JP2010040596A - Laminated lead frame and method of manufacturing the same, and semiconductor device and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、積層リードフレームを用いた半導体装置に係り、特に半導体装置の信頼性を向上させることが可能な積層リードフレーム及びこれを用いた半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device using a laminated lead frame, and more particularly to a laminated lead frame capable of improving the reliability of a semiconductor device and a semiconductor device using the same.
IC(Integrated Circuit)半導体装置の構造において、小型電子機器の内部電子部品の高集積化、及び高密度実装化の実現を目的とした積層型半導体装置(PoP:Package on Package)は、独立した複数個の半導体装置を高さ方向に積層することで、個々の半導体装置の歩留まりを向上させつつ実装エリアの縮小を達成している。積層型半導体装置に使用される半導体装置のうち、特に最下層に位置する半導体装置は、下面の基板実装用端子に加え、上面に上層半導体装置接続用の端子を有しているのが特徴であり、下面端子から上面端子に電気的接続を図る必要がある。特許文献1のように、リードフレーム材を用いた両面電極を有する最下層の半導体装置の構造は、異なる形状の積層用リードフレーム材を複数枚重ねて接合し、積層用リードフレーム材の厚みを利用して半導体装置を形成して上下面に電極を形成する「積層リードフレーム」方式が知られている。
In the structure of an IC (Integrated Circuit) semiconductor device, there are a plurality of independent stacked semiconductor devices (PoP: Package on Package) for the purpose of realizing high integration and high-density mounting of internal electronic components of small electronic devices. By stacking individual semiconductor devices in the height direction, the mounting area is reduced while improving the yield of the individual semiconductor devices. Among the semiconductor devices used in the stacked semiconductor device, the semiconductor device located in the lowermost layer is characterized by having a terminal for connecting the upper layer semiconductor device on the upper surface in addition to the substrate mounting terminal on the lower surface. Yes, it is necessary to make an electrical connection from the lower surface terminal to the upper surface terminal. As in
このリードフレーム材の接合には、重ね合わせたリードフレーム材と積層用リードフレーム材に厚み方向から適正な荷重及び熱を加えることによる拡散接合法が主に用いられている。この拡散接合は、まず図8(a)に示すように、リードフレーム材である金属材料41と積層用リードフレーム材である金属材料42を重ねた状態で荷重を加え、図8(b)に示すように、加熱すると金属材料内の原子エネルギーが活性化し、材料間で原子拡散が起こり、金属材料41及び42が互いに接合することになる。その後、図8(c)に示すように半導体チップ43を半導体搭載部に搭載し、ワイヤ44をボンディングし、図8(d)に示すように樹脂45で封止することにより半導体装置を製造する。この拡散接合方法は、一般に温度がより高いほど、拡散がしやすくなり接合性が向上する。
For joining the lead frame materials, a diffusion joining method by applying an appropriate load and heat from the thickness direction to the superimposed lead frame material and the laminated lead frame material is mainly used. In this diffusion bonding, first, as shown in FIG. 8A, a load is applied in a state where the
この拡散接合方式を用いることで、母材と同等レベルの接合強度、導電性、導熱性を有した接合を実現することができる。
また、接合加熱をできる限り低温で行えるよう、「拡散インサート材」として拡散性の高い金属をめっき層としてリードフレーム材に形成する。
By using this diffusion bonding method, it is possible to realize bonding having bonding strength, conductivity, and heat conductivity equivalent to those of the base material.
In addition, a metal having high diffusibility as a “diffusion insert material” is formed on the lead frame material as a plating layer so that bonding heating can be performed at the lowest possible temperature.
銅又は銅合金からなるリードフレーム材の表面には、加熱により酸化銅の薄い膜(酸化銅皮膜)が形成される。例えば、特許文献1に記載のようにリードフレーム材を表面側から厚さの半分程度、半導体素子搭載部及びボンディング端子を形成する部分を残して選択的にエッチング(1次エッチング)し、その後半導体素子を搭載し、ワイヤボンディングを行うが、図9(a)に示すように前記ワイヤボンディング工程における加熱によって、端子部側面などの銅又は銅合金の金属素材が露出した部分に脆弱な酸化銅皮膜が形成されてしまう。この酸化銅皮膜は、前記金属素材との密着性が極めて低いことから、図9(b)に示すように後に封止樹脂が前記の脆弱な酸化銅皮膜によりリードフレーム材との界面での樹脂剥れを起こし、半導体装置の信頼性を著しく低下させるという問題を生じさせていた。
A thin copper oxide film (copper oxide film) is formed on the surface of the lead frame material made of copper or copper alloy by heating. For example, as described in
特許文献2、特許文献3にはリードフレームの表面で生じる樹脂剥れを防止するために銅材を強制酸化剤に浸漬して表面に酸化銅層を形成する発明が記載されている。
また、エッチングにより露出された部分を含め、リードフレーム全面に金などの貴金属めっき層を形成して保護するという手段が知られている。
Patent Documents 2 and 3 describe an invention in which a copper material is immersed in a forced oxidant to form a copper oxide layer on the surface in order to prevent resin peeling that occurs on the surface of the lead frame.
Further, there is known a means for protecting by forming a noble metal plating layer such as gold on the entire surface of the lead frame including a portion exposed by etching.
しかしながら、前記積層リードフレームを形成する拡散接合を促進するためには材料の再結晶温度以上の温度で加熱することを必要とする。例えば金めっき層を拡散インサート材として使用する場合には240℃以上、15分間荷重をかけた状態でリードフレーム材の拡散接合を行う。特許文献1記載のような半導体装置を積層型半導体装置として形成するには、高温で長時間をかけて拡散接合を行う必要があるが、前記特許文献2、特許文献3における厚さ0.001〜0.1μmの酸化銅層では、拡散接合の条件下において、リードフレーム材の銅が酸化銅層上に拡散して更に脆弱な酸化銅皮膜を形成するため、前述の問題と同様に樹脂が剥れてしまい、半導体装置の信頼性が低下してしまう。
また、リードフレーム全面にめっき層を形成すると、金などの貴金属を多く使用するため、コストが増加してしまう。
However, in order to promote diffusion bonding for forming the laminated lead frame, it is necessary to heat at a temperature higher than the recrystallization temperature of the material. For example, when a gold plating layer is used as a diffusion insert material, diffusion bonding of the lead frame material is performed with a load applied at 240 ° C. or higher for 15 minutes. In order to form a semiconductor device as described in
Further, if a plating layer is formed on the entire surface of the lead frame, a large amount of noble metal such as gold is used, resulting in an increase in cost.
