JP2009071032A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】信頼性が高く、かつ、容易に製造することができるとともに、内部抵抗の一層の低抵抗化を図ることのできる半導体装置及びその製造方法を提供する。
【解決手段】半導体素子3と、半導体素子3に設けられた電極と接続される電極を有するリード4と、半導体素子3の電極とリード4の電極とを電気的に接続する金属膜を被覆したストラップ部材5とを備える。
【選択図】図3
【解決手段】半導体素子3と、半導体素子3に設けられた電極と接続される電極を有するリード4と、半導体素子3の電極とリード4の電極とを電気的に接続する金属膜を被覆したストラップ部材5とを備える。
【選択図】図3
Description
本発明は、半導体素子の電極と接続されることにより内部抵抗を低減するストラップ部材が設けられた半導体装置及びその製造方法に関する。
半導体装置の一例として、電流のスイッチングや増幅に使用されるFETを含むトランジスタパッケージを挙げることができる。このトランジスタパッケージにおいて、半導体素子上の電極とリードの電極とは、金(Au)やアルミニウム(Al)等の導電性を有する金属から形成された複数本のワイヤによって電気的に接続されている。
近年の半導体市場では、高速に動作し高い処理能力を有しつつ、動作中の消費電力は低い半導体装置が求められている。例えば携帯電話やノートパソコン等に使用される場合等はバッテリー駆動されることが多いが、その内部に使用される電子部品の抵抗値が高いと消費電力が多くなりバッテリーの駆動時間が短くなる。このような相反する2つの課題を克服するために、半導体装置の回路の微細化が進められるとともに、供給された電力を半導体装置全体で効率よく利用するために、内部抵抗(ON抵抗)の低抵抗化が進められている。
この内部抵抗の例としては、半導体素子とリードとを接続する電流経路部材の抵抗成分と、この電流経路部材と各電極間の接続抵抗成分を挙げることができる。この電流経路部材として通常金属ワイヤが用いられるが、この金属ワイヤの抵抗が半導体装置全体の内部抵抗値に対して無視できない程に大きくなることもある。従って、金属ワイヤを用いても金属ワイヤに関係する抵抗を低くすることができれば半導体素子の電極とリードの電極との接続抵抗成分も低くすることが可能である。
そのために、例えば、金属ワイヤの太線化や多線化が考えられるが、隣接する金属ワイヤ同士の短絡や取り付け本数と取り付け空間の制限のため、技術的に困難な点が生ずる。一方で、金属ワイヤ自身の抵抗値を低くする方法として、金属ワイヤを形成する金属材料を金(Au)やアルミニウム(Al)よりも低抵抗の材料に変更することが考えられる。但し、この方法では使用できる金属の種類が限定的であること、接合部分の信頼性があまり高くないことから採用は難しい。
このような問題を解決するための1つの方法として、以下の特許文献1或いは特許文献2には、半導体装置全体の低抵抗化を図るため、導電性を有する平板状の金属材料を用いて半導体素子の電極とリードの電極とを電気的に接続する半導体装置が提示されている。すなわち、この方法により半導体素子の電極とリードの電極との間の電流の流路断面積が拡大されるので、電極とリードとの間における抵抗を下げることができるとされる。
特許第3240292号公報
特許第3639515号公報
しかしながら、上記特許文献1或いは特許文献2に開示された発明においては、平板状の金属材料を接合させるために、例えば、導電性ペーストや高融点はんだが用いられる。この高融点はんだとしては鉛リッチはんだが使用されることが多い。昨今基板実装時に使用されるはんだに関して鉛の使用が規制されている。半導体装置内部のはんだに関しては鉛の使用は規制対象外であるが、鉛が環境に与える影響の大きさを考えると、半導体装置内とはいえその使用はできるだけ控えることが好ましい。
この鉛を含まない鉛フリーはんだとして、錫(Sn)を主成分としたはんだがある。但し、この鉛フリーはんだは融点が250℃以下と低く、基板実装時のリフロー温度が最大およそ260℃にもなることを考えると、リフロー時に半導体装置内部ではんだの再溶融が発生してしまう。
