JP2018195648A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体材料によりなる発熱体を備え、当該発熱体から生じる熱を当該発熱体が搭載された面の背面から放熱する構造の半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device having a heating element made of a semiconductor material and configured to radiate heat generated from the heating element from the back surface of the surface on which the heating element is mounted.
従来より、ダイパッドとリードとを備えるリードフレームと、ダイパッド上に搭載され、ワイヤを介してリードと電気的に接続された半導体チップと、これらの一部を覆う封止部材とを備える半導体装置として、例えば特許文献1に記載のものが知られている。 Conventionally, as a semiconductor device including a lead frame including a die pad and a lead, a semiconductor chip mounted on the die pad and electrically connected to the lead via a wire, and a sealing member covering a part of the semiconductor chip For example, the thing of patent document 1 is known.
特許文献1に記載の半導体装置は、半導体チップと、半導体チップを搭載するダイパッドとリードとを備えるリードフレームと、半導体チップとリードとを電気的に接続するワイヤと、半導体チップ、リードフレームの一部を封止する樹脂部材とを備える。具体的には、特許文献1に記載の半導体装置は、樹脂部材がインナーリードおよびダイパッドを封止した構造、いわゆるフルモールド構造とされている。 A semiconductor device described in Patent Document 1 includes a semiconductor chip, a lead frame including a die pad on which the semiconductor chip is mounted, a lead, a wire that electrically connects the semiconductor chip and the lead, a semiconductor chip, and a lead frame. And a resin member for sealing the part. Specifically, the semiconductor device described in Patent Document 1 has a structure in which a resin member seals an inner lead and a die pad, a so-called full mold structure.
このような構成において、リードのうち樹脂部材に覆われたインナーリードは、ダイパッドと同一平面上に配置されている。樹脂部材は、平面視での外郭領域にて、インナーリードと重なる領域でその一部が凹んだ形状の切り込み部が形成されている。そして、リードのうち樹脂部材から露出したアウターリードは、切り込み部に入り込むように折り曲げられ、断面視にてインナーリードと樹脂部材を隔てて向き合うJの字形状とされている。 In such a configuration, the inner lead covered with the resin member among the leads is arranged on the same plane as the die pad. The resin member is formed with a cut portion having a concave shape in a region overlapping with the inner lead in an outer region in a plan view. Out of the leads, the outer lead exposed from the resin member is bent so as to enter the cut portion, and has a J-shape facing the inner lead and the resin member in a sectional view.
すなわち、リードフレームのうちダイパッドとインナーリードとが同一平面上に配置され、アウターリードが樹脂部材の切れ込み部に入り込むように折り曲げられた構造とされることで、小型化および低背化された半導体装置となる。 In other words, the die pad and the inner lead of the lead frame are arranged on the same plane, and the outer lead is bent so as to enter the cut portion of the resin member, thereby reducing the size and height of the semiconductor. It becomes a device.
ところで、リードフレーム、半導体チップおよびこれらの一部を覆う樹脂部材を備える半導体装置では、半導体チップを駆動させた際に生じる熱を効率良く放熱させ、半導体チップを冷却することが重要である。特許文献1に記載の半導体装置は、小型化および低背化されるものの、フルモールド構造の装置とされているため、放熱性を高くすることが難しい。 By the way, in a semiconductor device including a lead frame, a semiconductor chip, and a resin member that covers a part thereof, it is important to efficiently dissipate heat generated when the semiconductor chip is driven to cool the semiconductor chip. Although the semiconductor device described in Patent Document 1 is reduced in size and height, it is difficult to increase heat dissipation because it is a full-molded device.
一方、半導体装置を低背化、すなわち薄型化しつつ、放熱性を高める構造としては、リードフレームのうち半導体チップが搭載された部分の当該半導体チップを搭載した面の反対側が樹脂部材から露出した、いわゆるハーフモールド構造が知られている。 On the other hand, as a structure for reducing the height of the semiconductor device, that is, reducing the thickness while improving the heat dissipation, the opposite side of the surface of the lead frame where the semiconductor chip is mounted is exposed from the resin member. A so-called half mold structure is known.
ハーフモールド構造の半導体装置は、例えば、配線基板とアウターリードとのはんだ接合により配線基板上に搭載されると共に、半導体チップが搭載された面の反対面(以下「背面」という)が熱伝導率の高い材料によりなる放熱部材に接続されて用いられる。具体的には、ハーフモールド構造の半導体装置は、アウターリードが半導体チップの搭載された側の方向に伸びると共に、配線基板とはんだを介して接合され、背面と放熱基板とが接合材により接合されている。つまり、上記の例では、ハーフモールド構造の半導体装置は、配線基板と放熱部材とに挟まれた状態とされている。このように、ハーフモールド構造の半導体装置は、半導体チップの駆動により生じる熱を背面から放熱できる構造であるため、フルモールド構造に比べて半導体チップの冷却効率が高い。 For example, a semiconductor device having a half mold structure is mounted on a wiring substrate by solder bonding between the wiring substrate and an outer lead, and the surface opposite to the surface on which the semiconductor chip is mounted (hereinafter referred to as “rear surface”) has a thermal conductivity. It is used by being connected to a heat radiating member made of a high material. Specifically, in the semiconductor device having a half mold structure, the outer lead extends in the direction of the side where the semiconductor chip is mounted, and is bonded to the wiring substrate via solder, and the back surface and the heat dissipation substrate are bonded to each other by a bonding material. ing. In other words, in the above example, the half-molded semiconductor device is sandwiched between the wiring board and the heat dissipation member. As described above, the semiconductor device having the half mold structure has a structure capable of dissipating heat generated by driving the semiconductor chip from the back surface, and thus has a higher cooling efficiency of the semiconductor chip than the full mold structure.
