JPS6018145B2 - 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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JPS6018145B2
JPS6018145B2 JP55130682A JP13068280A JPS6018145B2 JP S6018145 B2 JPS6018145 B2 JP S6018145B2 JP 55130682 A JP55130682 A JP 55130682A JP 13068280 A JP13068280 A JP 13068280A JP S6018145 B2 JPS6018145 B2 JP S6018145B2
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明はダイオード、トランジスタ、ＩＣ、ＬＳＩなど
の樹脂封止型半導体装置に関する。
ＩＣや山１などの半導体装置において集積度を上げるた
め、素子の高密度化および大型化が図られ、パッケージ
は逆に小型化されるすう勢にある。
ところが大型の素子を従来の樹脂で封止した半導体装置
の場合、素子表面にクラツクが生じ、パッケージを薄型
にすると更にこの傾向が大きくなり、遂には樹脂のクラ
ックも発生するようになる。一方、トランジスタ、サィ
リスタも、高耐圧化に伴い、半導体素子が大型化される
すう勢にあり、上記同様のクラツクの問題が生じている
。したがって大型の素子を樹脂で封止した半導体装置は
信頼性に欠ける問題があった。ところで電気絶縁用組成
物について、クラックを防止する点から、合成樹脂材料
中にブタジェンーアクリロニトリル共重合体等を分散す
ることが提案されている。（特開昭５４一８１３６ぴ号
公報）しかし、この公報においては、電気絶縁用組成物
をモールド品に用いた場合のモールド層自体のクラック
を問題にしているものであって、素子自体のクラツクを
問題にしているものではない。本発明の目的は、上記し
た従釆技術の問題点を解消し、素子に発生するクラツク
を未然に防止し高信頼性の樹脂封止型半導体装置を提供
することにある。
本発明者らは、種々の材料を用いた樹脂封止型は１を作
成して、ヒートサイクルまたは長期の耐湿寿命試験を行
った。
その結果、不良モードの中に素子エッジ部、特に角部に
、パッシベーション膜のミクロクラックや、電極付近の
パッシベーション膜のはがれによるものがかなり多いこ
とを見し、出した。そしてこの傾向は、素子が大きくな
る程強くなり、このモードの不良が少ないものの共通点
が、成形収縮による応力の少ないことにあることを見し
、出した。すなわち、これらのパツシベーション膜の破
壊は、モールドレジンの成形収縮による残留応力による
もの、特に素子周返部にかかるせん断応力によるものと
考えられる。これを小さくすれば、樹脂封止型は１の寿
命を大幅に延ばせることを見し、出した。モールドレジ
ンの硬化に伴なう熱応力は、レジンと素子の線膨脹係数
の差、レジンのガラス転移温度から測定温度までの温度
差、及び測定温度におけるレジンの弾性率が、その主要
因と考えられる。
これを式で表わすと式（１）のようになる。。（Ｔ）＝
ｋ・（ＱＲ−ＱＭ）・（Ｔｇ−Ｔ）・Ｅ（Ｔ）ここで。
（Ｔ）：熱応力、 ｋ：定数、 ＱＲ：レジンの線膨脹
係数、 ＯＮ：素子の線膨脹係数、 Ｔｇ：ガラス転移
点、Ｔ＝測定温度、 Ｅ（Ｔ）：レジンの温度Ｔにおけ
る弾性率である。従ってモールドレジンの硬化に伴う熱
応力を小さくするためにはしジンのＴｇを下げること、
レジンの線膨脹係数を素子の綾膨脹係数になるべく近似
させること、またはレジンの弾性率を下げることが挙げ
