JPH04744A - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は耐熱性、耐湿性および耐半田性（耐リフロー性
）に優れた樹脂封止型半導体装置に関する。

〔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、耐熱性の点で優れてい
るために用いられている。

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一層の向上が望
まれている。例えば、パッケージ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℃以上の高温にさらされるように
なって来たため、パンケージがクラックを生じたり、チ
ッ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。これらの問題はパッケージ
が吸湿した時に顕著であり、薄形表面実装型半導体素子
では耐リフロー性の要求が益益強くなっている。

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（２００〜２６０’Ｃ）に
おける高温強度を高めたり、封止用樹脂の吸水率を低減
する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には特開昭６４−９２１４号並びに
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１−１０８２５６号公報には耐リフロー性として
低吸水率のエポキシ樹脂封止用材料が記載されている。

〔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水率の両立という点につい
ては充分に考慮がされておらず、高いガラス転移温度を
もつ多官能エポキシ樹脂やポリイミド樹脂は一般に吸水
率が大きくなる傾向にあり、また、低吸水率の樹脂はガ
ラス転移温度が逆に従来よりも、若干、劣る問題があっ
た。さらに、これらの樹脂はリードフレームとの接着力
も従来より低下する傾向にあるため、リードフレームと
樹脂との界面からの吸水が大きくなりゃすい。そのため
、耐リフロー性の向上は何れの場合も満足し得るもので
はなかった。

本発明の目的は耐熱性に優れ、しかも低吸水率および高
接着力の樹脂組成物によって封止された耐リフロー性に
優れた樹脂封止型半導体装置を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、本発明者等は、高耐熱性と
低吸水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、エポキシ樹脂は硬
化性や流動性などの成形性の点でポリイミド樹脂などの
他の熱硬化性樹脂と比べてはるかに優れるために、多官
能エポキシ樹脂で、この特性を満足できる化学構造と組
成について検討を行った。その結果、一般式（Ｉ）で示
されるエポキシ樹脂 −谷 Ｑ 一部 票 巳 （り （式中、Ｑ、ｍ、ｎはＯ〜２の繰り返し単位の数を示す
。） および、フェノールノボラック樹脂硬化剤を必須成分と
して含有する樹脂組成物を用いれば、封止用樹脂の耐熱
性を向上させてリフロー時の温度（２００〜２５０℃）
で高強度を維持できるばかりでなく、樹脂の吸水率の増
大を抑え、接着力の向上を図ることもできることを見出
し本発明に至った。

また、一般式（Ｉ）で示されるエポキシ樹脂および一分
子中に二個以上のフェノール性水酸基をもつフェノール
ノボラック樹脂硬化剤を必須成分として含有する樹脂組
成物は従来のクレゾール、または、フェノール型エポキ
シ樹脂と比べて、封止用樹脂の弾性率を低下させること
ができるため、素子の歪や破損およびボンディング線の
切断の原因である熱応力の低減に対しても効果のあるこ
とが分かった。

本発明において、上記一般式（Ｉ）で示されるエポキシ
樹脂は三官能であるため、耐熱性の向上を図ることがで
きるばかりでなく、硬化後の架橋樹脂で、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
強靭性を合わせ持つ構造となり、低吸水率と高接着力、
並びに、低弾性率などの特性を同時に満足できる特徴を
もつ。

構造式中の繰り返し単位Ｍ、ｍ、ｎはＯ〜２、Ｏの範囲
で封止用樹脂として満足できる耐熱性と接着性および低
吸水率特性を示すが、Ω、ｍ、ｎの値が大きくなるとガ
ラス転移温度が低下し、高温強度も低下する傾向にある
。一方、Ｑ、ｍ、ｎの値が小さくなると耐熱性は優れる
が、樹脂の軟化温度が低くなるため、半固形状となりや
すく、樹脂組成物の混合操作時の取り扱いが煩雑となる
。

