JP2008085002A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】半導体装置の放熱性を向上させることで、半導体チップの発熱による破壊を防ぐ手段を提供する。
【解決手段】リード2と半導体チップ3と半導体チップ3を固着するためのアイランド1を有し、該アイランドの中央に窪み部を設け、該半導体チップ3をアイランド1の周辺部に固着させることを特徴とした半導体装置。上記の構成によれば、該アイランド1の窪み部が半導体装置のパッケージの外部に露出するか、パッケージの表面近くに位置する。よって該アイランド1の窪み部は、半導体チップ3から生じた熱を、吸収し、外部に発散させ、よって発熱による破壊を防ぐことができる。
【選択図】図1
【解決手段】リード2と半導体チップ3と半導体チップ3を固着するためのアイランド1を有し、該アイランドの中央に窪み部を設け、該半導体チップ3をアイランド1の周辺部に固着させることを特徴とした半導体装置。上記の構成によれば、該アイランド1の窪み部が半導体装置のパッケージの外部に露出するか、パッケージの表面近くに位置する。よって該アイランド1の窪み部は、半導体チップ3から生じた熱を、吸収し、外部に発散させ、よって発熱による破壊を防ぐことができる。
【選択図】図1
Description
本発明は、半導体装置およびその製造方法に関するものである。
近年、電子機器の小型化に対応するため、半導体装置の集積化が求められている。そのため回路を集積した半導体チップをリードフレーム上に固着させ、該半導体チップを樹脂封止することが行われている。
図14、図15は、その一例であり、図14は、半導体装置51の断面図であり、図15は、この半導体装置51を製造する際に用いられるリードフレーム52に半導体チップ53が実装された状態を説明する平面図である。
以下簡単に説明する。太い矩形で示されたものが半導体チップ53で、アイランド54に固着されている。またアイランド54は、矩形であり、その四側辺に一端が近接配置された複数のリード55が設けられ、この複数のリード55の一端には、アイランド54に設けられた半導体チップ53と電気的接続を実現するために導電手段56が設けられている。ここでは、AlやAu等から成る金属細線である。
更にリードフレーム52を見ると、アイランドの角部からは、4本の吊りリード57が設けられ、四側辺に設けられた複数のリード55は、タイバー58により支持されている。
特開2000−216324号
特開2003−209216号
前記の半導体装置51では、半導体チップ53の大規模化に伴い、例えば、オーディオ用IC、映像用IC、モータードライバIC、電源用IC及びパワーオペアンプICのように電力回路も集積されるようになったものもある。そのような半導体装置においては、電力回路の発熱により該装置が破壊される可能性がある。また、電力回路に限らず、大量の信号を高速処理する、例えばCPUのような回路においても、同様に発熱による破壊の問題が生じる。
上記発熱による破壊は、例えば、半導体チップ、リードフレームおよびモールド形成樹脂の熱膨張係数の差により生じる場合がある。半導体チップ53に用いられるシリコンの熱膨張係数は、3.2ppm/℃、リードフレーム52に通常用いられる銅材は、16.7ppm/℃、モールド形成用の絶縁性樹脂は、8〜10ppm/℃、半導体チップ53と銅材より成るアイランド1の接合に通常用いられる銀ペーストは35〜84ppm/℃である。
当然膨張係数が大きいものほど熱で膨張しやすい。半導体チップと、リードフレームが銀ペーストによって固着されている場合、加熱されると、リードフレームと銀ベーストの膨張の方が半導体チップのそれより大きいため、固着面でひずみが生じ、半導体チップ53が破損する可能性がある。
従来の半導体装置51においては、平坦なアイランド54上に半導体チップ53を固着し、それを絶縁性樹脂59でモールドしており、該アイランドに熱を逃がすことにより問題を解決しようとしていた。
しかしながら、樹脂は、熱伝導性が悪いため、結局保温効果を発生し、半導体チップから生じた熱がそのまま半導体チップとアイランドに残り、結果として熱膨張によるひずみが生じやすいという問題があった。
また、平坦なアイランド54上に半導体チップ53を固着させる場合、半導体チップ53の裏面の全てにAgから成る導電ペースト60や半田等を塗布する必要があり、該導電ペーストの使用量が大きいという問題があった。
