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発明の名称 半導体装置とその製法
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開平6−244225
公開日 平成6年(1994)9月2日
出願番号 特願平5−26708
出願日 平成5年(1993)2月16日
代理人 【弁理士】
【氏名又は名称】高橋 明夫 (外1名)
発明者 村山 道子 / 尾形 正次 / 宝蔵寺裕之 / 北村 輝夫 / 江口 州志
要約 目的


構成
基板8の所定の個所に接着層3を介して固着された半導体素子1の電極とその周辺に配置された外部配線とが電気的に接続された半導体装置であって、前記接着層3は、所定の径を有する無機または有機の材料の球状粒子または棒状粒子からなるスペーサ9を含み、該スペーサの粒子径と同じ厚さに形成されている半導体装置。
特許請求の範囲
【請求項1】 基板の所定の個所に接着層を介して固着された半導体素子の電極とその周辺に配置された外部配線とが電気的に接続された半導体装置であって、前記接着層は所定の径を有する無機または有機の材料の球状粒子または棒状粒子からなるスペーサを含み、該スペーサの粒子径と同じ厚さに形成されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項2】 リードフレームのダイパッド部に接着層を介して固着された半導体素子の電極とインナーリード間がワイヤボンディングにより電気的に接続されており、前記接着層は所定の径を有する無機または有機の材料の球状粒子または棒状粒子からなるスペーサを含み、該スペーサの粒子径と同じ厚さに形成されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項3】 前記半導体素子,該半導体素子と外部配線を接続する配線が樹脂で一体に封止されている請求項1または2に記載の半導体装置の製法。
【請求項4】 前記スペーサが無機または有機の絶縁材料からなる球状粒子または棒状粒子である請求項1,2または3に記載の半導体装置。
【請求項5】 前記スペーサが溶融シリカ、セラミック、ガラスまたはプラスチックである請求項1,2または3に記載の半導体装置。
【請求項6】 前記接着層中にはスペーサが0.1〜53容量%含まれている請求項1〜5のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項7】 前記接着層の樹脂成分が、分子中に二個以上のエポキシ基を有するエポキシ樹脂と分子中に二個以上のフェノール性水酸基を有するフェノール樹脂との硬化物である請求項1〜6のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項8】 基板の所定の個所に接着層を介して半導体素子を載置し、前記半導体素子の電極とその周辺に配置された外部配線との間を電気的に接続する半導体装置の製法であって、前記接着層に所定の径を有する無機または有機の材料の球状粒子または棒状粒子からなるスペーサを配合し接着層の厚さを制御して固着することを特徴とする半導体装置の製法。
【請求項9】 リードフレームのダイパッド部の所定の個所に接着層を介して半導体素子を搭載し、前記半導体素子の電極とインナーリード間をワイヤボンデイングにより接続する半導体装置の製法であって、前記接着層に所定の径を有する無機または有機の材料の球状粒子または棒状粒子からなるスペーサを配合し接着層の厚さを制御して固着することを特徴とする半導体装置の製法。
【請求項10】 前記半導体素子,該半導体素子と外部配線を接続する配線を樹脂で一体に封止し硬化する請求項8または9に記載の半導体装置の製法。
【請求項11】 前記スペーサが溶融シリカ、セラミック、ガラスまたはプラスチックである請求項8,9または10に記載の半導体装置。
【請求項12】 前記スペーサを含む接着剤の樹脂成分が、分子中に二個以上のエポキシ基を有するエポキシ樹脂と分子中に二個以上のフェノール性水酸基を有するフェノール樹脂である請求項8〜11のいずれかに記載の半導体装置の製法。
【請求項13】 前記スペーサを含む接着剤が液状樹脂または有機溶剤により室温〜60℃の領域における粘度が3,000〜30ポイズに調整されたペースト状接着剤である請求項8〜12のいずれかに記載の半導体装置の製法。
【請求項14】 前記接着剤の揺変指数(回転式粘度計の回転数1〜100rpmの範囲で回転数比を10倍変えて測定した2点の粘度の比)が1.2〜3となるよう無機または有機の揺変性付与剤を配合した接着剤を用いる請求項13に記載の半導体装置の製法。
発明の詳細な説明
