JP5065747B2 - 半導体パッケージの製造方法及び製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体パッケージの製造方法ないし製造装置に係り、特に、任意の厚さの半導体パッケージを形成でき、さらには当該半導体パッケージに樹脂の未充填を起こさないよう成形することのできる半導体パッケージの製造方法ないし製造装置に関する。

従来、一般的な半導体パッケージは、リードフレーム又はサブストレートに半導体素子（例えば半導体集積回路（ＩＣ）チップ）を接合した配線基板に樹脂モールドをして製作している。
近年、半導体パッケージの厚さも多様化しており、樹脂モールドに際して、半導体パッケージの厚さが異なる場合には、それに応じて、金型を数多く保有する必要があった。このように金型を多く保有すると、コスト上の問題がある上、異なる厚さの半導体パッケージを製作する際に、わざわざ金型を交換しなければならないという作業効率の低下の問題も生じていた。
また、最近では半導体素子の大きさとほぼ同じ大きさの半導体パッケージが出現している。このような半導体パッケージは、例えばＣＳＰ（Chip Size Package;チップサイズパッケージ）と呼ばれている。このような薄い半導体パッケージを成形する場合、前記配線基板と金型のキャビティ部底面との間にできる空間が狭くなっている為、従来の成型方法では樹脂が通りにくくなっており、未充填をおこして成形不良が発生することになる。

本発明は、上記従来技術の問題点に鑑み、複数の異なる金型を用いることなく、１つの金型を用いて、任意の厚さで配線基板を樹脂封止できるようにすることを課題とし、また、前記配線基板の上の狭い空間を樹脂が通りやすいようにして、樹脂の未充填が発生することを防止することを課題としてなされたものである。

上記課題を解決するため、本発明は次の構成を備える。
すなわち、本発明は、リードフレームまたはサブストレートに半導体素子及び接続ワイヤが配設された配線基板を、対向する２つの金型のパーティング面に狭持し、前記配線基板を樹脂封止する半導体パッケージの製造方法において、前記２つの金型のうち少なくとも上金型には、該金型のキャビティ凹部底面が上下方向に移動可能となるように可動キャビティを設け、該半導体パッケージを成形する前に予め樹脂封止層の厚さを決定し、該配線基板と該キャビティ凹部底面との間隔が前記樹脂封止層の厚さよりも広くなるような位置に該可動キャビティを配置した後、該樹脂を前記２つの金型のキャビティ内に注入し、該樹脂が硬化する前に、該可動キャビティを該配線基板に接近する方向に移動させて前記樹脂封止層の厚さの位置にして該半導体パッケージを成形することを特徴とする半導体パッケージの製造方法である。

また、本発明は、リードフレームまたはサブストレートに半導体素子及び接続ワイヤが配設された配線基板を、対向する２つの金型のパーティング面に狭持し、前記配線基板を樹脂封止する半導体パッケージの製造装置において、前記２つの金型のうち少なくとも上金型には、該金型のキャビティ凹部底面が上下方向に移動可能となるように可動キャビティを設け、予め決定された樹脂封止層の厚さに応じて可動キャビティの位置を変更することのできる機構を備え、該配線基板と該キャビティ凹部底面との間隔が前記樹脂封止層の厚さよりも広くなるような位置に該可動キャビティを配置した後、該樹脂を前記２つの金型のキャビティ内に注入し、該樹脂が硬化する前に、該可動キャビティを該配線基板に接近する方向に移動させて前記樹脂封止層の厚さの位置にして該半導体パッケージを成形することを特徴とする半導体パッケージの製造装置である。

上記製造方法又は製造装置において、該可動キャビティを所定の加圧力により所定の速度で移動させることができる。

また、上記製造方法又は製造装置において、該可動キャビティを有する金型のキャビティ凹部の表面上に樹脂フィルムを配設することができる。

本発明に係る可動キャビティを上下に移動させる方法ないし装置を用いることによって、任意の厚さの半導体パッケージを１つの金型で製造することができ、それぞれ異なる厚さの半導体パッケージを製造する場合に、わざわざ別個の金型を用意する必要がなく、コスト面で有利になるとともに、作業効率が格段に向上する。
また、薄い樹脂封止がなされた半導体パッケージを成形する場合にも、未充填をおこすことが無く、成形不良が発生することを防止することができる。

また、可動キャビティを移動させる際に、該可動キャビティの加圧力及び移動速度を変更することによって、半導体パッケージ毎の樹脂封止層の厚さ、樹脂の種類、加熱温度等に応じた適切な樹脂充填が可能となり、未充填がなく、形成不良でない半導体パッケージを製造することができる。

