JPH10107182A - 樹脂封止半導体装置 - Google Patents
樹脂封止半導体装置Info
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Abstract
ックの発生を抑制し、信頼性を向上させることにある。 【解決手段】 アルミナ基板1上に形成した電極11と
半導体チップ3とを半田バンプ2を介して電気的に接続
し、基板1と半導体チップ3の間隙に封止用樹脂4を注
入充填する。封止用樹脂周縁部41の、半導体チップ3
下端面からの高さを(b)、半導体チップ3下端面と同
一平面内における周縁部41の外周端縁と半導体チップ
3下端縁との距離を(a)としたときに、(a/b)の
平均値を2以下とすることで、発生する熱応力を低減
し、クラックの発生を抑制する。
Description
に関し、詳しくは車両搭載用等、温度条件の厳しい環境
下で使用される樹脂封止半導体装置に関する。
般的な構成を示すもので、基板1上に形成した電極11
と半導体チップ3は半田バンプ2を介して電気的に接続
され、基板1と半導体チップ3の間に形成される空隙に
は封止用樹脂4が注入充填されている。この封止用樹脂
4に関しては、特開昭61−159752号公報に、球
状無機材料を含有するエポキシ系樹脂材料が好適である
こと、半導体チップ3の周囲を覆う封止用樹脂4の幅
(c)と、半導体チップ3の幅の1/2の大きさ(d)
の比、(c/d)を大きくすると耐熱疲労性が向上する
ことが記載されている。
酷な使用環境に置かれるようになってきており、車両
等、温度差の激しい環境で使用されると、封止用樹脂に
クラックが発生するという問題があった。これは上記特
開昭61−159752号公報の構成のものについても
同様であり、半導体チップ3のサイズが小さい場合には
問題はないが、半導体チップ3のサイズが大きくなると
(6mm角以上)、基板・半導体チップ・封止用樹脂の
熱膨張係数の違いにより発生する熱応力が大きくなる。
この時、半導体チップ3外周囲を覆う封止用樹脂4の周
縁部41には樹脂硬化時及び降温時に引張り応力(図に
矢印で示す)が生じ、これによって周縁部41にクラッ
クが生じることがある。クラックが発生すると、電極部
等へのクラック進展、水分・腐食性ガスの侵入による電
極部等の腐食といったおそれがあり、信頼性の低下が懸
念される。
的は、封止用樹脂に発生する応力を低減して、クラック
の発生を抑制し、温度条件の厳しい環境下で使用される
樹脂封止半導体装置の信頼性を向上させることにある。
なされたものであり、請求項1の構成において、樹脂封
止半導体装置は、基板上に形成した電極と半導体チップ
とをバンプを介して電気的に接続し、上記基板と上記半
導体チップの間隙に封止用樹脂を注入充填するとともに
該封止用樹脂にて上記半導体チップの周囲を覆うように
する。そして、上記半導体チップの周囲を覆う上記封止
用樹脂周縁部の、上記半導体チップ下端面からの高さを
(b)、上記半導体チップ下端面と同一平面内における
上記周縁部の外周端縁と上記半導体チップ下端縁との距
離を(a)としたときに、(a/b)の平均値が2以下
となるようにしたものである。
封止用樹脂の注入から硬化以前には応力はほとんど発生
しない。しかしながら、封止用樹脂は硬化時に硬化収縮
が、更に、半導体装置の降温時には樹脂の熱収縮が起こ
るため、熱応力が発生する。このとき、半導体チップの
周囲を覆う封止用樹脂周縁部の表面には引張り応力が生
じ、冷熱サイクル試験を行った結果、クラックはこの引
っ張り応力に対し垂直な方向に発生することが判明し
た。
周縁部の、高さ方向に対する横方向の比(a/b)を所
定値以下とすることで、発生する熱応力を大幅に低減
し、クラックの発生を抑制することができる。従って、
温度変化の厳しい環境下で使用されて、寿命が大幅に向
上し、信頼性が大きく向上する。
導体チップの全周囲において2以下としており、信頼性
がさらに向上する。請求項3の構成では、(a/b)の
平均値を1以下とする。(a/b)が小さいほど、上記
周縁部に発生する熱応力が小さくなることが確認されて
おり、(a/b)の平均値を1以下とすることで熱応力
をより小さくすることができ、クラックの防止効果がさ
らに向上する。
エポキシ樹脂と該エポキシ樹脂よりも熱膨張係数の低い
