JPH03201467A - 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〕 この発明は、耐熱衝撃信頼性および耐湿信頼性の双方に
優れた半導体装置に関するものである。

（従来の技術〕 トランジスタ、ＩＣ，ＬＳＩ等の半導体素子は、外部環
境の保護の観点および素子のハンドリングを可能にする
観点から、プラスチックパッケージ等により封止され半
導体装置化されている。この種のパッケージの代表例と
しては、デュアルインラインパッケージ（ＤＩＰ）があ
る。このＤＩＰは、ビン挿入型のものであり、実装基板
に対してビンを挿入することにより半導体装置を取り付
けるようになっている。

最近は、ＬＳＩチップ等の半導体装置の高集積化と高速
化が進んでおり、加えて電子装置を小形で高機能にする
要求から、実装の高密度化が進んでいる。このような観
点からＤＩＰのようなビン挿入型のパッケージに代えて
、表面実装型パッケージが主流になってきている。この
種のパッケージを用いた半導体装置においては、平面的
にビンを取り出し、これを実装基板表面に直接半田等に
よって固定するようになっている。このような表面実装
型半導体装置は、平面的にビンが取り出せるようになっ
ており、薄い、軽い、小さいという利点を備えており、
したがって実装基板に対する占有面積が小さくてすむと
いう利点を備えている他、基板に対する両面実装も可能
であるという長所をも有している。

（発明が解決しようとする課題〕 ところが、上記のような表面実装型パッケージを用いた
半導体装置において表面実装前にパッケージ自体が吸湿
している場合には、半田実装時に水分の蒸気圧によって
、パッケージにクラックが生じるという問題がある。す
なわち、第１図に示すような表面実装型半導体装置にお
いて、水分は矢印Ａのように封止樹脂１を通って、パッ
ケージ３内に侵入し、主としてＳｉ−チップ７の表面や
ダイポンドパッド４の裏面に滞溜する。そして、ヘーパ
ーフエーズソルダリング等の半田表面実装を行う際に、
上記滞溜水分が、上記半田実装における加熱により気化
し、その蒸気圧により、第２図に示すように、グイボン
ドパッド４の裏面の樹脂部分を下方に押しやり、そこに
空隙５をつくると同時にパッケージ３にクラック６を生
じさせる。第１図および第２図において、８はポンディ
ングワイヤーである。

このような問題に対する解決策として、半導体素子をパ
ッケージで封止した後、得られる半導体装置全体を防湿
梱包し、表面実装の直前に開封して使用する方法や、表
面実装の直前に上記半導体装置を１００　’Ｃで２４時
間乾燥させ、その後半田実装を行うという方法が提案さ
れ、すでに実施されている。しかしながら、このような
前処理方法によれば、製造工程が長くなる上、手間かが
かるという問題がある。

この発明は、このような事情に鑑みなされたもので、電
子機器への実装に際して前処理を要することなく、しか
も半田実装時の加熱に耐えうる低応力性に優れた半導体
装置の提供をその目的とする。

〔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、
少なくとも一部が下記の一般式（１）で表されるエポキ
シ樹脂からなる主剤成分と、少なくとも一部が下記の一
般式（Ｉ［）で表されるフェノール樹脂からなる硬化剤
成分と、低応力化剤と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。

（作用〕 パッケージクラックの発生を防止する方法としては、■
封止樹脂に対する吸湿を抑制する、■ダイボンドパッド
の裏面および半導体素子の表面と、封止樹脂との間の接
着力を高める、■封止樹脂自体の強度を高めるという三
つの方法が考えられる。この発明は、上記■の方法にも
とづき、封止樹脂の吸水率を大幅に低減させ封止樹脂に
対する吸湿を抑制させるようにするとともに、上記■の
方法にもとづき半導体素子の表面と封止樹脂との間の接
着力を高めるようにすることによりパッケージ自体の耐
湿性の向上および封止樹脂の接着強度の向上を意図する
ものである。そのため、この発明は、上記一般式（Ｉ）
で表される特殊なエポキシ樹脂と、上記一般式（［Ｉ）
で表される特殊なフェノール樹脂を用いるものであり、
これにより、半田実装におけるような高温下（２１５〜
２６０°Ｃ）での封止樹脂の耐パッケージクラック性と
耐湿信頼性の大幅な向上を実現できる。さらに、上記低
応力化剤を用いることにより、大形パッケージにおける
封止樹脂の低応力性、すなわち、パッシベーションクラ
ックの低減やアルミ配線の変形防止が実現できる。

