JPS63179920A - 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】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明はエポキシ樹脂組成物およびそれを用いた樹脂封
止型半導体装置に関し、特に高熱伝導性かつ高信頼性の
エポキシ樹脂組成物およびそれを用いた樹脂封止型半導
体装置に関する。

（従来の技術） エポキシ樹脂組成物は集積回路（ＩＣ）、大規模集積回
路（ＬＳＩ）、トランジスタなどの半導体デバイスや電
子部品その他の部品を封止するために広く用いられてい
る。

エポキシ樹脂組成物で発熱性の半導体デバイスや電子部
品等を封止した場合に、内部に発生した熱を効果的に外
部に発散させる必要があり、そのために高熱伝導性の封
止用エポキシ樹脂組成物が求められている。特に最近で
は、半導体素子の大容量化、高集積化に伴って熱伝導率
が１００ＸＩＯ−４ｃａｌ／ｃｘｓ’ｃを超える封止樹
脂が要求されているが、シリカを充てん剤として用いた
従来の封止樹脂では６０Ｘ　１０−４　ｃａｌ／　ｃｍ
　Ｓ　℃が限度でおッた。

シリカより熱伝導率の高い窒化ケイ素をエポキシ樹脂の
充てん剤に用いる技術は公知である（特開昭５８−７６
４５６、特開昭６１−１０１５２２など）が、従来知ら
れている技術では樹脂組成物の熱伝導率を１００Ｘ　１
Ｏ−４ｃａｌ／　ｃｍ　Ｓ　０Ｏ以上にすることは困難
であった。

また、信頼性の点でも、窒化ケイ素を用いた従来の樹脂
組成物は不充分であり、改良が求められていた。信頼性
に関する主な問題点としては、樹脂封止された半導体デ
バイスの素子とリードを接続する細いボンディングワイ
ヤが高温と低温に繰返し曝されると封止樹脂の応力を受
けて切断される問題（耐熱サイクル特性）と素子表面の
アルミニウム電極が高温高湿雰囲気下で封止樹脂を通っ
て浸入した水分により腐食される問題（耐湿性）がある
。

（発明が解決しようとする問題点） 従来のエポキシ樹脂組成物は熱伝導率が充分に高くなら
ず、耐熱サイクル特性、耐湿性などの信頼性が劣るとい
う問題点があった。

本発明は以上のような問題点に鑑みなされたものであり
、高熱伝導性かつ高信頼性のエポキシ樹脂組成物および
それを用いた樹脂封止型半導体装置を提供することを目
的とする。

〔発明の構成〕

（問題点を解決するための手段） 上記目的を達成するために種々検討した結果、充填剤と
して特定の粒度分布を持つβ型結晶構造の窒化ケイ素粉
体を使用し、更に有機ホスフィンおよび／または有機ホ
スフィンオキシドを用いた−　　５　一 時に限って高熱伝導性かつ高信頼性のエポキシ樹脂組成
物およびそれを用いた樹脂封止型半導体装置が得られる
ことを見出した。

すなわち、第１の発明は （ａ）エポキシ樹脂、 ０１分子中に２個以上のフェノール性水酸基を有する硬
化剤、 ０　粒径１５−以下の粒子が５０重量％以下、粒径２０
０−以上の粒子が２０重量％以下で重量平均粒径が１５
〜ｉｏｏ　譚のβ型窒化ケイ素粉体および ゆ　有機ホスフィンおよび／または有機ホスフィンオキ
シドを含むことを特徴とするエポキシ樹脂組成物である
。

また、第２の発明は上記エポキシ樹脂組成物を用いて半
導体デバイスを封止した樹脂封止型半導体装置である。

上記エポキシ樹脂は通常知られているものであり、特に
限定されない。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ボキシ樹脂などグリシジル
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、複素環型エポキシ
樹脂、ハロゲン化エポキシ樹脂など１分子中にエポキシ
基を２個以上有するエポキシ樹脂が挙げられる。しかし
て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。更に好ましいエポキシ樹脂は、エポキ
シ当量１７０〜３００のノボラック型エポキシ樹脂であ
って、たとえばフェノールノボラック型エポキシ樹脂、
タレゾールノボラック型エポキシ樹脂、ハロゲン化フェ
ノールノボラック型エポキシ樹脂などである。これらエ
ポキシ樹脂は、塩素イオンの含有量が１０　ｐｐｍ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。その理由は１０　ｐｐｍを越える塩素イオン
あるいは０．１重鎖％を越える加水分解性塩素が含まれ
ると、封止された半導体素子のアルミニウム電極が腐蝕
されやすくなるためである。

