JPH0680863A

JPH0680863A - エポキシ樹脂組成物

Info

Publication number: JPH0680863A
Application number: JP4178867A
Authority: JP
Inventors: Masaji Ogata; 正次尾形; Masanori Segawa; 正則瀬川; Hidetoshi Abe; 英俊阿部; Shigeo Suzuki; 重雄鈴木; Hiroyuki Hozoji; 裕之宝蔵寺
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1986-11-18
Filing date: 1992-06-15
Publication date: 1994-03-22
Anticipated expiration: 2012-09-03
Also published as: JPS63128020A; JPH0554865B2; JP2649632B2

Abstract

(57)【要約】【目的】成形作業性が良く、熱膨張係数が小さなエポ
キシ樹脂組成物を提供する。【構成】エポキシ樹脂に充てん剤を配合した樹脂組成
物において、前記充てん剤が石英粉を溶融して球形化し
た溶融石英粉であり、その粒径が１００μｍ以下であ
り、粒度分布がＲＲＳ粒度線図で表示した場合に直線で
あり、勾配ｎの値が０．６〜０．９５であり、配合量が
全体の８０重量％以上であるエポキシ樹脂組成物。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は成形作業性に優れた熱膨
張係数が小さな半導体封止用エポキシ樹脂組成物に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】トランジスタ、ＩＣ、ＬＳＩ等の半導体
装置の外装には金属、ガラス、セラミックス等を用いる
ハーメチック封止型とエポキシ樹脂を主流とする樹脂封
止型の２種類がある。前者は気密性には優れているが非
常に高価である。一方、後者は大量生産によって極めて
安価に製造することができる。近年、封止用樹脂の信頼
性が著しく向上したことにより、現在では全半導体製品
の８０％以上がエポキシ樹脂を主流とする熱硬化性樹脂
を用いた樹脂封止型になっている。しかし、半導体素子
の集積度は年々上昇し、それに伴ってチップサイズの大
型化、配線の微細化並びに多層化等が進んでいる。一
方、外装（パッケージ）についてみると、実装の高密度
化、自動化のために、パッケージサイズは小型薄型化の
方向に進み、また、パッケージの形状も従来のＤＩＬＰ
( Dual in Line Package ) からＦＰＰ（ Flat Plasti
c Package ) 、ＳＯＰ（ Small Outline Package )、Ｐ
ＬＣＣ（ Plastic Leaded Chip Carrier )等ピン挿入実
装型から面付実装型に移行している。このような集積度
の向上、パッケージサイズあるいは形状、実装方式等の
変遷に伴い、素子が繊細化し、パッケージの封止樹脂層
は薄肉化の傾向をますます強めている。そのため、封止
品に熱的ストレスが加わると半導体装置を構成する封止
樹脂、フレーム、チップ等の熱膨張係数の違いによって
熱応力が生じ、そのために封止樹脂にクラックが発生し
たり、あるいは逆にチップやチップ表面に形成されてい
るパッシベーション膜にクラックが生じたり、チップ表
面の配線の切断、短絡、位置ズレ等が生じ易くなり、素
子特性変動や信頼性低下が問題になっている。この問題
はパッケージの実装方式がピン挿入型から面付型に移行
し、実装時にパッケージがさらされる温度条件が従来よ
りも厳しくなっていることによっても助長されている。

【０００３】樹脂封止半導体に発生する熱応力は、上述
のように各構成材料の熱膨張係数の違いによって発生す
るため、各構成材料特に熱膨張係数が大きな封止樹脂の
熱膨張係数を小さくすることができれば、熱応力の大幅
な低減が可能になる。一般に、封止用樹脂には熱膨張係
数の低減を目的に樹脂よりも熱膨張係数が小さな無機質
充てん剤が配合されており、熱膨張係数を小さくするた
めには充てん剤の配合量を従来よりも更に増やせば良
い。しかし、従来は充てん剤の配合量を余り増やすと樹
脂組成物の粘度が著しく上昇し流動性が低下するため封
止作業が困難になる。そのため、特許第８０２４４５
号、同８５５７８９号各明細書及び特公昭６０−１０５
３３号公報に記載されているように特定の粒度分布を有
する無機充てん剤を用い、樹脂組成物の粘度上昇や流動
性低下を余り起こさずに充てん剤の配合量を増やす方法
が提案されている。しかし、このような手法を用いても
現在樹脂封止型半導体の主流になっているフェノール硬
化型エポキシ樹脂系組成物においてはベース樹脂自体の
粘度が高いために、充てん量を飛躍的に増やして熱膨張
係数の大幅な低減を図るには限界があった。その理由と
しては従来このような用途には大きな原石を機械的に粉
砕して製造した角ばった充てん剤が使用されてきたた
め、充てん剤のかさばりによって樹脂組成物の粘度上昇
や流動性の低下が起り易かったものと推定される。その
ため、その対策として特公昭６０−２６５０５号及び同
６０−４０１８８号各公報に開示されるように、球形の
充てん剤を用いる方法が提案されているが、前述のよう
な素子の高集積化、パッケージの小型薄型化に充分対応
し得る封止用樹脂組成物を得るに至っていない。

