DE4307743C2 - Harzgekapselte Halbleitervorrichtung - Google Patents

Harzgekapselte Halbleitervorrichtung

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine harzgekap­ selte Halbleitervorrichtung, bei der ein Halbleiter­ element mit einer Epoxyharzmasse eingekapselt ist, wie dies beispielsweise aus der DE 38 42 270 A1 bekannt ist.
Eine Epoxyharzmasse vom Novolaktyp, die sich bei­ spielsweise eines Phenolnovolakharzes als Härtungsmittel bedient, weist eine ausgezeichnete Formbarkeit auf. Fer­ ner besitzt ein gehärtetes Produkt davon eine ausgezeich­ nete Feuchtigkeitsbeständigkeit und hervorragende elek­ trische Eigenschaften bei hohen Temperaturen. Dies be­ dingt einen umfangreichen Einsatz der Masse dieses Typs zur Einkapselung einer Halbleitervorrichtung.
In jüngster Zeit wird im Bereich der harzgekapselten Halbleitervorrichtungen im Einklang mit einem Fortschritt bei der Integrationsdichte des Halbleiterelements die Mi­ niaturisierung eines jeden Funktionsbauteils eines Halb­ leiterelements bei gleichzeitiger Vergrößerung des Ele­ ments selbst stark gefördert. Folglich besteht eine For­ derung nach einem hochdichten Montieren des Elements so­ wie nach Automation des Montageprozesses. Unter diesen Umständen kam es zu einer Veränderung des Montageprozes­ ses einer Halbleitervorrichtung vom herkömmlichen Stift­ stecktyp hin zum Flächenmontagetyp.
Das Flächenmontageverfahren zum Montieren einer Halbleitervorrichtung auf ein Substrat wird beispiels­ weise zum Montieren eines Bauteils vom Flächenmontagetyp z. B. einer als ASIC (Application Specific IC) bezeichne­ ten Gate-Anordnung oder eines Standardzellentyp-LSIs (großintegrierten Schaltkreises), angewendet. In diesem Fall wird eine Lötpaste auf einem Substrat durch Infra­ rotstrahlen oder einen Fluorkohlenstoffdampf zur Verbin­ dung mit einer Leitung einer Halbleitervorrichtung er­ wärmt. Beim Erwärmen wird das gesamte Bauteil hohen Tem­ peraturen von etwa 215-260°C ausgesetzt. Das rasche Er­ wärmen kann zum Auftreten von Rissen im Bauteil führen. Genauer gesagt wird durch Unterwerfen des absorbierte Feuchtigkeit aufweisenden Harzes einer hohen Temperatur das Wasser im Bauteil verdampft, wodurch es zu einem Quellen des Bauteils kommt. Darüber hinaus bedingt die mit dem Quellen einhergehende Spannung ein Reißen des Harzes. Wenn das Reißen die äußere Oberfläche des Harzes (Bauteil) erreicht, wird die Zuverlässigkeit im Hinblick auf eine Feuchtigkeitsbeständigkeit merklich beeinträch­ tigt. Es ist darauf hinzuweisen, daß das Harz selbst auch quillt, wodurch es unmöglich wird, ein Montieren zu ge­ währleisten. Darüber hinaus tritt ferner Rißbildung in einer als Passivierungsfilm auf eine Verdrahtungsschicht aus Aluminium eingesetzten PSG (Phosphosilicatglas)-Schicht oder einer SiN (Siliciumnitrid)-Schicht auf. Andererseits kann es in einigen Fällen zu einem Brechen eines Goldbindungsdrahts kommen.
Wie im vorherigen beschrieben, wird die Zuverlässig­ keit der Vorrichtung durch das Auftreten von Rissen merk­ lich beeinträchtigt. Ein derartiges Auftreten von Rissen zu verhindern stellt gegenwärtig ein ernstes, einer Lö­ sung bedürfendes Problem beim Flächenmontierverfahren dar.
Als eine Maßnahme zur Lösung des Problems wurde gefordert, die Eigenschaften des Einkapselungsharzes wei­ ter zu verbessern. Insbesondere bei einer harzeingekap­ selten Halbleitervorrichtung eines großen Bauteils be­ steht die Forderung, die durch das Einkapselungsharz auf das eingekapselte Material ausgeübte Spannung zu vermin­ dern und die Bindungsfestigkeit zwischen dem Einkapse­ lungsharz und den PSG-, SiN- und Polyimidfilmen auf der Oberfläche des Halbleiterelements und zwischen dem Ein­ kapselungsharz und der Leiterplatte zu verbessern. Ferner besteht die Forderung, dem Einkapselungsharz ausreichende Festigkeit und Feuchtigkeitsbeständigkeit bei hohen Tem­ peraturen, denen das Bauteil im Montageschritt ausgesetzt wird, zu verleihen und die Wasserdampfabsorptionsmenge des Einkapselungsharzes zu verringern.
Angesichts dieser Forderungen wurde jüngst eine Harzmasse mit einem polyfunktionellen Epoxyharz einer wärmebeständigen Skelettstruktur und/oder einem polyfunk­ tionellen Phenolharzhärtungsmittel als Einkapselungsharz mit einer zum Widerstehen des in dem Bauteil erzeugten Wasserdampfes ausreichenden Festigkeit vorgeschlagen. Die mit einem (einer) derartigen wärmebeständigen Einkapse­ lungsharz (-masse) eingekapselte Halbleitervorrichtung weist jedoch verglichen mit der mit einer Epoxyharzmasse vom Novolaktyp eingekapselten Vorrichtung eine nicht zufriedenstellende Zuverlässigkeit bezüglich Wärmebestän­ digkeit und Beständigkeit gegenüber einer externen Konta­ mination auf. Ferner besitzt das obige wärmebeständige Einkapselungsharz schlechte Formtrenneigenschaften. Die Verbesserung der Formtrenneigenschaften ist durch Zugabe einer ausreichenden Menge eines Formtrennmittels sicher­ lich möglich. In diesem Fall wird jedoch die Bindungsfe­ stigkeit zwischen dem gehärteten Harz und dem Halbleiter­ element und zwischen dem gehärteten Harz und der Leiter­ platte verringert. Daraus folgt, daß bei der sich des obigen Einkapselungsharzes bedienenden eingekapselten Halbleitervorrichtung das Bauteil im Montageschritt zu Rißbildung neigt, was zu einer Beeinträchtigung der Zu­ verlässigkeit bezüglich Feuchtigkeitsbeständigkeit führt.
Die DE 38 42 270 A1 beschreibt Glycidylether einer phenolischen Verbindung der Formel:
worin bedeuten:
R1 bis R6 jeweils eine Alkylgruppe mit 1 bis 6 Kohlenstoff­ atom(en);
R7 bis R12 jeweils ein Wasserstoffatom, eine Alkylgruppe mit 1 bis 4 Kohlenstoffatom(en) oder eine Alkoxygruppe mit 1 bis 4 Kohlenstoffatom(en);
X ein Chlor- oder Bromatom;
GE eine Glycidylethergruppe;
a, b, c, d und e jeweils 0 oder 1 und
n einen Durchschnittswert von 0,5 bis 5.
Den hochreinen Glycidylether der phenolischen Verbindung erhält man durch Umsetzen der entsprechenden phenolischen Verbindung mit einem Epichlorhydrin in einem aprotischen polaren Lösungsmittel in Gegenwart eines Alkalimetall­ hydroxids und Nachbehandlung der erhaltenen Rohgly­ cidyletherverbindung mit einem alkalischen Material in einem organischen Lösungsmittel.
Die EP 0 384 774 A2 beschreibt ein Entkapselungsmittel, für eine Halbleitervorrichtung, das (a) ein wärmehartbares Harz zur Herstellung eines Härtungsprodukts mit einer Einfrier­ temperatur von nicht unter 190°C, (b) einen aus Quarzstaub bestehenden Füllstoff, (c) ein Modifizierungsmittel, das aus einem Methylmethacrylat/Butadien/Styrol-Copolymer oder einem Acrylnitril/Butadien/Styrol-Copolymer besteht, (d) ein Modifizierungsmittel, das aus einem Silikonkautschuk oder einem Silikongel besteht, und (e) ein eine Metallchelatverbindung enthaltendes Gleitmittel enthält.
Die EP 0 359 558 A2 beschreibt ein aus einer Epoxyharz­ zusammensetzung bestehendes zur Einkapselung einer auf Oberflächen zu montierenden Halbleitervorrichtung geeignetes Einkapselungsmittel, das (a) ein Epoxyharz, (b) ein kautschukmodifiziertes Phenolharz, das ein Phenolharz und ein Methylmethacrylat/Butadien/Styrol-Copolymer und einen wärme­ härtbaren Silikonkautschuk in Dispersion in dem Phenolharz umfaßt, (c) einen Härtungsbeschleuniger und (d) ein Silikapulver umfaßt.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es folg­ lich, eine harzgekapselte Halbleitervorrichtung bereitzu­ stellen, die sich eines Einkapselungsharzes ausgezeichne­ ter Wärmebeständigkeit, Zuverlässigkeit bezüglich Feuch­ tigkeitsbeständigkeit und hervorragender Beständigkeit gegenüber einer externen Verunreinigung bzw. Kontamina­ tion bedient.
