JP2005142307A

JP2005142307A - 耐湿性が改良された半導体パッケージおよびその製造方法

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Publication number: JP2005142307A
Application number: JP2003376162A
Authority: JP
Inventors: Toshiya Urakawa; 俊也浦川; Yohei Suzuki; 庸平鈴木
Original assignee: Mitsui Chemicals Inc
Current assignee: Mitsui Chemicals Inc
Priority date: 2003-11-05
Filing date: 2003-11-05
Publication date: 2005-06-02

Abstract

【課題】
水分の浸入を有効に防止した耐湿性の優れた気密封止方式の半導体パッケージ、及び該半導体パッケージの製造方法を提供する。
【解決手段】
半導体パッケージは、導電性金属板からなるリードが設けられ、半導体を装着するための中空部を有する箱型樹脂成形体であって、該樹脂成形体の底部に蒸気不透過性物質からなる耐湿層が設けられ、該耐湿層の片面の一部が樹脂成形体から露出し、該耐湿層の端部の少なくとも一部が樹脂中に埋設されていることを特徴とする。
【選択図】図４

Description

本発明は、リードが設けられ、半導体を装着するための中空部を有する箱型樹脂成形体からなる半導体パッケージおよびその製造方法に関する。より詳しくは、耐湿性が改良された半導体パッケージおよびその製造方法に関する。

ＩＣ、ＬＳＩなどの半導体素子は、周囲の温度や湿度の変化、あるいは微細なゴミやほこりに影響され、その特性が微妙に変化してしまうことや、機械的振動や衝撃によって破損し易いことなどの理由で、半導体素子が封止されたパッケージとして使用に供されている。

パッケージ方式としては、大別して気密封止方式と樹脂封止方式とに分けられ、気密封止方式では、一般的には材質にセラミックスおよび樹脂が用いられている。樹脂の場合は箱型樹脂成形体が用いられ、そのチップボンディング部に接着剤によって固着された半導体素子は、インサート成形により樹脂成形体に封入され、両端がパッケージ内外部に露出するリードのうちのインナーリードとボンディングワイヤーによって連結されている。また樹脂成形体の上面開口部は透明あるいは不透明な合成樹脂板、ガラス板などの蓋材を接着剤によって固着し、気密封止を行なうものであるが、このような封止手段を講じても、時間の経過に伴いパッケージ内部に微量の水分が浸入し、半導体素子の機能を低下せしめ、やがては使用不能の状態となってしまうという問題点があった。

そこで、水分の浸入経路として考えられる蓋の接着部、あるいはリードフレームの樹脂封入部について入念な密封手段を施しても、依然として経時による水分の浸入を防止することができず、その対策に苦慮しているのが現実である。

この問題に対して片山らは、半導体パッケージに対する水分の浸入は、パッケージの下面、すなわち、箱型樹脂成形体の底面から成形体を透過してくる水分が主たるものであるという知見を得、この知見をもとに気密封止された半導体パッケージの箱型中空樹脂成形体底面またはそれより内側にアルミニウム、銅、鉄の金属およびそれらの合金からなる群より選ばれた蒸気不透過性の板状体からなる耐湿板の層を形成するという発明を開示している（特許文献１参照）。

しかし、昨今においては半導体パッケージの薄型化への要求が強く、結果として箱型樹脂成形体の底部が薄くなることから、上記の発明をさらに発展させ、箱型樹脂成形体の底面からの水分の浸入防止を確実なものにすることが望まれる。

特開平４−７９２５６号公報

本発明の課題は、水分の浸入を有効に防止した耐湿性のすぐれた気密封止方式の半導体パッケージを提供することである。
さらに本発明の課題は、水分の浸入を有効に防止した耐湿性のすぐれた気密封止方式の半導体パッケージの製造方法を提供することである。

本発明は、前記課題を解決するために達成されたものであって、その特徴とするところは、箱型中空樹脂成形体の底部に成形された、蒸気不透過性物質からなる耐湿層の片面の一部が露出し、その端部の少なくとも一部が樹脂成形体中に埋設されている半導体パッケージにあり、上記成形体の製造においては、予め金型内に、蒸気不透過性物質を、その片面の一部が成形体の底部から露出するようにリードフレームと共にインサートした後、パッケージ成形用樹脂組成物でインサート成形することにより上記耐湿層の片面の一部が露出し、その端部の少なくとも一部が樹脂成形体中に埋設されるようにしてリードフレームと共に箱型中空樹脂成形体に一体化することを特徴とするものである。

