JP5217039B2

JP5217039B2 - 電子部品の樹脂封止方法およびそれを用いて製造された電子部品封止成形品

Info

Publication number: JP5217039B2
Application number: JP2010066356A
Authority: JP
Inventors: 徹男三谷
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-03-23
Filing date: 2010-03-23
Publication date: 2013-06-19
Anticipated expiration: 2030-03-23
Also published as: JP2011199146A

Description

本発明は、電子部品の樹脂封止方法およびそれを用いて製造された電子部品封止成形品に関する。

電子部品の樹脂封止成形品は、一般に以下の工程を経て製造される。シリコンチップなどを搭載したプリント基板またはリードフレームなどの電子部品をキャビティ内に収まるように金型の上型と下型との間に挟み込む。または、ピンなどを用いてプリント基板またはリードフレームなどを保持させる。その後、キャビティの一端に開口しているゲートから液状の封止樹脂が注入される。封止樹脂を硬化させることにより、パッケージが成形されて、電子部品樹脂封止成形品が製造される。

封止樹脂としては熱硬化性樹脂であるエポキシ樹脂が多く用いられ、この場合はトランスファ成形法などにより封止樹脂が成形される。封止樹脂として熱可塑性樹脂を用いた場合には、射出成形法などにより封止樹脂が成形される。

キャビティ内に封止樹脂が流入される際に、プリント基板の上面側および下面側を流動する封止樹脂の流動速度の差が大きい場合、プリント基板の上面側と下面側との間に圧力差が生じる。この圧力差によりプリント基板の変形、または、プリント基板に搭載されている電子部品の位置ずれもしくは破壊が起こることがある。

そこで、通常は、プリント基板をキャビティの中心部に配置して、プリント基板の上面側および下面側を流動する封止樹脂の流動速度の差を小さくするように試みられる。しかし、プリント基板に搭載される電子部品の形状およびキャビティの形状などの制約により、封止樹脂の流動速度を均一にすることは難しい。

電子部品の位置ずれおよび変形を低減する電子部品の樹脂封止方法を開示した先行文献として、特許文献１がある。特許文献１に記載された電子部品の樹脂封止方法においては、キャビティの一部に段差またはコアを設けて、樹脂流動および樹脂圧力が生じる場所および方向を制御することにより、電子部品の位置ずれなどの不良の発生の防止を図っている。

特許第２７７１８３８号公報

キャビティの一部に段差またはコアを設けた場合、封止成形品の形状にその段差またはコアの形状が反映される。つまり、封止成形品の外形の一部に段差または凹部が形成されることになり、封止成形品の強度および実装性が低下する。また、封止成形品の表面に樹脂未充填部およびボイドが発生して、封止成形品の特性が低下する。

本発明は上記の問題点に鑑みなされたものであって、電子部品の位置ずれおよび変形を低減するとともに、封止成形品の特性を向上させる、電子部品の樹脂封止方法およびそれを用いて製造された電子部品封止成形品を提供することを目的とする。

本発明に基づく電子部品の樹脂封止方法は、電子部品が成形金型のキャビティ内に配置される工程と、電子部品が配置されたキャビティ内に液状の封止樹脂が流入される工程と、封止樹脂が固化される工程とを備えている。液状の封止樹脂が流入される工程においては、電子部品の上面側を液状の封止樹脂が流動する上面側流路、および、電子部品の下面側を液状の封止樹脂が流動する下面側流路が形成されている。電子部品には、上面側流路と下面側流路との液状の封止樹脂の流体抵抗の差を低減するために、上面側流路または下面側流路の一部の流路面積を減少させる障壁部材が表面上に固定されている。

本発明によれば、電子部品上に障壁部材を設けることにより、電子部品の位置ずれおよび変形を低減するとともに、封止成形品の特性を向上させることができる。

本発明の一実施形態に係る電子部品の樹脂封止方法を説明する斜視図である。図１のＩＩ−ＩＩ線矢印方向から見た断面図である。同実施形態に係るプリント基板と障壁部材との寸法関係を示す平面図である。同実施形態に係るキャビティ内の寸法関係を示す断面図である。上面側流路と下面側流路との流速に差がある場合にプリント基板に発生するたわみを模式的に示す図である。実験例３の障壁部材を配置したプリント基板を模式的に示す側面図である。実験例４の障壁部材を配置したプリント基板を模式的に示す側面図である。

以下、本発明に基づいた一実施形態における電子部品の樹脂封止方法およびそれを用いて製造された電子部品封止成形品について図を参照して説明する。以下の実施形態の説明においては、図中の同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は繰返さない。

図１は、本発明の一実施形態に係る電子部品の樹脂封止方法を説明する斜視図である。図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線矢印方向から見た断面図である。図１においては、簡単のため金型を透明に示している。

