JP2009146929A - 半導体装置用樹脂封止装置および半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】樹脂封止型半導体装置の製造工程および樹脂封止装置において、キャビティ内の圧力低下に伴う樹脂封止部の反りやボイド等の発生を抑制する。
【解決手段】半導体装置用樹脂封止装置100は、上型キャビティブロック121を有する上型120と、下型キャビティブロック111を有する下型110とを具備する。半導体素子1が搭載された回路基材2が配置されたキャビティ101内には、半導体素子1を樹脂封止するように熱硬化性の封止樹脂材料3が注入される。封止樹脂材料3の硬化収縮時に、可動状態で支持された上型キャビティブロック121および下型キャビティブロック11の少なくとも一方を介して封止樹脂材料3に圧力を付加する。
【選択図】図1
【解決手段】半導体装置用樹脂封止装置100は、上型キャビティブロック121を有する上型120と、下型キャビティブロック111を有する下型110とを具備する。半導体素子1が搭載された回路基材2が配置されたキャビティ101内には、半導体素子1を樹脂封止するように熱硬化性の封止樹脂材料3が注入される。封止樹脂材料3の硬化収縮時に、可動状態で支持された上型キャビティブロック121および下型キャビティブロック11の少なくとも一方を介して封止樹脂材料3に圧力を付加する。
【選択図】図1
Description
本発明は半導体装置用樹脂封止装置とそれを用いた半導体装置の製造方法に関する。
BGAパッケージ等の半導体装置を作製するにあたって、配線基板上に搭載された半導体素子の樹脂封止工程にはトランスファ成形法等が適用されている(特許文献1参照)。トランスファ成形法を適用した樹脂封止工程では、成形金型のキャビティ内に半導体素子を搭載した配線基板を配置した後、キャビティ内にランナやゲート等を介して封止樹脂材料を注入する。封止樹脂材料としては一般的にエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂が用いられる。封止樹脂材料はプランジャで所定の圧力を加えることによって、キャビティ内に圧入される。キャビティ内にはプランジャからランナやゲート等を介して圧力が伝達される。キャビティ内に注入された封止樹脂材料は成形金型を介して加熱して硬化させる。
この際、封止樹脂材料は最も受熱量が多いゲート部近傍から固まり始める。このため、硬化が終わっていないキャビティ内の封止樹脂材料はプランジャからの圧力を受けることができなくなり、急速に圧力の低下を招くことになる。このようなキャビティ内の圧力低下は、封止樹脂材料の硬化収縮に伴って樹脂封止部、ひいてはBGAパッケージ等の半導体装置の反りの発生原因となる。また、キャビティ内の空気は封止樹脂材料の注入圧力により一旦小さくなるが、キャビティ内の圧力低下に伴って再膨張する。キャビティ内で再膨張した空気は樹脂封止部のボイドの発生原因となる。
配線基板上に複数の半導体素子を積層した積層型半導体装置では、ボンディングワイヤが長ループ化する傾向にあることから、フィラー量等を低減して封止樹脂材料を低粘度化している。低粘度の封止樹脂材料は硬化収縮量が大きいため、キャビティ内の圧力低下に起因する反りやボイド等が生じやすい。なお、特許文献1にはキャビティブロックを型開閉方向に可動に支持すると共に、キャビティブロックを型締め方向に押圧する押圧手段を有する樹脂封止装置が記載されている。ここでは、バリの発生を防止するために基板に圧力を付加しているため、封止樹脂材料の硬化収縮に追従することはできない。
特開平11−058435号公報
本発明の目的は、キャビティ内の圧力低下に伴う樹脂封止部の反りやボイド等の発生を抑制することを可能にした半導体装置用樹脂封止装置および半導体装置の製造方法を提供することにある。
本発明の態様に係る半導体装置用樹脂封止装置は、上型キャビティブロックを有する上型と、下型キャビティブロックを有する下型と、前記上型キャビティブロックと前記下型キャビティブロックとにより形成され、半導体素子が搭載された回路基材が配置されるキャビティと、前記半導体素子を樹脂封止するように、前記キャビティ内に熱硬化性の封止樹脂材料を注入する樹脂注入部と、可動状態で支持された前記上型キャビティブロックおよび前記下型キャビティブロックの少なくとも一方を介して、前記封止樹脂材料に圧力を付加する圧力付加機構とを具備することを特徴としている。
