JP2007250749A - 半導体装置、電子機器及び半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体素子の特性及び設計自由度を維持しつつ、応力耐性を向上させることができる半導体装置を提供する。
【解決手段】半導体装置１において、板状に形成され一方向に伸びるリード部２ａ〜２ｄと、リード部２ａ〜２ｄの表面上の直線であってリード部２ａ〜２ｄの長手方向に伸びる基準線Ｋから交互に異なる短手方向にそれぞれ移動させてリード部２ａ〜２ｄの表面に設けられた複数の突起電極３ａ〜３ｊと、リード部２ａ〜２ｄの表面に複数の突起電極３ａ〜３ｊを介して設けられた半導体素子４と、リード部２ａ〜２ｄと半導体素子４との間に設けられた封止樹脂５とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体素子を備える半導体装置、その半導体装置を備える電子機器及び半導体装置の製造方法に関する。

携帯電話やデジタルカメラ等の電子機器では、高機能化及び軽薄短小化への要求とともに、電子部品の高密度実装化に対する要求が厳しくなっており、半導体パッケージ等の半導体装置の形態もＱＦＰ（Quad Flat Package）やＴＳＯＰ（Thin small Outline Package）等から、ＢＧＡ（Ball Grid Array）やＣＳＰ（Chip Scale Package）等に代表される片面のみを封止するパッケージに移行している（例えば、特許文献１参照）。

また、半導体装置では、リード部に対してフリップチップ実装技術及び片面樹脂封止技術を適用することにより、半導体装置の小型化及び薄型化を図っている。リード部上には、半導体チップ等の半導体素子が突起電極（バンプ）を介して設けられており、半導体素子とリード部との間には、封止樹脂が設けられている。

このような半導体装置では、リード部と封止樹脂とが完全に密着している状態が理想であるが、実際には、リード部と封止樹脂とは完全に密着しておらず、リード部と封止樹脂との間には、密着部分と剥離部分とが存在している。このため、温度サイクル試験時及びパッケージ曲げ試験時に密着部分に応力が集中し、樹脂クラックが発生してしまう。さらに、樹脂クラックが発生した箇所を支点にしてパッケージが曲がり、チップクラックが発生してしまう。そこで、樹脂クラックやチップクラックの発生を防止するため、突起電極のサイズ（バンプサイズ）を大きくすることによって、応力耐性を向上させることができる。
特開２００２−１６４４７３号公報

しかしながら、突起電極のサイズを大きくすると、応力耐性は向上するが、半導体素子の電極パッドも突起電極のサイズに合わせて大きくする必要が生じ、半導体素子の特性劣化及び設計自由度の低下を招いてしまう。したがって、半導体素子の特性及び設計自由度を維持しつつ、温度サイクル試験時又はパッケージ曲げ試験時に発生する応力に対する応力耐性を向上させることは困難である。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的は、半導体素子の特性及び設計自由度を維持しつつ、応力耐性を向上させることができる半導体装置、その半導体装置を備える電子機器及び半導体装置の製造方法を提供することである。

本発明の実施の形態に係る第１の特徴は、半導体装置において、板状に形成され一方向に伸びるリード部と、リード部の表面上の直線であってリード部の長手方向に伸びる基準線から交互に異なる短手方向にそれぞれ移動させてリード部の表面に設けられた複数の突起電極と、リード部の表面に複数の突起電極を介して設けられた半導体素子と、リード部と半導体素子との間に設けられた封止樹脂とを備えることである。

本発明の実施の形態に係る第２の特徴は、電子機器において、実装用基板と、実装用基板上に設けられた前述の第１の特徴に係る半導体装置とを備えることである。

本発明の実施の形態に係る第３の特徴は、半導体装置の製造方法において、板状に形成され一方向に伸びるリード部の表面に、リード部の表面上の直線であってリード部の長手方向に伸びる基準線から交互に異なる短手方向にそれぞれ移動させて複数の突起電極を設けるステップと、リード部の表面に複数の突起電極を介して半導体素子を設けるステップと、リード部と半導体素子との間に封止樹脂を設けるステップとを有することである。

本発明によれば、半導体素子の特性及び設計自由度を維持しつつ、応力耐性を向上させることができる。

（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態について図１ないし図５を参照して説明する。

図１及び図２に示すように、本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置１は、板状に形成され一方向にそれぞれ伸びる複数のリード部２ａ〜２ｄと、それらのリード部２ａ〜２ｄの表面上の直線であって各リード部２ａ〜２ｄの長手方向に伸びる基準線Ｋから交互に異なる短手方向にそれぞれ移動させて各リード部２ａ〜２ｄの表面に設けられた複数の突起電極３ａ〜３ｊと、各リード部２ａ〜２ｄの表面に各突起電極３ａ〜３ｊを介して設けられた半導体素子４と、その半導体素子４を覆い各リード部２ａ〜２ｄと半導体素子４との間に設けられた封止樹脂５とを備えている。

