JPH06271653A - 樹脂封止型半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】ビフェニル型エポキシ樹脂，フェノールノボラ
ック樹脂系硬化剤並びに四級ホスホニウム系化合物のテ
トラフェニルボレートを必須成分とする封止材料で封止
した半導体装置。 【効果】高集積，高機能化に伴って大型化が進む半導体
素子を小型薄型パッケージに封止し、実装の高密度化を
図ることができる。これにより、各種電子電気機器の小
型軽量化や高機能化ができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は樹脂封止型半導体装置に
係り、特に、貯蔵安定性並びに硬化性に優れたエポキシ
樹脂組成物で封止され、かつ、各種信頼性に優れた表面
実装型樹脂封止半導体装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】トランジスタ，ＩＣ，ＬＳＩ，ＶＬＳＩ
等の各種半導体素子のパッケージ方式としては、量産性
に優れた樹脂封止方式が広く用いられている。これに用
いる封止材料は成形性，接着性，耐湿性及び耐熱性など
が優れるｏ−クレゾールノボラック型エポキシ樹脂に硬
化剤としてフェノールノボラック樹脂を用い、さらに、
フィラや各種添加剤を配合した樹脂組成物が広く用いら
れている。

【０００３】近年、各種エレクトロニクス機器の小型軽
量化や高性能化を推進するため、半導体部品には実装の
高密度化が強く要求されている。そのため、素子の高集
積度化によってチップが大型化しているにもかかわら
ず、パッケージは年々小型薄型化され、しかも、高密度
実装に適した表面実装型パッケージが主流になりつつあ
る。こうした動向とともに半導体の樹脂封止層は著しく
薄肉化している。特に、最近はＴＳＯＰ（Thin Small O
utline Package)、ＴＳＯＪ(Thin Small OutlineJ−lea
d Package）、ＴＱＦＰ(Thin Quad Flat Package）とい
った厚さが１mm前後の薄型表面実装型パッケージの需要
が増大しており、さらに、厚さが０.５mm以下の超薄型
表面実装型パッケージの開発も進められている。ところ
が、封止層が薄くなるにつれてパッケージ内への水の侵
入が容易になり、また、樹脂層の機械的強度が小さくな
る。そのため、パッケージは小さな力が加わっただけで
破損し易くなっている。また、表面実装型パッケージを
採用した半導体部品はプリント基板に実装する際、赤外
線やベーパリフロー方式によるはんだ付け方式が行わ
れ、実装時パッケージは全体が２１５−３００℃の高温
に曝される。そのため、パッケージが吸湿した状態では
んだ付けが行われると、水分が急激に気化し、その蒸気
圧によってパッケージが膨れ、チップと封止樹脂との界
面に剥離が生じたり、パッケージにクラックが生じる。
その結果、半導体装置は素子特性が変動したり、素子表
面のアルミニウム配線が腐食する問題が発生し易くな
り、実装後の各種信頼性の低下が問題になっていた。そ
のため、薄型の表面実装型パッケージ用封止材料におい
ては耐はんだリフロー性（はんだリフロー時のパッケー
ジの耐クラック性）の向上が重要な技術課題になってい
た。

【０００４】パッケージに侵入する水分の経路は次の二
つがある。一つは、封止層からの拡散，透過によるもの
である。もう一つは、リードフレームと封止材料との界
面から浸入する水分である。薄型の表面実装型パッケー
ジ用封止材料に要求される耐はんだリフロー性を向上す
るためには、パッケージ内に侵入する水分量を極力少な
くすることがこの問題を解決するための重要な鍵になっ
ている。