また、ヒートシンク部をアイランド54と別途に、アイランド54の裏面に設けることで熱を逃がす構造を持つ半導体装置もあるが、この場合、ヒートシンクをリードフレームと別途に製造するためコストの問題があった。
また、アイランド54の中央をプレスしなべ型のアイランドを形成し、なべ型アイランドの底部に半導体チップを固着させ、裏面を樹脂モールドから露出させた半導体装置もあるが、この場合、半導体チップはアイランドの底部の面積より小さくなければならないという問題があった。例えばLED等が該当し、この場合、なべ型アイランドを反射板、放熱手段と電極として採用しているものがある。LEDは、チップサイズが小さいため、こういった問題点は少ないが、例えばパワーMOSのようなICチップになると、チップサイズが大きくなり、これらの問題が出てくる。
本発明は、これらの問題を解決するために考案されたものである。
本発明の半導体装置は、上記問題を解決するため、リードフレームと半導体チップと該半導体チップを固着するためのアイランドを有し、該アイランドの中央に窪み部を設け、該半導体チップを該アイランドの周辺部に固着させることを特徴としている。
上記の構成によれば、該アイランドの窪み部が半導体装置のパッケージの外部に露出するか、パッケージの表面近くに位置する。よって該アイランドの窪み部は、該半導体チップから生じた熱を、吸収し、外部に発散させる。
半導体チップより生じた熱を、アイランドの窪み部を通じてパッケージから外部に放出することにより、リードフレーム及び導電ペーストの熱膨張を抑え、半導体チップとの固着部分のひずみを少なくすることによって、半導体装置の破壊を防ぐことができる。
また、半導体チップはアイランドの周辺部と固着するため、接着領域における固着部分の歪みを抑え、しかも導電ペーストを塗布する面積が少なくなり、高騰する貴金属材料の使用量を抑え、コスト削減につながる。
また、半導体チップはアイランドの周辺部と固着するため、接着領域における固着部分の歪みを抑え、しかも導電ペーストを塗布する面積が少なくなり、高騰する貴金属材料の使用量を抑え、コスト削減につながる。
また、アイランドの窪み部の底部に半導体チップを固着させるタイプの半導体装置に比べてより大きな面積を持つ半導体チップを積層することが可能となる。
更には、窪み部と半導体チップにより、窪み部に空間を構成するが、底面と周辺部の間に位置するアイランドに開口部が設けられ、この開口部を介して前記窪み部の空間に前記絶縁性樹脂が充填できるので、未充填部が無くなり、熱膨張による破裂等を無くすことができる。
本発明の実施の形態を、図1および図2を参照して説明する。
図1は、本発明にかかる半導体装置の断面図であり、図2のAからA’で切断したものである。前記半導体装置は、アイランド1と、リード2と、半導体チップ3と、導電手段の一つである金属細線4と、導電性接着材料からなる導電ペースト5と、絶縁性樹脂からなる樹脂モールド部分6とを有する。
前記アイランド1は、導電材料からなり、例えば銅を主材料とする導電材料、Fe−Niから成る。また平面形状はリング状の第一のアイランドIL1と、第一のアイランドIL1に囲まれる位置に設けられた同じ導電材料による第二のアイランドIL2がある。前記第二のアイランドIL2は、吊り手段Hを介して前記第一のアイランドIL1に支持される形状を取る。前記吊り手段Hは第一のアイランドIL1及び第二のアイランドIL2と同じ導電材料から成り、例えばCu箔またはCu板をプレスやエッチングにより形成される。また前記第一のアイランドIL1上に半導体チップ3を固着させる。ここでは一例として銀ペーストによって固着を行なう。半導体チップ3の裏面とアイランドILを電気的に接続させるために導電性固着材を用いているが、電気的接続が不要であれば、熱伝導性の優れた絶縁性接着剤でも良い。ここで導電性固着材は、他にAuペースト、半田等が考えられる。
本発明の特徴は第二のアイランドIL2にある。本実施例によると、第二のアイランドIL2は矩形を取っており、その四隅から吊り手段Hが第一のアイランドIL1に向けて延びているが、必ずしも矩形である必要はなく、吊り手段は少なくとも一つあれば位置を固定する目的を達することができる。しかしながら、第二のアイランドの位置を安定させるため、少なくとも二つの吊り手段、好ましくは四つの吊り手段があると良い。また、四つの吊り手段Hは、第一のアイランドIL1の四隅に延存させずともよい。つまり角部からずれていても良い。第二のアイランドIL2は、上から下方へプレスされ、第一のアイランドIL1より下方に押し出された状態になっており、第二のアイランドIL2の裏面が樹脂パッケージの裏面から露出するようになっている。本実施例においては第二のアイランドIL2が樹脂モールド部分6から露出しているが、露出せずともよく、薄い樹脂の層に覆われた状態でも良い。
