JPH0859795A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】エポキシ樹脂とフェノール性水酸基を有する硬
化剤，硬化促進剤，分子中にアルミニウムを有する特定
の化合物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。 【効果】金属表面，ポリイミドへの接着性が大きく、半
導体装置のインサートとの接着性が良好であるため、耐
はんだリフロー性に優れている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、成形性，硬化後の力学
的な物性に優れ、かつ、半導体装置構成する各インサー
トとの接着に優れたエポキシ樹脂組成物で封止した耐は
んだリフロークラック性に優れた樹脂封止型半導体装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】樹脂封止技術は量産性が高いため、トラ
ンジスタ，ＩＣ，ＬＳＩ等の半導体素子のパッケージ技
術として広く用いられている。半導体封止材料には、エ
ポキシ樹脂とフェノール樹脂に硬化促進剤を配合した組
成物が一般的に用いられている。

【０００３】近年、半導体素子の集積度の増加，電子電
気機器の小型化の要求から半導体装置の形状や実装方法
が変化しているため、封止樹脂の耐熱性，耐湿性，低応
力化などなお一層の高信頼性化が望まれている。

【０００４】例えば、表面実装型の半導体装置では、プ
リント基板への実装時にパッケージ全体が２００〜２６
０℃に加熱されるため、パッケージが吸湿していると、
内部の水分の急激な膨張により、パッケージの膨張，イ
ンサートと封止材の剥離，パッケージクラックが生じ
る。

【０００５】この問題には、従来からリフロー時の封止
樹脂層の高温強度を高めること、樹脂層の吸湿率を小さ
くする為の検討が行われている。薄型の半導体装置では
封止樹脂層の強度を高めることよりも吸湿率を小さくす
ること、また剥離を防止するためにインサートと封止樹
脂との接着力を高めることが有効な手法となっている。
この方法として、ビフェニル型エポキシ樹脂とフェノー
ルアラルキル樹脂硬化剤からなるエポキシ樹脂組成物で
封止した半導体装置が特開平3−207714 号並びに特開平
4−48759号公報に開示されている。また、ナフタレン構
造を有するエポキシ樹脂からなる樹脂組成物を用いた半
導体装置では特開平4−50223号並びに特開平4−199857
号公報に開示されている。一般に、封止材の接着性を高
める目的で、エポキシシランなどのシランカップリング
剤がエポキシ樹脂組成物中に配合されている。しかし、
エポキシ樹脂とこれらカップリング剤を組み合わせた場
合にも、耐はんだリフロー性に対する効果は十分ではな
い。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】低吸湿，高接着力を有
するエポキシ樹脂系を用いる従来の技術は、耐はんだリ
フロー性に優れるが、その効果はまだ十分ではない。ま
た、半導体装置の内部剥離に注目すると、シリコンチッ
プやシリコンチップの回路面を封止材からの応力から保
護するために用いられているポリイミドパッシベーショ
ン膜と封止材間の接着力を高めることが重要である。こ
の部分の剥離は実装後の耐湿信頼性，温度サイクル性を
著しく低下させる原因となる。

【０００７】本発明の目的は、半導体装置の各インサー
トと良好な接着性を有するエポキシ樹脂組成物で封止し
た耐はんだリフロー性，温度サイクル性，耐湿信頼性に
優れた樹脂封止型半導体装置を提供することにある。

【０００８】

【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、成形後における封止材のポリイミド
に対する接着力、金属に対する接着力を向上させるべ
く、各種エポキシ樹脂，硬化剤に添加する接着性向上剤
としてのカップリング剤の化学構造と接着力を検討し
た。その結果、アルミニウムのキレート錯体を用いれ
ば、シリコンと封止材，ポリイミドパッシベーション膜
と封止材の接着力が向上することを見いだした。

【０００９】すなわち、本発明の樹脂封止型半導体装置
は、エポキシ樹脂と、フェノール性水酸基を有する硬化
剤，硬化促進剤、さらに化１または化２で表される化合
物を必須成分として含有するエポキシ樹脂組成物で封止
したことを特徴とする。

