JP3572833B2 - 樹脂封止型半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、混成集積回路基板を樹脂モールドすることにより封止する樹脂封止型半導体装置に係り、特にモールド樹脂ボイドの発生を防止するための製造方法造に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
混成集積回路基板は、シリコン半導体素子のみでは対応できない耐高電圧性、耐ノイズ性などに優れ、この特徴を生かし、自動車用半導体装置などとして使われる。特に種々のパワー装置(アクチュエータ)の駆動装置として用いられる場合が多く、駆動のためのパワートランジスタと組み合わせて使われ、しかもパワー装置に搭載容易なように小型化が必須の条件となっている。従来、混成集積回路基板を用いた半導体装置では、樹脂製ケースに半導体装置を組み付け、ケース内に液状樹脂を流し込んで硬化し封止する構造を用いることが多い。しかし、この方法ではケースの寸法、および液状樹脂を流し込むための余裕を必要とするため、十分な小型化ができない。
【0003】
ケースを用いない半導体封止方法としては、シリコン半導体素子の封止方法として一般的に使われるモールド成形封止がある。これは、シリコン半導体素子をリードフレームに組み付け、これを成形金型へ投入し、モールド樹脂でトランスファ成形することで封止するものであり、ケースを用いないため小型化が可能である。このモールド封止を用い、混成集積回路基板とパワートランジスタを同時に封止すれば、ケース廃止による大幅な小型化が可能である。即ち、図11に示すように、リードフレーム30の上側に混成集積回路基板31とパワートランジスタ32を組み付け、これを成形金型へ投入して樹脂33を注入してモールド成形する。
【0004】
この方法での問題点は、成形が困難になる点にある。つまり、シリコン半導体素子のみをモールド成形する場合に比べ、混成集積回路基板31はサイズが大きく、しかもパワートランジスタ32と同時に成形するため、これらを搭載するリードフレーム面積が大きくなる。そのために成形金型へ投入した時に、混成集積回路基板31とパワートランジスタ32が搭載されたリードフレーム30の上側での樹脂の流れと、何も搭載されていないリードフレーム下側での樹脂の流れが広い面積にわたって制限されるため、リードフレーム上側と下側の樹脂流れが、シリコン半導体素子のみを封止する場合に比べ不均一になりやすい。
【0005】
ここで、樹脂の流れる速度は、概ね樹脂の肉厚に依存するため、リードフレーム30の上側と下側の樹脂肉厚を均等にすれば、流れを均一にすることはできる。しかし、パワートランジスタ32で発生した熱がリードフレーム30へ伝わり下側の樹脂を通して外部へ放熱する際に、放熱性を向上させるべく、リードフレーム下側の樹脂肉厚はできる限り薄くする必要がある。又、リードフレーム上側においては、混成集積回路基板31上に搭載されるチップ部品34や、パワートランジスタ32〜混成集積回路基板31〜インナーフレーム35間を結線するためのワイヤ36,37の高さなどにより、ある一定以上の樹脂肉厚が必要である。
【0006】
さらに、図12に示すように、パワートランジスタ32や混成集積回路基板31が搭載されていないリードフレーム30の下側をモールドせず、上側だけを封止するという構造も考えられる。この構造では、リードフレーム30下側に樹脂33が無いため、放熱性は良好で、かつ、モールド樹脂33はリードフレーム30の上側のみを流れるため成形性も良好である。しかし、リードフレーム30とモールド樹脂33の熱膨張率差に起因する熱応力が、リードフレーム30とモールド樹脂33の界面に加わるため、冷熱ストレスでこの界面が剥離を起こし、この剥離を通して外部の水分や汚染物が内部へ侵入したり、剥離によって混成集積回路基板31上のチップ部品34が破壊されるなど、信頼性に劣るという欠点を持つ。
【0007】
本発明者の研究によれば、このような構造は特に自動車用の半導体装置としては、信頼性が十分でないという結果を得た。
又、リードフレーム30上下の樹脂肉厚を均一にするため、図13に示すように、成形金型へ投入する前に、混成集積回路基板31の上を、肉厚の厚いコーティング材38で覆い、成形金型へ投入した際に、リードフレーム30の上側のモールド樹脂33の肉厚が薄くなるようにして、概ね、リードフレーム30の下側の樹脂肉厚と同じになるような構造をとることもできる。
【0008】
しかし、この構造は、ワイヤ36,37が、コーティング材38とモールド樹脂33の界面を通ることになるため、コーティング材38とモールド材33の熱膨張率の差に起因する熱応力がワイヤ36,37に加わり、冷熱ストレスでワイヤの切断が起きやすい。本発明者の研究によれば、このような構造も、自動車用の半導体装置としては十分な信頼性がないという結果を得た。
【0009】
このように、混成集積回路基板とパワートランジスタをモールド封止することで小型化し、しかも高い信頼性を得るためには、リードフレーム上下の樹脂肉厚が均等でない形状の成形を行うことが必須となっている。
