JPH0657744B2

JPH0657744B2 - 樹脂封止型半導体装置

Info

Publication number: JPH0657744B2
Application number: JP60060944A
Authority: JP
Inventors: 裕俊池谷; 道也東
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1985-03-27
Filing date: 1985-03-27
Publication date: 1994-08-03
Anticipated expiration: 2009-08-03
Also published as: JPS61221220A

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の技術分野〕本発明は封止用エポキシ樹脂組成物を用いた樹脂封止型
半導体装置に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

エポキシ樹脂組成物は、集積回路（ＩＣ）、大規模集積
回路（ＬＳＩ）、トランジスタなどの半導体装置、ある
いは他の電子部品の封止材として重用されている。

近年、とくに半導体装置に対し、高い信頼性が要求され
るようになってきているため、それに伴なってかかる半
導体装置の封止に使用されるエポキシ樹脂組成物に対し
ても高い信頼性が求められている。

このような封止用エポキシ樹脂組成物は、まず、周囲の
温度変化によって内部に封止した部品に損傷を与えるこ
とがあってはならない。このような温度特性は例えば、
耐熱サイクル特性として評価することができる。すなわ
ち、この評価試験はエポキシ樹脂組成物により封止され
た半導体装置を高温と低温とに順次曝してこれを１サイ
クルとし、各サイクル毎に該半導体装置の特性を測定し
て何サイクル目で特性の低下が見られたかを評価するも
のである。

ところで、従来の封止用エポキシ樹脂組成物により封止
された半導体装置にあっては、上記耐熱サイクル特性試
験の際、部品が封止樹脂体から機械的応力を受け、甚し
い場合にはこの応力に耐えられずに例えばボンディング
ワイヤーが切断または接触不良を引き起こすなどの不都
合がある。

更に、従来の樹脂封止型半導体装置にあっては、高温高
湿環境下において、水分が封止樹脂体を浸透して内部の
装置に達し、その結果、例えば、アルミニウム配線が腐
食しやすいなどの問題がある。

［発明の目的］本発明の目的は、従来のかかる問題を解消し、エポキシ
樹脂組成物によって封止された高信頼性の樹脂封止型半
導体装置を提供することである。

［発明の概要］本発明者は、上記目的を達成すべく封止用エポキシ樹脂
組成物の成分について種々検討を重ねた結果、後述する
ようにその一部分として窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）を配
合することにより上記欠点が改良され、高信頼性の樹脂
封止型半導体装置が得られることを見出した。

すなわち、本発明の封止型半導体装置は、 (a)エポキシ樹脂、 (b)１分子内に２個以上のフェノール性水酸基を有する
化合物よりなる硬化剤、 (c)窒化ケイ素、および (d)有機ホスフィン化合物を含有するエポキシ樹脂組成物により封止されてなるこ
とを特徴とする。

本発明に用いる封止用エポキシ樹脂組成物において、ま
ず、第１の必須成分であるエポキシ樹脂としては、通常
知られているものを使用すればよく、特に限定されるも
のではない。具体例としては、ビスフェノールＡ型エポ
キシ樹脂、フェノールノボラック型エポキシ樹脂などの
グリシジルエーテル型エポキシ樹脂；グリシジルエステ
ル型エポキシ樹脂；グリシジルアミン型エポキシ樹脂；
線状脂肪族エポキシ樹脂；脂環式エポキシ樹脂；複素環
式エポキシ樹脂；ハロゲン化エポキシ樹脂など１分子中
にエポキシ基を２個以上有するエポキシ樹脂があげられ
る。これらのエポキシ樹脂は単独で用いても、あるいは
２種以上の混合系で用いてもよい。なかでも、好ましい
エポキシ樹脂は、エポキシ当量１７０〜３００のノボラ
ック型エポキシ樹脂であって、例えば、フェノールノボ
ラック型エポキシ樹脂、クレゾールノボラック型エポキ
シ樹脂、ハロゲン化フェノールノボラック型エポキシ樹
脂などである。更に、これらのエポキシ樹脂は、塩素イ
オンの含有量が１０ppm以下、加水分解性塩素の含有量
が０．１重量％以下のものが望ましい。この理由は、１
０ppmを超える塩素イオンあるいは０．１重量％を超え
る加水分解性塩素が含まれていると、封止された半導体
装置の例えばＡｌ電極などが腐食されやすくなるためで
ある。