そのため１本発明では、特性に応じて、一般式（Ｉ）で
示されるエポキシ樹脂以外のエポキシ樹脂を併用しても
よい。

本発明で、一般式（Ｉ）のエポキシ樹脂と併用するエポ
キシ樹脂は一分子内に二ヶ以上のエポキシ基を含むエポ
キシ樹脂全般を意味し、例えば、ビスフェノールＡ、ビ
スフェノールＳおよびビスフェノールＦやフェノールノ
ボラック樹脂およびブレゾールノボランク樹脂とエビク
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、または、それ
らの臭素化エポキシ樹脂、シクロヘキセン、シクロペン
タジェン、ジシクロペンタジェ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ロースから
得られるエポキシ樹脂、または、それらの臭素化エポキ
シ樹脂などがあり、本発明の効果を阻害しない範囲で、
適宜、何種類でも用いることができる。この場合の配合
量は、一般式（Ｉ）で示されるエポキシ樹脂（Ａ）と、
他のエポキシ樹脂（Ｂ）とを（Ａ）：　　（Ｂ）＝１０
０：Ｏ〜２０　：　８０の割合で配合するのが好ましい
。一般式（Ｉ）で示されるエポキシ樹脂（Ａ）の割合が
２０重量％以下になると、本発明の目的である耐熱性と
低吸水率、および、高接着性の両立が困難になる。

また、一般式（Ｉ）で示されるエポキシ樹脂の中で、繰
り返し単位１１１．ｍ、ｎが０か、または、非常に小さ
い値をもつエポキシ樹脂は軟化温度が低く、半固形状と
なるため、併用可能なエポキシ樹脂の中から軟化温度が
６０℃以上のものを選んで用いることができる。一方、
繰り返し単位Ｑ。

ｍ、ｎが２かまたは２に近い値をもつエポキシ樹脂は、
逆に、成形時の溶融粘度が高くなるため、併用可能なエ
ポキシ樹脂の中から軟化温度が６０°Ｃ以下か、または
粘ちょう液体のものを選んで用いることができる。これ
らの場合、両者のエポキシ樹脂をあらかじめ７０″Ｃ以
上の温度で均一に混合した後、冷却して固形状の樹脂と
して用いれば、取り扱い上の煩雑さを取り除くことがで
きる。

一般式（Ｉ）で示されるエポキシ樹脂、および、併用す
るエポキシ樹脂の純度は、特に、限定されないが、塩素
イオンなどのイオン性不純物を多量に含むと半導体の各
種信頼性を著しく低下させるため、これらの量が少ない
方が好ましい。樹脂成分を十倍量の１２０℃熱水で百時
間以上抽出した場合に、抽出液の電気伝導度が１００μ
ｓ　／　ａｎ以下、ｐＨが３〜７、ハロゲンイオン量が
２０ｐｐｍ以下であれば本発明の目的は充分に達成でき
る。

本発明に用いるフェノールノボラック樹脂硬化剤はフェ
ノール、グレゾール、キシレノール等のフェノール類と
ホルムアルデヒドとをパラトルエンスルホン酸、塩酸、
硫酸、過塩素酸、しゆう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が用いられ、基本的には
一般式（ｎ）で示される化学構造をもつ。

（ここでＲ１はＨ，ＣＨａのいずれかの基を意味し、ま
た、ａは１以上の整数を示す。）得られるフェノールノ
ボラック樹脂の分子量を調整する方法は、フェノール類
とホルムアルデヒドのモル比とを使用する触媒種と量に
よりコントロールが可能であるが、樹脂の硬化性や流動
性の点から分子量は四百ないし三千が望ましい。また、
半導体封止用として用いるためにはイオン性不純物、ま
たは、未反応の原料が極力少ないものが好ましく、その
ため１反応生成物を水洗、或いは水蒸気蒸留し減圧乾燥
等を充分に行ったり、必要に応じてイオン交換樹脂、イ
オン交換体などを用いて精製することも可能である。