そこで、特許文献1に記載の半導体装置をハーフモールド構造として放熱性を高めることが考えられるが、インナーリードとダイパッドとが同一平面上に配置する必要があり、ハーフモールド構造ではインナーリードが樹脂部材から剥離するおそれがある。そのため、特許文献1に記載の半導体装置は、ハーフモールド構造を採用した場合、剥離に対する信頼性が著しく低下してしまう。 Therefore, it is conceivable that the semiconductor device described in Patent Document 1 has a half mold structure to improve heat dissipation, but the inner lead and the die pad need to be arranged on the same plane. In the half mold structure, the inner lead is a resin member. There is a risk of peeling. Therefore, when the semiconductor device described in Patent Document 1 adopts the half mold structure, the reliability with respect to peeling is significantly reduced.
ここで、ハーフモールド構造の半導体装置では、リードフレームを押し出し加工することでダイパッドがリードから突き出した構造とされる。また、この押し出し加工においては、ダイパッドとリードとを繋ぐ吊りピンが切れたり、破損したりしないようにダイパッドの押し出し量を少なくすることが一般的であるため、ハーフモールド構造の半導体装置は、薄型化される傾向にある。 Here, the semiconductor device having a half mold structure has a structure in which the die pad protrudes from the lead by extruding the lead frame. Also, in this extrusion process, it is common to reduce the extrusion amount of the die pad so that the hanging pin connecting the die pad and the lead is not cut or damaged, so the semiconductor device of the half mold structure is thin. There is a tendency to become.
また、近年、ハーフモールド構造の半導体装置は、高集積化などのニーズから、さらに薄型化が検討されている。本発明者らが薄型化されたハーフモールド構造の半導体装置を鋭意検討した結果、単に薄膜化しただけの構成ではアウターリードにおけるはんだ接合の信頼性が確保できないことが判明した。 In recent years, further reduction in thickness of semiconductor devices having a half mold structure has been studied in view of needs such as higher integration. As a result of intensive studies of the thin-molded semiconductor device by the present inventors, it has been found that the reliability of solder joints in the outer leads cannot be ensured with a structure that is simply made thin.
具体的には、薄型化されたハーフモールド構造の半導体装置は、半導体チップの駆動による発熱により反りやすく、アウターリードが薄型化に伴って短くされているため、半導体装置の反りがアウターリードのはんだ接合部に伝わり易い。その結果、半導体チップの駆動による発熱で生じる半導体装置の反りや熱応力がはんだ接合部にかかり、はんだにクラックが生じることではんだ接合の信頼性が低下し得ることが判明した。 Specifically, a thin semiconductor device having a half mold structure is likely to warp due to heat generated by driving a semiconductor chip, and the outer leads are shortened as the thickness is reduced. Easy to be transmitted to the joint. As a result, it has been found that the warpage or thermal stress of the semiconductor device caused by the heat generated by driving the semiconductor chip is applied to the solder joint, and the solder joint reliability can be lowered by cracking the solder.
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、従来よりも薄型化された背面放熱型の構造とされつつ、アウターリードにかかる熱応力などを緩和でき、はんだ接合の信頼性の高い半導体装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above points, and can reduce the thermal stress applied to the outer lead while having a backside heat radiation type structure that is thinner than the conventional one, and has high solder joint reliability. An object is to provide a semiconductor device.
上記目的を達成するため、請求項1に記載の半導体装置は、表裏の関係にある一面(11a)と他面(11b)とを有するダイパッド(11)と、リード(12)とを備えるリードフレーム(10)と、一面上に搭載された半導体チップ(14)と、リードの一部と半導体チップとを電気的に接続するワイヤ(15)と、ダイパッドの一面、半導体チップ、ワイヤおよびリードの一部を覆うモールド樹脂(16)と、を備える。そして、ダイパッドは、リードのうちモールド樹脂に覆われた部分であるインナーリード(121)のなす平面と異なる平面上に配置されており、一面に対する法線方向のうち一面から他面へ向かう方向を上方向とし、他面から一面へ向かう方向を下方向として、モールド樹脂のうちインナーリードよりも下方向の部分であるモールド下部(162)の法線方向における厚みは、モールド樹脂のうちインナーリードよりも上方向の部分であるモールド上部(161)の法線方向における厚みよりも厚くされており、アウターリードは、モールド下部側に折り曲げられた形状とされている。 In order to achieve the above object, a semiconductor device according to claim 1 includes a die pad (11) having one surface (11a) and the other surface (11b) in a front / back relationship, and a lead (12). (10), a semiconductor chip (14) mounted on one surface, a wire (15) for electrically connecting a part of the lead and the semiconductor chip, one surface of the die pad, one of the semiconductor chip, the wire and the lead A mold resin (16) covering the portion. The die pad is arranged on a plane different from the plane formed by the inner lead (121) which is a portion covered with the mold resin in the lead, and the direction from one surface to the other surface in the normal direction to the one surface is set. The thickness in the normal direction of the mold lower part (162), which is the lower part of the mold resin than the inner lead, is the upper direction, and the direction from the other surface to the one surface is the lower direction. Also, the thickness is larger than the thickness in the normal direction of the upper part (161) of the mold, which is the upper part, and the outer lead is bent to the lower part of the mold.