Eine weitere Aufgabe ist es, eine eine Epoxyharz­ masse mit verbesserten Formtrenneigenschaften und verbes­ serter Wärmebeständigkeit als ein Einkapselungsharz ein­ setzende harzgekapselte Halbleitervorrichtung bereitzu­ stellen, bei der keine Rißbildung in dem Bauteil erzeugt wird und die eine ausgezeichnete Zuverlässigkeit bezüg­ lich Feuchtigkeitsbeständigkeit aufweist.
Gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine harzgekapselte Halbleitervorrichtung bereitgestellt, die aus einem Halbleiterelement und einer Epoxyharzmasse als Kapselungsharz besteht, wobei die Mas­ se im wesentlichen aus:
  • (a) einem Epoxyharz der folgenden Formel (I)
    worin R1, R2, R3 und R4 jeweils für Wasserstoff oder eine Alkylgruppe stehen und n ≧ 0 ist,
  • (b) einem Phenolharzhärtungsmittel,
  • (c) einer Imidazolverbindung und
  • (d) Triphenylphosphat oder einem Derivat davon be­ steht.
Die obige, als Kapselungsharz eingesetzte Epoxyharz­ masse erlaubt eine Verbesserung zahlreicher Eigenschaften der harzgekapselten Halbleitervorrichtung der vorliegen­ den Erfindung. Insbesondere wird durch das in der Masse enthaltene Epoxyharz (a) und das Phenolharzhärtungsmittel (b) eine wärmebeständige Skelettstruktur im gehärteten Kapselungsharz gebildet, die zu einer Verbesserung der Wärmebeständigkeit führt. Die Kombination der als Här­ tungskatalysator eingesetzten Imidazolverbindung (c) und des Triphenylphosphats oder eines Derivats davon (d) er­ laubt eine Verbesserung der Rißbeständigkeit des Bauteils und der Beständigkeit gegenüber externer Kontamination. Des weiteren erlaubt die Kombination der Bestandteile (c) und (d) eine Gewährleistung der Zuverlässigkeit des ge­ härteten Harzes bezüglich Feuchtigkeitsbeständigkeit. Daraus folgt, daß die harzgekapselte Halbleitervorrich­ tung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine hohe Zuverlässigkeit in verschiedenen Ei­ genschaften beim Schritt des Flächenmontierens und in verschiedenen Umgebungen nach dem Schritt des Flächenmon­ tierens aufweist. Mit anderen Worten liefert die vorlie­ gende Erfindung eine für einen Bauteil vom Flächenmonta­ getyp geeignete Halbleitervorrichtung.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine harzgekapselte Halbleitervorrichtung aus einem Halbleiterelement und einer Epoxyharzmasse als Kapselungsharz bereitgestellt, wobei die Masse im we­ sentlichen aus:
  • (a) einem Epoxyharz der folgenden Formel (I)
    worin R1, R2, R3 und R4 jeweils für Wasserstoff oder eine Alkylgruppe stehen und n ≧ 0 ist,
  • (b) einem Phenolharzhärtungsmittel und
  • (e) einem Formtrennmittel eines Dreikomponentensy­ stems aus im wesentlichen einem Wachs auf Esterbasis, ei­ nem oxidierten Paraffinwachs und einem Wachs auf Olefin­ basis besteht.
Bei der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Er­ findung erlaubt das in dem Kapselungsharz enthaltene Formtrennmittel (e) eine Verbesserung der Formtrenneigen­ schaften des gehärteten Harzes aus der Form. Darüber hin­ aus führt die Anwesenheit des Epoxyharzes (a) und des Phenolharzhärtungsmittels (b), wie bereits in Verbindung mit der ersten Ausführungsform dargestellt, zu einer Ver­ besserung der Wärmebeständigkeit des gehärteten Harzes. Daraus folgt, daß zur zuverlässigen Herstellung der Vor­ richtung der zweiten Ausführungsform eine automatische Hochgeschwindigkeitsformvorrichtung eingesetzt werden kann. Darüber hinaus können im Montageschritt eine hohe Wärmebeständigkeit und hohe Rißbeständigkeit des Bauteils gewährleistet werden. Ferner weist die Vorrichtung eine ausgezeichnete Zuverlässigkeit bezüglich Wärmebeständig­ keit nach dem Montageschritt auf. Daraus folgt, daß sich die Halbleitervorrichtung gemäß der zweiten Ausführungs­ form für ein großes Bauteil des Flächenmontagetyps eig­ net.
Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zei­ gen:
Fig. 1 eine Schnittansicht eines Beispiels für den Aufbau einer harzgekapselten Halbleitervorrichtung der vorliegenden Erfindung und
Fig. 2 ein Dreieckskoordinatensystem, das einen be­ vorzugten Bereich für das Mischungsverhältnis der drei ein Formtrennmittel bildenden Bestandteile gemäß der vor­ liegenden Erfindung angibt.
Die harzgekapselte Halbleitervorrichtung bzw. -an­ ordnung gemäß der ersten oder zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung läßt sich beispielsweise durch Einkapseln eines unter Verwendung einer Leiterplatte zu­ sammengebauten Halbleiterelements mit einem Kapselungs­ harz nach einem herkömmlichen Verfahren herstellen. Die Vorrichtung der ersten Ausführungsform gleicht im Aufbau der Vorrichtung der zweiten Ausführungsform.
Fig. 1 zeigt ein Beispiel für eine erfindungsgemäße harzgekapselte Halbleitervorrichtung im Querschnitt. Wie in Fig. 1 dargestellt, ist ein Halbleiterchip 1 auf einer Insel 2 montiert. Mehrere Anschlußstreifen 3 sind auf der Hauptoberfläche des Halbleiterchips 1 ausgebildet. Diese Anschlußstreifen 3 sind über Bindungsdrähte 5 mit einer Leiterplatte 4 verbunden. Die Struktur dieser speziellen Anordnung ist mittels eines Harzes 6 zur Bereitstellung einer harzgekapselten Halbleitervorrichtung gekapselt.
Bei der ersten Ausführungsform der vorliegenden Er­ findung ist das Kapselungsharz 6 aus einer Epoxyharzmasse mit (a) einem Epoxyharz, (b) einem Phenolharzhärtungsmit­ tel, (c) einer Imidazolverbindung und (d) Triphenyl­ phosphat oder einem Derivat davon als den wesentlichen Bestandteilen, wie zuvor beschrieben, gebildet. Bei der zweiten Ausführungsform ist das Kapselungsharz 6 aus ei­ ner Epoxyharzmasse mit (a) einem Epoxyharz, (b) einem Phenolharzhärtungsmittel und (e) einem Formtrennmittel eines Dreikomponentensystems aus einem Wachs auf Esterba­ sis, einem oxidierten Paraffinwachs und einem Wachs auf Olefinbasis als den wesentlichen Bestandteilen gebildet.
Bei dem im allgemeinen bei der vorliegenden Erfin­ dung eingesetzten Verfahren zur Einkapselung mit dem Harz handelt es sich um ein Niedrigdruckpreßspritzen. Man kann sich jedoch eines Spritzform-, Warmpreß-, Gießverfahrens usw. bedienen. Die Epoxyharzmasse wird im Einkapselungs­ schritt zur Härtung der Masse ohne Rücksicht auf die Art des eingesetzten Einkapselungsverfahrens erwärmt. Man er­ hält dabei eine Halbleitervorrichtung mit einem mit dem gehärteten -Harz eingekapselten Halbleiterelement. Zur Härtung der Masse ist es zweckmäßig, sich einer Nachhär­ tungsbehandlung durch Erwärmen auf mindestens etwa 160°C zu bedienen.
Das Halbleiterelement unterliegt bei der vorliegen­ den Erfindung keinen besonderen Begrenzungen. Ferner kann der zu bildende Bauteiltyp frei gewählt werden. Darüber hinaus lassen sich bei der vorliegenden Erfindung neben dem Bauteil eines Flächenmontagetyps Bauteile wie ein zweireihiges Steckgehäuse (DIP-Anordnung) und eine ZIP-Anordnung ausbilden.
Die als Kapselungsharz in der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eingesetzte Epoxyharzmasse um­ faßt ein Epoxyharz (a) der Formel (I), d. h. ein polyfunk­ tionelles Epoxyharz mit einer hohen Wärmebeständigkeit. Das Epoxyharz (a) läßt sich beispielsweise durch Epoxy­ dieren eines Kondensats aus Alkylphenolen mit Hydroxybenzaldehyden herstellen. Zur Herstellung des Ep­ oxyharzes (a) kann man sich des zur Herstellung eines No­ volakharzes bekannten Verfahrens bedienen. Insbesondere werden beim ersten Schritt Alkylphenole und Hydroxybenz­ aldehyde bei etwa 30 bis 180°C in Gegenwart einer anorga­ nischen Säure, z. B. Chlorwasserstoffsäure oder Schwefel­ säure, einer organischen Säure, z. B. Essigsäure, t-To­ luolsulfonsäure oder Thioglykolsäure, oder eines sauren Katalysators, z. B. einer Lewissäure, kondensiert. An­ schließend wird das erhaltene Kondensat mit Epichlorhy­ drin in Gegenwart eines Alkalimetallhydroxids, z. B. Na­ tronlauge (NaOH) zur Epoxydation des Kondensats umge­ setzt.
