JP2506220B2

JP2506220B2 - 半導体装置

Info

Publication number: JP2506220B2
Application number: JP2160464A
Authority: JP
Inventors: 富士夫北村; 一雅五十嵐; 徳長沢; 英之薄井; 稔中尾; 英人木村
Original assignee: Nitto Denko Corp
Current assignee: Nitto Denko Corp
Priority date: 1990-06-19
Filing date: 1990-06-19
Publication date: 1996-06-12
Anticipated expiration: 2011-06-12
Also published as: JPH0451548A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕この発明は、耐熱衝撃信頼性および耐湿信頼性の双方
に優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,LC,LSI等の半導体素子は、外部環境の
保護の観点および素子のハンドリングを可能にする観点
から、プラスチツクパツケージ等により封止され半導体
装置化されている。この種のパツケージの代表例として
は、デユアルインラインパツケージ（DIP）がある。こ
のDIPは、ピン挿入型のものであり、実装基板に対して
ピンを挿入することにより半導体装置を取り付けるよう
になつている。

最近は、LSIチツプ等の半導体装置の高集積化と高速
化が進んでおり、加えて電子装置を小形で高機能にする
要求から、実装の高密度化が進んでいる。このような観
点からDIPのようなピン挿入型のパツケージに代えて、
表面実装用パツケージが主流になつてきている。この種
のパツケージを用いた半導体装置においては、平面的に
ピンを取り出し、これを実装基板表面に直接半田等によ
つて固定するようになつている。このような表面実装型
半導体装置は、平面的にピンが取り出せるようになつて
おり、薄い，軽い，小さいという利点を備えており、し
たがつて実装基板に対する占有面積が小さくてすむとい
う利点を備えている他、基板に対する両面実装も可能で
あるという長所をも有している。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところが、上記のような表面実装用のパツケージを用
いた半導体装置において表面実装前にパツケージ自体が
吸湿している場合には、半田実装時に水分の蒸気圧によ
つて、パツケージにクラツクが生じるという問題があ
る。すなわち、第１図に示すような表面実装型半導体装
置において、水分は矢印Ａのように封止樹脂１を通つ
て、パツケージ３内に侵入し、主としてSi−チツプ７の
表面やダイボンドパツド４の裏面に滞溜する。そして、
ベーパーフエーズソルダリング等の半田表面実装を行う
際に、上記滞溜水分が、上記半田実装における加熱によ
り気化し、その蒸気圧により、第２図に示すように、ダ
イボンドパツド４の裏面の樹脂部分を下方に押しやり、
そこに空隙５をつくると同時にパツケージ３にクラツク
６を生じさせる。第１図および第２図において、８はボ
ンデイングワイヤーである。

このような問題に対する解決策として、半導体素子を
パツケージで封止した後、得られる半導体装置全体を防
湿梱包し、表面実装の直前に開封して使用する方法や、
表面実装の直前に上記半導体装置を100℃24時間乾燥さ
せ、その後半田実装を行うという方法が提案され、すで
に実施されている。しかしながら、このような前処理方
法によれば、製造工程が長くなる上、手間がかかるとい
う問題がある。

一方、封止樹脂の低吸湿性を向上させるために、半導
体封止用エポキシ樹脂組成物として、例えば、下記の一
般式（III）で表される骨格を有するビフエノール型エ
ポキシ樹脂と、下記の一般式（IV）で表されるフエノー
ル樹脂を硬化剤成分として用いるエポキシ樹脂組成物を
用いたものが提案されている。

しかしながら、上記エポキシ樹脂組成物を用い半導体
素子を封止すると、封止樹脂の吸湿率は低減するが、半
田実装後の耐湿信頼性が劣化してしまう。

この発明は、このような事情に鑑みなされたもので、
電子機器への実装に際して前処理を必要とせず、かつ半
田実装時の加熱に耐えうる低応力性に優れ、しかも耐湿
信頼性に富んだ半導体装置の提供をその目的とする。

〔課題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）成分を含有しているエポキシ
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）下記の一般式（Ｉ）で表されるシラン化合物と、
下記の一般式（II）で表されるフエノールアラルキル樹
脂とを予備反応させることにより得られる反応生成物。

