JPH05230284A

JPH05230284A - 樹脂組成物その製造法並びに樹脂封止型半導体装置

Info

Publication number: JPH05230284A
Application number: JP3178392A
Authority: JP
Inventors: Toshiaki Ishii; 利昭石井; Masaji Ogata; 正次尾形; Shiyuuji Eguchi; 州次江口; Hiroyoshi Kokado; 博義小角
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1992-02-19
Filing date: 1992-02-19
Publication date: 1993-09-07

Abstract

(57)【要約】【目的】耐リフロー性の高い封止材料及び半導体装置を
提供する。【構成】平均粒径が特定された三種類の充填剤、また
は、さらに表面が硬化促進剤により被覆された充填剤を
含む樹脂組成物の製造法及びそれを用いた封止材と半導
体素子。【効果】充填剤の粒径最適化による高充填と低応力化，
硬化促進剤被覆による接着性と靭性が向上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体封止用樹脂組成
物に係り、特に、集積度が高いあるいはピン数が多い半
導体素子を小型薄型パッケージに封止するのに有利な材
料に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体及び電子部品の樹脂封止に
は機械特性，電気特性，耐熱性，接着性、及び成形加工
性などの点からエポキシ樹脂成形材料が広く用いられて
いる。しかし、半導体素子の集積度の増大や、各種エレ
クトロニクス機器の小型化，軽量化，高機能化等のニー
ズから各種半導体部品には実装の高密度化が強く求めら
れ、結果的に封止樹脂層は薄肉化している。また、従来
のパッケージは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ＤＩＰ（Dual Inline PlasticPakage)
で代表されるピン挿入型が主流であった。しかし、最近
はＳＯＰ（SmallOutline Plastic Package),ＳＯＪ(Sma
ll Outline J-leaded Plastic Package)，ＱＦＰ(Quad
Flat Plastic Package）等のような両面実装が可能で、
しかも、パッケージが小さい表面実装型パッケージの需
要が急増している。更に、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きわめて重要であり、最近は
ＴＳＯＰ(Thin Small Outline Plastic Package),ＴＳ
ＯＪ(Thin Small OutlineJ−leaded Plastic Package）
と言った厚さが1mm前後の超薄型パッケージも開発され
ている。

【０００３】このような半導体素子の表面実装への移行
に伴い、封止樹脂組成物に対しては、はんだリフロー時
における耐クラッチ性が課題となり、より一層の高強
度，低熱応力化，熱膨張係数の低減が求められている。

【０００４】従来このような要求に対して、無機充填剤
の配合量を増やし、封止材の熱膨張係数を小さくする検
討が行なわれてきた（特許802445号，同855789号，特公
昭60−10533 号公報）。しかし、充填剤を高充填する
と、流動性が低下し、さらに可撓性も低くなる。そこ
で、充填剤であるシリカ粒子を、角形から球形にするこ
とにより流動性を高めることや（特公昭60−26505号，
同60−40188号公報）、充填率を高めるため、シリカ粒
子の粒度調整などが行なわれている。また、充填剤表面
をカップリング剤で被覆し、樹脂層と充填剤表面の接着
力をあげることにより強度を高めることができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】表面実装型パッケージ
は、一般に、ベーパリフローあるいは赤外線リフロー方
式によるはんだ付けが行なわれ、実装時にパッケージ全
体がはんだの溶融温度以上に加熱される。そのため、パ
ッケージが吸湿している場合にはパッケージ内部で吸湿
水分が急激に蒸発し、その蒸気圧によってパッケージ内
部に剥離やクラックが生じ、実装後の信頼性レベルが著
しく低下する問題があった。

【０００６】封止材料の熱膨張係数を小さくするには、
充填剤の配合量を増やす必要があるが、材料の流動硬化
特性が低下するためパッケージの封止樹脂層が薄い部分
あるいはリードとリードの間の狭いすきまに材料が充填
しにくくなる問題があった。本発明の目的は、成形性が
良く、しかも熱膨張係数が小さく、高強度，高接着性を
あわせもった樹脂組成物とその製造法、また高い耐はん
だリフロー性をもった半導体装置を提供することにあ
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明を成し遂げる具体
的な手段は次の通りである。

【０００８】樹脂成分と、無機充填剤とを含む樹脂組成
物において、前記無機充填剤は次の三成分から成る。

【０００９】(１)平均粒径ｄ１が、３μｍ≦ｄ１≦１０
μｍの範囲にある破砕型粒子。

【００１０】(２)平均粒径ｄ２が、３ｄ１≦ｄ２≦１０
ｄ１の範囲にある球形粒子。

【００１１】(３)平均粒径ｄ３が、０.０５ｄ１≦ｄ３
≦０.３ｄ１の範囲にある微細球形粒子。

【００１２】前記無機充填剤は、成分(１)を２０％から
５０％、成分(２)を５０％から８０％、成分(３)を１％
から３０％混合してなり、樹脂組成物中に５５ｖｏｌ％
から８５ｖｏｌ％含有することを特徴とする樹脂組成物
を提供することにある。