本発明の態様に係る半導体装置の製造方法は、上型キャビティブロックおよび下型キャビティブロックの少なくとも一方が可動状態で支持された樹脂封止装置のキャビティ内に、半導体素子が搭載された回路基材を配置する工程と、前記回路基材が配置された前記キャビティ内に、前記可動状態で支持されたキャビティブロックを注入圧力で可動方向に押し広げつつ、前記半導体素子を封止する熱硬化性の封止樹脂材料を注入する工程と、前記可動状態で支持されたキャビティブロックを介して前記封止樹脂材料に圧力を付加しつつ熱硬化させる工程と、前記熱硬化後の封止樹脂材料で封止された前記半導体素子を有する回路基材を、前記樹脂封止装置から取り出す工程とを具備することを特徴としている。
本発明の態様に係る半導体装置用樹脂封止装置および半導体装置の製造方法によれば、封止樹脂材料の硬化収縮時にキャビティブロックを介して封止樹脂材料に圧力が付加されるため、キャビティ内の圧力低下に伴う反りやボイド等の発生を抑制することできる。従って、健全な樹脂封止型半導体装置を再現性よく提供することが可能となる。
以下、本発明を実施するための形態について説明する。図1ないし図4は本発明の実施形態による半導体装置用樹脂封止装置およびそれを用いた半導体装置の樹脂封止工程を示す図である。まず図1に基づいて、本発明の実施形態による樹脂封止装置の構成について述べる。図1に示す樹脂封止装置100は樹脂封止型半導体装置の製造に用いられるものであり、キャビティ101を形成する下型110と上型120とを具備している。
下型110は下型キャビティブロック111を有している。下型キャビティブロック111上には、後に詳述する半導体素子1が搭載された配線基板2が配置される。この実施形態の下型キャビティブロック111は配線基板2を収容する凹部112を有しており、この凹部112内に半導体素子1が搭載された配線基板2が配置される。下型キャビティブロック111の中央部にはポット113が設けられており、このポット113内にプランジャ114が配置されている。封止樹脂材料3はポット113内に収容され、プランジャ114からの圧力を受けてキャビティ101内に注入される。
上型120は上型キャビティブロック121と上型キャビティブロック押さえ122と上型キャビティホルダ123とを有している。上型キャビティブロック押さえ122は樹脂封止部の側面を構成するものであり、下型キャビティブロック111上に配置されている。上型キャビティブロック押さえ122は、樹脂封止部の上面を構成する上型キャビティブロック121の嵌合穴124を有している。上型キャビティブロック121は嵌合穴124内に配置されていると共に、上下動可能な状態で上型キャビティブロック押さえ122に支持されている。キャビティ101は下型キャビティブロック111と上型キャビティブロック121と上型キャビティブロック押さえ122とで形成される。
上型キャビティブロック121上には上型キャビティホルダ123が配置されている。上型キャビティブロック121と上型キャビティホルダ123との間には、可動状態の上型キャビティブロック121に対してキャビティ101方向に圧力を付加するように、圧力付加機構として圧縮バネやゴム等の弾性体125が配置されている。弾性体125はキャビティ101内への封止樹脂材料3の注入圧力で受動的に収縮し、かつ注入圧力の減少時に反発するように調整されている。弾性体125の反発力によって、硬化収縮する封止樹脂材料に上型キャビティブロック121を介して圧力が付加される。
弾性体125の構成は、上記したような収縮および反発動作をするものであれば特に限定されるものではない。弾性体125の具体例としては、直径2mm程度の焼入れ鋼(線材)数本で構成したコイルバネ等が挙げられる。このようなコイルバネで圧力付加機構を構成することによって、樹脂封止装置100のコンパクト化等を図ることができる。なお、圧力付加機構は弾性体125に限らず、上記したような圧力付加動作を示すものであれば種々の機構を使用することが可能である。また、圧力付加機構は下型110と上型120との型締め力等を調整するものではなく、上型キャビティブロック121を介して硬化収縮時に封止樹脂材料に対して直接圧力を付加するものである。