【００１０】本発明において、エポキシ樹脂は、一分子
中にエポキシ樹脂を複数個有し、半導体封止用樹脂とし
て一般的に使用されるものであればいかなるものであっ
てもよい。このようなエポキシ樹脂は、ビスフェノール
Ａ，ＦまたはＳ型エポキシ樹脂，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、また分子中にビフェニル骨格やナフタレン骨格，ジ
シクロペンタジエン骨格を有する二官能以上のエポキシ
樹脂，脂環式エポキシ樹脂、また以上のエポキシ樹脂を
臭素化したエポキシ樹脂等が挙げられる。本発明では、
これらを単独あるいは数種類混合して使用される。

【００１１】本発明において、フェノール性水酸基を有
する硬化剤は、一分子中にフェノール性の水酸基を複数
個有し、半導体封止用樹脂として一般的に使用されるも
のであればいかなるものであってもよい。このような硬
化剤として、ビスフェノールＡ，ＦまたはＳ，フェノー
ルノボラック，クレゾールノボラック、また、分子中に
ビフェニル骨格をもつビフェノール，ナフタレン骨格を
有するもの、ジシクロペンタジエン骨格を有するもの、
また以上の樹脂の共重合体、または数種類の混合物が使
用される。これらは樹脂の反応性，流動性などの成形性
と硬化物の吸湿率，力学物性等の諸物性に応じて使用さ
れる。

【００１２】本発明に用いられるエポキシ樹脂組成物に
は、硬化反応を促進させるため硬化促進剤が添加され
る。本発明で用いられる硬化促進剤はエポキシ樹脂と硬
化剤の硬化反応を促進するものなら特に限定されるもの
ではない。通常は、エポキシ樹脂組成物の保存安定性や
成形性、硬化後の電気特性などが良好な、トリフェニル
フォスフィン，トリフェニルフォスフォニウム−トリフ
ェニルボレート，テトラフェニルフォスフォニウム−テ
トラフェニルボレート、およびこれらの誘導体等の分子
中に燐を含有するもの、またトリエチレンジアミン，ジ
アミノジフェニルメタン、１，８−ジアザビシクロ
（５，４，０）−ウンデセン，イミダゾールおよびその
誘導体などのアミン系のもの、ＢＦ３，スルホニウム塩
等が、一種類、あるいは複数種類をエポキシ樹脂に添加
され用いられる。添加量はエポキシ樹脂組成物の成形性
や硬化物の物性にあわせ任意に決めることができる。

【００１３】本発明におけるエポキシ成形材料では、化
１，化２で表されるアルミキレート化合物の配合が必要
で、エポキシ樹脂に対して０.００５ 〜５重量％配合す
ることが好ましい。すなわち、０.００５ 重量％ではエ
ポキシ成形材料と各種金属，ポリイミド等の接着性に効
果が小さく、また５重量％をこえると成形金型の汚れ
や，離型性の低下，エポキシ樹脂成形材料の硬化不良等
の問題が起こる傾向がある。エポキシ樹脂の硬化触媒と
してアルミキレート化合物を用いる方法は、特開昭57−
133119号，特開昭57−133122号公報に開示されている。
この方法は、エポキシ樹脂成形材料の保存安定性と反応
性の両方を向上する為の方法である。本発明では、エポ
キシ樹脂の硬化促進剤として触媒を別途配合し、アルミ
キレート化合物はインサート間の接着性を向上するため
のカップリング剤として作用させるため、アルミキレー
ト化合物が直接エポキシ樹脂と反応する上記の発明とは
異なっている。

