JPS63293960A - 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、半導体素子を搭載するリードフレームの面付
型表面実装パッケージに係り、特に、赤外線リフローま
たはペーパーリフロ一式のはんだ加熱時における耐熱性
に優れ、かつ、耐湿性に優れる信頼性が高い樹脂封止型
半導体装置に関する。

Ｃ従来の技術〕 従来は、半導体素子を搭載した金属性のリードフレーム
の素子搭載部にエポキシ樹脂系封止材料を塗布して封止
し、リードフレーム上にエポキシ樹脂系封止材料のなす
界面を有する樹脂封止型半導体装置は、金属、セラミッ
ク、ガラス等を用いて封止した八−メチツクシール型半
導体装置に比べて、気密性や耐熱性が劣る反面、大量生
産が可能でありまた経済的に生産コストが安い極めて有
利な点を持っている。しかも、樹脂封止型半導体装置の
信頼性向上が種々検討されてきた結果、近年各信頼性が
大幅に改善されてきたので現在は半導体装置全製品の約
８割以上が樹脂封止型半導体装置で占められている。

最近の半導体の進歩は著しくメモリー素子に関しては６
４　Ｋｂｉｔ、　２５６　ＫｂｉｔについでＩＭｂｉｔ
、さらには４Ｍｂｉｔへとその発展の勢いはすばらしい
ものがある。この半導体素子の大喜量化に伴って素子サ
イズが著しく大型化される反面、パッケージ全体の形状
は実装密度を高めるため小型薄型化が望まれている。そ
のため、半導体素子を封止する樹脂封止層の肉厚は年々
薄くなる傾向にある。

しかも、樹脂封止材料に対する信頼性への要求は一段と
厳しくなってきている。

従来の樹脂封止型半導体装置のパッケージ形状はＤ　Ｉ
　Ｌ　Ｐ　（Ｄｕａｌ　Ｉｎ１ｉｎｅ　ｐａｃｋａｇｅ
）やＺＩＰ（ＺｉｇｚａｇＩｎｌｉｎｅ　ｐａｃｋａｇ
ｅ）のようなピン挿入型実装パッケージがほとんどを占
めていたが、近年電子部品の実装密度を上げ製品の小型
、軽量化を図る目的でＦ　Ｐ　Ｐ　（Ｆｌａｔ　Ｐｌａ
ｓｔｉｃ　ｐａｃｋａｇｅ）　、　Ｓ　ＯＰ（Ｓｍａｌ
ｌ　０ｕｔｌｉｎｅ　ｐａｃｋａｇｅ）　、　　Ｓ　Ｏ
Ｊ　（Ｓｍａｌｌ　ｏｕｔｌｉｎｅＪ　ｂｅｎｄｅｄ　
ｐａｃｋａｇｅ）　　、　　ＰＬ　ＣＣ（Ｐｌａｓｔｉ
ｃ　ＬｅａｄｅｄＣｈｉｐ　Ｃａｒｒｉｅｒ）などの面
付型表面実装パッケージが普及しつつあり、数年後には
樹脂封止型半導体装置の約５割を占める情勢である。従
来のＤＩＬＰやＺＩＰパッケージは基板へはんだ付実装
する際にリード端子のみをはさんで加熱するため、パッ
ケージ自体は直接高温に曝されることはなかった。

しかし、ＰＰＰ、ＳＯＰ、ＳＯＪあるいはＰＬＣＣ等の
面付型表面実装パッケージのはんだ付性は赤外線や不活
性溶媒の蒸気潜熱による赤外線リフローやペーパーリフ
ロ一式が採用されている。この方式はパッケージ全体が
加熱されて１５℃〜３００℃の高温に曝される。この場
合、面付型表面実装パッケージが一定量の水分を吸湿し
ていると、その吸湿した水分がはんだ加熱時の急激な温
度上昇により爆発的に気化して膨張し、その水蒸気の圧
力によって半導体素子を封止している樹脂封止材料が膨
れてクラックを発生するはんだ耐熱性が大きな問題にな
っている。この現象はパッケージの水分吸湿に伴うもの
であるが面付型表面実装パッケージは樹脂封止層が薄い
ため水分吸湿の影響をより顕著に受は易い。しかもパッ
ケージの構造上、樹脂封止層が薄いことと構造的にも樹
脂強度がはんだ加熱時の水蒸気圧力に耐えられなくなっ
ているためである。

