JP2011187684A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】 リードフレームを用いた樹脂封止型の半導体装置において、製造プロセスの複雑化及び/又は実装信頼性の低下を抑制しながら、リードフレームの下面に外部端子を形成して多端子化を実現する。
【解決手段】 半導体装置100は、半導体素子120と、リードフレーム130と、半導体素子120上の複数の電極パッドをリードフレーム130に接続する複数の導電体160、161と、半導体素子120及び導電体160、161を封止するモールド樹脂140とを含む。リードフレーム130は、半導体ダイ120を搭載するダイ搭載面132a側に複数の凹部132dを有する。凹部132dは、ダイ搭載面とは反対側の面132bから突出した突起端子132pを形作る。凹部132dは、リードフレーム130のダイ搭載面132a側で接着材150によって塞がれ、内部にモールド樹脂140を含まない。
【選択図】 図3A

Description

本発明は、リードフレームを用いた樹脂封止型半導体装置に関する。
近年、電子機器の高性能化及び軽薄短小化の傾向から、例えば特定用途向け集積回路(ASIC)等のLSIの高機能化及び高集積化が進められている。また、LSIの動作周波数は高周波化の傾向にあり、ノイズを低減するために電源及びグランドの配線を強化する必要が生じている。このような状況の下、LSI等を搭載する半導体装置(パッケージ)においては、信号、電源及びグランドのそれぞれの外部端子数(ピン数)が増加してきている。
半導体パッケージの形態として、SOP(Small Outline Package)及びQFP(Quad Flat Package)等、リードフレームを用いた樹脂封止型の半導体パッケージが広く用いられている。この形態の半導体パッケージでは、QFPのようにパッケージの4つの側面に外部端子を設け、外部端子の狭ピッチ化により多端子化を図ってきた。
ここで、図1及び図2を用いて、典型的なQFP型半導体装置10を説明する。図1の断面図に示すように、半導体装置10は、半導体素子(ダイ)20と、リードフレーム30と、モールド樹脂40とを有している。半導体装置10は更に、半導体素子20をリードフレーム30に接着する接着材50と、半導体素子20上の複数の電極パッドをリードフレーム30に電気的に接続する複数のボンディングワイヤ60とを有している。
リードフレーム30は、図2の平面図に示すように単層のリードフレームである。リードフレーム30は、レール部31と、半導体素子20が搭載されるステージ部(ダイパッド)32と、ステージ部32をレール部31に接続して支持するサポート部33と、半導体素子20と外部との電気接続のための多数のリード部34とを含んでいる。リードフレーム30は一般的に、複数個の半導体装置10用のリードフレームがレール部31で接続された構成を有し、モールド樹脂40によるモールド後に個片化される。リード部34は、モールド樹脂40内にあって、ボンディングワイヤ60が接続されるインナーリード部34iと、モールド樹脂40の外部にあって、実装基板等の接続パッドに接続されるアウターリード部34oとを含んでいる。アウターリード部34oは所謂ガルウィング状に成形されている。
QFP型半導体装置10において、リード部34、特にアウタリード部34o、のピッチを狭める場合、アウターリード部34o自体の幅が細くなり、必要な外部端子強度を確保することが困難になる。また、セットメーカーにおいて半導体装置10を実装基板に実装する際、位置精度よく実装しないと、隣接し合う端子間で電気的なショートが発生しやすくなる。故に、狭ピッチ化には限界があり、更なる多端子化を実現しようとすると、パッケージの外形サイズが大きくなり、軽薄短小化の要求に応えることができない。
QFP型パッケージを上回る多端子化を可能にし得る半導体パッケージとして、ボール・グリッド・アレイ(BGA)型の半導体パッケージが開発されてきた。BGA型パッケージは、基板の片面に半導体素子を搭載し、もう一方の面に外部端子としてアレイ状に半田ボールを形成し、該基板を貫通するビア等を介して半導体素子の電極と半田ボールとを接続したものである。BGA型パッケージは、QFP型パッケージと比較して、同じ外部端子数でも外部端子ピッチを大きくすることができる。しかし、BGA型パッケージは、QFP型パッケージより構成要素が多く、構造が複雑である。また、BGA型パッケージは、基板との線膨張係数のミスマッチから生じる応力や外部応力が半田ボールに集中し、半田破壊が加速度的に進むおそれがある。すなわち、半田ボールの応力吸収作用はQFP型パッケージのアウターリードのそれより小さいため、BGA型パッケージの半田ボールは、実装基板との間での接続信頼性を低下させる要因となり得る。そのため、BGA型パッケージの使用は増えつつあるものの、BGA型パッケージは、コスト及び/又は実装信頼性の観点から、リードフレームを用いた樹脂封止型パッケージを完全に置き換え得るものではない。
ところで、リードフレームを用いた樹脂封止型の半導体装置において、BGA型パッケージのように、半田ボール等の突起状の外部端子を形成する技術が幾つか提案されている。例えば、リードフレームの下面側にパッケージから露出した半田ボールを形成する技術や、突起がエッチング形成された金属放熱板をダイパッド兼電源系プレーンとして用いる技術が知られている。
特開平7−231069号公報 特開平6−133441号公報 特開平9−116045号公報
リードフレームを用いた樹脂封止型の半導体装置において突起状の外部端子を形成する既知の技術は、半導体装置の外部端子数を増加させる可能性を有するものの、幾つかの新たな問題を生じさせる。例えば、半田ボール又は金属突起などの外部端子を形成するために追加の工程を必要とし、半導体装置の製造プロセスが複雑化する。また、半導体装置と実装基板との間の線膨張係数のミスマッチによる応力及び外部応力が、半田ボールとリードフレームとの接合面、又は金属突起と実装基板との接合面に集中し、そこでクラックが発生し得る。これらの問題は、半導体装置の製造コストの上昇、及び半導体装置と実装基板との間の接続信頼性の低下をもたらし、QFP型パッケージが有する利点を損ねるものである。
