DE69930110T2

DE69930110T2 - Keramische- harz zusammenstellungen mit magnetische eigenschaften und mit einem eingekapselten halbleiter

Info

Publication number: DE69930110T2
Application number: DE69930110T
Authority: DE
Inventors: J. Ronald Elkhart WOLF
Original assignee: Siemens VDO Automotive Corp
Current assignee: Continental Automotive Systems Inc
Priority date: 1998-09-11
Filing date: 1999-04-02
Publication date: 2006-09-14
Anticipated expiration: 2019-04-03
Also published as: JP2002525257A; DE69930110D1; EP1112582A1; US6274939B1; US6818478B1; EP1112582B1; EP1112582A4; US6414398B1; AU3466699A; WO2000016348A1

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eingekapselte Halbleiterbauelemente und ein Verfahren zum Herstellen solcher Elemente.
Beschreibung des Stands der Technik
In Verbindung mit Bauelementen, die für elektronische oder magnetische Zwecke eingesetzt werden, wird eine Vielfalt von Harzen verwendet. Das Harz dient oft als Gehäuse oder als Trägerstruktur, auf der andere Bauelemente aufgebracht sind. Das Harz muss also weiterverarbeitet werden, damit ein Endprodukt entsteht.
Halbleiterbauelemente werden in ein Gehäuse eingesetzt und in eine Vielfalt von harzähnlichen Materialien, darunter auch Epoxidharze, eingekapselt. Epoxidharze sind außerordentlich beständig gegen Wärme und Feuchtigkeit, sie haben exzellente elektrische und Haft-Eigenschaften, und durch Hinzufügen von verändernden Agenzien können sie eine Vielfalt von neuen Eigenschaften entwickeln. Demzufolge werden Epoxidharze verwendet, um Mikroelektronik-Bauelemente wie integrierte Schaltkreise in Gehäuse zu setzen.
Zu den bei elektronischen Anwendungen verwendeten Epoxid-Zusammensetzungen können Härter- und Füllstoffe gehören. Die Füllstoffe werden verwendet, damit das Epoxidharz die gewünschten Eigenschaften, z.B. einen niedrigen Temperaturausdehnungskoeffizienten und eine hohe thermische Leitfähigkeit, erhält. Zu den üblicherweise in Kombination mit Epoxidharzen verwendeten Füllstoffen gehören anorganische Füllstoffe wie z.B. Siliziumoxid, Quarz, Aluminiumoxid, Glasfasern, Calciumsilikat, eine Vielfalt von Erden und Lehmen und Kombinationen davon. Beispiele von Epoxidharz- Zusammensetzungen, die verschiedene Arten von Füllstoffen enthalten, welche in Anwendungen in der Elektronik eingesetzt werden, werden in der US-Patentschrift 4 042 550 beschrieben.
Ein Typ eines Halbleiterbauelementes, bei dem Epoxidharz-Zusammensetzungen verwendet werden, sind Näherungssensoren, z.B. Hallsensoren. Die Funktion eines Hallsensors beruht auf einer Änderung der Dichte eines Magnetfeldes, das auf die magnetempfindliche Fläche eines Hallsensors einwirkt. Eine ausführliche Beschreibung von Hallsensoren findet sich in den US-Patentschriften 5 729 130, 5 694 038, 5 650 719, 5 389 889 und 4 970 463, und die Funktionsweise einer Anzahl unterschiedlicher Hallsensor-Typen wird in dem Datenbuch SN 500 von Allegro (ehemals Sprague) beschrieben.
Bei einem repräsentativen Hallsensor, wie er in der US-Patentschrift 4 970 463 vorgestellt wird, ist ein Magnet in einem festen Abstand von der magnetempfindlichen Fläche eines Hallsensors angeordnet, definiert somit einen Luftspalt und bildet eine Baugruppe. Bei der Herstellung einer solchen Baugruppe ist es erforderlich, dass der Magnet in Bezug auf die magnetempfindliche Fläche in einer bestimmten Weise ausgerichtet montiert wird. Es sind verschiedene Verfahren zum Festlegen der Position des Hallsensors bekannt, z.B. Vergießen oder Umspritzen. Bei einer bekannten Umspritztechnik wird der Magnet auf einen vorhandenen Halbleiter aufgeformt, der bereits in einem Gehäuse eingekapselt ist. Durch den zusätzlichen Schritt des Hinzufügens oder Aufformens eines Magneten auf den Halbleiter werden die Komplexität und die Herstellungskosten derartiger Bauelemente erhöht.
In der US-Patentschrift 4 749 434 werden magnetische Hotmelt-Dichtbänder beschrieben. Die Bänder umfassen Kohlenwasserstoffharze, wobei Styrol-Butadien-Harzen der Vorzug gegeben wird, sowie Magnetpartikel, z.B. aus Bariumferrit oder Strontiumferrit. Bei einer Ausführungsform umfasst das Band Bariumferrit-Partikel, Kraton TM 1101, einem Styrol-Butadien-Harz, ein Epoxidharz und ein Agens zum Härten des Epoxidharzes. Die Zutaten wurden gemischt und extrudiert, um ein Band zu erzeugen, das zum Zwecke der Magnetisierung einem elektrischen Feld ausgesetzt wurde. Die remanente Magnetfelddichte (B_r) des Bandes betrug 200 Gauß.
