JPH10158480A

JPH10158480A - 半導体封止用エポキシ樹脂組成物およびそれを用いた半導体装置

Info

Publication number: JPH10158480A
Application number: JP8322398A
Authority: JP
Inventors: Minoru Nakao; 稔中尾; Hirobumi Ono; 博文大野; Hideaki Taki; 秀彰多喜; Masahiro Hata; 昌宏畑
Original assignee: Nitto Denko Corp
Current assignee: Nitto Denko Corp
Priority date: 1996-12-03
Filing date: 1996-12-03
Publication date: 1998-06-16

Abstract

(57)【要約】【課題】電子機器への実装に際して前処理を要すること
なく、しかも半田実装時の加熱に耐えうる低応力性に優
れた半導体封止用エポキシ樹脂組成物と、このエポキシ
樹脂組成物により封止された半田実装時の信頼性に優れ
た半導体装置を提供する。【解決手段】下記の（Ａ）および（Ｂ）成分を主要成分
とし、下記の（Ｃ）成分および（Ｄ）成分を併含する半
導体封止用エポキシ樹脂組成物を用いて半導体素子を封
止する。（Ａ）ビフェニル型エポキシ樹脂。（Ｂ）フェノール樹脂。（Ｃ）有機リン系化合物。（Ｄ）メタホウ酸。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、成形性および半田
リフロー時の耐クラック性と、成形時の成形性および作
業性に優れた半導体封止用エポキシ樹脂組成物およびそ
れを用いた半導体装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】トランジスター、ＩＣ、ＬＳＩ等の半導
体素子は、外部環境からの保護および半導体素子のハン
ドリングを簡易にする観点より、従来から、プラスチッ
クパッケージ等によって封止され半導体装置化されてい
る。この種のパッケージの代表例としては、デュアルイ
ンラインパッケージ（ＤＩＰ）があげられる。このＤＩ
Ｐはピン挿入型と呼ばれるものであり、実装基板に対し
てピンを挿入することにより半導体装置を取り付けるよ
うになっている。

【０００３】最近は、ＬＳＩ素子の高集積化と高速化が
進んでおり、加えて電子装置を小形で高機能にする要求
から、実装の高密度化が進んでいる。このような観点か
ら、ＤＩＰのようなピン挿入型パッケージに代わり、表
面実装型パッケージが主流となっている。この種のパッ
ケージを用いた半導体装置においては、平面的にピンを
取り出し、これを実装基板表面に直接半田等を用いて固
定するようになっている。このような表面実装型半導体
装置は、平面的にピンが取り出せるようになっており、
また、薄い、軽い、小さいという利点を備えており、従
って、実装基板に対する占有面積が小さくてすむという
利点を備えているほか、基板に対する両面実装も可能で
あるという長所をも有している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記のよう
な表面実装型パッケージを用いた半導体装置において表
面実装前にパッケージ自体が吸湿している場合には、半
田実装時に水分の蒸気圧によってパッケージにクラック
が生じるという問題がある。すなわち、図１に示すよう
に、表面実装型半導体装置（パッケージ）３において、
外部からの水分が、矢印Ａで示すように、封止樹脂層１
を通してパッケージ３内に浸入し、主として、Ｓｉチッ
プ７の表面やダイボンドパッド４の裏面、および、上記
Ｓｉチップ７とダイボンドパッド４との間に形成された
ペースト部分（接着層）９に滞留する。そして、ＩＲリ
フロー等の半田表面実装を行う際に、上記滞留した水分
が半田実装時の加熱により気化して生じた蒸気圧によ
り、図２に示すように、Ｓｉチップ７とダイボンドパッ
ド４との間が剥離して空隙１０が形成される。さらに、
この剥離による空隙１０の形成が、図３に示すように、
ダイボンドパッド４の裏面にまでまわり込み、ダイボン
ドパッド４裏面側の封止樹脂層１を下方に押しやり、ダ
イボンドパッド４裏面側部分に新たに空隙５を形成する
と同時にパッケージ３にクラック６を生じさせる。この
ようなクラック６が生じた半導体装置は、外部からの水
分の浸入等により著しく信頼性が低下する。さらに、ク
ラック６が生じる際のパッケージ３の膨張により、充分
な半田実装ができない等の問題が生じる。

