JPH05152363A - 封止用エポキシ樹脂組成物の製法、該組成物を用いた樹脂封止型半導体装置の製法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】（ａ）エポキシ樹脂、（ｂ）硬化剤、（ｃ）硬
化促進剤、（ｄ）無機質充填剤を含むエポキシ樹脂組成
物の製法であって、（１）顆粒または粉末状の樹脂成分
と充填剤成分を混合する工程、（２）該混合物を樹脂成
分の軟化温度以上に加熱する工程、（３）軟化温度以上
に加熱した混合物を混練装置で機械的剪断力を加えて各
成分が溶融および／または分散混合する工程、および、
（４）前記混合物は加圧成形が可能な状態で混合が止め
られ、冷却後粉砕またはタブレット状に成形する工程を
含むことを特徴とする封止用エポキシ樹脂組成物の製
法。 【効果】前記樹脂組成物は成形性（流動性）、硬化物特
性が優れ、該組成物で封止した半導体装置は各種信頼性
に優れており、これを用いた各種電子装置の小型軽量
化、高性能化に有効である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は封止用エポキシ樹脂組成
物の製法に係り、特に、該組成物によって封止した耐温
度サイクル性、耐湿信頼性、耐高温放置特性に優れ、か
つ、実装時の加熱によってパッケージクラックの少ない
樹脂封止型半導体装置の製法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体素子を外部環境から保護し、プリ
ント基板への実装を容易にするためのパッケージ技術と
して、樹脂封止が広く用いられている。しかし、半導体
素子はこれまで３年に４倍のピッチで高集積化が進み、
それに伴って素子サイズの大型化が進んでいる。

【０００３】一方、各種エレクトロニクス機器の小型軽
量化、高機能化などのニーズから、各種半導体部品には
高密度実装が強く要求され、半導体装置のパッケージは
小型薄型化の趨勢にある。そのため、樹脂封止型半導体
装置の封止樹脂層は次第に薄肉化する傾向にある。ま
た、これまでのパッケージの形状は、ＤＩＰ（DualInli
ne Plastic Package）、ＺＩＰ（Zigzag Inline Plasti
c Package）、ＳＩＰ（Single Inline Plastic Packag
e）と云ったリードピンをプリント基板のスルーホール
に差し込んで実装するいわゆるピン挿入型が主流であっ
た。

【０００４】しかし、近年実装の高密度化を図るため
に、ＳＯＰ（SmallOutline PlasticPackage）、ＳＯＪ
（Small Outline J-lead plastic package）、ＱＦＰ
（QuadFlat Plastic Package）といった両面実装が可能
で、しかもパッケージサイズの小さな表面実装型パッケ
ージの需要が急増している。このようなパッケージの厚
さは、特に、装置や部品の薄型化を図る上で極めて重要
である。そのために、最近はＴＳＯＰ（Thin Small Out
line Plastic Package）、ＴＳＯＪ（ThinSmallOutline
J-lead plastic package）、ＴＱＦＰ（Thin Quad Fla
t PlasticPackage）と云った厚さが１ｍｍ程度の超薄型
パッケージの開発が行われている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】前記のように半導体チ
ップの大型化、多ピン化、パッケージの小型薄肉化、表
面実装化が進むにつれ、樹脂封止型半導体装置の耐温度
サイクル性、耐湿信頼性、耐高温放置特性の確保や、実
装時の加熱によるパッケージクラックの防止が重要な技
術課題になってきた。

【０００６】即ち、樹脂封止型半導体装置は、熱膨張係
数が異なるシリコンチップ、リードフレーム、封止材料
等で構成されており、温度履歴によるパッケージ内部の
熱応力によって剥離やクラックを生じたり、金線（リー
ド線）切れ等の不良が生じ易い。

【０００７】また、エポキシ樹脂系封止材料の弱点とし
て透湿性が挙げられる。封止樹脂層の薄肉化によってパ
ッケージ内部に水分が侵入し易く、そのためアルミニウ
ム電極や配線の腐食が問題となっている。さらに最近で
は、樹脂封止型半導体装置の使用環境が過酷になり、例
えば、自動車用等には耐高温寿命が優れた半導体装置が
要求されている。その一例として、樹脂封止型半導体装
置を高温中に長時間放置する加速試験で、アルミニウム
電極と金ワイヤの接合部に断線不良が発生し易いことが
指摘されている。

