JP2633856B2 - 樹脂封止型半導体装置 - Google Patents

樹脂封止型半導体装置

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は特定の粒径,粒度分布並びに比表面積を有す
る球状の溶融シリカを多量に配合した熱硬化性成形材料
で封止した半導体装置に係り、特に成形作業性が優れた
半導体封止用成形材料並びに耐クラツク性、はんだ耐熱
性,耐湿信頼性が良好な樹脂封止型半導体装置に関す
る。
〔従来の技術〕
トランジスタ,IC,LSI,VLST等の半導体装置のパツケー
ジングは、金属,ガラス,セラミツクス等を用いるハー
メチツク封止品とエポキシ樹脂を主流とする樹脂封止品
の2つのタイプがある。しかし、前者は気密性には優れ
ているものの非常に高価である。一方、後者は大量生産
によつて極め安価に製造できるうえに、近年は素子の製
造技術や封止用成形材料の信頼性が著しく向上したこと
により、現在では全製品の80%以上が樹脂封止品であ
る。
〔発明が解決しようとする問題点〕
しかし、半導体素子の高集積化や高機能化の進歩は極
めてめざましく、それに伴つてチツプサイズの大型化、
配線の微細化並びに多層化等が進んでいる。一方、パツ
ケージについてみると、実装の高密度化,自動化等のた
めにパツケージサイズの小型,薄型化が望まれ、結果的
に封止樹脂層が薄肉化する方向にある。また、パツケー
ジ形状も従来のDIP(Dual in line Plastic package)
で代表されるピン挿入実装型から、FPP(Flat Plastic
Package)、SOP(Small Out line Plastic package)、
SOJ(Small Out line Jbended IC)、PLCC(Plastic Le
aded Chip Carrier)等の面付実装型に移行している。
このようなチツプやパツケージあるいは実装方式の変
遷に伴い、樹脂封止型半導体装置においては装置を構成
するチツプ,リードフレーム,封止樹脂等の熱膨張係数
の違いによつて発生する熱応力がチツプの損傷,特性変
動,パツケージクラツク等の問題や信頼性低下をもたら
すようになり、成形材料の熱応力の低減が重要な課題に
なつている。
この熱応力を低減するためには各構成形材料のうちで
熱膨張係数が最も大きな封止樹脂の熱膨張係数を小さく
することが必要である。半導体封止用整形材料にはもと
もと成形品の熱膨張係数を小さくするため無機質充填剤
(一般には溶融シリカが用いられている)が配合されて
おり、充填剤を増量すれば熱膨張係数を小さくすること
が可能である。しかし、充填剤の配合量を増やすと材料
の粘度が上昇し流動性が低下するため、充填剤を増量す
る場合には、限界がある。
充填剤を配合した樹脂結果については種々の関係式が
提案されているが、下記のMooneyの粘度式が実験値と良
く対応すると云われている。
ここで、η:比粘度、η:コンパウンドの粘度、ηo:
樹脂の粘度、K:充填剤の形状係数(球形<角形)、λ:
充填剤のむらがあり係数(粒度分布広<粘度分布狭)、
φ:充填剤の堆積分率を示す。
上式より充填剤としては角状よりも球状を用い、粘度
分布はなるべく広いものを用いれば配合量を増やした場
合の粘度上昇、流動性低下を少なむできる。そこで、特
公昭60−26505号公報並びに特公昭60−40188号公報に開
示されるように球状の充填剤を用いる方法が提案され従
来の角状充填剤を用いた場合に比べ材料の粘度上昇や流
動性を余り損なわずに配合量をかなり増やすことが可能
になつた。しかし、封止樹脂の熱膨張係数をチツプやリ
ードフレーム(42Alloy)に近づけるためには充填剤の
配合量をさらに増やして熱膨張係数を低減する必要があ
つた。さらに、球状充填剤を用いた成形材料は成形の際
金型の合せ面に「バリ」が発生し易く半導体製品のよう
な量産品に実用するためには成形作業性が著しくがする
と云う問題があつた。また、球状充填剤の種類によつて
は樹脂の硬化反応を加速あるいは遅延させる作用があつ
た。そのため、配合量を増やしても粘度上昇や流動性の
低下が少なく、しかも、成形時にはバリの発生が少な
く、さらに、樹脂の硬化反応に影響を及ぼさない球状充
填剤が望まれていた。
〔問題点を解決するための手段〕
そこで、本発明者等は球状の溶融シリカを用いその平
