JP3438965B2 - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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JP3438965B2 JP26049694A JP26049694A JP3438965B2 JP 3438965 B2 JP3438965 B2 JP 3438965B2 JP 26049694 A JP26049694 A JP 26049694A JP 26049694 A JP26049694 A JP 26049694A JP 3438965 B2 JP3438965 B2 JP 3438965B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、信頼性に優れた樹脂
封止型半導体装置に関し、さらに詳述すれば各種半導体
装置において、熱サイクルテストによって引き起こされ
るパッケージクラックや半田浸漬時の耐クラック性に優
れ、さらにプリント配線板またはヒートシンクに半導体
素子が固定され片面樹脂封止された半導体装置において
は、樹脂封止後の反りが小さい樹脂封止型半導体装置に
関するものである。
【0002】
【従来の技術】トランジスター,IC,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,
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が使用されており良好な成績を収め
ている。しかしながら、半導体分野の技術革新によって
集積度の向上とともに素子サイズの大形化,配線の微細
化が進み、パッケージも小形化,薄形化する傾向にあ
り、これに伴って封止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,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。特に、近年、半導体素子サイズは益々大形化する傾
向にあり、半導体封止樹脂の性能評価用の加速試験であ
る熱サイクル試験(以下「TCTテスト」と称す)に対
するより以上の性能の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パッケージにクラックや膨
れが発生しないという特性(耐リフロークラック性)が
要求されるとともに、この表面実装を想定した半導体パ
ッケージ吸湿後の半田溶融液浸漬後の封止材の信頼性が
要求されている。また、近年、半導体素子をプリント配
線板またはヒートシンク(放熱板)に固定し、その片面
を樹脂封止したパッケージも量産されている。このよう
なパッケージに関しては上記の要求特性以外に、封止樹
脂と、プリント配線板およびヒートシンク等の線膨脹係
数の差により発生する反りの低減も大きく要求されてき
た。
【0003】これに関して、従来から、TCTテストで
評価される各特性および反り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
とが検討されている。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も検
討されてきたが、その効果は未だ充分ではない。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】上記のように、これま
での封止用エポキシ樹脂組成物は、TCTテストの結果
や半田浸漬時の耐クラック性、また半導体素子をプリン
ト配線板やヒートシンクに固定しその片面を樹脂封止し
たパッケージ(片面樹脂封止型パッケージ)での反り特
性が充分ではなかった。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形化や特殊パッケージ構造や
表面実装化に対応できるように、上記の特性を向上させ
ることが強く望まれている。
【0005】この発明は、このような事情に鑑みなされ
たもので、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、また半導体素子を
プリント配線板またはヒートシンク等の半導体素子搭載
基板に固定しその基板の片面側のみを樹脂封止したパッ
ケージでの反りの低減に優れた半導体装置の提供をその
目的とする。
【0006】
【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(A)〜(C)成
分を含有するエポキシ樹脂組成物を用いて半導体素子を
封止するという構成をとる。 (A)下記の一般式(1)で表されるエポキシ樹脂。
【化15】 (B)フェノール樹脂。 (C)無機質充填剤。
【0007】
【作用】すなわち、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浸漬時の耐クラッ
ク性、また片面封止型パッケージにおける樹脂封止後の
反りの低減に優れた封止用樹脂を得るために一連の研究
を重ねた。その結果、主剤成分であるエポキシ樹脂とし
て、上記一般式(1)で表される特殊な構造のエポキシ
樹脂を用いると、所期の目的が達成されることを見出し
この発明に到達した。
【0008】つぎに、この発明を詳細に説明する。
【0009】この発明に用いられるエポキシ樹脂組成物
は、特殊なエポキシ樹脂(A成分)と、フェノール樹脂
(B成分)と、無機質充填剤(C成分)とを用いて得ら
れるものであり、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。
【0010】上記特殊なエポキシ樹脂(A成分)は、前
記一般式(1)で表されるポリグリシジルエーテルであ
る。
【0011】また、この特殊なエポキシ樹脂としては、
エポキシ当量が80〜130の範囲、軟化点が50〜1
60℃の範囲で、150℃でのICI粘度が0.01〜
1.0ポイズのものが好ましい。特に好ましくは、エポ
キシ当量が95〜105の範囲、軟化点が80〜120
℃の範囲で、150℃でのICI粘度が0.01〜0.
