JP3176502B2 - 半導体装置およびそれに用いる半導体封止用エポキシ樹脂組成物 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、流動性が良好である
と共に、低線膨張係数、低吸湿および強度に優れたエポ
キシ樹脂組成物およびこのエポキシ樹脂組成物にて封止
されたためにＴＣＴテストで評価される各特性および半
田溶融液浸漬時の耐クラック性に優れた半導体装置に関
するものである。

【従来の技術】トランジスター、ＩＣおよびＬＳＩ等の
半導体素子は、従来セラミックパッケージ等によって封
止され、半導体装置化されていたが、最近では、コスト
および量産性の観点から、プラスチックパッケージを用
いた樹脂封止が主流になっている。この種の樹脂封止に
は、従来からエポキシ樹脂組成物硬化体が使用されてお
り良好な成績を収めている。

【０００２】しかしながら、半導体分野の技術革新によ
って集積度の向上と共に素子サイズの大型化、配線の微
細化が進み、パッケージも小型化、薄型化する傾向にあ
り、これに伴って封止樹脂材料に対してより以上の信頼
性（得られる半導体装置の熱応力の低減、耐湿信頼性お
よび耐熱衝撃試験に対する信頼性等）の向上が要求され
ている。

【０００３】特に近年、半導体素子サイズは益々大型化
する傾向にあり、樹脂組成物硬化体の性能評価用の加速
試験である熱サイクル試験（ＴＣＴテスト）性能のさら
なる向上が要求されている。また、半導体パッケージの
実装方法として表面実装が主流となってきており、この
ために半導体パッケージを吸湿させた上で半田溶融液に
浸漬しても樹脂組成物硬化体にクラックやふくれが発生
しないという特性が要求されている。

【０００４】これに関して、従来から、ＴＣＴテストで
評価される各特性の向上のために、シリコーン化合物で
エポキシ樹脂を変性して熱応力を低減させること、ま
た、半田浸漬時の耐クラック性の向上のためにリードフ
レームとの密着性の向上等が検討されてきた。さらにこ
の他、低粘度樹脂使用により充填剤含有量を増やし、低
線膨張係数化、低吸湿化による上記両特性改善の検討が
なされてきたが、その効果はいまだ充分ではない。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記のように、これま
での半導体封止用エポキシ樹脂組成物硬化体は、ＴＣＴ
テストや半田浸漬時の耐クラック性の特性が充分でなか
った。このために上記の技術革新による半導体素子サイ
ズの大型化や表面実装化に対応できるように、上記両特
性を向上させることが強く望まれている。

【０００６】この発明は、このような事情に鑑みなされ
たもので、流動性が良好である共に、低線膨張係数、低
吸湿および高強度に優れたエポキシ樹脂組成物およびこ
のエポキシ樹脂組成物硬化体にて封止されているために
ＴＣＴテストで評価される各特性の向上および半田溶融
液浸漬時の耐クラック性に優れた半導体装置の提供を目
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、本発明は、エポキシ樹脂（Ａ）、下記の一般式〔化
１７〕で表されるノボラック型フェノール樹脂（Ｂ）、
硬化促進剤および無機質充填剤を含むエポキシ樹脂組成
物を用いて半導体素子を封止してなる半導体装置におい
て、上記（Ａ）および（Ｂ）として、（Ａ）の１エポキ
シ当量と（Ｂ）の１水酸基当量のみを溶融混合してなる
系の１５０℃でのＩＣＩ粘度を２．０ポアズ以下に設定
したことを特徴とする構成である。

【化１７】

【化１８】

【化１９】

【化２０】

【化２１】

【化２２】

【化２３】

【０００８】本発明者らは、ＴＣＴテストで評価される
各特性の向上および半田溶融液に浸漬した際の耐クラッ
ク性の向上を実現するために一連の研究を重ねた。その
結果、エポキシ樹脂（Ａ）および硬化剤として（Ｂ）の
一般式〔化１７〕で表されるフェノール樹脂を用い、か
つ（Ａ）および（Ｂ）の溶融混合した系を特定のＩＣＩ
粘度に設定することで、それらを用いて得られる半導体
装置がＴＣＴテストおよび吸水後に半田溶融液に浸漬し
た際の耐クラック性の双方に優れるようになることを見
出し本発明に到達した。