【０００４】一方、樹脂封止型半導体の素子に加わる熱
応力は、封止樹脂の弾性率やガラス転移温度を下げるこ
とによっても低減することができる。しかし、樹脂組成
物のガラス転移温度を下げると一般には高温の電気特性
や耐湿性等が低下するため、半導体装置にとっては好ま
しくない。そのため、最近ではベース樹脂中にシリコー
ンゴムやポリブタジエンゴムのようなゴム成分を配合し
てマトリックスのエポキシ樹脂を海島構造にし硬化物の
弾性率を小さくする方法が検討されている。しかし、こ
の方法はチップに加わる熱応力をある程度小さくするこ
とができるが半導体装置を構成する各材料間の熱膨張係
数の違いを縮少する効果はほとんどなく、本質的な熱応
力低減対策ではない。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】そのため、熱応力の発
生がより小さな半導体封止用エポキシ樹脂組成物及びそ
れを用いた半導体装置が強く望まれていた。本発明は上
記のような状況にかんがみてなされたものであって、そ
の目的とするところは成形作業性が良く、しかも熱膨張
係数が小さなエポキシ樹脂組成物を提供することにあ
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明を概説すれば、本
発明はエポキシ樹脂組成物に関する発明であって、エポ
キシ樹脂に充てん剤を配合した樹脂組成物において、前
記充てん剤が、石英粉を溶融して球形化した溶融石英粉
であり、その粒径が１００μｍ以下であり、粒度分布が
ＲＲＳ粒度線図で表示した場合に直線であり、勾配ｎの
値が０．６〜０．９５であり、配合量が全体の８０重量
％以上であることを特徴とする。

【０００７】前記問題点は樹脂の粘度上昇や流動性を損
わずに充てん剤を多量に配合できれば解決が可能であ
る。そこで、本発明者等は充てん剤の形状、粒径、粒度
分布、充てん量と樹脂組成物の諸特性並びにこれらの樹
脂組成物で封止した半導体装置の信頼性との関係を詳細
に検討した。

【０００８】その結果、エポキシ樹脂に充てん剤が、粒
径１００μｍ以下の範囲内にあって、しかもその粒度分
布をＲＲＳ粒度線図で示した場合に勾配ｎが０．６〜
０．９５の範囲で直線性を示す球形の溶融石英粉を樹脂
組成物全体に対し８０重量％以上配合すれば良いことを
見出した。

【０００９】ここで、ＲＲＳ粒度線図とは下記のロジン
−ラムラー（ Rosin-Rammler )の式（数１）に従う粒度
分布を表わす粒度線図のことである。

【００１０】

【数１】Ｒ（Ｄ_p) ＝１００exp （−ｂ・Ｄ_pｎ）

【００１１】〔但し、式中Ｒ（Ｄ_p) は最大粒径から粒
径Ｄ_pまでの累積重量％、Ｄ_pは粒径、ｂ及びｎは定数
である〕式中のＲ（Ｄ_p) は積算残留重量％とも呼ばれている。

【００１２】また、ＲＲＳ粒度線図における勾配とは、
ＲＲＳ粒度線図の最大粒径から粒径Ｄ_pまでの累積重量
％が少なくとも２５重量％と７５重量％の範囲にある２
点を結んだ直線で代表されるロジン−ラムラーの式のｎ
値のことをいう。一般に、充てん剤の原石を微粉砕した
場合その粒度分布はロジン−ラムラーの式に合い、この
式に基づいた粒度分布の表わし方であるＲＲＳ粒度線図
においてほぼ直線性を示すとされている。本発明者等は
各種充てん剤の粒度分布を測定したところ、特別のふる
い分けをしない限りいずれの充てん剤もその９０重量％
以上が上記ＲＲＳ粒度線図でほぼ直線性を示し上式によ
く適合することを確認している。このような粒度分布を
有する球形の溶融石英粉は、例えば特開昭５９−５９７
３７号公報に示されているように、あらかじめ所定の粒
度分布に粉砕した角ばった溶融石英粉をプロパン、ブタ
ン、水素などを燃料とする溶射装置から発生させた高温
の火炎中に一定量ずつ供給し、溶融、冷却することによ
って得られる。

