JPH0520447B2 - - 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および樹脂封止
型半導体装置に関し、更に詳しくは、耐湿性およ
び高温電気特性に優れたエポキシ樹脂組成物およ
び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］ 樹脂封止型半導体装置は、例えば、集積回路
（IC）、大規模集積回路（LSI）、トランジスタ、
ダイオード等の半導体素子を、外部雰囲気や機械
的衝撃から保護するために、熱硬化性樹脂を用い
て封止して成るものである。 半導体素子の封止技術として、従来は、金属や
セラミツクス等を用いるハーメチツク封止が採用
されていたが、最近では、経済的に有利であると
いう理由から、樹脂封止が主流を占めている。 かかる半導体封止用樹脂としては、大量生産に
適する低圧トランスフア成形法に利用可能な、低
圧成形用エポキシ樹脂組成物が一般に広く使用さ
れている。しかしながら、例えば、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
ゾール硬化促進剤等から成るエポキシ樹脂組成物
を、トランスフア成形して得られる従来の樹脂封
止型半導体装置には次のような欠点がある。即
ち、 (1) 耐湿性が劣るために、アルミニウム電極など
が腐食劣化すること、 (2) 高温時における電気特性が劣り、特に、リー
ク電流が増加するために、半導体素子の機能が
低下すること、 である。これらのうち(1)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、そのような条件下
においても品質を保証しなければならない。耐湿
性の品質保証のための信頼性評価試験としては、
85℃または120℃の飽和水蒸気中に暴露する加速
評価法が行なわれている。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。 しかしエポキシ樹脂組成物を用いた樹脂封止型
半導体装置では、封止樹脂が吸湿性を有するため
に、水分が外部雰囲気から封止樹脂を介して、或
いは封止樹脂とリードフレームの界面を通つて内
部に侵入し、半導体素子の表面にまで到達する。
この水分と封止樹脂中に存在する不純物等の作用
の結果として樹脂封止型半導体装置はアルミニウ
ム電極、配線等の腐食による不良を発生する。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。 次に(2)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品質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例えば、半導体表面が
外部電荷に鋭敏なMOS構造を有する素子や、逆
バイアスが印加されたPN接合を有する素子等に
特に著しく多発する不良として、チヤネリングに
よるリーク電流の増加する現象がある。この現象
は電圧が印加された素子の表面に接している封止
樹脂層に電界が作用することにより発生するもの
と考えられる。 従来の樹脂封止型半導体装置は上記欠点を有す
るものであるために、その改良が求められてい
た。 ［発明の目的］ 本発明の目的は、このような従来の樹脂封止型
半導体装置およびエポキシ樹脂組成物の欠点を改
良することにあり、優れた耐湿性と高温電気特性
を有する高信頼性の樹脂封止型半導体装置および
エポキシ樹脂組成物を提供することにある。 ［発明の概要］ 上記目的を達成するために本発明者が鋭意研究
を重ねた結果、次に示すエポキシ樹脂組成物が半
導体用封止樹脂として、従来のエポキシ樹脂組成
物に較べ優れた特性を有することを見出し、これ
を用いることによつて耐湿性および高温電気特性
に優れた樹脂封止型半導体装置が得られることを
見出した。すなわち本発明は (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の硬化剤 (c) 有機ホスフイン化合物および (d) エポキシ基を有し、かつ分子内のすべてのケ
イ素の共有結合がケイ素−炭素結合（Si−Ｃ）
あるいはシロキサン結合（Si−Ｏ−Si）である
有機ケイ素化合物 を必須成分として成ることを特徴とするエポキシ
樹脂組成物であり、また本発明は上記エポキシ樹
脂組成物を用いて半導体素子を封止して成ること
を特徴とする樹脂封止型半導体装置である。 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、フエノールノ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、ｔ−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、ビスフエノールＡ等およ
び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種または２種以上の混合系で使用する
ことができる。 エポキシ樹脂と上記硬化剤の配合比について
は、硬化剤のフエノール性水酸基数とエポキシ樹
脂のエポキシ基数の比（フエノール性水酸基数／
エポキシ基数）が0.5〜1.5の範囲内にあるように
配合することが望ましい。その理由は上記範囲外
では反応が充分におこりにくくなり、硬化物の特
性が劣化しやすくなるためである。 さらに本発明では、エポキシ樹脂の硬化剤とし
て酸無水物を併用することができる。このような
酸無水物は、脂肪族、脂環族もしくは芳香族の無
水カルボン酸また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も使用可能である。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。 酸無水物の配合量はエポキシ樹脂の硬化剤総量
の50重量％以下であることが好ましい。その理由
は50重量％を超えて配合するとエポキシ樹脂組成