られる。このうち、レジンのＴｇを下げると、リーク電
流の立上がり温度が低温側へのシフトするなど様々な問
題が起きるので、この方法は採用できない。レジンの線
膨脹係数を素子に近ずける、すなわちフィラ等の添加に
よってレジンの線膨脹係数を小さくすることは、従来か
ら公知である。しかし、レジンにフィラを添加してレジ
ンの線膨脹係数をＳｉやフレームの線膨脹係数に一致さ
せることはレジンの成形が困難となりこのようなしジン
は半導体素子の封止用としては実用上不可能である。こ
れに対して「 レジンの弾性率を小さくすることはレジ
ン中に、ゴム状微粒子を分散させることによって容易に
達成しうろことが判明した。また内蓬Ｒ，、外径Ｒ２の
スチール円筒の外側に外径Ｒ３になるようにモールドし
たときのスチール円筒としジンとの界面におけるレジン
中の応力（ｏｔ）は理論的には（ロ万式のように求めら
れる。
ｏｔ＝（Ｒ毒＋Ｒ零−Ｐ／（Ｒ奪−Ｒ委）但し、 しＲ：レジンのポァソン比、 Ｅ（Ｔ）：レジンの温度Ｔにおける弾性率、しＭ：スチ
ールのポアソン比、ＥＭ（Ｔ）：スチールの温度Ｔにお
ける弾性率、ＱＭ：スチールの線膨脹係数、 他は（１万式と同じ。
ところが本発明者らは、上記しジンにゴム粒子分散型で
はない従来のレジンを用いた場合、理論的（０）の計算
値とほぼ同等の応力が発生するが、ゴム粒子分散型の場
合理論値より実測の応力が小さくなることを見し、出し
た。
この理由は詳細には不明であるが、ゴム粒子分散型樹脂
の場合、従来の樹脂に比較して応力緩和が早いためと考
えられる。本発明は、上記のような知見に基いて達成さ
れたものであって、偏平状である半導体素子が、ゴム粒
子を分散した熱硬化性樹脂硬化物で封止されていること
を特徴とする半導体装置である。
本発明において、樹脂に封止される素子は偏平状である
ことを要する。素子の形状が偏平状でない場合、素子の
クラックは特に問題とならない。素子の形状が偏平状の
場合、応力集中が大きくなるためであり、特に偏平面が
角形状、例えば正方形、長方形などのときは隅角部にお
ける応力集中が大きくなるため、本発明における樹脂組
成物の効果が大きい。ただし本発明において、樹脂によ
って封止された素子は偏平状であれば、偏平面が円形状
、楕円形状、多角形状であってもよい。また樹脂に封止
される素子は、その最大長が２肋以上であることが望ま
しい。素子の最大長が２燭より短かし、と、素子のクラ
ックは特に問題とならず、またＩＣやは１の集積度を上
げること、あるいはトランジスタ，サィリスタの高耐圧
化などに対応できないことになる。素子の最大長は、素
子の偏平面が円形の場合その直径を示し、素子の偏平面
が楕円形の場合その長径を示し、また素子の偏平面が多
角形の場合最大長の対角線の長さを示し、さらに素子の
偏平面が正方形または最辺形の場合最大長の一辺を示す
ものである。上記のような素子は、ゴム状粒子を含む熱
硬化性樹脂組成物によって封止される。
ゴム状粒子の材質としては、ポリブタジェン、ブタジ
ェンを主体とする共重合体、ポリエステルゴム，ポリウ
レタンゴム，シリコーンゴム，フッ素ゴム，ポリホスフ
アゼン（リンと窒素とを主鎖にもつ無機のェラストマー
）などのあらゆるゴムが使用できる。ゴム材質の使用形
態としては、微粒子状ゴム粉末、水性ラテツクス、未硬
化の液状ゴムなどの任意の形態でよく、これらを使用し
て成形後の最終形態がゴム状粒子として樹脂組成物中に
分散されておればよい。ゴム状粒子の粒径は１０００〃
ｍ以下、望ましくは１５０山ｍ以下が望ましい。
特にゴム状粒子の粒径が、１５０山ｍ以上の場合、成形
時に樹脂組成物中のゴム状粒子の分布が不均一になり、
樹脂封止操作時に狭い部分にゴム状粒子を含む樹脂組成
