JPS583382B2 - 樹脂封止型半導体装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はエポキシ樹脂系組成物の硬化物によって封止さ
れた高信頼性の樹脂封止型半導体装置に関する。

エポキシ樹脂は電気特性、機械特性、耐湿性などが優れ
ているので信頼性の高い電気絶縁材料として半導体装置
、電子部品、電気部品の封止や含浸などに広く用いられ
ている。

特に半導体装置、たとえば集積回路、大規模集積回路、
トランジスタ、ダイオードなどは極く一部を除きほとん
どが低圧成形用のエポキシ樹脂系組成物を用いて封止さ
れている。

特に半導体装置の封止の分野では、耐湿性や信頼性、成
形性などの点において最も優れているエポキシ樹脂、ノ
ボラツク型フェノール樹脂硬化剤、イミダゾール硬化促
進剤から成るエポキン樹脂系組成物が用いられている。

このエポキシ樹脂系組成物による封止は、金属やセラミ
ックスを用いたハーメチツクシール方式に較べ （１）低価格であること （２）大量生産が可能であること などの利点がある反面、信頼性に関し、次のような欠点
があった。

（１） 樹脂封止型半導体装置に要求される信頼性のレ
ベルの高さに較べ湿気に対する信頼性が劣ること （２）樹脂封止型半導体装置に要求される信頼性のレベ
ルの高さに較べ高温時の電気特性が劣ること （３）硬化特性、特に潜在硬化性が充分でないこと（４
） マーキング特性が充分でないこと上記湿気に対す
る信頼性の欠ける原因について次のようなことが考えら
れる。

封止したエポキシ樹脂系組成物の硬化物は吸湿性、透湿
性を有しており、高温高湿雰囲気下では外部から水分が
封止樹脂硬化物を通って内部に浸透し、封止された半導
体素子の表面にまで達する。

一方、封止樹脂中には、エポキシ樹脂の合成過程で生成
した不純物、加水分解性塩素をはじめ、各原料中に微量
のイオン性不純物が残存しており、これらを完全に除去
するのは実質的に不可能である。

この水分とイオン性不純物の相互作用によって、樹脂封
止された半導体装置の絶縁性の低下、リーク電流の増加
など機能低下をもたらすとともに、半導体装置に用いら
れているアルミニウム電極や配線を腐食し、特性劣化さ
らには断線にまで至らしめ、樹脂封止型半導体装置の信
頼性低下の大きな原因となっていた。

また樹脂封止型半導体装置の高温時の電気特性の劣る原
因として次のようなことが考えられる。

封止樹脂に含まれる微量のイオン性不純物や極性物質が
高温状態下においては熱運動の活発化とともに動きやす
くなり、封止樹脂の電気特性が低下する。

封止樹脂は半導体素子の表面に密着しているため、素子
に電界が発生した場合、その部分に密着している封止樹
脂内部では電界の作用によってイオン性不純物や極性物
質の可動性が更に促進され、局部的に著しい電気特性の
劣化を生じる。

このようにして発生した封止樹脂の電気特性の劣化が逆
に半導体素子の特性に影響を与え、リーク電流の増加な
ど、リーク不良を中心として樹脂封止型半導体装置の高
温時における電気特性劣化の大きな原因となっていると
解される。

また潜在硬化性については、エポキシ樹脂系組成物を封
止用などの用途に供する際に、エポキシ樹脂とエポキシ
樹脂の硬化剤と硬化促進剤とを前もって混合し、エポキ
シ樹脂系組成物として保存しておき、必要な時に取り出
して半導体装置の封止などを行なうという使用法が一般
的なので、保存中は硬化反応が起らず長期保存が可能で
、使用時には急速に硬化して短時間の硬化作業が可能で
あるという性能が要求される。