Zur Gewährleistung der Zuverlässigkeit des Harzes ist es wünschenswert, daß der Chlorgehalt des Epoxyharzes 1000 ppm nicht übersteigt. Ferner wird ein Epoxyharz der folgenden Formel (II):
worin R1, R2, R3 und R4 jeweils für Wasserstoff oder eine Alkylgruppe stehen und n ≧ 0 ist,
durch die Reaktion von einigen Molekülen des Epoxy­ harzes der Formel (I) erhalten.
Daraus folgt, daß bei in der vorliegenden Erfindung eingesetzte Epoxyharz (a) das Epoxyharz der Formel (II) enthalten kann. Wenn jedoch das Epoxyharz der Formel (II) in einer übermäßig großen Menge enthalten ist, können verschiedene Eigenschaften der Epoxyharzmasse beeinträch­ tigt sein. Zweckmäßigerweise sollte folglich der Gehalt an dem Epoxyharz der Formel (II) im Epoxyharz (a) gering, z. B. etwa 20 Gew.-% oder weniger, sein.
Das Epoxyharz der Formel (I) umfaßt beispielsweise:
ein im Handel erhältliches Epoxyharz ESX-221 (Erwei­ chungspunkt 85°C, Epoxyäquivalent: 213),
ein im Handel erhältliches Epoxyharz YL-6080 (Erwei­ chungspunkt 90°C, Epoxyäquivalent: 200) und
ein im Handel erhältliches Epoxyharz YL-6217 (Erwei­ chungspunkt 90°C, Epoxyäquivalent: 210).
Zur Herstellung der bei der vorliegenden Erfindung eingesetzten Epoxyharzmasse kann zusammen mit dem Epoxy­ harz der Formel (I) ein weiteres, sich von dem Epoxyharz der Formel (I) unterscheidendes Epoxyharz eingesetzt wer­ den. Das weitere Epoxyharz unterliegt keinen besonderen Beschränkungen mit Ausnahme, daß mindestens zwei Epoxy­ gruppen in einem einzelnen Molekül enthalten sein müssen. Das Epoxyharz kann in einer derartigen geeigneten Weise eingesetzt werden, daß es die Funktion und die Wirkung der vorliegenden Erfindung nicht beeinträchtigt. Das be­ sondere Epoxyharz umfaßt beispielsweise ein Epoxyharz vom Phenolnovolaktyp, ein Epoxyharz vom Kresolnovolaktyp, ein Epoxyharz vom Naphtholnovolaktyp, ein Epoxyharz vom Bisphenol-A-Novolaktyp, einen Glycidylether von Bisphenol A, ein Epoxid eines Tetra(hydroxyphenyl)alkans, ein Ep­ oxyharz vom Bishydroxybiphenyltyp sowie verschiedene Ar­ ten von bromierten Epoxyharzen. Diese weiteren Epoxyharze können bei der vorliegenden Erfindung einzeln oder in Kombination eingesetzt werden.
Die in der ersten Ausführungsform der Erfindung ein­ gesetzte Epoxyharzmasse enthält ferner ein Phenolharz­ härtungsmittel (b) als einen als Härtungsmittel des Kap­ selungsharz wirkenden Bestandteil. Es ist besonders gün­ stig, ein Phenolharz der folgenden Formel (III):
worin bedeuten:
R5 und R6, die gleich oder verschieden sein können, Wasserstoff oder eine Alkylgruppe mit 1 bis 20 Kohlen­ stoffatom(en) und
R7 eine Einfachbindung oder eine Alkylengruppe, z. B. Methylen oder Ethylen,
als das Phenolharzhärtungsmittel einzusetzen.
Bei dem Phenolharz der Formel (III) handelt es sich um ein durch Kondensationsreaktion zwischen beispiels­ weise einem Phenol oder einem Alkylphenol und einem Hy­ droxybenzaldehyd erhaltenes Kondensat. Die speziellen als Phenolharz bei der vorliegenden Erfindung eingesetzten Verbindungen umfassen beispielsweise Tris(hydroxyphenyl)- methan, Tris(hydroxymethylphenyl)methan, Tris(hydroxy­ phenyl)propan und Tris(hydroxyphenyl)methylmethan. Diese Verbindungen können bei der vorliegenden Erfindung als Phenolharz einzeln oder in Kombination eingesetzt werden.
Um die Zuverlässigkeit des Phenolharzes zu gewährleisten, ist es wünschenswert, daß die nicht umgesetzten Phenolmo­ nomeren in dem Harz in einer Menge von höchstens 1 Gew.-% enthalten sind.
Die bei der vorliegenden Erfindung eingesetzten spe­ ziellen Phenolharze umfassen beispielsweise:
ein im Handel erhältliches Phenolharz YL-6065 (Erweichungspunkt 110°C, Hydroxyläquivalent 98),
ein im Handel erhältliches Phenolharz YL-6100 (Erweichungspunkt 107 °C, Hydroxyläquivalent 110),
ein im Handel erhältliches Phenolharz OTM-486 (Erweichungspunkt 120°C, Hydroxyläquivalent: 98),
ein im Handel erhältliches Phenolharz OTM-488 (Erweichungspunkt 125°C, Hydroxyläquivalent 98),
ein im Handel erhältliches Phenolharz OTM-489 (Erweichungspunkt 123 °C, Hydroxaläquivalent 98) und
ein im Handel erhältliches Phenolharz PC-7004 (Erweichungspunkt 140°C, Hydroxyläquivalent 129).
Weitere, sich von denjenigen der Formel (III) unter­ scheidende Phenolharze können bei der vorliegenden Erfin­ dung zusammen mit den Phenolharzen der Formel (III) der­ art eingesetzt werden, daß sie die von dem Phenolharzhär­ tungsmittel (b) gebildete Funktion und Wirkung nicht be­ einträchtigen. Diese zusätzlichen Phenolharze unterliegen keinen besonderen Beschränkungen, mit der Ausnahme, daß mindestens zwei phenolische Hydroxylgruppen in einem ein­ zelnen Molekül enthalten sein müssen. Spezielle Beispiele der zusätzlichen Phenolharze umfassen ein Phenolnovolak­ harz, ein Kresolnovolakharz, ein Naphtholnovolakharz, ein Biphenol-A-Novolakharz, ein Phenolaralkylharz und ein Terpenphenolharz.
Bei der in der ersten Ausführungsform der vorliegen­ den Erfindung eingesetzten Epoxyharzmasse ist es wichtig, das Mischungsverhältnis Phenolharzhärtungsmittel (b)/Epoxyharz (a) in geeigneter Weise zu bestimmen.
Zweckmäßigerweise wird das Mischungsverhältnis Zahl der phenolischen Hydroxylgruppen des Phenolharzes/ Zahl der Epoxygruppen des Epoxyharzes, d. h. Zahl der phenolischen Hydroxylgruppen/Zahl der Epoxygruppen, in einem Bereich zwischen etwa 0,5 und 1,5 festgelegt. Ein Mischungsver­ hältnis von weniger als 0,5 kann zu einem nicht ausrei­ chenden Stattfinden der Härtungsreaktion führen, mit dem Ergebnis, daß das gehärtete Kapselungsharz keine ausrei­ chend hohe mechanische Festigkeit aufweist. Bei einem Mi­ schungsverhältnis von mehr als 1,5 können andererseits die Eigenschaften, insbesondere die Feuchtigkeitsbestän­ digkeit, des gehärteten Kapselungsharzes beeinträchtigt sein.
Die in der in der ersten Ausführungsform der vorlie­ genden Erfindung eingesetzten Epoxyharzmasse enthaltene Imidazolverbindung (c) wirkt als Härtungskatalysator des Kapselungsharzes und dient gleichzeitig einer Verbesse­ rung der Beständigkeit gegen externe Kontamination. Spe­ zielle Imidazolverbindungen (c) sind beispielsweise Imi­ dazol, 2-Methylimidazol, 2-Ethylimidazol, 1,2-Dimethyl­ imidazol, 2,4-Dimethylimidazol, 2-Ethyl-4-methylimidizol, 2-Phenylimidazol, 2-Phenyl-4-methylimidazol, 2-Undecyl­ imidazol, 2-Heptadecylimidazol, 1-Cyanoethyl-2-ethyl-4- methylimidazol, 2-Phenyl-4,5-dihydroxymethylimidazol und 1-Vinyl-2-methylimidazol. Um eine Zuverlässigkeit des Kapselungsharzes bezüglich Feuchtigkeitsbeständigkeit zu gewährleisten, ist es zweckmäßig, eine Imidazolverbindung mit einer in 2-Stellung gebundenen langkettigen Alkyl­ gruppe mit mindestens 11 Kohlenstoffatomen oder einer Phenylgruppe und einem (einer) in 4-Stellung gebundenen Wasserstoffatom oder Methylgruppe einzusetzen.
