JP2005056888A - 耐熱性シート - Google Patents

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大輔 下川
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Nitto Denko Corp
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Abstract

【課題】半導体チップを樹脂封止する際に、スタンドオフを十分な高さで形成でき、しかも樹脂漏れを好適に防止できる耐熱性シートを提供する。
【解決手段】半導体チップを封止樹脂により片側封止する際に金属リードフレーム10と積層して用いる耐熱性シート20において、封止の際に変形可能な中間層20bと、その中間層20bの上下に積層された耐熱性基材層20a,20cとを備えると共に、前記中間層20bが面内方向に移動するのを防止する閉鎖部22を封止領域の外側に設けたことを特徴とする。
【選択図】 図7

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体チップを樹脂封止する際に封止樹脂面から突出する端子部を形成すべくリードフレームに積層して使用する耐熱性シートに関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、LSIの実装技術において、CSP(Chip Size/ScalePackage)技術が注目されている。この技術のうち、QFN(QuadFlat Non−leaded package)に代表されるリード端子がパッケージ内部に取り込まれた形態のパッケージについては、小型化と高集積の面で特に注目されるパッケージ形態のひとつである。
【0003】
このようなQFNパッケージは片面だけをモールド樹脂により封止する構造であることから、反対面側へのモールド樹脂のはみ出しや廻りこみを抑制するため、リードフレームのアウターリード側に粘着テ−プを貼り付け、この粘着テープの自着力を利用したシール性により、樹脂封止時のアウターリード側への樹脂漏れを防ぐ製造方法が知られている(例えば、特許文献1〜2参照)。
【0004】
しかし、この方法では、一般的なQFNにおいては有効であるものの、近年の半導体の高集積化に伴い、端子が複数列配置されたLLGA(Lead−frame Land Grid Array)パッケージなどでは、個々の端子のサイズが小さいため、テープの粘着力だけでモールド樹脂の廻りこみを抑えることが難しくなってきている。また、基板への実装時の信頼性を高めるために、モールド樹脂面から端子部分がわずかに飛び出している「スタンドオフ」を持っているほうが、基板等の平面性誤差による影響を受けにくく好ましい。つまり、高集積化に伴ったパターンの精細化や、実装時の信頼性向上が求められる場合、従来の単なる耐熱性粘着テープでは充分な対応ができない。
【0005】
そこで、スタンドオフの形成及び立体的なシール効果による樹脂の廻りこみを効果的に防止する事を目的として、構成する部材の1部または全部が変形しやすい材料からなる耐熱性シートを用い、これを予めリードフレームに貼り合せる際に、圧着力によって端子部を耐熱性シートに埋入させる方法が提案されている(例えば、特許文献3参照)。その際、変形しやすい材料として、多孔質膜、熱硬化性樹脂、又は熱可塑性樹脂などが使用されている。
【0006】
【特許文献1】
特開2000−29458号公報(第2頁、図1)
【特許文献2】
特開2002−184801号公報(第2頁、図1)
【特許文献3】
特開2002−222911号公報(第2頁、図7)
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の耐熱性シートの変形しやすい材料として熱可塑性樹脂等を使用して、封止工程において端子部を耐熱性シートに埋入させようとすると、封止工程で樹脂が流動化した際に、耐熱性シートの外側にはみ出して面内方向に薄く延ばされ易くなる。その結果、耐熱性シートにリードフレームの端子部が埋入せずに、効果的に樹脂漏れを防止したり、スタンドオフを形成できない場合がある。
【0008】
そこで、本発明の目的は、半導体チップを樹脂封止する際に、スタンドオフを十分な高さで形成でき、しかも樹脂漏れを好適に防止できる耐熱性シートを提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、下記の如き本発明により達成できる。
即ち、本発明の耐熱性シートは、半導体チップを封止樹脂により片側封止する際に金属リードフレームと積層して用いる耐熱性シートにおいて、封止の際に変形可能な中間層と、その中間層の上下に積層された耐熱性基材層とを備えると共に、前記中間層が面内方向に移動するのを防止する閉鎖部を封止領域の外側に設けたことを特徴とする。