本発明において用いられる１分子中に２個以上のフェノ
ール性水酸基を有する硬化剤とは、フェノール樹脂、ポ
リオキシスチレン、フェノールアラルキル樹脂および多
価フェノール化合物であって、具体的に例示すると、フ
ェノールノボラック樹脂、タレゾールノボラック樹脂、
ｔｅｒｔ−ブチルフェノールノボラック樹脂、ノニルフ
ェノールノボラック樹脂などのノボラック型フェノール
樹脂、レゾール型フェノール樹脂、ポリパラオキシスチ
レンなどのポリオキシスチレン、ビスフェノールＡ等お
よびこれらの化合物のハロゲン化物等である。これらの
中でもノボラック型フェノール樹脂フェノールアラルキ
ル樹脂およびポリオキシスチレンが最も好ましい。また
これらの硬化剤は１種もしくは２種以上の混合系で使用
することができる。

エポキシ樹脂と上記硬化剤の配合比については、硬化剤
のフェノール性水酸基数とエポキシ樹脂のエポキシ基数
の比（フェノール性水酸基数／エポキシ基数）が０．５
〜１，５の範囲内にあるように配合することが望ましい
。その理由は上記範囲外では反応が充分におこりにくく
なり、硬化物の特性が劣化しやすくなるためである。

本発明において用いられる窒化ケイ素は、粒径１５−以
下の粒子が５０重量％以下、粒径２００Ｊｕｎ以上の粒
子が２０重量％以下で重量平均粒径が１５〜１００凱の
β型窒化ケイ素粉体である。

粒径１５凱以下の粒子が５０重置％を越える場合、ある
いは重量平均粒径が１５μｍ未満の場合には、エポキシ
樹脂組成物の熱伝導率、電気特性および信頼性が低下す
る、流動性が悪い、充てん性が悪いなどの欠点があり、
充分な特性が得られない。また粒径２００朗以上の粒子
が２０重量％を超える場合、あるいは重置平均粒径が１
００岬を超える場合は、エポキシ樹脂組成物の熱伝導率
、電気特性および信頼性が低下する、トランスファ成形
でゲート詰りによる成形不良が発生する、充てん性が悪
いなどの欠点がおり、充分な特性が得られない。

窒化ケイ素の結晶構造としてα型とβ型が知られている
が、本発明で用いられるものはβ型に限られ、α型では
本発明の効果が充分に得られない。

工業的には純料のα型、β型の結晶を得ることは困難で
、一般にはα相とβ相が混在しているが、β型の割合が
α型に比べ充分に大きければβ型の効果が得られ、実質
的にβ型とみなすことができる。β型結晶の含有率をβ
率として表わすと、β率が８０％以上であれば本発明の
β型窒化ケイ素とみなすことができる。更に好ましいの
はβ率９０％以上の窒化ケイ素でおる。

窒化ケイ素粉体はシランカップリング剤その他の表面処
理剤で処理することによって、エポキシ樹脂への充てん
性が改善でき、また得られたエポキシ樹脂組成物の特性
も改善できる。

他の充てん剤、たとえば溶融シリカ、結晶性シリカ、ガ
ラス繊維、タルク、アルミナ、ケイ酸カルシウム、炭酸
カルシウム、ＷＮＭバリウム、マグネシア等を添加配合
してもよい。なかでも溶融シリカ、結晶性シワ力は高純
度で熱膨張率が小さいため、好ましい。

