JP5694486B2

JP5694486B2 - 樹脂封止装置

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Publication number: JP5694486B2
Application number: JP2013233755A
Authority: JP
Inventors: 宮島　文夫; 文夫宮島
Original assignee: Apic Yamada Corp
Current assignee: Apic Yamada Corp
Priority date: 2013-11-12
Filing date: 2013-11-12
Publication date: 2015-04-01
Anticipated expiration: 2029-03-13
Also published as: JP2014039065A

Description

本発明は、複数の半導体素子が片面実装される実装基板を上型に吸着保持されたままキャビティ凹部に封止樹脂が充填された下型とでクランプして一括して樹脂封止する樹脂封止装置に関する。

半導体装置の生産効率を高めるため、大型基板に複数の半導体素子が基板実装されたワークをモールド金型へ搬入して一括して樹脂封止し、成形品をダイシングして各個片に分離して製品化することが行なわれている。

一般に基板材料（例えばガラスエポキシ樹脂基板等）より封止樹脂（エポキシ樹脂等）のほうが熱収縮率は大きいため、基板実装された半導体装置を樹脂封止後に、基板がパッケージ部（樹脂封止部）と反対面側に凸形状になるように反り易い。これによりその後のダイシング等の加工精度が低下したり、ハンドリングがしにくくなったり、或いは製品を基板実装する場合に接続不良を起こし易いなどの不具合が生ずるおそれがある。

このため、半導体素子が実装された基板をキャビティ凹部が形成された下型に当該半導体素子をキャビティ凹部内に向けて載置し、上型との間で基板をクランプする当該上型面を凸面が形成されている。基板をモールド金型でクランプすると、基板は上型の凸形状に沿って半導体素子実装面側が湾曲したまま樹脂封止される。これによって、成形後のパッケージ部が冷やされて熱収縮することにより、基板の反りが矯正されるようになっている。（特許文献１）。

特開１０−３２６８００号公報

半導体素子を１列配置された場合の基板では、生産効率が低いため、より大型の基板を用いて半導体素子をマトリクス状に基板実装して一括して樹脂封止するのが効率的である。上記特許文献１においては、基板実装された個々の半導体素子に対応して上型面を凸面とするものであるが、基板を撓ませることに加えて樹脂圧が加わることにより半導体素子のワイヤ接続部に負荷が加わるため、接続信頼性が低下するおそれがある。また、トランスファー成形の場合、封止樹脂を流動させるため、空気を抱き込んでボイドが発生し易く、しかも比較的熱容量の小さい薄型の製品の場合、封止樹脂が熱硬化し易いことから大型基板の成形には向いていない。

また、下型に形成されたキャビティ凹部へ予め封止樹脂を供給しておき、上型に基板を吸着保持してクランプするモールド金型を用いて大型の基板を樹脂封止する装置構成も考えられる。しかしながら、基板の成形面積が広いため大きなプレス力が必要になるため、モールド金型内に気泡を閉じ込められないようにする必要がある。また、薄型のパッケージの場合、ボイドの発生をなくすためキャビティを閉止して減圧成形を行なう場合も考えられる。しかしながら、大型の基板の撓みによる位置ずれや変形、減圧空間の形成により基板が吸着面より離脱して落下するおそれもある。また、成形面積が大きい基板の場合、成形後のモールド金型からの離型がし難いという課題もあった。

本発明の目的は、上記従来技術の課題を解決し、大型基板に複数の半導体素子が実装された半導体実装基板を樹脂封止する際に基板が吸着面より離脱して落下するのを防ぎかつ成形後の離型を促進することが可能な樹脂封止装置を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するため、次の構成を備える。
即ち、複数の半導体素子が片面実装された半導体素子実装基板が上型に吸着保持されたままキャビティ凹部に封止樹脂が充填された下型とでクランプして一括して樹脂封止される樹脂封止装置であって、前記下型は下型ベースに固定された下型チェイスに、センターブロック及び該センターブロックの周囲に弾性体により上方へ付勢された可動ブロックが設けられて前記キャビティ凹部が形成され、前記可動ブロックの基板クランプ面には、前記上型に吸着保持された基板に突き当てて支持する複数の支えピンが基板クランプ面より突出若しくは没入可能に設けられ、前記上型は上型ベースに上型チェイスが固定され、前記上型チェイスと前記下型チェイスとの間にはシールリングが設けられており、型締め動作を開始すると、前記上型に吸着保持された基板に前記各支えピンが突き当たって支持し、前記シールリングが前記上型チェイスと前記下型チェイスとでクランプされるとキャビティに連通する吸引路を通じた吸引装置による吸引動作により当該キャビティ内に減圧空間が形成されて型締めされることを特徴とする。
これにより、上型に基板を吸着保持されたまま型締め動作が開始されると、基板が先ず可動ブロックの基板クランプ面より突出している複数の支えピンにより支持されるので、上型インサートに吸着された基板の落下を防ぐことができる。また、型開きすると基板は上型インサートに吸着されたままであるので、成形品がキャビティより離型し、支えピンが可動ブロックより再度基板を押し上げるので、成形品の離型を促進することができる。
また、基板と接触した樹脂圧力と減圧されたキャビティ内の圧力差が大きくなって基板と封止樹脂との界面に存在する空気はキャビティの外側へ押し出されるので、パッケージ部が薄型で大型な製品であっても、気泡が混入することなく成形でき、成形品質を向上させることができる。
尚、本明細書において「クランプ」とは固形物を挟み込む動作のみならず、凹部に充填された液状または半液状の流動体（例えば溶融した樹脂）を加圧すべく挟み込む動作も含む。

