JPH11130937A - エポキシ樹脂組成物及び半導体装置 - Google Patents

エポキシ樹脂組成物及び半導体装置

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JPH11130937A
JPH11130937A JP29697597A JP29697597A JPH11130937A JP H11130937 A JPH11130937 A JP H11130937A JP 29697597 A JP29697597 A JP 29697597A JP 29697597 A JP29697597 A JP 29697597A JP H11130937 A JPH11130937 A JP H11130937A
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epoxy resin
resin composition
resin
curing
formula
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JP29697597A
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Takashi Aihara
孝志 相原
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Sumitomo Bakelite Co Ltd
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Sumitomo Bakelite Co Ltd
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  • Compositions Of Macromolecular Compounds (AREA)
  • Epoxy Resins (AREA)
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 エリア実装用半導体パッケージに関し、室温
及び半田付け工程での反りが少なく、耐半田性や耐温度
サイクル性などの信頼性に優れ、かつ成形性にも優れた
半導体封止用エポキシ樹脂組成物及びそれにより封止さ
れた半導体装置を提供すること。 【解決手段】 一般式(1)、(2)で示されるエポキ
シ樹脂を総エポキシ樹脂中に20〜90重量%含み、一
般式(3)で示されるジシクロ変性エポキシ樹脂を総エ
ポキシ樹脂中に10〜80重量%含み、一般式(4)で
示されるフェノール樹脂を総フェノール樹脂中に20重
量%以上含み、硬化促進剤及び溶融シリカ粉末からなる
半導体封止用エポキシ樹脂組成物及びそれにより封止さ
れた半導体装置。 【化1】 【化2】 【化3】 【化4】

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、信頼性、実
装性に優れた樹脂封止型半導体装置に関し、更に詳述す
ればプリント配線板や金属リードフレームの片面に半導
体素子を搭載し、その搭載面側の実質的に片面のみが樹
脂封止されたいわゆるエリア実装型半導体装置におい
て、樹脂封止後の反りや基板実装時の半田付け工程での
反りが小さく、また温度サイクル試験での耐パッケージ
クラック性や半田付け工程での耐パッケージクラック性
や耐剥離性に優れ、かつ成形性に優れる半導体封止用エ
ポキシ樹脂組成物及び該半導体封止用エポキシ樹脂組成
物で封止された半導体装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】近年の電子機器の小型化、軽量化、高性
能化の市場動向において、半導体の高集積化が年々進
み、又半導体パッケージの表面実装化が促進されるなか
で、新規にエリア実装のパッケージが開発され、従来構
造のパッケージから移行し始めている。エリア実装パッ
ケージとしてはBGA(ボールグリッドアレイ)あるい
は更に小型化を追求したCSP(チップスケールパッケ
ージ)が代表的であるが、これらは従来QFP、SOP
に代表される表面実装パッケージでは限界に近づいてい
