JPH07179567A - 樹脂封止材料及び樹脂封止型電子デバイス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 電子デバイス上の微細アルミ配線パターン等
の腐食を引き起こすハロゲンイオンの遊離が極めて少な
いエポキシ樹脂材料からなる樹脂封止材料と、この樹脂
封止材料で封止されることで耐湿性を向上させた樹脂封
止電子デバイスとを提供する。 【構成】 エポキシ樹脂に含まれる不純物で、耐湿性等
の実用物性に悪影響を及ぼすα−グリコール基やハロヒ
ドリン基といった水酸基の不純物末端基を、トリアルキ
ルシリル化する。これにより、不純物末端基が疎水性基
となるため、封止樹脂材料の吸湿量が大きく低下し、蒸
発等に伴う封止樹脂の破損が防止される。また、このよ
うな化学修飾により、ハロヒドリン基からのハロゲンイ
オンの遊離がなくなるため、半導体素子等の電子デバイ
ス上のアルミニウム配線等の腐食が防止される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体装置等の電子デ
バイスの耐湿性や信頼性を大きく向上させることが可能
なエポキシ系の樹脂封止材料及びこの樹脂封止材料によ
り封止された樹脂封止型電子デバイスに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、半導体素子等を搭載した電子
デバイスを封止する方式として、金属やセラミックを用
いたハーメチックシール方式が一部用いられている以外
は、低コストで大量生産が可能な樹脂成形材料による封
止方法が主流をしめている。このような樹脂封止法にお
いて最も一般的かつ汎用的に用いられる材料は、２官能
性または多官能性エポキシ樹脂を主剤としノボラック型
フェノール樹脂を硬化剤に用い、これに各種充填材、難
燃材、裏型材、カップリング材、顔料等を配合混練しタ
ブレット状にしたエポキシ樹脂成形材料である。エポキ
シ樹脂成形材料にも多種あるが、特に半導体素子等の電
子デバイスの封止用途に用いられるエポキシ樹脂は、各
種フェノール誘導体や各種ナフトール誘導体とアルデヒ
ド類の付加縮合生成物であるフェノール系樹脂、ナフト
ール系樹脂、また多価フェノール類、芳香族アミン類等
を、アルカリの存在下で、エピハロヒドリンと反応させ
ることにより得られる芳香族グリシジル化合物が用いら
れる。以下では、これら芳香族グリシジル化合物を「電
子デバイス用エポキシ樹脂」と称する。エピハロヒドリ
ンを用いるこの方法では、原料が有するフェノール性水
酸基またはナフトール性水酸基を完全にグリシジル化す
ることは困難であり、電子デバイス用エポキシ樹脂中に
は不純物末端基が残留することは避けられない。図３
は、このような不純物末端基の例を示し、１，２−ハロ
ヒドリン基、１，３−ハロヒドリン基、α−グリコール
基等である。ここで、図中のＸは、フッ素，塩素，臭
素，ヨウ素等のハロキル基であるが、一般的には、塩素
であることが多い。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、このような
不純物末端基が多く含まれる電子デバイス用エポキシ樹
脂を電子デバイス等の封止用材料として使用したとき、
硬化物の耐熱性や耐湿性を大きく損ねることが知られて
いる。

【０００４】例えば、ハロヒドリン基等に由来する塩素
含有量が多い電子デバイス用エポキシ樹脂を電子デバイ
ス等の封止に用いた場合には、耐湿性評価において、ハ
ロヒドリン基から遊離したハロゲンイオンが半導体デバ
イス上のアルミニウム配線を腐食するという問題があっ
た。この欠点は、電子デバイス用エポキシ樹脂にとって
は致命的なものであり、かかる不具合を防止すべく、従
来より電子デバイス用エポキシ樹脂中の不純物末端基を
低減する試みがなされてきた。例えば、ハロヒドリン基
を減少させる方法として、非プロトン性極性溶剤にアル
カリを加え、強塩基性の下で脱ハロゲン化水素反応をさ
せる方法があげられる。しかし、この方法はエポキシ基
の開環重合を促進しエポキシ樹脂のエポキシ価を大きく
低下させるので、強度の低下等を招き好ましくない。ま
た、これら不純物末端基を低減する手法を用いても、
０．０１ｅｑ／Ｋｇ以下に低減することは困難である。
このため現在では、半導体素子の耐湿性や耐熱性を確保
するために、エポキシ樹脂で封止した後、ポリイミド等
で電子デバイス等の表面を被覆することが一般に行われ
ているが、このような処理工程を別途加えることは、製
造コストの増大を招くことになる。

