JP3734225B1 - 面実装タイプ樹脂製中空パッケージ及びこれを用いた半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】半導体素子から発生する熱を効果的に外部に放熱させることができ、かつ実装時の接合安定性に優れた樹脂製中空パッケージを提供すること。
【解決手段】半導体素子を装着するための底面4を有する中空部20と、この中空部20に装着される半導体素子7と基板17との電気的導通を実現するリード1、2と、パッケージ本体3を構成する樹脂成形体とからなる樹脂製中空パッケージにおいて、その底面部分にパッケージ本体の底面6よりも中空部20側に位置するパッケージ下面部5を設けた。
【選択図】図2
【解決手段】半導体素子を装着するための底面4を有する中空部20と、この中空部20に装着される半導体素子7と基板17との電気的導通を実現するリード1、2と、パッケージ本体3を構成する樹脂成形体とからなる樹脂製中空パッケージにおいて、その底面部分にパッケージ本体の底面6よりも中空部20側に位置するパッケージ下面部5を設けた。
【選択図】図2
Description
本発明は半導体素子を装着するための面実装タイプ樹脂製中空パッケージ及びこれを用いた半導体装置に関する。さらに詳しくは、基板に対して接合信頼性が高く、放熱性に優れた、多様な中空パッケージのリード構造にも適用可能な半導体素子向けの面実装タイプ樹脂製中空パッケージ構造に関する。
近年、固体撮像素子などの半導体素子を搭載する中空構造の半導体パッケージ(以下「中空パッケージ」という。)では、低コスト化を目的としてパッケージベース(パッケージ本体)に樹脂を採用したものが知られている。またパッケージ構造としては、DIP(Dual Inline Package)が主流であるが、近年表面実装タイプのSOP(Small Outline Package)・QFP(Quad Flat Package)が採用されるようになり、さらにはSON(Small Outline Non Leaded Package)・QFN(Quad Flat Non Leaded Package)といったリードレス化されたパッケージ構造も検討され始めている。これは中空パッケージに小型化、薄型化が要求されてきているためであり、中空パッケージの面実装技術も検討が進んでいる。
一方で、固体撮像素子などの半導体素子は高密度化が進んでおり、それに伴って、中空パッケージに組み込んで作動させた場合に発生する熱が増加している。発生する熱が増加すると半導体素子そのものの機能を低下させる虞があり、中空パッケージから放熱できる構造が強く望まれている。しかしながら、低コスト化を目的とした樹脂製中空パッケージではパッケージベースである樹脂の熱伝導性が、セラミックス製中空パッケージと比較して低く、放熱性が低い点が課題とされている。
この樹脂製中空パッケージの放熱効果を高めるために、金属板等の熱伝導率の高い材料を中空部の底面、中空パッケージの底面またはそれより内部に埋設することで中空部から中空パッケージの底面までの熱伝導性を高め、半導体素子より発生する熱を効果的に放熱する構造が従来より提案されてきた(特許文献1、2参照)。
特許第2968988号公報
特許第3080236号公報
金属板等の熱伝導率の高い材料を中空部の底面、中空パッケージの底面またはそれより内部に埋設させた樹脂製中空パッケージでは、半導体素子より発生する熱を中空パッケージの底面に効率よく伝えることは可能であるが、中空パッケージの底面から放熱するには、中空パッケージ底面近傍で空気の対流を発生させ熱を逃がす必要がある。つまり、中空パッケージ底面近傍に空気層がないと効果的な放熱は望めない。しかし、従来、基板実装後の中空パッケージにおいては、その底面と基板間に隙間は殆どなく、空気層は皆無であるため、高い放熱効果は望めない。
