JPS63108021A - 樹脂封止型半導体装置 - 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〕 本発明は線膨張係数及び弾性率の小さい半導体封止用エ
ポキシ樹脂組成物及びその組成物を用いて封止した半導
体装置に関する。

〔従来の技術〕

）トランジスタ、ＩＣ，ＬＳＩ等の半導体装置の外装に
は、金属、ガラス、セラミックス等を用いるハーメチッ
ク封止型とエポキシ樹脂を主として用いる樹脂封止型の
二種類の方法がある。前者は気密性に優れているが非常
に高価である。後者は大量生産によって極めて安価に製
造することが可能であり、更に、近年封止用樹脂の信頼
性が著しく向上している。そのため、現在では半導体製
品の８０％以上が、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を用
いてトランスファ成形された樹脂封止型になっている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

半導体素子は集積度が年々向上し、それに伴ってチップ
サイズの大型化、配線の微細化、多層化等が進んでいる
。一方、実装の高密度化、自動化のために、パッケージ
サイズは小型薄型化の方向にあり、パッケージ形状も従
来のＤ　Ｉ　Ｌ　Ｐ　（Ｄｕａｌｉｎ　Ｌｉｎｅ　Ｐｌ
ａｓｔｉｃ　Ｐａｃｋａｇｅ）からＦＰＰ（Ｆｌａｔ　
Ｐｌａｓｔｉｃ　Ｐａｃｋａｇｅ）、　Ｓ　ＯＰ　（Ｓ
ｍａｌｌ　ＯｕｔｌｉｎｅＰａｃｋａｇｅ）　、　Ｐ　
Ｌ　ＣＣ（Ｐｌａｓｔｉｃ　Ｌｅａｄａｄ　ＣｈｉｐＣ
ａｒｒｉｅｒ　）等、ピン挿入実装型から面付実装型に
移行している。このような集積度の向上、パッケージサ
イズや形状、実装方式等の変遷に伴い、素子の微細化、
パッケージの封止樹脂層の薄肉化が進んでいる。そのた
め、封止品に熱的ストレスが加わると半導体装置を構成
する封止樹脂、リードフレーム、チップ等の線膨張係数
の違いによって発生する熱応力のために、封止樹脂のク
ラックが発生したり、チップやチップ表面に形成されて
いるパッシベーション膜にクラックが生じたり、チップ
表面の配線の切断、短絡２位置ズレ等が起こり易く、素
子特性の変動や信頼性低下が問題になっている。さらに
、この問題はパッケージの実装方式がピン挿入型から面
付型に移行し、パッケージが従来よりも高い温度に晒さ
れるために、益々重要になっている。

樹脂封止型半導体に発生する熱応力は、各構成材料の線
膨張係数の違いによって発生する。そこで、各構成材料
の中で特に線膨張係数の大きい封止樹脂の線膨張係数を
小さくすることができれば、熱応力を大巾に低減するこ
とができる。一般に、封止用樹脂には熱膨張係数の低減
を目的に樹脂よりも線膨張係数の小さい無機質充填材が
配合されている。そこで線膨張係数を小さくするために
は、充填材の配合量を増せば良い。しかし、充填材の配
合量を増すと樹脂組成物の粘度が上昇し流動性が低下す
るため封止作業が困難になる。そのため、日本国特許第
８５５，７８９号に記載されているように特定の粒度分
布をもつ無機充填材を用い、樹脂組成物の粘度上昇や流
動性低下を余り起こさずに充填材の配合量を増す方法が
提案されている。しかし、このような手法を用いても現
在樹脂封止型半導体の大部分に用いられているフェノー
ル硬化型エポキシ樹脂組成物は、ベース樹脂の粘度が高
く、充填材の配合量を飛躍的に増して線膨張係数の大巾
な低減を図るには限界があった。その理由は、従来、角
ばった充填材を使用したため、充填材のかさばりにより
樹脂組成物の粘度上昇や流動性の低下が起こり易がった
ものと思われる。その対策として１例えば、特公昭６０
−２６５０５号公報に記載されているように、球形の充
填材を用いる方法が提案されているが、素子の高集積化
、パッケージの小型薄型化に充分対応し得る封止用樹脂
組成物は得られなかった。

