JPH03209858A - 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、高温時の機械強度に優れた封止樹脂により
樹脂封止さ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、ピン挿入型のものであり、実装基板
に対してピ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
、表面実装型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、平面的にピンが取り出せるようになっ
ており、薄い、軽い、小さいという利点を備えており、
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。そして、その低基板に対する両
面実装も可能であるという長所も有している。

［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型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ある。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、水分は矢印Ａのように封止樹脂１を通ってパッケ
ージ３内に浸入し、主としてＳｔチップ７の表面やグイ
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の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、
その蒸気圧により、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。なお、第１図および第２図において、８はワイヤ
ーボンディングである。

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密封
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°Ｃ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、製造工程が長くなる上、手間がかかると
いう問題がある。

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することなく、しか
も半田実装時の加熱に耐えうる低応力性に優れた半導体
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、
エポキシ樹脂からなる主剤成分と、少なくとも一部が下
記の一般式（Ｉ）で表される水酸基両末端ポリイミドか
らなる硬化剤成分と、無機質充填剤とを含有するエポキ
シ樹脂組成物を用いて半導体素子を封止するという構成
をとる。

〔作用〕

半田実装時のパッケージクラックの発生を防止する方法
としては、■封止樹脂に対する吸湿を抑制する、■グイ
ボンドパッドの裏面および半導体素子の表面と、封止樹
脂との間の接着力を高める、■封止樹脂自体の強度を高
めるという三つの方法が考えられる。この発明は、上記
■の方法にもとづき、封止樹脂自体の強度を高めること
により封止樹脂の機械強度の向上を意図するものである
。このため、この発明は、上記一般式（Ｉ）で表される
特殊なポリイミドを用いるものであり、これにより、半
田実装におけるような高温下（２１５〜２６０°Ｃ）で
の封止樹脂の耐パッケージクラック性の大幅な向上を実
現できる。

この発明に用いるエポキシ樹脂組成物は、エポキシ樹脂
と、全部もしくは一部が前記一般式（１）で表される特
殊なポリイミドからなる硬化剤成分と、無機質充填剤を
用いて得られるものであって、通常、粉末状もしくはそ
れを打錠したタブレット状になっている。

上記エポキシ樹脂としては、ノボラック型、タレゾール
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、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。そして、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５０〜１
３０°Ｃ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°Ｃのものが一般に用いられる。

上記特殊なポリイミドからなる硬化剤には、下記の一般
式（１）で表される水酸基両末端ポリイミドがそのまま
、もしくは通常用いられるフェノール樹脂とともに使用
される。

そして、上記一般式（１）で表される水酸基両末端ポリ
イミドは、芳香族テトラカルボン酸二無水物と、アミノ
フェノール類および場合により芳香族ジアミンとを用い
反応させることにより合成される。

上記芳香族テトラカルボン酸二無水物としては、下記の
一般式（ＩＩＩ）で表されるものが用いられる。

〔 上記一般式（Ｉ）において、Ｒ１ は芳香族テト］ ４．４′−ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物、
２，３．３’　、４’−ベンゾフェノンテトラカルボン
酸二無水物、３．３’、４．４’ビフエニルテトラカル
ボン酸二無水物、２，３３’、４’　−ビフェニルテト
ラカルボン酸二無水物、３．３’、４．４’−ジフェニ
ルエーテルテトラカルポン酸二無水物、２，３．３’　
、４’ジフエニルエーテルテトラカルボン酸二無水物、
３．３’　、４．４’−ジフェニルスルホンテトラカル
ボン酸二無水物、２．３３’、４’−ジフェニルスルホ
ンテトラカルボン酸二無水物、２２−ビス（３，４−ジ
カルボキシ）プロペンニ無水物、２．２−ビス（３，４
−ジカルボキシ）へキサフルオロプロパンニ無水物等が
あげられ、単独でもしくは併せて用いられる。そして、
なかでもピロメリット酸二無水物、３．３’、４．４’
ベンゾフエノンテトラカルポン酸二無水物、３３’、４
．４’　−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物が好適
に用いられる。

