JPH0776258B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、信頼性に優れた半導体装置に関するもので
ある。

〔従来の技術〕

トランジスタ,IC,LSI等の半導体素子は、通常セラミツ
クパツケージもしくはプラスチツクパツケージ等により
封止され、半導体装置化されている。上記セラミツクパ
ツケージは、構成材料そのものが耐熱性を有し、耐湿性
にも優れているため、温度，湿度に対して強く、しかも
中空パツケージのため機械的強度も高く信頼性の高い封
止が可能である。しかしながら、構成材料が比較的高価
なものであることと、量産性に劣る欠点があるため、最
近ではプラスチツクパツケージを用いた樹脂封止が主流
になつている。この種の樹脂封止には、従来からエポキ
シ樹脂組成物が使用されており、良好な成績を収めてい
る。

上記エポキシ樹脂組成物としては、特に、エポキシ樹脂
と、硬化剤としてのフエノール樹脂と、その他、硬化促
進剤としての２−メチルイミダゾール、弾性補強用併用
樹脂としての末端カルボン酸ブタジエン−アクリロニト
リル共重合体、無機質充填剤としての溶融シリカ等の組
成系で構成されるものが、封止作業性（特にトランスフ
アー成形時の作業性）等に優れたものとして賞用されて
いる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、半導体分野の技術革新はめざましく、最
近では、集積度の向上とともに、素子サイズの大形化，
配線の微細化が進む反面、パツケージ形状の小形化，薄
形化が進むようになつており、これに伴つて、半導体素
子の封止材料においても、従来以上の低応力性，耐熱
性，耐湿性が要求されるようになつている。これまでの
封止用エポキシ樹脂組成物では、IC,LSI等の半導体素子
の封止材料としては充分優れているが、超LSI等の半導
体素子の封止材料としては、充分に満足できるものでは
ない。

この発明は、このような事情に鑑みなされたもので、他
の信頼性（耐湿信頼性，耐熱信頼性，耐衝撃信頼性）を
低下させることなく、かつ内部応力特性に優れた半導体
装置の提供をその目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

上記の目的を達成するため、この発明の半導体装置は、
下記の（Ａ）〜（Ｃ）成分を含有するエポキシ樹脂組成
物を用いて半導体素子を封止するという構成をとる。

（Ａ）下記の一般式（Ｉ）で表される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
ビフエニルが10重量％以上含有されているエポキシ樹
脂。

〔式（Ｉ）中、ＲはＨまたはCH₃である。〕 （Ｂ）ノボラツク型フエノール樹脂。

（Ｃ）下記の一般式（II）で表されるオルガノポリシロ
キサン。

〔作用〕 すなわち、本発明者らは、他の信頼性（耐湿信頼性，耐
熱信頼性，耐衝撃信頼性）を損なうことなく封止樹脂の
低応力化を実現させることを目的として一連の研究を重
ねた。その結果、従来から用いられている通常のエポキ
シ樹脂に代えて前記一般式（Ｉ）で表される結晶性エポ
キシ樹脂を単独で用いるか、または通常のエポキシ樹脂
に特定の割合で上記特定のエポキシ樹脂を加えて主剤成
分〔（Ａ）成分〕として用い、さらに前記一般式（II）
で表される特定のオルガノポリシロキサン〔（Ｃ）成
分〕を含有したものを用いると、上記結晶性エポキシ樹
脂は疎水性を有し、しかもシキロキサン結合部にフエニ
ル基またはアルアルキル基が結合された上記特定のオル
ガノポリシロキサンのエポキシ樹脂中への分散性に優れ
ているため、他の信頼性（耐湿信頼性，耐熱信頼性，耐
衝撃信頼性）を損なうことなく内部応力の低減効果が得
られることを見出しこの発明に到達した。

この発明に用いるエポキシ樹脂組成物は、前記一般式
（Ｉ）で表される特殊なエポキシ樹脂が特定の割合で含
有されているエポキシ樹脂（Ａ成分）と、ノボラツク型
フエノール樹脂（Ｂ成分）と、前記一般式（II）で表さ
れる特定の構造を有するオルガノポリシロキサン（Ｃ成
分）とを用いて得られるものであつて、通常、粉末状も
しくはそれを打錠したタブレツト状になつている。