故に、リードフレームを用いた樹脂封止型の半導体装置において、有意な製造プロセスの複雑化及び/又は実装信頼性の低下を伴うことなく、リードフレームの下面に外部端子を形成して多端子化を図ることを可能にする技術が望まれる。
一観点によれば、半導体ダイと、リードフレームと、半導体ダイ上の複数の電極パッドをリードフレームに接続する複数の導電体と、半導体ダイ及び導電体を封止するモールド樹脂とを含む半導体装置が提供される。リードフレームは、半導体ダイを搭載するダイ搭載面側に複数の凹部を有する。該凹部は、ダイ搭載面とは反対側の面から突出した突起端子を形作る。該凹部は内部にモールド樹脂を含まない。
他の一観点によれば、半導体装置の製造方法が提供される。当該方法は、リードフレームをパターニングする工程と、リードフレームを成形する工程と、リードフレームに半導体ダイを搭載し、半導体ダイ上の複数の電極パッドとリードフレームとを複数の導電体で接続する工程とを含む。リードフレームの成形工程は、半導体ダイを搭載するダイ搭載面側に複数の凹部を形成することを含む。該凹部により、ダイ搭載面とは反対側の面に、複数の突起端子が形成される。当該方法は更に、該凹部上を接着材で塞ぐ工程と、半導体ダイ及び導電体をモールド樹脂で封止する工程とを含む。接着材により、上記凹部内へのモールド樹脂の侵入が阻止される。
製造プロセスの複雑化を抑えながら、リードフレームの下面に突起端子を形成することができる。また、突起端子の応力吸収作用により、実装基板との間で生じる応力などを緩和し、実装信頼性を確保することができる。
従来技術に係る半導体装置を示す断面図である。 図1の半導体装置に使用され得るリードフレームを示す上面図である。 第1実施形態に係る半導体装置を示す図である。 第1実施形態に係る半導体装置の突起端子を示す図である。 突起端子の形状の変形例を示す図である。 突起端子の一効果を説明する断面図である。 図3Aの半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。 図6のステップS1後の構造を示す図である。 図6のステップS2後の構造を示す図である。 図6のステップS3後の構造を示す図である。 図6のステップS4後の構造を示す図である。 図6のステップS5を説明する断面図である。 図3Aの半導体装置の変形例を説明する上面図である。 第2実施形態に係る半導体装置を示す図である。 図13の半導体装置に使用され得るリードフレームを示す上面図である。 第3実施形態に係る半導体装置に使用され得るリードフレームを示す上面図である。 第3実施形態に係る半導体装置の内部構成を示す上面図である。 第3実施形態に係る半導体装置に使用され得る他のリードフレームを示す上面図である。 第4実施形態に係る半導体装置を示す図である。
以下、図面を参照しながら実施形態について詳細に説明する。なお、図面において、種々の構成要素は必ずしも同一の尺度で描かれていない。また、図面全体を通して、同一あるいは対応する構成要素には同一あるいは類似の参照符号を付する。
(第1実施形態)
先ず、第1実施形態に係る半導体装置100を説明する。
図3Aの(a)は半導体装置100の底面図を示し、(b)は(a)の直線A−Aに沿った断面図を示している。半導体装置100は、リードフレームを用いた樹脂封止型の半導体装置であり、特に限定されないが、パッケージの4つの側面からアウターリードが突出する点でQFP的な構造を有している。
半導体装置100は、半導体素子(ダイ)120と、リードフレーム130と、モールド樹脂140とを有している。半導体装置100は更に、半導体素子120をリードフレーム130に接着する接着材150と、半導体素子120上の複数の電極パッドをリードフレーム130に電気的に接続する複数の導電体160とを有している。半導体素子120は、例えば、シリコン(Si)ウェハ又はシリコン・オン・インシュレータ(SOI)ウェハ等の半導体基板を用いて製造されたASICとし得る。導電体160は、典型的にボンディングワイヤであり、例えば金(Au)ワイヤとし得る。
リードフレーム130は、ここでは単層のリードフレームであり、電気伝導率が高く且つ機械的強度が高い金属材料を有し、例えば、熱伝導性に優れた銅合金又はSiとの熱膨張率差が小さい42アロイ(42%ニッケル−鉄合金)を有する。リードフレーム130は、半導体素子120が搭載されるステージ部(ダイパッド)132と、該ステージ部の周囲に配置された多数のリード部134とを含んでいる。リード部134は、モールド樹脂140内にあって、ボンディングワイヤ160が接続されるインナーリード部134iと、モールド樹脂140の外部にあって、実装基板等の接続パッドに接続されるアウターリード部134oとを含んでいる。アウターリード部134oは、所謂ガルウィング状に成形されている。しかしながら、アウターリード部134oは、所謂Jリード形状など、実装基板への表面実装に適したその他の形状に成形されていてもよい。
リードフレームのステージ部132は、半導体素子120が搭載される面であるダイ搭載面132a側に、複数の凹部(dimple)132dを有している。凹部132dは、リードフレーム130の板材をプレス加工などを用いて成形することによって形成され、ステージ部132のダイ搭載面132aの反対側の面132bに突起(projection)132pを形作っている。突起132pは、ステージ部の下面132b側のモールド樹脂140を貫通し、半導体装置100の下面側から突出した突起端子を構成する。典型的に、突起端子132pの実装基板との接合部の高さ位置(実装高さ)は、アウターリード部134oの実装高さに等しい。なお、突起端子の数、位置及び/又は大きさ等は適宜変更することができる。
