JPH06326220A

JPH06326220A - 樹脂封止型半導体装置

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Publication number: JPH06326220A
Application number: JP10903393A
Authority: JP
Inventors: Hiroyoshi Kokado; 博義小角; Masaji Ogata; 正次尾形; Kuniyuki Eguchi; 州志江口; Kazuhiro Suzuki; 和弘鈴木; Toshiaki Ishii; 利昭石井
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1993-05-11
Filing date: 1993-05-11
Publication date: 1994-11-25
Anticipated expiration: 2013-10-27
Also published as: JP2816290B2

Abstract

(57)【要約】【構成】１分子当り２個以上のエポキシ基とビフェニル
骨格とを有するビフェニル型エポキシ樹脂、１分子当り
２個以上の水酸基を有するフェノールとアラルキルエー
テルとの重縮合物、有機ホスフィン系化合物の有機ボロ
ン塩、及び無機充填剤を含む樹脂組成物で封止されてい
る樹脂封止型半導体装置。【効果】耐はんだリフロー性、耐湿信頼性並びに高温放
置信頼性に優れ、特に、金ワイヤとアルミニウム電極接
合部の高温における接続信頼性が優れており、実装の高
密度化を図ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、エポキシ樹脂組成物で
封止され、特に、耐はんだリフロー性が優れた樹脂封止
型半導体装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】トランジスタ、ＩＣ、ＬＳＩ等の半導体
素子のパッケージ方式は、量産性に優れた樹脂封止方式
が広く用いられている。封止材料としては成形性、吸湿
特性及び耐熱性などに優れたｏ−クレゾールノボラック
型エポキシ樹脂に硬化剤としてフェノールノボラック樹
脂を用い、これにフィラや各種添加剤を配合したエポキ
シ樹脂組成物が広く用いられている。

【０００３】ところで、各種エレクトロニクス機器の小
型軽量化、高性能化などのニーズから、これに用いる半
導体装置は、実装の高密度化が強く要望され、最近では
高密度実装に適した表面実装型半導体装置が主流になり
つゝある。しかも、パッケージは年々小型薄型化の趨勢
にある。それに伴い樹脂封止層は著しく薄肉化してい
る。

【０００４】特に、ＴＳＯＰ（Ｔhin Ｓmall Ｏutline
Ｐackage）、ＴＳＯＪ（ＴhinＳmall Ｏutline Ｊ-lead
Ｐackage）、ＴＱＦＰ（Ｔhin Ｑuad Ｆlat Ｐackag
e）といった厚さが１ｍｍ前後の薄型表面実装型パッケ
ージの需要が増大しており、また、厚さが０.５ｍｍ以
下の超薄型表面実装型パッケージの開発も進められてい
る。

【０００５】ところが、樹脂封止層が薄くなるにつれて
パッケージ内への水の侵入が容易になり、また、樹脂層
の機械的強度が小さくなるため、パッケージは小さな力
が加わっただけで破損するようになる。また、表面実装
型半導体はプリント基板に赤外線やベーパーリフロー方
式によるはんだ付け（実装）が行われており、その際、
パッケージは２００℃以上の高温に曝される。そのため
に、パッケージが吸湿していると吸湿水分が急激に気化
し、その蒸気圧によってパッケージが膨れ、チップと封
止樹脂との界面に剥離が生じたり、パッケージにクラッ
クを生じたりする。その結果、半導体装置は素子特性が
変動したり、素子表面のアルミニウム配線が腐食したり
し易くなり、実装後の各種信頼性が低下する。

【０００６】そのため、薄肉の表面実装型の樹脂封止型
半導体装置には耐はんだリフロー性（はんだリフロー時
のパッケージの耐クラック性）の向上が強く望まれてい
る。

【０００７】前記水分のパッケージへの侵入経路には次
の二つがある。一つは、樹脂封止層からの拡散，透過、
もう一つは、リードフレームと封止材料との界面からの
浸入である。表面実装型半導体装置のパッケージに要求
される耐はんだリフロー性を向上するためには、こうし
た侵入水分の低減が極めて重要な課題である。