すなわち、本発明によれば、導電性金属板からなるリードが設けられた、半導体を装着するための中空部を有する箱型樹脂成形体であって、該樹脂成形体の半導体を装着する面の反対側にあたる底部に蒸気不透過性物質からなる耐湿層が設けられ、該耐湿層の片面の一部が該樹脂成形体の底部から露出し、該耐湿層の端部の少なくとも一部が樹脂成形体中に埋設されていることを特徴とする半導体パッケージが提供される。

前記耐湿層が、箱型中空成形体の底部から露出する面の反対側に樹脂層を予め積層して成形された蒸気不透過性物質からなるものであることは本発明の半導体パッケージの好ましい態様である。

また本発明によれば、予め箱型中空樹脂成形体の金型内に、耐湿層形成用の蒸気不透過性物質を、該耐湿層の片面の一部が樹脂成形体の底部から露出し、該耐湿層の端部の少なくとも一部が樹脂成形体中に埋設されるように、リードフレームと共にインサートした後、パッケージ成形用樹脂を用いてインサート成形することによって得られる前記半導体パッケージの製造方法が提供される。

本発明の半導体パッケージを用いれば、箱型成形体底部の厚みが薄いものであっても、その中空部に半導体が装着され気密封止されてなる半導体装置内部への水分透過量を効率的に防止することが出来る。
また、本発明の半導体装置の製造方法は、箱型樹脂成形体内の底部に耐湿層を高い精度をもって、しかも簡単な工程で固定することができる。

本発明に係る、底部に耐湿層を成形した半導体パッケージ用の箱型樹脂成形体の一例を示す図１において、１はエポキシ樹脂組成物、ポリイミド樹脂組成物、フェノール樹脂組成物、不飽和ポリエステル樹脂組成物、シリコーン樹脂組成物などの熱硬化性樹脂組成物をもちいてなる箱型中空樹脂成形体、２は４２アロイ、銅合金などからなるリードフレーム、３は半導体チップを固着するためのチップボンディング部、４は半導体装置を密封するための蓋接着部であり、密封効果をよりすぐれたものとするために段部を設けてある。５は耐湿層であり、本発明の技術的特徴である片面の一部が成形体底部から露出し、端部が樹脂中に埋設されるように成形された状態の例を示す。この場合、耐湿層の最端部が箱型樹脂成形体の側壁から露出していても良いが、実装時の短絡防止の観点からは、最端部は露出せずに樹脂中に埋設されている方が好ましい。

図２は、本発明の半導体パッケージの別の態様を示す図である。この場合、耐湿層の最端部が箱型樹脂成形体の底面から露出しているので、金型に固定し易くなる。
図３は、本発明の半導体パッケージの他の態様を示す図である。この場合、耐湿層の端部をハーフエッチング、又はハーフプレスによって薄肉化し、端部が樹脂中に埋設されているようにする。

本発明の耐湿層は、少なくとも耐湿層の端部の一部、好ましくは端部全てが樹脂中に埋設されているので、耐湿層の片面が露出していても、耐湿層と樹脂成形体との脱離が防げる。その結果、水分透過量を有効に防止することが出来る。

この耐湿層としては、蒸気不透過性物質、とくに、鉄、銅、ニッケル、アルミニウムなどの金属及びそれらの合金、ならびにセラミック、ガラス等の材料が使用されるが、これらのなかでも、アルミニウム、銅、鉄の金属およびそれらの合金であって、０．５ｃａｌ／ｃｍ・ｓｅｃ・℃以上の熱伝導率を有するものを使用した場合には、耐湿性が改良されるばかりでなく、半導体チップの発熱現象をパッケージ外に放熱するという効果を併せ持ち、半導体素子の作動安定性にも寄与しうるものとなる。

また、耐湿層が、箱型中空成形体の底部から露出する面の反対側に、予め積層されたポリイミド等の樹脂層を有する蒸気不透過性物質からなるものであると、さらに耐湿性を向上させることができるので好ましい。積層する樹脂の層厚みは、０．０１〜５０μｍの範囲が好ましい。