図3Bに、突起端子132pの形状の一例を斜視図にて示す。突起端子132pは、好ましくは、リードフレーム130の板材を貫通するように設けられた貫通穴135を有する。図5を参照して後述する応力吸収作用を高めるためである。この例において、突起端子132pは、貫通穴135の存在により、2つのガルウィング形状を連結したような構造を有する。貫通穴135は、突起端子132p上のモールド樹脂140で覆われない位置に設けられている。また、貫通穴135を通して、ステージ部132と半導体素子120との間に設けられた接着材150が露出されている。すなわち、突起端子132pを形作る凹部132dは中空状態にある。なお、突起端子132pが貫通穴135を有しない場合、凹部132dは、該突起端子と接着材150とにより密閉された中空を形成する。
なお、突起端子132p及び貫通穴135の形状は、図3Bに示した形状に限定されず、例えば図4に示すような様々な形状をとり得る。図4(a)及び(b)において、突起電極132pは1つの貫通穴135により形成された所謂Jリード的な形状を有する。また、4つの貫通穴を有する図4(c)の突起端子のように、突起電極132pはより多くの貫通穴135を有していてもよい。また、ステージ部の下面132bに平行な平面内で、突起端子132pは好ましくは、該端子のプレス加工や実装基板への実装後に外力や応力などが一部に集中してクラックが発生しないよう、角部が存在しない形状を有することが好ましい。そのような形状の例には、円形、楕円形、又は図3A(a)及び図3Bに示したような直線部と円弧部とを含む陸上競技トラック状の形状が含まれる。
また、貫通穴135は、図3A(a)に示した例において、ステージ部132の4つの辺のそれぞれに沿ったグループごとに90°回転された向きを有している。しかしながら、貫通穴の向きはこれに限定されず、例えば、ステージ部132の中心に対して放射状の向きとなるように徐々に回転される等、予想される半導体装置100の反りに応じて決定されてもよい。
接着材150は、電気絶縁性を有し、半導体素子120をステージ部132に接着するとともに、ステージ部の凹部132dを塞いでモールド樹脂140の侵入を阻止する蓋として機能する。故に、図12を参照して後述するように、半導体素子120に覆われない位置に凹部132dが形成される場合、そのような凹部132dを塞ぐためにも設けられる。接着材150は、例えば、エポキシ樹脂又はポリミド樹脂を主成分とした樹脂フィルムであり、予めシート状に形成されたものを貼ることにより形成され得る。代替的に、接着材150は、エポキシ樹脂又ポリミド樹脂を主成分としたペーストを塗布することによって形成されてもよい。また、接着材150は、熱伝導率を高めるためのフィラー等を含んでいてもよい。
リードフレームのステージ部132は、図3A(b)の断面図に示すように、導電体161(異なる断面にあるため破線で示す)によって半導体素子120上の電極パッドに電気的に接続されている。導電体161は、例えば、リード部134に接続された導電体160と同様のボンディングワイヤとし得る。ステージ部132のワイヤ161が接続される電極パッドは、好ましくは、半導体素子120上の電源パッド又はグランド(GND)パッドとし得る。その場合、ステージ部132は電源プレーン又はグランドプレーンとしても機能し、その突起端子132pは半導体装置100の電源端子又はグランド端子として機能する。突起端子132pを電源端子及びグランド端子の何れとするかは、半導体装置100が搭載する半導体素子120に応じて選択し得る。
故に、アウターリード134oに加えてリードフレームのステージ部132に突起端子132pを形成することにより、半導体装置の外部端子数を増加させることができる。そして、突起端子132pを電源又はグランドの端子として用いることにより、アウターリード134oのうちのより多くを信号端子として用いることができる。また、半導体素子120上のパッドをステージ部132に接続するワイヤ161は、インナーリード部134iに接続するワイヤ160より短くすることが可能であり、電源系の等価直列抵抗を低減することができる。
ここで、図5の模式図を参照して、突起電極132pが有する応力吸収作用を説明する。図5(a)は、1つの突起端子132pを実装基板70の接続パッド71に半田172を用いて接合した状態を断面図にて示している。また、図5(b)は、比較例として、図1の半導体装置10のダイパッド32の下面側にエッチング等により金属ランド32lを形成した場合に、該ランド32lを実装基板70の接続パッド71に半田72によって接合した状態を示している。ただし、図5(b)においても、図5(a)のモールド樹脂140と同様に、モールド樹脂40がダイパッド32の下面側に形成されるとしている。
図5(a)に示すように、半田172は、突起端子132pの外表面に沿って上方に濡れ上がり、強固な半田フィレットを形成し得る。また、突起端子132pは、それと表裏一体に形成された凹部132dがモールド樹脂140を含まずに中空を為しているため、図5(b)の構造と比較して容易に変形し得る。故に、突起端子132pは、半導体装置と実装基板70との線膨張係数のミスマッチから生じる応力や外部応力を吸収し、半導体装置の実装信頼性を高めることができる。なお、例えばQFN(Quad Flat Non-leaded)型パッケージ等におけるモールド樹脂で固定されたランドを比較例に採ったとしても、突起端子132pは、同じ理由により、半導体装置の実装信頼性を高めることができる。さらに、突起端子132pは、リードフレームに接続された半田ボール等とは異なり、リードフレーム130(ステージ部132)に一体的に形成されているため、外部端子の接続強度を有意に低下させ得る部分を半導体装置の内部に生じさせない。
次に、第1実施形態に係る半導体装置100の製造方法を説明する。図6は、この方法の主な工程S1−S6を含むフローチャートであり、図7−11は、工程S1−S5の各工程を説明するための図である。
先ず、工程S1にて、打ち抜き又はエッチングによってリードフレームのパターニングを行う。図7(a)は、パターニング後のリードフレーム130を、1つの半導体装置100に相当する部分について例示している。
