(57)【要約】【課題】バリの発生を防止し、離型性と耐摩耗性に優れた半導体装置製造用金型を提供する。【解決手段】半導体装置製造用金型１において、封止材流入溝の一つであるゲート２が上面中央部に設けられたダイヤモンド焼結体層３の下側に、超硬合金層４が接合されている。ダイヤモンド焼結体層３と超硬合金層４との接合体は、金型本体５内に形成され、ダイヤモンド焼結体層３の側端と金型本体５との間には空隙６が設けられている。また、超硬合金層４は、金型本体５に対して摺動可能となるように、ダイヤモンド焼結体層３と接合されている。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
封止用樹脂を流入させるための封止材流入溝を有する半導体装置製造用金型であって、
熱伝導率が２５０Ｗｍ−１Ｋ−１以上であり、線膨張係数が３．８×１０−６Ｋ−１以上５．０×１０−６Ｋ−１以下であるダイヤモンド焼結体層の下側に、熱伝導率が５０Ｗｍ−１Ｋ−１以上２２０Ｗｍ−１Ｋ−１以下であり、線膨張係数が５．１×１０−６Ｋ−１以上６．５×１０−６Ｋ−１以下である超硬合金層を接合してなる接合体を有することを特徴とする半導体装置製造用金型。
【請求項２】
前記封止材流入溝の深さに対して、前記ダイヤモンド焼結体層の厚みを０．２ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の範囲で厚くし、前記超硬合金層の厚みを前記ダイヤモンド焼結体層の厚みの１３０％以上としたことを特徴とする請求項１記載の半導体装置製造用金型。
【請求項３】
前記ダイヤモンド焼結体層と前記超硬合金層との接合体が金型本体内に形成され、前記ダイヤモンド焼結体層の側端と前記金型本体との間に空隙が設けられていることを特徴とする請求項１または２記載の半導体装置製造用金型。
【請求項４】
前記超硬合金層は前記金型本体に対して摺動可能となるように前記ダイヤモンド焼結体層と接合されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の半導体装置製造用金型。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の製造に用いられる金型に関し、特に、バリの発生を防止し、離型性と耐摩耗性に優れた半導体装置製造用金型に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置では、半導体チップは、外界から隔離するために封止材によって封止されている。
半導体チップを封止する材料としてはエポキシ樹脂が良く知られている。半導体チップを樹脂により封止する際には金型が使用され、この金型に、半導体チップが載置されているリ−ドフレ−ムをセットした後、金型に設けられているモ−ルド・キャビティに樹脂を充填する。樹脂の充填は、金型へ樹脂を導入するための導入孔であるポット、ポットから樹脂を流すための通路であるランナー、ランナーとモールド・キャビティとを連通するためのゲートを介して行われる。
封止用樹脂には、封止樹脂の信頼性を向上させるためにシリカ（ＳｉＯ２  ）が含まれている。現在、シリカの含有量は、封止用樹脂の信頼性を向上させる目的で増加傾向にある。
【０００３】
しかし、シリカの含有量が増えると樹脂自体が硬くなり、このため、金型の樹脂流入部が磨耗しやすい。金型の樹脂流入部が磨耗すると、製品の離形性や成型性が悪くなるため、その交換期間を短くせざるを得ず、製造コストの増加を招く。
このような、封止用樹脂が硬くなることに伴う金型の耐久性の劣化を解決するために、特許文献１において、封止材の流入部の表面上にクラスタ・ダイヤモンドを含む膜が形成された半導体装置製造用金型が開示されている。
【０００４】
