JP3206449B2

JP3206449B2 - 樹脂封止型半導体装置

Info

Publication number: JP3206449B2
Application number: JP24973196A
Authority: JP
Inventors: 博義小角; 州志江口; 利昭石井; 理恵服部; 雅彦荻野
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1996-09-20
Filing date: 1996-09-20
Publication date: 2001-09-10
Anticipated expiration: 2016-09-20
Also published as: JPH1098136A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、封止材が吸湿して
いても優れた硬化性と成形時の金型離型性を有し、更に
は耐リフロー性に優れたエポキシ樹脂組成物で封止され
た樹脂封止型半導体装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】トランジスター，ＩＣ，ＬＳＩ等の半導
体パッケージには量産性に優れた樹脂封止方式が多用さ
れている。封止材料は成形性，電気特性，耐熱性等に優
れたＯ−クレゾールノボラック型エポキシ樹脂と硬化剤
としてフェノール系樹脂を用い、これらに硬化促進剤や
充填剤及び各種添加剤等を配合したエポキシ樹脂組成物
が広く用いられている。

【０００３】最近の各種エレクトロニクス機器は小型，
軽量化及び高性能化の需要が多い。しかも、パッケージ
形状は高密度実装に適した表面実装型半導体装置が主流
になってきた。それに伴い封止樹脂層の厚さは著しく薄
肉化している。特に、TSOP(Thin Small Outline Packag
e)，ＴＱＦＪ(Thin Quad Outline J-lead Package)，Ｔ
ＱＦＰ（Thin Quad Flat Package）と言った半導体装置
の中で、厚さが１mm前後の薄型表面実装型パッケージの
需要が増大している。しかし、パッケージの封止材層は
薄くなっても各種信頼性を維持する必要があり、封止材
にとっては一層の高性能化が要求される。

【０００４】一方、封止材層が薄くなるに伴いパッケー
ジの破壊強度の絶対値が低下し、小さな力でも容易に破
損するようになる。パッケージ破損は成形の際の金型離
型時に最も発生するため、封止材の硬化性及び金型離型
性の向上が重要になる。また、表面実装型パッケージの
はんだ付けは赤外線やベーパーリフロー方式が主流とな
っているが、その際、パッケージは２４０℃位の高温に
曝される。そのため、パッケージが吸湿していると吸湿
水分が急激に気化して体積膨張するため、その蒸気圧に
よって封止材とチップ界面に剥離が生じたり、あるいは
封止材にクラックが発生して水が容易に侵入するように
なり、実装後の信頼性が低下する。パッケージへの水の
侵入経路には次の２つがある。（１）封止樹脂層からの
拡散侵入、（２）リードフレームと封止材との界面から
の侵入である。表面実装型パッケージに要求される耐は
んだリフロー性を向上させるには、こうした侵入水分の
低減が極めて重要である。

【０００５】上記課題を解決するために、これまで種々
の方法が提案されており、特に、封止材料の低吸湿化並
びに高接着化が有効であった。例えば、特開平3−20771
4 号公報や特開平4−48759号公報に開示されているよう
に、ビフェニル骨格を有するエポキシ樹脂とフェノール
アラルキル樹脂硬化剤からなるエポキシ樹脂組成物でパ
ッケージを構成したり、また、特開平4−199856 号公
報，特開平4−199857 号公報に開示されているように、
ナフタレン骨格を有する低吸湿性エポキシ樹脂組成物で
パッケージを構成することによって、耐はんだリフロー
性を改善することが可能になった。

【０００６】一方、封止材の貯蔵安定性と耐はんだリフ
ロー性の両特性を改良する考案として、特開平7−22867
2 号公報に開示されているように、有機リン化合物（電
子供与性置換基として特にアルコキシ基を用いると好
適）にキノン類を付加反応させた硬化促進剤を用いるこ
とにより可能になった。しかしながら、ビフェニル型エ
ポキシ樹脂系封止材の大きな課題である吸湿によって起
こる硬化阻害は改善できず、この問題は今だに解決され
ていない。従って、ビフェニル型エポキシ樹脂系封止材
は保管中あるいは使用中の環境管理に大変な配慮が必要
であり、樹脂封止型半導体装置の生産性を損なってい
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前記従来技術
は貯蔵安定性及び耐はんだリフロー性の改善にはかなり
の効果があるものの、封止材料が吸湿していると成形硬
化性が低下する問題はいまだ解決されていない。成形硬
化性が低下すると成形時の金型離型性が悪くなるためパ
ッケージは著しく損傷を受けやすくなり、しかも、成形
品内部にボイドが発生しやすくなるという欠点が生じ
る。そのため、品質の安定した成形品を得ることが難し
くなり、パッケージの量産化が著しく低下する。

