JPH05283562A - 樹脂封止型半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 封止された半導体素子の消費電力量が低く、
且つ演算速度を落とさず、更に優れた耐湿信頼性、優れ
た熱放散性、ＶＰＳ後の優れた耐クラック性を有すると
ともに、生産性に優れた樹脂封止半導体装置を提供す
る。 【構成】 低誘電率樹脂層２、封止樹脂層３および水分
遮断層４を積層して作製された封止用絶縁体９を用い
て、アセンブリーされた半導体素子１を封止する。 【効果】 高速演算化と高密度化が不可欠な次世代メモ
リー等の半導体素子にも対応でき、また、樹脂封止をイ
ン・ラインでの樹脂封止工程で製造できるため、高い生
産性を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、樹脂封止をイン・ライ
ンで行うことが可能な、高性能の樹脂封止型半導体装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年における半導体装置の高密度実装化
に伴い、高速演算を行うための高周波数特性に優れたデ
バイスの開発が進んでいる。例えば、高密度な超ＬＳＩ
や、この他の高周波数特性が要求される半導体素子など
のデバイスでは、素子近傍を封止する素材の誘電率がデ
バイス動作時の電力消費量を支配するため、低誘電率の
樹脂で直接封止することが重要である。

【０００３】すなわち、超ＬＳＩにおける配線の微細化
に伴い、配線間や層間での電気容量（Ｃ）が増大した結
果、半導体回路のＲＣ遅延時間の増大や、消費電力
（Ｐ）の増大がもたらされている。この電気容量Ｃは、
誘電率ε、金属間距離ｄ、金属電極面積ｓによって決ま
り、Ｃ＝ε・ｓ／ｄの関係式で表せる。また、電気容量
Ｃに起因した消費電力（Ｐ）には周波数ｆおよび電圧Ｖ
が関係しており、この関係はＰ＝ｆ・Ｃ・Ｖ・Ｖで表さ
れる。そのため、消費電力の小さい超ＬＳＩを得るため
には、素子近傍を封止する封止樹脂の低誘電率化が不可
欠である。

【０００４】さらに、半導体素子の封止樹脂には動作時
のロスを低減することだけでなく、それ以外の多種類の
性能・機能が要求される。例えば、耐湿性に優れるこ
と、表面実装工程の高温に耐えること、素子に加わる応
力を小さくできること、絶縁性に優れること、熱放散性
がよいこと等である。

【０００５】従来の封止樹脂では、以上述べた耐湿性、
耐熱性、低応力性、熱放散性の性能を獲得するために、
樹脂中に熱伝導性の良好な無機充填材を添加せざるを得
なかった。ところが、無機充填材は樹脂に比べて誘電率
が高いため、これを添加すると封止樹脂の誘電率が大き
くなってしまう。そのため、従来の封止樹脂では、優れ
た耐湿性、耐熱性、低応力性、高絶縁性、高熱放散性と
いった望ましい特性を得ると同時に、充分な低誘電率特
性を得ることはできなかった。

【０００６】一方、低誘電率の樹脂としては、無機材料
を含まないフッ素系やポリイミド系の有機コーティング
剤が良く知られている。しかし、これらは耐湿性、耐熱
性、低応力性、高絶縁性、高熱放散性等のような、封止
樹脂に本来要求される望ましい特性を有していない。

【０００７】また、従来の樹脂封止型半導体装置は、一
般にはトランスファーモールドにより樹脂封止を行って
製造されるため、アセンブリーラインとは別の樹脂封止
工程を必要とする。このため、イン・ラインでの製造に
比べると生産性に劣るという問題がある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記事情に鑑
みてなされたものであり、電力消費が少なく、且つ優れ
た耐熱性および優れた熱放散性などをもつ封止用絶縁体
で保護された樹脂封止型半導体装置であって、樹脂封止
をイン・ラインで行うことが可能な樹脂封止型半導体装
置を提供することを目的とする。本発明の課題をより具
体的に列挙すれば、まず、デバイス動作時の電力消費を
少なくでき、かつ信頼性の優れた樹脂封止型半導体装置
を提供することである。