上記Ａ成分となるエポキシ樹脂としては、下記の一般式
（Ｉ）で表される結晶性エポキシ樹脂、すなわち4,4´
−ビス（2,3−エポキシプロポキシ）−3,3´,5,5´−テ
トラメチルビフエニルが通常のエポキシ樹脂中10重量％
（以下「％」と略す）以上含有されているものが用いら
れる。好ましくは20％以上、より好ましくは50％以上、
特に好ましくは85％以上である。すなわち、上記結晶性
エポキシ樹脂の含有量が少な過ぎると、苛酷な使用条件
下における耐湿信頼性の向上効果が低減するからであ
る。

〔式（Ｉ）中、ＲはＨまたはCH₃である。〕 なお、ここでいう結晶性エポキシ樹脂とは、Ｘ線回析に
より多数の結晶のピークが表れる固形エポキシ樹脂であ
つて、物理的にはシヤープな融点を示し、かつ溶融時に
は分子間相互作用が殆どなくなるため極端に粘度が低下
する性質を有するものである。

上記通常のエポキシ樹脂は、１分子中に２個以上のエポ
キシ基を有するエポキシ化合物であれば特に制限するも
のではなく、クレゾールノボラツク型，フエノールノボ
ラツク型やビスフエノールＡ型等、従来から半導体装置
の封止樹脂として用いられている各種のエポキシ樹脂が
あげられる。これらの樹脂のなかでも、融点が室温を超
えており、室温下では固形状もしくは高粘度の溶液状を
呈するものを用いることが高結果をもたらす。また、ノ
ボラツク型エポキシ樹脂としては、通常、エポキシ当量
160〜250,軟化点50〜130℃のものが用いられ、クレゾー
ルノボラツク型エポキシ樹脂としては、エポキシ当量18
0〜210,軟化点60〜110℃のものが一般に用いられる。

上記Ａ成分のエポキシ樹脂とともに用いられるＢ成分の
ノボラツク型フエノール樹脂は、エポキシ樹脂と硬化剤
として作用するものであり、フエノールノボラツク,o−
クレゾールノボラツク,m−クレゾールノボラツク,p−ク
レゾールノボラツク,o−エチルフエノールノボラツク,m
−エチルフエノールノボラツク,p−エチルフエノールノ
ボラツク等が好適に用いられる。これらノボラツク樹脂
は、軟化点が50〜110℃，水酸基当量は100〜150のもの
を用いることが好ましい。

この発明における上記Ａ成分とＢ成分の配合割合は、エ
ポキシ樹脂のエポキシ当量と、フエノール樹脂の水酸基
当量との関係から適宜に選択されるが、エポキシ基１当
量に対するフエノール樹脂の水酸基当量が0.8〜1.2の範
囲になるように設定することが好ましい。

上記Ａ成分のエポキシ樹脂,B成分のノボラツク型フエノ
ール樹脂樹脂とともに用いられるＣ成分のオルガノポリ
シロキサンは、下記の一般式（II）で表されるポリシロ
キサン骨格を有するものである。

上記特定のオルガノポリシロキサンは、少なくともＡ成
分のエポキシ樹脂およびＢ成分のノボラツク型フエノー
ル樹脂の少なくとも一方と反応させると、低応力性にお
いて良好な結果が得られるようになる。また、上記オル
ガノポリシロキサンは、シロキサン結合部にフエニル基
またはアルアルキル基が結合されている〔式（II）中の
R₃〕のが特徴的な構造であり、このような構造を有する
オルガノポリシロキサンを用いることにより、樹脂成分
中への分散性が良好となるため、封止樹脂（硬化物）の
機械的強度のばらつきが抑制されて低応力性に優れた封
止材料が得られるようになる。なお、上記構造を有する
オルガノポリシロキサンのなかでも、特に、２価の有機
基であるR₂が炭素数２〜10のアルキレン基やフエニレン
基、または炭素数７〜15のアラルキレン基である化合物
を用いることが好ましい。このようなオルガノポリシロ
キサンは、分子量が500〜40000のものを用いることが好
ましく、特に好適なのは分子量500〜30000のものであ
る。すなわち、分子量が500未満では封止樹脂の低応力
効果が不充分であり、40000を超えると少なくとも上記
Ａ成分のエポキシ樹脂との反応性が悪くなるという傾向
がみられるからである。

上記Ｃ成分はエポキシ樹脂組成物の硬化体中での分散性
がよいため、従来のものに比べて硬化体が機械的強度の
ばらつきの極めて小さいものとなり、かつ低応力のもの
となる。

なお、この発明では、上記Ａ成分,B成分,C成分以外に必
要に応じて硬化促進剤，無機質充填剤，離型剤等を用い
ることができる。

上記硬化促進剤としては、フエノール硬化エポキシ樹脂
における硬化反応の触媒となるものは全て用いることが
でき、例えば、三級アミン類，イミダゾール類，リン化
合物等をあげることができる。

