JP3468900B2 - 半導体装置 - 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、内部応力が小さく、
耐湿性、耐熱衝撃性および高温放置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】従来、一般に半導体装置の半導体素子を
封止する手段は、金属やセラミックによる気密封止とエ
ポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を用いる樹脂封止に大別さ
れるが、最近では生産性およびコストの点から樹脂封止
が主流になり、メモリ、マイクロコンピューターなどの
ＶＬＳＩ（超高密度集積回路）に至るまで樹脂封止が汎
用されるようになっている。しかしながら、半導体分野
の技術革新によって集積度の増加とともに素子サイズの
大形化や配線の微細化が進み、反面、パッケージは小形
化、薄形化の傾向にある。このような傾向に伴って、封
止材料に対して信頼性の向上が要望され、特に半導体素
子と封止材料間に発生する熱応力がパッケージを損傷さ
せる原因となり、ひいては半導体装置の耐湿性、耐熱衝
撃性および高温放置性に大きな影響を与えることから、
この半導体素子と封止材料間の熱応力の低減が重要課題
となっている。

【０００３】そこで、従来より封止材料に使用されるエ
ポキシ樹脂組成物の低応力化が種々試みられており、現
在、その主流はゴム類粒子およびシリコーンオイルを添
加する方法である。すなわち、上記方法は、一般にゴム
類およびシリコーンオイルとエポキシ樹脂が相溶しない
ことを利用してエポキシ樹脂の連続相中にゴム類粒子を
析出、分散させた、いわゆる「海−島構造」を硬化樹脂
中でとらせることによりエポキシ樹脂の高い耐熱性を維
持させたままで、ゴム類粒子およびシリコーンオイルに
て熱応力を吸収、緩和させようとする解決案である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この解
決案においても汎用のゴム類粒子およびシリコーンオイ
ルをエポキシ樹脂に混合した場合、エポキシ樹脂組成物
中にはゴム類粒子の分散の不均一が生じる場合があり、
このような場合に最終的な封止用エポキシ樹脂組成物の
硬化物である封止樹脂の強度を低下させる等の欠点があ
る。

【０００５】この発明は、このような事情に鑑みなされ
たもので、封止樹脂の低応力化による耐湿性、耐熱衝撃
性および高温放置性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）〜（Ｄ）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）エポキシ樹脂。 （Ｂ）ノボラック型フェノール樹脂。 （Ｃ）下記の（ａ）〜（ｃ）成分を溶融混合させること
により得られる変性樹脂。 （ａ）エポキシ樹脂およびノボラック型フェノール樹脂
の少なくとも一方。〔但し、上記（Ａ）成分＋（Ｂ）成
分＋（ａ）成分の合計量はエポキシ樹脂組成物中のエポ
キシ樹脂およびノボラック型フェノール樹脂の全量であ
る。〕 （ｂ）粒径０．０１〜５μｍのメチルメタクリレート−
ブタジエン−スチレン共重合樹脂。 （ｃ）シリコーンオイル。 （Ｄ）無機質充填剤。また、下記の（Ａ）〜（Ｄ）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）エポキシ樹脂。 （Ｂ）ノボラック型フェノール樹脂。 （Ｃ）下記の（ａ）〜（ｂ）成分を溶融混合させること
により得られる変性樹脂 。 （ａ）エポキシ樹脂およびノボラック型フェノール樹脂
の少なくとも一方。 〔但し、上記（Ａ）成分＋（Ｂ）成
分＋（ａ）成分の合計量はエポキシ樹脂 組成物中のエポ
キシ樹脂およびノボラック型フェノール樹脂の全量であ
る 。〕 （ｂ）粒径０．０１〜５μｍのメチルメタクリレート−
ブタジエン−スチレ ン共重合樹脂。 （Ｄ）無機質充填剤。

【０００７】

【作用】すなわち、本発明者らは、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、熱応力を低減し、耐湿性、耐熱衝撃性および高温放
置性に優れたエポキシ樹脂組成物を得るために一連の研
究を重ねた。そして、封止樹脂の低応力化を図る目的
で、エポキシ樹脂に添加する成分を中心にさらに研究を
重ねた。その結果、特定の粒径のメチルメタクリレート
−ブタジエン−スチレン共重合樹脂の粒子およびシリコ
ーンオイルを、エポキシ樹脂およびノボラック型フェノ
ール樹脂の少なくとも一方に均一に溶融混合した変性樹
脂を配合することにより、封止樹脂の低応力化が図ら
れ、これを用いて封止すると、耐湿性、耐熱衝撃性およ
び高温放置性に優れた半導体装置が得られ、所期の目的
を達成できることを見出し、この発明を完成するに至っ
た。

