JP2013125834A - モールド金型、半導体装置、および樹脂成形品 - Google Patents

Abstract

【課題】高品質な半導体装置を製造するためのモールド金型を提供する。
【解決手段】半導体装置を製造するために用いられるモールド金型であって、ワークを一方面側から押さえる一方金型と、ワークを他方面側から押さえる他方金型とを有し、一方金型および他方金型の少なくとも一つには、ワークを押さえる突起部、および、突起部を取り囲むように構成されたキャビティが設けられており、突起部の先端とワークとの間には、樹脂封止時にキャビティから排出された空気を閉じ込める空間が形成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体チップを実装して樹脂封止した半導体装置、および、半導体装置を製造するために用いられるモールド金型に関する。

従来から、半導体装置を製造するため、キャビティ（凹部）が形成されたモールド金型でリードフレームをクランプして樹脂封止（トランスファモールド）を行う技術が知られている。樹脂封止を行う前にキャビティの内部には空気が存在するが、樹脂封止時に樹脂が圧送されることでキャビティ内部は徐々に樹脂で充填される。

しかし、キャビティ内部を流れる樹脂の速さはキャビティの場所に応じて異なるため、キャビティ内部に樹脂を完全に充填しようとしても、その一部に空気が残ってしまう。このような空気をキャビティ内部から排出するため、従来のモールド金型では、キャビティの外側（ゲートと反対側の外壁）に空気の抜き孔（エアベント）を設け、この抜き孔から空気を排出するような構成を採用していた。

特許文献１には、ＬＥＤパッケージを製造するために用いられるモールド金型が開示されている。このモールド金型は、平面視において環状に形成されたキャビティに囲まれた領域（突起部）でリードフレームをクランプするように構成されている。

特開２００９−２０６３７０号公報

しかしながら、キャビティの中央部にキャビティピン（突起部）を配置し、このキャビティピンでリードフレームをクランプして樹脂封止する場合、キャビティ内の空気は、キャビティの中央部、すなわちキャビティピン（突起部）の側面にまとわり付くように残る。このため、従来のように空気の抜き孔をキャビティの外側に設けても、キャビティ（突起部）の側面にまとわり付く空気を除去することは困難となる場合がある。その結果、樹脂パッケージ中に空隙（ボイド）が発生すると、半導体装置の強度や耐湿性等の性能に悪影響を及ぼす可能性がある。

そこで本発明は、高品質な半導体装置を製造するためのモールド金型および高品質な半導体装置を提供する。

本発明の一側面としてのモールド金型は、半導体装置を製造するために用いられるモールド金型であって、ワークを一方面側から押さえる一方金型と、前記ワークを他方面側から押さえる他方金型とを有し、前記一方金型および前記他方金型の少なくとも一つには、前記ワークを押さえる突起部、および、該突起部を取り囲むように構成されたキャビティが設けられており、前記突起部の先端と前記ワークとの間には、樹脂封止時に前記キャビティから排出された空気を閉じ込める空間が形成されている。

本発明の他の側面としての半導体装置は、リードフレームと、前記リードフレームに実装された半導体チップと、突起部および該突起部を取り囲むように構成されたキャビティを備えたモールド金型でクランプすることで、前記半導体チップを封止した樹脂とを有し、前記リードフレームは、前記モールド金型の前記突起部に対応する位置に形成されて、樹脂封止時に前記キャビティから排出された空気を閉じ込める凹部と、前記樹脂封止時に前記空気が前記キャビティから前記凹部へ移動するための通路部とを有する。

本発明の他の側面としての樹脂成形品は、ワークと、突起部および該突起部を取り囲むように構成されたキャビティを備えたモールド金型でクランプすることで充填された樹脂と、を有し、前記ワークは、前記モールド金型の前記突起部に対応する位置に形成されて、樹脂封止時に前記キャビティから排出された空気を閉じ込める凹部と、前記樹脂封止時に前記空気が前記キャビティから前記凹部へ移動するための通路部とを有する。

