JP7259750B2 - 半導体デバイス及びその製造方法 - Google Patents
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Description
また、技術テクノロジーの進化に伴い、電子機器及び半導体デバイスの薄型化が求められていることから、絶縁保護層自体の薄型化も必要となっている。
先ず、ワイヤ上部に絶縁保護層を形成する材料(以下、絶縁保護材料ともいう)は、塗布後にワイヤ下部に流れることなく、ワイヤ上部に維持されることが好ましい。すなわち、絶縁保護材料は、適度なチキソ性を有することが好ましい。
また、絶縁保護層の薄型化の要求に向けて、絶縁保護材料は優れた絶縁性を有することが好ましい。特に、充分なESD耐性を得る観点から、絶縁保護材料は、成膜後に150kV/mm以上の絶縁破壊電圧が得られるものが好ましい。
しかし、本発明者らの検討において、上記樹脂ペーストを絶縁保護材料としてワイヤに塗布した場合、ワイヤ下部の空間に樹脂ペーストが充分に広がらずにワイヤ下部にボイドが発生しやすいことが明らかになった。半導体デバイス中にボイドが存在すると、湿度の影響を受けやすく、また半導体デバイスの信頼性も低下しやすい。
一実施形態は、基板と、上記基板上に配置された半導体素子と、上記基板と上記半導体素子とを電気的に接続するワイヤと、上記ワイヤの頂点よりも下部の空間を封止する第1の封止層と、上記第1の封止層の上部に上記ワイヤを介して設けられる第2の封止層とを有する半導体デバイスであって、
上記第1の封止層が液状封止材の硬化膜からなり、
上記第2の封止層が絶縁性樹脂コート材の乾燥塗膜からなる、半導体デバイスに関する。
上記絶縁性樹脂コート材の乾燥塗膜の絶縁破壊電圧は、150kV/mm以上であることが好ましい。
上記絶縁性樹脂コート材は、平均粒子径0.1~5.0μmの樹脂フィラーを含むことが好ましい。
上記絶縁性樹脂コート材の25℃における粘度は、30~500Pa・sであることが好ましい。
上記絶縁性樹脂コート材の25℃におけるチキソトロピー係数は、2.0~10.0であることが好ましい。
上記第2の封止層の膜厚は、100μm以下であることが好ましい。上記第2の封止層の膜厚は、50μm以下であることがより好ましい。
上記絶縁性樹脂のTg(ガラス転移温度)は、150℃以上であることが好ましい。
上記液状封止材における塩素イオン量は、100ppm以下であることが好ましい。
上記液状封止材における上記無機充填剤の最大粒子径は、75μm以下であることが好ましい。
上記液状封止材の25℃、せん断速度10s-1の条件で測定される粘度は、30Pa・s以下であることが好ましい。
上記液状封止材の全質量を基準として、上記無機充填剤の含有量は、50質量%以上であることが好ましい。
上記芳香族エポキシ樹脂は、液状のビスフェノール型エポキシ樹脂、及び液状のグリシジルアミン型エポキシ樹脂からなる群から選択される少なくとも1種を含み、上記脂肪族エポキシ樹脂が、線状脂肪族エポキシ樹脂を含むことが好ましい。
上記実施形態の半導体デバイスは、指紋認証センサーに好適に用いることができる。しかし、指紋認証センサーに限定されず、薄型デバイスのワイヤ上部への絶縁性樹脂コート材の適用が想定される。また、本開示の絶縁性樹脂コート材と液状封止材との組み合わせ、及び、それらを用いた製造方法によって、新規薄型デバイスの製造が可能となることが想定される。
基板と、基板上に配置された半導体素子とをワイヤによって電気的に接続する工程と、
上記ワイヤの頂点よりも下部の空間に液状封止材を供給して第2の封止層を形成する工程と、次いで
上記第1の封止層の上部に上記ワイヤを介して絶縁性樹脂コート材を供給して第2の封止層を形成する工程とを有する半導体デバイスの製造方法に関する。
本願の開示は、2017年8月10日に出願された特願2017-155891号に記載の主題と関連しており、その全ての開示内容は引用によりここに援用される。
<半導体デバイス>
半導体デバイスについて、図面に沿って説明する。以下の説明において、方向を表す「上」、「下」、「上部」、及び「下部」などの用語は、便宜的に図面中の方向を特定するために使用したものであり、装置使用時の設置方向を限定するものではない。
このように、上記実施形態によれば、ワイヤ頂点3aよりも下部の空間、及びワイヤ上部に、それぞれ異なる材料を用いて封止層を形成することによって、ESD耐性に優れ、かつ信頼性に優れた、薄型の半導体デバイスを提供することが可能となる。以下、半導体デバイスの構成について、具体的に説明する。
基板は、特に限定されず、半導体素子を実装し、ワイヤボンディングできる材料からなる基板であればよい。基板の材料は、半導体デバイスの用途に応じて、当技術分野で周知の材料から選択することができる。
例えば、半導体デバイスを指紋認証センサー用途に使用する場合は、代表的にガラスエポキシ基板などの薄いリジッド基板を使用することができる。
半導体素子は、ワイヤを介して、基板に電気的に接続される。