耐湿層の厚みは、通常０．１ないし１０００μｍ、好ましくは１ないし５００μｍのものが用いられ、耐湿層の大きさは、箱型樹脂成形体の底面と略同程度の大きさのものであることが好ましい。樹脂中に埋設された部分の幅は、５０μｍ以上であることが好ましい。

図４は、箱型樹脂成形体のチップボンディング部に半導体素子７を固着し、該素子とリードフレーム２をボンディングワイヤー６で連結した後、蓋材８を樹脂成形体の蓋接着部４にエポキシ系、イミド系、あるいはアクリル系の接着剤９で接着せしめ、気密封止された半導体装置を示す断面図である。ボンディグワイヤーとしては、通常、金やアルミニウムが使用され、また蓋材としては、石英ガラス板、サファイヤ板、透明アルミナ板、透明プラスチック板などの透明蓋材、着色ガラス板、セラミックス板、着色プラスチック板などの半透明ないし不透明蓋材が使用される。

本発明にかかる半導体パッケージは、耐湿層形成用の蒸気不透過性物質を、耐湿層の片面の一部が樹脂成形体底部から露出し、耐湿層の端部が樹脂中に埋設されるように、リードフレームと共に予め箱型中空樹脂成形体の金型内にインサートしておき、ついで、ビスフェノールＡ型、ノボラック型、グリシジルアミン型などのエポキシ樹脂、ポリアミノビスマレイミド、ポリピロメリットイミドなどのポリイミド樹脂、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、シリコーン樹脂などの熱硬化性樹脂からなる成形用樹脂組成物を射出成形あるいはトランスファー成形することによって、リードフレームを所定の位置に、耐湿層を箱型中空樹脂成形体内の底部にインサート成形して製造される。

成形用樹脂組成物としては成形した箱型中空樹脂成形体の寸法精度が高い、ばらつきが少ない等の理由からエポキシ樹脂組成物が好ましい。

エポキシ樹脂組成物に用いられるエポキシ樹脂の種類としては、分子中に反応性のエポキシ基（オキシラン環）を有する有機エポキシド物質を使用することができる。このようなエポキシ樹脂としては、公知の種々のエポキシ樹脂が挙げられるが、例えば、ビスフェノールＡ型、ビスフェノールＦ型、ビスフェノールＡＤ型の各エポキシ樹脂；フェノールノボラック型エポキシ樹脂、オルソクレゾールノボラック型エポキシ樹脂、ナフタレン環含有エポキシ樹脂、１，１，１−トリメチロールプロパンのグリシジル化物、ポリオキシプロピレングリコールのグリシジル化物などのグリシジルエーテル型エポキシ樹脂；ジグリシジルフタレート、ジグリシジルテトラヒドロフタレート、ジグリシジルヘキサヒドロフタレートなどのグリシジルエステル型エポキシ樹脂；テトラグリシジルジアミノジフェニルメタン、トリグリシジルパラアミノフェノール、トリグリシジルメタアミノフェノールなどのグリシジルアミン型エポキシ樹脂が好ましく使用できる。また、これらエポキシ樹脂は、１種単独で、あるいは２種以上を混合して使用することができる。

エポキシ樹脂組成物に用いられる硬化剤の種類としては、ジエチレントリアミン、トリエチレンテトラミン、ジエチルアミノプロピルアミン、ジアミノジフェニルメタン、ジアミノジフェニルスルホン、ｍ−フェニレンジアミンなどの脂肪族あるいは芳香族アミン；またはそれらの変性物；無水フタル酸、無水テトラヒドロフタル酸、無水ヘキサヒドロフタル酸、メチルテトラヒドロ無水フタル酸、メチルヘキサヒドロ無水フタル酸、メチルナジック酸無水物などの酸無水物、フェノールノボラック、クレゾールノボラックなどの１分子中に２個以上のフェノール性水酸基を有するフェノールノボラック硬化剤；イソフタル酸ジヒドラジド、アジピン酸ジヒドラジド、コハク酸ジヒドラジドなどの酸ジヒドラジド；イミダゾール誘導体；ジシアンジアミド；三フッ化ホウ素などを挙げることができる。これらの硬化剤は、エポキシ樹脂のエポキシ基に対して０．５ないし１．５当量、好ましくは０．８ないし１．２当量の割合で配合される。