（Ｘ_n+1SiＹ）_3-n …（Ｉ）（Ｃ）有機ホスフイン化合物および有機ホスホニウム化
合物の少なくとも一方。

〔作用〕

パツケージクラツクの発生を防止する方法としては、
封止樹脂に対する吸湿を抑制する、ダイボンドパツ
ドの裏面および半導体素子の表面と、封止樹脂との間の
接着力を高める、封止樹脂自体の強度を高めるという
三つの方法が考えられる。この発明は、上記の方法に
もとづき、封止樹脂の吸水率を大幅に低減させ封止樹脂
に対する吸湿を抑制させるようにするとともに、上記
の方法にもとづき半導体素子の表面と封止樹脂との間の
接着力を高めるようにすることによりパツケージ自体の
耐湿性の向上および封止状態の接着強度の向上を意図す
るものである。特に、エポキシ樹脂〔（Ａ）成分〕の種
類に関わらずに、耐湿性および接着強度の向上を意図す
るものである。そのため、上記一般式（Ｉ）のシラン化
合物と、上記一般式（II）のフエノール樹脂との反応生
成物と、有機ホスフイン化合物および有機ホスホニウム
化合物の片方もしくは双方を用いるものであり、それに
より、半田実装におけるような高温下（215〜260℃）で
の封止樹脂の耐パツケージクラツク性と耐湿信頼性の大
幅な向上を実現できる。

この発明に用いるエポキシ樹脂組成物は、エポキシ樹
脂（Ａ成分）と、前記一般式（Ｉ）のシラン化合物およ
び前記一般式（II）のフエノール樹脂との予備反応生成
物（Ｂ成分）と、有機ホスフイン化合物および有機ホス
ホニウム化合物（Ｃ成分）を用いて得られるものであつ
て、通常、粉末状もしくはそれを打錠したタブレツト状
になつている。

上記エポキシ樹脂（Ａ成分）としては、ビフエニル骨
格を有するエポキシ樹脂や、通常用いられるクレゾール
ノボラツク型，フエノールノボラツク型，ノボラツクビ
スＡ型，ビスフエノールＡ型等の各種エポキシ樹脂があ
げられる。なかでも、上記ビフエニル骨格を有するエポ
キシ樹脂を用いるのが好適であり、この特殊なエポキシ
樹脂は、下記の一般式（Ｖ）で表される。

また、上記フエノールノボラツク型エポキシ樹脂として
は、通常、エポキシ当量150〜250,軟化点50〜130℃のも
のが用いられ、クレゾールノボラツク型エポキシ樹脂と
しては、エポキシ当量180〜210,軟化点60〜110℃のもの
が一般に用いられる。そして、上記一般式（Ｖ）で表さ
れる特殊なエポキシ樹脂は、それ単独で用いてもよい
し、上記通常用いられるエポキシ樹脂と併用してもよ
い。この場合、両者の併用割合は、特殊なエポキシ樹脂
100重量部（以下「部」と略す）に対して通常用いられ
るエポキシ樹脂200部までであり、好適には０〜100部の
範囲内である。

上記特殊な反応生成物（Ｂ成分）は、下記の一般式
（Ｉ）で表される特定のシラン化合物と、下記の一般式
（II）で表される特定のフエノール樹脂とを予備反応さ
せることにより得られるものであり、上記エポキシ樹脂
（Ａ成分）の硬化剤として作用する。

（Ｘ_n+1SiＹ）_3-n …（Ｉ）すなわち、上記特殊な反応生成物は、上記一般式
（Ｉ）で表される特定のシラン化合物の有機基Ｘおよび
アルコキシ基Ｙが、一般式（II）で表される特定のフエ
ノール樹脂中のOH基と反応し、脱アルコールすることに
より得られる。

上記一般式（Ｉ）で表される特定のシラン化合物とし
ては、シランカツプリング剤があげられ、具体的には、
Ｎ−（２−アミノエチル）−３−アミノプロピルメチル
ジメトキシシラン、Ｎ−（２−アミノエチル）−３−ア
ミノプロピルトリメトキシシラン、３−アミノプロピル
トリメトキシシラン、３−アミノプロピルトリエトキシ
シラン、N,N−ビス〔（メチルジメトキシシリル）プロ
ピル〕アミン、N,N−ビス〔３−（メチルジメトキシシ
リル）プロピル〕エチレンジアミン、N,N−ビス〔３−
（トリメトキシシリル）プロピル〕アミン、N,N−ビス
〔３−（トリメトキシシリル）プロピル〕エチレンジア
ミン、３−（N,N−ジグリシジル）アミノプロピルトリ
メトキシシラン、Ｎ−グリシジル−N,N−ビス〔３−
（メチルジメトキシシリル）プロピル〕アミン、Ｎ−グ
リシジル−N,N−ビス〔３−（トリメトキシシリル）プ
ロピル〕アミン、３−グリシドキシプロピルメチルジメ
トキシシラン、３−グリシドキシプロピルトリメトキシ
シラン、３−メルカプトトリメトキシシラン、３−メル
カプトプロピルトリメトキシシラン、Ｎ−〔（３−トリ
メトキシシリル）プロピル〕ジエチレントリアミン、Ｎ
−〔（３−トリメトキシシリル）プロピル〕トリエチレ
ンテトラアミン、Ｎ−３−トリメトキシシリルプロピル
−ｍ−フエニレンジアミン等があげられる。