In DATABASE WPI Abschnitt Ch, Week 198106 Derwent Publications Ltd., London, GB; Klasse A85, AN 1981-08696D & JP 55 154707 A wird eine Zusammensetzung beschrieben, die ein thermoplastisches Polyamidharz und ein Ferritmagnetpulver aus Partikeln umfasst, deren Größe etwa 1 μm beträgt. Die magnetische Flussdichte B_r beträgt 2500 Gauß. Die Zusammensetzung in diesem Bezugsbeispiel wird durch Mischen des Harzes und des Ferritpulvers und durch Pressen bei 280 °C in Gegenwart eines Magnetfelds hergestellt.
In DATABASE WPI Abschnitt Ch, Week 198112 Derwent Publications Ltd., London, GB; Klasse A85, AN 1981-20058D & JP 56 006411 A wird eine Zusammensetzung beschrieben, die ein thermoplastisches Polyethylenharz und ein Magnetpulver aus Bariumferrit oder Strontiumferrit umfasst. Die magnetische Flussdichte B_r beträgt 2650 Gauß.
Aus einem Binder und einem Permanentmagnetpulver hergestellte flexible Permanentmagneten werden in der US-Patentschrift 4 063 970 beschrieben. Barium und Strontium enthaltendes Ferritpulver wurde mit einem Epoxidharzbinder gemischt und in Gegenwart eines Magnetfelds kalt gepresst. Anschließend wurde der Körper einer Wärmebehandlung bei 140 °C unterzogen. Das resultierende Magnetfeld hatte eine Magnetflussdichte B_r von 2800 Gauß.
Aus den PATENT ABSTRACTS OF JAPAN Band 009, Nr. 310 (E364), 6. Dezember 1985 (1985-12-06) und JP 60 144905 A ist bekannt, dass man Ferritzusammensetzungen mit thermoplastischen Harzen wie z.B. Polypropylen, Polyethylen oder Polystyrol bilden kann.
Neben den erhöhten Fertigungskosten besteht ein üblicher Nachteil derartiger Sensorbauelemente darin, dass ihr Ausgangssignal vom Luftspalt zwischen dem Magneten und dem Bauelement abhängig ist, der von Bauelement zu Bauelement unterschiedlich groß sein kann. Insbesondere nimmt der maximale Ausgangsignalbereich des Bauelements ab und verringert somit die Empfindlichkeit des Sensors, wenn der Luftspalt zwischen dem Magneten und dem Halbleiter zunimmt. Es besteht also ein Bedarf, einen Hallsensor mit geringeren Kosten mit relativ konsistenten, reproduzierbaren Ausgangskennlinien bereitzustellen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Kurz gesagt, die vorliegende Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement, das gemäß Anspruch 1 in eine Harz-Keramik-Zusammensetzung eingekapselt ist und eine Anzahl von Eigenschaften entwickelt, die bislang in einer einzelnen Zusammensetzung nicht möglich waren. Bei einem wichtigen Aspekt der Erfindung ist die Harz-Keramik-Zusammensetzung in der Lage, ein Magnetfeld bereitzustellen. Der Einsatz einer Harz-Keramik-Zusammensetzung gemäß der Erfindung macht folglich die Verwendung eines separaten Magneten entbehrlich und verringert dadurch deutlich die Kosten eines derartigen Bauelementes, für welches äußere Magnetfelder erforderlich sind.
Bei einem Aspekt der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei der Harz-Keramik-Zusammensetzung um eine Epoxid-Keramik-Zusammensetzung, die sich für das Einkapseln eines integrierten Schaltkreises eignet. Es werden zwei Ausführungsformen dieses Aspektes der Erfindung betrachtet. Bei einer Ausführungsform wird die Zusammensetzung auf einen bereits eingekapselten integrierten Schaltkreis aufgeformt. Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird die Zusammensetzung als die einzige Einkapselung des Chips des integrierten Schaltkreises verwendet. Bei beiden Ausführungsformen wird durch die Verwendung der Zusammensetzung die Notwendigkeit des Einsatzes eines externen Magneten entbehrlich, wodurch die Kosten des Sensors deutlich gesenkt und relativ konsistente, reproduzierbare Ausgangskennlinien bereitgestellt werden. Die Verwendung der Harz-Keramik-Zusammensetzung der Erfindung als Gehäuse oder Umspritzung sorgt des Weiteren für einen relativ reproduzierbaren und konsistenten Luftspalt und erhöht folglich die Empfindlichkeit des Bauelements, das mit einem ähnlichen Typ von magnetischem Material verwendet wird. Da die magnetische Feldstärke bei einem Aspekt der Erfindung temperaturabhängig ist, kann die Zusammensetzung gegebenenfalls auf einem Harz basieren, das ein brauchbares Ausgangssignal über einen angenommenen Temperaturbereich von –40 °C bis 150 °C liefern kann, wodurch die Zusammensetzung für die Anwendung der Sensoren im Automobilbereich interessant wird.
