JP4162720B2 - 半導体装置をカプセル化するシステムおよび方法 - Google Patents

Description

発明の分野
本発明は、半導体装置をカプセル化するシステムおよび方法に関する。更に具体的に云うと、本発明は、ボール・グリッド・アレイ（ＢＧＡ）パッケージを高い信頼性をもって経済的に成形するシステムおよび方法に関する。
発明の背景
ＢＧＡパッケージは、カッド・フラット・パック（ＱＦＰ）のような従来のパッケージの、コスト面や、動力散逸問題、速度および入出力（Ｉ／Ｏ）ピン数における制限を克服することを保証する。これらの保証を遂行するのに重要なのが、既存の面実装技術および装置を用いて信頼性高くかつ経済的にＢＧＡパッケージを成形するための電子産業界の能力である。一般に、ＢＧＡパッケージは、物理的な寸法では、同等の速度およびＩ／Ｏピン数の普通のパッケージよりも更に小さくて薄い。ＢＧＡパッケージをより高い速度とＩ／Ｏピン総数用途のために採用するときには、従来のパッケージング技術におけるワイヤ・スウィープのような大した問題でないことが重要になる。
さらに、マルチチップ・モジュール（ＭＣＭ）のような構造相互緊密接続システムに向かう傾向が続いている。ＭＣＭとは、その中に２個以上のチップを有し、数個から１００を超える高性能シリコンＩＣを注文設計の基板構造と組み合わせているパッケージのことをいう。電子産業界は、高い歩留まりで低コストでプリント回路基板（ＰＣＢ）上に標準のシングルチップ・モジュールを組み立てる経験を持っているから、自然と、ＢＧＡパッケージがＭＣＭと共になって有効に作用する。それにもかかわらず、ＭＣＭに対してグラブ・トップ・カプセル化（glob top encapsulation）を用いる一般に普及しているやり方は、面実装技術の歩留まりやコスト面についての利点を損なっている。
発明の目的
本発明の第１の目的は、信頼性をもってＢＧＡパッケージをカプセル化することにある。
本発明の別の目的は、信頼性をもってかつ経済的にＭＣＭ ＢＧＡパッケージをカプセル化することにある。
発明の概要
本発明は、トランスファー成形法を使用して様々なＢＧＡパッケージをカプセル化するために、トップ・モールドと、キャビティ・プレートと、ボトム・モールドとを有する。
トップ・モールドは、少なくとも１つのスプルースと連通するための、ランナーのネットワークを特徴とする。キャビティ・プレートには、ボトム・モールドに面する側に、型締めされた時にその間に挟まれた基板上にモールドを形成するために、少なくとも１つのキャビティが有る。キャビティ・プレートのトップ・モールドに面する側には、ランナーから樹脂を受け入れるための少なくとも１つの円錐形流路がある。円錐形流路の先端は、ワイヤ・スウィープを最小限に抑えながら樹脂を導入するためのキャビティの中央に配置したサブマリン・ゲートに終端している。ランナーのネットワークと円錐形流路の組み合わせとによって、信頼性をもってかつ経済的に、様々なマトリックス内にＢＧＡパッケージをカプセル化することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
第１Ａ図は、キャビティ・ダウン・タイプのボール・グリッド・アレイ（ＢＧＡ）パッケージの横断面図であり、成形済みの樹脂、あるいはカプセル化した樹脂を点線で示している。
第１Ｂ図は、キャビティ・アップ・タイプのボール・グリッド・アレイ（ＢＡＧ）パッケージの別の横断面図であり、オーバーモールド樹脂も点線で示している。
第２図は、プラスチック・パッケージをカプセル化するための従来技術のゲート・プレート成形法である。
第３図は、プラスチック・パッケージをカプセル化するための別の従来技術の着脱可能キャビティ・プレート成形法である。
第４図は、プラスチック・パッケージのための成形樹脂を満たすための更にまた別の従来技術のグラビング法である。
第５図は、グラビング成形法を使用したことからマトリックスＢＧＡ基板の反りが生じ、その後に続く、基板を適正なダイ・サイズへトリミングすることが実質的に不可能になった状態を示す図である。
第６図は、独特のランナー及び円錐形流路システムを使用してＢＧＡマトリックス基板を成形し、優れた結果を達成することができるようになる本発明の平面図である。
第７図は、第６図のＡ−Ａ線に沿った本発明の横断面図である。
発明の実施例の説明