【０００９】加えて、高密度実装の可能な薄型のパッケ
ージとすることができ、耐湿信頼性に優れ、表面実装が
可能で、熱放散性に優れる等の優れた性能を有する樹脂
封止型半導体装置を提供することである。

【００１０】更に加えて、従来のようにアセンブリーラ
インとは別の樹脂封止工程を必要とすることなく、イン
・ラインでの樹脂封止が可能で、生産性を向上できる樹
脂封止型半導体装置を提供することである。

【００１１】

【課題を解決するための手段および作用】本発明による
樹脂封止型半導体装置は、誘電率４．０以下の低誘電率
樹脂層（ａ）および無機充填材を含む封止樹脂層（ｂ）
の少なくとも二つの機能層を具備した封止用絶縁体によ
り、前記低誘電率樹脂層が半導体素子の能動面を直接被
覆するように半導体素子を封止してなることを特徴とす
る。

【００１２】本発明においては、上記二つの機能層
（ａ）（ｂ）に加えて、金属膜からなる水分遮断層
（ｃ）を積層した封止用絶縁体を用いるのが望ましい。
その場合、水分遮断層（ｃ）は通常封止樹脂層（ｂ）の
上に積層される。この水分遮断層（ｃ）は、放熱性を向
上する高熱伝導層としても機能する。

【００１３】また、本発明においては、無機充填材を含
む封止樹脂層（ｂ）が、更にガラスクロス、ケブラーク
ロス、カーボンクロス等の強度付与材を含有することが
望ましい。以下、本発明を詳細に説明する。

【００１４】本発明による樹脂封止型半導体装置の一つ
の特徴は、半導体素子の能動面を、動作時の電力消費を
少なくできる低誘電率樹脂層（ａ）で直接被覆した点で
ある。該低誘電率樹脂層（ａ）に用いることができる誘
電率４．０以下の樹脂の例としては、フッ素ゴム（ε＝
２．００〜２．５０）、ポリプロピレン（ε＝２．１０
〜２．２０）、フッ素樹脂（ε＝２．１０〜２．６
０）、ポリメチルペンテン（ε＝２．１２）、オレフィ
ン系エストラマー（ε＝２．２０〜２．６０）、エチレ
ンプロピレンゴム（ε＝２．２０〜３．４０）、ポリブ
テン−１（ε＝２．２５）、ポリエチレン（ε＝２．３
０〜２．３５）、天然ゴム（ε＝２．３７〜２．４
５）、スチレン−ブタジエンゴム（ε＝２．５０）、ス
チレン樹脂（ε＝２．５０〜２．６０）、不飽和ポリエ
ステル樹脂（ε＝２．５０〜３．７０）、ポリフェニレ
ンオキシド（ε＝２．５８）、ポリカーボネート（ε＝
２．８５）、全芳香族ポリエステル樹脂（ε＝２．９
０）、ポリアリレート（ε＝３．００）、アクリル樹脂
（ε＝３．００）、シリコーンゴム（ε＝３．００〜
３．６０）、ポリフェニレンサルファイド（ε＝３．１
０）、ポリブチレンテレフタレート（ε＝３．１０〜
３．４０）、ボリビニルブチラール（ε＝３．１０〜
４．００）、ポリエーテルスルフォン（ε＝３．１
０）、ＤＡＰ樹脂（ε＝３．２０〜３．４０）、ＡＥＳ
樹脂（ε＝３．４０〜３．８０）、ポリアミド樹脂（ε
＝３．４０〜３．６０）、ポリイミド樹脂（ε＝３．４
２）、セルロース樹脂（ε＝３．５０〜３．６０）、ア
セタール樹脂（ε＝３．７０）、シリコーン樹脂（ε＝
３．８４）などが挙げられる。加えて、エポキシ樹脂
（ε＝３．４０〜４．７０）或いはエステル系エラスト
マー（ε＝３．８０〜５．８０）等のうち、本発明の要
件を満たす所定の低誘電率を示す樹脂も使用できる。

