JP2006196929A - 半導体装置とその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】撮像機能を有する半導体素子を搭載する中空型樹脂パッケージにおいてパッケージ内部に存在する湿気が環境温度変化によりパッケージ封着面に取り付けたガラス板や半導体素子の主面に結露する。
【解決手段】外部端子5を有する中空型樹脂パッケージ1と、パッケージの内部底面にダイボンド剤で固着された半導体素子7と、パッケージの内部端子3と前記素子の電極端子9とを電気的に接続する導体10と、パッケージ内部の素子主面および前記素子裏面を除く領域であって、素子の電極端子と前記導体との接続部を含む領域に設けた吸湿性樹脂13と、パッケージ外囲器の上面に貼りつけられた透明ガラス板12とを有することを特徴とする半導体装置とする。
【選択図】図2

Description

本発明は、中空型樹脂パッケージの内部底面部に固着した半導体素子主面や中空パッケージ内部端子と半導体素子上の電極端子とを電気的に接続する導体や中空パッケージ内部端子を除く領域を低吸湿樹脂で覆った半導体装置とその製造方法であり、高透湿度樹脂中に乾燥剤を混ぜた低吸湿性樹脂は中空内の湿気を強力に吸収し、材質は硬化後も低応力のシリコーンであるため、半導体素子への硬化収縮応力も極めて小さい等の特性を有することを特徴とする半導体装置の構造及び製造方法に関するものである。
以下、従来の撮像機能を有する半導体素子7を搭載した半導体装置14の構造を図19、図20を用いて説明を行い、その製造方法を図21(a)から図21(f)を用いて説明する。撮像機能を有する半導体素子7を搭載した従来の半導体装置14の斜視図と、そのA−A部断面図を図19および図20にそれぞれ示す。
まず、従来の半導体装置14の構造はシリカゲルやモレキュラーシーブズ等の乾燥剤とシリカの混合微粒を混合した充填剤等を所定比で混合したエポキシ樹脂で形成される外囲器、その外囲器の中空底部に設けられたパッケージ底面2、パッケージ底面2より上方周囲に設けた内部端子3、外囲器最上部の封着面4、外囲器の外部側壁から延在し所定の形状に成形された外部端子5とを備えた中空型樹脂パッケージ1と、パッケージ底面2に熱硬化型樹脂からなる固着物6で取り付けられた撮像機能を有する半導体素子7と、半導体素子7の主面上周辺に設けられている電極端子9と、中空型樹脂パッケージ1の内部端子3と電極端子9を接続する導体10と、封着面4に熱或いは紫外線もしくは両者の性能を有する封着物11で封着されるガラス板12で構成される。
つぎに、従来の半導体装置14の製造方法を図21の断面フローチャート(a)から(f)を用いて説明する。
図21(a)は上記半導体装置14の説明に用いたパッケージ底面2、内部端子3、封着面4、外部端子5とを備えた中空型樹脂パッケージ1の断面を示す。
図21(b)はパッケージ底面2に適量の熱硬化型で導電性もしくは非導電性のペースト状固着物6を塗布した断面を示す。塗布の手段はディスペンサーに装着されたマルチノズルからパッケージ底面2の半導体素子7搭載部への塗出や、スタンパーに装着された転写部の転写面に付着させた固着物6をパッケージ底面2の半導体素子7搭載部へ転写により行う。
図21(c)はパッケージ底面2に塗布された固着物6の上から半導体素子7を貼りつけた断面を示す。半導体素子7のパッケージ底面2への固着手段は中空型樹脂パッケージ1の所定の部分を基準にして、X方向、Y方向の2次元的位置および半導体素子7主面の基準面からの高さや傾斜を規定された範囲内に精度良く貼りつける。半導体素子7を精度良くパッケージ底面2に貼りつけた後150℃から180℃の温度条件で1時間から1.5時間加熱硬化することで半導体素子7をパッケージ底面2に固着を行う。
