JP2008028017A - 樹脂封止型半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】使用中の温度変動時に封止樹脂の剥離を防止できると共に外部からの応力によって封止樹脂が損傷することを防止でき、信頼性を向上できる透光性樹脂封止型半導体装置を提供する。
【解決手段】リードフレーム１２,光半導体素子チップ１１を封止する第１の樹脂体１４のガラス転移温度を第１の樹脂体１４を封止する第２の樹脂体１５のガラス転移温度よりも高くした。よって、使用中の温度変動時に、光半導体素子チップ１１を封止する第１の樹脂体１４はガラス転移が起こり難いので、半導体素子チップ１１,リードフレーム１２に強い応力が加わることを回避できる。また、ガラス転移温度が高いことで脆くなる傾向のある第１の樹脂体１４を第２の樹脂体１５で封止したので、外部からの応力による封止樹脂の損傷を防止できる。
【選択図】図１

Description

この発明は、樹脂封止型半導体装置に関する。
従来、光センサや光ピックアップなどの光半導体装置としては、光半導体素子チップをリードフレーム上に搭載し、透光性樹脂を用いて樹脂封止を行うことにより樹脂封止部を成型したものが知られている。
図４に、従来の光半導体装置を示す。この光半導体装置は、半導体素子チップ４１と、この半導体素子チップ４１が搭載されるリードフレーム４２と、ボンディングワイヤ４３とを備える。上記半導体素子チップ４１、リードフレーム４２、およびボンディングワイヤ４３は、透光性封止樹脂部４４でモールドされている。半導体素子チップ４１は、例えば、Ａｇペーストなどを用いて、リードフレーム４２に接合されている。また、リードフレーム４２の一部であるリード端子４２Ａと半導体素子チップ４１は、例えば、Ａｕワイヤなどのボンディングワイヤ４３によって接続されている。
また、透光性封止樹脂部４４は、リードフレーム４２と半導体素子チップ４１およびボンディングワイヤ４３からなる本体部を射出成型用金型に挟み込み、透光性樹脂を注入,射出して成型することにより形成する。
ところで、光センサや光ピックアップなどの光半導体装置は、パソコンやＡＶ機器などの民生用途の機器に使用される他、近年では、使用環境が厳しい車載用途の機器などにも使用されており、耐熱性、耐温度サイクル性、耐湿性などの信頼性の向上が求められている。
ここで、光センサや光ピックアップなどの光半導体装置において、耐熱性、耐温度サイクル性、耐湿性などの信頼性を向上させる方法としては、一例として、一般的には次の(ｉ),(ii)の方法が取られている。
(ｉ) ガラス転移温度が高い封止樹脂を使用する。
(ii) 封止樹脂にガラスの充填材を入れる。
上記(ｉ)の方法を採用する場合には、光半導体装置を使用する温度範囲に比べて、封止樹脂のガラス転移温度を高くすることで、光半導体装置の使用温度範囲内において透光性封止樹脂部４４がガラス転移を起こすことがない。
したがって、使用温度範囲内において、ガラス転移に起因する封止樹脂部４４の膨張率の急激な変動を回避できるので、半導体素子チップ４１やボンディングワイヤ４３、リードフレーム４２などの構成部品に強い応力が加わることがない。よって、ボンディングワイヤ４３の断線、封止樹脂部４４と半導体素子チップ４１との剥離、封止樹脂部４４とリードフレームとの剥離といった問題を防止することができ、信頼性を向上させることができる。
また、上記(ii)の方法を採用する場合には、封止樹脂にガラスの充填材を入れることにより、封止樹脂部４４の膨張率が下がるので、温度変化による封止樹脂部４４の膨張,収縮を抑制できる。よって、半導体素子チップ４１やボンディングワイヤ４３、リードフレーム４２などに加わる応力を緩和でき、信頼性を向上させることができる。
しかしながら、上述の(ｉ)の方法には次の(１)の問題点があり、上述の(ii)の方法には次の(２)の問題点がある。
(１) ガラス転移温度が高い封止樹脂は、一般的に脆く、ワレやカケが発生し易い。
(２) ガラスの充填材を入れた封止樹脂では、充填材の粒子により、樹脂の表面が凸凹になり、パッケージの表面を平坦化することが困難である。