5ポイズのものである。
【0012】この特殊なエポキシ樹脂は、これ単独でエ
ポキシ樹脂成分を構成してもよいし、一般のエポキシ樹
脂を併用してもよい。上記一般のエポキシ樹脂として
は、ビスフェノールA型エポキシ樹脂,フェノールノボ
ラック型エポキシ樹脂,クレゾールノボラック型エポキ
シ樹脂等があげられる。これらは単独でもしくは2種以
上併せて併用される。そして、これら一般のエポキシ樹
脂を併用する場合には、前記一般式(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
下「%」と略す)以上に設定することが好ましい。すな
わち、前記一般式(1)で表されるエポキシ樹脂がエポ
キシ樹脂成分全体の50%未満では、TCTテストによ
るパッケージクラックや半田浸漬時のパッケージクラッ
ク、また半導体素子をプリント配線板またはヒートシン
クに固定しその片面を樹脂封止したパッケージでの反り
が起こり易くなる傾向がみられるからである。
【0013】上記特殊な骨格構造を有するエポキシ樹脂
(A成分)とともに用いられるフェノール樹脂(B成
分)としては、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、フェノールノボラック,クレ
ゾールノボラック,ナフトールノボラック等があげられ
る。これらフェノール樹脂としては、一般に、軟化点が
40〜120℃、水酸基当量が70〜280の範囲のも
のが好ましい。特に好ましいのは、軟化点が50〜90
℃、水酸基当量が100〜220のものである。そし
て、具体的には、下記の一般式(2),式(3),式
(4),式(5)および式(6)で表されるフェノール
樹脂が好適に用いられ、これらは単独でもしくは2種以
上併せて用いられる。
【0014】
【化16】
【0015】
【化17】
【0016】
【化18】
【0017】
【化19】
【0018】
【化20】
【0019】上記式(2)において、Rが水素原子で、
かつA1 ,A2 ともフェノール環の場合のものが好まし
い。
【0020】上記式(3)において、R1 ,R2 とも水
素原子で、かつAがフェニル基の場合のものが好まし
い。
【0021】上記式(5)において、Rが水素原子のも
のが好ましい。
【0022】上記特殊なエポキシ樹脂(A成分)とフェ
ノール樹脂(B成分)の配合割合は、特殊なエポキシ樹
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好
ましい。さらに、好ましくは0.9〜1.1当量であ
る。
【0023】上記特殊なエポキシ樹脂(A成分)および
フェノール樹脂(B成分)とともに用いられる無機質充
填剤(C成分)としては、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、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,
カーボンブラック粉末等があげられる。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
50〜99%の範囲に設定することが好ましい。特に好
ましくは80〜99%である。すなわち、シリカ粉末の
含有量が50%を下回ると、充填剤を含有して得られる
効果が大幅に低下する傾向がみられるからである。より
詳しく説明すると、エポキシ樹脂組成物硬化体の線膨脹
係数の低減が困難で、TCTテストによって引き起こさ
れるパッケージクラック、半導体素子をプリント配線板
やヒートシンクに固定しその片面を樹脂封止したパッケ
ージでの反り、およびその硬化体の吸水率の増加に伴う
半田浸漬時のパッケージクラック等の問題が発生する傾
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、上記特殊なエポキシ樹脂(A成分),フェ
ノール樹脂(B成分)および無機質充填剤(C成分)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系ゴムが用いられる。この低応力
化剤として特に好ましいものとしては、下記の一般式
(7)および式(8)で表されるシリコーン化合物があ
げられる。これらは単独でもしくは併せて用いられる。
【0025】
【化21】
【0026】上記式(7)において、特にAが2,3−
エポキシプロポキシ基のものが好ましい。また、上記式
(8)において、特にAが2,3−エポキシプロポキシ
基のものが好ましい。そして、上記式(7)および式