【０００８】本発明の目的は、こうした状況に鑑み、封
止材の成形硬化性が湿度に依存されず、成形時の金型離
型性が優れ、しかも内部ボイド発生の少ないエポキシ樹
脂組成物で封止した品質の安定した樹脂封止型半導体装
置を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明者らは前記特性に
影響を及ぼすと考えられるエポキシ樹脂，硬化剤，硬化
促進剤，充填剤，滑剤等の各素材，各添加剤，混練条件
及び成形条件等について鋭意検討した。その結果、前記
課題は特定の硬化促進剤を用いることにより改善できる
ことを見いだし、本発明に至った。本発明の要旨は次の
通りである。

【００１０】少なくともエポキシ樹脂と硬化剤と硬化促
進剤と充填剤を含むエポキシ樹脂組成物によって封止さ
れた樹脂封止型半導体装置において、前記硬化促進剤は
一般式（１）

【００１１】

【化３】

【００１２】（式中、Ｒ_mにおいてＲはＣ₁〜Ｃ₄のアル
キル基、ｍは１〜３の整数、ＸはＰ−ベンゾキノンを示
す）で表される有機リン系化合物を含有したことを特徴
とする樹脂封止型半導体装置である。

【００１３】本発明において、前記一般式（１）で表さ
れる硬化促進剤としては、ｐ−ベンゾキノンと付加反応
する有機リン化合物、具体的にはトリス（メチルフェニ
ル）ホスフィン，トリス（エチルフェニル）ホスフィ
ン，トリス(プロピルフェニル)ホスフィン，トリス（ブ
チルフェニル）ホスフィン，トリス（２，４−ジメチル
フェニル）ホスフィン，トリス（２，６−ジメチルフェ
ニル）ホスフィン等がある。これら硬化促進剤の内で特
に好適なのは前記一般式（２）

【００１４】

【化４】

【００１５】で表されるトリス（メチルフェニル）ホス
フィン・Ｐ−ベンゾキノンである。これら硬化促進剤は
必要に応じて２種類以上併用することができ、その配合
量はエポキシ樹脂１００部に対して０.００１〜０.５モ
ル、好ましくは０.００５〜0.1モルの範囲が好適であ
る。また、必要に応じて公知の他の硬化促進剤と併用す
ることができる。しかも、必要に応じて予め１００℃以
上で前記エポキシ樹脂あるいは前記硬化剤と加熱，溶融
させてから用いることができる。

【００１６】本発明において、エポキシ樹脂としては公
知の物を用いることができるが、低吸湿性で高接着性で
あるビフェニル型エポキシ樹脂が望ましい。それらの内
でも一般式（３）

【００１７】

【化５】

【００１８】で表されるビフェニル型エポキシ樹脂は封
止材料に適用した場合の封止材の溶融粘度及び硬化物物
性等のバランスが良く、特に好適である。

【００１９】本発明におけるフェノール系硬化剤はエポ
キシ樹脂と反応する２個以上の官能基を有しており、特
に限定されるものではないが、特に好適なのは一般式
（４）

【００２０】

【化６】

【００２１】で表されるキシリレン系樹脂がある。前記
硬化剤はエポキシ樹脂１当量に対して０.５〜１.５当量
配合することができ、好ましくは０.８〜１.２当量配合
するのが望ましい。０.５当量未満ではエポキシ樹脂の
硬化が不十分となり、硬化物の耐熱性，耐湿性，体積固
有抵抗及び誘電正接等の電気特性が劣る。また、１.５
当量を越えると硬化剤成分が過剰になり、硬化樹脂中に
多量のフェノール性水酸基が残るため、耐湿性並びに電
気特性が悪くなる。上記硬化剤は本発明の目的を損なわ
ない範囲において、他の公知の硬化剤と併用することが
できる。

【００２２】本発明に使用される無機充填剤は溶融シリ
カ，結晶シリカ，アルミナ，炭酸カルシウム，含結晶水
の水酸化アルミニウム，含結晶水の水酸化マグネシウ
ム，含結晶水の硼酸亜鉛，タルク，クレー，マイカ等の
粉末を用いることができる。無機充填剤の配合量は樹脂
成分全体に対して、５０〜９０容量％が望ましい。これ
ら無機充填剤は硬化物の熱膨張率，熱伝導率，弾性率等
の改良を目的に添加するものである。配合量が５０容量
％未満ではこれらの特性を十分に改良できず、９０容量
％を越えると樹脂組成物の粘度が著しく上昇し流動性が
低下して成形が困難になる。また、無機充填剤の平均粒
径は０.１〜１００μｍの範囲が望ましい。０.１μｍ
未満では封止材の粘度上昇が著しく上昇し流動性が低下
して成形が困難になる。１００μｍを越えると樹脂成分
と充填剤成分とが分離しやすくなり、硬化物物性が不均
一になったりあるいは狭い隙間への充填性が低下する。
また、充填剤形状では角形より球形のものが流動性や最
密充填性等の点で好適である。また、上述した無機充填
剤の水和物は加熱すればある温度で脱水されるので、そ
れによって封止材に難燃性が付与される。

