JP2008283213A - 半導体装置、及び半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置、及び半導体装置の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 放熱板内蔵タイプの樹脂封止型の半導体装置において、放熱板と放熱板上に固着される半導体素子との間に空隙が生じ、鉛フリー半田を用いるプリント基板への実装工程で、空隙に吸湿された水分の蒸気圧により、剥離が進行し、内部に膨れ、クラックが発生する問題がある。
【解決手段】
リードフレーム501の半導体素子搭載領域に複数個に分割したダイパッド502を形成しておき、半導体素子301を放熱板105との間にダイパッド502を介して固着することで、半導体素子301と放熱板105との間の空間を拡げ、封止樹脂304が流れ込むようにして、封止樹脂の充填性を向上し、高温の鉛フリー半田による実装によって、剥離やクラックの発生を防止する。
【選択図】 図5

Description

本発明は、放熱板内蔵の半導体装置用のリードフレームを用いた樹脂封止型の半導体装置に関する。
近年、電子機器の小型化に対応するために、半導体装置等の半導体部品の小型化、高集積化、高密度実装化が要求されている。これに伴って、半導体装置で発生される熱をいかに放熱するかが重要な課題となっている。
この半導体装置の放熱対策として、放熱板内蔵タイプやダイパッド露出タイプのものが提案されている。例えば、特許文献1には、放熱板内蔵タイプの半導体装置が開示されている。
一方、環境に配慮する機運が世界的に高まっており、半導体装置においても、鉛フリー化への要望がますます強くなっている。
特開2001−15669号公報
ところが、従来の放熱板内蔵タイプ(2層フレーム)の半導体装置では、放熱板と半導体素子とを接着剤で接着する際、接着剤量を制限する必要があり、放熱板と半導体素子との間に空隙が生じる場合がある。封止樹脂で封止してもその空隙まで封止樹脂が流れ込まず、この空隙部分に吸湿した水分が溜まり易くなっている。
上述したように、鉛フリー半田を用いてこの樹脂封止の放熱板内蔵タイプの半導体装置をプリント基板へ実装すると、通常の鉛半田よりも実装温度が高いので、半導体装置内部が高温となり、吸湿した水分の蒸気圧が上昇し、放熱板と半導体素子との剥離が進行し、その結果、内部に膨れ、クラックが発生する虞がある。
本発明は、鉛フリー半田を用いたプリント基板への実装によっても、内部の膨れやクラックの発生を防止することのできる樹脂封止型の半導体装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明は、半導体装置であって、複数本のインナーリードと、前記インナーリードの先端部近傍の下面に接着された放熱板と、前記放熱板に設けられた複数の開口部と、前記放熱板上に載置される半導体素子と、前記半導体素子の複数の電極パッドと前記インナーリードとを電気的に接続する金属細線と、前記インナーリードと前記半導体素子と前記金属細線とを封止する封止樹脂とを備え、前記放熱板と前記半導体素子とは、複数のダイボンド滴下領域において接着され、前記放熱板の複数の開口部は、前記複数のダイボンド滴下領域各々を挟むように配列されている。
上述のような構成によれば、放熱板と半導体素子との間に空隙が生じていても、開口部の一部から封止樹脂が流れ込み、半導体装置の実装時に鉛フリー半田を用いたとしても、半導体素子の剥離が発生することが防止され、封止樹脂に膨れやクラックが発生することもない。
また、従来の鉛半田を用いた半導体製造工程をそのまま用いて、鉛フリー半田を用いる製造工程に転換することが可能となる。
また、前記放熱板の複数の開口部と、前記複数のダイボンド滴下領域は千鳥状に配置されることとしてもよい。
このような構成によって、ダイボンド滴下領域上に半導体素子を少量の接着剤で確実に接着することができ、また、半導体装置の製造時に封止樹脂が放熱板と半導体素子との間に開口部を通じ十分に流れ込むので、半導体素子との間に空隙の生じることが防止される。この結果、このリードフレームを用いた半導体装置の実装時に、通常の鉛半田よりも高温となる鉛フリー半田を用いても、半導体素子の剥離や剥離進行による封止樹脂の膨れやクラックを防止することができる。
