JP3589694B2 - 樹脂封止型半導体装置及びこれに用いるエポキシ樹脂封止材 - Google Patents
樹脂封止型半導体装置及びこれに用いるエポキシ樹脂封止材 Download PDFInfo
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Description
【産業上の利用分野】
本発明は、大型Siチップ、Cuリードフレーム、薄型パッケージの表面実装型の樹脂封止型半導体装置及びこれに用いられるエポキシ樹脂封止材に関する。
【0002】
【従来の技術】
IC、LSI等の半導体素子は素子の集積度の向上と共に、素子サイズの大型化、樹脂封止型半導体装置の小型化、薄型化が進んでいる。同時に半導体装置の基板への取付けを行うときに、半導体装置自体が短時間のうちに200℃以上の高温に曝されるようになってきた。このとき、樹脂封止材中に含有される水分が気化し、ここで発生する蒸気圧が樹脂と素子、リードフレーム等のインサートとの界面において、剥離応力として働き、樹脂とインサートの間で剥離が発生し、特に薄型の樹脂封止型半導体装置においては、半導体装置のフクレやクラックに至ってしまうことになる。この対策として、樹脂封止材の吸湿量を少なくするため、充填材として結晶シリカ、溶融シリカ又はこれらの混合物を従来50〜65vol%含有させていたのを、充填剤として溶融シリカのみを使用し、含有量を65〜90vol%とした樹脂封止材で封止したり、更にインサートとの密着力を上げるため、エポキシ樹脂を通常用いられるo−クレゾールノボラック型に代えて下記の一般式[I]で示されるようなエポキシ樹脂を使用しあるいは併用した樹脂封止材で封止したり、硬化剤を通常用いられるフェノールノボラック樹脂に代えて下記の一般式[II]で示されるようなアラルキル型フェノール樹脂を使用しあるいは併用した樹脂封止材で封止することが行われている。
【0003】
【化3】
(式中Rは水素原子又はメチル基を示し、nは0〜3の整数を示す。)
【0004】
【化4】
(式中mは0〜30の整数を示す。)
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
先に示した樹脂封止材で封止した薄型の樹脂封止型半導体装置は、半田付け時のフクレやクラックは発生しなくなるが、その後の−55℃(又は−65℃)から150℃の熱衝撃試験時に、Cuリードフレームを用いた樹脂封止型半導体装置において、Au線が断線するという問題がある。
【0006】
本発明はCuリードフレームを用いた薄型表面実装型の樹脂封止型半導体装置において、半田付け時のフクレやクラックが発生せず、その後の熱衝撃試験時に、Au線が断線することがない樹脂封止型半導体装置を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明はSiチップ面積が25mm2以上又は一辺の長さが5mm以上で、パッケージの厚さが3mm以下であり、リードフレームがCuであるエポキシ樹脂封止材で封止された薄型表面実装型の樹脂封止型半導体装置において、エポキシ樹脂封止材がエポキシ樹脂と硬化剤と65〜76vol%の結晶シリカと溶融シリカとの混合物又は結晶シリカからなる無機充填材とを含有し、線膨張係数α1が1.6〜2.0×10−5/℃であることを特徴とする樹脂封止型半導体装置を提供するものである。
また、本発明は薄型表面実装型の樹脂封止型半導体装置に用いられ、エポキシ樹脂と硬化剤と65〜76vol%の結晶シリカと溶融シリカとの混合物又は結晶シリカからなる無機充填材とを含有し、線膨張係数α1が1.6〜2.0×10−5/℃であることを特徴とするエポキシ樹脂封止材を提供するものである。
【0008】
本発明においては熱衝撃試験時にAu線が断線するという問題を解決するために、Cuリードフレームの線膨張係数を1.6〜2.0×10−5/℃にエポキシ樹脂封止材の線膨張係数α1を合わせることにより解決した。しかし、単にエポキシ樹脂封止材の線膨張係数α1を1.6〜2.0×10−5/℃に合わせるだけでは熱衝撃試験時のAu線断線は解決するが、半田付け時のフクレやクラックが発生してしまう。そのため、結晶シリカと溶融シリカとの混合物又は結晶シリカからなる無機充填剤を65〜76vol%含有し、α1が1.6〜2.0×10−5/℃である吸湿量が少ないエポキシ樹脂封止材を使用することにより解決した。
