JPH10178030A - 樹脂封止型半導体装置の製造方法 - Google Patents

樹脂封止型半導体装置の製造方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】混成集積回路基板とパワートランジスタを同時
にモールド成形し、小型かつ高い信頼性を両立するため
に、リードフレーム上下の樹脂肉厚が均等でない構造に
おいても良好な成形を行うことができるようにする。 【解決手段】リードフレームＦL 上に混成集積回路基板
７とパワートランジスタ６とを載置するとともに、ワイ
ヤ９，１５にて電気的に接続する。リードフレームＦL
を上金型１と下金型２との間に挟み込むとともに、キャ
ビティ３におけるエアベント付近からインナーリード１
３ａ〜１３ｄを突出させる。ゲート４から樹脂を注入し
てリードフレームＦL の上側と下側に樹脂を通過させ、
インナーリード１３ａ〜１３ｄの上面を通過させた後に
おいて、リードフレームＦL の上側を通過した樹脂とリ
ードフレームＦL の下側を通過した樹脂でキャビティ３
内を充填する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、混成集積回路基
板を樹脂モールドすることにより封止する樹脂封止型半
導体装置に係り、特にモールド樹脂ボイドの発生を防止
するための製造方法造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】混成集積回路基板は、シリコン半導体素
子のみでは対応できない耐高電圧性、耐ノイズ性などに
優れ、この特徴を生かし、自動車用半導体装置などとし
て使われる。特に種々のパワー装置（アクチュエータ）
の駆動装置として用いられる場合が多く、駆動のための
パワートランジスタと組み合わせて使われ、しかもパワ
ー装置に搭載容易なように小型化が必須の条件となって
いる。従来、混成集積回路基板を用いた半導体装置で
は、樹脂製ケースに半導体装置を組み付け、ケース内に
液状樹脂を流し込んで硬化し封止する構造を用いること
が多い。しかし、この方法ではケースの寸法、および液
状樹脂を流し込むための余裕を必要とするため、十分な
小型化ができない。
【０００３】ケースを用いない半導体封止方法として
は、シリコン半導体素子の封止方法として一般的に使わ
れるモールド成形封止がある。これは、シリコン半導体
素子をリードフレームに組み付け、これを成形金型へ投
入し、モールド樹脂でトランスファ成形することで封止
するものであり、ケースを用いないため小型化が可能で
ある。このモールド封止を用い、混成集積回路基板とパ
ワートランジスタを同時に封止すれば、ケース廃止によ
る大幅な小型化が可能である。即ち、図１１に示すよう
に、リードフレーム３０の上側に混成集積回路基板３１
とパワートランジスタ３２を組み付け、これを成形金型
へ投入して樹脂３３を注入してモールド成形する。
【０００４】この方法での問題点は、成形が困難になる
点にある。つまり、シリコン半導体素子のみをモールド
成形する場合に比べ、混成集積回路基板３１はサイズが
大きく、しかもパワートランジスタ３２と同時に成形す
るため、これらを搭載するリードフレーム面積が大きく
なる。そのために成形金型へ投入した時に、混成集積回
路基板３１とパワートランジスタ３２が搭載されたリー
ドフレーム３０の上側での樹脂の流れと、何も搭載され
ていないリードフレーム下側での樹脂の流れが広い面積
にわたって制限されるため、リードフレーム上側と下側
の樹脂流れが、シリコン半導体素子のみを封止する場合
に比べ不均一になりやすい。
【０００５】ここで、樹脂の流れる速度は、概ね樹脂の
肉厚に依存するため、リードフレーム３０の上側と下側
の樹脂肉厚を均等にすれば、流れを均一にすることはで
きる。しかし、パワートランジスタ３２で発生した熱が
リードフレーム３０へ伝わり下側の樹脂を通して外部へ
放熱する際に、放熱性を向上させるべく、リードフレー
ム下側の樹脂肉厚はできる限り薄くする必要がある。
又、リードフレーム上側においては、混成集積回路基板
３１上に搭載されるチップ部品３４や、パワートランジ
スタ３２〜混成集積回路基板３１〜インナーフレーム３
５間を結線するためのワイヤ３６，３７の高さなどによ
り、ある一定以上の樹脂肉厚が必要である。
【０００６】さらに、図１２に示すように、パワートラ
ンジスタ３２や混成集積回路基板３１が搭載されていな
いリードフレーム３０の下側をモールドせず、上側だけ
を封止するという構造も考えられる。この構造では、リ
ードフレーム３０下側に樹脂３３が無いため、放熱性は
良好で、かつ、モールド樹脂３３はリードフレーム３０
の上側のみを流れるため成形性も良好である。しかし、
リードフレーム３０とモールド樹脂３３の熱膨張率差に
起因する熱応力が、リードフレーム３０とモールド樹脂
３３の界面に加わるため、冷熱ストレスでこの界面が剥
離を起こし、この剥離を通して外部の水分や汚染物が内
部へ侵入したり、剥離によって混成集積回路基板３１上
のチップ部品３４が破壊されるなど、信頼性に劣るとい
う欠点を持つ。
【０００７】本発明者の研究によれば、このような構造
は特に自動車用の半導体装置としては、信頼性が十分で
ないという結果を得た。又、リードフレーム３０上下の
樹脂肉厚を均一にするため、図１３に示すように、成形
金型へ投入する前に、混成集積回路基板３１の上を、肉