本発明で、フェノールノボラック樹脂硬化剤はエポキシ
樹脂に対し０．５〜１．５当量配合するのが好ましく、
配合量は、それぞれ、エポキシ樹脂５０〜９５重量％、
フェノールノボラック樹脂硬化剤５〜５０重量％である
ことが望ましい。エポキシ樹脂が５０重量％以下になる
と、樹脂硬化後もフェノール樹脂がもつ水酸基が多量に
残るため電気特性並びに耐湿性が劣る。一方、エポキシ
樹脂の配合量が９５重量％以上になると、逆に、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
、耐湿性および電気特性が劣る。

本発明で半導体封止用として用いる樹脂組成物には、必
要に応し、組成物全体に対して５５〜８０重量％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９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、また、８０容量％を超えて配合した場
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。無機充填剤には種々の化合物が挙げられるが、電
子部品材料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、具体的には溶融シリカ、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、これらの充填材の平均粒径は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、また、３０μｍを超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。

さらに、本発明ではこの他必要に応じて、樹脂組成物と
して硬化物の強靭化や低弾性率化のための可どう他剤を
用いることができる。可どう他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。可どう
他剤の配合量が２重量％以下では硬化物の強靭化や低弾
性率化に対して、はとんど、効果が悪く、２０重量％以
上では、樹脂組成物の流動性が極端に悪くなったり、可
どう他剤が樹脂硬化物表面に浮き出ることによって、成
形用金型の汚れが顕著になる。可どう他剤はエポキシ樹
脂組成物と非相溶型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、ブタジェン・ア
クリロニトリル系共重合体やそれらの末端、または、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・ブタジェン・スチレン共重合体な
どのブタジェン糸回どう他剤や末端、または、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
ーン樹脂糸回どう他剤などが用いられるが、耐湿性や高
純度の点から、シリコーン糸回どう他剤が、特に、有用
である。

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
らの離形性を改良するための離形剤などの各種添加剤を
発明の目的を損なわない範囲で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、テトラフ二二ルポス
ホニウムテトラフェニルボレートなどの含りん有機塩基
性化合物、または、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などの三級
アミン、１，８−ジアザビシクロ（５，４，０）−ウン
デセン、イミダゾールなど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
ンなどの少なくとも一種類を用いるのが好ましい。

以上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は、所定配合量の原材料混合物を十
分混合した後、熱ロールや押出機などによって混練し、
冷却、粉砕することによって生成材料が得られる。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
方法には、低圧トランスファ成形法が１通常、用いられ
ているが、場合によっては、インジェクション成形、圧
縮成形、注型などの方法によっても可能である。

〔作用〕

本発明で耐熱性、耐湿性およ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（Ｉ）で示されるエポキシ樹脂の構造による
。

一般式（Ｉ）で示されるエポキシ樹脂は三官能であるた
め、高耐熱の特徴を発揮することができる。また、硬化
後に形成される架橋樹脂で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、柔軟性と強靭性をもつ構
造の樹脂となり、高接着力、ならびに、低弾性率をも同
時に満足できるものと推定できる。さらに、このエポキ
シ樹脂は三次元架橋樹脂でありながら、ある程度の柔軟
性をもつため、樹脂の自由体積が小さくなり、低吸湿の
特徴を発揮する。また、本発明で用いるフェノールノボ
ラック樹脂硬化剤は耐湿性に優れる構造をもつ。耐熱に
優れ、高温強度が大きく、シかも、高接着力、低吸湿の
特徴をもつ一般式（Ｉ）のエポキシ樹脂とフェノールノ
ボラック樹脂硬化剤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、さ
らに、樹脂とリードフレームとの界面における透湿も防
ぐために対リフロー性が良好となる。また、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。

また、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ホさくなり
、信頼性を大幅に向上させることができる。