本発明に係る樹脂封止装置を用いれば、大型基板に複数の半導体素子が実装された半導体実装基板を樹脂封止する際に基板が上型インサートの吸着面より離脱して落下するのを防ぎかつ成形後の離型を促進することが可能な樹脂封止装置を提供することができる。

実施例１に係る樹脂封止装置の型締め前の状態を示す断面説明図である。図１の樹脂封止装置の型締め後の状態を示す断面説明図である。実施例２に係る樹脂封止装置の型締め前の状態を示す断面説明図である。図３の樹脂封止装置の型締め後の状態を示す断面説明図である。

以下、本発明に係る樹脂封止装置の好適な実施の形態について添付図面と共に詳述する。

先ず、図１において、上型１を固定型と下型２を可動型として説明する。
上型１の構成について説明する。上型ベース３には上型チェイス４が固定されている。上型チェイス４には、上型インサート５がガイドブロック６により支持されている。上型インサート５は後述するキャビティ凹部の中心位置に向けて下方に凸になるように予め弾性的に撓ませて上型チェイス４に組み付けられている。

上型ベース３を貫通するねじ孔３ａ及び上型チェイス４を貫通する貫通孔４ａにはコイルスプリング７が装填されている。ねじ孔３ａには押圧ねじ８がねじ嵌合しており、該押圧ねじ８を締め付けることによりコイルスプリング７が押し縮められて上型インサート５が下方に向けて凸になるように常時付勢されている。押圧ねじ８のねじ孔３ａに対する嵌合量（押圧ねじ８の高さ）を調整することで、上型インサート５の撓み量を調整することができる。例えば大型の基板２３のときには押圧ねじ８の位置を低くしてコイルスプリング７で上型インサート５を強く付勢するといったような調整をすることにより、基板２３の大きさに拘わらず基板２３を気泡の排出等に適した所定の角度に撓ませることが可能である。

上型インサート５、上型チェイス４、上型ベース３にはエア吸引路９ａ，９ｂ，９ｃが各々設けられており、吸着装置１０に連結されている。吸着装置１０を作動させると基板２３を上型インサート５の下面に吸着保持するようになっている。また、上型インサート５の基板吸着面５ａは吸着装置１０に上記各エア吸引路９ａ，９ｂ，９ｃを通じて連通する梨地面に形成されている。この梨地面は吸着する基板２３の外形より狭い範囲で形成されている。上型インサート５と上型チェイス４との間にはシール材２６が挿入されており、エア吸引路９ａとエア吸引路９ｂとの気密性を確保するようになっている。

また、上型インサート５は、コイルスプリング７により付勢されて下方に凸となるように撓みを持たせて上型チェイス４に設けられたガイドブロック６によって支持されている。この場合、上型インサート５は、その外周部に形成された段部がガイドブロック６の対向面に形成された段部と係合することによって上型チェイス４に保持されている。尚、上型インサート５は、コイルスプリング７を設けることなく、予め研削加工、プレス曲げ加工が施されて下方に凸となるように撓みを持たせて上型チェイス４に支持されていてもよい。