ＢＧＡパッケージをカプセル化する方法および装置を以下の説明に説明する。これから述べる説明には、本発明を充分に理解して貰えるように、スプルース、ランナー、モールドプレートなどのような多数の特有の詳細な記述が挙げられているが、本発明はこれらの具体的な詳細な記述がなくても実施することができることは当業者にとって明らかであろう。樹脂加熱、転送ならびにトランスファーモールドの型締め操作に伴うような周知の部分は、本発明が判りにくくならないように、図示していない。
第１Ａ，１Ｂ図は、最も普通の構造の単純化した２つのＢＧＡパッケージの断面図である。
第１Ａ図において、ＢＧＡパッケージはキャビティ・ダウン形態で示してある。この種の典型的なＢＧＡパッケージは、米国特許第５，５８３，３７８号によって教示されるものである。ＢＧＡパッケージ１は、ヒートシンク４に取り付けた一体型のチップ（ＩＣ）２を包含する。第１Ａ図には詳細に示さないが、チップ２は基板６に結合されている。ここで、チップが基板６にワイヤ・ボンディングあるいはＴＡＢリーディングによって結合してあることは了解されたい。ハンダ・ボール８のアレイが、ＢＧＡパッケージ１の下面に取り付けられている。点線とチップ２の間の領域は、樹脂でカプセル化しようとしているボリューム１０を表しており、本発明の重要な点である。一般に普及している産業界のやり方は、チップを保護するために、ダム・アンド・フィル・カプセル化プロセスを使用する。最初に、矩形のダムを、高粘度封入剤を使用してダイスまわりにオプションで分配する。それから、回転ポンプが低粘度封入剤を使用してダム内に螺旋形のフィルを分配する。たとえば、ＣＡＭ／ＡＬＯＴ液体分配システムを参照していただきたい。
第１Ｂ図を参照して、ここには、ＢＧＡパッケージ１１がキャビティ・アップ形態で示してある。パッケージ１１は基板１６の上側に取り付けたＩＣ１２を含んでおり、ハンダ・ボール１８のアレイが基板１６の下側に取り付けられている。第１Ａ図のＢＧＡパッケージ１と同様に、ＩＣを基板にどのように接合するかの詳細は省略してある。ボリューム２０はカプセル化樹脂を表している。パッケージ１１は、ＭｏｔｏｒｏｌａおよびＣｉｔｉｚｅｎによって開発されたプラスチックＢＧＡ構造を例示したものであり、オーバー・プラスチック・モールデッド・パッド・アレイ・キャリアー（Over Molded Plastic Pad Array Carrier）と呼ばれる。
第２図〜第４図は、プラスチックＢＧＡ構造をカプセル化するのに使用された従来の成形方法を概略的に示している。
第２図には、プラスチック・パッケージをカプセル化するゲート・プレート成形法が示されている。パッケージ２０は、キャビティ２１（図示せず）に接続したゲート２２で横方向に成形される。この方法は、Dusan Sllepcevicに発行された米国特許第４，４４２，０５６号に詳しく記載されている。
第３図において、プラスチック・パッケージをカプセル化するための、少なくとも１つのキャビティ２１を含む着脱可能なキャビティ・プレート３０および横方向ゲート３２が、同じくＤDusan Sllepcevicに発行された米国特許第４，３９２，５９７号に教示されている。
最後に、第４図はＢＧＡパッケージをカプセル化する最も普及している方法、すなわち、グラブ・トップ法を示している。たとえば、Ｍａｒｒｓ外に発行された米国特許第５，３５５，２８３号の第６図を参照されたい。グラブ・トップ・カプセル化は、気泡を樹脂内に閉じ込めるのを防ぐためにエポキシ樹脂を層状に分配することによってＢＧＡダイスを満たす。
プラスチック・パッケージをカプセル化する従来方法には、既存の面実装技術や装置では容易に制御することのできない多くの制限がある。まず、キャビティへの封入剤の横方向導入は、しばしば、高Ｉ／Ｏピン総数ＢＧＡパッケージにおいてワイヤ・スウィープ問題を引き起こす。第２に、テストのやり方が標準性を欠いているというＭＣＭの状況では、ワイヤ・スウィープにより引き起こされる電気的な問題が、このような進んだＢＧＡパッケージの信頼性を損なう可能性がある。第３に、グラブ・トップ法は、時間がかかり、品質管理問題を招きやすい。グラブ・トップ法を使用することによってＢＧＡマトリックス基板をカプセル化する結果が第５図に示してあり、ここでは、封入剤と基板の熱膨張係数における不一致により基板の反り４２が厳しいものとなっている。このことは、引き続いて基板を個々のＢＧＡダイスへトリミングすることを困難にし、ほとんど不可能にする。
第６図及び第７図は、プラスチック・パッケージをカプセル化するための本発明の平面図及び側面図である。