半導体素子は、例えば、指紋認証センサー用半導体素子、パワーモジュール用途のSi-IGBT(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)、SiC(シリコンカーバイト)、MOSFET(金属酸化膜半導体電解効果トランジスタ)であってよい。これらの半導体素子に限らず、ESD耐性が求められるか、又は高電圧高電流条件下での使用に向けて高い絶縁性が求められるような半導体素子を使用した場合、上記実施形態による効果を容易に得ることができる。
ワイヤは、半導体素子と基板とを電気的に接合するために使用される。ワイヤの材料は、半導体デバイスの用途に応じて、当技術分野で周知の材料から選択することができる。例えば、半導体デバイスを指紋認証センサーの用途で使用する場合、金ワイヤ、銀合金ワイヤ、及び銅ワイヤなどを使用することができる。通常、金ワイヤが主流である。他の例として、半導体デバイスをパワーモジュールの用途で使用する場合、通常、アルミワイヤが使用される。
第1の封止層は、液状封止材の硬化膜からなる。図1に見られるように、基板1及び半導体素子2の一部と、頂点3aを有する弧状のワイヤ3とによって区画されるワイヤ下部の空間に液状封止材を注入し、次いで液状封止材を硬化させることによって形成される。
上記粘度の下限は特に制限されないが、ワイヤの周囲に付与した状態を保持する観点からは、0.01Pa・s以上であることが好ましい。
液状封止材に含まれる樹脂成分は、液状封止材が上記条件を満たしうるものであれば特に制限されない。既存の設備との適合性、液状封止材としての特性の安定性等の観点からは、熱硬化性の樹脂成分を用いることが好ましく、エポキシ樹脂を用いることがより好ましい。また、常温(25℃)で液状(以下、単に「液状の」ともいう)の樹脂成分を用いることが好ましく、液状のエポキシ樹脂を用いることがより好ましい。樹脂成分は、エポキシ樹脂と硬化剤との組み合わせであってもよい。
液状封止材に使用できるエポキシ樹脂としては、例えば、ビスフェノールA、ビスフェノールF、ビスフェノールAD、ビスフェノールS、水添ビスフェノールA等のジグリシジルエーテル型エポキシ樹脂、オルソクレゾールノボラック型エポキシ樹脂を代表とするフェノール類とアルデヒド類のノボラック樹脂をエポキシ化したもの(ノボラック型エポキシ樹脂)、フタル酸、ダイマー酸等の多塩基酸とエピクロルヒドリンの反応により得られるグリシジルエステル型エポキシ樹脂、p-アミノフェノール、ジアミノジフェニルメタン、イソシアヌル酸等のアミン化合物とエピクロルヒドリンの反応により得られるグリシジルアミン型エポキシ樹脂、オレフィン結合を過酢酸等の過酸により酸化して得られる線状脂肪族エポキシ樹脂、脂環族エポキシ樹脂などが挙げられる。エポキシ樹脂は、1種を単独で用いても2種以上を組み合わせて用いてもよい。
線状脂肪族エポキシ樹脂としては、1,6-ヘキサンジオールジグリシジルエーテル、レゾルシノールジグリシジルエーテル、プロピレングリコールジグリシジルエーテル、1,3-ビス(3-グリシドキシプロピル)テトラメメチルジシロキサン、シクロヘキサンジメタノールジグリシジルエーテル等が挙げられる。
本開示において液状封止材における塩素イオン量は、溶離液として炭酸ナトリウム溶液を用いたイオンクロマトグラフィーにより、121℃、20時間の条件で処理し、2.5g/50ccで換算して得た値(ppm)である。
硬化剤としては、アミン系硬化剤、フェノール硬化剤、酸無水物等のエポキシ樹脂の硬化剤として一般に使用されているものを特に制限なく用いることができる。ワイヤ流れ抑制の観点からは、液状の硬化剤を用いることが好ましい。耐温度サイクル性及び耐湿性等に優れ、半導体パッケージの信頼性を向上できるという観点からは、硬化剤は芳香族アミン化合物であることが好ましく、液状の芳香族アミン化合物であることがより好ましい。硬化剤は、1種を単独で用いても2種類以上を組み合わせて用いてもよい。
液状封止材に含まれる無機充填材の種類は、特に制限されない。例えば、シリカ、炭酸カルシウム、クレー、アルミナ、窒化珪素、炭化珪素、窒化ホウ素、珪酸カルシウム、チタン酸カリウム、窒化アルミ、ベリリア、ジルコニア、ジルコン、フォステライト、ステアタイト、スピネル、ムライト、チタニア等の粉体、又はこれらを球形化したビーズ、ガラス繊維などが挙げられる。さらに、難燃効果のある無機充填材を用いてもよく、このような無機充填材としては水酸化アルミニウム、水酸化マグネシウム、硼酸亜鉛、モリブデン酸亜鉛等が挙げられる。無機充填材は、1種を単独で用いても2種類以上を組み合わせて用いてもよい。
液状封止材の粘度上昇を抑制する観点からは、無機充填材の含有量は、液状封止材の全質量を基準として80質量%以下であることが好ましい。
液状封止材は、溶剤を含有してもよい。溶剤を含むことで、液状封止材の粘度を所望の範囲に調節することができる。溶剤は、1種を単独で用いても、2種以上を併用してもよい。
ブチルカルビトールアセテート、メチルアルコール、エチルアルコール、プロピルアルコール、ブチルアルコール等のアルコール系溶剤、
アセトン、メチルエチルケトン等のケトン系溶剤、
エチレングリコールエチルエーテル、エチレングリコールメチルエーテル、エチレングリコールブチルエーテル、プロピレングリコールメチルエーテル、ジプロピレングリコールメチルエーテル、プロピレングリコールエチルエーテル、プロピレングリコールメチルエーテルアセテート等のグリコールエーテル系溶剤、