【０００５】一方、α−グリコール基極性の高い置換基
の含有量が大きいエポキシ樹脂を用いたエポキシ樹脂成
形材料は、親水基の存在のために成形後の吸湿量が高く
なる。このため、樹脂封止材料が吸湿した状態で電子デ
バイス等が表面実装されると、封止材料内部の水分が急
激に蒸発・膨張し、封止材料内部に大きな引張応力を発
生させることが報告されている［ＳＥＭＩＣＯＮＮＥＷ
Ｓ Ｐ５０（’８６）］。この内部応力は、チップクラ
ックやパッケ−ジクラック、半導体素子表面の損傷等を
もたらし半導体装置等を破壊する。

【０００６】すなわち、不純物末端基を減少させるとい
う発想にもとずく従来の手法では、その効果には限界が
あり根本的な解決策とはなりえない。

【０００７】本発明は斯かる点に鑑みてなされたもので
あり、その目的は、不純物末端基を化学的に安定なかつ
無害な基に変換する手段を講ずることにより、強度の低
下等の不具合を招くことなく、不純物末端基による半導
体装置等の電子デバイスの不良や破損の発生を防止する
ことにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、具体的に請求項１の発明の講じた手段は、樹脂封止
材料として、エポキシ樹脂に含まれる水酸基の少なくと
も一部をトリアルキルシリル化した変性エポキシ樹脂を
必須成分として含む構成としたものである。

【０００９】請求項２の発明の講じた手段は、上記請求
項１の発明において、トリアルキリルシリル基中のアル
キル基は、１〜４個の炭素数を有するもので構成したも
のである。

【００１０】請求項３の発明の講じた手段は、樹脂封止
型電子デバイスとして、エポキシ樹脂に含まれる水酸基
の少なくとも一部をトリアルキルシリル化した変性エポ
キシ樹脂を必須成分として含むエポキシ樹脂成形材料に
よって封止されるように構成したものである。

【００１１】請求項４の発明の講じた手段は、上記請求
項３の発明において、封止後のエポキシ樹脂の表面がポ
リイミド樹脂で被覆されている構成としたものである。

【００１２】本発明にかかるエポキシ樹脂の一例とし
て、トリアルキルシリル化変性したビフェニール型エポ
キシ樹脂の一般式を図１に示す。同図において、置換基
Ｒは、アルキル基、フェニル基から選ばれた同一または
異なる基である。ここで、アルキル基は直鎖状または分
岐状であり、好ましくは炭素数１から８個、特に好まし
くは１から４個の炭素数を有するものである。好ましい
アルキル基の例としては、メチル基、エチル基、ｎ−プ
ロピル基、ｉｓｏ−プロピル基、ｎ−ブチル基、ｉｓｏ
−ブチル基、ｔｅｒｔ−ブチル基等をあげることができ
る。

