JPH01206654A - 樹脂封止型半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、樹脂封止型半導体装置に係り、特に熱応力の
発生が少なく耐クラツク性が良好なエポキシ樹脂組成物
を用いた樹脂封止型半導体装置に関する。

〔従来の技術〕

トランジスタ、ＩＣ，ＬＳＩ、ＶＬＳＩ等の半導体装置
の外装には、金属、ガラス、セラミックス等を用いるハ
ーメチック型と、エポキシ樹脂を主流とする樹脂封止型
の２種類がある。

前者は気密性の点では極めてすぐれているが、非常に高
価である。一方、後者は大量生産によって極めて安価に
生産できる上に、近年半導体素子。

封止用樹脂等の材料や製造技術の進歩により製品の信頼
性が著しく向上し、最近では半導体製品の８０％以上が
エポキシ樹脂を主流とする熱硬化性樹脂を用いたトラン
スファ成形による樹脂封止型になっている。

〔発明が解決しようとする課題〕

半導体は集積度が年々向上し、それに伴ってチップサイ
ズが大型化し、配線の微細化並びに多層化等が進んでい
る。一方パッケージは実装の高密度化、自動化等のため
小型薄型化の方向にあり、パッケージの形状も従来のＤ
工Ｐ　（Ｄｕａｌ　Ｉｎ１ｉｎｅＰａ’ｃｋａｇｅ）で
代表されるピン挿入型からＱＦＰ（Ｑｕａｄ　Ｆｌａｔ
　Ｐａｃｋａｇｅ）、Ｓ　ＯＰ　（Ｓｍａｌｌ　０ｕｔ
ｌｉｎｅ　Ｊ　　’−ｂｅ、ｎｄｅｄ　Ｐａｃｋａｇｅ
）、Ｐ　Ｌ　ＣＣ（ｐｌａｓｔｉｃ　ＬｅａｄｅｄＣｈ
ｉｐ　Ｃａｒｒｉｅｒ）等の表面実装型パッケージに移
行している。

このような集積度の向上、パンケージサイズやパッケー
ジ形状、実装方式等の変遷に伴い、チップは大型化され
、その表面は繊細になり、パッケージの封止樹脂層は著
しく薄肉化している。

また、パッケージは実装時これまセよりも高温に曝され
るよう、になっている。そのため、封止品が熱的ストレ
スを受けた場合、半導体装置を構成する封止樹脂、チッ
プ、フレーム等の熱膨張係数の違いによって発生する熱
応力により、封止樹脂にクラックが発生したり、あるい
はチップやチップ表面に形成されているパッシベーショ
ン膜にクランクを生じたり、チップ表面の配線の切断、
短絡２位置ずれ等を生じ、素子特性の変動や信頼性の低
下を起こすことが問題となっている。この問題は、パッ
ケージの実装方式がピン挿入方式から表面実装方式に移
行し、実装時パッケージがこれまでよりも高温に曝され
るようになった事により一層重要な問題になっている。

樹脂封止型半導体装置に発生する熱応力は上述のように
各構成材料の熱膨張係数の違いによって発生する。各構
成材料のうち、特に封止樹脂の熱膨張係数を小さくする
ことができれば熱応力は大幅に低減させることができる
。

一般に封止用樹脂には熱膨張係数の低減を目的として樹
脂よりも熱膨張係数が小さな無機質充填剤が配合されて
おり、熱膨張係数をより小さくするためには充填剤の配
合量をさらに増やせばよい。

しかし、充填剤の配合量を増やすと樹脂組成物の粘度が
上昇して流動性が低下し、封止作業が困難になるという
問題がある。その対策として、特公昭５０−１８５２０
　、および同５１−２０５４１号公報に記載されている
ように、特定の粒度分布を有する無機質充填剤を用い、
樹脂組成物の粘度上昇をあまり起こさずに充填剤の配合
量を増やす方法が提案されている。しかし、このような
方法を用いても、現在半導体の封止樹脂に用いられてい
るフェノール硬化型エポキシ樹脂組成物においてはベー
ス樹脂自体の粘度が高いために充填剤の配合量を飛躍的
に増やすことは困難であり、熱膨張係数を大幅しこ低減
することは出来なかった。その理由は、従来このような
用途には充填剤として原石を機械的に粉砕した形状的に
角゛ばった充填剤が使用されてきたため最大充填率が低
く、樹脂組成物の粘度上昇や流動性の低下を起こしやす
かったためである。

この問題を解決するには一般に充填剤の形状を球形にす
れば良いことが知られている。しかし、従来半導体封止
用樹脂に広く用いられてきた溶融シリカを球形化したも
のは工業的に生産されておらず、この方法は実際には採
用されていなかった。