(8)中の各繰り返し数n,m,pとしては、それぞれ
n=1〜150、特にn=1〜7、m=1〜150、特
にm=10〜150、p=1〜150、特にp=1〜1
5の範囲が好ましい。これらシリコーン化合物は、上記
特殊なエポキシ樹脂(A成分)およびフェノール樹脂
(B成分)の少なくとも一方と反応させた状態で用いら
れる。あるいは、そのままの状態で配合することにより
用いられる。そして、これらシリコーン化合物をそのま
まの状態で配合する場合の配合量は、エポキシ樹脂組成
物全体の10%以下になるように設定することが好まし
い。特に好ましくは0.3〜5%の範囲である。また、
これらシリコーン化合物をA成分およびB成分の少なく
とも一方と反応させて用いる場合の使用量は、A成分お
よびB成分の少なくとも一方に対して20〜40%の割
合に設定することが好ましい。
【0027】さらに、上記低応力化剤に加えて、硬化促
進剤,難燃剤,顔料,離型剤,シランカップリング剤等
のカップリング剤等を適宜に用いることができる。
【0028】上記硬化促進剤としては、リン系化合物,
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,ホウ素化合物等があげられ、これらは単独でも
しくは2種以上併せて用いられる。なかでも、リン系化
合物が好適に用いられ、特にトリフェニルホスフィンを
用いることが好ましい。
【0029】上記難燃剤としては、三酸化アンチモン,
リン系化合物等があげられる。
【0030】上記顔料としては、カーボンブラック,酸
化チタン等があげられる。
【0031】上記離型剤としては、パラフィンや脂肪族
エステル等があげられる。
【0032】この発明に用いられるエポキシ樹脂組成物
は、例えばつぎのようにして製造することができる。す
なわち、前記特殊なエポキシ樹脂(A成分),フェノー
ル樹脂(B成分)および無機質充填剤(C成分)、そし
て必要に応じて低応力化剤,硬化促進剤,難燃剤,顔
料,離型剤およびカップリング剤を所定の割合で配合す
る。ついで、これら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
物を製造することができる。
【0033】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。
【0034】そして、上記エポキシ樹脂組成物を用いて
の半導体素子の封止において、特に、図1に示すよう
に、回路が形成されたBT(ビスマレイミドトリアジン
/ガラスクロス基板)レジンやヒートシンク等の半導体
素子搭載基板1上に半導体素子2を直接搭載し固定し
て、この半導体素子搭載基板側を樹脂封止した片面封止
型の半導体装置では、樹脂封止後の反りが抑制され信頼
性の高いものが得られる。図において、3は封止樹脂、
4はボンディングワイヤー、5は半田端子である。
【0035】半導体素子搭載基板1として、上記BTレ
ジンのような繊維補強板を用いた場合には、図1に示す
ように、その繊維補強板1の面積は、100〜1000
0mm2 が好ましく、特に625〜3600mm2 が好
ましい(方形の場合は正方形が好ましい)。また、繊維
補強板1の厚みbは0.05〜3mmが好ましく、特に
0.1〜0.6mmが好ましい。このときの、封止樹脂
3の占有面積(半導体素子2を含む封止樹脂3の底面
積)は、100〜10000mm2 が好ましく、特に6
25〜3600mm2 が好ましい(方形の場合は正方形
が好ましい)。
【0036】また、半導体素子搭載基板1がヒートシン
クの場合は、一般に、図2に示す断面形状となる。そし
て、ヒートシンク(銅,アルミニウム等の金属板)6の
面積は、100〜10000mm2 が好ましく、特に6
25〜3600mm2 が好ましい(方形の場合は正方形
が好ましい)。また、ヒートシンク6の厚みdは0.0
5〜3mmが好ましい。このときの、封止樹脂3bの占
有面積(ヒートシンク6底面を含む封止樹脂3bの底面
積)は、100〜10000mm2 が好ましく、特に6
25〜3600mm2 が好ましい(方形の場合は正方形
が好ましい)。そして、封止樹脂3bの厚みcは0.2
5〜4mmが好ましく、特に0.8〜3mmが好まし
い。
【0037】
【発明の効果】以上のように、この発明の半導体装置
は、前記特殊なエポキシ樹脂(A成分),フェノール樹
脂(B成分)および無機質充填剤(C成分)を含む特殊
なエポキシ樹脂組成物を用いて封止されているため、T
CTテストで評価される特性が向上し長寿命となる。ま
た、吸湿後、半田溶融液に浸漬した場合においてもパッ