【００１３】本発明の封止用樹脂材料に用いられる電子
デバイス用エポキシ樹脂は、一般的に半導体装置封止用
として用いられるものであれば、化学的構造または平均
分子量に関係なくいずれでも使用しえる。以下に具体例
をあげるが、本発明はこれらに限定されるものではな
い。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をはじめとするフェ
ノール類とアルデヒド類から得られるノボラック樹脂を
エポキシ化したノボラック型エポキシ樹脂、ナフタレン
系エポキシ樹脂、ナフトール系エポキシ樹脂、あるいは
ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＦ型
エポキシ樹脂、ビスフェノールＡＤ型エポキシ樹脂、ビ
スフェノールＳ型エポキシ樹脂、ビフェニール型エポキ
シ樹脂をはじめとする芳香族２価フェノール類から得ら
れるエポキシ樹脂や、フタル酸、ダイマー酸等の多塩基
酸とエピハロヒドリンの反応により得られるグリシジル
エステル型エポキシ樹脂、またジアミノジフェニルメタ
ン、ジアミノジフェニルスルホン、イソシアヌール酸等
のポリアミンとエピハロヒドリンの反応により得られる
グリシジルアミン型エポキシ樹脂等があげられる。これ
ら電子デバイス用エポキシ樹脂は２種以上を混合して用
いることができるが、耐熱性の点からナフタレン骨格を
有するエポキシ樹脂、ビフェニール型エポキシ樹脂また
はエポキシ当量２５０以下のノボラック型エポキシ樹脂
が好ましい。

【００１４】一部の例外を除いて、エポキシ樹脂は単独
では成形物となりえず、硬化剤を配合し、硬化剤とエポ
キシ樹脂との熱硬化反応により３次元架橋構造をとるこ
とで初めて成形物としての機能を発揮する。電子デバイ
ス用エポキシ樹脂の硬化剤には、ポリアミド類、ダイマ
ー酸、有機二塩基酸無水物、脂肪族アミン類、芳香族ア
ミン類、ノボラック型フェノール樹脂等があげられる。
半導体封止用途には成形性や耐湿性および耐熱性のバラ
ンスに優れたノボラック型フェノール樹脂が多用されて
いるが、本発明に用いる硬化剤はこれらに限定されるも
のではない。本発明の成形材料においては、エポキシ樹
脂中のエポキシ基のモル量に対する芳香族性水酸基のモ
ル量を０．８から１．２になるようにエポキシ樹脂と硬
化剤を配合することが好ましい。

【００１５】本発明の半導体封止材料には、硬化反応を
促進する硬化促進剤を、必要に応じて用いることができ
る。この硬化促進剤としては、例えば、トリフェニルホ
スフィン、トリブチルホスフィン、メチルジフェニルホ
スフン、ジフェニルホスフィン、フェニルホスフィン等
の有機ホスフィン類、テトラフェニルホスホニウムテト
ラフェニルボレート、２−エチル−４−メチルイミダゾ
ールテトラフェニルボレート、トリフェニルホスフンテ
トラフェニルボレート、Ｎーメチルモルホリンテトラフ
ェニルボレート等のテトラフェニルボロン塩、２−メチ
ルイミダゾール、２−フェニルイミダゾール、２−エチ
ル−４−メチルイミダゾール、２−フェニル−４−メチ
ルイミダゾル等のイミダゾール類、トリス（ジメチルア
ミノ）フェノール、１，８−ジアザ−ビシクロ（５，
４，０）ウンデセン−７、トリエタノールアミン、ベン
ジルジメチルアミン等の三級アミンがあるがこれらに限
定されるものではない。これら硬化促進剤の使用量は、
前述の電子デバイス用エポキシ樹脂１００重量部に対し
０．０１から１０重量部がよく、より好ましくは０．１
から３．０重量部がよい。

【００１６】本発明に用いる半導体封止材料には必要に
応じて、ゴム成分を配合することができる。たとえば天
然ゴムやシリコンゴム、ポリイソプレン、ポリブタジエ
ン、スチレンーブタジエン共重合体などの汎用の合成ゴ
ム、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコー
ルなどのアルキレングリコール類、その他キシレン樹
脂、ポリビニールアルコール、熱可塑性エラストマー、
ＡＴＢＮ、ＣＴＢＮ、フッ素ゴムまたは、ジメチルシロ
キサン、メチルフェニルシロキサンなどのオルガノシロ
キサンおよびこれらの分子末端に、ヒドロキシ基、カル
ボキシル基、アミノ基、エポキシ基、メルカプト基、な
どの官能基をもつ化合物があげられる。これらゴム成分
は、該組成物に１０重量％を越えない範囲で添加するこ
とができる。これらのゴム状樹脂は単独で用いてもよい
し、２種以上を組み合わせて用いてもよい。