【０００５】このような問題に対する解決策として、半
導体素子を封止樹脂で封止した後、得られた半導体装置
全体を防湿梱包し、表面実装の直前に開封して使用する
方法や、表面実装の直前に上記半導体装置を高温乾燥さ
せ、その後、半田実装を行う等の方法が採られている。
しかしながら、このような前処理方法では、製造工程が
長くなり、しかも、設備の増強が要求されるという問題
がある。

【０００６】本発明は、このような事情に鑑みなされた
もので、電子機器への実装に際して前処理を要すること
なく、しかも半田実装時の加熱に耐えうる低応力性に優
れた半導体封止用エポキシ樹脂組成物と、このエポキシ
樹脂組成物により封止された半田実装時の信頼性に優れ
た半導体装置の提供をその目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明は、下記の（Ａ）成分および（Ｂ）成分を主
要成分とし、下記の（Ｃ）成分および（Ｄ）成分を併含
する半導体封止用エポキシ樹脂組成物を第１の要旨と
し、さらに上記半導体封止用エポキシ樹脂組成物を用い
て半導体素子を封止してなる半導体装置を第２の要旨と
する。。（Ａ）ビフェニル型エポキシ樹脂。（Ｂ）フェノール樹脂。（Ｃ）有機リン系化合物。（Ｄ）メタホウ酸。

【０００８】パッケージクラックの発生を防止する方法
としては、封止樹脂に対する吸湿を制御する方法、
ダイボンドパッドの裏面および半導体素子の表面と、封
止樹との接着力を高める方法、封止樹脂自体の強靱性
を高める方法の三つの方法が考えられる。そして、本発
明は、上記三つの方法のなかでも、上記の方法に基づ
き、封止樹脂の強靱性を増強し、パッケージ内で発生す
る応力に耐えることのできる高度な強靱性を付与するこ
とにより、パッケージ自体の耐半田時のクラック性を向
上させたものである。

【０００９】すなわち、本発明者らは、上記思想に基づ
き、封止樹脂の強靱性を向上させる手法について鋭意検
討を重ねた。そして、その過程において、封止樹脂の形
成材料であるエポキシ樹脂組成物の硬化性に着目し、こ
のエポキシ樹脂組成物を構成する成分のなかでも硬化促
進剤として作用する各種化合物について一連の研究を重
ねた。その結果、ビフェニル型エポキシ樹脂と硬化剤と
なるフェノール樹脂とともに、硬化促進剤として、有機
リン系化合物とメタホウ酸とを併用することにより、所
期の目的である封止樹脂の強靱性を著しく向上させるこ
とができることを見出し本発明に到達した。さらに、そ
の結果、上記特殊な半導体封止用エポキシ樹脂組成物を
用いて樹脂封止した半導体装置は、半田時のクラックの
発生が抑制され、耐半田クラック性が向上することをも
見出した。

【００１０】そして、上記有機リン系化合物およびメタ
ホウ酸の各配合割合を、フェノール樹脂に対して特定範
囲に設定すると、硬化時間の遅延や封止材料の流動性の
低下等の問題が生じず、より一層好ましいものとなる。

【００１１】

【発明の実施の形態】つぎに、本発明の実施の形態を説
明する。

【００１２】本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物
は、ビフェニル型エポキシ樹脂（Ａ成分）と、フェノー
ル樹脂（Ｂ成分）を硬化系の主要成分として用い、さら
に有機リン系化合物（Ｃ成分）と、メタホウ酸（Ｄ成
分）を併用することにより得られるものであり、通常、
粉末状あるいはこれを打錠したタブレット状になってい
る。

【００１３】上記ビフェニル型エポキシ樹脂（Ａ成分）
は、融点が室温を超え室温下で固形状もしくは高粘度の
液体状を呈するものであって、具体的には、下記の一般
式（１）で表される。

