JP2011129875A - 半導体装置及びそのリードフレーム - Google Patents

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Seiji Fujiwara
誠司 藤原
Takuhiko Son
卓彦 孫
Koji Watanabe
厚司 渡邉
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Abstract

【課題】絶縁耐圧に必要な空間距離を満足し、大電流を流すことが可能で且つ小型の半導体装置を実現できるようにする。
【解決手段】半導体装置は、半導体素子102とリードフレーム101とを備えている。リードフレーム101は、互いに並行に配置された第1のリード121、第2のリード122、第3のリード123、第4のリード124及び第5のリード125とを有する。第1のリードと第2のリードとは互いに隣接して配置され、第1のリード群127を構成し、第3のリードと前記第4のリードとは互いに隣接して配置され、第2のリード群128を構成している。第1のリード群と第5のリードとの間隔、第2のリード群と第5のリードとの間隔及び第1のリード群と第2のリード群との間隔は、いずれも第1のリードと第2のリードとの間隔及び第3のリードと第4のリードとの間隔よりも大きい。
【選択図】図1

Description

本発明は、半導体装置及びリードフレームに関し、特に双方向スイッチングが可能な半導体装置及びそのリードフレームに関する。
窒化物半導体等からなる電力用の半導体素子をパッケージに実装する場合には、図11に示すような構成とすることが知られている(例えば、特許文献1)。図11に示すように、半導体装置300はリードフレームを備えている。リードフレームは、ヘッダー303と一体であるダイパッド304を有している。また、半導体装置300の同じ縁から、保護ケース305の周辺を越えて延びるリード端子310、リード端子311、リード端子312、リード端子313及びリード端子314を有している。リード端子312はダイパッド304と一体となっている。保護ケース305は、リードフレームの上面及び底面の部分を覆っている。
半導体装置300は、ダイパッド304に搭載された半導体素子301を備えている。半導体素子301は、第1の電力端子325、第2の電力端子326、第1の制御端子322及び第2の制御端子324を有する窒化物半導体からなる双方向スイッチングデバイスであり、細長い平面形状を有している。第1の電力端子325は、リード端子310と一体となったボンディングパッド310aと複数のワイヤ220により接続されている。第2の電力端子326は、リード端子314と一体となったボンディングパッド314aと複数のワイヤ222により接続されている。第1の制御端子322はワイヤ224によりリード端子311と一体となったボンディングパッド311aと接続されている。第2の制御端子324はワイヤ226によりリード端子313と一体となったボンディングパッド313aと接続されている。
ボンディングパッド310a及びボンディングパッド314aは、半導体素子301の第1の電力端子325及び第2の電力端子326と平行に延びる。このため、複数のワイヤ220は互いにほぼ平行で且つほぼ同じ長さとすることができる。複数のワイヤ222についても同様である。
複数のワイヤ220及びワイヤ222は、それぞれ長さがほぼ同じであるため、それぞれのワイヤの抵抗がほぼ同じとなり、均等に電流を流すことが可能となる。また、ボンディングパッド310a及びボンディングパッド314aを、第1の電力端子325及び第2の電力端子326に沿って細長く配置することにより、ワイヤ220及びワイヤ222の長さを短くすることができる。これにより、パッケージ組立要素の電気抵抗及びインダクタンスを低減できる。また、コストも削減できる。
特表2008−541435号公報
しかしながら、前記従来の半導体装置は、複数のワイヤを用いる必要がある。特に、大電流を必要とする場合には、溶断電流に耐えることができるようにワイヤの本数を多くする必要がある。このため、ワイヤを接続するボンディングパッドを大きくする必要があり、半導体装置を小さくすることが困難である。
半導体装置の絶縁耐圧は各リード端子の位置関係によって決まる。従来の半導体装置においては、リード端子同士の間隔に制限があるため、絶縁耐圧を向上させることが困難である。
本発明は、前記の問題を解決し、絶縁耐圧に必要な空間距離を満足し、大電流を流すことが可能で且つ小型の半導体装置を実現できるようにすることを目的とする。
前記の目的を達成するため、本発明は半導体装置を、リード端子の位置関係が絶縁耐圧に必要な構成を満たすようにする。
具体的に、本発明に係る半導体装置は、端子形成面に形成された第1の端子、第2の端子、第3の端子及び第4の端子並びに端子形成面と反対側の面に形成された裏面端子を有する半導体素子と、半導体素子を素子搭載面に搭載したダイパッド並びに互いに並行に配置された第1のリード、第2のリード、第3のリード、第4のリード及び第5のリードを有するリードフレームとを備え、第1のリードは第1の端子と接続され、第2のリードは第2の端子と接続され、第3のリードは第3の端子と接続され、第4のリードは第4の端子と接続され、第5のリードはダイパッドを介して裏面端子と接続され、第1のリードと第2のリードとは互いに隣接して配置され、第1のリード群を構成し、第3のリードと第4のリードとは互いに隣接して配置され、第2のリード群を構成し、第1のリード群と第5のリードとの間隔、第2のリード群と第5のリードとの間隔及び第1のリード群と第2のリード群との間隔は、いずれも第1のリードと第2のリードとの間隔及び第3のリードと第4のリードとの間隔よりも大きい。
本発明の半導体装置は、第1のリード群と第5のリードとの間隔、第2のリード群と第5のリードとの間隔及び第1のリード群と第2のリード群との間隔は、いずれも第1のリードと第2のリードとの間隔及び第3のリードと第4のリードとの間隔よりも大きい。このため、第5のリードと第1のリード群及び第2のリード群との間の空間最短距離を大きくすることができる。従って、小型で且つ絶縁耐圧が高い半導体装置を実現することが可能となる。
