JPH07206987A - 半導体封止用エポキシ樹脂組成物および樹脂封止型半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 半導体装置の表面実装工程におけるパッケー
ジクラックの発生を防止するとともに、耐湿信頼性、成
形性に優れるエポキシ樹脂組成物および信頼性の向上し
た半導体装置を提供することにある。 【構成】 エポキシ樹脂、硬化剤、充填材を含んでなる
エポキシ樹脂組成物であって、前記エポキシ樹脂がビフ
ェニル骨格を有するエポキシ樹脂を必須成分として含有
し、前記硬化剤が軟化点が１００℃以下で、かつ未反応
モノマーが１重量％以下のナフトールアラルキル樹脂を
必須成分として含有し、充填剤の割合が全体の８６〜９
５重量％であることを特徴とする半導体封止用エポキシ
樹脂組成物および該エポキシ樹脂組成物を用いた樹脂封
止型半導体装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半田耐熱性、耐湿信頼
性および流動性に優れる半導体封止用エポキシ樹脂組成
物および該エポキシ樹脂組成物よりなる樹脂封止型半導
体装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】エポキシ樹脂は耐熱性、耐湿性、電気特
性、接着性などに優れており、さらに配合処方により種
々の特性が付与できるため、塗料、接着剤、電気絶縁材
料など工業材料として利用されている。

【０００３】たとえば、半導体装置などの電子回路部品
の封止方法として従来より金属やセラミックスによるハ
ーメチックシールとフェノール樹脂、シリコーン樹脂、
エポキシ樹脂などによる樹脂封止が提案されている。し
かし、経済性、生産性、物性のバランスの点からエポキ
シ樹脂による樹脂封止が中心になっている。

【０００４】近年、プリント基板への部品実装において
も高密度化、自動化が進められており、従来のリードピ
ンを基板の穴に挿入する“挿入実装方式”に代わり、基
板表面に部品を半田付けする“表面実装方式”が盛んに
なってきた。それに伴いパッケージも従来のＤＩＰ（デ
ュアル・インライン・パッケージ）から高密度実装、表
面実装に適した薄型のＦＰＰ（フラット・プラスチック
・パッケージ）に移行しつつある。

【０００５】表面実装方式への移行に伴い、従来あまり
問題にならなかった半田付け工程が大きな問題になって
きた。従来のピン挿入実装方式では半田付け工程はリー
ド部が部分的に加熱されるだけであったが、表面実装方
式ではパッケージ全体が熱媒に浸され加熱される。表面
実装方式における半田付け方法としては半田浴浸漬、不
活性ガスの飽和蒸気による加熱（ベーパーフェイズ法）
や赤外線リフロー法などが用いられるが、いずれの方法
でもパッケージ全体が２１０〜２７０℃の高温に加熱さ
れることになる。そのため従来の封止樹脂で封止したパ
ッケージは、半田付け時に樹脂部分にクラックが発生し
たり、チップと樹脂の間に剥離が生じたりして、信頼性
が低下して製品として使用できないという問題がおき
る。

【０００６】半田付け工程におけるクラックの発生は、
後硬化してから実装工程の間までに吸湿した水分が半田
付け加熱時に爆発的に水蒸気化、膨張することに起因す
るといわれており、その対策として後硬化したパッケー
ジを完全に乾燥し密封した容器に収納して出荷する方法
が用いられている。

【０００７】封止樹脂の改良も種々検討されている。例
えば、マトリックス樹脂にノボラック型エポキシ樹脂と
フェノールアラルキル樹脂を配合する方法（特開昭５３
−２９９、特開昭５９−６７６６０号公報）、マトリッ
クス樹脂にビフェニル型エポキシ樹脂とフェノールアラ
ルキル樹脂を用い充填剤を６０〜８５重量％配合する方
法（特開平３−２０７７１４号公報、特開平４−４８７
５９号公報、特開平４−５５４２３号公報）などが提案
されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかるに乾燥パッケー
ジを容器に封入する方法は製造工程および製品の取扱い
作業が繁雑になるうえ、製品価格が高価になる欠点があ
る。