る多ピン化・高速化への要求に対応するために開発され
たものである。構造としては、BT樹脂/銅箔回路基板
(ビスマレイミド・トリアジン/ガラスクロス基板)に
代表される硬質回路基板、あるいはポリイミド樹脂フィ
ルム/銅箔回路基板に代表されるフレキシブル回路基板
の片面上に半導体素子を搭載し、その素子搭載面、即ち
基板の片面のみがエポキシ樹脂組成物などで成形・封止
されている。また、基板の素子搭載面の反対面には半田
ボールを2次元的に並列して形成し、パッケージを実装
する回路基板との接合を行う特徴を有している。更に、
素子を搭載する基板としては、上記有機回路基板以外に
もリードフレーム等の金属基板を用いる構造も考案され
ている。
【0003】これらエリア実装型半導体パッケージの構
造は基板の素子搭載面のみを樹脂組成物で封止し、半田
ボール形成面側は封止しないという片面封止の形態をと
っている。ごく希に、リードフレーム等の金属基板など
では、半田ボール形成面でも数十μm程度の封止樹脂層
が存在することもあるが、素子搭載面では数百μmから
数mm程度の封止樹脂層が形成されるため、実質的に片
面封止となっている。このため、有機基板や金属基板と
樹脂組成物の硬化物との間での熱膨張・熱収縮の不整
合、あるいは樹脂組成物の成形・硬化時の硬化収縮によ
る影響により、これらのパッケージでは成形直後から反
りが発生しやすい。また、これらのパッケージを実装す
る回路基板上に半田接合を行う場合、200℃以上の加
熱工程を経るが、この際にパッケージの反りが発生し、
多数の半田ボールが平坦とならず、パッケージを実装す
る回路基板から浮き上がってしまい、電気的接合信頼性
が低下する問題も起こる。
【0004】また、赤外線リフロー、ベーパーフェイズ
ソルダリング、半田浸漬などの手段での半田処理による
半田接合を行う場合、樹脂組成物の硬化物並びに有機基
板からの吸湿によりパッケージ内部に存在する水分が高
温で急激に気化することによる応力でパッケージにクラ
ックが発生したり、基板の素子搭載面と樹脂組成物の硬
化物との界面で剥離が発生することもあり、硬化物の低
応力化・低吸湿化とともに、基板との密着性も求められ
る。さらに、基板と硬化物の線膨張係数の不整合によ
り、信頼性テストの代表例である温度サイクル試験で
も、基板/硬化物界面の剥離やパッケージクラックが発
生する。従来のQFPやSOPなどの表面実装パッケー
ジでは、半田実装時のクラックや各素材界面での剥離の
防止のために、ビフェニル型エポキシ樹脂に代表される
ような結晶性エポキシ樹脂を用いて成形時の低粘度化を
図り、かつ無機質充填材の配合量を増加することが対策
としてとられてきた。しかし、この手法では、片面封止
パッケージにおける反りの問題は解決できないのが現状
であった。
【0005】基板上の実質的に片面のみを樹脂組成物で
封止したパッケージにおいて、反りを低減するには、基
板の線膨張係数と樹脂組成物の硬化物の線膨張係数を近
付けること、及び樹脂組成物の硬化収縮を小さくする二
つの方法が重要である。基板としては有機基板ではBT
樹脂やポリイミド樹脂のような高ガラス転移温度の樹脂
が広く用いられており、これらはエポキシ樹脂組成物の
成形温度である170℃近辺よりも高いガラス転移温度
を有する。従って、成形温度から室温までの冷却過程で
は有機基板のα1 の領域のみで収縮する。従って、樹脂
組成物もガラス転移温度が高くかつα1 が回路基板と同
じであり、さらに硬化収縮がゼロであれば反りはほぼゼ
ロであると考えられる。このため、多官能型エポキシ樹
脂と多官能型フェノール樹脂との組み合わせによりガラ
ス転移温度を高くし、無機質充填材の配合量でα1 を合
わせる手法が既に提案されている。
【0006】ところが、一分子中に3個以上のエポキシ
基を有する多官能型エポキシ樹脂と一分子中に3個以上
のフェノール性水酸基を有する多官能型フェノール樹脂
との組み合わせ系は吸湿率が大きいこと、半田処理温度
でも高弾性を示し、発生応力が高いことなどから、半田
処理時のパッケージクラック発生や界面剥離の発生が解
決されていない。信頼性に優れるパッケージを得るに
は、回路基板やICチップと樹脂組成物の硬化物との密