【００１４】本発明のエポキシ樹脂成形材料では上記の
素材の他、必要に応じ、充填剤，離型剤，着色剤，カッ
プリング剤，可とう化剤，難燃剤等を添加して用いる。
充填剤はエポキシ成形材料の熱膨張係数を小さくする目
的で、また、強度を高めるために用いられ、タルク，ク
レー，シリカ，炭酸カルシウム，水酸化アルミニウム，
水酸化マグネシウム，ガラス繊維，セラミック繊維等の
無機質充填剤全般を用いることができる。充填量は５０
容積％〜８５容積％が適当で、５０容積％未満では熱膨
張係数の低減，強度の向上に対して十分な効果が得られ
ない。また、８５容積％を越えて配合すると、充填剤の
最密充填密度がエポキシ樹脂マトリックスの配合量を下
回るため、成形材料の調製が困難となり、また調製後の
粘度が非常に高くなり、成形性が低下する。したがって
充填量は５０容積％〜８５容積％が好ましい。離型剤は
成形金型からの離型を容易にするもので、カルナバワッ
クス，モンタン酸系ワックス，ポリオレフィン系ワック
スを単独で用いるか、これらを併用して用いる。添加量
は、全量の０.０１ 〜５重量％が好ましい。すなわち
０.０１ ％未満では離型性に効果がなく、また５％をこ
えるとリードフレームやシリコンチップとの接着性が低
下するからである。着色剤はカーボンブラックを用いる
ことが望ましい。硬化物の強靭化，低弾性率化のため配
合される可とう化剤はエポキシ樹脂と非相溶のアミノ基
またはエポキシ基，カルボキシル基末端のブタジエン・
アクリロニトリル系共重合体、また、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
コーン樹脂系可とう化剤などが用いられる。

【００１５】上記材料を配合，混合，混練，粉砕し更に
必要に応じ造粒しエポキシ樹脂成形材料を得る。混練は
一般的には、熱ロールや押し出し機などによって行う。
本発明の樹脂封止型半導体装置は、このように得られた
エポキシ樹脂組成物を用いて半導体チップを封止するこ
とにより得られる。その製造方法は、低圧トランスファ
成形が、通常、用いられるが、場合によっては、圧縮成
形，注型等の方法によっても可能である。また、半導体
装置の信頼性を向上するため、エポキシ樹脂組成物によ
る成形後、１５０℃以上の温度で所定時間アフタキュア
を行うことが望ましい。

【００１６】本発明では以上のように化１，化２で示さ
れる化合物をエポキシ樹脂組成物中に配合して用いる
他、半導体素子やリードフレーム等のインサート単独あ
るいはそのいくつかに対して、化１，化２で示される化
合物を塗布し、インサートの表面を処理した後、エポキ
シ樹脂組成物を用いて封止することによっても、信頼性
に優れた半導体装置を得ることができる。この際、化
１，化２で示される化合物を適当な有機溶剤に溶解し用
いる事が望ましい。溶剤としては特に、各種シランカッ
プリング剤が接着性を高める上で好適である。これら溶
液を塗布した後のインサートは、高温で数分から数時間
の熱処理を行うことにより、エポキシ樹脂成形材料との
接着性を大きく高めることができる。

【００１７】

【作用】本発明で成形性および耐はんだリフロー性に優
れ、しかも他の信頼性も良好な樹脂封止型半導体装置が
得られる理由は、化１，化２で示されるアルミキレート
カップリング剤が、エポキシ樹脂成形材料の硬化中に接
着界面に滲みだしエポキシ樹脂とインサートとの濡れ性
が向上しさらには接着性も大きくなるためである。これ
は金属表面とアルミキレートの相互作用により接着性が
向上し、さらには、ポリイミドとアルミキレートの界面
の相互作用が、シランカップリング剤等に比較して大き
いため、エポキシ樹脂成形材料とポリイミド等のインサ
ートとの接着性が大幅に向上するためである。

【００１８】本発明の樹脂封止型半導体装置パッケージ
はプリント基板への実装時に２４０℃〜２６０℃の高温
にさらした場合にも、エポキシ樹脂成形材料と各インサ
ート間の接着力が大きい為、パッケージ内部の水分の急
激な気化によるパッケージ内のインサート界面が剥離を
生じない。また、吸湿水分の溜まり場所となる剥離等が
少なくなるため、パッケージのクラック等も低減し良好
な耐はんだリフロー性を示す。