各リード部２ａ〜２ｄは、例えば長方形状にそれぞれ形成されている。これらのリード部２ａ〜２ｄの短手方向の長さ（幅）は同じであり、リード部２ａとリード部２ｂとの長手方向の長さは同じであり、リード部２ｃとリード部２ｄとの長手方向の長さも同じである。なお、リード部２ｃ、２ｄの長手方向の長さはリード部２ａ、２ｂの長手方向の長さより長い。リード部２ａとリード部２ｂとは平行な２つの直線上に互いに対向させて設けられており、リード部２ｃとリード部２ｄともその２つの直線上に互いに対向させて設けられている。このようなリード部２ａ〜２ｄは、半導体装置１が実装用の基板等に実装される場合、基板上の配線パターン等に接続される接続端子である。なお、各リード部２ａ〜２ｄは、例えばＣｕやＮｉ−Ｆｅ合金等の材料により形成されている。

各突起電極３ａ〜３ｊは、半導体素子４と各リード部２ａ〜２ｄとを電気的に接続するバンプである。これらの突起電極３ａ〜３ｊは、基準線Ｋから交互に異なる短手方向にそれぞれ所定のバンプ移動量ｈ１、ｈ２だけ移動させて配置されている。これにより、各突起電極３ａ〜３ｊが各リード部２ａ〜２ｄの表面に千鳥状（ジクザグ状）にそれぞれ設けられ、それらの中心は長手方向に伸びる同一直線上に存在しなくなる。また、各リード部２ａ〜２ｄでは、各突起電極３ａ〜３ｊは、それらの中心が短手方向に伸びる同一直線上に位置しないように設けられている。なお、各突起電極３ａ〜３ｊは、例えば金やはんだ、導電性金属ペースト等の導電材料により形成されている。

ここで、各突起電極３ａ〜３ｄは、基準線Ｋから同じバンプ移動量ｈ１だけ移動させて配置されている。このバンプ移動量ｈ１は例えば５０μｍである。各突起電極３ｅ〜３ｊは、基準線Ｋから同じバンプ移動量ｈ２だけ移動させて配置されている。このバンプ移動量ｈ２は例えば２５μｍである。なお、基準線Ｋは、例えば、各リード部２ａ〜２ｄの中心線である。

このとき、各リード部２ａ〜２ｄの厚さは例えば１３５μｍであり、突起電極３ａ〜３ｊの幅は例えば１５０μｍである。２つのリード部２ａ、２ｂの短手方向の長さは例えば０．７ｍｍであり、その長手方向の長さは例えば０．９ｍｍである。また、２つのリード部２ｃ、２ｄの短手方向の長さは例えば０．７ｍｍであり、その長手方向の長さは例えば２．６ｍｍである。

突起電極３ａは、リード部２ａの内端辺（図１中の右辺：半導体装置１の内側の辺）から例えば２５０μｍの位置に設けられており、突起電極３ｂは、同じ内端辺から例えば３５０μｍの位置に設けられている。さらに、突起電極３ｃは、リード部２ｂの内端辺（図１中の右辺：半導体装置１の内側の辺）から例えば４００μｍの位置に設けられており、突起電極３ｄは、同じ内端辺から例えば３００μｍの位置に設けられている。

突起電極３ｅは、リード部２ｃの内端辺（図１中の左辺：半導体装置１の内側の辺）から例えば２００μｍの位置に設けられており、２つの突起電極３ｆ、３ｇは、その２００μｍの位置から例えば６５０μｍのピッチ間隔で設けられている。さらに、突起電極３ｈは、リード部２ｄの内端辺（図１中の左辺：半導体装置１の内側の辺）から例えば５００μｍの位置に設けられており、２つの突起電極３ｉ、３ｊは、その５００μｍの位置から例えば６５０μｍのピッチ間隔で設けられている。

半導体素子４は、各突起電極３ａ〜３ｊにそれぞれ対応する複数の電極パッド４ａを有する半導体チップである。これらの電極パッド４ａは、突起電極３ａ〜３ｊとの接続用のパッド部である。各電極パッド４ａは、各リード部２ａ〜２ｄ上のそれぞれの突起電極３ａ〜３ｊの設置位置に対向するように設けられている。このような半導体素子４は、各電極パッド４ａとそれぞれ対応する各突起電極３ａ〜３ｊとが接続され、各リード部２ａ〜２ｄの表面上に設けられている。なお、半導体素子４は、例えばＳｉやＧａＡｓ等の材料により形成されている。

