JPH0420268B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

〔発明の属する技術分野〕 本発明はエポキシ樹脂組成物の硬化物によつて
封止された耐湿性および高温電気特性に対し高信
頼性を有する樹脂封止型半導体装置に関する。 〔発明の技術的背景とその問題点〕 エポキシ樹脂は電気特性、機械特性、耐薬品性
などが優れているため信頼性の高い電気絶縁材料
として半導体装置の封止に広く用いられている。 最近では従来のセラミツクスを用いたハーメチ
ツク封止にかわつて、ほとんどの半導体装置たと
えば集積回路、大規模集積回路、トランジスタ、
ダイオードなどが低圧成形用のエポキシ樹脂組成
物を用いて封止されている。 半導体封止用エポキシ樹脂組成物としては、信
頼性、成形性などの点を考慮してエポキシ樹脂、
ノボラツク型フエノール樹脂硬化剤、イミダゾー
ル硬化促進剤などから成るエポキシ樹脂組成物が
広く用いられている。 しかし従来のエポキシ封止樹脂を用い、トラン
スフア成形して得られる樹脂封止型半導体装置に
は次のような欠点があつた。 (1) 樹脂封止型半導体装置に要求される信頼性の
レベルの高さに比べ耐湿性が劣ること (2) 樹脂封止型半導体装置に要求される信頼性の
レベルの高さに比べ高温時の電気特性が劣こと
まず上記耐湿性について説明すると、樹脂封止
型半導体装置は高温高湿雰囲気下で使用または
保存することがあるので、そのような条件にお
いても信頼性を保証しなければならない。耐湿
性の品質保証のための評価試験としては、85℃
または120℃の飽和水蒸気中に曝露する加速評
価法が行なわれており、最近では電圧を印加し
て更に加速性を高めたバイアス印加型の評価試
験も実施されている。 しかし封止したエポキシ樹脂組成物の硬化物は
吸湿性、透湿性があるため、このような高温高湿
状態下では外部から水分が封止樹脂硬化物層を通
つて内部に浸透し、または封止樹脂とリードフレ
ームとの界面を通つて内部に入り、半導体素子の
表面にまで到達する。そのためこの水分と封止樹
脂中に存在している不純物イオンなどの作用の結
果として、樹脂封止型半導体装置は絶縁性の低下
リーク電流の増加、アルミニウム電極、配線など
の腐食を主体とした不良事故を発生する。またバ
イアス電圧を印加した場合にはその電気化学的作
用によつてアルミニウム電極、配線の腐食による
不良が特に著しく多発する。 したがつて従来のエポキシ樹脂封止型半導体装
置は上記耐湿性に関し充分に満足できるものでは
なく、耐湿性の向上が求められていた。 次に高温時の電気特性について説明すると、樹
脂封止型半導体装置は高温条件下で使用すること
があるので、そのような条件においても信頼性を
保証しなければならない。そのための評価試験と
しては80℃〜150℃でバイアス電圧を印加して信
頼性を評価する加速試験が一般的である。 このような試験において表面が鋭敏なMOS構
造をもつ素子や逆バイアスが印加されたPN接合
をもつ素子に特に著しく多発する不良として、チ
ヤンネリングによるリーク電流の増加する現象が
あることはよく知られている。この現象は、電圧
が印加された素子の表面に接している樹脂層に電
界が作用することによつて発生すると考えられて
いる。 従来のエポキシ樹脂封止型半導体装置は上記高
温時の電気特性に関し充分に満足できるものでは
なく改良が求められていた。 〔発明の目的〕 本発明の目的はこのような従来のエポキシ樹脂
封止型半導体装置の欠点を改良することにあり、
新規な組成のエポキシ樹脂組成物によつて封止さ
れた、優れた耐湿性と高温電気特性を有する高信
頼性のエポキシ樹脂封止型半導体装置を提供する
ことにある。 〔発明の概要〕 本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意研究
を重ねた結果、従来の硬化促進剤として使用され
ているイミダゾールなどが上記欠点を誘発する主
要因であることを解明した。そして、半導体を封
止する樹脂体の成形材料として、次に示すエポキ
シ樹脂組成物を使用することにより、半導体装置
の耐湿性および高温電気特性が向上することを見
