JP4270969B2 - 半導体装置の樹脂封止方法 - Google Patents

Description

本発明は、一括封止型半導体装置の樹脂封止方法に関するものである。ここでいう一括封止型半導体装置とは、半導体の集合基板を樹脂封止した後に切断し個々の半導体装置を製造する方法の総称であり、ＭＡＰ（モールドアレイパッケージ）、ＢＧＡ（ボールグリッドアレイ）、ＣＳＰ（チップスケールパッケージ）、ＷＬＰ（ウエハーレベルパッケージ）、ＮＬＰ（ノンリードタイプパッケージ）等で呼ばれる半導体装置を示す。

情報通信分野に於ける急速な技術進歩に呼応して、電子機器の性能向上、小型軽量化及び低コスト化が強く求められ、電子機器の心臓部である半導体装置及びその搭載基板の高集積高密度化が必須のものとなっている。この要求は大面積基板を一括して樹脂封止する製法案を生み出し、電気接続部材や半導体構成単位の違い等により様々な呼び方がされている。大きく分類すると、基板に半導体素子を高密度搭載する方法と、半導体素子の集合体と基板を結合する方法の２つである。これらの製法は理論的には従来の製造方法に比べて効率面で優れる事は言うまでもない。基板や樹脂等の素部材の使用量を少なくできる、金型の寸法を小さく且つ種類を少なくできる等の利点が多い。
特開２００１−００７２５９号公報

しかしながら、これらの一括封止技術は今迄の検討努力にも拘わらず汎用化には至っていない。樹脂封止時に大きな反りを生じ個別の半導体装置に切断することが困難である等の問題を抱えているためである。即ち、実用性や工業性といった面での技術検討が不十分であり未だに提案段階と呼ぶべき状態のままである。

通常、一括封止型半導体装置は１５０℃以上の温度で樹脂組成物を充填硬化し封止される。これが室温に冷却される時に寸法収縮の大きな樹脂側に曲がるため反り問題を生じるのである。従来の封止方法でこの問題を解決するためには樹脂の熱伸縮特性を抜本的に変更すること、基板類と同等にするかゴム状にすることが必要である。しかし、いずれも大きな技術課題、例えば、前者は無機物の配合量が多くなるため充填性が困難になる、後者は樹脂強度が不足し半導体素子を保護できなくなるといった問題を有している。

本発明は、超低熱膨張の樹脂組成物を用いて垂直に押圧硬化させる一括封止型半導体装置の樹脂封止方法である。

即ち、金型の片方に一括封止型半導体の基板を、他の一方に半固形状のエポキシ樹脂組成物を配置し、圧縮成形法にて加熱硬化させることを特徴とする半導体装置の樹脂封止方法である。

請求項２は、樹脂組成物を予め剥離紙に塗布した積層材料の形で使用する、又は予め金型の一方に充填して使用することを特徴とする樹脂封止方法である。

請求項３は、前記エポキシ樹脂組成物を予め金型の一方に充填して使用することを特徴とする樹脂封止方法である。

請求項４は、シリカを９３重量％以上含み、液状又は低温溶融型の樹脂類（エポキシ樹脂、硬化剤）、硬化促進剤及びその他の添加剤等で構成されるエポキシ樹脂組成物を用いることを特徴とする樹脂封止方法である。

請求項５は、粒径７５μｍ以下の球状シリカ、液状または固形のエポキシ樹脂及び酸無水物またはフェノール樹脂を主成分として構成されるエポキシ樹脂組成物を用いることを特徴とする樹脂封止方法である。

請求項６は、前記エポキシ樹脂組成物の中央が凸状の形状であることを特徴とする樹脂封止方法である。

請求項７は、前記エポキシ樹脂組成物に切り込みを設けたことを特徴とする樹脂封止方法である。

請求項８は、前記切り込みが格子状に設けられていることを特徴とする樹脂封止方法である。

請求項９は、前記切り込みがほぼＶ字型の形状をしていることを特徴とする樹脂封止方法である。

請求項１０は、前記エポキシ樹脂組成物が少なくとも２つ以上の独立したブロックの集合体から構成されていることを特徴とする樹脂封止方法である。

請求項１１は、前記ブロックが平面上に配置されていることを特徴とする樹脂封止方法である。

請求項１２は、前記ブロックが隣り合うブロックの間に隙間をいれて配置されていることを特徴とする樹脂封止方法である。

一般的に、低熱膨張の樹脂組成物は無機充填材を多量に含有するため流動性が極めて乏しいという欠点を有する。よって、最小距離で充填する圧縮成形法で樹脂封止することが必要であり、これにより従来の滴下法や移送成形法で指摘された未充填や金線変形等の問題が解決できる。又、圧縮成形を採用すると、移送成形や射出成形で問題となる材料損失（ランナーやスプルー）が解決できるという利点もある。

樹脂組成物は予熱性や充填性の面より半固形状が好ましい。半固形状の樹脂組成物は剥離紙に塗布しシート状やテープ状で取扱うのが容易である。又、成形時に金型に充填し使用することもできる。