この発明に用いるエポキシ樹脂組成物は、全部もしくは
一部が前記一般式（Ｉ）で表される特殊なエポキシ樹脂
からなる主剤成分と、全部もしくは一部が前記一般式（
ＩＩ）で表される特殊なフェノール樹脂からなる硬化剤
成分と、低応力化剤とを用いて得られるものであって、
通常、粉末状もしくはそれを打錠したタブレット状にな
っている。

上記特殊なエポキシ樹脂からなる主剤には、下記の一般
式（１）で表されるエポキシ樹脂がそのまま、もしくは
他の通常用いられるエポキシ樹脂とともに使用される。

上記一般式（Ｉ）で表される特殊なエポキシ樹ズアルデ
ヒド）Ｉ　Ｏ−ｔｏ−ＣＨＯの縮合体をエピクロルヒド
リン等を用いてグリシジル化することにより得られる。

このような分子構造を用いることで、耐熱衝撃性はもち
ろん耐湿性に優れた封止樹脂を得ることができる。上記
特殊なエポキシ樹脂は、それ自体でエポキシ樹脂主剤成
分を構成してもよいし、先に述べたように、通常用いら
れるその他のエポキシ樹脂と併用してもよい。上記その
他のエポキシ樹脂としては、特に限定するものではなく
、通常用いられるエポキシ樹脂、例えばクレゾールノボ
ラック型、フェノールノボラック型およびビスフェノー
ルＡ型等の各種のエポキシ樹脂があげられる。これらの
エポキシ樹脂のなかでも、融点が室温を超えており、室
温下では固形状もしくは高粘度の液体状を呈するものを
用いることが好結果をもたらす。上記ノボラック型エポ
キシ樹脂としては、通常、エポキシ当！１５０〜２５０
、軟化点５０〜１３０″Ｃのものが用いられ、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１
８０〜２１０．軟化点６０〜１１０°Ｃのものが一般に
用いられる。このように上記−般式（１）で表されるエ
ポキシ樹脂と通常用いられるエポキシ樹脂の両者を併用
する場合における両者の配合割合は、前者１００重量部
（以下「部」と略す）に対して後者０〜１００部の範囲
内に設定することが効果の点から好ましい。すなわち、
通常用いられるエポキシ樹脂の配合割合が上記範囲を超
えると低吸湿性に優れた封止樹脂が得られなくなるから
である。

上記特殊なフェノール樹脂からなる硬化剤には、下記の
一般式（Ｉ［）で表されるフェノール樹脂がそのまま、
もしくは他の通常用いられるフェノール樹脂とともに使
用される。

上記一般式（ＩＩ）で表される特殊なフェノール樹脂は
、ビフェノールのメチロール体とｃ４ｏＨで表されるフ
ェノールとの反応によってノボラック化するか、または
ビフェノールとｃ！；−ＯＨとを直接ノボラック化する
ことにより得られる。上記特殊なフェノール樹脂は、そ
れ自体で硬化剤成分を構成してもよいし、先に述べたよ
うに、通常用いられるその他のフェノール樹脂と併用し
てもよい。上記その他のフェノール樹脂としては、フェ
ノールノボラック型、クレゾールノボラック型等のフェ
ノール樹脂があげられる。これらノボラック型フェノー
ル樹脂は、軟化点５０〜１１０”Ｃ。