以上の事情を鑑みて、本発明は、めっき層が形成されていない積層リードフレームにおける拡散接合条件下においても、金属素材が露出した部分に脆弱な酸化銅皮膜を形成することがなく、樹脂剥れを生じさせない積層リードフレーム及びその製造方法並びに半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とする。 In view of the above circumstances, the present invention does not form a fragile copper oxide film on a portion where a metal material is exposed, even under diffusion bonding conditions in a multilayer lead frame in which a plating layer is not formed. An object of the present invention is to provide a laminated lead frame that does not cause this, a manufacturing method thereof, a semiconductor device, and a manufacturing method thereof.
前記課題を解決するため、本発明は、以下の(1)〜(16)の積層リードフレーム及びその製造方法並びに半導体装置及びその製造方法に係るものである。 In order to solve the above-mentioned problems, the present invention relates to the following laminated lead frames (1) to (16), a manufacturing method thereof, a semiconductor device, and a manufacturing method thereof.
(1)リードフレーム材と積層用リードフレーム材にそれぞれ所定の形状加工をし、当該形状加工したリードフレーム材の上に前記積層用リードフレーム材を接合してなる積層リードフレームにおいて、
前記リードフレーム材と前記積層用リードフレーム材のうち、少なくとも前記リードフレーム材を銅又は銅合金からなる材料とするとともに、前記リードフレーム材の表面を酸化銅層で被覆したことを特徴とする積層リードフレーム。
(1) In a laminated lead frame in which a lead frame material and a laminated lead frame material are respectively processed into a predetermined shape, and the laminated lead frame material is joined on the shaped lead frame material.
Of the lead frame material and the lamination lead frame material, at least the lead frame material is made of a material made of copper or a copper alloy, and the surface of the lead frame material is covered with a copper oxide layer. Lead frame.
(2)リードフレーム材と積層用リードフレーム材にそれぞれ所定の形状加工をし、当該形状加工したリードフレーム材の上に前記積層用リードフレーム材を接合してなる積層リードフレームにおいて、
銅又は銅合金からなる前記リードフレーム材とこれに積層される少なくとも1以上の前記積層用リードフレーム材との表面を酸化銅層で被覆したことを特徴とする積層リードフレーム。
(2) In a laminated lead frame formed by subjecting a lead frame material and a laminated lead frame material to predetermined shape processing, and joining the laminated lead frame material on the shaped lead frame material,
A laminated lead frame, wherein surfaces of the lead frame material made of copper or copper alloy and at least one of the laminated lead frame materials laminated thereon are covered with a copper oxide layer.
(3)前記酸化銅層の厚さが0.1μm以上であることを特徴とする(1)又は(2)の積層リードフレーム。 (3) The laminated lead frame according to (1) or (2), wherein the copper oxide layer has a thickness of 0.1 μm or more.
(4)前記酸化銅層が亜酸化銅(Cu2O)及び一酸化銅(CuO)とからなることを特徴とする(1)から(3)のいずれかの積層リードフレーム。 (4) The laminated lead frame according to any one of (1) to (3), wherein the copper oxide layer is composed of cuprous oxide (Cu 2 O) and copper monoxide (CuO).
(5)リードフレーム材と積層用リードフレーム材にそれぞれ所定の形状加工をし、当該形状加工したリードフレーム材の上に前記積層用リードフレーム材を接合してなる積層リードフレームの製造方法において、
前記リードフレーム材と前記積層用リードフレーム材のうち、少なくとも前記リードフレーム材を銅又は銅合金からなる材料とするとともに、前記リードフレーム材の表面を酸化銅層で被覆することを特徴とする積層リードフレームの製造方法。
(5) In a method for manufacturing a laminated lead frame, wherein the lead frame material and the laminated lead frame material are each processed in a predetermined shape, and the laminated lead frame material is bonded onto the shaped lead frame material.
Of the lead frame material and the lamination lead frame material, at least the lead frame material is made of copper or a copper alloy, and the surface of the lead frame material is covered with a copper oxide layer. Lead frame manufacturing method.
(6)リードフレーム材と積層用リードフレーム材にそれぞれ所定の形状加工をし、当該形状加工したリードフレーム材の上に前記積層用リードフレーム材を接合してなる積層リードフレームの製造方法において、
銅又は銅合金からなる前記リードフレーム材とこれに積層される少なくとも1以上の前記積層用リードフレーム材との表面を酸化銅層で被覆することを特徴とする積層リードフレームの製造方法。
(6) In a method for manufacturing a laminated lead frame, in which a lead frame material and a laminated lead frame material are each processed in a predetermined shape, and the laminated lead frame material is bonded onto the shaped lead frame material.
A method for producing a laminated lead frame, wherein the surfaces of the lead frame material made of copper or a copper alloy and at least one of the laminated lead frame materials laminated thereon are covered with a copper oxide layer.
(7)前記酸化銅層の厚さが0.1μm以上であることを特徴とする(5)又は(6)の積層リードフレームの製造方法。 (7) The method for producing a laminated lead frame according to (5) or (6), wherein the thickness of the copper oxide layer is 0.1 μm or more.
(8)前記酸化銅層が亜酸化銅(Cu2O)及び一酸化銅(CuO)とからなることを特徴とする(5)〜(7)のいずれかの積層リードフレームの製造方法。 (8) the copper oxide layer is cuprous oxide (2 Cu O) and one of the layered manufacturing method of lead frame of copper monoxide characterized by consisting with (CuO) (5) ~ (7).
