JPH11168155A

JPH11168155A - エポキシ樹脂組成物及び半導体装置

Info

Publication number: JPH11168155A
Application number: JP33286797A
Authority: JP
Inventors: Takashi Suzuki; 隆鈴木
Original assignee: Sumitomo Bakelite Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Bakelite Co Ltd
Priority date: 1997-12-03
Filing date: 1997-12-03
Publication date: 1999-06-22

Abstract

(57)【要約】【課題】エリア実装用半導体パッケージに関し、室
温及び半田付け工程での反りが少なく、また、封止時に
おけるワイヤー流れの少ない、更に半田熱処理時もしく
は半田処理後のプレッシャークッカーテスト時における
信頼性を著しく向上させた半導体封止用エポキシ樹脂組
成物及びそれにより封止された半導体装置を提供するこ
と。【解決手段】総エポキシ樹脂中に３０〜１００重量％
含む式（１）で示されるエポキシ樹脂、１分子中にフェ
ノール性水酸基を２個以上有するフェノール樹脂、式
（２）で示される硬化促進剤、及び総エポキシ樹脂組成
物中に８０〜９２重量％含まれる無機充填材を必須成分
とする半導体封止用エポキシ樹脂組成物及びそれにより
封止された半導体装置。【化１】【化２】

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、成形性、信頼性、
実装性に優れた樹脂封止型半導体装置に関し、更に詳述
すればプリント配線板や金属リードフレームの片面に半
導体素子を搭載し、その搭載面側の実質片面のみを樹脂
封止されたいわゆるエリア実装型半導体装置において、
樹脂封止後の反りや基板実装時の半田付け工程での耐パ
ッケージクラック性や耐剥離性に優れ、かつ成形性に優
れる半導体封止用エポキシ樹脂組成物及び該半導体封止
用エポキシ樹脂組成物で封止された半導体装置に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、トランジスタ、ＩＣ、ＬＳＩ等の
半導体素子は、セラミックパッケージあるいはプラスチ
ックパッケージ等により封止され半導体装置化されてい
るのが主流である。上記セラミックパッケージは、構成
材料そのものが耐熱性を有し、又、透湿性が小さく中空
パッケージであるため、耐熱性、耐湿性に優れた封止が
可能である。しかし、構成材料がプラスチックス等より
高価であることと、半導体パッケージの生産時に量産性
に劣る欠点を有している。従って、半導体パッケージの
中でもコスト、量産性に優れるプラスチックパッケージ
を用いた樹脂封止が、一部の特別な信頼性を必要とする
高級品を除いて主流となっている。このような樹脂封止
のプラスチックパッケージには、従来よりエポキシ樹脂
組成物が使用されているが、開発当初からの改良、改善
等の信頼性性能向上により、半導体業界での良好は評価
を受けている。しかしながら、半導体分野での技術革新
は止まるところを知らず、集積度の向上と共に設計ルー
ルの微細化や素子サイズの大形化が進み、反面、実装密
度向上のため、パッケージサイズの小形化と薄型化が進
み、封止材料には益々信頼性の向上が要求されたいる。
又、半導体パッケージの実装方法も、従来の挿入実装よ
り、より実装密度の向上が得られる表面実装へ移行して
いることから、これに伴い実装時半田付け時における熱
衝撃による半田クラック、及びそれに伴う耐湿性等の信
頼性の低下が問題になっている。

【０００３】一方、更に半導体パッケージの実装密度を
向上させる方法として、一般的に主流として使用されて
いるＱＦＰタイプに代わる半導体パッケージの開発が急
がれてきた。先にも述べたように半導体の集積度が増す
ことによりＱＦＰは更なる多ピン化が進み、ピンやピン
間が益々狭くなることから、回路基板への実装の歩留ま
りやコプラナリティー（平滑性）に対して益々厳しくな
っている。これに対して、これらの問題を解決するため
にＱＦＰに代わる新しいタイプのパッケージとしてボー
ルグリッドアレイ（ＢＧＡ）タイプのパッケージや更に
小型化を追求したチップサイズパッケージ（ＣＳＰ）と
呼ばれるエリア実装パッケージが開発された。これらの
パッケージの構造としては、ＢＴ樹脂／銅箔回路基板
（ビスマレイミド・トリアジン／ガラスクロス基板）に
代表される硬質回路基板、あるいはポリイミド樹脂フィ
ルム／銅箔回路基板に代表されるフレキシブル基板の片
面上に半導体チップを搭載し、基板のチップが搭載され
ている側のみがエポキシ樹脂組成物などで封止されてい
る。パッケージ外との導通に対しては、予め基板中に配
線を施し、基板表面上の配線された半田ボールを通して
行われる。更に、半導体素子を搭載する基板として、上
記有機回路基板以外にもリードフレーム等の金属基板を
用いる構造も考案されている。

