JPH03154368A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野］ この発明は、耐湿信鯨性に優れた半導体装置に関するも
のである。

〔従来の技術］ トランジスタ、ＩＣ，ＬＳＩ等の半導体素子は、外部環
境の保護の観点および素子のハンドリングを可能にする
観点から、プラスチックパッケージ等により封止され半
導体装置化されている。この種のパッケージの代表例と
しては、デュアルインラインパッケージ（ＤＩＰ）があ
る。このＤＩＰは、ビン挿入型のものであり、実装基板
に対してビンを挿入することにより半導体装置を取り付
けるようになっている。

最近は、ＬＳＩチップ等の半導体装置の高集積化と高速
化が進んでおり、加えて電子装置を小形で高機能にする
要求から、実装の高密度化が進んでいる。このような観
点からＤＩＰのようなピン挿入型のパッケージに代えて
、表面実装用パッケージが主流になってきている。この
種のパッケージを用いた半導体装置においては、平面的
にピンを取り出し、これを実装基板表面に直接半田等に
よって固定するようになっている。このような表面実装
型半導体装置は、平面的にビンが取り出せるようになっ
ていることから、薄い、軽い、小さいという特徴を備え
ており、したがって実装基板に対する占有面積が小さく
てすむという利点を備えている他、基板に対する両面実
装も可能であるという長所をも有している。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところが、上記のような表面実装用パッケージを用いた
半導体装置において、表面実装前にパッケージ自体が吸
湿している場合には、半田実装時に水分の蒸気圧によっ
て、パッケージにクラックが生じるという問題が生じる
。すなわち、第１図に示すような表面実装型半導体装置
において、水分は、一般に矢印Ａのように封止樹脂１を
通って、パッケージ３内に侵入し、主としてＳｉ−チッ
プ７の表面やダイボンドパッド４の裏面に滞溜する。そ
して、ペーパーフェーズソルダリング等により半田表面
実装を行う際に、上記滞溜水分が、上記半田実装におけ
る加熱により気化し、その上記圧により、第２図に示す
ように、グイボンドパッド４の裏面の樹脂部分を下方に
押しやり、そこに空隙５をつくると同時にパッケージ３
にクラック６を生じさせる。第１図および第２図におい
て、８はボンディングワイヤーである。

このような問題に対する解決策として、半導体素子をパ
ッケージで封止した後、得られる半導体装置全体を防湿
梱包し、表面実装の直前に開封して使用する方法や、表
面実装の直前に上記半導体装置を１００℃で２４時間乾
燥させ、その後半田実装を行うという方法が提案され、
すでに実施されている。しかしながら、このような前処
理方法によれば、製造工程が長（なる上、手間がかかる
という問題がある。

一方、封止樹脂の低吸湿化を実現するために、半導体封
止用エポキシ樹脂組成物として、例えば、下記の一般式
（ＩＶ）で表される骨格を有するエポキシ樹脂と、下記
の一般式（Ｖ）で表されるノボラック樹脂とを含有する
エポキシ樹脂組成物を用いたものが提案されている。

） しかしながら、上記エポキシ樹脂組成物を用いて半導体
素子を封止すると、封止樹脂の吸湿率は低減するが、半
田実装後の耐湿信転性が劣化してしまう。

この発明は、このような事情に鑑みなされたもので、電
子機器への実装に際して前処理を要せず、かつ半田実装
時の加熱に耐えうる低応力性に優れ、しかも半田実装後
の耐湿信顛性に冨んだ半導体装置の提供をその目的とす
る。

〔課題を解決するための手段〕

上記の目的を達成するため、この発明の半導体装置は、
下記の特性（ａ）〜（ｄ）を備えたエポキシ樹脂系組成
物硬化体により半導体素子を封止するという構成をとる
。

（ａ）硬化体の曲げ強度が、２６０℃で０．６　ｋｇ／
ｆｆ１Ｉｌ！以上。

（ｂ）硬化体の曲げ弾性率が、２６０　”Ｃで６５ｋｇ
／ｍ”以下。

（ｃ）硬化体の飽和吸水率が、−８５°ｃ／８５％ＲＨ
雰囲気下で０．４重量％以下。

（ｄ）硬化体の３０℃における拡散係数（Ｄｆ３０）が
、Ｄ　ｆ　３０−６，ＯＸ　１０−’ａｉ”　／　ｓｅ
ｃ以下で、８５℃における拡散係数（Ｄｆ、、）が、Ｉ
）ｒ８５＝５．Ｏｘｌ　Ｏ−’ｔｍ”／　ｓ　ｅ　ｃ以
下であり、かつ上記拡散係数Ｄｒ３０およびＤｒ、、の
比が下記の不等式を満足させるエポキシ樹脂系組成物硬
化体。