本発明の他の目的及び特徴は、以下の実施例において説明される。

本発明によれば、高品質な半導体装置を製造するためのモールド金型および高品質な半導体装置を提供することができる。

本実施例における金型の概略断面図である。 本実施例における金型を用いた樹脂封止の説明図である。 本実施例におけるキャビティピンの先端の構成図である。 本実施例におけるキャビティピンとリードフレームとの組み合わせの変形例である。 本実施例におけるキャビティピンの変形例である。 本実施例における金型の変形例を示す平面図である。

以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら詳細に説明する。各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。

図１乃至図３を参照して、本実施例における半導体装置およびその半導体装置を製造するために用いられる金型（モールド金型）について説明する。図１は、本実施例における金型の概略断面図であり、上型と下型とを用いてリードフレーム（半導体装置）をクランプした状態を示している。図２は、金型を用いた樹脂封止の説明図であり、図１中の点線１５０で囲まれた領域を拡大して示している。図３は、本実施例におけるキャビティピンの先端の構成図であり、図３（ａ）は先端の側面図、図３（ｂ）は先端の平面図をそれぞれ示している。

図１において、リードフレーム１０（ワーク）は、例えば、銅系フレーム材の表面に、ニッケル、パラジウム、銀、又は金などで構成されるメッキ層（例えばＮｉ−Ａｇメッキ）を形成して構成される。リードフレーム１０の板厚は、例えば０．５ｍｍであり、板厚０．２ｍｍや０．３ｍｍ程度のリードフレームを用いてもよい。図１において、一点鎖線を挟んだ左側には右側と同様の構成が配置されることにより、一度の成形で２枚のリードフレーム１０が樹脂封止される。なお図１は、個片化後に一つの半導体パッケージを構成する領域のみ示している。

リードフレーム１０の上には複数の半導体チップ８０が実装されている。半導体チップ８０は、回路が形成された面とは反対側の面をリードフレーム１０側に向けて、半田などを用いてリードフレーム１０の上に電気的に接続されて固定される。また半導体チップ８０は、金などから構成されるワイヤ８２を用いたワイヤボンディングにより、半導体チップ８０の回路と、リードフレーム１０上の所定の領域とが電気的に接続される。ただし本実施例はこれに限定されるものではなく、バンプを用いたフリップチップにより半導体チップ８０をリードフレーム１０上に実装することもできる。この場合、ワイヤ８２は不要となる。また、モールドされるワークとしては、リードフレーム１０の代わりに、セラミックス基板や樹脂基板のような基板や半導体ウエハ等を用いてもよい。また、半導体チップを必ずしも封止する必要はなく、半導体パッケージにおいて光を反射するリフレクタやヒートシンクの保持する構成などにおいて補強するスティフナ等の樹脂構造体を基板等に成形する構成（樹脂成形品）にも採用することができる。

半導体チップ８０を実装したリードフレーム１０を、図１に示される金型を用いて樹脂封止（樹脂成形）を行い、それにより得られた樹脂成形品をダイシングして個片化することで、最終製品としての半導体パッケージ（半導体装置）が完成する。本実施例の半導体装置は、例えば半導体センサとして用いられる。ただし本実施例はこれに限定されるものではなく、ＬＥＤ等の他の用途に用いられる半導体装置にも適用可能である。

本実施例において、モールド金型は上金型５０（一方金型）と下金型６０（他方金型）を備えて構成される。上金型５０は、上型インサート５１を備え、上型インサート５１にはキャビティピン５２（突起部）が挿入されている。図１には一つのキャビティピン５２のみが示されているが、実際には半導体パッケージの個数分だけの複数のキャビティピン５２が上型インサート５１に挿入されている。キャビティピン５２は、例えば鉄やステンレス系の材料から構成されるが、これに限定されるものではない。

上型インサート５１には、各々のキャビティピン５２を取り囲むようにキャビティ５７が形成されている。キャビティ５７には、トランスファモールドによりリードフレーム１０が樹脂封止される際に樹脂が充填される。この樹脂は、半導体チップ８０を封止し、個片化後の半導体装置におけるパッケージを構成する。また、上型インサート５１には、隣接するキャビティ５７同士を連通するスルーゲート５８が形成されている。ただし、スルーゲート５８に代えてエアベントを設けてもよい。また、後述する構成により、平面視におけるパッケージの外周へのエアの排出手段を設けなくてもエアベント可能であり、ボイドの発生を防止することができる。