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体素子とそれを搭載する基板との接着層の厚さを所定の厚さに制御した半導体装置およびその製法に関する。
【0002】
【従来の技術】半導体素子を外部環境から保護し、プリント基板等への実装を容易にするためのパッケージ技術として、樹脂封止が広く知られている。しかし、半導体素子はこれまで3年に約4倍のピッチで高集積度化が進み、それに伴い素子サイズも大型化している。また、素子の高性能,多機能化に伴ってピン数の増加も進んでいる。
【0003】一方、各種エレクトロニクス機器の小型軽量化、高性能化等のニーズから各種半導体装置は実装の高密度化の要求が強く、そのパッケージは年々小型薄肉化の趨勢にある。その結果、樹脂封止型半導体装置の封止樹脂層は著しく薄肉化されている。
【0004】また、パッケージ形状は、ピンをプリント基板のスルーホールに差し込んで実装するDIP(Dual Inline Package)、ZIP(Zigzag Inline Package)、SIP(Single Inline Package)等のいわゆるピン挿入型から、実装の高密度化を図るために、SOP(Small Outline Package)、SOJ(Small Outline J−leadpackage)、QFP(Quad Flat Package)等の両面実装が可能で、しかもパッケージサイズが小さな表面実装型に移行しつゝある。
【0005】半導体素子のパッケージの厚さは装置や部品の薄型化を図る上で極めて重要である。そのため、最近はTSOP(Thin Small Outline Package)、TSOJ(Thin Small Outline J−lead package)、TQFP(Thin Quad Flat Package)のような厚さが1mm程度の超薄型パッケージの開発も行われている。
【0006】このような樹脂封止型半導体装置は、通常、回路を形成した半導体素子をリードフレームに銀粉を分散させた樹脂系接着剤で固着し、素子表面の電極とインナーリード間をワイヤボンデイングした後、エポキシ樹脂系の封止材料で封止することによって製造されていた。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】しかし、こうした半導体装置においては、半導体素子(チップ)の大型化、多ピン化、パッケージの小型薄肉化、表面実装化が進むにつれ、重要な技術課題が種々と発生するようになった。
【0008】すなわち、樹脂封止型半導体装置では熱膨張係数が異なるリードフレーム、シリコンチップ、封止樹脂等で構成されており、チップの大型化に伴ってパッケージ内部に発生する熱応力が増大し、それによって、パッシベーション膜クラック、チップクラック、パッケージクラック、Al配線シフト等が問題となるようになった。
【0009】また、従来のピン挿入型パッケージは、プリント基板のスルーホールに差し込んだ状態でプリント基板ごとはんだ槽に浮かべてはんだ付けが行なわれていた。それゆえ、実装時にパッケージ本体が直接高温に曝されことはなかった。ところが、表面実装型パッケージは一般に赤外線リフローあるいはベーパーリフロー方式によりはんだ付けが行われるため、パッケージ全体が直接、二百数十度の高温に曝される。
【0010】チップ封止に用いるエポキシ系樹脂は一般にかなりの透湿性を有する。そのため、パッケージの中には常に少量の水分が存在する。また、封止樹脂とリードフレーム、シリコンチップ、リード線、パッシベーション膜等との接着は必ずしも十分ではなく、パッケージ内部の隙間や微小ボイド等が侵入水分の溜り場になっている。
【0011】こうした状態ではんだ付けが行われると、水分の急激な蒸発によってパッケージ内部に応力が発生し、パッケージを構成する各材料間で剥離あるいはパッケージクラック、リード線の断線等を生じ、特性や実装後の信頼性を損なう等の問題を生じる。このような水蒸気圧によって発生する応力はチップが大型化すればするほど大きくなる。また、パッケージの封止樹脂層が薄肉化すればするほどパッケージ内部には水分が侵入し易くなリ、パッケージは機械的に弱くなる。そのため、チップの大型化や封止樹脂層の薄肉化を進めるに当って、これらの課題の解決が強く要望されていた。
【0012】また、新しい技術としてプリント基板に直接半導体素子を接着、ワイヤボンディングし、その後半導体素子の上部、側部を封止することにより、プリント基板に半導体装置を装着した全体の厚みを従来よりも薄くする方法も考案されているが、この効果をより大きくするためには、接着層の厚さ不均一による半導体素子の傾きと、それをカバーするための封止層の厚肉化を避けなければならない。
