JP2712618B2 - 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〕 この発明は、樹脂封止型半導体装置に関する。さらに
詳しくは、半導体素子およびボンデイングワイヤに接続
される外部リードが多孔質シリカゲルにより被覆され、
該多孔質シリカゲルに封止用樹脂を含浸した樹脂封止型
半導体装置に関する。
〔従来の技術〕
IC,LSIおよびハイブリツドICのなどの半導体装置にお
いては、その半導体素子およびボンデイングワイヤに接
続される外部リードを外部環境から保護するために、シ
リコーン樹脂、エポキシ樹脂、フエノール樹脂などによ
つて封止する樹脂封止法が広く採用されている。第４図
は従来の樹脂封止型半導体装置の断面図であり、このも
のは、Cu系またはFe-Ni系等からなるダイフレーム
（２）上に半導体素子（１）が保持されており、上記半
導体素子（１）と外部リード（７）とをAuボンデイング
ワイヤ（３）で結線し、上記半導体素子（１）および上
記ボンデイングワイヤ（３）に接続される上記外部リー
ド（７）をエポキシ系などの封止樹脂（６）により封止
成形している。
〔発明が解決しようとする課題〕
従来の樹脂封止型半導体装置は以上のような構成にな
つているので、封止樹脂（６）と半導体素子（１）の線
膨張係数の差に起因し、熱サイクルで発生する応力によ
り、半導体素子（１）上の微細アルミニウム配線の変
形、パツシベーシヨンの膜のクラツク、ボンデイングパ
ツド（４）の剥れ、あるいは封止樹脂（６）にクラツク
などが発生しやすいという問題がある。
第５図は従来の液状シリコーンポツテイング樹脂で封
止したハイブリツドICの断面図であり、このものは、セ
ラミツク基板（９）上に半導体素子（１）が保持されて
おり、上記半導体素子（１）と上記基板（９）上に印刷
されたアルミニウム配線（図示せず）、すなわち、外部
リードとをAuボンデイングワイヤ（３）で結線した後、
上記半導体素子（１）および上記Auボンデイングワイヤ
（３）に接続される上記外部リードを液状シリコーンポ
ツテイング樹脂により封止成形している。このものも前
記樹脂封止型半導体装置と同様の問題がある。そこで、
特開昭63-275625号公報に示されるように、半導体装置
ではエポキシ封止樹脂をシリコーンゴムで変性すること
により弾性率を低下させ、熱サイクルで発生する応力を
低減し、上述の問題を解決しようとしている。しかし、
このようにシリコーンゴムで変性したエポキシ樹脂で
も、熱サイクルで発生する応力を無くすことができない
ので、半導体素子の大型化には対応できないという問題
がある。また、第38回熱硬化性樹脂講演討論会講演要旨
集P123〜P126に示されるように、封止樹脂に無機充填剤
を多量に配合することにより、封止樹脂の線膨張係数を
低下させ、熱サイクルで発生する応力を低減する方法が
報告されている。この方法においても、半導体素子と封
止樹脂の線膨張係数を合わせることができないので、応
力の発生を防止することは極めて難しい。
また、無機充填剤の多量配合は樹脂粘度を高くし、成
形性を低下させるという問題がある。
この発明は、かかる問題点を解決するためになされた
ものであり、熱サイクルなどで発生する応力によつて、
微細アルミニウム配線の変形、パツクベーシヨン膜のク
ラツク、封止樹脂のクラツクなどが起こりにくい、いわ
ゆる耐冷熱衝撃性にすぐれ、かつ、耐熱性、耐湿性にも
すぐれた樹脂封止型半導体装置を得ることを目的とする
ものである。
〔課題を解決するための手段〕
この発明に係る樹脂封止型半導体装置は、半導体素子
およびボンデイングワイヤに接続される外部リードを多
孔質シリカゲルで被覆し、かつ、上記多孔質シリカゲル
の空隙に封止用樹脂を含浸したものである。
〔作用〕
この発明によれば、半導体素子およびボンデイングワ
イヤに接続される外部リードを半導体素子の線膨張係数
に近い多孔質シリカゲルで被覆し、骨格を形成して生じ
た空隙に封止用樹脂を含浸したので、樹脂封止型半導体
装置の耐熱性、耐湿性を低下させることなく、著しく耐
冷熱衝撃性を高めることができる。
〔実施例〕
以下、この発明を図により説明する。第１図および第
２図はこの発明の一実施例による樹脂封止型半導体装置
を示す断面図である。図において、（５）は封止用樹脂
を含浸した多孔質シリカゲル、（６）は封止用エポキシ
樹脂である。なお、（１）〜（４）、（６），（７）は