【０００９】次にこの発明を詳細に説明する。

【００１０】上記（Ａ）成分を構成するエポキシ樹脂
は、特に限定するものではなく従来公知のものが用いら
れる。例えば、ビスフェノールＡ型、フェノールノボラ
ック型、クレゾールノボラック型およびナフトールノボ
ラック型エポキシ樹脂の他、以下のものが挙げられ併せ
て用いることができる。なお、以下の化学式においてＧ
lyはグリシジル基を表す。

【００１１】

【化２４】

【化２５】

【化２６】

【化２７】

【化２８】

【化２９】

【化３０】

【化３１】

【化３２】

【化３３】

【化３４】

【化３５】

【化３６】

【化３７】

【００１２】また、この中でも特に好ましいものとし
て、下記の一般式〔化３８〕で表されるビフェニル骨格
含有系、例えば下記の〔化３９〕および〔化４０〕のよ
うなビフェニル骨格含有系が挙げられる。これらの樹脂
は軟化点が４０〜１７０℃、エポキシ当量が１００〜４
００のものを用いるのが好ましい。特に好ましいのは、
軟化点が７０〜１４０℃、エポキシ当量が１５０〜２８
０のものである。

【化３８】

【化３９】

【化４０】

【００１３】ノボラック型フェノール樹脂（Ｂ）成分と
して用いられる本発明の特殊フェノール樹脂は以下の一
般式〔化４１〕で表されるものである。

【化４１】

【００１４】上式〔化４１〕中のＡとしては以下の様な
フェノール誘導体残基〔化４２〕、ナフトール誘導体残
基〔化４３〕およびジヒドロキシナフタレン誘導体残基
〔化４４〕の構造が挙げられる。

【化４２】

【化４３】

【化４４】

【００１５】また、〔化４１〕中のＡ′としては以下の
様なフェノール誘導体残基〔化４５〕、ナフトール誘導
体残基〔化４６〕およびジヒドロキシナフタレン誘導体
残基〔化４７〕の構造が挙げられる。

【化４５】

【化４６】

【化４７】

【００１６】この中でも、特に好ましいのはフェノール
誘導体残基〔化４５〕をもった〔化４１〕のフェノール
樹脂である。また〔化４１〕中のＢとしてはフェニル基
およびナフチル基が挙げられるが、特にフェニル基をも
ったものが好ましい。またｎは０〜５、ｍは１〜５の整
数である。

【００１７】なお、本発明において用いるエポキシ樹脂
組成物において、エポキシ樹脂の１当量とノボラック型
フェノール樹脂の１水酸基当量を溶融混合した系の１５
０℃でのＩＣＩ粘度は、低ければ低い程好ましい傾向が
あるが、一般的な粘度の下限値は０．０５ポアズであ
り、２．０ポアズ以下に設定される。すなわち２．０ポ
アズを越えると無機質充填剤を高充填にした場合の流動
性の低下、あるいは無機質充填剤の高充填が難しくなり
樹脂組成物の吸水率の低減および線膨張係数の低減がし
難くなるからである。また、上記のフェノール樹脂の軟
化点は４０〜１５０℃、水酸基当量は８０〜３００、１
５０℃でのＩＣＩ粘度は０．０１〜１０ポアズのものが
好ましい。特に、好ましいのは軟化点が５０〜１２０
℃、水酸基当量が１４０〜２５０、１５０℃でのＩＣＩ
粘度が２．０ポアズ以下のものである。すなわち１０ポ
アズを越えると、無機質充填剤の高充填が難しくなり、
樹脂組成物の吸水率の低減および線膨張係数の低減がし
難くなるからである。なお、ＩＣＩ粘度はＩＣＩ粘度計
（コーン＆プレート型、角度２°外形２４ｍｍΦ）によ
り、試料０．５０±０．０２ｇで測定した。すでに１５
０℃に設定されたプレート中央に試料を注入し、３０秒
後、粘度測定を行った。またこの新規フェノール樹脂は
硬化剤として単独で用いてもよいし一般のフェノール樹
脂と併せて用いることもできる。