一方、融点が高い鉛フリーはんだとして金−錫(Au−Sn)はんだがあり、このはんだを用いての接続の方法としては、ペレットやペーストを用いる方法が考えられる。但し、ペレットを使用する方法は加工コストが高くなり、また、ペーストを使用する方法では接続後洗浄が必要となるため、ワイヤボンディングを用いた半導体装置と比較しても半導体装置の製造工程が多くなる。
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、信頼性が高く、かつ、容易に製造することができるとともに、内部抵抗の一層の低抵抗化を図ることのできる半導体装置及びそ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、半導体素子と、半導体素子に設けられた電極と接続される電極を有するリードと、半導体素子の電極とリードの電極とを電気的に接続する金属膜を被覆したストラップ部材とを備える。
本発明の実施の形態に係る第2の特徴は、半導体装置において、半導体素子と、基板実装の際に使用する端子を一端に備えるとともに、他端を半導体素子に設けられた電極と電気的に接続する金属膜を被覆したストラップ部材とを備える。
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、半導体素子に設けられた第1の電極と、半導体素子の第1の電極と接続される電極を有する第1のリードとを接続する工程と、半導体素子の第2の電極と、半導体素子の第2の電極と接続される電極を有する第2のリードとを接続するストラップ部材に金と錫からなる金属膜をめっきにて被覆する工程と、金属膜を被覆されたストラップ部材を半導体素子の第2の電極と第2のリードに設けられた電極との間で熱圧着により金属膜を溶融して電気的に接続する工程とを備える。
本発明の実施の形態に係る第4の特徴は、半導体装置の製造方法において、半導体素子に設けられた第1の電極と、半導体素子の第1の電極と接続される電極を有する第1のリードとを接続する工程と、半導体素子の第2の電極と、半導体素子の第2の電極と接続される電極を有する第2のリードとを接続するストラップ部材に金と錫の合金からなるはんだペーストを塗布、硬化することにより形成される金属膜を被覆する工程と、金属膜を被覆されたストラップ部材を半導体素子の第2の電極と第2のリードに設けられた電極との間で熱圧着により金属膜を溶融して電気的に接続する工程とを備える。
本発明の実施の形態に係る第5の特徴は、半導体装置の製造方法において、半導体素子に設けられた第1の電極と、半導体素子の第1の電極と接続される電極を有するリードとを接続する工程と、基板実装の際に使用する端子を一端に備えるストラップ部材に金と錫からなる金属膜をめっきにて被覆する工程と、金属膜を被覆されたストラップ部材の他端を半導体素子の第2の電極と熱圧着により金属膜を溶融して電気的に接続する工程とを備える。
本発明の実施の形態に係る第6の特徴は、半導体装置の製造方法において、半導体素子に設けられた第1の電極と、半導体素子の第1の電極と接続される電極を有するリードとを接続する工程と、基板実装の際に使用する端子を一端に備えるストラップ部材に金と錫の合金からなるはんだペーストを塗布、硬化することにより形成される金属膜を被覆する工程と、金属膜を被覆されたストラップ部材の他端を半導体素子の第2の電極と熱圧着により金属膜を溶融して電気的に接続する工程とを備える。
本発明によれば信頼性が高く、かつ、容易に製造することができるとともに、内部抵抗の一層の低抵抗化を図ることのできる半導体装置及びその製造方法を提供することができる。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
(第1の実施の形態)
まず、第1の実施の形態に係る半導体装置の構成を説明する。本発明の実施の形態に係る半導体装置1は、第1のリード2に接続された半導体素子3と、半導体素子3に設けられた電極と接続される電極を有する第2のリード4と、半導体素子3の電極と第2のリード4の電極とを電気的に接続するストラップ部材5と、第1のリード2と、半導体素子3と、第2のリード4と、ストラップ部材5とを覆う封止樹脂6(以下、「外囲器6」と表わす。)とを備える。
