JP6182951B2 - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、金型のキャビティ内に溶融した熱硬化性樹脂を注入して半導体チップとともにインサート部品を封止して製造された半導体装置及びその製造方法に関するものである。

一般に半導体装置の樹脂封止成形品は、シリコンチップ及びリードフレーム等をキャビティ内に収まるように金型の上型と下型で挟み込み、プリント基板等のインサート部品を支持ピン等で保持し、キャビティの一端に開口しているゲートからゲル状の樹脂を注入し硬化させてパッケージを成形することで製造される。

封止材料である樹脂は、熱硬化性樹脂であるエポキシ樹脂が多く用いられており、通常はトランスファ成形法等で成形される。

樹脂を注入し封止成形している間、インサート部品が動かないように支持ピン等で保持するが、成形品を金型から取り出す時に支持ピンを引き抜くことにより、インサート部品に達する穴が形成される。

インサート部品に達するピン穴の形成を防止するために、成形途中に支持ピンを引き抜く技術がある（例えば、特許文献１参照）。

また、インサート部品の位置を精度良く保つために、あらかじめ成形したインサート部品を支える樹脂部品をインサート部品とともに成形前に金型キャビティ内に配置する技術がある（例えば、特許文献２または３参照）。

特開２００９−１６４２８６号公報（請求項１、［０００６］段落、［００３６］乃至［００４９］段落、または、図４） 特開２００４−１７４８３９号公報（［００２６］乃至［００２８］段落、または、図１） 特開平８−１４２６５５６号公報（［０００９］段落、［００１０］段落、［００１６］段落、［００３６］段落、または、図１）

しかしながら、上記特許文献１のように成形途中に支持ピンを引き抜く方法は、ピンを引き抜くタイミングが難しく、成形樹脂の硬化が進んでしまっているとピンがあった空間に樹脂が十分に流れ込まずに空隙が発生し、逆に、早く抜きすぎると樹脂の流動性が良すぎてピンがあった空間に樹脂が勢いよく流れ込み、インサート部品が移動するという課題がある。

また、上記特許文献２及び３のように樹脂部品でインサート部品を支える方法では、通常は同種の樹脂を用いても樹脂部品と成形樹脂はほとんど溶け合わず、明瞭な界面ができてしまうため、界面はほとんど密着することはなく、微小な隙間が存在し水分等が浸透しやすいという課題がある。

この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、インサート部品が成形中に所定の位置からずれたりせず、インサート部品に達する穴や空隙が発生しない半導体装置およびその成形方法で成形する半導体装置の製造方法を得ることを目的としている。

この出願の第１の発明に係る半導体装置の製造方法は、金型に熱硬化性樹脂を溶融して注入し、前記金型内に設けたインサート部品を封止する半導体装置の製造方法であって、前記熱硬化性樹脂を常温のまま圧力をかけて未硬化のまま固めた柱状成形部材を支持ピンに押し付けられるように用いて前記インサート部品を支持して加熱封止するものである。
また、この出願の第２の発明に係る半導体装置の製造方法は、金型に熱硬化性樹脂を溶融して注入し、金型内に設けたインサート部品を封止する半導体装置の製造方法であって、熱硬化性樹脂を未硬化のまま固めた部材を用いてインサート部品を支持して封止し、部材が円柱状であり、部材を複数個並べ、連続的に供給可能とするものである。
また、この出願の第３の発明に係る半導体装置は、インサート部品が熱硬化性樹脂で封止されている半導体装置であって、前記インサート部品を支持するために上下に設けられた支持ピンに挟まれた領域が、他の領域と同程度に均一な前記熱硬化性樹脂により構成されて前記他の領域と表面部分が混合して一体化しているものである。

この発明によれば、未硬化樹脂をインサート部品の支えに用いたことにより、インサート部品が表面に露出しない樹脂封止半導体装置を得ることができる。

この発明の実施の形態１に係る半導体装置の製造装置を示した断面図である。 この発明の実施の形態１に係る半導体装置の成形工程を示した工程図である。 この発明の実施の形態１に係る半導体装置の断面図である。 この発明の実施の形態２に係る円柱状の未硬化樹脂の形状を示した概観図である。 この発明の実施の形態３に係る半導体装置の製造装置を示した断面図である。 従来の支持ピンを用いた方法で製造した半導体装置の断面図である。 従来の樹脂部品を用いた方法で製造した半導体装置の断面図である。

実施の形態１．
次に、図面を用いて、この発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には、同一又は類似の符号を付している。但し、図面は模式的なものであり、各寸法の比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な寸法等は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。

