JPH04320358A - 樹脂封止型半導体装置 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は耐半田リフロー性に優れ
る樹脂封止型半導体装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体封止材料にはエポキシ樹脂と硬化
剤としてノボラック型フェノール系樹脂に硬化促進剤を
配合した組成物が、成形性，吸湿特性および耐熱性の点
で優れるため用いられている。

【０００３】しかし、近年の半導体の集積度の上昇，パ
ッケージサイズやパッケージ形状，実装方式等の変遷に
伴い、耐熱性，耐湿性，低応力などを含めた信頼性のな
お一層の向上が望まれている。例えば、パッケージの実
装方式がピン挿入型から表面実装型の移行に伴い、プリ
ント基板への実装時にパッケージが２００℃以上の高温
に曝されるようになって来たため、パッケージがクラッ
クを生じたり、チプと封止用樹脂との界面が剥離し、耐
湿性が低下するなどの問題が発生している。

【０００４】この要求に対し、従来から、封止用樹脂の
ガラス転移温度を上げ、リフロー時の温度（２００〜２
６０℃）における高温強度を高めたり、封止用樹脂の吸
湿率の低減や低応力化等の種々の試みがなされている。 封止用樹脂のガラス転移温度を上げる方法としては特開
昭６４−９２１４号および特開昭６４−３１８１６　号
公報に記載されているような多官能エポキシ樹脂や特開
平１−１２６３２１　号公報のポリイミド樹脂を用いる
ことが提案されている。 また、特開平２−８８６２１号および特開平２−１１０
９５８号公報には骨格にナフタレンを含む低吸湿のエポ
キシ樹脂が記載されている。さらに、低応力エポキシ樹
脂組成物として骨格にビフェニールを含むエポキシ樹脂
の使用が特開平１−２６８７１１号，特開平２−９１９
６５号および特開平２−９９５１４　号公報で検討され
ている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術は耐熱性
と低吸湿率並びに低応力の両立という点については充分
に考慮されておらず、高いガラス転移温度をもった多官
能エポキシ樹脂やポリイミド樹脂は吸湿率が大きくなっ
たり、接着力が低下する傾向にあり、また、低吸湿率並
びに低応力の樹脂は接着力は大きいものの、ガラス転移
温度が逆に従来よりも劣る問題があった。そのため、耐
リフロー性の向上に対しては何れの場合も満足しうるも
のではなかった。

【０００６】本発明の目的は、耐熱性に優れ、しかも低
吸湿率及び高接着力を有する樹脂組成物によって封止さ
れた耐リフロー性に優れる樹脂封止型半導体装置を提供
することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明者らは、高耐熱性と低吸湿率ならびに高接着
力を両立しうる封止用樹脂について種々検討した。その
中で、特に硬化性や流動性などの成形性に優れるエポキ
シ樹脂に着目し、エポキシ樹脂並びに硬化剤について、
上述の特性を満足できる化学構造と組成を検討した。そ
の結果、硬化剤として少なくとも下記一般式（２）

【０
００８】

【化２】

【０００９】（式中、Ｒは水素原子又は炭素数１〜４の
アルキル基を表し、ａは１〜４の整数を表す。）で表さ
れる樹脂を用いれば、封止用樹脂のガラス転移温度を上
げ、リフロー時の温度（２００〜２６０℃）で高強度を
維持できるばかりでなく、樹脂の吸湿率の増大を抑え、
樹脂の破断伸びの増大による接着力の向上も図ることが
できることを見出し、本発明に至った。

【００１０】又、少なくとも上記一般式で表される硬化
剤を含有するエポキシ樹脂組成物は従来のノボラック型
フェノール樹脂硬化剤と比べて、封止用樹脂の弾性率を
低下させることができるために、素子の歪や破損及びボ
ンディング線の切断原因である熱応力の低減に対しても
効果がある。

【００１１】本発明において、一般式（２）で表される
フェノール樹脂は三官能であるために、耐熱性の向上を
図ることができるばかりでなく、エポキシ樹脂との硬化
後の架橋樹脂において、架橋間分子の一部がビスフェノ
ールＡ型で構成されるため、柔軟性と強靱性を合わせ持
つ構造となり、吸湿率と高接着並びに低弾性率等の特性
を同時に満足できる。構造式中のＲａ（ａは１〜４の整
数を表す。）は水素又は炭素数１〜４のアルキル基を表
すが、樹脂の軟化温度と吸湿特性及び硬化特性に応じて
、置換基及びその数を選ぶことができる。Ｒが水素の場
合は硬化性並びに耐熱性に優れるが、樹脂の軟化温度が
高くなる傾向にある。Ｒとしてメチル基等のアルキル基
を用いると、樹脂の軟化温度と吸湿率は低くなるが、硬
化性が低下する傾向にある。そのため、本発明では、特
性に応じて、一般式（２）で表されるフェノール樹脂の
一種類又はＲａの異なる樹脂の二種類以上を組み合わせ
て用いることができる。さらに、必要に応じて一般式（
２）で表される樹脂以外の硬化剤と併用することも可能
である。

