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DE69502641T2 - Mit Harz eingekapseltes Halbleiterbauelement - Google Patents

Mit Harz eingekapseltes Halbleiterbauelement

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Publication number
DE69502641T2
DE69502641T2 DE69502641T DE69502641T DE69502641T2 DE 69502641 T2 DE69502641 T2 DE 69502641T2 DE 69502641 T DE69502641 T DE 69502641T DE 69502641 T DE69502641 T DE 69502641T DE 69502641 T2 DE69502641 T2 DE 69502641T2
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DE
Germany
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resin
cured resin
dam
semiconductor device
jis
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
DE69502641T
Other languages
English (en)
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DE69502641D1 (de
Inventor
Akira Kasuya
Katsutoshi Mine
Kimio Yamakawa
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DuPont Toray Specialty Materials KK
Original Assignee
Dow Corning Toray Silicone Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Dow Corning Toray Silicone Co Ltd filed Critical Dow Corning Toray Silicone Co Ltd
Publication of DE69502641D1 publication Critical patent/DE69502641D1/de
Application granted granted Critical
Publication of DE69502641T2 publication Critical patent/DE69502641T2/de
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine mit Harz vergossene Halbleitervorrichtung, die eine hohe Zuverlässigkeit beim Wärmezyklus- und Schlagfestigkeitstest zeigt.
  • Harz-vergossene Halbleitervorrichtungen können vergossen werden, indem man einen Damm aus gehärtetem Harz um den Rand eines Halbleiterelements ausbildet, das sich auf der Oberfläche eine Schaltungskarte befindet, und dann das innerhalb des Damms aus gehärtetem Harz montierte Halbleiterelement mit einer Dichtung aus einem gehärteten Harz bedeckt. Diese Harz-vergossene Halbleitervorrichtung hat mehrere unverwechselbare Merkmale. Das Halbleiterelement ist gegen äußeren Schlag und Feuchtigkeit geschützt, während nur das spezielle Halbleiterelement mit der Vergußmasse aus gehärtetem Harz bedeckt ist.
  • Diesbezüglich sind im Stand der Technik verschiedene Vorschläge gemacht worden. Beispielsweise lehrt die japanische Patentveröffentlichung (Kokai) 62-229862 (229, 862/1987) eine Harz-vergossene Halbleitervorrichtung, bei der ein Damm aus gehärteten Harz, den man durch die Härtung eines hitzehärtbaren Harzes, das mit einem wasserabstoßenden Füllstoff gefüllt ist, um den Rand eines Halbleiterelements ausgebildet wird, das sich auf einer Schaltungskarte befindet. Das Halbleiterelement ist bei dieser Druckschrift innerhalb des Damms aus gehärtetem Harz befestigt und ist mit einer Vergußmasse aus einem gehärteten Harz bedeckt. Diese Veröffentlichung beschreibt eine harz-vergossene Halbleitervorrichtung, bei der ein Damm, der aus einem gehärteten Harz besteht, das man durch die Härtung einer thixotropisch härtbaren Harzzusammensetzung erhält, um den Umfang des Halbleiterelements ausgebildet wird, das sich auf einer Schaltungskarte befindet. Das Halbleiterelement, das innerhalb des Damms aus gehärtetem Harz befestigt ist, ist dann mit einer Dichtungsmasse aus einem gehärteten Harz bedeckt. Die japanische Patentveröffentlichung (Kokai) 4-48758 (48,758/1992) schlägt eine Harz-vergossene Halbleitervorrichtung vor, bei der ein Damm aus einem gehärteten Harz mit einer JIS-A-Härte von 5 bis 64, wie in JIS-K-6301 definiert, um den Umfang des Montagebereichs des Halbleiterelements auf der Oberfläche einer Schaltungskarte ausgebildet ist. Das innerhalb des Damms aus gehärtetem Harz befestigte Halbleiterelement ist mit einer Vergußmasse aus gehärtetem Harz bedeckt, das eine JIS-A-Härte von 65 bis 95 hat.
