JP3175979B2 - 樹脂封止型半導体装置 - Google Patents

樹脂封止型半導体装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、エポキシ樹脂組成物に
よって半導体素子が封止されてなる樹脂封止型半導体装
置に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、ＡＳＩＣ（Application Specific
IC ）に代表されるように、半導体デバイスの高密度
化、動作の高速化等が進み、これらデバイスにおける消
費電力は増加の傾向にある。これに伴って、半導体装置
のパッケージには優れた熱放散性が要求されている。
【０００３】パッケージとして封止樹脂を用いた半導体
装置、即ち、樹脂封止型半導体装置では、上述した要求
を満たすために封止樹脂の熱伝導率を高めることが望ま
れている。従来より、この封止樹脂として、エポキシ樹
脂を、溶融シリカ粉末等の無機質充填剤、その他硬化剤
等と組合わせた熱硬化性樹脂組成物が用いられている
が、エポキシ樹脂の熱伝導率は約０．１〜０．３ W/m・
K と低いため、当該組成物の熱伝導性は無機質充填剤に
よって調節される。しかしながら、上記溶融シリカ粉末
の熱伝導率は０．７ W/m・K 程度であるため、これを配
合したエポキシ樹脂組成物には充分な熱伝導性が付与さ
れ得ない。
【０００４】これに対し、エポキシ樹脂組成物に、高熱
伝導性の無機質充填剤として、酸化ベリリウム、窒化ア
ルミニウム、酸化マグネシウム、窒化ホウ素、窒化ケイ
素等を配合し、優れた熱伝導性を付与することが試みら
れている。しかしながら、これら高熱伝導性の無機質充
填剤の粒子はシリカ粒子に比べて硬いものが多いため、
封止樹脂のモールド成形時に使用される金型の磨耗が激
しくなる。また、上記のような無機質充填剤の粒子が配
合された樹脂組成物は、一般的に流動性が悪く、成形時
の作業性が劣っていた。
【０００５】このように、エポキシ樹脂組成物を封止樹
脂として用いた樹脂封止型半導体装置において、パッケ
ージの熱放散性の向上が以前より要望されていたが、成
形性やその他の諸特性を損なうことはなく熱放散性を高
めることは困難であり、未だ実現には至っていない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】本発明は上記問題点に
鑑みてなされたもので、その課題とするところは、流動
性が良好で成形性に優れ、硬化時において高い熱伝導性
を示し、その他機械的強度等の封止樹脂として必要な特
性をバランスよく備えたエポキシ樹脂組成物によって、
半導体素子が封止されてなる樹脂封止型半導体装置を提
供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段及び作用】本発明の樹脂封
止型半導体装置は、エポキシ樹脂組成物によって半導体
素子が封止されてなる樹脂封止型半導体装置であって、
該樹脂組成物が、 （ａ）エポキシ樹脂、 （ｂ）硬化剤、 （ｃ）硬化促進剤、 （ｄ）平均粒径が５〜４０μm であり、外周面が連続面
のみで形成されている無機粉末、および （ｅ）平均粒径が前記成分（ｄ）の平均粒径より小さく
０．１〜１０μm であり、熱伝導率が４．０ W/m・K 以
上である無機粉末、を必須成分として含有し、且つ前記
成分（ｄ）と成分（ｅ）の総配合量中成分（ｄ）の配合
量が１０〜５０体積％であるように併用されることを特
徴とする。以下、本発明の樹脂封止型半導体装置におい
て、封止樹脂として使用されるエポキシ樹脂組成物につ
いて詳細に説明する。
【０００８】前記エポキシ樹脂組成物においてマトリッ
クスに相当するエポキシ樹脂（ａ）としては、好ましく
は、１分子中に２個以上のエポキシ基を有するものが挙
げられる。その具体例としては、ビスフェノールＡ型エ
ポキシ樹脂、ノボラック型エポキシ樹脂、脂環式エポキ
シ樹脂、トリまたはテトラ（ヒドロキシフェニル）アル
カンから誘導されるエポキシ化合物、ビスヒドロキシビ
フェニル系エポキシ樹脂等が挙げられる。これらエポキ
