JP2010080688A

JP2010080688A - 半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP2010080688A
Application number: JP2008247633A
Authority: JP
Inventors: Akinori Mura; 明則村
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd; Sanyo Semiconductor Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd; System Solutions Co Ltd
Priority date: 2008-09-26
Filing date: 2008-09-26
Publication date: 2010-04-08

Abstract

【課題】従来、樹脂封止金型を用いて、樹脂封止するフルモールドタイプの半導体装置において、封止体裏面の樹脂厚みについては直接的な測定はしておらず、電気的特性試験や、外観検査などのみで裏面樹脂厚みの過不足を判別するには限界があった。
【解決手段】封止体形成後の裏面樹脂厚みを、渦電流式変位センサを用いて測定する。少なくとも１箇所の測定により裏面樹脂厚みの過不足を判別し、裏面樹脂厚みの良品及び不良品を判別できる。また２箇所以上測定することで裏面樹脂厚みの過不足を判別し、且つ、水平度（水平面に対するリードフレームの位置的偏差）が許容範囲内であるか否かを判別し、封止体内でリードフレームが傾斜する不良品を判別できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体パッケージの裏面にリードフレームが露出しないフルモールドタイプの封止体（パッケージ）構造を有する半導体装置の製造方法に係り、特に封止体裏面の樹脂厚みの不良を選別可能な半導体装置の製造方法に関する。

従来の樹脂封止型の半導体装置は、リードフレーム上に半導体チップ等を組立した後、トランスファーモールド法等による樹脂封止を行い、封止体（パッケージ）を形成している。また、高耐圧用途の半導体装置の場合は、十分な絶縁を行うため、封止体の裏面にリードフレームが露出せず、リードフレームの両主面を完全に封止樹脂で被覆した、フルモールドタイプの封止体構造が採用される（例えば特許文献１参照）。

図１１は、従来のフルモールドタイプの封止体構造を有する半導体装置の製造方法の一例を示す図であり、樹脂封止工程を示す図である。

半導体チップ１０１が搭載されたリードフレーム１０２を、樹脂封止金型のキャビティ１３０内に設置する。樹脂封止金型は、上金型１２２および下金型１２３からなり、上金型１２２と下金型１２３で形成されるキャビティ１３０内にリードフレーム１０２の封止領域が配置されるように、上金型１２２および下金型１２３でリードフレーム１０２を挟持する。

このとき、樹脂を注入する際の圧力によってリードフレーム１０２がずれないよう、例えば、上金型１２２側から突出する可動ピン１３３によりリードフレーム１０２の第１主面Ｓ１（半導体チップ１０１の搭載側）を押下してリードフレーム１０２を固定する。そして、リードフレーム１０２を固定した状態で、リードフレーム１０２の第２主面Ｓ２側のゲート１２４より、樹脂を注入する。

封止樹脂をリードフレーム１０２の第２主面Ｓ２側に注入すると、注入時の圧力によりリードフレーム１０２を上（上金型側）に押し上げる力が働く。従って、リードフレーム１０２の第１主面Ｓ１を可動ピンで押下しながら樹脂を充填することで、リードフレーム１０２の浮きを防ぐことができる。

また、下金型１２３側からも可動ピンを突出させ、リードフレーム１０２を上下方向から抑えて樹脂を注入する方法も知られている。しかし可動ピンが擦動により磨耗した場合、上金型１２２または下金型１２３の磨耗した部品全てを交換しなければならず、設備投資が増加する。

そこで図の如く、可動ピン１３１による固定は一方の金型（例えば上金型１２２側）からのみとし、樹脂注入時の圧力を利用して、リードフレーム１０２を固定している。

その後、図示は省略するが、充填した樹脂により封止体（パッケージ）を形成した後、リードフレーム１０２を樹脂封止金型から離型する。そして共通の封止体を個々の搭載部毎に切断し、半導体装置が完成する。
特開２００１−２８４４９５

図１１の如く、フルモールドタイプの封止体構造の半導体装置では、半導体チップ１０１が搭載されないリードフレーム１０２の第２主面Ｓ２側も樹脂で被覆する必要がある。従って、キャビティ１３０内でリードフレーム１０２の両主面が、上金型１２２および下金型１２３のいずれとも当接せず、上金型１２２側からの可動ピン１３１と、樹脂の注入圧力によってリードフレーム１０２を固定している。

フルモールドタイプの場合、封止体１０５の、半導体チップ１０１が搭載されないリードフレーム１０２の第２主面Ｓ２側を覆う樹脂の厚み（以下、裏面樹脂厚みｔ）は、放熱のため第１主面Ｓ１側よりも大幅に薄く、例えば、０．３ｍｍ〜０．５ｍｍ程度である。

