JP2006032773A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 小型で放熱性が高く、組み付け時における半導体素子へのダメージを抑え、且つ実装時における接続信頼性の高い半導体装置を提供する。
【解決手段】 板状のアイランド１１と、アイランド１１上に搭載された半導体素子３０と、アイランド１１の周囲に位置するリード端子１２と、半導体素子３０の上面とリード端子１２とを電気的に接続するボンディングワイヤ４０と、これらを封止するモールド樹脂５０とを備える半導体装置１００において、アイランド１１およびリード端子１２がその下面側にてモールド樹脂５０から露出しており、半導体素子３０の上には、金属製板状のヒートシンクフレーム２０が半導体素子３０とはモールド樹脂５０を介して離間して配置されており、アイランド１１の吊りリード１３とヒートシンクフレーム２０の取付リード２１とは、互いに近づくように配置されている。
【選択図】 図３

Description

本発明は、リードフレームを用いたＱＦＮパッケージ（Ｑｕａｄ Ｆｌａｔ Ｎｏｎ−Ｌｅａｄｅｄ Ｐａｃｋａｇｅ）構造を有する半導体装置に関する。

近年、半導体素子の高密度化、小型化による発熱量の増大を解決するために、図１０に示されるようなヒートシンクを用いたＱＦＰ（Ｑｕａｄ Ｆｌａｔ Ｐａｃｋａｇｅ）構造を有する半導体装置が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。

このものは、リードフレーム１０のアイランド１１上に半導体素子３０を搭載し、リードフレーム１０のリード端子１２と半導体素子３０とをボンディングワイヤ４０などで接続し、これらをモールド樹脂５０で封止している。

さらに、半導体素子３０の表面方向およびアイランド１１の裏面方向の少なくとも一方に、モールド樹脂５０の表面に表出するヒートシンク２００設けている。図１０では、ヒートシンク２００は、半導体素子３０の表面方向に設けられている。

しかし、この構造では、組み付け時、すなわち、半導体素子３０の表面にヒートシンク２００を取り付ける際に、半導体素子３０の表面に何らかのダメージを与える可能性があり、半導体素子３０の動作不良やパッケージの歩留まり低下など懸念が生じる。

さらに、モールド樹脂５０の外部にアウターリードが形成されているため、パッケージの小型化の要求を満たすことが難しい。また、この半導体装置を外部基板などに実装するにあたっては、アウターリードのみではんだなどを介して接続される形態となるため、応力による接続信頼性の不良につながる可能性がある。

一方、パッケージの小型化を実現するため、図１１に示されるように、パッケージすなわちモールド樹脂の外部をリードレス化したＱＦＮパッケージにおいて、半導体素子３０をフェースダウンの状態とし、半導体素子３０の裏面にヒートシンク２００を接着させ、これらをモールド樹脂５０で封止した半導体装置が提案されている（たとえば、特許文献２参照）。

このものでは、リード端子１２がその下面側にてモールド樹脂５０から露出しているため、アウターリードを無くすことができ、小型化の実現は満たされている。

しかしながら、上記図１０に示されるものと同様に、この半導体装置を外部基板などに実装するにあたっては、アウターリードのみではんだなどを介して接続される形態となるため、応力による接続信頼性の不良につながる可能性がある。

また、この図１１に示されるものは、半導体素子３０の裏面にヒートシンク２００を設けているので、組み付け時における半導体素子３０のダメージは防止できるが、半導体素子３０の表面側からの放熱経路が無いため、放熱性の向上という点では不十分である。
特開平５−８２６７２号公報 特開平１１−２６０９９０号公報

本発明は、上記した問題に鑑みてなされたものであり、小型で放熱性が高く、組み付け時における半導体素子へのダメージを抑え、且つ実装時における接続信頼性の高い半導体装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、板状のアイランド（１１）と、アイランド（１１）上に搭載された半導体素子（３０）と、アイランド（１１）の周囲に位置するリード端子（１２）と、半導体素子（３０）の上面とリード端子（１２）とを電気的に接続するボンディングワイヤ（４０）と、アイランド（１１）、リード端子（１２）、半導体素子（３０）およびボンディングワイヤ（４０）を封止するモールド樹脂（５０）とを備える半導体装置において、次のような点を特徴としている。

