JP2579351B2

JP2579351B2 - 半導体装置

Info

Publication number: JP2579351B2
Application number: JP63254513A
Authority: JP
Inventors: 美穂山口; ▲吉▼伸中村; 和夫伊香
Original assignee: Nitto Denko Corp
Current assignee: Nitto Denko Corp
Priority date: 1988-10-08
Filing date: 1988-10-08
Publication date: 1997-02-05
Anticipated expiration: 2012-02-05
Also published as: JPH02101762A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕この発明は、信頼性の優れた半導体装置に関するもの
である。

〔従来の技術〕

トランジスタ,IC,LSI等の半導体素子は、通常セラミ
ツクパツケージもしくはプラスチツクパツケージ等によ
り封止され、半導体装置化されている。上記セラミツク
パツケージは、構成材料そのものが耐熱性を有し、耐透
湿性にも優れているため、温度，湿度に対して強く、し
かも中空パツケージのため機械的強度も高く信頼性の高
い封止が可能である。しかしながら、構成材料が比較的
高価なものであることと、量産性に劣る欠点があるた
め、最近では上記プラスチツクパツケージを用いた樹脂
封止が主流になつている。この種の樹脂封止には、従来
からエポキシ樹脂組成物が使用されており、良好な成績
を収めている。しかしながら、半導体分野の技術革新に
よつて集積度の向上とともに素子サイズの大形化，配線
の微細化が進み、パツケージも小形化，薄形化する傾向
にあり、これに伴つて封止材料に対してより以上の信頼
性（得られる半導体装置の内部応力，耐湿信頼性，耐衝
撃信頼性，耐熱信頼性等）の向上が要望されている。特
に半導体封止に用いるエポキシ樹脂組成物は、硬化温度
から室温に冷却する過程で、収縮に基づくかなりの内部
応力を発生し、上記信頼性を低下させるため、このよう
な内部応力を低減させる改善が望まれている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記のように、これまでの封止用エポキシ樹脂組成物
は、硬化温度から室温に冷却する過程で、収縮に基づく
かなりの内部応力を発生していた。この内部応力低減の
ために、ゴム粒子の添加，液状エラストマーによる変性
等が行われてきたが、エポキシ樹脂マトリツクス中に、
かかるゴム粒子のドメインが多量に存在することにより
エポキシ樹脂組成物の流動性が減じる等の欠点も併発し
た。また、かなり多量に存在する硬化促進剤は、上記の
ようにエポキシ樹脂硬化物の電気絶縁性に悪影響をおよ
ぼしていた。このように従来の封止用エポキシ樹脂組成
物は、諸特性がいまひとつ満足しうるものではなく、そ
れを用いた半導体装置の信頼性にも限界があり、上記技
術革新による素子サイズの大形化等に対応できるように
より以上の特性向上が強く望まれている。

このような要請に応える目的で、封止用エポキシ樹脂
組成物中に多量に含有されるシリカを合成ゴムで被覆し
この合成ゴム被覆シリカを充填剤として使用する提案が
なされた（特開昭60−188418号）。この提案法によれ
ば、合成ゴム使用による流動性の低下を抑制しながら、
シリカとマトリツクス樹脂との界面に存在する合成ゴム
層によつて内部応力の低減効果を得ることができる。し
かし、この提案法は、単に内部応力の低減効果を奏する
のみであつて、上記硬化促進剤に起因する電気特性等の
改善はなされていず、しかも上記合成ゴム被覆シリカの
製造上ならびに使用上の制約等の問題を有していた。す
なわち、上記合成ゴムは、シランカツプリング剤のバイ
ンダ作用によつてシリカの外周に付着されており、この
ような構造のものをつくるためには、上記シランカツプ
リング剤としてシリカと合成ゴム双方に反応する官能基
を有するものを使用し、また合成ゴムとしても上記シラ
ンカツプリング剤の官能基と反応する官能基を有するも
のを使用する必要がある。ところが、上記のような原料
は比較的特殊な部類に属するものであつて使用原料に制
約を受けるうえ、それを用いての合成ゴム被覆シリカの
製造は煩雑である。しかも得られる合成ゴム被覆シリカ
は上記成分を構成要素としており、広い範囲のエポキシ
樹脂組成物に適用できないという難点を有している。

