JP2014078658A - 半導体パッケージ用基板、及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】コストを抑えて信頼性の高い半導体パッケージを製造することができ、かつ半導体パッケージの製造工程においてリードの変形を抑えることのできる半導体パッケージ用基板、及びその製造方法を提供する。
【解決手段】本発明の一態様において、第1の面12の第1の溝13及び第1の面12と反対側の第2の面14の第2の溝15により分離される複数のリード11を有するリードフレーム10と、少なくとも第1の溝13に充填された絶縁材料20と、を有し、第2の溝15の底面は第1の溝13の底面よりも小さく、第2の溝15の底面は第1の溝13の底面に含まれ、複数のリード11間の最も間隔の小さい領域Rは第2の溝15内にある、半導体パッケージ用基板1を提供する。
【選択図】図2
【解決手段】本発明の一態様において、第1の面12の第1の溝13及び第1の面12と反対側の第2の面14の第2の溝15により分離される複数のリード11を有するリードフレーム10と、少なくとも第1の溝13に充填された絶縁材料20と、を有し、第2の溝15の底面は第1の溝13の底面よりも小さく、第2の溝15の底面は第1の溝13の底面に含まれ、複数のリード11間の最も間隔の小さい領域Rは第2の溝15内にある、半導体パッケージ用基板1を提供する。
【選択図】図2
Description
本発明は、半導体パッケージ用基板、及びその製造方法に関する。
高機能携帯端末の普及に伴い、半導体の高集積化とパッケージの薄型化が求められている。論理回路のみならず、アナログ回路や電源制御回路を主とする半導体においても、高機能化が進展して入出力数が増加してきている。携帯端末に用いられる半導体は、適用される電池の消耗を極力抑制するために低消費電力化が進んできているが、半導体パッケージの薄型化・小型化に伴って、半導体チップが発する熱エネルギーで動作が阻害されないように、優れた特性を備えることも期待されている。
従来、小型化を実現するためにBGA(Ball Grid Array)やLGA(Land Grid Array)等の半導体パッケージが用いられ、高放熱性を実現するために銅合金リードフレームを用いたQFP(QuadFlat Package)やQFN(Quad Flat Nolead package)等の半導体パッケージが用いられている。BGAパッケージやLGAパッケージでは、基板のコアとして有機材料が用いられる(例えば、特許文献1参照)。
BGAパッケージの構造例を図7に示す。BGAパッケージ100は、ガラス繊維に有機材料を含浸させた材料からなるコア101と、コア101の両面にラミネート・パターン形成された銅箔102と、コア101を貫通してコア101の両面の銅箔102を接続するスルーホールビア103と、コア101の両面の銅箔102を覆うソルダーレジスト104から構成される基板を有する。半導体チップ105は銀ペースト等の接着剤106により基板に接着される。半導体チップ105の電極と半導体チップ105側のめっきされた銅箔102とが、金や銅などのワイヤー107により電気的に接続される。半導体チップ105は、ワイヤー107を覆うようにして、封止樹脂108によって封止される。
また、薄型の基板を用いたBGAパッケージの構造例を図8に示す。薄型BGAパッケージ200は、ポリイミドフイルム201の片面に銅箔202がラミネートされた基板を有する。
従来型のBGA用基板やLGA用基板を薄型化するためには、有機材料からなるコアやその両面の銅箔を薄くする必要がある。近年では、60μm以下の薄いコア材料も製造できるようになってきたが、細いガラス繊維等が用いられるため、高価になってしまう。また、パッケージの信頼性を考慮すると、銅箔の厚さは12μm以上を確保する必要がある。薄い銅箔を用いた場合の基板の放熱性の低下も自明である。これらの理由により、従来の有機材料をコアとする基板の厚さはおよそ100μm以上と厚くなり、パッケージの薄型化を妨げる。
図9はQFNパッケージの構造例である。QFNパッケージ300は、厚さ約0.2mmの銅合金からなるリードフレーム301を有し、半導体チップ105はリードフレーム301のダイパッド上に銀ペースト等の接着剤106により接着される。一部のQFNパッケージでは、放熱性を高めることを目的として、半導体チップ搭載面と逆側のダイパッドを露出させて、半導体パッケージを実装するプリント配線基板と半田接合する構造をとる場合もある。
リードフレームは、BGAパッケージやLGAパッケージに用いられる基板と比較して材料構成が単純であり加工工程が少ないことから、低コストで製造でき、薄型化も比較的容易である。また、リードフレームは放熱性に優れ、半導体パッケージ組立プロセスにおいて良好な搬送性を有する。
また、パッケージ組立工程内モールドを終えた後にリードフレームをエッチング加工するQFNパッケージが知られている(例えば、非特許文献1参照)。この非特許文献1に記載のQFNパッケージによれば、一般的なリードフレームがモールド工程時にリード間にスペースを有するのに対して、モールド工程まで各リード間が連結されているため、リードの変形が抑えられる。
Yi-Shao Lai 他、"Development and Performance characterizations of a QFN/HMT Package", 2008 IEEE Electronic components and Technology conference, pp. 964-967.
