JP4769837B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体製造技術に関し、特に、チップ部品と半導体チップが搭載されたモジュール製品の製造方法に適用して有効な技術に関する。
チップコンデンサやチップ抵抗などの表面実装形のチップ部品と、ベアチップ実装用の半導体チップとが搭載されたモジュール製品(半導体装置)の一例として、リチウム電池監視用モジュールと呼ばれるものが開発されており、チップ部品と半導体チップは半田接続によってモジュール基板に搭載され、両者とも、絶縁性の高弾性樹脂によって覆われて保護されている。
なお、チップ部品(表面実装部品)と半導体チップとが搭載され、かつ両者が樹脂によって覆われた構造については、例えば、特開2000−223623号公報(特許文献1)および特開平11−238962号公報(特許文献2)にその記載がある。
まず、特開2000−223623号公報には、ワイヤボンディングされた半導体チップとそのワイヤとを覆う第1の樹脂の弾性率を、その外側を覆う第2の樹脂の弾性率より大きくすることにより、第1の樹脂を第2の樹脂より硬くする技術が記載されている。
また、特開平11−238962号公報には、半導体素子が基板に対して半田バンプを介して半田接続されるとともに他の表面実装部品も基板に対して半田接続され、さらに半
導体素子や他の表面実装部品がシリコーンゲルによって覆われる技術が記載されている。
特開2000−223623号公報 特開平11−238962号公報
ところが、前記したチップ部品(表面実装部品)と半導体チップとが搭載され、かつ両者が樹脂によって覆われた構造の半導体装置に関し、本発明者は以下の問題点を見出した。
すなわち、前記半導体装置(モジュール製品など)は、2次実装リフローによってプリント配線基板などの実装基板に半田付けされるものであり、その際、モジュール内の半田付け部品(表面実装部品)において半田再溶融が起こり、これにより、短絡などの不具合が発生する。
この現象は、半田が再溶融すると、その溶融膨張圧力が、部品とレジン(樹脂)の界面、またはレジンとモジュール基板の界面を剥離させ、そこに半田がフラッシュ状に流れ込み、表面実装部品の両端の端子が繋がって短絡に至るものである。
なお、前記短絡の対策手段としては、2次実装リフローにおいて内部半田が溶融しない構造とするか、もしくは溶融しても半田の溶融膨張圧力を緩和して前記部品とレジンの界面やレジンとモジュール基板の界面での剥離を引き起こさない構造とするなどが考えられる。
そこで、前者の対策として、内部半田に高融点半田を用いることが考えられるが、この場合、表面実装部品の端子に予めSn−Pb半田が形成されており、さらに、ワイヤボンディングが行われるモジュールではモジュール基板の端子には金めっきが施されており、したがって、Snや金などの不純物が内部半田に混ざることにより、高融点半田を用いてもモジュールの2次実装リフロー時の融点が降下して内部半田が溶融し、その結果、高融点半田の使用は効果的でないことが分かった。
一方、後者の対策として、硬度(弾性率)が低いゲル状のレジンなどを用いて、溶融された内部半田の溶融膨張圧力を緩和することが考えられるが、モジュール内部に対しての保護力(機械的強度)が小さいことが問題となる。
その際、ケースやキャップで覆って保護を行うことも可能であるが、これは、コストアップに繋がることが問題である。
また、モジュールの2次実装リフロー時に、低融点半田を使用することも考えられるが、低融点半田は、その寿命が短いため、温度サイクル試験での信頼性が低いことが問題となる。
なお、前記特開2000−223623号公報(特許文献1)には、ワイヤボンディングされた表面実装部品(半導体チップ)を、弾性率の低い樹脂で覆う技術についての記載はなく、また、モジュールの2次実装リフロー時の内部半田の溶融膨張圧力による短絡を問題として取り上げた記載もない。
また、前記特開平11−238962号公報(特許文献2)には、半田接続された半導体素子や他の表面実装部品を弾性率の低いゲル状の樹脂によって覆う構造は記載されているものの、前記ゲル状の樹脂の弾性率の具体的許容範囲の記載はなく、かつ、モジュールの2次実装リフロー時の内部半田の溶融膨張圧力による短絡を問題として取り上げた記載はない。さらに、ゲル状の樹脂の外側をケースで覆う構造が記載されており、ケースを用いるとコストアップに繋がることが問題となる。
本発明の目的は、半導体装置内の半田再溶融流れ出しによる短絡を防止することができる技術を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、コスト低減化を図ることができる技術を提供することにある。
さらに、本発明の他の目的は、Pbフリーへの対応を可能にすることができる技術を提供することにある。
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、以下のとおりである。
すなわち、本発明は、複数の装置領域が区画ラインによって区画形成された多数個取り基板を準備する工程と、前記装置領域に半田接続によって表面実装部品を搭載する工程と、前記半田接続によって形成された複数の前記装置領域の半田接続部と前記表面実装部品とを、絶縁性の弾性樹脂によって一括で覆って樹脂封止して前記多数個取り基板上に一括封止部を形成する工程と、前記一括封止部の表面に、前記多数個取り基板の前記区画ラインに対応したその反対側の分割ラインに沿って切り込み部を形成する工程と、前記多数個取り基板を前記分割ラインに沿って分割するとともに、前記一括封止部を前記切り込み部で分割して個片化する工程とを有するものである。
本発明によれば、2次実装リフローで半導体装置を実装する際に、内部の半田接続部が再溶融しても、その溶融膨張による圧力を弾性樹脂によって緩和することができ、その結果、表面実装部品とレジン(樹脂)との界面もしくはレジンとモジュール基板との界面が剥離するのを防ぐことができる。
これにより、半田の界面への流れ出しを防ぐことができ、表面実装部品における端子間のショート(短絡)の発生を防ぐことができる。
