JP3879823B2 - 薄型半導体装置のモールド方法及びそのモールド金型 - Google Patents

薄型半導体装置のモールド方法及びそのモールド金型 Download PDF

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  • Moulds For Moulding Plastics Or The Like (AREA)
  • Injection Moulding Of Plastics Or The Like (AREA)
  • Encapsulation Of And Coatings For Semiconductor Or Solid State Devices (AREA)

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子とその半導体素子が実装された配線基板の一面に樹脂製パッケージが形成された薄型半導体装置のモールド方法及びそのモールド金型にに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
先ず、従来技術の薄型半導体装置について説明する。
【0003】
図4は従来技術の薄型半導体装置の製造方法を説明するための主製造工程図、図5は従来技術の薄型半導体装置の樹脂パッケージに用いるモールド金型の一部断面図、図6は図5に示したモールド金型を用いてモールドしている状態を示す一部断面図、図7は従来技術の薄型半導体装置をマザー基板に実装する状態を示した断面図、図8は従来技術の他のモールド金型の構造を示した断面図、図9は図8に示したモールド金型を用いてプリント基板に実装されている各種部品をモールドする状態を示した断面図、そして図10は図8に示したモールド金型でモールドされた従来技術の薄型半導体装置の断面図である。
【0004】
従来技術の薄型半導体装置のパッケージ(封止)形態の一つとして、配線基板に薄型半導体素子を組み込み、一面から樹脂でパッケージ(封止)したいわゆるAmkor社などが製品化しているetCSPなどが知られている。
【0005】
このような薄型半導体装置は、図4に示したような主工程を経て得ることができる。即ち、先ず、図4Aに示したダイボンド工程で、配線基板10に薄型半導体素子Sを固定する。配線基板10には薄型半導体素子Sを組み込むための空洞部11が、そしてその周辺に搭載しようとする薄型半導体素子Sの電極に対応する回路配線12などが形成されており、また、薄型配線基板10の裏面に、予め、粘着層を備えた仮固定テープ20が貼り付けられている。半導体素子Sはその空洞部11に露出している仮固定テープ20ヘその粘着層を利用してダイボンドされる。
【0006】
次に、図4Bに示すワイヤボンド工程で、薄型半導体素子Sの電極部と配線基板1の回路配線12とを、例えば、金線などのワイヤーWを用いて接続する。
【0007】
そして次に、図4Cに示したモールド工程で、金型(不図示)を用いて、前記配線基板10の表面、薄型半導体素子S、ワイヤーWを、それらが存在する側から樹脂Rで覆い、パッケージ30をモールド(成型)する。
【0008】
そして次に、図4Dに示したテープ剥離工程で、モールドされた配線基板10から仮固定テープ20を剥離、除去する。
【0009】
次に、図4Eに示した半田ボール形成工程で、回路配線12と導通し、配線基板10の裏面に貫通しているバイアホール13の表面に半田ボール14を形成する。半田ボール14はセットのマザー基板(不図示)への実装の信頼性を向上させるための有効な構造であるが、特に小型パッケージに於いては安定した実装平面が確保できることから、ボール付けしない場合もある。
【0010】
最後に、図4Fに示したシングレーション工程で、大判の配線基板から複数の最終的な薄型半導体装置1Bを切り出す。これが従来技術の薄型半導体装置1Bである。通常、生産性の向上を目的として、1枚の大判の配線基板に複数個の半導体装置1Bが形成される形態になっている。このような薄型半導体装置1Bの厚みは約300μm或いはそれ以下である。
【0011】
図4Cのモールドは図5に示したようなモールド金型を用いて行われる。
【0012】
このモールド金型40は下金型41と上金型42とから構成されている。下金型41は、そのキャビティ面に配線基板10或いは半導体素子Sと仮固定テープ20とが重ねられた厚みとそれら半導体素子Sを覆い、ワイヤーWが接続されている回路配線12の一部分がモールドされなければならない部分の配線基板10の面積に相当する窪みのキャビティ411が形成されている。