出し、本発明を完成するに到つた。 即ち、本発明の樹脂封止型半導体装置は、半導
体素子と該半導体素子を被覆するエポキシ樹脂封
止体とを具備して成る樹脂封止型半導体装置にお
いて、該エポキシ樹脂封止体が、 (a) エポキシ樹脂、 (b) １分子中に少くとも２個のフエノール性水酸
基を有するエポキシ樹脂硬化剤または／および
酸無水物硬化剤、 並びに (c) 有機ホスフイン化合物と有機アルミニウム化
合物の反応混合物 を含むエポキシ樹脂組成物の硬化物であることを
特徴とするものである。 なお、本発明でいう樹脂封止体とは、本発明に
かかるエポキシ樹脂組成物の硬化物を指称する。 本発明において用いられるエポキシ樹脂は、一
般にエポキシ樹脂として使用されているものであ
れば、いかなるものでもよい。かかるエポキシ樹
脂としては、例えば、ビスフエノールＡ型エポキ
シ樹脂、フエノールボラツク型エポキシ樹脂、ク
レゾールノボラツク型エポキシ樹脂等のグリシジ
ルエーテル型エポキシ樹脂；グリシジルエステル
型エポキシ樹脂；グリシジルアミン型エポキシ樹
脂；線状脂肪族エポキシ樹脂；脂環式エポキシ樹
脂；複素環型エポキシ樹脂；ハロゲン化エポキシ
樹脂等の一分子中にエポキシ基を２個以上有する
エポキシ樹脂が挙げられ、これらから成る群より
選ばれる１種もしくは２種以上のものが用いられ
る。上記エポキシ樹脂は、塩素イオンの含有量が
10ppm以下で加水分解性塩素の含有量が0.1重量
％以下のものであることが好ましい。またエポキ
シ樹脂としては、グリシジルエーテル型エポキシ
樹脂を用いることが好ましく、とりわけ、エポキ
シ当量170〜300を有するノボラツク型エポキシ樹
脂を用いることが、優れた特性を有する硬化物が
得られることから、最も好ましい。 本発明において用いられる１分子中に２個以上
のフエノール性水酸基を有するエポキシ樹脂の硬
化剤とは、フエノール樹脂、ポリオキシスチレ
ン、および多価フエノール化合物であつて、具体
的に例示すると、フエノールノボラツク樹脂、ク
レゾールノボラツク樹脂、tert−ブチルフエノー
ルノボラツク樹脂、ノニルフエノールノボラツク
樹脂などのノボラツク型フエノール樹脂；レゾー
ル型フエノール樹脂；ポリパラオキシスチレンな
どのポリオキシスチレン；及びビスフエノールＡ
などであり、更にこれらの化合物のハロゲン化物
等である。これらの中でもノボラツク型フエノー
ル樹脂およびポリオキシスチレンが最も好まし
い。またこれらの硬化剤は１種もしくは２種以上
を適宜に組み合せた混合系で使用することができ
る。 本発明において用いることができる酸無水物
は、脂肪族、脂環族または芳香族の無水カルボン
酸もしくはこれらの置換無水カルボン酸であれば
いかなるものであつてもよい。かかる酸無水物と
しては、例えば、無水マレイン酸、無水コハク
酸、無水フタル酸、無水テトラヒドロフタル酸、
無水ヘキサヒドロフタル酸、無水トリメリツト
酸、無水ピロメリツト酸、無水ナジツク酸（３，
６−エンドメチレン−１，２，３，６−テトラヒ
ドロ無水フタル酸）、無水メチルナジツク酸、３，
3′−４，4′−ベンゾフエノンテトラカルボン酸無
水物、無水テトラブロムフタル酸、無水クロレン
デイツク酸等があげられ、これらから成る群より
選ばれる１種もしくは２種以上のものが用いられ
る。 これらの硬化剤はそれぞれ単独で用いてもよい
し、両者を適宜に配合して用いてもよい。 硬化剤の配合量は、フエノール性水酸基また
は／および無水カルボキシル基の総数とエポキシ
樹脂のエポキシ基数の比が0.5〜1.5の範囲内にあ
るように配合することが好ましい。その理由は上
記範囲外では得られたエポキシ樹脂組成物の耐湿
性が劣化しやすいためである。 本発明にかかるるエポキシ樹脂組成物におい
て、第３成分として用いるものは、有機ホスフイ
ン化合物と有機アルミニウム化合物の反応混合物
であり、これは両者を混合することによつて容易
に得ることができる。 まず有機ホスフイン化合物としては次記一般
式： （式中、R₁，R₂およびR₃は、それぞれ同一で
あつても異つていてもよく、炭素数１〜40のアル
キル基；フエニル基；、トリル基；等のアルール
基、シクロヘキシル基等のシクロアルキル基また