  • Jedoch leidet die harz-vergossene Halbleitervorrichtung nach der japanischen Veröffentlichung 62-229862 indessen an der geringen Haftung zwischen dem Damm aus gehärtetem Harz und der vergußmasse aus gehärtetem Harz, und als Folge davon zeigt sie eine geringe Zuverlässigkeit in Umgebungen hoher Temperatur / hoher Feuchtigkeit. Sie verwendet auch eine sehr harte Vergußmasse aus gehärtetem Harz zum Schutz des Halbleiterelements gegen äußeren Schlag bei der Schlagfestigkeitsprüfung. Hohe innere Belastungen können daher in der Vergußmasse aus gehärtetem Harz auftreten. Während des Wärmezyklustests können auch die Kontaktierdrähte, die das Halbleiterelement anschließen, und die Verbindungsleiter auch verformt oder zerrissen werden.
  • Im Gegensatz dazu zeigt die harz-vergossene Halbleitervorrichtung die in der japanischen Patentveröffentlichung 4-48758 beschrieben ist, eine hervorragende Zuverlässigkeit beim Wärmezyklustest. Bei dieser speziellen Vorrichtung stößt der Damm aus gehärtetem Harz, der um den Montagebereich des Halbleiterelements auf der Schaltungskarte ausgebildet ist, sehr eng an die Kontaktierdrähte an, die das Halbleiterelement mit der Schaltungskarte elektrisch verbinden. Das innerhalb des Damms aus gehärtetem Harz befestigte Halbleiterelement ist wiederum von einer Vergußmasse aus gehärtetem Harz bedeckt.
  • Der Trend während der letzten Jahre bestand darin, immer geringere Mengen von gehärtetem Harz bei harz-vergossenen Halbleitervorrichtungen zu verwenden. Dies hat zu einer Untersuchung an diesen Vorrichtungen geführt, bei denen der Damm aus gehärtetem Harz im Bereich der Kontaktierdrähte ausgebildet ist, die die Vorrichtung mit der Schaltungskarte verbinden. Diese harzvergossenen Halbleitervorrichtungen leiden jedoch noch immer an einer geringen Zuverlässigkeit während des Wärmezyklus- oder Schlagfestigkeitstest, weil die Kontaktierdrähte häufig ein verformung oder Bruch erleiden.
  • Die vorliegende Erfindung ist das Ergebnis extensiver Untersuchungen, die darauf gerichtet waren, die obigen Probleme zu lösen. Insbesondere ist es das Ziel unserer Erfindung, eine harz-vergossene Halbleitervorrichtung anzugeben, die eine hohe Zuverlässigkeit beim Wärmezyklustest und beim Schlagfestigkeitstest hat. Eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus JP-A-62-125653 bekannt.
  • Unsere harz-vergossene Halbleitervorrichtung umfaßt eine harzvergossene Halbleitervorrichtung, bei der ein Damm aus gehärtetem Harz mit einer JIS-A-Härte von 40 bis 95 in der Zone der Kontaktierdrähte ausgebildet ist, die das Halbleiterelement auf die Oberfläche einer Schaltungskarte elektrisch anschließen. Das Halbleiterelement ist dann innerhalb des Damms aus gehärtetem Harz montiert und mit einer Vergußmasse aus gehärtetem Harz bedeckt, das eine JIS-A-Härte von 1 bis 39 aufweist.
  • Fig. 1 ist eine teilweise weggebrochene Perspektivdarstellung einer harz-vergossenen Halbleitervorrichtung dieser Erfindung.
  • Fig. 2 ist eine Querschnittsdarstellung der Vorrichtung von Fig. 1.
  • Die harz-vergossene Halbleitervorrichtung unserer Erfindung wird unter Bezugnahme auf die in den Fig. 1 und 2 enthaltenen Zeichnungen erläutert.