また上型インサート５１には、カル５５ａ、ランナ５５ｂ、および、ゲート５６が形成されており、樹脂をキャビティ５７の内部に注入するように、これらは互いに連通して設けられている。上金型５０は、樹脂封止時において、半導体チップ実装領域とキャビティ５７とが重なるようにリードフレーム１０を上面側（一方面側）から押さえ付ける。

下金型６０は、下型インサート６１を備えて構成されている。下型インサート６１には、上型インサート５１のキャビティ５７と対応する位置、すなわち、リードフレーム１０を挟んでキャビティ５７と対称の位置に、キャビティ６７が形成されている。また、キャビティ６７の中央部には、上型インサート５１のキャビティピン５２と対応する位置、すなわちリードフレーム１０を挟んでキャビティピン５２と対称の位置に、突起部６２が形成されている。また下型インサート６１には、隣接するキャビティ６７同士を連通するスルーゲート６８が形成されている。スルーゲート６８は、上型インサート５１のスルーゲート５８と対応する位置、すなわちリードフレーム１０に関してスルーゲート５８と対称の位置に設けられている。下金型６０は、樹脂封止時において、リードフレーム１０を下面側（他方面側）から押さえ付ける。

このように本実施例のモールド金型は、上金型５０と下金型６０とを主体として構成されている。樹脂封止時（樹脂モールド時）には、上金型５０と下金型６０とでリードフレーム１０をクランプし（挟み）、複数のキャビティ５７、６７の内部に半導体パッケージ用の樹脂を充填する。

図１において、７０は、熱硬化性樹脂等をタブレット（円柱）状に成形した樹脂タブレットである。樹脂封止時には、図１に示されるように、下金型６０のポット６３を予熱し、その中に樹脂タブレット７０を投入して溶融させる。そして、ポット６３に沿って上下に摺動可能に構成されたプランジャ６４をトランスファ機構（不図示）により上動させ、溶融した樹脂７１を圧送する。プランジャ６４によって樹脂７１が圧送されることにより、溶融した樹脂７１は、図１中のカル５５ａ、ランナ５５ｂ、および、ゲート５６を介して、図２（ａ）に示されるようにキャビティ５７、６７へ供給される。複数のパッケージをスルーゲート５８、６８を介して接続したようなマトリックスタイプの成形を行う場合、各々のキャビティ５７、６７は、スルーゲート５８、６８を介して連通しているため、樹脂７１は、ゲート５６に近いキャビティ５７、６７から、ゲート５６から離れた（遠い）キャビティ５７、６７に向けて順次供給されていく。このようにして、樹脂タブレット７０が溶融して樹脂７１となり、上金型５０と下金型６０で形成された空間（キャビティ５７、６７）に注入される。

図１および図２（ａ）に示されるように、樹脂封止前において、キャビティ５７、６７の内部には空気が存在する。プランジャ６４により樹脂７１が圧送されてキャビティ５７、６７の内部は徐々に樹脂７１で充填されていくため、キャビティ５７、６７の内部に存在する空気をキャビティ５７、６７から排出する必要がある。このため、キャビティ５７、６７の外側（外壁の一部）にエアベントを設けることで、キャビティ５７、６７の内部に樹脂７１が充填されるにつれて、このエアベントから空気が排出される。

しかしながら、本実施例では、キャビティ５７、６７の中央部にてキャビティピン５２（押さえ部９１）および突起部６２（押さえ部９５）を用いてリードフレーム１０をクランプした状態で樹脂封止を行う。この場合、図２（ｂ）に示されるように、キャビティピン５２および突起部６２の柱状の部分によって分けられた樹脂７１の流れがこれら柱状の部分の背後（同図の右側）において合流する際に、柱状の部分の近傍に空気５７ａ、６７ａが残留する。具体的には、空気５７ａ、６７ａは、キャビティ５７、６７の中央部、すなわちキャビティピン５２および突起部６２の側面にまとわり付くように残留する。このため、従来のように空気の抜き孔をキャビティ５７、６７の外側に設けても、キャビティピン５２および突起部６２の側面にまとわり付く空気５７ａ、６７ａを効果的に除去することができない。