Ｄ　ｆ　−ｓ／　Ｄ　ｆ　ｙ。＜　１０．０〔作用〕 この発明によると、半田実装におけるような高温下（２
１５〜２６０℃）での封止樹脂の耐パッケージクラック
性と耐湿信顛性の大幅な向上を実現できる。

この発明の半導体装置を得るには、例えば、下記の（Ａ
）および（Ｂ）成分を含有しているエポキシ樹脂系組成
物を用いて半導体素子を封止すればよい。

（Ａ）下記の一般式（１）で表されるエポキシ樹脂。

（Ｂ）下記の一般式（ｎ）で表されるシラン化合物と、
下記の一般式（Ｉ［Ｉ）で表されるフェノールアラルキ
ル樹脂とを予備反応させることにより得られる反応生成
物。

（Ｘ＋−ＴＳｉ　＋Ｙ）　ｓ−・・・（ＩＩ）二の発明
に用いるエポキシ樹脂系組成物は、上記のようなエポキ
シ樹脂と、硬化剤とを用いて得られるものであって、通
常、粉末状もしくはそれを打錠してタブレット状になっ
ている。

上記エポキシ樹脂は、特に限定するものではなく、通常
用いられるものがあげられる。なかでも、例えばビフェ
ニル型エポキシ樹脂で、下記の一般式（１）で表される
ものが好適に用いられる。

（余　　白　　） このように、グリシジルエーテル基を有する芳香族環に
低級アルキル基を置換することにより得られるエポキシ
樹脂が塩水性を有するようになる。そして、上記一般式
（１）で表される特殊なエポキシ樹脂のみでエポキシ樹
脂成分を構成してもよいし、それ以外の通常用いられる
エポキシ樹脂と併用するようにしてもよい。前者の場合
には、エポキシ樹脂全部が上記一般式（１）の特殊なエ
ポキシ樹脂で構成され、後者の場合にはエポキシ樹脂の
一部が上記一般式（Ｉ）の特殊なエポキシ樹脂で構成さ
れることとなる。上記通常用いられるエポキシ樹脂とし
ては、クレゾールノボラック型、フェノールノボラック
型、ノボラックビスＡ型やビスフェノールＡ型等の各種
エポキシ樹脂があげられる。上記ノボラック型エポキシ
樹脂としては、通常、エポキシ当量１５０〜２５０．軟
化点５０〜１３０℃のものが用いられ、タレゾールノボ
ラック型エポキシ樹脂としては、エポキシ当量１８０〜
２１０．軟化点６０〜１１０℃のものが一般に用いられ
る。このように両者を併用する場合には、上記一般式（
Ｉ）で表されるエポキシ樹脂をエポキシ樹脂成分全体の
２０重量％（以下「％」と略す）以上に設定するのが好
ましく、特に好ましくは５０％以上である。

上記硬化剤としては、下記の一般式（ｎ）で表される特
定のシラン化合物と、下記の一般式（■）で表される特
定のフェノールアラルキル樹脂とを予備反応させること
により得られる特殊な反応生成物が用いられる。

（Ｘす■璽５ｉ−ｆＹ）　３−　　・・・（ＩＩ）（余
　　白　　） すなわち、上記特殊な反応生成物は、上記一般式（ｎ）
で表される特定のシラン化合物の有機基Ｘおよびアルコ
キシ基Ｙが、一般式（■）で表される特定のフェノール
アラルキル樹脂中のＯＨ基と反応し、脱アルコールする
ことにより得られる。

