JP3162018U - Power semiconductor lead frame - Google Patents
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Abstract
【課題】SiCやGaNのパワー半導体の、高信頼で低価格のパッケージング技術を実現できるリードフレームを提供する。【解決手段】放熱板上に載置される縦型FETのソース電極への接合体を有するソースリードとゲート電極への接合体を有するゲートリード及び放熱板への接合体を有するドレインリードがタイバーにより平行に連結されており、それぞれのリードはタイバーより延在して後ドレインリード、ソースリード、ゲートリードの順に下に折曲し、それぞれの接合体は下方に延在した先に配置される構造を有する。ドレインリードの接合体は矩形であり、前記ソースリードの接合体は中心部に矩形開口を有する矩形であり、ゲートリードの接合体は細長矩形であり、ゲートリードの接合体はソースリードの矩形開口内に位置する。【選択図】図1A lead frame capable of realizing a high-reliability and low-cost packaging technology for a power semiconductor such as SiC or GaN is provided. A source lead having a joined body to a source electrode of a vertical FET mounted on a heat sink, a gate lead having a joined body to a gate electrode, and a drain lead having a joined body to a heat sink are tie bars. The leads are extended from the tie bar and bent downward in the order of the drain lead, the source lead, and the gate lead, and the respective joined bodies are arranged at the tips extending downward. It has a structure. The drain lead joined body is rectangular, the source lead joined body is a rectangle having a rectangular opening at the center, the gate lead joined body is an elongated rectangle, and the gate lead joined body is a rectangular opening of the source lead. Located in. [Selection] Figure 1
Description
本考案はパワー半導体用リードフレームに関する。 The present invention relates to a lead frame for power semiconductors.
SiCやGaNパワー半導体(DiodeやMOS FET)は高温においても特性が劣化せず、Siパワー半導体に比べて高耐圧であり高電力動作も可能なことから、高温・高電力動作が検討されている。具体的にはFETのチャネル温度を200℃以上で動作させることが検討されているが、このようなパワー半導体のパッケージング(パッケージへの半導体組立)には様々な課題が出てくる。図8には半導体の樹脂封止パッケージを示し、図7にはそのリードフレームを示している(特許文献1)。高温動作では従来のエポキシ系樹脂モールドは使用できないため、近年高耐熱性樹脂が盛んに開発されている。図8に示すボンディングワイヤ22はパワー半導体では通常Al太線線を使用するが、空間配線で長くなるため損失が無視できなくなっている。そのためリードを直接パワー半導体の電極に接合する方法も採られている。またパワー半導体は放熱板16にマウントされるが、高温・高電流動作に耐えるためのマウント材は現在のところ見出されていない。AuGe、AuSiなどの共晶温度の高い合金ハンダが候補にあげられるが、縦型のFETはチップ表面に形成されたソース電極からチップ裏面のドレイン電極に大きな電流が流れるため、マイグーションによりマウント接合層にヴォイドが発生することが課題となっている。合金は一般に耐マイグレーション性が低いためである。なお縦型FETにはJFETやMOS FETがあり、一般に縦型FETと称している。 SiC and GaN power semiconductors (Diode and MOS FET) do not deteriorate in characteristics even at high temperatures, and have a higher breakdown voltage and can operate at higher power than Si power semiconductors. . Specifically, it has been studied to operate the FET at a channel temperature of 200 ° C. or higher. However, various problems arise in such power semiconductor packaging (semiconductor assembly into a package). FIG. 8 shows a semiconductor resin-encapsulated package, and FIG. 7 shows its lead frame (Patent Document 1). Since conventional epoxy resin molds cannot be used in high temperature operation, high heat resistant resins have been actively developed in recent years. The
これに対して特許文献2には、金属ナノ粒子を溶媒に分散させてスラリーとしたものを金属板に薄膜形成し、被接合板を加熱・加圧する技術が示されている。例えばCuナノ粒子のスラリーを接合材に使用してCu板を加熱・加圧接合すると、接合層はバルク化するので合金に比べて耐マイグレーション性は格段に向上することが容易に想到できる。しかし金属ナノ粒子がバルクへと進行するのに5分乃至10分の時間が必要であり、工程スループットが低いのは低価格化への隘路となる。 On the other hand,
図7は従来の一般的なパワー半導体のリードフレームを示しているが、放熱板16を含めてリードフレームと称している。しかし半導体の高性能化が進むにつれて従来より過酷な動作条件で使用することが求められるようになると、上述のように様々な技術課題が出てくる。個別に対策することも必要になるため、本考案のリードフレームは放熱板を含めていない。 FIG. 7 shows a conventional lead frame of a general power semiconductor, and the lead frame including the
高温・高電力動作が期待できるSiCやGaNのパワー半導体のパッケージングは、その動作条件が過酷なことから様々な技術課題を抱えているが、しかしそのメリット故に多くの研究・開発が進められている。高信頼で低価格のパッケージング技術が課題である。 The packaging of SiC and GaN power semiconductors, which can be expected to operate at high temperature and high power, has various technical problems due to its severe operating conditions, but due to its merit, much research and development has been promoted. Yes. Highly reliable and low-cost packaging technology is an issue.