しかし、可動ピン１３１の動作不良によりリードフレーム１０２が固定されなかった場合や、リードフレーム１０２の初期成形不良等、最初から曲がっていた場合などに、キャビティ内でリードフレーム位置が所望の位置に配置できず、裏面樹脂厚みが所望の範囲より厚くなったり、薄すぎたりする場合もある。

また、図１２（Ａ）（Ｂ）の如く、リードフレーム１０２が水平に維持できない場合もあり、また、所望の裏面樹脂厚みｔを維持していたとしても、封止体１０５内部のリードフレーム１０２が、基準となる水平面ＳＪから許容範囲を超えて傾いた状態で封止される場合もある。水平面ＳＪから許容範囲を超えると、上記と同様に最薄部が薄すぎたり、最厚部が厚すぎることとなる。

このように裏面樹脂厚みｔが所望の厚みより厚いまたは薄い場合には、リードフレーム１０２〜封止体１０５間で放電が起こりやすくなり、封止体１０５の絶縁耐圧が保証できない問題となる。

ところが従来の製造方法において、封止後に裏面樹脂厚みｔの直接的な測定は行っておらず、封止後の半導体装置の電気的特性試験あるいは外観検査で良品と不良品の選別を行っており、裏面樹脂厚みｔについての不良品の選別という点では十分でない問題があった

本発明は、係る課題に鑑みて成されたものであり、一の主面に半導体チップが搭載され、該半導体チップと電気的に接続されたリードフレームの両主面を樹脂で被覆する半導体装置の製造方法であって、第１金型及び第２金型でキャビティを構成する樹脂封止金型の前記第１金型および第２金型の間に前記リードフレームを配置して前記第１金型と第２金型とで挟持する工程と、前記キャビティに封止用樹脂を充填する工程と、該封止用樹脂を硬化し、前記リードフレーム及び前記半導体チップを一体で封止した封止体を形成する工程と、前記リードフレームの他の主面側を覆う前記封止体の樹脂厚みを測定する工程と、を具備することにより解決するものである。

本実施形態によれば、フルモールドタイプの封止体の構造を有する半導体装置の製造方法において、裏面樹脂厚みについての良品と不良品を選別できる。

裏面樹脂厚みが厚すぎるあるいは薄すぎる場合には裏面の絶縁が十分でなくなり、安全上好ましくない。一方、裏面樹脂厚みが厚すぎる場合は放熱性が悪くなる。また封止体内でリードフレームが傾いた場合でも、最薄部と最厚部が許容範囲内でないと、同様の問題が生じる。従来は、その後の電気的特性試験及び外観検査で良品、不良品を選別していたが、本実施形態では、裏面樹脂厚みを測定することにより、裏面樹脂厚みとしての良品、不良品を判別でき、信頼性向上に寄与できる。

図１から図１０を参照して、本発明の実施形態の半導体装置の製造方法を詳細に説明する。

まず、図１の様に第１主面Ｓ１に半導体チップ１が搭載され、半導体チップ１と電気的に接続されたリードフレーム２を準備する。

リードフレーム２は例えば、厚さが約１００〜２５０μｍ程度の銅（またはＦｅ―Ｎｉ若しくは他の金属材料）を主材料とするフレームから成る。リードフレーム２にはアイランド２ａとリード２ｂを有し、破線の如く１個の半導体装置に対応する封止体となる搭載部２ｃが複数個形成されている。

アイランド２ａの第１主面Ｓ１には半導体チップ１が不図示の導電性接着材（例えば半田や導電ペースト）を介して固着され、半導体チップ１の各電極（不図示）とリード２ｂが例えば金属細線４などにより電気的に接続される。このリードフレーム２を樹脂封止金型２１で挟持する。

図２は、樹脂封止金型２１を説明する概略図であり、図２（Ａ）が樹脂封止金型２１のキャビティ３０付近の断面図、図２（Ｂ）が金型の平面図、図２（Ｃ）がリードフレーム２を挟持した場合の断面図である。尚、図２（Ｂ）では、樹脂封止金型の概略としてキャビティ３０の形成領域を破線で示した。

樹脂封止金型２１は、上金型２２と下金型２３を有する。上金型２２と下金型２３を合わせることで、キャビティ３０が形成され、またキャビティ３０内に樹脂を注入するゲート２４および、ランナー２５が形成される。複数のランナー２５は１つのカル２７で連結され、カル２７には樹脂の圧入口である樹脂ポット２６が接合する。ランナー２５およびカル２７は、ゲート２４と樹脂ポット２６を結び、樹脂の流路となる。樹脂ポット２６内には樹脂を押し上げるプランジャー２８が設けられ、樹脂が充填される。