【0013】
上金型42は、そのキャビティ面に、少なくともワイヤーWの高さより若干高く、そしてワイヤーWが配線基板10上の配線回路12に接続されている部分を含む面積のキャビティ421が形成されている。更に、溶融樹脂Rを注入するゲート422が形成されている。
【0014】
このような構造のモールド金型40を用い、図6に示したように、図4Bに示した仮固定テープ20に固定されているワイヤーボンド済み半導体素子Sと配線基板10とを下金型41のキャビティ411内に載置し、この上に上金型42を被せ、クランプし、その状態でゲート422から熱硬化性の溶融樹脂Rを注入し、配線基板10の一面に半導体素子S、ワイヤーWを覆い、硬化させると、パッケージ30が形成され、薄型半導体装置1Bが得られる。
【0015】
このモールド方法は、一般に、トランスファーモールド方式と称され、モールド金型40を180℃前後に加熱した状態で熱硬化性樹脂Rを注入し、モールドする方式である。このような配線基板10の一面に、トランスファーモールド法によって樹脂Rからなるパッケージ30を形成するパッケージング技術においては、モールド時は、配線基板10、半導体素子Sなどが180℃前後の高温状態で熱硬化性樹脂Rにより固められるため、硬化後、モールド金型40から取り出されて常温になった時には、図7に示したように、配線基板10、半導体素子S(シリコン)、熱硬化性樹脂R(例えば、工ポキシレジン)のそれぞれの熱膨張係数の違いや熱硬化性樹脂Rそのものの硬化収縮により、パッケージ30を中心に薄型半導体装置1Bが反ってしてしまうという問題が生じる。
【0016】
それ故、このモールド工程で発生した反りは、その後の工程でハンドリングミスを誘発し、生産性の低下にもつながるが、最大の問題は図7に示したように電子機器側のマザー基板50に実装する際に、薄型半導体装置1Bの反りにより、接続不良が多発してしまうという問題である。
【0017】
パッケージ30の反り量は被モールド体である半導体素子Sが大型化すればするほど、また薄型化すればするほど大きくなる。このような大型化、薄型化された薄型半導体装置1Bに顕著に発生する反りは、電子機器のマザー基板50への実装時に、マザー基板50の電極端子への接続、信頼性をより著しく低下させる原因となる。
【0018】
また、前記のような反りは、図10に示したように、プリント基板61上にLSIチップ62、ICチップ63、チップコンデンサ64などを実装し、樹脂モールドされたLCC(リードレスチップキャリヤー)のような半導体装置1Cを得る場合にも生じるとされている。このような場合の反りを修正するための技術は、特開平8−213418に開示されている。図8及び図9に、そのためのモールド金型を再掲した。ただし、これらの図面に付した符号は公報に掲載されている図面に付された符号と異なっていることを予め断っておく。
【0019】
図8に示したように、このモールド金型70も、下金型71と上金型72とから構成されている。
【0020】
その下金型71は、モールドしようとするLSIチップ62、ICチップ63、チップコンデンサ64などの部品が実装されたプリント基板61部分が載置されるキャビティ711を形成する面が突起台座712に形成されている構造のものである。
【0021】
一方の上金型72は、前記の各種部品に対応したキャビティ面に、前記の各種部品及びプリント基板61の厚みの約2倍ほどの深さのキャビティ721が形成されている構造のものである。上金型72にはキャビティ721に通じるゲート722及びゲート722へ通じるランナー723も形成されている。
【0022】
このような構造の下金型71の前記キャビティ711の突起台座712に、図9に示したように、前記の各種部品が実装されているプリント基板61部分を載置し、その上から上金型721を被せてクランプした後、ランナー723及びゲート722を通じて溶融された熱硬化性樹脂Rをキャビティに注入し、その後、モールド金型70などが冷却した後、そのモールド金型70から被モールド物体を取り出すと、図5に示したモールド金型40を用いてモールドした場合に通常生じる反りとは逆方向にプリント基板61が台形状に反った半導体装置1Cを得ている。
【0023】
そしてこのようにプリント基板61が台形状に反った半導体装置1Cのパッケージ65の熱硬化性樹脂Rが硬化収縮することによりプリント基板61が反っても、プリント基板61が予め逆に反り返った形状となっていることから、前記の硬化収縮による反りによってプリント基板61がほぼ平坦になるとされている。