非特許文献1に記載のQFNパッケージによれば、パッケージ組立工程内モールドを終えた後にリードフレームがエッチング加工されるが、一般に、パッケージ組立の工程には銅フレームにエッチングを行う工程が含まれないために、非特許文献1に記載の製造方法を実現するために新規な設備を準備する必要があり、製造コストが増加する。また、こうした設備の導入においては、薬品残渣(塩化第二鉄等)によるリードフレームと封止樹脂との密着性の低下を防ぐために、エッチング後の洗浄工程が必要となるが、洗浄の際に水分がリードフレームを腐食して信頼性を低下させるおそれがある。
したがって、本発明の目的の一つは、コストを抑えて信頼性の高い半導体パッケージを製造することができ、かつ半導体パッケージの製造工程においてリードの変形を抑えることのできる半導体パッケージ用基板、及びその製造方法を提供することにある。
(1)本発明の一態様によれば、上記目的を達成するため、第1の面の第1の溝及び前記第1の面と反対側の第2の面の第2の溝により分離される複数のリードを有するリードフレームと、少なくとも前記第1の溝に充填された絶縁材料と、を有し、前記第2の溝の底面は前記第1の溝の底面よりも小さく、前記第2の溝の底面は前記第1の溝の底面に含まれ、前記複数のリード間の最も間隔の小さい領域は第2の溝内にある、半導体パッケージ用基板が提供される。
(2)上記半導体パッケージ用基板において、前記第1の溝の深さは、前記リードフレームの厚さの40%以上かつ60%以下であることが好ましい。
(3)上記半導体パッケージ用基板において、前記絶縁材料は、前記第1の溝及び前記第2の溝に埋め込まれる部分と、前記リードフレームの前記第2の面上の板状の部分を有し、前記板状の部分は、ダイパッドとして機能してもよい。
(4)上記半導体パッケージ用基板おいて、前記リードフレームは、純銅又は銅合金を主材料とし、35μm以上かつ100μm以下の厚さを有してもよい。
(5)上記半導体パッケージ用基板において、前記絶縁材料は、フォトソルダーレジスト又はソルダーレジストであってもよい。
(6)また、本発明の他の態様によれば、銅条の第1の面に第1のエッチングを施して第1の溝を形成する工程と、前記第1の溝に第1の絶縁材料を充填する工程と、前記銅条の前記第1の面と反対側の第2の面の前記溝上の領域に第2のエッチングを施して第2の溝を形成して、前記銅条を複数のリードに分離し、リードフレームを形成する工程と、を有する半導体パッケージ用基板の製造方法が提供される。
(7)上記半導体パッケージ用基板の製造方法において、前記第1の溝の深さは、前記銅条の厚さの40%以上かつ60%以下であることが好ましい。
(8)上記半導体パッケージ用基板の製造方法において、前記リードフレームを形成した後、前記第2の溝内及び前記第2の面上に第2の絶縁材料を塗布し、前記第2の面上の前記第2の絶縁材料を板状に加工してもよい。
(9)上記半導体パッケージ用基板の製造方法において、前記銅条は、純銅又は銅合金を主材料とし、35μm以上かつ100μm以下の厚さを有してもよい。
(10)上記半導体パッケージ用基板の製造方法において、フォトソルダーレジスト又はソルダーレジストであってもよい。
本発明の一態様によれば、コストを抑えて信頼性の高い半導体パッケージを製造することができ、かつ半導体パッケージの製造工程においてリードの変形を抑えることのできる半導体パッケージ用基板を提供することができる。
〔実施の形態〕
(半導体パッケージ用基板の構造)
図1(a)は、実施の形態に係る半導体パッケージ用基板1の上面図である。図1(b)は、後述する絶縁材料20の第3の部分23の図示を図1(a)から省略した半導体パッケージ用基板1の上面図である。図1(c)は、半導体パッケージ用基板1の下面図である。図2(a)、(b)は、それぞれ図1(a)の線分A−A、B−Bで切断したときの半導体パッケージ用基板1の垂直断面図である。なお、図1(a)〜(c)においては、後述するめっき層16の図示を省略する。