【０００５】この課題を解決するため、これまで種々の
対策が検討されてきた。その中で、特開平3−207714号
並びに特開平4−48759 号に提案されているように、封
止材料のベースエポキシ樹脂としてビフェニル骨格を有
するエポキシ樹脂とフェノールアラルキル樹脂硬化剤か
らなるエポキシ樹脂組成物を用いたり、また、特開平4
−50223号，特開平4−199856号並びに特開平4−199857
号公報に開示されているように、ナフタレン骨格を有す
る低吸湿性のエポキシ樹脂組成物を用いることによって
耐はんだリフロー性を大幅に改善することが可能になっ
た。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記改良技術ははんだ
リフロー時のパッケージの耐クラック性を改善する効果
は極めて大きい。しかし、新しい樹脂系を用いた封止材
料は従来材に比べて硬化性や貯蔵安定性が著しく劣り、
材料の保管条件や品質を十分管理しないと封止作業が通
常の条件下で行えなくなったり、また、封止した半導体
装置の各種信頼性が著しく変動するといった問題があっ
た。すなわち、新しいエポキシ樹脂を用いた封止材料は
使用する硬化促進剤の種類によって十分な硬化性が得ら
れなかったり、室温付近の比較的低い温度でも吸湿によ
って硬化性が著しく低下したり樹脂の硬化反応の進行
（Ｂステージ化）による粘度上昇及びこれに伴う流動性
の低下が起き易く、材料の保管条件や品質を十分管理し
ないと、成形時に成形品内部にボイドや未充填，金線曲
がりあるいは断線などの欠陥が生じ、それによって封止
品の耐はんだリフロー性や耐温度サイクル性（いずれも
パッケージの耐クラック性）や耐湿性（素子表面のアル
ミニウム配線の腐食）、高温放置特性（封止品を高温に
放置した際に生じる素子表面のアルミニウム電極と金ワ
イヤ接合部の接続不良）などの信頼性レベルが著しく変
動する問題があった。しかし、これらの問題はいずれも
未解決のままであった。

【０００７】本発明はこのような状況を鑑みてなされた
ものであり、その目的とするところは、ビフェニル骨格
を有するエポキシ樹脂とフェノールノボラック樹脂系硬
化剤を必須成分とする封止材料の貯蔵安定性や硬化性を
大幅に改善し、しかも、各種信頼性に優れた樹脂封止型
半導体装置を提供することを可能にするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明者らはこれらの特性に影響を及ぼすと考えら
れる硬化促進剤の影響について鋭意検討した。その結
果、上記課題は意外なことに特定の硬化促進剤を用いる
ことによって飛躍的な改善が図れることを見出し本発明
に至った。本発明の要点は以下の通りである。

【０００９】すなわち、本発明の樹脂封止型半導体は

【００１０】

【化３】

【００１１】（式中、Ｒは水素原子またはメチル基、ｎ
は０〜２の整数を示す）で表されるビフェニル型エポキ
シ樹脂及び

【００１２】

【化４】

【００１３】（式中、Ｒ₁〜Ｒ₄はいずれもアルキル基ま
たは少なくとも一個以上のアルキル基とフェニル基で構
成される置換基であり、それぞれ同じであっても異なっ
ていてもよい）で表される四級ホスホニウム化合物のテ
トラフェニルボレートを硬化促進剤として含むエポキシ
樹脂組成物を用いることによって提供できることが明ら
かになった。

【００１４】本発明において、（ａ）成分のエポキシ樹
脂は化３で表される１分子当り２個以上のエポキシ基と
ビフェニル骨格とを有するビフェニル型エポキシ樹脂で
ある。なお、本発明の目的を損なわない範囲において、
エポキシ樹脂はこれらの他に半導体封止用として一般的
に使用されているビスフェノールＡ，ＦまたはＳ型エポ
キシ樹脂，ノボラック型エポキシ樹脂，ｏ−クレゾール
ノボラック型エポキシ樹脂，ナフタレン骨格を有する多
官能のエポキシ樹脂，トリまたはテトラ（ヒドロキシフ
ェニル）アルカンのエポキシ樹脂，脂環式エポキシ樹
脂，臭素化ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂，臭素化フ
ェノールノボラック型エポキシ樹脂等を併用することが
できる。