本発明の半導体装置は、半導体素子を覆う絶縁封止部をさらに備え、リードフレームは、第1のリード、第2のリード、第3のリード及び第4のリードにおけるダイパッド側の端部にそれぞれ設けられた第1のリード端子、第2のリード端子、第3のリード端子及び第4のリード端子と、第5のリードとダイパッドとを接続するリード接続部とを有し、第1のリード端子、第2のリード端子、第3のリード端子及び第4のリード端子並びにリード接続部は、絶縁封止部に覆われ、第1のリード端子、第2のリード端子、第3のリード端子及び第4のリード端子のうちのリード接続部に最も近いリード端子とリード接続部との間隔b及び第1のリード端子、第2のリード端子、第3のリード端子及び第4のリード端子のうちのダイパッドと最も近いリード端子とダイパッドとの間隔gと、第1のリード、第2のリード、第3のリード及び第4のリードのうちの第5のリードと最も近いリードと第5のリードとの間隔Bとは以下の式(1)の関係を満たしていればよい。
b≧B/(S2/S1)且つg≧B/(S2/S1)・・・(1)
但し、S1は空気の絶縁耐圧であり、S2は絶縁封止部の絶縁耐圧である。
この場合において、間隔bは、第1のリード端子、第2のリード端子、第3のリード端子及び第4のリード端子の厚さの10分の7以上としてもよい。また、間隔gも、第1のリード端子、第2のリード端子、第3のリード端子及び第4のリード端子の厚さの10分の7以上としてもよい。
本発明の半導体装置において、第1のリード端子、第2のリード端子、第3のリード端子及び第4のリード端子とダイパッドとの素子搭載面に対して垂直な方向の間隔は、第1のリード端子、第2のリード端子、第3のリード端子及び第4のリード端子とダイパッドとの素子搭載面に対して水平な方向の間隔よりも大きい構成としてもよい。
本発明の半導体装置において、第2のリード群は、第1のリード群を挟んで第5のリードと反対側に配置され、第1のリード端子及び第2のリード端子と、第3のリード端子及び第4のリード端子との間隔のうち最も狭い間隔cと第1のリード群と第2のリード群との間隔Cとは、以下の式(2)の関係を満たしていればよい。
c≧C/(S2/S1)・・・(2)
但し、S1は空気の絶縁耐圧であり、S2は絶縁封止部の絶縁耐圧である。
本発明の半導体装置において、半導体素子は、互いに対向する第1の辺及び第2の辺を有する平面方形状であり、第1の端子及び第2の端子は、第1の辺に沿って形成され、第3の端子及び第4の端子は第2の辺に沿って形成されていてもよい。
また、半導体素子は、互いに対向する第1の辺及び第2の辺を有する平面方形状であり、第1の端子は第1の辺に沿って形成され、第3の端子は第2の辺に沿って形成され、第2の端子及び第4の端子は、第1の端子と第3の端子との間に互いに間隔をおいて形成され、第2の端子と第4の端子との間隔は、第2の端子と第2のリード端子とを接続するワイヤ及び第4の端子と前記第4のリード端子とを接続するワイヤの直径の2倍以上であり、第2の端子及び第4の端子は、第2の端子と前2のリード端子との距離及び第4の端子と第4のリード端子との距離がワイヤの直径の14倍以上となる位置に配置されていてもよい。
本発明の半導体装置において、第1のリード群及び第2のリード群は、第5のリードを挟んで互いに反対側に配置され、半導体素子は、第1の辺及び第2の辺が延びる方向が、第1のリードから第5のリードが延びる方向と並行となるようにダイパッドに搭載され、第1の辺は第1のリード群の側に配置され、第2の辺は第2のリード群の側に配置されていてもよい。
本発明の半導体装置において、第2のリードは、第1のリードよりも第5のリード側に配置され、第4のリードは、第3のリードよりも第5のリード側に配置されていてもよい。
本発明の半導体装置において、第1の端子と第1のリードとを接続するワイヤの長さと、第3の端子と第3のリードとを接続するワイヤの長さとは等しく、第2の端子と第2のリードとを接続するワイヤの長さと、第4の端子と第4のリードとを接続するワイヤの長さとは等しくてもよい。
本発明の半導体装置において、半導体素子は、双方向スイッチであり、第1の端子は、双方向スイッチの第1の電力端子であり、第2の端子は、双方向スイッチの第1の制御端子であり、第3の端子は、双方向スイッチの第2の電力端子であり、第4の端子は、双方向スイッチの第2の制御端子であってもよい。
本発明の半導体装置において、双方向スイッチは、第1の電界効果トランジスタ及び第2の電界効果トランジスタは、基板の上に形成された第1の半導体層及び第1の半導体層よりもバンドギャップが大きい第2の半導体層と、第2の半導体層の上に形成された第1のソース電極、第1のゲート電極及び第1のドレイン電極並びに第2のソース電極、第2のゲート電極及び第2のドレイン電極とを有し、第1のソース電極及び第2のソース電極は、裏面端子と接続され、第1のドレイン電極は、第1の電力端子と接続され、第1のゲート電極は、第1の制御端子と接続され、第2のドレイン電極は、第2の電力端子と接続され、第2のゲート電極は、第2の制御端子と接続されていてもよい。
本発明の半導体装置は、半導体素子と、第1のリード、第2のリード、第3のリード及び第4のリードの一部とを覆う絶縁封止部をさらに備え、ダイパッドの素子搭載面と反対側の面の少なくとも一部は、絶縁封止部に覆われていない構成としてもよい。
本発明の半導体装置において、ダイパッドは、放熱板として機能することが好ましい。
本発明の半導体装置において、半導体素子は、はんだ材を介してダイパッドに固定されていてもよい。
本発明の半導体装置は、半導体素子と、第1のリード、第2のリード、第3のリード及び第4のリードの一部とを覆う絶縁封止部をさらに備え、ダイパッドは、半導体素子を搭載した領域を囲む溝部を有していてもよい。
本発明の半導体装置は、半導体素子と、第1のリード、第2のリード、第3のリード及び第4のリードの一部とを覆う絶縁封止部をさらに備え、ダイパッドは、素子搭載面に形成された溝部を有し、溝部は、ダイパッドにおける絶縁封止部に覆われている領域に、絶縁封止部に覆われている領域と覆われていない領域との境界線と並行に形成されていてもよい。