【００１２】本発明において、一般式（２）のフェノー
ル樹脂と併用する硬化剤としてはフェノール，クレゾー
ル，キシレノール，ナフトール等のフェノール類とホル
ムアルデヒド又はフェノールアルデヒドとをパラトルエ
ンスルホン酸，硫酸，塩酸，過塩素酸，蓚酸などの酸性
触媒下で反応することにより得られる縮合生成物やフェ
ノールとアラルキルエーテルの重縮合物を用いることが
できる。これらの硬化剤の例としては、例えば、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
ノール又はクレゾールベ−スの多官能型硬化剤，フェノ
ールとアラルキルエーテルの重縮合によって得られた樹
脂等がある。この場合の配合量は、一般式（２）で表さ
れる樹脂硬化剤（Ａ）と上記の他の硬化剤（Ｂ）とを（
Ａ）：（Ｂ）＝１００：０〜５：９５の割合で配合する
のが好ましい。一般式（２）で表される樹脂硬化剤（Ａ
）の割合が５重量未満になると、本発明の目的である耐
熱性の向上にはほとんど効果がない。

【００１３】本発明において用いるエポキシ樹脂は一分
子内に二個以上のエポキシ基を含むエポキシ樹脂全般を
意味するものであり、例えば、ビスフェノールＡ，ビス
フェノールＳ及びビスフェノールＦやフェノールノボラ
ック樹脂及びクレゾールノボラック樹脂とエピクロロヒ
ドリンを反応させて得られるビスフェノール系エポキシ
樹脂やノボラック系エポキシ樹脂、又は、それらの臭素
化エポキシ樹脂，ナフタレン骨格又はビフェニール骨格
を有するエポキシ樹脂，フェノール又はクレゾールベー
スの三官能以上の多官能エポキシ樹脂，シクロヘキセン
，シクロペンタジエン，ジシクロペンタジエンのような
脂環式化合物から得られるエポキシ樹脂，ビニルポリマ
から得られるエポキシ樹脂，グリセリンのような多価ア
ルコールから得られるエポキシ樹脂、一般式（２）で表
されるフェノール樹脂とエピクロロヒドリンとを反応さ
せて得られるエポキシ樹脂又はこれらの臭素化エポキシ
樹脂等がある。

【００１４】本発明では、硬化剤として少なくとも一般
式（２）で表される樹脂を用いるが、この樹脂は他の硬
化剤と比べて軟化温度が若干高い。そのため、この樹脂
の配合量が多くなると、吸湿特性並びに接着性を変えず
に耐熱性を大幅に向上できるものの、流動性の低下がお
こる。この低下を抑えるために、エポキシ樹脂として低
粘度のものを用いるのが好ましい。エポキシ樹脂の粘度
は、１５０℃において３ポアズ以下であれば、硬化剤の
全てに一般式（２）で表される樹脂を用いても、封止剤
の流動性を従来以上に確保できる。上述のエポキシ樹脂
は、本発明の効果を阻害しない範囲で単独又は二種類以
上組み合わせて用いることができる。

【００１５】本発明において、少なくとも一般式（２）
で表される樹脂を含有する硬化剤はエポキシ樹脂に対し
て０．５〜１．５当量配合するのが望ましい。硬化剤の
配合量がエポキシ樹脂に対して０．５　当量未満である
と、エポキシ樹脂の硬化が完全に行われないため、硬化
物の耐熱性，耐湿性並びに電気特性が劣り、１．５　当
量を越えると、逆に樹脂硬化後も硬化剤がもつ水酸基が
多量に残るために電気特性並びに耐湿性が悪くなる。