本発明において硬化促進剤として有機ボスフィンおよび
／または有機ホスフィンオキシドが用いられる。有機ホ
スフィンとしては、式［Ｉ］Ｒ１ Ｒ２Ｐ　　　　　　　　・・・［Ｉ］ ＾３ においてＲ１−Ｒ３がすべて有機基である第３ホスフィ
ン化合物、Ｒ３のみ水素である第２ホスフィン化合物、
Ｒ２，Ｒ３がともに水素である第１ホスフィン化合物が
ある。具体的にはトリフェニルホスフィン、トリブチル
ホスフィン、トリシクロヘキシルホスフィン、メチルジ
フェニルホスフィン、ブチルフェニルホスフィン、ジフ
ェニルホスフィン、フェニルホスフィン、オクチルホス
フィンなどである。またＲ１が有機ホスフィンを含む有
機基であってもよい。たとえば１，２−ビス（ジフェニ
ルホスフィノ）エタン、ビスくジフェニルホスフィノ）
メタンなどである。

これらの中でもアリールホスフィン化合物が好ましく、
特にトリフェニルホスフィン、１．２−ビス（ジフェニ
ルホスフィノ）エタン、ビス（ジフェニルホスフィノ）
メタンなどが最も好ましい。

またこれらの有機ホスフィン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、この有機ホスフィン配
合量は一般に樹脂分（エポキシ樹脂と硬化剤）の０．０
１〜２０重量％の範囲内でよいが特に好ましい特性はｏ
、　ｏｉ〜５重量％の範囲内で得られる。

有機ホスフィンオキシドとしては式［Ｉ［］Ｒ２Ｐ＝Ｏ
・・・［ＩＩ］ ＾３ においで、Ｒ１は有機基の中から選ばれ、Ｒ２゜Ｒ３は
有機基または水素から選ばれる化合物が挙げられる。有
機基とはアルキル基、アリール基、シクロアルキル基、
アルカリル基、アラルキル基などの炭化水素基およびそ
れらの誘導体の総称である。

具体的に例示するとトリフェニルホスフィンオキシド、
トリス（メチルフェニル）ホスフィンオキシド、トリベ
ンジルホスフィンオキシド、トリオクチルホスフィンオ
キシド、トリシクロヘキシルホスフインオキシド、ジフ
ェニルエチルホスフィンオキシド、フェニルジメチルホ
スフィンオキシド、ジフェニルホスフィンオキシド、ジ
ヘキシルホスフィンオキシド、フェニルホスフィンオキ
シド、ヘプタデシルホスフィンオキシド、トリス（クロ
ロフェニル）ホスフィンオキシド、ブロモフェニルジフ
ェニルホスフィンオキシド、トリス（ヒドロキシフェニ
ル）ホスフィンオキシド、トリス（メトキシフェニル）
ホスフィンオキシドなどが挙げられる。有機ホスフィン
オキシドの配合量は樹脂分の０．０１〜２０重量％の範
囲が好ましい。

有機ホスフィンと有機ホスフィンオキシドは単独で使用
しても併用してもよい。

本発明のエポキシ樹脂組成物には、更に必要に応じて、
他の添加剤、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
どの離燃剤、カーボンブラック酸化チタンなどの顔料ま
たは染料などを適宜添加配合しても差支えない。上述し
たエポキシ樹脂組成物を成形材料として調製する場合の
一般的な方法は、所定の組成比に選んだ原料組成分を例
えば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−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、上記エポキシ樹脂組
成物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、インジェクション成
形、圧縮成形、注型などによる封止も可能である。エポ
キシ樹脂組成物は封止の際に加熱して硬化させ、最終的
にはこの組成物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望ましい。

（作　用） 本発明において用いられる粒径１５凱以下の粒子が５０
重量％以下、粒径２００　、ｌｊＷ以上の粒子が２０重
量％以下で重量平均粒径１５〜１００−のβ型窒化ケイ
素粉体はエポキシ樹脂に対する充てん性が良く、流動性
を損わずに高密度充てん可能で、高い熱伝導率のエポキ
シ樹脂組成物が得られる。たとえば、重量平均粒径７〜
１０．ｃｉｍの窒化ケイ素粉体を充てん剤に使用し、本
発明と同一条件で調製したエポキシ樹脂組成物に比較す
ると本発明の組成物の熱伝導率が２倍近く高い。このよ
うに窒化ケイ素粉体をエポキシ樹脂組成物の充てん剤と
して用いた時に、粉体の粉度分布をわずかに変えること
によって熱伝導率が著しく改善できること、そして本発
明の規定する範囲が特に好ましい熱伝導率を与えること
は従来全く知られていず、また予想することもできなか
った。