【００１９】

【実施例】以下、本発明について実施例１〜１１，比較
例１〜９に従い具体的に説明する。

【００２０】下記に示すエポキシ樹脂並びにフェノール
樹脂硬化剤、及び硬化促進剤としてトリフェニルフォス
フィン、充填剤として平均粒径８μｍの溶融シリカの破
砕粉と平均粒径２８μｍの球形溶融シリカをそれぞれ３
／７の混合したものを用い、難燃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、着色剤としてカーボンブラ
ックを用い、表１に示す配合組成でエポキシ樹脂成形材
料を作製した。素材の混練は二軸の熱ロール（６５−８
５℃）を用い、１０分間行った。

【００２１】エポキシ樹脂 （ａ）エポキシ当量：１９５ｇ／ｅｑ

【００２２】

【化５】

【００２３】（ｂ）エポキシ当量：１９５ｇ／ｅｑ

【００２４】

【化６】

【００２５】（ｃ）エポキシ当量：２５７ｇ／ｅｑ

【００２６】

【化７】

【００２７】（ｄ）エポキシ当量：２２１ｇ／ｅｑ

【００２８】

【化８】

【００２９】（ｅ）エポキシ当量：３７５ｇ／ｅｑ

【００３０】

【化９】

【００３１】フェノール樹脂硬化剤 （ｆ）水酸基当量：１７１ｇ／ｅｑ

【００３２】

【化１０】

【００３３】（ｇ）水酸基当量：１０６ｇ／ｅｑ

【００３４】

【化１１】

【００３５】（ｈ）水酸基当量：１６４ｇ／ｅｑ

【００３６】

【化１２】

【００３７】（ｉ）水酸基当量：１４０ｇ／ｅｑ

【００３８】

【化１３】

【００３９】表中の特性測定は以下の方法で行った。

【００４０】（１）スパイラルフロー：ＥＭＭＩ規格に
準じた金型を用い１８０℃、７０ｋｇ／cm² の条件で行
った。

【００４１】（２）ガラス転移温度並びに線膨張係数：
熱物理試験機を用い、昇温速度５℃／min で測定した。

【００４２】（３）曲げ強度および曲げ弾性率：ＪＩＳ
−Ｋ６９１１に準じて、室温並びに２５０℃で測定し
た。

【００４３】（４）吸湿率：直径９０mmφ、厚さ２mmｔ
の円盤を成形し、８５℃／８５％ＲＨの吸湿条件で３０
０時間吸湿させ、重量変化から求めた。

【００４４】（５）アルミ接着力：厚さ３０μｍのアル
ミ箔との接着力をピール強度から求めた。アルミ箔の引
っ張り速度は５０mm／分で測定した。

【００４５】（６）ポリイミド接着力：厚さ３０μｍの
アルミ箔にポリイミドをスピンコートし所定条件で硬化
させ、アルミテープ上に１０μｍのポリイミド膜を形成
した。ポリイミド膜上にエポキシ樹脂成形材料を成形し
引き剥がし速度５０mm／分でのピール強度を測定した。

【００４６】次に、本発明を適用した半導体装置の構造
を図面を用いて説明する。

【００４７】図１は半導体素子であるシリコンチップ６
をフィルム状の両面接着剤２を介してリードフレーム４
に固着した後、素子上の電極部とインナーリード４を金
ワイヤ１で電気的に接続した後、素子及びインナーリー
ドをエポキシ樹脂組成物硬化物３（封止材）で封止した
ＳＯＪの例である。

【００４８】図２は、リードフレームのダイパッド部１
２に半導体素子であるシリコンチップ１３を層間接着材
１１で固着し、素子上の電極部とインナーリード１０を
金ワイヤ９で電気的に接続した後、素子及びインナーリ
ードをエポキシ樹脂組成物８（封止材）で封止したＴＳ
ＯＰ（Thin Small Outline Plastic Package）の例であ
る。

【００４９】図３は多層プリント配線基板上に半導体素
子であるシリコンチップ１７を層間接着材を用いて固着
し、素子上の電極部と多層プリント配線基板上の電極部
とを金ワイヤ１６で電気的に接続した後、多層プリント
配線基板１８のシリコンチップ搭載面上のシリコンチッ
プおよび多層プリント配線基板１８の電極部をエポキシ
樹脂組成物１５（封止材）で封止し、多層プリント配線
基板１８のシリコンチップ搭載面の裏側にシリコンチッ
プ１７と電気的な接続がとられたはんだボール１９が固
着されているＢＧＡパッケージ（Ball Grid Package ）
の例である。