だが、特開昭５９−５９７３７５および同５２−１４９
３４８号公報に開示されているように、最近、溶融シリ
カのような各種の無機質充填剤を工業的に球形化する技
術が確立され、樹脂組成物の粘度上昇や流動性の低下を
起こさずに充填剤を増量して封止用樹脂の熱膨張係数を
かなり低減することができるようになった。

しかし、このように充填剤を増量して封止樹脂の熱膨張
係数を小さくした場合、成形品の弾性率が大きくなり、
また成形品の靭性（伸び率）が低下するという問題があ
る。

封止用樹脂の弾性率を小さくする手段としては、特開昭
５８−６９２４４　、同５７−５６９５４、同５８−４
７０１３号公報、あるいはＩ　Ｅ　Ｅ　Ｅ　Ｔｒａｎｓ
ａｃｔｉｏｎｓ　ｏｎＣｏｍｐｏｎｅｎｔｓ、　ｔ（ｙ
ｂｒｉｄｓ、　ａｎｄ　ＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＴ
ｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、　ｖｏｌ　ＣＨＭＴ−８，Ｎｎ４
．　ｐ４８６−４８９．　Ｄｅｃ、。

１９８５および６ｔｈ　Ａｎｎｕａｌ　Ｐｒｏｃｅｅｄ
ｉｎｇ　ｏｆ　ｔｈｅＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｅ
ｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　ＰａｃｋａｇｊｎｇＣｏｎｆｅ
ｒｅｎｃｅ　ｐ２９４−３１２　（１’９８Ｇ）等に開
示されているように封止樹脂中にシリコーンゴムやポリ
ブタジェンゴムのようなゴム成分を配合し、ベース樹脂
を所謂海鳥構造にして硬化物の弾性率を小さくする方法
が知られている。

しかし、この方法は封止樹脂の弾性率を小さくする効果
はかなりあるが、封止樹脂の靭性（伸び率）を改善する
効果は少ない。そのため、熱膨張係数並びに弾性率が小
さく、しかも靭性が高い（伸び率が大きい）封止樹脂が
強く望まれていた。

本発明はこのような状況を鑑みなされたものであり、そ
の目的とするところは、熱膨張係数並びに弾性率が小さ
く、しかも靭性（破断伸び）が高い熱応力の発生が少な
くて、かつ耐クラツク性が良好な封止用樹脂並びに当該
樹脂組成物を用いた半導体装置を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は、エポキシ樹脂と、硬化剤と、硬化促進剤と
、シリコーン系可とう化剤と、充填剤とを配合した樹脂
組成物で封止された樹脂封止型半導体装置において、前
記充填剤の表面をシラン系カップリング剤の水溶液また
は水を含む溶液で被覆処理をし、前記充填剤の被覆層を
１２０℃以上の温度で焼き付け、さらに前記充填剤を前
記樹脂組成物全体に対し７０ｗｔ％以上配合することに
よって解決される。

〔実施例〕

充填剤として原石を破砕した角形の溶融シリカ並びに球
形の溶融シリカ、を用いた成形材料の成形品の破面を詳
細に観察した。その結果、角形の溶融シリカを用いた成
形材料の破面には真っ二つに割れた角形溶融シリカが随
所に見られるのに対し、球形溶融シリカを用いた成形材
料は非常に滑らかな球形の溶融シリカの表面や球形の溶
融シリカが抜は落ちた凹みが随所に観察され、球形の溶
融シリカはベース樹脂との接着性が角形溶融シリカにく
らべて著しく劣ることが明らかになった。このように表
面を予めカップリング剤で処理をしない球形の溶融シリ
カに対し、充填剤として表面を予めシラン系カップリン
グ剤の水溶液または水を含む溶液で処理した後、１２０
°Ｃ以上の温度で焼き付けた球形の溶融シリカを用いた
成形材料は成形品の破面をしらべてみると、表面が滑ら
かな球形の溶融シリカは全く見当らず、球形の溶融シリ
カの表面にはベース樹脂がかなり付着している。すなわ
ち、成形品の破壊は球形の溶融シリカとベース樹脂の界
面ではなく、ベース樹脂の凝集破壊によって起きている
。従って、球形の溶融シリカは本発明の表面処理を行う
ことによって、ベース樹脂との接着性が著しく向上した
ことがわかる。また成形品の引張り試験や曲げ試験を行
った場合、破断時の伸び率が大幅に改善される。これら
のことから、球形の溶融シリカは本発明の方法で表面処
理することによってベース樹脂との接着力が増したこと
、並びに球形の溶融シリカとベース樹脂の濡れ性が増し
、界面に微小ボイドのような欠陥が無くなり、成形品に
応力集中が起こりにくくなったと考えられる。