着性を高めることが必須の条件であった。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、エリア実装
パッケージでの成形後や半田処理時の反りが小さく、ま
た温度サイクル試験や半田処理時などの信頼性に優れた
半導体封止用エポキシ樹脂組成物及びそれにより封止さ
れた半導体装置の開発を目的としてなされたものであ
る。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明者は鋭意検討した
結果、特定の多官能型エポキシ樹脂と多官能型フェノー
ル樹脂硬化剤との組み合わせに、ジシクロペンタジエン
変性エポキシ樹脂を併用することで、ガラス転移温度の
低下を少なくしたまま低吸湿化が図れること、半田処理
温度での熱時弾性率が低減できるため発生応力が減少
し、回路基板との密着性が向上することなどを明らかに
したものである。
【0009】即ち本発明は、(A)一般式(1)、
(2)で示されるエポキシ樹脂からなる群から選択され
る少なくとも一つのエポキシ樹脂を総エポキシ樹脂中に
20〜90重量%含み、一般式(3)で示されるジシク
ロペンタジエン変性エポキシ樹脂を総エポキシ樹脂中に
10〜80重量%含むエポキシ樹脂、(B)一般式
(4)で示されるフェノール樹脂を総フェノール樹脂中
に20重量%以上含むフェノール樹脂硬化剤、(C)硬
化促進剤、(D)溶融シリカ粉末からなることを特徴と
する半導体封止用エポキシ樹脂組成物であり、更に好ま
しくは、成形硬化時の硬化収縮率が0.15%以下、硬
化後の線膨張係数α1 が8〜16ppm/℃で、かつガ
ラス転移温度が140℃以上であることを特徴とした半
導体封止用エポキシ樹脂組成物、及びこの半導体封止用
エポキシ樹脂組成物によって封止された半導体装置であ
る。
【0010】
【化5】
【0011】
【化6】
【0012】
【化7】
【0013】
【化8】 式(1)、(2)、(4)中のRはハロゲン原子又は炭
素数1〜12のアルキル基を示し、互いに同一であって
も、異なっていてもよい。lは1〜10の正の整数、m
は0もしくは1〜3の正の整数、nは0もしくは1〜4
の整数である。式(3)中のkは1〜6の正の整数であ
る。
【0014】
【発明の実施の形態】以下に本発明を詳細に説明する。
本発明に用いられる(A)成分のエポキシ樹脂のうち一
般式(1)で表されるエポキシ樹脂は通常トリフェノー
ルメタン型エポキシ樹脂と総称される樹脂で、具体例と
しては以下のものが挙げられるが、これらに限定される
ものではない。いずれも、これを用いた樹脂組成物の硬
化物は架橋密度が高く、高いガラス転移温度となり、ま
た硬化収縮率が小さい特徴を有する。
【0015】
【化9】
【0016】一般式(2)で表されるエポキシ樹脂は式
(1)と同様、硬化物の高架橋密度構造と低硬化収縮性
を有するが、更に比較的低粘度であるという特徴も有し
ている。具体例としては以下のものが挙げられるが、こ
れらに限定されるものではない。
【化10】
【0017】一般式(1)、(2)で示される多官能型
エポキシ樹脂は総エポキシ樹脂中の20〜90重量%含
まれることがガラス転移温度及び硬化収縮の点から必要
である。20重量%未満では得られる架橋構造の架橋密
度が低下するためガラス転移温度が低下するとともに、
硬化収縮も増大する。又、90重量%を越えると成形時
の流動性が低下し、金線変形を起こし易く、また基板と
の密着性が低下する。
【0018】一般式(3)で示されるエポキシ樹脂は、
ジシクロペンタジエンとフェノール類とを付加反応によ
り重合させたフェノール樹脂をグリシジルエーテル化す
ることによって得られる。ジシクロペンタジエン変性エ
ポキシ樹脂は、従来のオルソクレゾールノボラック型エ
ポキシ樹脂に比べ、半田処理温度での熱時弾性率を低減
できるため発生応力が減少し、回路基板やICチップと
の密着性に優れる。また分子中にジシクロ骨格を有する
為、耐吸湿性に優れる。このエポキシ樹脂の使用量は、
これを調節することにより耐半田クラック性を最大限に
引き出すことができる。耐半田クラック性の効果を引き
出すためには式(3)で示されるエポキシ樹脂を総エポ
キシ樹脂中に10重量%以上、好ましくは30重量%以
上使用することが望ましい。10重量%未満だと高温時
