JP4185501B2 - 半導体素子封止用射出キャスト成形装置、および使用方法 - Google Patents

Description

本発明は全体としては半導体素子を封止する技術に関し、具体的には半導体素子封止用射出キャスト成形装置に関する。

半導体素子の封止は、プリント回路基板（ＰＣＢ）などの半導体表面を劣化から保護するための重要なステップである。さらに、封止技術を使用すると、ＰＣＢを保護した状態で、赤外線データトランシーバー（ＩｒＤＴ）に使用するレンズを製作できる。

現在、データを無線方式で送受信する装置としてＩｒＤＴの使用が普及している。装置には、個人用携帯型情報端末機器（ＰＤＡ）、ノートブック型コンピュータ、ラップトップ型コンピュータ、デジタルカメラ、形態電話などを搭載する。

従来から、大半の半導体素子は、基体材料としてリードフレームを使用しているが、現在はリードフレームの代わりにＰＣＢが広く利用されている。リードフレームからみてＰＣＢにはいくつかのメリットがあり、次の通りである。１）コプラナラティ（ｃｏｐｌａｎａｒｉｔｙ）がよりすぐれている、２）縮小がより簡単である、３）電磁干渉に対する耐性がよりすぐれ、熱放散がより改良されている、および４）シンギュレーション（ｓｉｎｇｕｌａｔｉｏｎ）の自由度がより高い（時間/形態に関する切断自由度）。これらメリットのため、半導体素子のコストを抑制できる。従って、本発明の目的は、射出キャスト成形装置でＰＣＢを利用できるようにすることである。

キャスト成形法は、簡単であり、コストが低く、成形の一巡時間が短いため、封止技術に広く応用されている。このキャスト成形法は、トランスファー成形用金型と比較すると、少量生産や研究開発（Ｒ＆Ｄ）に応用した場合特に経済的である。エポキシを充填せずにＰＣＢ基板にトランスファー成形した場合、リードフレーム基板にトランスファー成形を適用した場合よりも問題が多い。従って、本発明の別な目的は、簡単な構成、低いコストおよび短い成形一巡時間などの作用効果をよりバランスよく実現することである。

現在利用されているキャスト成形法の場合、成形用金型材料として室温加硫化（ＲＴＶ）シリコーンを使用している。ＲＴＶシリコーンをいったん二つの部分に分け、次に種型で混合、硬化し、エポキシキャスト成形ＲＴＶシリコーン金型を成形する。得られたＲＴＶシリコーン金型を次に使用して、半導体基板を封止する。ＲＴＶシリコーン金型には、磨耗が速く、通常は１０〜２０回のキャストサイクル後に新しい金型に変更しなければならない問題がある。また、ＲＴＶシリコーン金型の特性は、混合比および硬化温度に左右されるため、予期しないバラツキを示す。さらに、シリコーンを利用した金型を使用する場合の別な問題は、シリコーンが吸湿性であり、気泡を発生することである。シリコーンは、長い予熱が必要であり、また伝熱性がよくないため、最良の処理剤とはいえない。従って、本発明のさらに別な目的は、ＲＴＶシリコーン金型に固有な問題を解決し、金型の磨耗を最小限に抑えかつ吸水および吸気を最小限に抑え、予熱時間および硬化時間を短縮することである。

また、従来技術の場合、ＲＴＶシリコーン金型をいったん製作した後に、作業員が、キャビティそれぞれにエポキシを充填する必要がある上、各キャビティがもつレンズ開口にもそれぞれ充填する必要がある。これは手作業で、長いサイクル時間が必要である。加えて、収率は作業員の技術に依存する。このプロセスを自動化することは、各キャビティおよび各レンズ開口にエポキシを充填しなければならないため、実現は困難である。従って、本発明のさらに別な目的は、サイクル時間を短縮でき、収率を改善できる、高速簡単なうえ容易なプロセスを提供することである。

従来技術では、エポキシを充填した後に、ＰＣＢを金型に装入している。この装入過程では、空気の混入確率が高く、混入した空気を排除することは不可能である。真空室を使用して、あるいは加圧室を使用して、空気の混入を防ぐことは不可能なため、この工程は特に問題である。従って、本発明のさらに別な目的は、真空室または加圧室を使用して気泡を排除することである。

ＲＴＶシリコーン金型には、上記以外にもいくつかの問題がある。例えば、シリコーンＲＴＶとＰＣＢ基板との間には大きな熱膨張差があり、ＲＴＶシリコーン金型の処理（即ち、硬化）温度の範囲が狭いため、基板またはＰＣＢの大きさに制限がある。従って、本発明のさらに別な問題は、ＲＴＶシリコーン金型に固有な熱膨張差および狭い処理温度範囲に関する問題を最小限に抑えることである。

