JP2010016137A - 半導体装置及び半導体装置の封止成形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＰＯＰ（パッケージー・オン・パッケージ）封止成形の封止樹脂として使用していた従来の液状樹脂を使用せず顆粒又は粉末状の熱硬化性樹脂を封止樹脂として使用することにより、リリースフィルムを必要としない低コストでの生産が可能で、一定品質を得ることが可能なＰＯＰの半導体装置及び半導体装置の封止成形方法を提供する。
【解決手段】顆粒・粉末状の熱硬化性樹脂からなる半硬化状態の封止樹脂２１を成形し、この封止樹脂２１を壁底一体の第一の金型３２に投入するとともに、半導体素子３を搭載した基板１９を第二の金型３２に装着し、基板１９に搭載された半導体素子３が半硬化状態の封止樹脂２１中に入り込むように第一と第二の金型３２、３１を用いて封止樹脂２１と基板１９とを一体化し、その後に当該一体化物を離型することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置及び半導体装置の封止成形方法に関し、特に半導体装置を製造する際に、基板に搭載された半導体素子を封止樹脂で封止するための半導体装置の封止成形方法及びその方法により得られる半導体装置に関するものである。

近年、携帯電話、精密電子機器を中心とした製品の小型化、薄型化に伴い、半導体素子の高機能・高性能化、高品質化、高生産安定性、低コスト生産化が要求されてきている。
従来より、パッケージ・オン・パッケージ（以下、ＰＯＰと記す）の半導体素子の封止成形には、図１４から図１６に示すように、基板１９に搭載した半導体素子３と封止樹脂として使用する液状樹脂４とを封止金型にて加熱圧着して、基板１９に搭載された半導体素子３を封止する方法が用いられている。

この封止成形方法で使用する金型は、半導体素子３が搭載された基板１９が装着された第二の金型１と、液状樹脂４を充填するためのキャビティを形成可能な複数の駒２４が設けられた第一の金型２とで構成される。

図１４に示すように、従来法で使用する第一の金型２は、この第一の金型２の底面を個々にくり貫いて、そのくり貫き部に個々の駒２４を設けている。この駒２４により形成されるキャビティ７の深さ、即ち第一の金型２の上面から駒２４の上面までの距離は、駒２４の厚さ及び駒２４の裏面側に設けられた上下動作可能なキャビティバネ８の伸縮量により個々に調整されている。また、第二の金型１には、第一の金型２との加熱圧着時の型締めの際に作動するバネ２８が取り付けられている。

また、この従来法で使用する金型は、第一の金型２と駒２４との隙間に液状樹脂４が流れ込むのを防止するために、駒２４を被覆することを目的として、リリースフィルム５を駒２４上に敷くようにされている。

次に、図１４から図１６を用いて従来法の各封止工程を説明する。図１４は、第一の金型２に液状の封止樹脂４を充填する工程を示している。図示のように第一の金型２とリリースフィルム５で被覆された個々の駒２４とで構成されるキャビティ７に封止樹脂である液状樹脂４を充填する。次に、液状樹脂４で封止するための半導体素子３を搭載した基板１９を、第一の金型２と一体で使用する第二の金型１に装着する。６は、リリースフィルム５のための巻き取り機である。

図１５は、第一の金型２と第二の金型１とを加熱圧着して半導体素子を封止する工程を示している。第一の金型２のキャビティ７に充填された液状樹脂４と第二の金型１において半導体素子３が搭載された基板１９とを加熱圧着する。加熱圧着時の加圧力は第二の金型１に取り付けられたバネ２８及び第一の金型２の駒２４の裏面側に設けられたキャビティバネ８を介して付与される。基板１９に搭載された半導体素子３は液状樹脂４中に埋め込まれ、熱硬化性樹脂である液状樹脂４は金型の熱により熱硬化する。基板１９に搭載された半導体素子３は液状樹脂４が熱硬化することにより封止される。

図１６は、熱硬化した樹脂９により封止された半導体素子３を搭載した基板１９を離型する工程を示している。第一の金型２と第二の金型１とを型開きした後、第一の金型２上に残っている、熱硬化後の樹脂９により封止された半導体素子３が搭載された基板１９を離型するため、駒２４の裏面側に設けられたキャビティバネ８により、駒２４を下から突き上げる。これにより、樹脂９により封止された半導体素子３を搭載した基板１９は、第一の金型２から離型する。この離型の際に、駒２４を被覆していたリリースフィルム５は、巻取り機６により巻き取られる。