【０００８】つぎに、この発明を詳しく説明する。

【０００９】この発明に用いられるエポキシ樹脂組成物
は、エポキシ樹脂（Ａ成分）と、ノボラック型フェノー
ル樹脂（Ｂ成分）と、変性樹脂（Ｃ成分）と、無機質充
填剤（Ｄ成分）とを用いて得られるものであり、通常、
粉末状、もしくはそれを打錠したタブレット状、あるい
は液状となっている。

【００１０】上記エポキシ樹脂（Ａ成分）は、特に限定
するものではなく従来から半導体装置の封止材料に使用
される各種エポキシ樹脂、例えばクレゾールノボラック
型エポキシ樹脂、フェノールノボラック型エポキシ樹
脂、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、ビフェニル型エ
ポキシ樹脂等があげられ、これらは単独でもしくは２種
以上併せて用いられる。特に、軟化点が室温以上であっ
て、室温下では固形状もしくは高粘度状を呈するものが
望ましい。ノボラック型エポキシ樹脂としては、通常、
エポキシ当量１６０〜２５０、軟化点５０〜１３０℃の
ものが好適に用いられる。さらに、上記クレゾールノボ
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℃のものが好適に用いられ
る。中でも、特にエポキシ当量１９０〜２００、軟化点
７０〜１００℃のクレゾールノボラック型エポキシ樹脂
を用いることが好ましい。

【００１１】上記Ａ成分とともに用いられるノボラック
型フェノール樹脂（Ｂ成分）としては、フェノール、ク
レゾール、アルキルフェノール等のフェノール類とホル
ムアルデヒドあるいはパラホルムアルデヒドを反応させ
て得られるノボラック型フェノール樹脂等があげられ、
これらは単独でもしくは２種以上併せて用いられる。好
ましくは水酸基当量７０〜１５０のノボラック型フェノ
ール樹脂（フェノールノボラック、クレゾールノボラッ
ク等）が用いられる。中でも、特に水酸基当量８０〜１
４０、軟化点７０〜９０℃のクレゾールノボラックを用
いることが好ましい。

【００１２】そして、上記エポキシ樹脂とフェノール樹
脂の配合割合は、エポキシ樹脂中のエポキシ基１当量に
対してフェノール樹脂中の水酸基当量を０．６〜１．５
の範囲に設定することが好ましく、特に好ましくは０．
８〜１．２である。

【００１３】上記Ａ成分およびＢ成分とともに用いられ
る変性樹脂（Ｃ成分）は、エポキシ樹脂およびノボラッ
ク型フェノール樹脂の少なくとも一方（ａ成分）と、メ
チルメタクリレート−ブタジエン−スチレン共重合樹脂
（ｂ成分）と、シリコーンオイル（ｃ成分）とを用いて
得られるものである。上記Ｃ成分は、エポキシ樹脂組成
物中に、好ましくは１〜１０重量％（以下「％」と略
す）、より好ましくは２〜８％含有するように配合する
ことが望ましい。特に好ましくは３〜４％である。すな
わち、Ｃ成分が１％未満では低応力性に劣る。逆に、１
０％を超えるとシリコーンオイルのしみ出しや信頼性に
悪影響の傾向がみられるからである。

【００１４】上記ａ成分として用いられるエポキシ樹脂
およびノボラック型フェノール樹脂としては、それぞれ
上記Ａ成分および上記Ｂ成分と同様のものが用いられ
る。中でも、エポキシ樹脂としては、クレゾールノボラ
ック型エポキシ樹脂を用いることが好ましい。また、ノ
ボラック型フェノール樹脂としてはクレゾールノボラッ
ク型フェノール樹脂を用いることが好ましい。また、ａ
成分は、Ｃ成分中に、好ましくは８０〜９５％、より好
ましくは８２〜９３％含有するように配合することが望
ましい。特に好ましくは８５〜９０％である。

