニーダー、ロール、単軸または二軸の押出機及びコニーダー等を用いた公知の溶融混練方法を用いて製造する。一例として、各成分を均一に混合した後、溶融混合機（Ｈｅａｔ  ｋｎｅａｄｅｒ）を用いて、１００℃〜１３０℃の温度で溶融混合し、常温に冷却させた後、粉末状に粉砕した後、ブレンディングする一般的な過程を経て、本発明のエポキシ樹脂組成物を得ることができる。
【００３７】
２.半導体装置
本発明の他の側面は、前記エポキシ樹脂組成物を含む半導体装置を提供する。
【００３８】
本発明の組成物を適用できる半導体装置とは、トランジスタ、ダイオード、抵抗、コンデンサなどを半導体チップや基板上に集積し、配線して作製される電子回路（集積回路）を意味する。前記エポキシ樹脂組成物を用いて半導体装置を密封、製造する方法は、特に制限されるものではなく、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で半導体素子を密封して製造してもよい。
【００３９】
[発明を実施するための形態]
以下、本発明を実施例により詳細に説明する。
【００４０】
但し、下記の実施例は、本発明を具体的に例示するものであり、本発明の内容が下記の実施例により限定されるものではない。
【００４１】
[実施例及び比較例]
下記の表１（実施例）及び表２（比較例）の構成物質を微細に粉砕してパウダーを作製した後、下記所定の配合量を均一に混合した後、加熱された押出機を用いて混練して冷却させた後、再粉砕をして組成物を製造した。
【００４２】
【表１】
2020524198.tif 000003
【００４３】
【表２】
2020524198.tif 000004
【００４４】
（Ａ）エポキシ樹脂：ビフェニル型エポキシ（ＹＸ−４０００Ｋ、日本エポキシ社）、ジシクロペンタジエン型エポキシ（ＨＰ−７２００、ＤＩＣ社）
（Ｂ）硬化剤：フェノールアラルキル樹脂（ＭＥＨ−７８００ＳＳ、メイファ社）、フェノールノボラック樹脂（ＫＰＨ−Ｆ２００１、コーロン社）
（Ｃ）充填剤：非晶質シリカ（ＦＢ−７７０、デンカ社）
（Ｄ）カップリング剤：Ｍｅｔｈｙｌｔｒｉｍｅｔｈｏｘｙ  ｓｉｌａｎｅ（ＴＳＬ−８１１３、モメンティブ社）、３−（２−Ａｍｉｎｏｅｔｈｙｌ）−３−Ａｍｉｎｏｐｒｏｐｙｌ−Ｄｉｍｅｔｈｏｘｙｌｓｉｌａｎｅ（ＫＢＭ−６０２、信越社）、３−Ｍｅｒｃａｐｔｏ  ｐｒｏｐｙｌ  ｔｒｉｍｅｔｈｏｘｙｓｉｌａｎｅ（ＫＢＭ−８０３、信越社）
（Ｅ）接着力向上剤：イミダゾール系化合物（化１の構造を有し、Ｒ１及びＲ２は、それぞれメチレン基及びメチル基である化合物、四国社）
（Ｆ）難燃剤：メタルヒドロキシド（ＡＯＨ、ナバルテック社）
（Ｇ）離型剤：カルナウバワックス（Ｃ−Ｗａｘ、ＫＡＨＬ社）
（Ｈ）着色剤：カーボンブラック（ＭＡ−６００、三菱化学社）
（Ｉ）硬化促進剤：トリフェニルホスフィン（ＴＰＰ、ＨＯＫＫＯ化学社）
【００４５】
[実験例]
前記実施例及び比較例によるエポキシ樹脂組成物を、以下の方法により、それぞれ評価し、評価結果を下記表３及び表４に示した。
【００４６】
スパイラルフロー（ｓｐｉｒａｌ  ｆｌｏｗ）
スパイラルフローモールドを用いて加熱移送成形機（圧力＝７０ｋｇ／ｃｍ２、温度＝１７５℃、硬化時間＝１２０秒）でモールディングした後、エポキシ樹脂組成物の流動性を測定した。
【００４７】
ゲル化時間（ｇｅｌａｔｉｏｎ  ｔｉｍｅ）
各実施例及び比較例により製造されたエポキシ樹脂組成物の少量をゲルタイマーに広く均等に伸ばして、製造物のゲル化所要時間を測定した。
【００４８】
吸湿率
２ｍｍ厚の試験片をモールディングしてＰＭＣ（１７５℃、４時間）後、ＰＣＴ  ｃｈａｍｂｅｒ（１２１℃、２ａｔｍ、ＲＨ１００％）で２４時間強制吸湿して、試験片の吸湿率を測定した。
【００４９】
接着力（銅、ニッケル、銀）
各実施例及び比較例により製造されたエポキシ樹脂組成物を銅、ニッケル、銀でメッキされたリードフレームにモールディングしてＰＭＣ４時間後、該Ｄｉｅ  ｓｈｅａｒ測定装備を介してエポキシ樹脂組成物と銅、ニッケル、銀でメッキされたリードフレーム界面間の接着力を測定した。
【００５０】
剥離
各実施例及び比較例により製造されたエポキシ樹脂組成物を、該パワーモジュールパッケージに直接モールディングしてＰＭＣ（１７５℃、４時間）後、恒温恒湿器を介して３０℃/６０％ＲＨ中に１９２時間吸湿させ、２６０℃×３回リフロー進行して、パッケージ内部Ｃｕ、Ni、Ａｇ  ｐｌａｔｉｎｇ面とエポキシ樹脂組成物の境界面に剥離が発生したことをそれぞれカウントした。境界面の剥離の解釈は、超音波顕微鏡を用いた。
【００５１】
【表３】
2020524198.tif 000005
【００５２】
【表４】
2020524198.tif 000006
【００５３】
前記結果から、本発明のエポキシ樹脂組成物は、銅、ニッケル、及び銀でメッキされたリードフレームとの付着力に優れており、半導体素子の密封時に高い信頼性を有する半導体装置を製作できることを確認した。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明は、銅、ニッケル、及び銀材質との接着力に優れており、自動車用表面実装型半導体の信頼性規格を満たすことができるエポキシ樹脂組成物及びこれを含む半導体装置を提供する。
【国際調査報告】
2020524198.tif 000008
2020524198.tif 000009
2020524198.tif 000010
2020524198.tif 000011