均粒径,粒径範囲,粒度分布,比表面積並び表面シラノ
ール基濃度並びその配合量等と成形材料の溶融粘度,流
動性,硬化性,バリ発生量等の成形性,成形品物性及び
半導体封止用成形材料としての諸特性との関係について
詳細に検討した。
その結果、球状充填剤として平均粒径が5〜15μmの
範囲内にあつてしかも最大粒径が100μm以下、粒度分
布をロージン・ラムラ式にしたがうRRS粘度線図で表示
した場合に粗粒部分及び細粒部分を除いた中間粒径の少
なくとも60重量%以上の領域においてRRS粒度線図の直
線の勾配nが1.0以下、平均比表面積が4m2/g以下の球状
溶融シリカを用いれば上記目的が達成できることを見出
した。
すなわち、本発明は上記の球状の溶融シリカをエポキ
シ樹脂やポリイミドまたはポリアミノビスマレイミド系
の熱硬化性樹脂に80重量%以上配合して得られる成形材
料で半導体装置を封止するものである。
〔作用〕
本発明において充填剤として溶融シリカを用いるのは
イオン性不純物含有量が少なく半導体封止用成形材料に
用いた場合に電気特性や耐湿信頼性が良いこと、比重や
熱膨張係数が小さいこと等による。また、平均粒径が5
〜15μm、最大粒径が100μm以下とするのは粒径が余
り大きな充填剤を使用すると半導体装置を封止する際に
金線やインナリードの変形あるいは切断が起きたり、封
止樹脂の肉厚が薄い部分で成形材料の充填不良が起こる
ためである。粒度分布をRRS粒度線図で表示した場合に
粗粒部分及び細粒部分を除いた中間粒径の少なくとも60
重量%以上の領域において、RRS粘度線図の直線の勾配
nを1.0以下にするのは充填剤の最密充填を可能にし、
充填剤の配合量を増やした場合の材料の粘度上昇や流動
性低下が少なくし、しかもバリの発生を抑制するためで
ある。平均比表面積を4m2/g以下とするのは比表面積が
これより大きいと樹脂が揺変性を持つようになり材料の
流動性や硬化性が低下する問題があるためである。
充填剤の配合量を80%重量%以上にするのは成形品の
熱膨張係数をチツプやフレーム材に近づけるためであ
る。本発明の充填材は使用するベース樹脂の種類にもよ
るが90重量%以上配合してもかなり良好な流動性を確保
することも可能である。
本発明におけるエポキシ樹脂は現在半導体封止用成形
材料に広く用いられているビスフエノールA型エポキシ
樹脂,フエノールノボラツク型エポキシ樹脂,o−クレゾ
ールボラツク型エポキシ樹脂,脂環式エポキシ樹脂を始
め各種の多官能エポキシ化合物を用いることができる。
これらエポキシ樹脂の硬化剤には酸無水物,各種アミン
類,イミダゾール化合物,フエノール系樹脂等を用いる
ことができる。また、ポリイミド樹脂またはポリアミノ
ビスマレイミド系樹脂としてはN,N′−m−フエニレン
ビスマレイミド,N,N′−4,4′−ジフエニルエーテルビ
スマレイミド,N,N′−4,4′−ジフエニルメタンビスマ
レイミド,N,N′−m−キシレンビスマレイミド,N,N′−
4,4′−ジフエニルスルフオンビスマレイミド,2,2′−
ビス〔4−(4−アミノフエノキシ)フエニル〕プロパ
ンのビスマレイミドまたはこれらビスマレイミドとジア
ミン類の反応物を主成分とする樹脂であり、必要に応じ
共重合性二重結合を含有するスチレン,ジアリルフタレ
ート,トリアルイソシアネート,不飽和ポリエステル,
ポリブタジエンゴム,シリコーンゴム等を併用しても良
く、また、上記のエポキシ樹脂と混合して用いても良
い。
本発明は上述のように充填剤として特殊な球状の溶融
シリカを用いることを特徴とするものであるが、本発明
の成形材料には上記樹脂成分、充填剤以外に、半導体封
止用成形材料に広く用いられている各種硬化促進剤,シ
リコーンゴムやポリブタジエンゴムのような可撓性付与
剤,カツプリング剤,着色剤,難燃化剤,離型剤等をこ
れまでと同様に用いることができる。
なお、本発明の成形材料は従来の成形材料に比べると
充填剤の配合量が異常に多いが、特殊な球状溶融シリカ
を使用するため、従来と同様なロール,ニータあるいは
押出機を用いて各種素材との混練が可能であり、また、
成形に当つても金型温度や成形圧力,成形時間等も何ら
変更の必要がない。
〔実施例〕
以下、本発明を実施例により更に詳細に説明する。
尚、以下の説明に使用した球状の溶融シリカは原料(破
砕品)を電気炉中に噴射し落下中に溶融させて球状化し
その後冷却して得られたものである。