ついで、第２の必須成分である硬化剤は、１分子中に２
個以上のフェノール性水酸基を有する化合物であればと
くに制限されるものではなく、フェノール樹脂、フェノ
ールアラルキル樹脂、ポリオキシスチレンまたは多価フ
ェノール化合物などを使用することができる。具体的に
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、tert−ブチルフェノールノボラック樹
脂、ノニルフェノールノボラック樹脂などのノボラック
型フェノール樹脂；レゾール型フェノール樹脂；ポリパ
ラオキシスチレンなどのポリオキシスチレン；ビスフェ
ノールＡ；およびこれらの化合物のハロゲン化物等であ
る。このうち、ノボラック型フェノール樹脂、フェノー
ルアラルキル樹脂およびポリオキシスチレンはとくに好
ましいものである。また、これらの硬化剤は単独で用い
ても、あるいは２種以上の混合系で用いてもよい。

エポキシ樹脂と硬化剤との配合比はとくに限定されるも
のではないが、反応の進行促進、および得られる硬化物
の特性の２点を勘案すると、硬化剤のフェノール性水酸
基数とエポキシ樹脂のエポキシ基数の比（フェノール性
水酸基数／エポキシ基数）が０．５〜１．５の範囲とな
るように配合することが好ましい。

更に、本発明に用いる封止用エポキシ樹脂組成物は第３
の必須成分として窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）を含有す
る。

かかるＳｉ_３Ｎ_４はどのような形態で配合されていても
よく、例えば、粉末状、繊維状あるいはウィスカーなど
であることが好ましい。粉末状のＳｉ_３Ｎ_４は平均粒径
０．１〜１００μｍのものを用いることが、エポキシ樹
脂組成物全体の流動性を向上させるうえで好ましい。一
方、繊維状のＳｉ_３Ｎ_４としてはＳｉ_３Ｎ_４の長繊維を
裁断したもので、例えば、直径が１〜２０μｍ、長さが
５０〜４００mmのものを１mm以内の長さに裁断して用い
る。更に、ウィスカーとしては、直径０．１〜１μｍ、
長さ５０〜３００μｍのものを使用すればよい。

かかるＳｉ_３Ｎ_４の配合量は、とくに限定されるもので
はないが、前記エポキシ樹脂と硬化剤の総和１００重量
部に対し、０．１〜１０００重量部の範囲とすることが
好ましい。この配合量が０．１重量部未満では添加の効
果が認められず、１０００重量部を超えると樹脂組成物
全体の流動性が低下するという不都合が生じる。また、
このＳｉ_３Ｎ_４はシランカップリング剤等の表面処理剤
で処理して使用することが、樹脂封止型半導体装置の特
性を更に改善する上で好ましい。

Ｓｉ_３Ｎ_４は耐熱性、化学的安定性および電気絶縁性に
優れているため、これを配合することによって樹脂封止
型半導体装置の特性を向上させることができる。また、
Ｓｉ_３Ｎ_４は高い熱伝導性を有するため、樹脂封止型半
導体装置の放熱特性も向上する。これを、他の熱伝導性
充填材、例えば、マグネシア、アルミナ、炭化ケイ素を
含有したエポキシ樹脂組成物により封止される封止型半
導体装置と比較すると、本発明の封止型半導体装置は上
記のものと比べて耐湿特性あるいは電気絶縁性が格段に
優れている。更に、Ｓｉ_３Ｎ_４は熱膨張計数が小さく
（炭化ケイ素の約1/2、アルミナ、マグネシアの約1/3〜
1/4）、樹脂組成物の熱膨張計数の低下に大きく寄与す
る。