上記一般式（II）で表される特定のフエノール樹脂
は、アラルキルエーテルとフエノールとをフリーデルク
ラフツ触媒で反応させることにより得られる。一般に、
α，α′−ジメトキシ−ｐ−キシレンとフエノールモノ
マーの縮合重合化合物が知られている。そして、上記特
定のフエノール樹脂としては、軟化点70〜110℃，水酸
基当量150〜220を有するものを用いるのが好ましい。上
記反応生成物は、それ自体で硬化剤成分を構成してもよ
いし、それ以外の通常用いられるフエノール樹脂と併用
しても差し支えはない。前者の場合には、硬化剤成分の
全部が上記反応生成物で構成され、後者の場合は硬化剤
成分の一部が上記反応生成物で構成されることとなる。
上記通常用いられるフエノール樹脂としては、フエノー
ルノボラツク，クレゾールノボラツク等があげられる。
これらノボラツク樹脂としては、軟化点が50〜110℃，
水酸基当量が70〜150のものを用いることが望ましい。
上記反応生成物と、このような通常のフエノール樹脂と
を併用する場合には、上記反応生成物を硬化剤成分全体
の50重量％（以下「％」と略す）以上の割合に設定する
のが好ましく、特に好ましくは70％以上である。そし
て、上記反応生成物（通常のフエノール樹脂を含む）の
配合割合は、上記エポキシ樹脂（Ａ成分）中のエポキシ
基１当量当たり上記反応生成物中の水酸基が0.7〜1.3当
量となるように配合することが好適である。より好適な
のは0.8〜1.2当量である。

上記特定のシラン化合物と特定のフエノール樹脂とか
らなる反応生成物は、例えばつぎのようにして得られ
る。すなわち、上記特定のシラン化合物および特定のフ
エノール樹脂を撹拌装置付きの反応容器に適宜配合し、
120〜180℃に、特に好ましくは130〜150℃に昇温させ両
者を反応させて反応生成物を作製する。つぎに、この反
応で生成したアルコールを130〜180℃の条件下で脱気等
により系外に除去することにより得られる。

また、上記エポキシ樹脂（Ａ成分）および特殊な反応
生成物（Ｂ成分）とともに用いられる有機ホスフイン化
合物および有機ホスホニウム化合物の下方もしくは双方
（Ｃ成分）は、硬化促進剤として作用するものである。
具体的には、有機ホスフイン化合物としては、トリフエ
ニルホスフイン，トリブチルホスフイン，メチルジフエ
ニルホスフイン等があげられ、有機ホスホニウム化合物
としては、テトラフエニルホスホニウムテトラフエニル
ボレート，テトラブチルホスホニウムテトラブチルボレ
ート等があげられる。このようなＣ成分の配合量として
は、エポキシ樹脂組成物全体の0.1〜２％の範囲内に設
定することが好ましい。

なお、この発明に用いるエポキシ樹脂組成物には、上
記エポキシ樹脂（Ａ成分），特殊な反応生成物（Ｂ成
分）および有機ホスフイン化合物および有機ホスホニウ
ム化合物の片方もしくは双方（Ｃ成分）以外に、必要に
応じて硬化促進剤，無機質充填剤，難燃剤，カツプリン
グ剤，ワツクス等が用いられる。

上記Ｃ成分以外の硬化促進剤としては、アミン系化合
物等があげられる。

上記無機質充填剤としては、結晶性および溶融性フイ
ラーはもちろんのこと、酸化アルミニウム，酸化ベリリ
ウム，炭化ケイ素，窒化ケイ素等があげられる。

上記硬化促進剤としては、アミン系，リン系，ホウ素
系，リン−ホウ素系等の硬化促進剤があげられ、単独で
もしくは併せて使用される。

上記難燃剤としては、ノボラツク型ブロム化エポキシ
もしくはビスＡ型エポキシ、三酸化アンチモンおよび五
酸化アンチモン等の化合物を適宜単独でもしくは併せて
使用することが行われる。