【０００４】但し、このエリア実装タイプの半導体パッ
ケージに対してもいくつかの問題がある。まず、基板に
対して封止用エポキシ樹脂組成物を片面に封止するた
め、樹脂組成物の硬化物と基板との線膨張率のミスマッ
チや樹脂組成物の成形・硬化時の硬化収縮による影響に
より成形、冷却後にパッケージの反りが生じやすい。こ
れによりパッケージの平滑性が低下し、実装時に回路基
板から半田ボールが浮き上がってしまい支障をきたす。
又、赤外線リフロー、ベーパーフェイズソルダリング、
半田浸漬などの手段で半田処理による半田接合を行う場
合、樹脂組成物の硬化物並びに有機基板からの吸湿によ
りパッケージ内部に存在する水分が高温で急激に気化す
ることによる応力でパッケージにクラックが発生した
り、基板の阻止搭載面と樹脂組成物の硬化物との界面で
剥離が発生することもあり、硬化物の低吸水化、低応力
化とともに基板との密着性も求められる。更に多ボール
のＢＧＡは構造上、パッケージ内の金ワイヤーを長く張
る必要があり、封止時にワイヤーが流れ、ワイヤー同士
の接触による導通不良が問題になる。従って、このよう
な問題に適する封止用エポキシ樹脂組成物の開発が望ま
れている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、この様な問
題に対して、エリア実装パッケージにおけるパッケージ
の反りが極めて小さく、更に半導体装置の信頼性とし
て、半田熱処理後もしくは半田処理後のプレッシャーク
ッカーテスト時における信頼性を著しく向上させ、封止
時におけるワイヤー流れの少ない、即ち、成形時に高流
動の特徴を有する半導体封止用エポキシ樹脂組成物及び
それにより封止された半導体装置を提供することにあ
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、（Ａ）総エポ
キシ樹脂中に３０〜１００重量％含む式（１）で示され
るエポキシ樹脂、

【化４】（式中のＲ₁は水素原子、ハロゲン原子、炭素数１〜１
２のアルキル基を示し、互いに同一であっても異なって
もよい）（Ｂ）１分子中にフェノール性水酸基を２個以上有する
フェノール樹脂、（Ｃ）式（２）で示される硬化促進
剤、及び

【化５】（式中のＲ₂はフェニル基又はナフチル基）（Ｄ）総エポキシ樹脂組成物中に８０〜９２重量％含ま
れる無機充填材を必須成分とするところを特徴とする半
導体封止用エポキシ樹脂組成物、及びこの半導体封止用
エポキシ樹脂組成物によって封止された半導体装置であ
る。

【０００７】好ましくは１分子中にフェノール性水酸基
を２個以上有するフェノール樹脂が、式（３）で示され
るフェノール樹脂であり、総フェノール樹脂中に３０〜
１００重量％含む前記記載の半導体封止用エポキシ樹脂
組成物及び半導体装置である。

【化６】（式中のＲ₃はハロゲン原子又は炭素数１〜１２のアル
キル基を示し、互いに同一であっても、異なってもよ
く、ｌは１〜１０の正の整数、ｍは０もしくは１〜３の
正の整数、及びｎは０もしくは１〜４の正の整数）

【０００８】式（１）の分子構造で示されるエポキシ樹
脂は、ハイドロキノン類をグリシジルエーテル化するこ
とにより得られる１分子中に２個のエポキシ基を有する
２官能性エポキシ樹脂で、従来の多官能性エポキシ樹脂
に比べ溶融粘度が低くトランスファー成形時の流動性に
優れる。従って、樹脂組成物中の無機充填材を多く配合
することができ、エリア実装パッケージに使用されてい
る基板と同様な低熱膨張化（線膨張係数：１．１〜１．
３×１０^-5程度）が図られ、エリア実装パッケージの成
形後の反りを極めて小さくすることができる。又このエ
ポキシ樹脂は、溶融粘度が低いことから成形時における
ワイヤー流れの低減と封止材料と基板との密着性の向上
にも有効である。