【００１８】その場合には、一般のフェノール樹脂の使
用量を硬化剤全体の５０重量％以下とするのが好まし
く、特に３０重量％以下が好ましい。この一般のフェノ
ール樹脂は特に限定するものではなく、ナフトールノボ
ラック、フェノールノボラック、クレゾールノボラッ
ク、およびビスフェノールＡ等、従来公知のものが用い
られる。

【００１９】また、特に好ましいフェノール樹脂として
以下のものが挙げられ併せて用いることもできる。

【００２０】

【化４８】

【化４９】

【化５０】

【化５１】

【化５２】

【化５３】

【化５４】

【化５５】

【化５６】

【００２１】これらのフェノール樹脂は軟化点が４０〜
１５０℃、水酸基当量が７０〜３００のものを用いるこ
とが好ましい。特に好ましいのは、軟化点が５０〜１２
０℃、水酸基当量が１００〜２４０のものである。

【００２２】上記エポキシ樹脂と特殊なノボラック型フ
ェノール樹脂（一般のフェノール樹脂の併用の場合を含
む。）の配合比は、エポキシ樹脂中のエポキシ基１当量
当たり、フェノール樹脂中の水酸基が０．８〜１．２当
量となるように配合することが望ましい。

【００２３】上記エポキシ樹脂（Ａ）成分、特殊なノボ
ラック型フェノール樹脂（Ｂ）成分と共に用いられる無
機質充填剤は、特に限定するものではなく、一般に用い
られている石英ガラス粉末、タルク、シリカ粉末、アル
ミナ粉末、炭酸カルシウムおよびカーボンブラック粉末
等が挙げられる。特に、シリカ粉末を用いるのが好適で
ある。このような無機質充填剤の含有量は、シリカ粉末
の場合、エポキシ樹脂組成物全体の５０重量％以上に設
定するのが好ましい。より好ましくは５０〜９２重量
％、特に好ましくは下限が８０重量％以上である。すな
わち、シリカ粉末の含有量が５０重量％を下回ると充填
剤を含有した効果が大幅に低下する傾向がみられるから
である。

【００２４】なお、この発明に用いられるエポキシ樹脂
組成物には、上記エポキシ樹脂（Ａ）成分、特殊なノボ
ラック型フェノール樹脂（Ｂ）成分、硬化促進剤および
無機質充填剤以外に、必要に応じて低応力化剤として、
一般にシリコーンゴムやオレフィンゴムが用いられる。
また、硬化促進剤としては従来公知の三級アミン、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等
を単独でもしくは併せて用いることができる。

【００２５】さらに、三酸化アンチモン、リン系化合物
等の難燃剤やカーボンブラックや酸化チタン等の顔料、
パラフィンや脂肪族エステル等の離型剤、シランカップ
リング剤等のカップリング剤を用いることができる。

【００２６】この発明に用いられるエポキシ樹脂組成物
は、通常、粉末状もしくはこれを打錠したタブレット状
になっている。

【００２７】この発明に用いられるエポキシ樹脂組成物
は、例えば次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、フェノール樹脂、硬化促進剤
および無機質充填剤、そして必要に応じて低応力化剤、
難燃剤、顔料、離型剤およびシランカップリング剤を所
定の割合で配合する。ついで、これらの混合物をミキシ
ングロール機等の混練機を用いて加熱状態で溶融混練し
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って目
的とするエポキシ樹脂組成物を得ることができる。

【００２８】このようなエポキシ樹脂組成物を用いて、
半導体素子を封止する方法は、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
によって行うことができる。