厚の厚いコーティング材３８で覆い、成形金型へ投入し
た際に、リードフレーム３０の上側のモールド樹脂３３
の肉厚が薄くなるようにして、概ね、リードフレーム３
０の下側の樹脂肉厚と同じになるような構造をとること
もできる。
【０００８】しかし、この構造は、ワイヤ３６，３７
が、コーティング材３８とモールド樹脂３３の界面を通
ることになるため、コーティング材３８とモールド材３
３の熱膨張率の差に起因する熱応力がワイヤ３６，３７
に加わり、冷熱ストレスでワイヤの切断が起きやすい。
本発明者の研究によれば、このような構造も、自動車用
の半導体装置としては十分な信頼性がないという結果を
得た。
【０００９】このように、混成集積回路基板とパワート
ランジスタをモールド封止することで小型化し、しかも
高い信頼性を得るためには、リードフレーム上下の樹脂
肉厚が均等でない形状の成形を行うことが必須となって
いる。
【００１０】リードフレーム上下の樹脂肉厚が均等でな
い場合に上下の樹脂流れが不均一となることは前述した
が空気の排出という観点から説明を加えると、成形の際
にリードフレーム３０を金型へ投入するときには、図１
１に示すように、上金型と下金型でリードフレーム３０
を挟む。金型には、成形後封止部分となるように空隙
（キャビティ）が彫り込まれている。樹脂は、キャビテ
ィの一端に設けられた注入口（ゲート）から入り、リー
ドフレーム３０の上側と下側に分かれてキャビティ内を
流れる。成形前にキャビティ内にあった空気は、キャビ
ティ端部の上金型とリード３５の間、または下金型とリ
ード３５の間に彫り込まれた溝（エアベント）を通して
外部へ逃げるようになっている。
【００１１】このようにリードフレーム３０上下の樹脂
肉厚が異なる場合、樹脂肉厚の厚い側（リードフレーム
上側）の樹脂流れが速く、上側の樹脂流れがキャビティ
端に達し、エアベントを塞いだ時には、下側の樹脂はま
だキャビティ端まで達しておらず、その結果、下側には
エアベントから逃げられない空気が残される。この空気
は成形時の樹脂注入圧力で小さくなるものの、最終的な
成形物ではボイドとなって残り、絶縁性、耐湿性の低下
を招く。
【００１２】これら課題を解決するため、例えば特開平
１−１５８７５６号公報では、ゲートを下側に設け、ゲ
ートから樹脂が流入した後、上側へ流れる通路上に、リ
ードフレームで突起物を設け、上側への樹脂流入を制限
する方法をとっている。又、特開平６−１０４３６４号
公報でも同様に、樹脂の流れを均一化するため、リード
フレームで突起を設けている。これらの方法は、突起を
設けるため、装置全体の大きさが大きくなり、小型化に
適さない。
【００１３】さらに、特開平１−２９１４３４号公報で
は、ゲートに近い上金型の中にスライド型を具備した金
型を用い、成形前半段階では、スライド型をキャビティ
の中に突出させることで上側の樹脂流れを制限し、成形
後半段階で、スライド型を抜いて最終的な成形物を得る
という方法が開示されているが、混成集積回路基板など
を搭載した場合は、スライド型がチップ部品３４（図１
１参照）やワイヤ３６，３７と干渉し、十分な効果を得
ることができない。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】この発明は、混成集積
回路基板とパワートランジスタ等の半導体チップを同時
にモールド成形し、小型かつ高い信頼性を両立するため
に、リードフレーム上下の樹脂肉厚が均等でない構造に
おいても良好な成形を行うことができる樹脂封止型半導
体装置の製造方法を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明に
よれば、リードフレームの部品搭載部の上に混成集積回
路基板と半導体チップとが実装され、リードフレームが
成形封止用の上金型と下金型との間に挟み込まれるとと
もに、金型にて形成されるキャビティにおけるエアベン
ト付近からインナーリードが突出される。そして、ゲー
トから樹脂が注入されてリードフレームの上側と下側に
樹脂が通過し、さらにインナーリードの上面または下面
を通過した後においてリードフレームの上側を通過した
樹脂とリードフレームの下側を通過した樹脂を合流させ
てキャビティ内を樹脂で充填する。
【００１６】この樹脂の封止工程においてボイドの発生
が抑制されるが、そのメカニズムに下記のものと推測さ
れる。 （Ａ）成形途中において樹脂は、キャビティ内でのイン
ナーリードの隙間を通って上または下金型側から他方の
金型側へ流れ込むが、ここでインナーリードの存在によ
り通路が狭くなるため流動抵抗が増加し樹脂流れが遅く
なり、前述の他方の金型側への流入が遅くなる。その結
果、キャビティにおけるエアベント付近にインナーリー
ドがない場合に比べ金型内に残留する空気の量が低減
し、ボイドの発生が防止される。 （Ｂ）ゲートを通して樹脂がキャビティに注入される
と、キャビティ内の空気がエアベントを通して排出され
つつ樹脂がリードフレームの上側と下側に別れて下流側
に流れていく。このとき、リードフレームの上側と下側
との樹脂の流速は異なる（例えば、半導体チップとして
パワーデバイスを用いた場合には放熱性を考慮して下側
の樹脂厚みを薄くするのでリードフレームの上側の方が
下側よりも速い）。そして、リードフレームの上側ある
いは下側のいずれかの樹脂が、他方を通過した樹脂より
も早くキャビティにおけるエアベント付近に突出したイ