エポキシ樹脂組成物には必要に応じて、自体公知のエポキシ樹脂用配合剤を添加することができる。これらの配合剤としては、例えば、シリカ、アルミナ、ガラス繊維、カーボン繊維、ガラスビーズ、マイカ、クレー、タルク、酸化チタン、炭酸カルシウムなどの無機充填剤、酸化アンチモン、テトラブロムビスフェノールＡのようなハロゲン化多価フェノール、フェロセン誘導体、リン化合物などの難燃化剤、ワックス類、ステアリン酸などの脂肪酸、および金属塩などの離型剤、シランカップリング剤、顔料などを例示することができる。

これらの任意の配合剤は、通常、全組成物基準で、無機充填剤１ないし９０重量％、難燃化剤１ないし１０重量％、離型剤０．０５ないし１重量％、シランカップリング剤０．１ないし４重量％、顔料０．０１ないし１重量％程度の割合で配合される。

また特開平６−４９３３３号公報に示される様に、無機充填剤として１−ブタノールを媒体として測定した密度が２．１０ｇ／ｃｍ^３未満で、吸湿率が３％以上、かつ、平均粒径が０．１μｍ以上、３μｍ未満のシリカをエポキシ樹脂組成物中に１ないし８０重量％、好ましくは、５ないし６５重量％の割合で配合することにより半導体パッケージの耐湿性は更に改良される。

インサート成形の条件は、使用する樹脂組成物の種類によっても異なるが、エポキシ樹脂組成物の場合を例にとると、通常、圧力が１０ないし５００ｋｇ／ｃｍ^２、温度が１５０ないし２００℃、時間が１ないし５分間の条件での加圧加熱することが好ましい。

耐湿層をリードフレームと同時にインサート成形することにより、箱型樹脂成形体内の底部に耐湿層が高い精度をもって固定することができ、しかも、あとで耐湿層を接着する方法に比べて、作業工程が簡略化されるばかりでなく確実な固着が達成される。

以下実施例により本発明を詳細に説明する。
（実施例１）
厚さ１５０μｍの４２アロイ製リードフレームおよび厚さ１５０μｍ、９.５ｍｍ角で、その端部を１.０ｍｍ幅で折り曲げた銅合金製耐湿層を、トランスファー成形機の金型内の所定の位置にインサートした。次いで以下に示す組成のエポキシ樹脂組成物を用いて、温度１８０℃、圧力８０ｋｇ／ｃｍ^２、時間２分間の条件でインサート成形した後、温度１８０℃、時間３時間で後硬化を行なって図１（ａ＝１０ｍｍ（奥行きも同じ）、ｂ＝０．７ｍｍ）に示すような耐湿層の端部が成形体中に埋没した箱型中空樹脂成形体を得た。

＜エポキシ樹脂組成物の組成＞
オルソクレゾールノボラックエポキシ樹脂８重量％
ブロム化エポキシ樹脂（難燃化剤）２重量％
フェノールノボラック樹脂４重量％
シリカ（密度２．２０ｇ／ｃｍ^３、吸湿率０．０２％、平均粒径１８μｍ）
７６重量％
三酸化アンチモン（難燃化剤）０．４重量％
カーボンブラック（顔料）０．５重量％
γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン（シランカップリング剤）
０．５重量％
イミダゾール誘導体０．５重量％
カルナバワックス（離型剤）０．１重量％
シリカ（密度１．６８ｇ／ｃｍ^３、吸湿率１３．７％、平均粒径１μｍ）
８重量％

次いで透明ガラス板製蓋を上記箱型中空樹脂成形体の蓋接着部にエポキシ樹脂で接着した。この気密封止されたパッケージを、温度１２１℃、湿度１００％ＲＨ、ゲージ圧力１ｋｇ／ｃｍ^２の条件でプレッシャークッカー試験にかけ、２時間毎にとり出して常温下でガラス蓋の内側に結露が認められるかどうかを調べた。その結果、結露は３６時間までは認められず、３８時間後にはじめて認められた。