【0024】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図に示した構造から明らかなように、従来技術の半導体装置1Cは、
1.各種部品(62、63、64)がプリント基板61の上に実装されていること
2.各種部品が実装された部分のプリント基板61のみが反るというよりも台形に変形された構造で成形されていること
3.各種部品の上方を覆うパッケージ65の厚みが各種部品の高さの2倍に近い厚みであること
4.各種部品の上方を覆うパッケージ65が断面台形の構造でモールドされていること
などから、従来の熱硬化性樹脂Rの硬化収縮による前記プリント基板61部分の反りを、この公開された発明の技術による反り返し構造で平坦化することは非常に難しい。
【0025】
従って、本発明はこのような課題を解決しようとするものであって、熱硬化性樹脂でモールドされたパッケージが形成される薄型半導体装置であっても、反り返ろうとする薄型半導体装置を確実に平坦化してモールドできる薄型半導体装置のモールド方法及びそのモールド金型を得ることを目的とするものである。
【0026】
【課題を解決するための手段】
それ故、本発明の薄型半導体装置のモールド方法では、 半導体素子と半導体素子を実装しようとする配線基板とがほぼ同一平面を形成するように前記配線基板の厚さ方向に貫通する空洞部内に前記半導体素子が配設され、半導体素子の電極と前記配線基板の配線回路接続手段を介して接続された配線基板の一面に樹脂製パッケージが前記半導体素子の一方の面及び前記接続手段を覆うように形成され、しかも前記配線基板の前記樹脂製パッケージが形成された面とは反対側の面に前記配線基板の厚さ方向に貫通するバイヤホールに接続された状態で半田ボールを形成し、該半田ボールによってマザー基板の電極端子との接続を達成するようにした薄型半導体装置のモジュール方法であって、
前記半導体素子と前記配線基板とを前記半導体素子の一方の面及び前記接続手段を覆うように熱硬化性樹脂でモールドしてパッケージを形成する場合に、前記熱硬化性樹脂でモールドされる面とは反対側の面を仮固定テープで金型に固定した状態でモールドし、該モールドした熱硬化性樹脂を硬化させた時に硬化収縮によって生じる前記パッケージの反りを見込んで、前記半導体素子と前記配線基板とを前記反りと同等の逆反りで反り返した状態で樹脂モールドする方法を採って、前記課題を解決している。
【0027】
また、本発明の薄型半導体装置用モールド金型では、下金型と上金型との間に、半導体素子と該半導体素子を実装しようとする配線基板とがほぼ同一面を形成するように前記配線基板の厚さ方向に貫通する空洞内に前記半導体素子が配設され、該半導体素子の電極と前記配線基板の配線回路接続手段を介して接続された配線基板の一面に樹脂製パッケージを前記半導体素子の一方の面及び前記接続手段を覆うように形成し、しかも前記配線基板の前記樹脂製パッケージが形成される面とは反対側の面に前記配線基板の厚さ方向に貫通するバイヤホールに接続された状態で半田ボールを形成し、該半田ボールによってマザー基板の電極端子との接続を達成するための薄型半導体装置の前記樹脂製パッケージ成形用モールド金型であって、
前記下金型のキャビティ面が所定の曲率で凸型湾曲面に形成されており、
前記上金型のキャビティ面が前記所定の深さで前記凸型湾曲面の全面に対向し、そして前記凸型湾曲面の曲率と同一の曲率で凹型湾曲面に形成され、
前記下金型の凸型湾曲面に前記配線基板及び前記半導体素子の前記熱硬化性樹脂でモールドされる面とは反対側の面が仮固定テープで固定されるようになっている構造を採って前記課題を解決している。
【0028】
このモールド金型の場合の前記凸型湾曲面及び凹型湾曲面の曲率は、前記半導体素子と前記配線基板とを樹脂でモールドしてパッケージを形成する場合に、そのモールドした樹脂を硬化させた時に硬化収縮によって生じる前記パッケージの反りと同等の逆反りでモールドできる曲率であることが望ましい。
【0029】
従って、本発明の薄型半導体装置のモールド方法によれば、少なくとも半導体素子がモールドされているパッケージを均一な厚さでモールドでき、そのモールド後、常温に戻ったときに、パッケージの反りを容易に逆に反り返すことができ、そのパッケージを、そしてその中にモールドされている半導体素子をほぼ平坦に維持させることができる。
【0030】
