JP2008060309A - 半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】セラミック基板に半導体を実装する際に、封止樹脂が近傍の半田を覆い、２次実装時に半田の噴出が発生しない半導体装置の構造を提供する。
【解決手段】ヤング率が１０ＭＰａから５０ＭＰａであり、かつ熱膨張係数が１０ｐｐｍ／℃から１００ｐｐｍ／℃、あるいはヤング率が１０ＭＰａであり、かつ熱膨張係数が１００ｐｐｍ／℃から２００ｐｐｍ／℃である封止樹脂５を使用することにより、半導体装置３の信頼性を確保しながら、近傍の半田９の一部分を樹脂が覆ったとしても半田の噴出が発生しない。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体を回路基板に実装した半導体装置に関するものである。
近年の電子機器の小型化、薄型化に伴い、用いられる半導体装置に対して高集積化、高密度化、多ピン化、高速化の要求が強くなっている。これらの要求に対応するため、シリコンチップでは配線の微細化が進み、半導体装置のプリント基板への実装方法もピン挿入型から表面実装型に変わり、表面実装型半導体装置が増えてきている。
高密度化に対しては半導体装置の薄型化が進み、多ピン化に対してはリード間隔を狭くして、半導体装置の４方向にリードフレームを配置したクアード・フラット・パッケージ(ＱＦＰパッケージ)やシリコンチップをプリント配線基板上に搭載し実装面エリアにアレイ状にピンを配置したピングリッドアレイなどが知られている。
高速化にはインダクタンス低減のために、ベアチップ実装と呼ばれるＣＯＢ（ｃｈｉｐ ｏｎ ｂｏａｒｄ）やフリップチップが実用化されている。特に素子面下に形成した半田バンプによって基板にフリップチップ接続する方法がよく知られている。しかし、半導体装置の放熱性の問題や実装コスト、設備投資の問題などが有り、依然として半導体の素子面を上に向けて接着樹脂により設置して金線で基板の電極と接続し、樹脂で封止するワイヤーボンド法が広く用いられている。
ワイヤーボンド法を用いた場合、半導体実装部分の占める面積は金ワイヤーの接続部に加えて封止樹脂の塗布エリアが必要となるが、小型化の要求に伴ってそれらの距離も小さくすることが求められている。
図４は、従来例である半導体装置３を示している。この半導体装置３は大略するとセラミック基板１、半導体２、封止樹脂１３、電子部品８とで構成されている。さらに半導体２とセラミック基板１上の電極６は金線７にて接続されており、電子部品８とセラミック基板１上の電極１０は半田９にて接続されている。
電子部品８の実装は、セラミック基板１にクリーム半田を用いて電子部品８を実装し、リフローにて固着する。その後、セラミック基板１上の所定に位置にダイボンド材として接続用エポキシ樹脂４を塗布しその上に半導体２を所定の圧力にて設置する。半導体２の電極とセラミック基板上の電極６との接続は、金線７を用いて、ワイヤーボンディング法により接続されている。
エポキシ樹脂からなる封止樹脂１３はディスペンス法や真空印刷法などにより半導体２と金線７およびセラミック基板１上の電極６を覆う様に塗布され、電気検査などを行った後完成となる。ここで従来の封止樹脂１３は、温度サイクル試験での信頼性を確保するためにセラミック基板１の熱膨張係数に近い熱膨張係数（例えば、熱膨張係数が１０ｐｐｍ／℃〜２０ｐｐｍ／℃）を持つエポキシ樹脂が使用されている。
従来の半導体装置３では、封止樹脂１３とセラミック基板１などのプリント配線板との熱膨張係数の差が±５ｐｐｍ／℃以内であることを特徴としており、一般的なセラミック基板の熱膨張係数は７ｐｐｍ／℃程度であるので、封止樹脂１３の熱膨張係数は２ｐｐｍ／℃〜１２ｐｐｍ／℃程度が望ましいこととなる。（特許文献１参照）