（実施例２）
ジアミンとして１，３−ビス（３−アミノフェノキシ）ベンゼン１０モル、テトラカルボン酸二無水物として３，３’，４，４’−ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物９．０モルをそれぞれ秤量し、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド溶媒中で混合し、４０℃において４時間反応した。反応後の固形分濃度は３０重量％であった。得られたポリアミック酸の粘度は２００００ｃｐｓであり、塗工に適するものであった。

次に厚さ１５０μｍ、９.５ｍｍ角で、その端部を１.０ｍｍ幅で折り曲げた銅合金製耐湿層の片面に、コータードライヤーを用いて、上記のポリアミック酸を塗布し、６０℃〜２００℃で６分間乾燥し、次いで２００〜２７０℃で２分間キュアを行ない、ポリイミド層を形成した。樹脂厚みは、乾燥・キュア後に３０μｍとなるようにした。

次に、厚さ１５０μｍの４２アロイ製のリードフレーム、および上記で得られた片面に３０μｍのポリイミド層を有する厚さ１５０μｍの銅合金製耐湿層をトランスファー成形機の金型内の所定の位置に、成形後にポリイミド層を有さない側が露出するようにインサートした。次いで実施例１と同じ組成のエポキシ樹脂組成物を用いて、温度１８０℃、圧力８０ｋｇ／ｃｍ^２、時間２分間の条件でインサート成形した後、温度１８０℃、時間３時間で後硬化を行なって図１（ａ＝１０ｍｍ（奥行きも同じ）、ｂ＝０．７ｍｍ）に示すような耐湿層の片面が成形体底部から露出する箱型中空樹脂成形体を得た。

次いで透明ガラス板製蓋を上記箱型中空樹脂成形体の蓋接着部にエポキシ樹脂で接着した。この気密封止されたパッケージを、温度１２１℃、湿度１００％ＲＨ、ゲージ圧力１ｋｇ／ｃｍ^２の条件でプレッシャークッカー試験にかけ、２時間毎にとり出して常温下でガラス蓋の内側に結露が認められるかどうかを調べた。その結果、結露は４２時間までは認められず、４４時間後にはじめて認められた。

本発明により、半導体パッケージ内への水分の浸入が効率的に防止され、しかも耐湿層を樹脂中に埋設する必要がないので、より薄型の半導体装置を簡単な工程で得ることができるようになる。

本発明に係るインサート成形によって一体化され、耐湿層の片面が成形体底部から露出し、また耐湿層の端部が成形体内部に埋没した箱型中空樹脂成形体の一態様の断面図である。本発明に係る箱型中空樹脂成形体の別の態様の断面図である。本発明に係る箱型中空樹脂成形体の他の態様の断面図である。本発明に係る箱型中空成形体からなる半導体パッケージに半導体が気密封止された半導体装置の一例を示す断面図である。

符号の説明

１箱型中空樹脂成形体
２リードフレーム
３チップボンディング部
４蓋接着部
５耐湿層
６ボンディングワイヤー
７半導体素子
８蓋材
９接着剤
ａ箱型中空樹脂成形体の幅
ｂチップボンディング部から箱型中空樹脂成形体底面までの距離

Claims

導電性金属板からなるリードが設けられた、半導体を装着するための中空部を有する箱型樹脂成形体であって、該樹脂成形体の半導体を装着する面の反対側にあたる底部に蒸気不透過性物質からなる耐湿層が設けられ、該耐湿層の片面の一部が該樹脂成形体の底部から露出し、該耐湿層の端部の少なくとも一部が樹脂成形体中に埋設されていることを特徴とする半導体パッケージ。
前記耐湿層が、箱型樹脂成形体の底部から露出する面の反対側に樹脂層を積層して成形された蒸気不透過性物質からなることを特徴とする請求項１に記載の半導体パッケージ。
請求項１又は２に記載の半導体パッケージの中空部に半導体が装着され、気密封止されてなる半導体装置。
予め箱型樹脂成形体の金型内に、耐湿層形成用の蒸気不透過性物質を、該耐湿層の片面の一部が樹脂成形体の底部から露出し、該耐湿層の端部の少なくとも一部が樹脂成形体中に埋設されるように、リードフレームと共にインサートした後、パッケージ成形用樹脂組成物を用いてインサート成形することによって得られる、請求項１の半導体パッケージの製造方法。