  • Bei unserer harz-vergossenen Halbleitervorrichtung ist ein Halbleiterelement 1 auf der Oberfläche einer Schaltungskarte 2 montiert, und Kontaktierdrähte 7 verbinden das Halbleiterelement 1 elektrisch mit Leitern 5, die auf der Schaltungskarte 2 ausgebildet sind. Außerdem ist ein Damm 3 aus gehärtetem Harz in der Zone der Kontaktierungsdrähte 7 ausgebildet, und das Halbleiterelement 1, das innerhalb dieses Damms 3 aus gehärtetem Harz montiert ist, ist von einer Vergußmasse 4 aus einem gehärteten Harz bedeckt. Das Material, aus dem die Schaltungskarte 2 besteht, ist beispielhaft gebildet aus organischen Harzen, wie Glas/Epoxyharz, Bakelitharz, Papier/Bakelitharz, Phenolharzen und Papier/Phenolharz; aus Keramiken, wie Glas oder Aluminiumoxid; und aus Metallen, wie Kupfer oder Aluminium. Die Leiter 5 sind auf einer oder beiden Oberflächen der Schaltungskarte 2 ausgebildet und bestehen aus leitfähigem Material, wie Kupfer oder Silberpalladium. Das Halbleiterelement 1 ist auf der Schaltungskarte 2 befestigt, und die Kontatierdrähte 7, die aus dünnen Leiterdrähten aus Gold, Kupfer oder Aluminium bestehen, stellen die elektrische Verbindung zwischen den Leitern 5 und den Kontaktierflecken 6 her, die am Rand des Halbleiterelements 1 vorhanden sind. Die Leiter 5 sind ihrerseits elektrisch mit äußeren Leiteranschlüssen 8 verbunden, die an wenigstens einem Rand der Schaltungskarte 2 ausgebildet sind. Unsere harzvergossene Halbleitervorrichtung enthält Vorrichtungen, die allgemein als hybride ICs bekannt sind, bei denen andere elektronische Komponenten, wie Widerstände, Kondensatoren, Spulen, ebenfalls auf der Schaltungskarte 2 angebracht sind.
  • Der Damm 3 aus gehärtetem Harz, der in der Zone der Kontaktierdrähte 7, die das Halbleiterelement 1 auf der Schaltungskarte 2 mit den Leitern 5 elektrisch verbinden, ausgebildet ist, muß bei unserer Halbleitervorrichtung eine JIS-A-Härte haben, die, gemessen nach JIS K-6301 zwischen 40 und 95 liegt. Ein Damm 3 aus gehärtetem Harz mit einer JIS-A-Härte von weniger als 40 kann die Halbleitervorrichtung 1 nicht schützen, weil der Damm 3 beim Schlagfestigkeitstest durch Außenkräfte von der Seite sehr leicht verformt würde. Wenn der Damm 3 aus gehärtetem Harz eine JIS-A-Härte von mehr als 95 hätte, dann würde er zerbröckeln und leicht springen, wenn er äußeren Kräften unterworfen wird. Der Damm 3 aus gehärtetem Harz hat bei unserer harzvergossenen Halbleitervorrichtung vorzugsweise eine Reißfestigkeit von wenigstens 2,5 kgf/cm, gemessen mit dem Testmuster vom Typ A, wie in JIS K-6301 beschrieben.
  • Die Vergußmasse 4 aus gehärtetem Harz, die das innerhalb des Damms 3 aus gehärtetem Harz montierte Halbleiterelement 1 bedeckt, muß bei unserer Halbleitervorrichtung eine JIS-A-Härte haben, die, gemessen nach JIS K-6301, zwischen 1 und 39 liegt. Eine Vergußmasse 4 aus gehärtetem Harz mit einer JIS-A-Härte von weniger als 1 kann die Halbleitervorrichtung 1 nicht gegen äußere Kräfte schützen, weil die Harzvergußmasse 4 durch Schlag beim Schlagfestigkeitstest verformt werden kann. Die inneren Spannung werden in einer Vergußmasse 4 aus gehärtetem Harz bei einer JIS-A-Härte von mehr als 39 dermaßen vergrößert, daß die entsprechende Halbleitervorrichtung eine wesentlich verminderte Zuverlässigkeit aufweist, wenn sie einem Wärmezyklustest unterworfen wird.
