JP2023008253A - リードフレーム、半導体装置及びリードフレームの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】溶接による不要な変形及び損傷を防止すること。【解決手段】リードフレームは、一端部に、第1部分と、前記第1部分より厚さが薄い第2部分とが設けられた支持部と、リードと、前記第2部分において前記支持部に溶接された放熱板とを有する。このリードフレームの製造方法は、金属板から、第1部分及び前記第1部分より厚さが薄い第2部分が一端部に設けられた支持部と、リードとを有するフレーム部材を成形する工程と、放熱板を、前記第2部分において前記支持部に溶接する工程とを有する。【選択図】図1
Description
本発明は、リードフレーム、半導体装置及びリードフレームの製造方法に関する。
近年、例えばIC(Integrated Circuit)チップなどの半導体素子を金属製のリードフレームに搭載する半導体装置が知られている。すなわち、例えばリードフレームの中央に設けられる面状のダイパッドに半導体素子が搭載され、この半導体素子がダイパッドの周囲に設けられる複数のリードに例えばワイヤボンディングによって接続される。そして、リードフレームに搭載された半導体素子が例えばエポキシ樹脂などの樹脂によって封止され、半導体装置が形成されることがある。
このようなリードフレームには、ダイパッドが設けられることなく、複数のリードを有するフレーム部材に放熱板が接合されて構成されるものがある。すなわち、金属製の薄板から形成されるフレーム部材の中央に、フレーム部材よりも板厚が厚い放熱板が例えば溶接によって接合され、この放熱板に直接半導体素子が搭載されることがある。こうすることにより、半導体素子が発する熱を簡易な構造で効率的に放熱することができる。
しかしながら、フレーム部材に放熱板が接合される際には、フレーム部材又は放熱板の熱による変形や損傷が発生する恐れがあるという問題がある。すなわち、フレーム部材と放熱板の接合のような微細部品の接合にはレーザ溶接が用いられる場合があるが、接合されるフレーム部材及び放熱板にレーザを長時間照射することにより、接合部分の周囲にまで熱が伝達され、熱変形などが発生することがある。特に、フレーム部材と放熱板とが重なる部分においてレーザ溶接が行われる場合には、薄板から形成されるフレーム部材を貫通するまでレーザが照射されることがあり、接合部分の周囲においてフレーム部材が変形したり、放熱板が損傷したりする。
一方で、このような変形や損傷を防止するために、レーザの出力を抑制したりレーザの照射時間を短縮したりすると、フレーム部材と放熱板の溶接が不十分となり、リードフレーム及び半導体装置の品質が低下してしまう。
開示の技術は、かかる点に鑑みてなされたものであって、溶接による不要な変形及び損傷を防止することができるリードフレーム、半導体装置及びリードフレームの製造方法を提供することを目的とする。
本願が開示するリードフレームは、1つの態様において、一端部に、第1部分と、前記第1部分より厚さが薄い第2部分とが設けられた支持部と、リードと、前記第2部分において前記支持部に溶接された放熱板とを有する。
本願が開示するリードフレーム、半導体装置及びリードフレームの製造方法の1つの態様によれば、溶接による不要な変形及び損傷を防止することができるという効果を奏する。
以下、本願が開示するリードフレーム、半導体装置及びリードフレームの製造方法の一実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、この実施の形態により本発明が限定されるものではない。
図1は、一実施の形態に係るリードフレーム100の構造を示す図である。図1(a)は、リードフレーム100の平面図であり、図1(b)は、図1(a)のI-I線における断面図である。
リードフレーム100は、枠体110、サポートバー120、リード130及びタイバー140を有するフレーム部材に放熱板150が接合された構造を有する。フレーム部材は、例えば厚さ0.1~0.25mm程度の銅や銅合金等の金属の板状部材から形成される。一方、放熱板150は、フレーム部材を形成する板状部材よりも板厚が厚く、例えば厚さ1mm以上の銅や銅合金等の金属板である。