この発明は、このような事情に鑑みなされたもので、
樹脂封止に用いるエポキシ樹脂組成物において、内部応
力を低減させるようにし、優れた信頼性を有する半導体
装置を提供することをその目的とするものである。

〔問題点を解決するための手段〕

上記の目的を達成するため、この発明の半導体装置
は、下記の（Ａ），（Ｂ）および（Ｃ）成分を含有して
いるエポキシ樹脂組成物を用いて半導体素子を封止する
という構成をとる。

（Ａ）エポキシ樹脂。

（Ｂ）フエノール樹脂。

（Ｃ）下記の一般式（１）で表されるポリジメチルシロ
キサン主体の被覆層により粒子表面が被覆されているシ
リカ充填剤。

〔作用〕すなわち、この発明は、上記特殊なポリジメチルシロ
キサン主体の被覆層により粒子表面が被覆されている特
殊なシリカをＣ成分として使用するものであり、このシ
リカは上記合成ゴム被覆シリカのようにバインダを用い
て被覆層をシリカ表面に結合する必要がなく、したがつ
て、原料の選択の自由度が広く製造が容易であり、また
バインダ成分等を含んでいず広範囲のエポキシ樹脂組成
物に適用可能である。その結果、この発明によれば、半
導体装置製造に際して工程の複雑化を招くことがなく、
しかも、上記Ｃ成分の特殊シリカ充填剤の使用により内
部応力の低減効果を実現でき、それによつて半導体装置
の信頼性の大幅な向上を実現しうるようになる。

この発明に用いるエポキシ樹脂組成物は、エポキシ樹
脂（Ａ成分）と、フエノール樹脂（Ｂ成分）と、特殊な
ポリジメチルシロキサン主体の被覆層により粒子表面が
被覆されている特殊シリカ充填剤（Ｃ成分）等を用いて
得られるものであつて、通常、粉末状もしくはそれを打
錠したタブレツト状になつている。

上記Ａ成分となるエポキシ樹脂は、特に制限するもの
ではなく、クレゾールノボラツク型、フエノールノボラ
ツク型やビスフエノールＡ型等、従来から半導体装置の
封止樹脂として用いられている各種のエポキシ樹脂があ
げられる。これらの樹脂のなかでも、融点が室温を超え
ており、室温下では固形状もしくは高粘度の溶液状を呈
するものを用いることが好結果をもたらす。ノボラツク
型エポキシ樹脂としては、通常エポキシ当量160〜250,
軟化点50〜130℃のものが用いられ、クレゾールノボラ
ツク型エポキシ樹脂としては、エポキシ当量180〜210,
軟化点60〜110℃のものが一般に用いられる。

上記エポキシ樹脂とともに用いられる、Ｂ成分のフエ
ノール樹脂は、上記エポキシ樹脂の硬化剤として作用す
るものであり、フエノールノボラツク，クレゾールノボ
ラツク等が好適に用いられる。これらのノボラツク樹脂
は、軟化点が50〜110℃，水酸基当量が70〜150のものを
用いることが好ましい。特に上記ノボラツク樹脂のなか
でもクレゾールノボラツクを用いることが好結果をもた
らす。

上記Ｃ成分は、下記の一般式（１）で表されるポリジ
メチルシロキサン主体の被覆層により被覆されている特
殊なシリカ充填剤である。

ここで主体とは、被覆層の全体が、主体となる付加反
応生成物で構成されている場合も含める趣旨である。

上記Ｃ成分に用いられるポリジメチルシロキサンは、
通常のポリジメチルシロキサンの分子鎖両末端および側
鎖のうちの少なくとも側鎖（A₂およびA₃）の一方に、ト
リアルコキシ基が導入され、他方に、エポキシ基または
ポリアルキレングライコール鎖が導入されたものであ
る。ただし、A₂およびA₃の双方がトリアルコキシ基が導
入されたものであつてもよい。上記導入されるポリアル
キレングライコール鎖は、２種以上のアルキレングライ
コールの共重合体からなるものでもよい。