これにより、モールド樹脂がインナーリードを基準位置としてインナーリードよりも下方向の部分であるモールド下部の厚みが、インナーリードよりも上方向の部分であるモールド上部の厚みよりも厚い非対称体とされた半導体装置となる。そして、アウターリードがモールド上部よりも厚いモールド下部側に折り曲げられた配置とされ、アウターリードの上下方向における長さを確保できる構造となる。これにより、薄型化されつつも半導体チップを駆動させた際に生じる熱の影響により半導体装置が反ることが抑制されると共に、熱応力がアウターリードのうちモールド樹脂の反対側に伝わりにくく、他の部材へ搭載した際の安定性が高い半導体装置となる。 As a result, the mold resin has an asymmetrical body in which the thickness of the lower part of the mold, which is the lower part of the inner lead with the inner lead as the reference position, is thicker than the thickness of the upper part of the mold, which is the upper part of the inner lead. It becomes a semiconductor device. The outer leads are arranged to be bent to the mold lower side thicker than the mold upper part, and the length of the outer leads in the vertical direction can be ensured. As a result, the semiconductor device is prevented from warping due to the effect of heat generated when the semiconductor chip is driven while being thinned, and the thermal stress is difficult to be transmitted to the opposite side of the mold resin in the outer lead. The semiconductor device is highly stable when mounted on the member.
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係の一例を示すものである。 In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each said means shows an example of a corresponding relationship with the specific means as described in embodiment mentioned later.
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following embodiments, parts that are the same or equivalent to each other will be described with the same reference numerals.
(第1実施形態)
第1実施形態の半導体装置について、図1〜図6を参照して述べる。本実施形態の半導体装置は、例えば自動車などの車両に搭載され、車両用の各種電子装置を駆動するための装置として適用されるものである。
(First embodiment)
The semiconductor device according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. The semiconductor device of this embodiment is mounted on a vehicle such as an automobile, and is applied as a device for driving various electronic devices for the vehicle.
図1では、図2に示す後述するダイパッド11の他面11b側から見た本実施形態の半導体装置の上面レイアウトを示しており、モールド樹脂16の外郭線を二点鎖線で示している。また、図1では、他面11b側から見てダイパッド11もしくはインナーリード121により隠される部分である半導体チップ14やワイヤ15の一部については、破線で示している。図2では、モールド樹脂16の構成の説明のため便宜的に、後述するインナーリード121の表面のなす平面およびモールド樹脂16の表面のうち一部のなす平面の延長線を一点鎖線で示している。
FIG. 1 shows an upper surface layout of the semiconductor device of this embodiment viewed from the
本実施形態の半導体装置は、図1もしくは図2に示すように、ダイパッド11とリード12とを有するリードフレーム10と、ダイパッド11の一面11a上に搭載された半導体チップ14と、ワイヤ15と、これらの一部を覆うモールド樹脂16とを有してなる。
As shown in FIG. 1 or FIG. 2, the semiconductor device of this embodiment includes a
本実施形態の半導体装置は、図1に示すように、ダイパッド11の他面11b側から見て略四角形状とされたモールド樹脂16の四辺からリード12の一部が突き出して露出した形状のQFP(Quad Flat Packageの略)として構成されている。なお、本実施形態の半導体装置は、QFPに限られず、SOP(Small Outline Packageの略)などの他のパッケージ形状とされてもよい。
As shown in FIG. 1, the semiconductor device according to the present embodiment has a QFP having a shape in which a part of the
リードフレーム10は、例えばCuやFeなどの金属材料によりなり、図2に示すように、一面11aと他面11bとを備えるダイパッド11と、ダイパッド11と異なる平面上に配置されるリード12とを有してなる。リードフレーム10は、例えば、1枚の金属板をプレス打ち抜きなどでダイパッド11およびリード12となる領域を形成した後、押し出し加工にてダイパッド11となる領域を押し出すことで形成される。リードフレーム10は、ワイヤボンディング性の向上などの観点から、必要に応じて、Ag、Auなどの貴金属メッキなどが施されていてもよい。
The
ダイパッド11は、例えば、図1に示すように表裏の関係にある一面11aと他面11bとを有し、四角形板状とされる。ダイパッド11は、例えば上述の押し出し加工により一枚の金属板から押し出された結果、リード12と異なる平面上に配置される。なお、ダイパッド11は、押し出し加工時においては図1に示す吊りリード17を介してリード12が形成された金属板と接続されているが、モールド樹脂16の形成後に打ち抜き加工された結果、リード12と分断されている。
For example, as shown in FIG. 1, the
ダイパッド11は、図2に示すように、一面11a上に接合材13を介して例えばMOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistorの略)やIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistorの略)などを備える半導体チップ14が搭載されている。
As shown in FIG. 2, the