上記(２)のパッケージの表面を平坦化することが困難であることの問題点を説明すると、透光性樹脂を使用する光センサや光ピックアップ等の光半導体装置の場合、光を正確に検出することが重要であるので、パッケージ表面が平坦であることが重要である。このため、一般的には、射出成型用金型のパッケージ面に磨きを入れるなどして、光半導体装置の表面の光検知部分を鏡面状に仕上げている。これに対し、ガラスの充填材を入れた封止樹脂では、この充填材の粒子により、パッケージの表面に凸凹ができてしまい、この凸凹により光が散乱してしまう。このため、スポット位置の検出や光量の検出などの光半導体装置としての機能を果たすことができなくなることが問題であった。このため、透光性樹脂封止型半導体装置に、ガラスの充填材入りの封止樹脂を採用することは困難であった。
特開平３−２０４９６３号公報 特開平４−１５７７５９号公報 特開平４−３６４７９１号公報
そこで、この発明の課題は、使用中の温度変動時に封止樹脂の剥離を防止できると共に外部からの応力によって封止樹脂がワレ,カケ,クラック等の損傷を起こすことを防止でき、信頼性を向上できる透光性樹脂封止型半導体装置を提供することにある。
上記課題を解決するため、この発明の樹脂封止型半導体装置は、光半導体素子チップと、
上記光半導体素子チップが搭載されるリードフレームと、
上記光半導体素子チップを封止すると共に第１の透光性樹脂で作製された第１の樹脂体と、
上記第１の樹脂体の少なくとも一部を被覆すると共に第２の透光性樹脂で作製された第２の樹脂体とを備え、
上記第１の透光性樹脂のガラス転移温度が上記第２の透光性樹脂のガラス転移温度よりも高いことを特徴としている。
この発明の樹脂封止型半導体装置によれば、使用中の温度変動時に、光半導体素子チップを封止する第１の樹脂体は、ガラス転移が起こり難く、ガラス転移による線膨張係数の急激な増減を回避できる。よって、半導体素子チップおよびリードフレームに強い応力が加わることを回避でき、光半導体素子チップを封止する第１の樹脂体の剥離を防止できる。また、ガラス転移温度が高いことで脆くなる傾向のある第１の樹脂体を第１の樹脂体よりもガラス転移温度が低い第２の樹脂体で被覆したので、外部からの応力によって第１の樹脂体がワレ,カケ,クラック等の損傷を起こすことを防止できる。
また、一実施形態の樹脂封止型半導体装置では、上記第１の透光性樹脂のガラス転移温度が、１３０℃乃至１６０℃である。
この実施形態の樹脂封止型半導体装置によれば、使用環境が厳しく、高温側では１００℃〜１２０℃の保存温度を要求される車載用途の機器等にも使用可能となる。
また、一実施形態の樹脂封止型半導体装置では、上記第１の透光性樹脂は、ガラス製の充填材を含有している。
この実施形態の樹脂封止型半導体装置によれば、第１の樹脂体の膨張率を低くすることができ、温度変化による第１の樹脂体の膨張,収縮が緩和され、光半導体素子チップ,リードフレーム,ボンディングワイヤ等の構成部品に強い応力が加わることを回避できる。よって、ボンディングワイヤの断線、半導体素子チップのクラックなどの構成部品の損傷を防止でき、信頼性を向上できる。
また、例えば、半田ディップやリフローなどの熱ストレスが加わる作業を行った場合でも、クラックの発生などの構成部品の損傷を防止でき、封止樹脂をなす第１の樹脂体が光半導体素子チップやリードフレームから剥離することを防止できる。
また、一実施形態の樹脂封止型半導体装置の製造方法では、上記第１の樹脂体および上記第２の樹脂体を、金型を使用するトランスファ成型により作製する。
この実施形態の樹脂封止型半導体装置の製造方法によれば、金型形状を変えることによって、任意の形(サイズ、厚み、テーパー、コーナーＲ等)のパッケージを形成できる。また、金型内部に磨きを入れることによって、センサー(光検出)部分の鏡面仕上げが出来る。また、安定した生産(サイズが均一、効率アップ、歩留りの向上)が出来る。
また、一実施形態の電子機器では、上記樹脂封止型半導体装置を有する電子部品を備えることで、温度変化に対する信頼性の高い電子機器を実現できる。