以上の工程により、半導体素子３が樹脂９により封止された状態の半導体装置を得ることができる。しかし、従来法では、上記のように半導体素子３を封止するのに高価な液状樹脂４を使用し、また液状樹脂４が第一の金型２と駒２４との隙間に入り込まないようにするために高価なリリースフィルム５を使用していることから、生産コストが高くなる。

また、個々の駒２４の厚さのバラツキ及びキャビティバネ８の伸縮量のバラツキが生じる。その結果、個々の駒２４を設けた第一の金型２に充填された液状樹脂４を第一の金型２から離型した後の半導体素子３が埋め込まれた硬化封止樹脂９の厚さは、個々に異なる。更に従来法の金型は、移動式の駒２４を使用する構造であるため離型後の個々の樹脂９の厚さが不均一となる問題があり、十分な封止成形法ではない。
特開２００６−２７０９８号公報

上記のように、従来法は高価な液状樹脂４を使用するため生産コストが高くなるが、その他にも液状樹脂４は、ガラス転移温度（以下Ｔｇと記す）が低いという問題がある。Ｔｇとは、高分子物質を加熱したとき物質がガラス状の固い状態からゴム状に変わる時の温度であり、Ｔｇが低いと高分子物質が熱により軟化しやすいため変形しやすい。即ち、液状樹脂４を用いた従来法では、製品使用中に機器内部部品の発熱により半導体素子３を封止している封止樹脂９に熱がかかった場合に変形しやすい。この熱により変形した封止樹脂９が冷却された場合、封止樹脂９が劣化している時には、冷却後の封止樹脂９にクラックやひび割れが生じる。これらの原因により、封止樹脂９内の半導体素子３が正常に作動しなくなる場合が生じる。

また、従来法では前述のように駒２４上にリリースフィルム５を被覆する必要があるが、リリースフィルム５は高価なため生産コストが高くなる。そのほか、リリースフィルム５は熱伸縮するため、離型後の封止樹脂９の表面が不均一になったり、封止樹脂９の厚さが不均一になったりする。

更に、従来法では駒２４を使用するが、上述のように、個々のキャビティ７の深さは、個々の駒２４の厚さ及び個々の駒２４の底に設けられた上下動作可能なキャビティバネ８の伸縮量によって異なるため、一定深さにコントロールしにくい。

つまり、従来法では、封止樹脂９の熱による変形により半導体素子３が正常に作動しない場合が生じる。また高価な液状樹脂４、リリースフィルム５の使用により生産コストが高くなる。

更に、駒２４を使用することに基づき、半導体素子３が埋め込まれた封止樹脂９の厚さが不均一であるため、一定品質の封止樹脂９を備えた半導体装置が得にくい。また、リリースフィルム５を用いても金型２と駒２４との間のキャビティ隙間への液状樹脂４の入り込みを完全に防止することができず、その場合は、金型２と駒２４との動きが悪くなるため生産効率が悪くなる。

本発明者は、鋭意検討の結果、ＰＯＰ封止成形の封止樹脂として使用していた従来の液状樹脂を使用せず、顆粒・粉末状の熱硬化性樹脂を封止樹脂として使用することにより、リリースフィルムを必要としない低コストでの生産が可能で、一定品質を得ることが可能なＰＯＰの半導体装置及び半導体装置の封止成形方法を見出した。

