JPH01208848A - 樹脂封止型半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は樹脂封止型半導体装置に係わり、特に高温にお
けるリードと素子間の接続信頼性に優れた樹脂封止型半
導体装置に関する。

〔従来の技術〕

近年、ダイオード、サイリスタ、トランジスタ。

ＩＣ，ＬＳＩあるいはＶＬＳ　Ｉあるいはこれら各種半
導体素子を搭載した電子部品等のパッケージングには経
済性が優れたプラスチック材料とくにエポキシ樹脂を主
流とする封止材料が用いられており、このような樹脂封
止は全半導体製品の８０％以上に及んでいる。

従来このような樹脂封止型半導体の使用温度は一般に１
２５℃付近が上限と考えられていたが、用途の拡大に伴
い、より高い温度での使用が可能な耐熱性樹脂封止型半
導体装置の開発が望まれるようになった。一方、樹脂封
止型のパッケージは従来のピン挿入型から面実装型に移
行する傾向がある。このような面実装型パッケージはペ
ーパーリフローや赤外線リフロ一方式によるはんだ付け
が行われ、従来のピン挿入に比べ実装時にパッケージ全
体が２００〜３００℃の高温に曝されるようになった。

このような加熱処理を行った場合未処理のものに比べて
各種信頼性にかなりの低下が生じるため、このような観
点からも耐熱性が優れた樹脂封止型半導体の開発が強く
望まれていた。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明は上記状況を鑑みなされたものであり、その目的
は高温下でのリードと素子間の接続依頼性が優れた樹脂
封止型半導体装置を提供することにある。

樹脂封止型半導体装置を長時間高温に放置した場合、金
ボンディングワイヤとアルミニウム電極パッドの接合部
が剥離し接続不良が生じることが知られている（高分子
３５　（１９８６年）Ｐ。

６７５）、このような不良が発生するメカニズムとして
は封止樹脂中に含まれる塩素や臭素のようなハロゲン化
合物が金／アルミニウム金属間化合物層を化学的に侵食
するためと考えられている（２２回、アニュアル、プロ
シーデインゲス、リライアビリテイ、フィジックス（１
９８４年）第３７頁から第４７頁（２２ｎｄ　ａｎｎｕ
ａｌ　ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ
　ｐｈｙｓｉｃｓ（１９８４）ｐ　ｐ　３７〜４７）。

また、封止樹脂の熱劣化によって発生するメカニカルス
トレスが原因とする説もある。

そこで、本発明者等はこの現象の確認実験を行うととも
にその原因究明並びに対策について種々検討した。その
結果、上記現象は金ボンディングワイヤだけでなく銅ボ
ンディングワイヤとアルミニウム電極間についても発生
することが明らかになった。また、この原因について検
討した結果。

封止樹脂の熱劣化によって発生するメカニカルストレス
よりも熱劣化によって封止樹脂中に発生する遊離性ハロ
ゲン量が関係することが分かった。

そこで、更にこの遊離ハロゲンの発生源について詳細に
検討した結果、その大部分はエポキシ樹脂系成形材料を
難燃化するために使用している臭素化エポキシ樹脂中に
含まれるハロゲン系不純物並びに臭素化エポキシ樹脂が
熱分解によって生成する低分子量臭素化合物であること
が明らかになった。即ち、樹脂封止型半導体装置の高温
におけるリードと素子間の接続信頼性は封止樹脂特に難
燃化剤として使用する臭素化エポキシ樹脂の高純度化並
びに熱分解による遊離性臭素化合物を低減することによ
って、大巾な改善が図れることが明らかになった。

半導体封止用のエポキシ樹脂系成形材料にはエポキシ樹
脂、硬化剤、硬化促進剤、充填剤、難燃化剤、カップリ
ング剤、離型剤９着色剤を始め必要に応じ可撓化剤、揺
変剤１反応性希釈剤等の種種の素材が配合されている。

封止樹脂中の遊離性ハロゲン濃度を低減するためには先
ずこれら各素材を高純度化し特に遊離性ハロゲン濃度を
低減することは勿論であるが、最も重要なことは難燃化
剤の一つとして用いる臭素化エポキシ樹脂の高純度化並
びに熱分解によって生じる遊離性臭素化合物の低減であ
る。この問題を解決するため本発明者等は発生する遊離
性臭素化合物の捕捉固定化方法について種々検討した。

その結果成形材料にイオン捕捉剤としてビスマス系無機
イオン交換体を配合すれば顕著な効果があることが明ら
かになった。ところが、ビスマス系無機イオン交換体は
一般に酸類に溶解し易く、例えば、成形品をはんだ付け
するため表面をはんだフラックスで処理しようとすると
成形品の表面近傍のビスマス系無機イオン交換体がフラ
ックス中に溶出し、成形品の外観に異常を生じたり、リ
ードフレームへのはんだののりが悪くなるいわゆるはん
だ付は不良が発生する等と云った問題があった。