このようなはんだ耐熱性の問題を解決する対策として種
々検討されているが、その方法を大別すると（１）樹脂
封止材料自体のバルクからの吸湿する水分量を少なくす
る、（２）パッケージを構成しているリードフレームや
外観の形状、構造を改善する、（３）樹脂封止材料とリ
ードフレームとの接着性を良くする等の方法がある。（
１）の樹脂封止材料自体の吸湿を少なくする方法は各素
材の組成の検討によりある程度改善できるが、樹脂材料
をいる限りは程度の差があっても現在の技術では吸湿性
を皆無にすることは極めて困難であり、はんだ耐熱性向
上の根本的な解決策には至っていない。

（２）のパッケージ構造上の改善としては２３ｒｄａｎ
ｎｕａｌ　ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｒｅｌｉａｂｉｌ
ｉｔｙ　ｐｈｙｓｉｃｓ　ｐ１９２〜ｐ１９７　（１９
８５）の文献でパッケージの一部に穴を明はパッケージ
内部で気化した水蒸気を飛散し易くする方法が提案され
ているが、この方法は半導体素子の封止に関し気密性を
低下させ耐湿信頼性を悪くする恐れがある。また、特開
昭６１−１２３１６２号公報にはリードフレームのリー
ド部に透穴を明けたり、素子搭載部（タブ）の裏面に多
数の凹部を設けたりする方法が提案されている。

この方法はリードフレームに特別な加工が施されていな
い場合に比べてパッケージの耐クラツク性を改善する効
果があるが、半導体素子の大型化とパッケージの小型薄
型化の傾向に対処するためにはより抜本的な対策が望ま
れる。（３）の樹脂封止材料とリードフレームとの接着
性改良としては、シランカップリング剤や金属キレート
化合物等の成膜材料で被覆し樹脂封止する方法が提案さ
れている。これらの方法ではある程度接着性向上の改善
になるが成形時の熱的な収縮の影響やはんだ加熱時の高
い水蒸気圧力に充分対抗し得るほどの接着力が得られず
より以上の樹脂の高温強度と接着力の向上が望まれる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

面付表面実装パッケージの樹脂封止材料自体の吸湿およ
びその樹脂封止材料とリードフレームとの接着部のわず
かな隙間から浸入した水分がはんだ面付実装する際の急
激な加熱で水蒸気となり、その水蒸気圧力がパッケージ
の樹脂封止材料とリードフレーム特に素手搭載部のタブ
裏との界面に剥離を起し、しかもその蒸気圧力が外部に
逃げられずに圧力が高くなって樹脂封止層を膨らませて
パッケージにクラックを発生するはんだ耐熱性の問題が
ある。

本発明の目的は、面付型表面実装パッケージのリードフ
レームが耐熱性とはんだ加熱時の耐熱性を有する封止材
料で被覆されていて、浸入した水分は加熱時にリードフ
レームと封止材料との隙間から水蒸気となってパッケー
ジ外に飛散し易く、パッケージクラックを発生すること
のない樹脂封止型半導体装置を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

前記の目的を達成するため、本発明は半導体素子を搭載
したリードフレームの素子搭載部にエポキシ樹脂系封止
材料を塗布して封止し、リードフレームにエポキシ樹脂
系封止材料からなる界面を有する樹脂封止型半導体装置
において、リードフレームに予めオルガノポリシロキサ
ンの分子構造を有するはつ水性成膜材料を被覆し、その
上にエポキシ樹脂系封止材料を塗布してなるように構成
されている。