また、金型の耐摩耗性と離型性とを向上させたものとして、特許文献２には、高離型性硬質皮膜が形成されたゴム用金型について記載されている。この高離型性硬質皮膜としては、その少なくとも最表面がダイヤモンド状炭素膜あるいは硬質カ−ボン膜であり、該ダイヤモンド状炭素膜あるいは硬質カ−ボン膜中に、添加成分として弗素が１〜２０原子％含まれている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平６−１５１４９０号公報（段落番号０００５〜００１７）
【特許文献２】
特開平５−１６９４５９号公報（段落番号０００８〜００３０）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
半導体チップを封止するために、一対の金型が上下に接合されて使用されるが、金型に封止材を流入する際には通常、封止樹脂を溶かすために、温度は１５０℃〜２５０℃であり、圧力は５０〜２００ｋｇ／ｃｍ２（４９×１０５〜１９６×１０５Ｐａ）となっている。この圧力のために、一対の金型の接合面の両端が開いてバリを発生し、金型の寿命を短くしている。
また、金型が冷えた状態では封止用樹脂の流れが悪くなる一方、連続運転して金型の温度が上昇すると、金型の接合面にバリが発生しやすくなる。そのため、金型の表面温度は、その温度範囲が一定範囲内に抑えられていることが必要となる。このように、金型の接合面においては温度が上がり過ぎないようにし、金型表面においては、温度が下がり過ぎないようにすることが必要となる。
【０００７】
本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、バリの発生を防止しつつ封止材の流れを良好に保ち、離型性と耐摩耗性に優れた半導体装置製造用金型を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を解決するために、本発明は、封止用樹脂を流入させるための封止材流入溝を有する半導体装置製造用金型であって、熱伝導率が２５０Ｗｍ−１Ｋ−１以上であり、線膨張係数が３．８×１０−６Ｋ−１以上５．０×１０−６Ｋ−１以下であるダイヤモンド焼結体層の下側に、熱伝導率が５０Ｗｍ−１Ｋ−１以上２２０Ｗｍ−１Ｋ−１以下であり、線膨張係数が５．１×１０−６Ｋ−１以上６．５×１０−６Ｋ−１以下である超硬合金層を接合してなる接合体を有することを特徴とする半導体装置製造用金型である。
【０００９】
ダイヤモンド焼結体の線膨張係数は、超硬合金の線膨張係数より小さいため、加熱によって、超硬合金層はダイヤモンド焼結体層より大きく膨張する。そのため、ダイヤモンド焼結体層と超硬合金層との接合体全体としては、一対の金型を接合して使用する際に、金型の接合面を圧縮する方向に圧縮応力が作用するため、金型の接合面が開いてバリが発生することを防止することができる。
【００１０】
また、ダイヤモンド焼結体の熱伝導率は、超硬合金の熱伝導率より大きいため、ダイヤモンド焼結体層から超硬合金層へ素早く熱が伝導される。一方、超硬合金は熱伝導率が小さく比熱が大きいので、熱をためやすい。そのため、超硬合金層を設けることによって、温度を安定化させることができ、金型は安定した温度を保って、封止材流入溝内での封止材の流れを良好に維持しながら、接合面の温度が高くなることを防止でき、接合面でのバリの発生を防止することができる。
【００１１】
また、ダイヤモンド焼結体は摩擦抵抗が小さいため、ダイヤモンド焼結体層を金型の上面に設けることによって、金型に離型剤を塗布することなく封止された半導体装置を離型することができ、離型の際の工数を削減することができる。
さらに、ダイヤモンド焼結体は耐摩耗性に優れているため、ダイヤモンド焼結体層を金型の上面に設けることによって、金型の長寿命化が可能となる。
【００１２】
ダイヤモンド焼結体層の熱伝導率が２５０Ｗｍ−１Ｋ−１未満であると、熱伝導が悪くなり金型接合面の温度が高くなって本発明の効果が得られにくい。
また、ダイヤモンド焼結体層の線膨張係数が３．８×１０−６Ｋ−１未満であると、圧縮応力が大き過ぎて金型接合面に隙間が発生するので結果として金型の体積が大きくなって精度が悪くなる一方、５．０×１０−６Ｋ−１を超えると、金型が開いてバリが発生しやすくなるため、いずれの場合も本発明の効果が得られにくい。
