JP3681008B2 - フラグレス半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

フラグレス半導体装置およびその製造方法 Download PDF

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Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、一般に、半導体装置に関し、さらに詳しくは、フラグレス半導体装置およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
パッケージの割れは、プラスチック封入(plastic encapsulated)半導体装置において共通の問題である。この問題は、さまざまな要因の組み合わせによって生じる。１つの要因として、プラスチック封入材料とリ−ド・フレ−ムのフラグ(flag)との間の内部剥離がある。フラグは、ダイを支える従来のリ−ド・フレ−ムの板状の部材である。フラグは、リ−ド・フレ−ムの残りの部分と同様に、銅，銅合金または鉄ニッケル合金から一般的に作られ、ほとんどの場合、周囲の成形材料またはプラスチックの熱膨張係数（ＣＴＥ：coefficient of thermal expansion）と異なる熱膨張係数を有する。このＣＴＥの不整合の結果、半導体装置に温度変化が生じると、プラスチックとフラグの界面に応力(stress)が生じる。応力が最大閾値に達すると、この応力はプラスチックとフラグの界面の剥離を介して除去される。パッケージの割れに関する別の要因は着湿である。プラスチックとフラグの界面が剥離すると、外界からの湿気が成形材料を介して剥離領域に拡散する。湿気がパッケージ内に蓄積すると、急速な温度上昇により、湿気が蒸発・膨張して、剥離領域に内部圧力ポケット(internal pressure pocket)を作る。圧力およびその関連応力を除去するため、周囲のプラスチックは割れる。パッケージ割れのもっとも一般的な発生は、使用者が半田リフロー工程を用いて、プラスチック半導体装置を基板にとりつける際に生じる。半田リフローに伴う高温は急速な温度上昇を発生し、装置の含水率にもよるが、これは、プラスチックを割れさせるのに十分である。
パッケージ割れの問題に対処する従来の方法はさまざまある。１つの方法として、プラスチック封入半導体装置を十分焼成して、含水率を低減し、装置を防湿パケットにパッケ−ジングするドライ・パッキング方法がある。割れを発生させる十分な水分が外気状態にさらされることによってパッケージ内に吸収される前に、使用者は装置をとりつける。この方法は効果的であるが、半導体装置のコストを大幅に増加する。さらに、吸収された水分が割れ問題を発生しない程度であることを保証するために、どれくらい長く装置が外気状態にさらされていたかを使用者は把握しなければならない。
【０００３】
他の既知の方法は、フラグとプラスチックとの間の改善された接着力によって、内部剥離の可能性を低減することを試みる。例えば、ある製造業者は、フラグの金属表面を「荒地仕上げ(roughen) 」し、接着力を改善する。他の製造業者は、フラグに小さな穴または凹部を形成し、固定(anchoring) 機構を提供する。接着力を改善するために用いられる別の方法は、ウィンドウ・フレーム・フラグ(window-frame flag) を利用する。ウィンドウ・フレーム・フラグとは、どちらかというと、中実パドル(solid paddle)ではなく、ダイを支える中空のフレームである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記の方法は、プラスチック封入材料に対する接着力の改善を提供することによって、剥離の可能性をある程度低減する。同様に、本発明は、これまで利用されたことのない技術を利用して、剥離を低減する利点を有する。