【００２３】本発明では、必要に応じて封止材成形時の
金型離型性を向上させる目的で、必要に応じて公知の滑
剤例えばカルナバワックス，モンタン酸ワックス，オレ
フィン系ワックス，ポリアルキレン系ワックス等を用い
ることができる。

【００２４】本発明では、必要に応じて硬化物の強靱化
や低弾性率化のために可とう化剤を用いることができ
る。可とう化剤はエポキシ樹脂及び硬化剤と非相溶性あ
るいは一部相溶性のものがガラス転移温度を余り下げず
に硬化物の低弾性率化が図れることから、ブタジエン・
アクリルニトリル系共重合体やそれらの末端または側鎖
にアミノ基，エポキシ基，カルボキシル基を有する変成
共重合体やシリコーン系のなどが用いられる。耐湿性や
純度の点からシリコーン系可とう化剤が特に好適であ
る。可とう化剤の配合量は全樹脂組成物に対して１〜２
０重量部が好ましい。配合量が１重量部未満では硬化物
の強靱性や低弾性率化には殆ど効果がない。また、２０
重量部を超えると樹脂組成物の流動性や高温の機械的強
度が著しく低下したり、樹脂硬化物表面に可とう化剤が
浮き出て成型金型を汚すので好ましくない。また、上述
した各種添加剤の他に樹脂成分と充填剤との接着性を高
めるためのカップリング剤として各種シラン系化合物，
チタン系化合物，アルミニウムキレート類，アルミニウ
ム／ジルコニウム系化合物等の公知の添加剤を用いるこ
とができる。

【００２５】本発明の樹脂封止型半導体装置が優れた成
形硬化性と耐はんだリフロー性を示すのは、以下の理由
によると考えられる。一般式（１）で示される硬化促進
剤を用いたエポキシ樹脂組成物が優れた成形硬化性を示
すのは、本発明の硬化促進剤の反応は高湿下においても
極めて安定しており、しかも高温での反応硬化性が優れ
ていることから、均質で安定した成形品が得られるため
である。従って、成形−硬化後の成形品硬度が高くなる
ことから金型離型時に損傷を受けることなく、均質で安
定した半導体装置が得られるためである。その理由は成
形時の反応性が均質で高いため成形品内部のボイド発生
が極めて少なく成形品が安定しているため、半導体装置
は優れた耐はんだリフロー性を有するものと考えられ
る。

【００２６】一方、ビフェニル型エポキシ樹脂が特に優
れた耐はんだリフロー性を示すのはビフェニル型エポキ
シ樹脂が低吸湿性，高接着性であることが大きな要因で
ある。従って、成形品である半導体パッケージの吸湿水
分の絶対量が少なくなるため、リフロー時に発生する気
化水分による体積膨脹が小さくなるためと考えられる。
更に、ビフェニル型エポキシは高接着性であるからパッ
ケージを構成している金属フレームと樹脂との接着力が
高くなり、両者の隙間から侵入する水分量も大幅に減少
するためである。従って、得られた成形品には上述した
ようにボイドの発生が少なく、均質で無損傷な樹脂封止
型半導体装置が得られる。このような半導体装置は実装
評価においても当然高い信頼性が得られる。

【００２７】上述したエポキシ樹脂とフェノール系硬化
剤及び一般式（１）で示した硬化促進剤を必須成分とす
るエポキシ樹脂組成物で封止した樹脂封止型半導体装置
が優れた生産性及び信頼性を有するのは、全く予想でき
なかった。

【００２８】

【発明の実施の形態】以下に、本発明を実施例に示して
更に具体的に説明する。

【００２９】（実施例１〜６及び比較例１〜６）表１に
実施例及び比較例に用いた硬化促進剤の化合物名と略号
を示す。

【００３０】

【表１】

【００３１】表２に示す配合量のエポキシ樹脂組成物を
５０〜１２０℃に加熱した二軸ロールで約１０分間混練
した後、冷却，粉砕して封止材を得た。

【００３２】

【表２】

【００３３】これら封止材料を２５℃で湿度９０％ＲＨ
に調節したデシケータ内に所定時間保管して吸湿させ
た。吸湿した封止材料をトランスファープレス（１８０
℃，７ＭＰａ，９０sec ）でφ９０mm×２mmの円板を成
形した。成形直後の円板の硬さをバーコル硬度計で測定
し、硬化に及ぼす吸湿の影響を検討した。結果を表３に
示す。