上記アミンフェノール類としては、下記の一般式（ＩＶ
）で表されるものが用いられる。

ＨＯ−Ｒ，−ＮＨ２・・・（ＩＶ） 具体的には、ｐ−アミノフェノール、ｍ−アミノフェノ
ール、０−アミノフェノール、アミノクレゾール各異性
体、４−アミノ−４′−ヒドロキシビフェニル、４−ア
ミノ−３′−ヒドロキシビフェニル、３−アミノ−４′
−ヒドロキシビフェニル、３−アミノ−３′−ヒドロキ
シビフェニル等があげられる。特に好適なのは、下記の
一般式（■）で表されるアミノフェノール類である。

また、場合により用いられる芳香族ジアミンとしては、
下記の一般式（Ｖｌ）で表されるものが用いられる。

ＨＥＮ　　Ｒ３ＮＨ２・・・（Ｖｌ） 具体的には、ｐ−フェニレンジアミン、ｍ−フェニレン
ジアミン、４４′−ジアミノジフェニルメタン、４，４
′−ジアミノジフェニルエーテル、３．３’−ジアミノ
ジフェニルエーテル、４゜４′−ジアミノジフェニルス
ルフィド、３．３’ジアミノジフエニルスルフイド、４
．４’　−ジアミノジフェニルスルホン、３，３′−ジ
アミノジフェニルスルホン、２．２−ビス（４−アミノ
フェニル）プロパン、２，２−ビス（３−アミノフェニ
ル）プロパン、２．２−ビス（４−アミノフェニル）へ
キサフルオロプロパン、２，２−ビス（３−アミノフェ
ニル）へキサフルオロプロパン等があげられ、単独でも
しくは併せて用いられる。

そして、必須成分である前記水酸基両末端ポリイミドは
、上記各化合物を用いて例えばつぎのよ１ うにして得られる。すなわち、アミド系溶剤中に、上記
芳香族テトラカルボン酸二無水物１モルに対して、アミ
ノフェノールおよび芳香族ジアミンの合計で２モル以上
仕込み、１２０〜１８０°Ｃで加熱してイミド閉環する
（加熱イミド化法）。または、上記配合割合でポリアミ
ド酸を合成したのち、無水酢酸−ビリジンまたは無水酢
酸−イソキノリン等で化学的に脱水閉環する（化学イミ
ド化法）。そして、従来公知の精製法、すなわち、メタ
ノール等の再沈澱溶剤に沈澱させ、不純物を洗浄除去し
た後乾燥することにより目的の水酸基両末端ポリイミド
が得られる。

上記アミド系溶剤としては、Ｎ−メチル−２ピロリドン
、Ｎ、Ｎ−ジメチルアセトアミド、Ｎ、Ｎ−ジメチルホ
ルムアミド、Ｎ、Ｎ−ジメチルスルホキシド等があげら
れる。

そして、上記製法により得られる水酸基両末端ポリイミ
ドは、アミノフェノール類で両末端を封鎖した分子構造
をとり、その重量平均分子量は１ｏｏｏｏｏ以下、好適
には１００００以下のもの２ を用いるのが好ましい。さらに、前記一般式（■）にお
いて、ｎ＝ｏの場合の３量体低分子構造をとる下記の一
般式（ｎ）で表されるものを用いるのが特に好適である
。この場合、上記製法において、芳香族ジアミンは使用
せず、芳香族テトラカルボン酸二無水物１モルに対して
、アミノフェノール類を２モル以上の割合で用いて反応
させる。

なお、上記水酸基両末端ポリイミドは、融点もしくは軟
化温度が極めて高く、かつ溶融粘度が高いため、通常用
いられるフェノールノボラック樹脂硬化剤を併用するの
が好ましく、フェノールノボラック樹脂の配合量は、硬
化剤全体の２０〜７５重量％の範囲に設定することが好
適ある。

上記エポキシ樹脂と水酸基両末端ポリイミドとの配合割
合は、エポキシ樹脂中のエポキシ基１当量当たり水酸基
両末端ポリイミド中の水酸基が０゜３ ８〜１．２当量となるように配合するのが好適である。