前記従来の技術で説明したので省略する。
この実施例においては、ダイフレーム（２）上に半導
体素子（１）が保持されており、上記半導体素子（１）
と外部リード（７）とをAuボンデイングワイヤ（３）で
結線した後、上記半導体素子（１）および上記Auボンデ
イングワイヤ（３）に接続される外部リード（７）を多
孔質シリカゲルで被覆し、かつ、上記多孔質シリカゲル
の空隙に封止用樹脂を含浸している（第１図）。さら
に、上述のものを改良するために、第１図に示す封止用
樹脂を含浸した多孔質シリカゲル（５）の外周を封止用
エポキシ樹脂（６）で被覆している（第２図）。
第３図はこの発明の他の実施例による液状シリコンポ
ツテイング樹脂で封止したハイブリツドICを示す断面図
である。図において、（５）は封止用樹脂を含浸した多
孔質シリカゲルである。なお、（１）〜（４）、
（８）、（９）は前記従来の技術で説明をしたので省略
する。
この実施例においては、セラミツク基板（９）上に半
導体素子（１）が保持されており、上記半導体素子
（１）と上記セラミツク基板（９）上に印刷されたアル
ミニウム配線（図示せず）、すなわち、外部リードとを
AUボンデイングワイヤ（３）で結線した後、上記半導体
素子（１）および上記AUボンデイングワイヤ（３）に接
続される上記外部リードを多孔質シリカゲルを被覆し、
かつ、上記多孔質シリカゲルの空隙に封止用樹脂を含浸
し、さらに、その上部を液状シリコンポツテイング樹脂
（８）で被覆している。
上述のような構成である、これらの樹脂封止型半導体
装置においては、上記封止用樹脂を含浸した多孔質シリ
カゲル（５）に特徴づけられる。上記封止用樹脂を含浸
した多孔質シリカゲルは多孔質シリカゲル原料混合液か
ら湿潤ゲル体とし、その後、乾燥ゲル体とするものであ
り、この工程により半導体素子（１）およびAUボンデイ
ングワイヤ（３）に接続される外部リード（７）は骨格
を形成した多孔質シリカゲルで被覆されることになる。
この状態においては、多孔質シリカゲルが多孔であ
り、このままでは、半導体装置の封止材料として好まし
くないので、耐湿および強度を保つために封止用樹脂を
含浸させている。
このように、封止用樹脂を含浸した多孔質シリカゲル
を有する樹脂封止型半導体装置は耐冷熱衝撃性にすぐれ
るばかりでなく、耐熱性、耐湿性を向上させることがで
きる。
この発明における半導体装置とは、ダイオード，トラ
ンジスタ，サイリスタなどの個別半導体装置、モノリシ
ツクIC,ハイブリツドICなどのIC、さらにはLSIを包含す
る広義の半導体装置をいう。また半導体素子とは、上記
半導体装置の要部であるダイオード素子、トランジスタ
素子、サイリスタ素子、モノリシツクIC素子、さらには
ハイブリツドIC中の前記素子などをいう。また、ボンデ
イングワイヤは半導体素子を外部リードとを電気的に接
続するためのものであり、例えば、金・銅・アルミニウ
ムなどでできており、TAB方式の半導体装置におけるパ
ンプなどであつてもよい。これらのボンデイングワイヤ
は、通常、外部リードのインナー部分に直結している
が、ハイブリツドICにおけるように基板上の配線を介し
てインナー部分に接続されていてもよい。
この発明の封止用樹脂とは、エポキシ樹脂、シリコー
ン樹脂、フエノール樹脂、ポリイミド樹脂などの熱硬化
性樹脂、液晶ポリマ、ポリフエニレンサルフアイドなど
の熱可塑性樹脂をさす。さらに、これらの封止用樹脂
は、シリカ粉、アルミナ粉、ガラス繊維などの無機質充
填剤、その他の添加剤などを含有していてもよい。ま
た、これらの封止用樹脂は、トルエン，キシレン，メチ
ルエチルケトン，エチルアルコールなどの有機溶剤によ
り希釈されたものであつてもよい。
この発明の多孔質シリカゲルは、一例として、次のよ
うに製造される。テトラメトキシシラン，テトラエトキ
シシランなどのアルコキシシランをアルコールおよび水
の存在下で加水分解し、室温〜130℃で重縮合させ、湿
潤ゲル体を得、その後、30℃〜130℃で乾燥ゲル体と
し、150℃〜350℃で加熱して得られる。前記アルコール
には、メチルアルコール，エチルアルコールなどが用い
られ、アルコキシシラン１モルに対し、１〜６モルの範
囲で加えられ、好適には1.5〜５モルの範囲である。こ
の範囲外では、多孔質シリカゲルに亀裂が生じやすくな
り好ましくない。また、水はイオン交換水、純水が好ま
しく、アルコキシシラン１モルに対し２〜８モル、好適
