JP2007035844A - 樹脂製中空パッケージ及び半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型・薄型化を実現でき、外部接続端子が増えても、外部基板へのリフローハンダ付け実装時のハンダの短絡を防ぎ、表面実装信頼性の高い樹脂製中空パッケージを提供する。
【解決手段】実装される外部基板と電気的に接続される複数の外部接続端子１２がパッケージ底面に露出し、中空部に半導体素子を搭載する樹脂製中空パッケージであって、隣接する外部接続端子１２が中空部内側面近傍の底面側とパッケージ外周の底面側とに交互に露出することを特徴とする、樹脂製中空パッケージ。
【選択図】図１

Description

本発明は、外部接続端子の多いＣＣＤやＣ−ＭＯＳに代表される固体撮像素子等の半導体素子を装着する樹脂製中空パッケージ及び該樹脂製中空パッケージに半導体素子を搭載した半導体装置に関する。

デジタルカメラ等に用いられているＣＣＤやＣ−ＭＯＳ等の固体撮像素子は、外部の湿度や急激な温度変化あるいは埃等の異物により、特性が悪化し最悪の場合は破壊されてしまう。そのため一般的にはセラミックスや樹脂を用いたパッケージに封止した上で外部実装基板に実装されて用いられている。

最近のデジタルカメラ等に対する要求は、小型化・高画素化だけではなく、同時に高速連続撮影や動画撮影への対応が求められており、固体撮像素子を搭載するパッケージに対しては、小型化と同時に外部接続端子数の増加に対応することが求められている。

半導体素子を搭載するパッケージの形状としては、従来のＤＩＰ（Ｄｕａｌ Ｉｎｌｉｎｅ Ｐａｃｋａｇｅ）方式から、表面実装が可能で高実装密度化が容易なＳＯＰ（Ｓｍａｌｌ Ｏｕｔｌｉｎｅ Ｐａｃｋａｇｅ）方式やＱＦＰ（Ｑｕａｄ Ｆｌａｔ Ｐａｃｋａｇｅ）方式が主流となりつつあり、更に実装面積を小さくするためにＳＯＮ（Ｓｍａｌｌ Ｏｕｔｌｉｎｅ Ｎｏｎｌｅａｄ）方式やＱＦＮ（Ｑｕａｄ Ｆｌａｔ Ｎｏｎｌｅａｄ）方式のものも現れ始めている。

ここで固体撮像素子等の半導体素子を搭載する樹脂製中空パッケージは、一般に以下に説明する方法で作製されている。例えば、搭載する半導体素子と電気的に接続される内部接続端子と、実装される外部基板と電気的に接続される外部接続端子とを有する金属製のリードフレームが挿入された金型に、成形樹脂を注入し固化して一体成形することで樹脂製中空パッケージ前駆体を作製する方法である。その後リードフレームを作業電極として該樹脂製中空パッケージ前駆体の外部に露出している外部接続端子部及び内部接続端子部に金、銅、ニッケル又はこれらの合金をメッキする。この様にして得られた、リードフレーム上に成形された樹脂製中空パッケージは、次いで必要に応じて外部接続端子をＤＩＰやＳＯＰ等の所望の形状に折り曲げ加工した後に切断して個片化される。その後、中空部に、搭載される半導体素子を接着剤等で固定し、次いで搭載された該半導体素子の外部接続端子と樹脂製中空パッケージの中空部に露出する内部接続端子とを、Ａｕ等の金属線を用いてワイヤーボンディングし、その後該樹脂製中空パッケージの上部に接着剤等を用いてガラス板等の封止板を封止することにより半導体素子を搭載した半導体装置が完成するのである。

ここで本明細書において、リードフレームという用語は、製造過程で用いられている切断個片化する前の状態を指すこともあり、切断個片化された後の状態を指すこともあり、更には樹脂製中空パッケージの内部における電気信号の媒体と言う意味で用いている場合もあるが、特に必要がない限り、これらを区別しないで用いている。リードフレームとは内部接続端子部及び外部接続端子部、更に必要な場合には内部接続端子部と外部接続端子部とを連通するリード中間部を含む呼び方である。特に部位を限定する必要の無い場合には単にリードと称する場合もある。