この発明に係る半導体装置の製造方法及び当該方法により製造された半導体装置の概要は、常温で固体のエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂の未硬化物を固めたものでインサート部 品を成形中に支える半導体装の製造方法及び当該方法により製造された半導体装置であり、成形樹脂が金型キャビティに充填する時に支えに用いた未硬化樹脂の表面が溶融して成形樹脂と混合し、成形樹脂が充填後、硬化時に支えに用いた未硬化樹脂の表面及び内部も硬化し、成形樹脂が一体化する。

通常の熱硬化性樹脂は成形中の溶融粘度は低く、脆い未硬化樹脂でも十分インサート部品を支えることができる。また、成形樹脂が充填中の短時間では、未硬化樹脂の表面のみ温度が上昇して溶融するが、硬化過程において未硬化樹脂の内部まで温度が上がり未硬化樹脂全体が溶融後、硬化する。このとき、インサート部品はすでに成形樹脂に完全に埋め込まれているため動くことはない。

なお、未硬化樹脂の内部まで温度が上がり未硬化樹脂全体が完全に溶融しない場合であっても、少なくとも表面部分のみ完全に溶融し成形樹脂と一体化した状態となれば、未硬化樹脂の内部に一部溶融しない部分が残ったとしても、上記課題を解決し一定の効果が得られることは明らかである。

また、ここで用いる熱硬化性樹脂にはエポキシ樹脂のほか、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂、シリコーン樹脂、ポリウレタン樹脂等を用いることができる。

図１は、この発明の実施の形態１に係るフルモールドタイプの半導体装置の成形装置を示した断面図である。シリコンチップが配置されたリードフレーム６、及び、熱抵抗を下げて放熱効果を上げるためのヒートシンク５等の部品を設置し、長方形状のプリント基板であるインサート部品２をトランスファ成形のため金型キャビティ９に挿入する。

インサート部品２は、半導体封止用エポキシ樹脂組成物粉末（溶融させながら金型キャビティ９に流入させる成形樹脂のタブレットと同質材料）に常温のまま圧力をかけて押し固め円柱状に成形された部材である未硬化樹脂３により、４隅が上下に挟まれた状態で、それぞれの未硬化樹脂３に対応する位置に設けられた支持ピンである金属ピン４に押し付けられて支持されている。ポット７には、未硬化樹脂３と同材料により製造された成形樹脂のタブレットを入れ、加熱しながら溶融させ、併せてプランジャ８を押し上げて、金型キャビティ９に溶融した成形樹脂１を流入させ、金型キャビティ９内を充填し、加熱して硬化させる。なお、ここでは、トランスファ成形について述べてきたが、射出成形他においても応用可能である。

次に、具体的な実施例をあげて、この発明の実施の形態１に係る半導体装置の成形装置について説明する。まず、半導体封止用エポキシ樹脂組成物粉末を直径４ｍｍで高さ３ｍｍの大きさの円柱状に４個を常温圧縮成形し、第一の未硬化樹脂３を成形し、加えて、直径４ｍｍで高さ６ｍｍの円柱状に４個を常温圧縮成形して第二の未硬化樹脂３を成形した。

図１に示したように、シリコンチップがのったリードフレーム６及びヒートシンク５等の部品をトランスファ成形機の金型キャビティ９内に設置後、長方形状のプリント基板であるインサート部品２の４隅の位置に、これらの第一の未硬化樹脂３及び第二の未硬化樹脂３を用いてインサート部品２を挟み込むようにして金型の金属ピン４で押し付けてインサート部品２を支持した。

第一の未硬化樹脂３及び第二の未硬化樹脂３を作製したのと同じ成形樹脂材料からなるタブレットをポット７に投入し、プランジャ８を押し上げて成形樹脂を溶融させながら金型キャビティ９に流入させ、充填し、硬化させた。このときの成形条件は、金型温度１８０℃、充填時間１０秒、硬化時間１２０秒、圧力１０ＭＰａであり、成形品を金型から取り出した後、１８０℃で４時間アフターキュアした。

上記実施例における成形の動作は図２に示すステップで実施した。図２は、この発明の実施の形態１に係る半導体装置の成形工程を示した工程図である。まず、第一の工程は、未硬化樹脂部品の圧縮成形工程である。所定数量の第一の未硬化樹脂３及び第二の未硬化樹脂３を予め成形した。半導体封止用エポキシ樹脂組成物粉末を直径４ｍｍで高さ３ｍｍの大きさの円柱状に４個を常温圧縮成形し、加えて、直径４ｍｍで高さ６ｍｍの円柱状に４個を常温圧縮成形して作製した。