リードフレーム130は、この例において、1枚の板材から成形された単層のリードフレームである。図7(a)に示すように、リードフレーム130は、レール部131と、ステージ部132と、ステージ部132をレール部131に接続して支持するサポート部133と、多数のリード部134とを有し得る。ステージ部132は、必要に応じて、各対が後に形成される各突起端子に対応する複数対の貫通穴135を有する。図7(b)は、一対の貫通穴135(図7(a)の破線で囲まれた部分B)を拡大して示している。リードフレーム130が有するこれらの構成は、貫通穴135も含めて、1つの金型を用いた一度の打ち抜き又は一度のエッチングによってパターニングすることができる。
続いて、工程S2にて、図8に示すように、金型を用いてリードフレームをその厚さ方向に成形する。これにより、必要に応じて、ステージ部132とリード部134との間に高低差が形成されるよう、ステージ部132をレール部131に接続する各サポート部133に段差133sが形成される。同時に、ステージ部132に複数の突起端子132p(凹部132d)が形成され得る。図8(b)及び(c)は、それぞれ、1つの突起端子132pの底面図及び斜視図を示している。これらの図において、破線140’は、後にモールド樹脂140で覆われる範囲の境界線を示しており、後の樹脂モールド工程S5(図11参照)においてモールド樹脂140による封止範囲は破線140’の外側に制限される。
続いて、工程S3にて、図9に示すように、リードフレームのステージ部132のダイ搭載面側132aの所定領域に接着材150を設け得る。この例においては、図3A(b)に示したように半導体素子120が搭載される領域に接着材150を設ければよく、それにより、ダイ搭載面132a側に形成された複数の凹部132dは全て、接着材150によって蓋をされる。なお、この接着材150のように半導体素子120を接着するためのものは、リードフレーム130上ではなく、半導体素子120の搭載に先立って該素子120の裏面に設けてもよい。接着材150は、例えば、エポキシ樹脂又はポリミド樹脂を主成分として有し、予めシート状に形成されたとした樹脂フィルムを接着してもよいし、樹脂ペーストを塗布してもよい。なお、樹脂ペーストを塗布する場合、凹部132dを中空にしながら該凹部上に形成されるのに十分な粘性を有することが好ましい。なお、典型的に、上述の接着材150はモールド樹脂140より剛性が低く、突起端子132pの変形を許容し得るので、樹脂ペーストは凹部132d内に侵入してもよい。
続いて、工程S4にて、半導体素子120を搭載し、その上面に形成された多数の電極パッド121を例えばワイヤボンディングによってリードフレーム130に電気接続する。例えば、図10に示すように、多数の電極パッド121のうち、グランドパッド121gをボンディングワイヤ161でステージ部132に接続し、それ以外の電極パッドをボンディングワイヤ160でリード部134(インナーリード部134i)の先端部に接続する。ステージ部132に接続する電極パッド121は、設計に応じて、グランドパッド121gに代えて電源パッドとしてもよい。また、ステージ部132に接続されるように選択された電極パッド群(図10ではグランドパッド121g)の一部はリード部134に接続されてもよい。また、図10中のリード部134’のように、ボンディングワイヤ160’を介してステージ部132に接続されるリード部が存在してもよい。
続いて、工程S5にて、モールド樹脂140による樹脂封止を行う。先ず、図11(a)に示すように、ワイヤ接続後の構造物を上型及び下型のモールド金型181及び182によって挟み込む。下型182は、突起端子132pに位置に対応した位置に窪み183を有する。窪み183は、図8に示した境界線140’の位置で突起端子132pと嵌合するように、寸法及び形状が定められている。また、突起端子132p内の凹部132dは、上述のように接着材150(及び、この実施形態においては半導体素子120)で蓋をされた状態にある。故に、図11(b)に示すように、金型181と182との間に注入されたモールド樹脂140は、凹部132d内に侵入することなく、半導体装置100を樹脂封止することができる。
最後に、工程S6にて、モールド樹脂140の外部において、リードフレーム130の切断及び成形を行う。すなわち、アウターリード134oを例えばガルウィング状などの所望の形状に成形するとともに、リードフレーム130のレール部131で連結されていた複数の半導体装置100を個片化する。以上により、図3Aに示した半導体装置100が完成する。
斯くして、半導体装置100は、リードフレームのパターニングから樹脂モールドまでの各工程において金型などの変更はあるものの、一般的なQFP型パッケージの製造方法に対して工程数を増加させることなく製造し得る。なお、図6に示したフローチャートは概略的なものであり、例えば、リードフレームの表面処理(めっき膜の形成など)、及び/又はパターニング後のリードフレームの固定用テープの貼り付け等、その他の工程を含んでいてもよい。
次に、図10(工程S4)に対応する図12を参照して、第1の実施形態に係る半導体装置100の変形例を説明する。
図3Aに示した半導体装置100においては、リードフレームのステージ部の凹部132d及び突起端子132pは、半導体素子120の真下(以下、ダイ搭載領域と称する)に形成されている。この構成は、突起端子132pを形成するためのスペースをステージ部132に追加する必要がないという利点を有する。しかしながら、突起端子132pは、ステージ部132のダイ搭載領域以外の領域(以下、周辺領域と称する)に形成されてもよい。このように突起端子132pを周辺領域に設けることにより、半導体装置の実装信頼性を更に高めることができる。このような周辺領域では、半導体素子120とリードフレーム130との間の線膨張係数のミスマッチによる影響が、ダイ搭載領域においてより小さいからである。なお、突起端子132pの必要数などに応じて、突起端子132pをダイ搭載領域と周辺領域との双方に設けることも可能である。
