JP2002121356A - 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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JP2002121356A
JP2002121356A JP2000310672A JP2000310672A JP2002121356A JP 2002121356 A JP2002121356 A JP 2002121356A JP 2000310672 A JP2000310672 A JP 2000310672A JP 2000310672 A JP2000310672 A JP 2000310672A JP 2002121356 A JP2002121356 A JP 2002121356A
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epoxy resin
molding
temperature
semiconductor device
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Hideaki Sasajima
秀明 笹嶋
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Sumitomo Bakelite Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 成形後や半田処理時の反りが小さく、耐半田
クラック性に優れた半導体封止用エポキシ樹脂組成物を
提供すること。 【解決手段】 エポキシ樹脂、フェノール樹脂、硬化促
進剤及び無機充填材を主成分とするエポキシ樹脂組成物
において、成形温度から前記樹脂組成物の硬化物のガラ
ス転移温度の温度領域での熱時曲げ弾性率が、3000
N/mm2以下であることを特徴とするエポキシ樹脂組
成物。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、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適した半導体封止用エポキシ
樹脂組成物、及びこ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】近年の電子機器の小型化、軽量化、高機
能化の市場動向において、半導体素子の高集積化が年々
進み、又半導体装置の表面実装化が促進されるなかで、
新規にエリア実装型半導体装置が開発され、従来構造の
装置から移行し始めている。エリア実装型半導体装置と
しては、ボールグリッドアレイ(以下、BGAとい
う)、あるいは更に小型化を追求したチップサイズパッ
ケージ(以下、CSPという)等が代表的であるが、こ
れらは従来のQFP、SOP等に代表される表面実装型
半導体装置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、ビスマレイミド・トリアジン(以下、BTとい
う)樹脂/銅箔回路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、その半導体素子搭載面、即ち基板の片面のみがエポ
キシ樹脂組成物等で成形・封止されている。又、基板の
半導体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、半導体装置を実装する回路基板との
接合を行うという特徴を有している。更に、半導体素子
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開発されてい
る。
【0003】これらエリア実装型半導体装置の構造は、
基板の半導体素子搭載面のみをエポキシ樹脂組成物で封
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
属基板等では、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、半導体素子搭載面で
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
板や金属基板とエポキシ樹脂組成物の硬化物との間での
熱膨張・熱収縮の不整合、あるいはエポキシ樹脂組成物
の成形・硬化時の硬化収縮による影響で、これらの半導
体装置では成形直後から反りが発生しやすい。又これら
の半導体装置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、この際にも半導
体装置の反りが発生し、多数の半田ボールが平坦となら
ず、半導体装置を実装する回路基板から浮き上がってし
まい、電気的接合の信頼性が低下する問題が起こる。基
板上の実質的に片面のみをエポキシ樹脂組成物で封止し
た半導体装置において、反りを低減するには、基板の熱
膨張係数とエポキシ樹脂組成物の硬化物の熱膨張係数を
近づけること、及びエポキシ樹脂組成物の成形・硬化時
の硬化収縮量を小さくすることの二つの方法が重要であ
る。
