JP2616498B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】 本発明は、半田耐熱性、耐
熱衝撃性、機械的性質、耐湿性の優れた低応力のエポキ
シ樹脂組成物によって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】 エポキシ樹脂は耐熱性、耐湿性、電気
特性、接着性などに優れており、さらに配合処方により
種々の特性が付与できるため、塗料、接着剤、電気絶縁
材料など工業材料として利用されている。

【０００３】たとえば、半導体装置などの電子回路部品
の封止方法として従来より金属やセラミックスによるハ
ーメチックシールやフェノール樹脂、シリコーン樹脂、
エポキシ樹脂などによる樹脂封止が提案されているが、
経済性、生産性、物性のバランスの点からエポキシ樹脂
による樹脂封止が中心になっている。

【０００４】エポキシ樹脂は上述の特徴を有するもの
の、剛直な網目構造を有するため応力が発生しやすく、
たとえば、半導体装置の素子の表面にクラックが生じた
り、アルミ配線がスライドして電流がリークしたり、封
止樹脂自体にクラックが生じる傾向がある。

【０００５】このため、低応力化剤としてシリコーンゴ
ム、カルボキシル基変性ニトリルゴム、ポリスチレン系
ブロック共重合体などを配合してエポキシ樹脂を低応力
化することが提案されている（特公昭６０−１８１４５
号公報、特開昭５８−２１９２１８号公報、特開昭５９
−９６１２２号公報、特開昭５８−１０８２２０号公
報、特開昭５９−７５９２２号公報、特開昭６０−１２
２０号公報など）。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】これらの方法によれ
ば、エポキシ樹脂に可橈性を付与し、低応力化すること
が可能である。しかし、シリコーンゴムを配合するとエ
ポキシ樹脂との接着性が乏しいため、機械的性質、特に
強度が低下する。また、カルボキシル基変性ニトリルゴ
ムを配合すると吸水率が高くなるため、耐湿性が低下す
るという問題があった。

【０００７】また、最近は電子部品の小型、薄型化のた
め、半導体の実装方式は従来のピン挿入方式に変わって
表面実装方式が盛んになってきた。この場合、半導体は
実装の際に半田浴に浸漬されるなど高温で処理される
が、封止樹脂にクラックが生じたり、耐湿性が低下する
などの問題が指摘されていた。

【０００８】この問題に関して、半導体装置を高温高湿
下に放置した後に、半田浴に浸してクラックの有無を調
べるテスト（半田耐熱性テスト）が提案されているが、
このテストは、歪み応力をはじめとして機械的性質、耐
熱性や耐湿性などの多くの物性の影響を同時に受けるた
め、このテストには従来のクラック発生防止手段のみで
は対応できなかった。

【０００９】すなわち、半導体装置の高集積化と実装方
式の変化により、従来の封止樹脂よりもさらに実装時の
半田耐熱性にも優れた樹脂組成物によって封止された半
導体装置の実現が望まれていた。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上述の半
田耐熱性の改良を目的に検討を進めた結果、ポリスチレ
ン系ブロック共重合体を樹脂組成物に配合し、半導体装
置とすることにより、半田耐熱性が改善されることを見
出した（ポリスチレン系ブロック共重合体を配合した組
成物と半田耐熱性との関係については、従来技術は全く
教えていない）。しかしながら、ポリスチレン系ブロッ
ク共重合体を配合した組成物は、線膨張係数が増大する
ため、低応力の効果が小さいという問題が残り、実用に
使用することができない。

【００１１】そこで、本発明者らは、半田耐熱性が改良
され、同時に他の重要な物性、例えば、耐熱衝撃性、機
械的性質、耐湿性に優れた低応力のエポキシ樹脂組成物
によって封止された半導体装置を提供することを目的と
して、さらに検討した結果、本発明に到達した。

【００１２】すなわち、本発明は、「エポキシ樹脂
（Ａ）、硬化剤（Ｂ）、固形シリコーンゴム（Ｃ）、ポ
リスチレン系ブロック共重合体（Ｄ）および無機充填剤
（Ｅ）を含有し、前記（Ａ）成分の配合量が、（Ａ）成
分に対する（Ｂ）成分の化学当量比が０．５〜１．５と
なる量、前記（Ｂ）成分が２〜１５重量％、前記（Ｃ）
成分が０．５〜５重量％、前記（Ｄ）成分が０．５〜５
重量％、前記（Ｅ）成分が６５重量％以上であるエポキ
シ樹脂組成物によって、半導体素子が封止された半導体
装置。」である。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の構成を詳述する。
本発明において「重量」とは「質量」を意味する。