【００１３】前記樹脂成分はエポキシ樹脂，シリコーン
樹脂，ポリイミド樹脂，不飽和ポリエステル樹脂から選
ばれる熱硬化性樹脂であって、これら樹脂から選ばれる
熱硬化性樹脂７０から９９ｗｔ％とシリコーン系可撓化
剤１から３０ｗｔ％から成る。

【００１４】また、前記無機充填剤が、前記熱硬化性樹
脂の硬化促進剤により被覆されていることを特徴とする
樹脂組成物の製造法を提供することにある。

【００１５】さらに、リードフレームと半導体素子が固
着され、素子表面の電極とリードフレームが金属導体で
電気的に接続され、少なくとも素子の回路形成面が樹脂
封止された半導体装置において、封止樹脂層が上記記載
の樹脂組成物であることを特徴とする樹脂封止型半導体
装置を提供することにある。

【００１６】本発明において、無機充填剤は、生シリ
カ，クリストバライト化シリカ，タルク，溶融シリカ，
ベリリア，アルミナ，アルミニウムシリケート，三酸化
アンチモン，シリカ−チタニア系ガラス，リチア−アル
ミノケイ酸塩，窒化ホウ素，窒化ケイ素，窒化アルミニ
ウム，タン化ケイ素，酸化チタン，ジルコン，マグネシ
ア，ケイ酸マグネシウム，硫酸バリウム，炭酸マグネシ
ウム，炭酸カルシウム，金属シリコン，金属アルミニウ
ムなどが挙げられ、特に生シリカ，溶融シリカが好まし
い。

【００１７】また、エポキシ樹脂は特に限定されるもの
ではないが、例えば、ビスフェノールＡ，ビスチェノー
ルＦ，レゾルシノール，フェノールノボラック、クレゾ
ールノボラックなどのフェノール類のグリシジルエーテ
ル、また、ブタンジオール，ポリエチレングリコール，
ポリプロピレングリコールなどのアルコール類のグリシ
ジルエーテル，フタル酸，イソフタル酸，テレフタル
酸，テトラヒドロフタル酸などのカルボン酸類のグリシ
ジルエステル，アニリン，イソシアタール酸などの窒素
原子に結合した活性水素をグリシジル基で置換したもの
などのグリシジル型エポキシ樹脂，分子内のオレフィン
結合を過酸等でエポキシ化して得られる、いわゆる、脂
環型エポキシドなどがあげられる。中でもエポキシ当量
１８０〜２０５のο−クレゾールノボラック型エポキシ
樹脂がガラス転移温度など耐熱性を損なうこと無く耐熱
衝撃性を向上させることができて好適である。

【００１８】上記エポキシ樹脂は従来公知の硬化剤，硬
化促進剤を併用することができるが、硬化剤として、ノ
ボラック型フェノール樹脂，ノボラック型クレゾール樹
脂などのフェノール樹脂，テトラヒドロ無水フタル酸，
無水ピロメット酸等の酸無水物，ジアミノジフェニルメ
タン，ジアミノジフェニルスルホンなどのアミン類，ア
ジピン酸ジヒドラジド，イソフタル酸ジヒドラジド，イ
ソフタル酸ジヒドラジドなどの二塩基酸ジヒドラジド類
などを用いることができる。更に硬化促進剤としては、
例えば２メチルイミダゾール、２エチル−４−メチルイ
ミダゾールなどのイミダゾール類，ベンジルジメチルア
ミンなどの三級アミン類、１，８−ジアザビシクロ
（５，４，０）−ウンデセン及びその誘導体、また含り
ん塩基性化合物としては、トリメチルホスフィン，トリ
エチルフォスフィン，トリ（ｐ−メチルフェニル）フォ
スフィン，トリ（ノニルフェニル）ホスフィンなどが挙
げられる。さらに、含窒素塩基性化合物及び含リン塩基
性化合物のテトラ置換ボロン塩としてはイミダゾール及
びその誘導体、１，８−ジアザビシクロ（５，４，０）
−ウンデセン及びその誘導体あるいは有機ホスホニウム
化合物のテトラ置換ボロン塩が挙げられる。これらの硬
化促進剤は二種類以上を併用することが出来る。これら
硬化促進剤を、前記充填剤に被覆する場合には、直接充
填剤と硬化促進剤を混合する方法のほか、溶剤を用いロ
ータリエバポレータ，媒体流動乾燥装置瞬間真空乾燥装
置により被覆することができる。充填剤の凝集を防ぐた
めには、媒体流動乾燥装置，瞬間真空乾燥装置を用いる
のが好ましい。