【0010】
本発明によると、中間層が上下の耐熱性基材層に挟まれ、しかも中間層が面内方向に移動するのを防止する閉鎖部を設けているため、中間層が面内方向に薄く延ばされにくくなり、リードフレームの端子部の埋入が十分となるので、スタンドオフを十分な高さで形成でき、しかも樹脂漏れを好適に防止できるようになる。
【0011】
上記において、前記閉鎖部が少なくともシート端辺に設けられていることが好ましい。閉鎖部をシート端辺に設ける場合、シート端辺で上下の耐熱性基材層をヒートシール等するだけで簡易に製造することができ、しかも中間層が面内方向に薄く延ばされるのを防止する効果も十分得ることができる。
【0012】
また、前記中間層は、融点180℃以下の熱可塑性樹脂からなることが好ましい。このような熱可塑性樹脂を使用すると、一般的な封止条件で樹脂が溶融又は軟化するため、リードフレームの端子部の微小な力によっても変形して、端子部を十分埋入させることができる。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。図1は、本発明の耐熱性シートを用いた半導体装置の製造方法の一例を示す工程図である。
【0014】
この実施形態では、図1(a)〜(e)に示すように、耐熱性シート20を積層する積層工程と、半導体チップ15の搭載工程と、ボンディングワイヤ16による接続工程と、封止樹脂17による封止工程と、封止された構造物21を切断する切断工程とを含む例を示す。
【0015】
積層工程は、図1(a)に示すように、開口部11a及び表裏両面の端子部11bを備えるリードフレーム10のアウター側(図の下側)に、開口部11aを塞ぐように耐熱性シート20を積層するものである。このとき、本発明の耐熱性シート20は、積層配置されるだけでもよいが、仮着状態で積層一体化しているのがハンドリングの面で好ましい。耐熱性シート20とリードフレーム10を仮着状態とするには、圧着や融着、接着剤による接合などが利用できる。
【0016】
リードフレーム10とは、例えば銅、銅を含む合金などの金属を素材としてCSPの端子パターンが刻まれたものであり、その電気接点部分には、銀、ニッケル、パラジウム、金などの素材で被覆(めっき)されている場合もある。なお、リードフレーム10の厚みは、50〜300μmが一般的である。
【0017】
リードフレーム10は、後の切断工程にて切り分けやすいよう、個々のQFNの配置パターンが整然と並べられているものが好ましい。例えば図2に示すように、リードフレーム10上に縦横のマトリックス状に配列された形状などは、マトリックスQFNあるいはMAP−QFNなどと呼ばれ、もっとも好ましいリードフレーム形状のひとつである。
【0018】
図2(a)〜(b)に示すように、リードフレーム10のパッケージパターン領域11には、隣接した複数の開口部11aに端子部11bを複数配列した、QFNの基板デザインが整然と配列されている。一般的なQFNの場合、各々の基板デザイン(図2(a)の格子で区分された領域)は、開口部11aの周囲に配列れさた端子部11bと、開口部11aの中央に配置されるダイパッド11cと、ダイパッド11cを開口部11aの4角に支持させるダイバー11dとで構成される。
【0019】
耐熱性シート20は、開口部11aを塞ぐように、少なくともパッケージパターン領域11より外側に積層され、樹脂封止される樹脂封止領域の外側の全周を含む領域に積層するのが好ましい。リードフレーム10は、通常、樹脂封止時の位置決めを行うための、ガイドピン用孔13を端辺近傍に有しており、それを塞がない領域に積層するのが好ましい。また、樹脂封止領域はリードフレーム10の長手方向に複数配置されるため、それらの複数領域を渡るように連続して耐熱性シート20を積層するのが好ましい。耐熱性シート20については、後に詳述する。
【0020】
搭載工程は、図1(b)に示すように、リードフレーム10のダイパッド11c上に半導体チップ15をボンディングする工程である。半導体チップ15とは、例えば半導体集積回路部分であるシリコン・チップを指す。ダイパッド11cは半導体チップ15を固定するためのエリアであり、ダイパッド11cヘのボンディング(固定)の方法は、導電性ペースト19を使用したり、接着テープ、接着剤など各種の方法が用いられる。導電性ペーストや熱硬化性の接着剤等を用いてダイボンドする場合、一般的に150〜200℃程度の温度で30分〜90分程度加熱キュアする。
【0021】
結線工程は、図1(c)に示すように、リードフレーム10のインナー側の端子部11b(インナーリード)と半導体チップ15上の電極パッド15aとをボンディングワイヤ16で電気的に接続する工程である。ボンディングワイヤ16としては、例えば金線あるいはアルミ線などが用いられる。一般的には160〜230℃に加熱された状態で、超音波による振動エネルギーと印加加圧による圧着エネルギーの併用により結線される。その際、リードフレーム10に積層した耐熱性シート20面を真空吸引することで、ヒートブロックに確実に固定することができる。