本発明に係るリードフレームは、本発明に係る半導体装置を製造するためのリードフレームを対象とし、第1のリード、第2のリード、第3のリード、第4のリード及び第5のリードを接続するタイバーを有している。
本発明のリードフレームにおいて、タイバーは、第5のリードと接続された位置と、第2のリード及び第4のリードと接続された位置とがずれていてもよい。
本発明に係る半導体装置及びリードフレームによれば、絶縁耐圧に必要な空間距離を満足し、大電流を流すことが可能で且つ小型の半導体装置を実現できる。
一実施形態に係る半導体装置を示す平面図である。 半導体素子の構成を示す断面図である。 半導体素子の構成を示す平面図である。 リード端子部分を拡大して示す断面図である。 リード端子部分を拡大して示す断面図である。 リードの配置の変形例を示す平面図である。 半導体素子の構成の変形例を示す平面図である。 リード端子とワイヤとの接続例を示す平面図である。 一実施形態に係る半導体装置に用いるリードフレームを示す平面図である。 一実施形態に係る半導体装置に用いるリードフレームの変形例を示す平面図である。 従来の半導体装置を示す平面図である。
図1は一実施形態に係る半導体装置の平面構成を示している。図1に示すように、リードフレーム101に半導体素子102が搭載され、樹脂からなる絶縁封止部107により封止されている。なお、図1において絶縁封止部107は位置だけを示している。
半導体素子102は、例えば電力用のスイッチング素子等である。具体的な例をあげると、図2に示すように基板の上に一体に形成された窒化物半導体からなる2つの電界効果トランジスタ(FET)である。基板501の上に、チャネル層である第1の窒化物半導体層502と電子供給層である第2の窒化物半導体層503とが順次形成されている。第1の窒化物半導体層502は例えば窒化ガリウム(GaN)とすればよく、第2の窒化物半導体層503は例えば、GaNよりもバンドギャップが大きいアルミニウム窒化ガリウム(AlGaN)とすればよい。第2の窒化物半導体層503の上には、第1のドレイン電極511、第1のゲート電極512及び第1のソース電極513と、第2のドレイン電極521、第2のゲート電極522及び第2のソース電極523とが形成されている。第1のソース電極513と第2のソース電極523とは共通に形成されている。なお、第1のソース電極513及び第2のソース電極523が形成されていない構成であってもよい。
図3に示すように、半導体素子102の端子形成面には、第1のドレイン電極と接続された第1の端子151と第1のゲート電極と接続された第2の端子152と、第2のドレイン電極と接続された第3の端子153と、第2のゲート電極と接続された第4の端子154とが形成されている。半導体素子の端子形成面と反対側の面(裏面)には裏面端子505が設けられ、裏面端子505は、第1のソース電極及び第2のソース電極と接続されている。スイッチ制御部を設けて、第2の端子152及び第4の端子154に裏面端子505の電位を基準としてバイアス電圧を印加すれば、第1の端子151と第3の端子153との間に流れる電流を双方向にスイッチングすることができる。従って、第1の端子151及び第3の端子153は双方向スイッチの電力端子であり、第2の端子152及び第4の端子154は双方向スイッチの制御端子である。
第1の端子151と第2の端子152とは、半導体素子102の端子形成面の第1の辺に沿って一列に形成されている。第3の端子153と第4の端子154とは、第1の辺と相対する第2の辺に沿って一列に形成されている。つまり、第1の端子151及び第2の端子152と、第3の端子153及び第4の端子154とは、半導体素子の端子形成面の中心線を挟んで左右対称となるように、端子形成面の両端部に形成されている。第1の端子151及び第3の端子153のサイズは、接続するワイヤの太さ及び本数等により決定すればよい。本実施形態においては、約0.6mm×1.0mmとした。
リードフレーム101は、素子搭載面に半導体素子102を搭載したダイパッド111と、第1のリード121、第2のリード122、第3のリード123、第4のリード124及び第5のリード125を有している。ダイパッド111は、放熱板112と一体となった厚さが約1.4mmの銅又はタングステン等の放熱しやすい金属からなり、厚さが約2μmの半光沢ニッケルめっきが施されている。本実施形態においてはダイパッド111は、半導体素子102の搭載領域を囲むように形成された、深さが約0.1mmの溝部111aを有している。溝部111aを形成することにより絶縁封止部107とダイパッド111との接触面積が大きくなる。これにより、絶縁封止部107とダイパッド111との密着性が向上し、絶縁封止部107の剥離が生じにくくなるという効果が得られる。溝部111aは、半導体素子102の搭載領域を囲んでいる必要はなく、絶縁封止部107に覆われた領域において、絶縁封止部107に覆われた領域と覆われていない領域との境界線と並行に形成するようにしてもよい。また、溝部を並行に複数形成してもよい。但し、溝部111aはなくてもよい。ダイパッド111は、半導体素子102の裏面端子505と錫合金はんだ材等により接続されている。
第1のリード121〜第5のリード125は、それぞれ幅が約0.7mmで厚さが約0.6mmの銅合金からなり、鉛を用いていないはんだにより覆われている。第1のリード121のダイパッド111側の端部にはボンディングパッドである第1のリード端子131が形成されており、第1のリード端子131は第1の端子151と第1のワイヤ141により接続されている。第2のリード122のダイパッド111側の端部には第2のリード端子132が形成されており、第2のリード端子132は第2の端子152と第2のワイヤ142により接続されている。第3のリード123のダイパッド111側の端部には第3のリード端子133が形成されており、第3のリード端子133は第3の端子153と第3のワイヤ143により接続されている。第4のリード124のダイパッド111側の端部には第4のリード端子134が形成されており、第4のリード端子134は第4の端子154と第4のワイヤ144により接続されている。第5のリード125は、リード接続部137を介してダイパッド111と一体に形成され、ダイパッド111を介して半導体素子102の裏面端子505と接続されている。