しかるに従来のエポキシ樹脂系組成物は潜在硬化性に難
点があり、使用時における高温での硬化反応速度と保存
時における低温での硬化反応速度の差が充分に大きくな
いため、保存中においてもかなりの速度で硬化反応が進
行し、従って使用直前まで冷蔵庫中に保管して細心の注
意をもって管理しなければならないなど取扱いが煩雑で
あった。

更にまたマーキング特性については、樹脂封止半導体装
置の表面に半導体装置の名称や製造者名などをマークす
る必要上欠くことのできない特性なのであるが、従来の
エポキシ樹脂系組成物の硬化物の表面はマークインクと
のなじみが悪くまた接着性が弱いため、きれいにマーク
できなかったり、簡単にはがれたりするという欠点があ
り、その対策のために特別の前処理を施さなければなら
なかった。

本発明の目的は、このような従来のエポキシ樹脂系組成
物の難点を改良し、優れた耐湿性と高温電気特性および
潜在硬化性とマーキング特性を有するエポキシ樹脂系組
成物によって封止された信頼性の高い樹脂封止型半導体
装置を提供することにある。

上記目的を達成すべく、本発明者らが鋭意研究を重ねた
結果硬化促進剤と硬化剤が上記難点を形成する主要因で
あることを解明し、さらに次に示すエポキシ樹脂系組成
物が従来のものに較べ、優れた耐湿性と高温電気特性と
潜在硬化性およびマーキング特性を有するエポキシ樹脂
系組成物であることを見出し、樹脂封止型半導体装置の
封止樹脂にこれを用いることによって優れた耐湿性と高
温電気特性を備えた信頼性の高い樹脂封止型半導体装置
を得るに至ったものである。

すなわち本発明は （ａ） エポキシ当量１７０〜３００のノボラツク型
エポキシ樹脂 （ｂ） 硬化剤としてノボラツク型フェノール樹脂と
酸無水物類との混合物、および （ｃ） 硬化促進剤として有機ホスフイン化合物更に
要すれば（ｄ）無機質充てん剤を必須成分とし、且つ前
記硬化剤中の酸無水物類の割合が０．１〜３５重量％の
範囲内にあり、フェノール樹脂のフェノール性水酸基の
数とエポキシ樹脂のエポキシ基の数の比が０．５〜１５
の範囲内にあるエポキシ樹脂系組成物の硬化物によって
半導体装置が封止されていることを特徴とする樹脂封止
型半導体装置である。

本発明において用い得るエポキシ樹脂は、エポキシ当量
１７０〜３００のノボラツク型エポキシ樹脂であって、
たとえばフェノールノボラツク型エポキシ樹脂、クレゾ
ールノボラック型エポキシ樹脂、ハロゲン化フェノール
ノボラツク型エポキシ樹脂などが挙げられ、これらエポ
キシ樹脂は１種もしくは２種以上の混合系で用いてもよ
い。

上記以外のエポキシ樹脂たとえばビスフェノールＡ型エ
ポキシ樹脂など一般のグリシジルエーテル型エポキシ樹
脂、グリシジルエステル型エポキシ樹脂、グリシジルア
ミン型エポキシ樹脂、綿状脂肪族エポキシ樹脂、脂環式
エポキシ樹脂、複素環型エポキシ樹脂、ハロゲン化エポ
キシ樹脂などを上記エポキシ当量１７０〜３００のノボ
ラック型エポキシ樹脂に併用して使用することもできる
。