封止樹脂５は、各リード部２ａ〜２ｄを除き、各突起電極３ａ〜３ｊによる各リード部２ａ〜２ｄと半導体素子４との接続部及び半導体素子４を封止する封止体である。この封止樹脂５は、半導体素子４の周囲、及び各リード部２ａ〜２ｄと半導体素子４との間に設けられている。これにより、各突起電極３ａ〜３ｊ及び半導体素子４は封止樹脂５により覆われており、各リード部２ａ〜２ｄは、その下面（接合面の反対側の面）以外、封止樹脂５により覆われている。このような封止樹脂５は、各突起電極３ａ〜３ｊによる各リード部２ａ〜２ｄと半導体素子４との接続部及び半導体素子４を保護する。なお、封止樹脂５は、例えばエポキシ樹脂により形成されている。

次に、このような半導体装置１の製造方法について説明する。

半導体装置１の製造工程は、まず、図３に示すように、板状に形成され一方向にそれぞれ伸びる複数のリード部２ａ〜２ｆを有するリードフレーム２を用意し、２つのリード部２ｅ、２ｆを除いて各リード部２ａ〜２ｄの表面に、それらのリード部２ａ〜２ｄの表面上の直線であって各リード部２ａ〜２ｄの長手方向に伸びる基準線Ｋから交互に異なる短手方向にそれぞれ移動させて複数の突起電極３ａ〜３ｊを設けるステップと、図４に示すように、各リード部２ａ〜２ｄの表面に各突起電極３ａ〜３ｊを介して半導体素子４を設けるステップと、半導体素子４の周囲、及び各リード部２ａ〜２ｄと半導体素子４との間に封止樹脂５を設けるステップとにより構成されている。

リードフレーム２は、互いに平行に設けられた２つのリード部２ｅ、２ｆと、そのリード部２ｅからそれぞれ伸びる２つのリード部２ａ、２ｂと、リード部２ｆからそれぞれ伸びる２つのリード部２ｃ、２ｄとを備えている。リード部２ａとリード部２ｂとは平行な２つの直線上に互いに対向させて設けられており、リード部２ｃとリード部２ｄともその２つの直線上に互いに対向させて設けられている。なお、４つのリード部２ａ〜２ｄは、後工程でリードフレーム２から切り離される。

各突起電極３ａ〜３ｊを設けるステップでは、図３に示すように、各リード部２ａ〜２ｄの表面に、基準線Ｋから交互に異なる短手方向にそれぞれ所定のバンプ移動量ｈ１、ｈ２だけ移動させて設ける。これにより、各突起電極３ａ〜３ｊが各リード部２ａ〜２ｄの表面に千鳥状（ジクザグ状）にそれぞれ設けられ、それらの中心は長手方向に伸びる同一直線上に存在しなくなる。加えて、この各突起電極３ａ〜３ｊを設けるステップでは、各突起電極３ａ〜３ｊをそれらの中心が短手方向に伸びる同一直線上に位置しないように設ける。

具体的には、金ワイヤ１１を挿通させたキャピラリ１２を用いて、キャピラリ１２の先端から導出した金ワイヤ１１をリード部２ａ〜２ｄの表面に超音波併用熱圧着により接合し、その後、リード部２ａ〜２ｄからキャピラリ１２を離反させて金ワイヤ１１を引きちぎり、リード部２ａ〜２ｄの表面に金ボールバンプである突起電極３ａ〜３ｊを残すように形成する。

半導体素子４を設けるステップでは、図４に示すように、各突起電極３ａ〜３ｊがそれぞれ設けられた各リード部２ａ〜２ｄの表面上に、各突起電極３ａ〜３ｊにそれぞれ対応する各電極パッド４ａを対向させて半導体素子４を設ける。

ここでは、各リード部２ａ〜２ｄと半導体素子４との接合のため、超音波併用熱圧着装置２１を用いる。この超音波併用熱圧着装置２１は、リードフレーム２が載置される載置台（ワークステージ）２２、半導体素子４を吸着支持するボンディングツール２３、そのボンディングツール２３に装着された超音波ホーン２４、ボンディングツール２３を載置台２２に対して接離方向に移動させる移動手段（図示せず）等を備えている。