【0009】
エポキシ樹脂封止材のエポキシ樹脂としてはo−クレゾールノボラック型エポキシ樹脂等特に限定されないが、好ましくは下記の一般式(I)で示されるようなエポキシ樹脂が好適に用いられる。難燃剤としてはBr化エポキシ樹脂(例えば、Br化エピビス型エポキシ樹脂等)が用いられる。また、下記の一般式(I)で示されるようなエポキシ樹脂にo−クレゾールノボラック型エポキシ樹脂を配合した樹脂も好適に用いられる。o−クレゾールノボラック型エポキシ樹脂の好ましい配合割合は、使用するエポキシ樹脂類の合計量(重量)からBr化エポキシ樹脂を除いた量の半分以下である。例えば、一般式(I)で示されるエポキシ樹脂45〜85重量部に対し、o−クレゾールノボラック型エポキシ樹脂40〜0重量部用いることが好ましい。
【0010】
【化5】
(式中Rは水素原子又はメチル基を示し、nは0〜3の整数を示す。)
【0011】
エポキシ樹脂封止材の硬化剤としては特に限定されないが、フクレ、クラックの防止の観点から好ましくはアラルキル型フェノール樹脂が用いられる。アラルキル型フェノール樹脂の具体例としては、例えば下記の一般式(II)で示されるようなアラルキル型フェノール樹脂がフクレ、クラックの防止の観点から好適に用いられる。また、前記アラルキル型フェノール樹脂にノボラック型フェノール樹脂を配合した樹脂も好適に用いられる。ノボラック型フェノール樹脂の好ましい配合割合は、使用する硬化剤のOH当量の半分以下である。例えば、アラルキル型フェノール樹脂40〜85重量部に対し、ノボラック型フェノール樹脂25〜0重量部配合することが好ましい。
【0012】
【化6】
(式中mは0〜30の整数を示す。)
エポキシ樹脂封止材中のエポキシ樹脂に対する硬化剤の好ましい配合割合は、エポキシ樹脂のエポキシ当量/硬化剤のOH当量=0.8〜1.2の範囲である。
【0013】
また、エポキシ樹脂封止材中には、エポキシ樹脂と硬化剤の反応を促進する硬化促進剤を配合することができる。この硬化促進剤としては、トリフェニルホスフィンが好ましく用いられる。硬化促進剤はエポキシ樹脂に対して0.1〜10重量部用いられる。
【0014】
本発明のエポキシ樹脂封止材の無機充填材は結晶シリカと溶融シリカとの混合物又は結晶シリカからなり、エポキシ樹脂封止材中に65〜76vol%含有されている。このような割合で無機充填材を含有させると線膨張係数α1が1.6〜2.0×10−5/℃となる。図1は充填材量(vol%)と線膨張係数α1の関係を示すグラフである。図1に示す斜線部分の充填材組成の樹脂封止材を使用することにより熱衝撃試験時のAu線が断線するという課題を解決することができる。結晶シリカと溶融シリカの好ましい混合割合は、使用するシリカ全量に対して、結晶シリカが15〜100%、溶融シリカが85〜0%である。溶融シリカのみで線膨張係数α1を1.6〜2.0×10−5/℃にすると無機充填材量が少なくなりクラックが発生するようになる。
【0015】
エポキシ樹脂封止材にその他の添加剤として高級脂肪酸、高級脂肪酸金属塩、エステル系ワックスなどの離型剤、カーボンブラックなどの着色剤、シランカップリング剤及び難燃剤などを配合することができる。
【0016】
【作用】
前記したエポキシ樹脂封止材を用いて封止した樹脂封止型半導体装置は、樹脂封止材中に含有する水分が少なく、更にインサートとの密着力が高くなり、半田付け時のフクレやクラックが発生することなく、また、樹脂封止材の線膨張係数α1を1.6〜2.0×10−5/℃にして、Cuリードフレームの線膨張係数に合わせることにより、その後の熱衝撃試験時のAu線が断線することがなくなる。
【0017】
【実施例】
以下、本発明を実施例に基づいて詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【0018】
実施例1〜4及び比較例1〜6
まず、表1に示す各種の素材を予備混合(ドライブレンド)した後、二軸ロール(ロール表面温度約80℃)で10分間混練し、冷却粉砕してエポキシ樹脂封止材を製造した。
【0019】