【００１５】（ｂ）成分の硬化剤はフェノール系化合物
とアルデヒド系化合物あるいはアラルキルエーテル化合
物との重縮合物である。これらの成分の配合割合はエポ
キシ樹脂に対して０.５〜１.５当量、好ましくは０.８
〜１.２当量の範囲が望ましい。硬化剤の配合量がエポ
キシ樹脂に対して０.５ 当量未満であると、エポキシ樹
脂の硬化が完全に行われないため硬化物の耐熱性，耐湿
性並びに電気特性が劣り、１.５ 当量を超えると逆に硬
化剤成分が過剰になり硬化樹脂中に多量のフェノール性
水酸基が残るため、電気特性並びに耐湿性が悪くなる。

【００１６】本発明を特徴付ける（ｃ）成分の硬化促進
剤は特定の四級ホスホニウム化合物のテトラフェニルボ
ロン塩である。具体的にはブチルトリフェニルホスホニ
ウム・テトラフェニルボレート（融点２０３−２０５
℃）、メチルトリブチルホスホニウム・テトラフェニル
ボレート（融点１５０−１５２℃）、テトラブチルホス
ホニウム・テトラフェニルボレート（融点２３２−２３
４℃）、ヘキサデシルトリブチルホスホニウム・テトラ
フェニルボレート（融点１４０−１４２℃）、エチルト
リオクチルホスホニウム・テトラフェニルボレート（融
点７２−７６℃）、メチルトリシアノエチルホスホニウ
ム・テトラフェニルボレート（融点２０６−２０８℃）
などである。このような硬化促進剤と類似の化合物は、
テトラフェニルホスホニウム・テトラフェニルボレー
ト、トリエチルアンモニウム・テトラフェニルボレー
ト、２−エチル−４−メチルイミダゾリウム・テトラフ
ェニルボレート、ジアザビシクロウンデセニウム・テト
ラフェニルボレート、トリフェニルホスフィン・トリフ
ェニルボロンなどが知られている。しかし、これらの化
合物は実施例で説明するように封止材料に対する配合量
を極端に多くしないと十分な硬化性が得られなかった
り、貯蔵安定性が劣るなどの問題がある。これらの硬化
促進剤はエポキシ樹脂１００重量部に対して１〜１５mm
ｏｌ、望ましくは５〜１０mmolの範囲で配合することが
望ましい。

【００１７】本発明の樹脂組成物には、必要に応じて組
成物全体に対して５０容量％〜９０容量％の無機充填剤
を配合することができる。無機充填剤は硬化物の熱膨張
係数や熱伝導率，弾性率などの改良を目的に添加するも
のであり、この配合量が５０容量％未満ではこれらの特
性の改良を十分に行えず、また、９０容量％を超えて配
合した場合には材料の粘度が著しく上昇し流動性が低下
して成形が難しくなる。無機充填剤は熔融シリカ，結晶
シリカ，アルミナ，炭酸カルシウム，ケイ酸ジルコニウ
ム，ケイ酸カルシウム，タルク，クレー，マイカ等の微
粉末を用いることができる。これらの充填剤の平均粒径
は０.１ 〜３０μｍの範囲が望ましく、平均粒径が０.
１μｍ 未満では樹脂組成物の粘度が著しく上昇し、成
形が難しくなる。また、平均粒径が３０μｍを超えると
成形時に樹脂成分と充填剤が分離しやすくなって硬化物
が不均一になるため硬化物物性にばらつきが生じたり、
狭い隙間への充填性が低下する。特に、充填剤を７５容
量％以上配合する場合には充填剤は角形より球形品が好
ましく、かつ、粒度分布が０.１ 〜１００μｍの広い範
囲に分布するものが望ましい。このような充填剤は最密
充填構造をとり易いため配合量を増しても材料の粘度上
昇が起こりにくく、流動性の優れた組成物を得ることが
できる。