Die als die Imidazolverbindung (c) eingesetzten spe­ ziellen Verbindungen unterscheiden sich voneinander in ihrer katalytischen Aktivität, so daß es schwierig ist, die der bei der vorliegenden Erfindung eingesetzten Ep­ oxyharzmasse zuzumischende Menge an der Imidazolverbin­ dung (c) genau zu bestimmen. Die zuzumischende Menge an der Imidazolverbindung (c) sollte jedoch im allgemeinen zweckmäßigerweise in einem Bereich zwischen 0,1 und 5 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtmenge der aus Epoxyharz (a) und Phenolharzhärtungsmittel (b) bestehenden Harzbestand­ teile, liegen. Bei einer Zumischmenge an der Imidazolver­ bindung (c) von weniger als 0,1 Gew.-% können die Här­ tungseigenschaften beeinträchtigt sein, so daß eine Ver­ ringerung der Wärmebeständigkeit der Halbleitervorrich­ tung auftritt. Bei einer Zumischmenge von über 5 Gew.-% kann andererseits die Zuverlässigkeit der Halbleitervor­ richtung bezüglich Feuchtigkeitsbeständigkeit beeinträch­ tigt sein.
Es ist möglich, daß die in der ersten Ausführungs­ form der vorliegenden Erfindung eingesetzte Epoxyharz­ masse zusammen mit der oben beschriebenen Imidazolverbin­ dung (c) Spuren weiterer Härtungskatalysatoren in einer Weise enthält, daß die durch die Imidazolverbindung (c) hervorgerufene Wirkung nicht beeinträchtigt wird. Die obengenannten zusätzlichen Härtungskatalysatoren umfassen beispielsweise Verbindungen der Aminreihe, Diazabicy­ cloalkene und Salze davon, Organophosphine und Organome­ tallverbindungen.
Beispiele für bei der vorliegenden Erfindung ein­ setzbare Verbindungen der Aminreihe sind Triethylamin, Diethylentriamin, Triethylentetramin, Diethylaminopro­ pylamin, N-Aminoethylpyridin, Bis(4-amino-3-methylcyclo­ hexan)methan, Methaxylylenamin, Methandiamin und 3,9-Bis(3-aminopropyl)-2,4,8,10-tetraoxospiro[5,5]undecan.
Bei den erfindungsgemäß einsetzbaren Diazabicycloal­ kenen und Salzen davon handelt es sich beispielsweise um 1,8-Diazabicyclo[5,4,0]undeca-7-en oder ein Salz davon.
Des weiteren umfassen die erfindungsgemäß eingesetzten Or­ ganophosphine beispielsweise Triphenylphosphin, Tricyclo­ hexylphosphin und Tris(3,5-dimethylphenyl)phosphin.
Die in der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eingesetzte Epoxyharzmasse kann des weiteren Triphenylphosphat oder ein Derivat davon (d) enthalten. Bei Triphenylphosphat handelt es sich um eine Verbindung der chemischen Struktur (C6H5O)3P=O. Unter dem Derivat von Triphenylphosphat ist eine Verbindung zu verstehen, bei der eine Niedrigalkylgruppe in mindestens einen der Benzolringe des Triphenylphosphats eingeführt ist. Das Derivat umfaßt beispielsweise Trikresylphosphat (CH3CH6H4O)3P=O. Der Bestandteil (d) dient zur Gewährlei­ stung einer verbesserten Beständigkeit der mit einer wär­ mebeständigen Epoxyharzmasse eingekapselten Halbleiter­ vorrichtung gegenüber Rißbildung und Feuchtigkeit. Die zuzumischende Menge an Triphenylphosphat (d) sollte in einem Bereich zwischen 0,1 und 5 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtmenge der Harzbestandteile der Masse, liegen. Liegt die zuzumischende Menge an Triphenylphosphat (d) unter 0,1 Gew.-%, kann es dazu kommen, daß die Harzmasse keine ausreichend hohe Feuchtigkeitsbeständigkeit aufweist. Liegt die zuzumischende Menge über 5 Gew.-%, können ande­ rerseits die Härtungseigenschaften der Harzmasse beein­ trächtigt sein.
Neben den oben beschriebenen wesentlichen Bestand­ teilen sollten der in der ersten Ausführungsform der vor­ liegenden Erfindung eingesetzten Epoxyharzmasse zweckmä­ ßigerweise anorganische Füllstoffe zugesetzt sein. Die bei der vorliegenden Erfindung eingesetzten anorganischen Füllstoffe umfassen beispielsweise zerstoßene oder ver­ mahlene Materialien, kugelförmige Pulver, faserförmige Materialien, Einkristallfäden und Mikroballone von Quarz, verschmolzenem Siliciumdioxid, Titanoxid, Siliciumnitrid, Aluminiumnitrid, Talkum, Aluminiumoxid, hydratisiertem Aluminiumoxid, Glas, Antimonoxid, Bornitrid, Cal­ ciumsilicat und verschiedener Keramiken. Die zuzumi­ schende Menge an diesen anorganischen Füllstoffen unter­ liegt in der vorliegenden Erfindung keinen speziellen Be­ schränkungen. Es ist jedoch im allgemeinen zweckmäßig, daß die zuzumischende Menge an den anorganischen Füll­ stoffen in einem Bereich von 40 bis 75 Vol.-%, bezogen auf die Gesamtmenge an dem Einkapselungsharz, liegt. Wenn die zugemischte Menge weniger als 40 Vol.-% beträgt, kann der thermische Expansionskoeffizient des Einkapselungs­ harzes übermäßig groß werden, wodurch es zu einer Verrin­ gerung der Wärmeschockbeständigkeit kommt. Bei einer Zu­ mischmenge an dem anorganischen Füllstoff von mehr als 75 Vol.-% wird andererseits die Fließfähigkeit der Masse be­ einträchtigt, mit dem Ergebnis, daß die Formbarkeit der Epoxyharzmasse beeinträchtigt sein kann.
Ferner ist es möglich, der in der ersten Ausfüh­ rungsform der vorliegenden Erfindung eingesetzten Ep­ oxyharzmasse ein als Flammhemmittel wirkendes halogenier­ tes Epoxyharz zuzusetzen. Das bei der vorliegenden Erfin­ dung eingesetzte halogenierte Epoxyharz unterliegt kei­ nerlei Beschränkungen, mit der Ausnahme, daß das Harz Ha­ logenatome, z. B. Brom- oder Chloratome, enthält und sich mindestens zwei Epoxygruppen in einem einzelnen Harzmole­ kül befinden. Beispielsweise ist es möglich, ein Bromid eines Epoxyharzes vom Bisphenoltyp oder ein Bromid eines Epoxyharzes vom Novolaktyp einzusetzen. Zweckmäßigerweise bei der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird ein bro­ miertes Epoxyharz vom Bisphenoltyp oder ein bromiertes Epoxyharz vom Novolaktyp mit jeweils einem Bromgehalt von mindestens 20 Gew.-%. Vorzugsweise eingesetzt wird ein bromiertes Epoxyharz vom Bisphenoltyp mit einem Bromge­ halt von mindestens 40 Gew.-%. Spezielle Beispiele für das erfindungsgemäß eingesetzte halogenierte Epoxyharz sind:
das im Handel erhältliche halogenierte Epoxyharz AER-735 (Bromgehalt 48 Gew.-%, Epoxyäquivalent 350, Erweichungspunkt 60°C, halbfest, Bisphenoltyp),
das im Handel erhältliche halogenierte Epoxyharz AER-745 (Bromgehalt 48 Gew.-%, Epoxyäquivalent 400, Erweichungspunkt 71°C, Bisphenoltyp),
das im Handel erhältliche halogenierte Epoxyharz AER-755 (Bromgehalt 48 Gew.-%, Epoxyäquivalent 460, Erweichungspunkt 81°C, Bisphenoltyp),
das im Handel erhältliche halogenierte Epoxyharz AER-765 (Bromgehalt 50 Gew.-%, Epoxyäquivalent 602, Erweichungspunkt 101°C, Bisphenoltyp),
das im Handel erhältliche halogenierte Epoxyharz BRENS (Bromgehalt 36 Gew.-%, Epoxyäquivalent 289, Erweichungspunkt 88°C, Phenolnovolaktyp),
das im Handel erhältliche bromierte Epoxharz EPPN 500 (Bromgehalt 44 Gew.-%, Epoxyäquivalent 285, Erweichungspunkt 94°C, Phenolnovolaktyp),
das im Handel erhältliche halogenierte Epoxyharz AER-711 (Bromgehalt 20 Gew.-%, Epoxyäquivalent 480, Erweichungspunkt 74°C, Bisphenoltyp),
das im Handel erhältliche halogenierte Epoxyharz Epiclon 152 (Bromgehalt 46 Gew.-%, Epoxyäquivalent 360, Erweichungspunkt 55°C, Phenolnovolaktyp) und
das im Handel erhältliche halogenierte Epoxyharz Epiclon 1120 (Bromgehalt 20 Gew.-%, Epoxyäquivalent 480, Erweichungspunkt 75°C, Phenolnovolaktyp).