水酸基当量が７０〜１５０のものを用いることが望まし
い。特に上記ノボラック型フェノール樹脂のなかでも、
タレゾールノボラックを用いることが好結果をもたらす
。このように上記一般式（■）で表されるフェノール樹
脂と通常用いられるフェノール樹脂の両者を併用する場
合における両者の配合割合は、前者１００部に対して後
者０〜１００部の範囲内に設定することが効果の点から
好ましい。すなわち、通常用いられるフェノール樹脂の
配合割合が上記範囲を超えると低吸湿性に優れた封止樹
脂が得られなくなるからである。

そして、上記特殊なエポキシ樹脂からなる主剤成分（Ａ
Ｍ分）と上記特殊なフェノール樹脂からなる硬化剤成分
（Ｂ成分）との配合比は、上記Ａ成分中のエポキシ基１
当量当たりＢ成分中の水酸基が０．５〜２．０当量とな
るように配合することが好適である。より好適なのは０
．８〜１．２当量である。

また、上記低応力化剤としては、シリコーンオイル、シ
リコーンゴム、ゴム粒子等があげられ、上記各成分と同
時に配合することにより、または予め上記各成分の少な
くとも一方と予備反応させて各成分を変性することによ
り用いられる。そして、上記のように予め予備反応させ
変性する場合、例えば前記特殊なエポキシ樹脂からなる
主剤成分を変性する場合に用いる低応力化剤としては、
主剤成分のエポキシ基と反応しうるジメチルシロキサン
類で、末端または側鎖に−ＮＨ２，−ＯＨ等の官能基を
有する分子量１５００〜１５０００のものを用いること
が好適である。また、前記特殊なフェノール樹脂からな
る硬化剤成分を変性する場合に用いる低応力化剤として
、末端にエポキシ基を有するジメチルポリシロキサン類
で分子量１５００〜１５０００のものを用いるのが好適
である。

上記低応力化剤の配合量は、エポキシ樹脂組成物の有機
成分１００部に対して２〜１５部の範囲内に設定するの
が好適である。

また、この発明に用いるエポキシ樹脂組成物には、通常
、無機質充填剤が用いられる。上記無機質充填剤として
は、結晶性および溶融性シリカ粉末があげられる。そし
て、これ以外にアル主す粉末、酸化ベリリウム粉末、炭
化珪素粉末等を使用することができる。これらは単独で
もしくは併せて用いられる。このような無機質充填剤の
含有量は、エポキシ樹脂組成物全体の４０〜９０重量％
（以下「％」と略す）の範囲に設定することが好適であ
る。

なお、この発明に用いるエポキシ樹脂組成物には、上記
特殊なエポキシ樹脂からなる主剤成分。

特殊なフェノール樹脂からなる硬化剤成分および低応力
化剤、そして無機質充填剤以外に、必要に応じて難燃剤
、カップリング剤、硬化促進剤、ワックス等が適宜用い
られる。

上記難燃剤としては、ノボラック型ブロム化エポキシ樹
脂もしくはブロム化ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、
二酸化アンチモンおよび五酸化アンチモン等の化合物を
適宜単独でもしくは併せて使用することが行われる。

上記カップリング剤としては、グリシジルエーテルタイ
プ、アミンタイプ、チオシアンタイプ等のメトキシない
しはエトキシシランが、適宜に単独でもしくは併せて用
いられる。その使用方法としては、充填剤に対して、ト
ライブレンドしたり、もしくは予備加熱反応させたり、
さらには有機成分原料に対する予備混合等自由である。