ンナーリードに達する。この樹脂はインナーリードの上
面または下面に当たりインナーリードを通過していく。
この時、樹脂経路における下流側のインナーリードの裏
面には空洞が形成され、この空洞を通して残留空気の排
出経路が確保され、同経路を通して残留空気がエアベン
トから排出される。よって、金型の中に空気の排出経路
を確保してボイドの発生が防止される。
【００１７】この（Ａ），（Ｂ）のようにして、リード
フレーム上下の樹脂肉厚が均等でない構造においても良
好な成形を行うことができ、混成集積回路基板とパワー
トランジスタ等の半導体チップを同時にモールド成形
し、小型化を図るとともに高い信頼性を確保できること
となる。
【００１８】又、請求項２に記載のように、混成集積回
路基板の上での封止樹脂の肉厚を「ｔ１」、リードフレ
ームの下面での封止樹脂の肉厚を「ｔ２」、キャビティ
内での樹脂通路におけるゲートからリードフレームの部
品搭載部の下流側端部までの距離を「Ｌ１」、キャビテ
ィ内での樹脂通路におけるリードフレームの部品搭載部
の下流側端部からエアベントの形成部までの距離を「Ｌ
２」、η＝βτB にて封止樹脂の粘度ηを表したときに
おける粘度のせん断速度τの依存性係数を「Ｂ」とした
とき（ただし、βは定数）、 （ｔ１／ｔ２）(3+4B)≦（Ｌ１＋２・Ｌ２）／Ｌ１ を満足させると、ボイドの発生しにくい領域にて、リー
ドフレームの上側を通過した樹脂とリードフレームの下
側を通過した樹脂とを合流させることができる。
【００１９】又、請求項３に記載のように、封止樹脂に
配合される無機充填材として溶融シリカを用い、かつ、
含有率を体積含有率で７０％以上とし、混成集積回路基
板の上での封止樹脂の肉厚を「ｔ１」、リードフレーム
の下面での封止樹脂の肉厚を「ｔ２」、キャビティ内で
の樹脂通路におけるゲートからリードフレームの部品搭
載部の下流側端部までの距離を「Ｌ１」、キャビティ内
での樹脂通路におけるリードフレームの部品搭載部の下
流側端部からエアベントの形成部までの距離を「Ｌ２」
としたとき、 （ｔ１／ｔ２）0.4 ≦（Ｌ１＋２・Ｌ２）／Ｌ１ を満足させると、フィラーの種類と含有率を特定するこ
とにより実用上好ましいものとなる。
【００２０】
【発明の実施の形態】以下、この発明を具体化した実施
の形態を図面に従って説明する。図１には、樹脂封止型
半導体装置の製造工程において上金型と下金型とを用い
て樹脂封止を行う際の平面図を示す。ただし、図１にお
いては説明の便宜上、上金型を取り外した状態で示す。
又、図２には図１のＡ−Ａ断面を示し、図３には図１の
Ｂ−Ｂ断面を示し、図４には図１のＣ−Ｃ断面を示す。
ただし、図２〜図４においては上金型は装着された状態
で示す。
【００２１】成形封止用の金型は上金型１と下金型２に
て構成され、上金型１と下金型２との間にはキャビティ
３が形成されている。詳しくは、図２の上金型１の凹部
１ａと下金型２の凹部２ａとが対向配置され、凹部１ａ
と凹部２ａとによりキャビティ３が形成されている。
又、図１において左側にゲート４が延設され、キャビテ
ィ３への入口部は狭くなっている。
【００２２】リードフレームＦL において四角形状の部
品搭載部５の上には半導体チップとしてのパワートラン
ジスタ６と混成集積回路基板７とが搭載され、混成集積
回路基板７にはチップ部品８等の各部品が搭載されてい
る。パワートランジスタ６と混成集積回路基板７とはワ
イヤ９にて電気的に接続されている。
【００２３】図１に示す四角形状の部品搭載部５からは
支持リード１０が延び、さらに、支持リード１０に対し
タイリード１１によりアウターリード１２ａ，１２ｂ，
１２ｃ，１２ｄが連結されている。各アウターリード１
２ａ〜１２ｄは図１中、部品搭載部５の右側において並
設され、同アウターリード１２ａ〜１２ｄは上金型１と
下金型２により隙間無く挟まれている。アウターリード
１２ａ〜１２ｄの先端にはキャビティ３内に位置するイ
ンナーリード１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄが形成さ
れいる。インナーリード１３ａ〜１３ｄの先端には幅広
部１４が形成されている。尚、タイリード１１は、樹脂
成形中にアウターリード１２ａ〜１２ｄの間隔を一定に
保つ働きをするとともに、樹脂成形後、このタイリード
１１は切り落とされ、アウターリード１２ａ〜１２ｄは
１本ずつ独立し互いに電気的に絶縁される。
【００２４】インナーリード１３ａ〜１３ｄと混成集積
回路基板７とはワイヤ１５にて電気的に接続されてい
る。図３に示すように、並設された各リード１０，１２
ａ〜１２ｄにおける、その間にはエアベント（空気排出
通路）１６が形成されている。つまり、上金型１と下金
型２との間に隙間１６が形成され、この隙間１６がリー
ド１０，１２ａ〜１２ｄ間に延びている。より詳しくは
リード間において下金型２に突起物（ダムブロック）２
ｂが設けられているが、金型を閉じた状態においても、
このダムブロック２ｂと上金型１の間には隙間１６が形
成されるようになっている。
【００２５】又、図４に示すように、並設された各リー
ド１０，１２ａ〜１２ｄをつなぐタイリード１１の上に
もエアベント（空気排出通路）１７が形成されている。
つまり、タイリード１１の上における上金型１の下面に
長方形の凹部１ｂ（図１参照）がリード１０，１２ａ〜
１２ｄの延設方向に延びている。このエアベント１７は
前述のエアベント１６と連通している。