この場合配合量はノボラツク型エポキシ樹脂に対し５０
重量％以下が好ましい。

またこれらエポキシ樹脂はいずれも塩素イオンの含有量
が１０ｐｐｍ以下、加水分解性塩素の含有量が０．１重
量％以下のものが望ましい。

本発明において用い得るエポキシ樹脂の硬化剤のとして
のノボラアク型フェノール樹脂と酸無水物類とは、フェ
ノールノボラツク樹脂、クレゾールノボラツク樹脂、ｔ
ｅｒｔ−ブチルフエノールノボラツク樹脂、ノニルフエ
ノールノボラック樹脂などのノボラツク型フェノール樹
脂、無水フタル酸、無水テトラヒドロフタル酸、無水ヘ
キサヒドロフタル酸、無水ナジツク酸、無水メチルナジ
ツク酸、無水コハク酸、無水トリメリット酸、無水ヒロ
メリット酸、３，３’，４，４’−ベンゾフエノンテト
ラカルボン酸無水物、無水テトラブロムフタル酸無水ク
ロレンデイツク酸などの酸無水物類であって、硬化剤中
の酸無水物類の割合は０．１〜３５重量％の範囲内でな
ければならない。

その理由は０．１重量％未満では酸無水物類添加の効果
がみられず、３５重量％を超えると特性が劣化するため
である。

またノボラツク型フェノール樹脂のフェノール性水酸基
の数とエポキシ基の数との比は０．５〜１．５の範囲内
になければならない。

その理由は０．５未満の場合あるいは１．５を超えた場
合のようにエポキシ樹脂とフェノール樹脂の官能基の数
の比が１から著しくはずれると反応が充分におこらず、
硬化物の特性が劣化するためである。

本発明において硬化促進剤として特に用いられる有機ホ
スフイン化合物としては、化学式〔■〕における Ｒ１〜Ｒ３がすべて有機基である第３ホスフイン化合物
、Ｒ３のみ水素である第２ホスフィン化合物、Ｒ２，Ｒ
３がともに水素である第１ホスフイン化合物がある。

具体的にはトリフエニルホスフイン、トリブチルホスフ
イン、トリシクロヘキシルホスフイン、メチルジフエニ
ルホスフィン、プチルフエニルホスフィン、ジフエニル
ホスフィン、フエニルホスフイン、オクチルホスフィン
、などがある。

またＲ１が有機ホスフインを含む有機基であってよい。

たとえば１，２−ビス（ジフエニルホスフイノ）エタン
、ビス（ジフエニルホスフイノ）メタンなどのビス有機
ホスフイン化合物である。

これらの中でも有機第３ホスフイン化合物カ好ましく、
特にトリフエニルホスフィン、１，２−ビス（ジフエニ
ルホスフイノ）エタン、ビス（ジフエニルホスフイノ）
メタンなどが好ましく、またこれらの有機ホスフイン化
合物は１種もしくは２種以上の混合系で用いてもよい。

しかしてこの有機ホスフイン化合物の組成比は一般に樹
脂分（エポキシ樹脂と硬化剤）の０．０１〜２０重量％
の範囲内でよいが特に好ましい特性は０．０１〜５．０
重量％の範囲内で得られる。

本発明において半導体装置を封止するエポキシ樹脂系組
成物は上記 （ａ） エポキシ当量１７０〜３００のノボラツク型
エポキシ樹脂 （ｂ） 硬化剤としてノボラツク型フェノール樹脂と
酸無水物類との混合物および （ｃ）硬化促進剤として有機ホスフイン化合物の三成分
のみで組成してもよいが、さらに（ｄ） 無機質充てん
剤を添加配合することにより特性や作業性の改善された
エポキシ樹脂系組成物を得ることができる。

特に成形材料として用いる場合には熱機械特性の改善に
効果がある。

無機質充てん剤の具体例としては石英ガラス粉末、結晶
性シリカ粉末、ガラス繊維、メルク、アルミナ粉、ケイ
酸カルシウム粉、炭酸カルシウム粉、硫酸バリウム粉、
マグネシア粉などがあるが、これらの中で石英ガラス粉
や結晶性シリカ粉が最も好ましい。

しかしてこれらの無機質充てん剤の組成比は、上記樹脂
分（エポキシ樹脂およびエポキシ樹脂の硬化剤）や無機
質充てん剤の種類によっても異なるが、たとえばトラン
スファ成形法にて封止する際用いる場合には樹脂分１０
０重量部当り１５０〜４００重量部程度でよい。