この発明の樹脂封止型半導体装置によれば、使用中の温度変動時に、光半導体素子チップを封止する第１の樹脂体は、ガラス転移が起こり難く、ガラス転移による線膨張係数の急激な増減を回避できる。よって、半導体素子チップおよびリードフレームに強い応力が加わることを回避でき、光半導体素子チップを封止する第１の樹脂体の剥離を防止できる。また、ガラス転移温度が高いことで脆くなる傾向のある第１の樹脂体を第１の樹脂体よりもガラス転移温度が低い第２の樹脂体で被覆したので、外部からの応力によって第１の樹脂体がワレ,カケ,クラック等の損傷を起こすことを防止できる。
以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。
図１に、この発明の樹脂封止型半導体装置の実施形態である光半導体装置の断面を示す。この実施形態の光半導体装置は、光半導体素子チップ１１と、この光半導体素子チップ１１が搭載される搭載部１２Ａを含むリードフレーム１２と、光半導体素子チップ１１をリードフレーム１２のリード端子１２Ｂに接続するボンディングワイヤ１３とを有する。
この実施形態は、光半導体素子チップ１１,リードフレーム１２,ボンディングワイヤ１３を封止する第１の樹脂体１４と、この第１の樹脂体１４の外周面１４Ａに密接して第１の樹脂体１４を封止する第２の樹脂体１５を有する。上記第１の樹脂体１４は第１の透光性樹脂である高Ｔｇタイプのエポキシ樹脂で作製されており、第２の樹脂体１５は第２の透光性樹脂であるエポキシ樹脂で作製されている。上記高Ｔｇタイプのエポキシ樹脂のガラス転移温度Ｔｇ１は１３０℃以上で１６０℃以下である一方、上記第２の透光性樹脂であるエポキシ樹脂のガラス転移温度Ｔｇ２は１１５〜１２５℃であり、上記高Ｔｇタイプのエポキシ樹脂のガラス転移温度Ｔｇ１は上記第２の透光性樹脂であるエポキシ樹脂のガラス転移温度Ｔｇ２よりも高い。
このように、光半導体素子チップ１１,リードフレーム１２,ボンディングワイヤ１３を封止する第１の樹脂体１４を、ガラス転移温度が高い第１の透光性樹脂としての高Ｔｇタイプのエポキシ樹脂で作製することによって、耐熱性、耐温度サイクル性などの信頼性を向上できる。
例えば、車載用に使用される透光性樹脂封止型半導体装置では、高温側でおよそ１００〜１２０℃の保存温度を要求されるが、前述のガラス転移温度が高い封止樹脂である高Ｔｇタイプのエポキシ樹脂を第１の透光性樹脂として採用することにより、この保存温度下においても封止樹脂である高Ｔｇタイプのエポキシ樹脂がガラス転移を起こすことがない。
つまり、上述の１００〜１２０℃が上限温度である条件では、高Ｔｇタイプのエポキシ樹脂のガラス転移温度Ｔｇ１を下回っているので、第１の樹脂体１４をなす第１の透光性樹脂である高Ｔｇタイプのエポキシ樹脂はガラス転移を起こさない。よって、第１の樹脂体１４は、上記温度条件では、ガラス転移による線膨張係数の急激な変動を起こさないから、第１の樹脂体１４の線膨張係数の急激な変動によって光半導体素子チップ１１,リードフレーム１２,ボンディングワイヤ１３などの構成部品に強い応力が加わる現象を回避できる。
よって、本実施形態によれば、ボンディングワイヤ１３の断線、あるいは、封止樹脂である第１の樹脂体１４が光半導体素子チップ１１やリードフレーム１２から剥離するといった不具合を回避でき、信頼性を向上することができる。
なお、温度条件が高Ｔｇタイプのエポキシ樹脂のガラス転移温度Ｔｇ１を超えた場合は、この高Ｔｇタイプのエポキシ樹脂はガラス転移を起こすので、第１の樹脂体１４はガラス転移による線膨張係数の急激な変動を起こす(例えば、６０〜７０ｐｐｍから１７０〜１８０ｐｐｍへの線膨張係数の急増)。この場合、高Ｔｇタイプのエポキシ樹脂で作製した第１の樹脂体１４は、光半導体素子チップ１１,リードフレーム１２,ボンディングワイヤ１３などの構成部品に強い応力を加えることとなり、ボンディングワイヤ１３の断線、あるいは、封止樹脂である第１の樹脂体１４が光半導体素子チップ１１やリードフレーム１２から剥離するといった不具合を招く。尚、光半導体素子チップ１１の線膨張係数は例えば２〜５ｐｐｍであり、ボンディングワイヤ１３の線膨張係数は例えば１０〜２０ｐｐｍであり、リードフレーム１２の線膨張係数は例えば１５〜２５ｐｐｍである。