Die Zusammensetzung gemäß der Erfindung enthält ein Harz und eine bestimmte Menge von Keramikfüllstoff, die ausreicht, dass die magnetische Flussdichte der Zusammensetzung mindestens 1 Gauß beträgt. Der Keramikfüllstoff kann Strontiumferrit, Bariumferrit oder Mischungen daraus enthalten. Wenn es sich bei dem Harz um ein Epoxidharz handelt und die Epoxid-Keramik- Zusammensetzung verwendet wird, um einen integrierten Schaltkreis einzukapseln, kann der Keramikfüllstoff eine Partikelgröße von etwa 1,5 μm oder weniger haben. Die relativ geringe Größe der Partikel und deren Form bilden einen zusätzlichen Vorteil, weil der Halbleiter einer geringeren mechanischen Belastung als bei anderen zur Einkapselung verwendeten Zusammensetzungen ausgesetzt wird.
Die vorliegende Erfindung stellt außerdem einen Prozess zum Herstellen eines Halbleiterbauelements nach Anspruch 18 bereit. Gemäß dem Prozess der vorliegenden Erfindung wird ein Harz mit einem Keramikfüllstoff vermischt, dessen Menge ausreicht, die sich ergebende Zusammensetzung mit einer magnetischen Flussdichte von mindestens 1 Gauß auszustatten. Die Mischung aus Harz und keramischem Füllstoff wird einem Magnetfeld ausgesetzt, um die magnetischen Dipole innerhalb der Zusammensetzung auszurichten.
Die vorliegende Erfindung stellt außerdem einen Prozess zur Herstellung einer Zusammensetzung zum Ausformen mit einem Harz bereit, die bei Zuführen von Wärme in einen wärmeaushärtenden Zustand übergehen kann und die zum Einkapseln von Halbleiterbauelementen geeignet ist. Der Prozess stellt eine Zusammensetzung, die sich aufgrund ihrer Eigenschaften für den Einsatz bei Halbleiterbauelementen eignet, und eine magnetische Flussdichte von mindestens 1 Gauß bereit. Gemäß diesem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Harz-Zusammensetzung gegebenenfalls mit einem Härter und einem Keramikfüllstoff vermischt, dessen Menge ausreicht, die resultierende Zusammensetzung mit einer magnetischen Flussdichte von mindestens 1 Gauß auszustatten. Bei einem wichtigen Aspekt der Erfindung kann der keramische Füllstoff ein Dielektrikum mit magnetischen Eigenschaften wie z.B. Bariumferrit, Strontiumferrit oder Mischungen davon enthalten.
Die Harz/Härter/Keramikfüllstoff-Mischung wird während einer vorgegebenen Zeitdauer auf eine Temperatur erwärmt, bei der die Zusammensetzung eine Vernetzung erfährt. Die Harz/Härter/Keramikfüllstoff-Mischung kann isotrop oder anisotrop sein (d.h. nichtmagnetisch ausgerichtet oder magnetisch ausgerichtet).
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die vorliegende Erfindung stellt ein Halbleiterbauelement bereit, das in ein Harz mit magnetischen Eigenschaften eingekapselt ist. Bei einem Aspekt der Erfindung können die Harze in Verbindung mit verschiedenen Typen von auf Magnetfelder reagierenden Sensoren verwendet werden. Zu Beispielen für auf Magnetfelder reagierende Sensoren gehören Hallsensoren, diskrete, hybride oder integrierte Schaltkreise mit Hallsensoren, z.B. anwendungsspezifische integrierte Schaltkreise (ASIC), Reed-Schalter, magnetoresistive Sensoren (MRS) wie z.B. hybride, diskrete oder integrierte Schaltkreise mit einem NRE sowie magnetische Axialkontaktschalter oder dergleichen, wie sie allgemein in der US-Patentschrift 4 970 463 beschrieben werden. Jeder Sensor, der bei der Änderung der magnetischen Flussdichte ein Signal abgibt, kann nach dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung gefertigt werden.
Zu den für die vorliegende Erfindung geeigneten Harzen können thermoplastische und wärmeaushärtende Harze gehören. Zu repräsentativen Beispielen für Harze, die bei der vorliegenden Erfindungen verwendet werden, gehören Epoxide, Polyester, Polypropylen, Polyethylen, Polybutylen, Polycarbonat, Styrol, Harze auf Sulfonbasis und Polyamid-Imide.
Das verwendete Harz hängt von der Anwendung ab, insbesondere werden Harze mit bekannten Eigenschaften für die Anwendung, in der sie eingesetzt werden, ausgewählt. Da bei der Erfindung zur Bildung eines magnetischen Harzes Materialien mit magnetischen Eigenschaften hinzugesetzt werden sollen, wird in einer speziellen Ausführungsform beispielhaft ein einziges Harz, nämlich Epoxidharz, beschrieben. Die Auswahl und die Anwendung anderer Harze ohne magnetische Eigenschaften sind dem Fachmann geläufig. Diese Harze können gemäß der vorliegenden Erfindung in magnetische Harze überführt werden.