(9)リードフレーム材と積層用リードフレーム材にそれぞれ所定の形状加工をし、当該形状加工したリードフレーム材の上に前記積層用リードフレーム材を接合してなる積層リードフレームを有する半導体装置において、
前記リードフレーム材と前記積層用リードフレーム材のうち、少なくとも前記リードフレーム材を銅又は銅合金からなる材料とするとともに、前記リードフレーム材の表面を酸化銅層で被覆した積層リードフレームと、
前記積層リードフレームの素子搭載部に固着された半導体素子と、
前記半導体素子を封止する封止樹脂と
を有することを特徴とする半導体装置。
(9) In a semiconductor device having a laminated lead frame in which a lead frame material and a laminated lead frame material are respectively processed in a predetermined shape, and the laminated lead frame material is bonded onto the shaped lead frame material. ,
Among the lead frame material and the laminated lead frame material, at least the lead frame material is a material made of copper or a copper alloy, and a laminated lead frame in which the surface of the lead frame material is covered with a copper oxide layer,
A semiconductor element fixed to the element mounting portion of the laminated lead frame;
A semiconductor device comprising: a sealing resin for sealing the semiconductor element.
(10)リードフレーム材と積層用リードフレーム材にそれぞれ所定の形状加工をし、当該形状加工したリードフレーム材の上に前記積層用リードフレーム材を接合してなる積層リードフレームを有する半導体装置において、
銅又は銅合金からなる前記リードフレーム材とこれに積層される少なくとも1以上の前記積層用リードフレーム材との表面を酸化銅層で被覆した積層リードフレームと、
前記積層リードフレームの素子搭載部に固着された半導体素子と、
前記半導体素子を封止する封止樹脂と
を有することを特徴とする半導体装置。
(10) In a semiconductor device having a laminated lead frame in which a lead frame material and a laminated lead frame material are processed in a predetermined shape, and the laminated lead frame material is bonded onto the shaped lead frame material. ,
A laminated lead frame in which the surfaces of the lead frame material made of copper or copper alloy and at least one of the laminated lead frame materials laminated thereon are coated with a copper oxide layer;
A semiconductor element fixed to the element mounting portion of the laminated lead frame;
A semiconductor device comprising: a sealing resin for sealing the semiconductor element.
(11)前記酸化銅層の厚さが0.1μm以上である積層リードフレームと、
前記積層リードフレームの素子搭載部に固着された半導体素子と、
前記半導体素子を封止する封止樹脂と
を有することを特徴とする(9)又は(10)の半導体装置。
(11) a laminated lead frame in which the thickness of the copper oxide layer is 0.1 μm or more;
A semiconductor element fixed to the element mounting portion of the laminated lead frame;
The semiconductor device according to (9) or (10), comprising: a sealing resin for sealing the semiconductor element.
(12)前記酸化銅層が亜酸化銅(Cu2O)及び一酸化銅(CuO)とからなる積層リードフレームと、
前記積層リードフレームの素子搭載部に固着された半導体素子と、
前記半導体素子を封止する封止樹脂と
を有することを特徴とする(9)〜(11)のいずれかの半導体装置。
(12) a laminated lead frame in which the copper oxide layer is composed of cuprous oxide (Cu 2 O) and copper monoxide (CuO);
A semiconductor element fixed to the element mounting portion of the laminated lead frame;
The semiconductor device according to any one of (9) to (11), comprising a sealing resin for sealing the semiconductor element.
(13)それぞれ所定の形状加工がなされたリードフレーム材と積層用リードフレーム材とを接合してなる半導体装置の製造方法において、
前記リードフレーム材に被覆したレジスト膜にパターンを形成するリードフレームパターン形成工程と、
前記リードフレーム材の表裏面に所定のめっき層の形成を行うめっき工程と、
前記リードフレーム材の表面側に形成された前記めっき層をめっきレジストとしてエッチングを行う1次エッチング工程と、
前記リードフレーム材を強制酸化剤に浸漬して前記リードフレーム材の表面に酸化銅層を形成する酸化銅層形成工程と、
前記リードフレーム材と少なくとも1以上の前記積層用リードフレーム材とを接合する接合工程と、
前記リードフレーム材に半導体素子を搭載するとともに、該半導体素子と端子部とをボンディングワイヤで接続し、前記半導体素子及び前記端子部とを樹脂封止する樹脂封止工程と、
前記リードフレーム材の裏面側に形成された前記めっき層をめっきレジストとしてエッチングを行い、前記端子部を独立させる2次エッチング工程と
を有する半導体装置の製造方法。
(13) In a method for manufacturing a semiconductor device in which a lead frame material and a lead frame material for lamination, each having a predetermined shape processing, are joined.
A lead frame pattern forming step of forming a pattern on a resist film coated on the lead frame material;
A plating step of forming a predetermined plating layer on the front and back surfaces of the lead frame material;
A primary etching step of performing etching using the plating layer formed on the surface side of the lead frame material as a plating resist;
A copper oxide layer forming step of immersing the lead frame material in a forced oxidizing agent to form a copper oxide layer on the surface of the lead frame material;
A bonding step of bonding the lead frame material and at least one or more of the lamination lead frame materials;
A resin sealing step of mounting a semiconductor element on the lead frame material, connecting the semiconductor element and a terminal portion with a bonding wire, and sealing the semiconductor element and the terminal portion with a resin;
A method of manufacturing a semiconductor device, comprising: a secondary etching step of performing etching using the plating layer formed on the back surface side of the lead frame material as a plating resist to make the terminal portions independent.
(14)前記酸化銅層を形成する部分は前記端子部の側面及び前記素子搭載部の上面であることを特徴とする(13)の半導体装置の製造方法。 (14) The method for manufacturing a semiconductor device according to (13), wherein the copper oxide layer is formed on a side surface of the terminal portion and an upper surface of the element mounting portion.
(15)前記酸化銅層は0.1μm以上の厚さであることを特徴とする(13)又は(14)の半導体装置の製造方法。 (15) The method for manufacturing a semiconductor device according to (13) or (14), wherein the copper oxide layer has a thickness of 0.1 μm or more.
(16)前記酸化銅層が亜酸化銅(Cu2O)及び一酸化銅(CuO)とからなることを特徴とする(13)〜(15)のいずれかの半導体装置の製造方法。 (16) The method for manufacturing a semiconductor device according to any one of (13) to (15), wherein the copper oxide layer is made of cuprous oxide (Cu 2 O) and copper monoxide (CuO).