本発明で用いるエポキシ樹脂組成物は、第４の必須成分
として、有機ホスフィン化合物を含有する。有機ホスフ
ィン化合物は硬化促進剤としての機能を有し、エポキシ
樹脂組成物の硬化時間の短縮に効果があると共に、耐湿
性（特にバイアス電圧下での耐湿性）の改善に著しい作
用効果をもたらすためである。

すなわち、シリカと異なりＳｉ_３Ｎ_４は従来半導体封止
樹脂の充填剤として用いられなかった。その主な理由は
Ｓｉ_３Ｎ_４を充填剤として用いた半導体封止樹脂の耐湿
性（特にバイアス電圧下での耐湿性）が著しく悪いため
である。

バイアス電圧下での耐湿試験における半導体デバイスの
故障原因は、半導体封止樹脂中に浸入した水分がＳｉ_３
Ｎ_４表面と反応して、アンモニアを発生し、これが水に
溶解してバイアス電圧下で半導体デバイスの電極を腐食
したり、リーク不良を発生したりするためと考えられ
る。この反応は次のように表せる。

Ｓｉ_３Ｎ_４＋６Ｈ_２Ｏ→３ＳｉＯ_２＋４ＮＨ_３ＮＨ_３＋Ｈ_２Ｏ→ＮＨ_４ ^＋＋ＯＨ⁻ 上記反応はＳｉ_３Ｎ_４表面でのみ起こり、内部まで進行
することはないが、充填剤の表面積が大きいので、相当
量のアンモニウムイオンが発生する。

以上のように、充填剤にＳｉ_３Ｎ_４を用いた場合には、
シリカを用いた場合と異なるメカニズムで耐湿性の故障
が起こる。したがって、Ｓｉ_３Ｎ_４を充填剤に用いた半
導体封止樹脂を製品化するためには、Ｓｉ_３Ｎ_４特有の
故障原因である、発生するアンモニアの影響を最小限に
抑える対策が必要である。そこで有機ホスフィン化合物
を用いたところ、耐湿性が向上し、長期間故障を起こさ
ないことが分かった。

かかる有機ホスフィン化合物の具体例としては、フェニ
ルホスフィン、オクチルホスフィン、ジフェニルホスフ
ィン、ビチルフェニルホスフィン、メチルジフェニルホ
スフィン、トリシクロヘキシルホスフィン、トリブチル
ホスフィン、トリフェニルホスフィン、トリフェニルホ
スフィンオキサイド、さらには、１，２−ビス（ジフェ
ニルホスフィノ）エタン、ビス（ジフェニルホスフィ
ノ）メタンなどがあげられる。これらの化合物は封止後
は酸化されてオキサイドの形で含有してもよい。これら
のうち、アリールホスフィン化合物、例えば、トリフェ
ニルホスフィン、１，２−ビス（ジフェニルホスフィ
ノ）エタン、ビス（ジフェニルホスフィノ）メタンなど
はとくに好ましいものである。これらの有機ホスフィン
化合物は１種もしくは２種以上の混合系で用いてもよ
い。なお、この有機ホスフィン化合物の組成比は樹脂成
分（エポキシ樹脂と硬化剤）の０．０１〜２０重量％で
もよいが、とくに、０．０１〜５重量％の範囲であるこ
とが好ましい。

本発明の樹脂封止型半導体装置に用いる樹脂組成物にあ
っては、上記した必須成分に加えて、例えば公知の無機
質充填剤を添加配合することができる。

無機質充填剤としては、例えば、溶融シリカ、結晶性シ
リカ、ガラス繊維、タルク、アルミナ、ケイ酸カルシウ
ム、炭酸カルシウム、硫酸バリウム、マグネシア等をあ
げることができ、中でも、溶融シリカ、結晶性シリカは
高純度でしかも熱膨張率が低いため好ましいものであ
る。とくに、これらシリカの配合量が、樹脂成分（エポ
キシ樹脂と硬化剤）１００重量部に対し０．１〜１００
０重量部の範囲にあるときは、Ｓｉ_３Ｎ_４とシリカの長
所が有効に組み合されて優れた特性の封止型半導体装置
を得ることができる。

