JPS6293962A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、内部応力が小さく、耐湿信頼性および耐熱
衝撃性に優れた封止用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。

〔従来の技術〕

トランジスタ、ＩＣ，ＬＳＩ等の半導体素子は、通常セ
ラミックパッケージもしくはプラスチ′二′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。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、耐透湿性にも優れているため、温度、湿度に対して
強く、しかも中空パッ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、鼠帝性に劣る欠点が
あるため、最近では上記プラスチックパラゲージを用い
た樹脂封止が主流になっている。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。しかしながら、半導体分野の技術
革新によって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、パッケージが小形化、薄形
化する傾向にあり、これに伴って封止材料に対してより
以上の信頼性（得られる半導体装置の内部応力、耐湿信
頼性、耐衝ｉ８信頼性、耐熱信頼性等）の向上が要望さ
れている。特に半導体素子と封止材料間に発生する熱応
力がパッケージを損傷させる原因となり、ひいては半導
体装置の耐湿性および耐熱衝撃性に大きな影響を与える
ことから、この半４体素子と封止材料間の熱応力の低減
が重要課題となっている。

そこで、従来より封止材料に使用されるエポキシ樹脂の
低応力化が種々試みられており、現在、ウレタンゴムや
ブタジェンゴム等のゴム類を添加する方法が主流となっ
ている。

すなわち、ゴム類とエポキシ樹脂があまり相溶しないこ
とを利用してエポキシ樹脂の連続相中にゴム類の粒子を
析出、分散させたいわゆる「海−品」構造を硬化樹脂中
でとらせることによりエポキシ樹脂の高い耐熱性を維持
させたままで、ゴム類粒子で熱応力を吸収、緩和させよ
うとするものである。

〔発明が解決しようとする問題点〕 しかしながら、上記のようにゴム類粒子をエポキシ樹脂
中に分散させるときには、連続相であるエポキシ樹脂中
に上記ゴム類粒子成分が一部溶解する場合があり、この
ようにゴム類粒子成分がエポキシ樹脂中に溶解するとゴ
ム類粒子の分散が不完全となり、最終的な封止用エポキ
シ樹脂組成物の硬化物である樹脂の強度が低下する等の
欠点を生じていた。このため、ゴム粒子が連続相である
エポキシ樹脂中で完全に分散した、すなわち、分散相が
独立した「海−島」構造となる封止用エポキシ樹脂組成
物の開発が要望されているが、いまだ充分なものは得ら
れていない。

この発明は、このような事情に鑑みなされたもので、樹
脂封止に用いるエポキシ樹脂組成物において、連続相で
あるエポキシ樹脂中へのゴム粒子の一部溶解を完全にな
くすことにより、最終的な硬化物の機械的強度等の物性
の低下を防ぎ、内部応力が小さく、耐湿性および耐熱衝
撃性に優れた信頼性の高い半導体装置を提供することを
目的としている。

〔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）エポキシ樹脂。

（Ｂ）フェノール樹脂。

（Ｃ）シリコーン化合物粒子を芯体とし、これの外周を
樹脂殻体で被覆した構造の 微粒子。

すなわち、本発明者らは、エポキシ樹脂中へのゴム類粒
子の一部溶解を完全になくすために、特にゴム類粒子の
種類と形態について鋭意検討を重ねた結果、従来からゴ
ム類粒子として用いられてきたウレタンゴムやブタジェ
ンゴム等に比べて、より耐熱劣化性に優れたシリコーン
化合物を用い、このシリコーン化合物粒子の外周を樹脂
によって被覆すると、上記シリコーン化合物粒子がエポ
キシ樹脂との混合、分散時にエポキシ樹脂中に溶解する
ことなく完全に分散されて上記「海−島」構造が形成さ
れ、得られるエポキシ樹脂硬化物の強度が低下しないこ
とを見いだ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、エポキシ樹脂
（Ａ成分）とフェノール樹脂（Ｂ成分）を用い、さらに
、シリコーン化合物粒子を芯体としこれの外周を樹脂殻
体で被覆した構造の微粒子（Ｃ成分）を用いて得られる
ものであって、通常、粉末状もしくはそれを打錠したタ
ブレット状になっている。