【００１８】本発明では、必要に応じて樹脂硬化物の強
靱性や低弾性率化のために可撓化剤を配合することがで
きる。可撓化剤はエポキシ樹脂組成物と非相溶性のもの
がガラス転移温度を下げずに硬化物の低弾性率化が図れ
る。具体的にはブタジェン・アクリルニトリル系共重合
体やそれらの末端または側鎖にアミノ基，エポキシ基、
カルボキシル基を有する変性共重合体やアクリロニトリ
ル・ブタジェン・スチレン共重合体などのブタジェン系
可撓化剤、末端または側鎖にアミノ基，水酸基，エポキ
シ基，カルボキシル基等を有する変性シリコーン系のエ
ラストマ等を用いることができる。封止品の耐湿性の観
点からは特にシリコーン系の可撓化剤が有用である。こ
のような可撓化剤の配合量は全樹脂組成物に対して２〜
２０重量％であることが好ましい。可撓化剤の配合量が
２重量％未満では硬化物の強靱性や低弾性率化に対して
ほとんど効果がない。また、２０重量％を超えると樹脂
組成物の流動性や高温の機械的強度が極端に低下した
り、可撓化剤が樹脂硬化物表面に滲み出し、成形品の外
観不良や金型の汚れが顕著になる。

【００１９】本発明の樹脂組成物には上記の他に必要に
応じて、樹脂成分と充填剤との接着性を高めるためにカ
ップリング剤として各種シラン系化合物，チタン系化合
物，アルミニウムキレート類，アルミニウム／ジルコニ
ウム系化合物等の公知の化合物を用いることができる。
更に、離型剤としてカルナバワックス，モンタン酸系ワ
ックス，ポリアルキレン系ワックス等公知の化合物を用
いることができる。着色剤としてはカーボンブラック，
酸化チタン，鉛丹，ベンガラ等の公知の化合物を用いる
ことができる。これらの各素材は通常ミキシングロー
ル，押出し機，ニーダ等を用い温度５０〜１００℃で溶
融混練して成形材料にする。

【００２０】

【作用】本発明の樹脂組成物が貯蔵安定性や硬化性が優
れる理由は次のにように考えられる。

【００２１】本発明において使用する四級ホスホニウム
化合物は、室温付近では樹脂系に余り溶解せず、１２０
℃以上に加熱すると速やかに溶解する。それゆえ、室温
付近では硬化反応を余り促進せず、１２０℃以上の温度
で速やかな硬化反応の促進性を示し、その結果優れた貯
蔵安定性を示すと考えられる。また、これらの硬化促進
剤は材料を保管中に吸湿しても促進剤としての活性が失
われないため安定した硬化性を保持すると考えられる。
本発明の樹脂組成物で封止した半導体装置が優れた信頼
性を示すのは、本発明の樹脂組成物が貯蔵安定性や硬化
性が優れているため常に安定した条件で封止作業が行え
るためである。

【００２２】本発明の硬化促進剤がビフェニル型エポキ
シ樹脂を用いた封止材料に対してこのように優れた特性
を発揮し、しかも、封止した半導体装置の各種信頼性を
大幅に改善する効果があることは全く予想できなかった
ことである。

【００２３】

【実施例】以下、本発明を実施例により更に具体的に説
明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものでは
ない。

【００２４】〔実施例１〜３〕及び〔比較例１〜３〕 表１に示す各種硬化促進剤を用いたエポキシ樹脂組成物
を約６０〜８０℃に加熱した二軸ロールで約１０分間混
練した後、冷却，粉砕して目的の封止材料を作製した。