【0010】
リードフレーム上下の樹脂肉厚が均等でない場合に上下の樹脂流れが不均一となることは前述したが空気の排出という観点から説明を加えると、成形の際にリードフレーム30を金型へ投入するときには、図11に示すように、上金型と下金型でリードフレーム30を挟む。金型には、成形後封止部分となるように空隙(キャビティ)が彫り込まれている。樹脂は、キャビティの一端に設けられた注入口(ゲート)から入り、リードフレーム30の上側と下側に分かれてキャビティ内を流れる。成形前にキャビティ内にあった空気は、キャビティ端部の上金型とリード35の間、または下金型とリード35の間に彫り込まれた溝(エアベント)を通して外部へ逃げるようになっている。
【0011】
このようにリードフレーム30上下の樹脂肉厚が異なる場合、樹脂肉厚の厚い側(リードフレーム上側)の樹脂流れが速く、上側の樹脂流れがキャビティ端に達し、エアベントを塞いだ時には、下側の樹脂はまだキャビティ端まで達しておらず、その結果、下側にはエアベントから逃げられない空気が残される。この空気は成形時の樹脂注入圧力で小さくなるものの、最終的な成形物ではボイドとなって残り、絶縁性、耐湿性の低下を招く。
【0012】
これら課題を解決するため、例えば特開平1−158756号公報では、ゲートを下側に設け、ゲートから樹脂が流入した後、上側へ流れる通路上に、リードフレームで突起物を設け、上側への樹脂流入を制限する方法をとっている。又、特開平6−104364号公報でも同様に、樹脂の流れを均一化するため、リードフレームで突起を設けている。これらの方法は、突起を設けるため、装置全体の大きさが大きくなり、小型化に適さない。
【0013】
さらに、特開平1−291434号公報では、ゲートに近い上金型の中にスライド型を具備した金型を用い、成形前半段階では、スライド型をキャビティの中に突出させることで上側の樹脂流れを制限し、成形後半段階で、スライド型を抜いて最終的な成形物を得るという方法が開示されているが、混成集積回路基板などを搭載した場合は、スライド型がチップ部品34(図11参照)やワイヤ36,37と干渉し、十分な効果を得ることができない。
【0014】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、混成集積回路基板とパワートランジスタ等の半導体チップを同時にモールド成形し、小型かつ高い信頼性を両立するために、リードフレーム上下の樹脂肉厚が均等でない構造においても良好な成形を行うことができる樹脂封止型半導体装置の製造方法を提供することにある。
【0015】
【課題を解決するための手段】
請求項1に記載の発明によれば、リードフレームの部品搭載部の上に混成集積回路基板と半導体チップとが実装され、リードフレームが成形封止用の上金型と下金型との間に挟み込まれるとともに、金型にて形成されるキャビティにおけるエアベント付近からインナーリードが突出される。そして、ゲートから樹脂が注入されてリードフレームの上側と下側に樹脂が通過し、さらにインナーリードの上面または下面を通過した後においてリードフレームの上側を通過した樹脂とリードフレームの下側を通過した樹脂を合流させてキャビティ内を樹脂で充填する。
【0016】
この樹脂の封止工程においてボイドの発生が抑制されるが、そのメカニズムに下記のものと推測される。
(A)成形途中において樹脂は、キャビティ内でのインナーリードの隙間を通って上または下金型側から他方の金型側へ流れ込むが、ここでインナーリードの存在により通路が狭くなるため流動抵抗が増加し樹脂流れが遅くなり、前述の他方の金型側への流入が遅くなる。その結果、キャビティにおけるエアベント付近にインナーリードがない場合に比べ金型内に残留する空気の量が低減し、ボイドの発生が防止される。
(B)ゲートを通して樹脂がキャビティに注入されると、キャビティ内の空気がエアベントを通して排出されつつ樹脂がリードフレームの上側と下側に別れて下流側に流れていく。このとき、リードフレームの上側と下側との樹脂の流速は異なる(例えば、半導体チップとしてパワーデバイスを用いた場合には放熱性を考慮して下側の樹脂厚みを薄くするのでリードフレームの上側の方が下側よりも速い)。そして、リードフレームの上側あるいは下側のいずれかの樹脂が、他方を通過した樹脂よりも早くキャビティにおけるエアベント付近に突出したインナーリードに達する。この樹脂はインナーリードの上面または下面に当たりインナーリードを通過していく。この時、樹脂経路における下流側のインナーリードの裏面には空洞が形成され、この空洞を通して残留空気の排出経路が確保され、同経路を通して残留空気がエアベントから排出される。よって、金型の中に空気の排出経路を確保してボイドの発生が防止される。
【0017】
この(A),(B)のようにして、リードフレーム上下の樹脂肉厚が均等でない構造においても良好な成形を行うことができ、混成集積回路基板とパワートランジスタ等の半導体チップを同時にモールド成形し、小型化を図るとともに高い信頼性を確保できることとなる。
【0018】