半導体装置の絶縁耐圧は、リード同士の距離及びリード端子同士の距離によって決まる。従って、第1のリード121〜第5のリード125及び第1のリード端子131〜第4のリード端子134の位置関係及びサイズは重要である。図1では、第1のリード121及び第2のリード122からなる第1のリード群127は、第3のリード123及び第4のリード124からなる第2のリード群128と、第5のリード125を挟んで左右対称に配置されている。第1のリード群127と第5のリード125との間隔B1及び第2のリード群128と第5のリード125との間隔B2とは、第1のリード121と第2のリード122との間隔A1及び第3のリード123と第4のリード124との間隔A2よりも大きい。なお、図1においては、間隔B1と間隔B2とは等しく、間隔A1と間隔A2とは等しい。また、間隔B1は、第1のリード121及び第2のリード122のうちの第5のリード125に近い側のリードと第5のリード125との間隔であり、間隔B2は、第3のリード123及び第4のリード124のうちの第5のリード125に近い側のリードと第5のリード125との間隔である。
具体的には、第1のリード121と第2のリード122との間隔及び第3のリード123と第4のリード124との間隔を1.27mmピッチとし、第1のリード群127と第5のリード125との間隔及び第2のリード群128と第5のリードとの間隔を2.54mmピッチとすればよい。例えば、第2のリード122が第1のリード121よりも第5のリード125側に配置され、第4のリード124が第3のリード123よりも第5のリード125側に配置されている場合には、第5のリードと第2のリード122及び第4のリード124との間隔を2.54mmピッチとする。また、第5のリードと第1のリード121及び第3のリード123との間隔を3.81mmピッチとする。このようにすれば、第2のリード122及び第4のリード124と第5のリード125との空間最短距離を1.7mm程度とすることができ、第1のリード121及び第3のリード123と第5のリード125との空間最短距離を2.97mm程度とすることができる。
第1のリード端子131、第2のリード端子132、第3のリード端子133及び第4のリード端子134のそれぞれとダイパッド111との間隔gもできるだけ大きく確保することが好ましい。第1のリード端子131〜第4のリード端子134とダイパッド111との素子搭載面に対して平行な方向(水平方向)の間隔を大きくしようとすると、半導体装置が大きくなってしまう。このため、図4に示すように、リードとダイパッド111とを異なる平面に配置し、第1のリード端子131とダイパッド111との素子搭載面に対して垂直方向の間隔h1を、第1のリード端子131とダイパッド111との素子搭載面に対して水平方向の間隔d1よりも大きくする方が好ましい。この場合、第1のリード端子131とダイパッド111との間隔g1は、g1=√(h12+d12)となる。第2のリード端子132〜第4のリード端子134についても同様である。第1のリード端子131とダイパッド111との水平方向の間隔d1は、0よりも大きい方が好ましい。第2のリード端子132〜第4のリード端子134についても同様である。このようにすれば、ワイヤボンディングを行う際の治具をリード端子の下に設置することが容易となる。間隔d1は、ほぼ0にすることも可能であるが、リードフレームを形成する工程上、d1が0以下となりリード端子とダイパッドとの水平方向の位置が重なった状態とすることは困難である。
リード端子とダイパッド111との間隔だけでなく、ダイパッド111と接続された第5のリード125とリード端子との間隔も重要である。リードとダイパッド111とを異なる平面に配置する場合には、図5に示すように、第5のリード125をリード接続部137を介してダイパッド111と接続する。図1に示す配置の場合、耐圧の観点からリード接続部137と第2のリード端子132との間隔b1及びリード接続部137と第3のリード端子133との間隔b2をできるだけ大きく確保することが好ましい。
半導体装置の総合的な耐圧は、リードの間隔、リード端子とダイパッドとの間隔、リード端子とリード接続部との間隔によって決まる。リード端子の部分は封止樹脂に覆われているため、空気中に露出しているリード部分よりも耐圧を確保することが容易である。このため、各間隔を以下のように設定すればよい。
第1のリード端子131〜第4のリード端子134とダイパッドとの間隔gがリード接続部137と最も近いリード端子とリード接続部137との間隔bよりも大きい場合には、以下の式(1)を満たすようにすればよい。
b≧B/(S2/S1) ・・・ (1)
但し、Bは第5のリード125と最も近いリードと第5のリードとの間隔であり、S1は空気の絶縁耐圧であり、S2は絶縁封止部の絶縁耐圧である。図1においては、間隔bは第2のリード端子132とリード接続部137との間隔b1であり、間隔Bは第2のリード122と第5のリード125との間隔B1である。
また、第1のリード端子131〜第4のリード端子134とダイパッドとの間隔gがリード接続部137と最も近いリード端子とリード接続部137との間隔bよりも小さい場合には、以下の式(2)を満たすようにすればよい。
g≧B/(S2/S1) ・・・ (2)
第1のリード端子131、第2のリード端子132、第3のリード端子及び第4のリード端子とダイパッド111との間隔は通常は互いに等しくなる。しかし、特殊な設計等により、いずれかのリード端子とダイパッド111との間隔を狭くする場合には、最も間隔が狭いリード端子とダイパッド111との間隔が式(2)を満たすようにすればよい。
つまり、第1のリード端子131〜第4のリード端子134とダイパッド111との間隔g及びリード接続部137と最も近いリード端子とリード接続部137との間隔bの両方がB/(S2/S1)よりも大きくなるようにすればよい。なお、第1のリード端子131〜第4のリード端子134とダイパッド111との間隔において、素子搭載面に対して垂直方向の間隔hが、素子搭載面に対して水平方向の間隔dよりも大きい場合だけでなく、垂直方向の間隔hが水平方向の間隔dよりも小さい場合も同様である。