また、上記エポキシ樹脂および特殊なポリイミドととも
に用いられる無機質充填剤としては、結晶性および溶融
性フィラーはもちろんのこと、酸化アルミニウム、酸化
ベリリウム、炭化ケイ素。

窒化ケイ素等があげられる。

なお、この発明に用いるエポキシ樹脂組成物には、必要
に応じて上記の各成分以外に難燃剤、カップリング剤、
硬化促進剤、ワックス等の添加剤が用いられる。

上記難燃剤としては、ノボラック型ブロム化エポキシ樹
脂もしくはビスＡ型エポキシ樹脂、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。

４ そして、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
らには存機成分原料に対する予備混合等自由である。

上記硬化促進剤としては、アミン系、リン系。

硼素系等の硬化促進剤があげられ、単独でもしくは併せ
て用いられる。

さらに、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、この発明では、上記添加剤以外に、従来の公知技
術である低応力化手法やイオントラップ剤の併用も可能
である。すなわち、シリコーンまたはゴム成分による低
応力化手法を併用したり、プレッシャークツカー試験（
ＰＣＴテスト）やプレッシャークツカーバイアス試験（
ＰＣＢＴテスト）等の耐湿信顧性の向上を目的としたイ
オントラップ剤との併用を行うことも可能である。

この発明に用いられるエポキシ樹脂組成物は、５ 上記各成分を用いて例えばつぎのようにして製造するこ
とができる。すなわち、まず、芳香族テトラカルボン酸
二無水物と、アミノフェノール類と場合により芳香族ジ
アミンとを用いて前記製法により水酸基両末端ポリイミ
ドを作製する。つぎに、この水酸基両末端ポリイミドと
、エポキシ樹脂、無機質充填剤および他の添加剤を適宜
配合し予備混合した後、ミキシングロール機等の混練機
に掛は加熱状態で混練して溶融混合する。そして、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。

このようにして得られる半導体装置は、硬化剤成分とし
て、高いガラス転移温度を有し耐熱骨格のイミド基を含
有する特殊な水酸基両末端ポリイミドの作用により、封
止樹脂の高温時の機械強度６ が高く、半田実装時の耐パッケージクラック性に優れた
ものである。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明の半導体装置は、硬化剤成分と
して上記のような特殊な水酸基両末端ポリイミドを含有
する特殊なエポキシ樹脂組成物を用いて半導体素子を樹
脂封止して構成されているため、半田実装のような高温
下での耐パッケージクラック性に優れており、高い信頼
性を備えたものである。

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２種類のイミドフェノールを下
記の製法にしたがって作製した。

（イミドフェノールＡの作製） 温度計、冷却管、撹拌装置付きの反応容器にｐ−アミノ
フェノール５４．５ｇ（０，５モル）とＮ−メチル−２
−ピロリドン３４６．８　ｇを加え、室温で撹拌しなが
ら３．３’　、４．４’　−ベンゾフェノンテトラカル
ボン酸二無水物３２．２ｇ（０，１モ１フ ル）を添加し、濃褐色透明溶液を作製した。つぎに、こ
の溶液を３時間かけて１７０°Ｃまで昇温させた後、６
時間１７０°Ｃを保持した。その後、室温まで冷却して
多量のメタノールを投入し黄色粉末を得た。これをメタ
ノールで充分洗浄した後、室温で２４時間、さらに１０
５°Ｃで６時間減圧乾燥することにより目的のイミドフ
ェノールＡを得た。

（イミドフェノールＢの作製） 温度計、冷却管、撹拌装置付きの反応容器に、まず、室
温下で４．４′−ジアミノジフェニルエーテル１０．０
ｇ（０，０５モル）と３．３’　、４゜４′−ベンゾフ
ェノンテトラカルボン酸二無水物３２．２ｇ（０，１モ
ル）をＮ−メチル−２−ピロリドン２９９．６　ｇ中で
予め反応させ、つぎにｐ−アミノフェノール３２．７ｇ
（０，３モル）を添加し、濃褐色透明溶液を作製した。