そしてキャビティ３０内に、リードフレーム２の搭載部２ｃが配置されるように、上金型２２と下金型２３の間にリードフレーム２を配置し、上金型２２と下金型２３でリードフレーム２を挟持する。

次の工程では、上金型２２から突出する可動ピンにより、リードフレーム２の一主面を押下してリードフレーム２を固定し、キャビティ３０内に封止用樹脂を充填する。

図３は、本実施形態の可動ピン３１を説明する概略図である。可動ピン３１は上金型２２側に設けられた可動ピンプレート３２に設けられ、上金型２２内を貫通して上金型２２からキャビティ３０内に突出する。可動ピンプレート３２は、金型の合わせ面ＳＪに対して矢印の如く垂直方向に上下移動し、これにより、可動ピン３１もリードフレーム２に対して上昇、下降する。

図４は、樹脂を充填する際の樹脂封止金型の概要図であり、図４（Ａ）がキャビティ３０付近の断面図、図４（Ｂ）が平面図である。

図４の如く、可動ピン３１によりリードフレーム２の第１主面Ｓ１（半導体チップ１が固着する主面）を押下（または当接）する。押下する位置は、例えば半導体チップ１の固着領域外の搭載部２ｃである。例えば、図１や図５を見ると、アイランド２ａの頭部に、アイランドと一体で延在される部分で、ネジ止め穴のある所の近傍にもうけられる。

また、上金型２２と下金型２３を合わせることにより形成されるゲート２４は、その先端がリードフレーム２の第２主面Ｓ２側（第２主面Ｓ２と下金型２３の間）にその先端が配置される。

そして、樹脂ポット２６内のプランジャー２８を上昇させる。これにより、樹脂ポット２６内の樹脂が押し上げられ、矢印の如く、カル２７およびランナー２５を介して、樹脂封止金型２１のキャビティ３０内に樹脂が充填される。

図５は、樹脂注入時のキャビティ３０を示す断面図である。図５（Ａ）を参照して、樹脂はまず、ゲート２４からリードフレーム２の第２主面Ｓ２と下金型２３の間に注入される。

この注入時の圧力によってリードフレーム２は、金型合わせ面ＳＪに対して略垂直方向の力を受ける。一方でリードフレーム２の第１主面Ｓ１は可動ピン３１によって同等の力で押下されている。

これにより、リードフレーム２が固定されるので、図５（Ｂ）の如くリードフレーム２の第２主面Ｓ２側の樹脂厚み（裏面樹脂厚みｔ）を所定の厚みに維持し、またリードフレーム２の両主面が基準となる水平面（例えば金型合わせ面ＳＪ）に対して所定の水平度を維持した状態で、キャビティ３０内に樹脂を充填できる。ここで水平度とは、基準となる水平面に対するリードフレーム２の位置的偏差をいう。

フルモールドタイプの封止体の場合、半導体チップ１が搭載されるアイランド２ａの裏面側（リードフレーム２の第２主面Ｓ２側）も樹脂で覆われる。このとき、封止体５の裏面樹脂厚み（アイランド２ａの第２主面Ｓ２から後に封止体裏面となる下金型２３表面までの厚み）ｔは、放熱性を向上させ、また絶縁を確保するため、所定の範囲内としなければならない。所定の範囲内の裏面樹脂厚みｔとは、封止体５内のリードフレーム２の曲折の有無などその形状にもよるが、一例として０．３ｍｍ〜０．５ｍｍである。

また、リードフレーム２が傾いた場合でも、最厚部と最薄部の裏面樹脂厚みｔを所定の範囲内とする必要から、リードフレーム２の水平度も所定の範囲内に維持しなければならない。所定の範囲の水平度とは、例えば、裏面樹脂厚みｔの最も薄い箇所が０．３ｍｍ以上で最も厚い箇所が０．５ｍｍ以内に収まる程度の水平度をいう。

ところが、可動ピン１３１の動作不良によりリードフレーム１０２が固定されなかった場合や、リードフレーム１０２の初期成形不良等、最初から曲がっていた場合などにおいて、裏面樹脂厚みｔが所定の範囲に達しないほど薄い、あるいは所定の範囲を超えた厚みとなる場合がある。また、水平度が許容範囲を超えてしまう場合がある。

そこで、本実施形態では、後の工程で、封止体５の裏面を少なくとも１箇所測定することにより、裏面樹脂厚みｔについての良品または不良品を選別する。この工程については後述する。