図21(d)は半導体素子7の主面8上周辺の電極端子9と中空型樹脂パッケージ1内部の内部端子3を導体10で接続した断面を示す。導体10の接続手段は10μmから35μm径の金線を用いて熱圧着と超音波接合を併用した合金化接合により行う。金線は先端部を放電により溶融して球状にし、これを電極端子9の上から120℃から180℃の温度と押圧加重10gfから20gf、超音波振動を加えて接続する。
図21(e)は封着面4に熱硬化型または紫外線硬化型もしくは両性能を備えたペースト状の有機封着物11を塗布した際の断面を示す。塗布の手段はディスペンサーに装着されたノズルから封着面4への描画塗布や、スタンパーに装着された転写部の転写面に付着させた封着物11を封着面4に溢れ出すことの無い適量を転写する。
図21(f)は封着面4に塗布された封着物11の上から所定の厚みの透明ガラス板12を貼りつけた断面を示す。このガラス板12の表面はパッケージ基準面と平行を維持するように貼りあわせて仮固定し、その後ガラス板12を通して紫外線照射を行ったり、加熱することで封着物11を硬化して封着面4にガラス板12をしっかりと固定する。
上記の工程処理のようにして撮像機能を有する従来の半導体装置14が実現されていた。
しかしながら、従来の構成では乾燥剤を充填剤として含有する樹脂は、エポキシ系樹脂で構成されており、樹脂パッケージの中空部に拡散により進入したり、ガラス板を封着する際に取り込まれた湿気が乾燥剤に吸収されるにはエポキシ樹脂自身が拡散係数の小さい材料であるため時間を要し、従って高温多湿の雰囲気で使用されてパッケージ内に取り込まれた湿気が外部環境と平衡に達した状態で常温で使用するとガラス内面に結露する。そのために、一旦長時間(1時間以上)常温で保管し、過剰湿気が乾燥剤に吸収されるまで待機する必要があった。加えて長時間過剰湿気中に半導体素子がさらされるために、電極端子(ボンディングパッド)の腐食につながるという課題を有していた。
従来の課題を解決するために、本発明の半導体装置は中空型樹脂パッケージ内部の半導体素子主面を除く領域にシリカゲルやモレキュラーシーブズ等の乾燥剤の微粉と暗色顔料を混ぜたゲル状吸湿性樹脂を滴下塗布する。また、パッケージ底面の半導体素子搭載領域近傍を除く面に溝を設けて溝中に乾燥剤の環状塊を埋設するために吸湿性樹脂を乾燥剤の塊と共に配置する。本構造によって半導体素子に機械的歪みの影響を与えず、パッケージ内部に存在する湿気は迅速にシリコーンゲル中の乾燥剤に吸収され、またその粘着性から塵埃を捕獲できる良好な半導体装置が実現することができる。
本発明によれば中空型樹脂パッケージの内部に存在する湿気が外部温度変化により、ガラス板内面に結露する問題が解決され、ゲル状吸湿性樹脂の表面が粘着性であることから撮像素子の大敵である塵埃の捕獲ができて、さらに半導体素子には機械的歪みの影響を及ぼさない等の高信頼性半導体装置が実現できる。
本発明の実施の形態について図1から図18、図22、図23を用いて順次説明を行う。本発明の第1の実施の形態における半導体装置14の構造を図1および図2を用いて説明する。本発明の中空型樹脂パッケージ1構成材料はエポキシ樹脂、シリカの充填剤等を所定比で混合した熱硬化性封止樹脂15とFe−Ni合金リードフレームの各材質で形成される。中空型樹脂パッケージ1は外囲器と外囲器に形成された中空部と中空部周囲の封着面4と内部端子3とパッケージ底面2と外部端子5で構成される。各構成物の位置関係は中空型樹脂パッケージ1外囲器上面に中空部が設けられており、外囲器上面はガラス板12を貼りつける封着面4と中空部の開口を、中空内部は中間周辺面に撮像機能を有する半導体素子7主面上の電極端子9と接続するための内部端子3と下面に半導体素子7を搭載するためのパッケージ底面2を、外囲器外部側面は内部端子3と外部回路を接続するための外部端子5をそれぞれ備えている。また内部端子3と外部端子5の表面はAuでメッキされている。