γ-ブチロラクトン、δ-バレロラクトン、ε-カプロラクトン等のラクトン系溶剤、
ジメチルアセトアミド、ジメチルホルムアミド等のアミド系溶剤、及び
トルエン、キシレン等の芳香族系溶剤
などが挙げられる。
液状封止材を硬化する際の急激な揮発による気泡形成を避ける観点から、沸点の高い(例えば、常圧での沸点が170℃以上である)溶剤を用いることが好ましい。
液状封止材は、必要に応じてエポキシ樹脂と硬化剤の反応を促進する硬化促進剤を含有してもよい。
硬化促進剤は特に制限されず、従来公知のものを用いることができる。例えば、
1,8-ジアザ-ビシクロ[5.4.0]ウンデセン-7、1,5-ジアザ-ビシクロ[4.3.0]ノネン、5,6-ジブチルアミノ-1,8-ジアザ-ビシクロ[5.4.0]ウンデセン-7等のシクロアミジン化合物、
トリエチレンジアミン、ベンジルジメチルアミン、トリエタノールアミン、ジメチルアミノエタノール、トリス(ジメチルアミノメチル)フェノール等の三級アミン化合物、
2-メチルイミダゾール、2-エチル-4-メチルイミダゾール、2-フェニルイミダゾール、2-フェニル-4-メチルイミダゾール、1-ベンジルー2-フェニルイミダゾール、1-ベンジルー2-メチルイミダゾール、2-フェニル-4,5-ジヒドロキシメチルイミダゾール、2-フェニル-4-メチル-5-ヒドロキシメチルイミダゾール、2,4-ジアミノ-6-(2’-メチルイミダゾリル-(1’))-エチル-s-トリアジン、2-ヘプタデシルイミダゾール等のイミダゾール化合物、
トリアルキルホスフィン(トリブチルホスフィン等)、ジアルキルアリールホスフィン(ジメチルフェニルホスフィン等)、アルキルジアリールホスフィン(メチルジフェニルホスフィン等)、トリフェニルホスフィン、アルキル基置換トリフェニルホスフィンなどの有機ホスフィン化合物、及び
これらの有機ホスフィン化合物に、無水マレイン酸、1,4-ベンゾキノン、2,5-トルキノン、1,4-ナフトキノン、2,3-ジメチルベンゾキノン、2,6-ジメチルベンゾキノン、2,3-ジメトキシ-5-メチル-1,4-ベンゾキノン、2,3-ジメトキシ-1,4-ベンゾキノン、及びフェニル-1,4-ベンゾキノン等のキノン化合物、並びにジアゾフェニルメタン、及びフェノール樹脂等のπ結合を有する化合物を付加してなる分子内分極を有する化合物と、これらの誘導体
が挙げられる。
さらには、2-エチル-4-メチルイミダゾールテトラフェニルボレート、N-メチルモルホリンテトラフェニルボレート等のフェニルボロン塩が挙げられる。また、潜在性を有する硬化促進剤として、常温固体のアミノ基を有する化合物をコアとして、常温固体のエポキシ化合物のシェルを被覆してなるコア-シェル粒子が挙げられる。硬化促進剤は、1種を単独で用いても2種以上を組み合わせて用いてもよい。
液状封止材は、耐熱衝撃性向上、半導体素子に対する応力低減等の観点から、必要に応じて可撓剤を含有してもよい。
可撓剤は、特に制限されず、樹脂組成物に一般的に用いられるものから選択できる。中でもゴム粒子が好ましい。ゴム粒子としては、スチレン-ブタジエンゴム(SBR)、ニトリル-ブタジエンゴム(NBR)、ブタジエンゴム(BR)、ウレタンゴム(UR)、アクリルゴム(AR)等の粒子が挙げられる。これらの中でも耐熱性及び耐湿性の観点からアクリルゴムの粒子が好ましく、コアシェル構造を有するアクリル系重合体の粒子(すなわちコアシェル型アクリルゴム粒子)がより好ましい。
液状封止材は、樹脂成分と無機充填材、又は樹脂成分とワイヤとの界面における接着性を高める目的でカップリング剤を含有してもよい。カップリング剤は無機充填材の表面処理に用いても、無機充填材とは別に配合してもよい。
液状封止材は、半導体パッケージの耐マイグレーション性、耐湿性、高温放置特性等を向上させる観点から、イオントラップ剤を含有してもよい。イオントラップ剤は、1種を単独で用いても2種以上を組み合わせて用いてもよい。
Mg1-aAla(OH)2(CO3)a/2・mH2O ・・・(V)
(0<a≦0.5、mは正の数)
BiOa(OH)b(NO3)c ・・・(VI)
(0.9≦a≦1.1、0.6≦b≦0.8、0.2≦c≦0.4)
液状封止材は、必要に応じて上述した成分以外の成分を含有してもよい。例えば、染料、カーボンブラック等の着色剤、希釈剤、レベリング剤、消泡剤などを必要に応じて配合することができる。
第2の封止層4bは、絶縁性樹脂コート材の乾燥塗膜からなり、第1の封止層4aの形成後に上記絶縁性コート材を塗布することによって形成される。上記第2の封止層4bは、ワイヤに対する絶縁保護層として機能する。
(i)少なくとも成膜後の絶縁破壊電圧が、150kV/mm以上である。
(ii)平均粒子径0.1~5.0μmの樹脂フィラーを含有している。
(iii)25℃における粘度が30~500Pa・sである。
(iv)25℃におけるチキソトロピー係数が2.0~10.0である。
(v)加熱成膜後に絶縁性樹脂成分と樹脂フィラーが均一になり、絶縁性樹脂とフィラーとの界面が生じない。そのため、薄膜でありながらも、高絶縁性を担保できる。
ジエチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノエチルエーテル、トリエチレングリコールモノメチルエーテル、トリエチレングリコールモノエチルエーテル、テトラエチレングリコールモノメチルエーテル、テトラエチレングリコールモノエチルエーテル等のポリエーテルアルコール系溶媒、
ジエチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールジエチルエーテル、ジエチレングリコールジプロピルエーテル、ジエチレングリコールジブチルエーテル、トリエチレングリコールジメチルエーテル、トリエチレングリコールジエチルエーテル、トリエチレングリコールジプロピルエーテル、トリエチレングリコールジブチルエーテル、テトラエチレングリコールジメチルエーテル、テトラエチレングリコールジエチルエーテル、テトラエチレングリコールジプロピルエーテル、テトラエチレングリコールジブチルエーテル等のエーテル系溶媒、
ジメチルスルホキシド、ジエチルスルホキシド、ジメチルスルホン、スルホラン等の含硫黄系溶媒、
酢酸エチル、酢酸ブチル、酢酸セロソルブ、エチルセロソルブアセテート、ブチロセロソルブアセテート等のエステル系溶媒、
メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、シクロヘキサノン、アセトフェノン等のケトン系溶媒、
N-メチルピロリドン、ジメチルアセトアミド、ジメチルホルムアミド、1,3-ジメチル-3,4,5,6-テトラヒドロ-2(1H)-ピリミジノン、1,3-ジメチル-2-イミダゾリジノン等の含窒素系溶媒、
トルエン、キシレン等の芳香族炭化水素系溶媒、
γ-ブチロラクトン、γ-バレロラクトン、γ-カプロラクトン、γ-ヘプタラクトン、α-アセチル-γ-ブチロラクトン、ε-カプロラクトン等のラクトン系溶媒、
ブタノール、オクチルアルコール、エチレングリコール、グリセリン等のアルコール系溶媒、及び
フェノール、クレゾール、キシレノール等のフェノール系溶媒等が挙げられる。
N-メチルピロリドン、ジメチルアセトアミド、ジメチルホルムアミド、1,3-ジメチル-3,4,5,6-テトラヒドロ-2(1H)-ピリミジノン、1,3-ジメチル-2-イミダゾリジノン等の含窒素系溶媒、
ジメチルスルホキシド、ジエチルスルホキシド、ジメチルスルホキシド、ジエチルスルホキシド、ジメチルスルホン、スルホラン等の含硫黄系溶媒、
γ-ブチロラクトン、γ-バレロラクトン、γ-カプロラクトン、γ-ヘプタラクトン、α-アセチル-γ-ブチロラクトン、ε-カプロラクトン等のラクトン系溶媒、
メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、シクロヘキサノン、アセトフェノン等のケトン系溶媒、及び
ブタノール、オクチルアルコール、エチレングリコール、グリセリン等のアルコール系溶媒等が挙げられる。
後述する絶縁耐熱性樹脂(B)及び絶縁耐熱性樹脂(C)が、それぞれ独立に、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、又は、ポリイミド樹脂及びポリアミドイミド樹脂の前駆体から選ばれる少なくとも一つである場合、第一の極性溶媒(A1)としては特にγ-ブチロラクトンが好ましい。
ジエチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールジエチルエーテル、ジエチレングリコールジプロピルエーテル、ジエチレングリコールジブチルエーテル、トリエチレングリコールジメチルエーテル、トリエチレングリコールジエチルエーテル、トリエチレングリコールジプロピルエーテル、トリエチレングリコールジブチルエーテル、テトラエチレングリコールジメチルエーテル、テトラエチレングリコールジエチルエーテル、テトラエチレングリコールジプロピルエーテル、テトラエチレングリコールジブチルエーテル等のエーテル系溶媒、
ジエチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノエチルエーテル、トリエチレングリコールモノメチルエーテル、トリエチレングリコールモノエチルエーテル、テトラエチレングリコールモノメチルエーテル、テトラエチレングリコールモノエチルエーテル等のポリエーテルアルコール系溶媒、及び
酢酸エチル、酢酸ブチル、酢酸セロソルブ、エチルセロソルブアセテート、ブチロセロソルブアセテート等のエステル系溶媒等が挙げられる。
後述する絶縁耐熱性樹脂(B)及び絶縁耐熱性樹脂(C)が、それぞれ独立に、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、又は、ポリイミド樹脂及びポリアミドイミド樹脂の前駆体から選ばれる少なくとも一つである場合、第二の極性溶媒(A2)としてはポリエーテルアルコール系溶媒、又はエステル系溶媒が好ましい。
第二の極性溶媒(A2):ジエチレングリコールジメチルエーテル等の上記エーテル系溶媒;シクロヘキサノン等の上記ケトン系溶媒;ブチルセロソルブアセテート等の上記エステル系溶媒;ブタノール等の上記アルコール系溶媒;キシレン等の上記芳香族炭化水素系溶媒との組み合わせ。
(b)第一の極性溶媒(A1):テトラエチレングリコールジメチルエーテル等の上記エーテル系溶媒;シクロヘキサノン等の上記ケトン系溶媒と、