シ樹脂は、単独でまたは２種以上混合して使用され得
る。
【０００９】前記エポキシ樹脂組成物に含有される硬化
剤（ｂ）としては、フェノール樹脂等を用いることがで
きる。具体的には、フェノールノボラック樹脂、クレゾ
ールノボラック樹脂、t-ブチルフェノールノボラック樹
脂、ノニルフェノールノボラック樹脂、フェノールアラ
ルキル樹脂、ジシクロペンタジエンフェノールノボラッ
ク樹脂、トリス（ヒドロキシフェニル）アルカンのよう
な多官能フェノール樹脂等が挙げられる。これらフェノ
ール樹脂は、単独でまたは２種以上混合して用いられ
る。
【００１０】前記エポキシ樹脂組成物におけるエポキシ
樹脂（ａ）および硬化剤（ｂ）としてのフェノール樹脂
の配合量は、好ましくは、フェノール性水酸基とエポキ
シ基との当量比（ＯＨ当量／エポキシ当量）が約０．５
〜１．５の範囲となるように設定され得る。この範囲以
外では、樹脂組成物の硬化特性が低下し、硬化時の耐湿
性が不充分になる恐れがある。
【００１１】前記エポキシ樹脂組成物に含有される硬化
促進剤（ｃ）としては、熱硬化性樹脂に対して一般的に
使用され得るものであれば特に限定されないが、例え
ば、塩基性触媒が使用され得る。その具体例としては、
トリメチルホスフィン、トリエチルホスフィン、トリブ
チルホスフィン、トリフェニルホスフィン、トリ（p-メ
チルフェニル）ホスフィン、トリ（ノニルフェニル）ホ
スフィン、メチルジフェニルホスフィン、ジブチルフェ
ニルホスフィン、トリシクロヘキシルホスフィン、1,2-
ビス（ジフェニルホスフィン）エタン、ビス（ジフェニ
ルホスフィン）メタン等の有機ホスフィン化合物、2-メ
チルイミダゾール、2,4-ジメチルイミダゾール、2-エチ
ル -4-メチルイミダゾール、2-フェニルイミダゾール、
2-フェニル-4-メチルイミダゾール、2-ヘプタデシルイ
ミダゾール等のイミダゾール化合物およびその誘導体、
ＤＢＵ（1,8-ジアザビシクロ（5,4,0)ウンデセン-7）ま
たはそのフェノール塩等が挙げられる。これら硬化触媒
は、単独でまたは必要に応じ２種以上混合して使用され
得る。
【００１２】前記エポキシ樹脂組成物において、硬化触
媒（ｃ）の配合量は、その種類に因って適宜設定され得
るが、好ましくは、エポキシ樹脂（ａ）および硬化剤
（ｂ）の総量に対して約０．０１〜１０重量％である。
この配合量が０．０１重量％未満であれば、樹脂組成物
の硬化特性が低下し、一方、１０重量％を超えると、硬
化時の耐湿性が不充分になる恐れがある。
【００１３】前記エポキシ樹脂組成物において、無機質
充填剤に相当する無機粉末（ｄ）は、封止樹脂に対して
通常適用可能な無機化合物の粉末であって、平均粒径が
５〜４０μm であり、且つ外周面が連続面のみで形成さ
れているものであれば特に限定されない。
【００１４】この無機粉末（ｄ）の平均粒径が５μm 未
満では、樹脂組成物の流動性が低下し、一方、４０μm
を超えると、逆に、樹脂組成物の流動性が過度に大きく
なり、成形時のゲート詰まり等が生じる。
【００１５】また、無機粉末（ｄ）において、“外周面
が連続面のみで形成されている”とは、その表面におい
て、エッジ、突起等が存在しないことを意味する。この
ような粉末の具体例としては、粉砕された無機化合物の
粉末を溶融して得られる球状の粉末、粉砕プロセスを制
御することによってカットエッジを減少させた無機化合
物の粉末、破砕状の無機化合物の粉末の表面に同種また
は異種の無機化合物の結晶を成長させてを外周面を連続
面とした粉末等が挙げられる。
【００１６】このような無機粉末（ｄ）の素材となる無
機化合物としては、例えば、溶融シリカ、結晶性シリ
カ、アルミナ、マグネシア、窒化ケイ素、窒化アルミニ
ウム、窒化ホウ素等が挙げられる。これら無機粉末は、
単独でまたは２種以上混合して使用され得る。
【００１７】前記エポキシ樹脂組成物において、無機質
充填剤として上記無機粉末（ｄ）と併用される無機粉末
（ｅ）は、常温（２５℃）での熱伝導率が約４．０ W/m
・K以上を示す高熱伝導性の無機化合物の粉末であっ