【0013】現在、パッケージ内に発生する熱応力を低減する方法としては、封止材料の低弾性率化や低熱膨張化が行われている。また、はんだリフローによって発生するパッケージクラックや内部剥離を防止するため、半導体装置のプリント基板への実装に当り、予めパッケージを乾燥する方法が採用されている。こうした対策によって上記課題はかなり改善されてきた。しかし、これらの特性は品種あるいは製造ロットによって大きなバラツキがありその対策が強く望まれていた。
【0014】本発明の目的は、半導体装置に要求されるパッシベーション膜クラック、チップクラック、パッケージクラック、Al配線シフト等に対して安定した半導体装置とその製法を提供することにある。
【0015】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため、本発明者等は半導体装置の諸特性が変動する要因について種々検討を行った。従来、半導体素子のリードフレームへの固着に用いる接着剤には、通常、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、シリコーン樹脂に導電性や熱伝導性、チキソトロピック性等を付与する目的で銀粉を分散させ、かつ、接着剤をペースト状にするため有機溶剤を配合したものが用いられてきた。
【0016】しかし、このような接着剤は加熱硬化の際の温度上昇に伴う樹脂の粘度低下により、接着剤が流れ出したり、有機溶剤の揮散により形成されたボイドによって押上げられたりして、硬化後の接着層の厚さは一つの半導体装置内においても場所によって異なることが多く、半導体素子が傾斜した状態で固着されることがあった。
【0017】そもそも半導体素子とダイパッド間の接着剤層の厚さコントロールは塗布量によるもののみであって、スペーサを用いると云う概念は存在せず、接着剤層の厚さのバラツキは半導体装置の封止層の厚さを厚めにとることによりカバーしていた。しかし、半導体素子の傾斜により半導体装置間あるいはロット間、製品間等で大きなバラツキが生じ、これが半導体装置、特に、樹脂封止型半導体装置の特性を変動させる大きな原因であることを見出した。
【0018】本発明は上記の知見に基づいてなされたものであり、半導体素子の傾きをなくすことにより半導体装置の品質を安定に保ち、さらに、封止層を薄くできることからパッケージの薄型化,小型化に寄与するものである。また、プリント基板に直接半導体素子を接着、ワイヤボンディングの後封止する方法において、封止層・接着剤層を薄くできることから,半導体装置を装着したプリント基板そのものの薄型化にも大変有効である。本発明の要旨は次のとおりである。
【0019】(1) 基板の所定の個所に接着層を介して固着された半導体素子の電極とその周辺に配置された外部配線とが電気的に接続された半導体装置であって、前記接着層は所定の径を有する無機または有機の材料の球状粒子または棒状粒子からなるスペーサを含み、該スペーサの粒子径と同じ厚さに形成されていることを特徴とする半導体装置。
【0020】(2) リードフレームのダイパッド部に接着層を介して固着された半導体素子の電極とインナーリード間がワイヤボンディングにより電気的に接続されており、前記接着層は所定の径を有する無機または有機の材料の球状粒子または棒状粒子からなるスペーサを含み、該スペーサの粒子径と同じ厚さに形成されていることを特徴とする半導体装置。
【0021】(3) 基板の所定の個所に接着層を介して半導体素子を載置し、前記半導体素子の電極とその周辺に配置された外部配線との間を電気的に接続する半導体装置の製法であって、前記接着層に所定の径を有する無機または有機の材料の球状粒子または棒状粒子からなるスペーサを配合し接着層の厚さを制御して固着することを特徴とする半導体装置の製法。
【0022】(4) リードフレームのダイパッド部の所定の個所に接着層を介して半導体素子を搭載し、前記半導体素子の電極とインナーリード間をワイヤボンデイングにより接続する半導体装置の製法であって、前記接着層に所定の径を有する無機または有機の材料の球状粒子または棒状粒子からなるスペーサを配合し接着層の厚さを制御して固着することを特徴とする半導体装置の製法。
【0023】上記接着剤は60℃〜室温の温度領域で粘度が30〜3,000ポイズの範囲に調整されたペースト状が好ましい。
【0024】本発明の接着層を形成する接着剤の樹脂成分としてはエポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、シリコーン樹脂等を用いることができるが、接着性、耐湿性、耐熱性、イオン性不純物濃度等の点から、エポキシ樹脂、特に、分子中に少なくとも二個以上のエポキシ基を有するエポキシ樹脂が望ましい。エポキシ樹脂としてはその構造を限定するものではないが、例えば、o−クレゾールノボラック型エポキシ樹脂、ビスフェノールAを原料とした2官能あるいは多官能型エポキシ樹脂、ナフタレンまたはビフェニル骨格を有する2官能あるいは多官能型エポキシ樹脂等が挙げられる。
