JPS6219069B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は、樹脂封止型半導体装置に関し、更に
詳しくは、耐湿性および高温電気特性に優れた樹
脂封止型半導体装置に関する。 樹脂封止型半導体装置は、例えば、集積回路
（IC）、大規模集積回路（LSI）、トランジスタ、
ダイオード等の半導体素子を、外部雰囲気や機械
的衝撃から保護するために、熱硬化性樹脂を用い
て封止して成るものである。 半導体素子の封止技術として、従来は、金属や
セラミツクス等を用いるハーメチツク封止が採用
されていたが、最近では、経済的に有利であると
いう理由から、樹脂封止が主流を占めている。 かかる半導体封止用樹脂としては、大量生産に
適する低圧トランスフア成形法に使用可能な、低
圧成形用エポキシ樹脂組成物が一般に広く使用さ
れている。しかしながら、例えば、エポキシ樹
脂、ノボラツク型フエノール樹脂硬化剤、イミダ
ゾール硬化促進剤等から成るエポキシ樹脂組成物
を、トランスフア成形して得られる従来の樹脂封
止型半導体装置には次のような欠点がある。即
ち、 (1) 耐湿性が劣るために、アルミニウム電極など
が腐食劣化すること、 (2) 高温時における電気特性に劣り、特に、リー
ク電流が増加するために、半導体素子の機能が
低下すること、 である。これらのうち(1)について説明すると、樹
脂封止型半導体装置は高温高湿雰囲気下で使用ま
たは保存することがあるので、そのような条件下
においても信頼性を保証しなければならない。耐
湿性の品質保証のための信頼性評価試験として
は、85℃または120℃の飽和水蒸気中に暴露する
加速評価法が行なわれている。最近では電圧を印
加して更に加速性を高めたバイアス印加型の評価
試験も実施されている。 しかしエポキシ樹脂組成物を用いた樹脂封止型
半導体装置では、封止樹脂が吸湿性を有するため
に、水分が外部雰囲気から封止樹脂層を介して、
或いは封止樹脂とリードフレームの界面を通つて
内部に浸入し、半導体素子の表面にまで到達す
る。この水分と封止樹脂中に存在する不純物等の
作用の結果として樹脂封止型半導体装置はアルミ
ニウム電極、配線等の腐食による不良を発生す
る。またバイアス電圧を印加した場合には、その
電気化学的作用によつてアルミニウム電極、配線
の腐食による不良が特に著しく多発する。 次に(2)について説明すると、樹脂封止型半導体
装置は高温条件下で使用することがあるので、そ
のような条件においても信頼性を保証しなければ
ならない。そのための評価試験としては80℃〜
150℃でバイアス電圧を印加して信頼性を評価す
る加速試験が一般的である。 このような試験において例えば、半導体表面が
外部電荷に鋭敏なMOS構造を有する素子や、逆
バイアスが印加されたPN接合を有する素子等に
特に著しく多発する不良として、チヤネリングに
よるリーク電流の増加する現象がある。 この現象は電圧が印加された素子の表面に接し
ている封止樹脂層に、電界が作用することにより
発生するものと考えられる。 従来の樹脂封止型半導体装置は上記した欠点を
有するものであるために、その改良が求められて
いた。本発明は、かかる欠点を解消せんとしてな
されたものであり、その目的は、優れた耐湿性お
よび高温電気特性を有する樹脂封止型半導体装置
を提供するにある。 本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意研究
を重ねた結果、イミダゾール等の硬化促進剤が上
記欠点を形成する主要因であることを解明した。
そして、半導体を封止する樹脂体の成形材料とし
て、次に示すエポキシ樹脂組成物を使用すること
により、半導体装置の耐湿性および高温電気特性
が向上することを見出し、本発明を完成するに到
つた。 即ち、本発明の樹脂封止型半導体装置は、半導
体素子と該半導体素子を被覆する樹脂封止体とを
具備して成る樹脂封止型半導体装置において、前
記樹脂封止体が、 (a) エポキシ当量170〜300を有するノボラツク型
エポキシ樹脂、 (b) ノボラツク型フエノール樹脂、 (c) ホウ酸エステル化合物、 および (d) 無機質充填剤 を含むエポキシ樹脂組成物の硬化物であることを
