JP6753086B2

JP6753086B2 - 除去方法および製造方法

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Publication number: JP6753086B2
Application number: JP2016049857A
Authority: JP
Inventors: 貴弘安田
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2016-03-14
Filing date: 2016-03-14
Publication date: 2020-09-09
Anticipated expiration: 2036-03-14
Also published as: CN107195552A; JP2017168508A; CN107195552B

Description

本発明は、バリの除去方法および半導体装置の製造方法に関する。

半導体チップを樹脂等で封止した半導体装置の製造工程において、封止材の外側に露出するリードフレームに微量の封止材が付着する場合がある。従来、リードフレームに付着した封止材を、レーザー等を用いて除去する方法が知られている（例えば特許文献１および２参照）。
特許文献１特開２０１１−９１１９４号公報
特許文献２特開２００７−２５８４９０号公報

レーザーを長時間用いてリードフレームに付着した封止材を除去すると、リードフレームの表面を焦がす等、半導体装置にもダメージが及ぶ場合がある。

本発明の第１の態様においては、半導体チップを封止する封止部から突出して設けられたリードフレームにおけるバリを除去する除去方法を提供する。除去方法は、リードフレームを加熱し、且つ、リードフレームに流体を噴射してバリを除去する第１除去段階を備えてよい。

除去方法は、第１除去段階の後に、第１除去段階で流体を噴射した範囲よりも狭い範囲におけるバリを除去する第２除去段階を更に備えてよい。第２除去段階において、リードフレームにレーザーを局所的に照射してバリを除去してよい。

第１除去段階においては、加熱した流体をリードフレームに噴射することで、リードフレームを加熱しつつ、バリを除去してよい。流体は、液体、蒸気および不活性ガスの少なくとも一つを含んでよい。

第１除去段階において、流体の温度が９０度以上、且つ、封止部のアフターキュア温度以下となるように、流体を加熱してよい。第１除去段階において、流体の温度が１２０度以上、且つ、１３０度以下となるように、流体を加熱してよい。第１除去段階において、リードフレームを加熱して、流体を加熱したリードフレームに噴射してバリを除去してよい。

第１除去段階において、封止部と、流体が噴射される位置との間に設けられ、封止部を流体から保護する保護部を用いて、流体をリードフレームに噴射してよい。保護部は、リードフレームの少なくとも一部を流体から保護し、第２除去段階において、保護部により流体から保護された領域のリードフレームのバリを除去してよい。保護部は、リードフレームの１倍以上、且つ、２倍以下の厚みの板状部材を有してよい。

本発明の第２の態様においては、半導体装置の製造方法を提供する。製造方法は、半導体チップを含む電子回路を形成する回路形成段階を備えてよい。製造方法は、電子回路および電子回路に接続するリードフレームの一部を封止し、且つ、リードフレームを露出させる封止部を形成する封止部形成段階を備えてよい。製造方法は、リードフレームを加熱し、且つ、リードフレームに流体を噴射してバリを除去する第１除去段階を備えてよい。

なお、上記の発明の概要は、本発明の特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。

半導体装置１００の概要を説明する図である。バリ３０を除去する第１除去段階の一例を説明する図である。エポキシ系樹脂における、温度と密着強度との関係を示す図である。図２に示した第１除去段階の後の、第２除去段階を説明する図である。半導体装置１００の製造工程の一部を説明する図である。第１除去段階の他の例を説明する断面図である。半導体装置１００の製造工程の一例を示す図である。図３に示した樹脂の密着強度を測定する測定装置３００の一例を示す。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は、半導体装置１００の概要を説明する図である。図１においては、半導体装置１００の端部近傍の上面図および断面図を示している。上面図に示すように、半導体装置１００は、封止部１０およびリードフレーム２０を備える。断面図に示すように、封止部１０の内部には、１以上の半導体チップ５０およびワイヤ４０が収容される。