また、樹脂封止半導体の素子に加わる熱応力は、封止樹
脂の弾性率やガラス転移温度を下げることによっても低
減させることが可能である。しかし、樹脂組成物のガラ
ス転移温度を下げると、一般に高温の電気特性や耐湿性
等が低下し、半導体装置としては好ましくない。そこで
、アイ・イー・イー・イー、トランザクション　オン　
コンポーネンツ、バイブリッツ、アンド　マニュファク
チュアリングテクノロジー、シー　エッチ　エム　ティ
８，４号（１９８５年）第４８６頁から第４８９頁（Ｉ
　Ｅ　Ｅ　Ｅ　、　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｎ　
Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ。

Ｈｙｂｒｉｄｓ、　ａｎｄ　Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎ
ｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、　ＣＨＭＴ−８、＆４Ｄｅ
ｃ　（１９８５）　ｐ　ｐ４８６−４８９）に示されて
いるように、ベース樹脂中にシリコーンゴムやポリブタ
ジェンゴムのようなゴム成分を配分して、硬化樹脂を海
鳥構造にし、硬化物の弾性率を小さくすることが行われ
ている。この方法は、チップに加わる熱応力を小さくす
ることはできるが、半導体装置の各構成材料の線膨張係
数の違いを減らす効果はほとんどなく本質的な熱応力低
減対策になってない。そこで、熱応力の発生がより小さ
い半導体封止用エポキシ樹脂組成物、及び、それを用い
た半導体装置が強く望まれている。

本発明は、線膨張係数並びに弾性率の小さい半導体封止
用エポキシ樹脂組成物及びその樹脂組成物で封止した半
導体装置に関するものであり、素子に加わる熱応力が小
さく信頼性に優れた樹脂封止型半導体装置を提供するこ
とを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、樹脂の粘度上昇や流動性を損わずに充填材
を多量に配合させ、更に、ゴム成分としてシリコーン重
合体を添加することにより封止樹脂の線膨張係数と弾性
率を小さくすることにより達成される。そこで、本発明
者等は充填材の形状。

粒径１粒度分布、配合量、シリコーン重合体の種類、配
合量と樹脂組成物の諸特性、並びに、これらの樹脂組成
物で封止した半導体装置の信頼性との関係を詳細に検討
した。

その結果、エポキシ樹脂に充填材としてその９０重量％
以上が粒径０．５〜１００μｍの範囲にあり、その粒度
分布をＲＲＳ粒度線図で表示した場合、勾配ｎが０．６
〜１，５の範囲で示す球状の溶融石英粉を配合し、さら
に、無機質充填材とシリコーン重合体とを合せたＳｉＯ
ｘ成分が樹脂組成物全体に対し８０重量％以上配合すれ
ば良いことを見出した。

ここで、ＲＲＳ粒度線図とは、Ｒｏｓｉｎ−Ｒａｍｍ１
．ｅｒの式に従う粒度分布を表わす粒度線図のことであ
る。すなわち、 Ｒ（Ｄｐ）　１００ｅｘｐ　（−ｂ−Ｄｐ”）ただし、
Ｒ（Ｄｐ）：最大粒径から粒径Ｄｐまでの累積重量％ ＤＰ　二粒径 す、ｎ：定数 ＲＲＳ粒度線図における勾配とは、ＲＲＳ粒度線図の最
大粒径からの累積重量％が少なくとも２５重量％と７５
重量％の範囲にある二点を結んだ直線で代表されるＲｏ
ｓｉｎ　−Ｒａｍｍ１ｅｒの式のｎ値のことをいう。充
填材の原石を微粉砕した場合の粒度分布は、　Ｒｏｓｉ
ｎ−Ｒａｍｍ１．ｅｒの式と一致し、この式に基づいた
粒度分布の表わし方であるＲＲＳ粒度線図でほぼ直線性
を示すとされている。発明者等は、各種充填材の粒度分
布を測定したところ、特別のふるい分けをしない限り、
いずれの充填材もその９０重量％以上がＲＲＳ粒度線図
で、はぼ。