特徴とするものである。 以下において、本発明を更に詳しく説明する。 本発明に係るエポキシ樹脂組成物は、次のもの
から成る。 本発明において使用されるエポキシ樹脂は、エ
ポキシ当量が170〜300の値を有するノボラツク型
エポキシ樹脂であれば、いかなるものでも使用可
能であり、例えば、フエノールノボラツク型エポ
キシ樹脂、クレゾールノボラツク型エポキシ樹
脂、ハロゲン化フエノールノボラツク型エポキシ
樹脂等が挙げられる。かかるエポキシ樹脂は、１
種もしくは２種以上のものを混合して用いること
ができ、更に、これらに他のエポキシ樹脂を混合
して用いてもよい。他のエポキシ樹脂としては、
例えば、ビスフエノールＡ型エポキシ樹脂等のグ
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、線状脂肪族エポキシ樹脂、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
ポキシ樹脂等が挙げられ、これらから選ばれた１
種もしくは２種以上のものを、ノボラツク型エポ
キシ樹脂に対し、50重量％以下の量で配合するこ
とができる。また、本発明において使用されるエ
ポキシ樹脂は、樹脂中に存在する塩素がアルミニ
ウム電極等の腐食劣化の原因のひとつとなるため
に、含有される塩素イオンは10ppm以下、加水
分解性塩素は0.1重量％以下のものであることが
望ましい。 本発明において硬化剤として使用されるノボラ
ツク型フエノール樹脂としては、例えば、フエノ
ールノボラツク樹脂、クレゾールノボラツク樹
脂、tert−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ツク樹脂等が挙げられ、こ
れらから選ばれた１種もしくは２種以上のものが
使用される。かかるノボラツク型フエノール樹脂
は、成形時における流動性等の作業性を考慮する
と、その軟化点が60〜120℃の範囲内にあること
が好ましく、また、低分子量のフエノール成分は
樹脂特性劣化の原因となることから、常温におけ
る水可溶性のフエノール樹脂成分量が３重量％以
下であることが好ましい。 ノボラツク型フエノール樹脂の配合量は、エポ
キシ樹脂中のエポキシ基の量との関係から適宜選
択することが望ましく、フエノール樹脂のフエノ
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の範囲にあることが望ましい。
フエノール性水酸基数／エポキシ基数の比0.5未
満、或いは1.5を超えると、反応が充分に進行せ
ず、硬化物の特性が低下する。 本発明において使用されるホウ酸エステル化合
物は、硬化促進剤としての機能を有するものであ
り、かかる化合物を配合せしめることにより、半
導体装置の耐湿性および高温電気特性の向上がも
たらされる。 このようなホウ酸エステル化合物としては、次
記一般式〔〕〜〔〕 （式中、それぞれのＲは、同一でも異なつていて
もよく、また、ユニツト毎に同一でも異なつてい
てもよく、アルキル基；前記アルキル基の水素原
子が少なくとも１つ以上水酸基で置換されれたヒ
ドロキシアルキル基；シクロヘキシル基等のシク
ロアルキル基；フエニル基、トリル基、ナフチル
基等のアリール基；ヒドロキシフエニル基、ヒド
ロキシトリル基等のヒドロキシアリール基；ベン
ジル基等のアルアルキル基等を表わし、ｎは正の
整数である。） で示される１分子中に１個のホウ素原子を有する
モノホウ酸エステル化合物および１分子中に２個
以上のホウ素原子を有するポリホウ酸エステル化
合物が挙げられる。 上記ホウ酸エステル化合物としては、例えば、
ホウ酸トリメチル、ホウ酸トリエチル、ホウ酸ト
リイソプロピル、ホウ酸トリブチル、ホウ酸トリ
シクロヘキシル、ホウ酸トリフエニル、ホウ酸ト
リクレシル、ホウ酸トリノニルフエニル、ホウ酸
トリナフチル、ホウ酸トリベンジル、ポリホウ酸
メチル、ポリホウ酸イソプロピル、ポリホウ酸ブ
チル、ポリホウ酸フエル、ポリホウ酸クレシル、
ポリホウ酸ベンジル、ジヘキシレングリコールバ
イボレート、トリヘキシレングリコールバイボレ
ート、ジ（２・６−ジ−tert−ブチルフエニル）
ｎ−ブチルボレート、トリメトキシボロキソール
等が挙げられ、これらから成る群より選ばれる１
種もしくは２種以上のものが使用される。 かかるホウ酸エステル化合物は、エポキシ樹脂