さらに、可動キャビティを有する金型のキャビティ凹部の表面上に樹脂フィルムを配設することによって、該金型のキャビティ内に充填された樹脂が該可動キャビティと該金型側壁との間にできる間隙から漏出するのを防止することができ、バリのない精密な半導体パッケージを製造することが可能になる。

以下、本発明に係る半導体パッケージ製造方法及び製造装置の好適な実施の形態について添付図面と共に詳述する。本実施の形態では、片面モールドされて形成されるＳＯＰ（Ｓｍａｌｌ Ｏｕｔｌｉｎｅ Ｐａｃｋａｇｅ）タイプ及びＱＦＮ（Quad Flat Non-leaded Package）タイプの半導体パッケージに用いられるリードフレーム又はサブストレート４を用いた半導体パッケージ製造方法及び製造装置について説明する。ＳＯＰタイプは、平たい長方形のパッケージにおける2つの長辺に、外部入出力用のリードを並べたタイプである。ＱＦＮは、パッケージにおける４辺に外部入出力用のピンを配置したもので、パッケージからピンを引き出していないタイプである。もっとも、本発明に係る半導体パッケージの製造方法ないし製造装置によって製造される半導体パッケージは上記のものに限られない。

図１乃至図３は、本発明による実施例の成形法による半導体パッケージの製造方法の各段階における製造装置の要部断面図である。図４は、半導体パッケージ製造方法を示すフローチャートである。図５は、図１乃至図４の下金型２が上昇して型締めされた時の製造装置の全体図である。図６は、この製造方法で製造される半導体パッケージの断面図である。先ず、図１乃至図５に示すような半導体パッケージ製造方法の発明に用いるトランスファー成形用金型１(以下「成形型１」と称す)の構成を説明する。この成形型１は下金型２と上金型３とから構成されている。但し、本実施の形態において、下金型２はキャビティ凹部を有しない平坦状のものである。従って、下金型２の形状は極めて簡単な形状とされており、安価に製造することができる。一方、上金型３のキャビティ凹部７は図１（ｂ）に示すとおり、底面７aを有し、該上金型３は、該キャビティ凹部の側壁８と、該側壁８の内面に沿って上下方向に可動できる可動キャビティ９とで構成され、この可動キャビティ９は、図示しない昇降機構付きの動力源により矢印Ｚ１、Ｚ２方向（上下方向）に移動可能な構成とされている。また、この可動キャビティ９は可動速度調整機構付き(図示省略)の電動モータ、油圧、圧縮空気などの昇降機構付きの動力源により駆動される押圧軸用ブロック１０及び押圧軸(図示省略)に連結されている。つまり、可動キャビティ９は、配線基板１２（図６参照）の半導体素子（半導体チップ）５が配設されている面に対向する任意の位置で停止でき、配線基板上に形成する樹脂封止層１９の厚さに応じて、適宜、可動キャビティ９の停止位置を決定することができる。且つ可動キャビティ９は所定の加圧力により所定の速度で移動させることができるようになっている。この加圧力及び速度は各々任意に変更できる。一例として動力源に電動モータを使用する場合、電圧を上げることにより加圧力を増加し、パルス数の増減により速度を変化させることができる。更に、可動キャビティ９は、圧縮成形した半導体パッケージ６をノックアウトして成形型１より取り出すノックアウト機構を兼ね備えている。

上金型３のキャビティ凹部７の表面には、樹脂１８を圧縮成形した際に該樹脂１８が、側壁８と可動キャビティ９の間隙から漏出するのを防止するために、樹脂フィルム１６を配設しておいてもよい。
また、下金型２が上昇して型締めされたときに接触するパーティング面には、その一例として、キャビティ凹部７内のエアーや封止樹脂に含有するエアーを抜き、成形された半導体パッケージ６でのボイド、ピンホール、樹脂欠けなどの発生を防止する役目をするキャビティ凹部７に通じるエアーベント１３も設けられている。

次に、このような構成の成形型１を用いて、リードフレーム又はサブストレート４に半導体素子５及び半導体素子５を接続する接続ワイヤ１１が配設された構成の配線基板１２（図６参照）を樹脂１８で封止する方法を説明する。
先ず、図１（ａ）に示すように、可動キャビティ９を初期位置に移動させてブレーキにて位置を保持する（図４のフローチャート中のステップＳ１０）。
所定の温度に加熱された上下金型２、３を型開きし、図１（ｂ）に示すようにパーティング面上に配線基板１２を載置する。配線基板１２は、完成パッケージ６（図６参照）から樹脂封止層１９を欠いた構成、即ち可撓性基材（エポキシ等）のサブストレート４に半導体素子５及び接続ワイヤ１１が配設された構成であり、後の工程で半導体素子５及び接続ワイヤ１１側がキャビティ凹部７内に収容されるよう載置する（ステップＳ１１）。また、ポット１４内に樹脂１８が載置される。