物が流動し‘こくくなる。樹脂組成物中のゴム状粒子の
含有量は、ゴム材質として微粒子状ゴムを使用する場合
、７鉾容量％以下とすることが望ましい。ゴム状粒子の
含有量が７咳容量％を越えると、樹脂封止操作時に狭い
部分に樹脂組成物が流動し‘こく〈なる。ゴム材質とし
て、水性ラテツクス、未硬化の液状ゴムを使用してマト
リックスレジンと同時に硬化させる場合、樹脂組成物中
のゴム状粒子の含有量は５庇容量％以下とすることが望
ましい。コム状粒子の含有量が５庇容量％を越えると、
樹脂組成物中のゴム相が連続的になる弊害がある。樹脂
組成物中のゴム状粒子の含有量は実用的には３舷容量％
以内でも十分に効果がある。樹脂組成物には必要に応じ
て石英ガラス粉などの無機質充填剤を含有させ、封止樹
脂の耐クラック性を向上させることができる。本発明に
おいて、封止樹脂組成物中にゴム状粒子が分散されてい
るため、樹脂組成物の弾性率が低下する。
このため、樹脂組成物中の素子に対する応力が小さくな
り、素子のクラツクを防止することができる。しかし後
述の実施例において明らかなように実際に樹脂封止型半
導体装置を作成して種々の信頼性試験を行い、かつモデ
ル的に応力測定した結果、樹脂組成物に分散されたゴム
状粒子による弾性率の低減から計算された応力低下割合
に比べてはるかに大きな応力低下の効果があることが判
明した。この理由は、ゴム状粒子の存在によってゴム状
粒子の周囲の硬質相の応力緩和速度が遠くなること、あ
るいはゴム状粒子とこの周囲の硬質相の界面剥離によっ
て応力が解放されることによるものと考えられる。した
がって、本発明は封止樹脂による応力が非常に小さくな
るため、素子が偏平状で応力集中が大きく、機械的に弱
い半導体装置に適用される。
このような電子部品として、例えば素子の最大長が２肋
以上の大型のＩＣやは１、セラミック基板の厚膿技術に
よる半導体装置などが挙げられる。特にパワーＩＣ（高
耐圧化ＩＣ）、セラミック基板の厚膜技術による半導体
装置において、熱放散を効率的にするため、素子の片面
のみを樹脂封止する場合、本発明における樹脂組成物で
封止すると封止樹脂による放熱板およびセラミック基板
の反りと、この反りに基づく素子の破壊を防止すること
ができる。さらにフェライトコアなどのように応、力に
よって磁力が変化する場合、本発明における封止樹脂に
よって応力を減少させ、これによってフェライトコアな
どの磁力変化を防止することができる。また封止樹脂の
形状が偏平であるような部品例えばは１などにおいては
素子の破損が最も起り易いため、このようなものに対し
て本発明は極めて有効である。本発明において、樹脂組
成物中には封止樹脂の耐クラック性を向上させるため、
石英ガラスなどの無機充填剤を添加することができる。
次に偏平状の素子を含む樹脂封止型半導体装置の例を第
１図〜第１０図に示す。
図において、１は厚さ０．１〜１側１辺の長さが２柳以
上の偏平状のＩＣ，Ｂ１，トランジスタ，サイリス夕な
どのシリコン，ゲルマニウムのように、ｐ，ｎ接合をも
つ半導体素子である。
２は、半導体素子１と外部リード４とを接続する内部接
続紬線（コネクタワィャ）でＡｕ，Ａ夕などで形成され
ている。
３は内部接続導体の１種でＰｄ−Ａｇ導体をガラス質に
よってＡそ２０３絶縁板５の上に燐付けた金属導体であ
る。
外部リード４はＣｕまたはＦｅ系合金のコバールなどで
形成されている。４Ａおよび４Ｂは、導体の１種でＣｕ
箔である。
Ｃｕ箔４Ｂの場合、ポリイミド、ポリエステルなどの絶
縁膜８またはＡそ２０３の絶縁板５上に形成される。Ａ
そ２Ｑの絶縁板５の代りに、金属板の表面に酸化処理ま
たは樹脂コーティングを施したものを使用することもで