【００１６】本発明で半導体封止用として用いる樹脂組
成物には、必要に応じ、組成物全体に対して５５〜８０
容量％の無機充填剤を配合する。無機充填剤は硬化物の
熱膨張係数や熱伝導率，弾性率等の改良を目的に添加す
るものであり、この配合量が５５容量％未満ではこれら
の特性の改良を充分に行えず、又、８０容量％を越えて
配合した場合には材料の粘度が著しく上昇し流動性が低
下してしまうためである。無機充填剤としては種々の化
合物が挙げられるが、電子部品には熱化学的に安定な充
填剤を用いることが重要であり、具体的には熔融シリカ
，結晶性シリカ，アルミナから選ばれる少なくとも一種
の無機粒子が望ましい。なお、これらの充填剤の平均粒
径は１〜３０μｍの範囲が望ましい。これは平均粒径が
１μｍ未満であると樹脂組成物の粘度が上昇し流動性が
著しく低下するためであり、又、３０μｍを越えると成
形時に樹脂成分と充填剤の分離が起きやすく硬化物が不
均一になり硬化物物性にばらつきが生じたり、狭い隙間
への充填性が悪くなるためである。

【００１７】さらに、本発明ではこの他必要に応じて、
樹脂組成物として硬化物の強靱性や低弾性率化のための
可撓化剤を用いることができる。可撓化剤の配合量は全
樹脂組成物に対し２〜２０重量％であることが好ましい
。可撓化剤の配合量が２重量％未満では硬化物の強靱性
や低弾性率化に対してほとんど効果が無く、２０重量％
を越えると樹脂組成物の流動性が極端に悪くなったり、
可撓化剤が樹脂硬化物表面に浮きでることによって、成
形用金型の汚れが顕著になる。可撓化剤としてはエポキ
シ樹脂組成物と非相溶のものがガラス転移温度を下げず
に硬化物の低弾性率化ができることから、ブタジエン・
アクリロニトリル系共重合体やそれらの末端又は側鎖ア
ミノ基，エポキシ基，カルボキシル基変性共重合体やア
クリロニトリル・ブタジエン・スチレン共重合体等のブ
タジエン系可撓化剤や末端又は側鎖アミノ基，水酸基，
エポキシ基，カルボキシル基変性シリコーン樹脂系可撓
化剤等が用いられるが、耐湿性や高純度の点から、シリ
コーン系可撓化剤が特に有用である。

【００１８】本発明の樹脂封止型半導体装置に用いる組
成物にはこの他必要に応じ、樹脂の硬化反応を促進する
ための硬化触媒，樹脂成分と充填剤の接着性を高めるた
めのカップリング剤，着色のための染料や顔料，硬化物
の金型からの離型性を改良するための離形剤等の各種添
加剤を発明の目的を損なわない範囲において用いること
ができる。硬化触媒はトリフェニルホスフィン，テトラ
フェニルホスホニウムテトラフェニルボレート等の含燐
有機塩基性化合物、又は、これらのテトラ置換ボロン塩
，トリエチレンジアミン，ベンジルジメチルアミン等の
三級アミン、１，８−ジアザビシクロ（５，４，０）−
ウンデセン、イミダゾール等の少なくとも、一種を、さ
らにカップリング剤としてはエポキシシラン，アミノシ
ラン等の少なくとも、一種類を用いることができる。

【００１９】このような原材料を用いて半導体封止用成
形材料を作製する一般的な方法としては、所定配合量の
原材料混合物を充分混合した後、熱ロールや押出し機等
によって混練し、冷却，粉砕することによって成形材料
を得ることができる。このようにして得られた成形材料
を用いて半導体を封止する方法としては、低圧トランス
ファ成形法が通常用いられるが、場合によっては、イン
ジェクション成形，圧縮成形，注型等の方法によっても
可能である。

【００２０】

【作用】本発明で耐熱性，耐湿性及び耐リフロー性に優
れる樹脂封止型半導体装置が得られる理由は本発明に用
いられる一般式（２）で表わされる樹脂硬化剤の構造に
よるものである。

【００２１】一般式（２）で表わされる樹脂硬化剤は三
官能であるため、高耐熱の特徴を発揮することができる
。また、エポキシ樹脂との硬化後に形成される架橋樹脂
は架橋間分子の一部がビスフェノールＡ型で構成される
ため、柔軟性と強靱性をもつ構造の樹脂となり、高接着
性並びに低弾性をも同時に満足できる。さらに、一般式
（２）で表わされる樹脂硬化剤は三官能でありながら、
分子構造上ある程度の柔軟性をもつため樹脂の自由体積
低減の効果があり、従来の多官能硬化剤よりも低吸湿の
特徴をもつ。又、この硬化剤を低吸湿性のエポキシ樹脂
と併用することにより、封止材の低吸湿化に対してより
一層の効果が生まれる。耐熱に優れ、高温強度が大きく
、しかも高接着力，低吸湿の特徴をもつ一般式（２）の
樹脂硬化剤とエポキシ樹脂を必須成分とする樹脂組成物
によって封止された半導体装置は、リフロー加熱時に発
生するパッケージクラックの原因である水分を吸着し難
くなる。さらに、樹脂とリードフレームとの接着性の向
上はそれらの界面における透湿を低減させるために耐リ
フロー性が良好となる。又、リフロー加熱時の水蒸気圧
に耐えられる高温強度が大きいことも耐リフロー性のも
う一つの要因である。