しかし、さらに、本発明は、上記の方法が対処しない製造上の別の問題、すなわち、半導体製造業者が各製品について、異なるまたは特注のリ−ド・フレ−ム設計を用いる必要性に対処する。各ダイ寸法およびダイの機能的ピン配置(pin-out) について異なるリ−ド・フレ−ム設計を設けることは、多くの単品(piece-parts) 在庫を必要とし、かつ各製品を投入する前に新たなリ−ド・フレ−ムを設計するために、余分な時間および人的資源を必要とする。在庫および設計に伴うコストの他に、リ−ド・フレ−ム自体のコストが、コストを最小限に抑えるための不十分な量しかないことにより、望ましくない増加をする。それぞれが個別のツーリングを必要とするリ−ド・フレ−ムのいくつかの少量注文は、同じ数のリ−ド・フレ−ムの１つの注文よりもコストがかかる。従って、半導体製造のコストは、いくつかの異なるダイ寸法と利用できるリ−ド・フレ−ム設計を用いることによって、大幅に節減できる。本発明は、さまざまなダイ寸法とともに利用できるリ−ド・フレ−ムを半導体装置において採用して、しかも同時にリ−ド・フレ−ムと封入材料との間の接着を改善して、パッケージ割れの問題を緩和することにより、この目的を達成する。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の一例では、半導体装置は、複数のリードと２つの片持タイ・バー(cantilevered tie bar)とからなるリ−ド・フレ−ムを有する。複数のリードは、ダイ受け領域を定める内部を有する。２つのタイ・バーは、このダイ受け領域の２つの対向する面から延在する。半導体ダイはタイ・バーに取り付けられ、このタイ・バーによって支えられる。また、ダイは複数のリードに電気的に結合される。パッケージ本体は、半導体ダイを封入する。また、この半導体装置および他のこのような半導体装置を製造する方法も本発明の範囲内である。
【０００６】
これらおよび他の特徴および利点は、添付の図面とともに以下の詳細な説明からより明確に理解されるであろう。ただし、図面は必ずしも縮尺して図示されておらず、また具体的に図示されない本発明の他の実施例もあることを指摘しておく。
【０００７】
【実施例】
本発明は、内部パッケージ剥離の可能性を低減し、しかも同時に、半導体ダイを支える片持タイ・バーを利用して、いくつかの異なるダイ寸法と利用できる汎用設計を作ることができる。図１および図２は、本発明に従って用いられるリ−ド・フレ−ムの汎用的な点と、フラグではなくてタイ・バーが半導体ダイを支えるために用いられる性質を示している。両方の図面は、本発明による半導体装置の一部分の平面図である。半導体装置１０は図１に示され、半導体装置２０は図２に示される。両方の装置１０，２０は、２つの対向するレール１４を有するリ−ド・フレ−ム１２と、複数のリード１６と、２つの片持タイ・バー１８とを含む。半導体ダイ２２および半導体ダイ２４は、それぞれ図１および図２においてタイ・バー１８に取り付けられる。各ダイは、複数のワイヤ・ボンド２８を用いて、従来のようにリード１６に電気的に結合する複数の導電ボンド・パッド２６を含む。
【０００８】
図１，図２に示すように、半導体装置は部分的にのみ組み立てられることに留意されたい。これらの装置は、プラスチック・パッケージ本体にまだ封入されない。当業者に理解されるように、装置１０，２０はプラスチック封入材料にその後封入され、リ−ド・フレ−ム１２から切除されて、完成された装置となる。切除されることにより、タイ・バー１８はレール１４にもはや接続されず、切断されて、図１において点線２９によって表されるパッケージ本体のエッジ部と同一平面上にある。リード１６は切断され、その後、ガル・ウィング(gull-wing) 型，Ｊリード型または貫通穴(through-hole)型など、いくつかの外部リード構造の１つに形成される。
【０００９】