このような構造の中空型樹脂パッケージ1のパッケージ底面2上にAgとエポキシ樹脂を主成分とする固着物6で半導体素子7が固着されており、半導体素子7主面周辺に配置されている前記電極端子9と中空型樹脂パッケージ1の内部端子3がAu細線から成る導体10で電気的に接続される。この形態の中空型樹脂パッケージ1中空部内の半導体素子7主面を除いたパッケージ底面2と内部端子3を覆うようにシリコーン樹脂にシリカゲルの微粉末充填剤と暗色顔料を混ぜた本発明のゲル状吸湿性樹脂13が滴下塗布され液面が平坦になってから加熱硬化され、中空型樹脂パッケージ1が傾斜した際に流動が生じない構造としている。この中空部を外部の多湿環境と遮断するために中空型樹脂パッケージ1外囲器封着面4上にエポキシ樹脂を主成分とする封着物11でガラス板12が貼りつけられ、最後に外部端子5が所望する形状に金型で切断成形される。
以下にシリコーン系ゲル状吸湿性樹脂13と従来の樹脂のヤング率、指触性、透湿度、熱伝導率における特性比較を示すが、それぞれの項目で本発明の半導体装置14に適用されるシリコーン系ゲル状吸湿性樹脂13は本発明の目的に対して従来のエポキシ系樹脂と同等もしくは優れた性能である。即ち中空型樹脂パッケージ1や半導体素子7に対する応力は低ヤング率、低応力化が図れ、進入した水分も高透湿度のためゲル状吸湿性樹脂13に混ぜた粉末乾燥剤(シリカゲルやモレキュラーシーブズ)に早く吸収され内部結露が防止でき、封着後中空部中に屑が残存する場合は樹脂が硬化後も高指触性であるため屑を捕獲できる等の優れた機能を実現出来る。
ゲル状シリコーン樹脂 従来(エポキシ)樹脂
ヤング率(Kgf/mm2) 4×10-2 2.4×103
透湿度(g/cm2)、24h 1.1 0.06
指触性(相対比較) 大 無し
熱伝導率(W/m.K) 0.18 0.20
本発明の第2の実施の形態における半導体装置14の構造を図3から図6を用いて説明する。本発明の中空型樹脂パッケージ1構成材料は実施形態1に記載の各材質と同様のもので形成される。本発明と実施形態1の相異は実施形態1の中空型樹脂パッケージ1を構成する外囲器と外囲器に形成された中空部と中空部周囲の封着面4と内部端子3とパッケージ底面2と外部端子5とパッケージ底面2の半導体素子7固着領域を包囲するように形成された隔壁19を備える点である。
各構成物の位置関係は中空型樹脂パッケージ1外囲器の上面周辺にガラス板12を貼りつける封着面4と封着面内側に中空部の開口を配置し、外囲器中空内部の周辺段差面に外部端子5と一体の内部端子3と、下面に半導体を搭載するためのパッケージ底面2およびパッケージ底面2の半導体素子7搭載領域を包囲するように設けられる隔壁19を配置し、外囲器外部側面に内部端子3と外部回路を接続するための外部端子5を配置する。
隔壁19の高さは外囲器封着面との間に導体10を配置可能にする高さ以下で形成され、外囲器内壁と隔壁19間のパッケージ底面2と内部端子3上を覆うようにシリコーン樹脂と乾燥剤、暗色顔料を混ぜたゲル状吸湿性樹脂13を滴下塗布後加熱硬化して得られる。
このような構造にすることで、ガラス封着後に中空型樹脂パッケージ1の中空内に残存もしくは進入してきた水分は透水性の高いシリコーン樹脂中にすばやく進入し、シリコーン樹脂中に混ぜられている粉末乾燥剤(シリカゲルもしくはモレキュラーシーブズ)に吸収される。その結果中空内は常時乾燥状態に保たれて中空内外間の温度差によるガラス板内面の結露が防止でき、加えてシリコーン樹脂の半導体素子7主面への塗れあがりを防止出来る信頼性の高い半導体装置14が実現できる。また、中空型樹脂パッケージ1への応力や、中空型樹脂パッケージ1中の屑の捕獲も実施形態1と同様の効果が実現出来るものである。
本発明の第3の実施形態における半導体装置14の構造を図7から図12を用いて説明する。
本発明の中空型樹脂パッケージ1構成材料は実施形態1に記載の各材質と同様のもので形成される。本発明と実施形態1の相異は実施形態1の中空型樹脂パッケージ1を構成する外囲器と外囲器に形成された中空部と中空部周囲の封着面4と内部端子3とパッケージ底面2と外部端子5に加えて半導体素子7固着領域を包囲するように形成された隔壁19と内部端子3が形成されている段差との間のパッケージ底面2に溝16を設け、溝16の中にゲル状吸湿性樹脂13と共に乾燥剤の塊17を埋設する点である。