上記課題を解決するために本考案では、放熱板上に載置される縦型FETのソース電極への接合体を有するソースリードとゲート電極への接合体を有するゲートリード及び放熱板への接合体を有するドレインリードがタイバーにより平行に連結されており、それぞれのリードは前記タイバーより延在して後ドレインリード、ソースリード、ゲートリードの順に下に折曲し、それぞれの接合体は下方に延在した先に配置される構造を有するリードフレームにおいて、前記ドレインリードの接合体は矩形であり、前記ソースリードの接合体は中心部に矩形開口を有する矩形であり、前記ゲートリードの接合体は細長矩形であり、前記ゲートリードの接合体は前記ソースリードの矩形開口内に位置することを特徴とする。 In order to solve the above problems, in the present invention, a source lead having a joined body to a source electrode of a vertical FET mounted on a heat sink, a gate lead having a joined body to a gate electrode, and a joint to the heat sink A drain lead having a body is connected in parallel by a tie bar, and each lead extends from the tie bar and bends downward in the order of a drain lead, a source lead, and a gate lead. In the lead frame having a structure arranged at the extended tip, the joined body of the drain lead is a rectangle, the joined body of the source lead is a rectangle having a rectangular opening at the center, and the joined body of the gate lead Is an elongated rectangle, and the joined body of the gate lead is located in the rectangular opening of the source lead.
本考案は、金属ナノ粒子を接合材に使用し、縦型FETの放熱板へのマウント、リードのFETへの接合と放熱板への接合を同時に行うことを目的としたものである。 An object of the present invention is to use metal nanoparticles as a bonding material, to mount a vertical FET on a heat sink, and to join a lead to an FET and a heat sink at the same time.
以下本考案の実施形態について図を用いて説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1は本考案のリードフレーム1を示す。リードフレーム1の構造として、ソースリード2、ドレインリード3、ゲートリード4がタイバー5で連結保持される。ソースリード2は適度な長さ延在した後、半導体チップのサイズに近づけるために適度に曲げられ、下方に折曲して接合体10が取り付けられる。ゲートリード4の接合体11はソースリードの接合体10の中心付近に来るようにリードの延在、曲げ、折曲が調整されなければならない。ドレインリード3の接合体9は面積の大きい放熱板(図3の18)への接合に使用するので下方に折曲した先に取り付ければ良く、接合体9の高さ位置はソースリードの接合体10とゲートリードの接合体11に対して下方にその位置が決められる。ソースリードの接合体10とゲートリードの接合体は同じ高さ位置である。なおソースリード、ドレインリード、ゲートリードの並び方は特に限定されない。 FIG. 1 shows a
縦型FETの典型的な電極パターン二種類を図2に示す。矩形のゲート電極13がソース電極14の端に位置するか、中心に据えられるかの二種類しかない。チップ裏面はドレイン電極15になる。従って図3に示すように、ソースリードの接合体10とゲートリードの接合体11が縦型FETのソース電極とゲート電極に接合するための形状とそれらの位置関係が決まって来る。つまりソースリードの接合体10は中心に矩形開口を有する矩形であれば良く、ゲートリードの接合体11は細長の矩形を有し、ソースリードの矩形開口の中に来るようにすれば良い。なお図3は図2の(A)に示す縦型FETに適用した場合である。同様に図5には(B)に示す縦型FETに対して接合の様子を示したものである。多少の形状変化はあるものの、形状と位置関係は概ね同じであれば縦型FETへの接合は可能となる。接合材17、18は金属ナノ粒子を溶媒に分散させてスラリーとしたものを放熱板に薄膜形成したものである。ソースリード接合体10とゲートリード接合体11の裏面にも薄膜形成してあるが図示していない。なお図4の場合、ゲートリードの接合体11は縦型FETFETのソース電極上に来るので、接触を避けるために予めソース電極の接触領域にポリイミド樹脂などの絶縁膜を形成しておくのが安全である。金属粒子はAu、Ag、Cuなどがあるが、特に限定されない。 Two typical electrode patterns of a vertical FET are shown in FIG. There are only two types, a