また、実装時には中空パッケージの底面を基準面として半田などの実装ペーストを熱により溶融させリードを基板に接合させるが、金属板を中空パッケージの底面、もしくは底面近傍に設置した場合、熱による膨張で中空パッケージの底面が膨らみ、実装高さの位置決め精度を低下させる虞がある。さらには基板実装時の熱に伴う金属板の膨張により、基板を突き上げ、半田などの実装ペーストに剥離・亀裂等の不具合を発生させ、実装強度の低下あるいは接合不良を発生させてしまう虞がある。
そこで、本発明の目的は、半導体素子から発生する熱を効果的に外部に放熱させることができ、かつ実装時の接合安定性に優れた面実装タイプ樹脂製中空パッケージを提供することにある。
本発明の面実装タイプ樹脂製中空パッケージは、半導体素子を装着するための底面を有する中空部と、この中空部に装着される半導体素子と外部との電気的導通を実現するためのリードと、パッケージ本体を構成する樹脂成形体とからなり、前記リードは、その下面部の一部をエッチングすることで基板実装面となるアウターリードの下面を残すように形成され、前記アウターリードの下面がパッケージ本体の底面の周縁近傍で露出されているか、又は、前記リードを屈曲し、このリードのアウターリードの下面がパッケージ本体の底面の周縁近傍で露出されている、面実装タイプ樹脂製中空パッケージにおいて、その底面部分にパッケージ本体の底面よりも中空部側に位置するパッケージ下面部が設けられ、このパッケージ下面部は、パッケージ本体を構成する樹脂成形体に囲繞され、少なくとも半導体素子の底面と同じ大きさを有していることを特徴とする。
この構成によれば、パッケージ下面部がパッケージ本体の底面より中空部側に位置するため、実装後でも基板とパッケージ下面部との間に隙間が発生し、空気層が確保される。つまり、半導体素子から発生した熱がパッケージ下面部に伝達されると空気層に対流が起り、より効果的に放熱することが可能となる。
パッケージ本体の底面より中空部側に位置するパッケージ下面部は、少なくとも半導体素子の底面と同じ大きさとする。このパッケージ下面部が広いほど空気層が増え、対流効果が高まり放熱性が向上する。また、パッケージ下面部を中空部側により大きく凹ませて位置させれば、空気層が増加することに加え、中空部の底面部分の樹脂部の厚みが薄くなることでパッケージ下面部までの熱伝達速度が高まり、一層の放熱効果が得られる。パッケージ下面部の凹形状は、同形状を成形金型に凸構造として準備し成形することで容易に得られる。
パッケージ本体が実装される基板とパッケージ下面部との間の空気層により強い対流を起こして効果的な放熱を可能とするには、基板とパッケージ下面部との間の隙間における空気層を交換するために、この隙間と外部とを連通する気流通路を形成することが好ましい。具体的には、パッケージ下面部を囲繞する形成樹脂層(パッケージ本体の底面部)に切り欠きや透孔を複数個形成したり、パッケージ本体の2周辺部にリードを配置したものでは他の周辺部に切り欠きや開口部を形成したり、4周辺部にリードを配置したものではパッケージ下面部下の基板面に透孔を複数個形成したり、パッケージ下面部の面積より小面積の開口部を基板に設けることで、気流通路を形成することができる。この気流通路を介して、中空部に蓋材で気密封止された半導体装置とその周辺域との温度差により、基板とパッケージ下面部との間の隙間の空気層により強い対流を生じさせることができる。
さらに高い放熱性を必要とする場合、少なくとも半導体素子の底面と同じ大きさを有する金属体からなるアイランド部を中空部の底面、パッケージ下面部またはその内部に設置すればよい。アイランド部が広いほど、放熱効果は高まる。アイランド部はパッケージ下面部への熱伝導を高める効果があり、設置する位置は中空部の底面、パッケージ下面部あるいはその内部の樹脂層内のいずれでもよい。アイランド部は吊りリードを介してリードフレームに連結させて、成形後の目的とする位置に予め押し下げた(ディプレスした)ものを使用して、樹脂成形することにより容易に得られる。
アイランド部を設置することで、効果的に半導体素子から発生する熱はパッケージ下面部へ伝達され、その熱は空気層の対流により放熱される。パッケージ下面部にアイランド部を設置したとしても、パッケージ本体の底面よりも中空部側で露出する形状となり、基板実装時の熱に伴う金属板の膨張が発生しても、基板を突き上げることが無いため、半田などの実装ペーストに剥離・亀裂を発生させる虞はない。これらによって実装時の接合安定性が確保された、放熱性の高い面実装タイプ樹脂製中空パッケージを得ることができる。