【０００８】さらにまた、従来のピン挿入型パッケージ
は、プリント基板のスルーホールに差し込んで基板ごと
溶融はんだ槽に浮かべ、はんだ付けされていたため、パ
ッケージ本体が直接高温に曝されことはなかった。しか
し、表面実装型パッケージは、赤外線リフローあるいは
ベーパーリフロー方式によるはんだ付けが行われるため
に、パッケージ全体が直接二百数十度の高温に曝され
る。しかし、エポキシ樹脂系封止材料は前記のように透
湿性があるためにパッケージ中には常に少量の水分が存
在する。パッケージ内部の水分が所定量を超えた状態で
加熱されると水分が急激に蒸発し、その蒸気圧によって
パッケージを構成する各部材間に剥離や、パッケージク
ラックまたは金線の断線を生じ、実装後の半導体装置の
信頼性を損なうという問題が生じてきた。

【０００９】こうした水蒸気による問題は、半導体チッ
プが大型化すればするほど、また、封止樹脂層が薄肉化
すればするほど大きくなり、チップの大型化や封止樹脂
層の薄肉化が進むと共に前記の課題の解決が強く望まれ
ていた。

【００１０】従来、封止材料の各成分は、ロールまたは
押出し機を用いて混練し製造されてきた。ロール混練の
場合、顆粒または粉末状態の各成分は、混合した後、そ
のまま回転しているロールに投入し、混練していた（例
えば、特公昭６０−１２７８６号公報）。また、材料の
取扱性や成形性の改良を目的として、予めエポキシ樹脂
と硬化剤とを混融した樹脂成分に他の添加剤を混合する
方法（特公昭６３−８１３８号公報）、ベース樹脂の硬
化反応の進行を抑制するために硬化剤成分のみを後から
添加混練する方法（特開昭５９ー２２９６３号公報）等
が知られている。しかし、投入した混合物の温度は樹脂
成分の軟化温度まで直ちに上昇せず、混合物の大部分は
ロールから落下してしまうために、該落下混合物を集め
てはロールに投入する操作を繰返し行なっているうちに
混合物の温度が樹脂の軟化温度に到達してロールに巻き
付くようになる。ロールに巻き付いた混合物は、時々ス
クレーパーで掻き取り、それを再びロールに巻き付ける
操作を所定時間繰り返すことによって、各成分を溶融お
よび／または分散混合して封止材料を作製していた。

【００１１】この方法では、混合物がロールに巻きつく
までに時間を要し、混練条件がばらついたり、微細成分
が散逸するなど、安定した品質の封止材料を作製するこ
とが困難であった。

【００１２】一方、押出機による場合も、顆粒または粉
末状態の各成分を混合し、そのままの状態で押出機に投
入されていた。投入された混合物は押出機の中でさらに
混合されると同時に加熱され、混合物の温度が樹脂成分
の軟化温度以上になったところで各成分が溶融および／
または分散混合され、順次、押出孔から押出されてい
た。この方式は、投入した混合物が均一に混合されると
考えられてきたが、樹脂の加熱を押出機内部で行なって
いるため、混合物の詰り（パッキング）状態、装置の摩
耗状態、材料組成等によって加熱条件が一定にならず、
得られた封止材料の品質が安定しないと云う問題があっ
た。また、混練が樹脂の軟化温度よりもかなり高温で行
なわれるために、混合物の一部が押出機の内壁やスクリ
ュウあるいはパドルに付着し易く、材料に混練のための
剪断力が加わりにくい云った問題があった。通常は混練
をそのまま継続して行うため前記付着樹脂成分は硬化が
進行し、しばしばこの付着硬化物が剥離して封止材料に
混入することがあった。混入した付着硬化物は再度溶融
することがないので、該付着硬化物の大きさによっては
半導体装置の封止時に、金型のゲート部で目詰りを起こ
したり、半導体装置の金線を変形または断線させる原因
となっていた。