球状の低熱膨張性無機エポキシ系樹脂材料で構成し、上
記無機材料の含有量を全重量の50〜80重量%とす
る。上記エポキシ系樹脂材料を用いることで半導体チッ
プとの熱膨張係数差を小さくすることができ、熱応力の
低減に効果がある。
て、エポキシ樹脂と該エポキシ樹脂よりも弾性率の低い
低弾性率樹脂材料とからなるエポキシ樹脂材料を使用す
る。樹脂を低弾性率化することで熱応力をさらに低減す
ることができる。この低弾性率樹脂材料の含有量は全重
量の3〜20%とすることが好ましい(請求項6)。
面に基づいて説明する。図1において、アルミナ等のセ
ラミック基板1上には、複数箇所に銅等よりなる電極1
1が形成してある。上記電極11は、上記基板1上に配
設された半導体チップたるフリップチップ3と半田等よ
りなるバンプ2を介して電気的に接続されている。
には、バンプ2等の保護のために封止用樹脂4が注入充
填されている。封止用樹脂4材料としては、フリップチ
ップ3やバンプ2との熱膨張差のできるだけ小さい材料
を用いることが低応力化のために望ましく、例えばエポ
キシ樹脂を基材とし、これにエポキシ樹脂より低熱膨張
な球状無機材料を添加したエポキシ系樹脂材料が好適に
用いられる。ここで、粒状無機材料としては、例えば溶
融シリカフィラが挙げられ、その含有量は全重量の50
〜80重量%の範囲になるようにすることが望ましい。
含有量が50重量%に満たないと所望の効果が得られ
ず、80重量%を越えると弾性率が高くなり、封止用樹
脂4にかかる応力が逆に増加する。また、含有量が多く
なると大幅な粘度上昇が起こるためフリップチップ3下
への注入充填性が低下する。
性率化することが有効であり、上記エポキシ系樹脂材料
に、さらにエポキシ樹脂よりも低弾性率な樹脂、例えば
シリコーン樹脂を添加することもできる。シリコーン樹
脂の含有量は、通常、全重量の3〜20重量%の範囲に
なるようにするのがよい。
を覆う上記封止用樹脂4の周縁部41において、フリッ
プチップ3下端面からの高さを(b)とし、上記フリッ
プチップ3下端面と同一平面内における上記周縁部41
の外周端縁と上記フリップチップ下端縁との距離を
(a)としたときの、高さ(b)に対する距離(a)の
比、(a/b)の平均値を2以下とする。このとき、上
記バンプ2周囲の封止用樹脂4形状については特に制限
されず、図1(b)に示すように、上記バンプ2より上
方の上記周縁部41形状を上記のように規定することで
クラックの発生を防止し、寿命を大幅に向上させること
ができる。また、好ましくは上記フリップチップ3の全
周囲において(a/b)が2以下となるようにするのが
よく、クラックの発生をより確実に防止することができ
る。(a/b)が小さいほど発生する熱応力を小さくす
ることができ、より好ましくは、(a/b)の平均値を
1以下とするのがよい。
止用樹脂4の注入充填量を管理する方法が有効である。
具体的には、フリップチップ3と基板1の間隙とチップ
サイズより、必要最小注入量を決定し、さらに周縁部4
1を形成する最大許容樹脂量を決定する。そして、注入
樹脂量をこの範囲で管理し供給すればよい。例えば、フ
リップチップ3と基板1の間隙が50μm、10mm角
のフリップチップ3下に樹脂を注入する場合には、注入
樹脂量を5mm3 以上14mm3 以下とすればよい。樹
脂供給には、通常、先端が極細のノズルを用い、ノズル
先端をチップ側面1mm以内に近づけて樹脂供給を行
う。
ップチップ3の種類によって最適材料物性が違ってくる
ため、上述したエポキシ系樹脂材料に限らず、シリコー
ン系樹脂材料等、他の樹脂材料を使用してももちろんよ
い。封止用樹脂4材料の変更によって、クラックが発生
するまでの寿命の絶対値は変化するが、その周縁部41
形状と寿命との関係には同じ傾向が見られ、同様の効果
が得られる。
樹脂4の材料物性(熱膨張係数、弾性率)が同じであれ
ば、封止用樹脂周縁部41の引っ張り応力は変化せず、
その寿命に影響しない。よって、本発明はどのようなチ
ップサイズのものにも適用可能である。
際に製作し、封止用樹脂4の周縁部41における(a/
b)値とクラックの発生の関係を調べた。基板1として
アルミナ基板を用い、その上に形成した銅電極11に半
田バンプ2を介してフリップチップ3を接続した。基板