本発明はこのような状況を鑑みなされたものであり、そ
の目的とするところは、成形品の外観不良やはんだ付は
不良を起こさずに樹脂封止型半導体装置の高温下におけ
るリードと素子間の接続の信頼性が優れた樹脂封止型半
導体装置を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題はビスマス系無機イオン交換体が成形品の表面
に露出しないようにすれば解決が可能である。

そこで、本発明者等はビスマス系無機イオン交換体の表
面処理方法とこれを配合した樹脂封止型半導体装置の高
温下におけるリードと素子間の接続の信頼性、成形品を
はんだフラックスで処理した場合の成形品の外観並びに
はんだフラックスを繰り返し使用した場合のはんだ付は
性との関係について種々検討した。

その結果、ビスマス系無機イオン交換体の表面をアルコ
キシシラン、シリコーンオイルあるいはシリコーンゴム
のようなシリコーン系化合物で処理し、表面に疎水性を
付与することによって樹脂封止型半導体装置の高温下に
おけるリードと素子間の接続の信頼性を損なわずにしか
も成形品をはんだフラックスで処理した場合の成形品の
外観不良やはんだ付は不良を防げることを見出した。

〔作用〕

シリコーンチップのアルミニウム電極に金ワイヤをボン
ディングした裸の素子と難燃化剤として臭素化エポキシ
樹脂を配合したエポキシ樹脂系成形材料の成形品をガラ
スアンプルに封入して２００℃以上の高温に加熱すると
、裸の素子のみあるいは裸の素子と非難燃型のエポキシ
樹脂系成形材料の成形品をガラスアンプル中で加熱した
場合に比べて、金ワイヤの接合強度は極めて短時間のう
ちに低下する。この傾向は素子を難燃型エポキシ樹脂系
成形材料及び非難燃型エポキシ樹脂成形材料で封止、加
熱した場合も同じである。

一方、ガラスアンプル試験では難燃型エポキシ樹脂成形
材料の成形品の近傍に少量のビスマス系無機イオン交換
体を共存させておくと、金ワイヤの接合強度の低下は極
めて少なくなる。また、素子を難燃型エポキシ樹脂系成
形材料で封止する場合も成形材料にビスマス系無機イオ
ン交換体を配合しておくと接合部の劣化（電気抵抗の増
大）を大幅に遅らせることができる。

これはビスマス系無機イオン交換体が成形材料の熱分解
によって発生する遊離性のハロゲン化合物を捕捉するた
めと考えられる。この捕捉作用はビスマス系無機イオン
交換体が成形材料中に分散混合されている場合も、ガラ
スアンプル試験のように成形品の近傍に置かれた場合も
同様に現われる。従って、ビスマス系無機イオン交換体
を成形材料に配合した場合に成形品の表面に露出したビ
スマス系無機イオン交換体がはんだフラックスに侵され
にくい物質で被覆すれば良いと考えられる。

しかし、ビスマス系イオン捕捉剤の表面をエポキシ樹脂
のようなプラスチック材料で被覆した場合、成形材料に
対する配合量をかなり多くしないと金ワイヤの接合強度
の劣化が防止できなくなったり、また、被覆層を薄くし
ようとすると表面を均一に被覆することが難しい等と云
った問題があることが明らかになった。一方、アルコキ
シシラン、シリコーンオイルあるいはシリコーンゴムを
用いて被覆する場合は被覆層をかなり薄くしても均一な
被膜が形成でき、無処理の場合と同程度の配合量で金ワ
イヤの接合強度の劣化を同様に防止できることが分かっ
た。しかも、表面には撲水性が付与されているため、成
形品をはんだフラックス中への溶出が起こりにくく、は
んだフラックスを繰り返し使用した場合のはんだ付は性
の低下も発生しにくいことが明らかになった。

ところで、本発明に用いるビスマス系無機イオン交換体
とは具体的にはビスマスの水酸化物、あるいは含水酸化
物であり、本発明の目的を損なわない範囲において、ア
ンチモンの水酸化物、酸化物、リンアンチモン酸、アン
チモン酸ジルコニウム、アンチモン酸チタン、アンチモ
ン酸スズ、アンチモン酸クロム、アンチモン酸タンタル
、含水酸化チタン、含水酸化ジルコニウム、含水酸化ス
ズ、含水酸化アルミニウム、含水酸化マグネシウム等を
併用しても良い、。