【０００９】この式（１）で示されるエポキシ樹脂の使
用量はこれを調節することにより先のエリア実装パッケ
ージにおける特性に対して最大限の性能を引き出すこと
ができる。反り及び信頼性への効果を引き出すために
は、式（１）で示されるエポキシ樹脂を総エポキシ樹脂
中に３０重量％以上、好ましくは５０重量％以上の使用
が望ましい。３０重量％未満だと無機充填材の充填量を
多くできず、熱膨張係数が基板と食い違いパッケージの
反りが大きくなってしまう。又トランスファー成形時の
充填性やワイヤー流れ性及び半田熱処理やその後の耐湿
信頼性が低下してしまう。更に式中のＲ₁ は水素原子、
ハロゲン原子又はアルキル基であり、特にメチル基やタ
ーシャリーブチル基が望ましい。元来ハイドロキノン類
のエポキシ樹脂は反応性に富むことから以上の基による
適度な立体障害により反応性をコントロールすることが
望ましい。

【００１０】式（１）で示されるエポキシ樹脂以外に他
のエポキシ樹脂を併用する場合は、１分子中に少なくと
も２個以上のエポキシ基を有するエポキシ樹脂であれば
いかなるものであってもよく、例えばビスフェノールＡ
型エポキシ樹脂、フェノールノボラック型エポキシ樹
脂、クレゾールノボラック型エポキシ樹脂、トリフェノ
ールメタン型エポキシ樹脂、アルキル変性トリフェノー
ルメタン型エポキシ樹脂、脂環式エポキシ樹脂等が挙げ
られる。特にエリア実装パッケージの反り量を更に低減
させるためには、成形収縮率を小さくできるトリフェノ
ールメタン型エポキシ樹脂、アルキル変性トリフェノー
ルメタン型エポキシ樹脂を用いるのが好ましい。

【００１１】本発明に用いられる１分子中にフェノール
性水酸基を２個以上有するフェノール樹脂は、モノマ
ー、オリゴマー、及びポリマー全般を言い、例えばフェ
ノールノボラック樹脂、クレゾールノボラック樹脂、ト
リフェノールメタン型樹脂、ジシクロペンタジエン変性
フェノール樹脂、キシリレン変性フェノール樹脂、テル
ペン変性フェノール樹脂等が挙げられ、これらは単独で
も混合して用いても良い。これらのフェノール樹脂は、
分子量、軟化点、水酸基当量等に特に制限無く使用する
ことができる。

【００１２】特に好ましくは式（３）の分子構造で示さ
れるフェノール樹脂は、フェノール性水酸基を有する芳
香族化合物で、１分子中に３つのフェノール性水酸基を
有する多官能性硬化剤のため、従来のフェノールノボラ
ックタイプの硬化剤に比べ高い硬化物の架橋密度を得る
ことができる。従って、これを使用することにより高い
ガラス転移温度と非常に小さい成形収縮率が得られるこ
とから、エリア実装パッケージにおける反りの低減に寄
与する。

【００１３】式（３）で示されるフェノール樹脂の使用
量は、これを調節することにより先のエリア実装パッケ
ージにおける特性に対して最大限の性能を引き出すこと
ができる。反り及び信頼性への効果を引き出すために
は、式（３）で示されるフェノール樹脂を総フェノール
樹脂中３０重量％以上、好ましくは５０重量％以上の使
用が望ましい。３０重量％未満だとエリア実装パッケー
ジにおける反り量が大きくなってしまう。

【００１４】本発明は、式（１）で示されるエポキシ樹
脂と１分子中に２個以上のフェノール性水酸基を有する
フェノール樹脂、特に式（３）で示されるフェノール樹
脂を組み合わせることにより、更にＢＧＡパッケージに
おける反りの低減、半田熱処理及びその後の耐湿信頼
性、成形時のワイヤー流れの非常に少ない半導体封止用
エポキシ樹脂組成物が得ることができる。

【００１５】本発明で用いる無機充填材としては、一般
的に溶融シリカ粉末の中での粉砕シリカ粉末、あるいは
溶射等により球形化した球状シリカ粉末、結晶シリカ粉
末、窒化珪素粉末、窒化アルミ粉末、アルミナ粉末、炭
酸カルシウム粉末、凝集化シリカ粉末、多孔質化シリカ
粉末等が挙げられ、特に溶融シリカでの破砕シリカ粉
末、球状シリカ粉末、あるいは破砕シリカ粉末と球状シ
リカ粉末の適当な混合物を用いるのが好ましい。又無機
充填材の総エポキシ樹脂組成物中の配合量は、エリア実
装パッケージにおける反りの低減を具備することと耐湿
信頼性を向上させることを考えると、８０〜９２重量％
が好ましい。無機充填材の配合量が８０重量％未満で
は、得られる硬化物の線膨張率が高く、エリア実装パッ
ケージに用いられる基板の線膨張率とのミスマッチを起
こし、パッケージの反りが大きくなってしまう。又無機
充填材の配合量が９２重量％を越える場合は、エポキシ
樹脂組成物の封入時の高粘度化によりパッケージ内の金
線ワイヤ−の流れ等の不都合が生じる。