上記無機質充填剤としては、シリカ，アルミナ，炭酸カ
ルシウム，石英ガラス，珪石，タルク，クレー，酸化ジ
ルコニウム，ケイ酸ジルコニウム，酸化ベリリウム等の
粉末を用いることができる。

上記離型剤としては、従来公知のステアリン酸，パルチ
ミン酸等の長鎖カルボン酸、ステアリン酸亜鉛，ステア
リン酸カルシウム等の長鎖カルボン酸の金属塩、カルナ
バワツクス、モンタンワツクス等のワツクス類等を用い
ることができる。

さらに、カツプリング剤，難燃剤，着色剤等の通常用い
られる添加剤も添加することができる。

この発明に用いるエポキシ樹脂組成物は、上記原料を用
い、例えばつぎのようにして製造することができる。す
なわち、まず、エポキシ樹脂（Ａ成分），ノボラツク型
フエノール樹脂（Ｂ成分），特定のオルガノポリシロキ
サン（Ｃ成分）および無機質充填剤ならびにその他の添
加剤を適宜配合し、この配合物をミキシングロール機等
の混練機にかけて加熱状態で混練して半硬化状の樹脂組
成物とし、これを室温に冷却したのち公知の手段によつ
て粉砕し、必要に応じて打錠するという一連の工程によ
り目的とするエポキシ樹脂組成物を得ることができる。
また、特定のオルガノポリシロキサン（Ｃ成分）とエポ
キシ樹脂（Ａ成分）、もしくは特定のオルガノポリシロ
キサン（Ｃ成分）とフエノール樹脂（Ｂ成分）を予め公
知の方法、例えば溶融混合または溶媒中で加熱すること
により上記２成分系を反応させ、この反応生成物と他の
原料を用い前記と同様の製法に従つて、エポキシ樹脂組
成物を得ることもできる。

このとき、上記特定のオルガノポリシロキサン（Ｃ成
分）の配合量は、エポキシ樹脂およびフエノール樹脂の
少なくとも一方100重量部（以下「部」と略す）に対し
て３〜40部用いることが、得られる樹脂硬化物の低応力
性の点から好ましく、また、上記無機質充填剤の配合量
は、エポキシ樹脂組成物全体に対して、30〜90％の範囲
に設定することが好ましい。

このようなエポキシ樹脂組成物を用いての半導体素子の
封止は特に限定するものではなく、通常の方法、例えば
トランスフアー成形等の公知のモールド方法により行う
ことができる。

このようにして得られる半導体装置は、低応力性に優
れ、かつ高い信頼性を示す。これは上記Ｃ成分中のオル
ガノポリシロキサンから誘導されるSi−Ｏ−Si結合部分
が、硬化樹脂の分子骨格中に導入されており、しかも上
記シロキサン結合部にフエニル基またはアルアルキル基
が結合された特定のオルガノポリシロキサンのエポキシ
樹脂中への分散性が優れているため、エポキシ樹脂組成
物硬化体からなる封止樹脂の機械的強度のばらつきが小
さくなることと、上記Ａ成分のエポキシ樹脂の溶融粘度
が低いため封止樹脂とリードフレームとの密着性が向上
しかつ結晶性エポキシ樹脂自体が疎水特性を有している
ためと考えられる。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明の半導体装置は、特殊な結晶性
エポキシ樹脂を含有するエポキシ樹脂（Ａ成分）および
特定の構造を有するオルガノポリシロキサン（Ｃ成分）
を含有する特殊なエポキシ樹脂組成物を用いて封止され
ており、その封止プラスチツクパツケージが、従来のエ
ポキシ樹脂組成物製のものとは異なるため、内部応力が
小さく信頼度の高いものである。特に、上記特殊なエポ
キシ樹脂組成物による封止により、超LSI等の封止に充
分対応でき、素子サイズが16mm²以上、素子上のAl配線
の幅が２μｍ以下の特殊な半導体装置において、上記の
ような高信頼度が得られるようになるのであり、これが
大きな特徴である。

つぎに、実施例について比較例と併せて説明する。

〔実施例１〜９、比較例１〜３〕 後記の第１表に示すような３種類のオルガノポリシロキ
サンａ〜ｃを用意した。

つぎに、後記の第２表に示す割合の原料を用い、これら
の原料をミキシングロール機（ロール温度100℃）で10
分間溶融混練を行い冷却した後粉砕し、目的とする粉末
状のエポキシ樹脂組成物を得た。