図１および２に示すように、上金型８と下金型９とが組み合わされることにより、キャビティ１０が形成される。上金型８には、キャビティ１０内に液状の封止樹脂１１を流入させるためのゲート７が設けられている。本実施形態においては、３つのゲート７が設けられているが、ゲートの数はこれに限られない。下金型９には、後述するヒートシンク４が載置される凹部が形成されている。

本実施形態においては、他の電子部品を搭載した電子部品であるプリント基板１が、キャビティ１０内に設置されている。具体的には、プリント基板１の下面の４角に、支持ピン５が取付けられている。プリント基板１は、ヒートシンク４の上面に支持ピン５が立った状態になるように配置されている。そのため、プリント基板１の下面とヒートシンク４の上面との間には空間が形成されている。

ヒートシンク４の上面には、３つの矩形状のリードフレーム３が互いに間隔を置いて、リードフレーム３の長手方向に直交する方向に並列に配置されている。リードフレーム３の上面上に、２つの矩形状のシリコンチップ２が互いに間隔を置いて、それぞれ３つのリードフレーム３に跨るように配置されている。

プリント基板１の上面上に、エポキシ樹脂を硬化させて作製した直方体状の障壁部材６が、エポキシ系の接着剤により固定されている。障壁部材６は、２つのシリコンチップ２の間の位置の直上に配置されている。また、障壁部材６は、障壁部材６の延在方向とシリコンチップ２の延在方向とが平行になるように配置されている。

上記のように、電子部品が成形金型のキャビティ１０内に配置される。本実施形態においては、他の電子部品を搭載したプリント基板１を用いたが、他の電子部品の種類、他の電子部品の数量および実装方法は特に限定されない。

次に、プリント基板１が配置されたキャビティ１０内に液状の封止樹脂１１が流入される。封止樹脂としては、エポキシ樹脂を用いた。成形方法としては、トランスファ成形法を用いた。

図２に示すように、ゲート７から封止樹脂１１が注入される方向と、プリント基板１の延在する方向が平行であるため、キャビティ１０内に流入した封止樹脂１１は、プリント基板１の上面側と下面側とに分かれて流動する。

言い換えると、液状の封止樹脂１１が流入される際には、プリント基板１の上面側を液状の封止樹脂１１が流動する上面側流路１２、および、プリント基板１の下面側を液状の封止樹脂１１が流動する下面側流路１３が形成されている。

図３は、本実施形態に係るプリント基板と障壁部材との寸法関係を示す平面図である。図４は、本実施形態に係るキャビティ内の寸法関係を示す断面図である。図４においては、簡単のため、支持ピン５を図示していない。

図３，４に示すように、プリント基板１の長さをＬ₁、幅をＷ₁とする。障壁部材６の長さをＬ₂、幅をＷ₂、高さをｈとする。図３に示すように、プリント基板１の上面においては、障壁部材６上の流路を含まない流路１４と、障壁部材６上の流路を含む流路１５とが形成される。

図４に示すように、本実施形態においては、プリント基板１の上面側の流路面積の方がプリント基板１の下面側の流路面積より大きい。キャビティ１０内の幅はプリント基板１の上下において同じであるため、プリント基板１の上面側の流路の高さＨ₂は、プリント基板１の下面側の流路の高さＨ₁より高い。なお、流路の高さＨ₁，Ｈ₂は、流路における平均高さである。よって、たとえば、流路の高さＨ₁は、シリコンチップ２の存在する位置における高さとシリコンチップ２の存在しない位置における高さとの平均値である。

液状の封止樹脂が流動する際の流動抵抗は、流路面積に相関している。そのため、本実施形態においては、プリント基板１の上面側における流動抵抗の方が、下面側における流動抵抗より小さい。この流動抵抗の差を低減するために、障壁部材６を設けている。

プリント基板１の上面に障壁部材６が固定されていることにより、プリント基板１の上面側の流路の一部の流路面積が減少されている。具体的には、プリント基板１の上面側の流路の一部の高さが(Ｈ₂−ｈ)となり低くなることにより、プリント基板１の上面側の流路面積が減少されている。

ここで、プリント基板１の上面側に位置する上面側流路１６における液状の封止樹脂の流速を体積流速Ｑ₂とする。プリント基板１の下面側に位置する下面側流路１７における液状の封止樹脂の流速を体積流速Ｑ₁とする。図３に示すように、上記の流路１４における液状の封止樹脂の流速を体積流速Ｑ_2Aとする。上記の流路１５における液状の封止樹脂の流速を体積流速Ｑ_2Bとする。Ｑ₂＝Ｑ_2A＋Ｑ_2Bの関係が成立している。

