JP2010263094A

JP2010263094A - リードフレーム

Info

Publication number: JP2010263094A
Application number: JP2009113142A
Authority: JP
Inventors: Susumu Okikawa; 進沖川
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2009-05-08
Filing date: 2009-05-08
Publication date: 2010-11-18

Abstract

【課題】狭ピッチ化の要望に応えつつ、ワイヤボンディング作業などにも耐えることのできるリードフレームを提供する。
【解決手段】パッケージに収納された半導体素子と、外部配線とを電気的に接続する複数のリードを含むリードフレームであって、厚さ方向に凸となってパッケージ外へ露出し、バンプとなる肉厚部が形成されるとともに、当該バンプ外の部分では肉厚部よりも薄い薄肉部を形成する第１金属層と、前記リードの各々が、ワイヤボンディングにより半導体素子上の端子に電気的に接続される第２金属層と、第１金属層と第２金属層との間に介在し、エッチングバリア性を有する中間層と、を有するリードフレームである。
【選択図】図２

Description

本発明は、ＬＦ−ＢＧＡ（Low profile Fine pitch Ball Grid Array）パッケージに用いるリードフレームに関する。

携帯電話機や携帯型のゲーム機器などが普及するに伴って、小型・薄型で多機能な半導体パッケージへの要求がますます強くなっている。

これらの要求のうち、小型・薄型・多ピン化への要求に応えるべく、ＱＦＮ（Quad Flat Non-leaded Package）の半導体が広く用いられている。しかしながら、ＱＦＮではパッケージ外部に露出する端子（ピン）の数に限界があって、多機能化が困難となっている。

一方、ＬＦ−ＢＧＡ（Ball Grid Array）パッケージ半導体であれば、パッケージ外部に露出する端子を縦横に配列してピン数を増大できる。しかしながら、小型・薄型の要望に応えつつ、ピン数を増大させるには、ＬＦ−ＢＧＡパッケージ内部のリード間の狭ピッチ化が必須となっている。

従来、かかる要望に応えるため、リードフレームを２段エッチング加工して、リードフレーム素材の厚さよりもリードの先端部の厚さを薄肉に加工し、リードの狭ピッチ化を目指す技術が、特許文献１に開示されている。

特開平９−８２０６号公報

しかしながら、上記従来のＬＦ−ＢＧＡ用リードでは、リード先端部の厚さを薄くしすぎると、半導体チップからのワイヤボンディング作業に耐えることができず、従ってリード先端部の厚さには下限があった。この下限のために、現実的には狭ピッチ化が困難となっていた。

本発明は上記実情に鑑みて為されたもので、狭ピッチ化の要望に応えつつ、ワイヤボンディング作業などにも耐えることのできるリードフレームを提供することを、その目的の一つとする。

上記従来例の問題点を解決するための本発明は、パッケージに収納された半導体素子と、外部配線とを電気的に接続する複数のリードを含むリードフレームであって、厚さ方向に凸となってパッケージ外へ露出し、バンプとなる肉厚部が形成されるとともに、当該バンプ外の部分では前記肉厚部よりも薄い薄肉部を形成する第１金属層と、前記リードの各々が、ワイヤボンディングにより半導体素子上の端子に電気的に接続される第２金属層と、前記第１金属層と第２金属層との間に介在し、エッチングバリア性を有する中間層と、を有することとしたものである。

ここで、リードごとに、前記半導体素子の外周からそれぞれ互いに異なる所定間隔をおいた複数の仮想配列線のいずれかと当該リードとの交差する位置に、前記バンプとなる肉厚部が形成され、互いに隣接するリードにおいては、異なる仮想配列線上にバンプとなる肉厚部が形成されてもよい。

また、前記リードのバンプとなる肉厚部では、肉厚部に隣接するリード幅よりも径が大きい柱状をなしていてもよい。

さらに、前記バンプの断面が、該バンプを円柱状としたときよりも、該バンプを形成したリードの両側に隣り合うリード間の間隙形状に沿って、隣接するリードと電気的に接続されない範囲で拡大した異形状であることとしてもよい。

さらに、前記リードのバンプよりも半導体素子側であって、半導体素子側のリード端部から予め定められた位置までの第１金属層が除去されていてもよい。

本発明によると、バンプ以外の部分で第１金属層が薄肉部を形成していることで、強度が高められ、狭ピッチ化の要望に応えつつ、ワイヤボンディング作業などにも耐えることができる