まず、第1の実施の形態に係る半導体装置の構成を説明する。本発明の実施の形態に係る半導体装置1は、第1のリード2に接続された半導体素子3と、半導体素子3に設けられた電極と接続される電極を有する第2のリード4と、半導体素子3の電極と第2のリード4の電極とを電気的に接続するストラップ部材5と、第1のリード2と、半導体素子3と、第2のリード4と、ストラップ部材5とを覆う封止樹脂6(以下、「外囲器6」と表わす。)とを備える。
図1は半導体装置1の全体を示す斜視図である。半導体装置1は、そのほぼ外部全体を外囲器6で覆われている。本発明の実施の形態では、半導体装置1は第1のリード2と第2のリード4を各3本ずつ、計6本有しているが、各リードが設けられる本数は任意に定めることができる。なお、第2のリード4は、半導体素子3のソース電極と接続される第2のリード4a,4bと、半導体素子3のゲート電極と接続される第2のリード4cとに分けることができる。
図2は、図1に示す半導体装置1をA−A線において切断して見た半導体装置1の平面図である。また、図3は、図2に示す半導体装置1をB−B線において切断して見た半導体装置1の切断断面図である。第1のリード2と第2のリード4の一端が、対向するように外囲器6の両側から外側に露出されている。第1のリード2と第2のリード4の他端は外囲器6に覆われている。
図3に示すように、第1のリード2上にはダイボンド材Dを介して半導体素子3が電気的に接続されている。ダイボンド材Dを介して第1のリード2と接続されている半導体素子3の一方の面3aにはドレイン電極が設けられており、この面と対向する他方の面3b(以下、「表面3b」という。)には、ソース電極及びゲート電極が設けられている。第2のリード4において外囲器6の内部に含まれる他端の表面4dには、リード電極が設けられている。
第1のリード2の半導体素子3の一方の面3aと接続される面(以下、「表面2a」という。)と第2のリード4の表面4dとは、同一平面を構成するように高さが揃えられている。そのため、第1のリード2上に接続された半導体素子3の表面3bのソース電極或いはゲート電極と表面4dのリード電極との間には段差が生じている。従って、これらの電極を電気的に接続するストラップ部材5は、この段差を吸収するべく曲げ加工が施されている。なお、図3では表面3bと表面4dとの間が直線状になるように曲げ加工がされたストラップ部材5が示されているが、表面3bに設けられた電極との接続が確実に行われるのであれば、例えば、表面3bと表面4dとの間を弧を描くように曲げ加工される等、ストラップ部材5がどのような形状に加工されていても構わない。
ストラップ部材5は、半導体素子3の表面3bに設けられたソース電極、ゲート電極と第2のリード4上に設けられたリード電極との間を電気的に接続する。ストラップ部材5は、本発明の実施の形態においては銅(Cu)で形状が成形された後、金と錫(Au−Sn)からなる金属膜が被覆されている。この金属膜はストラップ部材5の全面に被覆されるように行っても良いが、例えば、コストを押さえるため、或いはストラップ部材5を半導体素子3等に載置する際に使用されるツールによる吸着性を良くするために表面3b及び表面4dの各電極と接続される領域にのみ設けても良い。
この金と錫(Au−Sn)からなる金属膜はどのように形成されても良い。例えば、ストラップ部材5にはんだを施す場合におけるはんだの方法は電解めっき、無電解めっき等いずれでも良い。めっきを行う場合には、レジストを塗布することで必要とする領域にのみめっきすることができる。また、金と錫のはんだペーストを塗布、硬化する方法でもよい。はんだペーストを用いる場合は、必要領域にのみ塗布し、硬化、洗浄することにより必要な領域に金と錫(Au−Sn)はんだを供給することができる。
これら第1のリード2と、半導体素子3と、第2のリード4と、ストラップ部材5とが外囲器6に覆われることで半導体装置1となる。
次に、図4ないし図8を用いて、本発明の第1の実施の形態にかかる半導体装置1の製造方法を説明する。
まず、図4に示すように、第1のリード2及び第2のリード4を用意する。上述したように、表面2aと表面4dとは、第1のリード2と第2のリード4とが対向した位置に配置されたときに同一平面となるように高さが揃えられて加工される。次に、第1のリード2の上にダイボンド材Dを介して半導体素子3を接続する(図5参照)。このダイボンド材Dとしては、ストラップ部材5に形成される金属膜(金と錫(Au−Sn))よりも高融点の、例えば、金とゲルマニウム(Au−Ge)や金とシリコン(Au−Si)を好適に使用することができる。また、予め別工程で金と錫(Au−Sn)の金属膜5aが被覆されたストラップ部材5を製造し用意しておく。