【００２６】よって、エアベント１６，１７を通してギ
ャビティ３内の空気の排出経路が形成される。このよう
に、最終的にリードとなって残る部分は上金型１と下金
型２で隙間無く挟むことでリード表面に形成される樹脂
バリの発生を押さえつつエアベント１６，１７での空気
の排出経路を確保している。
【００２７】尚、エアベント１６，１７は深さが１０〜
４０μｍ程度である。次に、樹脂封止型半導体装置の製
造方法を説明する。まず、リードフレームＦL の部品搭
載部５の上に混成集積回路基板７とパワートランジスタ
６とを実装する。つまり、部品搭載部５上に混成集積回
路基板７とパワートランジスタ６とを載置するととも
に、必要な結線、具体的には、混成集積回路基板７とパ
ワートランジスタ６の間のワイヤ９によるボンディン
グ、及び混成集積回路基板７とインナーリード１３ａ〜
１３ｄとの間のワイヤ１５によるボンディングを行う。
【００２８】そして、混成集積回路基板７とパワートラ
ンジスタ６が露出した状態でリードフレームＦL を成形
封止用の上金型１と下金型２との間に挟み込む。このと
き、金型にて形成されるキャビティ３におけるエアベン
ト１６，１７付近からインナーリード１３ａ〜１３ｄが
突出する。
【００２９】この後、モールド樹脂をゲート（注入口）
４から流し込み、全体を成形封止する。この時、図５に
示すように、キャビティ３内はリードフレームＦL によ
り同フレームの上側領域と下側領域とに区画される。そ
して、リードフレームＦL の上側領域における樹脂肉厚
ｔ１、即ち、混成集積回路基板７の上での樹脂肉厚ｔ１
は、チップ部品８、ワイヤ９，１５などの高さの制限に
よりある程度厚くなる。具体的には、混成集積回路基板
７の厚さｔ１０が約０．６ｍｍ、チップ部品８の高さＨ
１が約１．３ｍｍ、ワイヤ９，１５の高さ（図２でのＨ
２）が約２ｍｍであるため、ｔ１は約２．３〜２．６ｍ
ｍが必要である。又、リードフレームＦLの下側領域に
おける樹脂肉厚ｔ２、即ち、部品が搭載されないリード
フレームＦL 下側の樹脂肉厚ｔ２は、放熱性や、成形物
全体の小型化のため薄くしている。具体的には、０．７
〜１．１ｍｍとしている。図５においてゲート４からキ
ャビティ３端部までの長さＬ（図２参照）は約２０〜３
０ｍｍである。
【００３０】又、モールド樹脂は、本実施形態ではエポ
キシ樹脂に無機質フィラー（溶融シリカ）を混合させた
ものであるが、樹脂質としては、エポキシ樹脂に限定さ
れるものではなく、例えば、フェノール樹脂、シリコー
ン樹脂、ポリイミド樹脂など熱硬化性樹脂であればよ
い。又、無機質フィラーとしては、後述するように熱応
力低減の観点から溶融シリカが望ましいが、これに加え
他の無機質フィラー、例えば、アルミナ、窒化ケイ素、
結晶性シリカ等を含有させてもよい。またこの他に、離
型剤、着色剤、低弾性化改良材、硬化触媒を混合させる
のが一般的である。
【００３１】製造工程の説明に戻り、図５に示すよう
に、キャビティ３内に液状の樹脂２０が注入されていく
と、成形前にキャビティ３内に存在した空気は、エアベ
ント１６，１７と通って排出される。
【００３２】又、上下不均一な成形では、空気抜け不足
によるボイドなどの成形不良が発生しようとする。つま
り、ゲート４から流入したモールド材２０は、図５に示
すように、肉厚の厚い上金型の凹部１ａでは、肉厚が厚
いため、流動抵抗が低く、速く流れ、下金型の凹部２ａ
では流れが遅い。従って、上金型の凹部１ａの樹脂流れ
がエアベント１６，１７に達した時には、下金型の凹部
２ａの流れはまだエアベント１６，１７まで達しておら
ず、その結果、下金型の凹部２ａ内に空気が残留しよう
とする。この残留空気は、成形の樹脂圧力で小さくなる
ものの、最終成形物でボイドとなって残り成形不良とな
る可能性がある。
【００３３】このとき、本実施形態においては、成形途
中において樹脂２０がキャビティ３内でのインナーリー
ド１３ａ〜１３ｄの隙間を通って上金型の凹部１ａから
下金型の凹部２ａへ流れ込む際に、ここで通路が狭くな
るため流動抵抗が増加し樹脂流れが遅くなり、下金型の
凹部２ａへの流入が遅くなる。その結果、下金型の凹部
２ａに残留する空気の量が低減し、ボイドの発生が防止
されると考えられる。このように、図１の左側のゲート
４に対し右側、即ち、反対側のキャビティ端部で、上金
型側から下金型側へ樹脂が流れ込む部分において、イン
ナーリード１３ａ〜１３ｄを配置することにより上金型
１から下金型２への樹脂の流入を遅らせてボイドの発生
が防止される。
【００３４】さらに、図６に示すように、インナーリー
ド１３ａ〜１３ｄの間を樹脂２０が通過する際に、イン
ナーリード１３ａ〜１３ｄの樹脂下流側の裏に、空洞
（トンネル）２１が発生する。この空洞２１を通して下
金型２の残留空気が排出される経路が確保される。よっ
て、金型にエアベントとしての貫通孔を設ける場合と異
なり、容易に流動する樹脂自身による空気排出のための
経路を確保できる。このように、金型の中に空気の排出
経路を確保してボイドの発生が防止されると考えられ
る。
【００３５】以下、各種の実験を行ったので、それを説
明する。図７に、比較のための試作品を示す。形状は図
１〜図４と全く同じであるが、ゲート４とエアベント２
５の位置関係が異なる。即ち、キャビティ３内における
樹脂の最終充填部にはインナーリード１３ａ〜１３ｄは
無く、このため、図７において左側に位置するゲート４