【００１３】
超硬合金層の熱伝導率が５０Ｗｍ−１Ｋ−１未満であると、金型表面の温度が高くなってバリが発生しやすく、２２０Ｗｍ−１Ｋ−１を超えると、逆に金型表面の温度が低くなりすぎて封止材流入溝内での封止材の流れが悪くなり、いずれの場合も本発明の効果が得られにくい。
また、超硬合金層の線膨張係数が５．１×１０−６Ｋ−１未満であると金型表面の圧縮応力が小さくなり、６．５×１０−６Ｋ−１を超えると金型表面の圧縮応力が大きくなりすぎて、いずれの場合も本発明の効果が得られにくい。
【００１４】
本発明の金型においては、前記封止材流入溝の深さに対して、前記ダイヤモンド焼結体層の厚みを０．２ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の範囲で厚くし、前記超硬合金層の厚みを前記ダイヤモンド焼結体層の厚みの１３０％以上としたことを特徴とする。
ダイヤモンド焼結体層の厚みが封止材流入溝の溝深さに対して０．２ｍｍより少ないと、ダイヤモンド焼結体と超硬合金との線膨張の差に耐えることができず亀裂が発生し、本発明の効果が得られにくい。一方、封止材流入溝の溝深さに対して１ｍｍより多くなると、溝部の変形に対して自由度が低くなり圧縮応力がかかりにくくなって本発明の効果が得られにくい。ここで、封止材流入溝とは、ポット、ランナー、ゲート、モールド・キャビティのいずれをも含むものである。
また、超硬合金層の厚みをダイヤモンド焼結体層の厚みの１３０％より小さくすると圧縮応力が足りなくなって本発明の効果が得られにくい。
【００１５】
本発明の金型においては、前記ダイヤモンド焼結体層と前記超硬合金層との接合体が金型本体内に形成され、前記ダイヤモンド焼結体層の側端と前記金型本体との間に空隙が設けられていることを特徴とする。
これにより、ダイヤモンド焼結体層の冷却効果を高めることができ、金型の接合面でのバリの発生を防止することができる。
【００１６】
本発明の金型においては、前記超硬合金層は前記金型本体に対して摺動可能となるように前記ダイヤモンド焼結体層と接合されていることを特徴とする。
超硬合金層を金型本体に対して摺動可能とすることは、例えば、超硬合金層と金型本体との境界部に、超硬合金のヤング率の２０％以下のヤング率を有する金属または樹脂を中間層として設けることによって可能である。このようなヤング率の低い、すなわち弾性の小さい中間層を設けることによって、超硬合金層が熱膨張しても、その膨張分を超硬合金層の摺動によって吸収することができ、金型の精度を高めることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態に係る半導体装置製造用金型について説明する。
図１に、本発明の実施の形態に係る半導体装置製造用金型を示し、（ａ）は、その平面図、（ｂ）は（ａ）中のＡ−Ａ断面図である。
図１に示す半導体装置製造用金型１において、封止材の充填は、金型へ封止材を導入するための導入孔であるポット８、ポット８から封止材を流すための通路であるランナー９、ランナー９とモールド・キャビティ７とを連通するためのゲート２を介して行われる。ここでは、ポット８、ランナー９、ゲート２、モールド・キャビティ７を総称して、封止材流入溝という。
以下、図１（ｂ）に基づいて、本発明の実施の形態に係る半導体装置製造用金型の構成を説明する。
図１（ｂ）は、図１（ａ）中のＡ−Ａ断面図であるため、この場合には、封止材流入溝はゲート２であり、このゲート２はダイヤモンド焼結体層３の一部に溝を設けることによって形成されている。ダイヤモンド焼結体層３の下側には超硬合金層４が接合されている。ここで、下側とは、図１（ｂ）に示す状態での下側を意味する。
ダイヤモンド焼結体層３と超硬合金層４との接合体は、ダイヤモンド焼結体層３が上側表面となるように金型本体５内に形成され、ダイヤモンド焼結体層３の側端と金型本体５との間には空隙６が設けられている。また、超硬合金層４は、金型本体５に対して摺動可能となるように、ダイヤモンド焼結体層３と接合されている。金型本体５は例えば鉄系材料によって形成されている。