つまり第二のアイランドIL2を樹脂モールド部分6の外部に露出させること、または露出しなくとも第二のアイランドIL2に極薄く樹脂がカバーされることにより半導体装置の放熱性が有効になる。
また放熱性が向上できると同時にチップサイズの制約も無くすことができる。従来は、アイランド54を押し下げて絶縁性樹脂59から露出させていた。図16で示す従来構造は、図15のB−B’線の断面図で、吊りリード57は、金属細線のボンディング部近傍から斜め下に押し下げられ、下方のアイランド54と一体となっている。よってアイランドと同一サイズの半導体チップは、アイランド54に載置可能であるが、このサイズよりも大きなチップは、吊りリード57が斜めに延在されているため、搭載が難しい。
しかし本発明では、第二のアイランドIL2を押し下げ、この第二のアイランドIL2の裏面を樹脂モールド部分6から露出させている。よって従来と同様にアイランドを樹脂モールド部分の裏面に露出しつつ、色々なサイズのチップを第一のアイランドIL1に搭載可能である。第一のアイランドIL1の内側の側辺L1を更に内側に配置すれば、もっと小さなチップが実装可能であり、外側の側辺L2よりも更に外に出る大きなチップも搭載可能である。
以上説明したように、本発明のリードフレームを採用すれば、樹脂モールド部分6の裏面からアイランドILが露出する形状であっても、搭載できるチップサイズにある程度フレキシブル性を持たせることができる。薄板状のリードフレームは、まず矩形のアイランドIL、その周囲のリード2、吊りリードH、およびタイバーTBがプレスやエッチングにより形成される。この時点では、第一のアイランドと第二のアイランドは形成されず、その部分に相当する領域は、同一平面上にある。そして第二のアイランドIL2に相当する部分の周囲に、吊り手段H1の部分を除いて刳り貫きする。別の表現をすれば、第一のアイランドIL1と第二のアイランドIL2の間に開口部OP1を形成する。その形状を示したものが、図3である。そして第二のアイランドIL2の部分を下方に押し下げることにより窪みを形成する。
第二のアイランドIL2の周囲には、吊り手段H1と刳り貫き部OP1が存在する。この刳り貫き部分OP1は第二のアイランドIL2を下方に押し下げるプレスを容易にすると共に、前述した様に、樹脂封止の際に液状となった絶縁性樹脂を窪み部の中に流入させるための開口部となり、樹脂モールド内、特に窪み部に空気が残留することを防ぐ効果が有る。
第二の特徴は、アイランドと半導体チップの接着領域に関してである。従来構造においては、アイランドと半導体チップを密着させるため、半導体チップの底面全体に導電ペーストを塗布し、アイランドの表面に固着させていた。本発明においては、第二のアイランドIL2の周囲をリング状の第一のアイランドIL1が囲み、第二のアイランドIL2が下方に押し出された状態になっているため、導電性接着材料からなる導電ペースト5が塗布される箇所はリング状の第一のアイランドの表面だけになっている。したがって、アイランドと半導体チップの接着領域の面積が小さくなり、応力発生部分が減少することによって、半導体チップの裏面、アイランド及び導電性接着材料間の応力を抑えることができる。さらに導電ペースト5をリング状の中心部まで塗布することが必要でなくなるため、導電ペースト5の使用量を抑えることが出来る。導電ペースト5には、通常銀等の貴金属を用いるため、その使用量を抑えることよって半導体装置の製造コストを下げることが可能となる。当然他の導電性固着材、絶縁性固着材を採用しても同様の事が言える。
第三の特徴は、従来のヒートシンク構造の半導体装置と比べた場合の半導体チップのサイズの違いにある。従来のヒートシンク構造においては、図14、図16に示すように、アイランドを下方に押し下げ、中央部に半導体チップを固着していた。この場合、半導体チップのサイズは、アイランド54の大きさに限定され、それより大きなサイズの半導体チップを固着させることが出来なかった。本発明においては、アイランドの窪み部である第二のアイランドIL2ではなく、その周囲にある第一のアイランドIL1に固着させることでこの問題の解決を図った。第一のアイランドIL1に半導体チップを固着させることにより、アイランドよりもサイズの大きい半導体チップを固着させることが可能となる。