【００２２】又、本発明における樹脂組成物は低弾性率
である特徴をもつため、半導体装置に発生する熱応力が
小さくなる。

【００２３】

【実施例】以下、本発明について実施例に従い具体的に
説明するが、本発明の範囲はこれらの実施例に限定され
るものではない。

【００２４】〈実施例１〉構造式

【００２５】

【化３】

【００２６】で表されるテトラメチルジヒドロキシビフ
ェニール・グリシジルエーテル（エポキシ当量１８８，
１５０℃における溶融粘度０．２　ポアズ），臭素化ビ
スフェノール型エポキシ樹脂（エポキシ当量３７５，軟
化温度６８℃，１５０℃における溶融粘度１．３　ポア
ズ）及び構造式

【００２７】

【化４】

【００２８】で表され、水酸基当量１４１のトリスフェ
ノール型樹脂硬化剤，表１に示す硬化触媒，充填剤とし
て平均粒径６μｍの角形の溶融シリカと平均粒径３０μ
ｍの球形の溶融シリカの３０／７０混合品，難燃化助剤
として三酸化アンチモン，カップリング剤としてエポキ
シシラン，離型剤としてモンタン酸エステルロウ，着色
剤としてカーボンブラックを用い、表１に示す配合割合
で成形材料を作製した。

【００２９】

【表１】

【００３０】各素材の混練には直径２０インチの二軸ロ
ールを用い、ロール表面温度約５５〜８０℃で約１０分
間の混練を行なった。

【００３１】〈実施例２〜１３〉表１に示すように、エ
ポキシ樹脂並びに実施例１のトリスフェノール樹脂硬化
剤と併用する他の樹脂硬化剤の種類と配合量及び硬化促
進剤の種類を変えたほかは、実施例１と同様にして成形
材料を作製した。

【００３２】〈比較例１〉樹脂硬化剤としてフェノール
ノボラック樹脂（水酸基当量１０６，軟化温度６５℃）
を用いた他は実施例１と同様にして成形材料を作製した
。

【００３３】〈比較例２〉樹脂硬化剤として構造式

【０
０３４】

【化５】

【００３５】で表される樹脂（Ｃ）（水酸基当量１７３
，軟化温度６９℃）を用いた他は実施例１と同様にして
成形材料を作製した。

【００３６】〈比較例３〉樹脂硬化剤として実施例１の
トリスフェノール樹脂２．５　重量部、フェノールノボ
ラック樹脂５０重量部を用いた他は、実施例１と同等に
して成形材料を作製した。

【００３７】〈比較例４〉エポキシ樹脂として、１５０
℃における溶融粘度が３ポアズであるオルソクレゾール
ノボラック型エポキシ樹脂（エポキシ当量１９５，軟化
温度６５℃），硬化剤として比較例１のフェノールノボ
ラック樹脂を用いた他は、実施例１と同様にして成形材
料を作製した。

【００３８】〈比較例５〉エポキシ樹脂として、１５０
℃における溶融粘度が６ポアズであるオルソクレゾール
型ノボラック樹脂（エポキシ当量１９６，軟化温度７７
℃）を用いた他は、実施例１と同様にして成形材料を作
製した。

【００３９】〈実施例１４〜１７〉樹脂成分として前記
実施例と同じ素材と、新たに可撓化剤として側鎖エポキ
シ変性シリコーン樹脂（分子量７３６００，エポキシ当
量３９００）を用い、表２に示す配合割合で成形材料を
作製した。

【００４０】〈比較例６〉前記実施例１４〜１７と同じ
素材を用い、表２に示す配合割合で前記と同様にして成
形材料を作製した。

【００４１】このようにして得られた成形材料の１８０
℃における成形性と、金型温度１８０℃，成形圧力７０
Ｋｇ／ｃｍ２　，成形時間９０秒で成形した後１８０℃
で６時間の後硬化を行なった成形品の諸物性の結果を表
１及び表２にまとめて示す。なお、表１及び表２におけ
る配合割合はすべて重量部で表してある。又、表中に示
してあるエポキシ樹脂の中で、記号（Ａ）で表される樹
脂（エポキシ当量１４５，５２℃における溶融粘度１．
３　ポアズ）の構造式は