即ち、本発明は
（１）顆粒・粉末状の熱硬化性樹脂からなる半硬化状態の封止樹脂を成形し、この封止樹脂を壁底一体の第一の金型に投入するとともに、半導体素子を搭載した基板を第二の金型に装着し、基板に搭載された半導体素子が半硬化状態の封止樹脂中に入り込むように第一と第二の金型を用いて封止樹脂と基板とを一体化し、その後に当該一体化物を離型することを特徴とする半導体装置の封止成形方法。
（２）第一の金型における一定深さのキャビティに半硬化状態の封止樹脂を投入するとともに、エジェクトピンを用いて一体化物を第一の金型から離型することを特徴とする上記（１）記載の半導体装置の封止成形方法。
（３）上記（１）記載の封止成形方法により成形されたものであることを特徴とする半導体装置。
（４）封止樹脂にエジェクトピンによる離型痕を有することを特徴とする上記（３）記載の半導体装置。
（５）顆粒・粉末状の熱硬化性樹脂からなる半硬化状態の封止樹脂を投入可能なキャビティを有する第一の金型と、半導体素子を搭載した基板を装着可能であり、かつ前記第一の金型との協働によって、基板に搭載された半導体素子を封止樹脂中に入り込ませて硬化一体化させることが可能な第二の金型と、第一の金型に第二の金型への圧着力を作用させるための圧着力付与部材と、第一の金型と圧着力付与部材とを貫通して設けられ硬化後の封止樹脂をキャビティから離型させるためのエジェクトピンと、バネを介してエジェクトピンに封止樹脂への離型力を作用させるための離型力付与部材とを備えたことを特徴とする半導体装置のための封止金型。
を要旨とするものである。

つまり、本発明は、従来法のようなＴｇが低い液状樹脂を使用しないため、製品使用中に機器内部部品の発熱により半導体素子を封止している封止樹脂に熱がかかった場合でも、封止樹脂は変形しないため、封止樹脂が冷却された後でも封止樹脂にクラックやひび割れが生じることはない。したがって、従来の液状樹脂使用時のように、半導体素子に作動誤差が生じることはない。

また、本発明は、従来法のような高価な液状樹脂、高価なリリースフィルムを使用しないため、低コストで半導体装置の生産が可能となる。しかも、従来法のような第一の金型を個々にくり貫いて設けられた駒を使用せず、壁底一体の金型を使用するため、封止樹脂の厚さを一定にすることが可能となる。更に、従来法のような液状樹脂を使用せず、また壁底一体の金型を使用するため、液状樹脂が金型と駒との隙間へ入り込むことがない。よって、金型の動きが悪くなることがないため、生産効率が向上する。

即ち、本発明は壁底一体の金型をたとえば下金型として使用する。従来法のキャビティと異なり、本発明のキャビティは、壁底一体の金型内に設けられているため、キャビティ深さは均一にコントロールされている。その結果、離型後の封止樹脂の厚さは均一となる。

また、第一の金型と第二の金型とを加熱圧着して樹脂を熱硬化させた後の封止樹脂を離型する際には、エジェクトピンを使用する。即ち、エジェクトピンを使用することにより、高価なリリースフィルムを使用することなく、金型から封止樹脂を離型することが可能となる。

更に、従来の金型を用いたＰＯＰ封止成形法では、キャビティ毎に設けているキャビティバネの伸縮量にバラツキがあるため、離型された封止樹脂の厚みが一定とならない問題があったが、本発明では、予め一定深さのキャビティを設けた壁底一体の金型に封止樹脂を投入し、金型に設けたエジェクトピンにより下方から上方に封止樹脂を突き上げることにより離型するため、厚みの制御ができ、一定厚みの封止樹脂を得ることが可能となる。

本発明は、液状樹脂よりＴｇの高い顆粒・粉末状の熱硬化性樹脂を封止樹脂として使用するため、封止樹脂にクラックが生じにくくなる結果、誤作動が生じにくい半導体装置の提供が可能となる。また、液状樹脂よりコストの安い顆粒・粉末状の熱硬化性樹脂を使用し、しかも熱伸縮する高価なリリースフィルムを使用しないため、生産コストを低くすることが可能となる。更に、壁底一体の金型に設けられたキャビティにより封止成形するため、離型後の封止樹脂の厚さを一定に制御することが可能となって封止樹脂の厚みを高精度に制御することができ、またこの壁底一体の金型にエジェクトピンを設けることで、封止樹脂と壁底一体の金型との離型性が良くなる。

以下、本発明の半導体装置及びその封止成形方法を具体的な実施の形態に基づいて説明する。
図３は、本発明の封止成形方法に使用する封止金型の構成を示す。この封止金型は、離型用エジェクトピン１４により成形品を離型するキャビティ２９が設けられた壁底一体の第一の金型３２と、半導体素子３が搭載されたＰＯＰ基板１９が装着された第二の金型３１とを一体で使用する。２７は半導体素子のワイヤ、３０は第二の金型３１に設けられたバネである。