本発明は、拡散接合工程前に、リードフレーム材の銅材(又は銅合金)が露出した面に表面処理(化学処理)を行って好ましくは0.1μm以上の酸化銅層を強制的に形成し(強制酸化処理)、拡散接合工程における長時間の高温条件下における酸化銅層上へのリードフレーム材の銅の拡散による脆弱な酸化銅皮膜の形成を防止するとともに、前記脆弱な酸化銅皮膜に伴う樹脂剥れの発生を防止することができる。 In the present invention, a surface treatment (chemical treatment) is performed on the exposed surface of the copper material (or copper alloy) of the lead frame material before the diffusion bonding step, and a copper oxide layer of preferably 0.1 μm or more is forcibly formed. (Forced oxidation treatment), preventing formation of a fragile copper oxide film due to copper diffusion of the lead frame material on the copper oxide layer under long-time high temperature conditions in the diffusion bonding process, and the fragile copper oxide film It is possible to prevent the occurrence of resin peeling due to.
また、リードフレーム材だけでなく、積層用リードフレーム材に酸化銅層の形成を適用した場合、積層用リードフレーム材は端子部や接合部のみへの最小限の部分めっきでよく、金などの貴金属の使用量を減少させ、コストの低減を図ることができる。この場合も前記リードフレーム材と同様に脆弱な酸化銅皮膜の形成を防ぎ、リードフレーム材との密着性を向上させることで樹脂の剥れを防止し、更に強制酸化処理によって酸化銅層の表面に凸凹が形成されるため、アンカー効果が高まり、積層リードフレームと封止樹脂との密着性を増すことができ半導体装置の信頼性を向上させることができる。
本発明で使用する強制酸化処理は銅以外の金属とは一切反応しないため、酸化銅層を形成した後もめっき層表面への影響はなく、拡散接合強度を十分に確保することができ、ワイヤボンディング性やはんだ濡れ性等についても低下しない。
In addition, when the formation of a copper oxide layer is applied not only to the lead frame material but also to the lead frame material for lamination, the lead frame material for lamination may be a minimum of partial plating only on the terminal part and the joint part, such as gold. The amount of noble metal used can be reduced and the cost can be reduced. In this case as well, the formation of a brittle copper oxide film is prevented as in the case of the lead frame material, and the resin is prevented from peeling by improving the adhesion with the lead frame material, and the surface of the copper oxide layer is further improved by forced oxidation treatment. As a result, the anchor effect is enhanced, the adhesion between the laminated lead frame and the sealing resin can be increased, and the reliability of the semiconductor device can be improved.
Since the forced oxidation treatment used in the present invention does not react with metals other than copper at all, there is no effect on the surface of the plating layer even after the formation of the copper oxide layer, and sufficient diffusion bonding strength can be secured. There is no decline in bonding and solder wettability.
また、スタンドオフが形成された半導体装置だけでなく、通常のQFP等の積層型半導体装置においても適用でき、リードフレーム材には部分的にめっき層を形成するだけでよく、全面めっきの必要がないため貴金属の使用量を減らすことができる。 Further, it can be applied not only to a semiconductor device having a stand-off formed but also to an ordinary stacked semiconductor device such as QFP, and it is only necessary to partially form a plating layer on the lead frame material, and the entire surface needs to be plated. This reduces the amount of precious metal used.
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を用いて詳細に説明する。
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置の断面図、図2は第1の実施の形態に係る半導体装置の使用状態を示す断面図である。
なお、以下に示す本発明を実施するための形態は、本発明の具体的態様の一例であり、当該形態に限定されるものではない。
Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a cross-sectional view of a semiconductor device according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a cross-sectional view showing a use state of the semiconductor device according to the first embodiment.
In addition, the form for implementing this invention shown below is an example of the specific aspect of this invention, and is not limited to the said form.
図1に示すように、半導体装置10は、素子搭載部11の中央に配置された半導体素子12と、エリアアレイ状に配置された端子部(半導体素子12の各電極パッドにそれぞれボンディングワイヤ13を介して連結され半導体装置10の底面より露出してエリアアレイ状に配置された裏内側端子14の群と、裏内側端子14の群の外側に並んでエリアアレイ状に形成された裏外側端子15の群)と、裏外側端子15の直上にあって一部が半導体装置10の上面から露出しそれぞれが裏外側端子15に接続している積層用リードフレーム材(例えば銅又は銅合金からなる導体板16と、前記導体板を介して電気的に連結された例えば銅又は銅合金からなる表外側端子17の群)と、これらの半導体素子12及びボンディングワイヤ13と、端子部及び積層用リードフレーム材を封止する封止樹脂18とを有し、裏内側端子14及び裏外側端子15の表裏面には、めっき層19、19aが形成され、表外側端子17の端子面には、めっき層19bが形成されている。なお、素子搭載部11、端子部及び積層用リードフレーム材の側面部の封止樹脂18との接触面は、亜酸化銅(Cu2O)又は一酸化銅(CuO)とから成る酸化銅層が形成されている。
As shown in FIG. 1, the
ここで、半導体素子12は、導電性接着剤層20を介して素子搭載部11に固定され、素子搭載部11の表裏面側には端子部と同様にめっき層19、19aが施されている。端子部にめっき層19、19aを形成することにより、ボンダビリティの維持と拡散接合時の拡散インサート材としての機能を持たせることができる。更に、導体板16の表裏面及び表外側端子17の表裏面側にもめっき層19bが形成され、拡散接合時の拡散インサート材としての機能を持たせることができる。
Here, the
この実施形態においては、めっき層19、19a、19bには金を用いているが、他に銀、パラジウム、銅、スズ、ニッケル等から選択された1種類又は複数の組み合わせによるめっきにより形成してもよい。また、この実施形態ではめっき層19、19a、19bの形成に先立ち、ニッケルの下地めっき層を形成しているが、下地めっきを形成せずに直接前記めっき層を形成することもできる。 In this embodiment, gold is used for the plating layers 19, 19 a, 19 b, but the plating layers 19, 19 a, 19 b are formed by plating with one or a combination selected from silver, palladium, copper, tin, nickel, etc. Also good. In this embodiment, the nickel base plating layer is formed prior to the formation of the plating layers 19, 19a, 19b. However, the plating layer can be formed directly without forming the base plating.
