JP2588972B2 - 包封電子デバイス製品および包封装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は高分子包封剤により包封された電子デバイス
に関する。更に詳細には、本発明はシリコンゲルにより
包封された電子デバイスに関する。

［従来の技術］ シリコン樹脂はその比較的熱安定性、誘電特性、化学
的安定性および耐大気劣化性により、多方面に使用され
ている。米国特許第4564562号明細書には、電子デバイ
ス（特に、混成集積回路）用の包封剤としてシリコン樹
脂を使用することが開示されている。混成集積回路は、
半導体チップ（通常はシリコンチップ）をセラミック基
板上の回路パターンのボンディングパッド領域に接続す
るものである。米国特許第4564562号明細書に開示され
た発明は、金および窒化タンタル表面への樹脂の接着力
を高めるために、樹脂中で特定の添加剤を使用してい
る。この添加剤は時には、回路パターンとして使用され
ている金属類である。

ワイヤボンディングは集積回路チップと基板を接続す
るための常用技術である。これは、チップから基板まで
弧状に延びる繊細なワイヤの形成工程を含む。米国特許
第4564562号明細書に開示されているようなシリコン樹
脂は硬化中の不可避的な熱応力により繊細な接続ワイヤ
を断線させる傾向があるので、ワイヤボンディングされ
たチップで使用する場合、時には信頼できないこともあ
ることが発見された。シリコンゲル（ビニルおよび水素
化物反応性官能基を有するポリジメチルシロキサンまた
はポリメチルフェニルシロキサンのような白金で触媒さ
れたシリコン樹脂）は接続ワイヤを断線することなく包
封するのに十分な弾性を有するが、硬化後も比較的軟質
なゴム様またはゼリー様の稠度を保持する。この特性は
多くの目的に好適であるが、比較的粗雑な取り扱いを受
けた場合に精密なシリコンチップを保護することはでき
ない。特に、例えば、硬い物体の角が衝突した場合、裂
けたり、あるいは、割れたりしやすい。更に、混成集積
回路基板を洗浄するのに使用されるフレオン（デュポン
社の登録商標）のような溶剤に対する耐性が不十分であ
る。電子デバイス用のシリコンゲル包封剤に関する一層
完全な論考は“アドバンシス イン ポリマー サイエ
ンス",Vol.84,1988,p.64〜p.78におけるシー・ピー・ウ
オンの「電子部品の包封におけるポリマーの応用」と題
する論文に開示されている。

デバイス包封の別の方法は、チップまたはそのリード
線と物理的に接触しない、プラスチックまたはセラミッ
クのような硬質材料からなるパッケージを含む。このよ
うなパッケージは粗雑な取り扱いに伴う苛酷さには耐え
られるが、シリコン樹脂のように電子デバイスの素子を
包封することはできず、そのため、衝撃などに対する保
護効果の点では劣る。プラスチックのような多くの材料
は電気的特性が不適当なのでチップを包封することはで
きない。エポキシ樹脂のようなその他の材料は製作中の
熱応力により繊細なボンディングワイヤを断線すること
があるので包封剤としては使用できない。

［発明が解決しようとする課題］ 従って、電子デバイスの周囲を流動して該デバイスを
包封することができ、適当な接着特性、電気的特性、耐
熱性、耐溶剤性および耐衝撃性を有し、更に、粗雑な取
り扱いにも耐えうる十分に硬い外表面を有する包封剤の
提供が強く望まれている。

［課題を解決するための手段］ 本発明によれば、白金触媒を有するシリコンゲル（ビ
ニル官能基を少なくとも10％と水素化物官能基を少なく
とこ10％含有する、ポリジメチルシロキサン及びポリメ
チルフェニルシロキサンの混合物からなる）15〜30wt
％，二酸化ケイ素50〜80wt％および水素化ケイ素５〜20
wt％からなる材料により電子デバイスを包封する。未硬
化状態では、この材料は粘稠であり、従来のシリコンゲ
ルと同様な方法で電子デバイス上を流動させることがで
きる。しかし、後で詳細に説明するように、硬化される
と、その外面は非常に硬質になるが、その構造体は熱応
力（特に、ボンディングワイヤ上の熱応力）を吸収する
のに十分な弾性を維持している。更に、硬化後も樹脂は
衝撃吸収性を与えるほど十分な弾性を有する。従って、
シリコンゲル包封剤と硬質パッケージ包封剤の双方の最
良の特性が得られる。特に、本発明者が知る限りでは、
従来の他の材料では得られなかった独特な機械的特性に
加えて、耐溶剤性およびセラミック、金および銅に対す
る接着性などの特性が得られる。

