JP2009146929A - 半導体装置用樹脂封止装置および半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】樹脂封止型半導体装置の製造工程および樹脂封止装置において、キャビティ内の圧力低下に伴う樹脂封止部の反りやボイド等の発生を抑制する。
【解決手段】半導体装置用樹脂封止装置１００は、上型キャビティブロック１２１を有する上型１２０と、下型キャビティブロック１１１を有する下型１１０とを具備する。半導体素子１が搭載された回路基材２が配置されたキャビティ１０１内には、半導体素子１を樹脂封止するように熱硬化性の封止樹脂材料３が注入される。封止樹脂材料３の硬化収縮時に、可動状態で支持された上型キャビティブロック１２１および下型キャビティブロック１１の少なくとも一方を介して封止樹脂材料３に圧力を付加する。
【選択図】図１

Description

本発明は半導体装置用樹脂封止装置とそれを用いた半導体装置の製造方法に関する。

ＢＧＡパッケージ等の半導体装置を作製するにあたって、配線基板上に搭載された半導体素子の樹脂封止工程にはトランスファ成形法等が適用されている（特許文献１参照）。トランスファ成形法を適用した樹脂封止工程では、成形金型のキャビティ内に半導体素子を搭載した配線基板を配置した後、キャビティ内にランナやゲート等を介して封止樹脂材料を注入する。封止樹脂材料としては一般的にエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂が用いられる。封止樹脂材料はプランジャで所定の圧力を加えることによって、キャビティ内に圧入される。キャビティ内にはプランジャからランナやゲート等を介して圧力が伝達される。キャビティ内に注入された封止樹脂材料は成形金型を介して加熱して硬化させる。

この際、封止樹脂材料は最も受熱量が多いゲート部近傍から固まり始める。このため、硬化が終わっていないキャビティ内の封止樹脂材料はプランジャからの圧力を受けることができなくなり、急速に圧力の低下を招くことになる。このようなキャビティ内の圧力低下は、封止樹脂材料の硬化収縮に伴って樹脂封止部、ひいてはＢＧＡパッケージ等の半導体装置の反りの発生原因となる。また、キャビティ内の空気は封止樹脂材料の注入圧力により一旦小さくなるが、キャビティ内の圧力低下に伴って再膨張する。キャビティ内で再膨張した空気は樹脂封止部のボイドの発生原因となる。

配線基板上に複数の半導体素子を積層した積層型半導体装置では、ボンディングワイヤが長ループ化する傾向にあることから、フィラー量等を低減して封止樹脂材料を低粘度化している。低粘度の封止樹脂材料は硬化収縮量が大きいため、キャビティ内の圧力低下に起因する反りやボイド等が生じやすい。なお、特許文献１にはキャビティブロックを型開閉方向に可動に支持すると共に、キャビティブロックを型締め方向に押圧する押圧手段を有する樹脂封止装置が記載されている。ここでは、バリの発生を防止するために基板に圧力を付加しているため、封止樹脂材料の硬化収縮に追従することはできない。
特開平１１−０５８４３５号公報

本発明の目的は、キャビティ内の圧力低下に伴う樹脂封止部の反りやボイド等の発生を抑制することを可能にした半導体装置用樹脂封止装置および半導体装置の製造方法を提供することにある。

本発明の態様に係る半導体装置用樹脂封止装置は、上型キャビティブロックを有する上型と、下型キャビティブロックを有する下型と、前記上型キャビティブロックと前記下型キャビティブロックとにより形成され、半導体素子が搭載された回路基材が配置されるキャビティと、前記半導体素子を樹脂封止するように、前記キャビティ内に熱硬化性の封止樹脂材料を注入する樹脂注入部と、可動状態で支持された前記上型キャビティブロックおよび前記下型キャビティブロックの少なくとも一方を介して、前記封止樹脂材料に圧力を付加する圧力付加機構とを具備することを特徴としている。