接合材13は、例えば、はんだやダイボンド材などの任意の接合材料であり、半導体チップ14とダイパッド11とを熱的に接続している。
The
リード12は、図2に示すように、一部がモールド樹脂16に覆われており、モールド樹脂16に覆われたインナーリード121と、モールド樹脂16から露出した残部であるアウターリード122とにより構成されている。
As shown in FIG. 2, the
インナーリード121は、例えば、Alなどの金属材料によりなるワイヤ15がワイヤボンディングされることにより、ワイヤ15を介して半導体チップ14と電気的に接続されている。インナーリード121は、上述のリードフレーム10の押し出し加工の結果、ダイパッド11と異なる平面上に配置されている。
The
アウターリード122は、図2に示すように、ダイパッド11の一面11aに対する法線方向Y1のうち一方向側に折り曲げられつつ、当該一方向側へ伸びるように延設されている。具体的には、法線方向Y1のうちダイパッド11の一面11aから他面11bに向かう方向を上方向とし、上方向の反対方向を下方向として、アウターリード122は、下方向側へ折り曲げられた形状とされている。その結果、アウターリード122は、モールド樹脂16から突出すると共に、下方向側へ折り曲げられ、下方向側に延設された形状とされている。
As shown in FIG. 2, the
アウターリード122のうちモールド樹脂16の反対側の一端122aは、はんだ接合などにより配線基板などに搭載されるために用いられる。アウターリード122は、図2に示すように、モールド樹脂16の表面のうち半導体チップ14を隔ててダイパッド11の一面11aと向き合う面を底面16aとして、少なくとも底面16aまで延設されることが好ましい。これは、アウターリード122の一端122aをはんだ付けにより他の部材へ接合した際に、当該接合した部分の信頼性を高めることができるためである。この詳細については、後ほど説明する。
One
モールド樹脂16は、本実施形態では、図2に示すように、ダイパッド11のうち他面11bと異なる部分、リード12の一部、接合材13、半導体チップ14およびワイヤ15を覆う封止部材であり、例えばエポキシ樹脂などの樹脂材料により構成される。
In the present embodiment, the
モールド樹脂16は、図2に示すように、インナーリード121の表面を基準位置とした場合、法線方向Y1において非対称体とされている。具体的には、モールド樹脂16のうちインナーリード121よりも上方向における部分をモールド上部161とし、モールド樹脂16のうちインナーリード121よりも下方向における部分をモールド下部162とする。このとき、モールド下部162の法線方向Y1における厚みは、モールド上部161の法線方向Y1における厚みよりも厚くされている。
As shown in FIG. 2, the
言い換えると、インナーリードを基準位置とした場合にモールド樹脂が法線方向Y1において対称体となる従来の半導体装置と異なり、本実施形態の半導体装置では、モールド樹脂16は法線方向Y1において非対称体とされている。
In other words, unlike the conventional semiconductor device in which the mold resin is a symmetric body in the normal direction Y1 when the inner lead is the reference position, in the semiconductor device of this embodiment, the
これは、半導体チップ14を駆動させた際の発熱に起因するモールド樹脂16全体の反りを低減すると共に、アウターリード122の長さを確保するためである。この詳細については、後ほど詳しく説明する。
This is to reduce the warpage of the
なお、本実施形態の半導体装置は、ダイパッド11およびこれに搭載された半導体チップ14がモールド上部161側に配置され、ダイパッド11の他面11bがモールド樹脂16から露出した構成とされている。これにより、半導体チップ14から生じる熱がダイパッド11の他面11b、すなわち背面から放熱される背面放熱型の半導体装置となる。
In the semiconductor device of this embodiment, the
以上が、本実施形態の半導体装置の基本的な構成である。次に、本実施形態の半導体装置の製造方法について説明する。 The above is the basic configuration of the semiconductor device of this embodiment. Next, a method for manufacturing the semiconductor device of this embodiment will be described.
Cuなどによりなる1枚の金属板をプレス打ち抜き加工をし、ダイパッド11およびリード12となる領域を形成した後に、押し出し加工によりダイパッド11となる領域を押し出すことでリードフレーム10を作製する。なお、既にダイパッド11がリード12と異なる平面上に配置されたリードフレーム10を用意し、これを用いてもよい。また、必要に応じてリードフレーム10の表面に貴金属メッキなどを施してもよい。
One metal plate made of Cu or the like is subjected to press punching to form a region to be the
次いで、任意の製造方法により製造された半導体チップ14を用意し、例えば任意のダイボンド材によりなる接合材13を介してダイパッド11の一面11a上に半導体チップ14を搭載する。そして、ワイヤボンディングによりリード12と半導体チップ14とをAlなどによりなるワイヤ15を介して電気的に接続する。
Next, the
続けて、図示しない上型と下型とによりなる金型を用意し、半導体チップ14が搭載され、かつワイヤボンディングがされたリードフレーム10を下型にセットし、上型と下型とを型合わせする。そして、モールド樹脂16となるエポキシ樹脂などの樹脂材料を金型に流し込み、当該樹脂材料を加熱硬化させる。
Subsequently, a mold composed of an upper mold and a lower mold (not shown) is prepared, the
なお、この場合、例えば上型のキャビティがリードフレーム10をセットする下型のキャビティよりも深く凹んだ形状とされており、この金型は、半導体チップ14の搭載側の反対側の樹脂厚みが半導体チップ14の搭載側の樹脂厚みより厚くなる仕様とされる。
In this case, for example, the upper mold cavity is recessed deeper than the lower mold cavity in which the
モールド樹脂16を形成後、金型からワークを取出し、プレス打ち抜きにより不要な部分を切断除去することで、本実施形態の半導体装置を製造することができる。
After forming the
次に、本実施形態の半導体装置を他の部材にはんだ付けにより搭載した後のはんだクラックを抑制する効果について、図3〜図5を参照して説明する。 Next, the effect of suppressing solder cracks after mounting the semiconductor device of this embodiment on another member by soldering will be described with reference to FIGS.
まず、従来の半導体装置を他の部材にはんだ付けにより搭載した場合について、図3を参照して説明する。 First, a case where a conventional semiconductor device is mounted on another member by soldering will be described with reference to FIG.