枠体110は、1つのリードフレーム100の外周を規定し、タイバー140を介してサポートバー120及び複数のリード130を支持する。リードフレーム100の製造時には、複数のリードフレーム100が枠体110を介して接続されたリードフレームの集合体として製造される。そして、リードフレーム100に半導体チップが搭載され樹脂封止された後に、複数のリード130の間及びリード130とサポートバー120との間のタイバー140が切断される。次いで、サポートバー120、複数のリード130及び放熱板150を含む部分が枠体110から切り離されることにより、個片化された半導体装置が得られる。
サポートバー120は、リードフレーム100の短手方向の中央において、長手方向の両端から中央に向かって延びる一対の支持部であり、リードフレーム100の中央に位置する端部(以下「中央側端部」という)に放熱板150を支持する。すなわち、一対のサポートバー120の放熱板150と重なる一端部が溶接部となっており、溶接部に形成される薄厚部121において放熱板150の半導体チップを搭載する搭載面150aが溶接されている。
薄厚部121は、サポートバー120の中央側端部に位置する溶接部内において、他の部分よりも板厚が薄い部分である。図1に示す例では、薄厚部121は、溶接部の幅方向の両端に形成されており、薄厚部121の板厚は、薄厚部121に挟まれる中央部分よりも薄くなっている。
図2は、サポートバー120の中央側端部に位置する溶接部120aの構造を示す斜視図である。
溶接部120aは、サポートバー120の中央側の先端から約1mmの範囲に位置し、薄厚部121と残存部122とを有する。サポートバー120は、溶接部120aにおいて放熱板150と重なり、放熱板150の搭載面150aに溶接される。
薄厚部121は、溶接部120aの幅方向の両端を薄厚化することにより形成され、残存部122よりも板厚が薄い部分である。薄厚部121は、例えばハーフエッチング又はプレス潰し加工などにより形成される。図2に直線矢印で示すように、例えばファイバレーザなどのレーザが薄厚部121に照射され、溶接部120aにおいてサポートバー120と放熱板150が溶接される。レーザが照射される薄厚部121の溶接箇所は1箇所に限らず、複数箇所であっても良い。
残存部122は、溶接部120a内において薄厚化されずに残存する部分である。残存部122は、サポートバー120の溶接部120a以外の部分と同じ板厚を有する。図2においては、残存部122が溶接部120aの中央に残存し、残存部122の両側に薄厚部121が形成されているため、溶接部120aの断面形状は凸字状となる。
図3は、溶接部120aの断面の具体例を示す図である。図3に示すように、サポートバー120の幅は例えば800μm程度であり、残存部122を含むサポートバー120の板厚は200μm程度である。
中央の残存部122の幅は、例えば200μm程度であり、残存部122の両側の薄厚部121の幅は、例えば300μm程度である。そして、薄厚部121においては、板厚が100μm程度になっている。
なお、溶接部120aの断面形状は、必ずしも凸字状でなくても良い。例えば図4(a)に示すように、薄厚部121と残存部122の境界が曲面123になっていても良いし、図4(b)に示すように、薄厚部121と残存部122の境界が斜面124になっていても良い。また、例えば図4(c)に示すように、残存部122の上面を面取り加工して斜面125が形成されても良い。
これらの断面形状のように、溶接部120aの中央に残存部122が位置し、残存部122の両側に薄厚部121が形成されることにより、2つの薄厚部121の間の距離が比較的大きくなる。結果として、レーザが照射される溶接箇所の間の距離が大きくなって、レーザの熱が狭い範囲に集中することがなく、サポートバー120及び放熱板150の熱変形を抑制することができる。
図1に戻って、リード130は、サポートバー120と平行に延び、リードフレーム100に半導体チップが搭載された場合に、この半導体チップと外部の部品とを電気的に接続する端子である。リード130は、サポートバー120よりも短く、リード130の中央側端部は、放熱板150と重ならない。そして、リード130の中央側端部の放熱板150から遠い面にはめっき層が形成されており、リードフレーム100に半導体チップが搭載される場合、半導体チップは、ワイヤボンディングによってめっき層に接続される。