その後、図２（ａ）に示すように、半導体素子５及び接続ワイヤ１１が配設された配線基板１２を載置した状態で下金型２(上金型３の側壁８と可動キャビティ９の位置関係は変化させない)を上昇させ、型締めして下金型２と上金型３とに所定の圧力を加える(配線基板１２の表裏の両面をクランプする)（ステップＳ１２）。
次に、上金型３のキャビティ凹部７の底面７ａ（図１（ｂ）及び図６参照）と配線基板１２との間隔を、完成時に要求される半導体パッケージ６の厚さによって決定される樹脂封止層１９の厚さ（Ｘ）よりやや広い間隔（Ｙ）となるように（図６参照）、上金型３における可動キャビティ９の位置を設定する。ただし、当該位置設定は、前記配線基板のクランプ前に予め行っておいてもよい。
本実施形態では、後述するように、先ず、底面７ａと配線基板１２との間隔を第２間隔Ｙ（＞Ｘ）に設定し、樹脂注入後に、底面７ａと配線基板１２との間隔を第１間隔Ｘまで縮小することにより、樹脂封止層１９の厚さを完成品の厚さとする。ここで、樹脂封止層１９の厚さ（第１間隔Ｘ）は複数選択することが可能であり、樹脂封止層１９の厚さ（第１間隔Ｘ）に応じて第２間隔Ｙを変更することができる。従って、同じ金型１を使用して、２種類以上の異なる厚さを有する半導体パッケージを製造することが可能である。
間隔Ｘ及びＹは、別々に製造装置に設定しても良いし、ＸとＹとを対応させたテーブルを予め製造装置の記録媒体に格納しておき、Ｘを入力することによってＹが自動的に設定されるようにしても良い。

そして、キャビティ凹部７内への樹脂の注入圧力を設定する（ステップＳ１３）。
また、押圧軸用ブロック１０または押圧軸にブレーキをかけて、樹脂注入時の樹脂圧でキャビティ凹部７が動かないように保持する。
ステップＳ１３において注入圧力を設定した後、図２（ｂ）に示すように、先ず第１段階でポット１４内のプランジャー１５を上昇させて溶融した樹脂１８ａをキャビティ内に圧送してキャビティ凹部７内に充填する（ステップＳ１４，Ｓ１５）。
その後、図３（ａ）に示すように、前述した動力源で押圧軸用ブロック１０および押圧軸を押圧し、上金型３の可動キャビティ９を、要求される樹脂封止層１９の厚さや樹脂１８の種類等に応じた所定の加圧力により所定の速度で更に微少下降させ圧縮成形する（ステップＳ１６，Ｓ１７）。即ち、この速度、加圧力ないしそのタイミングを設定することで、例えば成形に最適な樹脂１８を選択し、上下金型２、３の加熱温度を一定に制御した状態にしておけば、溶融した樹脂が最も低粘度で、半導体素子５、サブストレート４に応力が掛からない状態で移動させることが可能である。
速度及び圧力は、完成時の樹脂封止層１９の厚さ、樹脂１８の種類等応じて最適な値を決定し、設定することができる。なお、速度及び圧力は、配線基板１２をクランプする前に予め設定しても良い。また、例えば、樹脂封止層１９の厚さ及び樹脂の種類と、最適な速度及び圧力とを対応させたテーブルを予め製造装置の記録媒体に格納しておき、樹脂封止層の厚さ及び樹脂の種類を入力すれば、最適な速度及び圧力が自動的に設定されるようにしても良い。
樹脂封止層１９の厚さが０．４１ｍｍ、樹脂の種類をＧＥ−１００ＬＦＣＳ ＧＴ６０とした場合には、速度を０〜０．３ｍｍ／ｓ、圧力を３〜１８ＭＰａに設定することが可能である。