【００１３】本発明はこのような状況に鑑みなされたも
のであり、耐温度サイクル性、耐湿信頼性、耐高温放置
特性に優れ、かつ、実装時の加熱によってパッケージク
ラックを起こしにくゝ、封止時に前記トラブルを起さな
い封止用エポキシ樹脂組成物の製法およびそれを用いた
樹脂封止型半導体装置を提供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するた
め、本発明者らは封止材料組成並びに封止材料の製造条
件等について鋭意検討を重ね本発明に到達したもので、
その要旨は、ａ．エポキシ樹脂、ｂ．硬化剤、ｃ．硬化
促進剤、ｄ．無機質充填剤を含むエポキシ樹脂組成物の
製法であって、（１）顆粒または粉末状の樹脂成分と充
填剤成分を混合する工程、（２）該混合物を樹脂成分の
軟化温度以上に加熱する工程、（３）軟化温度以上に加
熱した混合物を混練装置で機械的剪断力を加えて各成分
が溶融および／または分散混合する工程、および、
（４）前記混合物は加圧成形が可能な状態で混合が止め
られ、冷却後粉砕またはタブレット状に成形する工程、
を含むことを特徴とする封止用エポキシ樹脂組成物の製
法並びに該組成物を用いた樹脂封止型半導体装置の製法
にある。

【００１５】本発明の特徴は、顆粒または粉末状態の樹
脂成分と充填剤成分とを混練装置に投入する前に、予め
樹脂成分の軟化温度以上で加熱し混合する点にある。こ
れによって前記課題が解決され、封止材料の品質並びに
封止した半導体装置の信頼性を向上することができる。

【００１６】上記は、一見容易に想当できそうである
が、現実にはこれが封止用エポキシ樹脂組成物、特に、
それを用いた樹脂封止型半導体装置のレジンパッケージ
の特性改善に極めて重要なポイントであることが分かる
までには、かなりの検討と実験を重ね、ようやく見出し
本発明に到達したものである。

【００１７】前記樹脂成分と充填剤成分の加熱は、でき
るだけ短時間で加熱することが重要であり、こうした加
熱装置としては高周波加熱装置、遠赤外加熱装置が挙げ
られる。また、予熱された混合物を混練する装置として
は、二軸または多軸のロールマシン、ニーダ、コニー
ダ、単軸または二軸の押出機などを挙げることができる
が、混練時に十分な剪断力を与えることができ、また、
装置への材料の溶融付着が生じにくいものとしてロール
マシンが適している。

【００１８】前記エポキシ樹脂としては、特にその構造
は限定されないが、室温で固形状のｏ−クレゾールノボ
ラック型エポキシ樹脂、ビスフェノールＡを原料とした
２官能あるいは多官能型エポキシ樹脂、ナフタレンまた
はビフェニル骨格を有する２官能あるいは多官能型エポ
キシ樹脂等が望ましい。

【００１９】硬化剤としてはフェノールノボラック樹
脂、ｏ−クレゾールノボラック樹脂、ポリ−ｐ−ビニル
フェノール、フェノールとアラルキルエーテルとの縮合
物等のフェノール樹脂、ポリカルボン酸無水物、ジアミ
ン類等を用いることができる。また、硬化促進剤として
は各種アミン類、イミダゾール類、オルガノホスフィン
類、四級アンモニウムまたはホスホニウム化合物のボロ
ン塩等を用いることができる。

【００２０】前記無機充填剤としては、溶融シリカ、結
晶性シリカ、アルミナ等が用いられ、また、必要に応じ
てカップリング剤、離型剤、着色剤、難燃化剤、可とう
化剤等を配合してもよい。

【００２１】前記の各成分中で、大型チップからなるパ
ッケージクラックや耐湿信頼性の優れた表面実装型の樹
脂封止型半導体装置を得るためには、無機充填剤の選択
が重要である。特に、熱応力を小さくするためには無機
充填剤を多量に配合して封止材料の熱膨張係数を小さく
する必要があるが、こうした目的に対してはそれ自体の
熱膨張係数が小さい溶融シリカが有効である。また、無
機充填剤を多量に配合することは封止材料中の樹脂分を
少なくすることになり、結果的にパッケージ内部に侵入
する水分量を少なくする効果がある。無機充填剤は平均
粒径１〜２０μｍ、望ましくは３〜１０μｍのものが硬
化物の高温強度の改善、実装時の加熱によるパッケージ
クラックの防止、耐湿信頼性の向上に有効である。