【００１５】上記メチルメタクリレート−ブタジエン−
スチレン共重合樹脂（ｂ成分）としては、好ましくは、
ブタジエン組成比率が７０％以下、スチレン組成比率が
５０％以下、メチルメタクリレート組成比率が１５％以
上に設定することが望ましい。より好ましくは、ブタジ
エン組成比率５０〜７０％、スチレン組成比率３０〜５
０％、メチルメタクリレート組成比率１０〜１５％であ
り、特に好ましくは、ブタジエン組成比率６０〜７０
％、スチレン組成比率４０〜５０％、メチルメタクリレ
ート組成比率１２〜１５％である。すなわち、上記以外
の組成比率では、成形作業性が悪くなるからである。ま
た、上記ｂ成分は、エポキシ樹脂組成物中に、ブタジエ
ン−スチレン共重合樹脂を２〜６％含有するように配合
することが好ましい。特に好ましくは、３〜５％であ
る。すなわち、ブタジエン−スチレン共重合樹脂の含有
量が少なければ応力性に乏しく、多ければ流動特性が悪
い。したがって、ｂ成分は、Ｃ成分中に、好ましくは２
〜６％、より好ましくは３〜６％含有するように配合す
ることが望ましい。特に好ましくは３〜５％である。さ
らに、上記メチルメタクリレート−ブタジエン−スチレ
ン共重合樹脂（ｂ成分）の粒子径は、０．０１〜５μｍ
でなければならない。すなわち、粒子径が０．０１μｍ
未満では、均一に分散されず強度が低下し、逆に、５μ
ｍを超えると、熱応力が充分低減されない。

【００１６】上記シリコーンオイル（ｃ成分）として
は、ノボラック型エポキシ樹脂に下記の構造式（１）で
表される両末端アミノ基を有するオルガノポリシロキサ
ンを１３０〜１５０℃で１０〜２０時間反応させること
により得られるものがあげられる。

【００１７】

【化１】

【００１８】中でも、シリコーンオイルとして、特に分
子量５０００〜３００００（ゲルパーミエーションクロ
マトグラフによる測定値）のものが好ましい。上記配合
比は、エポキシ１００重量部（以下「部」と略す）当り
オルガノポリシロキサンが２０〜５０部であり、好まし
くは、３０〜４０部である。また、ｃ成分は、エポキシ
樹脂組成物中に、１〜５％含有するように配合すること
が好ましい。特に好ましくは、２〜４％である。すなわ
ち、シリコーンオイルの含有量が５％を超えると、シリ
コーンオイルのしみ出しが発生してマーキング性に影響
し、１％未満では、熱応力が高くなる。したがって、ｃ
成分は、Ｃ成分中に、好ましくは１〜７％、より好まし
くは２〜６％含有するように配合することが望ましい。
特に好ましくは３〜５％である。

【００１９】上記Ａ成分およびＢ成分およびＣ成分とと
もに用いられる無機質充填剤（Ｄ成分）としては、特に
限定するものではなく従来公知の各種無機質充填剤が使
用できる。例えば、結晶質シリカ、溶融シリカ、ケイ酸
カルシウム、アルミナ、炭酸カルシウム、タルク、硫酸
バリウム等の粉体やガラス繊維等があげられる。上記無
機質充填剤の配合量は、エポキシ樹脂組成物全体に対し
て、５０〜９０％に設定することが好ましい。すなわ
ち、５０％未満では成形物の強度が低下し、９０％を超
えると流動特性が悪くなる。また、マイクロクラック性
（信頼性）に優れるため、球状フィラーを用いることが
好ましく、その平均粒径は、２５〜３５μｍが望まし
い。

【００２０】この発明に用いられるエポキシ樹脂組成物
には、上記（Ａ）〜（Ｄ）成分以外に、必要に応じて、
シランカップリング剤，硬化促進剤，離型剤，難燃剤，
難燃補助剤，着色剤等の各種添加剤を適宜に配合するこ
とができる。

【００２１】上記シランカップリング剤は、β−（３，
４−エポキシシクロヘキシル）エチルトリメトキシシラ
ン、γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン等が
あげられる。

【００２２】上記硬化促進剤は、イミダゾール類，三級
アミン類，有機リン化合物等があげられる。

【００２３】上記離型剤は、ステアリン酸，パルミチン
酸等の長鎖カルボン酸、ステアリン酸亜鉛、ステアリン
酸カルシウム等の長鎖カルボン酸の金属塩，カルバナワ
ックス，モンタンワックス等のワックス類等があげられ
る。

【００２４】上記難燃剤は、ノボラック型ブロム化エポ
キシ樹脂，ビスＡ型ブロム化エポキシ樹脂等があげられ
る。

【００２５】上記難燃補助剤は、三級化アンチモン，五
酸化アンチモン等があげられる。

【００２６】この発明に係るエポキシ樹脂組成物は、例
えば、つぎのようにして得ることができる。

【００２７】まず、エポキシ樹脂およびノボラック型フ
ェノール樹脂の少なくとも一方（ａ成分）と、メチルメ
タクリレート−ブタジエン−スチレン共重合樹脂（ｂ成
分）の微粒子粉末と、シリコーンオイル（ｃ成分）とを
６０〜１８０℃で加熱混合して変性樹脂（Ｃ成分）を作
製する。