空気の絶縁耐圧S1は、湿度等によって変動するが一般的には1kV/mm程度である。一方、絶縁封止部107に用いられるハロゲンフリー樹脂の絶縁耐圧S2は10kV/mm程度〜20kV/mm程度である。例えば、S2/S1が15であり、間隔B1が1.7mmの場合には、間隔b及び間隔gを少なくとも0.12mm以上とすることが好ましい。但し、間隔bがあまりにも狭いと絶縁封止部107を形成する樹脂の充填が困難となる。このため、間隔bは、リード端子の厚さtの10分の7以上とすることが好ましい。また、間隔gについて、リード端子の厚さtの10分の7以上としてもよく、間隔bと間隔gの両方について、リード端子の厚さtの10分の7以上としてもよい。
例えば、リード端子の厚さtが0.6mmの場合には、リード接続部137に隣接するリード端子と、リード接続部137との間隔及びリード端子とダイパッド111との間隔を0.3mm以上とすることが好ましい。リード端子、リード接続部137及びダイパッド111の配置をこのようにすることにより、約6.0kV以上の絶縁耐圧を容易に確保することができる。
図1は、第1のリード群127及び第2のリード群128が第5のリード125を挟んで左右対称に配置されている場合を示している。このように、左右対称に配置することにより、半導体素子102とリード端子とを接続する配線の設計が容易となる。しかし、第5のリード125は必ずしもパッケージの中央部に配置する必要はない。例えば、図6に示すように、第5のリード125をパッケージの端部に配置し、第5のリード側から順に第2のリード122、第1のリード121、第4のリード124及び第3のリード123を配置してもよい。
この場合にも、間隔b及び間隔gが式(1)及び式(2)を満たすようにすればよい。図6の場合、リード接続部137と最も近いリード端子とリード接続部137との間隔bは、リード接続部137と第2のリード122との間隔b1であり、第5のリード125と最も近いリードと第5のリードとの間隔Bは第5のリード125と第2のリード122との間隔B1である。
図6に示すように、第1のリード群127と第2のリード群128とを隣接して配置する場合には、第1のリード群127と第2のリード群128との間隔C及び対応するリード端子同士の間隔cも重要となる。間隔Cは、第1のリード121と第2のリード122との間隔及び第3のリード123と第4のリード124との間隔よりも大きくする。特に、次の式(3)も満たすようにすることが好ましい。
c≧C/(S2/S1)・・・(3)
なお、図6において、間隔Cは第1のリード121と第4のリード124との間隔であり、間隔cは第1のリード端子131と第4のリード端子134との間隔である。しかし、第1のリード121と第2のリード122との位置を入れ替えた場合には、間隔Cは第2のリード122と第4のリード124との間隔となり、間隔cは第2のリード端子132と第4のリード端子134との間隔となる。同様に、第3のリード123と第4のリード124との位置を入れ替えた場合には、間隔Cは第1のリード121と第3のリード123との間隔となり、間隔cは第1のリード端子131と第3のリード端子133との間隔となる。また、第1のリード121と第2のリード122との位置及び第3のリード123と第4のリード124との位置の両方を入れ替えてもよい。また、第2のリード群128を第1のリード群127よりも第5のリード125側に配置してもよい。この場合にも同様の関係が成り立つようにすればよい。
第1のワイヤ141及び第3のワイヤ143の本数及び太さは、必要とする許容電流に応じて適宜変更すればよい。例えば、直径が約350μmの金属太線を2本用いてもよい。第2のワイヤ142及び第4のワイヤ144の直径は、許容電流に応じて25μm〜200μm程度の範囲において適宜選択すればよい。第1のワイヤ141及び第3のワイヤ143は、許容電流の関係からアルミ太線を使うことが一般的である。アルミ太線は剛性を有しているため、アルミ太線を用いることによりワイヤの本数を低減することができるだけでなく、樹脂封止による接続はずれに関しても有利となる。第2のワイヤ142及び第4のワイヤ144は、第1のワイヤ141及び第3のワイヤ143と同じ材質とすればプロセスを統一できる。第2のワイヤ142及び第4のワイヤ144を金線とする場合には、リード及びリード端子の表面に厚さが約2μmの銀めっきを施すことが好ましい。
ワイヤボンディングを行うためには、ある程度の間隔が必要である。このため、第1のワイヤ141及び第3のワイヤ143の長さが約3.5mm以上となり、第2のワイヤ142及び第4のワイヤ144の長さが約2mm以上となるようにすることが好ましい。このため、半導体素子102をダイパッド111に搭載する領域及び第1の端子151、第2の端子152、第3の端子153及び第4の端子154の配置を調製することが好ましい。半導体素子102をできるだけ大きく搭載し、且つ第1のワイヤ141〜第4のワイヤ144を安定して配線できる長さとするためには、第1のリード端子131〜第4のリード端子134はダイパッド111の半導体素子102が搭載される面の上方にかからない位置に配置することが好ましい。このようにすれば、ワイヤ接合のために必要な治具を第1のリード端子131〜第4のリード端子134の下に配置することが可能となるため、安定した接合を実現できる。
半導体素子102のサイズによるが、第1の端子151及び第2の端子152と、第3の端子153及び第4の端子154とを半導体素子102の端子形成面の両端部にそれぞれ配置することが好ましい。一般的に、端子の幅は、接続するワイヤの直径の少なくとも1.5倍〜2倍とすることが好ましく、端子の長さは、接続するワイヤの直径の少なくとも2.5倍〜3倍とすることが好ましい。このため、第1のワイヤ141及び第3のワイヤ143を直径が350μm程度のワイヤとする場合には、第1の端子及び第3の端子の幅は少なくとも0.6mm程度とし、長さは少なくとも1.0mm程度とすればよい。