そして、混成集積回路基板の上での封止樹脂の肉厚を「t1」、リードフレームの下面での封止樹脂の肉厚を「t2」、キャビティ内での樹脂通路におけるゲートからリードフレームの部品搭載部の下流側端部までの距離を「L1」、キャビティ内での樹脂通路におけるリードフレームの部品搭載部の下流側端部からエアベントの形成部までの距離を「L2」、η=βτBにて封止樹脂の粘度ηを表したときにおける粘度のせん断速度τの依存性係数を「B」としたとき(ただし、βは定数)、
(t1/t2)(3+4B)≦(L1+2・L2)/L1
を満足させると、ボイドの発生しにくい領域にて、リードフレームの上側を通過した樹脂とリードフレームの下側を通過した樹脂とを合流させることができる。
【0019】
又、請求項2に記載のように、封止樹脂に配合される無機充填材として溶融シリカを用い、かつ、含有率を体積含有率で70%以上とし、混成集積回路基板の上での封止樹脂の肉厚を「t1」、リードフレームの下面での封止樹脂の肉厚を「t2」、キャビティ内での樹脂通路におけるゲートからリードフレームの部品搭載部の下流側端部までの距離を「L1」、キャビティ内での樹脂通路におけるリードフレームの部品搭載部の下流側端部からエアベントの形成部までの距離を「L2」としたとき、
(t1/t2)0.4≦(L1+2・L2)/L1
を満足させると、フィラーの種類と含有率を特定することにより実用上好ましいものとなる。
【0020】
【発明の実施の形態】
以下、この発明を具体化した実施の形態を図面に従って説明する。
図1には、樹脂封止型半導体装置の製造工程において上金型と下金型とを用いて樹脂封止を行う際の平面図を示す。ただし、図1においては説明の便宜上、上金型を取り外した状態で示す。又、図2には図1のA−A断面を示し、図3には図1のB−B断面を示し、図4には図1のC−C断面を示す。ただし、図2〜図4においては上金型は装着された状態で示す。
【0021】
成形封止用の金型は上金型1と下金型2にて構成され、上金型1と下金型2との間にはキャビティ3が形成されている。詳しくは、図2の上金型1の凹部1aと下金型2の凹部2aとが対向配置され、凹部1aと凹部2aとによりキャビティ3が形成されている。又、図1において左側にゲート4が延設され、キャビティ3への入口部は狭くなっている。
【0022】
リードフレームFL において四角形状の部品搭載部5の上には半導体チップとしてのパワートランジスタ6と混成集積回路基板7とが搭載され、混成集積回路基板7にはチップ部品8等の各部品が搭載されている。パワートランジスタ6と混成集積回路基板7とはワイヤ9にて電気的に接続されている。
【0023】
図1に示す四角形状の部品搭載部5からは支持リード10が延び、さらに、支持リード10に対しタイリード11によりアウターリード12a,12b,12c,12dが連結されている。各アウターリード12a〜12dは図1中、部品搭載部5の右側において並設され、同アウターリード12a〜12dは上金型1と下金型2により隙間無く挟まれている。アウターリード12a〜12dの先端にはキャビティ3内に位置するインナーリード13a,13b,13c,13dが形成されいる。インナーリード13a〜13dの先端には幅広部14が形成されている。尚、タイリード11は、樹脂成形中にアウターリード12a〜12dの間隔を一定に保つ働きをするとともに、樹脂成形後、このタイリード11は切り落とされ、アウターリード12a〜12dは1本ずつ独立し互いに電気的に絶縁される。
【0024】
インナーリード13a〜13dと混成集積回路基板7とはワイヤ15にて電気的に接続されている。
図3に示すように、並設された各リード10,12a〜12dにおける、その間にはエアベント(空気排出通路)16が形成されている。つまり、上金型1と下金型2との間に隙間16が形成され、この隙間16がリード10,12a〜12d間に延びている。より詳しくはリード間において下金型2に突起物(ダムブロック)2bが設けられているが、金型を閉じた状態においても、このダムブロック2bと上金型1の間には隙間16が形成されるようになっている。
【0025】
又、図4に示すように、並設された各リード10,12a〜12dをつなぐタイリード11の上にもエアベント(空気排出通路)17が形成されている。つまり、タイリード11の上における上金型1の下面に長方形の凹部1b(図1参照)がリード10,12a〜12dの延設方向に延びている。このエアベント17は前述のエアベント16と連通している。
【0026】
よって、エアベント16,17を通してギャビティ3内の空気の排出経路が形成される。このように、最終的にリードとなって残る部分は上金型1と下金型2で隙間無く挟むことでリード表面に形成される樹脂バリの発生を押さえつつエアベント16,17での空気の排出経路を確保している。
【0027】
尚、エアベント16,17は深さが10〜40μm程度である。
次に、樹脂封止型半導体装置の製造方法を説明する。