Des weiteren ist es möglich, daß die in der ersten Ausführungsform der vorliegende Erfindung eingesetzte Ep­ oxyharzmasse gewünschtenfalls geeignete Mengen noch wei­ terer, sich von den oben beschriebenen weiteren Bestand­ teilen unterscheidender Bestandteile einschließlich bei­ spielsweise Flammen hemmender Hilfsstoffe, z. B. eine Antimonverbindung und eine Phosphorverbindung, Formtrenn­ verbindungen, z. B. natürliche Wachse, synthetische Wachse, lineare Fettsäuren und Metallsalze davon, Säure­ amide, Ester und Paraffine, Färbemitteln, z. B. Ruß, Ti­ tandioxid und ein Farbstoff, Oberflächenbehandlungsmit­ teln von Füllstoffen, z. B. Silankupplungsmittel und Titankupplungsmittel, sowie eine Spannung verringernden Mitteln, z. B. Siliconöl, Siliconkautschuk, verschiedene pulverförmige Kunststoffe, verschiedene pulverförmige technische Kunststoffe und pulverförmiges ABS-Harz und MBS-Harz, enthalten.
Die in der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eingesetzte Epoxyharzmasse kann ohne Schwierig­ keiten unter Anwendung beispielsweise eines Schmelzkne­ tens mit Hilfe einer Heizwalze, eines Extruders oder ei­ ner Knetvorrichtung, Mahlen oder Mischen der Bestandteile mit einer speziellen Mischvorrichtung nach einem Kneten und Vermahlen hergestellt werden. Natürlich können zur Herstellung der bei der vorliegenden Erfindung eingesetz­ ten Epoxyharzmasse einige dieser Maßnahmen in Kombination eingesetzt werden.
Eine Epoxyharzmasse wird ferner als Einkapselungs­ harz in der harzgekapselten Halbleitervorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eingesetzt. Die in der zweiten Ausführungsform einge­ setzte Epoxyharzmasse enthält auch das Epoxyharz (a) und das Phenolharzhärtungsmittel (b), die bereits in Verbin­ dung mit der ersten Ausführungsform der vorliegenden Er­ findung beschrieben wurden. Das weitere Epoxyharz, das zusammen mit dem Epoxyharz (a) der Formel (I) in der er­ sten Ausführungsform eingesetzt werden kann, kann auch in der zweiten Ausführungsform eingesetzt werden. Des weite­ ren sollten die zuvor in Verbindung mit der ersten Aus­ führungsform beschriebenen zuzumischenden Mengen an dem Epoxyharz und dem Phenolharzhärtungsmittel (b) in der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auch eingesetzt werden.
Die in der harzgekapselten Halbleitervorrichtung ge­ mäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfin­ dung eingesetzte Epoxyharzmasse ist dadurch gekennzeich­ net, daß die Masse ein Formtrennmittel (e) eines Dreikom­ ponentensystems aus im wesentlichen einem Wachs auf Esterbasis, einem oxidierten Paraffinwachs und einem Wachs auf Olefinbasis enthält.
Genauer gesagt sollte es sich bei dem in dem Form­ trennmittel (e) enthaltenen Wachs auf Esterbasis um ein durch die Reaktion zwischen einer einwertigen höheren Fettsäure und einem einwertigen höheren Alkohol erhalte­ nen Ester handeln. Beispiele dafür sind ein im Handel er­ hältliches Carnaubawachs, bei dem es sich um einen Ester der Cerutinsäure und von Myricylalkohol mit einem Schmelzpunkt von 87°C, einem Säurewert von 2 bis 6 und einem Verseifungswert von 83 handelt, und ein im Handel erhältliches Hoechst E, bei dem es sich um ein Wachs mit einem Schmelzpunkt von 76 bis 82°C, einem Säurewert von 15 bis 20 und einem Verseifungswert von 125 bis 155 han­ delt. Selbstverständlich ist das erfindungsgemäß einge­ setzte Wachs auf Esterbasis nicht auf das Carnaubawachs und Hoechst E, die als Beispiele genannt wurden, be­ schränkt.
Bei dem in dem Formtrennmittel (e) enthaltenen oxi­ dierten Paraffinwachs handelt es sich um ein Oxid von Kohlenwasserstoffen, vorzugsweise um ein durch Oxidation von Kohlenwasserstoffen erhaltenes Gemisch höherer Alko­ hole, höherer Fettsäuren und Ester. Beispiele für das oxidierte Paraffinwachs sind ein im Handel erhältliches LUVAX-0321 (Schmelzpunkt 75°C, Molekulargewicht etwa 800, Säurewert 12, Verseifungswert 30, Hydroxylwert 80) und ein im Handel erhältliches oxidiertes Paraffinwachs Hoechst S (Schmelzpunkt 78 bis 84°C, Säurewert 135 bis 155, Verseifungswert 155-175). Selbstverständlich ist das bei der vorliegenden Erfindung eingesetzte oxidierte Pa­ raffinwachs nicht auf LUVAX-0321 und Hoechst S be­ schränkt.
Des weiteren sollte es sich bei dem in dem Form­ trennmittel (e) enthaltenen Wachs auf Olefinbasis zweckmäßigerweise um ein niedrigmolekulares Polyethylen und ein niedrigmolekulares Polypropylen mit jeweils einem Molekulargewicht von 500 bis 5000 handeln. Besonders ge­ eignet ist ein durch Oxidation modifiziertes oder durch ein Säureanhydrid säuremodifiziertes niedrigmolekulares Polyethylen oder Polypropylen. Spezielle Beispiele für das erfindungsgemäß eingesetzte Wachs auf Olefinbasis sind:
  • (1) Oxidiertes Polyethylenwachs:
    Das im Handel erhältliche oxidierte Polyethylenwachs HW-4252E (Schmelzpunkt 93°C, Molekulargewicht etwa 3000, Säurewert 17),
    das im Handel erhältliche oxidierte Polyethylenwachs HW-4202E (Schmelzpunkt 101°C, Molekulargewicht etwa 2500, Säurewert 17),
    das im Handel erhältliche oxidierte Polyethylenwachs HW-4052E (Schmelzpunkt 110°C, Molekulargewicht etwa 3200, Säurewert 20),
    das im Handel erhältliche oxidierte Polyethylenwachs E-300 (Schmelzpunkt 104°C, Molekulargewicht etwa 3000, Säurewert 22),
    das im Handel erhältliche oxidierte Polyethylenwachs E-250P (Schmelzpunkt 104°C, Molekulargewicht etwa 2000, Säurewert 22),
    das im Handel erhältliche oxidierte Polyethylenwachs PAD-521 (Schmelzpunkt 104°C, Molekulargewicht etwa 2000, Säurewert 16) und
    das im Handel erhältliche oxidierte Polyethylenwachs PAD-522 (Schmelzpunkt 104°C, Molekulargewicht etwa 3000, Säurewert 25);
  • (2) Oxidiertes Polypropylenwachs:
    das im Handel erhältliche oxidierte Polypropylen­ wachs TS-200 (Schmelzpunkt 145°C, Molekulargewicht etwa 3500, Säurewert 3,5);
  • (3) Säuremodifiziertes Polyethylenwachs:
    das im Handel erhältliche oxidierte Polypropylen­ wachs HW-1105A (Schmelzpunkt 104°C, Molekulargewicht etwa 1500, Säurewert 60).
Bei der in der zweiten Ausführungsform der vorlie­ genden Erfindung eingesetzten Epoxyharzmasse sollte die zuzumischende Menge an dem Formtrennmittel (e) zweckmäßi­ gerweise in einem Bereich von 0,3 bis 0,8 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtmenge an der Epoxyharzmasse, und in einem Bereich von 1,5 bis 4,5 Gew.-%, bezogen auf die Gesamt­ menge an dem Epoxyharz und dem Härtungsmittel, liegen. Wenn die zuzumischende Menge an dem Formtrennmittel die untere Grenze des oben angegebenen Bereichs unterschrei­ tet, ist es in einigen Fällen schwierig, ausreichende Formtrenneigenschaften zu erhalten. Wenn andererseits die obere Grenze des angegebenen Bereichs überschritten wird, kann es zu einer Verfärbung des Formlings nach dem Form­ schritt kommen. Ferner kann die Bindungsfestigkeit zwi­ schen dem Kapselungsharz und dem Halbleiterelement und zwischen dem Kapselungsharz und der Leiterplatte beein­ trächtigt sein, was dazu führt, daß die Zuverlässigkeit der harzgekapselten Halbleitervorrichtung bezüglich Feuchtigkeitsbeständigkeit gering wird.
