JP5189062B2 - 半導体装置製造用金型、半導体装置の製造方法、および半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、放熱のためのヒートシンクと共に使用されるフルモールドタイプの半導体装置の製造用金型、その製造方法並びに当該製造方法で製造される半導体装置に関する。

自立型の半導体装置は、それ自体が発生する熱を効率よく放熱させるために、ヒートシンクに取り付けられることが、一般的に行われている。

そのような半導体装置について、機器製造時の取り扱い上の簡便さから、ヒートシンクに取り付ける際に絶縁シート等を必要としない、フルモールドタイプの絶縁型半導体パッケージを持った半導体装置（例えば特許文献１）が使用されるケースが近年は増加している。

特開２００２−１５１６３２

ヒートシンクに取り付けた半導体装置の放熱効率は、使用されるヒートシンクの大きさ等によって決定されるが、同時に半導体装置とヒートシンクとの間の接触面の平坦度もまた大きく関係している。それ故にヒートシンクには通常、凹凸やねじれ、反りなどが無い平坦なものが用意される。

ヒートシンクの形状が平坦なものであることは、それに取り付ける半導体装置も同時に実装面と接する面が平坦であることが前提となっているが、実際にはこれらフルモールドタイプの絶縁型パッケージには、パッケージ裏面に反りがこれまで多く発生していた。

フルモールドタイプの絶縁型パッケージを持つ半導体装置は一般的に、半導体チップを実装したリードフレームを、パッケージの厚み方向において裏面側に偏在させると同時に、パッケージの外に導出されるリード部が、同厚み方向表面側に立ち上がっている（特許文献１の図４（ｂ）参照）。これにより、特にこの半導体パッケージをヒートシンクに取り付けた際に、リードフレームの位置がヒートシンクに近接するため、放熱がスムーズに行われ、尚かつリード部とヒートシンクとの間の絶縁距離を稼ぐことができる。

その一方で、リードフレームが裏面側に偏在していることで、リードフレームを間に挟み、パッケージ表面側と裏面側とで樹脂厚に差が生じることとなる。同様に従来から図６のような半導体装置が有るが、封止樹脂の硬化時には同樹脂の収縮が発生し、この樹脂厚の差が収縮量の差をもたらすことで、パッケージが反ってしまう原因となる。そのため、図７のようにフルモールドタイプの絶縁型半導体パッケージを持った半導体装置をヒートシンクに取り付けた際には、パッケージ裏面の反りのために間に隙間が生じてしまい、この隙間による放熱性の低下が問題となっていた。

以上の問題に鑑み、本発明の目的はパッケージ裏面に反りが生じにくい半導体装置の製造用金型ならびに製造方法を提供することにある。

本発明の半導体装置製造用金型は、製造される半導体装置の表面側を形成する第一の型と裏面側を形成する第二の型の二つを合わせることで形成されるキャビティの内部に、半導体チップを実装したリードフレームをキャビティの厚み方向の中心から第二の型側に偏在するように挾持し、封止樹脂を注入することで半導体パッケージを形成する半導体装置製造用金型であって、前記第二の型の内面において、製造される半導体装置の裏面を形成する面の任意の位置に、前記挾持されたリードフレームと前記半導体装置の裏面を形成する面との間の距離並びに、前記封止樹脂の硬化時の収縮率に応じて設定される高さの隆起部を設け、前記任意の位置から前記第二の型内の外周部に向けて放射状に線を引くことで、前記隆起部を多面型に形成したことを特徴とする。

前記第二の型の内面外周部の各頂点から、各辺の中間点に向けて、前記隆起部より低い高さまで勾配が設けられていることを特徴とする。

前記隆起部の中心にはフラット部が形成されており、前記放射状の線は、前記フラット部周縁の所定の位置から引かれていることを特徴とする。

前記フラット部は多角形であり、前記フラット部周縁の所定の位置が、前記多角形のそれぞれの頂点であることを特徴とする。

本発明の半導体装置の製造方法は、半導体装置の裏面側を形成する第二の型の内面の任意の位置を隆起させ、前記任意の位置から前記第二の型内の外周部に向けて放射状に線を引くことで、多面型の形状を持った隆起部を設けた樹脂封止用金型を用意する工程と、製造される半導体装置の表面側を形成する第一の型と裏面側を形成する第二の型を合わせて形成するキャビティの、厚み方向の中心から第二の型側に偏在するように半導体チップが実装されているリードフレームを挾持する工程と、溶融した封止樹脂を前記キャビティ内に注入する工程とを有し、製造される半導体装置のボディの裏面に反り対策形状を持たせることを特徴とする。