引き続き図５（Ｂ）を参照し、キャビティ３０内に所定量の樹脂を充填した後、樹脂の硬化前に可動ピン３１がリードフレーム２の第１主面Ｓ１から非接触となるように上昇させ、可動ピン３１の挿入部（斜線ハッチング部）にも樹脂を充填させる。

その後、可動ピン３１を更に上昇させてキャビティ３０内から完全に抜き取り、封止用樹脂を熱硬化させる。

これにより図６（Ａ）の如く、個々の搭載部２ｃ毎にアイランド２ａおよびリード２ｂの一部（インナーリード）と、半導体チップ１および金属配線４等が一体で封止された封止体５が形成される。また、図６（Ｂ）の如く、複数の搭載部２ｃを１つの集合ブロックとした場合には、各封止体同士を連結するゲートをゲートカット装置にて切断し、封止体５を形成する。

その後、図示は省略するが、酸化防止、半田濡れ性等を考慮して封止体５から露出しているリードフレーム２（アウターリード）に既知の方法でメッキを施す。更に、リードフレーム２から搭載部２ｃ（封止体５）毎に切断して各々の半導体装置に分離する
個々の半導体装置ごとに、封止体５の裏面の少なくとも１箇所をセンサで測定し、裏面樹脂厚みｔ１が所定の範囲内にあるもの（良品）と範囲外のもの（不良品）を選別する。

既述の如く、本実施形態の半導体装置は、封止体５の裏面にリードフレーム２が露出しないフルモールドタイプである。そして、リードフレーム２（アイランド２ａ）の第２主面Ｓ２から封止体５の裏面までの厚みが薄すぎる場合は、絶縁が不十分となり、厚すぎる場合は放熱性が悪化する。従って、裏面樹脂厚みｔは所定の範囲内（例えば０．３ｍｍ〜０．５ｍｍ）とする必要がある（図５（Ｂ））。

そこで、樹脂内の金属を検出して、センサとの距離を測定する変位センサ５０によって、封止体５裏面から、設計上最も裏面に近いリードフレーム２）の第２主面Ｓ２（例えばアイランド２ａの第２主面Ｓ２）までの距離を測定する。

この変位センサ５０は、位置検出精度が高く、非接触で検出できるものが望ましく、例えば磁気センサ（具体的には高周波磁界による渦電流を利用した渦電流方式変位センサ）である。

変位センサ５０は、たとえば、半導体装置（封止体５）の電気的特性を測定する工程の搬送路に配置して、搬送中に裏面樹脂厚みを測定するとよい。

図７は、一例として搬送シュート５１に変位センサ５０を埋め込んだ場合を示す。図７（Ａ）が平面図であり、図７（Ｂ）が図７（Ａ）のａ−ａ線断面図である。

搬送シュート５１は、変位センサ５０より硬い材質とし、変位センサ５０はその表面が、半導体チップ１が搭載される搬送シュート５１の表面と略同一平面上となるように埋め込まれる。これは、変位センサ５０から金属（リードフレーム２の第２主面Ｓ２）までの距離が裏面樹脂厚みｔとして測定されるためである。

そして、半導体装置６が変位センサ５０上を通過する際、封止体５裏面の１箇所について、裏面樹脂厚みｔを測定する。そして許容範囲の厚みに対して過不足がある裏面樹脂厚みｔの半導体装置６について、不良と判定する。

測定時は半導体装置６を変位センサ５０上で一旦停止させた状態で、厚みｔを測定する。変位センサの測定時間は最大０．１秒であり、半導体装置６の搬送速度は、例えば０．１秒／個である。

更に、封止体５裏面の複数個所を測定してもよく、これによりさらに測定精度が向上する。図８から図１０を参照して説明する。

図８（Ａ）は半導体装置６の平面図であり、図８（Ｂ）が図８（Ａ）のａ−ａ線断面図、である。また図９（Ａ）は半導体装置６の平面図であり、図９（Ｂ）が図９（Ａ）のａ−ａ線断面図である。更に、図１０（Ａ）は半導体装置６の平面図であり、図１０（Ｂ）が図１０（Ａ）のｂ−ｂ線断面図である。

裏面樹脂厚みｔは、設計上最も裏面樹脂厚みが薄い箇所を測定すれば良品及び不良品の選別は可能である。しかし、他の箇所で厚みが過剰または不足している場合もある。従って、少なくとも２箇所の裏面樹脂厚みを測定することにより、裏面樹脂厚みｔ１、ｔ２が許容範囲内にあるか否かの測定精度を向上させることができる。