Bei einem Aspekt der Erfindung ist das Harz ein Epoxidharz, und durch die Epoxidharz-Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung ergibt sich eine einzige Zusammensetzung zum Einkapseln von Halbleiterbauelementen, entweder durch Umspritzen eines bereits eingekapselten integrierten Schaltkreises oder als einzige Einkapselung des Chips des integrierten Schaltkreises. Bei beiden Ausführungsformen wird durch den Einsatz der Zusammensetzung die Verwendung eines diskreten Magneten entbehrlich, was zu beträchtlichen Kosteneinsparungen für den Sensor und zu relativ konsistenten, reproduzierbaren Ausgangskennlinien führt.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die Epoxidharz-Zusammensetzung so gewählt werden, dass sich bestimmte Eigenschaften ergeben, die sie für den Einsatz bei Halbleiterbauelementen geeignet und anwendbar machen. Bei diesem Aspekt der Erfindung ist das für die elektronischen Bauelemente verwendete harzartige Material für die elektronischen Bauelemente geeignet, weil es das Bauelement weder chemisch noch physikalisch beeinträchtigt. Die harzartige Zusammensetzung ist beispielsweise relativ frei von Ionen, z.B. Chlor, Brom und Fluor, d.h. Elementen, die chemisch reagieren und korrosive Verbindungen bilden könnten. Der Ausdruck "relativ frei von Ionen", wie er hier verwendet wird, bedeutet, dass die Epoxidharz-Zusammensetzung geringere Mengen von Chlor, Brom, Fluor oder Kombinationen davon aufweist, als dies üblicherweise bei Einkapselungen von Halbleiter-Chips der Fall ist. Die Epoxidharz-Zusammensetzung bietet darüber hinaus eine ausreichende Abdichtung der Zuleitungen, um das Eindringen von Feuchtigkeit und Verunreinigungen durch Ionen zu verhindern, die gleichfalls zu einer Verschlechterung des Halbleiterbauelements beitragen könnten.
Bei einem weiteren wichtigen Aspekt kann durch die Harz-Zusammensetzung der Erfindung ein niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient erzielt werden, wenn diese Eigenschaft benötigt wird. Derartige Halbleiter sind zu einem großen Teil aufgrund der zunehmenden Komplexität immer empfindlicher gegen wärmebedingte Spannungen geworden. Der Einsatz von Einkapselungs-Zusammensetzungen, die keinen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, kann aufgrund von Rissen im Chip zu frühzeitigen Ausfällen, Drahtbrüchen und Parameterverschiebungen führen. Die Harz-Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung ist beim Einsatz mit Halbleitern wirksam, bei denen üblicherweise große durch Wärme erzeugte innere Spannungen auftreten aufgrund von Anwendungen, die einem relativ großen Temperaturbereich unterliegen.
Neben dem Erzielen eines niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten kann die Harz-Zusammensetzung auch so gestaltet werden, dass sie eine hohe thermische Leitfähigkeit aufweist für Anwendungen, bei denen dies von Wichtigkeit ist. Halbleiterbauelemente mit einer hohen Schaltkreisdichte erzeugen pro Flächeneinheit mehr Wärme als solche mit niedriger Schaltkreisdichte und erfordern daher eine rasche Abführung der Wärme durch die Kapselunq, damit eine niedrigere Betriebstemperatur und eine längere Lebensdauer gewährleistet werden. In der Elektronikindustrie gilt es als unbestritten, dass eine Zunahme der Sperrschichttemperatur um 10 °C die Lebenserwartung eines Halbleiters um die Hälfte verringert. Aus diesem Grunde ist eine gute thermische Leitfähigkeit, d.h. eine rasche Abführung von Wärme, notwendig für den effizienten Betrieb und eine hohe Lebensdauer eines Mikroelektronik-Bauelements.
Epoxidharze
Bei einem Aspekt handelt es sich bei der Epoxidharz-Komponente der Zusammensetzungen um solche Komponenten, die mehr als eine Epoxidgruppe aufweisen und zu denen gehören können, die in Zusammensetzungen zum Ausformen verwendet werden, wie z.B. Diglycidylether aus Bisphenol A, Glycidylether aus Phenolformaldehydharzen, aliphatischen, zykloaliphatischen, aromatischen und heterozyklischen Epoxiden.
Einige üblicherweise verwendete Epoxidharze enthalten Epoxide, die durch Reagieren von Epichlorhydrin mit Bisphenol A oder mit hydriertem Bisphenol A oder mit Bisphenol F oder mit Novolac phenolischen Harzen oder mit mehrwertigen Alkoholen wie Glycerin, Sorbit, Polyethylen- oder Polypropylenglycol hergestellt werden. Nachfolgend wird als Beispiel die Strukturformel von Polyethylenglycol-Diglycidalether gezeigt.