第二の極性溶媒(A2):ブチルセロソルブアセテート、酢酸エチル等の上記エステル系溶媒;ブタノール等の上記アルコール系溶媒、ジエチレングリコールモノエチルエーテル等の上記ポリエーテルアルコール系溶媒;キシレン等の上記芳香族炭化水素系溶媒との組み合わせ。
絶縁耐熱性樹脂(B)としては、例えば、下記式(21)及び(22)で表わされる構造単位を有する樹脂、又は、上記式(6)で表わされる構造単位を有するポリシロキサンイミドが用いられる。
樹脂封止部材は、少なくとも上記第2の封止層を覆うように設けられる。樹脂封止部材は、半導体素子と上記第2の封止層の上面を覆うように基板全面に設けられることが好ましい。ワイヤは既に封止されているため、樹脂封止部材の形成時にワイヤ流れ等の問題の発生を考慮する必要がない。樹脂封止部材は、特に限定されず、当技術分野で周知の材料を用いて構成することができる。
エポキシ樹脂の具体例として、ビフェニル型エポキシ樹脂、ビスフェノール型(ビスフェノールF型、ビスフェノールA型等)エポキシ樹脂、トリフェニルメタン型エポキシ樹脂、オルトクレゾールノボラック型エポキシ樹脂、ナフタレン型エポキシ樹脂などが挙げられる。また、フェノール樹脂の具体例として、トリフェニルメタン型フェノール樹脂、フェノールアラルキル型フェノール樹脂、ザイロック型フェノール樹脂、共重合フェノールアラルキル型フェノール樹脂、ナフトールアラルキル型フェノール樹脂、ビフェニレンアラルキル型フェノール樹脂等が挙げられる。これらのそれぞれ1種を単独で用いても、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
図3は、半導体デバイスの製造方法を説明する概略断面図であり、(a)~(d)は各工程に対応する。一実施形態において、上記製造方法は、少なくとも以下の工程(a)~(c)を含み、さらに工程(d)を含むことが好ましい。
一実施形態において、第2の封止層の膜厚は、絶縁性を確保する観点から5μm以上が好ましく、8μm以上がより好ましく、10μm以上がさらに好ましい。一方、薄型化の観点から、上記膜厚は、100μm以下が好ましく、50μm以下がより好ましく、30μm以下がさらに好ましい。一実施形態において、上記膜厚は、10~30μmの範囲が好ましい。したがって、乾燥後の膜厚が上記範囲内となるように、絶縁性樹脂コート材の供給量を調整することが好ましい。
一実施形態において、樹脂封止部材の形成は、所定の形状を有する金型内で、先に説明したエポキシ樹脂とフェノール樹脂とを含む硬化性組成物を用いてトランスファー成型を行うことによって実施することができる。また、樹脂封止部材の厚さは特に限定されないが、第2の封止層によって絶縁性が確保されているため、薄く設計することもできる。一実施形態において、樹脂封止部材形成後に得られる半導体デバイスの膜厚は、好ましくは1.5mm以下、より好ましくは1.1mm以下とすることができる。
(調製例1)
以下に示す材料を配合し、三本ロール及び真空らいかい機にて混練分散して、液状封止材を調製した。
エポキシ樹脂1:p-(2,3-エポキシプロポキシ)-N,N-ビス(2,3-エポキシプロピル)アニリン(株式会社ADEKA製、商品名「EP-3950S」、全塩素量が1500ppm以下) 60部
エポキシ樹脂2:ビスフェノールF型エポキシ樹脂(新日鉄住金化学株式会社製、商品名「YDF-8170C」) 20部
エポキシ樹脂3:1,6-ヘキサンジオールジグリシジルエーテル(阪本薬品工業株式会社、商品名「SR-16HL」) 20部
硬化剤:ジエチルトルエンジアミン(三菱ケミカル株式会社製、商品名「jERキュアW」) 42部
イオントラップ剤:ビスマス系イオントラップ剤(東亞合成株式会社製、商品名「IXE-500」) 3部
溶剤:ブチルカルビトールアセテート 57部
無機充填材1:シランカップリング剤で表面処理された球状溶融シリカ(株式会社アドマテックス製、商品名「SE5050-SEJ」、体積平均粒子径1.5μm) 707部
無機充填材2:シランカップリング剤で表面処理された球状溶融シリカ(株式会社アドマテックス製、商品名「SE2050-SEJ」、体積平均粒子径0.5μm) 235部
25℃粘度:20(Pa・s)(せん断速度10s-1)
75℃粘度:2.0(Pa・s)(せん断速度5s-1)
75℃でのチキソトロピー係数:1.7(せん断速度5s-1/50s-1の値)
なお、25℃での粘度測定は、E型粘度計(東京計器株式会社製、VISCONIC EHD型)を用いて実施した。また、75℃での粘度測定は、レオメータ(TAインスツルメント社の商品名「AR2000」)を用いて実施した。
(調製例2)
<絶縁性樹脂コート材(P-1)の調製>
(1)耐熱性樹脂(B)の合成例
温度計、撹拌機、窒素導入管、油水分離機付き冷却管を取り付けた5リットルの4つ口フラスコに、窒素気流下、2,2-ビス[4-(4-アミノフェノキシ)フェニル]プロパン(以下、BAPPとする)を650.90g(1.59モル)、及び1,3-ビス(3-アミノプロピル)テトラメチルジシロキサン(以下、BY16-871(東レ・ダウコーニング株式会社製)とする)を43.80g(0.18モル)入れ、さらにN-メチル-2-ピロリドン(以下、NMPとする)を3609.86g加えて溶解した。次に、溶液が20℃を超えないように冷却しながら、無水トリメリット酸クロライド(以下、TACとする)を384.36g(1.83モル)加えた。