それから後の工程は、上記イミドフェノールＡと同様に
して目的のイミドフェノールＢを得た。

〔実施例１〜４、比較例〕 ８ 上記２種類のイミドフェノールＡ、Ｂおよび下記の第１
表に示す原料を用い、同表に示す割合で配合し、ミキシ
ングロール機に掛けて１００°Ｃ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
粉砕して目的とする粉末状のエポキシ樹脂組成物を得た
。

（以下余白） ９ つぎに、実施例１〜４および比較例で得られた粉末状の
エポキシ樹脂組成物を用いて低圧トランスファー成形に
より半導体装置を作製した。なお、この半導体装置は、
１４ｍｍＸ２０ｍｍＸ厚み２．５晒の８０ピン四方向フ
ラツトパツケージ（ＱＦＰ）で、グイボンドプレート７
■Ｘ７ｍｍ、チップサイズ６、５　ｍｍ　Ｘ　６．５　
ｍｍである。そして、これを用いて２１５°Ｃペーパー
フェーズソルダリング（ＶＰＳ）の半田リフローを行い
、パッケージクラックが発生するまでの８５°Ｃ／８５
％ＲＨ下での限界吸湿時間を測定し、その結果を下記の
第２表に示した。また、上記エポキシ樹脂組成物硬化体
の物性として、ガラス転移温度（Ｔｇ）、線膨張係数α
＋（７ｇ以下）、αｚ（Ｔｇ以上）、曲げ強度（２５°
Ｃ，２１５°Ｃおよび８５°Ｃ／８５％ＲＨ飽和吸湿後
の２１５°Ｃでの３種類）、８５°Ｃ／８５％ＲＨの飽
和吸水率を測定した。これら測定結果を、上記限界吸湿
時間と併せて第２表に示した。

（以下余白） １ 重−」Ｌ−表 上記第２表の結果から、比較例品はガラス転移温度が低
（曲げ強度も低い。また、パッケージクラック吸湿時間
も短い。これに対して、実施例品はガラス転移温度が高
く、曲げ強度特に高温時での曲げ強度が高く、しかもパ
ッケージクラック吸湿時間も長い。このことから、実施
例品は高温時での機械強度に優れた封止樹脂により樹脂
封止されており耐半田クラック特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図は従来例の説明図である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）エポキシ樹脂からなる主剤成分と、少なくとも一
   部が下記の一般式（ I ）で表される水酸基両末端ポリ
   イミドからなる硬化剤成分と、無機質充填剤とを含有す
   る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。 ▲数式、化学式、表等があります▼…（ I ） 上記式（ I ）において、Ｒ＿１は芳香族テトラカルボ
   ン酸残基、Ｒ＿２およびＲ＿３は二価の有機基であり、
   相互に同じであつても異なつていてもよい。またｎは０
   もしくは１以上の正の整数である。
2. （２）水酸基両末端ポリイミドが、芳香族テトラカルボ
   ン酸二無水物１モルと、アミノフェノール類２モルとを
   用いて得られる下記の一般式（II）で表されるものであ
   る請求項（１）記載の半導体装置。 ▲数式、化学式、表等があります▼…（II） 〔上記式（II）において、Ｒ＿１は芳香族テトラカ〕〔
   ルボン酸残基であり、Ｒ＿４は一価の有機基である。〕
   （３）エポキシ樹脂主剤成分と、少なくとも一部が下記
   の一般式（ I ）で表される水酸基両末端ポリイミドか
   らなる硬化剤成分と、無機質充填剤とを含有する半導体
   封止用エポキシ樹脂組成物。 ▲数式、化学式、表等があります▼…（ I ） 上記式（ I ）において、Ｒ＿１は芳香族テトラカルボ
   ン酸残基、Ｒ＿２およびＲ＿３は二価の有機基であり、
   相互に同じであつても異なつていてもよい。またｎは０
   もしくは１以上の正の整数である。