【００１８】
ダイヤモンド焼結体は、切削工具や耐摩耗性工具などに用いられている高硬度で耐摩耗性に優れた焼結体であり、粒径数μｍ〜数十μｍの微粒ダイヤモンドを金属、セラミックス、サーメットなどのバインダを用いて１４００〜１５００℃、５〜７ＧＰａの高温高圧下で焼結することによって得られる。ダイヤモンド焼結体は超硬合金に比べて４〜５倍の硬度を有し、２０〜３０倍の耐摩耗性を示す。
【００１９】
図２は、図１に示す半導体装置製造用金型１を一対として、上下に接合した様子を示したものである。モールド・キャビティ７内に図示しない半導体チップが封入され、この半導体チップに対して封止材を流入し、半導体チップが封止される。
【００２０】
図３に、本発明の実施の形態に係る半導体装置製造用金型において、ダイヤモンド焼結体層３と超硬合金層４とが加熱によって膨張する様子を示す。
ダイヤモンド焼結体の線膨張係数は、超硬合金の線膨張係数より小さいため、加熱によって、図３（ａ）に示すように、超硬合金層４はダイヤモンド焼結体層３より大きく膨張する。図３（ａ）においては、矢印の大きさと方向によって、熱膨張の大きさと方向を表している。
【００２１】
そのため、ダイヤモンド焼結体層３と超硬合金層４との接合体全体としては、図３（ｂ）の矢印で示す方向、すなわち、一対の金型の接合面を圧縮する方向に圧縮応力が作用する。従って、金型の接合面が開くことを防止することができる。
また、超硬合金層４は、金型本体５に対して摺動可能となるように、ダイヤモンド焼結体層３と接合されているため、超硬合金層４が熱膨張しても、その膨張分を超硬合金層４の摺動によって吸収することができる。そのため、金型の精度を高めることができる。
【００２２】
ダイヤモンド焼結体の熱伝導率は、超硬合金の熱伝導率より大きいため、封止材からの熱は素早くダイヤモンド焼結体層３から超硬合金層４へ伝導される。
一方、超硬合金は熱伝導率が小さく、比熱が大きいので、熱をためやすい。そのため、超硬合金層４を設けることによって、温度を安定化させることができる。その結果、金型は安定した温度を保って封止材の流れを良好に維持しながら、接合面の温度が高くなることを防止でき、接合面でのバリの発生を防止することができる。
また、ダイヤモンド焼結体層３の側端と金型本体５との間には空隙６が設けられているため、ダイヤモンド焼結体層３の冷却効果を高めることができる。これによっても、接合面でのバリの発生を防止することができる。
【００２３】
ダイヤモンド焼結体は摩擦抵抗が小さいことから、封止された半導体装置を離型する際の離型性に優れている。従って、ダイヤモンド焼結体層３を金型の上面に設けることによって、金型に離型材を塗布することなく封止された半導体装置を離型することができ、離型の際の工数を削減することができる。
また、ダイヤモンド焼結体は耐摩耗性に優れているため、ダイヤモンド焼結体層３を金型の上面に設けることによって、金型の長寿命化が可能となる。
【００２４】
以下、具体例を示す。
図１に示す構成の半導体装置製造用金型を作製した。
図４に、ダイヤモンド焼結体の熱伝導率と、金型接合面の温度との関係を示す。図４から、ダイヤモンド焼結体の熱伝導率が２５０Ｗｍ−１Ｋ−１以上であるときに、金型接合面の温度が安定することがわかる。
ダイヤモンド焼結体の熱伝導を向上するには、粗粒のダイヤモンドを少ないバインダで焼結させることが必要となり、焼結体表面の面粗度が悪くなる。その結果として、封止材の流れが悪くなったり、半導体チップが金型から離型しづらくなる。そのため、ダイヤモンド焼結体の熱伝導率は、９００Ｗｍ−１Ｋ−１以下とすることが好ましい。
図５に、超硬合金の熱伝導率と、金型接合面の温度との関係を示す。超硬合金の熱伝導率が５０Ｗｍ−１Ｋ−１以上２２０Ｗｍ−１Ｋ−１以下であるときに、温度を安定化させることができ、封止材の流れを良好に維持するための最適温度に保つことができる。