【0004】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いガラス転移温度(以下、T
gという)を有する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Tgを有している。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線膨張係数α1(以下、
α1という)の領域のみで収縮するので、エポキシ樹脂
組成物の硬化物もTgが高く、かつα1が有機基板と同
じであり、更に硬化収縮量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、トリフェノールメタ
ン型エポキシ樹脂とトリフェノールメタン型フェノール
樹脂との組合せによりTgを高くし、無機充填材の配合
量でα1を合わせる手法が既に提案されている。このエ
ポキシ樹脂組成物は、Tgが高く、硬化性、熱時曲げ強
度に優れた特性を有しているが、硬化物の吸湿率が高
く、又エポキシ樹脂組成物の溶融粘度が比較的高く、無
機充填材の高充填化には限界があり、低吸湿化が不十分
で、耐半田クラック性に問題があった。
【0005】一方、従来のQFPやSOP等の表面実装
型半導体装置では、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使用している
が、トリフェノールメタン型エポキシ樹脂を用いたエポ
キシ樹脂組成物の硬化物と比較して、Tgが低いため成
形温度から室温までの冷却課程における収縮が大きくな
り片面封止型半導体装置における反りの問題は解決でき
ないのが現状であった。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、成形後や半
田処理時の反りが小さく、耐半田クラック性に優れる半
導体封止用エポキシ樹脂組成物、及びこれを用いたエリ
ア実装型半導体装置を提供するものである。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明は、(1)エポキ
シ樹脂、フェノール樹脂、硬化促進剤及び無機充填材を
主成分とするエポキシ樹脂組成物において、成形温度か
ら前記樹脂組成物の硬化物のガラス転移温度の温度領域
での熱時曲げ弾性率が、3000N/mm2以下である
ことを特徴とするエポキシ樹脂組成物、(2)樹脂組成
物の硬化物の成形収縮率が、0.20%以下である第
(1)項記載のエポキシ樹脂組成物、(3)室温から成
形温度の温度領域での樹脂組成物の硬化物の熱膨張率
が、0.30%以下である第(1)項又は第(2)項記
載のエポキシ樹脂組成物、(4)フェノール樹脂が、式
(1)で示される樹脂である第(1)項、 第(2)
項又は第(3)項記載のエポキシ樹脂組成物、
【化2】 (nは平均値で1〜7の正数) (5)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第
(1)〜(4)項のいずれかのエポキシ樹脂組成物によ
って封止されてなることを特徴とするエリア実装型半導
体装置、である。
【0008】
【発明の実施の形態】以下に本発明を詳細に説明する。
基板上の実質的に片面のみをエポキシ樹脂組成物にて封
止した半導体装置において、反りを低減するには、基板
の熱膨張係数と樹脂組成物の硬化物の熱膨張係数を近づ
けること、及び樹脂組成物の成形硬化時の硬化収縮を小
さくする二つの方法が重要と考えられてきた。つまりエ
ポキシ樹脂、フェノール樹脂、硬化促進剤及び無機充填
材を主成分とするエポキシ樹脂組成物において、樹脂組
成物の成形硬化時の硬化収縮を小さくし、樹脂組成物の
硬化物のTgを成形温度より高くすることにより、成形
硬化後の成形温度から室温までの温度領域での熱収縮を
小さくすることが、反りの低減に必要となる。しかし、
成形硬化時の硬化収縮と成形硬化後の成形温度から室温
までの温度領域での熱収縮を小さくするだけでは反りの
低減が不十分であり、又一般的にTgの高い樹脂組成物
の硬化物は、吸水率が高いことから耐半田クラック性が
悪いという問題があった。
【0009】そこで、本発明者は成形温度よりTgが低
い樹脂組成物の硬化物の反りについて、鋭意検討した結
果、樹脂組成物の成形温度から樹脂組成物の硬化物のT
gの間の温度領域での熱時曲げ弾性率が、反りや耐半田
クラック性に大きな影響を与えることを見出した。即ち
樹脂組成物の硬化物のTgが成形温度より低くても、成
形温度からTgまでの温度領域での熱時曲げ弾性率が小
さいと反りも小さくなり、耐半田クラック性が向上し、
一方熱時曲げ弾性率が大きいと反りが大きくなり、耐半
田クラック性が低下する。具体的には成形温度から樹脂
組成物の硬化物のTgの間の温度領域での熱時曲げ弾性
率が、3000N/mm2以下であると反りが小さく、
耐半田クラック性が向上する。熱時曲げ弾性率が、30
00N/mm2を越えると基板との内部応力が緩和され
ず反りが大きくなり、耐半田クラック性も低下する。
【0010】更に熱時曲げ弾性率以外の特性について検
討した結果、樹脂組成物の硬化物の成形収縮率が、0.