特開平８−８３５４号公報
しかしながら、このような従来の封止樹脂１３を用いた半導体装置３の構造において、以下のような課題が発生する。半導体２近傍の電子部品８の半田９の一部分を封止樹脂１３が覆った場合、２次実装等の半田リフローにより封止樹脂１３で覆われた半田９が溶融して封止樹脂１３で覆われていない部分から半田９が噴出し、接続部の信頼性低下や噴出した半田１４によるショートなどの不具合を引き起こす。
半田噴出のメカニズムは以下の通りと考えられる。一般的に使用される封止樹脂１３はエポキシ樹脂で、１ＧＰａ以上のヤング率を持つ非常に硬い樹脂である。そのため、半田溶融時に封止樹脂１３で覆われた部分の半田９が液体となり体積が増加し、封止樹脂１３が硬いために溶融により膨張した体積の増加分を吸収することができず、封止樹脂１３で覆われた部分の液体の半田９の内圧が上昇する。その結果として半田噴出が生じる。
この半田噴出を防止するため、図５に示すように、封止樹脂１３がかからないように半田付けされる電子部品８を半導体２から十分に離す必要があるが、高密度な部品実装が出来ない欠点がある。
本発明は、この問題を解決したもので、半導体装置の信頼性を確保しながら、半導体近傍の半田の一部分を封止樹脂が覆ったとしても半田の噴出が発生しない半導体装置の構造の提供を目的としたものである。
前記従来の課題を解決するために、本発明の半導体装置は、セラミック基板上にダイボンド材により半導体を接続し、前記半導体上を封止樹脂材により封止された半導体装置において、前記封止樹脂の熱膨張係数が１０ｐｐｍ／℃から１００ｐｐｍ／℃の範囲であり、かつそのヤング率が１０ＭＰａから５０ＭＰａの範囲にあることを特徴としたものである。
さらに、本発明の半導体装置は、セラミック基板上にダイボンド材により半導体を接続し、前記半導体上を封止樹脂材により封止された半導体装置において、前記封止樹脂の熱膨張係数が１００ｐｐｍ／℃から２００ｐｐｍ／℃の範囲であり、かつそのヤング率が１０ＭＰａであることを特徴としたものである。
以上のように本発明によれば、封止樹脂のヤング率が５０ＭＰａ以下と軟らかいため、封止樹脂が半導体近傍の半田付けされた部品の半田の一部分を覆った場合においても、溶融した半田の膨張による封止樹脂により覆われた半田の内圧の上昇を樹脂の伸縮により緩和することができ、半田の噴出を防止することができる。
また、封止樹脂とセラミック基板との熱膨張係数を同一にする必要がなく、１０ｐｐｍ／℃から２００ｐｐｍ／℃の熱膨張係数の封止樹脂を使用しても、封止樹脂の熱膨張係数とセラミック基板の熱膨張係数の差による温度サイクル時の応力を緩和することができるため、半導体装置の信頼性を確保することができる。
以下、本発明の半導体装置の実施の形態を図面とともに詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施例である半導体装置３を示している。この半導体装置３は大略するとセラミック基板１、半導体２、封止樹脂５、電子部品８とで構成されている。さらに半導体２とセラミック基板１上の電極６は金線７にて接続されており、電子部品８とセラミック基板１上の電極１０は半田９にて接続されている。
次に、本発明の信頼性試験に用いた半導体装置の説明を行う。セラミック基板１は、アルミナ約５０重量％とガラス約５０重量％の粉体に有機バインダーを加えて作成したグリーンシートを９００℃にて焼結したものであり、部品の高密度化に対応するため無収縮タイプの低温焼成セラミック多層基板を使用し、熱膨張係数は６．１ｐｐｍ／℃である。前記セラミック基板１の厚みは０．９５ｍｍであり、基板全体のサイズは１００×１１０ｍｍ、モジュール単体のサイズは１０×１０ｍｍである。