には３〜７モルの範囲で加えられる。この範囲外では、
多孔質シリカゲルに亀裂が生じやすくなり好ましくな
い。さらに、必要に応じてアルコキシシランの加水分解
を促進する目的で塩酸，アンモニア水などを加えてもよ
い。
上記乾燥ゲル体を得る工程およびその後の150〜350℃
での加熱工程は減圧下で行つてもよい。
その他、必要に応じて金属アルコキシドＭ（OR）ｎ
〔ＭはBa,Al,Tiなどの金属、ＲはＣ−１〜４のアルキル
基、ｎは金属の酸化数を表わす。〕、エポキシシラン化
合物、ビニルシシラン化合物、フエニルトリメトキシシ
ランなどのシラン化合物、水溶性エポキシ樹脂、アクリ
レートモノマー、ビニルモノマーなどの有機モノマー、
発泡剤などをSi(OR)4〔ＲはＣ−１〜４のアルキル基〕
の40重量％までの範囲で加えることができる。
前述のようにして得られた多孔質シリカゲルは半導体
素子および外部リードの少なくとも半導体素子に近接し
た部分を被覆しており、同時に、含浸する封止用樹脂と
一体化している。ここで一体化とは、熱サイクルなどで
多孔質シリカゲル／封止樹脂界面で剥れがないことをい
う。多孔質シリカゲル層の厚みは半導体素子および外部
リードの半導体素子に近接した部分を確実に被覆できる
程度であればよく、通常1mm位であるが、樹脂封止型半
導体装置の形状にあわせて適宜決めればよい。また、こ
の発明の多孔質シリカゲルは、半導体素子のパツシベー
シヨン膜として使用することもできる。
この発明の樹脂封止型半導体装置を製造するには、例
えば、半導体素子および外部リードの少なくとも半導体
素子に近接した部分を前述の方法により多孔質シリカゲ
ルで被覆し、ついで封止用エポキシ樹脂のような封止用
樹脂により封止成形すればよい。半導体素子、外部リー
ドなどの多孔質シリカゲル層で被覆される部分をあらか
じめシランカツプリング剤などを塗付していてもよい。
多孔質シリカゲルによる被覆の方法は、あらかじめシリ
コーン樹脂，ポリテトラフルオロエチレンなどのフッ素
系樹脂で型を作りその型の中で乾燥ゲル体まで作製し、
その後型をはずし加熱することなどで得られる。封止用
樹脂による封止成形の方法には、トランスフアーモール
ド，減圧下でのトランスフアーモールド射出成形，粉体
塗装，真空含浸などがある。
つぎに、この発明の樹脂封止型半導体装置を実施例１
〜３および比較例１〜２によつて、さらに詳細に説明す
る。
多孔質シリカゲル原料混合液の調製 （製造例１〜６） 半導体素子および導電部材に被覆する多孔質シリカゲ
ルの前段階である混合液第１表に示す組成，配合割合で
調製した。製造例1,2,4,5,および６は還流冷却器つきの
200cc4ツ口フラスコにそれぞれ純水を除く組成物を加
え、室温において攪拌しながら、純水を30分で滴下しな
がら混合液を調製した。製造例３は還流冷却器つきの20
0cc4ツ口フラスコにテトラエトキシシランおよびチタン
イソプロポキシドを加え室温で攪拌しながらエチルアル
コールおよび純水を２時間で滴下し、多孔質シリカゲル
原料混合液を調製した。
実施例１ 第１図に示すように、ダイフレーム（２）上に保持さ
れた半導体素子（１）、AUボンデイングワイヤ（３）お
よびリードフレーム（７）のインナー部の一部をシリコ
ーン樹脂で作つた型を用い、製造例1,3,4および５で調
製した混合液を注入し、60℃,10時間で湿潤ゲル体を得
た。さらにシリコーン樹脂型の一部を開放し、120℃,12
時間で乾燥ゲル体を得た。次いで、150℃,3時間、200
℃,5mmHgで10時間加熱し多孔質シリカゲル被覆を得、リ
ードフレーム（７）の残りのインナー部分とともに、市
販の封止用エポキシ樹脂（６）により封止成形した。
実施例２ 第２図に示すように、ダイフレーム（２）上に保持さ
れた半導体素子（１）、AUボンデイングワイヤ（３）お
よびリードフレーム（７）のインナー部をあらかじめγ
−グリシドキシプロピルトリメトキシシランで塗付処理
した後、シリコーン樹脂型を用い、製造例2,4,5および
６で調製した混合液を注入し、実施例１と同様の条件で
多孔質シリカゲルの被覆を得、市販の液状シリコーンポ
ツテイング樹脂を真空含浸し、150℃,4hrで液状シリコ
ーンポツテイング樹脂を加熱硬化した。
実施例３ 第３図に示すように、セラミツク基板（９）上に半導
体素子（１）が載置され、上記半導体素子（１）がAUボ
ンデイングワイヤ（３）により該基板（９）上に印刷さ
