JP3074155B2 - 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】この発明は、耐熱衝撃信頼
性，耐半田クラック特性および耐湿信頼性に優れた半導
体装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】トランジスタ，ＩＣ，ＬＳＩ等の半導体
素子は、外部環境の保護の観点および素子のハンドリン
グを可能にする観点から、プラスチックパッケージ等に
より封止され半導体装置化されている。

【０００３】最近の半導体パッケージの傾向として、小
形化，薄形化に加えて高速化に対する要求から、１チッ
プ化も平行して進んでおり、表面実装化とともに１チッ
プの大形化が進んでいる。このような状況から、半導体
パッケージには、チップに対する熱応力の低減，耐半田
クラック特性の向上，耐湿性の向上等様々な課題が要求
されている。そして、実際に、薄形パッケージにおい
て、パッケージ自体が吸湿している場合には、基板への
半田実装時に水分の蒸気圧によって、パッケージにクラ
ックが発生するという問題が生じる。また、大形表面実
装デバイスにおいては、冷熱サイクル試験時にダイパッ
ドの形状に沿ってクラックが発生するという問題が生じ
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】このような対策とし
て、従来から、例えば高温時の樹脂強度を上げて耐半
田クラック特性を向上させる、パッケージの吸水性を
低下させることにより耐半田クラック特性を向上させ
る、パッケージの対チップ，リードフレームとの接着
性を上げて耐半田クラック特性を向上させる、シリコ
ーン変性樹脂を用いて低応力化を図り、耐熱衝撃性を向
上させるというような対策が単独でまたは併せて行われ
てきた。

【０００５】しかしながら、上記〜のような対策を
もってしても、半田浸漬時のクラック発生および冷熱サ
イクル試験時のクラック発生という２つのクラック発生
に対してのみでさえ満足できるものが得られていないの
が現状である。

【０００６】この発明は、このような事情に鑑みなされ
たもので、耐熱衝撃信頼性および耐半田クラック特性の
双方ならびに耐湿信頼性等の特性にも優れた半導体装置
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、この発明の半導体装置は、下記の一般式（１）で示
されるビフェニル型エポキシ樹脂を含むエポキシ樹脂
を、下記の一般式（２）のフェノールアラルキル樹脂を
含む硬化剤および１，８−ジアザビシクロ（５，４，
０）ウンデセン−７を含む硬化促進剤とともに用いてな
る下記の特性（Ａ）および（Ｂ）を備えたエポキシ樹脂
組成物硬化体により半導体素子が封止されてなる半導体
装置。

【化３】

【化４】 （Ａ）硬化体中の無機質充填剤の含有容積割合が６０容
積％以上。 （Ｂ）硬化体のガラス転移温度が１２５℃以下。

【０００８】すなわち、本発明者らは、耐冷熱サイクル
試験衝撃クラック性および耐半田クラック特性に優れた
封止樹脂を得るために一連の研究を重ねた。その過程
で、パッケージに対して物性的解析を行った結果、低
温側での発生ストレス，対リードフレーム接着力および
樹脂の強靭性を上げることにより耐冷熱サイクル試験時
の衝撃クラック特性を向上させることができ、また低
吸湿性，高温時の樹脂強度および弾性率を向上させるこ
とにより耐半田クラック特性を向上させることができる
ことを突き止めた。そして、上記結果にもとづき、さら
に研究を重ねた結果、封止樹脂のガラス転移温度を特定
温度以下に低下させることにより低温側での発生応力を
低減させ、かつ無機質充填剤の高充填化を行うことによ
り吸水量の低減と樹脂強度の向上等を図ると、上記お
よびのバランスが極めてよくなり、耐熱衝撃信頼性お
よび耐半田クラック特性の双方に優れ、かつ耐湿信頼性
等の特性にも優れた封止樹脂が得られることを見出しこ
の発明に到達した。

【０００９】なお、上記ガラス転移温度は、ＴＭＡ（Th
ermo Mechanical Analysis) により得られる熱膨張曲線
の二次微分ピークの値である。

【００１０】

【発明の実施の形態】つぎに、本発明の実施の形態を詳
しく説明する。

【００１１】この発明に用いるエポキシ樹脂組成物は、
エポキシ樹脂と、硬化剤と、無機質充填剤とを用いて得
られるものであって、通常、粉末状もしくはそれを打錠
してタブレット状になっている。

【００１２】上記エポキシ樹脂は、特に限定するもので
はなく、通常用いられるものがあげられる。なかでも、
例えばビフェニル型エポキシ樹脂で、下記の一般式
（１）で表されるものが好適に用いられる。