〔作用〕

本発明によれば、リードフレームに予め、はつ水性成膜
材料を被覆し、その上に半導体の素子搭載部をエポキシ
系樹脂封止材料で塗布したのでリードフレームとこの樹
脂封止材料との界面から耐湿試験における水分が浸入し
難く、仮に水分が浸入したとしてもリードフレームの表
面がはつ水性で耐熱性を有する物質で被覆されているた
めに逃出し易い状態にあり、はんだ加熱時にこの水分は
水蒸気になって前記界面からパッケージ外に飛散する。

〔実施例〕

本発明の第１実施例を説明すると、半導体素子を搭載し
た金属性のリードフレームの素子搭載部にエポキシ樹脂
系封止材料を塗布して封止し、リードフレームにエポキ
シ樹脂系封止材料からなる界面を有する樹脂封止型半導
体装置において、リードフレームに予めオルガノポリシ
ロキサンの分子構造を基本骨格とするはつ水性成膜材料
を被覆し、その上にエポキシ樹脂系封止材料を塗布して
なる構成である。

オルガノポリシロキサン構造を有する物質としては、シ
リコーンオイル、シリコーンフェス、シリコーンゴム等
があげられる。その分子構造は下記の（１）式で表わさ
れる。

〔Ｉ〕　　　　　　　　〔■〕 ・・・・・・・・・（１） ただし、上記分子構造のＲ，Ｒ’は水素；メチル基、フ
ェニル基が主であり、一部変成物質としてアミノ基、エ
ポキシ基、ビニル基、アリル基等を示す。

これら物質の溶液型、エマルジョン、コンパウンドの一
種もしくは併用物質をリードフレームの表面上に浸漬、
吹付け、ハチ塗りなどの方法で塗布し、２００℃以上の
高温で焼付することによってはつ水性成膜材料を被覆す
ることができる。そしてこの被覆したリードフレームを
用い半導体素子を無機充填剤を含んだ樹脂封止材料で封
止成形するとパッケージが完成する。

樹脂封止材としては、通常エポキシ系樹脂封止材料が主
体であり、主剤樹脂としては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型エポキシ樹脂あるいはエポキシ樹脂の
臭素化物質である。

硬化剤としてフェノールノボラック樹脂、酸無水物、ア
ミン類等を併用し必要に応じてさらに硬化促進剤、充填
剤、５１燃化助剤、カップリング剤。

雌型剤９着色剤等の各種添加剤を配合する。

なお、リードフレームとしては、通常用いられている鉄
系リードフレームの４２７０イ（Ｎｉ４２重量％、その
他Ｆｅ）あるいは銅系合金のリードフレームがある。

つぎに、本発明の面付型表面実装パンケージのはんだ加
熱時におけるパッケージクラックが防止される過程を説
明する。

耐湿試験で高湿下に放置し水分を吸湿したパッケージを
はんだ加熱で高温に曝した場合、パンケージ内に発生す
る水蒸気は、パンケージ外部へ容易に飛散、逃出するよ
うにすることによって内部の水蒸気圧力の上昇を抑えて
パンケージクランクの発生を防止する。その方法として
、リードフレームの半導体素子を搭載するタブ上を除い
たり−トフレーム全体もしくは一部と樹脂封止材料との
界面に予め、水分が飛散し易い僅かな隙間を形成してお
くことである。リードフレームと樹脂封止材料との間に
隙間を形成する方法としては、半導体素子搭載部を除い
たリードフレームの表面全体もしくは一部を離型性また
ははつ水性を有する成膜材料で被覆することによって達
成される。

はつ水性の成１模材料で被覆されたリードフレームの表
面は、臨界表面張力が１５ｄｙｎｅ／ｃｍ〜３０ｄｙｎ
ｅ／ｃｎ＋と非常に低く水の表面張力よりもはるかに小
さいため、耐湿試験におけるパッケージのリードフレー
ムと樹脂封止材料との界面から水分が浸入し難くなる。