(半導体パッケージ用基板の構造)
図1(a)は、実施の形態に係る半導体パッケージ用基板1の上面図である。図1(b)は、後述する絶縁材料20の第3の部分23の図示を図1(a)から省略した半導体パッケージ用基板1の上面図である。図1(c)は、半導体パッケージ用基板1の下面図である。図2(a)、(b)は、それぞれ図1(a)の線分A−A、B−Bで切断したときの半導体パッケージ用基板1の垂直断面図である。なお、図1(a)〜(c)においては、後述するめっき層16の図示を省略する。
半導体パッケージ用基板1は、リード間を絶縁材料で充填したリードフレーム型の基板であって、複数のリード11を有するリードフレーム10と、複数のリード11の間に充填された絶縁材料20を有する。なお、リードフレーム10のパターンは、図1、2に示されるものに限られない。
リードフレーム10は、例えば、純銅又は銅合金を主材料とする。絶縁材料20は、例えば、フォトソルダーレジスト(PSR)又はソルダーレジスト(SR)である。リードフレーム10の厚さtは、35μm以上かつ100μm以下であることが好ましい。35μm未満の場合は、半導体パッケージ用基板1の強度が不足し、100μmを超える場合はリードフレーム10に形成される溝(第1の溝13及び第2の溝15の一方又は両方)の深さが大きくなりすぎ、溝中に絶縁材料20を適切に形成することが困難になる。例えば、絶縁材料20がPSRである場合は溝の底まで露光光が届かず、絶縁材料20がSRである場合は印刷により溝内に正確に充填することができない。
複数のリード11は、リードフレーム10の第1の面12の第1の溝13及び第1の面11と反対側の第2の面14の第2の溝15により分離される。第2の溝15の底面は第1の溝13の底面よりも小さく、第2の溝15の底面は第1の溝13の底面に含まれる。第1の溝13の深さdは、リードフレーム10の厚さtの40%以上かつ60%以下である。厚さtが40%よりも小さい場合又は60%よりも大きい場合は、第1の溝13又は第2の溝15の深さが大きくなりすぎ、溝中に絶縁材料20を適切に形成することが困難になる。例えば、絶縁材料20がPSRである場合は溝の底まで露光光が届かず、絶縁材料20がSRである場合は印刷により溝内に正確に充填することができない。また、深さdが厚さtの40%よりも小さい場合は、第2の溝15の深さが大きくなり過ぎ、リードフレーム10に微細な配線パターンを形成できなくなるおそれがある。また、深さdが厚さtの60%よりも大きい場合は、リードフレーム10のチップ搭載面側(図2の上側)に薄い部分が生じ、負荷に対する信頼性や放熱性が低下するおそれがある。
絶縁材料20は、第1の溝13に埋め込まれる第1の部分21、第2の溝15に埋め込まれる第2の部分22、及びリードフレーム10の第2の面14上の板状の第3の部分23を有する。第3の部分23は、半導体パッケージ用基板1上に半導体チップを搭載する際にダイパッドとして機能する。個片化された半導体パッケージの外周部にめっき層16を有するリード11が露出しないように、絶縁材料20はリードフレーム10の外周を取り囲むように形成されることが好ましい。
図1(b)に示される領域Rは、複数のリード11間の最も間隔の小さい領域の1つを示す。領域Rを含む複数のリード11間の最も間隔の小さい領域は、第2の溝15内にある。複数のリード11の間隔の最小値、すなわち領域Rにおける複数のリード11の間隔は、第2の溝15の深さに関係する。例えば、第2の溝15を形成する際の深さ方向と水平方向のエッチング速度が等しい場合は、第2の溝15の幅の最小値、すなわち複数のリード11の間隔の最小値は、第2の溝15の深さのおよそ2倍になる。
また、インヒビター(エッチング阻害剤)を添加したエッチャントを用いることにより、水平方向のエッチング速度を低下させることができる。この場合は、第2の溝15の幅の最小値、すなわち複数のリード11の間隔の最小値と第2の溝15の深さとをほぼ等しくすることができる。例えば、リードフレーム10の厚さtが35μmであり、第1の溝13の深さdを厚さtの60%とする場合には、第2の溝15の深さは14μmとなり、複数のリード11の間隔の最小値は14μmとなる。