図３に示すように、離型用のエジェクトピン１４を設けている壁底一体の第一の金型３２は、第一の金型３２が隙間を有する場合に封止樹脂成形時に生じる余分なはみ出しであるバリの形成、及び半導体素子を封止した封止樹脂の厚みの精度を考慮し、被成形品を形成するためのキャビティ２９が駒式(上下作動可能機構)を使わずに、上下動作不可な壁底一体構造とされている。当該金型には、壁底一体の第一の金型３２に付随して第一の金型３２の型締めのバネ１５及び第一の金型３２の型締めのプレート１６が設けられている。

また、第一の金型３２の離型用エジェクトピン１４は、一端が第一の金型３２に設けられたキャビティ２９に露出するとともに、第一の金型３２と第一の金型の型締めのプレート１６とを貫通し、その他端にはエジェクトピンのバネ１７が設けられており、エジェクトピンのバネ１７はエジェクトプレート１８に接続されている。従って、第一の金型３２の型締め動作の際には、離型のために設けられたエジェクトピン１４が型締めプレート１６と連動しない。第一の金型３２の離型のために設けられたエジェクトピン１４が動く場合は、成形品はサブモータによる一定圧力２２により、エジェクトプレート１８を介して下から上へ突き上げられる。

図２は、半硬化状態の封止樹脂の成形方法について示す。
顆粒・粉末状の熱硬化性樹脂１１を下金型である打錠土台治具（下部）３３に必要量投入し、上金型である封止樹脂の打錠治具（上部）１０により、加熱圧着する前の状態を示す。

その後、打錠土台治具（下部）３３と打錠治具（上部）１０によって顆粒・粉末状の熱硬化性樹脂１１とを所定の温度・圧力下で加熱圧着させる状態を示す。この時の温度・圧力条件は、顆粒・粉末状の熱硬化性樹脂１１の種類や樹脂に求められる熱的特性に応じて設定することが望ましい。尚、前記の下金型である打錠土台治具（下部）３３の形状とサイズは、打錠後の封止樹脂３４を図３に示されている複数のキャビティ２９が設けられた壁底一体の第一の金型３２内に移動して載せるため、壁底一体の第一の金型３２に設けられたキャビティ２９の形状と寸法に合せ込む。このとき、打錠後の封止樹脂３４は、キャビティ２９に収まるようにそのサイズより小さくする必要がある。

打錠土台治具（下部）３３と封止樹脂の打錠治具（上部）１０とを型開きすることで半硬化状態に成形された封止樹脂３４を取り出し可能とした状態を示す。
図４、図５は、図２に示される製法により得られた半硬化状態の封止樹脂３４を複数のキャビティ２９が設けられた壁底一体の第一の金型３２上に移動させて載せるための手段を示す。

図４は、半硬化状態の封止樹脂３４をラバー状の吸着ハンド１２により一つずつ吸着し、その後一つずつ封止樹脂の搭載治具１３上に載せるようにしたものを示す。搭載治具１３の底面には底敷きフタ２３があり、この底敷きフタ２３の上に複数の半硬化状態の封止樹脂３４を載せる。

次に図５は、半硬化状態の封止樹脂３４を複数のキャビティ２９が設けられた壁底一体の第一の金型３２に移し替えるために、キャビティ数の吸着ハンド１２を有する、図４の搭載治具１３とは別の構成の搭載治具３５を示す。この搭載治具３５は、壁底一体の第一の金型３２に設けられたキャビティ２９に移し替えるために使用する点では図４の搭載治具１３と同様であるが、図４の搭載治具１３と異なり搭載治具３５によって一括で封止樹脂３４を吸着して移動し、一括して壁底一体の第一の金型３２に設けられたキャビティ２９に載せることが可能となるため、吸着ハンド１２によって搭載治具１３に一個ずつ封止樹脂３４を供給する図４のものよりも生産効率が上がる。