図1の半導体装置の使用状態を示す図2において、半導体装置10では、裏内側端子14は半導体素子12と、裏外側端子15は導体板16を介して表外側端子17とそれぞれ接続しているので、例えば、図2に示すように、半導体装置10を下側に、別の半導体装置21を上側に配置して、半導体装置10の表外側端子17と半導体装置21の底面に露出する接続端子22との導通を取って積層することができる。これにより、半導体装置10、21を用いて三次元的なシステム実装を実現できる。ここで、23は半導体装置21の半導体素子、24は素子搭載部、25はボンディングワイヤ、26は接続端子22の非露出部分、半導体素子23、及びボンディングワイヤ25を封止する封止樹脂である。
In FIG. 2 showing the use state of the semiconductor device of FIG. 1, in the
上記実施例は、銅又は銅合金の積層用リードフレーム材(導体板16、表外側端子17)を用いた場合について説明したが、積層用リードフレーム材はこれに限らず、Alloy42等の鉄系リードフレームでも適用できる。また、上記実施例では、積層用リードフレーム材には、導体板16と表外側端子17を用いたが、導体板16のみや表外側端子17のみ、又はそれらを複数層接合しても積層リードフレームを形成することができる。拡散インサート材については金に限らず銀やパラジウム等の拡散性の高い金属を使用することができ、例えばリードフレーム材の接合面には金めっき層を、積層用リードフレーム材の接合面には銀めっき層というように異なる材質の拡散インサート材の適用も可能である。
Although the said Example demonstrated the case where the lead frame material for lamination | stacking of copper or a copper alloy (the
続いて、第1の実施の形態に係る半導体装置10の製造方法について図3を参照して説明する。
Next, a method for manufacturing the
なお、この第1の実施の形態では1つの半導体装置についてのみ説明するが、実際には複数の半導体装置が多列多行に連結されている。そして、図3には複数の半導体装置の中の半導体装置10について左半分のみを記載する。
In the first embodiment, only one semiconductor device will be described. However, a plurality of semiconductor devices are actually connected in multiple columns and multiple rows. FIG. 3 shows only the left half of the
(1):リードフレームパターン工程
図3(A)に示すように、レジスト膜27で表裏面が被覆されたリードフレーム材28(銅又は銅合金)に、半導体素子12が搭載される素子搭載部11、裏内側端子14の群、裏内側端子15の群を形成するパターンの露光処理を行い、その後現像処理を行って、リードフレーム材28の表裏のレジスト膜27にパターンを形成する。
(1): Lead frame pattern process As shown in FIG. 3A, an element mounting portion in which the
(2):めっき工程
図3(B)に示すように、リードフレーム材28の表裏にニッケル下地めっきを行い、金めっきによるめっき層19、19aを形成する。
(2): Plating step As shown in FIG. 3B, nickel base plating is performed on the front and back of the
(3):レジスト膜除去工程
図3(C)に示すように、リードフレーム材28の表裏のレジスト膜27を除去する。
(3): Resist Film Removal Step As shown in FIG. 3C, the resist
(4):カバーテープ貼付工程
図3(D)に示すように、リードフレーム材28の裏面にカバーテープ29を貼ってリードフレーム材28の裏面全面を覆う。
(4): Cover Tape Application Step As shown in FIG. 3D, a
(5):1次エッチング
図3(E)に示すように、リードフレーム材28の表側に形成された金めっき層19aをめっきレジストとして表面側からリードフレーム材28に所定深さ(例えば、リードフレーム材28の厚みに対して3/4〜1/2)の1次エッチング処理を行い、素子搭載部11の上面側、裏内側端子14の群の上面側、及び裏外側端子15の群の上面側をそれぞれ突出させ、その後カバーテープ29を除去する。
この時点で素子搭載部11、裏内側端子14の群、及び裏外側端子15の群の下部位は、連結部材30によって連結している。
(5): Primary etching As shown in FIG. 3E, the
At this time, the lower portion of the
(6):酸化銅層形成工程
図3(F)に示すように、リードフレーム材28の金属素材の表面が露出した部分、つまり各端子部及び素子搭載部の側面部に強制酸化を施すため、リードフレーム材28を強制酸化剤に浸漬して酸化銅層Cを形成する。
(6): Copper oxide layer forming step As shown in FIG. 3 (F), forcibly oxidizing the exposed portion of the metal material surface of the
(7):接合工程
図3(G)に示すように、リードフレーム材28のそれぞれの裏外側端子15の上に、導体板16を載せ、更にその上に表外側端子17を載置し、これらを拡散接合する。
ここで、導体板16は、図示しない別の工程にて予め形成されているものであり、具体的にはレジスト膜で表裏面が被覆された銅又は銅合金からなる積層用リードフレーム材料に、導体板16の群のパターンを形成し、エッチング処理を行い、導体板の上面及び下面に金めっき層19bを形成し、前記(6):酸化銅層形成工程と同様に導体板16の側面に酸化銅層Cを形成している。
(7): Joining step As shown in FIG. 3G, the
Here, the
同様に、表外側端子17も、レジスト膜で表裏面が被覆された銅又は銅合金からなる積層用リードフレーム材料に、表外側端子17の群のパターンを形成し、エッチング処理を行い、表外側端子17の上面及び下面に金めっき層19bを形成し、前記(6):酸化銅層形成工程と同様に表外側端子17の側面に酸化銅層Cを形成している。
また、裏外側端子15と導体板16の接合、導体板16と表外側端子17との接合は、それぞれ接触面に形成された金めっき層を介して、表外側端子17の上面に荷重を加え、所定の温度に加熱する拡散接合により行う。
これによって、半導体装置10に使用する積層リードフレーム31が形成される。
なお、積層用リードフレーム材である導体板16と表外側端子17の全表面に予めめっき層を形成したものであれば、積層用リードフレーム材へ酸化銅層を形成する必要はなく、その場合は接合の接触面には拡散性の高い金属を用いて「拡散インサート材」とすることが好ましい。
Similarly, the front and
In addition, the bonding between the back
Thereby, the
In addition, if the plating layer is formed in advance on the entire surface of the
(8):ダイボンド工程
図3(H)に示すように、半導体素子12を素子搭載部11上に、導電性接着剤層20を介して固定する。
(8): Die-bonding step As shown in FIG. 3 (H), the
(9):ワイヤボンディング工程
図3(I)に示すように、半導体素子12の各電極パッドと対応する裏内側端子14(裏内側端子の上面に形成されたボンディングワイヤ接続領域)とをワイヤボンディングにより電気的に接続する。
(9): Wire bonding step As shown in FIG. 3I, each electrode pad of the
(10):樹脂封止工程
図3(J)に示すように、半導体素子12と、ボンディングワイヤ13と、各裏内側端子14、各裏外側端子15、及び各表外側端子17の外部接続端子部を除く部分とを金型に入れて封止樹脂18で樹脂封止する。