第1の端子151及び第2の端子152は、半導体素子102の第1の辺に沿って縦一列に配置し、第3の端子153及び第4の端子154は、第1の辺と対向する第2の辺に沿って縦一列に配置することが好ましい。また、第2の端子152及び第4の端子154は、それぞれ端子形成面における第2のリード端子132及び第4のリード端子134側の角部に形成することが好ましい。各端子をこのような配置とすると、第1のワイヤ141と第3のワイヤ143の長さをほぼ同じにすることができ、第2のワイヤ142と第4のワイヤ144の長さをほぼ同じにすることができる。これにより、双方向スイッチングを行う際の動作を安定させることができる。また、従来と比べて縦横の比が小さい半導体素子とすることができ、製造プロセスを安定させるという効果も見込まれる。
但し、第1の端子151と第2の端子152と及び第3の端子153と第4の端子154とを縦一列に配置する必要はない。例えば、図7に示すように、第1の端子151を第1の辺に沿って形成し、第3の端子153を第2の辺に沿って形成し、第2の端子152及び第4の端子154は、第1の端子151と第3の端子153との間に互いに間隔をおいて形成してもよい。このような配置とすることにより、第2の端子152及び第4の端子154と第2のリード端子132及び第4のリード端子134との間隔を図2に示すような配置とした場合よりも大きくすることが容易となる。このため、第2の端子152と第2のリード端子132とを接続する第2のワイヤ142及び第4の端子154と第4のリード端子134とを接続する第4のワイヤ144に直径が100μm以上の太いアルミ線等を用いる場合に特に有用である。
図7に示すような配置とする場合、第2の端子152と第4の端子154との間隔Pは、第2のワイヤ142及び第4のワイヤ144の直径の2倍以上とすればよい。第2の端子152及び第4の端子154とリード端子側の第3の辺との間隔は、どの様に設定してもよい。しかし、第2の端子152と第2のリード端子132との間隔及び第4の端子154と第4のリード端子134との間隔が、第2のワイヤ142及び第4のワイヤ144の直径の14倍以上となる位置に、第2の端子152及び第4の端子154を配置することが好ましい。但し、第2のワイヤ142及び第4のワイヤ144に直径25μm〜50μm程度の細い金線を用いる場合にも、2mm程度の間隔を確保することが好ましい。このようにすれば、第2のワイヤ142及び第4のワイヤ144を配線しやすい長さとすることができる。
これら封止樹脂内の構造を有効活用し、双方向スイッチとして機能させるための各リード端子の配置と半導体素子の端子の配置とを均等に且つ絶縁耐圧の必要なリード端子間隔を満足するためには、ノード電圧となる半導体素子102の裏面と同電位である第5のリード125をパッケージの中央に配置することが好ましい。また、他のリードは、第5のリード125を中心として左右対称に絶縁距離を確保した配置とすればワイヤ接続を短く且つ等間隔とすることができ、効率良く小型のパッケージとすることが可能となる。
半導体素子102の端子だけでなく、対応するリード端子についても最適なサイズを確保することが好ましい。一般的に、リード端子の幅は、ワイヤが1本の場合にはワイヤの直径の2倍程とし、ワイヤが2本の場合にはワイヤの直径の3倍程度とする。このため、図8に示すように、第1のワイヤ141及び第3のワイヤ143を2本の金属線とする場合には、第1のリード端子131の幅W1及び第3のリード端子133の幅W3は、それぞれ金属線の直径Xの3倍程度とすればよい。また、第2のワイヤ142及び第4のワイヤ144を1本の金属線とする場合には、第2のリード端子132の幅W2及び第4のリード端子の幅W4は、金属線の直径Yの2倍程度とすればよい。第2のワイヤ142及び第4のワイヤ144は、第1のワイヤ141及び第3のワイヤ143よりも細い金属線を用いることができるため、第2のリード端子132の幅W2及び第4のリード端子134の幅W4を、第1のリード端子131の幅W1及び第3のリード端子133の幅W3よりも小さくすることができる。
絶縁封止部107はエポキシ樹脂等の10kV/mm程度〜20kV/mm程度の絶縁耐圧を有する樹脂とすればよい。また、樹脂に限らず絶縁性の材料であればよい。絶縁封止部107は、少なくとも半導体素子102と、ワイヤと、リード端子とを覆うようにすればよい。このため、ダイパッド111の両面を覆うようにしてもよく、ダイパッド111の半導体素子102が搭載された面(表面)と反対側の面(裏面)を露出するようにしてもよい。また、ダイパッド111の表面の一部が露出するようにしてもよい。ダイパッド111の表面の一部を露出するようにする場合には、ダイパッド111の表面に溝部を形成することが好ましい。溝部を形成することにより溝部と絶縁封止部との接合面積が増え、ダイパッドと絶縁封止部との剥離を抑えることが可能となり、信頼性の高いパッケージを構成することができる。
次に半導体装置を形成する際に使用するリードフレームの構成を説明する。絶縁封止部107を形成するまでは、図9に示すように第1のリード121、第2のリード122、第3のリード123、第4のリード124及び第5のリード125が互いに接続されている必要がある。リードフレーム101における絶縁封止部107に覆われる領域の境界から第1のリード121〜第5のリード125の先端方向に約0.7mm離れた位置にタイバー181が形成されている。タイバー181は、幅が約0.6mmであり、第1のリード121〜第5のリード125のそれぞれと交差する方向に延び、第1のリード121〜第5のリード125を互いに接続している。絶縁封止を行った後、タイバー181を切断して除去することにより、第1のリード121〜第5のリード125を互いに電気的に独立させることができる。
タイバー181を切断する際に、タイバー181が残存するとリード間の最短距離が短くなる。ピッチ間が2.54mmの場合には、通常の精度によりタイバー181を切断除去すれば、空間最短距離は1.7mm程度とすることができる。空間最短距離が1.7mmの場合には、国際規格(IEC 60664-1 Ed1.0-1992-10)に記載されている絶縁調整に対する最小空間距離を満足する配置の報告によると、絶縁耐圧は2.5kV以上となる。2.5kV以上の絶縁耐圧を必要とする場合には、図4に示すような形状のタイバー181Aとすればよい。図10に示すように、タイバー181Aは第5のリード125と接続された位置と、第2のリード122又は第4のリード124と接続された位置とがずれている。タイバー181Aと第5のリード125とは、リードフレーム101における封止樹脂により覆われる領域の境界Iから第5のリード125の先端方向に約0.7mm離れた位置J1において接続されている。タイバー181Aと第2のリード122又は第4のリード124とは、リードフレーム101における封止樹脂により覆われる領域の境界Iから第2のリード122又は第4のリード124の先端方向に約1.3mm離れた位置J2において接続されている。位置J1と位置J2との間隔がタイバー181Aの幅Kよりも大きければ、タイバー181Aの破断面同士が対向しないため、図9に示す直線的に延びるタイバーの場合よりも切断精度の影響を受けにくく間隔の減少を抑えることができる。