【００１４】

【化１】

【００１５】上記式（１）において、Ｒ₁〜Ｒ₄が、水
素原子、メチル基を有するものが好ましく、例えば、Ｒ
₁〜Ｒ₄が全てメチル基であるビフェニル型エポキシ樹
脂があげられる。そして、エポキシ樹脂成分としては、
このビフェニル型エポキシ樹脂とともに他のエポキシ樹
脂を併用しても、もしくは反応させた樹脂を用いてもよ
い。上記他のエポキシ樹脂としては、特に限定するもの
ではなく通常用いられるエポキシ樹脂、例えば、クレゾ
ールノボラック型エポキシ樹脂、フェノールノボラック
型エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂、ビスフェ
ノール型エポキシ樹脂等各種のエポキシ樹脂があげられ
る。

【００１６】上記Ａ成分とともに用いられるフェノール
樹脂（Ｂ成分）は、硬化剤として作用するものであって
特に限定するものではなく、例えば、ノボラック系フェ
ノール樹脂、アラルキル系フェノール樹脂等が適宜に用
いられる。なかでも、低吸湿性という点からアラルキル
系フェノール樹脂を用いることが好ましい。

【００１７】上記ビフェニル型エポキシ樹脂（Ａ成分）
とフェノール樹脂（Ｂ成分）との配合割合は、エポキシ
樹脂中のエポキシ基１当量に対してフェノール樹脂中の
水酸基が０．８〜１．２当量となるように設定すること
が好ましい。

【００１８】上記Ａ成分およびＢ成分とともに用いられ
る有機リン系化合物（Ｃ成分）は、硬化促進剤としての
作用を奏するものであり、特に限定するものではなく、
例えば、トリフェニルホスフィン、トリブチルホスフィ
ン、トリオクチルホスフィン等のホスフィン系化合物
や、テトラフェニルホスホニウム・テトラフェニルボレ
ート等のホスホニウム化合物等が好適に用いられる。な
かでも、成形物の耐熱性および成形時の硬化性という点
からトリフェニルホスフィンが特に好ましく用いられ
る。これらは単独でもしくは２種以上併せて用いられ
る。

【００１９】上記有機リン系化合物（Ｃ成分）の配合割
合は、上記フェノール樹脂（Ｂ成分）１００重量部（以
下「部」と略す）に対して、通常、２〜１０部の範囲に
設定される。特に好ましくは２〜５部である。すなわ
ち、上記有機リン系化合物（Ｃ成分）の配合割合が２部
未満では硬化速度が遅くなってパッケージ成形が長時間
となる恐れがあり、１０部を超えると封止樹脂の流動性
が低下する傾向がみられるからである。

【００２０】上記Ａ〜Ｃ成分とともに用いられるメタホ
ウ酸（Ｄ成分）は、上記有機リン系化合物（Ｃ成分）と
同様、硬化促進剤としての作用を奏するものであって、
ＨＢＯ₂で示されるものである。

【００２１】上記メタホウ酸（Ｄ成分）の配合割合は、
上記フェノール樹脂（Ｂ成分）１００部に対して０．１
〜１．０部の範囲に設定することが好ましい。特に好ま
しくは０．２〜０．５部である。すなわち、上記メタホ
ウ酸（Ｄ成分）の配合割合が０．１部未満では、本発明
の目的である封止樹脂の強靱性の充分な向上が認められ
難く、１．０部を超えると樹脂組成物の硬化性が低下
し、パッケージの成形に長時間を要する傾向がみられる
からである。

【００２２】このように、本発明では、封止樹脂の強靱
性の向上という観点から、上記硬化促進剤であるＣ成分
である有機リン系化合物およびＤ成分であるメタホウ酸
とを併用することにより、さらに好ましくは、上記二つ
の成分を硬化剤であるフェノール樹脂に対してそれぞれ
特定の割合に設定することにより、従来では成しえなか
った封止樹脂の大幅な強靱性の向上効果が得られるよう
になるのでありこれが本発明の最大の特徴である。そし
て、上記有機リン系化合物（Ｃ成分）とメタホウ酸（Ｄ
成分）の相互の配合割合（Ｃ／Ｄ）は、重量比で、Ｃ／
Ｄ＝２／０．３〜４／０．４の範囲に設定することが好
ましい。