まず、リードフレームFL の部品搭載部5の上に混成集積回路基板7とパワートランジスタ6とを実装する。つまり、部品搭載部5上に混成集積回路基板7とパワートランジスタ6とを載置するとともに、必要な結線、具体的には、混成集積回路基板7とパワートランジスタ6の間のワイヤ9によるボンディング、及び混成集積回路基板7とインナーリード13a〜13dとの間のワイヤ15によるボンディングを行う。
【0028】
そして、混成集積回路基板7とパワートランジスタ6が露出した状態でリードフレームFL を成形封止用の上金型1と下金型2との間に挟み込む。このとき、金型にて形成されるキャビティ3におけるエアベント16,17付近からインナーリード13a〜13dが突出する。
【0029】
この後、モールド樹脂をゲート(注入口)4から流し込み、全体を成形封止する。
この時、図5に示すように、キャビティ3内はリードフレームFL により同フレームの上側領域と下側領域とに区画される。そして、リードフレームFL の上側領域における樹脂肉厚t1、即ち、混成集積回路基板7の上での樹脂肉厚t1は、チップ部品8、ワイヤ9,15などの高さの制限によりある程度厚くなる。具体的には、混成集積回路基板7の厚さt10が約0.6mm、チップ部品8の高さH1が約1.3mm、ワイヤ9,15の高さ(図2でのH2)が約2mmであるため、t1は約2.3〜2.6mmが必要である。又、リードフレームFL の下側領域における樹脂肉厚t2、即ち、部品が搭載されないリードフレームFL 下側の樹脂肉厚t2は、放熱性や、成形物全体の小型化のため薄くしている。具体的には、0.7〜1.1mmとしている。図5においてゲート4からキャビティ3端部までの長さL(図2参照)は約20〜30mmである。
【0030】
又、モールド樹脂は、本実施形態ではエポキシ樹脂に無機質フィラー(溶融シリカ)を混合させたものであるが、樹脂質としては、エポキシ樹脂に限定されるものではなく、例えば、フェノール樹脂、シリコーン樹脂、ポリイミド樹脂など熱硬化性樹脂であればよい。又、無機質フィラーとしては、後述するように熱応力低減の観点から溶融シリカが望ましいが、これに加え他の無機質フィラー、例えば、アルミナ、窒化ケイ素、結晶性シリカ等を含有させてもよい。またこの他に、離型剤、着色剤、低弾性化改良材、硬化触媒を混合させるのが一般的である。
【0031】
製造工程の説明に戻り、図5に示すように、キャビティ3内に液状の樹脂20が注入されていくと、成形前にキャビティ3内に存在した空気は、エアベント16,17と通って排出される。
【0032】
又、上下不均一な成形では、空気抜け不足によるボイドなどの成形不良が発生しようとする。つまり、ゲート4から流入したモールド材20は、図5に示すように、肉厚の厚い上金型の凹部1aでは、肉厚が厚いため、流動抵抗が低く、速く流れ、下金型の凹部2aでは流れが遅い。従って、上金型の凹部1aの樹脂流れがエアベント16,17に達した時には、下金型の凹部2aの流れはまだエアベント16,17まで達しておらず、その結果、下金型の凹部2a内に空気が残留しようとする。この残留空気は、成形の樹脂圧力で小さくなるものの、最終成形物でボイドとなって残り成形不良となる可能性がある。
【0033】
このとき、本実施形態においては、成形途中において樹脂20がキャビティ3内でのインナーリード13a〜13dの隙間を通って上金型の凹部1aから下金型の凹部2aへ流れ込む際に、ここで通路が狭くなるため流動抵抗が増加し樹脂流れが遅くなり、下金型の凹部2aへの流入が遅くなる。その結果、下金型の凹部2aに残留する空気の量が低減し、ボイドの発生が防止されると考えられる。このように、図1の左側のゲート4に対し右側、即ち、反対側のキャビティ端部で、上金型側から下金型側へ樹脂が流れ込む部分において、インナーリード13a〜13dを配置することにより上金型1から下金型2への樹脂の流入を遅らせてボイドの発生が防止される。
【0034】
さらに、図6に示すように、インナーリード13a〜13dの間を樹脂20が通過する際に、インナーリード13a〜13dの樹脂下流側の裏に、空洞(トンネル)21が発生する。この空洞21を通して下金型2の残留空気が排出される経路が確保される。よって、金型にエアベントとしての貫通孔を設ける場合と異なり、容易に流動する樹脂自身による空気排出のための経路を確保できる。このように、金型の中に空気の排出経路を確保してボイドの発生が防止されると考えられる。
【0035】
以下、各種の実験を行ったので、それを説明する。
図7に、比較のための試作品を示す。形状は図1〜図4と全く同じであるが、ゲート4とエアベント25の位置関係が異なる。即ち、キャビティ3内における樹脂の最終充填部にはインナーリード13a〜13dは無く、このため、図7において左側に位置するゲート4に対し反対側の右側においてキャビティ全面にわたりエアベント25を設けることができ、単なるエアベント25としては図1の構造よりも空気を逃がしやすい。
【0036】
この構造で樹脂成形を行うと、図1の構造ではボイドが全く発生しないのに対し、図7の構造では、成形条件(注入圧力、金型温度など)を変えた全てのサンプルでボイドが発生した。
【0037】