その後、図３（ａ）に示す状態を所定時間維持させ、樹脂を完全に硬化させた後、図３（ｂ）に示すように上金型３の可動キャビティ９と下金型２とを同時に下方に移動させ、成形された半導体パッケージ６を下金型２に載置した状態で型開きさせた後に、成形型１より取り出す（ステップＳ１８，Ｓ１９，Ｓ２０）。そして図６に示すように、サブストレート４上に半導体素子５及び接続ワイヤ１１が配設された配線基板１２に樹脂封止層１９が設けられた半導体パッケージ６を得る。
その後、図１（ａ）に示すような成形型１の状態に戻し他の半導体パッケーシを圧縮成形開始できるようにして完了する。
（実験例）
図７は、上金型３のキャビティ凹部７の底面７ａと配線基板１２との間隔を０．２ｍｍ以下として樹脂を注入し、半導体パッケージを製造した場合の実験結果である。図７において、「チップ」は図６の半導体素子５に対応する。
同図より、樹脂の未充填箇所（α）が高い頻度で発生することが分かる。また、樹脂封止層１９の厚さが０．２ｍｍ以下の半導体パッケージを固定金型で製造した場合にも同様の結果になると考えられる。
本実施形態では、配線基板１２や樹脂封止層１９の厚さに応じて、上金型３のキャビティ凹部７の底面７ａと配線基板１２との間隔を完成時の樹脂封止層１９の厚さより広く任意に設定することができるので、当該間隔が過度に小さく（例えば０．２ｍｍ以下）になるのを防止し、これにより樹脂の未充填を防止することができる。

上述した本発明の実施例である図１乃至図３に示す半導体パッケージの製造方法では、予め決定してある樹脂封止層１９の厚さよりもキャビティ凹部内の底面７aと配線基板１２との間隔を拡大して、溶融した樹脂１８が充満し易い状態に保持するように、金型の可動キャビティ９を上記樹脂封止層の厚さより上昇させ、その後樹脂が硬化し始める前に、該可動キャビティ９を下降させて成形する。即ち、製造段階を第１及び第２段階とに分け、第１段階で所望する樹脂封止層１９の厚さを決定するとともに、可動キャビティ９を上昇させて、樹脂１８の流動する間隔が拡大された状態で溶融した樹脂１８を充填し、第２段階で可動キャビティ９を下降させキャビティ凹部内に充満した余分の樹脂１８をポット１４内に逆流させることにより、所望の厚さの半導体パッケージを成形する。
かかる方法は、図６に示すような半導体素子５の大きさとほぼ同じ大きさの半導体パッケージ、例えばＣＳＰ（チップサイズパッケージ）などに好適であり、半導体素子５及び接続ワイヤ１１などが搭載されたサブストレート４への実質的な成形圧力の影響が低減し、この半導体パッケージ６の耐湿性能や機械的強度性能等についての信頼性は優れたものとなる。
また、可動キャビティ９を任意の位置に設定できるので、厚さの異なる半導体パッケージを成形する際に、金型を半導体パッケージ毎に用意する必要がない。図８（ａ）に示すように、可動キャビティを用いた本発明の方法では、１個の金型を用いて２以上のｘ種類の半導体パッケージを製造することができるが、キャビティを固定した場合には、ｘ種類の半導体パッケージの製造にはｘ個の金型が必要になる。よって、本発明によれば、半導体パッケージの製造コストを大幅に低減することが可能である。さらに、樹脂封止時に薄いサブストレート４に変形が生じたり、また、半導体素子５と回路配線との電気的接続部位(例えばワイヤ接続)に負荷が印加されることを防止でき、隣接する接続ワイヤ１１同士が接触することを防止することができる。
そして、上金型３のキャビティ凹部に樹脂フィルム１６を配設する場合には、側壁８と可動キャビティ９の間隙から溶解した樹脂１８が漏出することがなく、バリのない精度の高い半導体パッケージを成形することができる。
尚、本実施例では一つの半導体素子５及び接続ワイヤ１１がサブストレート４上に配設された配線基板１２で構成された半導体パッケージ６の製造方法を説明したが、例えば、図示省略するがマトリックス状に配列され複数の半導体素子が配設された配線基板で構成された半導体パッケージ、または、マトリックス状に配列された複数の配線基板を一つのパッケージとして成形した後、ダイシング切断方式により個別化する半導体パッケージであっても何らさしつかえなく製造することができる。
また、本実施の形態では、下金型２はキャビティ凹部を有しない平坦状のものとしたが、下金型２はキャビティ凹部を有するものであってもよい。