特開昭64−22967号公報には、１）平均式R_aSiO
_４−a/2（Ｒは炭素数１〜８の非置換又は置換１価炭化
水素基,aは1.9〜2.07）で示される、１分子中に脂肪族
不飽和基を少なくとも１個含有する25℃における粘度が
50〜1000cSであるオルガノポリシロキサン100重量部、
２）１分子中にケイ素原子を結合した水素原子を少なく
とも２個有するオルガノハイドロジェンポリシロキサン
0.1〜50重量部、３）シリコ粉100〜1000重量部、４）白
金触媒及び、５）１分子中に少なくとも１個のヒドロシ
リル化官能基及び／又はSiOH基を含有する分子量が2300
以下の有機ケイ素化合物0.5〜30重量部とからなる硬化
性液状シリコーンゴム組成物が開示されている。しか
し、この組成物は本発明の包封材料とは次の点で異な
る。ａ）本発明のシリコンゲルはビニル官能基に加えて
水素化物官能基も含有するが前記公報に記載されたオル
ガノポリシロキサンはビニル官能基しか含有しない。
ｂ）本発明のシリコンゲルはポリジメチルシロキサン及
びポリメチルフェニルシロキサンの混合物からなるのに
対し、前記公報に記載されたオルガノポリシロキサンは
単独化合物のみからなる。ｃ）本発明で使用されるポリ
メチルヒドロシロキサンは前記公報に記載された２）オ
ルガノハイドロジェンポリシロキサン及び５）有機ケイ
素化合物の何れにも該当しない、及び、ｄ）本発明の包
封材料ではシリコンゲル，二酸化ケイ素及びポリメチル
ヒドロシロキサン以外の成分は使用しないが、前記公報
に記載されたシリコーンゴム組成物は、５）１分子中に
少なくとも１個のヒドロシリル化官能基及び／又はSiOH
基を含有する分子量が2300以下の有機ケイ素化合物も含
有する。従って、前記公報は本発明の包封材料を示唆あ
るいは教示するものではなく、本発明と全く無関係であ
る。

［実施例］ 以下、実施例により本発明を更に詳細に説明する。

米国特許第4564562号明細書には金サーマルパッドに
接着することができ、しかも、デバイスの洗浄に使用さ
れる溶剤に対して耐性であるシリコン樹脂の必要性が若
干詳細に記載されている。前記特許明細書には、不適当
な接着特性を有する材料で包封されたデバイスが例示さ
れている。

本明細書に添付された図面は、前記のような欠点を有
しない、本発明により包封された代表的な電子デバイス
10を示している。図示されたデバイスはセラミック基板
12上に実装されたシリコンチップ11からなる混成集積回
路である。基板の表面には回路パターンを画成する金属
層13が形成されている。金属層13は複数個のボンディン
グパッド14を有する。ポンディングパッド14は金属ワイ
ヤ15により半導体チップに接続される。本発明によれ
ば、半導体チップ、金属ワイヤ15、ボンディングパッド
14および金属層13の少なくとも一部分の全露出面がシリ
コンゲル17により被覆される。包封剤は最初塗布された
状態では粘稠であり、チップ11および金属ワイヤ15の周
囲を流動してチップや金属ワイヤを包封することができ
る。その後、硬化させることにより包封剤17を固化させ
る。しかし、外表面組織が硬質になる間、その組成は、
緩衝器を構成し、かつ、示差熱膨張および被包封素子の
ヤング率により発生された応力を吸収するのに十分な可
撓性を維持するようなものである。特に、約150℃で硬
化中、熱応力により金属ワイヤ15が一本たりとも断線さ
れないことが重要である。

本発明によれば、樹脂17は、白金触媒を有するシリコ
ンゲル（ビニル官能基を少なくとも10％と水素化物官能
基を少なくとも10％含有する、ポリジメチルシロキサン
及びポリメチルフェニルシロキサンの混合物からなる）
15〜30wt％，二酸化ケイ素50〜80wt％および水素化ケイ
素５〜20wt％からなる材料から構成されている。増量剤
として機能する二酸化ケイ素は少量のヒュームドシリカ
を含む粉末溶融シリカが好ましい。水素化ケイ素はシリ
コンゲルマトリックス中の架橋密度を増大させることに
より、その硬度を高める。二酸化ケイ素は包封剤の耐溶
剤性を改善する。二酸化ケイ素および水素化ケイ素の双
方とも包封剤の接着特性を高める。

表Ｉの組成物を調製し、テストした。表Ｉに示された
組成物の全てについて、電気的または機械的不良なしに
150℃で２時間硬化させることにより包封を行った。し
かし、硬化温度は必須要件ではないと思われる。使用さ
れたシリコンゲルは全ての組成物において、米国ミシガ
ン州のミッドランドに所在するダウ・コーニング社から
市販されている、ポリジメチルシロキサンとポリメチル
フェニルシロキサンシリコンゲルからなるDC3−4939で
あった。これはシリコンの他の少量の白金触媒を含有す
る。全ての組成物において、水素化ケイ素はポリメチル
ヒドロシロキサンを使用した。使用されたポリメチルヒ
ドロシロキサンは米国ペンシルベニア州のブリストルに
所在するダイナミック・ノーベル社のペトラルッチ デ
ィビジョンから、“P.S.118"またはP.S.123"という商品
コードで市販されている組成物である。公知なように、
長い硬化時間には耐えられれば120℃程度の低い硬化温
度も使用できる。また、200℃程度の高い硬化温度も使
用できる。この場合、硬化時間は若干短くなる。全ての
完成組成物のショアーＤ硬度は、ASTM法により測定し
て、約30であり、それ自体が、例えば、引裂きまたは顕
著な変形を起こすことなく、ねじ廻しの先端による手動
の鋭い突きに耐えることができる。全ての組成物につい
て、フレオンTMC中で30〜60分間煮沸することにより接
着性をテストした。フレオンTMCはフレオンTF（登録商
標）、塩化メチレンおよび安定剤を含有する、デュポン
社から市販されている製品である。この条件下で全ての
組成物は膨潤することなく接着性を示した。