【００１５】これらの低誘電率樹脂のうちでも、比較的
低温で半導体素子を封止可能なフッ素ゴム、フッ素樹
脂、オレフィン系エラストマー、ポリブテン−１、シリ
コーンゴム、ポリビニルブチラール、シリコーン樹脂な
どが好ましい。より好ましいのは、耐熱性の優れたフッ
素系樹脂、シリコーン系樹脂である。上記低誘電率樹脂
層（ａ）は、次に述べる封止樹脂層（ｂ）と共に予め封
止用絶縁体を構成し、半導体素子の封止に供される。

【００１６】次に、本発明における封止用絶縁体を構成
する他の機能層、即ち、無機充填材を含む封止樹脂層
（ｂ）について説明する。この封止樹脂層（ｂ）として
は、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、ジアリルフタレー
ン樹脂、ポリイミド（マレイミド）樹脂、フェノール樹
脂などの熱硬化性樹脂を、各種の無機充填材と組合わせ
て形成することができる。

【００１７】その場合の無機充填材としては、各種のシ
リカ系粉末、チッ化ケイ素、チッ化アルミニウムなどの
高熱伝導性セラミックス粉末、各種のガラス系粉末など
を用いることができる。これらの無機充填材は、封止樹
脂層（ｂ）の熱放散性を向上させる機能を有する。

【００１８】また、封止樹脂層（ｂ）には、シリコーン
系、有機系、コア・シェルタイプなどの各種のゴムやエ
ラストマーを添加しても良い。これらは封止樹脂層
（ｂ）に低応力性を付与する。

【００１９】さらに本発明における封止用絶縁体では、
例えば金属膜からなる水分遮断層（ｃ）が設けられるこ
とが好ましい。金属膜としては、各種の金属箔を用いる
ことができる。また、樹脂封止型半導体装置の組み立て
に支障がなければ、金属板を用いてもよい。この水分遮
断層（ｃ）に用いることができる金属の例としては、
鉄、ニッケル、銅、金、銀、アルミニウム、すず、ステ
ンレス、鉛、およびそれらの合金が挙げられる。このよ
うな水分遮断層（ｃ）は、得られる樹脂封止型半導体装
置に耐湿性を付与する。また、水分遮断層（ｃ）に熱放
散層としての機能を兼ねさせることも可能である。しか
し、その場合には一定の厚さが必要であり、５μｍ以上
が好ましい。本発明の樹脂封止型半導体装置は、樹脂封
止をイン・ラインで行うことができる構造的特徴を有し
ている。そこで、次にこの点に付いて説明する。

【００２０】本発明の樹脂封止型半導体装置の製造に際
しては、予め、上記の低誘電率樹脂層（ａ）および封止
樹脂層（ｂ）を積層した封止用絶縁体を作製する。既述
したように、好ましい例ではこれら機能層（ａ）（ｂ）
に加えて、金属膜からなる水分遮断層（ｃ）を積層した
封止用絶縁体を作製する。この好ましい例では、これら
三つの機能層（ａ）（ｂ）（ｃ）を、この順序で積み重
ねて封止用絶縁体を作製する。しかし、この場合は最外
層が金属導電体となってしまう。通常は、樹脂封止型半
導体装置の表面は絶縁物で構成されることが好ましいか
ら、この場合には、水分遮断層（ｃ）の上を更に封止樹
脂層または絶縁樹脂層などの絶縁体で被覆するのが好ま
しい。なお、ここで「封止樹脂」とは無機充填材を含む
樹脂を意味し、「絶縁樹脂」とは無機充填材を含まない
樹脂を意味する。更に、このとき水分遮断層（ｃ）とな
る金属箔と樹脂層を強固に一体化するために、金属箔に
一部貫通孔を開けておいても良い。

【００２１】上記のように予め作製された封止用絶縁体
を用いて、アセンブリーされた半導体素子を封止する。
その際、予め封止用絶縁体に組み込まれた低誘電率樹脂
層（ａ）が半導体素子の能動面を直接被覆するように用
いられる。この封止方法の一例を、図１に示す。図１に
は、ＴＡＢ（テープ・オートメーティッド・ボンディン
グ）によりアセンブリーされた半導体素子を、予め作製
された封止用絶縁体を用いて樹脂封止する例が示されて
いる。また図２に、得られる本発明の樹脂封止型半導体
装置の断面図を示す。この例では、上述した三つの機能
層（ａ）（ｂ）（ｃ）を積層して作製された好ましい封
止用絶縁体が用いられている。