に対し反対側の右側においてキャビティ全面にわたりエ
アベント２５を設けることができ、単なるエアベント２
５としては図１の構造よりも空気を逃がしやすい。
【００３６】この構造で樹脂成形を行うと、図１の構造
ではボイドが全く発生しないのに対し、図７の構造で
は、成形条件（注入圧力、金型温度など）を変えた全て
のサンプルでボイドが発生した。
【００３７】この違いが起こる理由は、キャビティ３に
おけるゲート４に対し反対側（下流側）付近における流
動形状にあると考えられる。つまり、図１の構造では、
樹脂２０は、インナーリード１３ａ〜１３ｄの間を通っ
て上金型の凹部１ａから下金型の凹部２ａへ流れ込む際
に間隔が狭くなるため下金型の凹部２ａへの流入が遅く
なり下金型の凹部２ａに残留する空気の量が低減しボイ
ドの発生が防止される。又、図６を用いて説明したよう
にインナーリード１３ａ〜１３ｄの間を樹脂が通過する
際に、インナーリード１３ａ〜１３ｄの樹脂下流側の裏
の空洞（トンネル）２１を通して下金型の凹部２ａの残
留空気が排出される経路が確保されボイドの発生が防止
される。
【００３８】これに対し、図７の構成では、キャビティ
３におけるゲート４に対し反対側（下流側）にインナー
リード１３ａ〜１３ｄが存在しないため、樹脂自身によ
る空気排出経路が確保されることなく、成形不良に至っ
たものと考えられる。
【００３９】つまり、ゲート４から流入した樹脂は、混
成集積回路基板７などが搭載された樹脂肉厚の厚いリー
ドフレームＦL 上側の方が速く流れる。この流れが、キ
ャビティ端部へ達すると、混成集積回路基板７を搭載し
たリードフレームＦL とキャビティ端辺の間の隙間（図
７中、Ｓにて示す）を通して、下側へ流れ込もうとす
る。この際、この隙間部分Ｓに樹脂の流れを制限するも
のがない場合は、樹脂がエアベント２５を塞ぎ、さらに
下側へと流れ込み、リードフレームＦL の下側に残され
た空気の量が多く、最終的にボイドとなって残る。
【００４０】この隙間部分Ｓに樹脂の流れを制限するも
の、具体的にはインナーリード１３ａ〜１３ｄを配置し
た場合は、上側から下側への樹脂の流れが制限され、リ
ードフレーム下側に残される空気の量が低減し、最終的
にボイドが発生しない。
【００４１】しかも、インナーリード１３ａ〜１３ｄの
間を通して下側へ流れ込む際に、インナーリード１３ａ
〜１３ｄの下側は樹脂が入り込まない空洞２１（図６参
照））ができ、この空洞２１を通して、リードフレーム
下側に残存した空気の排出が促進されるため、さらにボ
イドの発生が防止される。
【００４２】このような作用を十分に発揮させるには、
インナーリード１３ａ〜１３ｄが十分に樹脂流れの制限
効果を持つ必要があり、そのためにはある一定割合以上
の面積が必要となる。インナーリード１３ａ〜１３ｄは
お互い電気的に絶縁されていなければならず、またモー
ルド外部でのリード間リークを防ぐには、ある一定の距
離を離す必要がある。従って、これら２つの要求を満足
させるために、モールド封止されない部分（アウターリ
ード１２ａ〜１２ｄ）は、巾を細くし、モールドされる
部分（インナーリード１３ａ〜１３ｄ）では巾を広げる
ことにより、さらにこの効果を発揮することができる。
このために、図１に示すように幅広部１４を設けてい
る。
【００４３】次に、リードフレーム上下の樹脂肉厚の差
に関する最適化ついての実験結果を説明する。本発明者
は、上下の樹脂の流れの差がどれくらいまで、この効果
が発揮されるかを以下のような方法で求めた。
【００４４】図１の構造において、リードフレームＦL
上に搭載する混成集積回路基板７の厚みを薄いものか
ら、厚いものまで変化させ、ボイドが発生する位置と大
きさを観察した。
【００４５】図８はその結果である。横軸は、ボイドの
発生した位置である。ボイド位置は、図５に示すよう
に、ゲート４に対し反対側のキャビティ端辺、即ちキャ
ビティ３での最下流部（エアベント形成部）から何ｍｍ
離れているかを測定している。例えば、５ｍｍとは、キ
ャビティ端辺より５ｍｍ離れた場所にボイドが発生した
ことを表す。ボイド位置は最終的に上側の樹脂と下側の
樹脂の流れが合流する場所であり、これがキャビティ端
辺より離れれば離れるほど、上下の樹脂流れの差が大き
いということを表す。
【００４６】図８の縦軸は、発生したボイドの大きさ
（直径）を表す。ボイドサイズが大きいということは、
リードフレームＦL の下側に残留した空気の量が多いと
いうことを意味する。
【００４７】図８から明らかなように、ボイドの発生位
置がキャビティ端辺（エアベンド形成部）へ近づくほど
ボイドサイズは小さくなり。そして、ボイド発生位置が
キャビティ端辺と一致するより手前で、ボイドは発生し
なくなる領域が存在することを見出した。そして、この
ボイドが発生しなくなる位置は、混成集積回路基板７を
搭載したリードフレームＦL の部品搭載部５の下流側端
部と一致する（図５参照）。
【００４８】つまり、リードフレームＦL の上下の樹脂
流れが完全に均一でなくても、実施形態に示したインナ
ーリード１３ａ〜１３ｄの効果によって、良好な成形を
することが可能であり、その場合、上下の流れ差は、上
側の流れと下側の流れが出会う位置が、最低限、リード
フレームＦL の部品搭載部５の下流側端部であって、そ
れよりエアベント側であればよい。
【００４９】図５において、キャビティ３の内部の構造
は、次の変数で概ね表すことができる。キャビティ３内