上記一般式（ＩＩ）で表される特定のシラン化合物とし
ては、通常使用されるシランカップリング剤が用いられ
、具体的には、Ｎ−（２−アミノエチル）−３−アミノ
プロピルメチルジメトキシシラン、Ｎ−（２−アミノエ
チル）−３−アミノプロピルトリメトキシシラン、３−
アミノプロピルトリメトキシシラン、３−アミノプロピ
ルトリエトキシシラン、Ｎ、Ｎ−ビス〔（メチルジメト
キシシリル）プロピル〕アミン、Ｎ、Ｎ−ビス〔３−（
メチルジメトキシシリル）プロピル〕エチレンジアミン
、Ｎ、Ｎ−ビス（３−（）リメトキシシリル）プロピル
〕アミン、Ｎ、Ｎ−ビス〔３−（トリメトキシシリル）
プロピル〕エチレンジアミン、３−（Ｎ、Ｎ−ジグリシ
ジル）アミノプロピルトリメトキシシラン、Ｎ−グリシ
ジル−Ｎ。

Ｎ−ビス〔３−（メチルジメトキシシリル〕プロピル〕
アミン、Ｎ−グリシジル−Ｎ、Ｎ−ビス〔３−（トリメ
トキシシリル）プロピル〕アミン、３−グリシドキシプ
ロビルメチルジメトキシシラン、３−グリシドキシプロ
ピルトリメトキシシラン、３−メルカプトトリメトキシ
シラン、３−メルカプトプロピルトリメトキシシラン、
Ｎ−〔（３−トリメトキシシリル）プロピル〕ジエチレ
ントリアミン、Ｎ−（（３−トリメトキシシリル）プロ
ピル〕　トリエチレンテトラアミン、Ｎ−３−トリメト
キシシリルプロピル−ｍ−フェニレンジアミン等があげ
られる。

上記一般式（Ｉ［Ｉ）で表される特定のフェノールアラ
ルキル樹脂は、アラルキルエーテルとフェノールとをフ
リーゾルタラフッ触媒で反応させることにより得られる
。一般に、フェノールアラルキル樹脂としては、α、α
′−ジメトキシーｐ−キシレンとフェノールモノマーの
縮合重合化合物が知られている。そして、上記フェノー
ルアラルキル樹脂としては、軟化点７０〜１１０℃２水
酸基当量１５０〜２２０を有するものを用いるのが好ま
しい。また、上記フェノールアラルキル樹脂は、通常用
いられるフェノール樹脂と併用しても差し支えはない。

上記通常用いられるフェノール樹脂としては、フェノー
ルノボラック、タレゾールノボラック等があげられる。

これらノボラック樹脂としては、軟化点が５０〜１１０
℃１水酸基当量が７０〜１５０のものを用いることが望
ましい。上記フェノールアラルキル樹脂と、このような
通常のフェノール樹脂とを併用する場合には、上記フェ
ノールアラルキル樹脂をフェノールアラルキル樹脂と通
常のフェノール樹脂の合計量の５０％以上の割合に設定
するのが好ましく、特に好ましくは７０％以上である。

そして、上記予備反応生成物の配合割合は、エポキシ樹
脂中のエポキシ基１当量当たり予備反応生成物中の水酸
基が０．７〜１．３当量となるように配合することが好
適である。

より好適なのは０．８〜１．２当量である。

上記特定のシラン化合物と特定のフェノールアラルキル
樹脂とからなる特殊な反応生成物は、例えばつぎのよう
にして得られる。すなわち、上記特定のシラン化合物お
よび特定のフェノールアラルキル樹脂を撹拌装置付きの
反応容器に適宜配合し、１２０〜１８０℃に、特に好ま
しくは１３０〜１５０℃に昇温させ両者を反応させて反
応生成物を作製する。つぎに、この反応で生成したアル
コールを１３０〜１８０℃の条件下で脱気等により糸外
に除去することにより得られる。

なお、この発明に用いるエポキシ樹脂系組成物には、上
記エポキシ樹脂および硬化剤以外に、通常、無機質充填
剤および硬化促進剤が含有され、さらに必要に応じて難
燃剤、ワックス等が用いられる。

上記無機質充填剤としては、結晶性および溶融性シリカ
等があげられる。そして、この無機質充填剤の配合量は
、エポキシ樹脂組成物全体の６５％以上に設定するのが
好適である。特に好適なのは７０％以上である。すなわ
ち、無機質充填剤の配合量が６５％を下回ると得られる
エポキシ樹脂組成物硬化体の飽和吸湿後の２６０℃にお
ける曲げ強度が低下する（　０．６０　ｋｇ／ｍｍ２未
満となる）からである。