さらに本発明では、中空部の底面と同じかもしくはそれよりも広い金属板を、インナーリード下面に絶縁層を介して固着することもできる。金属板の厚みは厚い方が好ましく、中空部の底面及びパッケージ下面部のいずれにも金属板が露出する厚みを選択することがより好ましい。中空部の底面からパッケージ下面部までの間を熱伝導率の高い金属板が占有し、かつ空気層に接する部位(パッケージ下面部)を金属板とすることで、高い放熱性が得られる。この場合、金型での成形時には、上型によりインナーリード上面を、下型により金属板下面を、強固にクランプできることから、露出される金属板下面、及びインナーリード上面に発生しやすい樹脂バリを極めて少なくすることができ、後の樹脂バリ除去工程への負担が大幅に軽減できる。
インナーリード下面に絶縁層を介して金属板を固着させる構造にすると、露出するインナーリード上面と中空部の底面となる金属板の上面には、リードの厚みと絶縁層の厚み分の高低差が生じる。この高低差は半導体素子の厚みに近い高さに設定することで、半導体素子とインナーリード上面の高低差を小さくすることが可能であり、安定した電気的接合が可能となる。好ましくは半導体素子の厚みとリード及び絶縁層を加えた厚みとを同一とすれば、より安定するとともに、電気的接合の距離を短くすることが可能となり、低コスト化の中空パッケージが提供できる。また、この構造により振動などによる衝撃でショートする危険性が大幅に軽減できる。
金属板は銅、鉄、ステンレス、アルミニウム及びこれらの金属を含む合金からなる群から選ばれたもの、好ましくは銅合金が良い。必要に応じて全面ないし部分的に表面処理を施すことができる。例えば、金、銀、ニッケル、半田などのメッキを施しても良い。また金属板の上面または下面、あるいは上下面に、丸、四角などの形状をした凹凸部を形成することで、樹脂との密着性が高まり、かつ比表面積が増加することに伴い一段と放熱性を高めることが可能となる。また、金属板の側端部に段差部を形成することにより、金属板の比表面積が大きくなり放熱効果が高まり、かつ金属板と樹脂との密着性が高まる効果が得られる。
半導体実装面、つまり金属板の上面は露出した方が高い放熱効果が得られるが、半導体素子と樹脂製中空パッケージ間に絶縁を必要とする製品もあり、金属板上面に樹脂層を設けることも可能である。この際、半導体素子とインナーリードの接合部におけるショートの危険性を回避するためにも、前記樹脂層の上面とインナーリード上面とは同一面上ではなく、高低差を設けることが好ましい。
本発明は、薄型化中空パッケージ、つまり、SON、QFNといったノンリード型の面実装タイプの高放熱性樹脂製中空パッケージに適用される。
第1に、リード下面部の一部をエッチングすることで基板実装面となるアウターリードの下面を残すように形成したリードフレームを用い、アウターリードの下面がパッケージ本体の底面の周縁近傍で露出されているタイプの中空パッケージに適用される。
第2に、リードを屈曲し、このリードのアウターリードの下面がパッケージ本体の底面の周縁近傍で露出されているタイプの中空パッケージに適用される。
前記2種類の面実装タイプ中空パッケージでは、パッケージ本体の底面の周縁近傍に基板への実装端子となるアウターリードが露出しており、中空パッケージの薄型化が図れるとともに、中空部下のパッケージ下面部に空気層を確保でき、対流による放熱性も得られる。
また、前記2種類のノンリード型の面実装タイプの中空パッケージにおいては、先に述べたとおり、その中空部の底面、パッケージ下面部またはその内部に少なくとも半導体素子の底面と同じ大きさを有する金属板からなるアイランド部を設置することができる。あるいは、中空部の底面と同じかもしくはそれよりも広い金属板をインナーリード下面に絶縁層を介して固着することができる。これらによって、さらに高い放熱効果が得られる。アイランド部もしくは金属板の下面をパッケージ下面部に露出させる構造とすることにより、空気層での対流が活発となり、本発明の放熱効果をより高めることが可能である。