すなわち、本発明によれば、アイランド（１１）およびリード端子（１２）がその下面側にてモールド樹脂（５０）から露出しており、アイランド（１１）には、その端面から突出する吊りリード（１３）が連結されており、半導体素子（３０）の上には、金属製板状のヒートシンクフレーム（２０）が半導体素子（３０）とはモールド樹脂（５０）を介して離間して配置されており、ヒートシンクフレーム（２０）には、その端面から突出する取付リード（２１）が連結されており、吊りリード（１３）と取付リード（２１）とは、互いに近づくように配置されていることを特徴としている。

それによれば、半導体素子（３０）からの熱は、アイランド（１１）へ伝わり、モールド樹脂（５０）から露出するアイランド（１１）の下面から放熱されるとともに、アイランド（１１）から吊りリード（１３）、取付リード（２１）を介してヒートシンクフレーム（２０）から放熱される。そのため、実質的に半導体素子（３０）の上下方向からの放熱が可能な構造となっている。

また、半導体素子（３０）の上面では、ヒートシンクフレーム（２０）は、モールド樹脂（５０）を介して離れているため、ヒートシンクフレーム（２０）の取付時において半導体素子（３０）がダメージを受けにくい。

また、アイランド（１１）およびリード端子（１２）がその下面側にてモールド樹脂（５０）から露出しているため、アウターリードを無くすことができるとともに、リード端子（１２）だけでなくアイランド（１１）においても外部基板とはんだなどによる接続が可能になり、装置の実装時における応力を小さくすることができ、実装時における接続信頼性を高いものにできる。

このように、本発明によれば、小型で放熱性が高く、組み付け時における半導体素子へのダメージを抑え、且つ実装時における接続信頼性の高い半導体装置を提供することができる。

ここで、請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の半導体装置において、吊りリード（１３）と取付リード（２１）とは、互いに接触して配置されていることを特徴としている。

吊りリード（１３）と取付リード（２１）とを互いに接触して配置することにより、両リード（１３、２１）間すなわちアイランド（１１）からヒートシンクフレーム（２０）への放熱経路をより確実なものにできる。

また、請求項３に記載の発明では、請求項１または請求項２に記載の半導体装置において、ヒートシンクフレーム（２０）の上面は、モールド樹脂（５０）から露出していることを特徴としている。それによれば、より高い放熱性を実現でき、好ましい。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各図相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、説明の簡略化を図るべく、図中、同一符号を付してある。

図１〜図３は、本発明の実施形態に係る半導体装置１００の構成を示す図であり、図１は、同半導体装置１００におけるリードフレーム１０の概略平面形状を示す図であり、図２は、同半導体装置１００におけるヒートシンクフレーム２０の概略平面形状を示す図である。

また、図３（ａ）は、図１および図２中のＡ−Ａ線に沿った半導体装置１００の概略断面形状を示す図であり、図３（ｂ）は、図１および図２中のＢ−Ｂ線に沿った半導体装置１００の概略断面形状を示す図である。なお、図１、図２では、半導体素子３０の外形およびモールド樹脂５０の外形を破線にて示してある。

図１に示されるように、本半導体装置１００におけるリードフレーム１０は、板状のアイランド１１とアイランド１１の周囲に位置するリード端子１２とを備えている。このリードフレーム１０は、Ｃｕや４２アロイなどの通常のリードフレーム材料からなるものであり、プレス加工やエッチング加工などにより形成することができる。

また、アイランド１１には、その端面から突出する吊りリード１３が連結されている。本例では、アイランド１１は矩形板状をなしており、４本の吊りリード１３が、アイランド１１の四隅部の端面から外方へ向かって延びるようにアイランド１１と一体に設けられている。

また、リード端子１２は、アイランド１１の４辺の外周において複数本のものが配列されている。ここでは、比較的長いリード端子１２と比較的短いリード端子１２とが、交互に設けられることにより、アイランド１１に近いリード端子１２と遠いリード端子１２とが２列に配置された形態となっている。

アイランド１１上には、半導体素子３０が搭載されている。この半導体素子３０は、半導体プロセスにより形成されたＩＣチップなどである。ここでは、半導体素子３０は、ダイボンド材３１を介してアイランド１１に接着固定されている。