本発明の実施の形態に係るリードフレーム用素材の一例に係る断面図である。本発明の実施の形態に係るリードフレームの例を表す概要図である。本発明の実施の形態に係るリードフレームを作成する際のエッチング時のマスクパターン例を表す説明図である。本発明の実施の形態に係るリードフレームを作成する際のエッチングプロセスの例を表す説明図である。本発明の実施の形態に係るリードフレームのリードの断面例を表す説明図である。本発明の実施の形態に係るリードフレームのリードの形状例を表す説明図である。本発明の実施の形態に係るリードフレームのバンプの別の形状例を表す説明図である。

本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。本発明の実施の形態に係るリードフレームは、次のようにして製造される。

本実施の形態に係るリードフレーム用の素材（金属積層帯）１０がまず製造される。この素材は、図１に例示するように、第１の金属層（第１層）１１と、第２の金属層（第２層）１２と、これら第１、第２の金属層の間に介在し、エッチングバリア性を有する第３の金属層（第３層）１３とを備えたものである。

ここで第１、第２の金属層１１，１２は、いずれも圧延成形されており、その帯状の素材は例えば、銅（Ｃｕ）系素材（例えばCu-Fe-P、Fe(2.35mass%)-P(0.07mass%)-Zn(0.12mass%)-Cu(Bal.)などの合金）や、鉄（Ｆｅ）系素材（例えばFe-42mass%Ni、Fe-50mass%Niなどの合金）等である。また第３の金属層１３は、第１、第２の金属層１１，１２とはエッチング特性が異なるものであり、例えば、第１、第２の金属層１１，１２がＣｕ系であれば、第３の金属層１３ではＮｉ、Ｔｉ、Ａｇ、Ｓｎ等やその合金を用い、第１、第２の金属層１１，１２がＦｅ−Ｎｉ系であれば、第３の金属層１３ではＴｉ等やその合金を用いることができる。

また第１の金属層１１の厚さと、第２の金属層１２の厚さとの比は、パッケージの設計に応じて調整する。典型的には、略１．５：１〜略３：１に形成することができ、また典型的な第１の金属層１１は、７０から１５０μｍ厚、第２の金属層１２が厚さは２０から７５μｍ厚である。なお、このような金属積層帯１０の製造方法については、既に知られているところであるので、ここでの詳細な説明を省略する。

次に、この金属積層帯１０を、エッチングに必要なサイズに切り出しておき、両面にフォトレジスト（例えば重クロム酸カリウムを感光剤としたポリビニルアルコールなど）を塗布し、リードフレームのパターンを露光して、両面のレジストの不要部分を除去する。

以下、エッチングプロセスにより、図２に例示するように、ダイパッド３１、リード３２、及びフレーム３３を含むリードフレームを形成する。図２では略矩形のリードフレームの右上１／４の部分が図示される。この図２の例では、略矩形のリードフレームの中央部にダイパッド３１が形成され、ダイパッド３１から放射状に複数のリード３２が設けられる。なお、この図２では説明のためにピン数が比較的少ない例を示しているが、実際にはピン数は図示したものより多く、各リード３２の幅及び間隔は狭められる。

このリードフレームのリード３２では、当該リード３２の第１の金属層１１上にバンプ２２となる肉厚部が形成される。図２ではこの肉厚部は、肉厚部周辺のリード３２の幅よりも径の大きい柱状に形成している。なお、この柱の断面は角のない形状（円柱など）としておく。またこのリード３２では、バンプ２２となる位置以外の部分では、第１の金属層１１を部分的に除去して薄肉層が形成される。

またバンプ２２の形成位置について次に述べる。本実施の形態では、図２にその例を示すように、リード３２ごとに、ダイパッド３１上に配される半導体素子の外周辺に平行に所定間隔をおいて配列された複数の仮想配列線２３のいずれかと当該リード３２とが交差する位置にバンプ２２が形成される。またここで、互いに隣接するリード３２においては、異なる仮想配列線２３上にバンプ２２となる肉厚部が形成される。図２では、時計回りにＮ番目のリード３２では（Ｎ mod Ｒ）番目の仮想配列線２３との交差位置にバンプ２２が形成される例を示している（ただし、Ａ mod Ｂは、ＡをＢで除した余りを意味する）。ここでＲは列（仮想配列線２３）の数であり、図２ではＲ＝３となっている。また図２では、ダイパッド３１から近い方から順に１番目、２番目…の仮想配列線２３としている。