きる。Ｃｕ箔４Ａの場合、熱放散に有効である。図中、
６が半導体素子１を封止するための樹脂であり、本発明
においてこの樹脂６にゴム状粒子が分散される。なお、
半導体素子１の近傍にのみゴム状粒子を分散した樹脂で
封止し、図中６Ａで示す部分には前記樹脂と異なる樹脂
で封止してもよい。勿論、図中、６および６８で示す部
分に同一の樹脂組成物を用いることができるのはいうま
でもない。７はエポキシ樹脂、ポリフェニレンサルフア
ィトなどによって形成された絶縁体ケースである。
なお２Ａは金属ボール、半田を示す。以下、実施例によ
って本発明を詳細に説明する。
実施例 １ ｍＱ，のージヒドロキシジメチルポリシロキサン（分子
量約３００００） ・・・・・・１０の重量
部【２） ェトキシシリケート（分子量約７００）…．
・・２重量部｛３’ ジブチル錫ジラウレート ・・
・・・・０．ａ重量部上記【１）〜｛３｝を燈拝し均一
に混合した。
次に、これに水５００のＺを加え、１５０００〜２００
０仇．ｐ．ｍのホモミキサーにかけ、約１畑時間蝿梓を
行ない、粒子径、約５０〜５仏ｍのシリコーンゴム粉末
を得た。‘４｝ 上記シリコーンゴム粉末（２舷容量％
）…．・・７４重量部‘５｝ ビスフヱノールＡ型ェポ
キシ（ヱポキシ当量１９２）
・…・・１０の重量部｛６｝ ビニルシクロヘキセンジ
エポキシド（ヱポキシ当量７５）
・・・・・・５の重量部（７｝ メチル−３，６エンド
メチレンー４−テトラハイドロフタリツクアンハイドラ
イド（日立化成 商品名ＭＨＡＣ−Ｐ） ・・・・
・・１４４重量部（８）２−エチル−４ーメチルイミダ
ゾール．・・．・・２重量部（９｝ ｙ−グリシドキシ
プロピルトリメトキシシラン
・・・・・・１重量部上記【４）〜｛９）を燈拝し
て均一に混合した。
次にこれを第１図に示す構造の、５肋×５側のＭＯＳ型
瓜１シリコン素子の表面に最大約０．５側の厚さに、す
なわちコネクタワイヤがかくれる程度にコープイングし
、１００℃２時間および１５０℃５時間で硬化し、封止
樹脂層にシリコーンゴム粒子を分散させた樹脂封止型半
導体装置を得た。これを、１００℃煮沸水に１時間浸潰
したあと直ちに０℃の氷水に２分間浸潰する、耐熱衝撃
性と耐熱水性を調べる複合加速試験を繰り返して行なっ
た。その結果、上記樹脂封止型半導体装置は５０サイク
ルに耐えた。実施例 ２ ‘１’付加型シリコーン樹脂（信越化学製ＫＥ−１０紅
ＴＶ硬化剤を含む） …・・・２の重量部■ ノ
ボラツク型ェポキシ（ェポキシ当量１７５）．・・…１
０の重量部‘３｝ ＭＨＡＣ−Ｐ …
・・・８の重量部｛４１アリルフェ／−ル ・
・…・１重量部■ ２−エチル−４ーメチルイミダゾー
ル・…．・１重量部 （６） ｙーグリシドキシプロピルトリメトキシシラン
・・・・・・１重量部ｍ〜【
４１を１００千０に加熱しながら、５００〜１０００仇
．Ｐ．ｍのホモミキサ−にかけ、２時間の凝拝を行なつ
た。
次にこの組成物を室温まで冷却してから、‘５｝，■を
加え、燭拝し均一に混合した。
ゴム状粒子の粒径は５０〜１５０山ｍであった。次いで
、実施例１と同様に、第１図に示す構造の５肋×５肌の
ＭＯＳ型ＬＳＩシリコーン素子にコートし、１００ｑ０
２時間および１５０００５時間で硬化し、封止樹脂層に
シリコーンゴム粒子を分散させた樹脂封止型半導体装置
を得た。
この装置を実施例１と同様に複合加速試験を行なった所
５０サイクルに耐えた。実施例 ３ ｛１｝ ノボラツク型ェポキシ（ェポキシ当量１７５）
．・・．・・１０の重量部■ ＭＨＡＣ−Ｐ
・・・・・・８の重量部（３｝アクリルニトリ
ル・ブタジエンコポリマ（７容量％）（ＢＦ Ｇｏｏｄ
ｒｉｃｈ社製 商品名ＣＴＢＮ１３００×１５）
・・・・・・３の重量部‘４｝ 石英ガラス