での樹脂通路におけるゲート４からリードフレームＦL
の部品搭載部５の下流側端部までの距離を「Ｌ１」と
し、キャビティ３内での樹脂通路におけるリードフレー
ムＦL の部品搭載部５の下流側端部からエアベント１
６，１７の形成部までの距離を「Ｌ２」とし、上金型１
の樹脂肉厚（混成集積回路基板７上面から上金型１の間
の距離）を「ｔ１」とし、下金型２の樹脂肉厚（リード
フレームＦL から下金型２までの間の距離）を「ｔ２」
とし、上金型１内での樹脂流速を「ｑ１」とし、下金型
２内での樹脂流速を「ｑ２」とし、これら変数を用いれ
ば、成形が良好な範囲は、以下の式（１）で表される。
ただし、上側の樹脂流れは一旦キャビティ３の下流側端
部に達した後、折り返して流れると仮定している。
【００５０】 ｑ１／ｑ２≦（Ｌ１＋２・Ｌ２）／Ｌ１ ・・・（１） 上下の樹脂の流速の比（ｑ１／ｑ２）を式（１）の範囲
にすれば、良好な成形ができることを示している。
【００５１】上下の樹脂流速の比（ｑ１／ｑ２）がキャ
ビティ３の寸法や樹脂の粘度特性によって、どのように
なるかを定量的に求めることは単純な計算ではできな
い。本発明者はこの点について、以下に述べる手順によ
って研究を進めた結果、この比が以下の式（２）で表さ
れることを見い出した。
【００５２】 ｑ１／ｑ２＝（ｔ１／ｔ２）(3+4B) ・・・（２） 以下、この関係を見つけるに至った経緯の概略を説明す
る。
【００５３】尚、Ｂは、樹脂粘度のせん断速度依存性を
表す係数であり、樹脂に固有の定数である。樹脂のキャ
ビティ３内での流速ｑは、一般に、式（３）のように、
肉厚ｔの３乗に比例し、樹脂粘度ηに反比例する。尚、
ここで欲しいのは、上下の流速の比だけなので、この式
は、上下で同じと考えられる他の係数などはまとめてα
で表した簡略式である。
【００５４】 ｑ＝α・ｔ3 ／η ・・・（３） 又、樹脂の粘度ηは、樹脂のせん断速度τに依存し、以
下の式（４）で表すことができるといわれている。例え
ば、樹脂流動解析プログラムＭＯＬＤＦＬＯＷ（Ｍoldf
low 社製）は、この式を用いている。
【００５５】 η＝βτB ・・・（４） 尚、樹脂温度の影響などは、上下で同じと考え、これら
に関する係数はまとめてβとしている。
【００５６】ここで、式（４）での係数Ｂは、前述した
ように樹脂粘度のせん断速度依存性を示す係数で、一般
的にはマイナスの値で、−０．５〜−０．７の値をとる
ことが多い。つまり、せん断速度τが大きくなると樹脂
粘度ηは減少する。
【００５７】せん断速度τは、概ねその樹脂が流れてい
る部分における流動断面積と流速ｑに関係する。樹脂肉
厚ｔが薄いほど、流動断面積は小さくなり、せん断速度
τが大きくなる。
【００５８】逆に、樹脂肉厚が厚い部分では、同じ流速
ｑであれば、せん断速度τは小さくなる。実際に金型の
中の上側と下側での樹脂流速ｑを予測するには、式
（３）より樹脂粘度ηを予測する必要がある。樹脂粘度
ηを予測するには、樹脂のせん断速度τを予測しなけれ
ばならない。せん断速度τを予測するには、樹脂の流速
ｑを予測しなければならない。つまり、流速ｑと粘度η
とせん断速度τはお互いが、お互いに影響しあってお
り、簡単な計算で予測することはできない。
【００５９】そこで、本発明者は、コンピュータを用い
て数値解析的にこの関係式を解き、流れを予測する手
法、すなわち樹脂流れ解析手法を用い、せん断速度τと
樹脂肉厚ｔの関係を解析的に求めた。
【００６０】解析モデルは、図１〜図４に示す形状をモ
デル化し、樹脂肉厚ｔとせん断速度τとの関係を求め
た。その結果、図９が得られ、これから以下の関係式
で、近似できることが分かった。
【００６１】 τ＝γｔ4 ・・・（５） 概ね、せん断速度τは、概ね樹脂肉厚ｔの４乗に反比例
する。
【００６２】式（４），式（５）を式（３）へ代入し
て、整理すると式（２）を得る。そして、式（１）を合
わせることで、良好な成形を得るための条件範囲は、以
下の式（６）で表される。
【００６３】 （ｔ１／ｔ２）(3+4B)≦（Ｌ１＋２・Ｌ２）／Ｌ１ ・・・（６） この関係式を導く段階では、いくつかの仮定とシミュレ
ーションによる近似を行った。しかし、実際にいくつか
の寸法について実際試作して成形性を確認したところ、
この関係式とよい一致を示すことを確認した。
【００６４】式（６）が満足されるように、キャビティ
内部の各寸法を設計すれば、上下の樹脂肉厚が不均一で
あっても良好な成形を行うことができる。この式（６）
において、係数Ｂは、樹脂粘度のせん断速度依存性を表
す係数である。この値が小さくなれば、樹脂流動速度比
（ｑ１／ｑ２）も小さくなり、式（６）の成立する寸法
範囲を広げることができる。
【００６５】この係数を小さくする方法としては、特開
昭６３−１５４４９号公報にも開示されているように、
フィラー含有率を増加するのが有効である。樹脂の粘度
というのは、樹脂を流動させようとしてせん断歪みを与
えた時に、どれくらい動こうとしないかという指標であ
り、流動に対する抵抗を表すものである。
【００６６】具体的には、樹脂の動きにくさはせん断応
力として測定され、粘度に換算される（ＪＩＳＫ７１９
９などによる）。フィラーを混合することで、せん断速
度依存性が変化する原理は、詳細には分かっていない
が、概ね以下のようだと考えられる。
【００６７】すなわち、樹脂に無機質のフィラーを混合
すると、フィラー界面近傍の樹脂はフィラーによって動