放熱板150は、一対のサポートバー120の中央側端部に接合される銅の板状部材である。放熱板150のサポートバー120に接合される面は、半導体チップを搭載する搭載面150aである。放熱板150は、搭載面150aに搭載される半導体チップが発する熱を搭載面150aの反対側の面から放熱する。このため、搭載面150aの反対側の面は、半導体チップがモールド樹脂によって封止された状態でもモールド樹脂から露出する。
次いで、上記のように構成されたリードフレーム100の製造方法について、図5に示すフロー図を参照しながら説明する。
まず、例えば厚さ0.1~0.25mm程度の銅や銅合金等の金属板のプレス又はエッチングなどにより、フレーム部材が成形される(ステップS101)。具体的には、例えば図6に示すように、それぞれ枠体110に囲まれる領域内に、サポートバー120、複数のリード130及びタイバー140が形成される。
そして、サポートバー120の中央側端部には、薄厚部121が形成される(ステップS102)。すなわち、例えば図7に示すように、枠体110に囲まれる各領域内の一対のサポートバー120の中央側端部に、例えばプレス潰し加工によって薄厚部121が形成される。
なお、ステップS102における薄厚部121の形成は、ステップS101におけるフレーム部材の成形と同時に行われても良い。すなわち、例えば金属板のエッチングによってフレーム部材を成形する際、サポートバー120、リード130及びタイバー140として残す部分には両面にエッチングマスクをした上で金属板がエッチング液に浸漬される。このとき、サポートバー120の薄厚部121とする部分には片面のみにエッチングマスクをすることにより、この部分がハーフエッチングされて薄厚部121が形成される。また、例えばプレス加工によってフレーム部材を成形する際に、サポートバー120の薄厚部121に対応する形状の金型を用いた潰し加工により、薄厚部121が形成されても良い。
サポートバー120に薄厚部121が形成されると、リード130の中央側端部にめっき層が形成される(ステップS103)。具体的には、例えば図8に示すように、各リード130の中央側端部の、放熱板150と接合される面とは反対側の面にめっき層130aが形成される。めっき層130aは、例えば銀めっきにより形成される。
ここまでの工程により、銅の薄板を材料とするフレーム部材が完成する。そこで、このフレーム部材に、例えば厚さ1mm以上の銅や銅合金等の金属からなる放熱板150がレーザ溶接される(ステップS104)。すなわち、例えば図9に示すように、サポートバー120の溶接部120aと重なるように放熱板150が配置され、薄厚部121にレーザが照射されることにより、サポートバー120に放熱板150が溶接される。
レーザ溶接に用いられるレーザは、例えばグリーンレーザ又はファイバレーザとすることができる。レーザは、板厚が薄い薄厚部121に照射されるため、レーザによる熱が早期に薄厚部121を溶融し、短時間でサポートバー120と放熱板150が溶接される。このため、サポートバー120及び放熱板150の変形及び損傷を防止することができる。さらに、サポートバー120及び放熱板150が変形又は損傷しないため、サポートバー120及び放熱板150の接合部分に隙間が形成されず、接合性を向上することができる。
なお、レーザ溶接が行われる際には、レーザが照射されるサポートバー120の表面があらかじめ粗化処理されても良い。すなわち、例えば図10に示すように、薄厚部121を含むサポートバー120の表面は、銅の粗化めっき又は陽極酸化処理によって表面粗度が大きくなっていても良い。薄厚部121の表面が粗化されることにより、薄厚部121に照射されるレーザLの反射を抑制することができ、レーザの吸収性が向上して効率的な溶接をすることができる。
このように、サポートバー120の薄厚部121において放熱板150がレーザ溶接されることにより、リードフレーム100が形成される。このリードフレーム100には、半導体チップが搭載され、半導体チップが例えばエポキシ樹脂などのモールド樹脂によって封止される。そして、サポートバー120及びリード130が枠体110から切断されることにより、半導体装置が得られる。
図11は、半導体装置の構造の具体例を示す図である。図11(a)は、サポートバー120に沿う位置での半導体装置の断面を示し、図11(b)は、リード130に沿う位置での半導体装置の断面を示す。