【０００９】また、種々の方法で改良された樹脂も、そ
れぞれ少しつづ効果をあげてきているが、まだ十分では
ない。マトリックス樹脂にノボラック型エポキシ樹脂と
フェノールアラルキル樹脂を配合する方法（特開昭５３
−２９９、特開昭５９−６７６６０号公報）、マトリッ
クス樹脂にビフェニル型エポキシ樹脂とフェノールアラ
ルキル樹脂を用い充填剤を６０〜８５重量％配合する方
法（特開平３−２０７７１４号公報、特開平４−４８７
５９号公報、特開平４−５５４２３号公報）は、マトリ
ックス樹脂の溶融粘度が高く充填性に問題があるばかり
か、半田付け時の樹脂部分のクラック防止においても十
分なレベルではなかった。

【００１０】本発明の目的は、半田付け工程で生じる樹
脂クラックの問題を解決し、信頼性の低下がなく、しか
も良流動な、すなわち半田耐熱性、耐湿信頼性および流
動性に優れる半導体封止用エポキシ樹脂組成物および半
田耐熱性、耐湿信頼性に優れる樹脂封止型半導体装置を
提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、マトリッ
クス樹脂にビフェニル骨格を有するエポキシ樹脂とナフ
トール骨格を有する硬化剤を用い、充填剤を８６〜９５
重量％添加することにより、上記の課題を達成し、目的
に合致したエポキシ樹脂組成物および樹脂封止型半導体
装置が得られることを見出し、本発明に到達した。

【００１２】すなわち本発明は、エポキシ樹脂（Ａ）、
硬化剤（Ｂ）、充填剤（Ｃ）を含んでなるエポキシ樹脂
組成物であって、前記エポキシ樹脂（Ａ）が次の一般式
（Ｉ）

【化５】 （式中、Ｒ^１〜Ｒ^８は、水素原子、炭素数１〜４のアル
キル基またはハロゲン原子を示す。）で表される骨格を
有するエポキシ樹脂（ａ）を必須成分として含有し、か
つ前記硬化剤（Ｂ）が次の一般式（ＩＩ）

【化６】 （式中、ｎは０〜１０の整数を示す。）で表される骨格
を有するナフトール化合物（ｂ）を必須成分として含有
し、しかも前記ナフトール化合物（ｂ）の軟化点が１０
０℃以下で、かつ未反応モノマーが前記ナフトール化合
物（ｂ）の１重量％以下であり、さらに前記充填剤
（Ｃ）の割合が全体の８６〜９５重量％であることを特
徴とする半導体封止用エポキシ樹脂組成物および該エポ
キシ樹脂組成物よりなる樹脂封止型半導体装置である。
以下、本発明の構成を詳述する。

【００１３】本発明におけるエポキシ樹脂（Ａ）は、上
記式（Ｉ）で表される骨格を有するエポキシ樹脂（ａ）
を必須成分として含有することが重要である。エポキシ
樹脂（ａ）を含有しない場合は半田付け工程におけるク
ラックの発生防止効果は発揮されない。

【００１４】上記式（Ｉ）において、Ｒ^１〜Ｒ^８の好ま
しい具体例としては、４，４´−ビス（２，３−エポキ
シプロポキシ）ビフェニル、４，４´−ビス（２，３−
エポキシプロポキシ）−３，３´，５，５´−テトラメ
チルビフェニル、４，４´−ビス（２，３−エポキシプ
ロポキシ）−３，３´，５，５´−テトラメチル−２−
クロロビフェニル、４，４´−ビス（２，３−エポキシ
プロポキシ）−３，３´，５，５´−テトラメチル−２
−ブロモビフェニル、４，４´−ビス（２，３−エポキ
シプロポキシ）−３，３´，５，５´−テトラエチルビ
フェニル、４，４´−ビス（２，３−エポキシプロポキ
シ）−３，３´，５，５´−テトラブチルビフェニルな
どがあげられ、４，４´−ビス（２，３−エポキシプロ
ポキシ）ビフェニル、４，４´−ビス（２，３−エポキ
シプロポキシ）−３，３´，５，５´−テトラメチルビ
フェニルが特に好ましい。