本実施形態は、TO−220型のパッケージを例に説明した。しかし、シングルインラインパッケージ等においても同様の構成とすることにより同様の効果が得られる。
半導体素子102を基板の上にチャネル層及びチャネル層よりもバンドギャップが大きいキャップ層が形成され、基板の主面と平行な方向に電子が走行するチャネル領域を有する横型の窒化物半導体とする場合、基板とチャネル層との間に、チャネル層よりもバンドギャップが大きい半導体層を形成することが好ましい。このようにすれば、基板の裏面にソースと接続された裏面端子を設けた場合にも、半導体素子の絶縁耐圧を向上させることができる。
本発明に係る半導体装置及びそのリードフレームは、絶縁耐圧に必要な空間距離を満足し、大電流を流すことが可能で且つ小型の半導体装置を実現でき、特に双方向スイッチングが可能な半導体装置及びそのリードフレーム等として有用である。
101 リードフレーム
102 半導体素子
107 絶縁封止部
111 ダイパッド
111a 溝部
112 放熱板
121 第1のリード
122 第2のリード
123 第3のリード
124 第4のリード
125 第5のリード
127 第1のリード群
128 第2のリード群
131 第1のリード端子
132 第2のリード端子
133 第3のリード端子
134 第4のリード端子
137 リード接続部
141 第1のワイヤ
142 第2のワイヤ
143 第3のワイヤ
144 第4のワイヤ
151 第1の端子
152 第2の端子
153 第3の端子
154 第4の端子
181 タイバー
181A タイバー
501 基板
502 第1の窒化物半導体層
503 第2の窒化物半導体層
511 第1のドレイン電極
512 第1のゲート電極
513 第1のソース電極
521 第2のドレイン電極
522 第2のゲート電極
523 第2のソース電極

Claims (20)

  1. 端子形成面に形成された第1の端子、第2の端子、第3の端子及び第4の端子並びに前記端子形成面と反対側の面に形成された裏面端子を有する半導体素子と、
    前記半導体素子を素子搭載面に搭載したダイパッド並びに互いに並行に配置された第1のリード、第2のリード、第3のリード、第4のリード及び第5のリードを有するリードフレームとを備え、
    前記第1のリードは前記第1の端子と接続され、
    前記第2のリードは前記第2の端子と接続され、
    前記第3のリードは前記第3の端子と接続され、
    前記第4のリードは前記第4の端子と接続され、
    前記第5のリードは前記ダイパッドを介して前記裏面端子と接続され、
    前記第1のリードと前記第2のリードとは互いに隣接して配置され、第1のリード群を構成し、
    前記第3のリードと前記第4のリードとは互いに隣接して配置され、第2のリード群を構成し、
    前記第1のリード群と前記第5のリードとの間隔、前記第2のリード群と前記第5のリードとの間隔及び前記第1のリード群と前記第2のリード群との間隔は、いずれも前記第1のリードと前記第2のリードとの間隔及び前記第3のリードと前記第4のリードとの間隔よりも大きいことを特徴とする半導体装置。
  2. 前記半導体素子を覆う絶縁封止部をさらに備え、
    前記リードフレームは、前記第1のリード、第2のリード、第3のリード及び第4のリードにおける前記ダイパッド側の端部にそれぞれ設けられた第1のリード端子、第2のリード端子、第3のリード端子及び第4のリード端子と、前記第5のリードと前記ダイパッドとを接続するリード接続部とを有し、
    前記第1のリード端子、第2のリード端子、第3のリード端子及び第4のリード端子並びに前記リード接続部は、前記絶縁封止部に覆われ、
    前記第1のリード端子、第2のリード端子、第3のリード端子及び第4のリード端子のうちの前記リード接続部に最も近いリード端子と前記リード接続部との間隔b及び前記第1のリード端子、第2のリード端子、第3のリード端子及び第4のリード端子のうちの前記ダイパッドと最も近いリード端子と前記ダイパッドとの間隔gと、前記第1のリード、第2のリード、第3のリード及び第4のリードのうちの前記第5のリードと最も近いリードと前記第5のリードとの間隔Bとは以下の式(1)の関係を満たすことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
    b≧B/(S2/S1) 且つ g≧B/(S2/S1) ・・・ (1)
    但し、S1は空気の絶縁耐圧であり、S2は前記絶縁封止部の絶縁耐圧である。
  3. 前記間隔bは、前記第1のリード端子、第2のリード端子、第3のリード端子及び第4のリード端子の厚さの10分の7以上であることを特徴とする請求項2に記載の半導体装置。
  4. 前記間隔gは、前記第1のリード端子、第2のリード端子、第3のリード端子及び第4のリード端子の厚さの10分の7以上であることを特徴とする請求項2又は3に記載の半導体装置。
  5. 前記第1のリード端子、第2のリード端子、第3のリード端子及び第4のリード端子と前記ダイパッドとの前記素子搭載面に対して垂直な方向の間隔は、前記第1のリード端子、第2のリード端子、第3のリード端子及び第4のリード端子と前記ダイパッドとの前記素子搭載面に対して水平な方向の間隔よりも大きいことを特徴とする請求項2〜4のいずれか1項に記載の半導体装置。
  6. 前記第2のリード群は、前記第1のリード群を挟んで前記第5のリードと反対側に配置され、