リ−ド・フレ−ム１２は、銅，銅合金，鉄ニッケル合金などの一般的なリ−ド・フレ−ム材料からなり、例えば、メタル・エッチングまたはスタンピング(stamping)など従来の方法を用いて製造される。従来のリ−ド・フレ−ムとは異なり、リ−ド・フレ−ム１２はフラグレス(flagless)である。従来、フラグまたはパドル(paddle)と呼ばれる板状の部材は、半導体ダイの装着領域が提供され、タイ・バーに接続される。本発明によれば、フラグは使用しない。その代わりに、片持タイ・バーがダイを支えるために用いられる。例えば、図１の装置１０では、タイ・バー１８が半導体ダイ２２を支え、図２の装置２０では、タイ・バー１８が半導体ダイ２４を支える。各タイ・バー１８は、ステム(stem)部１９および支持部２１を含む。図１に示すように、ダイ２２はタイ・バー１８の支持部２１の上に完全に突出するか覆う。しかし、図２に示すように、支持部のすべての部分がダイの下にならないように、ダイはこのダイの周辺部を越えて延在できる。
【００１０】
フラグではなくタイ・バーをダイ支持部として用いる際に、プラスチック・金属界面の全領域は、装置がプラスチックに封入されてしまうと、低減される。本発明の実施例は従来のフラグを用いないので、本発明を説明するため、プラスチック・フラグ界面ではなく、プラスチック・金属界面という用語を用いる。プラスチック・金属界面の面積を低減することにより、プラスチックが半導体ダイと直接接触する面積は増加される。ほとんどのプラスチック封入材料は、金属表面よりもダイの方に接着しやすいので、プラスチック・金属界面の面積の低減と、プラスチック・ダイ界面の面積の増加の両方により、内部剥離の可能性が低減される。さらに、仮にタイ・バーの１つと封入プラスチックとの間の界面に剥離が生じても、他のタイ・バーとプラスチックとの界面は影響されない。
【００１１】
リ−ド・フレ−ム１２の汎用的な性質は、図１と図２の比較から明らかである。両方の図面で同じリ−ド・フレ−ムが用いられるが、２つの異なるダイ寸法が使用される。図示のように、ダイ２２はダイ２４よりもはるかに大きい。フラグは使用されないので、２つの異なる装置寸法について新たなリ−ド・フレ−ムを設計する必要はない。従来の半導体装置では、半導体ダイを支えるために用いられるフラグは、ダイと同じ形状でわずかに大きく作られる。フラグを利用する目的は、主にワイヤ・ボンディング段階である組立工程中に、および封入時点までの装置の一般的な処理中に、ダイを支えることであった。ダイがプラスチックに封入されると、ダイ支持部材は必要なくなる。フラグをダイよりも大きくする１つの目的は、ダイとフラグとの間の接着を目視検査できるようにすることである。一般に、半導体ダイはエポキシを用いてフラグに取り付けられる。ダイをエポキシで覆われたフラグに圧迫すると、エポキシはダイの下から圧搾され、ダイの周辺にエポキシ・フィレット(epoxy fillet)を形成する。ダイとフラグとの接着の品質は、フィレットを目視検査によって評価することができる。仮にフィレットが連続的な場合、接着は十分であるとみなされる。
【００１２】
本発明によれば、ダイを支える片持タイ・バーの部分上にダイ接着エポキシが施される。例えば、図１では、点線によって示されるタイ・バー１８の部分上にエポキシが施される。ダイをタイ・バーに対して圧迫して接着させると、エポキシは外側に圧搾されて、ダイの周辺部ではなく、タイ・バーの周辺部にフィレットを形成する。この「逆(inverted)」フィレットは、図３の半導体装置３０の断面図に示される。装置３０は、片持タイ・バー３３に取り付けられた半導体ダイ３２を含む。この装置はプラスチック・パッケージ３５に封入され、ダイはワイヤ・ボンド３７によって複数のリード３６に電気的に結合される。リード３６は貫通穴型で示されるが、Ｊリード型およびガル・ウィング型を用いてもよい。図示のように、ダイ３２は２つのタイ・バーに取り付けられるように見えるが、実際には、この断面図はタイ・バーの二又部分(forked portion)から見たもので、例えば、図１，図２のタイ・バー１８のＵ型部分から見たものである。ダイ３２は、エポキシなどの従来のダイ接着剤３４によってタイ・バーに接着される。装置１０，３０の場合にように、半導体ダイがタイ・バーの上に完全に突出すると、エポキシは図３に示すように逆フィレットを形成する。従来の装置の場合と同様に、接着は、エポキシ・フィレットの連続性によって評価することができる。しかし、逆フィレットの検査では、装置の裏側から調べる必要があり、このとき、仮に検査工程を採用する場合には、製造業者の検査工程において若干の変更を必要とする。