図11に示すように、半導体チップ210は、放熱板150の搭載面150aに搭載され、ワイヤボンディングによって半導体チップ210とリード130とが接続される。すなわち、半導体チップ210の電極とリード130のめっき層130aとがワイヤ230によって接続される。そして、この半導体チップ210がモールド樹脂220によって封止される。このとき、放熱板150の搭載面150aとは反対側の面は、モールド樹脂220の下面から露出し、搭載面150aに搭載される半導体チップ210が発する熱を効率的に放熱することができる。
薄厚部121が形成されるサポートバー120の中央側端部は、半導体チップ210とともにモールド樹脂220によって封止され、サポートバー120の他方の端部は、モールド樹脂220の側面から突出してリード130と同様の形状に曲げ加工されている。このようにリード130と同様の形状に曲げ加工されるサポートバー120は、接地配線用のリードとして用いられても良い。サポートバー120を接地配線用のリードとすることにより、放熱板150を接地電位とすることができる。一方、めっき層130aにおいて半導体チップ210と接続されるリード130の中央側端部は、半導体チップ210とともにモールド樹脂220によって封止され、リード130の他方の端部は、モールド樹脂220の側面から突出して曲げ加工されている。モールド樹脂220から突出するリード130の端部は、例えば配線基板などの他の部品に接続可能となっている。すなわち、リード130は、例えば信号配線用のリードとして用いられる。
以上のように、本実施の形態によれば、金属板から形成されるフレーム部材に他の部分よりも板厚が薄い薄厚部を形成し、薄厚部におけるレーザ溶接によって、フレーム部材よりも板厚が厚い放熱板を接合する。このため、レーザによる熱が早期に薄厚部を溶融してフレーム部材と放熱板が溶接されることにより、レーザの照射時間を短時間とすることができる。結果として、薄厚部の周囲へのレーザの熱の伝達を抑制し、溶接による不要な変形及び損傷を防止することができる。
なお、上記一実施の形態においては、モールド樹脂220から2方向にリード130が突出するSOP(Small Outline Package)型の半導体装置に用いられるリードフレーム100について説明した。しかし、上記一実施の形態と同様のリードフレーム100は、モールド樹脂220から4方向にリード130が突出するQFP(Quad Flat Package)型の半導体装置に適用することも可能である。
また、リード130がモールド樹脂220から突出しない例えばSON(Small Outline Non-leaded package)型又はQFN(Quad Flat Non-leaded package)型の半導体装置に上記一実施の形態と同様のリードフレーム100を適用することも可能である。
図12は、SON型の半導体装置に用いられるリードフレーム100の構造を示す図である。図12(a)は、リードフレーム100の平面図であり、図12(b)は、図12(a)のII-II線における断面図である。
図12に示すリードフレーム100において、サポートバー120及びリード130は、それぞれ枠体110の短辺からリードフレーム100の長手方向に延びている。サポートバー120の中央側端部には、薄厚部121が形成されており、この薄厚部121において放熱板150が溶接されている。放熱板150は、半導体チップを搭載する搭載面150aにおいてサポートバー120に溶接される。また、サポートバー120及びリード130は、曲げ加工されて、中央側端部の反対の端部が半導体装置の外部端子となる位置にある。
このようなリードフレーム100においても、サポートバー120の中央側端部に薄厚部121が形成されているため、サポートバー120に放熱板150をレーザ溶接する際、レーザによる熱が早期に薄厚部を溶融してフレーム部材と放熱板が溶接されることにより、レーザの照射時間を短時間とすることができる。結果として、薄厚部の周囲へのレーザの熱の伝達を抑制し、溶接による不要な変形及び損傷を防止することができる。
図13は、SON型の半導体装置の構造の具体例を示す図である。図13(a)は、サポートバー120に沿う位置での半導体装置の断面を示し、図13(b)は、リード130に沿う位置での半導体装置の断面を示す。
図13に示すように、半導体チップ210は、放熱板150の搭載面150aに搭載され、ワイヤボンディングによって半導体チップ210とリード130とが接続される。すなわち、半導体チップ210の電極とリード130とがワイヤ230によって接続される。そして、この半導体チップ210がモールド樹脂220によって封止される。このとき、放熱板150の搭載面150aとは反対側の面は、モールド樹脂220の上面から露出し、搭載面150aに搭載される半導体チップ210が発する熱を効率的に放熱することができる。