前記第二の型の内面外周部の各頂点から、各辺の中間点に向けて、前記隆起部より低い高さまで勾配が設けられている樹脂封止用金型を用いることを特徴とする。

前記隆起部の中心にはフラット部が形成されており、前記フラット部周縁の所定の位置から、前記放射状の線が引かれている樹脂封止用金型を用いることを特徴とする。

前記フラット部は多角形であり、前記フラット部周縁の所定の位置を、前記多角形のそれぞれの頂点とした樹脂封止用金型を用いることを特徴とする。

前記した製造方法で製造されることを特徴とする半導体装置。

本発明によれば、半導体装置製造用の金型の、製造される半導体装置の裏面を形成する面の任意の位置に、前記挾持されたリードフレームと前記半導体装置の裏面を形成する面との間の距離並びに、前記封止樹脂の硬化時の収縮率に応じて設定される高さの隆起部を設けることによって、パッケージ裏面には前記隆起部に対応する多面型の凹部が形成される。この凹部は成型収縮を考慮したものであり、収縮後には平坦な裏面を得ることが出来るため、この半導体装置をヒートシンクに取り付けた際に、隙間が生じることが無く、効率的に放熱することが可能となる。

本発明の一実施形態に係る半導体装置製造用金型（第二の型）を示す概略平面図である。 図１のＡ−Ａ’矢視図（図２ａ）と、キャビティ部分の拡大図（図２ｂ）である。 本発明の一実施形態の変形例に係る半導体装置製造用金型を示す概略平面図である。 本発明の一実施形態に係る半導体装置を示す斜視図である。 本発明の一実施形態に係る半導体装置を示す裏面図である。 その他の従来の半導体装置の一例を示す三角図である。 図６の半導体装置を放熱フィンに取り付けた状態を示す概略断面図である。

以下、図１から図２を参照して、本発明の一実施形態に係る半導体装置製造用金型について説明する。図１、２に示すように、この実施形態に係る半導体装置製造用金型１は、上型（第一の型）１０、下型（第二の型）２０、そしてこれら二つの型を合わせることで形成されるキャビティ２１によって大略構成されており、このキャビティ２１の中に半導体チップ５３を実装したリードフレーム５１を配置し、樹脂封止することで半導体装置５を製造する。

図１に示す下型２０は、キャビティ２１の片半分を成す凹部２１ｂをその中心に持ち、凹部２１ｂの一方側には、アウターリード位置合わせ部２２が形成されている。これは、この半導体装置製造用金型１を用いて製造する半導体装置５の、リードフレーム５１本体の平面視矩形板状の部位であるチップ搭載部５１ａの一方側から立ち上がる、リード部５１ｂの根元で位置合わせをすることが出来る溝状の窪みで、リード部５１ｂはその大部分が下型２０から突出した形でセッティングされる。

また、凹部２１ｂの他方側にはゲート２９が設けられており、封止樹脂はここから注入され、それまでキャビティ２１内に有ったエアーは、リード部５１ｂの１本１本に合わせて形成された、前述のアウターリード位置合わせ部２２の溝の周囲に設けられたエアーベント２８から排出される。尚、ゲート２９とエアーベント２８の位置関係は、必ずしも本実施形態と同じである必要は無いが、キャビティ２１内部のエアーを好適に排出するために、それぞれを対向する位置に設けるのが望ましい。

凹部２１ｂの中央には隆起部２５が設けられており、該隆起部２５は中心から凹部２１ｂの周縁に向かう、なだらかな傾斜を成している。また、隆起部２５の中心から凹部２１ｂの周縁に向かって、放射状に引かれる放射状線２７が形成されている。これらは、凹部２１ｂの周縁の四辺それぞれの中央に周縁隆起部２４が形成され、四つの周縁隆起部２４から凹部２１ｂの四隅に向かってなだらかに傾斜していることと合わせて、放射状線２７は隆起部２５を多面型にする。