また、本発明は、複数の装置領域が区画ラインによって区画形成された多数個取り基板を準備する工程と、前記装置領域に半田接続によって表面実装部品を搭載する工程と、前記半田接続によって形成された複数の前記装置領域の半田接続部と前記表面実装部品とを、絶縁性の弾性樹脂によって一括で覆って樹脂封止して前記多数個取り基板上に一括封止部を形成する工程と、前記一括封止部の表面に、レーザによって各装置領域ごとに認識マークを付す工程と、前記多数個取り基板を前記区画ラインに対応したその反対側の分割ラインに沿って分割して個片化する工程とを有するものである。
また、本発明は、複数の装置領域が区画ラインによって区画形成された多数個取り基板を準備する工程と、前記装置領域に半田接続によって表面実装部品を搭載する工程と、前記半田接続によって形成された複数の前記装置領域の半田接続部と前記表面実装部品とを、絶縁性の弾性樹脂によって一括で覆うようにスキージを用いて印刷して前記多数個取り基板上に一括封止部を形成する工程と、前記多数個取り基板を前記区画ラインに対応したその反対側の分割ラインに沿って分割して個片化する工程とを有するものである。
また、本発明は、複数の長方形の装置領域が区画ラインによって区画形成された多数個取り基板を準備する工程と、前記装置領域に半田接続によって表面実装部品であるチップ部品および半導体チップを搭載する工程と、前記半導体チップの表面電極と前記多数個取り基板の前記装置領域の基板側端子とを前記装置領域の長手方向と平行な方向に金線のワイヤループを形成してワイヤボンディングする工程と、前記半田接続によって形成された複数の前記装置領域の半田接続部と前記表面実装部品とを、絶縁性の弾性樹脂によって一括で覆って樹脂封止して前記多数個取り基板上に一括封止部を形成する工程と、前記多数個取り基板を前記装置領域の長手方向に沿い、かつ前記区画ラインに対応したその反対側の分割ラインで1次分割し、前記1次分割後、前記1次分割によって形成された1列個片群をその幅方向に平行な前記分割ラインに沿って2次分割して個片化する工程とを有するものである。
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、以下のとおりである。
(1).半田実装される表面実装部品とその半田接続部とが、150℃以上の温度で200MPa以下の弾性率の低弾性樹脂によって覆われることにより、2次実装リフローで半導体装置を実装する際に、内部の半田接続部が再溶融しても、その溶融膨張による圧力を低弾性樹脂によって緩和することができる。その結果、表面実装部品とレジン(樹脂)との界面への半田の流れ出しを防ぐことができ、表面実装部品における端子間のショート(短絡)の発生を防ぐことができる。
(2).半田の界面への流れ出しを防ぐことができるため、2次実装リフローに対応にさせることができ、かつ、低弾性樹脂が、25℃の温度で1MPa以上の弾性率を備えている場合には、機械的保護力を十分に確保することができる。したがって、ケースやキャップなどで覆う必要がなくなるため、コスト低減化を図ることができる。
(3).低弾性樹脂としてシリコーン樹脂を用いることにより、多数個取り基板の状態でレジン印刷塗布や印刷後の機械的分割を行うことができるため、廉価な方法で封止や個片化を行うことができ、したがって、半導体装置の製造においてコスト低減化を図ることができる。
(4).半田の再溶融による界面への流れ出しの発生を防止できるため、表面実装部品の電極仕様と適用半田の組み合わせによって生じる内部半田の融点降下を考慮する必要がなくなり、表面実装部品の電極仕様を半田めっきとしてもよく、また、Snめっきとしてもよく、どちらでも採用することができる。これにより、部品メーカでのPbフリー化の進行状況に応じたフレキシブルな対応が可能になる。
以下の実施の形態では特に必要なとき以外は同一または同様な部分の説明を原則として繰り返さない。
また、以下の実施の形態において、要素の数等(個数、数値、量、範囲等を含む)に言及する場合、特に明示した場合及び原理的に明らかに特定の数に限定される場合などを除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でも良いものとする。
さらに、以下の実施の形態において、その構成要素(要素ステップなどを含む)は、特に明示した場合及び原理的に明らかに必須であると考えられる場合などを除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。
同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合及び原理的に明らかにそうでないと考えられる場合などを除き、実質的にその形状などに近似または類似するものなどを含むものとする。このことは前記数値及び範囲についても同様である。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
(実施の形態)
図1は本発明の実施の形態の半導体装置の一例であるLiイオン電池監視用モジュールの構造を示す図であり、(a)は斜視図、(b)は底面図、図2は図1に示すLiイオン電池監視用モジュールに搭載される各表面実装部品の配置を示す図であり、(a)は平面配置図、(b)は(a)のA−A断面を示す断面図、図3は図2に示す表面実装部品におけるチップコンデンサの半田接続構造の一例を示す図であり(a)は断面図、(b)は(a)のB部を示す拡大部分断面図、図4は図1に示すLiイオン電池監視用モジュールの回路の一例を示す回路図、図5は図1に示すLiイオン電池監視用モジュールの封止部に用いられる低弾性樹脂の温度特性の一例を示す特性図、図6は図1に示すLiイオン電池監視用モジュールにおける各表面実装部品の融点の一例を示す融点データ図、図7は図1に示すLiイオン電池監視用モジュールの組み立てに用いられる多数個取り基板の一例である多層セラミック基板の構造を示す斜視図、図8は図1に示すLiイオン電池監視用モジュールの組み立てにおけるレジン印刷方法の一例を示す斜視図、図9は図1に示すLiイオン電池監視用モジュールの組み立てにおける基板分割方法の一例を示