なお、常温圧縮成形して作製した未硬化樹脂３は、ここでは円柱状としたが、特に円柱状の必要はなく、四角柱であっても、六角柱であっても、その他の柱状形状（上下の断面積が異なる場合も含むものとする）であっても構わない。また、ここでは、直径と高さを特定したが、特に、ここであげた直径と高さである必要はなく、設計上、半導体装置の成形装置に適した直径及び高さとすることが出来ることは言うまでもない。

トランスファ成形の工程は以下の工程の繰返しとなる。第二の工程は、金型を開き部品を設置する工程である。シリコンチップがのったリードフレーム６及びヒートシンク５等の部品を設置した。

第三の工程は、未硬化樹脂３を設置しインサート部品２を金属ピン４で挟みこむ工程である。インサート部品２の下側に第二の未硬化樹脂３を４個用いてインサート部品の４隅の位置にある金属ピン４上にロボットで設置した。さらにロボットを用いてインサート部品２を第二の未硬化樹脂３の上に置き、インサート部品２の上に第一の未硬化樹脂３を４個置いて金型を閉じた。金属ピン４で第二の未硬化樹脂３を介して押し付けることによってインサート部品２を支持し金型を閉じた。

第四の工程は、成形樹脂１を溶融させながら金型キャビティ９に注入し、充填し、硬化させる工程である。第一の未硬化樹脂３及び第二の未硬化樹脂３を作製したのと同じ成形樹脂材料からなるタブレットをポット７に投入し、プランジャ８を押し上げて成形樹脂１を溶融させながら金型キャビティ９に流入させ、充填し、硬化させた。成形条件は、金型温度が１８０℃、充填時間が１０秒、硬化時間が１２０秒、及び、圧力が１０ＭＰａである。金型を開くところから繰り返すことにより成形品を得た。なお、ここでの成形条件は、具体的な一例であり、特にこの条件に限られないことは言うまでもない。

第五の工程は、アフターキュアの工程である。金型から取り出された成形品は、別に設けられたオーブンに投入し、１８０℃で４時間アフターキュアした。なお、ここでのアフターキュアの条件は、具体的な一例であり、特にこの条件に限られないことは言うまでもない。

上記製造方法を用いて成形した半導体装置の断面図を図３に示す。この発明の実施の形態１に係る半導体装置には、表面に浅い金属ピン跡１１がみられる以外、未硬化樹脂３が存在した位置１２に穴や隙間が存在しない。結果、未硬化樹脂が完全に成形樹脂と一体化し、良好な樹脂モールドが施された半導体装置を得ることが出来た。

次に、上記製造方法を用いて成形した半導体装置を１２８℃、２．５気圧のプレッシャークッカー試験により耐湿信頼性を評価した。５００時間後において、プリント基板の特性を評価し、何ら異常がないことを確認した。さらに、プレッシャークッカー試験５００時間直後の半導体装置を２００℃の高温槽に１時間投入したが、クラック等の異常は認められなかった。

図６及び図７は比較のために、従来実施していたように、未硬化樹脂でなく直接金属ピンでインサート部品を支持する方法及び熱可塑性樹脂の成形品や硬化したエポキシ樹脂でインサート部品を支えた方法で作製した半導体装置の断面図を示す図である。従来の方法では、図６に示すように、インサート部品まで達するピンの穴１３があくか、図７に示すように、界面１４ができ水分等が侵入しやすくなるという問題が発生する可能性がある。

以上説明したように、この発明の実施の形態１に係るフルモールドタイプの半導体装置の製造装置は、未硬化樹脂をインサート部品の支持に用いることにより、インサート部品と成形樹脂の界面が表面に露出しなくなり、耐湿性等の信頼性に優れる半導体装置を得ることができる。また、基板の一部の露出やピン穴がなくなり意匠性が向上するという効果を有する。

実施の形態２．
上記実施の形態１では、未硬化樹脂が円柱を含む柱状形状とのみ記載したが、その上面と底面に勘合部を設けることで金属ピンにより安定した状態で設置することが出来る。図４は、この発明の実施の形態２に係る円柱状の未硬化樹脂の形状を示した概略図である。