表Ｉの実施例４の材料で包封された集積回路チップに
ついて行われた比較温度サイクルテストの結果を表IIに
示す。表IIでは“Ex4"で示されている。比較テストは、
フレイン（Furane）エポキシ“グロップトップ（glop t
op）”（米国カリフォルニア州、ロスアンジェルスに所
在するフレイン社から市販されているエポキシであ
る）、ハイソル（Hysolエポキシグロップトップ（米国
カリフォリニア州、オンタリオに所在するハイソル社か
ら市販されているエポキシである）およびシリコングロ
ップトップ（米国ミシガン州、ミッドランドに所在する
ダウ・コーニング社から市販されているシリコン樹脂で
ある）で被覆されたチップにより行った。本発明者の知
る限りでは、比較テスト用に選択されたこれら３種類の
包封剤は、この目的に現在利用されているもののうち最
良のものである。

各テストは熱応力により断線しやすい多数のボンディ
ングワイヤを含む集積回路チップの包封剤について行っ
た。ワイヤが一本でも断線したら不良品とする。各温度
サイクルは45分間で−40℃から130℃まで上昇し、そし
て、再び−40℃に戻す周期からなり、最高温度および最
低温度で20分間の休止時間を置いた。各欄の最初の数字
は不良品数を示し、二番目の数字は検体数を示す。例え
ば、100サイクルの場合、フレイン包封剤の133検体のう
ち不良品が２個発生した。150サイクルでは、残りの131
検体のうち更に９個の不良品が発生した。950サイクル
では、Ex4の包封剤の22検体のうち不良品は１個しか発
生しなかった。この事実は、ワイヤボンディングされた
集積回路に関して、本発明の包封剤は従来の包封剤より
も極限温度に対して一層良好な耐性を有することを示し
ている。

前記の仕様は本発明を例証するために示されたもので
ある。本発明にもとることなく、様々な変更を為し得る
ことは当業者に自明である。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、電子デバイス
の周囲を流動して該デバイスを包封することができ、適
当な接着特性、電気的特性、耐熱性、耐溶剤性および耐
衝撃性を有し、更に、粗雑な取り扱いにも耐えうる十分
に硬い外表面を有する包封剤が得られる。

【図面の簡単な説明】

添付図面は本発明の代表的な実施例による包封電子デバ
イスの断面図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭64−22967（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−275354（ＪＰ，Ａ)

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ワイヤボンディングされた半導体チップ
   が、シリコン樹脂を含む包封材料により包封されてなる
   包封電子デバイス製品において、 前記包封材料は、 （ａ）ビニル官能基を少なくとも10％と水素化物官能基
   を少なくとも10％含有する、ポリジメチルシロキサン及
   びポリメチルフェニルシロキサンの混合物からなり、触
   媒量の白金触媒を含有するシリコンゲル15〜30重量％
   と， （ｂ）溶融シリカとヒュームドシリカの混合物からなる
   二酸化ケイ素50〜80重量％と， （ｃ）ポリメチルヒドロシロキサン５〜20重量％とから
   なり、 前記包封材料は、前記成分以外の成分を実質的に含まな
   い、 ことを特徴とする包封電子デバイス製品。
2. 【請求項２】前記半導体チップは、基板上に実装され、
   電気導体により前記基板に接続されており、前記包封材
   料および前記基板によって前記半導体チップと前記電気
   導体とが包封されていることを特徴とする請求項１記載
   の製品。
3. 【請求項３】ワイヤボンディングされた集積回路の包封
   方法において、 （ｉ）（ａ）ビニル官能基を少なくとも10％と水素化物
   官能基を少なくとも10％含有する、ポリジメチルシロキ
   サン及びポリメチルフェニルシロキサンの混合物からな
   り、触媒量の白金触媒を含有するシリコンゲル15〜30重
   量％と，（ｂ）溶融シリカとヒュームドシリカの混合物
   からなる二酸化ケイ素50〜80重量％と，（ｃ）ポリメチ
   ルヒドロシロキサン５〜20重量％とを混合するステップ
   と， （ii）前記混合物で前記ワイヤボンディングされた集積
   回路を被覆するステップと、 （iii）120℃〜200℃の温度で前記混合物を固化させる
   のに十分な時間にわたって加熱することにより前記混合
   物を硬化させるステップと、 からなることを特徴とするワイヤボンディングされた集
   積回路の包封方法。