またこの場合などは無機質充てん剤の粒度分布を適当に
選択することにより、特性の良い成形材料をつくること
ができる。

本発明において封止に用いるエポキシ樹脂系組成物は必
要に応じて、例えば天然ワックス類、合成ワックス類、
直鎖脂肪酸の金属塩、酸アミド類、エステル類もしくは
パラフィン類などの離型剤、塩素化パラフィン、ブロム
トルエン、ヘキサブロムベンゼン、三酸化アンチモンな
どの難燃剤、カーボンブラックなどの着色剤、シランカ
ップリング剤などを適宜添加配合しても差しつかえない
。

また上記エポキシ樹脂系組成物を成形材料として調製す
る場合には例えば、所定の組成比に選んだ原料組成物を
ミキサーによって充分混合後、さらに熱ロールによる溶
融混合処理、またはニーダーなどによる混合処理を加え
ることにより容易にエポキシ樹脂系成形材料を得ること
ができる。

本発明の樹脂封止型半導体装置は上記エポキシ樹脂系組
成物乃至成形材料を用いて半導体装置を封止することに
より容易に製造することができる。

封止の最も一般的な方法としては低圧トランスファ成形
法があるが、インジエクション成形、圧縮成形、注型な
どによる封止も可能である。

特殊な封止法としては、溶剤型あるいは非溶剤型の組成
物を用いて半導体表面を被覆する封止法や、いわゆるジ
ャンクションコーティングとしての局部的な封止の用途
にも用いることができる。

エポキシ樹脂系組成物乃至成形材料は封止の際に加熱し
て硬化させ、最終的にはこの組成物乃至成形材料の硬化
物によって封止された樹脂封止型半導体装置を得ること
ができる。

硬化に際しては１５０℃以上に加熱することが特に望ま
しい。

本発明でいう半導体装置とは集積回路、大規模集積回路
、トランジスタ、サイリスタ、ダイオードなどであって
特に限定されるものではない。

本発明によって優れた特性、信頼性を有する樹脂封止型
半導体装置を提供することができる。

以下その点について詳述すると、第一に本発明において
封止に用いるエポキシ樹脂系組成物は耐湿性に優れてお
り、これによりアルミニウムなど腐食しやすい金属の電
極、配線を有する半導体装置を封止した場合、金属の腐
食による断線などの不良や、水分によるリーク電流の不
良などを著しく低減させることができ、優れた耐湿性を
有する樹脂封止型半導体装置を提供することができる。

第二に本発明において封止に用いるエポキシ樹脂系組成
物は電気特性、特に高温時の電気特性に優れていること
である。

電気絶縁材料の高温時の電気特性は材料の高温体積抵抗
率によって表わすことができるが、従来の組成物に較べ
本発明に係る樹脂組成物は高温体積抵抗率が約１００倍
ほど改善されており、従って高温でリーク電流不良や電
気絶縁不良を発生しやすいＭＯＳ集積回路その他の半導
体装置を封止した場合、従来のエポキシ樹脂系組成物に
較べ著しく特性および信頼性が改善され、優れた電気特
性、信頼性を有する樹脂封止型半導体装置を提供するこ
とができる。

第三に本発明において封止に用いるエポキシ樹脂系組成
物は潜在硬化性においても優れている。

従来のイミダゾール類などを用いた半導体封止用エポキ
シ樹脂系組成物に較べ本発明の組成物は低温においては
硬化反応を起こしにくいため保存性がよく、１５０℃以
上の高温においてすみやかに硬化する優れた潜在硬化性
のエポキシ樹脂系組成物であり、保存性の悪さから生じ
る樹脂封止型半導体装置のトラブルを防止できる。