このエポキシ樹脂封止材を用い、トランスファー成形機を用い、金型温度180℃、成形圧力70kgf/cm2、硬化時間90秒の条件で成形した。スパイラルフロー(SF)は、EMMI1−66に準じて測定した。線膨張係数α1はASTM−D696に準じφ10×100mmの丸棒成形品を上記の条件で成形し、その後175℃、5時間後硬化を行い、昇温速度2℃/minで加熱したときの熱膨張を測定した。Alピール接着力は、厚み約0.03mmのアルミホイル上に幅10mmの成形品を上記の条件で成形し、更に175℃、5時間後硬化を行ったものについて、アルミ箔と成形品の密着性を測定した。吸湿率はφ50×3mmの円板を上記の条件で成形し、更に後硬化を行ったものについて、PCT(121℃、2atm)20時間後の重量変化から測定した。また、エポキシ樹脂封止材を用いて、半導体素子をトランスファー成形機で同様の条件で成形し、後硬化後半田付け時のPKGクラック性とその後の熱衝撃性を測定した。
【0020】
半田付け時のPKGクラック性に用いた半導体装置は、QFP82pの樹脂封止型半導体装置(外形寸法20×14×2.0mm)であり、リードフレームはCu材で8×10mmのチップサイズを有するものである。このようにして得られた樹脂封止型半導体装置について、125℃/24hベーキング後、85℃/85%RHで所定の時間吸湿させた後、215℃/90secの処理を行ったときの樹脂封止型半導体装置のクラック発生率を求めた。クラックが発生しなかったPKGについて、熱衝撃試験を行った。熱衝撃性は、−65℃/30分←→150℃/30分 1000サイクル(液相←→液相)を行った後、PKGを研磨してAu線の断線を調べた。
【0021】
上記の各試験結果をまとめて表2に示す。
【0022】
【表1】
【0023】
【表2】
【0024】
*1 PKG:QFP82p、(外形寸法、20×14×2.0mm)、フレームCu材、チップサイズ8×10mm、Au線25μm、125℃/24hベーキング後85℃/85%RH20h 吸湿させた後、215℃/90sec処理したもの。
*2 PKG:上記半田付けのクラックテストを行った後PKGクラックのないものについて、熱衝撃試験−65℃/30分←→150℃/30分 1000サイクル(液相←→液相)を行った後、PKGを研磨してAu線の断線を調べた。
【0025】
【発明の効果】
本発明のSiチップの表面が25mm2以上又は1辺の長さが5mm以上、パッケージの厚さが3mm以下の薄型表面実装型のリードフレームがCuである樹脂封止型半導体装置は、半田付け時のPKGのフクレヤクラックが発生せず、その後の熱衝撃試験においてもAu線の断線が発生しない優れ特性を有している。また本発明のエポキシ樹脂封止材は、上記の樹脂封止型半導体装置を製造するための封止材として好適に用いられる。
【図面の簡単な説明】
【図1】無機充填材量と線膨張係数α1の関係を示すグラフ。
Claims (6)
- Siチップ面積が25mm2以上又は一辺の長さが5mm以上で、パッケージの厚さが3mm以下であり、リードフレームがCuであるエポキシ樹脂封止材で封止された薄型表面実装型の樹脂封止型半導体装置において、エポキシ樹脂封止材がエポキシ樹脂と硬化剤と65〜76vol%の結晶シリカと溶融シリカとの混合物又は結晶シリカからなる無機充填材とを含有し、線膨張係数α1が1.6〜2.0×10−5/℃であることを特徴とする樹脂封止型半導体装置。
- 硬化剤がアラルキル型フェノール樹脂である請求項1又は2記載の樹脂封止型半導体装置。
- Siチップ面積が25mm 2 以上又は一辺の長さが5mm以上で、パッケージの厚さが3mm以下であり、リードフレームがCuであるエポキシ樹脂封止材で封止された薄型表面実装型の樹脂封止型半導体装置に用いられ、エポキシ樹脂と硬化剤と65〜76vol%の結晶シリカと溶融シリカとの混合物又は結晶シリカからなる無機充填材とを含有し、線膨張係数α1が1.6〜2.0×10−5/℃であることを特徴とするエポキシ樹脂封止材。
- 硬化剤がアラルキル型フェノール樹脂である請求項4又は5記載のエポキシ樹脂封止材。
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