【0022】
封止工程は、図1(d)に示すように、封止樹脂17により半導体チップ側を片面封止する工程である。封止工程は、リードフレーム10に搭載された半導体チップ15やボンディングワイヤ16を保護するために行われ、とくにエポキシ系の樹脂をはじめとした封止樹脂17を用いて金型中で成型されるのが代表的である。その際、図3に示すように、複数のキャビティを有する上金型18aと下金型18bからなる金型18を用いて、複数の封止樹脂17にて同時に封止工程が行われるのが一般的である。具体的には、例えば樹脂封止時の加熱温度は170〜180℃であり、この温度で数分間キュアされた後、更に、ポストモールドキュアが数時間行われる。なお、耐熱性シート20はポストモールドキュアの前に剥離するのが好ましい。
【0023】
切断工程は、図1(e)に示すように、封止された構造物21を個別の半導体装置21aに切断する工程である。一般的にはダイサーなどの回転切断刃を用いて封止樹脂17の切断部17aをカットする切断工程が挙げられる。
【0024】
一方、本発明の耐熱性シート20は、半導体チップ15を封止樹脂17により片側封止する際に金属リードフレーム10と積層して用いられる。このとき用いられるリードフレーム10は、図1〜図3に示すように、リードフレーム10のアウター側(図の下側)面がフラットなものでもよく、その場合、図4(a)〜(b)に示すように、端子部11bの全面が封止樹脂17面から突出(スタンドオフ)した状態となる。また、図5〜図6に示すように、リードフレーム10のアウター側面が凸状となった端子部11f,11gを有するものでもよい(LLGAタイプ)。その場合、図6に示すように、端子部11f,11gの突出側が封止樹脂17面から突出(スタンドオフ)した状態となる。なお、内周側の端子部11fと外周側の端子部11gとは、リードフレーム10の開口部11aに対して順次交互に配列されている。
【0025】
本発明の耐熱性シート20は、少なくとも封止樹脂による封止工程でかかる加熱に対して耐えるだけの耐熱性を有していればよく、モールド樹脂による封止工程は一般的に175℃前後の温度がかかることから、このような温度条件下での著しい収縮といった変形、あるいは流動や分解などシートそのものが破壊を生じない耐熱性を持っている必要性がある。さらに好ましくは、リードフレームとの合わせる作業性を考慮した場合、ワイヤボンディング工程以前、あるいは半導体チップの搭載工程以前にあらかじめリードフレームと合わせておくことも考えられるため、それぞれの工程に対してもかかる温度に十分耐える熱特性を有していることがさらに好ましい。
【0026】
本発明では、図6に示すように、上記のごとき積層状態で、リードフレーム10の端子部11f,11gの突出側を、例えば深さ5μm以上で耐熱性シート20に埋入させる。すなわち、リードフレーム10の端子部11f,11gのアウター側において、リードフレームの端子部11f,11gと立体的な接触を得ることで、従来技術のようなテープの粘着力だけでは抑えにくかった小型の端子部分に関しても立体的にシールすることで、樹脂の廻りこみをよく抑えることが出来る。
【0027】
また、耐熱性シート20に埋入している分だけ、封止樹脂17による封止が行われないことから、結果的にスタンドオフを形成することとなり、半導体装置の基板等への実装信頼性も向上する。この場合のスタンドオフは少なくとも5μm以上、好ましくは10〜100μm程度、さらに好ましくは30〜50μm程度が効果的である。従って、耐熱性シート20に埋入する深さも、10〜50μmが好ましい。
【0028】
本発明の耐熱性シート20は、図7に示すように、封止の際に変形可能な中間層20bと、その中間層20bの上下に積層された耐熱性基材層20a,20cとを備える。このとき、上面に積層された耐熱性基材層20aも封止の際に変形可能な材料や厚みが好ましい。
【0029】
また、本発明では、前記中間層20bが面内方向に移動するのを防止する閉鎖部22を封止領域の外側に設けてある。本実施形態では、図7に示すように、閉鎖部22が、耐熱性シート20の少なくともシート端辺に設けられている例を示す。
【0030】
中間層20bとしては、封止の際に変形可能なものであればよく、多孔質膜や、封止の際に熱変形する熱可塑性樹脂又は熱硬化性樹脂などが使用できる。多孔質膜を使用する場合、封止工程におけるリードフレーム10の端子部11f,11gの微小な力によっても変形し易いようにものが好ましい。
【0031】