そして、図３（ｂ）に示されるように、半導体素子３０の上面と各リード端子１２とは、ボンディングワイヤ４０により結線され電気的に接続されている。このボンディングワイヤ４０は、Ａｕやアルミニウムなどからなるもので、通常のワイヤボンディング法により形成可能である。

そして、アイランド１１、リード端子１２、半導体素子３０およびボンディングワイヤ４０は、モールド樹脂５０により包み込まれるように封止されている。このモールド樹脂４０は、エポキシ系樹脂などの通常のモールド材料を用いてトランスファーモールド法などにより形成できるものである。

ここで、図３に示されるように、本半導体装置１００においては、アイランド１１およびリード端子１２がその下面側にてモールド樹脂５０から露出している。ここで、図３（ｂ）に示されるように、アイランド１１の端面には、段差部１１ａが形成されており、この段差部１１ａにおいてモールド樹脂５０とのかみ合いをよいものにすることで、樹脂の剥離を抑制するようにしている。

そして、半導体装置１００は、外部基板などへ実装される際には、これらアイランド１１およびリード端子１２のモールド樹脂５０からの露出部にて、はんだなどを介した実装が可能となっている。

また、図３に示されるように、本半導体装置１００においては、半導体素子３０の上には、金属製板状のヒートシンクフレーム２０が半導体素子３０とはモールド樹脂５０を介して離間して配置されている。また、本実施形態では、ヒートシンクフレーム２０の上面は、モールド樹脂５０から露出している。

このヒートシンクフレーム２０は、図２に示されるように、矩形板状をなすものであり、さらに、このヒートシンクフレーム２０には、その端面から突出する取付リード２１が連結されている。本例では、４本の取付リード２１が、ヒートシンクフレーム２０の四隅部から外方へ延びるようにヒートシンクフレーム２０と一体に設けられている。

このヒートシンクフレーム２０および取付リード２１は、Ｃｕや４２アロイなどのリードフレーム材料やＡｌ（アルミニウム）などの放熱性に優れた材料からなるもので、プレス加工やエッチング加工などにより、一体的に形成可能である。

そして、図３（ａ）に示されるように、吊りリード１３と取付リード２１とは、互いに近づくように配置されている。本実施形態では、吊りリード１３と取付リード２１とは、互いに接触して配置されている。ここでは、取付リード２１を吊りリード１３側へ折り曲げることにより、両リード１３、２１を近づけている。

ここで、吊りリード１３と取付リード２１とは、互いに接触しているが、Ａｇペーストなどを介在して接触したものでもよい。また、これら両リード１３、２１は、モールド樹脂５０の封止により固定されていてもよいが、かしめや接着剤、溶融接続、溶接などにより、接合されていてもよい。

この半導体装置１００は、たとえば次のようにして製造することができる。アイランド１１およびリード端子１２を有するリードフレーム１０を用意し、アイランド１１上に半導体素子３０をダイマウントする。

そして、半導体素子３０の上面とリード端子１２との間でワイヤボンディングを行い、これらの間をボンディングワイヤ４０で結線する。

続いて、半導体素子３０の上に、ヒートシンクフレーム２０を重ね合わせ、吊りリード１３と取付リード２１とを互いに近づくように配置する。本実施形態では、上述したように、吊りリード１３と取付リード２１とは、互いに接触させ、場合によっては、かしめなどで固定する。

次に、ここまでの工程に共されたワークを、樹脂成型用の金型に設置し、トランスファーモールド成形などによりモールド樹脂５０による封止を行う。その後、モールド樹脂５０の側面から突出するリードフレーム１０のカットを行う。こうして、本実施形態の半導体装置１００ができあがる。

ところで、本実施形態によれば、板状のアイランド１１と、アイランド１１上に搭載された半導体素子３０と、アイランド１１の周囲に位置するリード端子１２と、半導体素子３０の上面とリード端子１２とを電気的に接続するボンディングワイヤ４０と、アイランド１１、リード端子１２、半導体素子３０およびボンディングワイヤ４０を封止するモールド樹脂５０とを備える半導体装置において、以下のような特徴点を有する半導体装置１００が提供される。