20%以下であると、より反りを小さくでき、又室温か
ら成形温度の温度領域での樹脂組成物の硬化物の熱膨張
率が、0.30%以下だと、更に反りを小さくできると
いう知見を得た。樹脂組成物の硬化物の成形収縮率は、
樹脂の骨格の影響が大きく、硬化収縮率の大きい樹脂は
成形収縮率も大きい傾向にある。ところが硬化収縮率の
測定は、成形温度での金型及び成形物の寸法を熱時に測
定するので、ノギス等の測定器が熱膨張するため精度よ
く測定するのが難しい。
【0011】硬化収縮率の代わりに、JIS K 69
11に準じた成形収縮率を採用することにより、簡便に
精度よく測定することが可能であり、本発明では成形収
縮率を用いた。樹脂組成物の硬化物の成形収縮率が大き
いと、樹脂組成物の硬化収縮が大きいことになり、その
結果として半導体装置内の残留応力が大きくなり反りを
大きくする要因となる。成形収縮率を0.20%以下に
することにより、半導体装置の反りが小さくなるという
効果がある。成形収縮率が0.20%を越えると、半導
体装置の反りが大きくなるおそれがあり好ましくない。
【0012】更に室温から成形温度の温度領域での樹脂
組成物の硬化物の熱膨張率は、樹脂骨格の他に樹脂組成
物中の無機充填材の量にも影響され、無機充填材量が多
い程、熱膨張率が小さくなる傾向にある。熱膨張率を
0.30%以下とすることにより、成形温度から室温に
温度が下がっても半導体装置内の残留応力が小さくな
り、反りを小さくできるという効果がある。熱膨張率が
0.30%を越えると成形温度から室温に温度が下がる
際に半導体装置の反りが大きくなるおそれがあり好まし
くない。
【0013】なお、本発明でのTg、熱時曲げ弾性率、
成形収縮率、熱膨張率は、以下の方法で測定するもので
ある。Tg:トランスファー成形機を用いて、金型温度
175℃、注入圧力7.5×106Pa、硬化時間2分
で4mm×5mm×15mmの大きさに成形した試験片
を熱機械分析装置(セイコー電子工業(株)製、TMA
100)を用いて、測定温度範囲0〜320℃、昇温速
度5℃/分で測定したときのチャートより、α1、α2
を決定しその延長線の交点とした。単位は℃。熱時曲げ
弾性率:JIS K 6911の試験条件に準じて測定
した。試験片作製条件は金型温度175℃、注入圧力
7.5×106Pa、硬化時間2分でトランスファー成
型機を用いて成形し、100℃、150℃、175℃の
各温度にて曲げ試験を行い、曲げ弾性率を求めた。単位
はN/mm2
【0014】成形収縮率:JIS K 6911の試験
条件に準じて測定した。試験片作製条件は金型温度17
5℃、注入圧力7.5×106Pa、硬化時間2分でト
ランスファー成型機を用いて成形し、175℃、8時間
の後硬化の後に室温まで冷却してからノギスにより寸法
の測定を行い、下記式により算出した。単位は%。 成形収縮率=(金型の室温での直径−成型品の室温での
直径)/(金型の室温での直径)×100(%) 熱膨張率:トランスファー成形機を用いて、金型温度1
75℃、注入圧力7.5×106Pa、硬化時間2分で
4mm×5mm×15mmの大きさに成形した試験片を
熱機械分析装置(セイコー電子工業(株)製、TMA1
00)を用いて、測定温度範囲0〜320℃、昇温速度
5℃/分で測定したときのチャートより、30℃〜17
5℃の熱膨張率を算出した。単位は%。
【0015】本発明で用いるエポキシ樹脂は、1分子中
に2個以上の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、オルソクレゾールノボラック
型エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂、トリフェ
ノールメタン型エポキシ樹脂、ジシクロペンタジエン変
性フェノール型エポキシ樹脂、ナフタレン型エポキシ樹
脂等が挙げられ、これらは単独でも混合して用いても差
し支えない。
【0016】本発明で用いるフェノール樹脂は、上記の
エポキシ樹脂と硬化反応を行い架橋構造を形成すること
ができる少なくとも1分子中に2個以上のフェノール性
水酸基を有するモノマー、オリゴマー、ポリマー全般を
指し、例えばフェノールノボラック樹脂、フェノールア
ラルキル樹脂、ナフトールアラルキル樹脂、ジシクロペ
ンタジエン変性フェノール樹脂等が挙げられ、これらは
単独でも混合して用いても差し支えない。これらの内で
はナフトールアラルキル樹脂が好ましく、特に式(1)
で表せられる樹脂は、成形温度からTgの温度領域での
熱時曲げ弾性率が小さく、成形収縮率、及び室温から成
形温度の熱膨張率が小さく、かつ吸水率が低いという特
徴を有しているため好ましい。式(1)中のnは、平均
値で、1〜7の正数が好ましく、1未満だと反応性が十
分でなく、硬化性に劣るので好ましくない。7を越える