Fig. 2 stellt ein Dreieckskoordinatensystem (d. h. eine Dreiecksgraphik) dar, das das wünschenswerte Mi­ schungsverhältnis der drei Komponenten bzw. Bestandteile des Formtrennmittels (e) angibt. Wie in Fig. 2 darge­ stellt, sollten die zuzumischenden Mengen an den drei Be­ standteilen des Formtrennmittels (e) in einem durch die folgenden Punkte a, b, c, d definierten Bereich liegen:
a: x = 30, y = 67, z = 3
b: x = 92, y = 5, z = 3
c: x = 75, y = 5, z = 20
d: x = 30, y = 50, z = 20
worin x das Wachs auf Esterbasis in Gew.-%, y das oxidierte Paraffinwachs in Gew.-% und z das Wachs auf Olefinbasis in Gew.-% angibt.
Wenn das Zumischverhältnis an den drei Bestandteilen außerhalb der in Fig. 2 angegebenen Linie a-b sowie au­ ßerhalb der Linie b-c liegt, ist es unmöglich, die Form­ trenneigenschaften der harzgekapselten Halbleitervor­ richtung nach dem Härten des Einkapselungsharzes ausrei­ chend zu verbessern. Wenn das Zumischverhältnis an den drei Bestandteilen andererseits außerhalb der in Fig. 2 dargestellten Linie c-d sowie außerhalb der Linie d-a liegt, ist es schwierig, eine ausreichende Rißbeständig­ keit des Bauteils zu erhalten.
Bei der harzgekapselten Halbleitervorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Epoxyharzmasse des weiteren Härtungskatalysa­ toren, z. B. Imidazolverbindungen, Verbindungen der Amin­ reihe, Diazabicycloalkene und Salze davon, Organophos­ phine und Organometallverbindungen, wie sie zuvor bei der ersten Ausführungsform beschrieben wurden, neben den oben beschriebenen wesentlichen Bestandteilen enthalten.
Die als die Härtungskatalysatoren in der Epoxyharz­ masse der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfin­ dung eingesetzten speziellen Verbindungen unterscheiden sich voneinander in ihrer katalytischen Aktivität, so daß eine genaue Bestimmung der zuzumischenden Menge an den Härtungskatalysatoren schwierig ist. Die zuzumi­ schende Menge an dem Härtungsbeschleuniger sollte jedoch zweckmäßigerweise im allgemeinen in einem Bereich von 0,1 bis 5 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtmenge an den Harzbe­ standteilen aus dem Epoxyharz (a) und dem Phenolharzhär­ tungsmittel (b), liegen. Wenn die zuzumischende Menge an dem Härtungskatalysator unter 0,1 Gew.-% liegt, können die Härtungseigenschaften beeinträchtigt sein, was dazu führt, daß die Wärmebeständigkeit der Halbleitervorrich­ tung verringert wird. Wenn die zuzumischende Menge 5 Gew.-% übersteigt, kann andererseits die Zuverlässigkeit der Halbleitervorrichtung bezüglich Feuchtigkeitsbestän­ digkeit verringert sein.
Des weiteren kann die in der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eingesetzte Epoxyharzmasse als zweckmäßige weitere Zusatzstoffe anorganische Füllstoffe, Flammhemmittel, z. B. ein halogeniertes Epoxyharz, flamm­ hemmende Hilfsmittel, Färbemittel, Oberflächenbehand­ lungsmittel und eine Spannung verringernde Mittel, wie sie in der in der ersten Ausführungsform eingesetzten Ep­ oxyharzmasse beschrieben wurden, enthalten. Die Mengen an diesen Zusatzstoffen sollten den zuvor in Verbindung mit der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung be­ schriebenen Mengen entsprechen.
Des weiteren kann die in der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eingesetzte Epoxyharzmasse ohne Schwierigkeiten beispielsweise mit Hilfe eines Schmelzknetens unter Verwendung einer Heizwalze, eines Extruders oder einer Knetvorrichtung, durch Vermahlen oder Vermischen der Bestandteile mit einer speziellen Mischvorrichtung nach einem Kneten und Vermahlen, wie bei der ersten Ausführungsform bereits beschrieben, herge­ stellt werden. Selbstverständlich können zur Herstellung der bei der vorliegenden Erfindung eingesetzten Epoxy­ harzmasse einige dieser Maßnahmen in Kombination mit­ einander eingesetzt werden.
Im folgenden soll die vorliegende Erfindung anhand von Beispielen detaillierter beschrieben werden. Die fol­ genden Beispiele sollen das Verständnis der vorliegenden Erfindung erleichtern, den technischen Rahmen der vorlie­ genden Erfindung jedoch in keiner Weise beschränken.
Beispiele 1 bis 3 und Vergleichsbeispiele 1 bis 3
Durch Vermischen der in Tabelle 1 angegebenen Be­ standteile wurden Epoxyharzmassen hergestellt. In der er­ sten Stufe wurde ein Füllstoff mit einem Oberflächenbe­ handlungsmittel mit Hilfe eines Henschel-Mischers behan­ delt, worauf die weiteren Bestandteile in die Masse ein­ gemischt wurden. Anschließend wurde das Gemisch bei 60 bis 130°C unter Verwendung einer Heizwalze verknetet. Das verknetete Gemisch wurde anschließend abgekühlt und ver­ mahlen, wobei man eine gewünschte Epoxyharzmasse erhielt.
Bei den in Tabelle 1 dargestellten Bestandteilen der Epoxyharzmassen handelt es sich um die folgenden:
Epoxyharz A: das im Handel erhältliche ESCN-221 (Handelsbezeichnung für ein Epoxyharz auf Tris(hydroxy­ alkylphenyl)-Basis mit einem Epoxyäquivalent von 213 und einem Erweichungspunkt von 85°C),
Epoxyharz B: Das im Handel erhältliche Epoxyharz ESCN195XL (Handelsbezeichnung eines Orthokresolnovolakep­ oxyharzes mit einem Epoxyäquivalent von 197 und einem Er­ weichungspunkt von 75°C),
Epoxyharz C: Ein im Handel erhältliches Epoxyharz AER-755 (Handelsbezeichnung eines bromierten Epoxyharzes vom Bisphenol-A-Typ mit einem Epoxyäquivalent von 460, einem Erweichungspunkt von 81°C und einem Bromgehalt von 48 Gew.-%),
Phenolharzhärtungsmittel A: Ein im Handel erhältli­ ches Phenolharzhärtungsmittel YL-6065 (Handelsbezeichnung eines Phenolharzes auf Tris(hydroxyphenyl)methanbasis mit einem Hydroxyläquivalent von 98 und einem Erweichungs­ punkt von 121°C),
Phenolharzhärtungsmittel B: Ein im Handel erhältli­ ches Phenolharzhärtungsmittel BRG-557 (Handelsbezeichnung eines Phenolnovolakharzes mit einem Hydroxyläquivalent von 104 und einem Erweichungspunkt von 85°C),
Härtungskatalysator A: ein im Handel erhältlicher Härtungskatalysator C17Z (Handelsbezeichnung von 2-Heptadecylimidazol),
Härtungskatalysator B: Ein im Handel erhältlicher Härtungskatalysator 2MZ (Handelsbezeichnung von 2-Methylimidazol),
Härtungskatalysator C: Ein im Handel erhältlicher Härtungskatalysator PP-360 (Handelsbezeichnung von Tri­ phenylphosphin),
Formtrennmittel A: Ein im Handel erhältliches Form­ trennmittel Carnauba Nr. 1 (Handelsbezeichnung eines Car­ naubawachses),
Pigment (Färbemittel): Ein im Handel erhältliches Pigment CB#30 (Handelsbezeichnung eines Rußes),
Flammhemmendes Hilfsmittel: Ein im Handel erhältli­ ches Antimontrioxid,
Füllstoff: Ein im Handel erhältliches verschmolzenes Siliciumdioxidpulver, das verschmolzen oder vermahlen ist und eine durchschnittliche Teilchengröße von 20 µm auf­ weist,
Oberflächenbehandlungsmittel (Kupplungsmittel): Ein im Handel erhältliches Oberflächenbehandlungsmittel A-187 (Handelsbezeichnung eines γ-Glycidoxypropyltrimethoxysi­ lans).
Es sei darauf hingewiesen, daß in der Epoxyharzmasse des Vergleichsbeispiels 1 kein Triphenylphosphat enthal­ ten ist. In der Epoxyharzmasse des Vergleichsbeispiels 2 wird Triphenyphosphin alleine als Härtungskatalysator eingesetzt. Des weiteren ist in der Masse des Vergleichs­ beispiels 3 kein Epoxyharz mit einer chemischen Struktur der Formel (I) enthalten.
Nach einem üblichen bekannten Verfahren unter Ver­ wendung jeweils einer der in Tabelle 1 dargestellten Ep­ oxyharzmassen wurde eine harzgekapselte Halbleitervor­ richtung (Halbleiterbauteil) hergestellt. Jedes dieser Halbleiterbauteile wurde anschließend den beiden Bewer­ tungsuntersuchungen (1) und (2) unterworfen.