【００１９】その他着色剤，離形剤，難燃剤，カップリ
ング剤などを必要に応じて用いることができる。

【００２０】本発明の樹脂組成物は充填剤配合量が多い
にもかかわらず、従来の半導体封止用成型材料とまった
く同様の方法で作成することが出来、さらに、半導体の
封止作業もまったく同様にして行なわれる。すなわち、
各素材は７０℃〜１００℃に加熱された二軸ロールや押
出し機で混練し、トランスファープレスで金型温度１６
０℃〜１９０℃，成型圧力３０から１００ｋｇ／cm²，
硬化時間１〜３分で成型することが出来る。

【００２１】

【作用】本発明では、充填剤として平均粒径が３〜１０
μｍの範囲にある破砕型の粒子を２０〜５０％配合する
のは、成型材料に機械的な強度を付与するためである。
破砕型粒子の平均粒径がこれ以上の大きさになると、粒
径の大きな粒子が流路にひっかかり、充填性を損なった
り、金ワイヤやチップを傷つけることがある。また、こ
れら破砕型粒子を５０％以上の配合量とすると流動性が
極めて低下し、充填不良などを起こす原因となる。した
がって、充填率を上げるために配合する１０μｍ以上の
粒子は球形とする。そして、破砕型粒子との混合で充填
率を高めるには、球形粒子の平均粒径が破砕型粒子の平
均粒径の三倍から十倍の範囲にあることが必要であり、
配合量は充填剤の５０〜８０％とし、好ましくは６５〜
７５％である。そうすることにより粒径の大きな粒子の
すきまを破砕型粒子により埋めることができるため、高
い流動性を保ったまま、充填率を上げることが出来る。
充填剤の充填率をさらに上げ熱膨張率を下げるには、上
記二種の充填剤粒子の空隙を微細な球形粒子で埋めるこ
とが必要である。これは、破砕型粒子の平均粒径の０.
０５倍から０.３倍の平均粒径を持った微細球形粒子
を、１〜３０％配合することによって達成される。

【００２２】この配合量は、３０％以上になると埋める
ベき空隙以上の体積となり流動性をさらに低下させる結
果となる。したがって、好ましくは５から２５％の配合
量である。上記三成分の粒子混合系は樹脂中に５５ｖｏ
ｌ％〜８５ｖｏｌ％配合した場合優れた流動性を示し、
樹脂組成硬化物の低熱膨張化が可能である。

【００２３】本発明において、充填剤を熱硬化性樹脂の
硬化促進剤により被覆するのは、接着力を向上させるた
めである。つまり、充填剤を硬化促進剤により被覆する
と、ミキシングロールによる混練や半導体素子を封止す
る過程で、充填剤のまわりにいち早く樹脂層が形成さ
れ、充填剤が半導体素子に直ちに接することが無くなる
ためである。また、樹脂層の形成により、粒径のとがっ
た破砕型の粒子や、粒形の大きな粒子による金ワイヤ，
チップの損傷を防ぐことができる。さらに、充填剤のま
わりに形成される樹脂層は、バルクの樹脂層に比較して
硬化が非常に速いため、網目の密度が粗く可撓性を持
つ。この充填剤のまわりに形成された樹脂構造は、充填
剤と樹脂層の熱膨張係数の違いによりその界面に発生す
る熱応力を緩和し、充填剤−樹脂層の剥離を防ぐ働きを
示す。このように、充填剤をあらかじめ硬化促進剤によ
って被覆しておくことによって、充填剤と樹脂層，樹脂
層と半導体素子との間の接着力が増加し、しだがって樹
脂硬化物の強度が上昇するため、耐はんだリフロー性は
大きく向上する。

【００２４】

【実施例】以下、本発明を実施例によりさらに具体的に
説明する。

【００２５】エポキシ樹脂として、ο−クレゾールノボ
ラック型エポキシ樹脂（エポキシ当量：１９８,１５０
℃溶融粘度：１８ポアズ)および臭素化ビスフェノール
Ａ型エポキシ樹脂（エポキシ当量：４００，１５０℃溶
融粘度：１.２ポアズ)硬化剤としてフェノールノボラッ
ク樹脂(水酸基当量：１０６，１５０℃溶融粘度：０.８
ポアズ），硬化促進剤としてテトラフェニルホスホニウ
ムテトラフェニルボレート，可撓化剤として両末端アミ
ン変性ポリジメチルシリコーン充填剤として表１に示す
ように平均粒径と配合料を変えて配合し、難燃化助剤と
して三酸化アンチモン，離型剤としてモンタン酸エステ
ル，着色剤としてカーボンブラックを用い、表２に示す
組成の封止材料を作製した。