Die für die vorliegende Erfindung geeigneten Epoxidharze werden unter einer Reihe von Markennamen wie z.B. „Epon", „Epi-Rez", „Genepoxy" und „Araldit" vertrieben, um nur einige zu nennen. Epoxylierte Novolac-Harze sind ebenfalls für diese Erfindung geeignet; sie sind unter dem Markennamen „Ciba ECN" und „Dow EN" im Handel erhältlich.
Die auch als Härtungsagenzien (curing agents) bekannten Härter, die hier zum Einsatz kommen können, sind solche, die allgemein zum Vernetzen von Epoxidharzen verwendet werden und die Bildung einer harten, unlöslichen Masse bewirken. Diese Härter sind in der Technik bestens bekannt, und die Verwendung eines dieser Härter oder die Kombination verschiedener Härter ist gängige Technik. Beispiele für verwendbare Härter oder Härtungsagenzien sind Anhydride wie beispielsweise Phtalsäureanhydrid, Tetrachlorphtalsäureanhydrid, Benzophenontetracarboxylsäure-Dianhydrid (BTDA), Pyromellitsäure-Dianhydrid (PMDA), das Anhydrid von 1,2,3,4-Cyclopentantetracarbolsäure (CPDA), Trimellitsäure-Anhydrid, Trimellitsäure-Zweifachanhydrid und n-fache Anhydride; Novalacs; und Amine wie z.B. Diamine, aromatische Amine, Methylen-Dianilin, m-Phenyl-Diamin und m-Tolylen-Diamin.
Im Allgemeinen hängt die Menge der zum Epoxidharz hinzugefügten Härter von den gewünschten Eigenschaften des Endprodukts ab. Es werden z.B. 10 % Härter oder mehr auf der Grundlage der stöchiometrischen Menge der vorhandenen Epoxidgruppen verwendet.
Füllstoffe
Die Keramikfüllstoffe der vorliegenden Erfindung können mit allen hier beschriebenen Harzen vermischt werden. Die Keramikfüllstoffe können mit den Harzen und/oder den Härtern vermischt werden, bevor man die Zusammensetzung aushärten lässt und auch vor dem Aushärten in Gegenwart eines Magnetfeldes zum Ausrichten der magnetischen Dipole in der Zusammensetzung. Bei einem wichtigen Aspekt der Erfindung wird das Epoxidharz/der Härter mit einem magnetischen Keramikfüllstoff vermischt.
Bei den für die vorliegende Erfindung geeigneten magnetischen Keramikfüllstoffen handelt es sich um dielektrische Keramiken, die als elektrische Isolatoren wirken und demzufolge elektrisch nichtleitend sind. Die magnetischen Keramikfüllstoffe der Erfindung stellen ein Magnetfeld mit einer Flussdichte von mindestens 1 Gauß bereit und sind in der Lage, in Abhängigkeit vom Anteil des magnetischen Keramikfüllstoffes ein Magnetfeld von bis zu mindestens 150 Gauß und bis zu 600 Gauß oder höher zu liefern. Das von der Zusammensetzung gelieferte Magnetfeld weist in einem Temperaturbereich von etwa –40 °C bis etwa 150 °C eine Flussdichte von mindestens 1 Gauß auf. Insbesondere beträgt der magnetische Temperaturkoeffizient für die Zusammensetzung etwa –0,19 %/°C. Anders ausgedrückt, die Magnetflussdichte verringert sich pro Grad Temperaturänderung bezüglich 25 °C um 0,19 %. Bei einer Temperatur von 150 °C ist bei der Zusammensetzung der Betrag der Flussdichte in Gauß um 24 % geringer.
Bei einem sehr wichtigen Aspekt enthalten die Keramikfüllstoffe der vorliegenden Erfindung Strontiumferrit, Bariumferrit und jedwede gleichwertige Materialien. Bei einem anderen sehr wichtigen Aspekt hat die Keramik für den Einsatz bei Halbleiterbauelementen eine Partikelgröße von etwa 1,5 μm. Wenn die Partikel eine geringe Größe haben, ist eine angemessene Dispersion des Keramikfüllstoffs im Epoxidharz gegeben, und erhält das Harz die gewünschten Eigenschaften bezüglich Wärmeausdehnung und Leitfähigkeit. Außerdem treten bei einer geringeren Partikelgröße im Chip der integrierten Schaltung geringere mechanische Belastungen auf.
Additive
Der Epoxidharz-Zusammensetzung zum Ausformen können eine Vielfalt von Hilfsstoffen hinzugefügt werden, um spezielle Eigenschaften zu erzielen. Entsprechend werden Katalysatoren, Trennmittel, Pigmente, Flammenhemmer und Kopplungsmittel im Allgemeinen zusätzlich zu den Epoxidharzen, Härtern und Füllstoffen verwendet.
Herstellung von Halbleiterbauelementen durch Umspritzen oder Vergießen.