この違いが起こる理由は、キャビティ3におけるゲート4に対し反対側(下流側)付近における流動形状にあると考えられる。つまり、図1の構造では、樹脂20は、インナーリード13a〜13dの間を通って上金型の凹部1aから下金型の凹部2aへ流れ込む際に間隔が狭くなるため下金型の凹部2aへの流入が遅くなり下金型の凹部2aに残留する空気の量が低減しボイドの発生が防止される。又、図6を用いて説明したようにインナーリード13a〜13dの間を樹脂が通過する際に、インナーリード13a〜13dの樹脂下流側の裏の空洞(トンネル)21を通して下金型の凹部2aの残留空気が排出される経路が確保されボイドの発生が防止される。
【0038】
これに対し、図7の構成では、キャビティ3におけるゲート4に対し反対側(下流側)にインナーリード13a〜13dが存在しないため、樹脂自身による空気排出経路が確保されることなく、成形不良に至ったものと考えられる。
【0039】
つまり、ゲート4から流入した樹脂は、混成集積回路基板7などが搭載された樹脂肉厚の厚いリードフレームFL 上側の方が速く流れる。この流れが、キャビティ端部へ達すると、混成集積回路基板7を搭載したリードフレームFL とキャビティ端辺の間の隙間(図7中、Sにて示す)を通して、下側へ流れ込もうとする。この際、この隙間部分Sに樹脂の流れを制限するものがない場合は、樹脂がエアベント25を塞ぎ、さらに下側へと流れ込み、リードフレームFL の下側に残された空気の量が多く、最終的にボイドとなって残る。
【0040】
この隙間部分Sに樹脂の流れを制限するもの、具体的にはインナーリード13a〜13dを配置した場合は、上側から下側への樹脂の流れが制限され、リードフレーム下側に残される空気の量が低減し、最終的にボイドが発生しない。
【0041】
しかも、インナーリード13a〜13dの間を通して下側へ流れ込む際に、インナーリード13a〜13dの下側は樹脂が入り込まない空洞21(図6参照))ができ、この空洞21を通して、リードフレーム下側に残存した空気の排出が促進されるため、さらにボイドの発生が防止される。
【0042】
このような作用を十分に発揮させるには、インナーリード13a〜13dが十分に樹脂流れの制限効果を持つ必要があり、そのためにはある一定割合以上の面積が必要となる。インナーリード13a〜13dはお互い電気的に絶縁されていなければならず、またモールド外部でのリード間リークを防ぐには、ある一定の距離を離す必要がある。従って、これら2つの要求を満足させるために、モールド封止されない部分(アウターリード12a〜12d)は、巾を細くし、モールドされる部分(インナーリード13a〜13d)では巾を広げることにより、さらにこの効果を発揮することができる。このために、図1に示すように幅広部14を設けている。
【0043】
次に、リードフレーム上下の樹脂肉厚の差に関する最適化ついての実験結果を説明する。
本発明者は、上下の樹脂の流れの差がどれくらいまで、この効果が発揮されるかを以下のような方法で求めた。
【0044】
図1の構造において、リードフレームFL 上に搭載する混成集積回路基板7の厚みを薄いものから、厚いものまで変化させ、ボイドが発生する位置と大きさを観察した。
【0045】
図8はその結果である。横軸は、ボイドの発生した位置である。
ボイド位置は、図5に示すように、ゲート4に対し反対側のキャビティ端辺、即ちキャビティ3での最下流部(エアベント形成部)から何mm離れているかを測定している。例えば、5mmとは、キャビティ端辺より5mm離れた場所にボイドが発生したことを表す。ボイド位置は最終的に上側の樹脂と下側の樹脂の流れが合流する場所であり、これがキャビティ端辺より離れれば離れるほど、上下の樹脂流れの差が大きいということを表す。
【0046】
図8の縦軸は、発生したボイドの大きさ(直径)を表す。ボイドサイズが大きいということは、リードフレームFL の下側に残留した空気の量が多いということを意味する。
【0047】
図8から明らかなように、ボイドの発生位置がキャビティ端辺(エアベンド形成部)へ近づくほどボイドサイズは小さくなり。そして、ボイド発生位置がキャビティ端辺と一致するより手前で、ボイドは発生しなくなる領域が存在することを見出した。そして、このボイドが発生しなくなる位置は、混成集積回路基板7を搭載したリードフレームFL の部品搭載部5の下流側端部と一致する(図5参照)。
【0048】
つまり、リードフレームFL の上下の樹脂流れが完全に均一でなくても、実施形態に示したインナーリード13a〜13dの効果によって、良好な成形をすることが可能であり、その場合、上下の流れ差は、上側の流れと下側の流れが出会う位置が、最低限、リードフレームFL の部品搭載部5の下流側端部であって、それよりエアベント側であればよい。
【0049】
図5において、キャビティ3の内部の構造は、次の変数で概ね表すことができる。