第四に本発明において封止に用いる樹脂封止型半導体装
置はマーキング特性に優れており、従来のものに較べマ
ークインクとのなじみがよく、美しくしかも強固に接着
するためマークの信頼性が著しく向上しており、従来の
もののようにセロテープや爪ではがれ落ちることはない
。

従って本発明によれば従来マークの信頼性向上のために
必要とされてきた、様々の煩雑な樹脂封止型半導体装置
の前処理工程が不必要となった。

次に本発明の実施例を説明する。

実施例 １〜３ エポキシ当量２００のフェノールノボラツク型エポキシ
樹脂（エボキシ樹脂Ａ）エポキシ当量４００のビスフェ
ノールＡ型エポキシ樹脂（エポキシ樹脂Ｂ）、分子量７
００のフェノールノボラツク樹脂硬化剤、無水メチルナ
ジツク酸、トリフエニルホスフィン、１，２−ビス（ジ
フエニルホスフイノ）エタン、２−ヘプタデシルイミダ
ゾール、を表−１に示す組成比（重量部）に選び、比較
例を含め７種のエポキシ樹脂系組成物を調製した。

上記エポキシ樹脂系組成物を用いてＭＯＳ型集積回路装
置を注型し、１７０℃で８時間の硬化を行ない、樹脂封
止型半導体装置を得た。

この樹脂封止型半導体装置各５０個について、 （１）１２０℃の高圧水蒸気中に放置して不良発生を調
べる耐湿試験（ＰＣＴ・・・プレツシャクツカテスト）
を行なった結果を表−２に示した。

（２）１２０℃の高圧水蒸気中で１０Ｖ印加してアルミ
ニウム配線の腐食による断線（不良発生）を調べる耐湿
試験（バイアスＰＣＴ）を行なった結果を表−３に示し
た。

（３）１５０℃の高温オープン中でフィールド領域のソ
ースとドレイン間に電圧１０Ｖを印加し、電気特性の劣
化による不良発生を調べた結果を表−４に示した。

実施例 ４〜６ エポキシ当量２２０のクレゾールノボラツク型エポキシ
樹脂（エポキシ樹脂Ｃ）、エポキシ当量３７０の脂環式
エポキシ樹脂（エポキシ樹脂Ｄ）、エポキシ当量２９０
の臭素化エポキシノボラック樹脂（エポキシ樹脂Ｅ）、
分子量８００のフェノールノボラツク樹脂硬化剤、無水
テトラヒドロフタル酸、トリフエニルホスフイン、１，
２−ビス（ジフエニルホスフイノ）エタン、２−メチル
イミダゾール、石英ガラス粉末、カルナバワックス、二
酸化アンチモン、カーボンブランク、シランカツブリン
グ剤を表−５に示す組成比（重量部）に選び、比較例を
含め７種のエポキシ樹脂系組成物を調製した。

上記組成物の調製はそれぞれ選ばれた成分を加熱ロール
で混練し、冷却後粉砕することによって行ない、エポキ
シ樹脂系の成形材料とした。

このようにして得られた成形材料を用いてトランスファ
成形を行ない、ＭＯＳ型集積回路装置を封止した。

成形は高周波予熱器で８０℃に加熱した成形材料を１７
５℃で３分間モールドし、その後１８０℃で７時間の後
硬化することによって行なった。

樹脂封止したＭＯＳ型集積回路装置各１００個について
実施例１〜３の場合と同様の条件でＰＣＴ、バイアスＰ
ＣＴおよび高温電気特性試験を行ない、その結果をそれ
ぞれ表−６，７，８に示した。