半導体チップ５０は、例えばＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）またはパワーＭＯＳＦＥＴ等の半導体素子を含む。ただし半導体チップ５０に形成される半導体素子は、パワー半導体素子に限定されない。

半導体チップ５０は、基板２２に載置される。基板２２は、導電板であってよく、絶縁基板に導電パターンが形成された基板であってもよい。基板表面および裏面の間で電流が流れる縦型の半導体素子が半導体チップ５０に形成されている場合、半導体チップ５０の対向する２つの主面にそれぞれ電極が形成される。基板２２と対向する電極は、半田等により基板２２と電気的に接続される。

ワイヤ４０は、金、銅、およびアルミニウムを含む金属等の導電材料で形成され、リードフレーム２０と、半導体チップ５０の少なくとも一つの電極とを電気的に接続する。リードフレーム２０は、例えば銅、およびアルミニウムを含む金属等の導電材料で形成される。リードフレーム２０は、基板２２と同じ材質の導電板であってもよい。また、リードフレーム２０は基板２２とは分離して設けられるものと、リードフレーム２０と基板２２が一体となっているものを両方、もしくはどちらか一方を備えてもよい。

なお、封止部１０の内部の構造は、上記の例に限定されない。半導体チップ５０には横型の半導体素子が形成されていてよい。また、半導体チップ５０は絶縁基板上に載置され、それぞれのリードフレーム２０と、半導体チップ５０がワイヤ４０で接続されていてもよい。また、ワイヤ４０に代えて、バスバー等で半導体チップ５０とリードフレーム２０とを電気的に接続してよく、導電ポストおよび配線基板を用いて半導体チップ５０およびリードフレーム２０を電気的に接続してもよい。

封止部１０は、半導体チップ５０およびワイヤ４０の全体を覆って、半導体チップ５０およびワイヤ４０を保護する。本例の封止部１０は、絶縁性の熱硬化性樹脂で形成される。半導体チップ５０等が発生した熱を放熱すべく、封止部１０はエポキシ系樹脂等の熱伝導性のよい樹脂で形成されることが好ましい。

リードフレーム２０は、一部分が封止部１０の外側まで突出して設けられる。なお、図１に示した基板２２の端辺とは逆側の端辺にも、リードフレーム２０が設けられている。当該逆側のリードフレーム２０および基板２２は一体に形成されても分離されていてもよい。当該逆側のリードフレーム２０は、図１に示すリードフレーム２０とは逆側から、封止部１０の外側に延伸する。

半導体装置１００の製造工程において、封止部１０の外側に露出したリードフレーム２０の表面には、封止部１０の材料が付着したバリ３０が形成される場合がある。例えば、リードフレーム２０の表面のうち、封止部１０と隣接する領域にバリ３０が形成されやすい。バリ３０が残ったままだと、半導体装置１００の絶縁性等に影響がでるので、バリ３０は除去することが好ましい。

図２は、バリ３０を除去する第１除去段階の一例を説明する図である。図２は、リードフレーム２０の近傍を拡大した斜視図である。第１除去段階では、リードフレーム２０を加熱し、且つ、リードフレーム２０に流体を噴射してバリ３０を除去する。

第１除去段階では、バリ３０を除去するためにリードフレーム２０に噴射する流体を加熱してよい。加熱した流体がリードフレーム２０に噴射されることで、リードフレーム２０が加熱される。他の例では、リードフレーム２０に対して、バリ取り用の流体以外からエネルギーを供給してリードフレーム２０を加熱してもよい。例えば、リードフレーム２０を高温雰囲気に載置してよく、リードフレーム２０に高温の物体を接触させてよく、リードフレーム２０に電流等の熱以外のエネルギーを供給して、リードフレーム２０を発熱させてもよい。