【００２２】これらの図において、１は半導体素子であ
り、５はリード線、６は絶縁フィルム、７は下型、８は
上型である。このＴＡＢによりアセンブリーされた半導
体素子を封止するために、低誘電率樹脂層２、封止樹脂
層３および水分遮断層４を積層して予め作製された封止
用絶縁体９を用いる。この封止用絶縁体９は、図示のよ
うに、半導体素子１を封止して樹脂封止型半導体装置を
製造した場合に、低誘電率樹脂層２が半導体素子１の表
面（能動面）を直接被覆するように用いる。且つ、図示
のように、低誘電率樹脂層２は素子近傍のみを被覆して
いることが好ましい。なぜなら、低誘電率樹脂層２の外
側を、無機充填材を含む低熱膨脹率の封止樹脂層３で封
止することによって、樹脂封止型半導体装置に優れた信
頼性を付与することができるからである。

【００２３】一方、半導体素子１の裏面側の封止には、
図示のように低誘電率樹脂層２は特に必要とはされな
い。その場合には、封止樹脂層３、水分遮断層４および
必要に応じて絶縁樹脂層（図示せず）を積層した封止用
絶縁体を作製するか、封止樹脂層３、水分遮断層４、封
止樹脂層（図示せず）の順に積層した封止用絶縁体を作
製して封止すれば良い。「封止樹脂」が無機充填材を含
む樹脂を意味し、「絶縁樹脂」が無機充填材を含まない
樹脂を意味することは既述した通りである。。

【００２４】本発明の樹脂封止型半導体装置を製造する
際に、封止用絶縁体を用いて半導体素子を封止する方法
については特に限定されない。しかし、図１に示したよ
うに、封止樹脂層３と低誘電率樹脂層２が軟化する温度
にまで封止用絶縁体を加熱した後、上下から平板もしく
は金型で加圧プレスする方法が一般的である。その際、
ボイドの発生を防止するために、減圧下で加圧プレスを
行っても良い。

【００２５】本発明の樹脂封止型半導体装置は、予め形
成しておいた封止用絶縁体を用いて樹脂封止したもので
あるから、この特徴によって次のような特別の利点が得
られる。即ち、従来の樹脂封止型半導体装置は、樹脂封
止にトランスファーモールドを行わなければならないた
め、樹脂封止をイン・ラインで行うことができない。こ
れに対して、本発明の樹脂封止型半導体装置は、上記の
ように平板もしくは簡単な金型を用いて樹脂封止ができ
るため、樹脂封止をアセンブリー工程に組み込んでイン
・ラインで行うことが可能である。従って、この特徴を
生かすことにより、本発明の樹脂封止型半導体装置は連
続的かつ自動化された製造ラインでの製造が可能とな
る。

【００２６】また、上記の特徴によって、図３に示した
ように、配線基板に直接アセンブリーされた半導体素子
の樹脂封止に用いるといった応用も可能になる。同図に
おいて、１０はプリント配線基板、１１は印刷配線層で
ある。この応用例では、印刷配線層１１が形成されたプ
リント配線基板１０に、半導体素子１が直接マウントさ
れる。この半導体素子１を樹脂封止するに際して、既に
説明したように、低誘電率樹脂層２および封止樹脂層３
を積層して予め作製された封止用絶縁体が用いられる。
既述のように、この封止用絶縁体を用いた樹脂封止は、
封止用絶縁体９を所定の位置関係で半導体素子１の上に
載置し、その上から平板もしくは金型で加圧プレスする
ことにより行うことができる。この場合にも、樹脂封止
をイン・ラインで行うことが可能であり、従って、連続
的かつ自動化された製造ラインで図示のような樹脂封止
型半導体装置の製造が可能である。