【０００８】上記課題を解決するため、これまで種々の
対策が検討され、特に、封止材料の低吸湿化並びに高接
着化が有効であった。例えば、特開平３−２０７７１４
号または特開平４−４８７５９号公報に提案されている
ように、ビフェニル骨格を有するエポキシ樹脂とフェノ
ールアラルキル樹脂硬化剤からなるエポキシ樹脂組成物
でパッケージを構成したり、また、特開平４−５０２２
３号、特開平４−１９９８５６号または特開平４−１９
９８５７号公報に提案されているように、ナフタレン骨
格を有する低吸湿性のエポキシ樹脂組成物でパッケージ
を構成することによって耐はんだリフロー性を大幅に改
善することが可能になった。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前記の従来技
術は、耐はんだリフロー性の改善にはかなりの効果はあ
るものゝ、封止材料自体は室温付近の比較的低温でも貯
蔵安定性が劣り、成形時には成形品内部にボイドが発生
し易いと云う欠点があり、品質の安定した成形品が得に
くかった。また、封止品を高温で放置すると、半導体素
子表面のアルミニウム電極とリードフレームとを電気的
に接続する金ワイヤとの接合部が短時間に腐食され易
く、接続信頼性が著しく劣ると云う問題があった。

【００１０】本発明の目的は、こうした状況に鑑み、ボ
イド等の内部欠陥が少なく、耐はんだリフロー性および
前記電極と金ワイヤとの接続信頼性の優れたエポキシ系
樹脂組成物で封止された樹脂封止型半導体装置を安定的
に提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明者らは前記特性に
影響を及ぼすと考えられる硬化促進剤を始めフィラ、カ
ップリング剤、離型剤等の各種添加剤、各素材の混合条
件、成形条件等について鋭意検討した。その結果、前記
課題は特定の硬化促進剤を用いることによって改善でき
ることを見出し本発明に至った。本発明の要旨は次のと
おりである。

【００１２】（ａ）一般式〔１〕

【００１３】

【化４】

【００１４】（式中、Ｒは水素原子またはメチル基を示
し互いに異なっていてもよい、ｎは０〜２の整数を示
す。）で表されるビフェニル型エポキシ樹脂、（ｂ）一
般式〔２〕

【００１５】

【化５】

【００１６】（式中、ｍは１〜１０の整数を示す。）で
表される硬化剤、（ｃ）一般式〔３〕

【００１７】

【化６】

【００１８】（式中、Ｒ¹〜Ｒ⁶はフェニル基，ブチル
基，シクロヘキサン環を示し互いに異なっていてもよ
い。）で表される硬化促進剤と、（ｄ）組成物の全体に
対して５０〜９０容量％の無機充填剤、を含むエポキシ
樹脂組成物で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。

【００１９】前記一般式〔１〕で表されるエポキシ樹脂
は、１分子当り２個以上のエポキシ基とビフェニル骨格
とを有するビフェニル型エポキシ樹脂である。なお、本
発明の目的を損なわない範囲において、半導体封止用と
して一般に使用されているビスフェノールＡ、Ｆまたは
Ｓ型エポキシ樹脂、ノボラック型エポキシ樹脂、ｏ−ク
レゾールノボラック型エポキシ樹脂、ナフタレン骨格を
有する多官能のエポキシ樹脂、トリまたはテトラ（ヒド
ロキシフェニル）アルカンのエポキシ樹脂、脂環式エポ
キシ樹脂、臭素化ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、臭
素化フェノールノボラック型エポキシ樹脂等を併用して
もよい。