【0025】また、その硬化剤としてアミン化合物、無水酸化合物、フェノール化合物等が挙げられるが、接着性、耐湿性、耐熱性等の観点から、フェノール化合物、特に、分子中に少なくとも二個以上のフェノール性水酸基を有するフェノール樹脂を用いるのが好ましい。該フェノール化合物としてはフェノールノボラック樹脂、ビスフェノール樹脂、o−クレゾールノボラック樹脂、ポリ−p−ビニルフェノール、フェノールとアラルキルエーテルとの縮合物等が望ましい。
【0026】なお、エポキシ樹脂としてビスフェノールAまたはFのジグリシジルエーテル型エポキシ樹脂や脂環式エポキシ樹脂、長鎖脂肪族型エポキシ樹脂、硬化剤としてジアリルフェノール系オリゴマー等を併用すると有機溶剤を用いずに接着剤をペースト状にすることができる。
【0027】次に、本発明のポイントであるスペーサとしてはエポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂、溶融シリカ、ガラス,セラミック,カーボン等からなる球状粒子、円柱状粒子等、実質的に同じ径となる形状の粒子を用いる。製品によって要求される接着層の厚さが異なるため、これらスペーサは要求される接着層厚さと同じ径を有する粒子を用いる。また、場合によっては導電性の粒子、例えば、表面が金属でコーティングされた粒子やカーボン粒子を用いてもよい。
【0028】前記スペーサの配合量は、接着層の全体に対して0.1〜53容量%、好ましくは5〜50容量%の範囲が望ましい。53容量%よりも多い場合には、スペーサ同士が重なりあって接着層の厚さがスペーサ径よりも大きくなり易い。また、0.1容量%未満では少な過ぎて厚さ調整スペーサとしての役目を十分果たさない。
【0029】また、本発明の目的を損なわない範囲であれば、これらスペーサにそれよりも径の小さい粒子を混入してもよい。例えば、熱膨張係数の低下を目的とした無機充填剤を配合することは制限されない。
【0030】また、本発明の接着剤としては、無機または有機系の揺変性付与剤(チキソトロピック剤)を配合し、揺変指数(回転式粘度計を用い、回転数1〜100rpmの範囲で回転数を10倍変えて測定した粘度比をもって定義)を1.2〜3の範囲に調整するのがよい。上記の粘度は、東京計器製E型粘度計(VISCONIC EMD型)を用いて測定した。
【0031】これは、接着剤の塗布および加熱硬化時に、接着剤が半導体素子の外周に流れ出すのを防ぐ効果がある。特に、揺変指数1.2〜3の範囲が望ましい。揺変指数が1.2よりも小さいとその効果が不十分であり、3よりも大きいと揺変性が強過ぎて接着剤を半導体素子と基板の間に十分塗り拡げられないためである。
【0032】チキソトロピック剤としては、特に限定されないが、例えばアエロジル、シリカ粉末、スメクタイト等各種無機物、脂肪酸系ワックス等が用いられる。
【0033】また、上記接着剤は必要に応じて有機溶剤を配合しその粘度を調整することができる。このような有機溶剤としては、例えば、ジアセトンアルコール、n−ブチルアルコール、2−フェノキシエチルアルコール、2−ブトキシエチルアルコール、2−エトキシエチルアルコール、イソプロピルアルコール、2−メチル−2.4−ペンタジオール、アセトフェノン、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノエチルエーテル、ジエチレングリコールモノブチルエーテル、ジプロピレングリコールモノメチルエーテル、ジプロピレングリコールモノエチルエーテル、ジプロピレングリコールモノプロピレンエーテル、ジプロピレングリコールモノブチルエーテル、フルフリルアルコール、テトラヒドロフルフリルアルコール、ブチルセルソルブ、ブチルセルソルブアセテート、酢酸ブチルセルソルブ、N−メチルピロリドン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、トルエン、キシレン等を挙げることができる。
【0034】
【作用】本発明の半導体装置の特性が、ロット間あるいは製品間でのバラツキを低減できるのは、半導体素子と基板の間の接着層の厚さを、接着面全体にわたり所定の厚さに制御したことによって封止樹脂層はその厚さに偏りがない均一層となり、耐ヒートサイクル性やはんだ付け時のパッケージの耐クラック性が向上するためである。
【0035】また、上記接着剤は室温〜60℃の温度領域での粘度が3,000〜30ポイズに調整されたペースト状であるため接着の作業性もよい。
【0036】
【実施例】次に本発明を実施例により具体的に説明する。