そこで本実施例では、キャビティピン５２の先端とリードフレーム１０との間に、樹脂封止時にキャビティ５７から排出された空気を閉じ込める空間が形成されている。具体的には、図３（ａ）、（ｂ）に示されるように、キャビティピン５２の先端は、押さえ部９１、凹部９２（掘り込み部）、および、通路部９３を備えて構成される。押さえ部９１は、リードフレーム１０を（上面側から）押さえる部分である。凹部９２は、押さえ部９１の内側に形成されて空気５７ａを閉じ込める領域である。通路部９３は、樹脂封止時に空気５７ａがキャビティ５７から凹部９２へ（図３（ｂ）中の矢印方向へ）移動するための通路となる。また通路部９３は、キャビティピン５２の周囲のうち、ゲート５６とは反対側（図３（ｂ）中の右側）に設けられている。これは、キャビティ５７内の空気は、樹脂が合流する領域で発生しやすいためである。本実施例では同様に、突起部６２の先端とリードフレーム１０との間において、空気６７ａを閉じ込める空間（凹部９６）が形成されている。

このように本実施例では、キャビティピン５２および突起部６２の先端の両方に、樹脂封止時にキャビティ５７、６７内の空気５７ａ、６７ａを閉じ込める空間が形成されている。このため、キャビティピン５２および突起部６２の側面にまとわり付く空気５７ａ、６７ａを効果的に除去することができる。この結果、樹脂パッケージ中に発生する空隙（ボイド）を低減して高品質な樹脂パッケージを製造することが可能となる。

このような構成を採用することで、図２（ｃ）に示されるように、キャビティ５７、６７内の不要な空気５７ａ、６７ａが除去され、上金型５０と下金型６０との間（キャビティ５７、６７）が樹脂７１で良好に充填される。また、このような空隙（ボイド）を削減するためにキャビティ５７、６７内の空気を排出し樹脂を充填する減圧成形や樹脂圧力を高圧にすることも考えられるが、本実施例のように金型の形状を変更する手法と比較して高価な装置構成が必要となる。これに対し、本実施例の構成によれば、空隙（ボイド）を低減して高品質な樹脂パッケージを安価な装置構成で製造することができる。なお、樹脂タブレット７０に代えて液状の熱硬化性樹脂をディスペンサ（不図示）で供給することもできる。また、粒状、顆粒状やゲル状の樹脂を用いることもできる。

樹脂７１の充填後、樹脂７１を硬化させるために所定時間だけ待機した後、上金型５０および下金型６０の型閉状態を開放する。そして、ダイシング工程により複数の樹脂パッケージ（半導体装置）に個片化される。このような構成により、樹脂パッケージ中の空隙（ボイド）を低減して高品質な半導体装置を提供することができる。

次に、図４、図５および図６を参照して、本実施例における変形例について説明する。図４（ａ）〜（ｃ）は、本実施例におけるキャビティピンとリードフレームとの組み合わせの変形例である。図５（ａ）、（ｂ）は、本実施例におけるキャビティピンの変形例である。図６（ａ）、（ｂ）は、本実施例における金型の変形例を示す平面図である。

図４（ａ）の変形例において、キャビティピン５２ａの先端は、従来と同様の平面形状である。すなわち先端の全体は、リードフレームを押さえる押さえ部を構成する。一方、リードフレーム１０ａには、キャビティピン５２ａにより押さえられる領域の内側領域において、空気を閉じ込める凹部１１（掘り込み部）が形成されている。またリードフレーム１０ａには、樹脂封止時に空気がキャビティから凹部１１へ移動するための通路部１２が形成されている。凹部１１および通路部１２はそれぞれ、図３を参照して説明したキャビティピン５２の凹部９２および通路部９３と同様の形状を有する。

図４（ｂ）の変形例において、リードフレーム１０ｂには、図４（ａ）と同様の凹部１１が形成されている。一方、キャビティピン５２ｂの先端には、樹脂封止時に空気がキャビティから凹部１１へ移動するための通路部９３が形成されている。通路部９３は、図３を参照して説明した構成と同様である。