以上の実施例および比較例によつて得られた粉末状のエ
ポキシ樹脂組成物を用い、半導体素子をトランスフアー
成形でモールドすることにより半導体装置を得た。この
ようにして得られた半導体装置について電圧印加状態に
おけるプレツシヤー釜による2000時間の信頼性テスト
（以下「PCBTテスト」と略す），−50℃/30分〜150℃/3
0分の500回の温度サイクルテスト（以下「TCTテスト」
と略す）の測定を行つた。その結果を第３表に示した。

第３表の結果から、実施例品は、PCBTテストおよびTCT
テストの双方において比較例品に比べて優れた効果が得
られており、高度な信頼性を備えていることがわかる。

───────────────────────────────────────────────────── 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 (72)発明者 山中 一人 大阪府茨木市下穂積１丁目１番２号 日東 電工株式会社内 (72)発明者 石坂 整 大阪府茨木市下穂積１丁目１番２号 日東 電工株式会社内 (56)参考文献 特開 昭63−41527（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−259552（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−98726（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−47725（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−280215（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−156819（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−17927（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−17928（ＪＰ，Ａ)

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】下記の（Ａ）〜（Ｃ）成分を含有するエポ
   キシ樹脂組成物を用いて半導体素子を封止してなる半導
   体装置。 （Ａ）下記の一般式（Ｉ）で表される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
   ビフエニルが10重量％以上含有されているエポキシ樹
   脂。 〔式（Ｉ）中、ＲはＨまたはCH₃である。〕 （Ｂ）ノボラツク型フエノール樹脂。 （Ｃ）下記の一般式（II）で表されるオルガノポリシロ
   キサン。
2. 【請求項２】上記（Ａ）成分中の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
   エニルの含有量が（Ａ）成分全体の少なくとも20重量％
   である請求項（１）記載の半導体装置。
3. 【請求項３】上記（Ａ）成分中の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
   エニルの含有量が（Ａ）成分全体の少なくとも30重量％
   である請求項（１）記載の半導体装置。
4. 【請求項４】上記（Ａ）成分中の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
   エニルの含有量が（Ａ）成分全体の少なくとも40重量％
   である請求項（１）記載の半導体装置。
5. 【請求項５】上記（Ａ）成分中の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
   エニルの含有量が（Ａ）成分全体の少なくとも50重量％
   である請求項（１）記載の半導体装置。
6. 【請求項６】上記（Ａ）成分中の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
   エニルの含有量が（Ａ）成分全体の少なくとも85重量％
   である請求項（１）記載の半導体装置。
7. 【請求項７】上記Ｃ成分のオルガノポリシロキサンがＡ
   成分のエポキシ樹脂およびＢ成分のノボラツク型フエノ
   ール樹脂の少なくとも一方と反応している請求項（１）
   〜（６）のいずれか一項に記載の半導体装置。
8. 【請求項８】下記の（Ａ）〜（Ｃ）成分を含有する半導
   体封止用エポキシ樹脂組成物。 （Ａ）下記の一般式（Ｉ）で表される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
   ビフエニルが10重量％以上含有されているエポキシ樹
   脂。 〔式（Ｉ）中、ＲはＨまたはCH₃である。〕 （Ｂ）ノボラツク型フエノール樹脂。 （Ｃ）下記の一般式（II）で表されるオルガノポリシロ
   キサン。
9. 【請求項９】上記（Ａ）成分中の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
   エニルの含有量が（Ａ）成分全体の少なくとも20重量％
   である請求項（８）記載の半導体封止用エポキシ樹脂組
   成物。
10. 【請求項１０】上記（Ａ）成分中の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
    フエニルの含有量が（Ａ）成分全体の少なくとも30重量
    ％である請求項（８）記載の半導体封止用エポキシ樹脂
    組成物。
11. 【請求項１１】上記（Ａ）成分中の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
    フエニルの含有量が（Ａ）成分全体の少なくとも40重量
    ％である請求項（８）記載の半導体封止用エポキシ樹脂
    組成物。
12. 【請求項１２】上記（Ａ）成分中の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
    フエニルの含有量が（Ａ）成分全体の少なくとも50重量
    ％である請求項（８）記載の半導体封止用エポキシ樹脂
    組成物。
13. 【請求項１３】上記（Ａ）成分中の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
    フエニルの含有量が（Ａ）成分全体の少なくとも85重量
    ％である請求項（８）記載の半導体封止用エポキシ樹脂
    組成物。