本発明のさらに別な目的は、製造コストが低く、耐久性があり、また処理効率のよい半導体素子封止用射出キャスト成形装置、およびその使用方法を提供することである。

本発明は、収率を改善し、封止時間を短縮し、そして光電子素子の深いレンズキャビティを封止するための半導体素子封止用射出キャスト成形装置、およびその使用方法を開発実現したものである。本発明では、制御式液体分配システムとランナーシステムとを組み合わせて使用し、キャスト成形過程で材料をバランスよく流れ供給する。空気の混入を未然に防ぐために、キャスト成形用金型に垂直キャビティを設け、その上部に開口を形成する。（標準的なキャスト成形法と同様に）材料を上部から注入または分配するのではなく、封止材料を（例えば、キャビティ底部などの）所定の箇所に射出し、次にランナーシステムによって金型キャビティ全体に分配する。このようにすると、金型キャビティに材料が下から上に充填され、上に行くに従って、空気が上向きに押出される。また、金型を垂直に配置しているため、空気が簡単に表面に達し、これによって空気混入による欠陥の発生を最小限に抑えることができる。この方法は、経済的であり、サイクル時間を短縮でき、制御効率を高くでき、欠陥の発生を抑制でき、基材サイズをかなり大きくできる上に、収率の作業員依存を低く抑えることができる。

本発明の半導体素子封止用射出キャスト成形装置およびその使用方法には、リードフレーム、トランスファー成形、ＲＴＶシリコーン成形金型を使用する従来技術にはみられないいくつかの作用効果があり、以下に箇条書きする。
高速プロセスであり、構成も簡単容易である。
材料流れを制御しやすい。
空気混入を最小限に抑制できる。
必要な場合には、空気混入を排除するために、真空室または加圧室を利用できる。
ステンレス鋼とＰＣＢとの熱膨張差がきわめて小さいため、より大きなＰＣＢにも良好に適用できる。
ステンレス鋼の伝熱性が高いため、予熱および硬化を高速で実施することができる。
感湿性に関する問題がない。
金型の磨耗は無視できる程度である。

以上の、ならびにこれら以外の本発明の特徴および作用効果は以下の説明から明らかになるはずである。

図１に、射出キャスト成形装置１０を示す。射出キャスト成形装置１０は金型ユニット１２を有し、この金型ユニット１２は上側部１４、底側部１６、長手側部１８、内面２２および外面２４を有する。金型ユニットは、例えば、ステンレス鋼で構成する。

内面２２にキャビティ２６を延設する。このキャビティ２６は、底側部２８、長手側部３０および背面３２を挿入して構成する。図３に明示したように、キャビティ２６は開放面３４および開放上側部３６を有する。挿入背面３２には、キャビティ２６に挿入される開口３８を形成することができる。

図１に示すように、キャビティには、上側部１４からキャビティ２６にかけて分配チャネル４０を配設する。この分配チャネル４０は、長手側部３０に対して平行に設けてもよい。さらに、キャビティ２６には、分配チャネル４０に隣接してランナーチャネル４２を設ける。このランナーチャネル４２は、底側部２８に平行に設けてもよい。また、分配チャネル４０を設けずにランナーチャネル４２を設けてもよい。

液体分配器４４は、材料貯め４６および針４８を有する。この針４８がランナーチャネル４２に接触するように、分配チャネル４０上に液体分配器４４を配置挿入する。材料貯め４６に封止用材料またはエポキシ５４を貯めておき、分配針４８が、エポキシ５４を制御された状態でランナーチャネル４２に送り出す。

キャビティ２６の開放面３４上において金型ユニット１２の内面２２にプレート５０を固定する。このプレートは、例えば、ステンレス鋼で構成する。

金型ユニット１２とプレート５０との中間に、基板材料５２を準備する。図１に示すように、基板材料５２はプリント回路基板である。基板材料の代わりに、他の素子材料を準備してもよい。

図１に示すように、プリント回路基板の穴に、金型ユニット１２の釘が係合する。プレート５０が金型ユニット１２のノブと係合し、プリント回路基板５２を所定位置に堅く締め付ける。図２に、プリント回路基板５２を金型ユニット１２に堅く締め付けた状態にあるプレート５０を示す。