の低弾性率化及び回路基板やICチップとの高密着性が
得難く、80重量%を越えると成形されたパッケージの
反りが大きくなり好ましくない。
【0019】本発明のエポキシ樹脂は更に他のエポキシ
樹脂と併用しても差し支えない。併用可能なエポキシ樹
脂としては、エポキシ基を有するモノマー、オリゴマ
ー、ポリマー全般を指し、例えば、ビスフェノールA型
エポキシ樹脂、オルソクレゾールノボラック型エポキシ
樹脂、ナフトール型エポキシ樹脂等が挙げられる。又、
これらのエポキシ樹脂は、単独もしくは混合して用いて
も差し支えない。
【0020】本発明で用いられる(B)成分のフェノー
ル樹脂硬化剤のうち、式(4)で示されるフェノール樹
脂硬化剤はいわゆるトリフェノールメタン型フェノール
樹脂と呼ばれるもので、具体例を以下に示す。
【化11】
【0021】これらフェノール樹脂を使用すると硬化物
の架橋密度が高くなり、高いガラス転移温度の硬化物が
得られる。式(4)のフェノール樹脂の使用量として
は、ガラス転移温度の点から総フェノール樹脂中の20
重量%以上配合することが必要である。20重量%未満
ではガラス転移温度が低下し、また硬化収縮率も大きく
なり、成形後のパッケージの反り量が大きくなる。式
(4)のフェノール樹脂は他のフェノール樹脂と適宜併
用可能であり、特に限定されるものではないが、フェノ
ールノボラック樹脂、クレゾールノボラック樹脂、ナフ
トール型ノボラック樹脂等が挙げられる。
【0022】本発明で用いられる(C)成分の硬化促進
剤としては、前記エポキシ樹脂とフェノール樹脂硬化剤
との架橋反応の触媒となり得るものを指し、具体的には
トリブチルアミン等のアミン系化合物、トリフェニルホ
スフィン、テトラフェニルホスフォニウム・テトラフェ
ニルボレート塩等の有機リン系化合物、2−メチルイミ
ダゾール等のイミダゾール化合物等が例示できるがこれ
らに限定されるものではない。これらの硬化促進剤は単
独であっても混合して用いても差し支えない。
【0023】本発明で用いられる(D)成分の溶融シリ
カ粉末は、破砕状、球状のいずれでも使用可能である
が、溶融シリカ粉末の配合量を高め、かつ樹脂組成物の
溶融粘度の上昇を抑えるためには、球状シリカを主に用
いる方が好ましい。更に球状シリカの配合量を高めるた
めには、球状シリカの粒度分布をより広くとるよう調整
することが望ましい。
【0024】本発明の樹脂組成物は、(A)〜(D)ま
での必須成分以外にも必要に応じて臭素化エポキシ樹
脂、三酸化アンチモン等の難燃剤、カップリング剤、カ
ーボンブラックに代表される着色剤、天然ワックス及び
合成ワックス等の離型剤等が適宜配合可能である。樹脂
組成物とするには各成分を混合後、加熱ニーダや熱ロー
ルにより加熱混練し、続いて冷却、粉砕することで目的
とする樹脂組成物が得られる。本発明の半導体装置は、
上述の半導体封止用エポキシ樹脂組成物を用い、トラン
スファ−成形、圧縮成形、射出成形等により、半導体素
子を封止することにより得られる。
【0025】本発明の半導体装置は有機基板としてBT
樹脂基板を用いる場合は、エポキシ樹脂組成物の硬化後
の線膨張係数(α1 )が8〜16ppm/℃、熱機械分
析装置(TMA)で測定されるガラス転移温度が140
℃以上、かつ硬化収縮率が0.15%以下であることが
特に好ましい。BT樹脂基板の線膨張係数は14ppm
/℃程度であるが、これにシリコンチップ、銅箔回路な
どの金属とが組合される複合基板では、チップの面積比
率、銅箔回路の面積比率により線膨張係数が変化する。
この基板の線膨張係数と合わせて樹脂組成物の硬化物の
線膨張係数と硬化収縮率を上記範囲とすることで、BT
樹脂基板の成形温度から室温までの熱収縮量に合わせて
樹脂組成物の硬化物の熱収縮量がほぼ同じとなり、成形
後の反りを小さくできる。
【0026】本発明でのガラス転移温度、線膨張係数、
硬化収縮率は以下の方法で測定する。 ・ガラス転移温度(Tg)及び線膨張係数(α1):樹脂
組成物を175℃、2分間トランスファー成形したテス
トピースを更に175℃、8時間、後硬化し、熱機械分
析装置(セイコー電子(株)製TMA−120、昇温速度
5℃/分)で測定した。 ・硬化収縮率:テストピースを180℃の金型温度、7