物の耐湿性が劣化するためである。また酸無水物
の配合量は、硬化剤のフエノール性水酸基と無水
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、 ［（フエノール性水酸基数＋無水カルボキシル
基数）／エポキシ基数］ 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エポキシ樹
脂組成物の耐湿性が劣化するためである。 本発明において使用される有機ホスフイン化合
物は、硬化促進剤としての機能を有するものであ
り、かかる化合物を配合せしめることにより、樹
脂封止型半導体装置の耐湿性および高温電気特性
の向上がもたらされる。 このような有機ホスフイン化合物は、次記一般
式［１］ ［式中、R₁、R₂およびR₃は、同一でも異なつて
いてもよく、水素原子、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等で示される基を表わす。
また式 （式中、Ｒはアルカンを表わし、R′およびR″は、
同一でも異なつていてもよく、水素原子、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を表わす。
ただし、R′およびR″が水素原子の場合を除く。）
で示される基のように有機ホスフインを含む有機
基であつてもよい。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、メチルジフエニルホスフイン
等の第３ホスフイン化合物、ブチルフエニルホス
フイン、ジ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、およびビス（ジ
フエニルホスフイノ）メタン、１，２−ビス（ジ
フエニルホスフイノ）エタン等の第３ビスホスフ
イン化合物が挙げられ、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。これらの中でも、アリールホスフイン化合物
を使用することが好ましく、とりわけ、トリフエ
ニルホスフインなどのトリアリールホスフインが
最も好ましい。 かかる有機ホスフイン化合物は、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
量で配合することが好ましく、特に好ましくは
0.01〜５重量％である。 本発明においては上記の成分に加え、エポキシ
基を有し、かつ分子内のすべてのケイ素の共有結
合がケイ素−炭素結合あるいはシロキサン結合で
ある有機ケイ素化合物を用いることにより、該有
機ケイ素化合物と有機ホスフイン化合物の相互作
用によつて、該有機ケイ素化合物または有機ホス
フイン化合物を単独で用いた場合に較べ、エポキ
シ樹脂組成物およびそれを用いた樹脂封止型半導
体装置の特性を著しく改善することができる。 本発明において用いられる、エポキシ基を有
し、かつ分子内のすべてのケイ素の共有結合がケ
イ素−炭素結合（Si−Ｃ）あるいはシロキサン結
合（Si−Ｏ−Si）である有機ケイ素化合物は、分
子内のすべてのケイ素が式［］、［］で示され
る構造単位から成る有機ケイ素化合物であつて、
分子内に少くとも１個の構成単位［］で示され
る構造を有していなければならない。 ［（▽−Ｒ）_o−Si−R′_4-o］ ［］ ［ Si−R′₄］ ［］ ［式中▽はエポキシ基、グリシドキシ基、エポキ
シシクロヘキシル基などのエポキシ基単位を示
す。Ｒは炭素（または炭素鎖）、Si−R′はケイ素
−炭素結合またはシロキサン結合を示す。ｎは１
〜４の整数を示す。］ 具体的に例示すると、たとえば ２，３−エポキシプロピルトリメチルシラン、 ２，３−エポキシプロピルトリフエニルシラ
ン、 ２，３−エポキシプロピルメチルジフエニルシ
ラン、 ３−グリシドキシプロピルトルメチルシラン、 ３−グリシドキシプロピルトリフエニルシラ
ン、 ３−グリシドキシプロピルジメチルフエニルシ
ラン、 ２−（３，４−エポキシシクロヘキシル）エチ
ルトリメチルシラン、 １−（３−グリシドキシプロピル）−１，１，
３，３，３−ペンタメチルジシロキサン、 １−（３−グリシドキシプロピル）−１，１，
３，３，５，５，５−ヘプタメチルトリシロキサ
ン、 ビス（３−グリシドキシプロピル）ジメチルシ
ラン、 ビス（３−グリシドキシプロピル）ジフエニル
シラン、 １，３−ビス（３−グリシドキシプロピル）−
１，１，３，３−テトラメチルジシロキサン、 １，３−ビス（３−グリシドキシプロピル）−
１，１，３，３−テトラフエニルジシロキサン、 SF8411（商品名、トーレシリコーン社製エポキ
シ化シリコーンオイル） SF8421（商品名、トーレシリコーン社製エポキ
シ化ポリエーテル変性シリコーンオイル）などが
挙げられる。これらの化合物の配合量は樹脂成分
（エポキシ樹脂と硬化剤）に対し0.01〜10重量％
の範囲内が好ましい。その理由は0.01重量％未満
では、添加の効果が認め難く、また10重量％を超
えると樹脂組成物に悪影響を与えるためである。 上記有機ケイ素化合物とエポキシ樹脂の溶融混
合物および／または上記有機ケイ素化合物と硬化
剤の溶融混合物をあらかじめつくつておき、これ
らの溶融混合物を用いてエポキシ樹脂組成物を構
成することもできる。 本発明において必要に応じて用いられる無機質
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、高純度と低熱膨脹係数の点で最も好ましい。
しかして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
つても異なるが、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、粗い粒子と細かい粒子
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。 本発明に係る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