【００１７】また、本発明に用いる電子デバイス用エポ
キシ樹脂組成物は必要に応じに無機充填剤を用いること
ができる。以下に具体例をあげるがこれらに限定される
ものではない。具体例としては、炭化けい素、窒化けい
素、窒化ホウ素、合成シリカ、溶融シリカ、結晶シリ
カ、アルミナ、ベンガラ、けい酸カルシウム、炭酸カル
シウム、マイカ、タルク、三酸化アンチモン、チタンホ
ワイト、ハイドロタルサイト系化合物等が挙げられる。
半導体封止用材料にはシリカ粉末やアルミナ粉末が好ま
しく、その配合割合は樹脂組成物全体に対し６０重量％
から９３重量％が好ましい。６０重量％未満では硬化物
の線膨張係数および硬化収縮を低下させる効果が少なく
なり好ましくない。また、９３重量％を越えると、成形
時の流動性が悪くなり、トランスファー成形が困難にな
るので好ましくない。

【００１８】本発明の樹脂材料には、上記成分以外にブ
ロム化エポキシ樹脂に代表される公知の難燃化剤、高級
脂肪酸、カルナバワックス、エステル系ワックスに代表
される公知の離型剤、エポキシシラン、ビニルシラン、
アミノシラン、ボラン化合物、アルコキシチタネート化
合物、アルミキレート化合物に代表される公知のカップ
リング剤、カーボンブラックに代表される公知の顔料を
配合することができる。

【００１９】

【作用】以上の構成により、本発明の封止樹脂材料で
は、吸湿量増加の原因となるα−グリコール基、ハロヒ
ドリン基が化学修飾されて疎水性基となるため、吸湿量
が大きく低下し、半導体装置等の着装時における熱衝撃
を受けても急激な蒸発・膨張を生じることはなく、半導
体装置等に大きな引張力を生ぜしめない。さらに、化学
修飾により、ハロヒドリン基からのハロゲンイオンの遊
離がなくなるため、半導体素子等の電子デバイス上のア
ルミニウム配線等の腐食が防止される。一方、トリアル
キルシシル基は電子デバイスの特性に悪影響を及ぼすこ
とはない。従って、エポキシ価の低下による樹脂封止材
料の強度の低下や、電子デバイスの特性の劣化を招くこ
となく、電子デバイスの腐食や樹脂封止材料の破損が防
止されることになる。

【００２０】

【実施例】以下、実施例と比較例を示し、本発明を具体
的に説明するが、本発明は下記の実施例によって制限を
受けるものではない。

【００２１】（１）エポキシ樹脂のトリメチルシリル化
変性 温度計、リフラックスコンデンサー、攪拌器、滴下ロー
トおよびマントルヒーターを取りつけたセパラブルフラ
スコにびビフェニール型エポキシ樹脂（油化シェルエポ
キシ株式会社製「ＹＸ−４０００」）４００ｇ、および
メチルイソブチルケトン６００ｇを仕込み、温度８０℃
にて撹拌しつつ、樹脂を溶解した。樹脂を溶解した後、
５０℃の温度に冷却した状態で、８０ｇのメチルイソブ
チルケトンに分散した２０ｇの塩化トリメチルシラン
を、１時間かけて滴下ロートから樹脂溶液に滴下した。
滴下終了後、温度９０℃に保温しつつ１４時間反応させ
た。それから、濃度１０重量％の水酸化カリウム水溶液
２０ｇを滴下ロートから添加し、還流温度で１時間の間
反応を継続させた。反応が終了した後、樹脂溶液を８０
０ｇの純水で６回洗浄し、減圧下にて１８０℃の温度で
溶剤を留去した。これにより、淡黄色透明でエポキシ当
量１９９の変性エポキシ樹脂を得た。図１に、得られた
変性電子デバイス用エポキシ樹脂の構造式を示す。