【００２８】つぎに、上記変性樹脂（Ｃ成分）に、エポ
キシ樹脂（Ａ成分），ノボラック型フェノール樹脂（Ｂ
成分），無機質充填剤（Ｄ成分）および必要に応じて上
記の各種添加剤をそれぞれ適宜の割合で配合し、９０〜
１５０℃で予備混合する。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得ることができる。

【００２９】このようにして得られたエポキシ樹脂組成
物を用いての半導体素子の封止は、特に限定するもので
はなく従来公知の方法、例えば、トランスファー成形法
あるいは注型法を用いて適宜におこなうことができる。

【００３０】このように、この発明の半導体装置は、上
記エポキシ樹脂組成物によって樹脂封止されているた
め、低応力で、優れた耐湿性、耐熱衝撃性および高温放
置性を備えている。

【００３１】

【発明の効果】以上のように、この発明の半導体装置
は、上記（Ａ）〜（Ｄ）成分を含有するエポキシ樹脂組
成物を用いて封止され、しかも上記（Ｃ）成分が特定の
ゴム粒子と、シリコーンオイルと、エポキシ樹脂および
ノボラック型フェノール樹脂の少なくとも一方とを溶融
混合させて得られたものである。このため、従来の樹脂
組成物の高い耐熱性を維持しつつ、低応力で、耐湿性お
よび耐熱衝撃性に優れたエポキシ樹脂組成物が得られ
る。したがって、このエポキシ樹脂組成物により封止さ
れる半導体装置は、封止樹脂の低応力化により、耐湿
性、耐熱衝撃性および高温放置性に優れたものとなる。

【００３２】つぎに、実施例を比較例と併せて説明す
る。

【００３３】実施例に先立って微粒子粉末を作製した。 ［微粒子粉末の作製］ まず、後記の表１に示す各原料を準備した。そして、攪
拌機、温度計および冷却管を備えた反応容器内に、スチ
レン−ブタジエン共重合体ラテックスおよび前記構造式
（１）で表されるシリコーンオイル（イ成分）を添加
し、反応系雰囲気を７０℃に保ち、さらに反応容器内に
窒素ガスを送入した。ついで、水，メタクリル酸メチル
単量体および過硫酸カリウム（ロ成分）を加え、７０℃
で３時間グラフト重合を行い、スチレン−ブタジエン共
重合体ラテックス粒子表面層がメタクリル酸メチルで被
覆されたメチルメタクリレート−ブタジエン−スチレン
共重合樹脂（ｂ成分）の微粒子（エマルジョン）を得
た。そして、これらエマルジョンは、約５０℃の通風乾
燥機中で２４時間乾燥を行い、５種類の微粒子粉末
（い，ろ，は，に，ほ）を作製した。

【００３４】［変性樹脂の作製］ つぎに、表２に示す各原料を準備した。そして、エポキ
シ樹脂、ノボラック型フェノール樹脂と、メチルメタク
リレート−ブタジエン−スチレン共重合樹脂とを、ミキ
シングロール機にて、１００℃で５分間加熱混合し、均
一溶融分散させ、変性樹脂（ア，イ，ウ，エ，オ）を作
製した。

【００３５】

【実施例１〜１０，比較例１〜５】さらに、表３〜５に
示す各原料を準備した。そして、変性樹脂に、その他の
原料を加え、ミキシングロール機にて、１００℃で１０
分間混練し、封止用樹脂組成物を得た。これらの樹脂組
成物により半導体素子を封止した半導体装置（実施例１
〜１０，比較例１〜５）を得た。

【００３６】

【表１】

【００３７】

【表２】

【００３８】

【表３】

【００３９】

【表４】

【００４０】

【表５】

【００４１】このようにして得られた樹脂組成物の物性
（流動性，曲げ弾性率，線膨脹係数）およびこれらの樹
脂組成物により半導体素子を封止した半導体装置につい
ての信頼性を測定・評価した。その結果を後記の表６お
よび表７に示す。

【００４２】［流動性（スパイラルフロー）］ スパイラルフロー（ＥＭＭＩ）規格に準じた金型を使用
し、成形温度１７５℃×２分，成形圧力７０ｋｇ／ｃｍ
² で測定した。

【００４３】［曲げ弾性率，線膨脹係数］ 樹脂特性を評価するため、樹脂を１７５℃×２分成形
後、１７５℃×５時間ポストキュアーを行い評価用サン
プル（曲げ試験片）を作製した。曲げ弾性率は、室温で
のもの、線膨脹係数は、公知の方法である熱機械分析
（ＴＭＡ）測定装置によりガラス転移点以下（２２〜２
１５℃）のものを測定した。