【００２３】本発明のエポキシ樹脂組成物には、上記Ａ
〜Ｄ成分とともに、通常、無機質充填剤が配合される。
上記無機質充填剤としては、結晶性シリカ粉末および溶
融性シリカ粉末があげられる。さらに、上記シリカ粉末
以外にアルミナ粉末、酸化ベリリウム粉末等を使用する
ことができる。これらは単独でもしくは２種以上併せて
用いられる。このような無機質充填剤の配合量は、エポ
キシ樹脂組成物全体の６０〜９０重量％の範囲に設定す
ることが好適である。

【００２４】本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物
での、上記Ａ〜Ｄ成分および無機質充填剤における好適
な組み合わせとしては、低吸湿性と成形物の耐熱性およ
び成形物の硬化性ならびに成形物の強靱性の向上という
点から、Ａ成分としてビフェニル型エポキシ樹脂を単独
で、Ｂ成分としてアラルキル型フェノール樹脂を、Ｃ成
分としてトリフェニルホスフィンを、Ｄ成分として上記
メタホウ酸を、そして無機質充填剤として溶融性シリカ
粉末をそれぞれ選択して用いる組み合わせがあげられ
る。

【００２５】さらに、本発明のエポキシ樹脂組成物に
は、上記Ａ〜Ｄ成分および無機質充填剤以外に、必要に
応じて難燃剤、カップリング剤、ワックス等を適宜に配
合することができる。

【００２６】上記難燃剤としては、ノボラック型ブロム
化エポキシ樹脂、ブロム化ビスフェノールＡ型エポキシ
樹脂等が適宜に用いられる。さらに、難燃助剤として
は、三酸化アンチモンもしくは五酸化アンチモンを併せ
て用いることができる。

【００２７】上記カップリング剤としては、グリシジル
エーテルタイプ、アミンタイプ、チオシアンタイプ等の
メトキシシランやエトキシシランが適宜単独でもしくは
２種以上併せて用いられる。そして、その使用方法とし
ては、上記無機質充填剤とドライブレンドしたり、もし
くは無機質充填剤と予備加熱反応させたりして用いる方
法、さらには有機成分原料に対して予備混合する方法等
適宜に選択される。

【００２８】上記ワックスとしては、高級脂肪酸、高級
脂肪酸エステル、高級脂肪酸カルシウム等の化合物があ
げられ、これらは単独でもしくは２種以上併せて用いら
れる。

【００２９】本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物
は、例えばつぎのようにして製造することができる。す
なわち、上記Ａ〜Ｄ成分および無機質充填剤、さらに必
要に応じて上記他の添加剤を適宜配合し予備混合した
後、ミキシングロール機等の混練機にかけ加熱状態で溶
融混練しこれを室温に冷却した後、公知の手段により粉
砕し必要に応じて打錠するという一連の工程を経由する
ことにより製造することができる。

【００３０】このような半導体封止用エポキシ樹脂組成
物を用いての半導体素子の封止は、特に限定されるもの
ではなく、通常のトランスファーモールド等の公知のモ
ールド方法により行うことができる。

【００３１】このようにして得られる半導体装置は、そ
の封止樹脂層の形成材料である半導体封止用エポキシ樹
脂組成物中に含まれる有機リン系化合物とメタホウ酸と
の併用により、封止樹脂の強靱性が改良されて向上し、
半田リフロー時のパッケージクラックが発生し難く、優
れた半田実装後の信頼性が得られるようになる。

【００３２】つぎに、実施例について比較例と併せて説
明する。

【００３３】

【実施例１〜７、比較例１〜７】下記の表１〜表２に示
す各成分を用いて同表に示す割合で配合し、９０〜１１
０℃に加熱したロール混練機にかけて３分間溶融混練し
た。つぎに、この溶融物を冷却した後、粉砕し、さらに
打錠することによりタブレット化して半導体封止用エポ
キシ樹脂組成物を得た。