【0037】〔実施例1〕
■ クレゾールノボラック型エポキシ樹脂(固形、エポキシ当量194)100重量部■ フェノールノボラック型樹脂(固形、フェノール当量186)96重量部■ 溶融シリカ粉末(スペーサ径10μm)240重量部■ エアロジル 4重量部■ キシレン 44重量部■ シリコーン系カップリング剤 1重量部■ リン系硬化促進剤 1重量部上記■を■に溶解させ、その後■を加えてらい潰機で十分に混練しペースト状の接着剤を得た。
【0038】〔実施例2〕
■ ビスフェノールA型エポキシ樹脂(液状、エポキシ当量196)100重量部■ フェノールノボラック型樹脂(固形、フェノール当量106)38重量部■ ビスフェノールA型フェノール樹脂(液状、フェノール当量226)35重量部■ グラスファイバー粉末(スペーサ棒状粒子:直径20μm)200重量部■ エアロジル 4重量部■ アミン系硬化促進剤 1重量部直径20μmのグラスファイバーを粉砕して■を作製する。これに■を混合し、80℃に加熱して■を溶解させ、放冷後■を加えてらい潰機にて十混練する。これを減圧することにより十分に気泡を抜き、ペースト状接着剤を得た。
【0039】〔実施例3〕
■ ビスフェノールAD型エポキシ樹脂(液状、エポキシ当量178)100重量部■ クレゾールノボラック型樹脂(固形、フェノール当量115)32重量部■ ビスフェノールF型樹脂(液状、フェノール当量135)38重量部■ 溶融シリカ粉末(粒径5μm)69重量部■ 有機高分子球状粒子(スペーサ径20μm)8重量部■ シリコーン系カップリング剤 1重量部■ イミダゾール系硬化促進剤 1重量部■を混合し、加熱して■を溶解させる。放冷後■を加えてらい潰機で十分混練し、減圧下で十分に気泡を抜き、ペースト状接着剤を得た。
【0040】〔比較例1〕
■ ビスフェノールA型エポキシ樹脂(固形、エポキシ当量210)100重量部■ フェノールノボラック型樹脂(固形、フェノール当量170)81重量部■ 銀粉(粒径3μm)679重量部■ ブチルセロソルブアセテート 86重量部■ シリコーン系カップリング剤 1重量部■ イミダゾール系硬化促進剤 1重量部■を■に溶解させ、その後■を加えてらい潰機で十分混練し、ペースト状接着剤を得た。
【0041】前記の各接着剤を用い、図1に示すような7.8mm角の半導体素子1をリードフレーム(素子搭載部8.0mm角)4に固着、加熱硬化し、硬化後の接着層3の厚さを比較した。また、素子を搭載したリードフレーム4をエポキシ樹脂系の封止樹脂5で封止し、封止品の耐はんだリフロー性および耐ヒートサイクル性を評価した。
【0042】耐はんだリフロー性は封止品を85℃、85%RHで所定時間吸湿させた後、245℃で10秒間の加熱を行い、吸湿時間とパッケージクラック発生率との関係を調べた。
【0043】また、耐ヒートサイクル性は封止品を−55℃で30分保持後、+150℃で30分保持するヒートサイクルを繰返したときのサイクル数とパッケージクラック発生率との関係を調べた。これらの結果を表1にまとめて示す。
【0044】
【表1】

【0045】なお、接着層の厚さは次のようにして求めた。
【0046】平均:各試料の最大厚と最小厚の平均を「平均の厚さ」とし、全試料の「平均の厚さ」の平均を取った。
【0047】最小:各試料について最小厚さを測定し、全試料のそれの平均を取った。
【0048】最大:各試料について最大厚さを測定し、全試料のそれの平均を取った。
【0049】表1から明らかなように、各実施例の接着層を設けた半導体装置は、比較例1のものと比べ、耐はんだリフロー性および耐ヒートサイクル性が格段に優れていることが分かる。
【0050】また、本発明はセラミック封止型あるいはキャン封止型の半導体装置にも応用することができる。
【0051】図2はセラミック封止型の半導体装置の模式断面図である。セラミックパッケージ(基板)8の上に半導体素子1を前記スペーサ9入りの接着層3で接着した後、半導体素子1の表面の端子とリードフレーム4とを金ワイヤで接続し、ガラスキャップ6を低融点ガラスからなる接着剤7で接着封止した半導体装置である。上記スペーサ9を含む接着層3を用いることによって、半導体素子1をセラミックパッケージ8上に傾くことなく高精度に接着することができるので、信頼性の優れた半導体装置を作製することができる。
【0052】
【発明の効果】本発明の半導体装置は、半導体素子/素子固着部間の接着層を厚さ一定に高精度に制御したことによって厚さの偏りのない均一層となり、耐ヒートサイクル性,耐はんだリフロー性等の信頼性を向上することができる。




 

 


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