次に、このリードフレームを形成するエッチングプロセスについて、図３，図４を参照しつつ説明する。金属積層帯１０の第２金属層１２側には、リードフレームの形成予定部分のうち、ダイパッド３１と、リード３２と、フレーム３３となるべき部分にそれぞれフォトレジストＭを塗布する（図３（ａ））。なお、図３ではフォトレジストの塗布範囲をハッチングと太線とで表している。また、金属積層帯１０の第１の金属層１１側にもリードフレームの形成予定部分のうち、ダイパッド３１と、リード３２と、フレーム３３となるべき部分にフォトレジストＭを塗布する（図３（ｂ））が、このときリード３２となるべき部分のうち、バンプ２２を形成する予定の部分には、形成されるリード３２の幅よりも大きい径の円盤状（肉厚部を円柱状とする場合）にフォトレジストＭを塗布する。またこのバンプ２２を形成する予定の部分以外の部分では、第２の金属層１２側の対応する部分のフォトレジストＭの塗布幅よりも狭い塗布幅（リード３２の幅より狭い幅）だけフォトレジストＭを塗布しておく（図４（ａ））。なお、図４（ａ）から（ｄ）は、図３（ａ），（ｂ）における破断面Ｘ（バンプ２２の形成が予定されていない部分）における断面図であり、図４（ｅ），（ｆ）は、図３（ａ），（ｂ）における破断面Ｙ（バンプ２２の形成予定部分）における断面図であり、エッチングのプロセスを示すものである。

ここで第１、第２の金属層１１，１２をエッチングする第１エッチング液（例えば、液温５０℃、比重４６ボーメの塩化第二鉄溶液）を用い、例えばスプレー圧２から３ｋｇ／ｃｍ²にて、第１の金属層１１側からエッチングする（ステップＩ）。これにより第１の金属層１１の一部がエッチングにより除去されて、ダイパッド３１と、リード３２（後に述べるようにバンプ２２となる肉厚部を含む）と、フレーム３３となるべき部分がそれぞれ形成される。

第３の金属層１３は、上述のエッチングに耐える素材を用いておく。従ってこの時点では、第３の金属層１３は全体的に残存している。また第１の金属層１１は、フォトレジストが塗布された側でサイドエッチの影響が強く出て、第２の金属層１２側からフォトレジストが塗布された面に向かうほど細る逆台形状に、その断面が形成される（図４（ｂ））。また、さらにエッチングが進行すると、なだらかな山状の凸部（薄肉部）が形成される（図４（ｂ′））。

また破断面Ｙにおいては、フォトレジストＭがリードの幅よりも幅広に塗布されているために、サイドエッチによってやや台形状に形成されるものの、第１の金属層１１のもとの厚さの円柱状部分が残存し、バンプ２２となるべき部分が形成される（図４（ｅ））。

次に、第１の金属層１１側のエッチングした部分に樹脂を埋め込む（ステップＩＩ）。これは、２から３ｋｇ／ｃｍ²のスプレー圧により、第３の金属層１３が破壊されることを防止するためである。なお、樹脂は、フォトレジストも併せてカバーしてもよい。

そして第２の金属層１２側から、上述の第１エッチング液を用いて、スプレー圧２から３ｋｇ／ｃｍ²にてエッチングを行う（ステップＩＩＩ）。図３（ａ），（ｂ）における破断面Ｘの断面では、リードとなるべき部分にフォトレジストが塗布されているので、リードとなるべき部分を除いて、第２の金属層１２が除去される（図４（ｃ））。なお、第２の金属層１２においても、フォトレジストが塗布された側でサイドエッチの影響が強く出て、第１の金属層１１側からフォトレジストが塗布された面に向かうほど細る逆台形状に、その断面が形成される。このことは、破断面Ｙにおいても同じである（図４（ｆ））。

次に、残存しているフォトレジストと、埋め込まれた樹脂を除去し（ステップＩＶ）、第３金属層１３をエッチングする（ステップＶ）。このエッチングでは、第３金属層１３を選択的にエッチングする第２エッチング液が用いられる。この第２エッチング液は、例えば第３金属層がＴｉである場合、
（１）２０％水酸化ナトリウム水溶液４００ｍｌ／ｌ
（２）３５％過酸化水素水４００ｍｌ／ｌ
（３）０．１ｍｏｌＥＤＴＡ（エチレンジアミン四酢酸：ethylenediaminetetraacetic acid）２００ｍｌ／ｌ
を用いる。この第２エッチング液を用いて、室温の下、５分間エッチング処理する（図４（ｃ′））。

これにより破断面Ｘにおいては、リード間で第１、第２の金属層１１，１２がともに除去され、第３金属層１３が露出している部分がエッチングされて、第１の金属層１１と、第２の金属層１２とで、第３の金属層１３を挟んだリード部分（バンプ２２以外の薄肉部分）が形成される（図４（ｃ′））。このバンプ２２以外のリード部分では、第１の金属層１１は、エッチングの効果によって薄肉化している。また、破断面Ｙにおいては、第１の金属層１１側に略円柱状のバンプ２２が形成される（図４（ｆ））