は水素原子を表わす。ただしR₁，R₂およびR₃が
すべて水素原子である場合を除く。） で示されるものであり、例えばトリフエニルホス
フイン、トリブチルホスフイン、トリシクロヘキ
シルホスフイン、トリトリルホスフイン、トリベ
ンジルホスフイン等の第３ホスフイン化合物、ジ
フエニルホスフイン、ブチルフエニルホスフイン
等の第２ホスフイン化合物、フエニルホスフイ
ン、オクチルホスフイン等の第１ホスフイン化合
物が挙げられ、これらから成る群よりり選ばれる
１種もしくは２種以上のものが使用される。これ
らの中でも第３ホスフインがが好ましく、とりわ
け、トリフエニルホスフイン等のトリアリールホ
スフインが好ましい。 次に有機アルミニウム化合物としては次記一般
式： （式中、R₄，R₅およびR₆は、それぞれ同一で
あつても異つていてもよく、炭素数１〜40のアル
キル基；フエニル基；トリル基；等のアリール
基、シクロヘキシル基等のシクロアルキル基、水
素原子またはハロゲン原子等を表わす。ただし、
R₄，R₅およびR₆が、いずれも水素原子またはハ
ロゲン原子である場合を除く。） で示されるものであり、たとえば、トリメチルア
ルミニウム、トリエチルアルミニウム、トリブチ
ルアルミニウム、トリシクロプロピルアルミニウ
ム、トリフエニルアルミニウム、トリトリルアル
ミニウム、トリベンジルアルミニウム、ジメチル
フエニルアルミニウム、ジフエニル（フエニルエ
チニル）アルミニウム、ジエチルブロモアルミニ
ウム、ジエチルアルミニウムヒドリド、ジフエニ
ルアルミニウムヒドリドおよびジメチルアルミニ
ウムヒドリド等が挙げられ、これらから成る群よ
り選ばれる１種もしくは２種以上のものが使用さ
れる。とくに、トリフエニルアルミニウムは好ま
しい。これらの有機ホスフイン化合物と有機アル
ミニウム化合物は混合すると両者は容易に反応し
て配位化合物を形成すると考えられている。本発
明にあつては両者の等モル反応混合物が最も好ま
しいものであるが必ずしも両者の等モル反応混合
物でなくてもよい。通常は有機ホスフイン化合物
１モルに対し、有機アルミニウム化合物が１モル
以下の範囲が好ましい。 本発明にかかる上記の反応混合物の配合量は、
エポキシ樹脂および硬化剤の総量に対して0.001
〜20重量％の範囲内で配合することが好ましく、
更に好ましくは、0.01〜10重量％である。 本発明にあつて溶融混合物を用いることができ
る。溶融混合物は、(1)反応混合物とエポキシ樹
脂、(2)反応混合物と硬化剤及び(3)反応混合物とエ
ポキシ樹脂と硬化剤の３つの態様から成ものであ
る。これらの使用はあらかじめ溶融混合しておい
たものを、封止用組成物を製造する際に他の成分
と混合することによつて行なわれる。 本発明のエポキシ樹脂組成物には必要に応じて
無機質充てん剤を配合することが好ましく、特に
集積回路やトランジスタなどの半導体素子をトラ
ンスフア成形する用途の場合には無機質充てん剤
を配合することが好ましい。その理由はひとつに
は成形性を改善するためであり、また他の理由と
して素子やボンデイングワイヤやリードフレーム
等の封止される部品と封止樹脂の熱膨張係数の差
を小さくし、たとえばボンデイングワイヤ切れの
ような熱膨張係数の差が大きいために発生する不
良を少くするためである。 用いる無機質充てん剤としては、石英ガラス粉
末、結晶性シリカ粉末、ガラス繊維、タルク、ア
ルミナ粉末、ケイ酸カルシウム粉末、炭酸カルシ
ウム粉末、硫酸バリウム粉末、マグネシア粉末な
どであるが、これらの中で石英ガラス粉末や、結
晶性シリカ粉末が、高純度と、低熱膨張係数の点
で最も好ましい。これら無機質充てん剤の配合量
はエポキシ樹脂、硬化剤および無機質充てん剤の
種類によつても異るが、たとえばトランスフア成
形に用いる場合にはエポキシ樹脂と硬化剤の総量
に対し重量比で1.5倍〜４倍程度でよい。無機質
充てん剤の粒度分布については、粗い粒子と細い
粒子を組み合せて分布を均一にすることによつて
成形性を改善することができる。 本発明に係るエポキシ樹脂組成物は必要に応じ
て、例えば天然ワツクス類、合成ワツクス類、直
鎖脂肪酸の金属塩、酸アミド類、エステル類もし
くはパラフイン類などの離型剤、塩素化パラフイ