す図であり、(a)は分割前の基板の平面図と底面図、(b)は1列分割(1次分割)時の平面図、(c)は2次分割(個片化)時の平面図、図10は図1に示すLiイオン電池監視用モジュールの実装基板への実装状態の一例を示す斜視図、図11は図1に示すLiイオン電池監視用モジュールの組み立てにおける基板分割時のシリコーン樹脂残りの一例を示す拡大部分断面図、図12は図1に示すLiイオン電池監視用モジュールの組み立てにおけるシリコーン樹脂の切り込み部の構造の一例を示す図であり、(a)は基板−樹脂斜視図、(b)は切り込み部の斜視図、(c)はレーザによる溝部の斜視図、図13は図1に示すLiイオン電池監視用モジュールの組み立てにおけるマーキング方法の一例を示す斜視図、図14は図1に示すLiイオン電池監視用モジュールの組み立てにおける基板分割方法の一例を示す図であり、(a)は1列分割(1次分割)時の平面図、(b)は(a)の部分拡大平面図、(c)は2次分割時の平面図、図15は図1に示すLiイオン電池監視用モジュールの組み立て方法および2次実装工程の実装手順の一例を示すプロセスフロー図であり、(a)は組み立てフロー図、(b)は実装フロー図、図16は図1に示すLiイオン電池監視用モジュールに対する比較例のモジュールにおける半田流れの原理を示す流れ出し説明図、図17は図16に示す比較例のモジュールの半田流れの一例を示す斜視図である。
図1に示す本実施の形態の半導体装置は、Li(リチウム)イオン電池監視用モジュール1と呼ばれるモジュール製品であり、モジュール基板4に表面実装部品が半田実装されるとともに、前記表面実装部品が封止用樹脂によって覆われる構造を有し、主に、携帯用電話機などの小形の携帯用電子機器などに組み込まれるものである。
なお、Liイオン電池監視用モジュール1の機能は、例えば、携帯用電話機において短絡や充電のし過ぎなどによる異常発生時に、直前で回路をオフし、電池セルにおける電気的傷害を防止するものである。
前記Liイオン電池監視用モジュール1の構成は、図2に示すように、主面2dに複数のパッド(表面電極)2cが形成された表面実装部品である半導体チップ2と、両端に接続端子3dが形成された表面実装部品であるチップ部品3と、半導体チップ2とチップ部品3とが搭載される配線基板であるモジュール基板4と、チップ部品3とモジュール基板4の基板側端子4aとを半田によって接続する半田接続部5と、半導体チップ2のパッド2cとこれに対応するモジュール基板4の基板側端子4aとを接続するボンディングワイヤである金線8と、半導体チップ2、チップ部品3、半田接続部5および金線8を覆うとともに絶縁性のシリコーン樹脂や低弾性エポキシ樹脂などの図8に示す低弾性樹脂(弾性樹脂)6によって形成された図1に示す封止部7とから成る。
すなわち、モジュール基板4上に半田接続されるチップ部品3を低弾性樹脂6によって覆うことにより、2次リフロー(出荷先における実装基板へのリフロー)時に発生する半田接続部5の半田再溶融膨張圧9(図16の比較例参照)を緩和して、チップ部品3と封止部7の界面や、封止部7とモジュール基板4の界面が剥離するのを防いで半田の前記界面への流れ出し10を防ぐことが可能なものである。
なお、低弾性樹脂6は、内部部品を保護可能な保護力(機械的強度)と、図16に示す半田再溶融膨張圧9を緩和可能な柔軟性とを兼ね備えた低弾性かつ絶縁性の樹脂であり、図5に示す弾性率特性を有したシリコーン樹脂(シリコーンゴム)Aや低弾性エポキシ樹脂B, C,Dが好ましく、従来の高弾性エポキシ樹脂Tは不適合である。
そこで、本実施の形態の低弾性樹脂6(図5に示す樹脂A,B,C,D)の弾性率の許容範囲は、高温時すなわち2次リフローの温度(一般的には、約230℃)や温度サイクルテスト(例えば、−40〜+125℃)の高温印加時の条件を考慮して、150℃以上の温度において200MPa以下の弾性率であることが好ましい。
これは、図5によって、150℃以上の高温時、内部の半田接続部5の半田が溶融した際の半田再溶融膨張圧9を緩和可能な弾性率を導き出したものであり、図5中、樹脂A,B,C,Dは範囲内であるが、樹脂Tは、範囲外で不適合となる。
さらに、低弾性樹脂6は、150℃以上の温度において1MPa以上の弾性率を有していることが好ましく、図5に示すように樹脂A,B,C,Dは範囲内である。
これは、封止部7の内部の表面実装部品を保護するテストを行った結果、少なくとも1MPa以上の弾性率を有していれば、保護可能という結果を考慮してのものである。
また、実使用時(常温25℃)の温度としても、前記同様、少なくとも1MPa以上の弾性率を有していることが条件となり、図5に示すように樹脂A,B,C,Dは範囲内である。
さらに、実使用時(常温25℃)の温度で、表面実装部品の保護効果を高めるために、200MPa以上の弾性率を有していることが一層好ましく、図5に示すように樹脂B,C,Dは範囲内であるが、樹脂Aは、範囲外である。
ただし、樹脂Aも、1MPa以上の弾性率は有しているため、特に問題はない。
なお、図5において、各樹脂の半田流れ出し発生率とは、260℃でリフローを行った際の、チップ部品3の電気的ショートテストを実施した際の不良数とその%とを示したものであり、分母はテスト数を表し、一方、分子は不良数を表している。
これによれば、樹脂A,B,C,Dでは、不良発生率が0〜2%と極めて低いのに対して、不適合となった樹脂Tは、70%と非常に不良発生率が高い。
また、温度サイクルによる信頼性テストでは、樹脂A,B,C,Dは、特に問題は、発生していない。
以上のことから、低弾性樹脂6として、例えば、シリコーン樹脂(樹脂A)を採用する場合、モジュールリフロー温度マージンおよび機械的強度(保護力)を総合的に考慮すると、その弾性率は、2〜4MPaが最も良好な範囲である。
言い換えると、例えば、シリコーン樹脂(樹脂A)を採用する場合、モジュールリフロー温度マージンおよび機械的強度(保護力)を総合的に考慮すると、そのゴム硬度は、ショアー硬度A70〜80が最も良好な範囲である。
なお、図5において、領域P(斜線部)は、図7に示す多数個取り基板である多層セラミック基板11を分割して個片化する際の低弾性樹脂6の分割性における最適領域を示すものであり、さらに、領域Q(斜線部)は、低弾性樹脂6の耐リフロー性の安全領域を示すものである。