図６は、顆粒・粉末状の熱硬化性樹脂１１を半硬化状態の封止樹脂３４に成形し、図４に示した封止樹脂の搭載治具１３に移し替えた後、キャビティ２９が設けられた第一の金型３２上に配置した状態を示す。この状態から、底敷きフタ２３を開口することによって、封止樹脂３４を第一の金型３２上のキャビティ２９に一括して載せることができる。

図７は、図６と同様、キャビティ２９が設けられた第一の金型３２上に図５に示したキャビティ数の吸着ハンドを有する封止樹脂の搭載治具３５を配置した状態を示す。吸着力をゆるめることによって、第一の金型３２上のキャビティ２９に半硬化状態の封止樹脂３４を一括して載せることができる。

図８は、図６、図７のようにして半硬化状態の封止樹脂３４を壁底一体の第一の金型３２に設けられたキャビティ２９上に移動して載せた状態を示す。
打錠後の封止樹脂３４を壁底一体の第一の金型３２に一括投入することで、熱伝導率が同等となるため、各キャビティの封止樹脂３４間の溶融粘度のバラツキが小さくなる。そうすると、壁底一体の第一の金型３２内の各キャビティ２９の封止樹脂３４の最低溶融粘度の経過時間が長くなるため、封止樹脂３４の表面成形性や、半導体素子のワイヤ２７の変形が不均一とならないため、安定した生産が可能となる。

図９は、壁底一体の第一の金型３２のキャビティ２９上に載せた封止樹脂３４と第二の金型３１に装着された半導体素子３が搭載された基板１９とを加熱圧着するときの状態を示す。２０は型締め圧力を示す。半硬化状態の封止樹脂３４は、第一の金型３２と第二の金型３１との加熱圧着により硬化の大部分が完了する。この時の樹脂硬化度は９０％以上が好ましい。

図１０は、第一の金型３２と第二の金型３１とを第一の金型３２の型開き２６により型開きした後の様子を示す。型開き後は、基板１９に搭載された半導体素子３は、第一の金型３２のキャビティ２９内の封止樹脂３４中に埋め込まれた状態となっており、これらを第一の金型３２から離型する必要がある。

図１は、壁底一体の第一の金型３２から熱硬化した半導体封止樹脂２１を離型する工程を示している。壁底一体の第一の金型３２のエジェクトのプレート１８に対してサブモータによる圧力２２を下から加えることにより、第一の金型３２のキャビティ２９内で熱硬化した半導体封止樹脂２１を離型するためのエジェクトピン１４がバネ１７を介して下から上に突き上げられる。これによって、熱硬化した半導体封止樹脂２１は、壁底一体の第一の金型３２から離型する。

尚、この時、バネ１７の伸縮により、エジェクトプレート１８からエジェクトピン１４を通して、一定の突き上げ力で、熱硬化した半導体封止樹脂２１を突き上げることが可能となる。

図１１は、本発明による複数のキャビティを有する壁底一体の金型により成形された基板１９に搭載された半導体素子３が顆粒・粉末状の熱硬化性樹脂からなる封止樹脂で封止された複数の半導体装置の内の一つの断面を示す。図１２は、図１１の半導体装置の上面図を表しており、ＰＯＰの電極パッド２５がＰＯＰ基板１９の表面にあらかじめ配置された構造をとっている。また、ＰＯＰ基板１９上の半導体素子３を封止した封止樹脂２１の表面には、壁底一体の第一の金型３２からエジェクトピン１４で離型されるときに生じた、エジェクトピン１４による離型痕２４がある。

図１３は、本発明による封止成形方法により得られたＰＯＰ半導体装置を表している。本発明の封止成形法で使用する複数のキャビティを有する壁底一体の金型３２により、複数のＰＯＰ半導体装置の一括製造が可能となるため生産効率が向上する。尚、一括して得られたＰＯＰ半導体装置の製造後は、一個ずつカットして使用することが可能である。

本発明の半導体装置及び半導体装置の封止成形方法は、低価格の顆粒・粉末状の熱硬化性樹脂を封止樹脂として使用し、高価なリリースフィルムを使用する必要がなくなるため低コストでの半導体素子の製造が可能となり、また壁底一体の金型を使用するため、高生産性、高信頼性を備える半導体素子の製造が可能となる。したがって、ＰＯＰの半導体装置及び半導体装置の封止成形方法として使用に有用である。