ン、ブロムトルエン、ヘキサブロムベンゼン、三
酸化アンチモンなどの難燃剤、カーボンブラツク
などの着色剤、シランカツプリング剤などを適宜
添加配合しても差しつかえない。 本発明に係エポキシ樹脂組成物を成形材料とし
て調製する場合の一般的な方法としては、所定の
組成に選んだ原料組成分を例えばミキサーによつ
て充分混合後、さらに熱ロールによる溶融混合処
理、またはニーダーなどによる混合処理を加える
ことにより容易にエポキシ樹脂成形材料を得るこ
とができる。 本発明の樹脂封止型半導体装置は上記エポキシ
樹脂組成物または成形材料を用いて半導体装置を
封止することにより容易に製造することができ
る。封止の最も一般的な方法としては低圧トラン
スフア成形法があるが、インジエクシヨン成形、
圧縮成形、注型などによる封止も可能である。特
殊な封止法としては溶剤型あるいは非溶剤型の組
成物を用いて半導体表面を被覆する封止法や、い
わゆるジヤンクシヨンコーテイングとしての局部
的な封止の用途にも用いることができる。 エポキシ樹脂組成物または成形材料は封止の際
に加熱して硬化させ、最終的にはこの組成物また
は成形材料の硬化物によつて封止された樹脂封止
型半導体装置を得ることができる。硬化に際して
は150℃以上に加熱することが望ましい。 本発明でいう半導体装置とは集積回路、大規模
集積回路、トランジスタ、サイリスタ、ダイオー
ドなどであつて特に限定されるものではない。 以下において、実施例を掲げ、本発明を更に詳
しく説明する。 〔発明の実施例〕 合成例 １ トリフエニルホスフイン１モルをトルエンに溶
解し、冷却しながら窒素気流下でトリフエニルア
ルミニウム１モルを除々に添加し、反応させた。
トルエンを除去して、反応混合物（Ｉ）を得た。 合成例 ２ トリフエニルホスフイン１モルをトルエンに溶
解し、冷却しながら窒素気流下でトリエチルアル
ミニウム１モルに除々に添加し、反応させた。ト
ルエンを除去して、反応混合物を得た。この反応
混合物５重量部と分子量800のフエニールノボラ
ツク樹脂90重量部を混合し、加熱して溶融混合物
(1)を得た。 合成例 ３ トリフエニルホスフイン１モルをトルエンに溶
解し、冷却しながら窒素気流下でトリイソブチル
アルミニウム0.5モルを除々に添加し、反応させ
た。トルエンを除去して、反応混合物を得た。こ
の反応混合物５重量部と分子量800のフエノール
ノボラツク樹脂90重量部を混合し、加熱して溶融
混合物(2)を得た。 実施例 １ エポキシ樹脂としてエポキシ当量220のクレゾ
ールノボラツク型エポキシ樹脂（エポキシ樹脂
Ａ）及びエポキシ当量290の臭素化エポキシノボ
ラツク樹脂（エポキシ樹脂Ｂ）を；硬化剤として
フエノールノボラツク樹脂（分子量：800）を；
及び反応混合物としてトリフエニルホスフイン
（１モル）とトリフエニルアルミニウム（１モル）
の反応混合物（Ｉ）；を用い、他に石英ガラス粉
末（充填剤）、三酸化アンチモン（難燃剤）、カル
ナバワツクス（離型剤）、カーボンブラツク（着
色剤）及びシランカツプリング剤（Ｖ−グリシド
キシプロピルトリメトキシシラン）を用いて、表
−１に示す配合（重量部）でエポキシ樹脂組成物
を調製した。 実施例 ２ 反応混合物および硬化剤の溶融混合物(1)として
トリフエニルホスフイン（１モル）とトリエチル
アルミニウム（１モル）の反応混合物５重量部を
分子量800のフエノールノボラツク樹脂90重量部
に加えて溶融混合したものを用いた他は、実施例
１と同様の成分にて表−１に示す配合（重量部）
でエポキシ樹脂組成物を調製した。 実施例。３ 反応混合物および硬化剤の溶融混合物(2)として
トリフエニルホスフイン（１モル）とトリイソブ
チルアルミニウム（0.5モル）の反応混合物５重
量部を分子量800のフエノールノボラツク樹脂90
重量部に加えて溶融混合したものを用いた他は、
実施例１と同様の成分にて表−１に示す配合（重
量部）でエポキシ樹脂組成物を調製した。 実施例 ４ 硬化剤としてフエノールノボラツク樹脂及び無
水テトラヒドロフタル酸を用いた他は、実施例１
と同様の成分にて表−１に示す配合（重量部）で