1とフリップチップ3の間隙に、封止用樹脂4としてエ
ポキシ樹脂を基材とし溶融シリカフィラを70重量%含
有するエポキシ系樹脂材料を、先端が極細のノズルをチ
ップ側面1mm以内に近づけて注入充填した。
量を5mm3 〜14mm3 の範囲で変更して、封止用樹
脂周縁部41のフリップチップ3下端面からの高さ
(b)と、周縁部41外周端縁とフリップチップ下端縁
との距離(a)の比、(a/b)が0.5〜2の本発明
範囲にある種々の樹脂封止半導体装置を用意した。な
お、a/b=1のときの注入樹脂量は9mm3 、a/b
=2のときの注入樹脂量は14mm3 であった。
範囲外(2.5〜3.0、注入樹脂量17mm3 〜19
mm3 )とした樹脂封止半導体装置を用意した。他の構
成は上記本発明の装置と同様とした。
脂封止半導体装置のそれぞれにつき、冷熱サイクル試験
(−40℃〜150℃)を実施してクラックが発生する
までのサイクル数を調べた。結果を横軸を(a/b)、
縦軸をクラック寿命比として図2に示した。図中、○は
本発明範囲内、△は本発明範囲外のものを示し、クラッ
ク寿命比は、a/b=2の場合においてクラックが発生
するまでのサイクル数を1としたときの比で表した。
くなるほどクラック寿命比が大きくなる傾向にあり、特
にa/b≦2の範囲において、a/b>2の場合とクラ
ック寿命に大きな差が生じることが確認された。また、
a/b≦1の範囲とすればさらに寿命が向上することが
わかる。
解析を行い(a/b)を1≦a/b≦4の範囲で変化さ
せた場合の、封止用樹脂4周縁部41に発生する引張り
応力を計算した。計算結果を図3に示した。その結果、
(a/b)が小さければ小さいほど周縁部41に発生す
る熱応力は小さくなることが確認された。この結果と、
上記図2の冷熱サイクル試験結果から、応力が小さくな
ると寿命は対数的に増大するといえ、従って、(a/
b)を本発明の範囲内とすることで寿命の大幅な向上が
可能であることがわかる。
ラ含有量を50重量%、60重量%、80重量%に変更
したものと、溶融シリカフィラ含有量を70重量%と
し、さらにシリコーン樹脂を5%含有するものを用意
し、それ以外は上記実施例1と同様にして樹脂封止半導
体装置を作製した。それぞれにつき封止用樹脂4の注入
充填量を変更して(a/b)を変化させ、クラック寿命
比との関係を調べたところ、いずれも上記図2と同様の
傾向が見られ、(a/b)を2以下とすることで寿命を
大きく向上できることがわかった。
半導体装置の全体概略図であり、(a)は(b)のA部
拡大図である。
命比の関係を示す図である。
周縁部の応力比との関係を示す図である。
る。
Claims (6)
- 【請求項1】 基板上に形成した電極と半導体チップと
をバンプを介して電気的に接続し、封止用樹脂により上
記基板と上記半導体チップの間隙を注入充填するととも
に上記半導体チップの周囲を覆うようにした樹脂封止半
導体装置であって、上記半導体チップの周囲を覆う上記
封止用樹脂周縁部の、上記半導体チップ下端面からの高
さを(b)、上記半導体チップ下端面と同一平面内にお
ける上記周縁部の外周端縁と上記半導体チップ下端縁と
の距離を(a)としたときに、(a/b)の平均値が2
以下であることを特徴とする樹脂封止半導体装置。 - 【請求項2】 (a/b)が上記半導体チップの全周囲
において2以下である請求項1記載の樹脂封止半導体装
置。 - 【請求項3】 (a/b)の平均値が1以下である請求
項1記載の樹脂封止半導体装置。 - 【請求項4】 上記封止用樹脂が、エポキシ樹脂と該エ
ポキシ樹脂よりも熱膨張係数の低い球状の低熱膨張性無
機材料からなるエポキシ系樹脂材料よりなり、上記無機
材料を全重量の50〜80重量%の割合で含有する請求
項1ないし3記載の樹脂封止半導体装置。 - 【請求項5】 上記封止用樹脂が、エポキシ樹脂と該エ
ポキシ樹脂よりも弾性率の低い低弾性率樹脂材料とから
なるエポキシ系樹脂材料よりなる請求項4記載の樹脂封
止半導体装置。 - 【請求項6】 上記低弾性率樹脂材料を全重量の3〜2
0重量%の割合で含有する請求項5記載の樹脂封止半導