【００１５】本発明におけるエポキシ樹脂（Ａ）は上記
のエポキシ樹脂（ａ）とともにそのエポキシ樹脂（ａ）
以外のエポキシ樹脂をも併用して含有することができ
る。

【００１６】併用できる他のエポキシ樹脂としては、た
とえば、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やレ
ゾルシンなどから合成される各種ノボラック型エポキシ
樹脂、脂環式エポキシ樹脂、複素環式エポキシ樹脂、ハ
ロゲン化エポキシ樹脂などが挙げられる。

【００１７】エポキシ樹脂（Ａ）中に含有されるエポキ
シ樹脂（ａ）の割合に関しては特に制限はないが、より
十分な効果を発揮させるためには、エポキシ樹脂（ａ）
をエポキシ樹脂（Ａ）中に５０重量％以上、好ましくは
７０重量％以上含有せしめるのが良い。

【００１８】本発明において、エポキシ樹脂（Ａ）の配
合量は通常２〜７重量％、好ましくは２〜５重量％であ
る。エポキシ樹脂（Ａ）の配合量が２重量％未満では成
形性が不十分であるため好ましくない。

【００１９】本発明における硬化剤（Ｂ）は、上記式
（ＩＩ）で表される骨格を有するナフトール化合物で、
しかもそのナフトール化合物の軟化点が１００℃以下
で、かつ未反応モノマーがナフトール化合物の１重量％
以下であるナフトール化合物（ｂ）を必須成分として含
有することが重要である。ナフトール化合物（ｂ）を含
有しない場合は十分な半田耐熱性向上効果や耐湿信頼性
向上効果は発揮されない。

【００２０】ナフトール化合物（ｂ）の軟化点は１００
℃以下である。ナフトール化合物（ｂ）の軟化点が１０
０℃より高くなると、充填剤の高充填化による半田耐熱
性の向上が困難になるばかりか、十分な流動特性を得る
ことができない。

【００２１】また、ナフトール化合物（ｂ）中に含有さ
れる未反応モノマーの量は、ナフトール化合物の１重量
％以下である。未反応モノマーが１重量％以上の場合に
は、トランスファー成形時の硬化特性の低下や、耐湿信
頼性の低下の原因になる。

【００２２】また、本発明における硬化剤（Ｂ）は上記
のナフトール化合物（ｂ）とともにそのナフトール化合
物（ｂ）以外の他の硬化剤をも併用して含有することが
できる。併用できる硬化剤としては、たとえば、フェノ
ールノボラック樹脂、クレゾールノボラック樹脂、ビス
フェノールＡやレゾルシンから合成される各種ノボラッ
ク樹脂、各種多価フェノール化合物、無水マレイン酸、
無水フタル酸、無水ピロメリット酸などの酸無水物およ
びメタフェニレンジアミン、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芳香族アミンな
どがあげられる。なかでも、耐湿信頼性の点からフェノ
ールノボラック樹脂が好ましい。

【００２３】硬化剤（Ｂ）中に含有されるナフトール化
合物（ｂ）の割合に関しては特に制限がなく必須成分と
してナフトール化合物（ｂ）が含有されれば本発明の効
果は発揮されるが、より十分な効果を発揮させるために
は、ナフトール化合物（ｂ）を硬化剤（Ｂ）中に好まし
くは、５０重量％以上、さらに７０重量％以上含有せし
めるのが好ましい。

【００２４】本発明において、硬化剤（Ｂ）の配合量は
通常２〜７重量％、好ましくは２〜５重量％である。さ
らには、エポキシ樹脂（Ａ）と硬化剤（Ｂ）の配合比
は、機械的性質および耐湿信頼性の点から（Ａ）に対す
る（Ｂ）の化学当量比が０．５〜１．５、特に０．８〜
１．２の範囲にあることが好ましい。