例えば、厚さ１２ｍｍで縦横の寸法１００ｍｍ×２００ｍｍの上型インサート５の中央部を３７２ｋｇｆのコイルスプリング７で押圧すると、上型インサート５の撓み量はおよそ０．２ｍｍとなる。上型インサート５は、型締めされて樹脂封止を行なっているときには樹脂圧力によりコイルスプリング７の付勢に抗して押し戻されて平面視外形が僅かに（１μｍ未満）に拡大するが、上型チェイス４の側壁に位置決めされて平坦状に支持される。また、キャビティ面積が８０ｍｍ×１６０ｍｍの場合、樹脂圧力が約４．７ｋｇｆ／ｃｍ^２で平坦に押し戻されることが確認されている。

次に下型２の構成について説明する。
下型２においては、下型ベース１１の上に下型チェイス１２が固定されている。下型チェイス１２にはヒータ１３が内蔵されている。下型チェイス１２には、センターブロック１４が固定されている。センターブロック１４の周囲には、クランパとして機能する可動ブロック１５が下型チェイス１２との間に弾挿された第１のばね１６により常時上方へ付勢されている。上記センターブロック１４と可動ブロック１５によりキャビティ凹部１７が形成されている。

また、可動ブロック１５の基板クランプ面（上面）１５ａには、上型１に吸着保持された基板２３に突き当てて支持する支えピン１８が基板クランプ面１５ａより突出没可能に設けられている。支えピン１８は可動ブロック１５内に弾挿された第２のばね１９により常時上方へ突出する向きへ付勢されている。下型２を型締めする際に、支えピン１８が上型インサート５に吸着された基板２３に突き当たって支持しながら可動ブロック１５内へ没入するように第２のばね１９の付勢に抗して押し込まれる。

また、下型チェイス１２の上部外周側にはシールリング２０が設けられており、対向する上型チェイス４との間で挟み込まれると閉鎖空間が形成される。下型チェイス１２には、この閉鎖空間に接続するエア吸引路２１が形成されており、吸引装置２２に接続されている。
上型チェイス４と下型チェイス１２との間でシールリング２０が挟み込まれ、吸引装置２２によってエア吸引されるとキャビティ内を含むモールド金型内に減圧空間が形成される。

ここで、上記樹脂封止装置を用いた樹脂封止動作の一例について説明する。
基板２３には、複数の半導体素子２４がマトリクス状に片面実装された半導体実装基板が用いられる。
図１において、モールド金型が型開き状態において、上型１の上型インサート５に対して基板２３が搬入され、吸着装置１０を作動させて基板２３を半導体素子実装面が下向きとなるように基板吸着面（梨地面）５ａに位置合わせして吸着保持する。このとき、基板２３は、上型インサート５の撓みにならって、下方に向けて凸になるように吸着保持される。

また、下型２のキャビティ凹部１７には、顆粒樹脂、半硬化樹脂等の封止樹脂２５が供給される。キャビティ凹部１７に供給される封止樹脂２５は、気泡の混入やワイヤーフローを避けるためできるだけ流動しないように、キャビティ全面で均一で平坦な形態が望ましい。基板２３及び封止樹脂２５は、図示しないローダーにより供給される。

基板２３及び封止樹脂２５が供給されると、下型２を公知の型締め機構（電動モータ、トグルリンク等）を用いて上昇させる。このとき、先ず図１のように上型インサート５に吸着された基板２３に、支えピン１８が突き当たって支持する。次いで、シールリング２０が上型チェイス４と下型チェイス１２との間に挟み込まれて閉鎖空間が形成されると、吸引装置２２の吸引動作により、キャビティ内に減圧空間が形成される。吸引装置２２は、シールリング２０がクランプされる前から作動していてもよい。基板２３は撓みを生じた基板中央部より気泡を外側に押し出しながら溶融した封止樹脂２５へ徐々に浸漬して行き樹脂の流動もほとんどないため、封止樹脂２５が気泡を抱き込んだまま硬化するのを防ぐことができる。具体的には、封止樹脂２５は、加熱された可動ブロック１５からの熱伝導によりキャビティ凹部１７の外周部（特に四隅）において硬化が素早く進行する。このため、例えば基板２３を均一な高さで保持したままで封止樹脂２５に浸漬すると、外周部が既に硬化が進行してしまっているため、中央部に気泡が存在していたときにはその気泡は硬化の進んだ外周部の封止樹脂２５に阻まれて排出し難くなるおそれがある。しかしながら、基板中央部が下方に凸となるように撓ませながら基板２３を封止樹脂２５に浸漬することにより、常に浸漬される界面から外周側に向けて隙間を作りながら浸漬できる。したがって、気泡を基板外周部に向けて排出しながらクランプすることができるため、成形後の封止樹脂２５への気泡の混入を確実に防止することができる。