【００２２】また、カップリング剤は樹脂成分と無機充
填剤との濡れ性、接着性の向上に効果があり、また、硬
化物の内部欠陥の発生を抑え、機械特性の向上、吸湿率
の低減に効果がある。なお、カップリング剤の効果を最
大限引き出すためには、カップリング剤は予め無機充填
剤の表面に単分子層が形成されるように被覆した後、樹
脂成分と混練することが望ましい。

【００２３】なお、前記各種添加剤中には、室温で液状
のものは予め室温で固形の樹脂成分と混合しておくか、
混練の途中で添加してもよい。

【００２４】前記各成分の混合物を予め樹脂成分の軟化
温度以上に加熱した後、ロールに投入すると混合物は容
易にロールに付着し、混練中に該ロールから剥離脱落し
ない。そのため、従来に比べて混練作業を大幅に短縮で
き、かつ、大きな剪断力を加えて混練することができる
ために均質な組成物を得ることができる。押出機を用い
て混練する場合も予め軟化させてあるため装置に大きな
負荷がかからず、混練温度の均一化がし易い。その結
果、押出機内壁への付着を抑制することが可能となり、
従来のような封止材料中に硬化物が混入すると云う問題
も起こらない。

【００２５】なお、本発明の樹脂組成物を用いて半導体
素子を封止する方法としては、通常のトランスファー成
形等により行うことができる。

【００２６】

【作用】本発明の封止材料で封止した半導体装置の信頼
性（前記各特性）が向上するのは、各成分の混合物を予
め樹脂成分の軟化温度以上に加熱軟化させたゝめに、各
素材の溶融、混合が十分に行なわれ、品質が均一で特性
が安定した封止材料が得られるためである。該封止材料
による封止品は内部欠陥も少ないため諸特性が向上し、
樹脂封止型半導体装置の信頼性を向上するものと考え
る。

【００２７】

【実施例】次に、本発明を実施例により説明する。

【００２８】〔実施例１〕表１に示す割合で配合した各
素材を振動式混合機で混合し粉体状の混合物を得た。こ
の混合物をタブレット成形機を用いてタブレット状に成
形後、高周波加熱装置で約８０℃に加熱し軟化させた。
次いで、この軟化した混合物を表面温度約８０℃の二軸
ロールで５分間混練した。その後、ロール表面に付着し
た混合物をスクレーパーで削り取り、シート状の混合物
を得た。なお、ロールに巻きついた混合物は時々スクレ
ーパーで切り返し、各素材の混練効果を高めた。なお、
本混練作業において前記軟化混合物は直ちにロールに巻
きつき、ロールから剥離脱落する素材はなかった。

【００２９】

【表１】

【００３０】〔実施例２〕実施例１で作製したタブレッ
トを遠赤外加熱装置を用いて約８０℃に加熱し軟化させ
た以外は実施例１と同様にしてロール混練を行った。本
混練作業において前記軟化混合物は直ちにロールに巻き
つき、ロールから剥離脱落する素材はなかった。

【００３１】〔実施例３〕実施例１で作製したタブレッ
トを高周波加熱装置を用いて約７０℃に加熱し軟化させ
た。次に、この軟化混合物を表面温度約７０℃の加圧式
ニーダに移し、約５分間混練した。本混練作業において
前記混合物はニーダ内壁にはほとんど付着せず団子状で
容易に取り出すことができた。次いで、これを二軸ロー
ルにかけて薄いシート状に伸ばした。

【００３２】〔比較例１〕表１に示す割合で計量した各
種素材を振動式混合機で混合し粉体状の混合物を得た。
次に、この混合物をそのまま表面温度約８０℃の二軸ロ
ールに投入した。その際、混合物の大部分はロールに付
着せず落下してしまうため、それを集めて再びロールに
投入した。この操作を８回繰り返した結果、混合物はほ
ぼ全量がロール表面に付着した。この作業には約６分を
要した。その後、ロール表面に付着した混合物を時々ス
クレーパーで切り返しながらさらに５分間混練を続け
た。最後に付着物をスクレーパーで削り取りシート状の
混合物を得た。