上記カツプリング剤としては、グリシジルエーテルタ
イプ，アミンタイプ，メルカプトタイプ，ウレアタイプ
等のメトキシないしはエトキシシランが、適宜に単独で
もしくは併せて用いられる。その使用方法としては、充
填剤に対して、ドライブレンドしたり、予備加熱反応さ
せたり、あるいは有機成分原料に対して予備混合させた
りして事由に用いられる。

上記ワツクスとしては、高級脂肪酸，高級脂肪酸エス
テル，高級脂肪酸カルシウム等の化合物があげられ、単
独でもしくは併せて使用される。

なお、この発明に用いられるエポキシ樹脂組成物に
は、上記添加剤以外にシリコーンオイルおよびシリコー
ンゴム，合成ゴム等のゴム成分を配合して低応力化を図
つたり、耐湿信頼性テストにおける信頼性向上を目的と
してハイドロタルサイト等で示されるイオントラツプ剤
を配合してもよい。

この発明に用いられるエポキシ樹脂組成物は、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、予め上記特定のシラン化合物および特定のフエノー
ル樹脂とを前記条件で予備反応させることにより反応生
成物（Ｂ成分）を作製する。つぎに、この反応生成物，
上記エポキシ樹脂（Ａ成分）および有機ホスフイン化合
物および有機ホスホニウム化合物の片方もしくは双方
（Ｃ成分）を適宜配合し予備混合した後、ミキシングロ
ール機等の混練機にかけ加熱状態で混練して溶融混合
し、これを室温に冷却した後、公知の手段によつて粉砕
し、必要に応じて打錠するという一連の工程により製造
することができる。

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、通常のトランス
フア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は、エポキシ樹脂
組成物中に含まれるエポキシ樹脂（Ａ成分），前記一般
式（Ｉ）のシラン化合物と一般式（II）のフエノール樹
脂との予備反応生成物（Ｂ成分），有機ホスフイン化合
物および有機ホスホニウム化合物の片方もしくは双方
（Ｃ成分）の作用により、上記エポキシ樹脂（Ａ成分）
の種類に関わらず、封止樹脂自体の低吸湿化が実現され
ており、また半導体素子と封止樹脂との接着強度も向上
しているため、耐熱衝撃性および耐湿信頼性の双方に優
れ、半田実装に際してもパツケージクラツク等が生ずる
ことがない。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明の半導体装置は、上記エポキ
シ樹脂（Ａ成分），特殊な予備反応生成物（Ｂ成分）お
よび有機ホスフイン化合物および有機ホスホニウム化合
物の片方もしくは双方（Ｃ成分）とを含有するエポキシ
樹脂組成物を用いて半導体素子樹脂封止して構成されて
いるため、エポキシ樹脂（Ａ）成分の種類に関わらず、
半導体素子と封止樹脂との接着強度に優れ、半田実装に
おけるような過酷な条件下においてもパツケージクラツ
クが生ずることなく、優れた耐湿信頼性を備えている。

次に、実施例について比較例と併せて説明する。

まず、実施例に先立つて下記の第１表に示す化合物を
準備した。

つぎに、上記第１表のフエノール樹脂C,Dおよびシラ
ン化合物E,F,Gを下記の第２表に示す割合で配合し、撹
拌装置付きの反応容器に投入して同表に示す反応条件で
予備反応させて、脱気（170℃）することにより反応生
成物Ｍ〜Ｒを作製した。

〔実施例１〜８、比較例１〜３〕上記反応生成物Ｍ〜Ｒおよび前記第１表に示す化合物
を用い、これらを下記の第３表に示す割合で配合し、ミ
キシングロール機にかけて100℃で10分間混練し、シー
ト状組成物を得た。ついで、得られたシート状組成物を
粉砕し、目的とする粉末のエポキシ樹脂組成物を得た。