上記硬化促進剤としては、アミン系、リン系。

ホウ素系、リン−ホウ素系等の硬化促進剤があげられ、
単独でもしくは併せて使用される。

上記難燃剤としては、ノボラック型ブロム化エポキシも
しくはビスＡ型エポキシ、三酸化アンチモンおよび五酸
化アンチモン等の化合物を適宜単独でもしくは併せて使
用することが行われる。

上記カップリング剤としては、グリシジルエーテルタイ
プ、アミンタイプ、チオシアンタイプ。

ウレアタイプ等のメトキシないしはエトキシシランが、
適宜に単独でもしくは併せて用いられる。

その使用方法としては、充填剤に対して、トライブレン
ドしたり、もしくは予備加熱反応させたり、さらには有
機成分原料に対する予備混合等自由である。

上記ワックスとしては、高級脂肪酸、高級脂肪酸エステ
ル、高級脂肪酸カルシウム等の化合物があげられ、単独
でもしくは併せて使用される。

なお、本発明に用いられるエポキシ樹脂組成物には、上
記添加剤以外にシリコーンオイルおよびシリコーンゴム
、合成ゴム等のゴム成分を配合して低応力化を図ったり
、耐湿信幀性テストにおける信頼性向上を目的としてハ
イドロタルサイト等のイオントラップ剤を配合してもよ
い。

この発明に用いられるエポキシ樹脂系組成物は、例えば
上記特殊なエポキシ樹脂および反応生成物を用いる場合
、つぎのようにして製造することができる。すなわち、
まず、上記特定のシラン化合物および特定のフェノール
アラルキル樹脂とを上記条件で予備反応させることによ
り反応生成物を作製する。つぎに、この反応生成物およ
び上記エポキシ樹脂を適宜配合し予備混合した後、ミキ
シングロール機等の混練機にかけ加熱状態で混練して溶
融混合し、これを室温に冷却した後、公知の手段によっ
て粉砕し、必要に応じて打錠するという一連の工程によ
り製造することができる。

このようなエポキシ樹脂系組成物を用いての半導体素子
の封止は、特に限定するものではなく、通常のトランス
ファー成形等の公知のモールド方法により行うことがで
きる。そして、この発明においては、上記エポキシ樹脂
系組成物を用いて半導体素子をモールドすることにより
、前記（ａ）〜（ｄ）の諸物性を満足する硬化体により
封止された半導体装置を得ることができる。

この発明において、前記（ａ）の硬化体の曲げ強度が０
．６ｋｇ／ｍｍ”未満では、パッケージにクラックが生
じる。また、（ｂ）の曲げ弾性率が６５ｋｇ／ｗ”を上
回り、（ｃ）の飽和吸水率が０．４％を超え、（ｄ）の
Ｄｆ３ｏが６．ＯＸ　１０−’ｒＮＭ”　／　ｓｅｃを
上回り、Ｄｆ８５が５．ＯＸ　１０−７ｍｍ２　／ｓ　
ｅＣを上回り、かつ上記拡散係数Ｄｆ３０およびＤｒ８
、の比（Ｄ　ｆ　＋１５／　Ｄ　ｆ　３０）が１０．０
以上の特性を備えているものを用いると、やはり耐クラ
ツク性が低下するからである。

通常、上記エポキシ樹脂系組成物として、（ａ）その硬
化体の曲げ強度が２６０℃で０．６〜１．５ｋｇ　／　
ｒｍ　”の範囲内で、（ｂ）硬化体の曲げ弾性率が２６
０℃で３０〜６５ｋｇ／扁２の範囲内で、（ｃ）硬化体
の飽和吸水率が上記の値を下回り（低ければ低いほど好
ましい）、かつ（ｄ）硬化体の３０℃における拡散係数
（Ｄ　ｆ　＊ｏ）および８５℃の拡散係数（Ｄ８５）が
上記の各値を満たすものが用いられる。また、上記硬化
体と半導体素子との接着力は、通常、２ｋｇ／ｍｕ”以
上、好ましくは３ｋｇ／ｍｍ”以上、−船釣には２〜８
ｋｇ／Ｍ２程度とされる。