このような目的に用いるカップリング剤は、具体的には
、ビニルトリエトキシシラン、ビニルトリメトキシシラ
ン、ビニルトリス（β−メトキシエトキシ）シラン、γ
−メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン、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
、γ−メルカプトプロピルトリメトキシシラン、γ−ア
ミノプロピルトリエトキシシラン、Ｎ−β（アミノエチ
ル）−γ−アミノプロピル１〜リメトキシシラン、Ｎ−
β（アミノエチル）γ−アミノプロピルメチルジメトキ
シシラン、Ｎ−フェニル−γ−アミノプロピルトリメト
キシシラン、アミノエチルアミノチルフェネチルトリメ
トキシシラン、３−アミノプロピルメチルジェトキシシ
ラン、ビス（３−（トリエトキシシリル）プロピルコア
ミノ、Ｎ、Ｎ−ジエチル−３−アミノプロピルトリメト
キシシラン、Ｎ、Ｎジメチルアミノフェニルトリエトキ
シシラン、１−トリメトキシシリル−２゜１　　（ｐｐ
ｍ−アミノメチル）フェニルエタン、Ｎ−メチルアミノ
プロピルトリエトキシシラン、トリメトキシシリルプロ
ピルジエチレントリアミン、ｐ−アミノフェニルトリメ
トキシシラン、γ−ニレイドプロピルトリエトキシシラ
ン等が用いられる。これらカップリング剤のうちでは特
にアミノシラン系カップリング剤が球形の溶融シリカと
ベース樹脂間の接着力向上効果が優れる。また、これら
のカップリング剤は単独で用いた場合よりも２種類以上
を併用した場合に著しい効果を示すことがある。

本発明において、カップリング剤の配合量を充填剤１０
０重量部に対し、０．１〜３重量部とするのは０．１　
重量部以下では充填剤とベース樹脂・　　　間の強固な
結合が得られないためであり、また、３重量部以上配合
しても目立った効果が無くなるためである。

一方、球形の溶融シリカの表面処理をするにあたって、
カップリング剤を水または水を含む溶液として用い、ま
た処理皮膜の焼き付けを１２０’Ｃ以上で行うのは１２
０℃未満の温度で焼付けを行ってもあまり強固な結合が
得られず、また、１２０℃未満の温度で焼付けを行った
場合、カップリング剤の種類によっては成形材料の硬化
性が著しく促進されたり、逆に著しく遅延されたりする
が、これを防止でき、さらに理由ははっきりしないが封
止した半導体装置の各種信頼性が良くなるためである。

焼付は温度の上限は−に限定されないが３００℃で焼付
けを行っても効果が認ぬれる。

本発明で充填剤として使用する球形の溶融シリカは、例
えば原石を粉砕した角形の溶融シリカや人工的に合成し
たシリカの微粉末をその融点以上に加熱した炉中に噴射
し、溶融することによって得られる。このような充填剤
の粒径は９５重量％以上が０．５　から１００μｍの範
囲内に有ることが望ましい。これは、０．５　μｍ以下
の充填剤が多くなると充填剤の配合量を増やした場合に
封止樹脂の溶融粘度が著しく上昇し、１００μｍ以上の
充填剤が多くなると半導体素子を封止する際しこ、ボン
ディングワイヤの変形や切断等の成形不良力＼発生する
ためである。封止樹脂の熱膨張係数を充分小さくするた
めには、充填剤は樹脂組成物全体に対し７０ｗｔ％以上
配合することが必要であるが、充填剤をこのように多量
に配合しても封止樹脂の溶融粘度の上昇や流動性の低下
をなるべく少なくするためには、使用する充填剤が取り
うる最大充填率を出来るだけ大きくなるようしこするこ
とが必要である。そのためには充填剤の形状を単しこ球
形にすればよいわけではなく、粒度分布をなるべく広く
することが重要である。具体的には充填剤の粒度分布を
Ｒｏｓｉｎ　−Ｒａｍｍ１ｅｒの粒度分布式で表した場
合に、粒度分布の広がりを示す勾配（ｎ）が、０．５〜
１．５の範囲で直線性を示すものを用いることが望まし
い。ここで勾配（ｎ）が０．５を下限とするのは充填剤
の粒径を０．５〜１００μｍの範囲とした場合に得られ
る最小の値であるからである。一方、（ｎ）を１．５　
よりも小さくするのは、（ｎ）が１．５　よりも大きく
なると、充填剤の粒度分布が極端に狭くなり、すなわち
最大充填率が小さくなって、充填剤を配合した封止樹脂
の溶融粘度の上昇や流動性の低下を起こすためである。