次に、図6に示すように、半導体素子3の表面3bに設けられたソース電極、ゲート電極と、第2のリード4上のリード電極とをストラップ部材5を用いて接続する。このストラップ部材5は、図6において図示しないツールを用いて吸着されて半導体素子3及び第2のリード4の各電極が設けられている位置まで搬送され載置される。その後、このツールによってストラップ部材5の上面に加圧され半導体素子3及び第2のリード4に押し当てられて接続される。
このストラップ部材5の接続にあたっては、表面3b及び表面4dが酸化していると良好な接続を行うことができない。また、ストラップ部材5に施されている金と錫(Au−Sn)の金属膜5aは溶融して接続材として使用される。そこで、第1のリード2及び第2のリード4が例えば320℃のステージに載せられて加熱されるとともに、半導体素子3及び第2のリード4とストラップ部材5との接続は還元雰囲気中で行われる。このようにしてストラップ部材5を熱圧着により表面3b及び表面4dに接続する。
その後、外囲器6で第1のリード2、半導体素子3、第2のリード4、ストラップ部材5を覆う。モールドの方法としては、例えば、トランスファーモールドやポッティングモールド等を挙げることができる。この外囲器6については、半導体素子の特性を阻害するものでなければその種類は問わない。このような製造工程を経ることで、図1に示すような半導体装置1を得ることができる。
このように、本発明の実施の形態における半導体装置では、金と錫(Au−Sn)の金属膜が形成されたストラップ部材を使用し、この金属膜が熱圧着される際に溶融することで半導体素子の電極と第2のリードの電極との間をストラップ部材によって電気的に接続する。
すなわち、従来のように、接続材を半導体素子及びリードに塗布し、ストラップ部材を載置しリフロー、その後に洗浄工程を経るという一連の製造工程を経ずとも、金と錫(Au−Sn)のめっきが施されたストラップ部材を使用して半導体素子及びリードを熱圧着により接続するだけで足り、従来の製造工程をまとめて行うことができる。
また、ストラップ部材5に形成された金と錫(Au−Sn)の金属膜が熱圧着時に溶融することでストラップ部材5と半導体素子及びリードとが接続される。そのため鉛を含まない接続材を使用することができるとともに、この金属膜の融点がおよそ280℃と半導体装置を基板に実装する際のリフロー温度(およそ260℃)よりも高いことから、リプロー時に再溶融が発生せず、ストラップ部材5と半導体素子及びリードとの各々の接続の安定化を図ることができる。
さらに、金と錫(Au−Sn)をはんだペーストとしてストラップ部材5と半導体素子及びリードとの接続に使用していないので、接続の際に加熱してもペーストに含まれる溶剤やフラックス等がしみ出したり気泡(ボイド)が発生したりすることもないことから、洗浄工程が不要となるとともに、ボイド発生による接続不良や消費電力の増大といった弊害を避けることができる。
そのため、高い信頼性と製造の容易さを確保した上で、内部抵抗の一層の低抵抗化を図ることのできる半導体装置及びその製造方法を提供することができる。
(第2の実施の形態)
次に本発明の第2の実施の形態について説明する。なお、第2の実施の形態において、上述の第1の実施の形態において説明した構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付し、同一の構成要素の説明は重複するので省略する。
次に本発明の第2の実施の形態について説明する。なお、第2の実施の形態において、上述の第1の実施の形態において説明した構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付し、同一の構成要素の説明は重複するので省略する。
第1の実施の形態においては、上述したように、半導体装置1ではストラップ部材5が半導体素子3及び第2のリード4にそれぞれ設けられた電極の間を電気的に接続する構成としていた。これに対して、本発明の第2の実施の形態においては、ストラップ部材が第2のリードの役割をも担うように構成する。すなわち、図7に示す半導体装置10において、外囲器6の外に露出している基板実装の際に使用する端子は、第1の実施の形態における第2のリードではなくストラップ部材15である。なお、図8に示すように、ここではソース電極と接続されるストラップ部材15aとゲート電極と接続されるストラップ部材15bとを併せて適宜ストラップ部材15と表わしている。