また、外部接続端子については、場合によりアウターリード、アウターリード部、リードピン、単にピン、という用語も使用する場合があるが、同様の意味を示すものとする。また、インナーリードについても同様である。

なお搭載する半導体素子と電気的に接続される接続端子部分を内部接続端子（インナーリード）、実装される外部基板と電気的に接続される接続端子部を外部接続端子（アウターリード）と呼ぶものとする。

近年、高密度実装が可能でかつ製造時の生産性を向上させる目的で、インナーリード部の底面をハーフエッチングした、リードフレームの厚さとパッケージの素子搭載部の厚さが等しいパッケージ及びその製造方法が提案されている（例えば特許文献１等参照）。また、特許文献2（特開２００４−２８１５０５号公報）には、パッケージにおいて生じた樹脂成形時にインナーリード表面に樹脂バリが発生する問題を解決するために一部を残してハーフエッチングすることでインナーリード部をパッケージの半導体素子搭載部の上面と下面の両方に露出させるパッケージの製造方法が開示されている。ここで、ＣＣＤやＣ−ＭＯＳに代表される固体撮像素子等の半導体素子を搭載する樹脂製中空パッケージを小型化して高密度実装するには、ＳＯＮ方式やＱＦＮ方式のパッケージ形状が適している。さらに特許文献１および２として引用紹介したように、パッケージの半導体素子搭載部の厚さをリードフレームの厚さと等しくすることは、パッケージを薄型化するためには効果が大きい。

一方で、限られたパッケージの底面積の中に、外部基板と電気的に接続するための外部接続端子あるいはピンを多数設けると、隣り合う外部接続端子あるいはピンの間隔が必然的に狭くなり、外部基板に実装する際のリフローハンダ付け工程でハンダが隣り合う外部接続端子あるいはピンの間を短絡して製品歩留まりを低下させるという問題が生じていた。また、リフローハンダ付け工程でのハンダによる短絡を抑制するために隣り合う外部接続端子あるいはピンの間隔を広げると、必然的にパッケージの底面積が増加し、実装密度が低下するという問題がある。

このように、小型・薄型化が進んでいる固体撮像素子等の半導体素子を搭載する樹脂製中空パッケージでは、小型・薄型化、あるいは実装密度の向上と、搭載する素子の多ピン化への対応と、リフローハンダ付け工程での歩留まりとは相互に矛盾する問題として顕在化しており、解決が望まれている。
特開２００１−７７２７７号公報 特開２００４−２８１５０５号公報

本発明の目的は、小型・薄型化を実現でき、外部接続端子が増えても、外部基板へのリフローハンダ付け実装時のハンダの短絡を防ぎ、表面実装信頼性の高い樹脂製中空パッケージを提供することである。

本発明者らは、鋭意検討した結果、実装される外部基板と電気的に接続される複数の外部接続端子がパッケージ底面に露出し、中空部に半導体素子を搭載する樹脂製中空パッケージであって、隣接する外部接続端子の形状と特定の形状にすることにより、上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成した。

即ち、本発明は、
１）実装される外部基板と電気的に接続される複数の外部接続端子がパッケージ底面に露出し、中空部に半導体素子を搭載する樹脂製中空パッケージであって、隣接する外部接続端子が中空部内側面近傍の底面側とパッケージ外周の底面側とに交互に露出することを特徴とする、樹脂製中空パッケージであり、好ましくは、
２）中空部内側面近傍の底面側に露出する外部接続端子は、その反対側が中空部内に内部接続端子として露出しているものである１）記載の樹脂製中空パッケージであり、さらに
３）半導体素子を搭載する中空部底板の厚さが、外部端子となるリードフレームと同じ厚さである１）記載の樹脂製中空パッケージ、より好ましくは、
４）面部に露出する外部接続端子となる部分以外の少なくとも一部は、ハーフエッチングされているものである１）記載の樹脂製中空パッケージであり、また、
５）金属製リードフレームの全ての外部接続端子部と内部接続端子部が、該リードフレーム平面内において直線状に延出しているものである１）記載の樹脂製中空パッケージに関するものであり、加えて、
１)から５）に記載樹脂製中空パッケージに半導体素子を搭載してなる半導体装置を要旨とするものである。