本発明による実施例の成形法による半導体パッケージの製造方法の各段階における製造装置の要部断面図である（その１）。 本発明による実施例の成形法による半導体パッケージの製造方法の各段階における製造装置の要部断面図である（その２）。 本発明による実施例の成形法による半導体パッケージの製造方法の各段階における製造装置の要部断面図である（その３）。 本発明による実施例の成形法による半導体パッケージの製造方法の各段階における製造装置の要部断面図である（その４）。 本発明による実施例の成形法による半導体パッケージの製造方法の各段階における製造装置の要部断面図である（その５）。 本発明による実施例の成形法による半導体パッケージの製造方法の各段階における製造装置の要部断面図である（その６）。 本発明による実施例の成形法による半導体パッケージの製造方法のフローチャートである。 図１乃至図３の下金型２が上昇して型締めされた時の製造装置の全体図である。 本発明の製造方法にて成形した半導体パッケージの断面図である。 樹脂封止層が薄い半導体パッケージを製造した実験結果である。 半導体パッケージの種類の数と金型の数との関係（ａ）、可動キャビティの圧力及び速度の変化に対する不具合の発生を調べた実験結果（ｂ）。

符号の説明

１ 成型型
２ 下金型
３ 上金型
４ サブストレート
５ 半導体素子
６ 半導体パッケージ
７ キャビティ凹部
７ａ 底面
８ 側壁
９ 可動キャビティ
１０ 押圧軸用ブロック
１１ 接続ワイヤ
１２ 配線基板
１３ エアーベント
１４ ポット
１５ プランジャー
１６ 樹脂フィルム
１７ 真空用通路
１８ 樹脂
１８ａ 溶融した樹脂
１９ 樹脂封止層

Claims (4)

1. リードフレームまたはサブストレートに半導体素子及び接続ワイヤが配設された配線基板を対向する２つの金型のパーティング面に狭持し、前記配線基板を樹脂封止する半導体パッケージの製造方法において、
   前記２つの金型のうち少なくとも上金型には、該金型のキャビティ凹部底面が上下方向に移動可能となるように可動キャビティを設け、
   該半導体パッケージを成形する前に予め樹脂封止層の厚さを決定し、
   該配線基板と該キャビティ凹部底面との間隔が前記樹脂封止層の厚さよりも広くなるような位置に該可動キャビティを配置した後、
   該樹脂を前記２つの金型のキャビティ内に注入し、該樹脂が硬化する前に、該可動キャビティを該配線基板に接近する方向に移動させて前記樹脂封止層の厚さの位置にして該半導体パッケージを成形し、
   前記可動キャビティを所定の加圧力により所定の速度で移動させ、
   前記樹脂封止層の厚さ及び樹脂の種類と、前記樹脂封止層の厚さ及び樹脂の種類に適した可動キャビティの速度及び加圧力とを対応させたテーブルを予め記録媒体に格納しておき、前記テーブルを用いて、前記樹脂封止層の厚さ及び樹脂の種類に適した可動キャビティの速度及び加圧力が決定されることを特徴とする、半導体パッケージの製造方法。
2. 請求項１にかかる半導体パッケージの製造方法において、前記可動キャビティを有する金型のキャビティ凹部の表面上に樹脂フィルムを配設したことを特徴とする半導体パッケージの製造方法。
3. リードフレームまたはサブストレートに半導体素子及び接続ワイヤが配設された配線基板を対向する２つの金型のパーティング面に狭持し、前記配線基板を樹脂封止する半導体パッケージの製造装置において、
   前記２つの金型のうち少なくとも上金型には、該金型のキャビティ凹部底面が上下方向に移動可能となるように可動キャビティを設け、
   予め決定された樹脂封止層の厚さに応じて可動キャビティの位置を変更することのできる機構を備え、
   該配線基板と該キャビティ凹部底面との隙間が前記樹脂封止層の厚さより広くなるような位置に該可動キャビティを配置した後、
   該樹脂を前記２つの金型のキャビティ内に注入し、該樹脂が硬化する前に、該可動キャビティを該配線基板に接近する方向に移動させて前記樹脂封止層の厚さの位置にして該半導体パッケージを成形し、
   前記可動キャビティを所定の加圧力により所定の速度で移動させ、
   前記樹脂封止層の厚さ及び樹脂の種類と、前記樹脂封止層の厚さ及び樹脂の種類に適した可動キャビティの速度及び加圧力とを対応させたテーブルを予め記録媒体に格納しておき、前記テーブルを用いて、前記樹脂封止層の厚さ及び樹脂の種類に適した可動キャビティの速度及び加圧力が決定されることを特徴とする、半導体パッケージの製造装置。
4. 請求項３にかかる半導体パッケージの製造装置において、前記可動キャビティを有する金型のキャビティ凹部の表面上に樹脂フィルムを配設したことを特徴とする半導体パッケージの製造装置。

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