図8は、図7に示す半導体装置10をC−C線において切断して見た半導体装置10の平面図である。また、図9は、図8に示す半導体装置10をE−E線において切断して見た半導体装置10の切断断面図である。半導体装置10では、リード12とストラップ部材15の一端(基板実装の際に使用する端子。以下、「端子15c」と表わす)が、対向するように外囲器6の両側から外側に露出されている。リード12とストラップ部材15の他端は外囲器6に覆われている。
図9に示すように、リード12上にはダイボンド材Dを介して半導体素子3が電気的に接続されている。ダイボンド材Dを介してリード12と接続されている半導体素子3の一方の面3aにはドレイン電極が設けられており、この面と対向する表面3bには、ソース電極及びゲート電極が設けられている。
ストラップ部材15は、その一端が端子15cであり、他端は半導体素子3の表面3bに設けられたソース電極、ゲート電極と電気的に接続される。従って、図9に示すように、ストラップ部材15bの端子15cと、他端とゲート電極との接続部との間には段差が生じている。そのため、これらの電極を接続するストラップ部材15は、この段差を吸収するべく曲げ加工が施されている。なお、図9では表面3bと端子15cとの間が直線状になるように曲げ加工がされたストラップ部材15が示されているが、表面3bに設けられた電極との接続が確実に行われるのであれば、例えば、ストラップ部材15の他端が表面3bの角に接触しないように他端と端子15cとの間を弧を描くように曲げ加工される等、ストラップ部材15がどのような形状に加工されていても構わない。
ストラップ部材15は、本発明の実施の形態においては銅(Cu)で形状が成形された後、金と錫(Au−Sn)からなる金属膜15dが形成されている。このストラップ部材15に形成された金属膜15dは、表面3b上の電極と接続を行う際の接続材としての役割を有することから、第2の実施の形態においては表面3b上の電極と接続される領域にのみ形成されている。
次に、図10ないし図12を用いて、本発明の第2の実施の形態にかかる半導体装置10の製造方法を説明する。
まず、図10に示すように、リード12を用意する。このリード12の高さは、半導体装置10の高さに合わせて適切な高さに加工される。そして、このリード12の上にダイボンド材Dを介して半導体素子3を接続する(図11参照)。また、予め別工程で金と錫(Au−Sn)の金属膜15dが形成されたストラップ部材15を製造し用意しておく。
次に、図12に示すように、半導体素子3の表面3bに設けられたゲート電極とストラップ部材15とを接続する。このストラップ部材15は、図12において図示しないツールを用いて吸着されて表面3bとの接続領域(ゲート電極)に搬送され載置される。そしてこのツールによってストラップ部材15の上面に加圧され表面3bに押し当てられて接続される。
この接続は、還元雰囲気中でリード12が例えば320℃のステージに載せられて加熱された状態で熱圧着されて行われる。熱圧着することによってストラップ部材15に施されている金と錫(Au−Sn)の金属膜15dが溶融して表面3b上の電極に接続される。その後、外囲器6で第1のリード2、半導体素子3、第2のリード4、ストラップ部材5を覆う。このような製造工程を経ることで、図1に示すような半導体装置1を得ることができる。
このように、本発明の実施の形態における半導体装置では、金と錫(Au−Sn)の金属膜が形成されたストラップ部材を使用し、この金属膜が熱圧着される際に溶融することで半導体素子の電極とストラップ部材とを電気的に接続する。そのため、高い信頼性と製造の容易さを確保した上で、内部抵抗の一層の低抵抗化を図ることのできる半導体装置及びその製造方法を提供することができる。
すなわち、上述した第1の実施の形態における効果を全て備えた上で、第2のリードが不要になることから半導体装置の部品点数を少なくすることができるため、さらに高い信頼性、製造の容易さ、内部抵抗の低抵抗化を図ることのできる半導体装置及びその製造方法を提供することができる。