(10): Resin sealing step As shown in FIG. 3J, the
(11):2次エッチング工程
図3(K)に示すように、リードフレーム材28の裏面側に形成されためっき層19をめっきレジストとして2次エッチング処理を行い、素子搭載部11、裏内側端子14、裏外側端子15を連結している連結部材30を除去し、これらを電気的に独立させた後個々の半導体装置となるよう切断を行って、半導体装置10が製造される。
(11): Secondary etching step As shown in FIG. 3 (K), a secondary etching process is performed by using the
なお、上記実施形態においては、素子搭載部11の上面にも金めっき層19aを形成し、めっきレジストとすることで、素子搭載部11の上面高さと端子部の上面高さとを同一となるように形成したが、図4に示す第2の実施の形態のように半導体装置を小型化し、更にボンディングワイヤの長さを短くするために、素子搭載部11の上面を1次エッチングで半分程度除去し、素子搭載位置を低く形成してもよい。この場合、素子搭載部11の上面全域にわたってリードフレーム素材が露出するため、この部分と樹脂封止との界面での剥れが懸念されるが、素子搭載部11の上面に酸化銅層Cを形成することによって封止樹脂との密着性が強固となり、半導体装置の信頼性を向上させることができる。
In the above embodiment, the
続いて、強制酸化剤を用いて酸化銅層を形成する方法について説明する。
本実施例において、強制酸化剤は苛性アルカリに対して亜塩素酸ナトリウム、又は過硫酸ナトリウムを配合したものを使用する。亜塩素酸ナトリウムタイプのものとして「エンプレートMB−438(メルテックス製)」を用いた場合、予めリードフレーム材表面を酸や純水で洗浄した後、低濃度の強制酸化剤に温度20℃で60秒間浸漬する。その後、温度80℃で300秒間浸漬し、水洗し、乾燥させる。この結果、リードフレーム材の銅が強制酸化剤により酸化されて厚さ約0.5μmの酸化銅層が形成される。
酸化銅層には亜酸化銅(Cu2O)、一酸化銅(CuO)が含まれる。
Next, a method for forming a copper oxide layer using a forced oxidizing agent will be described.
In this embodiment, the forced oxidizing agent is a mixture of sodium chlorite or sodium persulfate with caustic. When “Emplate MB-438 (Meltex)” is used as a sodium chlorite type, the surface of the lead frame material is washed with acid or pure water in advance, and then a low concentration forced oxidant is used at a temperature of 20 ° C. Soak for 60 seconds. Then, it is immersed for 300 seconds at a temperature of 80 ° C., washed with water and dried. As a result, the copper of the lead frame material is oxidized by the forced oxidizing agent to form a copper oxide layer having a thickness of about 0.5 μm.
The copper oxide layer contains cuprous oxide (Cu 2 O) and copper monoxide (CuO).
図5は本発明の効果を示す説明図である。酸化銅層には針状の凸凹が形成されるため、アンカー効果が高まり、積層リードフレームと封止樹脂との密着性を更に増すことができるため半導体装置の信頼性を向上することができる。また、酸化銅層は薬液濃度や処理時間、温度により層の厚さを変化させることが可能で、層の厚さが増すにつれ、色調はブロンズ→赤褐色→褐色→黒に変化し、針状結晶の凸がより長い層形状となる。本発明の拡散接合加熱(240℃×15min)に耐え得る強固な酸化銅層の厚さは0.1μm以上であり、色調は褐色となる。 FIG. 5 is an explanatory view showing the effect of the present invention. Since the copper oxide layer is formed with needle-like irregularities, the anchor effect is enhanced, and the adhesion between the laminated lead frame and the sealing resin can be further increased, so that the reliability of the semiconductor device can be improved. In addition, the thickness of the copper oxide layer can be changed depending on the chemical concentration, treatment time, and temperature, and as the layer thickness increases, the color tone changes from bronze to reddish brown to brown to black, acicular crystals The convex shape becomes a longer layer shape. The thickness of the strong copper oxide layer that can withstand the diffusion bonding heating (240 ° C. × 15 min) of the present invention is 0.1 μm or more, and the color tone is brown.
酸化銅層の反応式は下記の通りとなる。
2Cu+NaClO2+2H2O→2Cu(OH)2+NaCl
2Cu(OH)2→2CuO+2H2O
銅表面に強制酸化剤が接すると、速やかに薄いCu2O層が形成され、更に酸化が進行すると中間化合物のCu(OH)2となる。
この一部がCuOとなり、Cu表面に密に結合し強固な酸化銅層を形成する。
The reaction formula of the copper oxide layer is as follows.
2Cu + NaClO 2 + 2H 2 O → 2Cu (OH) 2 + NaCl
2Cu (OH) 2 → 2CuO + 2H 2 O
When a forced oxidant comes into contact with the copper surface, a thin Cu 2 O layer is quickly formed, and when the oxidation further proceeds, it becomes an intermediate compound of Cu (OH) 2 .
A part of this becomes CuO and is tightly bonded to the Cu surface to form a strong copper oxide layer.
残りのCu(OH)2は過剰の−OHと反応し、Cu(OH)m m−2となり、更にCuOが再析出する。このCuOは針状に結晶形成されるため、組立工程での封止樹脂とのアンカー効果を生み出すことができる。 The remaining Cu (OH) 2 reacts with excess —OH to become Cu (OH) m m−2 , and CuO is reprecipitated. Since this CuO is crystal-formed in a needle shape, an anchor effect with the sealing resin in the assembly process can be produced.