本発明の態様に係る半導体装置の製造方法は、上型キャビティブロックおよび下型キャビティブロックの少なくとも一方が可動状態で支持された樹脂封止装置のキャビティ内に、半導体素子が搭載された回路基材を配置する工程と、前記回路基材が配置された前記キャビティ内に、前記可動状態で支持されたキャビティブロックを注入圧力で可動方向に押し広げつつ、前記半導体素子を封止する熱硬化性の封止樹脂材料を注入する工程と、前記可動状態で支持されたキャビティブロックを介して前記封止樹脂材料に圧力を付加しつつ熱硬化させる工程と、前記熱硬化後の封止樹脂材料で封止された前記半導体素子を有する回路基材を、前記樹脂封止装置から取り出す工程とを具備することを特徴としている。

本発明の態様に係る半導体装置用樹脂封止装置および半導体装置の製造方法によれば、封止樹脂材料の硬化収縮時にキャビティブロックを介して封止樹脂材料に圧力が付加されるため、キャビティ内の圧力低下に伴う反りやボイド等の発生を抑制することできる。従って、健全な樹脂封止型半導体装置を再現性よく提供することが可能となる。

以下、本発明を実施するための形態について説明する。図１ないし図４は本発明の実施形態による半導体装置用樹脂封止装置およびそれを用いた半導体装置の樹脂封止工程を示す図である。まず図１に基づいて、本発明の実施形態による樹脂封止装置の構成について述べる。図１に示す樹脂封止装置１００は樹脂封止型半導体装置の製造に用いられるものであり、キャビティ１０１を形成する下型１１０と上型１２０とを具備している。

下型１１０は下型キャビティブロック１１１を有している。下型キャビティブロック１１１上には、後に詳述する半導体素子１が搭載された配線基板２が配置される。この実施形態の下型キャビティブロック１１１は配線基板２を収容する凹部１１２を有しており、この凹部１１２内に半導体素子１が搭載された配線基板２が配置される。下型キャビティブロック１１１の中央部にはポット１１３が設けられており、このポット１１３内にプランジャ１１４が配置されている。封止樹脂材料３はポット１１３内に収容され、プランジャ１１４からの圧力を受けてキャビティ１０１内に注入される。

上型１２０は上型キャビティブロック１２１と上型キャビティブロック押さえ１２２と上型キャビティホルダ１２３とを有している。上型キャビティブロック押さえ１２２は樹脂封止部の側面を構成するものであり、下型キャビティブロック１１１上に配置されている。上型キャビティブロック押さえ１２２は、樹脂封止部の上面を構成する上型キャビティブロック１２１の嵌合穴１２４を有している。上型キャビティブロック１２１は嵌合穴１２４内に配置されていると共に、上下動可能な状態で上型キャビティブロック押さえ１２２に支持されている。キャビティ１０１は下型キャビティブロック１１１と上型キャビティブロック１２１と上型キャビティブロック押さえ１２２とで形成される。

上型キャビティブロック１２１上には上型キャビティホルダ１２３が配置されている。上型キャビティブロック１２１と上型キャビティホルダ１２３との間には、可動状態の上型キャビティブロック１２１に対してキャビティ１０１方向に圧力を付加するように、圧力付加機構として圧縮バネやゴム等の弾性体１２５が配置されている。弾性体１２５はキャビティ１０１内への封止樹脂材料３の注入圧力で受動的に収縮し、かつ注入圧力の減少時に反発するように調整されている。弾性体１２５の反発力によって、硬化収縮する封止樹脂材料に上型キャビティブロック１２１を介して圧力が付加される。