【００２５】また、本発明においてエポキシ樹脂（Ａ）
と硬化剤（Ｂ）の硬化反応を促進するため硬化触媒を用
いてもよい。硬化触媒は硬化反応を促進するものならば
特に限定されず、たとえば２−メチルイミダゾール、
２，４−ジメチルイミダゾール、２−エチル−４−メチ
ルイミダゾール、２−フェニルイミダゾール、２−フェ
ニル−４−メチルイミダゾール、２−ヘプタデシルイミ
ダゾールなどのイミダゾール化合物、トリエチルアミ
ン、ベンジルジメチルアミン、α−メチルベンジルジメ
チルアミン、２−（ジメチルアミノメチル）フェノー
ル、２，４，６−トリス（ジメチルアミノメチル）フェ
ノール、１，８−ジアザビシクロ（５，４，０）ウンデ
セン−７などの３級アミン化合物、ジルコニウムテトラ
メトキシド、ジルコニウムテトラプロポキシド、テトラ
キス（アセチルアセトナト）ジルコニウム、トリ（アセ
チルアセトナト）アルミニウムなどの有機金属化合物お
よびトリフェニルホスフィン、トリメチルホスフィン、
トリエチルホスフィン、トリブチルホスフィン、トリ
（ｐ−メチルフェニル）ホスフィン、トリ（ノニルフェ
ニル）ホスフィンなどの有機ホスフィン化合物があげら
れる。なかでも反応性の点から、１，８−ジアザビシク
ロ（５，４，０）ウンデセン−７が特に好ましく用いら
れる。これらの硬化触媒は、用途によっては二種以上を
併用してもよく、その添加量はエポキシ樹脂（Ａ）１０
０重量部に対して０．１〜１０重量部の範囲が好まし
い。

【００２６】本発明における充填剤（Ｃ）としては、溶
融シリカ、結晶性シリカ、炭酸カルシウム、炭酸マグネ
シウム、アルミナ、マグネシア、クレー、タルク、ケイ
酸カルシウム、酸化チタン、酸化アンチモン、アスベス
ト、ガラス繊維などがあげられるが、中でも溶融シリカ
は線膨張係数を低下させる効果が大きく、低応力化に有
効なため好ましく用いられる。

【００２７】充填剤（Ｃ）の形状および粒径は特に限定
されないが、平均粒径５μｍ以上３０μｍ以下の球状溶
融シリカ９９〜５０重量％と平均粒径３μｍ以下の球状
溶融シリカ１〜５０重量％からなる溶融シリカ（ｃ）を
充填剤（Ｃ）中に５０重量％以上、好ましくは７０重量
％以上、さらに好ましくは９０重量％以上含有すること
が流動制と半田耐熱性の点から好ましい。

【００２８】溶融シリカ（ｃ）のなかでも、平均粒径５
μｍ以上１５μｍ以下の球状溶融シリカ９９〜５０重量
％、特に９５〜７０重量％と平均粒径３μｍ以下、特に
０．１μｍ以上２μｍ以下の球状溶融シリカ１〜５０重
量％、特に５〜３０重量％からなる球状溶融シリカ（ｃ
´）が特に好ましい。

【００２９】ここでいう平均粒径は、累積重量５０％に
なる粒径（メジアン径）を意味し、平均粒径が異なる２
種類以上の破砕または球状溶融シリカを併用した場合
は、その混合物の破砕または球状溶融シリカの平均粒径
を意味する。

【００３０】本発明において、充填剤（Ｃ）の割合は半
田耐熱性、成形性および低応力性の点から全体の８６〜
９５重量％、好ましくは８８〜９３重量％である。

【００３１】本発明において、充填剤をシランカップリ
ング剤、チタネートカップリング剤などのカップリング
剤であらかじめ表面処理することが、信頼性の点で好ま
しい。カップリング剤としてエポキシシラン、アミノシ
ラン、メルカプトシランなどのシランカップリング剤が
好ましく用いられる。なかでも、流動性の点から、アミ
ノシランを用いることが特に好ましい。