て、その平均粒径が０．１〜１０μm であり且つ成分
（ｄ）の平均粒径より小さい無機粉末である。
【００１８】この無機粉末（ｅ）の平均粒径が０．１μ
m 未満では、樹脂組成物の流動性が低下し、一方、１０
μm を超えると、成形時の金型の磨耗が加速される上、
樹脂組成物の硬化時における機械的強度も不充分とな
る。
【００１９】また、無機粉末（ｅ）の平均粒径が０．１
〜１０μm であっても、無機粉末（ｄ）の平均粒径以上
となる場合は、樹脂組成物において充分な機械的強度は
得られない。
【００２０】このような無機粉末（ｅ）の素材となり得
る無機化合物としては、例えば、結晶性シリカ、アルミ
ナ、マグネシア、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、窒化
ホウ素等が挙げられる。これらのうち、特に窒化物の粉
末は、組成物に高熱伝導性を付与する点で好ましい。こ
れら無機粉末は、単独でまたは２種以上混合して使用さ
れ得る。
【００２１】前記エポキシ樹脂組成物では、上述したよ
うな無機粉末は、組成物の流動性、熱放散性、機械的強
度等の特性のバランスを向上させる目的で、無機粉末
（ｄ）と（ｅ）の総配合量中、無機粉末（ｄ）の配合量
が、１０〜５０体積％となるように配合させる必要があ
る。
【００２２】この理由は、無機粉末（ｄ）の配合量が上
記範囲外、特に上記範囲未満であると、樹脂組成物の流
動性が低下するからである。また、無機粉末（ｄ）の配
合量が５０体積％を超える場合、樹脂組成物の硬化時に
おける熱伝導率及び機械的強度も損なわれる。
【００２３】前記エポキシ樹脂組成物において、無機質
充填剤である無機粉末（ｄ）および（ｅ）の総配合量
は、好ましくは、樹脂組成物全体の約４０〜８０体積％
の範囲に設定される。無機粉末の配合量が４０体積％未
満であれば、樹脂組成物の硬化時における熱伝導性が不
充分となり、また、機械的強度が損われる恐れがある
上、更に硬化物の熱膨張係数が大きくなるため、この組
成物を使用した樹脂封止型半導体装置は、冷熱サイクル
の如き条件下において損傷を受け易くなる。逆に、無機
粉末の配合量が８０体積％を超えると、樹脂組成物の流
動性が低下する傾向にある。
【００２４】前記エポキシ樹脂組成物には、上述したよ
うな成分に加え、必要に応じて、エポキシシラン等の界
面処理剤、ワックス類等の離型剤、リン化合物、臭素や
塩素を含有する化合物等の難燃剤、シリコーン化合物、
有機ゴム等の低応力付与剤等の添加剤を配合してもよ
い。
【００２５】本発明において、前記エポキシ樹脂組成物
は、成分（ａ）〜（ｅ）および他の添加剤を、加熱ロー
ル、ニーダー、押出機等を用いて溶融混練することによ
って、または微粉砕可能な特殊混合機を用いて混合する
ことによって、更にこれら方法の適切な組合せによって
容易に調製することができる。
【００２６】本発明の樹脂封止型半導体装置は、常法に
従って、上述したようなエポキシ樹脂組成物で半導体素
子を封止することにより、容易に製造することができ
る。樹脂封止の最も一般的な方法は、低圧トランスファ
ー成形であるが、インジェクション成形、圧縮成形、注
型等による樹脂封止も可能である。尚、本発明では、封
止される半導体素子、パッケージのタイプは特に限定さ
れない。
【００２７】以上のように、本発明の樹脂封止型半導体
装置では、封止樹脂中の無機質充填剤として、特定の形
状、平均粒径、熱伝導率等の特性を有する無機粉末
（ｄ）および（ｅ）が併用されている。従って、当該封
止樹脂においては、高熱伝導性の無機質充填剤である無
機粉末（ｅ）によって熱放散性が高められ、更には、機
械的強度、弾性率等の特性が好適なレベルにまで向上さ
れている。また、無機粉末（ｅ）は硬度が高いにもかか
わらず小径化されているため、樹脂組成物の成形時に使
用される金型の磨耗も低減される。一方、無機粉末
（ｄ）は、その表面が連続面のみで形成されているた
め、少量配合することによって樹脂組成物の諸特性を損
なうことなく、流動性を向上させ、しかも、成形時に使
用される金型の磨耗を抑えて、その作業性が改善され
る。
【００２８】