例えば測定した２箇所のうちいずれか一方が、許容範囲の裏面樹脂厚みｔに対して過不足があれば、これを不良と判定する。

また、２箇所（あるいはそれ以上）の裏面樹脂厚みを測定することにより、封止体５内部のリードフレーム２の水平度の良、不良も判定できる。

すなわち、図９の如く、半導体装置６の例えばリードの導出方向と平行な断面において、例えば２箇所の裏面樹脂厚みｔ１、ｔ２を測定し、これらの差を算出することで、基準となる水平面（例えば金型合わせ面ＳＪ）のＹ方向におけるリードフレーム２の水平度を測定する。これによりリードフレーム２の封止体５内における水平度を、放熱や絶縁耐圧の特性上許容できる範囲の半導体装置６を選別できる。すなわち、水平度が許容範囲を超える場合は基準の水平面のＹ方向において許容できる範囲を超えてリードフレーム２が傾斜している場合であるので、これを不良と判定する。

一方、図１０の如く、半導体装置６の例えばリードの導出方向と直交する断面において、例えば２箇所の裏面樹脂厚みｔ１、ｔ２を測定し、これらの差を算出することで、水平面のＸ方向におけるリードフレーム２の水平度を測定する。水平度が許容範囲を超える場合は、基準の水平面（例えば金型合わせ面ＳＪ）のＸ方向において許容できる範囲を超えてリードフレーム２が傾斜している場合であるので、これを不良と判定する。

更に、図９と図１０を組み合わせることで、同時に水平面のＸ方向、Ｙ方向における水平度の良、不良を判定できる。

尚、変位センサ５０は、シュート５１に限らず、例えば回転式搬送テーブルに設けられてもよい。そして、裏面樹脂厚みｔ１の測定は、封止体５形成後（樹脂パッケージされた後）であれば、電気的測定工程以外の工程で行ってもよい。例えば封止体表面への印刷工程、フォーミング工程など、全ての半導体装置に対して個別に行われる処理や測定の工程中であれば実施可能である。

本発明の実施形態の半導体装置の製造方法を説明するための平面図である。本発明の実施形態の半導体装置の製造方法を説明する（Ａ）断面図、（Ｂ）平面図、（Ｃ）断面図である。本発明の実施形態の半導体装置の製造方法を説明する断面図である。本発明の実施形態の半導体装置の製造方法を説明する（Ａ）断面図、（Ｂ）平面図である。本発明の実施形態の半導体装置の製造方法を説明する断面図である。本発明の実施形態の半導体装置の製造方法を説明する平面図である。本発明の実施形態の半導体装置の製造方法を説明する（Ａ）平面図、（Ｂ）断面図である。本発明の実施形態の半導体装置の製造方法を説明する（Ａ）平面図、（Ｂ）断面図である。本発明の実施形態の半導体装置の製造方法を説明する（Ａ）平面図、（Ｂ）断面図である。本発明の実施形態の半導体装置の製造方法を説明する（Ａ）平面図、（Ｂ）断面図である。従来技術を説明するための断面図である。従来技術を説明するための断面図である。

符号の説明

２１樹脂封止金型
２２上金型
２３下金型
２４注入ゲート
２５ランナー
２６樹脂ポット
２リードフレーム
１半導体チップ
３０キャビティ
２リードフレーム
２ａアイランド
２ｂリード
２ｃ搭載部
５封止体
６半導体装置

Claims

一の主面に半導体チップが搭載され、該半導体チップと電気的に接続されたリードフレームの両主面を樹脂で被覆する半導体装置の製造方法であって、
第１金型及び第２金型でキャビティを構成する樹脂封止金型の前記第１金型および第２金型の間に前記リードフレームを配置して前記第１金型と第２金型とで挟持する工程と、
前記キャビティに封止用樹脂を充填する工程と、
該封止用樹脂を硬化し、前記リードフレーム及び前記半導体チップを一体で封止した封止体を形成する工程と、
前記リードフレームの他の主面側を覆う前記封止体の樹脂厚みを測定する工程と、
を具備することを特徴とする半導体装置の製造方法。
前記第１金型または第２金型のいずれか一方から突出する可動ピンにより前記リードフレームの一の主面を押下して該リードフレームを固定し、該リードフレームの他の主面側から前記封止用樹脂を充填することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
前記封止体の裏面の１箇所をセンサで測定し、前記樹脂厚みの不良品を選別することを特徴とする請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
前記封止体の裏面の複数個所をセンサで測定し、前記樹脂厚み及び／または前記リードフレームの水平度の不良品を選別することを特徴とする請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
前記基板の前記他の主面から前記封止体の底部までの距離を渦電流方式変位センサを用いて測定することを特徴とする請求項３または請求項４のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。