上記硬化促進剤としては、アミン系、リン系。

ホウ素系等の硬化促進剤があげられ、単独でもしくは併
せて使用される。

上記ワックスとしては、高級脂肪酸、高級脂肪酸エステ
ル、高級脂肪酸カルシウム等の化合物があげられ、単独
でもしくは併せて使用される。

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、上記各成分原料を適宜配合し予備混合した後
、ξキシングロール機等の混練機に掛は加熱状態で混練
して溶融混合し、これを室温に冷却した後、公知の手段
によって粉砕し、必要に応して打錠するという一連の工
程により製造することができる。また、上記各成分原料
に先立って、予め特殊なエポキシ樹脂からなる主剤およ
び特殊なフェノール樹脂からなる硬化剤の少なくとも一
方と上記低応力化剤を予備反応させて変性樹脂を作製し
、これに残りの成分原料を配合した後、上記同様の製法
にしたがって製造することもできる。

このような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、通常のトランスフ
ァー底形等の公知のモールド方法により行うことができ
る。

このようにして得られる半導体装置は、エポキシ樹脂組
成物中に含まれる前記一般式（１）で表される特殊なエ
ポキシ樹脂および前記一般式（■）で表される特殊なフ
ェノール樹脂、さらに低応力化剤の作用により、封止樹
脂自体の低吸湿化が実現されており、また半導体素子と
封止樹脂との接着強度も向上しているため、耐熱衝撃信
頼性および耐湿信頼性の双方に優れ、半田実装に際して
もパッケージクラック等が生ずることがない。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明の半導体装置は、上記のような
特殊なエポキシ樹脂および特殊なフェノール樹脂さらに
低応力化剤を含有するエポキシ樹脂組成物を用いて半導
体素子を樹脂封止して構成されているため、半導体素子
と封止樹脂との接着強度に優れ、半田実装におけるよう
な過酷な条件下においてもパッケージクラックが生ずる
ことがなく、優れた耐熱衝撃信頼性および耐湿信頼性を
備えている。

つぎに、実施例について比較例と併せて説明する。

〔実施例１〜８、比較例１〜４〕 下記の第１表に示す化合物を用いて同表に示す割合で配
合し、９０−１１０°Ｃに加熱したロール混練機に掛け
て３分間溶融混練した。ついで、この溶融物を冷却後粉
砕して、さらに打錠を行いタブレット化して半導体封止
用エポキシ樹脂組成物を得た。

（以下余白） つぎに、実施例１〜８および比較例１〜４で得られたタ
ブレット状のエポキシ樹脂組成物を用いて、ＴＭＡ　（
Ｔｈｅｒｍａｌ　ｍｅｃｈａｎｒｃａｌａｎａｌｙｓｉ
ｓ）用試験片、吸湿率測定用試験片をトランスファーモ
ールドにより成形した。また、アルミニウム電極の腐食
を検討するために設計した半導体素子を１６デユアルイ
ンラインパツケージ（ＤＩＰ）にトランスファーモール
ドにより成形し、耐湿信頼性検討用の半導体装置を作製
した。また、熱衝撃によるパッシベーション膜のクラッ
クと、アルミ配線の変形の確認と、半田浸漬時のパッケ
ージクラックを確ＬＵするため、８０ピン四方向フラツ
トパツケージ（ＱＦＰ）（２０ｍｍｘ１４ｍｍｘ厚み２
．５　ｍｍ）で、７　ｍｍ　Ｘ　７　ｍｍのダイボンド
プレート　６．５　ｍｍＸ　６．５　ｍｍのチップサイ
ズを有する半導体装置を上記と同様トランスファー底形
により作製した。そして、上記ＴＭＡ用試験片からエポ
キシ樹脂組成物の硬化体に関する試験（ガラス転移温度
、熱膨張係数２曲げ強度５曲げ弾性率）を行った。なお
、上記ガラス転移温度はＴＭＡチャートにて作図した熱
膨張係数の交点から求めた。さらに、吸湿率測定用試験
片を用いて吸湿率を測定した。上記吸湿率は、８５°Ｃ
／８５％ＲＨでの３００時間後の値を示した。また、耐
湿信頼性を評価するために、上記半導体装置を用いて、
１２０″Ｃ／１００％ＲＨのプレッシャークツカー試験
（以下「ＰＣＴテスト」と略す）を行い１０００時間後
の不良品の発生素子数をカウントした（初期の素子数は
４０個である）。つぎに、上記８０ビンＱＦＰパツケー
ジにて、８５°Ｃ／８５％ＲＨの条件下で７２時間吸湿
させた後、２６０°Ｃの半田浴に１０秒間浸漬しパッケ
ージクラックの発生数をカウントした（初期の半導体装
置数は１０個である）。さらに、上記８０ピンＱＦＰパ
ツケージを、冷熱サイクル試験（以下ｒＴＣＴテスト」
と略す）機に掛け、−５０°Ｃ１５分〜１５０°Ｃ１５
分を２００サイクル行い、パッケージを開封してアルミ
配線の状態およびパッシベーション膜の状態を顕微鏡に
て観察した。また、半導体素子と上記エポキシ樹脂組成
物硬化体の接着力を測定した。これらの測定結果を下記
の第２表に示した。