上記Ａ成分となるエポキシ樹脂は、特に制限するもので
はなく、クレゾールノボラック型、フェノールノボラッ
ク型やビスフェノール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好結果をもたらす。ノボラック型
エポキシ樹脂としては、通常エポキシ当量１６０〜２５
０．軟化点５０〜１３０℃のものが用いられ、タレゾー
ルノボラック型エポキシ樹脂としては、エポキシ当世１
８０〜２」０．軟化点６０〜１１０℃のものが一般に用
いられる。

上記エポキシ樹脂と共に用いられる、Ｂ成分のフェノー
ル樹脂は、上記エポキシ樹脂の硬化剤として作用するも
のであり、フェノールノボラック、クレゾールノボラッ
ク等が好適に用いられる。

これらノボラック樹脂は、軟化点が５０〜１１０℃、水
酸基当量が７０−１５０のものを用いることが好ましい
。特に上記ノボラック樹脂のなかでもタレゾールノボラ
ックを用いることが好結果をもたらす。

この発明において分散相として用いる上記Ｃ成分の微粒
子は、芯体と、これを被覆する殻体とからなる。

上記芯体はシリコーン化合物で形成されており、シリコ
ーン化合物としては、例えば分子鎖の両末端がメチル基
、カルボキシル基、アミノ基、エポキシ基になっている
液状のポリジメチルシロキサンを用いることができる。

これらのシリコーン化合物は、水を分散媒とする水媒体
エマルジョンとして市販されている。そして、上記シリ
コーン化合物は水媒体中においてその粒子の外ＩＭ７で
つぎに述べろ益体樹脂の単量体を重合させることにより
各粒子ごとに樹脂被覆され使用に供される。ｈ記シリコ
ーン化合体物の粒子は、粒子径０．０５〜１０μｍのも
のが好適であり、０．０５〜５μｍのものが待ムこ好適
である。

上記シリコーン化合物粒子を被覆する殻体の樹脂として
は、例えば不飽和二重結合を一個有する不飽和単量体を
重合させたものをあげることができる。上記不飽和単量
体としては、メタクリル酸メチル、アクリロニトリル、
メタクリロニトリル、ビニルカルバゾール、ビニルホル
マール、ビニルピロリドン、０〜ビニルベニ／ジルアル
コールスヂレン、０−、ｍ−、ｐ−メチルスチレン、２
、４−ジメチルスチレン、２．５−ジメチルスチレン、
３．４−ジメチルスチレン、ｐ−ｔｅｒｔ−ブチルスチ
レン、ｐ−フェニルスチレン、ｐ−フェノキシスチレン
、ｐ−クロルスチレン、２．５−ジクロルスチレン、α
−メチルスチレン、α−ビニルナフタレン等を例示する
ことができる。これらは単独で用いても２種以上を併用
してもよい。

また、上記不飽和二重結合を１個有する不飽和単量体と
不飽和二重結合を２個以上有する不飽和単量体とを上記
シリコーン化合物粒子の外周で共重合させて殻体を構成
するようにしてもよい。

」二記不飽和二重結合を２個以上有する不飽和単量体と
しては、ジビニルベンゼン、ジメタクリル酸モノエチレ
ングリコール、ジメタクリル酸ジエチレングリコール、
ジメタクリル酸テトラエチレングリコール、ジメタクリ
ル酸ネオペンチルグリコール、トリアクリル酸トリメチ
ロールプロパン、ジメタクリル酸１．６−ヘキサンジオ
ール、ジメタクリル酸ビスフェノールＡ、アクリル酸ジ
エチレングリコール、ジアクリル酸テトラエチレングリ
コール、ジアクリル酸ネオペンチルグリコール、ジアク
リル酸１，５−ベンタンジオール、ジアクリル酸１．６
−ヘキサンジオール、トリアクリル酸トリメチロールプ
ロパン等をあげることができる。これらも、単独で用い
ても２種以上を併用してもよい。