一般的には、樹脂組成物は樹脂、硬化剤、充填材、硬化促進剤及び添加剤（処理剤、顔料等）で構成される。樹脂としてはエポキシ樹脂、シリコーン樹脂、アクリル樹脂等、硬化剤としてはノボラック類、酸無水物類、アミン類、充填材としてはシリカ、アルミナ等を挙げることができる。メーカーとしては、日本化薬、信越化学工業、東亞合成、大日本インキ化学工業、新日本理化、味の素、電気化学工業、日本軽金属等を挙げることができる。

半導体素子は、主に金属珪素及び酸化珪素より構成されており、樹脂組成物の充填材としてはシリカが好ましく、反り対策のため樹脂組成物に９０重量％以上、特に９３重量％以上の割合で配合することが好ましい。シリカとしては粗粒を含まない球状品、粒径７５μｍ以下、特に５４μｍ以下の球状シリカが好ましい。等方性微粒シリカは局部応力の発生がなく、充填性が良く、組成物中のシリカ含有量を多くできる。これらの特徴を有する球状シリカのメーカーとしては、電気化学工業、マイクロン、龍森、トクヤマ、東亞合成等を挙げることができる。

半導体素子の封止材料としては、実績のあるエポキシ樹脂組成物が好ましい。又、樹脂含有量を少なくし熱膨張率を低くするには、液状又は低融点（融点又は軟化点が８０℃以下、特に６５℃以下）のエポキシ樹脂及び硬化剤を使用することが好ましい。エポキシ樹脂としてはビスフェノール系（Ａ型、Ｆ型等）、複素環系（ＴＥＰＩＣ等）、多官能系（ＥＰＰＮ−５０１等）が好ましい。又、硬化剤としては液状酸無水物（Ｍｅ−ＴＨＰＡ、Ｍｅ−ＨＨＰＡ、ＭＨＡＣ等）が好ましい。

硬化促進剤としては、各種樹脂で一般的に使用される硬化触媒を挙げることができる。例えば、エポキシ樹脂ではイミダゾール系、第３級アミン系、リン系の市販化合物（メーカーは四国化成工業、日本化薬、北興化学工業等）を挙げることができる。

上記以外に、必要に応じて難燃剤、処理剤、顔料等の添加剤を加え樹脂組成物とする。

エポキシ樹脂組成物の形状は、圧縮成型時に発生するボイドが容易に外部に排出される形状が好ましい。例えば、エポキシ樹脂組成物の中央部を凸状に膨らませることでボイドが容易に排出される。又、エポキシ樹脂組成物に切り込みを入れることでボイドが容易に排出される。さらに、切り込みを格子状に入れることが好ましい。さらに、切り込みをほぼＶ字型の形状にすることが好ましい。又、エポキシ樹脂組成物を２つ以上のブロックの集合体にすることで容易にボイドが排出される。さらに、ブロックは平面状に配置することが好ましい。さらに、隣り合うブロックの間に隙間を入れ配置することが望ましい。

図１は、ＭＡＰと呼ばれる一括封止型半導体装置の断面図である。半導体素子１１が基板１２に高密度実装されており、両者は金線１３によって電気接続されている。又、半導体素子は樹脂組成物１５によって封止された後、個々の半導体装置に破線１６で切断される。最終的に個々の半導体装置は母基板に実装され電子部品の一部となる。

図２は、本発明による一括封止型半導体装置の樹脂封止方法の一例を示す模式図である。樹脂組成物２１は予め剥離紙２２に塗布された積層材料である。圧縮成形機２９には熱盤２８及び金型（２５，２６）が搭載されている。一括封止型半導体基板２３は上型２５に、積層材料は下型２６に配置されている。これらは圧縮成形法により一体化及び硬化された後に個々の半導体装置に切断され製品となる。

図３は、本発明のエポキシ樹脂組成物の形状の一例を示す。図３（ａ）は、エポキシ樹脂組成物の上面図である。樹脂組成物２１が全面に形成されている。図３（ｂ）は、図３（ａ）のＡ−Ａ‘断面図である。剥離紙２２の上に樹脂組成物２１が形成されている。樹脂組成物２１は、中央部が凸状になるように形成されている。

図４は、本発明のエポキシ樹脂組成物の形状の他の例を示す。図４（ａ）は、エポキシ樹脂組成物の上面図である。樹脂組成物２１が全面に形成され切り込み３１が格子状に設けられている。図４（ｂ）は、図４（ａ）のＡ−Ａ‘断面図である。剥離紙２２の上に樹脂組成物２１が形成されている。樹脂組成物２１にはほぼＶ字型の切り込み３１が設けられている。

図５は、本発明のエポキシ樹脂組成物の形状の他の例を示す。図５（ａ）は、エポキシ樹脂組成物の上面図である。樹脂組成物２１が複数個のブロック３２の集合体として剥離紙２２の上に形成されている。図５（ｂ）は、図５（ａ）のＡ−Ａ‘断面図である。剥離紙２２の上に複数のブロック３２に分けて樹脂組成物２１が形成されている。隣り合うブロック３２は隙間３３を持って配置されている。