【００３４】

【表１】

【００３５】

【表２】

【００３６】つぎに、上記各実施例および比較例で得ら
れたタブレット状のエポキシ樹脂組成物を用いて、熱機
械分析（ＴＭＡ：Thermal Mechanical Analysis ）用試
験片、曲げ強度用試験片、吸湿率測定用試験片を各々ト
ランスファーモールドにより成形した。また、アルミニ
ウム電極の腐食を検討評価するために設計した半導体素
子を１６ピンデュアルインラインパッケージ（１６ｐｉ
ｎ−ＤＩＰ）にトランスファーモールドにより成形し、
耐湿信頼性評価用の半導体装置を作製した。また、半田
実装時のパッケージクラックの発生を確認するため、８
０ピンクワッドフラットパッケージ（８０ｐｉｎ−ＱＦ
Ｐ：２０ｍｍ×１４ｍｍ×厚み２．０ｍｍ）で８ｍｍ×
８ｍｍのダイボンドパッドに７ｍｍ×７ｍｍのサイズの
半導体素子を搭載し、上記と同様のトランスファーモー
ルドにより半導体装置を作製した。

【００３７】そして、上記ＴＭＡ用試験片から各エポキ
シ樹脂組成物の硬化物のガラス転移温度と熱膨張係数
を、また、上記曲げ強度用試験片からＪＩＳ−Ｋ−６９
１１に基づき各エポキシ樹脂組成物の硬化物の曲げ強度
と曲げ弾性率および樹脂硬化物の撓み量を、２５℃およ
び２２０℃の各温度条件下において測定した。

【００３８】さらに、上記吸湿率測定用試験片（直径５
０ｍｍ×厚み１ｍｍの円盤状成形物）を用いて、各エポ
キシ樹脂組成物の硬化物の吸湿率を測定した。上記吸湿
率は、８５℃／８５％ＲＨでの１６８時間後の値を示し
た。

【００３９】また、耐湿信頼性を評価するために、上記
半導体装置（１６ｐｉｎ−ＤＩＰ）を用いて、１２１℃
／１００％ＲＨのプレッシャークッカー試験（以下「Ｐ
ＣＴ」と略す）を行い、１０００時間後の不良素子数を
計測した（初期の素子数は４０個である）。

【００４０】つぎに、パッケージクラック評価用の上記
半導体装置（８０ｐｉｎ−ＱＦＰ）を用い、８５℃／８
５％ＲＨの環境条件下にて１６８時間吸湿させた後、２
６０℃の溶融半田浴に１０秒間浸漬してパッケージのク
ラック数を計測した（初期のパッケージ数は１０個であ
る）。また、エポキシ樹脂組成物とリードフレームおよ
び半導体素子との接着力をつぎのような方法により測定
した。すなわち、図４に示すように、各エポキシ樹脂組
成物からなる円錐台状のタブレット（上面径９ｍｍ×下
面径１１ｍｍ×高さ１０ｍｍ）１２を作製し、これを４
２アロイ合金板１３上に接着搭載した。ついで、図５に
示すように、上記４２アロイ合金板１３上のタブレット
１２に矢印Ｆ方向から力を加え、そのときの剪断力を測
定し接着力とした。さらに、８０ｐｉｎ−ＱＦＰの成形
時に１７５℃で成形時間６０秒における樹脂の硬化性
（硬化の度合い）を、ショア硬度計にてパッケージ部分
とトランスファーモールド成形機のランナー部分につい
てそれぞれ測定した。これらの結果を下記の表３〜表４
に併せて示す。