このような１分子中に２個以上の不飽和二重結合を有す
る単量体は、前記した不飽和二重結合を１個有する不飽
和単量体を含む全単量体成分中の０、５〜５０重品％を
占める割合で使用することが好結果をもたらす。すなわ
ち、この範囲内での添加が熱応力の低減効果をより高め
るからである。

このような不飽和単量体のうち、特にガラス転移温度が
７０℃以上の重合体を形成するものが好適であり、さら
に、比較的親水性度が高く、かつエポキシ樹脂との親和
性の高いメタクリル酸メチル（分子１ｉｏｏ，ガラス転
移温度１０５℃〉が最も好適である。なお、ここで規定
する（メタ）アクリル酸エステル樹脂のガラス転移温度
は示差熱量計等で測定され、個々の（メタ）アクリル酸
エステル樹脂について公知となっている値をさす。

上記シリコーン化合物水媒体エマルジョンおよび単量体
を用いてこの発明に用いるＣ成分である微粒子をｊｎ製
するには、例えばつぎの方法を用いることができる。す
なわち、シリコーン化合体物の水媒体エマルジョン中に
不飽和単量体を経時的に滴下または一度に添加して、芯
体となるシリコーン化合物の粒子表面で重合させ、樹脂
としてシリコーン化合物粒子の外周上に積層させたのち
、室温〜５０℃で乾燥して水を飛散させて微粒子の粉末
を得るという方法である。上記不飽和単量体の水媒体重
合に際しては、通常水媒体重合に使用される水溶性また
は油溶性の各種重合開始剤が用いられる。このような重
合開始剤としては、過硫酸カリウム、過硫酸アンモニウ
ム、４．４゛　−アゾビス−４−シアノバレリン酸、２
，２゛　−アゾビス（２−アミジノプロパン）塩酸塩等
をあげることができる。

なお、上記微粒子の調製に際し、この微粒子の乾燥、粉
末化を良好に行い粒子相互の融着を防いで粉末化を完全
に行うために、殻体形成に用いる樹脂の割合は、微粒子
全体に対し５〜５０重量％（以下、「％」と略す）であ
ることが好ましい。

すなわち、５％未満では殻体が充分形成せず微粒子のエ
ポキシ樹脂中での分散性が悪（なり、５０％を超えると
微粒子のエポキシ樹脂に対する熱応力吸収能が充分機能
せず、いずれの場合も好ましくないからである。

このようにして得られるＣ成分の微粒子は、シリコーン
化合物の液状粒子を芯体とし、その外周に樹脂の殻体が
形成されている、という構造のものである。しかしなが
ら、上記のようにして得られた液状粒子を芯体とする微
粒子を、その乾燥時の温度（室温〜５０℃）以上の温度
に加熱すると、芯体である液状粒子が重合して固形粒子
となり、シリコーン化合物の固形粒子を芯体とする微粒
子（Ｃ成分）が得られるようになる。この場合、液状粒
子を重合させるための加熱を、微粒子乾燥の際の加熱と
兼用させるようにしてもよい。このような、芯体がシリ
コーン化合物の固形粒子である微粒子をＣ成分として用
いても、液状粒子を芯体とするものと同等かそれ以上の
効果が得られるのである。

この発明に用いられるエポキシ樹脂組成物には２．上記
Ａ−Ｃ成分が含有されるものであり、さらに必要に応じ
て従来から用いられている各種の硬化促進剤が含有され
る。上記硬化促進剤としては、下記の三級アミン、四級
アンモニウム塩、イミダゾール類およびホウ素化合物を
好適な例としてあげることができ、これらを単独でもし
くは併せて用いることができる。