金属板の下面をパッケージ下面部に露出させる構造では、先に述べたとおり、金型での成形時には、成形金型の上型でインナーリード上面を、下型で金属板下面を、強固にクランプできることから、露出される金属板の下面、及びインナーリード上面に発生しやすい樹脂バリを極めて少なくすることができ、後の樹脂バリ除去工程への負担が大幅に軽減できる。金属板の下面をパッケージ下面部に露出させるのに加えて、金属板の上面を半導体素子の実装面となる中空部の底面にも露出させることで、放熱効果はさらに高まり、加えて樹脂バリ低減にさらに高い効果も得られる。
また、パッケージ下面部として露出している金属板の周縁にあるパッケージ本体の底面部で高さ位置決めを行うことにより、基板実装時の熱で金属板が膨張してもパッケージ本体の底面部よりも膨らむことは無いことから、精度の高い実装ができるとともに、パッケージ本体の底面部が基板を突き上げ、半田などの実装ペーストに剥離・亀裂等の不具合を発生させ、実装強度の低下あるいは接合不良を発生させてしまうことは無い。
SON、QFNといったノンリード型の面実装タイプ樹脂製中空パッケージでは、パッケージ本体の底面に露出したアウターリード下面の屈曲端面部に段差部を形成することにより、露出するアウターリード下面への樹脂バリが低減され、露出部の寸法精度が向上する。この段差部は、ハーフプレス、またはハーフエッチング方式で形成することが可能である。
本発明により、非常に優れた放熱性を確保し、かつ基板への実装精度を高め、半田などの実装ペーストに剥離・亀裂等の不具合を発生させない半導体素子向け樹脂製中空パッケージを提供することができる。さらに本発明は、DIP、SOP、QFPなどに加え、面実装タイプ樹脂製中空パッケージでも同様の効果が得られ、極めて高い放熱性の薄型樹脂製中空パッケージも提供することができる。
以下、図面に示す実施例に基づいて、本発明の実施の形態を説明する。
まず、本発明の構成の一部を参考例により説明する。図1は樹脂製中空パッケージの参考例を示す断面図である。同図に示す樹脂製中空パッケージにおいて、リードのインナーリード1の上面は中空部20内で露出し、アウターリード2は樹脂成形体からなるパッケージ本体3の外方でガルウィング曲げ(SOP、QFPタイプ)が施されている。そして、パッケージ本体3の底面部分にその底面(以下「パッケージ底面」という。)6よりも中空部20側に凹むようにパッケージ下面部5が設けられている。
図2は、図1の樹脂製中空パッケージを用いた半導体装置である。同図に示す半導体装置は、半導体素子7を中空部の底面4に固着し、電気的接合材8を用いて半導体素子7とインナーリード1を電気的に導通させ、蓋材9をパッケージ本体3の上面に固着し、気密封止することで得られ、実装基板17に実装ペースト18を用いて接着されている。この半導体装置は、図示のようにパッケージ下面部5と実装基板17との間の隙間に空気層19を備えている。ここで、半導体素子7が作動することによって発生した熱は、中空部の底面4からパッケージ下面部5に伝達され外気に放熱されるが、空気層19を備えていることにより、対流が発生しやすい環境となり、放熱効果を高めることが可能となる。
図3は、アイランド部10を中空部の底面4に露出させた構造の樹脂製中空パッケージを示す。アイランド部10は中空部の底面4からパッケージ下面部5の下面の間であれば、どの位置にあっても構わない。パッケージ下面部5の下面にアイランド部10が露出していても、パッケージ下面部5はパッケージ底面6よりも中空部20側に位置しているため、実装時の熱でアイランド部10が膨張しても実装基板と接することがなく、実装ペーストに亀裂・剥離等の不具合を発生させる危険性はない。また、アイランド部10は吊りリードを介してリードフレームに連結させて、成形後の目的とする位置に予め押し下げた(ディプレスした)ものを使用して、樹脂成形することにより容易に得ることができる。