また、本発明の薄型半導体装置用モールド金型によれば、少なくとも半導体素子部分を覆うパッケージを薄い均一な厚さでモールドすることができ、しかも、そのモールド後、常温に戻ったときに、そのパッケージの反りを容易に逆に反り返えすことができる曲率でモールドすることができる。
【0031】
【発明の実施の形態】
以下、図1乃至図3を用いて、本発明の一実施形態の薄型半導体装置のモールド方法及びそのモールド金型を説明する。
【0032】
図1は本発明の一実施形態の薄型半導体装置用モールド金型の構造を示した一部断面図、図2は図1に示したモールド金型を用いて薄型半導体装置をモールドしている状態を示したそのモールド金型と薄型半導体装置との一部断面図、そして図3は図1のモールド金型を用いてモールドされた薄型半導体装置をマザー基板に実装する状態を示す薄型半導体装置とマザー基板との断面図である。
【0033】
先ず初めに、図1を用いて本発明の一実施形態の薄型半導体装置用モールド金型の構造及び構成を説明する。
【0034】
符号80は本発明の一実施形態の薄型半導体装置用モールド金型を指す。このモールド金型80は下金型81と上金型82とから構成されている。
【0035】
下金型81は、そのキャビティ811が所定の曲率で凸型湾曲面812に形成されており、上金型82は、そのキャビティ821が所定の深さで前記凸型湾曲面811の全面に対向し、そしてその凸型湾曲面811の曲率と同一の曲率で凹型湾曲面822に形成された構造のものである。また、上金型82にはキャビティ821に通じるゲート823とこのゲート823に通じるランナー824も形成されている。
【0036】
この下金型81の凸型湾曲面812及び凹型湾曲面822の曲率は、モールドしようとする半導体素子Sと配線基板10とを樹脂Rでモールドしてパッケージ30を形成する場合に、そのモールドした樹脂Rを硬化させた時に硬化収縮によって生じるパッケージ30の反りと同等の逆反りでモールドできる曲率とする。
【0037】
本発明の薄型半導体装置のモールド方法はこのようなモールド金型80を用いて行う。即ち、図2に示したように、モールド金型80の下金型81の凸型湾曲面812に、図4Bに示した半導体素子Sとその半導体素子Sを実装しようとする配線基板10とがほぼ同一面を形成するように配設され、仮固定テープ20で固定され、ワイヤーボンドされたそれら半導体素子Sと配線基板10とを載置し、その上から上金型82を、その凹型湾曲面822が凸型湾曲面812に一致して対向するように載せ、両金型をクランプする。
【0038】
次に、図2に示したように、下金型81と上金型82とをクランプした後、ランナー824からゲート823を通じてキャビティ内に熱硬化性の溶融樹脂Rを注入する。その溶融樹脂Rが配線基板10、半導体素子Sの一面及びワイヤーWを覆う。
【0039】
その溶融樹脂Rを硬化させると、樹脂製パッケージ30Aは少なくともワイヤーボンドされている範囲内のモールド部分がそのワイヤーWの膨らみ部分を覆う薄い厚さで均一に成形され、極めて薄いパッケージ30の半製品の薄型半導体装置が得られる。
【0040】
しかもそのパッケージ30Aは、前記凸型湾曲面812及び前記凹型湾曲面822が前記熱硬化性樹脂を硬化させた時に硬化収縮によって通常生じるパッケージ30の反りを予め見込んで、モールドされたパッケージ30(或いは、半導体素子Sと配線基板10)を前記反りと同等の逆反りで反り返した状態でモールドされていることから、クランプが解かれた下金型81と上金型82とから取り出した前記逆反り状態の半製品の薄型半導体装置は、そのパッケージ30の温度が常温に戻った後は、ほぼ平坦になる。
【0041】
その後、図4Dの仮固定テープ剥離工程、図4Eの半田ボール形成工程、図Fのシングレーション工程などの加工工程を経て、図3に示したように、目的とする良好な平坦性のある薄型半導体装置1Aを得ることができる。
【0042】
従って、図3に示したように、この薄型半導体装置1Aを電子機器側のマザー基板50へ実装する時に、接続不良の少ない安定した実装が可能となる。
【0043】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、パッケージが極めて薄い厚さであるにも係わら、そして反りのない平坦な薄型半導体装置を得ることができる。
【0044】
従って、生産工程においては良好なハンドリングができ、高い生産性を維持することができる。また、この薄型半導体装置は平坦であることから電子機器側のマザー基板へ高い信頼性をもって実装することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の一実施形態の薄型半導体装置用モールド金型の構造を示した一部断面図である。