すなわち、本実施形態の半導体装置１００においては、アイランド１１およびリード端子１２がその下面側にてモールド樹脂５０から露出しており、アイランド１１には、その端面から突出する吊りリード１３が連結されており、半導体素子３０の上には、金属製板状のヒートシンクフレーム２０が半導体素子３０とはモールド樹脂５０を介して離間して配置されており、ヒートシンクフレーム２０には、その端面から突出する取付リード２１が連結されており、吊りリード１３と取付リード２１とは、互いに近づくように配置されている。

このような点を特徴とする本半導体装置１００によれば、半導体素子３０からの熱は、アイランド１１へ伝わり、モールド樹脂５０から露出するアイランド１１の下面から放熱されるとともに、アイランド１１から吊りリード１３、取付リード２１を介してヒートシンクフレーム２０から放熱される。そのため、実質的に半導体素子３０の上下方向からの放熱が可能な構造となっている。

また、半導体素子３０の上面では、ヒートシンクフレーム２０は、モールド樹脂５０を介して離れているため、ヒートシンクフレーム２０の取付時において半導体素子３０がダメージを受けにくい。

また、アイランド１１およびリード端子１２がその下面側にてモールド樹脂５０から露出しているため、アウターリードを無くすことができるとともに、リード端子１２だけでなくアイランド１１においても外部基板とはんだなどによる接続が可能になる。そのため、装置１００の実装時における応力を小さくすることができ、実装時における接続信頼性を高いものにできる。

このように、本実施形態によれば、小型で放熱性が高く、組み付け時における半導体素子３０へのダメージを抑え、且つ実装時における接続信頼性の高い半導体装置１００を提供することができる。

また、本実施形態では、吊りリード１３と取付リード２１とは、互いに近づくように配置されたものとしているが、特に、吊りリード１３と取付リード２１とを互いに接触して配置することにより、両リード１３、２１間すなわちアイランド１１からヒートシンクフレーム２０への放熱経路をより確実なものにできる。

また、吊りリード１３と取付リード２１とを単に接触させるだけでなく、上述したように、かしめや接着剤、溶融接続、溶接などにより接合されたものにすれば、より確実な放熱経路を形成することができる。

また、本実施形態では、図３に示されるように、ヒートシンクフレーム２０の上面を、モールド樹脂５０から露出させたものにしており、より高い放熱性を実現できるという点で好ましい。

［変形例］
次に、本実施形態の種々の変形例を示しておく。

図４は、第１の変形例を示す概略断面図である。上記図３に示される例では、ヒートシンクフレーム２０の上面を、モールド樹脂５０から露出させたものにしてしているが、この図４に示されるように、ヒートシンクフレーム２０の上面は、実用上放熱が確保可能な程度にモールド樹脂５０により覆われていてもよい。

この場合、ヒートシンクフレーム２０とモールド樹脂５０との剥離を防止するという点では、好ましい。ただし、高い放熱性を実現するという点では、上述したように、ヒートシンクフレーム２０の上面を、モールド樹脂５０から露出させる方が好ましいことは明らかである。

図５は、第２の変形例を示す概略断面図である。この例では、ヒートシンクフレーム２０の下面に、半導体素子３０へ向かう方向へ突出する突起部２２が設けられている。それによれば、ヒートシンクフレーム２０と半導体素子３０との距離を近づけることができるため、放熱性の向上という点では好ましい。

図６は、第３の変形例を示すヒートシンクフレーム２０の概略平面図である。本例は、ヒートシンクフレーム２０の平面形状を変形したものであり、図６に示されるような平面形状とすることにより、ヒートシンクフレーム２０の面積を大きくすることができ、放熱性の向上という点では好ましい。

図７は、第４の変形例を示すヒートシンクフレーム２０の概略平面図である。ヒートシンクフレーム２０に連結される取付リード２１は、上述のように対角線上に設けたものでなくてもよく、本例のように、ヒートシンクフレーム２０の４辺部から延びるように設けられたものであってもよい。