載置台２２は、加熱手段（図示せず）を有しており、その加熱手段によりリードフレーム２を約２００℃に加熱する。また、ボンディングツール２３は、真空吸着手段（図示せず）を有しており、半導体素子４を吸着して支持する。超音波ホーン２４は、ボンディングツール２３に超音波を印加する。

具体的には、超音波併用熱圧着装置２１の載置台２２上にリードフレーム２を載置し、ボンディングツール２３により半導体素子４を吸着支持し、そのボンディングツールを下降させ、超音波ホーン２４によりボンディングツール２３に超音波を印加しつつ、各突起電極３ａ〜３ｆと各電極パッド４ａとを熱圧着する。これにより、半導体素子４がリードフレーム２のリード部２ａ〜２ｄの所定位置に接合される。なお、ボンディング荷重は例えば１６．０（Ｎ）であり、超音波振動は出力０．４Ｗで０．２秒間印加される。

封止樹脂５を設けるステップでは、リードフレーム２から各リード部２ａ〜２ｄを切り離し、その後、各リード部２ａ〜２ｄを除き、すなわち各リード部２ａ〜２ｄの下面（接合面の反対側の面）が露出するように、半導体素子４の周囲、及び各リード部２ａ〜２ｄと半導体素子４との間に封止樹脂５を設ける。これにより、各突起電極３ａ〜３ｊ及び半導体素子４は封止樹脂５により覆われ、各リード部２ａ〜２ｄは、その下面（接合面の反対側の面）以外、封止樹脂５により覆われる。

具体的には、半導体素子４の周囲、及び各リード部２ａ〜２ｄと半導体素子４との間に液状の樹脂を流し込み、その樹脂を硬化させることにより、封止樹脂５を形成して設ける。これにより、各突起電極３ａ〜３ｊによる各リード部２ａ〜２ｄと半導体素子４との接続部及び半導体素子４が保護される。なお、封止樹脂５の材料としては、例えばエポキシ樹脂を用いる。

ここで、このような製造方法により、基準線Ｋからの各突起電極３ｅ〜３ｊのバンプ移動量ｈ２（０μｍ、＋２５μｍ、＋５０μｍ、±７５μｍ）を変えて半導体装置１を製造し、温度サイクル試験を行う。このとき、温度サイクル試験の昇温時（−２５℃→１２５℃）に受ける熱応力により発生する２つのリード部２ｃ、２ｄの短手方向のリード反り量（図１中のＸ１、Ｘ２及びＸ３の各ポイントでのリード反り量）を応力解析により求める。この応力解析により、図５に示すような解析結果が得られた。なお、突起電極３ｅ、３ｇ、３ｈ、３ｊの移動方向は、半導体装置１の内側に向かう方向を正としており、突起電極３ｆ、３ｉの移動方向は、半導体装置１の外側に向かう方向を正としている（図１参照）。

また、リード部２ａ、２ｂのサイズは、長さ０．９ｍｍ、幅０．７ｍｍ、厚さ１３５μｍであり、リード部２ｃ、２ｄのサイズは、長さ２．６ｍｍ、幅０．７ｍｍ、厚さ１３５μｍである。また、突起電極３ａ〜３ｊのサイズは、直径１５０μｍであり、半導体素子４のサイズは、長さ３．０ｍｍ、幅１．６ｍｍ、厚さ２５０μｍである。加えて、リード部２ｃ上の３つの突起電極３ｅ〜３ｇは、リード部２ｃの内端辺（図１中の左辺：半導体装置１の内側の辺）から２００μｍの位置に１つ設けられており、さらに、その位置から６５０μｍのピッチ間隔で２つ設けられている。同様に、リード部２ｄ上の３つの突起電極３ｈ〜３ｊは、リード部２ｄの内端辺（図１中の左辺：半導体装置１の内側の辺）から５００μｍの位置に１つ設けられており、さらに、その位置から６５０μｍのピッチ間隔で２つ設けられている。

図５に示すように、バンプ移動量ｈ２が２５μｍである場合には、リード反り量が最も小さくなり、バンプ移動量ｈ２が０μｍである場合のリード反り量に比べて、約４０％減少している。また、バンプ移動量ｈ２が５０μｍである場合には、リード反り量が、バンプ移動量ｈ２が０μｍである場合のリード反り量に比べて小さくなっている。したがって、熱応力に対する半導体装置１の応力耐性が向上していることがわかる。