次に、本発明に用いるエポキシ樹脂は現在半導体封止用
成形材料に広く用いられているエポキシ樹脂組成物であ
り、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、○−グレゾールノボラック型エ
ポキシ樹脂等に硬化剤としてフェノールノボラック樹脂
、酸無水物。

ポリアミン、硬化促進剤としてイミダゾール、アミン、
オルガノホスフィンなどを配合した組成物であり、これ
らの組成物には必要に応じて可どう他剤、カシプリング
剤９着色剤、難燃剤、離形剤などが配合できる。特に可
どう他剤としては分子量１０００〜１０００００のポリ
ジメチルシリコーン並びに、その誘導体を用いると成形
材料が撥水性を有するようになり、封止品の耐湿性が向
上する。

本発明で用いる球形の溶融シリカのカップリング剤によ
る表面処理法は特に限定するものではないが、例えば次
のようにして行うことができる。

即ち、カップリング剤を水や水を含む各種有機溶融剤に
溶解した溶液を用意しておき、この溶液を充填剤に噴霧
したり、この溶液中に充填剤を侵した後、減圧乾燥によ
って水や溶剤を除去したり、ドライスプレー法で水や溶
剤を除去してもよい。

本発明の封止材料は従来の封止用成形材料と全く同様の
方法で作製することができ、封止作業も同様に行える。

即ち、各素材は予め７０〜１００°Ｃに加熱された２軸
ロールや押出し機で混練することができ、またトランス
ファプレスを用いて金型温度１６０−２００℃、成形圧
力３０〜１ｏ。

ｋｇｆ／ｃｄ、硬化時間１〜３　ｍｉｎで成形を行うこ
とができる。

以下、本発明による実施例について更に詳しく説明する
。

実施例１〜実施例５ カップリング剤として、γ−アミノプロピルトリエトキ
シシラン１０重量部（実施例１）、γ−グリシドキシプ
ロピルトリメトキシシラン１０重量部（実施例２）、γ
−メルカプトプロピルトリメトキシシラン１０重量部（
実施例３）、γ−アミノプロピルトリエトキシシランと
γ−グリシドキシプロピルトリメ１へキシシランの各５
重量部からなる混合物（実施例４）をそれぞれイオン交
換水５００重量部に溶解し、またＮ、Ｎ−ジエチル−３
−アミノプロピルトリメトキシ２９２１０重量部（実施
例５）をイオン交換水２５０重量部とイソプロピルアル
コール２５０重量部との混合液に溶解し、５種類のカッ
プリング剤の水溶液および水／アルコール混合液を調整
した。

次に、これらの各溶液中に、最大粒径４４μｍ。

平均粒径１５　μｍ、粒度分布をＲｏｓｉ　ｎ　−Ｒａ
ｍｍ１ｅｒの粒度線図で表わした時に、粗粒部分と細粒
部分を除いた残り８０重量％以上がほぼ直線を示し、か
つその勾配が約０．９　　を示す粒度分布を有する球形
の溶融シリカ１０００重量部を加え充分に攪拌しスラリ
ー状にした。その後、このものを減圧下（２０ｍｍ　Ｈ
ｇ　）で攪拌しなから８５°Ｃで５時間加熱乾燥し水お
よび溶媒を除去した。さらに１８０℃で１時間の加熱を
行い、目的とする表面をカップリング剤処理した球形の
溶融シリカを得た。

次に、これらの各球形の溶融シリカを用いて第１表に示
す各素材とともに２軸ロール（ロール温度約８０℃）で
約１０分間混練し５種類の成形材料を作製した。

比較例１．比較例２ 第１表に示した材料組成のうち、充填材には表面をカッ
プリング剤で処理してない球形の溶融シリカを用い、こ
れにカップリング剤としてγ−アミノプロピル１〜リエ
トキシシラン４．１重量部（比較例１）、γ−アミノプ
ロピルトリエ１へキシシラン２．０５重量部とγ−グリ
シドキシプロピルトリメトキシシラン２．０５重量部の
混合物（比較例２）を用い、上記した実施例と同様にし
て２種類の成形材料を作製した。