エポキシ樹脂組成物を調製した。 比較例 １ 実施例１における硬化剤を除き、他は実施例１
と同様の成分にて表−１に示す配合（重量部）で
エポキシ樹脂組成物を調製した。 比較例 ２ 実施例１における反応混合物（Ｉ）の代わりに
トリフエニルホスフインを用いた他は、実施例１
と同様の成分にて表−１に示す配合（重量部）で
エポキシ樹脂組成物を調製した。 比較例 ３ 実施例１における反応混合物（Ｉ）の代わりに
２−メチルイミダゾールを用いた他は、実施例１
と同様の成分にて表−１に示す配合（重量部）で
エポキシ樹脂組成物を調製した。 比較例 ４ 実施例１における反応混合物（Ｉ）の代わりに
２−メチルイミダゾール及び硬化剤として更に無
水テトラヒドロフタル酸を用いた他は、実施例１
と同様の成分にて表−１に示す配合（重量部）で
エポキシ樹脂組成物を調製した。

【表】 かかるエポキシ樹脂組成物を、それぞれミキサ
ーにより混合し、次いで加熱ロールにより混練し
て成形材料を得た。 このようにして得た成形材料を用いて、トラン
スフア成形を行ない、MOS型集積回路を樹脂封
止した。封止は、高周波予熱器で90℃に加熱した
成形材料を、195℃で４分間モールドし、更に、
180℃で８時間アフタキユアすることにより行な
つた。 上記方法により、それぞれのエポキシ樹脂組成
物を用いて、100個宛樹脂封止型半導体装置を作
製し、次の試験を行なつた。 (1) 耐湿試験（PCT）： 120℃、２気圧の水蒸
気中で10V印加し、腐食によりアルミニウ
ム配線の断線が発生した不良品の累積不良
率（％）を経時的に調べた。 (2) MOS−BT試験： 100℃のオーブン中にお
いて、オフセツトゲートMOS FET回路
にドレイン電圧5V、オフセツトゲート電
圧5Vを印加して、リーク電流値が初期値
の100倍以上に増加した時点を不良と見做
し、発生した不良品の累積不良率（％）を
経時的に調べた。 耐湿試験の結果を表−２に、高温電気特性を調
べるためのMOS−BT試験の結果を表−３にそれ
ぞれ示す。

【表】

【表】

〔発明の効果〕

本発明のエポキシ樹脂組成物を用いて封止した
エポキシ樹脂封止型半導体装置は、表から明らか
なように、アルミニウム配線等の腐食が大きく低
減され、リーク電流の増加による不良の発生もな
く、耐湿性および高温電気特性が極めて優れたも
のであり、その工業的価値は大である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 半導体素子と該半導体素子を被覆するエポキ
   シ樹脂封止体とを具備して成る樹脂封止型半導体
   装置において、該エポキシ樹脂封止体が、 (a) エポキシ樹脂、 (b) １分子中に少くとも２個のフエニール性水酸
   基を有するエポキシ樹脂硬化剤または／および
   酸無水物硬化剤、 並びに (c) 有機ホスフイン化合物と有機アルミニウム化
   合物の反応混合物 を含むエポキシ樹脂組成物の硬化物であることを
   特徴とするエポキシ樹脂封止型半導体装置。 ２ 該エポキシ樹脂が、エポキシ当量170〜300を
   有するノボラツク型エポキシ樹脂であることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載のエポキシ樹
   脂封止型半導体装置。 ３ 該エポキシ樹脂硬化剤が、ノボラツク型フエ
   ノール樹脂であることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項記載のエポキシ樹脂封止型半導体装置。 ４ 該反応混合物が、該有機ホスフイン化合物と
   該有機アルミニウム化合物等モル反応混合物であ
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   エポキシ樹脂封止型半導体装置。 ５ 該エポキシ樹脂封止体が、該反応混合物と該
   エポキシ樹脂または／および該硬化剤の溶融混合
   物を用いることを特徴とする特許請求の範囲第１
   記載のエポキシ樹脂封止型半導体装置。 ６ 該エポキシ樹脂封止体が、無機質充てん剤を
   含有して成ることを特徴とする特許請求の範囲第
   １項記載のエポキシ樹脂封止型半導体装置。