【００１３】エポキシ樹脂に充てん剤が粒径１００μｍ
以下の範囲内にあって、しかもその粒度分布をＲＲＳ粒
度線図で表示した場合にその勾配ｎが０．６〜０．９５
の範囲で直線性を示す球形の溶融石英粉を樹脂組成物全
体に対し８０重量％以上配合した樹脂組成物は、充てん
剤配合量が多いにもかかわらず比較的粘度が低く流動性
が優れ、しかも硬化物は熱膨張係数が１．３×１０^-5／
℃以下と小さい。それ故、Ａｕ線をボンディングした半
導体素子を封止してもＡｕ線の変形や断線が起りにく
く、また、封止品は熱応力の発生が少ないために耐温度
サイクル性、耐熱性、耐湿性等が良好である。

【００１４】本発明におけるエポキシ樹脂組成物とは現
在半導体封止用成形材料として一般に用いられているエ
ポキシ樹脂組成物であって、クレゾールノボラック型エ
ポキシ樹脂、フェノールノボラック型エポキシ樹脂、ビ
スフェノールＡ型エポキシ樹脂等に硬化剤としてフェノ
ールノボラック樹脂、硬化促進剤、充てん剤、可とう化
剤、カップリング剤、着色剤、難燃化剤、離型剤などを
配合した組成物である。

【００１５】充てん剤として球形の溶融石英粉を用いる
のは前述のように球形化することによって充てん剤のか
さばりが少なくなり高充てん化し易くなることの他に、
素子を封止する際充てん剤の角部が素子表面に触れて素
子を損傷したり素子特性に悪影響を及ぼすのを防止する
効果もある。溶融石英は入手が容易な上に、それ自体の
熱膨張係数が比較的小さいため樹脂組成物の低熱膨張化
に有効なこと、イオン性不純物の含有率が極めて少ない
ことなどによる。充てん剤を粒径１００μｍ以下の範囲
に限定する理由は、１００μｍ超の粗い粒子が多くなる
と封止の際Ａｕ線の変形や切断が起きたり、また、薄型
パッケージを封止する際粗い粒子が金型の中で目詰りを
起し樹脂の充てん不良が発生するためである。ＲＲＳ粒
度線図で表示した勾配ｎを０．６〜０．９５とするの
は、ｎが０．９５超すなわち粒度の分布が極端に狭いと
充てん剤のかさばりが大きくなり、樹脂組成物の粘度上
昇や流動性の低下が起るためである。一方、勾配ｎを小
さくすくということは充てん剤中の微粒子成分を増やす
ことになるが、微粒子成分が余り多くなると樹脂組成物
がチキソトロピック性を示すために著しい粘度上昇と流
動性の低下が起る。これを防ぐためにはｎは０．６以上
が望ましい。

【００１６】本発明のエポキシ樹脂組成物は充てん剤配
合量が多いにもかかわらず、従来の半導体封止用成形材
料と全く同様の方法で作製することができ、更に、半導
体の封止作業も全く同様にして行える。すなわち、各素
材は７０〜１００℃に加熱された二軸ロールや押出機で
混練し、トランスファプレスで金型温度１６０〜１９０
℃、成形圧力３０〜１００kg／cm²、硬化時間１〜３分
で成形することができる。

【００１７】

【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ない。

【００１８】実施例１と２、及び比較例１〜４図１に示す各種充てん剤を用い、表１又は表２に示す配
合のエポキシ樹脂組成物を約８０℃に加熱した二軸ロー
ルで約１０分間混練した。得られた各組成物について１
８０℃におけるゲル化時間（Ｇ．Ｔ．）をＪＩＳ−Ｋ５
９０９の熱板法により、１８０℃における最低溶融粘度
（η_min）を高化式フローテスターにより、更に組成物
の流動性の尺度としてスパイラルフロー（Ｓ．Ｆ）をＥ
ＭＭＩ−１−６６に準じ、金型温度１８０℃、成形圧力
７０kg／cm²、成形時間１．５分で測定した。結果を表
１及び表２にまとめて示す。各表中、＊印の樹脂組成物
全体に対する配合割合はいずれも８０重量％である。