【００１４】本発明におけるエポキシ樹脂（Ａ）は、１
分子中にエポキシ基を２個以上有するものであれば特に
限定されない。

【００１５】例えば、クレゾールノボラック型エポキシ
樹脂、ビシヒドロキシビフェニル型エポキシ樹脂、ビス
フェノールＡ型エポキシ樹脂、線状脂肪族エポキシ樹
脂、脂環式エポキシ樹脂、複素環式エポキシ樹脂、ハロ
ゲン化エポキシ樹脂などが挙げられる。

【００１６】用途によっては二種以上のエポキシ樹脂を
併用してもよいが、半導体装置封止用として耐熱性、耐
湿性の点からクレゾールノボラック型エポキシ樹脂など
のエポキシ当量が５００以下、特に３００以下のエポキ
シ樹脂を全エポキシ樹脂中に５０重量％以上含むことが
好ましい。

【００１７】本発明においてエポキシ樹脂（Ａ）の配合
量は、通常、５〜２５重量％である。少ないとでは、成
形性、接着性が不充分であり、多いと線膨張係数が大き
くなり、低応力化が困難になる。

【００１８】本発明における硬化剤（Ｂ）としてはエポ
キシ樹脂（Ａ）と反応して硬化させるものであれば、特
に限定されない。

【００１９】たとえば、フェノールノボラック、クレゾ
ールノボラックなどのノボラック樹脂、テトラブロムビ
スフェノールＡなどのビスフェノール化合物、無水マレ
イン酸、無水フタル酸、無水ピロメリト酸などの酸無水
物、メタフェニレンジアミン、ジアミノジフェニルメタ
ン、ジアミノジフェニルスルホンなどの芳香族アミンな
どが挙げられる。用途によっては二種以上の硬化剤を併
用してもよい。

【００２０】本発明において硬化剤の配合量は、通常、
２〜１５重量％である。

【００２１】さらには、エポキシ樹脂（Ａ）と硬化剤
（Ｂ）の配合比は、機械的性質、耐湿性の点から（Ａ）
に耐する（Ｂ）の化学当量比が０．５〜１．５，特に
０．８〜１．２の範囲にあることが好ましい。また、本
発明においてエポキシ樹脂（Ａ）と硬化剤（Ｂ）の硬化
反応を促進するため硬化触媒を用いてもよい。硬化触媒
は硬化反応を促進させるものならば特に限定されない。
例えば３級アミン類、有機金属類、有機ホスフィン類な
どが挙げられる。用途によっては二種以上の硬化触媒を
併用してもよい。硬化触媒の添加量はエポキシ樹脂
（Ａ）１００重量部に対して０．１〜１０重量部が好ま
しい。

【００２２】本発明におけるシリコーンゴム（Ｃ）とし
ては、有機ポリシロキサン構造を主成分とするポリマー
で、好ましくは、すぐには流動しないもの、すなわち固
形のものが使用される。その架橋物を平均粒径１００μ
ｍ以下の粉体として用いることが分散性の点で好まし
い。

【００２３】本発明においてシリコーンゴムの配合量
は、通常０．５〜５重量％である。０．５重量％未満で
は低応力化が不充分であり、５重量％を超えると成形性
が損なわれる。好ましくは１〜４重量％である。

【００２４】本発明におけるポリスチレン系ブロック共
重合体（Ｄ）としては、ガラス転移温度が、通常、２５
℃以上、好ましくは，５０℃以上の芳香族ビニル炭化水
素重合体ブロックとガラス転移温度が０℃以下、好まし
くは−２５℃以下の共役ジエン重合体ブロックからなる
線状、放射状、分岐状のブロック共重合体が含まれる。
前記の芳香族ビニル炭化水素としては、スチレン、α−
メチルスチレン、ｏ−メチルスチレン、ｐ−メチルスチ
レン，１，３−ジメチルスチレン、ビニルナフタレンな
どがあり、なかでもスチレンが好ましく使用できる。

【００２５】前記の共役ジエンとしては、ブタジエン
（１，３−ブタジエン）、イソプレン（２−メチル−
１，３−ブタジエン）、メチルイソプレン（２、３−ジ
メチル−１，３−ブタジエン）、１，３−ペンタジエン
などがあり、なかでもブタジエン、イソプレンが好まし
く使用できる。

【００２６】スチレン系ブロック共重合体中に占めるガ
ラス相ブロックである芳香族ビニル炭化水素重合体ブロ
ックの割合は１０〜５０重量％、ゴム相ブロックである
共役ジエン重合体ブロックの割合は９０〜５０重量％が
好ましい。