つぎに、実施例１〜８および比較例１〜３で得られた
粉末状のエポキシ樹脂組成物を用いて半導体素子をトラ
ンスフアー成形でモールドすることにより半導体装置を
得た。この半導体装置は、80ピン四方向フラツトパツケ
ージ（QFP）（20mm×14mm×厚み2.5mm）で、7mm×7mmの
ダイボンドプレート,6.5mm×6.5mmのチツプサイズを有
するものである。このようにして得られた半導体装置に
ついて、260℃の半田浸漬を行いパツケージクラツクが
発生するまでの85℃/85％RH下での限界吸湿時間を測定
した。また、モデル半導体素子を上記と同様にトランス
フアー成形でモールドすることにより得られた半導体装
置を用い、温度130℃,85％RHのプレツシヤークツカー雰
囲気下において、20Vの直流電圧を加えるプレツシヤー
クツカーバイアス試験（PCBTテスト）を時間を５段階に
変えて行い、その結果、アルミニウム電極の腐食による
断線の生じたものを不良とし、その累積不良率（％）を
測定した。つぎに、上記エポキシ樹脂組成物を用いて、
厚み3mm×直径50mmの円板状の硬化物を作製（硬化条件:
180℃×５時間）し、この円板状の硬化物について85℃
×85％RH下で500時間吸湿させて飽和吸湿率を測定し
た。さらに、硬化物の曲げ強度をJIS−Ｋ−6911,5.17に
準じて260℃下で測定した。ついで、半導体素子と硬化
物の接着力を測定した。これらの結果を下記の第２表に
示した。なお、上記接着力は、つぎのようにして測定し
た。すなわち、第３図（Ａ）および（Ｂ）に示すよう
に、上面が直径ａ＝11mmおよび下面が直径ｂ＝9mmで、
高さｈ＝10mmの円錐状硬化物10を作製し、この円錐状硬
化物10の上面の中心に2mm×2mm×厚み0.4mmの半導体素
子11を搭載した。そして、この円錐状硬化物10と半導体
素子11とのせん断接着力を測定した。

第４表の結果から、比較例１品は飽和吸湿率は低く限
界吸湿時間は長いが、PCBTテストによる累積不良率が10
0時間以上で高い。また、比較例２品は半導体素子接着
力が低く、限界吸湿時間も短い。そして、比較例３品は
飽和吸水率が非常に高く、限界吸湿時間も短い。さら
に、累積不良率が100時間以上で高くなつている。これ
に対して、実施例品は、高い接着力を有し、飽和吸水率
も低くかつ限界吸湿時間も長い。さらに、累積不良率も
非常に低い。したがつて、実施例品は耐湿信頼性に優
れ、かつ半田浸漬時の耐熱衝撃信頼性に優れていること
がわかる。

【図面の簡単な説明】第１図および第２図は従来の半導体装置のパツケージク
ラツク発生状況を説明する縦断面図、第３図（Ａ）は実
施例および比較例での半導体素子とエポキシ樹脂組成物
の硬化物との接着力の測定方法を説明する平面図、第３
図（Ｂ）はその正面図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者薄井英之大阪府茨木市下穂積１丁目１番２号日東電工株式会社内 (72)発明者中尾稔大阪府茨木市下穂積１丁目１番２号日東電工株式会社内 (72)発明者木村英人大阪府茨木市下穂積１丁目１番２号日東電工株式会社内 (56)参考文献特開平３−215583（ＪＰ，Ａ) 特開昭59−67660（ＪＰ，Ａ) 特開昭59−105018（ＪＰ，Ａ) 特開平３−174745（ＪＰ，Ａ) 特開平３−174744（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】下記の（Ａ）〜（Ｃ）成分を含有している
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）下記の一般式（Ｉ）で表されるシラン化合物と、
下記の一般式（II）で表されるフエノール樹脂とを予備
反応させることにより得られる反応生成物。（Ｘ_n+1SiＹ）_3-n …（Ｉ）〔上記式（II）において、ｍは０または正の整数であ
る。〕（Ｃ）有機ホスフイン化合物および有機ホスホニウム化
合物の少なくとも一方。
【請求項２】（Ａ）成分であるエポキシ樹脂が、下記の
一般式（Ｖ）で表されるビフエニル型エポキシ樹脂であ
る請求項（１）記載の半導体装置。
【請求項３】一般式（Ｉ）で表されるシラン化合物が、
３−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン,3−アミ
ノプロピルトリメトキシシランおよび３−メルカプトト
リメトキシシランからなる群から選ばれた少なくとも一
つのシラン化合物である請求項（１）または（２）記載
の半導体装置。
【請求項４】下記の（Ａ）〜（Ｃ）成分を含有している
半導体封止用エポキシ樹脂組成物。（Ａ）エポキシ樹脂。（Ｂ）下記の一般式（Ｉ）で表されるシラン化合物と、
下記の一般式（II）で表されるフエノール樹脂とを予備
反応させることにより得られる反応生成物。（Ｘ_n+1SiＹ）_3-n …（Ｉ）〔上記式（II）において、ｍは０または正の整数であ
る。〕（Ｃ）有機ホスフイン化合物および有機ホスホニウム化
合物の少なくとも一方。
【請求項５】（Ａ）成分であるエポキシ樹脂が、下記の
一般式（Ｖ）で表されるビフエニル型エポキシ樹脂であ
る請求項（４）記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成
物。