図３，４に示すような流体の流れにおいては、以下の式１が成立している。

なお、ｐは圧力、ηは流体の粘度、Ｌは流路の長さ、Ｑは体積流速、Ｈは流路の高さ、Ｗは流路の幅である。

液状の封止樹脂の流路が上面側流路１６(１４，１５)および下面側流路１７に分岐する点においては、圧力が等しいため以下の式２が成立する。

プリント基板１の上面側および下面側における液状の封止樹脂の流動バランスがとれていることが好ましい。言い換えると、流路の幅を重率に取った平均流速が、上面側流路１６および下面側流路１７において等しいことが好ましい。この場合、以下の式３が成立する。

ここで、Ｖ₁＝Ｑ₁／Ｈ₁Ｗ、Ｖ_2A＝Ｑ_2A／Ｈ₂(Ｗ₁−Ｗ₂)、Ｖ_2B＝Ｑ_2B／(Ｈ₂−ｈ)Ｗ₂である。

上記の式２および式３から、以下の式４が導かれる。

図５は、上面側流路と下面側流路との流速に差がある場合にプリント基板に発生するたわみを模式的に示す図である。図５に示すように、本実施形態においては、プリント基板１は支持ピン５に両端を支持されている。上面側流路１６の流路面積が下面側流路１７の流路面積より大きい場合、上面側流路１６における封止樹脂の流速は下面側流路１７における封止樹脂の流速より大きくなる。

その結果、プリント基板１の上面側に先に封止樹脂が充填され圧力が高くなる。この圧力によりプリント基板１には下に凸状のたわみが発生する。最もたわみが大きいプリント基板１の中心部では、プリント基板１の上面の位置が長さｄだけ下方にずれている。

障壁部材６を設けることにより、上面側流路１６の一部の流路面積を減少させて、上面側流路１６と下面側流路１７との液状の封止樹脂の流体抵抗の差を減少させる。したがって、上面側流路１６における封止樹脂の流速と下面側流路１７における封止樹脂の流速との差が低減される。その結果、上記のたわみを小さくすることができる。具体的には、長さｄを小さくすることができる。

プリント基板１のたわみを小さくすることにより、プリント基板１に搭載される電子部品の位置ずれおよび変形を抑制することができる。

封止樹脂が固化されることにより、電子部品封止成形品が製造される。障壁部材６は、封止樹脂により埋め込まれてしまうため、製造された成形品の外形には現れない。よって成形品の表面に凹部が形成されることによる電子部品封止成形品の強度および実装性が低下することを防止することができる。また、電子部品封止成形品の表面に樹脂未充填部およびボイドが発生することを抑制することができる。

以下、本発明の実験例について説明する。
実験例１
Ｗ₁＝７５ｍｍ，Ｌ₁＝４０ｍｍ，厚さ１ｍｍであるプリント基板１の上面に、エポキシ樹脂硬化板から切出した直方体状の障壁部材６をエポキシ系接着剤により固定した。プリント基板１の４角を支持ピン５で支持して金型のキャビティ１０内に設置した。このとき、プリント基板１の上面側の流路の高さＨ₂＝６ｍｍ、下面側の流路の高さＨ₁＝５ｍｍであった。

封止樹脂としてエポキシ樹脂（日立化成製：ＣＥＬ１６２０）を用いた。トランスファー成形機を用いて、金型温度１８０℃、樹脂充填時間１０秒、硬化時間１２０秒、圧力１０ＭＰａの条件において成形した。封止されたプリント基板１のたわみは、成形品を切断して図５に示す長さｄを測定し、たわみ率ｒ(％)を算出して評価した。なお、たわみ率ｒは、ｒ＝ｄ／Ｗ₁×１００の式から求められる。

本実験例においては、Ｗ₂＝５０ｍｍ，Ｌ₂＝２ｍｍ，ｈ＝４．６ｍｍである障壁部材６をプリント基板１の上面の中央部に固定した。その結果、たわみ率ｒは、０．７％となった。このとき、式４の左辺をＡ，右辺をＢとすると、Ａ＝０．３０６、Ｂ＝０．３１４となっている。

比較例１
比較例１として、実験例１の条件において障壁部材６を設けずに製造した電子部品封止成形品のプリント基板１のたわみ率ｒを算出した。その結果、ｒ＝８％となった。たわみ率ｒの許容値の目安は５％であり、好ましくは１％以下である。そのため、障壁部材６を設けずに製造した電子部品封止成形品の特性は好ましくなかった。

実験例２
実験例２として、実験例１の条件において障壁部材６の寸法を変更して製造した電子部品封止成形品のプリント基板１のたわみ率ｒを算出した。Ｗ₂＝４０ｍｍ，Ｌ₂＝５ｍｍ，ｈ＝４．２ｍｍである障壁部材６を用いた。その結果、ｒ＝０．８％となった。このとき、Ａ＝０．３０６、Ｂ＝０．２８８となっている。