れたアルミニウム配線（図示せず）、すなわち、外部リ
ードに電気的に接続されたハイブリツドICをシリコーン
樹脂型を用い、製造例１および４で調製した混合液を注
入し、実施例１と同様の条件で多孔質シリカゲルの被覆
を得、市販の液状シリコーンポツテイング樹脂（８）で
封止成形した。
比較例１ 第４図は従来のワイヤボンデイング方式の樹脂封止型
半導体装置の一例の断面図である。ダイフレーム（２）
上に載置された半導体素子（１）,AUボンデイングワイ
ヤ（３）およびリードフレーム（７）のインナー部を市
販の封止用エポキシ樹脂（６）で封止成形した。
比較例２ 第５図は従来の液状シリコーンポツテイング樹脂で封
止したハイブリツドICの一例の断面図である。セラミツ
ク基板（９）上に半導体素子（１）が載置され、該半導
体素子（１）がAUボンデイングワイヤ（３）により上記
セラミツク基板（９）上に印刷されたアルミニウム配線
（図示せず）、すなわち、外部リードに電気的に接続さ
れたハイブリツドICを市販の液状シリコーンポツテイン
グ樹脂で封止成形した。
つぎにえられた各半導体装置を用いて、耐熱信頼性試
験，耐湿信頼性試験および耐冷熱衝撃試験を下記の方法
で行なつた。この結果を第２表に示す。
（耐熱信頼性試験） 半導体素子を空気中、200℃の条件下に放置し、半導
体素子に不良が発生するまで時間を測定する。
（耐湿信頼性試験） 半導体装置をPCT（Pressure Cooker Test）121℃,2気
圧の条件で放置し、半導体素子に不良が発生するまでの
時間を測定する。
（耐冷熱衝撃試験） 半導体装置20個を用い、−65℃で30分間と150℃で30
分間とを１サイクルとし、200サイクル後の不良半導体
装置の個数によつて評価する。
前記第２表に示す結果からわかるように、この発明の
樹脂封止型半導体装置を用いた場合には、半導体装置の
耐熱性，耐湿性を損なうことなく耐冷熱衝撃性の非常に
優れた特性を有するものが得られる。
〔発明の効果〕
以上のようにこの発明によれば、半導体素子およびボ
ンデイングワイヤに接続される外部リードを多孔質シリ
カゲルで被覆し、かつ、上記多孔質シリカゲルの空隙に
封止用樹脂に含浸した構成であるために、すぐれた耐冷
熱衝撃性を有し、さらに耐熱性、耐湿性にもすぐれると
いつた効果がある。
【図面の簡単な説明】
第１図および第２図はこの発明の一実施例による樹脂防
止型半導体装置を示す断面図、第３図はこの発明の他の
実施例による液状シリコーンポツテイング樹脂で封止し
たハイブリツドICの断面図、第４図は従来の樹脂封止型
半導体装置を示す断面図、第５図は従来の液状シリコー
ンポツテイング樹脂で封止したハイブリツドICを示す断
面図である。 図において、（１）は半導体素子、（２）はダイフレー
ム、（３）はAuボンデイングワイヤ、（４）はボンデイ
ングパツド、（５）は封止用樹脂を含浸した多孔質シリ
カゲル、（６）は封止用エポキシ樹脂、（７）は外部リ
ード、（８）は液状シリコーンポツテイング樹脂、
（９）はセラミツク基板である。 なお、図中、同一符号は同一または相当部分を示す。
フロントページの続き (72)発明者 肥塚 裕至 兵庫県尼崎市塚口本町８丁目１番１号 三菱電機株式会社材料研究所内 (56)参考文献 特開 昭60−136347（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−21175（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−90967（ＪＰ，Ａ) 特開 昭54−19167（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】ダイフレーム上に保持された半導体素子
    と、上記半導体素子および外部リードを接続するボンデ
    イングワイヤと、上記半導体素子および上記ボンデイン
    グワイヤに接続される上記外部リードを封止する樹脂と
    を有する樹脂封止型半導体装置におして、上記半導体素
    子および上記ボンデイングワイヤに接続される上記外部
    リードを多孔質シリカゲルで被覆し、かつ、上記多孔質
    シリカゲルの空隙に封止用樹脂を含浸したことを特徴と
    する樹脂封止型半導体装置。
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