  • Der Damm 3 aus gehärtetem Harz und die Vergußmasse 4 aus gehärtetem Harz können bei unserer harz-vergossenen Halbleitervorrichtung aus härtbaren Epoxyharz-Zusammensetzungen, härtbaren Silikonzusammensetzungen, härtbaren Polyimidharz-Zusammensetzungen und härtbaren Polyesterharz_Zusammensetzungen hergestellt werden. Der Damm 3 aus gehärtetem Harz und die Vergußmasse 4 aus gehärtetem Harz können einzeln oder beide aus einer härtbaren Silikonzusammensetzung hergestellt sein. Härtbare Silikonzusammensaetzungen, die für die Herstellung unserer harz-vergossenen Halbleitervorrichtung geeignet sind, werden beispielhaft von durch Additionsreaktion härtbaren Silikon- Zusammensetzungen, durch Kondensationsreaktion härtbaren Silikonzusammensetzungen und durch Organoperoxid härtbaren Silikonzusammensetzungen gebildet. Eine durch Kondensationsreaktion härtbare Silikonzusammensetzung wird vorzugsweise verwendet, wenn das Halbleiterelement 1 ohne Anwendung von Wärme vergossen werden muß. Ansonsten wird der Einsatz von durch Additionsreaktion härtbaren Silikonzusammensetzungen bevorzugt, weil dieses eine hochproduktive Herstellungsrate unserer harz-vergossenen Halbleitervorrichtungen begünstigen.
  • Unsere harz-vergossene Halbleitervorrichtung wird in weiterem Detail durch Ausführungsbespiele erläutert. Die Viskositätswerte, die in den Beispielen erwähnt sind, wurden bei 25ºC gemessen. Die JIS-A-Härte des Damms aus gehärtetem Harz und der Vergußmasse aus gehärtetem Harz wurden unter Verwendung eines Härtemessers vom Typ A gemessen, wie in JIS K-6301 beschrieben, nachdem die betreffende Harzzusammensetzung für eine Stunde bei 150ºC ausgehärtet worden ist.
  • Beispiel 1. Harz-vergossene Halbleitervorrichtungen wurden nach den folgenden Verfahren hergstellt:
  • (1) Eine Halbleitervorrichtung 1, die Kontaktierflecken 6 an ihren Rändern trägt, wurde auf der Oberfläche einer Schaltungskarte 2 angebracht. Diese Schaltungskarte 2 trug Silber-Palladium-Leiter 5 und war mit äußeren Leiteranschlüssen 8 versehen, die von den Anschlüssen der Silber-Palladium-Leiter 5 abgingen.
  • (2) Die Kontaktierflecken 6 am auf der Schaltungskarte 2 befestigten Halbleiterelement 1 wurden dann durch Goldkontaktierdrähte 7 mit den Silber-Paladium-Leitern 5 verbunden.
  • (3) Unter Verwendung eines Ausgabegerätes wurde dann eine durch Additionsreaktion härtbare Silikonkautschuk-Zusammensetzung (I) (Viskosität = 100 Pa x s (1.000 poise), JIS-A-Härte des gehärteten Silikonkautschuks = 70) in Form eines Damms in der Zone der Goldkontaktierdrähte 7 auf der Schaltungskarte 2 aufgebracht.
  • (4) Unter Verwendung eines Ausgabegeräts wurde das Halbleiterelement, das in dem Damm aus durch Additionsreaktion härtbarer Silikonkautschuk-Zusammensetzung (I) montiert war, vollständig mit einer durch Additionsreaktion härtbaren Silikonkautschuk- Zusammensetzung (II) bedeckt. Diese durch Additionsreaktion härtbare Silikonkautschuk-Zusammensetzung (II) hatte eine Viskosität von 2 Pa x s (20 Poise), und nach dem Härten war sie transparent und hatte eine JIS-A-Härte von 20.
  • (5) Die harz-vergossene Halbleitervorrichtung wurde hergestellt, indem die in obiger Weise vorbereitete Schaltungskarte in einen Ofen mit Zwangskonvektion für eine Stunde bei 150ºC eingebracht wurde, um die durch Additionsreaktion härtbare Silikonkautschuk-Zusammensetzungen (I) and (II) auszuhärten. 50 harz-vergossene Halbleitervorrichtungen wurden durch dieses Verfahren hergestellt.