さらに図１に示すように、金型ユニット１２は４つのキャビティ２６セグメントを有する。各キャビティ２６は、開口が繰り返すように構成することができる。即ち、各キャビティ２６は多数のポテンシャル装置からなる。開口の配列方向は、長手方向直列でもよく、横方向直列でもよく、あるいは両方向直列でもよい。

各キャビティ２６の大きさについては、そりによる欠陥を最小限に抑えた状態で、部品数を最大化できるようにすればよい。透明なエポキシ５４を使用した場合、この透明な成形用エポキシは、例えば、熱膨張係数が約６０×１０^−６/℃であるため、特に面倒な問題をひきおこす。このそりは、プレート５０と金型ユニット１２との間でＰＣＢを強くプレスすれば、最小限に抑えることができる。また、封止は、ＰＣＢ基板にある種の乾燥膜半田マスクをテント（図示なし）状に設け、良好なシールを形成することによって補強してもよい。テント材料の厚さは、例えば、約０．００２インチである。

図３に示すように、射出キャスト成形装置を使用する方法では、まず、液体分配器４４の位置と分配チャネル４０との位置を合わせる。

プレート５０およびＰＣＢ５２を金型ユニットに装着する前に、金型表面全体に均一に、そして特にキャビティ２６および開口３８領域に薄い離型剤を塗布する。次に、ＰＣＢ５２とプレート５０の位置を合わせ、金型ユニット１２に装着する。金型ユニット１２、ＰＣＢ５２およびプレート５０の位置をいったん合わせた後は、ねじ、プレスバイス（ｐｒｅｓｓ ｖｉｃｅ）などによって一体化すればよい。例えば、封止材料、即ちエポキシ５４の粘度に応じて金型を予熱する。なお、封止材料５４の粘度が十分低く、これがキャビティ２４に容易に流れる場合には、金型ユニット１２の予熱は必要ない。

図４Ａに示すように、分配チャネル４０に分配針４８を挿入する。例えば、ランナーチャネル４２に接触するように、分配チャネル４０の底部に分配針４８を設定する。

図４Ｂに示すように、次に、材料貯め４６から針４８を介してエポキシ５４を分配し、ランナーチャネル４２およびキャビティ２６の充填を開始する。エポキシ５４がキャビティ２６を充填すると、重力に逆らってエポキシが上向きに流れ、空気をキャビティ２６から上向きに押出す。エポキシ５４の充填をゆっくり行うと、キャビティ２６および開口３８に仮に気泡や湿分が残った場合でもごく少量である。いったん封止材料５４がキャビティを充填すると、その後はオーバーフロー領域５８に流れる。分流器５６があるため、封止材料５４が隣のキャビティ２６に流れることはない。

次に、オーバーフロー領域５８に過剰な材料が存在する場合には、これを取り出す。この後、金型内で短時間封止材料５４を硬化してから、取り出し、さらに長時間硬化処理する。

封止材料の最後の製造段階で、封止されたＰＣＢを取り出し、個々の素子に切断加工する。図５には、これを赤外線データトランシーバーとして図示する。完成品６０を切断した後、半田パッド６２を挿入して、仕上げ加工を行う。図５に赤外線データトランシーバーを示したが、本発明方法は、単純な平坦面キャビティおよび深いレンズ開口をもつキャビティを有するその他の多くの用途に応用できる。

以上、好適な実施態様について本発明を説明してきたが、本発明の意図された精神および範囲内で多くの変更、置換、付加などが可能である。以上の説明から、上記の本発明目的の少なくとも一部が実現できることが理解できるはずである。

本発明の射出キャスト成形装置を示す展開斜視図である。 プレート、プリント回路基板および金型ユニットを一体に固定した状態の射出キャスト成形装置を示す斜視図である。 図１の３−３線横断面図である。 図４Ａ〜図４Ｃは、金型ユニットにエポキシを充填した状態を示す、図２の４−４線横断面図である。 射出キャスト成形装置によって製造された完成品、特にＩＲデータトランシーバーを示す斜視図である。

符号の説明

１０：射出キャスト成形装置、
１２：内面、
２６：キャビティ、
４２：ランナーチャネル、
４４：液体分配器、
５４：エポキシ。

Claims (23)

