JP2006198813A - 封止成形方法及び封止成形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体パッケージの封止成形において、メルトフロントによってトラップされたエアに起因するウェルドボイドを防止する封止成形方法。
【解決手段】トラップされたエアを、成形温度での加圧下で気体から液体に相変化する揮発性物質で置き換え、加圧下での体積収縮によりウェルドボイドを防止するもので、置換法として、(1)成形樹脂コンパウンドに飽和蒸気圧が温度50℃から150℃の間に0.1MPaなる点を有し、且つ温度160℃から190℃の範囲で、飽和蒸気圧が0.1MPa以上、7MPa未満の物質を質量比率で0.02％以上、0.1％以下含有させ、成形温度条件で揮発させエアと置換する、または(2)成形前に金型キャビティ内に前記物質を充満して前記金型キャビティ内のエアを排出して、所望の成形を行う。
【選択図】図１０

Description

本発明は、封止成形方法及び封止成形装置に関する。

半導体封止成形は、エポキシ樹脂系成形樹脂コンパウンドを用いてトランスファ成形法によって半導体パッケージを封止する方法が主流である。その場合、成形条件は、金型温度範囲160〜190℃、成形圧力(保圧力)範囲7〜12ＭＰaが通常である。この封止成形において、成形不良の一つにウェルドボイドの問題がある。その一例として図１に示すようなMAP（Mold Array Package）１と呼ばれる一括封止パッケージを例に挙げて以下に説明する。図１はMAPの成形方法の一例を示す概略図であり、（ａ）は成形装置内のMAP（組立て品）１付近の上面図、（ｂ）は（ａ）のＡＡ断面図である。

MAPは、回路基板２に複数の半導体チップ3を搭載したものを成形装置の金型キャビティ５内に設置し、成形樹脂コンパウンドをカル６からランナ及びゲート７を経て金型キャビティ５内へ導入し、一括封止成形後、切断して個々のパッケージとして供するものである。なお、図１では半導体チップ３は金ワイヤ４で配線されている。このMAP成形では、半導体チップ部とそれ以外の部分での樹脂流路形状（主として厚み）の違いにより、流動のインバランスが生じる。図２の（ａ）はウェルドボイドの発生過程の一例を示す上面概略図であり、（ｂ）は（ａ）のウェルドボイドの発生状態を示す上面概略図である。図２（ａ）に示すように成形樹脂コンパウンド溶融体８が樹脂の流動方向９に沿って流れると、メルトフロント１０（流動先端）によりエア（空気）がトラップされる。このトラップエア１１は、保圧工程にて圧力（通常7〜12MPa）によって圧縮されてボイルシャルル則により体積が小さくなるが、トラップエアの体積が大きい場合、図２（ｂ）のようにウェルドボイド１２と呼ばれる空隙部（ボイド）として半導体パッケージに残留する。このウェルドボイドは、外部からの水分の浸入を促し、半導体パッケージの信頼性を著しく低下させる。そのため、このようなウェルドボイドを防止することが不可欠となっている。

ボイド抑制の従来技術としては、(1)成形樹脂コンパウンドに含まれる揮発成分（水分、メタノールなど）を抑えるために、前記コンパウンド混練工程での脱気や、吸湿を防止するために乾燥状態での保管をする方法（例えば、特許文献１〜３参照。）、(2)コンパウンドのタブレット化工程では、エア分を少なくするためにタブレット密度を向上させるなどの方法（例えば、特許文献４参照。）が取られている。また、封止成形方法としては、(3)金型キャビティ内のエアを予め排出して成形する真空成形と呼ばれる方法（例えば、特許文献５又は６参照。）が開発されて来ている。

しかし、前者(1)の樹脂コンパウンド中の揮発成分や吸湿を極小にする方法は、必ずしも前述したウェルドボイドの防止に効果的ではないことが判明してきた。一方、(3)の真空成形法は、該ウェルドボイドの防止に極めて効果的であるが、減圧の影響により溶融樹脂のメルトフロントが不安定になり、これによって図３に示すように金ワイヤが常圧成形に比べて大きく変形し、電気的ショートを起すという問題を含んでいることが分かってきた（例えば、非特許文献１参照。）。図３に、前記MAPの常圧成形及び真空成形した金ワイヤの、各変形率（ｄ／Ｌ）を示す。ここで、ｄはワイヤ変形の最大幅、Ｌはワイヤ両端の距離を示す。
特開昭６１−２６１３１６号公報 特開平７−１５７５３７号公報 特開２００４−２６１９６６号公報 特開２００３−１５５３２８号公報 特開平５−１１１９３２号公報 特開平５−２００７６９号公報 M. Yoshii, et al, Influence of Ambient Pressure inside Cavity on Wire Sweep During Plastic Encapsulation of IC, Asian Workshop on Polymer Processing in Singapore 2002, April (2002)