Bei einem wichtigen Aspekt der Erfindung wird das Epoxidharz wie oben beschrieben mit einem Härter und mit einem magnetischen Keramikfüllstoff vermischt. Die Mischung enthält Keramikfüllstoff in einer Menge, die ausreicht, um die Endzusammensetzung mit einer gewünschten magnetischen Flussdichte von mindestens 1 Gauß auszustatten. Bei einem sehr wichtigen Aspekt enthält die Mischung etwa 40 bis etwa 65 Gewichtsprozent, vorzugsweise 50 Gewichtsprozent, an Keramikfüllstoff auf der Grundlage des Gewichts der Harz/Härter/Keramikfüllstoff-Mischung.
Ein bereits in einem Gehäuse befindlicher Halbleiter wird mit der Harz/Härter/Keramikfüllstoff-Mischung umspritzt oder vergossen. Anschließend erfolgt durch Erwärmen der Zusammensetzung das Härten oder Vernetzen des Epoxidharzes. Bei einem wichtigen Aspekt dauert der Erwärmungsvorgang etwa 60 Minuten bei einer Temperatur von etwa 115 °C.
Die Harz/Härter/Keramikfüllstoff-Mischung kann isotrop oder anisotrop sein (d.h. nichtmagnetisch ausgerichtet oder magnetisch ausgerichtet). Bei einer anisotropen Ausführungsform erfolgt das Aushärten des Epoxidharzes in Gegenwart eines Magnetfeldes. Die magnetische Ausrichtung kann durch Anlegen eines geeigneten Magnetfeldes erreicht werden, was dem Fachmann auf dem Gebiet bestens bekannt ist.
Einkapseln von Halbleiter-Chips
Bei einem anderen wichtigen Aspekt der Erfindung werden die Zusammensetzungen der vorliegenden Erfindung verwendet, um einen Halbleiter-Chip einzukapseln. In dem hier beschriebenen Sinne ist ein Halbleiter-Chip ein Teil eines Wafers, der durch herkömmliche Verfahren zur Herstellung von integrierten Schaltkreisen erstellt wurde. Diese Chips beinhalten normalerweise Befestigungsflächen (bond pads), für die Verbindung mit internen elektrischen Schaltkreisen. Es sind insbesondere verschiedene Verfahren bekannt, um die Kontaktierungen mit Bond-Rahmen zu verbinden. Der Chip und die Kontaktierungen werden in einem Gehäuse gekapselt, normalerweise einer Epoxidharz-Zusammensetzung.
Bei einem wichtigen Aspekt der vorliegenden Erfindung werden die Epoxidharz-Zusammensetzungen, die normalerweise zum Einkapseln eines Halbleiters verwendet werden, mittels bekannter Verfahren durch die Zusammensetzung gemäß der vorliegenden Erfindung ersetzt. Durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung wird ein Bauelement bereitgestellt, das einen reduzierten oder auf null verringerten Luftspalt aufweist. Durch dieses Verfahren wird der interne Luftspalt zwischen dem Chip und dem Magnetfeld verringert.
BEISPIELE
Beispiel 1: THERMISCHE LEITFÄHIGKEIT
Die thermische Leitfähigkeit ist ein Maß für die Fähigkeit eines Materials, Wärme zu leiten. Es wird das Wärmeleitfähigkeitsmessgerät Colora verwendet, das auf einem von Dr. J. Schroeder angegebenen Verfahren beruht (Deutsche Patentanmeldung 1 145 825), um die Wärmeleitfähigkeit von Kunststoffmaterialien zu messen.
Bei diesem Verfahren wird eine zylinderförmige Materialprobe zwischen zwei Siedekammern platziert, die zwei verschiedene reine Flüssigkeiten enthalten, deren Siedepunkte sich um 10 bis 20 °C unterscheiden. Die Flüssigkeit in der unteren Kammer wird zum Sieden gebracht, die Wärme wird durch das Material geleitet, um die Flüssigkeit in der oberen Kammer zum Sieden zu bringen. Die Zeit ist Maß für eine gegebene Wärmemenge, die durch die Materialprobe geleitet wird, um einen Milliliter (1 ml) Flüssigkeit in der oberen Siedekammer (kalte Seite) zum Verdampfen und zum Kondensieren in einer Bürette zu bringen. Die Zeit, die zum Verdampfen und Kondensieren von 1 ml Flüssigkeit benötigt wird, indem Wärme durch die Materialprobe geleitet wird, wird mit einem bekannten Standard verglichen.
Um die Wärmeleitfähigkeit des zu testenden Materials zu ermitteln, wird eine Scheibe mit den Maßen 18 mm × 203 mm (0,7 Zoll × 8 Zoll) geformt. Diese Scheibe wird in das Wärmeleitfähigkeitsmessgerät eingelegt und wie oben beschrieben geprüft.
Die Wärmeleitfähigkeit (τ) des Kunststoffes in cal/°C/cm/s wird wie folgt berechnet:
wobei

Q: = Verdampfungswärme für 1 ml der Flüssigkeit B.
t: = Zeit in Sekunden, um 1 ml zu destillieren.
T_A – T_B: = Temperaturdifferenz in °C, die durch die Siedepunkte der beiden Flüssigkeiten gegeben ist.
h: = Probenhöhe in cm
F: = Probenquerschnitt in cm²

Ein Wert für τ größer als 25 × 10^–4 ist bei Kapselmaterialien für elektronische Bauelemente sehr wünschenswert.