また、リードフレーム２０に噴射する流体は、霧状、滴状または流水状の液体、蒸気、若しくは、不活性ガスを含んだ気体である。流体は、上述した液体、蒸気または気体を少なくとも一つ含んでよい。液体は、水であってよく、水以外であってもよい。水以外の液体を用いる場合、バリ３０を除去した後に、水を用いた洗浄を行ってもよい。

リードフレーム２０を加熱することで、リードフレーム２０に付着した樹脂等の密着強度を低下させることができる。この状態で、リードフレーム２０に流体を噴射するので、バリ３０を容易に除去することができる。

図３は、エポキシ系樹脂における、温度と密着強度との関係を示す図である。図３においては、２種類のエポキシ系樹脂の特性を示している。いずれの樹脂も、温度の上昇とともに密着強度が低下していることがわかる。

特に、温度が１００度程度になるまで、エポキシ系樹脂の密着強度が急激に低下することがわかる。リードフレーム２０に加熱した流体を噴射する場合、流体を９０度以上に加熱した状態で噴射することが好ましい。ただし、流体の温度は、封止部１０を形成する樹脂のアフターキュア温度以下に制御する。本例の樹脂のアフターキュア温度は、１８０度程度である。

また、温度が１２０度程度になると、エポキシ系樹脂の密着強度がほとんど無くなることがわかる。流体の温度は、１２０度以上であってもよい。一方で、温度が１３０度以上になると、温度を上げても樹脂の密着強度はほとんど変化しない。このため、流体の温度は、１３０度以下であってよい。また、流体の温度は、樹脂のガラス転移温度の±１０度の範囲であってもよい。図３に示した樹脂のガラス転移温度は、１２０±１０度である。

なお、流体を加熱せずに、リードフレーム２０を高温雰囲気に載置する場合、リードフレーム２０の周囲温度を上述した流体の温度と同等の温度に制御する。また、リードフレーム２０を直接加熱する場合、リードフレーム２０の温度を上述した流体の温度と同等の温度に制御する。

図４は、図２に示した第１除去段階の後の、第２除去段階を説明する図である。第１除去段階では、流体をリードフレーム２０に噴射するので、噴射領域を精度よく制御することが比較的に困難である。このため、封止部１０の近傍まで流体を噴射しようとすると、封止部１０にまで流体が噴射されてしまい、封止部１０が削れてしまう場合がある。

このため、第１除去段階では、封止部１０の近傍には流体を噴射しないことが好ましい。例えば封止部１０、および、封止部１０の近傍のリードフレーム２０を流体からマスクした状態で、リードフレーム２０に流体を噴射する。この結果、マスクされたリードフレーム２０の領域にはバリ３０が残ってしまう。

第２除去段階では、封止部１０の近傍におけるリードフレーム２０のバリ３０を除去する。第２除去段階では、第１除去段階で流体を噴射したリードフレーム２０の範囲よりも狭い範囲におけるバリ３０を除去する。例えば第１除去段階では、リードフレーム２０の先端（すなわち、封止部１０とは逆側の端部）から所定の長さの範囲Ｒ１に、流体を噴射する。このとき、残りの範囲Ｒ２にはバリ３０が残存する。

リードフレーム２０の延伸方向に沿った範囲Ｒ２の長さは、範囲Ｒ１の長さの１／３以下であってよく、１／５以下であってもよい。範囲Ｒ２は、第１除去段階における流体が封止部１０にかからない程度の長さがあればよい。

第２除去段階では、第１除去段階よりも精度よく除去範囲を制御できる方法で、バリ３０を除去する。本例の第２除去段階では、リードフレーム２０にレーザーを局所的に照射してバリ３０を除去する。レーザーの径は、リードフレーム２０の長さより小さくてよく、リードフレーム２０の幅より小さくてもよい。リードフレーム２０の幅とは、板状のリードフレームの主面において、リードフレーム２０の延伸方向とは垂直な方向における幅を指す。一例として、リードフレーム２０の長さは１ｍｍ以上であり、幅は０．２ｍｍ以上、０．４ｍｍ以下程度である。また、封止部１０の厚みは５ｍｍ程度である。