なお、この発明は、上記実施の形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。例えば、本発明の実施の形態においては、ソース電極或いはゲート電極との接続を全てストラップ部材によって行ったが、例えば、ゲート電極だけは金属ワイヤをボンディングして接続するようにしても良い。また、上記実施の形態に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせることにより種々の発明を形成できる。例えば、実施の形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施の形態に亘る構成要素を適宜組み合わせても良い。
1…半導体装置、2…第1のリード、3…半導体素子、4…第2のリード、5…ストラップ部材、5a…金と錫(Au−Sn)の金属膜、6…外囲器、D…ダイボンド材。
Claims (7)
- 半導体素子と、
前記半導体素子に設けられた電極と接続される電極を有するリードと、
前記半導体素子の電極と前記リードの電極とを電気的に接続する金属膜を被覆したストラップ部材と、
を備えることを特徴とする半導体装置。 - 半導体素子と、
基板実装の際に使用する端子を一端に備えるとともに、他端を前記半導体素子に設けられた電極と電気的に接続する金属膜を被覆したストラップ部材と、
を備えることを特徴とする半導体装置。 - 前記ストラップ部材に被覆される金属膜は金と錫の合金からなることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の半導体装置。
- 半導体素子に設けられた第1の電極と、前記半導体素子の第1の電極と接続される電極を有する第1のリードとを接続する工程と、
前記半導体素子の第2の電極と、前記半導体素子の第2の電極と接続される電極を有する第2のリードとを接続するストラップ部材に金と錫からなる金属膜をめっきにて被覆する工程と、
前記金属膜を被覆された前記ストラップ部材を前記半導体素子の第2の電極と前記第2のリードに設けられた電極との間で熱圧着により前記金属膜を溶融して電気的に接続する工程と、
を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 半導体素子に設けられた第1の電極と、前記半導体素子の第1の電極と接続される電極を有する第1のリードとを接続する工程と、
前記半導体素子の第2の電極と、前記半導体素子の第2の電極と接続される電極を有する第2のリードとを接続するストラップ部材に金と錫の合金からなるはんだペーストを塗布、硬化することにより形成される金属膜を被覆する工程と、
前記金属膜を被覆された前記ストラップ部材を前記半導体素子の第2の電極と前記第2のリードに設けられた電極との間で熱圧着により前記金属膜を溶融して電気的に接続する工程と、
を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 半導体素子に設けられた第1の電極と、前記半導体素子の第1の電極と接続される電極を有するリードとを接続する工程と、
基板実装の際に使用する端子を一端に備えるストラップ部材に金と錫からなる金属膜をめっきにて被覆する工程と、
前記金属膜を被覆された前記ストラップ部材の他端を前記半導体素子の第2の電極と熱圧着により前記金属膜を溶融して電気的に接続する工程と、
を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 半導体素子に設けられた第1の電極と、前記半導体素子の第1の電極と接続される電極を有するリードとを接続する工程と、
基板実装の際に使用する端子を一端に備えるストラップ部材に金と錫の合金からなるはんだペーストを塗布、硬化することにより形成される金属膜を被覆する工程と、
前記金属膜を被覆された前記ストラップ部材の他端を前記半導体素子の第2の電極と熱圧着により前記金属膜を溶融して電気的に接続する工程と、
を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
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