【００１３】

【化５】

【００１４】このように、グリシジルエーテル基を有す
る芳香族環に低級アルキル基を置換することにより得ら
れるエポキシ樹脂が撥水性を有するようになる。そし
て、上記一般式（１）で表される特殊なエポキシ樹脂の
みでエポキシ樹脂組成物のエポキシ樹脂成分（エポキシ
樹脂のみからなり硬化剤成分を除く）を構成してもよい
し、それ以外の通常用いられるエポキシ樹脂と併用する
ようにしてもよい。前者の場合には、エポキシ樹脂成分
の全体が上記一般式（１）の特殊なエポキシ樹脂で構成
され、後者の場合にはエポキシ樹脂成分の一部が上記一
般式（１）の特殊なエポキシ樹脂で構成されることとな
る。

【００１５】上記通常用いられるエポキシ樹脂として
は、クレゾールノボラック型，フェノールノボラック
型，ノボラックビスＡ型やビスフェノールＡ型等の各種
エポキシ樹脂があげられる。上記ノボラック型エポキシ
樹脂としては、通常、エポキシ当量１５０〜２５０，軟
化点５０〜１３０℃のものが用いられ、クレゾールノボ
ラッ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。このように上記（１）の特殊なエポキシ樹脂と通常
のエポキシ樹脂の両者を併用する場合には、上記一般式
（１）で表されるエポキシ樹脂をエポキシ樹脂成分全体
の５０重量％以上に設定するのが好ましく、特に好まし
くは６０重量％以上である。

【００１６】上記硬化剤としては、例えば下記の一般式
（２）で表される特殊なフェノールアラルキル樹脂が用
いられる。

【００１７】

【化６】

【００１８】上記一般式（２）で表されるフェノールア
ラルキル樹脂は、アラルキルエーテルとフェノールとを
フリーデルクラフツ触媒で反応させることにより得られ
る。このようなフェノールアラルキル樹脂としては、特
に、軟化点６０〜１２０℃，水酸基当量１６０〜２００
を有するものを用いるのが好ましい。なお、上記フェノ
ールアラルキル樹脂は、通常用いられるフェノール樹脂
と併用しても差し支えはない。上記通常用いられるフェ
ノール樹脂としては、クレゾールノボラック型，フェノ
ールノボラック型，ノボラックビスＡ型やビスフェノー
ルＡ型等の各種フェノール樹脂があげられる。これらフ
ェノール樹脂としては、水酸基当量９０〜１２０、軟化
点６０〜１４０℃のものが用いられる。上記フェノール
アラルキル樹脂と、このような通常のフェノール樹脂と
を併用する場合には、上記フェノールアラルキル樹脂
を、フェノールアラルキル樹脂と通常のフェノール樹脂
の合計量の５０重量％以上の割合になるように設定する
のが好ましい。特に好ましいのは６０重量％以上であ
る。

【００１９】また、上記エポキシ樹脂，硬化剤とともに
用いられる無機質充填剤としては、例えば結晶性および
溶融性シリカ粉末等があげられ、破砕状および球状のも
のが用いられる。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７２〜９２重量％の範囲に設
定するのが好ましい。

【００２０】なお、この発明に用いるエポキシ樹脂系組
成物には、上記エポキシ樹脂，硬化剤および無機質充填
剤以外に、通常、硬化促進剤，離型剤，難燃剤，カップ
リング剤等の従来公知の添加剤が用いられる。

【００２１】上記硬化促進剤としては、アミン系，リン
系，硼素系化合物があげられ、単独でもしくは併せて用
いられる。そして、１，８−ジアザビシクロ（５，４，
０）ウンデセン−７が好適に用いられる。

【００２２】上記離型剤としては、ポリエチレン系ワッ
クス，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、単独でもしくは併せて
用いられる。

【００２３】上記難燃剤としては、ノボラック型ブロム
化エポキシ樹脂もしくはビスＡ型エポキシ樹脂，三酸化
アンチモン等の化合物が単独で併せて用いられる。

【００２４】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，ウ
レアタイプ等のメトキシないしエトキシシランがあげら
れ、単独でもしくは併せて用いられる。その使用方法と
しては、充填剤に対して、ドライブレンドしたり、もし
くは予備加熱反応させたり、さらには有機成分原料に対
する予備混合等自由である。