【００１６】本発明で用いる式（２）で示される硬化促
進剤は、潜伏性を有するものである。この硬化促進剤
は、比較的低温域においては触媒活性を示さないので樹
脂組成物の硬化反応が進むことがない。即ち、各成分の
混練時に、一部の架橋反応が速やかに進むことがなく、
所定の流動性を保持し、又同じ理由から樹脂組成物の常
温保存性にも優れる。しかも成形時の高温域では従来の
硬化促進剤よりも強い触媒活性を示し、樹脂組成物を高
度に硬化させる。本発明に用いられる硬化促進剤の配合
量としては、全エポキシ樹脂と全フェノール樹脂の合計
量１００重量部あたり０．４〜２０重量部が好ましい。
配合量が０．４重量部未満では加熱成形時に充分な硬化
性が得れれず、２０重量部を超えると、硬化が速すぎて
成形時に流動性の低下による充填不良等を生じる可能性
があり好ましくない。又、この硬化促進剤の特性を損な
わない範囲で、一般的に封止材料で用いられている1,8-
ジアザビシクロ(5,4,0)ウンデセン-7（ＤＢＵ）、トリ
フェニルホスフィン（ＴＰＰ）、ジメチルベンジルアミ
ン（ＢＤＭＡ）、２メチルイミダゾ−ル（２ＭＺ）等の
他の硬化促進剤と併用してもよい。

【００１７】本発明のエポキシ樹脂組成物は、（Ａ）〜
（Ｄ）成分以外に必要に応じてシランカップリング剤、
カ−ボンブラック、ベンガラ等の着色剤、天然ワックス
及び合成ワックス等の離型剤、シリコ−ンオイル、シリ
コ−ンゴム、ポリエチレンゴム等の低応力化添加剤等、
並びに難燃剤としてハロゲン化エポキシ樹脂、三酸化ア
ンチモン等を適宜配合しても差し支えない。

【００１８】又本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成
物を封止材料として製造するには、以上の各種原材料を
ス−パ−ミキサ−等の混合機により充分に均一に混合し
た後、熱ロ−ル、またはニ−ダ−等の溶融混練機で混練
し、冷却後粉砕して封止材料とし、目的とする半導体封
止用エポキシ樹脂組成物が得られることができる。この
組成物は一般的には粉末状、またはタブレットとして使
用される。本発明のエポキシ樹脂組成物を用いて、半導
体等の素子を封止し、半導体装置を製造するには、トラ
ンスファーモールド、コンプレッションモールド、イン
ジェクションモールド等の従来からの成形方法で硬化成
形すればよい。

【００１９】

【実施例】以下に本発明の実施例及び比較例を示し、具
体的に説明する。《実施例１》下記エポキシ樹脂組成物を常温においてス
−パ−ミキサ−で混合し、７０〜１００℃で２軸ロ−ル
により混練し、冷却後粉砕して封止材料とした。粉砕し
て得られた材料は、ＥＭＭＩ−Ｉ−６６に準じた試験用
金型を用い、１７５℃、７０kgf／cm²、１２０秒の条件
でスパイラルフローを測定した。又得られた封止材料を
タブレット化し、低圧トランスファー成形機にて１７５
℃、７０Kg／cm²、１２０秒の条件にてパッケージ反り
量とワイヤー流れ量、半田クラック試験及び半田耐湿性
試験用の３５７ボールＢＧＡパッケージ（寸法２２．５
×２２．５×０．８５mmt）を成形した。測定方法及び
評価方法は下記のとおりである。

【００２０】＊エポキシ樹脂組成物の配合・式（４）の構造を主成分とするエポキシ樹脂：［融点１４１℃、エポキシ当量１７５ｇ／ｅｑ］７．５９重量部・（５）のトリフェノールメタン型フェノール樹脂：［軟化点１０７℃、水酸基当量９７ｇ／ｅｑ］４．２１重量部・溶融球状シリカ８７．００重量部・式（６）で示される硬化促進剤０．４０重量部・カ−ボンブラック０．３０重量部・カルナバワックス０．５０重量部