室温で1時間撹拌した後、20℃を超えないように冷却しながら、トリエチルアミン(以下、TEAとする)を215.90g(2.14モル)加えた後、室温で1時間反応させてポリアミック酸ワニスを製造した。得られたポリアミック酸ワニスについて、さらに180℃で脱水反応を6時間行い、ポリアミドイミド樹脂のワニスを製造した。このポリアミドイミド樹脂のワニスを水に注いで得られる沈殿物を、分離、粉砕、及び乾燥して、ポリアミドイミド樹脂粉末(PAI-1)を得た。得られたポリアミドイミド樹脂(PAI-1)のMwは、77000であった。
温度計、撹拌機、窒素導入管、油水分離機付き冷却管を取り付けた1リットルの4つ口フラスコに、窒素気流下、BAPPを69.72g(170.1ミリモル)、及びBY16-871を4.69g(18.9ミリモル)入れ、さらにNMPを693.52g加えて溶解した。次に、20℃を超えないように溶液を冷却しながら、TACを25.05g(119.0ミリモル)、及び3,4,3’,4’-ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物(以下BTDAとする)を25.47g(79.1ミリモル)加えた。
室温で1時間撹拌した後、20℃を超えないように冷却しながら、TEAを14.42g(142.8ミリモル)加えた後、室温で1時間反応させてポリアミック酸ワニスを製造した。得られたポリアミック酸ワニスについて、さらに180℃で脱水反応を6時間行い、ポリイミド樹脂のワニスを製造した。このポリイミド樹脂のワニスを水に注いで得られる沈殿物を、分離、粉砕、及び乾燥してポリイミド樹脂粉末(PAIF-1)を得た。得られたポリイミド樹脂(PAIF-1)のMwは、42000であった。
温度計、撹拌機、窒素導入管及び冷却管を取り付けた0.5リットルの4つ口フラスコに、窒素気流下、第一の極性溶媒(A1)としてγ-ブチロラクトン(以下、γ-BLとする)を92.4g、第二の極性溶媒(A2)としてトリエチレングリコールジメチルエーテル(以下、DMTGとする)を39.6g、耐熱性樹脂(B)として先に合成したポリアミドイミド樹脂粉末(PAI-1)を30.8g、及び耐熱性樹脂(C)として先に合成したポリイミド樹脂粉末(PAIF-1)を13.2g加えて、攪拌しながら180℃まで昇温した。180℃で2時間攪拌後、加熱を停止し、攪拌しながら放冷し、60℃でγ-BLを16.8g、及びDMTGを7.2g加え、1時間攪拌し、冷却後、黄色組成物を得た。ろ過器KST-47(アドバンテック株式会社製)に充填し、シリコーンゴム製ピストンを挿入し、3.0kg/cm2の圧力で加圧ろ過して絶縁性樹脂コート材(P-1)を得た。
<無機フィラーを含む絶縁性樹脂コート材(P-2)の調製>
調製例2(1)と同様にして、PAI-1を得た後、日本アエロジル株式会社製のAEROSIL200を5wt%添加して、比較例用の絶縁性樹脂コート材を調製した。
具体的には、温度計、撹拌機、窒素導入管及び冷却管を取り付けた0.5リットルの4つ口フラスコに、窒素気流下、第一の極性溶媒(A1)としてγ-BLを92.4g、第二の極性溶媒(A2)としてトリエチレングリコールジメチルエーテル(以下、DMTGとする)を39.6g、耐熱性樹脂(B)として先に合成したポリアミドイミド樹脂粉末(PAI-1)を30.8g、及びアエロジル200を9.8g加え、攪拌しながら180℃まで昇温した。180℃で2時間攪拌後、加熱を停止し、攪拌しながら放冷し、60℃でγ-BLを16.8g、及びDMTGを7.2g加え、1時間攪拌し、冷却後、黄色組成物を得た。ろ過器KST-47(アドバンテック株式会社製)に充填し、シリコーンゴム製ピストンを挿入し、3.0kg/cm2の圧力で加圧ろ過して、比較例用の絶縁性樹脂コート材(P-2)を得た。
(実施例1)
ガラスエポキシ基板上に半導体素子を半田にて実装し、基板上に実装された半導体素子と基板とを金ワイヤによって電気的に接続した構造体を準備した。半導体素子の4辺に対し金ワイヤボンディングを4×20本(合計で80本)形成した。基板からのワイヤ頂点までの高さは0.9mmであった。
次に、上記構造体のワイヤの頂点よりも下部の空間に、ジェットディスペンサー装置(ノードソン・アドバンスト・テクノロジー株式会社製の装置名「S2-910」を用いて、調製例1で得た液状封止材を供給した。次いで、供給した液状封止材を175℃で2時間加熱することによって硬化させ、第1の封止層(ワイヤ封止層)を形成した。
第1の封止層の上に、ワイヤを介して、ディスペンサー装置(株式会社サンエイテック製の装置名「SDP500」)を用いて、調製例2で得た絶縁性樹脂コート材を供給した。次いで、100℃で30分、さらに200℃で1時間の温度条件下で、上記コート材の塗膜を乾燥させることによって、膜厚が12μmの第2の封止層(絶縁保護層)を形成した。
