DE4036096A1 - Kunstharzversiegelte halbleitervorrichtung - Google Patents

Kunstharzversiegelte halbleitervorrichtung

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wire
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corrosion
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Tadao Nishimori
Hiromasa Matsuoka
Kozo Shimamoto
Kiyoaki Tsumura
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Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Halbleitervorrichtung, die mit Harz bzw. Kunstharz versiegelt ist, und im besonderen auf eine kunstharzversiegelte Halbleitervorrichtung, die dahingehend verbessert wurde, daß eine Korrosion des Kupferdrahtes, der ein Halbleiterelement mit einem Anschlußbein verbindet, vermieden wird.
Die Fig. 1 ist eine Schnittansicht einer kunstharzversiegelten Halbleitervorrichtung. Ein Halbleiterelement 4 ist auf einer doppelten Anschlußfläche 5 mit dem Kleber 6, der aus Lot oder Kunstharz bestehen kann, befestigt. Eine Aluminiumelektroden- Anschlußfläche 41 ist an einem Bereich des Halbleiterelements 4 vorgesehen. Ein Anschlußbein 8 wird in der unmittelbaren Umgebung des Halbleiterelements 4 plaziert. Das Anschlußbein 8 und die Aluminiumelektroden-Anschlußfläche 41 sind durch einen Kupferdraht 7 elektrisch leitend verbunden. Die doppelte Anschlußfläche 5, das Halbleiterelement 4, der Kupferdraht 7 und ein Teil des Anschlußbeins 8 sind mit einer Epoxidharzverbindung 9 versiegelt.
Eine herkömmliche kunstharzversiegelte Halbleitervorrichtung mit dem vorerwähnten Aufbau weist die folgenden Probleme auf. Eine Lücke wird zwischen der Epoxidharzverbindung 9 zum Versiegeln und dem Anschlußbein 8 gebildet. Eine weitere Lücke bildet sich an dem Übergang zwischen Epoxidharzverbindung 9 und dem Halbleiterelement 4. Durch diese Lücke dringt Feuch­ tigkeit von außen ein und korrodiert die Aluminiumelektroden- Anschlußfläche 41 auf dem Halbleiterelement 4 sowie den Kupferdraht 7. Diese Korrosion führt zu Fehlern, wie einer Unterbrechung des Kupferdrahtes 7.
Der Grund für diese Korrosion wird mit dem Zusammenwirken der oben erwähnten Feuchtigkeit mit ionalen Unreinheiten, die im Harz enthalten sind, begründet, sowie mit dem Auftreten von organischen Säuren, die im Harz enthalten sind.
Bei einer herkömmlichen Halbleitervorrichtung vom mit Kunst­ harz versiegelten Typ, wird eine Epoxidharzverbindung, die in bezug auf Wärmebeständigkeit und Feuchtigkeitsbeständigkeit überlegen ist, als Versiegelungsmittel benutzt. Chloridionen, die zum Zeitpunkt der Herstellung beigegeben werden, oder Brom, welches von dem bromierten Epoxidharz stammt, das als Flammhemmstoff benutzt wird, sind im Epoxidharz enthalten. Diese Halogene interagieren mit der Feuchtigkeit, die in das versiegelnde Harz eintritt, während sie sich ausbreiten und den Aluminiumdraht der Halbleitervorrichtung korrodieren.
Von der organischen Säure im versiegelnden Harz, wie Ameisen­ säure und Essigsäure, ist bekannt, daß sie den Aluminiumdraht korrodiert.
Diverse Verfahren sind vorgeschlagen worden, um die oben er­ wähnte Korrosion des Aluminiums zu unterdrücken.
Die Japanische Offenlegungsschrift Nr. 60-38 847 offenbart eine Halbleitervorrichtung vom mit Kunstharz versiegelten Typ, in welcher die Konzentration von organischen Säureionen, wie Ameisensäure und Essigsäure, weniger als 20 ppm beträgt. Dies ist ein Vorschlag, mit dem die Korrosion von Aluminiumdraht verhindert werden soll, indem die organischen Säureionen im Harz vermindert werden.
Die Japanische Offenlegungsschrift Nr. 60-80 259 offenbart eine Halbleitervorrichtung, die mit einer Harzverbindung versiegelt wird, welche polyfunktionale Epoxidharzverbindungen und Molyb­ dat enthält.