上記ビスマス系無機イオン交換体は粒径が細かい程合ワ
イヤの接合強度の劣化防止効果が大きく、平均粒径４４
ｕｍ以下のものを用いることが望ましい。配合量は成形
材料全体に対し０．１　〜５重量％、好ましくは０．５
〜２重量％の範囲である。

これは０．１重量％以下では金ワイヤの接合強度の劣化
防止効果が不充分となり、また、５重量％以上では接合
強度の劣化防止効果がほぼ一定になるためである。

次に、ビスマス系無機イオン交換体の表面処理に用いる
アルコキシシランは、具体的には、ビニルトリエトキシ
シラン、ビニルトリメトキシシラン、ビニルトリス（β
−メトキシエトキシ）シラン、γ−メタクリロキシプロ
ピルトリメトキシシラン、β−（３，４−エポキシシク
ロヘキシル）エチルトリメトキシシラン、γ−グリシド
キシプロピルトリメトキシシラン、γ−メルカプトプロ
ピルトリメトキシシラン、γ−アミノプロピルトリエト
キシシラン、Ｎ−β（アミノエチル）−γ−アミノプロ
ピルトリメトキシシラン、Ｎ−β（アミノエチル）γ−
アミノプロピルメチルジメトキシシラン、Ｎ−フェニル
−γ−アミノプロピルトリメトキシシラン、アミノエチ
ルアミノメチルフェネチルトリメトキシシラン、３−ア
ミノプロピルメチルジェトキシシラン、ビス〔３−（ト
リエトキシシリル）プロピル〕アミン、Ｎ、Ｎ−ジエチ
ル−３−アミノプロピルトリメトキシシラン、Ｎ、Ｎ−
ジメチルアミノフェニルトリエトキシシラン、１−トリ
メトキシシリル−２，１−（ｐ、ｍ−アミノメチル）フ
ェニルエタン、Ｎ−メチルアミノプロピルトリエトキシ
シラン、トリメトキシシリルプロピルジエチレントリア
ミン。

ｐ−アミノフェニルトリメトキシシラン、γ−ニレイド
プロピルトリエトキシシランなどであり、シリコーンオ
イル及びゴムは分子量数１００〜数１０万のポリジメチ
ルシロキサン及びその誘導体である。ビスマス系無機イ
オン交換体の表面処理法は特に限定されるものではない
が１例えば上記の各種シリコーン化合物を水やアルコー
ル等に溶解し、これをビスマス系無機イオン交換体に噴
霧あるいは、ミキサー等を用いて混合した後溶媒を減圧
あるいは加熱除去することによって行えば良い。

成形材料の主成分を構成するエポキシ樹脂は特に限定さ
れるものではないが、現在半導体封止用成形材料に広く
用いられているクレゾールノボラック型エポキシ樹脂、
フェノールノボラック型エポキシ樹脂、ビスフェノール
Ａ型エポキシ樹脂等に硬化剤としてフェノールノボラッ
ク樹脂、無水ポリカルボン酸、ポリアミン、イソシアネ
ートを用いた組成物を使用出来る。また、難燃化剤とし
ての臭素化エポキシ樹脂は臭素化クレゾールノボラック
型エポキシ樹脂、臭素化フェノールノボラック型エポキ
シ樹脂あるいは臭素化ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂
等が用いられる。これらエポキシ樹脂は硬化に際し高温
長時間の加熱が必要なため、硬化に際しては公知の硬化
促進剤を用いることができる。特に、テトラ置換ホスホ
ニウム。

テトラ置換ボレート、テトラ置換アルソニウム。

テトラ置換ボレート、テトラ置換アンモニウム。

テトラ置換ボレート、各種イミダゾリウムのテトラ置換
ボレート、ジメチルアミノニチノールと酸無水物との反
応生成物等は潜在硬化促進性が優れ、成形材料の貯蔵安
定性や成形条件面で有利である。

一方、充填剤としては、シリカ粉９石英ガラス粉。

アルミナ粉等の外、炭酸カルシウム、ケイ酸ジルコニウ
ム、ケイ酸カルシウム、タルク、クレー。

マイカ、ガラス繊維粉等を用いることができ、これらは
成形品の熱膨張係数の低減、熱伝導性の向上等を図るた
め、成形材料全体に対し、６５ｗｔ％以上配合される。

さらに、本発明の成形材料には離型剤としてカルナバワ
ックス、モンタン酸ワックス、ポリアルキレン系ワック
ス等が使用出来る。カップリング剤としては各種シラン
系化合物。