本発明によれば、多ピン化した半導体素子を搭載しつつ、小型・薄型で高密度実装が可能であり、更に外部基板への実装工程でのリフローハンダ付けの際にハンダによる短絡の発生を抑制することで歩留まりを維持することが可能とできる。また、樹脂製中空パッケージの底面において、外部の実装基板と電気的に接続される外部接続端子あるいはピンが、中空部内側面近傍の底面側とパッケージ外周の底面側に交互に露出することで、露出した外部接続端子の間隔を広くとることが可能になるからである。

従って本発明により、従来品と同等の実装密度及びリフローハンダ付け時の歩留まりを維持しつつ、２倍までの多ピン化に対応することが可能である。更に外部基板への実装時のリフローハンダ付け工程での歩留まりを従来と同等にした場合、アウターリードの幅を狭くすることで樹脂製中空パッケージを小型化することが可能となる。樹脂製中空パッケージが小型化されることは、必然的にリードフレームのインナーリード部端からアウターリード部端への距離が短くなるので、金型に樹脂を注入して樹脂製中空パッケージ前駆体を成形する際のリードフレームのたわみも小さくなり、インナーリード部の樹脂バリの発生が生じにくくなるという効果もある。

以下、本発明を詳細に説明する。
本発明は、実装される外部基板と電気的に接続される複数の外部接続端子がパッケージ底面に露出し、中空部に半導体素子を搭載する樹脂製中空パッケージであって、隣接する外部接続端子が中空部内側面近傍の底面側とパッケージ外周の底面側とに交互に露出することを特徴とする、樹脂製中空パッケージである。本発明の外部接続端子の好ましい形状については、図を用いて後述するが、中空部内側面近傍の底面側に露出する外部接続端子は、その反対側が中空部内に内部接続端子として露出しているものであることが好ましい。

本発明において樹脂製中空パッケージに用いる外部接続端子および内部接続端子となるリードフレームの材質は、電気伝導性であり成形加工が容易な材料であれば用いることが可能であるが、例えば銅、鉄、アルミニウム、或いはこれらの合金から選ばれたものが用いられ、銅合金、又は４２アロイが好適に用いられる。

リードフレームの厚さは一般的に０．１ｍｍから０．３ｍｍのものが用いられているが、０．２０ｍｍから０．２５ｍｍの厚さのものが、本発明の樹脂製中空パッケージの機械的強度および耐湿性能と薄型化を両立させる上で、好適に用いられる。

本発明の樹脂製中空パッケージにおいて、半導体素子を搭載する中空部底板の厚さは、外部端子となるリードフレームと同じ厚さであることが好ましい。そのため本発明においては、底面部に露出する外部接続端子となる部分以外の少なくとも一部は、ハーフエッチングされているものであることが好ましい。リードフレームのハーフエッチング処理は、例えばリードフレームの全面にレジスト剤を塗布した後、所望の形状となる様に露光現像してハーフエッチング予定部位のみのレジスト膜を除去したリードフレームを用意し、次いで該リードフレームに対して所望のエッチング処理を施した後に、レジスト膜を除去して作製することができる。なお、同様の形状にリードフレームを加工する手法として、所望の形状が得られる様にマスクを施したうえで研磨剤を吹き付けるブラスト処理や、所望の形状に機械研磨したり部分的なプレス加工等を施しても良いが、生産性、経済性等を考慮すると化学的なエッチングがより好ましく用いられる。

本発明の樹脂製中空パッケージを形成するために用いられる成形樹脂材料としては、特に制限はなく、一般的に成形樹脂材料として用いられる樹脂材料であれば使用可能であり、例としてエポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、シリコーン樹脂等の熱硬化性樹脂、あるいは液晶ポリマー、ポリフェニレンオキサイド、ポリフェニレンスルフィド樹脂、ポリスルホン、ポリアミドイミド、ポリアリルスルホン樹脂等の耐熱性熱可塑性樹脂等を挙げることができる。エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、ポリフェニレンスルフィド樹脂がより好ましく用いられる。