また、薄厚部121が形成されるサポートバー120及びリード130は、半導体チップ210とともにモールド樹脂220によって封止され、サポートバー120及びリード130の中央側端部と反対側の端部は、モールド樹脂220の側面及び下面から露出する。リード130の端部がモールド樹脂220から露出することにより、この端部は、半導体装置を例えば配線基板などの他の部品に接続する外部端子となる。
このように、上述したリードフレーム100を用いて、モールド樹脂220からリード130が突出しないSON型又はQFN型の半導体装置を形成することも可能である。
上記一実施の形態においては、サポートバー120の溶接部120aの中央に残存部122が位置し、残存部122の両側に薄厚部121が形成されるものとした。しかし、サポートバー120の形状はこれに限定されない。
例えば図14(a)に示すように、サポートバー120の中央側端部の先端を切り欠くことにより、薄厚部121が形成されても良い。すなわち、図14(a)に示す例では、サポートバー120の中央側端部の先端が、幅方向全体に渡って切り欠かれることにより薄厚部121が形成される。この場合、図14(a)に直線矢印で示すように、1つの薄厚部121の2箇所にレーザが照射されてサポートバー120と放熱板150が溶接されても良い。このように、サポートバー120の先端を切り欠いて薄厚部121を形成する単純な構造とすることにより、簡易な加工でリードフレーム100を形成することができる。
また、図14(b)に示すように、サポートバー120の溶接部120aの中央に残存部122を残存させ、残存部122の三方に薄厚部121が形成されても良い。この場合、図14(b)に直線矢印で示すように、残存部122の三方の薄厚部121それぞれに1箇所ずつレーザが照射されてサポートバー120と放熱板150が溶接されても良い。このように、残存部122の三方の薄厚部121を形成することにより、溶接箇所を多くしてリードフレーム100と放熱板150の接合信頼性を向上することができる。
さらに、薄厚部121は、残存部122によって複数の薄厚部121に分割されても良い。すなわち、例えば図15(a)に示すように、溶接部120aにおいて平面視でT字状に残存部122を残存させることにより、薄厚部121を3分割したり、図15(b)に示すように、溶接部120aにおいて平面視で十字状に残存部122を残存させることにより、薄厚部121を4分割したりしても良い。また、図15(c)に示すように、溶接部120aにおいて平面視で格子状に残存部122を残存させることにより、薄厚部121を5分割することなども可能である。
これらの溶接部120aにおいては、図中直線矢印で示すように、それぞれの薄厚部121に1箇所ずつレーザが照射されてサポートバー120と放熱板150が溶接されても良い。このように、薄厚部121を複数に分割することにより、溶接箇所を多くしてリードフレーム100と放熱板150の接合信頼性を向上することができる。また、残存部122によって薄厚部121が区切られているため、レーザを照射する溶接箇所が明確となり、溶接の作業効率を向上することができる。
また、溶接部120aの先端に残存部122を残存させても良い。すなわち、例えば図16(a)に示すように、サポートバー120の先端よりも後方に薄厚部121を形成したり、図16(b)に示すように、サポートバー120の先端よりも後方に形成される薄厚部121を中央の残存部122によって2分割したりしても良い。
これらの溶接部120aにおいては、図中直線矢印で示すように、薄厚部121にレーザが照射されてサポートバー120と放熱板150が溶接される。また、サポートバー120の先端に表面が平坦な残存部122が残存するため、半導体チップ210の電極からのワイヤ230を残存部122に接続するワイヤボンディングが可能となる。
図17は、図16(a)に示した溶接部120aを有する半導体装置の構造の具体例を示す図である。図17は、サポートバー120に沿う位置での半導体装置の断面を示す。図17に示すように、半導体チップ210は、放熱板150の搭載面150aに搭載され、ワイヤボンディングによって半導体チップ210とサポートバー120とが接続される。すなわち、半導体チップ210の電極とサポートバー120の残存部122とがワイヤ230によって接続される。このように、サポートバー120が半導体チップ210に接続されるため、サポートバー120を接地配線用のリードとして用いることが可能である。