と、流動性が低下し、成形性が劣る傾向にあるので好ま
しくない。
【0017】本発明で用いる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との架橋反応を促進する
ものであればよく、例えば、1,8−ジアザビシクロ
(5,4,0)ウンデセン−7等のアミジン系化合物、
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挙
げられるが、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も混合して用いても差し支えな
い。
【0018】本発明で用いる無機充填材の種類について
は特に制限はなく、一般に封止材料に用いられているも
のを使用することができる。例えば、溶融破砕シリカ、
溶融球状シリカ、結晶シリカ、2次凝集シリカ、アルミ
ナ、チタンホワイト、水酸化アルミニウム、タルク、ク
レー、ガラス繊維等が挙げられ、特に溶融球状シリカが
好ましい。溶融球状シリカの形状としては、流動性改善
のために限りなく真球状であり、かつ粒度分布がブロー
ドであるものが好ましい。
【0019】本発明のエポキシ樹脂組成物は、必要に応
じて臭素化エポキシ樹脂、酸化アンチモン、リン化合物
等の難燃剤、酸化ビスマス水和物等の無機イオン交換
体、γ-グリシドキシプロピルトリメトキシシラン等の
カップリング剤、カーボンブラック、ベンガラ等の着色
剤、シリコーンオイル、シリコーンゴム等の低応力化成
分、天然ワックス、合成ワックス、高級脂肪酸及びその
金属塩類もしくはパラフィン等の離型剤、酸化防止剤等
の各種添加剤を適宜配合しても差し支えない。
【0020】本発明のエポキシ樹脂組成物は、エポキシ
樹脂、フェノール樹脂、硬化促進剤、無機充填材、及び
その他の添加剤等をミキサーを用いて常温混合し、ロー
ル、ニーダー、押出機等の混練機で溶融混練し、冷却後
粉砕して得られる。本発明のエポキシ樹脂組成物を用い
て、半導体素子等の電子部品を封止し、半導体装置を製
造するには、トランスファーモールド、コンプレッショ
ンモールド、インジェクションモールド等の成形方法で
硬化成形すればよい。特に、本発明のエポキシ樹脂組成
物は、エリア実装型半導体装置用に適している。
【0021】
【実施例】以下に、実施例を挙げて本発明を更に詳細に
説明するが、本発明はこれらの実施例により何ら限定さ
れるものではない。実施例及び比較例で用いたエポキシ
樹脂、フェノール樹脂の略号及び構造を、まとめて以下
に示す。 ・エポキシ樹脂1:式(2)で示されるエポキシ樹脂を
主成分とする樹脂(融点105℃、エポキシ当量:19
1g/eq)
【化3】
【0022】・エポキシ樹脂2:式(3)で示されるエ
ポキシ樹脂(軟化点53℃、エポキシ当量:244g/
eq)
【化4】
【0023】・エポキシ樹脂3:式(4)で示されるエ
ポキシ樹脂(軟化点59℃、エポキシ当量:169g/
eq)
【化5】
【0024】・フェノール樹脂1:式(5)で示される
フェノール樹脂(軟化点70℃、水酸基当量170g/
eq)
【化6】
【0025】・フェノール樹脂2:式(6)で示される
フェノール樹脂(軟化点87℃、水酸基当量210g/
eq)
【化7】
【0026】・フェノール樹脂3:式(7)で示される
フェノール樹脂(軟化点110℃、水酸基当量98g/
eq)
【化8】
【0027】・フェノール樹脂4:式(8)で示される
フェノール樹脂(軟化点96℃、水酸基当量136g/
eq)
【化9】
【0028】エポキシ樹脂組成物の製造例 配合割合は重量部とする。 実施例1 エポキシ樹脂1 4.23重量部 フェノール樹脂1 3.77重量部 トリフェニルホスフィン 0.10重量部 溶融球状シリカ(平均粒径15μm) 91.00重量部 γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン 0.30重量部 カーボンブラック 0.30重量部 カルナバワックス 0.30重量部 を、常温でミキサーを用いて混合し、70〜120℃で
2本ロールを用いて混練し、冷却後粉砕してエポキシ樹
脂組成物を得た。得られたエポキシ樹脂組成物を以下の
方法で評価した。結果を表1に示す。
【0029】・スパイラルフロー:EMMI−1−66
に準じたスパイラルフロー測定用の金型を用い、金型温
度175℃、注入圧力7.0×106Pa、硬化時間2
分で測定した。単位はcm。 ・硬化トルク:キュラストメータ((株)オリエンテッ
ク・製、JSRキュラストメータIVPS型)を用い、
金型温度175℃、加熱開始90秒後のトルクを求め
た。キュラストメータにおけるトルクは硬化性のパラメ
ータであり、数値の大きい方が硬化性が良好である。単
位はN・m。・Tg、熱時曲げ弾性率、成形収縮率及び