弾性体１２５の構成は、上記したような収縮および反発動作をするものであれば特に限定されるものではない。弾性体１２５の具体例としては、直径２ｍｍ程度の焼入れ鋼（線材）数本で構成したコイルバネ等が挙げられる。このようなコイルバネで圧力付加機構を構成することによって、樹脂封止装置１００のコンパクト化等を図ることができる。なお、圧力付加機構は弾性体１２５に限らず、上記したような圧力付加動作を示すものであれば種々の機構を使用することが可能である。また、圧力付加機構は下型１１０と上型１２０との型締め力等を調整するものではなく、上型キャビティブロック１２１を介して硬化収縮時に封止樹脂材料に対して直接圧力を付加するものである。

この実施形態では回路基材としての配線基板２上に搭載された半導体素子１を封止する樹脂封止装置１００を示している。このため、樹脂封止部の上面を構成する上型キャビティブロック１２１を可能状態で支持し、かつ上型キャビティブロック１２１を介して硬化収縮する封止樹脂材料に圧力を付加する。圧力を付加するキャビティブロックは上型キャビティブロック１２１に限られるものではなく、回路基材の構成や半導体素子の搭載位置、また樹脂封止部の形状によっては下型キャビティブロック１１１を介して圧力を付加してもよく、また上型および下型キャビティブロック１１１、１２１の両方から圧力を付加することも可能である。回路基材はリードフレーム等であってもよい。

上型キャビティブロック押さえ１２２の中央部にはポット１１３に対応してランナ１２６が設けられている。ランナ１２６は水平方向（下型キャビティブロック１１１および上型キャビティホルダ１２３に対して平行な方向）に延伸しており、その両端にそれぞれゲート１２７を介してキャビティ１０１が設けられている。樹脂封止装置１００は２個のキャビティ１０１を有しており、これらキャビティ１０１に対してそれぞれゲート１２７を介してランナ１２６およびポット１１３が接続されている。

プランジャ１１４からの圧力を受けた封止樹脂材料３は、ランナ１２６の両端に設けられたゲート１２７を介して２個のキャビティ１０１内にそれぞれ圧入される。これらポット１１３、プランジャ１１４、ランナ１２６およびゲート１２７は樹脂注入部を構成している。樹脂封止装置１００は熱硬化性の封止樹脂材料をトランスファ成形して半導体素子１を封止する装置である。なお図示を省略したが、樹脂封止装置１００は下型１１０や上型１２０を介してキャビティ１０１内に注入された封止樹脂材料３を加熱する加熱機構を備えており、これにより注入後の封止樹脂材料３を熱硬化させる。

次に、上述した樹脂封止装置１００を用いた樹脂封止型半導体装置の製造工程（樹脂封止工程）について述べる。まず、図１に示すように、下型キャビティブロック１１１に半導体素子１が搭載された配線基板２と封止樹脂材料３をセットした後、図示しないプレス装置で下型１１０を上昇させる。このようにして、下型１１０と上型１２０とを閉じることによって、樹脂封止装置１００内にキャビティ１０１を形成する。半導体素子１が搭載された配線基板２はキャビティ１０１内に配置される。

キャビティ１０１内に配置される配線基板２は、半導体素子１の搭載工程や半導体素子１と配線基板２との接続工程等を経たものであり、例えばＢＧＡパッケージやＬＧＡパッケージ等の半導体パッケージ（樹脂封止型半導体装置）の作製に用いられるものである。図５および図６は半導体素子１が搭載された配線基板２の一例を示している。図５および図６において、配線基板２の第１の主面（上面）上には複数の半導体素子１Ａ、１Ｂ、１Ｃが積層して搭載されており、さらに半導体素子１Ａ、１Ｂ、１Ｃの各電極パッドと配線基板２の接続パッドとは金属ワイヤ４を介して電気的に接続されている。