5kg/cm2 の射出圧力で2分間トランスファー成形
し、更に175℃で8時間、後硬化した。180℃に加
熱された状態の金型のキャビティ寸法と180℃に加熱
された成形品の寸法をノギスにより測定し、成形品寸法
/金型キャビティ寸法の比率で硬化収縮率を表した。
【0027】
【実施例】以下、本発明を実施例で具体的に説明する。 《実施例1》 ・式(5)の構造を主成分とするエポキシ樹脂: [油化シェルエポキシ(株)製、エピコート1032H、軟化点60℃、エポキ シ当量170] 5.6重量部 ・式(3)の構造を主成分とするジシクロペンタジエン変性エポキシ樹脂: [大日本インキ化学工業(株)製、HP−7200、融点65℃、エポキシ当量 250] 3.8重量部 ・式(6)で示されるフェノール樹脂: [明和化成(株)製、MEH−7500、軟化点107℃、水酸基当量97] 4.6重量部 ・トリフェニルホスフィン 0.2重量部 ・球状溶融シリカ 85.0重量部 ・カルナバワックス 0.5重量部 ・カーボンブラック 0.3重量部 上記の全成分をミキサーにより混合した後、表面温度が
90℃と45℃の2本ロールを用いて30回混練し、得
られた混練物シートを冷却後粉砕して、樹脂組成物とし
た。得られた樹脂組成物の特性を以下の方法で評価をし
た。評価結果を表1に示す。
【0028】
【化12】
【0029】
【化13】
【0030】《実施例2〜6》実施例1を基本配合と
し、式(5)の他に式(7)、式(8)のエポキシ樹脂
及び式(6)の他に式(9)のフェノール樹脂硬化剤を
使用し、その配合比率を変えて、その他は基本配合と同
じ割合で各成分を配合し、実施例1と同様に混合、混練
して樹脂組成物を得た。実施例1と同様に評価を行っ
た。配合処方及び評価結果を表1に示す。 《比較例1〜5》実施例1を基本配合とし、実施例と同
様にエポキシ樹脂およびフェノール樹脂硬化剤の配合比
率を変えて、その他は基本配合と同じ割合で各成分を配
合し、実施例1と同様に混合、混練して樹脂組成物を得
た。実施例1と同様に評価を行った。配合処方及び評価
結果を表2に示す。
【0031】なお、上記実施例及び比較例で使用した式
(7)、(8)のエポキシ樹脂及び式(9)のフェノー
ル樹脂の構造及び性状を以下に示す。
【化14】
【化15】
【化16】 ・式(7)のエポキシ樹脂:軟化点65℃、エポキシ当
量210 ・式(8)のエポキシ樹脂:液状、粘度(25℃)55Pois
e、エポキシ当量168 ・式(9)のフェノール樹脂:軟化点80℃、水酸基当
量104
【0032】《評価方法》 ・ガラス転移温度(Tg)及び線膨張係数(α1):前記
した方法による。 ・熱時弾性率:240℃での曲げ弾性率をJIS−K6
911の試験条件により測定した。 ・硬化収縮率:前記した方法による。 ・パッケージ反り量:225ピンBGAパッケージ(基
板は0.36mm厚のBT樹脂基板、パッケージサイズ
は24×24mm、厚み1.17mm、シリコンチップ
はサイズ9×9mm、厚み0.35mm、チップと回路
基板のボンディングパッドとを25μm径の金線でボン
ディングしている)を180℃の金型温度、75kg/
cm2 の射出圧力で2分間トランスファー成形を行い、
更に175℃で8時間、後硬化した。室温に冷却後パッ
ケージのゲートから対角線方向に、表面粗さ計を用いて
高さ方向の変位を測定し、変異差の最も大きい値を反り
量とした。 ・耐半田性:パッケージ反り量測定に用いた成形品パッ
ケージを85℃、相対湿度60%の環境下で168時間
放置し、その後240℃の半田槽に10秒間浸漬した。
超音波探傷機を用いてパッケージを観察し、内部クラッ
ク数及び基板/樹脂組成物界面の剥離数を(発生パッケ
ージ数)/(全パッケージ数)の%表示で表した。