また、半導体パッケージ用基板1は、リードフレーム10の表面上にめっき層16を有してもよい。めっき層16は、例えば、Ni/Au又はNi/Agの積層構造を有する。
図3(a)、(b)は、半導体パッケージ用基板1の変形例である半導体パッケージ用基板2の垂直断面図である。図3(a)、(b)の断面は、それぞれ図2(a)、(b)の断面に対応する。
半導体パッケージ用基板2は、絶縁材料20が第1の部分21のみを有する点で、半導体パッケージ用基板1と異なる。半導体パッケージ用基板1は、半導体パッケージ用基板2と比較して、絶縁材料20が第2の部分22及び第3の部分23も有するため、基板全体の剛性に優れる。また、半導体チップと基板とを電気的に接合する超音波ワイヤーボンディング工程における、超音波伝導性が高い。また、めっき層16の総面積が小さいため、貴金属の使用量を低減し、基板製造コストを低減することができる。さらに、パッケージ組立工程で用いるモールド樹脂と基板との間の密着性が高い。
図4(a)、(b)は、それぞれ半導体パッケージ用基板1、2に半導体チップ30を搭載した半導体パッケージの断面図である。図4(a)、(b)の断面は、それぞれ図2(a)、図3(a)の断面に対応する。
半導体チップ30は、銀ペースト等の接着剤31によって絶縁材料20の第3の部分23上に接着され、半導体チップ30の複数の電極と複数のリード11がそれぞれワイヤー32によって電気的に接続される。半導体チップ30及びワイヤー32は、封止樹脂33により封止される。また、第1の面12の第1の溝13が形成されていない領域(図4における、リード11の下側に露出した領域)は、例えば、半田ボール等によりプリント配線基板と接合されるランドとして機能する。
半導体パッケージ用基板2に半導体チップ30を搭載する場合は、半導体チップ30を搭載する領域下の第2の部分22及び第3の部分23を形成した後、半導体チップ30を搭載する。
(半導体パッケージ用基板の製造工程)
図5(a)〜(f)、図6(g)〜(k)は、実施の形態に係る半導体パッケージ用基板の製造工程の一例を表す断面図である。図5(a)〜(f)、図6(g)〜(k)の断面は、図2(b)の断面に対応する。
図5(a)〜(f)、図6(g)〜(k)は、実施の形態に係る半導体パッケージ用基板の製造工程の一例を表す断面図である。図5(a)〜(f)、図6(g)〜(k)の断面は、図2(b)の断面に対応する。
まず、図5(a)に示されるように、銅条40の第1の面12及び第2の面14にそれぞれドライフィルムレジスト51、52を貼り付ける。銅条40は、後の工程でリードフレーム10に加工される部材である。銅条40として、例えば、幅が105mm、厚さtが75μmの日立電線製銅合金HCL2ZR(2ZROFC)を用いることができる。
次に、図5(b)に示されるように、フォトリソグラフィ法により、第1の面12上のドライフィルムレジスト51にパターンを形成する。
次に、図5(c)に示されるように、第1のエッチングであるウェットエッチングにより、ドライフィルムレジスト51のパターンを銅条40に転写し、第1の面12に底面60を有する第1の溝13を形成する。第1の溝13の深さdは、銅条40の厚さtの40%以上かつ60%未満である。例えば、銅条40の厚さtが75μmである場合は、第1の溝13の深さdを40μmとする。ウェットエッチングには、例えば、塩化銅又は塩化鉄が主成分であるエッチング液が用いられる。
次に、図5(d)に示されるように、ドライフィルムレジスト51、52を銅条40から剥離する。例えば、銅条40を水酸化ナトリウムが主成分の薬液に浸漬することにより、ドライフィルムレジスト51、52を銅条40から剥離する。