本発明は、ギャング・ポット・モールドに対するトランスファー成形技術ならびに着脱可能キャビティ・プレート成形技術においての、出願人／譲受人のノウハウを組み合わせている。トランスファー成形は射出成形とは異なっており、特に、半導体装置をカプセル化するためのトランスファー成形における熱硬化性樹脂あるいは封入剤の排他性に関して異なっていることは、当業者であれば理解できよう。射出成形装置は、対照的に、熱可塑性物質材料を加工するのに適している。
第６図及び第７図に関すれば、本発明５０は、トップ・モールド５３、着脱可能なキャビティ・プレート５５、および、ＢＧＡ構造を包含するプラスチック・パッケージのマトリックスを含んでいる基板６６を型締めするためのボトム・モールド５７を特徴とする。トップ・モールド・ベース５１およびボトム・モールド・ベース５９が通常必要とされ、本発明と一緒になって加工作業することということは、当業者であれば理解できよう。モールド・ベース５１，５９は、樹脂パレットまたはストリップ（図示せず）を加熱するために、ポットによって発生する熱を保持する働きをする。
ここで再び第６図を参照すると、本発明のトップ・モールド５３は、その下面に、プランジャ５２によって圧縮された加熱樹脂を受け入れ、振り分けるための少なくとも１つのスプルース５４あるいはカルを含む。その上にＢＧＡパッケージ６０のマトリックスを取り入れる基板６６に関しては、本発明５０のような複数プランジャまたはギャング・ポット・モールドが推奨される。本発明の好適な実施例においては、スプルース５４はＢＧＡパッケージの中央部分を通じてランナー５６のネットワークに接続されている。ランナー５６は、樹脂をトップ・モールド下方にあるそれぞれのキャビティへ流入させる。ランナー５６を相互接続させたときに、ランナー内の樹脂の流れが平衡することになる。
第７図には、トップ・モールド５３とボトム・モールド５７との間に配置した着脱可能なキャビティ・プレート５５の横断面図が示してある。トップ・モールド５３に面していて、それと同一平面になっている表面には、ランナーから樹脂の流れを受け入れる少なくとも１つの円錐形流路５８がある。円錐形流路５８の狭い端は、ＢＧＡパッケージのための少なくとも１つのキャビティ６０と連通するサブマリン・ゲートで終わっていると好ましい。第７図を再度参照すると、基板６６は、キャビティ・プレート５５とボトム・モールド５７との間で型締めされる。キャビティに関する円錐形流路の位置決めが本発明の特徴の１つである。横方向ではなくてキャビティの中央部分から樹脂を導入することにより、キャビティ内の樹脂の流れが確実に滑らかになる。実際、樹脂の流れは、ワイヤ・ボンディングまたはＴＡＢリードの末広がりと同じ方向にある。こうすると、ワイヤ・スウィープの生じる機会がほとんど起こらなくなる。さらに、キャビティ内における樹脂流の粘度の増大と関連した付随的な問題も最小限に抑えられる。全体的に、本発明は、従来のキャビティ成形法あるいはプレート成形法の欠点をもたらさずに、トランスファー成形技術のすべての利点を電子産業界に提供するものである。
ＢＧＡ基板をカプセル化するプロセスは次の通りである。第７図に示すプランジャ５２はポット６２内を上方へ移動し、加熱樹脂をスプルース５４に流入させ、そして、ランナー５６および円錐形流路５８を通してキャビティ６０へ流入させる。プランジャ５２がランナーのネットワークからの背圧を検出したその時が、樹脂が完全にキャビティ内を完全に満たされたことを示す。封入剤に対する適切な硬化時間が経過すると、本発明の型締め操作は終了する。着脱可能なキャビティ・プレート５５の形態が、ランナーをキャビティから滑らかに分離するのを容易にするので、ＢＧＡ基板をカプセル化する際のサイクル時間を短縮するようになる。
第６図及び第７図ではマトリックスＢＧＡ基板のカプセル化を示しているけれども、本発明は、ＢＧＡ構造の配置がランダム状態になっているかも知れないカスタム・メイドのＭＣＭ ＢＧＡ基板をカプセル化するのにも簡単に用いられる。したがって、本発明は融通性があって、種々の基板を創り出すことができる。
本発明を特に第１図〜第７図に関してＢＧＡパッケージを強調しながらプラスチック・パッケージをカプセル化する方法および装置について説明してきたが、添付図面はほんの例示であって、発明の限定として採用したものではないことは了解されたい。それに加えて、本発明の方法および装置が半導体装置のパッケージングを必要とする多くの用途において有用であることは明白である。ここに記載したような発明の精神、範囲から逸脱することなく、当業者であれば、多くの修正、変更をなし得ると考えられる。たとえば、本発明は、そのままの要領で、他の基板、たとえば、セラミック、ＴＡＢなどに適用することができる。