各構成物の位置関係は中空型樹脂パッケージ1外囲器の上面周辺にガラス板12を貼りつける封着面4と封着面4内側に中空部の開口を配置し、外囲器中空内部の周辺段差面に外部端子5と一体の内部端子3を配置し、下面に半導体素子7搭載領域と領域の周囲に設ける溝16を配置する。溝にはゲル状吸湿性樹脂13と共にシリカゲル乾燥剤の塊17を埋設し、塊17は環状もしくは分割して用いる。
このような構造を実現することで、ガラス封着後に中空型樹脂パッケージ1の中空内に残存もしくは進入してきた水分は透水性の高いシリコーン樹脂中にすばやく進入し、シリコーン樹脂中に混ぜられている粉末乾燥剤(シリカゲルもしくはモレキュラーシーブズ)に吸収される。その結果中空内は常時乾燥状態に保たれて中空内外間の温度差によるガラス板12内面の結露が防止でき加えて中空内の飽和吸水量が高くなり、外部温度変化による中空型樹脂パッケージ1内での結露が一層防止できる信頼性の高い半導体装置14が実現できる。
また、中空型樹脂パッケージ1への応力や、中空型樹脂パッケージ中の屑の捕獲も第1の実施の形態や第2の実施の形態と同様の効果が実現できるものである。
以上に第1の実施の形態から第3の実施の形態までの内容を説明したが、各実施の形態をそれぞれ組み合わせて用いることで一層の効果が得られるものである。その実施の形態の断面を図13から図16、図22、図23に示した。図13は第1の実施の形態と第2の実施の形態と第3の実施の形態の組み合わせで、図14は第1の実施の形態と第2の実施の形態の組み合わせで、図15は第1の実施の形態と第2の実施の形態と第3の実施の形態に加えて半導体素子固着面にリードフレームの構成部品であるダイパッド18を組み合わせ、図16は第1の実施の形態のパッケージ底面2に溝16を形成したもので、図22は図16のゲル状吸湿性樹脂の量を増やして、吸湿性を強化したものである。
以上の各実施の形態の構造を実現するためにリードフレーム材料のCu系の使用、固着物6にAlペーストや半硬化状のシート剤の使用、導体10にCuやAl細線の使用、乾燥剤にモレキュラーシーブズの使用、封着物11にスクリーン印刷法で形成される紫外線硬化型や熱硬化型の使用、リードフレーム表面のメッキにPdの使用を行っても何ら問題はない。
さらに中空型樹脂パッケージがレンズ一体型の場合はガラス板12および封着物11を使用せずにレンズユニットで直接封着しても何ら問題は無い。さらにパッケージ底面2にリードフレームで構成されるダイパッドを有していても何ら問題は無い。
つぎに本発明の半導体装置14を実現するための第1の実施の形態による製造方法を図17と図18(a)から図18(h)を用いて説明する。
図18(a)は第1の実施の形態で述べた半導体装置14の構造における説明に用いたパッケージ底面2、内部端子3、パッケージ枠部上の封着面4、外部端子5とを備えた中空型樹脂パッケージ1の断面を示す。
図18(b)は中空型樹脂パッケージ1の表面を酸素プラズマやアルゴンスパッターで処理して樹脂表面の改質と同時に、内部端子3や外部端子5表面上の薄い樹脂被膜を除去して清浄化を行う。
図18(c)はパッケージ底面2に適量の熱硬化型で導電性もしくは非導電性のペースト状固着物6を塗布した断面を示すが、シート状であっても問題は無い。塗布の手段はディスペンサーに装着されたマルチノズルからパッケージ底面2の半導体素子7搭載部への塗出や、スタンパーに装着された転写部の転写面に付着させた固着物6をパッケージ底面2の半導体素子7搭載部へ転写により行う。