三級アミン トリエタノールアミン、テトラメチルヘキサンジアミン
、トリエチレンジアミン、ジメチルアニリン、ジメチル
アミノエタノール、ジエチルアミノエタノール、２，４
．６−トリス（ジメチルアミノメチル）フェノール、Ｎ
、Ｎ゛−ジメチルピペラジン、ピリジン、ピコリン、１
，８−ジアザ−ビシクロ（５，４，０）ウンデセン−７
、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 四級アンモニウム塩 ドデシルトリメチルアンモニウムクロライド、セチルト
リメチルアンモニウムクロライド、ベンジルジメチルテ
トラデシルアンモニウムクロライド、ステアリルトリメ
チルアンモニウムクロライド イミダゾール類 ２−メチルイミダゾール、２−ウンデシルイミダゾール
、２−エチルイミダゾール、１−ベンジル−２−メチル
イミダゾール、■−シアノエチルー２−ウンデシルイミ
ダゾールホウ素化合物 テトラフェニルボロン塩類、例えばトリエチレンアミン
テトラフェニルボレート、Ｎ−メチルモルホリンテトラ
フェニルボレートまた、必要に応じて、上記の原料以外
に、無機質充填材、三酸化アンチモン、リン系化合物等
の難燃剤や顔料、シランカップリング剤等のカップリン
グ剤を用いることができる。上記無機質充填材としては
特に限定するものではなく、一般に用いられる石英ガラ
ス粉末、タルク、シリカ粉末。

アルミナ粉末等が適宜に用いられる。

この発明に用いるエポキシ樹脂組成物は、エポキシ樹脂
を連続相としＣ成分の微粒子を分散相とするものであり
、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１００重量部（以下、「部」
と略す）に対して微粒子３〜１２０部、特に好ましくは
５〜６０部の割合で、微粒子をエポキシ樹脂粉末と混合
して充分攪拌し、さらに、硬化剤であるフェノール樹脂
、硬化促進剤、充填剤等を加えて加熱混練することによ
り、上記微粒子をエポキシ樹脂連続相に完全分散させ、
半導体装置封止用の樹脂組成物を製造することができる
のである。なお、連続相たるエポキシ樹脂に対し、分散
相たる微粒子の配合割合を上記割合に限定する理由は、
３部未満では熱応力の低減効果が不十分であり、逆に１
２０部を超えるとエポキシ樹脂が不連続相となり、結局
いずれの場合もこの発明の所期の目的を達成できず好ま
しくないからである。

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
トランスファ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、上記エポキシ
樹脂組成物硬化体Ｇこよる、シリコーン化合物粒子を芯
体としこれの外周を樹脂殻体で被覆した構造の微粒子を
分散相としエポキシ樹脂を連続相とする構造によって半
導体素子が封止されているため、樹脂封止体自体の強度
が大であり、かつその樹脂封止体により内部応力が小さ
く耐湿性および耐熱衝撃性に優れた信頼性の高い樹脂封
止がなされている。

なお、充填剤成分を除いた樹脂組成物を硬化させた樹脂
の断面を走査型電子顕微鏡によって観察すると、この分
散状態は上記微粒子が島状Ｃご存在するいわゆる「海−
島」構造として認められる。

〔発明の効果〕

この発明の半導体装置は、粒子の外周を樹脂殻体で被覆
した特殊構造のシリコーン化合物粒子を含有している特
殊なエポキシ樹脂組成物を用いて封止されており、その
封止プラスチックパッケージが、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、耐？
Ｗ　（＊　転性、電気的特性、耐熱信頼性も高く、信頼
度の極めて高いものである。すなわち、上記エポキシ樹
脂組成物は、シリコーン化合物粒子をそのまま含有して
いるのではなく、外周を樹脂殻体で被覆した状態で含有
しているため、樹脂封止の際、連続相であるエポキシ樹
脂中へのシリコーン化合物粒子の溶解が抑制され、連続
相であるエポキシ樹脂中にシリコーン化合物粒子が完全
分散したいわゆる「海−島」構造をとるようになる。そ
の結果、高状態で存在するシリコーン化合物粒子がその
特性をいかんなく発揮し、それによって充分な熱応力の
吸収、緩和効果が得られるようになるばかりでなく、シ
リコーン化合物粒子の溶解に起因する樹脂硬化体自体の
強度低下が生起せず、常に良好な特性の硬化体が得られ
るようになるのであり、これによって、この発明の半導
体装置は、上記のように高信頼性のものとなるのである
。特に、上記特殊なエポキシ樹脂組成物による封正によ
り、８ピン以上特に１６ピン以上、もしくはチップの長
辺が４龍以上の大形の半導体装置において、上記のよう
な高信転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。