熱膨張率は前記した方法により測定した。 ・吸湿率:トランスファー成形機を用いて、金型温度1
75℃、注入圧力7.5×106Pa、硬化時間2分で
直径50mm、厚さ3mmの円盤を成形し、175℃、
8時間で後硬化し、更に85℃、相対湿度60%の環境
下で168時間放置し、吸湿前後の重量変化を測定して
吸湿率を求めた。単位は重量%。 ・パッケージ反り量:トランスファー成形機を用いて、
金型温度175℃、注入圧力7.5×106Pa、硬化
時間2分で352pBGA(基板は厚さ0.56mm、
ビスマレイミド・トリアジン/ガラスクロス基板、パッ
ケージサイズは30×30mm、厚さ1.17mm、シ
リコンチップはサイズ10×10mm、厚さ0.35m
m、チップと回路基板のボンディングパッドとを25μ
m径の金線でボンディングしている。)を成形し、17
5℃、8時間で後硬化した。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、変位差の最も大きい値を反り量とし
た。単位はμm。 ・耐半田クラック性:トランスファー成形機を用いて、
金型温度175℃、注入圧力7.5×106Pa、硬化
時間2分で225pBGA(基板は厚さ0.36mm、
ビスマレイミド・トリアジン/ガラスクロス基板、パッ
ケージサイズは24×24mm、厚さ1.17mm、シ
リコンチップはサイズ9×9mm、厚さ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。)を成形し、175
℃、8時間で後硬化した。得られたパッケージ10個
を、60℃、相対湿度60%の環境下で120時間放
置、もしくは85℃、相対湿度60%の環境下で168
時間放置した後、IRリフロー処理(240℃)を行っ
た。処理後の内部の剥離、及びクラックの有無を超音波
探傷機で観察し、不良パッケージの個数を数えた。不良
パッケージの個数がn個であるとき、n/10と表示す
る。
【0030】実施例2〜5、比較例1〜4 表1、表2の配合に従って、実施例1と同様にエポキシ
樹脂組成物を得、実施例1と同様にして評価した。結果
を表1、表2に示す。なお、比較例3に用いたオルソク
レゾールノボラック型エポキシ樹脂の軟化点は55℃、
エポキシ当量は196g/eq、実施例5、比較例3、
4に用いたフェノールノボラック樹脂の軟化点は80
℃、水酸基当量は104g/eqである。
【表1】
【0031】
【表2】
【0032】
【発明の効果】本発明に従うと、成形後や半田処理時の
反りが小さく、かつ耐半田クラック性に優れたエリア実
装型半導体装置を得ることができる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 4J002 CC04X CD04W CD05W CD06W CD07W CE00X DE137 DE147 DJ017 DJ037 DJ047 DL007 EU116 EU136 EW016 EY016 FA047 FA087 FD017 FD14X FD156 FD160 GJ02 GQ01 4J036 AA01 DA02 FA01 FB06 FB07 JA07 4M109 AA01 BA01 BA04 CA21 CA22 EA02 EB03 EB04 EB06 EB07 EB08 EB09 EB13 EB18 EB19 EC03 EC04 GA10

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 エポキシ樹脂、フェノール樹脂、硬化促
    進剤及び無機充填材を主成分とするエポキシ樹脂組成物
    において、成形温度から前記樹脂組成物の硬化物のガラ
    ス転移温度の温度領域での熱時曲げ弾性率が、3000
    N/mm2以下であることを特徴とするエポキシ樹脂組
    成物。
  2. 【請求項2】 樹脂組成物の硬化物の成形収縮率が、
    0.20%以下である請求項1記載のエポキシ樹脂組成
    物。
  3. 【請求項3】 室温から成形温度の温度領域での樹脂組
    成物の硬化物の熱膨張率が、0.30%以下である請求
    項1又は2記載のエポキシ樹脂組成物。
  4. 【請求項4】 フェノール樹脂が、式(1)で示される
    樹脂である請求項1、2又は3記載のエポキシ樹脂組成
    物。 【化1】 (nは平均値で1〜7の正数)
  5. 【請求項5】 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1〜4記載のいずれかのエポキシ樹脂組成物に
    よって封止されてなることを特徴とするエリア実装型半
    導体装置。
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