【００３３】〔比較例２〕比較例１と同様に粉末状の混
合物を内部温度を９０〜１００℃に加熱したコニーダー
に投入し約５分間混練し、押出孔から混合物を取りだし
た。なお、混練温度を前記実施例と同じ８０℃で行なお
うとしたが、負荷が大きすぎてコニーダーの回転が停止
したため、混練温度は高めの９０〜１００℃に設定し
た。混練後装置を分解したところ、内壁およびパドルに
かなりの付着硬化物が見られた。

【００３４】上記により作製したシート状の混合物を粉
砕機で粉砕し、５種類の封止材料を作製した。これらの
各封止材料の成形性、成形品の特性を表２に示す。ま
た、これらの封止材料を用いて封止した半導体装置の各
種信頼性の評価結果を表３に示す。なお、各成形品はト
ランスファー成形機を用い金型温度１８０℃、成形圧力
７０ｋｇ／ｃｍ²、成形時間９０秒の条件で成形した。
成形品は金型から取りだした後１８０℃で６時間の二次
硬化を行なった。

【００３５】表２，３の結果から、本発明の樹脂組成物
は成形性（流動性）、硬化物特性、および封止品の各種
信頼性が優れていることが分かる。

【００３６】

【表２】

【００３７】

【表３】

【００３８】

【発明の効果】本発明の樹脂組成物は成形性（流動
性）、硬化物特性が優れ、該組成物で封止した半導体装
置は各種信頼性に優れ、これを用いた各種電子装置の小
型軽量化、高性能化に有効である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小角 博義 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社日 立製作所日立研究所内 (72)発明者 瀬川 正則 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社日 立製作所日立研究所内

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ａ．エポキシ樹脂、ｂ．硬化剤、ｃ．硬化
   促進剤、ｄ．無機質充填剤を含むエポキシ樹脂組成物の
   製法であって、 （１）顆粒または粉末状の樹脂成分と充填剤成分を混合
   する工程、 （２）該混合物を樹脂成分の軟化温度以上に加熱する工
   程、 （３）軟化温度以上に加熱した混合物を混練装置で機械
   的剪断力を加えて各成分が溶融および／または分散混合
   する工程、および、 （４）前記混合物は加圧成形が可能な状態で混合が止め
   られ、冷却後粉砕またはタブレット状に成形する工程、 を含むことを特徴とする封止用エポキシ樹脂組成物の製
   法。
2. 【請求項２】前記（２）工程の加熱手段が、高周波また
   は遠赤外線加熱装置によって加熱することを特徴とする
   請求項１に記載の封止用エポキシ樹脂組成物の製法。
3. 【請求項３】前記（１）工程で、樹脂成分と充填剤成分
   の顆粒または粉末状混合物はタブレット状に成形される
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の封止用エポ
   キシ樹脂組成物の製法。
4. 【請求項４】前記（３）工程の混合装置が、二軸または
   多軸のロールを備えた混練装置であることを特徴とする
   請求項１、２または３に記載の封止用エポキシ樹脂組成
   物の製法。
5. 【請求項５】ａ．エポキシ樹脂、ｂ．硬化剤、ｃ．硬化
   促進剤、ｄ．無機質充填剤を含むエポキシ樹脂組成物で
   半導体素子を封止する樹脂封止型半導体装置の製法にお
   いて、前記エポキシ樹脂組成物が、顆粒または粉末状の
   樹脂成分と充填剤成分を混合する工程、該混合物を樹脂
   成分の軟化温度以上に加熱する工程、軟化温度以上に加
   熱した混合物を混練装置で機械的剪断力を加えて各成分
   が溶融および／または分散混合する工程、および前記混
   合物は加圧成形が可能な状態で混合が止められ、冷却後
   粉砕またはタブレット状に成形する工程により製造され
   た樹脂組成物であることを特徴とする樹脂封止型半導体
   装置の製法。
6. 【請求項６】前記半導体素子を封止する方法がトランス
   ファー成形法であることを特徴とする請求項５に記載の
   樹脂封止型半導体装置の製法。