【００２５】

【表１】

【００２６】次に、これらの封止材料を４０℃、湿度２
０％ＲＨ及び８０％ＲＨの恒温恒湿槽に保管した時の貯
蔵安定性を硬化性，流動性，溶融粘度の経時変化により
評価した。なお、硬化性は封止材料を１８０℃で９０秒
加熱硬化した時の硬化物の熱時硬度により評価した。熱
時硬度の測定にはバコール硬度計（Ｎo.９３５）を使用
した。流動性はＥＭＭＩ−１−６６に定められたスパイ
ラルフロー測定用金型をトランスファー成形機の上下熱
板間に挟持し、金型温度１８０℃、成形圧力７０kg／cm
² 、成形時間９０秒で２０ｇの封止材料を成形したとき
の成形品の長さで評価した。溶融粘度の測定は高化式フ
ローテスタを用い、１８０℃に加熱した金型のノズル
（内径１mmφ，長さ１０mm）から２ｇの封止材料を荷重
０.９８ＭＰａで押し出した時の最大流速から溶融粘度
を計算で求めた。

【００２７】測定結果を表２に示す。

【００２８】

【表２】

【００２９】表２より、本発明の樹脂組成物は比較的少
量の硬化促進剤を配合しただけで十分な硬化性が得ら
れ、しかも、材料保管時のスパイラルフローや溶融粘度
の変化が少なく、貯蔵安定性が優れていることが分か
る。

【００３０】次に、上記実施例並びに比較例で作製した
各封止材料を２５℃、６０％ＲＨ下で７日間放置した
後、半導体装置を封止し各種信頼性を評価した。封止し
た半導体装置は表面にアルミニウムのジクザク配線を形
成したシリコーンチップ（６×６mm）を４２アロイ系の
リードフレームに搭載し、更にチップ表面のアルミニウ
ム電極とリードフレーム間を金線（３０μｍφ）でワイ
ヤボンディングしたものであり、パッケージの外形は２
０×１４mm，厚さ２mmである。封止品は１８０℃で５時
間の後硬化を行った。そして、封止した半導体装置の耐
はんだリフロー性，耐湿信頼性，高温放置信頼性試験を
行った。なお、耐はんだリフローは樹脂封止した半導体
装置を８５℃／８５％ＲＨ下で１６８時間放置後、２４
０℃の赤外線リフロー炉中で９０秒間加熱した場合のパ
ッケージクラック発生の有無により評価した。耐湿信頼
性試験は樹脂封止した半導体装置を６５℃，９５％ＲＨ
の恒温恒湿下で７２時間放置後、２１５℃／９０秒間の
加熱処理を行い、さらに１％の食塩水に浸漬し、その後
さらに、６５℃，９５％ＲＨの条件下で５００時間放置
した時の素子表面のアルミニウム配線の腐食の有無を調
べてた。高温放置信頼性試験は樹脂封止した半導体装置
を２００℃の高温槽中に２００時間放置し、金ワイヤと
アルミニウム配線の接合部の接続不良を調べた。これら
の結果をまとめて表３に示す。

【００３１】

【表３】

【００３２】表３より本願の封止材料を用いた半導体装
置は、耐リフロー性，耐湿性，高温放置特性などの信頼
性は優れていることが分かる。

【００３３】上記実施例から明らかなように、本発明の
封止材料は貯蔵安定性，硬化性が非常に優れていること
が分かる。また、封止した半導体装置の各種信頼性も良
好である。

【００３４】

【発明の効果】本発明の封止材料を用いて封止した半導
体装置は、耐はんだリフロー性及び耐湿性並びに高温放
置性に優れている。

フロントページの続き (72)発明者 鈴木 和弘 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 石井 利昭 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 【化１】 （式中、Ｒは水素原子またはメチル基、ｎは０〜２の整
   数を示す）で表されるビフェニル型エポキシ樹脂及び 【化２】 （式中、Ｒ₁〜Ｒ₄はいずれもアルキル基または少なくと
   も一個以上のアルキル基とフェニル基で構成される置換
   基であり、それぞれ同じであっても異なっていてもよ
   い）で表される四級ホスホニウム化合物のテトラフェニ
   ルボレートを硬化促進剤として含むエポキシ樹脂組成物
   で封止したことを特徴とする半導体装置。