マーキング特性を調べるために前処理なしでマーケム社
製＃７２５１マーキングインクを用いてマーキング特性
を調べた結果を表−９に示した。

インクの硬化条件は１６０℃３０分である。

実施例 ７，８ 実施例１〜３で用いた原料組成分を表−１０に示す組成
比（重量部）に選び、比較例を含め８種のエポキシ樹脂
系組成物を調整した。

実施例１〜３と同様にして、上記エポキシ樹脂系組成物
を用いてＭＯＳ型集積回路を封止し、各５０個の樹脂封
止型半導体装置を得た。

上記樹脂封止型半導体装置について、 （１）１２０℃の高圧水蒸気中に放置して不良発生を調
べる耐湿試験（ＰＣＴ）を行った結果を表−１１に示し
た。

（２）１２０℃の高圧水蒸気中で１０Ｖ印加して、アル
ミニウム配線の腐食による断線を調べる耐湿試験（バイ
アスＰＣＴ）を行った結果を表−１２に示した。

実施例 ９〜１２ 実施例４〜６で用いた原料組成分を表−１３に示す組成
比（重量部）に選び、比較例を含め１４種のエポキシ樹
脂系組成物を調製した。

上記エポキシ樹脂系組成物を、実施例４〜６に記載した
方法と同様にしてエポキシ樹脂系の成形材料とし、更に
同様な方法でＭＯＳ型集積回路を封止して、樹脂封止さ
れたＭＯＳ型集積回路各１００個を得た。

上記樹脂封止型集積回路について、 （１）１２０℃の高圧水蒸気中に放置して不良発生を調
べる耐湿試験（ＰＣＴ）を行った結果を表−１４に示し
た。

（２）１２０℃の高圧水蒸気中で１０Ｖ印加してアルミ
ニウム配線の腐食による断線を調べる耐湿試験（バイア
スＰＣＴ）を行った結果を表＝１５に示した。

上記実施例から明らかなように本発明に係る樹脂封止型
半導体装置は耐湿性、電気特性、マーキング特性に優れ
た高信頼性の樹脂封止型半導体装置であって広範囲な用
途に提供することができる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ （ａ） エポキシ当量１７０〜３００のノボラ
   ツク型エポキシ樹脂 （ｂ） 硬化剤としてノボラツク型フェノール樹脂と
   酸無水物類との混合物および （ｃ）硬化促進剤として有機ホスフイン化合物を必須成
   分とし、且つ前記硬化剤中の酸無水物類の割合が０．１
   〜３５重量％の範囲内にあり、フェノール樹脂のフェノ
   ール性水酸基の数とエポキシ樹脂のエポキシ基の数との
   比が０．５〜１．５の範囲内にあるエポキシ樹脂系組成
   物の硬化物によって半導体装置が封止されていることを
   特徴とする樹脂封止型半導体装置。 ２ （ａ） エポキシ当量１７０〜３００のノボラ
   ツク型エポキシ樹脂 （ｂ） 硬化剤としてノボラツク型フェノール樹脂と
   酸無水物類との混合物 （ｃ）硬化促進剤として有機ホスフイン化合物および （ｄ） 無機質充てん剤を必須成分とし、且つ前記硬
   化剤中の酸無水物類の割合が０．１〜３５重量％の範囲
   内にあり、フェノール樹脂のフェノール性水酸基の数と
   エポキシ樹脂のエポキシ基の数の比が０．５〜１．５の
   範囲内にあるエポキシ樹脂系組成物の硬化物によって半
   導体装置が封止されていることを特徴とする樹脂封止型
   半導体装置。 ３ 特許請求の範囲第１項または第２項において有機ホ
   スフイン化合物が有機第３ホスフイン化合物であること
   を特徴とする樹脂封止型半導体装置。 ４ 特許請求の範囲第３項において有機ホスフイン化合
   物がビス有機第３ホスフイン化合物であることを特徴と
   する樹脂封止型半導体装置。 ５ 特許請求の範囲第３項において有機ホスフイン化合
   物がトリフエニルホスフインであることを特徴とする樹
   脂封止型半導体装置。 ６ 特許請求の範囲第２項において、無機質充てん剤の
   主成分が石英ガラスおよび結晶性シリカから選ばれる少
   なくとも１種であることを特徴とする樹脂封止型半導体
   装置。