実施例1と同様にして、基板上に実装された半導体素子が、ワイヤによって電気的に接続した構造体を準備した。次いで、構造体のワイヤ上部のみに、ディスペンサー装置(株式会社サンエイテック製の装置名「SDP500」)を用いて、調製例2で得た絶縁性樹脂コート材を供給した。ワイヤ下部については、ワイヤが妨げになり、絶縁性樹脂コート材をうまく充填することはできなかった。次いで、100℃で30分、さらに200℃で1時間の温度条件下で塗膜を乾燥させることによって封止層(絶縁保護層)を形成した。なお、ワイヤ上部に位置する封止層の乾燥膜厚が実施例1と同じ12μmとなるように、絶縁性樹脂コート材の供給量を調整した。
実施例1と同様にして、基板上に実装された半導体素子が、ワイヤによって電気的に接続した構造体を準備した。次に、上記構造体のワイヤ下部及び上部に、ジェットディスペンサー装置(ノードソン・アドバンスト・テクノロジー株式会社製の装置名「S2-910」を用いて、調製例1で得た液状封止材を供給した。次いで、175℃で2時間の温度条件下で塗膜を硬化させることによって封止層(ワイヤ封止層)を形成した。なお、ワイヤ上部に位置する封止層の膜厚が実施例1と同じ12μmとなるように、液状封止材の供給量を調整した。
実施例1と同様にして、基板上に実装された半導体素子のワイヤによって電気的に接続した構造体を準備した。次に、実施例1と同様にして、上記構造体のワイヤ下部に第1の封止層を形成した後に、その第1の封止層の上にワイヤを介して、調製例3で得た無機フィラーを含む絶縁性樹脂コート材を供給した。なお、ワイヤ上部に位置する封止層の乾燥膜厚が実施例1と同じ12μmとなるように、無機フィラーを含む絶縁性樹脂コート材の供給量を調整した。
<半導体デバイスの信頼性>
実施例1及び比較例1~3で得た半導体デバイスについて、ワイヤに対する封止層におけるボイドの有無を超音波顕微鏡測定から判断し、デバイスの信頼性を評価した。
超音波顕微鏡測定は、SONOSCAN社製の装置名「D9000」を使用することによって実施した。超音波顕微鏡測定によって半導体デバイス中のボイドの存在が確認できなかった場合、信頼性は良好であると判断した。一方、超音波顕微鏡測定によってボイドの存在が確認できた場合、信頼性は不良であると判断した。結果を表1に示す。
実施例1及び比較例1~3で得た半導体デバイスについて、ワイヤ上部に形成された封止層の絶縁破壊電圧を評価するために、以下のようにして測定用サンプルを作製した。
実施例1(比較例1)に対応する測定用サンプル1として、アルミニウム基板上に、調製例2で得た絶縁性樹脂コート材P-1をアプリケーターで塗布した。次いで、100℃で30分、さらに200℃で1時間にわたってオーブンで加熱することによって、膜厚10μmの乾燥塗膜を得た。
比較例2に対する測定サンプル2として、アルミニウム基板上に、調製例1で得た液状封止材をアプリケーターで塗布した。次いで、175℃、2時間の条件で塗膜を加熱硬化させることによって、膜厚10μmの硬化膜を得た。
比較例3に対する測定サンプル3として、アルミニウム基板上に、調製例3で得た無機フィラーを含む絶縁性樹脂コート材P-2をアプリケーターで塗布した。次いで、100℃で30分、さらに200℃で1時間にわたってオーブンで加熱することによって、膜厚10μmの乾燥塗膜を得た。
上述のようにして作製した測定用サンプル1~3を、それぞれ一対の電極で挟み、絶縁破壊電圧値を測定した。測定は、JIS C2110を参考にして、油中において、昇圧速度を0.5kV/秒、測定温度を室温、電極形状をφ20mmの球とする条件下で実施した。結果を表1に示す。
実施例1及び比較例1~3で得た半導体デバイスについて、実際にESD耐性を測定する代わりに、別途測定した乾燥塗膜(硬化膜)の絶縁破壊電圧の値からESD耐性を評価した。例えば、先に作製した測定サンプル1の絶縁破壊電圧は230kV/mmであり、これは230V/μmと同義である。したがって、成膜によって得た封止層(膜)の膜厚が10μmであれば、封止層(膜)は2300V(2.3kV)の絶縁性を有することになる。通常、2kVを超える電圧に対して封止層(膜)が絶縁性を保持できれば、半導体デバイスにおいて充分なESD耐性を得ることが可能である。
一般に、膜厚を大きくすることによって絶縁性を高め、そのことによりESD耐性を高めることができる。例えば、100μm以上の膜厚が得られるように材料を塗布した場合、絶縁性を担保することが容易となる。しかし、そもそも100μmの膜厚が得られるように絶縁性コート材を均一に塗布することは困難である。また、薄型の半導体デバイスが要求される市場のトレンドに逆行するという点でも好ましくない。したがって、以下のように、2kVを基準値として、膜厚10μmの測定サンプル1~3の絶縁破壊電圧の測定値から算出される絶縁性からESD耐性を評価した。結果を表1に示す。(ESDの評価基準)
良好:絶縁性が2kV以上である。
不良:絶縁性が2kV未満である。
実施例1及び比較例1の絶縁破壊電圧及びESD耐性は、測定サンプル1に対する測定値及び評価結果に対応する。比較例2及び3の絶縁破壊電圧及びESD耐性の評価は、測定サンプル2及び3に対する測定値及び評価結果に対応する。
ESD耐性における絶縁性は、膜厚10μmの測定サンプル1~3の絶縁破壊電圧の測定値から算出される値である。
2 半導体素子
3 ワイヤ
3a ワイヤ頂点
4a 第1の封止層
4b 第2の封止層
5 樹脂封止部材
h 基板からのワイヤ高さ
Claims (20)