【００２６】

【表１】

【００２７】

【表２】

【００２８】封止材料の作成には二軸ロールを用い、ビ
ニール袋の中で予備混合した各素材を８０〜９０℃で約
１０分間混練して作成した。得られた成形材料は冷却後
粉砕機を用いて粗粉砕した後、タブレット状に成形し、
試料の成形に供した。

【００２９】次に、上記成形材料を用い、各種試験片並
びに図１に示す半導体装置を封止し、その成形品，封止
品の各種信頼性並びにリードフレーム，金ワイヤの損
傷，変形の有無を評価した。成形には５０トンのトラン
スファ成形機を用い、金型温度１７５℃，成形圧力７０
ｋｇｆ／mm²，成形時間１.５分で成形を行ない、図２
(ａ)，(ｂ)に示す封止品を得た。得られた封止品は軟Ｘ
線透過装置を用いて内部を透視し、封止材料の充填性を
評価した。また、以下の各種信頼性を評価した。温度サ
イクル試験は−５０℃／１０分⇔１５０℃／１０分、対
リフロー性試験は各封止品を８５℃／８５％ＲＨ下で吸
湿をさせた後、２１５℃に９０秒間加熱した場合にパッ
ケージにクラックを発生するようになる吸湿時間を調べ
た。耐湿試験は８５℃／８５％ＲＨで９６時間吸湿さ
せ、さらに２１５℃で９０秒間加熱した各封止品を１２
０℃二気圧下に放置したときの素子の表面のアルミニウ
ム配線に腐食不良が発生する時間を調べた。

【００３０】表１から明らかなように、本発明の樹脂組
成物は成形性が良好であり、かつ、封止品の信頼性が良
好であることが分かる。

【００３１】

【発明の効果】本発明の樹脂組成物は流動性に優れてい
るため、狭いすきまにも良く充填され、封止樹脂層の肉
圧が薄いパッケージやピン数が多い素子でも封止するこ
とができる。また、硬化物は熱膨張係数が小さく、高温
強度，接着力が高いためにはんだリフロー時にパッケー
ジクラックが発生しにくく、実装後の各種信頼性も良好
であり、半導体素子の耐はんだリフロー性に大きな効果
を発揮する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の平面図および断面図。

【符号の説明】

１…リードフレーム、３…半導体素子、５…金ワイヤ、
６…封止材料。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０１Ｌ 23/29 23/31 (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

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】樹脂成分と、無機充填剤とを含む樹脂組成
物において、前記無機充填剤が次の二成分からなり、 (１)平均粒径ｄ１が、３μｍ≦ｄ１≦１０μｍの範囲に
ある破砕型粒子。 (２)平均粒径ｄ２が、３ｄ１≦ｄ２≦１０ｄ１の範囲に
ある球形粒子。 (３)平均粒径ｄ３が、０.０５ｄ１≦ｄ３≦０.３ｄ１の
範囲にある微細球形粒子。前記無機充填剤は、成分(１)を２０％から５０％、成分
(２)を５０％から８０％、成分(３)を１％から３０％混
合してなり、樹脂組成物中に５５ｖｏｌ％から８５ｖｏ
ｌ％含有することを特徴とする樹脂組成物。
【請求項２】請求項１において、樹脂成分がエポキシ樹
脂，シリコーン樹脂，ポリイミド樹脂，不飽和ポリエス
テル樹脂から選ばれる熱硬化性樹脂である樹脂組成物。
【請求項３】請求項１において、樹脂成分がエポキシ樹
脂，シリコーン樹脂，ポリイミド樹脂，不飽和ポリエス
テル樹脂から選ばれる熱硬化性樹脂７０〜９９ｗｔ％と
シリコーン系可撓化剤１〜３０ｗｔ％からなることを特
徴とする樹脂組成物。
【請求項４】請求項１において、樹脂成分がエポキシ樹
脂，シリコーン樹脂，ポリイミド樹脂，不飽和ポリエス
テル樹脂から選ばれる熱硬化性樹脂７０〜９９ｗｔ％と
シリコーン系可撓化剤１〜３０ｗｔ％からなり、前記無
機充填剤が、前記熱硬化性樹脂の硬化促進剤により被覆
されている樹脂組成物の製造法。
【請求項５】請求項１において、リードフレームと半導
体素子が固着され、素子表面の電極と前記リードフレー
ムが金属導体で電気的に接続され、素子の回路形成面が
樹脂封止された樹脂封止型半導体装置。