従来の半導体装置は、図3(a)に示すように、一面111aおよび他面111bを有するダイパッド111とリード112とを備えるリードフレーム110と、半導体チップ114と、ワイヤ115とこれらの一部を覆うモールド樹脂116とを有してなる。
As shown in FIG. 3A, a conventional semiconductor device includes a
このような構成において、ダイパッド111は、リード112のうちモールド樹脂116に覆われたインナーリード1121と異なる平面上に配置されている。半導体チップ114は、接合材113を介してダイパッド111の一面111a上に搭載され、ワイヤ115を介してリード112のうちモールド樹脂116に覆われた部分であるインナーリード1121と電気的に接続されている。リード112のうちモールド樹脂116から露出した部分であるアウターリード1122は、ダイパッド111の反対側に折り曲げられた形状とされている。
In such a configuration, the
モールド樹脂116は、図3(a)に示すように、インナーリード1121をダイパッド111の一面111aに対する法線方向Y2における基準とした場合、法線方向Y2において対称体とされている。具体的には、法線方向Y2のうち一面111aから他面111bに向かう方向を上方向とし、上方向の反対方向を下方向とする。このとき、モールド樹脂116のうちインナーリード1121よりも上方向の部分は、モールド樹脂116のうちインナーリード1121よりも下方向の部分と法線方向Y2における厚みが同じとされている。
As shown in FIG. 3A, the
図3(a)では、上記構成の従来の半導体装置を薄型化したものが基板20の表面20a上に搭載され、アウターリード1122のうちモールド樹脂116の反対側の一端1122aが表面20a上に形成されたパッド21にはんだ接合された状態を示している。
In FIG. 3A, a thinned conventional semiconductor device having the above configuration is mounted on the
なお、ここでいう「薄型化」とは、半導体装置を構成するモールド樹脂の厚みを1mm以上2mm以下の範囲内の構成とすることをいう。また、従来の半導体装置については、構成要素であるモールド樹脂の厚みが2mmよりも大きい構成とされ、本実施形態の半導体装置は、従来の半導体装置よりも全体的に薄くされている。 Here, “thinning” means that the thickness of the mold resin constituting the semiconductor device is in the range of 1 mm to 2 mm. In addition, the conventional semiconductor device has a configuration in which the thickness of the molding resin as a component is larger than 2 mm, and the semiconductor device of this embodiment is thinner than the conventional semiconductor device as a whole.
また、基板20は、例えば、ガラスエポキシ樹脂などの絶縁性材料などによりなり、Alなどの金属材料などにより構成されたパッド21が形成されている。
The
ここで、本発明者らが検討した結果、このような従来の半導体装置の構造のままで単に薄型化したものを他部材にはんだ付けで搭載した場合、図3(b)に示すように、はんだクラックの不具合が生じることを判明した。 Here, as a result of the study by the present inventors, when the thinned semiconductor device having such a conventional semiconductor device structure is mounted on another member by soldering, as shown in FIG. It has been found that solder crack defects occur.
具体的には、図3(a)に示すように、アウターリード1122の表面のうち上方向の部分とアウターリード1122の一端1122aとの法線方向Y2における距離をアウターリード1122の高さH1とする。
Specifically, as shown in FIG. 3A, the distance in the normal direction Y2 between the upper portion of the surface of the
このとき、アウターリード1122の高さH1は、モールド樹脂116の法線方向Y2における厚みを薄く、すなわち半導体装置を薄くするほど小さくなる。また、半導体装置を薄型化するほど、半導体チップの発熱による半導体装置の反りやモールド樹脂116とリード112との線膨張係数差に起因する熱応力による力がアウターリード1122に及ぼす影響が大きくなる。
At this time, the height H1 of the
より具体的には、図3(b)の白抜き矢印で示すように、半導体チップ114の発熱による半導体装置の反りや冷熱サイクルなどの環境変化によりモールド樹脂116とリード112との間に生じる熱応力等に起因した力F1がアウターリード1122に作用する。このとき、半導体装置の薄型化に伴い、アウターリード1122の高さH1が、薄型化されていない構成の半導体装置におけるそれに比べて小さくなっている。言い換えると、アウターリード1122の長さは、従来の半導体装置のそれよりも短くなっている。
More specifically, as indicated by the white arrow in FIG. 3B, heat generated between the
そして、従来の半導体装置を単に薄型化したものをはんだ30を介して基板20に設けられたパッド21に接合した場合、図3(b)に示すように、アウターリード1122に力F1が作用することとなる。しかし、図3(b)に示すように、アウターリード1122の長さが短くなると、力F1を緩和する作用が小さくなるため、力F1の影響により、はんだ30とパッド21との間にはんだクラック301が生じ得る。
When a conventional semiconductor device simply thinned is joined to the
このような不具合は、例えば車載用途などの信頼性の要求が厳しい分野に適用する場合には、特に問題となることが予想される。 Such a problem is expected to be a problem particularly when applied to a field where the requirement for reliability is severe such as in-vehicle use.