キャビティ3内での樹脂通路におけるゲート4からリードフレームFL の部品搭載部5の下流側端部までの距離を「L1」とし、キャビティ3内での樹脂通路におけるリードフレームFL の部品搭載部5の下流側端部からエアベント16,17の形成部までの距離を「L2」とし、上金型1の樹脂肉厚(混成集積回路基板7上面から上金型1の間の距離)を「t1」とし、下金型2の樹脂肉厚(リードフレームFL から下金型2までの間の距離)を「t2」とし、上金型1内での樹脂流速を「q1」とし、下金型2内での樹脂流速を「q2」とし、これら変数を用いれば、成形が良好な範囲は、以下の式(1)で表される。ただし、上側の樹脂流れは一旦キャビティ3の下流側端部に達した後、折り返して流れると仮定している。
【0050】
q1/q2≦(L1+2・L2)/L1・・・(1)
上下の樹脂の流速の比(q1/q2)を式(1)の範囲にすれば、良好な成形ができることを示している。
【0051】
上下の樹脂流速の比(q1/q2)がキャビティ3の寸法や樹脂の粘度特性によって、どのようになるかを定量的に求めることは単純な計算ではできない。
本発明者はこの点について、以下に述べる手順によって研究を進めた結果、この比が以下の式(2)で表されることを見い出した。
【0052】
q1/q2=(t1/t2)(3+4B)・・・(2)
以下、この関係を見つけるに至った経緯の概略を説明する。
【0053】
尚、Bは、樹脂粘度のせん断速度依存性を表す係数であり、樹脂に固有の定数である。
樹脂のキャビティ3内での流速qは、一般に、式(3)のように、肉厚tの3乗に比例し、樹脂粘度ηに反比例する。尚、ここで欲しいのは、上下の流速の比だけなので、この式は、上下で同じと考えられる他の係数などはまとめてαで表した簡略式である。
【0054】
q=α・t3 /η・・・(3)
又、樹脂の粘度ηは、樹脂のせん断速度τに依存し、以下の式(4)で表すことができるといわれている。例えば、樹脂流動解析プログラムMOLDFLOW(Moldflow 社製)は、この式を用いている。
【0055】
η=βτB ・・・(4)
尚、樹脂温度の影響などは、上下で同じと考え、これらに関する係数はまとめてβとしている。
【0056】
ここで、式(4)での係数Bは、前述したように樹脂粘度のせん断速度依存性を示す係数で、一般的にはマイナスの値で、−0.5〜−0.7の値をとることが多い。つまり、せん断速度τが大きくなると樹脂粘度ηは減少する。
【0057】
せん断速度τは、概ねその樹脂が流れている部分における流動断面積と流速qに関係する。樹脂肉厚tが薄いほど、流動断面積は小さくなり、せん断速度τが大きくなる。
【0058】
逆に、樹脂肉厚が厚い部分では、同じ流速qであれば、せん断速度τは小さくなる。実際に金型の中の上側と下側での樹脂流速qを予測するには、式(3)より樹脂粘度ηを予測する必要がある。樹脂粘度ηを予測するには、樹脂のせん断速度τを予測しなければならない。せん断速度τを予測するには、樹脂の流速qを予測しなければならない。つまり、流速qと粘度ηとせん断速度τはお互いが、お互いに影響しあっており、簡単な計算で予測することはできない。
【0059】
そこで、本発明者は、コンピュータを用いて数値解析的にこの関係式を解き、流れを予測する手法、すなわち樹脂流れ解析手法を用い、せん断速度τと樹脂肉厚tの関係を解析的に求めた。
【0060】
解析モデルは、図1〜図4に示す形状をモデル化し、樹脂肉厚tとせん断速度τとの関係を求めた。その結果、図9が得られ、これから以下の関係式で、近似できることが分かった。
【0061】
τ=γt4 ・・・(5)
概ね、せん断速度τは、概ね樹脂肉厚tの4乗に反比例する。
【0062】
式(4),式(5)を式(3)へ代入して、整理すると式(2)を得る。そして、式(1)を合わせることで、良好な成形を得るための条件範囲は、以下の式(6)で表される。
【0063】
(t1/t2)(3+4B)≦(L1+2・L2)/L1・・・(6)
この関係式を導く段階では、いくつかの仮定とシミュレーションによる近似を行った。しかし、実際にいくつかの寸法について実際試作して成形性を確認したところ、この関係式とよい一致を示すことを確認した。
【0064】
式(6)が満足されるように、キャビティ内部の各寸法を設計すれば、上下の樹脂肉厚が不均一であっても良好な成形を行うことができる。
この式(6)において、係数Bは、樹脂粘度のせん断速度依存性を表す係数である。この値が小さくなれば、樹脂流動速度比(q1/q2)も小さくなり、式(6)の成立する寸法範囲を広げることができる。
【0065】
この係数を小さくする方法としては、特開昭63−15449号公報にも開示されているように、フィラー含有率を増加するのが有効である。樹脂の粘度というのは、樹脂を流動させようとしてせん断歪みを与えた時に、どれくらい動こうとしないかという指標であり、流動に対する抵抗を表すものである。
【0066】
具体的には、樹脂の動きにくさはせん断応力として測定され、粘度に換算される(JISK7199などによる)。フィラーを混合することで、せん断速度依存性が変化する原理は、詳細には分かっていないが、概ね以下のようだと考えられる。
【0067】
すなわち、樹脂に無機質のフィラーを混合すると、フィラー界面近傍の樹脂はフィラーによって動きが抑制されるため、全体として動きにくくなり、粘度が上昇する。せん断が加わった状態では、フィラーも樹脂とともに移動しており、その抑制効果が低減する。