【００３２】本発明のエポキシ樹脂組成物にはハロゲン
化エポキシ樹脂などのハロゲン化合物、リン化合物など
の難燃剤、三酸化アンチモンなどの難燃助剤、カーボン
ブラック、酸化鉄などの着色剤、シリコーンゴム、オレ
フィン系共重合体、変性ニトリルゴム、変性ポリブタジ
エンゴム、変性シリコーンオイルなどのエラストマー、
ポリエチレンなどの熱可塑性樹脂、長鎖脂肪酸、長鎖脂
肪酸の金属塩、長鎖脂肪酸のエステル、長鎖脂肪酸のア
ミド、パラフィンワックスなどの離型剤および有機過酸
化物などの架橋剤を任意に添加することができる。

【００３３】本発明のエポキシ樹脂組成物は溶融混練す
ることが好ましく、たとえばバンバリーミキサー、ニー
ダー、ロール、単軸もしくは二軸の押出機およびコニー
ダーなどの公知の混練方法を用いて溶融混練することに
より、製造される。

【００３４】また、上記のエポキシ樹脂組成物を用いて
の半導体素子の封止は特に限定されるものでなく、従来
より採用されている成形法、例えばトランスファ成形、
インジェクション成形、注型法などを採用して行うこと
ができる。この場合、エポキシ樹脂組成物の成形温度は
１５０〜１８０℃、ポストキュアーは１５０〜１８０℃
で２〜１６時間行うことが好ましい。

【００３５】ここで、本発明の半導体装置としては、Ｄ
ＩＰ型、フラットバック型、ＰＬＣＣ型、ＳＯ型等、更
にプリント配線板或いはヒートシンクに半導体素子が直
接固着されたもの、ハイブリッドのＩＣのフルモードタ
イプの半導体装置などが挙げられる。なお、プリント基
板の材質としては、特に制限はなく、例示すると金属酸
化物、ガラス系の無機絶縁物、フェノール、エポキシ、
ポリイミド、ポリエステル等の紙基材、ガラス布基材、
ガラスマット基材、ポリサルフォン、テフロン、ポリイ
ミドフィルム、ポリエステルフィルム等の有機絶縁物、
金属ベース基板、メタルコア基板、ホーロー引き鉄板等
の金属系基板が挙げられる。また、ヒートシンク材料と
しては、銅系、鉄系の金属材料が挙げられる。

【００３６】

【実施例】以下、実施例により本発明を具体的に説明す
る。なお、実施例中の％は、重量％を示す。

【００３７】実施例１〜４、比較例１〜３ 表１、２、３に示した成分を、表４に示した組成比でミ
キサーによりドライブレンドした。これを、ロール表面
温度９０℃のミキシングロールを用いて５分間加熱混練
後、冷却・粉砕して半導体封止用エポキシ樹脂組成物を
製造した。

【００３８】

【表１】

【表２】

【表３】

【表４】 この組成物を用い、低圧トランスファー成形法により１
７５℃×２分の条件で成形し、１８０℃×５時間の条件
でポストキュアして次の物性測定法により各組成物の物
性を測定した。

【００３９】半田耐熱性：表面にＡｌ蒸着した模擬素子
を搭載したチップサイズ１２×１２ｍｍの１６０ｐｉｎ
ＱＦＰ ２０個を成形しポストキュアし，８５℃／８
５％ＲＨで７２時間加湿後、最高温度２４０℃のＩＲリ
フロー炉で加熱処理し、超音波探傷機でチップと樹脂界
面の剥離の有無を調べた。故障率として、剥離の発生し
たＱＦＰの割合を求めた。

【００４０】耐湿信頼性：半田耐熱評価後のＱＦＰを用
い、１２１℃／１００％ＲＨのＰＣＴ条件下で、Ａｌ配
線の断線を故障として累積故障率５０％になる時間を求
め寿命とした。