きが抑制されるため、全体として動きにくくなり、粘度
が上昇する。せん断が加わった状態では、フィラーも樹
脂とともに移動しており、その抑制効果が低減する。
【００６８】一方、フィラー含有率は、封止樹脂の熱膨
張率に影響する。すなわち、本実施形態の構造の場合、
混成集積回路基板７はセラミックスが用いられ、一般的
な熱膨張率は８×１０-6／℃程度である。
【００６９】封止樹脂２０と混成集積回路基板７の熱膨
張率に大きな差がある場合、熱応力が発生し、混成集積
回路基板７上の部品８などが損傷を受ける。図１０に示
すように、その熱膨張率差が６×１０-6／℃以下で、冷
熱サイクル寿命が大幅に向上することを確認した。
【００７０】封止樹脂で、熱膨張率の差を６×１０-6／
℃以内に納めるには、フィラー材として、熱膨張率の小
さな溶融シリカ（０．５×１０-6／℃）を用い、しか
も、その含有率を体積含有率で７０％以上にすることが
必要である。
【００７１】フィラー含有率７０％の封止樹脂材料にお
いて、種々の寸法形状にて成形性を測定し、式（６）に
当てはめることで、式（６）の樹脂に関する固有の係数
Ｂを見積もった。
【００７２】その結果を式（６）へ代入して式（７）を
導出した。 （ｔ１／ｔ２）0.4 ≦（Ｌ１＋２・Ｌ２）／Ｌ１ ・・・（７） フィラー含有率を７０％以上にすれば、樹脂粘度のせん
断速度依存性がより大きくなり、式（７）の成立する条
件範囲はより広くなる。又、熱膨張率の差も縮まる方向
にあり、信頼性も向上する。
【００７３】従って、本実施形態のような、混成集積回
路基板を直接成形封止する構造において、成形性と信頼
性を両立させるには、最低限式（７）の条件を満たすこ
とが必要である。
【００７４】以下、効果確認のための各種の実験結果を
表１に従って説明する。実施例１は、図１に示す構造の
半導体装置を、フィラ含有率７５％のエポキシ樹脂成形
材料で封止したものである。式（７）に示す条件を満足
し、成形性が良好である。しかも、樹脂で直接、混成集
積回路基板７やワイヤ９，１５を封止するため、ワイヤ
９，１５に加わる応力が小さく、冷熱サイクル試験にお
いても良好な結果を得た。尚、混成集積回路基板７の表
面には、ワイヤ９，１５に影響を与えない範囲における
薄いコーティング、例えば、ガラスエンキャップ、樹脂
コーティングなどを施してもよい。
【００７５】比較例１は、図７に示すように、インナー
リード１３ａ〜１３ｄをゲート方向に対し直角に配置し
たものである。成形不良が多数発生しており、実施例１
でのインナーリード１３ａ〜１３ｄによる成形性向上の
効果を確認することができる。
【００７６】比較例２は、実施例１の構造と同じだが、
リードフレーム下側の樹脂肉厚ｔ２を式（６）が満たさ
れない形状にしたものである。成形が良好でなく、ボイ
ドが発生した。これにより、式（６）の妥当性が確認さ
れた。
【００７７】比較例３は、実施例１の構造と同じだが、
フィラー含有率を６８％に低下させ、式（６）が満足さ
れない領域にした場合である。やはり成形不良が発生す
る。又、冷熱サイクル試験でも、混成集積回路基板７上
の部品破損により、信頼性が低下する。
【００７８】比較例４は、図１３に示すように、混成集
積回路基板３１の上を厚い液状樹脂３８でコーティング
してから成形したものである。キャビティの構造は、実
施例１と比べリードフレーム下側の樹脂肉厚ｔ２が薄く
式（６）を満足していないが、コーティングのために、
上側の樹脂流れが抑制され、成形性は良好である。しか
し、ワイヤ３６，３７が成形樹脂３３とコーティング樹
脂３８の界面を通るため、冷熱サイクル試験を行うと、
この界面部分でワイヤが切断し、信頼性が十分でない。
【００７９】比較例５は、図１２に示すような、混成集
積回路基板３１を搭載したリードフレーム３０の底面を
外部に露出させ、上側のみを封止した構造である。上側
しか樹脂がないため、良好な成形性が得られる。しか
し、冷熱サイクル試験では、リードフレーム３０と樹脂
３３の界面に剥離が入り、これが進展して内部の素子が
破壊するため、その信頼性はきわめて低い。
【００８０】
【表１】
【００８１】このように本実施の形態は、下記の特徴を
有する。 （イ）図１〜図４に示すように、混成集積回路基板７が
露出した状態でリードフレームＦL を成形封止用の上金
型１と下金型２との間に挟み込み、金型にて形成される
キャビティ３におけるエアベント１６，１７付近からイ
ンナーリード１３ａ〜１３ｄを突出させ、ゲート４から
樹脂２０を注入してリードフレームＦL の上側と下側に
樹脂を通過させ、さらにインナーリード１３ａ〜１３ｄ
の上面または下面を通過させた後においてリードフレー
ムＦL の上側を通過した樹脂とリードフレームＦL の下
側を通過した樹脂を合流させてキャビティ３内を樹脂で
充填するようにした。
【００８２】よって、成形途中において樹脂２０は、キ
ャビティ３内でのインナーリード１３ａ〜１３ｄの間を
通って上金型側から下金型側へ流れ込む際に、通路が狭
くなるため流動抵抗が増加し樹脂流れが遅くなり、下金
型側への流入が遅くなり、下金型側に残留する空気の量
が低減し、ボイドの発生が防止される。又、リードフレ
ームＦL の上側と下側での下流側への流れにおいて各樹
脂の流速は、パワートランジスタ６を用いた本例では放
熱性を考慮して樹脂厚みを薄くするのでリードフレーム
ＦL の上側の方が下側よりも速くなり、上側の樹脂が下