【００２７】ガラス相ブロックとゴム相ブロックとの組
み合わせは多数あり、そのいずれでもよいが、中間のゴ
ム相ブロックの両端にガラス相ブロックが結合したトリ
ブロック共重合体が好ましい。この場合のガラス相ブロ
ックの数平均分子量は好ましくは５，０００〜１５０，
０００、特に好ましくは７，０００〜６０，０００であ
る。またゴム相ブロックの数平均分子量は好ましくは１
０，０００〜３００，０００、特に好ましくは３０，０
００〜１５０，０００である。

【００２８】ポリスチレン系ブロック共重合体は公知の
リビングアニオン重合法を用いて製造できる。

【００２９】本発明のポリスチレン系ブロック共重合体
には、上記説明したブロック共重合体の不飽和結合の一
部が水素添加により還元された、水添ブロック共重合体
も含まれる。

【００３０】ここで、芳香族ビニル炭化水素重合体ブロ
ックの芳香族二重結合の２５％および共役ジエン重合体
ブロックの脂肪族二重結合の８０％以上が水添されてい
ることが好ましい。

【００３１】ポリスチレン系ブロック共重合体の好まし
い具体例としては、ポリスチレン／ポリブタジエン／ポ
リスチレントリブロック共重合体（ＳＢＳ）、ポリスチ
レン／ポリイソプレン／ポリスチレントリブロック（共
重合体）、ＳＢＳの水添共重合体（ＳＥＢＳ）およびＳ
ＩＳの水添共重合体が挙げられる。耐熱性の点からＡＢ
Ｓの水添共重合体（ＳＥＢＳ）およびＳＩＳの水添共重
合体が特に好ましく用いられる。

【００３２】本発明において、ポリスチレン系ブロック
共重合体（Ｄ）の配合量は、通常、０．５〜５重量％で
ある。０．５重量％未満では半田耐熱性が不充分であ
り、５重量％を超えると、線膨張係数が増大し、低応力
化が困難になる。好ましくは１〜４重量％である。

【００３３】本発明における無機充填剤（Ｅ）として
は、溶融シリカ、結晶性シリカ、石英ガラス、炭酸カル
シウム、炭酸マグネシウム、アルミナ、クレー、タル
ク、ケイ酸カルシウム、酸化チタン、アスベスト、ガラ
ス繊維などが挙げられる。なかでも、溶融シリカは、線
膨脹係数を低下させる硬化が大きく、低応力化に有効な
ため、好ましく用いられる。さらには、無機充填剤とし
て溶融シリカを用い、その４０重量％以上を破砕シリカ
とするのが、半田耐熱性の向上に有効なため、特に好ま
しい。

【００３４】本発明において、無機充填剤の配合量は、
全体に対して、好ましくは６５〜８０重量％である。少
ないと線膨張係数が大きくなり、多いと成形性が不充分
となる傾向がある。

【００３５】本発明のエポキシ樹脂組成物にはハロゲン
化エポキシ樹脂などのハロゲン化合物、リン化合物など
の難燃剤、三酸化アンチモンなどのの難燃助剤、カーボ
ンブラック、酸化鉄などの着色剤、シリコーンオイル、
変性ニトリルゴム、変性ポリブタジエンゴムなどのエラ
ストマー、シランカップリング剤、チタネートカプリン
グ剤などのカップリング剤、長鎖脂肪酸、長鎖脂肪酸の
金属塩、長鎖脂肪酸のエステル、長鎖脂肪酸のアミド系
ワックス、パラフィンワックスなどの離型剤、有機過酸
化物などの架橋剤を任意に添加することができる。

【００３６】本発明のエポキシ樹脂組成物は溶融混練す
ることが好ましく、溶融混練は公知の方法を用いること
ができる。たとえば、バンバリーミキサー、ニーダー、
ロール、一軸または二軸の押出機、コーニーダーなどを
用い、通常５０〜１５０℃の温度で樹脂組成物とするこ
とができる。そしてその組成物を用いて、半導体素子を
トランスファー成形することにより半導体装置とするこ
とができる。

【００３７】

【実施例】

実施例１〜１２、比較例１〜９ 表１、表２および表３に示す配合処方の組成比で、試薬
をミキサーによりドライブレントした。これを、ロール
表面温度９０℃のミキシングロールを用いて５分間加熱
混練後、冷却粉砕して、エポキシ樹脂組成物を製造し
た。