およびフエノール樹脂の総量に対して0.01〜10重
量％の量で配合することが好ましい。 本発明において使用される無機質充填剤は、通
常、無機質充填剤として使用されているものであ
れば何でもよく、これらとしては、例えば、石英
ガラス粉末、結晶性シリカ粉末、ガラス繊維、タ
ルク、アルミナ粉末、ケイ酸カルシウム粉末、炭
酸カルシウム粉末、硫酸バリウム粉末、マグネシ
ア粉末等が挙げられ、これらから選ばれた１種も
しくは２種以上のものが使用される。これらのう
ちで、石英ガラス粉末、結晶性シリカ粉末を用い
ることが、高純度および低熱膨張係数を有するこ
とから、最も好ましい。 かかる無機質充填剤の配合量は、使用するエポ
キシ樹脂、フエノール樹脂および無機質充填剤の
種類によつて適宜選択する必要があるが、例え
ば、トランスフア成形に使用する場合には、エポ
キシ樹脂およびフエノール樹脂の総量に対し、重
量比で1.5〜４倍程度が好ましい。また、無機質
充填剤の粒径は、適宜選択して使用することが好
ましく、粒子の粗いものと細かいものを組み合わ
せることにより、成形性を改善することが可能と
なる。 本発明のエポキシ樹脂組成物は、必要に応じ
て、更に、例えば、天然ワツクス類、合成ワツク
ス類、直鎖脂肪酸の金属塩、酸アミド類、エステ
ル類、パラフイン類等の離型剤、塩素化パラフイ
ン、ブロムトルエン、ヘキサブロムベンゼン、三
酸化アンチモン等の難燃剤、カーボンブラツク等
の着色剤、およびシランカツプリング剤等を、適
宜添加配合したものであつてもよい。 上記組成から成るエポキシ樹脂組成物を、半導
体封止用成形材料として調製するには、通常の方
法を用いればよく、例えば、所定の配合量の原料
混合物を、ミキサー等によつて充分混合後、更に
熱ロール等による溶融混合処理を施すか、または
ニーダー等による混合処理を施すことにより、容
易にエポキシ樹脂組成物から成る成形材料を得る
ことができる。 本発明に係わるエポキシ樹脂組成物を混合する
には、それぞれ秤量した各成分を同時に混合して
もよいが、フエノール樹脂とホウ酸エステル化合
物を、予め混合して加熱溶融したものに他成分を
混合したものであつてもよい。ホウ酸エステル化
合物は、空気中で、特に高湿度雰囲気中で不安定
であるために、上記溶融混合物を用いることが好
ましく、かかる溶融混合物を用いて成るエポキシ
樹脂封止型半導体装置の方が、安定した特性が得
られる。 本発明の樹脂封止型半導体装置は、上記エポキ
シ樹脂組成物から成る成形材料を用いて、例え
ば、IC、LSI、トランジスタ、サイリスタ、ダイ
オード等の半導体装置を封止することにより製造
することができる。かかる封止方法は、一般に採
用されている方法でよく、例えば、低圧トランス
フア成形法、インジエクシヨン成形法、圧縮成形
法、注型法等が挙げられ、なかでも、低圧トラン
スフア成形法を用いることが好ましい、尚、封止
樹脂の硬化に際しては、150℃以上の温度におい
て硬化せしめることが好ましい。 以下において、実施例および合成例を掲げ、本
発明を更に詳しく説明する。 合成例 １ 分子量700を有するフエノールノボラツク樹脂
850ｇとホウ酸トリフエニル150ｇを混合し、120
〜150℃に加熱して溶融し、それぞれを相溶せし
めて均一な溶融混合物とした。次いで、かかる溶
融混合物を冷却した後、破砕して、ホウ酸トリフ
エニルを15重量％含有する溶融混合物粉末を得
た。 合成例 ２ 分子量700を有するフエノールノボラツク樹脂
900ｇとホウ酸トリフエニル100ｇを混合し、合成
例１と同様の操作にて、ホウ酸トリフエニルを10
重量％含有する溶融混合物を得た。 実施例 １〜３ エポキシ樹脂としてエポキシ当量220を有する
クレゾールノボラツク型エポキシ樹脂（エポキシ
樹脂Ａ）およびエポキシ当量290を有する臭素化
エポキシノボラツク樹脂（エポキシ樹脂Ｂ）を用
い、硬化剤として分子量800を有するフエノール
ノボラツク樹脂を用い、硬化促進剤としてホウ酸
トリフエニル、ホウ酸トリエチルを用い、硬化剤
および硬化促進剤として合成例１で得た溶融混合
物を用い、無機質充填剤として石英ガラス粉末を
用い、他に、三酸化アンモチン（難燃剤）、カル
ナバワツクス（離型剤）、カーボンブラツク（着