前述したように、ウェルドボイドは、図２に示すようにメルトフロント１０（流動先端）によりエア（空気）がトラップされ、このトラップエア１１が成形圧力によって圧縮されるが、最終的に体積がゼロとならず空隙部として残留したものである。そこで、本発明者らは主原因の「エア」に焦点をあて、その防止法を検討して本発明に至った。

よって、本発明は、飽和蒸気圧が、温度50℃から150℃の間に0.1MPaなる点、1気圧での揮発点を有し、且つ温度160℃から190℃の範囲で、飽和飽和蒸気圧0.1MPa以上、7MPa未満の揮発性物質を、質量比率で0.02％以上0.1％以下を含有した樹脂コンパウンドを用いて成形することを特徴とする半導体封止成形方法に関する。
また、本発明は、前記揮発性物質が、水分である成形樹脂コンパウンドを用いて成形することを特徴とする半導体封止成形方法に関する。
さらに、本発明は、従来の成形樹脂コンパウンドを用いて、飽和蒸気圧が、温度50℃から150℃の間に0.1MPaなる点を有し、且つ温度160℃から190℃の範囲で、飽和蒸気圧が0.1MPa以上、7MPa未満の揮発性物質を、成形金型キャビティに導入、充満した後に、該成形樹脂コンパウンドを充填することを特徴とする半導体封止成形方法及びそれを実現する封止成形装置に関する。

本発明は以下に関する。
（１）飽和蒸気圧が温度50℃から150℃の間に0.1MPaなる点を有し、且つ温度160℃から190℃の範囲で、飽和蒸気圧が0.1MPa以上、7MPa未満の物質を、質量比率で0.02％以上、0.1％以下を含有した成形樹脂コンパウンドを用いて成形することを特徴とする封止成形方法。
（２）質量比率で0.02％以上0.1％以下の水分を含有した成形樹脂コンパウンドを用いて成形することを特徴とする封止成形方法。
（３）飽和蒸気圧が温度50℃から150℃の間に0.1MPaなる点を有し、且つ温度160℃から190℃の範囲で、飽和蒸気圧が0.1MPa以上、7MPa未満の物質の雰囲気中で、成形樹脂コンパウンドを金型キャビティに充填することを特徴とする封止成形方法。
（４）飽和蒸気圧が温度50℃から150℃の間に0.1MPaなる点を有し、且つ温度160℃から190℃の範囲で、飽和蒸気圧が0.1MPa以上、7MPa未満の物質を、金型キャビティに導入、充満するための機構を設けたことを特徴とする封止成形装置。

本発明は半導体パッケージ成形におけるウェルドボイドの防止に好適である。

本発明は、ウェルドボイドの発生原因であるトラップされたエアを、成形温度での加圧下で気体から液体に相変化する揮発性物質で置き換え、加圧下での体積収縮によりウェルドボイドを防止する。該揮発性物質との置換法として、(1)成形樹脂コンパウンドに該揮発性物質を含有させ、成形温度条件で揮発させてエアと置換すること、(2)成形前に金型キャビティ内に該揮発物質を充満して該金型キャビティ内のエアを排出して、所望の成形を行うことに着目した。

エアは、通常の成形条件である金型温度範囲160〜190℃、保圧力7〜12MPaでは液化せず、体積はボイルシャルル則に従って小さくなるだけである（保圧力7MPaでは、体積は70分の1になる。）。そこで、エアの代わりに成形温度条件で飽和蒸気圧が7MPa未満の揮発性の物質に置換することができれば、トラップされた該揮発性物質は液化してエアよりも大幅に体積が小さくなり（水の場合、液化により体積は約2,000分の１になる。）、ボイド防止あるいはその大きさを許容範囲内に抑えることができる。この原理を、図４に示した飽和蒸気圧線図を用いて説明する。図４中の飽和蒸気圧線１３、１４、１５、１６はそれぞれメタノール、エタノール、水及びトルエンの、温度による飽和蒸気圧の変化を示す。成形樹脂コンパウンドに含有される揮発性物質、あるいは金型キャビティ内に予め充満された揮発性物質は、温度50℃から150℃の間に0.1MPaの領域１７で飽和蒸気圧点を有しているので成形温度（金型温度）で気化して、金型キャビティ内のエアをベントから排出し、エアと置換する。少なくとも、メルトフロントでトラップされる領域は、この気化した揮発性物質に置き換わる。成形条件の一例として、成形温度175℃で充填が完了し（図４中のＡ点参照）、圧力7MPaでの保圧工程に移れば（図４中のＢ点参照）、トラップされた該揮発性物質は液化して体積が急激に小さくなりウェルドボイドとして残留することを防止できる。