図12(a)に示すリードフレーム130は、ステージ部132の周辺領域に、ダイ搭載領域を取り囲むように複数の突起端子132p(凹部132d)を有している。ステージ部のダイ搭載面側132aにおいて、周辺領域の複数の凹部132dは、半導体素子120をステージ部132に接着する接着材150(図9参照)とは別個のリング状の接着材151で塞がれている。この接着材151は、凹部132d内にモールド樹脂140が侵入することを阻止する役割を果たす。以下では接着材150をダイ接着材、接着材151を蓋材とも称する。蓋材151は、上面に接着性を有する必要はなく、また、電気絶縁性を有していなくてよい。故に、蓋材151は、製造工程の簡略化の観点から接着材150と同じ接着フィルムとすることが好ましいが、異なる材料を有する接着フィルムとしてもよい。
蓋材151は、例えば図12(b)及び(c)に示すような異なる形状を有していてもよい。図12(b)及び(c)は、図12(a)中の破線で囲まれた領域Cの変形例を示すものである。蓋材151は、例えば、半導体素子120の各辺に隣接する幾つかの凹部132dごと又は1つの凹部132dごとに形成されてもよい。また、ダイ接着材150をダイ搭載領域だけでなく周辺領域まで拡張し、該拡張部を蓋材151としてもよい。このように周辺領域の蓋材151と一体化されたダイ接着材150は、ステージ部132のボンディングワイヤ161との接続領域に対応して開口が形成される。蓋材151の形状は、使用する材料、及び/又は貼り付け若しくは塗布などの形成方法に応じて選択され得る。
(第2実施形態)
次に、第2実施形態に係る半導体装置200を説明する。
図13(a)は半導体装置200の底面図を示し、図13(b)は図13(a)の直線A−Aに沿った断面図を示している。半導体装置200は、第1実施形態に係る半導体装置100の構成要素に対応する数多くの構成要素を有しており、それらには類似の参照符号を付する。また、本実施形態に特有でない構成要素については詳細には説明しない。
半導体装置200は、半導体素子220と、リードフレーム230と、モールド樹脂240とを有している。半導体装置200は更に、半導体素子220をリードフレーム230に接着する接着材250と、半導体素子220上の複数の電極パッドをリードフレーム230に電気的に接続する例えばボンディングワイヤである複数の導電体260とを有している。
ここで、リードフレーム230を成形後のリードフレームの平面構成として示した図14を併せて参照する。リードフレーム230は、半導体素子220が搭載される第1のステージ部(ダイパッド)232と、第1のステージ部232の周囲に配置された第2のステージ部236と、第2のステージ部の周囲に配置された多数のリード部234とを含んでいる。第1のステージ部232は、サポート部233によってレール部231に接続されるように形成される。また、第2のステージ部236は、第1のステージ部232のサポート部233によって、4つに分割されている。第2のステージ部236の各々も、自身に付随するサポート部233によってレール部231に接続されるように形成される。各サポート部233は必要に応じて段差233sを有する。リード部234は、モールド樹脂240内にあって、ボンディングワイヤ260が接続されるインナーリード部234iと、モールド樹脂240の外部にあって、実装基板等の接続パッドに接続されるアウターリード部234oとを含んでいる。
第1のステージ部232は、半導体素子220が搭載される面であるダイ搭載面側に、複数の凹部232dを有している。また、第2のステージ部236も同様に複数の凹部236dを有している。凹部232d及び236dは、それぞれ、ステージ部232及び236の反対側の面に突起端子232p及び236pを形作っている。第1のステージ部の凹部232dは、半導体素子220を接着するための接着材250で上を塞がれ、第2のステージ部の凹部236dは、別の接着材(蓋材)252で上を塞がれている。接着材250及び252は、上述の半導体装置100の接着材150と151との間の関係と同様に、同じ材料を有していてもよいし、異なる材料を有していてもよい。また、各突起端子232p及び236pは、好ましくは、リードフレーム230の板材を貫通する貫通穴235を有し、貫通穴235は、モールド樹脂240が形成されない位置に設けられる。凹部232d及び236dは好ましくは中空状態にある。
第1のステージ部232は、図13(b)の断面図に示すように、導電体261(異なる断面にあるため破線で示す)によって半導体素子220上の電極パッドに電気的に接続されている。また、第2のステージ部236は、導電体262(やはり異なる断面にあるため破線で示す)によって半導体素子220上の電極パッドに電気的に接続されている。導電体261及び262は、インナーリード部234iに接続された導電体260と同様のボンディングワイヤとし得る。第1のステージ部232のワイヤ261が接続される電極パッドは、好ましくは、半導体素子220上の電源パッド又はグランドパッドのうちの一方である。また、第2のステージ部236のワイヤ262が接続される電極パッドは、好ましくは、電源パッド又はグランドパッドのうちの他方である。すなわち、好ましくは、ステージ部232及び236は電源プレーン及びグランドプレーンを構成し、それぞれの突起端子232p及び236pは半導体装置200の電源端子及びグランド端子を構成する。
故に、リードフレームのステージ部を第1及び第2のステージ部232及び236に分割し、それぞれに突起端子232p及び236pを形成することにより半導体装置の外部端子数を増加させることができる。そして、突起端子232p及び236pを電源及びグランドの端子として用いることにより、アウターリード234oのうちのより多くを信号端子として用いることができる。また、半導体素子220上のパッドを第1、第2のステージ部232、236に接続するワイヤ261、262は、インナーリード部232iに接続するワイヤ260より短くすることが可能であり、電源系の等価直列抵抗を低減することができる。
さらに、突起端子232p及び236pは、凹部232d及び236dがモールド樹脂240を含まずに中空を為しているため比較的容易に変形することができ、それによる応力吸収作用により、半導体装置の実装信頼性を高めることができる。
