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Die Erfindung bezieht sich auf eine mit Harz vergossene
Halbleitervorrichtung, die eine hohe Zuverlässigkeit beim
Wärmezyklus- und Schlagfestigkeitstest zeigt.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Fig. 1 ist eine teilweise weggebrochene Perspektivdarstellung
einer harz-vergossenen Halbleitervorrichtung dieser Erfindung.
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Fig. 2 ist eine Querschnittsdarstellung der Vorrichtung von
Fig. 1.
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Die harz-vergossene Halbleitervorrichtung unserer Erfindung
wird unter Bezugnahme auf die in den Fig. 1 und 2 enthaltenen
Zeichnungen erläutert.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Beispiel 1. Harz-vergossene Halbleitervorrichtungen wurden nach
den folgenden Verfahren hergstellt:
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(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.
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(2) Die Kontaktierflecken 6 am auf der Schaltungskarte 2
befestigten Halbleiterelement 1 wurden dann durch
Goldkontaktierdrähte 7 mit den Silber-Paladium-Leitern 5 verbunden.
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(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.
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(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.
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(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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.