ケージクラックの発生が抑制され、半導体素子をプリン
ト配線板やヒートシンクに固定しその素子搭載面側を樹
脂封止した片面樹脂封止型のパッケージでは反りを抑制
することが可能となる。このように、上記特殊なエポキ
シ樹脂組成物を用いた封止により、80ピン以上、特に
160ピン以上の、もしくは半導体素子の長辺が40m
m以上の大形の半導体装置において、また半導体素子を
プリント配線板やヒートシンクに直接固定し、樹脂封止
した片面樹脂封止型パッケージ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。
【0038】つぎに、実施例について比較例と併せて説
明する。
【0039】まず、エポキシ樹脂組成物の作製に先立っ
て、下記に示すエポキシ樹脂a〜f、フェノール樹脂g
〜k、シリコーン化合物l,mを準備した。
【0040】〔エポキシ樹脂a〕
【化22】
【0041】〔エポキシ樹脂b〕
【化23】
【0042】〔エポキシ樹脂c〕
【化24】
【0043】〔エポキシ樹脂d〕
【化25】
【0044】〔エポキシ樹脂e〕
【化26】
【0045】〔エポキシ樹脂f〕上記エポキシ樹脂aと
同様の構造を有し、エポキシ当量が104g/eq、軟
化点が113℃、ICI粘度(150℃)が0.2ポイ
ズのエポキシ樹脂である。
【0046】〔フェノール樹脂g〕
【化27】
【0047】〔フェノール樹脂h〕
【化28】
【0048】〔フェノール樹脂i〕
【化29】
【0049】〔フェノール樹脂j〕
【化30】
【0050】〔フェノール樹脂k〕
【化31】
【0051】〔シリコーン化合物l〕
【化32】
【0052】〔シリコーン化合物m〕
【化33】
【0053】
【実施例1〜46、比較例1〜5】上記に示した各成分
および下記の表1〜表7に示す各成分を同表に示す割合
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。
【0054】
【表1】
【0055】
【表2】
【0056】
【表3】
【0057】
【表4】
【0058】
【表5】
【0059】
【表6】
【0060】
【表7】
【0061】以上の実施例および比較例で得られたエポ
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、175℃×5時間後硬化)
することにより2種類の半導体装置を得た。使用したパ
ッケージとしては、下記に示す2種類のもの(両面樹脂
封止型パッケージ、片面樹脂封止型パッケージ)を用い
た。
【0062】両面樹脂封止型パッケージ:80ピン四
方向フラットパッケージ(80pinQFP、サイズ:
20×14×厚み2mm)であり、ダイパッドサイズは
8×8mmである。
【0063】片面樹脂封止型パッケージ:図3に示す
構造のパッケージであり、BT(ビスマレイミドトリア
ジン/ガラスクロス基板)レジン(三菱瓦斯化学社製)
12(48×48×厚み0.8mm)上にSiチップ1
3(12×12×厚み0.4mm)を搭載して固定し、
この搭載面側のみを樹脂封止した(封止樹脂14サイ
ズ:40×40×厚み2mm)。図において、15はボ
ンディングワイヤーである。
【0064】このようにして得られた両面樹脂封止型
パッケージについて、−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、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8〜表12に示す。
【0065】
【表8】
【0066】
【表9】
【0067】
【表10】
【0068】
【表11】
【0069】
【表12】
【0070】また、前記片面樹脂封止型パッケージに
ついて、上記両面樹脂封止型パッケージと同様、−5
0℃/5分〜150℃/5分のTCTテスト、および8
5℃/85%RHの相対湿度の恒温槽中に放置して吸湿
させた後、260℃の半田溶融液に10秒間浸漬する試
験を行った。さらに、これら試験に加えて、図4に示す
ように、成形し後硬化した後のパッケージ7全体の反り
量Xをマイクロディプスメーター(TECLOCK社
製)により測定した。これらの結果を下記の表13〜表
17に示す。
【0071】
【表13】
【0072】
【表14】
【0073】
【表15】
【0074】
【表16】
【0075】
【表17】
【0076】上記表8〜表17の結果から、両面樹脂
封止型パッケージおよび片面樹脂封止型パッケージと
も、実施例品が比較例品に比べてTCTテストおよび半