色剤）およびγ−グリシドキシプロピルトリメト
キシシラン（シランカツプリング剤）を用いて表
−１に示すような配合（重量部）でエポキシ樹脂
組成物（実施例１〜３）を調製した。同時に、比
較例として、硬化促進剤に２−ヘプタデシルイミ
ダゾール、ジメチルアミノメチルフエノールおよ
び三フツ化ホウ素ピペリジン錯体を使用したもの
をそれぞれ調製した。

【表】

【表】 かかるエポキシ樹脂組成物を、それぞれミキサ
ーにより混合し、次いで加熱ロールにより混練し
て成形材料を得た。 このようにして得た成形材料を用いて、トラン
スフア成形を行ない、MOS型集積回路を樹脂封
止した。封止は、高周波予熱器で90℃に加熱した
成形材料を、190℃で５分間モールドし、更に、
180℃で10時間アフタキユアすることにより行な
つた。 上記方法により、それぞれのエポキシ樹脂組成
物を用いて、100個宛樹脂封止型半導体装置を作
製し、次の試験を行なつた。 (1) 耐湿試験（バイアスPCT）：120℃、２気圧
の水蒸気中において、10V印加し腐食によりア
ルミニウム配線の断線が発生した不良品の累積
不良率（％）を経時的に調べた。 (2) MOS−BT試験：100℃のオーブン中におい
て、オフセツトゲートMOS FET回路にドレイ
ン電圧5V、オフセツトゲート電圧5Vを印加し
て、リーク電流値が初期値の100倍以上に増加
した時点を不良と見做し、発生した不良品の累
積不良率（％）を経時的に調べた。 耐湿試験の結果を表−２に、高温電気特性を調
べるためのMOS−BT試験の結果を第−３にそれ
ぞれ示す。

【表】

【表】 表から明らかなように、本発明に係わるエポキ
シ樹脂組成物を用いて封止した樹脂封止型半導体
装置は、アルミニウム配線等の腐食が大きく低減
され、リーク電流の増加による半導体素子の機能
低下もなく、耐湿性および高温電気特性が極めて
優れたものであることが確認された。 実施例 ４、５ エポキシ樹脂としてエポキシ当量220を有する
ノボラツク型エポキシ樹脂を用い、硬化剤として
分子量700を有するノボラツク型フエノール樹脂
を用い、硬化促進剤としてホウ酸トリフエニルを
用い、硬化剤および硬化促進剤として合成例２で
得た溶融混合物を用いて、表−４に示すような配
合（重量部）でエポキシ樹脂組成物（実施例４、
５）を調製した。同時に、比較例として、フエノ
ール樹脂硬化剤を用いないもの（比較例４）を調
製した。上記、三種類のエポキシ樹脂組成物を微
細な粒子に粉砕して混合し、均一な組成物とし
た。かかる組成物の硬化特性並びに空気中におけ
る安定性を調べるために、次の試験を行なつた。
即ち、先ず、各エポキシ樹脂組成物をそれぞれシ
ヤーレに入れて粉体の薄い層を形成し、次いで、
20℃、70％RH（相対湿度）の雰囲気中で空気に
曝して１週間放置した。その後、各エポキシ樹脂
組成物の硬化特性を、熱板ゲル化法（160℃）に
より測定し、空気中における安定性を比較した。
その結果を表−５に示す。

【表】

【表】 表から明らかなように、本発明に係わるエポキ
シ樹脂組成物は、比較例４に較ベゲル化時間が速
く、硬化特性に優れているが、特にホウ酸エステ
ルとフエノールノボラツク樹脂の溶融混合物を用
いた場合には、長期間放置した後も硬化特性に変
化がなく、安定で使いやすいことが確認された。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 半導体素子と該半導体素子を被覆する樹脂封
   止体とを具備して成る樹脂封止型半導体装置にお
   いて、前記樹脂封止体が、 (a) エポキシ当量170〜300を有するノボラツク型
   エポキシ樹脂、 (b) ノボラツク型フエノール樹脂、 (c) ホウ酸エステル化合物、 および (d) 無機質充填剤 を含むエポキシ樹脂組成物の硬化物であることを
   特徴とする樹脂封止型半導体装置。 ２ エポキシ樹脂組成物として、ノボラツク型フ
   エノール樹脂とホウ酸エステル化合物とを予め溶
   融して成る混合物を用いる特許請求の範囲第１項
   記載の樹脂封止型半導体装置。 ３ ホウ酸エステル化合物が、エポキシ樹脂およ
   びフエノール樹脂の総量に対し0.01〜10重量％配
   合されて成る特許請求の範囲第１項記載の樹脂封
   止型半導体装置。