【００２０】前記一般式〔２〕で表される硬化剤は、１
分子当り少なくとも２個の水酸基を有するフェノールと
アラルキルエーテルとの重縮合物であり、上記エポキシ
樹脂に対して０.５〜１.５当量、好ましくは０.８〜１.
２当量配合する。０.５当量未満では、エポキシ樹脂の
硬化が不十分となり硬化物の耐熱性、耐湿性並びに電気
特性が劣る。また、１.５当量を超えると硬化剤成分が
過剰になり硬化樹脂中に多量のフェノール性水酸基が残
るため、電気特性並びに耐湿性が悪くなる。上記硬化剤
は、本発明の目的を損なわない範囲において、フェノー
ルノボラック樹脂のようなフェノール類とアルデヒド類
との縮合物とを併用することもできる。

【００２１】前記一般式〔３〕で表される硬化促進剤
は、有機ホスフィン系化合物の有機ボロン塩である。具
体的にはトリフェニルホスフィン・トリフェニルボロ
ン、トリブチルホスフィン・トリフェニルボロン、トリ
シクロヘキシルホスフィン・トリフェニルボロン等があ
る。これらの硬化促進剤は本発明の目的を損なわない範
囲において、アミン、イミダゾールあるいはこれらの塩
類と併用することができる。

【００２２】上記硬化促進剤は通常の硬化促進剤と全く
同様に用いることができるが、成形時に発生するボイド
を低減するためには、予め、前記硬化剤に１２０℃以上
で加熱，溶解して用いることが望ましい。硬化促進剤は
エポキシ樹脂１００重量部に対して１〜１５ｍｍｏｌ、
好ましくは５〜１０ｍｍｏｌの範囲で配合するのがよ
い。

【００２３】また、樹脂組成物全体に対して５０〜９０
容量％の無機充填剤を配合する。無機充填剤は硬化物の
熱膨張係数や熱伝導率、弾性率などの改良を目的に添加
するものであり、配合量が５０容量％未満ではこれらの
特性を十分に改良できず、また、９０容量％を超えると
樹脂組成物の粘度が著しく上昇し流動性が低下して成形
が困難になる。

【００２４】無機充填剤としては溶融シリカ、結晶シリ
カ、アルミナ、炭酸カルシウム、ケイ酸ジルコニウム、
ケイ酸カルシウム、タルク、クレー、マイカ等の微粉末
を用いることができる。これらの充填剤の平均粒径は
０.１〜３０μｍの範囲が望ましく、０.１μｍ未満では
樹脂組成物の粘度が上昇し、また、３０μｍを超えると
樹脂成分と充填剤とが分離し易くなり、硬化物が不均一
になったり硬化物特性がばらついたり、狭い隙間への充
填性が低下する。

【００２５】充填剤を７５容量％以上配合する場合、充
填剤粒子は角形より球形が好ましく、且つ粒度分布が
０.１〜１００μｍと云う広範囲に分布したものが望ま
しい。このような充填剤は最密充填構造をとり易いため
配合量を増しても材料の粘度上昇が少なく、流動性の優
れた組成物を得ることができる。こうした球形の充填剤
としては、シリカ粉末を高温に加熱された炉の上部から
落下させ、途中で溶融させることによって球形化した溶
融シリカがある。

【００２６】本発明では、必要に応じて樹脂硬化物の強
靱化や低弾性率化のために可とう化剤等を用いることが
できる。可とう化剤はエポキシ樹脂組成物と非相溶のも
のが、ガラス転移温度を下げずに硬化物の低弾性率化が
図れることから、ブタジェン・アクリルニトリル系共重
合体やそれらの末端または側鎖にアミノ基、エポキシ
基、カルボキシル基を有する変性共重合体やアクリロニ
トリル・ブタジェン・スチレン共重合体などのブタジェ
ン系可とう化剤や末端または側鎖にアミノ基、水酸基、
エポキシ基、カルボキシル基等を有する変性シリコーン
系のエラストマー等が用いられるが、耐湿性や純度の点
からシリコーン系可とう化剤が特に有効である。

【００２７】可とう化剤の配合量は、全樹脂組成物に対
して２〜２０重量％が好ましい。配合量が２重量％未満
では硬化物の強靱化や低弾性率化にほとんど効果がな
い。また、２０重量％を超えると樹脂組成物の流動性や
高温の機械的強度が著しく低下したり、樹脂硬化物表面
に可とう化剤が浮き出て成形金型を汚すので好ましくな
い。