本発明に用いる成形樹脂コンパウンドは、飽和蒸気圧が、温度50℃から150℃の間に0.1MPaなる点を有し、且つ温度160℃から190℃の範囲で、飽和蒸気圧が0.1MPa以上、7MPa未満の物質を含有成分とする。
前記物質としては、例えば、図４にその飽和蒸気圧線図を示した水分、エタノール、メタノール、トルエン等の揮発性物質が挙げられ、その中でも、樹脂製造後やタブレット成形後に容易な方法によってその量を制御できるという観点から、水分が好ましい。成形封止樹脂コンパウンドは、エポキシ樹脂系半導体封止樹脂等が挙げられ、例えば、エポキシ樹脂、硬化剤、シリカフィラ、その他離型剤、カーボンブラックなどを組成とする。

本発明に用いる成形樹脂コンパウンドにおいて、飽和蒸気圧が、温度50℃から150℃の間に0.1MPaなる点を有し、且つ温度160℃から190℃の範囲で、飽和蒸気圧が0.1MPa以上、7MPa未満の物質の含有量は、成形樹脂コンパウンド総質量に対して、質量比率で0.02％以上0.1％以下とすることが好ましく、ウェルドボイド防止効果の促進及び樹脂の硬化性（硬化後の硬度）低下の抑制のためには0.03％〜0.06％とすることがより好ましい。

本発明の第一の実施形態である封止成形方法は、上記の飽和蒸気圧特性を有する物質を質量比率で0.02％以上0.1％以下含有する成形樹脂コンパウンドを用いて成形することを特徴とする。

本発明の第二の実施形態である封止成形方法に関しては、飽和蒸気圧が、温度50℃から150℃の間に0.1MPaなる点を有し、且つ温度160℃から190℃の範囲で、飽和蒸気圧が0.1MPa以上、7MPa未満の物質を、金型キャビティに導入し、充満することにより該キャビティ内のエアを金型ベント等より排出した後に成形樹脂コンパウンドを該キャビティに充填し、封止成形することを要点とする。
この封止成形方法に関しては、樹脂充填前に金型キャビティに導入、充満する物質としては、例として前記の水分、エタノール、メタノール、トルエン等が挙げられるが、金型への影響（さびなど）を考えて水分は避けるのが好ましい。

本発明の第三の実施形態である封止成形装置は、前記第二の実施形態の封止成形方法に用いる物質を、金型キャビティに導入、充満するための機構を設けたものである。
本発明は、半導体封止成形方法として採用されているトランスファ成形法、圧縮成形法、射出成形法に適用することができる。図１０は、本発明による封止成形装置の一例を示す縦断面模式図である。図１０に示す成形金型１９は、揮発性物質導入機構である揮発性物質供給弁２４を設けてある。揮発性物質２６は、供給装置（図示していないが、供給装置としては、加圧機構と流量制御を備えたディスペンサが望ましい。）によって、該成形金型に誘導され、該成形金型内に設けられた揮発性物質供給弁２４を開いて金型内に導入される。成形手順としては、成形金型のポット部２２に成形樹脂コンパウンドタブレット２３を投入し、上型２０と下型２１との型締めを行った後に、揮発性物質供給弁２４を開いて、液体状態の水分等の揮発性物質２６を成形金型内に導入し、キャビティ内のエア２７をベント２８より排出して、キャビティ内を気体状の揮発性物質で満たす。その後、プランジャ２５を上昇駆動させ、成形樹脂タブレットを溶融しキャビティに充填し封止成形を行う。

上記封止成形装置において、型締めを行った後で金型に設けた揮発性物質供給機構によって揮発性物質を金型内へ導入しても、金型を締める寸前に金型パーティング面に揮発性物質を外部から導入しても、その効果は変わらない。後者の方法は、ポット数やキャビティ数が多い場合、多くの該供給機構を設けるための費用を削減できる。