次に、図5(e)に示されるように、絶縁材料53を銅条40の第1の面12側に塗布し、第1の溝13内に充填する。絶縁材料53は、後の工程で絶縁材料20の第1の部分21に加工される部材であり、例えば、PSRであり、スクリーン印刷により塗布される。なお、絶縁材料53は、第1の溝13内のすべての領域に埋め込まれる必要はなく、例えば、貫通孔を形成する領域には埋め込まれなくてもよい。
次に、図5(f)に示されるように、フォトリソグラフィ法等を用いて、第1の面12の第1の溝13が形成されていない領域が露出するように絶縁材料53を加工する。この加工により、絶縁材料53から絶縁材料20の第1の部分21が形成される。なお、第1の面12の第1の溝13が形成されていない領域の面積が比較的大きく、第1の溝13への絶縁材料53の埋め込みに高い精度が要求されない場合は、絶縁材料53としてSRを用いて、スクリーン印刷のみにより絶縁材料53を第1の溝13へ埋め込んでもよい。
次に、図6(g)に示されるように、銅条40の第2の面14にドライフィルムレジスト54を貼り付ける。また、銅条40の第1の面12には、アクリル系樹脂等の裏止め剤55を塗布する。
次に、図6(h)に示されるように、フォトリソグラフィ法により、第2の面14上のドライフィルムレジスト54にパターンを形成する。
次に、図6(i)に示されるように、第2のエッチングであるウェットエッチングにより、ドライフィルムレジスト54のパターンを銅条40に転写し、第2の面14に底面61を有する第2の溝15を形成する。これにより、銅条40が複数のリード11に分離され、リードフレーム10が得られる。ウェットエッチングには、例えば、塩化銅又は塩化鉄が主成分であるエッチング液が用いられる。
このとき、第2の溝15を形成する部分の銅条40は、第1のエッチングによって薄くなっているため、第2のエッチングにより複雑なパターンや微細なパターンを形成することができる。これにより、複数のリード11の間隔を狭くすることができる。
次に、図6(j)に示されるように、ドライフィルムレジスト54及び裏止め剤55をリードフレーム10から剥離する。例えば、銅条40を水酸化ナトリウムが主成分の薬液に浸漬することにより、ドライフィルムレジスト54及び裏止め剤55をリードフレーム10から剥離する。
次に、図6(k)に示されるように、スクリーン印刷等により、絶縁材料56をリードフレーム10の第1の面12側に塗布する。絶縁材料56は、後の工程で絶縁材料20の第2の部分22及び第3の部分23に加工される部材であり、例えば、PSRであり、第2の溝15内及び第1の面12上に塗布される。
その後、フォトリソグラフィ法等により絶縁材料56をパターニングして第2の面14上の部分を板状に加工し、絶縁材料20の第2の部分22及び第3の部分23を得る。さらに、めっき処理によりリードフレーム10の露出した表面にめっき層16を形成して、図2に示される半導体パッケージ用基板1を得る。
なお、絶縁材料56をリードフレーム10に塗布せずに、図6(j)に示される工程の後にリードフレーム10にめっき処理を施す場合は、図3に示される半導体パッケージ用基板2が得られる。
(実施の形態の効果)
本実施の形態の半導体パッケージ用基板1、2によれば、リードフレーム10を用いているため、有機系材料をコアとする基板と比較して、薄型化しても信頼性、放熱性を確保することができる。
本実施の形態の半導体パッケージ用基板1、2によれば、リードフレーム10を用いているため、有機系材料をコアとする基板と比較して、薄型化しても信頼性、放熱性を確保することができる。
また、リードフレーム10の複数のリード11間に絶縁材料が充填されているため、製造工程内での搬送性が良好であり、外力による変形にも強い。そして、パッケージ組立工程内モールドを終えた後にリードフレームをエッチング加工する必要がないため、パッケージ組立工程のために新規設備を導入する必要がなく、また、半導体パッケージの耐湿性等の信頼性が低下するおそれもない。