【実施例】以下、本発明を実施例によって更に詳細に説
明する。尚、これら実施例は本発明の理解を容易にする
目的で記載されるものであり、本発明を限定するもので
はない。 エポキシ樹脂組成物の調製
【００２９】下記の方法に従って、下記表１に示す組成
のエポキシ樹脂組成物を調製した。まずヘンシェルミキ
サー内で、シランカップリング剤によって無機質充填剤
を処理し、これに他の成分を加えて６０〜１１０℃の加
熱ロールによって溶融混練した。次に、この混合物を冷
却および粉砕した後、エポキシ樹脂組成物Ｅ１〜７，Ｃ
１〜６を得た。これらエポキシ樹脂組成物のうち、Ｅ１
〜７は本発明の実施例に、またＣ１〜６は比較例に夫々
相当する。尚、表１に示す組成物の各成分には、下記化
合物が使用された。 ・エポキシ樹脂：オルトクレゾールノボラック型エポキ
シ樹脂（エポキシ当量１９７：ＥＳＣＮ−１９５Ｘ，住
友化学工業社製） ・臭素化エポキシ樹脂：ビスフェノールＡ型臭素化エポ
キシ樹脂（エポキシ当量４６０：ＡＥＲ−７５５，旭化
成社製） ・硬化剤：フェノールノボラック樹脂（水酸基当量１０
４：ＢＲＧ−５５７，昭和高分子社製） ・硬化促進剤：トリフェニルホスフィン（ＰＰ−３６
０，ケイアイ化成社製） ・離型剤：カルナバワックス（カルナバ１号，荒川林産
社製） ・難燃助剤：三酸化アンチモン（三国精練社製） ・顔料：カーボンブラック（ＣＢ＃３０，三菱油化社
製） ・シランカップリング剤：γ−グリシドキシプロピルト
リメトキシシラン（Ａ−１８７，日本ユニカー社製） ・無機質充填剤（ｆ１）：アルミナ粒子（エッジなし、
平均粒径２０μm ，熱伝導率３０ W/m・K ，比重３．９
８） 同（ｆ２）：窒化ケイ素粒子（破砕状、平均粒径３μm
，熱伝導率２０ W/m・K ，比重３．１７） 同（ｆ３）：窒化ホウ素粒子（六角板状、平均粒径０．
８μm ，熱伝導率４０ W/m・K ，比重２．２７） 同（ｆ４）：窒化アルミニウム粒子（破砕状、表面耐水
処理品、平均粒子１．４μm ，熱伝導率４０ W/m・K ，
比重２．２７） 同（ｆ５）：溶融シリカ粒子（球状、平均粒径２０μm
，熱伝導率０．８ W/m・K ，比重２．２０） 同（ｆ６）：窒化アルミニウム粒子（エッジなし、表面
耐水処理品、平均粒子３５μm 、熱伝導率４０ W/m・K
，比重２．２７） 同（ｆ７）：アルミナ粒子（破砕状、平均粒子２０μm
，熱伝導率３０ W/m・K ，比重３．９８）
【００３０】上記充填剤のうち、（ｆ１）、（ｆ５）お
よび（ｆ６）は、無機粉末（ｄ）に、（ｆ２）、（ｆ
３）および（ｆ４）は、無機粉末（ｅ）に相当し、（ｆ
７）は、いずれにも相当しない。
【００３１】
【表１】 エポキシ樹脂組成物の特性評価 上記の如く調製されたエポキシ樹脂組成物について、ま
ず夫々下記（１）および（２）の特性を評価した。 （１）流動性評価 高化式フローテスターを用いて、１７５℃における各エ
ポキシ樹脂組成物の溶融粘度を測定した。 （２）硬化時の特性評価
【００３２】各エポキシ樹脂組成物を用いて、低圧トラ
ンスファー成形機により、成形温度１８５℃、３分間の
条件で成形を行い、２００℃で８時間アフターキュアし
て試験片を得た。各試験片について、熱膨張係数、曲げ
弾性率（２５℃）、曲げ強度（２５℃）、熱伝導率（２
５℃）を測定した。
【００３３】また、各エポキシ樹脂組成物の成形を、キ
ャビティ内にアルミニウム製の突起が設けられた金型で
連続ショット行い、成形後の金型に生じた磨耗を目視で
評価した。以上の評価結果を表２に示す。
【００３４】
【表２】
【００３５】表２の結果より明らかなように、エポキシ
樹脂組成物Ｅ１〜５は、組成物Ｃ１〜６に比べて溶融時
の流動性、硬化時の熱膨張係数、熱伝導率、機械的強度
等の特性のバランスに優れ、成形時の金型の磨耗の発生
も低減されている。次に、上記の如く調製されたエポキ
シ樹脂組成物を用いて樹脂封止型半導体装置を製造し、
夫々（３）〜（５）の特性を評価した。 （３）熱放散性評価
【００３６】各エポキシ樹脂組成物によって発熱量１Ｗ
の試験用半導体素子を封止し、樹脂封止型半導体装置を