以上、本発明をトランスファ成形による成形方法及び封止成形装置によって説明したが、本発明はトランスファ成形に限定されず、圧縮成形法及び射出成形法及びそれらによる封止成形装置をも包括するものである。例えば、図１３に、本発明による圧縮成形封止成形装置の一例を縦断面模式図で示す。図１３は、圧縮成形金型２９と成形樹脂コンパウンドのパウダー３０を用いる圧縮成形法における、揮発性物質２６のキャビティ５ａ内への導入、充満方法を示す。揮発性物質供給弁２４を用いて導入された揮発性物質２６により、キャビティ５ａ内のエア２７ａは、上型２０ａと下型２１ａとのクリアランス部に設けたベント２８を通って外部に排出される。これによってウェルドボイドの防止が図れる。

以下、実施例により本発明をさらに説明する。
表１に、本発明の実施例１〜４及び従来技術の比較例１によるウェルドボイド評価のための実施内容を一覧した。

（実施例１〜４及び比較例１共通評価条件）ウェルドボイド評価対象の半導体パッケージは、図1に示したMAP（Mold Array Package）で、基板の大きさは45mm×45mm、チップの大きさt0.38mm×10mm×10mm、搭載チップ９個、樹脂部分の最大厚みは0.5mmでチップ上の樹脂厚みは0.12mmである。成形は、トランスファ成形法により行い、主な成形条件は、成形温度（金型温度）175℃、成形圧力7MPa、移送速度（プランジャ速度）1mm/ｓ、プランジャ径φ13.5mmである。また、ウェルドボイド性の評価をより正確に行うために、金型表面は、いわゆる「梨地」といわれる放電加工面（表面粗さRmax 10〜15μm）でなく、研磨加工による「鏡面」（表面粗さRmax 30nm）とした。これにより、エアの「梨地」の凹部への浸入、散逸防止と、ウェルドライン（ウェルド痕）の明確化ができるなど、当該課題に対する適正な評価を可能とした。

実施例１：従来の成形樹脂コンパウンドの吸湿を質量比率で0.02％に保ったタブレット（φ13mm、長さ16mm）に、さらにメタノール液を質量比率で0.03％含浸させた後、封止成形に供した。このようにして得られたMAP成形品の外観（チップ上面部）を、図５に示した。

比較例１：比較のために、従来法である吸湿を質量比率0.01％未満に管理した成形樹脂コンパウンドのタブレットを用いたMAP成形品の外観（チップ上面部）を図６に示す。

図５と図６を比較して分かるように、従来技術では、２段目のチップ上面と３段目のチップ上面のウェルドボイド１２がはっきり残留しているのに対して、本発明によるMAP成形品ではウェルドボイドは認められなく、３段目のチップ上面に僅かにウェルド痕１８が確認される。しかし、この程度のウェルド痕１８は、パッケージ量産金型で採用されている「梨地」加工によって解消され、外観上問題にならない。

実施例２：質量比率で0.02％、0.06％、0.1％の水分を含有する成形樹脂コンパウンドのタブレットを用いて、封止成形を行った。水分の含有率調整にあたっては、0.02％の場合は温度25℃、湿度60RH％の室内で5時間、0.06％の場合は48時間放置した。0.1％の場合は、25℃の水中に30分浸漬した。上記したタブレットを用いて成形したMAP成形品の外観写真（半導体チップ上面部）を、それぞれ図７、８、９に示す。これらの図から分かるように、ウェルドボイドは認められない。水分含有率0.06％では、３段目のチップ上面でのウェルド痕も認められない。

実施例３：含有水分を質量比率0.01％未満に管理した樹脂コンパウンドのタブレットを用い、図１０に示す揮発性物質導入機構である揮発性物質供給弁２４を設けた成形金型１９を用いてMAP成形を行った。揮発性物質は、供給装置（図示していない。）によって、該成形金型に誘導され、該成形金型内に設けられた揮発性物質供給弁２４を開いて金型内に導入された。成形手順としては、成形金型のポット部２２に成形樹脂コンパウンドタブレット２３を投入し、型締めを行った後に、揮発性物質供給弁２４を開いて、液体状態で約0.5mm³の水分すなわち揮発性物質２６を成形金型内に導入し、キャビティ５内のエア２７をベント２８より排出して、キャビティ内を水分（水蒸気）で満した。その後、プランジャ２５を上昇駆動させ、成形樹脂タブレットを溶融しキャビティに充填し封止成形を行った。これによるMAP成形品の外観写真を、図１１に示す。この図から分かるようにウェルドボイドは認められない。