【００２９】

【発明の効果】以上のように、この発明の半導体装置
は、上記エポキシ樹脂、特定のノボラック型フェノール
樹脂を含有する流動が良好で、低線膨張係数、低吸湿お
よび高強度に優れた特殊なエポキシ樹脂組成物を用いて
封止されているために、ＴＣＴテストで評価される特性
が向上して長寿命になる。また吸湿後、半田溶融液に浸
漬した場合においても本発明のエポキシ樹脂組成物硬化
体はクラックが発生しにくい。このことより、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ピン以上の、もしくは半導体素子の長辺が４ｍ
ｍ以上の大型の半導体装置において、上記のような高信
頼性が得られるようになり、これが大きな特徴である。

【００３０】

【実施例】つぎに、実施例を比較例と併せて説明する。
エポキシ樹脂組成物の作製に先立って、下記に示すよう
に（Ａ）成分としてエポキシ樹脂Ａ、エポキシ樹脂Ｂ、
エポキシ樹脂Ｃ、エポキシ樹脂Ｄ、エポキシ樹脂Ｅおよ
びエポキシ樹脂Ｆ、（Ｂ）成分としてフェノール樹脂
Ｇ、フェノール樹脂Ｈ、フェノール樹脂Ｉ、フェノール
樹脂Ｊ、フェノール樹脂Ｋ、フェノール樹脂Ｌおよびフ
ェノール樹脂Ｍを準備した。

【００３１】「エポキシ樹脂Ａ」

【化５７】 〔エポキシ当量 １９５ｇ／ｅｑ、軟化点 １０７℃〕
「エポキシ樹脂Ｂ」

【化５８】 〔エポキシ当量 １７６ｇ／ｅｑ、軟化点 １２５℃〕
「エポキシ樹脂Ｃ」

【化５９】 〔エポキシ当量 ２５６ｇ／ｅｑ、軟化点 ６３℃、ｎ
は０又は１の整数〕「エポキシ樹脂Ｄ」

【化６０】 〔エポキシ当量 １８２ｇ／ｅｑ、軟化点 １３８℃〕
「エポキシ樹脂Ｅ」

【化６１】 〔エポキシ当量 ２５９ｇ／ｅｑ、軟化点 ８８℃、ｎ
は１〜４の整数〕「エポキシ樹脂Ｆ」

【化６２】 〔エポキシ当量 １９５ｇ／ｅｑ、軟化点 ８５℃、ｎ
は１〜４の整数〕

【００３２】「フェノール樹脂Ｇ」

【化６３】 〔水酸基当量 １６３ｇ／ｅｑ、軟化点 ７３℃、ｎ＝
１〜２の整数、ｍ＝１〜２の整数（ｎ＋ｍ＝２〜４の整
数）〕「フェノール樹脂Ｈ」

【化６４】 〔水酸基当量 １６８ｇ／ｅｑ、軟化点 １２１℃、ｎ
＝０〜３の整数〕「フェノール樹脂Ｉ」

【化６５】 〔水酸基当量 １６７ｇ／ｅｑ、軟化点 ９１℃、ｎ＝
０〜２の整数〕「フェノール樹脂Ｊ」

【化６６】 〔水酸基当量 １５０ｇ／ｅｑ、軟化点 ８４℃、ｎ＝
０〜２の整数〕「フェノール樹脂Ｋ」

【化６７】 〔水酸基当量 １７３ｇ／ｅｑ、軟化点 ７０℃、ｎ＝
０〜３の整数〕「フェノール樹脂Ｌ」

【化６８】 〔水酸基当量 １５８ｇ／ｅｑ、軟化点 ７６℃、ｎ＝
０〜２の整数〕「フェノール樹脂Ｍ」

【化６９】 〔水酸基当量 １０７ｇ／ｅｑ、軟化点 ８０℃、ｎ＝
０〜４の整数〕

【００３３】実施例１〜１５および比較例１〜３。下記
の〔表１〕および〔表２〕に示す各原料を、同表に示す
割合で配合し、ミキシングロール機（温度１００℃）で
３分間溶融混練を行い、冷却固化後粉砕して目的とする
粉末状エポキシ樹脂組成物を得た。また、同時に〔表
１〕および〔表２〕に示すエポキシ樹脂と硬化剤のみの
樹脂系粘度の測定結果を〔表３〕に示す。各樹脂系の粘
度の測定は次のようにして行った。エポキシ樹脂および
硬化剤を１：１の当量比で、合計１０ｇ卓上粉砕機にて
粉砕する。その内０．５ｇの試料を１５０℃に設定した
プレート中央に注入し、３０秒後、粘度測定を行った。
粘度計は、ＩＣＩ粘度計（コーン＆プレート型、角度２
°、外形２４ｍｍΦ）である。