Die Japanische Offenlegungsschrift Nr. 60-84 322 offenbart eine Harzverbindung, die polyfunktionale Epoxidharzverbindungen und Diphenyl-Tetrakarbonsäureanhydrid zum Versiegeln der Halbleiter enthält.
Die Japanische Offenlegungsschrift Nr. 62-1 50 860 offenbart eine Halbleitervorrichtung, bei der das Halbleiterelement und die Drähte zu den Anschlußbeinen mit einem Material beschichtet sind, welches gewisse Zusammensetzungen vom organischen Phosphattyp oder Amintyp enthält.
Die Japanische Offenlegungsschrift Nr. 62-2 07 319 offenbart eine flammhemmende Epoxidharzverbindung, die anorganisches und bromiertes Ionenaustauschharz vom Wismuttyp zum Versiegeln der Halbleitervorrichtung beinhaltet. Die Japanische Offenlegungsschrift Nr. 62-2 85 912 offenbart eine Harzverbindung mit einem Ionenfänger zum Versiegeln des Halbleiters, welcher Halogen-Ionen, Alkalimetall-Ionen und Ionen von organischen Säuren einfängt.
Die Japanische Offenlegungsschrift Nr. 63-17 925 offenbart eine Epoxidharzverbindung zum Versiegeln des Halbleiters, die Sil­ bersalz einer organischen Säure und/oder Bleisalz einer organischen Säure beinhaltet.
Die Japanische Offenlegungsschrift Nr. 61-19 625 offenbart eine Epoxidharzverbindung zum Versiegeln des Halbleiters, der ein Verbindungsstoff vom Hydrotalzit-Typ zugesetzt wurde.
Die Japanische Offenlegungsschrift Nr. 60-1 90 453 offenbart eine Harzverbindung zum Versiegeln des Halbleiters, die Eisensäure, Zirkonsäure, Titansäure und hydrierte Wismut- Trioxidsäure beinhaltet.
Der gesamte oben beschriebene Stand der Technik erreicht die Unterdrückung einer Korrosion von Aluminiumdraht bei einer re­ lativ niedrigen Temperatur, während die Unterdrückung in Hin­ blick auf das Auftreten von Korrosion von Aluminiumdraht in einer Hochtemperaturumgebung nirgendwo erwähnt ist.
Da eine Halbleitervorrichtung bei Benutzung Wärme erzeugt, steigt die Temperatur der gesamten Vorrichtung. Dieser Temperaturanstieg hat eine große Auswirkung auf die Zuverlässigkeit der Halbleitervorrichtung. Da Golddraht als Anschlußbein bei herkömmlichen Halbleitervorrichtungen benutzt wird, gibt es keinerlei Korrosion am Golddraht selbst und an der Verbindungsstelle zwischen Golddraht und Aluminiumelektroden-Anschlußfläche, nicht einmal in einer Hochtemperaturumgebung. Folglich gab es keine Schwierigkeiten. Wenn allerdings der preiswertere Kupferdraht anstelle von Golddraht benutzt wird, entsteht das Problem der Korrosion am Kupferdraht bei einer hohen Temperatur (170-220°C).
Unter diesen Gesichtspunkten ist daher ein Ziel der vorliegen­ den Erfindung, eine in bezug auf Wärmebeständigkeit und Feuch­ tigkeitsbeständigkeit in einer Hochtemperaturumgebung überle­ gene kunstharzversiegelte Halbleitervorrichtung zu schaffen.
Insbesondere soll eine Halbleitervorrichtung vom kunstharzver­ siegelten Typ geschaffen werden, die dahingehend verbessert ist, daß auf dem Draht, der das Halbleiterelement mit dem An­ schlußbein elektrisch leitend verbindet, in einer Hochtempera­ turumgebung keine Korrosion auftritt.
Vorzugsweise soll eine Halbleitervorrichtung vom kunstharzver­ siegelten Typ dahingehend verbessert sein, daß der Kupfer­ draht, der das Halbleiterelement mit dem Anschlußbein elek­ trisch leitend verbindet, in einer Hochtemperaturumgebung nicht korrodiert.
Vorzugsweise soll der Aluminiumdraht, der im Halbleiterelement enthalten ist, in einer Hochtemperaturumgebung nicht korrodie­ ren.