また、この実施形態では、上記第１の樹脂体１４を被覆する第２の樹脂体１５を備える。この第２の樹脂体１５はエポキシ樹脂で作製され、このエポキシ樹脂はガラス転移温度Ｔｇ２が上記高Ｔｇタイプのエポキシ樹脂のガラス転移温度Ｔｇ１よりも低い。このため、第２の樹脂体１５は、第１の樹脂体１４に比べて脆くないので、外部からの応力によって、ワレやカケ、クラックなどが発生し難い。よって、この第２の樹脂体１５で被覆された第１の樹脂体１４のワレやカケ、クラックなどの発生を防止できる。
したがって、この実施形態の光半導体装置によれば、歩留りの悪化がなくて信頼性の高い光半導体装置を実現できる。
なお、第１の樹脂体１４を作製する第１の透光性樹脂を上記高Ｔｇタイプのエポキシ樹脂とし、第２の樹脂体１５を作製する第２の透光性樹脂を上記エポキシ樹脂としたが、上記第１の透光性樹脂を高Ｔｇタイプのシリコン樹脂とし第２の透光性樹脂を上記高Ｔｇタイプのシリコン樹脂よりもガラス転移温度の低いシリコン樹脂としてもよい。また、第１,第２の樹脂体１４,１５としては、エポキシ樹脂,シリコン樹脂の他の樹脂を採用してもよい。
また、上記第１の樹脂体１４を、上記高Ｔｇタイプのエポキシ樹脂,高Ｔｇタイプのシリコン樹脂等にガラスの充填材を混合した第１の透光性樹脂で作製してもよい。この場合には、第１の透光性樹脂の線膨張係数を低くすることができる。一例として、温度がガラス転移温度未満の場合の線膨張係数を６０〜７０ｐｐｍから４０〜５０ｐｐｍに低減でき、温度がガラス転移温度を超える場合の線膨張係数を１７０〜１８０ｐｐｍから１２０〜１３０ｐｐｍに低減できる。したがって、温度変化による第１の樹脂体１４の膨張,収縮が緩和され、第１の樹脂体１４の線膨張係数が光半導体素子チップ１１やリードフレーム１２、ボンディングワイヤ１３などの構成部品の線膨張係数に近づく。よって、光半導体素子チップ１１,リードフレーム１２,ボンディングワイヤ１３等の構成部品に強い応力が加わるのを防止できる。したがって、ボンディングワイヤ１３の断線や半導体チップのクラックといった部品損傷を回避して、高い信頼性を達成できる。具体的一例として、第１の樹脂体１４をガラスの充填材を混合した第１の透光性樹脂としての高Ｔｇタイプのエポキシ樹脂で作製した場合には、ガラスの充填材を含有しない高Ｔｇタイプのエポキシ樹脂で第１の樹脂体１４を作製した場合に比べて、温度変化による内部応力値を１.９ＭＰａから１.２ＭＰａに約４０％だけ低減できた。
また、この実施形態によれば、例えば、半田ディップやリフローなどの熱ストレスが加わる作業を行っても、クラックの発生や、封止樹脂である第１の樹脂体１４が光半導体素子チップ１１,リードフレーム１２から剥離するのを防止できる。
ところで、本実施形態の如く、光センサや光ピックアップなどの透光性樹脂を使用する光半導体装置の場合、光を正確に検出することが重要であるので、第１,第２の樹脂体１４,１５によるパッケージの表面つまり第２の樹脂体１５の表面１５Ａが平坦であることが重要である。
ここで、第１の樹脂体１４をガラスの充填材を含有する第１の透光性樹脂で作製した場合、充填材であるガラス粒子の存在により、第１の樹脂体１４の表面に凹凸ができてしまう。しかし、この実施形態では、第１の樹脂体１４の外周面１４Ａを第２の樹脂体１５で被覆しているので、パッケージの表面つまり第２の樹脂体１５の表面１５Ａを平坦にすることができる。例えば、射出成型用金型のパッケージ面に磨きを入れるなどして、第２の樹脂体１５の表面１５Ａの光検出面となる部分を鏡面状に仕上げることができる。
次に、図２Ａに、上記実施形態の第１変形例を示す。この第１変形例は、第１の樹脂体１４を完全に覆う第２の樹脂体１５に替えて、第２の樹脂体２２を備えた点だけが前述の実施形態と異なる。この第２の樹脂体２２は第１の樹脂体１４の外周面１４Ａのうちの上面１４Ｂ側つまりセンサー面１４Ｃ側のほぼ半分の外周面を覆っている。