【００１９】なお、図１は、各種の形及び勾配ｎが溶融
石英の粒径Ｄ_p（μｍ、横軸）と最大粒径から粒径Ｄ_p
までの累積重量％、Ｒ（Ｄ_p）との関係を示すグラフで
ある。

【００２０】

【表１】

【００２１】

【表２】

【００２２】表１及び表２から明らかなように、本発明
の組成物は、ＲＲＳ粒度線図の勾配ｎが０．６より小さ
いか、あるいは０．９５よりも大きい球形溶融石英を用
いた組成物並びに角形の溶融石英を用いた組成物に比べ
て、ゲル化時間はほとんど同じで硬化性には差がない
が、溶融粘度は極めて低く、流動性が大きいことが分か
る。

【００２３】実施例３と４、及び比較例５〜７充てん剤として図１に示した球形溶融石英（球−２）及
び角形溶融石英（角−２）を用い、上記実施例と同様に
して充てん剤配合量が７０、７５、８０及び８５重量％
の樹脂組成物を作製した。この組成物を用いてφ１０×
１００mmの丸棒をトランスファ成形し、１８０℃／６時
間の２次硬化を行った後ＡＳＴＭ−Ｃ６９６−４４に準
じ熱膨張係数を測定しその変曲点からガラス転移温度を
求めた。また、図２に示すような金属（ＳＵＳ）製円筒
をモールドした際の金属円筒に加わる熱応力を金属円筒
の内側に貼り付けたストレインゲージによって測定し
た。すなわち、図２は、本発明の樹脂組成物の熱応力測
定装置の断面概略図である。図２において、符号１は樹
脂、２はストレインゲージ、３は熱電対、４は鋼（ＳＵ
Ｓ）製円筒を意味し、直径及び高さの各数値の単位はmm
である。

【００２４】更に、シリコンウエハの表面にアルミニウ
ムのジグザグ配線を有する半導体素子を封止し、この封
止品について冷熱サイクル試験（−５５℃／３０分と１
５０℃／３０分のサイクル）を行い、封止層の耐クラッ
ク性並びにリード〜金線〜アルミニウム配線間の接続信
頼性（抵抗値が５０％以上変化した場合を不良と判定）
を評価した。これらの結果を表３及び表４にまとめて示
す。

【００２５】

【表３】

【００２６】

【表４】

【００２７】表３及び表４から、充てん剤を８０重量％
以上配合した実施例の組成物は硬化物の熱膨張係数が極
めて小さく、インサートに加わる熱応力が著しく低減さ
れることが明らかである。更に、このような樹脂組成物
で封止した半導体装置は冷熱サイクル試験により熱衝撃
を加えた場合の封止樹脂層の耐クラック性や配線の接続
信頼性も極めて優れていることが分かる。

【００２８】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明の樹
脂組成物は、硬化収縮率が小さいため、その成形品の寸
法精度が向上するという効果が奏せられる。また、本発
明の樹脂組成物を、半導体の樹脂封止に用いた場合、そ
の成形作業性が優れていると共に、該樹脂硬化物が耐ク
ラック性に優れていること、そして硬化収縮率の小さい
ことに基づき、配線の位置ずれを防ぎ、素子の表面層間
絶縁膜の破損を防止する点で、得られた半導体装置の信
頼性が向上するという顕著な効果が奏せられる。

【図面の簡単な説明】

【図１】各種の形及び勾配ｎの溶融石英の粒径と、最大
粒径から粒径Ｄ_pまでの累積重量％との関係を示すグラ
フである。

【図２】本発明の樹脂組成物の熱応力測定装置の断面概
略図である。

【符号の説明】

１：樹脂、２：ストレインゲージ、３：熱電対、４：鋼
（ＳＵＳ）製円筒

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者鈴木重雄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)発明者宝蔵寺裕之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】エポキシ樹脂に充てん剤を配合した樹脂
組成物において、前記充てん剤が、石英粉を溶融して球
形化した溶融石英粉であり、その粒径が１００μｍ以下
であり、粒度分布がＲＲＳ粒度線図で表示した場合に直
線であり、勾配ｎの値が０．６〜０．９５であり、配合
量が全体の８０重量％以上であることを特徴とするエポ
キシ樹脂組成物。