また、図5に示す低弾性エポキシ樹脂B,C,Dでは、それぞれに含まれる例えば、シリカなどの含有量が異なっており、これによってそれぞれの特性が少し異なっている。
ここで、本実施の形態のLiイオン電池監視用モジュール1の大きさは、図1(a)に示すように、長さ(L)=8〜12mm、幅(M)=3〜5mm、高さ(N)=1.6mm(MAX)程度の小形のものである。さらに、その裏面には、図1(b)に示すように、7つの外部端子1aが設けられている。
7つの外部端子1aのピン機能は、例えば、端子SがGND、端子UがCPマイナス、端子VがTM、端子WがCPプラス、端子XがVCC、端子YがTES、端子ZがCOMである。
また、モジュール基板4は、例えば、アルミナセラミックによって形成された基板である。
次に、図2を用いて、本実施の形態のLiイオン電池監視用モジュール1に搭載される主な表面実装部品について説明する。
前記Liイオン電池監視用モジュール1には、そのモジュール基板4に、表面実装部品として、図2(a)に示すように、2つの半導体チップ2と6つのチップ部品3が搭載されている。
2つの半導体チップ2のうちの一方は、2チャンネルトランジスタ2aであり、他方は、2チャンネルトランジスタ2aをコントロールするための監視機能用のコントローラ2bである。
両者とも、図2(b)に示すように、半田を用いた半田接続部5でモジュール基板4の基板側端子4aに固定されている。すなわち、2つの半導体チップ2は、両者ともダイボンド材として半田を用いて基板側端子4aに半田接続されている。
さらに、両チップとも、金線8によってモジュール基板4の基板側端子4aと接続されているが、2チャンネルトランジスタ2aには、例えば、直径50μmの金線8が用いられ、一方、コントローラ2bには、例えば、直径27μmの金線8が用いられている。
また、6つのチップ部品3のうち、3つがチップ抵抗3b、2つがセラミックチップコンデンサ3a、1つがチップサーミスタ3cであり、それぞれ両端に接続端子3dを有しており、それぞれの接続端子3dが、モジュール基板4の基板側端子4aと半田接続部5で半田接続されている。
なお、半導体チップ2が金線8を用いてワイヤボンディングされるため、各基板側端子4aの表面には、図3(a),(b)に示すように、金めっき層4bが形成されており、したがって、各チップ部品3も、表面に金めっき層4bが形成された基板側端子4aと半田接続される。
図3(b)に示すように、チップ部品3の接続端子3dは、下層から順番に、例えば、Ag/Pd電極3eとNi下地めっき層3fと半田めっき層3gとからなり、また、基板側端子4aは、下層から順番に、Cu銅体4cとNi下地めっき層4dと金めっき層4bとからなり、さらに、基板側端子4aの半田接続部5形成箇所以外の領域は、絶縁膜(ソルダレジスト膜)であるオーバーコートガラス4eによって覆われて絶縁されている。
したがって、モジュール基板4では、全ての基板側端子4aの表面に金めっき層4bが形成されており、チップ部品3は、その接続端子3dにおいて金めっき層4bと半田接続されるとともに、半導体チップ2は、そのパッド2cが金線8と接続され、さらに金線8が基板側端子4aの表面の金めっき層4bと接続されている。
その際、図2(b)に示す金線8のワイヤループ8aが、図2(a)に示すように、長方形のモジュール基板4の長手方向とほぼ平行な方向に形成されるようにボンディングされている。
すなわち、モジュール基板4では、金線8が、長方形のモジュール基板4の長手方向とほぼ平行な方向にワイヤリングされるような基板側端子4aの配列となっている。
なお、モジュール基板4に搭載された8つの表面実装部品における各半田接続部5の半田と単独の半田の融点を示したものが図6であり、これによれば、チップ部品3(セラミックチップコンデンサ3a、チップ抵抗3b、チップサーミスタ3c)の融点が低くなっていることがわかる。
次に、図4に示すLiイオン電池監視用モジュール1の回路の動作について説明する。
図1に示すLiイオン電池監視用モジュール1では、そのGND端子が電池セルのマイナス端子と繋がっており、携帯用電話機のマイナス端子に繋がるVP−端子とは2チャンネルトランジスタ2aを介して同一配線となっている。
したがって、この配線は、電池セルと携帯用電話機を結ぶ陰極配線である。
なお、2チャンネルトランジスタ2aは、異常発生時に、回路オフする素子であり、また、コントローラ2bは、2チャンネルトランジスタ2aをコントロールするために各配線の電位を監視している素子である。
以下、図4に示す回路の具体的動作を説明すると、通常、携帯用電話機の使用時は、コントローラ2b(監視機能IC)のCHG端子およびDCH端子は、2チャンネルトランジスタ2aをオンする電位となっており、電池セルから携帯用電話機に電流が供給される(電流は、VP−からGND側に流れる)。
そして、携帯用電話機にて短絡や大きな電流が流れるなどの異常が発生した際には、2チャンネルトランジスタ2aの微抵抗分の電圧降下のためにコントローラ2bのIDT端子とGND端子に僅かな電位差が生じ、これを検知してDCH端子の電位は2チャンネルトランジスタ2aの一方のチャンネルをオフさせる電位となる。
これにより、電池セルからの電流供給が停止し、事故を未然に防ぐことができる。
また、充電時も、2チャンネルトランジスタ2aは、2チャンネルともオン状態となっており、携帯用電話機側から電池セルに電流が供給される(電流はGNDからVP−側に流れる)。
なお、充電時間の超過など充電しすぎた場合には、コントローラ2bのVCC端子は、電池セルのプラス端子に繋がっているため、GNDとの電位差がある一定のレベルを越えると、これを検知してCHG端子の電位は2チャンネルトランジスタ2aの一方のチャンネルをオフさせる電位となる。
これによって、充電器から携帯用電話機を介して電池セルへの電流供給が停止し、事故を未然に防げる。
次に、本実施の形態の半導体装置(Liイオン電池監視用モジュール1)の製造方法を、図15(a)に示すモジュール組み立て手順に沿って説明する。