【００１３】
図２のように、ダイがタイ・バーの上に完全に突出しない本発明の実施例では、１つのフィレットは、タイ・バーがダイを越えて延在するダイの周辺部の周りに形成する。別の逆フィレットは、ダイがタイ・バーの上に突出するタイ・バーの周辺部に形成する。２つの異なるフィレットは、図４の半導体装置４０の断面図に示される。装置４０は、ダイ接着剤４４を用いて二又タイ・バー(forked tie bar)４３に接着された半導体ダイ４２を含む。この装置はプラスチック・パッケージ４５に封入され、ダイはワイヤ・ボンド４７によって複数のリード４６に電気的に結合される。リード４６はＪリード型で示されるが、貫通穴型またはガル・ウィング型を用いてもよい。
【００１４】
本発明によれば、装置において同じリ−ド・フレ−ム設計でさまざまなダイ寸法を利用できるが、採用されるダイ寸法には制限がある。例えば、図１，図２のダイ２２，２４のダイ寸法および形状は、ダイ受け領域を定めるリード１６の内部によってそれぞれ制約される。リ−ド・フレ−ム１２で用いられるダイ寸法の別の制限として、ワイヤ・ボンドの長さがある。ダイ寸法が小さくなるにつれて、ダイをリード１６に電気的に結合するために必要なワイヤ・ボンド２８の長さは長くなる。従って、ワイヤ・ボンドの長さに対する製造業者の上限は、ダイ寸法の下限に設定される。
【００１５】
フラグは用いられないので、本発明による装置を製造する際に既設の組立工程を修正する必要がある。例えば、上述のように、ダイ接着剤の塗布パターン(dispense pattern)は、フラグ全体の領域ではなく、小さなタイ・バー領域に制限される。従って、接着剤塗布用ヘッドおよび塗布パターンのためのツーリングの変更が必要である。また、ダイ支持領域（タイ・バー）は従来のフラグよりも小さいので、本発明ではわずかな量のダイ接着剤しか必要としない。さらに、ダイ接着塗布に対してより厳密な工程制御が必要とされることがある。ダイがタイ・バーの上に完全にまたは少なくとも部分的に突出するので、半導体ダイを取り付ける際に、接着剤がタイ・バーからはみ出して、その下のツーリング・プラットフォームを汚損することがある。従って、接着剤の量の上限を厳しく監視しなければならない。しかし同時に、前述のように、適切なフィレットを設けるために、十分な接着剤を塗布することが重要である。
【００１６】
ワイヤ・ボンディングにおいて、別の処理変更も必要になることがある。半導体ダイはダイ周辺部で完全に支えられないので、ワイヤ・ボンディング中にダイ周辺部を支えることが有利である。一般にボンド・パッドがダイの周辺部の周りに設けられるが、必ずしもそうではない。そのため、ワイヤを各ボンド・パッドに接着するため、ワイヤ・ボンディング・ツールは、接着を行う度に、ダイ周辺部に圧力を加えなければならない。ワイヤ・ボンディング力が十分高い場合、あるいはダイに十分な撓性がない場合、加えられた力によってダイの支持されない部分が割れたり欠ける危険がある。従って、ワイヤ・ボンディング・プラットフォームに支持機構を組み込むことが望ましい。例えば、片持タイ・バーのパターンおよび厚さと一致するカットアウト(cut-out) 部を含むようにプラットフォームを設計でき、このプラットフォームとタイ・バーとが実質的に平坦かつ連続的な表面を形成するようにできる。その結果、ワイヤ・ボンディング工程において、ダイ全体はタイ・バーとプラットフォームとの組み合わせによって支えられる。ただし、本発明を実施する際に、既設のワイヤ・ボンディング工程に対する変更は必要ない可能性があることに留意されたい。変更の必要はさまざまな要因に依存し、それにはボンディング力，ダイの厚さ，ダイの寸法およびボンド・パッドの位置などが含まれる。