【表１】

【表２】

【表３】

【００３４】以上の実施例および比較例によって得られ
たエポキシ樹脂組成物を用い、半導体素子をトランスフ
ァー成形（条件：１７５℃×２分、圧力６０Ｋｇｆ／ｃ
ｍ²、１７５℃×５時間後硬化）することにより半導体
装置を得た。このパッケージは８０ピン四方向フラット
パッケージ（８０ピンＱＦＰ、サイズ：２０×１４×２
ｍｍ）であり、ダイパッドサイズは８×８ｍｍである。

【００３５】このようにして得られた半導体装置につい
て、−５０℃／５分〜１５０℃／５分のＴＣＴテストを
行った。また、８５℃／８５％ＲＨの相対湿度の恒温槽
中に放置して吸湿させた後に、２６０℃の半田溶融液に
１０秒間浸漬する試験を行った。この結果を下記の〔表
４〕および〔表５〕に示した。

【表４】

【表５】

【００３６】〔表４〕および〔表５〕の結果から、実施
例品のＴＣＴテストおよび半田溶融液への浸漬時の耐ク
ラック性が比較例の従来品に較べて著しく優れているこ
とが明らかである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 河本 紀雄 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 平５−267371（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−275323（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−218240（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−5053（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 23/29 C08G 59/00 - 59/72 C08L 63/00

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 エポキシ樹脂（Ａ）、下記の一般式〔化
   １〕で表されるノボラック型フェノール樹脂（Ｂ）、硬
   化促進剤および無機質充填剤を含む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におい
   て、上記（Ａ）および（Ｂ）として、（Ａ）の１エポキ
   シ当量と（Ｂ）の１水酸基当量のみを溶融混合してなる
   系の１５０℃でのＩＣＩ粘度を２．０ポアズ以下に設定
   したことを特徴とする半導体装置。 【化１】 【化２】 【化３】 【化４】 【化５】 【化６】 【化７】
2. 【請求項２】 エポキシ樹脂が下記の一般式〔化８〕で
   表される請求項１記載の半導体装置。 【化８】
3. 【請求項３】 無機質充填剤がエポキシ樹脂組成物全体
   の５０〜９２重量％含有してなる請求項２記載の半導体
   装置。
4. 【請求項４】 半導体素子の大きさが長辺４ｍｍ以上の
   大型のものである請求項１〜３のいずれか一項に記載の
   半導体装置。
5. 【請求項５】 エポキシ樹脂（Ａ）、ノボラック型フェ
   ノール樹脂〔化９〕、硬化促進剤および無機質充填剤を
   含む半導体封止用エポキシ樹脂組成物であって、上記
   （Ａ）および〔化９〕として、（Ａ）の１エポキシ当量
   と〔化９〕の１水酸基当量のみを溶融混合してなる系の
   １５０℃でのＩＣＩ粘度を２．０ポアズ以下に設定した
   ことを特徴とする半導体封止用エポキシ樹脂組成物。 【化９】 【化１０】 【化１１】 【化１２】 【化１３】 【化１４】 【化１５】
6. 【請求項６】 エポキシ樹脂が下記の一般式〔化１６〕
   で表される請求項５記載の半導体封止用エポキシ樹脂組
   成物。 【化１６】
7. 【請求項７】 無機質充填剤がエポキシ樹脂組成物全体
   の５０〜９２重量％含有してなる請求項６記載の半導体
   封止用エポキシ樹脂組成物。