まず、ステップS1に示すように、複数(例えば、120個程度)の装置領域であるモジュール領域11aが区画ライン11bによって区画形成された多数個取り基板である多層セラミック基板11を準備する。
なお、多層セラミック基板11は、図7に示すように、モジュール領域11aが120個形成されている場合、その大きさは、一例として、(P)80mm×(Q)80mm程度で、厚さは、0.5mm程度である。ただし、多数個取り基板としては、多層セラミック基板11以外のガラスエポキシ基板などを用いてもよい。
また、各モジュール領域11aには、図4に示す回路がパターン形成されているととも
に、各基板側端子4aの表面には、図3(b)に示す金めっき層4bが形成されている。
続いて、ステップS2に示す半田ペースト印刷を行い、その後、各モジュール領域11aに半田接続によって複数の表面実装部品を搭載する(ステップS3)。
すなわち、各基板側端子4aに半田ペーストを印刷した後、セラミックチップコンデンサ3a、チップサーミスタ3c、チップ抵抗3bおよび半導体チップ2などの表面実装部品を所定の基板側端子4a上に配置し、その後、ステップS4に示すように、リフローを行って、これにより、各表面実装部品を半田接続する。
なお、半田接続部5の半田は、図2(b)に示すように、フィレット形状となる。
その後、ステップS5に示す洗浄を行い、続いて、ステップS6に示すワイヤボンディングを行う。
ここでは、半導体チップ2のパッド2cと、モジュール基板4における表面に金めっき層4bが形成された基板側端子4aとを金線8を用いてワイヤボンディングする。
その際、図2(a)に示すように、長方形のモジュール基板4の長手方向とほぼ平行な方向に金線8のワイヤループ8a(図2(b)参照)を形成する。
その後、ステップS7に示すレジン(樹脂)印刷塗布を行う。
ここでは、半田接続によって形成された複数のモジュール基板4の半田接続部5と、2つの半導体チップ2(2チャンネルトランジスタ2aとコントローラ2b)および6つのチップ部品3(セラミックチップコンデンサ3aとチップ抵抗3bとチップサーミスタ3c)とを、図5に示すシリコーン樹脂または低弾性エポキシ樹脂などの絶縁性の低弾性樹脂6を用いて一括で覆うように、図8に示すようにスキージ12を用いて印刷して多層セラミック基板11上に一括封止部13を形成する。
すなわち、図8に示すように、部品搭載とワイヤボンディングが終了した多層セラミック基板11に対して、メタルマスク14とスキージ12とを使用してシリコーン樹脂または低弾性エポキシ樹脂などの低弾性樹脂6を用い、この低弾性樹脂6によって複数のモジュール領域11aを一括で覆うように印刷方式で塗布して一括封止部13を形成する。
さらに、ステップS8に示すベーク・レジン硬化を行って、レジン塗布済み基板15を形成する。
すなわち、印刷方式によって形成された一括封止部13をベーク処理して硬化させ、レジン塗布済み基板15を形成する。
その後、ステップS9に示す分割を行って多層セラミック基板11を個片化する。
なお、本実施の形態のLiイオン電池監視用モジュール1の製造方法では、多層セラミック基板11には、その表面側(部品搭載側)に形成された図7に示す区画ライン11bに対応してその反対側(裏面側)に、図9(a)および図11に示すように、分割用の小さな溝であるスナップライン(分割ライン)11cが形成されており、このスナップライン11cに沿って多層セラミック基板11を分割(個片化)する。
これにより、機械的力で容易に多層セラミック基板11を分割することができる。
また、分割の際には、まず、図9(a) に示す一括封止部13を形成した多層セラミック基板11を準備し、続いて、図9(b)に示す1列分割(1次分割)を行って1列個片群11dを形成し、その後、図9(c)に示す個片化(2次分割)を行って個々のモジュールに分割する。
分割後、ステップS10に示す電気的特性テストを行って、ステップS11に示すモジュール完成となる。
その結果、図1に示すLiイオン電池監視用モジュール1を組み立てることができる。
次に、図15(b)に示すモジュール2次実装工程について説明する。
図1(b)に示すように、Liイオン電池監視用モジュール1のモジュール基板4の裏面には、図10に示す出荷先での実装基板であるプリント配線基板16に実装可能なように、半田接続用の外部端子1aが形成されている。
そこで、Liイオン電池監視用モジュール1の出荷先では、まず、ステップS21に示すように、PCB基板である実装用のプリント配線基板16を準備し、その後、ステップS22に示すようにプリント配線基板16に半田ペーストを印刷する。
さらに、ステップS23に示すようにLiイオン電池監視用モジュール1をプリント配線基板16上に配置(ステップS23に示すモジュール搭載)した後、ステップS24に示すようにリフローを行う。
すなわち、図10に示すように、半田リフローによって半田接続部5を形成してLiイオン電池監視用モジュール1をプリント配線基板16にリフロー実装する。
その後、ステップS25に示すように、電気的特性テストを行って、ステップS26に示す実装完成となる。
次に、本実施の形態のLiイオン電池監視用モジュール1の製造において、さらに効果を生み出す特徴部分を説明する。
まず、低弾性樹脂6として、例えば、比較的硬度の高い低弾性エポキシ樹脂などを採用した場合、図15(a)のステップS9に示す分割工程において、前記低弾性エポキシ樹脂は、機械的に容易に分割可能である。低弾性樹脂6として、シリコーン樹脂を用いた場合には、図11に示すように、シリコーン樹脂において、分割しきれない箇所であるシリコーン樹脂残り13bが残ってしまう。
これは、シリコーン樹脂の柔らかな特性による現象である。
したがって、シリコーン樹脂残り13bの対策として、多層セラミック基板11の表面側(部品搭載側)に形成された図7に示す区画ライン11bに対応する図9(a)および図11に示すスナップライン11cに沿って、図12(a)に示すような一括封止部13の表面に切り込み部13aを形成することにより、分割時のバリの発生や寸法精度を向上させることができる。