セラミック基板１上の電極６および電極１０は、Ａｇ系の電極ペーストをスクリーン印刷により所定のパターンに形成し、８５０℃で焼結したものの上に無電解方式のニッケル金メッキを形成したものである。前記電極６のピッチは０．２ｍｍであり、サイズは０．１ｍｍ×０．４ｍｍ、厚みは１０μｍである。
セラミック基板１への部品実装は、Ｐｂフリータイプのクリーム半田及び０．１３ｍｍ厚みのメタルマスクを用いた。クリーム半田印刷後、電子部品８をセラミック基板１上の電極１０の上に設置する。電子部品８としては、０．６×０．３ｍｍサイズの抵抗を使用した。その後、リフローにてクリーム半田を溶融し電子部品８を電極１０に半田９を用いて固着した。リフローは、窒素雰囲気中で行いピーク温度は２４５℃である。リフローにて部品を固着した後に８０℃の高級アルコールを用いてフラックスの洗浄を行い、さらに純水にてすすぎを行った後、１２０℃で２時間乾燥を行った。
セラミック基板１と半導体２は、接続用エポキシ樹脂４をセラミック基板上１にピン転写方式にて適当量転写し、その上に半導体２を所定の圧力にて設置して、１５０℃で１時間、接続用エポキシ樹脂４を硬化することにより接続される。前記半導体２のサイズは２．０×２．０ｍｍであり、厚みは０．２ｍｍ、半導体２の電極ピッチは０．１ｍｍである。前記半導体２の電極と前記セラミック基板１上の電極６との接続は、直径２５μｍの金線７を用いて、ワイヤーボンディング法により接続される。
ここで、半導体２の端面と電極６の中心までの距離１１は０．３５ｍｍであり、電極６の中心から電子部品８の端面までの距離１２は０．５ｍｍである。図５は従来の半導体装置３であり、封止樹脂１３が電子部品８にかからないように設置したものである。半導体２の端面と電極６の中心までの距離１１は０．３５ｍｍであり、電極６の中心から電子部品８の端面までの距離１２’は１．０ｍｍであり、本発明と比較して半導体装置３のサイズが０．５ｍｍ大きくなる。
封止樹脂５はシリコーン系の材料でありディスペンス法により半導体２と金線７およびセラミック基板１上の電極６を覆う様に塗布される。ディスペンスはエアー方式を用いており、塗布時のセラミック基板１は６０℃程度に保持される。塗布後、封止樹脂５は１５０℃で１時間硬化され、半導体装置３として完成する。実験に用いた封止樹脂５は、次に示すように熱膨張係数毎にヤング率を変えたものを使用した。
（１）熱膨張係数：２００ｐｐｍ／℃、ヤング率：１０ＭＰａ〜５０ＭＰａ
（２）熱膨張係数：１００ｐｐｍ／℃、ヤング率：１０ＭＰａ〜５０ＭＰａ
（３）熱膨張係数：２０ｐｐｍ／℃、 ヤング率：１０ＭＰａ〜２０００ＭＰａ
（４）熱膨張係数：１０ｐｐｍ／℃、 ヤング率：１０ＭＰａ〜２０００ＭＰａ
このようにして作成した半導体装置３について、半田噴出試験と、温度サイクル信頼性試験を実施した。半田噴出試験は、実装完了後の半導体装置３において電子部品８の半田９部を１０倍の顕微鏡を用いて、半田噴出有無の検査を実施した。合格基準は半田噴出の発生なきことである。
次に温度サイクル信頼性試験の条件は−５５℃で１０分間放置し、その後＋１２５℃に温度を上げ１０分間放置することを１サイクルとし、１０００サイクル後の半導体２とセラミック基板上の電極６との接続抵抗値を測定した。信頼性判定基準は接続抵抗値が初期値に比較して３０％以内の変化であれば合格とした。