具体的には、多孔質膜を形成する樹脂としては、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)等のフッ素樹脂、又はポリイミド、ポリエステル、ポリアミド、特に芳香族ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、ポリエーテルサルホン等が挙げられる。また、多孔質層は、湿式凝固法、乾式凝固法、延伸法など種々の製膜法にて形成することができる。
【0032】
また、多孔質層の空孔率は、好適な埋入深さを得る上での変形のしやすさから、少なくとも30%以上、更に取扱い性なども考慮すると、40〜80%程度であることがよい。また、多孔質層の厚みは、同様の理由から、10〜500μmが好ましく、さらに好ましくは40〜200μm程度が効果的である。
【0033】
熱可塑性樹脂としては、融点180℃以下の熱可塑性樹脂が好ましく、例えばポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン系樹脂、その他のビニル系樹脂、アクリル系樹脂等が挙げられる。また、熱硬化性樹脂としては未硬化又は半硬化状態のものであって、封止工程で一時的に軟化するもの等が挙げられる。
【0034】
上面(封止側)に積層される耐熱性基材層20aの材質としては、封止樹脂との離型性、および中間層20bの変形に対する追従性の点から、フッ素樹脂、例えばポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)等が好適なものとして挙げられる。また、端子部の埋入を好適にする上で、非多孔質層の厚みは5〜50μmが好ましい。
【0035】
また、下面(金型側)に積層される耐熱性基材層20cの材質としては、前述した耐熱性を有していればよく、上記の樹脂の他、アルミニウム箔などの金属箔や、耐熱性樹脂フィルムが使用できる。耐熱性樹脂フィルムとしては、耐熱性の高いポリイミドフィルムやアラミドフィルムの他、ポリエチレンテレフタレート(PET)フィルム、ポリエチレンナフタレート(PEN)フィルム、ポリエーテルサルフォン(PES)フィルム、ポリエーテルイミド(PEI)フィルム、ポリサルフォン(PSF)フィルム、ポリフェニレンサルファイド(PPS)フィルム、ポリアリレート(PAR)フィルム、又は液晶ポリマー(LCP)フィルムなどが挙げられる。基材層の厚みは、耐熱性シートの引き剥がし時に、破断を生じにくくする上で、10〜100μmが好ましく、20〜50μmがより好ましい。
【0036】
また、閉鎖部22を耐熱性シート20のシート端辺に設ける方法としては、例えば、A:その中間層20bの端辺に耐熱性を有する別の材料や接着材を配置等して、上下の耐熱性基材層20a,20cを接着等して密閉する構造、B:上下の耐熱性基材層20a,20cのシート端辺を接着代とし、その部分を加熱して耐熱性基材同士を熱融着して密閉した構造などが挙げられる。
【0037】
〔別の実施形態〕
(1)前述の実施形態では、耐熱性シートのシート端辺に閉鎖部を設ける例を示したが、本発明では、閉鎖部を封止領域の外側の何れの位置に設けてもよい。例えば図8(a)に示すように、封止領域Aの周囲の近傍全周に閉鎖部22を設けることも可能である。この場合、より効果的に流動化した中間層20bが面内方向に薄く延ばされるのを防止することができる。
【0038】
また、図8(b)に示すように、封止領域Aの周囲の全周を閉鎖部22が囲うように、閉鎖部22をシート端辺に設けると共に、複数の封止領域Aの間にシート全幅にわたる閉鎖部22を設けてもよい。このような耐熱性シート20は、シート端辺のヒートシール等に加えて、一定間隔で直線状に接着又はヒートシール等を行えばよいので、比較的容易に耐熱性シート20を製造することができる。
【0039】
(2)前述の実施形態では、ダイパッドを有するリードフレームを用いた半導体装置の製造方法の例を示したが、ダイパッドを有しないリードフレームを用いてもよい。また、端子部の配置形状なども何れでもよい。またリードフレームは、少なくとも端子部が金属製であればよく、他の部分は耐熱性樹脂やセラミックス等で形成されていてもよい。
【0040】
(3)前述の実施形態では、ボンディングワイヤにて接続工程を行う例を示したが、例えば半導体チップの下側に設けた電極パッドと端子部との間で、はんだ等のソルダーによる接続を行ってもよい。これは、第2実施形態についても同様である。
【0041】
(4)前述の実施形態では、複数の半導体チップ15を同じキャビティ内で一括封止する例を示したが、液状の封止樹脂を用いて、ポッティング後に硬化させてもよい。また、1つの半導体チップのみをキャビティ内で個別封止してもよい。個別封止の場合、封止樹脂を切断する工程が不要となる。
【0042】
【実施例】
以下、実施例によって本発明の具体的構成方法を説明する。なお、本発明はこれらの実施例によって何ら制限されるものではない。