【００２５】
表１に、ダイヤモンド焼結体の線膨張係数と、金型のバリの発生との関係を示す。
【表１】
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表１において、単位は×１０−６Ｋ−１である。
表１からわかるように、ダイヤモンド焼結体の線膨張係数が５×１０−６Ｋ−１を超えると、金型が開いてバリが発生する。また、ダイヤモンド焼結体の線膨張係数が３．８×１０−６Ｋ−１未満であると、圧縮応力が大き過ぎて金型接合面に隙間が発生し、金型の体積が大きくなり精度が悪くなる。
以上のことから、ダイヤモンド焼結体の線膨張係数は、３．８×１０−６Ｋ−１以上５．０×１０−６Ｋ−１以下の範囲内であることが好ましい。
【００２６】
表２に、超硬合金の線膨張係数と、金型のバリの発生との関係を示す。
【表２】
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表２においても、単位は×１０−６Ｋ−１である。
表２からわかるように、超硬合金の線膨張係数が６．５×１０−６Ｋ−１を超えると、圧縮応力が大き過ぎて金型接合面に隙間が発生し、金型の体積が大きくなる。また、超硬合金の線膨張係数が５．１×１０−６Ｋ−１未満であると、圧縮応力が小さすぎてバリが発生する。
以上のことから、超硬合金の線膨張係数は、５．１×１０−６Ｋ−１から６．５×１０−６Ｋ−１の範囲内であることが好ましい。
【００２７】
表３に、ダイヤモンド焼結体層の厚みを封止材流入溝の深さに対してどれだけ厚くしたかによって、金型におけるバリまたは割れの発生状況を調査した結果を示す。
【表３】
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表３において、単位はｍｍである。
表３からわかるように、封止材流入溝の深さに対するダイヤモンド焼結体層の厚みが１．０ｍｍを超えて厚くなると、バリが発生する。これは、封止材流入溝の変形に対して自由度が低くなり圧縮応力がかかりにくくなることによって生じるものである。一方、ダイヤモンド焼結体層の厚みが封止材流入溝の深さに対して０．２ｍｍ未満で厚い場合には、ダイヤモンド焼結体層に亀裂を生じる。これは、ダイヤモンド焼結体と超硬合金との線膨張の差に耐えることができなくなることによって生じるものである。
以上のことから、封止材流入溝の深さに対するダイヤモンド焼結体層の厚みは、０．２ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の範囲で厚いことが好ましい。
【００２８】
表４に、ダイヤモンド焼結体層に対する超硬合金層の厚みと、金型のバリの発生との関係を示す。
【表４】
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表４からわかるように、超硬合金層の厚みがダイヤモンド焼結体層の厚みの１３０％未満であると、金型にバリが発生する。これは、超硬合金層の厚みが薄いことによって、圧縮応力が不足することによって生じるものである。
以上のことから、超硬合金層の厚みはダイヤモンド焼結体層の厚みの１３０％以上であることが好ましい。
【００２９】
表５に、ダイヤモンド焼結体の熱伝導率と線膨張係数、超硬合金の熱伝導率と線膨張係数の値を変化させて、金型の性能を調査した結果を示す。
【表５】
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Ｎｏ．１の金型は、ダイヤモンド焼結体の熱伝導率と線膨張係数、超硬合金の熱伝導率と線膨張係数が全て、本発明において好ましいとした範囲内のものであり、バリの発生がなく、封止材の流れも良好であった。
【００３０】
これに対し、Ｎｏ．２の金型は、ダイヤモンド焼結体の熱伝導率を小さくしたものであり、バリの発生が見られた。また、Ｎｏ．３の金型は、ダイヤモンド焼結体の熱伝導率を大きくしたものであり、加工精度が不良であった。