製造されるフルモールドタイプの半導体装置５にはヒートシンクに実装する際に使用する取付孔５４が、半導体パッケージ５０の厚み方向を貫くような形で設けられていることが多いが、この取付孔５４を形成するための取付孔形成凸部２３が、隆起部２５から更に突出するような形で下型２０に設けられる。隆起部２５から凹部２１ｂの周縁への傾斜は、この取付孔形成凸部２３によって遮られる形となるが、取付孔５４の形状に合わせて円柱状に形成される取付孔形成凸部２３の、隆起部２５の中心から見て裏側から前記傾斜は再び凹部２１ｂの周縁まで続けて形成される。

半導体装置製造用金型１に設けられる隆起部２５によって、この半導体装置製造用金型１を用いることで樹脂成形される半導体パッケージ５０には、一時的に陥没部５５が形成される。しかしながら、半導体装置製造用金型１に樹脂を注入し熱硬化させる過程において、実際には陥没部５５は樹脂の収縮に伴ってフラットな状態となる。これは、実装時にヒートシンクと接触する半導体パッケージ５０の裏面側にリードフレーム５１が偏在しているために、このリードフレーム５１を間に挟み、半導体パッケージ５０の表面側と裏面側とで樹脂量が大きく異なっていることが、半導体パッケージ５０を変形させる作用を逆に利用したものである。即ち、樹脂量の多い表面側でより大きな収縮が発生し、この収縮作用によって半導体パッケージ５０の裏面の外周部は表面側に引っ張られ、裏面がフラットな状態となる。これによってヒートシンクとの密着性を高めることが出来る。

下型２０に隆起部２５を設けるのは、前述したように最終的に半導体パッケージ５０の裏面をフラットな状態にするためであるため、隆起部２５の高さ、即ち半導体パッケージ５０の陥没部５５の深さは、裏面外周部が表面側に引っ張られる力との兼ね合いとなる。つまり、その表面側に引っ張られる力に影響を及ぼす、リードフレーム５１の裏面側への偏在の程度と、使用される樹脂の硬化時の収縮率とによって、隆起部２５の高さは規定される。

また、隆起部２５の中心から凹部２１ｂの周縁に向けて、放射状線２７が引かれることについては前述したが、図３に示すように、該中心に多角形のフラット部２６を形成し、放射状線２７を該多角形のそれぞれの頂点から引くようにしても良い。隆起部２５の中心点を放射状線２７が全て通るようにした場合、その一点に応力が集中するため、樹脂成形後に収縮するときにストレスが発生しやすいという問題が有るが、このようにフラット部２６を設けるようにすると、このストレスを分散させることが出来る。

フラット部２６を成す多角形の頂点の数が増え、放射状線２７の本数が増えることで隆起部２５に形成される面の数も増加することになるが、この面の数が多ければ多いほど、応力はより一層分散される。

次に、前記半導体装置製造用金型１を用いて半導体装置５を製造する方法を説明する。ここで説明する製造方法は、上型１０と下型２０からなる半導体装置製造用金型１を用意する工程と、これら上型１０並びに下型２０を合わせることで形成されるキャビティ２１に半導体チップ５３を実装したリードフレーム５１を挾持する工程と、溶融した封止樹脂をキャビティ２１内に注入し、熱硬化させることで半導体パッケージ５０樹脂成形する工程と、半導体装置製造用金型１から離型させた半導体パッケージ５０のポストキュアを行う工程とを有する。

半導体装置製造用金型１を用意する工程では、既述のようにキャビティ２１の片半分を成す凹部２１ｂをその中心に持ち、溝状のアウターリード位置合わせ部２２とゲート２９とが、例えばそれぞれ対向する位置に設けられており、前述のアウターリード位置合わせ部２２の溝の周囲にはキャビティ２１内部のエアーを排出するためのエアーベント２８が形成された下型２０を、上型１０と共に用意する。