本発明において使用する強制酸化剤はめっき層に対し影響せず、酸化処理を行っても拡散接合の強度やワイヤボンディングの接合強度を十分に確保することができ、はんだ濡れ性についても影響はない。 The forced oxidant used in the present invention does not affect the plating layer, and even if oxidation treatment is performed, the strength of diffusion bonding and the bonding strength of wire bonding can be sufficiently secured, and there is no effect on solder wettability. .
この結果、形成した酸化銅層により、リードフレーム材と酸化銅層の密着性を増し、樹脂の剥れを防止することができ、半導体装置の信頼性を向上させることができる。 As a result, the formed copper oxide layer can increase the adhesion between the lead frame material and the copper oxide layer, prevent the resin from peeling off, and improve the reliability of the semiconductor device.
表1に、酸化銅層の厚みに対する半導体装置の信頼性の良否の評価を示す。
Table 1 shows the evaluation of the reliability of the semiconductor device with respect to the thickness of the copper oxide layer.
本発明の実施の形態による酸化銅層の厚みは0.1〜1μmが適しており、上記条件においては、強制酸化剤に浸漬させる時間が10分間で1μmの厚さの酸化銅層形成を可能とする。
酸化銅層を1μmより厚くすることも可能であるが、長時間を要して形成した1μmより厚い酸化銅層と、厚さ0.1〜1μmの酸化銅層との効果に大きな差異がないという点を考慮すると、1μmより厚い酸化銅層を形成することは生産性の観点から好ましくない。
The thickness of the copper oxide layer according to the embodiment of the present invention is suitably 0.1 to 1 μm. Under the above conditions, a copper oxide layer having a thickness of 1 μm can be formed in 10 minutes in a forced oxidizer. And
Although it is possible to make the copper oxide layer thicker than 1 μm, there is no significant difference in the effect of the copper oxide layer thicker than 1 μm formed over a long time and the copper oxide layer having a thickness of 0.1 to 1 μm. Considering this point, it is not preferable from the viewpoint of productivity to form a copper oxide layer thicker than 1 μm.
上記の第1及び第2の実施の形態においては、部分めっき層を形成して、該めっき層をめっきレジストとして1次エッチングを行い、銅(又は銅合金)が露出したリードフレーム材について酸化銅層を形成したが、一般的なレジスト膜を用いてエッチングを行った後、端子部上面にめっき層を形成したリードフレーム材においても適用することができ、めっき層形成後のリードフレーム材が露出した部分に酸化銅層を形成することで、脆弱な酸化銅皮膜の形成を防ぎ、リードフレーム材形成後の防錆処理を行う必要がなくなる。また、めっき層を部分的に形成すればよいため、金属の使用量を減らすことができ、製造コストを減少させることができる。 In the first and second embodiments, a partial plating layer is formed, primary etching is performed using the plating layer as a plating resist, and the lead frame material in which copper (or copper alloy) is exposed is copper oxide. Although the layer is formed, it can also be applied to a lead frame material in which a plating layer is formed on the upper surface of the terminal portion after etching using a general resist film, and the lead frame material after the plating layer is formed is exposed. By forming the copper oxide layer in the part, the formation of a fragile copper oxide film is prevented, and there is no need to perform a rust prevention treatment after the lead frame material is formed. In addition, since the plating layer may be partially formed, the amount of metal used can be reduced, and the manufacturing cost can be reduced.
更に、本発明は一般的なSON(Small Outline Nom-leaded Package)やQFP(Quad Flat Non-leaded Package)にも適用することができる。
図6及び図7はSONを積層型半導体装置に形成した第3の実施の形態の説明図である。
図6は、積層型半導体装置の断面図であり、図7は、図6の一部分Aを裏面から見たものである。まず、端子部及び素子搭載部の上下面に金めっき層を形成した後、端子部及び素子搭載部の側面に酸化銅層を形成することによって、封止樹脂との密着性を確保することができる。
また、本実施の形態では、端子部及び素子搭載部の上下面のみにめっき層を形成すればよく、全面にめっき層を形成する場合に比べ、めっき金属の使用量を減らすことができ、製造コストを減少させることができる。
Furthermore, the present invention can also be applied to general SON (Small Outline Nom-leaded Package) and QFP (Quad Flat Non-leaded Package).
6 and 7 are explanatory views of a third embodiment in which SON is formed in a stacked semiconductor device.
6 is a cross-sectional view of the stacked semiconductor device, and FIG. 7 is a view of a part A of FIG. First, after forming a gold plating layer on the upper and lower surfaces of the terminal part and the element mounting part, it is possible to ensure adhesion with the sealing resin by forming a copper oxide layer on the side surface of the terminal part and the element mounting part. it can.
In the present embodiment, the plating layer only needs to be formed on the upper and lower surfaces of the terminal portion and the element mounting portion, and compared to the case where the plating layer is formed on the entire surface, the amount of plating metal used can be reduced, Cost can be reduced.
10 半導体装置
11 素子搭載部
12 半導体素子
13 ボンディングワイヤ
14 裏内側端子
15 裏外側端子
16 導体板
17 表外側端子
18 封止樹脂
19,19a,19b めっき層
20 導電性接着剤層
21 半導体装置
22 接続端子
23 半導体素子
24 素子搭載部
25 ボンディングワイヤ
26 封止樹脂
27 レジスト膜
28 リードフレーム材
29 カバーテープ
30 連結部材
31 積層リードフレーム
32 サポートリード
34 サポートリード
DESCRIPTION OF
Claims (16)
前記リードフレーム材と前記積層用リードフレーム材のうち、少なくとも前記リードフレーム材を銅又は銅合金からなる材料とするとともに、前記リードフレーム材の表面を酸化銅層で被覆したことを特徴とする積層リードフレーム。 In a laminated lead frame in which a lead frame material and a laminated lead frame material are respectively processed into a predetermined shape, and the laminated lead frame material is joined on the shaped lead frame material,
Of the lead frame material and the lamination lead frame material, at least the lead frame material is made of a material made of copper or a copper alloy, and the surface of the lead frame material is covered with a copper oxide layer. Lead frame.