比較例３〜比較例６ カップリング剤として、γ−アミノプロピル１〜リエト
キシシラン１０重景部（比較例３）、γ−グリシドキシ
プロピルトリメトキシシラン１０重量部（比較例４）、
テトラオクチルビス（ジ１へリゾシルホスファイト）チ
タネート１０重量部（比較例５）、モノ−８ｅｃ−ブト
キシアルミニウムジイソプロピレート１０重量部（比較
例６）をそれぞれ５００重量部のテ１〜ラヒドロフラン
に溶解し４種類の溶液を調整した。

次に、この溶液中に上記実施例と同じ球形の溶融シリカ
１０００重量部を加えて５０℃で３時間撹拌した後、テ
トラヒドロフランを減圧蒸留によって除去し、残った球
形の溶融シリカを１８０℃で１時間加熱した。

比較例７ カップリング剤として、γ−アミノプロピルトリエトキ
シシラン１０重量部をイオン交換水５００重量部に溶解
し、これに最大粒径４４μｍ、平均粒径１５μｍ、粒度
分布をＲｏｓｉｎ　−Ｒａｍｍ１ｅｒの粒度線図で表し
た場合に粗粒部分と細粒部分を除いた残り９０重量％以
上が勾配約０．９　　を示す角形の溶融シリカ１０００
重量部を加え、充分に撹拌してスラリー状にした。その
後、このものを減圧下（２０ｍｍ　Ｈｇ　）で撹拌しな
がら８５℃で５時間加熱乾燥し水を除去した。さらに１
８０°Ｃで１時間の加熱を行なって表面をカップリング
剤処理した角形の溶融シリカを得た。

こうして得られた、表面をカップリング剤で処理した角
形の溶融シリカを用いて、上記実施例と同様にして成形
材料を作製した。

比較例８ 第１表に示した材料組成のうち、充填剤として表面をカ
ップリング剤で処理してない角形の溶融シリカを用い、
これにカップリング剤として、γ−アミノプロピルトリ
エトキシシラン４，１　重量部を用い、上記実施例と同
様に各素材を２軸ロール（ロール表面温度約ｇｏ’ｃ）
で約１０分間混練して成形材料を作製した。

上記各成形材料を用いて各種試料を金型温度１８０℃、
成形圧カフ　０に、ｆ／ｃＪ　、成形時間１．５分で成
形し、１８０℃で６時間の後硬化を行った後、成形品の
線膨張係数、ガラス転移温度２曲げ特性および樹脂封止
型半導体装置のヒートサイクル（−５５°Ｃ／１０分＝
１５０℃／１０分）試験を行った場合のパッケージの耐
クラツク性（クラック発生率５０％到達サイクル数）を
評価した。

第２表は、使用したカップリング剤、使用法、溶媒およ
び充填剤の種類を示す。また第３表は上記試験結果につ
いてまとめて示したものである。

第３表から明らかなように、比較例７は充填剤として表
面をカップリング剤で処理した角形の溶融シリカを用い
たものであり、比較例８は充填剤として表面をカップリ
ング剤で処理してない角形の溶融シリカを用いた時の結
果であるが、充填剤として角形の溶融シリカを用いた場
合、成形品の諸特性は充填剤の表面をカップリング剤で
処理してもしなくとも殆んど差が見られない。すなわち
、本発明の効果は充填剤として球形の溶融シリカを用い
た場合に顕著に現われることが明らかである。

なお、充填剤として角形の溶融シリカを用いた比較例７
および比較例８の成形材料は、球形の溶融シリカを用い
た他の材料に比べて成形時の溶融粘度が異常に高くなり
、半導体装置を封止する場合にボンディングワイヤの変
形や断線が生じ、半導体封止用成形材料としては不適切
な材料であった。

〔発明の効果〕

本発明によれば、本発明の樹脂組成物は熱応力の発生源
となる成形品の線膨張係数や弾性率が小さいうえに成形
品の破断強度や伸び率が太きいため、成形品の耐クラツ
ク性が良好である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、エポキシ樹脂と、硬化剤と、硬化促進剤と、シリコ
   ーン系可とう化剤と、充填剤とを配合した樹脂組成物で
   封止された樹脂封止型半導体装置において、前記充填剤
   の表面をシラン系カップリング剤の水溶液または水を含
   む溶液で被覆処理をし、前記充填剤の被覆層を１２０℃
   以上の温度で焼き付け、さらに前記充填剤を前記樹脂組
   成物全体に対し７０ｗｔ％以上配合したことを特徴とす
   る樹脂封止型半導体装置。 ２、前記シラン系カップリング剤が少なくとも１個以上
   の１級、２級または３級アミンを含有するアミノシラン
   系化合物を必須成分とすることを特徴とする請求項１記
   載の樹脂封止型半導体装置。