また、本実施の形態の半導体パッケージ用基板1、2は、通常のフレキシブル基板の製造に用いられる設備を利用して製造することができる。また、実装工程において、通常のBGA実装やQFN実装を用いることができる。このため、基板製造工程と実装工程の両工程において、新規設備の導入を行う必要がない。
さらに、銅条40の第1の面12からの第1のエッチングによって薄くなった部分に第2の面14からの第2のエッチングを施して複数のリード11に分離することにより、複雑なパターンや微細なパターンを形成することができ、また、複数のリード11の間隔を狭くすることができる。
以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は、上記実施の形態に限定されず、発明の主旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施が可能である。
また、上記に記載した実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。
1、2 半導体パッケージ用基板
10 リードフレーム
11 リード
12 第1の面
13 第1の溝
14 第2の面
15 第2の溝
20 絶縁材料
21 第1の部分
22 第2の部分
23 第3の部分
40 銅条
53、56 絶縁材料
R リード11間の最も間隔の小さい領域
10 リードフレーム
11 リード
12 第1の面
13 第1の溝
14 第2の面
15 第2の溝
20 絶縁材料
21 第1の部分
22 第2の部分
23 第3の部分
40 銅条
53、56 絶縁材料
R リード11間の最も間隔の小さい領域
Claims (10)
- 第1の面の第1の溝及び前記第1の面と反対側の第2の面の第2の溝により分離される複数のリードを有するリードフレームと、
少なくとも前記第1の溝に充填された絶縁材料と、
を有し、
前記第2の溝の底面は前記第1の溝の底面よりも小さく、前記第2の溝の底面は前記第1の溝の底面に含まれ、
前記複数のリード間の最も間隔の小さい領域は第2の溝内にある、
半導体パッケージ用基板。 - 前記第1の溝の深さは、前記リードフレームの厚さの40%以上かつ60%以下である、
請求項1に記載の半導体パッケージ用基板。 - 前記絶縁材料は、前記第1の溝及び前記第2の溝に埋め込まれる部分と、前記リードフレームの前記第2の面上の板状の部分を有し、
前記板状の部分は、ダイパッドとして機能する、
請求項1又は2に記載の半導体パッケージ用基板。 - 前記リードフレームは、純銅又は銅合金を主材料とし、35μm以上かつ100μm以下の厚さを有する、
請求項1〜3のいずれかに記載の半導体パッケージ用基板。 - 前記絶縁材料は、フォトソルダーレジスト又はソルダーレジストである、
請求項1〜4のいずれかに記載の半導体パッケージ用基板。 - 銅条の第1の面に第1のエッチングを施して第1の溝を形成する工程と、
前記第1の溝に第1の絶縁材料を充填する工程と、
前記銅条の前記第1の面と反対側の第2の面の前記溝上の領域に第2のエッチングを施して第2の溝を形成して、前記銅条を複数のリードに分離し、リードフレームを形成する工程と、
を有する半導体パッケージ用基板の製造方法。 - 前記第1の溝の深さは、前記銅条の厚さの40%以上かつ60%以下である、
請求項6に記載の半導体パッケージ用基板の製造方法。 - 前記リードフレームを形成した後、前記第2の溝内及び前記第2の面上に第2の絶縁材料を塗布し、
前記第2の面上の前記第2の絶縁材料を板状に加工する、
請求項6又は7に記載の半導体パッケージ用基板の製造方法。 - 前記銅条は、純銅又は銅合金を主材料とし、35μm以上かつ100μm以下の厚さを有する、
請求項6〜8のいずれかに記載の半導体パッケージ用基板の製造方法。 - 前記第1絶縁材料及び前記第2の絶縁材料は、フォトソルダーレジスト又はソルダーレジストである、
請求項6〜9のいずれかに記載の半導体パッケージ用基板の製造方法。
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