ところで、サポートバー120には、薄厚部121が形成されるとともに、残存部122を貫通する貫通孔が形成されても良い。貫通孔が形成される場合には、薄厚部121に加えて貫通孔も溶接箇所とすることができる。
図18は、貫通孔が形成される溶接部120aの構造を示す図である。図18(a)は、溶接部120aの斜視図であり、図18(b)は、図18(a)のIII-III線における断面を示す図である。
図18(a)に示すように、サポートバー120の幅方向の中央に残存する残存部122には、サポートバー120を厚さ方向に貫通する貫通孔122aが形成される。そして、図18(b)に示すように、貫通孔122aは断面がテーパ形状になる円錐台形状を有し、図中直線矢印で示すように、残存部122の両側の薄厚部121に加えて貫通孔122aの内壁面も溶接箇所となり、サポートバー120と放熱板150が溶接される。
貫通孔122aの底面には放熱板150の搭載面150aが露出するため、貫通孔122aにおけるレーザ溶接では、貫通孔122aの内壁面に短時間レーザを照射すれば十分にサポートバー120と放熱板150を接合することができる。このため、薄厚部121及び貫通孔122aの内壁面を溶接箇所とすることにより、溶接箇所の周囲へのレーザの熱の伝達を抑制し、溶接による不要な変形及び損傷を防止することができる。
100 リードフレーム
110 枠体
120 サポートバー
120a 溶接部
121 薄厚部
122 残存部
122a 貫通孔
130 リード
140 タイバー
150 放熱板
210 半導体チップ
220 モールド樹脂
230 ワイヤ
110 枠体
120 サポートバー
120a 溶接部
121 薄厚部
122 残存部
122a 貫通孔
130 リード
140 タイバー
150 放熱板
210 半導体チップ
220 モールド樹脂
230 ワイヤ
Claims (10)
- 一端部に、第1部分と、前記第1部分より厚さが薄い第2部分とが設けられた支持部と、
リードと、
前記第2部分において前記支持部に溶接された放熱板と
を有することを特徴とするリードフレーム。 - 前記支持部は、
前記一端部の幅方向の中央に設けられた前記第1部分と、
前記第1部分の両側に形成された前記第2部分と
を有することを特徴とする請求項1記載のリードフレーム。 - 前記支持部は、
前記一端部の幅方向の中央に設けられた前記第1部分と、
前記第1部分の両側及び前記一端部の先端に設けられた前記第2部分と
を有することを特徴とする請求項1記載のリードフレーム。 - 前記支持部は、
前記第1部分と、
前記第1部分によって分割された複数の前記第2部分と
を有することを特徴とする請求項1記載のリードフレーム。 - 前記支持部は、
前記一端部の先端に設けられた前記第1部分と、
前記第1部分よりも前記支持部の他端部側に設けられた前記第2部分と
を有することを特徴とする請求項1記載のリードフレーム。 - 前記第1部分が貫通孔を有することを特徴とする請求項1記載のリードフレーム。
- リードフレームと、
前記リードフレームに搭載される半導体素子と、
前記半導体素子を封止する封止樹脂とを有し、
前記リードフレームは、
一端部に、第1部分と、前記第1部分より厚さが薄い第2部分とが設けられた支持部と、
リードと、
前記第2部分において前記支持部に溶接された放熱板とを有し、
前記半導体素子は、
前記放熱板の一面に搭載されて、前記リードに接続される
ことを特徴とする半導体装置。 - 前記放熱板は、
前記半導体素子が搭載される一面の反対側の面が前記封止樹脂から露出する
ことを特徴とする請求項7記載の半導体装置。 - 前記リードは、
一部が前記封止樹脂から露出する
ことを特徴とする請求項7記載の半導体装置。 - 金属板から、第1部分及び前記第1部分より厚さが薄い第2部分が一端部に設けられた支持部と、リードとを有するフレーム部材を成形する工程と、
放熱板を、前記第2部分において前記支持部に溶接する工程と
を有することを特徴とするリードフレームの製造方法。
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