【００２８】また、上記の各種添加剤の他に、樹脂成分
と充填剤との接着性を高めるためのカップリング剤とし
ては、各種シラン系化合物、チタン系化合物、アルミニ
ウムキレート類、アルミニウム／ジルコニウム系化合物
等の公知の添加剤を用いることができる。更に、カルナ
バワックス、モンタン酸系ワックス、ポリアルキレン系
ワックス等公知の化合物を離型剤として用いてもよい。
カーボンブラック、酸化チタン、鉛丹、ベンガラ等の公
知の化合物を着色剤として用いてもよい。

【００２９】前記の各素材は、通常ミキシングロール、
押出し機、ニーダ等を用い５０〜１００℃で溶融，混練
して封止材料にすることができる。

【００３０】

【作用】本発明の半導体装置が、優れた耐はんだリフロ
ー性を示す理由は以下のにように考えられる。

【００３１】先ず、本発明に用いるビフェニル型エポキ
シ樹脂は、従来のものに比べて化学構造的に疎水性であ
り、また、硬化物は高い密度を有することから分子鎖の
パッキングが密になっているため、形成された網目構造
が水を透過させにくいものと考えられる。従って、こう
した樹脂を用いた封止材料は、それ自体が低吸湿性にな
っているものと考える。また、このような樹脂は硬化物
のガラス転移温度が低く、樹脂が柔軟性であるために、
硬化によって発生する残留応力が小さく、これを用いた
封止材料はチップやリードフレムに対する接着性が優れ
ており、これらの界面からパッケージ内に侵入する水分
量は大幅に低減されるものと考える。

【００３２】耐はんだリフロー性が著しく向上するの
は、上記のようにパッケージ内に浸入する水分量が大幅
に低減するためと考えられる。

【００３３】特に、前記一般式〔３〕で示される硬化促
進剤を用いた場合に優れた耐はんだリフロー性を示すの
は、本発明の硬化促進剤を用いたことによって封止樹脂
の分子鎖のパッキングがより密になって、吸湿率がより
小さくなり、硬化物の柔軟性が高まるために接着力がよ
り高くなるためとと考えられる。更にまた、本発明が用
いた硬化促進剤は潜在的な反応促進性を有するため樹脂
組成物の硬化時の溶融粘度を低下し、被封止体に対する
濡れ性を向上するためと考えられる。

【００３４】本発明が用いた樹脂組成物が貯蔵安定性に
も優れている理由は、硬化促進剤である有機ホスフィン
化合物の有機ボロン塩が室温付近では硬化反応をあまり
促進せず、１５０℃以上で速やかな硬化反応の促進性を
示す性質があるためである。また、この硬化促進剤は、
保管中に吸湿しても促進剤としての活性があまり変化し
ないことも理由の一つとしてに挙げられる。

【００３５】また、本発明が用いた樹脂組成物が、成形
時にボイドの発生が少ないのは、上記硬化促進剤がエポ
キシ樹脂や硬化剤中の低分子量成分と比較的低温で選択
的に反応し、樹脂が硬化する際発生する揮発成分を低減
させる効果があるためと考えられる。特に、硬化促進剤
を予め硬化剤に１２０℃以上で加熱，溶解したものは、
ボイドの発生を一層低減できるのは、上記の効果がより
顕著に現れるためではないかと考えられる。

【００３６】本発明の樹脂封止型半導体装置は、２００
℃以上の高温に放置した場合に金ワイヤとアルミニウム
電極との接合信頼性が優れているのは、硬化促進剤であ
る有機ホスフィン系化合物の有機ボロン塩が樹脂の熱分
解を抑制し、金−アルミニウム金属間化合物の腐食を促
進する遊離性ハロゲン化合物が発生しにくいためと考え
られる。