Beispiel 2: THERMISCHE AUSDEHNUNG
Ein linearer Koeffizient der Wärmeausdehnung ist bei jedem Material ein Maß für eine reversible, durch Wärmeeinwirkung hervorgerufene Ausdehnung. Zum Ermitteln der Ausdehnungskennlinie einer geformten Epoxid- oder Harz-Zusammensetzung wird eine thermomechanische Analyseeinheit verwendet.
Bei einer bestimmten Temperatur bekommen Kunststoffe ein glänzendes Aussehen, wenn die Polymerketten beginnen, sich voneinander zu lösen. Diese Temperatur wird als Glas-Übergangstemperatur (T_g) des Kunststoffs bezeichnet. Der mittlere Wärmeausdehnungskoeffizient unterhalb von T_g wird mit α₁ bezeichnet. Der mittlere Wärmeausdehnungskoeffizient oberhalb von T_g wird mit α₂ bezeichnet.
Um α₁, α₂ und T_g eines Kunststoffes zu ermitteln, wird ein Probekörper, der eine zylinderförmige Materialprobe mit den Maßen 5 mm × 5 mm (0,2 Zoll × 0,2 Zoll) umfasst, in einem Spritzpress-Prozess bei einer Temperatur von etwa 177 °C (350 °F) und einem Druck von 68 bar (1000 psi) ausgeformt. Dieser Probekörper wird nachträglich bei einer Temperatur und über einen Zeitraum hinweg gehärtet, die für jedes Material vorgegeben werden.
Der nachträglich gehärtete Probekörper wird in die Quarzrohrkammer der thermomechanischen Analyseeinheit platziert. Auf dem Probekörper wird eine Quarzsonde zur Erkennung von Verschiebungen angeordnet. Anschließend wird die Kammer mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit erwärmt (üblicherweise 5 °C/min). Die Ausdehnung des Kunststoffes wird von einem Messwandler erfasst, der die Daten an einen xy-Schreiber leitet. Das erzeugte Thermogramm zeigt die Verschiebung als Funktion der Temperatur.
Zur Bestimmung von T_g wird für den unteren Teil der Verschiebungs-/Temperatur-Kurve und den oberen Abschnitt die jeweils günstigste Tangente gezeichnet. Die Temperatur am Schnittpunkt dieser beiden Tangenten ist die Glasübergangstemperatur.
α₁ und α₂ können wie folgt berechnet werden:
wobei

α: = mittlerer linearer Koeffizient der Wärmeausdehnung in Zoll/Zoll/°C
L₁: = Verschiebung in Zoll
A: = Empfindlichkeit auf der Y'-Achse
L₀: = ursprüngliche Länge der Materialprobe in Zoll
T: = Zur Bestimmung von TE verwendeter Temperaturbereich
F: = Kalibrierungsfaktor

Obwohl bei diesem und bei allen folgenden Beispielen beide Werte α₁ und α₂ bestimmt werden, ist der lineare Wärmeausdehnungskoeffizient α₁ unterhalb der Glasübergangstemperatur (T_g) der entscheidende Wärmeausdehnungskoeffizient, um die Eignung von Epoxid-Zusammensetzungen zum Ausformen für das Einkapseln elektronischer Bauelemente zu beurteilen. Bei einem Material zum Einkapseln von elektronischen Bauelementen ist für α₁ ein Wert unter 23 × 10^–6 außerordentlich wünschenswert.
Beispiel 3: Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit T_g und CTE.

Die Wärmeleitfähigkeit wurde mit Hilfe einer Wärmeleitfähigkeitsprüfvorrichtung C-Matic, Modell TCHM-DV, gemäß der zugehörigen Prozedur ermittelt. Das Gerät wurde insbesondere unter Verwendung eines Pyrex-Standards kalibriert. Die Proben wurden wie folgt vorbereitet:

Probenbezeichnung	Beschreibung
100-65	100 g Epoxidharz, 65 % Füllstoff,
	27,4 g Härter
85-70	100 g Epoxidharz, 70 % Füllstoff
	23,3 g Härter
85-65	100 g Epoxidharz, 65 % Füllstoff,
	23,3 g Härter
85-40	100 g Epoxidharz, 40 % Füllstoff,
	23,3 g Härter

Der Füllstoffanteil beruht auf dem Gesamtgewicht von Epoxidharz und Härter.
Die Proben wurden einem magnetischen Fluss ausgesetzt, um die magnetischen Dipole im Füllstoff auszurichten. Die Proben wurden wie in Tabelle 1 angegeben gehärtet und mit Hilfe des C-Matic, Modell TCHM-DV, gemäß den Anweisungen des Herstellers analysiert. Die Wärmeleitfähigkeitswerte sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Die Zusammensetzung könnte alternativ auch mit nichtausgerichteten magnetischen Dipolen verwendet werden.