【００３８】

【表１】

【００３９】

【表２】

【００４０】

【表３】

【００４１】＊１）水添ポリスチレン系ブロック共重合
体。 表３の水添ポリスチレン系ブロック共重合体（Ｖ）と
（VI) はそれぞれ表２の未水添ブロック共重合体（II）
と（III ）を水添することにより製造した。 ＊２）残存不飽和濃度とは水添反応に共したポリマー中
の不飽和結合含量に耐する水添されなかった不飽和結合
含量を表わす。

【００４２】この組成物を用い、低圧トランスファー成
形法により１７５℃の条件で成形して円盤（２”φ×１
／８”ｔ）、曲げ試験片（５”×１／２”×１／
４”）、ＡＳＴＭ１号ダンベルおよび模擬半導体素子を
封止した１６ｐｉｎＤＩＰと４４ｐｉｎＦＰＰの半導体
装置を各々得た後、１７５℃で５時間ポストキュアし
た。ポストキュア後、次の物性測定法により、各組成物
の物性を測定した。

【００４３】ガラス転移温度：曲げ試験片の一部を用い
てＤＳＣにより昇温速度４０℃／分の条件で測定した。 吸水率：円盤を用いて１２１℃、１００％ＲＨの条件で
プレッシャークッカーテストを行い、１０００時間後の
吸水率を求めた。 曲げ弾性率：曲げ試験片を用いてＡＳＴＭ Ｄ−７９０
規格に従い測定した。 破断強度：ＡＳＴＭ１号ダンベルを用いてＡＳＴＭ Ｄ
−６３６規格に従い測定した。 線膨脹係数：曲げ試験片の一部を用いてＡＳＴＭ Ｄ−
６９６規格に従い測定し、５０〜１７０℃の値を求め
た。 サーマルショック：１６pin ＤＩＰ２０個に２６０℃×
３０秒←→−１９６℃×３０秒のサーマルサイクルを与
え、１０個にクラックが発生するサイクル数を求めた。 応力：曲げ弾性率×線膨張係数×ガラス転移温度で求め
た。 半田耐熱性：４４pin ＦＰＰ２０個を８５℃、８５％Ｒ
Ｈで１６８時間処理後、ペーパフェーズリフロー２１０
℃で９０秒処理し、クラックの発生したＦＰＰの個数の
割合を求めた。

【００４４】これらの結果を表４、表５に示す。

【００４５】

【表４】 ＊配合処方の数字は重量部を示す。

【００４６】

【表５】 ＊配合処方の数字は重量部を示す。 １）１０００cst のシリコーンオイル

【００４７】実施例１〜１２にみられるように、シリコ
ーンゴムおよびポリスチレン系ブロク共重合体を添加し
たエポキシ樹脂組成物によるものは、吸水率が低く耐湿
性に優れ、応力の値が小さく低応力化されている。ま
た、破断強度が大きく、機械的性質に優れている。これ
らの総合的効果として、本発明の半導体装置はサーマル
ショックのサイクル数が多く、耐熱衝撃性に優れてい
る。また、半田耐熱性もクラック発生率が低く、優れて
いる。

【００４８】比較例１、２にみられるように、ポリスチ
レン系ブロック共重合体を添加しないと、低応力化低応
力かと機械的性質に優れることの両立が困難である。ま
た半田耐熱性も、クラック発生率が高く、劣っている。

【００４９】比較例３〜８にみられるように、シリコー
ンゴムを添加しないと、線膨脹定数が大きいため、応力
が高く、耐熱衝撃性に劣っていると共に、半田耐熱性も
劣っている。

【００５０】シリコーンオイルを添加した比較例９では
応力が高く、耐熱衝撃性に劣っていると共に、半田耐熱
性も劣っている。

【００５１】

【発明の効果】本発明の半導体装置は、その封止樹脂の
吸水率が低く耐湿性に優れ、応力の値が小さく低応力化
されている。また、破断強度が大きく、機械的性質に優
れている。これらの総合的効果として、本発明の半導体
装置はサーマルショックのサイクル数が多く、耐熱衝撃
性に優れている。また、半田耐熱性もクラック発生率が
低く、優れている。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】エポキシ樹脂（Ａ）、硬化剤（Ｂ）、固形
   シリコーンゴム（Ｃ）、ポリスチレン系ブロック共重合
   体（Ｄ）および無機充填剤（Ｅ）を含有し、 前記（Ａ）成分の配合量が、（Ａ）成分に対する（Ｂ）
   成分の化学当量比が０．５〜１．５となる量、前記
   （Ｂ）成分が２〜１５重量％、前記（Ｃ）成分が０．５
   〜５重量％、前記（Ｄ）成分が０．５〜５重量％、前記
   （Ｅ）成分が６５重量％以上であるエポキシ樹脂組成物
   によって、半導体素子が封止された半導体装置。