【００３７】上記の硬化促進剤がビフェニル型エポキシ
樹脂組成物からなる封止材料に対して優れた特性を付与
し、封止後の半導体装置の各種信頼性を大幅に改善する
効果があることは、まったく予想外のことである。

【００３８】

【実施例】以下、本発明を実施例を示して更に具体的に
説明する。

【００３９】〔実施例１〜６及び比較例１〜３〕表１に
示すエポキシ樹脂組成物を約６０〜８０℃に加熱した二
軸ロールで約１０分間混練した後、冷却、粉砕して封止
材料を得た。表中の実施例４〜６は硬化促進剤を予めフ
ェノールアラルキル樹脂に１４０℃，１５分間加熱，溶
融させたものである。

【００４０】表１の各種封止材料を４℃で一昼夜及び４
０℃，２０％ＲＨの雰囲気中に７日間保管後、それぞれ
１８０℃，７０ｋｇ／ｃｍ²、９０秒間の条件でトラン
スファ成形した場合の成形性、成形品の諸特性を評価し
た。結果を表２に示す。

【００４１】表中、溶融粘度は、１８０℃に加熱した高
化式フローテスターの金型のノズル（内径１ｍｍφ×長
さ１０ｍｍ）から２ｇの封止材料を荷重０.９８ＭＰａ
で押し出した時の最大流速から計算で求めた。

【００４２】スパイラルフローはＥＭＭＩ−１−６６に
定められたスパイラルフロー測定用金型をトランスファ
ー成形機の上下熱板間に挟持し、２０ｇの封止材料を上
記条件で成形したときの成形品の長さで評価した。

【００４３】熱時硬度は直径２０ｍｍφの円板をトラン
スファ成形して成形金型が開いた直後の硬度をバーコル
硬度計で測定した。

【００４４】成形品の内部ボイドは上記の直径２０ｍｍ
φの円板をソフトＸ線透視装置で観察して評価した。

【００４５】飽和吸湿率は直径９０ｍｍφ×厚さ２ｍｍ
の円板をポリテトラフルオロエチレン−ＳＵＳの二重圧
力容器に入れて、６０℃／１００％ＲＨの雰囲気中で２
４０時間吸湿させた時の吸湿率とした。

【００４６】図１、図２には各封止材料を温度４０℃，
湿度２０％ＲＨの恒温恒湿槽に所定時間保管した時の流
動性（スパイラルフロー）の経時変化を示した。

【００４７】表２及び図１，図２より、本実施例の封止
材料は貯蔵安定性が優れ、ボイドの発生が少なく成形性
が良好であり、成形品は低吸湿、高接着性であることが
分かる。

【００４８】

【表１】

【００４９】

【表２】

【００５０】次に、上記の直径９０ｍｍφ×厚さ２ｍｍ
の円板を１８０℃の恒温槽中で所定時間加熱して劣化さ
せた後、ミル粉砕機ＴＩ−１００型（ＨＥＩＫＯ社製）
で粉砕した。その微粉末５ｇを純水５０ｍｌと共にポリ
テトラフルオロエチレン−ＳＵＳの二重圧力容器に入れ
て、１２０℃，３００時間加熱し、純水に抽出された遊
離性ハロゲンイオンをイオンクロマトグラフ１０型（Ｄ
ｉｏｎｅｘ社製）で測定した。その結果を表３に示す。
抽出量は成形品の単位重量当りに換算して表示した。

【００５１】表３より、本実施例の封止品は初期及び加
熱劣化後共に、成形品から抽出されるハロゲンイオン量
が少ない。

【００５２】

【表３】

【００５３】次に、表面にアルミニウムのジクザク配線
を形成したシリコンチップ（６ｍｍ×６ｍｍ）を４２ア
ロイ系のリードフレームに搭載し、更に，チップ表面の
アルミニウム電極とリードフレーム間を金線（３０μｍ
φ）でワイヤボンディングした後、全体を表１の実施例
４，５及び比較例１〜３の材料を用いて前記の条件で封
止し、１８０℃で５時間の後硬化を行い、表面実装型の
ＱＦＰ−ＩＨを作成した。各半導体装置の耐はんだリフ
ロー性、耐湿信頼性、高温放置信頼性試験を行った。