この実施形態では回路基材としての配線基板2上に搭載された半導体素子1を封止する樹脂封止装置100を示している。このため、樹脂封止部の上面を構成する上型キャビティブロック121を可能状態で支持し、かつ上型キャビティブロック121を介して硬化収縮する封止樹脂材料に圧力を付加する。圧力を付加するキャビティブロックは上型キャビティブロック121に限られるものではなく、回路基材の構成や半導体素子の搭載位置、また樹脂封止部の形状によっては下型キャビティブロック111を介して圧力を付加してもよく、また上型および下型キャビティブロック111、121の両方から圧力を付加することも可能である。回路基材はリードフレーム等であってもよい。
上型キャビティブロック押さえ122の中央部にはポット113に対応してランナ126が設けられている。ランナ126は水平方向(下型キャビティブロック111および上型キャビティホルダ123に対して平行な方向)に延伸しており、その両端にそれぞれゲート127を介してキャビティ101が設けられている。樹脂封止装置100は2個のキャビティ101を有しており、これらキャビティ101に対してそれぞれゲート127を介してランナ126およびポット113が接続されている。
プランジャ114からの圧力を受けた封止樹脂材料3は、ランナ126の両端に設けられたゲート127を介して2個のキャビティ101内にそれぞれ圧入される。これらポット113、プランジャ114、ランナ126およびゲート127は樹脂注入部を構成している。樹脂封止装置100は熱硬化性の封止樹脂材料をトランスファ成形して半導体素子1を封止する装置である。なお図示を省略したが、樹脂封止装置100は下型110や上型120を介してキャビティ101内に注入された封止樹脂材料3を加熱する加熱機構を備えており、これにより注入後の封止樹脂材料3を熱硬化させる。
次に、上述した樹脂封止装置100を用いた樹脂封止型半導体装置の製造工程(樹脂封止工程)について述べる。まず、図1に示すように、下型キャビティブロック111に半導体素子1が搭載された配線基板2と封止樹脂材料3をセットした後、図示しないプレス装置で下型110を上昇させる。このようにして、下型110と上型120とを閉じることによって、樹脂封止装置100内にキャビティ101を形成する。半導体素子1が搭載された配線基板2はキャビティ101内に配置される。
キャビティ101内に配置される配線基板2は、半導体素子1の搭載工程や半導体素子1と配線基板2との接続工程等を経たものであり、例えばBGAパッケージやLGAパッケージ等の半導体パッケージ(樹脂封止型半導体装置)の作製に用いられるものである。図5および図6は半導体素子1が搭載された配線基板2の一例を示している。図5および図6において、配線基板2の第1の主面(上面)上には複数の半導体素子1A、1B、1Cが積層して搭載されており、さらに半導体素子1A、1B、1Cの各電極パッドと配線基板2の接続パッドとは金属ワイヤ4を介して電気的に接続されている。
図5および図6では配線基板2上に3個の半導体素子1A、1B、1Cを積層して搭載した状態を示しているが、半導体素子の搭載数は1個、2個、もくしは4個以上であってもよく、特に限定されるものではない。樹脂封止型半導体装置の具体的な構造としては、例えば1個もしくは複数個のメモリ素子を配線基板2上に積層して搭載した構造、さらにはその最上段にコントローラ素子を積層した構造、配線基板2にメモリ素子とロジック素子とを積層して搭載した構造等が挙げられる。また、半導体素子1と配線基板2との接続構造はワイヤ接続に限らず、フリップチップ接続を適用してもよい。
図5および図6は1個の半導体装置に対応する配線基板2を示しているが、樹脂封止装置100には複数の配線基板領域を有する基板パネル(複数の配線基板2を多連構造とした基板パネル)を配置することが一般的である。基板パネルは1個の配線基板2およびそれを用いて形成した1個の半導体装置に相当する配線基板領域(装置形成領域)を複数有し、これらを格子状に設けられた切断領域で区画したものである。ここでは樹脂封止装置100に複数の配線基板領域を有する基板パネル(例えば1個の半導体装置に対応する配線基板領域を9箇所(3×3箇所)有する基板パネル)をセットする。
基板パネルは樹脂基板、セラミックス基板、ガラス基板等の絶縁基板の内部や表面による配線網(図示せず)を設けたものであり、具体的にはガラス−エポキシ樹脂やBT樹脂(ビスマレイミド・トリアジン樹脂)等を使用したプリント配線基板が適用される。基板パネルの各配線基板領域にはそれぞれ半導体素子1が搭載される。各配線基板領域に搭載された半導体素子1は金属ワイヤ4を介して各配線基板領域に設けられた接続パッドと電気的に接続される。このような状態で樹脂封止装置100にセットされる。また、封止樹脂材料3としてはエポキシ樹脂のような熱硬化性絶縁樹脂が用いられる。