また、アイランドの面積より小さな半導体チップを固着させることも可能である。
前述したように図3は、第一のアイランドIL1と第二のアイランドIL2との間に吊りリードH1を形成し、窪み部に樹脂の注入を可能とすると同時に、第二のアイランドIL2の曲げ加工を容易にしている。しかし図4の如き構造であっても良い。つまりIL2の部分を押し下げられれば良く、例えば、第二のアイランドIL2に相当する部分において、四辺のうち上下に2つ、または左右に二つ設けても良い。
また、図5は、本発明を実施する別の構造である。本構造において、アイランド1は、平面形状がリング状である第一のアイランドIL1と、第一のアイランドIL1に囲まれる位置に設けられた複数の第二のアイランドIL2からなる。第2のアイランドは、図の如く、矩形で縦列に2つずつ並んでいても良いし、矩形以外の形状を取りまた、数は4つ以外であってもよい。
図6も、同様に、本発明を実施する別の構造である。本構造において、アイランド1は、平面形状がリング状である第一のアイランドIL1と、第一のアイランドIL1に囲まれる位置に設けられた第二のアイランドIL2からなり、矩形のアイランド1の対向する二辺が放熱用リードHLと一体化しており、該放熱用リードHLが樹脂モールド6から露出している。このような構造を取ると、第二のアイランドIL2からの放熱に加え、放熱用リードHLからも放熱することができ、いっそう効率的に熱を放出することが可能となる。
続いて図7を参照しながらリードフレームLFについて簡単に説明する。このリードフレームLFは、図3の1ユニットがマトリックス状に配置されたものであり、横方向に延在する一対の連結条体20と縦方向に延在する一対の連結条体21で囲まれた箇所に、第一のアイランドIL1、第二のアイランドIL2及び吊り手段H1から構成されるアイランド1と、当該アイランド1から、一端を第一のアイランドIL1に近接させ、外部に放射状に伸びた複数のリード2と、当該リード2を連結するタイバーTBとから成るユニットが形成される。またリード2の他端には、スリットSL1〜SL3が設けられ、リードフレームLFの反りを防止している。材質は全て導電材料から成り、通常は銅を主材料とする。リードフレームのパターン形成時、つまりプレスカットやエッチングによって形成された時点では、全てが同一平面から成るが、その後第二のアイランドに下方へのプレスをかけ、下方へ押し出された形状とする。
図8は、第二のアイランドIL2が押し下げられ、第1のアイランドIL1上に半導体チップ3を固着させた状態での平面図である。太い実線は半導体チップを示しており、第一のアイランド上に載っている。この図面で明らかなように、第一のアイランドIL1、第二のアイランドIL2および半導体チップ3の裏面は、窪み部に相当し、ここに刳り貫き部OPが無いと、樹脂が充填できないことが判るだろう。本発明は、この刳り貫き部OP1が形成されているため、チップを実装しても樹脂の充填が可能な構造となっている。
図9は、図4のリードフレーム上に半導体チップを固着させた状態の平面図である。太い実線は半導体チップ3を示しており、第一のアイランドIL1上に載っているが、第一のアイランドIL1における対向する二辺に固着させており、異なる二辺においては、半導体チップ3と第一のアイランドIL1の間に隙間OP2が存在する。この隙間OP2を設けることにより、当該隙間から樹脂封止の際に樹脂を流入させることが出来る。そのため、本実施例においては、第一のアイランドIL1と第二のアイランドIL2を結ぶ吊り手段を設けなくとも実現できる例を示したものである。
図10は、図1の実施例と若干異なる半導体装置を説明する断面図である。ここでは、半導体チップをフェイスダウン実装し、チップ表面に位置するボンデイングパッドとリード2が直接接続されている。半導体チップ3とリード2を結ぶ導電手段5Aとしては、導電ペースト又はバンプを用いる事ができ、前記導電手段の材料は、半田、銀、Auなどがある。
図11は、図1の実施例と若干異なる半導体装置を説明する断面図である。ここでは、第二のアイランドIL2は、底厚の形状を取る。第二のアイランドIL2は、例えばヒートシンクとして用いる金属部材を第二のアイランドIL2の底部に固着させて実現できる。あるいは元々厚い形状の金属板を用意し、まず厚い部分の第二のアイランドIL2を形成し、その後、プレスカットにより図5のようにリードフレームを形成することで実現できる。その後に、第二のアイランドIL2を下方に押し下げ、その後にチップを第一のアイランドIL1に実装し、モールドすればよい。