【００１７】
図１，図２のタイ・バー１８は、各タイ・バーの内端部がＵ字型となるように、二又になる。しかし、本発明に基づいて、他の片持タイ・バー形状構成も満足できる。このような２つの異なる構成を図５および図６に示し、これらはともに半導体装置の一部分、すなわちタイ・バー部分のみの平面図である。図５に示すように、２つの片持タイ・バー５２は内端部においてＴ字型である。タイ・バーの外端部は、前述の実施例の場合と同様にリ−ド・フレ−ムのレール（図示せず）まで延在する。本発明の先の実施例と同様に、一旦タイ・バーがプラスチックに封入されると、メタル表面の全面積は低減され、剥離を防ぐのに役立つ。また、ダイを表す点線５４，５６によって示されるように、さまざまなダイ寸法に対応できるため、Ｔ字型タイ・バーは汎用的である。線５４は、２つの全面、すなわち半導体ダイの「短い」面を支持できることを実証しており、このことはワイヤ・ボンディングのために有利である。しかし、特にメモリ装置では、半導体ダイの「長い」面にボンド・パッドがあるのが一般的である。本発明による半導体ダイの長い面を支えるため、片持タイ・バーをリードとリードの間に配置できる。例えば、図１，図２では、タイ・バーをリードの間で並列に形成して、図示のように、上下からではなく、左右から半導体ダイの下に延在させることができる。
【００１８】
本発明の範囲内のさらに別のタイ・バー構成を図６に示す。２つの片持タイ・バー６２はそれぞれＨ字型である。タイ・バーの内端部は、点線６４の枠で表される大きい半導体ダイの下に延在し、あるいは点線６５の枠で表される小さい半導体ダイの下に延在する。タイ・バーの外端部は、リ−ド・フレ−ムのレール（図示せず）まで延在する。線６４によって示されるように、半導体ダイはＨ字型タイ・バーの中央部分６６と整合され、この部分６６によって支えられる。しかし、これは、このタイ・バー構成では必要ない。図示の他の構成の場合と同様に、さまざまな半導体ダイ寸法を用いることができる。
【００１９】
本発明のさらに別の実施例では、前述の「二又」タイ・バー構造を修正して、タイ・バーの剛性を増加できる。例えば、Ｕ字型およびＨ字型では、各タイ・バーの支持されない端部(free-standing ends)を別のセグメントによって互いに接合して、Ｚ軸（縦）方向における各端部の独立した動きを防いだり制限でき、言い換えれば、タイ・バーの平坦性(planarity) を維持できる。このような別のセグメントは直線的にしたり、あるいは封入装置内の応力発生を低減するために曲線的にすることができる。
【００２０】
以上の説明および図面は、本発明に伴う多くの利点を実証する。特に、半導体を支えるために片持タイ・バーを利用して、プラスチック封入装置内のプラスチック・金属界面全体を低減できることが判明する。プラスチック金属界面の低減の結果、界面における内部剥離の可能性が低くなり、それによりパッケージ割れの可能性が低減される。さらに、片持タイ・バーは互いに物理的に分離されるという事実は、発生する可能性のある剥離面積を小さくする。１つのタイ・バーと封入プラスチックとの界面において剥離が生じても、剥離した部分は他のタイ・バーに伝わらない。つまり、２つのタイ・バーのそれぞれにおける剥離は互いに独立して発生する。本発明の別の利点は、片持タイ・バーを利用することにより、さまざまなダイ寸法をこれらのタイ・バーで支えることができるということである。さらに別の利点は、本発明は単品コストを上げずに実施できることである。本発明に基づいて用いられるリ−ド・フレ−ムは、既存のリ−ド・フレ−ムと同じ価格で製造でき、あるいは量産によって、より低い価格で製造できる。任意のツーリング変更に伴う他の製造コスト増加はわずかである。