    前記第1のリード端子及び第2のリード端子と、前記第3のリード端子及び第4のリード端子との間隔のうち最も狭い間隔cと前記第1のリード群と前記第2のリード群との間隔Cとは、以下の式(2)の関係を満たすことを特徴とする請求項2〜5のいずれか1項に記載の半導体装置。
    c≧C/(S2/S1) ・・・ (2)
    但し、S1は空気の絶縁耐圧であり、S2は前記絶縁封止部の絶縁耐圧である。
  7. 前記半導体素子は、互いに対向する第1の辺及び第2の辺を有する平面方形状であり、
    前記第1の端子及び第2の端子は、前記第1の辺に沿って形成され、前記第3の端子及び第4の端子は前記第2の辺に沿って形成されていることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の半導体装置。
  8. 前記半導体素子は、互いに対向する第1の辺及び第2の辺を有する平面方形状であり、
    前記第1の端子は前記第1の辺に沿って形成され、前記第3の端子は前記第2の辺に沿って形成され、
    前記第2の端子及び第4の端子は、前記第1の端子と前記第3の端子との間に互いに間隔をおいて形成され、
    前記第2の端子と前記第4の端子との間隔は、前記第2の端子と前記第2のリード端子とを接続するワイヤ及び前記第4の端子と前記第4のリード端子とを接続するワイヤの直径の2倍以上であり、
    前記第2の端子及び第4の端子は、前記第2の端子と前記第2のリード端子との距離及び第4の端子と前記第4のリード端子との距離が前記ワイヤの直径の14倍以上となる位置に配置されていることを特徴とする請求項2〜6のいずれか1項に記載の半導体装置。
  9. 前記第1のリード群及び第2のリード群は、前記第5のリードを挟んで互いに反対側に配置され、
    前記半導体素子は、前記第1の辺及び第2の辺が延びる方向が、前記第1のリードから前記第5のリードが延びる方向と並行となるように前記ダイパッドに搭載され、
    前記第1の辺は前記第1のリード群の側に配置され、
    前記第2の辺は前記第2のリード群の側に配置されていることを特徴とする請求項7又は8に記載の半導体装置。
  10. 前記第2のリードは、前記第1のリードよりも前記第5のリード側に配置され、
    前記第4のリードは、前記第3のリードよりも前記第5のリード側に配置されていることを特徴とする請求項9に記載の半導体装置。
  11. 前記第1の端子と前記第1のリードとを接続するワイヤの長さと、前記第3の端子と前記第3のリードとを接続するワイヤの長さとは等しく、
    前記第2の端子と前記第2のリードとを接続するワイヤの長さと、前記第4の端子と前記第4のリードとを接続するワイヤの長さとは等しいことを特徴とする請求項7〜10のいずれか1項に記載の半導体装置。
  12. 前記半導体素子は、双方向スイッチであり、
    前記第1の端子は、前記双方向スイッチの第1の電力端子であり、
    前記第2の端子は、前記双方向スイッチの第1の制御端子であり、
    前記第3の端子は、前記双方向スイッチの第2の電力端子であり、
    前記第4の端子は、前記双方向スイッチの第2の制御端子であることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  13. 前記双方向スイッチは、前記第1の電界効果トランジスタ及び第2の電界効果トランジスタは、基板の上に形成された第1の半導体層及び前記第1の半導体層よりもバンドギャップが大きい第2の半導体層と、前記第2の半導体層の上に形成された第1のソース電極、第1のゲート電極及び第1のドレイン電極並びに第2のソース電極、第2のゲート電極及び第2のドレイン電極とを有し、
    前記第1のソース電極及び第2のソース電極は、前記裏面端子と接続され、
    前記第1のドレイン電極は、前記第1の電力端子と接続され、
    前記第1のゲート電極は、前記第1の制御端子と接続され、
    前記第2のドレイン電極は、前記第2の電力端子と接続され、
    前記第2のゲート電極は、前記第2の制御端子と接続されていることを特徴とする請求項12に記載の半導体装置。
  14. 前記半導体素子と、前記第1のリード、第2のリード、第3のリード及び第4のリードの一部とを覆う絶縁封止部をさらに備え、
    前記ダイパッドの前記素子搭載面と反対側の面の少なくとも一部は、前記絶縁封止部に覆われていないことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  15. 前記ダイパッドは、放熱板として機能することを特徴とする請求項14に記載の半導体装置。
  16. 前記半導体素子は、はんだ材を介して前記ダイパッドに固定されていることを特徴とする請求項15に記載の半導体装置。
  17. 前記半導体素子と、前記第1のリード、第2のリード、第3のリード及び第4のリードの一部とを覆う絶縁封止部をさらに備え、
    前記ダイパッドは、前記半導体素子を搭載した領域を囲む溝部を有していることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  18. 前記半導体素子と、前記第1のリード、第2のリード、第3のリード及び第4のリードの一部とを覆う絶縁封止部をさらに備え、
    前記ダイパッドは、前記素子搭載面に形成された溝部を有し、
    前記溝部は、前記ダイパッドにおける前記絶縁封止部に覆われている領域に、前記絶縁封止部に覆われている領域と覆われていない領域との境界線と並行に形成されていることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  19. 請求項1〜17のいずれか1項に記載の半導体装置を製造するためのリードフレームであって、
    前記第1のリード、第2のリード、第3のリード、第4のリード及び第5のリードを接続するタイバーを有していることを特徴とするリードフレーム。
  20. 前記タイバーは、前記第5のリードと接続された位置と、第2のリード及び第4のリードと接続された位置とがずれていることを特徴とする請求項19に記載のリードフレーム。
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