図18(d)はパッケージ底面2に塗布された固着物6の上から半導体素子7を貼りつけた断面を示す。半導体素子7のパッケージ底面2への固着手段は中空型樹脂パッケージ1の所定の部分を基準にして、X方向、Y方向の2次元的位置および半導体素子7主面の基準面からの高さや傾斜を規定された範囲内の精度に貼りつける。半導体素子7を精度良くパッケージ底面2に固着物6で貼りつけた後150℃から180℃の温度条件で1時間から1.5時間加熱硬化することで半導体素子7をパッケージ底面2に固着を行う。
図18(e)は半導体素子7の主面上周辺の電極端子9と中空型樹脂パッケージ1内部の内部端子3を導体10で接続した断面を示す。導体10の接続手段は15μmから30μm径の金線を用いて熱圧着と超音波接合を併用した合金化接合により行う。金線は先端部を放電により溶融して球状にし、これを電極端子9の上から120℃から180℃の温度と40gfから80gfの押圧加重および超音波振動を加えて接続し、導体10の内部端子3への接続は120gfから180gfの押圧加重および超音波振動を加えて接続する。
図18(f)はパッケージ底面2上にゲル状吸湿性樹脂13を滴下しそして硬化した状態の断面を示す。低応力吸湿性樹脂13の配合、塗布、硬化の手段は1μmから200μm径のシリカゲルやモレキュラーシーブズ等の乾燥剤微粉充填剤と暗色顔料を練り込んだ主剤のゲル状シリコーン樹脂と硬化剤を重量比10:1(材料の種類により異なる)で混ぜた低応力吸湿性樹脂13をディスペンサーを用いてパッケージ底面2に半導体素子7の主面と内部端子3を設けた段差面を除き滴下塗布する。塗布量はパッケージ寸法と搭載される半導体素子7の組合わせにより異なる。そして120℃から150℃の温度で1時間から1.5時間の加熱硬化を行う。
図18(g)はパッケージ枠部上面4に熱硬化型または紫外線硬化型もしくは両性能を備えたペースト状の有機封着物11を塗布した際の断面を示す。塗布の手段はディスペンサーに装着されたノズルからパッケージ枠部上面4への描画塗布や、スタンパーに装着された転写部の転写面に付着させた封着物11をパッケージ枠部上面4に溢れ出すことの無い適量を転写する。
図18(h)はパッケージ枠部上面4に塗布された封着物11の上から所定の厚みの透明ガラス板12を貼りつけた断面を示す。このガラス板12の表面はパッケージ基準面と平行を維持するように貼りあわせて仮固定し、その後ガラス板12を通して紫外線照射を行ったり、加熱することで封着物11を硬化してパッケージ枠部上の封着面4にガラス板12をしっかりと固定する。
このような製造方法を実施することで中空部内の湿気や塵埃が捕獲出来て半導体素子7に対して応力が小さい本発明の実施形態1の撮像機能を有する半導体装置14が達成される。また、第2の実施の形態では中空型樹脂パッケージのパッケージ底面2に隔壁19を備え、第3の実施の形態ではゲル状吸湿性樹脂の塗布領域に溝16を形成しそこにゲル状吸湿性樹脂13と共に乾燥剤の塊17を埋設する点以外は同じ製造方法を使用するものである。
本発明の第1の実施の形態の半導体装置における斜視図 本発明の第1の実施の形態の半導体装置におけるB−B断面図 本発明の第2の実施の形態のゲル状吸湿性樹脂滴下塗布前での半導体装置における斜視図 本発明の第2の実施の形態の半導体装置における斜視図 本発明の第2の実施の形態のゲル状吸湿性樹脂滴下塗布前での半導体装置におけるC−C断面図 本発明の第2の実施の形態の半導体装置におけるD−D断面図 本発明の第3の実施の形態の半導体装置における斜視図 本発明の第3の実施の形態の半導体装置におけるE−E断面図 本発明の第3の実施の形態のゲル状吸湿性樹脂中に埋設される環状乾燥剤配置例の平面図 本発明の第3の実施の形態の半導体装置における平面図 本発明の第3の実施の形態のゲル状吸湿性樹脂中に埋設される分割乾燥剤配置例の平面図 本発明の第3の実施の形態の半導体装置における平面図 本発明の第1の実施の形態と第2の実施の形態と第3の実施の形態を組み合わせた半導体装置における断面図 本発明の第1の実施の形態と第2の実施の形態を組み合わせた半導体装置における断面図 本発明の第1の実施の形態と第2の実施の形態と第3の実施の形態に加えてパッケージ底面にダイパッドを備える半導体装置における断面図 本発明の第2の実施の形態から隔壁を取り除き、ゲル状吸湿性樹脂を内部端子形成段差面以下に滴下塗布した半導体装置における断面図 本発明の第1の実施の形態の半導体装置における斜視図 本発明の第1の実施の形態の半導体装置における組立工程図 従来例の半導体装置における斜視図 従来例の半導体装置におけるA−A断面図 従来例の半導体装置における組立工程図 本発明の他の実施の形態の半導体装置における断面図 本発明の他の実施の形態の半導体装置における組立工程図