また、図２Ｂに、上記実施形態の第２変形例を示す。この第２変形例は、第１の樹脂体１４を完全に覆う第２の樹脂体１５に替えて、第２の樹脂体２３を備えた点だけが前述の実施形態と異なる。この第２の樹脂体２３は、第１の樹脂体１４の外周面１４Ａのうちの上面１４Ｂだけを覆っている。
また、図２Ｃに、上記実施形態の第３変形例を示す。この第３変形例は、第１の樹脂体１４を完全に覆う第２の樹脂体１５に替えて、第２の樹脂体２４を備えた点だけが前述の実施形態と異なる。この第２の樹脂体２４は、第１の樹脂体１４の外周面１４Ａの上面１４Ｂのうちのセンサー面１４Ｃだけを覆っている。
次に、図３Ａ,図３Ｂを参照して、上記実施形態の光半導体装置の製造方法を説明する。図３Ａに示すように、まず、半導体素子チップ１１を、例えばＡｇペーストなどを用いてリードフレーム１２に接合する。さらに、リードフレーム１２の一部であるリード端子１２Ｂと半導体素子チップ１１とを例えばＡｕワイヤなどのボンディングワイヤ１３によって接続する。これにより、半導体素子チップ１１をリードフレーム１２に実装する。
次に、半導体素子チップ１１を上記第１の透光性樹脂で樹脂封止するために、リードフレーム１２と半導体素子チップ１１およびボンディングワイヤ１３からなる構成部を、１次モールド射出成型用金型３５の上金型３５Ａと下金型３５Ｂとで挟み込み、上記第１の透光性樹脂を注入(射出)して成型することにより第１の樹脂体１４を形成する。
次に、上記第１の樹脂体１４にバリ取りなどを施した後、上記構成部を２次モールド射出成型用金型３７の上金型３７Ａと下金型３７Ｂとで挟み込み、上記第２の透光性樹脂を注入(射出)して成型することにより、第２の樹脂体１５を形成する。この後、リード端子１２Ｂによる外部接続用端子部に錫めっきまたは半田めっき等の外装めっきを施して、リードフォーミングして上記実施形態の光半導体装置を完成する。
この発明の樹脂封止型半導体装置の実施形態の断面図である。 上記実施形態の第１変形例を示す断面図である。 上記実施形態の第２変形例を示す断面図である。 上記実施形態の第３変形例を示す断面図である。 上記実施形態の樹脂封止型半導体装置の製造方法の一工程を示す図である。 上記製造方法の一工程を示す図である。 従来の樹脂封止型半導体装置の断面図である。
符号の説明
１１ 光半導体素子チップ
１２ リードフレーム
１２Ａ 搭載部
１２Ｂ リード端子
１３ ボンディングワイヤ
１４ 第１の樹脂体
１４Ａ 外周面
１４Ｂ 上面
１４Ｃ センサー面
１５、２３、２４ 第２の樹脂体
１５Ａ 表面
３５ １次モールド射出成型用金型
３５Ａ 上金型
３５Ｂ 下金型
３７ ２次モールド射出成型用金型
３７Ａ 上金型
３７Ｂ 下金型

Claims (5)

  1. 光半導体素子チップと、
    上記光半導体素子チップが搭載されるリードフレームと、
    上記光半導体素子チップを封止すると共に第１の透光性樹脂で作製された第１の樹脂体と、
    上記第１の樹脂体の少なくとも一部を被覆すると共に第２の透光性樹脂で作製された第２の樹脂体とを備え、
    上記第１の透光性樹脂のガラス転移温度が上記第２の透光性樹脂のガラス転移温度よりも高いことを特徴とする樹脂封止型半導体装置。
  2. 請求項１に記載の樹脂封止型半導体装置において、
    上記第１の透光性樹脂のガラス転移温度が、１３０℃乃至１６０℃であることを特徴とする樹脂封止型半導体装置。
  3. 請求項１に記載の樹脂封止型半導体装置において、
    上記第１の透光性樹脂は、ガラス製の充填材を含有していることを特徴とする樹脂封止型半導体装置。
  4. 請求項１または２に記載の樹脂封止型半導体装置を製造する方法であって、
    上記第１の樹脂体および上記第２の樹脂体を、金型を使用するトランスファ成型により作製することを特徴とする樹脂封止型半導体装置の製造方法。
  5. 請求項１または２に記載の樹脂封止型半導体装置を有する電子部品を備える電子機器。
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