本考案のリードフレームを使用した組立のイメージを図5に示す。図に示すように加熱・加圧治具19で押圧することにより、ソースリードとゲートリードの接合体を縦型FETの電極に接合し、同時に縦型FETを放熱板に接合(マウント)する。また同時にドレインリードの接合体9を放熱板16に接合するものである。金属ナノ粒子は加熱・加圧により金属粒子が互いに結合し始めて、バルク化すると言われている。この時の温度は300℃以下と言う低温であることが特徴であるが、時間は5分から10分を要するため組立工程のスループットは低い。本考案のソースリードとゲートリードの接合体の形状は縦型FETとリードの接合部とマウント部の加熱・加圧の条件が大きく違わないように工夫したものであり、上述したように組立を一括で行うことによりスループットの低さをコストに反映しないように考案したものである。なおドレインリードはバネ性を利用した接合になるため、半導体への加圧条件と変わる可能性があるが、条件を近づけるべくバネ性の設計は可能である。 An image of assembly using the lead frame of the present invention is shown in FIG. As shown in the figure, by pressing with a heating / pressurizing
リードフレーム、放熱板、縦型FETの組立が終わった後、図6に示すように樹脂モールド20を形成して半導体のモールドパッケージが完成する。図7には、これまで説明の便宜上ユニットとして説明してきたリードフレームを多連にしたものを示す。製造では多連のリードフレームを使用するので、所要箇所への接合材の塗布膜形成、MOS FETのリード接合体への位置合せと仮止め(Pick & Place)、加熱・加圧用の精密な治具(装置)などについて検討が必要である。 After the assembly of the lead frame, the heat sink, and the vertical FET is completed, a resin mold 20 is formed as shown in FIG. 6 to complete a semiconductor mold package. FIG. 7 shows a multiple lead frame that has been described as a unit for convenience of description. Since multiple lead frames are used in manufacturing, the coating film of the bonding material is formed at the required location, the positioning and temporary fixing (Pick & Place) of the MOS FET to the lead bonded body, and precise treatment for heating and pressing. It is necessary to examine the tools (devices).
リードフレーム、及び放熱板の材質にはCu−Fe系合金を使用するが特に限定されない。上述したようにドレインリードの放熱板への接合はバネ性を利用するので、高弾性のCu−Sn系合金を使用することも出来る。本考案の効果をより有効にするためにはリードフレームと放熱板で材料を変えることも必要である。リードフレーム及び放熱板は通常金属のめっき処理を行うが、めっき金属は使用する金属ナノ粒子に合わせる必要がある。例えばAuナノ粒子を接合材に使用する場合、リードフレームと放熱板はめっきによりAuの皮膜を形成することになる。 A Cu—Fe alloy is used for the material of the lead frame and the heat sink, but is not particularly limited. As described above, since the drain lead is joined to the heat radiating plate using the spring property, a highly elastic Cu—Sn alloy can also be used. In order to make the effect of the present invention more effective, it is also necessary to change the material between the lead frame and the heat sink. The lead frame and the heat radiating plate are usually plated with metal, but the plated metal needs to be matched to the metal nanoparticles used. For example, when Au nanoparticles are used as the bonding material, the lead frame and the heat sink form an Au film by plating.
本考案のリードフレームを使用すると、SiCやGaNなどの高性能な結晶を使用したパワー半導体の低価格で高信頼なパッケージング技術が実現できるようになる。 When the lead frame of the present invention is used, a low-cost and highly reliable packaging technology for a power semiconductor using a high-performance crystal such as SiC or GaN can be realized.
1 リードフレーム
2 ソースリード
3 ドレインリード
4 ゲートリード
5 タイバー
6 ソース折曲部位
7 ドレイン折曲部位
8 ゲート折曲部位
9 ドレインリードの接合体
10 ソースリードの接合体
11 ゲートリードの接合体
12 縦型FET
13 ゲート電極
14 ソース電極
15 ドレイン電極
16 放熱板
17、18 金属ナノ粒子接合材
19 加圧・加熱治具
20 モールド樹脂
21 リード
22 ボンディングワイヤ
23 半導体DESCRIPTION OF
13
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JP2021166297A (en) * | 2020-07-13 | 2021-10-14 | ローム株式会社 | Switching element |
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2010
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