このように、上型１に基板２３を吸着保持されたまま型締め動作が開始されると、基板２３が先ず可動ブロック１５の基板クランプ面１５ａより突出している支えピン１８により支持されるので、上型インサート５に吸着された基板２３の落下を防ぐことができる。特に、減圧空間が形成される際に、吸引装置２２の吸引動作と吸着装置１０による基板吸着動作が平衡状態になるので、基板２３の落下防止に有効である。

次に、図２のように下型２の可動ブロック１５の支えピン１８が可動ブロック１５内に没入し基板クランプ面１５ａが基板２３をクランプすると、キャビティ内の樹脂圧が基板２３の全面に作用するので、コイルスプリング７の付勢に抗して基板２３及び上型インサート５の撓みが押し戻されて平坦状に支持される。上型インサート５は樹脂圧力により平坦状に押し戻されて外形が僅かに（１μｍ未満）拡大するが、偏りなく全体的に変形し上型チェイス４の側壁に位置決めされるため、撓みの押し戻しによる位置ずれは生じない。また、封止樹脂２５が硬化縮小しても上型インサート５の撓みによりクランプ圧を作用し続ける。

型締め状態で封止樹脂２５を加熱硬化させて吸引装置２２による吸引動作を停止し、下型２を下動させて型開きを行なう。型開きすると基板２３は上型インサート５に吸着されたままであるので、成形品がキャビティより離型し、支えピン１８が可動ブロック１５より再度基板２３を押し上げるので、成形品の離型を促進する。

以上のように、封止樹脂２５に基板中央部から外周縁部に向かって接触させて漸次樹脂圧力が強まるので、気泡が存在しても樹脂圧力が最初に高圧となる基板中央部より低圧な基板外周縁部に向って移動して押し出され、気泡の抱き込みを防ぐことができる。また、上型チェイス４と下型チェイス１２との間に設けられたシールリング２０がクランプされるとキャビティ内に減圧空間が形成されて基板クランプ動作が行なわれるので、基板２３と接触した樹脂圧力と減圧されたキャビティ内の圧力差が大きくなって基板２３と封止樹脂２５との界面に存在する空気はキャビティ外へ押し出されて排気される。よって、パッケージ部が薄型で大型な製品であっても、気泡が混入することなく成形でき、成形品質を向上させることができる。また、封止樹脂２５が硬化収縮してもコイルスプリング７の付勢により上型インサート５が追従して撓むことにより、パッケージ部（樹脂封止部）を押圧し続けることにより均一な樹脂密度で樹脂封止することができる。つまり、例えば平坦な上型インサート５を用いたときには、上型インサート５でクランプすることにより加えられる成形圧力の大部分をより硬化の進んだ基板外周部の封止樹脂２５で受け持つ（支持する）状態となるため、硬化の進行が遅い中央部の封止樹脂２５では成形圧力が相対的に小さくなる。しかしながら、本実施例では上型インサート５の中央部が下方に凸となるため、基板外周部の硬化の進行状態と関係なく基板中央部の封止樹脂２５にも所望の成形圧力（クランプ圧）を加えることができる。したがって、封止樹脂２５に作用する成形圧力の分布を均一化にすることができ、パッケージ部（樹脂封止部）をより均一な樹脂密度で樹脂封止することが可能となっている。

次に、樹脂封止装置の他例について説明する。
図１及び図２のモールド金型と概略構成は同様であるので、同一部材には同一番号を付して説明を援用するものとし、異なる構成を中心に説明する。
次に、図３において、モールド金型の概略構成は図１及び図２と同様であるが、下型２に減圧空間を形成するシールリング２０や吸引装置２２及びエア吸引路２１は省略されており、基板２３を支持する支えピン１８も省略されている。本実施例は下型２のキャビティ凹部１７を覆ってリリースフィルム２８が設けられる。

リリースフィルム２８は、モールド金型の加熱温度に耐えられる耐熱性を有するもので、金型面より容易に剥離するものであって、キャビティ凹部１７の内面にならって変形する柔軟性、伸展性を有するもの、例えば、ＰＴＦＥ、ＥＴＦＥ、ＰＥＴ、ＦＥＰフィルム、フッ素含浸ガラスクロス、ポリプロピレンフィルム、ポリ塩化ビニリジン等が好適に用いられる。リリースフィルム２８は、長尺状のものをリリースフィルム供給機構（図示せず）により連続してモールド金型へ供給するようになっていても、或いは予め短冊状に切断されたものを用いてもいずれでも良い。
リリースフィルム２８は、可動クランプ１５の基板クランプ面１５ａや可動ブロック１５とセンターブロック１４との隙間２９を通じて吸着保持される。