図５および図６では配線基板２上に３個の半導体素子１Ａ、１Ｂ、１Ｃを積層して搭載した状態を示しているが、半導体素子の搭載数は１個、２個、もくしは４個以上であってもよく、特に限定されるものではない。樹脂封止型半導体装置の具体的な構造としては、例えば１個もしくは複数個のメモリ素子を配線基板２上に積層して搭載した構造、さらにはその最上段にコントローラ素子を積層した構造、配線基板２にメモリ素子とロジック素子とを積層して搭載した構造等が挙げられる。また、半導体素子１と配線基板２との接続構造はワイヤ接続に限らず、フリップチップ接続を適用してもよい。

図５および図６は１個の半導体装置に対応する配線基板２を示しているが、樹脂封止装置１００には複数の配線基板領域を有する基板パネル（複数の配線基板２を多連構造とした基板パネル）を配置することが一般的である。基板パネルは１個の配線基板２およびそれを用いて形成した１個の半導体装置に相当する配線基板領域（装置形成領域）を複数有し、これらを格子状に設けられた切断領域で区画したものである。ここでは樹脂封止装置１００に複数の配線基板領域を有する基板パネル（例えば１個の半導体装置に対応する配線基板領域を９箇所（３×３箇所）有する基板パネル）をセットする。

基板パネルは樹脂基板、セラミックス基板、ガラス基板等の絶縁基板の内部や表面による配線網（図示せず）を設けたものであり、具体的にはガラス−エポキシ樹脂やＢＴ樹脂（ビスマレイミド・トリアジン樹脂）等を使用したプリント配線基板が適用される。基板パネルの各配線基板領域にはそれぞれ半導体素子１が搭載される。各配線基板領域に搭載された半導体素子１は金属ワイヤ４を介して各配線基板領域に設けられた接続パッドと電気的に接続される。このような状態で樹脂封止装置１００にセットされる。また、封止樹脂材料３としてはエポキシ樹脂のような熱硬化性絶縁樹脂が用いられる。

なお、配線基板２上に搭載された半導体素子１Ａ、１Ｂ、１Ｃは、図７に示すように、樹脂封止装置１００を用いて封止樹脂材料３をトランスファ成形することにより樹脂封止される。半導体素子１Ａ、１Ｂ、１Ｃを封止するように配線基板２上に設けられた樹脂封止部５は、トランスファ成形された封止樹脂材料３の硬化物からなる。このようにして樹脂封止型の半導体装置６が作製される。なお、図示を省略したが、配線基板２の第２の主面（下面）には半田ボールや金属パッド等による外部接続端子が形成される。

次に、図２に示すように、半導体素子１が搭載された配線基板２を配置したキャビティ１０１内に、エポキシ樹脂等の熱硬化性絶縁樹脂からなる封止樹脂材料３を注入する。封止樹脂材料３はプランジャ１１４で圧力を加えることによって、ランナ１２６およびゲート１２７を介してキャビティ１０１内に圧入される。封止樹脂材料３はその注入圧力で上型キャビティブロック１２１を可動方向に押し広げつつキャビティ１０１内に注入される。上型キャビティブロック１２１に圧力を付加している弾性体１２５は、封止樹脂材料３の注入圧力（プランジャ１１４による圧力）でひずむように設定されており、これによって上型キャビティブロック１２１が上昇する。

次いで、図３に示すように、キャビティ１０１内に注入された封止樹脂材料３を、下型１１０や上型１２０を介して加熱して熱硬化させる。この際、封止樹脂材料３は最も受熱量が多いゲート１２７の近傍から固まり始める。このため、硬化が終わっていないキャビティ１０１内の封止樹脂材料３はプランジャ１１４からの圧力を受けることができなくなり、急速に圧力の低下を招くことになる。また、キャビティ１０１内の封止樹脂材料３も熱硬化し始めることで、硬化収縮による体積減少が生じる。このままでは圧力低下や硬化収縮に基づいて、樹脂封止部（硬化後の封止樹脂材料３）に反りやボイドが発生する。