なお、配線基板2上に搭載された半導体素子1A、1B、1Cは、図7に示すように、樹脂封止装置100を用いて封止樹脂材料3をトランスファ成形することにより樹脂封止される。半導体素子1A、1B、1Cを封止するように配線基板2上に設けられた樹脂封止部5は、トランスファ成形された封止樹脂材料3の硬化物からなる。このようにして樹脂封止型の半導体装置6が作製される。なお、図示を省略したが、配線基板2の第2の主面(下面)には半田ボールや金属パッド等による外部接続端子が形成される。
次に、図2に示すように、半導体素子1が搭載された配線基板2を配置したキャビティ101内に、エポキシ樹脂等の熱硬化性絶縁樹脂からなる封止樹脂材料3を注入する。封止樹脂材料3はプランジャ114で圧力を加えることによって、ランナ126およびゲート127を介してキャビティ101内に圧入される。封止樹脂材料3はその注入圧力で上型キャビティブロック121を可動方向に押し広げつつキャビティ101内に注入される。上型キャビティブロック121に圧力を付加している弾性体125は、封止樹脂材料3の注入圧力(プランジャ114による圧力)でひずむように設定されており、これによって上型キャビティブロック121が上昇する。
次いで、図3に示すように、キャビティ101内に注入された封止樹脂材料3を、下型110や上型120を介して加熱して熱硬化させる。この際、封止樹脂材料3は最も受熱量が多いゲート127の近傍から固まり始める。このため、硬化が終わっていないキャビティ101内の封止樹脂材料3はプランジャ114からの圧力を受けることができなくなり、急速に圧力の低下を招くことになる。また、キャビティ101内の封止樹脂材料3も熱硬化し始めることで、硬化収縮による体積減少が生じる。このままでは圧力低下や硬化収縮に基づいて、樹脂封止部(硬化後の封止樹脂材料3)に反りやボイドが発生する。
そこで、この実施形態においては上型キャビティブロック121に圧力を付加する弾性体125を適用している。すなわち、ゲート127近傍からの硬化に基づく注入圧力の減少時に、キャビティ101内の封止樹脂材料3の硬化収縮(体積減少)に合せて弾性体125が上型キャビティブロック121に圧力を付加する。これによって、キャビティ101内の封止樹脂材料3には上型キャビティブロック121を介して圧力が付加され続ける。言い換えると、プランジャ114からの圧力が伝わらなくなった状態においても、キャビティ101内の封止樹脂材料3には硬化収縮時に所定の圧力が加え続けられる。
このように、弾性体125の反発力(復元力)に基づく圧力を加え続けた状態で、キャビティ101内の封止樹脂材料3を熱硬化させることによって、半導体素子1を封止する樹脂封止部5(硬化後の封止樹脂材料3)の反りを抑制することができる。また、キャビティ101内の封止樹脂材料3に圧力を加え続けることで、キャビティ101内の空気の再膨張が抑えられる。これによって、樹脂封止部5のボイド発生を抑制することが可能となる。すなわち、反りやボイド等の発生を抑制した健全な樹脂封止部5で半導体素子1を封止した樹脂封止型半導体装置6を得ることができる。
ここで、例えばBGAパッケージやLGAパッケージ等を作製する場合には、配線基板2の片面のみに樹脂封止部5が形成されるため、封止樹脂材料3の硬化時に反りが生じやすい。この実施形態の樹脂封止装置100およびそれを用いた樹脂封止工程は、特に配線基板2の片面のみに樹脂封止部5を形成する場合に有効である。ただし、回路基材としてリードフレームを用いた半導体パッケージ(TSOP)の作製工程のように、回路基材の両面に樹脂封止部を形成する場合を除外するものではない。このような場合にも、樹脂封止部に反りやボイド等が発生することを抑制することが可能である。
さらに、配線基板2上に複数の半導体素子1を積層して搭載する場合、配線基板2と半導体素子1(特に上段側の半導体素子1)とを電気的に接続する金属ワイヤ4が長ループ化する傾向にある。長ループ化された金属ワイヤ4は、封止樹脂材料3の流動(樹脂流)に伴ってワイヤ流れ、ひいてはそれに基づくワイヤ間の接触等が生じやすい。このため、封止樹脂材料3中のフィラー量等を低減して低粘度化する場合がある。低粘度の封止樹脂材料3は硬化収縮量が大きいため、キャビティ101内の圧力低下や封止樹脂材料3は硬化収縮に基づいて反りやボイド等が生じやすい。