銅又は銅合金からなる前記リードフレーム材とこれに積層される少なくとも1以上の前記積層用リードフレーム材との表面を酸化銅層で被覆したことを特徴とする積層リードフレーム。 In a laminated lead frame in which a lead frame material and a laminated lead frame material are respectively processed into a predetermined shape, and the laminated lead frame material is joined on the shaped lead frame material,
A laminated lead frame, wherein surfaces of the lead frame material made of copper or copper alloy and at least one of the laminated lead frame materials laminated thereon are covered with a copper oxide layer.
前記リードフレーム材と前記積層用リードフレーム材のうち、少なくとも前記リードフレーム材を銅又は銅合金からなる材料とするとともに、前記リードフレーム材の表面を酸化銅層で被覆することを特徴とする積層リードフレームの製造方法。 In the manufacturing method of the laminated lead frame, in which the lead frame material and the laminated lead frame material are respectively processed into a predetermined shape, and the laminated lead frame material is joined on the shaped lead frame material.
Of the lead frame material and the lamination lead frame material, at least the lead frame material is made of copper or a copper alloy, and the surface of the lead frame material is covered with a copper oxide layer. Lead frame manufacturing method.
銅又は銅合金からなる前記リードフレーム材とこれに積層される少なくとも1以上の前記積層用リードフレーム材との表面を酸化銅層で被覆することを特徴とする積層リードフレームの製造方法。 In the manufacturing method of the laminated lead frame, in which the lead frame material and the laminated lead frame material are respectively processed into a predetermined shape, and the laminated lead frame material is joined on the shaped lead frame material.
A method for producing a laminated lead frame, wherein the surfaces of the lead frame material made of copper or a copper alloy and at least one of the laminated lead frame materials laminated thereon are covered with a copper oxide layer.
前記リードフレーム材と前記積層用リードフレーム材のうち、少なくとも前記リードフレーム材を銅又は銅合金からなる材料とするとともに、前記リードフレーム材の表面を酸化銅層で被覆した積層リードフレームと、
前記積層リードフレームの素子搭載部に固着された半導体素子と、
前記半導体素子を封止する封止樹脂と
を有することを特徴とする半導体装置。 In a semiconductor device having a laminated lead frame in which a lead frame material and a laminated lead frame material are processed in a predetermined shape, and the laminated lead frame material is bonded onto the shaped lead frame material.
Among the lead frame material and the laminated lead frame material, at least the lead frame material is a material made of copper or a copper alloy, and a laminated lead frame in which the surface of the lead frame material is covered with a copper oxide layer,
A semiconductor element fixed to the element mounting portion of the laminated lead frame;
A semiconductor device comprising: a sealing resin for sealing the semiconductor element.
銅又は銅合金からなる前記リードフレーム材とこれに積層される少なくとも1以上の前記積層用リードフレーム材との表面を酸化銅層で被覆した積層リードフレームと、
前記積層リードフレームの素子搭載部に固着された半導体素子と、
前記半導体素子を封止する封止樹脂と
を有することを特徴とする半導体装置。 In a semiconductor device having a laminated lead frame in which a lead frame material and a laminated lead frame material are processed in a predetermined shape, and the laminated lead frame material is bonded onto the shaped lead frame material.
A laminated lead frame in which the surfaces of the lead frame material made of copper or copper alloy and at least one of the laminated lead frame materials laminated thereon are coated with a copper oxide layer;
A semiconductor element fixed to the element mounting portion of the laminated lead frame;
A semiconductor device comprising: a sealing resin for sealing the semiconductor element.
前記積層リードフレームの素子搭載部に固着された半導体素子と、
前記半導体素子を封止する封止樹脂と
を有することを特徴とする請求項9又は請求項10に記載の半導体装置。 A laminated lead frame having a copper oxide layer thickness of 0.1 μm or more;
A semiconductor element fixed to the element mounting portion of the laminated lead frame;
The semiconductor device according to claim 9, further comprising a sealing resin that seals the semiconductor element.
前記積層リードフレームの素子搭載部に固着された半導体素子と、
前記半導体素子を封止する封止樹脂と
を有することを特徴とする請求項9〜11のいずれかの項に記載の半導体装置。 A laminated lead frame in which the copper oxide layer comprises cuprous oxide (Cu 2 O) and copper monoxide (CuO);
A semiconductor element fixed to the element mounting portion of the laminated lead frame;
It has sealing resin which seals the said semiconductor element, The semiconductor device in any one of Claims 9-11 characterized by the above-mentioned.
前記リードフレーム材の表面を被覆したレジスト膜にパターンを形成するリードフレームパターン形成工程と、
前記リードフレーム材の表裏面に所定のめっき層の形成を行うめっき工程と、
前記リードフレーム材の表面側に形成された前記めっき層をめっきレジストとしてエッチングを行う1次エッチング工程と、
前記リードフレーム材を強制酸化剤に浸漬して前記リードフレーム材の表面に酸化銅層を形成する酸化銅層形成工程と、
前記リードフレーム材と少なくとも1以上の前記積層用リードフレーム材とを接合する接合工程と、
前記リードフレーム材に半導体素子を搭載するとともに、該半導体素子と端子部とをボンディングワイヤで接続し、前記半導体素子及び前記端子部とを樹脂封止する樹脂封止工程と、
前記リードフレーム材の裏面側に形成された前記めっき層をめっきレジストとしてエッチングを行い、前記端子部を独立させる2次エッチング工程と
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor device formed by joining the lead frame material and the lead frame material for lamination, each having a predetermined shape processing,
A lead frame pattern forming step of forming a pattern on a resist film covering the surface of the lead frame material;
A plating step of forming a predetermined plating layer on the front and back surfaces of the lead frame material;
A primary etching step of performing etching using the plating layer formed on the surface side of the lead frame material as a plating resist;
A copper oxide layer forming step of immersing the lead frame material in a forced oxidizing agent to form a copper oxide layer on the surface of the lead frame material;
A bonding step of bonding the lead frame material and at least one or more of the lamination lead frame materials;
A resin sealing step of mounting a semiconductor element on the lead frame material, connecting the semiconductor element and a terminal portion with a bonding wire, and sealing the semiconductor element and the terminal portion with a resin;
Etching with the plating layer formed on the back side of the lead frame material as a plating resist, and a secondary etching step for making the terminal portions independent.
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