以上のようにして、図２に示したような本実施の形態のリードフレームが得られる。なお、この工程で形成されたリードフレームのリード３２の一つを、その伸長方向に沿った断面（リード３２は蛇行するが、その蛇行した線に沿った断面）で破断してみると、図５（ａ）に示すように、第１の金属層１１にはバンプ２２が形成され、またバンプ２２以外の部分では薄肉層が形成されている。また、図５（ａ）の断面において第２の金属層１２は、サイドエッチの効果より略台形状をなし、その上部の面は、フォトレジストによってマスクされていたためにエッチングの影響を受けず、圧延面（すなわち平坦な面）となっている。図２に示した例によるリードフレームでは、バンプ２２が、チップの外周よりも外側に形成されており（ファンアウト）、チップからリード３２の第２の金属層１２のこの平坦な面へワイヤボンディングが施される。

本実施の形態のリードフレームは、ＬＦ−ＢＧＡに用いられるものであるが、ＬＦ−ＢＧＡにおいてはリード３２（アウターリード側）はその一端がフレームに固定され、他端側（チップ側であって、ワイヤボンディングを受ける位置が近い側の端）は自由端となっている、いわゆるキャンチレバーとなっている。本実施の形態では、この図５（ａ）に示すように、第１の金属層１１のバンプ２２以外の部分において薄肉層が残存しているために、リード３２が補強される。これによりワイヤボンディング等の際に、リード３２が変形することを抑制している。これにより、リード上のワイヤボンディングを受ける位置は、バンプ２２の形成位置とは異なり、最も短いリードの略先端部（チップ外周から距離ｄの位置）としてもよい。なお、ここまでの説明では、第１の金属層１１の薄肉部は、バンプ２２からボンディング予定位置までの範囲、ボンディング予定位置からリードの外周側端部（アウターリード側の端部）までの範囲の双方、すなわち、リードの略全長に亘って形成されているが、これに限らず、第１の金属層１１の薄肉部は、バンプ２２からボンディング予定位置までの範囲、ボンディング予定位置からリードの外周側端部までの範囲、バンプ２２からリードの外周側端部の範囲、またはチップ外周側の端部から所定の距離（Ｄ）の位置からリードの外周側端部の範囲のいずれかに形成してもよい（この場合のリード３２に沿った断面は図５（ｂ）のようになる）。このときには、第１の金属層１１側において、リード３２となるべき部分のうち、薄肉部を形成しない部分のフォトレジストＭを除去してエッチングを行うこととすればよい。例えば、ダイパッド３１側の端部から所定の長さ（例えば最初に仮想配列線２３と交差する位置までの長さ）だけフォトレジストＭを除去してエッチングを行うなどとすればよい。これによりバンプ２２またはパッケージに支持される側の端部などから所定の長さに亘って第１の金属層１１の薄肉部が形成されることとなって、剛性が高められ、またチップ側の端部ではリード３２の第１の金属層１１と第３の金属層１３とが除去されるため、その厚さを薄くできる。

本実施の形態のリードフレームでは、ダイパッド３１上に半導体素子が搭載され、各リード３２の第２の金属層１２の平坦面に対して半導体素子からワイヤボンディングが行われる。そして所定のパッケージにこれらが封止され、仕上げ工程が行われる。このときバンプ２２はパッケージ外部に露出して、この露出した部分に球状の半田ボールが配されてＬＦ−ＢＧＡのパッケージが得られる。すなわち半導体素子からはワイヤと、本実施の形態のリードフレームの第２の金属層１２と、第３の金属層１３とを介して、第１の金属層１１に形成されたバンプ２２まで電気的な導通が図られている。

本実施の形態のリードフレームではリード３２の辺が、図６に例示するように、略矩形のダイパッド３１のいずれかの辺に平行してのびる直行部Ｓと、直行部Ｓに斜交する斜行部Ｌとを含んで形成される。そしてここでまでの例では、バンプ２２が、当該バンプ２２が形成されるリード３２に隣接するリード３２の辺の直行部Ｓに挟まれた部分（図６の矩形領域Ｘ内）に位置するようにしていた。しかしながら本実施の形態は、このようなバンプ２２の形状に限られるものではない。すなわち本実施の形態では、図７に例示するように、バンプ２２が、直行部Ｓに挟まれた基部Ｂと、この基部Ｂと一体に形成され、斜行部Ｌに挟まれる部分に位置する伸長部Ｐとを含んでもよい。