【図2】 図1に示したモールド金型を用いて薄型半導体装置をモールドしている状態を示したそのモールド金型と薄型半導体装置との一部断面図である。
【図3】 図1のモールド金型を用いてモールドされた薄型半導体装置をマザー基板に実装する状態を示す薄型半導体装置とマザー基板との断面図である。
【図4】 従来技術の薄型半導体装置の製造方法を説明するための主製造工程図である。
【図5】 従来技術の薄型半導体装置の樹脂パッケージに用いるモールド金型の一部断面図である。
【図6】 図5に示したモールド金型を用いてモールドしている状態を示す一部断面図である。
【図7】 従来技術の薄型半導体装置をマザー基板に実装する状態を示した断面図である。
【図8】 従来技術の他のモールド金型の構造を示した断面図である。
【図9】 図8に示したモールド金型を用いてプリント基板に実装されている各種部品をモールドする状態を示した断面図である。
【図10】 図8に示したモールド金型でモールドされた従来技術の薄型半導体装置の断面図である。
【符号の説明】
10…配線基板、11…空洞部、12…回路配線、13…バイアホール、14…半田ボール、20…仮固定テープ、50…マザー基板、80…本発明のモールド金型、81…下金型、811…キャビティ、812…凸型湾曲面、82…上金型、821…キャビティ、822…凹型湾曲面、823…ゲート、824…ランナー、S…半導体素子、W…ワイヤー、R…(溶融)樹脂

Claims (3)

  1. 半導体素子と該半導体素子を実装しようとする配線基板とがほぼ同一平面を形成するように前記配線基板の厚さ方向に貫通する空洞部内に前記半導体素子が配設され、該半導体素子の電極と前記配線基板の配線回路接続手段を介して接続された配線基板の一面に樹脂製パッケージが前記半導体素子の一方の面及び前記接続手段を覆うように形成され、しかも前記配線基板の前記樹脂製パッケージが形成された面とは反対側の面に前記配線基板の厚さ方向に貫通するバイヤホールに接続された状態で半田ボールを形成し、該半田ボールによってマザー基板の電極端子との接続を達成するようにした薄型半導体装置のモジュール方法であって、
    前記半導体素子と前記配線基板とを前記半導体素子の一方の面及び前記接続手段を覆うように熱硬化性樹脂でモールドしてパッケージを形成する場合に、前記熱硬化性樹脂でモールドされる面とは反対側の面を仮固定テープで金型に固定した状態でモールドし、該モールドした熱硬化性樹脂を硬化させた時に硬化収縮によって生じる前記パッケージの反りを見込んで、前記半導体素子と前記配線基板とを前記反りと同等の逆反りで反り返した状態で樹脂モールドすることを特徴とする薄型半導体装置のモールド方法。
  2. 下金型と上金型との間に、半導体素子と該半導体素子を実装しようとする配線基板とがほぼ同一面を形成するように前記配線基板の厚さ方向に貫通する空洞内に前記半導体素子が配設され、該半導体素子の電極と前記配線基板の配線回路接続手段を介して接続された配線基板の一面に樹脂製パッケージを前記半導体素子の一方の面及び前記接続手段を覆うように形成し、しかも前記配線基板の前記樹脂製パッケージが形成される面とは反対側の面に前記配線基板の厚さ方向に貫通するバイヤホールに接続された状態で半田ボールを形成し、該半田ボールによってマザー基板の電極端子との接続を達成するための薄型半導体装置の前記樹脂製パッケージ成形用モールド金型であって、
    前記下金型のキャビティ面が所定の曲率で凸型湾曲面に形成されており、
    前記上金型のキャビティ面が前記所定の深さで前記凸型湾曲面の全面に対向し、そして前記凸型湾曲面の曲率と同一の曲率で凹型湾曲面に形成され、
    前記下金型の凸型湾曲面に前記配線基板及び前記半導体素子の前記熱硬化性樹脂でモールドされる面とは反対側の面が仮固定テープで固定されるようになっていることを特徴とする薄型半導体装置用モールド金型。
  3. 前記凸型湾曲面及び凹型湾曲面の曲率は、前記半導体素子と前記配線基板とを熱硬化性樹脂でモールドしてパッケージを形成する場合に、該モールドした熱硬化性樹脂を硬化させた時に硬化収縮によって生じる前記パッケージの反りと同等の逆反りでモールドできる曲率であることを特徴とする請求項2に記載の薄型半導体装置用モールド金型。
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