製造した。これを動作させて、素子上面の定常温度を測
定した。 （４）耐熱衝撃性評価
【００３７】各エポキシ樹脂組成物によって試験用素子
（６mm×６mm）を封止して、樹脂封止型半導体装置を製
造した。これに対して、冷熱サイクル試験（ＴＣＴ試
験）を行った。即ち、樹脂封止型半導体装置に−６５℃
（３０分）→室温（５分）→１５０℃（３０分）の冷熱
サイクルを繰り返して施し、デバイスの動作特性チェッ
クを行って不良発生率を調べた。 （５）耐湿信頼性評価
【００３８】各エポキシ樹脂組成物によって試験用素子
を封止して、樹脂封止型半導体装置を製造した。これに
対して、プレッシャークッカー試験（ＰＣＴ試験）を行
った。即ち、樹脂封止型半導体装置を１２７℃の飽和水
蒸気雰囲気中に放置して、不良（リーク不良、オープン
不良）発生率を調べた。以上の評価結果を表３に示す。
【００３９】
【表３】
【００４０】表３の結果より明らかなように、エポキシ
樹脂組成物Ｅ１〜７を用いて製造された実施例の樹脂封
止型半導体装置は、比較例に比べて、熱放散性が良好
で、しかもＴＣＴ試験、ＰＣＴ試験による不良の発生が
ほとんど無く、優れた耐熱衝撃性、耐湿性信頼性が付与
されている。尚、これら樹脂封止型半導体装置の優れた
性能は、評価（１）および（２）で示されたようなエポ
キシ樹脂組成物の特性に起因して得られたものと示唆さ
れる。
【００４１】
【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
溶融時において流動性が良好で、成形時の金型の磨耗発
生も少なく、硬化時においては優れた熱伝導性を示し、
更に、機械的強度等の封止樹脂として必要な特性をバラ
ンスよく備えたエポキシ樹脂組成物によって半導体素子
が封止されてなる、耐熱衝撃性、耐湿信頼性に優れた樹
脂封止型半導体装置を提供することができる。従って、
本発明の樹脂封止型半導体装置は、電子機器の高密度
化、動作の高速化等に対応できるもので、その工業的価
値は極めて大きい。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平４−18445（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−239321（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−96963（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−160254（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−192446（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−109753（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−239190（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 23/29 C08K 3/00 - 3/40

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 エポキシ樹脂組成物によって半導体素子
    が封止されてなる樹脂封止型半導体装置であって、 該樹脂組成物が、 （ａ）エポキシ樹脂、 （ｂ）硬化剤、 （ｃ）硬化促進剤、 （ｄ）平均粒径が５〜４０μm であり、外周面が連続面
    のみで形成されている無機粉末、および （ｅ）平均粒径が前記成分（ｄ）の平均粒径より小さく
    ０．１〜１０μm であり、熱伝導率が４．０ W/m・K 以
    上である無機粉末、 を必須成分として含有し、且つ前記成分（ｄ）と成分
    （ｅ）の総配合量中成分（ｄ）の配合量が１０〜５０体
    積％であるように併用されることを特徴とする樹脂封止
    型半導体装置。
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