〔実施例〕

以下、本発明について実施例に従って具体的に説明する
。

〈実施例１〉 構造式 で示され、エポキシ当量２１０．軟化温度５９℃のエポ
キシ樹脂”ＴＥＣＨＭＯＲＥ”　ＶＧ３１０１　（三井
石油化学株式会社商品名）、臭素化ビスフェノールＡ型
エポキシ樹脂（エポキシ当量３９４．軟化温度６５℃）
およびフェノールノボラック樹脂硬化剤（水酸基当量１
０６、軟化温度６５℃）、第１表に示す硬化触媒、充填
剤として平均粒径６μｍの角形の溶融シリカルと平均粒
径３０μｍの球形の溶融シリカの３０／７０混合品、難
燃化助剤として二酸化アンチモン、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第１表に示す
配合割合で成形材料を作製した。

各素材の混線には直径２０インチの二軸ロールを用い、
ロール表面温度約５５〜８０’Ｃで約１０分間の混線を
行った。

〈実施例２〜７〉 第１表に示すように、実施例１のエポキシ樹脂“ＴＥＣ
ＨＭＯＲＥ”　ＶＧ３１０１と併用するエポキシ樹脂の
種類と配合量、および、硬化促進剤の種類を変えた他は
、実施例１と同様にして成形材料を作製した。

く比較例１〉 エポキシ樹脂として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７５〜８０’
Ｃ）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。

く比較例２〉 実施例１のエポキシ樹脂”ＴＥＣＭＯＲＥ”　　１５　
重量部、臭素化ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂１５重
量部、比較例１のオルソクレゾールノボラック型エポキ
シ樹脂７ｏ重量部を用いた他は、実施例１と同様にして
成形材料を作製した。

〈比較例３〉 構造式 で示され、エポキシ当量１６０、軟化温度１１０〜１２
０℃の三官能エポキシ樹脂ＴＡＣＴＩＸ７４２　　（ダ
ウケミカル株式会社商品名）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。

〈実施例８〜１１〉 樹脂成分として前述の実施例と同じ素材と、新たに可ど
う他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、第２表
に示す配合割合で成形材料を作製した。

く比較例４〉 実施例８〜１０と同じ素材を用い、第２表に示す配合割
合で前述と同様にして成形材料を作製した。

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℃、成形圧カフ０ｋｇ／ａＪ、
成形時間９０秒で成形した後、１８０℃で入時間の後、
硬化を行った成形品の諸物性の結果を第１表および第２
表にまとめて示す。なお、第１表および第２表における
配合割合はすへて重量部で表わしである。また、表中に
記号で示したエポキシ樹脂の中でＥ−１０３２８６０（
エポキシ当量１７１．１５０℃における溶融粘度３．１
　ｐ、ｓ油化シェルエポキシ社の商品名）の構造式はＹ
Ｌ−９３１（エポキシ当量１９８．軟化温度８８℃、油
化シェルエポキシ社の商品名）の構造である。

また、 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
フェニルホスフィン、　２Ｅ４ＭＺ　フ２−エチル、４
−メチルイミダゾールである。

なお、表中の各種特性のうち、吸水率と接着力は以下に
示す方法により測定した。

（Ｉ）吸水率＝９０Ｉφ、２ｍ１ｔの円板を成形し、１
２０’Ｃ／１００％ＲＨ，７０時間 で吸水させ重量変化から求めた。

（２）接着カニ３ｍｍｔのアルミはくと成形材料とのア
ルミピール強度を引張り速度５０ 閣で測定した。

第１表から明らかなように１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。−クレゾールノボラック
型エポキシ樹脂組成物、並びに、他の多官能エポキシ樹
脂組成物と比較して、ガラス転移温度が高く、２１５℃
の曲げ強度も大きくなるばかりでなく、接着性や吸水率
でも優れていることが分かる。また、本発明の一般式（
Ｉ）で示されるエポキシ樹脂が全エポキシ樹脂に対して
２０重量部以下では、耐熱性並びに接着性や吸水率など
の諸特性の向上はみられない。一方、第２表から明らか
なように、本発明の可どう他剤を含む樹脂組成物につい
ても成形材料の弾性率化を低くできる他は、第１表とほ
ぼ同様な特性を示している。しかし、可どう他剤の配合
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。