実施例４：実施例３と同様に含有水分を質量比率0.01％未満に管理した樹脂コンパウンドのタブレットを用い、樹脂充填前に液体状態で約0.5mm³のメタノールを金型内に導入し、キャビティ内のエアをベントより排出して、キャビティ内をメタノール蒸気で満した。このようにして封止成形したMAP成形品の外観写真を図１２に示す。この図から分かるようにウェルドボイドは認められない。

MAP(Mold Array Package)の成形法の一例を示す概略図であり、（ａ）は成形装置内のMAP組立て品付近の上面図、（ｂ）は（ａ）のＡＡ断面図である。 （ａ）はウェルドボイドの発生過程の一例を示す上面概略図であり、（ｂ）は（ａ）のウェルドボイドの発生状態を示す上面概略図である。 常圧成形及び真空成形した金ワイヤの各変形率（ｄ／Ｌ）を示す図である。 メタノール、エタノール、水及びトルエンの、温度による飽和蒸気圧の変化を示す飽和蒸気圧線図である。 本発明（実施例１）によるMAP成形品上面の一例を示す図（外観写真）である。 従来技術によるMAP成形品上面のウェルドボイドの一例を示す図（外観写真）である。 本発明（実施例２）による３段目及び２段目のMAP成形品の一例の上面を示す図（外観写真）である。 本発明（実施例２）による３段目及び２段目のMAP成形品の別の一例の上面を示す図（外観写真）である。 本発明（実施例２）による３段目及び２段目のMAP成形品のさらに別の一例の上面を示す図（外観写真）である。 本発明による封止成形装置の一例を示す縦断面模式図である。 本発明（実施例３）による３段目及び２段目のMAP成形品の一例の上面を示す図（外観写真）である。 本発明（実施例４）による３段目及び２段目のMAP成形品の一例の上面を示す図（外観写真）である。 本発明による圧縮成形封止成形装置の一例を示す縦断面模式図である。

符号の説明

１…MAP組立て品、 ２…回路基板、 ３…半導体チップ、 ４…金ワイヤ、
５、５ａ…金型キャビティ、 ６…カル、 ７…ランナ及びゲート、
８…成形樹脂コンパウンド溶融体、 ９…樹脂の流動方向、
１０…メルトフロント、 １１…トラップエア、 １２…ウェルドボイド、
１３…メタノールの飽和蒸気圧線、 １４…エタノールの飽和蒸気圧線、
１５…水の飽和蒸気圧線、 １６…トルエンの飽和蒸気圧線、
１７…飽和蒸気圧0.1MPaの領域、 １８…ウェルド痕、 １９…成形金型、
２０、２０ａ…上型、 ２１、２１ａ…下型、 ２２…ポット部、
２３…成形樹脂コンパウンドタブレット、 ２４…揮発性物質供給弁、
２５…プランジャ、 ２６…揮発性物質、 ２７…キャビティ内のエア、
２８…ベント、 ２９…圧縮成形金型、 ３０…成形樹脂コンパウンドのパウダー

Claims (4)

1. 飽和蒸気圧が温度50℃から150℃の間に0.1MPaなる点を有し、且つ温度160℃から190℃の範囲で、飽和蒸気圧が0.1MPa以上、7MPa未満の物質を、質量比率で0.02％以上、0.1％以下を含有した成形樹脂コンパウンドを用いて成形することを特徴とする封止成形方法。
2. 質量比率で0.02％以上0.1％以下の水分を含有した成形樹脂コンパウンドを用いて成形することを特徴とする封止成形方法。
3. 飽和蒸気圧が温度50℃から150℃の間に0.1MPaなる点を有し、且つ温度160℃から190℃の範囲で、飽和蒸気圧が0.1MPa以上、7MPa未満の物質の雰囲気中で、成形樹脂コンパウンドを金型キャビティに充填することを特徴とする封止成形方法。
4. 飽和蒸気圧が温度50℃から150℃の間に0.1MPaなる点を有し、且つ温度160℃から190℃の範囲で、飽和蒸気圧が0.1MPa以上、7MPa未満の物質を、金型キャビティに導入、充満するための機構を設けたことを特徴とする封止成形装置。