直線性を示し、上式によく適合することを確認している
。

本発明に用いたような球状の溶融石英粉は、例えば、特
開昭５９−５９７３７号公報に記載されているように、
予め所定の粒度分布に粉砕した溶融石英をプロパン、ブ
タン、アセチレン、水素などの可燃性ガスを燃料とする
溶射装置から発生させた高温火炎中に一定量ずつ供給し
て溶融し、冷却することによって得られる。さらに、溶
融石英は入手が容易にうえに、それ自身の線膨張係数が
比較的小さいため、樹脂組成物の線膨張係数の低減に有
効であり、イオン性不純物が極めて少なく信頼性に優れ
た樹脂封止型半導体装置を提供するのに適している。充
填材の９０重量％以上が粒径０．５〜１００μｍの範囲
に限定される理由は、０．５μｍ以下の微粒子が多くな
ると樹脂組成物がチクソトロピック性を示すようになり
、粘度上昇や流動性の低下が起こり、１００μｍ以上の
粗い粒子が多くなると封止の際、Ａｕ線の変形や切断が
起きたり、薄型のパッケージを封止する際に粗い粒子が
金型中で目詰りを起こし、樹脂の充填不良が発生するた
めである。ＲＲＳ粒度線図で示した勾配ｎを０．６〜１
．５とするのは、ｎが１．５以上で粒度分布が極端に狭
いと充填材のかさぼりが大きくなり、樹脂組成物の粘度
上昇や流動性の低下が起こる。そこで、ｎはできるだけ
小さい値となることが望ましいが１本発明において充填
材の９０％以上が０．５〜１００μｍの粒径範囲にある
ことが望ましく、ｎの値が０．６　　というのはこの条
件内でとり得る最少の値である。

本発明に用いるシリコーン重合体は、アミノ基。

カルボキシル基、エポキシ基、水酸基、ピリミジン基等
の官能基を末端あるいは側鎖に持つポリジメチルシロキ
サンを用いることができる。

本発明におけるエポキシ樹脂組成物とは、現在半導体封
止用成形材料として一般に用いられているクレゾールノ
ボラック型エポキシ樹脂、フェノ−ルツボラック型エポ
キシ樹脂、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂等に、硬化
剤としてフェノールノボラックやクレゾールノボラック
等のノボラック樹脂、無水ピロメリット酸や無水ベンゾ
フェノン等の酸無水物等を用い、さらに硬化促進剤、充
填材、可撓化剤、カップリング剤２着色剤、難燃化剤、
離型剤等を配合した組成物である。このエポキシ樹脂組
成物は従来の半導体封止用成形材料と全く同様な方法で
作製することができ、さらに、半導体の封止作業も全く
同様に行なうことができる。すなわち、各素材は７０〜
１００℃に加熱した二軸ロールや押出機で混練し、トラ
ンスファプレスで金型温度１６０〜１９０’Ｃ，成形圧
力３０〜１００ｋｇ−Ｃｄ、硬化時間１〜３ｍ１ｎで成
形することができる。

〔作用〕

エポキシ樹脂に充填材としてその９０重量％以上が粒径
０．５〜１００μｍの範囲内にあって、しかも、その粒
度分布をＲＲＳ粒度線図で表示した場合にその勾配ｎが
０．６〜１．５の範囲で直線性を示す球状の溶融石英粉
と、変性剤としてシリコーン重合体を配合し、その配合
量が充填材とシリコーン重合体を合せた５ｉＯｚ成分が
樹脂組成物全体に対し８０重量％以上配合した樹脂組成
物は、充填材配合量が多いにもかかわらず比較的粘度が
低く、流動性が優れ、しかも、硬化物の線膨張係数が１
．３　　Ｘｌ０−５℃−１以下と小さく、弾性率も小さ
くなる。それゆえ、Ａｕ線をボーディングした半導体素
子を封止してもＡｕ線の変形や断線が起こりにくい、さ
らに、封止品は熱応力が小さいため、耐温度サイクル性
、耐熱性、耐湿性等も良好である。

充填材として球状の溶融石英粉を用いることにより、か
さばりが少なくなり高充填化し易くなる、さらに、素子
を封止する際、充填材の角部が素子表面に当り、素子の
損傷や素子特性に悪い影響を及ぼすのを防ぐ効果もある
。このような充填材を配合することにより、硬化物の線
膨張係数を小さくし、さらに、シリコーン重合体を配合
することにより弾性率を小さくシ、各構成材の線膨張係
数の違いによって生じる熱応力を小さくすることができ
る。