1. 半導体素子封止用射出キャスト成形装置において、
   対向する上側部および底側部と、対向する第１および第２長手方向側部と、対向する内面および外面とを有する据え置かれた金型ユニットと、
   前記金型ユニットの前記上側部と底側部の間にあって、且つ、前記内面に沿って延設して、そして、ランナーチャネルを備えるキャビティと、
   を有して、
   さらに、前記キャビティの上部を前記上側部に向けて開放する開放上側部と、前記キャビティの側面を開放するキャビティ開放面と、対向するキャビティ長手側部と、キャビティ背面と、キャビティ底側部とで前記キャビティを構成して、
   そしてさらに、
   前記キャビティ開放面を覆い且つ固定するプレートと、
   前記キャビティ中に分配する封止材料を貯める材料貯めと、
   前記封止材料を前記ランナーチャネルに送り出す分配針と、
   を有しており、
   前記封止材料を、前記キャビティの前記キャビティ底側部から前記キャビティ開放上側部に向けて充填することを特徴とする半導体素子封止用射出キャスト成形装置。
   
2. 前記金型ユニットの前記上側部から前記キャビティにかけてオーバーフロー室を延設した請求項１記載の射出キャスト成形装置。
   
3. さらに、前記金型ユニットの前記上側部から前記キャビティにかけて分配チャネルを延設した請求項１記載の射出キャスト成形装置。
   
4. 前記キャビティが少なくとも一つのレンズ開口を有する請求項１記載の射出キャスト成形装置。
   
5. 前記キャビティの前記底側部と前記キャビティの前記開放上側部との間にかけて、前記キャビティの長手方向に直列に前記レンズ開口を配列した請求項４記載の射出キャスト成形装置。
   
6. 前記対向する第１および第２長手方向側部の間で、横方向直列に複数の前記レンズ開口を配列した請求項５の射出キャスト成形装置。
   
7. 前記キャビティの前記底側部が最初に前記封止材料を充填されるように前記ランナーチャネルを配設した請求項５記載の射出キャスト成形装置。
   
8. 前記記金型ユニットの長手方向側部が垂直である請求項１記載の射出キャスト成形装置。
   
9. 前記金型ユニットの前記対向する上側部および底側部が水平である請求項２記載の射出キャスト成形装置。
   
10. 半導体製品封止用射出キャスト成形装置において、側面を開放するキャビティ開放面と、上部を開放する開放上側部と、長手方向分配チャネルと、横方向ランナーチャネルとを備えたキャビティを有する据え置かれた金型ユニット；この金型ユニットの前記キャビティ開放面に対して固定するプレート；および前記キャビティ中に未硬化状態の封止材料を分配する液体分配器を有し、前記液体分配器が前記封止材料を貯める材料貯め、および前記封止材料を分配する分配針を有することを特徴とする半導体製品封止用射出キャスト成形装置。
    
11. 前記金型ユニットがオーバーフロー室を有する請求項１０記載の射出キャスト成形装置。
    
12. 前記長手方向分配チャネルを底部のキャビティまで延設した請求項１０記載の射出キャスト成形装置。
    
13. 前記横方向ランナーチャネルを前記長手方向分配チャネルに隣接配置した請求項１２記載の射出キャスト成形装置。
    
14. 前記金型ユニットと前記プレートとの中間にプリント回路基板を有する請求項１０記載の射出キャスト成形装置。
    
15. 前記分配チャネルが垂直である請求項１０記載の射出キャスト成形装置。
    
    
    
    
16. 側面を開放するキャビティ開放面と、上部を開放する開放上側部と、底側部と、長手方向分配チャネルと、横方向ランナーチャネルとを備えた垂直キャビティを有する据え置かれた金型ユニットを用意する工程と、
    前記キャビティ開放面に隣接して基板材料を積層的に配設する工程と、
    前記長手方向分配チャネルに置いた分配針を使用することによって封止材料を前記垂直キャビティ内に分配する工程を有し、
    前記底側部にある前記横方向ランナーチャネルにそって流れる前記封止材料を、前記垂直キャビティ内で上向きになる前記開放上側部の方向に上昇移動させることによって、前記垂直キャビティ内を前記封止材料で充填する工程を有することを特徴とする半導体製品の封止方法。
    
17. さらに、プレートを締め付け、前記基板材料を前記金型ユニットに固定する工程を有する請求項１６記載の方法。
    
18. 前記基板材料がプリント回路基板である請求項１７記載の方法。
    
19. 前記分配する工程が、さらに、前記封止材料を材料貯めからトランスファーする工程を有する請求項１６記載の方法。
    
20. さらに、前記金型ユニットを加熱する請求項１６記載の方法。
    
21. さらに、前記封止材料を硬化する請求項１６記載の方法。
    
22. 前記垂直キャビティに離型剤を塗布する請求項１６記載の方法。
    
23. 前記垂直キャビティがさらにレンズ開口を有する請求項１６記載の方法。

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