上記のような、Ｃ成分に用いる特殊なポリジメチルシ
ロキサンは、数平均分子量が30000以下であることが望
ましく、より望ましいのは20000以下であり、最も好適
なのは15000以下である。

また、エポキシ基が導入された場合の上記ポリジメチ
ルシロキサンのエポキシ当量は2000〜18000であること
が望ましく、ポリアルキレングライコール鎖が導入され
た場合の上記ポリジメチルシロキサンのポリアルキレン
グライコール含有量は、分子全体の15〜90重量％である
ことが望ましい。

この発明で用いるＣ成分は前記のような特殊なポリジ
メチルシロキサンでシリカ表面を被覆することにより得
られるものであり、被覆されるシリカは特に限定するも
のでなく、結晶質シリカ（結晶シリカ）および非晶質シ
リカ（溶融シリカ）のいずれをも用いることができる。
これらのシリカは、平均粒径が５〜80μｍで100μｍ以
上の大粒径粒子を含まないことが好適である。

上記特殊なポリジメチルシロキサンによるシリカの被
覆は、上記ポリジメチルシロキサンとシリカとをトルエ
ン等の有機溶媒を媒体として混合し、これを濾過したの
ち、減圧乾燥することにより行うことができる。この場
合、上記ポリジメチルシロキサンは、その分子鎖の両末
端および側鎖のうちの少なくとも側鎖（A₂およびA₃）の
一方に、トリアルコキシ基が導入され、他方に、エポキ
シ基またはポリアルキレングライコール鎖が導入された
ものである。ただし、A₂およびA₃の双方がトリアルコキ
シ基が導入されたものであってもよい。それによつて、
上記ポリジメチルシロキサンはシリカ表面に対する接着
性が著しく向上しており、シランカツプリング剤等のバ
インダ成分を何ら用いることなくシリカに接着し、シリ
カ表面を好適に被覆する。

なお、この発明において、シリカが上記反応生成物に
被覆されていることは、ベンゼン−水系における生成物
の偏在能（相互作用簡易判別法）により明らかにするこ
とができる。つまり、この方法において、被覆されてい
ないシリカは通常水相に偏在するが、この発明の被覆シ
リカはベンゼン相に偏在する。なお、この評価方法は、
すでに確立されている〔松本恒隆他，第７回複合材料シ
ンポジウム発表報文集,261（1974）〕。

このようにポリジメチルシロキサンの分子鎖の両末端
および側鎖のうちの少なくとも側鎖に、エポキシ基，ポ
リアルキレングライコール鎖またはトリアルコキシ基が
導入すると、特にシリカ表面に対する接着性が著しく向
上する。しかも、ポリジメチルシロキサンの側鎖（A₂お
よびA₃）のどちらか一方、もしくは双方にトリアルコキ
シ基を導入したものを被覆したシリカは、上記接着力を
利用して簡単に作製できるだけでなく、上記シリカを含
有させたエポキシ樹脂組成物に応力低減効果および電気
特性改善効果を付与することができる。これがこの発明
の最大の特徴である。

上記シリカの表面を被覆している特殊なポリジメチル
シロキサン主体の被覆層は、ポリジメチルシロキサン部
分の作用により硬化後の段階で内部応力の緩和作用を発
揮するものであり、それによつて信頼性の高い半導体装
置の実現をもたらすのである。すなわち、上記特殊なポ
リジメチルシロキサンに導入されうるエポキシ基は、マ
トリツクスのエポキシ基（エポキシ樹脂）あるいは水酸
基（フエノール樹脂）と反応しやすく、また、同じくポ
リジメチルシロキサンに導入されうるポリアルキレング
ライコール鎖またはトリアルコキシ基はその構造上シリ
カとの親和性が高いためにシリカとマトリツクスのエポ
キシ樹脂との界面に強固に固定される。したがつて、上
記特殊なポリジメチルシロキサン部分は極めて安定に存
在し、かつ上記のように優れた応力緩和作用を発揮す
る。

なお、上記シリカ粒子の被覆層は上記特殊なポリジメ
チルシロキサン（反応生成物）を主体とするものであ
り、場合によつては、上記反応生成物とともに過酸化物
を併用してもよい。