図３において、モールド金型が型開き状態において、上型１の上型インサート５に対して基板２３が搬入され、吸着装置１０を作動させて基板２３を半導体素子実装面が下向きとなるように基板吸着面（梨地面）５ａに位置合わせして吸着保持する。このとき、基板２３は、上型インサート５の撓みにならって、下方に凸となるように吸着保持される。

また、下型２にはキャビティ凹部１７を覆ってリリースフィルム２８が吸着保持されている。このリリースフィルム２８に覆われたキャビティ凹部１７に顆粒樹脂、粉砕樹脂、半硬化樹脂等の封止樹脂２５が供給される。キャビティ凹部１７に供給される封止樹脂２５は、気泡の混入を避けるためできるだけ流動しないように、キャビティ全面で均一で平坦な形態が望ましい。基板２３及び封止樹脂２５は、図示しないローダーにより供給される。

基板２３及び封止樹脂２５が供給されると、下型２を公知の型締め機構（電動モータ、トグルリンク等）を用いて上昇させる。このとき、先ず図４のように上型インサート５に吸着された基板２３に、リリースフィルム２８を介して可動ブロック１５が突き当たって支持する。また、基板２３は撓みを生じた基板中央部より溶融した封止樹脂２５へ徐々に浸漬して行き、樹脂の流動もほとんどないため、封止樹脂２５への気泡の抱き込みを防ぐことができる。また、封止樹脂２５に基板中央部から外周縁部に向かって接触させて漸次樹脂圧力が強まるので、気泡が存在しても樹脂圧力が最初に高圧となる基板中央部より低圧な基板外周縁部に向って移動して基板２３とリリースフィルム２８との界面を通じて押し出され、気泡の抱き込みを防ぐことができる。

上記リリースフィルム２８を用いれば、封止樹脂２５として粉砕樹脂、顆粒樹脂、シート樹脂等様々な樹脂を用いることができ、金型汚れが発生し難くなるため金型メンテナンスが簡略化でき、しかも離型性がよいため、量産性を高めることができる。

また、封止樹脂として台紙付シート樹脂を用いて樹脂封止を行なってもよい。台紙には金属台紙ないしは樹脂当接面が梨地加工面に加工された金属台紙が好適に用いられる。また、台紙に積層されている樹脂シートは半硬化状態（Ｂステージ）の樹脂が好適に用いられる。
上記台紙付シート樹脂を用いれば、封止樹脂のハンドリングがし易く、かつ離型性もよいため、製造工程が簡略化できる。
また、封止樹脂として液状の樹脂を用いて樹脂封止を行なってもよい。

１上型
２下型
３上型ベース
３ａねじ孔
４上型チェイス
４ａ貫通孔
５上型インサート
５ａ基板吸着面
６ガイドブロック
７コイルスプリング
８押圧ねじ
９ａ，９ｂ，９c，２１エア吸引路
１０吸着装置
１１下型ベース
１２下型チェイス
１３ヒータ
１４センターブロック
１５可動ブロック
１５ａ基板クランプ面
１６第１のばね
１７キャビティ凹部
１８支えピン
１９第２のばね
２０シールリング
２２吸引装置
２３基板
２４半導体素子
２５封止樹脂
２６シール材
２８リリースフィルム
２９隙間

Claims

複数の半導体素子が片面実装された半導体素子実装基板が上型に吸着保持されたままキャビティ凹部に封止樹脂が充填された下型とでクランプして一括して樹脂封止される樹脂封止装置であって、
前記下型は下型ベースに固定された下型チェイスに、センターブロック及び該センターブロックの周囲に弾性体により上方へ付勢された可動ブロックが設けられて前記キャビティ凹部が形成され、前記可動ブロックの基板クランプ面には、前記上型に吸着保持された基板に突き当てて支持する複数の支えピンが基板クランプ面より突出若しくは没入可能に設けられ、前記上型は上型ベースに上型チェイスが固定され、前記上型チェイスと前記下型チェイスとの間にはシールリングが設けられており、型締め動作を開始すると、前記上型に吸着保持された基板に前記各支えピンが突き当たって支持し、前記シールリングが前記上型チェイスと前記下型チェイスとでクランプされるとキャビティに連通する吸引路を通じた吸引装置による吸引動作により当該キャビティ内に減圧空間が形成されて型締めされることを特徴とする樹脂封止装置。