側の樹脂よりも早くキャビティ３におけるエアベント１
６，１７付近に突出したインナーリード１３ａ〜１３ｄ
に達し、樹脂はインナーリード１３ａ〜１３ｄの上面に
当たりインナーリード１３ａ〜１３ｄを通過していく。
この時、樹脂経路における下流側のインナーリード１３
ａ〜１３ｄの裏面には図６の空洞２１が形成され、この
空洞２１を通して残留空気の排出経路が確保され、同経
路を通して残留空気がエアベント１６，１７から排出さ
れる。よって、金型の中に空気の排出経路を確保してボ
イドの発生が防止される。
【００８３】このようにして、リードフレームＦL の上
下の樹脂肉厚が均等でない構造においても良好な成形を
行うことができ、混成集積回路基板７とパワートランジ
スタ６とを同時にモールド成形し、小型化を図るととも
に高い信頼性を確保できる。 （ロ）又、（ｔ１／ｔ２）(3+4B)≦（Ｌ１＋２・Ｌ２）
／Ｌ１を満足させると、ボイドの発生しにくい領域にて
リードフレームの上側を通過した樹脂とリードフレーム
の下側を通過した樹脂とを合流させることができる。 （ハ）フィラーとして体積含有率７０％以上の溶融シリ
カを用い、（ｔ１／ｔ２）0.4 ≦（Ｌ１＋２・Ｌ２）／
Ｌ１を満足させると、フィラーの種類と含有率を特定す
ることにより、最適化の範囲を広げることができ、実用
上好ましいものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 樹脂封止型半導体装置の製造工程において上
金型と下金型とを用いて樹脂封止を行う際の平面図。
【図２】 図１のＡ−Ａ断面図。
【図３】 図１のＢ−Ｂ断面図。
【図４】 図１のＣ−Ｃ断面図。
【図５】 キャビティ内の樹脂の挙動を説明するための
断面図。
【図６】 キャビティ内の樹脂の挙動を説明するための
斜視図。
【図７】 比較のための試作品の平面図。
【図８】 ボイド位置とボイドサイズの測定結果を示す
図。
【図９】 樹脂肉厚ｔとせん断速度τとの関係を示す
図。
【図１０】 熱膨張率差と寿命との関係を示す図。
【図１１】 樹脂封止型半導体装置の断面図。
【図１２】 樹脂封止型半導体装置の断面図。
【図１３】 樹脂封止型半導体装置の断面図。
【符号の説明】
１…上金型、２…下金型、３…キャビティ、４…ゲー
ト、５…リードフレームの部品搭載部、６…パワートラ
ンジスタ、７…混成集積回路基板、９…ワイヤ、１３ａ
〜１３ｄ…インナーリード、１５…ワイヤ、１６，１７
…エアベント、２０…樹脂、ＦL …リードフレーム。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 ＦＩ Ｈ０１Ｌ 23/31 // Ｂ２９Ｌ 31:34

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 リードフレームの部品搭載部の上に混成
    集積回路基板と半導体チップとを実装する工程と、 前記リードフレームを成形封止用の上金型と下金型との
    間に挟み込むとともに、金型にて形成されるキャビティ
    におけるエアベント付近からインナーリードを突出させ
    る工程と、 ゲートから樹脂を注入してリードフレームの上側と下側
    に樹脂を通過させ、さらに前記インナーリードの上面ま
    たは下面を通過させた後においてリードフレームの上側
    を通過した樹脂とリードフレームの下側を通過した樹脂
    を合流させてキャビティ内を樹脂で充填する工程とを備
    えたことを特徴とする樹脂封止型半導体装置の製造方
    法。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載の樹脂封止型半導体装置
    の製造方法において、 混成集積回路基板の上での封止樹脂の肉厚を「ｔ１」、
    リードフレームの下面での封止樹脂の肉厚を「ｔ２」、
    キャビティ内での樹脂通路におけるゲートからリードフ
    レームの部品搭載部の下流側端部までの距離を「Ｌ
    １」、キャビティ内での樹脂通路におけるリードフレー
    ムの部品搭載部の下流側端部からエアベントの形成部ま
    での距離を「Ｌ２」、η＝βτB にて封止樹脂の粘度η
    を表したときにおける粘度のせん断速度τの依存性係数
    を「Ｂ」としたとき（ただし、βは定数）、 （ｔ１／ｔ２）(3+4B)≦（Ｌ１＋２・Ｌ２）／Ｌ１ を満足するようにしたことを特徴とする樹脂封止型半導
    体装置の製造方法。
  3. 【請求項３】 請求項１に記載の樹脂封止型半導体装置
    の製造方法において、 封止樹脂に配合される無機充填材として溶融シリカを用
    い、かつ、含有率を体積含有率で７０％以上とし、 混成集積回路基板の上での封止樹脂の肉厚を「ｔ１」、
    リードフレームの下面での封止樹脂の肉厚を「ｔ２」、
    キャビティ内での樹脂通路におけるゲートからリードフ
    レームの部品搭載部の下流側端部までの距離を「Ｌ
    １」、キャビティ内での樹脂通路におけるリードフレー
    ムの部品搭載部の下流側端部からエアベントの形成部ま
    での距離を「Ｌ２」としたとき、 （ｔ１／ｔ２）0.4 ≦（Ｌ１＋２・Ｌ２）／Ｌ１ を満足するようにしたことを特徴とする樹脂封止型半導
    体装置の製造方法。
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