【００４４】［信頼性評価テスト（累積不良率）］ 断線およびリーク電流測定用に設計した半導体素子に樹
脂組成物をトランスファーモールド（１７５℃×２分成
形，１７５℃×５時間ポストキュアー）により被覆し、
それを１２０℃の高圧蒸気下で２０Ｖ印加して耐湿試験
（バイアス・プレッシャー・クラッカーテスト）を行
い、時間の経過に伴って発生するアルミニウムの腐食を
アルミパターンのオープンの発生または一定限度以上の
リーク電流の増加によって判定し、不良率を算出した。

【００４５】

【表６】

【００４６】

【表７】

【００４７】上記表６および表７の結果から、実施例に
おいて、流動性は必ずしも高くないが、曲げ弾性率，線
膨脹係数，累積不良率に関しては、全ての実施例におい
て、良好な結果が得られ、信頼性の高い半導体装置であ
ることがわかる。これに対して、比較例は、曲げ弾性
率，線膨脹係数が高く、累積不良率は著しく高くなって
いる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C08L 63/00 - 63/10 C08G 59/62 C08L 51/04 H01L 23/29

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 下記の（Ａ）〜（Ｄ）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）エポキシ樹脂。 （Ｂ）ノボラック型フェノール樹脂。 （Ｃ）下記の（ａ）〜（ｃ）成分を溶融混合させること
   により得られる変性樹脂。 （ａ）エポキシ樹脂およびノボラック型フェノール樹脂
   の少なくとも一方。〔但し、上記（Ａ）成分＋（Ｂ）成
   分＋（ａ）成分の合計量はエポキシ樹脂組成物中のエポ
   キシ樹脂およびノボラック型フェノール樹脂の全量であ
   る。〕 （ｂ）粒径０．０１〜５μｍのメチルメタクリレート−
   ブタジエン−スチレン共重合樹脂。 （ｃ）シリコーンオイル。 （Ｄ）無機質充填剤。
2. 【請求項２】 下記の（Ａ）〜（Ｄ）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）エポキシ樹脂。 （Ｂ）ノボラック型フェノール樹脂。 （Ｃ）下記の（ａ）〜（ｂ）成分を溶融混合させること
   により得られる変性樹脂。 （ａ）エポキシ樹脂およびノボラック型フェノール樹脂
   の少なくとも一方。〔但し、上記（Ａ）成分＋（Ｂ）成
   分＋（ａ）成分の合計量はエポキシ樹脂組成物中のエポ
   キシ樹脂およびノボラック型フェノール樹脂の全量であ
   る。〕 （ｂ）粒径０．０１〜５μｍのメチルメタクリレート−
   ブタジエン−スチレン共重合樹脂。 （Ｄ）無機質充填剤。
3. 【請求項３】 下記の（Ａ）〜（Ｄ）成分を含有する半
   導体封止用エポキシ樹脂組成物。 （Ａ）エポキシ樹脂。 （Ｂ）ノボラック型フェノール樹脂。 （Ｃ）下記の（ａ）〜（ｃ）成分を溶融混合させること
   により得られる変性樹脂 。 （ａ）エポキシ樹脂およびノボラック型フェノール樹脂
   の少なくとも一方。 〔但し、上記（Ａ）成分＋（Ｂ）成
   分＋（ａ）成分の合計量はエポキシ樹脂 組成物中のエポ
   キシ樹脂およびノボラック型フェノール樹脂の全量であ
   る 。〕 （ｂ）粒径０．０１〜５μｍのメチルメタクリレート−
   ブタジエン−スチレ ン共重合樹脂。 （ｃ）シリコーンオイル。 （Ｄ）無機質充填剤。
4. 【請求項４】 下記の（Ａ）〜（Ｄ）成分を含有する半
   導体封止用エポキシ樹脂組成物。 （Ａ）エポキシ樹脂。 （Ｂ）ノボラック型フェノール樹脂。 （Ｃ）下記の（ａ）〜（ｂ）成分を溶融混合させること
   により得られる変性樹脂 。 （ａ）エポキシ樹脂およびノボラック型フェノール樹脂
   の少なくとも一方。 〔但し、上記（Ａ）成分＋（Ｂ）成
   分＋（ａ）成分の合計量はエポキシ樹脂 組成物中のエポ
   キシ樹脂およびノボラック型フェノール樹脂の全量であ
   る 。〕 （ｂ）粒径０．０１〜５μｍのメチルメタクリレート−
   ブタジエン−スチレ ン共重合樹脂。 （Ｄ）無機質充填剤。