なお、上記接着力は、っぎのようにして測定した。すな
わち、第３図（Ａ）および（Ｂ）に示すように、上面が
直径ａ＝１１ｍｍおよび下面が直径ｂ＝９ｍｍで、高さ
ｈ＝１０ｍの円錐台状のエポキシ樹脂組放物硬化体１０
を作製し、この円錐台状硬化体１０の上面の中心に２ｍ
ｌ１１×２Ｍ×厚み０．４前の半導体素子１１を搭載し
た。そして、この円錐台状硬化体１０と半導体素子１１
とのせん断接着力を測定した。

（以下余白） 第２表の結果から、比較例２，３．４品は吸湿率が高く
、半導体素子との接着力も弱い。さらに、ＰＣＴテスト
による不良および耐半田クラック試験において多くの不
良数が発生している。また、比較例１　、　３品はパッ
シベーション膜にクラックが生じ、アルご配線が変形し
た。これに対して、実施別品は、高い接着力を有し、飽
和吸水率も低くかつパッシベーション膜にもクラックは
生じず、アルミ配線にも異常は認められなかった。さら
に、各テストにおけるクラック発生数も少ない。したが
って、実施別品は耐湿信頼性に優れ高温時の低応力性に
優れていることがわかる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は従来の半導体装置のパッケージク
ラック発生状況を説明する縦断面図、第３図（Ａ）は実
施例および比較例での半導体素子とエポキシ樹脂組成物
の硬化物との接着力の測定方法を説明する平面図、第３
図（Ｂ）はその正面図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）少なくとも一部が下記の一般式（ I ）で表され
   るエポキシ樹脂からなる主剤成分と、少なくとも一部が
   下記の一般式（II）で表されるフェノール樹脂からなる
   硬化剤成分と、低応力化剤と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。 ▲数式、化学式、表等があります▼・・・（ I ） 〔上記式（ I ）において、Ｒ＿１〜Ｒ＿６は水素原子
   または炭素数１〜４のアルキル基、Ｇはグリシジル基で
   あり、ｎは正の整数である。〕 ▲数式、化学式、表等があります▼・・・（II） 〔上記式（II）において、Ｒ＿７〜Ｒ＿１＿０は水素原
   子または炭素数１〜４のアルキル基である。〕（２）少
   なくとも一部が下記の一般式（ I ）で表されるエポキ
   シ樹脂からなる主剤成分と、少なくとも一部が下記の一
   般式（II）で表されるフェノール樹脂からなる硬化剤成
   分と、低応力化剤とを含有する半導体封止用エポキシ樹
   脂組成物。 ▲数式、化学式、表等があります▼・・・（ I ） 〔上記式（ I ）において、Ｒ＿１〜Ｒ＿６は水素原子
   または炭素数１〜４のアルキル基、Ｇはグリシジル基で
   あり、ｎは正の整数である。〕 ▲数式、化学式、表等があります▼・・・（II） 〔上記式（II）において、Ｒ＿７〜Ｒ＿１＿０は水素原
   子または炭素数１〜４のアルキル基である。〕