第２除去段階では、リードフレーム２０の範囲Ｒ２内をレーザーで走査してもよい。また、第２除去段階では、第１除去段階で流体を噴射した領域Ｒ１において、範囲Ｒ２と隣接する一部の領域にもレーザーを照射してよい。

本例における除去方法では、大部分のバリ３０を第１除去段階で除去する。このため、効率よくバリ３０を除去することができる。また、封止部１０の近傍におけるバリ３０をレーザー等で除去する。このため、レーザー等によるリードフレーム２０へのダメージを低減しつつ、精度よくバリ３０を除去することができる。

なお、第２除去段階では、レーザー以外の方法でバリ３０を除去してもよい。例えば、微細なブラシ等で範囲Ｒ２のバリ３０を除去できる。

図５は、半導体装置１００の製造工程の一部を説明する図である。半導体装置１００を製造する工程においては、複数の半導体装置１００のリードフレーム２０が、共通のダムバー６０と一体に形成されている。それぞれの半導体装置１００は、アフターキュア前の封止部１０を有する。

複数の半導体装置１００が共通のダムバー６０に接続された状態で、バリ３０の除去装置７０に搬入される。バリ３０が除去された後に、封止部１０を加熱してアフターキュアする。アフターキュア後に、切断線Ａに沿ってリードフレーム２０を切断して、それぞれの半導体装置１００を分離する。

図６は、第１除去段階の他の例を説明する断面図である。本例の第１除去段階においては、封止部１０と、流体が噴射される位置との間に設けられ、封止部１０を流体から保護する保護部７２を用いる。本例の保護部７２は、一端がリードフレーム２０の表面に接触する板状部材を有する。

保護部７２をリードフレーム２０の表面に接触させた状態で、ノズル３２からリードフレーム２０に向けて流体を噴射する。また、保護部７２は、リードフレーム２０の表面からわずかに離れていてもよい。ノズル３２とリードフレーム２０との距離は、保護部７２の高さより小さくてよい。また、リードフレーム２０の裏面からも流体を噴射する場合、リードフレーム２０の裏面側にも保護部７２を配置する。

保護部７２は、封止部１０よりも高い位置まで形成されてよい。保護部７２および封止部１０の高さは、リードフレーム２０の表面に垂直な方向における高さを指す。保護部７２の高さは、封止部１０の高さの２倍以上であってよい。

第２除去段階においては、保護部７２により流体から保護された領域のバリ３０を除去する。第２除去段階においては、保護部７２を用いない。

保護部７２の厚みＷ１は、流体が封止部１０に到達しない程度に厚いことが好ましい。例えば保護部７２の厚みＷ１は、リードフレーム２０の厚みＷ２の１倍以上であってよい。

また、保護部７２の厚みＷ１を大きくしすぎると、第２除去段階においてレーザー等でバリ３０を除去する範囲が大きくなってしまう。このため、保護部７２の厚みＷ１は、リードフレーム２０の厚みＷ２の２倍以下程度が好ましい。

一例として、リードフレーム２０の厚みＷ２は０．１ｍｍ以上、０．２ｍｍ以下程度である。これに対して、保護部７２の厚みＷ１は、０．１５ｍｍ以上、０．３ｍｍ以下であってよい。

図７は、半導体装置１００の製造工程の一例を示す図である。本例の製造工程では、封止部形成段階Ｓ４０４と、アフターキュア段階Ｓ４０８の間に、第１除去段階Ｓ４０６を備える。より具体的には、封止部形成段階Ｓ４０４と、第２除去段階Ｓ４０８の間に、第１除去段階Ｓ４０６を有する。