尚、これらの樹脂には無機充填剤を添加しても問題なく、添加したものは好ましい。無機充填剤としてはシリカ粉末、アルミナ粉末、窒化珪素粉末、ボロンナイトライド粉末、酸化チタン粉末、炭化珪素粉末、ガラス繊維、アルミナ繊維等を用いることができる。シリカ粉末、アルミナ粉末、窒化珪素粉末、ボロンナイトライド粉末が、成形後の収縮が等方性収縮となることから好ましく用いられる。無機充填剤の粒径は、特に限定されないが、０．１〜１２０μｍが好ましく、成形時の流動性の観点からは０．５〜６０μｍがより好ましい。無機充填剤は成形樹脂１００重量部に対して好ましくは４０〜３２００重量部、より好ましくは１００〜２０００重量部、さらに好ましくは２００〜１５００重量部配合される。又、無機充填剤の他に、硬化剤、硬化促進剤、及びカップリング剤等の添加剤が含まれていても良い。

樹脂製中空パッケージの成形方法はトランスファー成形機を用いたインサート成形が好ましく用いられるが、この手法に限定されるのではなく所望の樹脂製中空パッケージが得られる限り他の成形方法を用いても何ら問題は無い。

トランスファー成形機を用いたインサート成形の場合の成形条件は、使用する樹脂によっても異なるが、エポキシ樹脂の場合を例に取ると、成形温度は通常１３０〜２００℃、好ましくは１５０〜１８０℃、成形圧力は通常５〜３０ＭＰａ、好ましくは１０〜１７ＭＰａ、成形時間は好ましくは１０〜１２０秒、より好ましくは１５〜６０秒の条件で行うことができる。エポキシ樹脂を射出成形する場合は、例えば一例として成形温度は好ましくは１３０〜２００℃、より好ましくは１５０〜１８０℃、射出圧力は好ましくは５〜１００ＭＰａ、より好ましくは８〜６０ＭＰａ、成形時間は通常１０〜１２０秒、より好ましくは１５〜６０秒の条件で成形することができる。その後、それぞれの成形手法において必要に応じて後硬化処理を行っても良い。

また、本発明の樹脂製中空パッケージは、その中空部側のパッケージ底面に防湿板となる金属板を設けることも好ましい態様の一つであり、その具体的な製造方法や仕様は公知の方法を適用することができる。

以下に図を用いて本発明を更に詳細に説明する。
本発明の樹脂製中空パッケージに使用するリードフレームの形状の一例を図１に示す。図１は内部接続端子先端部以外の裏面がハーフエッチングされたリードと、外部接続端子の外周寄りの一部を除いてハーフエッチングされたリードとが、交互に配列されているリードフレームである。図１のＡ−Ａ’断面図に示すのが内部接続端子先端部以外の裏面がハーフエッチングされたリードであり、これが、中空部内側面近傍の底面側に露出する外部接続端子となり、その反対側が中空部内に露出しており内部接続端子として使用できる。また、Ｂ−Ｂ’断面図に示すのが外部接続端子の外周寄りの一部を除いてハーフエッチングされたリードである。

これらのリードフレームを用いて本発明の樹脂製中空パッケージを製造する方法の一例を示すと、用意した前述のリードフレームを金型に挿入する。通常金型は上下に二分割された上金型と下金型とからなり、リードフレームを上下の金型で挟み込んだ状態で金型が固定される。次いで金型の空間部に樹脂が注入され、リードフレームと一体化して固化した後に金型から離型される。その後に、リードフレームを作業電極として樹脂製中空パッケージ前駆体の表面に露出している内部接続端子及び外部接続端子の表面に、金、銅、ニッケル等の金属をメッキ処理しても良い。その後、リードフレームを切断して、個片化された樹脂製中空パッケージができる。なおこの間に、バリ取りや洗浄等の必要な処理を適宜加えても問題ない。次に、個片化された樹脂製中空パッケージに、銀ペーストを接着剤として用いて半導体素子を固定した後、Ａｕ線で該半導体素子の接続端子と、該樹脂製中空パッケージ前駆体のインナーリードとをワイヤボンディングし、次いで封止用接着剤を用いてガラス製の封止板を該樹脂製中空パッケージ前駆体の上部に接着され、半導体素子を搭載した半導体装置を製造することができる。