シ樹脂組成物乃至成形材料を用いて半導体素子を
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、デイツピング、コーテイングな
どによる封止も可能である。 エポキシ樹脂組成物乃至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乃至成
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特に望ましい。 本発明でいう半導体素子とは集積回路、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。 ［発明の効果］ 上記本発明の目的、概要の記載および下記実施
例において明らかなように、本発明のエポキシ樹
脂組成物および該エポキシ樹脂組成物を用いて半
導体素子を封止して成る樹脂封止型半導体装置
は、バイアスPCTにおいて水分によるアルミニ
ウム配線の腐食が著しく低いことに示されるよう
に耐湿性に優れ、またMOS−BT試験において、
リーク電流の発生が著しく低いことに示されるよ
うに高温電気特性に優れている。従つて本発明に
よつて高信頼性の樹脂封止型半導体装置を得るこ
とができる。 上記のように本発明のエポキシ樹脂組成物は、
最も高品質、高信頼性が要求されるといわれる半
導体の封止樹脂として用いた場合に、最大の効果
を発揮するのであるが、半導体ほどの高品質が要
求されない一般の電子部品や電気部品の封止、被
覆、絶縁などに適用した場合でも優れた効果が得
られる。 ［本発明の実施例］ 次に本発明の実施例を説明する。 実施例 １〜５ 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）、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）、分子量800のフエノールノボラツク樹脂硬化
剤、無水ナジツク酸、３−グリシドキシプロピル
トリフエニルシラン（OS−）、２−（３，４−
エポキシシクロヘキシル）エチルトリメチルシラ
ン（OS−）、１，３−ビス（３−グリシドキシ
プロピル）−１，１，３，３−テトラメチルジシ
ロキサン（OS−）、トリフエニルホスフイン、
２−メチルイミダゾール、ジメチルアミノメチル
フエノール、石英ガラス粉末、三酸化アンチモ
ン、カルナバワツクス、カーボンブラツク、シラ
ンカツプリング剤（γ−グリシドキシプロピルト
リメトキシシラン）を表−１に示す組成（重量
部）に選び、各組成物をミキサーによる混合、加
熱ロールによる混練を行うことによつて、比較例
を含め10種のトランスフア成形材料を調製した。 このようにして得た成形材料を用いてトランス
フア成形することにより、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175℃で２分間モールドし、更に180
℃で３時間アフタキユアすることにより行つた。
上記樹脂封止型半導体装置各100個について次の
試験を行つた。 (1) 120℃、２気圧の水蒸気中で10V印加してア
ルミニウム配線の腐食による断線不良を調べる
耐湿試験（バイアスPCT）を行い、その結果
を表−２に示した。 (2) 100℃のオーブン中でオフセツトゲートMOS
FET回路にドレイン電圧5V、オフセツトゲー
ト電圧5Vを印加して電気特性の劣化によるリ
ーク電流不良を調べる試験（MOS−BT試験）
を行い、リーク電流が初期値の100倍以上に増
加した場合を不良と判定してその結果を表−３
に示した。

【表】

【表】

【表】

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ (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の硬化剤 (c) 有機ホスフイン化合物および (d) エポキシ基を有し、かつ分子内のすべてのケ
   イ素の共有結合がケイ素−炭素結合（Si−Ｃ）
   あるいはシロキサン結合（Si−Ｏ−Si）である
   有機ケイ素化合物 を含むことを特徴とするエポキシ樹脂組成物。 ２ エポキシ樹脂が、エポキシ当量170〜300のノ
   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組成
   物。 ３ エポキシ基を有し、かつ分子内のすべてのケ
   イ素の共有結合がケイ素−炭素結合あるいはシロ
   キサン結合である有機ケイ素化合物とエポキシ樹
   脂の溶融混合物および／または該有機ケイ素化合
   物とエポキシ樹脂の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項記載のエ
   ポキシ樹脂組成物。 ４ 半導体素子をエポキシ樹脂組成物で封止して
   成る樹脂封止型半導体装置において、該エポキシ
   樹脂組成物が、 (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の硬化剤 (c) 有機ホスフイン化合物および (d) エポキシ基を有し、かつ分子内のすべてのケ
   イ素の共有結合がケイ素−炭素結合（Si−Ｃ）
   あるいはシロキサン結合（Si−Ｏ−Si）である
   有機ケイ素化合物 を含むことを特徴とする樹脂封止型半導体装置。 ５ エポキシ樹脂が、エポキシ当量170〜300のノ
   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４項記載の樹脂封止型半導体装
   置。 ６ エポキシ基を有し、かつ分子内のすべてのケ
   イ素の共有結合がケイ素−炭素結合あるいはシロ
   キサン結合である有機ケイ素化合物とエポキシ樹
   脂の溶融混合物および／または該有機ケイ素化合
   物とエポキシ樹脂の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４項記載の樹
   脂封止型半導体装置。