更に上記窒化ケイ素粉体と有機ホスフィンおよび／また
は有機ホスフィンオキシドを組み合せて用いると、耐熱
サイクル特性、耐湿性などの信頼性が著しく向上するこ
とがわかった。それに対し窒化ケイ素と他の触媒（第３
アミンやイミダゾールなど）を組み合せても、他の充て
ん剤（シリカヤアルミナなど）と有機ホスフィンおよび
／または有機ホスフィンオキシドを組み合せても上記効
果は得られない。

上記窒化ケイ素粉体と有機ホスフィンおよび／または有
機ホスフィンオキシドを組み合せた時に耐熱サイクル特
性などの信頼性が著しく向上することに関しては、従来
全く知られていず、また従来技術から予想することもで
きなかった。

（実施例） 実施例１〜５ エポキシ当ｉ　２００のタレゾールノボラック型エポキ
シ樹脂（エポキシ樹脂Ａ）、エポキシ当量４００の臭素
化ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂（エポキシ樹脂Ｂ）
、水酸基当量１０７のフェノールノボラック樹脂硬化剤
、充填剤としてβ率９５％で粒径１５凱以下の粒子が３
０重量％、粒径２００　帳以上の粒子が０．１重量％、
重量平均粒径４ｏ凱の窒化ケイ素粉体く窒化ケイ素Ａ）
、粒径１５朗以下の粒子が４０重量％、粒径２００ＪＪ
ＩＲ以上の粒子が５重量％、重量平均粒径２５凱の窒化
ケイ素粉体く窒化ケイ素Ｂ）、粒径１５−以下の粒子が
１５重量％、粒径２００凱以上の粒子が１０重量％、Ｍ
量平均粒径７０凱の窒化ケイ素粉体（窒化ケイ素Ｃ）、
β率９０％で粒径１５−以下の粒子が３０重量％、粒径
２００　μｍ以上の粒子が０．５重量％、重量平均粒径
３０μｍの窒化ケイ素粉体（窒化ケイ素Ｄ）、重量平均
粒径２０．ｔａの結晶性シリカ粉体、硬化促進剤として
トリノエニルホスフィン、トリフェニルホスフィンオキ
シド、難燃剤として三酸化アンチモン、離型剤としてカ
ルナバワックス、着色剤としてカーボンブラック、シラ
ンカップリング剤としてγ−グリシドキシプロピルトリ
メトキシシランを第１表に示す組成（重量部）に選んだ
。これらの組成物をミキサーによる混合、加熱ロールに
よる混練を行うことにより、５種のトランスファ成形材
料を調製した。

比較例１〜１２ 実施例で用いた原材料の他に、充填剤としてβ率９５％
の窒化ケイ素で、重量平均粒径７凱の粉体く窒化ケイ素
Ｅ）、重量平均粒径１５０ＪＪＪＲの粉体（窒化ケイ素
Ｆ）、粒径１５凱以下の粒子が７０重重鎖　１７− ％の粉体（窒化ケイ素Ｇ）、粒径２００凱以上の粒子が
４０重量％の粉体く窒化ケイ素Ｈ）、α率９０％の窒化
ケイ素で粒径１５ＪｉＩ′Ｒ以下の粒子が３０重量％、
粒径２００　μｍ以上の粒子が０．１重量％、重量平均
粒径４０所の粉体（窒化ケイ素■）、α率７０％の窒化
ケイ素で重量平均粒径７調の粉体（窒化ケイ素Ｊ）重量
平均粒径２０μｍのアルミナ粉体、硬化促進剤として１
，８−ジアザ−ビシクロ（５，４，、Ｑ）ウンデセン−
７（ＤＢＵ）、キュアゾールＣＮ（四国化成工業■製イ
ミダゾールの商品名）を用いて、実施例と同様に第１表
に示す１２種の比較例をつくり、トランスファ成形材料
を調製した。

上記実施例と比較例のエポキシ樹脂組成物を用いて、厚
さ１Ｍの円板を成形し、円板の熱伝導率を測定した。熱
伝導率はレーザーフラッシュ法によって求めた。得られ
た結果を第２表に示した。

更に上記実施例と比較例の成形材料を用いて、トランス
ファ成形によりバイポーラ集積回路を樹脂封止した。封
止は予熱機で９０’Ｃに加熱した成形材料を１８０°Ｃ
で２分間モールドし、その後１８０’Ｃで８時間アフタ
キュアすることにより行った。