この切り込み部13aは、図12(b)に示すV溝のようなものであり、鋭い刃を備えた切り込み装置で切り込んで切り込み部13aを形成する。
これにより、多層セラミック基板11の分割時には、多層セラミック基板11をそのスナップライン11cに沿って分割するとともに、一括封止部13をその切り込み部13aで分割して個片化する。
したがって、一括封止部13の表面に切り込み部13aを形成することにより、シリコーン樹脂のような柔らかな樹脂の場合の分割作業性を向上できる。
また、図12(b)に示す切り込み部13aの代わりに、例えば、YAGレーザや炭酸ガスレーザなどのレーザを用いて、図12(c)に示すように一括封止部13の表面に溝部13cを形成してもよく、前記同様、分割作業性を向上できる。
この場合、レーザビームの強度の調整を行うことにより、溝部13cの深さを調整することができ、前記分割作業性をさらに向上できる。
また、レーザによって溝部13cを形成する際に、多層セラミック基板11におけるスナップライン11cの位置を光学的手法で正確に測定可能な機構を備えた装置を用いることにより、分割したいライン上すなわちスナップライン11cに対応したライン上に正確に溝部13cを形成することができ、分割作業性を向上できる。
なお、図12(b)に示す切り込み部13aまたは図12(c)に示すレーザによる溝部13cを形成することにより、必ずしも図11に示すように、多層セラミック基板11をその裏面側を開口する方向に機械的分割しなくてもよく、分割装置などの都合により、反対側の一括封止部13の表面側を開口する方向に機械的分割することも可能である。
ただし、その場合、図11に示すスナップライン11cは、多層セラミック基板11の裏面側ではなく、表面側(部品搭載面側)に設けておく必要がある。
また、多層セラミック基板11の分割は、図9に示すような機械的分割ではなく、高速で回転するブレード(砥石の切断刃)でダイシング切断してもよい。
この場合、切断面を寸法精度良く切断加工することができる。
これにより、設計的に、切断端部から配線パターンまでの距離のクリアランスを少なくすることができ、Liイオン電池監視用モジュール1の小形化設計に有効とすることができる。
また、レーザを用いて溝部13cを形成する際に、溝部13cの形成と一緒に、製品(Liイオン電池監視用モジュール1)に設けるべき図13に示す製品番号などの認識マーク17を同一のレーザで各モジュール領域11a(図7参照)ごとに描画することができる。
すなわち、溝部13cの形成と認識マーク17の形成とを一緒に行うことができ、作業の効率化を図ることができる。
なお、低弾性樹脂6が、シリコーン樹脂の場合には、レーザによって付された認識マー
ク17は、鮮明に形成することができ、判読良好な認識マーク17を付すことができる。
これは、シリコーン樹脂の表面が光沢面であるのに対し、レーザによって形成された認識マーク17は、焼かれ、かつ彫られて黒っぽくなり、したがって、明暗によって認識マーク17が鮮明になることによるものである。
また、多層セラミック基板11を機械的に分割する際に、まず、図14(a)に示すように、レジン塗布済み基板15をモジュール領域11a(図7参照)の長手方向に沿ったスナップライン11cで1次分割し、前記1次分割後、前記1次分割によって形成された図14(b)に示す1列個片群11dをその幅方向に平行なスナップライン11cに沿って2次分割して、図14(c)に示すように、個片化する。
なお、ワイヤボンディング時に、図14(b)に示すように、長方形のモジュール領域11aの長手方向とほぼ平行な方向に金線8をワイヤボンディングするように図7に示すモジュール領域11aの電極配置を形成しておく。
これにより、図14(a)に示す1次分割(1列分割)時に、長方形の多層セラミック基板11の長手方向に対してその幅方向に沿って分割するのは個々のモジュール領域11aに強い力が掛かって基板自体が歪むことも考えられるが、金線8のワイヤループ8aの方向、すなわち金線8のワイヤボンディングが、モジュール領域11aの長手方向とほぼ平行な方向に行われることにより、1次分割時に基板自体に歪みが発生しても金線8に影響を無くすことができる。
その結果、良好なLiイオン電池監視用モジュール1の組み立てを行うことができる。
本実施の形態の半導体装置(Liイオン電池監視用モジュール1)およびその製造方法によれば、表面実装部品である半導体チップ2およびチップ部品3とそれぞれの半田接続部5とが、150℃以上の温度で200MPa以下の弾性率の低弾性樹脂6によって覆われることにより、2次実装リフローでLiイオン電池監視用モジュール1を実装する際に、内部の半田接続部5が再溶融しても、その溶融膨張による圧力(図16に示す半田再溶融膨張圧9)を低弾性樹脂6によって緩和することができる。
その結果、前記表面実装部品とレジン(低弾性樹脂6)との界面もしくはレジンとモジュール基板4との界面が剥離するのを防ぐことができる。
これにより、半田の前記界面への流れ出し10(図16参照)を防ぐことができ、これにより、前記表面実装部品における接続端子3d間のショート(短絡)の発生を防ぐことができる。
ここで、図16および図17の比較例に示すように、従来、チップ部品18の半田実装では、図17に示す接続端子18aは、90%Sn/10%Pb半田でめっきされており、半田濡れ性を良好にしてある。
その半田接続部18bは、融点(固相線)が245℃のPb系高温半田を使用しており、2次実装リフローにおいて再溶融し難い材料選択となっている。
しかしながら、モジュール組み立てリフローにおいて、接続端子18aのめっきのSnが半田接続部18bに溶け込み、Pb−Sn共晶相を形成し、このPb系高温半田の融点を降下させている。
その結果、2次実装リフロー時には、図16に示すように、半田接続部18bは再溶融状態となり、さらに、高硬度レジン20が用いられているため、半田接続部18bの半田再溶融膨張圧9がレジン圧力19よりも高くなり、高硬度レジン20とチップ部品18との界面が剥離状態になるとともに、その隙間に、フラッシュ状に半田の流れ出し10が発生して短絡不良となる。