【００５０】図４は半導体素子であるシリコンチップ２
１とはんだボール２３とを弾性を有する両面接着層２２
で電気的に接続した後、エポキシ樹脂組成物２０（封止
材）で封止した半導体装置の例である。

【００５１】表１から明らかなように、本発明における
半導体封止用のエポキシ樹脂組成物は比較例１〜９に示
すエポキシ樹脂組成物に比較して、アルミニウム，ポリ
イミドへの接着性が向上している。

【００５２】

【表１】

【００５３】実施例１〜３と比較例１，実施例４と比較
例２，実施例５と比較例３，実施例６と比較例４，実施
例７と比較例５，実施例８と比較例６，実施例９と比較
例７，実施例１０と比較例８，実施例１１と比較例９の
ようにそれぞれの樹脂系ごとに比較すると、ガラス転移
温度，曲げ強度，曲げ弾性率，吸湿率等の物性を損なう
ことなくアルミピール強度，ＰＩＱピール強度が大きく
なるため、半導体装置内部のインサートと封止材との接
着力が増し、耐はんだリフロー性，温度サイクル性等の
信頼性の向上が期待できる。

【００５４】また、この材料を用いて、図１に示したＳ
ＯＪならびに図２に示したＴＳＯＰを作製した。耐はん
だリフロー性の信頼性試験はこの樹脂封止型半導体装置
を８５℃、８５％ＲＨ下で１６８時間放置後、直ちに２
４０℃の赤外線リフロー炉中で９０秒間加熱する試験を
行い、封止層のクラックしたものをクラック発生数とし
て調べた。また超音波探傷装置を用いて封止樹脂層と半
導体装置内の各インサートとの剥離状況を調べ、剥離し
たものを剥離発生数として数えた。これらの結果をまと
めて表２に示す。

【００５５】

【表２】

【００５６】表２から明らかなように、本発明の樹脂封
止半導体装置は高接着性であるため、リードフレームや
チップ等のインサートとの剥離数が減少することが分か
る。またこれにより、封止層自体のクラックも抑制され
ており、優れた耐はんだリフロー性を示すことが分か
る。また、インサートに対しては高接着性であるが、パ
ッケージ成形時の離型性は優れていることが分かった。

【００５７】

【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パッケージ内の各インサ
ートと封止材との間の接着性が大きいため、耐はんだリ
フロー性に優れ、また温度サイクル性，高温放置特性な
ど良好な特性を示す事ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ＳＯＪの一実施例の断面図。

【図２】ＴＳＯＰの一実施例の断面図。

【図３】ＢＧＡパッケージの一実施例の断面図。

【図４】半導体装置の一実施例の断面図。

【符号の説明】

１…金ワイヤ、２…接着剤、３…封止材、４…リードフ
レーム、５…パッシベーション膜、６…シリコンチッ
プ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小角 博義 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】エポキシ樹脂とフェノール性水酸基を有す
   る硬化剤，硬化促進剤、更に化１及び化２で表されるア
   ルミキレート剤を含有するエポキシ樹脂組成物で封止し
   たことを特徴とする半導体装置。 【化１】 【化２】
2. 【請求項２】リードフレームのインナーリードに固着さ
   れた半導体素子表面の電極と前記インナーリード間が電
   気的に接続された半導体素子及び前記リードフレームの
   一部を化３及び化４で表されるアルミキレート剤を必須
   成分として含むシリコーンカップリング剤溶液で表面処
   理され、前記半導体素子と前記リードフレームの一部を
   エポキシ樹脂とフェノール性水酸基を有する硬化剤，硬
   化促進剤を含有するエポキシ樹脂組成物で封止したこと
   を特徴とする半導体装置。 【化３】 【化４】
3. 【請求項３】請求項１または２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５０〜８５容量％含む
   エポキシ樹脂組成物で封止した樹脂封止型半導体装置。