チタン系化合物、アルミニウムキレート類、アルミニウ
ム／ジルコニウム系化合物等が用いられる。

着色剤としてはカーボンブラック、酸化チタン。

鉛丹９群青、ベンガラ等を用いることが出来る。

上記各素材は例えばロール、押出し機、ニーダ等を用い
て加熱溶融混練し成形材料にすることが出来る。

なお、上記各素材は成形材料全体に対する配合量がそれ
ぞれ異なるために、各素材について遊離性塩素並びに臭
素濃度を一律に規定することは出来ないが、成形品を１
１００メツシユパスの微粉末にし、これを１２０℃の熱
水で少なくとも１００時間抽出した場合に塩素及び臭素
イオンの抽出量がそれぞれ１０ｐｐｍ以下であることが
望ましい。

〔実施例〕

以下、本発明を実施例によりさらに詳しく説明する。

〔実施例１〜５〕 γ−グリシドキシプロピルメトキシシラン（実施例１）
、γ−アミノプロピルトリエトキシシラン（実施例２）
およびγ−メルカプトプロピルトリメトキシシラン（実
施例３）の含水イソプローピルアルコールの１％溶液、
分子量約３０　、０００の末端にエポキシ基を有するポ
リジメチルシリコーン（実施例４）及び分子量約１５０
，０００の末端にアミノ基を有するポリジメチルシリコ
ーン（実施例５）のテトラヒドロフラン１％溶液各１０
０重量部に平均粒径２０μｍの酸化ビスマス１００重量
部を加え６０℃で１時間撹拌した後、減圧下で溶媒を除
去し、表面に疎水性被膜を有する酸化ビスマスを得た。

このものを１２０℃で１時間加熱した後、二軸ロールを
用いて第１表に示す各素材とともにロール温度８０℃で
混練し５種類の成形材料を作製した。

〔比較例１〕 第１表に示した材料組成のうちから酸化ビスマスを除い
て上記実施例と同様の成形材料を作製した。

〔比較例２〕 無処理の酸化ビスマスを用いて上記同様の成形材料を作
製した。

〔比較例３．４〕 ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂１００重量部に２−エ
チル−４−メチルイミダゾール５重量部を配合した樹脂
組成物のテトラヒドロフラン１％溶液（比較例３）及び
５％溶液（比較例４）１００重量部に酸化ビスマス１０
０重量部を加えて３０分間混合した後、ドライスプレー
法に溶媒を除去した。このものを更に１２０℃で１時間
加熱し、表面にエポキシ樹脂被膜を有する２種類の酸化
ビスマスを用いて上記同様の成形材料を作製した。

次に、上記実施例及び比較例で得られた各成形材料を用
いて、試験用素子をモールドした。試験用素子は５Ｘ１
５ｍｍ角のシリコーンチップの表面にアルミニウムのジ
クザク配線を設け、リードフレーム（４２Ａｕｏｙ）に
銀ペーストを用いて接着した後、３０μｍの金線でワイ
ヤボンディングを行ったものである。モールドは金型温
度１８０℃。

成形圧カフ０ｋｇ／ｃｍ２、成形時間１．５分で行い、
成形品はモールド金型から取り出した後、１８０℃でさ
らに６時間の後硬化を行った。

上記各成形品を２２５℃の恒温槽に放置した時の金／ア
ルミニウム接合部の接続の信頼性を測定した。

また、成形品を４０℃に加熱した塩素系はんだフラック
ス中に５分間浸せきした場合の成形品の外観、はんだフ
ラックス中へのビスマスの溶解の有無について検討した
。これらの結果を第２表にまとめて示す。表中、金／ア
ルミニウムの接合部の不良発生時間は、リードを介して
測定した金／アルミニウム接合部の抵抗値が初期の２倍
以上になった時間である。

〔発明の効果〕

第２表から明らかなように本発明の樹脂封止型半導体装
置は高温に放置した場合の金−アルミニウム接合部の不
良発生が少なく高温の接続信頼性が優れている。また、
成形品をはんだフラツクスで処理した場合成形品の表面
に異常が無く、ビスマス系無機イオン交換体がはんだフ
ラックス中に溶出しないため成形品の外観不良やはんだ
接続不良などの心配が無い。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、難燃剤として臭素化エポキシ樹脂を配合した難燃性
   エポキシ樹脂組成物で封止する樹脂封止型半導体装置に
   おいて、当該組成物が表面に疎水化処理を施したビスマ
   ス系無機イオン交換体を含む難燃性エポキシ樹脂組成物
   であることを特徴とする樹脂封止型半導体装置。 ２、ビスマス系無機イオン交換体が水酸化ビスマスまた
   は酸化ビスマスであることを特徴とする上記第一項記載
   の樹脂封止型半導体装置。