図12は、図1の実施例に複数のチップを積層したものである。ここでは、第一のアイランドIL1上に固着させた半導体チップの3上部にさらに半導体チップ3A、3B・・・を積層し、それぞれが導電手段によりリードと結ばれている。この導電手段は、金属細線で接続されている。また半導体チップ3の上に積層される半導体チップは、半導体チップの表から裏面にわたり設けられた貫通電極が形成されれば、バンプや導電ペーストを介して積層でき、金属細線を用いなくても実施できる。
図13は、図1の実施例とは異なる半導体装置の断面図である。ここでは、アイランドの窪み部を半導体装置の上方に向ける形状を取り、第一のアイランドIL1の底部に半導体チップを固着させ、当該半導体チップはリードと導電材手段で接続されている。これは、図1に於いて、リード2の折り曲げ方向を上方にしたものである。
1 アイランド
2 リード
3 半導体チップ
2 リード
3 半導体チップ
Claims (9)
- 半導体チップの固着領域となるアイランドと、
前記アイランドの周辺に一端が延在された複数のリードと、
前記アイランドに固着された前記半導体チップと、
前記半導体チップと前記リードを電気的に接続する導電手段と、
前記半導体チップ、アイランド、前記導電手段および前記複数のリードを封止する絶縁性樹脂とを有する半導体装置に於いて、
前記アイランドの中心部が周辺部より窪んでおり、前記半導体チップが前記アイランドの周辺部に固着することを特徴とする半導体装置。 - 半導体チップの固着領域となるアイランドと、
前記アイランドの周辺に一端が延在された複数のリードと、
前記アイランドに固着された前記半導体チップと、
前記半導体チップと前記リードを電気的に接続する導電手段と、
前記半導体チップ、アイランド、前記導電手段および前記複数のリードを封止する絶縁性樹脂とを有する半導体装置に於いて、
前記アイランドにはリング状の第一アイランドと第一のアイランドに囲まれた場所に設けられた第二のアイランドがあり、第二のアイランドは吊り手段を用いて第一のアイランドに支持され、第一のアイランドよりも窪んだ位置に置かれ、前記半導体チップが前記第一のアイランドに固着することを特徴とする半導体装置。 - 半導体チップの固着領域となるアイランドと、
前記アイランドの周辺に一端が延在された複数のリードと、
前記アイランドに固着された前記半導体チップと、
前記半導体チップと前記リードを電気的に接続する導電手段と、
前記半導体チップ、前記アイランド、前記導電手段及び前記リードの一部を封止手段により封止した半導体装置に於いて、
前記半導体チップが前記アイランドの周辺部に固着し、前記アイランドの中心部が周辺部より窪んでおり、及び当該窪み部の裏面が前記封止の一表面から露出していることを特徴とする半導体装置。 - 前記導電手段は、金属細線、半田、導電ペースト、バンプ又は導電板から成る請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の半導体装置。
- 前記吊り手段は、第二のアイランドの四隅又はその近隣より第一のアイランドに向けて一体で延在される請求項2に記載の半導体装置。
- 前記第二のアイランドは、前記第一のアイランド中に複数設けられている請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の半導体装置。
- 前記アイランドの中央の窪み部を上面に向けた請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の半導体装置。
- 前記半導体チップは、前記アイランドの上に複数積載されている請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の半導体装置。
- 周辺部が半導体チップの固着領域となり、前記周辺部に囲まれた中心部が窪み底面を持った窪み部をから成るアイランドと、前記アイランドの周辺に一端が延在された複数のリードと、前記アイランドに固着された前記半導体チップと、前記半導体チップと前記リードを電気的に接続する導電手段と、前記半導体チップ、アイランド、前記導電手段および前記複数のリードを封止する絶縁性樹脂とを有する半導体装置の製造方法に於いて、
前記底面と前記周辺部の間に位置するアイランドに開口部が設けられ、この開口部を介して前記窪み部に前記絶縁性樹脂が充填される事を特徴とした半導体装置の製造方法。
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