このような点に対して、実施形態の樹脂封止装置100およびそれを用いた樹脂封止工程を適用することによって、封止樹脂材料3の硬化収縮に合せて所定の圧力を加え続けることができる。封止樹脂材料3の硬化収縮量が大きい場合にも、弾性体125による圧力を調整することによって、上型キャビティブロック121を封止樹脂材料3の硬化収縮に追従させ、封止樹脂材料3に所定の圧力を加え続けることができる。従って、樹脂封止部5の反りやボイド等の発生を有効に抑制することが可能となる。
この後、図4に示すように、熱硬化工程(キュア工程)の終了後に下型110を下げると同時に、弾性体125のバネ作用で成形品(封止樹脂材料3の硬化物からなる樹脂封止部5で封止された半導体素子1を有する回路基材2)を押し出す。樹脂封止装置100に配置する配線基板2として基板パネルを用いた場合には、基板パネルを樹脂封止部5と共に配線基板領域の形状に応じて切断して個片化する。また、必要に応じて配線基板2の下面側に外部接続端子を形成する。このようにして、樹脂封止された半導体素子1を有する樹脂封止型半導体装置6を歩留り良く得ることができる。
なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、配線基板等の回路基材に搭載された半導体素子を樹脂封止する各種の半導体装置の製造工程(樹脂封止工程)、およびそれに用いられる樹脂封止装置に適用可能である。そのような半導体装置の製造方法やおよび半導体装置用樹脂封止装置も本発明に含まれるものである。また、本発明の実施形態は本発明の技術的思想の範囲内で拡張もしくは変更することができ、この拡張、変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれるものである。
1…半導体素子、2…配線基板、3…封止樹脂材料、4…金属ワイヤ、5…樹脂封止部、6…半導体装置、100…樹脂封止装置、110…下型、111…下型キャビティブロック、113…ポット、114…プランジャ、120…上型、121…上型キャビティブロック、122…上型キャビティブロック押さえ、123…上型キャビティホルダ、125…弾性体、126…ランナ、127…ゲート。
Claims (5)
- 上型キャビティブロックを有する上型と、
下型キャビティブロックを有する下型と、
前記上型キャビティブロックと前記下型キャビティブロックとにより形成され、半導体素子が搭載された回路基材が配置されるキャビティと、
前記半導体素子を樹脂封止するように、前記キャビティ内に熱硬化性の封止樹脂材料を注入する樹脂注入部と、
可動状態で支持された前記上型キャビティブロックおよび前記下型キャビティブロックの少なくとも一方を介して、前記封止樹脂材料に圧力を付加する圧力付加機構と
を具備することを特徴とする半導体装置用樹脂封止装置。 - 請求項1記載の半導体装置用樹脂封止装置において、
前記圧力付加機構は、前記封止樹脂材料の注入圧力で受動的に収縮すると共に、前記注入圧力の減少時に前記封止樹脂材料に圧力を付加するように反発する弾性体を有することを特徴とする半導体装置用樹脂封止装置。 - 請求項1または請求項2記載の半導体装置用樹脂封止装置において、
前記樹脂注入部は前記キャビティ内にゲートを介して前記封止樹脂材料を圧入するプランジャを有することを特徴とする半導体装置用樹脂封止装置。 - 上型キャビティブロックおよび下型キャビティブロックの少なくとも一方が可動状態で支持された樹脂封止装置のキャビティ内に、半導体素子が搭載された回路基材を配置する工程と、
前記回路基材が配置された前記キャビティ内に、前記可動状態で支持されたキャビティブロックを注入圧力で可動方向に押し広げつつ、前記半導体素子を封止する熱硬化性の封止樹脂材料を注入する工程と、
前記可動状態で支持されたキャビティブロックを介して前記封止樹脂材料に圧力を付加しつつ熱硬化させる工程と、
前記封止樹脂材料の硬化物で封止された前記半導体素子を有する前記回路基材を、前記樹脂封止装置から取り出す工程と
を具備することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項4記載の半導体装置の製造方法において、
前記封止樹脂材料の硬化収縮時に、前記封止樹脂材料の注入圧力で受動的に収縮すると共に、前記注入圧力の減少時に反発する弾性体を用いて、前記封止樹脂材料に圧力を付加することを特徴とする半導体装置の製造方法。
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