1) Untersuchung zur Bestimmung der Zuverlässigkeit hinsichtlich Feuchtigkeitsbeständigkeit
Eine Prüfvorrichtung wurde mit jeweils einer der Ep­ oxyharzmassen eingekapselt und anschließend 4 h lang bei 180°C einer Nachhärtungsbehandlung unterzogen. Danach wurde das erhaltene Bauteil bei einer Temperatur von 85°C und einer relativen Luftfeuchtigkeit von 85% stehengelas­ sen, um dem Bauteil eine Absorption von Feuchtigkeit zu ermöglichen, worauf es 1 Minute lang einem Fluorkohlen­ stoffdampf von 215°C ausgesetzt wurde. Danach wurde das Bauteil auf etwaig auftretende Risse hin untersucht.
Das Bauteil wurde einer Untersuchung in einem unter Druck gesetzten Kochtopf unterzogen. Dabei wurde das Bau­ teil eine vorbestimmte Zeit lang in einer mit Dampf einer Temperatur von 127°C gesättigten Atmosphäre stehengelas­ sen, um das etwaige Auftreten von Fehlern (Fehler infolge eines Leckstroms und einer Leitungsunterbrechung) zu un­ tersuchen.
2) Untersuchung zur Bewertung der Beständigkeit ge­ gen externe Kontamination
Eine Prüflingsvorrichtung wurde mit jeweils einer der Epoxyharzmassen eingekapselt und anschließend 4 h lang bei 180°C einer Nachhärtungsbehandlung unterzogen. Anschließend wurde das erhaltene Bauteil in eine 5%ige wäßrige Natriumchloridlösung eingetaucht. Anschließend wurde das Bauteil eine vorbestimmte Zeit lang bei einer Temperatur von 85°C und einer relativen Luftfeuchtigkeit von 85% stehengelassen, um das etwaige Auftreten eines Fehlers (ein Fehler infolge eines Leckstroms oder einer Leitungsunterbrechung) zu untersuchen.
Tabelle 2 zeigt die Ergebnisse dieser Untersuchun­ gen.
Wie aus Tabelle 2 ersichtlich, zeigte sich, daß die mit der Epoxyharzmasse der Beispiele 1, 2 oder 3 einge­ kapselte Halbleitervorrichtung bezüglich Beständigkeit gegenüber einer Rißbildung bei hohen Temperaturen und der mit Hilfe des nach der Untersuchung bezüglich Beständig­ keit gegen Rißbildung durchgeführten Untersuchung in ei­ nem Druckkochtopf bestimmten Zuverlässigkeit bezüglich Feuchtigkeitsbeständigkeit der mit der Epoxyharzmasse der Vergleichsbeispiele 1, 2 oder 3 eingekapselten Halblei­ tervorrichtung überlegen war. Ferner wurde bestätigt, daß selbst dann wenn eine externe Kontamination der bei der vorliegenden Erfindung eingesetzten Epoxyharzmasse statt­ findet, die Zuverlässigkeit bezüglich Feuchtigkeitsbe­ ständigkeit nicht beeinträchtigt wird. Insbesondere wurde festgestellt, daß die Kombination aus einer Imidazolver­ bindung und Triphenylphosphat sowohl die Zuverlässigkeit hinsichtlich Feuchtigkeitsbeständigkeit als auch die Be­ ständigkeit gegenüber einer externen Kontamination deut­ lich verbessert.
Beispiele 4 bis 18 und Referenzbeispiele 1 bis 4
Durch Vermischen der in Tabelle 3 dargestellten Be­ standteile wurden Epoxyharzmassen hergestellt. Im ersten Schritt wurde ein Füllstoff mit einem Oberflächenbehand­ lungsmittel mit Hilfe eines Henschel-Mischers behandelt, worauf die weiteren Bestandteile der Masse eingemischt wurden. Anschließend wurde das Gemisch mit Hilfe einer Heizwalze bei 60 bis 130°C geknetet. Das geknetete Ge­ misch wurde anschließend gekühlt und vermahlen, wobei man eine gewünschte Epoxyharzmasse erhielt.
Die Epoxyharze A, B, C, das Phenolharz A, das eine Härtung fördernde Mittel A, das Pigment, das Flammen hem­ mende Hilfsmittel, der Füllstoff und das Oberflächenbe­ handlungsmittel, wie in Tabelle 3 dargestellt, entspre­ chen den in Tabelle 1 dargestellten, die bereits im Zu­ sammenhang mit den Beispielen 1 bis 3 beschrieben wurden. Die weiteren Bestandteile der in Tabelle 3 dargestellten Epoxyharzmassen sind die folgenden:
Phenolharz C: YL-6065 (Handelsbezeichnung eines Tris(hydroxyphenyl)methans mit einem Hydroxyläquivalent von 107 und einem Erweichungspunkt von 101°C),
Phenolharz D: BRG-556 (Handelsbezeichnung eines Phe­ nolnovolakharzes mit einem Erweichungspunkt von 85°C),
ein eine Spannung verringerndes Mittel A: BTA-731 (Handelsbezeichnung eines Methylmethacrylat/Butadien- /Styrol-Mischpolymerisats),
ein eine Spannung verringerndes Mittel B: TSJ-3051 (Handelsbezeichnung eines wärmehärtbaren Aditionssili­ congels mit einer Viskosität von 1000 cP bei 25°C),
Formtrennmittel B: Carnauba Nr. 1 (Handelsbezeichnung eines Wachses auf Esterbasis mit ei­ nem Schmelzpunkt von 87°C, einem Säurewert von 2 bis 6 und einem Verseifungswert von 83),
Formtrennmittel C: Calbacks 0321 (Handelsbezeichnung eines oxidierten Paraffinwachses mit einem Schmelzpunkt von 75°C, einem Molekulargewicht von etwa 800, einem Säu­ rewert von 12, einem Verseifungswert von 30 und einem Hy­ droxylwert von 80),
Formtrennmittel D: HW-4252E (Handelsbezeichnung ei­ nes oxidierten Polyethylenwachses mit einem Schmelzpunkt von 93°C, einem Molekulargewicht von etwa 3000 und einem Säurewert von 17),
Formtrennmittel E: E-250P (Handelsbezeichnung eines oxidierten Polyethylenwachses mit einem Schmelzpunkt von 104°C, einem Molekulargewicht von etwa 2000 und einem Säurewert von 20),
Formtrennmittel F: HW-2203A (Handelsbezeichnung ei­ nes oxidierten Polyethylenwachses mit einem Schmelzpunkt von 107°C, einem Molekulargewicht von etwa 2700 und einem Säurewert von 30),
Formtrennmittel G: TS-200 (Handelsbezeichnung eines oxidierten Polyethylenwachses mit einem Schmelzpunkt von 145°C, einem Molekulargewicht von etwa 3500 und einem Säurewert von 3,5).
Es sei darauf hingewiesen, daß in den Epoxyharzmas­ sen der Referenzbeispiele 1 bis 4 mindestens eines der Formtrennmittel B, C und D nicht enthalten ist. Anderer­ seits sind in der Epoxyharzmasse des Beispiels 8 alle diese Formtrennmittel B, C und D enthalten. In diesem Fall fällt jedoch das Mischungsverhältnis dieser drei Formtrennmittel nicht in den in dem Dreieckskoordinaten­ system der Fig. 2 schraffierten Bereich a-b-c-d.
Diese Epoxyharzmassen wurden den Bewertungsuntersu­ chungen 3 bis 5 unterzogen, um die unter Verwendung die­ ser Epoxyharzmassen hergestellten harzgekapselten Halb­ leitervorrichtungen zu bewerten:
3) Bindungsfestigkeit mit einer aus 42-Legierung hergestellten Leiterplatte
Auf einer 4 mm2 großen Oberfläche einer Leiterplatte aus 42-Legierung wurde ein Formling jeweils einer der Ep­ oxyharzmassen ausgebildet, worauf der Formkörper 8 h lang bei 175°C einer Nachhärtungsbehandlung unterzogen wurde, um einen Prüfling herzustellen. Anschließend wurde jeder der Prüflinge 168 h lang bei 85°C und einer relativen Luftfeuchtigkeit von 85% einer Feuchtigkeitabsorptionsbe­ handlung unterworfen. Nach der Feuchtigkeitsabsorptions­ behandlung wurde die Bindungsfestigkeit zwischen dem Harzformling und dem Leiterrahmen aus 42-Legierung be­ stimmt. Tabelle 4 zeigt die Ergebnisse.
4) Restmenge der Leiterplatte in der Form
Eine Leiterplatte wurde mit Hilfe einer Niedrig­ druck-Preßspritzformvorrichtung mit jeweils einer der Ep­ oxyharzmassen eingekapselt. Die Formtemperatur wurde auf 175°C eingestellt, die Formdauer betrug 2 min. Ein ähnli­ cher Einkapselungsvorgang wurde mit 50 Ladungen für jede der Harzmassen durchgeführt, worauf die gekapselte Lei­ terplatte aus der Form mit Hilfe eines herkömmlichen Ver­ fahrens entnommen wurde, um die Restmenge an der Leiter­ platte in der Form zu bestimmen. Die Tabelle 4 zeigt die Ergebnisse.