また、前記放熱板の複数の開口部のうち少なくとも一つの開口部は、前記半導体素子の搭載領域からその一部がはみだしていることを特徴とすることとしてもよい。
また、前記開口部は略矩形であることとしてもよい。
このような構成によって、放熱板と半導体素子との間に空隙が生じていても、開口部の一部から封止樹脂が流れ込み、樹脂封止型の半導体装置の実装時に鉛フリー半田を用いたとしても、半導体素子の剥離が発生することが防止され、封止樹脂に膨れやクラックが発生することもない。
また、前記開口部の各辺は前記半導体素子の搭載領域の各辺と略45度傾いて配列されていることとしてもよい。
このような構成によって、半導体素子は、ダイパッドと確実に接着されるので、空隙が生じることが防止される。
また、前記開口部の各頂点は丸みを帯びていることとしてもよい。
このような構成によって、封止樹脂は、半導体素子の搭載領域の外側に位置する開口部の一部から半導体素子と放熱板との間に流れ込み、確実に空隙の生じることを防止することができる。また、開口部が丸味を帯びていることにより、局所的な応力の集中を緩和できる。

また、前記インナーリードの先端に囲まれ、前記半導体素子の搭載領域を囲繞する環状体をさらに備え、前記環状体の各辺の中央は内側に凸部を有し、前記放熱板の上面と環状体の下面とが接着されていることとしてもよい。
このような構成によって、リードフレームの製造時において、放熱板をインナーリードの先端部近傍の下面に接着する際、放熱板に歪みが発生することなく、リードフレーム製造時の形態の安定性を図ることができる。
また、前記複数本のインナーリードは各々、複数本のアウターリードに連続することとしてもよい。
このような構成によって、ダイボンド滴下領域上に半導体素子を少量の接着剤で確実に接着することができ、また、半導体装置の製造時に封止樹脂が放熱板と半導体素子との間に開口部を通じ十分に流れ込むので、半導体素子との間に空隙の生じることが防止される。
この結果、このリードフレームを用いた樹脂封止型半導体装置の実装時に、通常の鉛半田よりも高温となる鉛フリー半田を用いても、半導体素子の剥離や剥離進行による封止樹脂の膨れやクラックを防止することができる。
また、本発明は、放熱板上に半導体素子が搭載される半導体装置の製造方法であって、複数本のアウターリードと、アウターリードに連続し、半導体素子の電極パッドと電気的に接続されるインナーリードとを備えたリードフレームを用意する工程と、前記インナーリード先端部近傍の下面に前記放熱板の上面を貼り合わせる工程と、前記放熱板に複数の開口部を穿設する工程と、前記複数の開口部各々に挟まれるように、前記放熱板の複数のポイントに接着剤を滴下する工程と、前記複数の接着剤を滴下したポイントを覆うように前記半導体素子を載置し、前記放熱板と前記半導体素子とを固着する工程とを含む。
また、前記放熱板と半導体素子とを固着する工程において、前記複数の開口部のうち少なくとも一つの開口部の一部を露出するように前記半導体素子を載置することとしてもよい。
このような方法によって、開口穿設工程において、ダイパッドを複数に分断するのと同時に、開口部を形成することができるので、工程の煩雑化を防止して、改良されたリードフレームを得ることができる。
以下、本発明に係るリードフレームとそれを用いた樹脂封止型半導体装置の実施形態について、図面を用いて説明する。
(実施の形態1)
図1は、本発明に係るリードフレームの実施の形態1の平面図であり、図2は、その底面図である。
リードフレーム101は、矩形の枠部102と、枠部102の四辺に直角方向に延在する複数のアウターリード103と、アウターリードに連続して枠部102の内方に延びるインナーリード104と、インナーリード104の先端部近傍の下面に接着された放熱板105とを備え、放熱板105には、略正方形で、各頂点部分が丸味を帯びて、アウターリードの延在方向に略45度傾いた複数の開口部106が穿設されている。この開口部106の一部は、鎖線で示す半導体素子の搭載領域107の外側に形成されている。アウターリード103とインナーリード104との境界部分は、ダムバー108で枠部102の四辺方向に連結されている。ダムバー108の内側で鎖線で示す領域109内は、このリードフレーム101を用いた樹脂封止型半導体装置で封止樹脂に覆われる領域を示している。