上記のようなポリジメチルシロキサン（反応生成物）
とともに使用される過酸化物としては、ベンゾイルパー
オキシド、ｐ−クロロベンゾイルパーオキシド、2,4−
ジクロロベンゾイルパーオキシド、オプリリルパーオキ
シド、ラウロイルパーオキシド、アセチルパーオキシ
ド、シクロヘキセンパーオキシド、ヒドロキシペプチル
パーオキシド、tert−ブチルパーベンゾエート、tert−
ブチルパーアセテート、tert−ブチルオクトエート、te
rt−ブチルパーオキシイソブチレート、ジ−tert−ブチ
ルパーフタレート等をあげることができる。

上記のような過酸化物を上記ポリジメチルシロキサン
と併用するときには、過酸化物の作用で、シリカ粒子表
面に付着した上記ポリジメチルシロキサンが重合し、早
期に粒子表面の被覆が完了するという効果が得られるよ
うになる。

このように過酸化物と上記ポリジメチルシロキサンと
を併用する場合には、過酸化物の使用量は上記ポリジメ
チルシロキサンに対して0.01〜１重量部の割合になるよ
うに設定することが好結果をもたらす。

そして、上記特殊なポリジメチルシロキサン単独ない
しはこれと過酸化物との混合物は、充填剤成分を除いた
エポキシ樹脂組成物（Ａ＋Ｂ）中に５〜40重量％（以下
「％」と略す）含有されるように設定することが好まし
く、また、充填剤に対して0.1〜15％含有されるように
設定することが好ましい。すなわち、含有量が上記の範
囲を外れると、得られる半導体装置の信頼性が低下する
傾向がみられるようになるからである。

なお、この発明に用いるエポキシ樹脂組成物には必要
に応じて上記Ａ成分ないしＣ成分以外に硬化促進剤が用
いられる。

上記硬化促進剤としては、下記の三級アミン，四級ア
ンモニウム塩，イミダゾール類およびホウ素化合物を好
適な例としてあげることができ、これらを単独でもしく
は併せて用いることができる。

三級アミントリエタノールアミン、テトラメチルヘキサンジアミ
ン、トリエチレンジアミン、ジメチルアニリン、ジメチ
ルアミノエタノール、ジエチルアミノエタノール、2,4,
6−トリス（ジメチルアミノメチル）フエノール、N,N′
−ジメチルピペラジン、ピリジン、ピコリン、1,8−ジ
アザ−ビシクロ（5,4,0）ウンデセン−７、ベンジルジ
メチルアミン、２−（ジメチルアミノ）メチルフエノー
ル四級アンモニウム塩ドデシルトリメチルアンモニウムクロライド、セチル
トリメチルアンモニウムクロライド、ベンジルジメチル
テトラデシルアンモニウムクロライド、ステアリルトリ
メチルアンモニウムクロライドイミダゾール類２−メチルイミダゾール、２−ウンデシルイミダゾー
ル、２−エチルイミダゾール、１−ベンジル−２−メチ
ルイミダゾール、１−シアノエチル−２−ウンデシルイ
ミダゾールホウ素化合物テトラフエニルボロン塩類、例えばトリエチレンアミ
ンテトラフエニルボレート、Ｎ−メチルモルホリンテト
ラフエニルボレートまた、必要に応じて、この発明のエポキシ樹脂組成物
には、さらに、無機質充填材，三級化アンチモン，リン
系化合物等の難燃剤や顔料，シランカツプリング剤等の
カツプリング剤を用いることができる。上記無機質充填
材としては特に限定するものではなく、一般に用いられ
る石英ガラス粉末，タルク，シリカ粉末，アルミナ粉末
等が適宜に用いられる。

この発明に用いられる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），（Ｂ）および（Ｃ）成分を、また場合により
顔料，カツプリング剤等その他の添加剤を適宜配合し、
この混合物をミキシングロール機等の混練機にかけ加熱
状態で混練して溶融混合し、これを室温に冷却したのち
公知の手段によつて粉砕し、必要に応じて打錠するとい
う一連の工程により目的とするエポキシ樹脂組成物を得
ることができる。