【００４１】充填性：半田耐熱評価後の１６０ｐｉｎＱ
ＦＰを成形後に目視および顕微鏡を用いて観察し、未充
填の有無を調べた。

【００４２】吸水率：半田耐熱試験に用いる１６０ｐｉ
ｎＱＦＰでの吸水率を測定した。

【００４３】これらの評価結果を表５に示す。

【００４４】

【表５】 表５にみられるように、本発明のエポキシ樹脂組成物
（実施例１〜４）は、半田耐熱性、耐湿信頼性、充填性
に優れている。これに対してエポキシ樹脂（Ａ）中に本
発明のエポキシ樹脂（ａ）を含有しない比較例１、硬化
剤（Ｂ）中に本発明の硬化剤（ｂ）を含有しない比較例
２は半田耐熱性、耐湿信頼性、充填性が劣っている。

【００４５】また、充填剤の添加量が８６重量％未満の
比較例３は、本発明のエポキシ樹脂と硬化剤を用いてい
るにもかかわらず、半田耐熱性、耐湿信頼性に劣ってい
る。

【００４６】

【発明の効果】本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成
物は、エポキシ樹脂に特定の構造を持つ２官能エポキシ
樹脂を、硬化剤に特定の構造を持つ低粘度硬化剤を配合
し、フィラー充填量を８６〜９５重量％と高くしたた
め、半田耐熱性、耐湿信頼性、流動性に優れている。ま
た、本発明の樹脂封止型半導体装置は、半田耐熱性、耐
湿信頼性に優れている。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｌ 23/31

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 エポキシ樹脂（Ａ）、硬化剤（Ｂ）、充
   填剤（Ｃ）を含んでなるエポキシ樹脂組成物であって、
   前記エポキシ樹脂（Ａ）が次の一般式（Ｉ） 【化１】 （式中、Ｒ^１〜Ｒ^８は、水素原子、炭素数１〜４のアル
   キル基またはハロゲン原子を示す。）で表される骨格を
   有するエポキシ樹脂（ａ）を必須成分として含有し、か
   つ前記硬化剤（Ｂ）が次の一般式（ＩＩ） 【化２】 （式中、ｎは０〜１０の整数を示す。）で表される骨格
   を有するナフトール化合物（ｂ）を必須成分として含有
   し、しかも前記ナフトール化合物（ｂ）の軟化点が１０
   ０℃以下で、かつ未反応モノマーが前記ナフトール化合
   物（ｂ）の１重量％以下であり、さらに前記充填剤
   （Ｃ）の割合が全体の８６〜９５重量％であることを特
   徴とする半導体封止用エポキシ樹脂組成物。
2. 【請求項２】 前記（Ｉ）式で表されるエポキシ樹脂
   （ａ）が４，４´−ビス（２，３−エポキシプロポキ
   シ）ビフェニルおよび／または４，４´−ビス（２，３
   −エポキシプロポキシ）−３，３´，５，５´−テトラ
   メチルビフェニルであることを特徴とする請求項１記載
   の半導体封止用エポキシ樹脂組成物。
3. 【請求項３】 エポキシ樹脂（Ａ）、硬化剤（Ｂ）、充
   填剤（Ｃ）を含んでなるエポキシ樹脂組成物であって、
   前記エポキシ樹脂（Ａ）が次の一般式（Ｉ） 【化３】 （式中、Ｒ^１〜Ｒ^８は、水素原子、炭素数１〜４のアル
   キル基またはハロゲン原子を示す。）で表される骨格を
   有するエポキシ樹脂（ａ）を必須成分として含有し、か
   つ前記硬化剤（Ｂ）が次の一般式（ＩＩ） 【化４】 （式中、ｎは０〜１０の整数を示す。）で表される骨格
   を有するナフトール化合物（ｂ）を必須成分として含有
   し、しかも前記ナフトール化合物（ｂ）の軟化点が１０
   ０℃以下で、かつ未反応モノマーが前記ナフトール化合
   物（ｂ）の１重量％以下であり、さらに前記充填剤
   （Ｃ）の割合が全体の８６〜９５重量％であることを特
   徴とするエポキシ樹脂組成物で封止したことを特徴とす
   る樹脂封止型半導体装置。