そこで、本発明者らは、鋭意検討の結果、薄型化しつつも半導体チップ14の発熱による反りや環境変化などに起因する熱応力によるアウターリード122への影響を低減できる半導体装置を発明するに至った。その一例として、本実施形態の半導体装置を他部材にはんだ付けにより搭載した場合について、図4、図5を参照して説明する。
Thus, as a result of intensive studies, the present inventors have invented a semiconductor device that can reduce the influence on the
本実施形態の半導体装置を表面20aにパッド21を備える基板20に搭載した場合、図5に示すように、アウターリード122には、半導体チップ14の発熱による半導体装置の反りや環境変化などに起因する熱応力などによる力F2が作用することとなる。このとき、アウターリード122に作用する力F2は、従来の半導体装置を単に薄型化したもののアウターリード1122に作用する力F1よりも小さくなる。
When the semiconductor device of this embodiment is mounted on the
具体的には、アウターリード122の表面のうち上方向の部分とアウターリード122の一端122aとの法線方向Y1における距離をアウターリード122の高さH2とする。本実施形態の半導体装置では、上述したように、モールド上部161よりも法線方向Y1における厚みが厚いモールド下部162側にアウターリード122が折り曲げられて延設された形状とされている。
Specifically, the distance in the normal direction Y1 between the upper portion of the surface of the
そのため、モールド樹脂の法線方向Y1における厚みが同じであっても、アウターリード122の高さH2は、従来の半導体装置を単に薄型化したものにおけるアウターリード1122の高さH1に比べて大きくなる。言い換えると、アウターリード122の長さは、アウターリード1122の長さよりも長くなる。つまり、アウターリード122は、半導体装置の反りなどに起因する力を緩和する作用がアウターリード1122のそれに比べて大きい構成とされる。
Therefore, even if the thickness of the mold resin in the normal direction Y1 is the same, the height H2 of the
また、本実施形態の半導体装置は、モールド樹脂16のうち半導体チップよりも下方向における部分の厚みが従来の半導体装置のそれよりも厚いため、従来の半導体装置に比べて半導体装置全体の反りが小さくなる構成とされている。
Further, in the semiconductor device of this embodiment, since the thickness of the portion of the
さらに、本実施形態の半導体装置では、モールド下部162がモールド上部161よりも厚くされているため、基板20などの他の部材に搭載する際にモールド下部162がこの搭載時に本実施形態の半導体装置にかかる荷重を受ける役割を果たす。そのため、他の部材への搭載時にアウターリード122が塑性変形しにくく、アウターリード122のうちはんだ接合に用いる部分の面積を安定して確保できる効果も期待される。
Furthermore, in the semiconductor device of this embodiment, since the mold
上記のように、H2>H1とされつつ、半導体装置全体が反りにくいモールド樹脂16の構成とされることで、アウターリード122に作用する力F2は、力F1よりも小さくなる。その結果、図5に示すように、はんだ30とパッド21との間にはんだクラックが発生することを抑制することができる半導体装置となる。
As described above, the force F2 acting on the
次に、本実施形態の半導体装置のうち半導体チップ14とダイパッド11とが接合された部分(以下、単に「接合部」という)における応力低減の効果について、図6を参照して説明する。
Next, an effect of stress reduction in a portion where the
図6では、接合部にかかる応力振幅をシミュレートにより算出した結果であって、従来の半導体装置を単に薄型化したものおよび本実施形態の半導体装置にて得られた結果を比較したものである。 FIG. 6 shows the result of calculation of the stress amplitude applied to the joint, by comparing the results obtained by simply thinning the conventional semiconductor device and the semiconductor device of the present embodiment. .
なお、図6の横軸における「従来」とは、従来の半導体装置を単に薄型化したものを指し、「第1実施形態」とは、本実施形態の半導体装置を指す。図6の縦軸における「接合部の応力振幅」では、従来の半導体装置のシミュレーション結果で得られた応力振幅を100(基準)としている。また、シミュレーションにおいては、2D解析にて実施し、図2に示すような断面状態での応力解析を行った。そして、従来の半導体装置を単に薄型化したものおよび本実施形態の半導体装置は、モールド樹脂の外郭寸法を20mm(幅)×1.4mmt(高さ)とし、ダイパッドの外郭寸法を13mm(幅)×0.15mmt(高さ)とした。また、半導体チップの外郭寸法を9mm(幅)とし、接合部の面積を半導体チップの外郭寸法と同じとした。そして、−65℃の条件において、上記の各半導体装置の接合部にかかる応力振幅を算出した。 Note that “conventional” on the horizontal axis in FIG. 6 refers to a thinned conventional semiconductor device, and “first embodiment” refers to the semiconductor device of the present embodiment. In the “stress amplitude at the joint” on the vertical axis in FIG. 6, the stress amplitude obtained from the simulation result of the conventional semiconductor device is 100 (reference). Moreover, in simulation, it implemented by 2D analysis and performed the stress analysis in a cross-sectional state as shown in FIG. Then, the conventional semiconductor device simply thinned and the semiconductor device of this embodiment have an outer dimension of the mold resin of 20 mm (width) × 1.4 mmt (height) and an outer dimension of the die pad of 13 mm (width). X0.15 mmt (height). Further, the outer dimension of the semiconductor chip was set to 9 mm (width), and the area of the bonding portion was the same as the outer dimension of the semiconductor chip. And the stress amplitude concerning the junction part of said each semiconductor device was computed on the conditions of -65 degreeC.
また、図6のシミュレーションについては、一般的に用いられる公知の応力計算のシミュレーションソフト(例えばアンシス・ジャパン社製のANSYS AIM)を用いて行った。このシミュレーションにより得られる応力振幅が小さいほど、接合部にかかる応力が小さく、接合の信頼性が高くなることを示している。このシミュレーションにより得られる応力振幅の大小の傾向は、経験上、実際の半導体装置における接合部の信頼性の高低とおよそ同じ傾向となることがわかっている。 Further, the simulation of FIG. 6 was performed by using commonly used simulation software for stress calculation (for example, ANSYS AIM manufactured by Ansys Japan). It shows that the smaller the stress amplitude obtained by this simulation, the smaller the stress applied to the joint and the higher the reliability of the joint. From the experience, it is known from experience that the magnitude of the magnitude of the stress amplitude obtained by this simulation is almost the same as the reliability of the junction in an actual semiconductor device.
図6に示すように、従来の半導体装置を単に薄型化したものにおける接合部にかかる応力振幅を100とした場合、本実施形態の半導体装置における接合部にかかる応力振幅は88であった。言い換えると、本実施形態の半導体装置は、接合部にかかる応力振幅が従来の半導体装置を単に薄型化したもののそれに比べて12%低減されており、接合部における接合信頼性が従来に比べて高い構成となる。 As shown in FIG. 6, when the stress amplitude applied to the junction in the conventional semiconductor device simply thinned is 100, the stress amplitude applied to the junction in the semiconductor device of this embodiment is 88. In other words, in the semiconductor device of this embodiment, the stress amplitude applied to the joint is reduced by 12% compared to the conventional semiconductor device that is simply made thinner, and the joint reliability at the joint is higher than that of the conventional device. It becomes composition.