図４（ｃ）の変形例において、キャビティピン５２ｃの先端には、押さえ部の内側に形成されて空気を閉じ込める凹部９２が形成されている。凹部９２は、図３を参照して説明した構成と同様である。一方、リードフレーム１０ｃには、樹脂封止時に空気がキャビティから凹部９２へ移動するための通路部１２ａが形成されている。

このように、図４（ａ）〜（ｃ）に示されるキャビティピンとリードフレームとの組み合わせの各構成を採用した場合でも、本実施例の効果を同様に得ることができる。

図５（ａ）の変形例において、キャビティピン５２ｄには、凹部９２に閉じ込められた空気を抜くための抜き孔９４が設けられている。抜き孔９４の一端は凹部９２に接続され、他端は空気吸引手段（不図示）に接続されている。抜き孔９４を設けることにより、凹部９２に閉じ込められた空気が溜まらないため、凹部９２の体積よりも大きい空気体積量を吸引することができる。

図５（ｂ）の変形例において、キャビティピン５２ｅには、凹部９２ａおよび通路部９３ａが形成されている。凹部９２ａおよび通路部９３ａの深さ（高さ）はそれぞれ、凹部９２および通路部９３よりも深く（高く）、樹脂７１に含まれるフィラー等の径より大きくすることで、フィラー等によって流れが塞き止められない深さとする必要がある。また好ましくは、通路部９３ａの幅を通路部９３よりも広く構成する。本変形例の構成によれば、樹脂封止時に樹脂内部に含まれる空気を閉じ込める空間が形成されるとともに、樹脂７１の一部を通路部９３ａを介して凹部９２ａの内部に閉じ込めるフローキャビティとしての機能も有することになる。

本実施例のモールド金型において、上金型５０における突起部としてキャビティピン５２を設け、下金型６０における突起部として下型インサート６１に一体的に形成された突起部６２を設けている。ただし本実施例はこれに限定されるものではない。上金型５０における突起部として上型インサート５１に一体的に形成された突起部を設け、下金型６０における突起部としてキャビティピンを設けてもよい。また、両方の突起部をキャビティピンとすることもできる。すなわち、上金型５０および下金型６０の突起部の少なくとも一つにキャビティピンを採用すればよい。また、両方の突起部として、それぞれのインサートに一体的に形成された突起部を採用することもできる。

また本実施例のモールド金型では、上金型５０および下金型６０の両方の突起部（キャビティピン５２、突起部６２）に空気を閉じ込める空間（凹部９２、６４）を形成しているが、これに限定されるものではない。このような空間は、上金型５０、６０の少なくとも一つの突起部に形成すればよい。また、このような突起部自体を上金型５０、６０の少なくとも一つに設けられるように構成してもよい。本実施例におけるモールド金型の構成は、半導体チップがリードフレームの両面にされているか、またはいずれか一方の面に実装されているかなどに応じて適宜変更される。また本実施例において、突起部の先端は図３（ｂ）で示される平面方向から見て円形状であるが、これに限定されるものではなく、矩形状などの他の形状としてもよい。

また、図６（ａ）の変形例において、マップタイプのキャビティ５７ａに平面視円形状の突起部５９ａを行列状に設けることで、例えばＬＥＤリフレクタのようなパッケージを一括して成形することができる。このような場合、突起部５９ａにおけるゲート５６の反対側に通路部９７ｂを設けることで、凹部９８ａの内部に空気を排出することができる。即ち、ゲート５６とエアベント５３を繋いだ線上における突起部５９ａの壁面付近において樹脂が合流することになるため、樹脂の合流する位置において空気を排出することができる。

図６（ｂ）の変形例において、マップタイプのキャビティ５７ｂに平面視矩形状の突起部５９ｂを行列状に設けることで、例えば放熱板保持用のスティフナとして成形するようなパッケージを一括して成形することができる。このような場合において、突起部５９ｂ間の隙間が細く（狭く）なってしまうときにもゲート５６とエアベント５３を繋いだ線上における突起部５９ｂの壁面付近において合流することになる。このため、ゲート５６に向く側面に通路部９７ｂを設けることによっても、凹部９８ｂの内部に空気を円滑に排出することができる。すなわち、通路部９７ｂの成形位置は、ゲート５６に対して反対側のみではなく、樹脂が合流する位置として成形試験や流動解析により確認される樹脂の合流位置に配置することで空気を円滑に排出することができる。