【００２７】また上記の説明から明らかなように、本発
明の樹脂封止型半導体装置の封止工程では、半導体素子
１を封止樹脂層３で直接被覆するのではなく、主に、熱
可塑性樹脂、エンジニアリングプラスチックス、ゴムな
どの高温で軟化している低誘電率樹脂層２を介して半導
体素子１を封止する。このため、封止樹脂層３には、通
常の封止樹脂の必要特性に加えて、高温で軟化した低誘
電率樹脂層２の流出を防止するために、封止時における
適当な軟度と形状保持機能が要求される。この要求を満
たすために、本発明では封止樹脂層３として、ガラスク
ロスに封止樹脂を含侵させた封止用樹脂プリプレグを用
いることが好ましい。

【００２８】

【実施例】以下、本発明の実施例および比較例を詳細に
説明する。次に示す素材を用いて封止用絶縁体を作製し
た。 ・金属箔 Ａ：銅 箔 厚さ 12μｍ ・金属箔 Ｂ：アルミ 箔 厚さ 10μｍ ・金属箔 Ｃ：ニッケル箔 厚さ 24μｍ ・封止樹脂 Ａ：ＫＥ−300 ＴＳ（エポキシ成形材料：
東芝ケミカル（株）製） ・封止樹脂 Ｂ：ＫＥ−600 Ｊ（エポキシ成形材料：東
芝ケミカル（株）製） ・封止樹脂 Ｃ：ＫＥ−2000（エポキシ成形材料：東芝
ケミカル（株）製） ・低誘電率樹脂Ａ：Ｍ−８０１０（ポリブテン−１：三
井石油化学（株）） ・低誘電率樹脂Ｂ：ＢＭＳ（ポリビニルブチラール：積
水化学（株）） ・低誘電率樹脂Ｃ：ＳＨ−１１（ポリプロピレン：住友
化学工業（株）） ・低誘電率樹脂Ｄ：ＴＳＥ−3051（シリコーンゲル：東
芝シリコーン（株）） ・低誘電率樹脂Ｅ：トヨフロンＰＦＡ（フッ素樹脂：東
レ（株）） ・ガラスクロス：ＬＰＣ070（Ｅガラスクロス：（株）
有沢製作所） ・コート材 ：白色塗料（市販ペンキ）

【００２９】封止樹脂、金属箔およびガラスクロスを積
層するに当たっては、封止樹脂を低温（８０℃）ロール
で加熱しシート化した後に、さらに、１００℃前後の温
度に加熱しながら接着積層する方法を用いた。一方、低
誘電率樹脂については、フィルム状の場合は、これを適
当な大きさに切り取った後、加熱により軟化した封止樹
脂に貼り付けた。粉状の低誘電率樹脂は、これをプレス
してシート状にした後、加熱により軟化した封止樹脂に
貼り付けた。また、シリコーンゲルについては、これを
シート状の封止樹脂にコートした後、加熱によりＢ- ス
テージ化して封止用絶縁体を作製した。実施例および比
較例における封止用絶縁体の構成を、下記の表１〜表３
に示す。

【００３０】

【表１】

【００３１】

【表２】

【００３２】

【表３】

【００３３】封止用絶縁体で半導体素子を封止する方法
としては、図１に示したように、加熱プレスで加圧加熱
する方法を用いることができる。ただし、他の方法を用
いてもよい。例えば、ロールによる加圧加熱、平板上に
重ねて自然接合する方法などである。

【００３４】ここでは、加熱プレス法を採用した。加熱
温度は、低誘電率樹脂の軟化温度が異なるため、それぞ
れに適した温度に設定した。一般には、軟化温度よりも
１０℃〜２０℃高い温度が適している。 加熱温度 加熱時間 後硬化時間 低誘電率樹脂Ａ 最初 100℃、最終 160℃ 3分間 180℃× 8Ｈ 低誘電率樹脂Ｂ 最初 100℃、最終 160℃ 3分間 180℃× 8Ｈ 低誘電率樹脂Ｃ 最初 100℃、最終 160℃ 3分間 180℃× 8Ｈ 低誘電率樹脂Ｄ 100℃、 1分間 180℃× 8Ｈ 低誘電率樹脂Ｅ 最初 100℃、最終 310℃、 5分間 180℃× 8Ｈ 以下に本発明の樹脂封止型半導体置の評価方法を説明す
る。 ＜被封止半導体素子（ＴＡＢ）の準備＞