最大粒径が100μm以下で平均粒径が6〜12μmの範
囲内にあり、かつRRS粒度線図の勾配n及び比表面積が
異なる36種類の形状溶融シリカを用い、第1表に示す充
填剤配合量85重量%の成形材料をロール混練により作製
した。次に各成形材料の流動硬化特性並びにバリ発生量
を測定した。流動硬化特性のうちスパイラルフローはSP
I−EMMI1−66に準じスパイラル状成形品を成形した場合
の成形品の長さで評価した。硬化性は所定の成形時間直
後における成形品の硬度をバーコル硬度計(No.935)で
測定した。またバリ発生量は中央部にφ30,厚さ2mmのキ
ヤビテイを有しかつそのキヤビテイから幅5mm,深さ30,1
5,10,5,3,1mmのベント孔が放射状に配置された金型を用
い、各ベント孔に流れ出た成形材料の長さにより評価し
た。これらの試験にはトランスフアプレスを用い、成形
は金型型温度180℃,成形圧力70kg/cm2,成形時間1.5分
行つた。結果を図にまとめて示す。
図より、RRS粒度線図の勾配nが1.0以下、フイラの比
表面積が4m2/g以下の球状溶融シリカを用いた成形材料
は流動特性並びに硬化性が良好でしかもバリの発生が少
ないことが分かる。
次に、最大粒径が100μm以下,平均粒径が6.5μm,RR
S粒度線図の勾配n=85及び比表面積が3.0m2/gの球状溶
融シリカ並びに第1表の素材を用いて充填剤配合量が7
0,75,80及び85重量部の成形材料を作製し、流動硬化性
及びバリ発生量を測定するとともに、この成形材料で表
面にアルミニウムのジクザグ配線を施した6×15mm角の
シリコンチツプを搭載した42アロイ製リードフレームを
モールドし300mil幅のデイアルインライン型パツケージ
を得た。このパツケージについて、−50℃150℃のヒ
ートサイクル試験を行つた場合のパツケージの耐クラツ
ク性,パツケージをそのまま及び260℃で10秒間のはん
だ加熱処理を行つた後121℃,2気圧の水蒸気に放置した
場合のアルミニウム配線の腐食による導通不良発生率を
評価した。その結果、充填剤を80重量%以上配合した本
発明の成形材料を用いたパツケージはヒートサイクル試
験時にクラツクの発生が少なく、また、耐湿試験時にも
アルミニウム配線の導通不良が起こりにくい。特に、充
填剤配合量の少ないパツケージははんだ加熱処理によつ
て耐湿信頼性が低下する傾向があるが、本発明の充填剤
を80重量%以上配合したパツケージにおいてははんだ加
熱処理による耐湿信頼性の低下がみられず、充填剤の高
充填によってパツケージのはんだ耐熱性が向上してい
る。
〔発明の効果〕 このように本発明の成形材料は流動・硬化性や成形作
業性に優れ、しかも当該成形材料を用いた樹脂封止型半
導体は耐熱衝撃性や耐湿性等の信頼性が良好である。
【図面の簡単な説明】
図は本発明に使用する充填剤のRRS粒度線図の勾配n、
比表面とこの充填剤を用いた成形材料の流動性,硬化性
及びバリ発生状況との関係を示す線図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 宝蔵寺 裕之 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社 日立製作所日立研究所内 (72)発明者 鈴木 重雄 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社 日立製作所日立研究所内 (56)参考文献 特開 昭61−113642(JP,A) 特開 昭62−96569(JP,A)

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】球状充填剤として平均粒径が5〜15μmの
    範囲にあり、かつ最大粒径が100μm以下、粒度分布を
    ロージン・ラムラ式にしたがうRRS粒度範囲で表示した
    場合に粗粒部分及び細粒部分を除いた中間粒径の少なく
    とも60重量%以上の領域においてRRS粒度線図の直線の
    勾配nが1.0以下、平均比表面積が4m2/g以下の球状の溶
    融シリカを、80重量%以上配合した熱硬化性樹脂成形材
    料で封止したことを特徴とする樹脂封止型半導体装置。
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