本実施形態によれば、薄型化されつつも、半導体チップの発熱による半導体装置全体の反りを抑制し、反りや熱応力などによる力がアウターリードに作用してもこれを緩和できる半導体装置となる。そのため、他部材へはんだ付けにより搭載した場合、はんだにクラックが発生することを抑制でき、従来の半導体装置に比べて、他部材へのはんだ接合の信頼性の高い半導体装置となる。また、ダイパッドと半導体チップとの接合部にかかる応力についても、従来の半導体装置に比べて緩和される構成の半導体装置となる。 According to the present embodiment, the semiconductor device can be reduced in thickness while suppressing warpage of the entire semiconductor device due to heat generation of the semiconductor chip, and can be mitigated even if force due to warpage or thermal stress acts on the outer lead. . For this reason, when mounted on another member by soldering, it is possible to suppress the occurrence of cracks in the solder, resulting in a semiconductor device with higher reliability of solder bonding to the other member than a conventional semiconductor device. Further, the stress applied to the joint between the die pad and the semiconductor chip can be reduced as compared with the conventional semiconductor device.
(第2実施形態)
第2実施形態の半導体装置について、図7を参照して述べる。図7に示すパッケージ部100は、リードフレーム10、接合材13、半導体チップ14、ワイヤ15およびモールド樹脂16により構成された上記第1実施形態の半導体装置に相当する部分である。
(Second Embodiment)
A semiconductor device according to the second embodiment will be described with reference to FIG. The
本実施形態の半導体装置は、図7に示すように、パッド21を備える基板20上にパッケージ部100が搭載され、ダイパッド11の他面11b上に半導体チップ14から生じる熱を放熱するための放熱ゲル40が配置されている。そして、本実施形態の半導体装置は、放熱ゲル40を介して放熱部材50に接続された構成とされている点で上記第1実施形態と相違する。本実施形態では、この相違点について主に説明する。
In the semiconductor device of this embodiment, as shown in FIG. 7, a
放熱ゲル40は、半導体チップ14から生じる熱を放熱する効率を高めるために用いられ、例えばシリコンゲルなどにより構成される。放熱ゲル40は、放熱の効率向上の観点から、熱伝導率が3W/m・K以上の材料が用いられることが好ましい。放熱ゲル40は、放熱の効率向上の観点から、他面11bの一部に接するように形成されてもよいが、他面11bの全部を覆うように形成されることが好ましい。
The
放熱ゲル40は、基板20上に搭載されたパッケージ部100のうちダイパッド11の他面11b上に放熱ゲル40となる材料を例えばディスペンサーなどで塗布した後、放熱部材50を当該塗布した材料上に載せることにより形成される。
The
放熱部材50は、放熱ゲル40を介して半導体チップ14と熱的に接続され、放熱の効率向上のために用いられる部材であり、例えばAlなどの熱伝導率の高い金属材料により構成される。
The
放熱部材50は、図7に示すように、例えば断面視にて四角形板状とされているが、放熱効率が向上できればよく、任意の冷却フィンなどのように、放熱部材50の表面のうち放熱ゲル40と反対の面に凹凸形状や溝などが設けられた形状とされていてもよい。放熱部材50は、パッケージ部100もしくはパッケージ部100および基板20などの他の部材などを覆う筐体とされていてもよい。このように放熱部材50は、必要に応じて、任意の形状とされるが、放熱の効率向上の観点から、面積や体積が大きくされた、すなわち熱容量の大きい形状とされることが好ましい。
As shown in FIG. 7, the
本実施形態によれば、半導体チップ14から生じる熱がダイパッド11の他面11bから放熱ゲル40を介して熱容量の大きい放熱部材50へと拡散し、放熱の効率の高い背面放熱型の半導体装置となる。
According to this embodiment, the heat generated from the
また、上記第1実施形態と同様に、パッケージ部100のうちモールド下部162がモールド上部161よりも厚くされ、かつ、アウターリード122の長さが長くされた構成とされている。そのため、本実施形態の半導体装置は、パッケージ部100が薄型化されつつも、アウターリード122のはんだ接合における接合信頼性の高い半導体装置となる。
Similarly to the first embodiment, the mold
(他の実施形態)
なお、上記した各実施形態に示した半導体装置は、本発明の半導体装置の一例を示したものであり、上記の各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した範囲内において適宜変更が可能である。
(Other embodiments)
The semiconductor device described in each of the above embodiments is an example of the semiconductor device of the present invention, and is not limited to each of the above embodiments, but within the scope described in the claims. Can be changed as appropriate.