図4は、図1のインナーリード1の下面に絶縁層12を介して金属板11を固着させた構造の樹脂製中空パッケージを示す。金属板11の厚みは厚い方が好ましく、中空部の底面4とパッケージ下面部5のいずれの面にも露出する厚みの金属板を用いるとより高い放熱性が得られる。さらに金属板11の上面または下面、あるいは上下面に凹凸部を形成することで樹脂との密着性が高まり、かつ比表面積が増加することに伴い一段と放熱性を高めることが可能となる。
次に、本発明の実施例を説明する。図5は、リード下面部をエッチングすることで基板実装面となるアウターリード2の下面を残すように形成したリードフレームを用い、アウターリード2の下面がパッケージ底面6の周縁近傍で露出されている面実装タイプの樹脂製中空パッケージを示す。
図6は、図5の構成に加えてアイランド部10を有した構造の面実装タイプの樹脂製中空パッケージを示す。アイランド部10も必要に応じエッチングなどにより厚みを薄くすることも可能である。
図7は、図5のインナーリード1の下面に絶縁層12を介して金属板11を固着させた構造の面実装タイプの樹脂製中空パッケージを示す。図7の構造おいては、金属板11の上面に樹脂層13を設けている。
図8は、リードを屈曲部16にて屈曲させてアウターリード2を形成したリードフレームを用い、アウターリード2の下面がパッケージ底面6の周縁近傍で露出されている面実装タイプの樹脂製中空パッケージを示す。
図9は、図8の構成に加えてアイランド部10を有した構造の面実装タイプの樹脂製中空パッケージを示す。
図10は、図8の屈曲させたリードのインナーリード1の下面に絶縁層12を介して金属板11を固着させている面実装タイプの樹脂製中空パッケージを示す。特に面実装タイプの中空パッケージでは、実装基板とパッケージ底面6とが略同一面上となり、従来、パッケージ底面6からの放熱は望めない状況であったが、本発明ではパッケージ底面6よりも、パッケージ下面部5となる金属板11の下面部分が中空部20側に位置し空気層が確保されることから、対流による放熱が可能となる。なお、図11に示すように、金属板11の上面に樹脂層13を設けてもよい。
図12は、図10のリード部拡大断面図であり、アウターリード2の屈曲端面部であり、リード屈曲部16の端面部に、段差部15を形成している。この段差部15によりアウターリード2の端面に樹脂バリが発生しにくく、寸法精度の高いアウターリードが提供できる。また、金属板11の側端部に段差部14を備えることで樹脂との密着性が高まり、界面剥離延いては気密性低下を防ぐことが可能となる。図13は、図10の樹脂製中空パッケージを用いた半導体装置である。
以下、図13に示す半導体装置の製造方法を説明する。
まず、図に示されるようなSON型あるいはQFN型のリードフレームを準備し、リードに屈曲部16を形成しておく。リード屈曲部16にて形成されたインナーリード1の下面に絶縁層12を介して金属板11を固着され、リードと金属板11が一体化した構造とする。金属板11は、例えば銅、鉄、ステンレス、アルミニウム及びこれらの金属を含む合金からなる群から選択し、必要に応じて、金、銀、ニッケル、半田などのメッキを施しても良い。前記リード及び金属板11を成形金型に装着し、成形金型のキャビティーにエポキシ樹脂や熱可塑樹脂等の耐熱性樹脂をトランスファー成形あるいは射出成形にてインサート成形を行う。ここで、パッケージ下面部5の凹構造を形成するためには、同形状を成形金型で凸構造にしておけば良い。
トランスファー成形を行う条件はエポキシ樹脂等により条件は異なる。一般的には、成形温度150〜200℃、成形圧力1〜50MPa、成形時間1〜40秒の条件、好ましくは成形温度165〜185℃、成形圧力5〜30MPa、成形時間3〜20秒の条件で行う。前記の成形法により成形後、必要に応じ熱を加えて樹脂を硬化させても良い。成形された成形体の露出したリード表面は樹脂バリが発生しているため、後工程にて樹脂バリの除去を行う必要がある。