【００５４】耐はんだリフロー性試験は、上記の樹脂封
止型半導体装置を８５℃／８５％ＲＨ下にて１６８時間
放置後、２４０℃の赤外線リフロー炉中で９０秒間加熱
する試験を行い、パッケージのクラック発生数を調べ
た。

【００５５】耐湿信頼性試験は、上記半導体装置を６５
℃，９５％ＲＨの恒温恒湿槽中に７２時間放置後、２１
５℃／９０秒間のベーパーリフロー処理を行い、更に、
塩水に浸漬後、６５℃，９５％ＲＨの条件下で５００時
間放置した後、アルミニウム腐食が発生した素子数を調
べた。

【００５６】高温放置信頼性試験は、上記半導体装置を
２００℃の高温槽中に２００時間放置し、金ワイヤとア
ルミニウム配線の接合部の接続不良を調べた。これらの
結果をまとめて表４に示す。

【００５７】表４より本実施例の半導体装置は、耐はん
だリフロー性、耐湿性、高温放置特性などの信頼性が非
常に優れていることが分かる。

【００５８】

【表４】

【００５９】上記各実施例の封止材料は貯蔵安定性、成
形性に優れ、また、吸湿性、接着性にも優れている。ま
た、その成形品を加熱劣化後、純水により抽出した遊離
性ハロゲンイオンの量も少なく、封止した半導体装置は
各種信頼性が優れている。

【００６０】

【発明の効果】本発明の樹脂封止型半導体装置は、耐は
んだリフロー性、耐湿信頼性並びに高温放置信頼性に優
れ、特に、金ワイヤとアルミニウム電極接合部の高温に
おける接続信頼性が優れており、実装の高密度化を図る
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１〜３と比較例で用いた各封止材料の４
０℃，２０％ＲＨ中での保管日数と流動性（スパイラル
フロー）との関係を示すグラフである。

【図２】実施例４〜６と比較例で用いた各封止材料の４
０℃，２０％ＲＨ中での保管日数と流動性（スパイラル
フロー）との関係を示すグラフである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者鈴木和弘茨城県日立市大みか町７丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者石井利昭茨城県日立市大みか町７丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】（ａ）一般式〔１〕【化１】（式中、Ｒは水素原子またはメチル基を示し互いに異な
っていてもよい、ｎは０〜２の整数を示す。）で表され
るビフェニル型エポキシ樹脂、（ｂ）一般式〔２〕【化２】（式中、ｍは１〜１０の整数を示す。）で表される硬化
剤、（ｃ）一般式〔３〕【化３】（式中、Ｒ¹〜Ｒ⁶はフェニル基，ブチル基，シクロヘキ
サン環を示し互いに異なっていてもよい。）で表される
硬化促進剤と、（ｄ）組成物の全体に対して５０〜９０容量％の無機充
填剤、を含むエポキシ樹脂組成物で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。
【請求項２】前記一般式〔２〕で表される硬化剤は、
前記一般式〔１〕で示されるエポキシ樹脂に対して０.
５〜１.５当量配合されている請求項１に記載の樹脂封
止型半導体装置。
【請求項３】前記一般式〔３〕で表される硬化促進剤
は、予め前記（ｂ）の硬化剤に溶解されて配合されたエ
ポキシ樹脂組成物を用いた請求項１または２に記載の樹
脂封止型半導体装置。
【請求項４】前記一般式〔３〕で表される硬化促進剤
は、前記一般式〔１〕で示されるエポキシ樹脂１００重
量部に対して１〜１５ｍｍｏｌ配合されている請求項
１，２または３に記載の樹脂封止型半導体装置。
【請求項５】前記無機充填剤は、粒度分布０.１〜１
００μｍの球形の充填剤である請求項１〜４のいずれか
に記載の樹脂封止型半導体装置。