【0033】 表 1 実 施 例 1 2 3 4 5 6 《エポキシ樹脂の種類 と配合量(重量部)》 式(5)のエポキシ樹脂 5.6 7.6 2.4 2.4 7.6 式(7)のエポキシ樹脂 4.0 式(3)のエポキシ樹脂 3.8 1.4 4.8 6.0 4.7 1.3 式(8)のエポキシ樹脂 2.4 2.4 《硬化剤の種類と 配合量(重量部)》 式(6)のフェノール樹脂 4.6 2.5 2.2 4.0 1.1 1.3 式(9)のフェノール樹脂 2.5 2.2 3.4 3.8 《評価》 Tg(℃) 193 188 185 191 184 187 α1(ppm/℃) 13 13 13 13 13 13 熱時弾性率(N/mm2) 3050 2650 2100 2900 2150 2550 硬化収縮率(%) 0.06 0.07 0.07 0.06 0.09 0.08 パッケージ反り量(μm) 32 35 37 33 40 38 耐半田性:クラック数(%) 0 0 0 0 0 0 剥離数(%) 0 0 0 0 0 0
【0034】 表 2 比 較 例 1 2 3 4 5 《エポキシ樹脂の種類 と配合量(重量部)》 式(5)のエポキシ樹脂 8.9 7.9 1.9 式(7)のエポキシ樹脂 9.6 式(3)のエポキシ樹脂 4.9 0.9 4.7 式(8)のエポキシ樹脂 4.9 2.9 《硬化剤の種類と 配合量(重量部)》 式(6)のフェノール樹脂 5.1 4.4 4.2 式(9)のフェノール樹脂 5.2 4.5 《評価》 Tg(℃) 198 195 137 160 165 α1(ppm/℃) 13 13 13 13 13 熱時弾性率(N/mm2) 3450 3300 1750 2850 1950 硬化収縮率(%) 0.05 0.06 0.23 0.18 0.16 パッケージ反り量(μm) 30 35 113 90 72 耐半田性:クラック数(%) 80 60 70 20 0 剥離数(%) 50 30 40 10 0
【0035】
【発明の効果】本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成
物は金線変形など成形性においても優れおり、該半導体
封止用エポキシ樹脂組成物により封止されたエリア実装
型半導体装置は、室温及び半田付け工程での反りが小さ
く、耐半田性や耐温度サイクル性などの信頼性が高いも
のである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI C08K 3/36 C08K 3/36 H01L 23/29 H01L 23/30 R 23/31

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 (A)一般式(1)、(2)で示される
    エポキシ樹脂からなる群から選択される少なくとも一つ
    のエポキシ樹脂を総エポキシ樹脂中に20〜90重量%
    含み、一般式(3)で示されるジシクロペンタジエン変
    性エポキシ樹脂を総エポキシ樹脂中に10〜80重量%
    含むエポキシ樹脂、(B)一般式(4)で示されるフェ
    ノール樹脂を総フェノール樹脂中に20重量%以上含む
    フェノール樹脂硬化剤、(C)硬化促進剤、(D)溶融
    シリカ粉末からなることを特徴とする半導体封止用エポ
    キシ樹脂組成物。 【化1】 【化2】 【化3】 【化4】 式(1)、(2)、(4)中のRはハロゲン原子又は炭
    素数1〜12のアルキル基を示し、互いに同一であって
    も、異なっていてもよい。lは1〜10の正の整数、m
    は0もしくは1〜3の正の整数、nは0もしくは1〜4
    の正の整数である。式(3)中のkは1〜6の正の整数
    である。
  2. 【請求項2】 成形硬化時の硬化収縮率が0.15%以
    下、硬化後の線膨張係数α1 が8〜16ppm/℃であ
    り、かつガラス転移温度が140℃以上である請求項1
    記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成物。
  3. 【請求項3】 基板の片面に半導体素子が搭載され、こ
    の半導体素子が搭載された基板面側の実質的に片面のみ
    が請求項1又は2記載のエポキシ樹脂組成物によって封
    止されていることを特徴とする半導体装置。
JP29697597A 1997-10-29 1997-10-29 エポキシ樹脂組成物及び半導体装置 Withdrawn JPH11130937A (ja)

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