Es wurde das Problem der Lösung der Korrosion des Kupfer­ drahtes, welches auftritt, wenn Kupferdraht anstelle von Gold­ draht in einer Halbleitervorrichtung vom kunstharzversiegelten Typ benutzt wird, viele Jahre lang untersucht. Studien über die Gründe der Kupferdrahtkorrosion in einer Hochtemperaturum­ gebung wurden durchgeführt. Es wurde herausgefunden, daß die versiegelnde Harzverbindung vom Luftsauerstoff oxidiert wird, womit eine organische Säure, wie Ameisensäure, Essigsäure und Milchsäure, erzeugt wird und zusätzlich Brom im Flammhemmstoff als freies Brom freigesetzt wird. Während die organische Säure als Elektrolyt wirkt und Chloridionen als Beschleuniger wirken sowie freies Brom und Verunreinigungen auftreten, bildet sich Korrosion am Kupferdraht und an der Übergangsstelle zwischen Kupferdraht und Aluminiumelektrode. Es wurde auch festge­ stellt, daß die Korrosion von Kupferdraht in einer Hochtempe­ raturumgebung mit dem oben erwähnten Stand der Technik nicht gelöst werden konnte. Ausgehend von dem bisher geschilderten Sachverhalt wurde die vorliegende Erfindung vervollständigt.
Die vorliegende Erfindung zielt auf eine verbesserte Halblei­ tervorrichtung, die mit Kunstharz versiegelt ist. Der Erfin­ dungsgegenstand weist ein Halbleiterelement, ein Anschlußbein, einen Draht, der das Halbleiterelement mit dem Anschlußbein elektrisch leitend verbindet, sowie ein versiegelndes Harz auf, welches das Halbleiterelement, den Draht und einen Teil des Anschlußbeins umschließt und versiegelt.
Zum Zweck der Lösung des oben erwähnten Problems wird ein Kor­ rosionshemmstoff aus der Gruppe bestehend aus Bleioxid, Kalzi­ umhydroxid und Zinkoxid ausgewählt und dem versiegelnden Harz zugesetzt.
Gemäß einer vorzugsweisen Ausführungsform der vorliegenden Er­ findung wird ein Gewichtsanteil von 0.1-20% des vorerwähnten Korrosionshemmstoffes dem versiegelnden Harz zugesetzt.
Obwohl dies nicht verifiziert ist, wird die Wirksamkeit der vorliegenden Erfindung wie folgt gesehen. Bleioxid, Kalziumhy­ droxid und Zinkoxid, die dem versiegelnden Harz zugesetzt wer­ den, reagierten mit der organischen Säure, die durch Oxidation aus dem versiegelnden Harz gebildet wird, zur einem nicht­ elektrolytischen Salz der organischen Säure. Obwohl Kupfer die katalytische Wirkung zum Aufspalten und Verschlechtern des flammhemmenden Epoxidharzes im versiegelnden Harz aufweist, bedeckt das abgelagerte Salz der organischen Säure die Ober­ fläche dieses Kupfers. Hierdurch wird die katalytische Wirkung des Kupfers zum Reduzieren freien Broms unterdrückt. Es wird angenommen, daß die oben geschilderte Reaktion die Korrosion von Kupferdraht unterdrückt.
Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Figuren. Von den Figuren zeigen:
Fig. 1 eine Schnittansicht einer Halbleitervorrichtung vom kunstharzversiegelten Typ, auf die die vorliegende Erfindung angewandt wurde;
Fig. 2 ein Diagramm, in dem die Beziehung zwischen der zu­ geführten Menge von Bleioxid und der Korrosions­ menge des Kupfers gezeigt wird;
Fig. 3 eine Schnittansicht eines Kupferdrahtes in einer Halbleitervorrichtung vom kunstharzversiegelten Typ entsprechend der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4 eine Schnittansicht eines Kupferdrahtes in einer Halbleitervorrichtung vom herkömmlichen kunstharz­ versiegelten Typ.
Die vorliegende Erfindung wird unter Bezug auf beispielhafte Ausführungsformen und Vergleichsbeispiele erklärt.