半導体装置200は、蓋材252を追加する必要があるものの、図6に示したフローチャートに従って製造することができる。
(第3実施形態)
次に、図15及び図16を参照して、第3実施形態に係る半導体装置300を説明する。半導体装置300も、図6に示したフローチャートに従って製造することができる。半導体装置300は、第1及び第2の実施形態に係る半導体装置100及び200の構成要素に対応する数多くの構成要素を有しており、それらには類似の参照符号を付する。また、本実施形態に特有でない構成要素については詳細には説明しない。
図15は、半導体装置300が有する成形後のリードフレーム330の平面図を示し、図16は、半導体装置300の内部構成として、リードフレーム330に半導体素子320を搭載しワイヤボンディングを行った後の構造を示している。
リードフレーム330は、半導体素子320が搭載される第1のステージ部(ダイパッド)332と、第1のステージ部332の周囲に配置された第2のステージ部336と、第2のステージ部336の周囲に配置された多数のリード部334とを含んでいる。
第1のステージ部332は、1つの半導体素子320が接着されるが、図示の例において、4つのステージ部332−1乃至4に分割されている。第1のステージ部の分割数及び各ステージ部332−1乃至4の寸法は、半導体素子320が有する機能回路の数及びそのレイアウトに応じて決定され得る。機能回路の例には、プロセッサ、その他のデジタル回路、アナログ回路、及び電源回路などが含まれる。また、第2のステージ部336は、第1のステージ部332−1乃至4の各々をリードフレームのレール部331に接続する4つのサポート部333によって、4つに分割されている。第2のステージ部336の各々もまた、自身に付随するサポート部333によってレール部331に接続されるように形成される。第1のステージ部332−1乃至4の各々は、半導体素子320が搭載される面であるダイ搭載面側に、好ましくは複数の凹部332dを有している。また、第2のステージ部336も同様に、好ましくは複数の凹部336dを有している。凹部332d及び336dは、それぞれ、ステージ部332及び336の反対側の面に突起端子332p及び336pを形作っている。
第1のステージ部の凹部332dは、半導体素子320を接着するための接着材350(図16において、半導体素子320の下に位置する)で上を塞がれ、第2のステージ部の凹部336dは、別の接着材(蓋材)352で上を塞がれている。接着材350及び352は、同じ材料を有していてもよいし、異なる材料を有していてもよい。また、各突起端子332p及び336pは、好ましくは、リードフレーム330の板材を貫通する貫通穴335を有し、貫通穴335は、モールド樹脂340が形成されない位置に設けられる。凹部332d及び336dは好ましくは中空状態にある。
第1のステージ部332は、図16に示すように、導電体361によって半導体素子320上の電極パッドに電気的に接続される。より詳細には、図示の例において、半導体素子320は4つの機能回路1乃至4を有し、ステージ部332−1は機能回路1の電極パッドに接続され、ステージ部332−2は機能回路2の電極パッドに接続され、等々と接続される。また、第2のステージ部336は、導電体362によって機能回路1乃至4の何れかの電極パッドに電気的に接続される。導電体361及び362は、リード部334に接続された導電体360と同様のボンディングワイヤとし得る。
第1のステージ部332のワイヤ361が接続される電極パッドは、好ましくは、半導体素子320の電源パッド又はグランドパッドのうちの一方である。また、第2のステージ部336のワイヤ362が接続される電極パッドは、好ましくは、電源パッド又はグランドパッドのうちの他方である。例えば、ワイヤ361及び362は、それぞれ、半導体素子320の電源パッド及びグランドパッドに接続される。この場合、第1のステージ部332−1乃至4は半導体素子320の機能回路1乃至4ごとの電源プレーンを構成し、第2のステージ部336は半導体素子320のグランドプレーンを構成する。故に、突起端子332pは、半導体素子320の機能回路1乃至4ごとに分離された半導体装置300の電源端子を構成し、突起端子336pは半導体装置300のグランド端子を構成する。
図示の例において、半導体装置300は、突起端子が形成された第2のステージ部を有する点で第2実施形態に係る半導体装置200に似た構成を有する。故に、半導体装置300は、半導体装置200と同様に、アウターリードのうちのより多くを信号端子として用いること、及び電源系の等価直列抵抗を低減することを可能とする。また、突起端子332p及び336pの応力吸収作用により、実装信頼性を高めることができる。さらに、第1のステージ部332を分割することにより、例えば、複数の機能回路ごとにグランドを分離して相互間での干渉によるノイズを低減すること、又は異なる電源電圧を要する複数の機能回路の各々に対応した電源突起端子を設けることが可能になる。
なお、ここでは、第2のステージ部336を有する構成において、第1のステージ部332を機能回路ごとに分割したものとして半導体装置300を説明した。しかしながら、第3実施形態に係る半導体装置は、図3Aに示した半導体装置100のように第2のステージ部を有しない構成において、ステージ部を機能回路ごとに分割した構成としてもよい。
また、第3実施形態に係る半導体装置は、図17に示すように、第2のステージ部336をも機能回路ごとに分割したリードフレームを有していてもよい。
図17は、図15に対応した上面図であり、該一変形例に係る成形後のリードフレーム330’を示している。リードフレーム330’は、8つに分割された第2のステージ部336−1乃至8を有している。第2のステージ部336−1及び2は、第1のステージ部332−1とともに半導体素子320の機能回路1(図16参照)の電源及びグランドプレーンを構成する。また、ステージ部336−3及び4が、ステージ部332−2とともに機能回路2の電源及びグランドプレーンを構成するなど、その他のステージ部も機能回路ごとに分離された電源又はグランドプレーンを構成する。