具体的に図７では、仮想配列線を３列として、バンプ２２が３列に配列される（いわゆる３ローの）場合を例として、各列のバンプ２２の形状例を示している。図７のうち（ａ）は、ダイパッド３１から最も遠い列のバンプ２２の形状を示したものであり、図面上方では、両側のリード３２の斜行部ＬがΛ字状の間隙を形成するので、この斜行部Ｌに挟まれた部分まで基部Ｂが伸長されて略楕円状の伸長部Ｐが設けられる。また、図面下方では両側のリード３２の斜行部Ｌが略平行になるので、斜行部Ｌに沿って基部Ｂが伸長され、斜行方向に偏った曲線で囲まれる伸長部Ｐが形成される。なお、伸長部Ｐの先端部分は尖端となっていてもよい。

また、図７のうち（ｂ）は、２列目のバンプ２２の形状を示したものであり、図面上方と下方との双方で両側のリード３２の斜行部Ｌが略平行になるので、斜行部Ｌに沿って基部Ｂが伸長され、斜行方向に偏った曲線で囲まれる伸長部Ｐが形成される。なお、この場合も伸長部Ｐの先端部分は尖端となっていてもよい。

さらに図７のうち（ｃ）は、ダイパッド３１に最も近い側の列のバンプ２２の形状を示したものであり、この列においても図面上方と下方との双方で両側のリード３２の斜行部Ｌが略平行になるので、斜行部Ｌに沿って基部Ｂが伸長され、斜行方向に偏った曲線で囲まれる伸長部Ｐが形成されるのであるが、２列目のバンプ２２では、図面上方での隣接するリード３２の斜行部Ｌと、図面下方での隣接するリード３２の斜行部Ｌとが略平行であるのに対して、ダイパッド３１に最も近い列のバンプ２２では、図面上方での隣接するリード３２の斜行部Ｌと、図面下方での隣接するリード３２の斜行部Ｌとが略左右対称の形状となっているので、２列目のバンプ２２が全体として角丸の平行四辺形形状をなすのに対し、ダイパッド３１に最も近い列のバンプ２２は全体として略半月状の形状をなす。なお、このダイパッド３１に最も近い列のバンプ２２においても、伸長部Ｐの先端部分は尖端となっていてもよい。

このように、バンプ２２の形状を、その両側に位置するリード３２の辺に沿って（すなわち両隣のリード３２の間隙の形状に沿って）、かつ、両隣のリード３２と電気的に接続されない範囲で拡大し、リード３２間の空隙の面積を加工限界まで小さくすると同時に、バンプ２２の面積を大きくすることができ、パッケージ外部の端子が形成しやすくなる。結果として基板にバンプ２２がはんだ接続された際、接続信頼性が大幅に向上できる。

１０金属積層帯、１１第１の金属層、１２第２の金属層、１３第３の金属層、２２バンプ、２３仮想配列線、３１ダイパッド、３２リード、３３フレーム。

Claims

パッケージに収納された半導体素子と、外部配線とを電気的に接続する複数のリードを含むリードフレームであって、
厚さ方向に凸となってパッケージ外へ露出し、バンプとなる肉厚部が形成されるとともに、当該バンプ外の部分では前記肉厚部よりも薄い薄肉部を形成する第１金属層と、
前記リードの各々が、ワイヤボンディングにより半導体素子上の端子に電気的に接続される第２金属層と、
前記第１金属層と第２金属層との間に介在し、エッチングバリア性を有する中間層と、
を有することを特徴とするリードフレーム。
リードごとに、前記半導体素子の外周からそれぞれ互いに異なる所定間隔をおいた複数の仮想配列線のいずれかと当該リードとの交差する位置に、前記バンプとなる肉厚部が形成され、
互いに隣接するリードにおいては、異なる仮想配列線上にバンプとなる肉厚部が形成されることを特徴とする請求項１記載のリードフレーム。
前記リードのバンプとなる肉厚部では、肉厚部に隣接する薄肉部におけるリード幅よりも径が大きい柱状をなしていることを特徴とする請求項１または２記載のリードフレーム。
前記バンプの断面が、該バンプを円柱状としたときよりも、該バンプを形成したリードの両側に隣り合うリード間の間隙の形状に沿って、隣接するリードと電気的に接続されない範囲で拡大した異形状であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のリードフレーム。
前記リードのバンプよりも半導体素子側であって、半導体素子側のリード端部から予め定められた位置までの第１金属層が除去されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のリードフレーム。