Wie in Fig. 1 gezeigt, ist ein Halbleiterelement 4 oberhalb der doppelten Anschlußfläche bzw. Dipad 5 mit dem Kleber 6, der aus Lot oder Kunstharz bestehen kann, befestigt. Eine Alu­ miniumelektroden-Anschlußfläche 41 ist an einem Bereich des Halbleiterelements 4 vorgesehen. Ein Anschlußbein 8 wird in der unmittelbaren Umgebung des Halbleiterelements 4 plaziert. Das Anschlußbein 8 besteht aus einer Eisen-Nickel-Legierung oder einer Eisen-Kupfer-Legierung. Das Anschlußbein 8 und die Aluminiumelektroden-Anschlußfläche 41 sind durch einen Kupfer­ draht 7 elektrisch leitend verbunden. Die doppelte Anschluß­ fläche 5, das Halbleiterelement 4, die Aluminiumelektroden-An­ schlußfläche 41 und ein Teil des Anschlußbeins 8 sind mit ei­ ner Epoxidharzverbindung 9 versiegelt. Ein Korrosionshemm­ stoff, der aus der Gruppe bestehend aus Bleioxid, Kalziumhy­ droxid und Zinkoxid ausgewählt wird, wird der Epoxidharzver­ bindung 9 zugesetzt. Der Korrosionshemmstoff wird mit einem Gewichtsanteil von 0.1-20% dem versiegelnden Harz zugesetzt. Die Epoxidharzverbindung 9 enthält Kresol-Novolak-Harz als Aufbaumaterial, Phenol-Novolak-Harz als ein Härterzusatz und Triphenyl-Phosphin als ein Aushärtungsbeschleuniger. Der Aus­ härtungsbeschleuniger wird mit einem Gewichtsanteil von 0.3-0.01% dem Epoxidharz zugesetzt.
Die Tabelle 1 faßt das Zusammensetzungsverhältnis der Epoxid­ harzverbindung zusammen.
Tabelle 1
Für die Ausführungsformen I-V wurde Art und Menge des Korrosi­ onshemmstoffes geändert. Ein Vergleichsbeispiel VII zeigt den Fall an, bei dem der obige Korrosionshemmstoff nicht zugesetzt wurde. Ein Vergleichsbeispiel VI zeigt den Fall an, bei dem ein anorganischer Ionenaustauscher vom Wismuttyp (Toagosei Chemical Industry Co. Ltd.: IXE600) zugesetzt wurde. Die Zah­ lenwerte in der Tabelle beziehen sich alle auf Gewichtspro­ zente.
Die Modellschaltkreise (ICs) mit Kupferdraht werden unter Ver­ wendung der versiegelnden Harzverbindung nach Tabelle 1 durch Preßspritzen gebildet. Diese Modellschaltkreise werden in ei­ nem elektrischen Ofen mit atmosphärischer Umgebung 96 Stunden lang einer Temperatur von 220°C ausgesetzt. Nach dem Abkühlen werden die Stücke der Modellschaltkreise unter dem Mikroskop untersucht, um die Korrosion am Kupferdraht, an der Übergangs­ stelle zwischen dem Kupferdraht und der Aluminium-Anschlußflä­ che sowie an dem Aluminiumdraht zu beobachten. Man erhält die Korrosionsmenge durch Ausmessen der Abnahme des Durchmessers des Kupferdrahtes. Korrosion an der Übergangsstelle zwischen Kupferdraht und Aluminium-Auflagefläche wird durch Ausmessen der Korrosionslänge der Übergangsstelle bestimmt. Korrosion des Aluminiumdrahts wird dadurch beobachtet, indem festge­ stellt wird, ob eine Unterbrechung vorliegt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 gezeigt.
Tabelle 2
Was die korrosionshemmende Wirkung anbetrifft, geht aus Ta­ belle 2 hervor, daß die Ausführungsbeispiele I-V dem Ver­ gleichsbeispiel VII (herkömmliches Beispiel) überlegen sind. Weiterhin läßt sich beim Vergleichen der Ausführungsbeispiele I-V mit dem Vergleichsbeispiel VI erkennen, daß die Wirkung der Korrosionshemmung der Ausführungsbeispiele I-V dem anorga­ nischen Ionenaustauscher vom Wismuttyp gleichwertig oder über­ legen ist. Es wurde auch eine Untersuchung durchgeführt, bei der mindestens ein Vertreter aus der Gruppe, bestehend aus Bleioxid, Kalziumhydroxid und Zinkoxid, für das oben erwähnte Expoxidharz in seinem Gewichtsanteil im Bereich von 0.1-20% verändert wurde. Die Ergebnisse waren grundsätzlich ähnlich denen in Tabelle 2. Mit anderen Worten, diese Korrosionshemm­ stoffe sind wirksam, wenn sie innerhalb eines Bereiches von 0.1-20% Gewichtsanteil zugesetzt werden.