【0068】
一方、フィラー含有率は、封止樹脂の熱膨張率に影響する。すなわち、本実施形態の構造の場合、混成集積回路基板7はセラミックスが用いられ、一般的な熱膨張率は8×10−6/℃程度である。
【0069】
封止樹脂20と混成集積回路基板7の熱膨張率に大きな差がある場合、熱応力が発生し、混成集積回路基板7上の部品8などが損傷を受ける。図10に示すように、その熱膨張率差が6×10−6/℃以下で、冷熱サイクル寿命が大幅に向上することを確認した。
【0070】
封止樹脂で、熱膨張率の差を6×10−6/℃以内に納めるには、フィラー材として、熱膨張率の小さな溶融シリカ(0.5×10−6/℃)を用い、しかも、その含有率を体積含有率で70%以上にすることが必要である。
【0071】
フィラー含有率70%の封止樹脂材料において、種々の寸法形状にて成形性を測定し、式(6)に当てはめることで、式(6)の樹脂に関する固有の係数Bを見積もった。
【0072】
その結果を式(6)へ代入して式(7)を導出した。
(t1/t2)0.4 ≦(L1+2・L2)/L1・・・(7)
フィラー含有率を70%以上にすれば、樹脂粘度のせん断速度依存性がより大きくなり、式(7)の成立する条件範囲はより広くなる。又、熱膨張率の差も縮まる方向にあり、信頼性も向上する。
【0073】
従って、本実施形態のような、混成集積回路基板を直接成形封止する構造において、成形性と信頼性を両立させるには、最低限式(7)の条件を満たすことが必要である。
【0074】
以下、効果確認のための各種の実験結果を表1に従って説明する。
実施例1は、図1に示す構造の半導体装置を、フィラ含有率75%のエポキシ樹脂成形材料で封止したものである。式(7)に示す条件を満足し、成形性が良好である。しかも、樹脂で直接、混成集積回路基板7やワイヤ9,15を封止するため、ワイヤ9,15に加わる応力が小さく、冷熱サイクル試験においても良好な結果を得た。尚、混成集積回路基板7の表面には、ワイヤ9,15に影響を与えない範囲における薄いコーティング、例えば、ガラスエンキャップ、樹脂コーティングなどを施してもよい。
【0075】
比較例1は、図7に示すように、インナーリード13a〜13dをゲート方向に対し直角に配置したものである。成形不良が多数発生しており、実施例1でのインナーリード13a〜13dによる成形性向上の効果を確認することができる。
【0076】
比較例2は、実施例1の構造と同じだが、リードフレーム下側の樹脂肉厚t2を式(6)が満たされない形状にしたものである。成形が良好でなく、ボイドが発生した。これにより、式(6)の妥当性が確認された。
【0077】
比較例3は、実施例1の構造と同じだが、フィラー含有率を68%に低下させ、式(6)が満足されない領域にした場合である。やはり成形不良が発生する。又、冷熱サイクル試験でも、混成集積回路基板7上の部品破損により、信頼性が低下する。
【0078】
比較例4は、図13に示すように、混成集積回路基板31の上を厚い液状樹脂38でコーティングしてから成形したものである。キャビティの構造は、実施例1と比べリードフレーム下側の樹脂肉厚t2が薄く式(6)を満足していないが、コーティングのために、上側の樹脂流れが抑制され、成形性は良好である。しかし、ワイヤ36,37が成形樹脂33とコーティング樹脂38の界面を通るため、冷熱サイクル試験を行うと、この界面部分でワイヤが切断し、信頼性が十分でない。
【0079】
比較例5は、図12に示すような、混成集積回路基板31を搭載したリードフレーム30の底面を外部に露出させ、上側のみを封止した構造である。上側しか樹脂がないため、良好な成形性が得られる。しかし、冷熱サイクル試験では、リードフレーム30と樹脂33の界面に剥離が入り、これが進展して内部の素子が破壊するため、その信頼性はきわめて低い。
【0080】
【表1】
【0081】
このように本実施の形態は、下記の特徴を有する。
(イ)図1〜図4に示すように、混成集積回路基板7が露出した状態でリードフレームFL を成形封止用の上金型1と下金型2との間に挟み込み、金型にて形成されるキャビティ3におけるエアベント16,17付近からインナーリード13a〜13dを突出させ、ゲート4から樹脂20を注入してリードフレームFL の上側と下側に樹脂を通過させ、さらにインナーリード13a〜13dの上面または下面を通過させた後においてリードフレームFL の上側を通過した樹脂とリードフレームFL の下側を通過した樹脂を合流させてキャビティ3内を樹脂で充填するようにした。
【0082】
よって、成形途中において樹脂20は、キャビティ3内でのインナーリード13a〜13dの間を通って上金型側から下金型側へ流れ込む際に、通路が狭くなるため流動抵抗が増加し樹脂流れが遅くなり、下金型側への流入が遅くなり、下金型側に残留する空気の量が低減し、ボイドの発生が防止される。