本実施例では、一方金型および他方金型の少なくとも一方の突起部の先端に、樹脂封止時にキャビティ内の空気を閉じ込める空間が形成されている。このため、突起部の側面にまとわり付く空気を効果的に除去することができ、半導体パッケージ中の空隙（ボイド）の発生を抑制することが可能である。このため本実施例によれば、高品質な半導体装置を製造するためのモールド金型および高品質な半導体装置を提供することができる。

以上、本発明の実施例について具体的に説明した。ただし、本発明は上記実施例として記載された事項に限定されるものではなく、本発明の技術思想を逸脱しない範囲内で適宜変更が可能である。

１０ リードフレーム
５０ 上金型
５２ キャビティピン
５７、６７ キャビティ
５８、６８ スルーゲート
６０ 下金型
６３ ポッド
６４ プランジャ
７０ 樹脂タブレット
７１ 樹脂
８０ 半導体チップ
８２ ワイヤ
９１ 押さえ部
９２ 凹部
９３ 通路部

Claims (10)

1. 半導体装置を製造するために用いられるモールド金型であって、
   ワークを一方面側から押さえる一方金型と、
   前記ワークを他方面側から押さえる他方金型と、を有し、
   前記一方金型および前記他方金型の少なくとも一つには、前記ワークを押さえる突起部、および、該突起部を取り囲むように構成されたキャビティが設けられており、
   前記突起部の先端と前記ワークとの間には、樹脂封止時に前記キャビティから排出された空気を閉じ込める空間が形成されている、ことを特徴とするモールド金型。
2. 前記突起部は、前記一方金型および前記他方金型の少なくとも一つに設けられたキャビティピンであることを特徴とする請求項１または２に記載のモールド金型。
3. 前記突起部は、前記一方金型および前記他方金型の少なくとも一つに一体的に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のモールド金型。
4. 前記突起部の先端は、
   前記ワークを押さえる押さえ部と、
   前記空気が前記キャビティから前記ワークに形成された凹部へ移動するための通路部と、を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のモールド金型。
5. 前記突起部の先端は、
   前記ワークを押さえる押さえ部と、
   前記ワークに形成された通路部を介して排出された前記空気を閉じ込めるように前記押さえ部の内側に形成された凹部と、を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のモールド金型。
6. 前記突起部の先端は、
   前記ワークを押さえる押さえ部と、
   前記押さえ部の内側に形成されて前記空気を閉じ込める凹部と、
   前記樹脂封止時に前記空気が前記キャビティから前記凹部へ移動するための通路部と、を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のモールド金型。
7. 前記突起部は、前記凹部に閉じ込められた前記空気を抜くための抜き孔を有することを特徴とする請求項５または６に記載のモールド金型。
8. 前記一方金型は、樹脂を前記キャビティの内部に注入するためのゲートを備え、
   前記通路部は、前記突起部に対して前記ゲートとは反対側に設けられていることを特徴とする請求項４乃至７のいずれか１項に記載のモールド金型。
9. リードフレームと、
   前記リードフレームに実装された半導体チップと、
   突起部および該突起部を取り囲むように構成されたキャビティを備えたモールド金型でクランプすることで、前記半導体チップを封止した樹脂と、を有し、
   前記リードフレームは、
   前記モールド金型の前記突起部に対応する位置に形成されて、樹脂封止時に前記キャビティから排出された空気を閉じ込める凹部と、
   前記樹脂封止時に前記空気が前記キャビティから前記凹部へ移動するための通路部と、を有することを特徴とする半導体装置。
10. ワークと、
    突起部および該突起部を取り囲むように構成されたキャビティを備えたモールド金型でクランプすることで充填された樹脂と、を有し、
    前記ワークは、
    前記モールド金型の前記突起部に対応する位置に形成されて、樹脂封止時に前記キャビティから排出された空気を閉じ込める凹部と、
    前記樹脂封止時に前記空気が前記キャビティから前記凹部へ移動するための通路部と、を有することを特徴とする樹脂成形品。