【００３５】ＴＡＢ（テープオートメーティドボンディ
ング）テープにボンディングされた半導体素子（耐湿性
評価用Ａｌ回路を表面に形成、チップ厚さ３００μｍ、
チップ面積１２mm×１２mm）を用意した。 ＜被封止半導体素子（ＡＳＩＣ）の準備＞

【００３６】ダイパッドサイズが１２．６mm×１２．６
mmであって、板厚が１５０μｍの４２アロイフレーム
に、２５μｍ径のボンディングワイヤーでボンディング
された半導体素子（耐湿性評価用Ａｌ回路を表面に形
成、チップ厚さ３００μｍ、チップ面積１２mm×１２m
m）を用意した。 ＜低誘電率樹脂の誘電率の測定＞

【００３７】フィルムはそのままのフィルム状態で、粉
状の場合は加熱したシート状態で、シリコーンゲルは未
硬化樹脂をＡｌ板にコーティングした後、加熱ゲル化さ
せた状態で、周波数１ＭＨｚで２５℃の値を夫々測定し
た。また比較例１については、半導体素子の能動面を直
接被覆するシート状の封止樹脂の誘電率を測定した。 ＜耐湿性（ＰＣＴ）の測定＞

【００３８】被験樹脂封止型半導体装置を温度１２１
℃、２気圧の飽和水蒸気（プレッシャークッカー）中に
入れ、一定時間後に取り出して耐湿性評価用Ａｌ回路の
断線（オープン）不良を調べた。 ＜熱抵抗の測定＞被験樹脂封止型半導体装置を実装しな
い状態（つるし状態）で通電し、温度上昇を調べること
により、単位消費電力（Ｗ）あたりの熱抵抗を計算し
た。 ＜耐表面実装性の測定＞

【００３９】被験樹脂封止型半導体装置を８５℃×６０
％ＲＨの恒湿槽に投入し、１６８時間加湿した。その
後、フロロカーボンを用いる温度２１５℃のＶＰＳ（ベ
ーパーフェーズリフローソルダリング）槽に１分間投入
し、取り出した後に、さらに１分間投入した。投入後の
被験樹脂封止型半導体装置の外観を顕微鏡観察し、クラ
ック（樹脂破壊）の発生をしらべた。以上の評価結果を
表４に示す。

【００４０】

【表４】 表４から明らかなように、実施例の樹脂封止型半導体装
置は、極めて優れた信頼性を持つことが分かる。

【００４１】

【発明の効果】以上詳述したごとく、本発明によれば、
半導体素子上の封止樹脂が低誘電率の樹脂であるため、
超ＬＳＩのごとき高密度の半導体素子に適用しても電力
消費を小さくでき、高速の演算が可能になる。また、本
発明の樹脂封止型半導体装置は、樹脂封止をイン・ライ
ンで行うことができるので生産性が高く、薄型化が容易
なため実装の高密度化も可能で、半導体産業に対してる
大きく寄与することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の樹脂封止型半導体装置を得るための封
止方法の一例を示す説明図。

【図２】本発明の樹脂封止型半導体装置の一例を示す断
面図。

【図３】本発明の樹脂封止型半導体装置の他の例を示す
断面図。

【符号の説明】

１…半導体素子、２…低誘電率樹脂層、３…封止樹脂
層、４…水分遮断層、５…リード線、６…絶縁フィル
ム、７…下型、８…上型、９…封止用絶縁体、１０…プ
リント配線基板、１１…印刷配線層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 太田 英男 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝総合研究所内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 誘電率４．０以下の低誘電率樹脂層およ
   び無機充填材を含む封止樹脂層の少なくとも二つの機能
   層を具備した封止用絶縁体により、前記低誘電率樹脂層
   が半導体素子の能動面を直接被覆するように半導体素子
   を封止してなる樹脂封止型半導体装置。