粉（１５０仏ｍ以下、５彼容量％）．・・…４７の重量
部■ ｙ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン
・・・・・・３重量部‘６）
２−エチル−４ーメチルイミダゾール．・・．・・１重
量部０１〜｛４１を１００℃に加熱し、蝿梓を１時間行
なった。
次に、これを室温まで冷却し、■〜■を加え鷹拝し均一
に混合した。次にこの組成物を実施例１と同じように５
肋×５柵のＭＯＳ型ＬＳＩ素子にコートし、１０ぴ０２
時間および１５０ｏ０５時間で硬化し、樹脂層に石英ガ
ラス粉およびＣＴＢＮのゴム状粒子を分散した樹脂封止
型半導体装置を得た。これを、実施例１と同様に複合加
速試験を行なった所５０サイクルに耐えた。従来例 １ （１’ビスフェノールＡ型ェポキシ（ェポキシ当量１９
２） ・・・…１０の重量部■
ＭＨＡＣ−Ｐ …・・・８の重量部
糊 ｙーグリシドキシプロピルトリメトキシシラン
・・・・・・１重量部■ ２−
メチル一４ーメチルイミダゾール．・…・１重量部 ｍ〜【４｝を燈拝し均一に混合した。
この組成物を実施例１と同様な５肋×５柵のＭＯＳ型Ｂ
Ｉ素子にコートし、１００ｑ０２時間および１５０ｑ０
５時間で硬化し、樹脂層が単一な樹脂封止型半導体装置
を得た。これを実施例１と同様に複合加速試験を行った
所、５サイクル目で特性が不良となった。
従来例 ２ ‘１｝ ノボラツク型ェポキシレジン（ェポキシ当量１
７５） １０の重量部【２
）ＭＨＡＣ−Ｐ ８の重量部‘３
｝ 石英ガラス粉（１５０ｒｍ以下、５咳容量％）…．
・・４０５重量部‘４１ ｙーグリシドキシプロピルト
リメトキシシラン ・・・・
・・３重量部■ ２−エチル一４−メチルイミダゾール
．・・．・・１重量部 ｍ〜■を鷹拝し均一に混合した。
この組成物を実施例１と同様に５側ｘ５肋のＭＯＳ型は
１素子にコートし１００℃で２時間および１５ぴ０５時
間で硬化し樹脂層に石葵ガラス粉が分散した樹脂型半導
体装置を得た。これを実施例１と同様に複合加速試験を
行なった所３０サイクル目で特性が不良となった。
不良品のモールドレジンを、２００００の熱濃硫酸で分
解し、不良の要因を解析した結果、素子表面の保護Ｓｊ
Ｑ膜にクラックが発生していた。〔応力測定試験〕従来
例２と実施例３のモールドレジンを使ってモールドした
場合の発生応力をモデル的に測定した。
モデルとしては、鉄製の円筒（外径９物肋、厚さ１．５
豚、高さ２０仇奴）の内側に歪ゲージを貼り、外側をレ
ジンでモールドした。レジン厚みは２仇ゆである。モー
ルド後円周方向に生じた応力を、鉄製の内筒の変形量か
ら求めると、従釆例２のレジンを用いたものは、１．０
５±０．１５ｋ９／柵、実施例３のレジンを用いたもの
はへ０．４０±０．１５ｋ９／柵と非常に応力が少ない
ことがわかった。この応力測定用モデルは、実測値と、
レジン物性からの計算値がよく合うことが知られている
。
｛武内，福士，電気学会研究会資料，絶縁材料研究会Ｅ
ｌＭ−７９−５１，（１９７９）｝表１に示した各レジ
ンの物性値を用いて焼きばめの式によって応力を計算す
ると、表１に併記した値になり、従来例２の場合実測値
にほとんど一致したが、実施例３の場合、実測値がはる
かに小さい値になり、弾性率の低下から予想される応力
低減効果よりはるかに −大きな効果があることが分る
。表１ 実施例 ４〜８および従来例 ３ 表１に示した配合割合の各素材を、８０つＣ，７分間の
条件でロール混糠し、粉砕してトランスフア成形材料を
得た。
次いでこれらの成形粉を用いて、■成形材料の硬化後の
ヤング率、‘Ｂ｝ヒートサイクル試験、‘Ｃ）縦付け応
力測定試験を行なった。ただし、成形条件は１８ぴ０、