図２に封止樹脂５の熱膨張係数毎のヤング率と半田の噴出の発生の関係を示す。半田の噴出の発生は、封止樹脂５の熱膨張係数には依存せず、ヤング率のみに依存している。封止樹脂５のヤング率が５０ＭＰａ以下であれば、半田の噴出は発生しなかった。これは、封止樹脂５のヤング率が５０ＭＰａ以下であれば、一部分が封止樹脂５で覆われた半田９の膨張を緩和することができることを示している。
図３に封止樹脂５の熱膨張係数毎のヤング率と温度サイクルの信頼性の関係を示す。縦軸の不良率０％が信頼性試験の合格値である。図に示すように、封止樹脂５の熱膨張係数が１０ｐｐｍ／℃および２０ｐｐｍ／℃の時、ヤング率２０００ＭＰａ以下の封止樹脂であれば、信頼性は問題ない。これは、セラミック基板１の熱膨張係数が６．１ｐｐｍ／℃であるため、セラミック基板１の熱膨張係数と封止樹脂５の熱膨張係数の差が小さいため、温度サイクル信頼性を満足ができると考えられる。また、封止樹脂５の熱膨張係数が１００ｐｐｍ／℃の時、ヤング率５０ＭＰａ以下の封止樹脂であれば、信頼性は問題ない。この場合、セラミック基板１の熱膨張係数と封止樹脂５の熱膨張係数の差は大きいが、ヤング率が５０ＭＰａと小さく、温度サイクルによる熱膨張係数の差を緩和することができるため、温度サイクル信頼性を満足できたと考えられる。封止樹脂５の熱膨張係数が２００ｐｐｍ／℃の時、ヤング率は１０ＭＰａ以下の封止樹脂であれば、信頼性は問題ない。この場合、セラミック基板１の熱膨張係数と封止樹脂５の熱膨張係数の差は大きいが、ヤング率が１０ＭＰａと小さく、温度サイクルによる熱膨張係数の差を緩和することができると考えられる。
図２および図３に示されるように、封止樹脂５の熱膨張係数が１０ｐｐｍ／℃から１００ｐｐｍ／℃の範囲であり、かつそのヤング率が１０ＭＰａから５０ＭＰａの範囲にあれば、半田９の噴出が発生せず、かつ半導体装置３の温度サイクル信頼性を確保することができる。また同様に、前記封止樹脂の熱膨張係数が１００ｐｐｍ／℃から２００ｐｐｍ／℃の範囲であり、かつそのヤング率が１０ＭＰａであれば、半田９の噴出が発生せず、かつ半導体装置３の温度サイクル信頼性を確保することができる。
本発明にかかる半導体装置は、半導体を封止樹脂にて封止し、且つ近傍に半田付けされる電子部品が存在する製品の小型化及び高信頼性化に有用である。
本発明の実施の形態１における半導体装置の断面図 封止樹脂の熱膨張係数毎のヤング率と半田の噴出の発生の関係を示す図 封止樹脂の熱膨張係数毎のヤング率と温度サイクルの信頼性の関係を示す図 従来の半導体装置の一形態の断面図 従来の半導体装置の一形態の断面図
符号の説明
１ セラミック基板
２ 半導体
３ 半導体装置
４ 接続用エポキシ樹脂
５ 封止樹脂
６ 電極
７ 金線
８ 電子部品
９ 半田
１０ 電極
１１ 半導体２の端面と電極６の中心までの距離
１２ 電極６の中心から電子部品８の端面までの距離
１２’ 電極６の中心から電子部品８の端面までの距離
１３ 封止樹脂
１４ 噴出した半田

Claims (2)

  1. セラミック基板上にダイボンド材により半導体を接続し、前記半導体上を封止樹脂材により封止された半導体装置において、
    前記封止樹脂の熱膨張係数が１０ｐｐｍ／℃から１００ｐｐｍ／℃の範囲であり、かつそのヤング率が１０ＭＰａから５０ＭＰａの範囲にあることを特徴とする半導体装置。
  2. セラミック基板上にダイボンド材により半導体を接続し、前記半導体上を封止樹脂材により封止された半導体装置において、
    前記封止樹脂の熱膨張係数が１００ｐｐｍ／℃から２００ｐｐｍ／℃の範囲であり、かつそのヤング率が１０ＭＰａであることを特徴とする半導体装置。
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