本発明は、一括封止型半導体装置の樹脂封止方法を提供するものである。従来法での成形時の問題を解決する工業的な製造方法である。本発明の樹脂封止方法により一括封止型半導体装置を汎用化することができる。

又、エポキシ組成物の形状を中央を凸型にしたり、エポキシ組成物にほぼV字形の切り込みを設けたり、エポキシ組成物を複数のブロックにして隙間を入れ配置することでボイドを容易に外部に排出できる。

以下、本発明を樹脂組成物の製法例、樹脂封止の実施例及び比較例にて具体的に説明する。

樹脂組成物Ａの製法
球状シリカ８８部（ＳＥ−８Ｎ、トクヤマ）、エポキシ樹脂６部（８２８、油化シェルエポキシ）、酸無水物４部（Ｍｅ−ＴＨＰＡ、新日本理化）硬化促進剤０．２部（１Ｂ２ＭＺ、四国化成）、カップリング剤０．５部（ＫＢＭ−３０３、信越化学工業）及び顔料０．１部（ＭＡ６００、三菱化学）を混合した後、加熱ニーダを用いて１０分間混練した。

一括封止型半導体基板及び樹脂組成物Ａを図２のように配置した後、圧縮成形し図１のような一括封止型半導体装置を試作した。本例では問題となるような未充填や金線変形及び反り現象は認められなかった。又、中央を凸状にした樹脂組成物で一括封止するとボイドの発生はなかった。

比較例１として、固形エポキシ樹脂組成物Ｂを組成した。

球状シリカ８０部（ＦＢ３５ ５６部、デンカ、ＺＡ−３０ １６部、龍森、ＳＯ−Ｅ２ ８部、アドマテックス）、エポキシ樹脂部１２部（ＥＰＰＮ５０１ ８部、ＥＯＣＮ ４部、日本化薬）硬化剤６部（Ｈ−１、明和化成）、硬化促進剤０．１６部（ＴＰＰ，北興化学）、カップリング剤０．８部（ＫＢＭ４０３、信越化学）、離型剤０．２部（ヘキストＥ、ヘキスト）、難燃化剤２部（Ｓｂ２Ｏ３、三国製錬）
実施例と同じ一括封止型半導体基板を固形エポキシ樹脂組成物Bを用いて従来の移送成形法にて樹脂封止したところ、流動性不足に起因する不良（未充填や金線変形）を１０％以上発生した。

比較例２として、液状組成物Ｃを組成した。

球状シリカ７４部（ＦＢ３５ ５７部、龍森、ＳＯ−Ｅ２ １７部、アドマテックス）、エポキシ樹脂１２部（ＥＰＣ８３０ＬＶＰ、ＤＩＣ）、硬化剤１２部（ＨＮ５５００、日立化成）、硬化促進剤０．２部（１ＭＺ，四国化成）、カップリング剤 ０．６部（ＫＢＭ４０３、信越化学）、難燃化剤２部（Ｓｂ２Ｏ３、三国製錬）
樹脂組成物Ａの代わりに従来の液状樹脂組成物Cを用いて実施例と同様に樹脂封止した。この場合、下型に剥離紙を敷きその上に樹脂組成物を塗布した。成形後に取り出した一括封止型半導体装置はお椀のような大きな反りが生じた。

一括封止型半導体装置の一例を示す図である。 本発明の樹脂封止方法の一例を示す図である。 本発明のエポキシ封止樹脂の形状の一例を示す図である。 本発明のエポキシ封止樹脂の形状の他の例を示す図である。 本発明のエポキシ封止樹脂の形状の他の例を示す図である。

符号の説明

１１ 半導体素子
１２ 基板
１３ 金線
１５、２１ 樹脂組成物
１６ 切断面を示す破線
２２ 剥離紙
２３ 一括封止型半導体基板（半導体素子集合搭載基板）
２５、２６ 金型
２８ 熱盤
２９ 圧縮成形機
３１ 切り込み
３２ ブロック
３３ 隙間

Claims (7)

1. 金型の片方に一括封止型半導体の基板を、他の一方にエポキシ樹脂組成物を配置し圧縮成形法にて加熱硬化させる半導体装置の樹脂封止方法であって、前記エポキシ樹脂組成物が半固形状であり、かつ、切り込みが設けられたものであるか又は少なくとも２つ以上の独立したブロックの集合体であることを特徴とする方法。
2. 前記エポキシ樹脂組成物は、予め剥離紙に塗布した積層材料の形であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の樹脂封止方法。
3. 前記エポキシ樹脂組成物は、予め金型の一方に充填することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体装置の樹脂封止方法。
4. 前記切り込みは、格子状に設けられていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の半導体装置の樹脂封止方法。
5. 前記切り込みは、ほぼV字型の形状をしていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の半導体装置の樹脂封止方法。
6. 前記ブロックは、平面上に配置されていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の半導体装置の樹脂封止方法。
7. 前記ブロックは、隣り合うブロックの間に隙間を入れ配置されていることを特徴とする請求項６に記載の半導体装置の樹脂封止方法。

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