次に、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を４２７０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線（３０μｍφ）でワイヤ
ボンディングした半導体装置を封止し、６５℃／６５％
ＲＨ下で所定時間放置後、２１５℃のペーパーリフロー
炉中で６０秒間加熱する試験を行い、パッケージのクラ
ンクしたものをクランク発生数として第３表に示した。

第３表から明らかなように、本発明の樹脂封止型半導体
装置は、吸水率が小さく、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。

〔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、高耐熱性、並びに、高温高強度をもつ
ばかりでなく、高接着性と低吸湿性の特徴もかね備える
ため、耐リフロー性に優れている。

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. １．一般式（ I ）で示されるエポキシ樹脂、および、
   フェノールノボラック樹脂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。 ▲数式、化学式、表等があります▼ （式中、ｌ、ｍ、ｎは０〜２の繰り返し単位の数を示す
   。）
2. ２．請求項１において、前記一般式（ I ）で示される
   エポキシ樹脂（Ａ）と、一分子中に複数個のエポキシ基
   をもつエポキシ樹脂（Ｂ）とを、（Ａ）：（Ｂ）＝１０
   ０：０〜２０：８０の割合で配置したエポキシ樹脂組成
   物５０〜９５重量％、フェノールノボラック樹脂硬化剤
   ５〜５０重量％を含有する樹脂組成物によって封止され
   ている樹脂封止型半導体装置。
3. ３．請求項１または２において、 無機質微粒子からなる充てん剤が全組成物に対し５５〜
   ８０容量％含む樹脂封止型半導体装置。
4. ４．請求項１において、前記一般式（ I ）で示される
   エポキシ樹脂（Ａ）と、一分子中に複数個のエポキシ基
   をもつエポキシ樹脂（Ｂ）とを、（Ａ）：（Ｂ）＝１０
   ０：０〜２０：８０の割合で配合したエポキシ樹脂組成
   物によって封止されている樹脂封止型半導体装置。
5. ５．請求項１において、前記一般式（ I ）で示される
   エポキシ樹脂（Ａ）と、一分子中に複数個のエポキシ基
   をもつエポキシ樹脂（Ｂ）とを、（Ａ）：（Ｂ）＝１０
   ０：０〜２０：８０の割合で配合したフェノールノボラ
   ック樹脂硬化剤によって封止されている樹脂封止型半導
   体装置。
6. ６．請求項１において、前記一般式（ I ）で示される
   エポキシ樹脂（Ａ）と、一分子中に複数個のエポキシ基
   をもつエポキシ樹脂（Ｂ）とを、（Ａ）：（Ｂ）＝１０
   ０：０〜２０：８０の割合で配合した可とう化剤によっ
   て封止されている樹脂封止型半導体装置。
7. ７．請求項４、５または６において、前記可とう化剤の
   配合量が全樹脂組成物に対し２〜２０重量％である組成
   物によって封止されている樹脂封止半導体装置。
8. ８．請求項４、５、６または７において、前記可とう化
   剤がシリコーン化合物である樹脂封止型半導体装置。
9. ９．請求項４、５、６、７または８において、無機質微
   粒子からなる充てん剤が全樹脂組成物に対し５５〜８０
   容量％含む樹脂封止型半導体装置。
10. １０．請求項３、４、５、６、７、８または９において
    、前記無機質粒子からなる充てん剤が、平均粒径１〜３
    ０μｍの溶融シリカ、結晶シリカおよびアルミナから選
    ばれる少なくとも一種の無機質粒子である樹脂封止型半
    導体装置。