まず、攪拌機、温度計および冷却管を備えた反応容器内
に、水およびシリコーン化合物粒子の水媒体エマルジョ
ンを添加し、反応系雰囲気を７０℃に保ち、さらに反応
容器内に窒素ガスを送入した。ついで反応容器内に樹脂
層形成用の不飽和単量体成分を加え、７０℃で３時間重
合を行い、シリコーン化合物粒子表面が樹脂殻体で被覆
された微粒子の分散エマルジョンを得た。各成分の配合
は下記の第１表のとおりである。

（以下余白） このエマルジョンを約５０℃の通風乾燥機中で２４時間
乾燥し、１４種類の微粒子粉末を得た。

なお、シリコーン化合物粒子の水媒体エマルジョンの一
部をガラス板上に塗布し、室温で乾燥すると透明なフィ
ルムが得られ、一方上記エマルジョンに、樹脂殻体形成
用の不飽和単量体成分を加えて重合反応を行って得られ
たエマルジョンを上記同様にして乾燥したところ白色粉
末が得られた。このことから、重合反応を経て得られた
微粒子は、シリコーン化合物粒子を芯体とし、これの外
周を樹脂殻体が被覆した構造となっていることがわかる
。

〔実施例１〜２４〕 上記のようにして得られた微粒子粉末とエポキシ（シ］
詣粉末とを下記の第２表に示す割合で混合したのち、硬
化剤であるフェノール樹脂および他の添加剤を同表に示
す割合で添加してミキシングロール機にかけ、１００℃
で１０分間混練してシート状組成物を得た。つぎに、こ
のシート状組成物を粉砕し、目的とする粉末状のエポキ
シ樹脂組成物を得た。

（以下余白） 〔従来例１，２〕 下記の第３表に示す原料を用い、これらの原料をミキシ
ングロール機で１０分間混練し、得られたソート状組成
物を用い、実施例１〜２４と同様にして粉末状のエポキ
シ樹脂組成物を得た。

＊１．＊２：　　第２表と同じ 以上の実施例および従来例によっ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ァー
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、ピエゾ抵抗に
よる内部応力１曲げ弾性率、電圧印加状態におりるプレ
ッシャー釜による１０００時間の信頼性テス１−（以下
ｒＰＣＢＴテストｊと略す）、−５０℃１５分〜１５０
　”Ｃ１５分の２０００回の温度サイクルテスト（以下
ｒＴＣＴテスト」と略す）等の測定を行った。その結果
を下記の第４表に示した。なお、ガラス転移温度（Ｔｇ
）は粘弾性性質のＴａｎδのピークを示す温度を示した
。

（以下余白） 第４表の結果から、この発明の各実施測高は、内部応力
が従来測高に比べて非常に低く、ＰＣＢＴ試験の不良率
およびＴＣＴ試験のクラック発生率が殆ど０に近く、耐
湿性及び耐熱衝撃性に優れ、高い信頼性を有することが
わかる。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （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）エポキシ樹脂。 （Ｂ）フェノール樹脂。 （Ｃ）シリコーン化合物粒子を芯体とし、これの外周を
   樹脂殻体で被覆した構造の微粒 子。
2. （２）殻体を形成する樹脂がガラス転移温度７０℃以上
   の樹脂である特許請求の範囲第１項記載の半導体装置。