Die oben beschriebenen Proben wurden zur Ermittlung von T_g (Glasübergang) auch nach ASTM D-3418 und zur Ermittlung des Wärmeausdehnungskoeffizienten nach ASTM E-831 geprüft. Tabelle 1
Beispiel 4: Vorbereitung der Umspritzung.
Es wurde ein Epoxidharz (MJT-010-018 von ThermosetPlastics, Indianapolis, IN) mit einem Keramikfüllstoff Bariumferrit vermischt, um ein Harz mit 62,5 Gewichtsprozent Keramikfüllstoff zu erhalten. Die Harz/Füllstoff-Mischung (100 g) wurde anschließend mit 27 g Härter vermischt (EP 830).
Ein Halbleiterbauelement, z.B. ein Sensormodell ATS 640 von Allegro mit entferntem Magneten, wurde in eine vorgeheizte Form gebracht, und die Epoxid/Füllstoff/Härter-Mischung wurde in die Harz/Füllstoff/Härter-Mischung gegossen, so dass der Sensor von der Mischung umhüllt wurde. Die Form wurde auf 115 °C erwärmt. Auf dem Boden der Form befand sich ein Magnet, dessen magnetische Feldstärke ausreichte, die magnetischen Dipole in der Keramik auszurichten.
Nachdem die Zusammensetzung in der Form 60 Minuten lang bei 115 °C erwärmt wurde, wurde der gehärtete, eingekapselte Halbleiter aus der Form geholt.
Beispiel 5: Messung der magnetischen Flussdichte
Das Epoxidharz wurde wie in Beispiel 4 vorbereitet und mit einem magnetischen Füllstoff zu einem in Tabelle 2 angegebenen Prozentsatz vermischt. Die Proben wurden einem Magnetfeld ausgesetzt, um die magnetischen Dipole im Füllstoff auszurichten. Alternativ wurden die Proben nicht einem Magnetfeld ausgesetzt, so dass die Dipole nicht ausgerichtet wurden. Die gemessenen Werte für die magnetische Flussdichte sind in der nachfolgenden Tabelle 2 zusammengefasst. Tabelle 2

* Prozentsatz des magnetischen Keramikfüllstoffs

Claims

In eine Harz-Keramik-Zusammensetzung eingekapseltes Halbleiterbauelement, wobei die Harz-Keramik-Zusammensetzung Folgendes umfasst: ein Harz; und eine Menge von Keramikfüllstoff, die ausreicht, um die Zusammensetzung mit einer magnetischen Flussdichte von mindestens 1 Gauß auszustatten.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, wobei der Keramikfüllstoff aus der aus Strontiumferrit, Bariumferrit und Mischungen daraus bestehenden Gruppe ausgewählt wird.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, wobei das Harz ein thermoplastisches Harz ist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, wobei das Harz ein wärmeaushärtendes Harz ist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, wobei das Harz ein Epoxidharz ist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, wobei das Harz ein Polyester ist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, wobei das Harz ein Polypropylen ist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, wobei das Harz ein Polyethylen ist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, wobei das Harz ein Polybutylen ist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, wobei das Harz ein Polycarbonat ist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, wobei das Harz ein Styrol ist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, wobei das Harz ein sulfonbasiertes Harz ist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, wobei das Harz ein Polyamid-Imid ist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 5, wobei die Epoxid-Keramik-Zusammensetzung einen Härter umfasst.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 14, wobei der Keramikfüllstoff eine Partikelgröße von etwa 1,5 μm oder geringer aufweist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 14, wobei das Halbleiterbauelement ein Hallsensor ist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 16, wobei der Hallsensor einen gegen null gehenden Luftspalt hat.
Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelementes, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Einkapseln des Halbleiterbauelementes in eine Harz-Keramik-Zusammensetzungsmischung, die ein Harz und eine Menge an Keramikfüllstoff aufweist, die ausreicht, um die Zusammensetzung mit einer magnetischen Flussdichte von mindestens 1 Gauß auszustatten; und Einbringen der Harz-Keramik-Zusammensetzungsmischung in ein Magnetfeld, wobei das Magnetfeld die Ausrichtung der magnetischen Dipole der Harz-Keramik-Zusammensetzungsmischung bewirkt.
Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelementes nach Anspruch 18, wobei der Keramikfüllstoff eine Partikelgröße von 1,5 μm oder geringer aufweist.
Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelementes nach Anspruch 18, wobei der Keramikfüllstoff aus einer aus Strontiumferrit, Bariumferrit oder einer Mischung daraus bestehenden Gruppe ausgewählt wird.
Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelements nach Anspruch 18, wobei das Harz ein Epoxidharz ist und die Epoxid-Keramik-Zusammensetzungsmischung einen Härter beinhaltet, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Erwärmen der Epoxid/Härter/Keramik-Mischung bei einer Temperatur, die zum Vernetzen der Zusammensetzung ausreicht, während die Epoxidharz-Zusammensetzung gleichzeitig einem Magnetfeld ausgesetzt wird, wobei das Magnetfeld ausreicht, um die magnetischen Dipole der Epoxid/Härter/Keramik-Mischung auszurichten.