【0043】
実施例1
住友化学製のスミカセンG201を、Tダイ押出し機にてダイス温度200℃で成膜し、厚さ30μm、融点107℃のポリエチレンシートを得た。このシートの上下に、厚さ10μmのPTFEキャスティングフィルムを貼り合せた後、両側のシート端辺を加熱・加圧し、PTFEキャスティングフィルム同士を接着させることでポリエチレンシートを密閉して、耐熱性シート1を得た。
【0044】
比較例1
実施例1と同様にして得たポリエチレンシートの上下に、厚さ10μmPTFEキャスティングフィルムを貼り合せた。その両側面はシールすることなく、中間層のポリエチレンシートをPTFEキャスティングフイルムで挟んだだけの構造の耐熱性シート2を得た。
【0045】
比較例2
融点500℃以上の25μmポリイミドフィルム(東レデュポン製カプトン100H)を中間層としてその上下に、厚さ10μmPTFEキャスティングフィルムを貼り合せた後、両側面を加熱・加圧し、PTFEキャスティングフィルム同士を接着させることでポリイミドフィルムを密閉して、耐熱性シート3を得た。
【0046】
評価試験
これら耐熱性シート1〜3を使用して、以下の方法でLLGAタイプの半導体装置を得た。
【0047】
端子部分に銀めっきが施された一片が9Pin×2列配列タイプのLLGAが3個×3個に配列された銅製のリードフレームのアウターパッド側に、耐熱性シートを圧着した。このリードフレームのダイパッド部分に半導体チップをエポキシフェノール系の銀ペーストを用いて接着し、180℃にて1時間ほどキュアすることで固定した。リードフレームは耐熱性シート側から真空吸引する形で200℃に加熱したヒートブロックに固定し、さらにリードフレームの周辺部分をウインドクランパーにて押さえて固定した。これらを、日本アビオニクス製の60KHzワイヤボンダーを用いてφ25μmの金線(田中貴金属製GLD−25)にてワイヤボンディングを行った。
【0048】
エポキシ系モールド樹脂(日東電工製HC−300)により、これらをモールドマシン(TOWA製Model−Y−serise)を用いて、175℃で、プレヒート40秒、インジェクション時間11.5秒、キュア時間120秒にてモールドした後、耐熱性シートを剥離した。175℃にて3時間ほどポストモールドキュアを行って樹脂を十分に硬化させた後、ダイサーによって切断して、個々のLLGAタイプ半導体装置を得た。このようにして各耐熱性シートを使用して得られたLLGA半導体装置の、樹脂の漏れ具合、及び各リード端子部分のスタンドオフを確認した。その結果を表1に示す。
【0049】
【表1】
Figure 2005056888
表1の結果が示すように、本発明の耐熱性シートによると、半導体チップを樹脂封止する際に、スタンドオフを十分な高さで形成でき、しかも樹脂漏れを好適に防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】一般的な半導体装置の製造方法の例を示す工程図
【図2】本発明におけるリードフレームの一例を示す図であり、(a)は平面図、(b)は要部拡大図、(c)は樹脂封止後の状態を示す正面視断面図
【図3】本発明における樹脂封止工程の一例を示す縦断面図
【図4】本発明によって得られる半導体装置の一例を示す図であり、(a)は底面図、(b)は正面視断面図
【図5】本発明によって得られる半導体装置の他の例を示す図であり、(a)は底面図、(b)は正面視断面図
【図6】耐熱性シートを剥離する前の図5の半導体装置を示す正面視断面図
【図7】耐熱性シートを剥離する前の半導体装置の一例を示す要部拡大した正面視断面図
【図8】本発明の耐熱性シートの他の例を示す平面図
【符号の説明】
10 リードフレーム
11a 開口部
11b 端子部
11c ダイパッド
11f〜g 端子部
15 半導体チップ
15a 電極パッド
16 ボンディングワイヤ
17 封止樹脂
20 耐熱性シート
20a 耐熱性基材層(上面側)
20b 中間層
20c 耐熱性基材層(下面側)
21 封止された構造物
21a 半導体装置
22 閉鎖部
A 封止領域

Claims (3)

  1. 半導体チップを封止樹脂により片側封止する際に金属リードフレームと積層して用いる耐熱性シートにおいて、封止の際に変形可能な中間層と、その中間層の上下に積層された耐熱性基材層とを備えると共に、前記中間層が面内方向に移動するのを防止する閉鎖部を封止領域の外側に設けたことを特徴とする耐熱性シート。
  2. 前記閉鎖部が少なくともシート端辺に設けられている請求項1記載の耐熱性シート。
  3. 前記中間層は、融点180℃以下の熱可塑性樹脂からなる請求項1又は2に記載の耐熱性シート。
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