リードフレーム101の放熱板105以外は、銅合金からなる、例えば厚さ0.15mm、硬度Hv=150〜185の金属板をエッチング法またはプレス法で加工して得られる。放熱板105は、銅合金からなる金属板であり、例えば厚みを0.13mmとされる。放熱板105は、接着剤でインナーリード104の先端部の底面に加熱接着されている。
図3は、このリードフレーム101を用いた樹脂封止型半導体装置の図1のS−S´切断線で切断した断面図である。
リードフレーム101の放熱板105の半導体素子搭載領域107には、半導体素子301が例えば銀ペースト等のダイボンド302で放熱板105に接着されている。半導体素子301の電極パッドと対応するインナーリード104との間は、金属細線等のワイヤで接続されている。アウターリード103を露出させて、例えばエポキシ系樹脂からなる封止樹脂304で樹脂封止型半導体装置は樹脂封止されている。
次に、本実施の形態の樹脂封止型半導体装置の製造工程を図4を参照して説明する。図4は、図1に示した切断線S−S´で切断した断面図である。
図4(a)、(b)は、リードフレーム101の製造工程を示している。
図4(a)は、銅合金の金属板を加工してアウターリード103、インナーリード104等を枠部102で連結した金属部材と、インナーリード104の先端部の下面と放熱板105の上面とを接着剤で貼り合わせる貼り合せ工程を示している。なお、断面図は、煩雑さを防止するため背景部分を省略している。以下も同様である。
図4(b)は、金属部材と貼り合わされた放熱板105とにパンチ加工等によって、開口部106を形成する開口穿設工程を示している。これによって、リードフレーム101が製造される。
図4(c)は、リードフレーム101に半導体素子301を固着する半導体素子固着工程を示す。
リードフレーム101の放熱板105の図1に点線で示すポイント110にダイボンド302を滴下し、半導体素子301を載置し固着する。
図4(d)は、ワイヤボンディング工程を示す。半導体素子301の電極パッドと対応するインナーリード104の先端部とをワイヤ303で接続する。
図4(e)は、樹脂封止工程を示す。アウターリード103を露出させ、金型をリードフレーム101とワイヤ303とを覆うように配置し、エポキシ樹脂からなる封止樹脂を金型温度180℃で注入する。注入時間は例えば、8秒間とする。冷却後、金型を外す。
図4(f)は、アウターリード103のベンディング工程を示す。リードフレーム101の枠部102をタイバーカットにより切り離し、アウターリード103をベンディング加工して樹脂封止型半導体装置が得られる。
本実施の形態では、図4(e)に示す樹脂封止工程において、半導体素子搭載領域107からはみ出した開口部106から注入された封止樹脂が半導体素子301と放熱板105との隙間に入り込み、半導体素子301と放熱板105との密着性を高める。これによって、半導体素子301と放熱板105との間に空隙が生ずることを防止できる。
(実施の形態2)
次に、本発明に係るダイパッド付きリードフレーム及びそれを用いた樹脂封止型半導体装置の実施の形態2について説明する。上記実施の形態1の構成と同様の部分についてはその説明を省略し、本実施の形態固有の部分についてのみ説明する。
図5は、ダイパッド付きリードフレームの平面図であり、図6は、その底面図である。ダイパッド付きリードフレーム501の半導体素子搭載領域107に開口部106と傾いた市松模様を形成するように複数のダイパッド502が設けられている。ダイパッド502は、略正方形であり、開口部106と同様に各辺がアウターリード103の延在方向と略45度の傾きをもっている。
開口部106のうち、外周に穿設された各開口部106の一部は、半導体素子搭載領域107の外側に位置している。
ここで、開口部106と開口部106に取り囲まれたダイパッド502とが市松模様を形成し、アウターリード103の延在方向に各辺が略45°に傾いているので、半導体素子搭載領域107に占めるダイパッド502の面積がちょうど半導体素子301の接着剤の滴下領域に最適となる。
ダイパッド付きリードフレーム501のダムバー108の矩形の各頂点から中心に向けて吊りリード503が突出している。
ダイパッド502の底面とインナーリード104の先端部近傍の底面とは、接着剤で放熱板105と接着されている。
図7は、図5、図6に示したダイパッド付きリードフレーム501の開口部106の形成前のリードフレームの平面図であり、図8はその底面図である。