体装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP27747096A JP3384259B2 (ja) | 1996-09-26 | 1996-09-26 | 樹脂封止半導体装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP27747096A JP3384259B2 (ja) | 1996-09-26 | 1996-09-26 | 樹脂封止半導体装置 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH10107182A true JPH10107182A (ja) | 1998-04-24 |
JP3384259B2 JP3384259B2 (ja) | 2003-03-10 |
Family
ID=17584051
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP27747096A Expired - Lifetime JP3384259B2 (ja) | 1996-09-26 | 1996-09-26 | 樹脂封止半導体装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP3384259B2 (ja) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6321734B1 (en) | 1999-04-06 | 2001-11-27 | Hitachi, Ltd. | Resin sealed electronic device and method of fabricating the same and ignition coil for internal combustion engine using the same |
JP2009049218A (ja) * | 2007-08-21 | 2009-03-05 | Nec Electronics Corp | 半導体装置及び半導体装置の製造方法 |
US7596477B2 (en) | 2005-12-19 | 2009-09-29 | Fujitsu Limited | Peel strength simulating apparatus, peel strength simulating program storage medium, and peel strength simulating method |
CN112582281A (zh) * | 2019-09-29 | 2021-03-30 | 矽磐微电子(重庆)有限公司 | 半导体封装方法及半导体封装结构 |
-
1996
- 1996-09-26 JP JP27747096A patent/JP3384259B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6321734B1 (en) | 1999-04-06 | 2001-11-27 | Hitachi, Ltd. | Resin sealed electronic device and method of fabricating the same and ignition coil for internal combustion engine using the same |
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JP2009049218A (ja) * | 2007-08-21 | 2009-03-05 | Nec Electronics Corp | 半導体装置及び半導体装置の製造方法 |
CN112582281A (zh) * | 2019-09-29 | 2021-03-30 | 矽磐微电子(重庆)有限公司 | 半导体封装方法及半导体封装结构 |
CN112582281B (zh) * | 2019-09-29 | 2023-08-25 | 矽磐微电子(重庆)有限公司 | 半导体封装方法及半导体封装结构 |
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JP3384259B2 (ja) | 2003-03-10 |
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