比較例２
比較例２として、実験例１の条件において障壁部材６の寸法を変更して製造した電子部品封止成形品のプリント基板１のたわみ率ｒを算出した。Ｗ₂＝５ｍｍ，Ｌ₂＝５ｍｍ，ｈ＝２ｍｍである障壁部材６を用いた。その結果、ｒ＝５．３％となった。このとき、Ａ＝０．３０６、Ｂ＝０．１１５となっている。

実験例３
実験例３として、実験例１の条件において障壁部材６の寸法および形状を変更して製造した電子部品封止成形品のプリント基板１のたわみ率ｒを算出した。図６は、実験例３の障壁部材を配置したプリント基板を模式的に示す側面図である。図６に示すように、実験例３の障壁部材６Ａは、逆Ｌ字形状の横断面を有している。障壁部材６Ａの寸法は、Ｗ₂＝５０ｍｍ，Ｌ₂＝２ｍｍ，ｈ＝４．６ｍｍとした。その結果、ｒ＝０．８％となった。このとき、Ａ＝０．３０６、Ｂ＝０．３１４となっている。

実験例４
実験例４として、実験例１の条件において障壁部材６の寸法および形状を変更して製造した電子部品封止成形品のプリント基板１のたわみ率ｒを算出した。図７は、実験例４の障壁部材を配置したプリント基板を模式的に示す側面図である。図７に示すように、実験例４の障壁部材６Ｂは、Ｔ字形状の横断面を有している。障壁部材６Ｂの寸法は、Ｗ₂＝５０ｍｍ，Ｌ₂＝２ｍｍ，ｈ＝４．６ｍｍとした。その結果、ｒ＝０．８％となった。このとき、Ａ＝０．３０６、Ｂ＝０．３１４となっている。

表１は、上記の実験例の結果をまとめたものである。

表１に示すように、たわみ率ｒの許容値の目安である５％以下にするためには、Ａ／２＜Ｂ＜２Ａの関係を満たす必要がある。さらに、たわみ率ｒが１％以下になるために、３Ａ／４＜Ｂ＜５Ａ／４の関係を満たすことが好ましい。なお、上記の関係を満たせば、障壁部材６の横断面形状は特に限定されない。

上記の実験結果から、上面側流路１６および下面側流路１７のうち流路面積の大きい方の流路の高さをＨ₂、小さい方の流路の高さをＨ₁、プリント基板１の長さをＬ₁、幅をＷ₁、障壁部材６の長さをＬ₂、幅をＷ₂、高さをｈとすると、下記の式５で示す関係を満たすことにより、プリント基板１のたわみ率ｒを５％以下に低減することができる。

プリント基板１のたわみを低減することにより、プリント基板１に搭載される電子部品の位置ずれ、変形および破壊の発生を抑制することができる。また、本実施形態においては、障壁部材６はプリント基板１上に固定されているため、電子部品封止成形品の外形の形状に影響しない。さらに、電子部品封止成形品の表面にボイドなどが発生することを防止して、電子部品封止成形品の特性を向上させることができる。

本発明は、メモリ半導体のように基板を用いない電子部品において、リードフレームのパッド部により液状の封止樹脂の流路が２分される場合などにも適用することができる。

なお、今回開示した上記実施形態および実験例はすべての点で例示であって、限定的な解釈の根拠となるものではない。したがって、本発明の技術的範囲は、上記した実施形態および実験例のみによって解釈されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて画定される。また、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

１プリント基板、２シリコンチップ、３リードフレーム、４ヒートシンク、５支持ピン、６，６Ａ，６Ｂ障壁部材、７ゲート、８上金型、９下金型、１０キャビティ、１１封止樹脂、１２，１６上面側流路、１３，１７下面側流路、１４，１５流路。

Claims

電子部品を搭載した板状の基板が成形金型のキャビティ内に配置される工程と、
前記基板が配置されたキャビティ内に液状の封止樹脂が流入される工程と、
前記封止樹脂が固化される工程と
を備え、
前記液状の封止樹脂が流入される工程においては、前記基板の上面側を前記液状の封止樹脂が流動する上面側流路、および、前記基板の下面側を前記液状の封止樹脂が流動する下面側流路が形成され、
前記基板には、前記上面側流路と前記下面側流路との前記液状の封止樹脂の流体抵抗の差を低減するために、前記上面側流路または前記下面側流路の一部の流路面積を減少させる障壁部材が表面上に固定され、
前記上面側流路および前記下面側流路のうち流路面積の大きい方の流路の高さをＨ ₂ 、
小さい方の流路の高さをＨ ₁ 、前記基板の長さをＬ ₁ 、幅をＷ ₁ 、前記障壁部材の長さをＬ ₂ 、幅をＷ ₂ 、高さをｈとすると、下記の数式で示す関係を満たす、電子部品の樹脂封止方法。
請求項１に記載の電子部品の樹脂封止方法を用いて製造された電子部品封止成形品。