これに対して、本実施の形態のLiイオン電池監視用モジュール1では、半田の界面への流れ出し10を防ぐことができるため、2次実装リフローに対応にさせることができる。
さらに、低弾性樹脂6が、25℃の温度で1MPa以上の弾性率を備えている場合には、機械的保護力(機械的強度)を十分に確保することができる。
したがって、半田の再溶融による界面への流れ出し10を防ぎつつ、かつ封止部7内の保護を十分に行うことができる。
その結果、ケースやキャップなどで覆う必要がなくなるため、コスト低減化を図ることができる。
なお、低弾性樹脂6としてシリコーン樹脂を用いることにより、多層セラミック基板11の状態でレジン印刷塗布や印刷後の機械的分割を行うことができるため、廉価な方法で封止や個片化を行うことができる。
したがって、Liイオン電池監視用モジュール1の製造においてコスト低減化を図ることができる。
また、半田の再溶融による界面への流れ出し10の発生を防止できるため、Liイオン電池監視用モジュール1に半田実装される半導体チップ2やチップ部品3などの表面実装部品の電極仕様と適用半田の組み合わせによって生じる内部半田の融点降下を考慮する必要がなくなり、表面実装部品の電極仕様を半田めっきとしてもよく、また、Snめっきとしてもよく、どちらでも採用することができる。
これにより、Pbフリー化に関し、部品メーカでのPbフリー化の進行状況に応じたフレキシブルな対応が可能になり、したがって、市場ニーズ対応範囲を大幅に広げることができる。
なお、Liイオン電池監視用モジュール1の組み立てに用いられる半田は、必ずしも高温半田である必要はなく、60%Sn/40%Pb(共晶半田)の使用でも問題なく、何らかの理由によりモジュール組み立て時に基板に高温をかけられない場合であってもLiイオン電池監視用モジュール1としての特徴を失うことなく対応することができる。
また、低弾性樹脂6としてシリコーン樹脂を採用する際に、シリコーン樹脂のフィラー含有率を調整することにより、封止部7の熱伝導率を向上させることができ、Liイオン電池監視用モジュール1としての重要な特性の1つである熱抵抗を低減できる。
また、Liイオン電池監視用モジュール1の内部半田は、部品端子めっきの半田への溶融による融点降下ではなく、もともと融点の低い半田、例えば、ビスマス入り半田などのPbフリー対応半田を用いてもよく、Liイオン電池監視用モジュール1を出荷先でリフロー実装する温度よりも低い融点のものでも問題なく適用できる。
また、低弾性樹脂6としてシリコーン樹脂を採用することにより、シリコーン樹脂(シリコーンゴム)は、柔らかいため、モジュール基板4がセラミック基板であっても、あるいはガラス入りエポキシ基板であってもその反りを低減することができ、したがって、モジュール組み立て工程での基板反りに起因する製造装置でのトラブルのポテンシャルを低減できる。
さらに、低弾性樹脂6としてシリコーン樹脂を採用することにより、モジュール基板4がセラミック基板であっても、また、ガラス入りエポキシ基板であってもその反りを低減することができるため、基板材料の選択性を向上できる。
以上、本発明者によってなされた発明を発明の実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記発明の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。
例えば、前記実施の形態では、低弾性樹脂6が、シリコーン樹脂または低弾性エポキシ樹脂の場合を一例として取り上げて説明したが、低弾性樹脂6は、前記実施の形態で説明した弾性率の許容範囲のものであれば、ゲル状のものなどであってもよい。
また、前記実施の形態では、半導体装置が、Liイオン電池監視用モジュール1の場合を説明したが、前記半導体装置は、半田実装される表面実装部品を備え、かつ前記表面実装部品が低弾性樹脂6によって封止される構造のものであれば、高周波モジュール(高周波電力増幅装置)などの他の半導体装置であってもよい。
また、表面実装部品は、チップ部品や半導体チップに限定されずに、半田実装される表面実装部品であれば、他の電子部品などであってもよい。
また、前記半導体装置は、半導体チップと配線基板とを対向して配置して、半導体チップの表面電極と、表面に金めっき層、Snめっき層またはPb−Sn系半田めっき層が形成された基板側端子とを金バンプまたは半田バンプを介してバンプ接続するものであってもよい。
本発明は、チップ部品と半導体チップを有するモジュール製品の製造技術に好適である。
(a),(b) は本発明の実施の形態の半導体装置の一例であるLiイオン電池監視用モジュールの構造を示す図であり、(a)は斜視図、(b)は底面図である。 (a),(b) は図1に示すLiイオン電池監視用モジュールに搭載される各表面実装部品の配置を示す図であり、(a)は平面配置図、(b)は(a)のA−A断面を示す断面図である。 (a),(b) は図2に示す表面実装部品におけるチップコンデンサの半田接続構造の一例を示す図であり(a)は断面図、(b)は(a)のB部を示す拡大部分断面図である。 図1に示すLiイオン電池監視用モジュールの回路の一例を示す回路図である。 図1に示すLiイオン電池監視用モジュールの封止部に用いられる低弾性樹脂の温度特性の一例を示す特性図である。 図1に示すLiイオン電池監視用モジュールにおける各表面実装部品の融点の一例を示す融点データ図である。 図1に示すLiイオン電池監視用モジュールの組み立てに用いられる多数個取り基板の一例である多層セラミック基板の構造を示す斜視図である。 図1に示すLiイオン電池監視用モジュールの組み立てにおけるレジン印刷方法の一例を示す斜視図である。 (a),(b),(c) は図1に示すLiイオン電池監視用モジュールの組み立てにおける基板分割方法の一例を示す図であり、(a)は分割前の基板の平面図と底面図、(b)は1列分割(1次分割)時の平面図、(c)は2次分割(個片化)時の平面図である。 図1に示すLiイオン電池監視用モジュールの実装基板への実装状態の一例を示す斜視図である。 図1に示すLiイオン電池監視用モジュールの組み立てにおける基板分割時のシリコーン樹脂残りの一例を示す拡大部分断面図である。 (a),(b),(c) は図1に示すLiイオン電池監視用モジュールの組み立てにおけるシリコーン樹脂の切り込み部の構造の一例を示す図であり、(a)は基板−樹脂斜視図、(b)は切り込み部の斜視図、(c)はレーザによる溝部の斜視図である。 図1に示すLiイオン電池監視用モジュールの組み立てにおけるマーキング方法の一例を示す斜視図である。 (a),(b),(c) は図1に示すLiイオン電池監視用モジュールの組み立てにおける基板分割方法の一例を示す図であり、(a)は1列分割(1次分割)時の平面図、(b)は(a)の部分拡大平面図、(c)は2次分割時の平面図である。 (a),(b) は図1に示すLiイオン電池監視用モジュールの組み立て方法および2次実装工程の実装手順の一例を示すプロセスフロー図であり、(a)は組み立てフロー図、(b)は実装フロー図である。 図1に示すLiイオン電池監視用モジュールに対する比較例のモジュールにおける半田流れの原理を示す流れ出し説明図である。 図16に示す比較例のモジュールの半田流れの一例を示す斜視図である。
符号の説明
1 Liイオン電池監視用モジュール(半導体装置)
1a 外部端子
2 半導体チップ(表面実装部品)
2a 2チャンネルトランジスタ
2b コントローラ
2c パッド(表面電極)
2d 主面
3 チップ部品(表面実装部品)
3a セラミックチップコンデンサ
3b チップ抵抗
3c チップサーミスタ
3d 接続端子
3e Ag/Pd電極
3f Ni下地めっき層
3g 半田めっき層
4 モジュール基板(配線基板)
4a 基板側端子
4b 金めっき層
4c Cu銅体
4d Ni下地めっき層
4e オーバーコートガラス
5 半田接続部
6 低弾性樹脂(弾性樹脂)
7 封止部
8 金線
8a ワイヤループ
9 半田再溶融膨張圧
10 流れ出し
11 多層セラミック基板(多数個取り基板)
11a モジュール領域(装置領域)
11b 区画ライン
11c スナップライン(分割ライン)
11d 1列個片群
12 スキージ
13 一括封止部
13a 切り込み部
13b シリコーン樹脂残り
13c 溝部
14 メタルマスク
15 レジン塗布済み基板
16 プリント配線基板
17 認識マーク
18 チップ部品
18a 接続端子
18b 半田接続部
19 レジン圧力
20 高硬度レジン

Claims (4)

  1. 複数の装置領域が区画ラインによって区画形成された多数個取り基板を準備する工程と、
    前記装置領域に半田接続によって表面実装部品を搭載する工程と、
    前記半田接続によって形成された複数の前記装置領域の半田接続部と前記表面実装部品とを、絶縁性の弾性樹脂によって一括で覆って樹脂封止して前記多数個取り基板上に一括封止部を形成する工程と、
    前記一括封止部の表面に、前記多数個取り基板の前記区画ラインに対応したその反対側の分割ラインに沿って切り込み部を形成する工程と、
    前記多数個取り基板を前記分割ラインに沿って分割するとともに、前記一括封止部を前記切り込み部で分割して個片化する工程とを有し、
    前記弾性樹脂としてシリコーン樹脂を用いた際に、
    レーザによって前記一括封止部の表面に、前記多数個取り基板の前記分割ラインに対応した溝部を形成する工程と、同一レーザを用いて前記一括封止部の表面に各装置領域ごとに認識マークを付す工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 複数の装置領域が区画ラインによって区画形成された多数個取り基板を準備する工程と、
    前記装置領域に半田接続によって表面実装部品を搭載する工程と、
    前記半田接続によって形成された複数の前記装置領域の半田接続部と前記表面実装部品とを、絶縁性の弾性樹脂によって一括で覆って樹脂封止して前記多数個取り基板上に一括封止部を形成する工程と、
    前記一括封止部の表面に、レーザによって各装置領域ごとに認識マークを付す工程と、
    前記多数個取り基板を前記区画ラインに対応したその反対側の分割ラインに沿って分割して個片化する工程とを有し、
    前記弾性樹脂としてシリコーン樹脂を用いた際に、
    レーザによって前記一括封止部の表面に、前記多数個取り基板の前記分割ラインに対応した溝部を形成する工程と、同一レーザを用いて前記一括封止部の表面に各装置領域ごとに認識マークを付す工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  3. 複数の長方形の装置領域が区画ラインによって区画形成された多数個取り基板を準備する工程と、
    前記装置領域に半田接続によって表面実装部品であるチップ部品および半導体チップを搭載する工程と、
    前記半導体チップの表面電極と前記多数個取り基板の前記装置領域の基板側端子とを前記装置領域の長手方向と平行な方向に金線のワイヤループを形成してワイヤボンディングする工程と、
    前記半田接続によって形成された複数の前記装置領域の半田接続部と前記表面実装部品とを、絶縁性の弾性樹脂によって一括で覆って樹脂封止して前記多数個取り基板上に一括封止部を形成する工程と、
    前記多数個取り基板を前記装置領域の長手方向に沿い、かつ前記区画ラインに対応したその反対側の分割ラインで1次分割し、前記1次分割後、前記1次分割によって形成された1列個片群をその幅方向に平行な前記分割ラインに沿って2次分割して個片化する工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  4. 請求項3記載の半導体装置の製造方法において、前記弾性樹脂としてシリコーン樹脂を用いた際に、レーザによって前記一括封止部の表面に、前記多数個取り基板の前記分割ラインに対応した溝部を形成する工程と、同一レーザを用いて前記一括封止部の表面に各装置領域ごとに認識マークを付す工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
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