仮に水分が浸入したとしてもリードフレームの表面がは
つ水性物質で被覆されているため、パッケージ内に水分
がいつまでも存在することなく逃出し易い状態にある。

また、はんだ加熱の際、その水分はリードフレームと樹
脂封止材料の界面で水蒸気となるが、リードフレームの
表面ははつ水性を伴う接着性が低い被覆が形成されてい
るため、この水蒸気は樹脂封止材料との界面から容易に
パッケージの外部へ飛散して逃出され、パッケージ内の
蒸気圧力が低くなってパッケージクラックが発生しない
ので、はんだ耐熱性が優れた樹脂封止型半導体装置を得
ることができる。

本発明の第２実施例を説明すると、シリコーンオイルと
しては前記（１）式の（１）を主鎖としたジメチルシリ
コーンオイル、フェニルメチルシリコーンオ゛イル、メ
チルハイドロジエンシリコーンオイルあるいはアミノ基
、エポキシ基、ビニル基。

アリル基等で変性した変性シリコーンオイルがある。ま
た、ｎは１〜１５までの重合体により分子量を種々変え
たシリコーンオイルを使用することができ、粘度として
０．５ｃｓｔ〜１００万ｃｓｔの範囲で使用でき溶媒等
で希釈して用いる。外観形状としてシリコーンオイル溶
液、エマルション、コンパウンドの状態として使用する
こともできる。

ＦＰＰ型の面付型表面実装パッケージ（パッケージの総
厚さ：２．Ｑｍｍ）に使用される４２７０イのリードフ
レーム（素子搭載部のタブサイズニア　、　５　　ｎｗ
ｎ　Ｘ　８　、３　ｍｍ　）に半導体素子をＡｖ−３ｉ
共品で接着し金線でワイヤボンデインクしたリードフレ
ームを準備する。このリードフレームの上下全体に（例
１）の変性シリコーンオイル溶液（ＱＺ−１３：長瀬チ
バＫＫ製）をスプレー塗布し、２４．０℃で３時間焼付
しはつ水性の被覆を形成した。

樹脂封止材料の組成物としては、以下に示す組成物を８
０’Ｃ〜８５°Ｃに加熱した軸ロール機で混練し冷却粉
砕後、タブレット化したものを用いた。

（１）ｏ−クレゾール型ノボラックエポキシ樹脂９０重
量部 （２）臭素化ビスフェノール型エポキシ樹脂１０重量部 （３）フェノールノボラック樹脂　　　５２重量部（４
）テトラフェニルブチルホスフォニウムテトラフェニル
ボレート　　　　１．５重量部（５）二酸化アンチモン
　　　　　　　　４重量部（６）溶融シリカ　　　　　
　　　　４２３重量部（７）γ−グリシドキシモノプロ
ピルメトキシシラン　　　　　　　　　　　　　　　２
重量部（８）モンタン酸エステル　　　　　　　１重量
部（９）カーボンブラック粉　　　　　　　１重量部上
記の組成物ではつ水性の被覆を形成した半導体素子のリ
ードフレームをトランスファ成形機で成形しく金型温度
：１８０℃、成形圧カフ５ｋｇｆ／ｃｄ、成形時間１．
５分）で樹脂封止型半導体装置を作成界した。

本発明の第３実施例を説明すると、シリコンワニスとし
ては前記（１）式の［１１）を主骨格とした３次元の網
状構造を有するポリマーであり、メチルシリンコーンワ
ニス、フェニルメチルシリコーンワニス、またフェニル
基含有率の違いによる種々のシリコーンワニス、そして
フェノール、メラミン、エポキシ、アルキッド等で変性
した変性シリコーンワニスを使用することができる。