図２は個片化する前の、図１で用意したリードフレームを用いて成形した樹脂製中空パッケージを底面から見た平面図と、横から見たＡ−Ａ’断面図及びＢ−Ｂ’断面図である。

図３はダイサーで切断し個片化された後の樹脂製中空パッケージのＡ−Ａ’断面図及びＢ−Ｂ’断面図である。

また、図２のＡ−Ａ’断面部のリード形状が、図４に示すＡ−Ａ’断面図の様に、樹脂製中空パッケージ底面の中央寄りに露出するアウターリードすなわち外部接続端子が、インナーリードの先端よりやや周辺寄りであっても良い。

図５は、全てのインナーリードとアウターリードとが直線状に延出したリードフレームの平面図であり、本発明の好ましい態様の一例である。また、Ａ−Ａ’断面図、Ｂ−Ｂ’断面図も同様に示している。図６は、図５のリードフレームを用いて成形した、半導体素子を搭載する前の樹脂製中空パッケージの底面からの平面図及び、Ａ−Ａ’断面図、Ｂ−Ｂ’断面図である。Ｂ−Ｂ’断面図として示されている樹脂製中空パッケージ底面の外周部に露出する外部接続端子は、Ａ−Ａ’断面で示されるリードの露出部が近傍に存在しないので、延出しているリードフレームの幅より広い形状に加工しても良い。同様にＡ−Ａ’断面図で示される樹脂製中空パッケージ底面の外周部に露出する外部接続端子は、Ｂ−Ｂ’断面で示されるリードの露出部が近傍に存在しないので、延出しているリードフレームの幅より広い形状に加工しても良い。このように外部接続端子を大きくすることで、リフローハンダ実装時のハンダの短絡が発生しない限度内で、ハンダ付けの強度を向上させ、より実装信頼性の高い樹脂製中空パッケージを得ることも可能である。また、全ての内部接続端子と外部接続端子が直線状に延出していることから屈曲するリード中間部が存在せず、側壁の幅を必要最小限に留めることが可能となり樹脂製中空パッケージの大きさを小さく出来る。これは実装密度を向上させるだけでなく、樹脂製中空パッケージの樹脂を注入する製造工程でのリード表面への樹脂バリの発生を抑制する事が出来る。

同様に、図７は全ての内部接続端子と外部接続端子が直線状である場合の他の一例で、パッケージ裏面の中央部側に露出する外部接続端子がパッケージの側壁部の底面に露出するリードフレームの平面図、及びＡ−Ａ’断面図、Ｂ−Ｂ’断面図である。

図８は、図７のリードフレームを用いて成形した樹脂製中空パッケージの底面の平面図及び、Ａ−Ａ’断面図、Ｂ−Ｂ’断面図である。

図９は、図１に示したリードフレームの中央に、防湿板となる上面をハーフエッチングした金属板を設けた場合のリードフレームの平面図、及びＡ−Ａ’断面図、Ｂ−Ｂ’断面図である。図１０は樹脂成形後の底面から見た平面図及びＡ−Ａ’断面図、Ｂ−Ｂ’断面図である。樹脂製中空パッケージの底面に防湿板を設置することで、樹脂製中空パッケージの底面から浸入してくる空気中の水分の透過を阻止することが出来、その結果、薄型・小型でかつ多ピン化されていても耐湿性能に優れた樹脂製中空パッケージを提供することが可能となる。ここに示した防湿板は、図５、図６に示した全ての内部接続端子と外部接続端子とが直線状に延出するリードフレームに設けることも当然可能である。