【００２５】さらに、この発明に用いられるエポキシ樹
脂組成物には、上記添加剤以外に、シリコーンオイルお
よびシリコーンゴム，合成ゴム等のゴム成分を配合して
低応力化を図ったり、耐湿信頼性の向上を目的としてハ
イドロタルサイト等のイオントラップ剤を配合してもよ
い。

【００２６】この発明に用いられるエポキシ樹脂組成物
は、例えば上記各成分を用いてつぎのようにして製造す
ることができる。すなわち、上記エポキシ樹脂，硬化
剤，硬化促進剤および無機質充填剤と、他の添加剤を適
宜配合し混合して、ロール機等の混練機により１２０℃
で２分間混練する。そして、これを室温に冷却した後、
公知の手段によって粉砕し、必要に応じて打錠するとい
う一連の工程により製造することができる。

【００２７】この発明は、上記エポキシ樹脂組成物を用
いて半導体素子をモールドすることにより、半導体装置
を得る。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
ランスファ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。

【００２８】このようにして得られる半導体装置は、上
記の硬化剤および硬化促進剤を含むエポキシ樹脂組成物
硬化体により樹脂封止されており、半導体素子は下記の
物性（Ａ）および（Ｂ）を満たす硬化体により封止され
ている。 （Ａ）硬化体中の無機質充填剤の含有容積割合が６０容
積％以上。 （Ｂ）硬化体のガラス転移温度が１２５℃以下。 したがって、得られる半導体装置は、耐熱衝撃信頼性お
よび耐湿信頼性に優れ、半田実装に際してもパッケージ
クラック等を生ずることがない。

【００２９】なお、上記無機質充填剤の含有容積割合
（Ａ）の好適範囲は６３容積％以上である。より詳しく
述べると、上記無機質充填剤の含有容積割合（Ａ）は、
用いられる無機質充填剤の平均粒径，形状等により微妙
に変化する。例えば、平均粒径１０〜３５μｍのものに
おいて、破砕状充填剤では６０〜７０容積％、特に好ま
しくは６３〜７０容積％である。球状充填剤では６０〜
８４容積％、特に好ましくは７５〜８４容積％である。
また、上記硬化体中のガラス転移温度（Ｂ）もより好適
な範囲があり、それは１００〜１２５℃である。

【００３０】ちなみに、この発明で用いるエポキシ樹脂
組成物硬化体のガラス転移温度と無機質充填剤の含有容
積割合とで囲われる範囲を、従来のエポキシ樹脂組成物
のそれと対照して図面に示す。斜線部Ａがこの発明のエ
ポキシ樹脂組成物のそれである。斜線部Ｂは発光ダイオ
ード（ＬＥＤ）等の封止に用いられる従来の光半導体封
止用エポキシ樹脂組成物のそれであり、斜線部Ｃは半導
体素子のトランスファー成形に用いられる従来のエポキ
シ樹脂組成物のそれである。上記図から明らかなよう
に、この発明で用いるエポキシ樹脂組成物では、そのガ
ラス転移温度と、無機質充填剤含有量で囲われる範囲が
従来のものとは全く異なっていることがわかる。

【００３１】

【発明の効果】以上のように、この発明の半導体装置
は、特殊なエポキシ樹脂組成物によって半導体素子を樹
脂封止して得られるものであり、半田実装や耐冷熱サイ
クル試験におけるような過酷な条件下においてもパッケ
ージクラックを生じることなく、かつ優れた耐湿信頼性
等の特性を備えている。特に、この発明は、薄形フラッ
トパッケージの表面実装等において高い信頼性を有し最
適である。

【００３２】

【実施例】つぎに、実施例について比較例と併せて説明
する。

【００３３】まず、実施例に先立って下記の化合物を準
備した。

【００３４】《エポキシ樹脂成分》 Ａ：４，４′−ビス（２，３−エポキシプロポキシ）−
３，３′，５，５′−テトラメチルビフェニル（軟化点
８０℃，エポキシ当量１９５） Ｂ：ｏ−クレゾールノボラック型エポキシ樹脂（軟化点
８０℃，エポキシ当量１９５）

【００３５】《フェノール樹脂成分》 Ｃ：フェノールアラルキル樹脂（軟化点７６℃，水酸基
当量１７５） Ｄ：フェノールノボラック樹脂（軟化点８０℃，水酸基
当量１０６）

【００３６】《無機質充填剤》 Ｅ：溶融シリカ粉末（平均粒径１５μｍ，最大粒径１５
０μｍ，破砕状） Ｆ：溶融シリカ粉末（平均粒径２５μｍ，最大粒径１５
０μｍ，球状）