本製造方法においては、下型２０の中央に凹部２１ｂの周縁に向かうなだらかな傾斜を有する隆起部２５を設け、隆起部２５の中心から凹部２１ｂの周縁に向かって放射状に放射状線２７が引かれるように加工する。さらに、凹部２１ｂの周縁の四辺それぞれの中央に周縁隆起部２４が形成し、四つの周縁隆起部２４から凹部２１ｂの四隅に向かってなだらかに傾斜させることと合わせて、隆起部２５を多面型となるように加工する。このように半導体パッケージ５０の裏面を形成することとなる下型２０の凹部２１ｂを加工することで、半導体パッケージ５０の裏面に反り対策形状を持たせることが出来る（詳細は後述）。

このように加工した半導体装置製造用金型１を用いて半導体装置を製造する場合、まず切断金型を使用して打ち抜いたリードフレーム５１本体である平面視矩形板状のチップ搭載部５１ａに、半田等を介して半導体チップ５３を接合することで半導体チップ５３とチップ搭載部５１ａを電気的に接続し、さらに接続子等を用いてリード部５１ｂと半導体チップ５３とを電気的に接続させたものを用意する。

この状態のリードフレーム５１を、アウターリード位置合わせ部２２にリード部５１ｂの根元を合わせ、同時にリード部５１ｂと半導体チップ５３を挟んだ他方側から立ち上がるフィン部５１ｃ先端の切り欠き部分（図示せず）を、取付孔形成凸部２３と嵌合させるような形でセッティングする。ここで、リードフレーム５１の形状は半導体チップ５３を搭載する前記矩形板状の部位の一方側に位置するリード部５１ｂと、他方側に位置するフィン部５１ｃとが立ち上がっていることから、アウターリード位置合わせ部２２にリード部５１ｂをセットすると、半導体チップ５３の搭載部位は下型２０の凹部２１ｂの深い位置で、底面にかなり近い場所に偏在することとなる。

尚、実際の製造時においてリードフレーム５１は、リード部５１ｂをタイバー（図示せず）によって連結することで、１０片〜３０片程度の多連形状を成すものが一般的に用いられる。同様に、半導体装置製造用金型１も多連形状となっている。

リードフレーム５１のセッティングを行った後に上型１０をその上に被せ、下型２０と上型１０とを合わせることで形成されるキャビティ２１内に、溶融した封止樹脂を注入する。この工程によって、凹部２１ｂを持つ下型２０が半導体パッケージ５０の裏面側を、凹部２１ａを持つ上型１０が同表面側を成形することとなる。

樹脂は、ゲート２９から注入する。このゲート２９は、下型２０と上型１０との合わせ目に形成されることが多く、ここからタブレット状のエポキシ樹脂等に熱を与えることで溶融した封止樹脂は、ランナーと呼ばれる樹脂の通り道を経由し、半導体装置製造金型１内に注入される。

半導体装置製造金型１内に樹脂が注入されると、それまでキャビティ２１内に有ったエアーは、リード部５１ｂがセットされるアウターリード位置合わせ部２２の溝の周囲に設けられたエアーベント２８から排出される。尚、ゲート２９とエアーベント２８の位置関係は、必ずしも本実施形態と同じである必要は無い。しかしながら、このゲート２９とエアーベント２８の位置設定、またキャビティ２１内部に挾持されているリードフレーム５１の形状によっては、キャビティ２１内の樹脂流動性に問題が生じることで、残存したエアーによりボイド等が発生する虞がある。キャビティ２１内部のエアーを好適に排出することを考慮すると、ゲート２９とエアーベント２８とを対向する位置に設けるのが望ましい。

注入された樹脂は、さらに高い温度を与えられることで、一転硬化することとなる。エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂と呼ばれる封止部材は、ある一定の温度に達した後には不可逆の状態となり、形状が固定される。しかしながら、半導体装置製造金型１の温度が低下するに従って、キャビティ２１内で早くも成形された半導体パッケージ５０は収縮を開始する。この収縮時において、前述のようにリードフレーム５１を下型２０の凹部２１ｂの底面近くに偏在させたことにより、リードフレーム５１を挟んで半導体パッケージ５０の表面側と裏面側とで、このリードフレーム５１を間に挟み、半導体パッケージ５０の表面側と裏面側とで樹脂量が大きく異なる状態を出来させ、これが表面側と裏面側の収縮量に差異をもたらすこととなる。

即ち、樹脂量の多い表面側でより大きな収縮が発生し、この収縮作用によって半導体パッケージ５０の裏面の外周部は表面側に引っ張られ、凹部２１ｂに設けられた隆起部２５や周縁隆起部２４の形状に合わせて形成される陥没部５５は最終的にフラットな状態となる。