尚、これまで本発明を実施する形態としてＳＯＮ形状について説明してきたが、ＱＦＮ形状についても同様に適用することが出来る。

本発明の樹脂製中空パッケージは、多ピン化、すなわち外部接続端子数が増えても、外部基板へのリフローハンダ付け実装時のハンダの短絡を防ぎ、表面実装信頼性の高い樹脂製中空パッケージを提供することが可能となる。更に、交互に配列されたそれぞれのリードを、中空部に露出した部位からパッケージ外周側面に露出する部位までの間のリード中心線が一直線に繋がった形状にする事により、更に小型で表面実装信頼性の高い樹脂性中空パッケージを提供することが可能となる。

本発明の樹脂製中空パッケージに用いるリードフレーム裏面の平面図の一例、Ａ−Ａ´断面図の一例およびＢ−Ｂ´断面図の一例である。 図１で示した樹脂製中空パッケージを個片化する前の底面を示す平面図、Ａ−Ａ´断面図およびＢ−Ｂ´断面図である。 本発明の樹脂製中空パッケージを個片化した後のＡ−Ａ´断面図の一例およびＢ−Ｂ´断面図の一例である。 図２のＡ−Ａ´断面図のインナーリード先端一部がハーフエッチングされた場合のＡ−Ａ´断面図である。 全てのインナーリードとアウターリードとが直線状に延出したリードフレームの平面図の一例であり、本発明の一例である。 図５のリードフレームを用いて成形した、半導体素子を搭載する前の樹脂製中空パッケージの底面からの平面図及び、Ａ−Ａ’断面図、Ｂ−Ｂ’断面図である。 全ての内部接続端子と外部接続端子が直線状である場合の他の一例で、パッケージ裏面の中央部側に露出する外部接続端子がパッケージの側壁部の底面に露出するリードフレームの平面図、及びＡ−Ａ’断面図、Ｂ−Ｂ’断面図である。 図７のリードフレームを用いて成形した樹脂製中空パッケージの底面の平面図及び、Ａ−Ａ’断面図、Ｂ−Ｂ’断面図である。 図１に示したリードフレームの中央に、防湿板となる上面をハーフエッチングした金属板を設けた場合のリードフレームの平面図、及びＡ−Ａ’断面図、Ｂ−Ｂ’断面図である。 樹脂成形後の底面から見た平面図及びＡ−Ａ’断面図、Ｂ−Ｂ’断面図である。

符号の説明

２．中空部内底面
３．脂肉厚部（側面）
４．パッケージ外周側面
５．パッケージ底面
６．パッケージ外周底面
７．パッケージ底面の樹脂肉厚部中空部側
９．内部接続端子（インナーリード）
１０．外部接続端子（アウターリード）
１２．外部接続端子
１３．リード中心線
１４．裏面ハーフエッチング
１５．表面ハーフエッチング
１６．ダイサー切断部
１７．金属板
１８．ガラス

Claims (6)

1. 実装される外部基板と電気的に接続される複数の外部接続端子がパッケージ底面に露出し、中空部に半導体素子を搭載する樹脂製中空パッケージであって、隣接する外部接続端子が中空部内側面近傍の底面側とパッケージ外周の底面側とに交互に露出することを特徴とする、樹脂製中空パッケージ。
2. 中空部内側面近傍の底面側に露出する外部接続端子は、その反対側が中空部内に内部接続端子として露出しているものである請求項１記載の樹脂製中空パッケージ。
3. 半導体素子を搭載する中空部底板の厚さが、外部端子となるリードフレームと同じ厚さである請求項１記載の樹脂製中空パッケージ。
4. 底面部に露出する外部接続端子となる部分以外の少なくとも一部は、ハーフエッチングされているものである請求項１記載の樹脂製中空パッケージ。
5. 金属製リードフレームの全ての外部接続端子部と内部接続端子部が、該リードフレーム平面内において直線状に延出しているものである請求項１記載の樹脂製中空パッケージ。
6. 請求項１から５に記載樹脂製中空パッケージに半導体素子を搭載してなる半導体装置。

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