【００２１】

【化７】

【化８】

【化９】

【００２２】《評価方法》・パッケージ反り量：成形したＢＧＡ３５７Ｂパッケー
ジを１７５℃、４時間でポストモールドキュアを実施す
る。その後表面粗さ計にて反り量を測定する。測定する
箇所は樹脂組成物の硬化物側の表面でパッケージの端か
ら端までプローブを走らす。測定は方向を変えて２カ所
測定し、その平均値とし、反り量が４５μｍ未満を良、
４５μｍ以上を不良と判定した。・ワイヤー流れ量：成形したＢＧＡ３５７Ｂパッケージ
を軟Ｘ線透過装置で測定する。各パッケージにおける最
大流れ量をそのパッケージにおけるワイヤー流れ量と
し、各材料で１０パッケージ観察し、その平均値とす
る。流れ量（％）の計算はワイヤーの長さに対する流れ
た長さの割合として計算する。判定は流れ量１０％未満
を良、１０％以上を不良と判定した。・半田クラック試験：成形したＢＧＡ３５７Ｂパッケー
ジを１７５℃、４時間でポストモールドキュアを実施す
る。次に８５℃、相対湿度６０％の恒温恒湿槽にて１６
８時間吸湿処理を施したパッケージを２４０℃のＩＲリ
フロー炉で熱処理を施す。熱処理を施したパッケージを
超音波探傷装置にて不良の有無を観察する。不良は熱処
理前に無かったパッケージ内部の界面の剥離、クラック
を不良とし、総数２４パッケージで行い、不良数が６未
満を良、６以上を不良と判定した。・半田耐湿性試験：成形したＢＧＡ３５７Ｂパッケージ
を１７５℃、４時間でポストモールドキュアを実施す
る。次に８５℃、相対湿度６０％の恒温恒湿槽にて１６
８時間吸湿処理を施したパッケージを２４０℃のＩＲリ
フロー炉で熱処理を施す。その後、プレッシャークッカ
ー試験（１２０℃、相対湿度１００％）を行い、回路の
オープン不良を測定した。総数２４パッケージより不良
率を求め、不良率５０％での時間を平均寿命とした。平
均寿命時間が４００時間以上を良、４００時間未満を不
良と判定した。以上の試験にて得られた結果を表１に示
す。

【００２３】《実施例２〜１１及び比較例１〜７》表
１、表２及び表３に示す配合にて同様に封止材料を作成
し、実施例１の方法に準じて各評価を行った。評価結果
を表１、表２及び表３に示す。尚使用した原材料の内容
は下記のとおりである。・トリフェノールメタン型エポキシ樹脂：［軟化点６０
℃、エポキシ当量１７０ｇ／ｅｑ］・オルソクレゾールノボラック型エポキシ樹脂：［軟化
点６５℃、エポキシ当量１７０ｇ／ｅｑ］・フェノールノボラック樹脂［軟化点８０℃、水酸基当量１０４ｇ／ｅｑ］

【００２４】

【表１】

【００２５】

【表２】

【００２６】

【表３】

【００２７】

【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、金線変形などの成形性に優れており、該半導体封
止用エポキシ樹脂組成物により封止されたエリア実装型
半導体装置は、室温及び半田付け工程での反りが小さ
く、耐半田性や耐温度サイクル性などの信頼性が高いも
のである。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】（Ａ）総エポキシ樹脂中に３０〜１００
重量％含む式（１）で示されるエポキシ樹脂、【化１】（式中のＲ₁は水素原子、ハロゲン原子又は炭素数１〜
１２のアルキル基を示し、互いに同一であっても異なっ
てもよい）（Ｂ）１分子中にフェノール性水酸基を２個以上有する
フェノール樹脂、（Ｃ）式（２）で示される硬化促進
剤、及び【化２】（式中のＲ₂はフェニル基又はナフチル基）（Ｄ）総エポキシ樹脂組成物中に８０〜９２重量％含ま
れる無機充填材を必須成分とすることを特徴とする半導
体封止用エポキシ樹脂組成物。
【請求項２】１分子中にフェノール性水酸基を２個以
上有するフェノール樹脂が、式（３）で示されるフェノ
ール樹脂であり、総フェノール樹脂中に３０〜１００重
量％含む請求項１記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成
物。【化３】（式中のＲ₃はハロゲン原子又は炭素数１〜１２のアル
キル基を示し、互いに同一であっても、異なってもよ
く、ｌは１〜１０の正の整数、ｍは０もしくは１〜３の
正の整数、及びｎは０もしくは１〜４の正の整数）
【請求項３】基板の片面に半導体素子が搭載され、こ
の半導体素子が搭載された基板面側の実質的に片面のみ
が請求項１又は２記載のエポキシ樹脂組成物によって封
止されていることを特徴とする半導体装置。