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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JPH10178030A
JPH10178030A JP8339815A JP33981596A JPH10178030A JP H10178030 A JPH10178030 A JP H10178030A JP 8339815 A JP8339815 A JP 8339815A JP 33981596 A JP33981596 A JP 33981596A JP H10178030 A JPH10178030 A JP H10178030A
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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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