シリコーンゴムとしては前記（１）式の（Ｉ）を主骨格
としだ長鎖重合体であり、ジメチルシリコーンゴム、メ
チルフェニルシリコーンゴム、メチルビニルシリコーン
ゴムがあり、しかも重合法によってその分子量が数百か
ら約８０万までのシリコーンゴムを直接もしくは溶剤で
希釈して使用することができる。

リードフレームの表面に（例２）のジメチルシリコーン
オイル（ＫＦ−９６：信越化学課、　１０００ｃｓｔ　
）のキシレン２０％溶液をスプレー塗布後、°　２４０
℃で３時間焼付してはつ水性の被覆を形成した。そして
このリードフレームを（例１）に示した樹脂封止材料の
組成物でトランスファ成形し樹脂封止型半導体装置を作
成した。

また、リードフレームの表面に（例３）のメチルフェニ
ルシリコーンオイル（ＫＦ−５０：（３Ｍ化学製、１０
００ｃｓｔ）のキシレン２０％溶液をスプレー塗布し、
２４０℃で３時間焼付しはつ水性の被覆を形成し、前記
組成物でトランスファ成形した。

さらにリードフレームの表面に（例４）のメチルハイド
ロジエンシリコーンオイル（ＫＦ−９９：信越化学課、
２０ｃｓｔ）の１０％キシレン溶液をスプレー塗布し、
２４０℃で３時間焼付し、はつ水性の被覆を形成し、樹
脂封止材料は（例１）の組成物でトランスファー成形し
た。

つぎに、半導体素子を搭載したリードフレームの表面に
各種のはつ水性の被覆を形成して吸湿試験等の比較試験
を行なったので第１図に示される結果について説明する
。

（比較例１）はリードフレームの表面に特別の処理を施
さないで前記（例１）の樹脂封止材料の組成物でトラン
スファー成形した樹脂封止型半導体装置である。

（比較例２）はリードフレームの表面にγ−グリシドキ
シプロピルトリメトキシシラン系カップリング剤のイソ
プロピルアルコール２％を塗布したのち、（例１）の樹
脂封止材料の組成物でトランスファー成形した樹脂封止
型半導体装置である。

これら樹脂封止した半導体装置を１８０℃で６時間の二
次硬化を行なった。

評価法として、これらの樹脂封止型半導体装置を６５℃
、９５％ＲＨの高湿下に１６８時間放匿放置湿させた後
、重量変化から吸湿率を求めた。

また、吸湿させた各装置を赤外線ランプで加熱した場合
にパッケージのクラックが発生するまでの温度を測定し
た。一方、この評価とは別に前記樹脂封止型半導体装置
を２６０°Ｃに加熱したはんだ溶液中に１０秒間浸漬し
た後、１２１℃、１００％ＲＨ下に放置した場合、放置
時間と金線でボンディングした半導体素子のアルミニウ
ム電極における腐食断線率を調べた。評価結果は第１表
に示したがアルミニウム腐食が起り難く、かつ、耐湿性
の優れた信頼性の高い材料である。

第　　１　　表 〔発明の効果〕

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. １．半導体素子を搭載したリードフレームの素子搭載部
   にエポキシ樹脂系封止材料を塗布して封止し、該リード
   フレームに該エポキシ樹脂系封止材料からなる界面を有
   する樹脂封止型半導体装置において、前記リードフレー
   ムに予めオルガノポリシロキサンの分子構造を有するは
   つ水性成膜材料を被覆し、その上に前記エポキシ樹脂系
   封止材料を塗布してなることを特徴とする樹脂封止型半
   導体装置。
2. ２．リードフレームにはつ水性成膜材料としてシリコー
   ンオイル、シリコーン樹脂およびシリコーンゴムの少な
   くとも１種を被覆す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. ３．リードフレームにはつ水性成膜材料としてジメチル
   シリコーン、メチルフェニルシリコーンおよびメチルハ
   イドロジエンシリコーンの少なくとも１種を被覆するこ
   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。