そこで、この実施形態においては上型キャビティブロック１２１に圧力を付加する弾性体１２５を適用している。すなわち、ゲート１２７近傍からの硬化に基づく注入圧力の減少時に、キャビティ１０１内の封止樹脂材料３の硬化収縮（体積減少）に合せて弾性体１２５が上型キャビティブロック１２１に圧力を付加する。これによって、キャビティ１０１内の封止樹脂材料３には上型キャビティブロック１２１を介して圧力が付加され続ける。言い換えると、プランジャ１１４からの圧力が伝わらなくなった状態においても、キャビティ１０１内の封止樹脂材料３には硬化収縮時に所定の圧力が加え続けられる。

このように、弾性体１２５の反発力（復元力）に基づく圧力を加え続けた状態で、キャビティ１０１内の封止樹脂材料３を熱硬化させることによって、半導体素子１を封止する樹脂封止部５（硬化後の封止樹脂材料３）の反りを抑制することができる。また、キャビティ１０１内の封止樹脂材料３に圧力を加え続けることで、キャビティ１０１内の空気の再膨張が抑えられる。これによって、樹脂封止部５のボイド発生を抑制することが可能となる。すなわち、反りやボイド等の発生を抑制した健全な樹脂封止部５で半導体素子１を封止した樹脂封止型半導体装置６を得ることができる。

ここで、例えばＢＧＡパッケージやＬＧＡパッケージ等を作製する場合には、配線基板２の片面のみに樹脂封止部５が形成されるため、封止樹脂材料３の硬化時に反りが生じやすい。この実施形態の樹脂封止装置１００およびそれを用いた樹脂封止工程は、特に配線基板２の片面のみに樹脂封止部５を形成する場合に有効である。ただし、回路基材としてリードフレームを用いた半導体パッケージ（ＴＳＯＰ）の作製工程のように、回路基材の両面に樹脂封止部を形成する場合を除外するものではない。このような場合にも、樹脂封止部に反りやボイド等が発生することを抑制することが可能である。

さらに、配線基板２上に複数の半導体素子１を積層して搭載する場合、配線基板２と半導体素子１（特に上段側の半導体素子１）とを電気的に接続する金属ワイヤ４が長ループ化する傾向にある。長ループ化された金属ワイヤ４は、封止樹脂材料３の流動（樹脂流）に伴ってワイヤ流れ、ひいてはそれに基づくワイヤ間の接触等が生じやすい。このため、封止樹脂材料３中のフィラー量等を低減して低粘度化する場合がある。低粘度の封止樹脂材料３は硬化収縮量が大きいため、キャビティ１０１内の圧力低下や封止樹脂材料３は硬化収縮に基づいて反りやボイド等が生じやすい。

このような点に対して、実施形態の樹脂封止装置１００およびそれを用いた樹脂封止工程を適用することによって、封止樹脂材料３の硬化収縮に合せて所定の圧力を加え続けることができる。封止樹脂材料３の硬化収縮量が大きい場合にも、弾性体１２５による圧力を調整することによって、上型キャビティブロック１２１を封止樹脂材料３の硬化収縮に追従させ、封止樹脂材料３に所定の圧力を加え続けることができる。従って、樹脂封止部５の反りやボイド等の発生を有効に抑制することが可能となる。

この後、図４に示すように、熱硬化工程（キュア工程）の終了後に下型１１０を下げると同時に、弾性体１２５のバネ作用で成形品（封止樹脂材料３の硬化物からなる樹脂封止部５で封止された半導体素子１を有する回路基材２）を押し出す。樹脂封止装置１００に配置する配線基板２として基板パネルを用いた場合には、基板パネルを樹脂封止部５と共に配線基板領域の形状に応じて切断して個片化する。また、必要に応じて配線基板２の下面側に外部接続端子を形成する。このようにして、樹脂封止された半導体素子１を有する樹脂封止型半導体装置６を歩留り良く得ることができる。

なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、配線基板等の回路基材に搭載された半導体素子を樹脂封止する各種の半導体装置の製造工程（樹脂封止工程）、およびそれに用いられる樹脂封止装置に適用可能である。そのような半導体装置の製造方法やおよび半導体装置用樹脂封止装置も本発明に含まれるものである。また、本発明の実施形態は本発明の技術的思想の範囲内で拡張もしくは変更することができ、この拡張、変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれるものである。

本発明の実施形態による樹脂封止装置の構成および樹脂封止装置内に半導体素子が搭載された回路基材を配置する段階を示す断面図である。 図１に示す樹脂封止装置内に封止樹脂材料を注入する段階を示す断面図である。 図１に示す樹脂封止装置内に注入した封止樹脂材料の熱硬化段階を示す断面図である。 図１に示す樹脂封止装置から樹脂封止された半導体装置を取り出す段階を示す断面図である。 図１に示す樹脂封止装置で樹脂封止する半導体素子の回路基材に対する搭載例を示す平面図である。 図５に示す半導体素子および回路基材の断面図である。 図１に示す樹脂封止装置で樹脂封止された半導体装置の一例を示す平面図である。

符号の説明

１…半導体素子、２…配線基板、３…封止樹脂材料、４…金属ワイヤ、５…樹脂封止部、６…半導体装置、１００…樹脂封止装置、１１０…下型、１１１…下型キャビティブロック、１１３…ポット、１１４…プランジャ、１２０…上型、１２１…上型キャビティブロック、１２２…上型キャビティブロック押さえ、１２３…上型キャビティホルダ、１２５…弾性体、１２６…ランナ、１２７…ゲート。

Claims (5)

1. 上型キャビティブロックを有する上型と、
   下型キャビティブロックを有する下型と、
   前記上型キャビティブロックと前記下型キャビティブロックとにより形成され、半導体素子が搭載された回路基材が配置されるキャビティと、
   前記半導体素子を樹脂封止するように、前記キャビティ内に熱硬化性の封止樹脂材料を注入する樹脂注入部と、
   可動状態で支持された前記上型キャビティブロックおよび前記下型キャビティブロックの少なくとも一方を介して、前記封止樹脂材料に圧力を付加する圧力付加機構と
   を具備することを特徴とする半導体装置用樹脂封止装置。
2. 請求項１記載の半導体装置用樹脂封止装置において、
   前記圧力付加機構は、前記封止樹脂材料の注入圧力で受動的に収縮すると共に、前記注入圧力の減少時に前記封止樹脂材料に圧力を付加するように反発する弾性体を有することを特徴とする半導体装置用樹脂封止装置。
3. 請求項１または請求項２記載の半導体装置用樹脂封止装置において、
   前記樹脂注入部は前記キャビティ内にゲートを介して前記封止樹脂材料を圧入するプランジャを有することを特徴とする半導体装置用樹脂封止装置。
4. 上型キャビティブロックおよび下型キャビティブロックの少なくとも一方が可動状態で支持された樹脂封止装置のキャビティ内に、半導体素子が搭載された回路基材を配置する工程と、
   前記回路基材が配置された前記キャビティ内に、前記可動状態で支持されたキャビティブロックを注入圧力で可動方向に押し広げつつ、前記半導体素子を封止する熱硬化性の封止樹脂材料を注入する工程と、
   前記可動状態で支持されたキャビティブロックを介して前記封止樹脂材料に圧力を付加しつつ熱硬化させる工程と、
   前記封止樹脂材料の硬化物で封止された前記半導体素子を有する前記回路基材を、前記樹脂封止装置から取り出す工程と
   を具備することを特徴とする半導体装置の製造方法。
5. 請求項４記載の半導体装置の製造方法において、
   前記封止樹脂材料の硬化収縮時に、前記封止樹脂材料の注入圧力で受動的に収縮すると共に、前記注入圧力の減少時に反発する弾性体を用いて、前記封止樹脂材料に圧力を付加することを特徴とする半導体装置の製造方法。

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