このようなエポキシ樹脂組成物を用いての半導体素子
の封止は特に限定するものではなく、通常のトランスフ
アー成形等の公知のモールド方法により行うことができ
る。

このようにして得られる半導体装置は、上記エポキシ
樹脂組成物中に、充填剤／エポキシマトリツクス界面に
発生する内部応力を緩和する物質を有しているため、極
めて低応力性に優れ、耐湿信頼性に優れたものとなる。

〔発明の効果〕

この発明の半導体装置は、上記のような特殊なシリカ
充填剤を含有する特殊なエポキシ樹脂組成物であつて、
封止樹脂中における上記特殊なシリカ充填剤の内部応力
緩和作用により封止プラスチツクパツケージが従来のエ
ポキシ樹脂組成物製のものと異なるため、極めて内部応
力が低くなつている。したがつて、耐湿信頼性，耐熱信
頼性が高く、信頼性の極めて高いものとなつている。特
に、上記特殊なエポキシ樹脂組成物による封止により、
８ピン以上特に16ピン以上、もしくはチツプの長辺が4m
m以上の大形の半導体装置において、上記のような高信
頼度が得られるようになるのであり、これが大きな特徴
である。そのうえ、上記シリカ充填剤には特殊なバイン
ダ等の特殊成分が用いられていず、広い範囲のエポキシ
樹脂に適用可能であり、また製造も簡単であるため、半
導体装置の製造に特別な工程を加える必要がなく、半導
体装置の製造の複雑化を招くこともない。

つぎに、実施例について説明する。

〔実施例１〜７〕まず、第１表に示すａ〜ｇの７種類のポリジメチルシ
ロキサンを用意した。

つぎに、上記ポリジメチルシロキサンとシリカを下記
の第２表に示すような割合で用いて、上記ポリジメチル
シロキサンの30重量％トルエン溶液とシリカとを重量比
2:1で混合し、両成分を反応させたのち濾過した。さら
に減圧乾燥して溶剤を飛散させたのち、150℃で２時間
加熱することにより粒子表面が上記ポリジメチルシロキ
サンで被覆された被覆シリカを得た。

つぎに、上記のようにして得られた被覆シリカを用
い、これと第２表に示す原料を配合し、ミキシングロー
ル機に掛けて100℃で10分間混練し、シート状組成物を
得た。ついで得られたシート状組成物を粉砕し目的とす
る粉末状のエポキシ樹脂組成物を得た。

また、従来例として下記の第２表に示す原料を同表に
示すような割合で用い、粉末状エポキシ樹脂組成物をつ
くつた。

以上の実施例および従来例によつて得られた粉末状の
エポキシ樹脂組成物を用い、半導体素子をトランスフア
ー成形でモールドすることにより半導体装置を得た。

このようにして得られた半導体装置について、曲げ弾
性率，電圧印加状態におけるプレツシヤー釜による1000
時間の信頼性テスト（以下「PCBTテスト」と略す）−50
℃/5分〜150℃/5分の2000回の温度サイクルテスト（以
下「TCTテスト」と略す）等の測定を行つた。その結果
を下記の第３表に示した。なお、ガラス転移温度（Tg）
は、粘弾性性質のTanδのピークを示す温度を示した。

第３表の結果から、実施例品は、従来例品に比べて耐
湿信頼性，耐熱信頼性および低応力性に優れていること
がわかる。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】下記の（Ａ），（Ｂ）および（Ｃ）成分を
含有している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。（Ａ）エポキシ樹脂。（Ｂ）フエノール樹脂。（Ｃ）下記の一般式（１）で表されるポリジメチルシロ
キサン主体の被覆層により粒子表面が被覆されているシ
リカ充填剤。
【請求項２】上記（Ｃ）成分に用いるポリジメチルシロ
キサンの数平均分子量が30000以下である請求項（１）
記載の半導体装置。
【請求項３】上記（Ｃ）成分に用いるシリカ充填剤の平
均粒径が５〜80μｍに設定され、かつ全ての粒子が100
μｍ未満である請求項（１）記載の半導体装置。
【請求項４】請求項（１）記載の（Ａ），（Ｂ）および
（Ｃ）成分を含有する半導体封止用エポキシ樹脂組成
物。