【００２１】
以上、本発明に従って、上述の必要性および利点を十分に満たすフラグレス半導体装置およびその製造方法が提供されたことが明らかである。本発明について特定の仕様の実施例を参照して説明してきたが、本発明はこれらの例示的な実施例に限定されるものではない。本発明の精神から逸脱せずに修正や変形が可能なことが当業者に理解されるであろう。例えば、本発明はＵ字型，Ｔ字型およびＨ字型タイ・バー構造に限定されない。さらに、本発明は特定のパッケージ構造に制限されない。また、本発明による装置のタイ・バーは装置のリードに対して下方に設けて、図３に示すように装置内の所望のレベルまたは高さにダイを配置できる。さらに、本発明による装置のタイ・バーは、ダイ・ボンディングの際に半導体ダイの整合を助けるために、整合機能を含むことも可能である。また、本発明は装置内で用いられる半導体の種類にまったく制限されない。メモリ・ダイを用いる装置が本発明の利点を大いに享受できるが、他のダイの種類（マイクロ・コントローラ，アナログ・デバイスなど）も利用できる。従って、本発明は特許請求の範囲内のすべての変形および修正を含むものとする。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による部分的に組み立てられた、フラグレス半導体装置の平面図である。
【図２】 本発明による別の部分的に組み立てられた、図１と同じリ−ド・フレ−ム設計を採用する、フラグレス半導体装置の平面図である。
【図３】本発明による完全に組み立てられた半導体装置の断面図である。
【図４】本発明による別の組み立てられた半導体装置の断面図である。
【図５】本発明で用いるのに適した別のタイ・バー設計を示す、リ−ド・フレ−ムの一部の平面図である。
【図６】本発明で用いるのに適したさらに別のタイ・バー設計を示す、リ−ド・フレ−ムの一部の平面図である。
【符号の説明】
１０，２０ 半導体装置
１２ リ−ド・フレ−ム
１４ レール
１６ リード
１８ 片持タイ・バー
１９ ステム部
２１ 支持部
２２，２４ 半導体ダイ
２６ 導電ボンド・パッド
２８ ワイヤ・ボンド
３０ 半導体装置
３２ 半導体ダイ
３３ 片持タイ・バー
３４ ダイ接着剤
３５ プラスチック・パッケージ
３６ リード
３７ ワイヤ・ボンド
４０ 半導体装置
４２ 半導体ダイ
４３ 二又タイ・バー
４５ プラスチック・パッケージ
４６ リード
４７ ワイヤ・ボンド
５２，６２ 片持タイ・バー

Claims (1)

  1. フラグレス半導体装置（１０）であって：
    リード・フレームであり、
    ２つの対向側部を有するダイ受け領域を定める内部リード部分と、外部リード部分とを有する複数のリード（１６）、
    前記ダイ受け領域の前記２つの対向側部から前記ダイ受け領域内に延び、お互いを越えては延びない２つのタイ・バー（１８）であり、物理的に離間されており、それぞれステム部（１９）および支持部（２１）を有する２つのタイ・バー（１８）、
    からなるリード・フレーム；
    前記２つのタイ・バーの前記支持部に取り付けられる半導体ダイ（２２）；
    前記半導体ダイを前記リードの前記内部リード部分に電気的に結合する手段（２８）；および
    前記半導体ダイと前記複数のリードの前記内部リード部分とを封入するパッケージ本体（３５）であって、前記パッケージ本体は前記半導体ダイの前記２つのタイ・バーの支持部に取り付けられた面の少なくとも一部と直接接触しているもの；
    によって構成され、
    前記支持部は、該支持部の外周に十分な空間を有することにより前記支持部を全方向に越えて延びるような大型の半導体ダイも、前記支持部を露出させるような小型の半導体ダイも取り付けることが可能である；
    ことを特徴とするフラグレス半導体装置。
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