故に、リードフレーム330’は、電源及びグランドの双方を半導体素子の機能回路ごとに分離し、機能回路間での干渉によるノイズを更に低減することができる。
(第4実施形態)
次に、図18を参照して、第4実施形態に係る半導体装置400を説明する。半導体装置400は、パッケージ側面から突出するアウターリードを有しておらず、工程S6におけるアウターリード部の例えばガルウィング状への成形を要しない点を除いて、図6に示したフローチャートに従って製造することができる。半導体装置400は、第1乃至第3の実施形態に係る半導体装置100、200及び300の構成要素に対応する数多くの構成要素を有しており、それらには類似の参照符号を付する。また、本実施形態に特有でない構成要素については詳細には説明しない。
図18(a)は、半導体装置400が有する成形後のリードフレーム430の上面図を示し、図18(b)は、図18(a)の直線A−Aに対応する断面おける完成後の半導体装置400を示している。
リードフレーム430は、半導体素子420が搭載される第1のステージ部(ダイパッド)432と、第1のステージ部432の周囲に配置された第2のステージ部436と、第2のステージ部436の周囲に配置された多数のリード部434とを含んでいる。
第1のステージ部432は、半導体素子420が搭載される面であるダイ搭載面側に、複数の凹部432dを有しており、第2のステージ部436も同様に複数の凹部436dを有している。また、リード部434は、モールド樹脂内に封止される、ボンディングワイヤ460が接続されるインナーリード部434iを有するとともに、凹部432d及び436dと同様の凹部434dを有している。これらの凹部432d、436d及び434dは、それぞれ、ステージ部432、436及びリード部434の反対側の面に突起端子432p、436p及び434pを形作っている。図示の例において、リードフレーム430はその成形後において、ステージ部432及び436とリード部434を同一平面内に有しており、それぞれの突起端子432p、436p及び434pは該平面から同一の突出高さを有している。他の例においては、リード部434がステージ部432及び436より上方の平面内に位置付けられ、それに応じてリード部434からの突起端子434pの突出高さが増大されてもよい。
第1のステージ部の凹部432dは、半導体素子420を接着するための接着材450で上を塞がれている。第2のステージ部の凹部436d及びリード部の凹部434dは、それぞれ、接着材(蓋材)452及び453で上を塞がれている。これらの接着材450、452及び453は、同じ材料を有していてもよいし、異なる材料を有していてもよい。また、各突起端子432p、434p及び436pは、好ましくは、応力吸収作用を増大させるために、リードフレーム430の板材を貫通する貫通穴する。該貫通穴は、モールド樹脂440が形成されない位置に設けられ、各凹部432d、434d及び436d内にモールド樹脂440が侵入することが阻止される。
ステージ部432、436、及びリード部434と半導体素子420上の電極パッドとの接続は、図13に示した半導体装置200と同様とし得る。例えば、ステージ部432及び436は、それぞれ、ボンディングワイヤ461及び462(ワイヤ460と異なる断面にあるため破線で示す)によって半導体素子420上のグランドパッド及び電源パッドに電気的に接続される。すなわち、ステージ部432及び436が、それぞれ、グランドプレーン及び電源プレーンを構成することにより、それぞれの突起端子432p及び436pは半導体装置400のグランド端子及び電源端子を構成してもよい。
斯くして、半導体装置400は、外部端子として、パッケージの下面から突出したアレイ状の多数の突起端子432p、434p及び436pを有する。これらの突起端子は、リードフレームの成形工程においてリードフレームと一体的に形成され、また、応力吸収作用を有する。故に、本実施形態によれば、一般的なQFP型パッケージ等の製造工程を用いながら、より小型で実装信頼性の高い半導体装置を得ることができる。
以上、実施形態について詳述したが、本発明は特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された要旨の範囲内において、種々の変形及び変更が可能である。例えば、第4実施形態に第3実施形態を適用して半導体装置400のリードフレーム部432及び/又は436を機能回路ごとに分割する等、第1乃至第4の実施形態は適宜相互に組み合わせ得る。また、例えば突起端子及びその貫通穴の形状や向き、並びに接着材の形状など、第1実施形態に関連して説明した種々の詳細事項は、その他の実施形態にも同様に適用し得る。
以上の説明に関し、更に以下の付記を開示する。
(付記1)
半導体ダイと、
前記半導体ダイを搭載するダイ搭載面側に複数の凹部を有し、該凹部が、前記ダイ搭載面とは反対側の面から突出した突起端子を形作る、リードフレームと、
前記半導体ダイ上の複数の電極パッドを前記リードフレームに接続する複数の導電体と、
前記半導体ダイ及び前記導電体を封止するモールド樹脂と、
を有し、前記凹部は内部に前記モールド樹脂を含まない、
ことを特徴とする半導体装置。
(付記2)
前記突起端子は、前記リードフレームの板材を貫通する貫通穴を有する、ことを特徴とする付記1に記載の半導体装置。
(付記3)
前記リードフレームの前記ダイ搭載面に配置され、前記凹部の蓋をなす樹脂フィルム、を更に有することを特徴とする付記1又は2に記載の半導体装置。
(付記4)
前記突起端子は前記半導体ダイの電源パッド又はグランドパッドに接続されている、ことを特徴とする付記1乃至3の何れか一に記載の半導体装置。
(付記5)
前記リードフレームは、前記半導体ダイを搭載し且つ前記突起端子を有するステージ部と、該ステージ部の周囲に配置され、当該半導体装置の側面から突出する複数のアウターリードを形成するリード部とを有する、ことを特徴とする付記1乃至4の何れか一に記載の半導体装置。
(付記6)
前記リードフレームは、前記半導体ダイを搭載するステージ部と、該ステージ部の周囲に配置されたリード部とを有し、前記ステージ部及び前記リード部の双方が前記突起端子を有する、ことを特徴とする付記1乃至4の何れか一に記載の半導体装置。