- 基板と、前記基板上に配置された半導体素子と、前記基板と前記半導体素子とを電気的に接続するワイヤと、前記ワイヤの頂点よりも下部の空間を封止する第1の封止層と、前記第1の封止層の上部に前記ワイヤを介して設けられる第2の封止層とを有する半導体デバイスであって、
前記第1の封止層が液状封止材の硬化膜からなり、
前記第2の封止層が絶縁性樹脂コート材の乾燥塗膜からなり、前記絶縁性樹脂コート材の25℃におけるチキソトロピー係数が2.0~10.0である、半導体デバイス。 - 基板と、前記基板上に配置された半導体素子と、前記基板と前記半導体素子とを電気的に接続するワイヤと、前記ワイヤの頂点よりも下部の空間を封止する第1の封止層と、前記第1の封止層の上部に前記ワイヤを介して設けられる第2の封止層とを有する半導体デバイスであって、
前記第1の封止層が液状封止材の硬化膜からなり、
前記第2の封止層が絶縁性樹脂コート材の乾燥塗膜からなり、前記絶縁性樹脂コート材が平均粒子径0.1~5.0の樹脂フィラーを含む、半導体デバイス。 - 少なくとも前記第2の封止層を覆うように設けられた樹脂封止部材をさらに有する、請求項1又は2に記載の半導体デバイス。
- 前記絶縁性樹脂コート材の乾燥塗膜の絶縁破壊電圧が、150kV/mm以上である、請求項1~3のいずれか1項に記載の半導体デバイス。
- 前記絶縁性樹脂コート材の25℃における粘度が30~500Pa・sである、請求項1~4のいずれか1項に記載の半導体デバイス。
- 前記絶縁性樹脂コート材が、ポリアミド、ポリアミドイミド、及びポリイミドからなる群から選択される少なくとも1種の絶縁性樹脂を含む、請求項1~5のいずれか1項に記載の半導体デバイス。
- 前記第2の封止層の膜厚が、100μm以下である、請求項1~6のいずれか1項に記載の半導体デバイス。
- 前記第2の封止層の膜厚が、50μm以下である、請求項7に記載の半導体デバイス。
- 前記絶縁性樹脂のTgが150℃以上である、請求項6に記載の半導体デバイス。
- 前記液状封止材が、熱硬化性樹脂成分と、無機充填剤とを含み、75℃、せん断速度5s-1の条件で測定される粘度(Pa・s)を粘度Aとし、75℃、せん断速度50s-1の条件で測定される粘度(Pa・s)を粘度Bとしたとき、粘度A/粘度Bの値として得られる、75℃でのチキソトロピー係数が0.1~2.5である、請求項1~9のいずれか1項に記載の半導体デバイス。
- 前記液状封止材における塩素イオン量が100ppm以下である、請求項1~10のいずれか1項に記載の半導体デバイス。
- 前記液状封止材における前記無機充填剤の最大粒子径が75μm以下である、請求項10に記載の半導体デバイス。
- 前記液状封止材の75℃、せん断速度5s-1の条件で測定される粘度が3.0Pa・s以下である、請求項1~12のいずれか1項に記載の半導体デバイス。
- 前記液状封止材の25℃、せん断速度10s-1の条件で測定される粘度が30Pa・s以下である、請求項1~13のいずれか1項に記載の半導体デバイス。
- 前記液状封止材の全質量を基準として、前記無機充填剤の含有量が50質量%以上である、請求項10に記載の半導体デバイス。
- 前記液状封止材における前記熱硬化性樹脂成分が、芳香族エポキシ樹脂と、脂肪族エポキシ樹脂とを含む、請求項10に記載の半導体デバイス。
- 前記芳香族エポキシ樹脂が、液状のビスフェノール型エポキシ樹脂、及び液状のグリシジルアミン型エポキシ樹脂からなる群から選択される少なくとも1種を含み、前記脂肪族エポキシ樹脂が、線状脂肪族エポキシ樹脂を含む、請求項16に記載の半導体デバイス。
- 指紋認証センサーに用いられる、請求項1~17のいずれか1項に記載の半導体デバイス。
- 基板と、前記基板上に配置された半導体素子と、前記基板と前記半導体素子とを電気的に接続するワイヤと、前記ワイヤの頂点よりも下部の空間を封止する第1の封止層と、前記第1の封止層の上部に前記ワイヤを介して設けられる第2の封止層とを有する半導体デバイスの製造方法であって、
基板と、基板上に配置された半導体素子とをワイヤによって電気的に接続する工程と、
前記ワイヤの頂点よりも下部の空間に液状封止材を供給して第1の封止層を形成する工程と、
前記第1の封止層の上部に前記ワイヤを介して絶縁性樹脂コート材を供給して第2の封止層を形成する工程とを有し、
前記絶縁性樹脂コート材の25℃におけるチキソトロピー係数が2.0~10.0である、半導体デバイスの製造方法。 - 基板と、前記基板上に配置された半導体素子と、前記基板と前記半導体素子とを電気的に接続するワイヤと、前記ワイヤの頂点よりも下部の空間を封止する第1の封止層と、前記第1の封止層の上部に前記ワイヤを介して設けられる第2の封止層とを有する半導体デバイスの製造方法であって、
基板と、基板上に配置された半導体素子とをワイヤによって電気的に接続する工程と、
前記ワイヤの頂点よりも下部の空間に液状封止材を供給して第1の封止層を形成する工程と、
前記第1の封止層の上部に前記ワイヤを介して絶縁性樹脂コート材を供給して第2の封止層を形成する工程とを有し、
前記絶縁性樹脂コート材が平均粒子径0.1~5.0の樹脂フィラーを含む、半導体デバイスの製造方法。
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