このようにして得た樹脂封止型半導体装置について以下
に記す信頼性試験を実施した。

■　熱サイクル試験 ＋２００℃と一６５℃の２つの恒温槽を用意し、上記樹
脂封止型半導体装置台２０個を一６５℃の恒温槽に入れ
て３０分間放置した。その後取り出して常温中に５分間
放置し、次に＋２００℃の恒温槽に３０分間入れた後再
び常温中で５分間放置した。以上の操作を１サイクルと
し連続的に熱サイクル試験を実施した。熱サイクル試験
の経過に従って随時サイクルを中断し、樹脂封止型半導
体装置の特性をテスターを用いて測定し、故障の発生を
調べた。

その結果を第２表に示した。

以下余白 第２表 第３表 ■　プレッシャクツ力試験（ＰＣＴ） １２１℃、２気圧の飽和水蒸気中に上記樹脂封止型半導
体装置名２０個を放置し、素子のアルミニウム配線が水
分により腐食し、断線する故障を調べる耐湿試験を行っ
た。その結果を第３表に示した。

■　バイアスープレツシャクツ力試験（Ｂ−ＰＣＴ）１
２１℃、２気圧の飽和水蒸気中に上記樹脂封止型半導体
装置名２０個を入れ、バイアス電圧１５Ｖ印加して、素
子のアルミニウム配線が水分により腐食し、断線する故
障を調べる耐湿試験を行った。

その結果を第３表に示した。

〔発明の効果〕

以上に詳述したように、本発明のエポキシ樹脂組成物お
よびそれを用いた樹脂封止型半導体装置は高い熱伝導性
を有し、かつ耐熱サイクル特性や耐湿性などの信頼性に
も優れており、その工業価値は大である。

代理人　弁理士　則　近　憲　佑 同　　　　竹　花　喜久男

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、（ａ）エポキシ樹脂、 （ｂ）１分子中に２個以上のフェノール性水酸基を有す
   る硬化剤、 （ｃ）粒径１５μｍ以下の粒子が５０重量％以下、粒径
   ２００μｍ以上の粒子が２０重量％以下で重量平均粒径
   が１５〜１００μｍのβ型窒化ケイ素粉体および （ｄ）有機ホスフィンおよび／または有機ホスフィンオ
   キシドを含むことを特徴とするエポキシ樹脂組成物。 ２、該エポキシ樹脂がノボラック型エポキシ樹脂である
   特許請求の範囲第１項記載のエポキシ樹脂組成物。 ３、該硬化剤がノボラック型フェノール樹脂である特許
   請求の範囲第１項記載のエポキシ樹脂組成物。 ４、該β型窒化ケイ素のβ率が８０％以上である特許請
   求の範囲第１項記載のエポキシ樹脂組成物。 ５、該エポキシ樹脂組成物が、更に溶融シリカおよび／
   または結晶性シリカを含む特許請求の範囲第１項記載の
   エポキシ樹脂組成物。 ６、半導体デバイスが （ａ）エポキシ樹脂 （ｂ）１分子中に２個以上のフェノール性水酸基を有す
   る硬化剤、 （ｃ）粒径１５μｍ以下の粒子が５０重量％以下、粒径
   ２００μｍ以上の粒子が２０重量％以下で重量平均粒径
   が１５〜１００μｍのβ型窒化ケイ素粉体および （ｄ）有機ホスフィンおよび／または有機ホスフィンオ
   キシドを含むエポキシ樹脂組成物によって封止されてな
   ることを特徴とする樹脂封止型半導体装置。 ７、該エポキシ樹脂がノボラック型エポキシ樹脂である
   特許請求の範囲第６項記載の樹脂封止型半導体装置。 ８、該硬化剤がノボラック型フェノール樹脂である特許
   請求の範囲第６項記載の樹脂封止型半導体装置。 ９、該β型窒化ケイ素のβ率が８０％以上である特許請
   求の範囲第６項記載の樹脂封止型半導体装置。 １０、該エポキシ樹脂組成物が更に溶融シリカおよび／
   または結晶性シリカを含む特許請求の範囲第６項記載の
   樹脂封止型半導体装置。