(付記7)
前記ステージ部は、前記半導体ダイが有する複数の機能回路に対応して分割されている、ことを特徴とする付記5又は6に記載の半導体装置。
(付記8)
前記ステージ部は、前記半導体ダイが搭載された第1ステージ部と、該第1ステージ部と前記リード部との間に配置された第2ステージ部とを有し、
前記第1ステージ部及び前記第2ステージ部の双方が前記突起端子を有し、
前記第1ステージ部は前記半導体ダイ上の電源パッド及びグランドパッドのうちの一方に電気的に接続され、前記第2ステージ部は前記半導体ダイ上の電源パッド及びグランドパッドのうちの他方に電気的に接続されている、
ことを特徴とする付記5乃至7の何れか一に記載の半導体装置。
(付記9)
リードフレームをパターニングする工程と、
前記リードフレームを成形する成形工程であり、半導体ダイを搭載するダイ搭載面側に複数の凹部を形成することにより、前記ダイ搭載面とは反対側の面側に、前記凹部により形作られた複数の突起端子を形成する成形工程と、
前記凹部上を接着材で塞ぐ工程と、
前記リードフレームに半導体ダイを搭載し、該半導体ダイ上の複数の電極パッドと前記リードフレームとを複数の導電体で接続する工程と、
前記半導体ダイ及び前記導電体をモールド樹脂で封止する封止工程であり、前記接着材が前記凹部内への前記モールド樹脂の侵入を阻止する封止工程と
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
(付記10)
前記リードフレームをパターニングする工程は、前記凹部の各々が形成される領域内に貫通穴を形成することを有し、前記封止工程は、前記突起端子に嵌合する窪みを有する金型を用いることにより、前記貫通穴から前記凹部内への前記モールド樹脂の侵入を阻止する、ことを特徴とする付記9に記載の半導体装置の製造方法。
100、200、300、400 半導体装置(パッケージ)
120、220、320、420 半導体素子(ダイ)
121、321 電極パッド
130、230、330、330’、430 リードフレーム
131、231、331、431 レール部
132、232、332、432 (第1)ステージ部
132d、232d、332d、432d (第1)ステージ部の凹部
132p、232p、332p、432p (第1)ステージ部の突起端子
133、233、333、433 サポート部
133s、233s 段差
134、234、334、434 リード部
134i、234i、334i、434i インナーリード部
134o、234o、334o、434o インナーリード部
135、235、335、435 突起端子の貫通穴
236、336、436 第2ステージ部
236d、336d、436d 第2ステージ部の凹部
236p、336p、436p 第2ステージ部の突起端子
434d リード部の凹部
434p リード部の突起端子
140、240、340、440 モールド樹脂
150、250、350、450 接着材(ダイ接着材)
151、252、352、452、453 接着材(蓋材)
160、161、260、261、262、360、361、362、460、461、462 導電体(ボンディングワイヤ)
181、182 モールド金型
183 モールド金型の窪み

Claims (6)

  1. 半導体ダイと、
    前記半導体ダイを搭載するダイ搭載面側に複数の凹部を有し、該凹部が、前記ダイ搭載面とは反対側の下面側から突出した突起端子を形作る、リードフレームと、
    前記半導体ダイ上の複数の電極パッドを前記リードフレームに接続する複数の導電体と、
    前記半導体ダイ及び前記導電体を封止するモールド樹脂と、
    を有し、前記凹部は内部に前記モールド樹脂を含まない、
    ことを特徴とする半導体装置。
  2. 前記突起端子は、前記リードフレームの板材を貫通する貫通穴を有する、ことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  3. 前記リードフレームは、前記半導体ダイを搭載し且つ前記突起端子を有するステージ部と、該ステージ部の周囲に配置され、当該半導体装置の側面から突出する複数のアウターリードを形成するリード部とを有する、ことを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置。
  4. 前記ステージ部は、前記半導体ダイが有する複数の機能回路に対応して分割されている、ことを特徴とする請求項3に記載の半導体装置。
  5. 前記ステージ部は、前記半導体ダイが搭載された第1ステージ部と、該第1ステージ部と前記リード部との間に配置された第2ステージ部とを有し、
    前記第1ステージ部及び前記第2ステージ部の双方が前記突起端子を有し、
    前記第1ステージ部は前記半導体ダイ上の電源パッド及びグランドパッドのうちの一方に電気的に接続され、前記第2ステージ部は前記半導体ダイ上の電源パッド及びグランドパッドのうちの他方に電気的に接続されている、
    ことを特徴とする請求項3又は4に記載の半導体装置。
  6. リードフレームをパターニングする工程と、
    前記リードフレームを成形する成形工程であり、半導体ダイを搭載するダイ搭載面側に複数の凹部を形成することにより、前記ダイ搭載面とは反対側の下面側に、前記凹部により形作られた複数の突起端子を形成する成形工程と、
    前記凹部上を接着材で塞ぐ工程と、
    前記リードフレームに半導体ダイを搭載し、該半導体ダイ上の複数の電極パッドと前記リードフレームとを複数の導電体で接続する工程と、
    前記半導体ダイ及び前記導電体をモールド樹脂で封止する封止工程であり、前記接着材が前記凹部内への前記モールド樹脂の侵入を阻止する封止工程と
    を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
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