Ｎｏ．４の金型は、ダイヤモンド焼結体の線膨張係数を小さくしたものであり、精度不良であった。また、Ｎｏ．５の金型は、ダイヤモンド焼結体の線膨張係数を大きくしたものであり、バリの発生が見られた。
【００３１】
Ｎｏ．６の金型は、超硬合金の熱伝導率を小さくしたものであり、バリの発生が見られた。また、Ｎｏ．７の金型は、超硬合金の熱伝導率を大きくしたものであり、封止材の流れが悪くなった。
Ｎｏ．８の金型は、超硬合金の線膨張係数を小さくしたものであり、バリの発生が見られた。また、Ｎｏ．９の金型は、超硬合金の線膨張係数を大きくしたものであり、精度不良であった。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によると以下の効果を奏することができる。
（１）封止用樹脂を流入させるための封止材流入溝を有する半導体装置製造用金型において、熱伝導率が２５０Ｗｍ−１Ｋ−１以上であり、線膨張係数が３．８×１０−６Ｋ−１以上５．０×１０−６Ｋ−１以下であるダイヤモンド焼結体層の下側に、熱伝導率が５０Ｗｍ−１Ｋ−１以上２２０Ｗｍ−１Ｋ−１以下であり、線膨張係数が５．１×１０−６Ｋ−１以上６．５×１０−６Ｋ−１以下である超硬合金層を接合してなる接合体を有していることにより、一対の金型を接合して半導体チップを封止する際に、金型の接合面に対して圧縮応力を作用させることができる。これにより、金型の接合面が開いてバリが発生することを防止し、金型の寿命を長くすることができる。
【００３３】
（２）ダイヤモンド焼結体層から超硬合金層へ素早く熱が伝導される一方、超硬合金は熱をためやすいため、金型の温度を安定化させることができる。そのため、金型は安定した温度を保って封止材の流れを良好に維持しながら、接合面の温度が高くなることを防止でき、接合面でのバリの発生を防止することができる。
【００３４】
（３）ダイヤモンド焼結体は摩擦抵抗が小さいため、ダイヤモンド焼結体層を金型の上面に設けることによって、金型に離型材を塗布することなく封止された半導体装置を離型することができ、離型の際の工数を削減することができる。
【００３５】
（４）ダイヤモンド焼結体は耐摩耗性に優れているため、ダイヤモンド焼結体層を金型の上面に設けることによって、金型の長寿命化が可能となる。
【００３６】
（５）ダイヤモンド焼結体層と超硬合金層との接合体が金型本体内に形成され、ダイヤモンド焼結体層の側端と金型本体との間には空隙が設けられているため、ダイヤモンド焼結体層の冷却効果を高めることができ、金型の接合面でのバリの発生を防止することができる。
【００３７】
（６）超硬合金層は、金型本体に対して摺動可能となるように、ダイヤモンド焼結体層と接合されているため、超硬合金層が熱膨張しても、その膨張分を超硬合金層の摺動によって吸収することができ、金型の精度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る半導体装置製造用金型を示す図である。
【図２】図１に示す半導体装置製造用金型を一対として、上下に接合した様子を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る半導体装置製造用金型のうち、ダイヤモンド焼結体層と超硬合金層とが加熱によって膨張する様子を示す図である。
【図４】ダイヤモンド焼結体の熱伝導率と、金型接合面の温度との関係を示す図である。
【図５】超硬合金の熱伝導率と、金型接合面の温度との関係を示す図である。
【符号の説明】
１  半導体装置製造用金型
２  ゲート
３  ダイヤモンド焼結体層
４  超硬合金層
５  金型本体
６  空隙
７  モールド・キャビティ
８  ポット
９  ランナー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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