本発明の封止用エポキシ樹脂組成物には、更に必要に応
じて、他の添加剤、例えば天然ワックス類、合成ワック
ス類、直鎖脂肪酸の金属塩、酸アミド類、エステル類も
しくはパラフィン類などの離型剤、塩素化パラフィン、
プロムトルエン、ヘキサブロムベンゼン、三酸化アンチ
モンなどの難燃剤、カーボンブラックなどの着色剤、シ
ランカップリング剤などを適宜添加配合しても差支えな
い。

上述した封止用エポキシ樹脂組成物を成形材料として調
製するための方法はどのようなものであってもよく、上
記の所定の組成比に選んだ原料成分を、例えばミキサー
によって充分混合後、さらに熱ロールによる溶融混合処
理、またはニーダーなどによる混合処理を加えるなどの
方法を適用することができる。

一方、本発明の樹脂封止型半導体装置は、上記封止用エ
ポキシ樹脂組成物を用いて半導体装置を封止することに
より容易に製造することができる。封止の最も一般的な
方法としては低圧トランスファ成形法があるが、インジ
ェクション成形、圧縮成形、注型などによる封止も可能
である。エポキシ樹脂組成物は封止の際に加熱して硬化
させ、最終的にはこの組成物の硬化物によって封止され
た樹脂封止型半導体装置を得ることができる。硬化に際
しては１５０℃以上に加熱することが特に望ましい。

なお、本発明でいう半導体装置とは集積回路、大規模集
積回路、トランジスタ、サイリスタ、ダイオードなどで
あって、とくに限定されるものではない。

〔発明の実施例〕

実施例１〜３、ならびに比較例１〜４（１）エポキシ当量２２０のクレゾールノボラック型エ
ポキシ樹脂（エポキシ樹脂Ａ）、（２）エポキシ当量２９０の臭素化エポキシノボラック
樹脂（エポキシ樹脂Ｂ）、（３）分子量７００のフェノールノボラック樹脂硬化
剤、（４）平均粒子径１０μｍの窒化ケイ素粉末、（５）平均粒子径２５μｍの窒化ケイ素ウィスカー、（６）平均直径８μｍ、平均長さ１００μｍの窒化ケイ
素繊維（７）マグネシア粉末、（８）アルミナ粉末、（９）炭化ケイ素粉末、（10）結晶性シリカ粉末、（11）トリフェニルホスフィン硬化促進剤、（12）三酸化アンチモン（13）カルナバワックス、（14）カーボンブラック、（15）シランカップリング剤（γ−グリシドキシプロピ
ルトリメトキシシラン）を第１表に示す組成（重量部）に選んだ。ただし成分
（４）〜（10）の配合量に関しては、各例中の（４）〜
（10）成分の体積％の和が、いずれも、組成物全体の約
５２％になるようにして相互の比較を行った。

これらの組成物をミキサーによる混合および加熱ロール
による混練を行うことによって比較例を含め７種のトラ
ンスファ成形材料を調製した。

このようにして得た成形材料を用いてトランスファ成形
してＭＯＳ型集積回路を樹脂封止した。封止は予熱機で
９０℃に加熱した成形材料を１７０℃で２分間モールド
し、更に１８０℃で４時間アフタキュアすることにより
行った。

上記の樹脂封止した半導体装置各５０個を、１２０℃、
２気圧の水蒸気中で１０Ｖ印加して、アルミニウム配線
の腐食による断線不良を調べる耐湿試験（バイアスＰＣ
Ｔ）を行い、その結果を第２表に示した。ただし、比較
例４は半導電性の炭化ケイ素を用いたため、封止樹脂の
絶縁性が悪く、集積回路が短絡不良を発生し良品が得ら
れなかったので試験から除外した。