【００２２】（２）硬化剤 硬化剤は、フェノールノボラック樹脂（郡栄化学社製
フェノールノボラック樹脂「ＭＰ−１２０」）を用い
た。

【００２３】（３）樹脂組成物の調整 下記表１に示すような組成で合成シリカ粉末、エポキシ
樹脂、硬化剤、硬化促進剤、その他の成分をミルでドラ
イブレンドして、粉末状の配合物を得た。この配合物を
温度１００℃にて、連続ニーダーで加熱混練した。混練
後、すみやかに５℃に冷却し、ミルで微粉砕し粉末状の
熱硬化性樹脂組成物を得た。この粉末を錠剤成、形器で
打錠し、得られた樹脂組成物をタブレット化した。

【００２４】

【表１】 （４）樹脂封止 幅１μｍの２本のアルミニウム配線を１μｍ間隔でシリ
コンチップ上に配設したテストチップを、銀ペーストを
用いて、リードフレームの半導体素子載置面に圧着し、
２００℃で１時間加熱することで接着を行った。その
後、半導体素子の表面に設けられたアルミニウムからな
る電極とインナーリードを超音波熱圧着法により金線で
接続した。その後、上記の方法で調製したエポキシ樹脂
組成物を用いて、金型温度１８０℃、硬化時間９０秒で
低圧トランスファー成形した後、１７５℃で７時間ポス
トキュアを行い、樹脂封止を完了した。その後リード加
工を行い、樹脂封止型半導体装置を完成させた。なお、
シリコンチップの外形寸法は幅５．１ｍｍ，長さ１４．
１ｍｍ，厚み０．４ｍｍ、パッケージの外形寸法は幅
７．６ｍｍ長さ１７ｍｍ，厚み２．３ｍｍである。

【００２５】尚、後述の耐湿信頼性試験において、ポリ
イミドを半導体素子表面に塗布したものと、塗布しない
ものを試験に供した。ポリイミドとしては旭化成工業製
Ｇ−５０３５Ｂを用い、窒素雰囲気下４００℃で１時間
硬化させた。硬化後の膜厚は約２μｍであった。

【００２６】（５）耐湿信頼性 上記（２）の方法で得られた樹脂封止型半導体装置１０
０個について、シリコンチップ上のアルミニウム配線間
に１５ボルトのバイアス電圧を印加した状態で、温度１
３３℃相対湿度１００％の環境試験装置内に放置し、ア
ルミニウム配線の断線率が５０％以上になる時間を求
め、耐湿信頼性を評価した。

【００２７】（６）半田耐熱性 （２）の方法で得た樹脂封止型半導体装置２０個を温度
８５℃，相対湿度８５％の環境試験装置内に１６８時間
放置した後温度２６０℃の半田浴の中に３０秒侵漬する
というサイクルを４回繰り返し、封止樹脂の外観クラッ
クの有無を確認した。

【００２８】（７）熱硬化性樹脂組成物の溶融粘度測定 溶融粘度は、高化式フローテスターを用い、以下に記述
する方法で測定した。粉末状の熱硬化性樹脂組成物２ｇ
を天秤で精秤し、錠剤成形器で直径１０．３ｍｍのペレ
ットに打錠する。このペレットをシリンダー温度１７５
℃、ノズル寸法１ｍｍφ×１０ｍｍ、荷重１０ｋｇの条
件にて測定を行った。溶融粘度は、フロカーブの最大勾
配から算出した。

【００２９】（８）成形物の線膨張係数測定 成形物のガラス転移点に至るまでの線膨張係数（以下α
１と略す）は、ＴＭＡ法により測定した。

【００３０】（９）成形物の吸湿量測定 上記（２）と同じ方法で作成した樹脂封止型半導体装置
の５０個のサンプル部品を、各々１０個ずつからなる５
ロットに分けて、吸湿量測定サンプルに供した。各ロッ
トについて、１２５℃のオーブン内で１５時間の間廃湿
処理を行った後、温度８５℃，相対湿度８５％の環境試
験装置内で１６８時間の間吸湿処理を行い、吸湿前後の
重量増加率より吸湿量を算出した。