  • 25 der harz-vergossenen Halbleitervorrichtungen wurden 100 Zyklen eines Wärmezyklustest unterworfen (1 Zyklus = Verweilen über 30 Min. bei -30ºC, gefolgt von einem Verweilen über 30 Min. bei 120ºC). Nach Abschluß des Test wurde ein elektrischer Leitfähigkeitsunversehrtheitstest an dem Halbleiterelement 1 und den Goldtraktierdrähten 7 unter Verwendung der äußeren Leitungsanschlüsse der harz-vergossenen Halbleitervorrichtung ausgeführt. Die Ergebnisse dieses Tests zeigten ein vollständiges Fehlen von Leitfähigkeitsfehlern. Außerdem wurden keine Sprünge in dem gehärteten Harzdamm oder der gehärteten Harzvergußmasse erzeugt.
  • 25 der harz-vergossenen Halbleitervorrichtungen wurden auch einem Falltest unterworfen, bei dem jede Vorrichtung aus einer Höhe von 1 m frei auf eine flache Eisenfläche fallen konnte. Nach Abschluß des Tests wurde wiederum die Leitfähigkeitsunversehrtheit geprüft. Die Ergebnisse zeigten ein vollständiges Fehlen von Leitfähigkeitsfehlern. Außerdem wurden keine Risse im gehärteten Harzdamm oder der gehärteten Harzvergußmasse erzeugt. Eine Untersuchung durch die transparente gehärtete Harzvergußmasse hindurch unter Verwendung eines optischen Mikroskops bestätigte, daß keine Verformung oder Bruch der Goldkontaktierdrähte 7 an irgendeinem Verbindungsbereich der Goldkontaktierdrähte 7 mit den Kontaktierflecken 6 oder den Verbindungsbereichen der Goldkontaktierdrähte 7 mit den Silber- Palladium-Leitern 5 auftrat.
  • Vergleichsbeispiel 1. 50 harz-vergossene Halbleitervorrichtungen wurden unter Verwendung des im Beispiel 1 beschriebenen Verfahrens hergestellt, jedoch wurde in diesem Falle eine durch Additionsreaktion härtbare Silikonkautschuk-Zusammensetzung (III) anstelle der Zusammensetzung (I) des Beispiels 1 verwendet. Diese durch Additionsreaktion härtbare Silikonkautschuk- Zusammensetzung (III) hatte eine Viskosität von 150 Pa x s (1.500 Poise) und nach dem Härten eine JIS-A-Härte von 20.
  • 25 dieser harz-vergossenen Vorrichtungen wurden einem Wärmezyklustest wie im Beispiel 1 unterworfen. Keine Leitfähigkeitsfehler wurden irgendeiner der harz-vergossenen Vorrichtungen gefunden. 25 der harz-vergossenen Vorrichtungen wurden auch einem Falltest wie im Beispiel 1 unterworfen. In diesem Falle wurden bei fünf der harz-vergossenen Halbleitervorrichtungen Leitungsfehler erzeugt. Die Vorrichtungen, die Leitungsfehler hatten, wurden durch die transparente gehärtete Harzvergußmasse hindurch unter Verwendung eines optischen Mikroskops untersucht. Bei jeder dieser defekten Vorrichtungen wurde eine Verformung oder ein Bruch der Goldkontraktierdrähte 7 entweder im Verbindungsbereich von Goldkontraktierdraht 7/Kontraktierfleck 6 oder im Verbindungsbereich Goldkontraktierdraht 7/Silber- Palladium-Leiter 5 festgestellt.
  • Vergleichsbeispiel 2. 50 harz-vergossene Halbleitervorrichtungen wurden unter Verwendung des Verfahrens von Beispiel 1 hergestellt, jedoch wurde in diesem Falle eine durch Additionsreaktion härtbare Silikongelzusammensetzung (IV) anstelle der Zusammensetzung (II) verwendet. Das Härten der durch Additionsreaktion härtbaren Silikongelzusammensetzung (IV) ergab ein Silikongel mit einer JIS-A-Härte von null.
  • 25 dieser Vorrichtungen wurden einem Wärmezyklustest wie im Beispiel 1 unterworfen. Keine Leitfähigkeitsfehler wurden in irgendeiner der Vorrichtungen gefunden. 25 dieser Vorrichtungen wurden auch einem Falltest wie bei Beispiel 1 unterzogen. Bei drei der harz-vergossenen Halbleitervorrichtungen war das Silikongel übergelaufen und über den gehärteten Damm hinweg, um ein fehlerhaftes Aussehen zu erzeugen.