符号の説明
1 中空型樹脂パッケージ
2 パッケージ底面
3 内部端子
4 封着面(外囲器中空部上面)
5 外部端子
6 固着物(DB剤)
7 半導体素子
8 主面
9 電極端子(ボンディングパッド)
10 導体(金属細線)
11 封着物
12 ガラス板
13 ゲル状吸湿性樹脂
14 半導体装置
16 溝
17 塊(乾燥剤)
18 導電性固着台
19 隔壁

Claims (8)

  1. 外部端子を有する中空型樹脂パッケージと、前記パッケージの内部底面にダイボンド剤で固着された半導体素子と、前記パッケージの内部端子と前記素子の電極端子とを電気的に接続する導体と、前記パッケージ内部の前記素子主面および前記素子裏面を除く領域であって、前記素子の電極端子と前記導体との接続部を含む領域に設けた吸湿性樹脂と、前記パッケージ外囲器の上面に貼りつけられた透明ガラス板とを有することを特徴とする半導体装置。
  2. 半導体素子の固着領域を包囲するように内部底面に設けられた隔壁と外部端子とを有する中空型樹脂パッケージと、前記パッケージの内部底面にダイボンド剤で固着された半導体素子と、前記パッケージの内部端子と前記素子の電極端子とを電気的に接続する導体と、前記パッケージ内部の前記素子主面および前記素子裏面を除く領域であって、前記素子の電極端子と前記導体との接続部を含み、かつ前記パッケージの外囲器内壁と前記隔壁との間に施した吸湿性樹脂と、前記パッケージの外囲器上面に貼りつけた透明ガラス板とを有することを特徴とする半導体装置。
  3. 前記パッケージ底面に溝を設け、前記溝に乾燥剤の環状もしくは分割状の塊を前記吸湿性樹脂中に埋設する状態で備えたことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の半導体装置。
  4. 前記吸湿性樹脂は粘着性を有することを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれかに記載の半導体装置。
  5. 前記吸湿性樹脂はゲル状シリコーン樹脂と硬化剤とを加熱硬化して得られ、前記シリコーン樹脂中に粒径が1μmから200μmの粉末シリカゲルまたはモレキュラーシーブズの吸湿性充填剤を混ぜて用いることを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれかに記載の半導体装置。
  6. 前記ゲル状シリコーン樹脂に暗色顔料を混ぜて用いることを特徴とする請求項5に記載の半導体装置。
  7. 前記導体は金属細線であることを特徴とする請求項1ないし請求項6のいずれかに記載の半導体装置。
  8. 中空樹脂型パッケージを酸素プラズマまたはアルゴンスパッタで表面改質処理する工程と、前記パッケージ底面にダイボンド剤で半導体素子を固着する工程と、前記パッケージ内部端子と前記素子の電極端子とを導体で電気的に接続する工程と、前記パッケージ内部の前記素子主面および前記素子裏面を除く領域であって、前記素子の電極端子と前記導体との接続部を含む領域に吸湿性樹脂を塗布する工程と、透明ガラス板を前記パッケージ枠部の上面に貼りつける工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
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