5) Auftreten einer Rißbildung nach einer Dampfpha­ senrückflußbehandlung
Ein Halbleiterelement mit einer Chipgröße von 15 mm wurde unter Verwendung einer Niedrigdruck-Preßspritzform­ vorrichtung mit jeweils einer der Epoxyharzmassen einge­ kapselt. Die Formtemperatur wurde auf 175°C eingestellt, die Formdauer betrug 2 min. Anschließend wurde das harz­ gekapselte Halbleiterelement 8 h lang bei 175°C nachge­ härtet, um ein flaches Bauteil (d. h. eine harzgekapselte Halbleitervorrichtung) mit 184 Steckstiften herzustellen. Danach wurde das erhaltene flache Bauteil bei 85°C und einer relativen Luftfeuchtigkeit von 60% 168 h lang einer Feuchtigkeitsabsorptionsbehandlung unterworfen, worauf das Bauteil einer Dampfphasenrückfluß (VPS)-Behandlung bei 215°C unterworfen wurde, um das Auftreten von defek­ ten Bauteilen durch Bestimmung des Auftretens von Rissen, die die äußere Oberfläche des Bauteils unmittelbar nach der VPS-Behandlung erreichen, zu untersuchen.
Daneben wurde das Bauteil einer Zuverlässigkeitsun­ tersuchung bezüglich Feuchtigkeitsbeständigkeit unterwor­ fen, bei der das Bauteil eine vorbestimmte Zeit lang in einem Druckkochtopf bei 121°C und 2 Atmosphären stehenge­ lassen wurde, um das Auftreten von Defekten zu untersu­ chen. Tabelle 4 zeigt die Ergebnisse.
Wie aus Tabelle 4 ersichtlich, waren die Epoxyharz­ massen der Beispiele 4 bis 18 den Massen der Referenzbei­ spiele 1 bis 4 in der Bindungsfestigkeit des Formlings an der Leiterplatte aus 42-Legierung überlegen. Ferner wurde bei dem Beispiel der vorliegenden Erfindung keine restli­ che Leiterplatte in der Form festgestellt, was darauf hindeutet, daß die in der vorliegenden Erfindung defi­ nierte Epoxyharzmasse ausgezeichnete Formtrenneigenschaf­ ten aufweist. Des weiteren war selbst nach der VPS-Be­ handlung bei der harzgekapselten Halbleitervorrichtung der vorliegenden Erfindung, die unter Verwendung der in der vorliegenden Erfindung definierten Epoxyharzmasse hergestellt worden war, das Auftreten von Rissen unter­ drückt. Ferner wurde festgestellt, daß die harzgekapselte Halbleitervorrichtung der vorliegenden Erfindung ausge­ zeichnete Ergebnisse bzw. eine ausgezeichnete Leistungs­ fähigkeit bei der nach der Untersuchung auf Rißbeständig­ keit durchgeführten Untersuchung bezüglich der Zuver­ lässigkeit gegenüber Feuchtigkeitsbeständigkeit aufwies. Daraus folgt, daß die harzgekapselte Halbleitervor­ richtung entsprechend einem der Beispiele 4 bis 18 mit ausgezeichneten Formtrenneigenschaften im Herstellungs­ verfahren eine Verbesserung der Herstellungseffizienz der Vorrichtung und eine zufriedenstellende Zuverlässigkeit bezüglich Feuchtigkeitsbeständigkeit gewährleistet.

Claims (16)

1. Harzgekapselte Halbleitervorrichtung aus einem Halb­ leiterelement und einer Epoxyharzmasse als Kapselungs­ harz, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse im wesentli­ chen aus
  • (a) einem Epoxyharz der allgemeinen Formel (I)
    worin R1, R2, R3 und R4, die gleich oder verschieden sein können, für ein Wasserstoffatom oder eine Alkyl­ gruppe stehen und n ≧ 0;
  • (b) einem Phenolharzhärtungsmittel,
  • (c) einer Imidazolverbindung und
  • (d) Triphenylphosphat oder einem Derivat desselben besteht.
2. Harzgekapselte Halbleitervorrichtung aus einem Halb­ leiterelement und einer Epoxyharzmasse als Kapselungs­ harz, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse im wesentli­ chen aus
  • (a) einem Epoxyharz der allgemeinen Formel (I)
    worin R1, R2, R3 und R4, die gleich oder verschieden sein können, für ein Wasserstoffatom oder eine Alkyl­ gruppe stehen und n ≧ 0;
  • (b) einem Phenolharzhärtungsmittel und
  • (e) einem Formtrennmittel in Form eines im wesentli­ chen aus einem Wachs auf Esterbasis, einem oxidierten Pa­ raffinwachs und einem Wachs auf Olefinbasis bestehenden Dreikomponentensystems besteht.
3. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Epoxyharzmasse zusätzlich einen an­ organischen Füllstoff enthält.
4. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Epoxyharzmasse zusätzlich ein von dem Epoxyharz (a) hinsichtlich seiner chemischen Struktur verschiedenes Epoxyharz enthält.
5. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Phenolharzhärtungsmittel (b) aus einem Phenolharz der allgemeinen Formel (III)
worin bedeuten:
R5 und R6, die gleich oder verschieden sein können, je­ weils ein Wasserstoffatom oder eine Alkylgruppe mit 1 bis 20 Kohlenstoffatom(en) und
R7 eine Einfachbindung oder eine Alkylengruppe, besteht.
6. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Mischungsverhältnis Epoxyharz (a)/Phenolharzhärtungsmittel (b) in der Epoxyharzmasse (ausgedrückt als Verhältnis "Anzahl der phenolischen Hy­ droxylgruppen des Phenolharzes"/"Anzahl Epoxygruppen des Epoxyharzes") im Bereich zwischen etwa 0,5 und 1,5 liegt.
7. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Imidazolverbindung (c) aus einer Imidazolverbindung mit einer langkettigen Alkylgruppe mit mindestens 11 Kohlenstoffatomen oder einer Phenylgruppe in 2-Stellung und Wasserstoff oder einer Methylgruppe in 4-Stellung besteht.
8. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Imidazolverbindung (c) in der Ep­ oxyharzmasse in einer Menge von etwa 0,1 bis 5 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der das Epoxyharz (a) und das Phenolharzhärtungsmittel (b) umfassenden Harzkompo­ nenten, enthalten ist.
9. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Triphenylphosphat oder dessen Deri­ vat (d) in der Epoxyharzmasse in einer Menge von etwa 0,1 bis 5 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der das Ep­ oxyharz (a) und das Phenolharzhärtungsmittel (b) umfas­ senden Harzkomponenten, enthalten ist.
10. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Epoxyharzmasse zusätzlich eine Imi­ dazolverbindung als Härtungskatalysator enthält.
11. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das als eine Komponente des Formtrenn­ mittels (e) dienende Wachs auf Esterbasis aus einem durch Umsetzen einer einwertigen höheren Fettsäure mit einem einwertigen höheren Alkohol erhaltenen Ester besteht.
12. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das als eine Komponente des Formtrenn­ mittels (e) dienende oxidierte Paraffinwachs aus einem durch Oxidieren eines Kohlenwasserstoffs erhaltenen Ge­ misch höherer Alkohole, höherer Fettsäuren und von Estern besteht.
13. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das als eine Komponente des Formtrenn­ mittels (e) dienende Wachs auf Olefinbasis aus einem niedrigmolekularen Polyethylen oder einem niedrigmoleku­ laren Polypropylen jeweils eines Molekulargewichts von 500 bis 5000 besteht.
14. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Mischungsverhältnis von zusammen das Formtrennmittel (e) bildendem Wachs auf Esterba­ sis/oxidiertem Paraffinwachs/Wachs auf Olefinbasis 30 ≦ x ≦ 92, 5 ≦ y ≦ 67, 3 ≦ z ≦ 20 und x + y + z = 100, worin bedeuten:
x den gewichtsprozentualen Anteil des Wachses auf Ester­ basis;
y den gewichtsprozentualen Anteil des oxidierten Paraf­ finwachses und
z den gewichtsprozentualen Anteil des Wachses auf Olefin­ basis, beträgt.
15. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Formtrennmittel (e) in der Ep­ oxyharzmasse in einer Menge von 0,3 bis 0,8 Gew.-%, bezo­ gen auf die Menge an der Epoxyharzmasse, und in einer Menge von 1,5 bis 4,5 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtmenge an in der Masse enthaltenem Epoxyharz und Härtungsmittel, beträgt.
16. Harzgekapselte Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Epoxyharzmasse zusätzlich aus
  • (e) einem Formtrennmittel in Form eines im wesentli­ chen aus einem Wachs auf Esterbasis, einem oxidierten Pa­ raffinwachs und einem Wachs auf Olefinbasis bestehenden Dreikomponentensystems besteht.
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