〔実施例〕

以下、本発明を実施例により具体的に説明する。

〔実施例１〜３及び比較例１〜３〕 充填材として第１図に示す各種充填材を用い、第１表に
示す組成のエポキシ樹脂組成物を約８０℃に加熱した二
軸ロールで杓子分間混練した。

得られた各組成物について１８０℃におけるゲル化時間
、高化式フローテスターを用いた１８０℃における最溶
融粘度（７ｍｉｎ　）　、及び、流動性の尺度としてＥ
ＭＭＩ−１−６６に準じ、金型温度１８０℃、成形圧カ
フ０ｋｇ−ａｎ”、成形時間１．５分でスパイラルフロ
ー（Ｓ　Ｆ）を測定した。その結果を第１表に示す。こ
れより、本発明の球状充填材を用いた組成物は角状の充
填材を用いた組成物とゲル化時間はほとんど同じである
が、溶融粘度が極めて低く、また、流動性も大きいこと
が明らかである。さらに、ＲＲＳ粘度線図で表示した勾
配ｎが小さな充填材を結合した組成物はど溶融粘度が低
く、流動性が大きいことが明らかである。

〔実施例４，５及び比較例４〜６〕 充填材として第１図に示した球状充填材（球−２）を用
い、実施例１〜３と同様にして、充填材とシリコーン重
合体を合せたＳ　ｉ　Ｏｘ成分が７０゜７５．８０．８
５重量％及びＳｉＯ２成分が８０重量％でシリコーン重
合体を含まない樹脂組成物を作成した。この組成物を用
いてトランスファ成形し、１８０　℃／　６ｈｒの後硬
化を行って線膨張係数２曲げ弾性率、ガラス転移温度を
測定した。また、第２図に示すような金属円筒１をモー
ルドした場合に金属円筒１に加わる熱応力を、円筒内側
に貼り付けたストレインゲージ２によって測定した。さ
らに、表面にアルミニウムのジグザグ配線をもつ半導体
素子を封止し、−５５℃／３０ｍ１ｎｅ　１５０　’Ｃ
／　３０ｍ１ｎの冷熱サイクル試験における封止層の耐
クラツク性、リード・金線・アルミニウム配線間の接続
信頼性（抵抗値が５０％以上変化した場合を不良と判定
）を評価した。これらの結果を第２表に示す。

第２表より、５ｉＯｚ成分が８０重量％以上でシリコー
ン重合体を配合した実施例の組成物は、線膨張係数が極
めて小さく弾性率の増加も少ない、よってインサートに
より生じる熱応力が小さいことが分かる。従って、この
ような樹脂組成物を用いて封止した半導体装置は、冷熱
サイクル試験のような熱衝撃を加えた場合の耐クラツク
性や配線の接続信頼性が極めて良いことがわかる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、半導体封止用樹脂組成物の線膨張係数
を小さくし、しかも、弾性率は余り大きくならないので
、半導体装置の各構成材の線膨張係数の差によって生じ
る熱応力を小さくすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の特性図、第２図は熱応力の
測定状態を示す図である。 ２・・・ストレンゲージ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、エポキシ樹脂に変性剤としてシリコーン重合体、充
   填材として球状の溶融石英粉を配合した半導体封止用エ
   ポキシ樹脂組成物において、充填材の９０重量％以上が
   ０．５〜１００μｍの粒径をもち、その粒度分布をＲＲ
   Ｓ粒度線図で示した場合に、勾配ｎが０．６〜１．５の
   範囲で直線性を示す球状の溶融石英粉であることを特徴
   とする半導体封止用エポキシ樹脂組成物。 ２、前記充填材とシリコーン重合体が含むＳｉＯ＿２成
   分の総量が前記エポキシ樹脂組成物全体に対し８０重量
   ％以上配合されることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成物。 ３、充填材として９０重量％以上が０．５〜１００μｍ
   の粉粒をもち、その粒度分布をＲＲＳ粒度線図で表示し
   た場合に勾配ｎが０．６〜１．５の範囲で直線性を示す
   球状の溶融石英粉と、変性剤としてシリコーン重合体を
   配合したエポキシ樹脂組成物で封止され、かつ封止樹脂
   の線膨張係数が１．３×１０＾−＾５℃＾−＾１以下、
   室温における曲げ弾性率が２２００ｋｇ・ｍｍ＾−＾２
   以下であることを特徴とする半導体封止用エポキシ樹脂
   組成物を用いて封止した半導体装置。