Claims (14)

1. 複数の半導体装置をカプセル化するシステムであって、
   複数の半導体装置が形成された基板を支えるためのボトム・モールドと、
   ランナーが中に形成されたトップ・モールドと、
   前記ボトム・モールドと前記トップ・モールドとの間に着脱可能に配置したキャビティ・プレートであって、前記ボトム・モールドと前記キャビティ・プレートとの間に前記基板が配置されるキャビティ・プレートと
   を含み、
   前記キャビティ・プレートは、
   前記複数の半導体装置の１つを受け入れるキャビティと、
   前記トップ・モールドと面する平面に前記ランナーから樹脂の流れを受け入れる流路であって、前記キャビティの実質的に中央から前記キャビティ内へ前記樹脂を導入する流路と
   を含み、
   前記キャビティと前記流路とは当該流路の一端において連通し、
   前記樹脂は、前記ランナーおよび前記流路の前記一端を通って前記キャビティ内へ放出されて、前記中央から前記キャビティの周辺に向かって前記複数の半導体装置上に広がり、当該複数の半導体装置をカプセル化してワイヤ・スウィープを抑える、システム。
2. 前記トップ・モールドは、
   前記ランナーに接続されるポットであって、前記樹脂を中に含む中空を有するポットと、
   前記ランナーに接続されるプランジャであって、前記樹脂を輸送して前記ランナー内へ与えるべく前記中空内に配置されるプランジャと
   をさらに含む、請求項１に記載のシステム。
3. 前記ポットと前記ランナーとを相互接続するスプルースであって、前記樹脂の流れを輸送中に前記ランナーに向けるスプルースをさらに含む、請求項２に記載のシステム。
4. 前記流路は円錐形状を有し、前記一端は前記円錐形状の狭い端である、請求項１に記載のシステム。
5. 前記流路の前記一端は、前記流路の前記一端から前記キャビティ内へ前記樹脂を放出するべく接続されるサブマリン・ゲートをさらに含む、請求項１に記載のシステム。
6. 前記樹脂は、熱硬化性樹脂および熱可塑性樹脂のうちの１つである、請求項１に記載のシステム。
7. 前記複数の半導体装置はボールグリッドアレイである、請求項１に記載のシステム。
8. 複数の半導体装置をカプセル化するための方法であって、
   ボトム・モールド上に、複数の半導体装置が形成された基板を支持することと、
   ランナーが中に形成されたトップ・モールドを与えることと、
   前記ボトム・モールドと前記トップ・モールドとの間にキャビティ・プレートを着脱可能に配置して、前記基板を前記キャビティ・プレートと前記ボトム・モールドとの間に配置することと
   を含み、
   前記キャビティ・プレートは、
   前記複数の半導体装置の１つを受け入れるキャビティと、
   前記トップ・モールドと面する平面に前記ランナーから樹脂の流れを受け入れる流路であって、前記キャビティの実質的に中央から前記キャビティ内へ前記樹脂を導入する流路と
   を含み、
   前記キャビティと前記流路とは当該流路の一端において連通し、
   前記樹脂は、前記ランナーおよび前記流路の前記一端を通って前記キャビティ内へ放出されて、前記中央から前記キャビティの周辺に向かって前記複数の半導体装置上に広がり、当該複数の半導体装置をカプセル化してワイヤ・スウィープを抑える、方法。
9. 前記ランナーに、前記樹脂を中に含む中空を有するポットを接続することと、
   前記ポットに、前記樹脂を輸送して前記ランナー内へ与えるべく前記中空内に配置されるプランジャを接続することと
   を含む、請求項８に記載の方法。
10. 前記ポットと前記ランナーとを相互接続するスプルースであって、前記樹脂の流れを輸送中に前記ランナーに向けるスプルースを与えることをさらに含む、請求項９に記載の方法。
11. 前記流路は円錐形状を有し、前記一端は前記円錐形状の狭い端である、請求項８に記載の方法。
12. 前記流路の前記一端に、前記流路の前記一端から前記キャビティ内へ前記樹脂を放出するべくサブマリン・ゲートを接続することをさらに含む、請求項８に記載の方法。
13. 前記樹脂は、熱硬化性樹脂および熱可塑性樹脂のうちの１つである、請求項８に記載の方法。
14. 前記複数の半導体装置はボールグリッドアレイである、請求項８に記載の方法。

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