３分で、その後１５０℃、１虫時のポストキュアを行な
った。ヒートサイクル試験は第３図のＭＯＳ型ＩＣの実
装品（各１０個）を作成し、実施例１と同等の条件で行
なつた。緒付け応力測定試験はスチール装、外径１０ふ
、厚み０．３脇の円筒を用い、外型の内径を５００とし
、他は前記〔応力測定試験〕の同様の方法によった。ま
た石英ガラス粉無添加の材料を成形して、その断面を電
子顕微鏡写真で観察した結果、各硬化樹脂中のゴム粒子
の大きさは２〜４仏ｍであった。表 ２ ＊：Ｂ．Ｆ．Ｇｏｏｄｒｉｃｈ社製末端ヵルボン酸ブタ
ジェンーアクリロニトリル共重合体実施例 ９実施例２
において、■のアリルフェノールを除いた他は、全く同
様にＭＯＳ型ＬＳＩを作成した。
実施例１と同様のヒートサイクル試験を行なった結果、
４０〜５０サイクルの間に、ＩＭ固中２個に封止樹脂の
クラックが発生した。実施例２に比して劣る理由は、ゴ
ム粒子が０．３〜０．７肋程度と非常に大きいためと考
えられる。実施例 １０ ‘１｝ ノボラック型ェポキシ（ェポキシ当量１７５）
．・・．・・５の重量部【２）リノール酸ダイマーのジ
グリシジルェステル（ェポキシ当量４３０、Ｓｈｅｌｌ
ｃｈｅｍ社ＥＰ８７１）．．・．．・５の重量部‘３’
液状変性ジフェニルメタンジィソシアネート（バイエル
社製、デスモジュールＣＤ）．・・．・・１４の重量部 ‘４１ｙ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン
・・…・５重量部■ 石英ガ
ラス粉（５５ｖｏ〆％） ・・・・・・５５の重量部‘
６’１ーシアノエチル、２−エチル、４−メチルィミダ
ゾール ・・・・・・２重量部‘１ー〜
【５｝を真空ラィカィ機で２０分濠練し、｛６１を添加
してから更に５分間混練した。
次いで実施例１と同様に、第１図に示す５側×５肋のＭ
ＯＳ型ＬＳＩシリコーン素子にポッティングし、８０ｏ
ｏ、１期時間および１８０ｏｏ、１現時間の条件で硬化
して樹脂封止型半導体装置を得た。これを実施例１と同
様に加速ヒートサイクル試験に供した結果、５０サイク
ルに耐えた。以上のように、本発明によれば封止樹脂層
にゴム状粒子が分散されているため、素子に対する熱応
力が低減し、素子に発生するクラックを未然に防止し、
高信頼性の樹脂封止型半導体装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
第１図，第２図，第３図，第４図，第５図，第６図，第
７図，第８図，第９図および第１０図はそれぞれ本発明
の実施例を示す断面図である。 １・・・半導体素子、２・・・コネクタワィャ、３・・
・金属導体、４・・・外部リード、５・・・絶縁板、６
・・・封止樹脂、７・・・絶縁体ケース、８・・・絶縁
膜。 男ー図第２図 第３図 第４図 第５図 第５１句 孫７図 篤８図 繁？図 銭／ｏ図

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 偏平状である半導体素子が、ゴム粒子を分散した熱
    硬化性樹脂硬化物で封止されていることを特徴とする樹
    脂封止型半導体装置。 ２ 前記半導体素子は、その最大長が２ｍｍ以上である
    ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の樹脂封止
    型半導体装置。 ３ 前記ゴム状粒子は、粒径が１５０μｍ以下であるこ
    とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の樹脂封止型
    半導体装置。
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