【００３１】（比較例）上記本発明の実施例のサンプル
と従来のエポキシ樹脂との比較を行うため、上記（２）
〜（４）の手順に従い、かつ表１に示す組成からなる比
較例のサンプルを作成した。この比較例のサンプルは、
樹脂の組成は（１）の樹脂変性を省略した以外は、実施
例のサンプルと同様の手順及び組成で作成されている。
そして、この比較例のサンプルについても、上記実施例
のサンプルに対すると同様の試験（５）〜（９）を行っ
た。

【００３２】その結果、下記表２に示すような諸特性が
得られた。表２からわかるように、本発明の実施例のサ
ンプルでは、従来のエポキシ樹脂材料に比べ、高い耐湿
信頼性と、表面実装時に加わる熱衝撃に対する著しく高
い抵抗力を示している。加えて、半導体装置の保護膜と
して多用されているポリイミド膜がなくとも、半導体装
置の耐湿性が大きいことが示されている。しかも、本発
明の樹脂封止材料で封止した後ポイミドを塗布した場
合、従来の封止樹材料にポリイミドを塗布したものに比
べ、１桁以上半導体装置の耐湿信頼性（時間）が向上し
ており、著効が得られることがわかる。一方、溶融粘度
や、線膨張係数は、従来のものと変わらず、別途不具合
を生じることもないことがわかる。

【００３３】

【表２】

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１の発明に
よれば、樹脂封止材料として、エポキシ樹脂中に含まれ
る水酸基の少なくとも一部をトリアルキルシリル化して
なる変性エポキシ樹脂を含む構成としたので、エポキシ
樹脂中に存在する不純物末端基を実質的に無害なトリメ
チルシリル基で化学修飾することで、ポリイミド膜を使
用することなく、封止される電子デバイスの耐湿信頼性
と、表面実装時における耐熱衝撃抵抗力との向上を図る
ことができる。

【００３５】請求項２の発明によれば、上記請求項１の
発明において、トリアルキルシリル基中のアルキル基を
１〜４個の炭素数を有するものとしたので、請求項１の
効果を有する樹脂封止材料の製造の容易化を図ることが
できる。

【００３６】請求項３の発明によれば、樹脂封止型電子
デバイスとして、エポキシ樹脂中に含まれる水酸基の少
なくとも一部をトリアルキルシリル化してなる変性エポ
キシ樹脂を含むエポキシ樹脂成形材料によって封止され
るように構成したので、電子デバイスの耐湿信頼性と、
着装時における耐熱衝撃力との向上を図ることができ
る。

【００３７】請求項４の発明によれば、請求項３の発明
に加えて、ポリイミド樹脂で表面を被覆する構成とした
ので、上記変性エポキシ樹脂による耐湿性改善効果と相
俟って、著効を発揮することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るトリアルキルシリル化変性したビ
フェニール型エポキシ樹脂の一般式を示す図である。

【図２】本発明に係るエポキシ樹脂材料のトリアルキル
シリル化変性による化学的修飾を受けた不純物末端基を
示す図である。

【図３】従来の電子デバイス用エポキシ樹脂に含まれる
不純物末端基の分子構造を示す図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｌ 23/31

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 エポキシ樹脂に含まれる水酸基の少なく
   とも一部をトリアルキルシリル化した変性エポキシ樹脂
   を必須成分として含むことを特徴とする樹脂封止材料。
2. 【請求項２】 請求項１記載の樹脂封止材料において、 トリアルキリルシリル基中のアルキル基は、１〜４個の
   炭素数を有するものであることを特徴とする樹脂封止材
   料。
3. 【請求項３】 エポキシ樹脂に含まれる水酸基の少なく
   とも一部をトリアルキルシリル化した変性エポキシ樹脂
   を必須成分として含むエポキシ樹脂成形材料によって封
   止されたことを特徴とする樹脂封止型電子デバイス。
4. 【請求項４】 請求項３記載の樹脂封止型電子デバイス
   において、 封止後のエポキシ樹脂の表面がポリイミド樹脂で被覆さ
   れていることを特徴とする樹脂封止型電子デバイス。