本発明の封止成形方法における封止樹脂成形後の離型後の金型断面図 本発明の封止成形方法における顆粒・粉末状樹脂を用いた封止樹脂の製法を示す図 本発明の圧縮封止成形方法における離型エジェクトピンの金型構造の断面図 本発明の封止成形方法における封止樹脂の搭載治具の断面図 本発明の封止成形方法における別の構成の封止樹脂の搭載治具の断面図 本発明の圧縮封止成形方法における封止樹脂の投入形態の金型断面図 本発明の圧縮封止成形方法における封止樹脂の別の投入形態の金型断面図 本発明の圧縮封止成形方法における金型に封止樹脂を投入した後の金型断面図 本発明の圧縮封止成形方法における封止樹脂投入後の型締め時の金型断面図 本発明の圧縮封止成形方法における封止樹脂成形後の型開き時の金型断面図 本発明の圧縮封止成形方法における半導体装置の断面構造図 本発明の圧縮封止成形方法における半導体装置の正面構造図 本発明の圧縮封止成形方法における半導体装置フレームの正面図 従来の封止成形方法における液状樹脂充填後の金型断面図 従来の封止成形方法における加熱圧着後の金型断面図 従来の封止成形方法における半導体装置の離型後の金型断面図

符号の説明

１．第二の金型
２．第一の金型
３．半導体素子
４．液状樹脂
５．リリースフィルム
６．リリースフィルム巻取り機
７．キャビティ
８．キャビティバネ
９．半導体素子を封止した封止樹脂
１０．封止樹脂の打錠治具(上部)
１１．顆粒・粉末状封止樹脂
１２．ラバー状の吸着ハンド
１３．封止樹脂の搭載治具
１４．離型用の金属エジェクトピン
１５．第一の金型の型締めのバネ
１６．第一の金型の型締めのプレート
１７．第一の金型のエジェクトピンのバネ
１８．第一の金型のエジェクトプレート
１９．基板
２０．第一の金型の型締めの圧力
２１．成形後の熱硬化した半導体封止樹脂
２２．第一の金型のエジェクトピンの突上げ圧力
２３．底敷きフタ
２４．エジェクトピンの離型痕
２５．パッケージ・オン・パッケージ（ＰＯＰ）パッド
２６．型開き
２７．半導体素子のワイヤ
２８．バネ
２９．キャビティ
３０．バネ
３１．第二の金型
３２．壁底一体の第一の金型
３３．封止樹脂の打錠治具(土台部)
３４．打錠後の封止樹脂
３５．封止樹脂の搭載治具

Claims (5)

1. 顆粒・粉末状の熱硬化性樹脂からなる半硬化状態の封止樹脂を成形し、この封止樹脂を壁底一体の第一の金型に投入するとともに、半導体素子を搭載した基板を第二の金型に装着し、基板に搭載された半導体素子が半硬化状態の封止樹脂中に入り込むように第一と第二の金型を用いて封止樹脂と基板とを一体化し、その後に当該一体化物を離型することを特徴とする半導体装置の封止成形方法。
2. 第一の金型における一定深さのキャビティに半硬化状態の封止樹脂を投入するとともに、エジェクトピンを用いて一体化物を第一の金型から離型することを特徴とする請求項１記載の半導体装置の封止成形方法。
3. 請求項１記載の封止成形方法により成形されたものであることを特徴とする半導体装置。
4. 封止樹脂にエジェクトピンによる離型痕を有することを特徴とする請求項３記載の半導体装置。
5. 顆粒・粉末状の熱硬化性樹脂からなる半硬化状態の封止樹脂を投入可能なキャビティを有する第一の金型と、半導体素子を搭載した基板を装着可能であり、かつ前記第一の金型との協働によって、基板に搭載された半導体素子を封止樹脂中に入り込ませて硬化一体化させることが可能な第二の金型と、第一の金型に第二の金型への圧着力を作用させるための圧着力付与部材と、第一の金型と圧着力付与部材とを貫通して設けられ硬化後の封止樹脂をキャビティから離型させるためのエジェクトピンと、バネを介してエジェクトピンに封止樹脂への離型力を作用させるための離型力付与部材とを備えたことを特徴とする半導体装置のための封止金型。
   

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