又、リードフレームFL の上側と下側での下流側への流れにおいて各樹脂の流速は、パワートランジスタ6を用いた本例では放熱性を考慮して樹脂厚みを薄くするのでリードフレームFL の上側の方が下側よりも速くなり、上側の樹脂が下側の樹脂よりも早くキャビティ3におけるエアベント16,17付近に突出したインナーリード13a〜13dに達し、樹脂はインナーリード13a〜13dの上面に当たりインナーリード13a〜13dを通過していく。この時、樹脂経路における下流側のインナーリード13a〜13dの裏面には図6の空洞21が形成され、この空洞21を通して残留空気の排出経路が確保され、同経路を通して残留空気がエアベント16,17から排出される。よって、金型の中に空気の排出経路を確保してボイドの発生が防止される。
【0083】
このようにして、リードフレームFL の上下の樹脂肉厚が均等でない構造においても良好な成形を行うことができ、混成集積回路基板7とパワートランジスタ6とを同時にモールド成形し、小型化を図るとともに高い信頼性を確保できる。(ロ)又、(t1/t2)(3+4B)≦(L1+2・L2)/L1を満足させると、ボイドの発生しにくい領域にてリードフレームの上側を通過した樹脂とリードフレームの下側を通過した樹脂とを合流させることができる。
(ハ)フィラーとして体積含有率70%以上の溶融シリカを用い、(t1/t2)0.4 ≦(L1+2・L2)/L1を満足させると、フィラーの種類と含有率を特定することにより、最適化の範囲を広げることができ、実用上好ましいものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図1】樹脂封止型半導体装置の製造工程において上金型と下金型とを用いて樹脂封止を行う際の平面図。
【図2】図1のA−A断面図。
【図3】図1のB−B断面図。
【図4】図1のC−C断面図。
【図5】キャビティ内の樹脂の挙動を説明するための断面図。
【図6】キャビティ内の樹脂の挙動を説明するための斜視図。
【図7】比較のための試作品の平面図。
【図8】ボイド位置とボイドサイズの測定結果を示す図。
【図9】樹脂肉厚tとせん断速度τとの関係を示す図。
【図10】熱膨張率差と寿命との関係を示す図。
【図11】樹脂封止型半導体装置の断面図。
【図12】樹脂封止型半導体装置の断面図。
【図13】樹脂封止型半導体装置の断面図。
【符号の説明】
1…上金型、2…下金型、3…キャビティ、4…ゲート、5…リードフレームの部品搭載部、6…パワートランジスタ、7…混成集積回路基板、9…ワイヤ、13a〜13d…インナーリード、15…ワイヤ、16,17…エアベント、20…樹脂、FL …リードフレーム。
Claims (2)
- リードフレームの部品搭載部の上に混成集積回路基板と半導体チップとを実装する工程と、
前記リードフレームを成形封止用の上金型と下金型との間に挟み込むとともに、金型にて形成されるキャビティにおけるエアベント付近からインナーリードを突出させる工程と、
ゲートから樹脂を注入してリードフレームの上側と下側に樹脂を通過させ、さらに前記インナーリードの上面または下面を通過させた後においてリードフレームの上側を通過した樹脂とリードフレームの下側を通過した樹脂を合流させてキャビティ内を樹脂で充填する工程と
を備え、混成集積回路基板の上での封止樹脂の肉厚を「t1」、リードフレームの下面での封止樹脂の肉厚を「t2」、キャビティ内での樹脂通路におけるゲートからリードフレームの部品搭載部の下流側端部までの距離を「L1」、キャビティ内での樹脂通路におけるリードフレームの部品搭載部の下流側端部からエアベントの形成部までの距離を「L2」、η=βτ B にて封止樹脂の粘度ηを表したときにおける粘度のせん断速度τの依存性係数を「B」としたとき(ただし、βは定数)、
(t1/t2) (3+4B) ≦(L1+2・L2)/L1
を満足するようにしたことを特徴とする樹脂封止型半導体装置の製造方法。 - リードフレームの部品搭載部の上に混成集積回路基板と半導体チップとを実装する工程と、
前記リードフレームを成形封止用の上金型と下金型との間に挟み込むとともに、金型にて形成されるキャビティにおけるエアベント付近からインナーリードを突出させる工程と、
ゲートから樹脂を注入してリードフレームの上側と下側に樹脂を通過させ、さらに前記インナーリードの上面または下面を通過させた後においてリードフレームの上側を通過した樹脂とリードフレームの下側を通過した樹脂を合流させてキャビティ内を樹脂で充填する工程と
を備え、封止樹脂に配合される無機充填材として溶融シリカを用い、かつ、含有率を体積含有率で70%以上とし、
混成集積回路基板の上での封止樹脂の肉厚を「t1」、リードフレームの下面での封止樹脂の肉厚を「t2」、キャビティ内での樹脂通路におけるゲートからリードフレームの部品搭載部の下流側端部までの距離を「L1」、キャビティ内での樹脂通路におけるリードフレームの部品搭載部の下流側端部からエアベントの形成部までの距離を「L2」としたとき、
(t1/t2) 0.4 ≦(L1+2・L2)/L1
を満足するようにしたことを特徴とする樹脂封止型半導体装置の製造方法。
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