なお、上記曲げ強度および曲げ弾性率は、エポキシ樹脂
系組成物硬化体を作製し、２６０℃下。

ＪＩＳ−に−６９１１に準じて試験を行うことにより得
られる値である。

また、上記飽和吸水率は、得られるエポキシ樹脂系組成
物をトランスファープレスにより直径５０ＩＩＩＩ１１
．厚み３Ｍの円板に硬化成形したのち、８５’Ｃ／８５
％ＲＨ雰囲気下で５００時間吸湿させることより得られ
る値である。上記硬化成形の条件は、通常のエポキシ樹
脂では、１７５℃、２分。

７０ｋｇ／ｄで、アフターキュアー：１７５℃，５時間
である。

さらに、上記各拡散係数Ｄｆ３０およびＤｆ８５は、フ
ィック型拡散における平板吸湿での短時間吸湿に相当す
る下記の式に硬化体の吸水量を代入することにより算出
される値である。

このようにして得られる半導体装置は、上記のような特
性を有するエポキシ樹脂系組成物硬化体により樹脂封止
されているため、耐湿信頼性に優れ、半田実装に際して
もパッケージクラック等が生ずることがない。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明の半導体装置は、それ自身の硬
化物が所定の曲げ強度１曲げ弾性率、飽和吸水率、拡散
係数を有する特殊なエポキシ樹脂系組成物によって半導
体素子を樹脂封止して得られている。したがって、この
ものは、半田実装におけるような過酷な条件下において
もパッケージクラックを生じることなく、優れた耐湿信
頼性を備えている。特に、薄形フラットパッケージの表
面実装等において高い信頼性を有し最適である。

また、上記特殊なエポキシ樹脂系組成物として、前記一
般式（１）で表される特殊なエポキシ樹脂と、前記一般
式（Ｉｔ）で表されるシラン化合物と一般式（Ｉｎ）で
表されるフェノールアラルキル樹脂との予備反応生成物
とを用いて得られるエポキシ樹脂組成物を用いることが
特に効果的である。

つぎに、実施例について比較例と併せて説明する。

まず、実施例に先立って下記の第１表に示す化合物を準
備した。

（以下余白） つぎに、上記第１表のフェノール樹脂Ｃ，Ｄおよびシラ
ン化合物Ｅ、Ｆ、Ｇを下記の第２表に示す割合で配合し
撹拌装置付きの反応容器に投入して同表に示す反応条件
で予備反応させて、脱気（１７０℃）することにより反
応生成物Ｊ−Ｎを作製した。

（以下余白） 〔実施例１〜７、比較例１〜３〕 上記反応生成物Ｊ−Ｎ、エポキシ樹脂Ａ、　Ｂおよびそ
の他の添加剤を用いて下記の第３表に示す割合で配合し
、ミキシングロール機にかけて１００℃で１０分間混練
し、シート状組成物を得た。

ついで、得られたシート状組成物を粉砕し、目的とする
粉末のエポキシ樹脂組成物を得た。

（以下余白） つぎに、実施例１〜７および比較例１〜３で得られた粉
末状のエポキシ樹脂組成物を用いて半導体素子をトラン
スファー成形でモールドすることにより半導体装置を得
た。この半導体装置は、８０ビン四方向フラツトパツケ
ージ（ＱＦＰ）（２０ｍｍＸ１４ｍｍＸ厚み２．５　ｍ
ｍ　）で、７　ｍｍ　Ｘ　７　ｍｍのグイポンドプレー
ト、６．５ｍ１Ｘ６．５ｍｍのチップサイズを有するも
のである。このようにして得られた半導体装置について
、２６０℃下で半田浸漬を行いパッケージクラックが発
生するまでの８５℃／８５％ＲＨ下での限界吸湿時間を
測定した。また、上記エポキシ樹脂組成物を用いて、厚
み３ｍｍＸ直径５０ＩＩＩＩ１１の円板状の硬化体を作
製（成形条件：１７５℃，２分、７０ｋｇ／ｃＪ、アフ
ターキュアー：１７５℃，５時間）し、この円板状の硬
化物について８５℃×８５％ＲＨ下で５００時間吸湿さ
せて飽和吸水率を測定した。