Das Diagramm in Fig. 2 zeigt den Zusammenhang zwischen der zu­ geführten Menge (Gewichtsprozent) von Bleioxid zum Epoxidharz und die Korrosionsmenge (mg/5 g Harz) des Kupfers. Alle Pro­ ben wurden durch Preßspritzen gebildet und anschließend in einen elektrischen Ofen mit atmosphärischem Klima gesetzt, wo sie 48 Stunden lang einer Temperatur von 200°C ausgesetzt wur­ den. Die Fig. 2 zeigt, daß Korrosion ausreichend unterdrückt werden kann, wenn die zugesetzte Menge von Bleioxid nicht we­ niger als 0.1% des Gewichts ausmacht. Ähnliche Ergebnisse wur­ den mit Kalziumhydroxid und Zinkoxid beobachtet.
Die Fig. 3 ist ein Diagramm, welches nach einem Kleingefüge­ bild (bei 100-facher Vergrößerung) eines Teilstücks des Mo­ dellschaltkreises erzeugt wurde, entsprechend dem Ausführungs­ beispiel I. Die Fig. 4 ist ein Diagramm, welches nach einem Kleingefügebild (bei 100-facher Vergrößerung) eines Teilstücks des Modellschaltkreises erzeugt wurde, entsprechend dem Ver­ gleichsbeispiel VII. Bei diesen Figuren bezeichnet das Bezugs­ zeichen 1 Kupferdraht, das Bezugszeichen 21 Epoxidharz, dem Bleioxid zugesetzt wurde, das Bezugszeichen 2 Epoxidharz, dem kein Korrosionshemmstoff zugesetzt wurde, und das Bezugszei­ chen 3 den Korrosionsbereich des Kupferdrahtes. Jede Probe wird unter Benutzung einer Form geformt und anschließend in einen elektrischen Ofen mit atmosphärischer Umgebung gesetzt, wo sie 96 Stunden lang einer Temperatur von etwa 220°C ausge­ setzt sind. In Fig. 3, wo die versiegelnde Harzverbindung ent­ sprechend dem Ausführungsbeispiel I verwendet wird, wurde eine Korrosion des Kupferdrahtes nicht beobachtet. In Fig. 4, wo ein herkömmlicher Typ entsprechend dem Vergleichsbeispiel VII benutzt wird, ist der Durchmesser des Kupferdrahtes 1 ver­ kleinert, wodurch ein Korrosionsbereich 3 mit einer maximalen Dicke von 120µm beobachtet werden kann.
Wie in der obigen Beschreibung festgestellt, kann eine Korro­ sion des Kupferdrahtes in einer Hochtemperaturumgebung unter­ drückt werden, dadurch begründet, daß ein Korrosionshemmstoff, der aus der Gruppe bestehend aus Bleioxid, Kalziumhydroxid und Zinkoxid ausgewählt wurde, dem versiegelnden Harz nach Maßgabe der vorliegenden Erfindung zugesetzt wird. Hieraus resultiert der Vorteil, daß eine Halbleitervorrichtung vom kunstharzver­ siegelten Typ, die hochgradig zuverlässig ist, erreicht werden kann.

Claims (7)

1. Mit Harz versiegelte Halbleitervorrichtung welche
ein Halbleiterelement,
ein Anschlußbein,
einen Draht, der das Halbleiterelement und das Anschluß­ bein elektrisch leitend verbindet und
versiegelndes Harz zum Umschließen und Versiegeln des Halbleiterelements, des Drahtes und eines Teils des An­ schlußbeins beinhaltet, gekennzeichnet durch einen Korrosionshemmstoff, der aus der Gruppe bestehend aus Bleioxid, Kalziumhydroxid und Zinkoxid ausgewählt wird, dem versiegelnden Harz zugesetzt wird.
2. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Korrosionshemmstoff dem versiegelnden Harz mit einem Gewichtsanteil von 0.1-20% zugesetzt wird.
3. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Draht Kupferdraht ist.
4. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das versiegelnde Harz Epoxidharz und Aushärtungsbeschleu­ niger aufweist.
5. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Epoxidharz Kresol-Novolak-Harz als Aufbaumaterial und Phenol-Novolak-Harz als ein Härterzusatz aufweist, und der Aushärtungsbeschleuniger Triphenyl-Phosphin aufweist.
6. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterelement eine Aluminiumelektroden-Anschluß­ fläche aufweist, und der Draht durch die Aluminiumelektroden-Anschlußfläche mit dem Halbleiterelement elektrisch leitend verbunden wird.
7. Halbleitervorrichtung, nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterelement einen Aluminiumdraht aufweist.
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