【００３７】《難燃剤》 Ｇ：三酸化アンチモン Ｈ：ノボラック型ブロム化エポキシ樹脂（軟化点８０
℃，エポキシ当量２７５）

【００３８】《硬化促進剤》 Ｉ：１，８−ジアザビシクロ（５，４，０）ウンデセン
−７

【００３９】《離型剤》 Ｊ：ポリエチレン系ワックス

【００４０】

【実施例１，２、比較例１〜４】上記各化合物Ａ〜Ｊを
用いて下記の表１に示す割合で配合し、ミキシングロー
ル機にかけて１２０℃で２分間混練し冷却したのち粉砕
し、目的とする粉末のエポキシ樹脂組成物を得た。

【００４１】

【表１】

【００４２】つぎに、実施例１，２および比較例１〜４
で得られた粉末状のエポキシ樹脂組成物を用いて半導体
素子をトランスファー成形でモールドすることにより半
導体装置を得た。この半導体装置は、８０ピン四方向フ
ラットパッケージ（ＱＦＰ）（２０ｍｍ×１４ｍｍ×厚
み２．２５ｍｍ）で、８ｍｍ×８ｍｍのダイボンドプレ
ート，７．５ｍｍ×７．５ｍｍのチップサイズを有する
ものである。このようにして得られた半導体装置につい
て、−６５℃／５分〜１５０℃／５分を５００回繰り返
す冷熱サイクル試験（ＴＣＴテスト）を行いパッケージ
クラックの発生数を調べた。また、８５℃／８５％ＲＨ
で７２時間吸湿した後、２６０℃で１０秒間半田浸漬を
行った場合のパッケージクラックの発生数を測定した。
これらの結果を下記の表２に示す。また、上記半導体装
置の封止樹脂であるエポキシ樹脂組成物硬化体のガラス
転移温度および各成分の配合割合（容積比）を測定し下
記の表２に併せて示した。

【００４３】

【表２】

【００４４】表２の結果から、エポキシ樹脂組成物硬化
体のガラス転移温度が１２５℃以下で、しかも硬化体中
の無機質充填剤の含有割合が６０容積％以上の実施例品
では、ＴＣＴテストおよび半田浸漬後の双方ともパッケ
ージクラックが殆ど発生していない。これに比べて、比
較例品は全てパッケージクラックが発生している。した
がって、実施例品は耐熱衝撃信頼性，耐半田クラック特
性に優れ、高温時の低応力性等に優れていることがわか
る。また、ビフェニル型エポキシ樹脂とポリエチレン系
ワックスとを組み合わせて用いると、離型剤としてカル
ナバワックスを用いた時よりも優れた離型効果が得られ
ることがわかった。

【図面の簡単な説明】

【図１】エポキシ樹脂組成物硬化体のガラス転移温度と
無機質充填剤の含有容積割合の関係を示す曲線図であ
る。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 池村 和弘 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 (72)発明者 中尾 稔 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 (72)発明者 木村 英人 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 (72)発明者 多喜 秀彰 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 (56)参考文献 特開 昭63−251419（ＪＰ，Ａ) 特開 昭49−77943（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−102217（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−87616（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−173154（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−173153（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 23/29 C08G 59/00 - 59/72

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 下記の一般式（１）で示されるビフェニ
   ル型エポキシ樹脂を含むエポキシ樹脂を、下記の一般式
   （２）のフェノールアラルキル樹脂を含む硬化剤および
   １，８−ジアザビシクロ（５，４，０）ウンデセン−７
   を含む硬化促進剤とともに用いてなる下記の特性（Ａ）
   および（Ｂ）を備えたエポキシ樹脂組成物硬化体により
   半導体素子が封止されてなる半導体装置。 【化１】 【化２】 （Ａ）硬化体中の無機質充填剤の含有容積割合が６０容
   積％以上。 （Ｂ）硬化体のガラス転移温度が１２５℃以下。
2. 【請求項２】 上記の式（１）で示されるビフェニル型
   エポキシ樹脂の含有量が、全エポキシ樹脂の５０重量％
   以上に設定されている請求項１記載の半導体装置。
3. 【請求項３】 上記無機質充填剤の配合量は、エポキシ
   樹脂組成物全体の７２〜９２重量％の範囲に設定されて
   いる請求項１または２記載の半導体装置。
4. 【請求項４】 上記硬化剤とともに、ポリエチレン系ワ
   ックスを用いる請求項３記載の半導体装置。