収縮が完了した時点で、半導体装置製造用金型１から半導体装置５を図示しないイジェクターピンを用いて離型させ、その後で前記タイバーを切断することで、それぞれの半導体装置５を個片化し、さらにポストキュア（応力緩和により材料を安定化させるための加熱エージング）を行う。このポストキュア工程において、完全に収縮した半導体パッケージ５０が固定化される。

本製造方法によって製造された半導体装置５は、樹脂の収縮後には平坦な裏面を得ることが出来るため、この半導体装置５をヒートシンクに取り付けた際に、隙間が生じることが無く、効率的に放熱することが可能となる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の陽子を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

１ 半導体装置製造用金型
５ 半導体装置
１０ 上型（第一の型）
２０ 下型（第二の型）
２１ キャビティ
２２ アウターリード位置合わせ部
２３ 取付孔形成凸部
２４ 周縁隆起部
２５ 隆起部
２６ フラット部
２７ 放射状線
２８ エアーベント
２９ ゲート
５０ 半導体パッケージ
５１ リードフレーム
５１ａ チップ搭載部
５１ｂ リード部
５１ｃ フィン部
５４ 取付孔
５５ 陥没部

Claims (9)

1. 製造される半導体装置の表面側を形成する第一の型と裏面側を形成する第二の型の二つを合わせることで形成されるキャビティの内部に、半導体チップを実装したリードフレームをキャビティの厚み方向の中心から第二の型側に偏在するように挾持し、封止樹脂を注入することで半導体パッケージを形成する半導体装置製造用金型であって、
   前記第二の型の内面において、製造される半導体装置の裏面を形成する面の任意の位置に、前記挾持されたリードフレームと前記半導体装置の裏面を形成する面との間の距離並びに、前記封止樹脂の硬化時の収縮率に応じて設定される高さの隆起部を設け、前記任意の位置から前記第二の型内の外周部に向けて放射状に線を引くことで、前記隆起部を多面型に形成したことを特徴とする半導体装置製造用金型。
2. 前記第二の型の内面外周部の各頂点から、各辺の中間点に向けて、前記隆起部より低い高
   さまで勾配が設けられていることを特徴とする、請求項１記載の半導体装置製造用金型。
3. 前記隆起部の中心にはフラット部が形成されており、前記放射状の線は、前記フラット部
   周縁の所定の位置から引かれていることを特徴とする、請求項１又は２記載の半導体装置
   製造用金型。
4. 前記フラット部は多角形であり、前記フラット部周縁の所定の位置が、前記多角形のそれ
   ぞれの頂点であることを特徴とする請求項３記載の半導体装置製造用金型。
5. 半導体装置の裏面側を形成する第二の型の内面の任意の位置を隆起させ、前記任意の位置
   から前記第二の型内の外周部に向けて放射状に線を引くことで、多面型の形状を持った隆
   起部を設けた樹脂封止用金型を用意する工程と、製造される半導体装置の表面側を形成す
   る第一の型と裏面側を形成する第二の型を合わせて形成するキャビティの、厚み方向の中
   心から第二の型側に偏在するように半導体チップが実装されているリードフレームを挾持
   する工程と、溶融した封止樹脂を前記キャビティ内に注入する工程とを有することを特徴
   とする半導体装置の製造方法。
6. 前記第二の型の内面外周部の各頂点から、各辺の中間点に向けて、前記隆起部より低い高
   さまで勾配が設けられている樹脂封止用金型を用いることを特徴とする請求項５記載の半
   導体装置の製造方法。
7. 前記隆起部の中心にはフラット部が形成されており、前記フラット部周縁の所定の位置か
   ら、前記放射状の線が引かれている樹脂封止用金型を用いることを特徴とする請求項５又
   は６記載の半導体装置の製造方法。
8. 前記フラット部は多角形であり、前記フラット部周縁の所定の位置を、前記多角形のそれ
   ぞれの頂点とした樹脂封止用金型を用いることを特徴とする請求項７に記載の半導体装置
   の製造方法。
9. 請求項５から８の製造方法で製造されることを特徴とする半導体装置。
   

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