次に、得られた樹脂封止型半導体装置各１００個につい
て、以下に記す熱サイクル試験を実施して特性評価を行
った。

＋２００℃と−６５℃の２つの恒温槽を用意し、上記樹
脂封止型半導体装置を＋２００℃の恒温槽に入れて３０
分間放置した。その後取り出して常温中に５分間放置
し、次に−６５℃の恒温槽に３０分間放置した。その後
取り出して再び常温中に５分間放置した。以上の操作を
１サイクルとし、連続的に熱サイクル試験を実施した。
熱サイクル試験の経過に従って随時サイクルを中断し、
樹脂封止型半導体装置の特性をテスターを用いて測定
し、不良の発生を調べた。その結果を第３表に示した。

実施例４および５、ならびに比較例５〜９平均粒子径２５μｍの窒化ケイ素粉末および第４表の
（ａ）〜（ｇ）に示す硬化促進剤を用いたほかは、実施
例１で用いた各成分を使用して組成物を調製した。各組
成物をミキサーによる混合、加熱ロールによる混練を行
うことによって、比較例を含め７種のトランスファー成
形材料を調製した。

このようにして得た成形材料を用いてトランスファー成
形し、ＭＯＳ型集積回路を樹脂封止した。得られた樹脂
封止型半導体装置各５０個について、実施例１と同様な
耐湿試験（バイアスＰＣＴ）を実施した。その結果を第
５表に示した。

また、上記耐湿試験に用いたのと同じ樹脂封止型半導体
装置各１００個について、実施例１と同様の熱サイクル
試験を行い、不良の発生を調べた。その結果を第６表に
示した。

実施例６〜９および比較例１０〜１３実施例１〜３で用いた各成分及び、（１６）ガラス繊維
（平均直径９μｍ、平均長さ５００μｍ）、（１７）溶
融シリカ粉末を用いて第７表に示す組成（重量部）から
成る組成物をつくった。各組成物をミキサーによる混
合、加熱ロールによる混練を行うことによって比較例を
含め８種のトランスファ成形材料を調製した。

次に、得られた樹脂封止型半導体装置各１００個につい
て、実施例１と同様の熱サイクル試験を実施して特性評
価を行った。その結果を第８表に示した。

［発明の効果］以上の説明から明らかなように、封止用エポキシ樹脂組
成物により封止された本発明の樹脂封止型半導体装置
は、耐熱サイクル特性ならびに耐湿性に優れた信頼性の
高いものであるため、その工業的価値は大である。

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０１Ｌ 23/29 23/31

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】(a)エポキシ樹脂、 (b)１分子内に２個以上のフェノール性水酸基を有する
化合物よりなる硬化剤、 (c)窒化ケイ素、および (d)有機ホスフィン化合物を含有するエポキシ樹脂組成物により封止されてなるこ
とを特徴とする樹脂封止型半導体装置。
【請求項２】該エポキシ樹脂が、エポキシ当量１７０〜
３００のノボラック型エポキシ樹脂である特許請求の範
囲第１項記載の装置。
【請求項３】該硬化剤が、ノボラック型フェノール樹脂
である特許請求の範囲第１項記載の装置。
【請求項４】該エポキシ樹脂と該硬化剤の配合比が、硬
化剤のフェノール性水酸基とエポキシ樹脂のエポキシ基
の当量比で０．５〜１．５の範囲である特許請求の範囲
第１項記載の装置。
【請求項５】該窒化ケイ素が、平均粒径０．１〜１００
μｍの粉末である特許請求の範囲第１項記載の装置。
【請求項６】該窒化ケイ素が、窒化ケイ素繊維である特
許請求の範囲第１項記載の装置。
【請求項７】該窒化ケイ素が、窒化ケイ素ウィスカーで
ある特許請求の範囲第１項記載の装置。
【請求項８】該窒化ケイ素の配合量が、エポキシ樹脂と
硬化剤との総和１００重量部に対し、０．１〜１０００
重量部の範囲である特許請求の範囲第１項記載の装置。
【請求項９】該エポキシ樹脂組成物が、さらに、溶融シ
リカおよび／または結晶性シリカを含むものである特許
請求の範囲第１項記載の装置。