各ダイパッド502は、連結リング701で連結されており、連結リング701は、吊りリード503でダムバー108に連なっている。これらの各ダイパッド502、連結リング701、吊りリード503の下面は、接着剤で放熱板105の上面に貼付されている。
なお、放熱板105を除くリードフレーム501は、上記実施の形態1と同様に、銅合金からなる金属板を例えばプレス法で一体成型されて製造される。
図9は、このリードフレーム501を用いた樹脂封止型半導体装置の図5のS−S´切断線で切断した断面図である。
この樹脂封止型半導体装置では、放熱板105の上面と半導体素子301との間にそれぞれ接着剤で貼り合わされたダイパッド502を介在させている。これによって、放熱板502と半導体素子301との間の空間が拡がり、封止樹脂304が複数の開口部106を通じて流入し易くなっているので、半導体素子301と放熱板502との間に空隙が発生することを低減することができる。
次に、本実施の形態のダイパッド付きリードフレーム及び樹脂封止型半導体装置の製造工程を図10の断面図を用いて説明する。
なお、この断面図は、図5に示したS−S´断面であり、煩雑さを避けるため、背景部分を省略して示している。また、上記実施の形態1の図4に示した工程と略同様の工程である図10(d)−図10(f)については説明を省略する。
図10(a)は、銅合金の金属板を加工したアウターリード103、インナーリード104、ダイパッド502等を枠部102で連結した金属部材のインナーリード104の先端部、ダイパッド502の下面と放熱板105の上面とを接着剤で貼り合せる貼り合せ工程を示している。
図10(b)は、金属部材と貼り合わされた放熱板106とにパンチ加工等によって、複数の開口部106を形成するとともに、連結リング701、吊りリード503の一部を同時に取り除き、ダイパッド502を分離する開口穿設工程を示している。この開口部106は、ダイパッド付きリードフレーム501の矩形の各辺と略45度傾いた略正方形であり、ダイパッド502と市松模様を形成するように配設され、外周に位置する各開口部106の一部は、半導体素子搭載領域の外側に位置している。
図10(c)は、ダイパッド付きリードフレーム501に半導体素子301を固着する半導体素子固着工程を示す。各ダイパッド502の上面にダイボンド302を滴下し、半導体素子301を載置し固着する。
図10(d)−図10(f)の各工程は、上記実施の形態1と同様である。
なお、図10(e)の樹脂封止工程では、封止樹脂は、上記実施の形態1よりも放熱板105と半導体素子103との間の空間により注入され易くなっている。
(実施の形態3)
次に、本発明に係る環状体付きリードフレーム及びそれを用いた樹脂封止型半導体装置の実施の形態3について説明する。上記実施の形態1の構成と同様の部分についてはその説明を省略し、本実施の形態固有の部分についてのみ説明する。
図11は、環状体付きリードフレームの平面図であり、図12はその底面図である。
この環状体付きリードフレーム1100には、上記実施の形態1のリードフレーム101に半導体素子301の搭載領域107を囲繞する環状体1101が形成されている。この環状体1101には、各辺の中央部に半導体素子301側に突出したキャップ状の凸部1103が形成されている。この環状体1101の各コーナーでは、ダムバー108にこの環状体1101を連接する吊りリード1102が形成されている。なお、このリードフレーム1100は、放熱板105を除き、金属板から一体的に形成されている。
図13は、この環状体付きリードフレーム1100を用いた樹脂封止型半導体装置の断面図である。この断面図は、図11のS−S´切断線での断面を示している。
インナーリード104の内方には、半導体素子301を囲繞する環状体1101が配設されており、環状体1101の凸部1103の断面が示されている。
図14は、この環状体付きリードフレーム1100及びこれを用いた樹脂封止型半導体装置の製造工程を説明する断面図である。なお、この断面図は図11に示されS−S´断面であり、背景部分を省略している。
図14(a)は、金属部材と放熱板105との貼り合せ工程を示している。
インナーリード104の先端部の下面と、環状体1101の下面とに接着剤を塗布し、放熱板105の上面と、熱接着により貼り合わせる。