まず、回路形成段階Ｓ４００において、半導体チップ５０を含む電子回路を形成する。回路形成段階Ｓ４００では、半導体チップ５０を基板２２上にボンディングし（Ｓ４０１）、半導体チップ５０とリードフレーム２０とを接続するワイヤ４０をボンディングする（Ｓ４０２）。

次に、封止部形成段階Ｓ４０４において、半導体チップ５０を含む電子回路と、半導体チップ５０に接続するリードフレーム２０の一部とを封止する、樹脂等の封止部１０を形成する。Ｓ４０４においては、封止部１０をアフターキュア温度より低い温度で硬化させてもよい。

また、封止部形成段階Ｓ４０４では、樹脂を硬化させた後に、リードフレーム２０の間に形成された樹脂を打ち抜いて除去してよい。このとき、リードフレーム２０の表面に残った樹脂がバリ３０となる。

次に、第１除去段階Ｓ４０６において、リードフレーム２０を加熱して流体を噴射する熱バリ取り工程を行う。加熱した水、または水蒸気をリードフレーム２０に噴射する場合、水、または水蒸気の吐出圧力は２ＭＰａ〜１０ＭＰａの範囲とすることが好ましく、２．５ＭＰａ〜７．５ＭＰａの範囲としてもよい。ノズル径０．５〜１．５ｍｍの噴射口からリードフレーム２０までの距離は５ｃｍ以下の距離になるように調整し、１つの半導体装置１００当たりに対する噴射時間は０．５秒〜２．０秒程度とする。

また、加熱した窒素ガスをリードフレーム２０に噴射する場合、窒素ガスの吐出圧力は２ＭＰａ〜１０ＭＰａの範囲とすることが好ましく、２．５ＭＰａ〜７．５ＭＰａの範囲としてもよい。ノズル径０．５〜１．５ｍｍの噴射口からリードフレーム２０までの距離は５ｃｍ以下の距離になるように調整し、１つの半導体装置１００当たりに対する噴射時間は０．５秒〜２．０秒程度とする。

次に、第２除去段階Ｓ４０８において、リードフレーム２０の封止部１０近傍の領域にレーザー等を照射して、バリ３０を除去する。第１除去段階Ｓ４０６および第２除去段階Ｓ４０８の処理は、図１から図６において説明した処理と同一である。

次に、アフターキュア段階Ｓ４１０において、封止部１０をアフターキュアする。次に、切断段階Ｓ４１２において、ダムバー６０とリードフレーム２０とを切断して、それぞれの半導体装置１００をダムバー６０から分離する。

次に、個片化段階Ｓ４１４において、個々の半導体装置１００を完成させる。例えばＳ４１４においては、リードフレーム２０の表面をメッキする工程、封止部１０の形状を整形する工程等が含まれてよい。本例における製造方法によれば、バリ３０が精度よく除去され、且つ、バリ取りによるダメージが少ない半導体装置１００を、効率よく製造することができる。

半導体装置１００は、リードフレーム２０または封止部１０におけるダメージが少ないので、長期的な信頼性も確保できる。このため、例えばハイブリッド自動車、電気自動車の電力変換装置、または、電力変換制御装置に用いることができる。

図８は、図３に示した樹脂の密着強度を測定する測定装置３００の一例を示す。測定装置３００は、樹脂載置部３０６、下側治具３０２、上側治具３０４および加熱部３１０を備える。

測定装置３００は、下側治具３０２の表面に固定された樹脂載置部３０６の表面に、測定対象の樹脂３０８を付着させる。樹脂載置部３０６は、リードフレーム２０と同一の金属材料で形成されている。

加熱部３１０は、下側治具３０２の裏面に設けられ、下側治具３０２および樹脂載置部３０６を介して測定対象の樹脂３０８を加熱する。また、測定装置３００は、樹脂３０８の温度を測定する温度検出部を更に備えることが好ましい。