田溶融液への浸漬時の耐クラック性に優れていることが
わかる。さらに、半導体素子をBTレジンに搭載固定し
その搭載面側のみを樹脂封止した片面樹脂封止型パッ
ケージの反り量に関して、実施例品が比較例品に比べて
非常に小さく樹脂封止後の反りが抑制されたことが明ら
かである。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の半導体装置の一例である片面樹脂封
止型パッケージを示す断面図である。
【図2】この発明の半導体装置の他の例である片面樹脂
封止型パッケージを示す断面図である。
【図3】片面樹脂封止型パッケージの一例を示す断面図
である。
【図4】片面樹脂封止型パッケージの樹脂封止後の反り
状態を示す断面図である。
【符号の説明】
1 半導体素子搭載基板 2 半導体素子 3 封止樹脂
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI H01L 23/31 (72)発明者 首藤 伸一朗 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 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 福島 喬 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6−228273(JP,A) 特開 昭62−100519(JP,A) 特開 平6−333963(JP,A) 特開 平5−70756(JP,A) 特開 平7−179569(JP,A) 特開 平1−230623(JP,A) 特開 昭64−20226(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C08G 59/32 C08G 59/62 C08L 63/06 H01L 23/29

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 下記の(A)〜(C)成分を含有するエ
    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。 (A)下記の一般式(1)で表されるエポキシ樹脂。 【化1】 (B)フェノール樹脂。 (C)無機質充填剤。
  2. 【請求項2】 (B)成分であるフェノール樹脂が、下
    記の一般式(2),式(3),式(4),式(5)およ
    び式(6)で表されるフェノール樹脂からなる群から選
    ばれた少なくとも一つのフェノール樹脂である請求項1
    記載の半導体装置。 【化2】 【化3】 【化4】 【化5】 【化6】
  3. 【請求項3】 エポキシ樹脂組成物に、下記の一般式
    (7)および式(8)で表されるシリコーン化合物の少
    なくとも一方が、上記(A)成分および(B)成分の少
    なくとも一方と反応させた状態で、もしくはそのままの
    状態で含有されている請求項1または2に記載の半導体
    装置。 【化7】
  4. 【請求項4】 半導体素子搭載基板の片面に半導体素子
    が搭載され、この半導体素子が搭載された基板面側のみ
    が請求項1〜3のいずれか一項に記載のエポキシ樹脂組
    成物によって封止されている請求項1〜3のいずれか一
    項に記載の半導体装置。
  5. 【請求項5】 下記の(A)〜(C)成分を含有する半
    導体封止用エポキシ樹脂組成物。 (A)下記の一般式(1)で表されるエポキシ樹脂。 【化8】 (B)フェノール樹脂。 (C)無機質充填剤。
  6. 【請求項6】 (B)成分であるフェノール樹脂が、下
    記の一般式(2),式(3),式(4),式(5)およ
    び式(6)で表されるフェノール樹脂からなる群から選
    ばれた少なくとも一つのフェノール樹脂である請求項5
    記載の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】
  7. 【請求項7】 エポキシ樹脂組成物に、下記の一般式
    (7)および式(8)で表されるシリコーン化合物の少
    なくとも一方が、上記(A)成分および(B)成分の少
    なくとも一方と反応させた状態で、もしくはそのままの
    状態で含有されている請求項5または6に記載の半導体
    封止用エポキシ樹脂組成物。 【化14】
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