この工程において、吊りリード1102に連接された環状体1101がインナーリード104の内方にあるので、放熱板105の接着時に放熱板105が波状に変形して接着されることを防止でき、また、熱による変形を環状体1101の各辺の中央に設けられた凸部1103で吸収することができる。
図14(b)−図14(d)の各工程は、上記実施の形態1の各工程と略同様であるので説明を省略する。
図14(e)の樹脂封止工程において、環状体1101が形成されていることによって、封止樹脂304の注入時に、封止樹脂が半導体素子301に衝撃的に注入されることが防止される。
図14(f)のベンディング工程は、上記実施の形態1と略同様である。
以上、各実施の形態のリードフレームとそれを用いた樹脂封止型半導体装置について、説明したけれども、各実施の形態のリードフレームの構成を組み合わせて実施することができるのは勿論である。
例えば、実施の形態2で説明したダイパッドと実施の形態3で説明した環状体とを有するリードフレームである。
次に、上記実施の形態2と実施の形態1とにおける樹脂封止工程における封止樹脂の流れを図15、図16を用いて説明する。
図15は、ダイパッド502を介して半導体素子301が放熱板105に固着された状態を示しており、図16は、半導体素子301が直接放熱板105に固着された状態を示している。半導体素子301は、ダイボンド302によって固着されているが、実施の形態2のように、ダイパッド502を介して放熱板105に固着されているとき、ダイパッド502の厚みだけ、半導体素子301と放熱板105との間の空間が拡がっている。このため、封止樹脂は矢符1501で示すように、放熱板105と半導体素子301との間の空間内にも開口部106から十分に流れ込むことができる。図16に示す実施の形態1の場合においても、開口部106を介して放熱板105と半導体素子301との間に、矢符1601に示すように封止樹脂が流入し、空隙の発生を防止している。
(比較例)
次に、上記実施の形態2で製造された樹脂封止型半導体装置(本装置)と従来例の樹脂封止型半導体装置(従来装置)との鉛フリー半田を用いた実装を想定した比較実験の結果を示す。
従来例のリードフレームの平面図を図17に、その底面図を図18に示している。このリードフレームでは、半導体素子301の搭載領域107の下方の放熱板105に一つの開口1701が穿設されている。図19は、このリードフレームを用いた従来例の樹脂封止型半導体装置の図17のS−S´断面を示す断面図である。
先ず、本装置と従来装置とを温度125℃で12時間ベーキングし、乾燥する。その後、温度30℃で相対湿度70%の雰囲気で72時間、吸湿させる。その後265℃の高温下で5分間放置した後、再度、温度30℃で相対湿度70%の雰囲気に96時間放置する。再度、265℃の高温下で5分間放置した後、室温まで冷却後、本装置と従来装置との剥離とクラックとを超音波で検査した。
両装置のサンプル数は15とした。
剥離とクラックとが生じたサンプル数を次表に示す。
Figure 2008283213
上表の結果より、上記実施の形態2で説明した樹脂封止型半導体装置では、鉛フリーの半田を用いて基板等への実装を行っても、半導体素子の剥離や封止樹脂のクラック発生を完全に防止することが確認された。
なお、上記各実施の形態では、リードフレームを1個だけ示したけれども、上下左右方向に連続した複数のリードフレームを形成しておき、半導体素子の接着、ワイヤボンディングの後、金型で覆い封止樹脂を注入した後、各樹脂封止型半導体装置を切り離すようにしてよいのは勿論である。
本発明に係るリードフレーム及び樹脂封止型半導体装置は、環境に配慮した半導体装置として、半導体の製造分野で利用される。
本発明に係るリードフレームの実施の形態1の平面図である。 図1の底面図である。 上記実施の形態のリードフレームを用いた樹脂封止型半導体装置の図1のS−S´で切断した断面図である。 (a)−(f)は、上記実施の形態の樹脂封止型半導体装置の製造工程を示す断面図である。 本発明に係るダイパッド付きリードフレームの実施の形態2の平面図である。 図5の底面図である。 図5に示すリードフレームの開口部の形成前の平面図である。 図7の底面図である。 上記実施の形態のダイパッド付きリードフレームを用いた樹脂封止型半導体装置の図5のS−S´で切断した断面図である。 (a)−(f)は、上記実施の形態の樹脂封止型半導体装置の製造工程を示す断面図である。 本発明に係る環状体付きリードフレームの実施の形態3の平面図である。 図11の底面図である。 上記実施の形態の環状体付きリードフレームを用いた樹脂封止型半導体装置の図11のS−S´で切断した断面図である。 (a)−(f)は、上記実施の形態の樹脂封止型半導体装置の製造工程を示す断面図である。 上記実施の形態2の封止樹脂の流れを模式的に示した断面図である。 上記実施の形態1の封止樹脂の流れを模式的に示した断面図である。 上記実施の形態2の樹脂封止型半導体装置のクラック等の発生を検証するための比較例に用いた従来のリードフレームの平面図である。 図17の底面図である。 図17に示したリードフレームを用いた樹脂封止型半導体装置の断面図である。
符号の説明
101 リードフレーム
102 枠部
103 アウターリード
104 インナーリード
105 放熱板
106 開口部
107 半導体素子搭載領域
108 ダムバー
109 封止領域
110 ダイボンド滴下領域
301 半導体素子
302 ダイボンド
303 ワイヤ
304 封止樹脂
501 ダイパッド付きリードフレーム
502 ダイパッド
503 吊りリード
701 連結リング
1100 環状体付きリードフレーム
1101 環状体
1102 吊りリード
1103 凸部

Claims (10)

  1. 複数本のインナーリードと、
    前記インナーリードの先端部近傍の下面に接着された放熱板と、
    前記放熱板に設けられた複数の開口部と、
    前記放熱板上に載置される半導体素子と、
    前記半導体素子の複数の電極パッドと前記インナーリードとを電気的に接続する金属細線と、
    前記インナーリードと前記半導体素子と前記金属細線とを封止する封止樹脂とを備え、
    前記放熱板と前記半導体素子とは、複数のダイボンド滴下領域において接着され、
    前記放熱板の複数の開口部は、前記複数のダイボンド滴下領域各々を挟むように配列されている
    ことを特徴とする半導体装置。
  2. 前記放熱板の複数の開口部と、前記複数のダイボンド滴下領域は千鳥状に配置されることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
  3. 前記放熱板の複数の開口部のうち少なくとも一つの開口部は、前記半導体素子の搭載領域からその一部がはみだしていることを特徴とする請求項1乃至2記載の半導体装置。
  4. 前記開口部は略矩形であることを特徴とする請求項1乃至3記載の半導体装置。
  5. 前記開口部の各辺は前記半導体素子の搭載領域の各辺と略45度傾いて配列されていることを特徴とする請求項1乃至4記載の半導体装置。
  6. 前記開口部の各頂点は丸みを帯びていることを特徴とする請求項5記載の半導体装置。
  7. 前記インナーリードの先端に囲まれ、前記半導体素子の搭載領域を囲繞する環状体をさらに備え、前記環状体の各辺の中央は内側に凸部を有し、
    前記放熱板の上面と環状体の下面とが接着されていることを特徴とする請求項1乃至6記載の半導体装置。
  8. 前記複数本のインナーリードは各々、複数本のアウターリードに連続することを特徴とする請求項1乃至7記載の半導体装置。
  9. 放熱板上に半導体素子が搭載される半導体装置の製造方法であって、
    複数本のアウターリードと、アウターリードに連続し、半導体素子の電極パッドと電気的に接続されるインナーリードとを備えたリードフレームを用意する工程と、
    前記インナーリード先端部近傍の下面に前記放熱板の上面を貼り合わせる工程と、
    前記放熱板に複数の開口部を穿設する工程と、
    前記複数の開口部各々に挟まれるように、前記放熱板の複数のポイントに接着剤を滴下する工程と、
    前記複数の接着剤を滴下したポイントを覆うように前記半導体素子を載置し、前記放熱板と前記半導体素子とを固着する工程と
    を含む半導体装置の製造方法。
  10. 前記放熱板と半導体素子とを固着する工程において、前記複数の開口部のうち少なくとも一つの開口部の一部を露出するように前記半導体素子を載置する
    ことを特徴とする請求項9記載の半導体装置の製造方法。
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