上側治具３０４は、樹脂載置部３０６の上方から、樹脂載置部３０６の表面に沿って下方に移動可能に設けられる。上側治具３０４が下方に移動するのに伴い、樹脂３０８には下向きの力が印加される。上側治具３０４が樹脂３０８に印加する力を徐々に増加させて、樹脂３０８が樹脂載置部３０６から剥がれたときの力を検出する。このような測定を、樹脂３０８の温度毎に行うことで、図３に示した特性を測定した。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。

１０・・・封止部、２０・・・リードフレーム、２２・・・基板、３０・・・バリ、３２・・・ノズル、４０・・・ワイヤ、５０・・・半導体チップ、６０・・・ダムバー、７０・・・除去装置、７２・・・保護部、１００・・・半導体装置、３００・・・測定装置、３０２・・・下側治具、３０４・・・上側治具、３０６・・・樹脂載置部、３０８・・・樹脂、３１０・・・加熱部

Claims

半導体チップを封止する封止部から突出して設けられたリードフレームにおけるバリを除去する除去方法であって、
前記リードフレームを加熱し、且つ、前記リードフレームの第１範囲に流体を噴射して前記バリを除去する第１除去段階と、
前記第１除去段階の後に、前記リードフレームの第２範囲における前記バリを除去する第２除去段階と
を備え、
前記第１除去段階は、
前記リードフレームを加熱して、前記流体を加熱した前記リードフレームに噴射して前記バリを除去し、
前記第２範囲は、前記封止部と前記第１範囲の間に位置する除去方法。
半導体チップを封止する封止部から突出して設けられたリードフレームにおけるバリを除去する除去方法であって、
前記リードフレームを加熱し、且つ、前記リードフレームの第１範囲に流体を噴射して前記バリを除去する第１除去段階と、
前記第１除去段階の後に、前記リードフレームの第２範囲における前記バリを除去する第２除去段階と
を備え、
前記第２範囲は、前記封止部と前記第１範囲の間に位置する除去方法。
前記第２除去段階において、前記リードフレームにレーザーを局所的に照射して前記バリを除去する
請求項１または２に記載の除去方法。
前記第１除去段階は、
加熱した前記流体を前記リードフレームに噴射することで、前記リードフレームを加熱しつつ、前記バリを除去する
請求項１から３のいずれか一項に記載の除去方法。
前記流体は、液体、蒸気および不活性ガスの少なくとも一つを含む
請求項４に記載の除去方法。
前記第１除去段階において、前記流体の温度が９０度以上、且つ、前記封止部のアフターキュア温度以下となるように、前記流体を加熱する
請求項４または５に記載の除去方法。
前記第１除去段階において、前記流体の温度が１２０度以上、且つ、１３０度以下となるように、前記流体を加熱する
請求項４または５に記載の除去方法。
前記第１除去段階において、前記封止部と、前記流体が噴射される位置との間に設けられ、前記封止部を前記流体から保護する保護部を用いて、前記流体を前記リードフレームに噴射する
請求項１から７のいずれか一項に記載の除去方法。
前記保護部は、前記リードフレームの少なくとも一部を前記流体から保護し、
前記第２除去段階において、前記保護部により前記流体から保護された領域の前記リードフレームのバリを除去する
請求項８に記載の除去方法。
前記保護部は、前記リードフレームの１倍以上、且つ、２倍以下の厚みの板状部材を有する
請求項８または９に記載の除去方法。
半導体装置の製造方法であって、
半導体チップを含む電子回路を形成する回路形成段階と、
前記電子回路および前記電子回路に接続するリードフレームの一部を封止し、且つ、リードフレームを露出させる封止部を形成する封止部形成段階と、
前記リードフレームを加熱し、且つ、前記リードフレームの第１範囲に流体を噴射してバリを除去する第１除去段階と、
前記第１除去段階の後に、前記リードフレームの第２範囲における前記バリを除去する第２除去段階と
を備え、
前記第２範囲は、前記封止部と前記第１範囲の間に位置する製造方法。