本発明の構造の場合、成形体表面に露出したインナーリードとアウターリード及び金属板はそれぞれ成形金型で強固にクランプされているので露出されたインナーリード上面とアウターリード下面及び金属板上下面に発生する樹脂バリも極めて少なくすることができる。一般的には樹脂バリを除去する際、高圧水が使用されるが、成形体に高圧水を施すと樹脂とリードの界面の強度が低下しやすくなる。本発明の構造の場合、露出したアウターリード2の端面部に段差部15を形成し、また金属板11の側端部に段差部14を形成しており、樹脂とリード、金属板との密着性が高く、剥離などの発生が抑えられ、気密性の低下が防げる。
以上のようにして得られた樹脂製中空パッケージの中空部の底面4に固体撮像素子などの半導体素子7を接着剤等で固着した後、インナーリード1と半導体素子7を電気的接合材8で接続し、中空部20を蓋材9にて接着材などで接着して気密封止することで図13に示すような本発明の半導体装置が得られる。
1 インナーリード
2 アウターリード
3 パッケージ本体(樹脂成形体)
4 中空部の底面(半導体素子実装面)
5 パッケージ下面部
6 パッケージ底面(パッケージ本体の底面)
7 半導体素子
8 電気的接合材
9 蓋材
10 アイランド部
11 金属板
12 絶縁層
13 樹脂層
14 金属板の段差部
15 リードの段差部
16 リード屈曲部
17 実装基板
18 実装ペースト
19 空気層
20 中空部
2 アウターリード
3 パッケージ本体(樹脂成形体)
4 中空部の底面(半導体素子実装面)
5 パッケージ下面部
6 パッケージ底面(パッケージ本体の底面)
7 半導体素子
8 電気的接合材
9 蓋材
10 アイランド部
11 金属板
12 絶縁層
13 樹脂層
14 金属板の段差部
15 リードの段差部
16 リード屈曲部
17 実装基板
18 実装ペースト
19 空気層
20 中空部
Claims (6)
- 半導体素子を装着するための底面を有する中空部と、この中空部に装着される半導体素子と外部との電気的導通を実現するためのリードと、パッケージ本体を構成する樹脂成形体とからなり、
前記リードは、その下面部の一部をエッチングすることで基板実装面となるアウターリードの下面を残すように形成され、前記アウターリードの下面がパッケージ本体の底面の周縁近傍で露出されているか、又は、
前記リードを屈曲し、このリードのアウターリードの下面がパッケージ本体の底面の周縁近傍で露出されている、面実装タイプ樹脂製中空パッケージにおいて、
その底面部分にパッケージ本体の底面よりも中空部側に位置するパッケージ下面部が設けられ、このパッケージ下面部は、パッケージ本体を構成する樹脂成形体に囲繞され、少なくとも半導体素子の底面と同じ大きさを有していることを特徴とする面実装タイプ樹脂製中空パッケージ。 - 中空部の底面、パッケージ下面部またはその内部に、少なくとも半導体素子の底面と同じ大きさを有する金属板からなるアイランド部を具備した請求項1に記載の面実装タイプ樹脂製中空パッケージ。
- 中空部の底面と同じかもしくはそれよりも広い金属板が、インナーリード下面に絶縁層を介して固着されている請求項1に記載の面実装タイプ樹脂製中空パッケージ。
- リードを屈曲し、このリードのアウターリードの下面がパッケージ本体の底面の周縁近傍で露出されている面実装タイプ樹脂製中空パッケージにおいて、アウターリードの下面の屈曲端面部に、段差部が形成されている請求項1〜3のいずれかに記載の面実装タイプ樹脂製中空パッケージ。
- パッケージ本体が実装される基板とパッケージ下面部との間の隙間と外部とを連通する気流通路が、パッケージ下面部を囲繞する樹脂成形体に形成されている請求項1〜4のいずれかに記載の面実装タイプ樹脂製中空パッケージ。
- 請求項1〜5のいずれかに記載の面実装タイプ樹脂製中空パッケージを用いた半導体装置であって、半導体素子が面実装タイプ樹脂製中空パッケージの中空部の底面に固着され、リードフレームのインナーリードと半導体素子が電気的に接続され、面実装タイプ樹脂製中空パッケージの中空部が蓋材で気密封止された半導体装置。
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