さらに、硬化物の曲げ強度および曲げ弾性率をＪＩＳ−
に−６９１１，５，１７に準じて２６０℃下で測定した
。ついで、半導体素子と硬化物の接着力を測定した。一
方、エポキシ樹脂組成物の３０゛Ｃにおける拡散係数Ｄ
ｒｆｆ３０および８５゛Ｃにおける拡散係数Ｄ　ｆ　８
５を前記式によりそれぞれ測定した。これらの結果を下
記の第２表に示した。

なお、上記接着力は、つぎのようにして測定した。すな
わち、上記エポキシ樹脂組成物を用い、第３図（Ａ）お
よび（Ｂ）に示すように、上面が直径ａ＝ｌ　ＩＭおよ
び下面が直径ｂ　＝　９　ｕで、高さｈ＝１０＋ｎｍの
円錐台状硬化物１０を作製し、この円錐台状硬化物１０
の上面の中心に２ｍｍＸ２ｍｍ×厚み０．４皿の半導体
素子１１を搭載した。そして、この円錐台状硬化物１０
と半導体素子１１とのせん断接着ツノを測定した。

（以下余白） 第４表の結果から、エポキシ樹脂組成物硬化体の曲げ弾
性率が６５ｋｇ１０ｎ”を上回り、しかもＤｆ　＠−、
／　Ｄ’　ｆ　３０が１０を超えている比較例１品、曲
げ強度が０．６ｋｇ／ｗ”を下回り、曲げ弾性率が６５
　ｋｇ　／　ｆｆＩＩ”を超えている比較例４品は、い
ずれもクラック発生限界吸湿時間が短い。また、比較例
２品は、通常のフェノール樹脂を用いているため、耐湿
性に劣りクラック発生限界吸湿時間が短い。これに対し
て、いずれもエポキシ樹脂組成物硬化体の曲げ強度が０
．６０　ｋｇ／　ｍｍ”以上、曲げ弾性率が６５　ｋｇ
／ｍｍ”以下、飽和吸水率が０．４０％以下で、しかも
Ｄ’ｆａｏが６．ＯＸ　１０−７ｍｍ２／ｓ　ｅ　ｃ以
下、Ｄ　ｆ　Ｉｌｓが５．０　Ｘ　１０−７ｍｍ２／ｓ
　ｅ　ｃ以下で、さらにＤ８５／　Ｄ　ｆ　３０が１０
未満である実施別品は、高い接着力を有し、耐湿性に優
れかつ銀界吸湿時間も長い。したがって、実施別品は耐
湿信頼性に優れ高温時の低応力性に優れていることがわ
かる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は従来の半導体装置のパッケージク
ラック発生状況を説明する縦断面図、第３図（Ａ）は実
施例および比較例での半導体素子とエポキシ樹脂組成物
の硬化物との接着力の測定方法を説明する平面図、第３
図（Ｂ）はその正面図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）下記の特性（ａ）〜（ｄ）を備えたエポキシ樹脂
   系組成物硬化体により半導体素子が封止されてなる半導
   体装置。 （ａ）硬化体の曲げ強度が、２６０℃で０．６ｋｇ／ｍ
   ｍ＾２以上。 （ｂ）硬化体の曲げ弾性率が、２６０℃で６５ｋｇ／ｍ
   ｍ＾２以下。 （ｃ）硬化体の飽和吸水率が、８５℃／８５％ＲＨ雰囲
   気下で０．４重量％以下。 （ｄ）硬化体の３０℃における拡散係数（Ｄｆ＿３＿０
   ）が、Ｄｆ＿３＿０＝６．０×１０＾−＾７ｍｍ＾２／
   ｓｅｃ以下で、８５℃における拡散係数（ Ｄ＿８＿５）が、Ｄｆ＿８＿５＝５、０×１０＾−＾６
   ｍｍ＾２／ｓｅｃ以下であり、かつ上記拡散係数 Ｄｆ＿３＿０およびＤｆ＿８＿５の比が下記の不等式を
   満足させるエポキシ樹脂系組成物硬化 Ｄｆ＿８＿５／Ｄｆ＿３＿０＜１０．０