また、ヒートシンクフレーム２０に連結される取付リード２１は、上述のように４本でなくてもよく、２本でも３本でも、５本以上であってもよい。たとえば、図示しないけれども、矩形板状をなすヒートシンクフレーム２０の１つの対角線上に２本の取付リード２１を設けた形としてもよい。

図８、図９は、第５の変形例を示す概略平面図であり、図８は、本例におけるリードフレーム１０の概略平面形状を示す図であり、図９は、本例におけるヒートシンクフレーム２０の概略平面形状を示す図である。これら図８および図９に示されるように、ヒートシンクフレーム２０に連結される取付リード２１は、その一部が幅広形状のものであってもよい。

（他の実施形態）
なお、上記実施形態では、リード端子１２は、比較的長いリード端子１２と比較的短いリード端子１２とが、交互に設けられることにより、アイランド１１に近いリード端子１２と遠いリード端子１２とが２列に配置された形態となっていたが、リード端子１２は同じ長さのものとして１列に配置された形態のものであってもよい。

また、ヒートシンクフレーム２０の上面には、溝を形成したり、切り込みを入れたりすることなどにより、面粗度を大きくして放熱性を高めるようにしてもよい。

要するに、本発明は、アイランド１１およびリード端子１２がその下面側にてモールド樹脂５０から露出するＱＦＮ構造を有する半導体装置において、半導体素子３０の上に、金属製板状のヒートシンクフレーム２０を半導体素子３０とはモールド樹脂５０を介して離間して配置し、アイランド１１の吊りリード１３とヒートシンクフレーム２０の取付リード２１とを互いに近づくように配置したことを要部とするものであり、その他の部分については、適宜設計変更が可能である。

本発明の実施形態に係る半導体装置におけるリードフレームの概略平面形状を示す図である。 本発明の実施形態に係る半導体装置におけるヒートシンクフレームの概略平面形状を示す図である。 （ａ）は、図１および図２中のＡ−Ａ線に沿った半導体装置の概略断面図であり、（ｂ）は、図１および図２中のＢ−Ｂ線に沿った半導体装置の概略断面図である。 上記実施形態の第１の変形例を示す概略断面図である。 上記実施形態の第２の変形例を示す概略断面図である。 上記実施形態の第３の変形例を示すヒートシンクフレームの概略平面図である。 上記実施形態の第４の変形例を示すヒートシンクフレームの概略平面図である。 上記実施形態の第５の変形例におけるリードフレームの概略平面図である。 上記実施形態の第５の変形例におけるヒートシンクフレームの概略平面図である。 従来のヒートシンクを用いたＱＦＰ構造を有する半導体装置の概略断面図である。 従来のＱＦＮ構造を有する半導体装置の概略断面図である。

符号の説明

１１…アイランド、１２…リード端子、１３…吊りリード、
２０…ヒートシンクフレーム、２１…取付リード、３０…半導体素子、
４０…ボンディングワイヤ、５０…モールド樹脂。

Claims (3)

1. 板状のアイランド（１１）と、
   前記アイランド（１１）上に搭載された半導体素子（３０）と、
   前記アイランド（１１）の周囲に位置するリード端子（１２）と、
   前記半導体素子（３０）の上面と前記リード端子（１２）とを電気的に接続するボンディングワイヤ（４０）と、
   前記アイランド（１１）、前記リード端子（１２）、前記半導体素子（３０）および前記ボンディングワイヤ（４０）を封止するモールド樹脂（５０）とを備える半導体装置において、
   前記アイランド（１１）および前記リード端子（１２）がその下面側にて前記モールド樹脂（５０）から露出しており、
   前記アイランド（１１）には、その端面から突出する吊りリード（１３）が連結されており、
   前記半導体素子（３０）の上には、金属製板状のヒートシンクフレーム（２０）が前記半導体素子（３０）とは前記モールド樹脂（５０）を介して離間して配置されており、
   前記ヒートシンクフレーム（２０）には、その端面から突出する取付リード（２１）が連結されており、
   前記吊りリード（１３）と前記取付リード（２１）とは、互いに近づくように配置されていることを特徴とする半導体装置。
2. 前記吊りリード（１３）と前記取付リード（２１）とは、互いに接触して配置されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記ヒートシンクフレーム（２０）の上面は、前記モールド樹脂（５０）から露出していることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
   

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