【００３４】

【表３】

【００３５】耐はんだリフロー性試験はアルミニウムの
ジクザク配線を形成した６×６mmのシリコーンチップを
４２アロイのリードフレームに搭載し、更にチップ表面
のアルミニウム電極とリードフレーム間をφ３０μｍ金
線でワイヤボンデングした半導体装置(外形２０×１４m
m，厚さ２mm)を作製し、１８０℃で１０時間後硬化し
た。上記半導体装置を８５℃／８５％ＲＨにて１６８時
間吸湿させた後、２４０℃の赤外線リフロー炉中で９０
秒間加熱する試験を行い、半導体パッケージのクラック
数を調べた。

【００３６】耐湿信頼性試験は以下のようにして行っ
た。表面実装型のＱＦＰ−１Ｈ（タブ６.７×６.７mm）
素子を用い、６５℃，９５％ＲＨの条件下で７２時間吸
湿させた後、２１５℃／９０秒間のベーパーリフローと
塩水浸漬を行った。

【００３７】更に、これら素子を６５℃，９５％ＲＨの
条件下で５００時間吸湿させた後、アルミニウム電極に
腐食が発生した素子の数を数え、不良の有無を調べた。

【００３８】高温放置信頼性試験は次のようにして行っ
た。耐湿性試験に用いたものと同じ種類の樹脂封止型半
導体装置を２００℃の恒温槽中に２００時間放置し、金
ワイヤとアルミニウム配線の接合部不良を調べた。

【００３９】これらの試験結果を表４に示す。

【００４０】

【表４】

【００４１】その結果、表３，表４より明らかなよう
に、本発明のトリス（アルキルフェニル）ホスフィン・
Ｐ−ベンゾキノン化合物を硬化促進剤に用いた封止材料
の硬化性は湿度依存性が非常に小さいことが分かった。
しかも、本発明のエポキシ樹脂組成物で封止した樹脂封
止型半導体装置の耐リフロー性，耐湿性及び高温放置特
性は非常に優れていることが分かった。

【００４２】

【発明の効果】本発明のエポキシ樹脂組成物の成形硬化
性は湿度依存性がなく、該エポキシ樹脂組成物で封止し
た樹脂封止型半導体装置は耐はんだリフロー性，耐湿性
及び高温放置特性が優れている。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者服部理恵茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者荻野雅彦茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内 (56)参考文献特開平７−228672（ＪＰ，Ａ) 特開平７−278261（ＪＰ，Ａ) 特開平７−268072（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 23/29 C08G 59/68 C08L 63/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくともエポキシ樹脂と硬化剤と硬化促
進剤と充填剤含むエポキシ樹脂組成物によって封止され
た樹脂封止型半導体装置において、前記硬化促進剤は一
般式（１）【化１】（式中、Ｒ_m のＲはＣ₁〜Ｃ₄のアルキル基、ｍは１〜３
の整数、ＸはＰ−ベンゾキノンを示す）で表される有機
リン系化合物を含有し、前記エポキシ樹脂組成物は、２
５℃，湿度９０％ＲＨで４８時間保管した後の熱時硬度
変化率が９８％以上であることを特徴とする樹脂封止型
半導体装置。
【請求項２】少なくともエポキシ樹脂と硬化剤と硬化促
進剤と充填剤含むエポキシ樹脂組成物によって封止され
た樹脂封止型半導体装置において、前記硬化促進剤は一
般式（１）【化１】（式中、Ｒ _m のＲはＣ ₁ 〜Ｃ ₄ のアルキル基、ｍは１〜３
の整数、ＸはＰ−ベンゾキノンを示す）で表される、ト
リス（メチルフェニル）ホスフィン，トリス（エチルフ
ェニル）ホスフィン，トリス（プロピルフェニル）ホス
フィン，トリス（ブチルフェニル）ホスフィン，トリス
（２，４−ジメチルフェニル）ホスフィン及び（２，６
−ジメチルフェニル）ホスフィンのいずれか一つとＰ−
ベンゾキノンとの付加反応物からなる有機リン系化合物
を含有したことを特徴とする樹脂封止型半導体装置。
【請求項３】前記エポキシ樹脂はビフェニル型エポキシ
樹脂であることを特徴とする請求項１または２に記載の
樹脂封止型半導体装置。
【請求項４】前記硬化剤はキシリレン系樹脂であること
を特徴とする請求項１または２に記載の樹脂封止型半導
体装置。
【請求項５】前記充填剤は粒度分布が０.１〜１００μ
ｍの球形または角型あるいは両者を併用し、前記エポキ
シ樹脂組成物全体に対して５０〜９０容量％含有してな
るエポキシ樹脂組成物で封止したことを特徴とする請求
項１，２，３，４記載の樹脂封止型半導体装置。