(1)例えば、上記各実施形態の半導体装置において、図8に示すように、アウターリード122のうち一端122a側、すなわち基板20上のパッド21などとの接合に用いる部分の長さが長くされた構造とされてもよい。これにより、はんだ30を介してアウターリード122がパッド21と接合された部分の面積が多くなり、半導体装置の反りや熱応力に起因する力が一端122aに作用してもはんだ30にクラックが生じることを抑制できる接合構造となる。
(1) For example, in the semiconductor device of each of the above embodiments, as shown in FIG. 8, the length of the
(2)上記各実施形態の半導体装置は、モールド樹脂16のうち底面16aと反対側の面を上面として、上面とダイパッド11の他面11bとが同一平面に配置された構造とされた例について説明した。しかし、ダイパッド11の他面11bがモールド樹脂16から露出した構造とされる場合には、他面11bがモールド樹脂16から露出していればよく、上面が他面11bよりも上方向に配置される構造とされてもよい。
(2) The semiconductor device of each of the above embodiments is an example in which the surface of the
例えば、図9に示すように、他面11bの一部もしくは全部がモールド樹脂16から露出するように、断面視にてモールド樹脂16の上面16bに他面11bに達する凹部16cが形成された構造の半導体装置とされてもよい。なお、放熱ゲル40を他面11b上に配置する場合、放熱ゲル40は、凹部16c内に収まるように設けられてもよいし、上面16bから上方向へはみ出るように設けられてもよい。
For example, as shown in FIG. 9, a structure in which a
(3)上記各実施形態の半導体装置は、ダイパッド11がインナーリード121よりも上方向に配置された例について説明した。しかし、背面放熱型の構造とされていればよいため、ダイパッド11がインナーリード121よりも下方向に配置された構造とされてもよい。
(3) In the semiconductor device of each of the embodiments described above, the example in which the
この場合、図10に示すように、ダイパッド11がインナーリード121よりも下方向に配置されつつ、モールド樹脂16の上面16bに形成された凹部16cが形成され、他面11bが凹部16cにおいてモールド樹脂16から露出した構造とされる。このような構造とされた場合であっても、薄型化、放熱性および接合信頼性の高い半導体装置となる。
In this case, as shown in FIG. 10, while the
(4)上記各実施形態の半導体装置は、ダイパッド11の他面11bがモールド樹脂16から露出した、いわゆるExposedパッケージの構造とされた例について説明した。しかし、本発明の半導体装置は、Exposedパッケージの構造に限られず、図11に示すように、ダイパッド11の他面11bもモールド樹脂16に覆われた、いわゆるフルモールド構造とされていてもよい。フルモールド構造とされた半導体装置は、ダイパッド11と当該半導体装置以外の部材との絶縁性を確保しつつ、背面放熱型の半導体装置となる。この際、ダイパッド11の他面11b上に放熱ゲル40を配置してもよいし、放熱ゲル40を介して放熱部材50等の他の部材と熱的に接続されていてもよい。
(4) The semiconductor device according to each of the above embodiments has been described with respect to the example in which the
(5)上記各実施形態の半導体装置は、リードフレーム10の厚み、特にアウターリード122の厚みが、従来の半導体装置におけるアウターリード1122の厚みに比べて薄い構成とされていてもよい。これにより、薄くされたアウターリード122が撓むことで、アウターリード122と接合されたはんだ30にかかる応力が緩和され、はんだ接合における接合信頼性の高い半導体装置となる。
(5) The semiconductor device of each of the above embodiments may be configured such that the thickness of the
(6)上記各実施形態の半導体装置は、モールド樹脂16が、当該樹脂中にアルミナやシリカ等のフィラーが含有された構成とされてもよい。モールド樹脂16は、フィラーを含んだ構成とされる場合、モールド樹脂16全体の線膨張係数を上記各実施形態の半導体装置を搭載する基板20や他の部材の線膨張係数と同じかそれに近い構成とされることが好ましい。これにより、冷熱サイクルなどにおけるモールド樹脂16の熱伸縮と当該半導体装置がはんだ30を介して搭載された基板20や他の部材の熱伸縮との差が少なくなり、はんだ30にかかる応力を緩和し、はんだ接合における接合信頼性の高い半導体装置となる。
(6) The semiconductor device of each of the above embodiments may be configured such that the
11 ダイパッド
12 リード
121 インナーリード
122 アウターリード
13 接合材
14 半導体チップ
16 モールド樹脂
30 はんだ
40 放熱ゲル
50 放熱部材
11
Claims (6)
前記一面上に搭載された半導体チップ(14)と、
前記リードの一部と前記半導体チップとを電気的に接続するワイヤ(15)と、
前記ダイパッドの前記一面、前記半導体チップ、前記ワイヤおよび前記リードの一部を覆うモールド樹脂(16)と、を備え、
前記ダイパッドは、前記リードのうち前記モールド樹脂に覆われた部分であるインナーリード(121)のなす平面と異なる平面上に配置されており、
前記一面に対する法線方向のうち前記一面から前記他面へ向かう方向を上方向とし、前記他面から前記一面へ向かう方向を下方向として、前記モールド樹脂のうち前記インナーリードよりも前記下方向の部分であるモールド下部(162)の前記法線方向における厚みは、前記モールド樹脂のうち前記インナーリードよりも前記上方向の部分であるモールド上部(161)の前記法線方向における厚みよりも厚くされており、
前記アウターリードは、前記モールド下部側に折り曲げられた形状とされている半導体装置。 A lead frame (10) comprising a die pad (11) having one surface (11a) and the other surface (11b) in a front-back relationship, and a lead (12);
A semiconductor chip (14) mounted on the one surface;
A wire (15) for electrically connecting a part of the lead and the semiconductor chip;
A mold resin (16) that covers the one surface of the die pad, the semiconductor chip, the wire, and a part of the lead;
The die pad is arranged on a plane different from the plane formed by the inner lead (121) which is a portion covered with the mold resin in the lead,
Of the normal direction to the one surface, the direction from the one surface to the other surface is the upward direction, the direction from the other surface to the one surface is the downward direction, the mold resin in the lower direction than the inner lead The thickness in the normal direction of the mold lower portion (162) which is a portion is made thicker than the thickness in the normal direction of the mold upper portion (161) which is the portion in the upper direction than the inner lead in the mold resin. And
The semiconductor device, wherein the outer lead is bent to the mold lower side.
放熱部材(50)と、をさらに備え、
前記アウターリードは、はんだ(30)を介して前記表面上に接続されており、
前記放熱ゲルは、前記放熱部材と接続されると共に、前記半導体チップと前記放熱部材とを熱的に接続している請求項4に記載の半導体装置。 A substrate (20) having a surface (20a);
A heat dissipating member (50),
The outer lead is connected to the surface via solder (30),
The semiconductor device according to claim 4, wherein the heat dissipation gel is connected to the heat dissipation member and thermally connects the semiconductor chip and the heat dissipation member.
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