  • Beispiel 2. 50 harz-vergossene Halbleitervorrichtungen wurden unter Verwendung einer nicht-fluiden, Alkohol freisetzenden, durch Kondensationsreaktion härtbaren Silikonkautschuk-Zusammensetzung (5) anstelle der Zusammensetzung (I) von Beispiel 1 sowie unter Verwendung einer durch Additionsreaktion härtbaren Silikonkautschuk-Zusammensetzung (VI) anstelle der Zusammensetzung (II) hergestellt. Das Härten der Silikonkautschuk-Zusammensetzung (V) ergab einen Silikonkautschuk mit einer JIS-A- Härte von 42. Die Silikonkautschuk-Zusammensetzung (VI) hatte eine Viskosität von 3,5 Pa x s (35 Poise), und ihre Aushärtung ergab ein Silikongummi mit einer JIS-A-Härte von 36. Die Aushärtphase bestand aus dem Verweilen über eine Stunde in einem Ofen mit erzwungener Konvektion bei 150ºC, gefolgt von einem Verweilen über 3 Tage bei 25ºC und 50% relativer Feuchtigkeit.
  • 25 dieser Vorrichtungen wurden einem Wärmezyklustest wie im Beispiel 1 unterworfen. Keine Leitfähigkeitsfehler wurden in irgendeiner der Vorrichtungen gefunden. 25 dieser Vorrichtungen wurden auch einem Falltest wie beim Beispiel 1 unterzogen. Die Ergebnisses des Falltests waren ein absolutes Fehlen von Leitfähigkeitsfehlern, ein vollständiges Fehlen von Rissen in den gehärteten Harzen und ein vollständiges Fehlen von Verformung oder Bruch der Goldkontaktierdrähte.
  • Vergleichsbeispiel 3. 50 harz-vergossene Halbleitervorrichtungen wurden gemäß dem Verfahren von Beispiel 1 hergestellt, jedoch unter Verwendung einer durch Additionsreaktion härtbaren Silikonkutschuk-Zusammensetzung (VII) anstelle der Zusammensetzung (I) und unter Verwendung einer durch Additionsreaktion härtbaren Silikonkautschuk-Zusamamensetzung (VIII) anstelle der Zusammensetzung (II). Die Silikonkautschuk-Zusammensetzung (VII) hatte eine Viskosität von 100 Pa x s (1.000 Poise) und nach dem Härten eine JIS-A-Härte von 10. Die Silikonkautschuk- Zusammensetzung (VIII) hatte eine Viskosität von 2,5 Pa x s (25 Poise) und nach den Härten eine JIS-A-Härte von 70.
  • 25 dieser Vorrichtungen wurden einem Wärmezyklustest wie beim Beispiel 1 unterworfen. Keine Leitfähigkeitsfehler wurden in irgendeiner der Vorrichtungen gefunden. 25 dieser Vorrichtungen wurden auch dem Falltest nach Beispiel 1 unterworfen. Während der Falltest keine Leitfähigeitsfehler oder Risse in den gehärteten Harzen erzeugte, brachte der Falltest eine Verformung der Goldkontaktierdrähte bei 2 der Halbleitervorrichtungen.

Claims (2)

1. Harz-vergossene Halbleitervorrichtung, in der ein Damm aus gehärtetem Harz in der Zone der Kontaktierdrähte ausgebildet ist, die ein Halbleiterelement auf der Oberfläche einer Schaltungskarte elektrisch anschließen, und das Halbleiterelement innerhalb des Damms aus gehärtetem Harz montiert und mit einer Vergußmasse aus gehärtetem Harz bedeckt ist und der Damm aus gehärtetem Harz eine größere Härte als die Vergußmasse aus gehärtetem Harz hat, dadurch gekennzeichnet, daß der Damm aus gehärtetem Harz eine JIS-A-Härte von 40 bis 95 und die Vergußmasse aus gehärtetem Harz eine JIS-A-Härte von 1 bis 39 aufweist.
2. Harz-vergossene Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Damm aus gehärtetem Harz und die Vergußmasse aus gehärtetem Harz einen Zusatz aus einer durch Reaktion härtenden Zusammensetzung enthalten.
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