図において、円柱状の未硬化樹脂３の上面の勘合部の圧縮成形形状を図４（ｂ）凹部２１に示すように成形し、金属ピン４にはそれに対応して勘合する凸部を設けることで未硬化樹脂３を金属ピン４の所定の位置に確実かつ安定して設置できる。また、円柱状の未硬化樹脂３の上面の勘合部の圧縮成形形状を図４（ｃ）凸部２２に示すように成形し、金属ピン４にはそれに対応して勘合する凹部を設けることで未硬化樹脂３を金属ピン４の所定の位置に確実かつ安定して設置できる。その他の事項については、上記実施の形態１に説明した内容と同様であるため、ここでは説明を省略する。

実施の形態３．
上記実施の形態では、未硬化樹脂の圧縮成形部品を設置する構造については、通常用いられるように１個ずつ設置することを前提として記載したが、未硬化樹脂の圧縮成形部品を連続的に供給するように構成しても構わない。図５は、この発明の実施の形態３に係る円柱状の未硬化樹脂の圧縮成形部品を連続的に供給する機構について示した断面図である。これ以外の構成については、上記実施の形態に記載した事項と同様であるため、ここでは説明を省略する

図は、４隅に設けられた未硬化樹脂の圧縮成形部品を送り出す機構の内の一箇所を示す。図５（ａ）は、インサート部品が配置され未硬化樹脂により支持される前の段階であり、図５（ｂ）は、未硬化樹脂により支持された後の段階を示した図である。図において、圧縮成形された複数の未硬化樹脂３１は、送り装置３５によって金属ピン３３の方向に押し付けられる。金属ピン３３を上下にスライドさせることにより、複数の未硬化樹脂３１の内、最初の一つを金属ピン３３上に配置したままインサート部品３２に対する所定の位置まで移動させ、さらに、インサート部品３２を押し付けて支持する。

図において、一箇所の構成のみ示しているが、実際には、４隅の上下から複数の未硬化樹脂３１から送り出される最初の未硬化樹脂３６によってインサート部品３２が挟み込まれることになる。さらに、成形後、次の成形のために金属ピン３３を複数の未硬化樹脂３１が配置されている位置より下げれば、最初の未硬化樹脂３６が金属ピン３３の先に移動し、インサート部品２を支持する準備ができる。この動作を繰り返すことにより連続的に未硬化樹脂の成形品を送り出すことが可能になる。なお、断熱板３４を設けることにより、金型の熱が遮断され、成形中に未硬化樹脂が硬化することはない。また、ここでは、円柱状の未硬化樹脂について記載したが、四角柱等、特に円柱に限られないことは言うまでもない。

以上説明したように、この発明の実施の形態３に係る円柱状の未硬化樹脂の圧縮成形部品を連続的に供給する機構を設けることにより、より効率的にスムーズに製造することが可能となり、製造時間及びコストを下げることが出来る。

１ 成形樹脂、２ インサート部品、３ 未硬化樹脂、４ 金属ピン、５ ヒートシンク、 ６ リードフレーム、７ ポット、８ プランジャ、９ 金型キャビティ、１１ 金属ピン跡、１２ 未硬化樹脂があった位置、１３ ピン穴、１４ 界面、２１ 凹部、２２ 凸部、３１ 複数の未硬化樹脂、３２ インサート部品、３３ 金属ピン、３４ 断熱板、３５ 送り装置、３６ 最初の未硬化樹脂

Claims (6)

1. 金型に熱硬化性樹脂を溶融して注入し、前記金型内に設けたインサート部品を封止する半導体装置の製造方法であって、前記熱硬化性樹脂を常温のまま圧力をかけて未硬化のまま固めた柱状成形部材を支持ピンに押し付けられるように用いて前記インサート部品を支持して加熱封止する半導体装置の製造方法。
2. 前記熱硬化性樹脂がエポキシ樹脂である請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
3. 前記柱状成形部材が円柱状である請求項１または請求項２のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
4. 前記柱状成形部材の上面または下面に凹部または凸部を設けた請求項３に記載の半導体装置の製造方法。
5. 金型に熱硬化性樹脂を溶融して注入し、前記金型内に設けたインサート部品を封止する半導体装置の製造方法であって、前記熱硬化性樹脂を未硬化のまま固めた部材を用いて前記インサート部品を支持して封止し、前記部材が円柱状であり、前記部材を複数個並べ、連続的に供給可能とする半導体装置の製造方法。
6. インサート部品が熱硬化性樹脂で封止されている半導体装置であって、前記インサート部品を支持するために上下に設けられた支持ピンに挟まれた領域が、他の領域と同程度に均一な前記熱硬化性樹脂により構成されて前記他の領域と表面部分が混合して一体化している半導体装置。

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