【００４１】

【表３】

【００４２】

【表４】

【００４３】上記表３〜表４の結果から、全ての実施例
品では、トリフェニルホスフィンとメタホウ酸との併用
によって、２５℃および２２０℃のいずれの樹脂の曲げ
試験においてもその強度と撓み量が増大しており、強靱
性に優れていることがわかる。この結果、例えば、実施
例１，２と、メタホウ酸を配合しない比較例１〜３とを
比較すると、半田実装時のクラックの発生率が実施例
１，２の方がはるかに小さい。また、トリフェニルホス
フィンを配合せずメタホウ酸を配合した比較例４品で
は、硬化しなかったため成形が不可能となり、硬化物の
各種特性の測定ができなかった。さらに、メタホウ酸に
代えて、ホウ酸エステル化合物であるホウ酸トリフェニ
ルを用いた比較例５品では、成形物の高温時の撓み量が
充分ではなく、強靱性の改良がなされていない。また、
接着性が低下している。そして、メタホウ酸に代えて、
オルトホウ酸を用いた比較例６品では、封止材料のゲル
化時間が長くなり、結果、硬化性が低下した。また、接
着性も低下した。さらに、ビフェニル型エポキシ樹脂で
はなくクレゾールノボラック型エポキシ樹脂を用いた比
較例７品では、樹脂の高温時における弾性率が高く、か
つ、撓み量が少ないため樹脂の耐半田時の強靱性が低下
している。さらに、接着力の低下、吸湿率の増加により
パッケージ内での剥離の発生が生じやすくリフロークラ
ックが発生しやすい。

【００４４】

【発明の効果】以上のように、本発明は、ビフェニル型
エポキシ樹脂（Ａ成分）およびフェノール樹脂（Ｂ成
分）とともに、有機リン系化合物（Ｃ成分）とメタホウ
酸（Ｄ成分）を併含した半導体封止用エポキシ樹脂組成
物を用いて半導体素子を樹脂封止してなるものである。
このため、封止樹脂の強靱性が著しく向上して、パッケ
ージ内部で発生する応力よりも優れるようになり、例え
ば、半田実装時における過酷な条件下においてもパッケ
ージクラックが生じることなく、優れた耐熱衝撃信頼性
および耐湿性を備えた半導体装置が得られる。

【００４５】そして、上記有機リン系化合物（Ｃ成分）
およびメタホウ酸（Ｄ成分）の各配合割合を、上記フェ
ノール樹脂（Ｂ成分）に対して特定範囲に設定すること
により、硬化時間の遅延や封止材料の流動性の低下等の
問題が生じず、一層好ましい。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の表面実装型半導体装置のクラック発生の
過程を示す断面図である。

【図２】従来の表面実装型半導体装置のクラック発生の
過程を示す断面図である。

【図３】従来の表面実装型半導体装置のクラック発生の
過程を示す断面図である。

【図４】リードフレーム材料と各エポキシ樹脂組成物と
の接着力の測定方法を示す斜視図である。

【図５】リードフレーム材料と各エポキシ樹脂組成物と
の接着力の測定方法を示す斜視図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号ＦＩＨ０１Ｌ 23/31 (72)発明者畑昌宏大阪府茨木市下穂積１丁目１番２号日東電工株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】下記の（Ａ）成分および（Ｂ）成分を主
要成分とし、下記の（Ｃ）成分および（Ｄ）成分を併含
することを特徴とする半導体封止用エポキシ樹脂組成
物。（Ａ）ビフェニル型エポキシ樹脂。（Ｂ）フェノール樹脂。（Ｃ）有機リン系化合物。（Ｄ）メタホウ酸。
【請求項２】上記有機リン系化合物〔（Ｃ）成分〕の
配合割合が、上記フェノール樹脂〔（Ｂ）成分〕１００
重量部に対して２〜１０重量部の範囲に設定され、か
つ、上記メタホウ酸〔（Ｄ）成分〕の配合割合が上記フ
ェノール樹脂〔（Ｂ）成分〕１００重量部に対して０．
１〜１．０重量部の範囲に設定されている請求項１記載
の半導体封止用エポキシ樹脂組成物。
【請求項３】請求項１または２記載の半導体封止用エ
ポキシ樹脂組成物を用いて半導体素子を封止してなる半
導体装置。