以上説明したように、第１の実施の形態によれば、各リード部２ａ〜２ｄの表面に、基準線Ｋから交互に異なる短手方向にそれぞれ移動させて複数の突起電極３ｅ〜３ｊを設けることによって、各突起電極３ａ〜３ｊが各リード部２ａ〜２ｄの表面に千鳥状に設けられ、それら中心は長手方向に伸びる同一直線上に存在しなくなる。これにより、各突起電極３ｅ〜３ｊのサイズ（バンプサイズ）を大きくしなくても、温度サイクル試験時又はパッケージ曲げ試験時に発生する応力によるリード部２ａ〜２ｄの短手方向のリード反り量が低減されるので、半導体素子４の特性及び設計自由度を維持しつつ、半導体装置１の応力耐性を向上させることができる。

また、各突起電極３ａ〜３ｊの配置位置だけを調整すればよいので、特別な製造方法を使用することなく、既存の半導体製造プロセスを使用して簡易に半導体装置１を製造することができる。さらに、製造工程数が増加することなく、その結果として、半導体装置１の歩留まりの低下を防止することができる。

（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態について図６及び図７を参照して説明する。

図６に示すように、本発明の第２の実施の形態に係る電子機器３１は、電池３２と、その電池３２に並列に接続された制御部３３と、電池３２に直列に接続された第１の実施の形態に係る半導体装置１とを備えている。この電子機器３１は、例えば、携帯端末に搭載される電池パック等である。

電池３２としては、例えばリチウム電池を用いる。また、制御部３３としては、例えばコントロールＩＣを用いる。さらに、半導体装置１としては、例えば保護回路チップを用いる。この半導体装置１は、第１のＭＯＳ型トランジスタＱ１及び第２のＭＯＳ型トランジスタＱ２を備えており、制御部３３からの信号電圧に基づいて電池３２の充放電制御を行う。

図７に示すように、制御部３３及び半導体装置１は、実装用基板３４上に接合材３５により固定されて設けられている。実装用基板３４としては、例えば、配線パターンを有する配線基板等を用いる。この配線パターンには、半導体装置１の各リード部２ａ〜２ｄが接合材３５を介して接続されている。接合材３５としては、例えばはんだ等を用いる。

以上説明したように、第２の実施の形態に係る電子機器３１によれば、応力耐性が高い半導体装置１を設けることによって、応力による半導体装置１の故障が抑えられ、電子機器３１の信頼性を向上させることが可能になるので、信頼性が高い電子機器３１を提供することができる。

（他の実施の形態）
なお、本発明は、前述の実施の形態に限るものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能である。

例えば、前述の第１の実施の形態においては、リード部２ａ〜２ｄの表面に各突起電極３ａ〜３ｊを形成して設けているが、これに限るものではなく、例えば、半導体素子４の各電極パッド４ａの表面に各突起電極３ａ〜３ｊを形成して設けるようにしてもよい。

また、前述の第１の実施の形態においては、金材料により各突起電極３ａ〜３ｊを形成しているが、これに限るものではなく、例えば、各種の導電材料により各突起電極３ａ〜３ｊを形成するようにしてもよい。

本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置の概略構成を示す平面図である。 図１のＡ−Ａ線断面図である。 図１及び図２に示す半導体装置の製造工程の一部を示す斜視図である。 図１及び図２に示す半導体装置の製造工程の一部を示す側面図である。 バンプ移動量と短手方向のリード反り量との関係を説明するための説明図である。 本発明の第２の実施の形態に係る電子機器の概略構成を示す回路図である。 図６に示す電子機器の概略構成を示す側面図である。

符号の説明

１…半導体装置、２ａ〜２ｄ…リード部、３ａ〜３ｊ…突起電極、４…半導体素子、５…封止樹脂、３１…電子機器、３４…実装用基板、Ｋ…基準線

Claims (3)

1. 板状に形成され一方向に伸びるリード部と、
   前記リード部の表面上の直線であって前記リード部の長手方向に伸びる基準線から交互に異なる短手方向にそれぞれ移動させて前記リード部の表面に設けられた複数の突起電極と、
   前記リード部の表面に前記複数の突起電極を介して設けられた半導体素子と、
   前記リード部と前記半導体素子との間に設けられた封止樹脂と、
   を備えることを特徴とする半導体装置。
2. 実装用基板と、
   前記実装用基板上に設けられた請求項１記載の半導体装置と、
   を備えることを特徴とする電子機器。
3. 板状に形成され一方向に伸びるリード部の表面に、前記リード部の表面上の直線であって前記リード部の長手方向に伸びる基準線から交互に異なる短手方向にそれぞれ移動させて複数の突起電極を設けるステップと、
   前記リード部の表面に前記複数の突起電極を介して半導体素子を設けるステップと、
   前記リード部と前記半導体素子との間に封止樹脂を設けるステップと、
   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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