【００４２】

【化６】

【００４３】であり、記号（Ｂ）で表される樹脂（エポ
キシ当量２１５，１５０℃における溶融粘度約１ポアズ
）の構造式は

【００４４】

【化７】

【００４５】である。表中の樹脂硬化剤の中で、記号（
Ｄ）で表される樹脂（水酸基当量１０７，軟化温度１０
１℃）の構造式は

【００４６】

【化８】

【００４７】であり、記号（Ｅ）で表される樹脂（水酸
基当量１２０，軟化温度６２℃）は次のような構造式

【
００４８】

【化９】

【００４９】をもつノボラック型クレゾール樹脂である
。表中に記号で示した硬化触媒はＤＢＵ；１，８−ジア
ザビシクロ（５，４，０）−ウンデセン，ＴＰＰ；トリ
フェニールホスフィン，２Ｅ４ＨＺ；２−エチル４−メ
チルイミダゾールである。

【００５０】なお、表中の各種特性のうち、吸湿率と接
着力は以下により測定した。

【００５１】（１）吸湿率：９０ｍｍφ，２ｍｍｔの円
盤を成形し、８０℃／１００％ＲＨ，２００時間にて吸
湿させ、重量変化から求めた。

【００５２】（２）接着力：３ｍｍｔのアルミ箔と成形
材料とのアルミピール強度を引っ張り速度５０ｍｍ／分
にて測定した。

【００５３】表１から明らかなように、本発明における
半導体封止用樹脂組成物は比較例に示すノボラック型フ
ェノール樹脂硬化剤並びに他の樹脂硬化剤を用いた樹脂
組成物と比べて、接着性や吸湿特性を低減しないで、ガ
ラス転移温度並びに２１５℃の曲げ強度を向上させるこ
とができる。又、本発明における一般式（２）で表され
る樹脂硬化剤が全樹脂硬化剤に対して５重量％未満では
耐熱性の向上は見られない。さらに、エポキシ樹脂の１
５０℃における溶融粘度が高い場合は成形材料のスパイ
ラルフローの低下が大きく、流動性に問題のあることが
分かる。一方、表２から明らかなように、本発明の可撓
化剤を含む樹脂組成物についても成形材料の弾性率を低
くできる他は、表１とほぼ同様の特性を示している。し
かし、可撓化剤の配合量が２重量％以下では低弾性率化
に対してほとんど効果がなく、２０重量％以上では金型
汚れとスパイラルフローの低下が著しいことが分かる。

【００５４】

【表２】

【００５５】次に、上記成形材料を用いて、表面にアル
ミニウムのジグザグ配線を形成したシリコンチップ（６
×６ｍｍ）を４２アロイ系のリードフレームに搭載し、
更にチップ表面のアルミニウム電極とリードフレーム間
を金銭（３０μｍφ）でワイヤボンディングした半導体
装置（外形２０×１４ｍｍ，厚さ２ｍｍ）を封止し、６
５℃／９５％ＲＨ下にて所定時間放置後、２１５℃のベ
ーパリフロー炉中で９０秒間加熱する試験を行ない、パ
ッケージのクラックしたものをクラック発生数として表
３に示した。

【００５６】

【表３】

【００５７】表３から明らかなように、本発明の樹脂封
止型半導体は吸湿率が小さく、接着性が良好で、高温強
度の大きな樹脂組成物で封止しているため、耐リフロー
性が格段に優れている。

【００５８】

【発明の効果】本発明によって得られた樹脂封止型半導
体装置は、従来のものと比べて、高耐熱並びに高温高強
度を有するばかりでなく、高接着性と低吸湿の特徴を兼
ね備えているため、耐半田リフロー性に優れている。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】エポキシ樹脂、および少なくとも一般式（
   １） 【化１】 （式中、Ｒは水素原子又は炭素数１〜４のアルキル基を
   表し、ａは１〜４の整数を表す。）で表される樹脂を含
   む硬化剤を必須成分として含有する樹脂組成物によって
   封止されていることを特徴とする樹脂封止型半導体装置
   。
2. 【請求項２】請求項１において、前記硬化剤の全量に対
   して、前記一般式（１）で表される樹脂が５〜１００重
   量％である樹脂封止型半導体装置。
3. 【請求項３】請求項１において、前記エポキシ樹脂の粘
   度が、１５０℃で３ポアズ以下である樹脂封止型半導体
   装置。
4. 【請求項４】請求項１，２または３において、無機質微
   粒子からなる充填剤が全組成物に対し５５〜８０容量％
   含む樹脂半導体装置。